(57)【要約】  異なる圧力の体積、例えばターボチャージャのタービンハウジング及び周囲空気を接続する孔を通って延びるシャフトの周りの煤の漏れを妨げるために、ガスの通過を可能にしつつ、粒子状物質を捕捉するために煤シールが設けられる。
2014530317.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンハウジングと、前記タービンハウジングの外側に配置された作動機構によって作動される前記タービンハウジング内の装置と、前記作動機構から前記装置に作動運動を伝達するために、前記タービンハウジング又は前記軸受ハウジングを通って延びる孔に回転可能に取り付けられるシャフトとを有し、シール材料が前記孔をシールするために設けられ、前記シール材料がガス透過性であり、かつ煤粒子を捕捉するように適合されるターボチャージャ。
【請求項２】
前記シール材料が、１．０μｍの直径よりも大きな煤粒子を捕捉するように適合される請求項１に記載のターボチャージャ。
【請求項３】
前記シール材料が、０．０５μｍよりも大きな煤粒子を捕捉するように適合される請求項１に記載のターボチャージャ。
【請求項４】
前記シール材料が多孔質材料であり、前記多孔質材料の一次成分が、グラスファイバ、炭素、ＰＴＦＥ、青銅、ステンレス鋼、ニッケルベース合金、チタン、銅、及びアルミニウムからなる群から選択される請求項１に記載のターボチャージャ。
【請求項５】
前記孔が、前記シール材料が収容されるセグメントに沿って拡げられる請求項１に記載のターボチャージャ。
【請求項６】
前記シャフトが、前記シール材料が収容されるセグメントに沿って狭められる請求項１に記載のターボチャージャ。
【請求項７】
前記シール材料が前記孔の前記装置端部に設けられる請求項１に記載のターボチャージャ。
【請求項８】
前記シール材料が前記孔の前記アクチュエータ端部に設けられる請求項１に記載のターボチャージャ。
【請求項９】
前記シール材料が、前記タービンハウジング又は軸受ハウジングの外側に、前記孔と前記作動機構との間の空間に設けられる請求項１に記載のターボチャージャ。
【請求項１０】
前記シャフトが、前記タービンハウジング又は軸受ハウジングの孔に取り付けられる請求項１に記載のターボチャージャ。
【請求項１１】
前記シャフトが、前記タービンハウジング又は軸受ハウジングを通って延びるブッシュの孔に取り付けられる請求項１に記載のターボチャージャ。
【請求項１２】
前記シャフト及び前記孔の少なくとも一方に設けられた円周方向溝をさらに備え、少なくとも１つの略環状の中実の非透過性シール部材が前記円周方向溝に設けられる請求項１に記載のターボチャージャ。
【請求項１３】
前記シール部材がシールリングである請求項１２に記載のターボチャージャ。
【請求項１４】
前記シール材料が２つのシールリングの間に設けられる請求項１３に記載のターボチャージャ。
【請求項１５】
前記シール材料が前記シールリングの外側又は前記シールリングの内側に設けられる請求項１３に記載のターボチャージャ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、ターボチャージャのタービンハウジングを通過するシャフト用の改良されたシール、及びこのようなシールを有するターボチャージャに関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボチャージャは、強制吸気システムの一種である。ターボチャージャは、無過給構造で可能であるよりも高い密度で空気をエンジン吸気に供給し、より多くの燃料の燃焼を可能にし、このように、エンジン重量を大幅に増すことなくエンジンの馬力を増強する。より大きな物理的寸法の無過給エンジンに取って代わるより小さなターボチャージャエンジンの使用は、車両の質量を小さくし、かつその空気力学的な前部領域を低減することができる。
【０００３】
ターボチャージャは、エンジン排気マニホールドからの排気流を使用して、タービンハウジング（２）に配置されるタービンホイール（２１）を駆動する。排気ガスがタービンホイールを通過し、タービンホイールが排気ガスからエネルギを抽出すると、消費された排気ガスはタービンハウジングを出て、車両のダウンパイプに、通常、後処理装置、例えば触媒コンバータ、微粒子トラップ、及びＮＯｘトラップに通される。
【０００４】
ウェイストゲート付きターボチャージャでは、タービン渦巻室は、バイパスダクトによってタービンエクスデューサに流体接続される。バイパスダクトを通した流れは、ウェイストゲート弁（６１）によって制御される。バイパスダクトの入口は、タービンホイールの上流側である渦巻室の入口側にあり、バイパスダクトの出口は、タービンホイールの下流側である渦巻室のエクスデューサ側にあるので、バイパスダクトを通した流れは、バイパスモードのとき、タービンホイールを迂回し、したがって、タービンホイールに動力を供給しない。ウェイストゲートを操作するために、作動力又は制御力が、タービンハウジングの外側からタービンハウジングを通ってタービンハウジングの内側のウェイストゲート弁に伝達されなければならない。例えば、ウェイストゲート回動軸は、タービンハウジングを通って延びることが可能である。タービンハウジングの外側で、アクチュエータ（７３）が、リンク機構（７４）を介してウェイストゲートアーム（６２）に接続され、ウェイストゲートアーム（６２）がウェイストゲート回動軸（６３）に接続される。タービンハウジングの内側で、回動軸（６３）は、ウェイストゲート弁（６１）に接続される。アクチュエータからの作動力が回動軸（６３）の回転に変えられ、タービンハウジングの内側のウェイストゲート弁（６１）を回動させる。ウェイストゲート回動軸は円筒状のブッシュ（６８）内で回転するか、あるいは直接タービンハウジングに接触する。環状隙間がシャフトと、シャフトが配置されるブッシュの孔との間に存在するので、加圧されたタービンハウジングからの高温の有毒な排気ガス及び煤の漏れは、このクリアランスを通して可能である。
【０００５】
タービンハウジングは大きな温度束を経験する。タービンハウジングの外側は周囲空気温度に面し、渦巻室の表面は、エンジンに使用される燃料に応じて７４０℃〜１０５０℃の範囲の排気ガスに接触する。典型的に、ウェイストゲート回動軸の周りの温度は約４００℃〜４５０℃である。アクチュエータが、上述の転換された運動を介してウェイストゲートを制御でき、これによって、正確に、繰り返し可能に、ひっかかりなしにタービンホイールへの流れを制御できることが重要である。
【０００６】
ＶＴＧは、タービンホイールへの排気ガスの流れを制御するためのみならず、ＥＧＲ排気ガスを圧力勾配に対抗してコンプレッサシステム内に駆動して、燃焼室内に再び入れるために必要なタービン背圧を制御するためにも使用される。タービンシステム内の背圧は、最高で５００ｋＰａの範囲とすることができる。タービン段の内部の高圧は、任意の開口又は間隙を通して大気への排気ガスの漏れをもたらす可能性がある。これらの開口を通した排気ガスの通路には、通常、ガス漏出通路の出口側の黒色の煤残留物が伴う。エンジン燃焼行程によって発生されたこの煤の蒸着は、体裁面から望ましくない。このことは、救急車及びバスなどの車両では、排気漏れが特に敏感に懸念される。エミッションの観点から、タービン段から漏れる煤は、エンジン／車両の後処理システムによって捕捉されず、処理されない。粒子状物質の漏出に関する試験は、簡単にタービン段をアルミホイルに包み、ある時間エンジンを動かし、ターボチャージャのタービン段から漏れた微量の煤について視覚的に薄片を検査することである。
【０００７】
ディーゼルエンジンの排気筒から来るのが見える煤は、３つの基本的な相、すなわち粗相、蓄積相及び核相の排気副生成物の混合である。微粒子質量の大部分は、炭素集合体及び関連する吸着された材料から構成され、０．０５μｍ〜１．０μｍの直径範囲のサイズを有する蓄積モードで通過される。核相の粒子は、典型的に、０．００５μｍ〜０．０５μｍの直径範囲のサイズを有する揮発性の有機物及び硫黄化合物である。核相の粒子の数は最大であるが、質量の約２０％に過ぎない。粗相の粒子は、０．１μｍ〜８μｍの範囲にあり、微粒子質量に他の５〜２０％寄与する。粗相の粒子は、典型的に、燃焼及び排気容器の壁部に蓄積され、次に排気流に再度随伴される。
【０００８】
典型的に、ブッシュの端面の一方又は両方が、通常、弁アームの内板フランジあるいはウェイストゲート制御機構の駆動アームの外板フランジ又は表面と接触し、したがって、ある時間、漏れを阻止するので、円筒形ボア内で回転するシャフトによって形成された環状部を通るガス及び煤の漏れのあるものが許容された。
【０００９】
ピストンリングと呼ばれることもあるシールリングなどのシール手段は、静的な軸受ハウジングと動的な回転組立体（すなわち、タービンホイール、コンプレッサホイール、及びシャフト）との間にシールを形成して、軸受ハウジングから両方のコンプレッサ及びタービン段への又はその逆方向のオイル及びガスの通過を制御するために、ターボチャージャ内で共通に使用される。ＢｏｒｇＷａｒｎｅｒ社は、最初のターボチャージャが大量生産された少なくとも１９５４年以来このためのシールリングを製造してきた。１５０，０００ＲＰＭで回転する１９ミリの直径のシールリングボスを有するシャフトでは、シールリングチークとシールリング溝の側壁との間の相対的なラビング速度（ｒｕｂｂｉｎｇ  ｓｐｅｅｄ）は、１４９，２２５ｍｍ／秒程度である。
【００１０】
上述のように使用される多様なシールリングは、（１５０，０００ＲＰＭのターボチャージャの急速に回転する組立体シールと比較して）比較的遅く回転するシャフト用のシール装置として時々使用される。これらの遅く回転するシャフトは、７〜８ｍｍ／秒の相対ラビング速度に等しい１５ＲＰＭ程度の回転速度で動く。
【００１１】
ターボチャージャに使用されるようなシールリングは、シールリングの側壁の部分に接触することによってシールリング溝の一方の側壁に対して、かつシールリングの外径に接触することによってシャフトが位置する孔の内径に対してシールを形成する。リングをシャフトに組み立て、次にシャフト及びリングを孔内に組み立てるために、シールリング溝の深さは、シールリングの外径がシールリングが動作する孔の内径をほぼ受け入れることができるように、リングの外径（したがって、有効外周及び内径）が潰れることができるような深さでなければならない。図２Ａは、シャフト（６３）の直径を越えてリングを強制的に拡張させ、次にリングが溝内で弛むことを可能にすることによってシャフトに組み立てられているが、自然に拡張した状態のシールリング（８０）を示している。シャフトが、シャフトに組み立てられたリングと共に、ブッシュ（６８）の孔に押し込まれるとき、リングの外径がブッシュの内径（７０）で摺動することができるまで、面取り部（６９）がリングを圧縮する。今や圧縮されたリングは、シャフトの任意の軸方向位置においてブッシュの内径をシールする。
【００１２】
この状態で、図３に示したように、シールリング（８０）は、リング溝の境界内の任意の軸方向位置において軸方向に位置することができ、シールリング溝は、シャフト（６３）の外径とシールリング溝のフロア（８２）の直径との間の半径方向の体積、及びシールリング溝の内壁（８３）と外壁（８１）との間の軸方向の距離として規定される。シールリング溝のこの定義によって、リングの下に（すなわち、圧縮されたピストンリングの内径（８４）とシールリング溝の床の直径（８２）との間に）体積が常に存在することを理解できる。シールリング溝の内壁（８３）とシールリングの隣接する壁部との間にも体積が存在することができる。シールリング溝の反対側に、シールリング溝の外壁（８１）とシールリングの隣接する壁部との間にも体積が存在することができる。図３は、シールリング（８０）がシールリング溝の内壁と外壁（８３と８１）との間に幾分心合わせされ、したがってシールリングの周りのガス及び煤（８６）の流れを可能にする状態を示している。シールリングの軸方向位置がブッシュの孔の内径の間の摩擦によって制御され、リングは溝の側壁との任意の接触によってのみ移動されるので、シールリング側壁がシールリング溝の側壁と直接接触するときにのみ、ほとんど完全なシール状態が存在する。他の任意の軸方向の状態において、図３に示した漏洩経路が存在し、ガス及び粒子状物質がシャフト領域を通ってタービン段から漏れ得る。
【００１３】
いくつかの特許は、複数のシールリングを導入することによって、また、リングの間に圧力又は真空を導入することにより複数のシールリングの間の圧力差を修正することによって、高速回転シャフトの場合のこの漏れを低減するための設計を教示しているが、リングが溝の１つ又は複数の側壁と直接の接触しない限り、ガス及び煤の漏れの可能性が常に存在する。実際には常にある漏れがあり、したがって、エンジン室の美観は、その漏れと関連する煤又は粒子状物質の通過によって損なわれる。
【００１４】
したがって、排気ガス漏れとは無関係の粒子状物質の通過を最小限にするシール設計の必要性があることを理解することができる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、ターボチャージャハウジングの壁部を穿孔する回転又は摺動シャフト組立体を拘束して、支持する半透過性のシール媒体を要素内に組み込み、このように、潜在的に美観的に損なうかあるいは潜在的に有害な煤又は粒子状物質の漏れを最小限にすることによって、上記の問題を解決する。
【００１６】
本発明は、添付図面に一例としてかつ限定なしに示され、同様の参照番号は同様の部分を示す。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】典型的なウェイストゲートターボチャージャ用の断面図である。
【図２Ａ−Ｂ】シールリング圧縮を示す２つの断面図である。
【図３】ガス漏れ通路の断面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態の断面図である。
【図５】本発明の第１の実施形態の変形形態の断面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
ターボチャージャ内から、ターボチャージャを取り囲む周囲の清浄空気へのガス及び煤の漏れは、エンジン製造業者によって許容されない。ターボチャージャ製造業者は、１９５０年代にターボチャージャがディーゼルエンジンで最初に大量生産されて以来ずっと、軸受ハウジング空洞と、一方又は両方のタービン段及びコンプレッサ段との間の連通からガス、煤及びオイルをシールするために、中実のピストンリング、又はシールリングを使用していた。したがって、このようなシールを設計かつ適用して、ターボチャージャのそれほど要求が厳しくない位置で、いずれのガス又は材料をも阻止することが論理的であろう。
【００１９】
上述のように使用される多様なシールリングは、（１５０，０００ＲＰＭのターボチャージャの回転する組立体シールと比較して）比較的遅く回転するシャフト用のシール装置として時々使用される。これらの遅く回転するシャフトは、７〜８ｍｍ／秒の相対ラビング速度に等しい１５ＲＰＭ程度の回転速度で動く。急速に及び比較的遅く動く両方のシャフトにおける上述のシール手段によっても、ガス、煤及び他の粒子状物質の漏れは小さくすることができ、このことは、エンジン室の美観に否定的に影響を与え得ない。
【００２０】
本発明者は、ガス、煤及び他の粒子状物質の漏れを低減するための多くの複雑な方法を研究し、漏れ率を大幅に低減しても、煤及び他の粒子状物質がなお漏れ、試験中にタービン段の周りに巻き付けられた薄片に蓄積したという結論に達した。したがって、煤及び他の粒子状物質の漏れを最小限にするための方法が、測定されたいずれの漏れ率とも無関係に開発された。
【００２１】
このことを行うために、本発明者は、ガスに対して透過性であるが、煤に対して非透過性のシールを提供するであろう。本発明のために、このようなシールの定義は、ガス透水性・煤非透過性（ＧＰＮＳＰ）シールと称される。
【００２２】
いくつかの試験が、回転可能なシャフトの周りの最高６５０℃の温度に耐えることができる簡単なパッキングのガラス繊維によって実行され、これらの試験は望ましい結果を示した。製造目的で、媒体の可変性を制御するために、煤の保持量を定量化して、組立を簡単にするため、いくつかの形態で提示されたいくつかの異なる材料を試験した。ガラス繊維、スチールウール、セラミックメッシュ及びＰＴＦＥなどの材料を、樹脂含浸繊維、織成繊維、及び異なる補強材を有する繊維などの構造的な形態で評価した。
【００２３】
図４に示したような本発明の第１の実施形態では、ブッシュの（外側）弁アーム（６２）端部におけるブッシュ（６８）の環状体積を、ブッシュ内径を拡げるか、あるいは図４に示したようにシャフト直径を狭めて、ＧＰＮＳＰ媒体（３４）用の空間を可能にすることによって用意した。ＧＰＮＳＰによって占められた環状体積は、ＧＰＮＳＰがシールするシャフトの内径に近い内径、ＧＰＮＳＰ媒体が半径方向に拘束されるブッシュ内の孔に接触する外径、及び「用意された」空間を充填するための長さを有する。ガスは、ＧＰＮＳＰを通って移動できるが、粒子状物質は、前述の環状体積の上を移動し、ＧＰＮＳＰ媒体に捕捉される。
【００２４】
図５に示したような本発明の第１の実施形態の変形形態では、ＧＰＮＳＰ媒体は、ブッシュ（６８）の（内側の）ウェイストゲート弁（６１）の端部に可能な限り密接に配置される。
【００２５】
図６に示したような本発明の第２の実施形態では、孔（７０）のブッシュ（６８）の全長が回動軸（６３）の位置を制御するために使用され、カウンタボア又は円筒状延長（６６）がＧＰＮＳＰ媒体（３４）のドーナツ状の部片を保持するために弁アーム（６２）に設けられる。本発明のこの実施形態では、タービンハウジングに対するシールは、ＧＰＮＳＰ媒体（３７）と、弁アーム（６２）の下面（６７）及びブッシュ（６８）の端部の上面（６５）との接触によって設けられる。ディーゼル煤フィルタに使用することができるほぼいずれの材料も本発明のシール材料として実施に使用することができる。ディーゼルフィルタの再生に使用される触媒は、本発明では不要であるが、シールのガス透過率を維持するか又は引き延ばすという利益を提供し得る。好ましい材料は、機械振動に耐えることができる材料である。したがって、スチールウールなどの金属ベースの材料及びグラスファイバなどのガラスベースの材料がセラミックベースの材料よりも好ましい。
【００２６】
タービンハウジングの外側に配置された作動機構によって作動されるタービンハウジング内の装置は、ウェイストゲートであることが好ましく、この場合、シャフトはウェイストゲート回動軸であり、アクチュエータはウェイストゲートアームに接続され、ウェイストゲートアームはウェイストゲート回動軸に接続され、ウェイストゲート回動軸は、タービンハウジングを通って延び、かつウェイストゲート弁に接続される。ウェイストゲートアーム（６２）には、タービンハウジング又はブッシュの端部の外側に対してシール材料のドーナツ状の部片を保持するために、カウンタボア又は円筒状延長部（６６）が設けられることが好ましい。
【００２７】
代わりに、タービンハウジングの外側に配置された作動機構によって作動されるタービンハウジング内の装置は、ノズル通路を形成するベーンを作動するためのユニゾンリングを備える可変タービン形状（ＶＴＧ）の装置であり、ＶＴＧアクチュエータはアクチュエータシャフトのアームに接続され、アクチュエータシャフトはタービンハウジング又は軸受ハウジングを通って延びて、ユニゾンリングに接続されたリンクアームに接続される。
【００２８】
シール材料は、織物内に織られかつ環状形状に圧縮されたグラスファイバであることが好ましい。シール材料は、ガラス繊維、スチールウール、又はセラミックメッシュの形態であることが好ましい。
【００２９】
以上、本発明について説明した。特許請求の範囲は以下のとおりである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2014530317.tif 000008
【国際調査報告】
2014530317.tif 000009
2014530317.tif 000010
2014530317.tif 000011
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