JP2010096110A - ターボチャージャ - Google Patents

Abstract

【課題】ノズルリングと軸受けハウジングとの間の隙間から排気ガスが漏出することを防止し、タービン効率を向上させることができるターボチャージャを提供する。
【解決手段】本発明のターボチャージャは、タービンインペラ２３を回転自在に支持する軸受けハウジング２と、タービンインペラ２３に供給される排気ガスの流量を可変とする排気ノズル５とを備え、排気ノズル５は、軸受けハウジング２側に設けられる排気導入壁５２を有する可変容量型のターボチャージャにおいて、リング状を呈し軸受けハウジング２と排気導入壁５２との間に形成される隙間Ｓ３を遮蔽するシール部材６３を有し、シール部材６３の内周縁部６３ａが軸受けハウジング２に圧着し、シール部材６３の外周縁部６３ｂが排気導入壁５２に圧着しているという構成を採用する。
【選択図】図２

Description

本発明は、エンジンから排出される排気ガスのエネルギーを利用してエンジンに供給される空気を過給するターボチャージャに関わり、特に可変容量型のターボチャージャに関する。

従来から、低回転域から高回転域までの広い範囲に亘りエンジンの性能向上を図ることができる可変容量型のターボチャージャが知られている。
ここで、特許文献１には、可変容量型のターボチャージャが開示されている。

上記ターボチャージャは、タービンハウジングとコンプレッサハウジングとが軸受けハウジングを介して一体的に連結された構成となっており、タービンハウジング内に設けられたタービンインペラとコンプレッサハウジング内に設けられたコンプレッサインペラとが軸受けハウジング内に回転自在に設けられた回転軸により連結されている。
タービンハウジングには排気ガスの流入口が設けられ、当該流入口から流入した排気ガスはタービンハウジング内のタービンスクロール流路に導入される。軸受けハウジングのタービンハウジング側には、上記タービンスクロール流路に導入される排気ガスをタービンインペラに導くとともに、その流量を可変とする可変ノズルユニット（排気ノズル）が設けられている。
可変ノズルユニットは、タービンハウジング側の排気導入壁であるシュラウドリングと軸受けハウジング側の排気導入壁であるノズルリングとを備えており、ノズルリングとシュラウドリングとは所定の間隔を有する状態で連結されている。ノズルリングとシュラウドリングとの間には、排気ガスの流量を調節するための複数のノズルベーンが環状に配置されている。

可変ノズルユニットのシュラウドリングとタービンハウジングとの間には所定の隙間が設けられている。この隙間は本来不要であるが、タービンハウジングが冷間時と熱間時との間で熱変形を起こし、シュラウドリングに対する相対的な位置関係が変わってしまうために設けられている。
しかし、タービンスクロール流路内の排気ガスが上記隙間を通ってタービンハウジングの出口側に漏出しターボチャージャのタービン効率を低下させてしまうことから、当該隙間を塞ぐためにシュラウドリングの内周縁部からタービンハウジング側に延設された略円筒状を呈する延設部の外周面と、当該延設部の外周面に対向するタービンハウジングの内周面との間にシール用Ｃリングが配置されている。上記Ｃリングは弾性体で形成されており、その弾性力によりタービンハウジングの熱変形に追従することができる。
特開２００６−１２５５８８号公報（第１４頁、第１図）

一方、可変ノズルユニットのノズルリングとタービンハウジングとの間にも、タービンハウジングの熱変形によるノズルリングに対する相対的な位置の変化を吸収するための所定の隙間が設けられている。
この隙間はタービンスクロール流路に連通しているため、排気ガスは当該隙間に流入し、ノズルリングと軸受けハウジングとの間の隙間を通り、タービンインペラの設置箇所に漏出していた。
ここで、ノズルリングと軸受けハウジングとの間には、リング状平板である遮蔽板が設置されている。もっとも、この遮蔽板はノズルリングと軸受けハウジングとの間の隙間を積極的に遮蔽する機能は有しておらず、上記隙間から排気ガスが漏出するために可変ノズルユニットを通ってタービンインペラの設置箇所に導入される排気ガスの流れを乱し、結果としてターボチャージャのタービン効率が低下するという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、排気ガスがノズルリングと軸受けハウジングとの間の隙間から漏出することを防止し、タービン効率を向上させることができるターボチャージャを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明のターボチャージャは、タービンインペラを回転自在に支持する軸受けハウジングと、タービンインペラに供給される排気ガスの流量を可変とする排気ノズルとを備え、排気ノズルは、軸受けハウジング側に設けられる排気導入壁を有する可変容量型のターボチャージャにおいて、リング状を呈し軸受けハウジングと排気導入壁との間に形成される隙間を遮蔽するシール部材を有し、シール部材の内周縁部が軸受けハウジングに圧着し、シール部材の外周縁部が排気導入壁に圧着しているという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、リング状を呈するシール部材の内周縁部及び外周縁部が各々軸受けハウジング及び排気導入壁に圧着するため、軸受けハウジングと排気導入壁との間の隙間は遮蔽され、当該隙間からの排気ガスの漏出を防止することができる。したがって、可変ノズルユニットを通ってタービンインペラの設置箇所に導入される排気ガスの流れを乱すことなく、整った状態に保つことができる。

また、本発明のターボチャージャは、シール部材が皿バネであるという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、皿バネは弾性力を有することから、皿バネの内周縁部及び外周縁部が各々軸受けハウジング及び排気導入壁に圧着することができる。また、本発明では、排気ガスの熱により軸受けハウジング及び排気導入壁が熱変形したとしても、皿バネが弾性力を有することにより上記熱変形に追従することができる。

また、本発明のターボチャージャは、皿バネの外周縁部が排気導入壁から離間する側に湾曲する湾曲部を有するという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、上記外周縁部が湾曲部を有することで排気導入壁に対して皿バネの周方向で均一に接触することができ、当該接触部からの排気ガスの漏出を確実に防止することができる。

また、本発明のターボチャージャは、軸受けハウジングのタービンインペラ側にリング状平板である遮熱板が配置され、皿バネは、遮熱板と軸受けハウジングとの間に設置されるという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、遮熱板はタービンインペラの設置箇所に導入される排気ガスの熱が皿バネに伝わることを防止するため、皿バネの熱劣化を防ぐことができる。

また、本発明のターボチャージャは、軸受けハウジングのタービンインペラに対向する面からタービンインペラ側に突出する突部が遮熱板の内周縁部に嵌合し、遮熱板と軸受けハウジングとが皿バネの内周縁部を挟持するという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、遮熱板と軸受けハウジングとが皿バネの内周縁部を挟持するため、当該挟持部からの排気ガスの漏出を確実に防止することができる。

本発明によれば、以下の効果を得ることができる。
本発明によれば、排気ガスがノズルリングと軸受けハウジングとの間の隙間から漏出することを防止できるため、ターボチャージャのタービン効率を向上させることができるという効果がある。

以下、本発明の一実施形態に係るターボチャージャを、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係るターボチャージャ１の全体構成を示す概略図、図２は、図１における可変ノズルユニット５周辺の拡大図、図３は、本実施形態における皿バネ６３の概略図であり、（ａ）は皿バネ６３の平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線視断面図である。なお、上記図面中の矢印Ｆは前方向を示す。

まず、本実施形態に係るターボチャージャ１の全体構成を、図１を参照して説明する。
図１に示すように、本実施形態に係るターボチャージャ１は、不図示のエンジンから導かれる排気ガスのエネルギーを利用してエンジンに供給される空気を過給する可変容量型のターボチャージャである。
ターボチャージャ１は、軸受けハウジング２と、軸受けハウジング２の前側周縁部に締結ボルト２ａにより接続されるタービンハウジング３と、軸受けハウジング２の後側周縁部に締結ボルト２ｂにより接続されるコンプレッサハウジング４とを備えている。

軸受けハウジング２内には、前後方向で延びるタービン軸２１がベアリング２２を介して回転自在に支持されている。タービン軸２１の前端部にはタービンインペラ２３が一体的に連結され、後端部にはコンプレッサインペラ２４が一体的に連結されている。なお、タービンインペラ２３はタービンハウジング３内に設置され、コンプレッサインペラ２４はコンプレッサハウジング４内に設置されている。

タービンハウジング３内かつタービンインペラ２３の径方向外側には、略環状を呈する可変ノズルユニット（排気ノズル）５が設置されている。

タービンハウジング３は、タービンインペラ２３の径方向外側に設けられるタービンスクロール流路３１と、排気ガスの排気口であるタービンハウジング出口３２とを有している。
タービンスクロール流路３１は、タービンインペラ２３を囲んで略環状に形成され、排気ガスを導入するための不図示のガス流入口と連通している。また、タービンスクロール流路３１は、可変ノズルユニット５内の後述するノズル流路５Ａと連通している。なお、上記ガス流入口は不図示のエンジンにおける排気口に接続されている。
タービンハウジング出口３２は、タービンハウジング３の前側に開口しており、タービンインペラ２３の設置箇所を介してノズル流路５Ａと連通している。また、タービンハウジング出口３２は、不図示の排気ガス浄化装置に接続されている。

コンプレッサハウジング４には、後側に開口し不図示のエアクリーナに接続される吸気口４１が形成されている。また、軸受けハウジング２とコンプレッサハウジング４との間には、空気を圧縮して昇圧するディフューザ流路４２がコンプレッサインペラ２４の径方向外側で略環状に形成されている。また、ディフューザ流路４２は、コンプレッサインペラ２４の設置箇所を介して吸気口４１と連通している。
さらに、コンプレッサハウジング４は、コンプレッサインペラ２４の径方向外側で略環状に形成されるコンプレッサスクロール流路４３を有しており、コンプレッサスクロール流路４３は、ディフューザ流路４２と連通している。なお、コンプレッサスクロール流路４３は、不図示のエンジンにおける吸気口と連通している。

次に、可変ノズルユニット５の構成を、図１ないし図３を参照して説明する。
図２に示すように、可変ノズルユニット５は、タービンハウジング３側に設置されるシュラウドリング５１と、シュラウドリング５１に対向して軸受けハウジング２側に設置されるノズルリング（排気導入壁）５２と、シュラウドリング５１とノズルリング５２との間に保持される複数のノズルベーン５３とを有している。なお、ノズル流路５Ａは、シュラウドリング５１とノズルリング５２との間に形成されている。

シュラウドリング５１は、略リング状に形成された板状部材の内周縁部に、タービンハウジング出口３２側に延出する略円筒状を呈する延設部５１Ｅが接続された形状を呈している。また、シュラウドリング５１には、上記板状部材の厚さ方向で貫通する複数の第１孔部５１ａが形成されている。

ノズルリング５２は、略リング状に形成された板状部材であり、厚さ方向で貫通する複数の第２孔部５２ａが形成されている。

図１に示すように、シュラウドリング５１及びノズルリング５２は、複数の連結ピン５７を介して所定の間隔を形成するように連結されている。なお、連結ピン５７は、シュラウドリング５１に貫入し、ノズルリング５２を貫通して後側に突出している。
ノズルリング５２の後側には、取付リング５８が連結ピン５７を介して一体的に設けられており、取付リング５８の外周縁部は、タービンハウジング３と軸受けハウジング２とにより挟持されて支持されている。すなわち、ノズルリング５２は、取付リング５８を介して軸受けハウジング２及びタービンハウジング３に支持されている。

ノズルベーン５３は、ノズルリング５２とシュラウドリング５１の間に周方向で等間隔に複数設けられており、タービンインペラ２３の回転軸と平行な軸回りに各々回転自在である。
各ノズルベーン５３は、略矩形を呈する板状部材であるノズルベーン本体５４と、ノズルベーン本体５４の一辺から突出する第１ベーン軸５５と、当該一辺に対向する辺から突出する第２ベーン軸５６とを有している。
第１ベーン軸５５は、シュラウドリング５１の第１孔部５１ａに回転自在に貫入しており、第２ベーン軸５６は、ノズルリング５２の第２孔部５２ａに回転自在に貫通しノズルリング５２の後側に突出している。

図２に示すように、シュラウドリング５１とタービンハウジング３との間には、タービンハウジング３が熱変形を起こした場合にシュラウドリング５１に対する相対移動を吸収するための隙間Ｓ１が形成されている。そして、隙間Ｓ１からの排気ガスの漏出を防止するために、シュラウドリング５１における延設部５１Ｅの外周面とタービンハウジング３の内周面との間には隙間Ｓ１を遮蔽するための２枚のＣリング６１が設けられている。

また、ノズルリング５２とタービンハウジング３との間には、タービンハウジング３が熱変形を起こした場合にノズルリング５２に対する相対移動を吸収するための第２隙間Ｓ２が形成されている。さらに、ノズルリング５２と軸受けハウジング２との間には、第３隙間Ｓ３が形成されていおり、第３隙間Ｓ３は、第２隙間Ｓ２に連通し、かつ、タービンインペラ２３の設置箇所に開口し連通している。

軸受けハウジング２とタービンインペラ２３との間には、タービンインペラ２３の設置箇所に導入される排気ガスの熱が軸受けハウジング２側に伝わることを防止するための遮熱板６２が設けられている。遮熱板６２は、タービン軸２１を囲んでリング状を呈する板状部材であり、その内周縁部には軸受けハウジング２のタービンインペラ２３に対向する対向面２Ａから前側に突出する突部２Ｂが嵌合しており、その外周縁部はノズルリング５２の内周面に当接している。

遮熱板６２の後側、すなわち第３隙間Ｓ３におけるタービンインペラ２３の設置箇所に対する開口部には、皿バネ（シール部材）６３が設けられている。
図３に示すように、皿バネ６３は、リング状に形成された板状部材であり、皿バネ６３の内周縁部６３ａと外周縁部６３ｂとが皿バネ６３の中心軸方向に関してずれている形状を有し、当該中心軸方向で弾性力を備えるバネ部材である。

図２に示すように、皿バネ６３の中心開口部には軸受けハウジング２の突部２Ｂが貫通しており、皿バネ６３の内周縁部６３ａは遮熱板６２と軸受けハウジング２の対向面２Ａとにより隙間無く挟持されている。一方、皿バネ６３の外周縁部６３ｂは、ノズルリング５２の軸受けハウジング２に対向する第２対向面５２Ｂに隙間無く当接している。
ここで、皿バネ６３はその自然長（何ら負荷をかけない場合の長さ）から圧縮された状態でノズルリング５２と軸受けハウジング２との間に設置されていることから、皿バネ６３の内周縁部６３ａは軸受けハウジング２の対向面２Ａに圧着し、皿バネ６３の外周縁部６３ｂはノズルリング５２の第２対向面５２Ｂに圧着している。

次に、本実施形態における各ノズルベーン５３を同期して回転させる同期機構７の構成を、図１を参照して説明する。
図１に示すように、可変ノズルユニット５の後側には、各ノズルベーン５３を同期して回転させるための同期機構７が設けられている。
同期機構７はタービンインペラ２３を囲んで環状を呈しており、各ノズルベーン５３の第２ベーン軸５６と各々連結されている。また、同期機構７は、同期機構７を作動させるための不図示のシリンダ等のアクチュエータに駆動軸７１及び駆動レバー７２を介して連結されている。

続いて、本実施形態に係るターボチャージャ１の動作を説明する。
まず、ターボチャージャ１の排気ガスのエネルギーを利用してエンジンに供給される空気を過給する動作について説明する。

エンジンの排気口から排出された排気ガスは、タービンハウジング３のガス流入口を通ってタービンスクロール流路３１へ導入される。続いて、排気ガスは、タービンスクロール流路３１からノズル流路５Ａに導入される。
この時、エンジンの回転数、すなわち、ノズル流路５Ａに導入される排気ガスの流量に応じて不図示のアクチュエータ及び同期機構７の作動により各ノズルベーン５３を回転させ、ノズル流路５Ａの開口面積を変化させる。この開口面積の変化によりノズル流路５Ａを通る排気ガスの流量は調節され、結果として低回転域から高回転域までの広い範囲に亘りエンジンの性能向上を図ることができる。
ノズル流路５Ａを通った排気ガスは、タービンインペラ２３の設置箇所に導入され、タービンインペラ２３を回転させる。その後、排気ガスはタービンハウジング出口３２より排出される。

タービンインペラ２３は、タービン軸２１を介してコンプレッサインペラ２４と連結されているため、タービンインペラ２３が回転することでコンプレッサインペラ２４が回転する。
コンプレッサインペラ２４の回転により、吸気口４１から導入された空気がディフューザ流路４２に供給される。空気は、ディフューザ流路４２を通ることで圧縮され昇圧される。昇圧された空気は、コンプレッサスクロール流路４３を通ってエンジンの吸気口に供給される。結果として、エンジンに空気を過給し、エンジンの出力を向上させることができる。
以上で、ターボチャージャ１の過給動作は終了する。

次に、皿バネ６３が、第３隙間Ｓ３におけるタービンインペラ２３の設置箇所に対する開口部を遮蔽する動作について説明する。
第２隙間Ｓ２はタービンスクロール流路３１に連通し、第３隙間Ｓ３は第２隙間Ｓ２に連通しているため、排気ガスがタービンスクロール流路３１から第２隙間Ｓ２を通って第３隙間Ｓ３に流入する。

ここで、皿バネ６３がノズルリング５２と軸受けハウジング２との間に設置されていることから、皿バネ６３は、第３隙間Ｓ３におけるタービンインペラ２３の設置箇所に対する開口部を遮蔽している。
したがって、皿バネ６３は、第３隙間Ｓ３に流入した排気ガスがタービンインペラ２３の設置箇所へ漏出することを防止する。結果として、可変ノズルユニット５を通ってタービンインペラ２３の設置箇所へ導入される排気ガスの流れを乱すことなく、整った状態に保つことができる。
また、排気ガスの熱によりノズルリング５２及び軸受けハウジング２が熱変形したとしても、皿バネ６３が弾性力を有することにより上記熱変形に追従することができる。

なお、遮熱板６２はタービンインペラ２３の設置箇所に導入される排気ガスの熱が皿バネ６３に伝わることを防止するため、熱によって皿バネ６３の弾性力が失われること（いわゆる熱劣化）を防ぐことができる。

したがって、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。
本実施形態では、ノズルリング５２と軸受けハウジング２との間の隙間から排気ガスが漏出することを防止できるため、ターボチャージャ１のタービン効率を向上させることができるという効果がある。

なお、前述した実施の形態において示した動作手順、あるいは各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲においてプロセス条件や設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態では、ノズルリング５２と軸受けハウジング２との間の隙間を遮蔽するシール部材として皿バネ６３を採用しているが、当該シール部材は前後方向で弾性力を有する部材であればよく、例えば前後方向で伸縮する蛇腹状の略円筒状を呈する部材であってもよい。

また、上記実施形態では、皿バネ６３の外周縁部６３ｂはその端縁でノズルリング５２の第２対向面５２Ｂに圧着しているが、図４に示すように、外周縁部６３ｂがノズルリング５２から離間する側に湾曲する湾曲部６３ｃを有していてもよい。
図４は、皿バネ６３の他の構成を示す概略図である。
このような構成を採用すれば、湾曲部６３ｃをノズルリング５２の第２対向面５２Ｂに対して皿バネ６３の周方向で均一に接触するように形成することができるため、当該接触部からの排気ガスの漏出を確実に防止することができる。

本実施形態に係るターボチャージャ１の全体構成を示す概略図である。 図１における可変ノズルユニット５周辺の拡大図である。 本実施形態における皿バネ６３の概略図である。 皿バネ６３の他の構成を示す概略図である。

符号の説明

１…ターボチャージャ、２…軸受けハウジング、２Ａ…対向面、２Ｂ…突部、５…可変ノズルユニット（排気ノズル）、２３…タービンインペラ、５２…ノズルリング（排気導入壁）、６２…遮熱板、６３…皿バネ（シール部材）、６３ａ…内周縁部、６３ｂ…外周縁部、６３ｃ…湾曲部

Claims (5)

1. タービンインペラを回転自在に支持する軸受けハウジングと、前記タービンインペラに供給される排気ガスの流量を可変とする排気ノズルとを備え、前記排気ノズルは、前記軸受けハウジング側に設けられる排気導入壁を有する可変容量型のターボチャージャにおいて、
   リング状を呈し前記軸受けハウジングと前記排気導入壁との間に形成される隙間を遮蔽するシール部材を有し、
   前記シール部材の内周縁部が前記軸受けハウジングに圧着し、前記シール部材の外周縁部が前記排気導入壁に圧着していることを特徴とするターボチャージャ。
2. 前記シール部材は、皿バネであることを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャ。
3. 前記皿バネの外周縁部は、前記排気導入壁から離間する側に湾曲する湾曲部を有することを特徴とする請求項２に記載のターボチャージャ。
4. 前記軸受けハウジングの前記タービンインペラ側にリング状平板である遮熱板が配置され、前記皿バネは、前記遮熱板と前記軸受けハウジングとの間に設置されることを特徴とする請求項２又は３に記載のターボチャージャ。
5. 前記軸受けハウジングの前記タービンインペラに対向する面から前記タービンインペラ側に突出する突部が前記遮熱板の内周縁部に嵌合し、前記遮熱板と前記軸受けハウジングとが前記皿バネの内周縁部を挟持することを特徴とする請求項４に記載のターボチャージャ。

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