ターボチャージャ
【課題】小型のアクチュエータで駆動が可能なターボチャージャを提供する。
【解決手段】ターボチャージャ１のタービンは、タービンハウジング４２の内部でタービンホイール４１が回転する。タービンハウジング４２に固定される複数の固定ガイド５６と、複数の固定ガイド５６の径方向内側に環状に配置される複数の可動ガイド６６とは、可変ノズル５０を構成する。複数の可動ガイド６６は、複数の固定ガイド５６に対して周方向に回動することにより排気ガス通路８３の開口面積を調節する。サイズおよび質量が比較的小さい内周側の可動ガイド６６を回動させるため、アクチュエータの小型化が可能であり、アクチュエータの搭載スペースを縮小でき、また、製品重量を軽減することができる。
【解決手段】ターボチャージャ１のタービンは、タービンハウジング４２の内部でタービンホイール４１が回転する。タービンハウジング４２に固定される複数の固定ガイド５６と、複数の固定ガイド５６の径方向内側に環状に配置される複数の可動ガイド６６とは、可変ノズル５０を構成する。複数の可動ガイド６６は、複数の固定ガイド５６に対して周方向に回動することにより排気ガス通路８３の開口面積を調節する。サイズおよび質量が比較的小さい内周側の可動ガイド６６を回動させるため、アクチュエータの小型化が可能であり、アクチュエータの搭載スペースを縮小でき、また、製品重量を軽減することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンの過給システムに用いられるターボチャージャに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、エンジンの排気ガスの流れによってタービンホイールを回転させ、このタービンホイールにシャフトを介して連結されているコンプレッサホイールを回転させることにより、吸気通路内の空気を燃焼室に過給し、エンジン出力を向上させるターボチャージャが知られている。その中で、排気ガス通路の幅などを可変とする可変ノズルは、タービンホイールに吹き付けられる排気ガスの流速を調整する機構を有している。
【０００３】
可変ノズルを開閉することにより、（１）タービンホイールの入口から流入する排気ガスの流速を調整し、（２）タービンホイールの回転速度を調整する。（３）タービンホイールとシャフトを介して連結されているコンプレッサホイールの回転速度が調整されることにより、（４）エンジンの燃焼室に送り込まれる空気の量が調整される。
この結果、エンジン出力の向上とコンプレッサの過剰回転による燃焼室内の過剰圧防止が図れるようになる。
【０００４】
可変ノズルが付いたターボチャージャの例として、特許文献１のターボチャージャは、「固定ノズルを有する固定ノズルリング」と「可変ノズルを有する回転ノズルリング」とを備え、固定ノズルリングに対して回転ノズルリングが回転することで、固定ノズルと可変ノズルの間のスロート部の幅を調整して、タービンホイールへのガス流路を制御する。
【０００５】
特許文献２では、可変ノズルは、「タービンホイールの外側に位置し、気体（排気ガス）をタービンホイールへ案内可能な環状の内周側部材」と、「内周側部材の外側に隣接して位置し、内周側部材に対して円周方向に相対的に回動可能な環状の外周側部材」とから構成される。内周側部材および外周側部材の各々に設けられる複数の案内部の各々の間には気体通路が設けられる。固定された内周側部材に対して外周側部材が回動することで、内周側部材の案内部が外周側部材の気体通路を塞ぎ、気体の流れを遮断する。さらに、内周側部材に対する外周側部材の回動位置により、気体通路を通過する気体の流量を連続的に変化させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−１９６４５３号公報
【特許文献２】特開２００９−２２８４７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１の図４（ａ）、（ｂ）によれば、回転ノズルリング２が回転することによって可変ノズル２ａの時計回り方向に形成されるスロート部５の幅は確かに変化するものの、排気ガスは可変ノズル２ａの反時計回り方向に形成される空間も通過すると考えられるため、この構成によっては排気ガスの流速を有効に調整することは容易でないと推認される。
【０００８】
特許文献２では、固定された内周側部材に対して外周側部材が回動することで、排気ガスの流速を有効に調整することができる。しかし、内周側部材を固定し、内周側部材に比べてサイズおよび質量は少なくとも大きくなるが、動かすのに大きな駆動力が必要な外周側部材を回動している。したがって、大きな駆動力を得るためにアクチュエータは比較的大きいものを使わざるを得ず、アクチュエータの搭載スペースを要し、製品重量が増加する。
【０００９】
本発明は上記の問題に鑑みなされたものであり、より小型のアクチュエータで駆動が可能となり、組立や修理等の作業性の良いターボチャージャを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１に記載のターボチャージャは、吸気を圧縮するコンプレッサと、このコンプレッサに同軸に設けられて該コンプレッサと一体に回転するタービンホイールと、タービンホイールを収容するとともに該タービンホイール入口側に排気ガス入口通路を有するタービンハウジングと、複数の固定ガイドと、複数の可動ガイドと、ストッパ部とを備える。
複数の固定ガイドは、タービンハウジング内部でタービンホイールの径方向外側に環状に配置され、排気ガス通路を形成する。排気ガス通路は、排気ガス入口通路から径方向内側のタービンホイールに排気ガスを案内する
複数の可動ガイドは、タービンハウジング内部で複数の固定ガイドの径方向内側に環状に配置され、前記複数の固定ガイドに対して回動することにより、タービンホイール入口側の排気ガス通路の開口面積を調節可能である。
【００１１】
特許文献２の従来技術に対し、本発明では、外周側に位置する複数の固定ガイドを固定し、サイズおよび質量が比較的小さい、内周側の複数の可動ガイドを回動させる。したがって、アクチュエータの小型化が可能となり、製品重量を軽減することができる。
【００１２】
請求項２に記載のターボチャージャは、請求項１に記載のターボチャージャにおいて、複数の固定ガイドは環状の固定板に支持される。
複数の固定ガイドは、タービンホイールを収容するタービンハウジングに直接設けることもできる。しかし、複数の固定ガイドを一体に支持する環状の固定板を設け、固定板をタービンハウジングに設置することにより、組立や修理等の作業性が向上する。
【００１３】
さらに請求項３に記載のターボチャージャでは、複数の可動ガイドは環状の可動板に支持され、その可動板が複数の固定ガイドまたは固定板に対して回動することにより、複数の可動ガイドが排気ガス通路の開口面積を調節する。
複数の可動ガイドを一体に支持する環状の可動板を設け、可動板を回動させることにより、組立や修理等の作業性が向上することに加え、駆動機構を単純にできる。すなわち、可動板のいずれか一箇所を所定角度動かせば、全部の可動ガイドを同時に動かすことができるようになる。
【００１４】
また、請求項４に記載のターボチャージャは、請求項１〜３のいずれか一項に記載のターボチャージャにおいて、複数の可動ガイドを複数の固定ガイドに対して回動させるためのアクチュエータが、タービンハウジングの外部に備えられ、そのアクチュエータの駆動力がリンク部材を介して複数の可動ガイドに伝達される。
複数の可動ガイドを回動させるための機構を、タービン内部に設けることもできる。しかし、その場合、ターボチャージャ本体が大型となり、組立や修理等の作業性が悪くなるおそれがある。そこで、駆動のためのアクチュエータが、タービンハウジングの外部に備えられ、そのアクチュエータの駆動力がリンク部材を介して複数の可動ガイドに伝達されることにより、ターボチャージャ全体としてコンパクトになる。また、請求項３に記載のターボチャージャに適用された場合は、組立や修理等の作業性がさらに向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１実施形態によるターボチャージャの全体構成図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】（ａ）：図１のＢ矢視によるタービン内部の模式図であり、可変ノズル可変ノズルおよびタービンホイール部分を示す。（ｂ）：（ａ）のＣ−Ｐ−Ｃ断面図である。
【図４】（ａ）：図３（ａ）から可変ノズルだけを取り出した正面図である。（ｂ）：（ａ）のＥ−Ｑ−Ｅ断面図である。
【図５】図３（ｂ）のＤ−Ｄ断面図であり、（ａ）：最大開度時、（ｂ）：最小開度時の要部拡大断面図である。
【図６】本発明の第２実施形態によるターボチャージャの全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態を図１〜図５に基づいて説明する。
最初に図１、図２を参照して、ターボチャージャの全体構成を説明する。ターボチャージャ１は、センターハウジング２の一方の側にコンプレッサ３を備え、他方の側にタービン４を備える。
【００１７】
コンプレッサ３は、コンプレッサハウジング３２に収容されるコンプレッサホイール３１に複数枚のコンプレッサブレード３１ａが環状に配置される。コンプレッサホイール３１は、後述するシャフト２１と同軸に接続されて回転可能である。
コンプレッサハウジング３２の内部には、コンプレッサホイール３１に対しセンターハウジング２と軸方向反対側に吸気入口通路７１が形成される。また、コンプレッサハウジング３２の内部には、コンプレッサホイール３１の径方向外側に送出通路７２が形成され、この送出通路７２に連通する渦巻き状のコンプレッサ通路７３が形成される。吸気入口通路７１からコンプレッサホイール３１に取り込まれた吸気は、コンプレッサホイール３１により過給され、圧縮空気となって送出通路７２を経由しコンプレッサ通路７３へ送り出される。
【００１８】
タービン４は、タービンホイール４１とタービンハウジング４２とを備える。タービンホイール４１には、複数枚のタービンブレード４１ａが環状に配置される。タービンホイール４１は、後述するシャフト２１と同軸に接続されて回転可能である。
タービンハウジング４２は、タービンホイール４１を収容する。タービンハウジング４２の内部には、タービンホイール４１に対しセンターハウジング２と軸方向反対側に延びる排気ガス出口通路８２が設けられる。また、タービンハウジング４２の内部には渦巻き状の排気ガス入口通路８１が設けられる。
【００１９】
タービンハウジング４２内部のタービンホイール４１の径方向外側に可変ノズル５０が設けられる。可変ノズル５０は、タービンホイール４１に流入する排気ガス通路の開口面積を調節し、排気ガス入口通路８1からタービンホイール４１に吹き付けられる排気ガスの流速を調整する。
【００２０】
シャフト２１は、コンプレッサホイール３１とタービンホイール４１とを同軸に連結する。シャフト２１は、センターハウジング２の内部で回転可能に軸受け２２、２３により支持される。軸受け２２、２３には油路２４、２５から潤滑油が供給される。
【００２１】
次に、図３〜図５を参照して、可変ノズル５０の詳細な構成を説明する。
可変ノズル５０は、環状の固定板５１、５２と、環状の可動板６１、６２とから構成される。固定板５１、５２は、複数の固定ガイド５６を支持する。可動板６１、６２は、複数の可動ガイド６６を支持する。
固定板５１、５２は、ドーナッツ状の円板形状である。
固定板５１は、タービンハウジング４２の内壁４２ａにシャフト２１の軸方向と直交して固定されている。固定板５２は、タービンハウジング４２の内壁４２ｂにシャフト２１の軸方向と直交して固定されている。固定板５１と固定板５２とは平行に配置されている。
【００２２】
固定ガイド５６は、タービンホイール４１の径方向外側で固定板５１、５２に支持されて環状に配置される。固定ガイド５６は、固定板５１から固定板５２に延びる方向について断面形状が一定である。固定ガイド５６の断面形状は、排気ガスが流入する径方向外側から径方向内側に向かって傾斜して広がる湾曲した三角形状、あるいは羽根形をしている。言い換えれば、固定ガイド５６は、外傾斜面５６ａ、内周面５６ｂ、内傾斜面５６ｃから構成される。そして、互いに隣接する固定ガイドの外傾斜面５６ａと内傾斜面５６ｃとの間に排気ガス通路８３を形成し、排気ガスを、排気ガス入口通路８１に通じる径方向外側から、タービンホイール４１に通じる径方向内側へ案内する。内周面５６ｂは、固定板５１および固定板５２の内周面にほぼ一致している。
１２個の固定ガイド５６が周方向に等間隔に配置される。
【００２３】
可動板６１は、固定板５１の径方向内側に配置され、固定板５１に対して回動可能である。可動板６２は、固定板５２の径方向内側に配置され、固定板５２に対して周方向に回動可能である。
可動ガイド６６は、可動板６１、６２に支持されて、かつ固定ガイド５６に対応して、環状に配置される。可動ガイド６６は、可動板６１から可動板６２に延びる方向について断面形状が一定である。可動ガイド５６の断面形状は、径方向内側から径方向外側に向かって広がる高さの低い三角形状をしている。言い換えれば、可動ガイド６６は、外傾斜面６６ａ、外周面６６ｂ、内傾斜面６６ｃから構成される。外周面６６ｂは、可動板６１および可動板６２の外周面にほぼ一致している。
１２個の固定ガイド５６に対応して、１２個の可動ガイド６６が周方向に等間隔に配置されている。可動ガイド６６が固定ガイド５６に対して径方向内側で回動することで、排気ガス通路８３の開口面積を調節する。
【００２４】
排気ガス通路８３の最大開度位置では、図５（ａ）に示すように、可動ガイド６６は、固定ガイド５６の内周側の辺に重複して位置する。このとき、排気ガス通路８３の開口面積は最大となる。また、固定ガイド５６の外傾斜面５６ａと可動ガイド６６の外傾斜面６６ａとは、段差なく滑らかに連続する。
排気ガス通路８３の最小開度位置では、図５（ｂ）に示すように、可動ガイド６６と固定ガイド５６との重複部分が少なくなり、排気ガス通路８３の開口面積は最小となる。また、固定ガイド５６の外傾斜面５６ａと可動ガイド６６の外周面６６ｂおよび外傾斜面６６ａとは、滑らかに連続する。
【００２５】
ここで、アクチュエータ９１の構成について説明する。アクチュエータ９１は、タービンハウジング４２に対してセンターハウジング２側に、図示しない支持部材によって支持される。アクチュエータ９１の回転軸９１ａが所定角度だけ正回転または逆回転することにより、リンク部材９２を介して駆動ピン９３が移動し、駆動ピン９３に結合された可動板６２がタービン４の軸を中心に回動する。アクチュエータ９１としては、例えばステッピングモータ、空圧または油圧駆動のアクチュエータが用いられる。
【００２６】
アクチュエータ９１による駆動は、図示しない制御装置により、（１）最大開度位置と最小開度位置の２ポジション制御、（２）最度開度位置と最小開度位置の他に１つ以上の有限の中間位置を選択可能なマルチポジション制御、（３）最度開度位置と最小開度位置の間の任意の位置を選択可能な無段階制御、等のバリエーションでの制御が可能である。
【００２７】
（作用）
次にターボチャージャ１の作用を説明する。
排気ガス入口通路８１から流入した排気ガスは、タービンホイール４１に吹き付けられてタービンホイール４１を回転させ、排気ガス出口通路８２から排出される。排気ガスの流れによりタービンホイール４１が回転すると、シャフト２１とともにコンプレッサホイール３１が回転し、吸気入口通路７１から吸入した空気を加圧圧縮して、送出通路７２、コンプレッサ通路７３を経由してエンジンの燃焼室に送り込む。
【００２８】
ここで、可変ノズル５０を利用し、排気ガス通路８３を最小開度位置と最大開度位置との間で段階または無段階に変更することで、排気ガスの流速を調整することができる。
最大開度位置では、図５（ａ）に破線矢印で示すように排気ガス通路８３の開口面積は最大であり、流れが絞られないため流速が抑えられる。これにより、エンジンの高速回転域において、コンプレッサの過剰回転による燃焼室内の過剰圧を防止することができる。また、固定ガイド５６の外傾斜面５６ａと可動ガイド６６の外傾斜面６６ａとは、段差なく滑らかに連続するため、排気ガスの流入抵抗を小さくすることができる。
最小開度位置では、図５（ｂ）に破線矢印で示すように排気ガス通路８３の幅は最小となり、排気ガスの流速が速められる。よって、流速の速い排気ガスがタービンホイール４１に吹き付けられて、タービンホイール４１が速く回転する。よって、低速回転域で過給効率を上げてエンジン出力を向上させることができる。また、固定ガイド５６の外傾斜面５６ａと可動ガイド６６の外周面６６ｂおよび外傾斜面６６ａとは、滑らかに連続するため、排気ガスの流入抵抗を小さくすることができる。
【００２９】
（効果）
本実施形態では、外周側の固定板５１、５２、及び、固定ガイド５６を固定し、サイズおよび質量が比較的小さい、内周側の可動板６１、６２、及び、可動ガイド６６を回動させている。したがって、アクチュエータの小型化が可能であり、アクチュエータの搭載スペースを縮小でき、製品重量を軽減することができる。
【００３０】
また、固定ガイド５６を支持した固定板５１、５２がタービンハウジング４２に設置されているため、固定ガイド５６を直接タービンハウジング４２に設ける構成に比べて、組立や修理等の作業性が向上する。
同様に、可動ガイド６６を支持した可動板６１、６２を回動させることにより、組立や修理等の作業性が向上することに加え、駆動機構を単純にできる。すなわち、可動板６１、６２のいずれか一箇所を所定角度動かせば、全部の可動ガイド６６を同時に動かすことができるようになる。
【００３１】
さらにまた、アクチュエータ９１がタービンハウジング４２の外部に備えられ、アクチュエータ９１の駆動力がリンク部材９２および駆動ピン９３を介して可動板６２に伝達されることにより、ターボチャージャ全体としてコンパクトになる。ここで、駆動ピン９３は、可動板６２の一箇所に作用して、全部の可動ガイド６６を同時に動かすことができるため、組立や修理等の作業性がさらに向上する。
【００３２】
加えて、アクチュエータ９１を、マルチポジション制御または無段階制御で駆動する場合には、排気ガスの流速を連続的に変化させることができる。したがって、エンジン回転数などの条件に応じてきめ細かに可変ノズルの開度を調整することが可能である。
【００３３】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態のターボチャージャを図６に基づいて説明する。第２実施形態は、アクチュエータ９１の設置位置を除く構成については第１実施形態と同様である。
図６に示すように、アクチュエータ９１は、タービンハウジング４２の側方に、図示しない支持部材によって支持される。アクチュエータ９１の回転軸９１ａが所定角度だけ正回転または逆回転することにより、リンク部材９２を介して駆動ピン９３を動かし、駆動ピン９３に結合された可動板６をタービン４の軸を中心に回動させる。例えば、アクチュエータ９１の回転軸にピニオンギアが設けられ、リンク部材９２はラックである。
アクチュエータ９１による駆動は、第１実施形態と同様に、図示しない制御装置により、（１）２ポジション制御、（２）マルチポジション制御、（３）無段階制御、等のバリエーションでの制御が可能である。
【００３４】
第２実施形態では、内周側の可動板６１、６２、及び、可動ガイド６６を回動させるため、アクチュエータの小型化が可能であり、アクチュエータの搭載スペースを縮小でき、製品重量を軽減することができる。
【００３５】
また、第１実施形態と同様に、固定ガイド５６が固定板５１、５２に支持され、可動ガイド６６が可動板６１、６２に支持される構成であること、アクチュエータ９１がタービンハウジング４２の外部に備えられる構成であることから、組立や修理等の作業性が向上する。
【００３６】
さらに、アクチュエータ９１をマルチポジション制御または無段階制御で駆動する場合には、排気ガスの流速を連続的に変化させることができ、エンジン回転数などの条件に応じて調整することが可能である。
【００３７】
（その他の実施形態）
（ア）上記の実施形態において、固定ガイド５６および可動ガイド６６の数は、それぞれ１２個であった。本発明では、固定ガイドおよび可動ガイドの個数は、これに限定されない。
【００３８】
（イ）上記の実施形態では、固定ガイド５６および可動ガイド６６は、それぞれ、平行に配置される２枚の固定板５１と５２との間、及び、可動板６１と６２との間に支持された。しかし、それらの少なくとも一方について、板は片側１枚だけであってもかまわない。例えば、可動ガイドは、駆動ピンに結合される可動板だけに支持されてもよい。それにより、可動部分はさらに軽くなり、アクチュエータの駆動力低減による小型化および軽量化が図れる。
【００３９】
（ウ）あるいは、固定ガイドおよび可動ガイドは、板に支持されなくてもよい。具体的には、固定ガイドは、タービンハウジングに直接固定されてもよい。可動ガイドは、回動可能にタービンハウジングに個別に設けられてもよい。
【００４０】
以上、本発明はこのような実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の形態で実施することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１：ターボチャージャ、２：センターハウジング、２１：シャフト、３：コンプレッサ、３１：コンプレッサホイール、３２：コンプレッサハウジング、４：タービン、４１：タービンホイール、４２：タービンハウジング、５０：可変ノズル、５１、５２：固定板、５６：固定ガイド、６１、６２：可動板、６６：可動ガイド、
８１：排気ガス入口通路、８２：排気ガス出口通路、８３：排気ガス通路、９１：アクチュエータ、９２：リンク部材、９３：駆動ピン
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンの過給システムに用いられるターボチャージャに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、エンジンの排気ガスの流れによってタービンホイールを回転させ、このタービンホイールにシャフトを介して連結されているコンプレッサホイールを回転させることにより、吸気通路内の空気を燃焼室に過給し、エンジン出力を向上させるターボチャージャが知られている。その中で、排気ガス通路の幅などを可変とする可変ノズルは、タービンホイールに吹き付けられる排気ガスの流速を調整する機構を有している。
【０００３】
可変ノズルを開閉することにより、（１）タービンホイールの入口から流入する排気ガスの流速を調整し、（２）タービンホイールの回転速度を調整する。（３）タービンホイールとシャフトを介して連結されているコンプレッサホイールの回転速度が調整されることにより、（４）エンジンの燃焼室に送り込まれる空気の量が調整される。
この結果、エンジン出力の向上とコンプレッサの過剰回転による燃焼室内の過剰圧防止が図れるようになる。
【０００４】
可変ノズルが付いたターボチャージャの例として、特許文献１のターボチャージャは、「固定ノズルを有する固定ノズルリング」と「可変ノズルを有する回転ノズルリング」とを備え、固定ノズルリングに対して回転ノズルリングが回転することで、固定ノズルと可変ノズルの間のスロート部の幅を調整して、タービンホイールへのガス流路を制御する。
【０００５】
特許文献２では、可変ノズルは、「タービンホイールの外側に位置し、気体（排気ガス）をタービンホイールへ案内可能な環状の内周側部材」と、「内周側部材の外側に隣接して位置し、内周側部材に対して円周方向に相対的に回動可能な環状の外周側部材」とから構成される。内周側部材および外周側部材の各々に設けられる複数の案内部の各々の間には気体通路が設けられる。固定された内周側部材に対して外周側部材が回動することで、内周側部材の案内部が外周側部材の気体通路を塞ぎ、気体の流れを遮断する。さらに、内周側部材に対する外周側部材の回動位置により、気体通路を通過する気体の流量を連続的に変化させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−１９６４５３号公報
【特許文献２】特開２００９−２２８４７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１の図４（ａ）、（ｂ）によれば、回転ノズルリング２が回転することによって可変ノズル２ａの時計回り方向に形成されるスロート部５の幅は確かに変化するものの、排気ガスは可変ノズル２ａの反時計回り方向に形成される空間も通過すると考えられるため、この構成によっては排気ガスの流速を有効に調整することは容易でないと推認される。
【０００８】
特許文献２では、固定された内周側部材に対して外周側部材が回動することで、排気ガスの流速を有効に調整することができる。しかし、内周側部材を固定し、内周側部材に比べてサイズおよび質量は少なくとも大きくなるが、動かすのに大きな駆動力が必要な外周側部材を回動している。したがって、大きな駆動力を得るためにアクチュエータは比較的大きいものを使わざるを得ず、アクチュエータの搭載スペースを要し、製品重量が増加する。
【０００９】
本発明は上記の問題に鑑みなされたものであり、より小型のアクチュエータで駆動が可能となり、組立や修理等の作業性の良いターボチャージャを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１に記載のターボチャージャは、吸気を圧縮するコンプレッサと、このコンプレッサに同軸に設けられて該コンプレッサと一体に回転するタービンホイールと、タービンホイールを収容するとともに該タービンホイール入口側に排気ガス入口通路を有するタービンハウジングと、複数の固定ガイドと、複数の可動ガイドと、ストッパ部とを備える。
複数の固定ガイドは、タービンハウジング内部でタービンホイールの径方向外側に環状に配置され、排気ガス通路を形成する。排気ガス通路は、排気ガス入口通路から径方向内側のタービンホイールに排気ガスを案内する
複数の可動ガイドは、タービンハウジング内部で複数の固定ガイドの径方向内側に環状に配置され、前記複数の固定ガイドに対して回動することにより、タービンホイール入口側の排気ガス通路の開口面積を調節可能である。
【００１１】
特許文献２の従来技術に対し、本発明では、外周側に位置する複数の固定ガイドを固定し、サイズおよび質量が比較的小さい、内周側の複数の可動ガイドを回動させる。したがって、アクチュエータの小型化が可能となり、製品重量を軽減することができる。
【００１２】
請求項２に記載のターボチャージャは、請求項１に記載のターボチャージャにおいて、複数の固定ガイドは環状の固定板に支持される。
複数の固定ガイドは、タービンホイールを収容するタービンハウジングに直接設けることもできる。しかし、複数の固定ガイドを一体に支持する環状の固定板を設け、固定板をタービンハウジングに設置することにより、組立や修理等の作業性が向上する。
【００１３】
さらに請求項３に記載のターボチャージャでは、複数の可動ガイドは環状の可動板に支持され、その可動板が複数の固定ガイドまたは固定板に対して回動することにより、複数の可動ガイドが排気ガス通路の開口面積を調節する。
複数の可動ガイドを一体に支持する環状の可動板を設け、可動板を回動させることにより、組立や修理等の作業性が向上することに加え、駆動機構を単純にできる。すなわち、可動板のいずれか一箇所を所定角度動かせば、全部の可動ガイドを同時に動かすことができるようになる。
【００１４】
また、請求項４に記載のターボチャージャは、請求項１〜３のいずれか一項に記載のターボチャージャにおいて、複数の可動ガイドを複数の固定ガイドに対して回動させるためのアクチュエータが、タービンハウジングの外部に備えられ、そのアクチュエータの駆動力がリンク部材を介して複数の可動ガイドに伝達される。
複数の可動ガイドを回動させるための機構を、タービン内部に設けることもできる。しかし、その場合、ターボチャージャ本体が大型となり、組立や修理等の作業性が悪くなるおそれがある。そこで、駆動のためのアクチュエータが、タービンハウジングの外部に備えられ、そのアクチュエータの駆動力がリンク部材を介して複数の可動ガイドに伝達されることにより、ターボチャージャ全体としてコンパクトになる。また、請求項３に記載のターボチャージャに適用された場合は、組立や修理等の作業性がさらに向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１実施形態によるターボチャージャの全体構成図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】（ａ）：図１のＢ矢視によるタービン内部の模式図であり、可変ノズル可変ノズルおよびタービンホイール部分を示す。（ｂ）：（ａ）のＣ−Ｐ−Ｃ断面図である。
【図４】（ａ）：図３（ａ）から可変ノズルだけを取り出した正面図である。（ｂ）：（ａ）のＥ−Ｑ−Ｅ断面図である。
【図５】図３（ｂ）のＤ−Ｄ断面図であり、（ａ）：最大開度時、（ｂ）：最小開度時の要部拡大断面図である。
【図６】本発明の第２実施形態によるターボチャージャの全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態を図１〜図５に基づいて説明する。
最初に図１、図２を参照して、ターボチャージャの全体構成を説明する。ターボチャージャ１は、センターハウジング２の一方の側にコンプレッサ３を備え、他方の側にタービン４を備える。
【００１７】
コンプレッサ３は、コンプレッサハウジング３２に収容されるコンプレッサホイール３１に複数枚のコンプレッサブレード３１ａが環状に配置される。コンプレッサホイール３１は、後述するシャフト２１と同軸に接続されて回転可能である。
コンプレッサハウジング３２の内部には、コンプレッサホイール３１に対しセンターハウジング２と軸方向反対側に吸気入口通路７１が形成される。また、コンプレッサハウジング３２の内部には、コンプレッサホイール３１の径方向外側に送出通路７２が形成され、この送出通路７２に連通する渦巻き状のコンプレッサ通路７３が形成される。吸気入口通路７１からコンプレッサホイール３１に取り込まれた吸気は、コンプレッサホイール３１により過給され、圧縮空気となって送出通路７２を経由しコンプレッサ通路７３へ送り出される。
【００１８】
タービン４は、タービンホイール４１とタービンハウジング４２とを備える。タービンホイール４１には、複数枚のタービンブレード４１ａが環状に配置される。タービンホイール４１は、後述するシャフト２１と同軸に接続されて回転可能である。
タービンハウジング４２は、タービンホイール４１を収容する。タービンハウジング４２の内部には、タービンホイール４１に対しセンターハウジング２と軸方向反対側に延びる排気ガス出口通路８２が設けられる。また、タービンハウジング４２の内部には渦巻き状の排気ガス入口通路８１が設けられる。
【００１９】
タービンハウジング４２内部のタービンホイール４１の径方向外側に可変ノズル５０が設けられる。可変ノズル５０は、タービンホイール４１に流入する排気ガス通路の開口面積を調節し、排気ガス入口通路８1からタービンホイール４１に吹き付けられる排気ガスの流速を調整する。
【００２０】
シャフト２１は、コンプレッサホイール３１とタービンホイール４１とを同軸に連結する。シャフト２１は、センターハウジング２の内部で回転可能に軸受け２２、２３により支持される。軸受け２２、２３には油路２４、２５から潤滑油が供給される。
【００２１】
次に、図３〜図５を参照して、可変ノズル５０の詳細な構成を説明する。
可変ノズル５０は、環状の固定板５１、５２と、環状の可動板６１、６２とから構成される。固定板５１、５２は、複数の固定ガイド５６を支持する。可動板６１、６２は、複数の可動ガイド６６を支持する。
固定板５１、５２は、ドーナッツ状の円板形状である。
固定板５１は、タービンハウジング４２の内壁４２ａにシャフト２１の軸方向と直交して固定されている。固定板５２は、タービンハウジング４２の内壁４２ｂにシャフト２１の軸方向と直交して固定されている。固定板５１と固定板５２とは平行に配置されている。
【００２２】
固定ガイド５６は、タービンホイール４１の径方向外側で固定板５１、５２に支持されて環状に配置される。固定ガイド５６は、固定板５１から固定板５２に延びる方向について断面形状が一定である。固定ガイド５６の断面形状は、排気ガスが流入する径方向外側から径方向内側に向かって傾斜して広がる湾曲した三角形状、あるいは羽根形をしている。言い換えれば、固定ガイド５６は、外傾斜面５６ａ、内周面５６ｂ、内傾斜面５６ｃから構成される。そして、互いに隣接する固定ガイドの外傾斜面５６ａと内傾斜面５６ｃとの間に排気ガス通路８３を形成し、排気ガスを、排気ガス入口通路８１に通じる径方向外側から、タービンホイール４１に通じる径方向内側へ案内する。内周面５６ｂは、固定板５１および固定板５２の内周面にほぼ一致している。
１２個の固定ガイド５６が周方向に等間隔に配置される。
【００２３】
可動板６１は、固定板５１の径方向内側に配置され、固定板５１に対して回動可能である。可動板６２は、固定板５２の径方向内側に配置され、固定板５２に対して周方向に回動可能である。
可動ガイド６６は、可動板６１、６２に支持されて、かつ固定ガイド５６に対応して、環状に配置される。可動ガイド６６は、可動板６１から可動板６２に延びる方向について断面形状が一定である。可動ガイド５６の断面形状は、径方向内側から径方向外側に向かって広がる高さの低い三角形状をしている。言い換えれば、可動ガイド６６は、外傾斜面６６ａ、外周面６６ｂ、内傾斜面６６ｃから構成される。外周面６６ｂは、可動板６１および可動板６２の外周面にほぼ一致している。
１２個の固定ガイド５６に対応して、１２個の可動ガイド６６が周方向に等間隔に配置されている。可動ガイド６６が固定ガイド５６に対して径方向内側で回動することで、排気ガス通路８３の開口面積を調節する。
【００２４】
排気ガス通路８３の最大開度位置では、図５（ａ）に示すように、可動ガイド６６は、固定ガイド５６の内周側の辺に重複して位置する。このとき、排気ガス通路８３の開口面積は最大となる。また、固定ガイド５６の外傾斜面５６ａと可動ガイド６６の外傾斜面６６ａとは、段差なく滑らかに連続する。
排気ガス通路８３の最小開度位置では、図５（ｂ）に示すように、可動ガイド６６と固定ガイド５６との重複部分が少なくなり、排気ガス通路８３の開口面積は最小となる。また、固定ガイド５６の外傾斜面５６ａと可動ガイド６６の外周面６６ｂおよび外傾斜面６６ａとは、滑らかに連続する。
【００２５】
ここで、アクチュエータ９１の構成について説明する。アクチュエータ９１は、タービンハウジング４２に対してセンターハウジング２側に、図示しない支持部材によって支持される。アクチュエータ９１の回転軸９１ａが所定角度だけ正回転または逆回転することにより、リンク部材９２を介して駆動ピン９３が移動し、駆動ピン９３に結合された可動板６２がタービン４の軸を中心に回動する。アクチュエータ９１としては、例えばステッピングモータ、空圧または油圧駆動のアクチュエータが用いられる。
【００２６】
アクチュエータ９１による駆動は、図示しない制御装置により、（１）最大開度位置と最小開度位置の２ポジション制御、（２）最度開度位置と最小開度位置の他に１つ以上の有限の中間位置を選択可能なマルチポジション制御、（３）最度開度位置と最小開度位置の間の任意の位置を選択可能な無段階制御、等のバリエーションでの制御が可能である。
【００２７】
（作用）
次にターボチャージャ１の作用を説明する。
排気ガス入口通路８１から流入した排気ガスは、タービンホイール４１に吹き付けられてタービンホイール４１を回転させ、排気ガス出口通路８２から排出される。排気ガスの流れによりタービンホイール４１が回転すると、シャフト２１とともにコンプレッサホイール３１が回転し、吸気入口通路７１から吸入した空気を加圧圧縮して、送出通路７２、コンプレッサ通路７３を経由してエンジンの燃焼室に送り込む。
【００２８】
ここで、可変ノズル５０を利用し、排気ガス通路８３を最小開度位置と最大開度位置との間で段階または無段階に変更することで、排気ガスの流速を調整することができる。
最大開度位置では、図５（ａ）に破線矢印で示すように排気ガス通路８３の開口面積は最大であり、流れが絞られないため流速が抑えられる。これにより、エンジンの高速回転域において、コンプレッサの過剰回転による燃焼室内の過剰圧を防止することができる。また、固定ガイド５６の外傾斜面５６ａと可動ガイド６６の外傾斜面６６ａとは、段差なく滑らかに連続するため、排気ガスの流入抵抗を小さくすることができる。
最小開度位置では、図５（ｂ）に破線矢印で示すように排気ガス通路８３の幅は最小となり、排気ガスの流速が速められる。よって、流速の速い排気ガスがタービンホイール４１に吹き付けられて、タービンホイール４１が速く回転する。よって、低速回転域で過給効率を上げてエンジン出力を向上させることができる。また、固定ガイド５６の外傾斜面５６ａと可動ガイド６６の外周面６６ｂおよび外傾斜面６６ａとは、滑らかに連続するため、排気ガスの流入抵抗を小さくすることができる。
【００２９】
（効果）
本実施形態では、外周側の固定板５１、５２、及び、固定ガイド５６を固定し、サイズおよび質量が比較的小さい、内周側の可動板６１、６２、及び、可動ガイド６６を回動させている。したがって、アクチュエータの小型化が可能であり、アクチュエータの搭載スペースを縮小でき、製品重量を軽減することができる。
【００３０】
また、固定ガイド５６を支持した固定板５１、５２がタービンハウジング４２に設置されているため、固定ガイド５６を直接タービンハウジング４２に設ける構成に比べて、組立や修理等の作業性が向上する。
同様に、可動ガイド６６を支持した可動板６１、６２を回動させることにより、組立や修理等の作業性が向上することに加え、駆動機構を単純にできる。すなわち、可動板６１、６２のいずれか一箇所を所定角度動かせば、全部の可動ガイド６６を同時に動かすことができるようになる。
【００３１】
さらにまた、アクチュエータ９１がタービンハウジング４２の外部に備えられ、アクチュエータ９１の駆動力がリンク部材９２および駆動ピン９３を介して可動板６２に伝達されることにより、ターボチャージャ全体としてコンパクトになる。ここで、駆動ピン９３は、可動板６２の一箇所に作用して、全部の可動ガイド６６を同時に動かすことができるため、組立や修理等の作業性がさらに向上する。
【００３２】
加えて、アクチュエータ９１を、マルチポジション制御または無段階制御で駆動する場合には、排気ガスの流速を連続的に変化させることができる。したがって、エンジン回転数などの条件に応じてきめ細かに可変ノズルの開度を調整することが可能である。
【００３３】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態のターボチャージャを図６に基づいて説明する。第２実施形態は、アクチュエータ９１の設置位置を除く構成については第１実施形態と同様である。
図６に示すように、アクチュエータ９１は、タービンハウジング４２の側方に、図示しない支持部材によって支持される。アクチュエータ９１の回転軸９１ａが所定角度だけ正回転または逆回転することにより、リンク部材９２を介して駆動ピン９３を動かし、駆動ピン９３に結合された可動板６をタービン４の軸を中心に回動させる。例えば、アクチュエータ９１の回転軸にピニオンギアが設けられ、リンク部材９２はラックである。
アクチュエータ９１による駆動は、第１実施形態と同様に、図示しない制御装置により、（１）２ポジション制御、（２）マルチポジション制御、（３）無段階制御、等のバリエーションでの制御が可能である。
【００３４】
第２実施形態では、内周側の可動板６１、６２、及び、可動ガイド６６を回動させるため、アクチュエータの小型化が可能であり、アクチュエータの搭載スペースを縮小でき、製品重量を軽減することができる。
【００３５】
また、第１実施形態と同様に、固定ガイド５６が固定板５１、５２に支持され、可動ガイド６６が可動板６１、６２に支持される構成であること、アクチュエータ９１がタービンハウジング４２の外部に備えられる構成であることから、組立や修理等の作業性が向上する。
【００３６】
さらに、アクチュエータ９１をマルチポジション制御または無段階制御で駆動する場合には、排気ガスの流速を連続的に変化させることができ、エンジン回転数などの条件に応じて調整することが可能である。
【００３７】
（その他の実施形態）
（ア）上記の実施形態において、固定ガイド５６および可動ガイド６６の数は、それぞれ１２個であった。本発明では、固定ガイドおよび可動ガイドの個数は、これに限定されない。
【００３８】
（イ）上記の実施形態では、固定ガイド５６および可動ガイド６６は、それぞれ、平行に配置される２枚の固定板５１と５２との間、及び、可動板６１と６２との間に支持された。しかし、それらの少なくとも一方について、板は片側１枚だけであってもかまわない。例えば、可動ガイドは、駆動ピンに結合される可動板だけに支持されてもよい。それにより、可動部分はさらに軽くなり、アクチュエータの駆動力低減による小型化および軽量化が図れる。
【００３９】
（ウ）あるいは、固定ガイドおよび可動ガイドは、板に支持されなくてもよい。具体的には、固定ガイドは、タービンハウジングに直接固定されてもよい。可動ガイドは、回動可能にタービンハウジングに個別に設けられてもよい。
【００４０】
以上、本発明はこのような実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の形態で実施することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１：ターボチャージャ、２：センターハウジング、２１：シャフト、３：コンプレッサ、３１：コンプレッサホイール、３２：コンプレッサハウジング、４：タービン、４１：タービンホイール、４２：タービンハウジング、５０：可変ノズル、５１、５２：固定板、５６：固定ガイド、６１、６２：可動板、６６：可動ガイド、
８１：排気ガス入口通路、８２：排気ガス出口通路、８３：排気ガス通路、９１：アクチュエータ、９２：リンク部材、９３：駆動ピン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気を圧縮するコンプレッサと、
前記コンプレッサに同軸に設けられて一体に回転するタービンホイールと、
前記タービンホイールを収容するとともに、該タービンホイール入口側に排気ガス入口通路を有するタービンハウジングと、
前記タービンハウジング内部で前記タービンホイールの径方向外側に環状に配置され、前記排気ガス入口通路から径方向内側の前記タービンホイールに排気ガスを案内する排気ガス通路を形成する複数の固定ガイドと、
前記タービンハウジング内部で前記複数の固定ガイドの径方向内側に環状に配置され、前記複数の固定ガイドに対して回動することで前記排気ガス通路の開口面積を調節可能な複数の可動ガイドと、
を備えることを特徴とするターボチャージャ。
【請求項２】
前記複数の固定ガイドは、環状の固定板に支持されることを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャ。
【請求項３】
前記複数の可動ガイドは、環状の可動板に支持され、当該可動板が前記複数の固定ガイドまたは前記固定板に対して回動することにより、前記複数の可動ガイドが前記排気ガス通路の開口面積を調節することを特徴とする請求項１または２に記載のターボチャージャ。
【請求項４】
前記複数の可動ガイドを前記複数の固定ガイドに対して回動させるためのアクチュエータが、タービンハウジングの外部に備えられ、そのアクチュエータの駆動力がリンク部材を介して前記複数の可動ガイドに伝達されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のターボチャージャ。
【請求項１】
吸気を圧縮するコンプレッサと、
前記コンプレッサに同軸に設けられて一体に回転するタービンホイールと、
前記タービンホイールを収容するとともに、該タービンホイール入口側に排気ガス入口通路を有するタービンハウジングと、
前記タービンハウジング内部で前記タービンホイールの径方向外側に環状に配置され、前記排気ガス入口通路から径方向内側の前記タービンホイールに排気ガスを案内する排気ガス通路を形成する複数の固定ガイドと、
前記タービンハウジング内部で前記複数の固定ガイドの径方向内側に環状に配置され、前記複数の固定ガイドに対して回動することで前記排気ガス通路の開口面積を調節可能な複数の可動ガイドと、
を備えることを特徴とするターボチャージャ。
【請求項２】
前記複数の固定ガイドは、環状の固定板に支持されることを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャ。
【請求項３】
前記複数の可動ガイドは、環状の可動板に支持され、当該可動板が前記複数の固定ガイドまたは前記固定板に対して回動することにより、前記複数の可動ガイドが前記排気ガス通路の開口面積を調節することを特徴とする請求項１または２に記載のターボチャージャ。
【請求項４】
前記複数の可動ガイドを前記複数の固定ガイドに対して回動させるためのアクチュエータが、タービンハウジングの外部に備えられ、そのアクチュエータの駆動力がリンク部材を介して前記複数の可動ガイドに伝達されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のターボチャージャ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−１４９３０７（Ｐ２０１１−１４９３０７Ａ）
【公開日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１０１１１（Ｐ２０１０−１０１１１）
【出願日】平成２２年１月２０日（２０１０．１．２０）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月２０日（２０１０．１．２０）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
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