(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガス用の入口および出口、入口に接続されたボリュート、およびボリュートに隣接する一体型外側ノズル壁を有するタービン・ハウジングと、
タービン・ハウジングに取り付けられ、ベアリング・アセンブリを担持するセンタ・ボアを有するセンタ・ハウジングと、
空気入口と圧縮空気出口とを有し、センタ・ハウジングに取り付けられたコンプレッサ・ハウジングと、
タービン・ハウジング内に担持され、かつベアリング・アセンブリによって支持されたセンタ・ハウジング中に延びるシャフトに取り付けられたタービン・ホイールであって、シャフトは、タービン・ホイールから遠い端部においてコンプレッサ・ハウジング内に担持されたコンプレッサ・インペラに取り付けられているタービン・ホイールと、
外側ノズル壁に対してほぼ平行な第１の表面から延びる回転ポストを有する複数の羽根であって、ポストは、外側ノズル壁の円周方向に離れているアパーチャ中に受容され、羽根はさらに、第１の表面の遠位において羽根の対向表面から延びる作動タブを有する複数の羽根と、
センタ・ハウジングと羽根の中間にあり、羽根と同数の複数のスロットを有するユニゾン・リングであって、前記スロットは、ユニゾン・リングの円周に対して斜めに向いており、かつタブを受容し、ユニゾン・リングはさらにラジアル・スロットをも有するユニゾン・リングと、
ラジアル・スロットに係合するピンを有するクランク・シャフトであって、クランク・シャフトは、第１の位置から第２の位置まで連続的に移動可能であり、クランク・シャフトが移動すると、ピンがラジアル・スロット中で並進し、ラジアル・スロットに対して直角な力が加わり、ユニゾン・リングの回転運動が起こり、ユニゾン・リングの回転運動が起こると、タブが作動スロットをスロットの第１の端部からスロットの第２の端部まで横断させるクランク・シャフトと、
クランク・シャフトを第１の位置から第２の位置まで移動させるための手段とを含んでおり、前記タブが、作動スロット中に受容されるようにほぼ平坦な側面を組み込んでいる可変形状ターボチャージャ。
【請求項２】
作動スロットは、各タブの第１の側面と第１の端部および第２の端部にあるタブとの最大の係合および各タブの第２の側面と第１の端部と第２の端部の中間にあるスロット中にあるタブとの最大の係合が可能になるように事前決定されたプロファイルを組み込んでいる、請求項１に記載の可変形状ターボチャージャ。
【請求項３】
移動手段が、センタ・ハウジングと一体の液圧アクチュエータを含んでおり、かつ
クランク・シャフトに対して直角な往復運動用にセンタ・ハウジング中に一体にキャスティングされたボス中に受容されるピストンと、
第１の端部においてピストンに取り付けられているピストン・ロッドと、
ピストン・ロッドをクランク・シャフトに取り付けるための手段であって、ロッドの往復運動をシャフトの回転運動に変換する取付け手段と、
クランク・シャフトの第１の位置に対応する第１の位置からクランク・シャフトの第２の位置に対応する第２の位置までの運動を誘起するために、ピストンの両側の液圧を制御可能に変化させるための手段とを有する、請求項１に記載の可変形状ターボチャージャ。
【請求項４】
取付け手段が、
ピストン・ロッド上にあるギヤ・ラックと、
クランク・シャフト上にあるピニオン・ギヤとを含んでいる、請求項３に記載の可変形状ターボチャージャ。
【請求項５】
液圧を制御可能に変化させるための手段が、
バイパスばねによって平衡する可変電流電磁弁によって移動可能である液圧弁ステムと、
弁ステムが第１の位置にある状態で第１のポートと連絡し、かつ弁ステムが第２の位置にある状態で第２のポートと連絡する液圧源と、
弁ステムが第１の位置にある状態で第２のポートと連絡し、かつ弁ステムが第２の位置にある状態で第１のポートと連絡する液圧ドレインと、
ピストンの第１の側面と連絡し、かつ、第１のポートと連絡する第１のコンジットと、
ピストンの第２の側面と連絡し、かつ、第２のポートと連絡する第２のコンジットと、
クランク・シャフト上にあり、バイパスばねに動作可能に係合するカムとを含んでいる、請求項３に記載の可変形状ターボチャージャ。
【請求項６】
作動スロットがブラインドであり、
センタ・ハウジング中にあり、ユニゾン・リングを緊密に受容する環状チャネルと、
ユニゾン・リングを羽根の第２の表面と緊密に接触させるために空気圧力をチャネルに供給するための手段とをさらに含んでいる、請求項１に記載の可変形状ターボチャージャ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の背景
発明の分野
本発明は一般に、タービン入口が変化できる形状を有するターボチャージャに関する。より詳細には、本発明は、タービン・ハウジングの入口ノズル中に多数の空気力学的羽根を位置決めするための簡略化構造構成および羽根位置の制御用の統合アクチュエータを提供する。
【０００２】
従来の技術
ターボチャージャでは、効率または動作範囲を改善するためにタービン中への排気ガスのフローを制御することが望ましいことが多い。排気ガス・フローを制御するための可変ノズルの様々な構成が使用されている。タービン入口の周りに環状に配置され、羽根間の通路ののど領域を変更するように共通に制御される多数の回動羽根は、従来のターボチャージャにおいて首尾よく使用されている手法である。可変ノズルを実現するためのこの方法の様々な手法が、本発明と共通の譲受人を有するＳｗｉｈａｒｔ他の米国特許第４６７９９８４号「Ａｃｔｕａｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  Ｖａｒｉａｂｌｅ  Ｎｏｚｚｌｅ  Ｔｕｒｂｉｎｅ」およびＦｌｅｕｒｙの米国特許第４８０４３１６号「Ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  Ｐｉｖｏｔｉｎｇ  Ｖａｎｅ  Ａｃｔｕａｔｉｏｎ  Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ  ｏｆ  ａ  Ｖａｒｉａｂｌｅ  Ｎｏｚｚｌｅ  Ｔｕｒｂｏｃｈａｒｇｅｒ」に開示されている。
【０００３】
多数の羽根可変ノズル・ターボチャージャはターボチャージャの全体的効率および能力を著しく高めたが、羽根の支持構造および作動構造の複雑さが、製造コストを増大させ、保守問題を生じることが多い。したがって、可変ノズル構造構成の複雑さおよび部品点数を削減し、かつ作動システムを使用するターボチャージャの信頼性を高めかつ製造コストを削減するために作動システムを改善することが望ましい。
【０００４】
発明の要旨
本発明を使用する可変形状ターボチャージャは、排気ガス用の標準入口と、エンジンの排気システムへの出口とを有するタービン・ハウジングを含んでいる。ボリュート（渦巻き）が入口に接続されており、ボリュートに隣接したタービン・ハウジング・キャスティング中に一体型外側ノズル壁が組み込まれている。センタ・ハウジングがタービン・ハウジングに取り付けられている。センタ・ハウジングのセンタ・ボアがベアリング・アセンブリを担持する。空気入口と圧縮空気出口とを有するコンプレッサ・ハウジングがセンタ・ハウジングに取り付けられている。
【０００５】
タービン・ホイールがタービン・ハウジング内に担持され、かつベアリング・アセンブリによって支持されたセンタ・ハウジング中に延びるシャフトに取り付けられている。シャフトは、コンプレッサ・ハウジング内に担持されたコンプレッサ・インペラに取り付けられている。
【０００６】
外側ノズル壁に対してほぼ平行な第１の表面から延びる回転ポストを有する複数の羽根が可変ノズルを与える。ポストは、外側ノズル壁の円周方向に離れているアパーチャ中に受容される。羽根はさらに、羽根の対向表面から延びる作動タブを有する。ユニゾン・リングがセンタ・ハウジングと羽根の間に係合し、かつ羽根と同数の複数のプロファイル付きスロットを有する。スロットはユニゾン・リングの円周に対して斜めに向いてタブを受容する。スロットのプロファイル付き表面は並進中に種々の表面上のタブのほぼ平坦な側面に係合して、最適な制御および摩耗低減を与える。
【０００７】
ユニゾン・リングの作動はラジアル・スロットと、ラジアル・スロットに係合するピンを有するクランク・シャフトとによって行われる。クランク・シャフトは、第１の位置から第２の位置まで連続的に移動可能であり、それによりピンがラジアル・スロット中で並進し、ラジアル・スロットに対して直角な力が加わり、ユニゾン・リングの回転運動が起こる。ユニゾン・リングの回転運動が起こると、タブが作動スロットをスロットの第１の端部からスロットの第２の端部まで横断させる。スロットの斜め配向により、第１の開位置から第２の閉位置までの羽根の連続的可変回転が起こる。
【０００８】
一体型液圧アクチュエータがクランク・シャフト用の作動機構を与える。センタ・ハウジングのボス中に装着されているアクチュエータは、羽根の位置制御のためにラックおよびピニオンによってクランク・シャフトに取り付けられたピストンおよびピストン・ロッドを使用する。ピストンを動作させるための液圧は、ピニオン・ギヤに隣接するクランク・シャフト上に装着されたカムを介した直接フィードバックをもつマルチポート電磁弁によって与えられる。
【０００９】
本発明の詳細および特徴は、詳細な説明および図面に関してより明確に理解できよう。
【００１０】
発明の詳細な説明
図面を参照すると、図１に示される本発明の実施形態は、ボルト１６によって固定された２つ以上のクランプ１４を使用してバックプレート１２に接続されたコンプレッサ・ハウジング１０を含んでいる。バックプレートは多数のボルト２０およびシール・リング２２でセンタ・ハウジング１８に取り付けられている。タービン・ハウジング２４が、ボルト２８によって固定された多数のクランプ２６を使用してセンタ・ハウジングに接続されている。タービン・ホイールおよびシャフト・アセンブリ３０がタービン・ハウジング内に担持されている。ターボチャージャに供給される排気ガスまたは他の高エネルギー・ガスが入口３２を介してタービン・ハウジングに入り、タービン・ハウジング中のボリュートを通して円周方向ノズル３４を介してほぼ半径方向にタービン・ホイールに入るように分配される。
【００１１】
ノズル壁の穴４２内に回転係合するように羽根から延びるポスト４０を使用して、タービン・ハウジング中に機械加工されたノズル壁３８に多数の羽根３６が取り付けられている。作動タブ４４が羽根から延びて、第２のノズル壁の働きをするユニゾン・リング４８中のスロット４６に係合される。タブ、スロットおよびユニゾン・リングの構成については後でより詳細に説明する。アクチュエータ・クランク５０の第１の端部は、後で説明するように、リングの回転用にユニゾン・リング中の楕円形スロット５６に係合するようにピン５４を担持するレバー・アーム５２中で達している。クランクは、ブッシング６０とピン６４によってクランクに固定されたギヤ６２とを介してセンタ・ハウジング・キャスティングのボス５８中に延び、そしてクランク・ボス中のアパーチャ６８と嵌合するエンド・ベアリング６６中に受容される。Ｏリング７０はエンド・ベアリングをシールし、スナップ・リング７２はエンド・ベアリング６６をアパーチャ６８中に固定する。
【００１２】
２つのジャーナル・ベアリング７４とベアリング・スペーサ７６とを有するベアリング・システムがセンタ・ハウジング・センタ・ボア７８中にシャフト・ホイール・アセンブリを支持する。シャフトはさらに、センタ・ハウジングとコンプレッサ・バック・プレートの間に担持されたスラスト・ベアリング８２に係合するスラスト・カラー８０中に延びる。ピストン・リング８４がバック・プレートのシャフト・ボアでスラスト・カラーをシールする。タービン・ハウジング、センタ・ハウジングおよびバック・プレート内のシャフト・ホイール・アセンブリのスタック・アップが図２に最もよく示されている。ユニゾン・リングおよび羽根は明快さのために示されていない。コンプレッサ・インペラ８６はシャフト・ホイール・アセンブリに取り付けられている。
【００１３】
再び図１を参照すると、ターボチャージャ用の統合アクチュエータはセンタ・ハウジング１８のキャスティングのアクチュエータ・ボス８３中に格納される。電磁弁８５がボスの一端にあるアパーチャ中に装着されており、一方、作動構成要素がボスの他端にある第２のアパーチャ中に装着されている。作動構成要素は、クランク・シャフト５０に装着されたギヤ６２に係合するラック・ギヤ９０を有するロッド８８を組み込んだピストン８６を含んでいる。リング・シール９２が、アクチュエータ・ボスのボア中のピストンをシールするピストン円周部を囲んでいる。追加のリング・シール９４および９６が、ピストン・ボアよりも小さい直径をもつロッド・ボアに対してピストン・ロッドをシールする。ピストン・ボアは、スナップ・リング１００でボア中に保持されたピストン端部９８でシールされる。ボルト１０２が、ピストン端部を操作する際に使用するためにピストン端部のねじ穴中に挿入される。追加のリング・シール１０４がピストン端部をボアにシールする。別法として、フリーズ・プラグ１０６がピストン端部の代替品として使用される。電磁弁は、ボルト１１０によって保持されたブラケット１０８でボスに固定される。ボア・プラグ１１２および１１４は、アクチュエータ・ボス中の作動通路のブラインド端部をシールし、一方、鋼ボール１１６は、後でより詳細に説明するように、他の作動通路をシールするために使用される。
【００１４】
図２は、ベアリング・アセンブリによって支持されるタービン・シャフト・ホイール・アセンブリおよびコンプレッサ・インペラとともにアセンブルされたタービン・ハウジング、センタ・ハウジングおよびコンプレッサ・バック・プレーンを示すターボチャージャを示す側部断面図である。
【００１５】
図３は、アクチュエータ・ボスおよびアセンブルされたアクチュエータ構成要素を通る端部断面図である。図４は、ピストン・ボアをシールするための代替フリーズ・プラグ構成を示す。
【００１６】
図２に最もよく示されているように、センタ・ハウジングは、前に説明したように、ボルトを使用してセンタ・ハウジングをタービン・ハウジングに取り付けるための主キャスティング部分およびタービン・ハウジング・バック・プレート１２を含んでいる。図５ａは、主キャスティング部分とタービン・ハウジング・バック・プレートの間のエア・ギャップ上に延び、バック・プレートのアパーチャ中に入るクランク・シャフトでセンタ・ハウジングの主キャスティング部分中に装着されたギヤ６２、ブッシング６０とともにクランク・シャフト・アセンブリを示す断面図である。図５ｂは、バック・プレート・アパーチャ中のクランク・シャフト・シーリング構成の詳細を示す。第１の直径を有する第１の金属リング・シール１２２はアパーチャ１２４の内直径をシールするために使用され、一方、第２の金属リング・シール１２６は、第１のシールと組み合わせてアパーチャの第２のより大きい直径１２８をシールするために使用される。この構成により、動作中の主キャスティング部分およびバック・プレートの不均一な熱膨張中に連続するシーリングが可能になる。図５ｂは、バック・プレートの温度が主部分を超えており、より大きい膨張が生じている、動作中の構成を説明する図であり、一方、図５ｃは、主キャスティング部分とバック・プレートの共通の温度における公称公差をもつ構成を示す。
【００１７】
タービン入口ノズル中のノズル羽根３６はユニゾン・リング４８によって動作する。図６ａは、ラジアル・スロット１３０中のクランク・シャフト５０のエンド・ピン５４によって係合されたユニゾン・リングを示す。クランク・シャフトが回転すると、オフセット・エンド・ピンがラジアル・スロットを横断し、その結果、ユニゾン・リングが回転する。タービン・ハウジングのノズル壁の受容穴４２中に延びるピン４０で回転するように装着された羽根は、ユニゾン・リング中のスロット４６中に受容された作動タブ４４を有する。ユニゾン・リングが回転すると、スロットの運動によりタブがスロットの一端から他端まで横断し、その結果、羽根が第１の完全開位置から図６ａに示される中間位置を通って完全閉位置まで回転する。図６ｂは、タブがスロット中に位置している、羽根の完全開位置、中間位置および完全閉位置を幻影で示す。図６ｃは、タブが多数の位置に示されている、ユニゾン・リング・スロットの拡大図である。タブは、タブの点摩耗を低減するためにタブによるスロット壁の延長係合を可能にするほぼ平坦な側面１３４および１３６を組み込んでいる。スロットの輪郭は、純粋に楕円形ではないが、最大面積をもつ開終点および閉終点においてタブの第１の側面１３４に係合し、かつ羽根の中間位置決めのときに第２の側面１３６に係合する間に、タブとの係合が最大になるように事前決定される。
【００１８】
図面に示される実施形態では、図６ｄは、羽根の完全開位置および完全閉位置を示す。羽根は２２度回転することができる。表１は、羽根の開位置、中間位置および閉位置について関連する前縁、後縁およびのどのサイズをｍｍで示す。
【表１】
0004460814.tif 000002
【００１９】
いくつかの用途では、ノズル中の羽根の装着を圧力平衡させることが望ましい。図７は、ブラインド・スロット４６を組み込んだユニゾン・リング４８の一実施形態を示し、ブランド・リリーフ１３８がリングの逆側面上に設けられており、圧力ポート１４０がリリーフ１中に機械加工されている。図８は、ノズル中の羽根に係合する解放されたユニゾン・リングの詳細な側面断面図である。図示の構成では、ノズルに入る排気ガスの圧力は、ポート１４０を介してバック・プレート１２０の装着チャネル１４４の公差によって与えられるギャップ１４２を介してユニゾン・リングの解放された後部１３８を加圧する。あるいは、供給穴１４６がポート１４４の位置に近接してユニゾン・リング装着チャネル中にバック・プレートを介して設けられる。排気ガスの全圧がユニゾン・リングを羽根に押し付け、羽根はタービン・ハウジング中のノズル表面３８に押し付けられる。羽根漏れが最小になるように羽根をノズル表面およびユニゾン・リングと緊密に接触した状態に維持できるよう十分な深さで、羽根ピン４０を受容する穴４２が設けられる。
【００２０】
羽根の作動は上述の電磁弁８４および作動構成要素によって開始される。図９ａ〜図９ｅは、ラック９０を介してギヤ６２を駆動する作動ピストン８６およびそのピストン・ロッド８８の様々な状態を示す。電磁弁は、ギヤ本体中に機械加工されたカム１５４に係合するキャップ１５２を有するばね１５０によって反応する。次いで、後で説明する様々なポートが開閉し、ピストンを液圧式に位置決めし、ピストンはラックおよびギヤの機械的閉ループを介してクランク・シャフト、したがってユニゾン・リングの位置の確実な制御を可能にする。
【００２１】
電磁弁は比例サーボ４ウェイ液圧アクチュエータ制御弁である。図９ａに示すように、ソレノイドに電流が加えられなければ、ポートＡが開いており、ポートＢ（ピストンの上部）がドレイン・ポートＤに接続されているようにステム１６０が位置している。ターボチャージャが装着されているエンジンから油圧が加えられたとき、油圧はソース・ポート１５５からポートＡを介してコンジット１５６を通ってピストンの底部に導かれ、羽根を完全開位置に入れる。図９ｂに示すように、ソレノイドに電流が加えられると、ポートＡ（ピストンの底部）はドレインに接続され、ポートＢは開き、油圧がコンジット１５６を通してピストンの上部に導かれ、ピストンを左に動かして羽根を閉じ始める。
【００２２】
図９ｃは、ソレノイドへ平衡状態低電流での作動システムの状態を示す。ポートＡは閉じ、ポートＢは閉じ、羽根は、加えられた電流に応じて位置決めされる。電流が増大した場合、図９ｄは、ポートＢが開き、油圧をピストンの上部に導くことを示す。ポートＡはドレインに接続され、ピストンは左に動き、羽根を閉じ方向に動かす。ある有限時間の後、システムは、図９ｅに示すように高電流とともに平衡状態で安定し、ポートＡは閉じ、ポートＢは閉じ、羽根は加えられた電流に応じて位置決めされる。全電流がソレノイドに加えられた結果、ポートＢが閉じ、油圧がピストンの上部に導かれ、ポートＡがドレインに接続され、ピストンは全閉羽根位置が達成されるまで左に動く。ソレノイドから電流を取り除くと、作動システムは、羽根が完全に開いている図９ａに示される状態に戻る。
【００２３】
以上、特許法によって要求されるとおりに本発明について十分に説明したが、当業者なら本明細書に開示された特定の実施形態の修正および変更を確認することができる。そのような修正および変更は首記の請求項に規定された本発明の範囲内に入る。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明を使用したターボチャージャの一実施形態の分解図である。
【図２】  ベアリング・システムによって支持されたタービン・シャフト・ホイール・アセンブリおよびコンプレッサ・インペラとともにタービン・ハウジング、センタ・ハウジングおよびコンプレッサ・バック・プレーンを示すタービン・ハウジングを示す側部断面図である。
【図３】  本発明による一体型作動弁構成の一実施形態を示すセンタ・ハウジングを通る端部断面図である。
【図４】  羽根ピストン構成の代替実施形態の部分図である。
【図５ａ】  図３の線Ｇ−Ｇに沿った図である。
【図５ｂ】  作動弁からノズル羽根に係合するユニゾン・リングまで延びるクランク・シャフト・アセンブリの断面図である。
【図５ｃ】  作動弁からノズル羽根に係合するユニゾン・リングまで延びるクランク・シャフト・アセンブリの断面図である。
【図６ａ】  可変羽根位置および作動構造構成を説明するユニゾン・リングおよびノズル羽根の端面図である。
【図６ｂ】  可変羽根位置および作動構造構成を説明するユニゾン・リングおよびノズル羽根の端面図である。
【図６ｃ】  可変羽根位置および作動構造構成を説明するユニゾン・リングおよびノズル羽根の端面図である。
【図６ｄ】  可変羽根位置および作動構造構成を説明するユニゾン・リングおよびノズル羽根の端面図である。
【図６ｅ】  可変羽根位置および作動構造構成を説明するユニゾン・リングおよびノズル羽根の端面図である。
【図７】  圧力補償用のブラインド・リリーフ設計を示すユニゾン・リングの代替実施形態の逆端面図である。
【図８】  羽根公差制御用の圧力補償を説明するための図７のユニゾン・リングおよびタービン・ハウジング中に装着された羽根の概略側面図である。
【図９ａ】  羽根位置の制御用の作動弁ポーティングおよびピストン構造の概略側面図である。
【図９ｂ】  羽根位置の制御用の作動弁ポーティングおよびピストン構造の概略側面図である。
【図９ｃ】  羽根位置の制御用の作動弁ポーティングおよびピストン構造の概略側面図である。
【図９ｄ】  羽根位置の制御用の作動弁ポーティングおよびピストン構造の概略側面図である。
【図９ｅ】  羽根位置の制御用の作動弁ポーティングおよびピストン構造の概略側面図である。
【符号の説明】
１０  コンプレッサ・ハウジング
１２  バックプレート
１４  クランプ
１６  ボルト
１８  センタ・ハウジング
２０  ボルト
２２  シール・リング
２４  タービン・ハウジング
２６  クランプ
２８  ボルト
３０  タービン・ホイールおよびシャフト・アセンブリ
３２  入口
３４  円周方向ノズル入口
３６  羽根
３８  ノズル壁
４０  ポスト
４４  作動タブ
４６  スロット
４８  ユニゾン・リング
５０  アクチュエータ・クランク
５２  レバー・アーム
５４  ピン
５６  楕円形スロット
５８  ボス
６０  ブッシング
６２  ギヤ
６４  ピン
６６  エンド・ベアリング
６８  アパーチャ
７０  Ｏリング
７２  スナップ・リング
７４  ジャーナル・ベアリング
７６  ベアリング・スペーサ
７８  センタ・ハウジング・センタ・ボア
８０  スラスト・カラー
８４  ピストン・リング
８２  スラスト・ベアリング
【図１】
0004460814.tif 000003
【図２】
0004460814.tif 000004
【図３】
0004460814.tif 000005
【図４】
0004460814.tif 000006
【図５ａ】
0004460814.tif 000007
【図５ｂ】
0004460814.tif 000008
【図５ｃ】
0004460814.tif 000009
【図６ａ】
0004460814.tif 000010
【図６ｂ】
0004460814.tif 000011
【図６ｃ】
0004460814.tif 000012
【図６ｄ】
0004460814.tif 000013
【図６ｅ】
0004460814.tif 000014
【図７】
0004460814.tif 000015
【図８】
0004460814.tif 000016
【図９ａ】
0004460814.tif 000017
【図９ｂ】
0004460814.tif 000018
【図９ｃ】
0004460814.tif 000019
【図９ｄ】
0004460814.tif 000020
【図９ｅ】
0004460814.tif 000021