JP2010229908A - 可変ノズル機構および可変容量型ターボチャージャ - Google Patents

Abstract

【課題】駆動リングの回転駆動を高精度化できる可変ノズル機構および可変容量型ターボチャージャを提供する。
【解決手段】所定方向に延びる軸周りの回転駆動により、ノズルベーンの角度を同期して可変させる駆動リングを有する同期機構であって、駆動リングの上記軸方向の一方側をガイドする略リング状の底面部６１及び該底面部６１の外縁に沿って立設されて駆動リングの外径側をガイドする外壁部６２を備える略皿形状の第１ガイド部６０と、底面部６１の内縁に沿って複数立設されて駆動リングの内径側をガイドする中腹部７１及び該中腹部７１から底面部６１と対向するように屈曲して駆動リングの上記軸方向の他方側をガイドする先端部７２を備える略舌片形状の第２ガイド部７０と、を有し、上記第１ガイド部６０及び上記第２ガイド部７０が一体で成形されているサポートリング３５を備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、可変ノズル機構および可変容量型ターボチャージャに関する。

低回転域から高回転域までの広い範囲に亘りエンジンの性能向上を図ることができるターボチャージャとして、例えば、特許文献１に記載の可変容量型ターボチャージャが知られている。
このターボチャージャには、タービンスクロール流路に導入される排気ガスをタービンインペラに導くと共に、その流量を調整する可変ノズル機構を備える排気ノズルが設けられている。可変ノズル機構は、所定方向に延びる軸周りの回転駆動により、環状に複数配設された可変ノズルベーンの角度を同期して可変させる駆動リングを有し、排気ガスの流路面積を調整することでその流量を可変させる構成となっている。

特開２００６−１２５５８８号公報

ところで、駆動リングは、通常、上記軸周りの回転をガイドするサポートリングに支持されている。このサポートリングは、特許文献１の図１に示されているように、駆動リングの軸方向の一方側及び駆動リングの外径側をガイドする第１のガイド部材と、駆動リングの軸方向の他方側及び駆動リングの内径側をガイドする第２のガイド部材とを組み合わせて構成されている。

しかしながら、この２つの部材を組み合わせて成るサポートリングは、ガイド特性に係る寸法精度の高精度化を図ることが難しいという問題がある。例えば、第１のガイド部材と第２のガイド部材とを固定具を用いて組み合わせる際に生じるズレや、それぞれ別の工程を経て製造された第１のガイド部材と第２のガイド部材との間に生じる寸法精度のズレ等が、サポートリング全体の寸法精度の高精度化を阻害する原因となっている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、駆動リングの回転駆動を高精度化できる可変ノズル機構および可変容量型ターボチャージャを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、所定方向に延びる軸周りの回転駆動により、環状に複数配設された可変ノズルベーンの角度を同期して可変させる駆動リングを有する可変ノズル機構であって、上記駆動リングの上記軸方向の一方側をガイドする略リング状の底面部及び該底面部の外縁に沿って立設されて上記駆動リングの外径側をガイドする外壁部を備える略皿形状の第１ガイド部と、上記底面部の内縁に沿って複数立設されて上記駆動リングの内径側をガイドする中腹部及び該中腹部から上記底面部と対向するように屈曲して上記駆動リングの上記軸方向の他方側をガイドする先端部を備える略舌片形状の第２ガイド部と、を有し、上記第１ガイド部及び上記第２ガイド部が一体で成形されているサポートリングを備えるという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、略皿形状の第１ガイド部と略舌片形状の第２ガイド部とが協働して駆動リングの軸方向両側及び径方向両側をガイドし、そして、これら第１ガイド部及び第２ガイド部を一体化することで、寸法精度の高精度化が可能となる。また、部品点数が減少することで低コスト化に寄与することができる。

また、本発明においては、上記底面部及び上記先端部の少なくともいずれか一方に、上記駆動リングの上記軸方向におけるガイド幅を調節する凸部が形成されているという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、屈曲して形成した先端部と底面部との間のガイド幅の微調整ができ、寸法精度の高精度化を図ることが可能となる。

また、本発明においては、上記駆動リングは、上記可変ノズルベーンのそれぞれに連結されるリンク部材の一端部が係合する溝部を内径側に所定間隔で複数有し、上記先端部は、上記軸方向において上記溝部に対応する間隔で設けられているという構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、リンク部材の一端部が係合する溝部を利用し、軸方向において該溝部と先端部とを重ね合わせることで、駆動リングのサポートリングへの組み付けが可能となる。

また、本発明においては、タービンインペラを回転可能に支持する軸受けハウジングと、上記タービンインペラに排気ガスを供給するスクロール流路が形成されたタービンハウジングと、上記スクロール流路内から上記タービンインペラ側に供給される上記排気ガスの流量を調整する可変ノズル機構を備える排気ノズルと、を備えた可変容量型ターボチャージャであって、上記可変ノズル機構として、先に記載の可変ノズル機構を備えるという構成を採用する。

本発明によれば、所定方向に延びる軸周りの回転駆動により、環状に複数配設された可変ノズルベーンの角度を同期して可変させる駆動リングを有する可変ノズル機構であって、上記駆動リングの上記軸方向の一方側をガイドする略リング状の底面部及び該底面部の外縁に沿って立設されて上記駆動リングの外径側をガイドする外壁部を備える略皿形状の第１ガイド部と、上記底面部の内縁に沿って複数立設されて上記駆動リングの内径側をガイドする中腹部及び該中腹部から上記底面部と対向するように屈曲して上記駆動リングの上記軸方向の他方側をガイドする先端部を備える略舌片形状の第２ガイド部と、を有し、上記第１ガイド部及び上記第２ガイド部が一体で成形されているサポートリングを備えるという構成を採用することによって、略皿形状の第１ガイド部と略舌片形状の第２ガイド部とが協働して駆動リングの軸方向両側及び径方向両側をガイドし、これら第１ガイド部及び第２ガイド部を一体化することで、寸法精度の高精度化が可能となる。また、部品点数が減少することで低コスト化に寄与することができる。
したがって、本発明では、駆動リングの回転駆動を高精度化できる可変ノズル機構および可変容量型ターボチャージャが得られる。

本発明の実施形態におけるターボチャージャを示す概略構成図である。 本発明の実施形態における可変ノズルユニットの構成を示す要部拡大図である。 本発明の実施形態における同期機構の構成を示す正面図である。 本発明の実施形態におけるサポートリングの構成を示す正面図である。 図４における線視Ｘ−Ｘ断面図である。 図４における矢視Ａ図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る可変ノズル機構を備える可変容量型ターボチャージャの構成について説明する。
図１は、本発明の実施形態におけるターボチャージャ１を示す概略構成図である。図２は、本発明の実施形態における可変ノズルユニット２７の構成を示す図１の要部拡大図である。図３は、本発明の実施形態における同期機構４３の構成を示す正面図である。なお、以下の説明で、図面中の矢印Ｆを前方向と、矢印Ｆの逆方向を後方向と称して説明することがある。

図１に示すように、本実施形態に係るターボチャージャ１は、不図示のエンジンから導かれる排気ガスのエネルギーを利用してエンジンに供給される空気を過給する可変容量型ターボチャージャである。
ターボチャージャ１は、軸受けハウジング３と、軸受けハウジング３の前側周縁部に締結ボルト３ａにより接続されるタービンハウジング５と、軸受けハウジング３の後側周縁部に締結ボルト３ｂにより接続されるコンプレッサハウジング７とを備えている。

軸受けハウジング３内には、前後方向に延びるタービン軸１１が複数のベアリングを介して該軸周りに回転自在に支持されている。タービン軸１１の前端部にはタービンインペラ１３が一体的に連結され、後端部にはコンプレッサインペラ１５が一体的に連結されている。なお、タービンインペラ１３はタービンハウジング５内に設置され、コンプレッサインペラ１５はコンプレッサハウジング７内に設置されている。

コンプレッサハウジング７には、後側に開口し不図示のエアクリーナに接続される吸気口２１が形成されている。また、軸受けハウジング３とコンプレッサハウジング７との間には、空気を圧縮して昇圧するディフューザ流路２３がコンプレッサインペラ１５の径方向外側で略環状に形成されている。また、ディフューザ流路２３は、コンプレッサインペラ１５の設置箇所を介して吸気口２１と連通している。
さらに、コンプレッサハウジング７は、コンプレッサインペラ１５の径方向外側で略環状に形成されるコンプレッサスクロール流路２５を有しており、コンプレッサスクロール流路２５は、ディフューザ流路２３と連通している。なお、コンプレッサスクロール流路２５は、不図示のエンジンの吸気口と連通している。

タービンハウジング５は、タービンインペラ１３の径方向外側に設けられるタービンスクロール流路１７と、排気ガスの排気口であるタービンハウジング出口１９とを有している。また、タービンハウジング５内のタービンインペラ１３の径方向外側には、略環状を呈する可変ノズルユニット（排気ノズル）２７が設置されている。なお、タービンハウジング５との可変ノズルユニット２７との間には隙間Ｓが形成される。

タービンスクロール流路１７は、タービンインペラ１３を囲んで略環状に形成され、排気ガスを導入するための不図示のガス流入口と連通している。また、タービンスクロール流路１７は、可変ノズルユニット２７内のノズル流路２７Ａと連通している。なお、上記ガス流入口は不図示のエンジンにおける排気口に接続されている。
タービンハウジング出口１９は、タービンハウジング５の前側に開口しており、タービンインペラ１３の設置箇所を介してノズル流路２７Ａと連通している。また、タービンハウジング出口１９は、不図示の排気ガス浄化装置に接続されている。

次に、可変ノズルユニット２７の構成について説明する。
図２に示すように、可変ノズルユニット２７は、タービンハウジング５側に設置されるシュラウドリング３１と、シュラウドリング３１に対向して軸受けハウジング３側に設置されるノズルリング２９と、シュラウドリング３１とノズルリング２９との間に保持される複数のノズルベーン（可変ノズルベーン）３７と、各ノズルベーン３７を同期して回転させる同期機構（可変ノズル機構）４３とを有している。なお、上述したノズル流路２７Ａは、シュラウドリング３１とノズルリング２９との間に形成される。

シュラウドリング３１は、略リング状に形成された板形状の内周縁部に、タービンハウジング出口１９側に延出する略円筒形状を呈する。また、シュラウドリング３１には、上記板状部に軸方向で貫通する複数の第１孔部３１ａが形成されている。
ノズルリング２９は、略リング状に形成された板状部材であり、軸方向で貫通する複数の第２孔部２９ａが形成されている。

図１に示すように、シュラウドリング３１及びノズルリング２９は、複数の連結ピン３３を介して所定の間隔を形成するように連結されている。なお、連結ピン３３は、シュラウドリング３１に貫入し、ノズルリング２９を貫通して後側に突出している。
ノズルリング２９の後側には、突出した連結ピン３３をかしめることでサポートリング（後述）３５が一体的に設けられており、サポートリング３５のフランジ部６２ａ（外周縁部）は、タービンハウジング５と軸受けハウジング３とにより挟持されて支持されている。すなわち、ノズルリング２９は、サポートリング３５を介して軸受けハウジング３及びタービンハウジング５に支持されている。

ノズルベーン３７は、図３に示すように、ノズルリング２９とシュラウドリング３１の間に周方向で等間隔に複数設けられており、タービンインペラ１３の回転軸と平行な軸周りに各々回転自在である。また、各ノズルベーン３７は、所定の一辺からその対辺に向かうに従って漸次厚みが減少するように形成されているノズルベーン本体３８と、ノズルベーン本体３８の上記一辺に直交する一側面から前側に突出する第１ベーン軸４１と、上記一側面に対向する側面から後側に突出する第２ベーン軸３９とを有している。
図２に示すように、第１ベーン軸４１は、シュラウドリング３１の第１孔部３１ａに回転自在に貫入しており、第２ベーン軸３９は、ノズルリング２９の第２孔部２９ａに回転自在に貫通しノズルリング２９の後側に突出している。

ノズルベーン本体３８と第１ベーン軸４１との接続部には、ノズルリング２９に対向する面を有する第１鍔部４１ａが設けられ、ノズルベーン本体３８と第２ベーン軸３９との接続部には、シュラウドリング３１に対向する面を有する第２鍔部３９ａが設けられている。なお、第１鍔部４１ａの外形は第２鍔部３９ａの外形よりも大きく形成されることが好ましく、第１鍔部４１ａ及び第２鍔部３９ａは夫々第１孔部３１ａ及び第２孔部２９ａを覆うように形成されることが好ましい。

次に、本実施形態における各ノズルベーン３７を同期して回転させる同期機構４３の構成について説明する。
図１に示すように、ノズルリング２９の後側には、各ノズルベーン３７を同期して回転させるための同期機構４３が設けられている。

同期機構４３は、略リング状を呈しノズルリング２９の後側に複数の連結ピン３３を介して固定されるサポートリング３５と、サポートリング３５により軸周りに回転自在に支持される駆動リング４７と、駆動リング４７の回転により各ノズルベーン３７の角度を調整する複数の同期用伝達リンク（リンク部材）５１と、駆動リング４７を回転させる駆動用伝達リンク５９と、軸受けハウジング３の前側下部でタービン軸１１に平行な軸周りに回転自在に支持される駆動軸５５とを備えている。

図３に示すように、駆動リング４７は、ノズルベーン３７のそれぞれに連結される同期用伝達リンク５１の一端部が係合する同期用係合凹部（溝部）４９を内径側に所定間隔で複数有している。同期用伝達リンク５１の一端部は、同期用係合凹部４９に係合し、他端部は各ノズルベーン３７の第２ベーン軸３９に一体的に連結されている。
また、駆動リング４７の内径側には、同期用係合凹部４９と同一形状の駆動用係合凹部５３が形成されている。駆動用伝達リンク５９の一端部は駆動用係合凹部５３に係合し、他端部は駆動軸５５に一体的に連結している。
なお、図１に示すように、駆動軸５５の駆動用伝達リンク５９の逆側端部には駆動レバー５７が一体的に連結され、駆動レバー５７には不図示のシリンダ等のアクチュエータが連結されている。

続いて、本実施形態におけるサポートリング３５の構成について図４〜図７を参照して説明する。
図４は、本発明の実施形態におけるサポートリング３５の構成を示す正面図である。図５は、図４における線視Ｘ−Ｘ断面図である。図６は、図４における矢視Ａ図である。
図４に示すように、サポートリング３５は、底面部６１の中央部が開口した略皿形状の第１ガイド部６０と、開口縁に沿って複数設けられた略舌片形状の第２ガイド部７０と、が一体で成形されたものである。

図５に示すように、第１ガイド部６０は、駆動リング４７の軸方向の一方側（前側）をガイドする略リング状の底面部６１と、底面部６１の外縁に沿って立設されて駆動リング４７の外径側をガイドする外壁部６２とを有する。
一方の第２ガイド部７０は、底面部６１の内縁に沿って立設されて駆動リング４７の内径側をガイドする中腹部７１と、中腹部７１から底面部６１と対向するように屈曲して駆動リング４７の軸方向の他方側（後側）をガイドする先端部７２とを有する。
すなわち、本実施形態のサポートリング３５は、互いに対向する底面部６１及び先端部７２により駆動リング４７の軸方向両側をガイドし、さらに、互いに対向する外壁部６２及び中腹部７１により駆動リング４７の径方向両側をガイドする構成となっている。

図４に戻り、底面部６１には、連結ピン３３が挿通する挿通孔６１ａが３つ、内径側に略等間隔で設けられる。また、底面部６１の第２ガイド部７０が設けられる位置の両側には、切り起こし用の凹部６１ｂがそれぞれ設けられている。この凹部６１ｂは、所定の曲率を有し、応力集中を緩和する機能を有する。
外壁部６２の外周縁部には、タービンハウジング５と軸受けハウジング３との間に挟持されるフランジ部６２ａが設けられる。また、外壁部６２には、水抜き用の孔６２ｂが軸を挟んで対称となる位置に、径方向に貫通して設けられている。

中腹部７１は、底面部６１に対し略直角に切り起こされて外壁部６２と対向する構成となっている。また、先端部７２は、中腹部７１から略直角に外径側に屈曲して底面部６１と対向する構成となっている。
この先端部７２は、軸方向において、駆動リング４７の同期用係合凹部４９と略同一の形状を呈する（図３参照）。また、この先端部７２を有する第２ガイド部７０は、駆動リング４７の同期用係合凹部４９と同位相、すなわち、軸方向において同期用係合凹部４９に対応する間隔で設けられている。本実施形態の駆動リング４７は、同期用伝達リンク５１の一端部が係合する同期用係合凹部４９を利用し、軸方向において同期用係合凹部４９と先端部７２とを重ね合わせるようにして、サポートリング３５へ組み付けられる。

また、底面部６１及び先端部７２のそれぞれには、対向方向に互いに突出する凸部（６１ｃ、７２ｃ）が形成されている（例えば図６参照）。この凸部６１ｃ及び凸部７２ｃは、軸方向におけるガイド幅を調節すべく所定距離で突出し、一体成形により屈曲して形成した先端部７２と底面部６１との間のガイド幅の微調整することで、軸方向の寸法精度の高精度化を図る構成となっている。

続いて、本実施形態におけるターボチャージャ１の動作を説明する。
エンジンの排気口から排出された排気ガスは、タービンハウジング５のガス流入口を通ってタービンスクロール流路１７へ導入される。そして、排気ガスは、タービンスクロール流路１７からノズル流路２７Ａに導入される。
ターボチャージャ１は、エンジンの回転数、すなわち、ノズル流路２７Ａに導入される排気ガスの流量に応じて不図示のアクチュエータを作動させる。アクチュエータは、駆動レバー５７を介して駆動軸５５を軸周りに回転させ、駆動軸５５の端部に設けられた駆動用伝達リンク５９を介して駆動リング４７を軸周りに回転駆動させる。

駆動リング４７は、サポートリング３５により軸方向両側及び径方向両側をガイドされて周方向に回転駆動する。駆動リング４７が回転駆動することにより、各同期用伝達リンク５１を介して各ノズルベーン３７の角度を同期して可変させ、ノズル流路２７Ａの開口面積を変化させる。そして、この開口面積の変化により、ノズル流路２７Ａを通る排気ガスの流量が調節される。

本実施形態のサポートリング３５は、第１ガイド部６０及び第２ガイド部７０が一体となって成形されたものであるため、従来のように２つの部材を組み合わせる必要がなく組み合わせの際のズレを解消できる。さらに、両者を別の製造工程で製造する必要がなく製造工程の違いで生じる両者間の寸法精度のズレも解消できる。したがって、サポートリング３５の全体の寸法精度が高精度化され、駆動リング４７の高精度な回転駆動が可能となる。このため、各ノズルベーンの角度調整を精密に行え、結果として低回転域から高回転域までの広い範囲に亘り過給性能の向上を図ることができる。

なお、ノズル流路２７Ａを通った排気ガスは、タービンインペラ１３の設置箇所に導入され、タービンインペラ１３を回転させる。その後、排気ガスは、タービンハウジング出口１９より排出される。そして、タービンインペラ１３が回転すると、タービン軸１１を介して連結されたコンプレッサインペラ１５が回転し、吸気口２１から導入された空気がディフューザ流路２３に供給されると共に昇圧される。昇圧された空気は、コンプレッサスクロール流路２５を通ってエンジンの吸気口に供給されて、エンジンに過給され、エンジンの出力を向上させる。

従って、上述の本実施形態によれば、所定方向に延びる軸周りの回転駆動により、環状に複数配設されたノズルベーン３７の角度を同期して可変させる駆動リング４７を有する同期機構４３であって、駆動リング４７の上記軸方向の一方側をガイドする略リング状の底面部６１及び該底面部６１の外縁に沿って立設されて駆動リング４７の外径側をガイドする外壁部６２を備える略皿形状の第１ガイド部６０と、底面部６１の内縁に沿って複数立設されて駆動リング４７の内径側をガイドする中腹部７１及び該中腹部７１から底面部６１と対向するように屈曲して駆動リング４７の上記軸方向の他方側をガイドする先端部７２を備える略舌片形状の第２ガイド部７０と、を有し、上記第１ガイド部６０及び上記第２ガイド部７０が一体で成形されているサポートリング３５を備えるという構成を採用することによって、略皿形状の第１ガイド部６０と略舌片形状の第２ガイド部７０とが協働して駆動リング４７の軸方向両側及び径方向両側をガイドし、これら第１ガイド部６０及び第２ガイド部７０を一体化することで、寸法精度の高精度化が可能となる。また、部品点数が減少することで低コスト化に寄与することができる。
したがって、本発明では、駆動リング４７の回転駆動を高精度化できる同期機構４３およびターボチャージャ１が得られる。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

１…ターボチャージャ、３…軸受けハウジング、５…タービンハウジング、１３…タービンインペラ、１７…タービンスクロール流路、２７…可変ノズルユニット（排気ノズル）、３５…サポートリング、３７…ノズルベーン（可変ノズルベーン）、４３…同期機構（可変ノズル機構）、４９…同期用係合凹部（溝部）、５１…同期用伝達リンク（リンク部材）、６０…第１ガイド部、６１…底面部、６１ｃ…凸部、６２…外壁部、７０…第２ガイド部、７１…中腹部、７２…先端部、７２ｃ…凸部

Claims (4)

1. 所定方向に延びる軸周りの回転駆動により、環状に複数配設された可変ノズルベーンの角度を同期して可変させる駆動リングを有する可変ノズル機構であって、
   前記駆動リングの前記軸方向の一方側をガイドする略リング状の底面部及び該底面部の外縁に沿って立設されて前記駆動リングの外径側をガイドする外壁部を備える略皿形状の第１ガイド部と、
   前記底面部の内縁に沿って複数立設されて前記駆動リングの内径側をガイドする中腹部及び該中腹部から前記底面部と対向するように屈曲して前記駆動リングの前記軸方向の他方側をガイドする先端部を備える略舌片形状の第２ガイド部と、を有し、
   前記第１ガイド部及び前記第２ガイド部が一体で成形されているサポートリングを備えることを特徴とする可変ノズル機構。
2. 前記底面部及び前記先端部の少なくともいずれか一方に、前記駆動リングの前記軸方向におけるガイド幅を調節する凸部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の可変ノズル機構。
3. 前記駆動リングは、前記可変ノズルベーンのそれぞれに連結されるリンク部材の一端部が係合する溝部を内径側に所定間隔で複数有し、
   前記先端部は、前記軸方向において前記溝部に対応する間隔で設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の可変ノズル機構。
4. タービンインペラを回転可能に支持する軸受けハウジングと、前記タービンインペラに排気ガスを供給するスクロール流路が形成されたタービンハウジングと、前記スクロール流路内から前記タービンインペラ側に供給される前記排気ガスの流量を調整する可変ノズル機構を備える排気ノズルと、を備えた可変容量型ターボチャージャであって、
   前記可変ノズル機構として、請求項１〜３のいずれか一項に記載の可変ノズル機構を備えることを特徴とする可変容量型ターボチャージャ。

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