JP2013002292A - ターボチャージャ - Google Patents

Abstract

【課題】ターボチャージャにおいて、組立て工程を簡素化すると共に、さらなるタービン効率の向上を図る。
【解決手段】隙間空間１０とタービンインペラ２１の下流側領域とを隔離するシール部２５と、シュラウド２３と一体形成されると共に、ノズルベーン部２７の上流側領域から隙間空間１０に流れ込む排気ガスＸの流れを遮ることにより隙間空間１０における貫通孔２３ｂの露出領域を翼体２７ａの配置領域よりも低圧とする防風壁２４とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ターボチャージャに関するものである。

従来から、ターボチャージャは、タービンインペラを囲むと共に当該タービンインペラに排気ガスを供給するためのノズルを備えている。
そして、可変容量型のターボチャージャは、翼体と当該翼体と一体とされた軸部とを備えるノズルベーン部を上述のノズルに対して複数備えている。このような可変容量型のターボチャージャでは、ノズルベーン部が備える翼体の回動角度を調節することによってタービンの容量を可変としている。

ところで、ターボチャージャは、タービンインペラが備える翼部のチップに対向配置されてタービンインペラと流路壁面との隙間を調節するためのシュラウドを備えている。そして、上述のノズルを形成する流路壁の片側は、当該シュラウドによって形成されている。
そして、特許文献１に示されるように、ノズルベーン部の翼体とシュラウドとの隙間を小さく保つことによって、タービン効率を向上させることができる。

特許文献１に開示されたターボチャージャにおいては、シュラウドに対してノズルベーン部の翼体と反対側に配置されるタービンハウジングの壁部と、シュラウドとの間に設けられた隙間空間をカバーによってノズルの上流側空間（スクロール流路）から封止する方法が提案されている。
このような特許文献１に開示されたターボチャージャによれば、隙間空間の圧力をノズルよりも低下させ、シュラウドに設けられたノズルベーン部の軸部が挿入される貫通孔を介してノズルベーン部の翼体をシュラウド側に押し付ける排気ガス流れを形成することができる。
この結果、特許文献１に開示されたターボチャージャでは、シュラウドとノズルベーン部の翼体との隙間が小さくなり、タービン効率が向上する。

特開２００９−１４４５４５号公報

しかしながら、特許文献１に開示されたターボチャージャを組み立てる際には、タービンハウジングとシュラウドとの間に上述のカバーを圧入する工程を設ける必要がある。
このため、ターボチャージャの組立て作業が煩雑化すると共にターボチャージャの製造コストの増大につながる。
また、特許文献１に開示されたターボチャージャでは、シュラウドに設けられた貫通孔を介してタービンインペラを通過しない排気ガス流れ（漏れ流れ）が発生するため、この漏れ流れがタービン効率のさらなる向上への妨げとなる。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、組立て工程が簡素化されると共に、さらなるタービン効率の向上が可能なターボチャージャを提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。

第１の発明は、翼体と当該翼体に連結される軸部とを有し、タービンインペラのチップ側を囲うシュラウドに対して設けられた貫通孔に対して上記軸部が挿入されて軸支されるノズルベーン部を備えるターボチャージャであって、上記タービンインペラ及び上記シュラウドを囲うと共に上記ノズルベーン部の翼体と反対側にて上記シュラウドとの間に上記隙間空間を形成するタービンハウジングと、上記隙間空間と上記タービンインペラの下流側領域とを隔離するシール部と、上記シュラウドあるいは上記タービンハウジングと一体形成されると共に、上記ノズルベーン部の上流側領域から上記隙間空間に流れ込む排気ガス流れを遮ることにより上記隙間空間における上記貫通孔の露出領域を上記翼体の配置領域よりも低圧とする防風壁とを備えるという構成を採用する。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記ノズルベーン部が上記タービンインペラ周りに環状に複数配列され、上記防風壁が上記ノズルベーン部の配列方向に沿って環状に突出して設けられているという構成を採用する。

第３の発明は、上記第１の発明において、上記ノズルベーン部が上記タービンインペラ周りに環状に複数配列され、上記防風壁が上記ノズルベーンごとに複数設けられているという構成を採用する。

第４の発明は、上記第３の発明において、上記防風壁の上記排気ガスとの衝突面が、上記貫通孔の露出領域に向けて拡がる三角形状を有しているという構成を採用する。

第５の発明は、上記第３または第４の発明において、上記防風壁の上記排気ガスとの衝突面が、上記貫通孔の露出領域から離れた側の端部が上記排気ガスの流れ方向の上流側に迫り出した傾斜面とされているという構成を採用する。

第６の発明は、上記第３〜第５いずれかの発明において、上記防風壁が、上記翼体への排気ガスの流入方向において上記貫通孔の露出領域の上流側に配置されているという構成を採用する。

第７の発明は、上記第３〜第６いずれかの発明において、環状に配列された上記ノズルベーン部の外側にて上記ノズルベーン部の配列方向に沿って上記排気ガスを案内するスクロール流路を備え、上記スクロール流路の上流側に位置する上記防風壁が上記スクロール流路の下流側に位置する防風壁よりも大きく形状設定されているという構成を採用する。

本発明によれば、タービンハウジングとシュラウドとの間の隙間空間がシール部によってタービンインペラの下流側領域と隔離され、この上で、隙間空間においてシュラウドに設けられた貫通孔が露出する領域へ向かう排気ガス流れが防風壁によって遮られる。
このように防風壁によって貫通孔が露出する領域へ向かう排気ガス流れを遮ることにより、乱流が形成されて貫通孔の露出領域が上記翼体の配置領域よりも低圧となる。この結果、貫通孔に軸部を挿通するノズルベーン部がシュラウド側に引き寄せられ、タービン効率が向上する。
さらに、本発明においては、シール部によって隙間空間がタービンインペラの下流側領域と隔離されているため、貫通孔を通過する排気ガスは、再びノズルの上流側に還流する。このため、タービンインペラを通過しないでタービンインペラの下流側に漏れる漏れ流れが発生することがなく、さらにタービン効率を向上させることができる。

そして、本発明によれば、上述の防風壁がシュラウドあるいはタービンハウジングと一体形成されている。
このため、ターボチャージャを組み立てる際に、シュラウドとタービンハウジングとの間にカバーを圧入する必要がなく、組立て作業を簡素化することができる。

このように、本発明によれば、ターボチャージャにおいて、組立て工程が簡素化されると共に、さらなるタービン効率の向上が可能となる。

本発明の第１実施形態におけるターボチャージャの概略構成を模式的に示す断面図である。 本発明の第１実施形態におけるターボチャージャが備えるシュラウドの正面図である。 本発明の第２実施形態におけるターボチャージャが備えるタービンハウジングとシュラウドとを含む模式図である。 本発明の第２実施形態におけるターボチャージャが備える防風壁の変形例を示す斜視図である。

以下、図面を参照して、本発明に係るターボチャージャの一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更する。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態のターボチャージャ１の概略構成を示す断面図である。
この図に示すように、本実施形態のターボチャージャ１は、タービン２と、コンプレッサ３と、軸部４とを備えている。

タービン２は、外部のエンジンから供給される排気ガスに含まれるエネルギを回転動力として回収するものであり、タービンインペラ２１と、タービンハウジング２２と、シュラウド２３と、防風壁２４と、シールリング２５（シール部）と、ノズルプレート２６と、ノズルベーン部２７と、駆動部２８とを備えている。

タービンインペラ２１は、供給される排気ガスによって回転駆動され、これによって回転動力を生成するものである。
そして、このタービンインペラ２１は、排気ガスを受ける翼部２１ａと、当該翼部２１ａが設けられる基部２１ｂとを備えるラジアルインペラとされている。

タービンハウジング２２は、タービン２の外形形状を形作ると共に、内部にタービンインペラ２１、シュラウド２３、防風壁２４、シールリング２５、ノズルプレート２６及びノズルベーン部２７等を収容している。
また、タービンハウジング２２の内部には、タービンインペラ２１に排気ガスを供給するノズルＮ周りに形成されてエンジンから供給された排気ガスを当該ノズルＮに供給するためのスクロール流路２２ａと、タービンインペラ２１を通過して排気ガスをタービン２の外部に排出する排気流路２２ｂが設けられている。

シュラウド２３は、タービンインペラ２１の翼部２１ａと流路壁との間の隙間を調節するものであり、当該翼部２１ａのチップ側を囲って配置されている。

また、図１の拡大図に示すように、シュラウド２３には、タービンインペラ２１の半径方向（回転軸と直交する方向）に延在する延在部２３ａが設けられている。
この延在部２３ａは、ノズルプレート２６と対向配置されている。そして、シュラウド２３の延在部２３ａとノズルプレート２６とによって挟まれた領域が、上述のノズルＮとして機能するように構成されている。

なお、ノズルＮには、後述するノズルベーン部２７の翼体２７ａが配置されている。そして、タービンハウジング２２は、ノズルベーン部２７の翼体２７ａと反対側にてシュラウド２３との間に隙間空間１０を形成している。
そして、シュラウド２３には、ノズルＮから上記隙間空間１０に貫通する貫通孔２３ｂが設けられている。なお、当該貫通孔２３ｂは、後述するノズルベーン部２７の軸部２７ｂが挿入されるものであり、ノズルベーン部２７の数に合わせて、タービンインペラ２１の回転軸を中心として環状に複数設けられている。

防風壁２４は、シュラウド２３と一体的に形成されており、シュラウド２３の表面からタービンハウジング２２に向けて突出して設けられている。
図２は、シュラウド２３の正面図である。この図に示すように、防風壁２４は、タービンインペラ２１周りに環状に配列される複数のノズルベーン部２７の配列方向（すなわち貫通孔２３ｂの配列方向）に沿って環状に突出して設けられている。

この防風壁２４は、図１の拡大図に示すように、ノズルベーン部２７の上流側領域であるスクロール流路２２ａから隙間空間１０に流れ込む排気ガスＸの流れを遮ることにより自らの下流側に乱流を形成し、これによって隙間空間１０における貫通孔２３ｂの露出領域Ｒを翼体２７ａの配置領域（すなわちノズルＮ）よりも低圧とする。

シールリング２５は、隙間空間１０とタービンインペラ２１の下流側領域である排気流路２２ｂとを隔離するものである。
このシールリング２５は、図１の拡大図に示すように、シュラウド２３に設けられた貫通孔２３ｂよりも排気流路２２ｂ寄りの領域においてシュラウド２３とタービンハウジング２２とに当接されて配置されている。

ノズルプレート２６は、上述のように、シュラウド２３の延在部２３ａに対向配置されることによってノズルＮを形成すると共に、シュラウド２３と共にノズルベーン部２７を軸支するものである。
このノズルプレート２６は、ノズルＮの形成方向（すなわちノズルベーン部２７の配列方向）に沿って環状に形状設定されている。

ノズルベーン部２７は、ノズルＮにおける流路断面を調節することによってタービン２の容量を可変とするものであり、タービンインペラ２１を囲って複数配置されている。
より詳細には、ノズルベーン部２７は、ノズルＮに配置される翼体２７ａと、当該翼体２７ａに一体的に設けられる軸部２７ｂとを備えている。そして、軸部２７ｂがシュラウド２３の貫通孔２３ｂと不図示のノズルプレート２６の貫通孔とに挿入されることによってノズルベーン部２７が軸支されている。

駆動部２８は、ノズルプレート２６の貫通孔を貫通した軸部２７ｂの先端に接続され、当該軸部２７ｂを回転駆動することによって翼体２７ａを回動するものである。

次に、コンプレッサ３は、上述のタービン２によって生成された回転動力によって駆動され、外部のエンジンに対して供給する圧縮空気を生成するものである。
軸部４は、タービン２とコンプレッサ３とを接続するものであり、シャフトを介してタービン２によって生成された回転動力をコンプレッサ３に伝達する。

このような構成を有する本実施形態のターボチャージャ１においては、タービン２のスクロール流路２２ａに対して排気ガスが供給されると、当該排気ガスがノズルＮを介してタービンインペラ２１に供給され、これによってタービンインペラ２１が回転駆動されて回転動力が生成される。
そして、当該回転動力が軸部４を介してコンプレッサ３に伝達され、コンプレッサ３において圧縮空気が生成される。

ここで、本実施形態のターボチャージャ１によれば、タービンハウジング２２とシュラウド２３との間の隙間空間１０がシールリング２５によってタービンインペラ２１の下流側領域（排気流路２２ｂ）と隔離され、この上で、隙間空間１０においてシュラウド２３に設けられた貫通孔２３ｂが露出する領域へ向かう排気ガスＸの流れが防風壁２４によって遮られる。
このように防風壁２４によって貫通孔２３ｂが露出する領域へ向かう排気ガスＸの流れを遮ることにより、防風壁２４の下流側に乱流が形成されて貫通孔２３ｂの露出領域が翼体２７ａの配置領域（ノズルＮ）よりも低圧となる。この結果、貫通孔２３ｂに軸部２７ｂを挿通するノズルベーン部２７がシュラウド側に引き寄せられて翼体２７ａの下流側での渦流れの発生を抑制し、タービン効率が向上する。
さらに、本実施形態のターボチャージャ１においては、シールリング２５によって隙間空間１０がタービンインペラ２１の下流側領域（排気流路２２ｂ）と隔離されているため、貫通孔２３ｂを通過する排気ガスは、再びノズルＮの上流側に還流する。このため、タービンインペラ２１を通過しないでタービンインペラ２１の下流側に漏れる漏れ流れが発生することがなく、さらにタービン効率を向上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によれば、防風壁２４がシュラウド２３と一体形成されている。
このため、ターボチャージャ１を組み立てる際に、シュラウド２３とタービンハウジング２２との間にカバーを圧入する必要がなく、組立て作業を簡素化することができる。

したがって、本実施形態のターボチャージャ１によれば、組立て工程が簡素化されると共に、さらなるタービン効率の向上が可能となる。

また、本実施形態のターボチャージャ１によれば、防風壁２４がノズルベーン部２７の配列方向に沿って環状に細長く設けられた構成を採用している。
このため、タービンインペラ２１の回転軸を中心とする全周において確実に低圧の領域を形成することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、本実施形態の説明において、上記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。

図３は、本実施形態のターボチャージャが備えるタービンハウジング２２及びシュラウド２３等を抜き出してタービンインペラ２１の回転軸方向から見た模式図である。
この図に示すように、本実施形態のターボチャージャは、上記第１実施形態のターボチャージャ１が備える防風壁２４に換えて、ノズルベーン部２７（各貫通孔２３ｂ）ごとに設置される防風壁２４Ａを備えている。
これらの防風壁２４Ａは、貫通孔２３ｂに対してタービンインペラ２１の半径方向に変位した位置に配置されるのではなく、翼体２７ａへの排気ガスの流入方向において貫通孔２３ｂの上流側に配置されるように、貫通孔２３ｂに対して上記半径方向から斜めにずれた位置に配置されている。

なお、図３に示すように、スクロール流路２２ａは、タービンハウジング２２の内部に設けられた舌部２２ｃに向けて徐々に流路面積が減少する。つまり、スクロール流路２２ａの上流側は流路面積が広くて排気ガスの流量が多く、スクロール流路２２ａの下流側は流路面積が狭くて排気ガスの流量が少ない。

そして、本実施形態のターボチャージャにおいては、図３に示すように、スクロール流路２２ａの上流側に位置する防風壁２４Ａがスクロール流路２２ａの下流側に位置する防風壁２４Ａよりも大きく形状設定されている。
排気ガスの流量が多い場合には、防風壁２４Ａによって形成される乱流も大きくなるために乱流形成領域での圧力低下が大きい。一方、排気ガスの流量が少ない場合には、防風壁２４Ａによって形成される乱流も小さくなるために乱流形成領域での圧力低下が小さい。

このため、排気ガスの流量が多い領域の防風壁２４Ａを大きくすることによって乱流の形成位置が貫通孔２３ｂの露出領域から遠のき、これによって貫通孔２３ｂでの圧力低下を緩和することができる。
また、排気ガスの流量が少ない領域の防風壁２４Ａを小さくすることによって乱流の形成位置を貫通孔２３ｂの露出領域に近づき、これによって貫通孔２３ｂでの圧力低下効果を高めることができる。
この結果、全ての貫通孔２３ｂの露出領域での圧力低下のばらつきを小さくすることができ、全てのノズルベーン部２７を同様の力でシュラウド２３側に付勢することが可能となる。

このように、本実施形態のターボチャージャのように貫通孔２３ｂの各々に対して防風壁２４Ａを配置することによって、貫通孔２３ｂの配置位置に応じた乱流を形成することができ、ノズルベーン部２７のシュラウド２３側への付勢力を調節することが可能となる。

なお、図４（ａ）に示すように、排気ガスＸとの衝突面Ｍが、その上側端部（貫通孔２３ｂの露出領域から離れた側の端部）が排気ガスＸの流れ方向の上流側に迫り出した傾斜面とされた防風壁２４Ｂを防風壁２４Ａに換えて設置しても良い。
このように衝突面Ｍが傾斜されることによって、乱流が下方に向かって流れ、より効率的に貫通孔２３ｂの露出領域での圧力低下を図ることが可能となる。

また、排気ガスＸの流れ方向から見た衝突面Ｍの形状が貫通孔２３ｂの露出領域（すなわち貫通孔２３ｂの開口が設けられるシュラウド２３の外側表面）に向けて拡がる三角形となるように、図４（ｂ）に示すような三角錐形状の防風壁２４Ｃや図４（ｃ）に示すような円錐形状の防風壁２４Ｄを設置しても良い。
このように排気ガスＸの流れ方向から見た衝突面Ｍの形状が貫通孔２３ｂの露出領域に向けて拡がる三角形となることによって、乱流を下方に集めより効率的に貫通孔２３ｂの露出領域での圧力低下を図ることが可能となる。
さらに、図４（ｄ）に示すように衝突面Ｍを図４（ａ）と同様に傾斜させた三角錐形状の防風壁２４Ｅを設置しても良い。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した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、上記実施形態においては、防風壁をシュラウド２３に対して一体形成する構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、防風壁をタービンハウジング２２に一体形成する構成を採用することもできる。

また、上記第２実施形態においては、全ての貫通孔２３ｂに対応して防風壁を設置する構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、いずれかの貫通孔２３ｂに対応して防風壁を設置しない構成を採用することも可能である。
例えば、防風壁の幅が貫通孔２３ｂの幅の２倍より小さくなると、防風壁の効果が大きく低減する可能性がある。このため、幅が貫通孔２３ｂの２倍よりも小さな防風壁を設置しない構成を採用することもできる。

１……ターボチャージャ、２……タービン、１０……隙間空間、２１……タービンインペラ、２２……タービンハウジング、２２ａ……スクロール流路、２３……シュラウド、２３ｂ……貫通孔、２４，２４Ａ〜２４Ｅ……防風壁、２５……シールリング（シール部）、２７……ノズルベーン部、２７ａ……翼体、２７ｂ……軸部、Ｒ……露出領域、Ｎ……ノズル、Ｍ……衝突面、Ｘ……排気ガス

Claims (7)

1. 翼体と当該翼体に連結される軸部とを有し、タービンインペラのチップ側を囲うシュラウドに対して設けられた貫通孔に対して前記軸部が挿入されて軸支されるノズルベーン部を備えるターボチャージャであって、
   前記タービンインペラ及び前記シュラウドを囲うと共に前記ノズルベーン部の翼体と反対側にて前記シュラウドとの間に前記隙間空間を形成するタービンハウジングと、
   前記隙間空間と前記タービンインペラの下流側領域とを隔離するシール部と、
   前記シュラウドあるいは前記タービンハウジングと一体形成されると共に、前記ノズルベーン部の上流側領域から前記隙間空間に流れ込む排気ガス流れを遮ることにより前記隙間空間における前記貫通孔の露出領域を前記翼体の配置領域よりも低圧とする防風壁と
   を備えることを特徴とするターボチャージャ。
2. 前記ノズルベーン部が前記タービンインペラ周りに環状に複数配列され、
   前記防風壁が前記ノズルベーン部の配列方向に沿って環状に突出して設けられている
   ことを特徴とする請求項１記載のターボチャージャ。
3. 前記ノズルベーン部が前記タービンインペラ周りに環状に複数配列され、
   前記防風壁が前記ノズルベーンごとに複数設けられている
   ことを特徴とする請求項１記載のターボチャージャ。
4. 前記防風壁の前記排気ガスとの衝突面は、前記貫通孔の露出領域に向けて拡がる三角形状を有していることを特徴とする請求項３記載のターボチャージャ。
5. 前記防風壁の前記排気ガスとの衝突面は、前記貫通孔の露出領域から離れた側の端部が前記排気ガスの流れ方向の上流側に迫り出した傾斜面とされていることを特徴とする請求項３または４記載のターボチャージャ。
6. 前記防風壁は、前記翼体への排気ガスの流入方向において前記貫通孔の露出領域の上流側に配置されていることを特徴とする請求項３〜５いずれかに記載のターボチャージャ。
7. 環状に配列された前記ノズルベーン部の外側にて前記ノズルベーン部の配列方向に沿って前記排気ガスを案内するスクロール流路を備え、
   前記スクロール流路の上流側に位置する前記防風壁が前記スクロール流路の下流側に位置する防風壁よりも大きく形状設定されている
   ことを特徴とする請求項３〜６いずれかに記載のターボチャージャ。

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