JP2006177318A - 可変容量型ターボチャージャー - Google Patents

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Abstract

【課題】 タービンハウジング渦室からリンク室への燃料の移動を防止することが可能な可変容量型ターボチャージャーを提供する。
【解決手段】 可変容量型ターボチャージャー1は、タービンに排気を供給するためのハウジング201と、排気の流れを調整するベーン42の向きを調整する、ハウジング201に設けられたリンク機構202とを備える。ハウジング201には、排気をタービンに供給するためのタービンハウジング渦室5とリンク機構202を収納するリンク室6とが設けられている。ハウジング201には、タービンハウジング渦室5とリンク室6とを接続する連結孔3が設けられている。
【選択図】 図1

Description

この発明は、可変容量型ターボチャージャーに関し、より特定特にはタービンに付着する燃料を蒸発させることが可能な可変容量型ターボチャージャーに関するものである。
現在、主としてディーゼルエンジン向けに、供給する空気量をより的確に制御できる機構を持った可変容量型ターボチャージャー(VGターボ)が製造されている。
この可変容量型ターボチャージャーの1種としてベーンの向きをさまざまに変化させることでタービンの回転を調整できる、VNターボ(バリアブルノズルターボ)が知られている。タービンに関しては、たとえば特開平11−229886号公報(特許文献1)、特開2004−169703号公報(特許文献2)および実開平7−25249号公報(特許文献3)が知られている。
特開平11−229886号公報 特開2004−169703号公報 実開平7−25249号公報
特許文献1では、VNターボを搭載するディーゼルエンジンで、プレートやタービンハウジング間にシール構造を持たせることで、リンク室への後噴射の気化不足による燃料やスモークを多く含むガスの侵入を防止する技術が開示されている。
特許文献2では、移動可能な壁が移動した際に、キャビティ内に排ガスが通過する構造が開示されている。
特許文献3では、可変容量ノズル付きターボのリンク室が軸受と反対側に設置される技術が開示されている。
しかしながら、上述のいずれの技術においても、渦室とリンク室の圧力差により、ノズルを作動させるためのピン等の隙間からリンク室へ燃料、ガスなどか侵入する。そして、堆積した燃料やガスが、ユニゾンリングの摺動を妨げ、制御性を悪化させる懸念がある。
後噴射する条件の中には、軽負荷(低排気温度)の条件があり、燃料の気化が不十分な場合や低温のタービンハウジング表面で燃料が凝結(液化)する場合がある。ターボチャージャーでは若干のガス漏れを許容した設計となっており、タービン渦室とリンク室との間で圧力差があるため、燃料はノズルリングとタービンハウジングの間を伝ってリンク室に運ばれ、そこにスーツが堆積する。
そこで、この発明は上述のような問題点を解決するためになされたものであり、リンク室への燃料の移動を防止することが可能な可変容量型ターボチャージャーを提供することを目的とする。
この発明に従った可変容量型ターボチャージャーは、ハウジングと、排気の流れを調整するためのベーンを駆動する、ハウジングに設けられたリンク機構とを備える。ハウジングには、排気をタービンに供給するためのタービンハウジング渦室と、リンク機構を収納するリンク室とを備える。ハウジングには、タービンハウジング渦室とリンク室とを接続する連結孔が設けられている。
このように構成された可変容量型ターボチャージャーでは、連結孔により、タービンハウジング渦室とリンク室との圧力差を減らすことができ、リンク室に燃料が移動することを防止できる。また、高温の排気がリンク室に流れ込むため、リンク室内の燃料を蒸発させることができる。
好ましくは、連結孔はタービンハウジング渦室の下方に向かって配設される。この場合、リンク室に入った燃料が連結孔を通ってタービンハウジング渦室の方へ流れ落ちる位置関係となるため、リンク室に燃料が溜ったままの状態を防ぐことができ、リンク室でのスラッジの発生を防止できる。
より好ましくは、可変容量型ターボチャージャーは車両に搭載され、連結孔は最下部に配置される。この場合は、連結孔が車両搭載上最下部に位置するため、リンク室内の堆積させたディポジットをタービンハウジング渦室に戻すための排出通路を兼ねることができる。
より好ましくはハウジングには、タービンが収納される排気タービン室が設けられており、排気タービン室とリンク室とを仕切るシュラウドをさらに備え、シュラウドには排気タービン室とリンク室とを繋ぐ掃気孔が設けられている。この場合、リンク室と排気タービン室とを繋ぐ掃気孔により、連結孔から導入された高温の排気ガスがリンク室内に入りやすくなり、リンク室の温度を上げることができ、リンク室内のディポジットを燃焼または剥離させることができる。
この発明に従えば、リンク室に燃料が移動することを防止できる、可変容量型のターボチャージャーを提供することができる。
以下は、この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の実施の形態では同一または相当する部分については同一の参照符号を付し、その説明については繰返さない。
(実施の形態1)
図1は、この発明の実施の形態1に従った可変容量型ターボチャージャーの断面図であり、(A)は全体図、(B)は掃気孔の断面図である。図1を参照して、この発明の実施の形態に従った可変容量型ターボチャージャー1は可変ノズル式ターボチャージャーであり、ハウジング201と、ハウジング201に回転可能に収納されたシャフト7と、シャフト7に取付けられるコンプレッサホイール34およびタービンホイールアッシ22とを有する。
ハウジング201は、コンプレッサハウジング2、センターハウジング36およびタービンハウジング48に分割され、中央のセンターハウジング36の両側にコンプレッサハウジング2およびタービンハウジング48が取付けられる構造とされる。コンプレッサハウジング2では、中央部から空気を取入れて外部へ放出することが可能な形状とされる。具体的には、コンプレッサハウジング2の中央部に空気が導入され、この空気が回転するコンプレッサホイール34により外部方向へ向かって加速されて圧縮され、圧縮された空気が図示しないインテークマニホールドに導かれる。
コンプレッサハウジング2内にはコンプレッサホイール34が収納される。コンプレッサホイール34はタービンシャフトとしてのシャフト7に固定されており、シャフト7とともに回転する。コンプレッサホイール34はロックナット35によりシャフト7に固定される。コンプレッサホイール34には複数の羽根が設けられておりコンプレッサホイール34が回転すると、この羽根により、空気が遠心力で加速されて圧縮される。
コンプレッサホイール34に隣接するようにスラストスペーサ25が配置される。スラストスペーサ25はシャフト7を取囲む形状とされる。コンプレッサハウジング2の裏面にはバックプレート32が設けられる。バックプレート32はボルト9によりコンプレッサハウジング2に取付けられ、かつスラストスペーサ25が嵌め合わされる形状とされる。バックプレート32とコンプレッサハウジング2との間にはシール性を向上させるためのOリング8が配置される。スラストスペーサ25の外周にはピストンリング31が嵌め合わせられる。
センターハウジング36は、可変容量型ターボチャージャー1の中央部に設けられる。バックプレート32はボルト33によりセンターハウジング36に固定される。バックプレート32とセンターハウジング36との間にはシール性向上のためのシールリング27が設けられる。
センターハウジング36に接触するようにスラストベアリング26が配置される。スラストベアリング26はシャフト7のスラスト方向の荷重を受け止めるためのベアリングであり、オイルなどにより潤滑される。スラストベアリング26の内周側にスラストカラー28が配置される。スラストカラー28はスラストスペーサ25と接触するように設けられ、かつシャフト7の段差部分とも接触する。
センターハウジング36にはピン49が設けられる。また、センターハウジング36には、シャフト7の回転を保持するベアリング24が設けられる。ベアリング24はシャフト7のラジアル方向の荷重を保持する。
ベアリング24にはリテーナリング30が嵌め合わされ、リテーナリング30はセンターハウジング36にも噛み合っている。
センターハウジング36およびタービンハウジング48にはリンク機構202が配置される。リンク機構202はリンク室6に収納されるユニゾンリング45と、ユニゾンリング45の内周に位置し、ユニゾンリング45と接触するアーム44と、タービンハウジング48に隣接して設けられるノズルリング43と、ピン39に接続されて複数本のアーム44を駆動させるためのメインアーム37とを有する。
リンク機構202は複数枚のベーン42の角度を調整するための機構であり、ピン40を所定の角度を回動させれば、この回動がベーン42に伝わり、ベーン42が回動する構成とされている。具体的には、ピン40はクランクエクスターナル41に接続され、クランクエクスターナル41はピン39を中心に回動可能である。ピン49の外周にはブッシュ38が設けられ、ブッシュ38はピン39とセンターハウジング36との間に介在する。
ピン39はメインアーム37と連結されており、ピン39が回動すれば、この回動がメインアーム37に伝えられる。メインアーム37の内側端部はピン39に固定され、外側端部はユニゾンリング45に噛み合っている。そのため、メインアーム37はピン39を中心として回動し、この回動がユニゾンリング45に伝えられる。ユニゾンリングの内周面にはアーム44が嵌り合っており、ユニゾンリング45が回動すると、この回動はアーム44に伝えられる。アーム44はピン21を中心として回動することが可能であり、アーム44の回動はピン21に伝えられる。ピン21はベーン42と連結されているためベーン42はピン21およびアーム44とともに回動する。
ノズルリング43はキャップスクリュー47によりタービンハウジング48に固定されている。キャップスクリュー47の外周にはベーンスペーサ46が設けられる。シャフト7の端部にはタービンホイールアッシ22が取付けられる。タービンホイールアッシ22は排気タービン室148内に位置する。
タービンホイールアッシ22とリンク室6との間にはディスクシュラウド23が設けられ、ディスクシュラウド23は排気タービン室148の気密性を高める役割を果たす。また、気密性を高めるために、シャフト7の外周にピストンリング29が嵌め合わせられる。ディスクシュラウド23には複数の掃気孔4が設けられる。掃気孔4は、リンク室6と排気タービン室148とを繋ぐ働きがある。
タービンハウジング48の外周にタービンハウジング渦室5が設けられ、タービンハウジング渦室5から排気が供給される。この排気はタービンホイールアッシ22を回転させて排気タービン室148から排気される。タービンハウジング48には、タービンハウジング渦室5とリンク室6とを接続するための連結孔3が設置される。連結孔3により、タービンハウジング渦室5とリンク室6との圧力がほぼ同一となる。タービンハウジング48はボルト10によりセンターハウジング36に取付けられる。
すなわち、可変容量型ターボチャージャー1は、タービンホイールアッシ22に排気を供給するためのハウジング201の一部であるタービンハウジング48と、排気の流れを調整するためのベーン42を駆動する、タービンハウジング48およびセンターハウジング36に設けられるリンク機構202とを備える。
タービンハウジング48およびセンターハウジング36には、排気をタービンホイールアッシ22に供給するためのタービンハウジング渦室5と、リンク機構202を収納するリンク室6とを備える。タービンハウジング48には、タービンハウジング渦室5とリンク室6とを接続する連結孔3が設けられている。タービンハウジング48には、タービンホイールアッシ22が収納される排気タービン室148が設けられており、排気タービン室148とリンク室6とはディスクシュラウド23で仕切られており、ディスクシュラウド23には、排気タービン室148とリンク室6とを繋ぐ掃気孔4が設けられている。
図2は、図1中のII−II線に沿った断面図である。図2を参照して、環状のユニゾンリング45の内周に、円板形状のノズルリング43が嵌め合わせられている。ノズルリング43はキャップスクリュー47によりタービンハウジングに固定されており、キャップスクリュー47の外周にベーンスペーサ46が設けられる。
ユニゾンリング45はノズルリング43に対して摺動可能である。ユニゾンリング45の外周凹部には、メインアーム37およびアーム44が嵌め合わせられている。アーム44の各々はベーン42に接続されており、ベーン42は点線で示す位置まで回動することが可能である。ベーン42の回動角度により、タービン渦室から排気タービン室へ向かう排気の流量および流速を調整することができる。
図3は、図1中のIII−III線に沿った断面図である。図3を参照して、ユニゾンリング45の内周凹部には、メインアーム37およびアーム44が嵌め合わせられている。ノズルリング43を貫通するようにピン39が設けられ、ピン39はメインアーム37に接続されている。ピン39を中心としてメインアーム37が回動すると、メインアーム37に係合するユニゾンリング45が回動する。この回動に伴い、アーム44もピン21を中心として回動する。ピン21が回動し、この回動が図2中のベーン42に伝わり、ベーン42が回動する。
図4は、図3中のIV−IV線に沿った断面図である。図4を参照して、ノズルリング43にはピン52が差し込まれ、ピン52上部にはローラ51が嵌め合わせられている。ローラ51はユニゾンリング45の内周面をガイドする。これにより、ユニゾンリング45はローラ51に保持されて所定方向に回動することが可能となる。
図5は、この発明の実施の形態1に従った可変容量型ターボチャージャーの制御機構を示すブロック図である。図5を参照して、可変容量型ターボチャージャー(可変ノズル式ターボチャージャー)1は、可変ノズルコントローラ200およびエンジンコントロールコンピュータ300により制御される。
具体的には、エンジンコントロールコンピュータ300は、イグニッションスイッチ、アクセル開度、エンジン回転数、大気温、大気圧、過給圧および冷却水温などに基づいて要求可変ノズル開度を決定する。この決定したデータが可変ノズルコントローラ200に伝えられる可変ノズルコントローラ200は上記データをもとにDCモータの駆動出力を可変容量型ターボチャージャー(可変ノズル式ターボチャージャー)1に与え、ノズルの開度が決定される。
ノズルの開度に関する情報は可変ノズルコントローラ200にフィードバックされ、さらに可変ノズルコントローラ200からエンジンコントロールコンピュータ300へモータステータス信号が送られる。
可変容量型ターボチャージャー1では、モータにより、タービンホイールアッシ外周に設けられた可変ノズルとしてのベーン42を開閉し、ターボチャージャーに入力される排気ガスの流速や圧力を調整することにより、エンジン回転数および負荷に対して、背圧と過給圧のバランスを最適に制御することが可能となる。
可変容量型ターボチャージャー1は、ノズル(ベーン42)、DCモータ(図示せず)、ベーン42とDCモータを連結するリンク機構202および開度センサ(図示せず)で構成される。DCモータの駆動力はピン40,39、メインアーム37、ユニゾンリング45、アーム44およびピン21の順に伝達される。ベーン42の制御方法としてはさまざまなものが考えられるが、たとえばエンジン低中速域では、ベーン42を絞り排気ガスの流速を高めることにより、過給圧の立ち上がり特性および過給圧を向上させ、黒鉛の低減およびトルクの向上を図ることが可能となる。これに対して、エンジン高回転域では、ベーン42の通路を開き排気圧力を下げることにより、燃費および出力の向上を図るとともにタービンホイールアッシ22の過回転を防止することができる。また、EGR(エギゾーストガスリサーキュレーション)作動時には、EGR制御の安定化を図るため、ベーン42の開度を調整する。
このような実施の形態1に従った可変容量型ターボチャージャー1では、タービンハウジング48とノズルリング43の隙間から燃料が移動しないことを目的としている。この燃料はタービンハウジング渦室5の上流側で排気ガス中に噴射されて、排気タービン室148の下流側に設けられたDPNRに蓄積した粒子状物質を燃焼させるために用いられる。タービンハウジング48の下部にタービンハウジング渦室5とリンク室6とを繋ぐ連結孔3を設けることで、タービンハウジング渦室5とリンク室6との圧力差を低減する。この連結孔3は1箇所でもよく、2箇所以上であってもよい。
連結孔3の位置および大きさは、ノズルリング43とタービンハウジング48との隙間の面積を参考にして決定する。連結孔3は、できるだけ燃料が付着していない表面に設ける。ディスクシュラウド23(タービン翼裏の仕切り板)に掃気孔4を設け、タービンハウジング渦室5からリンク室6へ向かって、タービン裏側へのガスの流れを作る。掃気孔4の数は、たとえば3個とし、120度の間隔を隔てて設けることが好ましい。この掃気孔4を介したガスの流れにより、リンク室6の温度をより高くすることができる。
また、この発明では、リンク室6内のディポジットを燃焼または剥離させることを目的としている。この目的のために、リンク室6とタービンハウジング渦室5とを連結する連結孔3を設ける。2箇所以上連結孔3を設けると排気ガスが淀みにくくなり好ましい。以上のように、この発明に従った可変容量型ターボチャージャー1では、連結孔3および掃気孔4を設けているため、タービンハウジング渦室5とリンク室6との圧力差を極力少なくすることができ、リンク室6への燃料の移動を防止できる。また、仮にリンク室6へ燃料が移動されたとしても、連結孔3および掃気孔4を通じて高温の排気ガスがリンク室6へ流れ込むため、リンク室6の燃料を蒸発させることができる。
なお、掃気孔4は必ずしも設ける必要はなく、掃気孔4を設けず連結孔3だけを設けてもよい。
(実施の形態2)
図6は、この発明の実施の形態2に従った可変容量型ターボチャージャーの断面図である。図6を参照して、この発明の実施の形態2に従った可変容量型ターボチャージャー1では、連結孔3がタービン渦室の下部に向かって配置されている。すなわち、連結孔3は、タービンハウジング渦室5の下部に向かって延びる。可変容量型ターボチャージャー1は車両に搭載され、連結孔3は最下部、すなわち、可変容量型ターボチャージャー1のうち、最も地面に近い位置に設けられる。
このように構成された、実施の形態2に従った可変容量型ターボチャージャー1では、リンク室6に入った燃料が連結孔3を通ってタービンハウジング渦室5へ流れ込む位置関係となるため、リンク室6に燃料が溜ったままの状態を防ぐことができ、リンク室6内でのスラッジの発生を防止できる。また、連結孔3が車両搭載上の最下部に位置するため、リンク室6内の剥離させたディポジットをタービンハウジング渦室5に戻すための排出中路を兼ねることができる。
(実施の形態3)
図7は、この発明の実施の形態3に従った可変容量型ターボチャージャーの平面図である。図7を参照して、この発明の実施の形態3に従った可変容量型ターボチャージャー1では、タービンハウジング渦室5の下部に溜った燃料をタービン入口に排出するための排出孔149が設けられている。これにより、燃料がタービンハウジング渦室5からリンク室へ流入することを防止できる。排出孔149は、タービン入口部のガス流動の動圧を受けないような角度で設けられる。
以上、この発明の実施の形態について説明したが、ここで示した実施の形態はさまざまに変形することが可能である。まず、本発明の可変容量型ターボチャージャー1は、主としてディーゼルエンジンとともに搭載されるものであるが、これに限られず、ガソリンエンジンまたはロータリエンジンなどに本発明に従った可変容量型ターボチャージャーを設けてもよい。さらに、ディーゼルエンジンまたはガソリンエンジンを用いるハイブリッド自動車に本発明を適用してもよい。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
この発明は、タービンに供給する空気流量を適宜変更することが可能である、可変容量型のターボチャージャーの分野で用いることができる。
この発明の実施の形態1に従った可変容量型ターボチャージャーの断面図であり、(A)は全体図、(B)は掃気孔の断面図である。 図1中のII−II線に沿った断面図である。 図1中のIII−III線に沿った断面図である。 図3中のIV−IV線に沿った断面図である。 この発明の実施の形態1に従った可変容量型ターボチャージャーの制御機構を示すブロック図である。 この発明の実施の形態2に従った可変容量型ターボチャージャーの断面図である。 この発明の実施の形態3に従った可変容量型ターボチャージャーの平面図である。
符号の説明
1 可変容量型ターボチャージャー、2 コンプレッサハウジング、3 連結孔、4 掃気孔、5 タービンハウジング渦室、6 リンク室、36 センターハウジング、201 ハウジング、202 リンク機構。

Claims (4)

  1. ハウジングと、
    排気の流れを調整するためのベーンを駆動する、前記ハウジングに設けられるリンク機構を備え、
    前記ハウジングには、排気をタービンに供給するためのタービンハウジング渦室と、前記リンク機構を収納するリンク室とが設けられ、
    前記ハウジングには、前記タービンハウジング渦室と前記リンク室とを接続する連結孔が設けられている、可変容量型ターボチャージャー。
  2. 前記連結孔は、前記タービンハウジング渦室の下方に向かって配設される、請求項1に記載の可変容量型ターボチャージャー。
  3. 前記可変容量型ターボチャージャーは車両に搭載され、前記連結孔は最下部に配置される、請求項1または2に記載の可変容量型ターボチャージャー。
  4. 前記ハウジングにはタービンが収納される排気タービン室が設けられており、前記排気タービン室と前記リンク室とを仕切るシュラウドをさらに備え、前記シュラウドには前記排気タービン室と前記リンク室とを繋ぐ掃気孔が設けられている、請求項1から3のいずれか1項に記載の可変容量型ターボチャージャー。
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