(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンロータと、該タービンロータを収容すると共に排気入口及び排気出口を有するタービンハウジングと、該タービンハウジングに固定されるベアリングハウジングにラジアルベアリングを介して回転可能に支承され、その一端に前記タービンロータが固定されるシャフトと、該シャフトの他端に固定され、前記ベアリングハウジングに固定されるコンプレッサハウジング内に収容されたコンプレッサロータと、前記タービンロータをバイパスして前記排気入口と前記排気出口間を連通するように前記タービンロータに形成されたバイパス通路と、該バイパス通路を過給圧に応じて開閉するウェイストゲートバルブとを有するターボチャージャーにおいて、前記タービンハウジングと前記ベアリングハウジングとを一体的に有するハウジングを設け、その一端側にて前記タービンロータと所定の間隙を有して隣接し、その他端側にて前記バイパス通路の前記排気出口側開口を形成する円筒状のノズル部材を前記ハウジングに固定したことを特徴とするターボチャージャ。
【請求項２】
前記バイパス通路は前記タービンロータの回転方向に順次その断面積が減少するスクロール状に形成され、その排気出口側開口が前記ノズル部材の外周面上に環状に形成されてい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】
前記バイパス通路の一部は、前記ノズル部材の外周に前記タービンロータの回転方向と同方向に設けられたらせん溝で形成され、該らせん溝の一端が前記排気出口に開口してい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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ターボチャージャに関し、更に詳細には過給圧を制御するためのウェイストゲート構造を有するターボチャージャに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の従来のターボチャージャとしては、例えば、特開平４ー１０３８１７号公報に開示されるものがある。このターボチャージャは、タービンロータと、該タービンロータを収容すると共に排気入口及び排気出口を有するタービンハウジングと、該タービンハウジングに固定されるベアリングハウジングにラジアルベアリングを介して回転可能に支承され、その一端に前記タービンロータが固定されるシャフトと、該シャフトの他端に固定され、前記ベアリングハウジングに固定されるコンプレッサハウジング内に収容されたコンプレッサロータと、前記タービンロータをバイパスして前記排気入口と前記排気出口間を連通するように前記タービンロータに形成されたバイパス通路と、該バイパス通路を過給圧に応じて開閉するウェイストゲートバルブとを有する。このターボチャージャにおいては、過給圧（吸気圧力）が所定値を超えると、駆動機構によりウェイストゲートバルブを開状態として、バイパス通路を介して排気入口と排気出口が連通し、これにより排気ガスの一部がタービンロータをバイパスして排気出口へ排出されて、過給圧は一定値に保たれる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
タービンロータは、排気により効率よく回転させられるように、その排気入口及び出口を除く周囲を隣接する他部材と所定の小さな間隙を保って配置しなければならず、そのためタービンロータの形状から、上記した従来のターボチャージャでは、組付性を確保するためにタービンハウジングとベアリングハウジングとを別部材で構成している。そのため、２つのハウジングを気密的に締結するためにカップリング又はプレート等を用いなければならず、部品点数の増加による製造コストが増大すると共に、２つのハウジングの締結部からの排気ガスの漏れの恐れがあるという問題があった。また、上記した従来のターボチャージャにおいては、バイパス通路を介して排気出口へ流れる排気バイパス流がタービンロータからの主排気流と干渉し合い、そのため、タービンロータ出口側の排気圧力（背圧）が上昇し、それに伴い、タービンロータ入口側の排気圧も上昇し、過給性能が低下するという問題があった。
【０００４】
本発明は、上記した実情に鑑みなされたもので、排気ガスの漏れ及びタービンロータ出口側圧力の上昇を抑制し、過給性能を向上させることができる構成簡素なターボチャージャを提供することを、その課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために講じた請求項１の発明の技術的手段は、タービンロータと、該タービンロータを収容すると共に排気入口及び排気出口を有するタービンハウジングと、該タービンハウジングに固定されるベアリングハウジングにラジアルベアリングを介して回転可能に支承され、その一端に前記タービンロータが固定されるシャフトと、該シャフトの他端に固定され、前記ベアリングハウジングに固定されるコンプレッサハウジング内に収容されたコンプレッサロータと、前記タービンロータをバイパスして前記排気入口と前記排気出口間を連通するように前記タービンロータに形成されたバイパス通路と、該バイパス通路を過給圧に応じて開閉するウェイストゲートバルブとを有するターボチャージャーにおいて、前記タービンハウジングと前記ベアリングハウジングとを一体形成すると共に、その一端側にて前記タービンロータと所定の間隙を有して隣接し、その他端側にて前記バイパス通路の前記排気出口側開口を形成する円筒状のノズル部材を前記タービンロータに固定したことである。
【０００６】
上記した手段によれば、タービンロータの組付性を損なうことなく、タービンハウジングとベアリングハウジング間の締結が不要とすることができる。また、バイパス通路からの排気バイパス流は、円筒状のノズル部材により形成される開口からシャフトの軸方向に排気出口へ吐出されるので、主排気流との干渉を抑制することができる。
【０００７】
また、請求項２の発明の技術的手段は、前記バイパス通路を前記タービンロータの回転方向に順次その断面積が減少するスクロール状に形成し、その排気出口側開口を前記ノズル部材の外周面上に環状に形成したことである。
【０００８】
これによれば、スクロール状のバイパス通路を流れる排気バイパス流は徐々に加速されてノズル部材により形成される環状の開口から排気出口内にタービンロータの回転方向と同方向の渦巻き状に排出される。排気バイパス流は、高圧高速で排出されて、タービンロータ側からの排気ガスとの間で流速差が生じ、エゼクタ効果によってタービンロータ側からの排気ガスを吸出す。
【０００９】
また、請求項３の発明の技術的手段は、前記バイパス通路の一部を、前記ノズル部材の外周に前記タービンロータの回転方向と同方向に設けられたらせん溝で形成し、該らせん溝の一端を前記排気出口に開口したことである。
【００１０】
これによれば、バイパス通路を流れる排気は、らせん溝によりタービンロータの回転方向と同方向の渦巻き状に排出される。排気バイパス流は、高圧高速で排出されて、タービンロータ側からの排気ガスとの間で流速差が生じ、エゼクタ効果によってタービンロータ側からの排気ガスを吸出す。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に従ったターボチャージャの実施形態を図面に基づき、説明する。
【００１２】
図１及び図２は、本発明の第１実施形態を示す。図１において、鋳鉄等から成るハウジング１０は、円筒状のベアリング収容部１０ａと、タービンロータ収容部１０ｂとを一体的に有している。ベアリング収容部１０ａには、一対の軸孔１０ａ１が形成されており、該軸孔１０ａ１内にはラジアル軸受２１、２２を介してシャフト２０が回転可能に支承されている。ラジアルベアリング２１、２２は、軸孔１０ａ１内に回転可能に嵌合されており、互いに向き合う側への軸方向の移動をスナップリングにより規制されている。ラジアルベアリング２１は、図示右側への移動をシャフト２０の外周に形成された大径部で規制されている。ラジアルベアリング２２に嵌合されるシャフト２０の図示左側には小径部が形成されており、該小径部にはその図示右側の端部にラジアルベアリング２２の一端面に当接するフランジ部が形成される筒状のブッシュ２３が嵌合されている。該ブッシュ２３の図示左側には、その図示右側の端部にフランジ部が形成されるブッシュ２９が嵌合されている。ブッシュ２９の外周に形成される環状溝にはオイルシールが嵌着されており、該オイルシールにはハウジング１０のベアリング収容部１０ａの軸孔１０ａ１の図示左側に形成される大径孔内に嵌合されるプレートシール２５の内周筒部が液密的に摺接する。ブッシュ２９の図示左側のシャフト２０の小径部にはコンプレッサロータ１９が嵌合され、小径部の端部にら合されるボルト２７により固定されている。これにより、ブッシュ２３、２９はコンプレッサロータ１９の図示右端面とシャフト２０の小径部の段部との間で挟持され、コンプレッサロータ１９と共にシャフト２０と一体的に回転する。ブッシュ２３、２９のフランジ部間には、ベアリング収容部１０ａの大径部の図示左側に形成される段部に固定されるスラストベアリング２４が介装されており、該スラストベアリング２４にはベアリング収容部１０ａに形成され、ラジアルベアリング２１、２２へオイルを供給するオイル通路に連通されて、ブッシュ２３、２９のフランジ部との摺動部間へオイルを供給するオイル供給孔が形成されている。尚、プレートシール２５は、ベアリング収容部１０ａの大径部の開口に嵌着されたスナップリングとスラストベアリング２４との間でその軸方向の動きを規制されており、またプレートシール２５には、ブッシュ２９の筒部が貫通する孔を有するオイル遮蔽プレート２６が固定されている。また、ハウジング１０のベアリング収容部１０ａには吸気入口及び吸気出口を備えたコンプレッサハウジング１８が気密的に固定されており、該コンプレッサハウジング１８内にコンプレッサロータ１９が収容される。
【００１３】
シャフト２０の図示右端には、タービンロータ収容部１０ｂ内に位置するタービンロータ１４が固着されている。タービンロータ収容部１０ｂには、排気入口１１と排気出口１２とが形成されている。この排気入口１１には、図示しないエンジンの排気マニホルドが接続され、排気出口１２には排気出口管３０が気密的に接続されている。排気入口１１は、外周通路１３を介してタービンロータ１４の外周に連通されており、図１及び図２示すように、外周通路１３には、排気をタービンロータ１４をバイパスして流すバイパス通路１６の一端１６ｂが開口しており、バイパス通路１６内には、この一端開口部１６ｂと外周通路１３の連通を開閉するウェイストゲートバルブ１７が設けられている。ウェイストゲートバルブ１７は、図示しない駆動機構によりバイパス通路１６の一端を開閉制御するもので、タービンロータ１４に供給される排気の一部をバイパスして排気出口管３０へ流し、ターボチャージャの過給圧を制御する。排気出口１２には、その図示左端の一端部がタービンロータ１４と所定の小さな隙間を介して対向するように、タービンロータ１４の外形に沿った形状を有する円筒状のノズル部材１５が圧入固定されている。
【００１４】
図２に示されるように、タービンロータ収容部１０ｂの図示右端面には、その一端が開口部１６ｂに連通し、その他端側へ向かうにつれてタービンロータ１２の回転方向にその断面積が漸次縮小するスクロール状の溝１６ａがノズル部材１５の外周面との間に形成されている。該溝１６ａは、タービンロータ収容部１０ｂの図示右端面が排気出口管３０と気密的に接合されることにより、バイパス通路１６の一部を構成している。バイパス通路１６の他端側開口部１６ｃは、排気出口管３０の内孔の一端開口テーパ内周面３１とノズル部材１５の図示右端の他端部との間で絞られた環状口として形成されている。これにより、ウェイストゲートバルブ１７を介してバイパス通路１６に流れ込んだ排気ガスの一部は、徐々に絞られたバイパス通路１６により効率良く増速され、その他端開口１６ｃの全周から均一に且つタービンロータ１４の回転方向に渦巻き状に排気出口管３０の内周面に沿って排出される。
【００１５】
以上の構成からなる本第１実施形態の作用を説明する。
【００１６】
図示しないエンジンが始動されると、ターボチャージャによる過給が開始される。即ち、排気マニホルドから排気入口１１に流れ込んだ排気ガスはタービンロータ１４を回転駆動し、シャフト２０と共にコンプレッサロータ１９が回転され、図示しないエンジンを過給する。タービンロータ１４を駆動した排気ガスは、図１にＧ１で示すような螺旋流（タービンロータ１２の回転方向と同一）の状態で、ノズル部材１５の内孔から排気出口管３０へと排出される。タービンロータ１４の高速回転域での吸気圧力（過給圧）を調整するために設けられたウェイストゲートバルブ１７は、コンプレッサロータ１９側に設けられた図示しない駆動機構により開閉駆動される。このとき、過給圧が所定値を超えると、駆動機構はウェイストゲートバルブ１７を開状態として、バイパス通路１６と外周通路１３とを連通させる。これによって、排気ガスの一部がタービンロータ１４をバイパスして排気出口管３０へ排出されて、過給圧は一定値に保たれる。
【００１７】
バイパス通路１６に流れ込んだ排気ガスは、バイパス通路１６を介して排気出口管３０へ排出される。このとき、バイパス通路１６内の高圧の排気バイパス流は、タービンロータ１２の回転方向にその断面積が漸次縮小するスクロール状の溝１６ａ及び絞られた環状口１６ｃの作用により流速を増し、且つ、渦巻き状になって排気出口管３０の内面に沿って排出される。これにより、この排気バイパス流よりも流速の遅いタービンロータ１４から排出される排気ガスとの間で、流速差が生じ、この流速差によりタービンロータ１４から排出される排気ガスが積極的に吸出される（エゼクタ効果）。また、排気出口管３０では、渦巻き状の排気バイパス流はタービンロータ１４から排出される排気螺旋流Ｇ１と同じ方向の螺旋流Ｇ２となるため、排気出口管３０の中央を流れる排気ガスの流れ（螺旋流Ｇ１）を妨げず、上記した排気ガスの吸出し効果が助長される。
【００１８】
このように、排気出口管３０の排気の流れが円滑化されることによって、排気出口での排気圧力が低減され、それにより排気入口１１での排気圧力も低減し、過給性能を向上させることができる。また、ハウジング１０はベアリング収容部１０ａと、タービンロータ収容部１０ｂとを一体的に有しているため、従来のような接合及び接合のための部材を必要とせず、部品点数を削減できると共に接合部の気密不良の恐れをなくすことができる。また、ノズル部材１５を別部品で構成しているため、タービンロータ１４の組み付け性が阻害されることはなく、その材料の選択自由度が大きくできるため、インコネルやセラミック等からなるタービンロータ１４と同等な熱膨張係数を有する材料を選択できて、タービンロータ１４との間の所望の小さな間隙を適性に保つことが可能となり、過給性能を向上できる。
【００１９】
図３は、上記した第１実施形態の変形実施形態を示す。この変形実施形態では、ノズル部材５０がハウジング１０に圧入固定されるピン４０により固定される。その他の構成及び作用は、上記した第１実施形態と同じであるため、同じ構成に同じ番号符号を付して説明は省略する。
【００２０】
図４乃至図６に本発明の第２実施形態を示す。この第２実施形態では、ハウジング１１０のタービンロータ収容部の図示右側端面に上記した第１実施形態のような螺旋状の溝は形成されていない。ウェイストゲートバルブ１１７が収容される凹部１１６ｃが、ハウジング１１０のタービンロータ収容部の図示右側端面に形成されており、該凹部１１６ｃは外周通路に連通されるバイパス通路の一端開口部１１６ｂに連通されている。凹部１１６ｃの一部は、タービンロータ収容部の排気出口に圧入される円筒状のノズル部材１１５により区画されている（境界づけられている）。図６に示すように、ノズル部材１１５の外周面にはタービンロータ１１４の回転方向に排気出口管１３０に向けて延びる螺旋溝１１５ａが形成されており、その一端は凹部１１６ｃに開口し、その他端は、排気出口管１３０の内周面との間で開口している。したがって、バイパス通路が開口部１１６ｂ、凹部１１６ｃ、螺旋溝１１５ａにより形成され、開口部１１６ｂより凹部１１６ｃへ入った排気ガスは螺旋溝１１５ａによりその流路を絞られる。
【００２１】
これによれば、上記した第１実施形態と同様に、バイパス通路に流れ込んだ排気ガスは、バイパス通路を介して排気出口管１３０へ排出される。このとき、バイパス通路内の高圧の排気バイパス流は、タービンロータ１１４の回転方向と同じ方向に形成された螺旋溝１１５ａの作用により流速を増し、且つ、渦巻き状になって排気出口管１３０の内面に沿って排出される。これにより、この排気バイパス流よりも流速の遅いタービンロータ１１４から排出される排気ガスとの間で、流速差が生じ、この流速差によりタービンロータ１１４から排出される排気ガスが積極的に吸出される（エゼクタ効果）。また、排気出口管１３０では、渦巻き状の排気バイパス流はタービンロータ１１４から排出される排気螺旋流と同じ方向の螺旋流となるため、排気出口管１３０の中央を流れる排気ガスの流れを妨げず、上記した排気ガスの吸出し効果が助長される。
【００２２】
【発明の効果】
以上の如く、請求項１の発明によれば、タービンロータの組付性を損なうことなく、タービンハウジングとベアリングハウジング間の締結が不要とすることができる。また、バイパス通路からの排気バイパス流は、円筒状のノズル部材により形成される開口からシャフトの軸方向に排気出口へ吐出されるので、主排気流との干渉を抑制することができ、排気圧の上昇を防止できる。本発明によれば、ウェイストゲートバルブを介してスクロール室を流れる排気バイパス流は徐々に加速されてノズルより渦巻き状に排気出口管に排出され、そのままスパイラル溝に沿って排気出口管の内壁上を流れる。このとき、排気バイパス流は高圧高速で排出されるため、タービンロータ側からの排気ガスと流速差が生じ、エゼクタ効果によりタービンロータ側の排気ガスを吸出す。また、排気出口管では、スクロール室によって渦巻き状に排出される排気バイパス流がスパイラル溝に沿って流れる上、この渦巻き及びスパイラル溝によって与えられる排気バイパス流の螺旋流れ方向が、タービンロータからの排気ガスの螺旋流れ方向と同一であるため、この排気ガスの吸い出しをきわめて効率良くさせると共に下流側に向けて持続させることができる。よって、タービンロータ下流側の排気圧が低減され、それによりタービンロータの上流側の排気圧を低減することができて、ターボチャージャの過給性能を向上させることができる。
【００２３】
従来のターボチャージャでは、エンジンの低速域でのターボチャージャの性能向上のためにタービンロータの径を小さくしていたが、これによるとエンジンの高速域においてエンジンの排気ガス圧力（背圧）が上昇し、ターボチャージャの性能低下を引き起こす。そのため、タービンロータの径の縮小にも限界があり、それゆえターボチャージャの更なる性能向上は見込めなかった。これが、請求項２及び３の発明によれば、排気バイパス流は高圧高速で排出されて、タービンロータ側からの排気ガスと流速差が生じ、エゼクタ効果によりタービンロータ側の排気ガスを吸出すと共に排気バイパス流の螺旋流れ方向が、タービンロータからの排気ガスの螺旋流れ方向と同一であるため、この排気ガスの吸い出しを助長させることにより、タービンロータの下流側の排気圧を低減できることから、タービンロータ上流側の排気圧を低減できるので、高速域でのターボチャージャの性能低下を招くことなく、低速域での性能向上のために、タービンロータの径を縮小することが可能となり、よって、エンジン回転数全域でのターボチャージャの性能を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるターボチャージャの第１実施形態を示す断面図である。
【図２】図１のハウジングの側面図である。
【図３】図１に示す第１実施形態の変形実施形態を示す一部断面図である。
【図４】本発明によるターボチャージャの第２実施形態を示す断面図である。
【図５】図４のハウジングの側面図である。
【図６】図４及び図５に示すノズル部材の斜視図である。
【符号の説明】
１０、１１０  ハウジング
１０ａ  ベアリング収容部
１０ｂ  タービンロータ収容部
１１  排気入口
１２  排気出口
１４、１１４  タービンロータ
１５、１１５  ノズル部材
１１５ａ  螺旋溝
１６  バイパス通路
１６ａ  螺旋溝
１７、１１７  ウェイストゲートバルブ
１９  コンプレッサロータ
２０  シャフト
２１、２２  ラジアルベアリング
【図１】
0003624521.tif 000002
【図２】
0003624521.tif 000003
【図３】
0003624521.tif 000004
【図４】
0003624521.tif 000005
【図５】
0003624521.tif 000006
【図６】
0003624521.tif 000007