JP6597689B2 - 可変ノズル機構 - Google Patents

Description

本発明は、ターボチャージャに用いられる可変ノズル機構に関する。

ターボチャージャは、スクロール通路内の排気ガスをタービンホイールに吹き付けて、タービンホイールを回転駆動する。従来、ターボチャージャには、ターボチャージャの特性を可変にするために、可変ノズル機構が採用されている。可変ノズル機構は、複数のノズルベーンの移動によって排気ガスの流路断面積を増減させ、タービンホイールに吹き付けられる排気ガスの流速を制御する。

特開２０１４−２２４４９８号公報（特許文献１）には、可変ノズルのアームが係合するアーム嵌合溝をユニゾンリングに形成し、アーム嵌合溝の閉側溝壁面を凹型円弧状に形成し、開側溝壁面を凸型円弧状に形成する、可変ノズル機構が提案されている。

特開２０１４−２２４４９８号公報

特許文献１には、アーム嵌合溝の壁面のうち、排気反力の作用によってアームと通常的に接触し合う閉側溝壁面を凹型円弧状に形成することによって、閉側溝壁面とアームとの間の接触応力を低減し、アームおよび閉側溝壁面の摩耗を低減することが開示されている。しかしながら、ノズルベーンの位置精度の悪化による過給遅れまたは排気不良を抑制するために、可変ノズル機構にはアームおよびユニゾンリングの摩耗のさらなる低減が求められており、従来の可変ノズル機構では必ずしも十分とはいえず更なる改良の余地がある。

本発明の目的は、アームおよびユニゾンリングの摩耗を抑制することができる可変ノズル機構を提供することである。

本発明に係る可変ノズル機構は、ターボチャージャに用いられ、ノズル通路を介してタービンブレードに吹き付けられる排気ガスを変動させる。可変ノズル機構は、複数のノズルベーンと、複数のアームと、ユニゾンリングとを備えている。複数のノズルベーンは、ノズル通路に設けられている。複数のアームは、各々が軸支端と自由端とを有しており、軸支端は支軸によってノズルベーンに一体に連結されている。ユニゾンリングには、複数の溝が形成されている。ユニゾンリングの溝の各々に、アームの自由端がそれぞれ係合している。アームとノズルベーンとは、ノズル通路の断面積を増大する開方向と減少する閉方向との両方にユニゾンリングが回転するとき、支軸を中心に一体に開方向と閉方向とに回転して、ノズル通路の断面積を変動可能である。アームの自由端は、アームの閉方向回転側と開方向回転側との一対の接触面を有している。一対の接触面の各々が、ユニゾンリングの溝を形成する一対の壁の一方にそれぞれ接触している。アームの接触面の一方は、ユニゾンリングの溝の壁面に向けた凸曲面をなすとともに、凸曲面の支軸に近い側と支軸から遠い側との曲率が異なる。

上記可変ノズル機構において好ましくは、排気ガスの圧力はノズル通路を減少させる閉方向にノズルベーンに作用し、上記曲率を有するアームの接触面は、アームの回動の閉方向側に位置しているとともに、支軸から離れるにつれて曲率が小さくなっている。

上記可変ノズル機構において好ましくは、排気ガスの圧力はノズル通路を増大させる開方向にノズルベーンに作用し、上記曲率を有するアームの接触面は、アームの回動の開方向側に位置しているとともに、支軸から離れるにつれて曲率が大きくなっている。

上記可変ノズル機構において好ましくは、アームの接触面の曲率は、支軸から離れるにつれて連続的に変化している。

本発明によると、可変ノズル機構のアームおよびユニゾンリングの摩耗を抑制することができる。

可変ノズルターボチャージャの回転軸に沿った断面図である。 図１の左方から見た可変ノズル機構の模式的側面図である。 可変ノズル部材のアームの構成を示す模式図である。 アームの回動とノズルベーンの回動との関係を示す模式図である。 アームが閉方向に回動するときに閉側接触面が接触するアーム嵌合溝の壁面上の接触部を示す模式図である。 比較例のアームが閉方向に回動するときに閉側接触面が接触するアーム嵌合溝の壁面上の接触部を示す模式図である。 アーム回転角度と、閉側接触面の接触部の曲率半径との関係を示すグラフである。 アーム回転角度と、ユニゾンリングの回転中心から接触部までの距離との関係を示すグラフである。 アーム回転角度と、アーム嵌合溝の壁面に対する接触部の摺動距離との関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

まず、可変ノズルターボチャージャ１０の全体構造について説明する。なお、本実施の形態では、車両に搭載される内燃機関に取り付けられる可変ノズルターボチャージャ１０を例にして説明する。図１は、可変ノズルターボチャージャ１０の回転軸に沿った断面図である。

図１に示すように、可変ノズルターボチャージャ１０は、ロータ２０を備えている。ロータ２０は、ロータハウジング１２内に、回転可能に収容されている。ロータハウジング１２は、タービンハウジング１４、コンプレッサハウジング１６、およびセンタハウジング１８の、３つのハウジングを有している。センタハウジング１８は、タービンハウジング１４とコンプレッサハウジング１６とを連結している。

ロータ２０は、タービンホイール２２、ロータシャフト２４、およびコンプレッサホイール２６を備えている。タービンホイール２２とロータシャフト２４とコンプレッサホイール２６とは、一体となって回転可能である。

タービンホイール２２は、タービンハウジング１４内に配置されている。タービンホイール２２は、外周部に複数のタービンブレード２３を有している。

ロータシャフト２４は、タービンホイール２２と一体に形成されている。ロータシャフト２４は、センタハウジング１８内に配置されている。ロータシャフト２４は、複数の軸受によって、センタハウジング１８内に回転可能に支持されている。

コンプレッサホイール２６は、コンプレッサハウジング１６内に配置されている。コンプレッサホイール２６は、ロータシャフト２４の先端部に取付けられている。コンプレッサホイール２６は、外周部に複数のインペラ２７を有している。

タービンハウジング１４には、渦巻状のスクロール通路３０と、ノズル通路３１とが形成されている。ノズル通路３１は、スクロール通路３０に開口し、かつ、タービンホイール２２のタービンブレード２３に対向している。スクロール通路３０は、図示しない内燃機関の燃焼室から排出される排気ガスの排気通路と連通している。このため、スクロール通路３０内に流れ込んだ排気ガスは、ノズル通路３１からタービンホイール２２のタービンブレード２３に吹き付けられることにより、タービンホイール２２を回転させる。その後排気ガスは、タービンハウジング１４の排気出口１５から排出される。

コンプレッサハウジング１６には、渦巻状のコンプレッサ通路３３と、ディフューザ通路３４とが形成されている。ディフューザ通路３４は、コンプレッサ通路３３に開口し、かつ、コンプレッサホイール２６のインペラ２７に対向している。コンプレッサ通路３３は、図示しない吸気通路を介して、内燃機関の燃焼室に連通している。コンプレッサホイール２６は、タービンホイール２２の回転にともなって一体的に回転される。コンプレッサホイール２６は、コンプレッサハウジング１６の吸気入口１７から導入される吸気をインペラ２７によって圧縮し、遠心作用によってディフューザ通路３４へ送出する。ディフューザ通路３４内へ放出された空気は、コンプレッサ通路３３を経由して内燃機関の燃焼室へ過給される。

可変ノズルターボチャージャ１０は、可変ノズル機構３６を備えている。可変ノズル機構３６は、タービンホイール２２へ向けてノズル通路３１内を流れる排気ガスの流速を制御する。可変ノズル機構３６は、円環状のノズルリング３８を有している。ノズルリング３８は、ノズル通路３１のセンタハウジング１８側の側壁を構成している。ノズルリング３８は、複数（たとえば４個）の連結ボルトによって、タービンハウジング１４に固定されている。

タービンハウジング１４とセンタハウジング１８との接合部分の外周部には、環状空間部４１が形成されている。環状空間部４１とノズル通路３１とは、ノズルリング３８により区画されている。センタハウジング１８の外周部に、フランジ状の側壁部１９が形成されている。側壁部１９は、環状空間部４１の側壁を構成している。側壁部１９は、ボルト４２によりタービンハウジング１４に固定されている。

次に、可変ノズル機構３６の概略構成について説明する。図２は、図１の左方から見た可変ノズル機構３６の模式的側面図である。図２には、可変ノズル機構３６の一部（ノズルリング３８など）を、アーム側（図１の左方側）から見た状態が図示されている。

図２に示すように、可変ノズル機構３６は、複数（たとえば９個）の可変ノズル部材４６を有する可変ノズルユニットを備えている。複数の可変ノズル部材４６は、ノズルリング３８に対して周方向に等間隔で配置されている。可変ノズル部材４６は、支軸４７と、ノズルベーン４８と、アーム４９とを有している。ノズルベーン４８は、支軸４７の一端に固定されている。アーム４９は、支軸４７の他端に固定されている。ノズルベーン４８は、支軸４７を介して、アーム４９に固定的に連結されている。

支軸４７は、ノズルリング３８を貫通して配置されている。支軸４７は、ノズルリング３８に対して自転可能に支持されている。可変ノズル部材４６は、支軸４７によって、ノズルリング３８に回動可能に支持されている。各々の可変ノズル部材４６のアーム４９は、支軸４７によって支持された軸支端と、軸支端とは反対側の自由端とを有している。アーム４９の自由端には、嵌合部５０が形成されている。ノズルベーン４８は、図１に示すノズル通路３１内に、支軸４７を中心として回動可能に配置されている。ノズルベーン４８は、ノズル通路３１を開閉可能に配置されている。アーム４９は、図１に示す環状空間部４１内に、支軸４７を中心として回動可能に配置されている。

可変ノズル機構３６は、円環状のユニゾンリング５２を備えている。ユニゾンリング５２は、図１に示す環状空間部４１内に配置されている。ユニゾンリング５２は、ノズルリング３８と同心に配置されている。ユニゾンリング５２は、ノズルリング３８に対して、図１に示すセンタハウジング１８の側壁部１９側に配置されている。ユニゾンリング５２は、図１に示すように、ノズルリング３８と可変ノズル部材４６のアーム４９との間に配置されている。

ノズルリング３８の環状空間部４１側には、保持ローラ４４が配置されている。保持ローラ４４は、ノズルリング３８に回転可能に搭載されている。保持ローラ４４は、ユニゾンリング５２を回転可能に保持する。ユニゾンリング５２は、保持ローラ４４により、タービンハウジング１４に対して回動可能に保持されている。

図２に示すように、ユニゾンリング５２の一側面（可変ノズル部材４６のアーム４９が設けられている側）には、可変ノズル部材４６の数と同数のアーム嵌合溝５４が、周方向に等間隔で形成されている。アーム嵌合溝５４は、ユニゾンリング５２の径方向に一直線状に形成されている。各可変ノズル部材４６のアーム４９は、各アーム嵌合溝５４に嵌め入れられた嵌合部５０を有している。可変ノズル部材４６のアーム４９は、ユニゾンリング５２のアーム嵌合溝５４と係合している。

図１に示すセンタハウジング１８の側壁部１９には、ユニゾンリングを回転駆動するための駆動部材５６が設けられている。駆動部材５６は、支軸５７と、駆動レバー５８と、駆動アーム６０とを有している。駆動レバー５８は、支軸５７の一端に固定されている。駆動アーム６０は、支軸５７の他端に固定されている。

支軸５７は、センタハウジング１８の側壁部１９を貫通して配置されている。支軸５７は、側壁部１９に回転可能に支持されている。駆動部材５６は、支軸５７によって、センタハウジング１８の側壁部１９に回動可能に支持されている。駆動レバー５８は、環状空間部４１外に配置されている。駆動アーム６０は、環状空間部４１内に収容されている。駆動アーム６０の先端部には、円形状の嵌合部６１が形成されている。

図２に示すように、ユニゾンリング５２の一側面（可変ノズル部材４６のアーム４９が設けられている側）には、１つの駆動アーム嵌合溝６３が形成されている。駆動アーム嵌合溝６３は、ユニゾンリング５２の周方向に隣り合う１組のアーム嵌合溝５４の間に形成されている。駆動アーム嵌合溝６３は、ユニゾンリング５２の径方向に一直線状に形成されている。駆動アーム６０は、駆動アーム嵌合溝６３に嵌め入れられた嵌合部６１を有している。駆動アーム６０は、ユニゾンリング５２の駆動アーム嵌合溝６３と係合している。

図１に示すように、駆動レバー５８には、アクチュエータ６５の出力部（図示省略）が連係されている。アクチュエータ６５は、たとえば電動モータ、電磁ソレノイド、エアシリンダなどである。なお、アクチュエータ６５の出力部と駆動部材５６の駆動アーム６０との間に、リンク機構、ギヤ機構などの動力伝達機構が介装される場合もある。

アクチュエータ６５は、コントローラ６７により駆動制御される。アクチュエータ６５には、その出力部の作動量を検出するアングルセンサなどの作動量検出手段６８が設けられている。コントローラ６７は、作動量検出手段６８の出力に基づいて、ノズルベーン４８の回転角（ノズルベーン４８の開度）を算出する。

コントローラ６７によりアクチュエータ６５が作動されると、駆動レバー５８が回動される。駆動アーム６０は、駆動レバー５８とともに、支軸５７を中心にして回動する。駆動アーム６０の回動に伴い、ユニゾンリング５２が回動する。ユニゾンリング５２の回動に伴い、複数の可変ノズル部材４６が同期的に回動される。

ユニゾンリング５２が図２中の反時計回り方向（矢印Ｙ１参照）に回動すると、全ての可変ノズル部材４６は、支軸４７の軸線を中心にして図２中の反時計回り方向に回動される。このとき、隣り合うノズルベーン４８同士が、互いに離れる方向に移動する。ノズルベーン４８の移動に伴って、ノズル通路３１の断面積、すなわち、隣り合うノズルベーン４８間の排気ガスの流路が、大きくなる。アーム４９の支軸４７まわりの、ノズル通路３１の断面積を大きくするための回動方向を、本明細書中では、開方向と称する。

ユニゾンリング５２が図２中の時計回り方向（矢印Ｙ２参照）に回動すると、全ての可変ノズル部材４６は、支軸４７の軸線を中心にして図２中の時計回り方向に回動される。このとき、隣り合うノズルベーン４８同士が、互いに近づく方向に移動する。ノズルベーン４８の移動に伴って、ノズル通路３１の断面積、すなわち、隣り合うノズルベーン４８間の排気ガスの流路が、小さくなる。アーム４９の支軸４７まわりの、ノズル通路３１の断面積を小さくするための回動方向を、本明細書中では、閉方向と称する。

このように、ユニゾンリング５２の回動に基づいて、全ての可変ノズル部材４６が同期的に回動されることにより、可変ノズル部材４６（詳しくはノズルベーン４８）の開度が調整される。ノズルベーン４８が開閉され、隣り合うノズルベーン４８の相互間の流路断面積が増減されることによって、タービンホイール２２に吹き付けられる排気ガスの流速が制御される。

可変ノズル機構３６は、可変ノズル部材４６、ユニゾンリング５２、駆動部材５６およびアクチュエータ６５を含んで構成されている。可変ノズル部材４６のアーム４９とユニゾンリング５２、ユニゾンリング５２と駆動部材５６の駆動アーム６０、駆動部材５６の駆動レバー５８とアクチュエータ６５の出力部は、アクチュエータ６５からアーム４９までの動力伝達経路において、互いに連結し合っている。

次に、可変ノズル部材４６のアーム４９の構成について説明する。図３は、可変ノズル部材４６のアーム４９の構成を示す模式図である。上述した通り、アーム４９は、支軸４７の端部に固定されている。アーム４９は、支軸４７を中心として回動可能に設けられている。支軸４７と反対側のアーム４９の先端部に、ユニゾンリング５２のアーム嵌合溝５４内に配置される嵌合部５０が設けられている。

嵌合部５０の外表面は、一対の接触面と、内側表面５３０と、外側表面５４０とを有している。一対の接触面は、閉側接触面５１０と、開側接触面５２０とを有している。閉側接触面５１０と開側接触面５２０とは、嵌合部５０がユニゾンリング５２のアーム嵌合溝５４に嵌合された状態で、アーム嵌合溝５４の壁面にそれぞれ接触する凸曲面をなしている。閉側接触面５１０は、アーム嵌合溝５４の閉側溝壁面に接触する。開側接触面５２０は、アーム嵌合溝５４の開側溝壁面に接触する。閉側溝壁面と開側溝壁面とは、図２に示すように、互いに平行に形成されており、間隔を空けて配置されている。

嵌合部５０の閉側接触面５１０は、図２に示す矢印Ｙ２方向にユニゾンリング５２を回動させるときに支軸４７を中心にして回動するアーム４９の回動方向（上述した閉方向）の前方側に位置している。嵌合部５０の開側接触面５２０は、図２に示す矢印Ｙ１方向にユニゾンリング５２を回動させるときに支軸４７を中心にして回動するアーム４９の回動方向（上述した開方向）の前方側に位置している。

閉側接触面５１０は、隣り合うノズルベーン４８間の排気ガスの流路断面積を減少させるように動くときのアーム４９の回動方向の前方側に位置している。閉側接触面５１０は、隣り合うノズルベーン４８間の排気ガスの流路断面積を増大させるように動くときのアーム４９の回動方向の後方側に位置している。

閉側接触面５１０は、支軸４７に近い側の閉側接触面５１０の周縁である近位縁５１１と、支軸４７から離れる側の閉側接触面５１０の周縁である遠位縁５１２とを有している。近位縁５１１は、閉側接触面５１０と内側表面５３０との境界を形成している。遠位縁５１２は、閉側接触面５１０と外側表面５４０との境界を形成している。

開側接触面５２０は、隣り合うノズルベーン４８間の排気ガスの流路断面積を増大させるように動くときのアーム４９の回動方向の前方側に位置している。開側接触面５２０は、隣り合うノズルベーン４８間の排気ガスの流路断面積を減少させるように動くときのアーム４９の回動方向の後方側に位置している。

開側接触面５２０は、支軸４７に近い側の開側接触面５２０の周縁である近位縁５２１と、支軸４７から離れる側の開側接触面５２０の周縁である遠位縁５２２とを有している。近位縁５２１は、開側接触面５２０と内側表面５３０との境界を形成している。遠位縁５２２は、開側接触面５２０と外側表面５４０との境界を形成している。

内側表面５３０は、図２に示す可変ノズル機構３６が組み立てられた状態で、ノズルリング３８またはユニゾンリング５２の径方向内側にある、嵌合部５０の外表面である。外側表面５４０は、図２に示す可変ノズル機構３６が組み立てられた状態で、ノズルリング３８またはユニゾンリング５２の径方向外側にある、嵌合部５０の外表面である。内側表面５３０と外側表面５４０とは、平面形状を有している。内側表面５３０と外側表面５４０とは、互いに平行に設けられている。

嵌合部５０の閉側接触面５１０と開側接触面５２０とは、曲面形状を有している。閉側接触面５１０と開側接触面５２０とは、いずれも非円弧形状であって、曲率が一定ではない。閉側接触面５１０は、近位縁５１１において曲率が最も大きく、近位縁５１１から遠位縁５１２に向かうにつれて次第に曲率が小さくなり、遠位縁５１２において曲率が最も小さくなっている。開側接触面５２０は、遠位縁５２２において曲率が最も大きく、遠位縁５２２から近位縁５２１に向かうにつれて次第に曲率が小さくなり、近位縁５２１において曲率が最も小さくなっている。

閉側接触面５１０は、近位縁５１１から遠位縁５１２に向かうにつれて、曲率半径が徐々に大きくなっている。開側接触面５２０は、遠位縁５２２から近位縁５２１に向かうにつれて、曲率半径が徐々に大きくなっている。閉側接触面５１０は、支軸４７から離れるにつれて、曲率が連続的に小さくなっている。閉側接触面５１０は、支軸４７から離れるに従って、曲率が漸次減少している。開側接触面５２０は、支軸４７から離れるにつれて、曲率が連続的に大きくなっている。開側接触面５２０は、支軸４７から離れるにつれて、曲率が漸次増大している。

閉側接触面５１０は、滑らかに続く連続的な曲面の形状を有している。開側接触面５２０は、滑らかに続く連続的な曲面の形状を有している。閉側接触面５１０と、開側接触面５２０とは、たとえば、サイクロイド、双曲螺旋、対数螺旋、インボリュート、およびクロソイドからなる群から選択される一の曲面の形状を有していてもよい。閉側接触面５１０と開側接触面５２０とは、同一の形状を有していてもよく、異なる形状を有していてもよい。

図４は、アーム４９の回動とノズルベーン４８の回動との関係を示す模式図である。アーム４９は、ユニゾンリング５２の回動に従って、支軸４７を中心にして両方向に回動する。図４に示すアーム嵌合溝５４Ａは、アーム４９の中心線がノズルリング３８またはユニゾンリング５２の径方向に延びている配置のアーム４９の嵌合部５０を収容する、アーム嵌合溝５４の配置を示している。なお、本明細書中では、中心線が径方向に延びており嵌合部５０がアーム嵌合溝５４Ａに嵌め入れられているアーム４９の配置を、基準配置と称する。

図４に示すアーム嵌合溝５４Ｂは、基準配置に比較して支軸４７を中心にして図４中の反時計回り方向に回動したアーム４９の嵌合部５０を収容する、アーム嵌合溝５４の配置を示している。アーム嵌合溝５４Ｃは、基準配置に比較して支軸４７を中心にして図４中の時計回り方向に回動したアーム４９の嵌合部５０を収容する、アーム嵌合溝５４の配置を示している。

ノズルベーン４８は、支軸４７を介在させて、アーム４９に連結されている。ノズルベーン４８は、支軸４７を中心にして、アーム４９と一体に回動可能に設けられている。

図４中に実線で示すアーム４９およびノズルベーン４８は、アーム４９が基準配置にあるときのアーム４９およびノズルベーン４８の配置を示している。図４中に一点鎖線で示すアーム４９およびノズルベーン４８は、アーム４９が基準配置に比較して反時計回り方向に回動したときのアーム４９およびノズルベーン４８の配置を示している。図４中に二点鎖線で示すアーム４９およびノズルベーン４８は、アーム４９が基準配置に比較して時計回り方向に回動したときのアーム４９およびノズルベーン４８の配置を示している。

図４中に一点鎖線で示すノズルベーン４８は、基準配置のノズルベーン４８と比較して、隣り合うノズルベーン４８との間の間隔が、大きくなっている。そのため、隣り合うノズルベーン４８間の排気ガスの流路断面積が、増大している。図４中に二点鎖線で示すノズルベーン４８は、基準配置のノズルベーン４８と比較して、隣り合うノズルベーン４８との間の間隔が、小さくなっている。そのため、隣り合うノズルベーン４８間の排気ガスの流路断面積が、減少している。

アーム４９およびノズルベーン４８は、図４中に一点鎖線で示す配置から二点鎖線で示す配置まで、排気ガスの流路を閉じる方向に、回動可能である。アーム４９およびノズルベーン４８は、図４中に二点鎖線で示す配置から一点鎖線で示す配置まで、排気ガスの流路を開く方向に、回動可能である。

図５は、アーム４９が閉方向に回動するときに閉側接触面５１０が接触するアーム嵌合溝５４の壁面上の接触部Ｃを示す模式図である。図５には、簡略化のため、アーム４９の嵌合部５０のうち閉側接触面５１０と、アーム嵌合溝５４の輪郭とが図示されている。図５中に示す黒点は、閉方向に回動するアーム４９の閉側接触面５１０が接触するアーム嵌合溝５４の壁面（閉側溝壁面）上の位置である接触部Ｃを示す。図５には、図４中に一点鎖線で示す配置から基準配置を経由して二点鎖線で示す配置までアーム４９が回動するときの、アーム嵌合溝５４の壁面上の接触部Ｃの動きが図示されている。

図５に示すように、アーム４９の嵌合部５０がアーム嵌合溝５４Ｂ内にあるとき、接触部Ｃは、アーム嵌合溝５４の壁面上の、ユニゾンリング５２の中心に相対的に近い位置に存在している。アーム４９が閉方向に回動するにつれて、接触部Ｃの位置は、径方向外側へ移動する。そして、アーム４９の嵌合部５０がアーム嵌合溝５４Ｃ内にあるとき、接触部Ｃは、アーム嵌合溝５４の壁面上の、ユニゾンリング５２の中心から相対的に遠い位置に存在している。

アーム４９が閉方向に回動するとき、閉側接触面５１０が接触するアーム嵌合溝５４の壁面上の接触部Ｃは、ユニゾンリング５２の径方向内側から外側へ向けて、アーム嵌合溝５４の壁面上を一方通行的に移動している。隣り合うノズルベーン４８間の排気ガスの流路断面積を最小とするとき、アーム嵌合溝５４の壁面上の接触部Ｃは、閉側接触面５１０のうち、曲率のより小さい遠位縁５１２の近傍に接触している。

アーム４９が閉方向に回動するにつれて、すなわち、排気ガスの流路断面積が減少するにつれて、ノズルベーン４８に作用する排気ガスの圧力（いわゆる排気反力）が増大し、アーム４９を閉方向に付勢する。ユニゾンリング５２が閉側位置に回動すると排気反力によってアーム４９の閉側接触面５１０がアーム嵌合溝５４の壁面に押圧されるため、かかる閉側接触面５１０の曲率が小さくなっている。排気反力によるアーム４９への付勢力が増大するにつれて、閉側接触面５１０がアーム嵌合溝５４の壁面に接触する接触面積が増大している。これにより、閉側接触面５１０とアーム嵌合溝５４の壁面との間に作用する圧力の増大が抑制されている。

特に、閉位置にあるユニゾンリング５２が開方向に移動する際には、アーム嵌合溝５４が排気反力で閉方向に付勢されるアーム４９を開方向に回動させることになり、閉側接触面５１０とアーム嵌合溝５４の壁面との接触圧は増大する。しかし、アーム４９の閉側接触面５１０の曲率が上記のように形成されているので、両者の間に作用する圧力の増大を効果的に抑制することができる。

なお、排気反力のノズルベーン４８に対する作用方向は、ノズルベーン４８の形状や支軸まわりのバランス等によって調整可能である。上記では排気反力がノズルベーン４８の閉方向に作用する例で説明したが、ノズルベーン４８の開方向に作用させることも可能である。その場合は、ユニゾンリング５２が閉方向に回動するにつれてアーム４９は排気反力によって開方向に付勢され、アーム嵌合部５０の開側接触面５２０がアーム嵌合溝５４の壁面に押圧されることになる。その場合には、アーム嵌合部５０の開側接触面５２０の曲率を支軸４７から離れるにつれて大きく形成すればよい（図３，４の開側接触面５２０参照）。その場合には、閉側位置にあるアーム嵌合部５０の開側接触面５２０のうちアーム嵌合溝５４の壁面と接触する箇所の曲率は小さく、接触圧を抑制できる。

図６は、比較例のアームが閉方向に回動するときに閉側接触面５１０Ｚが接触するアーム嵌合溝５４の壁面上の接触部ＣＺを示す模式図である。図６に示す比較例のアームは、上述した実施の形態のアーム４９と異なり、円弧面状の閉側接触面５１０Ｚを有している。図６中に示す黒点は、閉側接触面５１０Ｚが接触するアーム嵌合溝５４の壁面上の位置である接触部ＣＺを示す。図６には、図４中に一点鎖線で示す配置から基準配置を経由して二点鎖線で示す配置までアーム４９が回動するときの、アーム嵌合溝５４の壁面上の接触部ＣＺの動きが図示されている。

図６に示す比較例のアームが閉方向に回動するとき、アーム嵌合溝５４の壁面上の接触部ＣＺが移動する距離は、実施の形態の接触部Ｃが移動する距離と比較して、相対的に小さくなっている。

比較例のアームが閉方向に回動するとき、アーム嵌合溝５４の壁面上の接触部ＣＺは、ユニゾンリング５２の径方向に往復移動している。より具体的には、比較例のアームの嵌合部がアーム嵌合溝５４Ｂ内にある状態から基準配置まで閉方向に回動するとき、アーム嵌合溝５４の壁面上の接触部ＣＺは、ユニゾンリング５２の径方向内側から外側へ向けて移動している。その後、比較例のアームの嵌合部が基準配置からアーム嵌合溝５４Ｃ内にある状態まで閉方向に回動するとき、アーム嵌合溝５４の壁面上の接触部ＣＺは、ユニゾンリング５２の径方向外側から内側へ向けて移動している。

比較例のアームの閉側接触面５１０Ｚは、円弧形状を有しているため、均一な曲率を有している。比較例のアームが支軸まわりに回動しても、閉側接触面５１０Ｚがアーム嵌合溝５４の壁面に接触する接触面積は一定である。そのため、比較例のアームの回動に対する抵抗が増大するにつれて、閉側接触面５１０Ｚとアーム嵌合溝５４の壁面との間に作用する圧力が増大することになる。

図７は、アームの回転角度と、閉側接触面の接触部の曲率半径との関係を示すグラフである。図７中の横軸は、実施の形態および比較例のアームの支軸まわりの回転角度を示す。アームが基準配置にあるときの回転角度を０とする。基準配置に対してアームが閉方向に回転するときの回転角度を正の回転角度とする。基準配置に対してアームが開方向に回転するときの回転角度を負の回転角度とする。図７中の縦軸は、アーム嵌合溝の壁面と接触する位置における、アームの嵌合部の閉側接触面の曲率半径を示す。

図７および後述する図８，９においては、実施の形態のアーム４９に関するグラフを実線で示し、図６に示す比較例のアームに関するグラフを破線で示している。

上述した通り、実施の形態のアーム４９が閉方向に回動するにつれて、閉側接触面５１０の曲率が小さくなる。曲率半径は曲率の逆数であるので、図７に示すように、実施の形態のアーム４９の回転角度が増大するにつれて、閉側接触面５１０の曲率半径が大きくなっている。これに対し、比較例のアームの閉側接触面５１０Ｚは円弧形状であるので、アームが回動しても曲率半径は変化せず、一定の値となっている。

その結果、図７に示すアームの回転角度が最大となるとき、実施の形態の閉側接触面５１０の曲率半径は、比較例の閉側接触面５１０Ｚの曲率半径の２倍以上となっている。上述した通り、アームの閉方向への回転角度が増大するにつれて、アームの回動に対する抵抗が増大する。実施の形態のアーム４９では、アーム４９の回動に対する抵抗が増大するにつれて、閉側接触面５１０がより平面に近い形状となる。実施の形態のアーム４９では、アーム４９の閉方向への回転角度が大きくなるほど、アーム嵌合溝５４の壁面に接触している閉側接触面５１０の面積が大きくなる。よって、実施の形態のアーム４９では、閉側接触面５１０とアーム嵌合溝５４の壁面との間に作用する圧力の増大が抑制されている。

図８は、アーム回転角度と、ユニゾンリング５２の回転中心から接触部までの距離との関係を示すグラフである。図８中の横軸は、図７と同様のアームの支軸まわりの回転角度を示す。図８中の縦軸は、円環状のユニゾンリング５２の中心と、アームの嵌合部の閉側接触面とアーム嵌合溝の壁面との間の接触部との間の距離を示す。

実施の形態のアーム４９が閉方向に回動するにつれて、アーム嵌合溝５４の壁面上の接触部Ｃは、ユニゾンリング５２の径方向内側から外側へ向けて一方通行的に移動する。一方、比較例のアームが閉方向に回動するとき、アーム嵌合溝５４の壁面上の接触部ＣＺは、ユニゾンリング５２の径方向に往復移動する。

アームの嵌合部の閉側接触面とアーム嵌合溝の壁面とは、アームの回動に伴って摺動する。実施の形態のアーム４９では、アーム嵌合溝５４の壁面のうち、アーム４９の閉方向への回動に伴って閉側接触面５１０に対して摺動する範囲が、より広い。比較例のように、アーム嵌合溝５４の壁面上の接触部ＣＺが往復移動すると、アーム嵌合溝５４の壁面のより狭い範囲内で、閉側接触面に対してアーム嵌合溝５４の壁面が摺動することになる。よって、実施の形態では、比較例に対して、アーム嵌合溝５４の壁面上における局所的な摺動の発生が回避されている。

図９は、アーム回転角度と、アーム嵌合溝の壁面に対する接触部の摺動距離との関係を示すグラフである。図９中の横軸は、図７と同様のアームの支軸まわりの回転角度を示す。図９中の縦軸は、アームが支軸まわりに５°回転する間に閉側接触面がアーム嵌合溝の壁面に対して摺動する距離を示す。

上述したように、実施の形態では、アーム４９が閉方向に回動するとき、接触部Ｃは一方方向的に移動する。比較例では、アームが閉方向に回動するとき、接触部ＣＺは往復移動する。実施の形態では、アーム回転角度が正の範囲において、接触部Ｃは、アーム嵌合溝５４の壁面を径方向内側から外側へ向けて移動する。このとき、閉側接触面５１０上の接触部Ｃが接触する点は、近位縁５１１側から遠位縁５１２側へ向けて移動する。比較例では、アーム回転角度が正の範囲において、接触部ＣＺは、アーム嵌合溝５４の壁面を径方向外側から内側へ向けて移動する。このとき、閉側接触面５１０Ｚ上の接触部ＣＺが接触する点は、近位縁側から遠位縁側へ向けて移動する。

実施の形態では、アーム回転角度が正の範囲において、接触部Ｃが閉側接触面５１０上を移動する向きと、接触部Ｃがアーム嵌合溝５４の壁面上を移動する向きとが、合致している。そのため実施の形態では、アーム嵌合溝５４の壁面に対する閉側接触面５１０の相対移動が、純転がりに近い運動になる。他方、比較例では、アーム回転角度が正の範囲において、接触部ＣＺが閉側接触面５１０Ｚ上を移動する向きと、接触部ＣＺがアーム嵌合溝５４の壁面上を移動する向きとが、相違している。その結果、実施の形態では、比較例に対して、アーム嵌合溝５４の壁面に対する閉側接触面５１０の摺動が大幅に低減されている。

上述した説明と一部重複する部分もあるが、本実施の形態の特徴的な構成を以下、列挙する。本実施の形態のアーム４９は、図２に示すように、支軸４７を中心として回動可能に設けられている。ユニゾンリング５２には、アーム嵌合溝５４が形成されている。図３に示すように、アーム４９は、閉側接触面５１０と開側接触面５２０とを有している。閉側接触面５１０と開側接触面５２０とは、アーム嵌合溝５４の壁面に接触する。閉側接触面５１０は、支軸４７から離れるにつれて、曲率が小さくなっている。

本実施の形態では、アーム４９が閉方向に回動するとき、アーム４９の回動に対する抵抗が増大するにつれて、閉側接触面５１０がアーム嵌合溝５４の壁面に接触する面積が増大する。これにより、閉側接触面５１０とアーム嵌合溝５４の壁面との間に作用する圧力の増大が抑制される。また、アーム４９が閉方向に回動するときの、閉側接触面５１０に対するアーム嵌合溝５４の壁面の摺動、および、アーム嵌合溝５４の壁面に対する閉側接触面５１０の摺動が、低減されている。よって、本実施の形態では、アーム４９の閉側接触面５１０と、閉側接触面５１０に接触するアーム嵌合溝５４の壁面との摩耗を、ともに低減することができる。

アーム４９の閉側接触面５１０の形状を最適化することによりアーム４９およびユニゾンリング５２の摩耗を低減できるので、アーム４９およびユニゾンリング５２の摺動する表面に硬質皮膜を形成するなどの表面処理を必ずしも必要としない。これにより、表面処理に伴うコストの増加を回避でき、また、皮膜の厚みを超える摩耗発生時に急激に摩耗が進行する事態を回避することができる。

また図３に示すように、開側接触面５２０は、支軸４７から離れるにつれて、曲率が大きくなっている。閉側接触面５１０が接触するアーム嵌合溝５４の閉側溝壁面と開側接触面５２０が接触するアーム嵌合溝５４の開側溝壁面とは平行に形成されており、平行なアーム嵌合溝５４の壁面に合うように、適切な開側接触面５２０の形状を選択することができる。

また図３に示すように、閉側接触面５１０は、支軸４７から離れるにつれて曲率が連続的に小さくなっている。閉側接触面５１０を滑らかな曲面形状に形成することで、閉側接触面５１０とアーム嵌合溝５４の壁面との接触面積が局所的に急増することを回避できるので、アーム４９およびアーム嵌合溝５４の摩耗を確実に低減することができる。

なお、図３を参照して説明したアーム４９では、閉側接触面５１０と開側接触面５２０とは、平面状の内側表面５３０および外側表面５４０を介してつながっている。アームの嵌合部には、平面状の内側表面および外側表面が形成されなくてもよく、閉側接触面と開側接触面とが連続して形成されていてもよい。

実施の形態では、閉側接触面５１０の形状を最適化しているが、開側接触面５２０を同様の形状としてもよい。この場合、上述した閉側接触面５１０と同様に、アーム嵌合溝５４の壁面との摩耗を低減できる作用効果が奏される。

以上のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０ 可変ノズルターボチャージャ、１２ ロータハウジング、１４ タービンハウジング、１５ 排気出口、１９ 側壁部、２０ ロータ、２２ タービンホイール、２３ タービンブレード、２４ ロータシャフト、２６ コンプレッサホイール、２７ インペラ、３０ スクロール通路、３１ ノズル通路、３６ 可変ノズル機構、３８ ノズルリング、４１ 環状空間部、４６ 可変ノズル、４７，５７ 支軸、４８ ノズルベーン、４９ アーム、５０，６１ 嵌合部、５２ ユニゾンリング、５４，５４Ａ，５４Ｂ，５４Ｃ，６３ アーム嵌合溝、５６ 駆動部材、５８ 駆動レバー、６０ 駆動アーム、６５ アクチュエータ、６７ コントローラ、６８ 作動量検出手段、５１０，５１０Ｚ 閉側接触面、５１１，５２１ 近位縁、５１２，５２２ 遠位縁、５２０ 開側接触面、５３０ 内側表面、５４０ 外側表面、Ｃ，ＣＺ 接触部、Ｙ１，Ｙ２ 矢印。

Claims (3)

1. ターボチャージャに用いられ、ノズル通路を介してタービンブレードに吹き付けられる排気ガスを変動させる、可変ノズル機構であって、
   前記ノズル通路に設けられた複数のノズルベーンと、
   各々が軸支端と自由端とを有し、前記軸支端は支軸によって前記ノズルベーンに一体に連結される、複数のアームと、
   複数の溝が形成され、前記溝の各々に前記アームの前記自由端がそれぞれ係合する、ユニゾンリングとを備え、
   前記アームと前記ノズルベーンとは、前記ノズル通路の断面積を増大する開方向と減少する閉方向との両方に前記ユニゾンリングが回転するとき、前記支軸を中心に一体に開方向と閉方向とに回転して、前記ノズル通路の断面積を変動可能であり、
   前記アームの前記自由端は、該アームの閉方向回転側と開方向回転側との一対の接触面を有し、前記一対の接触面の各々が前記ユニゾンリングの前記溝を形成する一対の壁の一方にそれぞれ接触し、
   前記アームの前記接触面の一方は、前記ユニゾンリングの前記溝の壁面に向けた凸曲面をなすとともに、該凸曲面の前記支軸に近い側と前記支軸から遠い側との曲率が異なり、
   前記排気ガスの圧力は前記ノズル通路を減少させる閉方向に前記ノズルベーンに作用し、前記アームの前記曲率を有する前記接触面は、前記アームの回動の閉方向側に位置するとともに、前記曲率は前記支軸から離れるにつれて小さくなる、可変ノズル機構。
2. ターボチャージャに用いられ、ノズル通路を介してタービンブレードに吹き付けられる排気ガスを変動させる、可変ノズル機構であって、
   前記ノズル通路に設けられた複数のノズルベーンと、
   各々が軸支端と自由端とを有し、前記軸支端は支軸によって前記ノズルベーンに一体に連結される、複数のアームと、
   複数の溝が形成され、前記溝の各々に前記アームの前記自由端がそれぞれ係合する、ユニゾンリングとを備え、
   前記アームと前記ノズルベーンとは、前記ノズル通路の断面積を増大する開方向と減少する閉方向との両方に前記ユニゾンリングが回転するとき、前記支軸を中心に一体に開方向と閉方向とに回転して、前記ノズル通路の断面積を変動可能であり、
   前記アームの前記自由端は、該アームの閉方向回転側と開方向回転側との一対の接触面を有し、前記一対の接触面の各々が前記ユニゾンリングの前記溝を形成する一対の壁の一方にそれぞれ接触し、
   前記アームの前記接触面の一方は、前記ユニゾンリングの前記溝の壁面に向けた凸曲面をなすとともに、該凸曲面の前記支軸に近い側と前記支軸から遠い側との曲率が異なり、 前記排気ガスの圧力は前記ノズル通路を増大させる開方向に前記ノズルベーンに作用し、前記アームの前記曲率を有する前記接触面は、前記アームの回動の開方向側に位置するとともに、前記曲率は前記支軸から離れるにつれて大きくなる、可変ノズル機構。
3. 前記アームの前記接触面の前記曲率は、前記支軸から離れるにつれて連続的に変化する、請求項１または２に記載の可変ノズル機構。

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