JP4735455B2 - 過給機 - Google Patents

Description

本発明は、排気ガスによって駆動されるタービンを備える過給機に関するものである。

過給機は、内燃機関の排気ガスによりタービンインペラを回転駆動させるとともにタービンインペラに連結された回転軸を回転させ、この回転軸の回転駆動によって圧縮機を作動させて気体を圧縮し、高圧になった気体を内燃機関に供給することで、内燃機関の出力や効率を向上させるものである。

このような過給機を、ディーゼルエンジンやガソリンエンジン等の車載用のエンジンに用いる場合には、低燃費化等の性能向上を実現するために、低速域から高速域までの広い範囲でエンジンの出力向上や効率向上を実現させる必要がある。

例えば、低速域から高速域までの広い範囲においてエンジンの出力向上や効率向上を実現するための過給機としては、いわゆるマルチベーン方式の過給機がある（例えば、特許文献１参照）。
このマルチベーン方式の過給機は、タービンインペラの回転軸周りに所定間隔にて配列されるノズルベーンを備えている。そして、各ノズルベーンをリンク機構等の駆動機構を介して傾動することによって、各ノズルベーン間の開度を調整してタービンインペラに供給される排気ガスの流量を調整している。このように排気ガスの流量を調整可能とすることによって、タービンインペラに供給される排気ガスの流速を変化させることができ、例えば、低速域であっても、エンジンの出力向上や効率向上を実現させることができる。
特開２００５−３５１０８９号公報

ところで、ノズルベーンを傾動させる駆動機構は、タービンインペラを覆うハウジングと、このハウジングをさらに覆うケーシングとの間に形成された設置空間に設置されている。
このハウジング内部は、排気ガスが流れる流路となっているために排気ガスの圧力が変動し、設置空間内のガス圧力よりもハウジング内部の排気ガスの圧力の方が高くなると、ハウジング内部から設置空間に排気ガスが流れ込む場合がある。
ハウジング内部の排気ガス圧力はエンジンの動作に応じて直ぐに上昇するが、この設置空間にはハウジング内部からノズルベーン駆動軸等の摺動部の隙間を介して排気ガスが流入するため、直ぐにハウジング内部と設置空間との排ガスの圧力差は解消されず、この圧力差がなくなるまでハウジング内部から設置空間に排気ガスが流入し続ける。
このように、ハウジング内部から設置空間に排気ガスが流れ込む時間が長いと、排気ガスに含まれる煤もより多く設置空間内に流れ込みやすくなる。上述のように、駆動機構はリンク機構等によって構成されているため、設置空間に煤が入り込むと、煤が駆動機構の微細な隙間に入り込む。そして、駆動機構の滑らかな動作を阻害する、いわゆる渋りが生じる。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、ノズルベーンを駆動する駆動機構の渋りを抑制することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、排気ガスにより回転駆動されるタービンインペラと、該タービンインペラを覆うハウジングと、該タービンインペラの回転軸周りに所定間隔にて配列される複数のノズルベーンと、上記ハウジングと該ハウジングを覆うケーシングとの間に形成された設置空間に設置されるとともに上記ノズルベーンを傾動可能に支持する駆動機構と、を備える過給機であって、上記ハウジング内部と上記設置空間とに接続され、上記ハウジング内部と上記設置空間との圧力を均衡させるための等圧流路を備えることを特徴とする。

このような特徴を有する本発明によれば、ハウジング内部と設置空間との圧力を比較的短い時間で均衡させるための等圧流路を備えている。このため、ハウジング内部の圧力と設置空間の圧力とが、比較的短い時間で等圧流路を介して均衡される。よって、ハウジング内部から設置空間への排気ガスの流れが比較的時間をかけて形成されることを抑制し、設置空間に煤が入り込むことが抑制される。

また、本発明においては、上記駆動機構が、上記ハウジングを貫通して上記ノズルベーンに接続されるノズルベーン駆動軸を介して上記ノズルベーンを傾動可能に支持する場合に、上記等圧流路の上記ハウジング内部側の開口が、上記ノズルベーン駆動軸よりも排気ガス流れの上流側に形成されているという構成を採用することができる。

また、本発明においては、上記等圧流路の上記ハウジング内部側の開口が、上記タービンインペラの回転軸周りに環状に形成されているという構成を採用することができる。

また、本発明においては、上記等圧流路が、上記ハウジング内部から上記設置空間に向かって段差部を有するという構成を採用することができる。

また、本発明においては、上記駆動機構が、上記設置空間から該設置空間の外部空間に貫通する駆動軸を備える場合に、該駆動軸が貫通する貫通孔を介して上記排気ガスが上記外部空間に漏出することを遮断する排気ガス遮断手段を備えるという構成を採用することができる。

また、本発明においては、上記設置空間から該設置空間の外部空間に上記排気ガスを排出する排出流路を備えるという構成を採用することができる。

本発明によれば、設置空間に煤が入り込むことが抑制されるため、ノズルベーンを駆動する駆動機構の渋りを抑制することが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明に係る過給機の一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

図１は、本実施形態の過給機１の概略構成を示した断面図である。この図に示すように、本実施形態の過給機１は、タービン２と、コンプレッサ３と、タービン２及びコンプレッサ３を覆うハウジング４とを備えている。

タービン２とコンプレッサ３との間に位置するハウジング４の内部には、回転軸部材５が、流体軸受６を介してハウジング４に対して回転自在に設置されている。
この回転軸部材５には、一端部に、タービン２が備えるタービンインペラ２１が一体的に固定されており、他端部に、コンプレッサ３が備えるコンプレッサインペラ３１が一体的に固定されている。

ハウジング４は、タービン２とコンプレッサ３との間に位置して上記流体軸受６を支持するベアリングハウジング４１と、タービンインペラ２１を覆うようにベアリングハウジング４１の一端部に一体的に接続されるタービンハウジング４２と、コンプレッサインペラ３１を覆うようにベアリングハウジング４１の他端部に一体的に接続されるコンプレッサハウジング４３とを備えている。

タービンハウジング４２の内部には、一端に排気ガスの入口を備えたスクロール通路４４が形成されており、スクロール通路４４の内周部には、環状の排気ガス流路４５が形成されている。より詳細には、排気ガス流路４５は、タービンインペラ２１とタービンハウジング４２との間に設けられた環状のシュラウド４６と、このシュラウド４６から所定の間隔をあけてコンプレッサ側に設置された環状のサイドプレート４９との間に形成されている。また、ノズルベーン駆動リング４７は、シュラウド４６に対して回動自在に設置されている。なお、本実施形態においてシュラウド４６は、ハウジング４の一部を構成するものとする。

そして、スクロール通路４４及び排気ガス流路４５を介して供給される排気ガスによってタービンインペラ２１が回転駆動され、タービンインペラ２１と回転軸部材５を介して連結されたコンプレッサインペラ３１が連動して回転駆動される。そして、コンプレッサインペラ３１の回転によって空気が圧縮され、この圧縮された空気が自動車のエンジン等に供給される。
なお、タービンインペラ２１を回転駆動した後の排気ガスは、タービンハウジング４２の中心部に形成された排気ガス出口４８を介して外部に排出される。

そして、本実施形態においては、過給機１が、マルチベーン方式の可変容量装置７を備えている。

可変容量装置７は、複数のノズルベーン７１と、駆動機構７２とを備えている。
ノズルベーン７１は、環状に形成された排気ガス流路４５の円周状に沿って所定間隔で配列されている。すなわち、ノズルベーン７１は、タービンインペラ２１の回転軸周りに所定間隔で配列されている。各ノズルベーン７１は、駆動機構７２の一部であるノズルベーン駆動軸７４に所定の角度で取り付けられおり、ノズルベーン駆動軸７４及びノズルリンク板５０を介してノズルベーン駆動リング４７と連結されている。

駆動機構７２は、ノズルベーン駆動リング４７と、駆動軸７３と、ノズルベーン駆動軸７４、連結部材７５，７６を備えており、タービン２に隣接して形成された環状の駆動機構設置室８（設置空間）内に設置されている。なお、駆動機構設置室８は、図１に示すように、タービンハウジング４２及びシュラウド４６と、タービンハウジング４２及びシュラウド４６を覆うケーシング１１との間に形成されている。

ノズルベーン駆動軸７４は、可変容量装置７の一部を拡大した図２に示すように、シュラウド４６に形成された貫通孔４６１に摺動可能に支持されており、シュラウド４６を貫通し、一端部がノズルベーン７１と接続されており、他端部がノズルリンク板５０を介してノズルベーン駆動リング４７に接続されている。
そして、本実施形態の過給機１においては、タービンハウジング４２とシュラウド４６との間に隙間１００（等圧流路）が形成されている。この隙間１００は、タービンハウジング４２の内部（スクロール通路４４及び排気ガス流路４５）と駆動機構設置室８とに亘って形成されている。そして、この隙間１００は、タービンハウジング４２内部と駆動機構設置室８との間の圧力が瞬時に均衡（等圧）とする等圧流路として機能する。すなわち、本実施形態の過給機１は、タービンハウジング４２と駆動機構設置室８とに接続され、タービンハウジング４２内部と駆動機構設置室８との圧力を均衡させるための等圧流路を備えている。なお、以下の説明において、隙間１００を等圧流路１００と称する。

等圧流路１００の排気ガス流路４５側（タービンハウジング４２内部側）の開口１１０は、ノズルベーン駆動軸７４よりも排気ガス流れの上流側に形成されている。そして、排気ガス流路４５側の開口１１０及び駆動機構設置室８側の開口１２０とは、タービンインペラ２１の回転軸Ｌ１周りに環状に形成されている。
また、等圧流路１００は、排気ガス流路４５から駆動機構設置室８に向かって段差部１３０を有している。

駆動軸７３は、駆動軸７３の拡大図である図３に示すように、駆動機構設置室８の壁部（ケーシング１１）に貫通して設置されたブッシュ９に摺動可能に挿通されている。すなわち、駆動軸７３は、駆動機構設置室８から外部空間に貫通して設置されている。そして、駆動機構設置室８内に位置する一端部が連結部材７５を介してノズルベーン駆動リング４７と接続されており、駆動機構設置室８の外部空間に位置する他端部が連結部材７６を介してダイヤフラムシリンダ（不図示）のピストンロッド１０と係合している。
そして、本実施形態の過給機１においては、ブッシュ９と駆動軸７３との間にシールリング１２が設置されている。このシールリング１２によって、ブッシュ９に形成された貫通孔９１（ブッシュ９と駆動軸７３との間）を介して外部空間に排気ガスが漏出することが抑制される。また、シールリング１２を設置するための空間１３は、シールリング１２の後段において段差状に形成されている。このため、さらにシールリング１２から外部空間へ漏出する排気ガスの流れに抵抗をつけることができるので、貫通孔９１を介して外部空間に排気ガスが漏出することをさらに抑制することが可能となる。

このような可変容量装置７では、ダイヤフラムシリンダの駆動によってピストンロッド１０を介して駆動軸７３が回転駆動される。そして、駆動軸７３が回転駆動されると、ノズルベーン駆動リング４７がシュラウド４６に対して回動される。このように、ノズルベーン駆動リング４７が回動されると、ノズルベーン駆動リング４７にノズルベーン駆動軸７４を介して連結されたノズルベーン７１が、回転軸部材５の回転軸Ｌ１と平行な回転軸（傾動中心）を中心として傾動される。
そして、ノズルベーン７１が、タービンインペラ２１の径方向と直交する方向（タービンインペラ２１の周方向）に傾動されている場合には、各ノズルベーン７１間が閉じる。一方、ノズルベーン７１が、タービンインペラ２１の径方向に傾動されている場合には、各ノズルベーン７１間が開く。
そして、ノズルベーン７１の傾動状態、すなわち各ノズルベーン間を調整することによって、タービンインペラ２１に供給される排気ガスの流量及び流速が制御される。

そして、このように構成された本実施形態の過給機１では、煤を含む排気ガスがスクロール通路４４及び排気ガス流路４５を介してタービンインペラ２１に供給される。
ここで、本実施形態の過給機１では、排気ガスの流れによって排気ガス流路４５の圧力が変動した場合であっても、等圧流路１００によって、瞬時に排気ガス流路４５と駆動機構設置室８との圧力が均衡されるため、排気ガス流路４５から駆動機構設置室８への排気ガスの流れが形成されることを抑制することができる。したがって、駆動機構設置室８に煤が入り込むことが抑制されるため、駆動機構７２の渋りを抑制することが可能となる。

また、本実施形態の過給機１では、等圧流路１００の排気ガス流路４５側の開口１１０が、タービンインペラ２１の回転軸周りに環状に形成されている。このため、開口１１０が離散的に形成されている場合と比較して、開口面積を広くすることができる。よって、より迅速に排気ガス流路４５と駆動機構設置室８との圧力を均衡させることが可能となり、排気ガス流路４５から駆動機構設置室８へ向かう排気ガスの流れが形成されることを、さらに抑制することが可能となる。なお、開口１１０の幅は、１ｍｍ程度であることが好ましい。

また、本実施形態の過給機１では、ブッシュ９と駆動軸７３との間にシールリング１２が設置されている。このため、駆動機構設置室８から外部空間に向かう排気ガスの流れが形成されることを抑制することができ、この流れに連動して排気ガスが排気ガス流路４５から駆動機構設置室８へ流れ込むことを抑制することができる。また、駆動機構設置室８から外部空間に向かう排気ガスの流れが形成されることを抑制することができ、ブッシュ９と駆動軸７３との間に煤が入り込むことを抑制することができる。

また、仮に排気ガス流路４５から駆動機構設置室８へ向かう排気ガスの流れが生じた場合であっても、本実施形態の過給機１では、等圧流路１００の排気ガス流路４５側の開口１１０が、ノズルベーン駆動軸７４よりも排気ガス流れの上流側に位置している。このため、排気ガスに含まれる煤の殆どが等圧流路１００に流れ込み、隙間が狭く最も渋りの原因となり易いノズルベーン駆動軸７４と貫通孔４６１との間に煤が入り込むことを抑制することができる。

また、本実施形態の過給機１では、等圧流路１００が、向かって段差部１３０を有している。このため、仮に排気ガス流路４５から駆動機構設置室８へ向かう排気ガスの流れが生じた場合であっても、排気ガスに含まれる煤を段差部にて除去することができ、駆動機構設置室８に流れ込むことを抑制することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係る過給機の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、図４に示すように、駆動機構設置室８から排気ガス出口４８に連通する排出流路２００をケーシング１１に形成しても良い。これによって、仮に煤が駆動機構設置室８に流入した場合であっても、流入した煤を排気ガスとともに排出流路２００を介して排気ガス出口４８に排出することができる。また、排気ガスを浄化する必要がない場合は駆動機構設置室８から外部空間に連通する排出流路をケーシング１１に形成して大気に放出しても良いし、排気ガスを浄化する必要がある場合は駆動機構設置室８から外部空間に連通する排出流路をケーシング１１に形成し、駆動機構設置室８から外部空間に排出した後、その排出された排気ガスを排気ガス浄化装置などを設けてそれに導いても良い。
なお、駆動機構設置室８内の圧力を保つために、必要に応じて排出流路２００を開閉可能な開閉手段を設置することが好ましい。

例えば、上記実施形態においては、シールリング１２によって、駆動機構設置室８から外部空間に向かう排気ガスの流れを遮断した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、図５に示すように、ブッシュ９としてラビリンス軸受を用いることによって、駆動機構設置室８から外部空間に向かう排気ガスの流れを遮断しても良い。また、シールリング１２の替わりに波ワッシャを用いることもできる。

本発明の一実施形態における過給機の概略構成を示した断面図である。 本発明の一実施形態における過給機の一部を拡大した拡大断面図である。 本発明の一実施形態における過給機が備える駆動軸を拡大した拡大断面図である。 本発明の一実施形態における過給機の変形例を示す断面図である。 本発明の一実施形態における過給機の変形例を示す断面図である。

符号の説明

１……過給機、２……タービン、２１……タービンインペラ、３……コンプレッサ、４……ハウジング、４２……タービンハウジング、４４……スクロール通路、４５……排気ガス流路（ハウジング内部）、４６……シュラウド、４９……サイドプレート、５０……ノズルリンク板、５……回転軸部材、６……流体軸受、７……可変容量装置、７１……ノズルベーン、７２……駆動機構、７４……ノズルベーン駆動軸、８……駆動機構設置室（設置室）、１００……等圧流路、１１０，１２０……開口、１３０……段差部、２００……排出流路、Ｌ１……回転軸

Claims (5)

1. 排気ガスにより回転駆動されるタービンインペラと、該タービンインペラを覆うハウジングと、該タービンインペラの回転軸周りに所定間隔にて配列される複数のノズルベーンと、前記ハウジングと該ハウジングを覆うケーシングとの間に形成された設置空間に設置されるとともに前記ノズルベーンを傾動可能に支持する駆動機構と、を備える過給機であって、
   前記ハウジング内部と前記設置空間とに接続され、前記ハウジング内部と前記設置空間との圧力を均衡させるための等圧流路を備え、
   前記等圧流路の前記ハウジング内部側の開口は、前記タービンインペラの回転軸周りに環状に形成されている
   ことを特徴とする過給機。
2. 前記駆動機構が、前記ハウジングを貫通して前記ノズルベーンに接続されるノズルベーン駆動軸を介して前記ノズルベーンを傾動可能に支持し、
   前記等圧流路の前記ハウジング内部側の開口は、前記ノズルベーン駆動軸よりも排気ガス流れの上流側に形成されていることを特徴とする請求項１記載の過給機。
3. 前記等圧流路は、前記ハウジング内部から前記設置空間に向かって段差部を有することを特徴とする請求項１または２記載の過給機。
4. 前記駆動機構が、前記設置空間から該設置空間の外部空間に貫通する駆動軸を備え、
   該駆動軸が貫通する貫通孔を介して前記排気ガスが前記外部空間に漏出することを遮断する排気ガス遮断手段を備えることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の過給機。
5. 前記設置空間から該設置空間の外部空間に前記排気ガスを排出する排出流路を備えることを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載の過給機。

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