JP2008215259A - 可変ノズル式ターボチャージャ - Google Patents

Abstract

【課題】可変ノズル式ターボチャージャの可変ノズル機構の複数の可変ノズルベーンの内、１つまたはいくつかの動きが妨げられるようになっても、その他の可変ノズルベーンの動きを許容する。
【解決手段】タービン４６の排気入口部に配設された複数の可変ノズルベーン７２の角度を変えるべく、駆動手段７８からの動力を前記複数の可変ノズルベーン７２に伝達するように構成された連動機構を備えた可変ノズル式ターボチャージャにおいて、前記連動機構の内、前記複数の可変ノズルベーン７２の各々に対応する構成部材の少なくとも一部は、弾性変形可能な材料で作られている。例えば、前記構成部材は、アーム部材８２、８２Ａである。
【選択図】図４

Description

本発明は、タービンの排気入口部に配設された複数の可変ノズルベーンの角度を変えて、タービンに流入する排気ガスの流速や圧力を調節可能な可変ノズル式ターボチャージャに関する。

エンジン（内燃機関）に対して排気エネルギーを利用して吸入空気の過給を行うターボチャージャは知られている。そのようなターボチャージャは、排気ガスにより回転されるタービンホイールを含むタービンと、このタービンホイールの回転に連動して回転するコンプレッサホイールを含むコンプレッサとを有している。

また、タービンの排気入口部に設けた複数の可変ノズルベーンの開度を変えることで排気ガスの流速や圧力を制御してタービン効率を向上させるようにした可変ノズル式ターボチャージャも知られている。可変ノズル式ターボチャージャは、ターボチャージャの上記の如き構成に加えてさらに可変ノズル機構を有する。可変ノズル機構は、タービンの排気入口部に配置された複数の可変ノズルベーンと、これら複数の可変ノズルベーンの各々をノズルシャフトを介して動かすことができるように保持する単一のノズルプレートと、それら複数のノズルシャフトを回転させるべく各ノズルシャフトの端部にそれぞれ固定されたノズルアームを動かす単一の駆動リングとを有する。駆動リングが回転されると、駆動リングと係合しているノズルアームがノズルシャフトを中心にして動かされる。これに伴って各ノズルアームに対応するノズルシャフトが回動され、複数の可変ノズルベーンの各々の開度が同じように変わる。駆動リングは、外部の動力源（例えばモータ）からの動力を受けて回転される。

図１２を用いて具体的に説明する。図１２（ａ）は一例としての可変ノズル機構を駆動リングＡ１側からみた図であり、図１２（ｂ）は駆動リングＡ１側とは異なる方向であるノズルプレートＡ２側からその可変ノズル機構をみた図である。図１２に示されるように、動力源からの動力を受けて矢印Ｂ１に示すように駆動アームＡ３が動かされると、駆動リングＡ１は矢印Ｂ２、Ｂ３に示すように（図１２（ａ）では反時計回り、図１２（ｂ）では時計回りに）回転する。そして、この駆動リングＡ１の回転によって、複数のノズルアームＡ４の各々が動かされ、対応するノズルアームＡ４を介して各ノズルシャフトＡ５が矢印Ｂ４、Ｂ５に示すように（図１２（ａ）では反時計回り、図１２（ｂ）では時計回りに）回転される。この結果、複数の可変ノズルベーンＡ６は「閉」の向きに制御される。なお、駆動リングＡ１が逆向きに回転されると、複数の可変ノズルベーンＡ６は「開」の向きに制御される。

上記の如き可変ノズル機構には種々のものがあり、それ故に可変ノズル式ターボチャージャには種々のものがある。例えば、可変ノズルベーンの開度の自由な変動を防止すると共に、可変ノズルベーンの作動遅れを防止するように創案された可変ノズル式ターボチャージャが、特許文献１に開示されている。この可変ノズル式ターボチャージャでは、駆動リングに突設されたピンと、このピンに係合し駆動リングを回動させることにより複数の可変ノズルベーンの角度を変更する駆動アームとの間に弾性部材を設け、そのピンを駆動アームに付勢するようにしている。

特開２００１−２７１２４号公報

上記の如き従来の可変ノズル式ターボチャージャは、単一の駆動リングの回動に連動して、複数の可変ノズルベーンの角度を同じように変更可能なように構成された可変ノズル機構を備えている。そして、そのように同じように角度が変えられる複数の可変ノズルベーンは、排気通路の内、ターボチャージャのタービンハウジングにより区画形成されたところに配置されている。

ところで、ターボチャージャのタービンハウジングに導かれる排気ガスは、高温であり、且つ、粒子状物質（ＰＭ）などの燃焼生成物を含むことがある。それ故、その排気ガスの熱により、上記の如き可変ノズル機構を構成する部材に熱ひずみ等が生じることがあり、複数の可変ノズルベーンの内の１つあるいはいくつかの良好な動きが阻害されることがある。あるいは、燃焼生成物が可変ノズルベーンやその軸を定めるノズルシャフトに付着して、そこにデポジットが形成されるようになると、複数の可変ノズルベーンの内の１つあるいはいくつかの円滑な動きが妨げられるようになる場合がある。このようにして複数の可変ノズルベーンの内の１つまたはいくつかの動きが妨げられるようになると、上記の如き構成の可変ノズル式ターボチャージャでは、全ての可変ノズルベーンの作動が妨げられるようになる。これでは、ターボチャージャに入力される排気ガスの流速や圧力を適切に調整することができなくなってしまい、最適な過給制御が不可能になる。

そこで、本発明はこのような課題に鑑みて創案されたものであり、その目的は、複数の可変ノズルベーンの内、１つまたはいくつかの動きが妨げられるようになっても、その他の可変ノズルベーンの動きを許容することにある。

上記目的を達成するために、本発明の可変ノズル式ターボチャージャは、タービンの排気入口部に配設された複数の可変ノズルベーンの角度を変えるべく、駆動手段からの動力を前記複数の可変ノズルベーンに伝達するように構成された連動機構を備えた可変ノズル式ターボチャージャにおいて、前記連動機構の内、前記複数の可変ノズルベーンの各々に対応する構成部材の少なくとも一部は、弾性変形可能な材料で作られていることを特徴とする。

上記構成によれば、前記連動機構の内、前記複数の可変ノズルベーンの各々に対応する構成部材の少なくとも一部は、弾性変形可能な材料で作られているので、複数の可変ノズルベーンの内、１つまたはいくつかの動きが妨げられるようになっても、その他のノズルの動きが許容される。

前記構成部材は、前記駆動手段からの動力を前記可変ノズルベーンの回転軸を定める軸部材に伝達するように、該軸部材に取り付けられたアーム部材であると良い。こうすることで、動きが妨げられた可変ノズルベーンに対応するアーム部材は適宜、弾性変形することになる。したがって、他の可変ノズルベーンを適切に動かすことが可能になる。

あるいは、前記構成部材は、前記可変ノズルベーンの回転軸を定める軸部材であると良い。こうすることで、動きが妨げられた可変ノズルベーンに対応する軸部材は適宜、弾性変形することになる。したがって、他の可変ノズルベーンを適切に動かすことが可能になる。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。
まず、第１実施形態について説明する。図１は、本第１実施形態の可変ノズル式ターボチャージャが適用された車両のエンジンシステムの概念図である。エンジン１０はディーゼルエンジンであり、これは複数気筒、ここでは４気筒＃１，＃２，＃３，＃４からなる。各気筒＃１〜＃４の燃焼室１２は吸気マニホールド１４を介してサージタンク１６に連結されている。そしてサージタンク１６は吸気管１８を介して、インタークーラ２０および可変ノズル式ターボチャージャ（ＶＮＴ）２２のコンプレッサ２４の出口側に連結されている。コンプレッサハウジング２５で外殻が定められ、その中にコンプレッサホイール２６を収容しているコンプレッサ２４の入口側はエアクリーナ２８に連結されている。上記吸気マニホールド１４、サージタンク１６、吸気管１８、コンプレッサ２４などにより、吸気通路ＩＰが区画形成されている。

また、上記各気筒＃１〜＃４に配置されて、各燃焼室１２内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁２９は、燃料供給管を介してコモンレールに連結されている。このコモンレール内へは電気制御式の吐出量可変燃料ポンプから燃料が供給され、吐出量可変燃料ポンプからコモンレール内に供給された高圧燃料は各燃料供給管を介して各燃料噴射弁２９に分配供給される。

なお、吸気管１８のうち上記サージタンク１６とインタークーラ２０との間には、アクチュエータ３０によって駆動されるスロットルバルブ３２が設けられている。このスロットルバルブ３２の近傍には同スロットルバルブ３２の開度を検出するためのスロットル開度センサ３４が設けられている。また、吸気管１８のうち吸気マニホールド１４とサージタンク１６との間には、同吸気管１８内の圧力を検出するための吸気圧センサ３６が設けられている。更に、吸気管１８のうちコンプッサ２４の上流側であって且つエアクリーナ２８の下流側には吸入空気量を検出するためのエアフローメータ３８が設けられている。

また、上記各気筒＃１〜＃４の燃焼室１２は排気マニホールド４２および排気管４４を介して可変ノズル式ターボチャージャ２２のタービン４６の入口側に連結されている。タービンハウジング４７で外殻が定められ、その中にタービンホイール４８を収容しているタービン４６の出口側には、排気ガスを浄化する排気ガス浄化フィルタ５０が設けられている。上記排気マニホールド４２、排気管４４、タービン４６、排気ガス浄化フィルタ５０などで、排気通路ＥＰが区画形成されている。

一方、上記排気管４４とサージタンク１６との間には、ＥＧＲ通路５４を区画形成するＥＧＲ管５６が設けられている。そして、ＥＧＲ管５６の途中には、ＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ５８や、ＥＧＲ弁６０が配置されている。このＥＧＲ弁６０の開度調節により排気側から吸気側へのＥＧＲガス供給量の調節が可能となる。

本第１実施形態の可変ノズル式ターボチャージャ２２について、更に説明する。図２に可変ノズル式ターボチャージャ２２の概念的断面図を示す。可変ノズル式ターボチャージャ２２は、排気通路ＥＰを流れる排気ガスによって回転する上記タービンホイール４８と、吸気通路ＩＰに配置され、かつロータシャフト６２を介してタービンホイール４８に一体回転可能に連結された上記コンプレッサホイール２６とを備えている。可変ノズル式ターボチャージャ２２では、タービンホイール４８に排気ガスが吹付けられて同タービンホイール４８が回転する。この回転は、センターハウジング６４内に回転可能に軸支されたロータシャフト６２を介してコンプレッサホイール２６に伝達される。その結果、エンジン１０では、ピストンの移動にともなって燃焼室１２内に発生する負圧によって空気が燃焼室１２に送り込まれるだけでなく、その空気が可変ノズル式ターボチャージャ２２のコンプレッサホイール２６の回転によって強制的に燃焼室１２に送り込まれる（過給される）。このようにして、燃焼室１２への空気の充填効率が高められる。

また、可変ノズル式ターボチャージャ２２では、タービンホイール４８の外周を囲うように、タービン４６のタービンハウジング４７によりタービンホイール４８の回転方向に沿って排気ガス流路となる排気通路ＥＰの一部が形成されている。このため、排気ガスはその排気ガス流路を通過し、タービンホイール４８の軸線に向かって吹付けられる。その排気ガス流路には、可変ノズル機構７０の内の複数の可変ノズルベーン７２が設けられている。

可変ノズル機構７０は、上記排気ガス流路の内、タービン４６の排気入口部に、すなわちタービンホイール４８における排気ガスの入口側の周縁近傍に複数の可変ノズルベーン７２を備える。複数の可変ノズルベーン７２を開閉動作させることで、排気ガス流路の排気ガスの流路断面積を変更できる。こうしてタービンホイール４８に吹付けられる排気ガスの流速（すなわち流量）および圧力を可変にできる。このように排気ガスの流速や圧力を可変とすることで、タービンホイール４８の回転速度が調整され、ひいては燃焼室１２に強制的に送り込まれる空気の量が調整される。すなわち、過給圧が調節される。なお、タービン４６の排気入口部とは、さらに換言すると、スクロール室Ｓ１の内周部であって、タービンホイール室Ｓ２の外周部である。

可変ノズル機構７０は、タービンハウジング４７内に取り付けられた円環状のノズルベーンプレート７４を備えている。このノズルベーンプレート７４には、複数の可変ノズルベーン７２が、ノズルベーンプレート７４の中心軸を中心にして同一円周上に等角度間隔で設けられている。そして、これらの複数の可変ノズルベーン７２の各々は、ノズルベーンプレート７４の厚さ方向に形成された孔７４ａに挿通される、軸部材であるノズルシャフト７６によって回転可能に軸支されている。したがって、各ノズルシャフト７６は、対応する可変ノズルベーン７２の回転軸を定める。

また、ノズルベーンプレート７４における可変ノズルベーン７２が配設される面の裏面には、駆動リング７８が配設されている。この駆動リング７８の内周側には、可変ノズルベーン７２と同数の係合凹部８０が形成されている。これら係合凹部８０は、各可変ノズルベーン７２を軸支するノズルシャフト７６に対応するように等角度間隔に形成されている。また、駆動リング７８の内周側、すなわちノズルベーンプレート７４の上記裏面側には、可変ノズルベーン７２と同数の、アーム部材であるノズルアーム８２が配設されている。ノズルアーム８２の一端は、可変ノズルベーン７２と一体回動可能に、ノズルベーンプレート７４の孔７４ａに挿通されたノズルシャフト７６の端部に取り付けられている。他方、ノズルアーム８２の他端は、駆動リング７８の係合凹部８０に係合されている。

駆動リング７８の内周側に形成された所定の２つの係合凹部８０の間には、駆動用アーム８４が係合される係合凹部８６が形成されている。一端が駆動リング７８の係合凹部８６に係合された駆動用アーム８４の他端には回動軸部材８８が一体回動可能に連結されている。この回動軸部材８８は、動力源としての電動モータ８９からの動力を伝達するリンク９０により動かされる。なお、電動モータ８９とリンク９０とは、モータロッド９１を介して連結されている。

電動モータ８９の動力がモータロッド９１、リンク９０、回動軸部材８８、駆動用アーム８４を介して駆動リング７８に伝達されて、駆動リング７８が所定の角度範囲で回動される。駆動リング７８に伝達された動力を可変ノズルベーン７２の各々に伝達するべく、駆動リング７８に伝達された動力で、それに係合されたノズルアーム８２、ノズルシャフト７６も原則的には一体的に回動する。この結果、一体的に連動して動かされる複数のノズルシャフト７６に連結された複数の可変ノズルベーン７２が回動される。このようにして、複数の可変ノズルベーン７２の開度（ＶＮ開度）が同じように変えられることで、排気流路ＥＰの内、タービンハウジング４７で区画形成されたところの開閉が行われ、その流路断面積が可変となる。

なお、本発明における駆動手段に、上記駆動リング７８は含まれる。また、本発明における連動機構の構成部材に、ノズルシャフト７６やノズルアーム８２は含まれる。

各種演算処理などを行う電子制御ユニット（ＥＣＵ）９２は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えたディジタルコンピュータと、各装置を駆動するための駆動回路とを主体として構成されている。そしてＥＣＵ９２は、上記スロットル開度センサ３４、吸気圧センサ３６、エアフローメータ３８をはじめ、エンジン１０のクランク軸の回転速度を検出するための回転速度センサ９４やアクセルペダルの開度を検出するためのアクセルセンサ９６、可変ノズルベーン７２の開度を検出するための開度センサ９８等、様々なセンサの検出信号（出力信号）を読み込んでいる。また、ＥＣＵ９２は、電動モータ８９の駆動電流値を記憶あるいは消去可能に読み込む。

そしてこれらの信号等から得られるエンジン１０の運転状態（機関運転状態）に基づいて、ＥＣＵ９２は燃料噴射制御を実行し、更にＥＧＲ弁６０の開度制御、スロットルバルブ３２の開度制御、可変ノズル機構７０の制御すなわち電動モータ８９の制御等を実行する。例えば、ＥＧＲ率がエンジン負荷（機関負荷）とエンジン回転速度（機関回転速度）とに基づいて設定される目標ＥＧＲ率となるように、スロットル開度センサ３４の信号から検出されるスロットル開度とＥＧＲ開度（ＥＧＲ弁６０の開度）とが調節されるＥＧＲ制御が行われる。更にエンジン負荷とエンジン回転速度とに基づいて設定される目標吸入空気量（ディーゼルエンジン１０の１回転当たりの目標値）となるようにＥＧＲ開度が調節される吸入空気量フィードバック制御が行われる。さらに、常時モニターされている可変ノズルベーン７２の開度がエンジン１０の運転状態に応じた可変ノズル開度になるように、つまりそれに応じた目標過給圧が達成されるように、可変ノズル機構７０の開度フィードバック制御が行われる。

ただし、可変ノズルベーン７２の開度をある可変ノズル開度に変えるとき、電動モータ８９から駆動リング７８に伝達されるモータ駆動力（動力）は、基本的にはベースとして予め決められている駆動力にされる。なお、本明細書において、そのようなベースとして予め決められている駆動力を、所定の駆動力Ｆｉと称する。

基本的には、上記開度フィードバック制御により、上記構成の可変ノズル式ターボチャージャ２２の可変ノズル機構７０の可変ノズルベーン７２の各々は、同じように角度が変わるように回動される。これら可変ノズル機構７０の内、複数の可変ノズルベーン７２は、排気通路ＥＰに配設されているので、排気ガスに含まれる粒子状物質（ＰＭ）などが複数の可変ノズルベーン７２などに付着し得る。これに伴い、可変ノズルベーン７２の周囲、ノズルベーンプレート７４と可変ノズルベーン７２との間の隙間、ノズルベーンプレート７４とノズルシャフト７６との間の隙間等にデポジットが生成するようになる。この結果、複数の可変ノズルベーン７２の１つあるいはいくつかが例えばノズルベーンプレート７４に固着する。このようにして固着した可変ノズルベーン７２は適切に動くことが出来なくなる。

他方、排気ガスの熱により、ノズルベーンプレート７４等に熱ひずみ等が生じる場合がある。概して、タービンホイール１２へ至る排気ガスの圧力や流速を適切に調節するべく、タービンハウジング２４や、ノズルベーンプレート７４との間のクリアランスが極わずかにされた状態で複数の可変ノズルベーン７２は配設されている。したがって、ノズルベーンプレート７４にひずみ等が生じると、複数の可変ノズルベーン７２の１つあるいはいくつかの動作は妨げられ得る。あるいは、排気ガスの熱により、１つあるいはいくつかのノズルシャフト７６がノズルベーンプレート７４に焼き付き、対応する可変ノズルベーン７２の動きが妨げられる場合もあり得る。

上記したようにして複数の可変ノズルベーン７２の１つあるいはいくつかの動きが妨げられるようになっても、他の可変ノズルベーン７２の良好な動作を確保するように、本第１実施形態では、複数の可変ノズルベーン７２と同数のノズルアーム８２の全ては、弾性変形可能な材料で作られている。ただし、各ノズルアーム８２は、対応する可変ノズルベーン７２がスムーズに動くことができるときなど、所定の駆動力Ｆｉで駆動リング７８が動かされるときには、概ね弾性変形をしないだけの剛性を有する。

図３に、図２中左方よりみた可変ノズル機構７０の一部の概念図を示す。図３には、駆動リング７８が矢印Ｃ１で示す方向に所定の駆動力Ｆｉで回動され、複数のノズルアーム８２の全てがその駆動リング７８により傾動され、可変ノズルベーン７２の全てが排気ガスの流路を閉じるような開度に調節されているところが表されている。図２および図３から明らかなように、ノズルアーム８２の各々は板状の部材である。ノズルアーム８２は耐食性に優れ、上記した程度の剛性を有し、後述する程度に弾性変形可能な材料で構成される。より具体的には、ノズルアーム８２は、ステンレス鋼製の板ばねから作製されている。このように板状のノズルアーム８２は、ノズルシャフト７６に形成されたスリット７６ａに嵌め込まれ、さらに接合されている。したがって、ノズルアーム８２の一端はノズルシャフト７６に固定されている。なお、ノズルアーム８２とノズルシャフト７６との接合は、接着剤を用いてなされているが、その他の接合手段、例えば溶接等によりなされても良い。

図３の状態で、複数の可変ノズルベーン７２の内、１つの可変ノズルベーン７２Ａに固着等が生じてその動きが妨げられた場合について図４に基づいて説明する。図３に表したように可変ノズルベーン７２が「閉」開度にあるとき、それらをある開度である「開」開度に動かす場合、駆動リング７８は矢印Ｃ２で示す向きに（図４では反時計方向に）回動される。このとき、可変ノズルベーン７２Ａは固着等しているので、駆動リング７８の回動に要するモータ駆動力として、上記所定の駆動力Ｆｉを超える駆動力Ｆが求められる。ここで求められる駆動力Ｆは、所定の駆動力Ｆｉと、固着等した可変ノズルベーン７２Ａに対応する１つのノズルアーム８２Ａを曲げるのに必要とされる力に対応する駆動力Ｆａとの和である。このような駆動力Ｆで駆動リング７８が回動されると、可変ノズルベーン７２Ａの動きは妨げられていてその開度は変わることが出来ないので、ノズルアーム８２Ａは折れ曲がるように撓む（曲がる）。他方、駆動リング７８の回動により他の複数のノズルアーム８２は変形せずに（曲がらずに）傾動され、これに伴って他の複数のノズルアーム８２のそれぞれに対応する可変ノズルベーン７２の開度は変わる。このようにして、固着等した可変ノズルベーン７２Ａ以外の他の複数の可変ノズルベーン７２は、所定の開度に制御される。

図３に示した状態から図４に示した状態にまで複数の可変ノズルベーン７２の開度を変えるように駆動リング７８を回動させるのに、すなわち固着等していない可変ノズルベーン７２をある開度にするべく固着等した可変ノズルベーン７２Ａに対応するノズルアーム８２Ａを曲げるのに、付加的な駆動力Ｆａを必要とした。逆に、一旦曲がったノズルアーム８２Ａを伸ばす方向に駆動リング７８を駆動するときには、例えば図４に示した状態から図３に示した状態にするときには、ノズルアーム８２Ａの伸びる力（ばね力）が駆動リング７８をそのような方向に駆動させるべく作用する。したがって、この場合には、所定の駆動力Ｆｉよりも小さな駆動力を駆動リング７８に及ぼすことで、固着等していない可変ノズルベーン７２の開度をある開度に変えることが可能になる。

このようにして、複数の可変ノズルベーン７２の内の１つの可変ノズルベーン７２Ａが動かなくなってしまっても、他の複数の可変ノズルベーン７２の開度を所定の開度に変えることができるので、概ね所望の過給圧が達成される。なお、複数の可変ノズルベーン７２の内のいくつか、例えば２つあるいは３つが固着等した場合も同様である。

なお、図４に概念的に示したように、駆動リング７８とノズルアーム８２Ａとの係合は、ノズルアーム８２Ａが曲がっても解除されないように、係合凹部８０の係合構造は設計されている。図３や図４では、係合凹部８０におけるノズルアーム８２の遊びが大きく描かれているが、ある可変ノズル開度に対応した駆動リング７８の回動量に基づき、可変ノズルベーン７２の開度がそのある所定の可変ノズル開度に適切に位置合わせされるように、その遊び量は設定されている。

ところで、駆動リング７８を動かすための駆動源である電動モータ８９のモータ駆動電流は、電動モータ８９に印加される電圧が一定であれば、電動モータ８９から出力されるモータ駆動力に比例する。つまり、図５に概念的に示すように、モータ駆動電流が大きくなればなるほど、モータ駆動力が大きくなる。他方、図５に重ねて示したように、モータ駆動力が大きくなるほど、電動モータ８９のモータ回転数が低下する。したがって、電動モータ８９にかかる負荷が軽いと、モータ駆動電流は小さくてよく、モータ回転数は高くなる。他方、電動モータ８９にかかる負荷が重くなると、モータ駆動電流値は大きくなり、モータ回転数は低くなる。ここでは、この関係に基づいて固着等により動きが妨げられている可変ノズルベーン７２の個数を推定するように構成された固着推定手段が設けられている。

ＥＣＵ９２は、上述の如く、可変ノズルベーン７２の開度を常時モニターしている。そして、ＥＣＵ９２は、その開度を運転状態に応じた可変ノズル開度になるように、可変ノズル機構７０の開度フィードバック制御を行っている。この開度フィードバック制御に際して、ＥＣＵ９２は、所定時間間隔おきに、可変ノズルベーン７２の開度と、それに対するモータ駆動電流値とを記憶する。そして、ＥＣＵ９２は、この記憶したモータ駆動電流値の変化率ΔＩを用いて、予め実験により求めてＲＯＭに記憶しておいたデータを調べることで、固着等して動きが妨げられている可変ノズルベーン７２の個数を推定する。そして、ＥＣＵ９２はその個数が、所定値、例えば３つになったときには、不図示の警告ランプを点灯させる。なお、警告ランプは、運転者あるいは車両整備者に見られる場所に設けられるのがよく、具体的には運転席のフロントパネルに設けられ得る。なお、警告ランプとして、固着等した可変ノズルベーン７２の個数を表示する表示灯を設けるようにしても良い。

より具体的に図６に基づいて説明する。全ての可変ノズルベーン７２の良好な動きが確保されているときには、上記した所定の駆動力Ｆｉが電動モータ８９により出力されることで、全ての可変ノズルベーン７２の開度（ＶＮ開度）を第１開度θ１から第２開度θ２に変えることが出来る。なお、電動モータ８９のモータ駆動電流値が駆動電流値Ｉｉのとき所定の駆動力Ｆｉが出力される。また、第１開度θ１および第２開度θ２はそれぞれ任意である。これに対して、複数の可変ノズルベーン７２の内の１つだけが固着等した場合には、第１開度θ１から第２開度θ２にその他の可変ノズルベーン７２の開度を変えるとき、それに要する駆動力は、所定の駆動力Ｆｉからそれに付加的な駆動力Ｆａがプラスされた駆動力Ｆ１まで上昇する。したがって、図６に点線αで示すように、電動モータ８９のモータ駆動電流値も駆動電流値Ｉｉからそれに付加的な駆動電流値Ｉａがプラスされた駆動電流値Ｉ１まで上昇する。同様に、複数の可変ノズルベーン７２の内の２つだけが固着等した場合には、第１開度θ１から第２開度θ２にその他の可変ノズルベーン７２の開度を変えるとき、それに要する駆動力は、所定の駆動力Ｆｉからそれに付加的な駆動力Ｆ２ａ（Ｆａ×２）がプラスされた駆動力まで上昇する。したがって、図６に細線βで示すように、電動モータ８９のモータ駆動電流値も駆動電流値Ｉｉからそれに付加的な駆動電流値Ｉ２ａ（Ｉａ×２）がプラスされた駆動電流値Ｉ２まで上昇する。

それ故、可変ノズルベーン７２の開度を第１開度θ１から第２開度θ２に変えるときの、モータ駆動電流値の変化率ΔＩが「０」のときには、すなわちモータ駆動電流値が一定のときにはＥＣＵ９２はいずれの可変ノズルベーン７２にも固着等が生じていないと判断することができる。他方、その変化率ΔＩが「０」ではなく、すなわちモータ駆動電流値が変化するとき、例えば変化率ΔＩがＩａ／（θ２−θ１）のときには、複数の可変ノズルベーン７２の内の１つに固着等が生じたと判断できる。このようにして固着等して動かなくなった可変ノズルベーン７２の個数が推定される。

そして、ＥＣＵ９２は、所定個数以上の可変ノズルベーン７２に固着等が生じたと判断したときには、上記警告ランプを点灯させて警告をする。したがって、運転者や車両整備者等は、可変ノズル機構７０の修理を行うか否かの判断を下すことが可能になる。つまり、可変ノズル機構７０の動作不良を適切に見出すことが出来るようになるので、可変ノズル機構７０の故障診断が可能になる。したがって、過給圧不足などのときなどに、早期にその原因を突き止めて、対策を講じることが可能になる。

なお、上記第１実施形態では、可変ノズルベーン７２の固着等した個数を判断するのに、電動モータ８９のモータ駆動電流値の変化率ΔＩを用いたが、モータ回転数の変化率を用いても良い。図５に表したように、モータ駆動力とモータ回転数とは比例関係にあるからである。あるいは可変ノズルベーン７２の固着等した個数を判断するのに、電動モータ８９からのモータ駆動力の変化率を用いても良い。他方、上記した如く、固着等した可変ノズルベーン７２Ａに対応するノズルアーム８２Ａを曲げる方向に駆動リング７８を回動させるときと、逆にノズルアーム８２Ａを伸ばす方向に駆動リング７８を回動させるときとでは、駆動リング７８の駆動に要する駆動力に差がある。それ故、駆動リング７８の回動方向の違いにより生じるモータ駆動力、モータ駆動電流値、モータ回転数の差あるいはその変化率の差を用いて固着等した可変ノズルベーン７２の個数を推定することができる。

次に、本発明の第２実施形態を図７および図８に基づいて説明する。第２実施形態の可変ノズル式ターボチャージャ１２２は、上記第１実施形態の可変ノズル式ターボチャージャ２２と比較して、ある可変ノズルベーン７２に固着等が生じたときであって、その他の可変ノズルベーン７２の開度を変えるとき、固着等した可変ノズルベーン７２に対応する弾性変形可能な材料で作製したノズルアーム１８２とノズルシャフト１７６との間の係合が解除可能なように、ノズルアーム１８２がノズルシャフト１７６を挟持する構成とした点で異なる。以下相違点について主に説明し、共通点については図中同一符号を付して説明を省略する。なお、本第２実施形態の可変ノズル式ターボチャージャ１２２が適用された車両のエンジンシステムやその制御は概ね上記第１実施形態と同じであるので、この点についても省略する。

図７は、本第２実施形態の可変ノズル式ターボチャージャ１２２の可変ノズル機構１７０の一部の概念的な拡大図である。なお、図７は、可変ノズル機構１７０を、ノズルベーンプレート７４が後側に位置するように駆動リング７８側からみた図である。

ノズルアーム１８２は、その一端が係合凹部８０に係合し、その他端がノズルシャフト１７６に係合するように構成されている。ノズルアーム１８２は１枚の板状の部材から構成されていて、その中間部が折りたたまれてノズルアーム１８２の一端を形成していて、それが係合凹部８０に係合する係合端部１８２ａを形成する。他方、ノズルアーム１８２を構成する板状の部材の両端部１８２ｂ、１８２ｃは、ノズルシャフト１７６の断面略角形の被挟持部１７６ａを挟み、保持するように構成されている。ただし、ノズルアーム１８２を構成する板状の部材の両端部１８２ｂ、１８２ｃは接合されず、被挟持部１７６ａを挟んで対向するように位置付けられていて、挟持部１８２ｄを形成する。したがって、駆動リング７８が矢印Ｃ３で示すように回動されることに伴って、ノズルアーム１８２が傾動されると、ノズルシャフト１７６もノズルアーム１８２の動きに連動して回動される。つまり、基本的には、ノズルシャフト１７６はノズルアーム１８２の動きに連動して一体的に回転可能である。このようにして、複数の可変ノズルベーン７２は運転状態に応じた可変ノズル開度に制御される。

ここで、複数の可変ノズルベーン７２の内の１つが上記第１実施形態で述べた理由により固着等した場合について説明する。このような場合に、その他の固着等していない可変ノズルベーン７２の動きを許容するべく、可変ノズルベーン７２の各々に対応するノズルアーム１８２は弾性変形可能な材料で作製されている。ノズルアーム１８２は、上記の如くノズルシャフト１７６を挟持しているが、それはノズルアーム１８２の弾性力によって達成されている。それ故、その弾性力を超える力をノズルアーム１８２に及ぼすことで、ノズルアーム１８２を構成する板状の部材の両端部１８２ｂ、１８２ｃの対向距離を拡げることができる。

図８に示すように、駆動リング７８が矢印Ｃ４の方向に回動され、そこに形成された係合凹部８０が移動すると、その係合凹部８０に係合されたノズルアーム１８２の係合端部１８２ａに力が及ぼされる。このようにして、固着等されていない複数の可変ノズルベーン７２の各々に対応するノズルアーム１８２の全ては傾動される。複数の可変ノズルベーン７２の内、図８に示した可変ノズルベーン７２Ａは固着等により動くことができず、回動しない。それ故、固着等した可変ノズルベーン７２Ａに対応するノズルアーム１８２Ａには、図８から明らかなように、ノズルアーム１８２Ａを構成する板状の部材の両端部１８２ｂ、１８２ｃの間の間隔が大きくなるような力が駆動リング７８から及ぼされる。これにより、ノズルアーム１８２Ａのそれら両端部１８２ｂ、１８２ｃと、ノズルシャフト１７６の被挟持部１７６ａとの係合が実質的に解除される。このようにして、固着等した可変ノズルベーン７２Ａとノズルアーム１８２Ａとの係合が解除されるので、その他の可変ノズルベーン７２の回動が可能になる。

なお、本第２実施形態でも、可変ノズルベーン７２の固着等した個数を判断するのに、電動モータ８９のモータ駆動電流値の変化率ΔＩ、モータ回転数の変化率、あるいはモータ駆動力の変化率が用いられ得る。あるいは、駆動リング１７８の回動方向の違いにより生じるモータ駆動力、モータ駆動電流値、モータ回転数の差あるいはその変化率の差を用いて固着等した可変ノズルベーン７２の個数を推定することもできる。

次に、本発明の第３実施形態を図９および図１０に基づいて説明する。第３実施形態の可変ノズル式ターボチャージャ２２２は、上記第１および第２実施形態の可変ノズル式ターボチャージャ２２、１２２と比較して、ある可変ノズルベーン７２に固着等が生じたときであって、その他の可変ノズルベーン７２の開度を変えるとき、その固着等した可変ノズルベーン７２に対応する弾性変形可能な材料で作製したノズルアーム２８２と駆動リング２７８との間の係合が解除されるような構成を有する点で異なる。以下、上記第１および第２実施形態との相違点について主に説明し、それらとの共通点については図中同一符号を付して説明を省略する。なお、本第３実施形態の可変ノズル式ターボチャージャ２２２が適用された車両のエンジンシステムやその制御は概ね上記第１実施形態と同じであるので、この点についても省略する。

図９は、本第３実施形態の可変ノズル式ターボチャージャ２２２の可変ノズル機構２７０の一部の概念的な拡大図である。なお、図９は、可変ノズル機構２７０を、ノズルベーンプレート７４が後側に位置するように駆動リング２７８側からみた図である。

ノズルアーム２８２は、その一端が駆動リング２７８の係合凹部２８０に係合し、その他端がノズルシャフト７６に取り付けられるように構成されている。ここでのノズルシャフト７６は上記第１実施形態のノズルシャフト７６と同じであり、ノズルアーム２８２とノズルシャフト７６との係合構造も上記第１実施形態で述べたのと同じである。

駆動リング２７８の係合凹部２８０と係合するノズルアーム２８２の係合端部２８２ａは、滑らかな斜面２８２ｂを有するように構成されている。係合端部２８２ａは、その断面形状が略三角形状になるように形成されていて、これに対応して係合凹部２８０の凹形状もその断面が略三角形状になるように形成されている。なお、図９では明らかにしていないが、ノズルアーム２８２の係合端部２８２ａと、駆動リング２７８の係合凹部２８０とは、互いに嵌まり合って係合することが可能な程度の厚みを有している。ノズルアーム２８２の係合端部２８２ａを除いた他の部分、つまりアーム部分２８２ｃは、上記第１実施形態のノズルアーム８２と同様に弾性変形可能な材料で作製されている。したがって、ある程度以上の力がノズルアーム２８２に及ぼされると、ノズルアーム２８２のアーム部分２８２ｃは弾性変形して曲がる。

なお、係合端部２８２ａの断面形状は略三角形状である必要はなく、係合凹部２８０に係合端部２８２ａが後述するように係合および係合解除（離脱）可能であれば他の如何なる形状でも良い。また、ここではアーム部分２８２ｃは板状物であるが、それはその断面直径が数ｍｍであるような線状物であっても良い。

可変ノズル機構２７０の複数の可変ノズルベーン７２の全てが良好に可動であるとき、駆動リング２７８が矢印Ｃ５で示すように回動されることに伴って、ノズルアーム２８２が一体的に傾動されると、ノズルシャフト７６もノズルアーム２８２の動きに連動して回動される。このようにして、複数の可変ノズルベーン７２は運転状態に応じた可変ノズル開度に制御される。

ここで、複数の可変ノズルベーン７２の内の１つが上記第１実施形態で述べた理由により固着等した場合について説明する。図１０に示すように、駆動リング２７８が矢印Ｃ６の方向に回動され、そこに形成された係合凹部２８０が移動すると、その係合凹部２８０に係合されたノズルアーム２８２の係合端部２８２ａが動かされる。このようにして、固着等されていない複数の可変ノズルベーン７２の各々に対応するノズルアーム２８２の全てが傾動される。複数の可変ノズルベーン７２の内、図１０に示した可変ノズルベーン７２Ａは固着等により動くことができず、回動しない。それ故、固着等した可変ノズルベーン７２Ａに対応するノズルアーム２８２Ａには、図１０から明らかなように、ノズルアーム２８２Ａのアーム部分２８２ｃが曲がるような力が駆動リング２７８から及ぼされる。これにより、ノズルアーム２８２Ａの係合端部２８２ａと、駆動リング２７８の係合凹部２８０との係合が実質的に解除される。このようにして、固着等した可変ノズルベーン７２Ａと係合凹部２８０との係合が解除されるので、その他の可変ノズルベーン７２の回動が可能になる。

図１０に示された状態において、矢印Ｃ６とは逆方向に駆動リング２７８が回動されると、係合が解除されていたノズルアーム２８２Ａの係合端部２８２ａと駆動リング２７８の係合凹部２８０とが再係合される。さらに矢印Ｃ６とは逆方向に駆動リング２７８が回動されると、固着等した可変ノズルベーン７２Ａに対応するノズルアーム２８２Ａの係合端部２８２ａと駆動リング２７８の係合凹部２８０との係合が再び解除される。

なお、本第３実施形態の可変ノズル機構２７０のノズルアーム２８２Ａの係合解除および係合に関連して、上記第１実施形態で述べた場合と同様に、電動モータ８９の駆動電流値、モータ回転数、モータ駆動力は変化する。したがって、可変ノズルベーン７２の固着等した個数を判断するのに、電動モータ８９の駆動電流値の変化率ΔＩ、モータ回転数の変化率、あるいはモータ駆動力の変化率が用いられ得る。

次に、本発明の第４実施形態について図１１に基づいて説明する。第４実施形態の可変ノズル式ターボチャージャ３２２は、上記第１、第２、第３実施形態の可変ノズル式ターボチャージャ２２、１２２、２２２と比較して、ある可変ノズルベーン７２に固着等が生じたときであって、その他の可変ノズルベーン７２の開度を変えるとき、その固着等した可変ノズルベーン７２を回転可能に軸支するノズルシャフト３７６の構成要素が弾性変形することによって、他の複数の可変ノズルベーン７２の動きを許容するような構成を有する点で異なる。以下、上記第１から第３実施形態との相違点について主に説明し、それらとの共通点については図中同一符号を付して説明を省略する。なお、本第４実施形態の可変ノズル式ターボチャージャ３２２が適用された車両のエンジンシステムやその制御は概ね上記第１実施形態と同じであるので、この点についても省略する。

図１１は、上記第１実施形態の説明に用いた図２の中の円γで囲った領域に相当する部分である、可変ノズル式ターボチャージャ３２２の可変ノズル機構３７０の一部の概念的な断面図である。なお、可変ノズル機構３７０のノズルシャフト３７６およびノズルアーム３８２は、上記第１実施形態の可変ノズル機構７０のノズルシャフト７６およびノズルアーム８２と異なる。

ノズルアーム３８２は、駆動リング７８から伝達される動力によっては弾性変形が生じない程度に剛性を有する材料から作製されている。ノズルアーム３８２は先に図１２を用いて説明されたノズルアームＡ４の如き構成を有している。ノズルアーム３８２の一端は、駆動リング７８の係合凹部８０に係合し、その他端はノズルシャフト３７６に固着されている。

ノズルシャフト３７６は、ノズルアーム３８２に固着される芯部材３７６ａと、この芯部材３７６ａの周囲を囲むように円筒形状に形成された中空部材３７６ｂとからなる。芯部材３７６ａは、弾性変形可能な材料で作られた、ある程度の剛性を有する線状の部材である。他方、中空部材３７６ｂは、駆動リング７８から及ぼされる力では弾性変形しない程度の剛性を有する材料で作製されている。中空部材３７６ｂは、可変ノズルベーン７２側で閉じるように構成され、可変ノズルベーン７２に連結されている。芯部材３７６ａの一端は上述の如くノズルアーム３８２に固着され、その他端は中空部材３７６ｂに固定されている。したがって、対応する可変ノズルベーン７２に固着等が生じているノズルアーム３８２にある程度以上の力が及ぼされると、そのノズルアーム３８２につながったノズルシャフト３７６の芯部材３７６ａは捩れるように弾性変形する。

可変ノズル機構３７０の複数の可変ノズルベーン７２の全てが良好に可動であるとき、駆動リング７８の回動に伴って、ノズルアーム３８２が傾動されると、ノズルシャフト３７６全体もノズルアーム３８２の動きに連動して回動される。このようにして、複数の可変ノズルベーン７２は運転状態に応じた可変ノズル開度に制御される。

これに対して、複数の可変ノズルベーン７２の内の例えば１つが固着等すると、駆動リング７８が回動されてノズルアーム３８２が動かされることに伴って、その固着等した可変ノズルベーン７２Ａに対応するノズルシャフト３７６の芯部材３７６ａに捩れるような力が及ぼされる。これにより、固着等した可変ノズルベーン７２に対応するノズルシャフト３７６の芯部材３７６ａが捩れて変形するので、その他の可変ノズルベーン７２の回動が可能になる。

なお、本第４実施形態の可変ノズル機構３７０のノズルシャフト３７６の芯部材３７６ａの弾性変形に関連して、上記第１実施形態で述べた場合と同様に、電動モータ８９の駆動電流値、モータ回転数、モータ駆動力は変化する。したがって、可変ノズルベーン７２の固着等した個数を判断するのに、電動モータ８９の駆動電流値の変化率ΔＩ、モータ回転数の変化率、あるいはモータ駆動力の変化率が用いられ得る。あるいは、駆動リング７８の回動方向の違いにより生じるモータ駆動力、モータ駆動電流値、モータ回転数の差あるいはその変化率の差を用いて固着等した可変ノズルベーン７２の個数を推定することもできる。

以上、本発明を上記第１から第４実施形態に基づいて説明したが、それら以外の実施形態は許容される。上記各種の実施形態では、アーム部材であるノズルアーム８２、１８２、２８２や、軸部材であるノズルシャフト３７６の全部あるいは一部を弾性変形可能な材料で作製したが、それらの一部のみあるいは全部がそのような弾性変形可能な材料で作製されても良い。また、上記実施形態では、駆動手段は駆動リングを含むとしたが、それを含まなくても良い。また、連動機構は駆動手段からの動力を複数の可変ノズルベーンの各々に伝達する機構を有するのであれば、上記の如きノズルアームやノズルシャフトを含まなくても良い。

なお、上記実施形態では、本発明をある程度の具体性をもって説明したが、本発明については、特許請求の範囲に記載された発明の精神や範囲から離れることなしに、さまざまな改変や変更が可能であることは理解されなければならない。すなわち、本発明は特許請求の範囲およびその等価物の範囲および趣旨に含まれる修正および変更を包含するものである。

第１実施形態の可変ノズル式ターボチャージャが適用された車両のエンジンシステムの概念図である。 第１実施形態の可変ノズル式ターボチャージャの概略的な断面図である。 図２中左方よりみた可変ノズル機構の一部の概念図である。 １つの可変ノズルベーンの動きが妨げられている、図２中左方よりみた可変ノズル機構の一部の概念図である。 モータ駆動力、モータ駆動電流、およびモータ回転数の関係を表したグラフである。 可変ノズルベーンの開度とモータ駆動電流との関係を表したグラフである。 第２実施形態の可変ノズル式ターボチャージャの可変ノズル機構の一部の概念図である。 第２実施形態の可変ノズル式ターボチャージャの可変ノズル機構の一部の概念図であり、動きが妨げられている１つの可変ノズルベーンに関するノズルアームの動きを説明するための図である。 第３実施形態の可変ノズル式ターボチャージャの可変ノズル機構の一部の概念図である。 第３実施形態の可変ノズル式ターボチャージャの可変ノズル機構の一部の概念図であり、動きが妨げられている１つの可変ノズルベーンに関するノズルアームの動きを説明するための図である。 図２に表された第１実施形態の中の円γで囲った領域に相当する部分である、第４実施形態の可変ノズル式ターボチャージャの可変ノズル機構の一部の概略的な断面図である。 従来の可変ノズル式ターボチャージャの可変ノズル機構の説明図である。

符号の説明

２２ 可変ノズル式ターボチャージャ
７２ 可変ノズルベーン
７６ ノズルシャフト（軸部材）
７８ 駆動リング
８２ ノズルアーム（アーム部材）

Claims (3)

1. タービンの排気入口部に配設された複数の可変ノズルベーンの角度を変えるべく、駆動手段からの動力を前記複数の可変ノズルベーンに伝達するように構成された連動機構を備えた可変ノズル式ターボチャージャにおいて、
   前記連動機構の内、前記複数の可変ノズルベーンの各々に対応する構成部材の少なくとも一部は、弾性変形可能な材料で作られていることを特徴とする可変ノズル式ターボチャージャ。
2. 前記構成部材は、前記駆動手段からの動力を前記可変ノズルベーンの回転軸を定める軸部材に伝達するように、該軸部材に取り付けられたアーム部材であることを特徴とする請求項１に記載の可変ノズル式ターボチャージャ。
3. 前記構成部材は、前記可変ノズルベーンの回転軸を定める軸部材であることを特徴とする請求項１に記載の可変ノズル式ターボチャージャ。

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