JP2002332853A - 表面改質を施したvgsタイプターボチャージャの排気ガイドアッセンブリ - Google Patents

表面改質を施したvgsタイプターボチャージャの排気ガイドアッセンブリ

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JP2002332853A
JP2002332853A JP2001139474A JP2001139474A JP2002332853A JP 2002332853 A JP2002332853 A JP 2002332853A JP 2001139474 A JP2001139474 A JP 2001139474A JP 2001139474 A JP2001139474 A JP 2001139474A JP 2002332853 A JP2002332853 A JP 2002332853A
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exhaust
guide assembly
variable
exhaust guide
turbine
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Shinjiro Oishi
新二朗 大石
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Sogi Kogyo KK
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Sogi Kogyo KK
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高温、排ガス雰囲気下において構成部材の摺
動性を向上させた新規なVGSタイプターボチャージャ
の排気ガイドアッセンブリを提供する。 【解決手段】 本発明は、可変翼1、タービンフレーム
2、可変機構3等の排気ガイドアッセンブリAの構成部
材を、ニッケル−クロム系の耐熱部材で構成し、部材の
表面に、実質的な単一相のクロム炭化物の被膜を形成し
て、高温耐久性を向上させるようにしたことを特徴とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は自動車用エンジン等
に用いられるターボチャージャに関するものであって、
特にこのものに組み込まれる排気ガイドアッセンブリに
係るものである。
【0002】
【発明の背景】自動車用エンジンの高出力化、高性能化
の一手段として用いられる過給機としてターボチャージ
ャが知られており、このものはエンジンの排気エネルギ
によってタービンを駆動し、このタービンの出力によっ
てコンプレッサを回転させ、エンジンに自然吸気以上の
過給状態をもたらす装置である。ところでこのターボチ
ャージャは、エンジンが低速回転しているときには、排
気流量の低下により排気タービンが効率的に回るまでの
もたつき感と、その後の一挙に吹き上がるまでの所要時
間、いわゆるターボラグ等が生ずることを免れないもの
であった。またもともとエンジン回転が低いディーゼル
エンジンでは、ターボ効果を得にくいという欠点があっ
た。
【0003】このため低速回転域からでも効率的に作動
するVGSタイプのターボチャージャが開発されてきて
いる。このものは少ない排気量を可変翼(羽)で絞り込
み、排気の速度を増し、排気タービンの仕事量を大きく
することで、低速回転時でも高出力を発揮できるように
したものであり、特に近年その排気ガス中のNOx量が
問題とされているディーゼルエンジンにおいては、低速
回転時からエンジンの効率化を図ることのできる有用な
ターボチャージャである。このVGSタイプのターボチ
ャージャにおける排気ガイドアッセンブリは高温・排気
ガス雰囲気下で使用されるものであり、その製造には、
耐熱性を有する素材、例えばJIS規格、SUS、SU
H、SCH、NCF超合金等の耐熱材料が使用されつつ
あるが、非常に過酷な条件で使用されるものであるた
め、その耐久寿命には、一定の限界があった。当該排気
ガイドアッセンブリの中でも、特に摺動部は高温状態の
中、一定の摺動性を確保、維持する必要があり、長時間
金属凝着、焼きつき等を生じさせることなく、摩擦係数
を低く抑えることは困難であった。またニッケル−クロ
ム系の耐熱部材は、高温強度の点から、当該摺動部の構
成材料として適しているが、高温表面硬度が室温に比べ
て著しく低下するため、高温摺動性に欠ける故に、使用
するのが困難な状況にあった。
【0004】
【開発を試みた技術的課題】本発明はこのような背景を
認識してなされたものであって、700℃以上の高温を
伴う熱サイクル、排気ガス雰囲気下で、排気ガイドアッ
センブリの摺動部の作動性向上を図り、その結果として
高温耐久性を有する当該排気ガイドアッセンブリの完成
を試みたものである。
【0005】
【課題を解決するための手段】すなわち請求項1記載の
表面改質を施したVGSタイプターボチャージャの排気
ガイドアッセンブリは、エンジンから排出される排気ガ
スの流量を適宜調節して排気タービンを回転させる可変
翼と、この可変翼を排気タービンの外周部において回動
自在に支持するタービンフレームと、この可変翼を適宜
回動させ、排気ガスの流量を調節する可変機構とを具
え、少ない排気流量を可変翼によって絞り込み、排気の
速度を増し、低速回転時にも高出力を発揮できるように
したVGSタイプのターボチャージャにおける排気ガイ
ドアッセンブリにおいて、前記排気ガイドアッセンブリ
の摺動部を構成する耐熱部材の表面を、実質的に単一相
のクロム炭化物で被膜することを特徴として成るもので
ある。なおここで摺動部とは、後述する排気ガイドアッ
センブリAにおいて可変翼1の軸部12と、これを回動
自在に保持するタービンフレーム2の受入孔25との間
に典型的に見られるような可動部材と静止部材とが互い
に面接触する部位のことを言う。また単一相のクロム炭
化物の被膜の中に、クロム炭化物を形成していない、単
独のCrまたはC元素が若干存在していても、高温摺動
性を向上させる機能上、何ら差し支えないため、ここで
はこのような場合を考慮して、「実質的な単一相」と記
載している。更に被膜成分のクロム炭化物としては、Cr
23C6、Cr7C3 、Cr3C2 等があり、特に成膜性と高温摺動
性を両立させる点からCr7C3 が好ましい。
【0006】また請求項2記載の表面改質を施したVG
Sタイプターボチャージャの排気ガイドアッセンブリ
は、前記請求項1記載の要件に加え、前記摺動部を構成
する耐熱部材が、ニッケル−クロム系の耐熱部材である
ことを特徴として成るものである。ここでニッケル−ク
ロム系の耐熱部材とは、Ni含有SUS、SUH、SC
H、NCF超合金等のニッケルとクロムを同時多量に含
むものを言う。
【0007】
【発明の実施の形態】以下本発明について具体的に説明
する。説明にあたっては、本発明に係るVGSタイプの
ターボチャージャにおける排気ガイドアッセンブリにつ
いて説明し、その後、排気ガイドアッセンブリ摺動部の
構成部材の表面を改質する方法について説明する。
【0008】〔1〕排気ガイドアッセンブリ 排気ガイドアッセンブリAは、特にエンジンの低速回転
時において排気ガスGを適宜絞り込んで排気流量を調節
するものであり、一例として図1に示すように、排気タ
ービンTの外周に設けられ実質的に排気流量を設定する
複数の可変翼1と、可変翼1を回動自在に保持するター
ビンフレーム2と、排気ガスGの流量を適宜設定すべく
可変翼1を一定角度回動させる可変機構3とを具えて成
るものである。
【0009】まず可変翼1について説明する。このもの
は一例として図1に示すように排気タービンTの外周に
沿って円弧状に複数(一基の排気ガイドアッセンブリA
に対して概ね10個から15個程度)配設され、そのそ
れぞれが、ほぼ同程度ずつ回動して排気流量を適宜調節
するものである。そして各可変翼1は、翼部11と、軸
部12とを具えて成る。翼部11は、主に排気タービン
Tの幅寸法に応じて一定幅を有するように形成されるも
のであり、その幅方向における断面が概ね翼状に形成さ
れ、排気ガスGが効果的に排気タービンTに向かうよう
に構成されている。なおここで翼部11の幅寸法を便宜
上、羽根高さhとする。軸部12は、翼部11と一体で
連続するように形成されるものであり、翼部11を動か
す際の回動軸に相当する部位となる。
【0010】また翼部11と軸部12との接続部位に
は、軸部12から翼部11に向かって窄まるようなテー
パ部13と、軸部12より幾分大径の鍔部14とが連な
るように形成されている。なお鍔部14の底面は、翼部
11の軸部12側の端面と、ほぼ同一平面上に形成さ
れ、この平面によって、可変翼1をタービンフレーム2
に取り付けた状態において円滑な回動状態を確保してい
る。更に軸部12の先端部には、可変翼1の取付状態の
基準となる基準面15が形成される。この基準面15
は、後述する可変機構3に対しカシメ等によって固定さ
れる部位であり、一例として図1に示すように、軸部1
2を対向的に切り欠いた平面が、翼部11に対してほぼ
一定の傾斜状態に形成されて成るものである。
【0011】次に本発明を実質的に適用したタービンフ
レーム2について説明する。このものは、複数の可変翼
1を回動自在に保持するフレーム部材として構成される
ものであって、一例として図1に示すように、フレーム
セグメント21と保持部材22とによって可変翼1を挟
み込むように構成される。そしてフレームセグメント2
1は、可変翼1の軸部12を受け入れるフランジ部23
と、後述する可変機構3を外周に嵌めるボス部24とを
具えて成る。なおこのような構造からフランジ部23に
は、周縁部分に可変翼1と同数の受入孔25が等間隔で
形成されるものであり、本発明では特に、この受入孔2
5を高効率に形成し、また高精度に仕上げるものであ
る。このため本発明の実質的な適用対象物は、フレーム
セグメント21となる。
【0012】また保持部材22は、図1に示すように中
央部分が開口された円板状に形成されている。そしてこ
れらフレームセグメント21と保持部材22とによって
挟み込まれた可変翼1の翼部11を、常に円滑に回動さ
せ得るように、両部材間の寸法は、ほぼ一定(概ね可変
翼1の翼幅寸法程度)に維持されるものであり、一例と
して受入孔25の外周部分に、四カ所設けられたカシメ
ピン26によって両部材間の寸法が維持されている。こ
こで上記カシメピン26を受け入れるためにフレームセ
グメント21及び保持部材22に開口される孔をピン孔
27とする。
【0013】なおこの実施の形態では、フレームセグメ
ント21のフランジ部23は、保持部材22とほぼ同径
のフランジ部23Aと、保持部材22より幾分大きい径
のフランジ部23Bとの二つのフランジ部分から成るも
のであり、これらを同一部材で形成するものであるが、
同一部材での加工が複雑になる場合等にあっては、径の
異なる二つのフランジ部を分割して形成し、後にカシメ
加工やブレージング加工等によって接合することも可能
である。
【0014】次に可変機構3について説明する。このも
のはタービンフレーム2のボス部24の外周側に設けら
れ、排気流量を調節するために可変翼1を回動させるも
のであり、一例として図1に示すように、アッセンブリ
内において実質的に可変翼1の回動を生起する回動部材
31と、この回動を可変翼1に伝える伝達部材32とを
具えて成るものである。回動部材31は、図示するよう
に中央部分が開口された略円板状に形成され、その周縁
部分に可変翼1と同数の伝達部材32を等間隔で設ける
ものである。なおこの伝達部材32は、回動部材31に
回転自在に取り付けられる駆動要素32Aと、可変翼1
の基準面15に固定状態に取り付けられる受動要素32
Bとを具えて成るものであり、これら駆動要素32Aと
受動要素32Bとが接続された状態で、回動が伝達され
る。具体的には四角片状の駆動要素32Aを、回動部材
31に対して回転自在にピン止めするとともに、この駆
動要素32Aを受け入れ得るように略U字状に形成した
受動要素32Bを、可変翼1の先端の基準面15に固定
し、四角片状の駆動要素32AをU字状の受動要素32
Bに嵌め込み、双方を係合させるように、回動部材31
をボス部24に取り付けるものである。
【0015】なお複数の可変翼1を取り付けた初期状態
において、これらを周状に整列させるにあたっては、各
可変翼1と受動要素32Bとが、ほぼ一定の角度で取り
付けられる必要があり、本実施の形態においては、主に
可変翼1の基準面15がこの作用を担っている。また回
動部材31を単にボス部24に嵌め込んだままでは、回
動部材31がタービンフレーム2と僅かに離反した際、
伝達部材32の係合が解除されてしまうことが懸念され
るため、これを防止すべく、タービンフレーム2の対向
側から回動部材31を挟むようにリング33等を設け、
回動部材31のタービンフレーム2側への押圧傾向を賦
与するものである。このような構成によって、エンジン
が低速回転を行った際には、可変機構3の回動部材31
を適宜回動させ、伝達部材32を介して軸部12に伝達
し、図1に示すように可変翼1を回動させ、排気ガスG
を適宜絞り込んで、排気流量を調節するものである。
【0016】〔2〕表面改質 本発明における当該排気ガイドアッセンブリの摺動部を
構成する耐熱部材の表面を改質する方法としては、改質
性、作業性、寸法精度等から、塩浴法を使用して被膜処
理するのが好ましく、具体的には以下の工程で製造され
る。
【0017】(1)被膜 部品を脱脂・洗浄し、適当な治具にセットし、次いで塩
浴温度の均質化と部品素材の鋭敏化を回避するため50
0℃に予備加熱する。そしてホウ砂、塩化物、酸化クロ
ムより成る塩浴処理装置に入れて、所要の反応を起こさ
せて被膜を行った後、洗浄を行う。
【0018】(2)摺動性 動的摺動摩擦係数測定の結果、850℃×100hrの
摺動試験を行ったときの動摩擦係数μは、被膜無しの場
合、μ>2、クロム炭化物混合相被膜賦与の場合、μ=
0.5〜1.0、実質的なクロム炭化物単一相(Cr7C3)
被膜賦与の場合、μ<0.5と明確な差異を生じた。
【0019】
【発明の効果】本発明によれば、VGSタイプのターボ
チャージャにおける排気ガイドアッセンブリ摺動部の耐
久寿命を大幅に延長することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るタービンフレームを組み込んだV
GSタイプのターボチャージャを示す斜視図(a)、並
びに排気ガイドアッセンブリを示す分解斜視図(b)で
ある。
【符号の説明】
1 可変翼 2 タービンフレーム 3 可変機構 11 翼部 12 軸部 13 テーパ部 14 鍔部 15 基準面 21 フレームセグメント 22 保持部材 23 フランジ部 23A フランジ部(小) 23B フランジ部(大) 24 ボス部 25 受入孔 26 カシメピン 27 ピン孔 31 回動部材 32 伝達部材 32A 駆動要素 32B 受動要素 33 リング A 排気ガイドアッセンブリ h 羽根高さ G 排気ガス T 排気タービン

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 エンジンから排出される排気ガスの流量
    を適宜調節して排気タービンを回転させる可変翼と、 この可変翼を排気タービンの外周部において回動自在に
    支持するタービンフレームと、 この可変翼を適宜回動させ、排気ガスの流量を調節する
    可変機構とを具え、 少ない排気流量を可変翼によって絞り込み、排気の速度
    を増し、低速回転時にも高出力を発揮できるようにした
    VGSタイプのターボチャージャにおける排気ガイドア
    ッセンブリにおいて、 前記排気ガイドアッセンブリの摺動部を構成する耐熱部
    材の表面を、実質的に単一相のクロム炭化物で被膜する
    ことを特徴とする、 表面改質を施したVGSタイプターボチャージャの排気
    ガイドアッセンブリ。
  2. 【請求項2】 前記摺動部を構成する耐熱部材が、ニッ
    ケル−クロム系の耐熱部材であることを特徴とする、 請求項1記載の表面改質を施したVGSタイプターボチ
    ャージャの排気ガイドアッセンブリ。
JP2001139474A 2001-05-10 2001-05-10 表面改質を施したvgsタイプターボチャージャの排気ガイドアッセンブリ Pending JP2002332853A (ja)

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