JPWO2011152454A1 - 固定翼式ターボチャージャ - Google Patents

Abstract

本発明は、第１部材としての軸受ハウジング（１）と第２部材としてのタービンハウジング（４）との間の通路（９）に固定翼（１５）を備える固定翼式ターボチャージャに関する。固定翼は、第１部材又は第２部材の対向する前面に対して前後方向に移動可能に設けた可動部材（１１）と、可動部材の前面に固定した翼体（１５）、または第１部材又は第２部材の、可動部材と対向する前面に固定された翼体、とにより構成されている。そして、可動部材の背面に備えた押圧手段（１６）により、第１部材又は第２部材の、可動部材と対向する前面、または可動部材の前面に対して翼体の先端が圧着されるように可動部材を押圧する。本発明によれば、固定翼式ターボチャージャにおける固定翼のサイドクリアランスをゼロクリアランスとすることができる。

Description

本発明は、簡単な構成によって固定翼による整流効果が高められるようにした固定翼式ターボチャージャに関する。
本願は、２０１０年６月１日に日本に出願された特願２０１０−１２６００９号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

従来より、自動車用等の内燃機関においては、出力向上等を図るためにターボチャージャを備えたものが知られている。ターボチャージャは、内燃機関の排気が送り込まれるタ−ビンスクロールと、そのタービンスクロール内の排気（流体）が通路を介して供給されることにより回転するタービンインペラと、タービンインペラと一体に回転するコンプレッサインペラと、コンプレッサインペラからの空気（流体）が通路を介して供給されるディフューザとしてのコンプレッサスクロールとを有し、コンプレッサスクロールからの加圧された空気を内燃機関の燃焼室へ強制的に供給する。

ターボチャージャには、前記タービン側の排気が流動する通路及びコンプレッサ側の空気が流動する通路の一方或いは両方には流体の流動を整流するための翼体を備えている場合がある。

タービン側の通路に備えられる翼体について以下に説明する。タービンハウジングに形成されたタービンスクロールにより流速が高められてタービンインペラに送り込まれる排気を、翼体によりタービンインペラの周囲から均一に流入してタービンの効率向上を図っている。この翼体には、翼体をタービンハウジングと軸受ハウジングとの対向面のいずれか一方に固定される固定翼と、タービンハウジングと軸受ハウジングとの対向面の間に、各翼体に備えた軸をリンク機構等により同時に回転させて翼体の角度を一斉に変えられるように配置される可変翼体が知られている。

ここで、固定翼は排気の流入角度が固定であるため内燃機関の回転数等に応じて排気の流速を変化させることはできないが、可変翼体では内燃機関の回転数等に応じて排気の流入角度を変えることにより排気の流速を変化させることができる。一方、固定翼は比較的簡単な構成であるのに対して、可変翼体は可動とするために構成が複雑となっている。

更に、上記したように、タービンハウジングと軸受ハウジングの対向面の間に設けられる翼体には、翼サイドクリアランスと称される隙間が生じる問題がある。即ち、翼体と対向するタービンハウジング又は軸受ハウジングとの間をゼロクリアランスで設計しても、運転時に複雑な形状のタービンハウジングや軸受ハウジングが不均一に熱変形すること、及び、翼体と翼体が固定されるハウジングとの材料の違いによる熱膨張差による変形が発生することから、実際にゼロクリアランスとすることはできない。ここで、可変翼体においては可動とするために翼体の両側に一定のサイドクリアランスを設ける必要があり、固定翼では翼体の―方の側のみにサイドクリアランスが生じる。

又、前記したコンプレッサ側の通路に備えられる翼体においても、前記タービンに比して温度は低いけれども同様にサイドクリアランスが生じる。

本発明と関連するこの種のターボチャージャの先行技術文献情報としては、例えば、固定翼と可変翼体の両方を備えた例がある（特許文献１等参照）。又、後部排気導入壁と前部排気導入壁との間に翼体が回動可能に挟持された可変翼体において、各翼体の軸と軸受ハウジングとの間に、各軸を後部排気導入壁側へ押圧して翼体を後部排気導入壁側に変位させる押圧手段を備えて、後部排気導入壁側と翼体との間のサイドクリアランスを小さくした例がある（特許文献２等参照）。

特開２００７−１９２１２４号公報 特開２００９−１４４５４６号公報

しかし、上記したようなターボチャージャにおいては、前記したタービン側の通路に備えられる翼体のサイドクリアランスがゼロクリアランスになるように翼体の軸方向の高さ寸法を高い精度で製作しても、組み立てた段階でサイドクリアランスをゼロクリアランスとすることはできない。そのために、タービン側の通路に備えられる翼体のサイドクリアランスを通してタービンスクロールからの排気が漏出する。この漏出する排気は翼体によって排気の流速を高める作用に寄与されないばかりか、タービンインペラに導かれる排気に乱れを生じさせることになって、タービン効率を大幅に低下させる。従って、タービン側の通路に備えられる翼体のサイドクリアランスをゼロクリアランスとすることができれば、タービン効率を大幅に高めることができて非常に有効である。

又、前記したコンプレッサ側の通路に備えられる翼体においても、ゼロクリアランスになるように翼体の高さを高い寸法精度で製作しても、組み立てた段階でゼロクリアランスとすることはできない。そのために、コンプレッサインペラからの空気がサイドクリアランスを通して漏出する。この漏出する空気はディフューザによる昇圧効果に寄与されないばかりか、コンプレッサスクロールに導かれる空気に乱れを生じさせることになって、ディフューザ機能を低下させる。従って、コンプレッサ側の通路に備えられる翼体のサイドクリアランスをゼロクリアランスとすることができれば、ディフューザ機能を高めることができて非常に有効である。

本発明は、斯かる実情に鑑みてなしたもので、簡単な構成によって固定翼による整流効果が高められる固定翼式ターボチャージャの提供を目的とする。

本発明は、軸受ハウジングとタービンハウジングとの間の通路及び軸受ハウジングとコンプレッサとの間の通路が対向した第１部材と第２部材によって形成されており、前記通路の少なくとも一方に固定翼を備えている固定翼式ターボチャージャに関する。
この固定翼式ターボチャージャでは、前記固定翼が、第１部材又は第２部材の互いに対向する前面間に前後方向に移動可能に配置された可動部材と、可動部材の前面に固定された翼体とにより構成され、前記可動部材の背面に配置され、前記第１部材又は第２部材の、前記可動部材と対向する前面に対して翼体の先端を圧着するように可動部材を押圧する押圧手段を備えている。
あるいは、この固定翼式ターボチャージャでは、前記固定翼が、第１部材又は第２部材の互いに対向する前面間に前後方向に移動可能に配置された可動部材と、前記第１部材又は第２部材の、前記可動部材と対向する前面に固定された翼体とにより構成され、前記可動部材の背面に、前記可動部材の前面に対して翼体の先端を圧着するように可動部材を押圧する押圧手段を備えている。

上記固定翼式ターボチャージャにおいて、前記押圧手段が、可動部材の背面側への流体の漏洩をシールする皿ばねであることが好ましい。

又、上記固定翼式ターボチャージャにおいて、前記可動部材が、前記タービンハウジングに対向して前記軸受ハウジングの前面に備えた遮熱板であることが好ましい。

本発明の固定翼式ターボチャージャによれば、通路を形成する第１部材又は第２部材の対向する前面に対して前後方向に移動可能に設けた可動部材と、可動部材の前面に固定した翼体、または前記第１部材又は第２部材の、前記可動部材と対向する前面に固定された翼体、とにより固定翼が構成されている。そして、前記可動部材の背面に備えた押圧手段により、第１部材又は第２部材の、前記可動部材と対向する前面、または可動部材の前面に対して翼体の先端が圧着されるように可動部材を押圧する。その結果、固定翼のサイドクリアランスをゼロクリアランスとすることができ、よって、固定翼によるタービン効率の向上とディフューザ機能の向上の一方又は両方を達成してターボチャージャの過給効率が高められる。

又、ターボチャージャ運転による熱間時においてハウジングの熱変形やハウジングと固定翼の熱膨張差が生じてノズルサイドクリアランスが変化しようとしても、固定翼が前後方向に追随して移動することによりゼロクリアランスを常に保持できる効果がある。従って、従来ではゼロクリアランスを確保するために固定翼の高さの寸法精度を高めていたのに対し、本発明では、固定翼の高さの寸法精度に気を使うことなくゼロクリアランスを容易に達成できる。

押圧手段を皿ばねで形成すると、可動部材の背面側へ排気が漏洩する問題を同時に防止できる。

可動部材が遮熱板を兼ねることにより、可動部材から軸受ハウジングヘの熱の伝達を抑制できる。

タービン側の通路に固定翼を備えた本発明の固定翼式ターボチャージャの一例を示す切断側面図である。 押圧手段である皿ばねの一例を示す正面図である。 図２ＡのＡ−Ａ方向矢視図である。 押圧手段である皿ばね及びその設置状況の一例を示す断面図である。 図１に示す固定翼式ターボチャージャの他の例を示す切断側面図である。 図３Ａに備えられるウェーブワッシャとシールリングの詳細断面図である。 コンプレッサ側の通路に固定翼を備えた本発明の固定翼式ターボチャージャの一例を示す切断側面図である。 本発明の固定翼式ターボチャージャの一例を示す切断側面図である。

以下、本発明の実施の形態を図示例と共に説明する。

図１はタービン側の通路に固定翼を備えた本発明の固定翼式ターボチャージャの一例を示す切断側面図である。この図は、軸受ハウジング１（第１部材）とタービンハウジング４（第２部材）の対向する前面間に形成されている通路９において、軸受ハウジング１（第１部材）側に固定翼１５を備えた場合を示している。

図１の固定翼式ターボチャージャでは、軸受ハウジング１に回転可能に支持される回転軸２の一端にタービンインペラ３が固定されている。また、軸受ハウジング１の、タービンハウジング４と対向する前面（図１の左側面。以下、「対向前面」と略称する場合がある。）に対して、タービンハウジング４の、軸受ハウジング１と対向する前面（図１の右側面。以下、「対向前面」と略称する場合がある。）に設けた位置決め段部４ａを軸受ハウジング１の対向前面に設けた位置決めピン５に合わせて周方向（回転方向）の位置決めをした状態でセットした後、外周に備えた締結リング６を締結ボルト７で締め付けることで軸受ハウジング１とタービンハウジング４が一体に組み立てられる。

前記タービンハウジング４にはタービンスクロール８が形成されており、タービンスクロール８からの排気（流体）は軸受ハウジング１とタービンハウジング４の対向前面間の通路９を介してタービンインペラ３に周方向外方から導かれる。尚、前記回転軸２の他端には図４に示すコンプレッサインペラ２５が備えられており、コンプレッサインペラ２５の外周にはコンプレッサスクロール２７を形成するコンプレッサハウジング２６が設けられ、軸受ハウジング１とコンプレッサハウジング２６は対向前面間に通路２８を形成して一体に組み立てられている。

軸受ハウジング１（第１部材）の対向前面には環状の嵌合溝１０が形成してあり、嵌合溝１０にはリング状をなす可動部材１１の外周部背面に突出した環状突部１２が嵌合しており、これにより、可動部材１１は前後方向に移動できるようになっている。更に、環状突部１２に形成した凹部１３を前記位置決めピン５に合致させることによって、可動部材１１の周方向への移動が規制されている。

可動部材１１の前面には翼体１４の基端が固定され、翼体１４の先端がタービンハウジング４の対向前面に対峙している。そして、上記可動部材１１と翼体１４によって固定翼１５が構成されている。

可動部材１１の背面（図１の右側面）と軸受ハウジング１の対向前面との間には、可動部材１１の翼体１４の先端をタービンハウジング４の対向前面に圧着するように可動部材１１を前方（図中左方）に押圧する押圧手段１６が設けられている。押圧手段１６は可動部材１１を押圧して翼体１４の先端をタービンハウジング４の対向前面に圧着するので、翼体１４とタービンハウジング４の対向前面との間のサイドクリアランスをほぼ零にすることができる。

押圧手段１６として、図１、図２Ａ及び図２Ｂでは、頭部が切り取られた円錐形状の皿ばね１７を備えた場合を示している。この皿ばね１７は図２Ａに示すようにリング状を有していても、或いは仮想線で示すようにリングの一部が切り離されていてもよい。このような皿ばね１７を用いることにより、皿ばね１７の一端が、その周方向に沿って可動部材１１の背面に当接し、皿ばね１７の他端が、その周方向に沿って軸受ハウジング１の対向前面に当接する。その結果、可動部材１１と軸受ハウジング１との間を皿ばね１７でシールし、タービンスクロール８からの排気（流体）が可動部材１１の背面を通って軸受ハウジング１側に漏洩する問題を防止することができる。

より詳細に説明すると、図１の例では、皿ばね１７の一端の外周側の端部が、その周方向に沿って可動部材１１の背面に当接し、皿ばね１７の他端の内周側の端部が、その周方向に沿って軸受ハウジング１の対向前面に当接する。
この場合、例えば図２Ｃに示すように、皿ばね１７の一端のうち、可動部材１１の背面に当接する部位（外周側の端部）１７ａ、並びに皿ばね１７の他端のうち、軸受ハウジング１の対向前面に当接する部位（内周側の端部）１７ｂが、それぞれ面取りされ、円弧状の断面を有していることが望ましい。これらの部位１７ａ，１７ｂを面取りすることにより、図２Ｃに示すように部位１７ａ，１７ｂを可動部材１１及び軸受ハウジング１の対向前面に当接させた際に、部位１７ａと可動部材１１及び部位１７ｂと軸受ハウジング１との接触面積が増大する。その結果、皿ばね１７と可動部材１１及び軸受ハウジング１とを、周方向に沿って確実に線接触させることができ、皿ばね１７のシール性が向上する。

尚、前記押圧手段としては、前記皿ばね１７以外に、ウェーブワッシャ、コイルバネ等を用いることができる。ウェーブワッシャやコイルバネ等を用いた場合には、排気が可動部材１１の背面を通って軸受ハウジング１側に漏洩するのを防止するためのＯリング等やＣリング等のシール材を設ける。

また、押圧手段１６として、皿ばね１７等の前後方向に弾性を有する部材を用いた場合、この弾性を調節することにより、押圧手段１６が可動部材１１を押圧する力を任意に設定することができる。更に、押圧手段１６が、タービンスクロールからタービンインペラに送り込まれる排気の流速等の影響を受けないため、タービンスクロールからの排気の流速に係らず、一定の力で押圧手段１６が可動部材１１を押圧することができる。

更に、可動部材１１の背面には押圧手段１６を配置するための空間１８が形成されているため、可動部材１１は遮熱板としての作用を兼ねることができる。

次に、上記実施例の動作を説明する。
図１の固定翼式ターボチャージャでは、軸受ハウジング１の対向前面に備えた嵌合溝１０に、可動部材１１の背面に皿ばね１７を配置した状態の可動部材１１の環状突部１２を嵌合させ、更にこのとき、環伏突部１２に形成した凹部１３が位置決めピン５に合致するように可動部材１１を配置して周方向（回転方向）の位置決めを行う。更に、タービンハウジング４の対向前面の位置決め段部４ａが位置決めピン５に合致するようにタービンハウジング４を配置して周方向の位置決めを行った後、外周に設けた締結リング６を締結ボルト７で締め付けることにより軸受ハウジング１とタービンハウジング４を一体に組み立てる。

この組立によって、可動部材１１の背面に配置した皿ばね１７は圧縮変形され、これにより、固定翼１５は軸受ハウジング１とタービンハウジング４の間に挟持される。

このとき、可動部材１１は常に皿ばね１７によってタービンハウジング４側に押され、その結果、翼体１４の先端は常にタービンハウジング４の対向前面に圧着されるので、翼体１４のサイドクリアランスは無くなりゼロクリアランスとすることができる。これによって、サイドクリアランスから排気（流体）が漏洩する問題を防止することができ、タービン効率を大幅に高めることができる。

又、前記したように、押圧手段１６を皿ばね１７で形成した場合には、皿ばね１７が、その周方向に沿って可動部材１１及び軸受ハウジング１に当設し、可動部材１１と軸受ハウジング１との間をシールする。その結果、可動部材１１の背面側へ排気が漏洩する問題を同時に防止できる。又、可動部材１１が遮熱板を兼ねることにより、可動部材１１から軸受ハウジング１への熱の伝達を抑制することができる。

図３Ａは、図１に示す固定翼式ターボチャージャの他の例を示す切断側面図である。この例は、軸受ハウジング１（第１部材）とタービンハウジング４（第２部材）との対向前面間に形成される通路９において、タービンハウジング４（第２部材）側に固定翼１５を備えた場合を示している。

即ち、前記タービンハウジング４（第２部材）のタービンインペラ３及び通路９に対応する対向前面が可動部材１９によって構成され、可動部材１９はタービンハウジング４に設けた環状の案内部２０に沿って前後方向に移動可能に配置されている。

前記可動部材１９の前面には翼体２１の基端が固定されて翼体２１の先端が軸受ハウジング１の対向前面に対峙しており、上記可動部材１９と翼体２１によって固定翼１５が構成されている。

更に、前記可動部材１９の背面と、タービンハウジング４に形成した段部２２との間には、可動部材１９の翼体２１の先端を軸受ハウジング１の対向前面に圧着するように可動部材１９を後方（図中右方）に押圧する押圧手段１６を備えている。図３Ａの押圧手段１６は、図３Ｂに示すようなウェーブワッシャ２３を備えた場合を示している。このウェーブワッシャ２３はシール能力が低いため、前記押圧手段１６の外周と前記環状の案内部２０との間には、ピストンリング状のシールリング２４を備えている。尚、押圧手段１６には、上記ウェーブワッシャ２３の他に、図２Ａ，Ｂに示すような皿ばね１７を用いたり、或いはコイルバネとシールリング２４を組み合わせて備えてもよい。

図３Ａ，Ｂの実施例によれば、可動部材１９の背面に配置したウェーブワッシャ２３が圧縮変形された状態に組み込まれ、可動部材１９は常にウェーブワッシャ２３によって軸受ハウジング１側に押されることになる。そのため、翼体２１の先端は常に軸受ハウジング１の対向前面に圧着されるので、翼体２１のサイドクリアランスを無くすことができる。これによって、サイドクリアランスから排気（流体）が漏洩する問題を防止することができ、タービン効率を大幅に高めることができる。

図４は、コンプレッサ側の通路に固定翼を備えた本発明の固定翼式ターボチャージャの一例を示す切断側面図である。図中２５は軸受ハウジング１に支持されてタービンインベラ３と一体に回転するコンプレッサインペラ、２６はタービンインベラ２５を取り巻くよう形成されたコンプレッサハウジング、２７はコンプレッサハウジング２６に備えられたコンプレッサスクロールを示している。そして、この例では、軸受ハウジング１（第１部材）とコンプレッサハウジング２６（第２部材）との対向前面間に形成される通路２８において、軸受ハウジング１（第１部材）側に固定翼２９を備えている。

即ち、軸受ハウジング１（第１部材）の対向前面におけるコンプレッサインペラ２６出口の通路２８に対応する位置に環状の溝部３０を形成し、溝部３０に、通路２８側の前面に翼体３２を備えたリング部材３１を前後に移動可能に嵌合して固定翼２９を構成する。更に、リング部材３１の背面（図４の左側面）と溝部３０の底面との間には皿ばね１７等からなる押圧手段１６を配置している。押圧手段１６はリング部材３１を後方（図中右方）に押圧して翼体３２の先端をコンプレッサハウジング２６の対向前面に圧着するので、翼体３２とコンプレッサハウジング２６の対向前面との間のサイドクリアランスを無くしてゼロクリアランスとすることができる。よってサイドクリアランスによって空気（流体）が漏洩する問題を防止することができる。ここで、押圧手段１６は、皿ばね１７の他、ウェーブワッシャ２３やコイルバネであってもよい。また、シール性付与のため、押圧手段１６とシールリング２４とを併用してもよい。

尚、本発明の固定翼式ターボチャージャは、上述の実施例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
例えば、図１の実施例では、軸受ハウジング１の対向前面に設けられた可動部材１１の前面に翼体１４の基端を固定して固定翼１５を構成し、翼体１４の先端がタービンハウジング４の対向前面に圧着するように可動部材１１を前方に押圧する押圧手段１６を設けている。しかしながら、タービンハウジング４の対向前面に翼体１４の先端を固定し、可動部材１１を前方に押圧する押圧手段１６の作用により、軸受ハウジング１の対向前面に設けられた可動部材１１の前面に翼体１４の基端を圧着させてもよい。

また、図３Ａ，Ｂの実施例では、タービンハウジング４の対向前面に設けられた可動部材１９の前面に翼体２１の基端を固定して固定翼１５を構成し、翼体２１の先端が軸受ハウジング１の対向前面に圧着するように可動部材１９を後方に押圧する押圧手段１６を設けている。しかしながら、軸受ハウジング１の対向前面に翼体１４の先端を固定し、可動部材１９を後方に押圧する押圧手段１６の作用により、タービンハウジング４の対向前面に設けられた可動部材１９の前面に翼体１４の基端を圧着させてもよい。

また、図４の実施例では、軸受ハウジング１（第１部材）の対向前面に設けられた可動部材３１の前面に翼体３２の基端を固定して固定翼２９を構成している。しかしながら、コンプレッサハウジング２６（第２部材）の対向前面に翼体３２の先端を固定し、可動部材３１を後方に押圧する押圧手段１６の作用により、軸受ハウジング１の対向前面に設けられた可動部材３１の前面に翼体３２の基端を圧着させてもよい。

また、図１の実施例では、軸受ハウジング１の対向前面に位置決めピン５を設け、この位置決めピン５と可動部材１１の環状突部１２に設けた凹部１３とを合致させることにより、可動部材１１の周方向への移動を規制している。
しかしながら、例えば図５に示すように、軸受ハウジング１の対向前面に凹部（キー溝）４０を設け、この凹部４０と可動部材１１に設けた凸部（キー）４１とを合致させることにより、可動部材１１の周方向への移動を規制してもよい。

また、図１の実施例では、軸受ハウジング１の、空間１８より径方向外方側に嵌合溝１０を設けたが、軸受ハウジング１の、空間１８より径方向内方側に嵌合溝１０を設けてもよい。

本発明によれば、固定翼式ターボチャージャにおける固定翼のサイドクリアランスをゼロクリアランスとすることができる。よって、固定翼によるタービン効率の向上とディフューザ機能の向上の一方又は両方を達成し、ターボチャージャの過給効率が高められる。

１ 軸受ハウジング（第１部材）、４ タービンハウジング（第２部材）、９ 通路、１１ 可動部材、１４ 翼体、１５ 固定翼、１６ 押圧手段、１７ 皿ばね（押圧手段）、１９ 可動部材、２１ 翼体、２６ コンプレッサハウジング（第２部材）、２８ 通路、２９ 固定翼

Claims (5)

1. 軸受ハウジングとタービンハウジングとの間の通路及び軸受ハウジングとコンプレッサとの間の通路が対向した第１部材と第２部材によって形成されており、前記通路の少なくとも一方に固定翼を備えている固定翼式ターボチャージャであって、
   前記固定翼が、前記第１部材又は第２部材の互いに対向する前面間に前後方向に移動可能に配置された可動部材と、可動部材の前面に固定された翼体とにより構成され、前記可動部材の背面に、前記第１部材又は第２部材の、前記可動部材と対向する前面に対して翼体の先端を圧着するように可動部材を押圧する押圧手段を備える固定翼式タ−ボチャージャ。
2. 軸受ハウジングとタービンハウジングとの間の通路及び軸受ハウジングとコンプレッサとの間の通路が対向した第１部材と第２部材によって形成されており、前記通路の少なくとも一方に固定翼を備えている固定翼式ターボチャージャであって、
   前記固定翼が、第１部材又は第２部材の互いに対向する前面間に前後方向に移動可能に配置された可動部材と、前記第１部材又は第２部材の、前記可動部材と対向する前面に固定された翼体とにより構成され、前記可動部材の背面に、前記可動部材の前面に対して翼体の先端を圧着するように可動部材を押圧する押圧手段を備えている固定翼式タ−ボチャージャ。
3. 前記押圧手段が、可動部材の背面側への流体の漏洩をシールする皿ばねである請求項１記載の固定翼式ターボチャージャ。
4. 前記押圧手段が、可動部材の背面側への流体の漏洩をシールする皿ばねである請求項２記載の固定翼式ターボチャージャ。
5. 前記タービンハウジングに対向して前記軸受ハウジングの対向前面に備えた可動部材は遮熱板である請求項１、２、３又は４に記載の固定翼式ターボチャージャ。

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