(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンから排出される排気ガスの流量を適宜調節して排気タービンを回転させる可変翼と、
この可変翼を排気タービンの外周部において回動自在に支持するタービンフレームと、
この可変翼を適宜回動させ、排気ガスの流量を調節する可変機構とを具え、
少ない排気流量を可変翼によって絞り込み、排気の速度を増し、低速回転時にも高出力を発揮できるようにしたＶＧＳタイプのターボチャージャにおける排気ガイドアッセンブリの構成部材に表面処理を施す方法において、
前記排気ガイドアッセンブリを構成する高ニッケル−高クロム耐熱部材の表面を、減圧下還元性ガスによる酸化物薄層の事前除去、次いで炭素間重合性の少ない侵炭ガスによる処理の後、クロム炭化物で被膜することを特徴とする、
ＶＧＳタイプターボチャージャにおける排気ガイドアッセンブリの構成部材の表面改質方法。
【請求項２】
前記侵炭ガスによる処理は、侵炭ガスをパルス的に流して行うことを特徴とする請求項１記載のＶＧＳタイプターボチャージャにおける排気ガイドアッセンブリの構成部材の表面改質方法。
【請求項３】
エンジンから排出される排気ガスの流量を適宜調節して排気タービンを回転させる可変翼と、
この可変翼を排気タービンの外周部において回動自在に支持するタービンフレームと、
この可変翼を適宜回動させ、排気ガスの流量を調節する可変機構とを具え、
少ない排気流量を可変翼によって絞り込み、排気の速度を増し、低速回転時にも高出力を発揮できるようにしたＶＧＳタイプのターボチャージャにおける排気ガイドアッセンブリにおいて、
請求項１または２記載の方法により、表面が炭化物で被膜された高ニッケル−高クロム耐熱部材を構成素材とすることを特徴とする前記表面改質方法を施した排気ガイドアッセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は自動車用エンジン等に用いられるターボチャージャに関するものであって、特にこのものに組み込まれる排気ガイドアッセンブリの構成部材に係るものである。
【０００２】
【発明の背景】
自動車用エンジンの高出力化、高性能化の一手段として用いられる過給機としてターボチャージャが知られており、このものはエンジンの排気エネルギによってタービンを駆動し、このタービンの出力によってコンプレッサを回転させ、エンジンに自然吸気以上の過給状態をもたらす装置である。ところでこのターボチャージャは、エンジンが低速回転しているときには、排気流量の低下により排気タービンが効率的に回るまでのもたつき感と、その後の一挙に吹き上がるまでの所要時間、いわゆるターボラグ等が生ずることを免れないものであった。またもともとエンジン回転が低いディーゼルエンジンでは、ターボ効果を得にくいという欠点があった。
【０００３】
このため低速回転域からでも効率的に作動するＶＧＳタイプのターボチャージャが開発されてきている。このものは少ない排気量を可変翼（羽）で絞り込み、排気の速度を増し、排気タービンの仕事量を大きくすることで、低速回転時でも高出力を発揮できるようにしたものであり、特に近年その排気ガス中のＮＯｘ量が問題とされているディーゼルエンジンにおいては、低速回転時からエンジンの効率化を図ることのできる有用なターボチャージャである。
このＶＧＳタイプのターボチャージャにおける排気ガイドアッセンブリは高温・排気ガス雰囲気下で使用されるものであり、その製造には、耐熱性を有する高ニッケル−高クロム耐熱素材、例えばＪＩＳ規格、ＳＵＳ３１０Ｓ、ＳＵＨ３１０、ＳＣＨ２１、ＳＣＨ２２、ＳＵＨ６６０、及び鉄系／Ｎｉ系超合金等の耐熱材料が使用されつつあるが、非常に過酷な条件で使用されるものであるため、その耐久寿命には、一定の限界があった。
また耐熱部材表面の炭化物による被膜（侵炭処理）は、これまでも耐久性等の向上を目的とした表面改質手段として行われるものであるが、高ニッケル−高クロム耐熱部材への気相侵炭は、未だ行われていないのが現状である。
【０００４】
【開発を試みた技術的課題】
本発明はこのような背景を認識してなされたものであって、７００℃以上の高温を伴う熱サイクル、排気ガス雰囲気下で、長時間使用される排気ガイドアッセンブリを構成する部材の高温摩耗性、耐酸化性、高温硬度等の向上を試みたものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
すなわち請求項１記載のＶＧＳタイプターボチャージャにおける排気ガイドアッセンブリの構成部材の表面改質方法は、
エンジンから排出される排気ガスの流量を適宜調節して排気タービンを回転させる可変翼と、
この可変翼を排気タービンの外周部において回動自在に支持するタービンフレームと、
この可変翼を適宜回動させ、排気ガスの流量を調節する可変機構とを具え、
少ない排気流量を可変翼によって絞り込み、排気の速度を増し、低速回転時にも高出力を発揮できるようにしたＶＧＳタイプのターボチャージャにおける排気ガイドアッセンブリの構成部材に表面処理を施す方法において、
前記排気ガイドアッセンブリを構成する高ニッケル−高クロム耐熱部材の表面を、減圧下還元性ガスによる酸化物薄層の事前除去、次いで炭素間重合性の少ない侵炭ガスによる処理の後、クロム炭化物で被膜することを特徴として成るものである。
【０００６】
また請求項２記載のＶＧＳタイプターボチャージャにおける排気ガイドアッセンブリの構成部材の表面改質方法は、請求項１記載の要件に加え、前記侵炭ガスによる処理は、侵炭ガスをパルス的に流して行うことを特徴として成るものである。
【０００７】
更にまた請求項３記載の前記表面改質方法を施した排気ガイドアッセンブリは、
エンジンから排出される排気ガスの流量を適宜調節して排気タービンを回転させる可変翼と、
この可変翼を排気タービンの外周部において回動自在に支持するタービンフレームと、
この可変翼を適宜回動させ、排気ガスの流量を調節する可変機構とを具え、
少ない排気流量を可変翼によって絞り込み、排気の速度を増し、低速回転時にも高出力を発揮できるようにしたＶＧＳタイプのターボチャージャにおける排気ガイドアッセンブリにおいて、
請求項１または２記載の方法により、表面が炭化物で被膜された高ニッケル−高クロム耐熱部材を構成素材とすることを特徴として成るものである。
なおここで高ニッケル−高クロム耐熱部材とは、ニッケルを８％以上、クロムを１８％以上含有する耐熱部材を言い、具体的にはＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１０Ｓ、ＳＵＨ３１０、ＳＵＨ６６０、Ｉｎｃｏｌｏｙ８００Ｈ、Ｉｎｃｏｎｅｌ７１３Ｃ、ＳＣＨ２１、ＳＣＨ２２、Ｉｎｃｏｎｅｌ６２５、ＳＵＨ６６１等を挙げることができる。
また被膜成分の炭化物としては、Cr23C6、Cr7C3 、Cr3C2 、VC、TiC 、Moc 、WC、HfC 、NbC 等を挙げることができる。
【０００８】
次に表面改質方法について説明する。
排気ガイドアッセンブリを構成する高ニッケル−高クロム耐熱部材を侵炭するにあたっては、０．１〜１０Torrの減圧下、まず当該表面の酸化物薄層を水素等の還元性ガスで除去し、その後、侵炭処理を行う際、結晶粒内外の炭化物析出を抑制するため、クロム含有量が２５％以上から成る材料においては、解離アンモニアガスを表層に流して侵窒処理を行う。
【０００９】
次に炭素間重合性の低いメタン、一酸化炭素、場合によってアセチレン等の侵炭ガスを、例えばパルス的に流した後、当該高ニッケル−高クロム耐熱部材の表面層を炭化物で被膜することができる。
この発明によりかなりの非平衡過飽和固溶状態で侵炭した炭素原子が存在するという特徴的な気相侵炭による当該部材の表面の被膜が可能となった。
なお表面被膜の方法は、従来法による。またこのような表面改質は、排気ガイドアッセンブリすべての構成部材に施すことが好ましいが、必ずしもその必要はなく、例えば部材の摺動状態等に応じて必要部位のみに施すことが可能である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下本発明について具体的に説明する。説明にあたっては、本発明に係るＶＧＳタイプのターボチャージャにおける排気ガイドアッセンブリについて説明し、その後、排気ガイドアッセンブリ擢動部の構成部材の表面を改質する方法について説明する。
【００１１】
〔１〕排気ガイドアッセンブリ
排気ガイドアッセンブリＡは、特にエンジンの低速回転時において排気ガスＧを適宜絞り込んで排気流量を調節するものであり、一例として図１に示すように、排気タービンＴの外周に設けられ実質的に排気流量を設定する複数の可変翼１と、可変翼１を回動自在に保持するタービンフレーム２と、排気ガスＧの流量を適宜設定すべく可変翼１を一定角度回動させる可変機構３とを具えて成るものである。
【００１２】
まず可変翼１について説明する。このものは一例として図１に示すように排気タービンＴの外周に沿って円弧状に複数（一基の排気ガイドアッセンブリＡに対して概ね１０個から１５個程度）配設され、そのそれぞれが、ほぼ同程度づつ回動して排気流量を適宜調節するものである。そして各可変翼１は、翼部１１と、軸部１２とを具えて成る。翼部１１は、主に排気タービンＴの幅寸法に応じて一定幅を有するように形成されるものであり、その幅方向における断面が概ね翼状に形成され、排気ガスＧが効果的に排気タービンＴに向かうように構成されている。なおここで翼部１１の幅寸法を便宜上、羽根高さｈとする。軸部１２は、翼部１１と一体で連続するように形成されるものであり、翼部１１を動かす際の回動軸に相当する部位となる。
【００１３】
また翼部１１と軸部１２との接続部位には、軸部１２から翼部１１に向かって窄まるようなテーパ部１３と、軸部１２より幾分大径の鍔部１４とが連なるように形成されている。なお鍔部１４の底面は、翼部１１の軸部１２側の端面と、ほぼ同一平面上に形成され、この平面によって、可変翼１をタービンフレーム２に取り付けた状態において円滑な回動状態を確保している。更に軸部１２の先端部には、可変翼１の取付状態の基準となる基準面１５が形成される。この基準面１５は、後述する可変機構３に対しカシメ等によって固定される部位であり、一例として図１に示すように、軸部１２を対向的に切り欠いた平面が、翼部１１に対してほぼ一定の傾斜状態に形成されて成るものである。
【００１４】
次に本発明を実質的に適用したタービンフレーム２について説明する。このものは、複数の可変翼１を回動自在に保持するフレーム部材として構成されるものであって、一例として図１に示すように、フレームセグメント２１と保持部材２２とによって可変翼１を挟み込むように構成される。そしてフレームセグメント２１は、可変翼１の軸部１２を受け入れるフランジ部２３と、後述する可変機構３を外周に嵌めるボス部２４とを具えて成る。なおこのような構造からフランジ部２３には、周縁部分に可変翼１と同数の受入孔２５が等間隔で形成されるものであり、本発明では特に、この受入孔２５を高効率に形成し、また高精度に仕上げるものである。このため本発明の実質的な適用対象物は、フレームセグメント２１となる。
【００１５】
また保持部材２２は、図１に示すように中央部分が開口された円板状に形成されている。そしてこれらフレームセグメント２１と保持部材２２とによって挟み込まれた可変翼１の翼部１１を、常に円滑に回動させ得るように、両部材間の寸法は、ほぼ一定（概ね可変翼１の翼幅寸法程度）に維持されるものであり、一例として受入孔２５の外周部分に、四カ所設けられたカシメピン２６によって両部材間の寸法が維持されている。ここで上記カシメピン２６を受け入れるためにフレームセグメント２１及び保持部材２２に開口される孔をピン孔２７とする。
【００１６】
なおこの実施の形態では、フレームセグメント２１のフランジ部２３は、保持部材２２とほぼ同径のフランジ部２３Ａと、保持部材２２より幾分大きい径のフランジ部２３Ｂとの二つのフランジ部分から成るものであり、これらを同一部材で形成するものであるが、同一部材での加工が複雑になる場合等にあっては、径の異なる二つのフランジ部を分割して形成し、後にカシメ加工やブレージング加工等によって接合することも可能である。
【００１７】
次に可変機構３について説明する。このものはタービンフレーム２のボス部２４の外周側に設けられ、排気流量を調節するために可変翼１を回動させるものであり、一例として図１に示すように、アッセンブリ内において実質的に可変翼１の回動を生起する回動部材３１と、この回動を可変翼１に伝える伝達部材３２とを具えて成るものである。回動部材３１は、図示するように中央部分が開口された略円板状に形成され、その周縁部分に可変翼１と同数の伝達部材３２を等間隔で設けるものである。なおこの伝達部材３２は、回動部材３１に回転自在に取り付けられる駆動要素３２Ａと、可変翼１の基準面１５に固定状態に取り付けられる受動要素３２Ｂとを具えて成るものであり、これら駆動要素３２Ａと受動要素３２Ｂとが接続された状態で、回動が伝達される。具体的には四角片状の駆動要素３２Ａを、回動部材３１に対して回転自在にピン止めするとともに、この駆動要素３２Ａを受け入れ得るように略Ｕ字状に形成した受動要素３２Ｂを、可変翼１の先端の基準面１５に固定し、四角片状の駆動要素３２ＡをＵ字状の受動要素３２Ｂに嵌め込み、双方を係合させるように、回動部材３１をボス部２４に取り付けるものである。
【００１８】
なお複数の可変翼１を取り付けた初期状態において、これらを周状に整列させるにあたっては、各可変翼１と受動要素３２Ｂとが、ほぼ一定の角度で取り付けられる必要があり、本実施の形態においては、主に可変翼１の基準面１５がこの作用を担っている。また回動部材３１を単にボス部２４に嵌め込んだままでは、回動部材３１がタービンフレーム２と僅かに離反した際、伝達部材３２の係合が解除されてしまうことが懸念されるため、これを防止すべく、タービンフレーム２の対向側から回動部材３１を挟むようにリング３３等を設け、回動部材３１のタービンフレーム２側への押圧傾向を賦与するものである。
このような構成によって、エンジンが低速回転を行った際には、可変機構３の回動部材３１を適宜回動させ、伝達部材３２を介して軸部１２に伝達し、図１に示すように可変翼１を回動させ、排気ガスＧを適宜絞り込んで、排気流量を調節するものである。
【００１９】
〔２〕表面改質
（１）表面改質方法
部材を適当な治具にセットし、減圧下水素で、表面の酸化物薄層を除去する。その後、メタンをパルス的に流すことにより侵炭を行う。次いで当該部材の表面洗浄後、酸化クロムを含有するホウ砂・塩化物混合塩浴を１０００℃前後にして浸漬し、炭化物成膜反応を行った後、中和洗浄することにより所定の被膜が形成される。
【００２０】
（２）耐久性
８５０℃における高温擢動摩擦係数が、被膜処理をしなかった場合に比べ、１／１０程度に減少し、５０万ｋｍ以上の走行が可能となった。
【００２１】
【発明の効果】
本発明によれば、容易にＶＧＳタイプのターボチャージャにおける排気ガイドアッセンブリを構成する高ニッケル−高クロム耐熱部材表面を炭化物で被膜することができ、また当該方法で被膜された高ニッケル−高クロムの耐熱部材を構成素材とするターボチャージャの排気ガイドアッセンブリは、高い耐久性を有するものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るタービンフレームを組み込んだＶＧＳタイプのターボチャージャを示す斜視図（ａ）、並びに排気ガイドアッセンブリを示す分解斜視図（ｂ）である。
【符号の説明】
１      可変翼
２      タービンフレーム
３      可変機構
１１    翼部
１２    軸部
１３    テーパ部
１４    鍔部
１５    基準面
２１    フレームセグメント
２２    保持部材
２３    フランジ部
２３Ａ  フランジ部（小）
２３Ｂ  フランジ部（大）
２４    ボス部
２５    受入孔
２６    カシメピン
２７    ピン孔
３１    回動部材
３２    伝達部材
３２Ａ  駆動要素
３２Ｂ  受動要素
３３    リング
Ａ      排気ガイドアッセンブリ
ｈ      羽根高さ
Ｇ      排気ガス
Ｔ      排気タービン
【図１】
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