JP4935628B2 - 過給機 - Google Patents

Description

本発明は、過給機に関するものである。

自動車の排気ガスと環境の問題が世界的にクローズアップされているなか、乗用車クラスの小型ディーゼルエンジン市場ではエミッション規制への対応と低燃費化、性能向上のため過給機の使用が必須となりつつある。このような背景から、タービンの排気ガス流入部の流路面積を可変とする可変容量装置を過給機に備えることで低速から高速域まで広範囲での性能向上を可能とすることが注目されている（例えば、特許文献１参照）。このような可変容量装置はタービンシュラウドに揺動可能に設けられる駆動リングと排気ガスの流路面積を可変とする複数のノズルベーンとを備えている。
特開２００７−４０２５１号公報

ところで、過給機は駆動時に高温に曝される。特にタービンを構成するタービンハウジングは高温酸化により錆びが生じ易い。そのため、タービンハウジングに生じた錆びは、該タービンハウジングに近接或いは接触した状態に配置される駆動リング側まで侵食されるおそれがある。駆動リングはタービンシュラウドの円周方向に回転可能に設けられていることから、リングに発生した錆びによって良好な動作が得られなくなるおそれがあった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、タービンハウジングの錆びに起因する駆動リングの動作不良を防止した過給機を提供することを目的としている。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。
本発明の過給機は、内燃機関からタービンハウジング内の環状ガス流路に流し込まれた排気ガスによりタービンインペラを駆動させるタービンと、前記環状ガス流路内に円周状に所定間隔で配列される複数のノズルベーンを開閉することにより前記排気ガスの流速を可変とする可変容量装置と、前記タービンインペラの回転力によりコンプレッサインペラを駆動させるコンプレッサと、を備える過給機において、前記可変容量装置は、前記タービンインペラ及び前記タービンハウジングの間に配置される環状のタービンシュラウドの円周方向に回転可能に設けられる駆動リングと、を有し、前記タービンハウジングと前記駆動リングとの間に、前記タービンハウジングに発生した錆びが前記駆動リング側に侵食するのを防止する侵食防止手段を備えることを特徴とする。

本発明の過給機によれば、高温酸化によりタービンハウジングに発生した錆びが侵食防止手段によって駆動リング側に侵食されることが防止される。よって、駆動リングにおけるタービンシュラウドとの摺動面が錆びに侵食されることで凹凸状となることがないので、この凹凸により駆動リングの回転動作を妨げることが防止される。また、駆動リングの摺動時に凹凸によりタービンシュラウド表面が磨耗するのを緩和できる。したがって、タービンハウジングに発生した錆びに起因する不具合が防止された信頼性の高い過給機を提供できる。

また、上記過給機においては、前記侵食防止手段がスペーサであることが好ましい。

また、上記過給機においては、前記スペーサは、前記タービンシュラウドに揺動可能に設けられるリング形状を有することがより好ましい。

また、上記過給機においては、前記スペーサは前記タービンシュラウドに対して着脱可能に設けられることがより好ましい。

また、上記過給機においては、前記スペーサは、前記シュラウドと同一の材料から構成されることが好ましい。

あるいは、上記過給機においては、前記侵食防止手段が前記駆動リング及び前記タービンハウジングを所定間隔だけ離間した状態に配置可能とする空間であることが好ましい。

本発明によれば、以下の効果を得ることができる。
侵食防止手段により駆動リングが錆びに侵食されることで駆動リングの表面が凹凸状となるのが防止されるので、駆動リングの回転動作が妨げられるのを防止できる。また、駆動リングの摺動時に凹凸によりタービンシュラウド表面が磨耗するのを緩和できる。したがって、タービンハウジングに発生した錆びに起因する不具合が防止された信頼性の高いものを提供できる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る過給機の構成を示す模式図である。図２は過給機に設けられる可変容量装置の構成を示す模式図である。

図１に示されるように、過給機１はタービン２と内燃機関（例えば、自動車のエンジン）に向けて圧縮気体を供給するコンプレッサ３と、これらの間に配置されて一体に連結されるベアリング部４とを備えている。

タービン２は、タービンハウジング２ａと、該タービンハウジング２ａ内に設けられるタービンインペラ５と、タービンインペラ５及びタービンハウジング２ａの間に設けられた環状のシュラウド（タービンシュラウド）１２と、タービンインペラ５を回転可能とするシャフト７と、を備えている。また、タービンハウジング２ａは、一端に排気ガス入口（入口）８が設けられたスクロール流路９と、中心部に形成された排気ガス出口１１とを備えている。なお、上記タービンハウジング２ａは例えば鋳鉄から構成されており、上記シュラウド１２及びタービンインペラ５はステンレス（ＳＵＳ）から構成されている。

排気ガス入口８は不図示の内燃機関の排気口に接続されて、内燃機関から排気ガスが導かれるようになっている。また、排気ガス出口１１は、排気筒（図示せず）等に接続されている。また、上記スクロール通路９の内周部には環状ガス流路１０が設けられており、上記排気ガスをタービンインペラ５に導入するようになっている。そして、タービンインペラ５を駆動した後の排気ガスは上記排気ガス出口１１から排出されるようになっている。

上記コンプレッサ３は、上記シャフト７を介してタービンインペラ５に一体形成されるコンプレッサインペラ６と、該コンプレッサインペラ６を覆うコンプレッサハウジング３ａとを備えている。コンプレッサハウジング３ａにおけるシャフト７と同軸上には、吸気口２５が形成されている。この吸気口２５から外気が吸引されるようになっている。また、コンプレッサハウジング３ａは、内燃機関の給気口に接続され、加圧空気を内燃機関へ導くための環状流路４２が設けられている。

上記ベアリング部４は、上記シャフト７を支持する軸受部２１と該軸受部２１を支持するベアリングハウジング２２とを備えており、上記シャフト７はベアリングハウジング２２に対して回転自在に設けられる。上記軸受部２１としては、例えばボールベアリング等を例示できる。また、ベアリングハウジング２２は、例えば螺子等により一端側が上記タービンハウジング２ａに一体的に連結され、他端側が上記コンプレッサハウジング３ａに一体的に連結されている。

このような構成に基づき、過給機１は、スクロール通路９における排気ガス入口８を介して供給される排気ガスによってタービンインペラ５が回転駆動され、タービンインペラ５とシャフト７を介して連結されたコンプレッサインペラ６が連動して回転駆動される。そして、コンプレッサインペラ６の回転によって環状流路４２に圧縮された空気が送り込まれ、この圧縮された空気が内燃機関に供給可能となる。

ところで、本実施形態に係る過給機１は、図２に示されるようなマルチベーン方式の可変容量装置３０を備えている。図２はタービン２の内側（ベアリング部４）から排気ガス出口１１側を視た図であり、図２中においては可変容量装置３０の構成を分かり易くするため、タービンハウジング２ａ等の図示を省略している。

可変容量装置３０は、複数のノズルベーン３１と、駆動機構３２とを備えている。ノズルベーン３１は、タービンインペラ５を囲むように環状ガス流路１０内に円周状に所定間隔で配列されている。すなわち、ノズルベーン３１は、タービンインペラ５の回転軸周りに所定間隔で配列されている。

駆動機構３２は、タービン２のシュラウド１２の円周方向に回転可能に設けられる駆動リング３３と、該駆動リング３３の前記タービンインペラ５側に回動可能に設けられる複数のスライドジョイント３４と、該各スライドジョイント３４に対して摺動可能とされ、各ノズルベーン３１をそれぞれ保持するリンク部材３５とを備えている。なお、上記駆動リング３３の構成材料としては、シュラウド１２と同一材料であるステンレス（ＳＵＳ）が用いられる。

以下、可変容量装置３０の構成について詳しく説明する。図３は可変容量装置３０の要部の構成を示す図である。図３に示されるように、駆動リング３３には平面視略四角形状からなるスライドジョイント３４をそれぞれ回動可能に支持する支持軸３６が設けられている。この支持軸３６は駆動リング３３におけるノズルベーン３１の配置間隔に対応する位置に設けられた連結孔３３ａに端部が嵌合されてカシメ等によって連結固定されている。なお、支持軸３６は駆動リング３３に、例えば精密プレス加工（ファインブランキング加工）を用いることで一体形成されていてもよい。

上記リンク部材３５は、略フォーク形状の部材から構成され、スライドジョイント３４を挟み込むように保持する。具体的には、リンク部材３５はスライドジョイント３４を挟み込んだ状態に保持する挟み込み部３５ａを有している。なお、挟み込み部３５ａとスライドジョイント３４との間にはガタツキが生じない程度の僅かな隙間が形成されており、これによってスライドジョイント３４及びリンク部材３５は摺動可能となっている。

なお、上記スライドジョイント３４の角部、及び上記挟み込み部３５ａの先端部は面取りがされており、摺動時に角部による偏磨耗が生じるのを防止している。

さらにリンク部材３５に設けられた連結孔内にノズルベーン保持軸３１ａの一端側が嵌合されてカシメ等によって連結固定され、このノズルベーン保持軸３１ａの他端側に各ノズルベーン３１がそれぞれ固定（保持）されている。これにより、ノズルベーン３１はリンク部材３５と一体的に動作可能となっている。図１に示したようにノズルベーン保持軸３１ａはシュラウド１２を外側から内側に貫通した状態に保持され、これによりノズルベーン３１が環状ガス流路１０に配列される。

なお、駆動リング３３には、リンク部材３５に勘合してカシメられたノズルベーン保持軸３１ａの突出部との干渉を防止する貫通孔３７が円弧状にノズルベーン３１の数に対応して形成されている。

さらに、駆動リング３３には、駆動リンク５１及びアーム５２を介してアクチュエータ５３が設けられている。具体的には、図４に示されるように駆動リング３３に設けられた連結孔内に一端側が嵌合されてカシメ等によって連結固定された支持軸５４に駆動用ジョイント５５が回動可能に設けられ、該駆動用ジョイント５５を挟み込むように駆動リンク５１が設けられている。駆動用ジョイント５５は上記スライドジョイント３４と同様の構成からなるものであり、駆動リンク５１は上記リンク部材３５と同様の構成からなるものである。

アーム５２の一端側には支持軸５２ａが設けられており、この支持軸５２ａに上記駆動リンクが連結固定されている。支持軸５２ａは例えばタービンハウジング２ａに回動可能に支持されている。また、アーム５２の他端側には支持軸５２ｂが設けられており、この支持軸５２ｂにはアクチュエータ５３が接続されている。

さらにアクチュエータ５３は、駆動リンク５１及びアーム５２を介して駆動リング３３を所定の位置に保持し、円周方向に回転させることで図２に示した支持軸３６、スライドジョイント３４を介してリンク部材３５を回転させることによってノズルベーン３１に駆動力を伝達して各ノズルベーン３１を連動して開閉可能となっている。

ところで、タービンハウジング２ａ内には排気ガスが流れ込む等、高温条件の下で使用される。タービンハウジング２ａは上述したように鋳鉄から構成されていることから、高温酸化によって錆びが生じてしまう。図１に示したように、駆動リング３３は、タービンインペラ５とタービンハウジング２ａとの間に配置される上記シュラウド１２の外周面に回転可能に保持されている。
よって、駆動リング３３とタービンハウジング２ａは一部で近接した状態とされており、タービンハウジング２ａに生じた錆びが駆動リング３３側に侵食することで駆動リング３３に錆びが生じる可能性がある。シュラウド１２に錆びが生じると、シュラウド１２の表面は錆びに起因する凹凸状となる。

上述したように駆動リング３３はシュラウド１２の外周面に対して摺動することで回転可能となる。そのため、特に駆動リング３３のシュラウド１２との摺動面に錆びが生じると、シュラウド１２と駆動リング３３との摺動性（滑り性）が低下することで駆動リング３３を駆動するアクチュエータ５３に負荷が加わることで動作不良や故障等といった不具合が生じ、過給機の信頼性が損なわれるおそれがある。また、駆動リング３３が回転（摺動時）する際にシュラウド１２の磨耗が凹凸部（錆び）によって促進される可能性もある。

このような不具合を解決すべく、本実施形態に係る過給機１は、タービンハウジング２ａと駆動リング３３との間に、図５に示されるような前記タービンハウジング２ａに発生した錆びが前記駆動リング３３側に侵食するのを防止する侵食防止手段として、スペーサＳを備えている。図５は駆動リング３３の周辺における過給機１の構成を示す拡大図である。なお、スペーサＳはシュラウド１２に着脱可能に設けられており、例えばタービンハウジング２ａを取り外すことで容易に交換可能となっている。

スペーサＳはシュラウド１２の外周面に揺動可能に設けられるリング形状からなる。この構成により、タービンハウジング２ａに生じた錆びをスペーサＳに侵食させることで駆動リング３３が錆びるのを防止可能となっている。

また、駆動リング３３及びスペーサＳは互いに近接した状態となっているため、駆動リング３３が回転する際にスペーサＳに接触する場合がある。このような場合、スペーサＳがシュラウド１２の円周方向に揺動可能となっているため、駆動リング３３がスペーサＳに擦れて磨耗することが防止されたものとなっている。

なお、上記スペーサＳを構成する材料としては、上述したようにタービンハウジング２ａに発生した錆びが駆動リング３３側に侵食するのを防止する侵食防止手段として機能するものであれば、種々の材料を用いることができる。本実施形態は、上記スペーサＳはシュラウド１２と同一の材料であるステンレス（ＳＵＳ）から構成されている。このように、スペーサＳがシュラウド１２と同一材料から構成されることで、両方の部材における熱膨張率が同等となり、過給機１の駆動時にスペーサＳがシュラウド１２に対して膨張或いは収縮することで熱応力が発生することが防止されたものとなっている。

次に、本実施形態に係る過給機１の動作について説明する。
過給機１は、不図示の自動車用エンジン等の内燃機関から排出された排気ガスによりタービンインペラ５を回転駆動し、この回転によりシャフト７を介して、コンプレッサインペラ６が回転駆動する。コンプレッサインペラ６が回転駆動することで、吸気口２５から吸引した空気（外気）をコンプレッサ内に設けられた環状流路４２で圧縮し、圧縮空気を得ることができる。圧縮空気は不図示の吹出口から内燃機関へ供給される。

圧縮空気は内燃機関内において燃料の消費に供される。この燃焼によって内燃機関より排気ガスが排出され、排気ガス入口８から過給機１内に取り込まれる。排気ガスはタービン２内のスクロール通路９を経由して、タービンインペラ５が回転するという動作を継続する。

ところで、エンジンの回転速度に応じてタービン２に供給される排気ガスの流速が変化する。そこで、本実施形態に係る過給機１は、可変容量装置３０によってノズルベーン３１の角度を調整することで環状ガス流路１０を通ってタービンインペラ５に流れ込む排気ガスの流速を適宜調整することで低速回転から高速回転までの広範囲の過給によりエンジン性能向上を図ることができる。

以下、可変容量装置３０の動作について説明する。

エンジン低速時の排気ガス流速が低い場合には、ノズルベーン３１を回動して環状ガス流路１０を絞る。
具体的には、アクチュエータ５３を縮み方向（図４中Ｄ方向）に動作させる。すると、アクチュエータ５３の動作がアーム５２、駆動リンク５１、及び駆動用ジョイント５５を介して駆動リング３３に伝達され、駆動リング３３は図４中Ａ方向に回転する。駆動リング３３が図４中Ａ方向に回転すると、前記スライドジョイント３４は支持軸３６を中心として回転し、このときリンク部材３５とスライドジョイント３４とは摺動する。これにより、スライドジョイント３４及びリンク部材３５を介してノズルベーン３１はノズルベーン保持軸３１ａを中心として反時計回り（図４中Ｆ方向）に回転する。よって、ノズルベーン３１は環状ガス流路１０に流れ込む排気ガスの流路を開くことができる。

一方、エンジン高速時の排気ガスの流速が高い場合には、ノズルベーン３１を回動して環状ガス流路１０を開く。
具体的には、図４に示したアクチュエータ５３を伸び方向（図４中Ｃ方向）に動作させる。すると、アクチュエータ５３の動作がアーム５２、駆動リンク５１、及び駆動用ジョイント５５を介して駆動リング３３に伝達され、駆動リング３３は図４中Ｂ方向に回転する。駆動リング３３が図４中Ｂ方向に回動すると、前記スライドジョイント３４は支持軸３６を中心として回転し、このときリンク部材３５とスライドジョイント３４とは摺動する。これにより、スライドジョイント３４及びリンク部材３５を介してノズルベーン３１はノズルベーン保持軸３１ａを中心として時計回り（図４中Ｅ方向）に回転する。よって、ノズルベーン３１は環状ガス流路１０に流れ込む排気ガスの流路を絞ることができる。

上述したように排気ガスが流れ込むタービンハウジング２ａは非常に高温となる。そのため、鋳鉄から構成されるタービンハウジング２ａは高温下で酸化されて錆びが生じてしまう。この場合においても、本実施形態に係る過給機１は、タービンハウジング２ａと駆動リング３３との間に配置したスペーサＳにタービンハウジング２ａのサビを侵食させることでハウジング１２側への錆びの侵食を防止し、ハウジング１２が錆びるのを防止できる。よって、錆びによる凹凸によってシュラウド１２と駆動リング３３との摺動性（滑り性）が低下することで駆動リング３３を駆動するアクチュエータ５３に負荷が加わることで動作不良や故障等といった不具合が生じ、過給機の信頼性が損なわれるといったことが無い。さらには、駆動リング３３が回転（摺動時）する際にシュラウド１２の磨耗が錆びによる凹凸部によって促進されるといった不具合を防止できる。
したがって、本実施形態によれば、タービンハウジング２ａに発生した錆びに起因する不具合を防止することで過給機１における信頼性を向上させることができる。

また、本実施形態においては、錆びに侵食されたスペーサＳはタービンハウジング２ａを取り外すことで容易に着脱可能であり、メンテナンス性に優れ、且つコスト面においても優れたものとなる。

また、本実施形態においては、スペーサＳがシュラウド１２と同一材料から構成されているので、両方の部材における熱膨張率は略同等となり、過給機１の駆動時に熱膨張率の違いからスペーサＳがシュラウド１２に対して膨張或いは収縮することで熱応力が生じるのを防止できる。

続いて、本発明の別の実施形態について説明する。
上述した実施形態では、タービンハウジング２ａに発生した錆びが前記駆動リング３３側に侵食するのを防止する侵食防止手段としてスペーサＳを用いたが、これに代えて駆動リング３３及びタービンハウジング２ａを所定間隔だけ離間した状態に配置可能とする空間（隙間）であってもよい。それ以外の構成については、上述した実施形態と同一の構成となっており、その説明を省略若しくは簡略化する。

具体的に本実施形態では、図６に示されるようにタービンハウジング２ａと駆動リング３３との間には隙間（所定の間隔）Ｄが形成されている。この隙間Ｄは、シュラウド１２が軸方向（シャフト７の延在方向）にガタついた場合でも、駆動リング３３に接触することなく、且つタービンハウジング２ａに発生した錆びが駆動リング３３側に影響を及ぼさない程度離間した状態とする距離に設定される。したがって、本構成においても、タービンハウジング２ａに錆びが生じた場合でも、駆動リング３３が錆びに侵食されることが防止される。よって、駆動リング３３が回転（摺動時）する際にシュラウド１２の磨耗が錆びによる凹凸部によって促進されるといった不具合を防止できる。
したがって、タービンハウジング２ａに発生した錆びに起因してシュラウド１２の摺磨耗が促進されるのを防止することで過給機１の信頼性を向上できる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されることはなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が可能である。例えば、上記スペーサＳの表面に錆びの侵食をし難くする表面処理を行っても良く、これによればタービンハウジング２ａに発生した錆びをシュラウド１２側により侵食させ難くすることが可能となる。

過給機の構成を示す模式図である。 過給機に設けられる可変容量装置の構成を示す模式図である。 可変容量装置の要部の構成を示す平面図である。 可変容量装置の分解斜視図である。 駆動リングの周辺における過給機の構成を示す拡大図である。 過給機の他の実施形態に係る過給機の構成を示す拡大図である。

符号の説明

１…過給機、２…タービン、３…コンプレッサ、５…タービンインペラ、６…コンプレッサインペラ、１０…環状ガス流路、１２…シュラウド（タービンシュラウド）、３０…可変容量装置、３１…ノズルベーン、３３…駆動リング、３４…スライドジョイント、３５…リンク部材、３５ａ…挟み込み部、Ｓ…スペーサ（侵食防止手段）、Ｄ…空間（侵食防止手段）

Claims (4)

1. 内燃機関からタービンハウジング内の環状ガス流路に流し込まれた排気ガスによりタービンインペラを駆動させるタービンと、前記環状ガス流路内に円周状に所定間隔で配列される複数のノズルベーンを開閉することにより前記排気ガスの流速を可変とする可変容量装置と、前記タービンインペラの回転力によりコンプレッサインペラを駆動させるコンプレッサと、を備える過給機において、
   前記可変容量装置は、前記タービンインペラ及び前記タービンハウジングの間に配置される環状のタービンシュラウドの円周方向に回転可能に設けられる駆動リングを有し、
   前記タービンハウジングと前記駆動リングとの間に、前記タービンハウジングに発生した錆びが前記駆動リング側に侵食するのを防止する侵食防止手段を備え、
   前記侵食防止手段がスペーサであることを特徴とする過給機。
2. 前記スペーサは、前記タービンシュラウドに揺動可能に設けられるリング形状を有することを特徴とする請求項１に記載の過給機。
3. 前記スペーサは前記タービンシュラウドに対して着脱可能に設けられることを特徴とする請求項２に記載の過給機。
4. 前記スペーサは、前記タービンシュラウドと同一の材料から構成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の過給機。

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