JP5256977B2 - ターボチャージャ - Google Patents

Description

本発明は、エンジンから排出さ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ターボチャージャに関わり、特に可変容量型のターボチャージャに関する。

従来から、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可変容量型のターボチャージャが知られている。
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。

上記ターボチャージャは、タービン容量を増減させるための可変ノズルユニットを有している。可変ノズルユニットは、翼状に形成された複数のノズルベーンを有しており、排気ガスの流れに対する各ノズルベーンの向きを変化させることで、可変ノズルユニット内の排気ガスの流量を変化させ、ターボチャージャのタービン容量を増減させている。
また、ターボチャージャは、各ノズルベーンを同期して回転駆動させるための同期機構を有している。
同期機構は、各ノズルベーンを同期して回転駆動させるための駆動リングと、駆動リングに接続され駆動リングを回転させる駆動軸と、駆動軸を回転自在に保持する軸受と、駆動リングと接続された駆動軸の一端部に対する他端部に接続され駆動軸の軸方向と略直交する方向に延びる駆動レバーと、駆動レバーに接続され同期機構を作動させるためのシリンダ等のアクチュエータとを有している。
なお、駆動レバーは、駆動軸の軸方向と略直交する方向に延びるレバー本体と、駆動軸の軸方向に沿ってレバー本体から駆動軸と逆側に突出する第２駆動軸とを有しており、アクチュエータは第２駆動軸に接続されている。

アクチュエータの作動により、駆動レバー及び駆動軸が駆動軸の軸を中心として回転し、それに伴い駆動リングが回転する。駆動リングの回転により各ノズルベーンが同期して回転駆動し、可変ノズルユニット内の排気ガスの流量を変化させ、ターボチャージャのタービン容量を増減させる。
特開２００６−２９１４８号公報（第６頁、第１図）

ここで、特許文献１に示されるターボチャージャでは、第２駆動軸とアクチュエータとの接続部は、駆動軸の軸方向に関して軸受が駆動軸を保持する保持範囲の外に位置している。
すなわち、レバー本体と第２駆動軸とは略Ｌ字状を呈し、第２駆動軸はレバー本体の駆動軸と逆側に突出して接続されることから、第２駆動軸を介してアクチュエータをレバー本体に取り付ける作業においては一定の作業空間が必要となり、この作業空間の確保のためにターボチャージャを小型化することが難しいという問題があった。

また、上記構成においてアクチュエータを作動させると、駆動軸を軸受の内部で傾ける力が発生し、軸受内で駆動軸が傾き軸受の両端部が駆動軸を支持していた。そのため、駆動軸と軸受との間の隙間が大きくなる虞があり、該隙間が大きくなることで排気ガスが漏出する虞があった。また、駆動軸が軸受けの内部で傾きすぎると、軸受の両端部及びその部分と接する駆動軸に局所的な摩耗が発生する虞があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、ターボチャージャを小型化でき、駆動軸と軸受との間からの排気ガスの漏出並びに駆動軸及び軸受の局所的な摩耗を防止することができるターボチャージャを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明のターボチャージャは、回転により複数の翼を同期して駆動する駆動リングと、一方向に延びて駆動リングに接続され駆動リングを回転させる駆動軸と、駆動軸を回転自在に保持する軸受と、駆動軸の一端側に設けられ上記一方向と略直交する方向に延びてアクチュエータに接続される駆動レバーとを備えるターボチャージャであって、軸受は、前記駆動レバーに前記一方向で対向する対向面に向けてテーパが形成された円筒状を呈し、アクチュエータと駆動レバーとの接続部は、上記一方向に関して軸受が駆動軸を保持する保持範囲であって且つ前記テーパの形成範囲に位置して設けられ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、アクチュエータと駆動レバーとの接続部は駆動レバーの駆動軸側に設けられることから、アクチュエータを駆動レバーに取り付けるために必要な作業空間を縮小させることができる。また、本発明では、アクチュエータと駆動レバーとの接続部は上記一方向に関して軸受が駆動軸を保持する保持範囲に位置して設けられることから、アクチュエータの作動による駆動軸を軸受の内部で傾ける力は発生せず、軸受と駆動軸とが平行な状態を確保することができる。

また、本発明のターボチャージャは、駆動レバーが、上記一方向と略直交する方向に延びるレバー本体と、駆動軸の他端側に向け上記一方向に延びてアクチュエータと接続される第２駆動軸とを有し、駆動軸、レバー本体及び第２駆動軸が略コ字状に設けられ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、アクチュエータ等は従来と同様の構成を採用しつつ、第２駆動軸を介してアクチュエータをレバー本体に取り付けるために必要な作業空間を縮小させ、アクチュエータの作動による駆動軸を軸受の内部で傾ける力の発生を防ぐことができる。

本発明によれば、以下の効果を得ることができる。
本発明によれば、ターボチャージャを小型化でき、軸受と駆動軸との間からの排気ガスの漏出並びに軸受及び駆動軸の局所的な摩耗を防止することができるという効果がある。

以下、本発明の一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、本実施形態におけるターボチャージャ１の全体構成を示す概略図、図２は、本実施形態における同期機構６の背面図、図３は、本実施形態における駆動軸６５周辺の拡大図である。なお、上記図面中の矢印Ｆは前方向を示す。

まず、本実施形態におけるターボチャージャ１の全体構成を、図１を参照して説明する。
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。

軸受けハウジング２内には、前後方向で延びるタービン軸２１がベアリング２２を介して回転自在に支持されている。タービン軸２１の前端部にはタービンインペラ２３が一体的に連結され、後端部にはコンプレッサインペラ２４が一体的に連結されている。なお、タービンインペラ２３はタービンハウジング３内に設置され、コンプレッサインペラ２４はコンプレッサハウジング４内に設置されている。

タービンハウジング３内かつタービンインペラ２３の径方向外側には、略環状を呈する可変ノズルユニット５が設置されている。

タービンハウジング３は、タービンインペラ２３の径方向外側に設けられるタービンスクロール流路３１と、排気ガスの排気口であるタービンハウジング出口３２とを有している。
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。

コンプレッサハウジング４には、後側に開口し不図示のエアクリーナに接続される吸気口４１が形成されている。また、軸受けハウジング２とコンプレッサハウジング４との間には、空気を圧縮して昇圧するディフューザ流路４２が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ている。また、ディフューザ流路４２は、コンプレッサインペラ２４の設置箇所を介して吸気口４１と連通している。
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１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。

シュラウドリング５１は、略リング状に形成された板状部材の内周縁部に、タービンハウジング出口３２側に延出する略円筒状を呈する部材が接続された形状を呈している。また、シュラウドリング５１には、上記板状部材の厚さ方向で貫通する複数の第１孔部５１ａが形成されている。

ノズルリング５２は、略リング状に形成された板状部材であり、厚さ方向で貫通する複数の第２孔部５２ａが形成されている。

シュラウドリング５１及びノズルリング５２は、複数の連結ピン５７を介して所定の間隔を形成するように連結されている。なお、連結ピン５７は、シュラウドリング５１に貫入し、ノズルリング５２を貫通して後側に突出している。
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、軸受けハウジング２とタービンハウジング３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。

ノズルベーン５３は、シュラウドリング５１とノズルリング５２との間に周方向で等間隔に複数設けられており、タービンインペラ２３の回転軸と平行な軸回りに各々回転自在である。
また、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（翼）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前側に突出する第１ベーン軸５５と、上記一側面に対向する側面から後側に突出する第２ベーン軸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、タービンハウジング３とシュラウドリング５１との間には、タービンハウジング３が熱変形を起こした場合にシュラウドリング５１に対する相対移動を吸収するための隙間Ｓが形成されている。そして、隙間Ｓからの排気ガスの漏出を防止するために、シュラウドリング５１の上記円筒部の外周面とタービンハウジング３の内周面との間には２枚のＣリングからなるシール部Ｓ１が設けられている。

次に、本実施形態における各ノズルベーン５３を同期して回転させる同期機構６の構成を、図１ないし図３に基づいて説明する。
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。

同期機構６は、略リング状を呈しノズルリング５２の後側に複数の連結ピン５７を介して設けられるガイドリング６１と、ガイドリング６１の径方向外側に回転自在に設けられる駆動リング６２と、各ノズルベーン５３を同期して回転させる複数の同期用伝達リンク６３と、駆動リング６２を回転させる駆動用伝達リンク６４と、軸受けハウジング２の前側下部でタービン軸２１に平行な軸回りに軸受６６により回転自在に支持される駆動軸６５と、駆動軸６５の一端側に設けられる駆動レバー６７と、アクチュエータロッド６９を介して駆動レバー６７に設けられるシリンダ等のアクチュエータ７０とを有している。

図２に示すように、駆動リング６２の内周縁部には、各ノズルベーン５３と対応する位置に同期用係合凹部６２ａが形成されている。同期用伝達リンク６３の一端部は同期用係合凹部６２ａに係合し、他端部は各ノズルベーン５３の第２ベーン軸５６に一体的に連結されている。
また、駆動リング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。

図３に示すように、駆動軸６５は前後方向で延びる棒状部材であり、略円筒状を呈する軸受６６を介して前後方向で延びる軸回りに回転自在に軸受ハウジング２に設置されている。
駆動レバー６７は、前後方向と略直交する方向に延びる部材であるレバー本体６７Ａと、前後方向に沿って延びる部材である第２駆動軸６７Ｂとを有している。レバー本体６７Ａは、駆動用伝達リンク６４と連結している駆動軸６５の一端側に対する他端側に一体的に連結されている。第２駆動軸６７Ｂは、駆動軸６５と連結しているレバー本体６７Ａの一端側に対する他端側に設けられ、レバー本体６７Ａから駆動軸６５側に突出している。なお、駆動軸６５、レバー本体６７Ａ及び第２駆動軸６７Ｂは、略コ字状に設けられている。

アクチュエータロッド６９は、前後方向と直交する方向で延びる棒状部材であり、アクチュエータロッド６９と第２駆動軸６７Ｂの接続部Ｃは、前後方向に関して軸受６６が駆動軸６５を保持する保持範囲に位置している。

続いて、本実施形態におけるターボチャージャ１の動作を説明する。
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。

エンジンの排気口から排出された排気ガスは、タービンハウジング３のガス流入口を通ってタービンスクロール流路３１へ導入される。そして、排気ガスは、タービンスクロール流路３１からノズル流路５Ａに導入される。
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アクチュエータ７０及び同期機構６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。

タービンインペラ２３は、タービン軸２１を介してコンプレッサインペラ２４と連結されているため、タービンインペラ２３が回転することでコンプレッサインペラ２４が回転する。
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。

次に、レバー本体６７Ａに第２駆動軸６７Ｂを介してアクチュエータロッド６９を組み付ける作業の特徴について説明する。
図３に示すように、第２駆動軸６７Ｂは、レバー本体６７Ａの駆動軸６５側すなわち前側の面から突出して設けられているため、レバー本体６７Ａの前側周辺の作業空間は必要であるが、レバー本体６７Ａの後側周辺の作業空間は従来のターボチャージャに比べ縮小してよい。したがって、軸受ハウジング２を前後方向で縮小すること等が可能になり、ターボチャージャ１を小型化できる。

最後に、アクチュエータ７０の作動による駆動軸６５及び軸受６６に作用する力について、図４を参照して説明する。
図４は、アクチュエータ７０の作動による駆動軸６５及び軸受６６に作用する力について示した概略図であり、（ａ）は本実施形態における概略図、（ｂ）は従来の構成における概略図である。

図４（ａ）に示すように、アクチュエータ７０の作動により、第２駆動軸６７Ｂとアクチュエータロッド６９との接続部Ｃには紙面下向きの力が作用する。この力は、第２駆動軸６７Ｂ及びレバー本体６７Ａを介して駆動軸６５に作用するのであるが、力の作用線は軸受６６が駆動軸６５を保持する保持範囲内を通過し、かつ、上記力の作用線と軸受６６の軸とが直交しているため、アクチュエータ７０が作動しても駆動軸６５を軸受６６の内部で傾ける力は発生しない。

すなわち、アクチュエータ７０が作動しても駆動軸６５と軸受６６との位置関係は平行を維持し、軸受６６の内部における軸方向の全ての部分には駆動軸６５から紙面下向きの力が作用することになる。そのため、軸受６６が駆動軸６５から受ける圧力を低減させることができる。また、駆動軸６５と軸受６６との間の隙間を最小化することができる。
なお、図４（ａ）に示すように、アクチュエータ７０の作動による力の作用線は上記保持範囲における紙面右寄りであるため、軸受６６の紙面右端部に作用する力は紙面左端部に作用する力よりも大きいものとなる。

一方、図４（ｂ）に示すように、従来のターボチャージャにおいては、第２駆動軸６７Ｂとアクチュエータロッド６９との接続部Ｃ２は軸受６６が駆動軸６５を保持する保持範囲の外に位置していることから、アクチュエータ７０の作動により駆動軸６５を軸受６６の内部で紙面時計回りに傾ける力が発生する。
したがって、駆動軸６５は軸受６６の内部で紙面時計回りに傾き、軸受６６の両端部が駆動軸６５を支持することになる。結果として、従来のターボチャージャにおいては、排気ガスが駆動軸６５と軸受６６との間の隙間から漏出する虞や、駆動軸６５及び軸受６６に局所的な摩耗が発生する虞がある。

したがって、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。
本実施形態では、ターボチャージャ１を小型化でき、駆動軸６５と軸受６６との間からの排気ガスの漏出並びに駆動軸６５及び軸受６６の局所的な摩耗を防止することができるという効果がある。

なお、前述した実施の形態において示した動作手順、あるいは各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲においてプロセス条件や設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態では、同期機構６は複数の部材を有しているが、接続される複数の部材を単一の部材として構成してもよい。例えば、レバー本体６７Ａ及び第２駆動軸６７Ｂからなる駆動レバー６７を、単一の部材として構成してもよい。

本実施形態におけるターボチャージャ１の全体構成を示す概略図である。 本実施形態における同期機構６の背面図である。 本実施形態における駆動軸６５周辺の拡大図である。 アクチュエータ７０の作動による駆動軸６５及び軸受６６に作用する力について示した概略図である。

符号の説明

１…ターボチャージャ、５４…ノズルベーン本体（翼）、６２…駆動リング、６５…駆動軸、６６…軸受、６７…駆動レバー、６７Ａ…レバー本体、６７Ｂ…第２駆動軸、７０…アクチュエータ、Ｃ…接続部

Claims (2)

1. 回転により複数の翼を同期して駆動する駆動リングと、一方向に延びて前記駆動リングに接続され前記駆動リングを回転させる駆動軸と、前記駆動軸を回転自在に保持する軸受と、前記駆動軸の一端側に設けられ前記一方向と略直交する方向に延びてアクチュエータに接続される駆動レバーとを備えるターボチャージャであって、
   前記軸受は、前記駆動レバーに前記一方向で対向する対向面に向けてテーパが形成された円筒状を呈し、
   前記アクチュエータと前記駆動レバーとの接続部は、前記一方向に関して前記軸受が前記駆動軸を保持する保持範囲であって且つ前記テーパの形成範囲に位置して設けられることを特徴とするターボチャージャ。
2. 前記駆動レバーは、前記一方向と略直交する方向に延びるレバー本体と、前記駆動軸の他端側に向け前記一方向に延びて前記アクチュエータと接続される第２駆動軸とを有し、
   前記駆動軸、前記レバー本体及び前記第２駆動軸が略コ字状に設けられることを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャ。

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