JP2006504021A - 可変ノズルデバイスを備えるターボ過給器 - Google Patents

Abstract

ターボ過給器が、ノズル要素（２１）と排気ハウジング（７）上に支持された浮動挿入部（１７）の間に形成された翼領域を備え、浮動挿入部（１７）は、付勢部材（４３）によって、翼領域に配置された翼（２７）に押し付けられる。この構成により、タービン効率が向上され、翼が固着する危険がかなりの程度回避できる。

Description

本発明は、タービンを駆動する排気ガスの流量を調整するための可変ノズルデバイスを備えるターボ過給器に関する。

圧縮機の羽根車などを駆動するタービンを備えるターボ過給器では、異なる運転条件を達成するために、タービンを駆動する排気ガスの流量を制御することが必要である。こうした制御は、複数の翼をノズルリングとターボ過給器の排気ハウジングの間に円形に配列することによって可能である。これらの翼は、複数のノズル通路を形成し、枢動可能な様式で翼を配列することによってノズル通路のスロート部面積を変化させることが可能になる。

国際公開ＷＯ ０１／９６７１３ Ａ１の文献では、ノズルリングと翼に対して軸方向に摺動可能なリング部材との間に形成された翼領域を備える、ターボ過給器装置が開示されている。

本発明の目的は、改良されたターボ過給器装置を提供することである。

本発明の一態様によれば、上記の目的は請求項１に定義されるターボ過給器によって達成される。このターボ過給器の好ましい実施形態は、従属請求項に記載されている。
請求項１に定義される技術的解決方法によれば、このターボ過給器は、ノズル内でノズル要素と排気ハウジングまたはタービンハウジング上に軸方向に摺動可能に支持された浮動挿入部との間に挿置された翼を備える。この構成により、翼が固着する危険を回避すると同時にターボ過給器の全体のタービン効率を高めその調整を向上させるために、タービンハウジングとノズル要素の間の間隙をどのような運転条件でも閉じたままに保つことができる。

このターボ過給器では、排気ガス入口とノズルの圧力差および／または排気ハウジング上に支持された付勢部材によって、浮動挿入部を前記ノズル内の翼に押し付けることができる。付勢部材としては、好ましくはガス出口内に形成された陥凹部またはタービンハウジングの側板部内に配置されたばね座金を使用することができる。

あるいは、付勢部材を、浮動挿入部に形成された陥凹部に挿置することもできる。この場合、浮動挿入部は、好ましくは薄板金で形成されかつ開口部がタービンハウジングに面したC字形の断面を有する。

浮動挿入部が、ノズル内で排気ガス入口とノズルの圧力差により翼に押し付けられるように構成されたターボ過給器構造では、挿入部とタービンハウジングの間に形成された空間または陥凹部は、好ましくは挿入部の切欠き部分によって前記排気ハウジングの排気ガス入口と連通している。

可変ノズルデバイスを取り付けるために、翼を枢動させる機構を担持するそのノズル要素が、好ましくはタービンの内周面の段差部分と中央ハウジング上に支持された円盤形部材の間にクランプ締めされている。ターボ過給器の別の構造では、ノズルリングが、スペーサ要素によってタービンハウジングに当接され、このスペーサ要素は、浮動挿入部を通り抜け、それによって浮動挿入部の動きを案内する案内手段としても働く。

ターボ過給器の動作の初期段階で翼が圧力がかからない状態で枢動できるように、挿入部が翼に向かって移動するのを制限するスペーサ要素がノズルリング上に配置されている。さらに、ピストンリングを浮動挿入部とタービンハウジングのガス出口部分の間に設けることができる。

下記に、本発明の目的の更なる技術的解決方法を、添付の図面を参照して詳しく説明する。

図１は、軸３を支持する中央ハウジング１を備えるターボ過給器の一部分を示す。軸３の上には、タービン翼車５が、図１には具体的に示さない取り付けボルトによって、中央ハウジング１のフランジ部材９に取り付けられた排気ハウジングまたはタービンハウジング７中を延びるように取り付けられている。

図１に示すように、排気ハウジング７は、内燃機関から排気ガスを受取る全体的に渦形の渦巻室１１を形成している。排気ガスは、渦形の渦巻室１１から、ノズル１３を形成する環状の翼領域を通り、タービンハウジングの一部分を形成しタービン翼車５を取囲むタービン側板１５に送り込まれる。ノズル１３は、タービンハウジングの第１出口部分１９上に支持された環形挿入部１７とノズルリング２１の間に形成される。ノズルリング２１は、タービンハウジングの第２フランジ部分の内側にはめ込まれ、このノズルリングによってタービンハウジングは中央ハウジング１に取り付けられている。タービンハウジングのフランジ部分は、内側に段差のついた開口部を有し、この開口は、ノズルリング２１と係合し、ノズルリングがターボ過給器の軸方向に配置されるようにノズルリングを中央ハウジング１上に支持された弾性円盤側板２３に向かって押し付ける。

ノズルリング２１には、図２に具体的に示す複数の翼が取り付けられ、前記翼は、ノズル１３の中を延び、それ自体の間に複数のノズル通路を形成する。翼２７は、ノズルリング内に回転可能に支持された翼ピンと結合され、中央ハウジング１に面する各翼ピンの端部に、図３に具体的に示す翼腕２９が取り付けられている。翼腕２９は、ノズルリング内で軸方向に摺動可能な翼ピンの長さがノズルリング２１の厚みを超え、それによって翼２７がノズル内で前後に僅かに軸方向に移動することができるように、好ましくは溶接によって翼ピンに取り付けられている。翼腕２９の端部は、調和リング３１の内周面に形成された溝部で受けられる。調和リング３１は、その内周面によって、円周方向に互いに間隔を置いて配置された少なくとも３つのころ３３上に支持され、前記ころは、ノズルリング２１の各孔に調和リングの径方向内側に取り付けられたジベル３５に回転可能に取り付けられている。ころ３３は、調和リング３１の内周面を受ける外周溝を備える。

図１に示す実施形態では、ジベル３５は、ノズルリングが回転するのを防止するために、その両端部でフランジ部材９とノズルリング２１の孔に固定されている。しかし、回転の防止は、全てのジベルがノズルリングの孔にだけ固定された別の手段、または１つのジベルだけをフランジ部材とノズルリングの両方の中に延ばし、残りのジベルをノズルリングの穴の中にだけ延ばすことによっても達成することができる。これらの取付けの全ての変更形態では、ジベルは、最小限の摩擦または抵抗で調和リングの回転および／または軸方向歪みに追従するためにジベル上で回転し軸方向に摺動することのできるころに対する径方向支持体として働く。

調和リングを作動させるために、図には具体的に示さない作動システムが使用される。そのようなシステムとしては、例えば、米国特許第４ ８０４ ３１６号に記載されたベルクランクシステムを使用することができる。

環形挿入部１７には、その外側周辺部に、排気ハウジング７の対応する孔に摺動的に収容された少なくとも１つのジベルピン３７が設けられている。環形挿入部１７の内周面に、ピストンリング３９を収容するための環状陥凹部が形成されている。ジベルピン３７を収容する孔の径方向内側には、環状陥凹部４１が排気ハウジング内に設けられ、前記陥凹部は、弾性ばね座金４３を収容し、それによって、環形挿入部１７は翼２７の側面に押し付けられ、その結果、翼が適度に釣合いの取れた圧力でノズルリング２１と環形挿入部の間に挟まれる。このようにして、翼とノズルリングの間、および翼と環形挿入部の間の接触部分の間隔を減少させることができ、同時に、これらの表面が弾性的に接触することにより、これらの接触面で翼が固着する危険を最小限に抑えることができる。

挿入リング１７の厚みは、環状陥凹部４１を渦巻室１１と連通させるために、挿入リングとタービンハウジングの出口部分１９の間に小さな間隔が残るような寸法にすることができる。この連通、および好ましくは陥凹部４１とノズル１３の間の封止材としてピストンリング３９を使用することによって、ターボ過給器の動作中に、環状陥凹部４１内の圧力がノズル１３内の動的な流れの圧力よりも高くなり、その結果、圧力差により挿入部１７をノズル通路を形成する翼に向かって押し付ける追加の力を生じる。

図３および４に示すターボ過給器の第２の実施形態では、ノズルリング１２１とタービンハウジング１０７の第１ガス出力部分１１９の間を延びるスペーサ要素１４５が配置されている。スペーサ要素１４５は、弾性円盤側板１２３によってタービンハウジング１０７の第１部分１１９に押し付けられるノズルリング１２１の軸支持体として働く。

図７ａ〜９ｂに示す実施形態のうちの１つによる環形挿入部を、第２の実施形態のターボ過給器に使用することができる。これらの実施形態では、径方向の切欠き部分１４９が環形挿入部の周囲に設けられ、それにより、挿入部１１７をスペーサ要素１４５と摺動可能に係合させ、回転を防止している。

図８ａおよび８ｂに示すように、環形挿入部１１７は、その排気ハウジング７のガス出口部分１１９に面する側部に、環状陥凹部１４１と渦巻室１１１の連通をもたらす軸方向切欠き部分１４７が設けられている。この連通により、挿入部とタービンハウジングの間の圧力がノズル１１３内部の動的な流れの圧力よりも高くなり、その結果、圧力差により挿入部１１７をノズル通路を形成する翼に向かって押し付ける追加の力を生じる。

第２の実施形態では、スペーサ要素１４５は、その両端部がタービンハウジング１０７とノズルリング１２１に入るように延び、したがって図２に示す第１の実施形態に使用される留めピン２６と同様の固定要素を設ける必要はない。

図６に示す本発明によるターボ過給器の第３の実施形態は、主に、前者のスペーサ要素１４５の代わりに、ボルト２５１によって貫通されるスリーブスペーサ２４５を使用するという点で、図３に示す第２の実施形態と異なる。スリーブスペーサ２４５は、極薄の（ｖｅｒｙ ｆｌａｔ）弾性ばね座金（図６に図示せず）を環形挿入部２１７と排気ハウジング２０７のガス出口部分２１９の間の空間に配置することができるように、翼２２７の軸方向厚と環形挿入部２１７の軸方向厚の合計よりも長い軸方向長さを有する。

この実施形態では、同様に、同じ図７ａ〜９ｂに示す環形挿入部の変更形態を使用できる。
図１０に示す第４の実施形態によるターボ過給器は、環形挿入部３１７がＬ字型の断面を有し、その断面がタービンハウジングのガス出口部分３１９と協働して弾性ばね座金３４３を収容する円周空間３４１を形成するという点を除いて、図６に示すターボ過給器とほぼ同じである。第４の実施形態で使用されるピストンリング３３９は、タービンハウジングのうち挿入リング３１７の内周面に面する部分に形成された陥凹部内に収容される。

上記の説明によると、本発明の本質的な利点は、ノズルの外壁が比較的小さな独立した要素によって構成できることであり、この要素は、それ自体は渦巻室とタービンを取り囲む出口側板とを一体的に形成するタービンハウジングとは、独立に交換可能であるだけでなく、翼に向かって柔軟に調整可能でもあり、したがって、翼に対して限られた隙間をもたらし、翼が固着し動きを損なうことが回避される。

第５の実施形態によるターボ過給器を図１２に示す。この実施形態では、浮動挿入部が参照符号５１７で示されている。浮動挿入部５１７は、フランジ５１８を備えた側板の形になっている。フランジ５１８は、排気ハウジング５０７と中央ハウジング５１の間に挿置されている。少なくとも１つの孔が、中央ハウジング５１の対応する孔と一致してフランジ５１８に形成される。留めピン５３７を両方の穴に通し、それによって浮動挿入部５１７が中央ハウジング５１と排気ハウジング５０７に対して回転するのを防止する。

フランジ５１８は、排気ハウジング５０７内に形成された内側陥凹部５４１にはめ込まれる。ばね部材５４３も陥凹部５４１内に収納できるように、フランジ５１８の軸方向幅は内側陥凹部５４１の軸方向幅よりも小さくなっている。ばね部材５４３は、浮動挿入部５１７を翼５２７に向かって軸方向に押しやる。

浮動挿入部５１７は、翼５２７に当接する壁５１６と一体に形成されている。したがって、翼５２７は、ばね部材５４３によって、一定のノズル幅を保つため浮動式に浮動挿入部５１７とノズルリング５２１の間に挟まれている。

こうした構造は、中央ハウジング５１と排気ハウジング５０７の間に浮動式に配置されるだけでなく、また、互いに相対的に浮動する目的で軸方向に移動可能であるノズルリング５２１および浮動挿入部５１７を組み込み、それによって、ノズルを広くし、したがって翼５２７の固着および拘束をより効率的に回避することが可能となる、可変ノズルデバイスを提供する。

この実施形態は、有利なことに、浮動挿入部５１７を軸方向に案内するのを容易にし、その構成部品を減らす。
第５の実施形態は、以下のように変更することができる。

こうした可変ノズルデバイスの浮動式構成の変更形態は、上記に述べた中央ハウジング設計を使用することができ、この設計では中央ハウジングが内側陥凹部を備え、浮動式挿入部５１７が前記陥凹部の中を軸方向に移動可能に収容されている。

留めピン５３７は、排気ハウジングに取り付けることもできる。
留めピン５３７の代わりに、別の固定手段を設けることもできる。例えば、排気ハウジングの内側陥凹部は、浮動挿入部が排気ハウジングに対して回転するのを防止するように、浮動挿入部の外形に適合する変則的な内部形状を有することができる。

ばね部材５４３は無くすこともできる。この場合、前述の実施形態の弾性円盤側板２３、１２３と同様の弾性円盤側板が、翼５２７をノズルリング５２１を介して浮動式挿入部５１７に押し付けるのに使用される。

本発明の第１の実施形態による排気ガスターボ過給器の部分断面図である。 図１に示すターボ過給器の拡大断面図である。 本発明の第２の実施形態による排気ガスターボ過給器の部分断面図である。 図３に示す第２の実施形態での浮動挿入部の構成の拡大断面図である。 図５ａは、図１〜４に示すそれぞれの実施形態で使用される弾性ばね座金の正面図である。図５ｂは、図１〜４に示すそれぞれの実施形態で使用される弾性ばね座金の側面図である。 本発明の第３の実施形態による排気ガスターボ過給器の部分断面図である。 図７ａは、本発明によるターボ過給器に使用される浮動挿入部の第１の実施形態の正面図である。図７ｂは、本発明によるターボ過給器に使用される浮動挿入部の第１の実施形態の断面図である。 図８ａは、本発明によるターボ過給器に使用される浮動挿入部の第２の実施形態の断面図である。図８ｂは、本発明によるターボ過給器に使用される浮動挿入部の第２の実施形態の正面図である。 図９ａは、本発明によるターボ過給器に使用される浮動挿入部の第３の実施形態の断面図である。図９ｂは、本発明によるターボ過給器に使用される浮動挿入部の第３の実施形態の正面図である。 本発明によるターボ過給器の第４の実施形態の断面図である。 図１１ａは、図１０に示すターボ過給器の第４の実施形態に使用される浮動挿入部の正面図である。図１１ｂは、図１０に示すターボ過給器の第４の実施形態に使用される浮動挿入部の断面図である。 本発明によるターボ過給器の第５の実施形態の断面図である。

Claims (13)

1. 排気ハウジング（７、１０７、２０７、３０７、５０７）、および翼（２７、１２７、２２７、３２７、５２７）を備える可変ノズルデバイスを有し、前記翼は、ノズル内でノズル要素（２１、１２１、２２１、３２１、５２１）と、前記排気ハウジング（７、１０７、２０７、３０７、５０７）に対して軸方向に摺動可能に支持された浮動式挿入部（１７、１１７、２１７、３１７、５１７）との間に挿置されるターボ過給器。
2. 前記浮動挿入部が、排気ガス入口とノズルの圧力差により前記翼領域の前記翼（２７、１２７、２２７、３２７）に押し付けられる、請求項１に記載のターボ過給器。
3. 前記浮動挿入部が、付勢部材（４３、１４３、３４３、５４３）によって前記翼（２７、１２７、２２７、３２７、５２７）に押し付けられる、請求項１または２に記載のターボ過給器。
4. 前記付勢部材が、前記排気ハウジング（７、１０７、２０７、３０７，５０７）のガス出口側板部分（１９、１１９）に形成された陥凹部（４１、１４１）に配置されたばね座金（４３、１４３）である、請求項３に記載のターボ過給器。
5. 前記付勢部材が、前記浮動挿入部（３１７）に形成された陥凹部（３４１）に配置されたばね座金である、請求項３に記載のターボ過給器装置。
6. 前記浮動挿入部（３１７）が、薄板金で形成されかつＣ字形の断面を有し、前記浮動挿入部が前記排気ハウジング（７、１０７、２０７、３０７）とともに前記陥凹部（３４１）を画成する、請求項５に記載のターボ過給器装置。
7. 前記陥凹部（４１、１４１、３４１）が、前記排気ハウジング（７、１０７、２０７、３０７）の前記排気ガス入口に連通する、請求項４から６のいずれかに記載のターボ過給器装置。
8. 前記ノズル要素（２１）が、前記排気ハウジング（７、１０７、２０７，３０７）の内周面の段差部分（２５）と、前記ターボ過給器の中央ハウジング（１）上に支持された円盤形部材の間にクランプ締めされている、請求項３から７の一項に記載のターボ過給器装置。
9. 前記ノズルリング（２１、１２１）が、前記浮動挿入部（１７、１１７、２１７、３１７、５１７）を貫通する第１のスペーサ要素（１４５，２４５，３４５）によって前記排気ハウジング（７、１０７、２０７、３０７、５０７）に当接される、請求項３から７の一項に記載のターボ過給器装置。
10. 前記浮動挿入部（１７）が、前記付勢部材によって第２のスペーサ要素（４５）に当接され、前記第２のスペーサ要素（４５）が前記ノズルリング（２１）上に支持されている、前記請求項のいずれか一項に記載のターボ過給器装置。
11. ピストンリング（３９、１３９、３３９）が、前記浮動挿入部と前記排気ハウジング（７、１０７、２０７、３０７）のガス出口側板部分（１９、１１９、３１９）の間に設けられる、前記請求項のいずれか一項に記載のターボ過給器装置。
12. 前記ピストンリング（３９、１３９、３３９）が、前記浮動挿入部または前記排気ハウジング（７、１０７，２０７，３０７）のどちらかの環状陥凹部に受けられる、請求項１１に記載のターボ過給器装置。
13. 前記排気ハウジング（５０７）と前記ターボ過給器の中央ハウジング（５１）の間に浮動式に挿置されたフランジ（５１８）を有する前記浮動挿入部（５１７）と、
    前記浮動挿入部（５１７）が、前記中央ハウジング（５１）および前記排気ハウジング（５０７）に対して回転するのを防止するための固定手段（５３７）と、
    前記浮動挿入部（５１７）を前記翼（５２７）に押し付けるためのばね部材（５４３）とを備える、請求項１に記載のターボ過給器装置。
    

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