JP6299874B2 - 可変ノズルユニット及び可変容量型過給機 - Google Patents

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Description

本発明は、可変容量型過給機におけるタービンインペラ側へ供給される排気ガスの流路面積(流量)を調整する可変ノズルユニット及び可変容量型過給機に関する。
可変容量型過給機は、タービンハウジング内に配設される可変ノズルユニットを有する過給機である。この可変ノズルユニットについて、近年、種々の開発がなされている(特許文献1及び特許文献2参照)。
従来の可変ノズルユニットは、タービンハウジング内に配設された、環状の第1壁部材としての第1ノズルリングと、環状の第2壁部材としての第2ノズルリングとを備える。第1ノズルリングはタービンインペラと同心状に配設されている。また、第2ノズルリングは、第1ノズルリングに対して軸方向(タービンインペラの軸方向)に離隔した位置に配設されている。第2ノズルリングは円周方向(所定の円周方向)に間隔を置いて並んだ複数の連結ピンによって第1ノズルリングと一体的に設けられている。
第1ノズルリングは、第2ノズルリングに対向する面(対向面)を有する。第2ノズルリングは、第1ノズルリングに対向する面(対向面)を有する。これら対向面の間には、複数の可変ノズルが配設されている。可変ノズルは円周方向(所定の円周方向)に等間隔に配設されている。各可変ノズルは、タービンインペラの軸心に平行な軸心周りに正方向及び逆方向(開方向及び閉方向)へ回動可能である。また、第1ノズルリングの対向面の反対面側には、リンク室が区画形成されている。リンク室にはリンク機構が配設されている。リンク機構は、複数の可変ノズルを正方向或いは逆方向へ同期して回動させる。複数の可変ノズルが正方向(開方向)へ同期して回動すると、タービンインペラ側へ供給される排気ガスの流路面積(スロート面積)が大きくなる。複数の可変ノズルが逆方向(閉方向)へ同期して回動すると、排気ガスの流路面積が小さくなる。
第1ノズルリングの対向面の反対面側にはサポートリングが設けられている。サポートリングの外径は、第1ノズルリングの外径よりも大きい。サポートリングの内縁部は、第1ノズルリングと第2ノズルリングを連結する複数の連結ピンの一端部に結合している。これにより、サポートリングは、第1ノズルリングや第2ノズルリングと一体的に連結している。サポートリングの外縁部は、ベアリングハウジングとタービンハウジングとによって挟持された状態で、ベアリングハウジングに取付けられている。
特開2009−243431号公報 特開2009−243300号公報
ところで、可変容量型過給機の通常運転中、第1ノズルリングにおけるベアリングハウジングに遠い側の部位の温度は高く、第1ノズルリングにおけるベアリングハウジングに近い側の部位の温度は低い。つまり、可変容量型過給機の通常運転中、第1ノズルリングは、軸方向に沿って不均一な温度分布を持っている。そして、第1ノズルリングにおけるベアリングハウジングに遠い側の部位と近い側の部位の温度差が大きくなると、第1ノズルリングの半径方向の自由な熱膨張が妨げられ、第1ノズルリングの対向面が軸方向に垂直な方向に対して傾くように、第1ノズルリングが熱変形することになる。すると、可変容量型過給機の運転状況によっては、第1ノズルリングの対向面と第2ノズルリングの対向面の平行度が低下して、第1ノズルリングの対向面と第2ノズルリングの対向面の間隔が局所的に狭くなるおそれがある。
そのため、従来の可変ノズルユニットは、複数の可変ノズルの動作の安定性を維持して、可変ノズルユニットの信頼性、換言すれば、可変容量型過給機の信頼性を確保できるように、ノズルサイドクリアランスの大きさを設定している。一方、ノズルサイドクリアランスを大きめに設定すると、ノズルサイドクリアランスからの排気ガスの漏れ流れが増大するので、可変容量型過給機のタービン効率が低下しやすくなる。なお、ノズルサイドクリアランスとは、第1ノズルリングの対向面と、当該対向面に対向する可変ノズルの側面(軸方向における一方側の側面)との隙間、又は第2ノズルリングの対向面と、当該対向面に対向する可変ノズルの側面(軸方向における他方側の側面)との隙間のことをいう。
つまり、可変容量型過給機の信頼性を確保しつつ、可変容量型過給機のタービン効率の維持又は向上を図ることが困難であるという問題がある。
本発明の第1の態様は、可変容量型過給機におけるタービンインペラ側へ供給される排気ガスの流路面積を調整する可変ノズルユニットにおいて、前記可変容量型過給機におけるタービンハウジング内に前記タービンインペラと同心状に配設された環状の第1壁部材と、前記第1壁部材に対して軸方向に離隔対向した位置に、円周方向に間隔を置いて並んだ複数の連結ピンによって前記第1壁部材と一体的に設けられた環状の第2壁部材と、前記第1壁部材の対向面と前記第2壁部材の対向面との間に円周方向に間隔を置いて配設され、前記タービンインペラの軸心に平行な軸心周りに正逆方向へ回動可能な複数の可変ノズルと、複数の前記可変ノズルを同期して回動させるためのリンク機構と、前記第1壁部材に複数の前記連結ピンの一端部の結合によって一体的に連結されたサポートリングと、を具備し、前記第1壁部材は、軸方向に沿って積層された複数の壁部材セグメントにより構成され、前記可変ノズルに近い側の壁部材セグメントから前記可変ノズルに遠い側の壁部材セグメントに向かう配列の順に、壁部材セグメントの厚みが増していることを要旨とする。

なお、本願において、「配設され」とは、直接的に配設されたことの他に、別部材を介して間接的に配設されたことを含む意である。「設けられ」とは、直接的に設けられたことの他に、別部材を介して間接的に設けられたことを含む意である。また、「環状の第1壁部材」及び「環状の第2壁部材」は、前記タービンハウジング等の一部を構成してもよい。そして、「軸方向」とは、特に断らない限り、タービンインペラの軸方向(換言すれば、第1壁部材、第2壁部材、及びサポートリングの軸方向)のことをいう。「軸方向に沿って積層され」とは、第1壁部材の積層方向が軸方向に平行である場合の他に、軸方向に対して傾斜している場合を含む意である。更に、「結合」とは、カシメ、溶接、ねじ等による結合を含む意である。「半径方向」とは、特に断らない限り、タービンインペラの半径方向(換言すれば、第1壁部材、第2壁部材、及びサポートリングの半径方向)のことをいう。
本発明の第2の態様は、エンジンからの排気ガスのエネルギーを利用して、前記エンジン側に供給される空気を過給する可変容量型過給機であって、第1の態様に係る可変ノズルユニットを具備したことを要旨とする。
本発明によれば、可変容量型過給機の通常運転中に、第1壁部材が熱変形することを抑えることができる。これにより、ノズルサイドクリアランスを極力小さくすることができる。よって、本発明によれば、複数の可変ノズルの動作の安定性を維持して、可変ノズルユニットの信頼性、換言すれば、可変容量型過給機の信頼性を確保しつつ、ノズルサイドクリアランスからの漏れ流れを低減して、可変容量型過給機のタービン効率の維持又は向上を図ることができる。
図1は、図2における矢視部Iの拡大断面図である。 図2は、図6における矢視部IIの拡大断面図である。 図3(a)は、本発明の実施形態に係る可変ノズルユニットにおける第1ノズルリングを示す図、図3(b)は、図3(a)におけるIIIB-IIIB線に沿った断面図である。 図4は、本発明の実施形態に係る可変ノズルユニットをリンク機構側から見た図である。 図5(a)は、本発明の実施形態に係る可変ノズルユニットにおけるサポートリングを示す図、図5(b)は、図5(a)におけるVB-VB線に沿った断面図である。 図6は、本発明の実施形態に係る可変容量型過給機の正断面図である。 図7は、可変容量型過給機の通常運転中における第1ノズルリングの一部分の温度分布状態を示す斜視図である。
本発明の実施形態及び実施例について図1から図7を参照して説明する。なお、図面に示すとおり、「L」は左方向、「R」は右方向、「AD」は軸方向、「BD」は半径方向、「BDi」は半径方向内側、「BDo」は半径方向外側、「CD」は円周方向をそれぞれ示す。
図6に示すように、本実施形態に係る過給機1は、エンジン(図示省略)からの排気ガスの圧力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(圧縮)する。下記の通り、過給機1は、可変ノズルユニット43を備えた、所謂可変容量型過給機である。
過給機1は、ベアリングハウジング3を具備する。ベアリングハウジング3内には、一対のラジアルベアリング5及び一対のスラストベアリング7が設けられている。また、複数のベアリング5,7には、左右方向へ延びたロータ軸(タービン軸)9が回転可能に設けられている。換言すれば、ベアリングハウジング3には、ロータ軸9が複数のベアリング5,7を介して回転可能に設けられている。
ベアリングハウジング3の右側には、コンプレッサハウジング11が設けられている。コンプレッサハウジング11内には、コンプレッサインペラ13が設けられている。コンプレッサインペラ13は、当該コンプレッサインペラ13の軸心C周りに回転可能であり、回転時には遠心力を利用して空気を圧縮する。コンプレッサインペラ13は、ロータ軸9の右端部に一体的に連結されている。また、コンプレッサインペラ13は、コンプレッサディスク15を備えている。コンプレッサディスク15のハブ面15hは、コンプレッサインペラ13の右側からコンプレッサインペラ13の半径方向の外側へ延びている。更に、コンプレッサディスク15のハブ面15hには、複数のコンプレッサブレード17が一体形成されている。コンプレッサブレード17は、コンプレッサインペラ13の周方向(コンプレッサディスク15のハブ面15hの周方向)に間隔を置いて設けられている。
コンプレッサハウジング11におけるコンプレッサインペラ13の入口側(空気の主流方向から見て上流側)には、空気をコンプレッサハウジング11内に取入れるための空気取入口19が形成されている。空気取入口19は、空気を浄化するエアクリーナ(図示省略)に接続される。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11との間におけるコンプレッサインペラ13の出口側(空気の主流方向から見て下流側)には、ディフューザ流路21が形成されている。ディフューザ流路21は環状に形成され、圧縮された空気を昇圧する。更に、コンプレッサハウジング11の内部には、コンプレッサスクロール流路23が形成されている。コンプレッサスクロール流路23は渦巻き状に形成され、ディフューザ流路21に連通している。そして、コンプレッサハウジング11の適宜位置には、空気排出口25が形成されている。空気排出口25は、圧縮された空気をコンプレッサハウジング11の外側へ排出する。空気排出口25は、エンジンの吸気マニホールド(図示省略)に接続される。
なお、ベアリングハウジング3の右側部には、シールプレート27が設けられている。シールプレート27は環状に形成され、スラストベアリング7側への圧縮空気の漏れを抑える。
図2及び図6に示すように、ベアリングハウジング3の左側には、タービンハウジング29が設けられている。そして、タービンハウジング29内には、タービンインペラ31が設けられている。タービンインペラ31は、当該タービンインペラ31の軸心C周りに回転可能であり、排気ガスの圧力エネルギーを利用して回転力を発生させる。タービンインペラ31は、ロータ軸9の左端部に一体的に連結されている。また、タービンインペラ31は、タービンディスク33を備えている。タービンディスク33のハブ面33hは、タービンインペラ31の左側(軸方向の一方側)からタービンインペラ31の半径方向の外側へ延びている。更に、タービンディスク33のハブ面33hには、複数のタービンブレード35が一体形成されている。タービンブレード35は、タービンインペラ31の周方向(タービンディスク33のハブ面33hの周方向)に間隔を置いて設けられている。
タービンハウジング29の適宜位置には、排気ガスをタービンハウジング29内に取入れるためのガス取入口37が形成されている。ガス取入口37は、エンジンの排気マニホールド(図示省略)に接続される。また、タービンハウジング29の内部におけるタービンインペラ31の入口側(排気ガスの主流方向から見て上流側)には、タービンスクロール流路39が形成されている。タービンスクロール流路39は渦巻き状に形成され、ガス取入口37に連通している。そして、タービンハウジング29におけるタービンインペラ31の出口側(排気ガスの流れ方向から見て下流側)には、排気ガスを排出するためのガス排出口41が形成されている。ガス排出口41は、接続管(図示省略)を介して触媒(図示省略)に接続される。
過給機1は、タービンインペラ31側へ供給される排気ガスの流路面積(流量)を調整する(可変とする)可変ノズルユニット43を装備している。
図1、図2、図3(a)、及び図3(b)に示すように、タービンハウジング29内には、第1壁部材としての第1ノズルリング45が配設されている。第1ノズルリング45は環状に形成され、タービンインペラ31と同心状に配設されている。そして、第1ノズルリング45の右側面には、嵌合突部47が形成されている。嵌合突部47は環状に形成され、右方向へ(ベアリングハウジング3に向けて)突出している。嵌合突部47は、ベアリングハウジング3の左側面(タービンハウジング29に面した側面)に形成された環状の支持部49に嵌合することで、支持部49に支持されている。例えば図2に示すように、支持部49は左方向へ(タービンハウジング29に向けて)突出し、嵌合突部47の内周面が形成する穴に挿入され、嵌合突部47に嵌合する。また、第1ノズルリング45には、複数の支持穴51が形成されている。支持穴51は、円周方向に等間隔に形成され、第1ノズルリング45を貫通している。更に、第1ノズルリング45の嵌合突部47には、複数のガイド爪53が形成されている。ガイド爪53は、円周方向(所定の円周方向)に間隔を置いて形成されている。また、各ガイド爪53は、先端側(半径方向外側)に、断面U字状のガイド溝55を有している。
図1、図2、及び図4に示すように、左右方向(タービンインペラ31の軸方向)において第1ノズルリング45に離隔対向した位置には、環状の第2壁部材としての第2ノズルリング57が設けられている。第2ノズルリング57は、所定の円周方向に並んだ複数(3つ或いはそれ以上)の連結ピン59を介して第1ノズルリング45と一体的かつ同心状に設けられている。ここで、複数の連結ピン59は、第1ノズルリング45の対向面(左側面)と第2ノズルリング57の対向面(右側面)との間隔を設定する構造を有している。なお、前述の特許文献1及び特許文献2に示すように、第2ノズルリング57が複数のタービンブレード35のチップ35tを覆う円筒状のシュラウド部(図示省略)を有してもよい。
図1及び図2に示すように、第1ノズルリング45は、第2ノズルリング57に対向する面(対向面)を有する。第2ノズルリング57は、第1ノズルリング45に対向する面(対向面)を有する。これらの対向面の間には、複数の可変ノズル61が配設されている。可変ノズル61は、タービンインペラ31を囲むように所定の円周方向に等間隔に配設されている。各可変ノズル61は、タービンインペラ31の軸心Cに平行な軸心周りに正方向及び逆方向(開方向及び閉方向)へ回動可能である。更に、各可変ノズル61の右側面(軸方向の一方側の側面、第1ノズルリング45に面する側面)には、ノズル軸63が一体形成されている。各ノズル軸63は、第1ノズルリング45の対応する支持穴51に回動可能に支持されている。なお、円周方向における複数の可変ノズル61の間隔は等しくてもよく、等しくなくてもよい。各可変ノズル61は、その左側面(軸方向の他方側の側面、第2ノズルリング57に面する側面)に一体形成される第2ノズル軸(図示省略)を有してもよい。この場合、第2ノズルリング57には、第2ノズル軸を回動可能に支持する支持穴(図示省略)を有する。
第1ノズルリング45の対向面の反対面側(右側面側)には、環状のリンク室65が区画形成されている。リンク室65内には、リンク機構67が配設されている。リンク機構67は、複数の可変ノズル61を正方向または逆方向(開方向または閉方向)へ同期して回動させる。
図1、図2、及び図4に示すように、各ガイド爪53のガイド溝55には、駆動リング69が、タービンインペラ31の軸心(第1ノズルリング45の軸心)C周りに正方向及び逆方向へ回動可能に設けられている。駆動リング69は、電動モータ又はダイヤフラムアクチュエータ等の回動アクチュエータ71の駆動によって正方向または逆方向へ回動する。そして、駆動リング69には、複数(可変ノズル61と同数)の係合凹部(係合部)73が形成されている。係合凹部73は周方向(駆動リング69の周方向)に等間隔に設けられ、それぞれが半径方向外側へ窪んでいる。駆動リング69の適宜位置には、別の係合凹部(係合部)75が形成されている。係合凹部73と同様に、係合凹部75も半径方向外側へ窪んでいる。更に、各可変ノズル61のノズル軸63には、ノズルリンク部材77の基部が一体的に連結されている。各ノズルリンク部材77の先端部は、駆動リング69の対応する係合凹部73に係合している。なお、本実施形態では、駆動リング69が複数のガイド爪53のガイド溝55に正方向及び逆方向へ回動可能に設けられている。しかしながら、その代わりに、特許文献1及び特許文献2に示すように、駆動リング69は、第1ノズルリング45の対向面の反対面に配設したガイドリング(図示省略)に正方向及び逆方向へ回動可能に設けられてもよい。また、本実施形態では、リンク機構67が、第1ノズルリング45の対向面の反対面側(リンク室65内)に配設されている。その代わりに、リンク機構67が、第2ノズルリング57の対向面の反対面側(左側面側)に配設されてもよい。
ベアリングハウジング3の左側部には、ブッシュ81を介して駆動軸79が設けられている。駆動軸79は、タービンインペラ31の軸心に平行な軸心(駆動軸79の軸心)周りに回動可能である。駆動軸79の一端部(右端部)は、動力伝達機構83を介して回動アクチュエータ71に接続されている。また、駆動軸79の他端部(左端部)には、駆動リンク部材85の基端部が一体的に連結されている。駆動リンク部材85の先端部は、駆動リング69の係合凹部75に係合している。
図1、図2、図4、図5(a)、及び図5(b)に示すように、第1ノズルリング45の対向面の反対面(右側面)には、環状のサポート部材としてのサポートリング87が設けられている。サポートリング87の外径は、第1ノズルリング45の外径よりも大きい。そして、サポートリング87の内縁部は、複数の連結ピン59の一端部(右端部)のかしめ結合によって、第1ノズルリング45に連結されている。また、サポートリング87の内縁部には、複数の連結片89が周方向(サポートリング87の周方向)に間隔を置いて形成されている。各連結片89は、半径向内側へ突出している。各連結片89には、ピン穴91が貫通形成されている。ピン穴91には、連結ピン59の右端部が挿通され、嵌合する。これにより、サポートリング87は、第1ノズルリング45と連結する。更に、サポートリング87の外縁部は、ベアリングハウジング3とタービンハウジング29とによって挟持された状態で、ベアリングハウジング3に取付けられている。サポートリング87の外縁部は、ベアリングハウジング3に対して半径方向の変位(微動)が許容されている。なお、本実施形態では、サポートリング87の外縁部が、ベアリングハウジング3にタービンハウジング29とよって挟持された状態で、ベアリングハウジング3に取付けられている。その代わりに、サポートリング87の外縁部は、ベアリングハウジング3に取付ボルト(図示省略)によって取付けられてもよい。
図1、図2、図3(a)、及び図3(b)に示すように、第1ノズルリング45は、軸方向(第1ノズルリング45の厚み方向)に沿って積層された壁部材セグメントとしての3つのノズルリングセグメントSGにより構成されている。第1ノズルリング45は、ベアリングハウジング3に遠い側(可変ノズル61に近い側)の2つのノズルリングセグメントSG1、SG2と、ベアリングハウジング3に最も近い側のノズルリングセグメントSG3とによって構成されている。なお、ノズルリングセグメントSG1は、ノズルリングセグメントSG2よりも、ベアリングハウジング3からさらに遠い。即ち、ノズルリングセグメントSG2は、ノズルリングセグメントSG1とノズルリングセグメントSG3の間に位置する。ノズルリングセグメントSG3は、前述の嵌合突部47を備えている。また、各ノズルリングセグメントの厚み(軸方向の長さ)は、ノズルリングセグメントSG1、ノズルリングセグメントSG2、ノズルリングセグメントSG3の順に厚い。逆に言えば、ノズルリングセグメントSG1はノズルリングセグメントSG2よりも薄く、ノズルリングセグメントSG2はノズルリングセグメントSG3よりも薄い。3つのノズルリングセグメントSG(SG1,SG2,SG3)のこのような厚みの設定は、過給機1の通常運転中に、第1ノズルリング45における温度の高い部位の厚みが部材温度の低い部位の厚みよりも薄い、という新規な知見に基づいている(後述の実施例参照)。ここで、ノズルリングセグメントSGの厚みとは、ノズルリングセグメントSGの厚みが一定でない場合には、ノズルリングセグメントSGの平均の厚みのことをいう。
ノズルリングセグメントSG1の構成材料の線膨張係数は、ノズルリングセグメントSG2の構成材料の線膨張係数よりも小さい。また、ノズルリングセグメントSG2の構成材料の線膨張係数は、ノズルリングセグメントSG3の構成材料の線膨張係数よりも小さい。即ち、ノズルリングセグメントSG1、SG2、SG3の構成材料の線膨張係数は、タービンハウジング29からベアリングハウジング3に向かった配置の順に、大きくなっている。具体的には、例えば、ノズルリングセグメントSG1の構成材料としてマルテンサイト系ステンレス鋼が用いられている。ノズルリングセグメントSG2の構成材料としてフェライト系ステンレス鋼が用いられている。ノズルリングセグメントSG3の構成材料としてオーステナイト系ステンレス鋼が用いられている。本実施形態では、複数のノズルリングセグメントSGの構成材料として線膨張係数の異なるステンレス鋼が用いられている。しかしながら、ノズルリングセグメントSG1、SG2、SG3の各構成材料が、上記の線膨張係数の大小関係を満たす限り、ノズルリングセグメントSG1、SG2、SG3に他の構成材料を用いてもよい。例えば、異なる種類の耐熱合金を組み合わせて用いてもよい。
ノズルリングセグメントSGの数は本実施形態が示す3に限定されない。つまり、ノズルリングセグメントSGの数は2でもよく、4以上でもよい。
第1ノズルリング45には、連結ピン59の一端部(右端部)を挿通させるための複数のピン穴93が形成されている。ピン穴93は、円周方向(所定の円周方向)に間隔を置いて設けられ、第1ノズルリング45を貫通している。各ピン穴93は、第1ノズルリング45の内縁部側(内周縁部側)から外縁部側(外周縁部側)に向かって延びる長穴状(slotted hole)に形成されている。各ピン穴93は、半径方向に延びてもよく、半径方向に対して傾斜した方向に延びてもよい。各ピン穴93は、丸穴状に形成されていてもよい。
図2、図3、及び図5(a)に示すように、サポートリング87の内側(内周面側)には、タービンスクロール流路39とリンク室65を連通させるための連絡通路95が形成されている。連絡通路95は、サポートリング87の周方向に延伸する不連続な環状に形成され、当該周方向において隣接する連結片89の間に位置する。換言すれば、第1ノズルリング45の対向面の反対面側(右側面側)は、連絡通路95及びリンク室65を介してタービンスクロール流路39に連通している。
図1及び図2に示すように、ベアリングハウジング3の支持部49は、その内縁部に突起部97を有する。突起部97は環状に形成され、左方向へ突出している。突起部97には、遮熱板99が嵌合している。遮熱板99は環状に形成され、タービンインペラ31側からの熱を遮蔽する。また、遮熱板99の外縁部(外周縁部)には、嵌合段部101が形成されている。嵌合段部101は、外縁部から半径方向内側へ窪む環状に形成されている。嵌合段部101は、第1ノズルリング45の内縁部に嵌合している。更に、遮熱板99とベアリングハウジング3の支持部49との間には、付勢(押圧)部材の一例としての皿バネ103が設けられている。皿バネ103は、径方向におけるベアリングハウジング3の外側に設けられ、遮熱板99の嵌合段部101を第1ノズルリング45の内縁部に付勢(押圧)する。そして、第2ノズルリング57の内周面とタービンハウジング29の適宜箇所との間には、シール部材の一例としての複数のシールリング105が設けられている。シールリング105は、第2ノズルリング57の対向面の反対面側(左側面側)からの排気ガスの漏れを抑える。
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。
ガス取入口37から取入れた排気ガスがタービンスクロール流路39を経由してタービンインペラ31入口側から出口側へ流通することにより、排気ガスの圧力エネルギーを利用して回転力を発生させて、ロータ軸9及びコンプレッサインペラ13をタービンインペラ31と一体的に回転させることができる。これにより、空気取入口19から取入れた空気を圧縮して、ディフューザ流路21及びコンプレッサスクロール流路23を経由して空気排出口25から排出することができ、エンジンに供給される空気を過給(圧縮)することができる。
過給機1の運転中、エンジン回転数が高く、排気ガスの流量が多い場合には、回動アクチュエータ71によってリンク機構67を作動させつつ、複数の可変ノズル61を正方向(開方向)へ同期して回動させることにより、タービンインペラ31側へ供給される排気ガスの流路面積(スロート面積)を大きくして、多くの排気ガスを供給する。一方、エンジン回転数が低く、排気ガスの流量が少ない場合には、回動アクチュエータ71によってリンク機構67を作動させつつ、複数の可変ノズル61を逆方向(閉方向)へ同期して回動させることにより、タービンインペラ31側へ供給される排気ガスの流路面積を小さくして、排気ガスの流速を高めて、タービンインペラ31の仕事量を十分に確保する。これにより、排気ガスの流量の多少に関係なく、タービンインペラ31によって回転力を十分かつ安定的に発生させることができる。
第1ノズルリング45が軸方向に沿って積層された複数のノズルリングセグメントSGにより構成されている。そのため、過給機1の運転中に、第1ノズルリング45におけるベアリングハウジング3に遠い側の部位と近い側の部位との温度差が大きくなっても、各ノズルリングセグメントSGにおけるベアリングハウジング3に遠い側の部位と近い側の部位との温度差を小さくすることができる。これにより、過給機1の運転中に、各ノズルリングセグメントSGの半径方向の自由な熱膨張、換言すれば、第1ノズルリング45の半径方向の自由な熱膨張が妨げられることを抑制できる。
例えば、第1ノズルリング45の各ピン穴93が第1ノズルリング45の内縁部側から外縁部側に向かって延びる長穴状に構成されている場合には、第1ノズルリング45の半径方向の自由な熱膨張が妨げられることを十分に抑制できる。また、ノズルリングセグメントSG1の厚みがノズルリングセグメントSG2の厚みよりも薄く、且つ、ノズルリングセグメントSG2の厚みがノズルリングセグメントSG3の厚みよりも薄い場合には、前述の新規な知見を考慮すると、各ノズルリングセグメントSGのセグメント数の増大を抑えつつ、各ノズルリングセグメントSGにおけるベアリングハウジング3に遠い側の部位と近い側の部位との温度差を極力小さくすることができる。換言すれば、ノズルリングセグメントSGのセグメント数の増大を抑えつつ、第1ノズルリング45の半径方向の自由な熱膨張が妨げられることを十分に抑制できる。更に、例えば、3つのノズルリングセグメントSGの構成材料の線膨張係数を前述のように設定した場合には、3つのノズルリングセグメントSGの半径方向の熱膨張差を極力小さくして、第1ノズルリング45の半径方向の自由な熱膨張が妨げられることをより十分に抑制できる。
第1ノズルリング45の対向面の反対面側がタービンスクロール流路39に連通しているため、過給機1の運転中、各可変ノズル61のノズル軸63の端面に働く圧力を高くして、各可変ノズル61を第2ノズルリング57の対向面側へ寄せることができる。
従って、本実施形態によれば、過給機1の運転中に、第1ノズルリング45におけるベアリングハウジング3に遠い側の部位と近い側の部位との温度差が大きくなっても、第1ノズルリング45の半径方向の自由な熱膨張が妨げられることを十分に抑制できる。そのため、第1ノズルリング45の対向面が、軸方向に垂直な方向に対して傾くように、第1ノズルリング45が熱変形することを十分に抑えることができる。これにより、第1ノズルリング45の対向面と第2ノズルリング57の対向面の平行度を十分に確保しつつ、ノズルサイドクリアランスを極力小さくすることができる。よって、本実施形態によれば、複数の可変ノズル61の動作の安定性を維持して、可変ノズルユニット43の信頼性、換言すれば、過給機1の信頼性を確保しつつ、ノズルサイドクリアランスからの漏れ流れを低減して、過給機1のタービン効率の向上を図ることができる。
また、ノズルサイドクリアランスを極力小さくすることができる。換言すれば、過給機1の運転中、各可変ノズル61を第2ノズルリング57の対向面側へ寄せることができる。そのため、各可変ノズル61の左側面と第2ノズルリング57の対向面との隙間からの漏れ流れを抑えて、タービンブレード35のチップ35t側部分(ミッドスパン側からチップ35t側にかけての部分)に沿う排気ガスの流れを安定させて、過給機1のタービン効率の向上をより図ることができる。
また、ノズルリングセグメントSGのセグメント数の増大を抑えつつ、第1ノズルリング45の半径方向の自由な熱膨張が妨げられることを十分に抑えることができるため、可変ノズルユニット43の部品点数の増大を抑えて、可変ノズルユニット43の構成の簡略化及び組立性の向上を図ることができる。
なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限られず、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。
(実施例)
過給機1(図6参照)の運転中における第1ノズルリング45の温度分布状態について熱伝達解析(伝熱解析)を行い、その解析結果を図7に示す。即ち、過給機1の運転中に、第1ノズルリング45における部材温度の高い部位の厚みが部材温度の低い部位の厚みよりも薄くなる傾向があることが判明した。
なお、図7中における0.8は、第1ノズルリング45におけるベアリングハウジング3(図6参照)に遠い側の端面(ノズル側端面)の温度を1.0とした場合に、第1ノズルリング45におけるベアリングハウジング3に近い側の端面(サポートリング側端面)の温度を示している。また、図7中において異なるハッチングで区画した各領域は、同じ温度差の領域を示しており、隣接する領域間の温度差は、上記の場合において約0.025になっている。更に、図7中における数値は、第1ノズルリング45の温度分布状態の傾向を示すための参考値である。

Claims (6)

  1. 可変容量型過給機におけるタービンインペラ側へ供給される排気ガスの流路面積を調整する可変ノズルユニットであって、
    前記可変容量型過給機におけるタービンハウジング内に、前記タービンインペラと同心状に配設された環状の第1壁部材と、
    前記第1壁部材に対して軸方向に離隔対向した位置に、円周方向に間隔を置いて並んだ複数の連結ピンによって前記第1壁部材と一体的に設けられた環状の第2壁部材と、
    前記第1壁部材の対向面と前記第2壁部材の対向面との間に円周方向に間隔を置いて配設され、前記タービンインペラの軸心に平行な軸心周りに正逆方向へ回動可能な複数の可変ノズルと、
    複数の前記可変ノズルを同期して回動させるためのリンク機構と、
    前記第1壁部材に複数の前記連結ピンの一端部の結合によって一体的に連結されたサポートリングと、を具備し、
    前記第1壁部材は、軸方向に沿って積層された複数の壁部材セグメントにより構成され
    前記可変ノズルに近い側の壁部材セグメントから前記可変ノズルに遠い側の壁部材セグメントに向かう配列の順に、壁部材セグメントの厚みが増していることを特徴とする可変ノズルユニット。
  2. 複数の前記壁部材セグメントのうち、前記可変ノズルに近い側の前記壁部材セグメントの構成材料の線膨張係数が、前記可変ノズルに遠い側の前記壁部材セグメントの構成材料の線膨張係数よりも小さいことを特徴とする請求項1に記載の可変ノズルユニット。
  3. 前記第1壁部材に、前記連結ピンの一端部を挿通させるための複数のピン穴が円周方向に間隔を置いて貫通形成され、
    前記第1壁部材の各ピン穴が前記第1壁部材の内縁部側から外縁部側に向かって延びる長穴状に形成されていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の可変ノズルユニット。
  4. 前記第1壁部材に複数の支持穴が円周方向に間隔を置いて貫通形成され、
    各可変ノズルのノズル軸が、前記第1壁部材に対応する前記支持穴に回動可能に支持され、
    前記第1壁部材の対向面の反対面側が前記タービンハウジングのタービンスクロール流路に連通していることを特徴とする請求項1から請求項3のうちのいずれか一項に記載の可変ノズルユニット。
  5. 可変容量型過給機におけるタービンインペラ側へ供給される排気ガスの流路面積を可変とする可変ノズルユニットにおいて、
    前記可変容量型過給機におけるタービンハウジング内に前記タービンインペラと同心状に配設された環状の壁部材と、
    前記壁部材に円周方向に間隔を置いて配設され、正逆方向へ回動可能な複数の可変ノズルと、
    複数の前記可変ノズルを同期して回動させるためのリンク機構と、
    前記壁部材に連結されたサポートリングと、を具備し、
    前記壁部材は、軸方向に沿って積層された複数の壁部材セグメントにより構成され、
    前記可変ノズルに近い側の壁部材セグメントから前記可変ノズルに遠い側の壁部材セグメントに向かう配列の順に、壁部材セグメントの厚みが増していることを特徴とする可変ノズルユニット。
  6. エンジンからの排気ガスのエネルギーを利用して、前記エンジン側に供給される空気を過給する可変容量型過給機であって、
    請求項1から請求項5のうちのいずれか一項に記載の可変ノズルユニットを具備したことを特徴とする可変容量型過給機
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