JP2007309139A - Turbocharger - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、内燃機関の過給システムとして用いられるターボチャージャに関し、特に、内燃機関の排気ガスによりタービンホイールが回転駆動するターボチャージャに関するものである。 The present invention relates to a turbocharger used as a supercharging system for an internal combustion engine, and more particularly to a turbocharger in which a turbine wheel is rotationally driven by exhaust gas from the internal combustion engine.
一般に、自動車用の内燃機関において、その出力向上のためには燃焼室へ充填される空気の量を増やすことが好ましい。そこで従来は、ピストンの移動に伴って燃焼室内に発生する負圧により空気を燃焼室に吸入するだけでなく、その空気を強制的に燃焼室へ送り込んで、同燃焼室への空気の充填効率を高めるターボチャージャが提案され、実用化されている。 Generally, in an internal combustion engine for automobiles, it is preferable to increase the amount of air charged into a combustion chamber in order to improve the output. Therefore, conventionally, not only is the air sucked into the combustion chamber due to the negative pressure generated in the combustion chamber as the piston moves, but also the air is forcibly fed into the combustion chamber to efficiently fill the combustion chamber with the air. Turbochargers that increase the power are proposed and put into practical use.
従来のターボチャージャは、軸受部を介して互いに連結されたタービン部とコンプレッサ部にて構成される。軸受部は、センタハウジングと、センタハウジング内にて軸受を介して回転可能に支持された回転軸を備える。この回転軸は、左右の各端部がセンタハウジングから突出している。また、この回転軸は、一端部にタービン部を構成するタービンホイールが一体回転可能に接合され、このタービンホイールはタービンハウジングに収容される。一方、回転軸は、他端部にコンプレッサ部を構成するコンプレッサホイールが一体回転可能に接合され、このコンプレッサホイールはコンプレッサハウジングに収容される。 A conventional turbocharger is composed of a turbine portion and a compressor portion that are connected to each other via a bearing portion. The bearing portion includes a center housing and a rotation shaft that is rotatably supported in the center housing via a bearing. The rotation shaft protrudes from the center housing at the left and right ends. Further, the rotating shaft is joined to one end portion so that a turbine wheel constituting the turbine portion can be integrally rotated, and the turbine wheel is accommodated in a turbine housing. On the other hand, the rotation shaft is joined to the other end so that a compressor wheel constituting the compressor unit can rotate integrally, and the compressor wheel is accommodated in the compressor housing.
タービンホイールは、内燃機関の排気通路を流れる排気ガスが流入することによって回転し、その回転力は回転軸を介してコンプレッサホイールに伝達される。そして、コンプレッサホイールは、このタービンホイールの回転と共に一体となって回転し、内燃機関の吸気通路内の空気の圧力（過給圧）を高め、その結果、圧縮された空気が燃焼室に送り込まれるようになる。 The turbine wheel rotates when exhaust gas flowing through the exhaust passage of the internal combustion engine flows in, and the rotational force is transmitted to the compressor wheel via the rotating shaft. The compressor wheel rotates together with the rotation of the turbine wheel to increase the pressure (supercharging pressure) of the air in the intake passage of the internal combustion engine. As a result, the compressed air is fed into the combustion chamber. It becomes like this.
ところで、このようなターボチャージャは、内燃機関の排気ガスの影響により高温下で運転することがあり、このとき、このターボチャージャを構成する各部が熱膨張することがある。そして、各部における熱膨張量の違いに起因して部材間に隙間が生じて、この隙間から排気ガスが漏洩してしまうことがあった。この問題に対して、タービンハウジングとセンタハウジングとの間にベースプレートを介在させることで、タービンハウジングからセンタハウジングへの排気ガス熱の伝熱を抑制し、タービンホイールが収容される空間を画成するトッププレートをベースプレートに取り付け、この空間内に排気ガスを導くことでタービンホイールを回転させると共に、トッププレートとタービンハウジングとの熱膨張量の違いにより生じる隙間を弾性変形可能なベローズシールで封止することで、排気ガスの漏洩を防止するものがあった（例えば、特許文献１）。 By the way, such a turbocharger may be operated at a high temperature due to the influence of the exhaust gas of the internal combustion engine, and at this time, each part constituting the turbocharger may be thermally expanded. And, due to the difference in the amount of thermal expansion in each part, a gap is generated between the members, and the exhaust gas may leak from this gap. For this problem, by interposing a base plate between the turbine housing and the center housing, heat transfer of exhaust gas heat from the turbine housing to the center housing is suppressed, and a space in which the turbine wheel is accommodated is defined. The top plate is attached to the base plate, and exhaust gas is guided into this space to rotate the turbine wheel, and the gap caused by the difference in thermal expansion between the top plate and the turbine housing is sealed with an elastically deformable bellows seal. Thus, there is one that prevents the exhaust gas from leaking (for example, Patent Document 1).
しかしながら、上述した特許文献１に記載されているターボチャージャのシール構造では、ベローズシールが高価であることから、より安価なシール構造が望まれていた。また、ベローズシールに替えて他の封止手段、例えば、樹脂製のピストンリングによる構造を用いると、高温下で運転する際に、封止手段がハウジングに固着してしまい、また、金属製のシール部材による構造を用いると、ハウジングやこれに組みつけられる構造体の熱膨張によりこの封止手段が押しつぶされて永久変形してしまい、一度高温になった後に常温に戻ったとしても必要なシール性能を確保することができないことがあった。
However, since the bellows seal is expensive in the turbocharger seal structure described in
そこで本発明は、適正なシール性能を長期間持続することのできるターボチャージャを提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a turbocharger that can maintain a proper sealing performance for a long period of time.
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明によるターボチャージャは、排気ガスを導入する排気導入口と、該排気ガスを排気する排気排出口と、該排気導入口と該排気排出口とを連通するスクロール部を有するタービンハウジングと、前記スクロール部に回転自在に収容されるタービンホイールと、前記タービンホイールを囲うように前記タービンハウジング内に設けられるシュラウドプレートと、前記タービンハウジングに前記排気排出口側に突出して設けられる第１の支持部と、前記シュラウドプレートに前記タービンハウジング側に突出して設けられ、前記排気ガスの流動方向に対して前記第１の支持部より下流側で該第１の支持部と対向する第２の支持部と、前記第１の支持部と前記第２の支持部との間に設けられる封止手段とを備えることを特徴とする。 To achieve the above object, a turbocharger according to a first aspect of the present invention includes an exhaust introduction port for introducing exhaust gas, an exhaust discharge port for exhausting the exhaust gas, the exhaust introduction port, and the exhaust discharge port. A turbine housing having a scroll portion communicating therewith, a turbine wheel rotatably accommodated in the scroll portion, a shroud plate provided in the turbine housing so as to surround the turbine wheel, and the exhaust discharge in the turbine housing. A first support portion that protrudes toward the outlet side; and a first support portion that protrudes toward the turbine housing side on the shroud plate, and is downstream of the first support portion with respect to the flow direction of the exhaust gas. A second support portion opposed to the support portion of the first sealing portion, and a sealing means provided between the first support portion and the second support portion Characterized in that it comprises a.
請求項２に係る発明によるターボチャージャでは、前記封止手段は、円環状に形成され、Ｖ字型の断面形状を有することを特徴とする。 In a turbocharger according to a second aspect of the present invention, the sealing means is formed in an annular shape and has a V-shaped cross-sectional shape.
請求項３に係る発明によるターボチャージャでは、前記封止手段は、金属製であることを特徴とする。 The turbocharger according to the invention of claim 3 is characterized in that the sealing means is made of metal.
請求項４に係る発明によるターボチャージャでは、前記シュラウドプレートは、円盤状に形成される取付部と、円筒状に形成され、前記タービンホイールの外周をクリアランスをもって囲う囲い部とを有し、前記第２の支持部は、前記囲い部の外周に設けられることを特徴とする。 In a turbocharger according to a fourth aspect of the present invention, the shroud plate includes a mounting portion formed in a disc shape, and an enclosure portion formed in a cylindrical shape and surrounding an outer periphery of the turbine wheel with a clearance. The two support portions are provided on an outer periphery of the enclosure portion.
請求項５に係る発明によるターボチャージャでは、前記取付部と前記タービンハウジングとの間に隙間を設けることを特徴とする。 In a turbocharger according to a fifth aspect of the present invention, a gap is provided between the mounting portion and the turbine housing.
請求項６に係る発明によるターボチャージャでは、前記第１の支持部と前記第２の支持部との間隔は、前記排気導入口に導入される排気ガスの温度に応じた前記タービンハウジング及び前記シュラウドプレートの熱膨張により変化し、前記タービンハウジング及び前記シュラウドプレートの低温時に最小となり、前記封止手段は、少なくとも前記間隔が最小である際に塑性変形せずに前記第１の支持部及び前記第２の支持部に接触していることを特徴とする。
In the turbocharger according to the invention according to
請求項７に係る発明によるターボチャージャでは、開度を調整することで前記タービンホイールに流入する排気ガスの流速を可変とする可変ノズルを備えることを特徴とする。 According to a seventh aspect of the present invention, the turbocharger includes a variable nozzle that makes the flow rate of the exhaust gas flowing into the turbine wheel variable by adjusting the opening degree.
請求項８に係る発明によるターボチャージャでは、前記タービンホイールが挿入される円形孔が形成され、該孔に沿って前記可変ノズルが設けられるノズルプレートを備え、前記シュラウドプレートは、前記ノズルプレートに固定されることを特徴とする。 A turbocharger according to an eighth aspect of the present invention includes a nozzle plate in which a circular hole into which the turbine wheel is inserted is formed, and the variable nozzle is provided along the hole, and the shroud plate is fixed to the nozzle plate. It is characterized by being.
本発明に係るターボチャージャによれば、タービンハウジングに排気排出口側に突出して設けられる第１の支持部と、シュラウドプレートにタービンハウジング側に突出して設けられ、排気ガスの流動方向に対して第１の支持部より下流側で該第１の支持部と対向する第２の支持部と、第１の支持部と第２の支持部との間に設けられる封止手段とを備えるので、排気ガスの熱により各部材が膨張しても、第１の支持部と第２の支持部との間隔が大きくなるため、封止手段を変形させることはなく、適正なシール性能を長期間持続することができる。 According to the turbocharger of the present invention, the first support portion that is provided on the turbine housing so as to protrude toward the exhaust discharge port side, and the shroud plate that is provided on the shroud plate so as to protrude toward the turbine housing side. Since it is provided with a second support portion facing the first support portion on the downstream side of the first support portion, and a sealing means provided between the first support portion and the second support portion, Even if each member expands due to the heat of the gas, the gap between the first support portion and the second support portion becomes large, so that the sealing means is not deformed and appropriate sealing performance is maintained for a long period of time. be able to.
以下に、本発明に係るターボチャージャの実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、或いは実質的に同一のものが含まれる。 Embodiments of a turbocharger according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments. In addition, constituent elements in the following embodiments include those that can be easily replaced by those skilled in the art or those that are substantially the same.
図１は、本発明の実施例に係るターボチャージャの低温時におけるタービン部側の部分断面図、図２は、本発明の実施例に係るターボチャージャの低温時における第１の支持部としてのハウジング側支持部及び第２の支持部としてのシュラウド側支持部の部分断面図、図３は、本発明の実施例に係るターボチャージャの高温時におけるハウジング側支持部及びシュラウド側支持部の部分断面図である。ターボチャージャ１は、自動車用の内燃機関において、その出力や燃費の向上のために燃焼室へ充填される空気を圧縮してから燃焼室に送り込んで、同燃焼室への空気の充填効率を高めるものである。
FIG. 1 is a partial cross-sectional view of a turbocharger according to an embodiment of the present invention at a low temperature, and FIG. 2 is a housing as a first support portion at a low temperature of the turbocharger according to an embodiment of the present invention. FIG. 3 is a partial cross-sectional view of the housing-side support portion and the shroud-side support portion when the turbocharger according to the embodiment of the present invention is at a high temperature. It is. In an internal combustion engine for automobiles, the
ターボチャージャ１は、軸受部５０を介して互いに連結されたタービン部２とコンプレッサ部（不図示）にて構成される。軸受部５０は、センタハウジング５１と、センタハウジング５１内にて回転軸７を回転可能に支持する軸受を備える。この回転軸７は、左右の各端部がセンタハウジング５１から突出している。そして、回転軸７は、一端部にタービン部２を構成するタービンホイール８が一体回転可能に接合され、このタービンホイール８はタービンハウジング６に収容される。一方、回転軸７は、他端部にコンプレッサ部を構成するコンプレッサホイールが一体回転可能に接合され、このコンプレッサホイールはコンプレッサハウジング（不図示）に収容される。
The
ターボチャージャ１のタービン部２は、内燃機関の燃焼室から排出される排気ガスを導入する排気導入口３と、該排気ガスを排気する排気排出口４と、該排気導入口３と該排気排出口４とを連通し流路面積が漸次減少するスクロール部５を有するタービンハウジング６と、回転軸７に固定され、スクロール部５に回転自在に収容されるタービンホイール８と、開度を調整することでタービンホイール８に流入する排気ガスの流速を可変とする可変ノズル９を備える。本図に示すこのターボチャージャ１は、内燃機関の負荷や回転数に応じて可変ノズル９の開度を調整することで、排気ガスの流速を調節して最適な過給を図る可変容量型のターボチャージャである。
The
さらに、ターボチャージャ１のタービン部２は、タービンホイール８を囲うようにタービンハウジング６内に設けられるシュラウドプレート１０と、タービンハウジング６に排気排出口４側に突出して設けられる第１の支持部としてのハウジング側支持部１１と、シュラウドプレート１０にタービンハウジング６側に突出して設けられる第２の支持部としてのシュラウド側支持部１２と、ハウジング側支持部１１とシュラウド側支持部１２との間に設けられる封止手段としてのシール材１３とを備える。
Further, the
タービンハウジング６は、スクロール壁６１と、導入ノズル６２と、排出ノズル６３が一体となって形成される。スクロール壁６１は、内部に流路面積が漸次減少する渦巻き状の排気流路としてのスクロール部５を形成する。導入ノズル６２は、略円筒形状に形成され、内側に排気導入口３を形成する。排出ノズル６３は、略円筒形状に形成され、内側に排気排出口４を形成する。導入ノズル６２は、渦巻き状のスクロール部５の接線方向に排気ガスを導入するように形成され、一方、排出ノズル６３は、円筒形の軸線がスクロール部５の渦巻きのほぼ中央に位置するように形成される。排出ノズル６３の軸線は、円筒形の導入ノズル６２の軸線に対してほぼ垂直となる。また、導入ノズル６２と排出ノズル６３は、各々がスクロール壁６１から外側に突出するように形成される。導入ノズル６２の中空部分としての排気導入口３と、排出ノズル６３の中空部分としての排気排出口４とは、上述したように、スクロール部５を介して連通される。導入ノズル６２には内燃機関から排気管が接続され、内燃機関の排気ガスは、この排気導入口３から導入され、スクロール部５を介して排気排出口４の方向（図１中矢印で示す方向）に流動し排出される。
In the
タービンホイール８は、タービンハウジング６内に形成されるスクロール部５の渦巻きのほぼ中央に位置するように回転軸７の一端に固定される。タービンホイール８は、複数の羽根状のブレード１４を有している。複数のブレード１４は、タービンホイール８の外周面に、それぞれ周方向に均等に間隔をあけて設けられ、排気ガスが流入する流路を複数の空間に仕切る。タービンホイール８が固定されている回転軸７は、軸線７ａを回転中心として回転可能にセンタハウジング５１に支持され、該軸線７ａは、タービンホイール８の軸線、排出ノズル６３の円筒形状の軸線とほぼ一致する。
The turbine wheel 8 is fixed to one end of the
可変ノズル９は、複数のベーン１５を有し、該ベーン１５の開度を調整することでタービンホイール８に流入する排気ガスの流速を可変とする。ベーン１５は、タービンハウジング６とセンタハウジング５１との間に設けられるノズルプレート１６にピン１５ａを介して回動可能に支持される。ノズルプレート１６は、円盤状に形成され、さらに、タービンホイール８が挿入される円形孔１６ａが形成される。各ベーン１５は、ノズルプレート１６のタービンハウジング６側の面上、すなわち、排気流路としてのスクロール部５中に設けられる。また、各ベーン１５は、ノズルプレート１６の円形孔１６ａに沿って、すなわち、タービンホイール８の外周面に沿って環状に設けられる。各ベーン１５は、それぞれ周方向に均等に間隔をあけて設けられる。
The variable nozzle 9 has a plurality of
各ベーン１５は、ノズルプレート１６とセンタハウジング５１と間に設けられるベーン駆動機構１７により前記ピン１５ａの軸線を中心として回動する。ベーン駆動機構１７は、ピン１５ａの他端部（ベーン１５とは反対側の端部）に取り付けられる開閉レバー１７ａと、ノズルプレート１６に対して相対的に回動するリングプレート１７ｂを有する。リングプレート１７ｂは、ノズルプレート１６のセンタハウジング５１側の面に設けられ、内周部に開閉レバー１７ａが連結される。開閉レバー１７ａは、このリングプレート１７ｂの回動に基づいてピン１５ａを回動させ、そのピン１５ａの回動によってベーン１５が開閉動作するようになる。また、ベーン駆動機構１７は、ノズルプレート１６のセンタハウジング５１側の面に設けられるストッパローラ１７ｃを有する。リングプレート１７ｂの回動に基づいて回動される開閉レバー１７ａは、このストッパローラ１７ｃと当接することによって、その回動範囲が規制される。つまり、隣り合うベーン１５間の流路断面積の大きさが制御される。また、各ベーン１５は、開度がほぼ全閉側である際に、隣接するベーン１５と部分的に重なるように配置される。
Each
シュラウドプレート１０は、円環状に形成される取付部１８と、円筒状に形成される囲い部１９を有し、取付部１８がタービンハウジング６とノズルプレート１６の間に、囲い部１９がタービンハウジング６の排出ノズル６３とタービンホイール８の間に位置するように設けられる。
The
取付部１８は、複数のスペーサボルト２０及びナット２１等を介してノズルプレート１６に固定される。取付部１８とノズルプレート１６とは、複数のスペーサボルト２０により所定の間隔が保持される。この取付部１８とノズルプレート１６との間の空間は、タービンホイール８に排気ガスを導く排気流路としてのスクロール部５の一部を構成する。上述した可変ノズル９のベーン１５は、この取付部１８とノズルプレート１６との間の空間に位置する。
The mounting
囲い部１９は、円環をなす取付部１８の内側の縁から排気ガスの流動方向に突出するように、該取付部１８と一体に形成される。囲い部１９は、その内側にタービンホイール８が挿入され、このタービンホイール８の外周、すなわち、複数のブレード１４の外面をクリアランスをもって囲う。複数のブレード１４の外面と囲い部１９の内面とのクリアランスは、タービンホイール８が回転した際に、ブレード１４と囲い部１９とが接触しない範囲で小さくする。これにより、タービンホイール８に導入される排気ガスを漏れなく複数のブレード１４の間の流路に導くことができる。
The
上記のように構成されるシュラウドプレート１０は、スペーサボルト２０を介してノズルプレート１６に固定される。ノズルプレート１６は、外周面に円環状の形成された凸部１６ｂを有し、この凸部１６ｂがタービンハウジング６に形成される円環状の凸部６５と当接して係合すると共に、背面側（センタハウジング５１側）がセンタハウジング５１と当接し、このセンタハウジング５１を取付プレート２２、ボルト２３等を介してタービンハウジング６に連結することで、タービンハウジング６に組み付けられる。ノズルプレート１６の凸部１６ｂは、外周面のセンタハウジング５１側に形成され、この凸部１６ｂに対して段落ちしている部分が円環状の凸部６５の内側の中空部分に挿入される。この状態で、ノズルプレート１６に固定されたシュラウドプレート１０は、取付部１８がタービンハウジング６のノズルプレート１６に対向する面に形成された凹部６４にはまっており、囲い部１９の内側にタービンホイール８が位置する。
The
排気導入口３に導入される排気ガスは、スクロール部５を通過する間に加速され、可変ノズル９を通過して複数のブレード１４にあたり、タービンホイール８を回転駆動させる。そして、タービンホイール８が回転することで、このタービンホイール８に固定される回転軸７も一体となって回転し、回転軸７の他端に固定されているコンプレッサホイールも一体となって回転する。これにより、内燃機関の吸気通路内の空気の圧力（過給圧）が高められ、その結果、圧縮された空気が燃焼室に送り込まれるようになる。
The exhaust gas introduced into the exhaust introduction port 3 is accelerated while passing through the
また、可変ノズル９の各ベーン１５は、ベーン駆動機構１７により前記ピン１５ａの軸線を中心として回動することで、軸線７ａと直交する方向に開閉し、隣接するベーン１５同士の隙間としての流路断面積が可変となり、タービンホイール８に流入する排気ガスの流速を可変とすることができる。可変ノズル９のベーン１５の開度を調整することで、タービンホイール８へ流入する排気ガスの流量を増減して流速を調節することになり、タービンホイール８、回転軸７及びコンプレッサホイールの回転速度が適宜に調節され、結果的に、吸気通路における空気の圧力が調節されることで充填効率が調整される。こうした燃焼室への吸入空気量の調整を行うことにより、内燃機関の出力向上と共に燃焼室内の異常燃焼防止も可能となる。
Each
すなわち、内燃機関の回転数が低い低速域や急加速時では、排気量は少なく、排気ガスの温度は比較的低温である。このとき、ターボチャージャ１において、可変ノズル９のベーン１５の開度を閉側に調整する。これにより、スクロール部５を流れる排気ガスは可変ノズル９を通過する際に流速が速められ、タービンホイール８を高速回転させる。その後、排気ガスは、排気排出口４を経て外部へ排出される。この間、上述のようにタービンホイール８の回転により回転軸７が回転して、コンプレッサホイールを回転させる。この結果、内燃機関の吸気通路内の空気が圧縮されて、ターボチャージャ１の回転数に応じた過給圧となって、高い密度の吸気として内燃機関の吸気ポートへ導入される。
That is, in a low speed range where the rotational speed of the internal combustion engine is low or during rapid acceleration, the amount of exhaust is small and the temperature of the exhaust gas is relatively low. At this time, in the
一方、内燃機関の回転数が高い高速域では、排気量は多く、排気ガスの温度は高温である。このとき、ターボチャージャ１において、可変ノズル９のベーン１５の開度を開側に調整する。これにより、排気ガスは可変ノズル９を通過する際に流速がほとんど上昇せずに（ベーン１５が閉状態のときよりも遅い）、タービンホイール８を回転させる。これにより、コンプレッサホイールの必要以上の回転を防止するように、タービンホイール８の回転は制御されて、内燃機関の運転領域において排気量が多い領域でも設定された過給圧に制御することができる。
On the other hand, in the high speed range where the rotational speed of the internal combustion engine is high, the displacement is large and the temperature of the exhaust gas is high. At this time, in the
ところで、このターボチャージャ１では、上述したように、タービンハウジング６に排気排出口４側に突出して設けられるハウジング側支持部１１と、シュラウドプレート１０にタービンハウジング６側に突出して設けられ、排気ガスの流動方向に対してハウジング側支持部１１の下流側で該ハウジング側支持部１１と対向するシュラウド側支持部１２と、ハウジング側支持部１１とシュラウド側支持部１２との間に設けられるシール材１３とを備えることで、適正なシール性能の確保を図っている。
By the way, in the
内燃機関の高負荷時に排気ガスの温度が高くなることから、このターボチャージャ１では、タービン部２を構成する各部も排気ガスの温度に伴って高温となり熱膨張し、全体的に排気ガスの流動方向の下流側に膨張する。ここで、シュラウドプレート１０とタービンハウジング６の排出ノズル６３とは、高温時において膨張する量に差が生じ、シュラウドプレート１０の方が排気ガスの流動方向の下流側への膨張量が大きくなる。これは、タービンハウジング６の内側に位置するシュラウドプレート１０が直接排気ガスに接触するのに対して、タービンハウジング６の排出ノズル６３は、一部がこのシュラウドプレート１０により覆われていることから、シュラウドプレート１０が相対的に高温となり、排出ノズル６３と比較して熱膨張による変形が大きくなるからである。また、タービンハウジング６は、スクロール壁６１と、導入ノズル６２と、排出ノズル６３が一体となって形成されることから、シュラウドプレート１０と比較して熱容量が大きく、温度上昇が遅いことから、熱膨張による変形も相対的に小さい。この点からも、シュラウドプレート１０とタービンハウジング６の排出ノズル６３とは、高温時において膨張する量に差が生じる。
Since the temperature of the exhaust gas becomes high when the internal combustion engine is at a high load, in the
ハウジング側支持部１１は、排出ノズル６３の内周面に円環状に形成され、シュラウドプレート１０の囲い部１９側に突出している。シュラウド側支持部１２は、シュラウドプレート１０の囲い部１９の外周面に円環状に形成され、囲い部１９における排気ガスの流動方向の下流側端部に設けられる。また、シュラウド側支持部１２は、排気ガスの流動方向に対してハウジング側支持部１１の下流側に位置し、このハウジング側支持部１１と対向する。また、ハウジング側支持部１１の先端は、囲い部１９の外周面におけるシュラウド側支持部１２の上流側に形成される凹部１２ｂ内に位置する。
The housing
シール材１３は、ハウジング側支持部１１とシュラウド側支持部１２とによって支持される。より具体的には、シール材１３は、囲い部１９に形成される凹部１２ｂの底面、排出ノズル６３の内周面、ハウジング側支持部１１及びシュラウド側支持部１２で囲われた空間内に設置される。シール材１３は、円環状に形成され、Ｖ字型の断面形状を有する金属、ここでは、ステンレスにより形成される。また、シール材１３は、Ｖ字の開口端が凹部１２ｂの底面を向くように設置される。
The sealing
図２、図３に示すハウジング側支持部１１とシュラウド側支持部１２との間隔ｄは、上述したように、高温時においてシュラウドプレート１０の膨張量と排出ノズル６３の膨張量に差が生じることに起因して変化する。間隔ｄは、タービン部２が低温であるとき（ターボチャージャ１が稼動していない常温時）に最小となる（図２参照）。シール材１３は、少なくとも間隔ｄが最小である際に塑性変形せずにハウジング側支持部１１及びシュラウド側支持部１２に接触し、タービンハウジング６とシュラウドプレート１０との間を封止し、排気ガスの漏洩を防止する。すなわち、間隔ｄの最小値は、シール材１３が塑性変形しない程度に、このシール材１３のＶ字開口端の幅よりもやや狭い。
The distance d between the housing
そして、導入される排気ガスの温度が高くなりタービン部２が高温になるにつれてシュラウドプレート１０の膨張量が排出ノズル６３の膨張量よりも大きくなることで、シュラウド側支持部１２がハウジング側支持部１１から離間して間隔ｄが大きくなる（図３参照）。これにより、高温時にシュラウドプレート１０が排出ノズル６３よりも排気ガスの流動方向の下流側に膨張しても、シール材１３を押しつぶすことがない。
Then, as the temperature of the exhaust gas to be introduced becomes higher and the
ただし、タービン部２が高温になり、シュラウド側支持部１２がハウジング側支持部１１から離間して間隔ｄが大きくなりシール材１３のＶ字開口端の幅を上回ると、シール材１３がハウジング側支持部１１又はシュラウド側支持部１２、あるいは両方から離れてしまい、タービンハウジング６とシュラウドプレート１０との間の封止が解かれ、排気ガスが漏洩してしまうおそれがある。しかしながら、上述したように、タービン部２が高温となるのは、タービン部２に導入される排気ガスが高温であるとき、すなわち、内燃機関の高負荷運転時であり、タービン部２に導入される排気ガスの量が多い運転領域のときである。つまり、タービン部２に導入される排気ガス量に対して、漏洩する排気ガス量の比率は極めて小さく、この漏洩による影響はほとんどない。また、このとき、可変ノズル９のベーン１５の開度は、ほぼ全開側であるため、各ベーン１５間の流路面積に対して、漏洩する排気ガスが通る流路面積の比率はきわめて小さい。したがって、可変ノズル９による流速調整に基づいたタービンホイール８の回転の制御もほとんど誤差なく正確に行うことが可能となる。
However, when the
また、シール材１３として金属製でＶ字型の断面形状を有するものが用いられることから、シール材１３は、高温でも固着せず、間隔ｄが大きくなってもばね力で開いて多少追従するので、すぐにハウジング側支持部１１又はシュラウド側支持部１２との接触が解かれてしまうわけではない。また、シール材１３のハウジング側支持部１１又はシュラウド側支持部１２との接触が解消されても、このシール材１３が設けられている空間が入り組んでいるので排気ガスは漏洩しにくい。
In addition, since a
一方、タービン部２が低温となるのは、タービン部２に導入される排気ガスが低温であるとき、すなわち、内燃機関の低・中負荷運転時、急加速時であり、タービン部２に導入される排気ガスの量が少ない運転領域のときである。つまり、排気ガスが漏洩した場合、タービン部２に導入される排気ガス量に対して、漏洩した排気ガス量の比率が大きくなり、この漏洩による影響も大きくなる。また、このとき、可変ノズル９のベーン１５の開度は、ほぼ全閉側であるため、各ベーン１５間の流路面積に対して、漏洩する排気ガスが通る流路面積の比率は相対的に大きくなる。しかしながらこの場合、上述したように、シール材１３は、間隔ｄが小さいとき、すなわち、タービン部２が低温であるときにはハウジング側支持部１１及びシュラウド側支持部１２に接触し、タービンハウジング６とシュラウドプレート１０との間を封止し、排気ガスの漏洩を防止する。したがって、低温時においても可変ノズル９による流速調整に基づいたタービンホイール８の回転の制御も誤差なく正確に行うことが可能となる。
On the other hand, the temperature of the
なお、ノズルプレート１６とタービンハウジング６との関係においても膨張する量に差が生じる。これは、ノズルプレート１６がシュラウドプレート１０と同様に直接排気ガスに接触し熱容量も相対的に小さいことから、熱膨張による変形が大きくなるからである。このターボチャージャ１において、上述したように、ノズルプレート１６とタービンハウジング６との間にシュラウドプレート１０を介在させ、このシュラウドプレート１０とノズルプレート１６とを固定したのは、シュラウドプレート１０とノズルプレート１６とが高温時において膨張する量が比較的近いことから、タービン部２が高温となった際に、膨張する量の差に起因した応力の発生を抑制し、排気流路のための空間を保持するスペーサボルト２０等の変形を防止するためである。
Note that the amount of expansion also differs in the relationship between the
また、このターボチャージャ１では、シュラウドプレート１０とタービンハウジング６との間に隙間２４を設けている。これにより、タービン部２の高温時においてシュラウドプレート１０がタービンハウジング６側に膨張しても、この隙間２４がこの膨張に対する緩衝領域となるため、シュラウドプレート１０とタービンハウジング６とが接触しない。また、この隙間２４は、可変ノズル９の上流とタービンホイール８の下流とを連通しているが、上述したように、シュラウドプレート１０とタービンハウジング６との間にシール材１３が設けられることから、可変ノズル９の上流からタービンホイール８への排気ガスの漏洩を防止することが可能となる。
In the
上記のように構成されるターボチャージャ１は、内燃機関が高回転になると排気導入口３に導入される排気ガスが多量で高温となることから、タービン部２の各部の温度が上昇し膨張する。この高温の排気ガスが直接接触するシュラウドプレート１０は、タービンハウジング６の排出ノズル６３よりも大きく膨張し、シュラウド側支持部１２がハウジング側支持部１１から離間して間隔ｄが大きくなり、図３に示すように、シール材１３のハウジング側支持部１１又はシュラウド側支持部１２との接触が解消される。その後、内燃機関が低回転に戻ると排気導入口３に導入される排気ガスが少量で低温となることから、タービン部２の各部の温度は下降しもとの大きさに戻り、シュラウド側支持部１２がハウジング側支持部１１に接近して間隔ｄももとに戻り、図２に示すように、シール材１３が再びハウジング側支持部１１及びシュラウド側支持部１２に接触し、タービンハウジング６とシュラウドプレート１０との間を封止し、排気ガスの漏洩を防止する。すなわち、排気ガスの漏洩の影響がほとんどない高温時においては漏洩を許容する一方で、排気ガスの漏洩の影響が大きい低温時においては漏洩を確実に防止することで、全体として可変ノズル９による流速調整に基づいたタービンホイール８の回転の制御も誤差なく正確に行う。
In the
以上で説明した本発明の実施例に係るターボチャージャ１によれば、排気ガスを導入する排気導入口３と、該排気ガスを排気する排気排出口４と、該排気導入口３と該排気排出口４とを連通し流路面積が漸次減少するスクロール部５を有するタービンハウジング６と、回転軸７に固定され、スクロール部５に回転自在に収容されるタービンホイール８と、タービンハウジング６内にタービンホイール８を囲うように設けられるシュラウドプレート１０と、タービンハウジング６に排気排出口４側に突出して設けられるハウジング側支持部１１と、シュラウドプレート１０にタービンハウジング６側に突出して設けられ、排気ガスの流動方向に対してハウジング側支持部１１より下流側で該ハウジング側支持部１１と対向するシュラウド側支持部１２と、ハウジング側支持部１１とシュラウド側支持部１２との間に設けられるシール材１３とを備える。
According to the
したがって、排気導入口３によりタービンハウジング６内に排気ガスが導入され、この排気ガスはスクロール部５で加速されながらタービンホイール８に流入し、このタービンホイール８を回転させ、シュラウドプレート１０の内側を通り排気排出口４から排気される。タービンホイール８は、回転軸７と共にコンプレッサホイールを回転させ、内燃機関の吸気通路内の空気を圧縮する。このタービンホイール８はシュラウドプレート１０により外周を囲われ、このシュラウドプレート１０の外周面に設けられるシュラウド側支持部１２と、排出ノズル６３に設けられるハウジング側支持部１１とによりシール材１３を支持し、このシール材１３によりタービンハウジング６とシュラウドプレート１０との間を封止し、可変ノズル９の上流からタービンホイール８の下流への排気ガスの漏洩を防止する。さらに、このシール材１３を支持するシュラウド側支持部１２は、排気ガスの流動方向に対してハウジング側支持部１１より下流側で該ハウジング側支持部１１と対向することから、タービンハウジング６内に導入される排気ガスの温度が高くなり、シュラウドプレート１０が排出ノズル６３よりも排気ガスの流動方向の下流側に膨張しても、シュラウド側支持部１２がハウジング側支持部１１から離間して間隔ｄが大きくなるもののシール材１３を押しつぶすことはないので、高温時におけるシール材１３の塑性変形を防止することができ、一度高温になり常温に戻った後でも、適正なシール性能を長期間持続することができる。
Accordingly, exhaust gas is introduced into the
さらに、以上で説明した本発明の実施例に係るターボチャージャ１によれば、ハウジング側支持部１１とシュラウド側支持部１２との間隔ｄは、排気導入口３に導入される排気ガスの温度に応じたタービンハウジング６及びシュラウドプレート１０の熱膨張により変化し、タービンハウジング６及びシュラウドプレート１０が低温時に最小となり、シール材１３は、少なくとも間隔ｄが最小である際に塑性変形せずにハウジング側支持部１１及びシュラウド側支持部１２に接触している。したがって、タービン部２が低温であるとき、典型的には、ターボチャージャ１が稼動していない常温時において間隔ｄが最小である際でも、シール材１３を押しつぶしてしまうことがなく、高温時及び低温時のいずれの場合においても、シール材１３の塑性変形を防止し、永久的に変形してしまうことを防止することができ、必要なシール性能を確保することができる。
Furthermore, according to the
さらに、以上で説明した本発明の実施例に係るターボチャージャ１によれば、シール材１３は、金属製のものを用いる。したがって、シール材１３は、タービンハウジング６及びシュラウドプレート１０が高温になっても、このタービンハウジング６、シュラウドプレート１０に固着してしまうことがないので、適正なシール性能を維持することができる。さらに、シール材１３は、円環状に形成され、Ｖ字型の断面形状を有する。したがって、シュラウド側支持部１２がハウジング側支持部１１から離間して間隔ｄが大きくなっても、ばね力でＶ字の開口端が開くので、シュラウド側支持部１２の離間に追従することができる。
Furthermore, according to the
さらに、以上で説明した本発明の実施例に係るターボチャージャ１によれば、シュラウドプレート１０は、円環状に形成される取付部１８と、円筒状に形成され、タービンホイール８の外周をクリアランスをもって囲う囲い部１９とを有し、シュラウド側支持部１２は、囲い部１９の外周に設けられる。したがって、囲い部１９によりタービンホイール８の外周と囲い部１９の内面とのクリアランスを互いに接触しない範囲で小さくすることで、タービンホイール８に導入される排気ガスを漏れなく複数のブレード１４の間の流路に導くことができ、また、取付部１８を介してシュラウドプレート１０全体を取付面としてのノズルプレート１６に取り付けることができる。シュラウド側支持部１２は囲い部１９の外周に設けられるので、排出ノズル６３に排気排出口４側に突出して設けられるハウジング側支持部１１と簡易な構成で対向させることができる。
Furthermore, according to the
さらに、以上で説明した本発明の実施例に係るターボチャージャ１によれば、シュラウドプレート１０の取付部１８とタービンハウジング６との間に隙間２４を設ける。したがって、タービン部２の高温時においてシュラウドプレート１０がタービンハウジング６側に膨張しても、この膨張による伸びをこの隙間２４により吸収することができることから、シュラウドプレート１０とタービンハウジング６とが接触しないため、応力も発生せず、シュラウドプレート１０やタービンハウジング６の破損や変形を防止することができる。
Furthermore, according to the
さらに、以上で説明した本発明の実施例に係るターボチャージャ１によれば、複数のベーン１５の開度を調整することでタービンホイール８に流入する排気ガスの流速を可変とする可変ノズル９を備える。したがって、内燃機関が高負荷になると排気導入口３に導入される排気ガスが多量で高温となることから、可変ノズル９のベーン１５の開度を調節してほぼ全開側にし、タービンホイール８の回転を制御し、内燃機関の吸気通路内の空気を圧縮し設定された過給圧に制御し、内燃機関が低・中負荷になると排気導入口３に導入される排気ガスが少量で低温となることから、可変ノズル９のベーン１５の開度を調節してほぼ全閉側にし、タービンホイール８の回転を制御し、内燃機関の吸気通路内の空気を圧縮し設定された過給圧に制御するので、内燃機関の出力向上と共に燃焼室内の異常燃焼を防止することができる。さらに、排気ガスの漏洩の影響がほとんどない高温時においては、可変ノズル９の上流からタービンホイール８の下流への排気ガスの漏洩を許容する一方で、排気ガスの漏洩の影響が大きい低温時においては、シール材１３によりこの排気ガスの漏洩を確実に防止しすることができるので、全体として可変ノズル９による流速調整に基づいたタービンホイール８の回転の制御も誤差なく正確に行うことができる。
Furthermore, according to the
さらに、以上で説明した本発明の実施例に係るターボチャージャ１によれば、タービンホイール８が挿入される円形孔１６ａが形成され、該孔１６ａに沿って可変ノズル９の複数のベーン１５が設けられるノズルプレート１６を備え、シュラウドプレート１０は、このノズルプレート１６に固定される。したがって、可変ノズル９をノズルプレート１６に設置してからこのノズルプレート１６をタービンハウジング６に組み付けることで、該可変ノズル９をタービンハウジング６内に設けることができるので製作が容易となる。さらに、直接排気ガスに接触し熱容量も相対的に小さいノズルプレート１６とシュラウドプレート１０とを固定するので、高温時における膨張量の差に起因する応力の発生を抑制することができ、排気流路としてのスクロール部５のための空間を保持するスペーサボルト２０等の変形を防止することができる。また、シュラウドプレート１０をノズルプレート１６に固定してからこのノズルプレート１６をタービンハウジング６に組み付けることができるので、例えば、シュラウドプレート１０の囲い部１９に相当する部分をタービンハウジング６に直接形成する場合よりも、組み付け精度を向上させることができ、容易に適正なクリアランスを形成することができる。
Furthermore, according to the
なお、上述した本発明の実施例に係るターボチャージャ１は、上述した実施例に限定されず、特許請求の範囲に記載された範囲で種々の変更が可能である。以上の説明では、可変ノズル９を備えるものとして説明したがこれを備えなくても本発明の構成によれば、適正なシール性能を長期間持続することができる。また、以上の説明では、シール材１３は、Ｖ字型の断面形状を有するステンレスにより形成されるものとして説明したが、これに限らず、例えば、Ｏリング等で形成してもよい。さらに、以上の説明では、ハウジング側支持部１１とシュラウド側支持部１２との間隔ｄの最小値は、シール材１３が塑性変形しない程度に、このシール材１３のＶ字開口端の幅よりもやや狭いものとして説明したが、間隔ｄが最小値であるときに、シール材１３がハウジング側支持部１１及びシュラウド側支持部１２に接触していればよく、間隔ｄの最小値は、前記幅とほぼ等しくしてもよい。
The
以上のように、本発明に係るターボチャージャは、タービンハウジングとシュラウドプレートとの間において、タービンハウジングに設けられる第１の支持部とシュラウドプレートに設けられる第２の支持部との間に封止手段を設けることで適正なシール性能の確保を図ったものであり、いずれのターボチャージャに用いても好適である。 As described above, the turbocharger according to the present invention is sealed between the first support portion provided in the turbine housing and the second support portion provided in the shroud plate between the turbine housing and the shroud plate. By providing the means, an appropriate sealing performance is ensured, and it is suitable for any turbocharger.
１ ターボチャージャ
２ タービン部
３ 排気導入口
４ 排気排出口
５ スクロール部
６ タービンハウジング
７ 回転軸
８ タービンホイール
９ 可変ノズル
１０ シュラウドプレート
１１ ハウジング側支持部（第１の支持部）
１２ シュラウド側支持部（第２の支持部）
１３ シール材（封止手段）
１４ ブレード
１５ ベーン
１６ ノズルプレート
１６ａ 円形孔
１７ ベーン駆動機構
１８ 取付部
１９ 囲い部
２０ スペーサボルト
２４ 隙間
５０ 軸受部
５１ センタハウジング
６１ スクロール壁
６２ 導入ノズル
６３ 排出ノズル
DESCRIPTION OF
12 Shroud side support (second support)
13 Sealing material (sealing means)
14
Claims (8)
前記スクロール部に回転自在に収容されるタービンホイールと、
前記タービンホイールを囲うように前記タービンハウジング内に設けられるシュラウドプレートと、
前記タービンハウジングに前記排気排出口側に突出して設けられる第１の支持部と、
前記シュラウドプレートに前記タービンハウジング側に突出して設けられ、前記排気ガスの流動方向に対して前記第１の支持部より下流側で該第１の支持部と対向する第２の支持部と、
前記第１の支持部と前記第２の支持部との間に設けられる封止手段とを備えることを特徴とする、
ターボチャージャ。 An exhaust introduction port for introducing exhaust gas, an exhaust discharge port for exhausting the exhaust gas, and a turbine housing having a scroll portion communicating the exhaust introduction port and the exhaust discharge port;
A turbine wheel rotatably accommodated in the scroll portion;
A shroud plate provided in the turbine housing to surround the turbine wheel;
A first support portion provided on the turbine housing so as to project toward the exhaust outlet;
A second support portion provided on the shroud plate so as to protrude toward the turbine housing and facing the first support portion on the downstream side of the first support portion with respect to the flow direction of the exhaust gas;
A sealing means provided between the first support part and the second support part;
Turbocharger.
請求項１に記載のターボチャージャ。 The sealing means is formed in an annular shape and has a V-shaped cross-sectional shape,
The turbocharger according to claim 1.
請求項１又は請求項２に記載のターボチャージャ。 The sealing means is made of metal,
The turbocharger according to claim 1 or 2.
前記第２の支持部は、前記囲い部の外周に設けられることを特徴とする、
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のターボチャージャ。 The shroud plate has an annular mounting portion, and a cylindrical portion, and a surrounding portion that surrounds the outer periphery of the turbine wheel with a clearance,
The second support part is provided on an outer periphery of the enclosure part,
The turbocharger according to any one of claims 1 to 3.
請求項４に記載のターボチャージャ。 A gap is provided between the mounting portion and the turbine housing,
The turbocharger according to claim 4.
前記封止手段は、少なくとも前記間隔が最小である際に塑性変形せずに前記第１の支持部及び前記第２の支持部に接触していることを特徴とする、
請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のターボチャージャ。 An interval between the first support portion and the second support portion is changed by thermal expansion of the turbine housing and the shroud plate according to a temperature of exhaust gas introduced into the exhaust introduction port, and the turbine housing And when the shroud plate is at a low temperature,
The sealing means is in contact with the first support part and the second support part without plastic deformation at least when the interval is minimum,
The turbocharger according to any one of claims 1 to 5.
請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のターボチャージャ。 It is characterized by comprising a variable nozzle that makes the flow rate of the exhaust gas flowing into the turbine wheel variable by adjusting the opening.
The turbocharger according to any one of claims 1 to 6.
前記シュラウドプレートは、前記ノズルプレートに固定されることを特徴とする、
請求項７に記載のターボチャージャ。 A circular hole into which the turbine wheel is inserted is formed, and the nozzle plate is provided with the variable nozzle along the hole,
The shroud plate is fixed to the nozzle plate,
The turbocharger according to claim 7.
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