JP2016118105A - Turbocharger - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、タービンインペラおよびタービンハウジングとベアリングハウジングとの間に遮熱板を備えるターボチャージャーに関する。 The present invention relates to a turbine impeller and a turbocharger including a heat shield plate between a turbine housing and a bearing housing.
従来、上記のような遮熱板を備えるターボチャージャーとして、特許文献１、２に記載のものが知られている。特許文献１に記載のターボチャージャーでは、タービンハウジングとベアリングハウジングとの締結面間に挟持された状態で遮熱板が固定されている。また、特許文献２に記載のターボチャージャーでは、遮熱板を弾性変形させた状態で空間内に配設し、その弾性反力で遮熱板をハウジングに弾性支持するようにしている。 Conventionally, those described in Patent Documents 1 and 2 are known as turbochargers including the above-described heat shield. In the turbocharger described in Patent Document 1, the heat shield is fixed in a state of being sandwiched between the fastening surfaces of the turbine housing and the bearing housing. Further, in the turbocharger described in Patent Document 2, the heat shield plate is disposed in the space in an elastically deformed state, and the heat shield plate is elastically supported on the housing by the elastic reaction force.
特許文献１のターボチャージャーでは、タービンハウジングおよびベアリングハウジングと遮熱板との当接面が両ハウジング間のシール面の一部を構成している。そのため、遮熱板の平面度が低ければ、シール面間に隙間が生じて排ガスが漏れる虞があり、遮熱板の加工精度や変形がターボチャージャーのシール性能に影響してしまう。一方、特許文献２のターボチャージャーのように、弾性変形による予荷重を受けた状態で遮熱板を設置すると、高温環境下でのクリープ変形や、機関運転時の熱膨張と機関停止時の熱収縮との繰り返しによる疲労亀裂などが発生して、遮熱板の耐久性や信頼性の低下を招く虞がある。とは言え、遮熱板を固定しなければ、遮熱板が空間内を移動してその端面やエッジ部分がベアリングハウジングの外周面やタービンハウジングの内周面に接触し、径方向に力が加わった状態で遮熱板が振動などにより微小変位すると、それらの接触面に摩耗が生じる虞がある。 In the turbocharger of Patent Document 1, the abutment surfaces of the turbine housing and the bearing housing and the heat shield plate constitute a part of the seal surface between the two housings. Therefore, if the flatness of the heat shield plate is low, a gap may be formed between the seal surfaces and the exhaust gas may leak, and the processing accuracy and deformation of the heat shield plate affect the sealing performance of the turbocharger. On the other hand, if the heat shield is installed under a preload caused by elastic deformation as in the turbocharger of Patent Document 2, creep deformation under high temperature environment, thermal expansion during engine operation, and heat during engine stop There is a possibility that fatigue cracks or the like due to repeated shrinkage may occur, leading to a decrease in durability and reliability of the heat shield plate. However, if the heat shield plate is not fixed, the heat shield plate moves in the space, and its end face and edge portion come into contact with the outer peripheral surface of the bearing housing and the inner peripheral surface of the turbine housing. If the heat shield plate is slightly displaced due to vibration or the like in the applied state, there is a possibility that the contact surfaces may be worn.
本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、より好適な態様で遮熱板を配設することのできるターボチャージャーを提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and a problem to be solved is to provide a turbocharger in which a heat shield plate can be disposed in a more preferable manner.
上記課題を解決するターボチャージャーは、タービンインペラが端部に固定されたタービンシャフトと、そのタービンシャフトを回転可能に軸支するベアリングハウジングと、そのベアリングハウジングの一部と共にタービンインペラを内部に収容した状態でベアリングハウジングに固定されたタービンハウジングと、タービンハウジングの内周およびタービンインペラとベアリングハウジングの外周との間に形成される一連の空間の内部に配設された遮熱板と、を備える。また、同ターボチャージャーのベアリングハウジングは、タービンシャフトの中心軸を軸心とする円筒面である外周円筒面をタービンハウジングの内部に収容された部分の外周に有する。さらに、その遮熱板は、上記空間の内部においてタービンシャフトの径方向に変位可能に配設され、かつ外周円筒面と対向する位置に円筒形状をなした円筒部を有する。ここで、タービンハウジングの内周にあって遮熱板と対向する部分の面と、ベアリングハウジングの外周にあって遮熱板と対向する部分の面と、からなる面をハウジング壁面とする。このとき、上記ターボチャージャーでは、円筒部の中心軸とタービンシャフトの中心軸が一致した状態において、ハウジング壁面と遮熱板とのタービンシャフトの径方向におけるクリアランスが最小となる部分が、外周円筒面と円筒部の内周面との間の部分とされている。 A turbocharger that solves the above problems includes a turbine shaft having a turbine impeller fixed to an end thereof, a bearing housing that rotatably supports the turbine shaft, and a turbine impeller accommodated therein together with a part of the bearing housing. A turbine housing fixed to the bearing housing in a state, and a heat shield plate disposed in an inner periphery of the turbine housing and in a series of spaces formed between the turbine impeller and the outer periphery of the bearing housing. Moreover, the bearing housing of the turbocharger has an outer peripheral cylindrical surface, which is a cylindrical surface having the central axis of the turbine shaft as an axis, on the outer periphery of a portion accommodated in the turbine housing. Further, the heat shield plate is disposed in the space so as to be displaceable in the radial direction of the turbine shaft, and has a cylindrical portion having a cylindrical shape at a position facing the outer peripheral cylindrical surface. Here, a surface formed by a surface of a portion on the inner periphery of the turbine housing and facing the heat shield plate and a surface of a portion on the outer periphery of the bearing housing and facing the heat shield plate is defined as a housing wall surface. At this time, in the turbocharger, when the central axis of the cylindrical portion and the central axis of the turbine shaft coincide with each other, the portion where the clearance in the radial direction of the turbine shaft between the housing wall surface and the heat shield is minimum is the outer cylindrical surface. And the inner peripheral surface of the cylindrical portion.
こうしたターボチャージャーでは、タービンシャフトの径方向への遮熱板の変位を許容することで、タービンハウジングとベアリングハウジングとによる遮熱板の挟持を不要としている。こうした場合、シール性能などのターボチャージャーの性能への遮熱板の加工精度や変形の影響を考慮する必要がないため、遮熱板の設計、製造が容易となる。また、固定のために遮熱板を弾性変形させておく必要もないため、予荷重による遮熱板の耐久性や信頼性の低下も避けられる。 In such a turbocharger, it is not necessary to hold the heat shield plate between the turbine housing and the bearing housing by allowing the heat shield plate to be displaced in the radial direction of the turbine shaft. In such a case, it is not necessary to consider the processing accuracy of the heat shield plate and the influence of deformation on the performance of the turbocharger such as the sealing performance, so that the heat shield plate can be easily designed and manufactured. Further, since it is not necessary to elastically deform the heat shield plate for fixing, it is possible to avoid a decrease in durability and reliability of the heat shield plate due to a preload.
ただし、タービンシャフトの径方向への遮熱板の変位を許容すれば、タービンハウジングの内周やベアリングハウジングの外周への遮熱板の接触を確実に防止できなくなる。そして、径方向の荷重がかかった状態で、その接触した遮熱板が振動などにより微小変位すると、それらの接触面に摩耗が生じる虞がある。 However, if the displacement of the heat shield plate in the radial direction of the turbine shaft is allowed, contact of the heat shield plate with the inner periphery of the turbine housing or the outer periphery of the bearing housing cannot be reliably prevented. Then, when the heat shield plate that is in contact with the load in the radial direction is slightly displaced by vibration or the like, there is a possibility that the contact surfaces may be worn.
その点、上記ターボチャージャーでは、そうした場合の接触が、タービンシャフトの径方向におけるクリアランスが最小となった、ベアリングハウジングの外周円筒面と遮熱板の円筒部の内周面との線接触となる。こうした外周円筒面および円筒部の内周面の線接触では、接触長さの確保が容易であるため、接触面圧を抑えて、摩耗を抑制することが可能となる。したがって、上記ターボチャージャーによれば、より好適な態様で遮熱板を配設することができる。 In that respect, in the turbocharger, the contact in such a case is a line contact between the outer peripheral cylindrical surface of the bearing housing and the inner peripheral surface of the cylindrical portion of the heat shield plate, in which the clearance in the radial direction of the turbine shaft is minimized. . In such line contact between the outer peripheral cylindrical surface and the inner peripheral surface of the cylindrical portion, it is easy to ensure the contact length, so that the contact surface pressure can be suppressed and wear can be suppressed. Therefore, according to the said turbocharger, a heat shield can be arrange | positioned in a more suitable aspect.
ちなみに、空間の内部におけるタービンシャフトの径方向への遮熱板の変位は、常時可能である必要はなく、ターボチャージャーの稼働時の高温環境下に置かれたときに可能となればよい。 Incidentally, the displacement of the heat shield plate in the radial direction of the turbine shaft in the space need not always be possible, but may be possible when placed in a high-temperature environment during operation of the turbocharger.
なお、上記ターボチャージャーの遮熱板は、例えば次のように構成することができる。なお、ここでは、タービンシャフトの軸方向にあって、同タービンシャフトにおけるタービンインペラが固定された端部側を当該ターボチャージャーのタービン側とし、その反対側の端部側を当該ターボチャージャーのコンプレッサー側とする。すなわち、遮熱板は、上記円筒部のタービン側の縁からタービンシャフトの径方向内側に延びるかたちで設けられて、ベアリングハウジングにおけるタービン側の端面とタービンインペラにおけるコンプレッサー側の端面との間に介在して、その内径部分にタービンシャフトが挿通される円環部と、上記円筒部のコンプレッサー側の縁からタービンシャフトの径方向外側に延びる外周鍔部と、を備えるものとして構成することが可能である。そして、外周円筒面のコンプレッサー側の縁と円筒部のタービン側の縁とのタービンシャフトの軸方向における距離が遮熱板の板厚よりも大きい状態が維持されるように、そうした遮熱板を上記空間の内部に設ければ、遮熱板の外周鍔部の外径端面や円環部の内径端面で接触が生じる場合よりも、遮熱板が受ける接触面圧が確実に低減されるようになる。 The heat shield plate of the turbocharger can be configured as follows, for example. Here, the end side of the turbine shaft in which the turbine impeller is fixed is the turbine side of the turbocharger, and the opposite end side is the compressor side of the turbocharger. And That is, the heat shield plate is provided so as to extend radially inward of the turbine shaft from the turbine side edge of the cylindrical portion, and is interposed between the turbine side end surface of the bearing housing and the compressor side end surface of the turbine impeller. Then, it is possible to configure as an annular portion through which the turbine shaft is inserted into the inner diameter portion, and an outer peripheral flange portion extending radially outward of the turbine shaft from the compressor side edge of the cylindrical portion. is there. Then, such a heat shield plate is provided so that the distance in the axial direction of the turbine shaft between the compressor side edge of the outer cylindrical surface and the turbine side edge of the cylindrical portion is maintained larger than the plate thickness of the heat shield plate. If it is provided inside the space, the contact surface pressure received by the heat shield plate is surely reduced as compared with the case where contact occurs at the outer diameter end surface of the outer peripheral flange portion of the heat shield plate and the inner diameter end surface of the annular portion. become.
以下、ターボチャージャーの一実施形態を、図１〜図３を参照して詳細に説明する。なお、本実施形態のターボチャージャーは、車載用の内燃機関に適用されるものとなっている。 Hereinafter, an embodiment of a turbocharger will be described in detail with reference to FIGS. In addition, the turbocharger of this embodiment is applied to a vehicle-mounted internal combustion engine.
図１に示すように、本実施形態のターボチャージャーは、内燃機関の排ガスの圧力を回転力に変換するタービンインペラ１０が一方の端部に固定され、回転に応じて内燃機関の吸気を圧縮するコンプレッサーインペラ１１がもう一方の端部に固定されたタービンシャフト１２を備える。タービンシャフト１２は、ベアリングハウジング１３に回転可能に軸支されている。なお、以下の説明では、タービンシャフト１２の軸方向にあって、同タービンシャフト１２におけるタービンインペラ１０が固定された端部側を当該ターボチャージャーのタービン側と記載する。また、タービンシャフト１２の軸方向にあって、同タービンシャフト１２におけるコンプレッサーインペラ１１が固定された端部側を当該ターボチャージャーのコンプレッサー側と記載する。 As shown in FIG. 1, in the turbocharger of the present embodiment, a turbine impeller 10 that converts the pressure of exhaust gas of an internal combustion engine into a rotational force is fixed to one end, and the intake air of the internal combustion engine is compressed according to the rotation. A compressor impeller 11 includes a turbine shaft 12 fixed to the other end. The turbine shaft 12 is rotatably supported by the bearing housing 13. In the following description, the end side of the turbine shaft 12 where the turbine impeller 10 is fixed is described as the turbine side of the turbocharger. Further, an end portion side of the turbine shaft 12 where the compressor impeller 11 is fixed is described as a compressor side of the turbocharger.
ベアリングハウジング１３には、その径方向中央部分をタービンシャフト１２の軸方向に貫通する軸受孔１４が形成されている。そして、軸受孔１４とその内部に通されたタービンシャフト１２との間には、軸受部材１５が介設されている。軸受部材１５としては、例えば流体軸受を構成するフローティングメタルや、ボール軸受を構成するボールベアリングを採用することが可能である。さらに、ベアリングハウジング１３の内部におけるタービン側の部分には、ウォータージャケット１６が形成されている。そして、機関運転中、そのウォータージャケット１６の内部には、タービンシャフト１２およびその周辺の温度（軸回り温度）を低下させるための冷却水が流されるようになっている。 A bearing hole 14 is formed in the bearing housing 13 so as to penetrate the central portion in the radial direction in the axial direction of the turbine shaft 12. A bearing member 15 is interposed between the bearing hole 14 and the turbine shaft 12 passed through the bearing hole 14. As the bearing member 15, for example, a floating metal constituting a fluid bearing or a ball bearing constituting a ball bearing can be employed. Further, a water jacket 16 is formed in a portion on the turbine side inside the bearing housing 13. During operation of the engine, cooling water for reducing the temperature (temperature around the shaft) of the turbine shaft 12 and its surroundings is caused to flow inside the water jacket 16.
こうしたベアリングハウジング１３のタービン側には、タービンインペラ１０を内部に収容するタービンハウジング１７が固定されている。また、ベアリングハウジング１３のコンプレッサー側には、コンプレッサーインペラ１１を内部に収容するコンプレッサーハウジング１８が固定されている。 A turbine housing 17 that accommodates the turbine impeller 10 is fixed to the turbine side of the bearing housing 13. A compressor housing 18 that houses the compressor impeller 11 is fixed to the bearing housing 13 on the compressor side.
図２に示すように、ベアリングハウジング１３の外周におけるタービン側の部分には、フランジ部１９が設けられている。このフランジ部１９には、そのタービン側の端面とタービンハウジング１７のコンプレッサー側の端面とを突き合した状態で、図示しないボルトによりタービンハウジング１７が締結されている。そして、ベアリングハウジング１３におけるフランジ部１９よりもタービン側の部分は、タービンインペラ１０と共にタービンハウジング１７の内部に収容されている。以下の説明では、ベアリングハウジング１３にあって、タービンハウジング１７の内部に収容されている部分を、同ベアリングハウジング１３の収容端部２０と記載する。 As shown in FIG. 2, a flange portion 19 is provided on the turbine side portion of the outer periphery of the bearing housing 13. The turbine housing 17 is fastened to the flange portion 19 with bolts (not shown) in a state where the end face on the turbine side and the end face on the compressor side of the turbine housing 17 are abutted. A portion of the bearing housing 13 on the turbine side with respect to the flange portion 19 is accommodated in the turbine housing 17 together with the turbine impeller 10. In the following description, a portion of the bearing housing 13 that is housed inside the turbine housing 17 is referred to as a housing end 20 of the bearing housing 13.
ベアリングハウジング１３の収容端部２０は、タービンシャフト１２の中心軸１２Ａを軸心とする円筒面である外周円筒面２０Ａをその外周に有している。また、上記ウォータージャケット１６は、その一部がこうした収容端部２０の内部に位置されている。なお、タービンインペラ１０は、そのコンプレッサー側の端面と収容端部２０のタービン側の端面との対向面間に一定の間隙を置いた状態でタービンシャフト１２に固定されている。 The housing end portion 20 of the bearing housing 13 has an outer peripheral cylindrical surface 20 </ b> A, which is a cylindrical surface having the central axis 12 </ b> A of the turbine shaft 12 as an axis, on its outer periphery. Further, a part of the water jacket 16 is located inside the accommodation end 20. The turbine impeller 10 is fixed to the turbine shaft 12 with a certain gap between the opposed surfaces of the compressor-side end surface and the accommodating end 20 on the turbine-side end surface.
同図に示すように、タービンインペラ１０のコンプレッサー側の端面およびタービンハウジング１７の内周とベアリングハウジング１３の外周との間には、一連の空間２１が形成されている。そして、その空間２１の内部には、遮熱板２２が配設されている。遮熱板２２は、ベアリングハウジング１３およびタービンハウジング１７のいずれにも固定されておらず、空間２１の内部においてタービンシャフト１２の径方向および軸方向への変位可能に配設されている。 As shown in the figure, a series of spaces 21 are formed between the compressor-side end surface of the turbine impeller 10 and the inner periphery of the turbine housing 17 and the outer periphery of the bearing housing 13. A heat shield plate 22 is disposed inside the space 21. The heat shield plate 22 is not fixed to either the bearing housing 13 or the turbine housing 17, and is disposed in the space 21 so as to be able to be displaced in the radial direction and the axial direction of the turbine shaft 12.
遮熱板２２は、一枚の金属板からなる回転体形状に形成されており、下記の円環部２２Ａ、円筒部２２Ｂおよび外周鍔部２２Ｃを有している。遮熱板２２の円筒部２２Ｂは、円筒形状をなし、収容端部２０の外周円筒面２０Ａと対向する位置に設けられている。また、遮熱板２２の円環部２２Ａは、円筒部２２Ｂのタービン側の縁からタービンシャフト１２の径方向内側に延びるかたちで設けられている。そして、円環部２２Ａは、収容端部２０のタービン側の端面とタービンインペラ１０のコンプレッサー側の端面との間に介在してタービンシャフト１２が内径部分に挿通される略円環形状をなしている。さらに、遮熱板２２の外周鍔部２２Ｃは、円筒部２２Ｂのコンプレッサー側の縁からタービンシャフト１２の径方向外側に延びる円環形状をなしている。なお、空間２１の内部での、タービンシャフト１２の軸方向におけるタービン側への遮熱板２２の変位は、タービンハウジング１７の内周と外周鍔部２２Ｃとの当接により、タービンインペラ１０への遮熱板２２の接触が防止可能な範囲内に制限されている。 The heat shield plate 22 is formed in the shape of a rotating body made of a single metal plate, and has the following annular portion 22A, cylindrical portion 22B, and outer peripheral flange portion 22C. The cylindrical portion 22B of the heat shield plate 22 has a cylindrical shape and is provided at a position facing the outer peripheral cylindrical surface 20A of the housing end portion 20. Further, the annular portion 22A of the heat shield plate 22 is provided so as to extend radially inward of the turbine shaft 12 from the turbine side edge of the cylindrical portion 22B. The annular portion 22A is interposed between the turbine-side end surface of the accommodation end portion 20 and the compressor-side end surface of the turbine impeller 10, and has a substantially annular shape through which the turbine shaft 12 is inserted into the inner diameter portion. Yes. Furthermore, the outer peripheral flange portion 22C of the heat shield plate 22 has an annular shape extending from the edge on the compressor side of the cylindrical portion 22B to the radially outer side of the turbine shaft 12. Note that the displacement of the heat shield plate 22 toward the turbine in the axial direction of the turbine shaft 12 inside the space 21 is caused by the contact between the inner periphery of the turbine housing 17 and the outer peripheral flange portion 22 </ b> C to the turbine impeller 10. It is limited within a range in which the contact of the heat shield plate 22 can be prevented.
ここで、遮熱板２２の周囲を囲繞する、ベアリングハウジング１３およびタービンハウジング１７の壁面を「ハウジング壁面２１Ａ」ということとする。すなわち、ハウジング壁面２１Ａは、タービンハウジング１７の内周にあって遮熱板２２と対向する部分の面と、ベアリングハウジング１３の外周にあって遮熱板２２と対向する部分の面と、からなる面であり、図２において太線で示された部分に該当する。 Here, the wall surfaces of the bearing housing 13 and the turbine housing 17 surrounding the heat shield plate 22 are referred to as “housing wall surfaces 21A”. That is, the housing wall surface 21 </ b> A is composed of a surface of a portion on the inner periphery of the turbine housing 17 facing the heat shield plate 22 and a surface of a portion on the outer periphery of the bearing housing 13 facing the heat shield plate 22. This corresponds to the portion indicated by the thick line in FIG.
さらにここで、遮熱板２２が、上記空間２１の内部において、その円筒部２２Ｂの中心軸２２Ｅとタービンシャフト１２の中心軸１２Ａとが一致する位置に位置された状態を考える。このとき、このターボチャージャーでは、ハウジング壁面２１Ａと遮熱板２２とのタービンシャフト１２の径方向におけるクリアランスが最小となる部分が、収容端部２０の外周円筒面２０Ａと円筒部２２Ｂの内周面２２Ｄとの間の部分となっている。例えば、タービンシャフト１２の径方向における外周円筒面２０Ａと内周面２２ＤとのクリアランスΔ０は、同径方向における外周鍔部２２Ｃの外径端面とタービンハウジング１７の内周とのクリアランスΔ１や、同径方向における円環部２２Ａの内径端面とベアリングハウジング１３の外周とのクリアランスΔ２よりも小さくされている。 Further, consider a state where the heat shield plate 22 is located in the space 21 at a position where the central axis 22E of the cylindrical portion 22B and the central axis 12A of the turbine shaft 12 coincide. At this time, in this turbocharger, the portion where the clearance in the radial direction of the turbine shaft 12 between the housing wall surface 21A and the heat shield plate 22 is minimized is the outer peripheral cylindrical surface 20A of the housing end 20 and the inner peripheral surface of the cylindrical portion 22B. It is a part between 22D. For example, the clearance Δ0 between the outer circumferential cylindrical surface 20A and the inner circumferential surface 22D in the radial direction of the turbine shaft 12 is the clearance Δ1 between the outer diameter end surface of the outer circumferential flange 22C and the inner circumference of the turbine housing 17 in the same radial direction, It is smaller than the clearance Δ2 between the inner diameter end surface of the annular portion 22A and the outer periphery of the bearing housing 13 in the radial direction.
なお、こうしたクリアランスが最小となる部分、すなわちタービンシャフト１２の軸方向において外周円筒面２０Ａおよび内周面２２Ｄが重なり合う（オーバーラップする）部分の長さは、空間２１内での遮熱板２２のタービンシャフト１２の軸方向への変位に応じて変化する。以下、こうしたオーバーラップ部分の長さを、オーバーラップ長ＯＬと記載する。オーバーラップ長ＯＬとはすなわち、外周円筒面２０Ａのコンプレッサー側の縁と、円筒部２２Ｂのタービン側の縁との、タービンシャフトの軸方向の距離である。このターボチャージャーでは、オーバーラップ長ＯＬが最小となるときにも、遮熱板２２の板厚Ｔよりも大きいオーバーラップ長ＯＬが維持されるように遮熱板２２が空間２１の内部に配設されている。すなわち、遮熱板２２のタービンシャフト１２の軸方向の変位範囲内における、同軸方向における外周円筒面２０Ａおよび内周面２２Ｄのオーバーラップ長ＯＬの最小値は、遮熱板２２の板厚Ｔよりも大とされている。 The length of the portion where the clearance is minimized, that is, the portion where the outer peripheral cylindrical surface 20A and the inner peripheral surface 22D overlap (overlap) in the axial direction of the turbine shaft 12 is the length of the heat shield plate 22 in the space 21. It changes according to the axial displacement of the turbine shaft 12. Hereinafter, the length of such an overlap portion is referred to as an overlap length OL. The overlap length OL is the distance in the axial direction of the turbine shaft between the compressor-side edge of the outer peripheral cylindrical surface 20A and the turbine-side edge of the cylindrical portion 22B. In this turbocharger, the heat shield plate 22 is disposed in the space 21 so that the overlap length OL larger than the plate thickness T of the heat shield plate 22 is maintained even when the overlap length OL is minimized. Has been. That is, the minimum value of the overlap length OL of the outer peripheral cylindrical surface 20A and the inner peripheral surface 22D in the coaxial direction within the axial displacement range of the turbine shaft 12 of the heat shield plate 22 is based on the thickness T of the heat shield plate 22. Is also considered large.
続いて、以上のように構成されたターボチャージャーの作用を説明する。
特許文献１に記載のターボチャージャーと同様に、タービンハウジング１７とベアリングハウジング１３との突合せ面間に外周鍔部２２Ｃを挟み込んで遮熱板２２を固定した場合、遮熱板２２の加工精度や変形がターボチャージャーの性能に影響してしまう。例えば、加工精度のばらつきや変形により、外周鍔部２２Ｃの平面度が低下すると、タービンハウジング１７とベアリングハウジング１３との突合せ面間のシール性能が低下して、排ガスが外部に漏れる虞がある。また、外周鍔部２２Ｃの板厚にばらつきがあると、タービンシャフト１２の軸方向におけるタービンインペラ１０とタービンハウジング１７との相対的な位置関係が変化して、タービンインペラ１０の外周縁とその外周縁に対向するタービンハウジング１７の内周面とのクリアランス、いわゆるタービン側のチップクリアランスも変化してしまう。そして、その結果、ターボチャージャーの過給性能が変化するようになる。
Next, the operation of the turbocharger configured as described above will be described.
Similarly to the turbocharger described in Patent Document 1, when the heat shield plate 22 is fixed by sandwiching the outer peripheral flange 22C between the abutting surfaces of the turbine housing 17 and the bearing housing 13, the processing accuracy and deformation of the heat shield plate 22 are fixed. Will affect the performance of the turbocharger. For example, when the flatness of the outer peripheral flange portion 22C is reduced due to variations or deformations in processing accuracy, the sealing performance between the abutting surfaces of the turbine housing 17 and the bearing housing 13 may be reduced, and exhaust gas may leak to the outside. Further, if the thickness of the outer peripheral flange portion 22C varies, the relative positional relationship between the turbine impeller 10 and the turbine housing 17 in the axial direction of the turbine shaft 12 changes, and the outer peripheral edge of the turbine impeller 10 and its outer periphery are changed. The clearance with the inner peripheral surface of the turbine housing 17 facing the periphery, that is, the so-called turbine-side tip clearance also changes. As a result, the turbocharging performance of the turbocharger changes.
一方、特許文献２に記載のターボチャージャーと同様に、遮熱板２２を弾性変形させた状態で空間２１内に配設し、その弾性反力により遮熱板２２を固定するようにすれば、遮熱板２２には、弾性変形による予荷重が常時加わることになる。そのため、高温環境下でのクリープ変形や、機関運転時の熱膨張と機関停止時の熱収縮との繰り返しによる疲労亀裂が遮熱板２２に発生する虞があり、遮熱板２２の耐久性や信頼性の低下を招いてしまう。 On the other hand, as in the turbocharger described in Patent Document 2, if the heat shield plate 22 is disposed in the space 21 in an elastically deformed state, and the heat shield plate 22 is fixed by its elastic reaction force, A preload due to elastic deformation is always applied to the heat shield plate 22. Therefore, there is a possibility that fatigue cracks due to creep deformation in a high temperature environment or repeated thermal expansion during engine operation and thermal contraction during engine stop may occur in the heat shield plate 22. The reliability will be reduced.
その点、このターボチャージャーでは、遮熱板２２をベアリングハウジング１３およびタービンハウジング１７のいずれにも固定せず、上記空間２１の内部をタービンシャフト１２の径方向に変位可能に配設している。こうしたターボチャージャーには、固定のための遮熱板２２の挟持部分が存在せず、ターボチャージャーのシール性能や過給性能に対する遮熱板２２の加工精度や変形の影響の考慮が不要となるため、遮熱板２２の設計や製造が容易となる。また、固定のための遮熱板２２の弾性変形も必要ないため、予荷重による遮熱板２２の耐久性や信頼性の低下も避けられる。 In this respect, in this turbocharger, the heat shield plate 22 is not fixed to either the bearing housing 13 or the turbine housing 17, and the inside of the space 21 is disposed so as to be displaceable in the radial direction of the turbine shaft 12. In such a turbocharger, there is no clamping portion of the heat shield plate 22 for fixing, and it becomes unnecessary to consider the processing accuracy of the heat shield plate 22 and the influence of deformation on the sealing performance and supercharging performance of the turbocharger. In addition, the heat shield plate 22 can be easily designed and manufactured. In addition, since elastic deformation of the heat shield plate 22 for fixing is not necessary, a decrease in durability and reliability of the heat shield plate 22 due to preload can be avoided.
ただし、タービンシャフト１２の径方向への遮熱板２２の変位を許容すれば、タービンハウジング１７の内周やベアリングハウジング１３の外周への遮熱板２２の接触を確実に防止できなくなる。そして、径方向の力が加わった状態でその接触した遮熱板２２が振動などで微小変位すると、それらの接触面に摩耗が生じる虞がある。例えば、遮熱板２２の外周鍔部２２Ｃの外径端面がタービンハウジング１７の内周に接触したり、遮熱板２２の円環部２２Ａの内径端面がベアリングハウジング１３の内周に接触したりすると、接触の範囲が狭く、接触面圧が高くなるため、摩耗が生じやすくなる。その点、このターボチャージャーでは、以下に述べるように、そうした接触が生じた場合にも、それらの接触面の摩耗を好適に抑えることが可能である。 However, if the displacement of the heat shield plate 22 in the radial direction of the turbine shaft 12 is allowed, contact of the heat shield plate 22 with the inner periphery of the turbine housing 17 and the outer periphery of the bearing housing 13 cannot be reliably prevented. Then, if the heat shield plate 22 that is in contact with the surface in a state where a radial force is applied is slightly displaced by vibration or the like, the contact surfaces may be worn. For example, the outer diameter end surface of the outer peripheral flange portion 22 </ b> C of the heat shield plate 22 contacts the inner periphery of the turbine housing 17, or the inner diameter end surface of the annular portion 22 </ b> A of the heat shield plate 22 contacts the inner periphery of the bearing housing 13. As a result, the contact range is narrow and the contact surface pressure increases, so that wear tends to occur. In this respect, in this turbocharger, as described below, even when such contact occurs, it is possible to suitably suppress wear of those contact surfaces.
図３には、遮熱板２２がその円筒部２２Ｂの中心軸２２Ｅとタービンシャフト１２の中心軸１２Ａと一致する位置から図中下方に向けて同タービンシャフト１２の径方向に変位したときの状態が示されている。上述のように、このターボチャージャーでは、中心軸２２Ｅおよび中心軸１２Ａが一致した状態において、ハウジング壁面２１Ａと遮熱板２２との間のタービンシャフト１２の径方向におけるクリアランスは、収容端部２０の外周円筒面２０Ａと円筒部２２Ｂの内周面２２Ｄとの間の部分において最小となっている。そのため、このときの遮熱板２２は、外周円筒面２０Ａと内周面２２Ｄとのオーバーラップ部分においてベアリングハウジング１３の収容端部２０の外周に接触することになる。 FIG. 3 shows a state in which the heat shield plate 22 is displaced in the radial direction of the turbine shaft 12 from the position coincident with the central axis 22E of the cylindrical portion 22B and the central axis 12A of the turbine shaft 12 downward in the figure. It is shown. As described above, in this turbocharger, the clearance in the radial direction of the turbine shaft 12 between the housing wall surface 21 </ b> A and the heat shield plate 22 in the state where the central shaft 22 </ b> E and the central shaft 12 </ b> A coincide with each other. It is the smallest in the portion between the outer peripheral cylindrical surface 20A and the inner peripheral surface 22D of the cylindrical portion 22B. Therefore, the heat shield plate 22 at this time comes into contact with the outer periphery of the housing end portion 20 of the bearing housing 13 at the overlap portion between the outer peripheral cylindrical surface 20A and the inner peripheral surface 22D.
なお、接触が生じた時点では、遮熱板２２の円筒部２２Ｂの中心軸２２Ｅがタービンシャフト１２の中心軸１２Ａに対して傾いていても、外周円筒面２０Ａへの内周面２２Ｄの押し付けに応じてその傾きは解消される。そのため、このときの収容端部２０の外周への遮熱板２２の接触は、最終的には、外周円筒面２０Ａと内周面２２Ｄとの線接触となる。 At the time of contact, even if the central axis 22E of the cylindrical portion 22B of the heat shield plate 22 is inclined with respect to the central axis 12A of the turbine shaft 12, the inner peripheral surface 22D is pressed against the outer peripheral cylindrical surface 20A. The inclination is canceled accordingly. Therefore, the contact of the heat shield plate 22 to the outer periphery of the housing end 20 at this time finally becomes a line contact between the outer peripheral cylindrical surface 20A and the inner peripheral surface 22D.
また、上述のように、タービンシャフト１２の軸方向における外周円筒面２０Ａおよび内周面２２Ｄのオーバーラップ長ＯＬは、最小でも、遮熱板２２の板厚Ｔよりも大とされている。したがって、このときの外周円筒面２０Ａおよび内周面２２Ｄの線接触の接触長さは、遮熱板２２の板厚Ｔよりも長くなる。そのため、このターボチャージャーでは、遮熱板２２がその外周鍔部２２Ｃの外径端面や円環部２２Ａの内径端面で接触する場合に比して、接触部分が受ける接触面圧が低く抑えられるようになる。 As described above, the overlap length OL of the outer peripheral cylindrical surface 20A and the inner peripheral surface 22D in the axial direction of the turbine shaft 12 is set to be greater than the plate thickness T of the heat shield plate 22 at the minimum. Accordingly, the contact length of the line contact between the outer peripheral cylindrical surface 20 </ b> A and the inner peripheral surface 22 </ b> D at this time is longer than the plate thickness T of the heat shield plate 22. Therefore, in this turbocharger, the contact surface pressure received by the contact portion can be kept low compared to the case where the heat shield plate 22 contacts the outer diameter end surface of the outer peripheral flange portion 22C or the inner diameter end surface of the annular portion 22A. become.
以上説明した本実施形態のターボチャージャーによれば、以下の効果を奏することができる。
（１）本実施形態のターボチャージャーでは、タービンインペラ１０およびタービンハウジング１７とベアリングハウジング１３との間に形成された一連の空間２１の内部において遮熱板２２を、タービンシャフト１２の径方向に変位可能に配設している。こうしたターボチャージャーでは、固定のための遮熱板２２の挟持が不要となり、ターボチャージャーのシール性能や過給性能への遮熱板２２の加工精度や変形の影響が排除されるため、遮熱板２２の設計や製造が容易となる。
According to the turbocharger of the present embodiment described above, the following effects can be achieved.
(1) In the turbocharger of the present embodiment, the heat shield plate 22 is displaced in the radial direction of the turbine shaft 12 in a series of spaces 21 formed between the turbine impeller 10 and the turbine housing 17 and the bearing housing 13. It is possible to arrange. In such a turbocharger, it is not necessary to hold the heat shield plate 22 for fixing, and the influence of processing accuracy and deformation of the heat shield plate 22 on the sealing performance and supercharging performance of the turbocharger is eliminated. 22 can be easily designed and manufactured.
（２）固定のための遮熱板２２の弾性変形も不要となるため、予荷重による遮熱板２２の耐久性や信頼性の低下も避けられる。
（３）遮熱板２２における収容端部２０の外周円筒面２０Ａと対向する部分に、円筒形状をなした円筒部２２Ｂが設けられている。そして、それら収容端部２０の外周円筒面２０Ａおよび円筒部２２Ｂの内周面２２Ｄの間の部分は、中心軸２２Ｅおよび中心軸１２Ａが一致した状態において、ハウジング壁面２１Ａと遮熱板２２との間のタービンシャフト１２の径方向におけるクリアランスが最小となる部分となっている。そのため、タービンシャフト１２の径方向に遮熱板２２が変位したときの接触が、外周円筒面２０Ａおよび内周面２２Ｄの線接触となり、遮熱板２２の外周鍔部２２Ｃの外径端面や円環部２２Ａの内径端面で接触する場合に比して接触面圧が低くなる。したがって、タービンシャフト１２の径方向への変位により遮熱板２２がベアリングハウジング１３の外周に接触した場合にも、その接触面の摩耗を好適に抑えることができる。
(2) Since the elastic deformation of the heat shield plate 22 for fixing is not required, the durability and reliability of the heat shield plate 22 due to preload can be avoided.
(3) A cylindrical portion 22B having a cylindrical shape is provided at a portion of the heat shield plate 22 facing the outer peripheral cylindrical surface 20A of the housing end portion 20. A portion between the outer peripheral cylindrical surface 20A of the accommodating end 20 and the inner peripheral surface 22D of the cylindrical portion 22B is formed between the housing wall surface 21A and the heat shield plate 22 in a state where the central axis 22E and the central axis 12A coincide. The clearance in the radial direction of the turbine shaft 12 therebetween is a minimum. Therefore, the contact when the heat shield plate 22 is displaced in the radial direction of the turbine shaft 12 becomes a line contact between the outer peripheral cylindrical surface 20A and the inner peripheral surface 22D, and the outer diameter end surface or circle of the outer peripheral flange portion 22C of the heat shield plate 22 The contact surface pressure is lower than when contact is made at the inner diameter end face of the ring portion 22A. Therefore, even when the heat shield plate 22 comes into contact with the outer periphery of the bearing housing 13 due to the radial displacement of the turbine shaft 12, wear on the contact surface can be suitably suppressed.
（４）遮熱板２２のタービンシャフト１２の軸方向の変位範囲内における、同軸方向における外周円筒面２０Ａおよび円筒部２２Ｂのオーバーラップ長ＯＬの最小値が、遮熱板２２の板厚Ｔよりも大とされている。そのため、遮熱板２２の外周鍔部２２Ｃの外径端面や円環部２２Ａの内径端面で接触が生じる場合よりも、遮熱板２２が受ける接触面圧が確実に低減されるようになる。 (4) The minimum value of the overlap length OL of the outer peripheral cylindrical surface 20A and the cylindrical portion 22B in the coaxial direction within the axial displacement range of the turbine shaft 12 of the heat shield plate 22 is based on the thickness T of the heat shield plate 22. Is also considered large. Therefore, the contact surface pressure received by the heat shield plate 22 is surely reduced as compared with the case where contact occurs at the outer diameter end surface of the outer peripheral flange portion 22C of the heat shield plate 22 and the inner diameter end surface of the annular portion 22A.
（５）内部にウォータージャケット１６が形成された収容端部２０の外周に遮熱板２２が接触するため、冷却水により遮熱板２２が冷却されて、その高温化が、ひいてはそれに伴う遮熱性能の低下が抑えられる。そのため、タービンシャフト１２の軸回り温度の上昇が抑えられて、タービンシャフト１２および軸受部材１５のコーキングや焼き付きに対する耐性が向上されるようになる。 (5) Since the heat shield plate 22 comes into contact with the outer periphery of the housing end portion 20 in which the water jacket 16 is formed, the heat shield plate 22 is cooled by the cooling water, and its high temperature is eventually increased. Performance degradation can be suppressed. Therefore, an increase in the temperature around the axis of the turbine shaft 12 is suppressed, and resistance to coking and seizure of the turbine shaft 12 and the bearing member 15 is improved.
なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施することもできる。
・外周円筒面２０Ａと内周面２２Ｄとの間のタービンシャフト１２の径方向におけるクリアランスが、機関運転時などの高温環境下での熱膨張による円筒部２２Ｂの内径の拡大時にのみ正の値となり、機関停止時のような低温環境下では、同クリアランスが「０」となるようにしてもよい。すなわち、空間２１の内部におけるタービンシャフト１２の径方向への遮熱板２２の変位は、ターボチャージャーの稼働時に可能となればよい。そうした場合にも、遮熱板２２とベアリングハウジング１３との接触が外周円筒面２０Ａと内周面２２Ｄとの間で生じるのであれば、それらの接触面の摩耗が好適に抑えられる。そのため、遮熱板２２の微小変位を防止するために収容端部２０の外周に対する遮熱板２２の嵌め合いを強くする必要がなく、遮熱板２２に大きい予荷重が加わらないようにすることができる。したがって、クリープ変形や疲労亀裂による遮熱板２２の耐久性や信頼性の低下を避けることが可能である。
In addition, the said embodiment can also be changed and implemented as follows.
The clearance in the radial direction of the turbine shaft 12 between the outer peripheral cylindrical surface 20A and the inner peripheral surface 22D becomes a positive value only when the inner diameter of the cylindrical portion 22B is expanded due to thermal expansion in a high temperature environment such as during engine operation. In a low temperature environment such as when the engine is stopped, the clearance may be “0”. That is, it is sufficient that the heat shield plate 22 can be displaced in the radial direction of the turbine shaft 12 inside the space 21 when the turbocharger is in operation. Even in such a case, if the contact between the heat shield plate 22 and the bearing housing 13 occurs between the outer peripheral cylindrical surface 20A and the inner peripheral surface 22D, the wear of these contact surfaces is suitably suppressed. Therefore, it is not necessary to strengthen the fit of the heat shield plate 22 to the outer periphery of the housing end portion 20 in order to prevent minute displacement of the heat shield plate 22, so that a large preload is not applied to the heat shield plate 22. Can do. Therefore, it is possible to avoid a decrease in durability and reliability of the heat shield plate 22 due to creep deformation and fatigue cracks.
・上記実施形態では、ベアリングハウジング１３にウォータージャケット１６を設けて、水冷を行うようにしていたが、タービンシャフト１２や軸受部材１５のコーキングや焼き付きに対する耐性を確保できるのであれば、ウォータージャケット１６を割愛してもよい。 In the above embodiment, the water jacket 16 is provided in the bearing housing 13 to perform water cooling. However, if the turbine shaft 12 and the bearing member 15 can be secured against coking or seizure, the water jacket 16 may be used. You may omit it.
・ベアリングハウジング１３の遮熱に必要な部分を覆い、かつ収容端部２０の外周に形成された外周円筒面２０Ａと対向する部分に円筒形状をなした円筒部２２Ｂを有していれば、遮熱板２２の形状は適宜変更してもよい。例えば、外周鍔部２２Ｃの無い形状に遮熱板２２を形成することも可能である。 If the cylindrical housing portion 22B having a cylindrical shape is provided in a portion that covers a portion necessary for heat shielding of the bearing housing 13 and is opposed to the outer circumferential cylindrical surface 20A formed on the outer periphery of the receiving end portion 20, The shape of the hot plate 22 may be changed as appropriate. For example, it is possible to form the heat shield plate 22 in a shape without the outer peripheral flange portion 22C.
１０…タービンインペラ、１１…コンプレッサーインペラ、１２…タービンシャフト、１２Ａ…（タービンシャフト１２の）中心軸、１３…ベアリングハウジング、１４…軸受孔、１５…軸受部材、１６…ウォータージャケット、１７…タービンハウジング、１８…コンプレッサーハウジング、１９…フランジ部、２０…突出部、２０Ａ…外周円筒面、２１…空間、２１Ａ…ハウジング壁面、２２…遮熱板、２２Ａ…円環部、２２Ｂ…円筒部、２２Ｃ…外周鍔部、２２Ｄ…（円筒部２２Ｂの）内周面、２２Ｅ…（円筒部２２Ｂの）中心軸。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Turbine impeller, 11 ... Compressor impeller, 12 ... Turbine shaft, 12A ... Center axis (of turbine shaft 12), 13 ... Bearing housing, 14 ... Bearing hole, 15 ... Bearing member, 16 ... Water jacket, 17 ... Turbine housing , 18 ... Compressor housing, 19 ... Flange, 20 ... Projection, 20A ... Outer cylindrical surface, 21 ... Space, 21A ... Housing wall surface, 22 ... Heat shield, 22A ... Ring portion, 22B ... Cylindrical portion, 22C ... Outer peripheral flange, 22D ... inner peripheral surface (of cylindrical portion 22B), 22E ... central axis (of cylindrical portion 22B).
Claims (2)
前記ベアリングハウジングは、前記タービンシャフトの中心軸を軸心とする円筒面である外周円筒面を前記タービンハウジングの内部に収容された部分の外周に有し、
前記遮熱板は、前記空間の内部において前記タービンシャフトの径方向に変位可能に配設され、かつ前記外周円筒面と対向する位置に円筒形状をなした円筒部を有するとともに、
前記タービンハウジングの内周にあって前記遮熱板と対向する部分の面と、前記ベアリングハウジングの外周にあって前記遮熱板と対向する部分の面と、からなる面をハウジング壁面としたとき、
前記円筒部の中心軸と前記タービンシャフトの中心軸とが一致した状態において、前記ハウジング壁面と前記遮熱板との前記タービンシャフトの径方向におけるクリアランスが最小となる部分が、前記外周円筒面と前記円筒部の内周面との間の部分とされている、
ことを特徴とするターボチャージャー。 A turbine shaft having a turbine impeller fixed to the end thereof, a bearing housing that rotatably supports the turbine shaft, and a portion of the bearing housing together with the turbine impeller being fixed to the bearing housing. A turbocharger comprising: a turbine housing; and a heat shield disposed inside a series of spaces formed between an inner periphery of the turbine housing and an outer periphery of the turbine impeller and the bearing housing,
The bearing housing has an outer peripheral cylindrical surface, which is a cylindrical surface having the central axis of the turbine shaft as an axis, on an outer periphery of a portion accommodated in the turbine housing;
The heat shield plate is disposed in the space so as to be displaceable in the radial direction of the turbine shaft, and has a cylindrical portion having a cylindrical shape at a position facing the outer peripheral cylindrical surface,
When the housing wall is defined as the surface of the portion of the turbine housing that faces the heat shield plate and the portion of the bearing housing that faces the heat shield plate and that faces the heat shield plate ,
In a state where the central axis of the cylindrical portion and the central axis of the turbine shaft coincide with each other, a portion where a clearance in the radial direction of the turbine shaft between the housing wall surface and the heat shield plate is minimum is the outer peripheral cylindrical surface. It is a part between the inner peripheral surface of the cylindrical part,
Turbocharger characterized by that.
前記遮熱板は、前記円筒部の前記タービン側の縁から前記タービンシャフトの径方向内側に延びるかたちで設けられて、前記ベアリングハウジングにおける前記タービン側の端面と前記タービンインペラにおける前記コンプレッサー側の端面との間に介在して前記タービンシャフトが内径部分に挿通される円環部と、前記円筒部の前記コンプレッサー側の縁から前記タービンシャフトの径方向外側に延びる外周鍔部と、を備えるとともに、
前記外周円筒面の前記コンプレッサー側の縁と、前記円筒部の前記タービン側の縁との、前記タービンシャフトの軸方向の距離が前記遮熱板の板厚よりも大きい状態が維持されるように前記空間の内部に配設されてなる、
請求項１に記載のターボチャージャー。 In the axial direction of the turbine shaft, when the end of the turbine shaft to which the turbine impeller is fixed is the turbine side of the turbocharger, and the opposite end is the compressor side of the turbocharger ,
The heat shield plate is provided so as to extend radially inward of the turbine shaft from the turbine side edge of the cylindrical portion, and the turbine side end surface of the bearing housing and the compressor side end surface of the turbine impeller. An annular portion through which the turbine shaft is inserted into the inner diameter portion, and an outer peripheral flange portion extending radially outward of the turbine shaft from the compressor side edge of the cylindrical portion,
The axial distance of the turbine shaft between the compressor-side edge of the outer peripheral cylindrical surface and the turbine-side edge of the cylindrical portion is maintained larger than the plate thickness of the heat shield plate. It is arranged inside the space,
The turbocharger according to claim 1.
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