JP5939052B2

JP5939052B2 - 過給機

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Publication number: JP5939052B2
Application number: JP2012142661A
Authority: JP
Inventors: 村山　友一; 友一村山
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2012-06-26
Filing date: 2012-06-26
Publication date: 2016-06-22
Anticipated expiration: 2032-06-26
Also published as: CN104321511B; WO2014002809A1; US9574456B2; DE112013003239T5; JP2014005789A; US20150044033A1; DE112013003239B4; CN104321511A

Description

本発明は、タービンハウジングに対する排気ガスの流通孔を開閉するバルブを備える過給機に関する。

従来、一端にタービンインペラが設けられ他端にコンプレッサインペラが設けられたタービン軸が、ベアリングハウジングに回転自在に保持された過給機が知られている。こうした過給機をエンジンに接続し、エンジンから排出される排気ガスによってタービンインペラを回転させるとともに、このタービンインペラの回転によって、タービン軸を介してコンプレッサインペラを回転させる。こうして、過給機は、コンプレッサインペラの回転に伴い空気を圧縮してエンジンに過給する。

例えば、特許文献１に記載の過給機では、タービンハウジングに導かれた排気ガスの一部を、タービンインペラに通じるタービンスクロール流路を通さずに、タービンインペラの下流にバイパスさせるためのウェイストゲートバルブが備えられている。このウェイストゲートバルブは、タービンハウジングに配された軸受によって軸支されたステムと、ステムが挿通される挿通孔を有する取付板と、取付板に取り付けられた弁体で構成される。

ウェイストゲートバルブは、上記ステムの回転に伴い、タービンハウジングのバイパス流路の流通孔が設けられたシート面に、弁体の当接面が当接して閉弁する。そのため、寸法誤差などによって、弁体の当接面がシート面に対し傾いて当接すると、完全に閉弁することができない。そこで、バルブと取付板との間にクリアランスを設け、取付板に対するバルブの傾斜角に可動域を持たせ、誤差の影響を吸収している。具体的には、弁体における当接面との逆側から突出した突出部が、取付板に設けられた貫通孔に挿通され、弁体と取付板との間にクリアランスを残した状態で、突出部のうち挿通孔から突出する部分をナットで固定している。この場合、弁体の当接面がシート面に対し傾いて当接しても、弁体の当接面がシート面に平行になるように傾きが可変される。

特開平１１−０４４２１９号公報

特許文献１に記載のウェイストゲートバルブでは、開弁時において、エンジンの排気脈動によって弁体、取付板、および、ナットが接触と離間を繰り返して、振動や騒音が生じてしまう。

このように、タービンハウジングに対する排気ガスの流通孔を開閉するバルブは、弁体と取付板との間にクリアランスを設け、取付板に対するバルブの傾斜角に可動域を持たせると、振動や騒音の要因となる。そのため、振動や騒音を生じることなく、閉弁時にシート面の孔を確実に閉塞することが可能な構造の開発が望まれている。

本発明の目的は、開弁時において振動や騒音を生じることなく、閉弁時においてタービンハウジングに対する排気ガスの流通孔を確実に閉塞することが可能となる過給機を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明の過給機は、タービンインペラが収容されるタービンハウジングと、前記タービンハウジングに排気ガスが流入、または、該タービンハウジングから排気ガスが流出する流通孔を開閉する開閉機構と、を備えた過給機であって、前記開閉機構は、前記流通孔が開口するシート面に接触して前記流通孔を閉じる閉位置、もしくは、前記シート面から離間して前記流通孔を開放する開位置に変位するバルブと、一端側が前記バルブに固定され、他端側に、前記タービンハウジングに回転自在に支持されたステムが挿通される挿通孔、および、該挿通孔に連通し該ステムの外周面の一部を露出させる露出孔が形成された取付板と、を備え、前記挿通孔は、前記ステムの挿通方向に向かって径が小さくなり、前記ステムは、前記挿通孔への挿通方向先端に向かって径が細くなるテーパ部を有することを特徴とする。

前記バルブが前記閉位置にあるとき、前記タービンハウジングに支持された前記ステムの回転軸は、前記挿通孔の中心よりも、前記露出孔側に位置してもよい。

前記ステムの回転軸は、前記挿通孔の中心よりも前記シート面から離間していてもよい。

本発明によれば、開弁時において振動や騒音を生じることなく、閉弁時においてタービンハウジングに対する排気ガスの流通孔を確実に閉塞することが可能となる。

過給機の概略断面図である。タービンハウジングの外観斜視図である。開閉機構を説明するための説明図である。図３のＩＶ‐ＩＶ線断面におけるステム近傍の部分拡大図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、過給機Ｃの概略断面図である。以下では、図１に示す矢印Ｆ方向を過給機Ｃの前側とし、矢印Ｒ方向を過給機Ｃの後側として説明する。図１に示すように、過給機Ｃは、過給機本体１を備えて構成される。この過給機本体１は、ベアリングハウジング２と、ベアリングハウジング２の前側に締結ボルト３によって連結されるタービンハウジング４と、ベアリングハウジング２の後側に締結ボルト５によって連結されるコンプレッサハウジング６と、が一体化されて形成されている。

ベアリングハウジング２には、過給機Ｃの前後方向に貫通する軸受孔２ａが形成されており、この軸受孔２ａにタービン軸７が回転自在に軸支されている。タービン軸７の前端部（一端）にはタービンインペラ８が一体的に固定されており、このタービンインペラ８がタービンハウジング４内に回転自在に収容されている。また、タービン軸７の後端部（他端）にはコンプレッサインペラ９が一体的に固定されており、このコンプレッサインペラ９がコンプレッサハウジング６内に回転自在に収容されている。

コンプレッサハウジング６には、過給機Ｃの後側に開口するとともに不図示のエアクリーナに接続される吸気口１０が形成されている。また、締結ボルト５によってベアリングハウジング２とコンプレッサハウジング６とが連結された状態では、これら両ハウジング２、６の対向面によって、空気を圧縮して昇圧するディフューザ流路１１が形成される。このディフューザ流路１１は、タービン軸７（コンプレッサインペラ９）の径方向内側から外側に向けて環状に形成されており、上記の径方向内側において、コンプレッサインペラ９を介して吸気口１０に連通している。

また、コンプレッサハウジング６には、ディフューザ流路１１よりもタービン軸７（コンプレッサインペラ９）の径方向外側に位置する環状のコンプレッサスクロール流路１２が設けられている。コンプレッサスクロール流路１２は、不図示のエンジンの吸気口と連通するとともに、ディフューザ流路１１にも連通している。したがって、コンプレッサインペラ９が回転すると、吸気口１０からコンプレッサハウジング６内に流体が吸気されるとともに、当該吸気された流体は、ディフューザ流路１１およびコンプレッサスクロール流路１２で昇圧されてエンジンの吸気口に導かれることとなる。

タービンハウジング４には、過給機Ｃの前側に開口するとともに不図示の排気ガス浄化装置に接続される吐出口１３が形成されている。また、タービンハウジング４には、流路１４と、この流路１４よりもタービン軸７（タービンインペラ８）の径方向外側に位置する環状のタービンスクロール流路１５とが設けられている。タービンスクロール流路１５は、不図示のエンジンの排気マニホールドから排出される排気ガスが導かれるガス流入口と連通するとともに、上記の流路１４にも連通している。したがって、ガス流入口からタービンスクロール流路１５に導かれた排気ガスは、流路１４およびタービンインペラ８を介して吐出口１３に導かれるとともに、その流通過程においてタービンインペラ８を回転させることとなる。そして、上記のタービンインペラ８の回転力は、タービン軸７を介してコンプレッサインペラ９に伝達されることとなり、コンプレッサインペラ９の回転力によって、上記のとおりに、流体が昇圧されてエンジンの吸気口に導かれることとなる。

図２は、タービンハウジング４の外観斜視図である。図２に示すように、タービンハウジング４には、ガス流入口１６とタービンスクロール流路１５（図２中、破線で示す）とを結ぶ流路を形成する壁に、吐出口１３と同一方向に開口する流通孔４ａが設けられており、この流通孔４ａを介して、ガス流入口１６から流入した流体（排気ガス）の一部がタービンインペラ８の下流にバイパス（流出）可能となっている。

開閉機構は、不図示のアクチュエータの動作に応じ、この流通孔４ａを開閉することで、バイパスする排気ガスの流量を調整する。

図３は、開閉機構２０を説明するための説明図である。図３に示すように、開閉機構２０は、バルブ２１と、ステム２２と、取付板２３とで構成される。

バルブ２１は、流通孔４ａの開口部分の径よりも外径の大きい弁体である。流通孔４ａ（図２参照）が開口するタービンハウジング４のシート面４ｂは、タービンハウジング４のうち、吐出口１３側の端面に対し窪んだ窪み４ｃの底面に設けられており、バルブ２１は、この窪み４ｃに収容される。

窪み４ｃおよび吐出口１３が開口するタービンハウジング４の端面（タービンハウジング４におけるベアリングハウジング２に対向する面と反対側の端面）のうち、窪み４ｃを境にして吐出口１３とは反対側の壁４ｄには、吐出口１３や流通孔４ａの中心線に直交する方向に貫通する貫通孔が設けられている。ステム２２は、壁４ｄの貫通孔に嵌入された軸受２４に回転自在に支持される。

取付板２３は、一端２３ａ側がバルブ２１に固定される。また、取付板２３の他端２３ｂ側には、壁４ｄの貫通孔の延長方向に貫通する挿通孔２３ｃが設けられている。かかる挿通孔２３ｃにステム２２が挿通される。

また、取付板２３の他端２３ｂ側には、挿通孔２３ｃに連通し、当該取付板２３を、挿通孔２３ｃの径方向に貫通する露出孔２３ｄが形成されている。露出孔２３ｄは、挿通孔２３ｃにステム２２が挿通されているとき、ステム２２の外周面の一部を露出させる。そして、露出孔２３ｄから露出したステム２２の外周面と取付板２３とが溶接される。

リンク板２５は、一端側が不図示のアクチュエータのロッドに回転自在に連結され、他端側がステム２２に固定されている。そのため、アクチュエータのロッドが、図中、矢印ａの向きに作動すると、リンク板２５を介してステム２２が矢印ｂの向きに回転し、取付板２３およびバルブ２１が、ステム２２の軸心を中心に回転する。

また、アクチュエータのロッドが矢印ａの逆方向に作動すると、ステム２２、取付板２３、および、バルブ２１も、ステム２２の軸心を中心に矢印ｂの逆方向に回転する。

こうして、バルブ２１は、アクチュエータに連動し、シート面４ｂに接触して、流通孔４ａを閉じる閉位置、もしくは、シート面４ｂから離間して流通孔４ａを開放する開位置に変位する。

しかし、寸法誤差などによって、バルブ２１のシート面４ｂとの当接面がシート面４ｂに対し傾いて当接すると、バルブ２１を閉位置にしようとしても、流通孔４ａを完全に閉弁することができない。そこで、バルブと取付板との間にクリアランスを設け、取付板に対するバルブの傾斜角に可動域を持たせ、誤差の影響を吸収する構成が従来用いられている。しかし、開弁時において、エンジンの排気脈動によって過給機本体１が振動すると、バルブや取付板などが接触と離間を繰り返して、振動や騒音が生じてしまう。

そこで、本実施形態においては、バルブ２１と取付板２３の間を完全に固定する。具体的に、バルブ２１と取付板２３は、例えば、鋳造などで一体成型される。

そして、バルブ２１の当接面をシート面４ｂに当接（面接触）させた状態で、ステム２２と取付板２３とを溶接する際、寸法誤差などによるずれを修正する。以下、ステム２２と取付板２３の形状、および、その溶接工程について詳述する。

本実施形態のステム２２はテーパ部２２ａを有する。上述した図２では、ステム２２が壁４ｄの貫通孔に固定された軸受２４に挿通され、バルブ２１および取付板２３が取り除かれた状態を示しており、ステム２２のテーパ部２２ａの形状が視認できる。

図２に示すように、テーパ部２２ａは、挿通孔２３ｃへの挿通方向の先端に向かって径が細くなる部位である。また、テーパ部２２ａは、ステム２２の回転軸に垂直な断面形状が円形であって、軸受２４よりも窪み４ｃ側に突出している。

ここでは、テーパ部２２ａが回転軸に垂直な断面形状が円である場合について説明したが、テーパ部２２ａは、回転軸に垂直な断面形状が、円に対して周方向に欠けた部位のある、例えば、半円であってもよい。

図４は、図３のＩＶ‐ＩＶ線断面におけるステム２２近傍の部分拡大図である。図４（ａ）に示すように、取付板２３の挿通孔２３ｃも、ステム２２のテーパ部２２ａと同じ傾斜角のテーパ形状となっている。換言すれば、挿通孔２３ｃは、ステム２２の挿通方向（図４中、左方向）に向かって径が小さくなる。

そのため、ステム２２の径の中心線（ステム２２の回転軸）と、挿通孔２３ｃの径の中心線（挿通孔２３ｃの中心）とが同一直線上に位置する場合、ステム２２を挿通孔２３ｃに挿通していくと、ステム２２のテーパ部２２ａの外周面と挿通孔２３ｃの内周面とが、周方向に亘って面接触したところで停止する。

しかし、バルブ２１、ステム２２、シート面４ｂ、挿通孔２３ｃ、タービンハウジング４の壁４ｄの貫通孔の寸法や加工位置等、いずれかの部位に寸法誤差がある場合、バルブ２１の当接面をシート面４ｂに面接触させた状態では、ステム２２の回転軸と、挿通孔２３ｃの中心は同一直線上に位置しない。

図４において、窪み４ｃの底面４ｅと同一面上に、シート面４ｂが形成されている。寸法誤差が生じた場合、この底面４ｅ（シート面４ｂ）からの、図４中、上下方向の距離にずれが生じる。すなわち、挿通孔２３ｃの中心が、ステム２２の回転軸よりも底面４ｅから離間しているか、または、ステム２２の回転軸よりも底面４ｅの近くに位置する。

この場合、ステム２２を挿通孔２３ｃに挿通していくと、図４（ｂ）、（ｃ）に示すように、ステム２２のテーパ部２２ａの外周面の一部が、挿通孔２３ｃの内周面の一部と接触したところで停止する。

具体的に、ステム２２の回転軸が、挿通孔２３ｃの中心よりも底面４ｅ（シート面４ｂ）から離間している場合、図４（ｂ）に示すように、挿通孔２３ｃの内周面のうち、図４中、上側の部位が、ステム２２のテーパ部２２ａの外周面のうち、図４中、上側の部位と接触して停止する。

また、ステム２２の回転軸が、挿通孔２３ｃの中心よりも底面４ｅ（シート面４ｂ）側に位置している場合、図４（ｃ）に示すように、挿通孔２３ｃの内周面のうち、図４中、下側の部位が、ステム２２のテーパ部２２ａの外周面のうち、図４中、下側の部位と接触して停止する。

このように、ステム２２のテーパ部２２ａの外周面の一部が、挿通孔２３ｃの内周面の一部と接触した状態で、上記のように、露出孔２３ｄから露出したステム２２の外周面と取付板２３を溶接する。

上述したように、本実施形態では、ステム２２にテーパ部２２ａを設け、挿通孔２３ｃもテーパ形状としているため、予め、バルブ２１の当接面をシート面４ｂに面接触させた状態で、挿通孔２３ｃにステム２２を挿通させ、寸法誤差などのずれを修正してステム２２と取付板２３を溶接できる。こうして、過給機Ｃは、バルブ２１と取付板２３との間にクリアランスを設け、取付板２３に対するバルブ２１の傾斜角に可動域を持たせずとも、シート面４ｂをバルブ２１で確実に閉塞することが可能となる。このように、バルブ２１の傾斜角に可動域を設ける必要がなく、バルブ２１と取付板２３とを一体化することができるため、排気脈動等に起因する振動や騒音が生じることもない。

また、上記の図４（ｂ）、（ｃ）を比較すると、図４（ｂ）の方が図４（ｃ）よりも、ステム２２が露出孔２３ｄに近接している。そのため、露出孔２３ｄを介した溶接処理が容易となり、また、溶接の精度を向上することができる。

したがって、溶接処理の容易さや溶接精度を考慮した場合には、バルブ２１の当接面をシート面４ｂに面接触させた状態で、タービンハウジング４に支持されたステム２２の回転軸が、挿通孔２３ｃの中心よりも、露出孔２３ｄ側に位置するように設計するとよい。換言すれば、ステム２２の回転軸が、挿通孔２３ｃの中心よりも底面４ｅ（シート面４ｂ）から離間した位置になるように、予めオフセットして設計するとよい。

このようにすれば、加工誤差によるばらつきがあっても、図４（ｃ）よりも、図４（ｂ）の状態となり易く、上記の溶接工程を容易に遂行し、かつ、溶接精度を向上することが可能となる。

上述した実施形態では、タービンハウジング４から排気ガスが流出する流通孔４ａを開閉する開閉機構２０について説明したが、開閉機構が開閉する流通孔は、タービンハウジング４に排気ガスが流入する孔であってもよい。

具体的には、例えば、過給機が、ツインスクロール型過給機である場合、開閉機構は、一方のタービンスクロール流路に流入する排気ガスと、他方のタービンスクロール流路に流入する排気ガスとの流量を調整するものであってもよい。

また、エンジンの排気マニホールドに低圧段と高圧段の過給機が直列に接続される直列型の多段式過給機や、エンジンの排気マニホールドに複数の過給機が並列に接続される並列型の多段式過給機を構成する、１つの過給機の場合、当該過給機のタービンハウジングに流入する排気ガスの流量を調整する開閉機構に適用してもよい。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、タービンハウジングに対する排気ガスの流通孔を開閉するバルブを備える過給機に利用することができる。

Ｃ …過給機
４ …タービンハウジング
４ａ …流通孔
４ｂ …シート面
２０ …開閉機構
２１ …バルブ
２２ …ステム
２２ａ …テーパ部
２３ …取付板
２３ａ …一端
２３ｂ …他端
２３ｃ …挿通孔
２３ｄ …露出孔

Claims

タービンインペラが収容されるタービンハウジングと、
前記タービンハウジングに排気ガスが流入、または、該タービンハウジングから排気ガスが流出する流通孔を開閉する開閉機構と、
を備えた過給機であって、
前記開閉機構は、
前記流通孔が開口するシート面に接触して前記流通孔を閉じる閉位置、もしくは、前記シート面から離間して前記流通孔を開放する開位置に変位するバルブと、
一端側が前記バルブに固定され、他端側に、前記タービンハウジングに回転自在に支持されたステムが挿通される挿通孔、および、該挿通孔に連通し該ステムの外周面の一部を露出させる露出孔が形成された取付板と、を備え、
前記挿通孔は、前記ステムの挿通方向に向かって径が小さくなり、
前記ステムは、前記挿通孔への挿通方向先端に向かって径が細くなるテーパ部を有することを特徴とする過給機。
前記バルブが前記閉位置にあるとき、前記タービンハウジングに支持された前記ステムの回転軸は、前記挿通孔の中心よりも、前記露出孔側に位置することを特徴とする請求項１に記載の過給機。
前記ステムの回転軸は、前記挿通孔の中心よりも前記シート面から離間していることを特徴とする請求項２に記載の過給機。