JPH0713468B2 - タ−ボチヤ−ジヤ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はターボチヤージヤに係り、特にタービンハウジ
ング内の下流に配設された可変タービンノズルを包有す
るターボチヤージヤに関する。

（従来の技術） この種のタービンによりコンプレツサ等を駆動するター
ボチヤージヤにおいては、タービンへ供給する排気ガス
の流量を制御してタービンの作動効率および作動範囲を
向上することが望ましい。これによりタービン羽根車に
連通するタービンノズルの流路における流量が可変にさ
れる。可変タービンノズルの流路は複数の旋回可能な羽
根により区画され、羽根の変位によつて流路が変化せし
められる。一方羽根を旋回可能にした場合、特に排気ガ
スの温度が低いとき羽根先端部からの排気ガスの漏出を
防止するように羽根の自由端部を充分に密封する必要が
ある。即ち羽根先端部から排気ガスが漏出すると、羽根
により設定される排気ガス流量にこの漏出排気ガスが加
わることになり、羽根の位置調節によつて排気ガス流量
を所定の値にできなくなる。

ここでノズル羽根の先端部における密封を充分に行ない
排気ガスの漏出を防ぐため各種方法が採用されている。
例えば、米国特許第3,112,096号にはノズルリングに対
しバネによる押圧力を与えて羽根を対向壁に対し常時圧
接される構成が、米国特許第3,033,519号には排気ガス
の圧力を利用して外側囲い板壁内に配設された加圧プレ
ートを羽根先端部に対し押圧する構成が、米国特許第3,
101,926号には同様に排気ガスの圧力により羽根から延
設されたブレードに対し加圧し、羽根先端部を対向壁に
圧接する構成が夫々開示されている。

（発明が解決しようとする問題点） この場合、タービンノズルの羽根の先端部においてエン
ジンの始動時など排気ガスが低温であるとき排気ガスが
漏出すると作動効率が低下する問題があつた。一方羽根
並びにこれを支承するノズルリングが、特にエンジンの
昇温に伴う高温の排気ガスの影響を受けて熱膨張すると
き、可変タービンノズルを区画する部材面に対し引掛か
る危惧があり、延いては羽根の旋回が困難となる問題が
あつた。しかしながら上述の従来の構成ではこれらの問
題を充分に解決するに至らず、特に両問題を同時に克服
することはできなかつた。本発明は上記の問題点を同時
に解決し得る可変タービンノズルを提供することを目的
とする。

（問題点を解決するための手段） 本発明によれば、上記の目的は、コンプレツサ羽根車を
有するシヤフトに回転可能に装着され、排気ガスによつ
て駆動されるように設けられたタービンと、入口部およ
び出口部を有し且つコンプレツサ羽根車を囲繞するコン
プレツサハウジングと、シヤフトを回転可能に支承する
軸受装置を有した中央ハウジングと、入口部および出口
部を有し且つ内部に渦巻状室が具備され、排気ガスをエ
ンジンから環状流路を経てタービンへ供給可能に設けら
れたタービンハウジングと、中央ハウジングとタービン
ハウジングとの間に半径方向に延びるように配設され、
且つ半径方向に離間されると共に、互いに対向される内
面および外面を形成するくぼみ部を有した軸方向に配列
されるフランジと、多数のスロツト、並びに少なくとも
３つの回転可能で等間隔離間され、排気ガスが相対的に
低温の期間中フランジのくぼみ部の内面に当接可能で、
且つ排気ガスが相対的に高温の期間中フランジのくぼみ
部の外面に当接可能なローラ部材を有した環状リング
と、回転可能に装着され夫々が環状リングのスロツトに
連係可能なアームを持つ多数の羽根を有した環状のノズ
ルリングと、タービンハウジングに向かつて多数の羽根
を押圧し且つノズルリングの回転を抑止するバネとを備
えた、エンジンと連係され、エンジンに圧縮空気を供給
するターボチヤージヤにより達成されることになる。

（作用） しかして上述の構成をとる本願のターボチヤージヤにお
いては、特に環状のノズルリングに支承された羽根が常
時タービンハウジングの環状流路を区画する内側壁に対
し緊密に当接されると共に、羽根を枢支する環状リング
が低温時にフランジのくぼみ部の内面に当接されると共
に、高温時にフランジのくぼみ部の外面に当接され、環
状リングが羽根を安定し保持し得る。

これに対し、従来周知の技術では例えば米国特許第3,03
3,519号に排気ガスの圧力を利用して羽根を、環状流路
を区画する内側壁に押圧する構成が開示されるものの、
低温時並びに高温時に生ずる羽根の支承系の変位に有効
に対応する提案がなされていない。

従つて米国特許第3,033,519号発明では低温から高温に
亙り、羽根が環状流路を区画する内側壁に安定して当接
させることが困難になるが、本発明によれば環状流路を
区画する内側壁に対し、羽根が有効に当接され得る。

（実施例） 以下本発明を好ましい実施例に沿つて説明するに、第１
図乃至第６図には本発明のターボチヤージヤ（10）を含
むターボ機構の一実施例が示されており、ターボチヤー
ジヤ（10）には共通シヤフト（16）の両端部に装着され
たタービン羽根車（12）とコンプレツサ羽根車（13）と
が包有される。タービン羽根車（12）はタービンハウジ
ング（18）内に収容されており、タービンハウジング
（18）にはエンジン（14）からの排気ガスを導入する入
口部（20）と排気ガスを放出する出口部（21）とが具備
されている。これによりタービンハウジング（18）内に
エンジン（14）からの排気ガスが流動されてタービン羽
根車（12）が回転駆動される。タービン羽根車（12）の
回転に伴い、共通シヤフト（16）の他端に装着されたコ
ンプレツサ羽根車（13）も同時に回転駆動される。コン
プレツサ羽根車（13）を収容するコンプレツサハウジン
グ（22）には入口部（23）および出口部（25）が形成さ
れ、入口部（23）から外気が導入されコンプレツサ羽根
車（13）により圧縮されて、エンジン（14）の入口部へ
圧縮気が供給される。

タービンハウジング（18）はフランジ部材（24）に装着
され、フランジ部材（24）自体は中央ハウジング（26）
に装着されている。コンプレツサハウジング（22）は中
央ハウジング（26）のタービンハウジング（18）と対向
する側に対し装着される。中央ハウジング（26）内には
共通シヤフト（16）を回転可能に支承するジヤーナル軸
受装置（29）が配設される。また共通シヤフト（16）の
コンプレツサハウジング（22）の近接部にはスラスト軸
受装置（33）が共通シヤフト（16）の軸方向の移動を阻
止するように共通シヤフト（16）に装着されている。中
央ハウジング（26）が排気ガスによつて障害を来たさな
いように断熱材（44）がタービン羽根車（12）の端部の
共通シヤフト（16）の周囲に周設されている。

一方エンジンオイル等の潤滑油が中央ハウジング（26）
を介しジヤーナル軸受装置（29）およびスラスト軸受装
置（33）へ供給されるように設けられている。即ち潤滑
油の入口部（37）が中央ハウジング（26）に具備されて
おり、入口部（37）はろ過されたエンジンオイル等の潤
滑油の好適な供給源に連結されると共に、中央ハウジン
グ（26）内に形成され、潤滑油を各軸受装置（29），
（33）へ供給する内部流路網と連通されている。各軸受
装置（29），（33）に供給された潤滑油は、周知の構成
をもつて好適な油だめ部に回収され、更に好適なろ過、
冷却、再循環を行なう装置へ送られることになる。

特に第４図および第５図を参照するに、タービンハウジ
ング（18）内には渦巻状室（28）が具備されており、渦
巻状室（28）にはエンジン（14）から排気ガスが導入さ
れ、環状流路（30）を介しタービン羽根車（12）の羽根
部へ排気ガスが供給される。その後排気ガスはタービン
ハウジング（18）内に囲い部（32）に沿つて軸方向に流
れ、出口部（21）を経てターボチヤージヤから好適な汚
染制御装置又は大気へ送出される。環状流路（30）内に
は旋回可能な複数の羽根（34）が配設されており、羽根
（34）の位置を変えることにより環状流路（30）の状態
を変化せしめ得、排気ガスのタービン羽根車（12）の羽
根部に当たる角度が調節され得る。これによりコンプレ
ツサ羽根車（13）に伝わるエネルギ量が制御され、延い
てはエンジンへ供給される空気量が制御されることにな
る。

本発明によるターボチヤージヤ（10）のフランジ部材
（24）およびタービンハウジング（18）端部内に可変、
即ち流動量を変化せしめ得るタービンノズルが配設され
る。尚詳述するにフランジ部材（24）およびタービンハ
ウジング（18）により空洞部（27）が区画されており、
空洞部（27）に後述するように可変タービンノズルと協
働する機械的な部材が配設される。この場合一部上述の
如く渦巻状室（28）内に流入した排気ガスはタービンハ
ウジング（18）の軸線方向のフランジ部材（24）側の内
側壁（31）および環状のノズルリング（38）により区画
される環状流路（30）を流動する。環状流路（30）内に
はその円周方向に沿つて複数の羽根（34）が配設されて
おり、各羽根（34）自体は皿バネ（40）のバネ力をノズ
ルリング（38）を介して受けていて、その先端部（35）
がこれと面接触により緊密に当接するように設けられた
内側壁（31）と特にエンジンが低温、即ち排気ガスが低
温から高温に亙つて常に緊密に圧接される。第４図には
羽根（34）の先端部（35）が内側壁（31）に対し当接さ
れていない、即ち先端部（35）と内側壁（31）との間に
間隙が置かれる状態が示されており、この状態は後述の
ピン状の流路スペーサによつて更に好適に維持され得
る。複数の各羽根（34）は円周方向に等間隔離間された
複数の貫通穴を有するノズルリング（38）に対し、各羽
根（34）のピン（36）を各貫通穴に挿入することにより
装着される。各羽根（34）のピン（36）の他端部にはア
ーム（46）が好ましくは溶着により固設されており、従
つて羽根（34）はピン（36）と共にノズルリング（38）
に対し回転可能になり、ノズルリング（38）は羽根（3
4）とアーム（46）との間に位置することになる。この
羽根（34）とノズルリング（38）との組立については上
述の構成以外の他の好適な構成も採用できよう。

また空洞部（27）にはいわゆるユニソン（Unison）リン
グ、即ち半径方向の内周面に複数のスロツト（51）が具
備された環状リング（48）が配設され、各スロツト（5
1）には夫々アーム（46）が係入されている。環状リン
グ（48）の一側面には円周方向に等間隔離間された少な
くとも３個のローラ（49）が付設されており、環状リン
グ（48）はこのローラ（49）を介してフランジ部材（2
4）に対し回転自在となる。羽根（34）に一体化された
アーム（46）は、スロツト（51）内においてある程度揺
動可能で、かつ環状リング（48）が回転するとき環状リ
ング（48）のスロツト（51）内に固定されないような形
状を有している。且ノズルリング（38）の半径方向外周
の面には第１の肩部（39）が、且半径方向内周面には第
２の肩部（41）が夫々形成される。ノズルリング（38）
とタービンハウジング（18）との間には半径方向におい
て間隙が置かれ、この間隙は約0.010乃至0.020インチ
（約0.250乃至0.500mm）にされる。

更にフランジ部材（24）にはくぼみ部（70）および肩部
（72）が具備され、くぼみ部（70）は内側トラツク部
（74）および外側トラツク部（76）を有しており、両ト
ラツク部（74），（76）は互いに半径方向において対向
するように離間される。エンジンの始動時あるいは低負
荷の作動時、即ち排気ガス温度が比較的低い期間、環状
リング（48）のローラ（49）は内側トラツク部（74）に
当接する。一方エンジンが継続して作動され排気ガスの
温度の上昇により環状リング（48）が膨張すると、ロー
ラ（49）は内側トラツク部（74）から離間し、外側トラ
ツク部（76）と当接する。これにより環状リング（48）
が動作中に浮動したり、あるいはフランジ部（24）に対
し位置ズレを来たすことが抑止されうる。

また空洞部（27）内には皿バネ（40）のバネ力を受けて
フランジ部材（24）の肩部（72）に当接するように環状
のスペーサ（64）が配設されている。この場合皿バネ
（40）はその半径方向外周縁部の内側（即ちフランジ部
材（24）側）面が環状スペーサ（64）に当接されると共
に、半径方向内周縁部の外側（即ちタービンハウジング
（18）側）面がノズルリング（38）の肩部（39）に当接
されており、従つて皿バネ（40）のバネ力を受けて軸方
向の移動が阻止され、ノズルリング（38）は特に羽根
（34）の膨張時には羽根（34）が内側壁（31）と当接す
るように弾圧されることになる。

空洞部（27）の半径方向内方には管部材（42）が配設さ
れており、管部材（42）は全体として円筒状をなすと共
に軸方向内側（フランジ部材側）が半径方向外向きに曲
げられている。また管部材（42）はノズルリング（38）
の内周部且断熱材（44）の外周部に挿入可能に形成さ
れ、且ノズルリング（38）内に管部材（42）を挿入した
とき、肩部（41）のフランジ部材（24）側に当接して位
置決めされ、延いては肩部（41）並びに管部材（42）に
よりノズルリング（38）自体の軸方向の移動距離が決定
され得ることになる。

更に、管部材（42）の一端部にはタブ（80）が、他端部
にはタブ（82）が夫々具備されており、タブ（80）はフ
ランジ部材（24）に形成されたスロツト（81）内に係合
可能に設けられ、且タブ（82）はノズルリング（38）の
肩部（41）により区画されるスロツト（83）内に係合可
能に設けられる。これにより管部材（42）は特にノズル
リング（38）の回転を防止し且ノズルリング（38）の軸
方向並びに半径方向の移動を制限する機能を有すること
になる。加えて管部材（42）の外側の周縁部によりノズ
ルリング（38）の半径方向の移動限度も定まり、タービ
ンハウジング（18）内においてノズルリング（38）は許
容された範囲内でのみ変位可能となる。尚管部材（42）
は、ノズルリング（38）の軸方向内側のフランジ部材
（24）とタービンハウジング（18）との間に区画された
空洞部（27）内へ排気ガスが漏入することを防止する密
封体としても機能する。

環状リング（48）はベルクランク機構を介し、環状流路
（30）における羽根（34）の移動範囲に相応するような
２限界位置間で回転可能にされる。この場合ベルクラン
ク機構の第１の連結部材（54）の一端部にピン（50）が
連結され、ピン（50）自体はベルクランク機構の動作を
環状リング（48）に伝達するように環状リング（48）の
穴部（92）内に係入されている。また第１の連結部材
（54）の他端部にはロツド部材（56）が強固に連結され
ており、ロツド部材（56）自体はフランジ部材（24）の
穴部（57）を貫通しターボチヤージヤ外方に延出してい
る。好ましくは穴部（57）内にブシユ（58）が嵌挿さ
れ、このブシユ（58）内にロツド部材（56）が挿通され
る。ロツド部材（56）の他端部は第２の連結部材（60）
に連結され、第２の連結部材（60）自体は作動装置（9
0）（第１図参照）に連結される。作動装置（90）は当
業者に周知のいわゆる真空ブースト形のものであるが、
羽根（34）の動作を制御できるものであれば他の作動装
置も適用できよう。

更に上述した本発明による可変タービンノズルを包有し
たターボチヤージヤの動作を説明するに、第２の連結部
材（60）が作動装置（90）により作動されると、この運
動はロツド部材（56）を介し第１の連結部材（54）へ伝
達される。また第１の連結部材（54）に伝達された運動
はピン（50）を介して環状リング（48）の回転運動に変
換され、環状リング（48）の回転に伴い、羽根（34）と
一体のアーム（46）がスロツト（51）の壁面に対し揺動
される。このときノズルリング（38）は固定状態に維持
される。従つてアーム（46）の変位に伴い羽根（34）が
変位するから、互いに隣接する羽根（34）間に形成され
た複数の流路における排気ガスの流動量が変化せしめら
れ得る。この場合特に排気ガスが低温であるときノズル
リング（38）には常時皿バネ（40）の充分なバネ力が加
わつているから羽根（34）の先端部（35）全体が内側壁
（31）に対し緊密に圧接されることになり、排気ガスの
漏出を確実に防ぐ。

一方第７図並びに第８図には本発明のロツド状の流路ス
ペーサ（86），（88）を具備した可変タービンノズルの
実施態様が示されており、流路スペーサ（86）が羽根
（34）全体の半径方向外側縁部に配設され、軸長が羽根
（34）の軸長より僅かに長手にされている。また一方の
流路スペーサ（88）は好ましくはノズルリング（38）に
設けられた穴部内にプレス嵌めされ固定される。且つ別
の流路スペーサ（86）が少なくとも３個、等間隔離間さ
せ、且ノズルリング（38）と内側壁（31）との間に所定
の空間を与えるように配設されている。この場合流路ス
ペーサの少なくとも一方の内側壁（31）側の端部を小径
にした上、内側壁（31）の穴部に突入するように設けて
もよく、流路スペーサ（86），（88）が内側壁（31）の
穴部に挿入することによつて、ノズルリング（38）の回
転を阻止することができ、上述の如くタブ（82）を管部
材（42）に具備させる必要がなくなる。更に２流路スペ
ーサ（86），（88）に延長部（96）を具備させ、ノズル
リング（38）に貫通せしめてフランジ部材（24）のスロ
ツト（98）内へと突入させ、エンジンの駆動中ノズルリ
ング（38）の半径方向の熱膨張を抑止せしめ得る。

本発明は図示の実施例に限定されるものではなく、特許
請求の範囲の技術的思想に含まれる設計変更を包有する
ことは理解されよう。例えばフランジ部材は中央ハウジ
ングの一部であってもよい。

（発明の効果） 上述のように構成された本発明の可変タービンノズルを
備えたターボチヤージヤにおいては、排気ガスが低温で
あるとき羽根先端部が対向壁に緊密に圧接するから排気
ガスの漏出がなく、一方熱膨張時において可変タービン
ノズルの構成部材相互に引掛かり等を生じて羽根が旋回
不可能となることもなく、総じてタービン羽根車に対す
る排気ガスの流量調節を円滑に実現でき、タービンの作
動効率を向上して、信頼性を更に向上できる等々の効果
を達成する。

【図面の簡単な説明】

第１図はターボチヤージヤを含むエンジン機構の簡略な
正面図、第２図は同ターボチヤージヤの拡大断面図、第
３図は同ターボチヤージヤのタービン側から見た一部を
切開いて示す拡大側面図、第４図は第３図の線４−４に
沿つて切断した部分拡大断面図、第５図は第３図の線５
−５に沿つて切断した第４図とは異なつた状態の部分拡
大断面図、第６図は同部分拡大斜視図、第７図は本発明
の一実施態様の部分拡大斜視図、第８図は同部分断面図
である。 10……ターボチヤージヤ、12……タービン羽根車、13…
…コンプレツサ羽根車、14……エンジン、16……共通シ
ヤフト、18……タービンハウジング、20……入口部、21
……出口部、22……コンプレツサハウジング、23……入
口部、24……フランジ部材、25……出口部、26……中央
ハウジング、27……空洞部、28……渦巻状室、29……ジ
ヤーナル軸受装置、30……環状流路、31……内側壁、32
……囲い部、33……スラスト軸受装置、34……羽根、35
……先端部、36……ピン、37……入口部、38……ノズル
リング、39……第１の肩部、40……サラバネ、41……第
２の肩部、42……管部材、44……断熱材、46……アー
ム、48……環状リング、49……ローラ、50……ピン、51
……スロツト、54……第１の連結部材、56……ロツド部
材、57……穴部、58……ブシユ、60……第２の連結部
材、64……スペーサ、70……くぼみ部、72……肩部、74
……内側トラツク部、76……外側トラツク部、80……タ
ブ、81……スロツト、82……タブ、83……スロツト、90
……作動装置、92……穴部、96……延長部、98……スロ
ツト

フロントページの続き (72)発明者 マンフレド ロエスラー アメリカ合衆国 カリフオルニア州 90266 マンハツタン ビーチ エヌ．オ ー．メドウズ アベニユー 1817

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】コンプレツサ羽根車を有するシヤフトに回
   転可能に装着され、排気ガスによつて駆動されるように
   設けられたタービンと、入口部および出口部を有し且つ
   コンプレツサ羽根車を囲繞するコンプレツサハウジング
   と、シヤフトを回転可能に支承する軸受装置を有した中
   央ハウジングと、入口部および出口部を有し且つ内部に
   渦巻状室が具備され、排気ガスをエンジンから環状流路
   を経てタービンへ供給可能に設けられたタービンハウジ
   ングと、中央ハウジングとタービンハウジングとの間に
   半径方向に延びるように配設され、且つ半径方向に離間
   されると共に、互いに対向される内面および外面を形成
   するくぼみ部を有した軸方向に配列されるフランジと、
   多数のスロツト、並びに少なくとも３つの回転可能で当
   間隔離間され、排気ガスが相対的に低温の期間中フラン
   ジのくぼみ部の内面に当接可能で、且つ排気ガスが相対
   的に高温の期間中フランジのくぼみ部の外面に当接可能
   なローラ部材を有した環状リングと、回転可能に装着さ
   れ夫々が環状リングのスロツトに連結可能なアームを持
   つ多数の羽根を有した環状のノズルリングと、タービン
   ハウジングに向かつて多数の羽根を押圧し且つノズルリ
   ングの変位を抑制するバネとを備えた、エンジンと連係
   され、エンジンに圧縮空気を供給するターボチヤージ
   ヤ。