喷嘴叶片
技术领域
本公开涉及可变容量涡轮增压器的喷嘴叶片。
背景技术
近年来，以改善油耗为目的，通过调整喷嘴的开度能够使废气的流动特性变化的可变容量涡轮增压器被搭载于汽车。在专利文献1～4等中公开了这样的可变容量涡轮增压器的结构。以往的设置于可变容量涡轮增压器的喷嘴叶片通常具有如下结构：压力面在前缘附近朝向涡轮叶轮呈凸状弯曲，并且在后缘附近相对于涡轮叶轮呈凹状弯曲。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利第8641382号说明书
专利文献2：美国专利第8834104号说明书
专利文献3：国际公开第2006/053579号
专利文献4：日本专利第3605398号公报
发明内容
发明要解决的课题
在可变容量涡轮增压器中，为了调整喷嘴的开度而设置有使喷嘴叶片转动的致动器，喷嘴叶片通过将从致动器施加的转矩、由废气施加的转矩、以及在喷嘴叶片开始转动的瞬间起作用的摩擦力相加得到的转矩而转动。此时，流量根据喷嘴开度而发生变化，因此，施加于喷嘴叶片的转矩也发生变化。此时，在相对于喷嘴叶片从流体受到的力(叶片转矩)而摩擦力较大的情况下，各喷嘴叶片的转动产生偏差，从而产生喷嘴开度在周向上产生偏差的现象。若产生这样的现象，则即便将喷嘴控制为规定开度，在涡轮叶轮中流动的废气的流量也不同，有可能给发动机性能带来不良影响。
为了抑制这样的偏差现象，需要增大由废气施加的打开方向的转矩，换句话说，在废气在喷嘴叶片之间流动时，需要减小在喷嘴叶片的后缘附近的压力面产生的静压并增大后缘附近的压力面侧与负压面侧之间的静压差。如以往的可变容量涡轮增压器的喷嘴叶片那样，在压力面在后缘附近相对于涡轮叶轮呈凹状弯曲的结构中，无法减小在喷嘴叶片的后缘附近的压力面产生的静压。
鉴于上述情形，本公开的至少一个实施方式的目的在于提供一种能够增大在可变容量涡轮增压器中由废气施加的打开方向的转矩的喷嘴叶片。
用于解决课题的方案
(1)本发明的至少一个实施方式的喷嘴叶片是可变容量涡轮增压器的喷嘴叶片，其中，
所述喷嘴叶片至少在叶片高度方向中央位置处具有包括前缘、后缘、压力面以及负压面在内的叶片形状，
在所述叶片形状中，若将从连接定点和所述后缘的线段到所述后缘与所述定点之间的所述压力面上的任意点为止的距离的最大值设为Wmax，将所述线段的长度设为L，则0≤Wmax/L<0.03，所述定点为从所述后缘朝向所述前缘到40％的翼弦位置处的所述压力面上的定点。
在可变容量涡轮增压器中，在涡旋状的涡轮涡旋件中流通的废气在形成在相邻的喷嘴叶片之间的各流路内成为弯曲成圆弧形的流动。该流动朝向划定各流路的压力面呈凸状弯曲。通常，在自由涡流中，越是内径侧，流体的流速越大，但如果将该原理应用于朝向压力面呈凸状弯曲的废气的流动，则越是与压力面一起划定流路的负压面侧的流动，废气的流速越大。
根据上述(1)的结构，在压力面的后缘附近存在大致平坦的部分。在该结构中，与该部分呈凹状弯曲的结构相比，压力面位于与该压力面一起形成流路的负压面侧。这样一来，在后缘附近沿着压力面的废气的流速变大，其结果是，在后缘附近的压力面产生的静压变小。通过使在后缘附近的压力面产生的静压变小，从而后缘附近的压力面侧与负压面侧之间的静压差变小。由此，能够增大由废气对喷嘴叶片施加的打开方向的转矩。
(2)在几个实施方式中，在上述(1)的结构中，
所述喷嘴叶片具备轮毂侧缘和叶尖侧缘，
在从所述轮毂侧缘朝向所述叶尖侧缘的方向上，在距所述轮毂侧缘的叶片高度的至少30～70％的区域中，所述喷嘴叶片具有所述叶片形状。
根据上述(2)的结构，在压力面的后缘附近，在包括叶片高度方向中央位置在内的比较宽的范围内存在大致平坦的部分。该大致平坦的部分在叶片高度方向上越宽，静压变小的范围越宽，因此，能够进一步增大由废气对喷嘴叶片施加的打开方向的转矩。
(3)在几个实施方式中，在上述(1)或(2)的结构中，
在所述叶片形状中，与所述压力面以及所述负压面分别相距相等的距离的中弧线至少在从所述后缘到朝向所述前缘到40％的翼弦位置为止的范围内为直线状，并且，在所述前缘与所述后缘之间不与将所述前缘和所述后缘连接的翼弦线交叉。
根据上述(3)的结构，即便将压力面形成为上述(1)或(2)的结构，也能够抑制负压面的结构复杂化。
(4)在几个实施方式中，在上述(3)的结构中，
在所述叶片形状中，所述负压面构成为，与所述前缘连接的区域的曲率大于与所述后缘连接的区域的曲率。
在废气的质量流量大的情况下，打开方向的喷嘴叶片的转动角度变大。因此，废气以在负压面的前缘附近产生剥离那样的角度从涡轮涡旋件向喷嘴叶片入射。由此，在负压面的前缘附近静压变小，前缘附近的压力面侧与负压面侧的压力差变大，因此，在喷嘴叶片的前边缘侧产生的打开方向的力(力矩)变大。若在喷嘴叶片的前边缘侧产生的打开方向的力矩变大，则由废气对喷嘴叶片施加的打开方向的转矩显著增大，因此，可能会损伤致动器。根据上述(4)的结构，由于负压面的前边缘侧的曲率以及厚度变大，因此，能够抑制剥离的产生而抑制在前缘附近的负压面产生的静压的降低，因此，能够抑制在喷嘴叶片的前边缘侧产生的打开方向的力矩的增大。其结果是，能够抑制由废气对喷嘴叶片施加的打开方向的转矩的增大。
发明效果
根据本公开的至少一个实施方式，在压力面的后缘附近存在大致平坦的部分。在该结构中，与该部分呈凹状弯曲的结构相比，压力面位于与该压力面一起形成流路的负压面侧。这样一来，在后缘附近沿着压力面的废气的流速变大，其结果是，在后缘附近的压力面产生的静压变小。通过使在后缘附近的压力面产生的静压变小，从而后缘附近的压力面侧与负压面侧之间的静压差变小。由此，能够增大由废气对喷嘴叶片施加的打开方向的转矩。
附图说明
图1是包括本公开的实施方式1的喷嘴叶片在内的可变容量涡轮增压器的涡轮的剖视图。
图2是沿着图1的II-II线的剖视图。
图3是表示本公开的实施方式1的喷嘴叶片的叶片高度方向中央位置处的叶片形状的图。
图4是用于说明在本公开的实施方式1的喷嘴叶片的后缘附近的压力面上转矩增大的原理的图。
图5是表示本公开的实施方式1的喷嘴叶片的变形例的后缘附近的压力面的结构的图。
图6是表示本公开的实施方式1的喷嘴叶片的另一变形例的后缘附近的压力面的结构的图。
图7是表示本公开的实施方式2的喷嘴叶片的叶片高度方向中央位置处的叶片形状的图。
图8是表示本公开的实施方式2的喷嘴叶片的各种变形例的叶片高度方向中央位置处的叶片形状的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的几个实施方式说明。但是，本发明的范围并不限定于以下的实施方式。以下的实施方式所记载的结构部件的尺寸、材质、形状、其相对配置等，其主旨并非将本发明的范围仅限定于此，只不过是说明例。
(实施方式1)
如图1所示，可变容量涡轮增压器1的涡轮2具备：形成有涡旋状的涡轮涡旋件5的涡轮壳体3、在涡轮壳体3内能够转动地设置在涡轮涡旋件5的径向内侧的涡轮叶轮7、以及对从涡轮涡旋件5向涡轮叶轮7流通的废气的流路面积进行控制的可变喷嘴机构9。
可变喷嘴机构9具备喷嘴15、固定于轴承壳体13的喷嘴安装件17、以及喷嘴板18。喷嘴15具有以包围涡轮叶轮的周围的方式设置的多个喷嘴叶片15a、以及固定于各喷嘴叶片15a的喷嘴轴15b。各喷嘴轴15b能够转动地支承于喷嘴安装件17。各喷嘴轴15b经由连杆机构21与致动器(未图示)连结，并构成为，各喷嘴轴15b通过从致动器施加的转矩而转动，喷嘴叶片15a通过各喷嘴轴15b的转动而转动。
如图2所示，在相邻的喷嘴叶片15a、15a之间，形成有供在涡轮涡旋件5中流通的废气G流通的流路23。隔着流路23，外周侧的涡轮涡旋件5侧因废气G而成为高压侧H，内周侧的涡轮叶轮7侧成为低压侧U。通过了涡轮涡旋件5的废气伴随着一定的流动角流入流路23。此时，面向流动的压力面25的压力上升，相反，负压面27侧的压力低。由于该压力差，在喷嘴叶片15a上，以喷嘴轴15b为转动中心在喷嘴叶片15a的前缘29侧产生流路23的打开方向的力矩M(+)，在后缘31侧产生流路23的关闭方向的力矩M(-)。这些力矩M(-)以及M(+)进行平衡而得到的是由废气G对喷嘴叶片15a施加的转矩。
图3示出喷嘴叶片15a的叶片高度方向中央位置处的叶片形状40。在叶片形状40中，压力面25在从后缘31到朝向前缘29到40％的翼弦位置为止的范围内包括直线部分33。即，压力面25在喷嘴叶片15a的叶片高度方向中央位置处，在从后缘31到朝向前缘29到40％的翼弦位置为止的范围内包括平坦部分26。
接着，说明可变容量涡轮增压器1的动作。如图2所示，根据来自涡轮涡旋件5的废气G的流量，未图示的致动器经由连杆机构21使各喷嘴轴15b转动，通过各喷嘴轴15b的转动使喷嘴叶片15a转动。此时，各喷嘴叶片15a通过将从致动器施加的转矩、由废气G施加的转矩、以及在各喷嘴叶片15a开始转动的瞬间起作用的摩擦力相加得到的转矩而转动。通过使各喷嘴叶片15a转动，从而各流路23的流路面积发生变化、即喷嘴15的开度发生变化，进行基于废气G的流量的喷嘴15的开度控制。
在此，如废气G的流量小的情况那样，在为了将喷嘴15控制为规定开度而从致动器对各喷嘴叶片15a施加的转矩小的情况下，由废气G施加的转矩也小，因此，相加得到的转矩成为在喷嘴15的打开方向上较小的值、或者喷嘴15的关闭方向的值，各喷嘴叶片15a的转动产生偏差，从而产生喷嘴15的开度在周向上产生偏差的现象。若产生这样的现象，则即便将喷嘴15控制为规定开度，在涡轮叶轮7中流动的废气G的流量也不同，有可能对搭载有可变容量涡轮增压器1(参照图1)的发动机的性能带来不良影响。
但是，如图3所示，在实施方式1的喷嘴叶片15a中，压力面25在喷嘴叶片15a的叶片高度方向中央位置处，在从后缘31到朝向前缘29到40％的翼弦位置为止的范围内包括平坦部分26，从而具有减小喷嘴叶片15a的后缘31侧的关闭方向的力矩M(-)的效果。以下基于图4对得到该效果的原理进行说明。
在涡旋状的涡轮涡旋件5(参照图1)中流通的废气G在各流路23内成为弯曲成圆弧形的流动。该流动朝向划定各流路23的压力面25呈凸状弯曲。通常，在自由涡流中，越是内径侧，流体的流速越大，但如果将该原理应用于朝向压力面25呈凸状弯曲的废气G的流动，则越是与压力面25一起划定流路23的负压面27侧的流动，废气G的流速越大。
如本实施方式的喷嘴叶片15a那样，若在压力面25的后缘31附近存在平坦部分26，则与该部分呈凹状弯曲的结构100相比，压力面25位于与压力面25一起划定流路23的负压面27侧。这样一来，在后缘31附近沿着压力面25的废气的流速变大，其结果是，在后缘31附近的压力面25产生的静压变小。通过使在后缘31附近的压力面25产生的静压变小，从而后缘31附近的压力面25侧与负压面27侧之间的静压差变小，因此，喷嘴叶片15a的后缘31侧的关闭方向的力矩M(-)变小。
若关闭方向的力矩M(-)变小，则能够使相对于摩擦力的叶片转矩向喷嘴15的打开方向变大，因此，能够抑制各喷嘴叶片15a的转动的偏差，抑制喷嘴15的开度的周向的偏差。由此，能够将喷嘴15可靠地控制为规定开度，与喷嘴15的开度相应的流量的废气G在涡轮叶轮7中流动，因此，能够抑制搭载有可变容量涡轮增压器1(参照图1)的发动机的性能的不良影响。
这样，当在压力面25的后缘31附近存在平坦部分26时，与该部分呈凹状弯曲的结构100相比，压力面25位于与压力面25一起形成流路23的负压面27侧。这样一来，在后缘31附近沿着压力面25的废气G的流速变大，其结果是，在后缘31附近的压力面25产生的静压变小。通过使在后缘31附近的压力面25产生的静压变小，从而后缘31附近的压力面25侧与负压面27侧之间的静压差变小。由此，能够增大由废气G对喷嘴叶片15a施加的打开方向的转矩。
在实施方式1中，如图3所示，平坦部分26形成在从后缘31到朝向前缘29到40％的翼弦位置为止的范围内，但并不限定于该形态。平坦部分26只要形成在从后缘31到朝向前缘29至少到40％的翼弦位置为止的范围内即可，平坦部分26也可以形成至比40％的翼弦位置靠前缘29侧的范围。
在实施方式1中，平坦部分26形成在喷嘴叶片15a的叶片高度方向中央位置，但并不限定于该形态。只要在喷嘴叶片15a的至少叶片高度方向中央位置形成平坦部分26即可，如图5所示，也可以在从轮毂侧缘32朝向叶尖侧缘34的方向上在距轮毂侧缘32的叶片高度的至少30～70％的区域A形成平坦部分26。平坦部分26在叶片高度方向上越宽，产生大静压的范围越宽，因此，能够减小喷嘴叶片15a的后缘31侧的关闭方向的力矩M(-)(参照图4)。因此，为了进一步减小关闭方向的力矩M(-)，平坦部分26也可以形成在比区域A更宽的范围内，也可以从轮毂侧缘32到叶尖侧缘34遍及整个叶片高度地形成平坦部分26。
在实施方式1中，平坦部分26是完全平坦的结构，但并不限定于该形态。如图6所示，在叶片形状40中，也可以构成为，若将从连接定点P1和后缘31的线段LS到后缘31与定点P1之间的压力面25上的任意点P2为止的距离的最大值成为Wmax，将线段LS的长度设为L，则0≤Wmax/L<0.03，所述定点P1为从后缘31朝向前缘29(参照图3)到40％的翼弦位置处的压力面25上的定点。在图6中，在从后缘31到朝向前缘29到40％的翼弦位置为止的范围内，压力面25相对于线段LS朝向与负压面27相反的一侧呈凸状弯曲，但也可以相对于线段LS向负压面27侧呈凹状弯曲，也可以各具有至少一个呈凸状弯曲的部分以及呈凹状弯曲的部分。该形态意味着平坦部分26也可以不是完全平坦，也可以是包含一些凸凹、弯曲等在内的大致平坦的部分。
(实施方式2)
接着，说明实施方式2的喷嘴叶片。在实施方式1中，没有特别提及负压面27的结构，但实施方式2的喷嘴叶片相对于实施方式1限定了负压面27的结构。另外，在实施方式2中，对与实施方式1的构成要件相同的构成要件标注相同的附图标记，并省略其详细的说明。
如图7所示，本公开的实施方式2的喷嘴叶片15a在叶片形状40中具有与实施方式1相同形状的压力面25。另一方面，负压面27具有如下形状：相对于与实施方式1相同形状的压力面25，与压力面25以及负压面27分别相距相等的距离的中弧线CaL成为以下说明的结构。其他结构与实施方式1相同。
图7的图表示出本公开的实施方式2的喷嘴叶片15a的叶片形状40中的中弧线CaL的形状。在该图表中，横轴表示喷嘴叶片15a的翼弦位置，并且，纵轴表示相距将前缘29和后缘31连接的翼弦线ChL的距离。该距离将从翼弦线ChL朝向负压面27侧的方向上的距离设为正值。
中弧线CaL在翼弦位置从0％到40％为止的范围内呈直线状。中弧线CaL在翼弦位置从40％到100％为止的范围内，相对于翼弦线ChL在压力面25侧弯曲。因此，中弧线CaL在前缘29与后缘31之间不与翼弦线ChL交叉。即，从翼弦线ChL到中弧线CaL的距离在前缘29与后缘31之间不会从负值变为正值(若将该距离的符号改变的点称为拐点，则在前缘29与后缘31之间不存在拐点)。本公开的实施方式2的喷嘴叶片15a在具有与本公开的实施方式1相同形状的压力面25的基础上，在叶片形状40中中弧线CaL成为这样的形状，从而能够抑制负压面27的结构复杂化。
另外，在本公开的实施方式2的喷嘴叶片15a的叶片形状40中，负压面27也可以构成为，与前缘29连接的区域C的曲率大于与后缘31连接的区域B的曲率。
如在实施方式1中说明的那样，在废气的质量流量大的情况下，喷嘴15的开度变大，因此，打开方向的喷嘴叶片的转动角度变大。因此，废气以在负压面27的前缘29附近产生剥离那样的角度从涡轮涡旋件5(参照图1)向喷嘴叶片15a入射。由此，在负压面27的前缘29附近静压变小，因此，在喷嘴叶片15a的前缘29侧产生的打开方向的力矩M(+)(参照图2)变大。若在喷嘴叶片15a的前缘29侧产生的打开方向的力矩M(+)变大，则由废气对喷嘴叶片15a施加的打开方向的转矩显著增大，因此，可能会损伤致动器。根据实施方式2的结构，由于负压面27的前缘29侧的曲率以及厚度变大，因此，能够抑制剥离的产生而抑制在前缘29附近的负压面27产生的静压的降低，因此，能够抑制在喷嘴叶片15a的前缘29侧产生的打开方向的力矩M(+)的增大。其结果是，能够抑制由废气对喷嘴叶片15a施加的打开方向的转矩的增大。
在图8中，除了在实施方式1以及2中具体说明的喷嘴叶片15a之外，还示出其各种变形例。作为一个变形例的喷嘴叶片15a1相对于喷嘴叶片15a，在叶片形状40中使压力面25从后缘31到前缘29大致平坦。作为另一变形例的喷嘴叶片15a2相对于喷嘴叶片15a，在叶片形状40中使负压面27从后缘31到前缘29大致平坦。作为另一变形例的喷嘴叶片15a3相对于喷嘴叶片15a，在叶片形状40中使负压面27的前缘29附近的曲率变大。作为另一变形例的喷嘴叶片15a4在叶片形状40中使负压面27的曲率大的部分D相比喷嘴叶片15a1向后缘31侧移动。
附图标记说明
1 可变容量涡轮增压器
2 涡轮
3 涡轮壳体
5 涡轮涡旋件
7 涡轮叶轮
9 可变喷嘴机构
13 轴承壳体
15 喷嘴
15a 喷嘴阀
15b 喷嘴轴
17 喷嘴安装件
18 喷嘴板
21 连杆机构
23 流路
25 压力面
26 平坦部分
27 负压面
29 前缘
31 后缘
32 轮毂侧缘
33 直线部分
34 叶尖侧缘
40 叶片形状
B 与后缘连接的区域
C 与前缘连接的区域
CaL 中弧线
ChL 翼弦线
G 废气
LS 线段
P1 定点
P2 后缘与定点之间的压力面上的任意点
