JP4983693B2 - 過給機 - Google Patents

Description

本発明は、過給機に関する。

自動車の排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をはじめとして、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り、低速から高速域まで広い範囲での性能向上を図ることができる可変容量型過給機が注目されている。

可変容量装置としては、マルチベーンノズル方式が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
マルチベーンノズル方式の可変容量装置では、ノズルベーンの開閉動作を抵抗なく行うために、ガス流路の通路壁、すなわちノズル支持リング及びシュラウドとノズルベーンの両端面との間には、若干の隙間を設けている。
上記隙間を大きくすると、タービン側へと流れる排気ガスがこの隙間から容易に漏れてしまうため、ノズルベーンを通過するガス流量が所望量に制御されにくくなり、過給機の効率が低下する。また、逆に上記隙間を小さくすると、熱膨張した際に、ノズルベーン２９の端面がハウジングの内面、つまりガス通路内壁面に接触してスティックを起こしやすくなり、ノズルベーンが円滑に開閉動作しなくなる。

このため、ガス流路の通路壁のノズルベーンの所定開度位置に、ノズルベーンとの間の間隔を拡大する切欠き部が形成されたものが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
特開２００６−１２５５８８号公報 特開２００４−０５２５８９号公報

しかしながら、上記特許文献２に記載の可変容量型過給機は、シュラウドが設けられておらず、ノズル支持リングにノズルベーンを片持ち状態に取り付けるものである。
このため、シュラウドとノズル支持リングとの間でノズルベーンを両持ち状態で支持する場合には、上述のようにタービンハウジングに空間を設けても、ノズルベーンとシュラウドが接触する不具合を防止できないという問題がある。

本発明は、上記事情に鑑みて成されたものであり、ノズルベーンの端面と第一環状部又は第二環状部との接触を好適に抑えて安定した運転を行うことができる過給機を提供することを目的とする。

本発明に係る過給機では、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
本発明は、タービンインペラとタービンハウジングとの間に形成されるガス流路内に配されたノズルベーンと、該ノズルベーンに対して同一軸線上に接続された第一軸部及び第二軸部と、ベアリングハウジングと接続されて前記ガス流路の一部を形成するとともに、前記第一軸部が回動可能に接続された第一環状部と、該第一環状部と対向して前記タービンハウジング内に設けられて前記ガス流路の一部を形成するとともに、前記第二軸部が回動可能に接続された第二環状部と、を有する可変容量装置を備えた過給機であって、前記第一軸部が挿通される第一軸受孔が、前記第一環状部に設けられ、前記第二軸部が挿通される第二軸受孔が、前記第一軸受孔の中心軸線と同一の中心軸線を有して、前記第二環状部に設けられ、前記第二軸部と第二軸受孔との間に形成される第二隙間が、前記第一軸部と前記第一軸受孔との間に形成される第一隙間よりも大きいことを特徴とする

この発明は、熱変動の大きいタービンハウジングと冷却されているベアリングハウジングとの熱膨張差に伴い、第二環状部が第一環状部よりも熱変形して第一軸受孔と第二軸受孔との中心軸線がずれても、第二隙間がこれを吸収して第一環状部に対する第一軸部及び第二軸部の傾斜を好適に抑えることができる。

また、本発明に係る過給機は、前記第一軸部と前記第二軸部との外径が同一とされ、前記第一軸受孔の内径よりも前記第二軸受孔の内径のほうが大きいことを特徴とする。

この発明は、第一環状部に対する第一軸部及び第二軸部の傾斜をより好適に抑えることができる。

また、本発明に係る過給機は、前記第二環状部の前記ガス流路の一部を形成する通路壁に、該通路壁と前記ノズルベーンとの間隔を前記ガス流路の下流側に向かって漸次拡開させるテーパ部が設けられていることを特徴とする。

この発明は、熱変形に伴い第一環状部に対して第一軸部及び第二軸部が傾斜しても、第二環状部とノズルベーンとの接触を好適に抑えることができる。

また、本発明に係る過給機は、前記ノズルベーンが前記ガス流路に対して全閉したときの最下流端位置から全開したときの最下流端位置までの間に、前記テーパ部が設けられていることを特徴とする。

この発明は、第二軸受孔よりも径方向外方における通路壁とノズルベーンとの隙間を確保するとともに、第二軸受孔よりも径方向内方における通路壁とノズルベーンとの接触可能性を好適に低下させることができる。

本発明によれば以下の効果を得ることができる。
本発明に係る過給機によれば、ノズルベーンの端面と第一環状部又は第二環状部との接触を好適に抑えて安定した運転を行うことができる。

以下、本発明に係る過給機の実施形態について図面を参照して説明する。
本発明に係る一実施形態について、図１から図６を参照して説明する。

可変容量型過給機１には、図１から図３に示すように、中心軸線ＣＬ１を有するハウジング３を備え、このハウジング３の一端部側には遠心式コンプレッサ５が設けられ、他端部側には遠心式タービン７が設けられている。

タービン７とコンプレッサ５との間には、ハウジング３に対して回転自在に、回転軸部材９がたとえば流体軸受１１を介して設けられている。回転軸部材９の一端部には、コンプレッサ５を構成しているコンプレッサインペラ１３が一体的に固定されており、回転軸部材９の他端部には、タービン７を構成しているタービンインペラ１５が一体的に固定されている。

ハウジング３は、回転軸部材９を支持するベアリングハウジング１７と、コンプレッサインペラ１３を囲んでコンプレッサインペラ１３側でベアリングハウジング１７に一体的に設けられたコンプレッサハウジング１９と、タービンインペラ１５を囲んでタービンインペラ１５側のベアリングハウジング１７に一体に設けられたタービンハウジング２１と、を備えている。

タービンハウジング２１には、一端にガス入口（図示せず）を供えたスクロール通路２３が設けられており、このスクロール通路２３の内周部のタービンインペラ１５との間には、環状のガス流路２５が形成されている。

環状のガス流路２５におけるタービンインペラ１５の先端部側（コンプレッサ５とは反対側）には、マルチベーンノズル方式の可変容量装置２７が設けられている。
このマルチベーンノズル方式の可変容量装置２７は、図２（図１のII−II断面図）に示すように、環状のガス流路２５の円周上に配置された複数のノズルベーン２９によって構成されたベーンノズル３１と、ノズルベーン２９に対して同一軸線ＣＬ２上に接続された第一軸部３７及び第二軸部３９と、ベアリングハウジング１７と接続されてガス流路２５の一部を形成するとともに、第一軸部３７が回動可能に接続された環状のノズル支持リング（第一環状部）３３と、ノズル支持リング３３から所定の間隔をあけてタービンインペラ１５とタービンハウジング２１との間に設けられてガス流路２５の一部を形成するとともに、第二軸部３９が回動可能に接続された環状のシュラウド（第二環状部）３９と、を備えている。ガス流路２５は、ノズル支持リング３３とシュラウド３５との間に形成されている。第一軸部３７及び第二軸部３９は、ともに同一の外径を有している。

ノズルベーン２９は、例えば、図２に実線で示す姿勢から破線で示す姿勢の間で回動するようになっている。
なお、図２に実線で示す姿勢に各ノズルベーン２９があるときには、ベーンノズル３１におけるガス流路の幅Ｗ１が最も狭くなっており、図２に破線で示す姿勢に各ノズルベーン２９があるときには、ベーンノズル３１におけるガス流路の幅Ｗ３が最も広くなっている。すなわち、各ノズルベーン２９のそれぞれを同一方向に回動することで、ベーンノズル３１の流路の大きさを変え、タービン７（タービンインペラ１５）に供給されるガスの流速を変えている。

ノズル支持リング３３は、所定のシート厚さを備えてリング状に形成されており、スクロール通路２３の内径よりも僅かに大きな外径、かつタービンインペラ１５の外径よりも僅かに大きな内径を備えている。また、ノズル支持リング３３は、中心軸線が回転軸部材９の回転中心軸線ＣＬ１と一致するように、タービンインペラ１５の背面側（コンプレッサ５側）でタービンインペラ１５の近傍に設置されている。

ノズル支持リング３３には、図４に示すように、直径Ｄの同一円周上に所定間隔で離間して第一軸部３７が挿通される第一軸受孔４１が複数設けられている。各第一軸受孔４１の内径は同一とされている。第一軸部３７と第一軸受孔４１とは、第一隙間ＳＰ１が形成されて嵌合されている。

シュラウド３５は、図５及び図６に示すように、ノズル支持リング３３と同様の環状部位３５Ａと、環状部位３５Ａの先端部側（タービンインペラ１５の先端側）に一体に設けられて、環状部位３５Ａよりも小さい径の円筒状の部位３５Ｂと、を備えている。この環状部位３５Ａとノズル支持リング３３とが、各スペーサ４３を間にして所定の間隔をあけて互いに平行に対向して配されている。

このシュラウド３５には、図４に示すように、ノズル支持リング３３と同じ直径Ｄの同一円周上に所定間隔で離間して第二軸部３９が挿通される第二軸受孔４５が複数設けられている。各第二軸受孔４５の内径は同一とされている。第二軸部３９と第二軸受孔４５とは、第二隙間ＳＰ２が形成されて嵌合されている。

ここで、ノズル支持リング３３の第一軸受孔４１とシュラウド３５の第二軸受孔４５とは、中心軸線ＣＬ１から同一距離に離間して、第一軸受孔４１の中心軸線ＣＬ２１及び第二軸受孔４５の中心軸線ＣＬ２２が一致するように、かつ中心軸線ＣＬ１に対して平行に配されている。
さらに、第二軸受孔４５の内径ｄ２は、第二隙間ＳＰ２が第一隙間ＳＰ１よりも大きくなるように、第一軸受孔４１の内径ｄ１よりも大きく形成されている。第二隙間ＳＰ２は、シュラウド３５の径方向の最大熱変形量以下となっている。

図７に示すように、シュラウド３５のガス流路２５の一部を形成する環状部位３５Ａの通路壁３５ａには、通路壁３５ａとノズルベーン２９との間隔をガス流路２５の下流側に向かって漸次拡開させるテーパ部４７が設けられている。
このテーパ部４７は、ノズルベーン２９がガス流路２５に対して全閉したときの最下流端位置Ａ１から全開したときの最下流端位置Ａ２までの間に、Ａ２位置においてＡ１位置から距離Ｄ１に離間して設けられている。

ノズル支持リング３３とシュラウド３５とは、一端部側がノズル支持リング３３に固定され、他端部側がハウジング３に固定されているとともに、薄い板状の素材から環状に形成された支持部材４９を介して、ハウジング３に支持されている。
シュラウド３５は、ノズル支持リング３３に対してスペーサ４３を介して固定されている。つまり、シュラウド３５、ノズル支持リング３３、スペーサ４３、ノズルベーン２９、支持部材４９等によって、一つのユニット（組立品）が構成されている。このユニットは、支持部材４９の外周縁部がベアリングハウジング１７とタービンハウジング２１との間に挟持されることにより、ハウジング３に支持されている。

ベーンノズル駆動機構５１は、コンプレッサ５側でタービン７（ガス流路２５、スクロール通路２３）に隣接して設けられた環状の駆動機構設置室５３内に設けられている。上記駆動機構設置室５３を構成している上記コンプレッサ５側の壁は、タービンハウジング２１側に形成されているベアリングハウジング１７のフランジ状の部位１７Ａによって構成されている。

ベアリングハウジング１７の壁（フランジ状の部位）１７Ａには、円筒状のブッシュ５５が貫通して一体的に設けられており、このブッシュ５５には、ベーンノズル駆動機構５１を駆動するための駆動軸５７が回動自在に係合されている。
この駆動軸５７は、駆動機構設置室５３内に一端部側が位置し、駆動機構設置室５３内に設けられたベーンノズル駆動機構５１に内側連結部材５９を介して一端部側が連動連結され、ベアリングハウジング１７の外に他端部側が配されている。駆動軸５７の他端部側は、外側連結部材６１を介して、たとえばダイヤフラムシリンダ（図示せず）のピストンロッドが係合されている。
そして、ダイヤフラムシリンダによって上記駆動軸５７が回動し、内側連結部材５９とベーンノズル駆動機構５１とを介して、各ノズルベーン２９が回動するようになっている。

次に、本実施形態に係る可変容量型過給機１の作用について説明する。
可変容量型過給機１の稼動時には、エンジンからの排ガスが、スクロール通路２３、ガス流路２５を通って、タービンインペラ１５に供給され、タービンインペラ１５が回転している。

このとき、タービンハウジング２１及びノズル支持リング３３とも加熱されて熱膨張する。ここで、ノズル支持リング３３は、冷却されているベアリングハウジング１７に接続されているので、稼動初期時には、ノズル支持リング３３とシュラウド３５との間に数百度の温度差が生じる。
そのため、シュラウド３５がノズル支持リング３３よりも径方向に膨張しようとして、第一軸部３７の中心軸線ＣＬ２１が、第二軸部３９の中心軸線ＣＬ２２よりも径方向外方へ変形する。

この際、第二隙間ＳＰ２は、第一隙間ＳＰ１より大きく、かつシュラウド３５の径方向の最大熱変形量以下となっている。そのため、ベーンノズル駆動機構５１を駆動したときに、第二軸部３９が第二軸受孔４５に対して相対移動して、中心軸線ＣＬ１と、中心軸線ＣＬ２１及び中心軸線ＣＬ２２との平行状態が維持されてノズルベーン２９が回動する。

また、中心軸線ＣＬ１に対して中心軸線ＣＬ２１及び中心軸線ＣＬ２２が傾斜した場合には、環状部位３５Ａの通路壁３５ａのテーパ部４７とノズル支持リング３３とが平行に近い状態で対向することになる。
一方、第一軸受孔４１よりもガス流路２５の上流側の壁面は、ガス流路２５の上流側に広がる状態となる。そのため、通路壁３５ａとノズルベーン２９との間の隙間が維持される。

この可変容量型過給機１によれば、第一軸部３７と第二軸部３９との外径が同一とされ、第一軸受孔４１の内径よりも第二軸受孔４５の内径のほうが大きい。すなわち、第二軸部３９と第二軸受孔４５との間に形成される第二隙間ＳＰ２が、第一軸部３７と第一軸受孔４１との間に形成される第一隙間ＳＰ１よりも大きい。

したがって、熱変動の大きいタービンハウジング２１と冷却されているベアリングハウジング１７との熱膨張差に伴い、シュラウド３５がノズル支持リング３３よりも熱変形して第一軸受孔４１と第二軸受孔４５との中心軸線がずれても、第二隙間ＳＰ２がこれを吸収して、第一軸部３７及び第二軸部３９の中心軸線ＣＬ１に対する傾斜を好適に抑えることができる。
したがって、ノズルベーン２９の端面とノズル支持リング３３又はシュラウド３５との接触を好適に抑えて安定した運転を行うことができる。

また、通路壁３５ａとノズルベーン２９との間隔をガス流路２５の下流側に向かって漸次拡開させるテーパ部４７が通路壁３５ａに設けられている。そのため、熱変形に伴いノズル支持リング３３に対して第一軸部３７及び第二軸部３９が傾斜しても、シュラウド３５とノズルベーン２９との接触を好適に抑えることができる。

特に、テーパ部４７が、ノズルベーン２９が全閉したときの最下流端位置Ａ１から全開したときの最下流端位置Ａ２までの間に設けられている。したがって、シュラウド３５の熱変形量が大きくても、第二軸受孔４５より径方向外方における通路壁３５ａとノズルベーン２９との隙間を確保するとともに、第二軸受孔４５よりも径方向内方における通路壁３５ａとノズルベーン２９との接触可能性をより低下させることができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

例えば、第一軸部３７及び第二軸部３９の外径を同一としているが、同一である必要はなく、第一隙間よりも第二隙間のほうが大きくなっていれば構わない。

本発明の一実施形態に係る可変容量型過給機を示す概略構成図である。 可変容量装置を示す図（図１のII−II断面）である。 タービンハウジングと可変容量装置の連結部近傍を示す図（図１のIII拡大）である。 ノズル支持リングを示す正面図である。 シュラウドを示す正面図である。 シュラウドを示す断面図（図５のVI−VI断面）である。 シュラウドの環状部位に形成されたテーパ部を示す図（図６のVII拡大）である。

符号の説明

１…可変容量型過給機（過給機）、 １５…タービンインペラ、 １７…ベアリングハウジング、 ２１…タービンハウジング、 ２５…ガス流路、 ２７…可変容量装置、 ２９…ノズルベーン、 ３３…ノズル支持リング（第一環状部）、 ３５…シュラウド（第二環状部）、 ３５ａ…通路壁、 ３７…第一軸部、 ３９…第二軸部、 ４１…第一軸受孔、 ４５…第二軸受孔、 ４７…テーパ部、 ｄ１…第一軸受孔径、 ｄ２…第二軸受孔径、 ＳＰ１…第一隙間、 ＳＰ２…第二隙間

Claims (4)

1. タービンインペラとタービンハウジングとの間に形成されるガス流路内に配されたノズルベーンと、
   該ノズルベーンに対して同一軸線上に接続された第一軸部及び第二軸部と、
   ベアリングハウジングと接続されて前記ガス流路の一部を形成するとともに、前記第一軸部が回動可能に接続された第一環状部と、
   該第一環状部と対向して前記タービンハウジング内に設けられて前記ガス流路の一部を形成するとともに、前記第二軸部が回動可能に接続された第二環状部と、
   を有する可変容量装置を備えた過給機であって、
   前記第一軸部が挿通される第一軸受孔が前記第一環状部に設けられ、
   前記第二軸部が挿通される第二軸受孔が前記第一軸受孔の中心軸線と同一の中心軸線を有して前記第二環状部に設けられ、
   前記第二軸部と第二軸受孔との間に形成される第二隙間が前記第一軸部と前記第一軸受孔との間に形成される第一隙間よりも大きいことを特徴とする過給機。
2. 前記第一軸部と前記第二軸部との外径が同一とされ、
   前記第一軸受孔の内径よりも前記第二軸受孔の内径のほうが大きいことを特徴とする請求項１に記載の過給機。
3. 前記第二環状部の前記ガス流路の一部を形成する通路壁に、該通路壁と前記ノズルベーンとの間隔を前記ガス流路の下流側に向かって漸次拡開させるテーパ部が設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の過給機。
4. 前記ノズルベーンが前記ガス流路に対して全閉したときの最下流端位置から全開したときの最下流端位置までの間に、前記テーパ部が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の過給機。

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