WO2018167931A1 - 可変ノズル装置及び可変容量型排気ターボ過給機 - Google Patents

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plate
nozzle
diameter
plate portion
variable
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PCT/JP2017/010768
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English (en)
French (fr)
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慶吾 坂本
茂吉 佐久間
永護 加藤
洋輔 段本
洋二 秋山
斉顕 清家
大之 有水
Original Assignee
三菱重工業株式会社
三菱重工エンジン&ターボチャージャ株式会社
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/12Control of the pumps
    • F02B37/24Control of the pumps by using pumps or turbines with adjustable guide vanes
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D17/00Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/10Final actuators
    • F01D17/12Final actuators arranged in stator parts
    • F01D17/14Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits
    • F01D17/16Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of nozzle vanes
    • F01D17/165Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of nozzle vanes for radial flow, i.e. the vanes turning around axes which are essentially parallel to the rotor centre line
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00Application
    • F05D2220/40Application in turbochargers
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00Components
    • F05D2240/10Stators
    • F05D2240/12Fluid guiding means, e.g. vanes
    • F05D2240/128Nozzles
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present disclosure relates to a variable nozzle device and a variable displacement exhaust turbocharger including the variable nozzle device.
  • exhaust turbochargers supercharges the air supplied to the engine using the energy of the exhaust gas discharged from the engine.
  • exhaust turbochargers include a variable displacement type equipped with a variable nozzle device such as used in a diesel engine for a vehicle (see Patent Documents 1 and 2).
  • the variable displacement exhaust turbocharger includes a turbine housing, a bearing housing, and a variable nozzle device mounted inside a combination thereof.
  • the energy of the exhaust gas discharged from the engine becomes power for rotating the turbine rotor that is rotatably arranged at the center of the turbine housing, and uses the rotation of the turbine rotor.
  • the air supplied to the engine is supercharged.
  • the exhaust gas described above passes through a scroll passage that is a scroll-like exhaust gas passage formed in the turbine housing, and then a nozzle passage that is an exhaust gas passage defined by a variable nozzle device. After passing, it is supplied to the turbine rotor.
  • variable nozzle device In the variable nozzle device, the nozzle mount and the nozzle plate are supported in a state of being separated from each other by the nozzle support, and the space formed between the nozzle mount and the nozzle plate becomes the nozzle flow path described above.
  • a plurality of nozzle vanes are rotatably supported between the nozzle mount and the nozzle plate, and the blade angle of the nozzle vanes can be changed by the variable nozzle mechanism.
  • the variable nozzle device can enlarge or reduce the flow area of the exhaust gas supplied to the turbine rotor by changing the blade angle of the nozzle vane, and accordingly, the flow velocity of the exhaust gas supplied to the turbine rotor. Further, the supercharging pressure of the air supplied to the engine can be adjusted by adjusting the supply amount to the turbine rotor.
  • the nozzle support in the conventional variable nozzle device is formed in a cylindrical shape between the nozzle mount and the nozzle plate, as in the nozzle support of Patent Document 2 (see FIG. 3 of Patent Document 2). Yes.
  • the exhaust gas discharged from the diesel engine may reach a high temperature of about 850 ° C., and the nozzle mount, nozzle plate, nozzle support, etc. used in the variable nozzle device There is a risk that thermal deformation will occur in each part, resulting in a decrease in performance or malfunction of the variable nozzle device.
  • the exhaust gas discharged from the gasoline engine may become a high temperature of about 950 ° C.
  • thermal deformation will occur in each part of the device, resulting in a decrease in performance and malfunction of the variable nozzle device.
  • At least one embodiment of the present invention is a variable nozzle device capable of preventing performance degradation and malfunction of the variable nozzle device due to thermal deformation of each component used in the variable nozzle device at high temperatures, It is another object of the present invention to provide a variable displacement exhaust turbocharger including the variable nozzle device.
  • a variable nozzle device includes: A first plate-like member having an annular first plate portion fixed to the bearing housing; A second plate-like member having an annular second plate portion defining a nozzle flow path between the first plate portion and one surface of the second plate portion facing the first plate portion And at least a part of the other surface of the second plate portion is disposed facing the scroll flow path formed in the turbine housing; At least one nozzle support having one axial end connected to the first plate portion and the other axial end connected to the second plate portion; At least one nozzle vane rotatably supported between the first plate portion and the second plate portion; A variable nozzle mechanism for changing the blade angle of the nozzle vane, The second plate portion is formed thicker than the first plate portion.
  • the second plate member is in contact with the high-temperature exhaust gas through which one surface of the second plate portion facing the first plate portion of the first plate member passes through the nozzle flow path, At least a part of the other surface of the second plate portion is in contact with the high-temperature exhaust gas passing through the scroll passage formed in the turbine housing.
  • the amount of thermal deformation by the exhaust gas of a 2nd board part can be made small.
  • the shearing force and bending moment acting on the nozzle support connected to the second plate part can be reduced, and the second plate member and nozzle support Damage can be prevented, and performance deterioration and malfunction of the variable nozzle device can be prevented.
  • stainless steel can be used instead of an expensive heat-resistant alloy for the components of the variable nozzle device such as the first plate member and the second plate member, the cost for manufacturing the variable nozzle device can be reduced. it can.
  • the thickness dimension ratio T1 / T2 is 1.3 to 1.8.
  • the thickness dimension ratio T1 / T2 is 1.3 to 1. .8.
  • the thickness dimension ratio T1 / T2 of the first plate portion and the second plate portion is smaller than 1.3, the thickness of the second plate portion is thin, so the heat of the second plate portion under high temperature is low. There is a possibility that the amount of deformation cannot be reduced.
  • the second plate portion has the second plate portion because the thickness of the second plate portion is thick. There is a risk of increasing the weight and cost of the member.
  • the thickness dimension ratio T1 / T2 between the first plate portion and the second plate portion is 1.3 to 1.8, the amount of thermal deformation of the second plate portion under high temperature is reduced. In addition, it is possible to prevent the second plate member having the second plate portion from being increased in weight and price.
  • the first plate portion includes an inner peripheral side portion that supports the nozzle vane, and an outer peripheral side portion that is positioned on the outer peripheral side with respect to the inner peripheral side portion,
  • the inner peripheral portion is formed thicker than the outer peripheral portion
  • the second plate portion is formed thicker than the inner peripheral side portion of the first plate portion.
  • the second plate portion of the second plate member is formed thicker than the inner peripheral side portion of the first plate portion of the first plate member. The heat capacity of the portion can be increased, and the rigidity of the second plate portion can be increased.
  • a variable nozzle device includes: A first plate-like member having an annular first plate portion fixed to the bearing housing; A second plate-like member having an annular second plate portion defining a nozzle flow path between the first plate portion and one surface of the second plate portion facing the first plate portion And at least a part of the other surface of the second plate portion is disposed facing the scroll flow path formed in the turbine housing; At least one nozzle support having one axial end connected to the first plate portion and the other axial end connected to the second plate portion; At least one nozzle vane rotatably supported between the first plate portion and the second plate portion; A variable nozzle mechanism for changing the blade angle of the nozzle vane,
  • the nozzle support includes a small-diameter portion having a shaft diameter smaller than both end portions of the body portion at a central portion in an axial direction in a body portion located between the first plate-shaped member and the second plate-shaped member. Have.
  • the nozzle support has a smaller shaft diameter at the central portion in the axial direction than the both end portions of the body portion in the body portion located between the first plate member and the second plate member.
  • the heat capacity of a nozzle support can be made small and the temperature increase rate of the nozzle support under high temperature can be raised. Further, by increasing the temperature increase rate of the nozzle support at a high temperature, the difference in thermal expansion between the nozzle support and the nozzle vane during transient heating can be reduced, and the gap between the nozzle vane and the second plate-shaped member It is possible to prevent malfunction of the variable nozzle device due to the narrowing of the nozzles or the contact of the nozzle vanes with the second plate member.
  • the nozzle support has a small-diameter portion having a shaft diameter smaller than both end portions of the body portion at the center in the axial direction in the body portion located between the first plate-shaped member and the second plate-shaped member. .
  • the nozzle support has a smaller shaft diameter at the central portion in the axial direction than the both end portions of the body portion in the body portion located between the first plate-like member and the second plate-like member. Has a small diameter part. That is, the body portion of the nozzle support has a small-diameter portion at the center portion and large-diameter portions having a diameter larger than that of the small-diameter portion at both ends. And it can prevent that the bending rigidity of a nozzle support falls by having a large diameter part in the both ends of the trunk
  • the heat capacity of a nozzle support can be made small and the temperature increase rate of the nozzle support under high temperature can be raised. Further, by increasing the temperature increase rate of the nozzle support at a high temperature, the difference in thermal expansion between the nozzle support and the nozzle vane during transient heating can be reduced, and the gap between the nozzle vane and the second plate-shaped member It is possible to prevent malfunction of the variable nozzle device due to the narrowing of the nozzles or the contact of the nozzle vanes with the second plate member.
  • the small-diameter portion is formed so that the axial diameter increases from the central side in the axial direction toward both end portions.
  • the central portion in the axial direction is formed in a columnar shape. Compared with the case where it has, the shaft diameter of the small diameter part of a nozzle support can be made small, preventing the fall of the bending rigidity of a nozzle support. For this reason, such a nozzle support can have a smaller heat capacity.
  • the nozzle support is The second plate-like member that is continuously provided in the small-diameter portion on the second plate-like member side and has a larger diameter than the second plate-like member-side connecting portion connected to the second plate-like member. It has a large diameter part on the member side, When the minimum diameter of the small diameter portion is D3 and the diameter of the large diameter portion on the second plate member side is D2, the shaft diameter ratio D3 / D2 is 0.6 to 0.9.
  • the nozzle support has an axial diameter ratio D3 / D2 of 0.1. 6 to 0.9.
  • the axial diameter ratio D3 / D2 of the nozzle support is smaller than 0.6, there is a possibility that a decrease in the bending rigidity of the nozzle support cannot be prevented.
  • the nozzle support axial diameter ratio D3 / D2 is greater than 0.9, the heat capacity of the nozzle support may not be reduced as the temperature increase rate of the nozzle support at a high temperature is increased.
  • the axial diameter ratio D3 / D2 of the nozzle support is 0.6 to 0.9, the heat capacity of the nozzle support can be reduced while preventing the bending rigidity of the nozzle support from being lowered. .
  • the nozzle support is The first plate-like member that is provided continuously with the small-diameter portion on the first plate-like member side and has a larger diameter than the first plate-like member-side connecting portion that is connected to the first plate-like member. It has a large diameter part on the member side,
  • the length dimension in the axial direction of the second plate member side large diameter portion is H, and the first plate member side large diameter portion, the second plate member side large diameter portion, and the small diameter portion in the axial direction are set.
  • the total length dimension is L
  • the length dimension ratio H / L is 0.1 to 0.3
  • the diameter of the second plate-like member side connecting portion is D1
  • the shaft diameter ratio D1 / D2 is 0.6 to 0.8.
  • the nozzle support has a length dimension in the axial direction of the second plate-shaped member side large-diameter portion as H, and the first plate-shaped member-side large diameter portion and the second plate-shaped member side
  • the length dimension ratio H / L is 0.1 to 0.3.
  • the length dimension ratio H / L of the nozzle support is smaller than 0.1, it may not be possible to prevent the bending rigidity of the nozzle support from being lowered.
  • the heat capacity of the nozzle support may not be reduced as the temperature increase rate of the nozzle support at a high temperature is increased.
  • the length dimension ratio H / L of the nozzle support is 0.1 to 0.3, the heat capacity of the nozzle support can be reduced while preventing the bending rigidity of the nozzle support from being lowered. it can.
  • the nozzle support has a shaft diameter ratio D1 / D2 of 0.6 to 0 when the diameter of the second plate-shaped member side connecting portion is D1 and the diameter of the second plate-shaped member side large diameter portion is D2. .8.
  • the axial diameter ratio D1 / D2 of the nozzle support is smaller than 0.6, there is a possibility that the heat capacity of the nozzle support cannot be reduced as the temperature increase rate of the nozzle support at a high temperature is increased. Moreover, when the axial diameter ratio D1 / D2 of the nozzle support is larger than 0.8, there is a possibility that a decrease in the bending rigidity of the nozzle support cannot be prevented. On the other hand, when the axial diameter ratio D1 / D2 of the nozzle support is 0.6 to 0.8, the heat capacity of the nozzle support can be reduced while preventing the bending rigidity of the nozzle support from being lowered. .
  • variable capacity exhaust turbocharger is: A variable nozzle device having the configuration described in any one of (1) to (8) above is provided.
  • the variable displacement exhaust turbocharger includes the variable nozzle device having the configuration described in any one of (1) to (8) above, so that the variable capacity exhaust turbocharger is variable at high temperatures. It is possible to prevent performance degradation and malfunction of the variable nozzle device due to thermal deformation of each component used in the nozzle device. For this reason, since the variable displacement exhaust turbocharger maintains the performance of the variable nozzle device at high temperatures, the supercharging pressure of air supplied to the engine at high temperatures can be adjusted.
  • variable nozzle device capable of preventing performance degradation and malfunction of the variable nozzle device due to thermal deformation of each component used in the variable nozzle device at high temperatures, and the variable nozzle device A variable displacement exhaust turbocharger is provided.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a variable displacement exhaust turbocharger including a variable nozzle device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view taken along line AA shown in FIG.
  • FIG. 3 is a schematic sectional view taken along line BB shown in FIG. 2. It is explanatory drawing for demonstrating the state which the nozzle mount and the nozzle plate extended and deformed, and the shear force and the bending moment acted on the nozzle support which connects these.
  • FIG. 4 is a diagram schematically illustrating a variable nozzle device according to another embodiment of the present invention, and is a schematic cross-sectional view corresponding to the view taken along line BB in FIG. 2.
  • an expression indicating that things such as “identical”, “equal”, and “homogeneous” are in an equal state not only represents an exactly equal state, but also has a tolerance or a difference that can provide the same function. It also represents the existing state.
  • expressions representing shapes such as quadrangular shapes and cylindrical shapes represent not only geometrically strict shapes such as quadrangular shapes and cylindrical shapes, but also irregularities and chamfers as long as the same effects can be obtained. A shape including a part or the like is also expressed.
  • the expressions “comprising”, “comprising”, “comprising”, “including”, or “having” one constituent element are not exclusive expressions for excluding the existence of the other constituent elements.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a variable displacement exhaust turbocharger including a variable nozzle device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view taken along line AA shown in FIG. 3 is a schematic cross-sectional view taken along line BB shown in FIG.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining a state in which the nozzle mount and the nozzle plate are stretched and deformed, and a shearing force and a bending moment are applied to the nozzle support that connects them.
  • FIG. 5 is a view schematically showing a variable nozzle device according to another embodiment of the present invention, and is a schematic cross-sectional view corresponding to the view taken along the line BB in FIG. FIG.
  • FIG. 6 is a view showing a nozzle support according to another embodiment of the present invention, and is a front view of the nozzle support having a small diameter portion formed in a cylindrical shape in the body portion.
  • FIG. 7 is a view showing a nozzle support according to another embodiment of the present invention, and is a front view of a nozzle support having a small diameter portion in which a constriction is formed in a body portion.
  • FIG. 8 is a table illustrating an example of the nozzle support shown in FIG. 6 or 7.
  • FIG. 9 is a view schematically showing a variable nozzle device according to another embodiment having a different nozzle support in the present invention, and is a schematic cross-sectional view corresponding to the view taken along the line BB in FIG.
  • the respective configurations of the variable nozzle device 1 and the variable displacement exhaust turbocharger 2 including the variable nozzle device 1 will be described.
  • the variable displacement exhaust turbocharger 2 includes a turbine housing 22 that houses a turbine rotor 21 as shown in FIG. 1, and a rotating shaft of the turbine rotor 21.
  • the bearing housing 24 which accommodates in the inside the bearing 23 which supports 21a rotatably is provided, and the variable nozzle apparatus 1 attached to the inside of what combined these.
  • the turbine housing 22 and the bearing housing 24 are fastening means such as bolts in a state where an outer peripheral edge portion of a first plate portion 11 a of a nozzle mount 11 to be described later is sandwiched from the left-right direction in the drawing. Are fastened together.
  • variable displacement exhaust turbocharger 2 further includes a compressor housing at a position opposite to the turbine housing 22 with the bearing housing 24 interposed therebetween.
  • the compressor housing is connected to the bearing housing 24 and houses the compressor rotor therein.
  • the compressor rotor is connected to the rotating shaft 21a of the turbine rotor 21, and rotates in conjunction with the rotation of the rotating shaft 21a to supercharge the air supplied to the engine.
  • a scroll passage 25a which is a scroll-like exhaust gas passage 25 through which exhaust gas discharged from the engine flows, is formed on the outer peripheral side of the turbine housing 22 and communicates with an exhaust manifold (not shown).
  • variable nozzle device 1 is arranged so that its axis 1 a is collinear with the axis of the turbine rotor 21, and the axis of the turbine rotor 21 ( It is arranged on the outside in the vertical direction (vertical direction in FIG. 1) on the same line as the axis 1a in FIG.
  • the variable nozzle device 1 is configured to form a nozzle flow path 25 b that is an exhaust gas flow path 25 between the scroll flow path 25 a and the turbine rotor 21.
  • the arrows f in FIGS. 1 and 4 are for showing the flow of exhaust gas.
  • the exhaust gas discharged from the engine passes through the scroll passage 25a, and then passes through the nozzle passage 25b defined by the variable nozzle device 1, and then is supplied to the turbine rotor 21.
  • the exhaust gas is supplied to the turbine rotor 21 and then discharged from the exhaust outlet 26 to the outside of the turbine housing 22.
  • the variable nozzle device 1 includes at least one nozzle mount 11 (first plate member) and nozzle plate 12 (second plate member) as shown in FIGS.
  • One nozzle support 13, at least one nozzle vane 14, and a variable nozzle mechanism 15 are provided.
  • the nozzle mount 11 is formed in an annular and substantially plate shape. More specifically, the nozzle mount 11 has an annular first plate portion 11a as shown in FIGS.
  • the first plate portion 11a includes an inner peripheral portion 11c that supports the nozzle vane 14 as shown in FIGS. 3, 5, and 9, and an outer peripheral portion 11b that is located on the outer peripheral side of the inner peripheral portion 11c. These are formed integrally.
  • the inner peripheral part 11c is formed thicker than the outer peripheral part 11b.
  • the outer peripheral portion 11 b of the nozzle mount 11 has a through hole 11 f for locking the nozzle mount connecting portion 13 a of the nozzle support 13.
  • the number is formed.
  • the through-hole 11f has a diameter-expanded portion on the surface 11e side on the bearing housing 24 side that gradually increases in diameter as it approaches the surface 11e in the axial direction of the through-hole 11f.
  • a cylindrical through hole 11 g for rotatably supporting the nozzle shaft 14 a of the nozzle vane 14 is provided in the inner peripheral portion 11 c of the nozzle mount 11.
  • the number 14 is formed.
  • the nozzle mount 11 connects the turbine housing 22 and the bearing housing 24, for example, with the outer peripheral edge portion of the first plate portion 11 a sandwiched between the turbine housing 22 and the bearing housing 24. It is fixed to the bearing housing 24 by being fastened by fastening means such as bolts. For this reason, the variable nozzle device 1 including the nozzle mount 11 is also fixed to the bearing housing 24.
  • An inner space 24 a is defined inside the surface 11 e of the first plate portion 11 a of the nozzle mount 11 and the annular groove formed in the bearing housing 24.
  • an annular back plate 27 is disposed between the inner peripheral edge of the nozzle mount 11 and the bearing housing 24.
  • the nozzle plate 12 is formed in an annular and substantially plate shape. More specifically, the nozzle plate 12 includes an annular and plate-like second plate portion 12a as shown in FIGS. 1, 3, 5, and 9, and an inner periphery of the second plate portion 12a. An extending portion 12e extending on the opposite side (right side in FIG. 1) to the nozzle mount 11 is formed so as to follow the outer peripheral shape, and these are integrally formed. As shown in FIGS. 1, 3, 5, and 9, the second plate portion 12 a of the nozzle plate 12 has a through hole 12 d for locking the nozzle plate connecting portion 13 b of the nozzle support 13. Is formed.
  • the through hole 12d is disposed at a position corresponding to the through hole 11f of the nozzle mount 11, and gradually approaches the surface 12c side opposite to the nozzle mount 11 as it approaches the surface 12c in the axial direction of the through hole 12d. It has a diameter-expanded portion that increases the shaft diameter.
  • the nozzle plate 12 is disposed such that the facing surface 12 b of the second plate portion 12 a faces the facing surface 11 d of the first plate portion 11 a of the nozzle mount 11.
  • the nozzle support 13 is supported by being separated from the nozzle mount 11.
  • a nozzle flow path 25 b is defined between the first plate portion 11 a of the nozzle mount 11 and the second plate portion 12 a of the nozzle plate 12.
  • the nozzle plate 12 is arranged such that at least a part of the surface 12c opposite to the facing surface 12b of the second plate portion 12a faces the scroll flow path 25a described above. Yes. More specifically, the nozzle plate 12 is arranged such that more than half of the length of the opposite surface 12c in the radial direction of the nozzle plate 12 (left-right direction in FIG. 1) faces the scroll flow path 25a. Yes.
  • the nozzle support 13 includes a nozzle mount connecting portion 13 a connected to the first plate portion 11 a of the nozzle mount 11 and a second plate of the nozzle plate 12.
  • a nozzle plate connecting portion 13b connected to the portion 12a, and a body portion 13c continuously provided between the nozzle mount connecting portion 13a and the nozzle plate connecting portion 13b. Is formed.
  • the nozzle mount connecting portion 13a of the nozzle support 13 is provided on the body portion 13c side as shown in FIGS. 6 and 7, and has a columnar first small diameter portion 13d extending in the axial direction and a first small diameter.
  • a first enlarged portion 13e that is provided continuously with the portion 13d and is formed such that the axial diameter gradually increases from the first small diameter portion 13d in the axial direction.
  • the nozzle plate connecting portion 13b of the nozzle support 13 is provided on the body portion 13c side as shown in FIGS. 6 and 7, and has a columnar second small diameter portion 13f extending in the axial direction thereof.
  • a second enlarged-diameter portion 13g that is provided continuously to the second small-diameter portion 13f, and is formed such that the axial diameter gradually increases from the second small-diameter portion 13f in the axial direction. These are integrally formed.
  • the nozzle mount connecting portion 13a provided at one end in the axial direction of the nozzle support 13 is a through hole formed in the first plate portion 11a of the nozzle mount 11 as shown in FIGS.
  • the first small-diameter portion 13d and the first large-diameter portion 13e are locked to the first plate portion 11a by 11f.
  • the nozzle plate connecting portion 13b provided at the other end in the axial direction of the nozzle support 13 is a through-hole formed in the second plate portion 12a of the nozzle plate 12, as shown in FIGS.
  • the second small-diameter portion 13f and the second large-diameter portion 13g are engaged with the hole 12d, thereby being connected to the second plate portion 12a.
  • At least one of the first enlarged diameter portion 13e of the nozzle mount coupling portion 13a and the second enlarged diameter portion 13g of the nozzle plate coupling portion 13b is formed when coupled to the nozzle mount 11 and the nozzle plate 12. It may be formed and may not be formed before being connected.
  • the body portion 13c of the nozzle support 13 includes the first small-diameter portion 13d and the nozzle plate connecting portion of the nozzle mount connecting portion 13a as shown in FIGS.
  • the shaft diameter is larger than that of the second small-diameter portion 13f of 13b and is formed in a columnar shape extending in the axial direction.
  • the body portion 13c of the nozzle support 13 is a circle extending in the axial direction on the nozzle mount connecting portion 13a side as shown in FIGS.
  • the first large diameter portion 13h is formed to have a larger diameter than the first small diameter portion 13d of the nozzle mount connecting portion 13a.
  • the second large diameter portion 13i is formed to have a larger diameter than the second small diameter portion 13f of the nozzle plate connecting portion 13b. Further, the third small diameter portion 13j is formed such that the minimum diameter is smaller than that of the first large diameter portion 13h and the second large diameter portion 13i.
  • the nozzle vane 14 is rotatably supported by inserting a nozzle shaft 14 a through a through hole 11 f of the nozzle mount 11.
  • the nozzle vane 14 has a distal end portion 14 b disposed between the nozzle mount 11 and the nozzle plate 12, and is located between the distal end portion 14 b and the nozzle plate 12. A gap is formed in
  • the variable nozzle mechanism 15 includes at least one lever plate 16 and a drive ring 17 as shown in FIGS. 1 to 3, 5, and 9, and is disposed in the internal space 24a.
  • the same number of lever plates 16 as the nozzle vanes 14 are provided, and in the case of a plurality, the lever plates 16 are spaced apart from each other on the circumference as shown in FIG.
  • One end of the lever plate 16 is connected to the protruding portion of the nozzle shaft 14 a protruding into the internal space 24 a, and the other end is connected to the drive ring 17.
  • the drive ring 17 is formed in an annular and plate shape, and the inner peripheral surface thereof is disposed so as to face a stepped surface formed between the outer peripheral side portion 11b and the inner peripheral side portion 11c of the nozzle mount 11. Has been.
  • the drive ring 17 is provided to be rotatable with respect to the nozzle mount 11.
  • variable nozzle mechanism 15 can change the blade angle of the nozzle vane 14 by rotating the drive ring 17 by a predetermined angle so that the lever plate 16 operates in conjunction with it. Furthermore, the variable nozzle device 1 can enlarge or reduce the flow area of the exhaust gas supplied to the turbine rotor 21 by changing the blade angle of the nozzle vane 14, and accordingly, the variable nozzle device 1 is supplied to the turbine rotor 21.
  • the supercharging pressure of the air supplied to the engine can be adjusted by adjusting the flow rate of the exhaust gas and the supply amount to the turbine rotor 21.
  • variable nozzle mechanism 15 only needs to be capable of changing the blade angle of the nozzle vane 14 and is not limited to the above-described embodiment.
  • thermal deformation occurs in each component of the variable nozzle device and the performance of the variable nozzle device decreases.
  • thermal deformation occurs in the nozzle mount 11 and the nozzle plate 12 formed of stainless steel or the like by exhaust gas.
  • the nozzle mount 11 is fixed to the bearing housing 24, and only the facing surface 11d facing the nozzle plate 12 is in contact with the high-temperature exhaust gas passing through the nozzle flow path 25b, and heat is transferred to the low-temperature bearing housing 24.
  • the opposed surface 12b facing the nozzle mount 11 is in contact with the high temperature exhaust gas passing through the nozzle flow path 25b, and the surface 12c opposite to the opposed surface 12b is in contact with the high temperature exhaust gas passing through the scroll flow path 25a. Since the thermal energy applied from the exhaust gas is different from that of the plate 12, the amount of thermal deformation is different accordingly.
  • variable nozzle device 1 due to the difference in thermal deformation between the nozzle mount 11 and the nozzle plate 12, the second plate portion 12 a connected to the nozzle support 13 in the nozzle plate 12 undergoes undulation deformation, and the nozzle mount 11, A shearing force or a bending moment acts on the nozzle plate 12 and the nozzle support 13 connecting them, and the through holes 12d of the nozzle plate 12 locked to the nozzle plate connecting portion 13b of the nozzle support 13 or the nozzles of the nozzle support 13 When a shear load or a bending load is applied to the mount connecting portion 13a and the nozzle plate connecting portion 13b, the nozzle plate 12 and the nozzle support 13 may be damaged. If these are damaged, the performance of the variable nozzle device 1 is deteriorated. .
  • Some embodiments below are for preventing damage to the nozzle plate 12 and the nozzle support 13.
  • the variable nozzle device 1 includes a nozzle mount 11 as described above, a nozzle plate 12 as described above, and at least one nozzle support as described above, as shown in FIGS. 13, at least one nozzle vane 14 described above, and the variable nozzle mechanism 15 described above.
  • the second plate portion 12 a of the nozzle plate 12 is formed thicker than the first plate portion 11 a of the nozzle mount 11. That is, the thickness dimension of the second plate portion 12a of the nozzle plate 12 is set to be larger than that of the first plate portion 11a of the nozzle mount 11 as T1.
  • the nozzle plate 12 has the opposed surface 12b of the second plate portion 12a facing the first plate portion 11a of the nozzle mount 11 in contact with the high-temperature exhaust gas passing through the nozzle flow path 25b, and the second plate portion 12a. At least a part of the surface 12c of the plate portion 12a is in contact with the high-temperature exhaust gas passing through the scroll passage 25a formed in the turbine housing 22.
  • the amount of thermal deformation by the exhaust gas of the 2nd board part 12a is made small. Can do.
  • the shearing force and bending moment acting on the nozzle support 13 connected to the second plate portion 12a can be reduced. The damage of the support 13 can be prevented, and the performance deterioration and malfunction of the variable nozzle device 1 can be prevented.
  • stainless steel can be used for the components of the variable nozzle device 1 such as the nozzle mount 11 and the nozzle plate 12 instead of an expensive heat-resistant alloy, the cost for manufacturing the variable nozzle device 1 can be reduced.
  • variable nozzle device 1 is configured such that the thickness dimension of the second plate portion 12a of the nozzle plate 12 is T1, and the first nozzle mount 11 has the first dimension.
  • the thickness dimension ratio T1 / T2 is 1.3 to 1.8.
  • the thickness dimension ratio T1 / T2 is 1.3 to 1.. 8.
  • the thickness ratio T1 / T2 between the first plate portion 11a and the second plate portion 12a is smaller than 1.3, the thickness of the second plate portion 12a is thin, so the second plate at a high temperature. There is a possibility that the amount of thermal deformation of the portion 12a cannot be reduced.
  • the thickness dimension ratio T1 / T2 between the first plate portion 11a and the second plate portion 12a is larger than 1.8, the second plate portion 12a is thick, and thus has the second plate portion 12a.
  • the nozzle plate 12 may be increased in weight and cost.
  • the thickness ratio T1 / T2 between the first plate portion 11a and the second plate portion 12a is 1.3 to 1.8, the amount of thermal deformation of the second plate portion 12a at a high temperature.
  • the nozzle plate 12 having the second plate portion 12a can be prevented from being increased in weight and cost.
  • variable nozzle device 1 is configured such that the second plate portion 12 a of the nozzle plate 12 is thicker than the inner peripheral portion 11 c of the nozzle mount 11. Is formed. That is, as shown in FIG. 9, the thickness dimension T ⁇ b> 1 of the second plate portion 12 a of the nozzle plate 12 is larger than the thickness dimension T ⁇ b> 3 of the inner peripheral portion 11 c of the nozzle mount 11. In this case, since the second plate portion 12a of the nozzle plate 12 is formed thicker than the inner peripheral side portion 11c of the first plate portion 11a of the nozzle mount 11, the heat capacity of the second plate portion 12a is increased. It is possible to increase the rigidity of the second plate portion 12a.
  • the conventional variable nozzle device has malfunctioned during transient heating, which is the time when the variable nozzle device starts to operate.
  • the present inventors have found that the cause is the difference in the heating rate between the nozzle support 13 and the nozzle vane 14 during the transient heating.
  • the nozzle vane 14 is provided with a gap between the nozzle plate 12 and the nozzle plate 12 so that the nozzle vane 14 can rotate smoothly. Therefore, the performance of the variable nozzle device is degraded.
  • the gap between the nozzle vane 14 and the nozzle plate 12 is formed as small as possible.
  • the nozzle vane 14 that has received the thermal energy of the exhaust gas has a higher temperature rise rate than the nozzle support 13 that has also received the thermal energy of the exhaust gas, and is first heated to a larger length in FIG. Extends left and right.
  • the nozzle support 13 also extends in the left-right direction in FIG. 1 so as to increase its own length dimension, but there is a difference in thermal expansion amount with the nozzle vane 14.
  • the gap between the nozzle vane 14 and the nozzle plate 12 becomes narrower, or the tip of the nozzle vane 14 contacts the nozzle plate 12, so that the rotation operation of the nozzle vane 14 is hindered and variable.
  • the nozzle device 1 causes a malfunction.
  • Some embodiments described below are for preventing malfunction of the variable nozzle device 1 during transient heating.
  • the variable nozzle device 1 includes a nozzle mount 11 as described above, a nozzle plate 12 as described above, and at least one nozzle support as described above, as shown in FIGS. 13, at least one nozzle vane 14 described above, and the variable nozzle mechanism 15 described above.
  • the nozzle support 13 has both end portions (first large diameter) of the body portion 13c at the center portion in the axial direction in the body portion 13c located between the nozzle mount 11 and the nozzle plate 12.
  • the portion 13h has a third small diameter portion 13j having a smaller shaft diameter than the second large diameter portion 13i). That is, the body portion of the nozzle support has the third small diameter portion 13j at the center portion, and the first large diameter portion 13h and the second large diameter portion 13i having larger diameters than the third small diameter portion 13j at both ends. It is.
  • each of the samples 31 to 35 in FIG. 8 is the nozzle support 13 having the first large diameter portion 13h, the second large diameter portion 13i, and the third small diameter portion 13j described above.
  • a sample 31 in FIG. 8 is the nozzle support 13 in which the third small diameter portion 13j is formed in a columnar shape, and each of the samples 32 to 35 in FIG. 8 is constricted by the third small diameter portion 13j.
  • the nozzle support 13 is formed.
  • the bending rigidity of the nozzle support 13 is prevented from being lowered by having the first large diameter portion 13h and the second large diameter portion 13i at both ends of the body portion 13c of the nozzle support 13. Can do.
  • the heat capacity of the nozzle support 13 can be reduced, and the temperature increase rate of the nozzle support 13 at high temperatures can be increased. it can.
  • the difference in thermal expansion between the nozzle support 13 and the nozzle vane 14 during transient heating can be reduced. It is possible to prevent malfunction of the variable nozzle device 1 due to the gap between the nozzles 12 being narrowed or the nozzle vanes 14 coming into contact with the nozzle plate 12.
  • the second plate portion 12 a of the nozzle plate 12 is formed thicker than the first plate portion 11 a of the nozzle mount 11, and the nozzle support 13 may have a first large-diameter portion 13h, a second large-diameter portion 13i, and a third small-diameter portion 13j in the body portion 13c.
  • damage to the nozzle plate 12 and the nozzle support 13 can be prevented, and malfunction of the variable nozzle device 1 can be prevented.
  • the materials of the nozzle support 13 and the nozzle vane 14 are not particularly mentioned, but the nozzle support 13 is preferably made of a material having a higher linear expansion coefficient than the nozzle vane 14. . This is because the difference in thermal expansion between the nozzle support 13 and the nozzle vane 14 during transient heating can be reduced.
  • the nozzle support 13 is formed with a constricted portion 13k at the third small diameter portion 13j as shown in FIG. More specifically, the nozzle support 13 is formed such that the third small-diameter portion 13j has an axial diameter that increases from the central side in the axial direction toward both end portions.
  • the third small-diameter portion 13j is formed so that the axial diameter increases from the central side in the axial direction toward both ends, so the central portion in the axial direction is formed in a columnar shape.
  • the shaft diameter of the third small diameter portion 13j of the nozzle support 13 can be reduced while preventing the bending rigidity of the nozzle support 13 from being lowered. For this reason, such a nozzle support 13 can make a heat capacity smaller.
  • the nozzle support 13 preferably has a shape in which no step surface is formed between the constricted portion 13k and the first large-diameter portion 13h and between the constricted portion 13k and the second large-diameter portion 13i. This is because when the stepped surface is formed, stress may concentrate locally on the connection portion between the constricted portion 13k and the first large diameter portion 13h or the second large diameter portion 13i.
  • the nozzle support 13 includes the first large-diameter portion 13h described above, the second large-diameter portion 13i described above, and the third small-diameter portion 13j described above. .
  • the nozzle support 13 has an axial diameter ratio D3 / D2 of 0.6 to 0.9 when the minimum diameter of the third small diameter portion 13j is D3 and the diameter of the second large diameter portion 13i is D2. Is.
  • the axial diameter ratio D3 / D2 of the nozzle support 13 is smaller than 0.6, there is a possibility that a decrease in the bending rigidity of the nozzle support 13 cannot be prevented.
  • the axial diameter ratio D3 / D2 of the nozzle support 13 is larger than 0.9, there is a possibility that the heat capacity of the nozzle support 13 cannot be reduced as the temperature increase rate of the nozzle support 13 at a high temperature is increased.
  • the axial diameter ratio D3 / D2 of the nozzle support 13 is 0.6 to 0.9, the heat capacity of the nozzle support 13 is reduced while preventing the bending rigidity of the nozzle support 13 from being lowered. be able to.
  • the nozzle support 13 includes the first large-diameter portion 13h described above, the second large-diameter portion 13i described above, and the third small-diameter portion 13j described above.
  • the length dimension in the axial direction of the second large diameter part 13i is H
  • the length dimension in the axial direction of the first large diameter part 13h, the second large diameter part 13i, and the third small diameter part 13j is L
  • the length dimension ratio H / L is 0.1 to 0.3.
  • the length dimension ratio H / L of the nozzle support 13 is smaller than 0.1, there is a possibility that a decrease in the bending rigidity of the nozzle support 13 cannot be prevented. Further, when the length dimension ratio H / L of the nozzle support 13 is larger than 0.3, there is a possibility that the heat capacity of the nozzle support 13 cannot be reduced as the temperature increase rate of the nozzle support 13 at a high temperature is increased. On the other hand, when the length dimension ratio H / L of the nozzle support 13 is 0.1 to 0.3, the heat capacity of the nozzle support 13 is reduced while preventing the bending rigidity of the nozzle support 13 from being lowered. can do.
  • the nozzle support 13 includes the first large-diameter portion 13h, the second large-diameter portion 13i, the third small-diameter portion 13j, and the second small-diameter described above. Part 13f.
  • the nozzle support 13 has a shaft diameter ratio D1 / D2 of 0.6 to 0.8 when the shaft diameter of the second small diameter portion 13f is D1 and the shaft diameter of the second large diameter portion 13i is D2. It will be.
  • the axial diameter ratio D1 / D2 of the nozzle support 13 is smaller than 0.6, there is a possibility that the heat capacity of the nozzle support 13 cannot be reduced as the temperature increase rate of the nozzle support 13 at a high temperature is increased.
  • the axial diameter ratio D1 / D2 of the nozzle support 13 is larger than 0.8, there is a possibility that a decrease in the bending rigidity of the nozzle support 13 cannot be prevented.
  • the axial diameter ratio D1 / D2 of the nozzle support 13 is 0.6 to 0.8, the heat capacity of the nozzle support is reduced while preventing the bending rigidity of the nozzle support 13 from being lowered. Can do.
  • variable displacement exhaust turbocharger 2 includes a variable nozzle having the configuration described in any one of the above-described embodiments (see FIGS. 1 to 9).
  • a device 1 is provided.
  • variable displacement exhaust turbocharger 2 includes the variable nozzle device 1 having the configuration described in any one of the above-described embodiments (see FIGS. 1 to 9). Therefore, it is possible to prevent the performance deterioration or malfunction of the variable nozzle device 1 due to the thermal deformation of each component used in the variable nozzle device 1 at a high temperature. For this reason, since the variable displacement exhaust turbocharger 2 maintains the performance of the variable nozzle device 1 at high temperatures, the supercharging pressure of air supplied to the engine at high temperatures can be adjusted.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes forms obtained by modifying the above-described embodiments and forms obtained by appropriately combining these forms.
  • Variable nozzle apparatus 1a Axis 11 Nozzle mount 11a 1st board part 11b Outer peripheral part 11c Inner peripheral part 11d Opposing surface 11e Surface 11f, 11g Through-hole 12 Nozzle plate 12a Second plate part 12b Opposing surface 12c Surface 12d Through-hole 12e Extension part 13 Nozzle support 13a Nozzle mount connection part 13b Nozzle plate connection part 13c Body part 13d First small diameter part 13e First large diameter part 13f Second small diameter part 13g Second large diameter part 13h First large diameter part 13i Second Large diameter portion 13j Third small diameter portion 13k Constricted portion 14 Nozzle vane 14a Nozzle shaft 15 Variable nozzle mechanism 16 Lever plate 17 Drive ring 2 Variable displacement exhaust turbocharger 21 Turbine rotor 21a Rotating shaft 22 Turbine housing 23 Bearing 24 Bearing housing 24a Internal space 25 Exhaust gas flow 25a Scroll channel 25b Nozzle channel 26 Exhaust outlet 27 Back plate 31, 32, 33, 34, 35 Sample D1 Axial diameter D2 of second

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Abstract

軸受ハウジングに固定される環状の第1板部を有する第1板状部材と、第1板部との間にノズル流路を画定する環状の第2板部を有する第2板状部材であって、第2板部の一面が第1板部に対向して配置されるとともに、第2板部の他面の少なくとも一部がタービンハウジング内に形成されるスクロール流路に面して配置される第2板状部材と、第1板部にその軸方向の一端が連結されるとともに、第2板部にその軸方向の他端が連結される少なくとも一つのノズルサポートと、第1板部と第2板部の間に回転可能に支持される少なくとも一つのノズルベーンと、ノズルベーンの翼角を変化させる可変ノズル機構と、を備え、第2板部は、第1板部よりも肉厚に形成される。

Description

可変ノズル装置及び可変容量型排気ターボ過給機
 本開示は、可変ノズル装置及び可変ノズル装置を備える可変容量型排気ターボ過給機に関する。
 排気ターボ過給機は、エンジンから排出される排気ガスのエネルギを利用して、該エンジンに供給される空気を過給するものである。従来、排気ターボ過給機には、例えば車両用のディーゼルエンジンに用いられるような、可変ノズル装置を備える可変容量型のものがある(特許文献1、2参照)。
 可変容量型排気ターボ過給機は、タービンハウジング、軸受ハウジング及びこれらを組み合わせたものの内部に取付けられる可変ノズル装置などを備えるものである。そして、可変容量型排気ターボ過給機は、エンジンから排出される排気ガスのエネルギが、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を回転させる動力になり、タービンロータの回転を利用してエンジンに供給される空気が過給される。ここで、上述した排気ガスは、タービンハウジング内に形成されるスクロール状の排気ガス流路であるスクロール流路を通り、その次に可変ノズル装置により画定された排気ガス流路であるノズル流路を通った後に、タービンロータに供給される。
 可変ノズル装置は、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ており、ノズルマウントとノズルプレートとの間に形成される空間が上述したノズル流路になる。そして、可変ノズル装置は、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ており、可変ノズル機構によりノズルベーンの翼角を変化させることが可能になっている。さらに、可変ノズル装置は、ノズルベーンの翼角を変化させることで、タービンロータに供給される排気ガスの流路面積を拡大縮小させることができ、これに伴いタービンロータに供給される排気ガスの流速やタービンロータへの供給量を調整して、エンジンに供給される空気の過給圧を調整することができる。
 なお、従来の可変ノズル装置におけるノズルサポートは、特許文献2のノズルサポート(特許文献2の図3参照)のように、ノズルマウントとノズルプレートの間に位置する胴体部は円柱状に形成されている。
特開2014-152629号公報 特開2014-34910号公報
 しかしながら、従来の可変容量型排気ターボ過給機は、ディーゼルエンジンから排出される排気ガスが約850℃の高温となる場合があり、可変ノズル装置に用いられるノズルマウント、ノズルプレート及びノズルサポートなどの各部品に熱変形が生じて可変ノズル装置の性能の低下や作動不良が生じるおそれがある。また、可変ノズル装置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対して適用した場合には、ガソリンエンジンから排出される排気ガスが約950℃の高温となる場合があり、可変ノズル装置の各部品に熱変形が生じて可変ノズル装置の性能の低下や作動不良が生じるおそれがさらに高まる。
 上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、高温下における可変ノズル装置に用いられる各部品の熱変形による可変ノズル装置の性能低下や作動不良を防止することができる可変ノズル装置、及び該可変ノズル装置を備える可変容量型排気ターボ過給機を提供することを目的とする。
(1)本発明の少なくとも一実施形態に係る可変ノズル装置は、
 軸受ハウジングに固定される環状の第1板部を有する第1板状部材と、
 前記第1板部との間にノズル流路を画定する環状の第2板部を有する第2板状部材であって、前記第2板部の一面が前記第1板部に対向して配置されるとともに、前記第2板部の他面の少なくとも一部がタービンハウジング内に形成されるスクロール流路に面して配置される第2板状部材と、
 前記第1板部にその軸方向の一端が連結されるとともに、前記第2板部にその軸方向の他端が連結される少なくとも一つのノズルサポートと、
 前記第1板部と前記第2板部の間に回転可能に支持される少なくとも一つのノズルベーンと、
 前記ノズルベーンの翼角を変化させる可変ノズル機構と、を備え、
 前記第2板部は、前記第1板部よりも肉厚に形成される。
 上記(1)の構成によれば、第2板状部材は、第1板状部材の第1板部と対向する第2板部の一面がノズル流路を通る高温の排気ガスに接するとともに、第2板部の他面の少なくとも一部がタービンハウジング内に形成されるスクロール流路を通る高温の排気ガスに接するものである。この第2板状部材の第2板部を第1板状部材の第1板部よりも肉厚に形成することで、第2板部の熱容量を大きくすることができ、かつ、第2板部の剛性を高くすることができる。そして、第2板部の熱容量が大きく、剛性が高いことにより、第2板部の波打ち変形を防止することができるとともに、第2板部の排気ガスによる熱変形量を小さくすることができる。第2板部の排気ガスによる熱変形量を小さくすることにより、第2板部に連結されるノズルサポートに作用するせん断力や曲げモーメントを小さくすることができ、第2板状部材やノズルサポートの損傷を防止することができるとともに、可変ノズル装置の性能低下や作動不良を防止することができる。また、第1板状部材や第2板状部材などの可変ノズル装置の部品に、高価な耐熱合金ではなくステンレス鋼を用いることができるので、可変ノズル装置の製作に掛かる費用を低減することができる。
 したがって、上記の構成によれば、高温下における可変ノズル装置に用いられる各部品の熱変形による可変ノズル装置の性能低下や作動不良を防止することができる。
(2)幾つかの実施形態では、上記(1)の構成において、
 前記第2板部の厚さ寸法をT1とし、前記第1板部の厚さ寸法をT2としたときに、厚さ寸法比T1/T2が1.3~1.8である。
 上記(2)の構成によれば、第2板部の厚さ寸法をT1とし、第1板部の厚さ寸法をT2としたときに、厚さ寸法比T1/T2が1.3~1.8である。ここで、第1板部と第2板部の厚さ寸法比T1/T2が1.3より小さい場合には、第2板部の肉厚が薄いので、高温下における第2板部の熱変形量を小さくできないおそれがある。また、第1板部と第2板部の厚さ寸法比T1/T2が1.8より大きい場合には、第2板部の肉厚が厚いので、第2板部を有する第2板状部材の重量化や高価格化を招くおそれがある。これに対して、第1板部と第2板部の厚さ寸法比T1/T2が1.3~1.8である場合には、高温下における第2板部の熱変形量を小さくすることができ、かつ、第2板部を有する第2板状部材の重量化や高価格化を防止することができる。
(3)幾つかの実施形態では、上記(1)又は(2)の構成において、
 前記第1板部は、前記ノズルベーンを支持する内周側部分と、前記内周側部分よりも外周側に位置する外周側部分とを含み、
 前記内周側部分は、前記外周側部分よりも肉厚に形成され、
 前記第2板部は、前記第1板部の前記内周側部分よりも肉厚に形成される。
 上記(3)の構成によれば、第2板状部材の第2板部は、第1板状部材の第1板部の内周側部分よりも肉厚に形成されるので、第2板部の熱容量を大きくすることができ、かつ、第2板部の剛性を高くすることができる。
(4)本発明の少なくとも一実施形態に係る可変ノズル装置は、
 軸受ハウジングに固定される環状の第1板部を有する第1板状部材と、
 前記第1板部との間にノズル流路を画定する環状の第2板部を有する第2板状部材であって、前記第2板部の一面が前記第1板部に対向して配置されるとともに、前記第2板部の他面の少なくとも一部がタービンハウジング内に形成されるスクロール流路に面して配置される第2板状部材と、
 前記第1板部にその軸方向の一端が連結されるとともに、前記第2板部にその軸方向の他端が連結される少なくとも一つのノズルサポートと、
 前記第1板部と前記第2板部の間に回転可能に支持される少なくとも一つのノズルベーンと、
 前記ノズルベーンの翼角を変化させる可変ノズル機構と、を備え、
 前記ノズルサポートは、前記第1板状部材と前記第2板状部材の間に位置する胴体部において軸方向の中央部に前記胴体部の両端部より軸径が小さく形成されている小径部を有する。
 上記(4)の構成によれば、ノズルサポートは、第1板状部材と第2板状部材の間に位置する胴体部において、軸方向の中央部に胴体部の両端部より軸径が小さい小径部を有する。すなわち、ノズルサポートの胴体部は、中央部に小径部を有するとともに、両端部に小径部よりも径が大きい大径部を有する。そして、ノズルサポートの胴体部の両端部に大径部を有することにより、ノズルサポートの曲げ剛性が低下することを防止することができる。また、ノズルサポートの胴体部の中央部に小径部を有することにより、ノズルサポートの熱容量を小さくすることができ、高温下におけるノズルサポートの昇温速度を上昇させることができる。さらに、高温下におけるノズルサポートの昇温速度を上昇させることにより、過渡加熱時におけるノズルサポートとノズルベーンの熱伸び量の差を小さくすることができ、ノズルベーンと第2板状部材との間の隙間が狭くなったり、ノズルベーンが第2板状部材に接触したりすることによる可変ノズル装置の作動不良を防止することができる。
 したがって、上記の構成によれば、高温下における可変ノズル装置に用いられる各部品の熱変形による可変ノズル装置の性能低下や作動不良を防止することができる。
(5)幾つかの実施形態では、上記(1)~(3)の構成において、
 前記ノズルサポートは、前記第1板状部材と前記第2板状部材の間に位置する胴体部において軸方向の中央に前記胴体部の両端部より軸径が小さく形成されている小径部を有する。
 上記(5)の構成によれば、ノズルサポートは、第1板状部材と第2板状部材の間に位置する胴体部において、軸方向の中央部に胴体部の両端部より軸径が小さい小径部を有する。すなわち、ノズルサポートの胴体部は、中央部に小径部を有するとともに、両端部に小径部よりも径が大きい大径部を有する。そして、ノズルサポートの胴体部の両端部に大径部を有することにより、ノズルサポートの曲げ剛性が低下することを防止することができる。また、ノズルサポートの胴体部の中央部に小径部を有することにより、ノズルサポートの熱容量を小さくすることができ、高温下におけるノズルサポートの昇温速度を上昇させることができる。さらに、高温下におけるノズルサポートの昇温速度を上昇させることにより、過渡加熱時におけるノズルサポートとノズルベーンの熱伸び量の差を小さくすることができ、ノズルベーンと第2板状部材との間の隙間が狭くなったり、ノズルベーンが第2板状部材に接触したりすることによる可変ノズル装置の作動不良を防止することができる。
(6)幾つかの実施形態では、上記(4)又は(5)の構成において、
 前記小径部は、軸方向の中央側から両端部側に向かうにつれて軸径が大きくなるように形成されている。
 上記(6)の構成によれば、小径部は、軸方向の中央側から両端部側に向かうにつれて軸径が大きくなるように形成されているので、軸方向の中央部が円柱状に形成されている場合に比べて、ノズルサポートの曲げ剛性の低下を防止しつつ、ノズルサポートの小径部の軸径を小さくすることができる。このため、このようなノズルサポートは、熱容量をより小さなものにすることができる。
(7)幾つかの実施形態では、上記(4)~(6)の構成において、
 前記ノズルサポートは、
 前記第2板状部材側において前記小径部に連続して設けられて、前記第2板状部材に連結される第2板状部材側連結部よりも径が大きく形成されている第2板状部材側大径部を有し、
 前記小径部の最小径をD3とし、前記第2板状部材側大径部の径をD2としたときに、軸径比D3/D2が0.6~0.9である。
 上記(7)の構成によれば、ノズルサポートは、小径部の最小径をD3とし、第2板状部材側大径部の径をD2としたときに、軸径比D3/D2が0.6~0.9である。ここで、ノズルサポートの軸径比D3/D2が0.6より小さい場合には、ノズルサポートの曲げ剛性の低下を防止できないおそれがある。また、ノズルサポートの軸径比D3/D2が0.9より大きい場合には、高温下におけるノズルサポートの昇温速度を上昇させる程、ノズルサポートの熱容量を小さくできないおそれがある。これに対して、ノズルサポートの軸径比D3/D2が0.6~0.9である場合には、ノズルサポートの曲げ剛性の低下を防止しつつ、ノズルサポートの熱容量を小さくすることができる。
(8)幾つかの実施形態では、上記(7)の構成において、
 前記ノズルサポートは、
 前記第1板状部材側において前記小径部に連続して設けられて、前記第1板状部材に連結される第1板状部材側連結部よりも径が大きく形成されている第1板状部材側大径部を有し、
 前記第2板状部材側大径部の軸方向における長さ寸法をHとし、前記第1板状部材側大径部、前記第2板状部材側大径部及び前記小径部の軸方向における長さ寸法の合計をLとしたときに、長さ寸法比H/Lが0.1~0.3であり、
 前記第2板状部材側連結部の径をD1としたときに、軸径比D1/D2が0.6~0.8である。
 上記(8)の構成によれば、ノズルサポートは、第2板状部材側大径部の軸方向における長さ寸法をHとし、第1板状部材側大径部、第2板状部材側大径部及び小径部の軸方向における長さ寸法の合計をLとしたときに、長さ寸法比H/Lが0.1~0.3である。ここで、ノズルサポートの長さ寸法比H/Lが0.1より小さい場合には、ノズルサポートの曲げ剛性の低下を防止できないおそれがある。また、ノズルサポートの長さ寸法比H/Lが0.3より大きい場合には、高温下におけるノズルサポートの昇温速度を上昇させる程、ノズルサポートの熱容量を小さくできないおそれがある。これに対して、ノズルサポートの長さ寸法比H/Lが0.1~0.3である場合には、ノズルサポートの曲げ剛性の低下を防止しつつ、ノズルサポートの熱容量を小さくすることができる。
 また、ノズルサポートは、第2板状部材側連結部の径をD1とし、第2板状部材側大径部の径をD2としたときに、軸径比D1/D2が0.6~0.8である。ここで、ノズルサポートの軸径比D1/D2が0.6より小さい場合には、高温下におけるノズルサポートの昇温速度を上昇させる程、ノズルサポートの熱容量を小さくできないおそれがある。また、ノズルサポートの軸径比D1/D2が0.8より大きい場合には、ノズルサポートの曲げ剛性の低下を防止できないおそれがある。これに対して、ノズルサポートの軸径比D1/D2が0.6~0.8である場合には、ノズルサポートの曲げ剛性の低下を防止しつつ、ノズルサポートの熱容量を小さくすることができる。
(9)本発明の少なくとも一実施形態に係る可変容量型排気ターボ過給機は、
 上記(1)から(8)のいずれか一つに記載の構成を有する可変ノズル装置を備える。
 上記(9)の構成によれば、可変容量型排気ターボ過給機は、上記(1)から(8)のいずれか一つに記載の構成を有する可変ノズル装置を備えるので、高温下における可変ノズル装置に用いられる各部品の熱変形による可変ノズル装置の性能低下や作動不良を防止することができる。このため、可変容量型排気ターボ過給機は、高温下において可変ノズル装置の性能が維持されるので、高温下においてエンジンに供給される空気の過給圧を調整することができる。
 本発明の少なくとも一実施形態によれば、高温下における可変ノズル装置に用いられる各部品の熱変形による可変ノズル装置の性能低下や作動不良を防止することができる可変ノズル装置、及び該可変ノズル装置を備える可変容量型排気ターボ過給機が提供される。
本発明の一実施形態にかかる可変ノズル装置、を備える可変容量型排気ターボ過給機を概略的に示す断面図である。 図1に示すA-A線矢視の概略断面図である。 図2に示すB-B線矢視の概略断面図である。 ノズルマウント及びノズルプレートが伸び変形し、これら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説明するための説明図である。 本発明の他の一実施形態にかかる可変ノズル装置を概略的に示す図であって、図2に示すB-B線矢視に相当する概略断面図である。 本発明の他の一実施形態におけるノズルサポートを示す図であって、胴体部に円柱状に形成されている小径部を有するノズルサポートの正面図である。 本発明の他の一実施形態におけるノズルサポートを示す図であって、胴体部に括れが形成されている小径部を有するノズルサポートの正面図である。 図6又は図7に示すノズルサポートにおける実施例を例示する表である。 本発明におけるノズルサポートが異なる他の一実施形態にかかる可変ノズル装置を概略的に示す図であって、図2に示すB-B線矢視に相当する概略断面図である。
 以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
 例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
 例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
 例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
 一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
 図1は、本発明の一実施形態にかかる可変ノズル装置、を備える可変容量型排気ターボ過給機を概略的に示す断面図である。図2は、図1に示すA-A線矢視の概略断面図である。図3は、図2に示すB-B線矢視の概略断面図である。図4は、ノズルマウント及びノズルプレートが伸び変形し、これら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説明するための説明図である。図5は、本発明の他の一実施形態にかかる可変ノズル装置を概略的に示す図であって、図2に示すB-B線矢視に相当する概略断面図である。図6は、本発明の他の一実施形態におけるノズルサポートを示す図であって、胴体部に円柱状に形成されている小径部を有するノズルサポートの正面図である。図7は、本発明の他の一実施形態におけるノズルサポートを示す図であって、胴体部に括れが形成されている小径部を有するノズルサポートの正面図である。図8は、図6又は図7に示すノズルサポートにおける実施例を例示する表である。図9は、本発明におけるノズルサポートが異なる他の一実施形態にかかる可変ノズル装置を概略的に示す図であって、図2に示すB-B線矢視に相当する概略断面図である。
 以下、可変ノズル装置1、及び、可変ノズル装置1を備える可変容量型排気ターボ過給機2が備える各々の構成について、それぞれ説明する。
 図1~図9に示される実施形態では、可変容量型排気ターボ過給機2は、図1に示されるような、タービンロータ21を内部に収納するタービンハウジング22と、タービンロータ21の回転軸21aを回転可能に支持する軸受23を内部に収納する軸受ハウジング24と、これらを組み合わせたものの内部に取付けられる可変ノズル装置1と、を備えるものである。タービンハウジング22と軸受ハウジング24は、図1に示されるように、後述するノズルマウント11の第1板部11aの外周縁部を同図中左右方向から挟み込んだ状態で、例えばボルトなどの締結手段により互いに締結されている。
 また、図示してはいないが、可変容量型排気ターボ過給機2は、軸受ハウジング24を挟んでタービンハウジング22とは反対側の位置にコンプレッサハウジングをさらに備えるものである。このコンプレッサハウジングは、軸受ハウジング24に連結されており、その内部にコンプレッサロータを収納するものである。そして、コンプレッサロータは、タービンロータ21の回転軸21aに連結されており、回転軸21aの回転に連動して回転してエンジンに供給される空気を過給するものである。また、タービンハウジング22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流路25であるスクロール流路25aが形成されている。
 可変ノズル装置1は、図1に示すように、その軸線1aがタービンロータ21の軸線に対して同一直線状になるように配置されており、タービンロータ21に対して、タービンロータ21の軸線(図1の軸線1aと同一直線上の線)に垂直方向(図1中上下方向)外側に配置されている。そして、可変ノズル装置1は、スクロール流路25aとタービンロータ21との間に、排気ガス流路25であるノズル流路25bを形成するものである。図1、4における矢印fは、排気ガスの流れを示すためのものである。エンジンから排出される排気ガスは、スクロール流路25aを通り、その次に可変ノズル装置1により画定されたノズル流路25bを通った後に、タービンロータ21に供給される。そして、排気ガスは、タービンロータ21に供給された後に排気出口26からタービンハウジング22の外部に排出される。
 可変ノズル装置1は、図1、2、3、4、5、9に示されるような、ノズルマウント11(第1板状部材)と、ノズルプレート12(第2板状部材)と、少なくとも一つのノズルサポート13と、少なくとも一つのノズルベーン14と、可変ノズル機構15と、を備えるものである。
 ノズルマウント11は、環状かつ略板状に形成されている。より詳細には、ノズルマウント11は、図1、3、5、9に示されるような、環状の第1板部11aを有している。この第1板部11aは、図3、5、9に示されるような、ノズルベーン14を支持する内周側部分11cと、内周側部分11cよりも外周側に位置する外周側部分11bと、を有するものであり、これらは一体的に形成されている。そして、内周側部分11cは、外周側部分11bよりも肉厚に形成されている。
 また、図1、3、5、9に示されるように、ノズルマウント11の外周側部分11bには、ノズルサポート13のノズルマウント連結部13aを係止するための貫通孔11fがノズルサポート13の数だけ形成されている。この貫通孔11fは、軸受ハウジング24側の面11e側に、貫通孔11fの軸方向において面11eに近づくにつれて徐々に軸径が大きくなる拡径部を有している。ノズルサポート13が複数設けられる場合には、第1板部11aの面11eを正面から見た際に、複数の貫通孔11fは円周上に互いに間隔をおいて設けられている。
 そして、図1、3、5、9に示されるように、ノズルマウント11の内周側部分11cには、ノズルベーン14のノズル軸14aを回転可能に支持するための円柱状の貫通孔11gがノズルベーン14の数だけ形成されている。ノズルベーン14が複数設けられる場合には、第1板部11aの面11eを正面から見た際に、複数の貫通孔11gは円周上に互いに間隔をおいて設けられている。
 ノズルマウント11は、図1に示すように、その第1板部11aの外周縁部がタービンハウジング22と軸受ハウジング24との間に挟まれた状態で、タービンハウジング22と軸受ハウジング24とを例えばボルトなどの締結手段により締結することにより、軸受ハウジング24に固定されている。このため、ノズルマウント11を備える可変ノズル装置1もまた、軸受ハウジング24に固定されている。そして、ノズルマウント11の第1板部11aの面11eと、軸受ハウジング24に形成されている環状の溝部とにより、それらの内部に内部空間24aが画定されている。さらに、図1に示すように、ノズルマウント11の内周側の縁部と軸受ハウジング24との間には環状のバックプレート27が配置されている。
 ノズルプレート12は、環状かつ略板状に形成されている。より詳細には、ノズルプレート12は、図1、3、5、9に示されるような、環状かつ板状の第2板部12aと、第2板部12aの内周縁部よりタービンロータ21の外周形状に沿うように、ノズルマウント11とは反対側(図1中右側)に延在する延在部12eと、を有するものであり、これらは一体的に形成されている。また、図1、3、5、9に示されるように、ノズルプレート12の第2板部12aには、ノズルサポート13のノズルプレート連結部13bを係止するための貫通孔12dがノズルサポート13の数だけ形成されている。この貫通孔12dは、ノズルマウント11の貫通孔11fに対応する位置に配置されており、ノズルマウント11とは反対側の面12c側に、貫通孔12dの軸方向において面12cに近づくにつれて徐々に軸径が大きくなる拡径部を有している。
 ノズルプレート12は、図1、3、5、9に示されるように、第2板部12aの対向面12bがノズルマウント11の第1板部11aの対向面11dに対向するように配置されており、ノズルサポート13によりノズルマウント11から離間して支持されている。このため、図1に示されるように、ノズルマウント11の第1板部11aとノズルプレート12の第2板部12aとの間にノズル流路25bが画定されている。また、図1に示されるように、ノズルプレート12は、第2板部12aの対向面12bとは反対側の面12cの少なくとも一部が、上述したスクロール流路25aに面して配置されている。より具体的には、ノズルプレート12は、反対側の面12cの、ノズルプレート12の径方向(図1中左右方向)における長さ寸法の半分以上がスクロール流路25aに面して配置されている。
 ノズルサポート13は、図1、3、5、6、7、9に示されるような、ノズルマウント11の第1板部11aに連結されるノズルマウント連結部13aと、ノズルプレート12の第2板部12aに連結されるノズルプレート連結部13bと、ノズルマウント連結部13aとノズルプレート連結部13bの間にこれらに連続して設けられる胴体部13cと、を有するものであり、これらは一体的に形成されている。
 ノズルサポート13のノズルマウント連結部13aは、図6、7に示されるような、胴体部13c側に設けられて、その軸方向に延在する円柱状の第1小径部13dと、第1小径部13dに連続して設けられて、第1小径部13dからその軸方向に離れるにつれて徐々に軸径が大きくなるように形成されている第1拡径部13eと、を有するものであり、これらは一体的に形成されている。また、ノズルサポート13のノズルプレート連結部13bは、図6、7に示されるような、胴体部13c側に設けられて、その軸方向に延在する円柱状の第2小径部13fと、第2小径部13fに連続して設けられて、第2小径部13fからその軸方向に離れるにつれて徐々に軸径が大きくなるように形成されている第2拡径部13gと、を有するものであり、これらは一体的に形成されている。
 そして、ノズルサポート13の軸方向の一端に設けられるノズルマウント連結部13aは、図1、3、5、9に示されるように、ノズルマウント11の第1板部11aに形成されている貫通孔11fに、その第1小径部13d及び第1拡径部13eが係止されることにより、第1板部11aに連結されている。また、ノズルサポート13の軸方向の他端に設けられるノズルプレート連結部13bは、図1、3、5、9に示されるように、ノズルプレート12の第2板部12aに形成されている貫通孔12dに、その第2小径部13f及び第2拡径部13gが係止されることにより、第2板部12aに連結されている。
 なお、ノズルマウント連結部13aの第1拡径部13e及びノズルプレート連結部13bの第2拡径部13gの少なくとも一方は、ノズルマウント11、ノズルプレート12に連結される際に形成されるようになっていてもよく、連結される前は形成されていなくても構わない。
 幾つかの実施形態においては、ノズルサポート13の胴体部13cは、図1、3に示されるような、その軸方向の全域にわたって、ノズルマウント連結部13aの第1小径部13d及びノズルプレート連結部13bの第2小径部13fよりも軸径が大きく形成されているとともに、その軸方向に延在する円柱状に形成されている。
 また、他の幾つかの実施形態においては、ノズルサポート13の胴体部13cは、図5、6、7、9に示されるような、ノズルマウント連結部13a側においてその軸方向に延在する円柱状に形成されている第1大径部13hと、ノズルプレート連結部13b側においてその軸方向に延在する円柱状に形成されている第2大径部13iと、第1大径部13hと第2大径部13iの間にこれらに連続して設けられる第3小径部13jと、を有するものであり、これらは一体的に形成されている。そして、第1大径部13hは、ノズルマウント連結部13aの第1小径部13dよりも径が大きく形成されている。また、第2大径部13iは、ノズルプレート連結部13bの第2小径部13fよりも径が大きく形成されている。また、第3小径部13jは、その最小径が第1大径部13h及び第2大径部13iよりも径が小さく形成されている。
 ノズルベーン14は、図1、3、5、9に示されるように、そのノズル軸14aがノズルマウント11の貫通孔11fに挿通して回転可能に支持されている。また、ノズルベーン14は、図1、3、5、9に示されるように、その先端部14bがノズルマウント11とノズルプレート12の間に配置されており、先端部14bとノズルプレート12との間に隙間が形成されている。
 可変ノズル機構15は、図1~3、5、9に示されるような、少なくとも一つのレバープレート16と、ドライブリング17と、を備えるものであり、内部空間24a内に配置されている。レバープレート16は、ノズルベーン14と同じ数だけ設けられており、複数の場合には、図2に示すように、円周上に互いに間隔をおいて離れて配置されている。また、レバープレート16は、一端が内部空間24a内に突出するノズル軸14aの突出部に連結されており、他端はドライブリング17に連結されている。ドライブリング17は、環状かつ板状に形成されており、その内周面が、ノズルマウント11の外周側部分11bと内周側部分11cとの間に形成された段差面に対向するように配置されている。また、ドライブリング17は、ノズルマウント11に対して回転可能に設けられている。
 このため、可変ノズル機構15は、ドライブリング17を所定角度回転させることで、レバープレート16が連動して動作して、ノズルベーン14の翼角を変化させることが可能になっている。さらに、可変ノズル装置1は、ノズルベーン14の翼角を変化させることで、タービンロータ21に供給される排気ガスの流路面積を拡大縮小させることができ、これに伴いタービンロータ21に供給される排気ガスの流速やタービンロータ21への供給量を調整して、エンジンに供給される空気の過給圧を調整することができる。
 なお、可変ノズル機構15は、ノズルベーン14の翼角を変化させることができるようになっていればよく、上述した実施形態にのみ限定されるものではない。
 次に、可変ノズル装置の各部品に熱変形が生じて可変ノズル装置の性能が低下する一例を本発明の図を用いて示す。
 従来の可変ノズル装置は、例えば、図4に示すように、排気ガスによりステンレス鋼などで形成されているノズルマウント11及びノズルプレート12に熱変形が生じる。この際、軸受ハウジング24に固定されて、ノズルプレート12と対向する対向面11dだけがノズル流路25bを通る高温の排気ガスに接するとともに、低温である軸受ハウジング24に熱が移動するノズルマウント11と、ノズルマウント11と対向する対向面12bがノズル流路25bを通る高温の排気ガスに接するとともに、対向面12bとは反対側の面12cがスクロール流路25aを通る高温の排気ガスに接するノズルプレート12とでは、排気ガスから加えられる熱エネルギが異なるので、熱変形量もその分異なる。そして、可変ノズル装置1は、ノズルマウント11とノズルプレート12との熱変形量の違いから、ノズルプレート12におけるノズルサポート13と連結される第2板部12aが波打ち変形して、ノズルマウント11、ノズルプレート12及びこれらを連結するノズルサポート13にせん断力や曲げモーメントが作用して、ノズルサポート13のノズルプレート連結部13bに係止されるノズルプレート12の貫通孔12dや、ノズルサポート13のノズルマウント連結部13a、ノズルプレート連結部13bに、せん断荷重や曲げ荷重が加えられることにより、ノズルプレート12やノズルサポート13が損傷するおそれがあり、これらが損傷すると可変ノズル装置1の性能が低下する。
 以下の幾つかの実施形態は、ノズルプレート12やノズルサポート13の損傷を防止するためのものである。
 幾つかの実施形態では、可変ノズル装置1は、図1、2、3、5、9に示されるような、上述したノズルマウント11と、上述したノズルプレート12と、上述した少なくとも一つのノズルサポート13と、上述した少なくとも一つのノズルベーン14と、上述した可変ノズル機構15と、を備えている。また、可変ノズル装置1は、図3、9に示されるように、ノズルプレート12の第2板部12aは、ノズルマウント11の第1板部11aよりも肉厚に形成されている。すなわち、ノズルプレート12の第2板部12aの厚さ寸法をT1は、ノズルマウント11の第1板部11aの厚さ寸法をT2より大きく形成されている。
 上記の構成によれば、ノズルプレート12は、ノズルマウント11の第1板部11aと対向する第2板部12aの対向面12bがノズル流路25bを通る高温の排気ガスに接するとともに、第2板部12aの面12cの少なくとも一部がタービンハウジング22内に形成されるスクロール流路25aを通る高温の排気ガスに接するものである。このノズルプレート12の第2板部12aをノズルマウント11の第1板部11aよりも肉厚に形成することで、第2板部12aの熱容量を大きくすることができ、かつ、第2板部12aの剛性を高くすることができる。そして、第2板部12aの熱容量が大きく、剛性が高いことにより、第2板部12aの波打ち変形を防止することができるとともに、第2板部12aの排気ガスによる熱変形量を小さくすることができる。第2板部12aの排気ガスによる熱変形量を小さくすることにより、第2板部12aに連結されるノズルサポート13に作用するせん断力や曲げモーメントを小さくすることができ、ノズルプレート12やノズルサポート13の損傷を防止することができるとともに、可変ノズル装置1の性能低下や作動不良を防止することができる。また、ノズルマウント11やノズルプレート12などの可変ノズル装置1の部品に、高価な耐熱合金ではなくステンレス鋼を用いることができるので、可変ノズル装置1の製作に掛かる費用を低減することができる。
 したがって、上記の構成によれば、高温下における可変ノズル装置1に用いられる各部品の熱変形による可変ノズル装置1の性能低下や作動不良を防止することができる。
 また、他の幾つかの実施形態では、可変ノズル装置1は、図3、9に示されるように、ノズルプレート12の第2板部12aの厚さ寸法をT1とし、ノズルマウント11の第1板部11aの厚さ寸法をT2としたときに厚さ寸法比T1/T2が1.3~1.8になるものである。
 上記の構成によれば、第2板部12aの厚さ寸法をT1とし、第1板部11aの厚さ寸法をT2としたときに、厚さ寸法比T1/T2が1.3~1.8である。ここで、第1板部11aと第2板部12aの厚さ寸法比T1/T2が1.3より小さい場合には、第2板部12aの肉厚が薄いので、高温下における第2板部12aの熱変形量を小さくできないおそれがある。また、第1板部11aと第2板部12aの厚さ寸法比T1/T2が1.8より大きい場合には、第2板部12aの肉厚が厚いので、第2板部12aを有するノズルプレート12の重量化や高価格化を招くおそれがある。これに対して、第1板部11aと第2板部12aの厚さ寸法比T1/T2が1.3~1.8である場合には、高温下における第2板部12aの熱変形量を小さくすることができ、かつ、第2板部12aを有するノズルプレート12の重量化や高価格化を防止することができる。
 また、他の幾つかの実施形態では、可変ノズル装置1は、図9に示されるように、ノズルプレート12の第2板部12aが、ノズルマウント11の内周側部分11cよりも肉厚に形成されている。すなわち、図9に示されるように、ノズルプレート12の第2板部12aの厚さ寸法をT1は、ノズルマウント11の内周側部分11cの厚さ寸法T3よりも大きく形成されている。この場合には、ノズルプレート12の第2板部12aは、ノズルマウント11の第1板部11aの内周側部分11cよりも肉厚に形成されるので、第2板部12aの熱容量を大きくすることができ、かつ、第2板部12aの剛性を高くすることができる。
 次に、可変ノズル装置の各部品に熱変形が生じて可変ノズル装置の性能が低下する他の一例を本発明の図を用いて示す。
 従来の可変ノズル装置は、可変ノズル装置が動作し始めた時期である過渡加熱時において作動不良が発生していた。本発明者らは、作動不良の結果を追求した結果、過渡加熱時におけるノズルサポート13と、ノズルベーン14との昇温速度の差が原因であることを見出した。まず、図3、5、9に示されるように、ノズルベーン14は、円滑に回転できるようにノズルプレート12との間に隙間が設けられており、この隙間が大きい場合には隙間を排気ガスが通るので、可変ノズル装置の性能低下を招くことになる。このため、ノズルベーン14とノズルプレート12との間の隙間はできる限り小さく形成されている。排気ガスの熱エネルギを受けたノズルベーン14は、同じく排気ガスの熱エネルギを受けたノズルサポート13よりも昇温速度が速く、先に高温になり自身の長さ寸法を大きくするように図1中左右方向に伸びる。ここで、ノズルサポート13も自身の長さ寸法を大きくするように図1中左右方向に伸びるが、ノズルベーン14との間に熱伸び量の差がある。このため、過渡加熱時において、ノズルベーン14とノズルプレート12との間の隙間が狭くなったり、ノズルベーン14の先端がノズルプレート12に接触したりするので、ノズルベーン14の回転動作が妨げられて、可変ノズル装置1は作動不良を生じる。
 以下の幾つかの実施形態は、過渡加熱時における可変ノズル装置1の作動不良を防止するためのものである。
 幾つかの実施形態では、可変ノズル装置1は、図1、2、3、5、9に示されるような、上述したノズルマウント11と、上述したノズルプレート12と、上述した少なくとも一つのノズルサポート13と、上述した少なくとも一つのノズルベーン14と、上述した可変ノズル機構15と、を備えている。また、ノズルサポート13は、図5、9に示されるような、ノズルマウント11とノズルプレート12の間に位置する胴体部13cにおいて軸方向の中央部に胴体部13cの両端部(第1大径部13h、第2大径部13i)より軸径が小さく形成されている第3小径部13jを有するものである。すなわち、ノズルサポートの胴体部は、中央部に第3小径部13jを有するとともに、両端部に第3小径部13jよりも径が大きい第1大径部13h及び第2大径部13iを有するものである。
 ここで、図8における試料31~35のそれぞれは、上述した第1大径部13h、第2大径部13i及び第3小径部13jを有するノズルサポート13である。そして、図8における試料31は、第3小径部13jが円柱状に形成されているノズルサポート13であり、また、図8における試料32~35のそれぞれは、第3小径部13jに括れ部13kが形成されているノズルサポート13である。試料31~35のそれぞれについて、本発明者らが非定常熱伝導解析を行った結果、胴体部13cが円柱状に形成されているノズルサポート13に比べて、昇温速度が向上することが確認されている。また、試料32~34のそれぞれは、試料31に比べて、昇温速度が向上することが確認されている。
 上記の構成によれば、ノズルサポート13の胴体部13cの両端部に第1大径部13h、第2大径部13iを有することにより、ノズルサポート13の曲げ剛性が低下することを防止することができる。また、ノズルサポート13の胴体部13cの中央部に第3小径部13jを有することにより、ノズルサポート13の熱容量を小さくすることができ、高温下におけるノズルサポート13の昇温速度を上昇させることができる。さらに、高温下におけるノズルサポート13の昇温速度を上昇させることにより、過渡加熱時におけるノズルサポート13とノズルベーン14の熱伸び量の差を小さくすることができ、ノズルベーン14とノズルプレート12との間の隙間が狭くなったり、ノズルベーン14がノズルプレート12に接触したりすることによる可変ノズル装置1の作動不良を防止することができる。
 したがって、上記の構成によれば、高温下における可変ノズル装置1に用いられる各部品の熱変形による可変ノズル装置1の性能低下や作動不良を防止することができる。
 なお、上述した幾つかの実施形態を組み合わせて新たな実施形態にしてもよい。例えば、可変ノズル装置1は、図9に示されるように、ノズルプレート12の第2板部12aが、ノズルマウント11の第1板部11aよりも肉厚に形成されており、かつ、ノズルサポート13が、その胴体部13cに第1大径部13h、第2大径部13i及び第3小径部13jを有するものであってもよい。この場合には、ノズルプレート12やノズルサポート13の損傷を防止することができるとともに、可変ノズル装置1の作動不良を防止することができる。
 また、上述した幾つかの実施形態においては、ノズルサポート13とノズルベーン14の材質については特に言及してはいないが、ノズルサポート13は、ノズルベーン14よりも線膨張係数が高い材料を用いることが好ましい。過渡加熱時におけるノズルサポート13とノズルベーン14の熱伸び量の差を小さくすることができるからである。
 また、他の幾つかの実施形態では、ノズルサポート13は、図9に示されるような、その第3小径部13jに括れ部13kが形成されている。より具体的には、ノズルサポート13は、その第3小径部13jが、軸方向の中央側から両端部側に向かうにつれて軸径が大きくなるように形成されている。この場合には、第3小径部13jは、軸方向の中央側から両端部側に向かうにつれて軸径が大きくなるように形成されているので、軸方向の中央部が円柱状に形成されている場合に比べて、ノズルサポート13の曲げ剛性の低下を防止しつつ、ノズルサポート13の第3小径部13jの軸径を小さくすることができる。このため、このようなノズルサポート13は、熱容量をより小さなものにすることができる。
 なお、ノズルサポート13は、括れ部13kと第1大径部13hとの間、及び、括れ部13kと第2大径部13iとの間、に段差面が形成されない形状が好ましい。段差面が形成されている場合には、括れ部13kと、第1大径部13h又は第2大径部13iと、の接続部に局所的に応力が集中するおそれがあるからである。
 また、他の幾つかの実施形態では、ノズルサポート13は、上述した第1大径部13hと、上述した第2大径部13iと、上述した第3小径部13jと、を有している。そして、ノズルサポート13は、第3小径部13jの最小径をD3とし、第2大径部13iの径をD2としたときに、軸径比D3/D2が0.6~0.9になるものである。ここで、ノズルサポート13の軸径比D3/D2が0.6より小さい場合には、ノズルサポート13の曲げ剛性の低下を防止できないおそれがある。また、ノズルサポート13の軸径比D3/D2が0.9より大きい場合には、高温下におけるノズルサポート13の昇温速度を上昇させる程、ノズルサポート13の熱容量を小さくできないおそれがある。これに対して、ノズルサポート13の軸径比D3/D2が0.6~0.9である場合には、ノズルサポート13の曲げ剛性の低下を防止しつつ、ノズルサポート13の熱容量を小さくすることができる。
 また、他の幾つかの実施形態では、ノズルサポート13は、上述した第1大径部13hと、上述した第2大径部13iと、上述した第3小径部13jと、を有している。そして、ノズルサポート13は、第2大径部13iの軸方向における長さ寸法をHとし、第1大径部13h、第2大径部13i及び第3小径部13jの軸方向における長さ寸法の合計(胴体部13cの軸方向における長さ寸法)をLとしたときに、長さ寸法比H/Lが0.1~0.3になるものである。ここで、ノズルサポート13の長さ寸法比H/Lが0.1より小さい場合には、ノズルサポート13の曲げ剛性の低下を防止できないおそれがある。また、ノズルサポート13の長さ寸法比H/Lが0.3より大きい場合には、高温下におけるノズルサポート13の昇温速度を上昇させる程、ノズルサポート13の熱容量を小さくできないおそれがある。これに対して、ノズルサポート13の長さ寸法比H/Lが0.1~0.3である場合には、ノズルサポート13の曲げ剛性の低下を防止しつつ、ノズルサポート13の熱容量を小さくすることができる。
 また、他の幾つかの実施形態では、ノズルサポート13は、上述した第1大径部13hと、上述した第2大径部13iと、上述した第3小径部13jと、上述した第2小径部13fと、を有している。そして、ノズルサポート13は、第2小径部13fの軸径をD1とし、第2大径部13iの軸径をD2としたときに、軸径比D1/D2が0.6~0.8になるものである。ここで、ノズルサポート13の軸径比D1/D2が0.6より小さい場合には、高温下におけるノズルサポート13の昇温速度を上昇させる程、ノズルサポート13の熱容量を小さくできないおそれがある。また、ノズルサポート13の軸径比D1/D2が0.8より大きい場合には、ノズルサポート13の曲げ剛性の低下を防止できないおそれがある。これに対して、ノズルサポート13の軸径比D1/D2が0.6~0.8である場合には、ノズルサポート13の曲げ剛性の低下を防止しつつ、ノズルサポートの熱容量を小さくすることができる。
 また、他の幾つかの実施形態では、可変容量型排気ターボ過給機2は、上述した各々の実施形態(図1~図9参照)のいずれか一つに記載された構成を有する可変ノズル装置1を備えている。
 上記の構成によれば、可変容量型排気ターボ過給機2は、上述した各々の実施形態(図1~図9参照)のいずれか一つに記載された構成を有する可変ノズル装置1を備えているので、高温下における可変ノズル装置1に用いられる各部品の熱変形による可変ノズル装置1の性能低下や作動不良を防止することができる。このため、可変容量型排気ターボ過給機2は、高温下において可変ノズル装置1の性能が維持されるので、高温下においてエンジンに供給される空気の過給圧を調整することができる。
 本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
1   可変ノズル装置
1a  軸線
11  ノズルマウント
11a 第1板部
11b 外周側部分
11c 内周側部分
11d 対向面
11e 面
11f,11g 貫通孔
12  ノズルプレート
12a 第2板部
12b 対向面
12c 面
12d 貫通孔
12e 延在部
13  ノズルサポート
13a ノズルマウント連結部
13b ノズルプレート連結部
13c 胴体部
13d 第1小径部
13e 第1拡径部
13f 第2小径部
13g 第2拡径部
13h 第1大径部
13i 第2大径部
13j 第3小径部
13k 括れ部
14  ノズルベーン
14a ノズル軸
15  可変ノズル機構
16  レバープレート
17  ドライブリング
2   可変容量型排気ターボ過給機
21  タービンロータ
21a 回転軸
22  タービンハウジング
23  軸受
24  軸受ハウジング
24a 内部空間
25  排気ガス流路
25a スクロール流路
25b ノズル流路
26  排気出口
27  バックプレート
31,32,33,34,35 試料
D1  第2小径部の軸径
D2  第2大径部の軸径
D3  第3小径部の最小径
H,L 長さ寸法
T1,T2,T3 厚さ寸法

Claims (9)

  1.  軸受ハウジングに固定される環状の第1板部を有する第1板状部材と、
     前記第1板部との間にノズル流路を画定する環状の第2板部を有する第2板状部材であって、前記第2板部の一面が前記第1板部に対向して配置されるとともに、前記第2板部の他面の少なくとも一部がタービンハウジング内に形成されるスクロール流路に面して配置される第2板状部材と、
     前記第1板部にその軸方向の一端が連結されるとともに、前記第2板部にその軸方向の他端が連結される少なくとも一つのノズルサポートと、
     前記第1板部と前記第2板部の間に回転可能に支持される少なくとも一つのノズルベーンと、
     前記ノズルベーンの翼角を変化させる可変ノズル機構と、を備え、
     前記第2板部は、前記第1板部よりも肉厚に形成される
     ことを特徴とする可変ノズル装置。
  2.  前記第2板部の厚さ寸法をT1とし、前記第1板部の厚さ寸法をT2としたときに、厚さ寸法比T1/T2が1.3~1.8であることを特徴とする請求項1に記載の可変ノズル装置。
  3.  前記第1板部は、前記ノズルベーンを支持する内周側部分と、前記内周側部分よりも外周側に位置する外周側部分とを含み、
     前記内周側部分は、前記外周側部分よりも肉厚に形成され、
     前記第2板部は、前記第1板部の前記内周側部分よりも肉厚に形成されることを特徴とする請求項1又は2に記載の可変ノズル装置。
  4.  軸受ハウジングに固定される環状の第1板部を有する第1板状部材と、
     前記第1板部との間にノズル流路を画定する環状の第2板部を有する第2板状部材であって、前記第2板部の一面が前記第1板部に対向して配置されるとともに、前記第2板部の他面の少なくとも一部がタービンハウジング内に形成されるスクロール流路に面して配置される第2板状部材と、
     前記第1板部にその軸方向の一端が連結されるとともに、前記第2板部にその軸方向の他端が連結される少なくとも一つのノズルサポートと、
     前記第1板部と前記第2板部の間に回転可能に支持される少なくとも一つのノズルベーンと、
     前記ノズルベーンの翼角を変化させる可変ノズル機構と、を備え、
     前記ノズルサポートは、前記第1板状部材と前記第2板状部材の間に位置する胴体部において軸方向の中央部に前記胴体部の両端部より軸径が小さく形成されている小径部を有することを特徴とする可変ノズル装置。
  5.  前記ノズルサポートは、前記第1板状部材と前記第2板状部材の間に位置する胴体部において軸方向の中央に前記胴体部の両端部より軸径が小さく形成されている小径部を有することを特徴とする請求項1~3のいずれか1項に記載の可変ノズル装置。
  6.  前記小径部は、軸方向の中央側から両端部側に向かうにつれて軸径が大きくなるように形成されていることを特徴とする請求項4又は5に記載の可変ノズル装置。
  7.  前記ノズルサポートは、
     前記第2板状部材側において前記小径部に連続して設けられて、前記第2板状部材に連結される第2板状部材側連結部よりも径が大きく形成されている第2板状部材側大径部を有し、
     前記小径部の最小径をD3とし、前記第2板状部材側大径部の径をD2としたときに、軸径比D3/D2が0.6~0.9であることを特徴とする請求項4~6のいずれか1項に記載の可変ノズル装置。
  8.  前記ノズルサポートは、
     前記第1板状部材側において前記小径部に連続して設けられて、前記第1板状部材に連結される第1板状部材側連結部よりも径が大きく形成されている第1板状部材側大径部を有し、
     前記第2板状部材側大径部の軸方向における長さ寸法をHとし、前記第1板状部材側大径部、前記第2板状部材側大径部及び前記小径部の軸方向における長さ寸法の合計をLとしたときに、長さ寸法比H/Lが0.1~0.3であり、
     前記第2板状部材側連結部の径をD1としたときに、軸径比D1/D2が0.6~0.8であることを特徴とする請求項7に記載の可変ノズル装置。
  9.  請求項1から8のいずれか1項に記載の可変ノズル装置を備えることを特徴とする可変容量型排気ターボ過給機。
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