JP7029181B2 - ノズルベーン - Google Patents

Description

本発明は、車両のエンジンに設けられるＶＧ（Variable Geometry）ターボチャージャにおいて、タービンインペラに導入される排気ガスの流量を調整するノズルベーンに関するものである。

昨今、欧州、日本、米国などでの排気ガス規制の動きに伴い、従来から用いられてきたウェイストゲートバルブを有するターボチャージャに代わり、ＶＧ（Variable Geometry）ターボチャージャが用いられるようになってきた。このＶＧターボチャージャは、例えば、クリーンディーゼルエンジンの高出力化にはなくてはならない機構であり、燃費改善を目指した高効率化の要求が寄せられている。

このＶＧターボチャージャは、タービンインペラ（タービン翼）の周囲にノズルベーンという小型の翼部を備えており、このノズルベーンを、タービンインペラの回転軸と平行な軸芯回りに揺動させることで、タービンインペラに対する翼部の傾斜角を変更し、タービンインペラに導入される排気ガスの流量を調整可能となっている。具体的には、ノズルベーンは翼部と揺動軸とが設けられており、揺動軸を揺動させることで翼部を揺動させることでタービンインペラに導入される排気ガスの流量を調整可能となっている。

例えば、特許文献１には、翼端面が涙滴形状とされた翼部を備え、この翼端面のほぼ中央から突出するように揺動軸が伸びるノズルベーンを有するターボチャージャの技術が開示されている。

特開２０１１－４３１１９号公報

ところで、特許文献１のノズルベーンは、翼端面が涙滴形状とされた翼部を設けることで、タービンインペラに導入される排気ガスの流量を精度良く調整できるようにし、ターボチャージャ自体のタービン効率が良くして、エンジンの燃費改善を行うものとなっている。
しかし、上述したノズルベーンの翼端面の形状を涙滴形状とするだけでは、ターボチャージャのタービン効率が良くするにも限界があり、エンジンの燃費改善を十分に行うことはできない。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、ターボチャージャにおいて、さらなる燃費改善やドライバビリティ向上が可能となるノズルベーンを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のノズルベーンは以下の技術的手段を講じている。
即ち、本発明のノズルベーンは、ターボチャージャのタービンインペラの外周側に設けられて前記タービンインペラに導入される排気ガスの流量を調整する翼部と、前記翼部の端面から突出するように伸びると共に前記タービンインペラに対する翼部の傾きを変更すべく当該翼部を揺動する揺動軸と、を備えたノズルベーンであって、前記翼部の断面は涙滴形状に形成されており、
前記翼部の表面に凹状または凸状に形成された気流調整部を有しており、前記翼部は、耐熱金属で形成された翼本体と、セラミックで形成された前記気流調整部を有していることを特徴とする。

好ましくは、前記翼部の表面には、複数の気流調整部が、互いに独立して複数個設けられているとよい。
好ましくは、前記気流調整部は、気流の流れ方向に沿って長手方向にすじ状に形成された１又は複数の凹部を有しているとよい。
好ましくは、前記気流調整部は、すじ状に形成された１又は複数の凸部を有しているとよい。

好ましくは、前記翼部は、当該当該の表面にセラミックコーティングが行われているとよい。
また、本発明のノズルベーンは、ターボチャージャのタービンインペラの外周側に設けられて前記タービンインペラに導入される排気ガスの流量を調整する翼部と、前記翼部の端面から突出するように伸びると共に前記タービンインペラに対する翼部の傾きを変更すべく当該翼部を揺動する揺動軸と、を備えたノズルベーンであって、前記翼部の断面は涙滴形状に形成されており、前記翼部における排気ガスに対向する側の翼前縁に対して、前記翼前縁の反対側の部位である翼後縁が異形状に形成されており、前記翼部の表面に凹状または凸状に形成された気流調整部を有しており、前記翼部は、耐熱金属で形成された翼本体と、セラミックで形成された前記気流調整部を有していることを特徴とする。

さらに、本発明のノズルベーンは、ターボチャージャのタービンインペラの外周側に設けられて前記タービンインペラに導入される排気ガスの流量を調整する翼部と、前記翼部の端面から突出するように伸びると共に前記タービンインペラに対する翼部の傾きを変更すべく当該翼部を揺動する揺動軸と、を備えたノズルベーンであって、前記翼部の断面は涙滴形状に形成されており、前記翼部は揺動軸の軸心方向に沿って厚みが変化するように形成されており、前記翼部の表面に凹状または凸状に形成された気流調整部を有しており、前記翼部は、耐熱金属で形成された翼本体と、セラミックで形成された前記気流調整部を有していることを特徴とする。

さらにまた、本発明のノズルベーンは、ターボチャージャのタービンインペラの外周側に設けられて前記タービンインペラに導入される排気ガスの流量を調整する翼部と、前記翼部の端面から突出するように伸びると共に前記タービンインペラに対する翼部の傾きを変更すべく当該翼部を揺動する揺動軸と、を備えたノズルベーンであって、前記翼部の断面は涙滴形状に形成されており、前記排気ガスが脈動流であることを緩和するように、前記翼部における排気ガスに対向する側の翼前縁に対して、前記翼前縁の反対側の部位である翼後縁が足ひれ状に形成されており、前記翼部の表面に凹状または凸状に形成された気流調整部を有しており、前記翼部は、耐熱金属で形成された翼本体と、セラミックで形成された前記気流調整部を有していることを特徴とする。

本発明のノズルベーンによれば、ターボチャージャにおいて、さらなる燃費改善やドライバビリティ向上が可能となる。

本実施形態のノズルベーンが設けられたターボチャージャ内部の構造を示した模式図である。 第１実施形態のノズルベーンの斜視図である。 先端側から見た第１実施形態のノズルベーンの端面図である。 第２実施形態のノズルベーンの斜視図である。 先端側から見た第２実施形態のノズルベーンの端面図である。 第３実施形態のノズルベーンの斜視図である。 先端側から見た第３実施形態のノズルベーンの端面図である。 第４実施形態のノズルベーンの斜視図である。 外周側の斜め前方から見た第５実施形態のノズルベーンの斜視図である。 内周側の斜め前方から見た第５実施形態のノズルベーンの斜視図である。 第６実施形態のノズルベーンの斜視図である。 第７実施形態のノズルベーンの斜視図である。 第８実施形態のノズルベーンの斜視図である。

以下、本発明のノズルベーン１の実施形態を、図面に基づき詳しく説明する。
図１は、第１実施形態のノズルベーン１が設けられたターボチャージャ２の内部構造を模式的に示したものである。
図１に示すように、第１実施形態のターボチャージャ２は、厚みのある略円盤状のターボケーシング３を備えている。このターボケーシング３の内部は空洞とされており、空洞とされた部分の略中央にはタービンインペラ４が収容されている。また、ターボケーシング３の下部にはエンジンからタービンインペラ４側に排気ガスを導入する排気導入部５が設けられている。

上述したターボケーシング３内に収容されているタービンインペラ４は、排気導入部５から導入された排気ガスを受けるタービンブレード６を有している。このタービンブレード６は、タービン軸７の軸心回りに複数設けられており、複数のタービンブレード６に排気ガスを吹き付けることで中央のタービン軸７を回転できるようになっている。
そして、このタービンインペラ４の外側（外周側）に、第１実施形態のノズルベーン１が取り付けられている。

図２Ａ及び図２Ｂに示すように、第１実施形態のノズルベーン１は、タービンインペラ４に導入される排気ガスの流量を調整する翼部８と、翼部８の端面から突出するように伸びると共にタービンインペラ４に対する翼部８の傾きを変更すべく翼部８を揺動させる揺動軸９と、を有している。具体的には、このノズルベーン１は、１基のタービンインペラ４につき複数個設けられており、タービンインペラ４の外周側に複数（図１の例では１５個）、タービン軸７の回りに円環状に並ぶように設けられている。

図２Ａ及び図２Ｂに示すように、それぞれのノズルベーン１に設けられる翼部８は、上述したタービン軸７に対して軸垂直方向を向く断面（以降、翼断面という）の形状が涙滴形状とされた部材である。具体的には、翼部８の翼断面は、飛行機の翼のように翼下面に比べて翼上面の方が大きく外側に向かって湾曲したような形状となっている。
また、翼部８の翼断面は、いわゆる涙滴形状とされており、翼前縁８ａ（排気ガスに対向する側であり、断面視で厚みが厚い側、以下同じ）に比べて、翼後縁８ｂ（翼前縁８ａの反対側の部位であり、断面視で厚みが薄く先細りしている側、以下同じ）は尖った形状とされている。そして、それぞれのノズルベーン１の翼部８が、尖った翼後縁８ｂをタービンインペラ４側に向けるようにして（丸まった翼前縁８ａをタービンインペラ４から離れた側に向けるようにして）、取り付けられている。この翼前縁８ａから翼後縁８ｂに向かう途中の翼端面に、上述した揺動軸９が設けられている。

揺動軸９は、タービン軸７の軸心と平行となる向きに軸心を備えた略円柱状の部材である。揺動軸９の一方側の端部は上述した翼部８に連結されており、また揺動軸９の他方側の端部には揺動軸９を圧入して固定するための圧入部１０が形成されている。具体的には、揺動軸９の他方側の端部は、図示を省略するノズルベーン駆動機構に嵌め込み状態で取り付けられており、ノズルベーン駆動機構を用いて揺動軸９を軸心回りに回動させることで、上述したノズルベーン１が揺動軸９の軸心回りに揺動するようになっている。

また、揺動軸９の軸径（外径）は、上述した翼部８の最大厚み（翼前縁８ａから翼後縁８ｂまでの翼部８の厚みの中で最大の厚み）とほぼ同じかやや大きな寸法とされており、翼後縁８ｂ側（先細り側）において揺動軸９は断面（軸垂直方向に沿った断面）の一部を介して翼部８に連結される構造となっている。
言い換えれば、第１実施形態の揺動軸９は、涙滴形状に形成された翼部８の断面において、当該断面を長手方向に沿って横切る中心線Ｃを基準とした場合に、揺動軸９の軸心が中心線Ｃの線上に位置するように設けられているものである。

なお、第１実施形態の揺動軸９は、中心線Ｃの線上に設けられるのが好ましいが、軸心が中心線Ｃよりもタービンインペラ４側にδだけずれた位置に設けられていてもよいし、軸心が中心線Ｃを基準としてタービンインペラ４とは反対側に、すなわち-δだけずれた位置に設けられても良い。
［第１実施形態～第３実施形態］
「特徴（気流調整部）」
ところで、第１実施形態のノズルベーン１は、翼部の表面に凹状または凸状に形成された気流調整部１１を有していることを特徴とするものである。

図２Ａ及び図２Ｂに示すように、第１実施形態の気流調整部１１は、翼部８の表面に形成された高さの低い円柱状の突起１１ａであり、翼部８の表面に複数形成されている。より具体的には、第１実施形態の気流調整部１１は、長手方向や幅方向の寸法に対して、１／４程度の突出高さで、翼部８の表面から突出するものである。これらの気流調整部１１は、互いに等しい距離をあけて配備されており、本実施形態の場合であれば翼部８の幅方向に２個、長手方向に１０列で、合わせて２０個の気流調整部１１が、翼部８のおもて側の面と裏側の面とに形成されている。言い換えれば、第１実施形態の気流調整部１１は、互いに独立して複数設けられるものとなっており、翼部８の表面を鮫肌状に加工したものということもできる。

このような気流調整部１１を形成すると、翼部８の表面に形成された凹凸によりタービンインペラ４に流入する気流が精度良く調整され（整流され）、またタービンインペラ４側に流入する気流の量の増えるため、ターボチャージャにおいてさらなる燃費改善やドライバビリティ向上が可能となる。
具体的には、上述した気流調整部１１を形成すれば、翼部８の表面を流れる排気ガスの速度の高さ方向のバラツキをコントロールする、つまり翼部８の表面近くを流れる排気ガスの速度と、翼部８から離れた位置を流れる排気ガスの速度との差が小さくなり、タービンインペラ４に流入する気流を整流する（均等な流れを形成する）ことが可能となる。

また、タービンインペラ４に流入する気流が整流されると、排気ガスが脈動流となることを緩和可能となり、タービンインペラ４側に流入する気流の量がさらに増えて、ターボチャージャにおいてさらなる燃費改善やドライバビリティ向上が可能となる。
なお、第１実施形態の気流調整部１１は高さの低い円柱状の突起１１ａであったが、本発明の気流調整部１１の形状は円柱状に限られない。例えば、図３Ａ及び図３Ｂ（第２実施形態）に示すように高さの低い三角柱状の突起１１ｂであってもよいし、図４Ａ及び図４Ｂ（第３実施形態）に示すように高さの低い三角柱状の突起１１ｃであってもよい。これら第２実施形態及び第３実施形態のノズルベーン１でも、第１実施形態同様の作用効果を発揮することが可能となる。

また、図３Ａ及び図３Ｂに示す第２実施形態のノズルベーン１は、翼部８における排気ガスに対向する側の翼前縁８ａに対して、翼前縁８ａの反対側の部位である翼後縁８ｂが足ひれ状に形成されている。具体的には、「翼後縁８ｂが足ひれ状に形成」とは、翼部８の翼前縁８ａを揺動軸９の軸心に沿った直線状に形成するのではなく、翼前縁８ａ側に向かって膨らむ半円状の切り欠きが、揺動軸９の軸心方向に複数並ぶような形状に翼部８の翼後縁８ｂを形成することを言う。このようにノズルベーンの翼後縁８ｂを足ひれ状に形成すれば、排気ガスの脈動流が緩和され、タービンインペラ４に流入する気流の量が増加するため、ターボチャージャにおいてさらなる燃費改善やドライバビリティ向上が可能となる。
［第４実施形態］
次に、第４実施形態のノズルベーン１について説明する。

図５に示すように、第４実施形態のノズルベーン１の気流調整部１１は、翼部８における排気ガスの気流の流れ方向に沿って長手方向にすじ状に形成された凹部１１ｄを備えたものとなっている。具体的には、本発明の気流調整部１１は、上述した凹部１１ｄを１ヶ所または複数有しているのが好ましく、図例では長手方向にすじ状に形成された溝状の凹部１１ｄを３条備えている。また、この凹部１１ｄは、翼部８の表面に凹状に凹んだ部分を連続して形成したものとなっている。

上述した第４実施形態の気流調整部１１でも、第１実施形態～第３実施形態に設けられた複数の柱状の突起１１ａ～１１ｃと同様に、排気ガスの気流が精度良く調整され（整流され）、またタービンインペラ４側に流入する気流の量の増えるため、ターボチャージャにおいてさらなる燃費改善やドライバビリティ向上を可能とすることができる。
なお、第４実施形態のノズルベーン１の気流調整部１１は、１ヶ所または複数の凹部１１ｄを有するものであったが、本発明の気流調整部１１は１ヶ所または複数の凸部を有するものであっても良い。
［第５実施形態］
次に、第５実施形態のノズルベーン１について説明する。

図６Ａ及び図６Ｂに示すように、第５実施形態のノズルベーン１の気流調整部１１は、翼部８における幅方向の両側（おもて側及び裏側）の表面を、幅方向の一方側に向かって双方の曲率が同じとなるように、且つ、長手方向に沿うように連続して撓ませるように曲げて形成されるものとなっている。つまり、翼部８の表面に凹凸を複数設ける第１実施形態～第４実施形態に比して、第５実施形態の気流調整部１１は、翼部８の表面に大きな凹部１１ｅ（または凸部）を一つだけ設けるものとなっている。

このような第５実施形態の気流調整部１１でも、排気ガスの気流が精度良く調整され（整流され）、またタービンインペラ４側に流入する気流の量の増えるため、ターボチャージャにおいてさらなる燃費改善やドライバビリティ向上を可能とすることができる。
［第６実施形態］
次に、第６実施形態のノズルベーン１について説明する。

図７に示すように、第６実施形態のノズルベーン１の気流調整部１１は、翼部８における排気ガスに対向する側の翼前縁８ａに対して、翼前縁８ａの反対側の部位である翼後縁８ｂが異形状に形成されていることを特徴としている。
具体的には、図７に示すように、第６実施形態の翼部８は、翼前縁８ａが揺動軸９の軸心方向に沿うように直線的に形成されているのに対し、翼後縁８ｂが軸心方向に対して傾斜しており、翼前縁８ａと翼後縁８ｂとが異形状とされている。

このような第６実施形態のノズルベーン１でも、排気ガスの気流が精度良く調整され（整流され）、またタービンインペラ４側に流入する気流の量の増えるため、ターボチャージャにおいてさらなる燃費改善やドライバビリティ向上を可能とすることができる。
［第７実施形態］
次に、第７実施形態のノズルベーン１について説明する。

図８に示すように、第７実施形態のノズルベーン１の気流調整部１１は、揺動軸９の軸心方向に沿って厚みが変化するように翼部８を形成したものとなっている。つまり、第７実施形態のノズルベーン１の翼部８は、揺動軸９に近い側に比べて、揺動軸９から遠い側の厚み（翼部８の一方側の表面から他方側の表面までの距離）の方が、薄くなるような断面形状（くさび形の断面形状）に形成されている。

このような第７実施形態のノズルベーン１でも、排気ガスの気流が精度良く調整され（整流され）、またタービンインペラ４側に流入する気流の量の増えるため、ターボチャージャにおいてさらなる燃費改善やドライバビリティ向上を可能とすることができる。
［第８実施形態］
次に、第８実施形態のノズルベーン１について説明する。

図９に示すように、第８実施形態のノズルベーン１の気流調整部１１は、第６実施形態と同様に、翼部８における排気ガスに対向する側の翼前縁８ａに対して、翼前縁８ａの反対側の部位である翼後縁８ｂが異形状に形成されていることを特徴としている。
具体的には、図９に示すように、第８実施形態の翼部８は、翼前縁８ａが揺動軸９の軸心方向に沿うように直線的に形成されているのに対し、翼後縁８ｂが後方に向かって膨出するように湾曲しており、翼前縁８ａと翼後縁８ｂとが異形状とされている。

このような第８実施形態のノズルベーン１ででも、排気ガスの気流が精度良く調整され（整流され）、またタービンインペラ４側に流入する気流の量の増えるため、ターボチャージャにおいてさらなる燃費改善やドライバビリティ向上を可能とすることができる。
ところで、上述した翼部８と揺動軸９とは断面の一部を介して接しているだけであるため、使用環境によっては翼部８と揺動軸９とが破断、分離してしまう可能性がある。このような場合は、翼部８と揺動軸９とを、粉末射出成形法で一体物として成形し、翼部８と揺動軸９との接合強度を高めるとよい。また、上述した翼部８と揺動軸９との接合面に沿って肉盛部を設けるなどして、接合強度を高めても良い。

以上述べたノズルベーン１を好適に製造するに際しては、鉄、チタン、ニッケル、コバルト、ニオブ、タングステンなどを組み合わせた合金、窒化ホウ素、炭化ホウ素などのセラミックス、それらを組み合わせたサーメットを被焼結材料として、この被焼結材料にアクリル樹脂、ポリスチレン、またはポリプロピレンなどの母材樹脂にワックスなどを混合したバインダを混合し、混合物をノズルベーン１の型枠に供給して焼結を行う粉末射出成形法（ＰＩＭ）を採用するとよい。このような粉末射出成形法であれば、翼部８と揺動軸９とを一体物として成形することができ、揺動軸９が翼部８の中心線Ｃからずれた形状を採用しても、強度に優れたノズルベーン１を得ることができる。

好適には、上述した翼部８については、少なくともこの翼部８の表面にセラミックコーティングが行われているのが好ましい。例えば、翼部８のうち、気流調整部１１を除く翼本体１２を耐熱金属で形成し、気流調整部１１をセラミックで形成する。このように気流調整部１１と翼本体１２を別の材料で形成すれば、強度が求められる気流調整部１１をセラミックのような強度に優れる材料で形成した上で、より安価な耐熱金属で翼本体１２を形成でき、ノズルベーン１を低価格で得ることが可能となる。

なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。

例えば、上述した実施形態では、揺動軸９が翼部８の長手方向の中央側に取り付けられた例を挙げたが、揺動軸９の取り付け位置は翼部８の長手方向の翼後縁８ｂ側であっても良い。

１ ノズルベーン
２ ターボチャージャ
３ ターボケーシング
４ タービンインペラ
５ 排気導入部
６ タービンブレード
７ タービン軸
８ 翼部
８ａ 翼前縁
８ｂ 翼後縁
９ 揺動軸
１０ 圧入部
１１ 気流調整部
１１ａ 円柱状の突起
１１ｂ 三角柱状の突起
１１ｃ 角柱状の突起
１１ｄ 凹部
１１ｅ 大きな凹部
Ｃ 中心線

Claims (8)

1. ターボチャージャのタービンインペラの外周側に設けられて前記タービンインペラに導入される排気ガスの流量を調整する翼部と、前記翼部の端面から突出するように伸びると共に前記タービンインペラに対する翼部の傾きを変更すべく当該翼部を揺動する揺動軸と、を備えたノズルベーンであって、
   前記翼部の断面は涙滴形状に形成されており、
   前記翼部の表面に凹状または凸状に形成された気流調整部を有しており、
   前記翼部は、耐熱金属で形成された翼本体と、セラミックで形成された前記気流調整部を有している
   ことを特徴とするノズルベーン。
2. 前記翼部の表面には、複数の気流調整部が、互いに独立して複数個設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載のノズルベーン。
3. 前記気流調整部は、気流の流れ方向に沿って長手方向にすじ状に形成された１又は複数の凹部を有している
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のノズルベーン。
4. 前記気流調整部は、すじ状に形成された１又は複数の凸部を有している
   ことを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載のノズルベーン。
5. 前記翼部は、当該翼部の表面にセラミックコーティングが行われている
   ことを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載のノズルベーン。
6. ターボチャージャのタービンインペラの外周側に設けられて前記タービンインペラに導入される排気ガスの流量を調整する翼部と、前記翼部の端面から突出するように伸びると共に前記タービンインペラに対する翼部の傾きを変更すべく当該翼部を揺動する揺動軸と、を備えたノズルベーンであって、
   前記翼部の断面は涙滴形状に形成されており、
   前記翼部における排気ガスに対向する側の翼前縁に対して、前記翼前縁の反対側の部位
   である翼後縁が異形状に形成されており、
   前記翼部の表面に凹状または凸状に形成された気流調整部を有しており、
   前記翼部は、耐熱金属で形成された翼本体と、セラミックで形成された前記気流調整部を有している
   ことを特徴とするノズルベーン。
7. ターボチャージャのタービンインペラの外周側に設けられて前記タービンインペラに導入される排気ガスの流量を調整する翼部と、前記翼部の端面から突出するように伸びると共に前記タービンインペラに対する翼部の傾きを変更すべく当該翼部を揺動する揺動軸と、を備えたノズルベーンであって、
   前記翼部の断面は涙滴形状に形成されており、前記翼部は揺動軸の軸心方向に沿って厚みが変化するように形成されており、
   前記翼部の表面に凹状または凸状に形成された気流調整部を有しており、
   前記翼部は、耐熱金属で形成された翼本体と、セラミックで形成された前記気流調整部を有している
   ことを特徴とするノズルベーン。
8. ターボチャージャのタービンインペラの外周側に設けられて前記タービンインペラに導入される排気ガスの流量を調整する翼部と、前記翼部の端面から突出するように伸びると共に前記タービンインペラに対する翼部の傾きを変更すべく当該翼部を揺動する揺動軸と、を備えたノズルベーンであって、
   前記翼部の断面は涙滴形状に形成されており、
   前記排気ガスが脈動流であることを緩和するように、前記翼部における排気ガスに対向する側の翼前縁に対して、前記翼前縁の反対側の部位である翼後縁が足ひれ状に形成されており、
   前記翼部の表面に凹状または凸状に形成された気流調整部を有しており、
   前記翼部は、耐熱金属で形成された翼本体と、セラミックで形成された前記気流調整部を有している
   ことを特徴とするノズルベーン。

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