JPWO2020115941A1 - 可変容量型過給機 - Google Patents

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Abstract

過給機は、可変ノズルユニットと、軸受ハウジングと、タービン翼車と軸受ハウジングとの間に位置する円環状の遮熱板と、軸受ハウジングに形成された水室と、を備える。遮熱板は、皿バネによって可変ノズルユニットに押し当てられて固定されており、嵌合部で軸受ハウジングに嵌め込まれて径方向に位置決めされており、遮熱板は、嵌合部に形成された嵌込み面と、嵌込み面よりも径方向内側において軸受ハウジングのタービン側に張り出し、軸受ハウジングとの間に軸方向の隙間を空けて位置する内周側遮熱部と、を有する。水室の少なくとも一部分が嵌合部と同じ径方向位置に存在する。

Description

本開示は、可変容量型過給機に関するものである。
従来の可変容量型過給機として下記特許文献１に記載のものが知られている。この過給機は円環状の遮熱板を備えている。当該遮熱板はタービンの熱を遮り軸受ハウジングの温度上昇を防ぐ。軸受ハウジングの内周部には取付部位が存在している。当該取付部位は、円筒状をなし、タービン翼車の回転軸の周りでタービン側に立ち上がっている。この円筒状の取付部位に遮熱板の中央孔が挿入されて、遮熱板の径方向の位置決めがされている。
特開2005-42588号公報 特開2011-252439号公報 特開2012-057592号公報
しかしながら、上記のような遮熱板の位置決め構造によれば、上記の取付部位が遮熱板に覆われずにタービン側に露出することになる。このため、タービン側の放射熱が取付部位を通じて軸受ハウジングに入りやすい。また、嵌め込み部分を通じて遮熱板の熱が取付部位に伝導しやすい。その結果、軸受ハウジングの内周部において、軸受ハウジングの温度上昇の抑制が十分に図られない。軸受ハウジングの内周部にはタービン翼車の回転軸と関連する重要な部品等も存在する。そして、この種の重要な部品等が過剰に温度上昇すれば機能が損なわれる虞がある。そこで本開示は、軸受ハウジングの内周部の部品の温度上昇の抑制を図る可変容量型過給機を説明する。
本開示の一態様に係る可変容量型過給機は、タービンのノズル流路内でノズルベーンを回動させる可変ノズルユニットと、前記タービンのタービン翼車の回転軸の軸受を有する軸受ハウジングと、前記タービン翼車と前記軸受ハウジングとの間に位置し、前記回転軸を周方向に囲む円環状の遮熱板と、前記軸受ハウジングに形成され冷却水を流通させる水室と、を備え、前記遮熱板は、皿バネと共に前記可変ノズルユニットと前記軸受ハウジングとで軸方向に挟まれ、前記皿バネによって前記可変ノズルユニットに前記軸方向に押し当てられて固定されており、前記周方向に延びる嵌合部で前記軸受ハウジングに嵌め込まれて径方向に位置決めされており、前記遮熱板は、前記嵌合部に形成され前記軸受ハウジングに嵌込まれる嵌込み面と、前記嵌込み面よりも径方向内側に張り出し前記軸受ハウジングとの間に前記軸方向の隙間を空けて位置する内周側遮熱部と、を有し、前記水室の少なくとも一部分が前記嵌合部と同じ径方向位置に存在する、可変容量型過給機である。
本開示の可変容量型過給機によれば、軸受ハウジングの内周部の部品の温度上昇の抑制を図ることができる。
本実施形態の可変容量型過給機の断面図である。 図１の過給機の遮熱板近傍を拡大して示す断面図である。
本開示の一態様に係る可変容量型過給機は、タービンのノズル流路内でノズルベーンを回動させる可変ノズルユニットと、前記タービンのタービン翼車の回転軸の軸受を有する軸受ハウジングと、前記タービン翼車と前記軸受ハウジングとの間に位置し、前記回転軸を周方向に囲む円環状の遮熱板と、前記軸受ハウジングに形成され冷却水を流通させる水室と、を備え、前記遮熱板は、皿バネと共に前記可変ノズルユニットと前記軸受ハウジングとで軸方向に挟まれ、前記皿バネによって前記可変ノズルユニットに前記軸方向に押し当てられて固定されており、前記周方向に延びる嵌合部で前記軸受ハウジングに嵌め込まれて径方向に位置決めされており、前記遮熱板は、前記嵌合部に形成され前記軸受ハウジングに嵌込まれる嵌込み面と、前記嵌込み面よりも径方向内側に張り出し前記軸受ハウジングとの間に前記軸方向の隙間を空けて位置する内周側遮熱部と、を有し、前記水室の少なくとも一部分が前記嵌合部と同じ径方向位置に存在する、可変容量型過給機である。
前記嵌合部が、前記タービン翼車の外周縁よりも径方向内側に位置するようにしてもよい。
前記軸受ハウジングは、前記遮熱板の前記嵌込み面に対面する遮熱板受面と、前記皿バネが設置される皿バネ設置面と、を有し、前記皿バネ設置面は、前記遮熱板受面と面一に形成されていることとしてもよい。
以下、図面を参照しつつ本開示の実施形態について詳細に説明する。図１は、可変容量型過給機１の回転軸線Ｈを含む断面を取った断面図である。過給機１は、例えば、船舶や車両の内燃機関に適用されるものである。
図１に示されるように、過給機１は、タービン２とコンプレッサ３とを備えている。タービン２は、タービンハウジング４と、タービンハウジング４に収納されたタービン翼車６と、を備えている。タービンハウジング４は、タービン翼車６の周囲において周方向に延びるスクロール流路１６を有している。コンプレッサ３は、コンプレッサハウジング５と、コンプレッサハウジング５に収納されたコンプレッサ翼車７と、を備えている。コンプレッサハウジング５は、コンプレッサ翼車７の周囲において周方向に延びるスクロール流路１７を有している。
タービン翼車６は回転軸１４の一端に設けられており、コンプレッサ翼車７は回転軸１４の他端に設けられている。タービンハウジング４とコンプレッサハウジング５との間には、軸受ハウジング１３が設けられている。回転軸１４は、軸受１５を介して軸受ハウジング１３に回転可能に支持されており、回転軸１４、タービン翼車６及びコンプレッサ翼車７が一体の回転体１２として回転軸線Ｈ周りに回転する。
タービンハウジング４には、排気ガス流入口（図示せず）及び排気ガス流出口１０が設けられている。内燃機関（図示せず）から排出された排気ガスが、排気ガス流入口を通じてタービンハウジング４内に流入し、スクロール流路１６を通じてタービン翼車６に流入し、タービン翼車６を回転させる。その後、排気ガスは、排気ガス流出口１０を通じてタービンハウジング４外に流出する。
コンプレッサハウジング５には、吸入口９及び吐出口（図示せず）が設けられている。上記のようにタービン翼車６が回転すると、回転軸１４を介してコンプレッサ翼車７が回転する。回転するコンプレッサ翼車７は、吸入口９を通じて外部の空気を吸入する。この空気が、コンプレッサ翼車７及びスクロール流路１７を通過して圧縮され吐出口から吐出される。吐出口から吐出された圧縮空気は、前述の内燃機関に供給される。
過給機１のタービン２について、更に説明する。以下の説明において、単に「軸方向」、「径方向」、「周方向」というときには、タービン翼車６の回転軸方向（回転軸線Ｈ方向）、回転径方向、及び回転周方向をそれぞれ意味するものとする。
過給機１のタービン２には、スクロール流路１６とタービン翼車６とを接続するノズル流路１９が設けられている。ノズル流路１９には、可動の複数のノズルベーン２１が設けられている。複数のノズルベーン２１は、回転軸線Ｈを中心とする円周上に等間隔に配置されている。各々のノズルベーン２１は、同期して、回転軸線Ｈに平行な軸線周りに回動する。複数のノズルベーン２１が上記のように回動することで、隣接するノズルベーン２１同士の隙間が拡縮しノズル流路１９の開度が調整される。
ノズルベーン２１を上記のように駆動するために、タービン２は可変ノズルユニット２０を備えている。可変ノズルユニット２０は、タービンハウジング４の内側に嵌め込まれている。可変ノズルユニット２０は、上記の複数のノズルベーン２１と、ノズルベーン２１を軸線方向に挟む２つのノズルリング２３，２７を有している。ノズルリング２３，２７は、それぞれ回転軸線Ｈを中心とするリング状を成しており、タービン翼車６を周方向に囲むように配置されている。２つのノズルリング２３，２７で軸方向に挟まれた領域が、前述のノズル流路１９を構成する。可変ノズルユニット２０は、ノズルベーン２１を駆動するための駆動機構部２９を有している。駆動機構部２９は、ノズルリング２３と軸受ハウジング１３との間のスペースに収容されており、外部のアクチュエータ（図示せず）からの駆動力をノズルベーン２１に伝達する。
図２は、過給機１のタービン翼車６近傍を拡大して示す断面図である。軸受ハウジング１３には、軸受１５に潤滑油を供給する油室４９が形成されている。回転軸１４の外周にはシールリング５１が取付けられている。シールリング５１は、上記の油室４９と、ノズル流路１９からタービン翼車６へ送られた排気ガスが存在する空間（以下「排気ガス空間５０」という）と、を仕切る。回転軸１４には周方向に延びる溝５２が形成されている。シールリング５１は、上記の溝５２に嵌め込まれて軸方向への移動が規制されている。また、シールリング５１の外周面は全周に亘って軸受ハウジング１３に接触している。シールリング５１は、回転軸１４と軸受ハウジング１３との径方向の隙間を塞ぐことで、油室４９を排気ガス空間５０から仕切っている。そして、シールリング５１によって、油室４９に存在する潤滑油が排気ガス空間５０に移動することが妨げられる。なお、図２の例では、シールリング５１は軸方向に２つ並行して設けられている。
タービン翼車６と軸受ハウジング１３との間には、遮熱板３１が設けられている。遮熱板３１は、高温の排気ガス空間５０からの放射熱を遮蔽して、軸受ハウジング１３の温度上昇を抑える。遮熱板３１は、回転軸１４を周方向に囲む円環状をなしている。遮熱板３１は、軸受ハウジング１３に嵌め込まれている。遮熱板３１と軸受ハウジング１３との嵌合部３３は、遮熱板３１の径方向幅の中央付近で周方向に延びる。
嵌合部３３では、軸受ハウジング１３に、遮熱板３１を嵌込むための遮熱板受面３５が設けられている。遮熱板受面３５は、回転軸線Ｈを軸とする円柱外側面をなす。これに対して、遮熱板３１には、遮熱板受面３５に対面する嵌込み面３７が設けられている。嵌込み面３７は、回転軸線Ｈを軸とする円柱内側面をなす。嵌合部３３は、タービン翼車６の外周縁６ａよりも径方向内側に位置している。
遮熱板３１が上記のように軸受ハウジング１３に嵌め込まれることにより、遮熱板３１の径方向の位置決めがされている、なお、遮熱板３１と軸受ハウジング１３との嵌合状態はすきま嵌めである。遮熱板受面３５と嵌込み面３７とは摺接してもよく、遮熱板受面３５と嵌込み面３７との間に僅かに隙間があってもよい。
更に、遮熱板３１のコンプレッサ３側に隣接する位置に、皿バネ３９が設置されている。皿バネ３９は、回転軸線Ｈを中心とする円環状をなす。
軸受ハウジング１３には、皿バネ３９を設置するための皿バネ設置面３６が形成されている。皿バネ設置面３６は、回転軸線Ｈを軸とする円柱外側面をなしている。皿バネ３９は、その中央孔が皿バネ設置面３６を周方向に囲むよう設置されることで、径方向に位置決めされる。皿バネ設置面３６は、遮熱板受面３５のコンプレッサ３側に連続するように形成されている。また、皿バネ設置面３６は、遮熱板受面３５とは面一に形成されている。
また、皿バネ３９は、遮熱板３１と軸受ハウジング１３との間に軸方向に挟み込まれている。そして、皿バネ３９の付勢力により、遮熱板３１がタービン翼車６側に向けて押され、遮熱板３１はノズルリング２３の端面２３ａに対して軸方向に押し付けられている。このような構造により、遮熱板３１は、皿バネ３９と共に、可変ノズルユニット２０と軸受ハウジング１３とで軸方向に挟まれて固定されている。
遮熱板３１は、嵌込み面３７よりも径方向内側に張り出す内周側遮熱部４１を有している。タービン２側から見て、内周側遮熱部４１は、軸受ハウジング１３のうち嵌合部３３よりも内周側の部分に覆い被さっている。以下、軸受ハウジング１３のうち嵌合部３３よりも内周側の部分を「軸受ハウジング内周部」と呼び、「４３」の符号を付す。また、前述したように、皿バネ３９によって遮熱板３１がタービン２側に押されているので、内周側遮熱部４１と軸受ハウジング内周部４３との間には軸方向の隙間４５が形成されている。
軸受ハウジング１３には冷却水を流通させる水室４７が形成されている。上記冷却水によって当該軸受ハウジング１３が冷却される。水室４７は、軸受ハウジング１３の空洞として形成されており、周方向に延在している。水室４７と嵌合部３３との位置関係に関しては、水室４７の少なくとも一部分が嵌合部３３と同じ径方向位置に存在している。例えば、図２に示される断面では、一点鎖線Ｂで示されるように、嵌合部３３と水室４７の内周側の部位とが同じ径方向位置に存在している。このような断面が、軸受ハウジング１３には少なくとも一つ存在している。周方向全体において、水室４７と嵌合部３３の一部とが同じ径方向位置に存在していてもよい。
以上の構成の過給機１による作用効果について説明する。例えば、シールリング５１の温度上昇を抑えて正常なシール機能を確保するためには、軸受ハウジング内周部４３の温度上昇を抑えることが重要である。過給機１においては、遮熱板３１の内周側遮熱部４１が、嵌込み面３７よりも径方向内側に張り出している。そして、内周側遮熱部４１は、排気ガス空間５０から見て軸受ハウジング内周部４３に覆い被さっている。このような内周側遮熱部４１によって、排気ガス空間５０から軸受ハウジング内周部４３への放射熱が遮蔽される。また、内周側遮熱部４１と軸受ハウジング内周部４３との間には隙間４５が形成されているので、内周側遮熱部４１から軸受ハウジング内周部４３への伝導熱も抑えられる。
一方、遮熱板３１から軸受ハウジング内周部４３への伝導熱としては、嵌合部３３を経由して伝わる伝導熱が考えられる。しかしながら、嵌合部３３が遮熱板３１の径方向幅の中央付近に位置することから、嵌合部３３からシールリング５１まではある程度離れている。また、水室４７の少なくとも一部分が嵌合部３３と同じ径方向位置に存在している。この位置関係により、嵌合部３３は水室４７の冷却水によって冷却され易く、嵌合部３３を経由する伝導熱も除去され易い。従って、遮熱板３１から、嵌合部３３を経由して軸受ハウジング内周部４３へ入る伝導熱も抑えられる。
また、遮熱板３１から皿バネ３９を経由して軸受ハウジング１３に伝わる伝導熱も、上記と同様にして、水室４７の冷却水によって冷却され易く、軸受ハウジング内周部４３に伝わり難い。
以上により、排気ガス空間５０の熱に起因する軸受ハウジング内周部４３の温度上昇が抑えられる。その結果、シールリング５１の温度上昇が抑えられ、シールリング５１の正常なシール機能が確保される。
また、嵌合部３３が、タービン翼車６の外周縁６ａよりも径方向内側に位置している。ここで、嵌合部３３においては、遮熱板３１と軸受ハウジング内周部４３との間に、両者の熱膨張の差異に起因する隙間が発生するが、嵌合部３３の位置が径方向外側に寄りすぎると上記の隙間が大きくなる。そうすると、上記隙間に起因する遮熱板３１の心ずれも大きくなる。このため、上記の心ずれに起因する遮熱板３１の最内周部３１ａと回転軸１４との干渉を回避すべく、最内周部３１ａと回転軸１４との隙間を大きく設計せざるを得ない。そうすると、当該隙間を通じて排気ガス空間５０の排気ガスがシールリング５１まで到達し易くなり、シールリング５１の温度上昇の原因になり得る。この知見に鑑み、過給機１においては、嵌合部３３をタービン翼車６の外周縁６ａよりも径方向内側に位置するようにし、嵌合部３３が径方向外側に寄りすぎないようにして、上記の問題が回避される。
また、皿バネ設置面３６が、遮熱板受面３５に対して面一に連続するように形成されている。この構造により、皿バネ３９を設置し位置決めするための部位を遮熱板受面３５とは別に形成する必要がない。その結果、軸受ハウジング１３及び遮熱板３１の加工を簡易にすることができる。
１ 可変容量型過給機
２ タービン
６ タービン翼車
６ａ 外周縁
１３ 軸受ハウジング
１４ 回転軸
１５ 軸受
１９ ノズル流路
２０ 可変ノズルユニット
２１ ノズルベーン
３１ 遮熱板
３３ 嵌合部
３５ 遮熱板受面
３６ 皿バネ設置面
３７ 嵌込み面
３９ 皿バネ
４１ 内周側遮熱部
４５ 隙間
４７ 水室

Claims (3)

  1. タービンのノズル流路内でノズルベーンを回動させる可変ノズルユニットと、
    前記タービンのタービン翼車の回転軸の軸受を有する軸受ハウジングと、
    前記タービン翼車と前記軸受ハウジングとの間に位置し、前記回転軸を周方向に囲む円環状の遮熱板と、
    前記軸受ハウジングに形成され冷却水を流通させる水室と、を備え、
    前記遮熱板は、
    皿バネと共に前記可変ノズルユニットと前記軸受ハウジングとで軸方向に挟まれ、前記皿バネによって前記可変ノズルユニットに前記軸方向に押し当てられて固定されており、前記周方向に延びる嵌合部で前記軸受ハウジングに嵌め込まれて径方向に位置決めされており、
    前記遮熱板は、
    前記嵌合部に形成され前記軸受ハウジングに嵌込まれる嵌込み面と、前記嵌込み面よりも径方向内側に張り出し前記軸受ハウジングとの間に前記軸方向の隙間を空けて位置する内周側遮熱部と、を有し、
    前記水室の少なくとも一部分が前記嵌合部と同じ径方向位置に存在する、可変容量型過給機。
  2. 前記嵌合部が、前記タービン翼車の外周縁よりも径方向内側に位置する、請求項１に記載の可変容量型過給機。
  3. 前記軸受ハウジングは、前記遮熱板の前記嵌込み面に対面する遮熱板受面と、前記皿バネが設置される皿バネ設置面と、を有し、
    前記皿バネ設置面は、前記遮熱板受面と面一に形成されている、請求項１又は２に記載の可変容量型過給機。
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