JP2009144546A

JP2009144546A - ターボチャージャ

Info

Publication number: JP2009144546A
Application number: JP2007320719A
Authority: JP
Inventors: Yoshimitsu Matsuyama; 良満松山; Hiroshi Tange; 浩史丹下
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2007-12-12
Filing date: 2007-12-12
Publication date: 2009-07-02
Also published as: KR20100087376A; EP2233718A4; EP2233718B1; US20100310363A1; EP2233718A1; WO2009075057A1; KR101196248B1; CN101896705A

Abstract

【課題】簡単な構成によりタービンインペラ出口の流体の乱れを低減してタービンの効率向上を図る。
【解決手段】軸受ハウジング３に回転可能に支持されたタービンインペラ４の外部に排気ノズル９を有し、排気ノズル９の外部にスクロール通路８が形成されたタービンハウジング１を有し、排気ノズル９は、軸受ハウジング３側の前部排気導入壁１０とタービンハウジング１側の後部排気導入壁１１との相互間に複数のノズルベーン１５を備え、ノズルベーン１５の各ベーン軸１６が少なくとも前部排気導入壁１０を貫通して回転可能に支持されているターボチャージャであって、各ベーン軸１６と軸受ハウジング３との間に、各ベーン軸１６を後部排気導入壁１１側へ押圧してノズルベーン１５を後部排気導入壁１１側に変位させる押圧手段２３を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、簡単な構成によりタービンインペラ出口の流体の乱れを低減させてタービンの効率向上が図れるターボチャージャに関する。

図９は本発明を適用する従来の可変容量型のターボチャージャの一例を示している。このターボチャージャは、タービンハウジング１とコンプレッサハウジング２とが軸受ハウジング３を介して締結ボルト３ａ，３ｂにより一体的に組み立てられており、タービンハウジング１内に配置されるタービンインペラ４とコンプレッサハウジング２内に配置されるコンプレッサインペラ５が、軸受ハウジング３に軸受６を介して回転自在に支承されたタービン軸７により連結されている。

又、上記軸受ハウジング３のタービンハウジング側には、図１０に拡大して示す如く、タービンハウジング１のスクロール通路８に導入される流体（排ガス）を前記タービンインペラ４に導くための排気ノズル９が設けられる。

排気ノズル９は、軸受ハウジング３側の前部排気導入壁１０とタービンハウジング１側の後部排気導入壁１１とが所要の間隔を保持した状態で例えば周方向３箇所に設けた固定部材１２により一体に組み立てられている。更に、前部排気導入壁１０の前面（軸受ハウジング３側面）には取付部材１３が固定されており、前記タービンハウジング１と軸受ハウジング３との組立時に、前記取付部材１３をタービンハウジング１と軸受ハウジング３とで挟持することにより前記排気ノズル９を固定している。更に、上記組立時に、前記排気ノズル９は位置決めピン１４によって軸受ハウジング３に対して位置決めされている。

前部排気導入壁１０と後部排気導入壁１１との相互間には複数のノズルベーン１５が環状に配置されており、各ノズルベーン１５は少なくとも前部排気導入壁１０を貫通するベーン軸１６によって前部排気導入壁１０に回転可能に支持されている。図１０の形態では各ノズルベーン１５の軸受ハウジング３側に設けたベーン軸１６が前部排気導入壁１０を貫通しておりノズルベーン１５は片持ちに支持されている。一方、図９に示すように、ノズルベーン１５の両側にベーン軸１６，２８を備えてベーン軸１６を前部排気導入壁１０に貫通させ、ベーン軸２８を後部排気導入壁１１に貫通させることによりノズルベーン１５を両持ちに支持するようにしたものもある。

図９中、１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄは前記ノズルベーン１５の開閉角度を調節するためのリンク式の伝達機構、１８はコンプレッサハウジング２に形成されたスクロール通路である。

又、排気ノズル９における後部排気導入壁１１とタービンハウジング１との間には隙間１９が設けられている。この隙間１９は本来不要なものであるが、タービンハウジング１が冷間時と熱間時との間で熱変形を起すこと、及び組み立て部品に精度上のばらつきがあること等のために設けられている。

上記隙間１９があると、スクロール通路８の排ガスが隙間１９を通してタービンインペラ出口２０に無駄に漏出されてしまうことから、この隙間１９を閉塞するために、後部排気導入壁１１が下流側へ延設された延設部１１'の外面と、この延設部１１'に対向するタービンハウジング１の内面１'との間にシール用ピストンリング２１を配置して、ガスリークを防止すると共に熱変形を吸収するようにしたものが提案されている（特許文献１参照）。

特許文献１では図１０に示すように、後部排気導入部１１の延設部１１'の外周面に環状の凹溝２２を設けてこの凹溝２２に、通常２枚のシール用ピストンリング２１の切欠部が重ならないように位置をずらして配置することによりシール装置を構成し、前記シール用ピストンリング２１の外周面が弾撥力によってタービンハウジング１の内面１'に圧着されることによりガスリークを防止している。
特開２００６−１２５５８８号公報

図１０に示したように従来のターボチャージャにおいては、隙間１９からのガスリークを防止するためにシール装置を種々工夫することが行われているが、このようなシール装置の構造に工夫を凝らしてもタービンの効率を大幅に向上させることは困難であり限界があった。

このため、本発明者らは、上記ガスリークによる問題以外にタービンの効率に影響を及ぼす要因について種々検討を実施した結果、タービンインペラ出口２０の排ガスの乱れが大きいとタービンの効率が低下し、タービンインペラ出口２０の排ガスの乱れが小さいとタービンの効率が向上することを突き止めた。

本発明は、上記実情に鑑みてなしたもので、簡単な構成によりタービンインペラ出口の流体の乱れを低減させてタービンの効率を向上できるようにしたターボチャージャを提供しようとするものである。

本発明は、軸受ハウジングに回転可能に支持されたタービンインペラの外部に排気ノズルを有し、排気ノズルの外部にスクロール通路が形成されたタービンハウジングを有し、前記排気ノズルは、軸受ハウジング側の前部排気導入壁とタービンハウジング側の後部排気導入壁との相互間に複数のノズルベーンを備え、該ノズルベーンの各ベーン軸が少なくとも前部排気導入壁を貫通して回転可能に支持されているターボチャージャであって、各ベーン軸と軸受ハウジングとの間に、各ベーン軸を後部排気導入壁側へ押圧してノズルベーンを後部排気導入壁側に変位させる押圧手段を備えたことを特徴とするターボチャージャ、に係るものである。

上記ターボチャージャにおいて、前記押圧手段はベーン軸と軸受ハウジングとの間に備えた皿ばねであってもよい。

又、上記ターボチャージャにおいて、前記押圧手段はベーン軸と軸受ハウジングとの間に備えたコイルばねであってもよい。

又、上記ターボチャージャにおいて、前記ノズルベーンは一側に備えたベーン軸が前部排気導入壁を貫通して片持ちに支持されていてもよい。

又、上記ターボチャージャにおいて、前記ノズルベーンは両側に備えたベーン軸が前部排気導入壁と後部排気導入壁の両方を貫通して両持ちに支持されていてもよい。

又、上記ターボチャージャにおいて、前記ノズルベーンは両側に備えた一方のベーン軸は前部排気導入壁を貫通し、他方のベーン軸は後部排気導入壁に一部が没入されて両持ちに支持されていてもよい。

本発明のターボチャージャによれば、ノズルベーンの各ベーン軸と軸受ハウジングとの間に、各ベーン軸を後部排気導入壁側へ押圧してノズルベーンを後部排気導入壁側に変位させる押圧手段を備えたので、簡単な構成にてノズルベーンと後部排気導入壁との間のクリアランスを小さく保持してタービンインペラ出口における流体の乱れを低減することにより、タービンの効率を大幅に向上できるという優れた効果を奏し得る。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。

図１は、図１０のターボチャージャに適用した本発明の形態の一例を示すもので、排気ノズル９の前部排気導入壁１０と後部排気導入壁１１との間に配置されるノズルベーン１５の一側に備えたベーン軸１６が前部排気導入壁１０を貫通し、ノズルベーン１５が片持ちに支持されている構成において、前記ノズルベーン１５のベーン軸１６の前端１６'（図１の右端）と軸受ハウジング３の後面３'との間（後述するノズルリンク板１６ａと後面３'との間）に、各ベーン軸１６を後部排気導入壁１１側へ押圧して各ノズルベーン１５を常に後部排気導入壁１１側に変位した状態に保持するようにした押圧手段２３を備えている。

図１に示す押圧手段２３は、各ベーン軸１６を後部排気導入壁１１側へ押圧する皿ばね２４を備えた場合を示している。皿ばね２４は、図２に示すように、ドーナツ形状の内周端２５と外周端２６の位置が軸中心線の方向にずれた截頭円錐形状を有しており、且つ皿ばねの截頭円錐形状による軸中心線方向の高さＨは、前記各ベーン軸１６の前端と軸受ハウジング３の後面３'との間隔よりも高く形成されている。

なお、ベーン軸１６の前端側は、前部排気導入壁１０と軸受ハウジング３の後面３'との間に配置されているノズルリンク板１６ａ（軸保持部材）によってそれぞれ保持されている。各ノズルリンク板１６ａは、図示しない駆動リングが回転させられることにより、対応するベーン軸１６を支点としてそれぞれ回動するように構成されている。すなわち、各ベーン軸１６（ノズルベーン１５）は、図示しない駆動リングによってノズルリンク板１６ａが回動させられることにより、各ノズルリンク板１６ａと一体的に回転するようになっている。また、皿ばね２４は、各ノズルリンク板１６ａと後面３'との間に挟まれた位置に設けられている。そして、内周端２５が、各ベーン軸１６の前端１６'に沿って当接させられ、外周端２６側が、軸受ハウジング３側に当接させられている。こうして皿ばね２４は、前端１６'と軸受ハウジング３との間に挟まれ、圧縮された状態で配置されている。即ち、前端１６'は、皿ばね２４の弾性力によって付勢され、後方に移動した状態にされている。

図３は前記押圧手段２３の他の形態を示したもので、この押圧手段２３は、前記各ベーン軸１６の前端１６'と軸受ハウジング３の後面３'との間に、各ベーン軸１６を後部排気導入壁１１側へ押圧するコイルばね２７を備えている。

一方、図４は、前記ノズルベーン１５の両側に備えたベーン軸１６，２８が前部排気導入壁１０と後部排気導入壁１１を貫通して、ノズルベーン１５が前部排気導入壁１０と後部排気導入壁１１に両持ちに支持されるようにした場合を示しており、この場合にも、ベーン軸１６の前端１６'と軸受ハウジング３の後面３'との間に、各ベーン軸１６を後部排気導入壁１１側へ押圧するようにした皿ばね２４或いは図３に示したコイルばね２７からなる押圧手段２３を備えることができる。

又、図５は、前記ノズルベーン１５の両側に備えたベーン軸１６，２８'の一方のベーン軸１６が前部排気導入壁１０を貫通し、他方のベーン軸２８'は後部排気導入壁１１に一部が没入された（貫通しない）状態で両持ちに支持された場合を示しており、この場合にも、ベーン軸１６の前端１６'と軸受ハウジング３の後面３'との間に、各ベーン軸１６を後部排気導入壁１１側へ押圧するようにした皿ばね２４或いは図３に示したコイルばね２７からなる押圧手段２３を備えることができる。

図１〜図５に示した形態では次のように作動する。

ノズルベーン１５のベーン軸１６の前端１６'と軸受ハウジング３の後面３'との間に、図１、図２に示した皿ばね２４或いは図３に示したコイルばね２７からなる押圧手段２３を設置すると、各ベーン軸１６は押圧手段２３によって常時後部排気導入壁１１側へ押圧されることにより、各ノズルベーン１５は常に後部排気導入壁１１側に変位した位置に保持されるようになる。

即ち、ノズルベーン１５と前部排気導入壁１０及び後部排気導入壁１１との間には、ノズルベーン１５を回動可能にするためのクリアランスが予め存在しており、且つこのクリアランスの大きさにはターボチャージャによる個体差を有している。ここで、前記したように各ベーン軸１６を押圧手段２３によって押圧すると、各ノズルベーン１５は前記クリアランス分だけ後部排気導入壁１１側に変位し、各ノズルベーン１５は後部排気導入壁１１に接するようになって各ノズルベーン１５と後部排気導入壁１１との間のクリアランスは極小となる。

なお、図１、図４、図５の例では、軸受ハウジング３の後面３'の周縁部に、円錐台状の面３ａ'（外側に向かうに従い前方に向かうように傾斜した面）が形成されている。また、皿ばね２４の外周側の部分は、円錐台状の面３ａ'とノズルリンク板１６ａとの間において、円錐台状の面３ａ'に沿うようにして配置されている。このようにすると、後面３'とノズルリンク板１６ａとの間の距離を広げなくても、皿ばね２４を設置するスペースを確保しやすくなる。

本発明者らは、従来のターボチャージャ（従来品）と、上記押圧手段２３を備えた本発明のターボチャージャ（本発明品）において、図６に示すようにタービンインペラ４の上流側と下流側との圧力比は略同一になるようにした条件において、タービンインペラ出口２０における径方向位置での排ガスの速度分布を数値解析により求め、その結果を図７に示した。

図７から明らかなように、本発明のターボチャージャでは、従来のターボチャージャに比して半径方向における流速分布の偏差が少なく流速分布は半径方向に平坦化している。このことは、本発明のターボチャージャは従来のターボチャージャに比して、タービンインペラ出口２０における排ガスの乱れが小さいことを表わしている。

更に、上記本発明のターボチャージャと従来のターボチャージャにおいて、タービンの効率を数値解析して比較したところ、図８に示すように、本発明のターボチャージャによれば従来のターボチャージャに対してタービンの効率が約１０％向上することが判明した。

スクロール通路８からの排ガスは、排気ノズル９のノズルベーン１５間にを通ってタービンインペラ４に導かれるが、この時の排ガスの流れは３次元的で複雑な流れであるため、タービンインペラ出口２０での排ガスの乱れの要因を探ることは非常に困難である。

しかし、前記したように、各ベーン軸１６を後部排気導入壁１１側へ押圧して各ノズルベーン１５と後部排気導入壁１１との間のクリアランスを小さくすると、タービンインペラ出口２０における径方向位置での排ガスの速度分布が平坦化されてタービンインペラ出口２０での排ガスの乱れが減少し、これによってタービンの効率を向上させることができたことから、前記各ノズルベーン１５と後部排気導入壁１１との間のクリアランスがタービンインペラ出口２０での排ガスの乱れに影響を及ぼす要因の１つであることが判明した。

従って、本発明では、前記したように、ノズルベーン１５の各ベーン軸１６と軸受ハウジング３との間に押圧手段２３を備えるという簡単な構成によって、ノズルベーン１５を後部排気導入壁１１側に変位させることにより各ノズルベーン１５と後部排気導入壁１１との間のクリアランスを極小に保持し、これによってタービンインペラ出口２０における流体の乱れを低減してタービンの効率を大幅に向上することができた。

なお、本発明は上記形態においては、隙間１９にピストンリング２１によるシール装置を備えた場合について例示したが、シール装置の形態には限定されないこと、その他、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。

本発明の形態の一例を示すノズル部近傍の切断側面図である。図１における皿ばねの側面図である。本発明の形態の他の例を示すノズル部近傍の切断側面図である。ノズルベーンを支持するベーン軸の他の形態を示す切断側面図である。ノズルベーンを支持するベーン軸の更に他の形態を示す切断側面図である。従来のターボチャージャと本発明のターボチャージャにおけるタービンインペラの上流側と下流側との圧力比を略同一とした状態を示す線図である。従来のターボチャージャと本発明のターボチャージャにおけるタービンインペラ出口での径方向位置における排ガスの速度分布を比較して示した線図である。従来のターボチャージャと本発明のターボチャージャにおけるタービンの効率を比較して示した線図である。従来のターボチャージャの一例を示す切断側面図である。図９のノズル部近傍の切断側面図である。

符号の説明

１タービンハウジング
３軸受ハウジング
４タービンインペラ
５コンプレッサインペラ
８スクロール通路
９排気ノズル
１０前部排気導入壁
１１後部排気導入壁
１５ノズルベーン
１６ベーン軸
２０タービンインペラ出口
２３押圧手段
２４皿ばね
２７コイルばね
２８ベーン軸
２８' ベーン軸

Claims

軸受ハウジングに回転可能に支持されたタービンインペラの外部に排気ノズルを有し、排気ノズルの外部にスクロール通路が形成されたタービンハウジングを有し、前記排気ノズルは、軸受ハウジング側の前部排気導入壁とタービンハウジング側の後部排気導入壁との相互間に複数のノズルベーンを備え、該ノズルベーンの各ベーン軸が少なくとも前部排気導入壁を貫通して回転可能に支持されているターボチャージャであって、各ベーン軸と軸受ハウジングとの間に、各ベーン軸を後部排気導入壁側へ押圧してノズルベーンを後部排気導入壁側に変位させる押圧手段を備えたことを特徴とするターボチャージャ。
前記押圧手段はベーン軸と軸受ハウジングとの間に備えた皿ばねである請求項１に記載のターボチャージャ。
前記押圧手段はベーン軸と軸受ハウジングとの間に備えたコイルばねである請求項１に記載のターボチャージャ。
前記ノズルベーンは一側に備えたベーン軸が前部排気導入壁を貫通して片持ちに支持されている請求項１〜３のいずれか１つに記載のターボチャージャ。
前記ノズルベーンは両側に備えたベーン軸が前部排気導入壁と後部排気導入壁の両方を貫通して両持ちに支持されている請求項１〜３のいずれか１つに記載のターボチャージャ。
前記ノズルベーンは両側に備えた一方のベーン軸は前部排気導入壁を貫通し、他方のベーン軸は後部排気導入壁に一部が没入されて両持ちに支持されている請求項１〜３のいずれか１つに記載のターボチャージャ。