JP2003314290A - 可変容量ターボチャージャ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 内燃機関の可変容量ターボチャージャにおい
て、可変容量ターボチャージャの性能特性のバラツキの
低減をはかると共に、ベーン（区画壁）の信頼性向上を
はかること。 【解決手段】 区画壁２３は、鋳造成形されるタービン
ハウジング２１とは別部材として形成される複数のベー
ン２９ａから成り、複数のベーン２９ａはタービンハウ
ジング２１の鋳造成形時にタービンハウジング２１に一
体成形される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関を過給す
る可変容量ターボチャージャに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の可変容量ターボチャージャとして
は、例えば、特開平１０−８９７７号公報に開示される
ものがある。この可変容量ターボチャージャは、低速域
での性能確保及び中・高速域での性能を確保するため、
タービンハウジングに内・外周スクロール部を設けると
共に内・外周スクロール部を隔てるベーン（区画壁）を
設けている。ところで、この可変容量ターボチャージャ
においては、ベーン（区画壁）は、タービンハウジング
と一体化し鋳造にて形成されている。しかしながら、ベ
ーン形状を鋳造で形成するので、中・高速域での性能を
確保するために、内・外周スクロール部内の排気ガス流
れをスムーズに合流させる場合、排気ガス流れのガイド
機能に限界がある。また、性能特性のバラツキが大きく
なる。ディーゼルエンジンの高出力化及びガソリンエン
ジンの直噴化により排気ガスの温度が高温化しているた
め、ベーンの温度上昇に伴う熱膨張による応力集中が原
因となり亀裂が発生し信頼性が低下することが懸念され
る。また、ハウジング型が複雑構造の為、湯流れが悪く
なり、不良品が多くなりコスト増加の要因となる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】そこで本発明は、内燃
機関の可変容量ターボチャージャにおいて、可変容量タ
ーボチャージャの性能特性のバラツキの低減をはかると
共に、ベーン（区画壁）の信頼性向上をはかることを、
その技術的課題とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の第１の技術的手段は、シャフトと、該シャフトの一端
に固定されるタービンロータと、該タービンロータを収
容すると共に、排気入口、排気出口及び、前記排気入口
と前記排気出口とを前記タービンロータを介して連通
し、その断面積が漸次減少するスクロール部を有するタ
ービンハウジングと、前記シャフトの他端に固定され、
コンプレッサハウジング内に収容されたコンプレッサロ
ータと、前記タービンハウジングに設けられ、前記スク
ロール部を径方向に内周スクロール部と外周スクロール
部とに分割すると共に前記外周スクロール部を流れる排
気を前記内周スクロール部へ流入して前記内周スクロー
ル部を流れる排気の流速を規制する複数の連通孔を有す
る区画壁と、前記外周スクロール部の前記排気入口側に
配設されて該排気入口側に設けた流入開口部を開閉して
前記両スクロール部への排気流量を制御する制御弁とを
備えた可変容量ターボチャージャにおいて、前記区画壁
は、鋳造成形される前記タービンハウジングとは別部材
として形成される複数のベーンから成り、該複数のベー
ンは前記タービンハウジングの鋳造成形時に前記タービ
ンハウジングに一体成形されることである。

【０００５】上記の手段によれば、ベーンは従来タービ
ンハウジングと一体で鋳造成形されていたが、別体で形
成することができ、金属射出成形、ロストワックス成
形、機械加工等の高精度の成形が採用できる。このた
め、ベーンの熱膨張に対する信頼性の向上及び性能のバ
ラツキの低減と性能向上をはかることができる。また、
ハウジング型が簡素化でき、湯流れが良くなり、不良品
が低減できると共に、鋳造精度の向上をはかることがで
き、コストを低減することができる。

【０００６】上記課題を解決するための第２の技術的手
段は、前記ベーンは、前記シャフトの軸方向両端部が前
記タービンハウジングに鋳込まれることである。

【０００７】上記の手段によれば、ベーン両端部がター
ビンハウジングに鋳込まれることにより、ベーンは両端
部により支持され強度が確保されると共に、ベーン端部
とタービンハウジングの間の隙間による洩れを防止で
き、性能を確保することができる。

【０００８】上記課題を解決するための第３の技術的手
段は、前記ベーンは、前記タービンハウジングと異なる
異種材料からなることである。

【０００９】上記の手段によれば、ベーンに異種材料た
とえば耐高温ベーン材を選択することで、熱膨張による
応力集中を防止でき、品質、信頼性の向上をはかること
ができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の第１実施形態に
ついて図１乃至図６を用いて説明する。図１及び図２は
本発明の一例に係る可変容量ターボチャージャ１を示す
もので、可変容量ターボチャージャ１は、軸受部１０を
介して互いに連結されたタービン部２０とコンプレッサ
部３０にて構成されている。

【００１１】軸受部１０は、ベアリングハウジング１１
と、ベアリングハウジング１１内にて軸受１２を介して
回転可能に支持されたシャフト１３を備えていて、シャ
フト１３は左右の各端部をベアリングハウジング１１か
ら突出させている。シャフト１３の一端側はタービン部
２０を構成するタービンハウジング２１内に臨み、か
つ、シャフト１３の他端側はコンプレッサ部３０を構成
するコンプッレッサハウジング３１内に臨んでいる。シ
ャフト１３の一端側には、タービン部２０を構成するタ
ービンロータ２２が一体回転可能に接合され、かつ、シ
ャフト１３の他端側には、コンプレッサ３０を構成する
コンプレッサロータ３２が一体回転可能に組付けられて
いる。

【００１２】タービン部２０は、タービンハウジング２
１と、タービンハウジング２１内に位置するタービンロ
ータ２２を備えているもので、タービンハウジング２１
は軸受部１０を構成するベアリングハウジング１１の一
側に取付けられている。タービンロータ２２は、ベアリ
ングハウジング１１の一側を貫通して臨むシャフト１３
の一端側に一体回転可能に接合されていて、タービンハ
ウジング２１内に形成されている排気通路（通路）に位
置している。

【００１３】タービンハウジング２１は、排気導入口
（排気入口）２１ａと排気排出口（排気出口）２１ｂを
備え、排気導入口２１ａと排気排出口２１ｂとの間が排
気通路に形成されており、同排気通路におけるタービン
ロータ２２の配設位置より上流側に、導入壁２７と区画
壁２３が設けられている。導入壁２７と区画壁２３は、
排気通路におけるタービンロータ２２の配設位置より上
流側の部位を、内周スクロール部２４と外周スクロール
部２５に区画している。区画壁２３は、複数のベーン２
９ａと連通孔２９ｃからなり、図３及び図４に示すよう
に、ベーン２９ａは、１個づつベーン２９ａのシャフト
１３の軸方向両端部がタービンハウジング２１に鋳込ま
れて固定されている。これにより、ベーン２９ａは両端
部により支持され強度が確保されると共に、ベーン２９
ａ端部とタービンハウジング２１の間の隙間による洩れ
を防止でき、内周スクロール部２４と外周スクロール部
２５との気密性を確保し，性能を確保することができ
る。なお、ベーン２９ａは別体とすることで、金属射出
成形、ロストワックス成形、機械加工成形等により高精
度で成形することができる。また、これらの成形方法に
より、図５に示す従来の鋳造成形のベーンに比し、図６
に示す本発明の実施形態のようにベーン２９ａの表面粗
さが滑らかにできることや、鋳型のズレによる寸法のバ
ラツキを低減できることや、最小Ｒを小さくできること
や鋳巣を無くすことができ、信頼性の向上や性能の向上
をはかることができる。また、ベーン２９ａは、タービ
ンハウジング２１と異なる異種材料たとえば耐高温ベー
ン材を選択することができる。これにより、熱膨張によ
る応力集中が防止でき、品質、信頼性向上をはかること
ができる。連通孔２９ｃは、その上流側が緩やかな傾斜
状に、かつ、その下流側がきつい傾斜状に形成されてい
て、タービンロータ２２の軸心に向かって所定の傾斜角
度で指向している。

【００１４】タービン部２０においては、タービンハウ
ジング２１の排気導入口２１ａ側に制御弁２６が配設さ
れている。制御弁２６は、外周スクロール部２５の流入
開口部２５ａ（弁開口）の開口度合いを制御するもの
で、その先端部が導入壁２７の先端部の弁座部に着座し
ている。制御弁２６は、この状態で外周スクロール部２
５の流入開口部２５ａを閉鎖していて、図示しない操作
手段にて、エンジンの回転速度に応じて開閉動作を制御
される。

【００１５】コンプレッサ部３０は、コンプッレッサハ
ウジング３１と、コンプッレッサハウジング３１内に位
置するコンプレッサロータ３２を備えているもので、コ
ンプッレッサハウジング３１は軸受部１０を構成するベ
アリングハウジング１１の他側に取付けられている。コ
ンプレッサロータ３２は、ベアリングハウジング１１の
他側を貫通して臨むシャフト１３の他端側に一体回転可
能に組付けられていて、コンプッレッサハウジング３１
内に形成されている吸気通路に位置している。

【００１６】コンプッレッサハウジング３１は、コンプ
ッレッサ導入口３１ａとコンプッレッサ排出口３１ｂを
備える。コンプッレッサ導入口３１ａとコンプッレッサ
排出口３１ｂとの間にはコンプッレッサハウジング３１
の外周に沿って円環状のスクロール部３３が形成され、
このスクロール部３３がコンプレッサ通路を形成する。
スクロール部３３はコンプレッサ排出口３１ｂに隣接す
る位置からコンプレッサ導入口３１ａ側に向けて漸次先
細り形状に形成されている。

【００１７】次に、上記した可変容量ターボチャージャ
１の作用を説明する。

【００１８】可変容量ターボチャージャ１においては、
エンジンからの排気を、タービン部２０を構成するター
ビンハウジング２１の排気導入口２１ａを通して排気通
路に導入することにより作動し、コンプレッサ部３０に
おいては設定された過給圧を発生させ、この過給圧を図
示しないエンジンの吸気口に供給する。

【００１９】可変容量ターボチャージャ１において、排
気量が少ないエンジンの低速域では、外周スクロール部
２５の流入開口部２５ａが制御弁２６により閉鎖されて
いて、タービンハウジング２１の排気導入口２１ａを通
して導入された排気は内周スクロール部２４に流入す
る。内周スクロール部２４を流れる排気はタービンロー
タ２２の接線方向からタービンロータ２２に当たり、タ
ービンロータ２２を効率よく回転させる。その後、排気
は、排気排出口２１ｂを経て図示しない排気管へ排出さ
れる。この間、タービンロータ２２の回転によりシャフ
ト１３が回転して、コンプレッサロータ３２を回転させ
る。この結果、大気がコンプレッサハウジング３１のコ
ンプレッサ導入口３１ａから図示しないエンジンの吸気
通路に導入され、コンプレッサロータ３２により圧縮さ
れて、可変容量ターボチャージャ１の回転数に応じた過
給圧となって、コンプレッサ排出口３１ｂを経て高い密
度の吸気としてエンジンの吸気口へ導入される。

【００２０】これにより、可変容量ターボチャージャ１
は内周スクロール部２４の容積を有する容積の小さなタ
ーボチャージャとして機能し、少ない排気でも効率よく
タービンロータ２２を回転させることができる。

【００２１】一方、排気量が多いエンジンの中速域また
は高速域では、制御弁２６の作動により外周スクロール
部２５の流入開口部２５ａがエンジンの回転速度に応じ
て開放されて、タービンハウジング２１の排気導入口２
１ａを通して導入された排気は内周スクロール部２４と
外周スクロール部２５の両者に流入し、内周スクロール
部２４に流入した排気は上記したと同様にタービンロー
タ２２を回転させて排気排出口２１ｂを経て排気管へ排
出される。

【００２２】この間、外周スクロール部２５に流入した
排気は、区画壁２３の各連通孔２９ｃを通して内周スク
ロール部２４に流入する。この場合、排気の内周スクロ
ール部２４への流入方向は、各連通孔２９ｃの指向方向
に沿った方向、すなわちタービンロータ２２の軸心へ向
かう方向となる。内周スクロール部２４内を流れる排気
の流れは、上記したようにタービンロータ２２の接線方
向からタービンロータ２２に当たっているが、外周スク
ロール部２５からの内周スクロール部２４に流入する排
気の流れにより、内周スクロール部を流れる排気の流速
を規制し、タービンロータ２２の回転中心に向かう流れ
に変える。さらに、タービンロータ２２に当たる排気の
流れの速度も低下する。これにより、コンプレッサロー
タ３２の必要以上の回転を防止するように、タービンロ
ータ２２の回転は制御されて、エンジンの中速域または
高速域の排気量が多い領域においても設定された過給圧
に制御され、効率良くタービンロータ２２を回転させる
ことができる。

【００２３】ところで、可変容量ターボチャージャ１に
おいては、内周スクロール部２４の容量及びスクロール
断面積を小さく設定し、外周スクロール部２５の容量及
びスクロール断面積を大きく設定し、エンジンの運転状
況に応じて、内周スクロール部と外周スクロール部への
排気の流入量を制御することにより可変レンジを有し、
効率のよい可変容量ターボチャージャを構成している
が、特に、内周スクロール部２４をスクロール始点位置
（Ａ）からスクロール所定位置（Ｂ）までの間は内周ス
クロール部２４のスクロール断面を相似的に漸次縮小さ
せ、かつ、スクロール所定位置（Ｂ）からスクロール終
端位置（Ｃ）までの間は内周スクロール部２４のタービ
ンロータ２２への流入口２４ａの軸方向長さを保持しつ
つ径方向に漸次縮小させる構成としている。

【００２４】このような内周スクロール部２４のスクロ
ール断面の形状により、内周スクロール部２４のタービ
ンロータ２２への流出口２４ａの軸方向長さよりも内周
スクロールの断面の軸方向長さが小さくなることがスク
ロール所定位置（Ｂ）からスクロール終端位置（Ｃ）ま
での間においても防止できるので、内周スクロール部２
４を流れる排気がタービンロータ２２への流出すること
を妨げることなく、円滑に流出させることができる。こ
れにより、内周スクロール部２４における抵抗を低減さ
せて可変容量ターボチャージャ１の効率を向上させるこ
とができる。また、可変容量ターボチャージャ１におい
ては、スクロール所定位置（Ｂ）からスクロール終端位
置（Ｃ）までの間において、連通孔２９ｃの軸方向長さ
を内周スクロール部２４のタービンロータ２２への流出
口２４ａ軸方向長さと一致させているため、外周スクロ
ール部２５から内周スクロール部２４への排気の流入を
妨げることなく円滑に流入させることができる。

【００２５】図７及び図８は、本発明の第２実施形態を
示す。この第２実施形態では、複数のベーン２９ａのそ
れぞれの一端部が台座部２９ｂに一体形成され区画部材
２９を形成する。区画部材２９の台座部２９ｂ及びベー
ン２９ａの他端部がタービンハウジング２１に鋳込まれ
て固定され、複数のベーン２９ａと連通孔２９ｃからな
る区画壁２３を形成する。これにより、ベーン２９ａの
タービンハウジング２１への鋳造成形時、図示しないハ
ウジング型へ区画部材２９をセットすることにより、複
数のベーン２９ａを一度でセットすることができ、ベー
ン２９ａの取り扱いを容易とすることができ、生産性を
向上することができる。この第２実施形態においても、
区画部材２９を別体とすることで、金属射出成形、ロス
トワックス成形、機械加工成形等により高精度で成形す
ることができる。また、これらの成形方法により、従来
の鋳造成形のベーンに比し、表面粗さが滑らかにできる
ことや、鋳型のズレによる寸法のバラツキを低減できる
ことや、最小Ｒを小さくできることや鋳巣を無くすこと
ができ、信頼性の向上や性能の向上をはかることができ
る。また、区画部材２９は、タービンハウジング２１と
異なる異種材料たとえば耐高温ベーン材を選択すること
ができる。これにより、熱膨張による応力集中が防止で
き、品質、信頼性向上をはかることができる。なお、第
２実施形態は、区画部材２９が異なるだけで、その他の
構成は第１実施形態と同じである。

【００２６】図９及び図１０は、は、本発明の第３実施
形態を示す。この第３実施形態では、複数のベーン２９
ａのそれぞれの一端部が台座部２９Ａｂに一体形成され
る複数の区画部材２９Ａを形成する。区画部材２９Ａの
台座部２９Ａｂ及びベーン２９ａの他端部がタービンハ
ウジング２１に鋳込まれて固定され、複数のベーン２９
ａと連通孔２９ｃからなる区画壁２３を形成する。これ
により、複数の区画部材２９Ａとすることで、区画部材
２９Ａの歪を小さくすることができ、タービンハウジン
グ２１の鋳造成形時、図示しないハウジング型へ区画部
材２９Ａを容易にセットすることができ、生産性を向上
することができる。この第３実施形態においても、区画
部材２９Ａを別体とすることで、金属射出成形、ロスト
ワックス成形、機械加工成形等により高精度で成形する
ことができる。また、これらの成形方法により、従来の
鋳造成形のベーンに比し、表面粗さが滑らかにできるこ
とや、鋳型のズレによる寸法のバラツキを低減できるこ
とや、最小Ｒを小さくできることや鋳巣を無くすことが
でき、信頼性の向上や性能の向上をはかることができ
る。また、区画部材２９Ａは、タービンハウジング２１
と異なる異種材料たとえば耐高温ベーン材を選択するこ
とができる。これにより、熱膨張による応力集中が防止
でき、品質、信頼性向上をはかることができる。なお、
第３実施形態は、区画部材２９Ａが異なるだけで、その
他の構成は第１実施形態と同じである。

【００２７】

【発明の効果】以上の如く、上記した請求項１の発明に
て講じた技術的手段によれば、ベーンは従来タービンハ
ウジングと一体で鋳造成形されていたが、別体で形成す
ることができ、金属射出成形、ロストワックス成形、機
械加工等の高精度の成形が採用できる。このため、ベー
ンの熱膨張に対する信頼性の向上及び性能のバラツキの
低減と性能向上をはかることができる。また、ハウジン
グ型が簡素化でき、湯流れが良くなり、不良品が低減で
きると共に、鋳造精度の向上をはかることができ、コス
トを低減することができる。

【００２８】また、上記した請求項２の発明にて講じた
技術的手段によれば、ベーン両端部がタービンハウジン
グに鋳込まれることにより、ベーンは両端部により支持
され強度が確保されると共に、ベーン端部とタービンハ
ウジングの間の隙間による洩れを防止でき、性能を確保
することができる。

【００２９】また、上記した請求項３の発明にて講じた
技術的手段によれば、ベーンに異種材料たとえば耐高温
ベーン材を選択することで、熱膨張による応力集中を防
止でき、品質、信頼性の向上をはかることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態における可変容量ター
ボチャージャの軸方向断面図を示す。

【図２】本発明の図１に示す−ラインよりタービン
部２０を見た正面図を示す。

【図３】本発明の第１実施形態におけるベーン２９ａの
要部拡大断面図を示す。

【図４】本発明の第１実施形態におけるベーン２９ａの
平面図を示す。

【図５】従来技術におけるベーンの拡大平面図を示す。

【図６】本発明の第１実施形態におけるベーン２９ａの
拡大平面図を示す。

【図７】本発明の第２実施形態における区画部材２９
（ベーン２９ａ）の要部拡大断面図を示す。

【図８】本発明の第２実施形態における区画部材２９の
平面図を示す。

【図９】本発明の第３実施形態における区画部材２９Ａ
（ベーン２９ａ）の要部拡大断面図を示す。

【図１０】本発明の第３実施形態における区画部材２９
Ａの平面図を示す。

【符号の説明】

１・・・可変容量ターボチャージャ １０・・・軸受部 １１・・・ベアリングハウジング １２・・・軸受 １３・・・シャフト ２０・・・タービン ２１・・・タービンハウジング ２１ａ・・・排気導入口（排気入口） ２１ｂ・・・排気排出口（排気出口） ２２・・・タービンロータ ２３・・・区画壁 ２４・・・内周スクロール部（スクロール部） ２４ａ・・・流出口 ２５・・・外周スクロール部（スクロール部） ２５ａ・・・流入開口部 ２６・・・制御弁 ２９ａ・・・ベーン ２９ｃ・・・連通孔 ３０・・・コンプレッサ ３１・・・コンプレッサハウジング ３２・・・コンプレッサロータ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シャフトと、 該シャフトの一端に固定されるタービンロータと、 該タービンロータを収容すると共に、排気入口、排気出
   口及び、前記排気入口と前記排気出口とを前記タービン
   ロータを介して連通し、その断面積が漸次減少するスク
   ロール部を有するタービンハウジングと、 前記シャフトの他端に固定され、コンプレッサハウジン
   グ内に収容されたコンプレッサロータと、 前記タービンハウジングに設けられ、前記スクロール部
   を径方向に内周スクロール部と外周スクロール部とに分
   割すると共に前記外周スクロール部を流れる排気を前記
   内周スクロール部へ流入して前記内周スクロール部を流
   れる排気の流速を規制する複数の連通孔を有する区画壁
   と、 前記外周スクロール部の前記排気入口側に配設されて該
   排気入口側に設けた流入開口部を開閉して前記両スクロ
   ール部への排気流量を制御する制御弁とを備えた可変容
   量ターボチャージャにおいて、 前記区画壁は、鋳造成形される前記タービンハウジング
   とは別部材として形成される複数のベーンから成り、該
   複数のベーンは前記タービンハウジングの鋳造成形時に
   前記タービンハウジングに一体成形されることを特徴と
   する可変容量ターボチャージャ。
2. 【請求項２】 前記ベーンは、前記シャフトの軸方向両
   端部が前記タービンハウジングに鋳込まれていることを
   特徴とする請求項１に記載の可変容量ターボチャージ
   ャ。
3. 【請求項３】 前記ベーンは、前記タービンハウジング
   と異なる異種材料からなることを特徴とする請求項１又
   は２に記載の可変容量ターボチャージャ。