(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
可変タービン形状ターボチャージャ（１）のための歯車駆動式調整リングアクチュエータ機構（１００）であって、
ラックギア（１４０）を含む調整リング（１５０）及び前記ターボチャージャ（１）のタービン（２）の形状を変化させるように構成されるベーン（３０）に取り付けるベーンアーム（１３６）を含み、
前記ベーン（３０）の回転運動を制御するように構成され、
ピニオン歯（１６２）を有するピニオンギア（１６０）をさらに含み、
前記ラックギア（１４０）は、前記ピニオン歯（１６２）と噛み合うラックギア歯（１４２）を含み、
前記調整リング（３５０、４５０）は、該調整リング（３５０、４５０）の外径と整列して配置される第１セットのギア歯（３４２、４４２）および調整リング（３５０、４５０）の内径と整列して配置される第２セットのギア歯（３４６、４４６）を含む、
歯車駆動式調整リングアクチュエータ機構（１００）。
【請求項２】
前記ラックギア（１４０）は、前記調整リング（１５０）とは別体に形成される請求項１に記載の歯車駆動式調整リングアクチュエータ機構（１００）。
【請求項３】
前記調整リング（１５０、３５０）とラックギア（１４０、３４０）とは一体的なユニットとして形成される請求項１に記載の歯車駆動式調整リングアクチュエータ機構（１００）。
【請求項４】
前記ラックギア歯（１４２）は、前記ラックギア（１４０）の半径方向内向き面に形成される請求項１に記載の歯車駆動式調整リングアクチュエータ機構（１００）。
【請求項５】
前記ラックギア歯（２４２）は、前記ラックギア（２４０）の半径方向外向き面に形成される請求項１に記載の歯車駆動式調整リングアクチュエータ機構（１００）。
【請求項６】
前記ラックギア（１４０、２４０、４４０）は、前記調整リング（１５０、４５０）に取り付けられており、前記ラックギア歯（１４２、２４２、４４２）は、調整リング（１５０、４５０）の外部端に対して半径方向外側に調整リング（１５０、４５０）の外径と整列して位置付けられる請求項１に記載の歯車駆動式調整リングアクチュエータ機構（１００）。
【請求項７】
ピニオン歯（１６２）を有するピニオンギア（１６０）をさらに含み、前記調整リング（３５０）は、半径方向内向き端（３５６）に形成された歯（３４２）と半径方向外向き端（３５４）に形成された歯（３４６）をさらに含み、前記ピニオン歯（１６２）は調整リング（３５０）の半径方向外向き端（３５４）に形成される歯３４２と噛み合う請求項３に記載の歯車駆動式調整リングアクチュエータ機構（１００）。
【請求項８】
前記ベーンアーム（３３６）は歯（３３７）を含み、
前記調整リング（３５０、４５０）は、該調整リング（３５０、４５０）の半径方向内向き端と半径方向外向き端の少なくとも一部に形成される歯（３４６、４４６）をさらに含み、前記ベーンアーム（３３６）の歯（３３７）は、調整リング（１５０）の半径方向内向き端に形成される歯（３４６、４４６）と噛み合う請求項１に記載の歯車駆動式調整リングアクチュエータ機構（１００）。
【請求項９】
前記歯車駆動式調整リングアクチュエータ機構（１００）に連結されるアクチュエータピボット軸（５２）をさらに含み、該アクチュエータピボット軸（５２）は、ベアリングハウジング（１６）内で回転可能に支持され、弾力的マウント（７０）が前記アクチュエータピボット軸（５２）とベアリングハウジング（１６）との間に配置される請求項１に記載の歯車駆動式調整リングアクチュエータ機構（１００）。
【請求項１０】
前記歯車駆動式調整リングアクチュエータ機構（１００）に連結されるアクチュエータ
ピボット軸（５２）をさらに含み、該アクチュエータピボット軸（５２）は、ベアリング
ハウジング（１６）内で回転可能に支持され、弾力的マウント（７０）が前記アクチュエ
ータピボット軸（５２）とベアリングハウジング（１６）との間に配置される請求項６に
記載の歯車駆動式調整リングアクチュエータ機構（１００）。
【請求項１１】
前記歯車駆動式調整リングアクチュエータ機構（１００）に連結されるアクチュエータピボット軸（５２）をさらに含み、該アクチュエータピボット軸（５２）は、ベアリングハウジング（１６）内で回転可能に支持され、弾力的マウント（７０）が前記アクチュエータピボット軸（５２）とベアリングハウジング（１６）との間に配置される請求項７に記載の歯車駆動式調整リングアクチュエータ機構（１００）。
【請求項１２】
前記歯車駆動式調整リングアクチュエータ機構（１００）に連結されるアクチュエータピボット軸（５２）をさらに含み、該アクチュエータピボット軸（５２）は、ベアリングハウジング（１６）内で回転可能に支持され、弾力的マウント（７０）が前記アクチュエータピボット軸（５２）とベアリングハウジング（１６）との間に配置される請求項８に記載の歯車駆動式調整リングアクチュエータ機構（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、「可変形状ターボチャージャ用作動機構および歯車駆動式調整リング」と称する米国特許仮出願第６１／８８４，２８９号（２０１３年９月３０日出願）に基づく優先権および該特許仮出願のすべての利益を主張するものであり、該米国特許仮出願は本願に参照として援用される。
【０００２】
本開示は、可変タービン形状ターボチャージャの調整リングのための作動機構に関する。より具体的には、本開示は、可変タービン形状ターボチャージャにあるタービンベーンを調整する歯車駆動式調整リング、および可変タービン形状ターボチャージャにある調整リングのために弾力的に取り付けられる作動機構に関する。
【背景技術】
【０００３】
ターボチャージャは、内燃機関に用いられる一種の強制誘導システムである。ターボチャージャは、圧縮空気をエンジン吸気部に伝達してより多くの燃料が燃焼できるようにし、このようにしてエンジンの重量を大きく増加させることなくエンジンの馬力を増大することができる。ターボチャージャは、同一量の馬力を有する小型エンジンを大型の通常の吸気式エンジンとして用いられるようにする。車両に小型エンジンを用いる場合、該車両の質量が減少し、性能が増加し、また、燃費が向上する。さらに、ターボチャージャはエンジンに伝達される燃料のより完全な燃焼を提供するが、このような燃焼はより清浄な環境という望ましい目標に寄与する。
【０００４】
ターボチャージャは、一般的にエンジンの排気マニホールドに連結されるタービンハウジング、エンジンの吸気マニホールドに連結される圧縮機ハウジング、およびタービンハウジングと圧縮機ハウジングとの間に連結される中央ベアリングハウジングを含む。タービンハウジング内のタービンホイールは排気マニホールドから供給される排気ガスの流入によって回転可能に駆動される。中央ベアリングハウジング内に回転可能に支持される軸がタービンホイールを圧縮機ハウジング内の圧縮機インペラに連結し、これによりタービンホイールが回転すると圧縮機インペラが回転する。タービンホイールと圧縮機インペラとを連結する前記軸は回転軸線を規定する。圧縮機インペラが回転することによって、該圧縮機インペラは吸気マニホールドを通じてエンジンのシリンダに伝達される空気質量流量、空気流動密度および空気圧を増加させる。
【０００５】
ターボチャージャは制限された条件の範囲でのみ理想的なブーストを提供する。したがって、与えられたエンジンに対する大型タービンは、高速では良好なブーストを提供するが、低速では良好に提供できない。なぜならば、大型タービンはターボラグを経ることとなり、これによって必要なときにブーストを提供できないからである。小型タービンは低速で良好なブーストを提供するが、高速ではエンジンがチョークされ得る。この問題に対する一解決方案は、タービンハウジング内で可動ベーンを有する可変形状タービン（ＶＧＴ）を有するターボチャージャを提供することである。低速で、ブーストが速やかに必要なときには、ベーンを閉じて排気ガスの流れのための通路をより狭くすることができる。狭い通路は、排気ガスをタービンホイールブレード側に加速させ、ターボチャージャが必要なときにエンジンに動力の増大を提供することができる。一方、エンジンが高速で稼動して排気ガスの圧力が高いときにはベーンを開くことができ、ターボチャージャは関連速度に対して適切な量のブーストをエンジンに提供する。ベーンを開閉できるようにすることによって、ターボチャージャはエンジンによる動力要求に応じて様々な駆動条件で作動することができる。したがって、ベーンは調整リング機構を使用して頻繁に調整される。ベーンは軸に取り付けられ、該軸は調整リングに配置されたピンと結合するベーンアームに取り付けられる。したがって、調整リングが回転することによって各ベーンの位置は他のベーンと同時に調整される。調整リングはアクチュエータによって駆動され、当業界で良く知られている多様な機械駆動リンクによってアクチュエータに連結される。残念ながら、現在利用可能なあるリンクは不正確で、ヒステリシスを受けることになる。
【発明の概要】
【０００６】
ＶＧＴターボチャージャは、タービンハウジング内に位置する可動ベーンを含む。該ベーンはタービンハウジングに対して回転して、タービンホイールに流れる排気ガスの流量を調整し、これによりターボチャージャは様々な条件下で適切に作動することができる。低速でベーンが閉じると、排気ガスはタービンホイールブレード側に加速され、ターボチャージャは必要なブーストを提供することができる。高速ではベーンが開かれ、タービンホイールブレード側に向かう排気の流れが減少し、必要に応じてブーストが調節される。ＶＧＴターボチャージャは、一般的にブロック駆動式調整リングアクチュエータ機構を用いて、ベーンが調整される一部のＶＧＴターボチャージャに比べて減少したヒステリシスでタービンハウジング内のベーンを正確に動かすように構成される歯車駆動式調整リングアクチュエータ機構を含む。
【０００７】
本開示の一つの態様によると、可変タービン形状タービンの調整リングの回転運動を制御するための歯車駆動式調整リングアクチュエータ機構が提供されるが、該歯車駆動式調整リングアクチュエータ機構では、ラックギアおよびピニオンシステムを用いてベーンを動かす。ラックギアは、該ラックギアの歯が調整リングの外部端に対して外側に配置されるように調整リングに対して位置付けられる。このような配置によって、ラックギアと複雑なベーン調整部品との間の干渉が避けられる。ラックギアは、ラックギア歯が半径方向内側に向かうように形成されてもよく、またはラックギア歯が半径方向外側に向かうように形成されてもよい。
【０００８】
本開示の他の態様によると、各ベーンはベーンアームを介して調整リングに連結される。該ベーンアームは歯車駆動式調整リングアクチュエータのラックに対するピニオンギアの運動に応じてベーンを回転させる。
【０００９】
本開示の他の態様によると、前記ラックギアは調整リングの一体部分であり、この場合、ギアは調整リングに形成されている。ベーンアームとピニオンギアとを用いてベーンを回転させることができる。
【００１０】
本発明の他の態様によると、各ベーンアームにはギア式半径方向外向き端が提供されてもよく、該端が調整リングの半径方向内向き端に形成される対応するギア歯と噛み合うようになることで、ピニオンが回転すると調整リングが回転するようになり、よって、それらの間のギア式連結を通じて各ベーンアームの回転が発生するようになる。
【００１１】
本開示の他の態様によると、ラックギアは調整リングとは別体であり、ラックギアの歯は、調整リングの外部端と同一の半径方向外向き位置に配置されるように調整リングに取り付けられる。ラックギアを別体として形成することによって、好都合にもそのラックギアを調整リングの他の部分とは異なる材料で形成できるようになる。例えば、ラックギアは調整リングの他の部分と比較して相対的に高い高耐摩耗性材料で形成することができ、これにより、調整リングの耐久性を改善でき、高耐摩耗性材料で全体的に形成される調整リングに比べて製造コストを抑えることができる。
【００１２】
本開示の他の態様によると、前記歯車駆動式調整リングアクチュエータ機構には弾力的マウントが提供されるが、該弾力的マウントは、ベアリングハウジングと作動機構の軸の周囲に配置されるブッシングとの間に配置される。
【００１３】
本開示の他の態様によると、可変タービン形状タービンの調整リングを制御するためのギアドライブが提供される。該調整リングはラックギアを含み、ピニオン（例えば、ドライブ）ギアの運動に応じて回転する。ピニオンギアはアクチュエータによる作動に応じて回転する。
【００１４】
本開示のさらに他の態様によると、ベアリングハウジングと作動機構の軸の周囲に位置するブッシングとの間に配置される弾力的マウントはブロック駆動式調整リングと共に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
添付の図面と共に以下の詳細な説明を参照して本開示の利点をよりよく理解することにより、その利点が容易に分かるようになるだろう。
【図１】図１は、可変形状タービンを含む従来の排気ガスターボチャージャの断面図である。
【図２】図２は、請求項１のターボチャージャの調整リングアセンブリの側面図である。
【図３】図３は、図２のＡ−Ａ線に沿った調整リングアセンブリの断面図である。
【図４】図４は、半径方向内側に向かうラックギアを有する調整リングを含む歯車駆動式調整リングアクチュエータ機構の斜視図である。
【図５】図５は、半径方向外側に向かうラックギアを有する調整リングを含む他の歯車駆動式調整リングアクチュエータ機構の斜視図である。
【図６】図６は、一体形成されたラックギアを有する調整リングを含む他の歯車駆動式調整リングアクチュエータ機構の斜視図である。
【図７】図７は、図６の歯車駆動式調整リングアクチュエータ機構を反対側からみた斜視図である。
【図８】図８は、図６の歯車駆動式調整リングアクチュエータ機構のギア式ベーンアームの斜視図である。
【図９】図９は、取り付けられたラックギアを有する調整リングを含む他の歯車駆動式調整リングアクチュエータ機構の斜視図である。
【図１０】図１０は、図６の歯車駆動式調整リングアクチュエータ機構を支持するベアリングハウジングの一部の断面図であり、該ベアリングハウジングとアクチュエータピボット軸との間に配置される弾性部材を図示する。
【図１１ａ】図１１ａは、図１０の弾力的要素の様々な断面形状を詳細に示した断面図である。
【図１１ｂ】図１１ｂは、図１０の弾力的要素の様々な断面形状を詳細に示した断面図である。
【図１１ｃ】図１１ｃｄは、図１０の弾力的要素の様々な断面形状を詳細に示した断面図である。
【図１１ｄ】図１１ｄは、図１０の弾力的要素の様々な断面形状を詳細に示した断面図である。
【図１２】図１２は、図１の従来のブロック駆動式調整リングアクチュエータ機構を支持するベアリングハウジングの一部の断面図であり、該ベアリングハウジングとアクチュエータピボット軸との間に配置される弾性部材を図示する。
【図１３】図１３は、図１２のブロック駆動式調整リングアクチュエータ機構の詳細な端部図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１を参照すると、従来の排気ガスターボチャージャ１は、タービン部２、圧縮機部１８および圧縮機部１８とタービン部２との間に配置され、これらを互いに連結する中央ベアリングハウジング１６を含む。タービン部２はタービンハウジング４を含み、該タービンハウジングは排気ガス入口（図示せず）、排気ガス出口８、及び前記排気ガス入口と排気ガス出口８との間で流体経路に配置されるタービンボリュート１０を有する。タービンホイール１２がタービンハウジング４内でタービンボリュート１０と排気ガス出口８との間に配置される。軸１４がタービンホイール１２に連結されており、ベアリングハウジング１６の内部で回転軸線Ｒの周りで回転可能に支持され、また、圧縮機部１８内に延びている。圧縮機部１８は圧縮機ハウジング２０を含み、該圧縮機ハウジングは軸方向に延びる空気入口２２、空気出口（図示せず）、および圧縮機ボリュート２６を形成する。圧縮機ホイール２８は圧縮機ハウジング２０内の空気入口２２と圧縮機ボリュート２６との間に配置され、軸１４に連結される。
【００１７】
使用時、タービンハウジング４内のタービンホイール１２は、エンジン（図示せず）の排気マニホールドから供給される排気ガスの流入によって回転可能に駆動される。前記軸１４がタービンホイール１２を圧縮機ハウジング２０内の圧縮機ホイール２８に連結するので、タービンホイール１２が回転すると圧縮機ホイール２８が回転するようになる。圧縮機ホイール２８が回転することによって、該圧縮機ホイールは圧縮機空気出口（エンジンの吸気マニホールドに連結される。）からの流出を通じてエンジンのシリンダに伝達される空気質量流量、空気流動密度および空気圧を増加させる。
【００１８】
前記ターボチャージャ１は可変タービン形状ターボチャージャ（ＶＴＧ）である。特に、タービン部２は、タービンホイール１２に衝突する排気ガスの流れを制御し、また、タービン部２の動力を制御するための複数の回転可能なベーン３０を含む。よってベーン３０はまた、圧縮機部１８によって発生する圧力比を制御する。高圧排気ガス再循環（ＨＰ  ＥＧＲ）技術を用いてＮＯｘの生成を制御するエンジンで、ベーン３０はまた、排気背圧を制御して発生させるための手段を提供する。
【００１９】
また、図２および３を参照すると、ベーン３０はタービンホイール１２の周囲に円形配列に配置されており、タービンボリュート１０とタービンホイール１２との間に位置している。この構成でベーン３０は、略環状である上側ベーンリング４０と略環状である下側ベーンリング４２との間で回転可能に支持され、ここで「上側」は、中央ベアリングハウジング１６に近いことを指し、「下側」は、タービンハウジング４に近いことを指す。各ベーン３０はベーン３０の両側面から突出したポスト３２上で回転し、該ポスト３２はピボット軸３５を規定する。ポスト３２の自由端は、上側ベーンリング４０と下側ベーンリング４２におけるそれぞれの孔に収容される。下側ベーンリング４２に対する上側ベーンリング４０の配向角度は、ベーンリング４０、４２における対応する孔がポスト３２の軸３５と同心になるように設定され、ベーン３０は軸３５の周りを自由に回転できる。ベーン３０の上側ベーンリング側で、ポスト３２は上側ベーンリング４０に対応する孔を介して突出してベーンアーム３６に取り付けられ、該ベーンアームはベーンリング４０、４２に対するベーン３０の回転位置を制御する。調整リングアセンブリ４５が上側ベーンリング４０に隣接してそれと平行に配置されており、全てのベーンアーム３６の位置を同時に制御する。
【００２０】
調整リングアセンブリ４５は、調整リング５０、該調整リング５０のタービンに向かう回転可能に配置される小型のスライドブロック４７、および調整リング５０の圧縮機に向かう回転可能に配置される大型ブロック４６を含み、この大型ブロックは調整リング５０のアクチュエータへの連結個所に用いられる。使用時、調整リングアセンブリ４５はベーンアーム３６を介してベーン３０を回転可能に駆動させて、前記ベーンアームは調整リングアセンブリ４５を個々のベーン３０に連結する。多くの構成で、システムの摩擦を最小化させ、かつタービンハウジングおよびリンクにおける歪曲と腐食に対応するためにフォーク３７がベーンアーム３６の端に形成されており、独立的に回転可能なスライドブロック４７を駆動させる。調整リング５０は最小の摩擦で円周方向に回転でき、上側ベーンリング４０および下側ベーンリング４２と同心に保持されるように半径方向に整列し、また、前記調整リングはスライドブロック４７がベーンアーム３６との接触を保つように軸方向に整列する。
【００２１】
ある実施形態で、調整リング５０はベーンアーム３６にある隔壁３８により支持される。前記大型ブロック４６は軸によって調整リング５０に連結される。大型ブロック４６がターボチャージャの回転軸線Ｒの周りで円周方向に動くと、調整リング５０がターボチャージャの回転軸線Ｒの周りで回転する。調整リング５０がターボチャージャの回転軸線Ｒの周りで回転すると、複数の小型スライドブロック４７がターボチャージャの回転軸線Ｒの周りで回転し、また、このとき、スライドブロック４７のそれぞれはベーンポスト３２の回転軸線３５の周りで回転する。スライドブロック４７のこのような運動によって、ベーンアーム３６がベーンポスト３２の回転軸線３５の周りで回転し、排気流れに対するベーン３０の迎え角を変化させる。スライドブロック４７は、各スライドブロック４７と前記対応するベーンアームフォーク３７との間の界面が回転するスライドブロック４７の一側面部の全体領域にわたって主に摺動摩擦されるように設計されている。このような設計によって、均一な荷重分布が得られて摩耗が減少し、また、線接触の場合よりも寿命が延びるが、反対に摩擦は線接触の設計の場合より大きくなる。
【００２２】
調整リング５０の回転配向は、リンク４８とアクチュエータピボット軸５２（図１）とを介して前記大型ブロック４６に作動連結されているアクチュエータ（図示せず）により制御され、このようにして調整リング５０は回転軸線Ｒの周りで回転することができる。アクチュエータはエンジン電子制御ユニット（ＥＣＵ）から指令を受ける。
【００２３】
図４を参照すると、歯車駆動式調整リングアクチュエータ機構１００を用いて、前述した従来の調整リングアセンブリおよび作動機構の一部分が代替される。前記歯車駆動式調整リングアクチュエータ機構１００は、ある従来の構成よりも正確でかつ少ないヒステリシスで可変タービン形状タービンの調整リング１５０の回転運動を制御するように構成される。前記歯車駆動式調整リングアクチュエータ機構１００は、複数の摺動ブロック１３７を含む調整リング１５０、ラックギア歯１４２を有するラックギア１４０、ベーンポスト１３２上に取り付けられるフォーク型ベーンアーム１３６、およびピニオンギア歯１６２を有するピニオンギア１６０を含む。ピニオンギア１６０は、アクチュエータピボット軸５２とリンク４８とを介してアクチュエータに連結される。ラックギア１４０はその半径方向内向き面に形成される歯１４２を含み、該歯は、ピニオンギア１６０の歯１６２と噛み合うようになる。ラックギア歯１４２はターボチャージャ軸の回転軸線Ｒに向かって内側を向いており、調整リング１５０の外部端に対して半径方向外向きに位置する。ラックギア歯１４２を調整リング１５０の外部端に対して外側に配置することによって、アクチュエータピボット軸５２とピニオンギア１６０の作動のための十分な余裕が提供され、また、ラックギア１４０とターボチャージャの他の動く部品との干渉が防止される。ラックギア１４０は調整リング１５０とは別に形成されるが、任意の通常の取り付け方法によって該調整リングに取り付けられる。
【００２４】
機械的駆動リンク４８の作動に応じて、ピニオンギア１６０が回転するようになり、これによってピニオンギア歯１６２とラックギア歯１４２との相互の噛み合いを通じて調整リング１５０の回転が起こる。そして調整リング１５０の回転によって、個々のベーンアーム１３６とベーン３０（この図には図示せず）が摺動ブロック１３７を介して回転するようになる。
【００２５】
図５を参照すると、一つの代案的な歯車駆動式調整リングアクチュエータ機構２００が、ある従来の構成よりも正確でかつ少ないヒステリシスで可変タービン形状タービンの調整リング１５０の回転運動を制御するように構成される。歯車駆動式調整リングアクチュエータ機構２００は図４の機構１００と同様であり、共通の構成要素は共通の参照番号で示している。前記代案的な歯車駆動式調整リングアクチュエータ機構２００はラックギア２４０を含み、該ラックギアは、ラックギア２４０の半径方向外向き面に形成されるラックギア歯２４２を有する。また、ラックギア歯２４２はターボチャージャ軸の回転軸線Ｒから遠ざかる方向を向いている。ラックギア歯２４２はラックギア２４０の外部面に形成されるが、該ラックギア歯２４２は調整リング１５０の外部端に対しても半径方向外向きに配置され、図４の歯車駆動式調整リングアクチュエータ機構１００と同様に作動する。
【００２６】
図６〜８を参照すると、他の代案的な歯車駆動式調整リングアクチュエータ機構３００が、ある従来の構成よりも正確でかつ少ないヒステリシスで可変タービン形状タービンの調整リング３５０の回転運動を制御するように構成される。歯車駆動式調整リングアクチュエータ機構３００は、ラックギア３４０を有する調整リング３５０、ベーンポスト３２上に取り付けられるベーンアーム３６、およびピニオンギア歯１６２を有するピニオンギア１６０を含む。歯車駆動式調整リングアクチュエータ機構３００はまた、ギア式ベーンアーム３３６を含む。例えば、ギア式ベーンアーム３３６のそれぞれはベーンアーム隔壁３３８の半径方向外向き面に形成されている一セットの歯３３７を含む（図８）。
【００２７】
前記調整リング３５０のラックギア３４０は、調整リング３５０の半径方向外向き端３５４（例えば、外径）の少なくとも一部に沿って一体形成される第１セットの歯３４２を含む。ピニオンギア歯１６２は、調整リング３５０の半径方向外向き端３５４に形成される前記第１セットの歯３４２と噛み合う（図６）。該第１セットの歯３４２は、ピニオンギア１６０の運動に応じて調整リング３５０をターボチャージャの回転軸線Ｒの周りで回転させるために用いられる。
【００２８】
調整リング３５０は、該調整リング３５０の半径方向内向き端３５６（例えば、内径）の全円周に沿って一体形成される第２セットの歯３４６を含む（図７）。調整リング３５０における前記第２セットの歯３４６は前記ギア式ベーンアーム３３６における対応するセットの歯３３７と噛み合うように構成され、これにより調整リング３５０が回転すると、これに応じて各ベーンアーム３３６が回転するようになる。各ベーンアーム３３６の回転はベーンポスト３３２を介して該それぞれのベーン３０に伝達される。
【００２９】
図９を参照すると、他の代案的な歯車駆動式調整リングアクチュエータ機構４００が、ある従来の構成よりも正確かつ少ないヒステリシスで可変タービン形状タービンの調整リング４５０の回転運動を制御するように構成される。歯車駆動式調整リングアクチュエータ機構４００は、ラックギア４４０を有する調整リング４５０、対応するベーンポスト３３２に取り付けられるギア式ベーンアーム３３６、およびピニオンギア歯１６２を有するピニオンギア１６０を含む。
【００３０】
前記調整リング４５０のラックギア４４０は、調整リング４５０とは別体に形成され、任意の通常の取り付け方法によって該調整リングに取り付けられる。ラックギア４４０を調整リング４５０とは別体に形成することにより、好都合にもこれら構成要素を形成するために用いられる材料の戦略的な選択が可能になる。例えば、ある実施形態において、ラックギア４４０は調整リング４５０の他の部分と比較して相対的に高い高耐摩耗性材料で形成することができ、これにより調整リング４５０の耐久性を改善でき、高耐摩耗性材料で全体的に形成される調整リングに比べて製造コストを抑えることができる。
【００３１】
ラックギア４４０は、ラックギア歯４４２がピニオンギア歯１６２と噛み合い、ラックギア４４０の半径方向外向き面に形成されるように調整リング４５０に配置される。ラックギア４４０は、ラックギア歯４４２が調整リング４５０の半径方向外向き端４５４と同一の半径方向位置に配置されるように調整リング４５０に取り付けられる。ピニオンギア歯１６２はラックギア歯４４２と噛み合い、該ラックギア歯４４２は、ピニオンギア１６０の運動に応じて調整リング４５０をターボチャージャの回転軸線Ｒの周りで回転させるために用いられる。
【００３２】
前記調整リング４５０は、該調整リング４５０の半径方向内向き端４５６（例えば、内径）の全円周に沿って一体形成される第２セットの歯４４６を含む。調整リング４５０における前記第２セットの歯４４６は、ギア式ベーンアーム３３６における対応するセットの歯３３７と噛み合うように構成され、これにより調整リング４５０が回転するとこれに応じて各ベーンアーム３３６が回転するようになる。各ベーンアーム３３６の回転はベーンポスト３３２を介してそのそれぞれのベーン３０に伝達される。
【００３３】
前記歯車駆動式調整リングアクチュエータ機構１００、２００、３００、４００の作動中に、調整リング１５０、２５０、３５０、４５０は、ピニオンギア歯１６２とラックギア歯１４２、２４２、３４２、４４２とが噛み合うことを通じてピニオンギア１６０の回転によりターボチャージャの回転軸線Ｒの周りで回転する。特に、ピニオンギア１６０が時計回りに回転すると、調整リング１５０、２５０、３５０、４５０は反時計回りに回転する。ピニオンギア１６０は、ラックギア１４０、２４０、３４０、４４０に形成される歯１４２、２４２、３４２、４４２より少ない数の歯１６２を有する。したがって、ピニオンギア１６０がより大きく回転すると、調整リング１５０、２５０、３５０、４５０はより小さく回転する。３：１〜６：１の範囲にあるピニオンギア歯１６２に対するラックギア歯１４２、２４２、３４２、４４２のギア比が効果的であると明らかになったが、ギア比はこのような範囲に限定されない。
【００３４】
前記歯車駆動式調整リングアクチュエータ機構１００、２００、３００、４００は、軸を回転させることができるアクチュエータによって作動され得る。前記ギア比は、アクチュエータの回転に合わせて回転が設定されてもよく（例えば、１：１のギア比）、また、アクチュエータがベーン３０を制御できるように全体的なギア比を提供するように調節してもよい。また、調整リング１５０、３５０、４５０の直接的な駆動を可能にするアクチュエータをベアリングハウジングに提供することができる。
【００３５】
代案的に、前記歯車駆動式調整リングアクチュエータ機構１００、２００、３００、４００は、線形運動を回転運動に変換するリンクを介して連結される線形アクチュエータによって回転することができる。リンクが広くなく、かつ特に複雑でない限り、アクチュエータの線形変位が軸の回転に変換されることは一般的に線形的ではない。例えば、５ｍｍの線形変位によって１０度の回転が起こるとすると、１０ｍｍの線形変位によって２０度の回転が起るものではない。幸いにも、ベーン３０は大きな角度の回転を必要としない。したがって、ベーン３０が一般的に動く小さな回転角に対しては、非線形性が最小であって一般に無視することができる。あまり複雑ではないリンクの場合の非線形性は簡単に計算できる。必要であれば、ターボチャージャコントローラまたはエンジンのコントローラユニットは、いかなる非線形性の発生と関連する補正も容易に行える。
【００３６】
前記歯車駆動式調整リングアクチュエータ機構１００、２００、３００、４００は軸の回転運動を調整リング１５０、３５０、４５０に伝達することができる。前述した通り、可変形状ターボチャージャ１で、高温の排気ガスはベーン３０によりタービンホイール１２に送られ、該ベーンは調整リング１５０、３５０、４５０によって動く。しかし、ベーン３０から出る熱が調整リング１５０、３５０、４５０に伝導され、また該調整リング１５０、３５０、４５０からターボチャージャ１の軸１４に伝導される。ターボチャージャ部品の熱膨張は作動および耐久性に否定的な影響を与え得る。
【００３７】
図１０を参照すると、前記歯車駆動式調整リングアクチュエータ機構１００、２００、３００、４００は、アクチュエータピボット軸５２とベアリングハウジング１６との間に配置される弾力的マウント７０を含んでいてもよく、該弾力的マウントは前記歯車駆動式調整リングアクチュエータ機構１００、２００、３００、４００とベアリングハウジング１６との間の熱伝導の否定的な影響を減らすために用いることができる。前記弾力的マウント７０は、ここでは図６に示す歯車駆動式調整リングアクチュエータ機構３００と関連して示しているが、前記機構のすべての実施形態に採用することができる。
【００３８】
前記弾力的マウント７０は、弾性的かつ弾力的な中空円筒形部材である。弾力的マウント７０は、アクチュエータピボット軸５２を収容するベアリングハウジング内の開口１６ａの内径に相当する外径を有する。ブッシング７２が前記弾力的マウント７０の内部に同心に配置されており、前記弾力的マウント７０の内径に相当する外径を有する。ブッシング７２はアクチュエータピボット軸５２の端部を収容するように構成される。前記弾力的マウント７０とブッシング７２とは前記開口１６ａ内に配置され、ベアリングハウジング１６に対してアクチュエータピボット軸５２を回転可能に支持する。したがって、ブッシング７２はアクチュエータピボット軸５２と弾力的マウント７０との間に位置し、弾力的マウント７０はブッシング７２とベアリングハウジング１６との間に配置される。図示されている実施形態において、アクチュエータピボット軸５２はリンク４８を介してアクチュエータによって回転するが、これに限定されない。前述した通り、アクチュエータピボット軸５２が回転すると、この軸に連結されるピニオンギア１６０の回転とギア調整リングアクチュエータ機構３００の運動が発生し、これによりベーン３０の運動も発生する。
【００３９】
作動時、排気ガス熱の一部はアクチュエータピボット軸５２に伝達されて、該アクチュエータピボット軸５２と接触する要素が膨張する。例えば、ブッシング７２は３５０〜４５０℃の範囲内の温度に達し得る。ブッシング７２とアクチュエータピボット軸５２とがターボチャージャ内の高温によって膨張することにより、これに応じてアクチュエータピボット軸５２とベアリングハウジング１６との間に位置する前記弾力的マウント７０が膨張するようになる。アクチュエータピボット軸５２が冷却されると、弾力的マウント７０は元の形状に戻る。該弾力的マウント７０の弾性のため、アクチュエータピボット軸５２とブッシング７２とを含むアクチュエータ部品が加熱により膨張し、冷却により収縮されることができ、また、引き続き調整リング３５０との接触を保持することができる。さらに、弾力的マウント７０はターボチャージャの作動中に発生し得る振動を減衰する。
【００４０】
前記弾力的マウント７０は多様な形状を有することができ、弾力的マウント７０の形状によって、該弾力的マウント７０により提供される弾力性の実際の量が決定される。弾力的マウント７０は略円形である断面形状を有し、半径方向内側に向かう突出部７４を含み、該突出部は様々な形状を有する。弾力的マウントの突出部７４の例示的な形状を図１１ａ〜１１ｄに示す。
【００４１】
弾力的マウント７４の形成に適した材料は、鋼、スプリング鋼、および３１０等級鋼や２１１１ＨＴＲ等級鋼のような耐熱性ステンレス鋼を含むが、これに限定されない。ブッシング７２の形成のために用いるのに適した材料は、銅、青銅、黄銅、鋼およびステンレス鋼を含むが、これに限定されない。
【００４２】
図１２および１３を参照すると、前記歯車駆動式調整リングアクチュエータ機構１００、２００、３００、４００を含むターボチャージャ１に前記弾力的マウント７０を好都合に用いることができるが、該弾力的マウントは図２に示すブロック駆動式機構のような従来のＶＴＧ作動機構にも用いることができる。例えば、弾力的マウント７０とブッシング７２とは前記開口１６ａ内に配置され、アクチュエータピボット軸５２をベアリングハウジング１６に対して回転可能に支持する。したがって、ブッシング７２はアクチュエータピボット軸５２と弾力的マウント７０との間に位置し、弾力的マウント７０はブッシング７２とベアリングハウジング１６との間に配置される。図１３に示すように、ブロック駆動式機構はアクチュエータピボット軸５２の端部に取り付けられるフォーク型部材７８を含む。該フォーク型部材７８は調整リング５０に連結される大型ブロック４６を部分的に囲む。アクチュエータピボット軸５２が回転すると、この軸に連結された前記フォーク型部材７８が回転し、その結果、調整リング５０の運動が発生し、これによりさらにベーン３０の運動が発生するようになる。
【００４３】
タービンホイールと可変タービンベーンとは、タービンホイールが１９２２゜Ｆ（１０５０℃）の高温まで達し得る高温環境で作動する。可変タービン形状ターボチャージャにおいて、ベーン調整リングは排気ガスの直接的な経路にある。場合によっては、調整リングアクチュエータの一部も排気ガスの直接的な経路にあり得る。しかし、調整リングアクチュエータが排気ガスの直接的な経路になくとも、ベーンと調整リングからの熱が調整リングアクチュエータに伝導され得る。したがって、ニッケル系超合金と耐熱性ステンレス鋼が、開示された歯車駆動式および／またはブロック駆動式調整リングアクチュエータ機構の製造のための例示的な材料である。ニッケル系超合金は一般的にニッケル、クロムおよび鉄を含有し得るが、ある合金では他の金属が含まれてもよい。インコネル、ハステロイ、インコロイおよびモネル金属合金が、開示された歯車駆動式および／またはブロック駆動式調整リングアクチュエータ機構の形成に用いられるのに適したニッケル系超合金の例である。開示された歯車駆動式および／またはブロック駆動式調整リングアクチュエータ機構を製造するために耐熱性ステンレス鋼を選択する場合、適切な耐熱性ステンレス鋼の材料は３１０等級鋼および２１１１ＨＴＲ等級鋼を含む。
【００４４】
ここでは本開示の態様を例示的な方式で説明したが、使用された用語は限定のためのものでなく説明のためのものであることを理解すべきである。前述した教示に鑑みて本開示に対する多様な修正及び変化が可能である。したがって、添付された請求範囲内で、本発明は説明内で具体的に言及されたのとは異なるように実施される可能性があることを理解すべきである。
【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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【図１０】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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【図１１ｃ】
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【図１１ｄ】
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【図１２】
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【図１３】
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