JP2009167855A - 過給機の可変ノズル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置を複雑にすることなく、ノズルベーンを駆動するための回転力を伝達する伝達機構の駆動シャフトとブッシュとの間への異物の噛み込みを抑える可変ノズル装置を提供する。
【解決手段】過給機の可変ノズル装置は、複数のノズルベーンの開度を変更させるリンク機構を備える。開度を変更させるために、アクチュエータの駆動力に基づく回転力を駆動シャフト５ｂを介してリンク機構に伝達する伝達機構２５５を備える。圧入により固定部材（センターハウジング１７）に取り付けられ、且つ伝達機構２５５の回転軸である駆動シャフト５ｂを回転自在な状態で保持するブッシュ２５７を備える。駆動シャフト５ｂは、少なくとも一部がブッシュ２５７の圧入部分に囲まれる細径部５ｂ１と、ブッシュ２５７の非圧入部分に囲まれ且つ細径部５ｂ１よりも径が太い太径部５ｂ３とを有する。細径部５ｂ１の軸方向長さは、圧入部分の軸方向長さ以上である。
【選択図】図５

Description

本発明は、過給機の可変ノズル装置に関し、特にノズルベーンを駆動するための回転力を伝達する伝達機構における駆動シャフトとブッシュの間における異物による噛み込みを抑えた可変ノズル装置に関する。

タービンに可変ノズルが設けられた過給機が提案されている。可変ノズル装置は、過給機におけるタービンホイールへの排気流路の開口面積を変動させることにより、タービンホイールに吹き付けられる排気の流速を変更させる装置であり、かかる可変ノズル装置により、タービンホイールの回転速度が調整され、エンジン本体に送り込まれる空気の量や過給圧が調整される。

可変ノズル装置は、ノズルベーンを駆動するための回転力を、駆動シャフトを介して伝達する伝達機構を有する。かかる伝達機構において、高温で且つ高圧の排気ガスが、駆動シャフトと駆動シャフトを回転自在に保持するブッシュとの間の微小隙間を通り、大気に漏れ出るおそれがある。排気ガスには、燃焼で発生するカーボンデポジットなどの異物が含まれ、異物が駆動シャフトとブッシュとの間の微小隙間に侵入した場合、異物による噛み込みが発生し、駆動シャフトの摺動不良が発生するおそれがある。

特許文献１は、タービンハウジングと可変ノズル装置の駆動リンク室との間に、排気ガスの駆動リンク室への流れを抑えるシール部材を有し、これにより伝達機構の駆動シャフトとブッシュとの間への異物による噛み込みを抑える可変ノズル装置を開示する。
特開２００５−４２５８８号公報

しかしながら、特許文献１の装置は、過給機、可変ノズル装置に加えて別途シール部材を用意する必要があり、組み立て工数の増加やコストアップの問題があった。

したがって本発明の目的は、装置を複雑にすることなく、ノズルベーンを駆動するための回転力を伝達する伝達機構の駆動シャフトとブッシュとの間への異物による噛み込みを抑える可変ノズル装置を提供することである。

本発明に係る過給機の可変ノズル装置は、複数のノズルベーンの開度を変更させるリンク機構と、開度を変更させるために、アクチュエータの駆動力に基づく回転力を駆動シャフトを介してリンク機構に伝達する伝達機構と、圧入により固定部材に取り付けられ、且つ伝達機構の回転軸である駆動シャフトを回転自在な状態で保持するブッシュとを備え、駆動シャフトは、少なくとも一部がブッシュの圧入部分に囲まれる細径部と、ブッシュの非圧入部分に囲まれ且つ細径部よりも径が太い太径部とを有し、細径部の軸方向長さは、圧入部分の軸方向長さ以上である。

ブッシュの圧流部分は、非圧入部分に比べて内径が細くなるが、細径部があるために、ブッシュと駆動シャフトとの間隔は、ブッシュの圧入部分と細径部との間隔、及びブッシュの非圧入部分と駆動シャフトの太径部との間隔とが同程度に出来る。従って、駆動シャフトに細径部を設けない形態に比べて、ブッシュと駆動シャフトとの間で、カーボンデポジットなどの異物が、集中して堆積する箇所が出来にくくなり、異物による噛み込みが発生する可能性を低くすることが可能になる。

また、ブッシュの圧入部分の内径が細くなることを考慮して、圧入が行われる前のブッシュの内径をあらかじめ大きく設定しておく形態に比べて、ブッシュと駆動シャフトとの間隔を小さく出来るため、異物の侵入の防止及び可変ノズル装置の作動がたつきを小さくすることが可能になる。

また、ブッシュと駆動シャフトとの間への異物の侵入を避けるガスのシール性向上のためには、別途シール部材を設ける形態、及び駆動リンク部の周辺部分を大気圧よりも高い状態にする形態が考えられるが、いずれも通常の可変ノズル装置に別の部材を加える必要があり、組み付け工数が増加したりコストが上がる問題を有する。本発明は、これらの形態に比べて、装置を複雑にすることなく、簡単にブッシュと駆動シャフトとの間への異物の侵入による摺動不良を抑えることが可能になる。

なお、ブッシュと駆動シャフトとの間には、長期間の使用で異物の堆積は避けられないが、駆動シャフトの細径部の軸方向長さをブッシュの圧入部分の軸方向長さ以上に設定されているため、細径部の両端部と非圧入部分との間に、駆動シャフトとブッシュとの間隔が大きい空間を設けることが可能になる。かかる空間には、他の駆動シャフトとブッシュとの間隔が狭い空間に比べて、異物が有る程度堆積しても駆動シャフトの摺動不良を発生させない効果を有するため、異物による駆動シャフトの摺動不良が発生するまでの時間を延ばすことが可能になる。

また、好ましくは、伝達機構は、駆動シャフトの一方の端部に取り付けられ、アクチュエータの駆動力を受ける駆動リンク部と、駆動シャフトの他方の端部に取り付けられ、リンク機構に係合して、回転力をリンク機構に伝達する駆動アーム部とを有し、細径部は、駆動シャフトの駆動リンク部が取り付けられる部分、及び駆動シャフトの駆動アーム部が取り付けられる部分の少なくとも一方よりも太い径を有する。

これにより、細径部の径を駆動アーム部が取り付けられる部分などよりも細い径を有する場合にくらべて、駆動シャフトの強度を確保することが可能になる。

また、好ましくは、固定部材におけるブッシュの非圧入部分に対向する部分の内径が、ブッシュの圧入部分に接触する部分の内径、及びブッシュの非圧入部分の外径よりも太い。

この場合、固定部材のブッシュを取り囲む部分の軸方向長さが長くても、ブッシュの非圧入部分に対向する部分の内径を太くすることにより、ブッシュに非圧入部分を設けることが可能になる。

また、好ましくは、細径部と太径部との間にはテーパーが形成される。

これにより、圧入により変形するブッシュの圧入部分の形状に合わせて、駆動シャフトを形成することが可能になり、異物が侵入したとしても堆積にしにくくなるメリットを有する。

また、好ましくは、細径部の径と太径部の径との差異は、ブッシュの非圧入部分の内径と圧入部分の内径との差異と同等以上になるように設定される。

これにより、駆動シャフトは、細径部の太径部がブッシュの非圧入部分と回転自在に保持される。従って、細径部は、ブッシュとは接触しないため、細径部を設けたことによって、可変ノズル装置の作動がたつきが大きくなることはない。

以上のように本発明によれば、装置を複雑にすることなく、ノズルベーンを駆動するための回転力を伝達する伝達機構の駆動シャフトとブッシュとの間への異物の噛み込みを抑える可変ノズル装置を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について、図を用いて説明する。内燃機関１は、制御部１０、過給機１３、エンジン本体３０、コンプレッサ入口側吸気通路５１、コンプレッサ出口側吸気通路５２、吸気マニホールド５５、排気マニホールド７１、タービン入口側排気通路７２、タービン出口側排気通路７３、及び排気浄化装置８０を備える。

制御部１０は、ＣＰＵ、制御プログラムを格納したＲＯＭ、及び各種データを格納するＲＡＭ等を有し、各種センサからの信号が入力され、また、アクチュエータ等に制御信号を出力して内燃機関１を含む車両の各部を制御する。制御部１０は、特に、アクチュエータを介して、過給機１３に取り付けられた可変ノズル装置２５を駆動し、ノズルベーン２５０の開度を調整する。

内燃機関１の運転中、エンジン本体３０の各シリンダーの燃焼室には、コンプレッサ入口側吸気通路５１、コンプレッサ出口側吸気通路５２、及び吸気マニホールド５５を介して、空気が吸入される（図１の吸気通路内の実線矢印参照）。インジェクタから噴射された燃料は、吸入された空気と混ざって混合気を形成する。制御部１０からの点火信号に基づく点火プラグの点火によって、混合気は燃焼する。混合気の燃焼による爆発力に応じたピストンの往復運動により、クランクシャフト（不図示）が回転する。燃焼により発生した排気ガスは、排気マニホールド７１、タービン入口側排気通路７２、及びタービン出口側排気通路７３を介して排出される（図１の破線矢印参照）。

次に、過給機１３を中心に、内燃機関１の各部の構成を説明する。過給機１３は、ノズルベーン２５０の開度を制御可能な可変ノズルターボチャージャーであり、タービンハウジング１４、タービンホイール１５、センターハウジング１７、ロータシャフト１８、コンプレッサハウジング２０、コンプレッサホイール２１、及び可変ノズル装置２５を有する。

タービンハウジング１４、及びコンプレッサハウジング２０は、センターハウジング１７の両側に設けられ、３つのハウジングによって過給機１３の外形が形成される。タービンハウジング１４の内部には、タービンホイール１５に排気を流入させるスクロール通路１４ａが形成される。スクロール通路１４ａは、巻き始めから巻き終わりにかけて流路面積が徐々に小さくなり、タービンホイール１５に圧縮された排気を吹き付けることが可能な構成となっている。

タービンホイール１５は、ロータシャフト１８を介して、コンプレッサホイール２１と一体回転可能な状態で連結される。過給機１３は、エンジン本体１からの排気が吹き付けられてタービンホイール１５が回転する。この回転は、ロータシャフト１８を介して、コンプレッサホイール２１に伝達される。その結果、内燃機関１では、ピストンの移動に伴いエンジン本体３０に発生する負圧によって空気がシリンダー内に取り込まれるだけでなく、その空気がコンプレッサホイール２１の回転によって強制的にシリンダー内に送り込まれる、すなわち過給される。このようにして、燃焼室への空気の充填効率が高められる。

タービンハウジング１４の入口側は、排気マニホールド７１に連通されたタービン入口側排気通路７２と接続する。タービンハウジング１４の出口側は、排気浄化装置８０に連通されたタービン出口側排気通路７３と接続する。

コンプレッサハウジング２０の入口側は、コンプレッサ入口側吸気通路５１と接続する。コンプレッサ入口側吸気通路５１には、エアクリーナ、及びエアフローメータ（不図示）が設けられる。コンプレッサハウジング２０の出口側は、吸気マニホールド５５に連通されたコンプレッサ出口側吸気通路５２と接続する。コンプレッサ出口側吸気通路５２には、インタークーラ、及びスロットルバルブ（不図示）が設けられる。

可変ノズル装置２５は、スクロール通路１４ａのタービンホイール１５への排気流路の開口面積を調整することにより、タービンホイール１５に吹き付けられる排気の流速を変更させる装置である。かかる可変ノズル装置２５により、タービンホイール１５の回転速度が調整され、エンジン本体３０に送り込まれる空気の量や過給圧が調整される。

可変ノズル装置２５は、タービンホイール１５への排気の流入部に配置された複数のノズルベーン２５０、ノズルベーン２５０をノズルベーン軸２５１を介して揺動可能に保持するノズルプレート２５２、ノズルベーン軸２５１の端部に固定されたアーム２５３、アーム２５３と係合しアーム２５３を介してノズルベーン軸２５１を回転させるユニゾンリング２５４、ノズルベーン２５０を駆動するための回転力を駆動シャフト５ｂを介して伝達するレバーユニット（伝達機構）２５５、リンク室２５６、及びレバーユニット２５５の駆動シャフト５ｂを回転自在に保持するブッシュ２５７を有する。

ユニゾンリング２５４が回転せしめられると、ユニゾンリング２５４と係合するアーム２５３がノズルベーン軸２５１を中心に揺動し、ノズルベーン軸２５１の回転によってノズルベーン２５０の開度が変わる。ノズルプレート２５２、ノズルベーン軸２５１、アーム２５３、及びユニゾンリング２５４は、ノズルベーン２５０の開度を変更させるリンク機構を構成し、タービンハウジング１５またはセンターハウジング１７の内部、またはこれらに挟まれた空間に設けられたリンク室２５６に収納される。

ユニゾンリング２５４の回転は、レバーユニット２５５を介してタービンハウジング１５またはセンターハウジング１７の外部に設けられたアクチュエータ（不図示）からの駆動力に基づく回転力が伝達されることにより行われる。レバーユニット２５５は、アクチュエータの駆動力を受ける駆動リンク部５ａ、一方の端部が駆動リンク部５ａに固定された駆動シャフト５ｂ、及び駆動シャフト５ｂの他方の端部に固定され且つユニゾンリング２５４に係合する駆動アーム５ｃを有する。アクチュエータの駆動力に基づく回転力により駆動リンク部５ａが、駆動シャフト５ｂを軸に回転せしめられると、駆動シャフト５ｂ、及び駆動アーム５ｃも一緒に回転せしめられ、駆動アーム５ｃに係合したユニゾンリング２５４も一緒に回転せしめられる。

図３に示されるように、レバーユニット２５５を駆動して駆動アーム５ｃを点線矢印に示すように揺動させると、これに伴ってユニゾンリング２５４も同じ方向、すなわち図３では反時計回りに、図４では時計回りに回転する。ユニゾンリング２５４の回転によって、ノズルベーン軸２５１が実線矢印に示すように図３では反時計回りに、図４では時計回りに回転する。これによりノズルベーン２５０の開度は閉じる方向に制御される。

駆動シャフト５ｂは、ブッシュ２５７に回転自在な状態で保持される。ブッシュ２５７は、中空円筒形状の軸受筒であり、軸方向の中央部分（圧入部分）だけセンターハウジング１７などの固定部材に圧入により取り付けられる。すなわち、軸方向の端部（非圧入部分）はセンターハウジング１７に接触しない状態で取り付けられる。ブッシュ２５７は、圧入前は中空円筒形状であるが、圧入後は、圧入部分が径方向内側に撓み、非圧入部分に比べて、内径が細くなる（図５参照）。

なお、センターハウジング１７のブッシュ２５７を圧入する部分の形状は、圧入によりブッシュ２５７の中央部分の内径がブッシュ２５７の端部の内径よりも細くすることができれば、別の形状であってもよい。例えば、センターハウジング１７におけるブッシュ２５７の非圧入部分と径方向で対向する部分１７ｂの内径が、センターハウジング１７におけるブッシュ２５７の圧入部分と接触する部分１７ａの内径や、ブッシュ２５７の外径よりも太めに設定する形態が考えられる（図６参照）。この場合、センターハウジング１７のブッシュ２５７を取り囲む部分の軸方向長さが長くても、ブッシュ２５７の非圧入部分に対向する部分の内径を太くすることにより、ブッシュ２５７の端部に非圧入部分を設けることが可能になり、設計自由度を高くすることが可能になる。

駆動シャフト５ｂは、少なくとも一部（中心部分）がブッシュ２５７の圧入部分に囲まれる細径部５ｂ１、細径部５ｂの両端に配置され軸方向で且つ端部方向に向かって径が太くなるテーパーを形成するテーパー部５ｂ２、ブッシュ２５７の非圧入部分に囲まれる太径部５ｂ３、及び駆動リンク部５ａまたは駆動アーム５ｃと嵌合する嵌合部５ｂ４を有する。太径部５ｂ３とテーパー部５ｂ２の径が最も太い部分とはほぼ同じ径ｄ３を有し、細径部５ｂ１とテーパー部５ｂ２の径が最も細い部分とはほぼ同じ径ｄ１を有する。細径部５ｂ１の径ｄ１と太径部５ｂ３の径ｄ３との差異は、ブッシュ２５７の非圧入部分の内径と圧入部分との内径の差異と同等以上になるように設定される。テーパー部５ｂ２の傾斜度合いは、ブッシュ２５７の圧入部分の端部に形成されたテーパー部分の傾斜度合いと同程度になるように設定される。これにより、駆動シャフト５ｂとブッシュ２５７との間隔が、細径部５ｂ１、テーパー部５ｂ２、及び太径部５ｂ３でほぼ同程度に設定される。

なお、駆動シャフト５ｂの強度を確保するため、細径部５ｂ１の径ｄ１は、嵌合部５ｂ４の径ｄ４よりも太い径を有することが望ましい（ｄ４＜ｄ１＜ｄ３）。

また、太径部５ｂ３の径ｄ３と細径部５ｂ１の径ｄ１との差異は、ブッシュ２５７の非圧入部分の内径と圧入部分の内径の差異と同等以上に設定されため、駆動シャフト５ｂは、細径部５ｂ１の両端に配置された太径部５ｂ３がブッシュ２５７の非圧入部分と回転自在に保持される。従って、細径部５ｂ１は、ブッシュ２５７とは接触しないため、細径部５ｂ１を設けたことによって、細径部５ｂ１を設けない形態に比べて、可変ノズル装置２５の作動がたつきが大きくなることはない。

また、細径部５ｂ１の軸方向長さは、ブッシュ２５７の圧入部分の軸方向長さ以上に設定される。

本実施形態のように、過給機１３に可変ノズル装置２５が取り付けられた内燃機関１では、高温で且つ高圧排気ガスがスクロール通路１４ａを通過する際に、ノズルベーン軸２５１とノズルプレート２５２の間のクリアランスＣ１、またはノズルプレート２５２とタービンハウジング１４と間のクリアランスＣ２に侵入し、リンク室２５６に侵入することが考えられる（図２参照）。リンク室２５６は、大気圧の駆動リンク部５ａ周辺部分に比べて圧力が高いため、リンク室２５６から排気ガスが、駆動シャフト５ｂとブッシュ２５７との間の微小隙間に侵入するおそれがある。排気ガスには、燃焼で発生するカーボンデポジットなどの異物が含まれ、異物が駆動シャフト５ｂとブッシュ２５７との間の微小隙間に侵入した場合、異物により噛み込みが発生し、駆動シャフト５ｂの摺動不良が発生するおそれがある。

本実施形態では、ブッシュ２５７の圧入部分と駆動シャフト５ｂの細径部５ｂ１との間隔を、ブッシュ２５７の非圧入部分と駆動シャフト５ｂの太径部５ｂ３との間隔と同等以上に出来る。このため、駆動シャフト５ｂに細径部５ｂ１を設けず、ブッシュ２５７の圧入部分と駆動シャフト５ｂとの間隔が、ブッシュ２５７の非圧入部分と駆動シャフト５ｂとの間隔より小さくなる形態（図７参照）に比べて、ブッシュ２５７と駆動シャフト５ｂとの間で、カーボンデポジットなどの異物が、集中して堆積する箇所が出来にくくなり、異物による噛み込みが発生する可能性を低くすることが可能になる。

また、図７の形態における異物噛み込み発生の問題を解決するため、ブッシュ２５７の圧入部分の内径が細くなることを考慮して、圧入が行われる前のブッシュ２５７の内径をあらかじめ大きく設定しておく形態が考えられる。本実施形態では、かかる形態に比べて、ブッシュ２５７と駆動シャフト５ｂとの間隔を小さく出来るため、異物の侵入の防止及び可変ノズル装置２５の作動がたつきを小さくすることが可能になる。

また、駆動シャフト５ｂにテーパー部５ｂ２を設けることにより、圧入により変形するブッシュ２５７の圧入部分の形状に合わせて、駆動シャフト５ｂを形成することが可能になり、異物が侵入したとしても堆積にしにくくなるメリットを有する。

なお、ブッシュ２５７と駆動シャフト５ｂとの間には、長期間の使用で異物の堆積は避けられないが、本実施形態では、駆動シャフト５ｂの細径部５ｂ１の軸方向長さをブッシュ２５７の圧入部分の軸方向長さ以上に設定されているため、細径部５ｂ１の両端部と非圧入部分との間に、駆動シャフト５ｂとブッシュ２５７との間隔が大きい空間を設けることが可能になる。かかる空間には、他の駆動シャフト５ｂとブッシュ２５７との間隔が狭い空間に比べて、異物が有る程度堆積しても駆動シャフト５ｂの摺動不良を発生させない効果を有するため、異物による駆動シャフト５ｂの摺動不良が発生するまでの時間を延ばすことが可能になる。

また、ブッシュ２５７と駆動シャフト５ｂとの間への異物の侵入を避けるガスのシール性向上のためには、別途シール部材を設ける形態、及び駆動リンク部５ａの周辺部分を大気圧よりも高い状態にする形態が考えられるが、いずれも通常の可変ノズル装置に別の部材を加える必要があり、組み付け工数が増加したりコストが上がる問題を有する。本実施形態は、これらの形態に比べて、装置を複雑にすることなく、簡単にブッシュ２５７と駆動シャフト５ｂとの間への異物による摺動不良を抑えることが可能になる。

本実施形態における内燃機関の構成図である。 過給機の概略構成を示す断面図である。 ノズルプレートのコンプレッサ側の構成を示す図である。 ノズルプレートのタービン側の構成を示す図である。 駆動シャフトの周辺部分の構成を示す断面図である。 圧入の別形態を示す駆動シャフトの周辺部分の構成を示す断面図である。 駆動シャフトに細径部を設けない場合の駆動シャフトの周辺部分を示す断面図である。

符号の説明

１ 内燃機関
５ａ 駆動リンク部
５ｂ 駆動シャフト
５ｃ 駆動アーム
１０ 制御部
１３ 過給機
１４ タービンハウジング
１４ａ スクロール通路
１５ タービンホイール
１７ センターハウジング
１８ ロータシャフト
２０ コンプレッサハウジング
２１ コンプレッサホイール
２５ 可変ノズル装置
２５０ ノズルベーン
２５１ ノズルベーン軸
２５２ ノズルプレート
２５３ アーム
２５４ ユニゾンリング
２５５ レバーユニット
２５６ リンク室
２５７ ブッシュ
３０ エンジン本体
５１ コンプレッサ入口側吸気通路
５２ コンプレッサ出口側吸気通路
５５ 吸気マニホールド
７１ 排気マニホールド
７２ タービン入口側排気通路
７３ タービン出口側排気通路
８０ 排気浄化装置

Claims (5)

1. 複数のノズルベーンの開度を変更させるリンク機構と、
   前記開度を変更させるために、アクチュエータの駆動力に基づく回転力を駆動シャフトを介して前記リンク機構に伝達する伝達機構と、
   圧入により固定部材に取り付けられ、且つ前記伝達機構の回転軸である前記駆動シャフトを回転自在な状態で保持するブッシュとを備え、
   前記駆動シャフトは、少なくとも一部が前記ブッシュの圧入部分に囲まれる細径部と、前記ブッシュの非圧入部分に囲まれ且つ前記細径部よりも径が太い太径部とを有し、
   前記細径部の軸方向長さは、前記圧入部分の軸方向長さ以上であることを特徴とする過給機の可変ノズル装置。
2. 前記伝達機構は、前記駆動シャフトの一方の端部に取り付けられ、前記アクチュエータの駆動力を受ける駆動リンク部と、前記駆動シャフトの他方の端部に取り付けられ、前記リンク機構に係合して、前記回転力を前記リンク機構に伝達する駆動アーム部とを有し、
   前記細径部は、前記駆動シャフトの前記駆動リンク部が取り付けられる部分、及び前記駆動シャフトの前記駆動アーム部が取り付けられる部分の少なくとも一方よりも太い径を有することを特徴とする請求項１に記載の可変ノズル装置。
3. 前記固定部材における前記ブッシュの前記非圧入部分に対向する部分の内径が、前記ブッシュの前記圧入部分に接触する部分の内径、及び前記ブッシュの非圧入部分の外径よりも太いことを特徴とする請求項１に記載の可変ノズル装置。
4. 前記細径部と前記太径部との間にはテーパーが形成されることを特徴とする請求項１に記載の可変ノズル装置。
5. 前記細径部の径と前記太径部の径との差異は、前記ブッシュの非圧入部分の内径と圧入部分の内径との差異と同等以上になるように設定されることを特徴とする請求項１に記載の可変ノズル装置。
   

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