JP2017180093A

JP2017180093A - 車両用ターボチャージャ

Info

Publication number: JP2017180093A
Application number: JP2016062932A
Authority: JP
Inventors: 智仁水野; Tomohito Mizuno
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2016-03-28
Filing date: 2016-03-28
Publication date: 2017-10-05

Abstract

【課題】ハウジングの熱膨張が生じた場合であってもノズルベーンとハウジングとの間に隙間が生じることを抑制することができるターボチャージャの提供にある。【解決手段】第１、２スクロール室１５、１６とタービン室１４とを連通するノズルプレート本体８１と複数の第１、２ノズルベーン９１、９２とを備えるノズル機構８０を備えるターボチャージャ１０であって、タービンハウジング１３は第１ノズルベーン９１に向けて延在する第１隔壁部２０と第１、２スクロール室１５、１６とを隔てノズルプレート本体８１と当接する第２隔壁部４０とを備え、第１隔壁部２０には第１ノズルベーンと反対側に向けて凹む凹部２５が設けられ、凹部２５には凹部２５の内壁面に摺動可能に取り付けられる中間プレートと、一端部が前記凹部の内壁面と当接するとともに他端部が中間プレートと当接する皿ばね６０とが設けられ、中間プレートは第１ノズルベーン９１と当接する。【選択図】図２

Description

この発明は、車両用ターボチャージャに関する。

例えば、特許文献１には、タービンホイールを収容するタービンハウジングに、車両エンジンからの排気が流入する渦巻き状の第１スクロール通路と第２スクロール通路とを備えたツインスクロール式のターボチャージャが開示されている。特許文献１に開示されたターボチャージャでは、固定ノズル機構として第１ノズルベーンと第２ノズルベーンを有し、固定ノズル機構に流入する排気を上流の制御バルブで制御し、過給圧を制御する構造としている。

第１スクロール通路及び第２スクロール通路とタービン室との間には第１スクロール通路と接続された第１ノズル空間及び第２スクロール通路と接続された第２ノズル空間が設けられている。第１ノズルベーンは第１ノズル空間に位置し、第２ノズルベーンは第２ノズル空間に位置している。タービンハウジングは、第１スクロール通路とタービン室との間を隔てる第１隔壁部と、第１スクロール通路と第２スクロール通路との間と、第１ノズル空間と第２ノズル空間との間を隔てる仕切部とを備え、タービンシャフトを支持するベアリングハウジングは、第２スクロール通路とベアリング室との間を隔てる第２隔壁部を備える。第１ノズルベーンは、仕切部と第１隔壁部との間に固定されており、第２ノズルベーンは仕切部と第２隔壁部との間に固定されている。

特開２０１０−１３９７２号公報

特許文献１のターボチャージャでは、第１スクロール室を流れる比較的高温の排気が第１ノズル空間及び第２ノズル空間に流入すると、第１ノズルベーン及び第２ノズルベーンとその周囲のタービンハウジングやベアリングハウジングが昇温されて膨張する。ハウジングの膨張に伴って、第１ノズルベーンと第１隔壁部との間や、第２ノズルベーンと第２隔壁部との間に隙間が生じると、第１スクロール室及び第２スクロール室からの排気が隙間からタービン室に直接漏れ出てしまい、ターボチャージャの効率が低下してしまう虞がある。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、ハウジングの熱膨張が生じた場合であってもノズルベーンとハウジングとの間に隙間が生じることを抑制することができるターボチャージャの提供にある。

上記の課題を解決するために、本発明は、タービンシャフトを回転可能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の軸心方向の一方において前記ベアリングハウジングに接合されたタービンハウジングと、前記タービンシャフトと一体回転可能に設けられたタービンホイールと、を備え、前記タービンハウジングは、前記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囲に設けられ、内部にエンジンの排気が流通する渦巻き状の通路をなす第１スクロール室と、前記タービン室の周囲に設けられ、内部にエンジンの排気が流通する渦巻き状の通路をなす第２スクロール室と、前記第１スクロール室及び前記第２スクロール室と前記タービン室とを前記タービンシャフトの径方向においてそれぞれ連通するとともに、前記第１スクロール室及び前記第２スクロール室から前記タービン室に流入する排気の流速を調整するノズル機構と、を備え、前記ノズル機構は、前記第１スクロール室と前記タービン室とを連通する第１ノズル空間と、前記第２スクロール室と前記タービン室とを連通する第２ノズル空間とを区画するノズルプレート本体と、前記ノズルプレート本体に設けられ、前記第１ノズル空間に位置する複数の第１ノズルベーンと、前記ノズルプレート本体に設けられ、前記第２ノズル空間に位置する複数の第２ノズルベーンと、を備えるターボチャージャであって、前記タービンハウジングは、前記第１ノズルベーンに向けて延在する第１隔壁部と、前記第１スクロール室と前記第２スクロール室とを隔てるとともに、前記ノズルプレート本体と当接する第２隔壁部と、を備え、前記第１隔壁部には、第１ノズルベーンと反対側に向けて凹む凹部が設けられ、前記凹部には、該凹部の内壁面に摺動可能に取り付けられる中間プレートと、一端部が前記凹部の内壁面と当接するとともに他端部が前記中間プレートと当接する皿ばねが設けられ、前記中間プレートは前記第１ノズルベーンと当接することを特徴とする。

本発明によれば、皿ばねの付勢力により、中間プレートが第１ノズルベーンと当接した状態を維持することができ、中間プレートと第１ノズルベーンとの間に隙間が生じることを抑制することができる。

また、上記のターボチャージャにおいて、前記第２隔壁部は先端部に隔壁側段差部を備え、前記ノズルプレート本体は、前記第２隔壁部側の端部に隔壁側段差部と摺動可能に係合するプレート側段差部を備えることを特徴とする。
この場合、第２隔壁部の隔壁側段差部とノズルプレート本体のプレート側段差部とが重なっているため、第１スクロール室から第２スクロール室への排気の漏れを抑制することができる。

また、上記のターボチャージャにおいて、前記隔壁側段差部は、前記先端部の前記第１スクロール室側に設けられていることを特徴とする。
この場合、例えば、比較的高温の排気によりノズル機構やその周囲の部材が昇温されて膨張した場合、ノズル機構がベアリングハウジング側へ移動しようとしても、隔壁側段差部が壁となり、ノズル機構のベアリングハウジング側への移動を防止することができ、第１ノズルベーンと中間プレートの間に隙間が生じることを抑制することができる。

本発明は、ハウジングの熱膨張が生じた場合であってもノズルベーンとハウジングとの間に隙間が生じることを抑制することができるターボチャージャを提供することができる。

本発明の実施形態に係るターボチャージャのタービンハウジングを示す断面図である。本発明の実施形態に係るターボチャージャのノズル機構を拡大して示す断面図である。

以下、実施形態に係るターボチャージャを図面に基づいて説明する。
本実施形態では、車両エンジンに搭載される過給機としてのターボチャージャについて例示する。

図１に示す本実施形態のターボチャージャ１０は、タービンシャフト１１と、タービンシャフト１１を図示されない軸受を介して回転可能に支持するベアリングハウジング１２とを備える。図１に示す軸線Ｌ１は、タービンシャフト１１の軸心を通る線である。ターボチャージャ１０は、タービンシャフト１１の軸心方向である軸線Ｌ１方向におけるベアリングハウジング１２の一方に、軸線Ｌ１を中心として接合されたタービンハウジング１３を備え、他方に、コンプレッサハウジング（図示しない）を備える。ベアリングハウジング１２とタービンハウジング１３とコンプレッサハウジングとは、ターボチャージャ１０のハウジングを構成する。

タービンハウジング１３の中心部にはタービン室１４が配置されている。タービンハウジング１３において、タービン室１４の周囲には、渦巻き状の通路をなす第１スクロール室１５と渦巻き状の通路をなす第２スクロール室１６とが設けられている。第１スクロール室１５及び第２スクロール室１６の内部には、ターボチャージャ１０の外部に位置する車両エンジンから排出されてターボチャージャ１０に流入した車両エンジンの排気が流通する。第１スクロール室１５の入口には、第１スクロール室１５に流入する排気の量を調整するバルブ（図示しない）が設けられている。

タービンシャフト１１のタービンハウジング１３側の一端には、タービンホイール１７がタービンシャフト１１と一体回転可能に取り付けられており、タービンホイール１７はタービン室１４に収容されている。タービンシャフト１１の他端には、コンプレッサホイール（図示しない）がタービンシャフト１１と一体回転可能に固定されており、コンプレッサホイールがコンプレッサハウジングに収容されている。

タービンハウジング１３は、第１スクロール室１５とタービン室１４とを隔てる第１隔壁部２０を備える。第１隔壁部２０は、ベアリングハウジング１２側の端部に大径部２２と、第１スクロール室１５側に位置する壁面２３と、タービン室１４側に位置する壁面２４とを備える。

図２に示すように、大径部２２は凹部２５を備える。凹部２５は図１に示すベアリングハウジング１２側に開口する開口部２６を備える。大径部２２は開口部２６と対向し軸線Ｌ１と垂直な底壁面２７と、開口部２６から底壁面２７に向かって軸線Ｌ１に沿った第１スクロール室１５側の外周壁面２８と、開口部２６から底壁面２７に向かって軸線Ｌ１に沿ったタービン室１４側の内周壁面２９とを備える。大径部２２の底壁面２７と外周壁面２８と内周壁面２９は、凹部２５の凹みを区画する凹部２５の内壁面である。

タービンハウジング１３は、第１スクロール室１５と第２スクロール室１６とを隔てる第２隔壁部４０を備える。第２隔壁部４０は、ベアリングハウジング１２側に先端部４２を備える。

先端部４２には、隔壁側段差部４６が設けられている。隔壁側段差部４６は、第１段差面５０と、内周面４５と、第２段差面５１と、を備える。第２段差面５１は第１段差面５０と内周面４５を接続する面である。

凹部２５の凹みには、皿ばね６０が配置されている。皿ばね６０は、軸線Ｌ１を中心とした円環板状の弾性部材である。皿ばね６０は、第１スクロール室１５側の端部である外周端部６１と、タービン室１４側の端部である内周端部６２とを備える。

凹部２５の凹みには、さらに、皿ばね６０と隣接して、中間プレートとしての第１中間プレート６３が配置されている。第１中間プレート６３は、円環板状をなしており凹部２５を閉塞する。第１中間プレート６３は、ベアリングハウジング１２側に内側面６４と、内側面６４と反対側に外側面６５と、を備えている。

第１中間プレート６３は、凹部２５の凹みにすき間ばめで嵌め込まれており、外側面６５が皿ばね６０と当接している。第１中間プレート６３は、凹部２５の凹みにすき間ばめ状態で取り付けられているので、皿ばね６０の付勢力により移動可能となっている。

皿ばね６０は、外周端部６１が第１中間プレート６３の外側面６５と当接し、内周端部６２が底壁面２７と当接している。皿ばね６０は、第１中間プレート６３をベアリングハウジング１２側に付勢する機能を備える他、第１スクロール室１５とタービン室１４との間をシールする機能を備える。

図１に示すように、ベアリングハウジング１２と隣接して第２中間プレート７０が設けられている。第２中間プレート７０は、ベアリングハウジング１２側と反対側に外側面７２を備えている。第１中間プレート６３と第２中間プレート７０との間にはノズル機構８０が設けられている。ノズル機構８０は、第１スクロール室１５及び第２スクロール室１６とタービン室１４とをタービンシャフト１１の径方向においてそれぞれ連通するとともに、第１スクロール室１５及び第２スクロール室１６からタービン室１４に流入する排気の流速を調整する機構である。ノズル機構８０は、軸線Ｌ１を中心とする略円環状のノズルプレート本体８１を備える。

図２に示すように、ノズルプレート本体８１は、第２隔壁部４０側の端部にプレート側段差部８５を備えている。プレート側段差部８５は、第１段差面８９と、外周面８２と、第２段差面９０と、を備える。また、ノズルプレート本体８１は、ベアリングハウジング１２側に内側面８４と、内側面８４と反対側に外側面８６とを備えている。ノズルプレート本体８１の端部と、第２隔壁部４０の先端部４２は、プレート側段差部８５と隔壁側段差部４６とが摺動可能に係合している。ノズルプレート本体８１と第２隔壁部４０とにより、第１スクロール室１５からタービン室１４へ接続する連通路と、第２スクロール室１６からタービン室１４へ接続する連通路が区画されている。

ノズル機構８０は、ノズルプレート本体８１の外側面８６に取り付けられた複数の第１ノズルベーン９１と、ノズルプレート本体８１の内側面８４に取り付けられた複数の第２ノズルベーン９２とを有する。第１ノズルベーン９１及び第２ノズルベーン９２は、それぞれ隣り合うノズルベーン同士の開度が一定値に固定された、固定式のノズルベーンとして構成されている。なお、第１ノズルベーン９１と第２ノズルベーン９２は、その開度を可変とできる可変式ノズルベーンとして構成してもよい。

第１ノズルベーン９１のノズルプレート本体８１側と反対側は、第１中間プレート６３の内側面６４と当接する。第２ノズルベーン９２のノズルプレート本体８１側と反対側は、第２中間プレート７０の外側面７２と当接する。第１ノズルベーン９１は、ノズルプレート本体８１と第１中間プレート６３とを軸線Ｌ１方向に一定の間隔に保つスペーサとして機能している。第２ノズルベーン９２は、ノズルプレート本体８１と第２中間プレート７０とを軸線Ｌ１方向に一定の間隔に保つスペーサとして機能している。

ノズルプレート本体８１と第１中間プレート６３との間には、第１スクロール室１５とタービン室１４とを連通する円環状の第１ノズル空間Ｓ１が設けられている。第１ノズルベーン９１は第１ノズル空間Ｓ１に位置する。隣り合う第１ノズルベーン９１の一定の開度により第１スクロール室１５から第１ノズル空間Ｓ１に流入する排気の流速が調整される。

ノズルプレート本体８１と第２中間プレート７０との間には、第２スクロール室１６とタービン室１４とを連通する円環状の第２ノズル空間Ｓ２が設けられている。第２ノズルベーン９２は第２ノズル空間Ｓ２に位置し、隣り合う第２ノズルベーン９２の一定の開度により第２スクロール室１６から第２ノズル空間Ｓ２に流入する排気の流速が調整される。

第１中間プレート６３と第２中間プレート７０との間には、ノズルプレート本体８１により、第１ノズル空間Ｓ１と第２ノズル空間Ｓ２とが区画され、第１スクロール室１５とタービン室１４は第１ノズル空間Ｓ１を介して接続され、第２スクロール室１６とタービン室１４は第２ノズル空間Ｓ２を介して接続されている。

以上の構成を有するターボチャージャ１０の作用について以下に説明する。
車両エンジンから排出された比較的高温の排気は、ターボチャージャ１０に流入する。第１スクロール室１５の入口に設けられたバルブが開いている場合には、排気は第１スクロール室１５と第２スクロール室１６とを流通し、バルブが閉じている場合には、排気は第２スクロール室１６を流通する。例えば、ターボチャージャ１０に流入する排気が少量の場合には、第１スクロール室１５の入口はバルブにより閉じられて、排気は第２スクロール室１６のみを流通する。

第１スクロール室１５を流通した排気は第１ノズル空間Ｓ１に流入し、第２スクロール室１６を流通した排気は第２ノズル空間Ｓ２に流入する。第１ノズル空間Ｓ１では、排気は第１ノズルベーン９１間を流通し、第２ノズル空間Ｓ２では、排気は第２ノズルベーン９２間を流通する。そして、排気は、第１ノズル空間Ｓ１及び第２ノズル空間Ｓ２からタービン室１４に流入し、タービン室１４のタービンホイール１７に吹き付けられる。

タービンホイール１７は、排気が吹き付けられることにより回転駆動される。タービンホイール１７の回転に伴い、タービンホイール１７に一体回転可能に接続されたタービンシャフト１１が回転し、タービンシャフト１１と一体回転可能に接続されたコンプレッサホイールが回転して吸入空気が圧縮される。圧縮空気は車両エンジンに送られて過給が行われる。

皿ばね６０は、外周端部６１が第１中間プレート６３の外側面６５と当接し、内周端部６２が凹部２５の底壁面２７と当接して、第１スクロール室１５とタービン室１４との間をシールしている。皿ばね６０が第１中間プレート６３と当接することによる付勢力は、第１中間プレート６３と当接する複数の第１ノズルベーン９１に伝達され、ノズル機構８０を介して複数の第２ノズルベーン９２と当接する第２中間プレート７０に伝達され、さらに第２中間プレート７０と隣接するベアリングハウジング１２に伝達される。よって、皿ばね６０は、ノズル機構８０を第１中間プレート６３を介してベアリングハウジング１２に向けて付勢し、ノズル機構８０が皿ばね６０の付勢力により第２中間プレート７０に押し当てられて位置決めされている。

また、ノズルプレート本体８１の端部と第２隔壁部４０の先端部４２とが嵌め合わされて、第１スクロール室１５と第２スクロール室１６との間がシールされている。

本実施形態では、以下の作用効果を奏する。
（１）第１隔壁部２０の内部に第１ノズル空間Ｓ１に開口する凹部２５を設け、凹部２５には、凹部２５の内壁面に摺動可能に取り付けられた第１中間プレート６３と、第１中間プレート６３と底壁面２７との間に皿ばね６０とを設けている。皿ばね６０は、一端部としての外周端部６１が凹部２５の内壁面としての底壁面２７に当接し、他端部としての内周端部６２が第１中間プレート６３と当接して、第１中間プレート６３をノズル機構８０に向けて付勢する。例えば、比較的高温の排気によりタービンハウジング１３が昇温されて膨張した場合であっても、ノズル機構８０が第１中間プレート６３と第２中間プレート７０との間で移動可能に配置されているので、皿ばね６０の付勢力により、第１中間プレート６３が第１ノズルベーン９１と当接した状態を維持することができる。したがって、第１ノズルベーン９１と第１中間プレート６３の間や第２ノズルベーン９２と第２中間プレート７０の間に隙間が生じることを抑制することができる。よって、第１スクロール室１５に流入した排気が、第１ノズルベーン９１を介さずにタービン室１４に直接流入したり、第２スクロール室に流入した排気が、第２ノズルベーン９２を介さずにタービン室１４に直接流入したり、第２スクロール室に流入した排気が、第２ノズルベーン９２を介さずにタービン室１４に直接流入することを抑制することができ、ターボチャージャの効率が低下してしまうことを抑制することができる。

（２）第２隔壁部４０は先端部４２に隔壁側段差部４６を備え、ノズルプレート本体８１は第２隔壁部４０側の端部にプレート側段差部８５を備え、プレート側段差部８５は隔壁側段差部４６に摺動可能に係合する。したがって、第２隔壁部４０とノズルプレート本体８１との接触部が、第１スクロール室１５から第２スクロール室１６にかけて複数の曲がり角を有するラビリンス構造となるので、第２スクロール室１６から第１スクロール室１５への排気の漏れを抑制することができる。

（３）第２隔壁部４０の隔壁側段差部４６は、先端部４２の第１スクロール室１５側に設けられている。このため、ターボチャージャ１０の組立てが容易になる。即ち、タービンハウジング１３の凹部２５に皿ばね６０と第１中間プレート６３とを配置した状態でノズル機構８０をタービンハウジング１３に組み付けて中間組立て体とし、その中間組立て体をベアリングハウジング１２に組み付けるような場合、隔壁側段差部４６をノズル機構８０の位置決め部として機能させることができる。

（４）皿ばね６０の外周端部６１が第１中間プレート６３の外側面６５に当接し、内周端部６２が凹部２５の内壁面に当接する。したがって、排気が第１スクロール室１５から第１中間プレート６３と凹部２５の外周壁面２８との間を通って凹部２５に漏れた場合であっても、皿ばね６０のシール機能によって、第１中間プレート６３と凹部２５の内周壁面２９との間から排気が漏れ出ることを抑制することができる。

本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく発明の趣旨の範囲内で種々の変更が可能であり、例えば、次のように変更してもよい。

○上記の実施形態では、ノズルプレート本体の第２隔壁部側の端部にプレート側段差部を設けたが、この限りでない。ノズルプレート本体が第２隔壁部と摺動可能に係合することができれば良く、例えば、ノズルプレート本体にプレート側段差部を設けなくても良い。

○上記の実施形態では、ノズルプレート本体８１の第１ノズルベーン９１側に第１ノズルベーン９１を付勢する皿ばね６０を設けたが、この限りでない。ノズル機構を位置決めすることができれば良く、ベアリングハウジングと第２中間プレートとの間にさらに凹部を設け、凹部に第２中間プレートを介して第２ノズルベーンを付勢する皿ばねを設けても良い。

○上記の実施形態では、第２隔壁部の隔壁側段差部は、先端部の第１スクロール室側に設け、ノズルプレート本体のプレート側段差部は、端部の第２スクロール室側に設けたが、この限りでない。隔壁側段差部とプレート側段差部とを摺動可能に係合させることができれば良く、隔壁側段差部を第２スクロール室側に設け、プレート側段差部を第１スクロール室側に設けても良い。

○上記の実施形態では、第２中間プレートをベアリングハウジングに隣接して設けたが、この限りでない。ノズル機構が皿ばねの付勢力により第２中間プレートに押し当てられて位置決めされることができれば良く、第２中間プレートをベアリングハウジングと一体に構成しても良い。

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
１３タービンハウジング
１４タービン室
１５第１スクロール室
１６第２スクロール室
１７タービンホイール
２０第１隔壁部
２５凹部
４０第２隔壁部
４２先端部
４６隔壁側段差部
６０皿ばね
６３第１中間プレート（中間プレートとしての）
８０ノズル機構
８１ノズルプレート本体
８５プレート側段差部
９１第１ノズルベーン
９２第２ノズルベーン
Ｓ１第１ノズル空間
Ｓ２第２ノズル空間
Ｌ１軸線（軸心としての）

Claims

タービンシャフトを回転可能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の軸心方向の一方おいて前記ベアリングハウジングに接合されたタービンハウジングと、
前記タービンシャフトと一体回転可能に設けられたタービンホイールと、を備え、
前記タービンハウジングは、
前記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囲に設けられ、内部にエンジンの排気が流通する渦巻き状の通路をなす第１スクロール室と、
前記タービン室の周囲に設けられ、内部にエンジンの排気が流通する渦巻き状の通路をなす第２スクロール室と、
前記第１スクロール室及び前記第２スクロール室と前記タービン室とを前記タービンシャフトの径方向においてそれぞれ連通するとともに、前記第１スクロール室及び前記第２スクロール室から前記タービン室に流入する排気の流速を調整するノズル機構と、を備え、
前記ノズル機構は、
前記第１スクロール室と前記タービン室とを連通する第１ノズル空間と、前記第２スクロール室と前記タービン室とを連通する第２ノズル空間とを区画するノズルプレート本体と、
前記ノズルプレート本体に設けられ、前記第１ノズル空間に位置する複数の第１ノズルベーンと、
前記ノズルプレート本体に設けられ、前記第２ノズル空間に位置する複数の第２ノズルベーンと、を備えるターボチャージャであって、
前記タービンハウジングは、
前記第１ノズルベーンに向けて延在する第１隔壁部と、
前記第１スクロール室と前記第２スクロール室とを隔てるとともに、前記ノズルプレート本体と当接する第２隔壁部と、を備え、
前記第１隔壁部には、第１ノズルベーンと反対側に向けて凹む凹部が設けられ、
前記凹部には、該凹部の内壁面に摺動可能に取り付けられる中間プレートと、一端部が前記凹部の内壁面と当接するとともに他端部が前記中間プレートと当接する皿ばねが設けられ、
前記中間プレートは前記第１ノズルベーンと当接することを特徴とするターボチャージャ。
前記第２隔壁部は先端部に隔壁側段差部を備え、
前記ノズルプレート本体は、前記第２隔壁部側の端部に隔壁側段差部と摺動可能に係合するプレート側段差部を備えることを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャ。
前記隔壁側段差部は、前記先端部の前記第１スクロール室側に設けられていることを特徴とする請求項２に記載のターボチャージャ。