WO2021130972A1 - 可変容量型ターボチャージャ - Google Patents

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WO2021130972A1
WO2021130972A1 PCT/JP2019/051173 JP2019051173W WO2021130972A1 WO 2021130972 A1 WO2021130972 A1 WO 2021130972A1 JP 2019051173 W JP2019051173 W JP 2019051173W WO 2021130972 A1 WO2021130972 A1 WO 2021130972A1
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WO
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nozzle
exhaust gas
flow path
internal space
variable
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PCT/JP2019/051173
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北村 剛
北斗 磯田
洋輔 段本
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三菱重工エンジン&ターボチャージャ株式会社
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    • Y02T10/10Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies

Definitions

  • This disclosure relates to a variable capacity turbocharger.
  • the exhaust turbocharger supercharges the air supplied to the engine by using the energy of the exhaust gas discharged from the engine.
  • the exhaust turbocharger is a variable capacity type equipped with a variable nozzle mechanism.
  • a variable nozzle mechanism a plurality of nozzle vanes are rotatably supported between the nozzle mount and the nozzle plate, and the blade angle of the nozzle vanes can be changed.
  • the flow path area of the exhaust gas supplied to the turbine wheel can be made variable, which adjusts the flow velocity and supply amount of the exhaust gas supplied to the turbine wheel and feeds the engine.
  • the boost pressure of the supplied air can be adjusted.
  • the temperature of the exhaust gas supplied to the turbine housing of the exhaust turbocharger is around 800 ° C for a diesel engine and around 1000 ° C for a gasoline engine, and the durability of the members against high temperature of the exhaust gas is a problem.
  • the exhaust turbocharger disclosed in Patent Document 1 aims to improve the thermal cycle efficiency by raising the temperature at the inlet of the exhaust gas to the turbine housing to 1000 ° C. or higher.
  • a cooling hole is formed in the turbine wheel, and compressed air on the compressor side is supplied to the cooling hole to cool the turbine wheel, thereby taking measures against a high temperature environment.
  • the nozzle mount undergoes thermal deformation due to the high temperature of the exhaust gas, the nozzle shaft sticks to the nozzle mount, the nozzle vane does not rotate, or the drive ring that constitutes the variable nozzle mechanism at high temperatures.
  • the wear of the lever plate and the like progresses.
  • the present disclosure has been made in view of the above-mentioned problems, and an object of the present disclosure is to solve the above-mentioned problems related to the constituent members of the variable displacement turbocharger caused by the high temperature of the exhaust gas.
  • variable displacement turbocharger includes a rotating shaft, a turbine wheel provided on one end side of the rotating shaft, and a compressor wheel provided on the other end side of the rotating shaft.
  • a bearing housing accommodating a bearing portion that rotatably supports the rotating shaft, and a variable nozzle mechanism for controlling the flow rate of exhaust gas flowing into the turbine wheel.
  • the bearing housing and the nozzle mount which are a nozzle plate and a nozzle mount that define a path, a nozzle vane that is rotatably arranged around a support shaft in the exhaust gas flow path, and a drive unit for rotating the nozzle vane.
  • a variable nozzle mechanism including a drive unit arranged in an internal space defined between the two, and a cooling gas passage for extracting compressed gas compressed by the compressor wheel and introducing the compressed gas into the internal space. Be prepared.
  • variable displacement turbocharger even if the exhaust gas becomes high in temperature, the structure of the variable nozzle mechanism including the nozzle mount, the drive ring, the lever plate, etc. is thermally deformed or under high temperature in a high temperature environment. Wear and the like can be suppressed.
  • variable capacity type turbocharger which concerns on one Embodiment. It is a figure seen from the A direction in FIG. It is explanatory drawing which enlarged a part of FIG. It is a vertical sectional view of the variable capacity type turbocharger which concerns on one Embodiment. It is a vertical sectional view of the variable capacity type turbocharger which concerns on one Embodiment. It is a front view of the perforated plate which concerns on one Embodiment. It is a vertical sectional view of the variable capacity type turbocharger which concerns on one Embodiment.
  • expressions such as “same”, “equal”, and “homogeneous” that indicate that things are in the same state not only represent exactly the same state, but also have tolerances or differences to the extent that the same function can be obtained. It shall also represent the existing state.
  • an expression representing a shape such as a quadrangular shape or a cylindrical shape not only represents a shape such as a quadrangular shape or a cylindrical shape in a geometrically strict sense, but also an uneven portion or chamfering within a range in which the same effect can be obtained.
  • the shape including the part and the like shall also be represented.
  • the expressions “equipped”, “equipped”, “equipped”, “included”, or “have” one component are not exclusive expressions that exclude the existence of other components.
  • variable displacement turbochargers 10 (10A, 10B, 10C, 10D) according to some embodiments.
  • a rotating shaft 12 is arranged laterally at the center of the housing, a turbine wheel 14 is provided on one end side of the rotating shaft 12, and a compressor is provided on the other end side of the rotating shaft 12.
  • a wheel 16 is provided.
  • the housing accommodating these members is provided between the turbine housing 20 accommodating the turbine wheel 14, the compressor housing 22 accommodating the compressor wheel 16, and the turbine housing 20 and the compressor housing 22, and the rotating shaft 12 can be rotated. It is composed of a bearing housing 24 that accommodates a bearing portion 18 that supports the turbine.
  • variable nozzle mechanism 26 for controlling the flow rate of the exhaust gas e flowing into the turbine wheel 14 is provided inside the turbine housing 20.
  • the variable nozzle mechanism 26 includes a nozzle plate 28 and a nozzle mount 30, and the nozzle plate 28 and the nozzle mount 30 define an exhaust gas flow path 32 for flowing exhaust gas e into the turbine wheel 14.
  • the nozzle vane 34 is rotatably arranged in the exhaust gas flow path 32 about the support shaft 36.
  • An internal space Si is defined between the bearing housing 24 and the nozzle mount 30, and a drive unit 38 for rotating the nozzle vane 34 is arranged in the internal space Si. Then, it is provided with cooling gas passages 42 (42a, 42b) for extracting compressed gas g (for example, compressed air) compressed by the compressor wheel 16 and introducing it into the internal space Si.
  • compressed gas g for example, compressed air
  • the member constituting the variable nozzle mechanism 26 can be cooled by supplying the compressed gas g compressed by the compressor wheel 16 to the internal space Si through the cooling gas passage 42, so that the high temperature exhaust gas e Inside the turbine housing 20 into which the member is introduced, thermal deformation and wear of these members can be suppressed.
  • FIG. 2 is a view seen from the direction of arrow A in FIG.
  • the drive unit 38 of the variable nozzle mechanism 26 the drive unit 38 arranged in the internal space Si, includes a drive ring 45 and a lever plate 46 as constituent members.
  • One end of the plurality of lever plates 46 is connected to the drive ring 45, and the other end is connected to the support shaft 36 of the nozzle vane 34, and is arranged along the circumferential direction of the drive ring 45.
  • the drive ring 45 rotates about the axis of the rotating shaft 12 in the direction of arrow b, so that the nozzle vane 34 rotates about the support shaft 36.
  • the drive unit 38 arranged in the internal space Si is connected to the actuator 40 provided outside the bearing housing 24 via the connecting unit 39 which penetrates the bearing housing 24 and is guided to the outside of the bearing housing 24. , Actuated by actuator 40.
  • a nozzle support 48 is erected between the nozzle plate 28 and the nozzle mount 30 in order to fix the nozzle plate 28 and the nozzle mount 30 that define the exhaust gas flow path 32 at predetermined positions.
  • a plurality of nozzle supports 48 are arranged discretely in the circumferential direction of the nozzle mount 30.
  • a scroll flow path 51 is formed inside the compressor housing 22.
  • a diffuser flow path 50 is formed on the outlet side of the compressor wheel 16, and the kinetic energy of the compressed gas g discharged from the compressor wheel 16 is converted into pressure energy by the diffuser flow path 50.
  • the cooling gas passage 42 has an inlet side opening 43 communicating with an outlet side region of the diffuser flow path 50 accommodating the compressor wheel 16.
  • the cooling gas passage 42 is configured such that the inlet side opening 43 opens in the outlet side region of the diffuser flow path 50, and the compressed gas g is extracted from the outlet side region of the diffuser flow path 50 and introduced into the internal space Si. There is.
  • the compressed gas g having a high pressure through the diffuser flow path 50 can be supplied to the internal space Si. Due to the pressure difference between the inlet side and the outlet side of the cooling gas passage 42, the compressed gas g can be easily supplied to the internal space Si without requiring other power.
  • FIG. 3 is an enlarged view showing the diffuser flow path 50.
  • the "outlet side region of the diffuser flow path 50" referred to in the present specification means that the pressure of the compressed gas g is high. It refers to a region of 50 to 100% and a region facing the scroll flow path 51, and the inlet side opening 43 is preferably opened in this region.
  • the inlet side opening 43 is opened in an outlet side region of 80 to 100% of the diffuser flow path 50 or a region facing the scroll flow path 51.
  • the cooling gas passage 42 opens in the region near the outlet of the diffuser flow path 50. Is good.
  • the bearing housing 24 has a through hole 52 (first through hole) that penetrates along the axial direction of the rotating shaft 12 and penetrates.
  • the holes 52 form a part of the cooling gas passage 42 (42a).
  • the compressed gas g extracted in the outlet side region of the diffuser flow path 50 is configured to flow through the through hole 52 and reach the internal space Si.
  • a part of the cooling gas passage 42 (42a) can be formed inside the bearing housing 24, a space for the cooling gas passage is not required on the outside of the bearing housing 24.
  • an external pipe 54 is erected between the compressor housing 22 and the bearing housing 24, and the external pipe 54 constitutes a part of the cooling gas passage 42 (42b).
  • the cooling gas passage 42 (42b) is composed of a flow path 56 formed in the partition wall of the compressor housing 22, an external pipe 54, and a flow path 58 formed in the partition wall of the bearing housing 24. .. According to this embodiment, since a part of the cooling gas passage 42 (42b) can be formed on the outside of the bearing housing 24 by the external pipe 54, the formation of the cooling gas passage 42 becomes relatively easy.
  • the external pipe 54 may be provided with a check valve 60 for preventing the compressed gas g from flowing back from the internal space Si to the compressor housing 22 side. Further, although not shown, a check valve having the same function may be provided in the through hole 52.
  • the cooling gas passage 42 (42a) has an outlet side opening 44 communicating with the internal space Si.
  • a perforated plate 62 is provided in the internal space Si.
  • Interior space Si is partitioned into two spaces S 1 and S 2 along the axial direction of the rotary shaft 12 by a porous plate 62 extending along a direction perpendicular to the rotation axis 12.
  • the space S 1 is partitioned in the exhaust gas line 32 side (one side space) by a perforated plate 62, such as drive ring 45 and the lever plate 46 constituting the driving unit 38 is disposed.
  • the outlet side opening 44 communicates with the space S 2 (the other side space) formed on the compressor housing 22 side of the perforated plate 62.
  • compressed gas g supplied to the space S 2 in the internal space Si from outlet opening 44 is distributed to the jet ejected from a plurality of perforated plates 62 as it passes through the through-holes of the porous plate 62 And it is rectified and accelerated.
  • the jet collides as jet in the space S 2 to the deployed drive ring 45 and the lever plate 46 and nozzle mount 30 such as a so-called jet cooling (impingement cooling) is performed. Therefore, the cooling effect of these members can be improved.
  • the perforated plate 62 is configured such that the opening ratio of the radial inner region is larger than the opening ratio of the radial outer region.
  • the drive ring 45, and the lever plate 46 it is necessary to preferentially cool the nozzle mount 30 that is closest to the exhaust gas flow path 32 and is most easily heated.
  • the area of the nozzle mount 30 visible inside the drive ring 45 in the radial direction is the area of the nozzle mount 30 visible outside the drive ring 45 in the radial direction. It is larger than the area of.
  • the bearing housing 24 is in contact with the region near the outer peripheral end of the nozzle mount 30, it does not face the internal space Si.
  • the opening ratio of the radial inner region of the perforated plate 62 is larger than the opening ratio of the radial outer region, the flow rate of the compressed gas g colliding with the nozzle mount 30 can be increased, thereby cooling the nozzle mount 30. The effect can be improved.
  • FIG. 6 is a front view of the perforated plate 62 according to the embodiment.
  • the plurality of through holes 64 formed in the perforated plate 62 are configured so that the opening ratio X 2 of the radial inner region R 2 is larger than the opening ratio X 1 of the radial outer region R 1.
  • the aperture ratios X 1 and X 2 are defined by the following equations (1) and (2).
  • Total area / region total area of R 1 of the through hole 64 in the aperture ratio X 1 area R 1 (1)
  • Total area / region total area of R 2 through holes 64 in the aperture ratio X 2 region R 2 (2)
  • the shape, size, number of through holes 64, the pitch between the through holes 62, and the like can be appropriately set. For example, it may have a slit-like shape extending in the circumferential direction or the radial direction.
  • the boundary B between the region R 1 and the region R 2, the inner circumferential edge of 0% of the porous plate 62, by setting the outer circumferential surface as 100% the boundary B may be, for example, 30-70% (preferably, It is preferable to set it in the area of 40 to 60%).
  • the surface of the porous plate 62 which faces the space S 2 is configured such that the radiation rate than the surface of the nozzle mount 30 increases.
  • the "emissivity" is the emissivity of thermal radiation of the entire electromagnetic wave including infrared rays, and is defined by the following equation (3).
  • Emissivity Radiant exitance of an object / Radiant exitance of a blackbody at the same temperature ... (3)
  • the surface of the perforated plate 62 facing the outlet side opening 44 in which the cooling gas passage 42 communicates with the internal space Si has a higher emissivity than the surface of the nozzle mount 30, the surface of the perforated plate 62 facing the outlet side opening 44 is inside. The temperature is lower than the surface of the nozzle mount 30 facing the space Si. As described above, since the surface of the perforated plate 62 facing the outlet side opening 44 becomes low in temperature, the cooling effect of the nozzle mount 30, the drive ring 45, the lever plate 46, and the like can be enhanced. As a result, it is possible to suppress thermal deformation and thermal burnout of these members.
  • a cooling water passage 66 to which cooling water is supplied is formed inside the bearing housing 24.
  • the bearing housing 24 can be cooled by circulating the cooling water through the cooling water passage 66.
  • a through hole 68 (second through hole) that communicates the internal space Si and the exhaust gas flow path 32 is formed in the nozzle mount 30, and the compression introduced into the internal space Si is formed.
  • the gas g is configured to be able to be introduced into the exhaust gas flow path 32 through the through hole 68.
  • the compressed gas g since the compressed gas g is introduced into the exhaust gas flow path 32 through the through hole 68, the exhaust gas e flowing through the exhaust gas flow path 32 can be cooled, whereby the nozzle mount 30, the drive ring 45 and the drive ring 45 and the exhaust gas flow path 32 can be cooled.
  • the lever plate 46 and the like can be cooled.
  • the compressed gas g passing through the through hole 68 is added to the exhaust gas e flowing through the exhaust gas flow path 32, the exhaust gas flow rate supplied to the turbine wheel 14 increases. As a result, the output of the turbine wheel 14 can be increased.
  • the outlet opening of the through hole 68 is arranged around the nozzle vane 34, for example, in the exhaust gas flow path 32 on the upstream side or the downstream side.
  • the outlet opening of the through hole 68 is arranged so that the compressed gas g flowing out from the outlet opening of the through hole 68 to the exhaust gas flow path 32 passes through the nozzle vane 34, the cooling effect of the nozzle vane 34 can be enhanced.
  • the turbine wheel 14 is formed with a through hole 70 (third through hole) that communicates the back surface side of the turbine wheel 14 and the exhaust gas outlet flow path 72 formed on the downstream side of the turbine wheel 14. ..
  • the compressed gas g introduced into the internal space Si flows out to the exhaust gas outlet flow path 72 through the through hole 68. As a result, the turbine wheel 14 can be cooled.
  • the variable capacitance turbocharger includes a rotating shaft, a turbine wheel provided on one end side of the rotating shaft, a compressor wheel provided on the other end side of the rotating shaft, and the rotation.
  • a bearing housing accommodating a bearing portion that rotatably supports a shaft, and a variable nozzle mechanism for controlling the flow rate of exhaust gas flowing into the turbine wheel (for example, the variable nozzle mechanism 26 shown in FIG. 1).
  • a nozzle plate and a nozzle mount that define an exhaust gas flow path (for example, the exhaust gas flow path 32 shown in FIG. 1) that allows exhaust gas to flow into the turbine wheel, a nozzle vane that is rotatably arranged around a support shaft in the exhaust gas flow path, and a nozzle vane.
  • a drive unit for rotating the nozzle vane (for example, the drive unit 38 shown in FIG. 1), and an internal space defined between the bearing housing and the nozzle mount (for example, the internal space shown in FIG. 1).
  • a variable nozzle mechanism (for example, the variable nozzle mechanism 26 shown in FIG. 1) including a drive unit arranged in Si) and cooling for extracting the compressed gas compressed by the compressor wheel and introducing it into the internal space. It includes a gas passage (for example, a cooling gas passage 42 (42a) shown in FIG. 1 and a cooling gas passage 42 (42b) shown in FIG. 4).
  • the nozzle mount and the variable nozzle mechanism are provided by supplying the compressed gas compressed by the compressor wheel to the internal space defined between the bearing housing and the nozzle mount via the cooling gas passage. Since the drive ring, lever plate, and the like constituting the drive unit of the above can be cooled, thermal deformation and wear of these members can be suppressed.
  • variable displacement turbocharger according to (1), wherein the cooling gas passage is a diffuser flow path accommodating the compressor wheel (for example, the diffuser flow path 50 shown in FIG. 1). It has an inlet side opening (for example, an inlet side opening 43 shown in FIG. 1) that communicates with the outlet side region of the above.
  • the cooling gas passage is a diffuser flow path accommodating the compressor wheel (for example, the diffuser flow path 50 shown in FIG. 1). It has an inlet side opening (for example, an inlet side opening 43 shown in FIG. 1) that communicates with the outlet side region of the above.
  • the compressed gas having a high pressure can be supplied to the internal space through the diffuser flow path. Due to the pressure difference between the inlet side and the outlet side of the cooling gas passage, the compressed gas can be easily supplied to the internal space on the outlet side without requiring other power.
  • variable displacement turbocharger according to (1) or (2), wherein the bearing housing has a first through hole (for example, a through hole) penetrating along the axial direction of the rotating shaft. It has a through hole 52) shown in FIG. 1, and the first through hole constitutes a part of the cooling gas passage.
  • a part of the cooling gas passage can be formed inside the bearing housing, so that a space for the cooling gas passage is not required on the outside of the bearing housing.
  • variable displacement turbocharger according to (1) or (2) is provided between the compressor housing accommodating the compressor wheel and the compressor housing and the bearing housing.
  • An external pipe (for example, the external pipe 54 shown in FIG. 4) is further provided, and the external pipe constitutes a part of the cooling gas passage.
  • variable capacitance turbocharger according to any one of (1) to (4), wherein the cooling gas passage is an outlet side opening (for example, FIG. 1) communicating with the internal space. It is a perforated plate having an outlet side opening 44) shown in the above and partitioning the internal space along the axial direction of the rotating shaft, and the driving portion is provided in the one-sided space formed on one side of the perforated plate.
  • a perforated plate (for example, the perforated plate 62 shown in FIG. 5) arranged in the internal space is further provided so that the outlet side opening communicates with the other side space formed on the other side of the perforated plate. ..
  • the compressed gas supplied to the internal space is dispersed, rectified and accelerated when passing through the through hole of the perforated plate, so that the compressed gas is arranged in the one side space of the internal space. Since it collides with the constituent members of the variable nozzle mechanism as a jet and is so-called jet cooling (impingement cooling), the cooling effect of these members can be improved.
  • the aperture ratio of the radially inner region e.g., radially inner region R 2 shown in FIG. 6
  • radially outer region e.g., radially outer region R 1 shown in FIG. 6
  • the exposed area of the nozzle mount when viewed from the upstream side in the flow direction of the compressed gas is wider in the radial inner region than in the radial outer region, so that the radial inner region is larger than the radial inner region of the perforated plate.
  • variable displacement turbocharger according to (5) or (6), one surface of the perforated plate facing the other side space has an emissivity higher than that of the surface of the nozzle mount. It is configured to be high.
  • the temperature of the perforated plate rises when it absorbs thermal radiation, and decreases when it radiates.
  • the surface of the perforated plate facing the outlet side opening in which the cooling gas passage communicates with the internal space has a higher emissivity than the surface of the nozzle mount
  • the surface of the perforated plate facing the outlet side opening is the nozzle. It will be cooler than the mount. Since the surface is lower than the nozzle mount, it is possible to suppress thermal deformation and thermal burnout of the members constituting the drive unit of the nozzle mount and the variable nozzle mechanism.
  • variable displacement turbocharger according to any one of (1) to (7), wherein the nozzle mount is a second penetration that communicates the internal space and the exhaust gas flow path. It has a second through hole (for example, a through hole 68 shown in FIG. 5) which is a hole and is configured to allow the compressed gas introduced into the internal space to flow.
  • a second through hole for example, a through hole 68 shown in FIG. 5
  • the compressed gas since the compressed gas is introduced into the exhaust gas flow path through the second through hole, the exhaust gas flowing through the exhaust gas flow path can be cooled, whereby the nozzle mount and the nozzle plate facing the exhaust gas flow path can be cooled. And the nozzle vane etc. can be cooled. Further, since the compressed gas passing through the second through hole is added to the exhaust gas flowing through the exhaust gas flow path, the flow rate of the exhaust gas supplied to the turbine wheel is increased, so that the output of the turbine wheel can be increased.
  • variable displacement turbocharger according to any one of (1) to (8), wherein the turbine wheel is located on the back surface side of the turbine wheel and on the downstream side of the turbine wheel. It has a third through hole (for example, the through hole 70 shown in FIG. 7) that communicates with the formed exhaust gas outlet flow path.
  • the turbine wheel can be cooled by passing the compressed gas introduced into the internal space through the third through hole.

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Abstract

一実施形態に係る可変容量型ターボチャージャは、回転軸と、回転軸の一端側に設けられたタービンホイールと、回転軸の他端側に設けられたコンプレッサホイールと、回転軸を回転可能に支持する軸受部を収容する軸受ハウジングと、タービンホイールに流入する排ガスの流量を制御するための可変ノズル機構であって、タービンホイールに排ガスを流入させる排ガス流路を画定するノズルプレートおよびノズルマウント、排ガス流路に支軸を中心に回転可能に配置されるノズルベーン、および、ノズルベーンを回転するための駆動部であって、軸受ハウジングとノズルマウントとの間に画定された内部空間に配置された駆動部、を含む可変ノズル機構と、コンプレッサホイールで圧縮された圧縮気体を抽気して前記内部空間に導入するための冷却気体通路と、を備える。

Description

可変容量型ターボチャージャ
 本開示は、可変容量型ターボチャージャに関する。
 排気ターボチャージャは、エンジンから排出される排ガスのエネルギを利用して、該エンジンに供給される空気を過給するものである。排気ターボチャージャには、可変ノズル機構を備えた可変容量型のものある。可変ノズル機構は、ノズルマウントとノズルプレートとの間に複数のノズルベーンが回転可能に支持され、ノズルベーンの翼角を変化させることができる。ノズルベーンの翼角を変化させることで、タービンホイールに供給される排ガスの流路面積を可変とすることができ、これによって、タービンホイールに供給される排ガスの流速や供給量を調整し、エンジンに供給される空気の過給圧を調整できる。
 排気ターボチャージャのタービンハウジングに供給される排ガスの温度は、ディーゼルエンジンで800℃前後、ガソリンエンジンで1000℃前後となり、排ガスの高温化に対する部材の耐久性が問題となっている。特許文献1に開示された排気ターボチャージャは、排ガスのタービンハウジング入口温度を1000℃以上に高めることで、熱サイクル効率の改善を図っている。特許文献1では、タービンホイールに冷却孔を形成し、この冷却孔にコンプレッサ側の圧縮空気を供給してタービンホイールを冷却することで、高温環境に対する対策を講じている。
特開2004-232622号公報
 可変容量型ターボチャージャでは、排ガスの高温化によりノズルマウントが熱変形を起してノズル軸がノズルマウントに固着し、ノズルベーンが回動しなくなったり、あるいは高温下で可変ノズル機構を構成するドライブリングやレバープレート等の摩耗が進む、等の問題がある。
 本開示は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、排ガスの高温化によって起こる可変容量型ターボチャージャの構成部材に係る上記問題を解消することを目的とする。
 上記目的を達成するため、本開示に係る可変容量型ターボチャージャは、回転軸と、前記回転軸の一端側に設けられたタービンホイールと、前記回転軸の他端側に設けられたコンプレッサホイールと、前記回転軸を回転可能に支持する軸受部を収容する軸受ハウジングと、前記タービンホイールに流入する排ガスの流量を制御するための可変ノズル機構であって、前記タービンホイールに排ガスを流入させる排ガス流路を画定するノズルプレートおよびノズルマウント、前記排ガス流路に支軸を中心に回転可能に配置されるノズルベーン、および、前記ノズルベーンを回転するための駆動部であって、前記軸受ハウジングと前記ノズルマウントとの間に画定された内部空間に配置された駆動部、を含む可変ノズル機構と、前記コンプレッサホイールで圧縮された圧縮気体を抽気して前記内部空間に導入するための冷却気体通路と、を備える。
 本開示に係る可変容量型ターボチャージャによれば、排ガスが高温化しても、高温環境下で、例えばノズルマウント、ドライブリング及びレバープレート等を含む可変ノズル機構の構成の熱変形や高温下での摩耗等を抑制できる。
一実施形態に係る可変容量型ターボチャージャの縦断面図である。 図1中のA方向から視た図である。 図1の一部を拡大した説明図である。 一実施形態に係る可変容量型ターボチャージャの縦断面図である。 一実施形態に係る可変容量型ターボチャージャの縦断面図である。 一実施形態に係る多孔板の正面図である。 一実施形態に係る可変容量型ターボチャージャの縦断面図である。
 以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載され又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
 例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
 例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
 例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
 一方、一つの構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
 図1~図7は、幾つかの実施形態に係る可変容量型ターボチャージャ10(10A、10B、10C、10D)を示す。これらの可変容量型ターボチャージャ10は、ハウジングの中心に位置して横方向に回転軸12が配置され、回転軸12の一端側にタービンホイール14が設けられ、回転軸12の他端側にコンプレッサホイール16が設けられている。これら部材を収容するハウジングは、タービンホイール14を収容するタービンハウジング20と、コンプレッサホイール16を収容するコンプレッサハウジング22と、タービンハウジング20とコンプレッサハウジング22との間に設けられ、回転軸12を回転可能に支持する軸受部18を収容する軸受ハウジング24と、で構成されている。
 さらに、タービンハウジング20の内部にタービンホイール14に流入する排ガスeの流量を制御するための可変ノズル機構26が設けられている。可変ノズル機構26は、ノズルプレート28及びノズルマウント30を備え、ノズルプレート28及びノズルマウント30によってタービンホイール14に排ガスeを流入させる排ガス流路32が画定される。ノズルベーン34が排ガス流路32に支軸36を中心に回転可能に配置されている。軸受ハウジング24とノズルマウント30との間に内部空間Siが画定され、ノズルベーン34を回転するための駆動部38が、内部空間Siに配置されている。そして、コンプレッサホイール16で圧縮された圧縮気体g(例えば、圧縮空気)を抽気して内部空間Siに導入するための冷却気体通路42(42a、42b)を備えている。
 このような構成によれば、冷却気体通路42を通して内部空間Siにコンプレッサホイール16で圧縮された圧縮気体gを供給することにより、可変ノズル機構26を構成する部材を冷却できるので、高温の排ガスeが導入されるタービンハウジング20の内部で、これら部材の熱変形や摩耗を抑制できる。
 図2は、図1中のA矢視方向から視た図である。一実施形態では、図2に示すように、可変ノズル機構26の駆動部38であって、内部空間Siに配置された駆動部38は、構成部材としてドライブリング45及びレバープレート46を含む。複数のレバープレート46は、一端がドライブリング45に接続されると共に、他端がノズルベーン34の支軸36に結合され、ドライブリング45の周方向に沿って配置されている。ドライブリング45が回転軸12の軸心を中心として矢印b方向に回動することで、ノズルベーン34が支軸36を中心に回動する。これによって、排ガス流路32を通る排ガスeの流速や供給量を調整し、エンジンンに供給される空気の過給圧を調整できる。内部空間Siに配置された駆動部38は、軸受ハウジング24を貫通して軸受ハウジング24の外部に導設された連結部39を介して、軸受ハウジング24の外部に設けられたアクチュエータ40と連結され、アクチュエータ40によって作動する。
 一実施形態では、排ガス流路32を画定するノズルプレート28及びノズルマウント30を所定の位置に固定するために、ノズルプレート28及びノズルマウント30間にノズルサポート48が架設されている。複数のノズルサポート48がノズルマウント30の周方向に離散して配置されている。
 一実施形態では、図1に示すように、コンプレッサハウジング22の内部にスクロール流路51が形成される。コンプレッサホイール16の出口側にディフューザ流路50が形成され、コンプレッサホイール16から吐出された圧縮気体gの運動エネルギはディフューザ流路50で圧力エネルギに変換される。冷却気体通路42は、コンプレッサホイール16を収容するディフューザ流路50の出口側領域と連通する入口側開口43を有する。冷却気体通路42は、入口側開口43がディフューザ流路50の出口側領域に開口し、ディフューザ流路50の出口側領域から圧縮気体gを抽気して内部空間Siに導入するように構成されている。これによって、ディフューザ流路50を経て高圧となった圧縮気体gを内部空間Siに供給できる。冷却気体通路42の入口側と出口側との圧力差によって、他の動力を必要とせず圧縮気体gを容易に内部空間Siに供給できる。
 図3は、ディフューザ流路50を示す拡大図である。図3に示すように、ディフューザ流路50の入口を0%とし、出口を100%とすると、本明細書で言う「ディフューザ流路50の出口側領域」とは、圧縮気体gの圧力が高くなる50~100%の領域及びスクロール流路51に面した領域を指し、入口側開口43はこの領域に開口するのがよい。好ましくは、入口側開口43は、ディフューザ流路50の80~100%の出口側領域又はスクロール流路51に面した領域に開口するのがよい。但し、スクロール流路51のうちディフューザ流路50の出口から離れた領域では、長い冷却気体通路42を形成しなければならないので、冷却気体通路42はディフューザ流路50の出口付近の領域に開口するのがよい。
 幾つかの実施形態では、図1、図5及び図7に示すように、軸受ハウジング24は、回転軸12の軸方向に沿って貫通する貫通孔52(第1貫通孔)を有し、貫通孔52が冷却気体通路42(42a)の一部を構成する。この実施形態では、ディフューザ流路50の出口側領域で抽気された圧縮気体gは貫通孔52を流れて内部空間Siに達するように構成されている。このように、冷却気体通路42(42a)の一部を軸受ハウジング24の内部に形成できるので、軸受ハウジング24の外側に冷却気体通路用のスペースを必要としない。
 一実施形態では、図4に示すように、コンプレッサハウジング22と前記軸受ハウジング24との間に外部配管54が架設され、外部配管54が冷却気体通路42(42b)の一部を構成する。この実施形態では、冷却気体通路42(42b)は、コンプレッサハウジング22の隔壁に形成された流路56と、外部配管54と、軸受ハウジング24の隔壁に形成された流路58とで構成される。この実施形態によれば、外部配管54によって冷却気体通路42(42b)の一部を軸受ハウジング24の外側に形成できるため、冷却気体通路42の形成が比較的容易になる。
 一実施形態では、外部配管54に、圧縮気体gが内部空間Siからコンプレッサハウジング22側へ逆流するのを防止するための逆止弁60を設けてもよい。また、図示しないが、貫通孔52に同様の機能を有する逆止弁を設けてもよい。
 一実施形態では、図1に示すように、冷却気体通路42(42a)は内部空間Siと連通する出口側開口44を有する。さらに、図5~図7に示すように、内部空間Siに多孔板62を備えている。内部空間Siは、回転軸12と直交する方向に沿って延在する多孔板62によって回転軸12の軸方向に沿って2つの空間S及びSに仕切られている。多孔板62によって排ガス流路32側に仕切られた空間S(一方側空間)には、駆動部38を構成するドライブリング45及びレバープレート46等が配置される。多孔板62のコンプレッサハウジング22側に形成される空間S(他方側空間)には、出口側開口44が連通している。
 この実施形態によれば、出口側開口44から内部空間Siの空間Sに供給された圧縮気体gは、多孔板62の貫通孔を通るときに複数の多孔板62から噴出する噴流に分散され、かつ整流されて増速される。この噴流が空間Sに配置されたドライブリング45及びレバープレート46やノズルマウント30等に噴流として衝突して、所謂噴流冷却(インピンジメント冷却)がなされる。そのため、これら部材の冷却効果を向上できる。
 一実施形態では、多孔板62は、径方向内側領域の開口率が径方向外側領域の開口率より大きくなるように構成されている。ノズルマウント30、ドライブリング45及びレバープレート46のうち、排ガス流路32に最も近く最も加熱されやすいノズルマウント30を優先的に冷却する必要がある。図1中のA方向から視たとき、図2に示すように、ドライブリング45より径方向内側で視認可能なノズルマウント30の領域は、ドライブリング45より径方向外側で視認可能なノズルマウント30の領域より大きくなっている。また、ノズルマウント30の外周端付近の領域は、軸受ハウジング24が接しているため、内部空間Siに面していない。そこで、多孔板62の径方向内側領域の開口率を径方向外側領域の開口率より大きく取ることで、ノズルマウント30に衝突する圧縮気体gの流量を増加でき、これによって、ノズルマウント30の冷却効果を向上できる。
 図6は、一実施形態に係る多孔板62の正面図である。多孔板62に形成された複数の貫通孔64は、径方向内側領域Rの開口率Xが径方向外側領域Rの開口率Xより大きくなるように構成されている。ここで、開口率X、Xは、次の(1)式及び(2)式で定義される。
 開口率X=領域Rにおける貫通孔64の総面積/領域Rの総面積   (1)
 開口率X=領域Rにおける貫通孔64の総面積/領域Rの総面積   (2)
 貫通孔64の形状、大きさ、数及び貫通孔62間のピッチ等は適宜設定できる。例えば、周方向又は径方向に延在するスリット状の形状にしてもよい。
 図6において、領域Rと領域Rとの境界Bは、多孔板62の内周縁を0%、外周面を100%と設定すると、境界Bは、例えば、30~70%(好ましくは、40~60%)の領域に設定されるとよい。
 一実施形態では、空間Sに面する多孔板62の面は、ノズルマウント30の表面より放射率が高くなるように構成されている。ここで、「放射率」とは、赤外線を含む電磁波全体の熱放射線の放射率であり、次の(3)式で定義される。
  放射率=物体の放射発散度/同じ温度の黒体の放射発散度・・・(3) 
 多孔板62が熱放射線を吸収すると温度が高くなり、熱放射線を放射すると温度が低くなる。冷却気体通路42が内部空間Siと連通する出口側開口44に面する多孔板62の面がノズルマウント30の表面より放射率が高いため、出口側開口44に面する多孔板62の面は内部空間Siに面するノズルマウント30の面より低温となる。このように、出口側開口44に面する多孔板62の面が低温となるため、ノズルマウント30、ドライブリング45及びレバープレート46等の冷却効果を高めることができる。これによって、これら部材の熱変形や熱焼損を抑制できる。
 多孔板62の面の放射率を高くする手段として、例えば、該面に黒色塗料を塗布するなどの表面処理や、該面に凹凸を付けたり、該面の粗度を粗くする、等の手段がある。
 一実施形態では、図5及び図7に示すように、軸受ハウジング24の内部に冷却水が供給される冷却水通路66が形成される。冷却水通路66に冷却水を循環させることで、軸受ハウジング24を冷却できる。かかる軸受ハウジング24の冷却手段と出口側開口44に面する多孔板62の面に対する上記冷却手段とを組み合わせることで、ノズルマウント30、ドライブリング45及びレバープレート46等の冷却効果をさらに高めることができる。
 一実施形態では、図5に示すように、ノズルマウント30に、内部空間Siと排ガス流路32とを連通する貫通孔68(第2貫通孔)が形成され、内部空間Siに導入された圧縮気体gは、貫通孔68を通って排ガス流路32に導入可能に構成されている。この実施形態によれば、圧縮気体gが貫通孔68を通って排ガス流路32に導入されるので、排ガス流路32を流れる排ガスeを冷却でき、これによって、ノズルマウント30、ドライブリング45及びレバープレート46等を冷却できる。さらに、貫通孔68を通った圧縮気体gが排ガス流路32を流れる排ガスeに加わるため、タービンホイール14に供給される排ガス流量が増加する。これによって、タービンホイール14の出力を増加できる。
 一実施形態では、貫通孔68の出口開口をノズルベーン34の周辺、例えば、上流側又は下流側の排ガス流路32に配置する。特に、貫通孔68の出口開口から排ガス流路32に流出した圧縮気体gがノズルベーン34を通過するように、貫通孔68の出口開口を配置すると、ノズルベーン34の冷却効果を高めることができる。
 一実施形態では、タービンホイール14に、タービンホイール14の背面側と、タービンホイール14の下流側に形成される排ガス出口流路72とを連通する貫通孔70(第3貫通孔)が形成される。この実施形態では、内部空間Siに導入された圧縮気体gは、貫通孔68を通って排ガス出口流路72に流出する。これによって、タービンホイール14を冷却できる。
 上記各実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握される。
 (1)一つの態様に係る可変容量型ターボチャージャは、回転軸と、前記回転軸の一端側に設けられたタービンホイールと、前記回転軸の他端側に設けられたコンプレッサホイールと、前記回転軸を回転可能に支持する軸受部を収容する軸受ハウジングと、前記タービンホイールに流入する排ガスの流量を制御するための可変ノズル機構(例えば、図1に示す可変ノズル機構26)であって、前記タービンホイールに排ガスを流入させる排ガス流路(例えば、図1に示す排ガス流路32)を画定するノズルプレートおよびノズルマウント、前記排ガス流路に支軸を中心に回転可能に配置されるノズルベーン、および、前記ノズルベーンを回転するための駆動部(例えば、図1に示す駆動部38)であって、前記軸受ハウジングと前記ノズルマウントとの間に画定された内部空間(例えば、図1に示す内部空間Si)に配置された駆動部、を含む可変ノズル機構(例えば、図1に示す可変ノズル機構26)と、前記コンプレッサホイールで圧縮された圧縮気体を抽気して前記内部空間に導入するための冷却気体通路(例えば、図1に示す冷却気体通路42(42a)及び図4に示す冷却気体通路42(42b)と、を備える。
 このような構成によれば、上記冷却気体通路を介して軸受ハウジングとノズルマウントとの間に画定された内部空間にコンプレッサホイールで圧縮された圧縮気体を供給することにより、ノズルマウントや可変ノズル機構の駆動部を構成するドライブリングやレバープレート等を冷却できるので、これら部材の熱変形や摩耗を抑制できる。
 (2)一実施形態では、(1)に記載の可変容量型ターボチャージャであって、前記冷却気体通路は、前記コンプレッサホイールを収容するディフューザ流路(例えば、図1に示すディフューザ流路50)の出口側領域と連通する入口側開口(例えば、図1に示す入口側開口43)を有する。
 このような構成によれば、冷却気体通路の入口側開口が、ディフューザ流路の出口側領域に開口しているため、ディフューザ流路を経て高圧となった圧縮気体を上記内部空間に供給できる。冷却気体通路の入口側と出口側との圧力差によって、他の動力を必要とせず圧縮気体を容易に出口側の内部空間に供給できる。
 (3)一実施形態では、(1)又は(2)に記載の可変容量型ターボチャージャであって、前記軸受ハウジングは、前記回転軸の軸方向に沿って貫通する第1貫通孔(例えば、図1に示す貫通孔52)を有し、前記第1貫通孔が前記冷却気体通路の一部を構成する。
 このような構成によれば、冷却気体通路の一部を軸受ハウジングの内部に形成できるので、軸受ハウジングの外側に冷却気体通路用のスペースを必要としない。
 (4)一実施形態では、(1)又は(2)に記載の可変容量型ターボチャージャであって、前記コンプレッサホイールを収容するコンプレッサハウジングと、前記コンプレッサハウジングと前記軸受ハウジングとの間に設けられた外部配管(例えば、図4に示す外部配管54)と、をさらに備え、前記外部配管が前記冷却気体通路の一部を構成する。
 このような構成によれば、上記外部配管によって冷却気体通路の一部を形成できるため、冷却気体通路の形成が比較的容易になる。
 (5)一実施形態では、(1)乃至(4)の何れかに記載の可変容量型ターボチャージャであって、前記冷却気体通路は、前記内部空間と連通する出口側開口(例えば、図1に示す出口側開口44)を有し、前記内部空間を前記回転軸の軸方向に沿って仕切る多孔板であって、前記多孔板の一方側に形成される一方側空間には前記駆動部が配置され、前記多孔板の他方側に形成される他方側空間には前記出口側開口が連通するよう、前記内部空間に配置された多孔板(例えば、図5に示す多孔板62)をさらに備える。
 このような構成によれば、上記内部空間に供給された圧縮気体は、上記多孔板の貫通孔を通るときに分散され整流されると共に増速されるため、内部空間の上記一方側空間に配置された可変ノズル機構の構成部材に噴流として衝突し、所謂噴流冷却(インピンジメント冷却)されるため、これら部材の冷却効果を向上できる。
 (6)一実施形態では、(5)に記載の可変容量型ターボチャージャであって、前記多孔板は、径方向内側領域(例えば、図6に示す径方向内側領域R)の開口率が径方向外側領域(例えば、図6に示す径方向外側領域R)の開口率より大きくなるように構成されている。
 このような構成によれば、圧縮気体の流れ方向上流側から視たときのノズルマウントの露出面積が径方向外側領域より径方向内側領域のほうが広いため、多孔板の径方向内側領域より径方向外側領域の開口率を大きくすることで、ノズルマウントに衝突する圧縮気体の流量を増加できる。これによって、ノズルマウントの冷却効果を向上できる。
 (7)一実施形態では、(5)又は(6)に記載の可変容量型ターボチャージャであって、前記他方側空間に面する前記多孔板の一面は、前記ノズルマウントの表面より放射率が高くなるように構成されている。
 多孔板は、熱放射線を吸収すると温度が高くなり、放射すると温度が低くなる。上記構成によれば、冷却気体通路が内部空間と連通する出口側開口に面する多孔板の面がノズルマウントの表面より放射率が高いため、該出口側開口に面する多孔板の面はノズルマウントより低温となる。該面がノズルマウントより低温となることで、ノズルマウントや可変ノズル機構の駆動部を構成する部材の熱変形や熱焼損を抑制できる。
 (8)一実施形態では、(1)乃至(7)の何れかに記載の可変容量型ターボチャージャであって、前記ノズルマウントは、前記内部空間と前記排ガス流路とを連通する第2貫通孔であって、前記内部空間に導入された前記圧縮気体が流れるように構成された第2貫通孔(例えば、図5に示す貫通孔68)を有する。
 このような構成によれば、圧縮気体が上記第2貫通孔を通して排ガス流路に導入されるので、排ガス流路を流れる排ガスを冷却でき、これによって、排ガス流路に面したノズルマウント、ノズルプレート及びノズルベーン等を冷却できる。また、第2貫通孔を通った圧縮気体が排ガス流路を流れる排ガスに加わることで、タービンホイールに供給される排ガス流量が増加するため、タービンホイールの出力を増加できる。
 (9)一実施形態では、(1)乃至(8)の何れかに記載の可変容量型ターボチャージャであって、前記タービンホイールは、前記タービンホイールの背面側と、前記タービンホイールの下流側に形成される排ガス出口流路とを連通する第3貫通孔(例えば、図7に示す貫通孔70)を有する。
 このような構成によれば、内部空間に導入された圧縮気体を上記第3貫通孔に通すことで、タービンホイールを冷却できる。
 10(10A、10B、10C、10D)  可変容量型ターボチャージャ
 12  回転軸
 14  タービンホイール
 16  コンプレッサホイール
 18  軸受部
 20  タービンハウジング
 22  コンプレッサハウジング
 24  軸受ハウジング
 26  可変ノズル機構
 28  ノズルプレート
 30  ノズルマウント
 32  排ガス流路
 34  ノズルベーン
 36  支軸
 38  駆動部
 39  連結部
 40  アクチュエータ
 42(42a、42b)  冷却気体通路
 43  入口側開口
 44  出口側開口
 45  ドライブリング
 46  レバープレート
 48  ノズルサポート
 50  ディフューザ流路
 51  スクロール流路
 52  貫通孔(第1貫通孔)
 54  外部配管
 56、58  流路
 60  逆止弁
 62  多孔板
 64  貫通孔
 66  冷却水通路
 68  貫通孔(第2貫通孔)
 70  貫通孔(第3貫通孔)
 72  排ガス出口流路
 B   境界
 R  径方向外側領域
 R  径方向内側領域
 S  空間(一方側空間)
 S  空間(他方側空間)
 Si  内部空間
 e   排ガス
 g   圧縮気体

Claims (9)

  1.  回転軸と、
     前記回転軸の一端側に設けられたタービンホイールと、
     前記回転軸の他端側に設けられたコンプレッサホイールと、
     前記回転軸を回転可能に支持する軸受部を収容する軸受ハウジングと、
     前記タービンホイールに流入する排ガスの流量を制御するための可変ノズル機構であって、
      前記タービンホイールに排ガスを流入させる排ガス流路を画定するノズルプレートおよびノズルマウント、
      前記排ガス流路に支軸を中心に回転可能に配置されるノズルベーン、および、
      前記ノズルベーンを回転するための駆動部であって、前記軸受ハウジングと前記ノズルマウントとの間に画定された内部空間に配置された駆動部、を含む可変ノズル機構と、
     前記コンプレッサホイールで圧縮された圧縮気体を抽気して前記内部空間に導入するための冷却気体通路と、
    を備える可変容量型ターボチャージャ。
  2.  前記冷却気体通路は、前記コンプレッサホイールを収容するディフューザ流路の出口側領域と連通する入口側開口を有する
    請求項1に記載の可変容量型ターボチャージャ。
  3.  前記軸受ハウジングは、前記回転軸の軸方向に沿って貫通する第1貫通孔を有し、
     前記第1貫通孔が前記冷却気体通路の一部を構成する請求項1又は2に記載の可変容量型ターボチャージャ。
  4.  前記コンプレッサホイールを収容するコンプレッサハウジングと、
     前記コンプレッサハウジングと前記軸受ハウジングとの間に設けられた外部配管と、をさらに備え、
     前記外部配管が前記冷却気体通路の一部を構成する請求項1又は2に記載の可変容量型ターボチャージャ。
  5.  前記冷却気体通路は、前記内部空間と連通する出口側開口を有し、
     前記内部空間を前記回転軸の軸方向に沿って仕切る多孔板であって、前記多孔板の一方側に形成される一方側空間には前記駆動部が配置され、前記多孔板の他方側に形成される他方側空間には前記出口側開口が連通するよう、前記内部空間に配置された多孔板、をさらに備える請求項1乃至4の何れか一項に記載の可変容量型ターボチャージャ。
  6.  前記多孔板は、径方向内側領域の開口率が径方向外側領域の開口率より大きくなるように構成されている請求項5に記載の可変容量型ターボチャージャ。
  7.  前記他方側空間に面する前記多孔板の一面は、前記ノズルマウントの表面より放射率が高くなるように構成されている請求項5又は6に記載の可変容量型ターボチャージャ。
  8.  前記ノズルマウントは、前記内部空間と前記排ガス流路とを連通する第2貫通孔であって、前記内部空間に導入された前記圧縮気体が流れるように構成された第2貫通孔を有する請求項1乃至7の何れか一項に記載の可変容量型ターボチャージャ。
  9.  前記タービンホイールは、前記タービンホイールの背面側と、前記タービンホイールの下流側に形成される排ガス出口流路とを連通する第3貫通孔を有する請求項1乃至8の何れか一項に記載の可変容量型ターボチャージャ。
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