(57)【要約】【課題】タービン効率を向上させることができる可変ノズルターボチャージャを提供する。【解決手段】可変ノズルターボチャージャ１は、スクロール流路２３を画定するノズルリング２１，２２と、スクロール流路に配置された可変ノズル３０と、ノズル軸４０と、を備え、ノズル軸がノズルリングに設けられたノズル軸孔６０に挿通された可変ノズルターボチャージャにおいて、ノズル軸孔は、ノズル軸孔のうちスクロール流路の側の端部に、ノズル軸孔のうちノズル軸を軸支する部分である軸支孔部６１よりも径の大きい大径孔部６２を有し、ノズル軸に嵌められるとともに大径孔部に収容されて、軸支孔部の内周面６４とこの内周面に対向するノズル軸の外周面４３との隙間をシールするシール部材５０を備えることを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンスクロール部の排気をタービンに導入するスクロール流路を画定するノズルリングと、前記スクロール流路に配置された可変ノズルと、前記可変ノズルの回転軸であるノズル軸と、を備え、前記ノズル軸が前記ノズルリングに設けられたノズル軸孔に挿通された、可変ノズルターボチャージャにおいて、
前記ノズル軸孔は、前記ノズル軸孔のうち前記スクロール流路の側の端部に、前記ノズル軸孔のうち前記ノズル軸を軸支する部分である軸支孔部よりも径の大きい大径孔部を有し、
前記可変ノズルターボチャージャは、前記ノズル軸に嵌められるとともに前記大径孔部に収容されて、前記軸支孔部の内周面と前記内周面に対向する前記ノズル軸の外周面との隙間をシールするシール部材を備えることを特徴とする可変ノズルターボチャージャ。
【請求項２】
前記シール部材は、前記スクロール流路にはみ出さないように前記大径孔部に収容されている請求項１記載の可変ノズルターボチャージャ。
【請求項３】
前記シール部材は、前記シール部材の厚み方向に対して圧縮力が付与された場合に前記圧縮力に対抗する力を生じさせるシール部材である請求項１又は２に記載の可変ノズルターボチャージャ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は可変ノズルターボチャージャに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、エンジンの排気のエネルギを利用して吸気を過給するターボチャージャとして、可変ノズルターボチャージャが知られている（例えば特許文献１参照）。具体的には、特許文献１には、タービンスクロール部の排気をタービンに導入するスクロール流路を画定するノズルリングと、このスクロール流路に配置された可変ノズル（ノズルベーン）と、この可変ノズルの回転軸であるノズル軸と、を備える可変ノズルターボチャージャ（可変容量型過給機）が開示されている。なお、この可変ノズルのノズル軸は、ノズルリングに設けられたノズル軸孔に挿通されており、このノズル軸孔によって回転可能に軸支されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２０１６／１５９００４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のような可変ノズルターボチャージャにおいて、ノズル軸孔の径はノズル軸の径よりも大きいので、ノズル軸孔の内周面と、この内周面に対向するノズル軸の外周面との間には隙間が存在する。このため、スクロール流路の排気の一部が、この隙間にリークする可能性がある。この場合、タービンに流入する排気流量が減少するので、可変ノズルターボチャージャのタービン効率が低下してしまう。
【０００５】
本発明は、上記のことを鑑みてなされたものであり、その目的は、タービン効率を向上させることができる可変ノズルターボチャージャを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明に係る可変ノズルターボチャージャは、タービンスクロール部の排気をタービンに導入するスクロール流路を画定するノズルリングと、前記スクロール流路に配置された可変ノズルと、前記可変ノズルの回転軸であるノズル軸と、を備え、前記ノズル軸が前記ノズルリングに設けられたノズル軸孔に挿通された、可変ノズルターボチャージャにおいて、前記ノズル軸孔は、前記ノズル軸孔のうち前記スクロール流路の側の端部に、前記ノズル軸孔のうち前記ノズル軸を軸支する部分である軸支孔部よりも径の大きい大径孔部を有し、前記可変ノズルターボチャージャは、前記ノズル軸に嵌められるとともに前記大径孔部に収容されて、前記軸支孔部の内周面と前記内周面に対向する前記ノズル軸の外周面との隙間をシールするシール部材を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、ノズルリングの大径孔部に収容されたシール部材によって、スクロール流路の排気がノズル軸孔の軸支孔部の内周面とこの内周面に対向するノズル軸の外周面との隙間にリークすることを抑制することができる。したがって、タービン効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施形態に係る可変ノズルターボチャージャの構成を模式的に示す模式的断面図である。
【図２】図２（ａ）〜図２（ｃ）は実施形態に係る可変ノズルユニットを説明するための図である。
【図３】図３（ａ）〜図３（ｄ）は実施形態の変形例に係る可変ノズルユニットを説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（実施形態）
以下、実施形態に係る可変ノズルターボチャージャ１について、図面を参照しつつ説明する。なお、図面に関しては、構成が分かり易いように模式的に図示されており、図面上の各部位の寸法比は必ずしも実物とは一致しない。図１は、本実施形態に係る可変ノズルターボチャージャ１の構成を模式的に示す模式的断面図である。なお、図１は、可変ノズルターボチャージャ１のうちターボ軸線６（これは後述するターボ軸４の軸線である）よりも一方の側が模式的に断面図示されている。また、図１には、参考用としてＸ−Ｙ−Ｚの直交座標が設けられている。このＹ軸はターボ軸線６に平行な軸である。
【００１０】
可変ノズルターボチャージャ１は、排気管や吸気管等の配管を介して、車両のエンジンに接続されている。このエンジンの一例として、本実施形態では、ディーゼルエンジンを用いている。可変ノズルターボチャージャ１は、タービン２と、コンプレッサ３と、ターボ軸４と、ターボ軸受５と、タービンハウジング７と、コンプレッサハウジング８と、軸受ハウジング９と、可変ノズルユニット２０とを備えている。
【００１１】
タービン２及びコンプレッサ３は、ターボ軸４によって接続されている。タービン２は、複数枚のタービン翼を有するタービン翼車によって構成されている。コンプレッサ３は、複数枚のコンプレッサ翼を有するコンプレッサ翼車によって構成されている。ターボ軸受５は、ターボ軸４を軸支する軸受であり、軸受ハウジング９に収容されている。
【００１２】
タービンハウジング７は、その内部にタービン２を収容している。コンプレッサハウジング８は、その内部にコンプレッサ３を収容している。タービンハウジング７には、タービンスクロール部１０及び排気出口１１が設けられている。コンプレッサハウジング８には、吸気入口１２及びコンプレッサスクロール部１３が設けられている。エンジンから排出された排気（Ｅ）は、タービンスクロール部１０に流入し、次いで、タービン２に当接し、その後、排気出口１１から排出される。コンプレッサハウジング８の吸気入口１２には、可変ノズルターボチャージャ１よりも上流側の吸気（Ａ）が流入する。
【００１３】
タービン２は、タービンスクロール部１０から流入した排気のエネルギを受けて、ターボ軸線６を回転中心として回転する。タービン２が回転すると、ターボ軸４を介してタービン２に接続されたコンプレッサ３も回転する。コンプレッサ３が回転することにより、コンプレッサ３は吸気を過給する。この過給された吸気はコンプレッサスクロール部１３から排出されてエンジンに供給される。このようにして可変ノズルターボチャージャ１は、排気のエネルギを利用して吸気を過給している。
【００１４】
続いて、可変ノズルユニット２０について説明する。図２（ａ）は、可変ノズルターボチャージャ１の可変ノズルユニット２０の一部を拡大して模式的に示す模式的拡大断面図である。図１及び図２（ａ）を参照して、可変ノズルユニット２０は、一対のノズルリング（第１ノズルリング２１及び第２ノズルリング２２）と、可変ノズル３０と、ノズル軸４０と、可変ノズル駆動機構８０と、シール部材の一例としてのシールワッシャ５０と、を備えている。
【００１５】
第１ノズルリング２１及び第２ノズルリング２２は、それぞれ、ターボ軸線６を中心軸
とするリング状の部材によって構成されている。具体的には、第１ノズルリング２１及び第２ノズルリング２２は、タービン２の周囲を囲むようなリング状の部材によって構成されている。
【００１６】
第１ノズルリング２１の第２ノズルリング２２に対向する対向面と、第２ノズルリング２２の第１ノズルリング２１に対向する対向面との間には、スクロール流路２３が画定されている。このスクロール流路２３は、タービンスクロール部１０の排気をタービン２に導入するための内部排気流路である。
【００１７】
可変ノズル３０は、タービンスクロール部１０に配置されている。なお、図１や図２には、１個の可変ノズル３０のみが図示されているが、実際には、可変ノズルユニット２０は複数個の可変ノズル３０を備えている。具体的には、可変ノズル３０は、隣接する可変ノズル３０との間に所定間隔を有しつつ、ターボ軸線６を中心軸として円周状に複数個、配置されている。
【００１８】
ノズル軸４０は、可変ノズル３０の回転軸である。なお、図２（ａ）には、ノズル軸４０の軸線であるノズル軸線４１が図示されている。各々の可変ノズル３０は、ノズル軸線４１を回転中心として回転する。なお、本実施形態に係るノズル軸線４１は、Ｘ−Ｙ−Ｚの直交座標のＹ軸に平行な軸線となっている。
【００１９】
図１を参照して、可変ノズル駆動機構８０は、可変ノズル３０を回転させるための回転駆動機構である（なお、図１において、可変ノズル駆動機構８０の各構成部材の図示は省略されている）。可変ノズル駆動機構８０は、軸受ハウジング９に設けられた可変ノズル駆動室１４に配置されている。可変ノズル駆動機構８０は、ノズル軸４０のスクロール流路２３の側とは反対側の端部（Ｙ方向側の端部）に接続されており、ノズル軸４０を回転させることで、可変ノズル３０を回転させる。なお、この可変ノズル駆動機構８０は、例えば特許文献１に例示されているような公知の可変ノズルターボチャージャに用いられている、公知の可変ノズル駆動機構を適用することができるので、この詳細な構成の説明は省略する。
【００２０】
可変ノズル駆動機構８０によって各々の可変ノズル３０が回転することで、互いに隣接する可変ノズル３０同士の間隔（この間隔は、一般に、ベーン間隔と称されている）が変化する。このベーン間隔が狭くなった場合、スクロール流路２３の排気が絞られるので、スクロール流路２３を通過してタービン２に流入する排気流速が増大する。この結果、タービン２の回転速度を増大させることができる。このように、可変ノズルターボチャージャ１は、可変ノズル３０の回転角度を調整することで、タービン２の回転数を調整することができる。
【００２１】
図２（ｂ）は、図２（ａ）の可変ノズルユニット２０のうち第１ノズルリング２１及び第２ノズルリング２２を抜粋した模式的拡大断面図である。図２（ｃ）は、図２（ａ）の可変ノズルユニット２０のうち、可変ノズル３０、ノズル軸４０、及びシールワッシャ５０を抜粋した模式的拡大断面図である。
【００２２】
図２（ａ）及び図２（ｃ）に示すように、本実施形態に係るノズル軸４０は、一様な外径を有する軸本体部４２によって構成されている。また、ノズル軸４０の軸本体部４２には、シールワッシャ５０（すなわち、シール部材）が嵌められている。具体的には、本実施形態に係るシールワッシャ５０は、平板状のリング部材によって構成されている。そして、シールワッシャ５０の内周孔５２（リングの内周側の孔）が軸本体部４２の外周面４３に嵌められている。
【００２３】
図２（ｂ）に示すように、第１ノズルリング２１には、ノズル軸孔６０が設けられている。本実施形態に係るノズル軸孔６０は、ノズル軸線４１の方向（Ｙ軸に沿った方向）に貫通した貫通孔によって構成されている。前述したノズル軸４０は、このノズル軸孔６０に挿通されている。
【００２４】
具体的には、ノズル軸孔６０は、ノズル軸４０を回転可能に軸支する軸支孔部６１と、この軸支孔部６１よりも径の大きい大径孔部６２と、を有している。大径孔部６２は、ノズル軸孔６０のうちスクロール流路２３の側の端部（ノズル軸孔６０の−Ｙ方向側の端部）に設けられている。軸支孔部６１は、大径孔部６２のＹ方向側の端部に接続されている。これにより、ノズル軸孔６０は、大径孔部６２と軸支孔部６１との境界部分に段差部６３を有している。
【００２５】
軸支孔部６１の径は、ノズル軸４０の軸本体部４２の径よりも僅かに大きく設定されている。これにより、ノズル軸４０が回転する場合には、ノズル軸４０の軸本体部４２の外周面４３が軸支孔部６１の内周面６４に摺動しながら回転する。
【００２６】
大径孔部６２の径は、シールワッシャ５０の外径よりも大きく設定されている。そして、ノズル軸４０に嵌合されたシールワッシャ５０は、スクロール流路２３にはみ出さないように、大径孔部６２に収容されている。具体的には、本実施形態に係るシールワッシャ５０の厚み（ノズル軸線４１の方向の長さ）は、大径孔部６２の厚み以下に設定されており、これにより、シールワッシャ５０の−Ｙ方向側の端面はスクロール流路２３にはみ出さないように（換言すると、第１ノズルリング２１の−Ｙ方向側の端面よりも−Ｙ方向側に突出しないように）設定されている。
【００２７】
そして、この大径孔部６２に収容されたシールワッシャ５０は、ノズル軸孔６０の軸支孔部６１の内周面６４とこの内周面６４に対向するノズル軸４０の外周面４３との隙間をシールしている。
【００２８】
具体的には、本実施形態に係るシールワッシャ５０の内周孔５２とノズル軸４０の軸本体部４２の外周面４３との隙間は、スクロール流路２３の排気がこの隙間を通過し難いように、微小に設定されている。したがって、この隙間によるラビリンス効果によって、スクロール流路２３の排気が、この隙間を通過して軸支孔部６１の内周面６４と内周面６４に対向するノズル軸４０の外周面４３との隙間にリークすることが抑制されている。
【００２９】
また、スクロール流路２３の排気の圧力を受けて、シールワッシャ５０がＹ方向に押圧されることで、シールワッシャ５０はノズル軸孔６０の段差部６３に接するようになる。これにより、シールワッシャ５０と段差部６３との隙間は略ゼロになる。また、大径孔部６２の内周面６５とシールワッシャ５０の外周面５１との隙間は、スクロール流路２３の排気がこの隙間に流入し難いように、微小に設定されている。したがって、これらの隙間によるラビリンス効果によって、スクロール流路２３の排気が、大径孔部６２の内周面６５とシールワッシャ５０の外周面５１との隙間、及び、シールワッシャ５０と段差部６３との隙間を通過して、軸支孔部６１の内周面６４と内周面６４に対向するノズル軸４０の軸本体部４２の外周面４３との隙間にリークすることも抑制されている。
【００３０】
すなわち、本実施形態によれば、大径孔部６２に収容されたシールワッシャ５０によってラビリンスシール構造が形成されており、これにより、スクロール流路２３の排気がノズル軸孔６０の軸支孔部６１の内周面６４と内周面６４に対向するノズル軸４０の外周面４３との隙間にリークすることが抑制されている。
【００３１】
なお、図２（ａ）及び図２（ｃ）に示すように、本実施形態に係るノズル軸４０の軸本
体部４２は、可変ノズル３０よりもさらに−Ｙ方向側に突出した構造になっている。このため、図２（ｂ）に示すように、本実施形態に係る第２ノズルリング２２には、軸本体部４２の可変ノズル３０よりも−Ｙ方向側に突出した部位が挿入されるノズル軸孔７０が形成されている。仮に、軸本体部４２が可変ノズル３０よりも−Ｙ方向側に突出した部位を有さない構造の場合には、第２ノズルリング２２のノズル軸孔７０は不要である。
【００３２】
続いて、本実施形態の作用効果について説明する。まず、比較例として、シールワッシャ５０及び大径孔部６２を有していない可変ノズルターボチャージャを想定する。この比較例に係る可変ノズルターボチャージャの場合、スクロール流路の排気の一部が、ノズル軸孔の軸支孔部の内周面とこの内周面に対向するノズル軸の外周面との隙間にリークする可能性がある。この場合、このリークした排気の分だけ、タービンに流入する排気流量が減少するので、可変ノズルターボチャージャのタービン効率は低下してしまう。具体的には、比較例の場合、特に低速域におけるタービン効率が低下してしまう。
【００３３】
これに対して、本実施形態に係る可変ノズルターボチャージャ１によれば、大径孔部６２に収容されたシールワッシャ５０によって、スクロール流路２３の排気がノズル軸孔６０の軸支孔部６１の内周面６４と内周面６４に対向するノズル軸４０の外周面４３との隙間にリークすることを抑制することができる。また、シールワッシャ５０が、スクロール流路２３にはみ出さないように大径孔部６２に収容されているので、スクロール流路２３にはみ出したシールワッシャ５０によってスクロール流路２３の排気の流動が阻害されることも抑制されている。したがって、本実施形態によれば、タービン効率を向上させることができる。特に、低速域におけるタービン効率を向上させることができる。
【００３４】
なお、本実施形態において、シールワッシャ５０はスクロール流路２３にはみ出さないように大径孔部６２に収容されているが、この構成に限定されるものではない。シールワッシャ５０は、その一部がスクロール流路２３にはみ出していてもよい。この場合においても、シールワッシャ５０のシール機能によって、スクロール流路２３の排気がノズル軸孔６０の軸支孔部６１の内周面６４と内周面６４に対向するノズル軸４０の外周面４３との隙間にリークすることを抑制することは可能である。但し、本実施形態のように、シールワッシャ５０が、スクロール流路２３にはみ出さないように大径孔部６２に収容されている場合の方が、スクロール流路２３にはみ出したシールワッシャ５０によってスクロール流路２３の排気の流動が阻害されることを抑制できる点で、タービン効率を効果的に向上させることができる。この点において、シールワッシャ５０はスクロール流路２３にはみ出さないことが好ましい。
【００３５】
（実施形態の変形例）
続いて、上述した実施形態の変形例に係る可変ノズルターボチャージャ１ａについて説明する。本変形例に係る可変ノズルターボチャージャ１ａは、可変ノズルユニット２０に代えて可変ノズルユニット２０ａを備える点において、前述した実施形態に係る可変ノズルターボチャージャ１と異なっている。図３（ａ）は、本変形例に係る可変ノズルユニット２０ａの一部を拡大して模式的に示す模式的拡大断面図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）の可変ノズルユニット２０ａのうち第１ノズルリング２１及び第２ノズルリング２２を抜粋した模式的拡大断面図である。図３（ｃ）は、図３（ａ）の可変ノズルユニット２０ａのうち、可変ノズル３０、ノズル軸４０、及びシールワッシャ５０ａを抜粋した模式的拡大断面図である。図３（ｄ）は、シールワッシャ５０ａの模式的斜視図である。
【００３６】
本変形例に係る可変ノズルユニット２０ａは、シール部材の一例として、シールワッシャ５０に代えて、シールワッシャ５０ａを備える点において、前述した実施形態に係る可変ノズルユニット２０と異なっている。このシールワッシャ５０ａは、シールワッシャ５０ａの厚み方向に対して圧縮力が付与された場合に、この圧縮力に対抗する力を生じさせるシールワッシャである。
【００３７】
このような機能を有するものであれば、シールワッシャ５０ａの具体的な形状は特に限定されるものではないが、本変形例に係るシールワッシャ５０ａは、一例として、シールワッシャ５０ａの径方向の中央部がシールワッシャ５０ａの外周部に対して一方の側（具体的には−Ｙ方向側）に突出した、円錐状の皿バネタイプのシールワッシャによって構成されている（図３（ｃ）及び図３（ｄ）参照）。この場合、シールワッシャ５０ａの厚み方向（Ｙ軸に沿った方向）に対して圧縮力が付与された場合、シールワッシャ５０ａは圧縮力に対抗する力（具体的にはバネ力）を生じさせる。
【００３８】
本変形例によれば、上述した実施形態の作用効果に加えて、以下の作用効果を奏することができる。具体的には、スクロール流路２３の排気の圧力によって、シールワッシャ５０ａに対して圧縮力が付与された場合に、シールワッシャ５０ａの内周孔５２とノズル軸４０との密着度を高めることができ、また、シールワッシャ５０ａの外周縁５３とノズル軸孔６０の段差部６３との密着度を高めることもできる。これにより、スクロール流路２３の排気がシールワッシャ５０ａの内周孔５２とノズル軸４０との隙間、及び、シールワッシャ５０ａの外周縁５３とノズル軸孔６０の段差部６３との隙間を通過することを効果的に抑制することができる。この結果、スクロール流路２３の排気が軸支孔部６１の内周面６４と内周面６４に対向するノズル軸４０の外周面４３との隙間にリークすることを効果的に抑制することができるので、タービン効率の低下を効果的に抑制することができる。
【００３９】
なお、シールワッシャ５０ａは、ノズル軸４０及び大径孔部６２への組み付け時（すなわち、製造工程時）において、厚み方向に所定量圧縮されるような圧縮力が付与された状態で、組み付けられていることが好ましい。なお、この場合、ノズル軸４０の外周面４３には、シールワッシャ５０ａの内周孔５２が引っかかるような部位（例えば溝等）が形成されていると、シールワッシャ５０ａに圧縮力を付与した状態でノズル軸４０及び大径孔部６２へ容易に組み付けられる点で好ましい。
【００４０】
このように、シールワッシャ５０ａに圧縮力が付与された状態でシールワッシャ５０ａがノズル軸４０及び大径孔部６２へ組み付けられることで、シールワッシャ５０ａのバネ力を常時発生させることができるので、シールワッシャ５０ａの内周孔５２とノズル軸４０との密着度を向上させ、シールワッシャ５０ａの外周縁５３とノズル軸孔６０の段差部６３との密着度を向上させることができる。この結果、スクロール流路２３の排気のリークを効果的に抑制することができるので、タービン効率の低下を効果的に抑制することができる。
【００４１】
また、上述したようにシールワッシャ５０ａに圧縮力が付与された状態でシールワッシャ５０ａがノズル軸４０及び大径孔部６２へ組み付けられることで、仮にスクロール流路２３の排気に圧力脈動（圧力の変動）が生じた場合であっても、この圧力脈動によってシールワッシャ５０ａが−Ｙ方向に変位して（シールワッシャ５０ａが浮き上がって）、シールワッシャ５０ａの外周縁５３が段差部６３から離れることを効果的に抑制することができる。この点においても、タービン効率の低下を効果的に抑制することができる。
【００４２】
以上本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００４３】
１，１ａ  可変ノズルターボチャージャ
２  タービン
３  コンプレッサ
１０  タービンスクロール部
２０，２０ａ  可変ノズルユニット
２１  第１ノズルリング
２２  第２ノズルリング
２３  スクロール流路
３０  可変ノズル
４０  ノズル軸
４２  軸本体部
４３  外周面
５０，５０ａ  シールワッシャ（シール部材）
６０  ノズル軸孔
６１  軸支孔部
６２  大径孔部
６３  段差部
６４  内周面
【図１】
2019049227.tif 000003
【図２】
2019049227.tif 000004
【図３】
2019049227.tif 000005