JP6037712B2 - 可変容量型排気ターボ過給機 - Google Patents

Description

本開示は、可変ノズル機構を備えた可変容量型排気ターボ過給機に関する。

車両用のディーゼルエンジンに用いられる排気ターボ過給機においては、タービンハウジングに形成されるスクロール状の排気ガス通路と、タービンハウジングの中心に回転可能に配置されるタービンロータとの間に配置され、タービンロータに作用する排気ガスの流れを制御する可変ノズル機構が多く用いられている。

かかる可変ノズル機構は、ノズルマウントとノズルプレートとがノズルサポートによって互いに離間した状態で支持され、該ノズルマウントとノズルプレートとの間に複数のノズルベーンが回転可能に支持されることで構成されている。そして、ノズルベーンの翼角を変化させることで、ノズルマウントとノズルプレートとの間を流れる排気ガスの流れを制御し、タービンロータに作用する排気ガスの流れを制御する。

かかる可変ノズル機構を備えた可変容量型排気ターボ過給機の一例としては、例えば、本出願人によって出願された特許第４８８５１１８号公報に開示されている。

特許第４８８５１１８号公報

ところで、ディーゼルエンジンから排出される排気ガスは約８５０℃の高温となる場合があるため、ステンレスなどで形成されているノズルマウントおよびノズルプレートに熱変形が生じる。この際、軸受ハウジングなどに固定され、ノズルサポートと対向する面だけが高温の排気ガスに接するノズルマウントと、両面が高温の排気ガスに曝されるノズルプレートとでは、熱変形量が異なるため、図９に示したように、ノズルプレート４とノズルマウント２とを連結するノズルサポート６にせん断力や曲げモーメントが作用し、ノズルサポート６が変形する恐れがある。

図１０は、温度が８５０℃および７６０℃の時のステンレスの線膨張係数を示した表である。また図１１は、温度が８５０℃および７６０℃の時のステンレスの伸び比および両者の伸び比の差を示した表である。
ここで、伸び比とは材料の基準温度Ｔ０からの温度変化量ΔＴ、線膨張係数αのときのひずみ量α×ΔＴのことである。
ノズルマウント２およびノズルプレート４に、図１０に示す線膨張係数を同じくする同一種類のステンレスを用いた場合、図１１に示したように、ノズルプレートが８５０℃である場合の伸び比は１．５６％、ノズルマウントが７６０℃である場合の伸び比は１．３４％であり、両者の伸び比差は０．２２％になる。なお、基準温度Ｔ０は２０℃とした。

将来、可変ノズル機構を備えた可変容量型排気ターボ過給機をガソリンエンジンに適用する場合、ガソリンエンジンから排出される排気ガスは８５０℃よりも高温になることが予想されるため、上述したノズルマウントとノズルプレートとの熱変形量の差（伸び比差）が更に大きくなり、ノズルサポートにより大きなせん断力、曲げモーメントが作用する恐れがある。

本発明の少なくとも一つの実施形態は、上述したような従来技術の課題に鑑みなされたものであって、高温下におけるノズルマウントおよびノズルプレートの熱変形量の差が小さく、したがってノズルサポートに大きなせん断力や曲げモーメントが作用してノズルサポートが変形する恐れのない可変ノズル機構を備えた可変容量型排気ターボを提供することを目的としている。

本発明の少なくとも一つの実施形態は、上述した目的を達成するために、
ハウジングに固定されるノズルマウントと、
前記ノズルマウントの一面に一端が連結されるノズルサポートと、
前記ノズルサポートの他端と連結され、前記ノズルマウントの一面から離間して支持されるとともに、該ノズルサポートが連結する一面とは反対側の他面が、排気ガスが流れる排気ガス通路に面して配置されるノズルプレートと、
前記ノズルマウントと前記ノズルプレートとの間に回転可能に支持される複数のノズルベーンと、を有し、
前記ノズルベーンの翼角を変化させることで、前記ノズルマウントと前記ノズルプレートとの間を流れる排気ガスの流れを制御する可変ノズル機構を備えた可変容量型排気ターボ過給機において、
前記ノズルプレートは、前記ノズルマウントを形成する材料よりも、線膨張係数の小さな材料から形成されることを特徴とする。

このような可変容量型排気ターボ過給機は、両面が排気ガスに曝されてより高温になるノズルプレートが、ノズルマウントを形成する材料よりも線膨張係数の小さな材料から形成されている。このため、ノズルマウントおよびノズルプレートが同じ材料から形成されていた従来の可変容量型排気ターボ過給機と比べて、高温下におけるノズルマウントおよびノズルプレートの熱変形量の差を小さくすることができる。

また、本発明の一実施形態の可変容量型排気ターボ過給機は、
前記ノズルプレートを耐熱Ｎｉ基合金から形成し、
前記ノズルマウントをステンレスから形成することを特徴とする。

このような実施形態の可変容量型排気ターボ過給機によれば、両面が排気ガスに曝されてより高温になるノズルプレートを線膨張係数の小さい耐熱Ｎｉ基合金により形成し、ノズルマウントを比較的廉価なステンレスにより形成することで、高温下におけるノズルマウントおよびノズルプレートの熱変形量の差を小さくすることができるとともに、材料コストを抑えることができる。

また、本発明の一実施形態の可変容量型排気ターボ過給機は、
前記ノズルプレートおよび前記ノズルマウントを、線膨張係数に差がある互いに異なる種類の耐熱Ｎｉ基合金からそれぞれ形成することを特徴とする。

このような実施形態の可変容量型排気ターボ過給機によれば、ノズルプレートには比較的小さな線膨張係数の耐熱Ｎｉ基合金から形成し、ノズルマウントには比較的大きな線膨張係数の耐熱Ｎｉ基合金から形成する。このように、ノズルプレートおよびノズルマウントのいずれにも耐熱Ｎｉ基合金を使用することで、高温下におけるノズルマウントおよびノズルプレートの熱変形量の差を小さくすることができるとともに、耐熱性に優れる可変ノズル機構を構成することができる。

また、本発明の一実施形態の可変容量型排気ターボ過給機は、
前記ノズルプレートを形成する材料の線膨張係数をα１、
前記ノズルマウントを形成する材料の線膨張係数をα２、
エンジン運転時における前記ノズルプレートの温度をＴ１、
エンジン運転時における前記ノズルマウントの温度をＴ２、
基準温度をＴ０とした時に、
下記式（１）で定義される伸び比差Ａが絶対値で０．２０％以下となるように、前記ノズルプレートおよび前記ノズルマウントを形成する材料が夫々選択されることを特徴とする。
Ａ＝α１×（Ｔ１−Ｔ０）−α２（Ｔ２−Ｔ０）・・・・式（１）

このような実施形態の可変容量型排気ターボ過給機によれば、式（１）で定義される伸び比差Ａが絶対値で０．２０％以下となるように、ノズルプレートおよびノズルマウントを形成する材料が夫々選択されるため、高温下におけるノズルマウントおよびノズルプレートの熱変形量の差が小さい可変ノズル機構を備えた可変容量型排気ターボを提供することができる。

上述した本発明の一実施形態にかかる可変容量型排気ターボ過給機は、排気ガスが高温になるガソリンエンジンにおいて好適に用いられる。

本発明の少なくとも一つの実施形態によれば、高温下におけるノズルマウントおよびノズルプレートの熱変形量の差が小さく、したがってノズルサポートに大きなせん断力や曲げモーメントが作用してノズルサポートが変形する恐れのない可変ノズル機構を備えた可変容量型排気ターボを提供することができる。

本発明の一実施形態にかかる可変容量型排気ターボ過給機の断面図である。 図１のＢ−Ｂ断面図である。 図２のＡ−Ａ断面図である。 ステンレスおよび耐熱Ｎｉ基合金Ａ、Ｂにおける線膨張係数と温度との関係を示したグラフである。 温度が９００℃および１０００℃の時のステンレスおよび耐熱Ｎｉ基材料Ａ、Ｂの線膨張係数を示した表である。 ノズルマウントおよびノズルプレートに、ステンレスおよび耐熱Ｎｉ基合金Ａ、Ｂをそれぞれ用いた場合におけるノズルマウントおよびノズルプレートの熱変形量の差（伸び比差）を示した表である。 図６のグラフである。 ステンレスおよび耐熱Ｎｉ基合金における耐力と温度との関係を示したグラフである。 ノズルプレートおよびノズルマウントが伸び変形し、両者を連結するノズルサポートにせん断力や曲げモーメントが作用した状態を示した図である。 温度が８５０℃および７６０℃の時のステンレスの線膨張係数を示した表である。 温度が８５０℃および７６０℃の時のステンレスの伸び比および両者の伸び比差を示した表である。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて詳細に説明する。
ただし、本発明の範囲は以下の実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に記載がない限り、本発明の範囲をそれにのみ限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

図１は、本発明の一実施形態にかかる可変容量型排気ターボ過給機の断面図である。図２は、図１のＢ−Ｂ断面図である。図３は、図２のＡ−Ａ断面図である。先ず、図１〜図３に基づいて、本発明の一実施形態にかかる可変容量型排気ターボ過給機１の可変ノズル機構１０の基本的な構成について説明する。

図１に示したように、本発明の一実施形態にかかる可変容量型排気ターボ過給機１は、タービンロータ１２を収容するタービンハウジング１６と、タービンロータ１２の回転軸１２ａを回転可能に支持する軸受２２を収容する軸受ハウジング１８とが、例えばボルトなどによって締結されている。また図示しないが、軸受ハウジング１８を挟んだタービンハウジング１６の反対側には、回転軸１２ａと連結されたコンプレッサロータを収容するコンプレッサハウジングが軸受ハウジング１８と連結されている。

タービンハウジング１６の外周側には、不図示の排気マニホールドと連通し、エンジンから排出された排気ガスが流れるスクロール状の排気ガス通路２０が形成されている。また、スクロール状の排気ガス通路２０と、タービンロータ１２との間には、タービンロータ１２に作用する排気ガスの流れを制御する可変ノズル機構１０が配置されている。

可変ノズル機構１０は、図１に示したように、タービンハウジング１６および軸受ハウジング１８との間に挟まれた状態で、ボルトなどによってノズルマウント２が軸受ハウジング１８に締結されることで、軸受ハウジング１８に固定されている。また可変ノズル機構１０は、図３に示したように、ノズルマウント２の一面２ａに柱状部材のノズルサポート６の一端が連結されている。また、ノズルサポート６の他端にはノズルプレート４の一面４ａが連結されている。このノズルサポート６は、ノズルマウント２の一面２ａおよびノズルプレート４の一面４ａに、平面視で周状に複数連結されている。これにより、ノズルプレート４がノズルマウント２の一面２ａから離間して支持されている。

また、図２および図３に示したように、ノズルマウント２の他面２ｂには、円盤状に形成されたドライブリング５が回転可能に配置されている。そして、ドライブリング５には、複数のレバープレート３の一端側が連結されている。そして、レバープレート３の他端側は、ノズル軸８ａを介してノズルベーン８と連結されており、ドライブリング５が回転することで、各レバープレート３が回転し、ノズルベーン８の翼角が変化するように構成されている。

このように構成される可変ノズル機構１０を備えた可変容量型排気ターボ過給機１では、スクロール状の排気ガス通路２０を流れた排気ガスは、図１の矢印ｆで示したように、ノズルマウント２とノズルプレート４との間に流れ込み、ノズルベーン８によって流れ方向が制御されて、タービンハウジング１６の中心部へと流れる。そして、タービンロータ１２に作用した後に、排気出口２４から外部に排出される。

この際、図１に示したように、ノズルプレート４は、ノズルサポート８が連結される一面４ａとは反対側の他面４ｂが、排気ガスが流れる排気ガス通路２０に面して配置されている。すなわち、ノズルプレート４は、一面４ａおよび他面４ｂの両面が排気ガスに曝される形となる。これに対してノズルマウント２は、その一面２ａだけが排気ガスと接する形となり、他面２ｂは、軸受ハウジング１８側に配向されて排気ガスに曝されない。

このように、ノズルプレート４はその両面４ａ、４ｂが排気ガスに曝されるのに対し、ノズルマウント２はその一面２ａだけが排気ガスに接するため、ノズルプレート４は、エンジン運転時においてノズルマウント２よりも高い温度になる。本発明者が調べたところでは、排気ガス温度が約８５０℃であるディーゼルエンジンの場合は、ノズルプレート４は８５０℃まで上昇するのに対し、ノズルマウント２は７６０℃までの上昇にとどまる。また、排気ガス温度が約１０００℃であるガソリンエンジンの場合は、ノズルプレート４は１０００℃まで上昇するのに対し、ノズルマウント２は８５０℃までの上昇にとどまる。

このように、ノズルマウント２とノズルプレート４の温度が異なると、両者の熱変形量の差に起因して、高温下において、両者を連結するノズルサポート６にせん断力や曲げモーメントが作用し、ノズルサポート６が変形する恐れがある。このため、本発明の少なくとも一つの実施形態では、ノズルプレート４を、ノズルマウント２を形成する材料よりも、線膨張係数の小さな材料から形成することで、後述するように、高温下におけるノズルマウント２およびノズルプレート４の熱変形量の差を小さくする。

本発明の一実施形態では、ノズルマウント２およびノズルプレート４に用いる材料として、ステンレスや、インコネル（登録商標）（インコネル６００、インコネル６２５、インコネル７１８、インコネル７５０Ｘなど）およびハステロイ（登録商標）（ハステロイＣ２２，ハステロイＣ２７６、ハステロイＢなど）等の耐熱Ｎｉ基合金を好適に用いることができる。

図４は、ステンレスおよび２種類の耐熱Ｎｉ基合金Ａ、Ｂにおける線膨張係数と温度との関係を示したグラフである。図５は、温度が９００℃および１０００℃の時のステンレスおよび２種類の耐熱Ｎｉ基合金Ａ、Ｂの線膨張係数を示した表である。この図４および図５に示したように、ステンレスよりも耐熱Ｎｉ基合金Ａ、Ｂの方が、線膨張係数が小さい。また２種類の耐熱Ｎｉ基合金Ａ、Ｂの内、Ｂの方がＡよりも線膨張係数が小さい。なお、本明細書において「線膨張係数が小さい」とは、２種類の材料間における、エンジン運転時における所定の温度下（例えば、ガソリンエンジン運転時における排気ガス温度である１０００℃）での線膨張係数の大小を意味している。

図６は、ノズルマウント２およびノズルプレート４に、ステンレスおよび線膨張係数に差がある２種類の耐熱Ｎｉ基合金Ａ、Ｂをそれぞれ用いた場合におけるノズルマウント２およびノズルプレート４の熱変形量の差（伸び比差）を示した表である。また図７は、図６のグラフである。

ここで、伸び比差（Ａ）は、下記式（１）により算出した。
Ａ＝α１×（Ｔ１−Ｔ０）−α２（Ｔ２−Ｔ０）・・・・式（１）
ただし、
α１：ノズルプレート４を形成する材料の線膨張係数、
α２：ノズルマウント２を形成する材料の線膨張係数、
Ｔ１：エンジン運転時におけるノズルプレート４の温度、
Ｔ２：エンジン運転時におけるノズルマウント２の温度、
Ｔ０：基準温度（ここでは２０℃）、である。

また図６および図７では、可変容量型排気ターボ過給機１が、ガソリンエンジンに適用された場合を想定して、Ｔ１を１０００℃、Ｔ２を９００℃に設定した。

図６および図７に示したように、ノズルプレート４に耐熱Ｎｉ基合金Ａを用い、ノズルマウント２にステンレスを用いた場合の伸び比差は−０．０５％となった（実施例１）。また、ノズルプレート４に耐熱Ｎｉ基合金Ｂを用い、ノズルマウント２にステンレスを用いた場合の伸び比差は０．０２％となった（実施例２）。また、ノズルプレート４に耐熱Ｎｉ基合金Ａを用い、ノズルマウント２に耐熱Ｎｉ基合金Ｂを用いた場合の伸び比差は０．１４％となった（実施例３）。

これに対して、ノズルマウント２およびノズルプレート４に同じ線膨張係数からなる同一材料を用いた場合の伸び比差は０．２１％〜０．２７％であった（参考例１〜３）。

高温下におけるノズルマウント２およびノズルプレート４の熱変形量の差（伸び比差）を小さくし、ノズルサポート６に大きなせん断力や曲げモーメントが作用しないようにするためには、ノズルマウント２およびノズルプレート４の熱変形量の差（伸び比差）を小さく抑えるのが良い。好ましくは、伸び比差（Ａ）を従来（図１１を参照）の同程度以下に抑えるべく、伸び比差（Ａ）が絶対値で０．２０％以下となるように、ノズルマウント２およびノズルプレート４を形成する材料が夫々選択するのが良い。

また、実施例１および実施例２に示したように、両面が排気ガスに曝されてより高温になるノズルプレート４を線膨張係数の小さい耐熱Ｎｉ基合金により形成し、ノズルマウント２を比較的廉価なステンレスにより形成することで、高温下におけるノズルマウント２およびノズルプレート４の熱変形量の差（伸び比差）を小さくすることができるとともに、材料コストを抑えることができる。

また、図８に示したように、ステンレスよりも耐熱Ｎｉ基合金の方が、高温時における耐力に優れている。よって、実施例３に示したように、ノズルプレート４およびノズルマウント２を、ともに耐熱Ｎｉ基合金から形成し、ノズルプレート４には比較的小さな線膨張係数の耐熱Ｎｉ基合金Ａを、ノズルマウント２には比較的大きな線膨張係数の耐熱Ｎｉ基合金Ｂを用いることで、高温下におけるノズルマウント２およびノズルプレート４の熱変形量の差（伸び比差）を小さくすることができるとともに、耐熱性に優れる可変ノズル機構１０を構成することができる。

また、本発明の一実施形態において、ノズルマウント２およびノズルプレート４を連結する柱状の部材であるノズルサポート６を耐熱Ｎｉ基合金から形成することができる。このようにすることで、高温下の耐力に優れた可変ノズル機構１０を構成することができる。

以上、本発明の好ましい形態について説明したが、本発明は上記の形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない範囲での種々の変更が可能である。

本発明の少なくとも一つの実施形態は、エンジン、好ましくは車両用のガソリンエンジンに用いられる可変容量型排気ターボ過給機として、特に好適に用いることができる。

１ 可変容量型排気ターボ過給機
２ ノズルマウント
３ レバープレート
４ ノズルプレート
５ ドライブリング
６ ノズルサポート
８ ノズルベーン
８ａ ノズル軸
１０ 可変ノズル機構
１２ タービンロータ
１２ａ 回転軸
１６ タービンハウジング
１８ 軸受ハウジング
２０ 排気ガス通路
２２ 軸受
２４ 排気出口

Claims (5)

1. ハウジングに固定されるノズルマウントと、
   前記ノズルマウントの一面に一端が連結されるノズルサポートと、
   前記ノズルサポートの他端と連結され、前記ノズルマウントの一面から離間して支持されるとともに、該ノズルサポートが連結する一面とは反対側の他面が、排気ガスが流れる排気ガス通路に面して配置されるノズルプレートと、
   前記ノズルマウントと前記ノズルプレートとの間に回転可能に支持される複数のノズルベーンと、を有し、
   前記ノズルベーンの翼角を変化させることで、前記ノズルマウントと前記ノズルプレートとの間を流れる排気ガスの流れを制御する可変ノズル機構を備えた可変容量型排気ターボ過給機において、
   前記ノズルプレートは、前記ノズルマウントを形成する材料よりも、線膨張係数の小さな材料から形成されることを特徴とする可変容量型排気ターボ過給機。
2. 前記ノズルプレートを耐熱Ｎｉ基合金から形成し、
   前記ノズルマウントをステンレスから形成することを特徴とする請求項１に記載の可変容量型排気ターボ過給機。
3. 前記ノズルプレートおよび前記ノズルマウントを、線膨張係数に差がある互いに異なる種類の耐熱Ｎｉ基合金からそれぞれ形成することを特徴とする請求項１に記載の可変容量型排気ターボ過給機。
4. 前記ノズルプレートを形成する材料の線膨張係数をα１、
   前記ノズルマウントを形成する材料の線膨張係数をα２、
   エンジン運転時における前記ノズルプレートの温度をＴ１、
   エンジン運転時における前記ノズルマウントの温度をＴ２、
   基準温度をＴとした時に、
   下記式（１）で定義される伸び比差Ａが絶対値で０．２０％以下となるように、前記ノズルプレートおよび前記ノズルマウントを形成する材料が夫々選択されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の可変容量型排気ターボ過給機。
   Ａ＝α１×（Ｔ１−Ｔ）−α２（Ｔ２−Ｔ）・・・・式（１）
5. 前記可変容量型排気ターボ過給機が、ガソリンエンジンに用いられることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の可変容量型排気ターボ過給機。
   
   

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