(57)【要約】【課題】  本発明の目的は、ハウジングの熱変形が生じても、バリアブルノズル機構の恩恵を常に良好に得ることのできるバリアブルノズルターボチャージャを提供すること。【解決手段】  本発明は、吸気通路３上に配されたコンプレッサホイール６０と、排気通路４上に配設されたタービンホイール６１と、複数のベーン６７を有するバリアブルノズル機構と、タービンホイール６１を内部に収納するタービンハウジング６６とを備えたものであり、バリアブルノズル機構が、ベーン６７が開度可変可能に取り付けられるノズルプレート６９を有しており、ノズルプレート６９とタービンハウジング６６との間に、このタービンハウジング６６との間にクリアランスを設けつつ、ノズルプレート６９に固定されたシュラウドプレート７５をさらに備えており、ベーン６７がノズルプレート６９とシュラウドプレート７５の間に位置していることを特徴としている。【選択図】      図２
2006348892.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気通路上に配されたコンプレッサホイールと、
排気通路上に配設され、前記コンプレッサホイールと回転軸を共有するタービンホイールと、
前記タービンホイール近傍に配され、開度を可変制御可能な複数のベーンを有するバリアブルノズル機構と、
前記タービンホイールを内部に収納するタービンハウジングとを備えたバリアブルノズルターボチャージャにおいて、
前記バリアブルノズル機構が、前記ベーンが開度可変可能に取り付けられるノズルプレートを有しており、前記ノズルプレートと前記タービンハウジングとの間に、該タービンハウジングとの間にクリアランスを設けつつ、前記ノズルプレートに固定されたシュラウドプレートをさらに備えており、前記ベーンが前記ノズルプレートと前記シュラウドプレートの間に位置していることを特徴とするバリアブルノズルターボチャージャ。
【請求項２】
前記ノズルプレートと前記シュラウドプレートが、それら間に前記ベーンの厚さだけ間隔を空けて、両端ボルトとナットとによって固定されていることを特徴とする請求項１に記載のバリアブルノズルターボチャージャ。
【請求項３】
前記ノズルプレートは、シャフトを支持するセンタハウジングに接触固定されていることを特徴とする請求項１に記載のバリアブルノズルターボ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バリアブルノズル機構を備えたバリアブルノズルターボチャージャに関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジン（内燃機関）の吸気通路上にコンプレッサホイールを配すると共に、このコンプレッサホイールと回転軸を共有するタービンホイールを排気通路上に配設し、排気エネルギーを利用して吸入空気の過給を行うターボチャージャはよく知られている。また、ターボチャージャにおいて、タービンホイールへの排気流入部に複数の可変ベーンを設け、タービンへの排気流入流速を制御してタービン効率を向上させるバリアブルノズル機構もよく知られている。
【特許文献１】特開２０００−３３７１５８号公報
【０００３】
上述した［特許文献１］に記載されているような、従来のバリアブルノズル機構付ターボチャージャチャージャの断面図を図５に示す。図５のターボチャージャ１０６では、吸気通路１０３上のコンプレッサホイール１６０と排気通路１０４上のタービンホイール１６１とは回転軸１６２を共有している。排気エネルギーを用いてタービンホイール１６１を回転させることで、回転軸１６２を介してコンプレッサホイール１６０を回転させて過給を行う。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
バリアブルノズル機構自体の動作については、追って説明する本発明の実施形態中で詳しく説明するが、図５に示されるように、複数（図５では１つのみが図示されている）の可変ベーン１６７は、それらが開度可変に取り付けられたノズルプレート１６９に取り付けられており、ノズルプレート１６９と排気側のハウジング１６６で挟まれている。ここで、ノズルプレート１６９とハウジング１６６との間は、ベーン１６７の厚さに限りなく近いことが望ましい。そうすれば、排気流は全てベーン１６７によって流速が制御されることになる。
【０００５】
ベーン１６７とハウジング１６６との間の隙間が大きいと、排気流が漏れて有効にバリアブルノズル機構の恩恵を受けられなくなってしまう。また、反対に、ベーン１６７とハウジング１６６との間の隙間が小さいと、ベーン１６７とハウジング１６６が干渉してベーン１６７の開度調整が阻害されてしまう。図５の例では、ノズルプレート１６９はハウジング１６６側に固定されている（図中上方のボルト・ナット）。
【０００６】
しかし、排気側のハウジング１６６は、排気ガスの熱によって熱変形を起こすため、ベーン１６７との間の隙間変化が大きい。このため、温度によって排気流の漏れが生じたり、ベーン１６７とハウジング１６６との干渉が生じやすかった。隙間を詰めれば、ハウジング１６６の熱変形によって隙間が開いても排気漏れを最小限に抑制できるが、ベーン１６７とハウジング１６６との干渉が生じやすくなる。ベーン１６７とハウジング１６６との干渉を抑制するために隙間に余裕を持たせれば、ハウジング１６６の熱変形によって隙間が開けば排気漏れが多くなって名バリアブルノズル機構の恩恵が阻害されてしまう。
【０００７】
図５のものでは、このような問題を回避するために、ノズルプレート１６９を熱変形を起こすハウジング１６６側に固定しているのであるが、ハウジング１６６の熱変形が大きいため、その効果は十分ではなくさらなる改善が望まれていた。従って、本発明の目的は、タービンハウジングの熱変形による形状変化が生じても、バリアブルノズル機構の恩恵を常に良好に得ることのできるバリアブルノズルターボチャージャを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載のバリアブルノズルターボチャージャは、吸気通路上に配されたコンプレッサホイールと、排気通路上に配設され、コンプレッサホイールと回転軸を共有するタービンホイールと、タービンホイール近傍に配され、開度を可変制御可能な複数のベーンを有するバリアブルノズル機構と、タービンホイールを内部に収納するタービンハウジングとを備えたものであり、バリアブルノズル機構が、ベーンが開度可変可能に取り付けられるノズルプレートを有しており、ノズルプレートとタービンハウジングとの間に、このタービンハウジングとの間にクリアランスを設けつつ、ノズルプレートに固定されたシュラウドプレートをさらに備えていることを特徴としている。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のバリアブルノズルターボチャージャにおいて、ノズルプレートとシュラウドプレートが、それら間にベーンの厚さだけ間隔を空けて、両端ボルトとナットとによって固定されていることを特徴としている。請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のバリアブルノズルターボチャージャにおいて、ノズルプレートが、シャフトを支持するセンタハウジングに接触固定されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１に記載のバリアブルノズルターボチャージャによれば、シュラウドプレートとタービンハウジングとの間にはクリアランスが設けられており、シュラウドプレートの熱変化はハウジングに比べて少ない。このため、シュラウドプレートの熱変形も少なく、ノズルプレートとシュラウドプレートとの間の隙間の変化も少ない。この結果、シュラウドプレートとベーンとの間の排気漏れや干渉を効果的に防止でき、バリアブルノズル機構の効果を常に良好に得ることができる。
【００１１】
シュラウドプレートとノズルプレートとが両端ボルト・ナットによって共締めされている。即ち、シュラウドプレートとノズルプレートとはねじ切りがなされていない（両端ボルトの単なる貫通孔が形成される）。熱変形の小さい材料は切削加工（ネジ切り加工）が困難な場合が多く、このような構造とすることで、シュラウドプレートとノズルプレートとに熱変形の小さな材料を用いることができ、バリアブルノズル機構の効果をより一層効果的に実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明のバリアブルノズルターボチャージャと、このターボチャージャを備えたエンジン（内燃機関）の一実施形態について以下に説明する。図１に、エンジンの構成図を示す。また、図２に、図１に組み込まれたターボチャージャユニット（以下、ターボユニットとも言う）の断面図を示す。
【００１３】
エンジン１は、ターボチャージャ付のディーゼルエンジンである。エンジン１は四気筒エンジンであり、四つのシリンダ２を備えている。各シリンダ２には吸気通路３と排気通路４とが接続されている。吸気通路３上には、その上流側からエアフロメータ５、追って詳しく説明するターボユニット６のコンプレッサ部分、インタークーラ７、及び吸気絞りバルブ８が配設されている。インタークーラ７は、ターボユニット６による過給による圧力上昇に伴って温度上昇した吸入空気の温度を下げ、吸入空気の密度を上げるためのものである。吸気絞りバルブ８は、ＥＧＲ制御のために吸入空気量を調節してＥＧＲ率を調節するために利用される。エンジン１はディーゼルエンジンであり、出力調整は主に吸入空気量ではなく燃料噴射量によって制御される。
【００１４】
排気通路上４には、ターボユニット６のタービン部分、ＮＳＲ触媒（ＮＯｘ  ｓｔｒａｇｅ−ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ  ｃａｔａｌｙｓｔ）９、ＤＰＮＲ触媒（Ｄｉｅｓｅｌ  Ｐａｔｉｃｕｌａｔｅ−ＮＯｘ  Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ  ｃａｔａｌｙｓｔ）１０、酸化触媒１１が配設されている。ＮＳＲ触媒９は、排気空燃比がリーンの時に排気ガス中のＮＯｘを吸蔵し、排気空燃比がリッチになった時に吸蔵していたＮＯｘを還元させて排気ガス中のＮＯｘの浄化を行うものである。ＤＰＮＲ触媒１０は、排気ガス中のＰＭ（Ｐａｔｉｃｕｌａｔｅ  Ｍａｔｔｅｒ：粒子状物質）を捕集し、これを排気ガス中のＮＯｘと同時に浄化するものである。このとき、ＰＭは酸化燃焼され（同時にＣＯやＨＣを酸化可能な場合もある）、ＮＯｘは還元される。酸化触媒１１は、排気ガス中のＣＯやＨＣ（炭化水素）を酸化して浄化するものである。
【００１５】
また、排気通路４上には、ＮＳＲ触媒９の上流側とＤＰＮＲ触媒１０の下流側との差圧を検出する差圧センサ１２が配設されている。この差圧センサ１２で、ＤＰＮＲ触媒１０のＰＭによる目詰まりを検出する。さらに、ＮＳＲ触媒９の上流側とＤＰＮＲ触媒１０の下流側とには、排気温センサ１３がそれぞれ配設されている。またさらに、酸化触媒１１の上流側には、空燃比センサ１４が配設されている。空燃比センサ１４は、排気空燃比をリニアに検出することのできるセンサである。
【００１６】
排気通路４から吸気通路３にかけては、排気ガスを還流させるＥＧＲ通路１５が配設されている。ＥＧＲ通路１５上には、還流排気ガス量（ＥＧＲ量）を調節するためのＥＧＲバルブ１６が設けられている。ＥＧＲバルブ１６の排気通路４側には、還流排気ガスの温度を下げて還流排気ガスの密度を上げるためのＥＧＲクーラ１７が配設されている。このＥＧＲ機構によって排気ガスを還流させることで、ＮＯｘの排出量を低減させる。
【００１７】
また、各シリンダ２には、インジェクタ１９がそれぞれ配されている。各インジェクタ１９は、一つのコモンレール２０に接続されており、このコモンレール２０から供給された燃料をシリンダ２内に噴射する。コモンレール２０は、燃料送出部２１に接続されている。燃料送出部２１には、コモンレール内の燃料を高圧にするためのポンプなどが内蔵されている。この燃料送出部２１には、排気通路４上に燃料を添加する排気用インジェクタ２２も接続されている。排気用インジェクタ２２は、各シリンダ２の排気ポートが一つにまとめられた場所に配設されている。排気用インジェクタ２２は、ＤＰＮＲ触媒１０におけるＰＭを燃焼促進のために排気ガス中に燃料成分を添加うためのものである。
【００１８】
次に、図２を参照しつつターボユニット６について説明する。
【００１９】
ターボユニット６の内部には、両端にコンプレッサホイール６０及びタービンホイール６１とを有する回転軸６２が貫通して配されている。回転軸６２は、センターハウジング６３内に収納されており、フルフロートタイプの一対のベアリング６４を介してセンターハウジング６３に回転可能に保持されている。コンプレッサホイール６０は、センターハウジング６３の一端に結合されたコンプレッサハウジング６５内に収納されている。なお、コンプレッサハウジング６５は複数の部材によって構築されている。また、タービンホイール６１は、センターハウジング（ベアリングハウジング）６３の他端に結合されたタービンハウジング６６内に収納されている。これらのセンターハウジング６３、コンプレッサハウジング６５、及び、タービンハウジング６６によって、ターボユニット６のハウジングが構成されている。
【００２０】
また、タービンハウジング６６のセンターハウジング６３寄りには、バリアブルノズル機構が配設されている。バリアブルノズル機構は、図２及び図３に示されるように、タービンホイール６１への排気流入部に配置された複数のベーン６７、ベーン６７を軸６８を介して揺動可能に保持するノズルプレート６９、各軸６８の端部に固定されたアーム７０を介して軸６８を回転させるユニゾンリング７１などからなる。ユニゾンリング７１が回転されると、ユニゾンリング７１と係合しているアーム７０が軸６８を中心にして揺動され、軸６８の回動によってベーン６７の開度が変わる。ユニゾンリング７１は、リンク７２を介してターボユニット６の外部から回転される。リンク７２の回動軸７２ａの端部に固定されたアーム７２ｂを外部から揺動させることで、アーム７２ｂと係合するユニゾンリング７１を回転させることができる。
【００２１】
図３の（ａ）は図２中左方よりバリアブルノズル機構を見た図であり、図３（ｂ）は図２中右方よりバリアブルノズル機構を見た図である。例えば、図３に示されるように、リンク７２を矢印に示すように駆動してアーム７２ｂを揺動させると、これに伴ってユニゾンリング７１は矢印に示すように（図３（ａ）では反時計回り、図３（ｂ）では時計回り）回転する。さらに、このユニゾンリング７１の回転によって、各軸６８が矢印に示すように（図３（ａ）では反時計回り、図３（ｂ）では時計回り）回転される。このようにすると、ベーン６７の開度は閉じ側に制御される。
【００２２】
さらに、センターハウジング６３内には、回転軸６２の焼き付きを防止するために、ベアリング６４近傍を冷却するウォータジャケット（冷却液循環路）７３が形成されている。上述した環状のノズルプレート６９は、図２に示されるように、センターハウジング６３とタービンハウジング６６によって、その周囲が挟み込まれることで固定されている（なお、図３（ｂ）では、ユニゾンリング７１が見えるように、その周囲を一部省略して示してある）。
【００２３】
そして、このノズルプレート６９には、両端ボルト（スペーサボルト）７４を介して、環状のシュラウドプレート７５が固定されている。シュラウドプレート７５のノズルプレート６９への固定は、周方向の三箇所で両端ボルト７４によって行われている。図２には、そのうちの一箇所のみが図示されている。ノズルプレート６９とシュラウドプレート７５は、両端ボルト７５によって、両者間にベーン６７の厚さだけ間隔を空けて、両端ボルト７５とナット７６とによって固定されている
【００２４】
この様子を分解して示したものを図４に示す。両端ボルト７４は、その両端がボルト部７４ａとして形成されているものであり、中央にベーン６７の厚さＴ分の長さを持つ中間部７４ｂを有している。中間部７４ｂの外径は、ボルト部７４ａの外径よりも太い。なお、厚さＴは、ベーン６７の厚さであるが、ベーン６７の開度調節を阻害するほどのものではなく、ベーン６７はスムーズに開度調整を行える。また、上述した中間部７４ｂには、ナット７６を締め込むときに利用する六角ナット状部分７４ｃが形成されている。
【００２５】
一対のボルト部７４ａの根本には、円柱部７４ｄがそれぞれ形成されている。この円柱部７４ｄの外径は、ノズルプレート６９の貫通孔６９ａとシュラウドプレート７５の貫通孔７４ａの内径と等しくされており、両端ボルト７４を介して、ノズルプレート６９とシュラウドプレート７５との位置決めを行う。一対のナット７６は、ボルト部７４ｂに螺合する通常のナットである。
【００２６】
シュラウドプレート７５は、短い円筒部の一端に鍔状の部分を結合させた形態を有しており、この鍔状の部分で、両端ボルト７４を介してノズルプレート６９に固定されている。円筒部分は、タービンホイール６１の排気流出口に位置している。そして、センターハウジング６３に対してタービンハウジング６６をボルト７７によって（周方向の何カ所かで）固定すると、シュラウドプレート７５とタービンハウジング６６との間にはクリアランス（空間）が形成される。このクリアランスによって、タービンハウジング６６の持つ熱は、シュラウドプレート７５に伝達されにくくなる。
【００２７】
この結果、シュラウドプレート７５の熱変化、即ち、熱変形は抑制され、上述した寸法Ｔの変化最小限に抑制される。このため、ベーン６７とシュラウドプレート７５との間の僅かな隙間（ベーン６７の稼働に必要な僅かな隙間）量の変化は最小限となり、この隙間からの排気流の漏れはほとんどなくなる。これにより、バリアブルノズル機構の効果は常に良好に得られる。また、逆に、寸法Ｔが狭くなることもなく（本実施形態の場合は両端ボルト７４の中間部７４ｂによって正確に確保されている）、ベーン７４の開度調整が渋くなってしまうようなこともない。
【００２８】
また、シュラウドプレート７５は、外気に触れないので、排気ガス温度に近く、温度分布がほとんどなく熱変形はないと言える。また、シュラウドプレート７５は、比較的低温のセンターハウジング６３のフランジ部で固定されるため、この点からも熱変化が少ない。さらに、ノズルプレート６９とシュラウドプレート７５には、単純な貫通孔６９ａ，７５ａを形成させるだけである。このため、熱変形の小さい難削材（熱膨張係数の低いセラミックや特殊金属材料）をノズルプレート６９とシュラウドプレート７５に使用することができる（ボルト孔のような加工が不要）。さらに、ノズルプレート６９とシュラウドプレート７５とは、両端ボルト７４とナット７６と出共締めされるため、ノズルプレート６９とシュラウドプレート７５との多少の熱変形もボルト・ナットの締め込み部で吸収することができる（カシメなどより有利）。
【００２９】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述した実施形態ではノズルプレート６９をセンターハウジング６３とタービンハウジング６６とで挟み込んで固定したが、ボルトによって固定してもよい。この際、タービンハウジング６６の熱を伝達させないようにするため、センターハウジング６３側に固定することが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明のターボチャージャの一実施形態を備えたエンジンの構成図である。
【図２】本発明のターボチャージャの一実施形態の断面図である。
【図３】バリアブルノズル機構の構造を説明する側面図である。
【図４】シュラウドプレートとノズルプレートの取付部の断面図である。
【図５】従来のターボチャージャの断面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１…エンジン、３…吸気通路、４…排気通路、６…ターボユニット、６０…コンプレッサホイール、６１…タービンホイール、６２…回転軸、６３…センターハウジング、６４…ベアリング、６５…コンプレッサハウジング、６６…タービンハウジング、６７…ベーン、６８…軸、６９…ノズルプレート、７０…アーム、７１…ユニゾンリング、７２…リンク、７３…ウォータジャケット、７４…両端ボルト、７５…シュラウドプレート、７６…ナット。
【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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