(57)【要約】【課題】可変ノズル機構のノズルベーンの回動機構を駆動するリンク機構に安価かつ耐摩磨耗性の高い構成部品を使用することにより、安価に高精度のノズルベーン翼角同期制御を可能とし、耐用年数の長いターボチャージャを提供する。【解決手段】ターボチャージャに回動可能に支持されているリングプレートに固定配置され、タービンロータを回転させる排気ガスの量を制御するノズルベーンの翼角を設定するピンとして、母材であるオーステナイト系ステンレスにＡｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、及びＮからなる物理気相蒸着した厚さ約２μｍの硬質皮膜を形成したものを用いる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端部には、先端に二股に分かれた挟持部が形成されている開閉レバーが固定され、他端部には、タービンロータを回転させる排気ガスの量を制御するノズルベーンが固定されている、複数のノズル軸を回動可能に円周方向等間隔に支持するノズルマウントと、
前記ノズル軸に対応して固定配置され前記開閉レバーの挟持部に係合するピンを有し、該ノズルマウントに対して同軸に回動可能に支持されているリングプレートと
を備えるターボチャージャであって、
前記ピンは、ステンレス鋼を母材とし、前記母材には硬質皮膜がＡｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、及びＮからなる物理気相蒸着により被覆されていることを特徴とするターボチャージャ。
【請求項２】
前記硬質皮膜の膜厚は、０．５μｍ以上であることを特徴とする請求項１記載のターボチャージャ。
【請求項３】
前記硬質皮膜は、前記母材の擦動部を含む一部分にだけ選択的に被覆されていることを特徴とする請求項１又は２記載のターボチャージャ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンのターボチャージャ、特に可変ノズル機構を備えた排気ターボチャージャに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車用エンジン、特にディーゼルエンジンは排気を清浄化するために排気ターボチャージャを搭載する場合が多い。タービンへ流れるガスの速さを変えることにより、アイドリングなどのエンジン低速回転時〜高速走行回転時まで安定な動作が可能なターボチャージャとして、複数の可変ノズルをリングプレート上に設置したピンにより回動可能に支持し、リンク機構により排気の流速を調節するいわゆる可変ノズルターボチャージャが知られている。（例えば、特許文献１参照。）
【特許文献１】特開２００６−１９４１７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、可変ノズルターボチャージャは、長期間にわたり１０００℃前後の高温で無保守無給油運転されるので、これらの環境で高い信頼性を保つ必要がある。特に、可変ノズル機構の回転系やリンク系摺動部の耐磨耗性確保は重要であり、上記リングプレート上に設置するピンの耐久性も例外ではなく、これがターボチャージャの耐用年数を決める大きな要因である。
【０００４】
上記リングプレート上に設置するピンは高温での耐摩耗性が要求されるので、コバルト系合金などの硬度の高い金属材料が使われている。コバルト系合金は、高温での硬度が高いという利点はあるが、材料が高価であり、また、磨耗するので耐用年数が短いという欠点がある。また、コバルト系合金は脆いためにピンとしての加工製作やリングプレートへの圧入組み付け時の破損歩留が高いなど、製造コストが高いという欠点がある。
【０００５】
本発明は、上記問題点に鑑み、耐摩耗性が高いので耐用年数が長く、安価で製造コストの低いピンを用いることにより、耐用年数が長くかつ製造コストも安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】
【０００６】
上記目的を達成するため、請求項１に記載した本発明のターボチャージャは、一端部には、先端に二股に分かれた挟持部が形成されている開閉レバーが固定され、他端部には、タービンロータを回転させる排気ガスの量を制御するノズルベーンが固定されている、複数のノズル軸を回動可能に円周方向等間隔に支持するノズルマウントと、前記ノズル軸に対応して固定配置され前記開閉レバーの挟持部に係合するピンを有し、該ノズルマウントに対して同軸に回動可能に支持されているリングプレートとを備えるターボチャージャであって、前記ピンは、ステンレス鋼を母材とし、前記母材には硬質皮膜がＡｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、及びＮからなる物理気相蒸着により被覆されていることを特徴とする。
【０００７】
また、請求項２に記載した本発明のターボチャージャは、前記硬質皮膜の膜厚は、０．５μｍ以上であることを特徴とする。
【０００８】
また、請求項３に記載した本発明のターボチャージャは、前記硬質皮膜は、前記母材の擦動部を含む一部分にだけ選択的に被覆されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１に記載した本発明によるターボチャージャによれば、過酷な高温環境下における小さな部材であるピンの表面は極めて耐摩耗性が高く、かつ、それに比べてピン本体はある程度の弾性を有し加工が容易な構造とすることができるので、本体の弾性と表面の耐摩耗性により耐用年数が長く、かつ安価で製造コストの低いピンを用いることができ、耐用年数が長くかつ製造コストも安いターボチャージャを提供することができる。
【００１０】
請求項２に記載した本発明によるターボチャージャによれば、より耐久性の高い、ばらつきに左右されない量産品質の高いターボチャージャを提供することができる。
【００１１】
請求項３に記載した本発明によるターボチャージャによれば、リングプレートへのピンの圧入部に硬質皮膜という異種物質を関与させないことにより、リングプレートへのピンの固着強度を損なわないことのより、より製造ばらつきに左右されない量産品質の高いターボチャージャを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１は、本発明の一実施例によるターボチャージャの構造を示す断面図である。同図で、タービンハウジング１の外周部にはスクロール２が渦巻状に形成されている。ノズルベーン５は、スクロール２の内周側に円周方向等間隔に複数枚設置されている。ノズル軸６は各ノズルベーン５の翼端部に形成され、タービンハウジング１に固定されたノズルマウント７に回動可能に支持されている。
【００１４】
可変ノズル機構８はノズルベーン５の翼角を変化させる。タービンハウジング１にはリングプレート８１が回動可能に支持されており、リングプレート８１にはピン８２が円周方向等間隔に固定配置されている。開閉レバー８４は、ノズル軸６に同軸に固定されると同時に、先端が二股に別れた挟持部がピン８２に係合されている。
【００１５】
クランク機構９は、ノズルベーン５の駆動源に連結される。レバー１０はクランク機構９に連結されている。スリーブ１１は、レバー１０に固定され、可変ノズル機構８のリングプレート８１に係合しリングプレート８１を回転駆動する。
【００１６】
以下、ターボチャージャの動作を説明する。不図示のエンジンからの排気ガスはスクロール２に入り、スクロール２の渦巻きに沿って周回しながらノズルベーン５に流入する。流入したこの排気ガスはノズルベーン５の翼間を通過してタービンロータ３に流入し、中心側に向かって半径方向に流れてタービンロータ３に膨張仕事をしてタービンシャフト４を回転させ、その後軸方向に流れて排出口１２から排出される。
【００１７】
クランク機構９に不図示の翼角度制御手段からの指示が設定されると、レバー１０、スリーブ１１を経由して可変ノズル機構８のリングプレート８１が回転駆動される。リングプレート８１の回転はピン８２、開閉レバー８４、ノズル軸６の回動によりノズルベーン５に伝達され、ノズルベーン５の翼角は上記翼角制御手段により設定された値となる。
【００１８】
図２は、可変ノズル機構８の構造を示す図であり、図２(ａ)は側断面図、図２(ｂ)は図１の右から見た正面図である。ノズルマウント７の同心円上には複数のノズル軸６が等角度毎に設けられており、各ノズル軸６はノズルマウント７に対して、その厚み方向に貫通して回動可能に支持されている。各ノズル軸６のリングプレート８１側の端部には開閉レバー８４が、反対側の端部にはノズルベーン５が固定されている。
【００１９】
開閉レバー８４の先端には、二股に分かれた挟持部が形成されており、リングプレート８１に固定配置されたピン８２を挟持している。リングプレート８１とノズルマウント７は同軸上にあり、相互に回動可能である。前記した翼角度制御手段の指示がレバー１０に伝達されると、リングプレート８１が回動され、各ピン８２が各開閉レバー８４の挟持部を押して各ノズル軸６を回動させることとなり、その結果各ノズルベーン５は各ノズル軸６を中心にして同期した開閉動作をすることとなり、タービンロータ３に流入する排気ガスの量が制御される。
【００２０】
以上が可変ノズル機構８を備えた可変容量型ターボチャージャの動作である。上記説明で明確なように、ノズルベーン５の翼角の設定及び同期動作には、リングプレート８１とノズルマウント７の回動を伝達するピン８２と開閉レバー８４の高精度動作が必要である。特にピン８２は開閉レバー８４の挟持部により横方向に押されながら擦動するので、ピン８２と開閉レバー８４の当接部は磨耗しやすい。この当接部が磨耗すると前記した翼角制御手段の指令がノズルベーン５の翼角に正しく反映されぬことになり、また、各ピン８２及び各開閉レバー８４の磨耗の度合いに応じて各ノズルベーン５の翼角にばらつきを生じて同期動作が乱れるなど、高精度動作が損なわれてしまう。したがって、ピン８２と開閉レバー８４の耐摩耗性はこのターボチャージャの耐用年数を決める重要な要素となる。
【００２１】
図３は、本発明の一実施例によるピン８２の構造を示す断面図である。同図はピン８２がリングプレート８１に圧入されている状態を示している。ピン８２は母材８２１、皮膜８２２からなっている。皮膜８２２は開閉レバー８４の挟持部と当接する部分に選択的に施されている。選択的に皮膜８２２を施す理由は、それで十分な対磨耗性能が得られるだけでなく、リングプレート８１への圧入部に皮膜８２２という異種物質を関与させないことにより、リングプレート８１へのピン８２の固着強度を損なわないことにある。
【００２２】
母材８２１としてオーステナイト系ステンレス鋼ＳＵＳ３０４を、皮膜８２２としてＡｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｎからなる物理気相蒸着した厚さ約２μｍの硬質皮膜を形成したものを使用して２００時間運転した実験結果を表１に示す。皮膜材料の構成比は（ＡｌｘＣｒ１−ｘ−ｙＳｉｙ）（Ｎ）であり、０．４５＜ｘ＜０．８５、０＜ｙ＜０．３５である。表１には比較参考値としてピン８２としてコバルト系合金を使用した従来例の値も示した。
【表１】
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【００２３】
上記実験結果によれば、本発明によるオーステナイト系ステンレス鋼にＡｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｎからなる物理気相蒸着した厚さ約２μｍの硬質皮膜を形成したピン８２を使用すると、従来のコバルト合金を使用した場合に比べてピン８２の磨耗量は２０００分の一以下、開閉レバー８４の挟持部の磨耗量は約１０分の一であり、磨耗量の差は大きい。
【００２４】
また、図３に示した本発明によるピン８２は、母材として低コストで塑形加工可能なステンレス鋼を使用しているので、従来のコバルト系合金に比べて安価であり、また可撓性が高いので開閉レバー８４の挟持部の横方向に押す力に対しても耐性が高く丈夫である。すなわち、本発明による母材８２１としてオーステナイト系ステンレス鋼ＳＵＳ３０４を、皮膜８２２としてＡｌ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｎからなる物理気相蒸着した厚さ約２μｍの硬質皮膜を形成したピン８２は、開閉レバー８４の挟持部の横方向に押す力に対しても耐性が高く丈夫であり、かつピン８２及び開閉レバー８４の挟持部それぞれの擦動部の磨耗が少ないという利点を合わせ持っている。
【００２５】
したがって、本発明によるピン８２を使用したターボチャージャは安価であり、また、その耐用年数は、従来のコバルト系合金を使用したものに比べて改善していることが上記により示された。
【００２６】
また、リングプレート８１としてほぼ同一の線膨張率を有するステンレス鋼などを使用する場合は、圧入のみで締結力を得ることができるなど、より安価かつ容易な組み立てが可能である。
【００２７】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではない。ピン８２の母材としてオーステナイト系のステンレス鋼であるＳＵＳ３０４を用いたが、同様の剛性、耐熱性、皮膜８２２との十分な接着強度などを有する他のステンレス鋼、あるいは他の金属材料でも良い。
【００２８】
また皮膜材料として（ＡｌｘＣｒ１−ｘ−ｙＳｉｙ）（Ｎ）を物理気相蒸着した硬質皮膜を形成したが、荷重９．８ｍＮにおける押し込み硬度が約２５００ＨＶ以上で酸化開始温度が約１０００℃以上の密着性に優れた皮膜材料であれば、組成や皮膜形成方法をこれに限る必要はない。
【００２９】
また、皮膜８２２の厚さを約２μｍとしたが、実験による磨耗量は０．１μｍ／２００時間以下であり、成膜時の工程ばらつきによる膜圧の不均一や組成ばらつきを考慮しても膜圧が０．５μｍ以上あれば工業的に十分な強度が得られる。
【００３０】
また、皮膜８２２は開閉レバー８４との当接部に施すとしたが、母材８２１の全面、あるいはリングプレート８１への圧入部を除く他の全ての部分に施してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施例によるターボチャージャの構造を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施例によるターボチャージャの可変ノズル機構８の構造を示す図である。
【図３】本発明の一実施例によるピン８２の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１      タービンハウジング
２      スクロール
３      タービンロータ
４      タービンシャフト
５      ノズルベーン
６      ノズル軸
７      ノズルマウント
８      可変ノズル機構
９      クランク機構
１０    レバー
１１    スリーブ
８１    リングプレート
８２    ピン
８４    開閉レバー
８２１  母材
８２２  皮膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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