JP2021011832A - ノズルベーン、及びこのノズルベーンを備えたターボチャージャ - Google Patents

Abstract

【課題】ターボチャージャにおいて、さらなる燃費改善やドライバビリティ向上が可能となる。【解決手段】本発明のノズルベーン１は、ターボチャージャ２のタービンインペラ４の外周側に設けられてタービンインペラ４に導入される排気ガスの流量を調整する翼部８と、翼部８の端面から突出するように伸びる軸体９と、を備え、翼部８の断面は涙滴形状に形成され、翼部８の下面には長尺の摺動体１３が当該翼部８と交差するように設けられていて、翼部８が配備される基盤体１２の上面には、基盤体１２の外縁から内縁に向けて、半径方向を向くように複数の凹状の長溝１５が形成され、長溝１５は基盤体１２の周方向に等間隔に形成されるとともに、摺動体１３の長さに比して長いものとされており、ノズルベーン１に設けられている摺動体１３が長溝１５に嵌まり込んだ状態で、基盤体１２の外縁側と内縁側との間をスライド自在に移動可能となっている。【選択図】図４

Description

本発明は、車両のエンジンに設けられるＶＧ（Variable Geometry）ターボチャージャにおいて、タービンインペラに導入される排気ガスの流量を調整するノズルベーン、及びこのノズルベーンを備えたターボチャージャに関するものである。

昨今、欧州、日本、米国などでの排気ガス規制の動きに伴い、従来から用いられてきたウェイストゲートバルブを有するターボチャージャに代わり、ＶＧ（Variable Geometry）ターボチャージャが用いられるようになってきた。このＶＧターボチャージャは、例えば、クリーンディーゼルエンジンの高出力化にはなくてはならない機構であり、燃費改善を目指した高効率化の要求が寄せられている。

このＶＧターボチャージャは、タービンインペラ（タービン翼）の周囲にノズルベーンという小型の翼部を備えており、このノズルベーンを、タービンインペラの回転軸と平行な軸芯回りに揺動させることで、タービンインペラに対する翼部の傾斜角を変更し、タービンインペラに導入される排気ガスの流量を調整可能となっている。具体的には、ノズルベーンは翼部と揺動軸とが設けられており、揺動軸を揺動させることで翼部を揺動させることでタービンインペラに導入される排気ガスの流量を調整可能となっている。

例えば、特許文献１には、翼端面が涙滴形状とされた翼部を備え、この翼端面のほぼ中央から突出するように揺動軸が伸びるノズルベーンを有するターボチャージャの技術が開示されている。

特開２０１１−４３１１９号公報

ところで、特許文献１のノズルベーンは、翼端面が涙滴形状とされた翼部を設けることで、タービンインペラに導入される排気ガスの流量を精度良く調整できるようにし、ターボチャージャ自体のタービン効率が良くして、エンジンの燃費改善を行うものとなっている。
しかしながら、高温、高圧、高流速の排ガスが流れるターボチャージャの内部においては、ノズルベーンが精確に揺動しているかは不明であり、タービンインペラに対するノズルベーンの傾斜角を精確に変更し、タービンインペラに導入される排気ガスの流量を精確に調整できているか疑問視されるに至っている。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、ターボチャージャにおいて、さらなる燃費改善やドライバビリティ向上が可能となるノズルベーンの構造を提供することを目的とする。特に、高温、高圧、高流速の排ガスが流れるターボチャージャの内部において、ノズルベーンを精確に移動させ、タービンインペラに対する排ガスの流量を精確に調整可能とするノズルベーン、及びこのノズルベーンを備えたターボチャージャを提供することを特徴とする。

上記課題を解決するため、本発明のノズルベーンは以下の技術的手段を講じている。
即ち、本発明のノズルベーンは、ターボチャージャのタービンインペラの外周側に設けられて前記タービンインペラに導入される排気ガスの流量を調整する翼部と、前記翼部の端面から突出するように伸びる軸体と、を備えたノズルベーンであって、前記翼部の断面は涙滴形状に形成されており、前記翼部の下面には長尺の摺動体が当該翼部と交差するように設けられていて、前記翼部が配備される基盤体の上面には、当該基盤体の外縁から内縁に向けて、半径方向を向くように複数の凹状の長溝が形成されており、前記長溝は基盤体の周方向に等間隔に形成されるとともに、前記摺動体の長さに比して長いものとされており、前記ノズルベーンに設けられている摺動体が前記長溝に嵌まり込むようになっていて、摺動体は、基盤体の外縁側と内縁側との間をスライド自在に移動可能となっていることを特徴とする。

好ましくは、摺動体は平面視で三日月形状を有するとともに、前記基盤体の上面には、前記摺動体がスライド自在に嵌まり込む三日月形状の長溝が形成されているとよい。
好ましくは、前記ノズルベーン、摺動体、及び両者を貫通する軸体は一体物として高温に耐えうる材質で形成されているとよい。
本発明のターボチャージャは、上記したノズルベーンが、環状の平板とされた基盤体の上に複数個取り付けられた上で、ターボケーシング内に収容され、前記基盤体の中央部に形成された穴には、タービンインペラがその軸心が上下方向を向くように配備されていて、前記基盤体の中央で回転するように構成されており、前記タービンインペラの周囲には、複数の前記ノズルベーンが環状に並ぶように設けられていることを特徴とする。

本発明のノズルベーンによれば、ターボチャージャにおいて、さらなる燃費改善やドライバビリティ向上が可能となる。

本実施形態のノズルベーンが設けられたターボチャージャ内部の構造を示した模式図である。 本実施形態のノズルベーンの斜視図である。 本実施形態のノズルベーンの斜視図である（理解を深めるため、ノズルベーンを基盤体より浮き上がらせた状態で示している）。 本実施形態のノズルベーンの動きを示した図であり、（ａ）は翼部が閉じた状態を示し、（ｂ）は翼部が開いた状態を示した図である。

以下、本発明のノズルベーンの実施形態を、図面に基づき詳しく説明する。
図１は、第１実施形態のノズルベーン１が設けられたターボチャージャ２の内部構造を模式的に示したものである。
図１に示すように、本実施形態のターボチャージャ２は、厚みのある略円盤状のターボケーシング３を備えている。このターボケーシング３の内部は空洞とされており、空洞とされた部分には、基盤体１２と言われる環状板部材が配備され、その環状板部材の略中央空間部にはタービンインペラ４が収容されている。また、ターボケーシング３の下部にはエンジンからタービンインペラ４側に排気ガスを導入する排気導入部５が設けられている。

上述したターボケーシング３内に収容されているタービンインペラ４は、排気導入部５から導入された排気ガスを受けるタービンブレード６を有している。このタービンブレード６は、タービン軸７の軸心回りに複数設けられており、複数のタービンブレード６に排気ガスを吹き付けることで中央のタービン軸７を回転できるようになっている。
そして、このタービンインペラ４の外側（外周側）に、本実施形態のノズルベーン１が取り付けられている。

ところで、本実施形態で示すそれぞれのノズルベーン１に設けられる翼部８は、上述したタービン軸７に対して軸垂直方向を向く断面（以降、翼断面ということもある）の形状が涙滴形状とされた部材である。具体的には、翼部８の翼断面は、飛行機の翼のように翼下面に比べて翼上面の方が大きく外側に向かって湾曲したような形状となっている。
また、翼部８の翼断面は、いわゆる涙滴形状とされており、翼前縁８ａ（排気ガスに対向する側であり、断面視で厚みが厚い側、以下同じ）に比べて、翼後縁８ｂ（翼前縁８ａの反対側の部位であり、断面視で厚みが薄く先細りしている側、以下同じ）は尖った形状とされている。そして、それぞれのノズルベーン１の翼部８が、尖った翼後縁８ｂをタービンインペラ４側に向けるようにして（丸まった翼前縁８ａをタービンインペラ４から離れた側に向けるようにして）、取り付けられている。この翼前縁８ａから翼後縁８ｂに向かう途中の翼端面に、上述した軸体９が設けられている。

軸体９は、タービン軸７の軸心と平行となる向きに軸心を備えた略円柱状の部材である。軸体９の一方側の端部は上述した翼部８に連結されており、また軸体９の他方側の端部には軸体９を圧入して固定するための圧入部（断面形状を角状などにして差し込んで固定しやすくした部分）が形成されていてもよい。具体的には、軸体９の他方側の端部は、基盤体１２の長溝を貫通するように設けられている。

軸体９の軸径（外径）は、上述した翼部８の最大厚み（翼前縁８ａから翼後縁８ｂまでの翼部８の厚みの中で最大の厚み）とほぼ同じかやや大きな寸法とされており、翼後縁８ｂ側（先細り側）において軸体９は断面（軸垂直方向に沿った断面）の一部を介して翼部８に連結される構造となっている。
言い換えれば、第１実施形態の軸体９は、涙滴形状に形成された翼部８の断面において、当該断面を長手方向に沿って横切る中心線を基準とした場合に、軸体９の軸心が中心線の線上に位置するように設けられているものである。

なお、第１実施形態の軸体９は、中心線の線上に設けられるのが好ましいが、軸心が中心線よりもタービンインペラ４側に少しだけずれた位置に設けられていてもよいし、軸心が中心線を基準としてタービンインペラ４とは反対側に少しだけずれた位置に設けられても良い。
さらには、図２及び図３に示すように、ノズルベーン１の翼部８の下面には平面視で三日月形状（円弧形状乃至は湾曲形状）を有する摺動体１３を備えており、この摺動体１３の長手方向中央部を軸体９が貫通するように下方へ延びている。翼部８の長手方向を向く仮想線と摺動体１３の長手方向を向く仮想線との交わる角度は、約５０°程度とされている。翼部８、摺動体１３、両者を貫通する軸体９は一体物として高温に耐えうる材質で形成されており、これら翼部８、摺動体１３、両者を貫通する軸体９とによりノズルベーン１が構成されている。したがって、ノズルベーンにおいて翼部８と摺動体１３との位置関係や傾き関係は、常に一定である。

ノズルベーン１は、環状の平板とされた基盤体１２の上に複数個取り付けられた上で、ターボケーシング３内に収容されている。基盤体１２の中央部に形成された孔には、タービンインペラ４がその軸心を上下方向に向けるように配備されていて、基盤体１２の中央で回転するように構成されている。このタービンインペラ４の周囲には、複数のノズルベーン１が複数（本実施形態の例では１２個）、円環状に並ぶように設けられている。

図３に示すように、基盤体１２の上面には、基盤体１２の外縁から内縁に向けて、半径方向を向くように複数の凹状とされた長溝１５が形成されている。この長溝１５は、基盤体１２の上下面を貫通するように、且つ基盤体１２の周方向に等間隔に形成されており、本実施形態の場合は、１２本の長溝１５が形成されている。各長溝１５は上方から見た場合に三日月状であり、ノズルベーン１に設けられている摺動体１３が嵌まり込むようになっている。摺動体１３の長さに比して長溝１５の長さが長いため、摺動体１３は、基盤体１２の外縁側と内縁側との間を摺動自在に移動可能となっている。なお、摺動体１３の曲がり具合（曲率）と、長溝１５の曲がり具合（曲率）とは同じとされている。

そのため、ノズルベーン１自体が、基盤体１２の外縁側と内縁側との間を摺動自在に移動するようになっている。
図４（ａ）及び図４（ｂ）は、ノズルベーン１が、最も内縁側に位置する状態と、最も外縁側に位置する状態を示したものである。
図４（ａ）は、ノズルベーン１に設けられている摺動体１３が、長溝１５内を摺動して移動し、基盤体１２の内縁側の位置に達している状態を示している。この際、ノズルベーン１の先端は隣に位置するノズルベーン１の腹部（ノズルベーン１における長手方向の中途側）に略接する状態となり、排気導入部５から導入された排ガスの殆どが、タービンブレード６に達しない状況となっている。すなわち、ターボチャージャがその役目を果たしていない状況（過給されていない状況）下にあることを意味する。エンジン自体が低回転数で低い過給圧で運転されている状態やアイドリング状態にあるときなど、このような制御をすると良い。

逆に、図４（ｂ）は、ノズルベーン１に設けられている摺動体１３が、長溝１５内を摺動して移動し、基盤体１２の外縁側の位置に達している状態を示している。この際、ノズルベーン１の先端は隣に位置するノズルベーン１の腹部から最も離れた位置となり、隣接するノズルベーン１、１間の離間距離が最も大きいものとなる（ノズルベーン１、１間に最も大きな空隙が形成されるようになる）。それ故、排気導入部５から導入された排ガスの殆どが、タービンブレード６に到達し、最も速い状態（最も高い過給圧）でタービンブレード６を回転させることが可能となる。エンジン自体を高回転させ、最も高い過給圧で高出力を発生させるときには、このような制御をすると良い。

加えて、本発明のノズルベーン１を搭載したターボチャージャは、基盤体１２に対するノズルベーン１の位置を、図４（ａ）の位置と、図４（ｂ）の位置との状況、乃至は、両者の間の状況（位置関係）へと容易に変更することができる。すなわち、本発明のノズルベーン１は、長溝１５に沿って摺動体１３をどの程度まで動かすかで、ノズルベーン１、１間の空隙の大きさを変化させることができ、空隙の大きさが変われば排ガスの流速や圧力が変化する。また、長溝１５は三日月状に湾曲しているので、ノズルベーン１の角度も変化する。故に、本発明のノズルベーン１は、「ノズルベーン１にあたるガスの角度、スピード、圧力を最適化するスライド方式」と考えることができる。また、長溝１５に沿って移動するノズルベーン１の翼部８は捻れるように開いたり閉じたりするため、まるで翼部８が「花びらがねじれた状態で開いたり閉じたりする」ように動くこととなる。このようなスライド方式であれば、長溝１５の湾曲状態や翼部８の形状などを変化させることで、タービンブレード６に吹き付ける排ガスの量を正確に且つ容易に調整することができ、エンジンの出力をきめ細かく制御可能となるため、高効率にエンジンを駆動することができるものとなる。

以上述べたノズルベーン１に対しては、気流調整部を設けて翼部８の形状を変化させることで、ターボチャージャにおいてさらなる燃費改善やドライバビリティ向上が可能とすることができる。このような気流調整部としては、例えば、「翼部８の表面に形成された凹状または凸状の気流調整部」、「翼部８の翼後縁８ｂに形成された足ひれ状の気流調整部」、「翼部８の表面に凹状に形成された排気ガスの気流の流れ方向に沿ったすじ状の気流調整部」などが考えられる。これらの気流調整部を設けることでタービンインペラ４に流入する気流を精度良く調整（整流）し、ターボチャージャにおいてさらなる燃費改善やドライバビリティ向上を可能することができる。

ところで、上述した翼部８と軸体９とは断面の一部を介して接しているだけであるため、使用環境によっては翼部８と軸体９とが破断、分離してしまう可能性がある。このような場合は、翼部８と軸体９とを、粉末射出成形法で一体物として成形し、翼部８と軸体９との接合強度を高めるとよい。また、上述した翼部８と軸体９との接合面に沿って肉盛部を設けるなどして、接合強度を高めても良い。

以上述べたノズルベーン１を好適に製造するに際しては、鉄、チタン、ニッケル、コバルト、ニオブ、タングステンなどを組み合わせた合金、窒化ホウ素、炭化ホウ素などのセラミックス、それらを組み合わせたサーメットを被焼結材料として、この被焼結材料にアクリル樹脂、ポリスチレン、またはポリプロピレンなどの母材樹脂にワックスなどを混合したバインダを混合し、混合物をノズルベーン１の型枠に供給して焼結を行う粉末射出成形法（ＰＩＭ）を採用するとよい。このような粉末射出成形法であれば、翼部８と軸体９とを一体物として成形することができ、軸体９が翼部８の中心線からずれた形状を採用しても、強度に優れたノズルベーン１を得ることができる。

好適には、上述した翼部８については、少なくともこの翼部８の表面にセラミックコーティングが行われているのが好ましい。例えば、翼部８のうち、気流調整部を除く翼本体を耐熱金属で形成し、気流調整部をセラミックで形成する。このように気流調整部と翼本体を別の材料で形成すれば、強度が求められる気流調整部をセラミックのような強度に優れる材料で形成した上で、より安価な耐熱金属で翼本体を形成でき、ノズルベーン１を低価格で得ることが可能となる。

なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。

１ ノズルベーン
２ ターボチャージャ
３ ターボケーシング
４ タービンインペラ
５ 排気導入部
６ タービンブレード
７ タービン軸
８ 翼部
８ａ 翼前縁
８ｂ 翼後縁
９ 揺動軸
１２ 基盤体
１３ 摺動体
１５ 長溝

Claims (4)

1. ターボチャージャのタービンインペラの外周側に設けられて前記タービンインペラに導入される排気ガスの流量を調整する翼部と、前記翼部の端面から突出するように伸びる軸体と、を備えたノズルベーンであって、
   前記翼部の断面は涙滴形状に形成されており、
   前記翼部の下面には長尺の摺動体が当該翼部と交差するように設けられていて、
   前記翼部が配備される基盤体の上面には、当該基盤体の外縁から内縁に向けて、半径方向を向くように複数の凹状の長溝が形成されており、前記長溝は基盤体の周方向に等間隔に形成されるとともに、前記摺動体の長さに比して長いものとされており、
   前記ノズルベーンに設けられている摺動体が前記長溝に嵌まり込むようになっていて、摺動体は、基盤体の外縁側と内縁側との間をスライド自在に移動可能となっている
   ことを特徴とするノズルベーン。
2. 前記摺動体は平面視で三日月形状を有するとともに、前記基盤体の上面には、前記摺動体がスライド自在に嵌まり込む三日月形状の長溝が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のノズルベーン。
3. 前記ノズルベーン、摺動体、及び両者を貫通する軸体は一体物として高温に耐えうる材質で形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のノズルベーン。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載されたノズルベーンが、環状の平板とされた基盤体の上に複数個取り付けられた上で、ターボケーシング内に収容され、
   前記基盤体の中央部に形成された穴には、タービンインペラがその軸心が上下方向を向くように配備されていて、前記基盤体の中央で回転するように構成されており、
   前記タービンインペラの周囲には、複数の前記ノズルベーンが環状に並ぶように設けられていることを特徴とするターボチャージャ。

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