JP4807271B2 - 可変容量型過給機 - Google Patents

Description

この発明は、可変容量型過給機に関し、特に、回動可能なノズルベーンによってタービンに流入するガス流量を可変設定する可変容量型過給機に関するものである。

自動車等の車両に用いられる過給機として、回動可能なノズルベーンによってノズルスロート（絞り部）の流路断面積を変化させることにより、タービンに流入するガス流量（流速）を可変設定する可変容量型の過給機が知られている。

このような可変容量型過給機は、タービンのガス入口側に、当該タービンのタービンインペラの回転中心と同心で、且つ軸線方向に所定間隔をおいて相対向する第一の円環状側壁面と第二の円環状側壁面とによって円環状のガス入口空間が画定され、当該ガス入口空間に複数個のノズルベーンが各々前記第一の円環状側壁面と前記第二の円環状側壁面とに挟まれた態様で回動可能に設けられ、隣り合うノズルベーン間にノズルスロート部を形成し、当該ノズルベーンの回動角度に応じて前記タービンに流入するガス流量を可変設定する（例えば、特許文献１）。
特開２００３−２７９５１号公報

一般的に、ノズルベーンの側面と第一、第二の円環状側壁面とは、全域に亘って互いに対向する平行面であり、ノズルベーンの側面と第一、第二の円環状側壁面との間には、ノズルベーンの回動のために必要な間隙（サイドクリアランス）が設定される。この間隙は、ガスリークによるガス流量設定精度の低下、タービン効率の低下を招くから、できるだけ小さい値に設定される。

しかし、一方で、過給機のノズルベーンは、高温の排気ガスによる過酷な条件下に曝され、ノズルベーンに設けられている支持軸と支持部材側に設けられている軸受孔との嵌合公差、ノズルベーンおよび周辺部材の熱変形によって、ノズルベーンの回動中心軸線が正規の姿勢より傾むことがある。ノズルベーンが傾むくと、前記間隙が狭いために、ノズルベーンの側面が第一の円環状側壁面や第二の円環状側壁面と接触干渉し、固着によりノズルベーンが正しく回動できない状態になり、ガス流量を正しく制御できなくなる虞れがある。

このことに対して、前記間隙を広く設定すると、ガスリーク量が増え、タービンに流入するガス流量の設定精度が低下し、タービン効率も低下する。このことは、特に、タービンに流入するガス流量を絞る小流量時に問題になる。

本発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであり、ノズルベーンの側面と第一、第二の円環状側壁面との間に適正な間隙を与え、ガスリーク量を増加することなく、あるいはガスリーク量を最小限に抑えて、ノズルベーンの固着を回避し、特に、高温時の動作信頼性と、小流量時にガスリーク量が増加しないようにすることとを両立する可変容量型過給機を提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、タービンのガス入口側に、当該タービンのタービンインペラの回転中心と同心で、且つ軸線方向に所定間隔をおいて相対向する第一の円環状側壁面と第二の円環状側壁面とによって円環状のガス入口空間が画定され、当該ガス入口空間に複数個のノズルベーンが各々前記第一の円環状側壁面と前記第二の円環状側壁面とに挟まれた態様で回動可能に設けられ、当該ノズルベーンによって前記タービンに流入するガス流量を可変設定する可変容量型過給機であって、前記ノズルベーンは、当該ノズルベーンの両側面より各々外側に突出した支持軸を有し、各支持軸が前記第一の円環状側壁面を構成する第一の部材と前記第二の円環状側壁面を構成する第二の部材に各々形成された軸受孔に嵌合することにより、前記第１の部材及び前記第二の部材により回動可能に両持ち支持され、前記ノズルベーンの両側部に、各々、当該ノズルベーンの側面と同一平面の外側鍔面を有する鍔部が前記支持軸と同心に形成されており、前記ノズルベーンの回動中心側より前記ガス入口空間の外周側に向かうに従って、前記ノズルベーンの一方の側面と前記第一の円環状側壁面との間隙および前記ノズルベーンの他方の側面と前記第二の円環状側壁面との間隙が拡大されるよう、前記第一の円環状側壁面と前記第二の円環状側壁面のうち、前記鍔部に対応する領域を除いた前記ノズルベーンの回動中心位置より外周側は、各々円錐状の傾斜面になっており、前記第一の円環状側壁面と前記第二の円環状側壁面のうち、前記鍔部に対応する領域は、前記外側鍔面と平行な平面になっていることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明の構成に加えて、前記ノズルベーンの回動中心側より前記ガス入口空間の内周側に向かうに従って、前記ノズルベーンの一方の側面と前記第一の円環状側壁面との間隙および前記ノズルベーンの他方の側面と前記第二の円環状側壁面との間隙が拡大されるよう、前記第一の円環状側壁面と前記第二の円環状側壁面のうち、前記鍔部に対応する領域を除く前記ノズルベーンの内周側が各々円錐状の傾斜面になっていることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２に係る発明に記載の構成に加えて、前記傾斜面は直線傾斜のテーパ面あるいは凸形状の曲面であることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１から３の何れか一項に記載の構成に加えて、前記第一の円環状側壁面と前記第二の円環状側壁面のうち、隣り合う前記ノズルベーン間に形成されるノズルスロート部に対応する領域は、前記ノズルベーンの側面と平行な平面であることを特徴とする。

この発明による可変容量型過給機は、第一の円環状側壁面と第二の円環状側壁面のうち、ノズルベーンの回動中心位置より外周側が各々円錐状の傾斜面になっていることにより、ノズルベーンの側面と第一、第二の円環状側壁面との間隙が、ノズルベーンの回動中心側よりガス入口空間の外周側に向かうに従って拡大されるから、ノズルベーンの回動中心軸線が正規の姿勢より傾いても、ノズルベーンが第一、第二の円環状側壁面と接触干渉することを回避でき、高温時の動作信頼性が向上する。

小流量時は、ノズルベーンの仰角が小さく、ノズルベーン姿勢が第一、第二の円環状側壁面の円弧方向に沿う姿勢になるから、ノズルベーンの側面と第一、第二の円環状側壁面との間に大きい間隙ができることがなく、小流量時のガスリーク量が増大することがない。このことにより、小流量時のガス流量設定精度の低下、タービン効率の低下が防止される。

この発明による可変容量型過給機の一つの実施形態を、図１〜図４を参照して説明する。

図１に示されているように、可変容量型過給機１は、ベアリングハウジング１７と、ベアリングハウジング１７の一端部側に一体的に組み付けられたコンプレッサハウジング１９と、ベアリングハウジング１７の他端部側に一体的に組み付けられたタービンハウジング２１とによるハウジング（筐体）３を有する。

ハウジング３の一端部側には遠心式コンプレッサ５が設けられ、他端部側にはラジアルタービン７が設けられている。

ラジアルタービン７と遠心式コンプレッサ５との間に位置するベアリングハウジング１７は、軸受部１１によって当該ベアリングハウジング１７を貫通する回転軸部材９を回転自在に支持している。

回転軸部材９の一端部にはコンプレッサハウジング１９内にあって遠心式コンプレッサ５を構成するコンプレッサインペラ１３が一体的に固定されている。

回転軸部材９の他端部には、タービンハウジング２１内にあってラジアルタービン７を構成するタービンインペラ１５が一体的に形成されている。

タービンハウジング２１には一端にガス入口（図示せず）を備えたスクロール通路２３が設けられている。スクロール通路２３の内周側（スクロール通路２３とタービンインペラ１５との間）には、タービンインペラ１５に対する円環状のガス入口空間（ガス流路）２５が形成されている。

自動車のエンジンから出てきた排気ガスは、スクロール通路２３、ガス入口空間２５を通って、ラジアルタービン７に供給され、タービンインペラ１５を回転させる。タービンインペラ１５の回転が回転軸部材９によってコンプレッサインペラ１３に伝達され、コンプレッサインペラ１３の回転によって遠心式コンプレッサ５において空気の圧縮が行われる。

ガス入口空間２５は、ラジアルタービン７のガス入口側において、タービンインペラ１５の回転中心と同心で、且つタービンインペラ１５の翼端と所定間隔をおいて相対向するシュラウド（第一の部材）２６による第一の円環状側壁面５１と、ノズル支持リング（第二の部材）２８による第二の円環状側壁面５２とによって画定されている。

シュラウド２６とノズル支持リング２８は、これらにかしめ結合された複数個の間隔設定ピン４７により、軸線方向に所定間隔をおいて互いに固定連結されている。シュラウド２６とノズル支持リング２８の固定連結体は、取付部材４９によってハウジング３より固定支持されている。

ガス入口空間２５には、複数個の短冊形状のノズルベーン３１が各々第一の円環状側壁面５１と第二の円環状側壁面５２とに挟まれた態様で回動可能に設けられている。ノズルベーン３１は、当該ノズルベーン３１の両側面より各々外側に突出した支持軸５３、５４を一体に有し、支持軸５３がシュラウド２６に形成された軸受孔５５に嵌合し、支持軸５４がノズル支持リング２８に形成された軸受孔５５に回転可能に嵌合することにより、これらより支持軸５３、５４を回動中心として回動可能に両持ち支持され、回動角度に応じてラジアルタービン７に流入するガス流量を可変設定する。各ノズルベーン３１の回動中心軸線（支持軸５３、５４の中心軸線）ＣＬ２（図２参照）は、回転軸部材９の中心軸線ＣＬ１と平行である。

ノズルベーン３１は、図２に示されているように、両側部に各々、ノズルベーン３１の側面３１Ａ、３１Ｂと同一平面の外側鍔面５７Ａ、５８Ａを有する円形の鍔部５７、５８（図２参照）が支持軸５３、５４と同心に一体形成されている。外側鍔面５７Ａ、５８Ａは、各々、第一の円環状側壁面５１と第二の円環状側壁面５２に微小間隙をおいて対向し、支持軸５３、５４と軸受孔５５、５６との間の空隙よりのガス漏れを低減するシールをなしている。

図１に示されているように、各ノズルベーン３１の支持軸５４は連結リンク４３によって互いに連結され、連結リンク４３は駆動軸３９によって駆動レバー４５と連結されている。駆動レバー４５によって連結リンク４３が駆動されることにより、各ノズルベーン３１の支持軸５４が、一斉に、同じ回動方向に、同じ回動角度だけ回動する。これにより全てのノズルベーン３１の回動角度（仰角）が、一斉に、互いに同一に設定される。

ノズルベーン３１は、たとえば、図３に実線で示す回動姿勢から二点鎖線で示す回動姿勢の間で回動するようになっている。図３に実線で示す回動姿勢に各ノズルベーン３１があるときには、隣り合うノズルベーン３１間に形成されるノズルスロート部ｔの流路断面積（ガス流路幅）が最も小さくなって最小流量が設定され、図３に仮想線で示す回動姿勢に各ノズルベーン３１があるときには、ノズルスロート部ｔの流路断面積（ガス流路幅）が最も大きくなって最大流量が設定される。

このように、各ノズルベーン３１の同じように回動させることで、ノズル流路（ノズルスロート部ｔ）の大きさを変えることができ、ラジアルタービン７に流入するガスの流速（ノズルスロート部ｔを通過するガス流量）を連続的に変えることができる。

図２に示されているように、第一の円環状側壁面５１と第二の円環状側壁面５２のうち、鍔部５７、５８に対応する領域５１Ｃ、５２Ｃを除いたノズルベーン３１の回動中心位置より外周側は、ノズルベーン３１の回動中心側よりガス入口空間２５の外周側に向かうに従って、ノズルベーン３１の一方の側面３１Ａと第一の円環状側壁面５１との間隙Ｇａおよびノズルベーン３１の他方の側面３１Ｂと第二の円環状側壁面５２との間隙Ｇｂが各々拡大されるよう、各々、円錐状の傾斜面（テーパ面）５１Ａ、５２Ａになっている。

第一の円環状側壁面５１と第二の円環状側壁面５２のうち、ノズルベーン３１の回動中心位置より内周側は、ノズルスロート部ｔに対応する領域を含んで、ノズルベーン３１の側面３１Ａ、３１Ｂと微小間隙をおいて平行な垂直平面５１Ｂ、５２Ｂになっている。この垂直平面５１Ｂ、５２Ｂは、鍔部５７、５８に対応する領域５１Ｃ、５２Ｃ（図４参照）まで拡大されている。

これにより、傾斜面５１Ａ、５２Ａは、図４において、クロスハッチングによって示されている領域に限られる。

上述したように、傾斜面５１Ａ、５２Ａが設定されていることにより、ノズルベーン３１の側面３１Ａ、３１Ｂと第一、第二の円環状側壁面５１、５２との間隙Ｇａ、Ｇｂがノズルベーン３１の回動中心側よりガス入口空間２５の外周側に向かうに従って拡大されるから、ノズルベーン３１の回動中心軸線ＣＬ２が図２に示されている正規の姿勢より傾いても、ノズルベーン３１が第一、第二の円環状側壁面５１、５２と接触干渉することがなく、ノズルベーン３１が固着することが回避される。これにより、高温時の動作信頼性が向上する。

小流量時は、図３に実線で示すように、ノズルベーン３１の仰角が小さく、ノズルベーン姿勢が、図３に仮想線により示されている大流量時に比して、第一、第二の円環状側壁面５１、５２の円弧方向に沿う姿勢になるから、ノズルベーン３１の側面３１Ａ、３１Ｂと第一、第二の円環状側壁面５１、５２との間に大きい間隙ができることがなく、小流量時のガスリーク量が増大することがない。このことにより、小流量時のガス流量設定精度の低下、タービン効率の低下が防止される。

また、ノズルスロート部ｔは、ノズルを流れるガス流で見て、ノズルベーン３１の回動中心よりガス入口空間２５の内周側に形成されるので、これより上流側にあるガス入口空間２５の外周側において、ノズルベーンの側面と第一、第二の円環状側壁面との間隙が、ノズルベーンの回動中心側よりガス入口空間の外周側に向かうに従って拡大され、この部分でのガスリーク量が増えても（ガス流量はノズルスロート部ｔにより決まるから）、ガス流量設定精度の低下、タービン効率の低下を招くことがない。

そして、第一の円環状側壁面５１と第二の円環状側壁面５２のうち、ノズルベーン３１の回動中心位置より内周側は、ノズルスロート部ｔに対応する領域を含んで、ノズルベーン３１の側面３１Ａ、３１Ｂと微小間隙をおいて平行な垂直平面５１Ｂ、５２Ｂになっているから、ノズルスロート部ｔにおけるガスリーク量は少なく、ノズルスロート部ｔにおいて、高精度な正確なガス流量設定が行われる。

また、第一の円環状側壁面５１、第二の円環状側壁面５２の垂直平面５１Ｂ、５２Ｂは、鍔部５７、５８に対応する領域５１Ｃ、５２Ｃまで拡大されているから、第一の円環状側壁面５１、第二の円環状側壁面５２と外側鍔面５７Ａ、５８Ａとによるシール効果が良好に保たれる。

傾斜面５１Ａの傾斜度と、傾斜面５２Ａの傾斜度は、シュラウド２６とノズル支持リング２８との熱変形量の相違や、ノズルベーン３１がシュラウド２６側とノズル支持リング２８側の何れの側に傾き易いか等を考慮して、互いに異なる個別の適正値に設定されていてもよい。

この発明による可変容量型過給機の他の実施形態を、図５〜図７を参照して説明する。なお、図５〜図７において、図２〜図４に対応する部分は、図２〜図４に付した符号と同一の符号を付けて、その説明を省略する。

この実施形態では、第一の円環状側壁面５１と第二の円環状側壁面５２のうち、ノズルベーン３１の回動中心位置より外周側が、各々、円錐状の傾斜面５１Ａ、５２Ａになっていることに加えて、ノズルベーン３１の回動中心位置より内周側は、ノズルベーン３１の回動中心側よりガス入口空間２５の内周側に向かうに従って、ノズルベーン３１の一方の側面３１Ａと第一の円環状側壁面５１との間隙Ｇｃおよびノズルベーン３１の他方の側面３１Ｂと第二の円環状側壁面５２との間隙Ｇｄが各々拡大されるよう、各々、円錐状の傾斜面（テーパ面）５１Ｄ、５２Ｄになっている。

第一の円環状側壁面５１と第二の円環状側壁面５２のうち、ノズルベーン３１の回動中心位置部分は、ノズルスロート部ｔに対応する領域と、鍔部５７、５８に対応する領域５１Ｃ、５２Ｃ（図７参照）を含んで、ノズルベーン３１の側面３１Ａ、３１Ｂと微小間隙をおいて平行な垂直平面５１Ｂ、５２Ｂになっている。

これにより、傾斜面５１Ａ、５２Ａ、５１Ｄ、５２Ｄは、図７において、クロスハッチングによって示されている領域に限られる。

この実施形態では、傾斜面５１Ａ、５２Ａが設定され、ノズルベーン３１の側面３１Ａ、３１Ｂと第一、第二の円環状側壁面５１、５２との間隙Ｇａ、Ｇｂがノズルベーン３１の回動中心側よりガス入口空間２５の外周側に向かうに従って拡大されていることに加えて、傾斜面５１Ｄ、５２Ｄが設定され、ノズルベーン３１の側面３１Ａ、３１Ｂと第一、第二の円環状側壁面５１、５２との間隙Ｇｃ、Ｇｄがノズルベーン３１の回動中心側よりガス入口空間２５の内周側に向かうに従って拡大されているから、ノズルベーン３１の回動中心軸線ＣＬ２が正規の姿勢より傾いても、ノズルベーン３１が第一、第二の円環状側壁面５１、５２と接触干渉することが、より一層確実に回避され、ノズルベーン３１が固着することが、より一層確実に回避される。これにより、高温時の動作信頼性が、より一層向上する。

そして、第一の円環状側壁面５１と第二の円環状側壁面５２のうち、ノズルスロート部ｔに対応する領域は、ノズルベーン３１の側面３１Ａ、３１Ｂと微小間隙をおいて平行な垂直平面５１Ｂ、５２Ｂになっているから、ノズルスロート部ｔにおけるガスリーク量は少なく、ノズルスロート部ｔにおいて、高精度な正確なガス流量設定が行われる。

また、この実施形態でも、第一の円環状側壁面５１、第二の円環状側壁面５２の垂直平面５１Ｂ、５２Ｂは、鍔部５７、５８に対応する領域５１Ｃ、５２Ｃまで拡大されているから、第一の円環状側壁面５１、第二の円環状側壁面５２と外側鍔面５７Ａ、５８Ａとによるシール効果が良好に保たれる。

傾斜面５１Ａ、５２Ａ、５１Ｄ、５２Ｄの各々の傾斜度も、シュラウド２６とノズル支持リング２８との熱変形量の相違やガス入口空間２５の入口側と出口側との熱変形量の相違、ノズルベーン３１がシュラウド２６側とノズル支持リング２８側の何れの側に傾き易いか等を考慮して、互いに異なる個別の適正値に設定されていてもよい
傾斜面５１Ａ、５２Ａ、５１Ｄ、５２Ｄは、上述の実施形態では、直線傾斜のテーパ面になっているが、図８に示されているように、凸形状の曲面であってもよい。この凸形状の曲面は、凸円弧傾斜形状のラウンド面ではなく、凸形状の曲面としスプラインも含むものである。

なお、図８において、図５に対応する部分は、図５に付した符号と同一の符号を付けて、その説明を省略する。

この発明による可変容量型過給機の一つの実施形態を示す全体構成図である。 この発明による可変容量型過給機の一つの実施形態の要部の拡大図である。 図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った断面図である。 図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿ったノズルベーンを取り除いた状態での断面図である。 この発明による可変容量型過給機の他の実施形態の要部の拡大図である。 図５の線ＶＩ−Ｖに沿った断面図である。 図５の線ＶＩ−ＶＩに沿ったノズルベーンを取り除いた状態での断面図である。 この発明による可変容量型過給機の一つの実施形態の要部の拡大図である。

符号の説明

１ 可変容量型過給機
３ ハウジング
５ 遠心式コンプレッサ
７ ラジアルタービン
９ 回転軸部材
１１ 軸受部
１３ コンプレッサインペラ
１５ タービンインペラ
１７ ベアリングハウジング
１９ コンプレッサハウジング
２１ タービンハウジング
２３ スクロール通路
２５ ガス入口空間
２６ シュラウド
２８ ノズル支持リング
３１ ノズルベーン
３１Ａ、３１Ｂ 側面
３９ 駆動軸
４５ 駆動レバー
４９ 取付部材
５１ 第一の円環状側壁面
５１Ａ 傾斜面
５１Ｂ 垂直平面
５１Ｃ 領域
５１Ｄ 傾斜面
５２ 第二の円環状側壁面
５２Ａ 傾斜面
５２Ｂ 垂直平面
５２Ｃ 領域
５２Ｄ 傾斜面
５３、５４ 支持軸
５５、５６ 軸受孔
５７、５８ 鍔部
５７Ａ、５８Ａ 外側鍔面

Claims (4)

1. タービンのガス入口側に、当該タービンのタービンインペラの回転中心と同心で、且つ軸線方向に所定間隔をおいて相対向する第一の円環状側壁面と第二の円環状側壁面とによって円環状のガス入口空間が画定され、当該ガス入口空間に複数個のノズルベーンが各々前記第一の円環状側壁面と前記第二の円環状側壁面とに挟まれた態様で回動可能に設けられ、当該ノズルベーンによって前記タービンに流入するガス流量を可変設定する可変容量型過給機であって、
   前記ノズルベーンは、当該ノズルベーンの両側面より各々外側に突出した支持軸を有し、各支持軸が前記第一の円環状側壁面を構成する第一の部材と前記第二の円環状側壁面を構成する第二の部材に各々形成された軸受孔に嵌合することにより、前記第１の部材及び前記第二の部材により回動可能に両持ち支持され、
   前記ノズルベーンの両側部に、各々、当該ノズルベーンの側面と同一平面の外側鍔面を有する鍔部が前記支持軸と同心に形成されており、
   前記ノズルベーンの回動中心側より前記ガス入口空間の外周側に向かうに従って、前記ノズルベーンの一方の側面と前記第一の円環状側壁面との間隙および前記ノズルベーンの他方の側面と前記第二の円環状側壁面との間隙が拡大されるよう、前記第一の円環状側壁面と前記第二の円環状側壁面のうち、前記鍔部に対応する領域を除いた前記ノズルベーンの回動中心位置より外周側は、各々円錐状の傾斜面になっており、
   前記第一の円環状側壁面と前記第二の円環状側壁面のうち、前記鍔部に対応する領域は、前記外側鍔面と平行な平面になっていることを特徴とする可変容量型過給機。
2. 前記ノズルベーンの回動中心側より前記ガス入口空間の内周側に向かうに従って、前記ノズルベーンの一方の側面と前記第一の円環状側壁面との間隙および前記ノズルベーンの他方の側面と前記第二の円環状側壁面との間隙が拡大されるよう、前記第一の円環状側壁面と前記第二の円環状側壁面のうち、前記鍔部に対応する領域を除く前記ノズルベーンの内周側が各々円錐状の傾斜面になっていることを特徴とする請求項１記載の可変容量型過給機。
3. 前記傾斜面は直線傾斜のテーパ面あるいは凸形状の曲面であることを特徴とする請求項１または２記載の可変容量型過給機。
4. 前記第一の円環状側壁面と前記第二の円環状側壁面のうち、隣り合う前記ノズルベーン間に形成されるノズルスロート部に対応する領域は、前記ノズルベーンの側面と平行な平面であることを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の可変容量型過給機。

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