JP2010209708A - ターボチャージャ - Google Patents

Abstract

【課題】新たな部品を用いることなくボルト軸力を上昇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】タービンハウジング５は、軸受けハウジング（ベアリングハウジング３）の周囲に形成されたフランジ部３ａが嵌入される凹部５ｂを備え、フランジ部３ａは、凹部５ｂから突出してタービンハウジング５との間に段差Ｇを形成し、ボルト４の座面４ａとタービンハウジング５との間には座金４ｂが挟持され、座金４ｂは段差Ｇを跨ぐように段差Ｇに対して傾斜して配置され、ボルト穴５ｃは、ボルト４のおねじ部４ｃと螺合するめねじ部５ｃ１と、めねじ部５ｃ１とボルト穴５ｃの開口との間に設けられボルト４を挿通させる円筒部５ｃ２と、を備えていることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

この発明は、ターボチャージャに関するものである。

従来から、タービンハウジングとベアリングハウジングとがボルトによって締結されたターボチャージャが知られている（例えば、特許文献１参照）。このターボチャージャは、タービンハウジング、センターハウジング（ベアリングハウジング）、ボルトの材質よりも線膨張係数の大きな材質を用いたスペーサを設け、ハウジング締結部からのガス漏れを防止するものである。
また、タービンハウジングとベアリングハウジングとの間の溝部に遮熱板の屈曲部を弾性変形状態で挟持して、遮熱板のガタツキを防止するものが開示されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平５−１７１９４８号公報 特開平７−１８９７２４号公報

しかしながら、上記従来のターボチャージャでは、タービンハウジングは例えばニッケル鋼等の耐熱材料により形成される。一方、ベアリングハウジングは例えば鋳鉄等により形成され、冷却手段等により冷却される。このような場合、ターボチャージャの熱間時には、タービンハウジングとベアリングハウジングとの材料の線膨張係数の差異や温度差等により、タービンハウジングの膨張量がベアリングハウジングの膨張量よりも大きくなる。すると、タービンハウジングとベアリングハウジングとを締結するボルトの軸力が低下するという課題がある。

特許文献１は、スペーサの膨張によりボルトの軸力の低下を抑制することができるが、条件を満たす線膨張係数を有する材料の選定が困難である。また、スペーサの膨張がタービンハウジングの膨張によって相殺されボルトの軸力を上昇させることが困難である。さらに、スペーサを追加する必要があるため、ターボチャージャの部品点数が増加してしまうという課題がある。
特許文献２は、遮熱板のガタツキ防止には効果が認められるが、タービンハウジングとベアリングハウジングとの材料の線膨張係数の差異や温度差等によるボルトの軸力の低下を防止することは困難である。

そこで、この発明は、新たな部品を用いることなくボルト軸力を上昇させることができるターボチャージャを提供するものである。

上記の課題を解決するために、本発明のターボチャージャは、タービンインペラを回転可能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排気ガスを供給するスクロール流路が形成されたタービンハウジングと、前記タービンハウジングに設けられた複数のボルト穴に螺入され前記軸受けハウジングを前記タービンハウジングに締結する複数のボルトと、を備えるターボチャージャにおいて、前記タービンハウジングは、前記軸受けハウジングの周囲に形成されたフランジ部が嵌入される凹部を備え、前記フランジ部は、前記凹部から突出して前記タービンハウジングとの間に段差を形成し、前記ボルトの座面と前記タービンハウジングとの間には座金が挟持され、該座金は前記段差を跨ぐように前記段差に対して傾斜して配置され、前記ボルト穴は、前記ボルトのおねじ部と螺合するめねじ部と、該めねじ部と前記ボルト穴の開口との間に設けられ前記ボルトを挿通させる円筒部と、を備えていることを特徴とする。

また、本発明のターボチャージャは、前記ボルトの頭部の半径は、前記ボルト穴の中心から前記凹部までの距離よりも小さいことを特徴とする。

また、本発明のターボチャージャは、前記ボルト穴の周囲にざぐり部が設けられていることを特徴とする。

また、本発明のターボチャージャは、前記スクロール流路内から前記タービンインペラ側に供給される前記排気ガスの圧力を可変とする排気ノズルを備え、前記フランジ部と前記凹部の底面との間に、前記排気ノズルを支持するサポートリングが挟持されていることを特徴とする。

また、本発明のターボチャージャは、前記ボルトの線膨張係数は、前記タービンハウジングの線膨張係数よりも小さいことを特徴とする。

本発明のターボチャージャは、タービンハウジングに軸受けハウジングのフランジ部が嵌入される凹部が設けられている。フランジ部は、凹部から突出してタービンハウジングとの間に段差を形成している。軸受けハウジングをタービンハウジングに締結するボルトの座面とタービンハウジングとの間には、座金が挟持され、座金は段差を跨ぐように段差に対して傾斜して配置されている。

このように構成することで、座金とタービンハウジングとの間に空間が形成される。そのため、ボルトにより軸受けハウジングをタービンハウジングに締結すると、座金に曲げ応力が作用してタービンハウジング側に反るように弾性変形する。この座金の弾性変形によりバネ力が発生し、ボルトに張力が作用してボルトの軸力が上昇する。また、座金からフランジ部に作用するバネ力により、フランジ部を凹部に押圧してタービンハウジングと軸受けハウジングとをより強固に締結することができる。

また、ボルト穴は、ボルトのおねじ部と螺合するめねじ部と、めねじ部とボルト穴の開口との間に設けられボルトを挿通させる円筒部と、を備えている。

このように構成することで、ボルトの円筒部に挿通された部分が、おねじ部と座面との間で引き伸ばされ、ボルトの軸力を上昇させることができる。

したがって、本発明のターボチャージャによれば、新たな部品を用いることなく熱間時におけるボルトの軸力を上昇させ、タービンハウジングと軸受けハウジングとをより強固に締結することができる。

本発明の実施形態におけるターボチャージャの断面図である。 図１の部分拡大図である。 図１に示すターボチャージャの第１の変形例における拡大断面図である。 図１に示すターボチャージャの第２の変形例における拡大断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。本実施形態のターボチャージャは、例えば自動車のエンジンの回転数の増減に基づいてタービンインペラに供給する排気ガスの圧力を調整可能な可変容量型のターボチャージャである。
図１は、本実施形態のターボチャージャの断面図である。図２は、図１の部分拡大図である。

図１に示すように、本実施形態のターボチャージャ１は、タービンインペラ２を回転可能に支持するベアリングハウジング（軸受けハウジング）３を備えている。
ベアリングハウジング３は、例えば鋳鉄等の材料により形成され、水冷式や油冷式の冷却手段を備えている。

ベアリングハウジング３は、一方側が複数のボルト４によりタービンハウジング５に締結され、他方側が複数のボルト６によりコンプレッサハウジング７に締結されている。ボルト４は、例えば約１２．３±０．５Ｎ・ｍ程度のトルクで締め付けられている。これにより、冷間時のボルト４の軸力は、例えば約７７３ｋｇｆ程度に設定されている。

ここで、タービンハウジング５は例えばニッケル鋼等の線膨張係数の大きな耐熱材料により形成されている。また、ボルト４は例えばステンレス鋼等、タービンハウジング５の材料よりも線膨張係数の小さい材料により形成されている。

ベアリングハウジング３のタービンハウジング５側の端部及びコンプレッサハウジング側の端部の周囲には、それぞれフランジ部３ａ，３ｂが設けられている。
フランジ部３ａ，３ｂは、それぞれタービンインペラ２の径方向に延出するように設けられている。

タービンハウジング５は、タービンインペラ２に排気ガスを供給するスクロール流路５ａを備えている。スクロール流路５ａには、例えばエンジンのシリンダ等に接続された排気ガス取入口（図示略）が設けられている。また、タービンハウジング５は、ベアリングハウジング３のフランジ部３ａが嵌入される凹部５ｂと、スクロール流路５ａ内からタービンインペラ２側に供給される排気ガスの圧力を調整する排気ノズル８とを備えている。

凹部５ｂは、タービンハウジング５のベアリングハウジング３に対向する端面５ｅに段差状に設けられている。凹部５ｂは、フランジ部３ａが凹部５ｂ内に所定の公差で収まるように、フランジ部３ａの寸法及び外形に対応する形状に形成されている。
凹部５ｂの周囲には、ボルト４が螺入される複数のボルト穴５ｃが形成されている。

排気ノズル８は、タービンインペラ２の周囲にタービンインペラ２の軸２ａと略平行に設けられた支持軸９ａ，９ｂによって回動可能に支持された複数のノズルベーン１０を備えている。また、排気ノズル８は、排気ガスの流路を形成すると共にノズルベーン１０の支持軸９ａ，９ｂを回動可能に支持する支持穴１１ａ，１１ｂが形成された排気導入壁１２ａ，１２ｂを備えている。

ノズルベーン１０は、流線型の翼状の板材により形成され、支持軸９ａ，９ｂが固定されて支持軸９ａ，９ｂと一体的に設けられている。
支持軸９ａ，９ｂは、アクチュエータ（図示略）により駆動される駆動軸１３の動力を支持軸９ａに伝達して回動させるリンク機構２０に連結されている。
リンク機構２０及び排気ノズル８は、サポートリング１４によりタービンハウジング５の内側に支持されている。

サポートリング１４は、底部１４ｂに開口が形成された有底円筒状の形状に形成され、底部１４ｂにリンク機構２０及び排気ノズル８が固定されている。底部１４ｂと反対側の開口縁１４ａは径方向外側に延出するように断面視で略Ｌ字型の形状に形成されている。
サポートリング１４の開口縁１４ａは、図２に示すように、ベアリングハウジング３のフランジ部３ａとタービンハウジング５の凹部５ｂの底面５ｄとの間に挟持されてタービンハウジング５に固定されている。

フランジ部３ａは、図２に示すように、凹部５ｂからボルト４の長さ方向と略平行な方向に突出して、タービンハウジング５との間に段差Ｇを形成している。ここで、段差Ｇの突出方向の高さｈは、例えば約０．２ｍｍ程度に設定されている。
ボルト４の座面４ａとタービンハウジング５との間には、座金４ｂが挟持されている。座金４ｂは、例えばボルト４に挿通された円環板状のものが用いられ、段差Ｇを跨ぐように段差Ｇ（フランジ部３ａの突出方向）に対して傾斜して配置されている。

ボルト穴５ｃは、めねじ部５ｃ１と円筒部５ｃ２とにより形成されている。
めねじ部５ｃ１は、ボルト４のおねじ部４ｃと螺合するように設けられている。
円筒部５ｃ２は、ボルト穴５ｃの開口とめねじ部５ｃ１との間に設けられ、深さｄ２が例えば約６ｍｍ程度に形成されている。円筒部５ｃ２の内径Ｄ１はボルト４の外径Ｄ２よりも大きく形成され、ボルト４を挿通させるように形成されている。

ボルト穴５ｃ及び凹部５ｂは、ボルト４の頭部４ｄの半径Ｒがボルト穴５ｃの中心から凹部５ｂの開口縁までの距離Ｘよりも小さくなるように設けられている。
ボルト穴５ｃの開口の周囲のタービンハウジング５の端面５ｅには、ざぐり部５ｆが設けられている。ざぐり部５ｆの深さｄ１は、例えば約０．２ｍｍ程度に設定されている。

図１に示すように、タービンインペラ２の軸２ａのコンプレッサハウジング７側には、コンプレッサインペラ１５が軸２ａに一体的に連結されている。
コンプレッサハウジング７は、コンプレッサインペラ１５へ供給する空気を取り入れる空気取入口７ａを備えている。コンプレッサハウジング７とベアリングハウジング３との間で、コンプレッサインペラ１５の周囲には、コンプレッサインペラ１５側から供給された空気を昇圧する環状のディフューザ流路７ｂが形成されている。

ディフューザ流路７ｂの周囲には、ディフューザ流路７ｂの外周部に連通する渦巻き状のコンプレッサスクロール流路７ｃが形成されている。コンプレッサスクロール流路７ｃには、コンプレッサスクロール流路７ｃ内の空気を、例えばエンジンのシリンダに供給するための空気排出口（図示略）が設けられている。

以上の構成により、本実施形態のターボチャージャ１は、例えばエンジンのシリンダから排出された排気ガスをタービンハウジング５のスクロール流路５ａに取り込んで、排気ノズル８を介してタービンインペラ２に供給する。これにより、タービンインペラ２が回転して、軸２ａを回転させ、コンプレッサインペラ１５が回転する。

排気ノズル８によりタービンインペラ２に供給する排気ガスの圧力を調整する際には、アクチュエータ等の動力源により、駆動軸１３を所定の角度、軸回りに回転させる。すると、リンク機構２０が駆動して各々の支持軸９ａを回転させる。これにより、ノズルベーン１０の各々が開閉するようになっている。このように、リンク機構２０により支持軸９ａを回転させる角度を調整し、ノズルベーン１０を開閉する際の開度を調整することで、タービンインペラ２に供給する排気ガスの圧力を調整することができる。

空気取入口７ａから取り入れられ、コンプレッサインペラ１５の回転により圧縮された空気は、ディフューザ流路７ｂを通過する過程で昇圧され、コンプレッサスクロール流路７ｃに供給される。そして、コンプレッサスクロール流路７ｃ内の昇圧された空気は、空気排出口から、例えばエンジンのシリンダに供給される。

次に、この実施の形態の作用について説明する。
ターボチャージャ１は、タービンハウジング５が例えばニッケル鋼等の線膨張係数の大きな材料により形成され、スクロール流路５ａには例えば約８５０℃程度の温度の排気ガスが流通している。一方、ベアリングハウジング３は、例えば鋳鉄等により形成され、冷却手段により冷却されている。そのため、従来のターボチャージャでは、熱間時における線膨張係数の差異や温度差等により、タービンハウジングがベアリングハウジングよりも大きく膨張し、ボルトの軸力が例えば約１９７ｋｆ程度まで低下していた。

ここで、本実施形態のターボチャージャ１は、図２に示すように、タービンハウジング５の凹部５ｂに嵌入されたベアリングハウジング３のフランジ部３ａが、凹部５ｂから突出してタービンハウジング５との間に段差Ｇを形成している。そして、ボルト４の座面４ａとタービンハウジング５との間に、段差Ｇを跨ぐように段差Ｇに対して傾斜して配置された座金４ｂが挟持されている。これにより、座金４ｂとタービンハウジング５の端面５ｅとの間に空間が形成されている。

そのため、ボルト４によりベアリングハウジング３をタービンハウジング５に締結すると、座金４ｂに曲げ応力が作用してタービンハウジング５側に反るように弾性変形する。この座金４ｂの弾性変形によりバネ力が発生し、ボルト４に張力が作用して従来よりもボルト４の軸力が上昇する。これにより、熱間時のボルト４の軸力の低下を防止することができる。また、座金４ｂからフランジ部３ａに作用するバネ力によりフランジ部３ａを凹部５ｂの底面５ｄに押圧して、タービンハウジング５とベアリングハウジング３とをより強固に締結することができる。

加えて、本実施形態のターボチャージャ１は、ボルト４の頭部４ｄの半径Ｒがボルト穴５ｃの中心から凹部５ｂまでの距離Ｘよりも小さくなっている。
そのため、ボルト４を締め付けることで、ボルト４の頭部４ｄとフランジ部３ａとによって座金４ｂに大きな曲げ応力を作用させ、座金４ｂを効果的にタービンハウジング５側に撓ませることができる。これにより、より大きなバネ力を得ることができ、ボルト４の軸力をより上昇させることができる。また、タービンハウジング５とベアリングハウジング３とをより強固に締結することができる。

さらに、本実施形態のターボチャージャ１は、ボルト穴５ｃの周囲にざぐり部５ｆが設けられている。
そのため、座金４ｂとタービンハウジング５との間により大きな空間を形成することができ、座金４ｂをタービンハウジング５側により大きく変形させることができる。これにより、より大きなバネ力を得ることができ、ボルト４の軸力をさらに上昇させることができる。また、タービンハウジング５とベアリングハウジング３とをさらに強固に締結することができる。

また、本実施形態のターボチャージャ１は、ボルト穴５ｃが、ボルト４のおねじ部４ｃに螺合するめねじ部５ｃ１と、ボルト４を挿通させる円筒部５ｃ２とにより構成されている。
そのため、ボルト４を締め付けると、ボルト４の円筒部５ｃ２に挿通された部分が、頭部４ｄとおねじ部４ｃとの間で引っ張られて弾性変形する。このボルト４の弾性変形によるバネ力により、ボルト４の軸力を上昇させることができる。これにより、熱間時におけるボルト４の軸力の低下を抑制することができる。

また、本実施形態のターボチャージャ１は、ボルト４の線膨張係数がタービンハウジング５の線膨張係数よりも小さくなっている。
そのため、熱間時にはタービンハウジング５の膨張量がボルト４の膨張量よりも大きくなり、ボルト４の円筒部５ｃ２に挿通された部分が、頭部４ｄとおねじ部４ｃとの間で引っ張られる。これにより、熱間時におけるボルト４の軸力を例えば約９５３ｋｇｆ程度まで上昇させることができる。

また、本実施形態のターボチャージャ１は、排気ノズル８及びリンク機構２０を支持するサポートリング１４が、フランジ部３ａと凹部５ｂの底面５ｄとの間に挟持されている。
そのため、座金４ｂのバネ力によってフランジ部３ａと凹部５ｂの底面５ｄとの間にサポートリング１４を強固に挟持することができる。これにより、サポートリング１４のガタツキを防止することができる。
また、サポートリング１４の開口縁１４ａの厚みを利用してフランジ部３ａを凹部５ｂから突出させて段差Ｇを形成することができる。これにより、タービンハウジング５やベアリングハウジング３の設計変更を最小限にすることができる。

以上説明したように、本実施形態のターボチャージャ１によれば、新たな部品を用いることなく熱間時におけるボルト４の軸力を従来よりも大幅に上昇させ、タービンハウジング５とベアリングハウジング３とをより強固に締結することができる。

次に、図３を用いて本実施形態のターボチャージャ１の第１の変形例について説明する。図３は、ターボチャージャ１の第１の変形例における拡大断面図である。
本変形例では、タービンハウジング５の端面５ｅにざぐり部５ｆが形成されていない点で上述の実施の形態と異なっている。その他は上述の実施の形態のターボチャージャ１と同様であるので、同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。

図３に示すように、本変形例のターボチャージャ１０１は、上述の実施形態で説明したターボチャージャ１と同様に、タービンハウジング５の凹部５ｂに嵌入されたベアリングハウジング３のフランジ部３ａが、凹部５ｂから突出してタービンハウジング５との間に段差Ｇを形成している。そして、ボルト４の座面４ａとタービンハウジング５との間に、段差Ｇを跨ぐように段差Ｇに対して傾斜して配置された座金４ｂが挟持されている。これにより、座金４ｂとタービンハウジング５の端面５ｅとの間に空間が形成されている。
また、ボルト穴５ｃが、ボルト４のおねじ部４ｃに螺合するめねじ部５ｃ１と、ボルト４を挿通させる円筒部５ｃ２とにより構成されている。

したがって、本変形例のターボチャージャ１０１によれば、上述の実施形態で説明したターボチャージャ１と同様の効果が得られる。また、ざぐり部５ｆを形成する工程を省略することができ、製造工程を簡略化することができる。

次に、図４を用いて本実施形態のターボチャージャ１の第２の変形例について説明する。図４は、ターボチャージャ１の第２の変形例における拡大断面図である。
本変形例では、ベアリングハウジング３のフランジ部３ａとタービンハウジング５の凹部５ｂの底面５ｄとの間にサポートリング１４が挟持されておらず、タービンハウジング５に直接固定されている点で上述の第１の変形例と異なっている。その他は上述の第１の変形例のターボチャージャ１０１と同様であるので、同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。

図４に示すように、本変形例のターボチャージャ１０２は、上述の実施形態で説明したターボチャージャ１と同様に、タービンハウジング５の凹部５ｂに嵌入されたベアリングハウジング３のフランジ部３ａが、凹部５ｂから突出してタービンハウジング５との間に段差Ｇを形成している。そして、ボルト４の座面４ａとタービンハウジング５との間に、段差Ｇを跨ぐように段差Ｇに対して傾斜して配置された座金４ｂが挟持されている。これにより、座金４ｂとタービンハウジング５の端面５ｅとの間に空間が形成されている。
また、ボルト穴５ｃが、ボルト４のおねじ部４ｃに螺合するめねじ部５ｃ１と、ボルト４を挿通させる円筒部５ｃ２とにより構成されている。

したがって、本変形例のターボチャージャ１０２によれば、上述の実施形態で説明したターボチャージャ１と同様の効果が得られる。また、凹部５ｂの深さを調整することで、フランジ部３ａの突出高さｈを調整することができ、設計変更を最小限にすることができる。

尚、この発明は上述した実施形態やその変形例に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、ベアリングハウジングのフランジ部と、タービンハウジングの凹部の底面との間に挟持される部材は、サポートリングに限定されない。

１，１０１，１０２ ターボチャージャ、２ タービンインペラ、３ ベアリングハウジング（軸受けハウジング）、３ａ フランジ部、４ ボルト、４ａ 座面、４ｂ 座金、４ｃ おねじ部、４ｄ 頭部、５ タービンハウジング、５ａ スクロール流路、５ｂ 凹部、５ｃ ボルト穴、５ｃ１ めねじ部、５ｃ２ 円筒部、５ｄ 底面、５ｆ ざぐり部、８ 排気ノズル、１４ サポートリング、Ｇ 段差、Ｒ 半径、Ｘ 距離

Claims (5)

1. タービンインペラを回転可能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排気ガスを供給するスクロール流路が形成されたタービンハウジングと、前記タービンハウジングに設けられた複数のボルト穴に螺入され前記軸受けハウジングを前記タービンハウジングに締結する複数のボルトと、を備えるターボチャージャにおいて、
   前記タービンハウジングは、前記軸受けハウジングの周囲に形成されたフランジ部が嵌入される凹部を備え、
   前記フランジ部は、前記凹部から突出して前記タービンハウジングとの間に段差を形成し、
   前記ボルトの座面と前記タービンハウジングとの間には座金が挟持され、該座金は前記段差を跨ぐように前記段差に対して傾斜して配置され、
   前記ボルト穴は、前記ボルトのおねじ部と螺合するめねじ部と、該めねじ部と前記ボルト穴の開口との間に設けられ前記ボルトを挿通させる円筒部と、を備えていることを特徴とするターボチャージャ。
2. 前記ボルトの頭部の半径は、前記ボルト穴の中心から前記凹部までの距離よりも小さいことを特徴とする請求項１記載のターボチャージャ。
3. 前記ボルト穴の周囲にざぐり部が設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のターボチャージャ。
4. 前記スクロール流路内から前記タービンインペラ側に供給される前記排気ガスの圧力を可変とする排気ノズルを備え、
   前記フランジ部と前記凹部の底面との間に、前記排気ノズルを支持するサポートリングが挟持されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のターボチャージャ。
5. 前記ボルトの線膨張係数は、前記タービンハウジングの線膨張係数よりも小さいことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のターボチャージャ。

Images