JP2010216281A - Ｖｇｓタイプターボチャージャにおける排気ガイドアッセンブリ - Google Patents

Abstract

【課題】 排気ガイドアッセンブリをターボチャージャ本体に組み付けるにあたって、これを直接取り付けとした場合であっても、熱変形を有効に回避し、もって正確な可変翼の作動をもたらす新規な構成を提案するものである。
【解決手段】 本発明のＶＧＳタイプターボチャージャＣにおける排気ガイドアッセンブリＡＳは、可変翼１を支持する円環状のフレーム基材２を有し、このフレーム基材２が、ターボチャージャＣにおける本体ハウジングＨに直接固定されて組み込まれるものであり、且つこのフレーム基材２は肉厚方向の断面形状を変化させた熱変形吸収部２５を有することを特徴として成るものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車用エンジン等に用いられるＶＧＳタイプターボチャージャ〔ＶＧＳはVariable Geometry Systemの略〕において、可変翼を適宜回動させ、タービンに送り込む排気ガスの流量を調整する機構に関するものであって、特に可変翼を支持するフレーム基材における熱変形を吸収し、可変翼の安定した作動を図ることができるようにした排気ガイドアッセンブリに係るものである。

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いる。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。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ほとんど働かず、従って高回転域まで回るエンジンにあっては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、もともとエンジンの回転数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。

このため低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、組み込まれている排気ガイドアッセンブリにより少ない排気流量を可変翼（羽）で適宜絞り込み、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る。このため排気ガイドアッセンブリにあっては、別途可変翼の可変機構等を必要とするものであって、円環状のフレーム基材に周状に等配された複数の可変翼と、これらを一斉に且つ均等に開閉させるためのドライブリングを含む可変駆動機構が設けられている。そして、外部に設けられたアクチュエータからのシフト駆動を受けて、まずドライブリングが回動し、この回動動作をレバープレートを介して可変翼に伝え最終的に複数の可変翼が一斉に且つ均等に開閉（回動）するものである。

ところでこのターボチャージャは、常時高温の排気ガスに曝され、且つ非潤滑状態下で正確な作動を要求される。このため、構成部材には耐熱金属が用いられ、極めて精密な寸法設定をしながらも、予想される熱変形に対応する構造を求められている。このような構造上の要求は、可変翼を主要作動部材とする排気ガイドアッセンブリと、このものが組み込まれるＶＧＳタイプのターボチャージャ本体との関係においても構造的に応えなければならない。

すなわち両者は、それぞれの形状・構造自体の相違に因み、熱による影響、具体的に熱変形の状況が相違し、このことから排気ガイドアッセンブリは、例えば米国特許第２８６０８２７号（特許文献１）に示すように熱変形の相違を許容するような組付用リング（同公報中符号７６；ｍｏｕｎｔｉｎｇ ｒｉｎｇ）を介在させ、ターボチャージャの本体側にいわばフローティンマウントされるように組み付けられている。
しかしながらこのような手法は、排気ガイドアッセンブリが、ターボチャージャ本体に直接取り付けがされたことを仮定して比較すると、部品点数の増加であることは否めず、コスト低減を阻む一つの要因となっている。このため、部品点数の削減の見地から組付リングを排して排気ガイドアッセンブリのターボチャージャ本体への直接固定構造への変更も考慮し得るものの、組付リングの手法に替わる有効な熱変形対策が見出せない限りは、実現し得ない。

ところで、本発明者の研究による知見によれば、いわゆる直接固定の場合、排気ガイドアッセンブリにおける円環状のフレーム基材は、周囲の部位においてターボチャージャ本体に直接固定され、この部位が拘束される。この結果、熱を受けた際のフレーム基材の熱変形は、フレーム基材中央部が排気ガスとの接触側に変形してくることが確認されている。そして、このフレーム基材の変形は、ここに回動自在に支持されている可変翼の軸受位置の狂いとして現出し、多数の可変翼の正確な回動制御を妨げる原因となってしまうのである。

米国特許第２８６０８２７号公報

本発明は、このような背景を考慮してなされたものであって、排気ガイドアッセンブリをターボチャージャ本体に組み付けるにあたって、これを直接取り付けとした場合であっても、熱変形を有効に回避し、もって正確な可変翼の作動をもたらす新規な構成を提案するものである。

すなわち請求項１記載のＶＧＳタイプターボチャージャにおける排気ガイドアッセンブリは、
タービンロータの外周位置に配置された複数の可変翼をレバープレートを介してドライブリングのシフトにより回動させ、
エンジンから排出された比較的少ない排気ガスを、この可変翼によって適宜絞り込み、排気ガスの速度を増幅させ、排気ガスのエネルギでタービンロータを回し、排気タービンに直結されたコンプレッサで自然吸気以上の空気をエンジンに送り込み、低速回転時であってもエンジンが高出力を発揮できるようにしたＶＧＳタイプターボチャージャに組み込まれる排気ガイドアッセンブリであって、
この排気ガイドアッセンブリは、可変翼を支持する円環状のフレーム基材を有し、このフレーム基材が、ターボチャージャにおける本体ハウジングに直接固定されて組み込まれるものであり、且つこのフレーム基材は肉厚方向の断面形状を変化させた熱変形吸収部を有することを特徴として成るものである。

また請求項２記載のＶＧＳタイプターボチャージャにおける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、前記熱変形吸収部は、フレーム基材の片面または両面に形成された凹部として構成されるものであることを特徴として成るものである。

また請求項３記載のＶＧＳタイプターボチャージャにおける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、前記熱変形吸収部は、フレーム基材にも形成された段差として構成されているものであることを特徴として成るものである。

また請求項４記載のＶＧＳタイプターボチャージャにおける排気ガイドアッセンブリは、前記請求項１、２または３記載の要件に加え、前記熱変形吸収部には、円環状に連続したものであることを特徴として成るものである。

これら各請求項記載の発明の構成を手段として前記課題の解決が図られる。
各請求項記載の本発明によれば、熱変形吸収部がいわば排気ガイドアッセンブリのフレーム基材の部分的な弱化部となって、変形の応力をここに集中させ、結果的に全体の熱による変形を回避する。

本発明の排気ガイドアッセンブリの一例を示す一部拡大斜視図である。 本発明の排気ガイドアッセンブリとターボチャージャとの組付状態を示す縦断側面図である。 本発明の排気ガイドアッセンブリにおける取付側フレーム基材を示す側面図及び断面図である。 本発明の排気ガイドアッセンブリを本体ハウジングに取り付けるにあたっての取り付け手法を示す部分断面図である。 熱変形吸収部を凹部として構成する実施例の種々の形態を示す側面図及び縦断面図である。 熱変形吸収部を段差として構成する実施例の種々の形態を示す側面図及び縦断面図である。 熱変形吸収部を段差として構成する実施例の更に他の形態を示す側面図及び縦断面図である。

本発明を実施するための形態は、以下の実施例に述べるものをその一つとするとともに、更にその技術思想内において改良し得る種々の手法を含むものである。

排気ガイドアッセンブリＡＳは、ＶＧＳタイプのターボチャージャＣに組み込まれるものであって、具体的には、ターボチャージャＣの本体ハウジングＨにおけるロータハウジングｈ１と、センターハウジングｈ２との間に直接固定されるように取り付けられる。この排気ガイドアッセンブリＡＳ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、ターボチャージャＣにおけるタービンロータ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フレーム基材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。以下、各構成部について説明する。

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、タービンロータ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ＡＳに対して概ね１０〜１５個程度）配設され、そのそれぞれが、均等に且つ一斉に回動して排気流量を調節する。また可変翼１は、翼部１１と、軸部１２とを具えて成り、以下、これらについて説明する。

まず翼部１１は、主にタービンロータＴの幅寸法に応じた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翼形に形成され、排気ガスＧが効果的にタービンロータＴに向かうように構成されている。
更にまた、翼部１１には、軸部１２との境界部（接続部）に、軸部１２より幾分大径の鍔部１３が形成される。なお鍔部１３の側面（座面）は、翼部１１の端面と、ほぼ同一平面上に形成され、この平面が可変翼１をフレーム基材２に挿入した際の座面となり、タービンロータＴにおける幅方向の位置規制を図る作用を担っている。

一方、軸部１２は、翼部１１と一体的に連続形成されるものであり、翼部１１を動かす際の回動軸となる。そして、この軸部１２の先端には、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。なお、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１２を対向的に切り欠いた二平面として形成される。

図１に示した可変翼１は、翼部１１の両側に軸部１２が形成された、いわゆる両軸タイプのものである。しかしながら、可変翼１としては、翼部１１の一方のみに軸部１２が形成された、いわゆる片持ちタイプの可変翼１であるものも適用できる。

次に、フレーム基材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、取付側フレーム基材２１と対向側フレーム基材２２とによって可変翼１（翼部１１）を挟み込むように構成される。取付側フレーム基材２１は、ターボチャージャＣの本体に対し直接固定される部材であって中央部分が開口状態に形成され、その周縁部分に可変翼１の軸部１２を受け入れる軸受部２３が等配されて成るものである。
一方これと対向する対向側フレーム基材２２は、実質的にタービンロータＴのシュラウドの一部となる案内筒部２２ａを一体に構成すると共に後述するように可変機構３を支持する。

そして、これら取付側フレーム基材２１と対向側フレーム基材２２とによって挟み込まれた可変翼１を、常に円滑に回動させ得るように、両部材間の寸法が、ほぼ一定（概ね可変翼１の翼幅ｈ程度）に維持されるものであり、一例として軸受部２３の外周部分に、四カ所設けられたカシメピン２４によって両部材間の寸法が維持される。ここで、このカシメピン２４を受け入れるために取付側フレーム基材２１及び対向側フレーム基材２２に開口形成される孔をピン孔２４Ｐとする。

本発明の主題となる熱変形の回避のための構造である熱変形吸収部２５は、上記取付側フレーム基材２１に設けられるものであるが、その詳細な説明に先立ち前記対向側フレーム基材２２に設けられる可変翼１をシフトさせるためのレバープレート５を含む可変機構３について説明する。可変機構３は、排気流量を調節するために可変翼１を適宜回動させるものであり、一例として図１に示すように、排気ガイドアッセンブリＡＳ内において可変翼１の回動を生起させるドライブリング３１と、ドライブリングの回動を可変翼１に伝達するレバープレート５とを主な構成部材とする。

ドライブリング３１は、例えば図示したような切り欠き状の駆動係合部３３を周面に多数具えるものであり、ここに前記レバープレート５の一端が係合してドライブリング３１の回転がレバープレート５の回動動作になるようにシフトするものである。このドライブリング３１は、その一部においてアクチュエータＡＣからの駆動を受け入れるＵ字状の切り込みとした入力部３６を有する。なおこの可変機構３は、この実施例では、対向側フレーム基板２２に設けているが、反対側の取付側フレーム基板２１側に設けることももとより差し支えない。

以上述べた排気ガイドアッセンブリＡＳをターボチャージャＣの本体ハウジングＨに組み付ける手法は種々存在するが、いずれも本体ハウジングＨに対し直接固定されているものであり、他の取付用の部材、例えばリング状部材等を介在させない。
まず図１、２、４（ａ）に示す実施例は、本体ハウジングＨにおけるローターハウジングｈ１とセンターハウジングｈ２との間に、フレーム基材２における取付側フレーム基材２１を挟み込むようにして支持したものである。この際、ローターハウジングｈ１とセンターハウジングｈ２との組み付けは、両者を互いにボルト締めしたり、両者を締めこむような締付バンドを廻して固定する等の手法が採り得る。また図４（ｂ）に示す固定手法は、排気ガイドアッセンブリＡＳのフレーム基材２の取付側フレーム基材２１を直接センターハウジングｈ２にボルト締めして取り付ける手法である。

以下本発明の主題となるフレーム基材２に設けられる熱変形吸収部２５について説明する。まず基本的な形態は、図１、２、３に示す形態であって、熱変形吸収部２５は、フレーム基材２を構成する取付側フレーム基材２１に対し形成されている。その形状は、円環状に連続した溝状の凹部として構成される。
この熱変形吸収部２５は、この第一の実施例では取付側フレーム基材２１における本体ハウジングＨにおけるセンターハウジングｈ２側の面に連続した円環状として構成されるものである。

このように構成されているときには、ターボチャージャＣにおけるローターハウジングｈ１の内部を通過する高熱の排気ガスＧにより、高温環境下に曝されるフレーム基材２は、全体として膨張傾向になり熱変形を生起する。一方フレーム基材２のうち取付側フレーム基材２１は、その周縁部においてセンターハウジングｈ２とローターハウジングｈ１とに挟まれるように本体ハウジングＨに固定され、拘束状況にあるが、この熱変形吸収部２５の存在によりその膨張に伴う熱変形が吸収されるようになり、全体として可変翼１を支持している中央部よりの部分の極端な変形等が回避される。

本発明の熱変形吸収部２５の基本的な実施の形態は、以上述べたとおりであるが、更に他の種々の実施の形態が挙げられる。
まず図５に示すものは、熱変形吸収部２５を溝状の凹部によって構成したものであり、これらの種々の形態を示すものである。
まず図５（ａ）に示すものは、熱変形吸収部２５となる溝を取付側フレーム基材２１に対し、その両面に形成したものである。一例として、センターハウジングｈ２側には、連続した円形の溝とした熱変形吸収部２５ａを形成し、反対側のローターハウジングｈ１側の面には、その内側に沿うように幾分にずらして熱変形吸収部２５ｂを連続した円環として形成するものである。

また図５（ｂ）に示すものは、例えば熱変形吸収部２５を取付側フレーム基材２１におけるセンターハウジングｈ２側に形成するものであるが、不連続であって全体として円環状になるような形状として構成するものである。
また図５（ｃ）に示すものは、不連続にした熱変形吸収部２５を取付側フレーム基材２１の両面に設けるものであるが、両面それぞれ不連続な形態のものを位置をずらすようにして形成するものである。すなわち、取付側フレーム基材２１におけるセンターハウジングｈ２側の熱変形吸収部２５ａの不連続な部分においては、ローターハウジングｈ１側の面に連続した熱変形吸収部２５ｂを配置するような形態である。

更に熱変形吸収部２５は、このような溝として形成するほか、段差状に形成することが可能である。すなわち図６に示すものは、段差状に構成した熱変形吸収部２５を示すものであり、図６（ａ）に示すものは、全体として熱変形吸収部２５がずれたような段差部を構成する。
また図６（ｂ）に示すものは、取付側フレーム基材２１の厚さ方向中心は変わらないものの、一部に段差を形成し、結果的に例えばローターハウジングｈ１側は凹陥し、反対側は張り出すような形態を採る。
また図６（ｃ）に示すものは、その形態を二重にしたようなものであって、いわばジグザグないしは蛇腹状と称される様な断面形状に構成する。
また図６（ｄ）に示すものは、熱変形吸収部２５は段差状に形成するものの、その部位において取付側フレーム基材２１の厚さ方向面より張り出す部分が生じないように構成しているものである。

また更に図７に示すものは、このような熱変形吸収部２５を取付側フレーム基材２１の最外周縁に形成したものである。具体的には、図７（ａ）に示すように周縁を肉薄状態に押し潰したような形態を採るものであり、この部分を肉薄部２５１として示すものである。
また図７（ｂ）に示すものは、この肉薄部２５１の基部側を屈曲させて取付側フレーム基材２１に連続させるようにしたものであり、屈曲させるために生じる部位を溝部２５２として図示する。
要は、いずれの実施例も、弱化部といえる熱変形生成部位の熱サイクルを考慮した形状変更と、その最適化を画することにより熱変形を抑制して排気ガイドアッセンブリＡＳの本体ハウジングＨに対する直接取り付けを可能としたものである。

１ 可変翼
２ フレーム基材
３ 可変機構
５ レバープレート
１１ 翼部
１２ 軸部
１３ 鍔部
１５ 基準面
２ タービンフレーム
２１ 取付側フレーム基材
２２ 対向側フレーム基材
２２ａ 案内筒部
２３ 軸受部
２４ カシメピン
２４Ｐ ピン孔
２５ 熱変形吸収部
２５１ 肉薄部
２５２ 溝部
３ 可変機構
３１ ドライブリング
３３ 駆動係合部
３６ 入力部
５ レバープレート
ＡＣ アクチュエータ
ＡＳ 排気ガイドアッセンブリ
Ｃ ターボチャージャ
Ｔ タービンロータ
Ｇ 排気ガス
Ｈ 本体ハウジング
ｈ１ ローターハウジング
ｈ２ センターハウジング

Claims (4)

1. タービンロータの外周位置に配置された複数の可変翼をレバープレートを介してドライブリングのシフトにより回動させ、
   エンジンから排出された比較的少ない排気ガスを、この可変翼によって適宜絞り込み、 排気ガスの速度を増幅させ、排気ガスのエネルギでタービンロータを回し、排気タービンに直結されたコンプレッサで自然吸気以上の空気をエンジンに送り込み、低速回転時であってもエンジンが高出力を発揮できるようにしたＶＧＳタイプターボチャージャに組み込まれる排気ガイドアッセンブリであって、
   この排気ガイドアッセンブリは、可変翼を支持する円環状のフレーム基材を有し、このフレーム基材が、ターボチャージャにおける本体ハウジングに直接固定されて組み込まれるものであり、且つこのフレーム基材は肉厚方向の断面形状を変化させた熱変形吸収部を有することを特徴とするＶＧＳタイプターボチャージャにおける排気ガイドアッセンブリ。
   
2. 前記熱変形吸収部は、フレーム基材の片面または両面に形成された凹部として構成されるものであることを特徴とする請求項１記載のＶＧＳタイプターボチャージャにおける排気ガイドアッセンブリ。
   
3. 前記熱変形吸収部は、フレーム基材に形成された段差として構成されているものであることを特徴とする請求項１記載のＶＧＳタイプターボチャージャにおける排気ガイドアッセンブリ。
   
4. 前記熱変形吸収部は、円環状に連続したものであることを特徴とする請求項１、２または３記載のＶＧＳタイプターボチャージャにおける排気ガイドアッセンブリ。

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