特許 7299137 過給機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-06-19

(45)【発行日】2023-06-27

(54)【発明の名称】過給機

(51)【国際特許分類】

   F02B 37/24 20060101AFI20230620BHJP

【ＦＩ】

F02B37/24

【請求項の数】 1

(21)【出願番号】P 2019205715

(22)【出願日】2019-11-13

(65)【公開番号】P2021076107

(43)【公開日】2021-05-20

【審査請求日】2022-05-13

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000003218

【氏名又は名称】株式会社豊田自動織機

(74)【代理人】

【識別番号】100087480

【弁理士】

【氏名又は名称】片山 修平

(72)【発明者】

【氏名】波多野 高斗

(72)【発明者】

【氏名】久間 啓司

(72)【発明者】

【氏名】築山 宜司

(72)【発明者】

【氏名】五十嵐 尚輝

(72)【発明者】

【氏名】樹杉 剛

【審査官】池田 匡利

(56)【参考文献】

【文献】独国特許出願公開第１０２００８０２０７３２（ＤＥ，Ａ１）

【文献】特開２０１０－２０３２３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－０１９２５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭６３－０１０２３１（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２０１３－２５３５１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００８／０２６０５２０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１６－００３５６５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０２Ｂ ３７／２４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

排気の流路に配置されたノズルベーンの片側を前記排気が流通する第１面で支持するリング型のノズルプレートと、
前記ノズルプレートを貫通せずに前記第１面とは逆の第２面から支持するサポートシャフトと、
前記サポートシャフトをタービンシャフトと段違いで平行に軸支するベアリングハウジングと、を含み、
前記ノズルプレートは、前記流路を除いた場所に前記サポートシャフトを隙間を介在して保持する開口部を備え、前記開口部は前記ノズルプレートの径方向の内側に前記サポートシャフトとの干渉を回避するクリアランスを有する、
ことを特徴とする過給機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、過給機に関する。

【背景技術】

【0002】

ノズルリングと、ノズルリングに対してタービンインペラの軸方向に離隔対向した位置に設けられたシュラウドリングと、ノズルリングの対向面とシュラウドリングの対向面との間に配設された複数の可変ノズルとを備える可変容量型過給機が知られている。

【0003】

この可変容量型過給機では、ノズルリングの対向面の反対面側にサポートリングが配設されており、サポートリングの内周縁部に複数の突出片が円周方向に間隔を置いて一体形成されている。これにより、複数の突出片とノズルリングの外周縁部とを圧接させた状態でのサポートリングのノズルリングに対する相対的な径方向の移動が許容されている。その他、サポートリングの外周縁部はベアリングハウジングによる冷却によって部材温度が低くなっている（以上、例えば特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１３－２５３５１９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、可変ノズル（以下、ノズルベーンという。）は排気の流路に配設されるため、上述したノズルリング（以下、ノズルプレートという。）の対向面は排気にさらされている。このため、排気の熱が直接的にノズルプレートに及び、ノズルプレートは排気の熱に起因して膨張する。

【0006】

一方で、サポートリングの突出片も排気にさらされているため、排気の熱が直接的に突出片に及ぶ。しかしながら、突出片はサポートリングに一体形成されているため、突出片に及ぶ熱はベアリングハウジングによる冷却によって緩和される。このため、突出片とノズルプレートとの間には膨張差が発生する。膨張差が発生すると、突出片とノズルプレートとの圧接面において、突出片とノズルプレートとの間で相対滑りが発生し、圧接面が摩耗する。圧接面の摩耗が進行すると、サポートリングは突出片を介してノズルプレートを支持できなくなるおそれがあり、結果的に、ノズルベーンが動作不良となる可能性がある。

【0007】

そこで、本発明では、ノズルプレートの支持不良を抑えることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明に係る過給機は、排気の流路に配置されたノズルベーンの片側を前記排気が流通する第１面で支持するリング型のノズルプレートと、前記ノズルプレートを貫通せずに前記第１面とは逆の第２面から支持するサポートシャフトと、前記サポートシャフトをタービンシャフトと段違いで平行に軸支するベアリングハウジングと、を含み、前記ノズルプレートは、前記流路を除いた場所に前記サポートシャフトを隙間を介在して保持する開口部を備え、前記開口部は前記ノズルプレートの径方向の内側に前記サポートシャフトとの干渉を回避するクリアランスを有する。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、ノズルプレートの支持不良を抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１はターボチャージャの断面図の一例である。

【図2】図２（ａ）は可変ノズルユニットの平面図の一例である。図２（ｂ）は第１実施形態に係る連結構造の平面図の一例である。

【図3】図３（ａ）はノズルプレートの膨張前の一例である。図３（ｂ）はノズルプレートの膨張後の一例である。

【図4】図４（ａ）は第２実施形態に係る連結構造の平面図の一例である。図４（ｂ）及び（ｃ）は第２実施形態に係る連結構造の平面図の他の一例である。

【図5】図５（ａ）は第３実施形態に係るノズル付近の部分拡大図である。図５（ｂ）はサポートシャフト付近のＹ－Ｙ断面の一例である。図５（ｃ）はサポートシャフト付近のＺ－Ｚ断面の一例である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。

【0012】

（第１実施形態）
図１はターボチャージャ１００の断面図の一例である。ターボチャージャ１００は、可変容量型（可変ノズル式）過給機である。ターボチャージャ１００は、図１に示すように、コンプレッサ１０と、ベアリング部２０と、タービン３０と、を備えている。ベアリング部２０はコンプレッサ１０とタービン３０とを接続する。

【0013】

コンプレッサ１０はコンプレッサハウジング１１を含んでいる。ベアリング部２０はベアリングハウジング２１を含んでいる。タービン３０はタービンハウジング３１を含んでいる。ベアリングハウジング２１はターボチャージャ１００の略中央部に配設されている。コンプレッサハウジング１１とベアリングハウジング２１とタービンハウジング３１は一体的に組付けられている。具体的には、ベアリングハウジング２１の両側にコンプレッサハウジング１１とタービンハウジング３１がそれぞれ組付けられている。

【0014】

コンプレッサハウジング１１内にはコンプレッサホイール１２が収容されている。コンプレッサホイール１２はナット１３によってタービンシャフト３２の一端に固定されている。コンプレッサホイール１２はタービンシャフト３２とともに一体的に回転する。コンプレッサホイール１２には複数のコンプレッサブレードが設けられている。コンプレッサホイール１２が回転すると、コンプレッサブレードにより新気が遠心力により半径方向外側に加速されて圧縮される。このため、図１に示すように、コンプレッサハウジング１１の中央部に新気が導入されると、この新気が、回転するコンプレッサホイール１２のコンプレッサブレードにより圧縮され、この圧縮された新気がターボチャージャ１００の外部に吐出される。具体的には、この圧縮された新気は吸気管を介してエンジンに向けて吐出される。このように、コンプレッサ１０では新気が流通する。

【0015】

ベアリングハウジング２１はタービンシャフト３２を軸支する。ベアリングハウジング２１は冷水路２３を含み、水冷されている。ベアリングハウジング２１には様々なベアリングが設けられている。例えば、タービンシャフト３２のスラスト方向の荷重を受け止めるためのスラストベアリングや、タービンシャフト３２のラジアル方向の荷重を保持するフローティングベアリングなどが設けられている。ベアリングはオイルなどにより潤滑される。このような様々なベアリングによってタービンシャフト３２は軸支される。

【0016】

タービンハウジング３１内にはタービンホイール３３が収容されている。タービンホイール３３はタービンインペラと言い換えてもよい。タービンホイール３３にはタービンシャフト３２の他端が接続されて固定されている。タービンホイール３３はエンジンから排出される排気によって回転駆動される。これにより、タービンホイール３３は回転動力を生成する。この回転動力によってタービンシャフト３２を通じてコンプレッサホイール１２が駆動されて、圧縮された新気が生成される。上述したように、圧縮された新気はエンジンに向けて吐出される。

【0017】

また、タービンハウジング３１とベアリングハウジング２１との間にはリンク室５０が形成される。リンク室５０には可変ノズルユニット３４が配置される。可変ノズルユニット３４はリング型のノズルプレート３４ａ、複数のノズルベーン３４ｂ、リング型のユニゾンリング３４ｃなどを備えている。ノズルプレート３４ａはＴ字型のサポートシャフト２２により支持されている。尚、サポートシャフト２２はベアリングハウジング２１によってタービンシャフト３２と段違いに平行に軸支され、コイルバネによってコンプレッサハウジング１１側に付勢されている。

【0018】

ノズルプレート３４ａは、タービンハウジング３１のシュラウド部３１ａと対向する位置に、タービンハウジング３１に当接するように配置される。すなわち、ノズルプレート３４ａは、ベアリングハウジング２１側に配置される。ノズルプレート３４ａとシュラウド部３１ａが対向して配置されることにより排気が流通するノズルＮが流路として形成される。ノズルベーン３４ｂの一方の片側がノズルプレート３４ａに支持され、ノズルベーン３４ｂの他方の片側がシュラウド部３１ａに支持されることによって、ノズルベーン３４ｂがノズルＮ内に回動可能に配置される。ノズルベーン３４ｂがノズルＮにおける流路断面を調節することによってタービン３０の容量が可変となる。

【0019】

次に、図２（ａ）及び（ｂ）を参照して、上述した可変ノズルユニット３４の詳細について説明する。

【0020】

図２（ａ）は可変ノズルユニット３４の平面図の一例である。図２（ｂ）は第１実施形態に係る連結構造３４ｄの平面図の一例である。尚、図２（ａ）ではコンプレッサ１０側から見た可変ノズルユニット３４が示されている。可変ノズルユニット３４は、上述したように、ノズルプレート３４ａや複数のノズルベーン３４ｂ、ユニゾンリング３４ｃなどを含んでいるが、裏側に配設されている複数のノズルベーン３４ｂについては、図２（ａ）において示されていない。

【0021】

ノズルプレート３４ａの中心軸Ｌ１を中心とする円周上には、複数のベーン軸３４ｆが周方向に略等間隔に配置されている。各ベーン軸３４ｆは、中心軸Ｌ１に略平行に延びており、ノズルプレート３４ａに対し回動可能に挿通されている。各ベーン軸３４ｆのうちノズルプレート３４ａからベアリングハウジング２１側に突出している端部には、ノズルベーン３４ｂを駆動するアーム３４ｅの基端部が固定されている。

【0022】

ユニゾンリング３４ｃの外周面には複数の凹部３４ｇが形成されている。これらの凹部３４ｇには、アーム３４ｅの先端部が係合している。ユニゾンリング３４ｃはリンク（不図示）等を介してターボチャージャ１００の外部から回転される。

【0023】

ユニゾンリング３４ｃが、ターボチャージャ１００の外部からリンク等を介して中心軸Ｌ１の周りで回動させられると、ユニゾンリング３４ｃの複数の凹部３４ｇに係合している各アーム３４ｅがベーン軸３４ｆを中心として各々同期した状態で回動（開閉）される。各ベーン軸３４ｆの回動に基づいてノズルベーン３４ｂの開度が変化することにより、ノズルＮの流路断面が変更される。そして、隣り合う２つのノズルベーン３４ｂの間を通じてタービンホイール３３に供給される排気の流速又は流量が調整される。

【0024】

ここで、隣り合う２つのベーン軸３４ｆの少なくとも１つの間には連結構造３４ｄが配置されている。連結構造３４ｄにはサポートシャフト２２が連結される。図２（ｂ）に示すように、連結構造３４ｄは連結部３４αと開口部３４βを含んでいる。連結部３４αと開口部３４βはいずれもＵ字型である。図２（ａ）ではコンプレッサ１０側から見た可変ノズルユニット３４が示されているため、連結構造３４ｄの連結部３４αと開口部３４βはいずれもノズルＮ側とは逆の場所に設けられている。すなわち、連結部３４αと開口部３４βはノズルＮを除いた異なる場所に設けられている。図２（ｂ）に示すように、連結構造３４ｄの連結部３４αがサポートシャフト２２のシャフト頭部２２ａと連結し、連結構造３４ｄの開口部３４βがシャフト軸部２２ｂを所定の隙間ＧＰを介在して保持する。特に、本実施形態では、シャフト軸部２２ｂとの間に介在する径方向の隙間ＧＰの大きさ以上の大きさを有するクリアランスＣＬがノズルプレート３４ａの径方向の内側に設けられている。連結部３４αがＵ字型であるため、ノズルプレート３４ａの径方向の内側は開放されている。これにより、クリアランスＣＬは隙間ＧＰの大きさより大きくなる。

【0025】

次に、図３（ａ）及び（ｂ）を参照して、ノズルプレート３４ａの膨張前後について説明する。

【0026】

図３（ａ）はノズルプレート３４ａの膨張前の一例である。図３（ｂ）はノズルプレート３４ａの膨張後の一例である。特に、図３（ａ）及び（ｂ）では、図２（ａ）に示すＸ－Ｘ断面が示されている。図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、ノズルプレート３４ａが径方向外側に膨張する前においても後にも、ノズルプレート３４ａが備える連結構造３４ｄの連結部３４αとサポートシャフト２２のシャフト軸部２２ｂとの間には所定の隙間ＧＰが介在する。所定の隙間ＧＰの大きさは設計や実験などに応じて適宜定めればよい。また、シャフト軸部２２ｂの径方向内側にはクリアランスＣＬが設けられる。

【0027】

ここで、図３（ｂ）に示すように、ノズルプレート３４ａが径方向外側に膨張すると、ノズルプレート３４ａが備える連結構造３４ｄも追従して径方向外側に膨張する。特に、連結構造３４ｄの連結部３４αとサポートシャフト２２のシャフト頭部２２ａとが摺動しながら（滑りながら）連結構造３４ｄが膨張する。一方で、サポートシャフト２２はベアリングハウジング２１に軸支されているため中心軸は変わらず、連結構造３４ｄの膨張には追従せずに静止する。この結果、隙間ＧＰの大きさは、ノズルプレート３４ａの膨張に応じて、ノズルプレート３４ａの膨張前と比べて拡張する。逆に、クリアランスＣＬの大きさは、ノズルプレート３４ａの膨張に応じて、ノズルプレート３４ａの膨張前と比べて縮小する。

【0028】

このように、ノズルプレート３４ａが径方向外側に膨張しても、ノズルプレート３４ａの径方向内側にはクリアランスＣＬが設けられているため、シャフト軸部２２ｂと干渉する対象が存在せず、シャフト軸部２２ｂとの干渉が回避される。すなわち、本実施形態では、ノズルプレート３４ａが排気の熱に起因して径方向外側に膨張しても、その膨張が許容されている。

【0029】

また、仮に、ノズルプレート３４ａがサポートシャフト２２に直接的に固定されて拘束されている場合に、ノズルプレート３４ａが膨張すると、ノズルプレート３４ａの膨張に応じた応力がノズルプレート３４ａにおけるサポートシャフト２２との固定部分に作用し、ノズルプレート３４ａがその固定部分から変形する可能性がある。これにより、ノズルＮの平面性が保てなくなるおそれがある。しかしながら、本実施形態では、ノズルプレート３４ａは連結構造３４ｄを介して間接的にサポートシャフト２２と支持されており、ノズルプレート３４ａはサポートシャフト２２に直接的に固定されていないため、ノズルプレート３４ａの変形を回避することができる。すなわち、ノズルプレート３４ａが膨張しても、ノズルＮの平面性を保つことができ、ノズルベーン３４ｂの動作に影響が及ばない。

【0030】

以上、第１実施形態によれば、ターボチャージャ１００はリング型のノズルプレート３４ａと、サポートシャフト２２と、ベアリングハウジング２１とを含んでいる。ノズルプレート３４ａはノズルＮに配置されたノズルベーン３４ｂの片側を支持する。サポートシャフト２２はノズルプレート３４ａを支持する。ベアリングハウジング２１はサポートシャフト２２をタービンシャフト３２と段違いで平行に軸支する。特に、ノズルプレート３４ａは、ノズルＮを除いた場所にサポートシャフト２２を隙間ＧＰを介して保持する開口部３４βを備え、開口部３４βはノズルプレート３４ａの径方向の内側にサポートシャフト２２との干渉を回避するクリアランスＣＬを含んでいる。これにより、突出片といった別の部品を採用しなくても、ノズルプレート３４ａの支持不良を抑えることができる。特に、本実施形態では、開口部３４βがノズルＮを除いた場所に設けられている。このため、開口部３４βを含む連結構造３４ｄは排気に接触せず、排気の温度より低い温度状態を保つことができる。したがって、連結構造３４ｄの連結部３４αとサポートシャフト２２のシャフト頭部２２ａとの摺動に応じた摩耗の進行を抑制することができる。

【0031】

（第２実施形態）
続いて、図４（ａ）乃至（ｃ）を参照して、本発明の第２実施形態について説明する。図４（ａ）は第２実施形態に係る連結構造３４ｄの平面図の一例である。図４（ｂ）及び（ｃ）は第２実施形態に係る連結構造３４ｄの平面図の他の一例である。尚、図２（ｂ）に示す各部と同様の構成には同一符号を付し、その説明を省略する。後述する第３実施形態についても同様である。

【0032】

図４（ａ）乃至（ｃ）に示すように、開口部３４βは種々の形状を採用することができる。例えば、図４（ａ）に示すように、開口部３４βの形状をシャフト軸部２２ｂの径より大きな真円を採用することができる。この場合、ノズルプレート３４ａの径方向におけるシャフト軸部２２ｂと連結部２２αとの隙間ＧＰとノズルプレート３４ａの径方向内側に設けられるクリアランスＣＬの各大きさは同じになる。このような形状の場合にノズルプレート３４ａが膨張しても、ノズルプレート３４ａの径方向内側にはクリアランスＣＬが設けられているため、シャフト軸部２２ｂと連結部２２αとが干渉するまでその干渉が回避される。すなわち、ノズルプレート３４ａが排気の熱に起因して径方向外側に膨張しても、その膨張を許容しつつ、ノズルプレート３４ａの支持不良を抑えることができる。

【0033】

また、図４（ｂ）に示すように、開口部３４βの形状をシャフト軸部２２ｂの径より大きな長円を採用することができる。長円に換えて楕円を採用してもよい。これらの場合、ノズルプレート３４ａの径方向におけるシャフト軸部２２ｂと連結部２２αとの隙間ＧＰとノズルプレート３４ａの径方向内側に設けられるクリアランスＣＬの大きさを同じにしてもよいし、隙間ＧＰよりクリアランスＣＬの大きさを大きくしてもよい。真円の場合と同様に、ノズルプレート３４ａが排気の熱に起因して径方向外側に膨張しても、その膨張を許容しつつ、ノズルプレート３４ａの支持不良を抑えることができる。

【0034】

さらに、図４（ｃ）に示すように、開口部３４βの形状をシャフト軸部２２ｂの径より大きな長方形を採用することができる。長方形に換えて正方形を採用してもよい。これらの場合も、真円の場合と同様に、ノズルプレート３４ａが排気の熱に起因して径方向外側に膨張しても、その膨張を許容しつつ、ノズルプレート３４ａの支持不良を抑えることができる。尚、第２実施形態では第１実施形態と異なり連結部３４αが開放されていない。このため、第２実施形態で連結構造３４ｄとサポートシャフト２２とを連結させる際には、例えば連結部３４αをノズルプレート３４ａの径方向外形側に屈曲させて、連結構造３４ｄとサポートシャフト２２とを連結させるようにすればよい。

【0035】

（第３実施形態）
続いて、図５（ａ）乃至（ｃ）を参照して、本発明の第３実施形態について説明する。図５（ａ）は第３実施形態に係るノズルＮ付近の部分拡大図である。図５（ｂ）はサポートシャフト２２付近のＹ－Ｙ断面の一例である。図５（ｃ）はサポートシャフト２２付近のＺ－Ｚ断面の一例である。

【0036】

第３実施形態では、図５（ａ）に示すように、ノズルプレート３４ａとは別のノズルプレート（以下、シュラウドプレートという。）３４ｈがタービンハウジング３１のシュラウド部３１ａに設けられている。ノズルプレート３４ａの対向面とシュラウドプレート３４ｈの対向面との間にはノズルベーン３４ｂに加え、スペーサ３４ｉが配置される。したがって、シュラウドプレート３４ｈはノズルベーン３４ｂの片側とスペーサ３４ｉの片側とを支持する。

【0037】

図５（ｂ）に示すように、ノズルプレート３４ａは開口部３４βを有する。一方、図５（ｃ）に示すように、シュラウドプレート３４ｈは開口部３４γを有する。したがって、開口部３４β，３４γがそれぞれサポートシャフト２２のシャフト軸部２２ｂを隙間ＧＰを介在して保持する。このように、開口部３４β，３４γはいずれもノズルＮと異なる場所に設けられる。

【0038】

第３実施形態の場合、シュラウドプレート３４ｈの径方向におけるシャフト軸部２２ｂとシュラウドプレート３４ｈとの隙間ＧＰとシュラウドプレート３４ｈの径方向内側に設けられるクリアランスＣＬの各大きさは同じになる。このように、シュラウドプレート３４ｈが開口部３４γを有する場合に、シュラウドプレート３４ｈが膨張しても、シュラウドプレート３４ｈの径方向内側にはクリアランスＣＬが設けられているため、シャフト軸部２２ｂとシュラウドプレート３４ｈとが干渉するまでその干渉が回避される。すなわち、シュラウドプレート３４ｈが排気の熱に起因して径方向外側に膨張しても、その膨張を許容しつつ、シュラウドプレート３４ｈの支持不良を抑えることができる。

【0039】

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係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。例えば、上述した第１実施形態及び第２実施形態については部分的に適宜組み合わせてもよい。

【符号の説明】

【0040】

２１ ベアリングハウジング
２２ サポートシャフト
３１ タービンハウジング
３２ タービンシャフト
３４ａ ノズルプレート
３４ｂ ノズルベーン
３４ｃ ユニゾンリング
３４ｄ 連結構造
３４ｈ シュラウドプレート
３４α 連結部
３４β，３４γ 開口部
３４ｈ シュラウドプレート
１００ ターボチャージャ
ＣＬ クリアランス
ＧＰ 隙間

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】