JP5939424B2 - 可変容量型過給機 - Google Patents

Description

本発明は、タービンインペラに供給する排気ガスの流量を可変とする可変ノズルを備えた可変容量型過給機に関する。

従来、排気ガス流量を可変とする可変ノズルを備えた可変容量型過給機としては、例えば下記特許文献１に記載されたものが知られている。この可変容量型過給機は、可変ノズルが、タービンハウジング内の軸方向一方側の内壁部を形成するシュラウドリングと、シュラウドリングに対向する位置にあって軸方向他方側の内壁部を形成するノズルリングとの間に位置してこれら各リングに回動可能に支持されている。

そして、上記した可変ノズルを回動させるアクチュエータを外部に配置して、該アクチュエータの駆動力を可変ノズルに伝達するための駆動機構を、ノズルリングのベアリングハウジング側に配置している。

このようなシュラウドリング、ノズルリング、可変ノズル及び駆動機構等を有する可変ノズルユニットは、ノズルリングの外周側のベアリングハウジング側に連結してある取付リングが、タービンハウジングとベアリングハウジングとの間に挟持されることで、取り付けられている。

特開２００９−２４３４３１号公報

ところで、上記した従来の可変容量型過給機では、運転時に可変ノズルユニットのシュラウドリングが、外周側から流入する排気ガスの熱により特に外周側が加熱されて高温化し、半径方向や周方向に沿って温度分布が発生して熱変形する。この熱変形によって、シュラウドリングとノズルリングとの互いに対向する面の平行度が低下してこれら対向する面相互の間隔が局所的に狭くなる。

そのため、通常では可変ノズルの幅（軸方向の長さ）が、可変容量型過給機の運転中におけるノズルリングとシュラウドリングとの上記した対向する面相互間の最小間隔よりも大きくなるように、ノズルサイドクリアランスを大きめに設定して、複数の可変ノズルの回動動作の安定性を充分に確保している。

一方、ノズルサイドクリアランスを大きめに設定すると、ノズルサイドクリアランスからの排気ガスの漏れが増大して、タービン効率を高いレベルまで向上させることが困難になる。つまり、複数の可変ノズルの回動動作の安定性を充分確保した上で、タービン効率を高いレベルまで向上させることが困難であるという問題がある。

そこで、本発明は、シュラウドリングの熱変形を抑えることで、可変ノズルの回動動作の安定性を充分確保しつつタービン効率を高いレベルまで向上させることを目的としている。

本発明は、タービンインペラを回転可能に収容したタービンハウジングと、前記タービンインペラを回転可能に支持するベアリングハウジングとの間に、前記タービンインペラに供給する排気ガス流量を可変とする可変ノズルユニットを配置した可変容量型過給機であって、前記可変ノズルユニットは、前記ベアリングハウジング側のノズルリングと、前記ノズルリングに対し軸方向に対向する位置にあって前記タービンインペラを覆うシュラウドリングと、前記ノズルリングと前記シュラウドリングとの間に位置してこれら各リングに対して回動可能に支持される複数の可変ノズルと、前記ベアリングハウジング側に設けられて前記可変ノズルを回動させる駆動機構とを備え、前記シュラウドリングと前記タービンハウジングとの軸方向に対向する対向面同士を接触させる接触面を設けるとともに、タービンハウジング側から挿入して前記シュラウドリングと前記タービンハウジングとを締結固定するボルトを設け、前記ボルトの周囲に前記接触面が形成され、前記タービンハウジングは、前記シュラウドリングを締結固定する内壁部に軸方向に凹む嵌合凹部を備え、前記シュラウドリングは、前記嵌合凹部に嵌合する嵌合突起を備え、前記嵌合凹部に前記嵌合突起が嵌め込まれた状態で前記ボルトが締結固定されており、前記ボルトが締結固定された状態で、前記嵌合凹部の底面と前記嵌合突起の先端面との間に隙間が形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、可変容量型過給機の運転中においてタービンハウジングとシュラウドリングとの間の熱の授受が、ボルト周囲の接触面を介して効率よくなされるので、シュラウドリングは、排気ガスにより外周側が高温に加熱されたとしても、全体の温度分布が低減して熱変形を抑制できる。シュラウドリングの熱変形を抑えることで、ノズルサイドクリアランスを大きめに設定する必要がなく、ノズルサイドクリアランスからの排気ガスの漏れが減少して、タービン効率を高いレベルまで向上させることが可能になる。つまり、複数の可変ノズルの回動動作の安定性を充分確保した上で、タービン効率を高いレベルまで向上させることができる。

本発明の一実施形態に係わる可変容量型過給機のタービンハウジング側の一部を示す拡大した断面図である。 タービンハウジングのシュラウドリングに対向する部分の図１の右側面図である。 複数の取付ピンとガイドリングとストッパとの関係を示す分解斜視図である。 図１のＡ−Ａ線に沿った左側面図である。 図１のＢ−Ｂ線に沿った右側図である。 本発明の一実施形態に係る可変容量型過給機の全体構成を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。なお、図面に示すとおり、「Ｒ」は、右方向、「Ｌ」は、左方向である。

図６に示すように、本発明の一実施形態に係る可変容量型過給機１は、エンジン（図示省略）からの排気ガスのエネルギを利用して、エンジンに供給される空気を過給（圧縮）する。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、軸方向（図６中で左右方向）ほぼ中央にベアリングハウジング３を備えており、ベアリングハウジング３内には、ラジアルベアリング５及びスラストベアリング７を設けている。また、複数のベアリング５，７には、左右方向へ延びたロータ軸（タービン軸）９を回転可能に設けており、換言すれば、ベアリングハウジング３には、ロータ軸９を複数のベアリング５，７を介して回転可能に設けてある。

ベアリングハウジング３の右側には、コンプレッサハウジング１１を設けてあり、このコンプレッサハウジング１１内には、遠心力を利用して空気を圧縮するコンプレッサインペラ１３を、その軸心（換言すれば、ロータ軸９の軸心）Ｃ周りに回転可能に設けている。また、コンプレッサインペラ１３は、ロータ軸９の右端部に一体的に連結されたコンプレッサホイール（コンプレッサディスク）１５と、このコンプレッサホイール１５の外周面に周方向に等間隔に設けられた数枚のコンプレッサブレード１７とを備えている。

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（コンプレッサハウジング１１の右側部）には、空気を取入れる空気取入口１９を形成してあり、この空気取入口１９は、空気を浄化するエアクリーナ（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２１を形成してあり、このディフューザ流路２１は、空気取入口１９に連通している。

さらに、コンプレッサハウジング１１の内部には、渦巻き状のコンプレッサスクロール流路２３を形成してあり、このコンプレッサスクロール流路２３は、ディフューザ流路２１に連通している。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２５を形成してあり、この空気排出口２５は、コンプレッサスクロール流路２３に連通してあって、エンジンの吸気マニホールド（図示省略）に接続可能である。

図１及び図６に示すように、ベアリングハウジング３の左側には、タービンハウジング２７を設けてあり、このタービンハウジング２７内には、排気ガスの圧力エネルギを利用して回転力（回転トルク）を発生させるタービンインペラ２９を、軸心（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周りに回転可能に設けている。このタービンインペラ２９は、ロータ軸９の左端部に一体的に設けたタービンホイール（タービンディスク）３１と、このタービンホイール３１の外周面に周方向に等間隔に設けてある複数のタービンブレード３３とを備えている。

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３５を形成してあり、このガス取入口３５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、渦巻き状のタービンスクロール流路３７を形成してあり、このタービンスクロール流路３７は、ガス取入口３５に連通してある。

さらに、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（タービンハウジング２７の左側部）には、排気ガスを排出するガス排出口３９を形成してある。このガス排出口３９は、タービンスクロール流路３７に連通してあって、排気ガスを浄化する排気ガス浄化装置（図示省略）に接続可能である。

可変容量型過給機１は、タービンインペラ２９側へ供給される排気ガスの流路面積（流量）を可変とする可変ノズルユニット４１を装備してあり、この可変ノズルユニット４１の構成の詳細は、次のようになる。

図１に示すように、タービンハウジング２７内には、シュラウドリング４３を、取付ボルト４５を複数（１つのみ図示）締結固定して取り付けてある。このシュラウドリング４３は、複数のタービンブレード３３の外縁（先端縁）を覆うように配置してあり、後述する可変ノズル５５の周辺であって、コンプレッサインペラ２９の上流側の排気流路４４のベアリングハウジング３側の内壁部を構成している。

上記シュラウドリング４３を装着する部分のタービンハウジング２７の内壁部には、軸心Ｃを中心とした環状の軸方向に凹込む凹所２７ａを形成してある。この凹所２７ａに、シュラウドリング４３を挿入した状態で前記した取付ボルト４５により締結固定している。凹所２７ａの底面２７ｂは、シュラウドリング４３に対して軸方向に対向するタービンハウジング２７側の対向面を構成している。一方、凹所２７ａの底面２７ｂに対して軸方向に対向するシュラウドリング４３の側面４３ａは、シュラウドリング４３側の対向面を構成している。

シュラウドリング４３は、ベアリングハウジング３と反対側の内周縁部に、タービンハウジング２７のガス排出口３９側に突出する環状の嵌合突起４３ｂを形成している。この嵌合突起４３ｂに対応してタービンハウジング２７には、嵌合突起４３ｂが嵌入される環状の嵌合凹部（段部）２７ｃを形成している。

嵌合凹部２７ｃの軸方向の長さ（深さ）は、嵌合突起４３ｂの軸方向の高さ（長さ）より長く、したがって嵌合凹部２７ｃの底面２７ｃ１と嵌合突起４３ｂの先端面４３ｂ１との間に隙間Ｓが形成される。また、嵌合突起４３ｂの外周面４３ｂ２と嵌合凹部２７ｃの内周面２７ｃ２とはほぼ密着した状態であり、これら相互間にはほとんど隙間がない状態である。つまり、シュラウドリング４３をタービンハウジング２７の凹所２７ａに挿入したときに、嵌合突起４３ｂが嵌合凹部（段部）２７ｃに嵌合する。

また、タービンハウジング２７の底面２７ｂには、図２にも示すように、取付ボルト４５が挿入されるボルト挿入孔２７ｄを軸方向に貫通して設けてある。そして、このボルト挿入孔２７ｄに整合する位置のシュラウドリング４３には、取付ボルト４５が螺合するねじ孔４３ｃを設けている。

さらに、上記したタービンハウジング２７の底面２７ｂにおける周方向複数の取付ボルト４５相互間には、周方向に沿って長い逃げ孔２７ｅを形成している。この逃げ孔２７ｅは、図１に示す後述する連結ピン５１の左端部の、シュラウドリング４３の側面４３ａから突出するカシメ部５１ａを避けるためのものである。

したがって、シュラウドリング４３をタービンハウジング２７の凹所２７ａに挿入しつつ嵌合突起４３ｂを嵌合凹部２７ｃに嵌合して位置決めした状態で、取付ボルト４５を締結固定すると、シュラウドリング４３の側面４３ａと凹所２７ａの底面２７ｂとは、図２に示すようにボルト挿入孔２７ｄ及び逃げ孔２７ｅを除く領域（接触面４６ａ及び環状接触面４６ｂ）が互いに接触して密着する。

ここで、接触面４６ａは、取付ボルト４５の周囲に形成された領域であり、環状接触面４６ｂは、接触面４６ａの径方向内側に位置してタービンインペラ２９の軸心を中心として環状に形成された領域である。なお、接触面４６ａと環状接触面４６ｂとは同一平面上にあって互いに連続している。

上記した接触面４６ａは、シュラウドリング４３とタービンハウジング２７との軸方向に対向する対向面同士を接触させる接触面を構成している。

このような接触面４６ａ及び環状接触面４６ｂを構成する凹所２７ａの底面２７ｂ及びシュラウドリング４３の側面４３ａは、いずれも機械加工によって平滑に形成している。

シュラウドリング４３の左右方向（タービンインペラ２９の軸方向）に離隔対向した位置には、ノズルリング４９を、複数の連結ピン５１を介してシュラウドリング４３と一体的かつ同心状に設けている。このノズルリング４９は、前記した排気流路４４のベアリングハウジング３側にあって、シュラウドリング４３に対して軸方向に対向する内壁部を構成している。

また、シュラウドリング４３には、複数の支持穴４７を円周方向等間隔に形成してあり、一方ノズルリング４９には、複数の支持穴５３を上記複数の支持穴４７に整合する位置に円周方向に等間隔に形成している。なお、複数の連結ピン５１は、シュラウドリング４３とノズルリング４９との軸方向に沿う互いの対向面との間隔を設定する機能を有している。

シュラウドリング４３とノズルリング４９との間には、複数の可変ノズル５５を円周方向等間隔に配置している。この各可変ノズル５５の右側面（タービンインペラ２９の軸方向一方側の側面）には、ノズル軸５７を一体形成しており、各ノズル軸５７は、ノズルリング４９の対応する支持穴５３に回動可能に支持されている。さら、各可変ノズル５５の左側面（タービンインペラ２９の軸方向他方側の側面）には、別のノズル軸５９を一体形成しており、各別のノズル軸５９は、ノズルリング４９の対応する支持穴４７に回動可能に支持されている。なお、各可変ノズル５５は、ノズル軸５７と別のノズル軸５９を備えた両持ちタイプであるが、別のノズル軸５９を省略して片持ちタイプにしても構わない。

そして、各可変ノズル５５は、タービンインペラ２９の軸心Ｃに平行な上記したノズル軸５７，５９の軸心周りに正逆方向（開閉方向）へ回動可能である。

図１に示すように、ノズルリング４９のシュラウドリング４３と反対側には、環状のリンク室６１を区画形成しており、このリンク室６１内には、複数の可変ノズル５５を同期して正逆方向へ回動させるためのリンク機構６３を配置している。そして、可変ノズルユニット４１におけるリンク機構６３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、ノズルリング４９のシュラウドリング４３と反対側には、３本以上の取付ピン６５を円周方向に間隔を置いて設けており、各取付ピン６５は、ノズルリング４９の支持穴５３よりも径方向外側に位置している。また、複数の取付ピン６５の右端面（タービンインペラ２９の軸方向一方側の端面）に亘って、ガイドリング６７を設けており、このガイドリング６７は、ノズルリング４９と同心状に位置している。

図１、図４、及び図５に示すように、ガイドリング６７の外周面には、駆動リング６９を回動可能に設けてあり、この駆動リング６９は、電動モータ又は負圧シリンダ等の回動アクチュエータ７１の駆動によって、ガイドリング６７にガイドされつつ正逆方向へ回動する。また、駆動リング６９の左側面には、可変ノズル５５と同数の矩形の係合ジョイント（係合部）７３を、取付ピン７５を介して円周方向に沿って等間隔に設けている。一方、駆動リング６９の右側面には、矩形の別の係合ジョイント（別の係合部）７７を取付ピン７９を介して設けている。

図１及び図３に示すように、ガイドリング６７の右側面には、複数の取付ピン６５の右端面と協働して駆動リング６９の左右方向の移動を規制するＣ字状のストッパ８１を設けている。なお、ストッパ８１は、Ｃ字状を呈しているが、環状を呈するようにしても構わない。

図１、図４、及び図５に示すように、各可変ノズル５５のノズル軸５７の先端部（右端部）には、同期リンク８３を一体的に連結している。この各同期リンク８３の外周側の先端側部分８３ａは、二股に分岐してあって、駆動リング６９の対応する係合ジョイント７３を、周方向両側から挟むように係合してある。

また、ベアリングハウジング３の左側部（可変容量型過給機１の固定部）には、駆動軸８５をタービンインペラ２９の軸心に平行な軸心周りに回動可能にブッシュ８７を介して設けてある。この駆動軸８５の右端部（一端部）は、動力伝達機構８９を介して回動アクチュエータ７１に接続している。これら駆動軸８５、動力伝達機構８９、回動アクチュエータ７１及び前記したリンク機構６３等によって駆動機構を構成している。

さらに、駆動軸８５の左端部（他端部）には、駆動リンク９１を一体的に連結している。この各駆動リンク９１の外周側の先端側部分は、二股に分岐してあって、駆動リング６９の対応する別の係合ジョイント７７を、周方向両側から挟むように係合してある。

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。

ガス取入口３５から取入れた排気ガスを、タービンスクロール流路３７を経由してタービンインペラ２９の入口側から出口側へ流通させる。これにより、排気ガスの圧力エネルギを利用して回転力（回転トルク）を発生させ、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。その結果、空気取入口１９から取入れた空気を圧縮して、ディフューザ流路２１及びコンプレッサスクロール流路２３を経由して空気排出口２５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（圧縮）することができる。

エンジン回転数が高回転域にある場合には、回動アクチュエータ７１の駆動によって駆動軸８５を一方向（図５において時計回り方向）へ回動させて、駆動リンク９１を一方向へ揺動させつつ、駆動リング６９を正方向（図４において反時計回り方向、図５において時計回り方向）へ回動させる。これにより、複数の同期リンク８３を正方向へ揺動させながら、複数の可変ノズル５５を同期して正方向（開方向）へ回動させて、複数の可変ノズル５５の開度を大きくすることができる。よって、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（流量）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とができる。

エンジン回転数が低回転域にある場合には、回動アクチュエータ７１の駆動によって駆動軸８５を他方向（図５において反時計回り方向）へ回動させて、駆動リンク９１を他方向へ揺動させつつ、駆動リング６９を逆方向（図４において時計回り方向、図５において反時計回り方向）へ回動させる。これにより、複数の同期リンク８３を逆方向へ揺動させながら、複数の可変ノズル５５を同期して逆方向（閉方向）へ回動させて、複数の可変ノズル５５の開度を小さくすることができる。よって、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の仕事量を充分に確保することができる（可変容量型過給機１の通常の作用）。

可変容量型過給機１の通常の作用の他に、本実施形態では、次のような作用を有する。すなわち、本実施形態では、タービンハウジング２７の凹所２７ａにシュラウドリング４３を挿入しつつ嵌合突起４３ｂを嵌合凹部２７ｃに嵌合し、これら各部品相互をタービンハウジング２７側から挿入した取付ボルト４５によって締結固定している。取付ボルト４５を締結固定することで、シュラウドリング４３とタービンハウジング２７とは、図２に示す互いの接触面４６ａ及び環状接触面４６ｂによって密着した状態となる。

その際、上記接触面４６ａ及び環状接触面４６ｂを構成する凹所２７ａの底面２７ｂ及びシュラウドリング４３の側面４３ａは、いずれも機械加工によって平滑に形成しているので、上記した密着状態をより一層良好に維持することができる。

ところで、可変ノズルユニット４１は、可変容量型過給機１の運転時に特に外周側から高温の排気ガス熱を受けるが、このときシュラウドリング４３が外周側より加熱されて半径方向や周方向に沿って温度分布が発生しやすい状況となっている。

ところが、本実施形態では、内周側の接触面４６ａ及び環状接触面４６ｂによって、シュラウドリング４３とタービンハウジング２７とが互いに密着した状態にあるので、同様にして排気ガスから熱を受けるタービンハウジング２７との間で熱の授受が効率よくなされる。その結果、シュラウドリング４３は、排気ガスにより外周側が高温に加熱されたとしても、半径方向や周方向の温度分布が低減して全体として温度が均一化し熱変形を抑制することができる。

このようなシュラウドリング４３の温度分布の均一化は、熱伝導解析を行うことによって確かめられている。

シュラウドリング４３の熱変形を抑えることで、シュラウドリング４３とノズルリング４９とが互いに対向する面同士の平行度が保たれ、シュラウドリング４３及びノズルリング４９と、可変ノズル５５との間の間隔であるノズルサイドクリアランスを大きめに設定する必要がなくなる。これにより、ノズルサイドクリアランスからの排気ガスの漏れが減少して、タービン効率を高いレベルまで向上させることが可能になる。つまり、複数の可変ノズル５５の回動動作の安定性を充分確保した上で、タービン効率を高いレベルまで向上させることができる。

また、本実施形態では、タービンスクロール流路３７からタービンインペラ２９に向かう排気ガスの一部が、上記密着してシールされた環状接触面４６ｂによって、タービンインペラ２９をバイパスしてガス排出口３９に流出してしまうのを抑えることができる。このようにしてタービンハウジング２７とシュラウドリング４３との間を通しての排気ガスの漏れを抑えることで、タービンハウジング２７とシュラウドリング４３との間に、特にシール材を設けることなく可変容量型過給機１におけるタービン効率を高めることが可能となる。

また、本実施形態では、シュラウドリング４３の嵌合突起４３ｂをタービンハウジング２７の嵌合凹部２７ｂに嵌入した状態としているので、排気ガスの漏れを抑えるのに有効であるとともに、シュラウドリング４３のタービンハウジング２７に対する位置決めもできて組み付け作業性も向上する。

１ 可変容量型過給機
３ ベアリングハウジング
２７ タービンハウジング
２７ａ タービンハウジングの凹所
２７ｂ タービンハウジングの凹所の底面（タービンハウジング側の対向面）
２７ｃ タービンハウジングの嵌合凹部
２９ タービンインペラ
４１ 可変ノズルユニット
４３ シュラウドリング
４３ａ シュラウドリングの側面（シュラウドリング側の対向面）
４５ 取付ボルト（ボルト）
４６ａ 接触面
４６ｂ 環状接触面
４９ ノズルリング
５５ 可変ノズル
６３ リンク機構（駆動機構）
７１ 回動アクチュエータ（駆動機構）
８５ 駆動軸（駆動機構）
８９ 動力伝達機構（駆動機構）

Claims (2)

1. タービンインペラを回転可能に収容したタービンハウジングと、前記タービンインペラを回転可能に支持するベアリングハウジングとの間に、前記タービンインペラに供給する排気ガス流量を可変とする可変ノズルユニットを配置した可変容量型過給機であって、
   前記可変ノズルユニットは、前記ベアリングハウジング側のノズルリングと、前記ノズルリングに対し軸方向に対向する位置にあって前記タービンインペラを覆うシュラウドリングと、前記ノズルリングと前記シュラウドリングとの間に位置してこれら各リングに対して回動可能に支持される複数の可変ノズルと、前記ベアリングハウジング側に設けられて前記可変ノズルを回動させる駆動機構とを備え、
   前記シュラウドリングと前記タービンハウジングとの軸方向に対向する対向面同士を接触させる接触面を設けるとともに、タービンハウジング側から挿入して前記シュラウドリングと前記タービンハウジングとを締結固定するボルトを設け、前記ボルトの周囲に前記接触面が形成され、
   前記タービンハウジングは、前記シュラウドリングを締結固定する内壁部に軸方向に凹む嵌合凹部を備え、前記シュラウドリングは、前記嵌合凹部に嵌合する嵌合突起を備え、
   前記嵌合凹部に前記嵌合突起が嵌め込まれた状態で前記ボルトが締結固定されており、
   前記ボルトが締結固定された状態で、前記嵌合凹部の底面と前記嵌合突起の先端面との間に隙間が形成されていることを特徴とする可変容量型過給機。
2. 前記接触面の径方向内側に位置して、前記タービンインペラの軸心を中心とする環状の環状接触面を、前記シュラウドリングと前記タービンハウジングとの軸方向に対向する対向面相互間に設けたことを特徴とする請求項１に記載の可変容量型過給機。

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