JP5989905B2 - タービンのための可変ガイド機構、排気ガスターボチャージャーのためのタービン、及び排気ガスターボチャージャー - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前段に記載した種類のタービンのための可変ガイド機構、請求項６に記載した排気ガスターボチャージャーのためのタービン、及び、請求項７に記載した排気ガスターボチャージャーに関する。

特許文献１には、タービンのための可変ガイド機構が開示されている。この可変ガイド機構は、エンジンから排出された排気がタービン羽根車へ流入する際の流動状態を整えるものである。そうするために、この可変ガイド機構は複数枚の可変ガイド翼を備えており、それら可変ガイド翼は排気流通セクションに形成されたノズル部の中に配設されている。ノズル部は排気流通セクションに形成されたタービンハウジングの上流側に設けられており、タービンハウジングにはタービン羽根車が回転可能に収容されている。この可変ガイド機構は更に、それら可変ガイド翼が取付けられた支持リングを備えている。各々の可変ガイド翼は夫々にガイド翼軸を介して回動可能に支持リング上に支持されている。基本的に、各々のガイド翼軸に夫々に作動リンク部材を装備するようにしてあり、それら作動リンク部材は回転リングに係合している。回転リングにはそれら作動リンク部材が夫々に嵌合する複数の嵌合凹部が形成されている。

回転リングは平板リング形に形成されており径方向及び軸方向に当接支持されている。回転リングを径方向及び軸方向に当接支持しているのは支持リングである。回転リングと支持リングとの間に作用する摩擦を低減するために、支持リングに対向している回転リングの当接支持面に複数の凹部が形成されている。これによって、回転リングの表面と支持リングの表面とが当接する当接面積を縮減しており、もって、それら表面の間に作用する摩擦による摩擦損失を低減している。

欧州特許第1 227 221 B1号明細書

本発明の目的は、簡明な手段を用いて摩擦損失を更に低減した可変ガイド機構を提供することにある。また更に、本発明の目的は、動作信頼性の高いタービンを提供すること、及び、効率を大幅に改善した排気ガスターボチャージャーを構成することにある。

上記目的は、請求項１に記載した特徴を備えたタービンのための可変ガイド機構、請求項６に記載した特徴を備えたタービン、及び、請求項７に記載した特徴を備えた排気ガスターボチャージャーにより達成される。従属請求項は、本発明の好適且つ重要な構成上の特徴を備えた特に有利な実施の形態を記載したものである。

この種のタービンのための可変ガイド機構は、複数枚のガイド翼が取付けられた支持リングを備えており、前記ガイド翼はガイド翼軸を介して前記支持リング上に回動可能に支持されている。前記ガイド翼軸には作動リンク部材が装備されており、該作動リンク部材は回転リングに係合しており、該回転リングは前記作動リンク部材が嵌合する嵌合凹部を備えている。

本発明によれば、前記回転リングは、該回転リングの第１部分において軸方向及び／または径方向に支持されるように形成されており、前記回転リングの第２部分に前記嵌合凹部が設けられており、前記第１部分と前記第２部分とは径方向及び軸方向に互いから離隔した位置にある。

従ってこのように構成した前記回転リングでは、第１に、前記作動リンク部材を前記回転リングの前記嵌合凹部に嵌合可能にするために、前記第２部分に前記作動リンク部材が嵌合するようにしており、そして、そのようにした前記第２部分から離隔した前記第１部分において前記回転リングが支持されるようにしている。即ち、前記回転リングは、該回転リングのただ１つの部分だけで支持され、つまり、該回転リングの前記第１部分だけで支持されるようにしており、これによって、摩擦が作用する当接面における接触面積が可及的に且つ格段に減縮され、ひいては摩擦損失が低減されるようにしたものである。

前記第１部分と前記第２部分とが径方向及び軸方向に互いから離隔した位置にあることから、前記回転リングは、Ｚ形材の断面形状と略々同様の断面形状を有するように形成することができる。また、そのように形成することによって、前記回転リングの厚さを薄くしつつ、それでもなお大きな強度及び剛性を備えたものとすることができる。またそれにより、前記回転リングと前記支持リングとの間の径方向の間隙寸法を高精度に設定することが可能になる。また更にそれによって、前記回転リングの耐摩耗性が向上すると共に、前記回転リングの膠着が発生しにくくなることから、可変ガイド機構の機能性が大いに向上する。

本発明に係る可変ガイド機構の実施の形態によれば、前記回転リングは、該回転リングの前記第１部分において前記支持リング上に径方向に支持されるように形成されている。この構成とすることによって、当接支持する箇所の径方向の間隙寸法を調節するための別の部品が不要となるため、本発明に係る可変ガイド機構のコストを大いに低減することができる。

本発明に係る可変ガイド機構の他の実施の形態によれば、前記回転リングは、該回転リングの前記第１部分において前記ガイド翼軸上に径方向に支持されるように形成されている。この構成とすることによって、上述したコスト低減という利点が得られることに加えて更に、軽量化も達成することができ、なぜならば、そうすることで前記支持リングの軸方向の寸法をかなり短縮できるからである。また更に、この構成とすることによって、摩擦損失を更に低減することができ、なぜならば、前記回転リングと前記ガイド翼軸の外周面とが接触する箇所の接触状態は略々線接触となるため、接触面積が格段に減縮されるからである。更なる重要な改良点として、前記回転リングが回転するとき、互いに接触している前記回転リングの表面と前記ガイド翼軸の表面とが同一方向へ移動するため、それら表面どうしの間の相対移動速度が従来構成のものと比べて低減されるということがある。

また、この他の実施の形態では、前記回転リングを該ガイド翼軸上に支持するために、前記ガイド翼軸が例えば支持ブッシュなどの形の支持具を備えているようにするとよい。支持ブッシュの外周面の表面加工は前記ガイド翼軸それ自体の外周面の表面加工より格段に容易に行えるため、支持ブッシュの外周面に粗面化加工を施す場合にも低コストで加工を行え、そのような加工を施した支持ブッシュを用いることで、前記回転リングと前記支持ブッシュとの間の接触面における摩擦損失を更に低減することができる。

本発明に係る可変ガイド機構の特に有利な他の実施の形態では、径方向の支持を確実なものとするために溝が設けられている。かかる溝は、前記回転リングが前記支持リング上に支持される構成とする場合には前記支持リングに設け、また、これとは異なり、前記回転リングが前記ガイド翼軸上に支持される構成とする場合には、かかる溝を前記ガイド翼軸に設けるか、或いは、前記支持ブッシュに設ける。かかる溝を形成する方法としては、例えば切削加工などを用いることがコスト的に有利である。

特に有利な更なる他の実施の形態によれば、前記回転リングは転がり軸受を介して支持されている。この実施の形態によれば、潤滑剤が可変ガイド機構を経由して排気に混入するおそれを完全に払拭することができ、なぜならば、例えばボールベアリング、ローラベアリング、ニードルベアリングなどの転がり軸受には、密封型のベアリングケージを装備することができるからである。潤滑剤はベアリングケージの内部に封止され、可変ガイド機構の排気が流通している領域へ漏出することはない。更に、転がり軸受は、滑り軸受と比べて摩擦特性に優れており、耐摩耗性にも優れている。

更なる他の実施の形態によれば、前記回転リングの前記嵌合凹部は少なくともその一部分が、軸方向に立ち上がった壁部により形成されている。この実施の形態によれば、前記回転リングの厚さをより薄くすることができ、なぜならば、この軸方向に立ち上がった壁部によって、前記嵌合凹部に嵌合させる前記作動リンク部材をより確実に嵌合位置に案内できるからである。かかる壁部を備えない構成では、前記回転リングの厚さを極めて薄くした場合に、状況によっては前記作動リンク部材を嵌合位置に確実に案内することができず、そのため可変ガイド機構に不具合を生じるおそれがある。かかる壁部を備えることによって、そのような不具合を回避できると共に、前記回転リングの厚さを薄くできることから前記回転リングを軽量化することも可能となる。

本発明に係る可変ガイド機構の特に低コストな他の実施の形態によれば、前記回転リングはスタンピング加工により製造されたものである。製造方法としてのスタンピング加工は、特に、厚さの薄い部品を低コストで容易に製造できる製造方法である。ただし、スタンピング加工により製造された部品にはバリが付いていることがある。従来の構成では、動作状況によっては、回転リングの外周縁がその回転リングを囲繞している係止リングと接触することがあり、そのため、回転リングのバリ取りが適切に行われていないと回転リングの膠着が生じるおそれがあった。しかるに、本発明に係る可変ガイド機構の前記回転リングは、上述したように構成されていることから、そのような不具合が生じるおそれが払拭されており、低コストで製造することのできる前記回転リングによって効率的で完璧な動作特性が得られるものとなっている。

本発明に係る排気ガスターボチャージャーのためのタービンは、排気流通セクションを備え、排気流通セクションのタービンハウジングの中にタービン羽根車が回転可能に収容されている、排気ガスターボチャージャーのためのタービンであり、該タービンの前記排気流通セクションは、請求項１〜請求項５の何れか１項記載の本発明に係る可変ガイド機構を備えており、また、該可変ガイド機構の前記ガイド翼は、前記タービンハウジングの上流側のノズル部の中に配設されていることを特徴とするものである。このタービンの利点は、その動作特性の信頼性が格段に向上していることにあり、この信頼性の向上は、本発明に係る可変ガイド機構を備えることから、前記回転リングの膠着を原因とするタービンの故障が殆ど発生しないことによるものである。

また、本発明に係る排気ガスターボチャージャーは、本発明に係るタービンを備えたことを特徴とするものである。この排気ガスターボチャージャーの利点は、１つには、摩擦損失が低減されているために極めて高効率であることにあり、もう１つには、動作信頼性が極めて高いことから、この排気ガスターボチャージャーは故障が非常に少ないということがある。また、これらのことから、特に、この排気ガスターボチャージャーを、車両に搭載されるエンジンに装備した場合には、排気排出量が低減されるという利点が得られ、これは、この排気ガスターボチャージャーの動作特性の信頼性が高く、そのため、この排気ガスターボチャージャーとエンジンとの適合性が非常に優れていることによるものである。

本発明の更なる利点、並びに、本発明の好適な様々な実施の形態については、その他の請求項、図面に即した以下の説明、及び、図面の記載から理解される通りのものである。また、図面については以下の通りである。

従来例に係る可変ガイド機構の断面図である。 図１に示した可変ガイド機構の平面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る可変ガイド機構の断面図である。 図３に示した可変ガイド機構の断面平面図である。 図３に示した可変ガイド機構の回転リングを別構成の回転リングに替えた可変ガイド機構の断面平面図である。 図５に示した回転リングの部分拡大断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る可変ガイド機構の断面図である。 図７に示した可変ガイド機構の断面平面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る可変ガイド機構の断面図である。 本発明の第４の実施の形態に係る可変ガイド機構の断面図である。 図１０に示した可変ガイド機構の断面平面図である。 本発明の第５の実施の形態に係る可変ガイド機構の断面図である。 本発明の第６の実施の形態に係る可変ガイド機構の断面図である。 図１３に示した可変ガイド機構の断面平面図である。

排気ガスターボチャージャーの排気流通セクション（不図示）は、エンジン（不図示）の排気系（不図示）の中に組み込まれている。ここでいうエンジンとは、例えばオットーエンジンやディーゼルエンジンなどである。また、排気ガスターボチャージャーは更に、吸気流通セクション（不図示）と、軸受構造部（不図示）とを備えており、吸気流通セクションはエンジンの吸気管（不図示）の中に組み込まれている。

排気ガスターボチャージャーは、ロータアセンブリ（不図示）を備えている。ロータアセンブリは、燃焼用空気を吸入して圧縮するコンプレッサ羽根車（不図示）と、流入してくる排気を内部で膨張させるタービン羽根車（不図示）と、それら２つの羽根車を一体回転させるように互いに連結して回転軸心を中心として回転するロータ軸（不図示）とを備えている。排気ガスターボチャージャーの軸受構造部は、吸気流通セクションと排気流通セクションとの間に配設されており、ロータ軸はこの軸受構造部によって回転可能に支持されている。

排気を排気流通セクションに導入するために、排気流通セクションには導入流路（不図示）が形成されている。導入流路は、エンジンの運転中にタービン羽根車を駆動して回転させる排気の流動状態を整えるものである。タービン羽根車が回転するとロータ軸を介してコンプレッサ羽根車も回転し、それによって燃焼用空気が吸入されて圧縮される。

排気流通セクションは、導入流路の下流側に形成された回転対称形の流れを作り出すための渦巻形流路（不図示）を備えている。この渦巻形流路は、導入流路とこの渦巻形流路の下流側のノズル部（不図示）とを接続する接続流路でもある。排気流通セクションは、そのノズル部の下流側に形成されたタービンハウジング（不図示）を備えている。このタービンハウジングの中にタービン羽根車が回転可能に収容されている。排気流通セクションは更に、そのタービンハウジングの下流側に形成された排出流路（不図示）を備えている。この排出流路を介して排気流通セクションから排気が排出される。

更に、排気流通セクション内には可変ガイド機構１が配設されている。この可変ガイド機構１は、エンジンが低負荷低回転で運転されているときも、また高負荷高回転で運転されているときも、排気ガスターボチャージャーの効率を可及的最大にできるように排気の流動状態を整えるための機構であり、可変機構として構成されている。

図１に示したのは、従来例に係る可変ガイド機構１である。可変ガイド機構１は、タービン羽根車の周囲を囲繞するリング形に構成されている。可変ガイド機構１は支持リング２を備えており、この支持リング２に、流動状態を整えるための複数枚のガイド翼３が取付けられている。それらガイド翼３は支持リング２上に回動可能に支持されている。

支持リング２を排気流通セクションの中に配設したならば、複数枚のガイド翼３はノズル部の中に位置する。支持リング２に対向して取付けられているのはシュラウド板４であり、このシュラウド板４は流動状態を整える機能を有するものであり、また、このシュラウド板４を備えることで、可変ガイド機構１が組立ての容易なものになっている。

複数枚のガイド翼３を回動可能に支持リング２上に支持するために、それらガイド翼３の各々が夫々にガイド翼軸５を備えている。ガイド翼軸５は、ガイド翼３には固定連結されており、支持リング２には嵌合して回動可能に支持されている。ガイド翼軸５を回転させることでガイド翼３を回動させるために、ガイド翼軸５には、ガイド翼３が固定連結されている端部とは反対側の端部に作動リンク部材６が装備されており、この作動リンク部材６もガイド翼３と同じくガイド翼軸５に固定連結されている。

複数枚のガイド翼３を回動させるのは、支持リング２と同軸心的な位置関係にあって可変ガイド機構１に取付けられている回転リング７である。この回転リング７は、複数の作動リンク部材６が夫々に係合する複数の嵌合凹部８を備えている。作動リンク部材６は、ガイド翼軸５に固定連結されている端部とは反対側の端部を、対応する嵌合凹部８に係合可能な形状に形成しておくことが好ましい。

この従来例に係る可変ガイド機構１は、回転リング７をその取付位置に係着するために当接支持リング９を備えている。この当接支持リング９は回転リング７を軸方向の一方向に支持するように形成されている。また更に、回転リング７を軸方向の他方向から係着するために係止リング１０を備えており、当接支持リング９と係止リング１０とは、それら２つのリングの間に回転リング７を回転可能に保持するように形成されて取付けられている。また、回転リング７の径方向の支持は、回転リング７の内周面が係止リング１０に当接することによって行われている。

これに対して、本発明に係る可変ガイド機構１では、１つには、部品点数を減らすために、またもう１つには、摩擦が作用する接触面積を縮減するために、ガイド翼軸５の全長のうち、ガイド翼３とそのガイド翼３を回動させるための作動リンク部材６との間の部分を、回転リング７が直接的にまたは間接的に囲繞するように、回転リング７を構成し、またそれに合わせて、各々の作動リンク部材６が回転リング７の夫々に対応した嵌合凹部８に嵌合するようにしている。別の言葉で述べるならば、本発明に係る可変ガイド機構１では、回転リング７の断面形状を、Ｚ形材の断面形状に類似した２箇所で屈曲した２次元的な形状にしている。更に別の言葉で述べるならば、本発明に係る可変ガイド機構１では、回転リング７を、第１部分７１（以下の説明では第１リング部分７１という）、第２部分７２（以下の説明では第２リング部分７２という）、及び第３部分（以下の説明では第３リング部分７３という）を備えたものとしており、従って回転リング７は、第１リング部分７１、第２リング部分７２、及び第３リング部分７３から構成されている。

第１リング部分７１と第２リング部分７２とは径方向及び軸方向に互いから離隔した位置にあるが、ただし互いに同心的な位置関係にあり、それらは第３リング部分７３を介して互いに接続している。第３リング部分７３は、第１リング部分７１と第２リング７２部分との間の軸方向の位置のずれを越えてそれらリング部分を橋渡ししている、架橋的接続部のようなものである。第３リング部分７３は、第１リング部分７１の外周縁に接続することによってこの第１リング部分７１に接続しており、また、第２リング部分７２の内周縁に接続することによってこの第２リング部分７２に接続している。

上述した回転リング７の断面形状は、必ずしも回転リング７の全周に亘ってそのような断面形状である必要はなく、全周のうちの少なくとも、第１リング部分７１、及び／または、第２リング部分７２、及び／または、第３リング部分７３が存在する領域においてそのような断面形状であればよい。また、回転リング７と支持リング２との間に作用する摩擦による摩擦損失を低減するための実行容易な手段として、回転リング７に、即ち、その３つのリング部分のうちの少なくとも１つのリング部分に、即ち、第１リング部分７１、及び／または、第２リング部分７２、及び／または、第３リング部分７３に、凸条を形成するのもよく、またそうする場合には、回転リング７をスタンピング加工により製造する際にその凸条の形成を行うようにすることが好ましい。

本発明の第１の実施の形態に係るガイド機構１によれば、回転リング７は図３に示したように配設されている。即ち、回転リング７は、その第１リング部分７１において支持リング２上に支持されており、また、径方向及び軸方向に当接支持されている。その当接支持のために、支持リング２には、作動リンク部材６に対向する箇所に段部１１が形成されている。また、第２リング部分７２には、図４に示したように、複数の作動リンク部材６が夫々に係合する複数の嵌合凹部８が形成されており、この回転リング７の第２リング部分７２は、複数の作動リンク部材６に当接してそれら作動リンク部材６を支持することができる位置にある。この実施の形態では、第２リング部分７２はその全体が円環形状に形成されている。

図には示さないが他の実施の形態として、回転リング７の回転移動を確実に案内するために、支持リング２に対向している第１リング部分７１の内周面が嵌合する溝１２を支持リング２に設けたものがある。図５及び図６は、上述した回転リング７とは異なる構成の回転リング７を２通りの方向から見た図である。この回転リング７では、嵌合凹部８は少なくともその一部分が、軸方向に立ち上がった壁部１４により形成されている。かかる壁部１４を設けることで回転リング７の厚さＤを薄くすることができ、なぜならば、かかる壁部１４を設ければ、かかる壁部１４が作動リンク部材６に当接して作動リンク部材６を支持することから、回転リング７の厚さＤを薄くしても作動リンク部材６を揺動させる上で何ら不都合を生じないからである。

本発明の第２の実施の形態に係る可変ガイド機構１は、図７及び図８に示したように構成されている。即ち、平板リング形の当接支持板１５を備えており、この当接支持板１５の外径寸法ＡＤは回転リング７の内径寸法ＩＤに対応している。回転リング７は、この当接支持板１５の外周に嵌合している。当接支持板１５と回転リング７とは同心的な位置関係にあり、回転リング７の内周面１３が当接支持板１５の外周面１６に当接することによって、回転リング７は径方向に支持される形で当接支持されている。当接支持板１５は例えばねじなどの適宜の固定手段によって支持リング２に固定して取付けられており、そのため当接支持板１５は支持リング２に対して相対回転しないようになっている。

本発明の第３の実施の形態に係る可変ガイド機構１は、図９に示したように構成されている。第２の実施の形態と同様にこの第３の実施の形態でも、回転リング７は平板リング形の当接支持板１５によって径方向に支持されているが、ただしこの第３の実施の形態における当接支持板１５は、その外径寸法ＡＤが第２の実施の形態のものと比べて小さく、そのため、この当接支持板１５上に支持される回転リング７の内径寸法ＩＤも第２の実施の形態のものと比べて小さい。この実施の形態でも、当接支持板１５は適宜の固定手段によって支持リング２に固定されている。

図１０及び図１１に示した本発明の第４の実施の形態では、回転リング７が転がり軸受１７（例えばボールベアリングなど）を介して支持リング２上に支持されている。ガイド翼軸５を回動しやすくするために、回転リング７のガイド翼軸５の配設箇所にはこの回転リング７を貫通して軸方向に延在する開口１８が形成されている。

図１２に示した本発明の第５の実施の形態に係る可変ガイド機構１では、回転リング７が、複数のガイド翼軸５の夫々に形成された溝１２によって径方向及び軸方向に支持されている。

図１３及び図１４に示した本発明の第６の実施の形態では、複数のガイド翼軸５が夫々に支持ブッシュ１９を備えており、それら支持ブッシュ１９はガイド翼軸５に固定して取付けられている。また、支持ブッシュ１９は、回転リング７を径方向及び軸方向に確実に支持できるように、その外周面２０に溝１２が形成されており、回転リング７の内周面１３がこの溝１２に確実に嵌合するようにしてある。

回転リング７は、低コストの加工法であるスタンピング加工により製造することが好ましい。

Claims (7)

1. 複数枚のガイド翼（３）が取付けられた支持リング（２）を備え、前記ガイド翼（３）はガイド翼軸（５）を介して前記支持リング（２）上に回動可能に支持されており、前記ガイド翼軸（５）には作動リンク部材（６）が設けられ、該作動リンク部材（６）は回転リング（７）に係合しており、該回転リング（７）は前記作動リンク部材（６）が嵌合する嵌合凹部（８）を備えている、タービンのための可変ガイド機構において、
   前記回転リング（７）は、該回転リングの第１部分（７１）において軸方向及び／または径方向に支持されるように形成されており、前記回転リング（７）の第２部分（７２）に前記嵌合凹部（８）が設けられており、前記第１部分（７１）と前記第２部分（７２）とは径方向及び軸方向に互いから離隔した位置にあり、前記回転リング（７）は一体に形成され、
   前記回転リング（７）は、該回転リングの前記第１部分（７１）において前記支持リング（２）上に径方向に支持されるように形成されているか、あるいは、前記回転リング（７）は、該回転リングの前記第１部分（７１）において前記ガイド翼軸（５）上に径方向に支持されるように形成され、
   前記回転リング（７）を径方向及び／または軸方向に支持するための溝（１２）を備えている
   ことを特徴とするタービンのための可変ガイド機構。
2. 前記ガイド翼軸（５）は、前記回転リング（７）を該ガイド翼軸（５）上に支持するための支持具（１９）を備えていることを特徴とする請求項１記載の可変ガイド機構。
3. 前記回転リング（７）は転がり軸受（１７）を介して支持されていることを特徴とする請求項１または２記載の可変ガイド機構。
4. 前記回転リング（７）の前記嵌合凹部（８）は少なくともその一部分が、軸方向に立ち上がった壁部（１４）により形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１項記載の可変ガイド機構。
5. 前記回転リング（７）はスタンピング加工により製造されたものであることを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか１項記載の可変ガイド機構。
6. 排気流通セクションを備え、排気流通セクションのタービンハウジングの中にタービン羽根車が回転可能に収容されている、排気ガスターボチャージャーのためのタービンにおいて、
   前記排気流通セクションは、請求項１〜請求項５の何れか１項記載の可変ガイド機構（１）を備えており、該可変ガイド機構（１）の前記ガイド翼（３）は前記タービンハウジングの上流側のノズル部の中に配設されていることを特徴とする排気ガスターボチャージャーのためのタービン。
7. 請求項６記載のタービンを備えたことを特徴とする排気ガスターボチャージャー。

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