JP5098758B2 - 可変ノズルユニット、可変容量型ターボチャージャ、ノズルサイド間隙補正方法 - Google Patents

Description

本発明は、可変容量型ターボチャージャにおけるタービンインペラ側へ供給される排気ガスの圧力を可変する可変ノズルユニット、可変容量型ターボチャージャ、及び可変ノズルユニットのノズルサイド間隙を補正するノズルサイド間隙補正方法に関する。

近年、エンジン回転数の低速域においても高効率を発揮できるように、タービンインペラ側へ供給される排気ガスの圧力を可変する可変ノズルユニットを装備した可変容量型ターボチャージャが開発されている（特許文献１及び特許文献２参照）。そして、その先行技術に係る可変容量型ターボチャージャにおける可変ノズルユニットの構成等について簡単に説明すると、次のようになる。

タービンハウジング内には、第１のベースリング部材としてノズルリングが設けられている。また、ノズルリングに対向する位置には、第２のベースリング部材としてのシュラウドリングがタービンインペラを囲むように設けられており、このノズルリングは、シュラウドリングと同心上に位置している。そして、ノズルリングとシュラウドリングの間には、複数の連結部材が連結するように設けられている。

シュラウドリングとシールリングの間には、複数のノズルベーンが周方向に沿って等間隔に設けられており、各ノズルベーンは、シュラウドリングの軸心（換言すれば、シールリングの軸心）に平行な軸心周りにそれぞれ回動可能になっている。なお、複数のノズルベーンは、適宜のアクチュエータの駆動によって同期機構を作動させつつ同期して回動するようになっている。

従って、エンジン回転数が高速域にある場合には、適宜のアクチュエータの駆動によって同期機構を作動させつつ、複数のノズルベーンを開く方向へ同期して回動させることにより、タービンインペラ側へ供給される排気ガスの流量を多くして、排気ガスの圧力を低くする。一方、エンジン回転数が低速域にある場合には、適宜のアクチュエータの駆動によって同期機構を作動させつつ、複数のノズルベーンを絞る方向へ同期して回動させることにより、タービンインペラ側へ供給される排気ガスの流量を少なくして、排気ガスの圧力を高くする。よって、エンジン回転数の低速域においても、タービンインペラの仕事量を十分に確保して高効率を発揮することができる。
特開２００７−２３１９３４号公報 特開２００３−２７９５１号公報

ところで、図７に示すように、連結部材及びノズルベーンの寸法によって決定される可変ノズルユニットのノズルサイド間隙を小さくすると、効率（ターボ効率）が高くなることが知られており、量産される可変容量型ターボチャージャの性能のばらつきを抑えるためには、可変ノズルユニットのサイド間隙の精度を高くして、目標効率の範囲を狭くする必要がある。一方、可変ノズルユニットのノズルサイド間隙の精度を高めようとすると、連結部材及びノズルベーンの公差を厳しく管理しなければならず、可変容量型ターボチャージャの生産性が低下する。

つまり、可変容量型ターボチャージャの生産性を高めつつ、可変容量型ターボチャージャの性能のばらつきを抑えることは極めて困難であるという問題がある。

そこで、本発明は、前述の問題を解決することができる、新規な構成の可変ノズルユニット、可変容量型ターボチャージャ、及びノズルサイド間隙補正方法を提供することを目的とする。

本発明の特徴は、可変容量型ターボチャージャにおける可変ノズルユニットのノズルサイド間隙を補正するノズルサイド間隙補正方法において、対向した一対のベースリング部材の間に複数のノズルベーンを配設した状態で、複数の連結部材によって一対の前記ベースリング部材を連結した後に、複数の前記連結部材のうち少なくともいずれかの前記連結部材に横方向及び軸方向のうちの少なくともいずれかの方向のプレスによって塑性変形を施して、いずれかの前記連結部材の軸長を変化させることにより、一対の前記ベースリング部材の間隔を調整して、前記可変ノズルユニットのノズルサイド間隙を補正することを要旨とする。

なお、本願の明細書及び特許請求の範囲において、「ノズルサイド間隙」とは、一方の前記ベースリング部材の壁面と前記ノズルベーンの一端面の間隙と、他方の前記ベースリング部材の壁面と前記ノズルベーンの他端面の間隙を合わせた間隙のことであって、「横方向」とは、前記連結部材の軸方向に対して直交する方向のことである。

本発明の特徴によると、複数の前記連結部材によって一対の前記ベースリング部材を連結した後に、複数の前記連結部材のうち少なくともいずれかの前記連結部材に横方向及び軸方向のうちの少なくともいずれかの方向プレスによって塑性変形を施すことにより前記可変ノズルユニットのノズルサイド間隙を補正するため、前記可変ノズルユニットのノズルサイド間隙の公差を前記連結部材及び前記ノズルベーンの公差の組み合わせよりも小さくすることができる。換言すれば、前記連結部材及び前記ノズルベーンの公差を緩めても、前記可変ノズルユニットのノズルサイド間隙の精度を十分に高めることができる

本発明によれば、前記連結部材及び前記ノズルベーンの公差を緩めても、前記可変ノズルユニットのノズルサイド間隙の精度を十分に高めることができるため、前記可変容量型ターボチャージャの生産性を高めつつ、前記可変容量型ターボチャージャの性能のばらつきを抑えることができる。

本発明の実施形態について図１から図５を参照して説明する。

ここで、図１は、図２におけるI-I線に沿った可変ノズルユニットの断面図、図２は、本発明の実施形態に係る可変ノズルユニットの正面図、図３は、本発明の実施形態に係る可変ノズルユニットの背面図、図４は、連結ピンに横方向のプレスによって塑性変形が施された可変ノズルユニットの断面図、図５は、図６における矢視部Vの拡大断面図、図６は、本発明の実施形態に係る可変容量型ターボチャージャの断面図である。なお、図面中、「Ｆ」は、前方向を指し、「Ｒ」は、後方向を指してある。

図４及び図５に示すように、本発明の実施形態に係る可変容量型ターボチャージャ１は、エンジン（図示省略）からの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ものである。また、可変容量型ターボチャージャ１は、ベアリングハウジング３を具備しており、このベアリングハウジング３の前側周縁部には、タービンハウジング５が設けられており、ベアリングハウジング３の後側周縁部には、コンプレッサハウジング７が設けられている。

ベアリングハウジング３内には、複数のベアリング９が設けられており、複数のベアリング９には、前後方向へ延びたタービン軸１１が回転可能に設けられている。また、タービンハウジング５内には、タービンインペラ１３が設けられており、このタービンインペラ１３は、タービン軸１１の前端部に一体的に連結されている。更に、コンプレッサハウジング７内には、コンプレッサインペラ１５が設けられており、このコンプレッサインペラ１５は、タービン軸１１の前端部に一体的に連結されている。

タービンハウジング５の適宜位置には、排気ガスを取り入れるガス取入口（図示省略）が形成されており、このガス取入口は、エンジンのシリンダ（図示省略）に接続可能である。また、タービンハウジング５の内部には、タービンスクロール流路１７がタービンインペラ１３を囲むように形成されており、このタービンスクロール流路１７は、ガス取入口に連通してある。更に、タービンハウジング５の前側（換言すれば、タービンインペラ１３の出口側）には、排気ガスを排出するガス排出口１９が形成されており、このガス排出口１９は、タービンスクロール流路１７に連通してあって、排気ガス浄化装置（図示省略）に接続可能である。

コンプレッサハウジング７の後側（換言すれば、コンプレッサインペラ１５の入口側）には、空気を取り入れる空気取入口２１が形成されており、この空気取入口２１は、エアクリーナー（図示省略）に接続可能である。また、ベアリングハウジング３とコンプレッサハウジング７の間には、圧縮された空気を昇圧する環状のディフューザ流路２３がコンプレッサインペラ１５を囲むように形成されており、このディフューザ流路２３は、空気取入口２１に連通してある。更に、コンプレッサハウジング７の内部には、コンプレッサスクロール流路２５がコンプレッサインペラ１５を囲むように形成されており、このコンプレッサスクロール流路２５は、ディフューザ流路２３に連通してある。そして、コンプレッサハウジング７の適宜位置には、圧縮された空気を排出する空気排出口（図示省略）が形成されており、この空気排出口は、コンプレッサスクロール流路２５に連通してあって、エンジンのシリンダに接続可能である。

従って、ガス取入口から取り入れた排気ガスがタービンスクロール流路１７を経由してタービンインペラ１３側へ供給されると、排気ガスのエネルギーによってタービンインペラ１３を回転駆動させることができ、コンプレッサインペラ１５をタービン軸１１を介して連動して回転駆動させることができる。これにより、空気取入口２１から取り入れた空気をコンプレッサインペラ１５によって圧縮して、ディフューザ流路２３及びコンプレッサスクロール流路２５を経由して空気排出口から排出することができ、エンジンのシリンダへ供給される空気を過給することができる。

タービンハウジング５内には、タービンインペラ１３側へ供給される排気ガスの圧力（流量及び圧力）を可変する可変ノズルユニット２７が設けられており、この可変ノズルユニット２７の具体的な構成は、次のようになる。

図１、図２、及び図４に示すように、タービンハウジング５内には、第１のベースリング部材としてノズルリング２９がタービンインペラ１３と同心上に設けられている。また、ノズルリング２９に前後に対向する位置には、第２のベースリング部材としてのシュラウドリング３１がタービンインペラ１３を囲むように設けられており、シュラウドリング３１は、ノズルリング２９と同心上に位置している。そして、ノズルリング２９とシュラウドリング３１の間には、複数の連結ピン３３（連結部材の一例）が連結するように設けられており、換言すれば、各連結ピン３３の一端部（後端部）は、ノズルリング２９にそれぞれ一体的に連結され、各連結ピン３３の他端部（前端部）は、シュラウドリング３１にそれぞれ一体的に連結されている。更に、各連結ピン３３の一端部は、ノズルリング２９から後方向（一方向）へそれぞれ突出してある。なお、図示の例では、３本の連結ピン３３がノズルリング２９（シュラウドリング３１）の周方向に沿って間隔を置いて配置されているが、連結ピン３３の本数は３本に限られるものではない。

ノズルリング２９の後側には、取付リング３５が複数の連結ピン３３（複数の連結ピン３３の一端部）を介して一体的に設けられており、この取付リング３５の外側周縁部は、タービンハウジング５とベアリングハウジング３に狭持されるようになっている。換言すれば、ノズルリング２９は、取付リング３５を介してベアリングハウジング３に対して固定され、タービンハウジング５内に設けられるようになっている。

ノズルリング２９とシュラウドリング３１の間には、複数のノズルベーン３７が周方向に沿って等間隔に設けられており、各ノズルベーン３７は、ノズルリング２９の軸心（換言すれば、シュラウドリング３１の軸心又はタービン軸１１の軸心）に平行な軸心周りにそれぞれ回動可能である。また、各ノズルベーン３７の一端面（後端面）には、第１のベーン軸３９がそれぞれ形成されており、各第１のベーン軸３９は、ノズルリング２９に回動可能にそれぞれ支持されている。更に、各ノズルベーン３７の他端面（前端面）には、第２のベーン軸４１がそれぞれ形成されており、各第２のベーン軸４１は、シュラウドリング３１に回動可能にそれぞれ支持されている。

図２、図３、及び図５に示すように、ノズルリング２９の後側には、複数のノズルベーン３７の回動動作を同期させる同期機構４３が設けられている。

具体的には、ノズルリング２９の後側には、ガイドリング４５が複数の連結ピン３３（複数の連結ピン３３の一端部）を介して設けられており、このガイドリング４５には、可動リング４７が回動可能に設けられている。また、可動リング４７は、ノズルリング２９と同心上に位置してあって、可動リング４７の内側には、ノズルベーン３７と同数の同期用係合凹部４９が周方向に沿って等間隔に形成されている。そして、各第１のベーン軸３９には、同期用伝達リンク５１の基端部が一体的にそれぞれ連結されており、各同期用伝達リンク５１の先端部は、対応する同期用係合凹部４９にそれぞれ係合してある。

可動リング４７の内側には、複数の同期用係合凹部４９の他に、駆動用係合凹部５３が形成されている。また、図５に示すように、ベアリングハウジング３の前側下部には、ノズルリング２９の軸心に平行な軸心周りに回動可能な駆動軸５５が設けられており、この駆動軸５５の一端部（後端部）には、駆動レバー５７の基端部が一体的に連結されてあって、この駆動レバー５７には、シリンダ等のアクチュエータ（図示省略）が連動連結されている。そして、駆動軸５５の他端部（前端部）には、駆動用伝達リンク５９の基端部が一体的に連結され、駆動用伝達リンク５９の先端部は、駆動用係合凹部５３に係合してある。

図１及び図２に示すように、複数の連結ピン３３のうち少なくともいずれかの連結ピン３３には、横方向（換言すれば、軸方向に直交する方向）のプレスによって塑性変形が施されている。また、横方向のプレスによって塑性変形が施された連結ピン３３は、初期の軸長よりも伸長されている。なお、横方向のプレスは、ノズルリング２９とシュラウドリング３１の間において、一対のプレス金型（図示省略）により連結ピン３３の側部を図２に矢印方向から挟持することによって行われるものである。

図４に示すように、複数の連結ピン３３のうち少なくともいずれかの連結ピン３３には、軸方向のプレスによって塑性変形が施されるようにしても構わなく、軸方向のプレスによって塑性変形が施された連結ピン３３は、初期の軸長よりも短縮されることになる。なお、軸方向のプレスは、ノズルリング２９とシュラウドリング３１の外側において、一対のプレス金型（図示省略）により連結ピン３３の両端部を図４に矢印方向から挟持することによって行われるものである。

１つの可変ノズルユニット２７に、横方向のプレスによって塑性変形が施された連結ピン３３と、軸方向のプレスのプレスによって塑性変形が施された連結ピン３３が含まれてあっても構わない。具体的には、初期の軸長が目標値よりも短い連結ピン３３には、横方向のプレスによって塑性変形が施され、連結ピン３３の軸長が初期の軸長よりも伸長される。また、初期の軸長が目標値よりも長い連結ピン３３には、軸方向のプレスによって塑性変形が施され、連結ピン３３の軸長が初期の軸長よりも短縮される。

同じ連結ピン３３に横方向及び軸方向のプレスによって塑性変形が施されるようにしても構わない。具体的には、連結ピン３３に横方向のプレスによって塑性変形が施されることによって、連結ピン３３の軸長が伸長しすぎた場合には、同じ連結ピン３３に軸方向のプレスによって塑性変形が施されるようにすることにより、連結ピン３３の軸長を微調整してもよい。

そして、各連結ピン３３の軸心は、ノズルベーン３７の回動中心よりも径方向外側（ノズルリング２９及びシュラウドリング３１の径方向の外側）にそれぞれ位置している。

続いて、本発明の実施形態の作用及び効果について説明する。

エンジン回転数が高速域にある場合には、アクチュエータの駆動によって駆動レバー５７を介して駆動用伝達リンク５９を一方向へ回動させることにより、同期機構４３を作動させつつ、複数のノズルベーン３７を開く方向へ同期して回動させる。これにより、タービンインペラ１３側へ供給される排気ガスの流量を多くて、排気ガスの圧力を低くする。

一方、エンジン回転数が低速域にある場合には、アクチュエータの駆動によって駆動レバー５７を介して駆動用伝達リンク５９を他方向へ回動させることにより、同期機構４３を作動させつつ、複数のノズルベーン３７を絞る方向へ同期して回動させる。これにより、タービンインペラ１３側へ供給される排気ガスの流量を少なくして、排気ガスの圧力を高くする。よって、エンジン回転数の低速域においても、タービンインペラ１３の仕事量を十分に確保して高効率を発揮することができる（可変ノズルユニット２７の一般的な作用）。

また、複数の連結ピン３３のうち少なくともいずれかの連結ピン３３に横方向及び軸方向のうちの少なくともいずれかの方向のプレスによって塑性変形が施されているため、３本の連結ピン３３によってノズルリング２９とシュラウドリング３１を連結した後に、いずれかの連結ピン３３の軸長を変化させることによりて（横方向のプレスによって伸長させたり又は軸方向のプレスによって短縮させたりすることにより）、いずれかの前記連結部材の軸長を変化させることにより、一対のノズルリング２９とシュラウドリング３１の間隔を調整して、可変ノズルユニット２７のノズルサイド間隙を補正することができる。これにより、可変ノズルユニット２７のノズルサイド間隙の公差を連結ピン３３及びノズルベーン３７の公差の組み合わせよりも小さくすることができる。換言すれば、連結ピン３３及びノズルベーン３７の公差を緩めても、可変ノズルユニット２７のノズルサイド間隙の精度を十分に高めることができる（可変ノズルユニット２７の特有の作用（１））。

また、各連結ピン３３の軸心がノズルベーン３７の回動中心よりも径方向外側にそれぞれ位置しているため、プレス金型をノズルベーン３７に接触させることなく、ノズルリング２９とシュラウドリング３１の間において、一対のプレス金型により連結ピン３３の側部を図２に矢印方向から挟持することができる。これにより、連結ピン３３に横方向のプレスによって塑性変形を施すことが容易になる（可変ノズルユニット２７の特有の作用（２））。

以上の如き、本発明の実施形態によれば、連結ピン３３及びノズルベーン３７の公差を緩めても、可変ノズルユニット２７のノズルサイド間隙の精度を十分に高めることができるため、可変容量型ターボチャージャ１の生産性を高めつつ、可変容量型ターボチャージャ１の性能のばらつきを抑えることができる。特に、連結ピンに横方向のプレスによって塑性変形を施すことが容易になるため、可変容量型ターボチャージャの生産性をより向上させることができる。

（変形例）
前述のように、いずれかの連結ピン３３に横方向及び軸方向のうちの少なくともいずれかの方向のプレスによって塑性変形が施された可変ノズルユニット２７として実施形態に係る発明を捉える他に、可変容量型ターボチャージャ１における可変ノズルユニット２７のノズルサイド間隙を補正するノズルサイド間隙補正方法として実施形態に係る発明を捉えることもできる。

即ち、本発明の実施形態の変形例に係るノズルサイド間隙補正方法は、ノズルリング２９とシュラウドリング３１の間に複数のノズルベーン３７を周方向に沿って等間隔に配設した状態で、複数の連結ピン３３によってノズルリング２９とシュラウドリング３１を連結した後に、複数の連結ピン３３のうち少なくともいずれかの連結ピン３３に横方向及び軸方向のうちの少なくともいずれかの方向のプレスによって塑性変形を施すことにより、いずれかの連結ピン３３の軸長を変化させることにより、ノズルリング２９とシュラウドリング３１の間隔を調整して、可変ノズルユニットのノズルサイド間隙を補正することを内容とする。

本発明の実施形態の変形例に係るノズルサイド間隙補正方法においても、本発明の実施形態に係る可変ノズルユニットの特有の作用・効果と同様の作用・効果を奏するものである。

なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限られるものではなく、その他、種々の態様で実施可能である。また、本発明に包含される権利範囲は、これらの実施形態に限定されないものである。

図２におけるI-I線に沿った可変ノズルユニットの断面図であって、シュラウドリングを部分的に省略してある。 本発明の実施形態に係る可変ノズルユニットの正面図である。 本発明の実施形態に係る可変ノズルユニットの背面図である。 連結ピンに横方向のプレスによって塑性変形が施された可変ノズルユニットの断面図であって、シュラウドリングを部分的に省略してある。 図６における矢視部Vの拡大断面図である。 本発明の実施形態に係る可変容量型ターボチャージャの断面図である。 ノズルサイド間隙とターボ効率との関係を示す図である。

符号の説明

１ 可変容量型ターボチャージャ
１３ タービンインペラ
２７ 可変ノズルユニット
２９ ノズルリング
３１ シュラウドリング
３３ 連結ピン
３７ ノズルベーン
３７ 可変ノズルユニット
３９ 第１のベーン軸
４１ 第２のベーン軸
４３ 同期機構

Claims (3)

1. 可変容量型ターボチャージャにおける可変ノズルユニットのノズルサイド間隙を補正するノズルサイド間隙補正方法において、
   対向した一対のベースリング部材の間に複数のノズルベーンを配設した状態で、複数の連結部材によって一対の前記ベースリング部材を連結した後に、
   複数の前記連結部材のうち少なくともいずれかの前記連結部材に横方向及び軸方向のうちの少なくともいずれかの方向のプレスによって塑性変形を施して、いずれかの前記連結部材の軸長を変化させることにより、一対の前記ベースリング部材の間隔を調整して、前記可変ノズルユニットのノズルサイド間隙を補正することを特徴とするノズルサイド間隙補正方法。
2. 可変容量型ターボチャージャにおけるタービンインペラ側へ供給される排気ガスの圧力を可変する可変ノズルユニットにおいて、
   対向して設けられた一対のベースリング部材と、
   一対の前記ベースリング部材の間に連結するように設けられた複数の連結部材と、
   一対の前記ベースリング部材の間に周方向に沿って等間隔に設けられ、前記ベースリング部材の軸心に平行な軸心周りに回動可能な複数のノズルベーンと、を具備し、
   請求項１に記載のノズルサイド間隙補正方法によってノズルサイド間隙が補正されたことを特徴とする可変ノズルユニット。
3. エンジンからの排気ガスのエネルギーを利用して、前記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において、
   請求項２に記載の可変ノズルユニットを備えた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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