JP5807037B2

JP5807037B2 - 可変ノズルターボチャージャ

Info

Publication number: JP5807037B2
Application number: JP2013104078A
Authority: JP
Inventors: 剛樹杉; 弘晃池上
Original assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-05-16
Filing date: 2013-05-16
Publication date: 2015-11-10
Anticipated expiration: 2033-05-16
Also published as: JP2014224497A; DE102014209196A1; US9739165B2; US20140341718A1

Description

本発明は、内燃機関に用いられる可変ノズルターボチャージャに関する。

可変ノズルターボチャージャは、ノズルベーンを有する複数の可変ノズルの開度をユニソンリングの回動に基づいて調整することにより、タービンホイールへの排気ガスの流速を制御する可変ノズル機構を備えている（例えば、特許文献１、２参照）。特許文献１では、各可変ノズルをユニソンリングの軸心方向にそれぞれ付勢する各板ばねをユニソンリングに固定することにより、可変ノズルの軸部とその軸部を支持するハウジング側の部材との間の隙間によるがたつきが防止されている。また、特許文献２では、各可変ノズルのリンク部材とユニソンリングとの間に、可変ノズルを開方向へ付勢する引張りコイルばねを介装することにより、リンク部材とユニソンリングとの間の隙間によるがたつきが防止されている。

実開昭６３−１１５５３２号公報実開昭６３−９２０３６号公報

可変ノズルターボチャージャの可変ノズル機構においては、一般的に、隣り合う可変ノズルのノズルベーンの相互間を通過する排気ガスがノズルベーンの開方向に作用する。すると、その力がユニソンリング、及び、ユニソンリングを駆動するアクチュエータ側に作用し、各部材（アクチュエータと可変ノズルとの間の動力伝達経路の各部材が相当する）を一方向に押付ける荷重となる。これにより、動力伝達経路の連結し合う部材間の隙間やバックラッシュ等によるがたつきが抑制されている。
しかし、ノズルベーンが開いてくると、ノズルベーンに作用する排気ガスが少なくなり、各部材を一方向に押付けるために必要な荷重（排気ガスの作用によるノズルベーンの開方向の回転力）が得られない場合がある。そこで、従来では、可変ノズルのピボット比（回転軸位置）を調整したり、ノズルベーンの形状を変更したりする等の対策が講じられているが、排気ガスの圧損が増加し、性能低下を招くことがあった。

また、特許文献１、２におけるばねは、いずれも可変ノズルとユニソンリングとの間に介装されており、ユニソンリングを可変ノズルの開方向に付勢するものでないため、前記問題に対処することはできない。

本発明が解決しようとする課題は、可変ノズル機構における動力伝達経路の連結し合う部材間の隙間やバックラッシュ等によるがたつきを防止することのできる可変ノズルターボチャージャを提供することにある。

第１の発明は、ノズルベーンを有する複数の可変ノズルの開度をユニソンリングの回動に基づいて調整することにより、タービンホイールへの排気ガスの流速を制御する可変ノズル機構を備える可変ノズルターボチャージャであって、ユニソンリングを可変ノズルの開方向に付勢する付勢手段を設けている。この構成によると、付勢手段によりユニソンリングに可変ノズルの開方向の予荷重が付与される。これにより、可変ノズル機構における動力伝達経路の連結し合う部材間の隙間やバックラッシュ等によるがたつきを防止することができる。また、可変ノズルのピボット比（回転軸の位置）を調整したり、ノズルベーンの形状を変更したりする等の従来の対策と異なり、可変ノズルに設計上の制約を追加することなく、排気ガスの圧損の増加や性能低下を防止することができる。また、排気ガスが少ない運転状態において、一般的な可変ノズル機構に生じた排気ガスの作用による可変ノズルのノズルベーンの開方向の回転力の不足を補うことができる。また、可変ノズルの開度を検出する開度検出手段として、アクチュエータの作動量（回転角等）の検出するアングルセンサ等の作動量検出手段を備えるような場合において、可変ノズルの開度の検出精度を向上することができる。

第２の発明は、第１の発明において、付勢手段は、タービンホイールに排気ガスを導く排気流路を形成するハウジング側の部材とユニソンリングとの間に介装されたばね部材である。

第３の発明は、第１の発明において、付勢手段は、タービンホイールに排気ガスを導く排気流路を形成するハウジング側の部材と複数の可変ノズルから選択された少なくとも１つの可変ノズルとの間に介装されたばね部材である。

第４の発明は、第２又は第３の発明において、少なくとも１つのばね部材は、ユニソンリングを駆動する駆動側とは反対側に配置されている。この構成によると、少なくとも１つのばね部材のばね作用をユニソンリングに効果的に作用させることができる。

実施形態１にかかる可変ノズルターボチャージャを示す断面図である。可変ノズル機構の可変ノズルの周辺部を示すものでノズルベーン側から見た模式図である。可変ノズル機構の可変ノズルの周辺部を示すものでアーム側から見た模式図である。可変ノズル機構の要部を示す断面図である。実施形態２にかかる可変ノズル機構の可変ノズルの周辺部を示すものでアーム側から見た模式図である。実施形態３にかかる可変ノズル機構の可変ノズルの周辺部を示すものでアーム側から見た模式図である。可変ノズル機構の要部を示す断面図である。実施形態４にかかる可変ノズル機構の可変ノズルの周辺部を示すものでアーム側から見た模式図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を用いて説明する。

［実施形態１］
実施形態１を説明する。説明の都合上、可変ノズルターボチャージャの基本的構成を説明した後、要部の構成について説明する。図１は可変ノズルターボチャージャを示す断面図である。
図１に示すように、可変ノズルターボチャージャ１０は、ロータハウジング１２内にロータ２０が回転可能に収容されている。ロータハウジング１２は、タービンハウジング１４、コンプレッサハウジング１６、及び、両ハウジング１４，１６を連結するセンタハウジング１８を備えている。

また、ロータ２０は、タービンホイール２２、タービンホイール２２と一体のロータシャフト２４、及び、ロータシャフト２４の先端部に取付けられたコンプレッサホイール２６を備えている。ロータシャフト２４は、センタハウジング１８に対して回転可能に支持されている。タービンホイール２２は、外周部に複数の羽根２３を有し、前記タービンハウジング１４内に配置されている。また、コンプレッサホイール２６は、外周部に複数の羽根２７を有し、前記コンプレッサハウジング１６内に配置されている。

前記タービンハウジング１４には、渦巻状のスクロール通路３０が形成されている。スクロール通路３０には、前記タービンホイール２２の羽根２３に対向する環状の旋回通路３１が開口されている。スクロール通路３０は、図示しない内燃機関の燃焼室から排出される排気ガスの排気通路と連通している。このため、スクロール通路３０内に流れ込んだ排気ガスは、旋回通路３１からタービンホイール２２の羽根２３に吹き付けられることにより、タービンホイール２２を回転させた後、タービンハウジング１４の排気出口１５から排出される。なお、スクロール通路３０及び旋回通路３１は本明細書でいう「タービンホイールに排気ガスを導く排気流路」に相当する。

前記コンプレッサハウジング１６には、渦巻状のコンプレッサ通路３３が形成されている。コンプレッサ通路３３には、前記コンプレッサホイール２６の羽根２７に対向する環状の送出通路３４が開口されている。コンプレッサ通路３３は、図示しない吸気通路を介して内燃機関の燃焼室に連通している。また、コンプレッサホイール２６は、前記タービンホイール２２の回転にともなって一体的に回転される。コンプレッサホイール２６は、コンプレッサハウジング１６の吸気入口１７から導入される吸気を羽根２７によって圧縮し、遠心作用によって送出通路３４へ送出する。送出通路３４内へ放出された空気は、コンプレッサ通路３３を経由して内燃機関の燃焼室へ過給される。

可変ノズルターボチャージャ１０は、前記タービンハウジング１４の旋回通路３１においてタービンホイール２２への排気ガスの流速を制御する可変ノズル機構３６を備えている。可変ノズル機構３６を備えるために、タービンハウジング１４における旋回通路３１のセンタハウジング１８側には、該旋回通路３１の側壁を構成する円環状のノズルリング３８が配置されている。ノズルリング３８は、複数（例えば４個）の連結ボルトによってタービンハウジング１４に固定されている。なお、ノズルリング３８は本明細書でいう「ハウジング側の部材」に相当する。

また、タービンハウジング１４とセンタハウジング１８との間の外周部には、環状空間部４１が形成されている。環状空間部４１と前記旋回通路３１とは、前記ノズルリング３８により区画されている。環状空間部４１を形成するためにセンタハウジング１８の外周部に形成されたフランジ状の側壁部１９は、ボルト４２によりタービンハウジング１４に固定されている。また、ノズルリング３８の環状空間部４１側には、ユニソンリング５２（後述する）を回転可能に保持する保持ローラ４４（図２参照）が配置されている。保持ローラ４４は、前記ノズルリング３８に対してその中心部に配置されたピンによって回転可能に保持されている。

可変ノズル機構３６について説明する。図２は可変ノズル機構の可変ノズルの周辺部を示すものでノズルベーン側から見た模式図、図３は同じくアーム側から見た模式図である。
図２及び図３に示すように、可変ノズル機構３６は、複数（例えば９個）の可変ノズル４６を備えている。可変ノズル４６は、支軸４７と、支軸４７の一端に固定的に設けられたノズルベーン４８と、支軸４７の他端に固定的に取り付けられたアーム４９とを有している。支軸４７は、ノズルリング３８に対して回転可能に支持されている。すなわち、ノズルリング３８に対して可変ノズル４６が支軸４７により回動可能に支持されている。また、複数の可変ノズル４６は、ノズルリング３８に対して周方向に等間隔で配置されている。また、アーム４９の先端部には、円形状の嵌合部５０が形成されている。また、ノズルベーン４８は前記旋回通路３１内に回動可能すなわち旋回通路３１を開閉可能に配置され、また、アーム４９は前記環状空間部４１内に回動可能に配置されている（図１参照）。

図１に示すように、前記環状空間部４１内には、円環状のユニソンリング５２が配置されている。ユニソンリング５２は、前記ノズルリング３８に対して軸方向で前記センタハウジング１８の側壁部１９側にずれた状態でかつ同心状に配置されている。また、ユニソンリング５２は、前記タービンハウジング１４（詳しくはノズルリング３８の周囲を取り囲む壁部）に対して前記保持ローラ４４により軸回り方向に回動可能に保持されている。

図３に示すように、前記ユニソンリング５２の内周部には、前記可変ノズル４６の数と同数のアーム嵌合溝５４が周方向に等間隔で形成されている。アーム嵌合溝５４は、例えばユニソンリング５２の内周面に開口するＵ字溝状に形成されている。各アーム嵌合溝５４には、各可変ノズル４６のアーム４９の嵌合部５０がそれぞれ回動可能にかつアーム嵌合溝５４に沿ってユニソンリング５２の半径方向に移動可能に係合されている。

図１に示すように、前記センタハウジング１８の側壁部１９には、ユニソンリング用駆動部材５６が設けられている。駆動部材５６は、支軸５７と、支軸５７の一端に固定的に取り付けられた駆動レバー５８と、支軸５７の他端に固定的に取り付けられた駆動アーム６０とを有している。支軸５７は、センタハウジング１８の側壁部１９に対して回転可能に支持されている。すなわち、センタハウジング１８の側壁部１９に対して駆動部材５６が支軸５７により回動可能に支持されている。また、駆動レバー５８は、環状空間部４１外に回動可能に配置されている。また、駆動アーム６０は、環状空間部４１内に回動可能に収容されている。駆動アーム６０の先端部には、円形状の嵌合部６１（図３参照）が形成されている。

図３に示すように、前記ユニソンリング５２の内周部には、隣り合う１組のアーム嵌合溝５４の相互間に位置する１つの駆動アーム嵌合溝６３が形成されている。駆動アーム嵌合溝６３は、例えばユニソンリング５２の内周面に開口するＵ字溝状に形成されている。駆動アーム嵌合溝６３には、前記駆動アーム６０の嵌合部６１が回動可能にかつ駆動アーム嵌合溝６３に沿ってユニソンリング５２の半径方向に移動可能に係合されている。したがって、駆動レバー５８とともに駆動アーム６０が支軸５７を中心にして回動するにともない、ユニソンリング５２が回動される。また、本実施形態では、可変ノズル４６のアーム４９と駆動アーム６０とは同一形状又は略同一形状に形成され、また、ユニソンリング５２のアーム嵌合溝５４と駆動アーム嵌合溝６３は同一形状又は略同一形状に形成されている。

図１に示すように、前記駆動レバー５８にはアクチュエータ６５の出力部（図示省略）が連係されており、アクチュエータ６５の作動により駆動レバー５８が回動されるようになっている。アクチュエータ６５は、例えば電動モータ、電磁ソレノイド、エアシリンダ等であり、前記ロータハウジング１２側に設置されている。アクチュエータ６５は、コントローラ６７により駆動制御される。また、アクチュエータ６５には、その出力部の作動量を検出するアングルセンサ等の作動量検出手段６８が設けられている。コントローラ６７は、作動量検出手段６８の出力に基づいて可変ノズル４６の回転角すなわち開度を算出する。このため、作動量検出手段６８は、可変ノズル４６の開度を検出する開度検出手段として用いられている。

前記可変ノズル機構３６において、コントローラ６７によりアクチュエータ６５が作動され、駆動部材５６が回動されると、ユニソンリング５２が回動されるにともない、複数の可変ノズル４６が同期的に回動される。例えば、図３において、ユニソンリング５２が右回り方向（図中、矢印Ｙ１参照）に回動すると、全ての可変ノズル４６が支軸４７の軸線を中心にして開方向に回動される。また、ユニソンリング５２が左回り方向（図中、矢印Ｙ２参照）に回動すると、全ての可変ノズル４６が支軸４７の軸線を中心にして閉じ方向に回動される。このように、ユニソンリング５２の回動に基づいて、全ての可変ノズル４６が同期的に回動されることによりノズルベーン４８が開閉され、可変ノズル４６（詳しくはノズルベーン４８）の開度が調整される。すなわち、隣り合うノズルベーン４８の相互間の流路断面積が増減されることによって、タービンホイール２２への排気ガスの流速が制御される。

なお、可変ノズル４６、ユニソンリング５２、駆動部材５６及びアクチュエータ６５は、可変ノズル機構３６を構成している。また、可変ノズル４６のアーム４９とユニソンリング５２、ユニソンリング５２と駆動部材５６の駆動アーム６０、駆動部材５６の駆動レバー５８とアクチュエータ６５の出力部は、動力伝達経路の連結し合う部材に相当する。また、ユニソンリング５２の駆動部材５６側は本明細書でいう「駆動側」に相当する。

次に、前記可変ノズル機構３６の要部の構成について説明する。図４は可変ノズル機構の要部を示す断面図である。
図３、図４に示すように、前記ノズルリング３８の環状空間部４１側には、支持ピン７０が突出されている。支持ピン７０には、ねじりコイルスプリングからなるばね部材７２のコイル部７２ａが嵌合されている。ばね部材７２の一方の端末部７２ｂは、ノズルリング３８に形成された貫通孔からなるばね係止部７４に係止されている。また、ばね部材７２の他方の端末部７２ｃは、ユニソンリング５２に形成された貫通孔からなるばね係止部７６に係止されている。このようにして、ノズルリング３８とユニソンリング５２との間にばね部材７２が介装されている。

前記ばね部材７２は、ノズルリング３８に対してユニソンリング５２を可変ノズル４６の開方向（図３中、矢印Ｙ１参照）に付勢している。すなわち、ばね部材７２によりユニソンリング５２に可変ノズル４６の開方向の予荷重が付与されている。なお、ばね部材７２は本明細書でいう「付勢手段」に相当する。また、ばね係止部７４，７６は、貫通孔により形成されているが、ばね部材７２の端末部７２ｂ，７２ｃを係止可能であればよく、例えば有底孔、溝、突起等により形成してもよい。

図３に示すように、前記ばね部材７２は、前記ユニソンリング５２の駆動アーム６０側とは反対側（詳しくは略正反対側）に配置されている。詳しくは、ばね部材７２は、ユニソンリング５２の駆動アーム６０側（図３において左側）とは反対側（図３において右側）において、隣り合う１組の可変ノズル４６のアーム４９の相互間に配置されている。

前記した可変ノズルターボチャージャ１０の可変ノズル機構３６によると、ノズルリング３８とユニソンリング５２との間に介装されたばね部材７２によりユニソンリング５２に可変ノズル４６の開方向の予荷重が付与される。これにより、可変ノズル機構３６における動力伝達経路の連結し合う部材間、すなわち、可変ノズル４６のアーム４９とユニソンリング５２との間、ユニソンリング５２と駆動部材５６の駆動アーム６０との間、駆動部材５６の駆動レバー５８とアクチュエータ６５の出力部との間の隙間やバックラッシュ等によるがたつきを防止することができる。また、可変ノズル４６のピボット比（支軸（回転軸）４７の位置）を調整したり、ノズルベーン４８の形状を変更したりする等の従来の対策と異なり、可変ノズル４６に設計上の制約を追加することなく、排気ガスの圧損の増加や性能低下を防止することができる。

また、排気ガスが少ない運転状態において、一般的な可変ノズル機構に生じた排気ガスの作用による可変ノズル４６のノズルベーン４８の開方向の回転力の不足を補うことができる。また、可変ノズル４６の開度を検出する開度検出手段としての作動量検出手段６８による可変ノズル４６の開度の検出精度を向上することができる。

また、アクチュエータ６５の出力部と駆動部材５６の駆動アーム６０との間にリンク機構、ギヤ機構等の動力伝達機構が介装される場合においても、ばね部材７２によりユニソンリング５２に可変ノズル４６の開方向の予荷重が付与されることによって、可変ノズル機構３６における動力伝達機構を含む動力伝達経路の連結し合う部材間の隙間やバックラッシュ等によるがたつきを防止することが可能である。

また、ばね部材７２は、ユニソンリング５２の駆動側（駆動アーム６０側）とは略正反対側に配置されている。したがって、少なくとも１つのばね部材７２のばね作用をユニソンリング５２に効果的に作用させることができる。なお、ばね部材７２の配置位置は、特に限定されないが、ユニソンリング５２の駆動側（駆動アーム６０側）とは正反対側又は略正反対側に配置するとよい。また、ユニソンリング５２の駆動側には、ユニソンリング５２を二分しかつ駆動部材５６をその周方向の中央部に配置する側の片半部が相当し、その駆動側とは反対側には残りの片半部が相当する。

［実施形態２］
実施形態２を説明する。本実施形態以降の実施形態は、前記実施形態１に変更を加えたものであるから、その変更部分について説明し、重複する説明は省略する。図５は可変ノズル機構の可変ノズルの周辺部を示すものでアーム側から見た模式図である。
図５に示すように、本実施形態は、実施形態１（図３参照）におけるばね部材７２に２個のばね部材７２を追加して、ばね部材７２を計３個としたものである。追加のばね部材７２は、駆動部材５６の駆動アーム６０と、その駆動アーム６０とは反対側の可変ノズル４６のアーム４９との間の中間部において、隣り合う１組の可変ノズル４６のアーム４９の相互間にそれぞれ配置されている。これにより、計３個のばね部材７２は、周方向に略等間隔で配置されている。

［実施形態３］
実施形態３を説明する。本実施形態は前記実施形態１に変更を加えたものである。図６は可変ノズル機構の可変ノズルの周辺部を示すものでアーム側から見た模式図、図７は可変ノズル機構の要部を示す断面図である。
図６に示すように、本実施形態は、実施形態１（図３参照）のばね部材７２及びその配置を変更したものである。すなわち、ユニソンリング５２の駆動側（駆動アーム６０側）とは反対側（詳しくは正反対側（図６において右端側））の可変ノズル４６を選択し、その可変ノズル４６とノズルリング３８との間にねじりコイルスプリングからなるばね部材７８を介装したものである。

図７に示すように、ばね部材７８のコイル部７８ａは、支軸４７に嵌合され、ノズルリング３８と可変ノズル４６のアーム４９との間に配置されている。ばね部材７８の一方の端末部７８ｂは、ノズルリング３８に形成された貫通孔からなるばね係止部８０に係止されている。また、ばね部材７８の他方の端末部７８ｃは、アーム４９に係止されている。ばね部材７８は、ノズルリング３８に対して可変ノズル４６を開方向（図６中、矢印Ｙ１参照）に付勢している。これにより、ユニソンリング５２に可変ノズル４６の開方向の予荷重が付与されている。なお、ばね部材７８は本明細書でいう「付勢手段」に相当する。また、ばね係止部８０は、貫通孔により形成されているが、ばね部材７８の端末部７８ｂを係止可能であればよく、例えば有底孔、溝、突起等により形成してもよい。また、可変ノズル４６に、ばね部材７８の端末部７８ｃを係止可能な孔、溝、突起等のばね係止部を形成してもよい。

［実施形態４］
実施形態４を説明する。前記実施形態３に変更を加えたものである。図８は可変ノズル機構の可変ノズルの周辺部を示すものでアーム側から見た模式図である。
図８に示すように、本実施形態は、実施形態３（図６参照）におけるばね部材７８に２個のばね部材７８を追加して、ばね部材７８を計３個としたものである。追加のばね部材７８は、実施形態３のばね部材７８を設けた可変ノズル４６からノズルリング３８の周方向（右回り方向及び左回り方向）にそれぞれ３つ目の可変ノズル４６に配置されている。これにより、計３個のばね部材７８は、周方向に略等間隔で配置されている。

［変更例］
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更が可能である。例えば、付勢手段としては、ユニソンリング５２を開方向に付勢するものであればよく、前記実施形態のばね部材７２，７８すなわちねじりコイルばねの他、引張りコイルばね、圧縮コイルばね、板ばね等を用いてもよい。また、付勢手段の個数、配置位置及び取付構造も限定するものではない。

１０…可変ノズルターボチャージャ
２２…タービンホイール
３１…旋回通路（タービンホイールに排気ガスを導く排気流路）
３６…可変ノズル機構
３８…ノズルリング（ハウジング側の部材）
４６…可変ノズル
４８…ノズルベーン
５２…ユニソンリング
６５…アクチュエータ
６８…作動量検出手段（可変ノズルの開度を検出する開度検出手段）
７２…ばね部材（付勢手段）
７８…ばね部材（付勢手段）

Claims

ノズルベーンを有する複数の可変ノズルの開度をユニソンリングの回動に基づいて調整することにより、タービンホイールへの排気ガスの流速を制御する可変ノズル機構を備える可変ノズルターボチャージャであって、
前記ユニソンリングを前記可変ノズルの開方向に付勢する付勢手段を設け、
前記付勢手段は、前記タービンホイールに排気ガスを導く排気流路を形成するハウジング側の部材と前記ユニソンリングとの間に介装されたばね部材であり、
前記排気流路は、環状の旋回通路が前記タービンホイールの羽根に対向するように開口された渦巻状のスクロール通路であり、
前記ハウジング側の部材は、前記旋回通路の側壁を構成しかつ前記可変ノズルの支軸を回転可能に支持する円環状のノズルリングであることを特徴とする可変ノズルターボチャージャ。
ノズルベーンを有する複数の可変ノズルの開度をユニソンリングの回動に基づいて調整することにより、タービンホイールへの排気ガスの流速を制御する可変ノズル機構を備える可変ノズルターボチャージャであって、
前記ユニソンリングを前記可変ノズルの開方向に付勢する付勢手段を設け、
前記付勢手段は、前記タービンホイールに排気ガスを導く排気流路を形成するハウジング側の部材と前記複数の可変ノズルから選択された少なくとも１つの可変ノズルとの間に介装されたばね部材であることを特徴とする可変ノズルターボチャージャ。
請求項１又は２に記載の可変ノズルターボチャージャであって、
前記少なくとも１つのばね部材は、前記ユニソンリングを駆動する駆動側とは反対側に配置されていることを特徴とする可変ノズルターボチャージャ。