JP2009062840A - 可変ノズル式ターボチャージャ - Google Patents

Abstract

【課題】高温時における熱変形を低減してベーンの渋りなどを効果的に抑制することが可能な可変ノズル式ターボチャージャを提供する。
【解決手段】可変ノズル式ターボチャージャは、複数のベーンが開度可変に取り付けられたノズルプレートとシュラウドプレートとが一体的に結合されて構成された組立体、及び組立体をタービン軸方向へ付勢する付勢手段を備えており、付勢手段のみによって、組立体をタービンハウジングに対して接合させて位置決めさせる。これにより、組立体をハウジングに完全固定することなく、フローティング状態で位置決めすることができる。したがって、高温時における熱変形を低減することができ、シュラウドプレート等とベーンとのクリアランスを縮小してもベーンにおける渋り等から開放され、ターボ性能が改善可能となる。
【選択図】図３

Description

本発明は、可変ノズル機構を備えた可変ノズル式ターボチャージャに関する。

従来から、ターボチャージャにおいて、タービンホイールへの排気流入部に複数のベーン（可変ベーン）を設け、タービンへの排気流入流速を制御してタービン効率を向上させる可変ノズル機構（バリアブルノズル機構）が用いられている。例えば、特許文献１には、タービンハウジングが可変ノズル機構から機械的、熱的に分断されるように構成することによって、ベーンに外力が働くことを抑制して、ベーンの渋り（ノズル揺動時にベーンの接触により、ベーンが動きにくくなったり動かなくなったりすること）を抑制する可変ノズル式ターボチャージャが記載されている。また、特許文献２には、複数のベーンが開度可変に取り付けられたノズルプレートを、タービンハウジングとベアリングハウジングとで挟み込んで固定する可変ノズル式ターボチャージャが記載されている。

特表２００５−５３８２９２号公報 特開２００６−３４８８９２号公報

上記した特許文献１に記載された技術では、ノズルプレートをタービンハウジングにボルトで固定し、タービンハウジングとノズルプレートとの間に設けられたシュラウドプレートに対してノズルプレートを押し付けることによって位置決めしていた。この技術では、シュラウドプレートのサイズが比較的大きく、その外径部側でシュラウドプレートをハウジングに固定していたため、高温時においてシュラウドプレートが熱変形してしまう場合があった。そのため、ノズル揺動時にベーンの渋りなどが生じてしまう可能性があった。一方、上記した特許文献２に記載された技術でも、ノズルプレートのサイズが比較的大きく、その外径側でノズルプレートをタービンハウジングに固定していたため、高温時における熱変形を効果的に低減することができない場合があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、高温時における熱変形を低減してベーンの渋りなどを効果的に抑制することが可能な可変ノズル式ターボチャージャを提供することを目的とする。

本発明の１つの観点では、可変ノズル機構を備える可変ノズル式ターボチャージャは、複数のベーンが開度可変に取り付けられたノズルプレートと、タービンハウジングと前記ノズルプレートとの間に設けられたシュラウドプレートとが一体的に結合されて構成された組立体と、前記組立体をタービン軸方向へ付勢する付勢手段と、を備え、前記付勢手段による前記付勢のみによって、前記組立体を前記タービンハウジングに対して接合させて位置決めさせる。

上記の可変ノズル式ターボチャージャは、開度を可変制御可能な複数のベーン（可変ベーン）を有する可変ノズル機構を備えたターボチャージャである。具体的には、組立体は、複数のベーンが開度可変に取り付けられたノズルプレートと、タービンハウジングとノズルプレートとの間に設けられたシュラウドプレートとが一体的に結合されて構成され、付勢手段は、組立体をタービン軸方向へ付勢する。詳しくは、可変ノズル式ターボチャージャは、付勢手段による付勢のみによって、組立体をタービンハウジングに対して接合させて位置決めさせる。つまり、組立体を付勢手段によってタービン軸方向におけるタービン出口側へ付勢し、このような付勢のみによって、組立体をタービンハウジングに対して接触固定させて位置決めさせる。これにより、組立体をハウジングに完全固定することなく、フローティング状態で位置決めすることができる。

上記の可変ノズル式ターボチャージャによれば、ノズルプレートなどを比較的小さく構成することができ、部品内の温度の高低差を小さくできるので、高温時における熱変形を低減することができる。また、組立体をハウジングに完全固定することなく、フローティング状態で位置決めしているので、これによっても、組立体における熱変形を低減することができる。即ち、過剰な外力から開放され、熱変形を小さくすることができる。以上より、シュラウドプレート等とベーンとのクリアランスを縮小しても、高温時におけるベーンにおける渋りなどから開放され、ターボ性能が改善可能となる。

上記の可変ノズル式ターボチャージャの一態様では、前記組立体は、前記ノズルプレートにおける外径部が前記タービンハウジングに形成されたフランジ部に接合されることによって位置決めされる。

この態様によれば、ノズル主流とリンク室とを、ノズルプレートにおける外径部とタービンハウジングに形成されたフランジ部とによって仕切ることができる。これにより、リンク室をノズル主流から効果的に隔離することができ、ノズル主流内の未燃ガスがリンク室へ入ってしまうことを防止することができる。したがって、主流内に含まれる未燃ガスがリンク系に付着してコーキングして、ベーンの動きなどが阻害されてしまうことを防止することが可能となる。

上記の可変ノズル式ターボチャージャの他の一態様では、ベアリングハウジングにおける前記ノズルプレートの方向に面する面には、前記ベアリングハウジング側への前記組立体の移動を制限するための突起部が形成されている。

この態様によれば、車両の衝突などのような過度の外力がターボチャージャに作用した際に、このような外力を付勢手段の押し付け力によって受け止め切れなくて変形した場合にも、ベアリングハウジング側への組立体の移動を効果的に制限することが可能となる。したがって、過度の外力が作用した場合において、組立体のシュラウドプレートがタービンホイールに接触して、タービンホイールが破損してしまうことを防止することが可能となる。

好ましくは、前記突起部は、前記ベアリングハウジング側への前記組立体の移動量がタービンチップクリアランス未満に制限されるように構成されている。これにより、過度の外力が作用して組立体が移動した場合にも、組立体などを突起部に接触させることで、ベアリングハウジング側への組立体の移動量をタービンチップクリアランス未満に適切に制限することができる
上記の可変ノズル式ターボチャージャにおいて好適には、前記付勢手段は、皿バネで構成することができる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施の形態について説明する。

［全体構成］
図１は、本実施形態に係る可変ノズル式ターボチャージャ６（以下、単に「ターボチャージャ」とも呼ぶ。）の概略構成を示す図である。なお、図１は、回転軸６２方向に沿った切断線によって切断したターボチャージャ６の断面図を示している。

ターボチャージャ６は、基本的には、図示しないエンジンに供給される吸気を過給するための装置である。具体的には、ターボチャージャ６は、コンプレッサ部分が吸気通路に設けられ、タービン部分が排気通路に設けられる。これにより、排気ガスのエネルギーによってタービン部分のタービンホイール６１が回転され、この回転が回転軸６２を介してコンプレッサ部分のコンプレッサホイール６０に伝達されて回転することによって、コンプレッサ部分を通過する吸気が過給されることとなる。

以下で、ターボチャージャ６の構成について具体的に説明する。ターボチャージャ６の内部には、両端にコンプレッサホイール６０及びタービンホイール６１を有する回転軸６２が貫通して配されている。回転軸６２は、ベアリングハウジング６３内に収納されており、フルフロートタイプの一対のベアリング６４を介してベアリングハウジング６３に回転可能に保持されている。コンプレッサホイール６０は、ベアリングハウジング６３の一端に結合されたコンプレッサハウジング６５内に収納されている。なお、コンプレッサハウジング６５は複数の部材によって構築されている。また、タービンホイール６１は、ベアリングハウジング（センターハウジング）６３の他端に結合されたタービンハウジング６６内に収納されている。これらのベアリングハウジング６３、コンプレッサハウジング６５、及びタービンハウジング６６によって、ターボチャージャ６のハウジングが構成されている。

また、タービンハウジング６６のベアリングハウジング６３寄りには、可変ノズル機構が配設されている。可変ノズル機構は、図１及び図２に示されるように、タービンホイール６１への排気流入部に配置された複数のベーン（可変ベーン）６７を軸６８を介して揺動可能に保持するノズルプレート６９、各軸６８の端部に固定されたアーム７０を介して軸６８を回転させるユニゾンリング７１などからなる。ユニゾンリング７１が回転されると、ユニゾンリング７１と係合しているアーム７０が軸６８を中心にして揺動され、軸６８の回動によってベーン６７の開度が変わる。ユニゾンリング７１は、リンク７２を介してターボチャージャ６の外部から回転される。リンク７２の回動軸７２ａの端部に固定されたアーム７２ｂを外部から揺動させることで、アーム７２ｂと係合するユニゾンリング７１を回転させることができる。

図２（ａ）は図１中左方より可変ノズル機構を見た図であり、図２（ｂ）は図１中右方より可変ノズル機構を見た図である。例えば、図２に示されるように、リンク７２を矢印に示すように駆動してアーム７２ｂを揺動させると、これに伴ってユニゾンリング７１は矢印に示すように（図２（ａ）では反時計回り、図２（ｂ）では時計回り）回転する。さらに、このユニゾンリング７１の回転によって、各軸６８が矢印に示すように（図２（ａ）では反時計回り、図２（ｂ）では時計回り）回転される。このようにすると、ベーン６７の開度は閉じ側に制御される。

また、ベアリングハウジング６３内には、回転軸６２の焼き付きを防止するために、ベアリング６４近傍を冷却するウォータジャケット（冷却液循環路）７３が形成されている。更に、上述した環状のノズルプレート６９には、スペーサボルト（両端ボルト）７４を介して、環状のシュラウドプレート７５が固定されている。シュラウドプレート７５のノズルプレート６９への固定は、例えば周方向の三箇所で、スペーサボルト７４によって行われている。図１には、そのうちの一箇所のみを図示している。ノズルプレート６９とシュラウドプレート７５とは、スペーサボルト７４によって、両者間にベーン６７の厚さ程度の間隔を空けて、スペーサボルト７４とナット７６とによって固定されている。

なお、以下では、ノズルプレート６９とシュラウドプレート７５とがスペーサボルト７４によって一体的に結合された構成要素を「組立体」とも呼ぶ。このような組立体は、ベアリングハウジング６３とノズルプレート６９との間に設けられた皿バネ７８によって位置決めされる。このような皿バネ７８を用いた組立体の位置決め等については、詳細は後述する。

［可変ノズル機構部分の構成］
次に、本発明の実施例に係る可変ノズル機構部分の構成について、具体的に説明する。

［第１実施例］
まず、第１実施例に係る可変ノズル機構部分の構成について説明する。第１実施例では、前述したノズルプレート６９及びシュラウドプレート７５からなる組立体をタービン軸方向へ付勢することによって、この組立体をタービンハウジング６６に対して接合させる。詳しくは、組立体を皿バネによってタービン軸方向におけるタービン出口側へ付勢し、この皿バネによる付勢のみによって、組立体をタービンハウジング６６に対して接触固定させて位置決めさせる。つまり、組立体をハウジングに完全固定することなく、フローティング状態で位置決めする。これにより、ノズルプレート６９及びシュラウドプレート７５からなる組立体を比較的小さく構成することができ、高温時における熱変形を効果的に低減することができる。よって、これらのプレートとベーン６７とのクリアランスを縮小しても、高温時におけるベーン６７における渋り等から開放され、ターボ性能が改善可能となる。

図３は、第１実施例に係る可変ノズル機構部分の構成を示す図である。なお、図３は、図１に示したターボチャージャ６の断面図における可変ノズル機構部分を拡大して示した図に相当する。

図３に示すように、ベアリングハウジング６３とノズルプレート６９との隙間部分に、環状の皿バネ７８が配設されている。具体的には、皿バネ７８は、一方の端部がベアリングハウジング６３に保持されると共に、他の端部がノズルプレート６９の内径部に保持される。これにより、図３中の白抜き矢印Ｂ１で示すように、ノズルプレート６９の内径側が皿バネ７８によってタービン出口側へ付勢される。このようにノズルプレート６９が付勢されることで、ノズルプレート６９における外径部が、詳しくはノズルプレート６９に形成された環状のフランジ部６９ａが、ベアリングハウジング６３とタービンハウジング６６との結合部近傍におけるタービンハウジング６６に形成された環状のフランジ部６６ａに対して接合されることとなる。つまり、ノズルプレート６９のフランジ部６９ａにおける面がタービンハウジング６６のフランジ部６６ａにおける面に接触することによって、ノズルプレート６９が固定されることとなる。これにより、ノズルプレート６９及びシュラウドプレート７５からなる組立体が、フローティング状態で位置決めされる。

このような第１実施例に係る構成によれば、ノズルプレート６９などを比較的小さく構成することができ、部品内の温度の高低差を小さくできるので、高温時における熱変形を低減することができる。また、組立体をハウジングに完全固定することなく、フローティング状態で位置決めしているので、これによっても、組立体における熱変形を低減することができる。即ち、例えばノズルプレート６９などの外径側で強制的に固定していないため、拘束が自由となるので、熱変形を小さくすることができる。以上より、ノズルプレート６９及びシュラウドプレート７５とベーン６７とのクリアランスを縮小しても、高温時におけるベーン６７における渋り（ノズル揺動時にベーン６７の接触により、ベーン６７が動きにくくなったり動かなくなったりすること）などから開放され、ターボ性能が改善可能となる。つまり、タービン効率を向上することが可能となる。

また、第１実施例に係る構成によれば、比較的低温で熱変形の小さいハウジングの結合部近傍で組立体を位置決めしているので、高温時でも位置精度が高くなり、タービンホイール６１とシュラウドプレート７５との間のタービンチップクリアランスＡ１を小さく構成することが可能となる。よって、タービン効率を向上させることができる。更に、第１実施例によれば、ノズルプレート６９の全周に環状に形成されたフランジ部６９ａとタービンハウジング６６の全周に環状に形成されたフランジ部６６ａとを接触させて固定させているので、リンク室８０をノズル主流（タービン主流）から効果的に隔離することができる。即ち、ノズル主流とリンク室８０とを、フランジ部６９ａ及びフランジ部６６ａによって仕切ることができる。したがって、ノズル主流に含まれる未燃ガスがリンク室８０へ入ってしまうことを防止することができる。よって、ノズル主流に含まれる未燃ガスがリンク系に付着してコーキングして、ベーン６７の動きなどが阻害されてしまうことを防止することが可能となる。

更に、図３に示すように、第１実施例では、ベアリングハウジング６３におけるノズルプレート６９の方向に面する面には、ベアリングハウジング６３側への組立体の移動を制限するための突起部６３ａが形成されている。具体的には、ノズルプレート６９の内径側における皿バネ７８を受け止める箇所に、つまり組立体がベアリングハウジング６３側へ移動した際に皿バネ７８がベアリングハウジング６３に接触するような箇所に、突起部６３ａが形成されている。詳しくは、突起部６３ａは、ベアリングハウジング６３側への組立体の移動量がタービンチップクリアランスＡ１未満に制限されるように構成されている。言い換えると、突起部６３ａと皿バネ７８との間隔Ａ２が、タービンチップクリアランスＡ１未満となるように構成されている。例えば、間隔Ａ２は０．１（ｍｍ）程度に設定される。なお、突起部６３ａは、ベアリングハウジング６３において同一半径の環状にフランジ状に形成しても良いし、このように環状に構成する代わりに、同一半径の円周上において概ね均等な間隔を開けて複数個（３個以上）設けても良い。

このように突起部６３ａを形成することによって、車両の衝突などのような過度の外力がターボチャージャ６に作用した際に、このような外力を皿バネ７８の押し付け力によって受け止め切れなくて変形した場合にも、ベアリングハウジング６３側への組立体の移動を効果的に制限することが可能となる。具体的には、過度の外力が作用して組立体が移動した場合にも、皿バネ７８が突起部６３ａに接触することによって、ベアリングハウジング６３側への組立体の移動量をタービンチップクリアランスＡ１未満に制限することができる（つまり前述した間隔Ａ２に制限することができる）。したがって、過度の外力が作用した場合において、組立体のシュラウドプレート７５がタービンホイール６１に接触して、タービンホイール６１が破損してしまうことを防止することが可能となる。

［第２実施例］
次に、第２実施例に係る可変ノズル機構部分の構成について説明する。第２実施例では、ベアリングハウジング６３において突起部を設ける位置が、前述した第１実施例とは異なる。第２実施例では、組立体がベアリングハウジング６３側へ移動した際に、ベアリングハウジング６３が皿バネ７８を受け止めるような箇所に突起部６３ａを形成する代わりに、組立体が移動した際にノズルプレート６９の平面部に直接接触するような箇所に突起部を形成する。なお、第２実施例で用いる突起部も、前述した第１実施例と同様に、ベアリングハウジング６３側への組立体の移動を制限するために用いられる。

図４は、第２実施例に係る可変ノズル機構部分の構成を示す図である。なお、図４は、図１に示したターボチャージャ６の断面図における可変ノズル機構部分を拡大して示した図に相当する。

図４に示すように、第２実施例では、リンク室８０を構成するようなベアリングハウジング６３の面に突起部６３ｂが形成されている。具体的には、組立体がベアリングハウジング６３側へ移動した際に、ノズルプレート６９における平面部に接触するような箇所に、突起部６３ｂが形成されている。詳しくは、突起部６３ｂは、ベアリングハウジング６３側への組立体の移動量がタービンチップクリアランスＡ１未満に制限されるように構成されている。言い換えると、突起部６３ｂとノズルプレート６９との間隔Ａ３が、タービンチップクリアランスＡ１未満となるように構成されている。例えば、間隔Ａ３は０．１（ｍｍ）程度に設定される。なお、突起部６３ｂは、リンク室８０内に設けられたリンク機構を避けるようにして、ベアリングハウジング６３に複数個（例えば３個以上）形成される。

このように突起部６３ｂを形成することによっても、車両の衝突などのような過度の外力がターボチャージャ６に作用した際に、ベアリングハウジング６３側への組立体の移動を効果的に制限することができる。具体的には、ベアリングハウジング６３側への組立体の移動量をタービンチップクリアランスＡ１未満に制限することができる。よって、過度の外力がターボチャージャ６に作用した際に、シュラウドプレート７５がタービンホイール６１に接触してタービンホイール６１が破損してしまうことを防止することが可能となる。また、第２実施例によれば、突起部６３ｂがノズルプレート６９の平面部に接触することとなるため、前述した第１実施例と比較して、ノズルプレート６９と突起部６３ｂとの間隔Ａ３の精度を出しやすいと言える。

［変形例］
図５は、変形例に係る可変ノズル機構部分の構成を示す図である。なお、図５は、図１に示したターボチャージャ６の断面図における可変ノズル機構部分を拡大して示した図に相当する。

変形例では、ノズルプレート６９の半径方向や円周方向の位置決めのために、位置決めピン８１を用いている。具体的には、ベアリングハウジング６３における固定部６３ｃ及びノズルプレート６９におけるスライド部６９ｂに位置決めピン８１が設置されることによって、このようなノズルプレート６９の位置決めが行われる。例えば、位置決めピン８１は、１個若しくは２個用いられる。なお、このように位置決めピン８１を用いる場合にも、図５に示すように、皿バネ７８によって組立体をタービン軸方向へ付勢することによって、タービンハウジング６６に対して組立体が接合されて位置決めされる。

なお、上記のように、位置決めピン８１を用いてノズルプレート６９の半径方向の位置決めをする代わりに、ノズルプレート６９の内径や外径を用いて、ノズルプレート６９の半径方向の位置決めを行っても良い。

本実施形態に係る可変ノズル式ターボチャージャの概略構成を示す図である。 可変ノズル機構の構造を説明する側面図である。 第１実施例に係る可変ノズル機構部分の構成を示す図である。 第２実施例に係る可変ノズル機構部分の構成を示す図である。 変形例に係る可変ノズル機構部分の構成を示す図である。

符号の説明

６ ターボチャージャ
６０ コンプレッサホイール
６１ タービンホイール
６２ 回転軸
６３ ベアリングハウジング
６３ａ、６３ｂ 突起部
６５ コンプレッサハウジング
６６ タービンハウジング
６７ ベーン
６８ 軸
６９ ノズルプレート
７４ スペーサボルト
７５ シュラウドプレート
７８ 皿バネ
８０ リンク室

Claims (5)

1. 可変ノズル機構を備える可変ノズル式ターボチャージャであって、
   複数のベーンが開度可変に取り付けられたノズルプレートと、タービンハウジングと前記ノズルプレートとの間に設けられたシュラウドプレートとが一体的に結合されて構成された組立体と、
   前記組立体をタービン軸方向へ付勢する付勢手段と、を備え、
   前記付勢手段による前記付勢のみによって、前記組立体を前記タービンハウジングに対して接合させて位置決めさせることを特徴とする可変ノズル式ターボチャージャ。
2. 前記組立体は、前記ノズルプレートにおける外径部が前記タービンハウジングに形成されたフランジ部に接合されることによって位置決めされることを特徴とする請求項１に記載の可変ノズル式ターボチャージャ。
3. ベアリングハウジングにおける前記ノズルプレートの方向に面する面には、前記ベアリングハウジング側への前記組立体の移動を制限するための突起部が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の可変ノズル式ターボチャージャ。
4. 前記突起部は、前記ベアリングハウジング側への前記組立体の移動量がタービンチップクリアランス未満に制限されるように構成されていることを特徴とする請求項３に記載の可変ノズル式ターボチャージャ。
5. 前記付勢手段は、皿バネで構成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の可変ノズル式ターボチャージャ。

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