JP2020084922A - ターボチャージャ - Google Patents

Abstract

【課題】バイパス通路の全閉状態において弁座と弁体との間に隙間が生じることを抑制する。【解決手段】ターボチャージャにおけるタービンハウジング３０には、タービンホイールよりも排気上流側及び排気下流側をバイパスするバイパス通路３４が区画されている。タービンハウジング３０には、バイパス通路３４を開閉するウェイストゲートバルブ４０が取り付けられている。タービンハウジング３０の内壁面におけるバイパス通路３４の開口縁には、ウェイストゲートバルブ４０に対する弁座３６が設けられている。ウェイストゲートバルブ４０の弁体４３には、変形部としてのアブレダブル部８０が固着されている。アブレダブル部８０は、バイパス通路３４を開状態から全閉状態にする際に、弁座３６に当接して当該弁座３６の形状に合わせて変形する。【選択図】図３

Description

本発明は、ターボチャージャに関する。

特許文献１のターボチャージャにおけるタービンハウジングには、タービンホイールが収容されている。タービンハウジングには、タービンホイールよりも排気上流側及びタービンホイールよりも排気下流側をバイパスするバイパス通路が区画されている。このタービンハウジングには、バイパス通路を開閉するウェイストゲートバルブが取り付けられている。ウェイストゲートバルブにおけるシャフトは、タービンハウジングの壁部に回動可能に支持されている。シャフトの端部からは、当該シャフトの径方向外側に向かって支持アームが延びている。この支持アームには、弁体が支持アームに対して揺動可能に支持されている。

特許文献１のターボチャージャにおいてバイパス通路を全閉状態にする際には、シャフトが一方側に回動することで弁体がバイパス通路の弁座に近づく。そして、弁座に対して弁体が倣うように揺動することで、弁座と弁体とが密着してバイパス通路が全閉状態になる。

特開２００９−０９２０２６号公報

特許文献１のターボチャージャにおいては、弁体の弁座に対する倣い量（揺動量）が十分でないと、バイパス通路の全閉状態において弁座と弁体との間に隙間が生じるおそれがある。仮に、弁座と弁体との間に過度な隙間が生じると、バイパス通路が全閉状態になるようにウェイストゲートバルブを制御しているにも拘らず、バイパス通路から過度な量の排気が漏れ出ることがある。

上記課題を解決するためのターボチャージャは、タービンホイールを収容するとともに前記タービンホイールよりも排気上流側及び排気下流側をバイパスするバイパス通路が区画されたタービンハウジングと、前記タービンハウジングに取り付けられて前記バイパス通路を開閉するウェイストゲートバルブとを備えているターボチャージャであって、前記タービンハウジングの内壁面における前記バイパス通路の開口縁には、前記ウェイストゲートバルブに対する弁座が設けられており、前記弁座及び前記ウェイストゲートバルブの一方には、前記バイパス通路を開状態から全閉状態にする際に、前記弁座及び前記ウェイストゲートバルブの他方に当接して前記弁座及び前記ウェイストゲートバルブの他方の形状に合わせて変形する変形部が設けられている。

上記構成では、弁座に対してウェイストゲートバルブが倣うように揺動できなかったり、倣い量が小さかったりした場合であっても、バイパス通路を全閉状態にする際に変形部が変形することで、弁座とウェイストゲートバルブとの間の密着性を確保できる。したがって、バイパス通路の全閉状態において、弁座とウェイストゲートバルブとの間に生じる隙間を小さくできる。

上記構成において、前記変形部は、前記弁座及び前記ウェイストゲートバルブを構成する材質よりも被削性指数の大きい材質で構成されたアブレダブル部であってもよい。上記構成では、バイパス通路を繰り返し全閉状態にする過程で、アブレダブル部が、弁座及びウェイストゲートバルブの他方の形状に合わせて削られる。すなわち、アブレダブル部は、弁座及びウェイストゲートバルブの他方の形状に合わせて不可逆的に変形する。したがって、弁座及びウェイストゲートバルブの他方の表面に多少の凹凸があっても、その凹凸に合わせてアブレダブル部が削れるので、バイパス通路の全閉状態における両者の十分な密着性を確保できる。

上記構成において、前記変形部は、環状のバネ部を備えている皿バネであり、前記バネ部は、前記バイパス通路の全閉状態において、前記弁座及び前記ウェイストゲートバルブの一方から他方に向かうように突出しているとともに前記バネ部の径方向に湾曲していてもよい。

上記構成では、バイパス通路を開状態から全閉状態にする際に、皿バネのバネ部が弁座及びウェイストゲートバルブの他方の形状に合わせて弾性変形する。したがって、皿バネにおいて不可逆的な変形が生じることを待つことなく、弁座及びウェイストゲートバルブの他方と皿バネとの間の十分な密着性を確保できる。

上記構成において、前記ウェイストゲートバルブは、前記バイパス通路の下流端を開閉するものであり、前記皿バネは、前記ウェイストゲートバルブに固定されており、前記バネ部は、当該バネ部の径方向内側に湾曲していてもよい。

上記構成では、バイパス通路が全閉状態にある場合には、皿バネのバネ部が、弁座及びウェイストゲートバルブの他方に当接する。すると、皿バネのバネ部が、径方向内側に向かって湾曲してバネ部が中心軸線方向に圧縮されたように弾性変形する。一方で、ウェイストゲートバルブは、バイパス通路の下流端を開閉するため、バイパス通路の全閉状態においては、バイパス通路内の圧力は比較的に大きくなる。このバイパス通路内の圧力によって、皿バネのバネ部が径方向外側に向かって押されるため、バネ部が径方向外側に向かって湾曲してバネ部における中心軸線方向の圧縮量が小さくなる。つまり、上記構成では、皿バネのバネ部が中心軸線方向に過度に弾性変形することが抑制でき、バネ部において、いわゆるへたりが生じにくくなる。

第１実施形態における内燃機関の概略図。 第１実施形態におけるターボチャージャの断面図。 第１実施形態におけるウェイストゲートバルブの周辺構成を示すターボチャージャの断面図。 第２実施形態におけるウェイストゲートバルブの周辺構成を示すターボチャージャの断面図。

＜第１実施形態＞
以下、第１実施形態を図１〜図３にしたがって説明する。まず、車両の内燃機関１００の概略構成について説明する。

図１に示すように、内燃機関１００は、当該内燃機関１００の外部からの吸気が流通する吸気通路１１を備えている。吸気通路１１には、燃料を吸気と混合して燃焼させる気筒１２が接続されている。気筒１２には、当該気筒１２から排気を排出するための排気通路１３が接続されている。

内燃機関１００は、排気の流れを利用して吸気を圧縮するためのターボチャージャ２０を備えている。ターボチャージャ２０のコンプレッサハウジング２１は、吸気通路１１に取り付けられている。また、ターボチャージャ２０のタービンハウジング３０は、排気通路１３に取り付けられている。コンプレッサハウジング２１及びタービンハウジング３０は、ターボチャージャ２０におけるベアリングハウジング２２を介して接続されている。

タービンハウジング３０の内部には、排気の流れによって回転するタービンホイール７８が収容されている。タービンホイール７８には、連結シャフト７７の一端部が接続されている。連結シャフト７７の軸線方向中央部分は、ベアリングハウジング２２の内部に収容されている。連結シャフト７７は、ベアリングハウジング２２内部の図示しないベアリングによって回転可能に支持されている。連結シャフト７７の他端部には、コンプレッサホイール７６が接続されている。コンプレッサホイール７６は、コンプレッサハウジング２１の内部に収容されている。

次に、ターボチャージャ２０におけるタービンハウジング３０及びその関連構成について具体的に説明する。
図２に示すように、タービンハウジング３０には、外部から排気を導入するためのスクロール通路３１が区画されている。スクロール通路３１は、タービンホイール７８を取り囲むように、当該タービンホイール７８の回転軸線（連結シャフト７７の回転軸線）を中心とした周方向に延びている。スクロール通路３１の上流端は、タービンハウジング３０よりも上流側の排気通路１３に接続されている。

タービンハウジング３０には、タービンホイール７８が収容される略円柱形状の収容空間３２が区画されている。収容空間３２は、スクロール通路３１の下流端に接続されている。また、タービンハウジング３０には、外部に排気を排出するための排出通路３３が区画されている。排出通路３３は、収容空間３２に接続されており、概ねタービンホイール７８の回転軸線方向に延びている。排出通路３３の下流端は、タービンハウジング３０よりも下流側の排気通路１３に接続されている。

タービンハウジング３０におけるスクロール通路３１内を通ってタービンホイール７８に吹き付けられた排気は、タービンハウジング３０における排出通路３３を通じてタービンハウジング３０よりも下流側の排気通路１３に排出される。このとき、スクロール通路３１を通過した排気がタービンホイール７８に吹き付けられることにより、タービンホイール７８が回転する。タービンホイール７８が回転すると、連結シャフト７７を介してコンプレッサホイール７６が回転して吸気の過給が行われる。

タービンハウジング３０には、スクロール通路３１と排出通路３３とを接続するバイパス通路３４が区画されている。すなわち、バイパス通路３４は、タービンホイール７８よりも排気上流側及び排気下流側をバイパスしている。バイパス通路３４は、スクロール通路３１と排出通路３３とを区画する壁部を貫通する断面視略円形状の孔である。タービンハウジング３０の内壁面のうちのバイパス通路３４の下流側の開口縁を含む一部分は、弁座３６として機能している。弁座３６の表面は面一になっている。

この実施形態において、タービンハウジング３０の材質は耐熱鋳鋼であり、耐熱鋳鋼の被削性指数は例えば２０〜５０程度である。ここで、被削性指数とは硫黄快削鋼に対する材質の切削加工性のしやすさを示す値であり、被削性指数の大きい材質ほど削られやすい。

図２に示すように、タービンハウジング３０における排出通路３３内には、バイパス通路３４の下流端を開閉するウェイストゲートバルブ４０が配置されている。ウェイストゲートバルブ４０におけるシャフト４１は、略円棒状になっている。シャフト４１は、タービンハウジング３０の壁部を貫通しており、一部がタービンハウジング３０の外部に至っている。シャフト４１は、タービンハウジング３０の壁部に回動可能に支持されている。

図２に示すように、シャフト４１におけるタービンハウジング３０の外部側の端部には、リンク機構５０が連結されている。図１に示すように、リンク機構５０には、ウェイストゲートバルブ４０を開閉制御するための駆動源としてアクチュエータ６０（例えば電動モータ）が連結されている。

図３に示すように、シャフト４１におけるタービンハウジング３０の内部側の端部からは、シャフト４１の径方向外側に向かって略柱状の接続部４２が延びている。接続部４２の端部には、略円板状の弁体４３が固定されている。なお、本実施形態では、シャフト４１、接続部４２、及び弁体４３が一体成形されることにより、ウェイストゲートバルブ４０が構成されている。弁体４３の外径は、弁座３６の内径（バイパス通路３４の下流側の開口の径）よりも大きくなっている。シャフト４１、接続部４２、弁体４３を含めたウェイストゲートバルブ４０全体の材質は耐熱鋼であり、耐熱鋼の被削性指数は例えば２０〜５０程度である。

弁体４３の対向面４３ａには、変形部としてのアブレダブル部８０が固着されている。アブレダブル部８０は、弁体４３における対向面４３ａの外縁に沿うように延びており、全体として円環形状になっている。アブレダブル部８０の外径は、弁体４３の外径と略同じになっている。また、アブレダブル部８０の内径は、弁座３６の内径と略同じになっている。アブレダブル部８０の材質はニッケルアルミニウム合金等であり、ニッケルアルミニウム合金の被削性指数は例えば１８０〜３００程度である。また、アブレダブル部８０は、溶射によって形成されており、内部に気孔を有した状態で構成されている。したがって、アブレダブル部８０の被削性指数は、タービンハウジング３０における弁座３６の被削性指数及びウェイストゲートバルブ４０の弁体４３の被削性指数よりも大きくなっている。なお、図２及び図３では、アブレダブル部８０の中心軸線方向の厚みを誇張して大きく図示している。

本実施形態の作用及び効果について説明する。
図３に示すように、バイパス通路３４を開状態から全閉状態にする際には、アクチュエータ６０の駆動によって、シャフト４１が当該シャフト４１の周方向一方側（図３における時計回り側）に回動する。すると、弁体４３がシャフト４１と共に周方向一方側に回動して、弁体４３が弁座３６に近づく。ここで、本実施形態において、弁体４３は、シャフト４１と一体になっていて弁体４３がシャフト４１に対して揺動できない。そのため、ウェイストゲートバルブ４０の全閉状態において弁体４３に固着されたアブレダブル部８０が弁座３６に対して密着するように設計されていたとしても、ウェイストゲートバルブ４０や弁座３６の製造誤差により、アブレダブル部８０が弁座３６に密着せず両者の間に隙間が生じることがある。

具体的には、例えば、ウェイストゲートバルブ４０のシャフト４１と弁座３６との距離が設計上の距離よりも小さい場合がある。この場合、アブレダブル部８０のうちのシャフト４１に対して近い部分（図３における上側部分）が弁座３６に当接する一方、アブレダブル部８０のうちのシャフト４１に対して離れた部分（図３における下側部分）が弁座３６に当接しない。したがって、バイパス通路３４が全閉状態になるようにウェイストゲートバルブ４０を制御しているにもかかわらず、弁体４３と弁座３６との間に隙間が生じる。

本実施形態では、上記のアブレダブル部８０の被削性指数が大きく、弁座３６と当接することにより削られやすい。そのため、上記の例のように、バイパス通路３４を開状態から全閉状態にする際においてアブレダブル部８０の一部が弁座３６に当接する場合、バイパス通路３４を繰り返し全閉状態にする過程で、アブレダブル部８０における弁座３６に当接する箇所が徐々に削られる一方で、当接しない箇所は削られない。そのため、アブレダブル部８０は、弁座３６の形状に合わせて徐々に削られる。これにより、アブレダブル部８０が削られていない状態においてアブレダブル部８０と弁座３６との間に隙間が生じていたとしても、アブレダブル部８０と弁座３６との隙間が徐々に小さくなる。その結果、バイパス通路３４の全閉状態においてアブレダブル部８０と弁座３６との密着性を確保できる。

ところで、バイパス通路３４の全閉状態において、バイパス通路３４内の排気が排出通路３３に漏れ出ることを抑制する上では、アブレダブル部８０と弁座３６との間の面圧が所定値以上になっていることが必要である。そのため、例えば、弁座３６の表面に凹凸やひずみがあると、アブレダブル部８０と弁座３６とが当接している領域の一部の面圧が所定値未満になってバイパス通路３４内の排気が排出通路３３に漏れ出ることがある。

本実施形態では、弁座３６の表面が完全な平面でなく多少の凹凸や歪みがあったとしても、アブレダブル部８０が削られることで弁座３６の形状に合わせてアブレダブル部８０の形状が変化する。そのため、アブレダブル部８０と弁座３６とが当接している全領域で両者の面圧が均一化される。このように両者の間で面圧を均一化することで、面圧が過度に低くなってバイパス通路３４内の排気が排出通路３３に漏れ出ることを抑制できる。

＜第２実施形態＞
以下、第２実施形態について、図４を参照して説明する。なお、以下の第２実施形態の説明では、第１実施形態との相違点を中心に説明し、第１実施形態と同様の構成については同一の符号を付して、具体的な説明を省略又は簡略化する。

図４に示すように、弁体４３には、変形部としての皿バネ９０が固定されている。皿バネ９０における環状部９２は、弁体４３の外周面を取り囲むように延びており、全体として円環状になっている。環状部９２の内径は、弁体４３の外径と略同じになっている。環状部９２における弁体４３の裏面４３ｂ側の端部からは、環状部９２の径方向内側に向かって固定部９３が突出している。固定部９３は、弁体４３の裏面４３ｂの外縁に沿うように延びており、全体として円環形状になっている。環状部９２及び固定部９３は、溶接によって弁体４３に固定されている。環状部９２における弁体４３の対向面４３ａ側の端部からは、環状部９２の中心軸線方向に向かってバネ部９１が突出している。すなわち、バネ部９１は、バイパス通路３４の全閉状態において、弁体４３側から弁座３６側に向かうように突出している。また、バネ部９１は、突出先端側するほど、当該環状部９２の径方向内側に向かうように湾曲している。バネ部９１は、当該バネ部９１の中心軸線方向において弾性変形可能になっている。バネ部９１は、環状部９２の周方向全域に亘って設けられていて、全体として円環形状になっている。

本実施形態の作用及び効果について説明する。
図４に示すように、バイパス通路３４を開状態から全閉状態にする際には、アクチュエータ６０の駆動によって、シャフト４１が当該シャフト４１の周方向一方側（図４における時計回り側）に回動する。すると、弁体４３がシャフト４１と共に周方向一方側に回動して、弁体４３が弁座３６に近づく。

ここで、例えば、バネ部９１のうちのシャフト４１に対して近い部分（図４における上側部分）が弁座３６に対して先に当接したとする。すると、バネ部９１のうちのシャフト４１に対して近い部分が、バネ部９１の中心軸線方向に圧縮されるように弾性変形する。そして、さらにシャフト４１が回動すると、バネ部９１のうちのシャフト４１に対して近い部分は、弁座３６に強く押し付けられて、大きく弾性変形する。一方、バネ部９１のうちのシャフト４１に対して離れた部分（図４における下側部分）は、弁座３６に当接するものの、当該弁座３６に対する押し付け力は大きくないため、弾性変形量が小さい。

このように、バイパス通路３４の全閉状態において、シャフト４１に近い側と遠い側とで、弁体４３及び弁座３６間の距離に違いがあっても、その距離の違いをバネ部９１の弾性変形量の違いで相殺できる。したがって、バイパス通路３４の全閉状態においてバネ部９１と弁座３６との密着性を確保できる。

また、皿バネ９０のバネ部９１は、バイパス通路３４を開状態から全閉状態にする際に弁座３６の形状に合わせて弾性変形する。したがって、例えば、上記第１実施形態におけるアブレダブル部８０のように、バイパス通路３４を繰り返し全閉状態にすることで生じる皿バネ９０が不可逆的な変形を待つ必要がなく、皿バネ９０と弁座３６との間の十分な密着性を速やかに確保できる。

ところで、バイパス通路３４が全閉状態にある場合には、皿バネ９０のバネ部９１が弁座３６に当接することで、バネ部９１が、当該バネ部９１の径方向内側に向かって湾曲する。このとき、バネ部９１は、当該バネ部９１の中心軸線方向に圧縮されたように弾性変形している。一方、ウェイストゲートバルブ４０は、バイパス通路３４の下流端を開閉している。そのため、バイパス通路３４の全閉状態においては、バイパス通路３４内の圧力は比較的に大きくなる。そして、バイパス通路３４内の圧力が皿バネ９０に作用することで、皿バネ９０におけるバネ部９１が当該バネ部９１の径方向外側に押される。すると、バネ部９１の中心軸線方向の圧縮量が小さくなる。これにより、本実施形態では、バイパス通路３４内の圧力が皿バネ９０に作用しない場合に比べて、皿バネ９０のバネ部９１の中心軸線方向の弾性変形量が小さくなる。その結果、皿バネ９０のバネ部９１が過度な弾性変形によって元の状態に復帰できなくなる、いわゆるへたりが生じることを抑制できる。

本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・上記第１実施形態において、アブレダブル部８０の形状は、少なくともバイパス通路３４の下流側の開口縁（弁座３６における開口縁）の全体に当接できる形状であれば、変更できる。例えば、アブレダブル部８０は、弁体４３の対向面４３ａ全体を覆う円板形状になっていてもよい。

・上記第１実施形態において、タービンハウジング３０、ウェイストゲートバルブ４０、及びアブレダブル部８０の材質は例示であり、適宜変更できる。タービンハウジング３０（弁座３６）、ウェイストゲートバルブ４０（弁体４３）の材質がどのような材質であっても、アブレダブル部８０の材質がこれらの材質よりも被削性指数の大きい材質なのであれば、当該アブレダブル部８０の存在により、バイパス通路３４の全閉状態における排気の漏れを抑制できる。

・上記第１実施形態において、アブレダブル部８０の固着対象は変更できる。具体的には、弁体４３に代えて、弁座３６にアブレダブル部８０が固着されていてもよい。また、弁体４３及び弁座３６の双方にアブレダブル部８０が固着されていてもよい。

・上記第２実施形態において、弁体４３に代えて、弁座３６には、皿バネ９０が固定されていてもよい。
・上記第２実施形態において、皿バネ９０の形状は変更できる。例えば、皿バネ９０のバネ部９１が弁体４３の対向面４３ａに溶接等で固定されている場合には、環状部９２及び固定部９３を省略してもよい。

・また、例えば、皿バネ９０のバネ部９１にへたりが生じる可能性が低い場合、バネ部９１は、突出先端側するほど、当該環状部９２の径方向外側に向かうように湾曲していてもよい。具体的には、バネ部９１が弁体４３の対向面４３ａの中央部に固定されている場合、径方向外側に湾曲したバネ部９１であっても、当該バネ部９１が弁座３６に当接できる。なお、皿バネ９０のバネ部９１のへたりを抑制する上では、アクチュエータ６０の駆動によって回動する弁体４３の回動量を小さくすることでバネ部９１の弾性変形量を小さくすることもできる。

・上記第１実施形態及び第２実施形態において、ウェイストゲートバルブ４０はバイパス通路３４の上流端を開閉するものであってもよい。

１１…吸気通路、１２…気筒、１３…排気通路、２０…ターボチャージャ、２１…コンプレッサハウジング、２２…ベアリングハウジング、３０…タービンハウジング、３１…スクロール通路、３２…収容空間、３３…排出通路、３４…バイパス通路、３６…弁座、４０…ウェイストゲートバルブ、４１…シャフト、４２…接続部、４３…弁体、４３ａ…対向面、４３ｂ…裏面、５０…リンク機構、６０…アクチュエータ、７６…コンプレッサホイール、７７…連結シャフト、７８…タービンホイール、８０…アブレダブル部、９０…皿バネ、９１…バネ部、９２…環状部、９３…固定部、１００…内燃機関。

Claims (4)

1. タービンホイールを収容するとともに前記タービンホイールよりも排気上流側及び排気下流側をバイパスするバイパス通路が区画されたタービンハウジングと、
   前記タービンハウジングに取り付けられて前記バイパス通路を開閉するウェイストゲートバルブとを備えているターボチャージャであって、
   前記タービンハウジングの内壁面における前記バイパス通路の開口縁には、前記ウェイストゲートバルブに対する弁座が設けられており、
   前記弁座及び前記ウェイストゲートバルブの一方には、前記バイパス通路を開状態から全閉状態にする際に、前記弁座及び前記ウェイストゲートバルブの他方に当接して前記弁座及び前記ウェイストゲートバルブの他方の形状に合わせて変形する変形部が設けられている
   ことを特徴とするターボチャージャ。
2. 前記変形部は、前記弁座及び前記ウェイストゲートバルブを構成する材質よりも被削性指数の大きい材質で構成されたアブレダブル部である
   請求項１に記載のターボチャージャ。
3. 前記変形部は、環状のバネ部を備えている皿バネであり、
   前記バネ部は、前記バイパス通路の全閉状態において、前記弁座及び前記ウェイストゲートバルブの一方から他方に向かうように突出しているとともに前記バネ部の径方向に湾曲している
   請求項１に記載のターボチャージャ。
4. 前記ウェイストゲートバルブは、前記バイパス通路の下流端を開閉するものであり、
   前記皿バネは、前記ウェイストゲートバルブに固定されており、
   前記バネ部は、当該バネ部の径方向内側に湾曲している
   請求項３に記載のターボチャージャ。