JP5050788B2

JP5050788B2 - 過給機

Info

Publication number: JP5050788B2
Application number: JP2007289639A
Authority: JP
Inventors: 国彰飯塚; 伸郎武井
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2007-11-07
Filing date: 2007-11-07
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2027-11-07
Also published as: JP2009114986A

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。このような可変容量装置は、例えばタービンのシュラウドに揺動可能に支持される駆動リング及び該駆動リングに回動可能に設けられる複数のノズルベーンを備えている。

ところで、シュラウド及び駆動リングの摺動箇所には磨耗が生じるが、この磨耗は接触面の面圧を抑えることによって抑止できる。そこで、駆動リングを断面視略Ｌ字状とすることで駆動リング及びシュラウドの摺動箇所の面積を増大させ、接触面の面圧を抑えた可変容量装置がある（例えば、特許文献１参照）。
（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−２７９５１号公報

しかしながら、一般に駆動リングはプレス加工によって製造されるため、Ｌ字状に加工するのが困難となり、摺動箇所の面積を増大させることが難しい。特に駆動リングの外径が大きくなるとより加工が困難となる。これに対し、切削加工を用いて駆動リングを製造することも考えられるがコスト面において不利となってしまう。また、Ｌ字をプレス加工に制約が生じない程度まで小さくすることも考えられるが、この場合シュラウドの中心軸方向に対して駆動リングにガタツキを生じる可能性がある。

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、特に外径の大きな駆動リングを備える場合において、摺動箇所における磨耗が低減されつつ低コスト化が実現可能な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、を備えた過給機において、前記可変容量装置は、前記タービンインペラを周方向に囲む環状のシュラウドに揺動可能に支持されるとともに外部の駆動装置の動力を前記ノズルベーンに伝達する駆動リングを有し、該駆動リングは、前記シュラウドの径方向に沿って延在する立ち上がり部と、該立ち上がり部に連結されて前記シュラウドの中心軸方向に沿って延在するとともに該シュラウドに対して摺動可能に当接される摺動部と、を有し、前記シュラウドは、前記摺動部の前記中心軸方向への移動を規制する当接部を有することを特徴とする。

本発明の過給機によれば、摺動部の長さを小さくした場合でも、当接部が摺動部のストッパーとして機能することでシュラウドの中心軸方向に対する駆動リングのガタツキを低減できる。このように摺動部のガタツキが防止されることで、摺動部の長さをプレス加工の制約を受けない長さに抑えることが可能となり、外径の大きい駆動リングであってもプレス加工により歩留まり良く且つ低コストで製造できる。また、駆動リングが断面視Ｌ字状に構成されるため、従来の平板形状からなる平板状駆動リングに比べて磨耗を低減できる。したがって、外径の大きな駆動リングを備える過給機においても、摺動箇所における磨耗を低減しつつ、低コスト化を実現することができる。

また、上記過給機においては、前記当接部が、前記摺動部に対して前記中心軸方向から当接されるとともに前記シュラウドの径方向に突設される突設部であり、該突設部の高さが前記摺動部の高さよりも高いのが好ましい。

また、上記過給機においては、前記駆動リングはプレス加工により成型されるのが好ましい。

本発明によれば、以下の効果を得ることができる。
外径の大きな駆動リングを備える過給機において、摺動箇所における磨耗を低減しつつ、低コスト化を実現することができる。

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。なお、後述する実施形態は一例であり、本発明はこれ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適宜変更可能であることはもちろんである。

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、自動車用ディーゼルエンジン）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、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を囲む環状のシュラウド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（環状ガス流路）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。

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に導入するとともに、タービンインペラ５を駆動した後の排気ガスを上記排気ガス出口１１から排出す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、この軸受部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される。

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、タービン２のシュラウド１２の円周方向に揺動可能に設けられる駆動リング３３と、該駆動リング３３に揺動可能に設けられる複数のノズルベーン３１と、各ノズルベーン３１を開閉するためのアクチュエータ５３と、該アクチュエータ５３の駆動力を上記駆動リング３３に伝達するリンク機構３２とを備えている。

ノズルベーン３１は、上記タービンインペラ５を囲んでタービンインペラ５の軸線を中心に環状ガス流路１０内に等角度に配列されている。具体的には、ノズルベーン保持軸３１ａがシュラウド１２を貫通した状態に設けられており、これによりノズルベーン３１が環状ガス流路１０における排気ガス入口８に所定の間隔で配列される。

可変容量装置３０は、アクチュエータ５３の駆動力を後述するリンク機構３２により伝達することで上記ノズルベーン３１を開閉してディーゼルエンジンＥから送り込まれる排気ガスの流速調整が可能となっている。

上記アクチュエータ５３は、図２に示されるように駆動リンク５１及びアーム５２を介して駆動リング３３を回転可能とする。具体的には、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に上記アクチュエータ５３が接続されている。

リンク機構３２は上述したようにアクチュエータ５３の駆動力をノズルベーン３１に対して伝達するものである。このリンク機構３２としては、駆動リング３３のタービンインペラ５側に回動可能に設けられるスライドジョイント３４と、該スライドジョイント３４に対して摺動可能とされてノズルベーン３１を保持するリンク部材３５と、駆動リング３３を揺動させることで間接的にアクチュエータ５３の駆動力をノズルベーン３１に伝達する上記駆動用ジョイント５５、駆動リンク５１、及びアーム５２とを含む。

このようなリンク機構３２により、アクチュエータ５３は駆動リング３３を円周方向に揺動させて図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を揺動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。

ここで、図面を参照しながら駆動リング３３及びこの周辺構造について説明する。図３は駆動リング３３及びこの周辺構造の拡大図である。なお、図３中におけるＸ軸方向は上記タービンインペラ５、コンプレッサインペラ６、シュラウド１２の中心軸方向に対応し、同図中Ｙ軸方向は上記タービンインペラ５、コンプレッサインペラ６を連結させるシャフト７、及びシュラウド１２の径方向に対応する。

図３に示されるように、本実施形態に係る駆動リング３３は、シュラウド１２の径方向（図３中Ｙ軸方向）に延在する立ち上がり部３３ａと該立ち上がり部３３ａに連結されてシュラウド１２の中心軸方向（図３中Ｘ軸方向）に延在するとともにシュラウド１２の外周面に摺動可能に当接される摺動部３３ｂとを有している。本実施形態では、駆動リング３３は、断面視略Ｌ字状に構成されている。

ところで、本実施形態に係る過給機１は、上述したように自動車用ディーゼルエンジンに組み合わせて用いられることから駆動リング３３として外径の大きなものが用いられる。

駆動リング３３は、例えば１枚の板状部材をプレス加工することで製造される。本実施形態のように外径が大きい駆動リング３３をプレス加工する場合、加工上の制約から摺動部３３ｂを長く製造することが困難となり、歩留まりが低下する虞があった。

そこで、本実施形態においては、上記摺動部３３ｂのシュラウド１２の中心軸方向の長さをプレス加工の制約を受けない長さに設定している。これにより、外径の大きな駆動リング３３をプレス加工により歩留まり良く製造することが可能となっている。

また、シュラウド１２の外周部には、摺動部３３ｂに対して当接可能とされる当接部６０が設けられている。この当接部６０は摺動部３３ｂに対してシュラウド１２の中心軸方向から当接されるとともにシュラウド１２の径方向に突設される突設部である。そして、シュラウド１２の径方向において、当接部６０の高さが摺動部３３ｂの高さよりも高く設定される。この構成により、駆動リング３３（摺動部３３ｂ）の端面が当接部６０を乗り越えるおそれが無くなって駆動リング３３のガタツキが良好に防止されたものとなる。

このように本実施形態によれば、容易且つ歩留まり良くプレス加工ができる長さの摺動部３３ｂを製造し、当接部６０により駆動リング３３とシュラウド１２に生じる隙間を補う構成としている。

ここで、可変容量装置３０の構成をさらに詳しく説明する。
図４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３６ａ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。

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における排気ガス入口８に所定の間隔で配置される。

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。

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。このとき、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量を適宜調整して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５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５中Ａ方向に回転する。駆動リング３３が図５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５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５に示したアクチュエータ５３を伸び方向（図５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５中Ｂ方向に回転する。駆動リング３３が図５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５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。

このように可変容量装置３０の駆動時には、駆動リング３３がシュラウド１２の外周面を摺動して回動する。これにより、駆動リング３３及びシュラウド１２の摺動面に磨耗が生じるものの、上述したように本実施形態に係る駆動リング３３は断面視略Ｌ字状から構成されているので、従来の平板状駆動リングに対して摺動面の面圧を低下させることで摺磨耗を低減できる。

また、本実施形態に係る駆動リング３３は、従来の断面視Ｌ字状のリングに対して摺動部の長さ（Ｌ字部の高さ）を小さくした場合でも、当接部６０が摺動部のストッパーとして機能することでシュラウド１２の中心軸方向に対する駆動リング３３のガタツキを低減できる。このように摺動部３３ｂのガタツキが防止されることで、摺動部３３ｂの長さをプレス加工の制約を受けない長さに抑えることが可能となり、上述したように外径の大きい駆動リング３３であってもプレス加工により歩留まり良く且つ低コストで製造できる。
したがって、外径の大きな駆動リング３３を備えた過給機１であっても磨耗を低減しつつ低コスト化を実現できる。

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。駆動リング及びこの周辺構造を示す図である。可変容量装置の分解斜視図である。可変容量装置の動作を説明するための図である。

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、３０…可変容量装置、３１…ノズルベーン、３３…駆動リング、３３ａ…立ち上がり部、３３ｂ…摺動部、６０…当接部、Ｅ…ディーゼルエンジン（内燃機関）

Claims

内燃機関から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、を備えた過給機において、
前記可変容量装置は、前記タービンインペラを周方向に囲む環状のシュラウドに揺動可能に支持されるとともに外部の駆動装置の動力を前記ノズルベーンに伝達する駆動リングを有し、
該駆動リングは、前記シュラウドの径方向に沿って延在する立ち上がり部と、該立ち上がり部に連結されて前記シュラウドの中心軸方向に沿って延在するとともに該シュラウドに対して摺動可能に当接される摺動部と、を有し、
前記シュラウドは、前記摺動部の前記中心軸方向への移動を規制する当接部を有し、
前記当接部が、前記摺動部に対して前記中心軸方向から当接されるとともに前記シュラウドの径方向に突設される突設部であり、該突設部の高さが前記摺動部の高さよりも高いことを特徴とする過給機。
前記駆動リングはプレス加工により成型されることを特徴とする請求項１に記載の過給機。