JP5494248B2

JP5494248B2 - 固定翼式ターボチャージャ

Info

Publication number: JP5494248B2
Application number: JP2010126911A
Authority: JP
Inventors: 幹人石井
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2010-06-02
Filing date: 2010-06-02
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2030-06-02
Also published as: JP2011252439A

Description

本発明は、簡単な構成によって固定翼による整流効果が高められるようにした固定翼式ターボチャージャに関する。

従来より、自動車用等の内燃機関においては、出力向上等を図るためにターボチャージャを備えたものが知られている。ターボチャージャは、内燃機関の排気（流体）が送り込まれるタービンスクロールと、そのタービンスクロール内の排気が通路を介して供給されることにより回転するタービンインペラと、タービンインペラと一体に回転するコンプレッサインペラと、コンプレッサインペラからの空気（流体）が通路を介して供給されるディフューザとしてのコンプレッサスクロールとを有し、コンプレッサスクロールからの加圧された空気が内燃機関の燃焼室へ強制的に供給されるようになっている。

前記タービン側の排気が流動する通路及びコンプレッサ側の空気が流動する通路の一方或いは両方には流体の流動を整流するための翼体を備えているものがある。

タービン側の通路に備えられる翼体について説明すると、タービンハウジングに形成されたタービンスクロールにより流速が高められて送り込まれる排気は、翼体によりタービンインペラの周囲から均一に流入してタービンの効率向上を図るようになっており、この翼体には、翼体をタービンハウジングの対向前面又は軸受ハウジングの対向前面に固定するようにした固定翼と、タービンハウジングと軸受ハウジングの対向前面間に、各翼体に備えた軸をリンク機構等により同時に回転させて翼体の角度を一斉に変えられるようにした可変翼体が知られている。

ここで、固定翼は排気の流入角度が固定であるため内燃機関の回転数等に応じて排気の流速を変化させることはできないが、可変翼体では内燃機関の回転数等に応じて排気の流入角度を変えることにより排気の流速を変化させることができる。一方、固定翼は比較的簡単な構成であるのに対して、可変翼体は可動とするために構成が複雑なものとなっている。

更に、上記したように、タービンハウジングと軸受ハウジングの対向前面間に設けられる翼体には、ノズルサイドクリアランスと称される隙間が生じる問題がある。即ち、翼体をゼロクリアランスで設計しても、運転時に複雑な形状のタービンハウジングが不均一に熱変形すること、及び、翼体と該翼体が固定されるタービンハウジングとの材料の違いによる熱膨張差による変形が発生することから、実際にゼロクリアランスとすることはできない。ここで、可変翼体においては可動とするために翼体の両側に一定のサイドクリアランスを設ける必要があり、固定翼では翼体の一側のみにサイドクリアランスが生じる。

又、前記したコンプレッサ側の通路に備えられる翼体においても、前記タービンに比して温度は低いけれども同様にサイドクリアランスが生じる。

本発明と関連するこの種のターボチャージャの先行技術文献情報としては、例えば、固定翼と可変翼体の両方を備えたものがある（特許文献１等参照）。又、後部排気導入壁と前部排気導入壁との間に翼体が回動可能に挾持された可変翼体において、各翼体の軸と軸受ハウジングとの間に、各軸を後部排気導入壁側へ押圧して翼体を後部排気導入壁側に変位させる押圧手段を備えて、後部排気導入壁側と翼体との間のサイドクリアランスを小さくするようにしたものがある（特許文献２等参照）。

特開２００７−１９２１２４号公報特開２００９−１４４５４６号公報

しかし、上記したようなターボチャージャにおいては、前記したタービン側の通路に備えられる翼体のサイドクリアランスがゼロクリアランスになるように翼体の軸方向の高さ寸法を高い精度で製作しても、組み立てた段階でサイドクリアランスをゼロクリアランスとすることはできず、そのために、タービン側の通路に備えられる翼体のサイドクリアランスを通してタービンスクロールからの排気が漏出する問題が生じ、この漏出する排気は翼体によって排気の流速を高める作用に寄与されないばかりか、タービンインペラに導かれる排気に乱れを生じさせることになって、タービン効率を大幅に低下させる問題がある。従って、タービン側の通路に備えられる翼体のサイドクリアランスをゼロクリアランスとすることができれば、タービン効率を大幅に高めることができて非常に有効である。

又、前記したコンプレッサ側の通路に備えられる翼体においても、ゼロクリアランスになるように翼体の高さを高い寸法精度で製作しても、組み立てた段階でゼロクリアランスとすることはできず、そのために、コンプレッサインペラからの空気がサイドクリアランスを通して漏出する問題が生じ、この漏出する空気はディフューザによる昇圧効果に寄与されないばかりか、コンプレッサスクロールに導かれる空気に乱れを生じさせることになって、ディフューザ機能を低下させるという問題が生じる。従って、コンプレッサ側の通路に備えられる翼体のサイドクリアランスをゼロクリアランスとすることができれば、ディフューザ機能を高めることができて非常に有効である。

本発明は、斯かる実情に鑑みてなしたもので、簡単な構成によって固定翼による整流効果が高められるようにした固定翼式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、軸受ハウジングとタービンハウジングとの間の通路及び軸受ハウジングとコンプレッサとの間の通路が対向した第１部材と第２部材によって形成されており、前記通路の少なくとも一方に固定翼を備えている固定翼式ターボチャージャであって、リング部材の一側面には周方向に複数の翼体が固定され、且つ、前記リング部材の他側面には周方向に向かって段状に傾斜した複数の傾斜面が形成された固定翼を備え、該固定翼は前記翼体が前記通路に位置し、前記傾斜面が前記第１部材及び第２部材の一方に対向するよう配置され、前記傾斜面が対向した前記第１部材及び第２部材の一方の対向前面には、前記固定翼に備えた傾斜面と合致する固定傾斜面を備えており、流体が固定翼の翼体に作用することで生じるリング部材の回転により前記傾斜面及び固定傾斜面を介して固定翼の翼体が、固定傾斜面を有しない前記第１部材及び第２部材の他方の対向前面に圧着されるようにしたことを特徴とする固定翼式ターボチャージャ、に係るものである。

上記固定翼式ターボチャージャにおいて、前記固定翼が軸受ハウジングに配置した遮熱プレートに備えられていることは好ましい。

本発明の固定翼式ターボチャージャによれば、リング部材の一側面には周方向に複数の翼体が固定され、且つ、前記リング部材の他側面には周方向に向かって段状に傾斜した複数の傾斜面が形成された固定翼を備え、該固定翼は前記翼体が前記通路に位置し、前記傾斜面が前記第１部材及び第２部材の一方に対向するよう配置され、前記傾斜面が対向した前記第１部材及び第２部材の一方の対向前面には、前記固定翼に備えた傾斜面と合致する固定傾斜面を備えており、前記通路を通る流体が固定翼の翼体に作用することで生じるリング部材の回転により前記傾斜面及び固定傾斜面を介して固定翼の翼体が、固定傾斜面を有しない前記第１部材及び第２部材の他方の対向前面に圧着されるため、固定翼のサイドクリアランスをゼロクリアランスとすることができ、よって、固定翼によるタービン効率の向上とディフューザ機能の向上の一方又は両方を達成してターボチャージャの過給効率を高められるという優れた効果を奏し得る。

又、ターボチャージャ運転による熱間時においてハウジングの熱変形やハウジングと固定翼の熱膨張差が生じてノズルサイドクリアランスが変化しようとしても、固定翼が前後方向に追随して移動することによりゼロクリアランスを常に保持できる効果がある。従って、従来ではゼロクリアランスを確保するために固定翼の高さの寸法精度を高めていたのに対し、本発明では、固定翼の高さの寸法精度に気を使うことなくゼロクリアランスを容易に達成できる効果がある。

タービン側の通路に固定翼を備えた本発明の固定翼式ターボチャージャの実施例を示す切断側面図である。（ａ）は固定翼の正面図、（ｂ）は固定翼の背面図である。（ａ）はターボチャージャの運転が停止した状態での本発明の作動を示す側面図、（ｂ）はターボチャージャを運転している状態での本発明の作動を示す側面図である。図１の固定翼に類似した固定翼を有する実施例を示す切断側面図である。図１の固定翼とは異なる固定翼を有する実施例を示す切断側面図である。コンプレッサ側の通路に固定翼を備えた本発明の固定翼式ターボチャージャの実施例を示す切断側面図である。

以下、本発明の実施の形態を図示例と共に説明する。

図１はタービン側の通路に固定翼を備えた本発明の固定翼式ターボチャージャの一例を示す切断側面図であり、軸受ハウジング１（第１部材）とタービンハウジング４（第２部材）が対向する対向前面間に形成されている通路９において、軸受ハウジング１（第１部材）側に固定翼１４を備えた場合を示している。

図１の固定翼式ターボチャージャは、軸受ハウジング１に回転可能に支持される回転軸２の一端にタービンインペラ３を固定しており、タービンインペラ３の外周にはタービンハウジング４が配置されており、前記軸受ハウジング１は嵌合部１３を介して前記タービンハウジング４の内周面に嵌合している。更に、軸受ハウジング１の嵌合部１３には位置決めピン５が設けてあり、この位置決めピン５に前記タービンハウジング４の位置決め凹部４ａを嵌合させることにより、軸受ハウジング１とタービンハウジング４は周方向に回転不能に位置決めされ、外周に備えた締結リング６を締結ボルト７で締め付けることで軸受ハウジング１とタービンハウジング４は一体に組み立てられる。

前記タービンハウジング４にはタービンスクロール８が形成されており、該タービンスクロール８からの排気（流体）は軸受ハウジング１とタービンハウジング４の対向前面間の通路９を介してタービンインペラ３に周方向から導くようになっている。尚、前記回転軸２の他端には図６に示すコンプレッサインペラ２０が備えられており、該コンプレッサインペラ２０の外周にはコンプレッサスクロール２２を形成するコンプレッサハウジング２１が設けられ、軸受ハウジング１とコンプレッサハウジング２１は対向前面間に通路２３を形成して一体に組み立てられている。

図１における前記軸受ハウジング１（第１部材）の対向前面には環形の段部１０が形成してあり、該段部１０にはリング部材を兼ねた遮熱プレート１１の背面に有する段部１１ａが嵌合しており、遮熱プレート１１は軸受ハウジング１の対向前面に沿って周方向へ自由に回転できるようになっている。

前記リング部材である遮熱プレート１１の前面には、図２（ａ）に示すように複数の翼体１６が周方向に所要の間隔で固定されており、又、前記遮熱プレート１１の他側面には、図２（ｂ）、図３（ａ）に示すように周方向に向かって段状に傾斜した複数の傾斜面１７が形成されて、固定翼１４を構成している。前記傾斜面１７は図２（ａ）に示すように放射状に形成されている。

前記固定翼１４が配置される前記軸受ハウジング１（第１部材）の前面には、前記遮熱プレート１１の背面に備えた傾斜面１７と合致して嵌合できる複数の固定傾斜面１７'が段状に形成されている。このようにして、軸受ハウジング１の前面に配置される固定翼１４は、図３（ａ）に示す如く、翼体１６の先端とタービンハウジング４（第２部材）の対向前面との間に隙間を有している。

次に、上記実施例の作動を説明する。

図１の固定翼式ターボチャージャは、軸受ハウジング１の対向前面に備えた段部１０に、遮熱プレート１１の背面に備えた段部１１ａを嵌合させることにより固定翼１４を配置し、続いて、嵌合部１３に設けた位置決めピン５にタービンハウジング４に形成した位置決め凹部４ａを合致させて嵌合することにより軸受ハウジング１とタービンハウジング４の周方向への回転を規制する。この状態で、外周に設けた締結リング６を締結ボルト７で締め付けることにより軸受ハウジング１とタービンハウジング４は一体に組み立てられる。

上記組み立てが行われた状態での固定翼１４は、図３（ａ）に示すように、翼体１６の先端とタービンハウジング４の対向前面との間、及び、固定翼１４の傾斜面１７と軸受ハウジング１の固定傾斜面１７'との間に隙間を有しており、自由に回転することができる。

ターボチャージャが運転されると、図２（ａ）に示すように、前記タービンスクロール８からの排気が固定翼１４の傾斜した翼体１６に外側から内側に向かって吹き込まれることで固定翼１４には矢印Ａで示す回転力が発生する。図３（ｂ）のリング部材を兼ねる遮熱プレート１１が矢印Ａで示すように回転すると、固定翼１４に備えた傾斜面１７が軸受ハウジング１に備えた固定傾斜面１７'に沿って（乗り上がるように）移動するため、固定翼１４は矢印Ｂで示すように前進（図３（ｂ）では上側へ移動）し、これによって、固定翼１４の翼体１６の先端はタービンハウジング４の対向前面に圧着される。

このように、ターボチャージャが運転されると、翼体１６の先端が常にタービンハウジング４の対向前面に圧着されるようになるので、翼体１６のサイドクリアランスは無くなりゼロクリアランスとすることができる。これによって、サイドクリアランスから排気（流体）が漏洩する問題を防止することができ、タービン効率を大幅に高めることができるようになる。

又、前記したように、翼体１６を軸受ハウジング１前面に設けられる遮熱プレート１１に備えるようにしたので、遮熱プレート１１によって通路９側の熱が軸受ハウジング１へ伝達されるのを抑制することができる。

又、上記構成において、遮熱プレート１１の背面を通って排気が軸受ハウジング１側へ漏洩するのを防止するために、遮熱プレート１１と軸受ハウジング１の間にＯリング等のシール材を備えることは好ましい。

図４は、図１の固定翼に類似した固定翼を有する実施例を示す切断側面図である。この実施例では、遮熱プレート１１の背面外週部に設けた突部１２が軸受ハウジング１の前面の段部１１ｂに嵌合しており、更に、前記突部１２に形成した位置決め凹部１８が前記位置決めピン５に嵌合することで、遮熱プレート１１は回転不能に配置されている。

前記遮熱プレート１１の前面には溝部１９が設けられており、該溝部１９には固定翼１４が配置され、固定翼１４は前記溝部１９に沿って周方向へ自由に回転できるようになっている。固定翼１４は、溝部１９に嵌合するリング部材１５を有しており、該リング部材１５の一側面には図２（ａ）に示したように周方向に複数の翼体１６が所要の間隔で固定されており、又、前記リング部材１５の他側面には、図２（ｂ）、図３（ａ）に示したように周方向に向かって段状に傾斜した複数の傾斜面１７が形成されている。この傾斜面１７は図２（ｂ）に示すように放射状に形成されている。

前記固定翼１４が配置される遮熱プレート１１の前記溝部１９の底部には、図３（ａ）に示したように、前記固定翼１４に備えた傾斜面１７と合致する複数の固定傾斜面１７'が段状に形成されている。このようにして、遮熱プレート１１の前面に配置される固定翼１４は、翼体１６の先端とタービンハウジング４の対向前面との間に隙間を有して配置される。

図４の実施例では、ターボチャージャが運転されると、固定翼１４に備えた傾斜面１７がタービンハウジング４の溝部１９に備えた固定傾斜面１７'に沿って移動することで固定翼１４は図３（ｂ）の矢印Ｂのように前進し、これにより、固定翼１４の翼体１６の先端はタービンハウジング４の対向前面に備えた遮熱プレート１１の前面に圧着されるので、翼体１６のサイドクリアランスを無くしてゼロクリアランスとすることができ、よってサイドクリアランスによって排気（流体）が漏洩する問題を防止することができる。

尚、上記実施例では、遮熱プレート１１によって固定翼１４を構成する場合、及び、遮熱プレート１１の全面に固定翼１４を備える場合について説明したが、遮熱プレート１１が備えられない場合には、軸受ハウジング１の対向前面に回転可能な固定翼１４を備えるようにしてもよい。

図５は、図１の固定翼とは異なる箇所に固定翼を有する実施例を示す切断側面図である。この実施例では、軸受ハウジング１（第１部材）の対向前面とタービンハウジング４（第２部材）の対向前面との間に通路９を備えた構成において、タービンハウジング４（第２部材）側に、図４と同様の固定翼１４を備えた場合を示している。

即ち、前記タービンハウジング４（第２部材）の対向前面におけるタービンインペラ３入口の通路９に対応する位置に、溝部１９を形成し、この溝部１９に前記固定翼１４のリング部材１５を嵌合配置している。更に、上記溝部１９の底部には、前記固定翼１４のリング部材１５に備えた傾斜面１７と合致する固定傾斜面１７'を形成している。

図５の実施例では、ターボチャージャが運転されると、流体の作用により固定翼１４に回転力が発生し、傾斜面１７がタービンハウジング４の溝部１９に備えた固定傾斜面１７'に沿って移動することで固定翼１４は図３（ｂ）の矢印Ｂのように前進し、これにより、固定翼１４の翼体１６の先端は軸受ハウジング１の対向前面に備えた遮熱プレート１１の前面に圧着されるので、翼体１６のサイドクリアランスを無くしてゼロクリアランスとすることができ、よってサイドクリアランスによって排気（流体）が漏洩する問題を防止することができる。

図６は、コンプレッサ側の通路に固定翼を備えた本発明の固定翼式ターボチャージャの実施例を示す切断側面図である。図６中、２０は前記軸受ハウジング１に支持されてタービンインベラ３と一体に回転するコンプレッサインペラ、２１はコンプレッサインペラ２０を取り巻くよう形成されたコンプレッサハウジング、２２はコンプレッサハウジングに備えられて空気（流体）の昇圧を行うディフューザとして作用するコンプレッサスクロールを示しており、前記軸受ハウジング１（第１部材）とコンプレッサハウジング２１（第２部材）が対向している対向前面間に形成される通路２３において、軸受ハウジング１（第１部材）側に図２（ａ）（ｂ）と同様の固定翼１４を備えている。

即ち、前記軸受ハウジング１（第１部材）の対向前面におけるコンプレッサインペラ２０出口の通路２３に対応する位置に環状の溝部１９を形成し、この溝部１９に、前記固定翼１４のリング部材１５を回転可能に配置している。更に、上記溝部１９の底部には、前記固定翼１４のリング部材１５に備えた傾斜面１７と合致する固定傾斜面１７'を形成している。

図６の実施例では、ターボチャージャが運転されると、流体の作用により固定翼１４に回転力が発生し、傾斜面１７が軸受ハウジング１の溝部１９に備えた固定傾斜面１７'に沿って移動することで固定翼１４は図３（ｂ）の矢印Ｂのように前進し、これにより、固定翼２４の翼体１６の先端はコンプレッサハウジング２１（第２部材）の前面に圧着されるので、翼体１６のサイドクリアランスを無くしてゼロクリアランスとすることができ、よってサイドクリアランスによって空気（流体）が漏洩する問題を防止することができる。

図６の実施例では、軸受ハウジング１（第１部材）の対向前面に固定翼１４を備えた場合について説明したが、コンプレッサハウジング２１（第２部材）の対向前面に固定翼１４を備えるようにしてもよい。

尚、本発明の固定翼式ターボチャージャは、上述の実施例にのみ限定されるものではなく、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。

１軸受ハウジング（第１部材）
４タービンハウジング（第２部材）
９通路
１１遮熱プレート（リング部材）
１４固定翼
１５リング部材
１６翼体
１７傾斜面
１７' 固定傾斜面
２１コンプレッサハウジング（第２部材）
２３通路

Claims

軸受ハウジングとタービンハウジングとの間の通路及び軸受ハウジングとコンプレッサとの間の通路が対向した第１部材と第２部材によって形成されており、前記通路の少なくとも一方に固定翼を備えている固定翼式ターボチャージャであって、リング部材の一側面には周方向に複数の翼体が固定され、且つ、前記リング部材の他側面には周方向に向かって段状に傾斜した複数の傾斜面が形成された固定翼を備え、該固定翼は前記翼体が前記通路に位置し、前記傾斜面が前記第１部材及び第２部材の一方に対向するよう配置され、前記傾斜面が対向した前記第１部材及び第２部材の一方の対向前面には、前記固定翼に備えた傾斜面と合致する固定傾斜面を備えており、流体が固定翼の翼体に作用することで生じるリング部材の回転により前記傾斜面及び固定傾斜面を介して固定翼の翼体が、固定傾斜面を有しない前記第１部材及び第２部材の他方の対向前面に圧着されるようにしたことを特徴とする固定翼式ターボチャージャ。
前記固定翼が軸受ハウジングに配置した遮熱プレートに備えられていることを特徴とする請求項１に記載の固定翼式ターボチャージャ。