JP2015175346A - 可変容量ターボチャージャ - Google Patents

Abstract

【課題】バルブ６への排気ガス当たり量を低減できる可変容量ターボチャージャを提供する。【解決手段】バルブアッセンブリＶａｓｓｙは、第１スクロール２の入口２ａを開閉するバルブ６と、排気ガスの流れに対しバルブ６を覆うバルブカバー７と、このバルブカバー７を介してバルブ６を保持するアーム８とを有する。バルブ６は、アーム８に設けられる円筒ハブ８ｂの内周に嵌合するボス部６ａを有し、バルブカバー７は、円筒ハブ８ｂより突き出るボス部６ａの端部に固定され、且つ、円筒ハブ８ｂの外径より外側へ延設されてバルブ６の反着座面側を覆っている。特に、ボス部６ａの軸心方向からバルブカバー７を見た時に、バルブ６の略全体がバルブカバー７の内側に隠れている。これにより、例えば、バルブ６がシート面５に着座している状態では、バルブ６の略全体がバルブカバー７によって覆われるので、バルブ６への排気ガス当たり量を大きく低減できる。【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンの運転状態に応じてタービン容量を可変する可変容量ターボチャージャに関する。

従来技術として、特許文献１に記載されたターボチャージャがある。
このターボチャージャは、タービンハウジングに複数の排気ガス導入口が形成され、そのうち少なくとも１つの排気ガス導入口をエンジンの運転状態に応じて開閉する制御弁を備えている。この制御弁は、支持片を介して軸に固定され、この軸の回転方向に応じて排気ガス導入口を開閉する。

特開昭６１−１８５６２３号公報

ところで、特許文献１に記載された制御弁は、タービンハウジングに接続される排気管内に配設されて、タービンハウジングの排気ガス導入口を弁座面として開閉動作する。すなわち、制御弁が排気ガス導入口の上流側に配設される。このため、制御弁及び支持片に当たる排気ガス量（以下、排気ガス当たり量と言う）が多く、制御弁及び支持片が高温環境下に晒されるため、寿命低下につながる。また、制御弁及び支持片をより耐熱性の高い材料へ変更することも考えられるが、その場合、材料の変更に伴うコスト増が問題となる。
さらに、制御弁及び支持片が排気ガスの流れを妨げる位置に存在するため、排気流れの圧力損失が増大してタービン効率が低下する。
本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、バルブへの排気ガス当たり量を低減できる可変容量ターボチャージャを提供することにある。

本発明は、内燃機関の排気系に配設されて排気ガスのエネルギを回転力に変換するタービンを備え、このタービンは、仕切り壁によって分割された第１の排気スクロールと第２の排気スクロールとを有し、且つ、第１の排気スクロールの入口周囲にシート面を形成するタービンハウジングと、第１の排気スクロールを開閉してタービン容量を可変するバルブアッセンブリとを有する可変容量ターボチャージャであって、バルブアッセンブリは、第１の排気スクロールの入口より排気流れの上流側に配置されて第１の排気スクロールを開閉できるバルブと、排気ガスの流れに対しバルブを覆うバルブカバーと、このバルブカバーを介してバルブを保持するアームとを有し、バルブが第１の排気スクロールの入口を閉じる際にシート面に着座する側のバルブ面と反対側のバルブ面を反着座面と呼ぶ時に、バルブは、反着座面の中央部にボス部が突出して設けられ、アームは、ボス部の外周に嵌合する円筒ハブを有し、バルブカバーは、円筒ハブより突き出るボス部の端部に固定され、円筒ハブの外径より外側へ延設されてバルブの反着座面側を覆っていることを特長とする。

上記の構成によれば、バルブの反着座面側をバルブカバーが覆っているので、例えば、バルブがシート面に着座している状態でバルブに当たる排気ガスの量を少なくできる。その結果、バルブカバーを有していない従来技術（特許文献１）と比較して、バルブの温度を下げることができるので、バルブの寿命を延ばすことが可能である。あるいは、バルブをより耐熱性の低い材料に変更することでコスト低減効果を得ることができる。

実施例１に係るバルブアッセンブリ（閉弁状態）を組み込んだタービンハウジングの断面図（図３のＩ−Ｉａ−Ｉｂ−Ｉ断面図）である。 実施例１に係るバルブアッセンブリ（開弁状態）を組み込んだタービンハウジングの断面図である。 図１に示すタービンハウジングを排気流れの上流側から見た平面図である。 （ａ）タービンハウジングの断面図、（ｂ）第１スクロールと第２スクロールの入口形状を示す図４（ａ）のＩＶ−ＩＶ断面図である。 実施例１に係るバルブアッセンブリの平面図である。 実施例１に係るバルブアッセンブリの概観を示す斜視図である。 実施例２に係るバルブアッセンブリを組み込んだタービンハウジングの断面図である。 実施例３に係るバルブアッセンブリを組み込んだタービンハウジングの断面図である。 実施例４に係るバルブアッセンブリを組み込んだタービンハウジングの断面図である。 実施例５に係るバルブアッセンブリを組み込んだタービンハウジングの断面図である。 実施例６に係るバルブアッセンブリを組み込んだタービンハウジングの断面図である。 実施例７に係るバルブアッセンブリの平面図である。 実施例８に係るバルブアッセンブリの平面図である。

本発明を実施するための形態を以下の実施例により詳細に説明する。

〔実施例１〕
実施例１の可変容量ターボチャージャは、エンジンの排気系に配設されて排気ガスのエネルギを回転力に変換するタービンを備える。タービンに発生する回転力は、エンジンの吸気系に配設されるコンプレッサ（図示せず）に伝達され、そのコンプレッサの回転により吸入空気が圧縮されてエンジンに送り込まれる。
このタービンは、図１に示すように、内部に独立した二つの排気スクロールを形成するタービンハウジング１と、一方の排気スクロールを開閉してタービン容量を可変するバルブアッセンブリＶａｓｓｙとを有する。以下、一方の排気スクロールを第１スクロール２、他方の排気スクロールを第２スクロール３と呼ぶ。

タービンハウジング１は、図３に示すように、排気ガス導入口１ａが開口する取付けフランジ１ｂを有し、この取付けフランジ１ｂがエンジンの排気マニホールド（図示せず）にボルト等で固定される。すなわち、エンジンより排出される排気ガスは、排気マニホールドを通って排気ガス導入口１ａよりタービンハウジング１の内部へ導入される。このタービンハウジング１の材料には、例えば、オーステナイト系耐熱鋳鋼が使用される。

第１スクロール２と第２スクロール３は、図４（ａ）に示すように、排気ガス導入口１ａより排気流れの下流側に設けられる仕切り壁４によって分割され、第１スクロール２の入口２ａと第２スクロール３の入口３ａとが仕切り壁４を介して隣接している。第１スクロール２の入口２ａは、図４（ｂ）に示すように、第２スクロール３の入口３ａより開口面積が大きく、略矩形状に形成される。また、第１スクロール２の入口周囲には、排気ガスの流れ方向と直交する平坦なシート面５が形成されている。言い換えると、シート面５の内側に開口する略矩形状の開口部が第１スクロール２の入口２ａである。なお、シート面５は、排気ガスの流れに対向する仕切り壁４の先端より排気流れの下流側に形成される。つまり、第２スクロール３の入口３ａより第１スクロール２の入口２ａの方が排気流れの下流側に開口している。

バルブアッセンブリＶａｓｓｙは、第１スクロール２の入口２ａより排気流れの上流側に配置されるバルブ６と、排気ガスの流れに対しバルブ６を覆うバルブカバー７と、このバルブカバー７を介してバルブ６を保持するアーム８とを有する。なお、高温の排気ガスに晒されるバルブアッセンブリＶａｓｓｙの各構成部品には、例えば、ステンレス、ニッケル基超合金（商標名インコネル）など耐熱性の高い金属材料が使用される。
バルブ６は、アーム８の回転に応じて第１スクロール２の入口２ａを開閉する。具体的には、シート面５に着座して第１スクロール２の入口２ａを閉じる閉位置（図１に示す位置）と、シート面５から離座して第１スクロール２の入口２ａを開く開位置（図２に示す位置）との間で可動する。ここで、バルブ６が第１スクロール２の入口２ａを閉じる際にシート面５に着座する側のバルブ面と反対側のバルブ面を反着座面と呼ぶ時、その反着座面の中央部に排気流れの上流側へ突出する棒状のボス部６ａが設けられている。

アーム８は、タービンハウジング１にメタル９（図１参照）を介して回転自在に支持される軸部８ａを有し、この軸部８ａから延びるアーム８の端部に円筒形状のハブ（以下、円筒ハブ８ｂと呼ぶ）が設けられて、円筒ハブ８ｂの内周にバルブ６のボス部６ａが嵌合する。なお、タービンハウジング１の外側に取り出される軸部８ａの端部は、軸部８ａを中心にアーム８を回転駆動するためのアクチュエータ（図示せず）に連結される。
このアーム８は、バルブ６がシート面５に着座した状態で、軸部８ａの位置が円筒ハブ８ｂの位置より排気流れの上流側へオフセットしている。つまり、アーム８は、軸部８ａから円筒ハブ８ｂまで直線的に延びている訳ではなく、軸部８ａと円筒ハブ８ｂとの間に曲がり部が設けられている。

バルブカバー７は、円筒ハブ８ｂより突き出るボス部６ａの端部に溶接あるいは加締め等の手段により固定される。このバルブカバー７は、図５に示すように、円筒ハブ８ｂの外径より外側へ延設されてバルブ６の反着座面側を覆っている。特に、実施例１に示すバルブカバー７は、図１に示すように、円筒ハブ８ｂの外径より外側へ延設されるカバー端部７ａがバルブ６側へ曲げられて傾斜しており、且つ、ボス部６ａの軸心方向から見た時に、バルブ６の略全体を覆っている。言い換えると、シート面５を含む平面上にバルブ６およびバルブカバー７の形状を投影した時に、バルブ６の外周端よりバルブカバー７の外周端の方が外側に位置している。また、バルブカバー７には、図５、図６に示すように、アーム８との干渉を回避するための切り欠き７ｂが形成されている。

〔実施例１の作用及び効果〕
実施例１のバルブアッセンブリＶａｓｓｙは、バルブ６の反着座面側をバルブカバー７が覆っているので、排気ガス導入口１ａより流入した排気ガスがバルブ６に直接当たる量（排気ガス当たり量）を少なくできる。特にバルブ６がシート面５に着座している状態では、図１に示すように、排気ガス流れに対し、バルブ６の略全体がバルブカバー７によって覆われるので、バルブカバー７を持たない従来技術と比較すると、バルブ６への排気ガス当たり量を大きく低減できる。これにより、バルブアッセンブリＶａｓｓｙの寿命を向上できる。あるいは、より耐熱性の低い材料に変更することで、コスト低減効果を得ることもできる。

また、バルブカバー７は、円筒ハブ８ｂの外径より外側へ延設されるカバー端部７ａがバルブ６側へ曲げられて傾斜しているので、バルブカバー７に当たる排気ガスの流れ方向が急激に変化することはない。特に、バルブ６が第１スクロール２の入口２ａを開いた状態では、図２に矢印で示すように、バルブカバー７の表面に沿って滑らかに排気ガスが流れるので、排気流れの圧損が低減されてタービン効率が向上する。
さらに、バルブカバー７は、アーム８の取り出し方向に切り欠き７ｂを形成することで、アーム８との干渉を回避している。これにより、アーム８の形状あるいはバルブカバー７の形状を複雑に設計する必要はなく、アーム８およびバルブカバー７の形状の設計自由度が向上する。

以下、本発明に係る他の実施例について説明する。
なお、実施例１と共通する部品および構成を示すものは、実施例１と同一の符号を付与し、詳細な説明は省略する。
〔実施例２〕
この実施例２は、図７に示すように、バルブ６がシート面５に着座した状態で第２スクロール３側へ延設されるバルブカバー７の外周端を仕切り壁４の先端（図示上端）より排気流れの上流側に設定した事例である。
この構成では、図示矢印で示すように、バルブカバー７に当たった排気ガスを第２スクロール３に導くことができるので、実施例１の効果に加えて、排気流れの圧損低減に効果がある。

〔実施例３〕
この実施例３は、図８に示すように、円筒ハブ８ｂの外径より外側へ延設されるバルブカバー７の一方のカバー端部７ａを反バルブ側へ曲げた事例である。なお、一方のカバー端部７ａとは、バルブ６がシート面５に着座した状態で第２スクロール３と反対側（図８に示すボス部６ａに対して左側）のカバー端部７ａである。また、反バルブ側とは、バルブ６がシート面５に着座した状態で排気ガスの流れ方向と逆側（図示上側）である。
上記の構成によれば、一方のカバー端部７ａに当たった排気ガスを第２スクロール３側へ導くことができるので、実施例２と同様、排気流れの圧損低減に効果がある。

〔実施例４〕
この実施例４は、実施例１と同様に、円筒ハブ８ｂの外径より外側へ延設されるカバー端部７ａをバルブ６側へ曲げているが、実施例１のバルブカバー７よりカバー端部７ａを小さくした事例である。つまり、実施例１で説明したバルブカバー７は、シート面５を含む平面上に投影した時に、バルブ６の外周端よりバルブカバー７の外周端の方が外側に位置している。これに対し、実施例４のバルブカバー７は、図９に示すように、必ずしもバルブカバー７の外周端がバルブ６の外周端より外側に位置している必要はなく、その分、バルブカバー７を小さくできる。但し、カバー端部７ａを延長する仮想線（図示二点鎖線）を引いた時に、その仮想線で囲まれた範囲内にバルブ６が収まるようにカバー端部７ａの曲げ方向が設定されている。
上記の構成によれば、バルブカバー７を小さくしても、排気ガスが直接バルブ６に当たることを抑制でき、且つ、バルブカバー７の小型化によるコスト低減および搭載性の向上を図ることができる。

〔実施例５〕
この実施例５は、図１０に示すように、平板状のバルブカバー７を使用した事例である。
このバルブカバー７は、円筒ハブ８ｂの外径より外側へ延設されるカバー端部７ａを曲げることなく、平板状のまま使用している。但し、シート面５を含む平面上にバルブ６およびバルブカバー７を投影した時に、バルブ６の外周端よりバルブカバー７の外周端の方が外側に位置している。つまり、バルブ６の略全体がバルブカバー７によって覆われている。これにより、特にバルブ６がシート面５に着座している状態では、排気ガス流れに対してバルブ６の略全体がバルブカバー７によって覆われるので、バルブ６への排気ガス当たり量を低減できる。また、バルブカバー７を平板状のまま使用するため、バルブカバー７を曲げ加工する必要がなく、バルブカバー７の強度が向上する。

〔実施例６〕
この実施例６は、排気ガスが当たるバルブカバー７の表面に傾斜を付与した事例である。具体的には、図１１に示すように、バルブ６がシート面５に着座した状態で、バルブカバー７の表面（反バルブ側の表面）がボス部６ａの軸心方向に対し第２スクロール３側へ傾斜している。
この構成では、バルブカバー７の表面に当たった排気ガスを第２スクロール３へ導くことができるので、排気流れの圧損低減に寄与する。
また、実施例５の事例と同様に、バルブカバー７を曲げ加工する必要がないので、バルブカバー７の強度が向上する。

〔実施例７〕
この実施例７は、アーム８に対するバルブカバー７の動きを規制することで、アーム８とバルブ６との相対回転を制約する事例である。つまり、バルブカバー７は、図１２に示すように、ボス部６ａを中心とする周方向の一方側と他方側とにそれぞれアーム８と接触可能な二つの接触点Ａ、Ｂを有し、この二つの接触点Ａ、Ｂの間でアーム８に対する周方向の動き（図示矢印方向の動き）が規制される。また、バルブカバー７は、実施例１で説明したように、バルブ６に設けられたボス部６ａの端部に固定されるので、アーム８に対するバルブカバー７の動きが規制されることで、結果的にアーム８とバルブ６との相対回転が制約される。

なお、バルブカバー７がアーム８と接触可能な二つの接触点Ａ、Ｂは、例えば、実施例１で説明したアーム８との干渉を回避するための切り欠き７ｂに持たせることができる。
上記の構成によれば、バルブ６やアーム８に回り止め形状を設ける必要がなく、バルブカバー７にアーム８との干渉を回避するための切り欠き７ｂを形成するだけで良いので、バルブアッセンブリＶａｓｓｙを構成する各部品の形状を簡素にできる。
また、アーム８とバルブ６との相対回転が制約されるので、実施例１で説明したように第１スクロール２の入口形状が略矩形状を有する場合でも、バルブ６がシート面５に着座した時に第１スクロール２の入口２ａを確実に閉じることができる。

〔実施例８〕
この実施例８は、バルブカバー７をボス部６ａの軸心方向から見たときに、バルブ６の全体をバルブカバー７が覆っている事例である。実施例１では、アーム８との干渉を回避するためにバルブカバー７に切り欠き７ｂを形成しているが、切り欠き７ｂを形成することなくアーム８との干渉を回避できれば、図１３に示すように、バルブカバー７がバルブ６の全体を覆うことができる。なお、バルブカバー７に切り欠き７ｂを形成することなくアーム８との干渉を回避するためには、例えば、タービンハウジング１に支持される軸部８ａの位置を移動してアーム８の形状を変更することで対応できる。あるいは、バルブカバー７に切り欠き７ｂを形成する場合でも、バルブカバー７をボス部６ａの軸心方向（反バルブ側）から見た時に、切り欠き７ｂが現れないようにバルブカバー７の形状を変更することで対応できる。
この実施例８では、ボス部６ａの軸心方向において反バルブ側からバルブカバー７を見た時に、バルブ６の外形がバルブカバー７の外側へ現れることがない。つまり、バルブカバー７にバルブ６が完全に隠れているので、バルブ６への排気ガス当たり量を少なくできる。

〔変形例〕
実施例１では、タービンハウジング１に二つの排気スクロール（第１スクロール２と第２スクロール３）を設けた事例を説明しているが、三つ以上の排気スクロールを有するタービンハウジング１に本発明のバルブアッセンブリＶａｓｓｙを適用することもできる。

１ タービンハウジング
２ 第１スクロール（第１の排気スクロール）
２ａ 第１スクロールの入口
３ 第２スクロール（第２の排気スクロール）
４ 仕切り壁
５ シート面
６ バルブ
６ａ バルブのボス部
７ バルブカバー
７ａ カバー端部
７ｂ バルブカバーの切り欠き
８ アーム
８ｂ アームの円筒ハブ
Ｖａｓｓｙ バルブアッセンブリ

Claims (11)

1. 内燃機関の排気系に配設されて排気ガスのエネルギを回転力に変換するタービンを備え、このタービンは、仕切り壁（４）によって分割された第１の排気スクロール（２）と第２の排気スクロール（３）とを有し、且つ、前記第１の排気スクロール（２）の入口周囲にシート面（５）を形成するタービンハウジング（１）と、前記第１の排気スクロール（２）を開閉してタービン容量を可変するバルブアッセンブリ（Ｖａｓｓｙ）とを有する可変容量ターボチャージャであって、
   前記バルブアッセンブリ（Ｖａｓｓｙ）は、
   前記第１の排気スクロール（２）の入口（２ａ）より排気流れの上流側に配置されて前記第１の排気スクロール（２）を開閉できるバルブ（６）と、
   排気ガスの流れに対し前記バルブ（６）を覆うバルブカバー（７）と、
   このバルブカバー（７）を介して前記バルブ（６）を保持するアーム（８）とを有し、
   前記バルブ（６）が前記第１の排気スクロール（２）の入口（２ａ）を閉じる際に前記シート面（５）に着座する側のバルブ面と反対側のバルブ面を反着座面と呼ぶ時に、
   前記バルブ（６）は、前記反着座面の中央部にボス部（６ａ）が突出して設けられ、
   前記アーム（８）は、前記ボス部（６ａ）の外周に嵌合する円筒ハブ（８ｂ）を有し、
   前記バルブカバー（７）は、前記円筒ハブ（８ｂ）より突き出る前記ボス部（６ａ）の端部に固定され、前記円筒ハブ（８ｂ）の外径より外側へ延設されて前記バルブ（６）の反着座面側を覆っていることを特長とする可変容量ターボチャージャ。
2. 請求項１に記載した可変容量ターボチャージャにおいて、
   前記バルブ（６）が前記シート面（５）に着座した状態で前記シート面（５）と垂直な方向から前記バルブ（６）および前記バルブカバー（７）を見た時に、前記バルブ（６）の外周端より前記バルブカバー（７）の外周端の方が外側に位置していることを特徴とする可変容量ターボチャージャ。
3. 請求項１または２に記載した可変容量ターボチャージャにおいて、
   前記バルブカバー（７）は、前記円筒ハブ（８ｂ）の外径より外側へ延設されるカバー端部（７ａ）が前記バルブ（６）側へ曲げられていることを特長とする可変容量ターボチャージャ。
4. 請求項１に記載した可変容量ターボチャージャにおいて、
   前記バルブカバー（７）は、前記円筒ハブ（８ｂ）の外径より外側へ延設されるカバー端部（７ａ）が前記バルブ（６）側へ曲げられており、且つ、前記カバー端部（７ａ）を曲げられた方向へ延長する仮想線を引いた時に、その仮想線で囲まれた範囲内に前記バルブ（６）が配置されていることを特徴とする可変容量ターボチャージャ。
5. 請求項１または２に記載した可変容量ターボチャージャにおいて、
   前記バルブカバー（７）は、前記バルブ（６）が前記シート面（５）に着座した状態で排気ガスの流れを受けるカバー表面が前記ボス部（６ａ）の軸心方向に対し傾斜していることを特徴とする可変容量ターボチャージャ。
6. 請求項５に記載した可変容量ターボチャージャにおいて、
   前記バルブカバー（７）は、前記排気ガスの流れを受けるカバー表面が前記第２の排気スクロール（３）側へ傾斜していることを特徴とする可変容量ターボチャージャ。
7. 請求項１または２に記載した可変容量ターボチャージャにおいて、
   前記バルブカバー（７）は、前記バルブ（６）が前記シート面（５）に着座した状態で前記第２の排気スクロール（３）と反対側へ延設される一方のカバー端部（７ａ）が反バルブ側へ曲げられていることを特長とする可変容量ターボチャージャ。
8. 請求項７に記載した可変容量ターボチャージャにおいて、
   前記バルブカバー（７）は、前記第２の排気スクロール（３）側へ延設される他方のカバー端部（７ａ）が前記バルブ（６）側へ曲げられていることを特長とする可変容量ターボチャージャ。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載した可変容量ターボチャージャにおいて、
   前記バルブカバー（７）は、前記バルブ（６）が前記シート面（５）に着座した状態で前記第２の排気スクロール（３）側へ延設されるカバー端部（７ａ）の外周端が、排気ガスの流れに対向する前記仕切り壁（４）の先端より排気流れの上流側に位置していることを特徴とする可変容量ターボチャージャ。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載した可変容量ターボチャージャにおいて、
    前記アーム（８）は、前記タービンハウジング（１）に回転自在に支持される軸部（８ａ）を有し、前記バルブ（６）が前記シート面（５）に着座した状態で前記軸部（８ａ）が前記バルブカバー（７）より排気流れの上流側へオフセットした位置に設けられており、
    前記バルブカバー（７）には、前記アーム（８）との干渉を回避するための切り欠き（７ｂ）が形成されていることを特徴とする可変容量ターボチャージャ。
11. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載した可変容量ターボチャージャにおいて、
    前記バルブカバー（７）は、前記ボス部（６ａ）を中心とする周方向の一方側と他方側とにそれぞれ前記アーム（８）と接触可能な二つの接触点を有し、この二つの接触点（Ａ、Ｂ）の間で前記アーム（８）に対する前記バルブカバー（７）の前記ボス部（６ａ）を中心とした周方向の動きが規制されていることを特徴とする可変容量ターボチャージャ。

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