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

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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