JP2021060004A - ターボチャージャ - Google Patents

Abstract

【課題】ノズルベーンを付勢するばねのへたりを抑制することを目的とする。【解決手段】ターボチャージャは、ノズルベーンを支持するノズルプレートに連結される連結シャフトと、新気が流通するコンプレッサ側と排気が流通するタービン側のいずれか一方に前記連結シャフトを付勢するばねと、前記連結シャフトを支持し、かつ、前記ばねを収容する空間を前記コンプレッサ側に備えるベアリングハウジングと、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、ターボチャージャに関する。

タービンインペラのチップ側を囲うシュラウドと対向壁との間に設けられたノズルに回動可能なノズルベーンが配置され、このノズルベーンの回動角度によって容量が可変とされたタービンを備える可変容量型のターボチャージャが知られている。また、皿ばねやコイルばねによってノズルベーンをシュラウド側に付勢することによってノズルベーンとシュラウドとの間の隙間を減少させ、タービン効率を向上させる技術も知られている（以上、例えば特許文献１参照）。

特開２０１２−１６７６４０号公報

ところで、上述した皿ばねやコイルばねといったばねは、タービンインペラと接続されたタービンシャフトを軸支するベアリングハウジングのタービン側に配置されている。タービンには排気が流通するため、タービン側に配置されたばねは、排気の熱（以下、排気熱という。）の影響を受け易くなる。ばねが排気熱の影響を受けると、排気熱に起因して、ばねにへたりが生じるおそれがある。

そこで、本発明では、ノズルベーンを付勢するばねのへたりを抑制することを目的とする。

本発明に係るターボチャージャは、ノズルベーンを支持するノズルプレートに連結される連結シャフトと、新気が流通するコンプレッサ側と排気が流通するタービン側のいずれか一方に前記連結シャフトを付勢するばねと、前記連結シャフトを支持し、かつ、前記ばねを収容する空間を前記コンプレッサ側に備えるベアリングハウジングと、を有する。

本発明によれば、ノズルベーンを付勢するばねのへたりを抑制することができる。

図１は第１実施形態に係るターボチャージャの断面図の一例である。 図２（ａ）は篏合構造の側面図の一例である。図２（ｂ）はＸ方向から見た篏合構造の一例である。 図３は第１実施形態に係る空間付近の部分拡大図である。 図４は第２実施形態に係る空間付近の部分拡大図である。 図５は第３実施形態に係るターボチャージャの断面図の一例である。 図６は第３実施形態に係る空間付近の部分拡大図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は第１実施形態に係るターボチャージャ１００の断面図の一例である。ターボチャージャ１００は、可変容量型（可変ノズル式）ターボチャージャである。ターボチャージャ１００は、図１に示すように、コンプレッサ１０と、ベアリング部２０と、タービン３０と、を備えている。ベアリング部２０はコンプレッサ１０とタービン３０とを接続する。

コンプレッサ１０はコンプレッサハウジング１１を含んでいる。ベアリング部２０はベアリングハウジング２１を含んでいる。タービン３０はタービンハウジング３１を含んでいる。ベアリングハウジング２１はターボチャージャ１００の略中央部に配設されている。コンプレッサハウジング１１とベアリングハウジング２１とタービンハウジング３１は一体的に組付けられている。具体的には、ベアリングハウジング２１の両側にコンプレッサハウジング１１とタービンハウジング３１がそれぞれ組付けられている。

コンプレッサハウジング１１内にはコンプレッサホイール１２が収容されている。コンプレッサホイール１２はナット１３によってタービンシャフト３２の一端に固定されている。コンプレッサホイール１２はタービンシャフト３２とともに一体的に回転する。コンプレッサホイール１２には複数のコンプレッサブレードが設けられている。コンプレッサホイール１２が回転すると、コンプレッサブレードにより新気が遠心力により半径方向外側に加速されて圧縮される。このため、図１に示すように、コンプレッサハウジング１１の中央部に新気が導入されると、この新気が、回転するコンプレッサホイール１２のコンプレッサブレードにより圧縮され、この圧縮された新気がターボチャージャ１００の外部に吐出される。具体的には、この圧縮された新気は吸気管を介してエンジンに向けて吐出される。このように、コンプレッサ１０では新気が流通する。

ベアリングハウジング２１には様々なベアリングが設けられている。例えば、タービンシャフト３２のスラスト方向の荷重を受け止めるためのスラストベアリングや、タービンシャフト３２のラジアル方向の荷重を保持するフローティングベアリングなどが設けられている。ベアリングはオイルなどにより潤滑される。このような様々なベアリングによってタービンシャフト３２は軸支される。

タービンハウジング３１内にはタービンホイール３３が収容されている。タービンホイール３３はタービンインペラと言い換えてもよい。タービンホイール３３にはタービンシャフト３２の他端が接続されて固定されている。タービンホイール３３はエンジンから排出される排気によって回転駆動される。これにより、タービンホイール３３は回転動力を生成する。この回転動力によってタービンシャフト３２を通じてコンプレッサホイール１２が駆動されて、圧縮された新気が生成される。上述したように、圧縮された新気はエンジンに向けて吐出される。

また、タービンハウジング３１とベアリングハウジング２１との間にはリンク室５０が形成される。リンク室５０には可変ノズルベーン機構３４が配置される。可変ノズルベーン機構３４はノズルプレート３４ａ及びノズルベーン３４ｂなどを備えている。

ノズルプレート３４ａは、タービンハウジング３１のシュラウド部３１ａと対向する位置に、タービンハウジング３１に当接するように配置されている。ノズルプレート３４ａとシュラウド部３１ａが対向して配置されることにより排気が流通するノズルＮが流路として形成される。ノズルベーン３４ｂはノズルプレート３４ａとシュラウド部３１ａに支持されることによってこのノズルＮ内に回動可能に配置される。ノズルベーン３４ｂがノズルＮにおける流路断面を調節することによってタービン３０の容量が可変となる。

ここで、図１に示すように、ノズルプレート３４ａにはベアリングハウジング２１に支持される所定のシャフト（以下、連結シャフトという）２２が連結される。連結シャフト２２はノズルプレート３４ａにおけるノズルベーン３４ｂ側とは逆側に伸長する。特に、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、ノズルプレート３４ａにおけるノズルベーン３４ｂ側とは逆側には、連結シャフト２２のシャフト頭部２２ａと篏合し、連結シャフト２２のシャフト軸部２２ｂをＵ字型の開口で篏合から退避可能な篏合構造３４ｚが形成されており、これにより、ノズルプレート３４ａと連結シャフト２２の一端が連結される。このような篏合構造３４ｚにより、仮にノズルプレート３４ａに半径方向の変形（具体的には熱伸び）が生じても、半径方向の変形が拘束されず、ノズルプレート３４ａが半径方向以外に変形することが少なくなる。したがって、ターボチャージャ１００の信頼性が向上する。

一方、図１に示すように、連結シャフト２２の他端はベアリングハウジング２１内に設けられた円筒型の空間２３に位置する。この空間２３は排気が流通するタービン３０側より新気が流通するコンプレッサ１０側の位置に設けられているため、タービン３０側に比べて低温を維持することができる。空間２３付近を部分的に拡大すると、図３に示すように、連結シャフト２２の他端には一対のリテーナ２４ａ，２４ｂが対向して配置されている。具体的には、連結シャフト２２の他端の先端部にリテーナ２４ａが配置され、先端部からタービン３０側の方向に所定距離離れた他端の非先端部にリテーナ２４ｂが配置される。リテーナ２４ｂはベアリングハウジング２１に当接した状態で位置決めされ、固定されている。

一対のリテーナ２４ａ，２４ｂの間にはコイルばね２５が縮んだ状態で配置されている。これにより、コイルばね２５に弾性力が発生する。リテーナ２４ｂは固定されているため、リテーナ２４ａにはコンプレッサ１０側の方向にこの弾性力が作用する。リテーナ２４ａに作用する弾性力により、リテーナ２４ａが連結シャフト２２から抜けたり、外れたりすることを防止するため、図３に示すように、連結シャフト２２の他端の先端部にはＥ−リング２６が設けられている。

Ｅ−リング２６は連結シャフト２２の他端の先端部の外周に設けられた溝と篏合する。これにより、リテーナ２４ａはＥ−リング２６と当接した状態で位置決めされる。Ｅ−リング２６にはリテーナ２４ａを介してコイルばね２５の弾性力がコンプレッサ１０側の方向に作用する。Ｅ−リング２６は連結シャフト２２の溝と篏合しているため、連結シャフト２２には、図３の矢印Ｙに示すように、コイルばね２５の弾性力がコンプレッサ１０側の方向に作用する。したがって、連結シャフト２２に連結されたノズルプレート３４ａ（図１参照）にもコイルばね２５の弾性力がコンプレッサ１０側の方向に作用する。

これにより、ノズルプレート３４ａはタービン３０より低温なベアリングハウジング２１に接触し、ノズルプレート３４ａの温度を低下させることができる。この結果、ノズルプレート３４ａの熱変形が抑えられ、ターボチャージャ１００の信頼性を高めることができる。また、ノズルプレート３４ａにコイルばね２５の弾性力がコンプレッサ１０側の方向に作用するため、ノズルベーン３４ｂはノズルプレート３４ａ及びシュラウド部３１ａとの干渉が抑えられ、円滑に回動することができる。

このように、タービン３０側よりコンプレッサ１０側の位置に設けられた空間２３にコイルばね２５が収容されているため、コイルばね２５に対する排気熱の影響が少なくて済む。この結果、排気熱に起因するコイルばね２５のへたりは抑制され、コイルばね２５はへたりづらくなる。すなわち、コイルばね２５の信頼性が向上する。また、コイルばね２５に対する排気熱の影響が少なくて済むため、コイルばね２５については熱の耐性が低い安価なばねを採用することができる。

さらに、ベアリングハウジング２１であれば、タービン３０にばねを収容する空間（不図示）を設ける場合に比べて、空間２３の広さを広く確保することができる。タービン３０の空間にばねを収容した場合、タービン３０に設ける空間は本実施形態に係る空間２３ほど広くできないことが多く、高いばね定数のばねを採用して、ノズルベーン３４ｂに対する所要の弾性力を発生させることが要求される。しかしながら、このようなばねがへたると、ノズルベーン３４ｂに対する弾性力が十分に発生しないおそれがある。本実施形態では、図３に示すように、コイルばね２５を収容する空間２３には連結シャフト２２の他端の先端部付近に余裕があるため、コイルばね２５が伸長するような変形が発生しても、ノズルベーン３４ｂを十分に支持することができる。

以上、第１実施形態によれば、ターボチャージャ１００は連結シャフト２２とコイルばね２５とベアリングハウジング２１とを有する。連結シャフト２２はノズルベーン３４ｂを支持するノズルプレート３４ａに連結される。コイルばね２５は新気が流通するコンプレッサ１０側に連結シャフト２２を付勢する。ベアリングハウジング２１は連結シャフト２２を支持し、かつ、コイルばね２５を収容する空間２３を排気が流通するタービン３０側よりコンプレッサ１０側の位置に備える。これにより、ノズルベーン３４ｂを付勢するコイルばね２５のへたりを抑制することができる。

（第２実施形態）
続いて、図４を参照して、本発明の第２実施形態について説明する。図４は第２実施形態に係る空間２３付近の部分拡大図である。尚、図３に示される構成と同様の構成には同一符号を付し、その説明を省略する。第１実施形態では、ばねの一例としてコイルばね２５を採用して説明したが、コイルばね２５に代えて、図４に示すように、皿ばね２７を採用してもよい。

この場合、ベアリングハウジング２１に当接するリテーナ２４ｂを利用せず、リテーナ２４ａとＥ−リング２６を利用する。皿ばね２７はリテーナ２４ａとベアリングハウジング２１の間に配置される。皿ばね２７の下端がベアリングハウジング２１に当接し、皿ばね２７の上端がリテーナ２４ａを付勢する。これにより、リテーナ２４ａにはコンプレッサ１０側の方向に皿ばね２７の弾性力が作用する。

Ｅ−リング２６にはリテーナ２４ａを介して皿ばね２７の弾性力がコンプレッサ１０側の方向に作用する。Ｅ−リング２６は連結シャフト２２の溝と篏合しているため、連結シャフト２２には、図４の矢印Ｚに示すように、皿ばね２７の弾性力がコンプレッサ１０側の方向に作用する。したがって、第１実施形態と同様に、連結シャフト２２に連結されたノズルプレート３４ａ（図１参照）にも皿ばね２７の弾性力がコンプレッサ１０側の方向に作用する。このように、第２実施形態であれば、ノズルベーン３４ｂを付勢する皿ばね２７のへたりを抑制することができる。

（第３実施形態）
続いて、図５及び図６を参照して、本発明の第３実施形態について説明する。図５は第３実施形態に係るターボチャージャ１００の断面図の一例である。図６は第３実施形態に係る空間２３付近の部分拡大図である。尚、図１及び図３に示される構成と同様の構成には同一符号を付し、その説明を省略する。

第３実施形態では、第１実施形態と同様に、コイルばね２５を採用する。コイルばね２５は縮めた状態で空間２３に収容される。一方で、第３実施形態では、リテーナ２４ａ，２４ｂを利用せず、代わりに、連結シャフト２２の形状を変更する。具体的には、図６に示すように、連結シャフト２２における他端の非先端部の一部を連結シャフト２２の径方向に突出させ、連結シャフト２２の突出部２２ｃにコイルばね２５を当接させる。突出部２２ｃはベアリングハウジング２１に当接するまで突出していてもよいし、当接しない程度に突出していてもよい。

突出部２２ｃにはコイルばね２５が当接するため、連結シャフト２２には、図６の矢印Ｗに示すように、コイルばね２５の弾性力がタービン３０側の方向に作用する。ここで、連結シャフト２２の突出部２２ｃにも弾性力がタービン３０側に作用するが、連結シャフト２２の一端がノズルプレート３４ａ（図５参照）に連結しているため、突出部２２ｃとコイルばね２５との接触面と逆側の非接触面はベアリングハウジング２１に当接せずに静止する。このため、図６に示すように、突出部２２ｃに非接触面とその非接触面のタービン３０側の方向に位置するベアリングハウジング２１との間には余裕がある。

一方、上述したように、連結シャフト２２の一端はノズルプレート３４ａに連結しているため、図５に示すように、コイルばね２５の弾性力は、連結シャフト２２を介して、ノズルプレート３４ａに作用する。これにより、ノズルプレート３４ａはタービンハウジング３１のシュラウド部３１ａの方向に付勢される。ノズルプレート３４ａがシュラウド部３１ａの方向に付勢されると、ノズルベーン３４ｂの円滑な回動が阻害されるため、シュラウド部３１ａにシュラウドプレート３５を設置するとともに、シュラウドプレート３５とノズルプレート３４ａとの間にスペーサ３６を配置する。スペーサ３６によりシュラウドプレート３５とノズルプレート３４ａとの間に所定のクリアランスが確保され、ノズルベーン３４ｂが円滑に回動する。

尚、コイルばね２５の弾性力はノズルプレート３４ａからスペーサ３６を介してシュラウドプレート３５に作用する。シュラウドプレート３５はシュラウド部３１ａに設置されているため、タービンハウジング３１のシュラウド部３１ａがコイルばね２５の弾性力を受けることになる。このように、第３実施形態によれば、コイルばね２５がタービン３０側に連結シャフト２２を付勢するが、このような第３実施形態であっても、ノズルベーン３４ｂを付勢するコイルばね２５のへたりを抑制することができる。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係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。

１０ コンプレッサ
２０ ベアリング部
２１ ベアリングハウジング
２２ 連結シャフト
２３ 空間
２５ コイルばね
２７ 皿ばね
３０ タービン
３４ａ ノズルプレート
３４ｂ ノズルベーン
１００ ターボチャージャ

Claims (1)

1. ノズルベーンを支持するノズルプレートに連結される連結シャフトと、
   新気が流通するコンプレッサ側と排気が流通するタービン側のいずれか一方に前記連結シャフトを付勢するばねと、
   前記連結シャフトを支持し、かつ、前記ばねを収容する空間を前記コンプレッサ側に備えるベアリングハウジングと、
   を有するターボチャージャ。

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