JP2004518062A - 可変ノズルターボチャージャのための改善された羽根 - Google Patents

Abstract

可変構造ターボチャージャ（１０）のための羽根（５０）及びポスト構成はタービンハウジング（１２）内でノズルの表面から延びるポスト（６８）を受け入れる第１端部（４４）の表面に穴を有する羽根を使用する。各羽根上の第２端部（４６）の表面はユニゾンリングの運動時にポスト上で羽根を回転させるようにユニゾンリング（３４）の対応する溝穴（３２）内に収容された延長タブ（６４）を組み込んでいる。

Description

【０００１】
【発明の分野】
本発明は全体的に可変構造（ｖａｒｉａｂｌｅ ｇｅｏｍｅｔｒｙ）ターボチャージャの分野に関し、特に改善された羽根の作動及び延長した羽根及びターボチャージャの寿命を提供するため可変ノズルターボチャージャのタービンハウジング内に位置する複数の枢動する空気力学的な羽根のための改善された羽根デザインに関する。
【０００２】
【発明の背景】
ガソリン及びディーゼル内燃エンジンのためのターボチャージャは、エンジンを出る排気ガスの熱及び体積流を使用することにより、エンジンの燃焼室へ送られる吸入空気流を加熱又は昇圧するために使用される、当業界で既知の装置である。特に、エンジンを出る排気ガスは、排気ガス駆動タービンをハウジング内でスピンさせるようなターボチャージャのタービンハウジング内へ送られる。排気ガス駆動タービンは半径方向の空気コンプレッサと共通のシャフトの一端に装着され、コンプレッサはシャフトの他端に装着され、コンプレッサハウジング内に収容される。従って、タービンの回転作用はまた、タービンハウジングとは別のターボチャージャのコンプレッサハウジング内で空気コンプレッサをスピンさせる。空気コンプレッサのスピン作用は吸入空気をコンプレッサハウジング内へ進入させ、この空気がエンジンの燃焼室内で燃料と混合され、燃焼する前に、所望の量に加圧又は昇圧される。
【０００３】
ターボチャージャにおいては、ターボチャージャの効率又は作動範囲を改善するためにタービンへの排気ガスの流れを制御することがしばしば望ましい。可変構造ターボチャージャはこの要求を処理するように形状づけられてきた。このような可変構造ターボチャージャの１形式は可変ノズルターボチャージャと呼ばれる可変排気ノズルを有するものである。可変ノズルの異なる形状は排気ガスの流れを制御するために可変ノズルターボチャージャに使用されてきた。このような可変ノズルターボチャージャにおける排気ガス流の制御を達成するためになされた１つの試みは、タービン入口のまわりで環状に位置する複数の枢動羽根を使用することである。枢動羽根は羽根間の通路ののど領域を変更してタービン内への排気ガス流を制御するように機能させるために普通制御される。
【０００４】
このような可変ノズルターボチャージャの適正で信頼できる作動を保証するためには、所望の排気ガス流制御作動に応答して自由に運動又は枢動するように個々の羽根を形状づけ、タービンハウジング内で組立てることが重要である。このような枢動羽根がターボチャージャの作動中に多数の高熱サイクルを受けるので、任意のこのような枢動機構を、いかなるサイクル温度に関連する材料的又は機械的な問題又は欠陥を我慢することなくこのようなサイクル温度状態下で繰り返し機能できるものにする必要がある。
【０００５】
既知の多重羽根式の可変ノズルターボチャージャはそこから外方へ突出するシャフトを有するように各々形状づけられた羽根を有し、このような各シャフトはタービンハウジング又はノズル壁のそれぞれのシャフト開口内に位置する。羽根はそれぞれの開口内でそのシャフトを相対して枢動させるように普通に作動するが、このような従来の羽根取付け及び枢動機構は問題を生じない訳ではないことを発見した。
【０００６】
例えば、開口内での羽根シャフトの自由な枢動運動を保証するためには、シャフトが羽根から完全に垂直に突出して羽根の枢動運動の望ましくない結合又は阻害を回避することが必須である。羽根シャフトの垂直性を保証するために補助の直線化又は機械加工操作がときには必要となり、このような補助の操作は時間を浪費し、高価でもある。更に、この形式の羽根取付け及び枢動機構は、作動したときに羽根シャフト上に大きな片持ち梁負荷を生じさせることがあり、これがまた羽根の自由な枢動運動を阻害することがあり、最終的に羽根の材料的又は機械的な欠陥に至ることがある。
【０００７】
それ故、従来の羽根枢動機構と比べたときに、改善された羽根の作動上の信頼性を提供するような方法で、可変ノズルターボチャージャと一緒に使用するように羽根枢動機構を構成するのが望ましい。
【０００８】
【発明の概要】
本発明を組み込んだ可変構造ターボチャージャは排気ガスのための入口及び出口と、入口に接続されたボリュート（ｖｏｌｕｔｅ；うず形部）と、ボリュートに隣接する一体の外側ノズル壁とを備えたタービンハウジングを有する。タービンホイールはタービンハウジング内に担持され、シャフトに取付けられる。複数の羽根がタービンハウジング内に位置し、各羽根は外側ノズル壁に実質上平行な軸方向の羽根表面を通って羽根内へ延びる穴を有し、各羽根の穴は外側ノズル壁から外方へ突出するそれぞれのポストを受け入れ、羽根は更に穴とは反対側の軸方向羽根表面から延びる作動タブを有する。環状のユニゾンリング（ｕｎｉｓｏｎ ｒｉｎｇ；同調環）は羽根に隣接して軸方向に位置し、ユニゾンリングはそれぞれのタブをその中にそれぞれ収容する複数の溝穴を有する。ユニゾンリングはポスト上での羽根の枢動運動によりそれぞれの溝穴内でのタブの運動を生じさせるように回転し、溝穴内でのタブのこのような運動により、羽根はタービンホイールシャフトに関して半径方向に移動する。本発明は添付図面を参照することにより一層明確に理解できよう。
【０００９】

［発明の詳細な説明］
可変構造即ち可変ノズルターボチャージャは、一般に一端で取付けられたタービンハウジングと、他端で取付けられたコンプレッサハウジングとを備えた中央のハウジングを有する。シャフトは、中央のハウジング内に収容された軸受組立体内に回転自在に位置する。タービン又はタービンホイールは、シャフトの１つの端部に取付けられ、タービンハウジング内で担持され、コンプレッサインペラは、反対側のシャフト端部に取付けられ、コンプレッサハウジング内で担持される。タービン及びコンプレッサハウジングは、隣接するハウジング間を延びるボルトにより中央のハウジングに取付けられる。
【００１０】
図１は排気ガス流を受け取るための標準の入口１４と、排気ガスをエンジンの排気装置へ導くための出口１６とを備えたタービンハウジング１２を有する既知の可変ノズルターボチャージャ１０の一部を示す。ボリュートは排気入口に接続され、一体の外側ノズル壁はボリュートに隣接してタービンハウジング鋳造体に組み込まれる。タービンホイール及びシャフト組立体１８はタービンハウジング内で担持される。ターボチャージャへ供給する排気ガス又は他の高エネルギガスは、入口を通ってタービンへ入り、ボリュートを通ってタービンハウジング内に分布されて、円周方向のノズル入口２０を通って実質上半径方向にタービンホイールへ入る。
【００１１】
複数の羽根２２は、羽根から垂直に外方へ突出するシャフト２６を使用して、タービンハウジング内に機械加工されたノズル壁２４に装着される。シャフト２６は、ノズル壁の対応する開口２８内に回転可能な状態で係合する。各羽根は、シャフトとは反対側から突出しかつ第２のノズル壁として作用するユニゾンリング３４の対応する溝穴３２と係合する作動タブ３０を有する。
【００１２】
アクチュエータ組立体は、ユニゾンリングに接続され、タービンへの排気ガス流をそれぞれ増大又は減少させるためにタービンホイールの回転軸線に関して半径方向外方又は内方に羽根を移動させるように、リングを１方向又は必要なら反対方向に回転させるように形状づけられる。ユニゾンリングが回転すると、羽根のタブ３０は、溝穴の１つの端部から溝穴の反対側の端部へ、そのそれぞれの溝穴３２内で移動される。溝穴がユニゾンリングに沿った半径方向成分を有するように指向しているので、それぞれの溝穴内での羽根タブの運動はそのそれぞれの開口内での羽根シャフトの回転を介して羽根を枢動させ、ユニゾンリングの回転方向に応じてノズル領域を開放又は閉鎖する。このような素子を有する既知の可変ノズルターボチャージャの例は本出願人に係る「可変構造ターボチャージャ」という名称の、１９９９年９月３０日付け出願の米国特許出願第０９／４０８，６９４号明細書に開示される。
【００１３】
図２はユニゾンリングにより作動されたときの羽根３６の一般的な運動パターンを示す。この運動パターンは既知の羽根形状と可変ノズルターボチャージャと一緒に使用するような本発明の原理に従って準備された羽根形状との双方に対してほぼ同じである。各羽根タブ４２は、ユニゾンリング３４の対応する細長い溝穴３８内に位置する。閉位置「Ａ」においては、羽根タブ４２は溝穴３８の第１の端部４４に隣接して位置決めされる。この位置は、羽根が半径方向外方へ開拡せずにタービンへの排気ガス流を制限するように作用するので、閉位置と呼ぶ。中間位置「Ｂ」において、ユニゾンリング４０は、羽根タブ４２が溝穴の第１の端部４４から離れて溝穴の中間位置の方へ溝穴３８内で移動するのに十分な量だけ回転してしまっている。羽根タブの運動は一定の程度の羽根の回転を許容するノズル壁に関する羽根の枢動作用により提供される。
【００１４】
位置「Ｂ」において、羽根の中間の半径方向突出は、閉位置「Ａ」と比べて、タービンへの排気ガス流を増大させるように作用する。開位置「Ｃ」においては、ユニゾンリングはこのとき最大位置へ回転してしまっており、羽根タブ４２を溝穴３８内で第２の端部４６へ移動させる。更に、このような更なる羽根運動は、最大開位置への羽根の回転を許容する、羽根とノズル壁との間の枢動構成により、容易化される。位置「Ｃ」において、羽根の最大半径方向突出は、中間位置「Ｂ」に比べて、タービンへの排気ガス流を増大させるように作用する。
【００１５】
発明の背景で述べたように、上述し図１に示したような複数の羽根を有する既知の可変ノズルターボチャージャの適正な作動は、ユニゾンリングにより作動されたときに、羽根がノズル壁を相対して自由に枢動させることができることを必要とする。このような自由な枢動運動は、そのそれぞれのノズル穴内での羽根シャフトの回転運動が束縛又は拘束されないことを必要とする。既知の羽根デザインは、羽根から突出するシャフトが完全に垂直でない場合に、羽根の自由な枢動運動に対して障害を生じさせることがある。更に、既知の羽根デザインは、羽根シャフト及び穴取付け機構のせいで羽根上に加えられる比較的大きな片持ち梁負荷応力により、羽根の自由な枢動運動に対して障害を生じさせることがある。
【００１６】
図３乃至図５は、上方の即ち低圧のエアフォイル表面５４と、反対側の高圧エアフォイル表面５２と、軸方向表面５６、５８とを有する、本発明の原理に従って構成された可変ノズルターボチャージャと一緒に使用するための羽根５０を示す。これらの羽根表面はタービンハウジング内の羽根の配置に関して定義される。羽根５０は高圧及び低圧エアフォイル表面５２、５４の共通の両端での前縁６０及び後縁６２を有する。羽根は、軸方向の表面５８から離れるように外方へ突出しかつ前縁６０に隣接して位置するタブ６４を有する。タブは羽根の作動を容易にするために上述した方法でユニゾンリングの溝穴と共働するように形状づけられる。
【００１７】
特に図３及び図５を参照すると、既知の羽根デザインとは異なり、本発明の実行に従って構成された羽根５０はシャフトを有しない。逆に、本発明の羽根はその中にそれぞれのポストを配置収容するように寸法決めされ、形状づけられた軸方向の表面５６を貫通する穴６６を有するように設計され（図３参照）、ポストはタービンハウジングのノズル壁から離れるように外方へ垂直に突出する。このように形状づけると、ノズル壁に相対する羽根の枢動運動は固定のポストと羽根の穴との間の相対回転運動により提供される。回転可能な羽根の穴内に位置する固定の壁ポストにより提供される枢動機構即ちメカニズムは、既知の羽根デザイン及び取付け機構に比べて、羽根上の片持ち梁負荷応力の量を減少させ、有効な羽根の運動及び作動に対する可能性のある障害を減少及び（又は）除去するように作用する。
【００１８】
各ポスト６８は圧入又は他の普通の取付け方法によりノズル壁に取付けられるように形状づけられ、所望の離間羽根配列に一致する実質上円形のパターンでノズル壁内に位置決めされる。例示的な実施の形態においては、ポスト６８は２つの異なる直径を伴う段付きデザインを有するように形状づけられ、第１の拡大した直径区分７０はノズル壁内での確実な圧入取付けを提供するように寸法決めされ、形状づけられ、第２の減少した直径区分７２は、その上での回転運動を提供するように、ノズル壁から外方へ突出し、羽根の穴６６内に嵌合するように寸法決めされ、形状づけられる。
【００１９】
羽根５０は、羽根の構造上の一体性と妥協することなく十分に強靭なポストを収容するように、高圧エアフォイル表面５２と低圧エアフォイル表面５４間で測定して、既知の羽根デザインよりも大きな厚さを有するように形状づけられる。ノズル壁のポストを収容するために羽根の厚さを増大させた予期せぬ相乗効果は、従来技術の羽根を有するターボチャージャと比べて、羽根の一定の回転に対する一層大きな面積減少率を実現させる。それ故、本発明の羽根は一定の効率レベルに対して既知の羽根デザインを有するターボチャージャのものよりも一層大きな空気力学流れレンジを提供できる。
【００２０】
羽根は従来技術の羽根を形成するために使用されるものと同じ形式の材料から同じ方法で形成することができる。羽根は実質上中実のデザインを有するか、又は代わりに、芯抜きデザインを有するように形状づけられる。例示的な実施の形態においては、羽根の軸方向表面５６、５８は芯抜きデザインを有するように形状づけられる。従来技術の羽根に比べて、良好な形成性及び重量に対する一層大きなこわさ率を提供し、製造コストが一層安価であり、減少した質量を有することが判明したので、芯抜きデザインが好ましい。
【００２１】
以上、特許の規則により要求されるように詳細に本発明を説明したが、当業者なら、ここに開示された特定の実施の形態に対する修正及び置換を認識できよう。このような修正は本発明の範囲及び意図内に入る。
【図面の簡単な説明】
【図１】
従来の羽根を使用する可変構造ターボチャージャのタービンハウジングの分解斜視図である。
【図２】
羽根上のタブとの係合を示すユニゾンリング及び溝穴の上面図である。
【図３】
本発明を組み込んだ羽根及びポストの詳細図である。
【図４】
本発明を組み込んだ羽根及びタブの詳細図である。
【図５】
羽根の内側素子を示す、本発明を組み込んだ羽根の詳細図である。

Claims (3)

1. 可変構造ターボチャージャ組立体であって、
   排気ガスのための入口及び出口と、入口に接続されたボリュートと、ボリュートに隣接する一体の外側ノズル壁とを有するタービンハウジング；
   タービンハウジング内に担持され、シャフトに取り付けられたタービンホイール；
   タービンハウジング内に配置される複数の羽根であって、各羽根が外側ノズル壁にほぼ平行の第１の軸方向の羽根表面内に配置される穴を有し、各羽根の穴はそれぞれのポストをその中に受入れ、ポストは外側ノズル壁から外方へ突出し、羽根は更に第１の軸方向の羽根表面とは反対側の第２の軸方向の羽根表面から延びる作動タブを有する複数の羽根；及び
   軸方向に羽根に隣接して位置され、それぞれのタブをその中にそれぞれ収容する複数の溝穴を有する回転可能な環状のユニゾンリング；を含み、
   ユニゾンリングの回転がそのそれぞれのポストのまわりでの各羽根の回転を生じさせることを特徴とする可変構造ターボチャージャ組立体。
2. 各ポストは第１のポスト端部からポスト上の中間位置へ軸方向に延びる第１の直径区分と、中間位置から第２のポスト端部へポストに沿って軸方向に延びる第２の直径区分とを有することを特徴とする請求項１の可変構造ターボチャージャ組立体。
3. 各羽根はタービンホイールの方へ向いた内側半径方向表面と、内側半径方向表面とは反対側の外側半径方向表面とを有し、軸方向羽根表面が半径方向表面間を延び、軸方向羽根表面は１又はそれ以上の中空区分を有することを特徴とする可変構造ターボチャージャ組立体。

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