ターボチャージャ
【課題】ノズルからタービンホイールの翼間流路に流れる排気の流速を的確に最適な値へと調整しつつ、ノズル付近での圧力の過上昇を抑制し、ターボチャージャの過給効率の低下を抑制する。
【解決手段】ターボチャージャ１１のタービンホイール１４の翼間流路１６に第２ノズル２３からの排気が流入するとき、中高速用固定翼２５の形成されたスライダ２７をロータシャフト１３の軸線方向に変位させることで、同ノズル２３のガス流通面積が変更される。上記スライダ２７の変位は、中高速用固定翼２５をノズル壁面２３ａに接触させる突出位置と、中高速用固定翼２５をノズル壁面２３ａから最も離れた状態とする没入位置との間で行われる。スライダ２７を突出位置に変位させたとき、中高速用固定翼２５とノズル壁面２３ａとの間にクリアランスが生じることはない。また、内燃機関の排気温が高くなるとき、中高速用固定翼２５がノズル壁面２３ａに固着することもない。
【解決手段】ターボチャージャ１１のタービンホイール１４の翼間流路１６に第２ノズル２３からの排気が流入するとき、中高速用固定翼２５の形成されたスライダ２７をロータシャフト１３の軸線方向に変位させることで、同ノズル２３のガス流通面積が変更される。上記スライダ２７の変位は、中高速用固定翼２５をノズル壁面２３ａに接触させる突出位置と、中高速用固定翼２５をノズル壁面２３ａから最も離れた状態とする没入位置との間で行われる。スライダ２７を突出位置に変位させたとき、中高速用固定翼２５とノズル壁面２３ａとの間にクリアランスが生じることはない。また、内燃機関の排気温が高くなるとき、中高速用固定翼２５がノズル壁面２３ａに固着することもない。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の過給に用いられるターボチャージャに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、自動車用等の内燃機関においては、出力向上等を図るために過給機としてターボチャージャを設けたものが知られている。こうしたターボチャージャは、内燃機関の排気が送り込まれるタービンスクロールと、そのタービンスクロール内の排気をタービンホイールの翼間流路に流すノズルと、タービンホイールと一体回転するコンプレッサホイールとを備えている。そして、ノズルからタービンホイールの翼間流路への排気の流入により同ホイールが回転すると、それに伴いコンプレッサホイールが回転して内燃機関の燃焼室に向けて強制的に空気が送り込まれるようになる。
【０００３】
ところで、内燃機関の低回転時には同機関の排気流量が少なくなるため、ノズルからタービンホイールの翼間流路に流入する排気の流速が低下する。このようにタービンホイールの翼間流路に流入する排気の流速が低下すると、タービンホイールを効果的に回転させることができなくなり、それに伴いコンプレッサホイールの回転による内燃機関の過給も効果的に行えなくなる。こうした問題に対処するため、排気流量の少なくなる内燃機関の低回転時、タービンホイールの翼間流路に流入する排気の流速が同ホイールを効果的に回転させるうえで十分に高速になるよう、ノズルのガス流通面積を小さく設定することも考えられる。ただし、このようにノズルのガス流通面積を小さく設定すると、排気流量の多くなる内燃機関の中高回転時に上記ノズル付近の圧力が高くなり過ぎる。
【０００４】
そこで、特許文献１に示されるように、上記ノズルとして羽根つきノズル及び羽根なしノズルとを設け、羽根つきノズルのガス流通面積を内燃機関の低回転時に適した値に設定するとともに、羽根なしノズルを通ってのタービンホイールの翼間流路への排気の流入を禁止・許可すべく開閉動作する制御バルブを設けることが提案されている。この場合、内燃機関の低回転時には、制御バルブが閉じられて羽根なしノズルを通ってのタービンホイールの翼間流路への排気の流入が禁止されるため、その翼間流路への排気の流入は羽根つきノズルのみから行われることとなる。従って、排気流量の少なくなる内燃機関の低回転時、タービンホイールの翼間流路に流入する排気の流速を同ホイールを効果的に回転させるうえで十分に高速にすることができる。一方、内燃機関の高回転時には、制御バルブが開かれて羽根なしノズルを通っての上記翼間流路への排気の流入が許可される。このため、排気流量が多くなる内燃機関の高回転時、羽根つきノズル付近の圧力が高くなり過ぎるのを抑制することができる。
【０００５】
上記特許文献１のターボチャージャを用いれば、内燃機関の低回転時にタービンホイールの翼間流路に流入する排気の流速確保と、内燃機関の高回転時におけるノズル付近の圧力過上昇の抑制との両立を図り、ターボチャージャによる過給の効率を高めることは可能になる。しかし、内燃機関の中回転時には、同機関の排気流量が低回転時と高回転時との中間程度の値になることから、制御バルブを開弁状態と閉弁状態とのいずれに制御したとしても、タービンホイールの翼間流路に流入する排気の流速を同ホイールを効果的に回転させる値としつつ、ノズル付近の圧力が高くなり過ぎるのを抑制するのは困難である。すなわち、内燃機関の中回転時に制御バルブを開弁状態とした場合には、ノズル付近の圧力が過上昇するのは抑制できるものの、タービンホイールの翼間流路に流入する排気の流速が同ホイールを効果的に回転させる値よりも小となる。また、内燃機関の中回転時に制御バルブを閉弁状態とした場合には、タービンホイールの翼間流路に流入する排気の流速を好適な値へと高めることはできるものの、ノズル付近の圧力が過上昇して過給効率が低下することは避けられない。
【０００６】
こうした問題に対処するため、上述した羽根つきノズル、羽根なしノズル、及び制御バルブといった構成を採用する代わりに、ノズルに同ノズルのガス流通面積を可変とすべく開閉動作する可変翼を設けることも考えられる。この可変翼は、上記ノズルにおける対向するノズル壁面間に所定間隔をおいて複数設けられ、それらノズル壁面と直交する軸を中心とする回動方向に各々同期して開閉動作する。そして、隣り合う可変翼の開閉動作に基づき、各可動翼間の隙間の大きさ、言い換えればノズルのガス流通面積が変化するようになる。
【０００７】
以上のように、ノズルに可変翼を設けたターボチャージャにおいては、その可変翼を開閉させてノズルのガス流通面積を変更することで、ノズルを通って上記翼間流路に流れる排気の流速を可変とすることができる。従って、内燃機関の低回転時には可動翼を閉じ側に変位させ、内燃機関の回転速度が高くなるにつれて上記可変翼を開き側に変位させてノズルのガス流通面積を大きくしてゆくことで、以下のような効果を得ることができると考えられる。すなわち、機関低回転時には上記翼間流路に流入する排気の流速を最適な値に調整しつつ、機関中回転から高回転にかけては上記排気の流速を最適な値としたうえでノズル付近の圧力過上昇に伴う過給効率低下を抑制することが可能と考えられる。
【特許文献１】特開昭６０−１６６７１８公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところが、ノズルに可変翼を設けたターボチャージャにおいては、ノズル壁面と可変翼とのクリアランスから排気が漏れることは避けられず、その排気漏れの分だけノズルからタービンホイールの翼間流路に流れる排気の流速が低下する。従って、ノズルからタービンホイールの翼間流路に流れる排気の流速を、タービンホイールを効率よく回転させることの可能な値に調整することが困難になり、ターボチャージャの過給効率が低下する。
【０００９】
また、内燃機関の排気温が例えば９５０℃以上といった高温になると、ノズルの対向するノズル壁面間で開閉動作するノズルがノズル壁面に固着してしまい、ノズルのガス流通面積を変更することができなくなる。その結果、ノズルからタービンホイールの翼間流路に流れる排気の流速を、タービンホイールを効率よく回転させることの可能な値に調整することができなくなったり、ノズル付近の圧力が過上昇したりして、ターボチャージャの過給効率が低下する。
【００１０】
本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、ノズルからタービンホイールの翼間流路に流れる排気の流速を的確に最適な値へと調整しつつ、ノズル付近での圧力の過上昇を抑制し、ターボチャージャの過給効率低下を抑制することのできるターボチャージャを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について記載する。
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明では、内燃機関の排気が送り込まれるタービンスクロールと、そのタービンスクロール内の排気をタービンホイールの翼間流路に流すノズルとを備え、そのノズルから前記タービンホイールの翼間流路への排気の流入により同ホイールが回転するターボチャージャにおいて、前記ノズルにおける対向するノズル壁面のうち一方のノズル壁面側から他方のノズル壁面に接触するまで突出する突出位置と、前記他方のノズル壁面から最も離れた状態である没入位置との間で変位するスライダと、前記スライダが前記突出位置にあるときに前記スライダにおける前記ノズル内に位置する部分に形成されて同ノズルのガス流通面積を定める固定翼とを備えた。
【００１２】
上記構成によれば、スライダを突出位置に変位させたとき、ノズルのガス流通面積がスライダに形成された固定翼によって定められた値になる。そして、スライダを突出位置から没入位置に向けて変位させるほど、スライダに形成された固定翼が上記他のノズル壁面から離れてゆき、ノズルのガス流通面積が大きくなってゆく。従って、スライダを突出位置と没入位置との間で変位させてノズルのガス流通面積を変更することで、ノズルからタービンホイールの翼間流路に流れる排気の流速が調整される。このように固定翼を上記他のノズル壁面に対し接近・離間させることで、ノズルのガス流通面積を変更して上記翼間流路に流入する排気の流速を調整する場合、以下のような効果が得られるようになる。すなわち、ノズルに設けられた可変翼を開閉動作させて上記翼間流路に流入する排気の流速を調整する場合のように、ノズル壁面と可変翼とのクリアランスからの排気漏れに起因して、上記排気の流速を適切な値に調整するのが困難になるということはなく、その調整を的確に行うことができる。また、上記可変翼を採用した場合のように、内燃機関の排気温が高くなったときノズル壁面に可変翼が固着することもなく、それによって上記排気の流速を適切な値に調整できなくなったり、ノズル付近の圧力が過上昇したりするのを回避することができる。従って、ノズルからタービンホイールの翼間流路に流れる排気の流速を、タービンホイールを効果的に回転させるうえで最適な値へと的確に調整しつつ、ノズル付近の圧力の過上昇を抑制することができ、それらを行えないことに伴うターボチャージャの過給効率低下を抑制することができる。
【００１３】
請求項２記載の発明では、請求項１記載の発明では、前記スライダについては前記固定翼が前記タービンホイールの翼間流路の直前に位置するように設けられていることを要旨とした。
【００１４】
固定翼がタービンホイールの翼間流路に対し上流側に離れて位置するほど、その固定翼によってノズルから上記翼間流路に流れる排気の流速を定めることは困難になる。上記構成によれば、固定翼が翼間流路の直前に位置するため、ノズルから翼間流路に流入する排気の流速を固定翼によって的確に定めることができる。
【００１５】
請求項３記載の発明では、請求項１又は２記載の発明では、前記ノズルとして第１ノズルと第２ノズルとが設けられ、前記第１ノズルにはノズル壁面に固定されるとともに同ノズルのガス流通面積を内燃機関の低回転時に適した値に設定する低速用固定翼が設けられ、内燃機関の低回転時には前記第２ノズルへの排気の流入を禁止すべく全閉状態とされて内燃機関の中高回転時には前記第２ノズルへの排気の流入を許可すべく全開状態とされる制御バルブが設けられ、前記スライダは前記第２ノズルにおいて突出位置と没入位置との間で変位するものであり、前記スライダに形成された固定翼は同スライダを突出位置に変位させたときに前記第２ノズルのガス流通面積を内燃機関の中回転時に適した値に設定する中高速用固定翼であることを要旨とした。
【００１６】
上記構成によれば、内燃機関の低回転時には制御バルブが閉弁状態とされ、第２ノズルへの排気の流入が禁止され、タービンホイールの翼間流路への排気の流入は第１ノズルのみから行われる。この第１ノズルについては、ノズル壁面に低速用固定翼が固定されるとともに、同ノズルのガス流通面積が上記低速用固定翼によって内燃機関の低回転時に適した値に固定されている。上記低速用固定翼と第１ノズルのノズル壁面との間にクリアランスはなく、そのクリアランスからの排気漏れの影響を受けて、第１ノズルからタービンホイールの翼間流路に流れる排気の流速を適切な値に調整するのが困難になるということもない。従って、内燃機関の低回転時に第１ノズルからタービンホイールの翼間流路に流入する排気の流速を、タービンホイールを効果的に回転させるのに適した値へと的確に調整することができる。
【００１７】
また、内燃機関の中高回転時には制御バルブが開弁状態とされ、第１ノズルと第２ノズルとの両方からタービンホイールの翼間流路への排気の流入が行われる。
内燃機関の中回転時にはスライダを突出位置に保持することで、そのスライダに形成された中高速用固定翼が第２ノズルにおける上記他のノズル壁面に接触した状態となり、その中高速用固定翼によって第２ノズルのガス流通面積を内燃機関の中回転時に適した値に定めることができる。言い換えれば、第２ノズルからタービンホイールの翼間流路に流入する排気の流速を内燃機関の中回転時にタービンホイールを効果的に回転させつつ、第２ノズル付近の圧力を過上昇させることのない値に定めることができる。そして、このときには、中高速用固定翼と上記他のノズル壁面との間にクリアランスが生じることはないため、そのクリアランスからの排気漏れに起因して第２ノズルから上記翼間流路に流入する排気の流速を適切な値に調整するのが困難になるということもない。
【００１８】
内燃機関の中回転から回転にかけては、同機関の回転速度が高くなるほどスライダを突出位置から没入位置へと変化させることで、スライダに形成された中高速用固定翼が上記他のノズル壁面から離れてゆき、ノズルのガス流通面積が大きくなってゆく。このように第２ノズルのガス流通面積を変更することで、第２ノズルからタービンホイールの翼間流路に流れる排気の流速を適切な値に調整することができるとともに、第２ノズル付近での圧力の過上昇を抑制することができる。また、上述したように中高速用固定翼を上記他のノズル壁面に対し接近・離間させることで第２ノズルのガス流通面積を変更する場合、内燃機関の排気温が高くなったとしても上記他のノズル壁面に中高速用固定翼が固着することはなく、それによって上記排気の流速を適切な値に調整できなくなったり、第２ノズル付近での圧力の過上昇が生じたりするのを回避することができる。
【００１９】
以上により、内燃機関の低回転から高回転に亘って、タービンホイールの翼間流路に流入する排気の流速を、タービンホイールを効果的に回転させるうえで最適な値に的確に調整しつつ、ノズル付近の圧力が過上昇するのを抑制することができ、それらを行えないことによるターボチャージャの過給効率低下を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図１〜図４に従って説明する。
図１は、自動車に搭載される内燃機関の過給を行うターボチャージャ１１における同機関の排気系側の部分を示す断面図である。
【００２１】
同図に示されるように、ターボチャージャ１１は、センタハウジング１２に回転可能に支持されたロータシャフト１３を備えている。そして、ロータシャフト１３の一端部（図中右端部）にはタービンホイール１４が取り付けられている。このタービンホイール１４にはロータシャフト１３の軸線を中心とする周方向に沿って複数の羽根１５が設けられ、各羽根１５の間は翼間流路１６とされている。
【００２２】
センタハウジング１２の一端側には、タービンホイール１４の外周を囲うように、しかも渦巻き状に延びるかたちでタービンスクロール１７が取り付けられている。このタービンスクロール１７の内部は、内燃機関の排気通路２１と連通しており、同排気通路２１から内燃機関の排気が送り込まれるようになっている。そして、タービンスクロール１７内に送り込まれた排気をタービンホイール１４の翼間流路１６に流すことで、タービンホイール１４及びロータシャフト１３が回転するようになる。そして、ロータシャフト１３が回転すると、同シャフト１３の他端部に取り付けられたコンプレッサホイールも回転し、それに伴い内燃機関の吸気通路内の空気が強制的に燃焼室に向けて送り出される。
【００２３】
次に、タービンスクロール１７の内部構造について詳しく説明する。
タービンスクロール１７においては、内燃機関の排気通路２１と繋がるスクロール通路１９が形成されるとともに、そのスクロール通路１９内の排気をタービンホイール１４の翼間流路１６に流す第１ノズル２２及び第２ノズル２３が設けられている。また、第２ノズル２３とスクロール通路１９との接続部分には、アクチュエータ２６ａによって駆動される制御バルブ２６が設けられている。この制御バルブ２６は、アクチュエータ２６ａによる駆動を通じて、スクロール通路１９から第２ノズル２３への排気の流入を禁止・許可すべく全閉状態と全開状態との間で開閉動作する。
【００２４】
第１ノズル２２の対向するノズル壁面において、タービンホイール１４の翼間流路１６寄りの部分には、第１ノズル２２のガス流通面積を設定するための低速用固定翼２４が固定されている。この低速用固定翼２４は、タービンホイール１４周りにおいて、図２に示されるように周方向に沿って等間隔をおいて複数設けられている。そして、第１ノズル２２のガス流通面積については、上記各低速用固定翼２４によって、内燃機関の低回転時にスクロール通路１９から第１ノズル２２を通ってタービンホイール１４の翼間流路１６に流入する排気の流速が、同ホイール１４を効果的に回転させることの可能な値となるよう設定されている。
【００２５】
図１に示されるタービンスクロール１７において、第２ノズル２３に対応する部分には、ロータシャフト１３の軸線方向（図中左右方向）に延びる円筒状のスライダ２７が当該軸線方向に変位可能に設けられている。こうしたスライダ２７の変位はアクチュエータ２７ａの駆動を通じて行われ、スライダ２７の外周面にはアクチュエータ２７ａによる上記軸線方向への駆動力を受ける溝３２が形成されている。そして、スライダ２７は、アクチュエータ２７ａの駆動を通じて、第２ノズル２３の対向するノズル壁面２３ａ，２３ｂのうち一方のノズル壁面２３ｂから他方のノズル壁面２３ａに接触する突出位置と、他方のノズル壁面２３ａから最も離れた状態であって一方のノズル壁面２３ｂに対し没入した状態である没入位置との間で変位する。
【００２６】
スライダ２７が突出位置にあるとき、すなわち図１に示される位置にあるときに同スライダ２７における第２ノズル２３内に位置する部分には、第２ノズル２３のガス流通面積を定めるための中高速用固定翼２５が形成されている。スライダ２７に形成された中高速用固定翼２５は、タービンホイール１４周りにおいて、図３に示されるように周方向に沿って等間隔をおいて複数設けられている。そして、第２ノズル２３のガス流通面積は、上記各中高速用固定翼２５によって以下のように設定されている。すなわち、内燃機関の中回転時にスクロール通路１９から第２ノズル２３を通ってタービンホイール１４の翼間流路１６に流入する排気の流速が同ホイール１４を効果的に回転させることの可能な値となり、かつ第２ノズル２３付近の圧力が過上昇することのない値となるよう設定されている。
【００２７】
なお、上記スライダ２７については、中高速用固定翼２５がタービンホイール１４の翼間流路１６に対し可能な限り近い位置となり、その翼間流路１６の直前に位置するように設けられている。これは、中高速用固定翼２５がタービンホイール１４の翼間流路１６に対し上流側に離れて位置するほど、その中高速用固定翼２５によって第２ノズル２３から上記翼間流路１６に流れる排気の流速を定めることが困難になるためである。
【００２８】
ところで、ターボチャージャ１１の過給効率については、タービンホイール１４の翼間流路１６に排気が流入する際の流速など、翼間流路１６への排気の流入態様が大きく影響を及ぼす。また、タービンホイール１４の翼間流路１６への排気の流入態様は、制御バルブ２６の開閉動作、及び、スライダ２７のロータシャフト１３の軸線方向への変位、すなわち突出位置（図１）と没入位置（図４）との間での変位を通じて可変とされる。従って、ターボチャージャ１１による過給を効果的に行うには、上記翼間流路１６への排気の流入態様が内燃機関の運転状態に適したものとなるよう、制御バルブ２６及びスライダ２７を制御することが必要になる。
【００２９】
この実施形態では、こうした制御バルブ２６及びスライダ２７の制御を、自動車に搭載された内燃機関の各種制御を行う電子制御装置２９を通じて行うようにしている。この電子制御装置２９は、内燃機関の回転速度を検出する回転速度センサ２８など各種センサの検出信号を入力し、これら検出信号から把握される機関運転状態に基づき制御バルブ２６の開閉動作及びスライダ２７の軸線方向への変位を行うためのアクチュエータ２６ａ，２７ａの駆動制御を行う。こうした制御バルブ２６及びスライダ２７の制御を通じて、タービンホイール１４の翼間流路１６への排気の流入態様がターボチャージャ１１による効果的な過給を実現するのに適した態様とされる。
【００３０】
次に、上述した制御バルブ２６及びスライダ２７の制御について詳しく説明する。
内燃機関の低回転時には制御バルブ２６が全閉状態とされ、第２ノズル２３からタービンホイール１４の翼間流路１６への排気の流入が禁止される。このとき、翼間流路１６への排気の流入は第１ノズル２２のみから行われる。この第１ノズル２２については、低速用固定翼２４が同ノズル２２の対向するノズル壁面に固定されるとともに、同ノズル２２のガス流通面積が上記低速用固定翼２４によって内燃機関の低回転時に適した値となるよう設定されている。上記低速用固定翼２４と第１ノズル２２のノズル壁面との間にクリアランスはなく、そのクリアランスからの排気漏れの影響を受けて、第１ノズル２２からタービンホイール１４の翼間流路１６に流れる排気の流速を適切な値に調整するのが困難になるということもない。従って、内燃機関の低回転時に第１ノズル２２からタービンホイール１４の翼間流路１６に流れる排気の流速を、タービンホイール１４を効果的に回転させるのに適した値に調整することができる。
【００３１】
また、内燃機関の中高回転時には制御バルブ２６が全開状態とされ、第１ノズル２２と第２ノズル２３との両方からタービンホイール１４の翼間流路１６への排気の流入が行われる。
【００３２】
内燃機関の中回転時にはスライダ２７を突出位置、すなわち図１の位置に保持することによって、そのスライダ２７に形成された中高速用固定翼２５が第２ノズル２３のノズル壁面２３ａに接触した状態となり、その中高速用固定翼２５によって第２ノズル２３のガス流通面積が内燃機関の中回転時に適した値に定められる。言い換えれば、第２ノズル２３からタービンホイール１４の翼間流路１６に流入する排気の流速を内燃機関の中回転時にタービンホイール１４を効果的に回転させつつ、第２ノズル２３付近の圧力を過上昇させることのない値となるよう定められる。そして、このときには、中高速用固定翼２５とノズル壁面２３ａとの間にクリアランスが生じることはないため、そのクリアランスからの排気漏れに起因して第２ノズル２３から上記翼間流路１６に流入する排気の流速を適切な値に調整するのが困難になるということもない。
【００３３】
内燃機関の中回転から高回転にかけては、内燃機関の回転速度が高くなるほどスライダ２７を図１の位置である突出位置から図４の位置である没入位置へと開き側に変化させることで、スライダ２７に形成された中高速用固定翼２５が上記ノズル壁面２３ａから離れてゆき、第２ノズル２３のガス流通面積が大きくなってゆく。このように第２ノズル２３のガス流通面積を変更することで、第２ノズル２３からタービンホイール１４の翼間流路１６に流れる排気の流速を適切な値に調整することができるとともに、第２ノズル２３付近での圧力の過上昇を抑制することができる。また、上記中高速用固定翼２５をノズル壁面２３ａに対し接近・離間させることで、第２ノズル２３のガス流通面積を変更する場合、排気温が高くなったとしてもノズル壁面２３ａに上記固定翼２５が固着することはなく、それによって上記排気の流速を適切な値に調整できなくなったり、ノズル付近の圧力が過上昇したりするのを回避することができる。
【００３４】
以上詳述した本実施形態によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）内燃機関の低回転時には、第１ノズル２２のみからタービンホイール１４の翼間流路１６への排気の流入が行われる。この第１ノズル２２のノズル壁面と低速用固定翼２４との間にはクリアランスが生じることはなく、そのクリアランスからの排気漏れの影響を受けて、第１ノズル２２からタービンホイール１４の翼間流路１６に流れる排気の流速を適切な値に調整するのが困難になるということもない。従って、内燃機関の低回転時において、第１ノズル２２から上記翼間流路１６に流入する排気の流速を、タービンホイール１４を効果的に回転させるのに適した値に調整することができる。
【００３５】
（２）内燃機関の中回転時には、第２ノズル２３からタービンホイール１４の翼間流路１６への排気の流入が行われるとともに、スライダ２７が突出位置に保持される。これにより、内燃機関の中回転時において、上記翼間流路１６に流入する排気の流速を最適な値としつつ、第２ノズル２３付近の圧力の過上昇を抑制することができる。また、このときには、中高速用固定翼２５とノズル壁面２３ａとの間にクリアランスが生じることはないため、そのクリアランスからの排気漏れに起因して第２ノズル２３から上記翼間流路１６に流入する排気の流速を適切な値に調整するのが困難になるということもない。
【００３６】
（３）内燃機関の中回転から高回転にかけては、第２ノズル２３から上記翼間流路１６への排気の流入が行われるとともに、機関回転速度が高くなるほどスライダ２７が突出位置から没入位置へと変位させられる。これにより、内燃機関の中回転から高い回転にかけて、第２ノズル２３からタービンホイール１４の翼間流路１６に流れる排気の流速を最適な値としつつ、第２ノズル２３付近での圧力の過上昇を抑制することができる。また、上述したように第２ノズル２３のガス流通面積を変更する場合、排気温が高くなったとしてもノズル壁面２３ａに中高速用固定翼２５が固着することはなく、それによって上記排気の流速を適切な値に調整できなくなったり、ノズル付近の圧力が過上昇したりするのを回避することができる。
【００３７】
（４）上記（１）〜（３）により、内燃機関の低回転から高回転に亘って、タービンホイール１４の翼間流路１６に流入する排気の流速を、タービンホイール１４を効果的に回転させるうえで最適な値に的確に調整しつつ、ノズル付近の圧力が過上昇するのを抑制することができる。そして、それらを行えないことによるターボチャージャ１１の過給効率低下を抑制することができる。
【００３８】
（５）第２ノズル２３の中高速用固定翼２５がタービンホイール１４の翼間流路１６に対し上流側に離れて位置するほど、その中高速用固定翼２５によって第２ノズル２３から上記翼間流路１６に流れる排気の流速を定めることは困難になる。しかし、中高速用固定翼２５の形成されたスライダ２７については、その中高速用固定翼２５が翼間流路１６の直前に位置するように設けられている。このため、第２ノズル２３から翼間流路１６に流入する排気の流速を中高速用固定翼２５によって的確に定めることができる。
【００３９】
（６）仮に、第２ノズル２３のガス流通面積を可変翼の開閉動作によって可変とするようにした場合、可変翼をタービンホイール１４の周方向に沿って所定間隔をおいて複数設け、それら可変翼をリンク機構等を用いて同期した状態で開閉動作させる必要がある。このため、上記リンク機構等を設けなければならない分だけ、ターボチャージャ１１の構造が複雑になることは避けられない。しかし、第２ノズル２３のガス流通面積の可変を中高速用固定翼２５の形成されたスライダ２７の変位によって行うようにした場合、上記リンク機構等を設ける必要はないため、ターボチャージャ１１の構成を複雑にすることなく、第２ノズル２３のガス流通面積の可変を実現することができる。
【００４０】
なお、上記実施形態は、例えば以下のように変更することもできる。
・中高速用固定翼２５を翼間流路１６の直前よりも上流側に位置するようスライダ２７を設けてもよい。
【００４１】
・スクロール通路１９から一つのノズルを介して翼間流路１６に排気を流入するターボチャージャに本発明を適用してもよい。この場合、スライダ２７をロータシャフトの軸線方向に変位させることで、上記ノズルのガス流通面積が変更されるようになるが、スライダ２７に形成される固定翼としては内燃機関の低回転時に適したもの、例えば低速用固定翼２４と同形状のものに変更することが好ましい。
【００４２】
・タービンスクロール内を仕切壁によって二つのスクロール通路に区画し、一方のスクロール通路を第１ノズル２２に繋ぐとともに、他方のスクロール通路を第２ノズル２３に繋ぐようにしてもよい。この場合、制御バルブ２６は、第２ノズル２３に繋がるスクロール通路と排気通路２１との接続部分に設けられる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本実施形態のターボチャージャにおける内燃機関の排気系側の部分を示す断面図。
【図２】上記ターボチャージャのタービンスクロール内部における第１ノズル周りの構造を示す断面図。
【図３】上記ターボチャージャのタービンスクロール内部における第２ノズル周りの構造を示す断面図。
【図４】スライダが没入位置にある状態を示す拡大断面図。
【符号の説明】
【００４４】
１１…ターボチャージャ、１２…センタハウジング、１３…ロータシャフト、１４…タービンホイール、１５…羽根、１６…翼間流路、１７…タービンスクロール、１９…スクロール通路、２１…排気通路、２２…第１ノズル、２３…第２ノズル、２３ａ，２３ｂ…ノズル壁面、２４…低速用固定翼、２５…中高速用固定翼、２６…制御バルブ、２６ａ…アクチュエータ、２７…スライダ、２７ａ…アクチュエータ、２８…回転速度センサ、２９…電子制御装置、３２…溝。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の過給に用いられるターボチャージャに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、自動車用等の内燃機関においては、出力向上等を図るために過給機としてターボチャージャを設けたものが知られている。こうしたターボチャージャは、内燃機関の排気が送り込まれるタービンスクロールと、そのタービンスクロール内の排気をタービンホイールの翼間流路に流すノズルと、タービンホイールと一体回転するコンプレッサホイールとを備えている。そして、ノズルからタービンホイールの翼間流路への排気の流入により同ホイールが回転すると、それに伴いコンプレッサホイールが回転して内燃機関の燃焼室に向けて強制的に空気が送り込まれるようになる。
【０００３】
ところで、内燃機関の低回転時には同機関の排気流量が少なくなるため、ノズルからタービンホイールの翼間流路に流入する排気の流速が低下する。このようにタービンホイールの翼間流路に流入する排気の流速が低下すると、タービンホイールを効果的に回転させることができなくなり、それに伴いコンプレッサホイールの回転による内燃機関の過給も効果的に行えなくなる。こうした問題に対処するため、排気流量の少なくなる内燃機関の低回転時、タービンホイールの翼間流路に流入する排気の流速が同ホイールを効果的に回転させるうえで十分に高速になるよう、ノズルのガス流通面積を小さく設定することも考えられる。ただし、このようにノズルのガス流通面積を小さく設定すると、排気流量の多くなる内燃機関の中高回転時に上記ノズル付近の圧力が高くなり過ぎる。
【０００４】
そこで、特許文献１に示されるように、上記ノズルとして羽根つきノズル及び羽根なしノズルとを設け、羽根つきノズルのガス流通面積を内燃機関の低回転時に適した値に設定するとともに、羽根なしノズルを通ってのタービンホイールの翼間流路への排気の流入を禁止・許可すべく開閉動作する制御バルブを設けることが提案されている。この場合、内燃機関の低回転時には、制御バルブが閉じられて羽根なしノズルを通ってのタービンホイールの翼間流路への排気の流入が禁止されるため、その翼間流路への排気の流入は羽根つきノズルのみから行われることとなる。従って、排気流量の少なくなる内燃機関の低回転時、タービンホイールの翼間流路に流入する排気の流速を同ホイールを効果的に回転させるうえで十分に高速にすることができる。一方、内燃機関の高回転時には、制御バルブが開かれて羽根なしノズルを通っての上記翼間流路への排気の流入が許可される。このため、排気流量が多くなる内燃機関の高回転時、羽根つきノズル付近の圧力が高くなり過ぎるのを抑制することができる。
【０００５】
上記特許文献１のターボチャージャを用いれば、内燃機関の低回転時にタービンホイールの翼間流路に流入する排気の流速確保と、内燃機関の高回転時におけるノズル付近の圧力過上昇の抑制との両立を図り、ターボチャージャによる過給の効率を高めることは可能になる。しかし、内燃機関の中回転時には、同機関の排気流量が低回転時と高回転時との中間程度の値になることから、制御バルブを開弁状態と閉弁状態とのいずれに制御したとしても、タービンホイールの翼間流路に流入する排気の流速を同ホイールを効果的に回転させる値としつつ、ノズル付近の圧力が高くなり過ぎるのを抑制するのは困難である。すなわち、内燃機関の中回転時に制御バルブを開弁状態とした場合には、ノズル付近の圧力が過上昇するのは抑制できるものの、タービンホイールの翼間流路に流入する排気の流速が同ホイールを効果的に回転させる値よりも小となる。また、内燃機関の中回転時に制御バルブを閉弁状態とした場合には、タービンホイールの翼間流路に流入する排気の流速を好適な値へと高めることはできるものの、ノズル付近の圧力が過上昇して過給効率が低下することは避けられない。
【０００６】
こうした問題に対処するため、上述した羽根つきノズル、羽根なしノズル、及び制御バルブといった構成を採用する代わりに、ノズルに同ノズルのガス流通面積を可変とすべく開閉動作する可変翼を設けることも考えられる。この可変翼は、上記ノズルにおける対向するノズル壁面間に所定間隔をおいて複数設けられ、それらノズル壁面と直交する軸を中心とする回動方向に各々同期して開閉動作する。そして、隣り合う可変翼の開閉動作に基づき、各可動翼間の隙間の大きさ、言い換えればノズルのガス流通面積が変化するようになる。
【０００７】
以上のように、ノズルに可変翼を設けたターボチャージャにおいては、その可変翼を開閉させてノズルのガス流通面積を変更することで、ノズルを通って上記翼間流路に流れる排気の流速を可変とすることができる。従って、内燃機関の低回転時には可動翼を閉じ側に変位させ、内燃機関の回転速度が高くなるにつれて上記可変翼を開き側に変位させてノズルのガス流通面積を大きくしてゆくことで、以下のような効果を得ることができると考えられる。すなわち、機関低回転時には上記翼間流路に流入する排気の流速を最適な値に調整しつつ、機関中回転から高回転にかけては上記排気の流速を最適な値としたうえでノズル付近の圧力過上昇に伴う過給効率低下を抑制することが可能と考えられる。
【特許文献１】特開昭６０−１６６７１８公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところが、ノズルに可変翼を設けたターボチャージャにおいては、ノズル壁面と可変翼とのクリアランスから排気が漏れることは避けられず、その排気漏れの分だけノズルからタービンホイールの翼間流路に流れる排気の流速が低下する。従って、ノズルからタービンホイールの翼間流路に流れる排気の流速を、タービンホイールを効率よく回転させることの可能な値に調整することが困難になり、ターボチャージャの過給効率が低下する。
【０００９】
また、内燃機関の排気温が例えば９５０℃以上といった高温になると、ノズルの対向するノズル壁面間で開閉動作するノズルがノズル壁面に固着してしまい、ノズルのガス流通面積を変更することができなくなる。その結果、ノズルからタービンホイールの翼間流路に流れる排気の流速を、タービンホイールを効率よく回転させることの可能な値に調整することができなくなったり、ノズル付近の圧力が過上昇したりして、ターボチャージャの過給効率が低下する。
【００１０】
本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、ノズルからタービンホイールの翼間流路に流れる排気の流速を的確に最適な値へと調整しつつ、ノズル付近での圧力の過上昇を抑制し、ターボチャージャの過給効率低下を抑制することのできるターボチャージャを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について記載する。
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明では、内燃機関の排気が送り込まれるタービンスクロールと、そのタービンスクロール内の排気をタービンホイールの翼間流路に流すノズルとを備え、そのノズルから前記タービンホイールの翼間流路への排気の流入により同ホイールが回転するターボチャージャにおいて、前記ノズルにおける対向するノズル壁面のうち一方のノズル壁面側から他方のノズル壁面に接触するまで突出する突出位置と、前記他方のノズル壁面から最も離れた状態である没入位置との間で変位するスライダと、前記スライダが前記突出位置にあるときに前記スライダにおける前記ノズル内に位置する部分に形成されて同ノズルのガス流通面積を定める固定翼とを備えた。
【００１２】
上記構成によれば、スライダを突出位置に変位させたとき、ノズルのガス流通面積がスライダに形成された固定翼によって定められた値になる。そして、スライダを突出位置から没入位置に向けて変位させるほど、スライダに形成された固定翼が上記他のノズル壁面から離れてゆき、ノズルのガス流通面積が大きくなってゆく。従って、スライダを突出位置と没入位置との間で変位させてノズルのガス流通面積を変更することで、ノズルからタービンホイールの翼間流路に流れる排気の流速が調整される。このように固定翼を上記他のノズル壁面に対し接近・離間させることで、ノズルのガス流通面積を変更して上記翼間流路に流入する排気の流速を調整する場合、以下のような効果が得られるようになる。すなわち、ノズルに設けられた可変翼を開閉動作させて上記翼間流路に流入する排気の流速を調整する場合のように、ノズル壁面と可変翼とのクリアランスからの排気漏れに起因して、上記排気の流速を適切な値に調整するのが困難になるということはなく、その調整を的確に行うことができる。また、上記可変翼を採用した場合のように、内燃機関の排気温が高くなったときノズル壁面に可変翼が固着することもなく、それによって上記排気の流速を適切な値に調整できなくなったり、ノズル付近の圧力が過上昇したりするのを回避することができる。従って、ノズルからタービンホイールの翼間流路に流れる排気の流速を、タービンホイールを効果的に回転させるうえで最適な値へと的確に調整しつつ、ノズル付近の圧力の過上昇を抑制することができ、それらを行えないことに伴うターボチャージャの過給効率低下を抑制することができる。
【００１３】
請求項２記載の発明では、請求項１記載の発明では、前記スライダについては前記固定翼が前記タービンホイールの翼間流路の直前に位置するように設けられていることを要旨とした。
【００１４】
固定翼がタービンホイールの翼間流路に対し上流側に離れて位置するほど、その固定翼によってノズルから上記翼間流路に流れる排気の流速を定めることは困難になる。上記構成によれば、固定翼が翼間流路の直前に位置するため、ノズルから翼間流路に流入する排気の流速を固定翼によって的確に定めることができる。
【００１５】
請求項３記載の発明では、請求項１又は２記載の発明では、前記ノズルとして第１ノズルと第２ノズルとが設けられ、前記第１ノズルにはノズル壁面に固定されるとともに同ノズルのガス流通面積を内燃機関の低回転時に適した値に設定する低速用固定翼が設けられ、内燃機関の低回転時には前記第２ノズルへの排気の流入を禁止すべく全閉状態とされて内燃機関の中高回転時には前記第２ノズルへの排気の流入を許可すべく全開状態とされる制御バルブが設けられ、前記スライダは前記第２ノズルにおいて突出位置と没入位置との間で変位するものであり、前記スライダに形成された固定翼は同スライダを突出位置に変位させたときに前記第２ノズルのガス流通面積を内燃機関の中回転時に適した値に設定する中高速用固定翼であることを要旨とした。
【００１６】
上記構成によれば、内燃機関の低回転時には制御バルブが閉弁状態とされ、第２ノズルへの排気の流入が禁止され、タービンホイールの翼間流路への排気の流入は第１ノズルのみから行われる。この第１ノズルについては、ノズル壁面に低速用固定翼が固定されるとともに、同ノズルのガス流通面積が上記低速用固定翼によって内燃機関の低回転時に適した値に固定されている。上記低速用固定翼と第１ノズルのノズル壁面との間にクリアランスはなく、そのクリアランスからの排気漏れの影響を受けて、第１ノズルからタービンホイールの翼間流路に流れる排気の流速を適切な値に調整するのが困難になるということもない。従って、内燃機関の低回転時に第１ノズルからタービンホイールの翼間流路に流入する排気の流速を、タービンホイールを効果的に回転させるのに適した値へと的確に調整することができる。
【００１７】
また、内燃機関の中高回転時には制御バルブが開弁状態とされ、第１ノズルと第２ノズルとの両方からタービンホイールの翼間流路への排気の流入が行われる。
内燃機関の中回転時にはスライダを突出位置に保持することで、そのスライダに形成された中高速用固定翼が第２ノズルにおける上記他のノズル壁面に接触した状態となり、その中高速用固定翼によって第２ノズルのガス流通面積を内燃機関の中回転時に適した値に定めることができる。言い換えれば、第２ノズルからタービンホイールの翼間流路に流入する排気の流速を内燃機関の中回転時にタービンホイールを効果的に回転させつつ、第２ノズル付近の圧力を過上昇させることのない値に定めることができる。そして、このときには、中高速用固定翼と上記他のノズル壁面との間にクリアランスが生じることはないため、そのクリアランスからの排気漏れに起因して第２ノズルから上記翼間流路に流入する排気の流速を適切な値に調整するのが困難になるということもない。
【００１８】
内燃機関の中回転から回転にかけては、同機関の回転速度が高くなるほどスライダを突出位置から没入位置へと変化させることで、スライダに形成された中高速用固定翼が上記他のノズル壁面から離れてゆき、ノズルのガス流通面積が大きくなってゆく。このように第２ノズルのガス流通面積を変更することで、第２ノズルからタービンホイールの翼間流路に流れる排気の流速を適切な値に調整することができるとともに、第２ノズル付近での圧力の過上昇を抑制することができる。また、上述したように中高速用固定翼を上記他のノズル壁面に対し接近・離間させることで第２ノズルのガス流通面積を変更する場合、内燃機関の排気温が高くなったとしても上記他のノズル壁面に中高速用固定翼が固着することはなく、それによって上記排気の流速を適切な値に調整できなくなったり、第２ノズル付近での圧力の過上昇が生じたりするのを回避することができる。
【００１９】
以上により、内燃機関の低回転から高回転に亘って、タービンホイールの翼間流路に流入する排気の流速を、タービンホイールを効果的に回転させるうえで最適な値に的確に調整しつつ、ノズル付近の圧力が過上昇するのを抑制することができ、それらを行えないことによるターボチャージャの過給効率低下を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図１〜図４に従って説明する。
図１は、自動車に搭載される内燃機関の過給を行うターボチャージャ１１における同機関の排気系側の部分を示す断面図である。
【００２１】
同図に示されるように、ターボチャージャ１１は、センタハウジング１２に回転可能に支持されたロータシャフト１３を備えている。そして、ロータシャフト１３の一端部（図中右端部）にはタービンホイール１４が取り付けられている。このタービンホイール１４にはロータシャフト１３の軸線を中心とする周方向に沿って複数の羽根１５が設けられ、各羽根１５の間は翼間流路１６とされている。
【００２２】
センタハウジング１２の一端側には、タービンホイール１４の外周を囲うように、しかも渦巻き状に延びるかたちでタービンスクロール１７が取り付けられている。このタービンスクロール１７の内部は、内燃機関の排気通路２１と連通しており、同排気通路２１から内燃機関の排気が送り込まれるようになっている。そして、タービンスクロール１７内に送り込まれた排気をタービンホイール１４の翼間流路１６に流すことで、タービンホイール１４及びロータシャフト１３が回転するようになる。そして、ロータシャフト１３が回転すると、同シャフト１３の他端部に取り付けられたコンプレッサホイールも回転し、それに伴い内燃機関の吸気通路内の空気が強制的に燃焼室に向けて送り出される。
【００２３】
次に、タービンスクロール１７の内部構造について詳しく説明する。
タービンスクロール１７においては、内燃機関の排気通路２１と繋がるスクロール通路１９が形成されるとともに、そのスクロール通路１９内の排気をタービンホイール１４の翼間流路１６に流す第１ノズル２２及び第２ノズル２３が設けられている。また、第２ノズル２３とスクロール通路１９との接続部分には、アクチュエータ２６ａによって駆動される制御バルブ２６が設けられている。この制御バルブ２６は、アクチュエータ２６ａによる駆動を通じて、スクロール通路１９から第２ノズル２３への排気の流入を禁止・許可すべく全閉状態と全開状態との間で開閉動作する。
【００２４】
第１ノズル２２の対向するノズル壁面において、タービンホイール１４の翼間流路１６寄りの部分には、第１ノズル２２のガス流通面積を設定するための低速用固定翼２４が固定されている。この低速用固定翼２４は、タービンホイール１４周りにおいて、図２に示されるように周方向に沿って等間隔をおいて複数設けられている。そして、第１ノズル２２のガス流通面積については、上記各低速用固定翼２４によって、内燃機関の低回転時にスクロール通路１９から第１ノズル２２を通ってタービンホイール１４の翼間流路１６に流入する排気の流速が、同ホイール１４を効果的に回転させることの可能な値となるよう設定されている。
【００２５】
図１に示されるタービンスクロール１７において、第２ノズル２３に対応する部分には、ロータシャフト１３の軸線方向（図中左右方向）に延びる円筒状のスライダ２７が当該軸線方向に変位可能に設けられている。こうしたスライダ２７の変位はアクチュエータ２７ａの駆動を通じて行われ、スライダ２７の外周面にはアクチュエータ２７ａによる上記軸線方向への駆動力を受ける溝３２が形成されている。そして、スライダ２７は、アクチュエータ２７ａの駆動を通じて、第２ノズル２３の対向するノズル壁面２３ａ，２３ｂのうち一方のノズル壁面２３ｂから他方のノズル壁面２３ａに接触する突出位置と、他方のノズル壁面２３ａから最も離れた状態であって一方のノズル壁面２３ｂに対し没入した状態である没入位置との間で変位する。
【００２６】
スライダ２７が突出位置にあるとき、すなわち図１に示される位置にあるときに同スライダ２７における第２ノズル２３内に位置する部分には、第２ノズル２３のガス流通面積を定めるための中高速用固定翼２５が形成されている。スライダ２７に形成された中高速用固定翼２５は、タービンホイール１４周りにおいて、図３に示されるように周方向に沿って等間隔をおいて複数設けられている。そして、第２ノズル２３のガス流通面積は、上記各中高速用固定翼２５によって以下のように設定されている。すなわち、内燃機関の中回転時にスクロール通路１９から第２ノズル２３を通ってタービンホイール１４の翼間流路１６に流入する排気の流速が同ホイール１４を効果的に回転させることの可能な値となり、かつ第２ノズル２３付近の圧力が過上昇することのない値となるよう設定されている。
【００２７】
なお、上記スライダ２７については、中高速用固定翼２５がタービンホイール１４の翼間流路１６に対し可能な限り近い位置となり、その翼間流路１６の直前に位置するように設けられている。これは、中高速用固定翼２５がタービンホイール１４の翼間流路１６に対し上流側に離れて位置するほど、その中高速用固定翼２５によって第２ノズル２３から上記翼間流路１６に流れる排気の流速を定めることが困難になるためである。
【００２８】
ところで、ターボチャージャ１１の過給効率については、タービンホイール１４の翼間流路１６に排気が流入する際の流速など、翼間流路１６への排気の流入態様が大きく影響を及ぼす。また、タービンホイール１４の翼間流路１６への排気の流入態様は、制御バルブ２６の開閉動作、及び、スライダ２７のロータシャフト１３の軸線方向への変位、すなわち突出位置（図１）と没入位置（図４）との間での変位を通じて可変とされる。従って、ターボチャージャ１１による過給を効果的に行うには、上記翼間流路１６への排気の流入態様が内燃機関の運転状態に適したものとなるよう、制御バルブ２６及びスライダ２７を制御することが必要になる。
【００２９】
この実施形態では、こうした制御バルブ２６及びスライダ２７の制御を、自動車に搭載された内燃機関の各種制御を行う電子制御装置２９を通じて行うようにしている。この電子制御装置２９は、内燃機関の回転速度を検出する回転速度センサ２８など各種センサの検出信号を入力し、これら検出信号から把握される機関運転状態に基づき制御バルブ２６の開閉動作及びスライダ２７の軸線方向への変位を行うためのアクチュエータ２６ａ，２７ａの駆動制御を行う。こうした制御バルブ２６及びスライダ２７の制御を通じて、タービンホイール１４の翼間流路１６への排気の流入態様がターボチャージャ１１による効果的な過給を実現するのに適した態様とされる。
【００３０】
次に、上述した制御バルブ２６及びスライダ２７の制御について詳しく説明する。
内燃機関の低回転時には制御バルブ２６が全閉状態とされ、第２ノズル２３からタービンホイール１４の翼間流路１６への排気の流入が禁止される。このとき、翼間流路１６への排気の流入は第１ノズル２２のみから行われる。この第１ノズル２２については、低速用固定翼２４が同ノズル２２の対向するノズル壁面に固定されるとともに、同ノズル２２のガス流通面積が上記低速用固定翼２４によって内燃機関の低回転時に適した値となるよう設定されている。上記低速用固定翼２４と第１ノズル２２のノズル壁面との間にクリアランスはなく、そのクリアランスからの排気漏れの影響を受けて、第１ノズル２２からタービンホイール１４の翼間流路１６に流れる排気の流速を適切な値に調整するのが困難になるということもない。従って、内燃機関の低回転時に第１ノズル２２からタービンホイール１４の翼間流路１６に流れる排気の流速を、タービンホイール１４を効果的に回転させるのに適した値に調整することができる。
【００３１】
また、内燃機関の中高回転時には制御バルブ２６が全開状態とされ、第１ノズル２２と第２ノズル２３との両方からタービンホイール１４の翼間流路１６への排気の流入が行われる。
【００３２】
内燃機関の中回転時にはスライダ２７を突出位置、すなわち図１の位置に保持することによって、そのスライダ２７に形成された中高速用固定翼２５が第２ノズル２３のノズル壁面２３ａに接触した状態となり、その中高速用固定翼２５によって第２ノズル２３のガス流通面積が内燃機関の中回転時に適した値に定められる。言い換えれば、第２ノズル２３からタービンホイール１４の翼間流路１６に流入する排気の流速を内燃機関の中回転時にタービンホイール１４を効果的に回転させつつ、第２ノズル２３付近の圧力を過上昇させることのない値となるよう定められる。そして、このときには、中高速用固定翼２５とノズル壁面２３ａとの間にクリアランスが生じることはないため、そのクリアランスからの排気漏れに起因して第２ノズル２３から上記翼間流路１６に流入する排気の流速を適切な値に調整するのが困難になるということもない。
【００３３】
内燃機関の中回転から高回転にかけては、内燃機関の回転速度が高くなるほどスライダ２７を図１の位置である突出位置から図４の位置である没入位置へと開き側に変化させることで、スライダ２７に形成された中高速用固定翼２５が上記ノズル壁面２３ａから離れてゆき、第２ノズル２３のガス流通面積が大きくなってゆく。このように第２ノズル２３のガス流通面積を変更することで、第２ノズル２３からタービンホイール１４の翼間流路１６に流れる排気の流速を適切な値に調整することができるとともに、第２ノズル２３付近での圧力の過上昇を抑制することができる。また、上記中高速用固定翼２５をノズル壁面２３ａに対し接近・離間させることで、第２ノズル２３のガス流通面積を変更する場合、排気温が高くなったとしてもノズル壁面２３ａに上記固定翼２５が固着することはなく、それによって上記排気の流速を適切な値に調整できなくなったり、ノズル付近の圧力が過上昇したりするのを回避することができる。
【００３４】
以上詳述した本実施形態によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）内燃機関の低回転時には、第１ノズル２２のみからタービンホイール１４の翼間流路１６への排気の流入が行われる。この第１ノズル２２のノズル壁面と低速用固定翼２４との間にはクリアランスが生じることはなく、そのクリアランスからの排気漏れの影響を受けて、第１ノズル２２からタービンホイール１４の翼間流路１６に流れる排気の流速を適切な値に調整するのが困難になるということもない。従って、内燃機関の低回転時において、第１ノズル２２から上記翼間流路１６に流入する排気の流速を、タービンホイール１４を効果的に回転させるのに適した値に調整することができる。
【００３５】
（２）内燃機関の中回転時には、第２ノズル２３からタービンホイール１４の翼間流路１６への排気の流入が行われるとともに、スライダ２７が突出位置に保持される。これにより、内燃機関の中回転時において、上記翼間流路１６に流入する排気の流速を最適な値としつつ、第２ノズル２３付近の圧力の過上昇を抑制することができる。また、このときには、中高速用固定翼２５とノズル壁面２３ａとの間にクリアランスが生じることはないため、そのクリアランスからの排気漏れに起因して第２ノズル２３から上記翼間流路１６に流入する排気の流速を適切な値に調整するのが困難になるということもない。
【００３６】
（３）内燃機関の中回転から高回転にかけては、第２ノズル２３から上記翼間流路１６への排気の流入が行われるとともに、機関回転速度が高くなるほどスライダ２７が突出位置から没入位置へと変位させられる。これにより、内燃機関の中回転から高い回転にかけて、第２ノズル２３からタービンホイール１４の翼間流路１６に流れる排気の流速を最適な値としつつ、第２ノズル２３付近での圧力の過上昇を抑制することができる。また、上述したように第２ノズル２３のガス流通面積を変更する場合、排気温が高くなったとしてもノズル壁面２３ａに中高速用固定翼２５が固着することはなく、それによって上記排気の流速を適切な値に調整できなくなったり、ノズル付近の圧力が過上昇したりするのを回避することができる。
【００３７】
（４）上記（１）〜（３）により、内燃機関の低回転から高回転に亘って、タービンホイール１４の翼間流路１６に流入する排気の流速を、タービンホイール１４を効果的に回転させるうえで最適な値に的確に調整しつつ、ノズル付近の圧力が過上昇するのを抑制することができる。そして、それらを行えないことによるターボチャージャ１１の過給効率低下を抑制することができる。
【００３８】
（５）第２ノズル２３の中高速用固定翼２５がタービンホイール１４の翼間流路１６に対し上流側に離れて位置するほど、その中高速用固定翼２５によって第２ノズル２３から上記翼間流路１６に流れる排気の流速を定めることは困難になる。しかし、中高速用固定翼２５の形成されたスライダ２７については、その中高速用固定翼２５が翼間流路１６の直前に位置するように設けられている。このため、第２ノズル２３から翼間流路１６に流入する排気の流速を中高速用固定翼２５によって的確に定めることができる。
【００３９】
（６）仮に、第２ノズル２３のガス流通面積を可変翼の開閉動作によって可変とするようにした場合、可変翼をタービンホイール１４の周方向に沿って所定間隔をおいて複数設け、それら可変翼をリンク機構等を用いて同期した状態で開閉動作させる必要がある。このため、上記リンク機構等を設けなければならない分だけ、ターボチャージャ１１の構造が複雑になることは避けられない。しかし、第２ノズル２３のガス流通面積の可変を中高速用固定翼２５の形成されたスライダ２７の変位によって行うようにした場合、上記リンク機構等を設ける必要はないため、ターボチャージャ１１の構成を複雑にすることなく、第２ノズル２３のガス流通面積の可変を実現することができる。
【００４０】
なお、上記実施形態は、例えば以下のように変更することもできる。
・中高速用固定翼２５を翼間流路１６の直前よりも上流側に位置するようスライダ２７を設けてもよい。
【００４１】
・スクロール通路１９から一つのノズルを介して翼間流路１６に排気を流入するターボチャージャに本発明を適用してもよい。この場合、スライダ２７をロータシャフトの軸線方向に変位させることで、上記ノズルのガス流通面積が変更されるようになるが、スライダ２７に形成される固定翼としては内燃機関の低回転時に適したもの、例えば低速用固定翼２４と同形状のものに変更することが好ましい。
【００４２】
・タービンスクロール内を仕切壁によって二つのスクロール通路に区画し、一方のスクロール通路を第１ノズル２２に繋ぐとともに、他方のスクロール通路を第２ノズル２３に繋ぐようにしてもよい。この場合、制御バルブ２６は、第２ノズル２３に繋がるスクロール通路と排気通路２１との接続部分に設けられる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本実施形態のターボチャージャにおける内燃機関の排気系側の部分を示す断面図。
【図２】上記ターボチャージャのタービンスクロール内部における第１ノズル周りの構造を示す断面図。
【図３】上記ターボチャージャのタービンスクロール内部における第２ノズル周りの構造を示す断面図。
【図４】スライダが没入位置にある状態を示す拡大断面図。
【符号の説明】
【００４４】
１１…ターボチャージャ、１２…センタハウジング、１３…ロータシャフト、１４…タービンホイール、１５…羽根、１６…翼間流路、１７…タービンスクロール、１９…スクロール通路、２１…排気通路、２２…第１ノズル、２３…第２ノズル、２３ａ，２３ｂ…ノズル壁面、２４…低速用固定翼、２５…中高速用固定翼、２６…制御バルブ、２６ａ…アクチュエータ、２７…スライダ、２７ａ…アクチュエータ、２８…回転速度センサ、２９…電子制御装置、３２…溝。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気が送り込まれるタービンスクロールと、そのタービンスクロール内の排気をタービンホイールの翼間流路に流すノズルとを備え、そのノズルから前記タービンホイールの翼間流路への排気の流入により同ホイールが回転するターボチャージャにおいて、
前記ノズルにおける対向するノズル壁面のうち一方のノズル壁面側から他方のノズル壁面に接触するまで突出する突出位置と、前記他方のノズル壁面から最も離れた状態である没入位置との間で変位するスライダと、
前記スライダが前記突出位置にあるときに前記スライダにおける前記ノズル内に位置する部分に形成されて同ノズルのガス流通面積を定める固定翼と、
を備えることを特徴とするターボチャージャ。
【請求項２】
前記スライダについては前記固定翼が前記タービンホイールの翼間流路の直前に位置するように設けられている
請求項１記載のターボチャージャ。
【請求項３】
前記ノズルとして第１ノズルと第２ノズルとが設けられ、
前記第１ノズルにはノズル壁面に固定されるとともに同ノズルのガス流通面積を内燃機関の低回転時に適した値に設定する低速用固定翼が設けられ、
内燃機関の低回転時には前記第２ノズルへの排気の流入を禁止すべく全閉状態とされて内燃機関の中高回転時には前記第２ノズルへの排気の流入を許可すべく全開状態とされる制御バルブが設けられ、
前記スライダは前記第２ノズルにおいて突出位置と没入位置との間で変位するものであり、
前記スライダに形成された固定翼は同スライダを突出位置に変位させたときに前記第２ノズルのガス流通面積を内燃機関の中回転時に適した値に設定する中高速用固定翼である
請求項１又は２記載のターボチャージャ。
【請求項１】
内燃機関の排気が送り込まれるタービンスクロールと、そのタービンスクロール内の排気をタービンホイールの翼間流路に流すノズルとを備え、そのノズルから前記タービンホイールの翼間流路への排気の流入により同ホイールが回転するターボチャージャにおいて、
前記ノズルにおける対向するノズル壁面のうち一方のノズル壁面側から他方のノズル壁面に接触するまで突出する突出位置と、前記他方のノズル壁面から最も離れた状態である没入位置との間で変位するスライダと、
前記スライダが前記突出位置にあるときに前記スライダにおける前記ノズル内に位置する部分に形成されて同ノズルのガス流通面積を定める固定翼と、
を備えることを特徴とするターボチャージャ。
【請求項２】
前記スライダについては前記固定翼が前記タービンホイールの翼間流路の直前に位置するように設けられている
請求項１記載のターボチャージャ。
【請求項３】
前記ノズルとして第１ノズルと第２ノズルとが設けられ、
前記第１ノズルにはノズル壁面に固定されるとともに同ノズルのガス流通面積を内燃機関の低回転時に適した値に設定する低速用固定翼が設けられ、
内燃機関の低回転時には前記第２ノズルへの排気の流入を禁止すべく全閉状態とされて内燃機関の中高回転時には前記第２ノズルへの排気の流入を許可すべく全開状態とされる制御バルブが設けられ、
前記スライダは前記第２ノズルにおいて突出位置と没入位置との間で変位するものであり、
前記スライダに形成された固定翼は同スライダを突出位置に変位させたときに前記第２ノズルのガス流通面積を内燃機関の中回転時に適した値に設定する中高速用固定翼である
請求項１又は２記載のターボチャージャ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００７−１９２１２３（Ｐ２００７−１９２１２３Ａ）
【公開日】平成１９年８月２日（２００７．８．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１１１６４（Ｐ２００６−１１１６４）
【出願日】平成１８年１月１９日（２００６．１．１９）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年８月２日（２００７．８．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１月１９日（２００６．１．１９）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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