JP5141335B2 - 可変ノズルユニット及び可変容量型ターボチャージャ - Google Patents

Description

本発明は、可変容量型ターボチャージャにおけるタービンインペラ側へ供給される排気ガスの流量を可変する可変ノズルユニット、及び可変容量型ターボチャージャに関する。

近年、エンジン回転数の低速域においても高効率を発揮できるように、タービンインペラ側へ供給される排気ガスの流量を可変する可変ノズルユニットを装備した可変容量型ターボチャージャが開発されている（特許文献１参照）。そして、その先行技術に係る可変容量型ターボチャージャにおける可変ノズルユニットの構成等について簡単に説明すると、次のようになる。

タービンハウジング内には、第１のベースリング部材としてノズルリングが設けられている。また、ノズルリングに対向する位置には、第２のベースリング部材としてのシュラウドリングがタービンインペラを囲むように設けられており、このノズルリングは、シュラウドリングと同心上に位置している。

シュラウドリングとシールリングとの間には、複数のノズルベーンが周方向に沿って等間隔に設けられており、各ノズルベーンは、シュラウドリングの軸心（換言すれば、シールリングの軸心）に平行な軸心周りにそれぞれ回動可能になっている。また、各ノズルベーンの一側面には、第１のベーン軸が一体形成されており、各第１のベーン軸は、ノズルリングに回動可能に支持されている。更に、各ノズルベーンの他側面には、第２のベーン軸が第１のベーン軸と同心上に一体形成されており、各第２のベーン軸は、シュラウドリングに回動可能に支持されている。なお、複数のノズルベーンは、適宜のアクチュエータの駆動によって同期機構を作動させつつ同期して回動するようになっている。

従って、エンジン回転数が高速域にある場合には、適宜のアクチュエータの駆動によって同期機構を作動させつつ、複数のノズルベーンを開く方向へ同期して回動させることにより、タービンインペラ側へ供給される排気ガスの流量を多くして、排気ガスの圧力を低くする。一方、エンジン回転数が低速域にある場合には、適宜のアクチュエータの駆動によって同期機構を作動させつつ、複数のノズルベーンを絞る方向（閉じる方向）へ同期して回動させることにより、タービンインペラ側へ供給される排気ガスの流量を少なくして、排気ガスの圧力を高くする。よって、エンジン回転数の低速域においても、タービンインペラの仕事量を十分に確保して高効率を発揮することができる。
特開２００７−２３１９３４号公報

ところで、通常、可変容量型ターボチャージャの性能向上を図るために、可変ノズルユニットのサイドノズル間隙（ベースリング部材の壁面とノズルベーンの側面との間隔）を小さく設定している。そのため、可変容量型ターボチャージャの運転中に、可変ノズルユニットの熱変形又はノズル軸の傾動が生じると、ノズルベーンの作動渋りが増大して、可変ノズルユニットの寿命、換言すれば、可変容量型ターボチャージャの寿命を十分に延ばすことが困難になる。一方、ノズルリングの壁面及びシュラウドノズルの壁面に溶射等によって低摩擦コートを形成するとにより、ノズルベーンの作動渋りを低減する対応策も採られているが、可変ノズルユニットの製造工程が増えて、可変ノズルユニットの製造コスト、換言すれば、可変容量型ターボチャージャの製造コストが増大する。

つまり、可変容量型ターボチャージャの製造コストの増大を抑えつつ、可変容量型ターボチャージャの寿命を十分に延ばすことは困難であるという問題がある。

そこで、本発明は、前述の問題を解決することができる、新規な構成の可変ノズルユニット及び可変容量型ターボチャージャを提供することを目的とする。

本発明の第１の特徴は、可変容量型ターボチャージャにおけるタービンインペラ側へ供給される排気ガスの流量を可変する可変ノズルユニットにおいて、対向して設けられた一対のベースリング部材と、一対の前記ベースリング部材の間に周方向に沿って等間隔に設けられ、前記ベースリング部材の軸心に平行な軸心周りにそれぞれ回動可能であって、少なくとも一方の側面に一体形成されかつ前記ベースリング部材に回動可能に支持されたベーン軸をそれぞれ備えた複数のノズルベーンと、を具備し、各ノズルベーンの一側面における前記ベーン軸の両側であって前記ベーン軸の軸心側部分にのみ、一方の前記ベースリング部材の壁面との接触を許容する第１の接触許容凸部がそれぞれ一体形成され、各第１の接触許容凸部の凸面が前記ノズルベーンの一側面に対して平行になっており、各ノズルベーンの他側面における前記ベーン軸の両側であって前記ベーン軸の軸心側部分にのみ、他方の前記ベースリング部材の壁面との接触を許容する第２の接触許容凸部がそれぞれ一体形成され、各第２の接触許容凸部の凸面が前記ノズルベーンの他側面に対して平行になっていることを要旨とする。

なお、本願の特許請求の範囲及び明細書中において、「設けられ」とは、直接的に設けられたことの他に、中間部材を介して間接的に設けられたことを含む意である。

第１の特徴によると、エンジン回転数が高速域にある場合には、複数の前記ノズルベーンを開く方向へ同期して回動させることにより、前記タービンインペラ側へ供給される排気ガスの流量を多くして、排気ガスの圧力を低くする。一方、エンジン回転数が低速域にある場合には、複数の前記ノズルベーンを絞る方向（閉じる方向）へ同期して回動させることにより、前記タービンインペラ側へ供給される排気ガスの流量を少なくして、排気ガスの圧力を高くする。よって、エンジン回転数の低速域においても、前記タービンインペラの仕事量を十分に確保して高効率を発揮することができる（前記可変ノズルユニットの一般的な作用）。

前記可変容量型ターボチャージャの運転中に、前記可変ノズルユニットの熱変形又は前記ベーン軸の傾動が生じると、前記ノズルベーンの一側面の両先端に先立って、前記第１の接触許容凸部が一方の前記ベースリング部材の壁面に接触したり、前記ノズルベーンの他側面の両先端に先立って、前記第２の接触許容凸部が他方の前記ベースリング部材に接触したりすることになる。これにより、前記第１の接触許容凸部及び前記第２の接触許容凸部が前記ノズルベーンの側面の先端よりも前記ベーンの軸心側に近い分だけ、前記ノズルベース部材の壁面に接触した際における前記ノズルベーンの回動負荷（回動抵抗）を低減することができる。つまり、前記ベースリング部材の壁面に溶射等によって低摩耗コートを形成しなくても、前記可変容量型ターボチャージャの運転中における前記ノズルベーンの作動渋りを十分に低減することができる（前記可変ノズルユニットの特有の作用）。

第２の特徴は、エンジンからの排気ガスのエネルギーを利用して、前記エンジンに供給される空気を過給する可変容量型ターボチャージャにおいて、第１の特徴からなる可変ノズルユニットを具備したことを要旨とする。

第２の特徴によると、第１の特徴による作用と同様の作用を奏する。

本発明によれば、前記ベースリング部材の壁面に溶射等によって低摩耗コートを形成しなくても、前記可変容量型ターボチャージャの運転中における前記ノズルベーンの作動渋りを十分に低減できるため、前記可変容量型ターボチャージャの製造コストの増大を抑えつつ、前記可変容量型ターボチャージャの寿命を十分に延ばすことができる。

本発明の実施形態について図１から図７を参照して説明する。ここで、図１は、図３における矢視部Iの拡大図、図２は、本発明の実施形態の作用を説明する図、図３は、図４におけるIII-III線に沿った断面図、図４は、本発明の実施形態に係る可変ノズルユニットの正面図、図５は、本発明の実施形態に係る可変ノズルユニットの背面図、図６は、図７における矢視部VIの拡大断面図、図７は、本発明の実施形態に係る可変容量型ターボチャージャの断面図である。なお、図面中、「Ｆ」は、前方向を指し、「Ｒ」は、後方向を指してある。

図６及び図７に示すように、本発明の実施形態に係る可変容量型ターボチャージャ１は、エンジン（図示省略）からの排気ガスのエネルギーを利用して、エンジンに供給される空気を過給するものである。また、可変容量型ターボチャージャ１は、ベアリングハウジング３を具備しており、このベアリングハウジング３の前側周縁部には、タービンハウジング５が設けられており、ベアリングハウジング３の後側周縁部には、コンプレッサハウジング７が設けられている。

ベアリングハウジング３内には、複数のベアリング９が設けられており、複数のベアリング９には、前後方向へ延びたタービン軸１１が回転可能に設けられている。また、タービンハウジング５内には、タービンインペラ１３が設けられており、このタービンインペラ１３は、タービン軸１１の前端部に一体的に連結されている。更に、コンプレッサハウジング７内には、コンプレッサインペラ１５が設けられており、このコンプレッサインペラ１５は、タービン軸１１の前端部に一体的に連結されている。

タービンハウジング５の適宜位置には、排気ガスを取り入れるガス取入口（図示省略）が形成されており、このガス取入口は、エンジンのシリンダ（図示省略）に接続可能である。また、タービンハウジング５の内部には、タービンスクロール流路１７がタービンインペラ１３を囲むように形成されており、このタービンスクロール流路１７は、ガス取入口に連通してある。更に、タービンハウジング５の前側（換言すれば、タービンインペラ１３の出口側）には、排気ガスを排出するガス排出口１９が形成されており、このガス排出口１９は、タービンスクロール流路１７に連通してあって、排気ガス浄化装置（図示省略）に接続可能である。

コンプレッサハウジング７の後側（換言すれば、コンプレッサインペラ１５の入口側）には、空気を取り入れる空気取入口２１が形成されており、この空気取入口２１は、エアクリーナー（図示省略）に接続可能である。また、ベアリングハウジング３とコンプレッサハウジング７には、圧縮された空気を昇圧する環状のディフューザ流路２３がコンプレッサインペラ１５を囲むように形成されており、このディフューザ流路２３は、空気取入口２１に連通してある。更に、コンプレッサハウジング７の内部には、コンプレッサスクロール流路２５がコンプレッサインペラ１５を囲むように形成されており、このコンプレッサスクロール流路２５は、ディフューザ流路２３に連通してある。そして、コンプレッサハウジング７の適宜位置には、圧縮された空気を排出する空気排出口（図示省略）が形成されており、この空気排出口は、コンプレッサスクロール流路２５に連通してあって、エンジンのシリンダに接続可能である。

従って、ガス取入口から取り入れた排気ガスがタービンスクロール流路１７を経由してタービンインペラ１３側へ供給されると、排気ガスのエネルギーによってタービンインペラ１３を回転駆動させることができ、コンプレッサインペラ１５をタービン軸１１を介して連動して回転駆動させることができる。これにより、空気取入口２１から取り入れた空気をコンプレッサインペラ１５によって圧縮して、ディフューザ流路２３及びコンプレッサスクロール流路２５を経由して空気排出口から排出することができ、エンジンのシリンダへ供給される空気を過給することができる。

タービンハウジング５内には、タービンインペラ１３側へ供給される排気ガスの流量を可変する可変ノズルユニット２７が設けられており、この可変ノズルユニット２７の具体的な構成は、次のようになる。

図１、図３、及び図４に示すように、タービンハウジング５内には、第１のベースリング部材としてノズルリング２９がタービンインペラ１３と同心上に設けられており、このノズルリング２９に前後に対向する位置には、第２のベースリング部材としてのシュラウドリング３１が複数の連結ピン３３を介してタービンインペラ１３を囲むように一体的かつノズルリング２９と同心上に設けられている。

ノズルリング２９の後側には、取付リング３５が複数の連結ピン３３を介して一体的に設けられており、この取付リング３５の外側周縁部は、タービンハウジング５とベアリングハウジング３に狭持されるようになっている。換言すれば、ノズルリング２９は、取付リング３５を介してタービンハウジング５内に設けられるようになっている。

ノズルリング２９とシュラウドリング３１の間には、複数のノズルベーン３７が周方向に沿って等間隔に設けられており、各ノズルベーン３７は、ノズルリング２９の軸心（シュラウドリング３１の軸心）に平行な軸心周りにそれぞれ回動可能である。また、各ノズルベーン３７の一側面（後側面）には、第１のベーン軸３９がそれぞれ一体形成されており、各第１のベーン軸３９は、ノズルリング２９に回動可能にそれぞれ支持されている。更に、各ノズルベーン３７の他側面（前側面）には、第２のベーン軸４１が第１のベーン軸３９と同心上にそれぞれ一体形成されており、各第２のベーン軸４１は、シュラウドリング３１に回動可能にそれぞれ支持されている。なお、ノズルベーン３７は、両端支持タイプであるが、例えば第２のベーン軸４１を省略することによりノズルベーン３７を片端支持タイプにしても構わない。

各ノズルベーン３７の一側面における第１のベーン軸３９の軸心側部分には、ノズルリング２９の壁面との接触を許容する一対の第１の接触許容凸部４３がそれぞれ一体形成されており、一対の第１の接触許容凸部４３は、第１のベーン軸３９の両側に位置している。また、各第１の接触許容凸部４３の凸面（後側面）は、それぞれノズルベーン３７の一側面に対して平行である。

各ノズルベーン３７の他側面における第２のベーン軸４１の軸心側部分には、シュラウドリング３１の壁面との接触を許容する一対の第２の接触許容凸部４５がそれぞれ一体形成されており、一対の第２の接触許容凸部４５は、第２のベーン軸４１の両側に位置している。また、各第２の接触許容凸部４５の凸面（前側面）は、それぞれノズルベーン３７の他側面に対して平行である。

図３、図４、及び図５に示すように、ノズルリング２９の後側には、複数のノズルベーン３７の回動動作を同期させる同期機構４７が設けられている。

具体的には、ノズルリング２９の後側には、ガイドリング４９が複数の連結ピン３３を介して設けられており、このガイドリング４９には、可動リング５１が回動可能に設けられている。また、可動リング５１は、ノズルリング２９と同心上に位置してあって、可動リング５１の内側には、ノズルベーン３７と同数の同期用係合凹部５３が周方向に沿って等間隔に形成されている。そして、各ベーン軸３９には、同期用伝達リンク５５の基端部が一体的にそれぞれ連結されており、各同期用伝達リンク５５の先端部は、対応する同期用係合凹部５３にそれぞれ係合してある。

可動リング５１の内側には、複数の同期用係合凹部５３の他に、駆動用係合凹部５７が形成されている。また、ベアリングハウジング３の前側下部には、ノズルリング２９の軸心に平行な軸心周りに回動可能な駆動軸５９が設けられており、この駆動軸５９の一端部（後端部）には、駆動レバー６１の基端部が一体的に連結されてあって、この駆動レバー６１には、シリンダ等のアクチュエータ（図示省略）が連動連結されている。そして、駆動軸５９の他端部（前端部）には、駆動用伝達リンク６３の基端部が一体的に連結され、駆動用伝達リンク６３の先端部は、駆動用係合凹部５７に係合してある。

続いて、本発明の実施形態の作用及び効果について説明する。

エンジン回転数が高速域にある場合には、アクチュエータの駆動によって駆動レバー６１を介して駆動用伝達リンク６３を一方向へ回動させることにより、同期機構４７を作動させつつ、複数のノズルベーン３７を開く方向へ同期して回動させる。これにより、タービンインペラ１３側へ供給される排気ガスの流量を多くして、排気ガスの圧力を低くすることができる。

一方、エンジン回転数が低速域にある場合には、アクチュエータの駆動によって駆動レバー６１を介して駆動用伝達リンク６３を他方向へ回動させることにより、同期機構４７を作動させつつ、複数のノズルベーン３７を絞る方向へ同期して回動させる。これにより、タービンインペラ１３側へ供給される排気ガスの流量を少なくして、排気ガスの圧力を高くすることができる。よって、エンジン回転数の低速域においても、タービンインペラ１３の仕事量を十分に確保して高効率を発揮することができる（可変ノズルユニット２７の一般的な作用）。

可変容量型ターボチャージャ１の運転中に、可変ノズルユニット２７の熱変形又はベーン軸３９，４１の傾動が生じると、図２に示すように、ノズルベーン３７の一側面の両先端Ｅ１ａ，Ｅ１ｂに先立って、第１の接触許容凸部４３がノズルリング２９の壁面に接触したり、ノズルベーン３７の他側面の両先端Ｅ２ａ，Ｅ２ｂに先立って、第２の接触許容凸部４５がシュラウドリング３１に接触したりすることになる。これにより、第１の接触許容凸部４３及び第２の接触許容凸部４５がノズルベーン３７の側面の両先端Ｅ１ａ，Ｅ１ｂ（Ｅ２ａ，Ｅ２ｂ）よりもベーン軸３９，４１の軸心Ｃ側に近い分だけ、ノズルリング２９及び／又はシュラウドリング３１の壁面に接触した際におけるノズルベーン３７の回動負荷（回動抵抗）を十分に低減することができる。つまり、ノズルリング２９及びシュラウドリング３１の壁面に溶射等によって低摩耗コートを形成しなくても、可変容量型ターボチャージャ１の運転中におけるノズルベーン３７の作動渋りを十分に低減することができる（可変ノズルユニット２７の特有の作用）。

従って、本発明の実施形態によれば、可変容量型ターボチャージャ１の製造コストの増大を抑えつつ、可変容量型ターボチャージャ１の寿命を十分に延ばすことができる。

なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限られるものではなく、その他、種々の態様で実施可能である。また、本発明に包含される権利範囲は、これらの実施形態に限定されないものである。

図３における矢視部Iの拡大図である。 本発明の実施形態の作用を説明する図である。 図４におけるIII-III線に沿った断面図である。 本発明の実施形態に係る可変ノズルユニットの正面図である。 本発明の実施形態に係る可変ノズルユニットの背面図である。 図７における矢視部VIの拡大断面図である。 本発明の実施形態に係る可変容量型ターボチャージャの断面図である。

符号の説明

１ 可変容量型ターボチャージャ
１３ タービンインペラ
２７ 可変ノズルユニット
２９ ノズルリング（第１のベースリング部材）
３１ シュラウドリング（第２のベースリング部材）
３９ 第１のベーン軸
４１ 第２のベーン軸
４３ 第１の接触許容凸部
４５ 第２の接触許容凸部
４７ 同期機構

Claims (4)

1. 可変容量型ターボチャージャにおけるタービンインペラ側へ供給される排気ガスの流量を可変する可変ノズルユニットにおいて、
   対向して設けられた一対のベースリング部材と、
   一対の前記ベースリング部材の間に周方向に沿って等間隔に設けられ、前記ベースリング部材の軸心に平行な軸心周りにそれぞれ回動可能であって、少なくとも一方の側面に一体形成されかつ前記ベースリング部材に回動可能に支持されたベーン軸をそれぞれ備えた複数のノズルベーンと、を具備し、
   各ノズルベーンの一側面における前記ベーン軸の両側であって前記ベーン軸の軸心側部分にのみ、一方の前記ベースリング部材の壁面との接触を許容する第１の接触許容凸部がそれぞれ一体形成され、各第１の接触許容凸部の凸面が前記ノズルベーンの一側面に対して平行になっており、各ノズルベーンの他側面における前記ベーン軸の両側であって前記ベーン軸の軸心側部分にのみ、他方の前記ベースリング部材の壁面との接触を許容する第２の接触許容凸部がそれぞれ一体形成され、各第２の接触許容凸部の凸面が前記ノズルベーンの他側面に対して平行になっていることを特徴とする可変ノズルユニット。
2. 前記ベーン軸は、前記ノズルベーンの一側面に一体形成されかつ一方の前記ベースリング部材に回動可能に支持された第１のベーン軸と、前記ノズルベーンの他側面に前記第１のベーン軸と同心上に一体形成されかつ他方の前記ベースリング部材に回動可能に支持された第２のベーン軸であることを特徴とする請求項１に記載の可変ノズルユニット。
3. 複数の前記ノズルベーンの回動動作を同期させる同期機構を具備したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の可変ノズルユニット。
4. エンジンからの排気ガスのエネルギーを利用して、前記エンジンに供給される空気を過給する可変容量型ターボチャージャにおいて、
   請求項１から請求項３のうちのいずれかの請求項に記載の発明特定事項からなる可変ノズルユニットを具備したことを特徴とする可変容量型ターボチャージャ。

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