JP6970310B2 - ノズルベーン - Google Patents

Description

本開示は、可変容量ターボチャージャのノズルベーンに関する。

近年、燃費改善を目的として、ノズルの開度を調整することにより排気ガスの流れ特性を変化させることのできる可変容量ターボチャージャが自動車に搭載されるようになっている。このような可変容量ターボチャージャの構成が特許文献１に開示されている。可変容量ターボチャージャには、ノズルの開度を調整するためにノズルベーンを回動させるアクチュエータが設けられているが、ノズルベーンは、アクチュエータから与えられるトルクと、排気ガスによって与えられるトルクと、ノズルベーンが回動し始める瞬間に働く摩擦力とを合算したトルクによって回動する。

ノズルの開度が増加する方向にノズルベーンを回動させるトルクの値を正とすると、従来のノズルベーンでは、排気ガスの質量流量が増加するに従いトルクが低下する傾向があり、排気ガスの質量流量が十分に大きいと、トルクが負の値になってノズル開度が低下する場合がある。可変容量ターボチャージャの稼働中にアクチュエータが壊れた際のトルクが負の場合、ノズルの開度が低下することによって、ノズルからタービンホイールに流入する排気ガスの流速が上昇するので、タービンホイールの回転速度を増加させ、オーバーブースト、ひいてはエンジンの故障を招くおそれがある。

また、トルクが負であることは摩擦力が支配的であることを意味していることから、トルクが負の場合には、アクチュエータから与えられるトルクが同じでも、ノズルの開度が必ずしも同じにならなくなる。その結果、排気ガスの質量流量にヒステリシスが生じ、空燃比及びエンジン出力の低下を引き起こしてしまうおそれがある。

欧州特許第１７９７２８３号明細書

このようなエンジンの故障のおそれと、空燃比及びエンジンの出力の低下とを抑制するためには、排気ガスの質量流量の全領域において、トルクを上昇させる必要がある。しかしながら、既存の可変容量ターボチャージャにおいてトルクを上昇させる上で、１）ノズルベーンの回動中心の位置と、２）ノズルベーンの数と、３）ノズルが全開時のノズルベーンの後縁の位置とを変えられないという制約がある。これらの制約は、上記１）及び２）を変更してしまうと、ノズルウェークによるタービンホイールの共振モードに影響を与え、上記３）を変更してしまうと、排気ガスの質量流量の最大許容量が変化してしまうことに基づくものである。

特許文献１では、トルクを上昇させるために、ノズルベーンの回動中心と前縁との間の距離をＸｐとするとともにノズルベーンのコード長をＣとしたときに、０．２５＜（Ｘｐ／Ｃ）＜０．４５となる形状のノズルベーンを提案している。しかしながら、このような形状を実現するためには、ノズルベーンの回動中心の位置を前縁側に移動させる必要があり、上記制約１）に引っ掛かってしまう。

上述の事情に鑑みて、本開示の少なくとも１つの実施形態は、可変容量ターボチャージャにおいて排気ガスによって与えられる開方向のトルクを大きくすることのできるノズルベーンを提供することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも１つの実施形態に係るノズルベーンは、
可変容量ターボチャージャのノズルベーンであって、
前記ノズルベーンのコード長をＬとし、前記ノズルベーンの前縁と前記ノズルベーンの回動中心との間の距離をＸｐとすると、０．４５＜（Ｘｐ／Ｌ）≦０．６０である。

上記（１）の構成によれば、（Ｘｐ／Ｌ）＜０．４５のようなノズルベーンと比べて、可変容量ターボチャージャのタービンホイールの回転中心からノズルベーンの前縁近傍の圧力面までの距離が長くなる。可変容量ターボチャージャにおいて、渦巻き状のタービンスクロールを流通した排気ガスは、隣り合うノズルベーン間に形成される各流路内において円弧状に湾曲した流れとなる。この流れは、各流路を画定する圧力面に向かって凸状に湾曲する。一般に自由渦では、内径側ほど流体の流速は大きくなるが、圧力面に向かって凸状に湾曲する排気ガスの流れにこの原理を適用すれば、タービンホイールの回転中心からノズルベーンの前縁近傍の圧力面までの距離が長くなるほど、ノズルベーンの前縁近傍の圧力面に沿った排気ガスの流速が小さくなり、その結果、前縁付近の圧力面に生じる静圧が大きくなる。前縁付近の圧力面に生じる静圧が大きくなることにより、前縁付近における圧力面側と負圧面側との間の静圧差が大きくなる。これにより、排気ガスによってノズルベーンに与えられる開方向のトルクを大きくすることができる。

（２）本発明の少なくとも１つの実施形態に係るノズルベーンは、
可変容量ターボチャージャのノズルベーンであって、
前記ノズルベーンは、少なくとも翼高さ方向中央位置において、前縁と、後縁と、圧力面と、負圧面とを含む翼形状を有し、
前記翼形状において、前記前縁から前記後縁に向かって１０％〜６０％のコード位置における前記負圧面上の２点を結ぶ第１線分から、前記２点間の前記負圧面上の任意の点までの距離の最大値をＷ１_ｍａｘとし、前記第１線分の長さをＬ１とすると、０≦（Ｗ１_ｍａｘ／Ｌ１）＜０．０５であり、前記２点のコード位置は互いに対して１０％以上離れている。

排気ガスの質量流量が大きい場合、開方向のノズルベーンの回動角度が大きくなる。このため、排気ガスは、負圧面で剥離が起こるような角度でタービンスクロールからノズルベーンに入射する。これにより、負圧面で静圧が小さくなるので、ノズルベーンに与えられる開方向のトルクが大きくなる。上記（２）の構成によれば、負圧面に略平坦な部分が存在するため、負圧面全体が凸状に湾曲している構成と比べて負圧面における剥離が大きくなる。これにより、排気ガスの質量流量が大きい場合に、ノズルベーンに与えられる開方向のトルクを大きくすることができる。

（３）いくつかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記ノズルベーンは、少なくとも翼高さ方向中央位置において、前縁と、後縁と、圧力面と、負圧面とを含む翼形状を有し、
前記翼形状において、前記前縁から前記後縁に向かって１０％〜６０％の範囲のコード位置における前記負圧面上の２点を結ぶ第１線分から、前記２点間の前記負圧面上の任意の点までの距離の最大値をＷ１_ｍａｘとし、前記第１線分の長さをＬ１とすると、０≦（Ｗ１_ｍａｘ／Ｌ１）＜０．０５であり、前記２点のコード位置は互いに対して１０％以上離れている。

上記（３）の構成によれば、上記（１）及び（２）の両方の作用効果を得ることができるので、排気ガスの質量流量の広範囲にわたって、ノズルベーンに与えられる開方向のトルクを大きくすることができる。

（４）いくつかの実施形態では、上記（２）又は（３）の構成において、
前記２点はそれぞれ、前記前縁から前記後縁に向かって１０％及び６０％のコード位置にある。
上記（４）の構成によれば、剥離が生じやすい領域に略平坦な部分が存在することにより、負圧面に確実に剥離が起こるようになるので、排気ガスの質量流量が大きい場合に、ノズルベーンに与えられる開方向のトルクをより大きくすることができる。

（５）いくつかの実施形態では、上記（１）〜（４）のいずれかの構成において、
前記ノズルベーンは、少なくとも翼高さ方向中央位置において、前縁と、後縁と、圧力面と、負圧面とを含む翼形状を有し、
前記翼形状において、前記前縁から前記後縁に向かって６０％のコード位置における前記圧力面上の定点と前記後縁とを結ぶ第２線分から、前記後縁と前記定点との間における前記圧力面上の任意の点までの距離の最大値をＷ２_ｍａｘとし、前記第２線分の長さをＬ２とすると、０≦（Ｗ２_ｍａｘ／Ｌ２）＜０．０３である。

上記（５）の構成によると、圧力面の後縁付近に略平坦な部分が存在する。この構成では、この部分が凹状に湾曲した構成よりも、圧力面は、当該圧力面と共に流路を形成する負圧面側に位置することになる。そうすると、後縁付近で圧力面に沿った排気ガスの流速が大きくなり、その結果、後縁付近の圧力面に生じる静圧が小さくなる。後縁付近の圧力面に生じる静圧が小さくなることにより、後縁付近における圧力面側と負圧面側との間の静圧差が小さくなる。これにより、排気ガスによってノズルベーンに与えられる開方向のトルクを大きくすることができる。

（６）いくつかの実施形態では、上記（５）の構成において、
前記ノズルベーンは、ハブ側縁及びチップ側縁を備え、
前記ハブ側縁から前記チップ側縁に向かう方向に前記ハブ側縁から翼高さの少なくとも３０〜７０％の領域において、前記ノズルベーンは前記翼形状を有する。

上記（６）の構成によると、圧力面の後縁付近において翼高さ方向中央位置を含む比較的広い範囲に略平坦な部分が存在する。この略平坦な部分が翼高さ方向に広いほど、静圧が小さくなる範囲が広くなるので、排気ガスによってノズルベーンに与えられる開方向のトルクをさらに大きくすることができる。

（７）いくつかの実施形態では、上記（５）または（６）の構成において、
前記翼形状において、前記圧力面及び前記負圧面のそれぞれから等しい距離にあるキャンバーラインは、少なくとも前記前縁から前記後縁に向かって６０％のコード位置から前記後縁までの範囲で直線状であるとともに、前記前縁と前記後縁との間で前記前縁と前記後縁とを結ぶコードラインと交差しない。
上記（７）の構成によると、圧力面を上記（５）または（６）の構成にしても、負圧面の構成が複雑化することを抑制できる。

（８）いくつかの実施形態では、上記（７）の構成において、
前記翼形状において、前記負圧面は、前記後縁に接続する領域の曲率よりも前記前縁に接続する領域の曲率の方が大きくなるように構成されている。

排気ガスの質量流量が大きい場合、開方向のノズルベーンの回動角度が大きくなる。このため、排気ガスは、負圧面の前縁付近で剥離が起こるような角度でタービンスクロールからノズルベーンに入射する。これにより、負圧面の前縁付近で静圧が小さくなり、前縁付近における圧力面側と負圧面側との圧力差が大きくなるので、ノズルベーンの前縁側に生じる開方向の力（モーメント）が大きくなる。ノズルベーンの前縁側に生じる開方向のモーメントが大きくなると、排気ガスによってノズルベーンに与えられる開方向のトルクが非常に大きくなるので、アクチュエータを損傷するおそれがある。上記（８）の構成によれば、負圧面の前縁側の曲率及び厚さが大きくなることから、剥離の発生が抑えられて前縁付近の負圧面に生じる静圧の低下が抑制されるので、ノズルベーンの前縁側に生じる開方向のモーメントの増大が抑制される。その結果、排気ガスによってノズルベーンに与えられる開方向のトルクの増大を抑えることができる。

本開示の少なくとも１つの実施形態によれば、（Ｘｐ／Ｌ）＜０．４５のようなノズルベーンと比べて、可変容量ターボチャージャのタービンホイールの回転中心からノズルベーンの前縁近傍の圧力面までの距離が長くなる。可変容量ターボチャージャにおいて、渦巻き状のタービンスクロールを流通した排気ガスは、隣り合うノズルベーン間に形成される各流路内において円弧状に湾曲した流れとなる。この流れは、各流路を画定する圧力面に向かって凸状に湾曲する。一般に自由渦では、内径側ほど流体の流速は大きくなるが、圧力面に向かって凸状に湾曲する排気ガスの流れにこの原理を適用すれば、当該距離が長くなるほど、ノズルベーンの前縁近傍の圧力面に沿った排気ガスの流速が小さくなり、その結果、前縁付近の圧力面に生じる静圧が大きくなる。前縁付近の圧力面に生じる静圧が大きくなることにより、前縁付近における圧力面側と負圧面側との間の静圧差が大きくなる。これにより、排気ガスによってノズルベーンに与えられる開方向のトルクを大きくすることができる。

本開示の実施形態１に係るノズルベーンを含む可変容量ターボチャージャのタービンの断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。 本開示の実施形態１に係るノズルベーンの翼高さ方向中央位置における翼形状を示す図である。 本開示の実施形態１に係るノズルベーンにおいて開方向のトルクが大きくなる原理を説明するための図である。 本開示の実施形態２に係るノズルベーンの翼高さ方向中央位置における翼形状の負圧面の拡大図である。 本開示の実施形態２に係るノズルベーンにおいて開方向のトルクが大きくなる原理を説明するための図である。 本開示の実施形態２に係るノズルベーンの翼高さ方向中央位置における翼形状の負圧面の変形例の拡大図である。 本開示の実施形態３に係るノズルベーンの翼高さ方向中央位置における翼形状を示す図である。 本開示の実施形態３に係るノズルベーンの後縁付近の圧力面においてトルクが増大する原理を説明するための図である。 本開示の実施形態３に係るノズルベーンの変形例の後縁付近の圧力面の構成を示す図である。 本開示の実施形態３に係るノズルベーンの別の変形例の後縁付近の圧力面の構成を示す図である。 本開示の実施形態４に係るノズルベーンの翼高さ方向中央位置における翼形状を示す図である。 本開示の実施形態４に係るノズルベーンの各種変形例の翼高さ方向中央位置における翼形状を示す図である。

以下、図面を参照して本発明のいくつかの実施形態について説明する。ただし、本発明の範囲は以下の実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、本発明の範囲をそれにのみ限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

（実施形態１）
図１に示されるように、可変容量ターボチャージャ１のタービン２は、渦巻き状のタービンスクロール５が形成されたタービンハウジング３と、タービンハウジング３内においてタービンスクロール５の径方向内側に回動可能に設けられたタービンホイール７と、タービンスクロール５からタービンホイール７へ流通する排気ガスの流路面積を制御する可変ノズル機構９とを備えている。

可変ノズル機構９は、ノズル１５と、軸受ハウジング１３に固定されたノズルマウント１７と、ノズルプレート１８とを備えている。ノズル１５は、タービンホイールの周囲を取り囲むように設けられた複数のノズルベーン１５ａと、各ノズルベーン１５ａに固定されたノズル軸１５ｂとを有している。各ノズル軸１５ｂは、ノズルマウント１７に回動可能に支持されている。各ノズル軸１５ｂは、リンク機構２１を介してアクチュエータ（図示せず）に連結されており、アクチュエータから与えられるトルクによって各ノズル軸１５ｂが回動し、各ノズル軸１５ｂの回動によってノズルベーン１５ａが回動するように構成されている。

図２に示されるように、隣り合うノズルベーン１５ａ，１５ａ間に、タービンスクロール５を流通した排気ガスＧが流通する流路２３が形成されている。流路２３を挟んで、外周側のタービンスクロール５側は排気ガスＧにより高圧側Ｈとなり、内周側のタービンホイール７側は低圧側Ｕとなっている。タービンスクロール５を通過した排気ガスは、一定の流れ角を伴って流路２３に流れ込む。その際、流れに面する圧力面２５は圧力が上昇し、反対に負圧面２７側は圧力が低い。この圧力差によって、ノズルベーン１５ａにはノズル軸１５ｂを回動中心としてノズルベーン１５ａの前縁２９側においては、流路２３の開方向のモーメントＭ（＋）が生じ、後縁３１側においては流路２３の閉方向のモーメントＭ（−）が生じる。これらのモーメントＭ（−）及びＭ（＋）のバランスしたものが、排気ガスＧによってノズルベーン１５ａに与えられるトルクとなる。

図３は、ノズルベーン１５ａの翼高さ方向中央位置における翼形状４０を示している。前縁２９と後縁３１との間の距離、すなわちノズルベーン１５ａのコード長をＬとし、前縁２９とノズル軸１５ｂとの間、すなわち、前縁２９とノズルベーン１５ａの回動中心との間の距離をＸｐとすると、０．４５＜（Ｘｐ／Ｌ）≦０．６０となっている。翼形状４０において、ノズル軸１５ｂを通りコードラインＣｈＬに垂直な仮想線ＶＬと、ノズルベーン１５ａの圧力面２５及び負圧面２７のそれぞれとの交点Ｐ５及びＰ７とすると、ノズル軸１５ｂは、交点Ｐ５及びＰ７間の仮想線ＶＬ上に位置している。

図３には、このような条件を満たすノズルベーン１５ａと並列するように、（Ｘｐ／Ｌ）＜０．４５となるノズルベーン１００を図示している。ノズルベーン１５ａ及びノズルベーン１００それぞれの長さ方向における回動中心（ノズル軸１０１）の位置が同じになるように両者を並列させた場合、それぞれの長さ方向における後縁３１及び１００ｂの位置が同じになっている。これにより、ノズルベーン１５ａはノズルベーン１００に対して、可変容量ターボチャージャにおける回動中心の位置及び全開時の後縁３１の位置を不変にすることができる。一方で、ノズルベーン１５ａ及びノズルベーン１００それぞれの長さ方向における前縁２９及び１００ａの位置については、前者の方が後者に比べて回動中心から離れた位置になっている。

次に、可変容量ターボチャージャ１の動作について説明する。図２に示されるように、タービンスクロール５からの排気ガスＧの流量に応じて、図示しないアクチュエータがリンク機構２１（図１参照）を介して各ノズル軸１５ｂを回動させ、各ノズル軸１５ｂの回動によってノズルベーン１５ａが回動する。この際、各ノズルベーン１５ａは、アクチュエータから与えられるトルクと、排気ガスＧによって与えられるトルクと、各ノズルベーン１５ａが回動し始める瞬間に働く摩擦力とを合算したトルクによって回動する。各ノズルベーン１５ａが回動することにより、各流路２３の流路面積が変化する、すなわちノズル１５の開度が変化し、排気ガスＧの流量に基づくノズル１５の開度制御が行われる。

渦巻き状のタービンスクロール５（図１参照）を流通した排気ガスＧは、各流路２３内において円弧状に湾曲した流れとなる。この流れは、各流路２３を画定する圧力面２５に向かって凸状に湾曲する。一般に自由渦では、内径側ほど流体の流速は大きくなるが、この原理を、圧力面２５に向かって凸状に湾曲する排気ガスＧの流れに適用すれば、図４（ａ）に示されるように、タービンホイールの回転中心Ｏ_Ｔからノズルベーン１５ａの前縁２９近傍の圧力面２５までの距離Ｒ１が長くなるほど、ノズルベーン１５ａの前縁２９近傍の圧力面２５に沿った排気ガスの流速が小さくなる。

図３において説明したように、ノズルベーン１５ａ及びノズルベーン１００それぞれの長さ方向における前縁２９及び１００ａの位置については、前者の方が後者に比べて回動中心から離れた位置になっている。このため、図４（ａ）及び（ｂ）のそれぞれに示されるように、距離Ｒ１は、タービンホイールの回転中心Ｏ_Ｔからノズルベーン１００の前縁１００ａ近傍の圧力面１０２までの距離Ｒ２よりも大きくなる（Ｒ１＞Ｒ２）。その結果、ノズルベーン１５ａはノズルベーン１００に比べて、前縁２９近傍の圧力面２５に沿った排気ガスの流速が小さくなるので、前縁２９近傍の圧力面２５に生じる静圧が大きくなる。前縁２９付近の圧力面２５に生じる静圧が大きくなることにより、前縁２９付近における圧力面２５側と負圧面２７側との間の静圧差が大きくなる。これにより、前縁２９側における開方向のモーメントＭ（＋）が大きくなるので、排気ガスによってノズルベーン１５ａに与えられる開方向のトルクを大きくすることができる。

（実施形態２）
次に、実施形態２に係るノズルベーンについて説明する。実施形態１では、負圧面２７の構成については特に言及しなかったが、実施形態２に係るノズルベーンは、実施形態１に対して、負圧面２７の構成を限定したものである。尚、実施形態２において、実施形態１の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図５に示されるように、翼形状４０において、前縁２９から後縁３１に向かう方向にコード位置を定義すると、負圧面２７は、１０％から６０％のコード位置の範囲に直線部分４３を含んでいる。すなわち、負圧面２７は、ノズルベーン１５ａの翼高さ方向中央位置において、１０％から６０％のコード位置の範囲に平坦部分４６を含んでいる。その他の構成は実施形態１と同じである。

実施形態１で説明したように、排気ガスの質量流量が大きい場合、開方向のノズルベーン１５ａの回動角度が大きくなる。このため、排気ガスは、図６に示されるように、負圧面２７で剥離ＦＳが起こるような角度でノズルベーン１５ａに入射する。この実施形態２では、１０％から６０％のコード位置の範囲における負圧面２７に平坦部分４６が形成されているので、負圧面２７にこのような平坦部分がない場合に比べて、剥離ＦＳが起こりやすくなる。負圧面２７で剥離ＦＳが起こると、負圧面２７で静圧が小さくなるので、ノズルベーン１５ａに与えられる開方向のトルクが大きくなる。その結果、排気ガスの質量流量が大きい場合に、ノズルベーン１５ａに与えられる開方向のトルクを大きくすることができる。

実施形態２では、負圧面２７は、１０％から６０％のコード位置の範囲に平坦部分４６を含んでいたが、平坦部分４６は必ずしも完全に平坦である必要はない。図７に示されるように、１０％及び６０％のコード位置における負圧面２７上の２点Ｐ１１及びＰ１２を結ぶ第１線分ＬＳ１から、２点Ｐ１１，Ｐ１２間の負圧面２７上の任意の点Ｐ１３までの距離の最大値をＷ１_ｍａｘとし、第１線分ＬＳ１の長さをＬ１とすると、０≦（Ｗ１_ｍａｘ／Ｌ１）＜０．０５であってもよい。尚、図７では、１０％から６０％のコード位置の範囲において、負圧面２７は、第１線分ＬＳ１に対して圧力面２５とは反対側に向かって凸状に湾曲しているが、第１線分ＬＳ１に対して圧力面２５側に凹状に湾曲してもよいし、凸状に湾曲した部分及び凹状に湾曲した部分を少なくとも１つずつ有してもよい。この形態は、平坦部分４６は完全に平坦でなくても、多少の凸凹や湾曲等を含む略平坦な部分であってもよいことを意味する。

実施形態２では、負圧面２７は、１０％から６０％のコード位置の範囲において平坦部分４６又は略平坦な部分を含んでいるが、この形態に限定するものではない。負圧面２７が平坦部分４６を含む場合、１０％から６０％のコード位置の範囲内において平坦部分４６の両端のコード位置が互いに対して１０％以上離れるようになっていてもよく、また、負圧面２７が略平坦な部分を含む場合、２点Ｐ１１，Ｐ１２のコード位置が互いに対して１０％以上離れるようになっていてもよい。

実施形態２では、実施形態１に対して、負圧面２７に平坦部分４６又は略平坦な部分が設けられるように負圧面２７の構成を限定しているが、この形態に限定するものではない。実施形態１の構成を有さずに、負圧面２７に上記平坦部分４６又は略平坦な部分を設けてもよい。この構成では、ノズルベーン１５ａのトルクが低下する傾向のある高排気ガス質量流量の条件で、ノズルベーン１５ａに与えられる開方向のトルクを大きくすることができるので、排気ガスの質量流量の広範囲にわたってトルクを上昇させることができる。

（実施形態３）
次に、実施形態３に係るノズルベーンについて説明する。実施形態１及び２では、後縁３１近傍の圧力面２５の構成については特に言及しなかったが、実施形態３に係るノズルベーンは、実施形態１又は２に対して、後縁３１近傍の圧力面２５の構成を限定したものである。以下の説明では、実施形態１に対して後縁３１近傍の圧力面２５の構成を限定することにより実施形態３を説明するが、実施形態２に対して後縁３１近傍の圧力面２５の構成を限定することにより実施形態３を構成してもよい。尚、実施形態３において、実施形態１の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図８は、ノズルベーン１５ａの翼高さ方向中央位置における翼形状４０を示している。翼形状４０において、圧力面２５は、６０％から１００％のコード位置の範囲に直線部分３３を含んでいる。すなわち、圧力面２５は、ノズルベーン１５ａの翼高さ方向中央位置において、６０％から１００％のコード位置の範囲に平坦部分２６を含んでいる。その他の構成は実施形態１と同じである。

図２に示されるように、排気ガスＧの流量に基づくノズル１５の開度制御の動作は実施形態１と同じである。排気ガスＧの流量が小さい場合のように、ノズル１５を所定開度に制御するためにアクチュエータから各ノズルベーン１５ａに与えられるトルクが小さい場合、排気ガスＧによって与えられるトルクも小さいので、合算したトルクがノズル１５の開方向に小さい値、又は、ノズル１５の閉方向の値になってしまい、各ノズルベーン１５ａの回動にばらつきが生じて、ノズル１５の開度が周方向にばらつく現象が生じてしまう。このような現象が生じると、ノズル１５を所定開度に制御したつもりでも、タービンホイール７に流れる排気ガスＧの流量が異なるようになり、可変容量ターボチャージャ１（図１参照）を搭載したエンジンの性能に悪影響をもたらす可能性がある。

しかしながら、図８に示されるように、実施形態３に係るノズルベーン１５ａでは、圧力面２５が、ノズルベーン１５ａの翼高さ方向中央位置において、６０％から１００％のコード位置の範囲に平坦部分２６を含むことにより、ノズルベーン１５ａの後縁３１側における閉方向のモーメントＭ（−）を小さくする効果を有する。この効果が得られる原理を、図９に基づいて以下に説明する。

上述したように、渦巻き状のタービンスクロール５（図１参照）を流通した排気ガスＧは、各流路２３内において円弧状に湾曲した流れとなる。この流れは、各流路２３を画定する圧力面２５に向かって凸状に湾曲する。一般に自由渦では、内径側ほど流体の流速は大きくなるが、この原理を、圧力面２５に向かって凸状に湾曲する排気ガスＧの流れに適用すれば、圧力面２５と共に流路２３を画定する負圧面２７側の流れほど排気ガスＧの流速は大きくなる。

実施形態３に係るノズルベーン１５ａのように、圧力面２５の後縁３１付近に平坦部分２６が存在すると、この部分が凹状に湾曲した構成２００よりも、圧力面２５は、圧力面２５と共に流路２３を画定する負圧面２７側に位置することになる。そうすると、後縁３１付近で圧力面２５に沿った排気ガスの流速が大きくなり、その結果、後縁３１付近の圧力面２５に生じる静圧が小さくなる。後縁３１付近の圧力面２５に生じる静圧が小さくなることにより、後縁３１付近における圧力面２５側と負圧面２７側との間の静圧差が小さくなるので、ノズルベーン１５ａの後縁３１側における閉方向のモーメントＭ（−）が小さくなる。

閉方向のモーメントＭ（−）が小さくなれば、摩擦力に対するベーントルクをノズル１５の開方向に大きくできるので、各ノズルベーン１５ａの回動のばらつきを抑えて、ノズル１５の開度の周方向のばらつきを抑えることができる。これにより、ノズル１５を確実に所定開度に制御できるようになり、ノズル１５の開度に応じた流量の排気ガスＧがタービンホイール７に流れるようになるので、可変容量ターボチャージャ１（図１参照）を搭載したエンジンの性能の悪影響を抑えることができる。

このように、圧力面２５の後縁３１付近に平坦部分２６が存在すると、この部分が凹状に湾曲した構成２００よりも、圧力面２５は、圧力面２５と共に流路２３を形成する負圧面２７側に位置することになる。そうすると、後縁３１付近で圧力面２５に沿った排気ガスＧの流速が大きくなり、その結果、後縁３１付近の圧力面２５に生じる静圧が小さくなる。後縁３１付近の圧力面２５に生じる静圧が小さくなることにより、後縁３１付近における圧力面２５側と負圧面２７側との間の静圧差が小さくなる。これにより、排気ガスＧによってノズルベーン１５ａに与えられる開方向のトルクを大きくすることができる。

実施形態３では、図８に示されるように、平坦部分２６は、６０％から１００％のコード位置の範囲に形成されていたが、この形態に限定するものではない。平坦部分２６は、少なくとも６０％から１００％のコード位置の範囲に形成されていればよく、６０％のコード位置よりも前縁２９側の範囲にまで平坦部分２６が形成されていてもよい。

実施形態３では、平坦部分２６は、ノズルベーン１５ａの翼高さ方向中央位置に形成されていたが、この形態に限定するものではない。ノズルベーン１５ａの少なくとも翼高さ方向中央位置に平坦部分２６が形成されていればよく、図１０に示されるように、ハブ側縁３２からチップ側縁３４に向かう方向にハブ側縁３２から翼高さの少なくとも３０〜７０％の領域Ａに平坦部分２６が形成されてもよい。平坦部分２６が翼高さ方向に広いほど、静圧が小さくなる範囲が広くなるので、ノズルベーン１５ａの後縁３１側における閉方向のモーメントＭ（−）（図９参照）を小さくすることができる。したがって、閉方向のモーメントＭ（−）を小さくするために、平坦部分２６は領域Ａよりもさらに広い範囲に形成してもよく、平坦部分２６をハブ側縁３２からチップ側縁３４まで全翼高さに渡って形成してもよい。

実施形態３では、平坦部分２６は完全に平坦な構成であったが、この形態に限定するものではない。図１１に示されるように、翼形状４０において、６０％のコード位置における圧力面２５上の定点Ｐ１と後縁３１とを結ぶ第２線分ＬＳ２から、後縁３１と定点Ｐ１との間における圧力面２５上の任意の点Ｐ２までの距離の最大値をＷ２_ｍａｘとし、第２線分ＬＳ２の長さをＬ２とすると、０≦（Ｗ２_ｍａｘ／Ｌ２）＜０．０３であってもよい。図１１では、６０％から１００％のコード位置の範囲において、圧力面２５は、第２線分ＬＳ２に対して負圧面２７とは反対側に向かって凸状に湾曲しているが、第２線分ＬＳ２に対して負圧面２７側に凹状に湾曲してもよいし、凸状に湾曲した部分及び凹状に湾曲した部分を少なくとも１つずつ有してもよい。この形態は、平坦部分２６は完全に平坦でなくても、多少の凸凹や湾曲等を含む略平坦な部分であってもよいことを意味する。

（実施形態４）
次に、実施形態４に係るノズルベーンについて説明する。実施形態３では、負圧面２７の構成については特に言及しなかったが、実施形態４に係るノズルベーンは、実施形態３に対して、負圧面２７の構成を限定したものである。尚、実施形態４において、実施形態３の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図１２に示されるように、本開示の実施形態４に係るノズルベーン１５ａは、翼形状４０において実施形態３と同じ形状の圧力面２５を有している。一方、負圧面２７は、実施形態３と同じ形状の圧力面２５に対して、圧力面２５及び負圧面２７のそれぞれから等しい距離にあるキャンバーラインＣａＬが以下に説明するような構成となる形状を有している。その他の構成は実施形態３と同じである。

図１２のグラフは、本開示の実施形態４に係るノズルベーン１５ａの翼形状４０におけるキャンバーラインＣａＬの形状を示している。このグラフにおいて、横軸は、ノズルベーン１５ａのコード位置をとるとともに、縦軸は、前縁２９と後縁３１とを結ぶコードラインＣｈＬからの距離をとっている。この距離は、コードラインＣｈＬから負圧面２７側に向かう方向の距離を正の値としている。

キャンバーラインＣａＬは、コード位置が６０％から１００％までの範囲で直線状になっている。キャンバーラインＣａＬは、コード位置が０％から６０％までの範囲では、コードラインＣｈＬに対して圧力面２５側で湾曲している。したがって、キャンバーラインＣａＬは、前縁２９と後縁３１との間でコードラインＣｈＬと交差しない。すなわち、コードラインＣｈＬからキャンバーラインＣａＬまでの距離は、前縁２９と後縁３１との間で、負の値から正の値に変化することはない（この距離の符号が変わる点を変曲点と呼ぶと、前縁２９と後縁３１との間で変曲点は存在しない）。本開示の実施形態４に係るノズルベーン１５ａは、本開示の実施形態３と同じ形状の圧力面２５を有した上で、翼形状４０においてキャンバーラインＣａＬがこのような形状となることにより、負圧面２７の構成が複雑化することを抑制できる。

また、本開示の実施形態４に係るノズルベーン１５ａの翼形状４０において、負圧面２７は、後縁３１に接続する領域Ｂの曲率よりも前縁２９に接続する領域Ｃの曲率の方が大きくなるように構成されていてもよい。

実施形態２で説明したように、排気ガスの質量流量が大きい場合、ノズル１５の開度が大きくなるので、開方向のノズルベーンの回動角度が大きくなる。このため、排気ガスは、負圧面２７の前縁２９付近で剥離が起こるような角度でタービンスクロール５（図１参照）からノズルベーン１５ａに入射する。これにより、負圧面２７の前縁２９付近で静圧が小さくなるので、ノズルベーン１５ａの前縁２９側に生じる開方向のモーメントＭ（＋）（図２参照）が大きくなる。ノズルベーン１５ａの前縁２９側に生じる開方向のモーメントＭ（＋）が大きくなると、排気ガスによってノズルベーン１５ａに与えられる開方向のトルクが非常に大きくなるので、アクチュエータを損傷するおそれがある。実施形態４の構成によれば、負圧面２７の前縁２９側の曲率及び厚さが大きくなることから、剥離の発生が抑えられて前縁２９付近の負圧面２７に生じる静圧の低下が抑制されるので、ノズルベーン１５ａの前縁２９側に生じる開方向のモーメントＭ（＋）の増大が抑制される。その結果、排気ガスによってノズルベーン１５ａに与えられる開方向のトルクの増大を抑えることができる。

図１３には、実施形態３及び４で具体的に説明したノズルベーン１５ａの他に、その各種変形例を示している。１つの変形例であるノズルベーン１５ａ１は、ノズルベーン１５ａに対して、翼形状４０において圧力面２５を後縁３１から前縁２９まで略平坦にしたものである。別の変形例であるノズルベーン１５ａ２は、ノズルベーン１５ａに対して、翼形状４０において負圧面２７を後縁３１から前縁２９まで略平坦にしたものである。別の変形例であるノズルベーン１５ａ３は、ノズルベーン１５ａに対して、翼形状４０において負圧面２７の前縁２９付近の湾曲率を大きくしたものである。別の変形例であるノズルベーン１５ａ４は、翼形状４０において負圧面２７の湾曲率が大きい部分Ｄを、ノズルベーン１５ａ１よりも後縁３１側に移動したものである。

１ 可変容量ターボチャージャ
２ タービン
３ タービンハウジング
５ タービンスクロール
７ タービンホイール
９ 可変ノズル機構
１３ 軸受ハウジング
１５ ノズル
１５ａ ノズル弁
１５ｂ ノズル軸
１７ ノズルマウント
１８ ノズルプレート
２１ リンク機構
２３ 流路
２５ 圧力面
２６ 平坦部分
２７ 負圧面
２９ 前縁
３１ 後縁
３２ ハブ側縁
３３ 直線部分
３４ チップ側縁
４０ 翼形状
４６ 平坦部分
Ｂ 後縁に接続する領域
Ｃ 前縁に接続する領域
ＣａＬ キャンバーライン
ＣｈＬ コードライン
Ｄ 湾曲率が大きい部分
ＦＳ 剥離
Ｇ 排気ガス
ＬＳ１ 第１線分
ＬＳ２ 第２線分
Ｏ_Ｔ タービンホイールの回転中心
Ｐ１ 定点
Ｐ２ 後縁と定点との間における圧力面上の任意の点
Ｐ５ 交点
Ｐ７ 交点
Ｐ１１ 負圧面上の点
Ｐ１２ 負圧面上の点
Ｐ１３ 負圧面上の点
ＶＬ 仮想線
Ｘｐ 前縁とノズルベーンの回動中心との間の距離

Claims (6)

1. 可変容量ターボチャージャのノズルベーンであって、
   前記ノズルベーンのコード長をＬとし、前記ノズルベーンの前縁と前記ノズルベーンの回動中心との間の距離をＸｐとすると、０．４５＜（Ｘｐ／Ｌ）≦０．６０であり、
   前記ノズルベーンは、少なくとも翼高さ方向中央位置において、前縁と、後縁と、圧力面と、負圧面とを含む翼形状を有し、
   前記翼形状において、前記前縁から前記後縁に向かって１０％〜６０％の範囲のコード位置における前記負圧面上の２点を結ぶ第１線分から、前記２点間の前記負圧面上の任意の点までの距離の最大値をＷ１ｍａｘとし、前記第１線分の長さをＬ１とすると、０≦（Ｗ１ｍａｘ／Ｌ１）＜０．０５であり、前記２点のコード位置は互いに対して１０％以上離れており、
   前記２点はそれぞれ、前記前縁から前記後縁に向かって１０％及び６０％のコード位置にあるノズルベーン。
2. 可変容量ターボチャージャのノズルベーンであって、
   前記ノズルベーンは、少なくとも翼高さ方向中央位置において、前縁と、後縁と、圧力面と、負圧面とを含む翼形状を有し、
   前記翼形状において、前記前縁から前記後縁に向かって１０％〜６０％のコード位置における前記負圧面上の２点を結ぶ第１線分から、前記２点間の前記負圧面上の任意の点までの距離の最大値をＷ１ｍａｘとし、前記第１線分の長さをＬ１とすると、０≦（Ｗ１ｍａｘ／Ｌ１）＜０．０５であり、前記２点のコード位置は互いに対して１０％以上離れており、
   前記２点はそれぞれ、前記前縁から前記後縁に向かって１０％及び６０％のコード位置にあるノズルベーン。
3. 前記ノズルベーンは、少なくとも翼高さ方向中央位置において、前縁と、後縁と、圧力面と、負圧面とを含む翼形状を有し、
   前記翼形状において、前記前縁から前記後縁に向かって６０％のコード位置における前記圧力面上の定点と前記後縁とを結ぶ第２線分から、前記後縁と前記定点との間における前記圧力面上の任意の点までの距離の最大値をＷ２ｍａｘとし、前記第２線分の長さをＬ２とすると、０≦（Ｗ２ｍａｘ／Ｌ２）＜０．０３である、請求項１または２に記載のノズルベーン。
4. 前記ノズルベーンは、ハブ側縁及びチップ側縁を備え、
   前記ハブ側縁から前記チップ側縁に向かう方向に前記ハブ側縁から翼高さの少なくとも３０〜７０％の領域において、前記ノズルベーンは前記翼形状を有する、請求項３に記載のノズルベーン。
5. 前記翼形状において、前記圧力面及び前記負圧面のそれぞれから等しい距離にあるキャンバーラインは、少なくとも前記前縁から前記後縁に向かって６０％のコード位置から前記後縁までの範囲で直線状であるとともに、前記前縁と前記後縁との間で前記前縁と前記後縁とを結ぶコードラインと交差しない、請求項３または４に記載のノズルベーン。
6. 前記翼形状において、前記負圧面は、前記後縁に接続する領域の曲率よりも前記前縁に接続する領域の曲率の方が大きくなるように構成されている、請求項５に記載のノズルベーン。

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