JP5440390B2 - シール構造及び可変容量型過給機 - Google Patents

Description

本発明は、可変容量型過給機における可変ノズルユニット側からハウジング側への排気ガス等のガスのリークを抑制するためのシール構造等に関する。

一般的な車両用の可変容量型過給機は、ハウジング（ベアリングハウジング）の側方に回転可能に配設されかつ排気ガス（ガスの一例）の圧力エネルギーを利用して回転力を発生させるタービンインペラと、タービンインペラの入口側（排気ガスの流れ方向から見て上流側）に配設されかつタービンインペラ側に供給される排気ガスの流路面積を可変する可変ノズルユニットとを備えている。また、近年、可変容量型過給機の性能向上を図るために種々の開発がなされており、その一環として、本願の出願人も、可変ノズルユニット側からハウジング側への排気ガスのリークを抑制するためのシール構造について開発して出願し、その出願内容も公開されている（特許文献１参照）。そして、その先行技術に係るシール構造について簡単に説明すると、次のようになる。

ハウジング（ベアリングハウジング）の一側面には、環状の被嵌合部が形成されており、ハウジングの一側面における被嵌合部の径方向外側には、環状の段差部が形成されている。また、ハウジングの一側面には、タービンインペラ側からの熱を遮蔽する環状の遮熱板が嵌合して設けられており、遮熱板の一側面（表面）の外縁には、可変ノズルユニットの一部に接触可能な環状の接触部が形成されている。更に、遮熱板の他側面（裏面）には、ハウジングの被嵌合部に嵌合可能な環状の嵌合部が形成されており、遮熱板の外縁には、ハウジングの段差部に整合可能なフランジ部が形成されている。そして、ハウジングの段差部と遮熱板のフランジ部との間には、弾性力によって遮熱板を可変ノズルユニット側へ押圧する波ワッシャが設けられており、波ワッシャは、円周方向に波状に構成されている。

従って、波ワッシャの弾性力によって遮熱板を可変ノズルユニット側へ押圧することにより、遮熱板の接触部と可変ノズルユニットの一部との間をシールすることができる。これにより、可変ノズルユニット側からハウジング側への排気ガスのリークを抑制して、可変容量型過給機のタービン効率等の性能の向上を図ることができる。

特開２００５−４２５８８号公報

ところで、前述のように、遮熱板を可変ノズルユニット側へ押圧することにより遮熱板の接触部と可変ノズルユニットの一部との間を気密にシールして、可変ノズルユニット側からハウジング側への排気ガスのリークを抑制することができるものの、シール構造の構成要素に波ワッシャを用いているために、波ワッシャとハウジングの段差部との間、波ワッシャと遮熱板のフランジ部との間の隙間を完全になくすことができない。そのため、可変ノズルユニット側からハウジング側への排気ガスのリークを高いレベルで抑制することができず、シール構造について更なる改善が望まれていた。

そこで、本発明は、前述の問題を解決することができる、新規な構成のシール構造等を提供することを目的とする。

本発明の第１の特徴は、ハウジングの側方に回転可能に配設されかつガスの圧力エネルギーを利用して回転力を発生させるタービンインペラと、前記タービンインペラの入口側（ガスの流れ方向から見て上流側）に配設されかつ前記タービンインペラ側に供給される排気ガスの流路面積を可変する可変ノズルユニットとを備えた可変容量型過給機に用いられ、前記可変ノズルユニット側から前記ハウジング側へのガスのリークを抑制するためのシール構造において、前記ハウジングの一側面に被嵌合部が形成され、前記ハウジングの一側面における前記被嵌合部の径方向外側に被テーパ嵌合部が形成され、前記ハウジングの一側面に前記タービンインペラ側からの熱を遮蔽する環状の遮熱板が嵌合して設けられ、前記遮熱板が前記ハウジングの材料よりも線膨張係数の大きい材料から構成され、前記遮熱板の一側面（表面）の外縁に前記可変ノズルユニットの一部に接触可能（圧接可能）な環状の接触部が形成され、前記遮熱板の他側面（裏面）に前記ハウジングの前記被嵌合部に嵌合可能な嵌合部が形成され、前記遮熱板の他側面における前記嵌合部よりも径方向外側に前記ハウジングの前記被テーパ嵌合部にテーパ嵌合可能なテーパ嵌合部が形成され、前記可変容量型過給機の運転時における前記遮熱板と前記ハウジングの熱膨張差により前記ハウジングの前記被テーパ嵌合部と前記遮熱板の前記テーパ嵌合部との間に発生する力の分力によって、前記遮熱板を前記可変ノズルユニット側へ押圧するようになっていることを要旨とする。

第１の特徴によると、前記可変容量型過給機の運転時における前記遮熱板と前記ハウジングの熱膨張差により前記ハウジングの前記被テーパ嵌合部と前記遮熱板の前記テーパ嵌合部との間に発生する力の分力によって、前記遮熱板を前記可変ノズルユニット側へ押圧することにより、前記遮熱板の前記接触部と前記可変ノズルユニットの前記一部との間をシールすることができる。

要するに、前記ハウジングの一側面における前記被嵌合部の径方向外側に前記被嵌合部が形成され、前記遮熱板の他側面における前記嵌合部よりも径方向外側に前記ハウジングの前記被テーパ嵌合部にテーパ嵌合可能な前記テーパ嵌合部が形成され、前記可変容量型過給機の運転時における前記遮熱板と前記ハウジングの熱膨張差により前記ハウジングの前記被テーパ嵌合部と前記遮熱板の前記テーパ嵌合部との間に発生する力の分力によって、前記遮熱板を前記可変ノズルユニット側へ押圧するようになっているため、波ワッシャを用いることなく、前記遮熱板の前記接触部と前記可変ノズルユニットの前記一部との間をシールすることができる。

本発明の第２の特徴は、エンジンからの排気ガスのエネルギーを利用して、前記エンジン側に供給される空気を過給する可変容量型過給機において、第１の特徴からなるシール構造を備えたことを要旨とする。

第２の特徴によると、第１の特徴による作用と同様の作用を奏する。

本発明によれば、前記波ワッシャを用いることなく、前記遮熱板の前記接触部と前記可変ノズルユニットの前記一部との間をシールすることができるため、前記可変ノズルユニット側から前記ハウジング側へのガスのリークを高いレベルで抑制することができ、前記可変容量型過給機の性能をより一層向上させることができる。

また、同じ理由により、前記シール構造の部品点数を減らして、前記シール構造の構成の簡略化を図ることができる。

図３における矢視部Ｉの拡大断面図である。 図２（ａ）は、車両用の可変容量型過給機の運転前におけるシール構造の要部を示す拡大断面図であって、図２（ｂ）は、車両用の可変容量型過給機の運転時におけるシール構造の要部を示す拡大断面図である。 図４における矢視部IIIを示す拡大断面図である。 本発明の実施形態に係る車両用の可変容量型過給機を示す断面図である。

本発明の実施形態に係る車両用の可変容量型過給機ついて図１から図３を参照して説明する。なお、図面中、「ＦＦ」は、前方向を指し、「ＦＲ」は、後方向を指してある。

図４に示すように、本発明の実施形態に係る車両用の可変容量型過給機１は、エンジン（図示省略）からの排気ガス（ガスの一例）のエネルギーを利用して、エンジン側に供給される空気を過給（圧縮）するものである。そして、可変容量型過給機１の具体的な構成等は、以下のようになる。

可変容量型過給機１は、ベアリングハウジング３を具備しており、ベアリングハウジング３は、鋳鉄から構成されている。また、ベアリングハウジング３内には、ラジアルベアリング５及び一対のスラストベアリング７が設けられており、複数のベアリング５，７には、前後方向へ延びたロータ軸（タービン軸）９が回転可能に設けられている。換言すれば、ベアリングハウジング３には、ロータ軸９が複数のベアリング５，７を介して回転可能に設けられている。

ベアリングハウジング３の後側には、コンプレッサハウジング１１が設けられており、ベアリングハウジング３の後側方には、コンプレッサインペラ１３が回転可能に配設されており、コンプレッサインペラ１３は、遠心力を利用して空気を圧縮するものであって、コンプレッサハウジング１１内に位置している。そして、コンプレッサインペラ１３の構成要素について説明すると、次のようになる。

ベアリングハウジング３の後側方（換言すれば、コンプレッサハウジング１１内）には、コンプレッサホイール１５が設けられており、コンプレッサホイール１５は、ロータ軸９の後端部に固定ナット１７を介して一体的に連結してあって、コンプレッサインペラ１３の軸心（換言すれば、ロータ軸９の軸心）Ｃ周りに回転可能である。また、コンプレッサホイール１５の外周面は、コンプレッサインペラ１３（コンプレッサホイール１５）の軸方向から径方向外側に向かって延びている。更に、コンプレッサホイール１５の外周面には、複数枚のコンプレッサブレード１９が周方向に間隔を置いて設けられている。

コンプレッサハウジング１１におけるコンプレッサインペラ１３の入口側（空気の流れ方向から見て上流側）には、空気を取入れる空気取入口２１が形成されており、空気取入口２１は、接続管（図示省略）を介してエアクリーナー（図示省略）に接続可能である。また、ベアリングハウジング３とコンプレッサハウジング１１との間におけるコンプレッサインペラ１３の出口側（空気の流れ方向から見てコンプレッサインペラ１３の下流側）には、圧縮された空気を昇圧する環状のディフューザ流路２３が形成されており、ディフューザ流路２３は、空気取入口２１に連通してある。更に、コンプレッサハウジング１１の内部には、コンプレッサスクロール流路２５がコンプレッサインペラ１３を囲むように形成されており、コンプレッサスクロール流路２５は、ディフューザ流路２３に連通してある。そして、コンプレッサハウジング１１の適宜位置には、圧縮された空気を排出する空気排出口（図示省略）が形成されており、空気排出口は、コンプレッサスクロール流路２５に連通してあって、エンジンの給気マニホールド（図示省略）に接続可能である。

図３及び図４に示すように、ベアリングハウジング３の前側には、タービンハウジング２７が設けられており、ベアリングハウジング３の前側方には、タービンインペラ２９が回転可能に配設されており、タービンインペラ２９は、排気ガスの圧力エネルギーを利用して回転力（回転トルク）を発生させるものであって、タービンハウジング２７内に位置している。そして、タービンインペラ２９の構成要素について説明すると、次のようになる。

タービンハウジング２７内（換言すれば、ベアリングハウジング３の前側方）には、タービンホイール３１が設けられており、タービンホイール３１は、ロータ軸９の前端部に一体的に連結してあって、タービンインペラ２９の軸心（換言すれば、ロータ軸９の軸心）Ｃ周りに回転可能である。また、タービンホイール３１の外周面は、タービンインペラ２９の軸方向から径方向外側に向かって延びている。更に、タービンホイール３１の外周面には、複数枚のタービンブレード３３が周方向に間隔を置いて設けられている。

タービンハウジング２７内におけるタービンインペラ２９の入口側（排気ガスの流れ方向から見て上流側）には、タービンインペラ２９側に供給される排気ガスの流路面積を可変する可変ノズルユニット３５が配設されている。そして、可変ノズルユニット３５の具体的な構成要素について説明すると、次のようになる。

タービンハウジング２７内におけるタービンインペラ２９の入口側には、支持リングとしてのノズルリング３７が取付リング３９を介して設けられており、ノズルリング３７には、シュラウドリング４１が複数（１つのみ図示）の連結ピン４３を介して一体的かつ前後に離隔して設けられている。また、ノズルリング３７とシュラウドリング４１との間には、複数枚の可変ノズル４５が周方向に間隔を置いて配設されており、各可変ノズル４５は、タービンインペラ２９の軸心Ｃに平行な軸心周りに回転可能（揺動可能）であって、複数枚の可変ノズル４５のノズル軸４７は、特開２００９−２４３４３１号公報又は特開２００９−２４３３００号公報に示すような同期機構４９によって連動連結してある。

なお、ベアリングハウジング３の前側下部には、伝動軸５１が揺動可能（回動可能）に設けられており、伝動軸５１の後端部は、複数枚の可変ノズル４５を同期して揺動させるシリンダ等のアクチュエータ（図示省略）に接続レバー５３を介して接続（連動連結）してあって、伝動軸５１の前端部は、同期機構４９に接続してある。

タービンハウジング２７の適宜位置には、排気ガスを取入れるガス取入口（図示省略）が形成されており、ガス取入口は、エンジンの排気マニホールド（図示省略）に接続可能である。また、タービンハウジング２７の内部には、タービンスクロール流路５５がタービンインペラ２９を囲むように形成されており、タービンスクロール流路５５は、ガス取入口に連通してある。更に、タービンハウジング２７におけるタービンインペラ２９の出口側（排気ガスの流れ方向から見て下流側）には、排気ガスを排出するガス排出口５７が形成されており、ガス排出口５７は、タービンスクロール流路５５に連通してあって、接続管（図示省略）を介して排気ガス浄化装置（図示省略）に接続可能である。

可変容量型過給機１は、可変ノズルユニット３５側からベアリングハウジング３側への排気ガス（ガスの一例）のリークを抑制するためのシール構造５９を具備しており、シール構造５９の具体的な構成は、次のようになる。

図１及び図３に示すように、ベアリングハウジング３の前側面（一側面）には、環状の被嵌合部（被嵌合凸部）６１が形成されており、ベアリングハウジング３の前側面における被嵌合部６１の径方向内側には、環状のサブ被嵌合部６３が形成されている。また、ベアリングハウジング３の前側面における被嵌合部６１の径方向外側には、被テーパ嵌合部６５が形成されている。

ベアリングハウジング３の前側面には、タービンインペラ２９側からの熱を遮蔽する環状の遮熱板６７が嵌合して設けられており、遮熱板６７は、ステンレス鋼（ベアリングハウジング３の材料よりも線膨張係数の大きい材料の一例）から構成されている。また、遮熱板６７の前側面（表面）の外縁には、ノズルリング３７の内周縁部３７ａに接触可能（圧接可能）な環状の接触部（接触面）６９が形成されており、遮熱板６７の接触部６９は、ノズルリング３７に嵌合するようになっている。更に、遮熱板６７の後側面（裏面）には、ベアリングハウジング３の被嵌合部６１に嵌合可能な環状の嵌合部（嵌合凹部）７１が形成されており、遮熱板６７の内周縁部６７ａは、ベアリングハウジング３のサブ被嵌合部６３に嵌合するようになっている。そして、遮熱板６７の裏側面における嵌合部７１よりも径方向外側には、ベアリングハウジング３の被テーパ嵌合部６５にテーパ嵌合可能（嵌合可能）なテーパ嵌合部７３が形成されている。ここで、図２（ａ）に示すように、可変容量型過給機１の運転前（換言すれば、タービンハウジング２７内を常温状態にした時）にあっては、ベアリングハウジング３の被テーパ嵌合部６５と遮熱板６７のテーパ嵌合部７３の間には微小な隙間が形成されている。

ここで、図２（ｂ）に示すように、可変容量型過給機１の運転時（換言すれば、タービンハウジング２７内を高温状態にした時）における遮熱板６７とベアリングハウジング３の熱膨張差によりベアリングハウジング３の被テーパ嵌合部６５と遮熱板６７のテーパ嵌合部７３の間の微小な隙間が消滅して、ベアリングハウジング３の被テーパ嵌合部６５と遮熱板６７のテーパ嵌合部７３との間に力Ｆが発生するようになっている。換言すれば、ベアリングハウジング３の被テーパ嵌合部６５から遮熱板６７のテーパ嵌合部７３に力Ｆが働くようになっている。そして、シール構造５９にあっては、ベアリングハウジング３の被テーパ嵌合部６５と遮熱板６７のテーパ嵌合部７３との間に発生する力Ｆの分力Ｆａによって、遮熱板６７をノズルリング３７側（可変ノズルユニット３５側）へ押圧するようになっている。

続いて、本発明の実施形態の作用及び効果について説明する。

(i) 実施形態の通常の作用
ガス取入口から取入れた排気ガスをタービンスクロール流路５５を経由してタービンインペラ２９の入口側から出口側（排気ガスの流れ方向から見て上流側から下流側）へ流通させることにより、排気ガスの圧力エネルギーを利用して回転力（回転トルク）を発生させて、ロータ軸９及びコンプレッサインペラ１３をタービンインペラ２９と一体的に回転させることができる。これにより、空気取入口２１から取入れた空気を圧縮して、ディフューザ流路２３及びコンプレッサスクロール流路２５を経由して空気排出口から排出することができ、エンジンに供給される空気を過給することができる。

ここで、排気ガスの流量が少ない場合（換言すれば、エンジン回転数が低速域にある場合）には、アクチュエータによって複数枚の可変ノズル４５を絞る方向（閉じる方向）へ同期して回転させることにより、タービンインペラ２９側に供給される排気ガスの流路面積（可変ノズル４５のスロート面積）を小さくして、排気ガスの流速を高くして、タービンインペラ２９の仕事量を十分に確保する。一方、排気ガスの流量が多い場合（換言すれば、エンジン回転数が高速域にある場合）には、アクチュエータによって複数枚の可変ノズル４５を開く方向へ同期して回転させることにより、可変ノズル４５のスロート面積を大きくして、タービンインペラ２９側に多くの排気ガスを供給する。これにより、排気ガスの流量の多少に関係なく、タービンインペラ２９によって回転力を十分かつ安定的に発生させることができる。

(ii) 実施形態の特有の作用
可変容量型過給機１の運転時における遮熱板６７とベアリングハウジング３の熱膨張差によりベアリングハウジング３の被テーパ嵌合部６５と遮熱板６７のテーパ嵌合部７３との間に発生する力Ｆによって、遮熱板６７をノズルリング３７側へ押圧することにより、遮熱板６７の接触部６９とノズルリング３７との間をシールすることができる。

要するに、ベアリングハウジング３の前側面における被嵌合部６１の径方向外側に被テーパ嵌合部６５が形成され、遮熱板６７の後側面における嵌合部７１よりも径方向外側にベアリングハウジング３の被テーパ嵌合部６５にテーパ嵌合可能なテーパ嵌合部７３が形成され、可変容量型過給機１の運転時における遮熱板６７とベアリングハウジング３の熱膨張差によりベアリングハウジング３の被テーパ嵌合部６５と遮熱板６７のテーパ嵌合部７３との間に発生する力Ｆの分力Ｆａによって、遮熱板６７をノズルリング３７側へ押圧するようになっているため、波ワッシャを用いることなく、遮熱板６７の接触部６９とノズルリング３７の内周縁部３７ａとの間をシールすることができる。

(iii) 実施形態の効果
従って、本発明の実施形態によれば、波ワッシャを用いることなく、遮熱板６７の接触部６９とノズルリング３７の内周縁部３７ａとの間をシールすることができるため、可変ノズルユニット３５側からベアリングハウジング３側への排気ガスのリークを高いレベルで抑制することができ、可変容量型過給機１の性能をより一層向上させることができる。

また、同じ理由により、シール構造５９の部品点数を減らして、シール構造５９の構成の簡略化を図ることができる。

なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限られるものではなく、種々の態様で実施可能である。また、本発明に包含される権利範囲は、これらの実施形態に限定されないものである。

１ 車両用の可変容量型過給機
３ ベアリングハウジング
５ ラジアルベアリング
７ スラストベアリング
９ ロータ軸
１１ コンプレッサハウジング
１３ コンプレッサインペラ
２７ タービンハウジング
２９ タービンインペラ
３５ 可変ノズルユニット
３７ ノズルリング
３７ａ ノズルリングの内周縁部
４１ シュラウドリング
４５ 可変ノズル
４７ ノズル軸
５９ シール構造
６１ 被嵌合部
６３ サブ被嵌合部
６５ 被テーパ嵌合部
６７ 遮熱板
６７ａ 内周縁部
６９ 接触部
７１ 嵌合部
７３ テーパ嵌合部

Claims (4)

1. ハウジングの側方に回転可能に配設されかつガスの圧力エネルギーを利用して回転力を発生させるタービンインペラと、前記タービンインペラの入口側に配設されかつ前記タービンインペラ側に供給される排気ガスの流路面積を可変する可変ノズルユニットとを備えた可変容量型過給機に用いられ、前記可変ノズルユニット側から前記ハウジング側へのガスのリークを抑制するためのシール構造において、
   前記ハウジングの一側面に被嵌合部が形成され、前記ハウジングの一側面における前記被嵌合部の径方向外側に被テーパ嵌合部が形成され、
   前記ハウジングの一側面に前記タービンインペラ側からの熱を遮蔽する環状の遮熱板が嵌合して設けられ、前記遮熱板が前記ハウジングの材料よりも線膨張係数の大きい材料から構成され、前記遮熱板の一側面の外縁に前記可変ノズルユニットの一部に接触可能な環状の接触部が形成され、前記遮熱板の他側面に前記ハウジングの前記被嵌合部に嵌合可能な嵌合部が形成され、前記遮熱板の他側面における前記嵌合部よりも径方向外側に前記ハウジングの前記被テーパ嵌合部にテーパ嵌合可能なテーパ嵌合部が形成され、
   前記可変容量型過給機の運転時における前記遮熱板と前記ハウジングの熱膨張差により前記ハウジングの前記被テーパ嵌合部と前記遮熱板の前記テーパ嵌合部との間に発生する力の分力によって、前記遮熱板を前記可変ノズルユニット側へ押圧するようになっていることを特徴とするシール構造。
2. 前記ハウジングの一側面における前記被嵌合部の径方向内側にサブ被嵌合部が形成され、
   前記遮熱板の内周縁部が前記ハウジングの前記サブ被嵌合部に嵌合するようになっていることを特徴とする請求項１に記載のシール構造。
3. 前記可変ノズルユニットの前記一部は、前記可変ノズルユニットにおける支持リングの内周縁部であって、前記遮熱板の前記接触部が前記支持リングに嵌合するようになっていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のシール構造。
4. エンジンからの排気ガスのエネルギーを利用して、前記エンジン側に供給される空気を過給する可変容量型過給機において、
   請求項１から請求項３のうちのいずれかの請求項に記載のシール構造を備えたことを特徴とする可変容量型過給機。

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