JP7196994B2 - 可変容量型過給機 - Google Patents

Description

本開示は、可変容量型過給機に関するものである。

従来、このような分野の技術として、下記特許文献１に記載の可変容量型過給機が知られている。この過給機は、ノズル流路内でノズルベーンを回動させる可変ノズルユニットを備えている。当該可変ノズルユニットでは、ノズルベーンを円滑に回動させるために、ノズルベーンのベーン本体とノズル流路との間に軸方向の僅かなクリアランスがある。ベーン本体はノズル流路内で僅かに軸方向に移動可能である。

特開2009-243375号公報 特開2013-002293号公報 特開2013-245655号公報

過給機の運転中においては、ベーン本体が、軸方向においてシュラウド側に寄って位置することが、過給機の性能向上のために好ましい。しかしながら、ベーン本体がノズル流路内のどこに位置するかは、ベーン回動軸に対して軸方向に作用する圧力のバランスに依存する。上記のような圧力のバランスは、タービン内の各部位の圧力の関係に関連するものであり、調整することは困難であった。一方で、ベーン本体がシュラウド側に寄りすぎて強く押し付けられる状態は、ノズル流路の壁面との摩擦によってノズルベーンの円滑な回動が阻害される原因になるので、避ける必要がある。

本開示は、運転中におけるノズルベーンのベーン本体を適切にシュラウド側に寄せることができる過給機を説明する。

本開示の一態様の可変容量型過給機は、
第１軸受孔が設けられたシュラウド側リングと、第２軸受孔が設けられたハブ側リングと、前記シュラウド側リングと前記ハブ側リングとの間に形成されるノズル流路と、前記ノズル流路に配置され前記第１軸受孔と前記第２軸受孔とで両持ち支持されるノズルベーンと、を有する可変ノズルユニットと、
前記ノズル流路に接続されるスクロール流路を有するタービンハウジングと、を備え、
前記第１軸受孔は、前記シュラウド側リングを貫通し、前記シュラウド側リングと前記タービンハウジングとの隙間を通じて前記スクロール流路に連通しており、
前記第１軸受孔の前記隙間側の開口が、前記第１軸受孔の前記ノズル流路側の開口よりも小さい、可変容量型過給機である。

本開示の過給機によれば、運転中におけるノズルベーンのベーン本体を適切にシュラウド側に寄せることができる。

図１は、第１実施形態の可変容量型過給機の断面図である。 図２は、ノズルベーンの近傍を拡大して示す断面図である。 図３は、ノズルベーンとシュラウド側リングとを分解して示す断面図である。 図４は、ノズルベーン近傍の他の構造の例を示す断面図である。 図５は、第２実施形態におけるノズルベーンの近傍を拡大して示す断面図である。

本開示の一態様の可変容量型過給機は、
第１軸受孔が設けられたシュラウド側リングと、第２軸受孔が設けられたハブ側リングと、前記シュラウド側リングと前記ハブ側リングとの間に形成されるノズル流路と、前記ノズル流路に配置され前記第１軸受孔と前記第２軸受孔とで両持ち支持されるノズルベーンと、を有する可変ノズルユニットと、
前記ノズル流路に接続されるスクロール流路を有するタービンハウジングと、を備え、
前記第１軸受孔は、前記シュラウド側リングを貫通し、前記シュラウド側リングと前記タービンハウジングとの隙間を通じて前記スクロール流路に連通しており、
前記第１軸受孔の前記隙間側の開口が、前記第１軸受孔の前記ノズル流路側の開口よりも小さい、可変容量型過給機である。

前記第１軸受孔は、前記ノズル流路側に位置し円柱状に設けられ前記ノズルベーンの第１回動軸が挿入される大径部と、前記隙間側に位置し前記大径部よりも小径に設けられた小径部と、を有し、
前記第１回動軸の軸方向の長さが、前記大径部の前記軸方向の長さよりも短いこととしてもよい。

前記シュラウド側リングは、
前記大径部が貫通して設けられたリング本体部と、
前記大径部を塞ぐように前記リング本体部の前記隙間側の面に接合され、前記隙間と前記大径部とを連通させる前記小径部が設けられた蓋部材と、を有することとしてもよい。

前記ノズルベーンは、前記第１軸受部に挿入される第１回動軸と、前記第２軸受部に挿入される第２回動軸と、を有し、
前記第１回動軸の軸方向の視線で見た投影面積と、前記第２回動軸の軸方向の視線で見た投影面積と、が等しいこととしてもよい。

（第１実施形態）
以下、図面を参照しつつ本開示の第１実施形態について詳細に説明する。図１は、可変容量型過給機１の回転軸線Ｈを含む断面を取った断面図である。過給機１は、例えば、船舶や車両の内燃機関に適用されるものである。

図１に示されるように、過給機１は、タービン２とコンプレッサ３とを備えている。タービン２は、タービンハウジング４と、タービンハウジング４に収納されたタービン翼車６と、を備えている。タービンハウジング４は、タービン翼車６の周囲において周方向に延びるスクロール流路１６を有している。コンプレッサ３は、コンプレッサハウジング５と、コンプレッサハウジング５に収納されたコンプレッサ翼車７と、を備えている。コンプレッサハウジング５は、コンプレッサ翼車７の周囲において周方向に延びるスクロール流路１７を有している。

タービン翼車６は回転軸１４の一端に設けられており、コンプレッサ翼車７は回転軸１４の他端に設けられている。タービンハウジング４とコンプレッサハウジング５との間には、軸受ハウジング１３が設けられている。回転軸１４は、軸受１５を介して軸受ハウジング１３に回転可能に支持されており、回転軸１４、タービン翼車６及びコンプレッサ翼車７が一体の回転体１２として回転軸線Ｈ周りに回転する。

タービンハウジング４には、排気ガス流入口（図示せず）及び排気ガス流出口１０が設けられている。内燃機関（図示せず）から排出された排気ガスが、排気ガス流入口を通じてタービンハウジング４内に流入し、スクロール流路１６を通じてタービン翼車６に流入し、タービン翼車６を回転させる。その後、排気ガスは、排気ガス流出口１０を通じてタービンハウジング４外に流出する。

コンプレッサハウジング５には、吸入口９及び吐出口（図示せず）が設けられている。上記のようにタービン翼車６が回転すると、回転軸１４を介してコンプレッサ翼車７が回転する。回転するコンプレッサ翼車７は、吸入口９を通じて外部の空気を吸入する。この空気が、コンプレッサ翼車７及びスクロール流路１７を通過して圧縮され吐出口から吐出される。吐出口から吐出された圧縮空気は、前述の内燃機関に供給される。

過給機１のタービン２について、更に説明する。以下の説明において、単に「軸方向」、「径方向」、「周方向」というときには、タービン翼車６の回転軸方向（回転軸線Ｈ方向）、回転径方向、及び回転周方向をそれぞれ意味するものとする。

タービン２において、スクロール流路１６とタービン翼車６とを接続するノズル流路１９には、可動のノズルベーン２１が設けられている。複数のノズルベーン２１が回転軸線Ｈを中心とする円周上に等間隔に配置されている。各々のノズルベーン２１は、同期して、回転軸線Ｈに平行な回動軸線J周りに回動する。複数のノズルベーン２１が上記のように回動することで、隣接するノズルベーン２１同士の隙間が拡縮しノズル流路１９の開度が調整される。

ノズルベーン２１を上記のように駆動するために、タービン２は可変ノズルユニット２０を備えている。可変ノズルユニット２０は、タービンハウジング４の内側に嵌め込まれており、タービンハウジング４と軸受ハウジング１３とで挟み込まれて固定されている。

可変ノズルユニット２０は、上記の複数のノズルベーン２１と、ノズルベーン２１を軸線方向に挟むシュラウド側リング３３とハブ側リング３４と、を有している。シュラウド側リング３３とハブ側リング３４とは、それぞれ回転軸線Ｈを中心とするリング状を成しており、タービン翼車６を周方向に囲むように配置されている。シュラウド側リング３３とハブ側リング３４とで軸方向に挟まれた領域が前述のノズル流路１９を構成する。シュラウド側リング３３とハブ側リング３４とは、軸方向に延びる複数の連結ピン２９で連結されている。連結ピン２９の寸法が高精度に作製されることで、ノズル流路１９の軸線方向の寸法精度が確保されている。

シュラウド側リング３３には、ノズルベーン２１と同数の軸受孔３１（第１軸受孔）が設けられている。ハブ側リング３４にも同様に、ノズルベーン２１と同数の軸受孔３２（第２軸受孔）が設けられている。ノズルベーン２１は、ノズル流路１９内で回動するベーン本体２２と、ベーン本体２２からシュラウド側リング３３側に延びる円柱状のベーン回動軸２３（第１回動軸）と、ハブ側リング３４側に延びる円柱状のベーン回動軸２４（第２回動軸）とを有している。ベーン回動軸２３とベーン回動軸２４は、同じ外径の円柱形状をなしている。ベーン回動軸２３は軸受孔３１に対して回動可能に挿入され、ベーン回動軸２４は軸受孔３２に対して回動可能に挿入されている。この構造により、ノズルベーン２１は、軸受孔３１と軸受孔３２とによって、両持ち支持されている。

各ベーン回動軸２４はハブ側リング３４を貫通しており、各ベーン回動軸２４の端部がハブ側リング３４の裏面側で駆動機構２７に接続されている。駆動機構２７は、ハブ側リング３４と軸受ハウジング１３との間に形成された機構スペース２８に収納されている。駆動機構２７を介して、アクチュエータ（図示せず）からの駆動力が各ベーン回動軸２４に伝達される。上記駆動力によって、各ノズルベーン２１がベーン回動軸２３，２４を中心として回動軸線Ｊ周りに回動する。

ノズルベーン２１を回動させるためのクリアランスとして、ベーン本体２２の軸方向の長さは、ノズル流路１９の軸方向の長さよりも僅かに短くされている。従って、ノズルベーン２１には僅かに軸方向の遊びがあり、すなわち、ベーン本体２２はノズル流路１９内で僅かに軸方向に移動可能である。

図２及び図３を参照しながら、ノズルベーン２１の近傍の構造について説明する。図２は、ノズルベーン２１の近傍を拡大して示す断面図である。図３は、ノズルベーン２１とシュラウド側リング３３とを分解して示す断面図である。

図に示されるように、タービンハウジング４とシュラウド側リング３３との間には、軸方向に隙間３７が形成されている。隙間３７は、スクロール流路１６からタービン翼車６の入口まで延びている。隙間３７は、タービン翼車６の入口近傍においてシール部材３９でシールされているので、スクロール流路１６からタービン翼車６の入口に抜けるガスは極めて少ない。

軸受孔３１は、シュラウド側リング３３を軸方向に貫通して形成されており、ノズル流路１９側と隙間３７側との両方に開口している。以下では、軸受孔３１のノズル流路側の開口を開口４１と呼び、軸受孔３１の隙間３７側の開口を開口４２と呼ぶ。開口４２の口径は、開口４１の口径よりも小さい。軸受孔３１は、上記開口４１を含みノズル流路１９側に設けられた大径部４３と、上記開口４２を含み隙間３７側に設けられた小径部４４と、を有している。大径部４３及び小径部４４は、回動軸線Jを円柱軸とする円柱形状をなしている。大径部４３と小径部４４との境界位置には、段差面４５が形成されている。

大径部４３の内径はベーン回動軸２３の外径よりも僅かに大きい。この大径部４３に円柱形状のベーン回動軸２３が挿入される。一方、小径部４４の内径は、大径部４３の内径よりも小さく、ベーン回動軸２３の外径よりも小さい。また、大径部４３の軸方向の長さｋ１は、ベーン回動軸２３の軸方向の長さｋ２よりも長い。従って、ベーン回動軸２３を大径部４３に挿入した状態において、大径部４３の先端面２３ａと段差面４５との間には、軸方向の隙間４７が形成される。

軸受孔３１は、隙間３７を通じてスクロール流路１６に連通しているので、軸受孔３１内の圧力は、スクロール流路１６の圧力の影響を受ける。そして、軸受孔３１内の圧力に起因して、ベーン回動軸２３の先端面２３ａには、回動軸線Ｊに沿ってノズルベーン２１をハブ側リング３４側に向けて押す力が作用する。この力を「Ｆ１」とする。

その一方、ハブ側リング３４とタービンハウジング４との間には周方向の隙間４９が形成されている。この隙間４９を通じて、機構スペース２８とスクロール流路１６とが連通されている。従って、機構スペース２８内の圧力は、スクロール流路１６の圧力の影響を受ける。そして、機構スペース２８内の圧力に起因して、ベーン回動軸２４の先端面２４ａには、回動軸線Ｊに沿ってノズルベーン２１をシュラウド側リング３３側に向けて押す力が作用する。この力を「Ｆ２」とする。前述したように、ベーン本体２２はノズル流路１９内で僅かに軸方向に移動可能である。そして、ノズル流路１９内におけるベーン本体２２の軸方向位置は、上記の力Ｆ１と力Ｆ２とのバランスに依存する。なお、ベーン回動軸２３とベーン回動軸２４とは外径が等しいことから、軸方向の視線で見た投影面積も互いに等しい。従って、結局のところ、ベーン本体２２の軸方向位置は、隙間４７の圧力（以下、圧力Ｐ１とする）と機構スペース２８内の圧力（以下Ｐ２とする）とのバランスに依存することになる。

続いて、以上のような本実施形態の過給機１による作用効果について説明する。過給機１の性能の向上のためには、運転中において、ベーン本体２２がノズル流路１９内でシュラウド側リング３３に近い側に寄っていることが好ましい。過給機１では、軸受孔３１の隙間３７側の開口４２が、軸受孔３１のノズル流路１９側の開口４１よりも小さくなっている。従って、軸受孔３１内の圧力は、口径が絞られた開口４２を介してスクロール流路１６の圧力の影響を受けることになる。

従ってこの場合、開口４２による圧力損失により、仮に開口４２が開口４１と同口径であった場合に比べれば、軸受孔３１内の隙間４７の圧力Ｐ１は低下する。そうすると、ベーン回動軸２３の先端面２３ａに作用する力Ｆ１が低下し、その結果、ベーン本体２２は、ノズル流路１９内でシュラウド側リング３３に近い側に寄る傾向が表れる。その一方、力Ｆ１が小さすぎると、ベーン本体２２がシュラウド側リング３３に押し当てられ、摩擦によってベーン本体２２の円滑な回動が阻害されるので、好ましくない。従って、力Ｆ１を適切に調整することが必要である。

本実施形態の過給機１においては、開口４２の口径及び小径部４４の内径を適切に設計することで、圧力Ｐ１と圧力Ｐ２とのバランスを調整し、ベーン本体２２に作用する軸方向の力（力Ｆ１と力Ｆ２との差）を比較的容易に調整することができる。そして、これにより、運転中のベーン本体２２の軸方向位置が比較的容易に調整可能であり、過給機１の性能を向上することができる。

なお、ノズルベーン２１に作用する上記のような力Ｆ１，Ｆ２のバランスを調整する手法としては、図４に例示されるような構成の採用も考えられる。すなわち、ベーン回動軸２３，２４の互いの外径ｄ１，ｄ２を異なるものにして、軸方向の視線で見たベーン回動軸２３，２４の投影面積を調整することも考えられる。図４の例では、ベーン回動軸２３の外径ｄ１がベーン回動軸２４の外径ｄ２よりも小さい。しかしながら、ベーン回動軸２３，２４の外径を異なるものにするには、ノズルベーン２１の作動性に関わる設計を変更する必要がある。このような構成に比較して、本実施形態の過給機１では、小径部４４の内径を適切に設計して圧力Ｐ１を調整すればよいので、設計が比較的容易である。

また、ノズルベーン２１に作用する力Ｆ１を低減させるための他の構造として、軸受孔３１の隙間３７側を完全に塞ぎ、すなわち、軸受孔３１を有底の孔にすることも考えられる。しかしながらこの構造では、力Ｆ１が小さくなりすぎ、ベーン本体２２がシュラウド側リング３３に押し当てられ、摩擦によってベーン本体２２の円滑な回動が阻害される可能性もある。このような問題が回避し易い点において、本実施形態の過給機１が好ましい。

（第２実施形態）
続いて、図５を参照しながら本開示の第２実施形態について説明する。本実施形態における可変容量型過給機は、第１実施形態におけるシュラウド側リング３３に代えて、シュラウド側リング５３を有している。これ以外の点については、本実施形態の可変容量型過給機は、第１実施形態の可変容量型過給機１と同様の構成を備えるので、同一又は同等の構成要素に対して図面に同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図５に示されるように、シュラウド側リング５３は、リング本体部５４と蓋部材５５とを備えている。リング本体部５４には、軸方向に貫通しベーン回動軸２３が挿入される貫通孔７３が設けられている。貫通孔７３の軸方向の長さは、ベーン回動軸２３の軸方向の長さよりも長い。蓋部材５５は、貫通孔７３を塞ぐようにリング本体部５４の隙間３７側の面に接合されている。そして、蓋部材５５を貫通する小孔７４が設けられており、小孔７４が隙間３７と貫通孔７３とを連通させている。小孔７４の内径は貫通孔７３の内径よりも小さい。蓋部材５５は、軸方向の視線で見て、リング本体部５４とほぼ同型状の円環状を呈する。なお、蓋部材５５が一体の円環状部材であることは必須ではない。例えば、各貫通孔７３に対応する位置に、それぞれ別の蓋部材が設けられてもよい。

以上のような構造により、上記貫通孔７３で構成される大径部６３と、上記小孔７４で構成される小径部６４と、を備えた軸受孔５１を構築することができる。そして、軸受孔５１の隙間３７側の開口６２が、軸受孔５１のノズル流路１９側の開口６１よりも小さいといった構成が実現される。よって、本実施形態の過給機によっても、第１実施形態の過給機１と同様の作用効果が得られる。

本開示は、上述した実施形態を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した様々な形態で実施することができる。また、上述した実施形態に記載されている技術的事項を利用して、変形例を構成することも可能である。各実施形態の構成を適宜組み合わせて使用してもよい。

１ 可変容量型過給機
４ タービンハウジング
１６ スクロール流路
１９ ノズル流路
２１ ノズルベーン
２０ 可変ノズルユニット
３３，５３ シュラウド側リング
３４ ハブ側リング
３１，５１ 軸受孔（第１軸受孔）
３２ 軸受孔（第２軸受孔）
２３ ベーン回動軸（第１回動軸）
２４ ベーン回動軸（第２回動軸）
３７ 隙間
４１，６１ 開口
４２，６２ 開口
４３，６３ 大径部
４４，６４ 小径部
５４ リング本体部
５５ 蓋部材

Claims (4)

1. 第１軸受孔が設けられたシュラウド側リングと、第２軸受孔が設けられたハブ側リングと、前記シュラウド側リングと前記ハブ側リングとの間に形成されるノズル流路と、前記ノズル流路に配置され前記第１軸受孔と前記第２軸受孔とで両持ち支持されるノズルベーンと、を有する可変ノズルユニットと、
   前記ノズル流路に接続されるスクロール流路を有し、且つ前記ノズル流路に連通するタービン翼車の入口を有するタービンハウジングと、を備え、
   前記シュラウド側リングと前記タービンハウジングとの間には、前記スクロール流路に連通する隙間が形成されており、
   前記第１軸受孔は、前記シュラウド側リングを貫通し、前記シュラウド側リングと前記隙間を通じて前記スクロール流路に連通しており、
   前記隙間は、前記スクロール流路から前記入口まで延びており、
   前記隙間において、前記第１軸受孔の前記隙間側の開口と前記入口との間には前記隙間を塞ぐシール部材が配置されており、
   前記第１軸受孔の前記隙間側の前記開口が、前記第１軸受孔の前記ノズル流路側の開口よりも小さい、可変容量型過給機。
2. 前記第１軸受孔は、前記ノズル流路側に位置し円柱状に設けられ前記ノズルベーンの第１回動軸が挿入される大径部と、前記隙間側に位置し前記大径部よりも小径に設けられた小径部と、を有し、
   前記第１回動軸の軸方向の長さが、前記大径部の前記軸方向の長さよりも短い、請求項１に記載の可変容量型過給機。
3. 前記シュラウド側リングは、
   前記大径部が貫通して設けられたリング本体部と、
   前記大径部を塞ぐように前記リング本体部の前記隙間側の面に接合され、前記隙間と前記大径部とを連通させる前記小径部が設けられた蓋部材と、を有する、請求項２に記載の可変容量型過給機。
4. 前記ノズルベーンは、前記第１軸受孔に挿入される第１回動軸と、前記第２軸受孔に挿入される第２回動軸と、を有し、
   前記第１回動軸の外径は、前記第２回動軸の外径よりも小さい、請求項１～３の何れか１項に記載の可変容量型過給機。

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