JP2010156280A - 可変容量型排気ターボ過給機および可変容量型排気ターボ過給機の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】可変ノズル機構に伝達される振動を抑制すること。
【解決手段】内燃機関から排気ガスが導入されるタービン部２、およびタービン部２により駆動されて内燃機関に空気を送り込むコンプレッサ部３を有する過給機本体１０と、タービン部２のタービンケーシング２１内に配置され、タービンの過給圧を制御する可変ノズル機構と、コンプレッサ部３におけるコンプレッサハウジング３１の外側に固定され、可変ノズル機構を駆動するアクチュエータ４５と、を備えた可変容量型排気ターボ過給機１において、過給機本体１０の固有振動数に対する、アクチュエータ４５の固有振動数と過給機本体１０とのずれの比を所定範囲内にする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、タービンの過給圧を制御する可変ノズル機構を備えた可変容量型排気ターボ過給機および可変容量型排気ターボ過給機の製造方法に関するものである。

可変容量型排気ターボ過給機は、過給圧を制御する可変ノズル機構を備えている。従来、この可変容量型排気ターボ過給機における可変ノズル機構は、タービンケーシングに固定される環状のノズルマウントと、ノズルマウントの円周方向に沿って複数配置されつつノズルマウントに対して回転軸を挿通して回転可能に支持されたノズルベーンと、ノズルマウントに対して回転可能に設けられた環状のドライブリングと、ドライブリングの円周方向に沿ってノズルベーンと同数配置されつつ一端側がドライブリングに連結ピンを介して係合され、かつ他端側がノズルベーンの回転軸に連結されたレバープレートとを備えている。この可変ノズル機構は、アクチュエータによりドライブリングを円周方向に回転させると、各レバープレートが揺動されることで、各ノズルベーンの翼角が変化する。これにより、タービンの過給圧が制御される（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−５６７９１号公報

上述した特許文献１に示されている可変容量型排気ターボ過給機では、可変ノズル機構は、ノズルマウントに、ドライブリングを回転可能に支持し、かつ回転の軸心に沿う方向への移動を規制するための鋲が固定されている。

しかし、ドライブリングは、回転移動するために鋲との間にクリアランスが形成されている。このため、内燃機関の振動がタービンを介して可変ノズル機構に伝達されると、ドライブリングに振動が生じて鋲に衝突する場合がある。この場合、ドライブリングに過大な応力が発生して可変ノズル機構が破損するおそれがある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、可変ノズル機構に伝達される振動を抑制することのできる可変容量型排気ターボ過給機および可変容量型排気ターボ過給機の製造方法を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明の可変容量型排気ターボ過給機では、内燃機関から排気ガスが導入されるタービン部、および前記タービン部により駆動されて前記内燃機関に空気を送り込むコンプレッサ部を有する過給機本体と、前記タービン部のタービンケーシング内に配置され、タービンの過給圧を制御する可変ノズル機構と、前記コンプレッサ部におけるコンプレッサハウジングの外側に固定され、前記可変ノズル機構を駆動するアクチュエータと、を備えた可変容量型排気ターボ過給機において、前記過給機本体の固有振動数に対する、前記アクチュエータの固有振動数と前記過給機本体とのずれの比が、所定範囲内であることを特徴とする。

この可変容量型排気ターボ過給機によれば、内燃機関の振動が過給機本体に伝達されても、この過給機本体の固有振動をアクチュエータの固有振動で打ち消すので、可変ノズル機構に伝達される振動を抑制できる。

また、本発明の可変容量型排気ターボ過給機では、前記過給機本体の固有振動数と前記アクチュエータの固有振動数とを一致させたことを特徴とする。

この可変容量型排気ターボ過給機によれば、過給機本体の固有振動数に対してアクチュエータの固有振動数を一致させた場合、可変容量型排気ターボ過給機の一次共振点における最大加速度を最も低減できる。

また、本発明の可変容量型排気ターボ過給機では、前記アクチュエータの固有振動数は、前記過給機本体の固有振動数から前記過給機本体の固有振動数の５〜１０％ずらした範囲にあることを特徴とする。

この可変容量型排気ターボ過給機によれば、アクチュエータの固有振動数を過給機本体の固有振動数から過給機本体の固有振動数の５〜１０％ずらすことにより、アクチュエータの最大加速度が低減される。このため、アクチュエータから可変ノズル機構へ伝達される振動を抑制できる。

上述の目的を達成するために、本発明の可変容量型排気ターボ過給機の製造方法では、上述の可変容量型排気ターボ過給機の製造方法であって、前記アクチュエータを前記コンプレッサハウジングに固定する固定部材の剛性を変えることにより、前記アクチュエータの固有振動数を調整する。

この可変容量型排気ターボ過給機の製造方法によれば、固定部材は、質量やバネ定数が変えやすく、かつコストが嵩まない部材である。このため、固定部材の剛性を変えることにより、容易かつ安価にアクチュエータの固有振動数を設定でき、可変ノズル機構に伝達される振動を抑制できる。

本発明によれば、可変ノズル機構に伝達される振動を抑制できる。

以下に、本発明にかかる可変容量型排気ターボ過給機および可変容量型排気ターボ過給機の製造方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施の形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

図１は、本発明の実施の形態にかかる可変容量型排気ターボ過給機の概略構成図、図２は、本発明の実施の形態にかかる可変ノズル機構の概略構成図、図３は、本発明の実施の形態にかかる可変容量型排気ターボ過給機の概略斜視図である。

本実施の形態の可変容量型排気ターボ過給機１は、図１に示すように、タービン部２およびコンプレッサ部３を有する過給機本体１０と、可変ノズル機構４とを備えている。

過給機本体１０のタービン部２は、内燃機関（図示せず）から導かれた排気ガスによって駆動されるものである。このタービン部２は、タービンケーシング２１を有している。タービンケーシング２１は、外周部に、渦巻状に形成されたスクロール２２が形成されている。このスクロール２２は、内燃機関の排気側に接続される。また、スクロール２２の中心部には、輻流型のタービンロータ２３が配置されている。タービンロータ２３は、タービンシャフトＳの一端に固定され、タービンシャフトＳと共にタービンシャフトＳの軸心Ｃ廻りに回転可能に設けられている。また、タービンケーシング２１の中央には、軸心Ｃに沿う方向に沿って開口し、排気管（図示せず）が接続される排気ガス出口２４が設けられている。

過給機本体１０のコンプレッサ部３は、タービン部２の駆動に伴って駆動されて内燃機関に外気を圧送するこのコンプレッサ部３は、コンプレッサハウジング３１を有している。コンプレッサハウジング３１は、外周部に、渦巻状の空気通路３２が形成されている。この空気通路３２は、内燃機関の給気側に接続される。また、空気通路３２の中心部には、コンプレッサ３３が配置されている。コンプレッサ３３は、タービンシャフトＳの一端に固定され、タービンシャフトＳと共にタービンシャフトＳの軸心Ｃ廻りに回転可能に設けられている。また、コンプレッサハウジング３１の中央には、軸心Ｃに沿う方向に沿って開口し、給気管（図示せず）が接続される空気入口３４が設けられている。

また、タービンシャフトＳは、タービン部２とコンプレッサ部３との間に介在される軸受ハウジング５１の内部に配置された軸受５２により回転自在に支持されている。

可変ノズル機構４は、タービン部２に導入される排気ガスの容量を制御するものである。この可変ノズル機構４は、図１および図２に示すように、ノズルマウント４１と、ノズルベーン４２と、ドライブリング４３と、レバープレート４４とを備えてなる。

ノズルマウント４１は、円環状に形成され、タービンケーシング２１内であって、軸受ハウジング５１側にて、円環状の中心を軸心Ｃと一致するようにタービンケーシング２１に固定されている。ノズルマウント４１のドライブリング４３側に鋲４７が固定されている。鋲４７は、細径の鋲本体４７ａの先端に太径円盤状の頭部４７ｂを有している。鋲４７は、ノズルマウント４１の周方向に沿って複数箇所（本実施の形態では４箇所）に設けられている。

ノズルベーン４２は、ノズルマウント４１のタービン部２側であって、スクロール２２内に設けられている。ノズルベーン４２は、ノズル軸４２ａが一体に形成されており、このノズル軸４２ａをノズルマウント４１に対して挿通することでノズル軸４２ａを中心に回転可能に支持されている。このノズルベーン４２は、ノズルマウント４１の円周方向に沿って複数配置されている。

ドライブリング４３は、円環状に形成され、ノズルマウント４１の軸受ハウジング５１側にて、円環状の中心を軸心Ｃと一致するようにドライブリング４３に支持されている。このドライブリング４３は、ノズルマウント４１に対し軸心Ｃ廻りに回転可能に設けられている。また、ドライブリング４３は、アクチュエータ４５の作動部に対し、リンク４６を介して接続されている。

なお、アクチュエータ４５は、図３に示すように、コンプレッサ部３のコンプレッサハウジング３１に対し固定部材６により固定されている。固定部材６は、板金からなり、アクチュエータ４５に対して溶接やボルトにより固定されていると共に、コンプレッサハウジング３１に対してボルトにより固定されている。

また、ドライブリング４３の内周縁には、ノズルマウント４１に固定された鋲４７の頭部４７ｂを通すための切欠４３ａが設けられている。切欠４３ａは、各鋲４７に対応する位置に設けられている。すなわち、ドライブリング４３は、鋲４７の位置に切欠４３ａを合わせつつノズルマウント４１に近づけることで、切欠４３ａに鋲４７の頭部４７ｂが通される。そして、ドライブリング４３を軸心Ｃ廻りに所定角度回転させることで、切欠４３ａが鋲４７から離隔する。このため、切欠４３ａのないドライブリング４３の内周縁が、鋲４７の頭部４７ｂに引っかかることでドライブリング４３が軸心Ｃの延在方向に沿う方向への移動を規制されノズルマウント４１から抜け止めされて取り付けられ、かつ切欠４３ａのないドライブリング４３の内周縁が、鋲４７の鋲本体４７ａとの間にクリアランスを有することでドライブリング４３の軸心Ｃ廻りの回転が支持される。

また、ドライブリング４３の外周縁には、レバープレート４４の連結ピン４４ａに係合する連結ピン係合凹部４３ｂが、各レバープレート４４に対応して設けられている。さらに、ドライブリング４３の外周縁には、アクチュエータ４５の作動部に接続されたリンク４６に係合するリンク係合凹部４３ｃが設けられている。

レバープレート４４は、ドライブリング４３の軸受ハウジング５１側に設けられている。レバープレート４４は、一端側が自身に固定の連結ピン４４ａがドライブリング４３に係合され、かつ他端側がノズルベーン４２のノズル軸４２ａに連結されている。このノズルベーン４２は、ドライブリング４３の円周方向に沿ってノズルベーン４２と同数配置されている。

このような可変容量型排気ターボ過給機１は、タービン部２において、内燃機関からの排気ガスは、タービン部２のスクロール２２に導かれ、スクロール２２の渦巻きに沿って周回しながら可変ノズル機構４のノズルベーン４２の位置に至る。さらに、排気ガスは、各ノズルベーン４２の翼間を通過しつつタービンロータ２３を回転させ、排気ガス出口２４から機外に送出される。一方、コンプレッサ部３において、タービンロータ２３の回転に伴い、タービンシャフトＳを介してコンプレッサ３３が回転する。すると、コンプレッサ３３の回転に伴って空気入口３４からコンプレッサハウジング３１内に空気が導入される。そして、導入された空気は、空気通路３２にて圧縮されつつ内燃機関の給気側に過給される。ここで、可変ノズル機構４においては、アクチュエータ４５を駆動することによりドライブリング４３を回転させると、各レバープレート４４が揺動して各ノズルベーン４２の翼角が変化する。翼角が変化すると、各ノズルベーン４２の翼間が狭くなったり広がったりするので、タービンロータ２３に至る排気ガスの容量が制御できる。

上述した可変容量型排気ターボ過給機１においては、内燃機関の振動が過給機本体１０を介して可変ノズル機構４に伝達されると、ドライブリング４３に振動が生じて鋲４７に衝突する場合がある。この場合、ドライブリング４３に過大な応力が発生して可変ノズル機構４が破損するおそれがある。

そこで、本実施の形態の可変容量型排気ターボ過給機１では、過給機本体１０の固有振動数に対する、アクチュエータ４５の固有振動数と過給機本体１０とのずれの比を、所定範囲内に設定している。すなわち、内燃機関の振動が過給機本体１０に伝達されても、この過給機本体１０の固有振動をアクチュエータ４５の固有振動で打ち消すので、可変ノズル機構４に伝達される振動を抑制することが可能になる。この結果、ドライブリング４３が鋲４７に衝突する事態を低減し、ドライブリング４３に過大な応力が発生することを抑制することが可能になる。ここで、所定範囲は、アクチュエータの固有振動数が、過給機本体１０の固有振動数から過給機本体１０の固有振動数の±２０％以内のずれの比で可変ノズル機構４に伝達される振動を抑制することが可能であり、±１０％以内のずれの比で可変ノズル機構４に伝達される振動をさらに抑制することが可能であり、±５〜１０％以内のずれの比で可変ノズル機構４に伝達される振動をさらにまた抑制することが可能であり、０％（一致させること）で可変ノズル機構４に伝達される振動を好適に抑制することが可能である。

過給機本体１０の固有振動数とアクチュエータ４５の固有振動数とを共に所定範囲内に設定するには、アクチュエータ４５側の質量とアクチュエータ４５側のバネ定数との関係と、過給機本体１０（タービン部やコンプレッサ部や軸受ハウジング５１）側の質量と過給機本体１０側のバネ定数との関係とを、ほぼ等しくなるように決定する必要がある。

そこで、アクチュエータ４５側の質量や、アクチュエータ４５側のバネ定数、または過給機本体１０（タービン部やコンプレッサ部や軸受ハウジング５１）側の質量や、過給機本体１０側のバネ定数を変えることが考えられる。本実施の形態では、アクチュエータ４５をコンプレッサハウジング３１に対して固定する固定部材６の剛性を変えることにより、質量やバネ定数を設定した。この固定部材６は、質量やバネ定数が変えやすく、かつコストが嵩まない部材である。

固定部材６は、所定の厚さを有する板金であり、通常、剛性を向上するために、その周縁がＬ字状に折れ曲がったリブ６ａが形成されている。そして、この固定部材６のリブ６ａの一部または全部を無くして固定部材６の剛性を低下させることにより、アクチュエータ４５側に過給機本体１０の固有振動を打ち消す固有振動を設定できる。また、固定部材６の厚さを薄くして固定部材６の剛性を低下させることによっても、アクチュエータ４５側に過給機本体１０の固有振動を打ち消す固有振動を設定できる。

図４は、振動数による加速度の関係を示す図である。図４において一点鎖線で示すものは、固有振動数が設定されていない従来の可変容量型排気ターボ過給機のデータである。そして、実線で示すものは、固定部材６を変更し、過給機本体１０側の固有振動数（α）に対してアクチュエータ４５側の固有振動数を一致させた場合の可変容量型排気ターボ過給機１のデータである。

この図４で示すように、従来の可変容量型排気ターボ過給機の一次共振点における最大加速度（Ａ）に対し、過給機本体１０側の固有振動数に対してアクチュエータ４５側の固有振動数を一致させた場合の可変容量型排気ターボ過給機１の一次共振点における最大加速度（Ｂ）が低減されていることがわかる。このため、内燃機関の振動が過給機本体１０側に伝達されても、この過給機本体１０側の固有振動をアクチュエータ４５側の固有振動で打ち消しているので、可変ノズル機構４に伝達される振動が抑制される。この結果、ドライブリング４３が鋲４７に衝突する事態を低減し、ドライブリング４３に過大な応力が発生することを抑制することが可能になる。

また、図５は、振動数による加速度の関係を示す図である。図５において二点鎖線で示すものは、固定部材６を図４と同じく変更し、過給機本体１０側の固有振動数（α）に対してアクチュエータ４５側の固有振動数を一致させた場合のアクチュエータ４５側のデータである。また、破線で示すものは、固定部材６をさらに変更し、アクチュエータ４５側の固有振動数（β）を過給機本体１０側の固有振動数（α）から過給機本体１０の固有振動数の５〜１０％ずらした場合のアクチュエータ４５側のデータである。そして、実線で示すものは、アクチュエータ４５側の固有振動数（β）を過給機本体１０側の固有振動数（α）から過給機本体１０の固有振動数の５〜１０％ずらした場合の可変容量型排気ターボ過給機１のデータである。

この図５で示すように、従来の可変容量型排気ターボ過給機の一次共振点における最大加速度（Ａ）に対し、アクチュエータ４５側の固有振動数を過給機本体１０側の固有振動数から過給機本体１０の固有振動数の５〜１０％ずらした場合の可変容量型排気ターボ過給機１の一次共振点における最大加速度（Ｂ’）が低減されていることがわかる。このため、内燃機関の振動が過給機本体１０側に伝達されても、この過給機本体１０側の固有振動をアクチュエータ４５側の固有振動で打ち消しているので、可変ノズル機構４に伝達される振動が抑制される。この結果、ドライブリング４３が鋲４７に衝突する事態を低減し、ドライブリング４３に過大な応力が発生することを抑制することが可能になる。

しかも、アクチュエータ４５側の固有振動数（β）を過給機本体１０側の固有振動数（α）から過給機本体１０の固有振動数の５〜１０％ずらすことにより、過給機本体１０側の固有振動数（α）に対してアクチュエータ４５側の固有振動数を一致させた場合のアクチュエータ４５側の最大加速度（Ｃ）に対し、過給機本体１０の固有振動数の５〜１０％ずらした場合のアクチュエータ４５側の最大加速度（Ｃ’）が低減されていることがわかる。このため、アクチュエータ４５側からリンク４６を介して可変ノズル機構４へ伝達される振動が抑制されることになる。この結果、ドライブリング４３が鋲４７に衝突する事態を低減し、ドライブリング４３に過大な応力が発生することを抑制することが可能になる。なお、図５では、アクチュエータ４５側の固有振動数（β）を過給機本体１０側の固有振動数（α）から過給機本体１０の固有振動数の５〜１０％ずらした場合を示しているが、アクチュエータ４５側の固有振動数（β）を過給機本体１０側の固有振動数（α）から過給機本体１０の固有振動数の−５〜１０％ずらしてもよい。

そして、本実施の形態の可変容量型排気ターボ過給機１では、可変ノズル機構４の破損がなく耐久性の高い可変容量型排気ターボ過給機１を実現することが可能になる。

以上のように、本発明にかかる可変容量型排気ターボ過給機および可変容量型排気ターボ過給機の製造方法は、可変ノズル機構に伝達される振動を抑制することに適している。

本発明の実施の形態にかかる可変容量型排気ターボ過給機の概略構成図である。 本発明の実施の形態にかかる可変ノズル機構の概略構成図である。 本発明の実施の形態にかかる可変容量型排気ターボ過給機の概略斜視図である。 振動数による加速度の関係を示す図である。 振動数による加速度の関係を示す図である。

符号の説明

１ 可変容量型排気ターボ過給機
２ タービン部
２１ タービンケーシング
２２ スクロール
２３ タービンロータ
２４ 排気ガス出口
３ コンプレッサ部
３１ コンプレッサハウジング
３２ 空気通路
３３ コンプレッサ
３４ 空気入口
４ 可変ノズル機構
４１ ノズルマウント
４２ ノズルベーン
４２ａ ノズル軸
４３ ドライブリング
４３ａ 切欠
４３ｂ 連結ピン係合凹部
４３ｃ リンク係合凹部
４４ レバープレート
４４ａ 連結ピン
４５ アクチュエータ
４６ リンク
４７ 鋲
４７ａ 鋲本体
４７ｂ 頭部
５１ 軸受ハウジング
５２ 軸受
６ 固定部材
６ａ リブ
Ｃ 軸心
Ｓ タービンシャフト

Claims (4)

1. 内燃機関から排気ガスが導入されるタービン部、および前記タービン部により駆動されて前記内燃機関に空気を送り込むコンプレッサ部を有する過給機本体と、
   前記タービン部のタービンケーシング内に配置され、タービンの過給圧を制御する可変ノズル機構と、
   前記コンプレッサ部におけるコンプレッサハウジングの外側に固定され、前記可変ノズル機構を駆動するアクチュエータと、
   を備えた可変容量型排気ターボ過給機において、
   前記過給機本体の固有振動数に対する、前記アクチュエータの固有振動数と前記過給機本体とのずれの比が、所定範囲内であることを特徴とする可変容量型排気ターボ過給機。
2. 前記過給機本体の固有振動数と前記アクチュエータの固有振動数とを一致させたことを特徴とする請求項１に記載の可変容量型排気ターボ過給機。
3. 前記アクチュエータの固有振動数は、前記過給機本体の固有振動数から前記過給機本体の固有振動数の５〜１０％ずらした範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の可変容量型排気ターボ過給機。
4. 請求項１〜３のいずれか一つに記載の可変容量型排気ターボ過給機の製造方法であって、前記アクチュエータを前記コンプレッサハウジングに固定する固定部材の剛性を変えることにより、前記アクチュエータの固有振動数を調整する可変容量型排気ターボ過給機の製造方法。

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