(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボチャージャのタービンの可変ノズルであって、
内燃機関から排気ガスを受容する渦室及びノズル導入部を有するタービンハウジング（２）と、
タービンハウジング内に配設されノズル導出部からの排気ガスを受け衝突されて駆動されるタービン（２０）と、
それぞれ羽根（３４）の片側から延びる第１の車軸（５０）と第１の車軸と同軸にある羽根の対向側から延びる第２の車軸（５６）とを有する複数の羽根と、
ノズルリング（３６）を経て延び複数の羽根の第１の車軸（５０）を緊密に受容する複数の開口部（３５）を有するノズルリング（３６）と、
インサートリング（５８）を貫通して延び複数の羽根の第２の車軸（５６）を密接受容する複数の開口部（５７）有するインサートリング（５８）と、
ノズルリング（３６）及びインサートリング（５８）を実質的に強固に且つ離間して固定し渦室からのノズル導入部とタービンに隣接するノズル導出部との間に羽根（３４）を位置決めする手段と、
排気ガス圧を伝達し羽根から遠い各羽根の第１の車軸（５０）の端部と衝突させる第１の手段と、
排気ガス圧を伝達し羽根から遠い各羽根の第２の車軸（５６）の端部と衝突させる第２の手段と、
羽根（３４）を回転させる作動手段とを備える、可変ノズル。
【請求項２】
前記排気ガス圧を伝達する第１の手段が羽根から遠いノズルリング（３６）に隣接するチャンバ（６４）を含み、該チャンバ（６４）はノズル導入部に圧力が加わるよう連通される請求項１の可変ノズル。
【請求項３】
前記排気ガス圧を伝達する第２の手段がノズル導入部からインサートリング（５８）内の開口部（５７）へ延びる流路（６６）を有し、該流路は第２の車軸（５６）の端部の近傍の羽根から遠い開口部（５７）と交差するよう構成されてなる請求項１の可変ノズル。
【請求項４】
前記チャンバ（６４）が羽根の作動手段を収納する請求項２の可変ノズル。
【請求項５】
前記流路（６６）がタービンハウジング内の少なくとも一の半径方向流路を含み、該半径方向流路が、ノズル導入部とインサートリング（５８）に隣接するタービンハウジングの環形流路との間に延び、インサートリングの開口部（５７）と交差する請求項３の可変ノズル。
【請求項６】
前記第１の車軸（５０）がノズルリングの開口部（３５）を貫通して延び、作動手段が、第１の車軸（５０）に付設され第１の車軸に対し垂直に延び且つユニソンリング（４２）のスロット内に受容される羽根アーム（５２）と、ユニソンリングを回転するクランク及び連結部（５４）とを含む請求項４の可変ノズル。
【請求項７】
前記チャンバ（６４）がタービンハウジング（２）とタービンハウジングに付設された中央ハウジング（８）との中間に配設される請求項４の可変ノズル。
【請求項８】
更にノズルリング（３６）の内周部と中央ハウジング（８）上の協働する面との間に配設される密封部（３２）を備えてなる請求項７の可変ノズル。
【請求項９】
前記ノズルリング（３６）及びインサートリング（５８）を固定する手段はノズルリングとインサートリングとの中間に配置される複数の強固な中空スペーサ（６０）と、ノズルリング、スペーサ及びインサートリングを貫通しタービンハウジングの協働するネジ山付きの穴内に延びる複数のボルト（６２）とを含むする請求項１の可変ノズル。
【請求項１０】
前記インサートリング（５８）がタービンハウジングに機械加工された環状くぼみ部に受容可能に設けられてなる請求項９の可変ノズル。
【発明の詳細な説明】
（クロスリファレンス）
本発明は１９９７年３月１７日に出願された圧力平衡型のデュアル車軸可変ノズルターボチャージャの名称の仮出願６０／０４１，２５６の優先権主張をするものである。
（技術分野）
本発明は可変ノズルターボチャージャに関する。更に詳しくは、本発明はターボチャージャの可変羽根のダブル車軸装着構成及び車軸を圧力平衡して羽根装置に作用する軸方向の力を最小限にする構成に関する。
（背景技術）
ターボチャージャでにおいては、排気ガスのタービンへ向かう流れを制御して、効率あるいは動作範囲を改善することが望まれる。可変ノズルの可変構成は排気ガス流量の制御に採用され得る。多数の導入部の周囲に環状に配置され、通常羽根間の通路の咽面積を変更するよう制御される多数の旋回羽根は、従来のターボチャージャに好適に使用される手段である。可変ノズルを実現する方法に対する各種手段は「可変ノズルタービンの作動システム」の名称でスイハート等による米国特許第４，６７９，９８４号、及び本発明と同一の譲渡人に譲受された、「可変ノズルターボチャージャの旋回羽根作動機構のサスペンション」の名称の米国特許第４，８０４，３１６号に開示されている。
米国特許第４，８０４，３１６号に開示されるような車軸に片持支持状に装着される羽根はトラック及び自動車用途の各種ターボチャージャに好適に採用されている。減少させたノズルの流れ容積とタービン導入部の高い圧力とを組み合わせる、ある動作条件下では、ターボチャージャのタービンがインパルスタービンそて動作し、この場合タービンロータが実質的に大気静圧で動作しているときステージ圧の降下の大部分がノズル内で生じている。従来の旋回し片持支持状に装着される羽根のノズル羽根を横切って、大きな差動圧が作用すると、反作用連係動作が生じ、羽根車軸のスパンが有限であるため高い副反力及び摩擦力が生じる。同時に導入部から作動連結部及び羽根を支承するノズルリングを介してノズル内への排気ガスの漏れにより、羽根装着車軸上に軸方向力成分が生じ、ノズル羽根の端部がタービンケーシングの囲い壁内に押され、更に摩擦が生じる。羽根の長さに応じて、生じる摩擦トルクが車軸シャフト半径に対し長いモーメントアームにより低下される。羽根位置の移動及び制御は高非線形の作動力を加えることによりのみ可能であり、制御ヒステリシスは摩擦とスティクションの組み合わせるため過度となっている。
従って多数の旋回羽根を用いて羽根支承体での反力連係動作を低減し、更に羽根支承車軸の軸方向荷重を除去する可変ノズルターボチャージャの構成を提供することが望まれている。
（発明の開示）
本発明によれば、従来技術より優れた、ターボチャージャタービンの可変ノズルの望ましい構成が提供される。タービンハウジングには、内燃機関及びノズル導入部からの排気ガスを受容する渦室が具備される。タービンハウジング内に設けられたタービンはノズル導出部からの排気ガスにより駆動される。ノズルは複数の羽根を有し、各羽根は羽根の片側から延びる第１の車軸と第１の車軸と同軸の羽根の反対側から延びる第２の車軸とを有している。ノズルリングには複数の羽根の第１の車軸を緊密に受容する複数の開口部が形成され、一方インサートリングには複数の羽根の第２の車軸を密接に受容する開口部が形成され、ノズルリング及びインサートリングによりノズルのハブおよび囲い板が形成される。
ノズルリング及びインサートリングは一連の中空スペーサにより実質的に堅く離間されて固定され、渦室からのノズル導入部とタービンと隣接するノズル導出部との間に羽根が位置決めされる。ターボチャージャのタービンハウジング及び中央ハウジングとの中間チャンバはノズル羽根の差動機構を収納し、作動連結部のノズルリングと各部材との間の公差による渦室からのノズル導入部との連通路を経て、排気ガス圧が伝達され、各羽根の第１の車軸の端部と衝突する。平衡排気ガス圧はタービンハウジングとインサートリングとの間にノズル導入部から第２の車軸を受容する開口部へ向かって延びる流路を介し伝達され、各羽根の第２の車軸の端部に衝突する。羽根を回転するため、第１の車軸から垂直方向に延びる羽根アームを受容するユニソンリングが採用される。
【図面の簡単な説明】
本発明の詳細及び特徴は詳細な説明及び添付図面から明確に理解されよう。
図１は多数の旋回羽根を使用する周知の可変ノズルターボチャージャ側部断面図、図２は排気ガス渦室、デュアル車軸圧力平衡羽根を有するタービンノズル、及びこれと連係する作動機構を示す本発明の実施態様の部分側部断面図、図３は本発明の実施態様における車軸圧力平衡用のノズルリングランド部及びガス圧伝達流路を示すタービンハウジングの端部断面図、図４は片持支持された羽根ノズル及び比較用のダブル車軸羽根ノズルに対する作動ヒステリシス（状態）を示すグラフ、図５はダブル車軸羽根ノズルの圧力平衡により与えられる他の実施態様と比較する作動ヒステリシスのグラフである。
（発明を実施するための最良の形態）
図１を参照するに、ノズルに多数の旋回羽根を使用する可変ノズルターボチャージャを示している。ターボチャージャはタービンハウジング２を含み、タービンハウジングはＶバンドカップリング６を用いるタービンフランジ４に装着される。タービンフランジはボルト１０を用いて中央ハウジング８に装着される。コンプレッサのバックプレート１２はボルト１４を用いてタービンフランジの反対側の中央ハウジングに装着され、コンプレッサハウジング１６はＶバンドカップリングによりバックプレートに対し装着される。
ターボチャージャのチャージエアコンプレッサホイール１８はタービンホイール装置２０のシャフトに装着されている。シャフトは中央ハウジング内でベアリング装置により支承され、図面に開示される実施態様ではベアリング装置がスペーサ２４により分離された一対のジャーナルベアリング２２及びスラストベアリング２８を受容するスラストカラー部材２６を含んでいる。中央ハウジング内にはベアリング及びシャフトを好適に潤滑する流路が設けられる。ピストンリング３０によりタービン端部でシャフトが密封され、一方カーボン密封部あるいは等価なラビリンス密封部３２によりシャフトのコンプレッサ端部が密封される。密封リング３３及びワッシャ３１により中央ハウジングとコンプレッサバックプレートとの間が更に液密にされる。ディスク囲い板２１は熱バッフルとして使用される。
可変ノズルの羽根３４はノズルリング３６内に延びる車軸（図示せず）により支承され、ノズルリングは図示の実施態様の場合複数のスペーサピン３８によりタービンハウジングに対し離間されて支承され、ディスクバネ４０により固定される。ダウエルピン４６により支承されたローラ４４上に回転可能に装着されたユニソンリング４２により、多数の羽根が作動される。羽根に対する作動及び支承構造の詳細については、当初に挙げた米国特許第４，８０４，３１６号にほぼ開示されている。
本発明の実施態様の詳細は図２に示され、この場合、図１のターボチャージャと同一部材は同一の参照番号を付して示してある。各羽根３４は一部開口部３５内に密接して延びる第１の車軸５０により支承され、またノズルリング３６内で開口部３５により回転可能に支承される。第１の車軸はノズルリングを貫通して延び、羽根アーム５２に付設され、羽根アームは羽根作動のためユニソンリング４２のスロット内に受容される。ユニソンリングの回転は外部クランク及び作動連結部５４により行われる。
第２の車軸５６は第１の車軸と対向し同軸の各羽根から延びている。第２の車軸はインサートリング５８の協働する開口部５７内に回転可能に密接して延び、開口部により支承され、且つインサートリングはタービンハウジング内のくぼみ部に収納され機械加工されたレリーフ部５９により支承される。ノズルリング及びインサートリングにより、ノズルの境界ハブ及び囲い面が形成される。中空、円形の３個のスペーサ６０及び保持ボルト６２は２個のリングを正確に位置決めし離間させ、ノズル導入部とタービンと隣接するノズル導出部との間のタービンハウジングに対し、ノズルリング装置を固定するために使用される。ターボチャージャの組立中、インサートリングは自在に僅かに回転しリング内の２個の穴パターンの回転不整合を阻止する。
本発明のダブル車軸羽根支承に関し、ノズル羽根が囲繞体に接近すると、羽根を横切る圧力差が羽根の中間スパンで圧力の中心に対し実質的に垂直な力に変換される。羽根の対向側での２個の車軸により与えられる２個の等しい反力により、流体力学的な荷重が平衡にされる。これら反力は等しく平衡化され、最大反力は片持羽根の同じ縦列に存在する力に対し６６％減少される。車軸の荷重及び摩耗は片持支持構成の場合より一層均等になり、車軸の直径が減少でき、摩擦モーメントアームも更に減少される。車軸は羽根のコード長の約２５％の所に配置され、羽根上の流体力学的なモーメントが車軸に対し実質的にゼロになる。
また羽根の軸方向荷重の除去が本発明においては、各羽根の２本の支承車軸を平衡させる圧力により達成される。導入部からノズルへタービン渦室へ各種連結部及びノズルリングと連係する支承部材を経てのガス漏れの結果、チャンバ６４内の圧力が第１の車軸の端部に作用する。この圧力により得られる力と平衡させるため、ノズル導入部からの排気ガス圧はタービンハウジング内のインサートリングレリーフ部内に加工された半径方向流路６６を経て伝達される。環形流路６８はインサートリング内の車軸開口部と隣接し、半径方向流路と隣接するレリーフ部の周囲を延び、ガス圧が第２の車軸のヘッド部へ伝達される。密封部６９はノズルリングの内側円周部と中央ハウジング上の協働面との間に配設され、２本の車軸間の圧力平衡が高められる。環形で半径方向に延びる流路は図３に示されている。図３はまたインサートリングを支承するタービンハウジング内のレリーフ部の高精度に加工された面７０を示している。テーパ付けされた穴７２はノズルリング装置をタービンハウジングに対し固定するボルト６２を受容する。
本発明の別の実施態様においては、半径方向に延びる、あるいは環形の流路はタービンハウジングと対向してインサートリング内に機械加工される。更に別の実施態様によれば、それぞれインサートリングに相当し、インサートリング内の開口部と交差する別個の、半径方向に延びる流路がインサートリング内あるいはタービンハウジングに機械加工される。
等しい面積を有する第１の及び第２の車軸のヘッド部上の平衡にされた圧力により、ノズル内の複数の羽根の制御作動に作用する羽根の軸方向荷重及び連係する摩擦力が実質的に除去される。図４及び図５のグラフはノズル羽根制御におけるヒステリシスを示しており、図４において曲線７４は周知の片持支持の羽根ノズル構成におけるヒステリシスを示す。曲線７６は羽根のダブル車軸支承体による改良例を示しており、図５の曲線７８は周知の片持支持の羽根ノズル構成を示し、曲線８０は本発明の改良したダブル車軸支承体及び圧力平衡により得られた結果が示されている。
本発明を実施態様に沿って上述したが、本発明をここに開示の特定の実施態様に対する設計変更、置換物、均等物が提供され得ることは当業者には理解されよう。このような設計変更、置換物、均等物は以下の請求項で限定された構成に含有される。
【図１】
0003992750.tif 000002
【図２】
0003992750.tif 000003
【図３】
0003992750.tif 000004
【図４】
0003992750.tif 000005
【図５】
0003992750.tif 000006