ターボチャージャ
【課題】タービンハウジング出口における排気ガスの乱れを減少させることによって、タービン効率を向上させることができるターボチャージャを提供する。
【解決手段】本発明のターボチャージャ１は、タービンインペラ２３を回転自在に支持する軸受けハウジング２と、タービンインペラ２３に排気ガスを供給するタービンスクロール流路３１が形成されたタービンハウジング３と、タービンスクロール流路３１からタービンインペラ２３に供給される排気ガスの流量を可変とする排気ノズル５とを備え、排気ノズル５は、タービンハウジング３側に設けられる第１排気導入壁５１と第１排気導入壁５１に対向して設けられる第２排気導入壁５２との間に各々回転自在に設けられる複数のノズルベーン５３を有する可変容量型のターボチャージャ１において、各ノズルベーン５３を第１排気導入壁５１に向けて付勢する付勢部７を有するという構成を採用する。
【解決手段】本発明のターボチャージャ１は、タービンインペラ２３を回転自在に支持する軸受けハウジング２と、タービンインペラ２３に排気ガスを供給するタービンスクロール流路３１が形成されたタービンハウジング３と、タービンスクロール流路３１からタービンインペラ２３に供給される排気ガスの流量を可変とする排気ノズル５とを備え、排気ノズル５は、タービンハウジング３側に設けられる第１排気導入壁５１と第１排気導入壁５１に対向して設けられる第２排気導入壁５２との間に各々回転自在に設けられる複数のノズルベーン５３を有する可変容量型のターボチャージャ１において、各ノズルベーン５３を第１排気導入壁５１に向けて付勢する付勢部７を有するという構成を採用する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンから排出される排気ガスのエネルギーを利用してエンジンに供給される空気を過給するターボチャージャに関わり、特に可変容量型のターボチャージャに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、低回転域から高回転域までの広い範囲に亘りエンジンの性能向上を図ることができる可変容量型のターボチャージャが知られている。
ここで、特許文献１には、可変容量型のターボチャージャが開示されている。
【０００３】
上記ターボチャージャは、タービンハウジングとコンプレッサハウジングとが軸受けハウジングを介して一体的に連結された構成となっており、タービンハウジング内に設けられたタービンインペラとコンプレッサハウジング内に設けられたコンプレッサインペラとが軸受けハウジング内に回転自在に設けられた回転軸により連結されている。
タービンハウジングには排気ガスの流入口が設けられ、上記流入口から流入した排気ガスはタービンハウジング内のタービンスクロール流路に導入される。軸受けハウジングのタービンハウジング側には、上記タービンスクロール流路に導入される排気ガスをタービンインペラに導くとともに、その流量を可変とする可変ノズルユニット（排気ノズル）が設けられている。
【０００４】
可変ノズルユニットは、タービンハウジング側の排気導入壁であるシュラウドリング（第１排気導入壁）と軸受けハウジング側の排気導入壁であるノズルリング（第２排気導入壁）とを備えており、ノズルリングとシュラウドリングとは例えば周方向における３箇所に設けられた連結ピンを挟持することで所定の間隔を有する状態で連結されている。
ノズルリングとシュラウドリングとの間には、排気ガスの流量を調節するための複数のノズルベーンが環状に配置されている。ノズルベーンの両側面から突出するベーン軸（第１及び第２支持軸）がノズルリング及びシュラウドリングに形成された孔部にそれぞれ貫入しており、ノズルベーンはベーン軸を中心として回転自在に支持されている。
【０００５】
可変ノズルユニットのシュラウドリングとタービンハウジングとの間には所定の隙間が設けられている。この隙間は本来不要であるが、タービンハウジングが冷間時と熱間時との間で熱変形を起こし、シュラウドリングとの相対的な位置関係が変わってしまうために設けられている。
上記隙間があると、タービンスクロール流路内の排気ガスが隙間を通ってタービンハウジングの出口側に漏出してしまうことから、この隙間を塞ぐためにシュラウドリングの内周縁部からタービンハウジング側に延設された略円筒状を呈する延設部の外周面と、この延設部の外周面に対向するタービンハウジングの内周面との間にシール用Ｃリングが配置されている。上記Ｃリングは弾性体で形成されており、その弾性力によりタービンハウジングの熱変形に追従することができる。
【特許文献１】特開２００６−１２５５８８号公報（第１４頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１に示すシール用Ｃリング等を用いてシュラウドリングとタービンハウジングとの間の隙間からの排気ガスの漏出を防止しても、ターボチャージャのタービン効率を大幅に向上させることは困難であった。
そのため、本発明者らは、上記漏出の問題以外でタービン効率に影響を及ぼす要因について種々検討し試験を実施した。
【０００７】
そして、特許文献１に示すシール用Ｃリングはシュラウドリングの延設部における外周面とタービンハウジングの内周面との間に設置されており、上記隙間とタービンスクロール流路とは互いに連通しているため、可変ノズルユニット内の圧力に比べ上記隙間内の圧力が大きくなり、上記隙間内の排気ガスがシュラウドリングに形成された孔部を通って可変ノズルユニット側に流入していることが判明した。
【０００８】
さらに、ノズルベーンとノズルリング及びシュラウドリングとの間には、ノズルベーンを滑らかに回転させるためのクリアランスが予め設けられている。そのため、上記孔部を通る排気ガスの流れによりノズルベーンのベーン軸はノズルリング側に押され、ノズルベーンとシュラウドリングとの間に大きなクリアランスが生じていた。
【０００９】
結果として、本発明者らは、上記孔部を通る排気ガスの流れが発生することやノズルベーンとシュラウドリングとの間に大きなクリアランスが生じることにより、排気ガスの排出口であるタービンハウジング出口における排気ガスの乱れが大きくなり、これによってタービン効率が低下するという知見を得た。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、タービンハウジング出口における排気ガスの乱れを減少させることによって、タービン効率を向上させることができるターボチャージャを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明のターボチャージャは、タービンインペラを回転自在に支持する軸受けハウジングと、タービンインペラに排気ガスを供給するタービンスクロール流路が形成されたタービンハウジングと、タービンスクロール流路からタービンインペラに供給される排気ガスの流量を可変とする排気ノズルとを備え、排気ノズルは、タービンハウジング側に設けられる第１排気導入壁と第１排気導入壁に対向して設けられる第２排気導入壁との間に各々回転自在に設けられる複数のノズルベーンを有する可変容量型のターボチャージャにおいて、各ノズルベーンを第１排気導入壁に向けて付勢する付勢部を有するという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、各ノズルベーンは付勢部により第１排気導入壁に向けて付勢されるため、各ノズルベーンは第１排気導入壁側に移動し、各ノズルベーンと第１排気導入壁との間のクリアランスを減少させることができる。
【００１２】
また、本発明のターボチャージャは、付勢部が、長尺の板バネが所定の軸回りに縮径しつつ螺旋状に巻回された形状を呈するバネ部材を有するという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、バネ部材は螺旋の軸方向で弾性力を生じ、この弾性力を用いて各ノズルベーンを第１排気導入壁に向けて付勢することができる。また、本発明では、排気ガスの熱によりタービンハウジング、第１排気導入壁及び第２排気導入壁が熱変形したとしても、付勢部におけるバネ部材が伸縮することにより上記熱変形を吸収することができる。
【００１３】
また、本発明のターボチャージャは、各ノズルベーンが、第１排気導入壁に形成された厚さ方向で貫通する孔部に貫入して軸支される第１支持軸と、第１支持軸の第２排気導入壁側に孔部より大径の第１鍔部とを有するという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、各ノズルベーンが第１排気導入壁側に移動することで、第１鍔部が第１排気導入壁に形成された孔部を覆い閉鎖することができる。
【００１４】
また、本発明のターボチャージャは、各ノズルベーンが、第２排気導入壁に貫通して軸支される第２支持軸を有し、バネ部材は、略円筒状のリング部材を介して第２支持軸の軸受けハウジング側に設けられるという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、バネ部材の弾性力をリング部材を介して第２支持軸に伝えるために、複数の各ノズルベーンを均一に付勢することができる。
【００１５】
また、本発明のターボチャージャは、バネ部材における板バネの幅方向の長さが、リング部材における円筒部の軸方向の長さよりも短いという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、バネ部材が振動等によって一時的にリング部材から離間する側へ移動したとしても、バネ部材がリング部材から脱落することを防ぐことができる。
【００１６】
また、本発明のターボチャージャは、リング部材が、バネ部材の軸方向と直交する第２鍔部を備え、バネ部材のタービンハウジング側の端部が第２鍔部に当接しているという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明のターボチャージャでは、バネ部材が振動等によって一時的にリング部材の径方向外側へ移動したとしても、バネ部材がリング部材から脱落することを防ぐことができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、以下の効果を得ることができる。
本発明によれば、ノズルベーンを第１排気導入壁側に変位させることができることから、タービンハウジング出口における排気ガスの乱れを減少させタービン効率を向上させることができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
〔第１実施形態〕
本発明の第１の実施形態に係るターボチャージャを、図面を参照して説明する。
図１は、第１の実施形態に係るターボチャージャ１の全体構成を示す概略図、図２は、図１における可変ノズルユニット５周辺の拡大図、図３は、第１の実施形態における可変ノズルユニット５の構成要素であるノズルベーン５３の斜視図、図４は、第１の実施形態における同期機構６の背面図、図５は、第１の実施形態におけるバネ部材７１の概略図であり、（ａ）はバネ部材７１の平面図、（ｂ）は側面図である。なお、上記図面中の矢印Ｆは前方向を示す。
【００１９】
まず、本実施形態におけるターボチャージャ１の全体構成を、図１を参照して説明する。
図１に示すように、本実施形態におけるターボチャージャ１は、不図示のエンジンから導かれる排気ガスのエネルギーを利用してエンジンに供給される空気を過給する可変容量型のターボチャージャである。
ターボチャージャ１は、軸受けハウジング２と、軸受けハウジング２の前側周縁部に締結ボルト２ａにより接続されるタービンハウジング３と、軸受けハウジング２の後側周縁部に締結ボルト２ｂにより接続されるコンプレッサハウジング４とを備えている。
【００２０】
軸受けハウジング２内には、前後方向で延びるタービン軸２１がベアリング２２を介して回転自在に支持されている。タービン軸２１の前端部にはタービンインペラ２３が一体的に連結され、後端部にはコンプレッサインペラ２４が一体的に連結されている。なお、タービンインペラ２３はタービンハウジング３内に設置され、コンプレッサインペラ２４はコンプレッサハウジング４内に設置されている。
【００２１】
タービンハウジング３内かつタービンインペラ２３の径方向外側には、略環状を呈する可変ノズルユニット（排気ノズル）５が設置されている。
【００２２】
タービンハウジング３は、タービンインペラ２３の径方向外側に設けられるタービンスクロール流路３１と、排気ガスの排気口であるタービンハウジング出口３２とを有している。
タービンスクロール流路３１は、タービンインペラ２３を囲んで略環状に形成され、排気ガスを導入するための不図示のガス流入口と連通している。また、タービンスクロール流路３１は、可変ノズルユニット５内のノズル流路５Ａと連通している。なお、上記ガス流入口は不図示のエンジンにおける排気口に接続されている。
タービンハウジング出口３２は、タービンハウジング３の前側に開口しており、タービンインペラ２３の設置箇所を介してノズル流路５Ａと連通している。また、タービンハウジング出口３２は、不図示の排気ガス浄化装置に接続されている。
【００２３】
コンプレッサハウジング４には、後側に開口し不図示のエアクリーナに接続される吸気口４１が形成されている。また、軸受けハウジング２とコンプレッサハウジング４との間には、空気を圧縮して昇圧するディフューザ流路４２がコンプレッサインペラ２４の径方向外側で略環状に形成されている。また、ディフューザ流路４２は、コンプレッサインペラ２４の設置箇所を介して吸気口４１と連通している。
さらに、コンプレッサハウジング４は、コンプレッサインペラ２４の径方向外側で略環状に形成されるコンプレッサスクロール流路４３を有しており、コンプレッサスクロール流路４３は、ディフューザ流路４２と連通している。なお、コンプレッサスクロール流路４３は、不図示のエンジンにおける吸気口と連通している。
【００２４】
次に、可変ノズルユニット５の構成を、図１ないし図３を参照して説明する。
図２に示すように、可変ノズルユニット５は、タービンハウジング３側に設置されるシュラウドリング（第１排気導入壁）５１と、シュラウドリング５１に対向して軸受けハウジング２側に設置されるノズルリング（第２排気導入壁）５２と、シュラウドリング５１とノズルリング５２との間に保持される複数のノズルベーン５３とを有している。なお、ノズル流路５Ａは、シュラウドリング５１とノズルリング５２との間に形成されている。
【００２５】
シュラウドリング５１は、略リング状に形成された板状部材の内周縁部に、タービンハウジング出口３２側に延出する略円筒状を呈する延設部５１Ｅが接続された形状を呈している。また、シュラウドリング５１には、上記板状部材の厚さ方向で貫通する複数の第１孔部（孔部）５１ａが形成されている。
【００２６】
ノズルリング５２は、略リング状に形成された板状部材であり、厚さ方向で貫通する複数の第２孔部５２ａが形成されている。
【００２７】
図１に示すように、シュラウドリング５１及びノズルリング５２は、複数の連結ピン５７を介して所定の間隔を形成するように連結されている。なお、連結ピン５７は、シュラウドリング５１に貫入し、ノズルリング５２を貫通して後側に突出している。
ノズルリング５２の後側には、取付リング５８が連結ピン５７を介して一体的に設けられており、取付リング５８の外周縁部は、タービンハウジング３と軸受けハウジング２とにより挟持されて支持されている。すなわち、ノズルリング５２は、取付リング５８を介して軸受けハウジング２及びタービンハウジング３に支持されている。
【００２８】
ノズルベーン５３は、ノズルリング５２とシュラウドリング５１の間に周方向で等間隔に複数設けられており、タービンインペラ２３の回転軸と平行な軸回りに各々回転自在である。
また、図３に示すように、各ノズルベーン５３は、略矩形を呈する板状部材であり所定の一辺からその対辺に向かうに従って漸次厚みが減少するように形成されているノズルベーン本体５４と、ノズルベーン本体５４の上記一辺に直交する一側面から紙面上方に突出する第１ベーン軸（第１支持軸）５５と、上記一側面に対向する側面から紙面下方に突出する第２ベーン軸（第２支持軸）５６とを有している。
第１ベーン軸５５は、シュラウドリング５１の第１孔部５１ａに回転自在に貫入しており、第２ベーン軸５６は、ノズルリング５２の第２孔部５２ａに回転自在に貫通しノズルリング５２の後側に突出している。
【００２９】
ノズルベーン本体５４と第１ベーン軸５５との接続部には、ノズルリング５２に対向する面を有する第１鍔部５５Ａが設けられ、ノズルベーン本体５４と第２ベーン軸５６との接続部には、シュラウドリング５１に対向する面を有する第３鍔部５６Ａが設けられている。なお、第１鍔部５５Ａは、第１孔部５１ａのノズル流路５Ａへの開口部よりも大径に形成されていることが好ましい。
【００３０】
図２に示すように、タービンハウジング３とシュラウドリング５１との間には、タービンハウジング３が熱変形を起こした場合にシュラウドリング５１に対する相対移動を吸収するための隙間Ｓが形成されている。そして、隙間Ｓからの排気ガスの漏出を防止するために、シュラウドリング５１における延設部５１Ｅの外周面とタービンハウジング３の内周面との間には２枚のＣリングからなるシール部Ｓ１が設けられている。
【００３１】
次に、本実施形態における各ノズルベーン５３を同期して回転させる同期機構６の構成を、図１及び図４を参照して説明する。
図１に示すように、可変ノズルユニット５の後側には、各ノズルベーン５３を同期して回転させるための同期機構６が設けられている。
【００３２】
同期機構６は、略リング状を呈しノズルリング５２の後側に複数の連結ピン５７を介して設けられるガイドリング６１と、ガイドリング６１の径方向外側に回転自在に設けられる可動リング６２と、各ノズルベーン５３を同期して回転させる複数の同期用伝達リンク６３と、可動リング６２を回転させる駆動用伝達リンク６４と、軸受けハウジング２の前側下部でタービン軸２１に平行な軸回りに回転自在に支持される駆動軸６５とを備えている。
【００３３】
図４に示すように、可動リング６２の内周縁部には、各ノズルベーン５３と対応する位置に同期用係合凹部６２ａが形成されている。同期用伝達リンク６３の一端部は同期用係合凹部６２ａに係合し、他端部は各ノズルベーン５３の第２ベーン軸５６に一体的に連結されている。
また、可動リング６２の内周縁部には、同期用係合凹部６２ａの他に駆動用係合凹部６２ｂが形成されている。駆動用伝達リンク６４の一端部は駆動用係合凹部６２ｂに係合し、他端部は駆動軸６５に一体的に連結している。
なお、図１に示すように、駆動軸６５の駆動用伝達リンク６４と接続されている側に対する他端側には駆動レバー６６が一体的に連結され、駆動レバー６６には不図示のシリンダ等のアクチュエータが連結されている。
【００３４】
次に、本実施形態における同期機構６と軸受けハウジング２との間に設けられる付勢部７の構成を、図２及び図５を参照して説明する。
図２に示すように、同期機構６における同期用伝達リンク６３にはノズルベーン５３の第２ベーン軸５６が貫通して一体的に接続されており、第２ベーン軸５６の後側端面である軸端面５６Ｂが軸受けハウジング２に対向している。
また、軸受けハウジング２の同期機構６に対向する面は溝部２ｃを有しており、溝部２ｃは、各々の軸端面５６Ｂに対向する位置に形成され、タービン軸２１の軸回りに環状を呈している。また、溝部２ｃは、前後方向と直交する垂直面を有している。
【００３５】
各々の軸端面５６Ｂと溝部２ｃとの間には、ノズルベーン５３をシュラウドリング５１に向けて付勢するための付勢部７が設けられており、付勢部７は、バネ部材７１と、リング部材７２とを有している。
【００３６】
図５に示すように、バネ部材７１は、いわゆるタケノコバネと称されるものであり、長尺の板バネがタービン軸２１の軸回りに縮径しつつ螺旋状に巻回された形状を呈し、隣り合う径方向外側及び内側の板バネは互いに重なり合う部分を有している。
図２に示すように、バネ部材７１は、その小径部においてリング部材７２を介して第２ベーン軸５６の軸端面５６Ｂに設けられ、その大径部は溝部２ｃの上記垂直面に当接している。
なお、バネ部材７１の前後方向での自然長（何ら負荷をかけない場合の長さ）は、軸端面５６Ｂと溝部２ｃの上記垂直面との前後方向における間隔よりも長く形成され、バネ部材７１は前後方向で圧縮された状態で軸端面５６Ｂと溝部２ｃの上記垂直面との間に設けられている。
【００３７】
リング部材７２は、略円筒状を呈する円筒部７２Ａの前側周縁部から径方向外側に向けて第２鍔部７２Ｂが接続された形状を呈しており、円筒部７２Ａがバネ部材７１の小径部における径方向内側に貫入し、バネ部材７１の小径側先端部が第２鍔部７２Ｂに当接している。
【００３８】
続いて、本実施形態におけるターボチャージャ１の動作を説明する。
まず、ターボチャージャ１の排気ガスのエネルギーを利用してエンジンに供給される空気を過給する動作について説明する。
【００３９】
エンジンの排気口から排出された排気ガスは、タービンハウジング３のガス流入口を通ってタービンスクロール流路３１へ導入される。そして、排気ガスは、タービンスクロール流路３１からノズル流路５Ａに導入される。
この時、エンジンの回転数、すなわち、ノズル流路５Ａに導入される排気ガスの流量に応じて同期機構６及び不図示のアクチュエータの作動により各ノズルベーン５３を回転させ、ノズル流路５Ａの開口面積を変化させる。この開口面積の変化によりノズル流路５Ａを通る排気ガスの流量は調節され、結果として低回転域から高回転域までの広い範囲に亘りエンジンの性能向上を図ることができる。
ノズル流路５Ａを通った排気ガスは、タービンインペラ２３の設置箇所に導入され、タービンインペラ２３を回転させる。その後、排気ガスはタービンハウジング出口３２より排出される。
【００４０】
タービンインペラ２３は、タービン軸２１を介してコンプレッサインペラ２４と連結されているため、タービンインペラ２３が回転することでコンプレッサインペラ２４が回転する。
コンプレッサインペラ２４の回転により、吸気口４１から導入された空気がディフューザ流路４２に供給される。空気は、ディフューザ流路４２を通ることで圧縮され昇圧される。昇圧された空気は、コンプレッサスクロール流路４３を通ってエンジンの吸気口に供給される。結果として、エンジンに空気を過給し、エンジンの出力を向上させることができる。
以上で、ターボチャージャ１の過給動作は終了する。
【００４１】
次に、バネ部材７１が、ノズルベーン５３をシュラウドリング５１に向けて付勢する動作について説明する。
バネ部材７１は前後方向で圧縮された状態で軸端面５６Ｂと溝部２ｃの前後方向と直交する垂直面との間に設けられている。そのため、バネ部材７１がノズルベーン５３の第２ベーン軸５６をシュラウドリング５１に向けて付勢しており、ノズルベーン５３はシュラウドリング５１側に移動する。結果として、ノズルベーン本体５４とシュラウドリング５１との間のクリアランスを減少させることができる。
【００４２】
また、排気ガスの熱によりタービンハウジング３、シュラウドリング５１及びノズルリング５２が熱変形したとしても、付勢部７におけるバネ部材７１が伸縮することにより上記熱変形を吸収することができる。
さらに、ノズルベーン本体５４と第１ベーン軸５５との接続部には第１鍔部５５Ａが設けられており、ノズルベーン５３の移動に伴い、第１鍔部５５Ａがシュラウドリング５１に形成された孔部５１ａを覆い閉鎖する。結果として、隙間Ｓからノズル流路５Ａへ孔部５１ａを通って排気ガスが漏出することを防止することができる。
【００４３】
ところで、バネ等の弾性部材は高温下に曝されると熱劣化を起こし、自然長が短くなる等の変化を起こす場合がある。そこで、付勢するに必要なバネの自然長に熱劣化による変化分をあらかじめ加えておくことが必要となる。しかし、熱劣化による変化分を加えた場合、バネ定数が高いバネにおいては、熱劣化を生じる前はバネの弾性力が強すぎるという弊害がある。
本実施形態におけるバネ部材７１は、長尺の板バネが巻回された形状を呈しているため、例えば皿状のバネ等に比べバネ定数を低くすることができる。したがって、熱劣化を生じる前においてもバネ部材７１のノズルベーン５３を付勢する力は大きくなりすぎることがなく、ノズルベーン５３の滑らかな回転を維持することができる。
また、本実施形態におけるバネ部材７１は、径方向外側と内側の板バネが互いに重なり合う形状となっていることから、バネのすくみ代を大きく取ることができる。そのため、自然長に熱劣化による変化分を加えても、バネ部材７１をターボチャージャ１内の限られた空間内に設置することができる。
【００４４】
なお、バネ部材７１は、リング部材７２を介して第２ベーン軸５６の軸端面５６Ｂに支持されており、振動等によってバネ部材７１がリング部材７２から前後方向で離間する側に移動した場合や、リング部材７２の径方向外側へ移動した場合でも、バネ部材７１がリング部材７２から脱落することを防止することができる。
【００４５】
最後に、本実施形態におけるターボチャージャ１及び従来型ターボチャージャのタービン効率の比較試験について、図６ないし図１０を参照して説明する。
本発明者らは、本実施形態におけるターボチャージャ１及び従来型ターボチャージャについて、図６に示すようにタービンインペラ２３の上流側と下流側との圧力の比が略同一となるようにした条件において、タービンハウジング出口３２における径方向位置での排気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。
【００４６】
図７に示すように、本実施形態におけるターボチャージャ１では、従来のターボチャージャに比して径方向での流速分布の偏差が少なく流速分布は径方向で平坦化している。このことは、本実施形態におけるターボチャージャ１は従来のターボチャージャに比べて、タービンハウジング出口３２における排気ガスの乱れが小さいことを意味している。
【００４７】
さらに、本実施形態におけるターボチャージャ１及び従来のターボチャージャについて、タービン効率を数値解析して比較したところ、図８に示すように、本実施形態におけるターボチャージャ１によれば従来のターボチャージャに比べてタービン効率が約１０％向上することが判明した。
【００４８】
また、本発明者らは、本実施形態におけるターボチャージャ１及び従来型ターボチャージャについて、それぞれ図６のように圧力比がほぼ同一になるようにした図９の条件において、３つの異なる回転数ａ，ｂ，ｃについて、タービンの効率を実測によって求め、その結果を図１０に示した。上記実測による場合も、数値解析による場合の結果と同様に、本実施形態におけるターボチャージャ１の方が従来のターボチャージャに対してタービン効率が約１０％向上する結果が得られた。
【００４９】
したがって、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。
本実施形態では、ノズルベーン５３をシュラウドリング５１側に変位させることができることから、タービンハウジング出口３２における排気ガスの乱れを減少させタービン効率を向上させることができるという効果がある。
【００５０】
〔第２実施形態〕
本発明の第２の実施形態に係るターボチャージャを、図面を参照して説明する。
図１１は、第２の実施形態に係るターボチャージャ１Ａにおける可変ノズルユニット５周辺の拡大図である。なお、この図において、図２に示す第１の実施形態の構成要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００５１】
図１１に示すように、各々の軸端面５６Ｂと溝部２ｃとの間には、ノズルベーン５３をシュラウドリング５１に向けて付勢するための付勢部７Ａが設けられており、付勢部７Ａは、バネ部材７１と、第２リング部材７３とを有している。
【００５２】
バネ部材７１は、その大径部において第２リング部材７３を介して第２ベーン軸５６の軸端面５６Ｂに設けられ、その小径部は溝部２ｃの垂直面に当接している。
【００５３】
第２リング部材７３は、略円筒状を呈する円筒部７３Ａの前側周縁部から径方向内側に向けて第４鍔部７３Ｂが接続された形状を呈しており、バネ部材７１の大径部が円筒部７３Ａにおける径方向内側に貫入し、バネ部材７１の大径側先端部が第４鍔部７３Ｂに当接している。
【００５４】
なお、バネ部材７１が、ノズルベーン５３をシュラウドリング５１に向けて付勢する動作は第１の実施形態と同様であるため、その説明を省略する。
また、バネ部材７１は、第２リング部材７３を介して第２ベーン軸５６の軸端面５６Ｂに支持されており、振動等によってバネ部材７１が第２リング部材７３から前後方向で離間する側に移動した場合や、第２リング部材７３の径方向内側へ移動した場合でも、バネ部材７１が第２リング部材７３から脱落することを防止することができる。
【００５５】
したがって、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。
本実施形態では、ノズルベーン５３をシュラウドリング５１側に変位させることができることから、タービンハウジング出口３２における排気ガスの乱れを減少させタービン効率を向上させることができるという効果がある。
【００５６】
なお、前述した実施の形態において示した動作手順、あるいは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プロセス条件や設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００５７】
例えば、上記実施形態では、付勢部７はタケノコ状を呈するバネ部材７１を有しているが、本発明はかかる構成に限定されるものではなく、例えば前後方向で伸縮する蛇腹状の略円筒状を呈する部材を有していてもよい。
【００５８】
また、上記実施形態では、リング部材７２及び第２リング部材７３が用いられているが、本発明はかかる構成に限定されるものではなく、リング部材７２及び第２リング部材７３を用いることなくバネ部材７１が直接に第２ベーン軸５６の軸端面５６Ｂをシュラウドリング５１に向けて付勢する構成であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】第１の実施形態に係るターボチャージャ１の全体構成を示す概略図である。
【図２】図１における可変ノズルユニット５周辺の拡大図である。
【図３】第１の実施形態における可変ノズルユニット５の構成要素であるノズルベーン５３の斜視図である。
【図４】第１の実施形態における同期機構６の背面図である。
【図５】第１の実施形態におけるバネ部材７１の概略図である。
【図６】第１の実施形態のターボチャージャ１及び従来型ターボチャージャを数値解析により比較するために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概略図である
【図７】第１の実施形態のターボチャージャ１及び従来型ターボチャージャにおけるタービンハウジング出口３２での径方向位置における排気ガスの速度分布の数値解析の結果を比較して示した概略図である。
【図８】第１の実施形態のターボチャージャ１及び従来型ターボチャージャにおけるタービンの効率の数値解析の結果を比較して示した概略図である。
【図９】第１の実施形態のターボチャージャ１及び従来型ターボチャージャを実測により比較するために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概略図である。
【図１０】第１の実施形態のターボチャージャ１及び従来型ターボチャージャにおけるタービンの効率の実測の結果を比較して示した概略図である。
【図１１】第２の実施形態に係るターボチャージャ１Ａにおける可変ノズルユニット５周辺の拡大図である。
【符号の説明】
【００６０】
１（１Ａ）…ターボチャージャ、２…軸受けハウジング、３…タービンハウジング、５…可変ノズルユニット（排気ノズル）、２３…タービンインペラ、３１…タービンスクロール流路、５１…シュラウドリング（第１排気導入壁）、５１ａ…第１孔部（孔部）、５２…ノズルリング（第２排気導入壁）、５３…ノズルベーン、５５…第１ベーン軸（第１支持軸）、５５Ａ…第１鍔部、５６…第２ベーン軸（第２支持軸）、７…付勢部、７１…バネ部材、７２…リング部材、７２Ｂ…第２鍔部、７３…第２リング部材（リング部材）、７３Ｂ…第４鍔部（第２鍔部）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンから排出される排気ガスのエネルギーを利用してエンジンに供給される空気を過給するターボチャージャに関わり、特に可変容量型のターボチャージャに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、低回転域から高回転域までの広い範囲に亘りエンジンの性能向上を図ることができる可変容量型のターボチャージャが知られている。
ここで、特許文献１には、可変容量型のターボチャージャが開示されている。
【０００３】
上記ターボチャージャは、タービンハウジングとコンプレッサハウジングとが軸受けハウジングを介して一体的に連結された構成となっており、タービンハウジング内に設けられたタービンインペラとコンプレッサハウジング内に設けられたコンプレッサインペラとが軸受けハウジング内に回転自在に設けられた回転軸により連結されている。
タービンハウジングには排気ガスの流入口が設けられ、上記流入口から流入した排気ガスはタービンハウジング内のタービンスクロール流路に導入される。軸受けハウジングのタービンハウジング側には、上記タービンスクロール流路に導入される排気ガスをタービンインペラに導くとともに、その流量を可変とする可変ノズルユニット（排気ノズル）が設けられている。
【０００４】
可変ノズルユニットは、タービンハウジング側の排気導入壁であるシュラウドリング（第１排気導入壁）と軸受けハウジング側の排気導入壁であるノズルリング（第２排気導入壁）とを備えており、ノズルリングとシュラウドリングとは例えば周方向における３箇所に設けられた連結ピンを挟持することで所定の間隔を有する状態で連結されている。
ノズルリングとシュラウドリングとの間には、排気ガスの流量を調節するための複数のノズルベーンが環状に配置されている。ノズルベーンの両側面から突出するベーン軸（第１及び第２支持軸）がノズルリング及びシュラウドリングに形成された孔部にそれぞれ貫入しており、ノズルベーンはベーン軸を中心として回転自在に支持されている。
【０００５】
可変ノズルユニットのシュラウドリングとタービンハウジングとの間には所定の隙間が設けられている。この隙間は本来不要であるが、タービンハウジングが冷間時と熱間時との間で熱変形を起こし、シュラウドリングとの相対的な位置関係が変わってしまうために設けられている。
上記隙間があると、タービンスクロール流路内の排気ガスが隙間を通ってタービンハウジングの出口側に漏出してしまうことから、この隙間を塞ぐためにシュラウドリングの内周縁部からタービンハウジング側に延設された略円筒状を呈する延設部の外周面と、この延設部の外周面に対向するタービンハウジングの内周面との間にシール用Ｃリングが配置されている。上記Ｃリングは弾性体で形成されており、その弾性力によりタービンハウジングの熱変形に追従することができる。
【特許文献１】特開２００６−１２５５８８号公報（第１４頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１に示すシール用Ｃリング等を用いてシュラウドリングとタービンハウジングとの間の隙間からの排気ガスの漏出を防止しても、ターボチャージャのタービン効率を大幅に向上させることは困難であった。
そのため、本発明者らは、上記漏出の問題以外でタービン効率に影響を及ぼす要因について種々検討し試験を実施した。
【０００７】
そして、特許文献１に示すシール用Ｃリングはシュラウドリングの延設部における外周面とタービンハウジングの内周面との間に設置されており、上記隙間とタービンスクロール流路とは互いに連通しているため、可変ノズルユニット内の圧力に比べ上記隙間内の圧力が大きくなり、上記隙間内の排気ガスがシュラウドリングに形成された孔部を通って可変ノズルユニット側に流入していることが判明した。
【０００８】
さらに、ノズルベーンとノズルリング及びシュラウドリングとの間には、ノズルベーンを滑らかに回転させるためのクリアランスが予め設けられている。そのため、上記孔部を通る排気ガスの流れによりノズルベーンのベーン軸はノズルリング側に押され、ノズルベーンとシュラウドリングとの間に大きなクリアランスが生じていた。
【０００９】
結果として、本発明者らは、上記孔部を通る排気ガスの流れが発生することやノズルベーンとシュラウドリングとの間に大きなクリアランスが生じることにより、排気ガスの排出口であるタービンハウジング出口における排気ガスの乱れが大きくなり、これによってタービン効率が低下するという知見を得た。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、タービンハウジング出口における排気ガスの乱れを減少させることによって、タービン効率を向上させることができるターボチャージャを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明のターボチャージャは、タービンインペラを回転自在に支持する軸受けハウジングと、タービンインペラに排気ガスを供給するタービンスクロール流路が形成されたタービンハウジングと、タービンスクロール流路からタービンインペラに供給される排気ガスの流量を可変とする排気ノズルとを備え、排気ノズルは、タービンハウジング側に設けられる第１排気導入壁と第１排気導入壁に対向して設けられる第２排気導入壁との間に各々回転自在に設けられる複数のノズルベーンを有する可変容量型のターボチャージャにおいて、各ノズルベーンを第１排気導入壁に向けて付勢する付勢部を有するという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、各ノズルベーンは付勢部により第１排気導入壁に向けて付勢されるため、各ノズルベーンは第１排気導入壁側に移動し、各ノズルベーンと第１排気導入壁との間のクリアランスを減少させることができる。
【００１２】
また、本発明のターボチャージャは、付勢部が、長尺の板バネが所定の軸回りに縮径しつつ螺旋状に巻回された形状を呈するバネ部材を有するという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、バネ部材は螺旋の軸方向で弾性力を生じ、この弾性力を用いて各ノズルベーンを第１排気導入壁に向けて付勢することができる。また、本発明では、排気ガスの熱によりタービンハウジング、第１排気導入壁及び第２排気導入壁が熱変形したとしても、付勢部におけるバネ部材が伸縮することにより上記熱変形を吸収することができる。
【００１３】
また、本発明のターボチャージャは、各ノズルベーンが、第１排気導入壁に形成された厚さ方向で貫通する孔部に貫入して軸支される第１支持軸と、第１支持軸の第２排気導入壁側に孔部より大径の第１鍔部とを有するという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、各ノズルベーンが第１排気導入壁側に移動することで、第１鍔部が第１排気導入壁に形成された孔部を覆い閉鎖することができる。
【００１４】
また、本発明のターボチャージャは、各ノズルベーンが、第２排気導入壁に貫通して軸支される第２支持軸を有し、バネ部材は、略円筒状のリング部材を介して第２支持軸の軸受けハウジング側に設けられるという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、バネ部材の弾性力をリング部材を介して第２支持軸に伝えるために、複数の各ノズルベーンを均一に付勢することができる。
【００１５】
また、本発明のターボチャージャは、バネ部材における板バネの幅方向の長さが、リング部材における円筒部の軸方向の長さよりも短いという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、バネ部材が振動等によって一時的にリング部材から離間する側へ移動したとしても、バネ部材がリング部材から脱落することを防ぐことができる。
【００１６】
また、本発明のターボチャージャは、リング部材が、バネ部材の軸方向と直交する第２鍔部を備え、バネ部材のタービンハウジング側の端部が第２鍔部に当接しているという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明のターボチャージャでは、バネ部材が振動等によって一時的にリング部材の径方向外側へ移動したとしても、バネ部材がリング部材から脱落することを防ぐことができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、以下の効果を得ることができる。
本発明によれば、ノズルベーンを第１排気導入壁側に変位させることができることから、タービンハウジング出口における排気ガスの乱れを減少させタービン効率を向上させることができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
〔第１実施形態〕
本発明の第１の実施形態に係るターボチャージャを、図面を参照して説明する。
図１は、第１の実施形態に係るターボチャージャ１の全体構成を示す概略図、図２は、図１における可変ノズルユニット５周辺の拡大図、図３は、第１の実施形態における可変ノズルユニット５の構成要素であるノズルベーン５３の斜視図、図４は、第１の実施形態における同期機構６の背面図、図５は、第１の実施形態におけるバネ部材７１の概略図であり、（ａ）はバネ部材７１の平面図、（ｂ）は側面図である。なお、上記図面中の矢印Ｆは前方向を示す。
【００１９】
まず、本実施形態におけるターボチャージャ１の全体構成を、図１を参照して説明する。
図１に示すように、本実施形態におけるターボチャージャ１は、不図示のエンジンから導かれる排気ガスのエネルギーを利用してエンジンに供給される空気を過給する可変容量型のターボチャージャである。
ターボチャージャ１は、軸受けハウジング２と、軸受けハウジング２の前側周縁部に締結ボルト２ａにより接続されるタービンハウジング３と、軸受けハウジング２の後側周縁部に締結ボルト２ｂにより接続されるコンプレッサハウジング４とを備えている。
【００２０】
軸受けハウジング２内には、前後方向で延びるタービン軸２１がベアリング２２を介して回転自在に支持されている。タービン軸２１の前端部にはタービンインペラ２３が一体的に連結され、後端部にはコンプレッサインペラ２４が一体的に連結されている。なお、タービンインペラ２３はタービンハウジング３内に設置され、コンプレッサインペラ２４はコンプレッサハウジング４内に設置されている。
【００２１】
タービンハウジング３内かつタービンインペラ２３の径方向外側には、略環状を呈する可変ノズルユニット（排気ノズル）５が設置されている。
【００２２】
タービンハウジング３は、タービンインペラ２３の径方向外側に設けられるタービンスクロール流路３１と、排気ガスの排気口であるタービンハウジング出口３２とを有している。
タービンスクロール流路３１は、タービンインペラ２３を囲んで略環状に形成され、排気ガスを導入するための不図示のガス流入口と連通している。また、タービンスクロール流路３１は、可変ノズルユニット５内のノズル流路５Ａと連通している。なお、上記ガス流入口は不図示のエンジンにおける排気口に接続されている。
タービンハウジング出口３２は、タービンハウジング３の前側に開口しており、タービンインペラ２３の設置箇所を介してノズル流路５Ａと連通している。また、タービンハウジング出口３２は、不図示の排気ガス浄化装置に接続されている。
【００２３】
コンプレッサハウジング４には、後側に開口し不図示のエアクリーナに接続される吸気口４１が形成されている。また、軸受けハウジング２とコンプレッサハウジング４との間には、空気を圧縮して昇圧するディフューザ流路４２がコンプレッサインペラ２４の径方向外側で略環状に形成されている。また、ディフューザ流路４２は、コンプレッサインペラ２４の設置箇所を介して吸気口４１と連通している。
さらに、コンプレッサハウジング４は、コンプレッサインペラ２４の径方向外側で略環状に形成されるコンプレッサスクロール流路４３を有しており、コンプレッサスクロール流路４３は、ディフューザ流路４２と連通している。なお、コンプレッサスクロール流路４３は、不図示のエンジンにおける吸気口と連通している。
【００２４】
次に、可変ノズルユニット５の構成を、図１ないし図３を参照して説明する。
図２に示すように、可変ノズルユニット５は、タービンハウジング３側に設置されるシュラウドリング（第１排気導入壁）５１と、シュラウドリング５１に対向して軸受けハウジング２側に設置されるノズルリング（第２排気導入壁）５２と、シュラウドリング５１とノズルリング５２との間に保持される複数のノズルベーン５３とを有している。なお、ノズル流路５Ａは、シュラウドリング５１とノズルリング５２との間に形成されている。
【００２５】
シュラウドリング５１は、略リング状に形成された板状部材の内周縁部に、タービンハウジング出口３２側に延出する略円筒状を呈する延設部５１Ｅが接続された形状を呈している。また、シュラウドリング５１には、上記板状部材の厚さ方向で貫通する複数の第１孔部（孔部）５１ａが形成されている。
【００２６】
ノズルリング５２は、略リング状に形成された板状部材であり、厚さ方向で貫通する複数の第２孔部５２ａが形成されている。
【００２７】
図１に示すように、シュラウドリング５１及びノズルリング５２は、複数の連結ピン５７を介して所定の間隔を形成するように連結されている。なお、連結ピン５７は、シュラウドリング５１に貫入し、ノズルリング５２を貫通して後側に突出している。
ノズルリング５２の後側には、取付リング５８が連結ピン５７を介して一体的に設けられており、取付リング５８の外周縁部は、タービンハウジング３と軸受けハウジング２とにより挟持されて支持されている。すなわち、ノズルリング５２は、取付リング５８を介して軸受けハウジング２及びタービンハウジング３に支持されている。
【００２８】
ノズルベーン５３は、ノズルリング５２とシュラウドリング５１の間に周方向で等間隔に複数設けられており、タービンインペラ２３の回転軸と平行な軸回りに各々回転自在である。
また、図３に示すように、各ノズルベーン５３は、略矩形を呈する板状部材であり所定の一辺からその対辺に向かうに従って漸次厚みが減少するように形成されているノズルベーン本体５４と、ノズルベーン本体５４の上記一辺に直交する一側面から紙面上方に突出する第１ベーン軸（第１支持軸）５５と、上記一側面に対向する側面から紙面下方に突出する第２ベーン軸（第２支持軸）５６とを有している。
第１ベーン軸５５は、シュラウドリング５１の第１孔部５１ａに回転自在に貫入しており、第２ベーン軸５６は、ノズルリング５２の第２孔部５２ａに回転自在に貫通しノズルリング５２の後側に突出している。
【００２９】
ノズルベーン本体５４と第１ベーン軸５５との接続部には、ノズルリング５２に対向する面を有する第１鍔部５５Ａが設けられ、ノズルベーン本体５４と第２ベーン軸５６との接続部には、シュラウドリング５１に対向する面を有する第３鍔部５６Ａが設けられている。なお、第１鍔部５５Ａは、第１孔部５１ａのノズル流路５Ａへの開口部よりも大径に形成されていることが好ましい。
【００３０】
図２に示すように、タービンハウジング３とシュラウドリング５１との間には、タービンハウジング３が熱変形を起こした場合にシュラウドリング５１に対する相対移動を吸収するための隙間Ｓが形成されている。そして、隙間Ｓからの排気ガスの漏出を防止するために、シュラウドリング５１における延設部５１Ｅの外周面とタービンハウジング３の内周面との間には２枚のＣリングからなるシール部Ｓ１が設けられている。
【００３１】
次に、本実施形態における各ノズルベーン５３を同期して回転させる同期機構６の構成を、図１及び図４を参照して説明する。
図１に示すように、可変ノズルユニット５の後側には、各ノズルベーン５３を同期して回転させるための同期機構６が設けられている。
【００３２】
同期機構６は、略リング状を呈しノズルリング５２の後側に複数の連結ピン５７を介して設けられるガイドリング６１と、ガイドリング６１の径方向外側に回転自在に設けられる可動リング６２と、各ノズルベーン５３を同期して回転させる複数の同期用伝達リンク６３と、可動リング６２を回転させる駆動用伝達リンク６４と、軸受けハウジング２の前側下部でタービン軸２１に平行な軸回りに回転自在に支持される駆動軸６５とを備えている。
【００３３】
図４に示すように、可動リング６２の内周縁部には、各ノズルベーン５３と対応する位置に同期用係合凹部６２ａが形成されている。同期用伝達リンク６３の一端部は同期用係合凹部６２ａに係合し、他端部は各ノズルベーン５３の第２ベーン軸５６に一体的に連結されている。
また、可動リング６２の内周縁部には、同期用係合凹部６２ａの他に駆動用係合凹部６２ｂが形成されている。駆動用伝達リンク６４の一端部は駆動用係合凹部６２ｂに係合し、他端部は駆動軸６５に一体的に連結している。
なお、図１に示すように、駆動軸６５の駆動用伝達リンク６４と接続されている側に対する他端側には駆動レバー６６が一体的に連結され、駆動レバー６６には不図示のシリンダ等のアクチュエータが連結されている。
【００３４】
次に、本実施形態における同期機構６と軸受けハウジング２との間に設けられる付勢部７の構成を、図２及び図５を参照して説明する。
図２に示すように、同期機構６における同期用伝達リンク６３にはノズルベーン５３の第２ベーン軸５６が貫通して一体的に接続されており、第２ベーン軸５６の後側端面である軸端面５６Ｂが軸受けハウジング２に対向している。
また、軸受けハウジング２の同期機構６に対向する面は溝部２ｃを有しており、溝部２ｃは、各々の軸端面５６Ｂに対向する位置に形成され、タービン軸２１の軸回りに環状を呈している。また、溝部２ｃは、前後方向と直交する垂直面を有している。
【００３５】
各々の軸端面５６Ｂと溝部２ｃとの間には、ノズルベーン５３をシュラウドリング５１に向けて付勢するための付勢部７が設けられており、付勢部７は、バネ部材７１と、リング部材７２とを有している。
【００３６】
図５に示すように、バネ部材７１は、いわゆるタケノコバネと称されるものであり、長尺の板バネがタービン軸２１の軸回りに縮径しつつ螺旋状に巻回された形状を呈し、隣り合う径方向外側及び内側の板バネは互いに重なり合う部分を有している。
図２に示すように、バネ部材７１は、その小径部においてリング部材７２を介して第２ベーン軸５６の軸端面５６Ｂに設けられ、その大径部は溝部２ｃの上記垂直面に当接している。
なお、バネ部材７１の前後方向での自然長（何ら負荷をかけない場合の長さ）は、軸端面５６Ｂと溝部２ｃの上記垂直面との前後方向における間隔よりも長く形成され、バネ部材７１は前後方向で圧縮された状態で軸端面５６Ｂと溝部２ｃの上記垂直面との間に設けられている。
【００３７】
リング部材７２は、略円筒状を呈する円筒部７２Ａの前側周縁部から径方向外側に向けて第２鍔部７２Ｂが接続された形状を呈しており、円筒部７２Ａがバネ部材７１の小径部における径方向内側に貫入し、バネ部材７１の小径側先端部が第２鍔部７２Ｂに当接している。
【００３８】
続いて、本実施形態におけるターボチャージャ１の動作を説明する。
まず、ターボチャージャ１の排気ガスのエネルギーを利用してエンジンに供給される空気を過給する動作について説明する。
【００３９】
エンジンの排気口から排出された排気ガスは、タービンハウジング３のガス流入口を通ってタービンスクロール流路３１へ導入される。そして、排気ガスは、タービンスクロール流路３１からノズル流路５Ａに導入される。
この時、エンジンの回転数、すなわち、ノズル流路５Ａに導入される排気ガスの流量に応じて同期機構６及び不図示のアクチュエータの作動により各ノズルベーン５３を回転させ、ノズル流路５Ａの開口面積を変化させる。この開口面積の変化によりノズル流路５Ａを通る排気ガスの流量は調節され、結果として低回転域から高回転域までの広い範囲に亘りエンジンの性能向上を図ることができる。
ノズル流路５Ａを通った排気ガスは、タービンインペラ２３の設置箇所に導入され、タービンインペラ２３を回転させる。その後、排気ガスはタービンハウジング出口３２より排出される。
【００４０】
タービンインペラ２３は、タービン軸２１を介してコンプレッサインペラ２４と連結されているため、タービンインペラ２３が回転することでコンプレッサインペラ２４が回転する。
コンプレッサインペラ２４の回転により、吸気口４１から導入された空気がディフューザ流路４２に供給される。空気は、ディフューザ流路４２を通ることで圧縮され昇圧される。昇圧された空気は、コンプレッサスクロール流路４３を通ってエンジンの吸気口に供給される。結果として、エンジンに空気を過給し、エンジンの出力を向上させることができる。
以上で、ターボチャージャ１の過給動作は終了する。
【００４１】
次に、バネ部材７１が、ノズルベーン５３をシュラウドリング５１に向けて付勢する動作について説明する。
バネ部材７１は前後方向で圧縮された状態で軸端面５６Ｂと溝部２ｃの前後方向と直交する垂直面との間に設けられている。そのため、バネ部材７１がノズルベーン５３の第２ベーン軸５６をシュラウドリング５１に向けて付勢しており、ノズルベーン５３はシュラウドリング５１側に移動する。結果として、ノズルベーン本体５４とシュラウドリング５１との間のクリアランスを減少させることができる。
【００４２】
また、排気ガスの熱によりタービンハウジング３、シュラウドリング５１及びノズルリング５２が熱変形したとしても、付勢部７におけるバネ部材７１が伸縮することにより上記熱変形を吸収することができる。
さらに、ノズルベーン本体５４と第１ベーン軸５５との接続部には第１鍔部５５Ａが設けられており、ノズルベーン５３の移動に伴い、第１鍔部５５Ａがシュラウドリング５１に形成された孔部５１ａを覆い閉鎖する。結果として、隙間Ｓからノズル流路５Ａへ孔部５１ａを通って排気ガスが漏出することを防止することができる。
【００４３】
ところで、バネ等の弾性部材は高温下に曝されると熱劣化を起こし、自然長が短くなる等の変化を起こす場合がある。そこで、付勢するに必要なバネの自然長に熱劣化による変化分をあらかじめ加えておくことが必要となる。しかし、熱劣化による変化分を加えた場合、バネ定数が高いバネにおいては、熱劣化を生じる前はバネの弾性力が強すぎるという弊害がある。
本実施形態におけるバネ部材７１は、長尺の板バネが巻回された形状を呈しているため、例えば皿状のバネ等に比べバネ定数を低くすることができる。したがって、熱劣化を生じる前においてもバネ部材７１のノズルベーン５３を付勢する力は大きくなりすぎることがなく、ノズルベーン５３の滑らかな回転を維持することができる。
また、本実施形態におけるバネ部材７１は、径方向外側と内側の板バネが互いに重なり合う形状となっていることから、バネのすくみ代を大きく取ることができる。そのため、自然長に熱劣化による変化分を加えても、バネ部材７１をターボチャージャ１内の限られた空間内に設置することができる。
【００４４】
なお、バネ部材７１は、リング部材７２を介して第２ベーン軸５６の軸端面５６Ｂに支持されており、振動等によってバネ部材７１がリング部材７２から前後方向で離間する側に移動した場合や、リング部材７２の径方向外側へ移動した場合でも、バネ部材７１がリング部材７２から脱落することを防止することができる。
【００４５】
最後に、本実施形態におけるターボチャージャ１及び従来型ターボチャージャのタービン効率の比較試験について、図６ないし図１０を参照して説明する。
本発明者らは、本実施形態におけるターボチャージャ１及び従来型ターボチャージャについて、図６に示すようにタービンインペラ２３の上流側と下流側との圧力の比が略同一となるようにした条件において、タービンハウジング出口３２における径方向位置での排気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。
【００４６】
図７に示すように、本実施形態におけるターボチャージャ１では、従来のターボチャージャに比して径方向での流速分布の偏差が少なく流速分布は径方向で平坦化している。このことは、本実施形態におけるターボチャージャ１は従来のターボチャージャに比べて、タービンハウジング出口３２における排気ガスの乱れが小さいことを意味している。
【００４７】
さらに、本実施形態におけるターボチャージャ１及び従来のターボチャージャについて、タービン効率を数値解析して比較したところ、図８に示すように、本実施形態におけるターボチャージャ１によれば従来のターボチャージャに比べてタービン効率が約１０％向上することが判明した。
【００４８】
また、本発明者らは、本実施形態におけるターボチャージャ１及び従来型ターボチャージャについて、それぞれ図６のように圧力比がほぼ同一になるようにした図９の条件において、３つの異なる回転数ａ，ｂ，ｃについて、タービンの効率を実測によって求め、その結果を図１０に示した。上記実測による場合も、数値解析による場合の結果と同様に、本実施形態におけるターボチャージャ１の方が従来のターボチャージャに対してタービン効率が約１０％向上する結果が得られた。
【００４９】
したがって、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。
本実施形態では、ノズルベーン５３をシュラウドリング５１側に変位させることができることから、タービンハウジング出口３２における排気ガスの乱れを減少させタービン効率を向上させることができるという効果がある。
【００５０】
〔第２実施形態〕
本発明の第２の実施形態に係るターボチャージャを、図面を参照して説明する。
図１１は、第２の実施形態に係るターボチャージャ１Ａにおける可変ノズルユニット５周辺の拡大図である。なお、この図において、図２に示す第１の実施形態の構成要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００５１】
図１１に示すように、各々の軸端面５６Ｂと溝部２ｃとの間には、ノズルベーン５３をシュラウドリング５１に向けて付勢するための付勢部７Ａが設けられており、付勢部７Ａは、バネ部材７１と、第２リング部材７３とを有している。
【００５２】
バネ部材７１は、その大径部において第２リング部材７３を介して第２ベーン軸５６の軸端面５６Ｂに設けられ、その小径部は溝部２ｃの垂直面に当接している。
【００５３】
第２リング部材７３は、略円筒状を呈する円筒部７３Ａの前側周縁部から径方向内側に向けて第４鍔部７３Ｂが接続された形状を呈しており、バネ部材７１の大径部が円筒部７３Ａにおける径方向内側に貫入し、バネ部材７１の大径側先端部が第４鍔部７３Ｂに当接している。
【００５４】
なお、バネ部材７１が、ノズルベーン５３をシュラウドリング５１に向けて付勢する動作は第１の実施形態と同様であるため、その説明を省略する。
また、バネ部材７１は、第２リング部材７３を介して第２ベーン軸５６の軸端面５６Ｂに支持されており、振動等によってバネ部材７１が第２リング部材７３から前後方向で離間する側に移動した場合や、第２リング部材７３の径方向内側へ移動した場合でも、バネ部材７１が第２リング部材７３から脱落することを防止することができる。
【００５５】
したがって、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。
本実施形態では、ノズルベーン５３をシュラウドリング５１側に変位させることができることから、タービンハウジング出口３２における排気ガスの乱れを減少させタービン効率を向上させることができるという効果がある。
【００５６】
なお、前述した実施の形態において示した動作手順、あるいは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プロセス条件や設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００５７】
例えば、上記実施形態では、付勢部７はタケノコ状を呈するバネ部材７１を有しているが、本発明はかかる構成に限定されるものではなく、例えば前後方向で伸縮する蛇腹状の略円筒状を呈する部材を有していてもよい。
【００５８】
また、上記実施形態では、リング部材７２及び第２リング部材７３が用いられているが、本発明はかかる構成に限定されるものではなく、リング部材７２及び第２リング部材７３を用いることなくバネ部材７１が直接に第２ベーン軸５６の軸端面５６Ｂをシュラウドリング５１に向けて付勢する構成であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】第１の実施形態に係るターボチャージャ１の全体構成を示す概略図である。
【図２】図１における可変ノズルユニット５周辺の拡大図である。
【図３】第１の実施形態における可変ノズルユニット５の構成要素であるノズルベーン５３の斜視図である。
【図４】第１の実施形態における同期機構６の背面図である。
【図５】第１の実施形態におけるバネ部材７１の概略図である。
【図６】第１の実施形態のターボチャージャ１及び従来型ターボチャージャを数値解析により比較するために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概略図である
【図７】第１の実施形態のターボチャージャ１及び従来型ターボチャージャにおけるタービンハウジング出口３２での径方向位置における排気ガスの速度分布の数値解析の結果を比較して示した概略図である。
【図８】第１の実施形態のターボチャージャ１及び従来型ターボチャージャにおけるタービンの効率の数値解析の結果を比較して示した概略図である。
【図９】第１の実施形態のターボチャージャ１及び従来型ターボチャージャを実測により比較するために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概略図である。
【図１０】第１の実施形態のターボチャージャ１及び従来型ターボチャージャにおけるタービンの効率の実測の結果を比較して示した概略図である。
【図１１】第２の実施形態に係るターボチャージャ１Ａにおける可変ノズルユニット５周辺の拡大図である。
【符号の説明】
【００６０】
１（１Ａ）…ターボチャージャ、２…軸受けハウジング、３…タービンハウジング、５…可変ノズルユニット（排気ノズル）、２３…タービンインペラ、３１…タービンスクロール流路、５１…シュラウドリング（第１排気導入壁）、５１ａ…第１孔部（孔部）、５２…ノズルリング（第２排気導入壁）、５３…ノズルベーン、５５…第１ベーン軸（第１支持軸）、５５Ａ…第１鍔部、５６…第２ベーン軸（第２支持軸）、７…付勢部、７１…バネ部材、７２…リング部材、７２Ｂ…第２鍔部、７３…第２リング部材（リング部材）、７３Ｂ…第４鍔部（第２鍔部）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンインペラを回転自在に支持する軸受けハウジングと、前記タービンインペラに排気ガスを供給するタービンスクロール流路が形成されたタービンハウジングと、前記タービンスクロール流路から前記タービンインペラに供給される前記排気ガスの流量を可変とする排気ノズルとを備え、前記排気ノズルは、前記タービンハウジング側に設けられる第１排気導入壁と前記第１排気導入壁に対向して設けられる第２排気導入壁との間に各々回転自在に設けられる複数のノズルベーンを有する可変容量型のターボチャージャにおいて、
前記各ノズルベーンを前記第１排気導入壁に向けて付勢する付勢部を有することを特徴とするターボチャージャ。
【請求項２】
前記付勢部は、長尺の板バネが所定の軸回りに縮径しつつ螺旋状に巻回された形状を呈するバネ部材を有することを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャ。
【請求項３】
前記各ノズルベーンは、前記第１排気導入壁に形成された厚さ方向で貫通する孔部に貫入して軸支される第１支持軸と、前記第１支持軸の前記第２排気導入壁側に前記孔部より大径の第１鍔部とを有することを特徴とする請求項１または２に記載のターボチャージャ。
【請求項４】
前記各ノズルベーンは、前記第２排気導入壁に貫通して軸支される第２支持軸を有し、
前記バネ部材は、略円筒状のリング部材を介して前記第２支持軸の前記軸受けハウジング側に設けられることを特徴とする請求項２または３に記載のターボチャージャ。
【請求項５】
前記バネ部材における前記板バネの幅方向の長さが、前記リング部材における円筒部の軸方向の長さよりも短いことを特徴とする請求項４に記載のターボチャージャ。
【請求項６】
前記リング部材は、前記バネ部材の軸方向と直交する第２鍔部を備え、前記バネ部材の前記タービンハウジング側の端部が前記第２鍔部に当接していることを特徴とする請求項５に記載のターボチャージャ。
【請求項１】
タービンインペラを回転自在に支持する軸受けハウジングと、前記タービンインペラに排気ガスを供給するタービンスクロール流路が形成されたタービンハウジングと、前記タービンスクロール流路から前記タービンインペラに供給される前記排気ガスの流量を可変とする排気ノズルとを備え、前記排気ノズルは、前記タービンハウジング側に設けられる第１排気導入壁と前記第１排気導入壁に対向して設けられる第２排気導入壁との間に各々回転自在に設けられる複数のノズルベーンを有する可変容量型のターボチャージャにおいて、
前記各ノズルベーンを前記第１排気導入壁に向けて付勢する付勢部を有することを特徴とするターボチャージャ。
【請求項２】
前記付勢部は、長尺の板バネが所定の軸回りに縮径しつつ螺旋状に巻回された形状を呈するバネ部材を有することを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャ。
【請求項３】
前記各ノズルベーンは、前記第１排気導入壁に形成された厚さ方向で貫通する孔部に貫入して軸支される第１支持軸と、前記第１支持軸の前記第２排気導入壁側に前記孔部より大径の第１鍔部とを有することを特徴とする請求項１または２に記載のターボチャージャ。
【請求項４】
前記各ノズルベーンは、前記第２排気導入壁に貫通して軸支される第２支持軸を有し、
前記バネ部材は、略円筒状のリング部材を介して前記第２支持軸の前記軸受けハウジング側に設けられることを特徴とする請求項２または３に記載のターボチャージャ。
【請求項５】
前記バネ部材における前記板バネの幅方向の長さが、前記リング部材における円筒部の軸方向の長さよりも短いことを特徴とする請求項４に記載のターボチャージャ。
【請求項６】
前記リング部材は、前記バネ部材の軸方向と直交する第２鍔部を備え、前記バネ部材の前記タービンハウジング側の端部が前記第２鍔部に当接していることを特徴とする請求項５に記載のターボチャージャ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１０−９０７１５（Ｐ２０１０−９０７１５Ａ）
【公開日】平成２２年４月２２日（２０１０．４．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２５８３８０（Ｐ２００８−２５８３８０）
【出願日】平成２０年１０月３日（２００８．１０．３）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月２２日（２０１０．４．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月３日（２００８．１０．３）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
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