JP2017067033A - ターボチャージャ - Google Patents

Abstract

【課題】可変ノズルユニットの組付けに用いられる付勢部材に対する排気熱の影響を低減するとともに、小型化が可能なターボチャージャを提供する。【解決手段】エンジンから排出されスクロール通路１６を流れてきた排気を、連通路１７に設けられた可変ノズルユニット３０で流速を変更しつつタービンホイール１８に供給することで、タービンホイール１８の回転数を調整可能なターボチャージャ１０において、連通路１７に面するベアリングハウジング１２の内壁面１２Ａと可変ノズルユニット３０との間に、可変ノズルユニット３０を連通路１７に面するタービンハウジング１４の内壁面１４Ａに押圧する付勢部材５０を設ける。【選択図】図４

Description

本発明は、エンジンから排出された排気の流速を可変ノズルユニットで調整しつつタービンホイールに供給することで、タービンホイールの回転数を調整可能なターボチャージャに関する。

例えば特許文献１には、エンジンから排出された排気の流速を可変ノズルユニットで調整しつつタービンホイールに供給することで、タービンホイールの回転数を調整可能なターボチャージャが開示されている。このターボチャージャにおいては、一体的に構成された可変ノズルユニットを、皿ばねの付勢力によってベアリングハウジングの内壁面に押圧することで、可変ノズルユニットがターボチャージャに組み付けられている。ハウジングの内壁面に押圧することで可変ノズルユニットを強固に組み付けることができるとともに、ボルト等による固定と比べて変形に対する拘束が少なく、熱変形を抑えることができる。

特開２０１３−１０４４１４号公報

ここで、特許文献１の皿ばねは、タービンハウジングに形成されたスクロール通路の近くに設けられているため、スクロール通路を流れる高温の排気の影響により、熱的なダメージを受けやすい。そこで、特許文献１では、スクロール通路と皿ばねの配設空間との間に、タービンハウジングの内壁面から突出する遮熱壁が設けられており、スクロール通路を流れる排気から皿ばねへの伝熱を抑制している。しかしながら、タービンハウジングに遮熱壁を設けるとなると、ターボチャージャが大型化するおそれがあり、この点において改善の余地があった。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、可変ノズルユニットの組付けに用いられる付勢部材に対する排気熱の影響を低減するとともに、小型化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、タービンシャフトを回転自在に支持するベアリングハウジングと、前記タービンシャフトに固定されるタービンホイールを収容するタービン室と、前記タービン室の周りに形成されたスクロール通路とを有するタービンハウジングと、前記タービンシャフトの軸方向において前記ベアリングハウジングと前記タービンハウジングとに挟まれ、前記タービン室と前記スクロール通路とを連通させる連通路に設けられた可変ノズルユニットと、を備え、エンジンから排出され前記スクロール通路を流れてきた排気を、前記可変ノズルユニットで流速を変更しつつ前記タービンホイールに供給することで、前記タービンホイールの回転数を調整可能なターボチャージャであって、前記連通路に面する前記ベアリングハウジングの内壁面と前記可変ノズルユニットとの間に、前記可変ノズルユニットを前記連通路に面する前記タービンハウジングの内壁面に押圧する付勢部材が設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、連通路に設けられた可変ノズルユニットを付勢する付勢部材が、連通路に面するベアリングハウジングの内壁面と可変ノズルユニットとの間に設けられている。このため、付勢部材をタービンハウジングに形成されるスクロール通路から遠ざけることができ、スクロール通路を流れる排気の熱が付勢部材に伝わることを抑制可能となっている。また、本発明によれば、上述のように排気熱が付勢部材へ伝わることを抑制できるので、遮熱壁を省略することができ、ターボチャージャの小型化に適したものとなる。

本実施形態にかかるターボチャージャの概略構成を示す部分断面図である。 可変ノズルユニットの一部を示す図であり、（Ａ）は図１の左方から見た側面図、（Ｂ）は図１の右方から見た側面図である。 可変ノズルユニットの部分断面図である。 可変ノズルユニットの部分断面図である。 皿ばねの斜視図である。

以下、本実施形態にかかるターボチャージャについて、図１〜図５を参照して説明する。図１に示すターボチャージャ１０は、車両に搭載されるエンジンに設けられる。このターボチャージャ１０では、タービンシャフト１１がベアリング１３によってベアリングハウジング１２に回転自在に支持されている。タービンシャフト１１の軸線Ｌ１に沿う方向（以下「軸方向」という）についてベアリングハウジング１２の一方側（図１の右側）には、タービンハウジング１４が隣接して配置され、他方側（図１の左側）には、複数の部材からなるコンプレッサハウジング（図示省略）が隣接して配置されている。タービンハウジング１４およびコンプレッサハウジングは、ベアリングハウジング１２に対しそれぞれ締結されている。そして、これらのベアリングハウジング１２、タービンハウジング１４およびコンプレッサハウジングによって、ターボチャージャ１０のハウジングが構成されている。

タービンハウジング１４の中心部には、軸方向に延びる円筒状のタービン室１５が形成されており、このタービン室１５にタービンシャフト１１の上記一方側の端部に固定されたタービンホイール１８が収容される。また、タービンシャフト１１の上記他方側の端部には、コンプレッサハウジング内で回転するコンプレッサホイール（図示省略）が固定されている。

タービンハウジング１４内において、タービン室１５の周りには、渦巻き状のスクロール通路１６が形成されている。さらに、タービンハウジング１４内には、タービン室１５とスクロール通路１６とを連通させる連通路１７が形成されている。この連通路１７は、軸方向においてベアリングハウジング１２の内壁面１２Ａとタービンハウジング１４の内壁面１４Ａとに挟まれている。なお、ベアリングハウジング１２において連通路１７に面する内壁面１２Ａと、タービンハウジング１４において連通路１７に面する内壁面１４Ａとは、それぞれ軸線Ｌ１に対し直交した状態またはそれに近い状態となっている。

このような基本構成を有するターボチャージャ１０では、エンジンから排出されスクロール通路１６に沿って流れた排気Ｅが、連通路１７を通じてタービンホイール１８に供給されることで、タービンホイール１８が回転する。この回転は、タービンシャフト１１を介してコンプレッサホイールに伝達される。その結果、エンジンでは、ピストンの移動に伴って燃焼室内に発生する負圧によって吸入される空気が、ターボチャージャ１０のコンプレッサホイールの回転によって強制的に燃焼室に送り込まれる（過給される）。このようにして、燃焼室への空気の充填効率が高められる。

ターボチャージャ１０の連通路１７には、可変ノズルユニット３０が組み込まれている。可変ノズルユニット３０は、連通路１７の排気流通面積を変更することで、タービンホイール１８に供給される排気Ｅの流速を可変とし、これによって、ターボチャージャ１０（タービンホイール１８）の回転数を調整し、燃焼室に強制的に送り込まれる空気の量を調整するための機構である。

可変ノズルユニット３０の概略構成について説明する。図１に示すように、可変ノズルユニット３０は、連通路１７にそれぞれ配置されたノズルプレート３１、ユニゾンリング３５およびシュラウドプレート４１を有する。これらノズルプレート３１、ユニゾンリング３５およびシュラウドプレート４１は、いずれも軸線Ｌ１を中心とする円環状をなす。ノズルプレート３１とシュラウドプレート４１とは軸方向に間隔を空けて設けられており、ベアリングハウジング１２側に設けられたノズルプレート３１が本発明の「第１環状部材」に相当し、タービンハウジング１４側に設けられたシュラウドプレート４１が本発明の「第２環状部材」に相当する。

図２（Ａ）は可変ノズルユニット３０の一部を図１の左方から見た側面図であり、図２（Ｂ）は可変ノズルユニット３０の一部を図１の右方から見た側面図である。ノズルプレート３１において、軸線Ｌ１を中心とする円上には、複数の軸３２が周方向に略等間隔に配置されている。各軸３２は、軸線Ｌ１に略平行に延びており、ノズルプレート３１に対し回動可能に挿通されている。図１に示すように、各軸３２のうちノズルプレート３１とシュラウドプレート４１との間の部分（排気Ｅがスクロール通路１６からタービン室１５へと流れる際の流通路部分）には、ノズルベーン３３が固定されている。また、各軸３２のうちノズルプレート３１からベアリングハウジング１２側に突出している端部には、ノズルベーン３３を駆動するアーム３４の基端部が固定されている。また、ノズルプレート３１には、ベアリングハウジング１２側に突出する凸部３１Ａが形成されている。凸部３１Ａについては後に詳述する。

ユニゾンリング３５の内周面には、複数の凹部３６が形成されている。これらの凹部３６には、アーム３４の先端部が係合している。ユニゾンリング３５は、リンク３７（図１参照）等を介してターボチャージャ１０の外部から回転される。すなわち、リンク３７の回動軸３７Ａにはアーム３９が固定されており、そのアーム３９の先端部は、ユニゾンリング３５の内周面に形成された凹部４０に係合している。

そして、ユニゾンリング３５が、ターボチャージャ１０の外部から、リンク３７、回動軸３７Ａ、アーム３９等を介して軸線Ｌ１の周りで回動させられると、ユニゾンリング３５の複数の凹部３６に係合している各アーム３４が軸３２を中心として各々同期した状態で回動（開閉）される。各軸３２の回動によってノズルベーン３３の開度が変化することで、連通路１７の排気流通面積が変更される。そして、隣り合うノズルベーン３３間を通じてタービンホイール１８に供給される排気Ｅの流速が調整される。

例えば、図２（Ａ）において、リンク３７等により回動軸３７Ａを支点としてアーム３９を反時計回り方向へ回動させると、これに伴ってユニゾンリング３５は図２（Ａ）および図２（Ｂ）においてそれぞれ矢印に示す方向へ回動する。ユニゾンリング３５の上記回動によって、各軸３２が、図２（Ａ）では反時計回り方向へ回動し、図２（Ｂ）では時計回り方向へ回動する。各軸３２の上記回動に伴い、ノズルベーン３３が閉じ側に回動し、タービンホイール１８に供給される排気Ｅの流速が高くなる。逆に、ノズルベーン３３が開き側に回動すると、タービンホイール１８に供給される排気Ｅの流速が低くなる。

図３および図４は、可変ノズルユニット３０を拡大した部分断面図である。なお、図４は、図１および図３とは異なる断面における構造を示したものとなっている。図３に示すように、シュラウドプレート４１において、軸線Ｌ１を中心とする円上には、軸方向に貫通する貫通孔４２が複数形成されている。各貫通孔４２には、軸３２のうちノズルプレート３１からシュラウドプレート４１側へ突出した先端部が回動可能に挿通されている。

図４に示すように、シュラウドプレート４１は、軸線Ｌ１を中心とする円上に略等間隔に配置された複数のピン４３によってノズルプレート３１に連結されている。ノズルプレート３１とシュラウドプレート４１との間に位置する各ピン４３の部分には、円管状のスペーサ４４が被せられている。これらのスペーサ４４によって、ノズルプレート３１とシュラウドプレート４１との間にノズルベーン３３の厚み程度の間隔が確保されている。

このように、可変ノズルユニット３０は、ノズルプレート３１、シュラウドプレート４１、複数のノズルベーン３３、複数のアーム３４等が、一体的に構成されたユニット構造となっている。そして、ユニット化された可変ノズルユニット３０が、付勢部材としての皿ばね５０により付勢されることで連通路１７内に組み付けられている。

図５は、皿ばね５０の斜視図である。皿ばね５０は、金属板等の弾性体によって軸線Ｌ１を中心とした円環状に構成されており、外周側に設けられた環状部５１と、内周側に設けられた複数の突起部５２とを有する。複数の突起部５２は、周方向に略等間隔に設けられており、環状部５１から径方向の内側に向かって突出している。互いに隣接する２つの突起部５２の間の空間５３には前述のアーム３４が配置されており、アーム３４が回動（移動）する際に、アーム３４と皿ばね５０が干渉しないようにされている。

突起部５２は、環状部５１の内周縁から径方向の内側且つ軸方向のタービンハウジング１４側に向かって斜めに突出する傾斜部５２Ａと、傾斜部５２Ａの先端から径方向の内側に向かって突出する先端部５２Ｂとからなる。環状部５１と突起部５２の先端部５２Ｂとは、軸線Ｌ１に直交する面に略平行となっている。

図４に示すように、皿ばね５０は、環状部５１が連通路１７に面するベアリングハウジング１２の内壁面１２Ａに当接するように、且つ、突起部５２の先端部５２Ｂがノズルプレート３１に当接するように配置される。ここで、ノズルプレート３１には、各アーム３４と干渉しない周方向位置において、軸方向のベアリングハウジング１２側に突出する凸部３１Ａが周方向に複数設けられている。そして、各突起部５２の先端部５２Ｂは、凸部３１Ａの先端面に当接している。このように配置された皿ばね５０の突起部５２は、図３に示すように、軸方向においてアーム３４と一部重複することになる。このため、皿ばね５０を配置するために必要な軸方向のスペースを削減することができ、ターボチャージャ１０の小型化を図ることができる。なお、本実施形態においてノズルプレート３１には、アーム３９が配置されるアーム３４間には凸部３１Ａが形成されていない。

皿ばね５０は、環状部５１および突起部５２の先端部５２Ｂにおいて荷重が加えられることにより、軸方向の寸法が小さくなる方向に弾性変形し、可変ノズルユニット３０を軸方向においてタービンハウジング１４側へ付勢している。この皿ばね５０の付勢力は、スペーサ４４およびピン４３を介してノズルプレート３１に伝達され、ノズルプレート３１がタービンハウジング１４の内壁面１４Ａに押圧されることで、可変ノズルユニット３０を強固に組み付けることができる。また、ボルト等による固定と比べて変形に対する拘束が少なく、可変ノズルユニット３０の熱変形を抑えることができる。

（効果）
本実施形態のターボチャージャ１０によれば、連通路１７に設けられた可変ノズルユニット３０を付勢する付勢部材５０が、連通路１７に面するベアリングハウジング１２の内壁面１２Ａと可変ノズルユニット３０との間に設けられている。このため、付勢部材５０をタービンハウジング１４に形成されるスクロール通路１６から遠ざけることができ、スクロール通路１６を流れる排気の熱が付勢部材５０に伝わることを抑制可能となっている。また、本実施形態によれば、上述のように排気熱が付勢部材５０へ伝わることを抑制できるので、従来技術で設けられていたような遮熱壁を省略することができ、ターボチャージャ１０の小型化に好適である。

また、本実施形態では、付勢部材５０が皿ばねであるので、小さな取付スペースで大きな荷重を受けることができるので、ターボチャージャ１０のさらなる小型化が可能である。

また、本実施形態では、皿ばね５０の一部が、軸方向においてアーム３４と重複するように配置されているので、皿ばね５０の取付スペースをさらに小さくすることができる。

また、本実施形態では、皿ばね５０は、ベアリングハウジング１２の内壁面１２Ａに当接する環状部５１を有するとともに、環状部５１から軸方向のタービンハウジング１４側且つ径方向の内側または外側に向かって突出し、ノズルプレート３１（第１環状部材）に当接する突起部５２を周方向に複数有しており、互いに隣接する２つの突起部５２の間の空間５３を、アーム３４が移動可能に構成されている。このため、上述のように皿ばね５０の一部がアーム３４と軸方向において重複し、且つ、アーム３４が皿ばね５０と干渉しない構成を容易に実現することができる。また、突起部５２の幅や突出長さ等を変更することで、バネ定数の調整が可能となり、可変ノズルユニット３０を適切な付勢力で押圧することができる。

また、本実施形態では、突起部５２が環状部５１から径方向の内側に向かって突出している。このため、突起部５２が環状部５１から径方向の外側に向かって突出させる構成と比較して、皿ばね５０（環状部５１）の径を大きくすることができ、大きな付勢力を発生させることが可能となる。

［他の実施形態］
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上記実施形態の要素を適宜組み合わせまたは種々の変更を加えることが可能である。

例えば、上記実施形態では、付勢部材として皿ばね５０を用いたが、コイルばね等の付勢部材を代わりに用いてもよい。

また、上記実施形態では、皿ばね５０の一部が、軸方向においてアーム３４と重複するようにしたが、皿ばね５０をアーム３４に重複させず、アーム３４よりもベアリングハウジング１２側に配置してもよい。

また、上記実施形態では、皿ばね５０の外周縁部を環状部５１とし、内周縁部を複数の突起部５２とする櫛形形状とした。しかしながら、アーム３４との干渉が避けられる形状となっていれば、皿ばね５０を櫛形形状とすることは必須ではなく、通常の円錐状の皿ばねを用いてもよい。また、櫛形形状にする場合、上記実施形態とは逆に、皿ばね５０の内周縁部に環状部を設け、外周縁部に複数の突起部を設けるようにしてもよい。

また、上記実施形態では、周方向に隣り合う２つのアーム３４の間のうち、アーム３９が配置される箇所以外に凸部３１Ａを形成するものとした。しかしながら、凸部３１Ａの数を減らしてもよい。この場合、アーム３４との干渉が避けられるならば、各凸部３１Ａの間隔が等間隔とされることが望ましい。

１０：ターボチャージャ
１１：タービンシャフト
１２：ベアリングハウジング
１２Ａ：内壁面
１４：タービンハウジング
１４Ａ：内壁面
１５：タービン室
１６：スクロール通路
１７：連通路
１８：タービンホイール
３０：可変ノズルユニット
３１：ノズルプレート（第１環状部材）
３３：ノズルベーン
３４：アーム
４１：シュラウドプレート（第２環状部材）
５０：皿ばね（付勢部材）
５１：環状部
５２：突起部
５３：空間

Claims (5)

1. タービンシャフトを回転自在に支持するベアリングハウジングと、
   前記タービンシャフトに固定されるタービンホイールを収容するタービン室と、前記タービン室の周りに形成されたスクロール通路とを有するタービンハウジングと、
   前記タービンシャフトの軸方向において前記ベアリングハウジングと前記タービンハウジングとに挟まれ、前記タービン室と前記スクロール通路とを連通させる連通路に設けられた可変ノズルユニットと、を備え、
   エンジンから排出され前記スクロール通路を流れてきた排気を、前記可変ノズルユニットで流速を変更しつつ前記タービンホイールに供給することで、前記タービンホイールの回転数を調整可能なターボチャージャであって、
   前記連通路に面する前記ベアリングハウジングの内壁面と前記可変ノズルユニットとの間に、前記可変ノズルユニットを前記連通路に面する前記タービンハウジングの内壁面に押圧する付勢部材が設けられていることを特徴とするターボチャージャ。
2. 前記付勢部材が皿ばねである請求項１に記載のターボチャージャ。
3. 前記可変ノズルユニットは、
   第１環状部材と、
   前記第１環状部材よりも前記軸方向の前記タービンハウジング側に設けられた第２環状部材と、
   前記第１環状部材と前記第２環状部材との間に設けられたノズルベーンと、
   前記第１環状部材から前記軸方向の前記ベアリングハウジング側に少なくとも一部が配置され、前記ノズルベーンを駆動するアームと、を有しており、
   前記皿ばねの一部が、前記軸方向において前記アームと重複するように配置されている請求項２に記載のターボチャージャ。
4. 前記皿ばねは、前記ベアリングハウジングの内壁面に当接する環状部を有するとともに、前記環状部から前記軸方向の前記タービンハウジング側且つ径方向の内側または外側に向かって突出し、前記第１環状部材に当接する突起部を周方向に複数有しており、
   互いに隣接する２つの前記突起部の間の空間を、前記アームが移動可能である請求項３に記載のターボチャージャ。
5. 前記突起部が前記環状部から径方向の内側に向かって突出している請求項４に記載のターボチャージャ。

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