JP5151884B2 - ターボチャージャ - Google Patents
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Description
ここで、特許文献1には、可変容量型のターボチャージャが開示されている。
タービンハウジングには排気ガスの流入口が設けられ、上記流入口から流入した排気ガスはタービンハウジング内のタービンスクロール流路に導入される。軸受けハウジングのタービンハウジング側には、上記タービンスクロール流路に導入される排気ガスをタービンインペラに導くとともに、その流量を可変とする可変ノズルユニット(排気ノズル)が設けられている。
ノズルリングとシュラウドリングとの間には、排気ガスの流量を調節するための複数のノズルベーンが環状に配置されている。ノズルベーンの両側面から突出するベーン軸(第1及び第2支持軸)がノズルリング及びシュラウドリングに形成された孔部にそれぞれ貫入しており、ノズルベーンはベーン軸を中心として回転自在に支持されている。
上記隙間があると、タービンスクロール流路内の排気ガスが隙間を通ってタービンハウジングの出口側に漏出してしまうことから、この隙間を塞ぐためにシュラウドリングの内周縁部からタービンハウジング側に延設された略円筒状を呈する延設部の外周面と、この延設部の外周面に対向するタービンハウジングの内周面との間にシール用Cリングが配置されている。上記Cリングは弾性体で形成されており、その弾性力によりタービンハウジングの熱変形に追従することができる。
そのため、本発明者らは、上記漏出の問題以外でタービン効率に影響を及ぼす要因について種々検討し試験を実施した。
本発明のターボチャージャは、タービンインペラを回転自在に支持する軸受けハウジングと、タービンインペラに排気ガスを供給するタービンスクロール流路が形成されたタービンハウジングと、タービンスクロール流路からタービンインペラに供給される排気ガスの流量を可変とする排気ノズルとを備え、排気ノズルは、タービンハウジング側に設けられる第1排気導入壁と第1排気導入壁に対向して設けられる第2排気導入壁との間に各々回転自在に設けられる複数のノズルベーンを有する可変容量型のターボチャージャにおいて、各ノズルベーンを第1排気導入壁に向けて付勢する付勢部を有するという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、各ノズルベーンは付勢部により第1排気導入壁に向けて付勢されるため、各ノズルベーンは第1排気導入壁側に移動し、各ノズルベーンと第1排気導入壁との間のクリアランスを減少させることができる。
このような構成を採用する本発明では、バネ部材は螺旋の軸方向で弾性力を生じ、この弾性力を用いて各ノズルベーンを第1排気導入壁に向けて付勢することができる。また、本発明では、排気ガスの熱によりタービンハウジング、第1排気導入壁及び第2排気導入壁が熱変形したとしても、付勢部におけるバネ部材が伸縮することにより上記熱変形を吸収することができる。
このような構成を採用する本発明では、各ノズルベーンが第1排気導入壁側に移動することで、第1鍔部が第1排気導入壁に形成された孔部を覆い閉鎖することができる。
このような構成を採用する本発明では、バネ部材の弾性力をリング部材を介して第2支持軸に伝えるために、複数の各ノズルベーンを均一に付勢することができる。
このような構成を採用する本発明では、バネ部材が振動等によって一時的にリング部材から離間する側へ移動したとしても、バネ部材がリング部材から脱落することを防ぐことができる。
このような構成を採用する本発明のターボチャージャでは、バネ部材が振動等によって一時的にリング部材の径方向外側へ移動したとしても、バネ部材がリング部材から脱落することを防ぐことができる。
本発明によれば、ノズルベーンを第1排気導入壁側に変位させることができることから、タービンハウジング出口における排気ガスの乱れを減少させタービン効率を向上させることができるという効果がある。
〔第1実施形態〕
本発明の第1の実施形態に係るターボチャージャを、図面を参照して説明する。
図1は、第1の実施形態に係るターボチャージャ1の全体構成を示す概略図、図2は、図1における可変ノズルユニット5周辺の拡大図、図3は、第1の実施形態における可変ノズルユニット5の構成要素であるノズルベーン53の斜視図、図4は、第1の実施形態における同期機構6の背面図、図5は、第1の実施形態におけるバネ部材71の概略図であり、(a)はバネ部材71の平面図、(b)は側面図である。なお、上記図面中の矢印Fは前方向を示す。
図1に示すように、本実施形態におけるターボチャージャ1は、不図示のエンジンから導かれる排気ガスのエネルギーを利用してエンジンに供給される空気を過給する可変容量型のターボチャージャである。
ターボチャージャ1は、軸受けハウジング2と、軸受けハウジング2の前側周縁部に締結ボルト2aにより接続されるタービンハウジング3と、軸受けハウジング2の後側周縁部に締結ボルト2bにより接続されるコンプレッサハウジング4とを備えている。
タービンスクロール流路31は、タービンインペラ23を囲んで略環状に形成され、排気ガスを導入するための不図示のガス流入口と連通している。また、タービンスクロール流路31は、可変ノズルユニット5内のノズル流路5Aと連通している。なお、上記ガス流入口は不図示のエンジンにおける排気口に接続されている。
タービンハウジング出口32は、タービンハウジング3の前側に開口しており、タービンインペラ23の設置箇所を介してノズル流路5Aと連通している。また、タービンハウジング出口32は、不図示の排気ガス浄化装置に接続されている。
さらに、コンプレッサハウジング4は、コンプレッサインペラ24の径方向外側で略環状に形成されるコンプレッサスクロール流路43を有しており、コンプレッサスクロール流路43は、ディフューザ流路42と連通している。なお、コンプレッサスクロール流路43は、不図示のエンジンにおける吸気口と連通している。
図2に示すように、可変ノズルユニット5は、タービンハウジング3側に設置されるシュラウドリング(第1排気導入壁)51と、シュラウドリング51に対向して軸受けハウジング2側に設置されるノズルリング(第2排気導入壁)52と、シュラウドリング51とノズルリング52との間に保持される複数のノズルベーン53とを有している。なお、ノズル流路5Aは、シュラウドリング51とノズルリング52との間に形成されている。
ノズルリング52の後側には、取付リング58が連結ピン57を介して一体的に設けられており、取付リング58の外周縁部は、タービンハウジング3と軸受けハウジング2とにより挟持されて支持されている。すなわち、ノズルリング52は、取付リング58を介して軸受けハウジング2及びタービンハウジング3に支持されている。
また、図3に示すように、各ノズルベーン53は、略矩形を呈する板状部材であり所定の一辺からその対辺に向かうに従って漸次厚みが減少するように形成されているノズルベーン本体54と、ノズルベーン本体54の上記一辺に直交する一側面から紙面上方に突出する第1ベーン軸(第1支持軸)55と、上記一側面に対向する側面から紙面下方に突出する第2ベーン軸(第2支持軸)56とを有している。
第1ベーン軸55は、シュラウドリング51の第1孔部51aに回転自在に貫入しており、第2ベーン軸56は、ノズルリング52の第2孔部52aに回転自在に貫通しノズルリング52の後側に突出している。
図1に示すように、可変ノズルユニット5の後側には、各ノズルベーン53を同期して回転させるための同期機構6が設けられている。
また、可動リング62の内周縁部には、同期用係合凹部62aの他に駆動用係合凹部62bが形成されている。駆動用伝達リンク64の一端部は駆動用係合凹部62bに係合し、他端部は駆動軸65に一体的に連結している。
なお、図1に示すように、駆動軸65の駆動用伝達リンク64と接続されている側に対する他端側には駆動レバー66が一体的に連結され、駆動レバー66には不図示のシリンダ等のアクチュエータが連結されている。
図2に示すように、同期機構6における同期用伝達リンク63にはノズルベーン53の第2ベーン軸56が貫通して一体的に接続されており、第2ベーン軸56の後側端面である軸端面56Bが軸受けハウジング2に対向している。
また、軸受けハウジング2の同期機構6に対向する面は溝部2cを有しており、溝部2cは、各々の軸端面56Bに対向する位置に形成され、タービン軸21の軸回りに環状を呈している。また、溝部2cは、前後方向と直交する垂直面を有している。
図2に示すように、バネ部材71は、その小径部においてリング部材72を介して第2ベーン軸56の軸端面56Bに設けられ、その大径部は溝部2cの上記垂直面に当接している。
なお、バネ部材71の前後方向での自然長(何ら負荷をかけない場合の長さ)は、軸端面56Bと溝部2cの上記垂直面との前後方向における間隔よりも長く形成され、バネ部材71は前後方向で圧縮された状態で軸端面56Bと溝部2cの上記垂直面との間に設けられている。
まず、ターボチャージャ1の排気ガスのエネルギーを利用してエンジンに供給される空気を過給する動作について説明する。
この時、エンジンの回転数、すなわち、ノズル流路5Aに導入される排気ガスの流量に応じて同期機構6及び不図示のアクチュエータの作動により各ノズルベーン53を回転させ、ノズル流路5Aの開口面積を変化させる。この開口面積の変化によりノズル流路5Aを通る排気ガスの流量は調節され、結果として低回転域から高回転域までの広い範囲に亘りエンジンの性能向上を図ることができる。
ノズル流路5Aを通った排気ガスは、タービンインペラ23の設置箇所に導入され、タービンインペラ23を回転させる。その後、排気ガスはタービンハウジング出口32より排出される。
コンプレッサインペラ24の回転により、吸気口41から導入された空気がディフューザ流路42に供給される。空気は、ディフューザ流路42を通ることで圧縮され昇圧される。昇圧された空気は、コンプレッサスクロール流路43を通ってエンジンの吸気口に供給される。結果として、エンジンに空気を過給し、エンジンの出力を向上させることができる。
以上で、ターボチャージャ1の過給動作は終了する。
バネ部材71は前後方向で圧縮された状態で軸端面56Bと溝部2cの前後方向と直交する垂直面との間に設けられている。そのため、バネ部材71がノズルベーン53の第2ベーン軸56をシュラウドリング51に向けて付勢しており、ノズルベーン53はシュラウドリング51側に移動する。結果として、ノズルベーン本体54とシュラウドリング51との間のクリアランスを減少させることができる。
さらに、ノズルベーン本体54と第1ベーン軸55との接続部には第1鍔部55Aが設けられており、ノズルベーン53の移動に伴い、第1鍔部55Aがシュラウドリング51に形成された孔部51aを覆い閉鎖する。結果として、隙間Sからノズル流路5Aへ孔部51aを通って排気ガスが漏出することを防止することができる。
本実施形態におけるバネ部材71は、長尺の板バネが巻回された形状を呈しているため、例えば皿状のバネ等に比べバネ定数を低くすることができる。したがって、熱劣化を生じる前においてもバネ部材71のノズルベーン53を付勢する力は大きくなりすぎることがなく、ノズルベーン53の滑らかな回転を維持することができる。
また、本実施形態におけるバネ部材71は、径方向外側と内側の板バネが互いに重なり合う形状となっていることから、バネのすくみ代を大きく取ることができる。そのため、自然長に熱劣化による変化分を加えても、バネ部材71をターボチャージャ1内の限られた空間内に設置することができる。
本発明者らは、本実施形態におけるターボチャージャ1及び従来型ターボチャージャについて、図6に示すようにタービンインペラ23の上流側と下流側との圧力の比が略同一となるようにした条件において、タービンハウジング出口32における径方向位置での排気ガスの速度分布を数値解析により求め、その結果を図7に示した。
本実施形態では、ノズルベーン53をシュラウドリング51側に変位させることができることから、タービンハウジング出口32における排気ガスの乱れを減少させタービン効率を向上させることができるという効果がある。
本発明の第2の実施形態に係るターボチャージャを、図面を参照して説明する。
図11は、第2の実施形態に係るターボチャージャ1Aにおける可変ノズルユニット5周辺の拡大図である。なお、この図において、図2に示す第1の実施形態の構成要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。
また、バネ部材71は、第2リング部材73を介して第2ベーン軸56の軸端面56Bに支持されており、振動等によってバネ部材71が第2リング部材73から前後方向で離間する側に移動した場合や、第2リング部材73の径方向内側へ移動した場合でも、バネ部材71が第2リング部材73から脱落することを防止することができる。
本実施形態では、ノズルベーン53をシュラウドリング51側に変位させることができることから、タービンハウジング出口32における排気ガスの乱れを減少させタービン効率を向上させることができるという効果がある。
Claims (3)
- タービンインペラを回転自在に支持する軸受けハウジングと、前記タービンインペラに排気ガスを供給するタービンスクロール流路が形成されたタービンハウジングと、前記タービンスクロール流路から前記タービンインペラに供給される前記排気ガスの流量を可変とする排気ノズルとを備え、前記排気ノズルは、前記タービンハウジング側に設けられる第1排気導入壁と前記第1排気導入壁に対向して設けられる第2排気導入壁との間に各々回転自在に設けられる複数のノズルベーンを有する可変容量型のターボチャージャにおいて、
前記各ノズルベーンを前記第1排気導入壁に向けて付勢する付勢部を有し、
前記付勢部は、長尺の板バネが所定の軸回りに縮径しつつ螺旋状に巻回された形状を呈するバネ部材を有しており、
前記各ノズルベーンは、前記第1排気導入壁に形成された厚さ方向で貫通する孔部に貫入して軸支される第1支持軸と、前記第1支持軸の前記第2排気導入壁側に前記孔部より大径の第1鍔部と、前記第2排気導入壁に貫通して軸支される第2支持軸とを有し、
前記バネ部材は、略円筒状のリング部材を介して前記第2支持軸の前記軸受けハウジング側に設けられることを特徴とするターボチャージャ。 - 前記バネ部材における前記板バネの幅が、前記リング部材における円筒部の軸方向の長さよりも短いことを特徴とする請求項1に記載のターボチャージャ。
- 前記リング部材は、前記バネ部材の軸方向と直交する第2鍔部を備え、前記バネ部材の前記タービンハウジング側の端部が前記第2鍔部に当接していることを特徴とする請求項2に記載のターボチャージャ。
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