JP3956507B2

JP3956507B2 - 可変容量ターボチャージャ

Info

Publication number: JP3956507B2
Application number: JP27840698A
Authority: JP
Inventors: 一成安達; 慎司河野; 潤川口; 啓光石原
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 1998-09-30
Filing date: 1998-09-30
Publication date: 2007-08-08
Anticipated expiration: 2018-09-30
Also published as: JP2000110572A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関を過給する可変容量ターボチャージャに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の可変容量ターボチャージャとしては、例えば、特開平１０−８９７７号公報に開示されるものがある。この可変容量ターボチャージャは、シャフトと、該シャフトの一端に固定されるタービンロータと、該タービンロータを収容すると共に排気入口、排気出口及び排気入口と排気出口とをタービンロータを介して連通し、その断面積が漸次減少するスクロール部を有するタービンハウジングと、シャフトの他端に固定され、コンプレッサハウジング内に収容されたコンプレッサロータと、スクロール部を径方向に内周スクロール部と外周スクロール部とに分割すると共に両スクロール部間を連通する連通路を備えた区画壁と、排気入口と前記外周スクロール部間の連通を開閉可能な切換バルブとを備えている。
【０００３】
この可変容量ターボチャージャにおいては、排気ガス量の少ない内燃機関の低速域では、切換バルブにより排気入口と外周スクロール部間の連通を遮断し、内周スクロール部のみに排気ガスを流入させ、タービンロータのブレードに対する小さい排気流入角度及び高い排気流速を得ることでタービンロータを加速して過給圧が高められる。また、排気ガス量の多くなる中速域以降では、外周スクロール部にも切換バルブを介して排気ガスを流入させて連通路を介して内周スクロール部へ流入させ、タービンロータに当たる排気ガスの流速を下げると共に排気流入角度を大きくすることでタービンロータの加速が制限され、過給圧が一定に保たれる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の可変容量ターボチャージャにおいては、図７に示すように、タービンハウジング１の内周スクロール部３の外周壁（外周スクロール部の内周壁）を構成する区画壁５に連通路６が形成されているため、上記した内燃機関の低速域に内周スクロール部３に流入された排気ガスが内周スクロール部３の外周壁（区画壁）に沿ってタービンロータ２へ導かれる際に、排気ガスの一部が連通路６より外周スクロール部４へ流出してタービン効率が低下してしまい、所望のタービン効率が得られないという問題があった。
【０００５】
また、図７に示すように、中速域以降に外周スクロール部から内周スクロール部へ連通路６を介して流入する排気ガスの流れの方向が、タービンロータに向かって垂直方向、或いは排気出口に対して逆方向であるため、排気ガスがタービンロータを流れ抜け難くタービンロータの加速が過度に制限されてタービン効率が低下する恐れがあると共に、更なる性能向上のためにタービンロータに斜流タービンを用いても十分な効果を得ることができないという問題があった。
【０００６】
ゆえに、本発明は、当該可変容量ターボチャージャにおいて、外周スクロール部から内周スクロール部へ排気ガスを流入させる連通路を改良して、タービン効率の低下を防止することを、その課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために講じた技術的手段は、シャフトと、該シャフトの一端に固定されるタービンロータと、該タービンロータを収容すると共に、排気入口、排気出口及び、前記排気入口と前記排気出口とを前記タービンロータを介して連通し、その断面積が漸次減少するスクロール部を有するタービンハウジングと、前記シャフトの他端に固定され、コンプレッサハウジング内に収容されたコンプレッサロータと、前記スクロール部を径方向に内周スクロール部と外周スクロール部とに分割する区画壁と、前記内周スクロール部と前記外周スクロール部とを連通する複数の連通路と、前記排気入口と前記外周スクロール部間の連通を開閉可能な開閉手段とを備えてなる可変容量ターボチャージャにおいて、前記内周スクロール部及び前記外周スクロール部の前記コンプレッサロータ側の軸方向の各側壁間を連通し、その前記内周スクロール部側の開口が前記排気出口に向けられるように前記連通路を前記タービンハウジングに設けたことである。
【０００８】
上記した手段によれば、排気ガス量の少ない内燃機関の低速域では、開閉手段により排気入口と外周スクロール部間の連通を遮断し、内周スクロール部のみに排気ガスを流入させ、タービンロータのブレードに対する小さい排気流入角度及び高い排気流速を得ることでタービンロータを加速して過給圧が高められる。このとき、連通路は内周スクロール部及び外周スクロール部のコンプレッサロータ側の軸方向の各側壁間を連通するようにタービンハウジングに形成されているので、内周スクロール部に流入した排気ガスが内周スクロール部の外周壁（区画壁）に沿ってタービンロータへ導かれる際に、連通路を介して内周スクロール部から外周スクロール部へ排気ガスが流れることが抑制される。
【０００９】
また、排気ガス量の多くなる中速域以降には外周スクロール部にも開閉手段を介して排気ガスを流入させて連通路を介して内周スクロール部へ流入させ、タービンロータに当たる排気ガスの流速を下げると共に排気流入角度を大きくすることでタービンロータの加速が制限され、過給圧が一定に保たれる。このとき、連通路はその内周スクロール部側開口を排気出口に向くようにタービンハウジングに形成されているので、排気ガスがタービンロータを流れ抜け易くなり、過度にタービンロータの加速が制限されることが防止される。
【００１０】
上記した手段において、前記連通路は、前記外周スクロール部から前記内周スクロール部へ流入する排気ガスを前記タービンロータに案内する傾斜面を有することが望ましい。
【００１１】
また、上記した手段においては、前記タービンハウジングを、第１タービンハウジングと、該第１タービンハウジングにより前記コンプレッサロータ側のそれら開口を気密的に閉塞されて前記内周スクロール部、前記外周スクロール部及び前記区画壁を形成する内周溝及び外周溝を有する第２タービンハウジングとから構成し、前記第１タービンハウジングに前記連通路を溝状に形成しても良い。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に従った可変容量ターボチャージャの実施形態を図面に基づき、説明する。
【００１３】
図１乃至図４に本発明の第１実施形態を示す。図１において、可変容量ターボチャージャは、円筒状のベアリングハウジング１０を有し、該ベアリングハウジング１０には、軸孔１０ａが形成されており、該軸孔１０ａ内にはラジアル軸受２１、２２を介してシャフト２０が回転可能に支承されている。ラジアルベアリング２１、２２は、軸孔１０ａ内に回転可能に嵌合されており、互いに向き合う側への軸方向の移動をスナップリングにより規制されている。ラジアルベアリング２２は、図示右側への移動をシャフト２０に形成された段部で規制されている。ラジアルベアリング２１に嵌合されるシャフト２０の図示左側には小径部が形成されており、該小径部にはその図示右側の端部にラジアルベアリング２２の一端面に当接するフランジ部が形成される筒状のブッシュ２３が嵌合されている。該ブッシュ２３の図示左側には、その図示右側の端部にフランジ部が形成されるブッシュ２９が嵌合されている。ブッシュ２９の外周に形成される環状溝にはオイルシールが嵌着されており、該オイルシールにはベアリングハウジング１０の軸孔１０ａの図示左側に形成される大径孔内に嵌合されるプレートシール２５の内周筒部が液密的に摺接する。ブッシュ２９の図示左側のシャフト２０の小径部にはコンプレッサロータ１９が嵌合され、小径部の端部に螺合されるナット２７により固定されている。これにより、ブッシュ２３、２９はコンプレッサロータ１９の図示右端面とシャフト２０の小径部の段部との間で挟持され、コンプレッサロータ１９と共にシャフト２０と一体的に回転する。ブッシュ２３、２９のフランジ部間には、ベアリングハウジング１０の大径孔の図示右側に固定されるスラストベアリング２４が介装されており、該スラストベアリング２４には、ベアリングハウジング１０に形成されラジアルベアリング２１、２２へオイルを供給するオイル通路に連通されて、ブッシュ２３、２９のフランジ部との摺動部間へオイルを供給するオイル供給孔が形成されている。尚、プレートシール２５には、ブッシュ２９の筒部が貫通する孔を有するオイル遮蔽プレート２６が固定されている。また、ベアリングハウジング１０には吸気入口１８ａ及び吸気出口１８ｂを備えたコンプレッサハウジング１８が気密的に固定されており、該コンプレッサハウジング１８内にコンプレッサロータ１９が収容される。
【００１４】
シャフト２０の図示右端には、タービンロータ１３が固着されている。タービンロータ１３は、ベアリングハウジング１０の図示右端に固定された第１タービンハウジング１１に固定される第２タービンハウジング１２内に収容されている。第２タービンハウジング１２には、排気入口１２ａ（図２参照）と排気出口１２ｂとが形成されていて、排気入口１２ａには、図示しない内燃機関の排気マニホルドが接続され、排気出口１２ｂには図示しない排気出口管が気密的に接続されている。尚、図１において、１４は外周端が第１タービンハウジング１１とベアリングハウジング１０間に挟持固定され、内周端がタービンロータ１３の背面に延びる遮蔽プレートである。
【００１５】
第２タービンハウジング１２には、図１及び図２に示すように、排気入口１２ａに導入された排気ガスをタービンロータ１３の外周に導くスクロール部が形成されている。このスクロール部には、第２タービンハウジング１２に設けられたインボリュート区画壁３０により径方向に区画された内周スクロール溝１２ｄと外周スクロール溝１２ｃが形成されていて、両溝１２ｄ、１２ｃの開口を第１タービンハウジング１１により閉塞されることで、内周スクロール部３１と該内周スクロール部３１より大きな容積を有する外周スクロール部３２が区画形成されるようになっている。内周及び外周スクロール部３１、３２は、その断面積がタービンロータ１３の回転方向（図３において時計方向）に漸次減少するように設けられていて、インボリュート区画壁３０の下流端部分にて連通している。
【００１６】
図３及び図４に示すように、第１タービンハウジング１１の第２タービンハウジング１２側の一側面には、外周スクロール部３２のベアリングハウジング１０側側壁を形成するスクロール溝１１ａが設けられている。スクロール溝１１ａより径方向内方に位置して区画壁３０のベアリングハウジング１０側端面が当接すると共に内周スクロール部３１のベアリングハウジング１０側側壁を形成する第１タービンハウジング１１の一側面の部分には、スクロール溝１１ａの内周縁から径方向内方に延びる複数の連通溝１１ｂが形成されている。各連通溝１１ｂは、スクロール溝１１ａの下流側に向けて順次小さくなるようにされていると共に、第２タービンハウジング１２に対向する各連通溝１１ｂの底部には、径方向内方に向けて溝の深さが浅くなるように傾斜面が形成されていて、後述するように外周スクロール部３２から連通溝１１ｂを介して内周スクロール部３１へ流入する排気ガスの流れが排気出口１２ｂに向いてタービンロータ１３に案内されるようになっている。また、各連通溝１１ｂはスクロール溝１１ｂの上流側及び下流側に夫々異なる傾斜面を有し、各連通溝１１ｂの下流側の傾斜面である第１の面は、タービンロータ１３の回転中心の近くへ向かう垂直に近い、タービンロータのブレードに対する大きな流入角度で径方向内方へ延びており、各連通溝１１ｂの上流側の傾斜面である第２の面は、第１の面に比しタービンロータのブレードに対する小さな流入角度で径方向内方へ延びている。尚、内周スクロール部３１の上流側端部は排気入口１２ａに常に連通されており、その下流側端部はタービンロータ１３のブレードの外周部に開口している。
【００１７】
インボリュート区画壁３０の基部（上流側端部）には、図２に示すように、内側及び外周スクロール部３０、３１を連通する開口３３が形成されている。外周スクロール部３２内には、インボリュート区画壁３０の基部に形成される弁座に着座及び離脱することで開口３３を開閉する開閉弁４０が配設されている。開閉弁４０の駆動軸には、リンク４１を介して周知の負圧式アクチュエータ４２が連結されていて、該負圧式アクチュエータ４２により車両の運転状態に応じて後述するように開閉弁４０が駆動されて開口３３が開閉される。尚、開閉弁は、図５にその変形例を示すように、開閉弁１４０の駆動軸をインボリュート区画壁３０の基部に設け、第２タービンハウジング１２の外周スクロール部３２の入口側外周部分に設けた弁座部１２ｅに着座及び離脱することで開口３３を開閉するようにしても良い。この変形例によれば、図２に示す本実施形態に比し、開閉弁による内周及び外周スクロール部３１、３２の排気ガスの流れの乱れを少なくすることができる。
【００１８】
以上の構成から成る第１実施形態の作用を説明する。
【００１９】
図示しない内燃機関が始動されると、可変容量ターボチャージャによる過給が開始される。即ち、排気マニホルドから排気入口１２ａに流れ込んだ排気ガスはタービンロータ１３を回転駆動し、シャフト２０と共にコンプレッサロータ１９が回転され、図示しない内燃機関を過給する。
【００２０】
排気ガス量の少ない内燃機関の低速域では、図示しない制御装置により負圧式アクチュエータ４２に図示しない負圧源から負圧が供給されず、開閉弁４０は開口３３を閉じる図２に示す閉弁状態にある。このため、排気マニホルドから排気入口１１ａに流れ込んだ排気ガスが内周スクロール部３１のみを介してタービンロータ１３へ供給され、タービンロータ１３が回転駆動される。これにより、Ａ／Ｒの小さい（スクロール容量の小さい）ターボチャージャとして機能して、高い排気流速が得られると共に、内周スクロール部３１を経て排気ガスがタービンロータ１３の接線方向に流れ（タービンロータ１３のブレードに小さな流入角で当たる）、効率良くタービンロータ１３が回転されてタービンロータ１３が加速し過給圧が高められる。
【００２１】
このとき、本実施形態においては、連通溝１１ｂが内周スクロール部３１及び外周スクロール部３２のベアリングハウジング１０側の軸方向の各側壁間を連通するように第１タービンハウジング１１に形成されているので、内周スクロール部３１に流入した排気ガスが内周スクロール部３１の外周壁（区画壁３０）に沿ってタービンロータ１３へ導かれる際に、連通溝１１ｂを介して内周スクロール部１１ｂから外周スクロール部３２へ排気ガスが流れることが抑制される。これにより、内周スクロール部３１から外周スクロール部３２への排気ガスの洩れによるタービン効率の低下を抑制することができ、低速域における所望のタービン効率を得ることができる。
【００２２】
排気ガス量の多くなる内燃機関の中側域以降には、負圧式アクチュエータ４２に図示しない負圧源から負圧が供給され、開閉弁４０がリンク４１を介して図２に破線で示すように開口３３を開放する。このため、排気マニホルドから排気入口１２ａに流れ込んだ排気ガスが内周スクロール部３１へ流入すると共に、開口３３を通して外周スクロール部３２へ流入する。外周スクロール部３２へ流れ込んだ排気ガスは、図１に矢印で示すように、連通溝１１ｂを介して内周スクロール部３１へタービンロータ１３に近接した状態で排気出口１２ｂへ向けて流入して内周スクロール部３１へ流入する排気ガスと再合流し、内周スクロール部３１内の排気ガスのタービンロータ１３の接線方向の流れを排気出口１２ｂへ向かうタービンロータ１３の回転中心側への流れに変えると共にタービンロータ１３に当たる排気ガスの流速が低下する。この結果、排気ガスがタービンロータ１３のブレードに流入角度の大きい状態で当たるようになり、タービンロータ１３を回転させる効率が低下し、タービンロータ１３の回転上昇が抑制されて、過給圧が一定に保たれる。
【００２３】
ここで、本実施形態においては、第２タービンハウジング１２に対向する各連通溝１１ｂの底部には、径方向内方に向けて溝の深さが浅くなるように傾斜面が形成されていて、外周スクロール部３２から連通溝１１ｂを介して内周スクロール部３１へ流入する排気ガスの流れが排気出口１２ｂに向いてタービンロータ１３に案内されるようになっているため、内周スクロール部３１で再合流した排気ガスがタービンロータ１３を流れ抜け易くなり、過度にタービンロータ１３の加速が制限されることがなく、タービン効率を向上することができる。また、内周スクロール部３１で再合流した排気ガスの流れを排気出口１２ｂに向けることができるので、タービンロータに斜流タービンを用いて更なる性能向上を図ることができる。
【００２４】
図６は、本発明の第２実施形態を示す。この第２実施形態においては、タービンハウジング１１２が上記した第１実施形態のように２分割されておらず、インボリュート区画壁１３０、内周スクロール部１３１、外周スクロール部１３２及び両スクロール部１３１、１３２を連通する通路１３３が１つのタービンハウジング１１２に形成されている。タービンハウジング１１２は、プレートハウジング５０を介してベアリングハウジング１０の図示右端に固定されていて、ベアリングハウジング１０の図示右端にはラジアルベアリング２２の図示右側への移動を規制するプレート５１が固定されている。
【００２５】
連通路１３３は、内周スクロール部１３１及び外周スクロール部１３２のベアリングハウジング１０側の軸方向の各側壁間を連通し、内周スクロール部１３１側の開口が排気出口１１２ｂに向けられるように形成されている。尚、連通路１３３の内周スクロール部１３１側は、上記した第１実施形態の連通溝１１ｂの底部傾斜面と同様に、外周スクロール部１３２から連通路１３３を介して内周スクロール部１３１へ流入する排気ガスの流れが排気出口１１２ｂに向いてタービンロータ１３に案内されるようになっている。
【００２６】
この第２実施形態においても、上記した第１実施形態と同様に、図示しない開閉弁により排気ガスが内周スクロール部１３１へのみ排気ガスが導入される内燃機関の低速域には、内周スクロール部１３１から外周スクロール部１３２への連通路１３３を介した排気ガスの流れが抑制され、タービン効率の低下を防止することができる。また、図示しない開閉弁により内周及び外周スクロール部１３１、１３２へ排気ガスが導入される内燃機関の中速域以降では、外周スクロール部１３２から連通路１３３を介して内周スクロール部１３１へ流入する排気ガスの流れが排気出口１１２ｂに向いてタービンロータ１３に案内されることで、内周スクロール部１３１で再合流した排気ガスがタービンロータ１３を流れ抜け易くなり、タービン効率を向上することができる。この第２実施形態において、その他の構成は上記した第１実施形態と同じであるので、図６において同じ構成には図１で用いたのと同じ番号符号を付し、説明は省略する。
【００２７】
【発明の効果】
以上の如く、本発明によれば、内周スクロール部及び外周スクロール部間の連通路が、内周スクロール部及び外周スクロール部のコンプレッサロータ側の軸方向の各側壁間を連通し、その内周スクロール部側の開口が排気出口に向けられるようにタービンハウジングに設けられているので、開閉手段により排気ガスが内周スクロール部へのみ排気ガスが導入される内燃機関の低速域に、内周スクロール部から外周スクロール部への連通路を介した排気ガスの流れを抑制することができ、タービン効率の低下を防止することができる。また、開閉手段により内周及び外周スクロール部へ排気ガスが導入される内燃機関の中速域以降に、外周スクロール部から連通路を介して内周スクロール部へ流入する排気ガスの流れを排気出口に向いてタービンロータに案内することで、内周スクロール部で再合流した排気ガスがタービンロータを流れ抜け易くすることができ、タービン効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従った可変容量ターボチャージャの第１実施形態を示す断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】図１の第１タービンハウジングの断面図である。
【図４】図１の第１タービンハウジングの側面図である。
【図５】図２に示す開閉弁の変形例を示す断面図である。
【図６】本発明に従った可変容量ターボチャージャの第２実施形態を示す断面図である。
【図７】従来の可変容量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。
【符号の説明】
１０ベアリングハウジング
１１第１タービンハウジング
１１ｂ連通溝（連通路）
１２第２タービンハウジング
１２ａ排気入口
１２ｂ排気出口
１３タービンロータ
１８コンプレッサハウジング
１９コンプレッサロータ
２０シャフト
３０、１３０インボリュート区画壁
３１、１３１内周スクロール部
３２、１３２外周スクロール部
４０開閉弁（開閉手段）
１３３連通路

Claims

シャフトと、該シャフトの一端に固定されるタービンロータと、該タービンロータを収容すると共に、排気入口、排気出口及び、前記排気入口と前記排気出口とを前記タービンロータを介して連通し、その断面積が漸次減少するスクロール部を有するタービンハウジングと、前記シャフトの他端に固定され、コンプレッサハウジング内に収容されたコンプレッサロータと、前記スクロール部を径方向に内周スクロール部と外周スクロール部とに分割する区画壁と、前記内周スクロール部と前記外周スクロール部とを連通する複数の連通路と、前記排気入口と前記外周スクロール部間の連通を開閉可能な開閉手段とを備えてなる可変容量ターボチャージャにおいて、前記内周スクロール部及び前記外周スクロール部の前記コンプレッサロータ側の軸方向の各側壁間を連通し、その前記内周スクロール部側の開口が前記排気出口に向けられるように前記連通路を前記タービンハウジングに設けたことを特徴とする可変容量ターボチャージャ。
前記連通路は、前記外周スクロール部から前記内周スクロール部へ流入する排気ガスを前記タービンロータに案内する傾斜面を有することを特徴とする請求項１に記載の可変容量ターボチャージャ。
前記タービンハウジングは、第１タービンハウジングと、該第１タービンハウジングにより前記コンプレッサロータ側のそれら開口を気密的に閉塞されて前記内周スクロール部、前記外周スクロール部及び前記区画壁を形成する内周溝及び外周溝を有する第２タービンハウジングとから成り、前記第１タービンハウジングに前記連通路が溝状に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の可変容量ターボチャージャ。