JPWO2017047356A1 - 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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Abstract

可変ノズルユニットは、互いに対面する第１流路壁面と第２流路壁面とに挟まれスクロール流路からタービン翼車へ流入するガスを通過させるガス流入路を有するタービンに用いられる。可変ノズルユニットは、第１流路壁面側と第２流路壁面側とで両持ちで軸支され、ガス流入路内でタービン翼車の回転軸線に平行な回動軸線周りに回動するノズルベーンを備え、ノズルベーンの端面には、回動軸線よりもリーディングエッジ側に位置し、第２流路壁面との隙間が他の部位よりも大きくなるように切り欠かれ、リーディングエッジに交差するカット面が形成されている。

Description

本開示は、可変ノズルユニット及び可変容量型過給機に関するものである。
従来、このような分野の技術として、下記特許文献１に記載の可変ターボチャージャーが知られている。このターボチャージャーは、ハウジング内においてタービンのノズル部に配設された複数のノズルベーンと、ノズルベーンを回動させてノズルベーンの開度を調節可能とする駆動機構と、を備えている。
特開2001-173450号公報
この種の可変ノズル機構においては、ノズル部のガス流入路の壁面にノズルベーンの端面が摺動しながら、ガス流入路内でノズルベーンが回転する。従って、ガス流入路の壁面に摺動キズが発生する場合がある。本開示は、ガス流入路を形成する壁面に発生する摺動キズを低減する可変ノズルユニット及びそれを備える可変容量型過給機を説明する。
本開示の一態様に係る可変ノズルユニットは、スクロール流路からタービン翼車へ流入するガスを通過させるガス流入路と、タービン翼車の回転軸線方向に互いに対面しガス流入路を形成する第１の流路壁面及び第２の流路壁面と、を有するタービンに用いられる可変ノズルユニットであって、第１の流路壁面側と第２の流路壁面側とで両持ちで軸支され、ガス流入路内でタービン翼車の回転軸線に平行な回動軸線周りに回動するノズルベーンを備え、ノズルベーンの端面のうち第１の流路壁面又は第２の流路壁面の何れか一方の流路壁面に対面する端面には、回動軸線よりもノズルベーンのリーディングエッジ側に位置し、一方の流路壁面との隙間が他の部位よりも大きくなるように切り欠かれ、リーディングエッジに交差する切欠き部位が形成されている。
本開示の可変ノズルユニット及び可変容量型過給機によれば、ガス流入路を形成する壁面に発生する摺動キズを低減することができる。
本実施形態に係る可変容量型過給機を示す断面図である。 可変容量型過給機のノズルベーンの周囲を拡大して示す断面図である。 本実施形態に係るノズル部品を示す斜視図である。 （ａ），（ｂ）は、運転中におけるノズル部品近傍を模式的に示す断面図である。 運転中における従来のノズル部品近傍を模式的に示す断面図である。 変形例に係るノズル部品を示す斜視図である。 （ａ）は、図６におけるVIIa-VIIa断面図であり、（ｂ）は、図６におけるVIIb-VIIb断面図である。 （ａ），（ｂ）は、変形例に係るノズル部品近傍を模式的に示す断面図である。
本開示の一態様に係る可変ノズルユニットは、スクロール流路からタービン翼車へ流入するガスを通過させるガス流入路と、タービン翼車の回転軸線方向に互いに対面しガス流入路を形成する第１の流路壁面及び第２の流路壁面と、を有するタービンに用いられる可変ノズルユニットであって、第１の流路壁面側と第２の流路壁面側とで両持ちで軸支され、ガス流入路内でタービン翼車の回転軸線に平行な回動軸線周りに回動するノズルベーンを備え、ノズルベーンの端面のうち第１の流路壁面又は第２の流路壁面の何れか一方の流路壁面に対面する端面には、回動軸線よりもノズルベーンのリーディングエッジ側に位置し、一方の流路壁面との隙間が他の部位よりも大きくなるように切り欠かれ、リーディングエッジに交差する切欠き部位が形成されている。
また、ノズルベーンは、タービンの運転中においては一方の流路壁面に向けて回動軸線方向に付勢されるものであってもよい。また、切欠き部位は、リーディングエッジ側に向かうに従って一方の流路壁面から離れるように傾斜した平面であってもよい。また、上記の一方の流路壁面が、タービン翼車のブレードのシュラウドエッジを周方向に覆うシュラウド側の流路壁面であってもよい。
本開示の可変容量型過給機は、上記の何れかの可変ノズルユニットを備える。
以下、図面を参照しながら、本開示の可変ノズルユニット及び可変容量型過給機の実施形態について説明する。なお、各図面においては、構成要素の特徴を誇張して描写する場合があるため、図面上の各部位の寸法比は必ずしも実物とは一致しない。
図１に示される可変容量型過給機１は、例えば、船舶や車両の内燃機関に適用されるものである。図１に示されるように、可変容量型過給機１は、タービン２とコンプレッサ３とを備えている。タービン２は、タービンハウジング４と、タービンハウジング４に収納されたタービン翼車６と、を備えている。タービンハウジング４は、タービン翼車６の周囲において周方向に延びるスクロール流路１６を有している。コンプレッサ３は、コンプレッサハウジング５と、コンプレッサハウジング５に収納されたコンプレッサ翼車７と、を備えている。コンプレッサハウジング５は、コンプレッサ翼車７の周囲において周方向に延びるスクロール流路１７を有している。
タービン翼車６は回転軸１４の一端に設けられており、コンプレッサ翼車７は回転軸１４の他端に設けられている。タービンハウジング４とコンプレッサハウジング５との間には、軸受ハウジング１３が設けられている。回転軸１４は、軸受を介して軸受ハウジング１３に回転可能に支持されている。回転軸１４、タービン翼車６及びコンプレッサ翼車７が一体の回転体１２として回転軸線Ｈ周りに回転する。
タービンハウジング４には、排気ガス流入口８及び排気ガス流出口１０が設けられている。内燃機関（図示せず）から排出された排気ガスが、排気ガス流入口８を通じてタービンハウジング４内に流入する。そして、排気ガスは、スクロール流路１６を通じてタービン翼車６に流入し、タービン翼車６を回転させる。その後、排気ガスは、排気ガス流出口１０を通じてタービンハウジング４外に流出する。
コンプレッサハウジング５には、吸入口９及び吐出口１１が設けられている。上記のようにタービン翼車６が回転すると、回転軸１４を介してコンプレッサ翼車７が回転する。回転するコンプレッサ翼車７は、吸入口９を通じて外部の空気を吸入し、この空気を圧縮して、スクロール流路１７を通じて吐出口１１から吐出する。吐出口１１から吐出された圧縮空気は、前述の内燃機関に供給される。
続いて、タービン２について更に詳細に説明する。タービン２は可変容量型タービンである。スクロール流路１６からタービン翼車６へ流入するガスを通過させるガス流入路２１には、可動のノズルベーン２３が設けられている。複数のノズルベーン２３が回転軸線Ｈを中心とする円周上に配置されている。各々のノズルベーン２３は回転軸線Ｈに平行な回動軸線Ｊ周りに回動する。上記のようにノズルベーン２３が回動することで、タービン２に導入される排気ガスの流量に応じてガス流路の断面積が最適に調整される。上記のようにノズルベーン２３を回動させるための駆動機構として、タービン２は可変ノズルユニット２５を備えている。可変ノズルユニット２５は、タービンハウジング４の内側に嵌め込まれ、取付けボルト２７によってタービンハウジング４に固定されている。
以下、図１及び図２を参照しながら、可変ノズルユニット２５について更に詳細に説明する。以下の説明において、単に「軸線方向」、「径方向」、「周方向」等と言うときには、それぞれ、タービン翼車６の回転軸線Ｈ方向、回転径方向、回転周方向を意味するものとする。また、「上流」、「下流」などと言うときには、スクロール流路１６における排気ガスの上流、下流を意味するものとする。また、回転軸線Ｈ方向において、タービン２に近い側（図１及び図２において左側）を単に「タービン側」と言い、コンプレッサ３に近い側（図１及び図２において右側）を単に「コンプレッサ側」と言う場合がある。
可変ノズルユニット２５は、上記のノズルベーン２３を有するノズル部品２４と、ノズルベーン２３を軸線方向に挟む第１ノズルリング３１及び第２ノズルリング３２と、を有している。第２ノズルリング３２は、タービン翼車６のブレード６ａのシュラウドエッジ６ｄを周方向に覆うシュラウド３２ｄを形成している。第２ノズルリング３２は、前述の取付けボルト２７によってタービンハウジング４に連結されている。第１ノズルリング３１は、周方向に複数設けられた連結ピン３５を介して第２ノズルリング３２と連結されている。第１ノズルリング３１と第２ノズルリング３２とは、それぞれ回転軸線Ｈを中心とするリング状を成しており、タービン翼車６を周方向に囲むように配置されている。第１ノズルリング３１のタービン側の壁面３１ａと、壁面３１ａに対面する第２ノズルリング３２のコンプレッサ側の壁面３２ａとで挟まれた領域が、前述のガス流入路２１を構成する。連結ピン３５の寸法が高精度に作製されることで、ガス流入路２１の軸線方向の寸法精度が確保されている。以下では、上記のようにガス流入路２１を形成する壁面３１ａ，３２ａを、それぞれ第１流路壁面３１ａ，第２流路壁面３２ａと呼ぶ。
ノズル部品２４は、上記ノズルベーン２３と、ノズルベーン２３からコンプレッサ側に軸線方向に延びる第１回動軸４１と、第１回動軸４１と同軸でノズルベーン２３からタービン側に延びる第２回動軸４２と、を有している。第１ノズルリング３１には、ノズル部品２４と同数の第１軸受孔３１ｂが周方向に配列され設けられている。また、第２ノズルリング３２には、各第１軸受孔３１ｂと軸線方向に対面する位置で同軸に第２軸受孔３２ｂが設けられている。第１軸受孔３１ｂは、第１ノズルリング３１を軸線方向に貫通しており、第２軸受孔３２ｂは、第２ノズルリング３２を軸線方向に貫通している。そして、各ノズル部品２４の第１回動軸４１が第１軸受孔３１ｂに回転可能に挿入され、第２回動軸４２が第２軸受孔３２ｂに回転可能に挿入されている。この構造により、各ノズルベーン２３は、第１流路壁面３１ａ側と第２流路壁面３２ａ側とで両持ちで軸支され、ガス流入路２１内で回転軸線Ｈに平行な回動軸線Ｊ周りに回動可能である。
可変ノズルユニット２５はリンク機構２６を備えている。リンク機構２６は、ノズルベーン２３を第１ノズルリング３１及び第２ノズルリング３２に対して回動させる。タービンハウジング４、第１ノズルリング３１、及び軸受ハウジング１３で囲まれる空間としてリンク室５０が形成されており、リンク機構２６は上記リンク室５０に収納されている。
第１ノズルリング３１のコンプレッサ側には、取付ピン４０を介して円環状のガイドリング４３が固定されている。ガイドリング４３の径方向外側に円環状の駆動リング２８が摺動可能に嵌められている。駆動リング２８は、外部から入力されるノズルベーン２３への駆動力を伝達する部材であり、例えば金属材料により一部材で形成されている。駆動リング２８は、回転軸線Ｈを中心とする円周上に延在するリング状をなしており、ガイドリング４３の外周面に案内されて回転軸線Ｈ周りに回動可能である。各ノズル部品２４の第１回動軸４１には、当該第１回動軸４１を基端として径方向外側に延びるレバー２９が取り付けられている。駆動リング２８には係合ジョイント３０が設けられている。各係合ジョイント３０は、各レバー２９の先端に対応する位置に設けられており、各レバー２９の先端が係合ジョイント３０に噛み合っている。
この構造により、タービン２の外部からの駆動力が駆動リング２８に入力されると、駆動リング２８が回転軸線Ｈ周りに回動する。駆動リング２８の回動に伴って係合ジョイント３０に噛み合った各レバー２９が回動し、各第１回動軸４１を介して各ノズルベーン２３が回動する。なお、駆動リング２８への駆動力は、可変容量型過給機１の外部に設けられた回動アクチュエータ５１（図１参照）を動力源とする。駆動リング２８への駆動力は、動力伝達機構５３を介して入力される。
リンク機構２６が内蔵されるリンク室５０は、タービンハウジング４と第１ノズルリング３１との隙間を介してスクロール流路１６に連通している。よって、可変容量型過給機１の運転中においては、リンク室５０は、スクロール流路１６の圧力の影響により比較的高圧の空間となる。その一方、第２回動軸４２が挿入された第２軸受孔３２ｂは、第２ノズルリング３２とタービンハウジング４との隙間４４を介して、排気ガス流出口１０に連通している。よって、可変容量型過給機１の運転中においては、第２軸受孔３２ｂは、排気ガス流出口１０の圧力の影響により比較的低圧の空間となる。
従って、第１回動軸４１の軸端面に作用するリンク室５０の圧力と、第２回動軸４２の軸端面に作用する第２軸受孔３２ｂの圧力と、の差により、運転中においては、ノズル部品２４はタービン側に付勢されることになる。このため、可変容量型過給機１の運転中（タービン２の運転中）においては、ノズルベーン２３は、第２流路壁面３２ａに向けて回動軸線J方向に付勢され、第２流路壁面３２ａに押し付けられる。この構成によれば、第２流路壁面３２ａに対面するノズルベーン２３のタービン側の端面２３ａは、第２流路壁面３２ａに押し付けられた状態で、当該第２流路壁面３２ａ上を摺動することになる。
続いて、図３及び図４を参照しながら、ノズル部品２４及びノズルベーン２３の詳細について説明する。図３は、ノズル部品２４のノズルベーン２３近傍を拡大して示す斜視図である。図４は、可変ノズルユニット２５におけるノズル部品２４近傍を示す模式的な断面図である。図３，図４においては、図の上方がタービン側、下方がコンプレッサ側である。また図３，図４においては右側がガスの上流側（スクロール流路１６側）、左側がガスの下流側（タービン翼車６側）であり、ノズルベーン２３の右端の縁がリーディングエッジ２３ｃ、ノズルベーン２３の左端の縁がトレーリングエッジ２３ｄである。
図３及び図４（ａ）に示されるように、ノズルベーン２３の端面のうち第２流路壁面３２ａに対面するタービン側の端面２３ａには、その端面２３ａの一部が切り欠かれて形成されたカット面２３ｈ（切欠き部位）が形成されている。カット面２３ｈは、ノズルベーン２３の回動軸線Ｊよりもリーディングエッジ２３ｃ側に位置している。カット面２３ｈは、第２流路壁面３２ａとの隙間が他の部位よりも大きくなるように切り欠かれている。カット面２３ｈは、リーディングエッジ２３ｃに交差している。具体例として、カット面２３ｈは、回動軸線Ｊに直交する仮想平面に対して傾斜し、リーディングエッジ２３ｃ側に向かうに従って第２流路壁面３２ａから離れるように傾斜した平面である。カット面２３ｈの実際の傾斜は例えば１／２０〜１／１０程度であり、図３及び図４においては傾斜が誇張して示されている。また、図１及び図２では傾斜が小さすぎるためカット面２３ｈの図示が省略されている。なお、カット面２３ｈの傾斜とは、図４（ａ）に示されるように、回動軸線Ｊ方向におけるカット面２３ｈの長さをｓとし、ノズルベーン２３の長手方向におけるカット面２３ｈの長さをｔとしたとき、ｓ／ｔの値を言う。
上記のようなノズルベーン２３を備える可変ノズルユニット２５による作用効果について説明する。前述した通り、図４（ａ）に示されるように、可変容量型過給機１の運転中においては、ノズルベーン２３は矢印Ａ方向に付勢され第２流路壁面３２ａに押し付けられた状態となる。また、図４（ｂ）に示されるように、運転中においては、可変ノズルユニット２５の各部位における熱膨張特性の相違や温度分布に起因して、第１軸受孔３１ｂと第２軸受孔３２ｂとの相対位置が径方向（図の左右方向）にずれる場合がある。図の例の場合には、第１軸受孔３１ｂが第２軸受孔３２ｂよりも径方向外側にずれている。これにより、同図に示されるように、ノズルベーン２３の回動軸線Ｊも傾く。
ここで、図５に示されるように、従来のようなカット面２３ｈがないノズルベーンの場合を考えると、端面２３ａとリーディングエッジ２３ｃとが交差する位置に、鋭利な角部２３ｋが存在する。そして、ノズルベーン２３が矢印Ａ方向に付勢されていることにより、上記の角部２３ｋが第２流路壁面３２ａに押し付けられる。この状態でノズルベーン２３が回動すれば、角部２３ｋによる第２流路壁面３２ａの摺動キズが発生してしまう。
これに対し、図４（ｂ）に示されるように、カット面２３ｈを有するノズルベーン２３によれば、角部２３ｋのような鋭利な部分が第２流路壁面３２ａに押し付けられる状態が避けられる。例えば、同図の例では、カット面２３ｈが第２流路壁面３２ａに対して面接触することになる。従って、この可変ノズルユニット２５によれば、運転中において、ノズルベーン２３の回動による第２流路壁面３２ａの摺動キズを低減することができる。また、カット面２３ｈが平面であるので、比較的容易にカット面２３ｈを形成することができ、カット面２３ｈの形成方法の選択の幅も広い。例えば、ノズルベーン２３の角部を切削してカット面２３ｈを形成してもよく、カット面２３ｈを含むノズル部品２４をメタルインジェクションモールディング（ＭＩＭ）で作成してもよい。さらに、運転中の摺動キズを低減することで，ノズルベーン２３の回動時の作動特性が向上することが期待できる。
なお、ノズルベーン２３と第２流路壁面３２ａとの隙間（回動軸線Ｊ方向の距離）が大きくなると，ノズルベーン２３を通過せずに、一部のガスが隙間に漏れるため、タービン性能は低下する傾向となる。しかしながら、本発明者らが実行したタービン性能試験によれば、回動軸線Ｊよりもリーディングエッジ２３ｃ側にカット面２３ｈを形成し、例えば、カット面２３ｈの傾斜が１／２０〜１／１０の場合、タービン２の性能の顕著な低下が発生しないことが判明した。よって、可変ノズルユニット２５によれば、カット面２３ｈに起因する顕著なタービン２の性能低下も発生しない。
カット面２３ｈを、端面２３ａのうち回動軸線Ｊよりもトレーリングエッジ２３ｄ側の位置に形成する場合に比べて、リーディングエッジ２３ｃ側の位置に形成する方が、タービン２の性能低下が抑えられる。その理由は次の通りである。ノズルベーン２３内を通過するガスは、ノズルベーン２３のリーディングエッジ２３ｃ側からトレーリングエッジ２３ｄ側に向かいながら圧力を上昇させていく。したがって、ノズルベーン２３と第２流路壁面３２ａとの隙間からの漏れを考慮する時、圧力の高いトレーリングエッジ２３ｄ側よりも圧力の低いリーディングエッジ２３ｃ側の方がこの漏れが少なくなる。そのため、比較してタービン２の性能低下を小さくできる。
前述の摺動キズの低減と、タービン２の性能の顕著な低下の回避とを両立するためには、カット面２３ｈの傾斜は、回動軸線Ｊよりもリーディングエッジ２３ｃ側であることが好ましい。
本発明は、上述した実施形態を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した様々な形態で実施することができる。また、上述した実施形態に記載されている技術的事項を利用して、下記の実施例の変形例を構成することも可能である。各実施形態の構成を適宜組み合わせて使用してもよい。
例えば、ノズルベーンに形成される切欠き部位が、実施形態のカット面２３ｈのように平面であれば、加工方法の選択範囲が広く好ましいが、切欠き部位が平面であることは必須ではなく、切欠き部位が曲面であってもよい。例えば、ノズル部品２４に代えて、図６及び図７に示されるノズル部品１２４を採用してもよい。図６は、変形例に係るノズル部品１２４の斜視図である。図７（ａ）は、ガスの流れ方向に平行な断面を取ったノズルベーン１２３のリーディングエッジ２３ｃ近傍の断面図（VIIa-VIIa断面図）である。図７（ｂ）は、ガスの流れ方向に直交する断面を取ったノズルベーン１２３のリーディングエッジ２３ｃ近傍の断面図（VIIb-VIIb断面図）である。
図６及び図７（ａ）に示されるように、ノズル部品１２４のノズルベーン１２３は、端面２３ａとリーディングエッジ２３ｃとが交差する角部を丸め加工したＲ部１２３ｈを有している。ノズルベーン１２３では、上記のＲ部１２３ｈの表面が、第２流路壁面３２ａとの隙間が他の部位よりも大きくなるように切り欠かれた切欠き部位として機能する。よって、Ｒ部１２３ｈは、前述のカット面２３ｈと同様の作用効果を奏する。なお、ノズルベーン１２３においては、図６及び図７（ｂ）に示されるように、端面２３ａの縁部のうち、ガスの流れ方向に沿って延在する縁部１２６にも、丸め加工が施されている。この丸め加工も、第２流路壁面３２ａの摺動キズの低減に寄与する。Ｒ部１２３ｈ及び縁部１２６の曲率半径は、例えば、ノズルベーン１２３と第２流路壁面３２ａとの隙間の５倍以上であることが好ましい。
また、実施形態では、ノズルベーン２３が第２流路壁面３２ａに押し付けられる例を説明したが、可変ノズルユニットの構造によっては、図８（ａ）に示されるように、ノズルベーン２３が矢印Ｂ方向に付勢され、第１流路壁面３１ａに押し付けられる場合もある。この場合には、回動軸線Ｊよりもリーディングエッジ２３ｃ側において、第１流路壁面３１ａに対面する端面２３ｂに、前述のカット面２３ｈと同様のカット面２３ｐを形成すればよい。これにより、実施形態と同様の作用効果が奏される。すなわち、図８（ｂ）に示されるように、カット面２３ｐの存在により、ノズルベーン２３の鋭利な部位が第１流路壁面３１ａに接触することが避けられ、第１流路壁面３１ａの摺動キズが低減される。ただし、実施形態のように、ノズルベーン２３が第２流路壁面３２ａに押し付けられる構成によれば、第２流路壁面３２ａとノズルベーン２３との隙間を極力小さくできる。ここで、第２流路壁面３２ａは、シュラウド３２ｄ側（タービン側）の壁面である。シュラウド３２ｄは、タービン翼車６のブレード６ａのシュラウドエッジ６ｄ（図１参照）を周方向に覆う。このように、実施形態の構成では、ノズルベーン２３と、シュラウド３２ｄ側の流路壁面と、の隙間が極力小さくなるので、ノズルベーン２３が第１流路壁面３１ａに押し付けられる場合と比して、タービン性能の向上が期待できる。よって、カット面２３ｈを設けた場合に、タービン性能の低下回避に寄与することができる。
１ 可変容量型過給機
２ タービン
６ タービン翼車
１６ スクロール流路
２１ ガス流入路
２３ ノズルベーン
２３ａ，２３ｂ 端面
２３ｃ リーディングエッジ
２３ｈ，２３ｐ カット面
２５ 可変ノズルユニット
３１ａ 第１流路壁面
３２ａ 第２流路壁面
Ｈ 回転軸線
Ｊ 回動軸線

Claims (5)

  1. スクロール流路からタービン翼車へ流入するガスを通過させるガス流入路と、前記タービン翼車の回転軸線方向に互いに対面し前記ガス流入路を形成する第１の流路壁面及び第２の流路壁面と、を有するタービンに用いられる可変ノズルユニットであって、
    前記第１の流路壁面側と前記第２の流路壁面側とで両持ちで軸支され、前記ガス流入路内で前記タービン翼車の前記回転軸線に平行な回動軸線周りに回動するノズルベーンを備え、
    前記ノズルベーンの端面のうち前記第１の流路壁面又は前記第２の流路壁面の何れか一方の流路壁面に対面する端面には、
    前記回動軸線よりも前記ノズルベーンのリーディングエッジ側に位置し、前記一方の流路壁面との隙間が他の部位よりも大きくなるように切り欠かれ、前記リーディングエッジに交差する切欠き部位が形成されている、可変ノズルユニット。
  2. 前記ノズルベーンは、
    前記タービンの運転中においては前記一方の流路壁面に向けて前記回動軸線方向に付勢される、請求項１に記載の可変ノズルユニット。
  3. 前記切欠き部位は、前記リーディングエッジ側に向かうに従って前記一方の流路壁面から離れるように傾斜した平面である、請求項１又は２に記載の可変ノズルユニット。
  4. 前記一方の流路壁面は、前記タービン翼車のブレードのシュラウドエッジを周方向に覆うシュラウド側の流路壁面である、請求項１〜３の何れか１項に記載の可変ノズルユニット。
  5. 請求項１〜４の何れか１項に記載の可変ノズルユニットを備える可変容量型過給機。
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