(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンハウジング内の可変ノズルベーンと、タービンハウジング外から前記可変ノズルベーンを開閉するアクチュエータと、タービンハウジングを貫通するブッシュを通じ前記可変ノズルベーンとアクチュエータとを連動させるシャフトとを備えた可変ノズル型過給構造であって、
回転シャフトの可変ノズルベーンを開閉する回転に連動して、回転シャフトとブッシュとの間でタービンハウジング内から排気ガスを流出させる通路を開閉する開閉手段を設け、
前記開閉手段は、可変ノズルベーンを開く方向に回転シャフトを回転させれば、回転シャフトとブッシュとの間でタービンハウジング内から排気ガスを流出させる通路を開き、
可変ノズルベーンを閉じる方向に回転シャフトを回転させれば、回転シャフトとブッシュとの間でタービンハウジング内から排気ガスを流出させる通路を閉じることを特徴とする可変ノズル型過給構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関から排出される排気ガスの流入容量を調整することにより過給圧を可変にする可変ノズル型過給構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の可変ノズル型過給構造は、一般に、タービンの外回りに配した複数のノズルベーンを回動することによってノズルベーンの間を通りタービンに至る排気ガスの流入容量を可変にする。このためにノズルベーンは、タービンハウジング外のアクチュエータとタービンハウジングを貫通するブッシュを通じ回転シャフトにより連結される。下記特許文献１は、ノズルベーンの熱膨張による摺動弊害に対応する排気ガス漏れに起因した過給効率低下に対応すべく、ノズルベーンをタービンハウジングの摺動面にばねで圧接させてシール性を高める技術を開示している(特許文献１参照)。
【０００３】
また、下記特許文献２は、ブッシュと回転シャフトとの間の隙間からタービンハウジング外に排気ガスが漏れるのを防止するため、波ワッシャを回転シャフトのまわりでその外端に連結した駆動リンクとブッシュ外端間に働かせて、外部の大気圧よりも高いタービンハウジング内の排気ガスの圧力に併せ、回転シャフトの端に連結した従動リンクがブッシュ内端に圧接させるなどしてシール性を高め、排気ガスが外部に流出する量を極力少なくする技術を開示している。
【０００４】
下記特許文献３は、特許文献２でのブッシュ内端の従動リンクによるシール構造でも、内燃機関から排出される排気ガスの温度が比較的低温のときには、タービンハウジング内の排気ガスの圧が低く十分なシール圧が得られないため、排気ガスが従動リンクとブッシュ内端間からブッシュと回転シャフトとの間へと抜け、この排気ガスに含まれている未燃ＨＣ（Ｈｙｄｒｏ  Ｃａｒｂｏｎ）が駆動リンクとブッシュとの隙間やブッシュと回転シャフトの隙間に付着し、排気ガスが高温のときに、付着した未燃ＨＣが焼き固められて固着してしまい（以後「デポジット」ともいう。）、回転シャフトの回動が妨げられる旨を指摘している。
【０００５】
すなわち、固着したデポジットにより駆動リンクのフリクションが増大してしまい、リンク機構の作動応答性が低下して操作性が悪化してしまうという点に注目している。特に、インジェクタにより排気通路内に燃料を噴射するポスト噴射を行い排気ガス後処理装置の温度を上昇させて排気ガスの処理効率を高めるようにした内燃機関では、ポスト噴射によってより多くの未燃ＨＣが生じてしまい、前述の各隙間に、より多くのデポジットが付着してしまうという問題があったとしている。
【０００６】
その対策として、特許文献３は、図９にその一部分の断面図を示すような可変ノズル型過給構造を提案している。この可変ノズル型過給構造は、従動リンク９７とブッシュ９８との間に設けられ回転シャフト９６が貫通する貫通孔９９ｃを有し、前記ブッシュ９８に当接することにより、排気ガスが前記ブッシュ９８と前記回転シャフト９６との間の隙間から流出するのを抑制する環状のシールリング９９を備えている。そして、前記シールリング９９が、低温時に前記ブッシュ９８に当接する第１の状態と、高温時に前記ブッシュ９８から離隔する第２の状態との間で変形することにより、前記ブッシュ９８と前記シールリング９９の間の隙間を調整するように構成されている。
【０００７】
この構成により、低温時には、シールリング９９とブッシュ９８とが当接して、排気ガスが、シールリング９９によりブッシュ９８と回転シャフト９６の隙間９０（ブッシュ−シャフト隙間）へ侵入することが抑制されるので、未燃ＨＣの隙間への堆積が防止されるとしている。また、高温時には、シールリング９９とブッシュ９８との間に隙間ができ、高温の排気ガスが、シールリング９９とブッシュ９８との間から隙間９０に流入するので、隙間９０やブッシュ９８と駆動リンク１０１の隙間９１（ブッシュ−リンク隙間）に堆積したデポジット９４を焼ききることができる。すなわち、デポジットの付着による作動応答性の悪化を未然に防止することができるとしている。
【０００８】
特許文献３は、排気ガスの温度に応動するシールリングとして、例えば、温度変化により結晶構造の変態を伴って変形する形状記憶材料によるものと、バイメタルによるものとを挙げている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】実開昭６３−０１４８４３号公報
【特許文献２】特開２００５−３５１０８９号公報
【特許文献３】特開２００９−２５７０９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、特許文献３が開示するデポジットの堆積固着の防止および焼ききり技術は、シールリング９９の形状記憶特性やバイメタルの特性に依存して、排気ガスの温度に応動して働くので、排気ガスの温度が変化しても、速やかには変形または元の形状に復帰できない。そのため、シールリング９９は、排気ガスの温度に応じて応答性良くブッシュ９８に当接したり、ブッシュ９８から離隔したりすることが困難になる。その結果、排気ガスがちょうど高温・高圧になった際には、隙間９０や９１に排気ガスを導入できない場合もあり、デポジットの焼ききりを適切に行えないという課題がある。
【００１１】
さらに、形状記憶材料やバイメタル等で構成されるシールリング９９は、ブッシュ９８とシールリング９９の間の隙間を精度良く調整するのは困難である。一方、シールリング９９を形状記憶材料やバイメタル等で構成すると、部品コストが高くなる。
【００１２】
上述の問題に鑑みて、本発明は、過給性能低下の原因になる未燃ＨＣの堆積固着の問題を、内燃機関の運転状態の変化に応答性良く防止することができる、構造が簡単で安価な可変ノズル型過給構造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】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明に係る可変ノズル型過給構造は、タービンハウジング内の可変ノズルベーンと、タービンハウジング外から前記可変ノズルベーンを開閉するアクチュエータと、タービンハウジングを貫通するブッシュを通じ前記可変ノズルベーンとアクチュエータとを連動させるシャフトとを備えた可変ノズル型過給構造であって、回転シャフトの可変ノズルベーンを開閉する回転に連動して、回転シャフトとブッシュとの間でタービンハウジング内から排気ガスを流出させる通路を開閉する開閉手段を設けたことを特徴とする。
【００１４】
ここで、回転シャフトの可変ノズルベーンを開閉する回転に連動して、回転シャフトとブッシュとの間でタービンハウジング内から排気ガスを流出させる通路を開閉する開閉手段は、可変ノズルベーンを開く方向に回転シャフトを回転させれば、回転シャフトとブッシュとの間でタービンハウジング内から排気ガスを流出させる通路を開き、可変ノズルベーンを閉じる方向に回転シャフトを回転させれば、回転シャフトとブッシュとの間でタービンハウジング内から排気ガスを流出させる通路を閉じることを意味する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によると、過給性能の操作妨害の原因になる、デポジットの堆積、固着を、過給器内に侵入する排気ガスで焼失させるために、ノズルベーンを開閉する回転シャフトの回動に応じた機械的な連動で、排気ガスをデポジット堆積部分に導入する弁を設けたので、排気ガスが高温高圧になった時に、適時かつ確実にデポジットを焼ききることができるという効果を奏する。
【００１６】
また、回転シャフトの回動に連動して排気ガスをブッシュ−シャフト隙間やブッシュ−リンク隙間に導入するので、排気ガスが比較的低温・低圧である場合は、弁を閉じ、できるだけデポジットの堆積を抑制するという効果も奏する。
【００１７】
また、本発明の可変ノズル型過給構造は、構造が簡単であるため、安価に実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態に係る可変ノズルベーン機構を有する可変ノズル型過給構造の全体構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る可変ノズルベーン機構において、ブッシュと駆動リンクのプレートとの間が密閉された状態を示す拡大断面図である。
【図３】図２の可変ノズルベーン機構において、ブッシュと駆動リンクのプレートとの間が開放された状態を示す拡大断面図である。
【図４】ブッシュと駆動リンクのプレートとの間の開閉手段の一例である立体カムの斜視図である。
【図５】可変ノズルベーンの開度と、エンジン負荷、排気ガスの温度、ポスト量との相関を示すグラフである。
【図６】本発明の可変ノズルベーン機構に対する、エンジンコントロールユニットによる制御を示すブロック図である。
【図７】本発明の実施の形態の変形例に係る可変ノズルベーン機構において、ブッシュとリンクシャフトとの隙間が拡大された状態を示す拡大断面図である。
【図８】本発明の実施の形態の他の変形例に係る可変ノズルベーン機構において、ブッシュとリンクシャフトとの隙間が拡大された状態を示す拡大断面図である。
【図９】従来の可変ノズル型過給構造の可変ノズルベーン機構の拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１、図２、図３、図４、図５及び図６を参照して、本発明の実施の形態に係る可変ノズルベーン機構を有する可変ノズル型過給構造について説明する。まず、図１を参照して、可変ノズル型過給器４０の全体構造を示す。可変ノズル型過給器４０は、エンジンからの排気を受け回転するタービンインペラ４１を有するタービンホイール４２と、タービンホイール４２に一端が固定される回転軸４３と、回転軸４３の他端に固定されたコンプレッサホイール４５とそれらを収納するハウジング４４で構成され、それぞれのホイールが排気管および吸気管内に配置されるように構成されている。
【００２０】
エンジンから排気された排気ガスは、スクロール通路４９を通り、環状ガス流路４６からタービンインペラ４１に当たり、タービンホイール４２を回転させる。排気ガスは排気ガス通路４７から排気管側に流れる。
【００２１】
タービンホイール４２の回転によって回転軸４３を介してコンプレッサホイール４５が回転し、加圧された吸気４８によってシリンダへの吸気圧が上昇する。可変型ノズル機構１は、排気ガスがタービンホイール４２に当たる前に配置されている。
【００２２】
図２は、可変型ノズル機構１の拡大図である。図２に示すように、可変型ノズル機構１は、タービンハウジング１０のタービンインペラ４１にその外まわりから排気ガスを向かわせる環状ガス流路４６内に配置された複数のノズルベーン１１と、ノズルベーン１１を軸１２を介して回動可能に支持するノズルプレート１３と、各軸１２の端部に固定された受動アーム１４を介して軸１２を回動させるユニゾンリング１５と、一端部でユニゾンリング１５に回動可能に係合し、他端部でリンクシャフト１６のタービンハウジング１０内の端部に固定された従動リンク１７と、センターハウジング２１を貫通して設けられ回転シャフトとしてのリンクシャフト１６を回動可能に支持するブッシュ１８と、一端部でリンクシャフト１６に固定され、他端部でアクチュエータ２４の連結部２４ｂに固定された駆動リンク２２とを含んで構成されている。駆動リンク２２は、前記一端部にプレート２３を備える。
【００２３】
また、ユニゾンリング１５は、複数のノズルベーン１１と軸１２を介し一体回動する受動アーム１４の自由端とも係合している。これにより、リンクシャフト１６の往復回動に連動して従動リンク１７を介してユニゾンリング１５を往復回転させることにより、ノズルベーン１１を開き方向若しくは閉じ方向に回動させてノズルベーン１１間の開度が変わるよう構成されている。
【００２４】
このユニゾンリング１５は、従動リンク１７、リンクシャフト１６および駆動リンク２２を介してアクチュエータ２４に連結されており、このアクチュエータ２４の動作によりノズルベーン１１の開度が変わるようになっている。タービンハウジング１０の環状ガス流路４６から流入してくる排気ガスは、ノズルベーン１１の開度の変化によって各タービンインペラ４１に衝突する流速が変わる。
【００２５】
すると、タービンホイール４２の回転速度が変わり、コンプレッサホイール４５の回転速度が変わるので、コンプレッサにより圧縮される吸気４８の過給圧が変わるようになっている。つまり、複数のノズルベーン１１により、排気ガスの流入速度を可変にする複数のベーンノズルが構成されており、この複数のベーンノズルを通って排気ガスがタービンのスクロール通路４９から各タービンインペラ４１に向けて流入するようになっている。
【００２６】
また、可変ノズル型過給器４０においては、エンジンコントロールユニットＥＣＵにより、車両の運転状態、つまりエンジンの回転数等に応じてノズルベーン１１間の開口面積を制御することによって過給効率を上げ、最適な過給圧を発生させる。エンジンが低回転の状態では、ベーンノズルの開口面積を小さくすることにより過給効率を上げ、エンジンが高回転の状態では、ベーンノズルの開口面積を大きくすることにより排気圧力を下げる。
【００２７】
図５には、エンジンの運転状態とベーンノズルの開口面積の関係を示す。縦軸は各種運転状態を表し、任意単位である。横軸はベーンノズルの開口面積(「ＶＮ開度」と表記した。)を表す。右へいくほど開口面積が広いことを示す。エンジン負荷若しくは排気温度が低い時は、ＶＮ開度を狭くし過給圧を上げ、高くなった場合は、ＶＮ開度を広くして過給圧を下げる。また、ポスト噴射は、排気温度若しくはエンジン負荷が低い場合に多く行われ、排気温度若しくはエンジン負荷が高くなるとポスト噴射は少なくなる。
【００２８】
したがって、ＶＮ開度の狭い時は、ポスト量が多く、排気温度やエンジン負荷は低い状態となっている。このような場合は、デポジットを燃焼させるのは非効率的である。排気温度が低い上に、ポスト噴射量が多いからである。一方、ＶＮ開度の広い時は、ポスト量が少なく、排気温度やエンジン負荷が高い状態である。このような場合は、デポジットを燃焼させやすい。排気温度が高い上に、ポスト量も少ないからである。したがって、ＶＮ開度の広い時に、デポジットが堆積しやすい部分に排気ガスを導入するように機械的に制御すれば、効果的にデポジットを焼失させることができる。
【００２９】
上述のようなＶＮ開度の制御は前述のエンジンコントロールユニットＥＣＵの指令により、アクチュエータ２４を駆動し、駆動リンク２２を介しリンクシャフト１６を開き側または閉じ側に回動させ、これに機械的に応動する。
【００３０】
図６には、制御の流れを概念的に示す。ＥＣＵ３０には、アクセル開度、エンジン回転数、車両速度、過給圧、冷却水温度といった情報が入力される。これによって、ＥＣＵは現在の車両の運転状況を把握し、過給圧を変更するか否かを決定する。過給圧を変更する場合は、可変ノズルコントローラ３１に可変ノズル開度の変更を要求する（Ｃｖｎ）。可変ノズルコントローラ３１は、可変ノズル開度の変更を要求されたら、適切なノズル開度になるようにアクチュエータ２４のＤＣモータを駆動する信号（駆動電流を含む）を出力する（Ｃｄ）。
【００３１】
可変ノズル型過給器ではアクチュエータ２４が、駆動指示Ｃｄに応じてノズルプレート１３を回動させノズルベーン１１を回動させる。各ノズルベーン１１が同時に同じ方向に回動し、各ノズルベーン１１間に形成されている排気ガスの流路が拡縮変化され、排気ガスの流路を流通する排気ガスの流速が可変される。すなわち、ノズルベーン１１の開度が制御される。
【００３２】
ノズルプレート１３の回動量は、可変ノズル開度（Ｓｖｎ）として、可変ノズルコントローラ３１に返される。そして、可変ノズルコントローラ３１は、モータステータス信号（Ｓｍ）をＥＣＵ３０に返す。ＥＣＵ３０は、モータステータス信号（Ｓｍ）によって、可変ノズル開度が支持通り変更されたか否かを把握する。
【００３３】
上記のように、可変ノズル型過給器では、ＶＮ開度の広い時に、デポジットが堆積しやすい部分に排気ガスを導入するように機械的に制御すれば、効果的にデポジットを焼失させることができることを説明した。本発明では、これを実施するために、リンクシャフト１６が可変ノズルベーン１１を開閉する回転に連動して、リンクシャフト１６とブッシュ１８との間でタービンハウジング１０内から排気ガスを流出させる通路を開閉する開閉手段を設けている。
【００３４】
これにより、ブッシュ−回転シャフト間に堆積するデポジットを、高温・高圧の排気ガスを導入させることにより焼失、排出させる。本発明によれば、ノズルベーン１１を開閉させるリンクシャフト１６の回動運動に機械的に連動する開閉手段を用いるので、上記で説明した可変ノズル型過給構造の制御に、完全に同期して排気ガスをデポジットに当て、デポジットを焼失させることができる。
【００３５】
図２を参照して、この開閉手段は、ブッシュ１８のタービンハウジング外端面１０ａからの突出部１８ａに、リンクシャフト１６の軸方向移動によって、前記ブッシュ１８の突出部１８a側の外端面１８ｄを開閉する弁である。図２、図３に示すのはこの弁の一例であり、ノズルベーン１１を開く際のリンクシャフト１６の回動に応じ、プレート２３が開き側に移動する端面カムである。
【００３６】
なお、リンクシャフト１６側から見た図２（ｂ）を参照してリンクシャフト１６と駆動リンク２２は、リンクシャフト１６側には、受け溝１６ｐが形成され、駆動リンク２２には、受け溝１６ｐに係合するように係合爪２２ｑが形成されている。この構造によって、駆動リンク２２はリンクシャフト１６を回動させつつ、リンクシャフト１６の軸方向に移動することができる。
【００３７】
リンクシャフト１６を回動させる駆動リンク２２にはブッシュ１８との間にプレート２３が配置され、プレート２３とブッシュ１８の外端面１８ｄのそれぞれの対向面は、リンクシャフト１６に軸線に対して傾斜する角度が付与されている。リンクシャフト１６がノズルベーン１１を開く方向に回転すると、プレート２３は、ブッシュ１８の外端面１８ｄの傾斜面を登り、開き側に移動する（図３）。
【００３８】
つまり、ブッシュ１８のハウジング外端１８ｄは端面カムをなし、プレート２３の対向面は、リンクシャフト１６と一体に回転する際に端面カムに従動して該端面カムに対し離接させられるカムフォロワをなしている。このカムフォロワを端面カムに従動させるのに、リンクシャフト１６は、アクチュエータ２４の連結部２４ｂに設けられた付勢手段２４ｃによって、ユニゾンリング１５側に付勢されている。図示例では、プレート２３の位置によって、ブッシュ１８とプレート２３との係合面間の距離が変化するように構成されている。
【００３９】
図２に示す状態では、エンジンが低回転の状態で排気ガスの温度が低く、ベーンの開度が小さい場合である。ブッシュ１８とプレート２３との係合面間の距離は小さく、排気ガスの侵入が抑制される。その結果、排気ガス中のデポジットの隙間３５への堆積が抑制される。
【００４０】
図３に示す状態は、エンジンが高回転の状態で排気ガスの温度が高く、ベーンの開度が大きい場合である。この時、ブッシュ１８とプレート２３との係合面間の距離は大きく、高温の排気ガスが、ブッシュ１８とプレート２３との隙間１６ａを流通するので、ブッシュ１８の外端部１８ｄや隙間３５に堆積し煤化したデポジット９４を焼ききることができる。
【００４１】
その結果、堆積したデポジットを排除できる。また、図示されたように、ブッシュ１８とプレート２３との係合面間の距離は一方に向かって大きくなっているので、高温の排気ガスを大量に流通させることができ、またプレート２３とブッシュ１８の外端面１８ｄで形成される弁は、大気側に開くため、酸素の供給も容易であるので、堆積したデポジット９４を確実に焼ききることができる。
【００４２】
図４に示すのは、単純に角度を付け斜面とした図２、図３の場合の変形例であって、端面カム１８ａ及びカムフォロワ２３ａのそれぞれの端面１８ｅ、２３ｅを周方向に波形にしている。これによって端面カム１８ａ、カムフォロワ２３ａは、周方向複数位置で接触して安定に離接する。
【００４３】
図７に示す例では、図２、図３に示す例の場合に加え、さらにブッシュ１８ｂの内周面の端面カム側に形成した溝１８ｆとリンクシャフト１６ｂの外周面の従動リンク１７側に形成した溝１６ｆとが、カムフォロワが端面カムから所定量以上離れる時点以降互いに軸線方向にオフセットして通じ合い、ブッシュ１８ｂ、リンクシャフト１６ｂ間の通常隙間よりも広い通路で排気ガスをより多く流出させて堆積、固着したデポジットの焼失、排出に有利にしている。
【００４４】
図８に示す例は、図７での溝１６ｆ、１８ｆのみを踏襲しながらリンクシャフト１６ｃの回転に連動した軸線方向移動を省略できるようにしている。具体的には、まずブッシュ１８ｃの従動リンク１７側に形成した溝１８ｇと、リンクシャフト１６ｃの途中の駆動リンク２２側が小径となる段差部の大径側外周に、溝１８ｇの駆動リンク２２側と軸方向にオフセットし、かつリンクシャフト１６ｃの小径側に開放する溝１６ｇを形成している。
【００４５】
そしてこれら溝１８ｇ、１６ｇ同士は、リンクシャフト１６ｃの回転によって、リンクシャフト１６ｃの回転に連動したノズルベーン１１の所定の開き度時点で周方向位置が一致して通じ合うようにしている（二点差線参照）。
【００４６】
これによりブッシュ１８ｃとリンクシャフト１６ｃとの間の溝１８ｇ、１６ｇ同士と、ブッシュ１８ｃの内周とリンクシャフト１６ｃの小径部との間が形成する広い通路によって多くの排気ガスを流出させ、堆積、固着した未燃ＨＣの焼失、排出に有利にしている。すなわち、これらはより積極的に高温高圧の排気ガスをデポジット形成部分に導入しようという技術思想の具体化である。本例では特に、カム機構、付勢手段が不要となり、構造のさらなる簡略化と一層のコスト低減が図れる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、可変ノズル型過給構造の、過給性能低下の原因になる未燃ＨＣの堆積固着の、内燃機関の運転状態の変化に応じた防止に利用することができる。
【符号の説明】
【００４８】
１  可変型ノズル機構
１０  タービンハウジング
１１  ノズルベーン
１２  軸
１５  ユニゾンリング
１６  リンクシャフト
１７  従動リンク
１８  ブッシュ
２２  駆動リンク
２３  プレート
２４  アクチュエータ
３０  ＥＣＵ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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