特許 7424540 タービンおよび過給機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-01-22

(45)【発行日】2024-01-30

(54)【発明の名称】タービンおよび過給機

(51)【国際特許分類】

   F02B 37/18 20060101AFI20240123BHJP

   F02B 39/00 20060101ALI20240123BHJP

   F01D 25/24 20060101ALI20240123BHJP

【ＦＩ】

F02B37/18 E

F02B39/00 F

F01D25/24 E

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2023508832

(86)(22)【出願日】2022-02-24

(86)【国際出願番号】 JP2022007655

(87)【国際公開番号】W WO2022202078

(87)【国際公開日】2022-09-29

【審査請求日】2023-05-11

(31)【優先権主張番号】P 2021048180

(32)【優先日】2021-03-23

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000000099

【氏名又は名称】株式会社ＩＨＩ

(74)【代理人】

【識別番号】110000936

【氏名又は名称】弁理士法人青海国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】桐明 拓郎

【審査官】津田 真吾

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－８７５５５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０２Ｂ ３７／００

Ｆ０２Ｂ ３９／００

Ｆ０１Ｄ ２５／２４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

タービン翼車を収容する収容部と、
前記収容部と排気導入口とを連通する排気流路と、
前記収容部と排気吐出口とを連通する排出流路と、
前記収容部を迂回して前記排気流路と前記排出流路とを連通するバイパス流路と、
前記排気導入口の流路断面積よりも小さく前記排気導入口の流路断面積に対して０．６倍以上の流路断面積を有する、前記排気流路と前記バイパス流路との分岐部と、
を備える、
タービン。

【請求項2】

前記排気流路のうち前記分岐部より前記排気導入口側の部分において、前記排気流路の延在方向での前記排気導入口側の６割以上の領域で、流路断面積が前記排気導入口の流路断面積に対して０．９倍以上となっている、
請求項１に記載のタービン。

【請求項3】

請求項１または２に記載のタービンを備える過給機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、タービンおよび過給機に関する。本出願は２０２１年３月２３日に提出された日本特許出願第２０２１－０４８１８０号に基づく優先権の利益を主張するものであり、その内容は本出願に援用される。

【背景技術】

【0002】

過給機等に設けられるタービンには、タービン翼車を収容する収容部が設けられる。収容部は、排気流路を介して排気導入口と連通し、排出流路を介して排気吐出口と連通する。タービンには、例えば、特許文献１に開示されているように、バイパス流路を備えるものがある。バイパス流路は、収容部を迂回して排気流路と排出流路とを連通する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１３－２４１８９８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

バイパス流路を備えるタービンでは、排気流路とバイパス流路との分岐部において、ガス流れの剥離が生じやすい。分岐部でのガス流れの剥離は、タービンにおける圧力損失を増大させ、タービンの効率を低下させる要因となる。

【0005】

本開示の目的は、タービンの効率を向上させることが可能なタービンおよび過給機を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するために、本開示のタービンは、タービン翼車を収容する収容部と、収容部と排気導入口とを連通する排気流路と、収容部と排気吐出口とを連通する排出流路と、収容部を迂回して排気流路と排出流路とを連通するバイパス流路と、排気導入口の流路断面積よりも小さく排気導入口の流路断面積に対して０．６倍以上の流路断面積を有する、排気流路とバイパス流路との分岐部と、を備える。

【0007】

排気流路のうち分岐部より排気導入口側の部分において、排気流路の延在方向での排気導入口側の６割以上の領域で、流路断面積が排気導入口の流路断面積に対して０．９倍以上となっていてもよい。

【0008】

上記課題を解決するために、本開示の過給機は、上記のタービンを備える。

【発明の効果】

【0009】

本開示によれば、タービンの効率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、本開示の実施形態に係る過給機の概略断面図である。

【図2】図２は、図１のＡ－Ａ断面における断面図である。

【図3】図３は、本開示の実施形態に係るタービンにおける排気導入口の流路断面積に対する排気流路の各流れ方向位置での流路断面積の断面積比率の分布を示すグラフである。

【図4】図４は、断面積比と効率変化量との関係を示すグラフである。

【図5】図５は、比較例における流動解析シミュレーションにより得られたエントロピー分布を示す図である。

【図6】図６は、本実施形態における流動解析シミュレーションにより得られたエントロピー分布を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下に添付図面を参照しながら、本開示の実施形態について説明する。実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本開示を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本開示に直接関係のない要素は図示を省略する。

【0012】

図１は、過給機ＴＣの概略断面図である。以下では、図１に示す矢印Ｌ方向を過給機ＴＣの左側として説明する。図１に示す矢印Ｒ方向を過給機ＴＣの右側として説明する。図１に示すように、過給機ＴＣは、過給機本体１を備える。過給機本体１は、ベアリングハウジング３と、タービンハウジング５と、コンプレッサハウジング７とを含む。タービンハウジング５は、ベアリングハウジング３の左側に締結機構９によって連結される。コンプレッサハウジング７は、ベアリングハウジング３の右側に締結ボルト１１によって連結される。過給機ＴＣは、タービンＴおよび遠心圧縮機Ｃを備える。タービンＴは、ベアリングハウジング３およびタービンハウジング５を含む。遠心圧縮機Ｃは、ベアリングハウジング３およびコンプレッサハウジング７を含む。

【0013】

ベアリングハウジング３の外周面には、突起３ａが設けられる。突起３ａは、タービンハウジング５側に設けられる。突起３ａは、ベアリングハウジング３の径方向に突出する。タービンハウジング５の外周面には、突起５ａが設けられる。突起５ａは、ベアリングハウジング３側に設けられる。突起５ａは、タービンハウジング５の径方向に突出する。ベアリングハウジング３とタービンハウジング５は、締結機構９によってバンド締結される。締結機構９は、例えば、Ｇカップリングである。締結機構９は、突起３ａ、５ａを挟持する。

【0014】

ベアリングハウジング３には、軸受孔３ｂが形成される。軸受孔３ｂは、過給機ＴＣの左右方向に貫通する。軸受孔３ｂには、軸受が配される。軸受には、シャフト１３が挿通される。軸受は、シャフト１３を回転自在に軸支する。軸受は、すべり軸受である。ただし、これに限定されず、軸受は、転がり軸受であってもよい。シャフト１３の左端部には、タービン翼車１５が設けられる。タービン翼車１５は、タービンハウジング５に回転自在に収容される。シャフト１３の右端部には、コンプレッサインペラ１７が設けられる。コンプレッサインペラ１７は、コンプレッサハウジング７に回転自在に収容される。

【0015】

コンプレッサハウジング７には、吸気口１９が形成される。吸気口１９は、過給機ＴＣの右側に開口する。吸気口１９は、不図示のエアクリーナに接続される。ベアリングハウジング３とコンプレッサハウジング７の対向面によって、ディフューザ流路２１が形成される。ディフューザ流路２１は、空気を昇圧する。ディフューザ流路２１は、環状に形成される。ディフューザ流路２１は、径方向内側において、コンプレッサインペラ１７を介して吸気口１９に連通している。

【0016】

コンプレッサハウジング７には、コンプレッサスクロール流路２３が形成される。コンプレッサスクロール流路２３は、環状に形成される。コンプレッサスクロール流路２３は、例えば、ディフューザ流路２１よりもシャフト１３の径方向外側に位置する。コンプレッサスクロール流路２３は、不図示のエンジンの吸気口と、ディフューザ流路２１とに連通している。コンプレッサインペラ１７が回転すると、吸気口１９からコンプレッサハウジング７内に空気が吸気される。吸気された空気は、コンプレッサインペラ１７の翼間を流通する過程において加圧加速される。加圧加速された空気は、ディフューザ流路２１およびコンプレッサスクロール流路２３で昇圧される。昇圧された空気は、エンジンの吸気口に導かれる。

【0017】

タービンハウジング５には、排気吐出口２５が形成される。排気吐出口２５は、過給機ＴＣの左側に開口する。排気吐出口２５は、不図示の排気ガス浄化装置に接続される。タービンハウジング５には、排出流路２７と、収容部２９と、排気流路３１とが形成される。排出流路２７は、収容部２９と排気吐出口２５とを連通する。排出流路２７は、収容部２９に対して、タービン翼車１５の回転軸方向に連続する。収容部２９は、タービン翼車１５を収容する。排気流路３１は、タービン翼車１５よりも径方向外側に形成される。排気流路３１は、環状に形成される。排気流路３１は、タービンスクロール流路３１ａを含む。タービンスクロール流路３１ａが、収容部２９と連通する。つまり、タービン翼車１５は、タービンスクロール流路３１ａよりも径方向内側に配置される。

【0018】

排気流路３１は、不図示のエンジンの排気マニホールドと連通する。不図示のエンジンの排気マニホールドから排出される排気ガスは、排気流路３１および収容部２９を介して排出流路２７に導かれる。排出流路２７に導かれる排気ガスは、流通過程においてタービン翼車１５を回転させる。

【0019】

タービン翼車１５の回転力は、シャフト１３を介してコンプレッサインペラ１７に伝達される。コンプレッサインペラ１７が回転すると、上記のとおりに空気が昇圧される。こうして、空気がエンジンの吸気口に導かれる。

【0020】

図２は、図１のＡ－Ａ断面における断面図である。図２では、タービン翼車１５について、外周のみを円で示す。図２に示すように、収容部２９の径方向外側（つまり、タービン翼車１５の径方向外側）には、排気流路３１が形成される。排気流路３１は、タービンスクロール流路３１ａと、連通部３１ｂと、排気導入口３１ｃと、排気導入路３１ｄとを備える。排気流路３１は、収容部２９と排気導入口３１ｃとを連通する。

【0021】

連通部３１ｂは、収容部２９の全周に亘って環状形状に形成される。タービンスクロール流路３１ａは、連通部３１ｂよりもタービン翼車１５の径方向外側に位置する。タービンスクロール流路３１ａは、連通部３１ｂの全周（つまり、収容部２９の全周）に亘って環状に形成される。連通部３１ｂは、収容部２９とタービンスクロール流路３１ａとを連通させる。タービンハウジング５には、舌部３３が形成される。舌部３３は、タービンスクロール流路３１ａの下流側の端部に設けられ、タービンスクロール流路３１ａの下流側の部分と上流側の部分とを仕切る。

【0022】

排気導入口３１ｃは、タービンハウジング５の外部に開口する。排気導入口３１ｃには、不図示のエンジンの排気マニホールドから排出される排気ガスが導入される。排気導入口３１ｃとタービンスクロール流路３１ａとの間には、排気導入路３１ｄが形成される。排気導入路３１ｄは、排気導入口３１ｃとタービンスクロール流路３１ａとを接続する。排気導入路３１ｄは、例えば、直線形状に形成される。排気導入路３１ｄは、排気導入口３１ｃから導入された排気ガスをタービンスクロール流路３１ａに導く。タービンスクロール流路３１ａは、排気導入路３１ｄから導入された排気ガスを、連通部３１ｂを介して収容部２９に導く。

【0023】

タービンハウジング５には、バイパス流路３５が形成される。バイパス流路３５の入口端は、排気流路３１（具体的には、排気導入路３１ｄ）に開口する。バイパス流路３５の出口端は、排出流路２７（図１参照）に開口する。バイパス流路３５は、収容部２９を迂回して排気流路３１（具体的には、排気導入路３１ｄ）と排出流路２７とを連通する。バイパス流路３５の出口端には、ウェイストゲートポートＷＰ（図１参照）が形成される。バイパス流路３５の出口端には、ウェイストゲートポートＷＰを開閉可能なウェイストゲートバルブＷＶ（図１参照）が配される。ウェイストゲートバルブＷＶは、排出流路２７内に配される。ウェイストゲートバルブＷＶがウェイストゲートポートＷＰを開いたとき、バイパス流路３５は、排気導入路３１ｄを流通する排気ガスの一部を、収容部２９を迂回して（つまり、タービン翼車１５を迂回して）排出流路２７に流出させる。

【0024】

タービンＴでは、ウェイストゲートポートＷＰの開閉動作が制御されることによって、タービン翼車１５に流入する排気ガスの流量が調整される。このように、タービンＴは、可変容量型タービンである。

【0025】

ここで、バイパス流路３５を備えるタービンＴでは、排気流路３１とバイパス流路３５との分岐部ＢＰ（つまり、バイパス流路３５の入口端）において、ガス流れの剥離が生じやすい。例えば、ウェイストゲートポートＷＰが閉じているときに、排気導入路３１ｄを流れる排気ガスの一部が、分岐部ＢＰからバイパス流路３５に流入し、その後、排気導入路３１ｄに戻る。このときに、分岐部ＢＰの下流側の部分において、ガス流れの剥離が生じる場合がある。分岐部ＢＰでのガス流れの剥離は、タービンＴにおける圧力損失を増大させ、タービンＴの効率を低下させる要因となる。

【0026】

そこで、本実施形態に係るタービンＴでは、タービンＴの効率を向上させるために、排気流路３１（具体的には、排気導入路３１ｄ）の流路断面積に工夫が施されている。排気流路３１の流路断面積は、具体的には、排気ガスの流れ方向ＦＤ（つまり、排気流路３１の延在方向）と直交する流路断面の面積である。以下、図２から図５を参照して、排気流路３１の流路断面積について、詳細に説明する。

【0027】

以下、排気流路３１における排気ガスの流れ方向ＦＤでの位置を流れ方向位置Ｐｆと呼ぶ。図２に示すように、排気導入口３１ｃの流れ方向位置Ｐｆを０とし、分岐部ＢＰの流れ方向位置Ｐｆを１とする。排気流路３１のうち流れ方向位置Ｐｆが０以上１未満となる部分は、分岐部ＢＰより排気導入口３１ｃ側の部分に相当する。図２の例では、分岐部ＢＰの流れ方向位置Ｐｆが分岐部ＢＰの上流側端部の位置である。ただし、分岐部ＢＰの流れ方向位置Ｐｆとして、分岐部ＢＰのうちの上流側端部以外の部分の位置が用いられてもよい。

【0028】

図３は、本実施形態に係るタービンＴにおける排気導入口３１ｃの流路断面積に対する排気流路３１の各流れ方向位置Ｐｆでの流路断面積の断面積比率の分布を示すグラフである。図３では、本実施形態における断面積比率の分布が実線によって示されており、比較例における断面積比率の分布が破線によって示されている。

【0029】

図３に示すように、本実施形態および比較例では、ともに、排気流路３１のうち分岐部ＢＰより排気導入口３１ｃ側の部分において、下流側に進むにつれて断面積比率が減少している。つまり、排気流路３１のうち分岐部ＢＰより排気導入口３１ｃ側の部分において、下流側に進むにつれて流路断面積が減少している。

【0030】

ここで、比較例では、流れ方向位置Ｐｆ＝１において、断面積比率が０．６未満（具体的には、０．４程度）となっている。つまり、分岐部ＢＰの流路断面積が、排気導入口３１ｃの流路断面積に対して０．６倍未満となっている。一方、本実施形態では、流れ方向位置Ｐｆ＝１において、断面積比率が０．６以上（具体的には、０．６程度）となっている。つまり、分岐部ＢＰの流路断面積が、排気導入口３１ｃの流路断面積に対して０．６倍以上となっている。

【0031】

以下、発明者が行った流動解析シミュレーションによって得られた結果を示す図４、図５および図６について説明する。流動解析シミュレーションでは、排気流路３１におけるガス流れの様子（例えば、方向、速度、エントロピー等）、および、タービンＴの効率が算出された。

【0032】

図４は、断面積比と効率変化量との関係を示すグラフである。断面積比は、排気導入口３１ｃの流路断面積に対する分岐部ＢＰの流路断面積の比（つまり、流れ方向位置Ｐｆ＝０での流路断面積に対する流れ方向位置Ｐｆ＝１での流路断面積の比）である。効率変化量［％］は、断面積比が０．４である場合のタービンＴの効率に対する各断面積比におけるタービンＴの効率の変化量である。つまり、効率変化量［％］は、各断面積比におけるタービンＴの効率から断面積比が０．４である場合のタービンＴの効率を減算して得られる。タービンＴの効率は、タービンＴに入力されるエネルギに対するタービンＴにより生成されるエネルギの比率である。

【0033】

図４に示すグラフによれば、断面積比が大きくなるにつれて、タービンＴの効率が高くなることが分かる。特に、断面積比が０．６以上の場合、断面積比が０．４の場合に対して、タービンＴの効率が少なくとも０．８％以上改善されていることが分かる。ゆえに、本実施形態では、分岐部ＢＰの流路断面積が、排気導入口３１ｃの流路断面積に対して０．６倍以上となっていることによって、タービンＴの効率が顕著に向上することが分かる。

【0034】

図５は、比較例における流動解析シミュレーションにより得られたエントロピー分布を示す図である。図６は、本実施形態における流動解析シミュレーションにより得られたエントロピー分布を示す図である。図５および図６では、排気流路３１のうち分岐部ＢＰの近傍におけるエントロピーの分布がハッチングの濃淡により示されている。具体的には、図５および図６では、ハッチングが濃いほど（つまり、斜線の間隔が狭いほど）、エントロピーが高くなっている。また、図５および図６では、矢印によって、分岐部ＢＰの近傍における局所的なガスの流れ方向が示されている。

【0035】

図５に示す比較例と図６に示す本実施形態を比較すると、比較例では、本実施形態と比較して、排気流路３１のうち分岐部ＢＰより下流側（図５および図６中の左側）において、エントロピーが増大していることが分かる。また、比較例では、本実施形態と異なり、排気流路３１のうち分岐部ＢＰより下流側において、ガス流れの剥離および渦流れが生じていることが分かる。

【0036】

ここで、分岐部ＢＰの流路断面積の大きさに応じてタービンＴの効率が変化することが考えられる。具体的には、分岐部ＢＰの流路断面積が過度に小さいと、排気流路３１（具体的には、排気導入路３１ｄ）を流れる排気ガスの流速が、分岐部ＢＰにおいて過度に大きくなる。それにより、分岐部ＢＰの近傍（例えば、排気流路３１のうち分岐部ＢＰより下流側）において、ガス流れの剥離および渦流れが生じやすくなってしまう。このような理由から、比較例（つまり、断面積比が０．４程度の場合）では、分岐部ＢＰの近傍において、ガス流れの剥離および渦流れが生じているものと考えられる。一方、本実施形態（つまり、断面積比が０．６以上の場合）では、比較例と比べて、分岐部ＢＰの流路断面積が大きいので、分岐部ＢＰでの排気ガスの流速が小さくなる。それにより、分岐部ＢＰの近傍でのガス流れの剥離および渦流れが抑制され、圧力損失が減少した結果としてタービンＴの効率が向上する。

【0037】

なお、流路効率を向上させてタービン効率を向上させる観点では、排気流路３１のうち分岐部ＢＰより排気導入口３１ｃ側の部分において、下流側に進むにつれて断面積比率が緩やかに減少することが好ましい。具体的には、本実施形態では、図３に示すように、流れ方向位置Ｐｆが０以上０．６以下となる範囲で、断面積比率が０．９以上となっている。それにより、図４および図５に示すように流路効率およびタービン効率を向上させることが適切に実現される。このように、流路効率を向上させてタービン効率を適切に向上させる観点では、排気ガスの流れ方向ＦＤ（つまり、排気流路３１の延在方向）での排気導入口３１ｃ側の６割以上の領域で、流路断面積が排気導入口３１ｃの流路断面積に対して０．９倍以上となっていることが好ましい。

【0038】

以上、添付図面を参照しながら本開示の実施形態について説明したが、本開示はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。

【0039】

上記では、タービンＴがシングルスクロール式（タービンスクロール流路３１ａの数が１つであるタイプ）である例を説明したが、タービンＴのタイプは上記の例に限定されない。例えば、タービンＴは、ダブルスクロール式（２つのタービンスクロール流路３１ａが異なる周方向位置で収容部２９と接続されるタイプ）であってもよく、ツインスクロール式（２つのタービンスクロール流路３１ａが軸方向に並んで配置されるタイプ）であってもよい。

【0040】

上記では、タービンＴが過給機ＴＣに設けられる例を説明した。ただし、タービンＴは、過給機ＴＣ以外の他の装置に設けられてもよい。

【符号の説明】

【0041】

１５：タービン翼車 ２５：排気吐出口 ２７：排出流路 ２９：収容部 ３１：排気流路 ３５：バイパス流路 ＢＰ：分岐部 Ｔ：タービン ＴＣ：過給機

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】