JP2019049226A - 可変ノズルターボチャージャ - Google Patents

Abstract

【課題】タービン効率を向上させることができる可変ノズルターボチャージャを提供する。【解決手段】可変ノズルターボチャージャ１は、スクロール流路２３を画定するノズルリング２１，２２と、スクロール流路に配置された可変ノズル３０と、ノズル軸４０と、を備え、ノズル軸がノズルリングに設けられたノズル軸孔６０に挿通された可変ノズルターボチャージャにおいて、ノズル軸孔は、ノズル軸孔のうちスクロール流路の側の端部に、ノズル軸孔のうちノズル軸を軸支する部分である軸支孔部６１よりも径の大きい大径孔部６２を有し、ノズル軸にはノズル軸の径方向で外側に鍔状に突出した鍔部５０が設けられ、鍔部は大径孔部に収容され、大径孔部に収容された鍔部によって、軸支孔部の内周面６４と内周面６４に対向するノズル軸の外周面４３との隙間をシールするシール構造が形成されていることを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は可変ノズルターボチャージャに関する。

従来、エンジンの排気のエネルギを利用して吸気を過給するターボチャージャとして、可変ノズルターボチャージャが知られている（例えば特許文献１参照）。具体的には、特許文献１には、タービンスクロール部の排気をタービンに導入するスクロール流路を画定するノズルリングと、このスクロール流路に配置された可変ノズル（ノズルベーン）と、この可変ノズルの回転軸であるノズル軸と、を備える可変ノズルターボチャージャ（可変容量型過給機）が開示されている。なお、この可変ノズルのノズル軸は、ノズルリングに設けられたノズル軸孔に挿通されており、このノズル軸孔によって回転可能に軸支されている。

国際公開第２０１６／１５９００４号公報

上記のような可変ノズルターボチャージャにおいて、ノズル軸孔の径はノズル軸の径よりも大きいので、ノズル軸孔の内周面と、この内周面に対向するノズル軸の外周面との間には隙間が存在する。このため、スクロール流路の排気の一部が、この隙間にリークする可能性がある。この場合、タービンに流入する排気流量が減少するので、可変ノズルターボチャージャのタービン効率が低下してしまう。

本発明は、上記のことを鑑みてなされたものであり、その目的は、タービン効率を向上させることができる可変ノズルターボチャージャを提供することである。

上記目的を達成するため、本発明に係る可変ノズルターボチャージャは、タービンスクロール部の排気をタービンに導入するスクロール流路を画定するノズルリングと、前記スクロール流路に配置された可変ノズルと、前記可変ノズルの回転軸であるノズル軸と、を備え、前記ノズル軸が前記ノズルリングに設けられたノズル軸孔に挿通された、可変ノズルターボチャージャにおいて、前記ノズル軸孔は、前記ノズル軸孔のうち前記スクロール流路の側の端部に、前記ノズル軸孔のうち前記ノズル軸を軸支する部分である軸支孔部よりも径の大きい大径孔部を有し、前記ノズル軸には、前記ノズル軸の径方向で外側に鍔状に突出した鍔部が設けられ、前記鍔部は前記大径孔部に収容され、前記大径孔部に収容された前記鍔部によって、前記軸支孔部の内周面と前記内周面に対向する前記ノズル軸の外周面との隙間をシールするシール構造が形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、ノズルリングの大径孔部に収容された鍔部によって、スクロール流路の排気がノズル軸孔の軸支孔部の内周面とこの内周面に対向するノズル軸の外周面との隙間にリークすることを抑制することができる。したがって、タービン効率を向上させることができる。

実施形態に係る可変ノズルターボチャージャの構成を模式的に示す模式的断面図である。 図２（ａ）〜図２（ｃ）は実施形態に係る可変ノズルユニットを説明するための図である。

以下、実施形態に係る可変ノズルターボチャージャ１について、図面を参照しつつ説明する。なお、図面に関しては、構成が分かり易いように模式的に図示されており、図面上の各部位の寸法比は必ずしも実物とは一致しない。図１は、本実施形態に係る可変ノズルターボチャージャ１の構成を模式的に示す模式的断面図である。なお、図１は、可変ノズルターボチャージャ１のうちターボ軸線６（これは後述するターボ軸４の軸線である）よりも一方の側が模式的に断面図示されている。また、図１には、参考用としてＸ−Ｙ−Ｚの直交座標が設けられている。このＹ軸はターボ軸線６に平行な軸である。

可変ノズルターボチャージャ１は、排気管や吸気管等の配管を介して、車両のエンジンに接続されている。このエンジンの一例として、本実施形態では、ディーゼルエンジンを用いている。可変ノズルターボチャージャ１は、タービン２と、コンプレッサ３と、ターボ軸４と、ターボ軸受５と、タービンハウジング７と、コンプレッサハウジング８と、軸受ハウジング９と、可変ノズルユニット２０とを備えている。

タービン２及びコンプレッサ３は、ターボ軸４によって接続されている。タービン２は、複数枚のタービン翼を有するタービン翼車によって構成されている。コンプレッサ３は、複数枚のコンプレッサ翼を有するコンプレッサ翼車によって構成されている。ターボ軸受５は、ターボ軸４を軸支する軸受であり、軸受ハウジング９に収容されている。

タービンハウジング７は、その内部にタービン２を収容している。コンプレッサハウジング８は、その内部にコンプレッサ３を収容している。タービンハウジング７には、タービンスクロール部１０及び排気出口１１が設けられている。コンプレッサハウジング８には、吸気入口１２及びコンプレッサスクロール部１３が設けられている。エンジンから排出された排気（Ｅ）は、タービンスクロール部１０に流入し、次いで、タービン２に当接し、その後、排気出口１１から排出される。コンプレッサハウジング８の吸気入口１２には、可変ノズルターボチャージャ１よりも上流側の吸気（Ａ）が流入する。

タービン２は、タービンスクロール部１０から流入した排気のエネルギを受けて、ターボ軸線６を回転中心として回転する。タービン２が回転すると、ターボ軸４を介してタービン２に接続されたコンプレッサ３も回転する。コンプレッサ３が回転することにより、コンプレッサ３は吸気を過給する。この過給された吸気はコンプレッサスクロール部１３から排出されてエンジンに供給される。このようにして可変ノズルターボチャージャ１は、排気のエネルギを利用して吸気を過給している。

続いて、可変ノズルユニット２０について説明する。図２（ａ）は、可変ノズルターボチャージャ１の可変ノズルユニット２０の一部を拡大して模式的に示す模式的拡大断面図である。図１及び図２（ａ）を参照して、可変ノズルユニット２０は、一対のノズルリング（第１ノズルリング２１及び第２ノズルリング２２）と、可変ノズル３０と、ノズル軸４０と、可変ノズル駆動機構８０と、を備えている。

第１ノズルリング２１及び第２ノズルリング２２は、それぞれ、ターボ軸線６を中心軸とするリング状の部材によって構成されている。具体的には、第１ノズルリング２１及び第２ノズルリング２２は、タービン２の周囲を囲むようなリング状の部材によって構成されている。

第１ノズルリング２１の第２ノズルリング２２に対向する対向面と、第２ノズルリング２２の第１ノズルリング２１に対向する対向面との間には、スクロール流路２３が画定されている。このスクロール流路２３は、タービンスクロール部１０の排気をタービン２に導入するための内部排気流路である。

可変ノズル３０は、タービンスクロール部１０に配置されている。なお、図１や図２には、１個の可変ノズル３０のみが図示されているが、実際には、可変ノズルユニット２０は複数個の可変ノズル３０を備えている。具体的には、可変ノズル３０は、隣接する可変ノズル３０との間に所定間隔を有しつつ、ターボ軸線６を中心軸として円周状に複数個、配置されている。

ノズル軸４０は、可変ノズル３０の回転軸である。なお、図２（ａ）には、ノズル軸４０の軸線であるノズル軸線４１が図示されている。各々の可変ノズル３０は、ノズル軸線４１を回転中心として回転する。なお、本実施形態に係るノズル軸線４１は、Ｘ−Ｙ−Ｚの直交座標のＹ軸に平行な軸線となっている。

図１を参照して、可変ノズル駆動機構８０は、可変ノズル３０を回転させるための回転駆動機構である（なお、図１において、可変ノズル駆動機構８０の各構成部材の図示は省略されている）。可変ノズル駆動機構８０は、軸受ハウジング９に設けられた可変ノズル駆動室１４に配置されている。可変ノズル駆動機構８０は、ノズル軸４０のスクロール流路２３の側とは反対側の端部（Ｙ方向側の端部）に接続されており、ノズル軸４０を回転させることで、可変ノズル３０を回転させる。なお、この可変ノズル駆動機構８０は、例えば特許文献１に例示されているような公知の可変ノズルターボチャージャに用いられている、公知の可変ノズル駆動機構を適用することができるので、この詳細な構成の説明は省略する。

可変ノズル駆動機構８０によって各々の可変ノズル３０が回転することで、互いに隣接する可変ノズル３０同士の間隔（この間隔は、一般に、ベーン間隔と称されている）が変化する。このベーン間隔が狭くなった場合、スクロール流路２３の排気が絞られるので、スクロール流路２３を通過してタービン２に流入する排気流速が増大する。この結果、タービン２の回転速度を増大させることができる。このように、可変ノズルターボチャージャ１は、可変ノズル３０の回転角度を調整することで、タービン２の回転数を調整することができる。

図２（ｂ）は、図２（ａ）の可変ノズルユニット２０のうち第１ノズルリング２１及び第２ノズルリング２２を抜粋した模式的拡大断面図である。図２（ｃ）は、図２（ａ）の可変ノズルユニット２０のうち、可変ノズル３０及びノズル軸４０を抜粋した模式的拡大断面図である。図２（ａ）及び図２（ｃ）に示すように、ノズル軸４０には、ノズル軸４０の径方向で外側に鍔状に突出した鍔部５０が設けられている。すなわち、本実施形態に係るノズル軸４０は、ノズル軸線４１に沿って一様な外径を有する軸本体部４２と、この軸本体部４２よりも径の大きい鍔部５０とを有している。

具体的には、本実施形態に係る鍔部５０は、軸本体部４２の可変ノズル３０が配置されている箇所よりもＹ方向側の箇所に設けられており、軸本体部４２の周方向にリング状に形成されている。また、鍔部５０は、後述するノズル軸孔６０の大径孔部６２の径よりも小径であり、この大径孔部６２に収容されている。

図２（ｂ）に示すように、第１ノズルリング２１には、ノズル軸孔６０が設けられている。本実施形態に係るノズル軸孔６０は、ノズル軸線４１の方向（Ｙ軸に沿った方向）に
貫通した貫通孔によって構成されている。前述したノズル軸４０は、このノズル軸孔６０に挿通されている。

具体的には、ノズル軸孔６０は、ノズル軸４０を回転可能に軸支する軸支孔部６１と、この軸支孔部６１よりも径の大きい大径孔部６２と、を有している。大径孔部６２は、ノズル軸孔６０のうちスクロール流路２３の側の端部（ノズル軸孔６０の−Ｙ方向側の端部）に設けられている。軸支孔部６１は、大径孔部６２のＹ方向側の端部に接続されている。これにより、ノズル軸孔６０は、大径孔部６２と軸支孔部６１との境界部分に段差部６３を有している。

軸支孔部６１の径は、ノズル軸４０の軸本体部４２の径よりも僅かに大きく設定されている。これにより、ノズル軸４０が回転する場合には、ノズル軸４０の軸本体部４２の外周面４３が軸支孔部６１の内周面６４に摺動しながら回転する。

大径孔部６２の径は、鍔部５０の外径よりも大きく設定されている。そして、鍔部５０は、スクロール流路２３にはみ出さないように、大径孔部６２に収容されている。具体的には、本実施形態に係る鍔部５０の厚み（ノズル軸線４１の方向の長さ）は、大径孔部６２の厚み以下に設定されており、これにより、鍔部５０の−Ｙ方向側の端面はスクロール流路２３にはみ出さないように（換言すると、第１ノズルリング２１の−Ｙ方向側の端面よりも−Ｙ方向側に突出しないように）設定されている。

そして、この大径孔部６２に収容された鍔部５０によって、ノズル軸孔６０の軸支孔部６１の内周面６４とこの内周面６４に対向するノズル軸４０の外周面４３との隙間をシールするシール構造が形成されている。

具体的には、本実施形態に係る大径孔部６２の内周面６５と鍔部５０の外周面５１との隙間、及び、段差部６３（大径孔部６２の−Ｙ方向側の面）と鍔部５０のＹ方向側の端面５２との隙間（以下、これらの隙間を「大径孔部−鍔部間の隙間」と称する）は、スクロール流路２３の排気がこの大径孔部−鍔部間の隙間を通過し難いように、微小に設定されている。これにより、スクロール流路２３の排気がこの大径孔部−鍔部間の隙間を通過しようとする場合、大きな流路抵抗が生じることになる。このため、この大径孔部−鍔部間の隙間によるラビリンス効果によって、スクロール流路２３の排気が、この大径孔部−鍔部間の隙間を通過して、ノズル軸孔６０の軸支孔部６１の内周面６４と内周面６４に対向するノズル軸４０の軸本体部４２の外周面４３との隙間にリークすることが抑制されている。

すなわち、本実施形態によれば、大径孔部６２に収容された鍔部５０によって、ラビリンスシール構造が形成されており、これにより、スクロール流路２３の排気がノズル軸孔６０の軸支孔部６１の内周面６４と内周面６４に対向するノズル軸４０の外周面４３との隙間にリークすることが抑制されている。

なお、図２（ａ）及び図２（ｃ）に示すように、本実施形態に係るノズル軸４０の軸本体部４２は、可変ノズル３０よりもさらに−Ｙ方向側に突出した構造になっている。このため、図２（ｂ）に示すように、本実施形態に係る第２ノズルリング２２には、軸本体部４２の可変ノズル３０よりも−Ｙ方向側に突出した部位が挿入されるノズル軸孔７０が形成されている。仮に、軸本体部４２が可変ノズル３０よりも−Ｙ方向側に突出した部位を有さない構造の場合には、第２ノズルリング２２のノズル軸孔７０は不要である。

続いて、本実施形態の作用効果について説明する。まず、比較例として、鍔部５０及び大径孔部６２を有していない可変ノズルターボチャージャを想定する。この比較例に係る
可変ノズルターボチャージャの場合、スクロール流路の排気の一部が、ノズル軸孔の軸支孔部の内周面とこの内周面に対向するノズル軸の外周面との隙間にリークする可能性がある。この場合、このリークした排気の分だけ、タービンに流入する排気流量が減少するので、比較例に係る可変ノズルターボチャージャのタービン効率は低下してしまう。具体的には比較例の場合、特に低速域におけるタービン効率が低下してしまう。

これに対して、本実施形態に係る可変ノズルターボチャージャ１によれば、大径孔部６２に収容された鍔部５０によって、スクロール流路２３の排気がノズル軸孔６０の軸支孔部６１の内周面６４と内周面６４に対向するノズル軸４０の外周面４３との隙間にリークすることを抑制することができる。したがって、本実施形態によれば、タービン効率を向上させることができる。特に、低速域におけるタービン効率を向上させることができる。

また、鍔部５０が、スクロール流路２３にはみ出さないように大径孔部６２に収容されているので、スクロール流路２３にはみ出した鍔部５０によってスクロール流路２３の排気の流動が阻害されることも抑制されている。これにより、タービン効率を効果的に向上させることができる。

以上本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１ 可変ノズルターボチャージャ
２ タービン
３ コンプレッサ
１０ タービンスクロール部
２０ 可変ノズルユニット
２１ 第１ノズルリング
２２ 第２ノズルリング
２３ スクロール流路
３０ 可変ノズル
４０ ノズル軸
４２ 軸本体部
４３ 外周面
５０ 鍔部
６０ ノズル軸孔
６１ 軸支孔部
６２ 大径孔部
６３ 段差部
６４ 内周面

Claims (2)

1. タービンスクロール部の排気をタービンに導入するスクロール流路を画定するノズルリングと、前記スクロール流路に配置された可変ノズルと、前記可変ノズルの回転軸であるノズル軸と、を備え、前記ノズル軸が前記ノズルリングに設けられたノズル軸孔に挿通された、可変ノズルターボチャージャにおいて、
   前記ノズル軸孔は、前記ノズル軸孔のうち前記スクロール流路の側の端部に、前記ノズル軸孔のうち前記ノズル軸を軸支する部分である軸支孔部よりも径の大きい大径孔部を有し、
   前記ノズル軸には、前記ノズル軸の径方向で外側に鍔状に突出した鍔部が設けられ、
   前記鍔部は前記大径孔部に収容され、
   前記大径孔部に収容された前記鍔部によって、前記軸支孔部の内周面と前記内周面に対向する前記ノズル軸の外周面との隙間をシールするシール構造が形成されていることを特徴とする可変ノズルターボチャージャ。
2. 前記鍔部は、前記スクロール流路にはみ出さないように、前記大径孔部に収容されている請求項１記載の可変ノズルターボチャージャ。

Images