(57)【要約】【課題】回転軸の振れ動きを許容しつつタービン翼の駆動効率に優れた排気ターボ過給機を提供する。【解決手段】回転軸２はハウジング３に回転自在に保持されており、一端部にタービン翼１が固定されている。ハウジング３には、排気ガス周方向に流れるタービンスクロール室１１がタービン翼１を囲うように形成されていると共に、排気ガス出口穴１２が回転軸心方向に向けて開口している。タービン翼１は、排気ガス出口穴１２に入り込んだ後ろ向き延長部１８を有しており、後ろ向き延長部１８と排気ガス出口穴１２との間のクリアランス１９を、排気ガスの流れ方向に向けて拡大している。これにより、回転軸２は振れ動いても排気ガス出口穴１２に当たることはないし、排気ガス出口穴１２の入口部２０においてクリアランス１９は最小になっているため、タービン翼１の駆動能率を向上できる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端部にタービン翼が固定されて他端部にはコンプレッサ翼が固定された回転軸と、前記回転軸を回転自在に保持するハウジングとを有しており、
前記ハウジングには、前記タービン翼を囲うタービンスクロール室と、前記タービン翼の回転軸心方向に開口した排気ガス出口穴とが互いに連通した状態に形成されている一方、
前記タービン翼は周方向に並んだ多数枚のブレードを有しており、前記各ブレードは、前記排気ガス出口穴に入り込んだ後ろ向き延長部を有している構成であって、
前記後ろ向き延長部と排気ガス出口穴との間のクリアランスを、前記排気ガス出口穴の下流方向に向けて拡大するように形成している、
排気ターボ過給機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、自動車用等の内燃機関に設ける排気ターボ過給機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
排気ターボ過給機は、排気ガスで駆動されるタービン翼によってコンプレッサ翼を回転させるものであり、ハウジングに回転自在に保持された回転軸の一端にタービン翼を固定して、回転軸の他端にコンプレッサ翼を固定している。ハウジングには、タービン翼を囲うタービンスクロール室と、コンプレッサ翼を囲うコンプレッサスクロール室とが形成されている。
【０００３】
排気ガスは、外周方向（接線方向）からタービンスクロール室に流入してタービン翼を回転させており、タービン翼を回転させる仕事をした排気ガスは、回転軸の軸心方向に開口した排気ガス出口穴から排出される。
【０００４】
また、ハウジングには、排気ガス出口穴と反対方向に開口した吸気流入口が開口しており、吸気は、軸心方向からコンプレッサスクロール室に流入して、コンプレッサスクロール室の接線方向に排出されるようになっている。
【０００５】
そして、排気ターボ過給機において、タービン翼と排気ガス出口穴との間には僅かのクリアランスが空いており、排気ガスの漏れを無くして効率を上げるにはクリアランスをできるだけ小さくするのが好ましいが、部材の加工誤差や組み付け時の誤差があるため、クリアランスを小さくすることには限度があるのが実情である。
【０００６】
また、回転軸はハウジングの軸受部によって回転自在に保持されているが、軸受部との間に若干の隙間が存在するため、回転軸は、その両端が外径よりやや大径の軌跡を描いて振れ動くスリコギ運動をすることがある。すると、タービン翼が振れ動いて排気ガス出口穴に当たり易くなる。
【０００７】
この点について特許文献１には、コンプレッサ翼とハウジングとの間の間隔を適正化する技術として、ハウジングのうちコンプレッサ翼と対向した面に、セラミック粉末を含む合成樹脂でコーティングされた軟質層を形成して、排気ターボ過給機を組み立て後に、軟質層をコンプレッサ翼で削り取ることが開示されている。
【０００８】
また、本願出願人は、特許文献２において、タービン翼をハウジングよりも硬い素材で製作して、タービン翼に切削機能を持たせることにより、タービン翼とハウジングとの間のクリアランスを自動的に最小化する技術を開示した。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平７−４２５６号公報
【特許文献２】特開２０１８−７１４１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１で使用するセラミック粉末入りの合成樹脂は熱に弱いため、高温の排気ガスが通過するタービンスクロール室や排気ガス出口穴には適用できない問題がある。他方、特許文献２では、ハウジングがアルミのような金属製であっても適用できるため、タービン翼の箇所にも適用できる。従って、汎用性に優れている。
【００１１】
また、特許文献２の技術では、回転軸がスリコギ回転を行ってもクリアランスを一定に形成できる利点を有するが、タービン翼の素材が限定されるという問題がある。従って、特許文献２と同じ効果を発揮しつつ汎用性に優れた技術が要請されていると云える。
【００１２】
本願発明は、このような要請に応えるべく成されたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本願発明は、
「一端部にタービン翼が固定されて他端部にはコンプレッサ翼が固定された回転軸と、前記回転軸を回転自在に保持するハウジングとを有しており、
前記ハウジングには、前記タービン翼を囲うタービンスクロール室と、前記タービン翼の回転軸心方向に開口した排気ガス出口穴とが互いに連通した状態に形成されている一方、
前記タービン翼は周方向に並んだ多数枚のブレードを有しており、前記各ブレードは、前記排気ガス出口穴に入り込んだ後ろ向き延長部を有している」
という基本構成において、
「前記後ろ向き延長部と排気ガス出口穴との間のクリアランスを、前記排気ガス出口穴の下流方向に向けて拡大するように形成している」
という特徴を有している。
【００１４】
この場合、後ろ向き延長部と排気ガス出口穴との間のクリアランスを排気ガスの出口方向に向けて後ろ向きに拡大する手段としては、例えば、
i）排気ガス出口穴はストレート穴に形成する一方、ブレードの後ろ向き延長部の稜線を後ろに向けて軸心からの距離（半径）が縮小するように傾斜させる、
ii）後ろ向き延長部の稜線はその全長に亙って軸心からの距離を一定に維持する一方、排気ガス出口穴を後ろに拡径する、
iii）各ブレードにおける後ろ向き延長部の稜線を、排気ガスの流れ方向に向けて半径が縮小するように傾斜させると共に、排気ガス出口穴を後ろ向きに拡径する、
の３つの態様のいずれかを選択できる。
【００１５】
なお、排気ガス出口穴は、ハウジングに直接形成されていてもよいし、ハウジングに嵌着したシュラウド（筒体）に形成されていてもよい。
【発明の効果】
【００１６】
既述のとおり、回転軸はその両端が振れ動くスリコギ運動をすることがあり、すると、タービン翼も振れ動くが、振れ動きの程度は、排気ガス出口穴の下流側に向けて（排気ガスの排出方向に向けて）大きくなる。すなわち、排気ガス出口穴の入口部では小さくて、後ろ側に行くに従って大きくなる。
【００１７】
そして、本願発明では、各ブレードの後ろ向き延長部とハウジングの排気ガス出口穴との間のクリアランスが、排気ガス出口穴の下流方向に向けて（後ろに向けて）拡大しているため、タービン翼が振れ動いても、各ブレードの後ろ向き延長部とハウジングの排気ガス出口穴との間のクリアランスを一定に保持して、タービン翼が排気ガス出口穴に当たることを防止できる。
【００１８】
また、排気ガス出口穴の始端とタービン翼との間のクリアランスは最小寸法に保持されるため、排気ガスが無駄に漏洩することはなくて、運動エネルギがタービン翼の駆動に有効利用されているのであり、従って、本願発明では、タービン翼が排気ガス出口穴に当たらないように安全な回転を確保しつつ、排気ターボ過給機の駆動効率を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】（Ａ）は第１実施形態の縦断正面図、（Ｂ）はタービン翼の側面図、（Ｃ）はタービン翼の正面図である。
【図２】図１（Ａ）の要部拡大図である。
【図３】第２実施形態の縦断正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。まず、図１，２に示す第１実施形態を説明する。
【００２１】
(1).第１実施形態の基本構造
図１（Ａ）に示すように、排気ターボ過給機は、一端にタービン翼１を固定して他端にはコンプレッサ翼（図示せず）を固定した回転軸２と、回転軸２を回転自在に保持するハウジング３とを備えている。
【００２２】
ハウジング３は、タービン翼１が内蔵されたタービンハウジング４と、センター軸受部５を備えたセンターハウジング（軸受ハウジング）６と、コンプレッサ翼が内蔵されたコンプレッサハウジング（図示せず）とで構成されている。本実施形態では、タービンハウジング４とセンターハウジング６とはアルミの鋳造品として一体に製造している一方、コンプレッサハウジングは別部材として製造されており、コンプレッサハウジングとセンターハウジング６とはボルト等で固定されている。
【００２３】
回転軸２は、フローティングメタル７を介してセンター軸受部５に回転自在に保持されている。センター軸受部５には、オイルが常に供給されている。また、センター軸受部５は空洞部９に吊られたように配置されており、空洞部９の下端はオイル出口１０になっている。
【００２４】
タービンハウジング４には、タービン翼１を外周外側から囲うタービンクロール室１１と、タービンスクロール室１１と連通して回転軸２の軸心方向に開口した排気ガス出口穴１２とが形成されており、タービンスクロール室１１には、排気ガス流入通路（図示せず）が連通している。排気ガスは、タービンスクロール室１１に周方向から流入して周回し、タービン翼１を回転駆動する仕事をしてから排気ガス出口穴１２から下流側に排出される。
【００２５】
本実施形態では、タービンハウジング４及びセンターハウジング６がアルミ製であることから、タービンスクロール室１１を挟んだ両側に、冷却水ジャケット１３が形成されている。
【００２６】
回転軸２の一端部はタービン翼１に設けた穴に圧入されており、回転軸２のうちタービン翼１に寄った部位は、タービンハウジング４に形成されたサイド軸受部１４にオイルシール１５を介して回転自在に保持されている。このため、回転軸２の一端寄り部位には、オイルシール１５が嵌まる環状溝を形成している。
【００２７】
(2).タービン翼とその周辺部の構造
タービン翼１は、回転軸２が嵌着している本体１６と、本体１６に周方向に並べて設けた多数枚のブレード１７とから成っており、図１（Ｂ）（Ｃ）から理解できるように、各ブレード１７は、その基端から終端に向かいつつ周方向に捩じれている。ブレード１７は捩じれているが、図１（Ａ）及び図２（図３も同様である）では、排気ガス出口穴１２との関係を明確化するため、便宜的に、ブレード１７は捩じれていない状態に表示している。
【００２８】
各ブレード１７の稜線１７ａは、捩れつつも概ね回転軸心Ｏの方向に長く延びている。従って、各ブレード１７は、軸心と直交した方向から全体を投影して見ると、図１（Ａ）及び図２に示すように、概ね四角形に近い形態になって。本体１６は、センターハウジング６の側に位置した円板部１６ａを有しており、各ブレード１７の基端は円板部１６ａと一体化して、各ブレード１７における稜線１７ａの付け根と円板部１６ａとは同じ高さになっている。
【００２９】
本実施形態では、タービンハウジング４とセンターハウジング６とを一体化しているため、回転軸２及びタービン翼１は、排気ガス出口穴１２から嵌め込む必要がある。従って、タービン翼１は、排気ガス出口穴１２に挿入できる外径になっている。また、タービン翼１の半分強は、排気ガス出口穴１２の内部に入り込む後ろ向き延長部１８になっている。従って、ブレード１７のうち後ろ向き延長部１８に位置した部位の稜線１７ａは、排気ガス出口穴１２の内周面と対向している。
【００３０】
図１（Ａ）に示すように、タービンスクロール室１１は、タービン翼１の配置空間を囲うドーナツ状部１１ａと、その外側に位置した膨らみ部１１ｂとから成っており、膨らみ部１１ｂは、排気ガス流入通路に連続した始端部の断面積が最も大きくて、周方向に向けて断面積が縮小するように渦巻き状になっている（始端部と終端部との境界は舌部になっている。）。
【００３１】
そして、膨らみ部１１ｂはドーナツ部１１ａに対してセンターハウジング６の側にオフセットされているため、排気ガスは、排気ガスが排気ガス出口穴１２に流れ込み易くなっているが、回転軸２が後ろ向き延長部１８を有していることから、排気ガス出口穴１２に流れ込んだ排気ガスによってタービン翼１のブレード１７が回転方向に押されることになり、これにより、タービン翼１は排気ガス出口穴１２においても回転駆動される。
【００３２】
従って、センターハウジング６をタービンハウジング３に一体化して、タービン翼１を排気ガス出口穴１２に後ろから挿入するタイプの排気ターボ過給機であっても、タービン翼１を効率よく駆動することができる。
【００３３】
(3).クリアランス
タービン翼１のブレード１７と排気ガス出口穴１２との間には、ブレード１７を排気ガス出口穴１２に衝突させることなく回転させるために、若干のクリアランス１９が空いている。他方、回転軸２と軸受部５，１４との間のクリアランスや、回転軸２のしなり等のために、図２に一点鎖線で示すように、回転軸２が振れ動く現象が生じることがあり、この現象は、回転数が高くなるほど現れやすくなる。また、回転軸２の一端部に重量が大きいタービン翼１が固定されていることも、振れ動きの要因になっている。
【００３４】
そして、回転軸２の静止状態において排気ガス出口穴１２とブレード１７とが平行な関係にあると、回転軸２が振れ動くと、ブレード１７の稜線１７ａと排気ガス出口穴１２の内周面との間隔は、稜線１７ａの先端に行くほど小さくなって、ブレード１７が排気ガス出口穴１２に当たり易くなる。
【００３５】
この点について、静止状態で排気ガス出口穴１２とブレード１７とを平行な関係に保持しつつ、振れ動きによるブレード１７の衝突を防止すべくクリアランスを全体的に大きくすると、排気ガスが排気ガス出口穴１２から抜け易くなるため、タービン翼１の駆動効率が低下してしまうことになる。
【００３６】
これに対して本実施形態では、実線で示すように、排気ガス出口穴１２のうち少なくもブレード１７と対向した部位は等径のストレートに形成する一方、ブレード１７の稜線１７ａを、排気ガスの流れ方向に向けて軸心からの距離が縮小するように傾斜させる（すなわち、タービン翼１の外径を後ろ向きに縮径する）ことにより、クリアランス１９を排気ガスの流れ方向に向けて（後ろ向きに）拡大させている。
【００３７】
すなわち、クリアランス１９は、僅かの角度θで後ろ向きに拡大している（なお、図では、クリアランス１９は誇張して表示している。）。このように、クリアランス１９が後ろ向きに拡大しているため、タービン翼１が振れ動いてもブレード１７が排気ガス出口穴１２に当たることを防止できる。
【００３８】
さて、タービン翼１の駆動効率を高めるには、排気ガスの運動エネルギをできるだけロスがない状態でタービン翼１のブレード１７に当てることが重要であり、そのためには、排気ガス出口穴１２の入口部２０の箇所において、排気ガスを、その流速をなるべく低下させずにタービン翼１のブレード１７に当てることが必要である。
【００３９】
この点、回転軸２の振れ動きは後ろに行くに従って拡大するものであることから、排気ガス出口穴１２の入口部２０のクリアランス１９は最小限に維持できるため、排気ガスの運動エネルギをタービン翼１の回転に効率良く変換できる。従って、タービン翼１の安全な回転を確保しつつ、タービン翼１の駆動効率の向上に貢献できる。
【００４０】
タービン翼１と排気ガス出口穴１２との間のクリアランス１９を後ろ向きに拡大させる方法としては、一点鎖線で示すように、タービン翼１の外径をストレートに形成して、排気ガス出口穴１２を後ろ向きに拡径することも可能であるし、タービン翼１の外径を後ろ向きに縮径しつつ、排気ガス出口穴１２を後ろ向きに拡径することも可能である。更に、タービン翼１の外径と排気ガス出口穴１２の内周面とを共に後ろ向きに拡径しつつ、排気ガス出口穴１２をタービン翼１より大きな度合いで拡径させることも可能である。
【００４１】
(4).他の実施形態・その他
図３に示す第２実施形態では、センターハウジング６をタービンハウジング３に一体化しつつ、タービン翼１の基端側に大径部１ａを設けた形態になっている。
【００４２】
そこで、タービンハウジング３に、タービン翼１の大径部１ａよりも大径（又は同径）のシュラウド（筒体）２１を装着して、シュラウド２１に排気ガス出口穴１２を形成し、タービン翼１に、排気ガス出口穴１２に入り込む後ろ向き延長部１８を設けている。そして、第１実施形態と同様の手段により、後ろ向き延長部１８と排気ガス出口穴１２との間のクリアランス１９を後ろ向きに拡大させている。
【００４３】
この実施形態では、回転軸２をハウジング３にセットしてからシュラウド２１が取付けられる。従って、タービン翼１における後ろ向き延長部１８の外径を後ろ向きに縮径すると共に、排気ガス出口穴１２の内径も後ろ向きに縮径しつつ、排気ガス出口穴１２の縮径の程度を大きくしてクリアランス１９を後ろ向きに拡大させることが可能である。この場合は、排気ガスは流速を速めて排気ガス出口穴１２を通過するため、タービン翼１の駆動効率を更に向上できると期待される。
【００４４】
以上、本願発明の実施形態を説明したが、本願発明は、他にも様々に具体化できる。例えば、センターハウジングがタービンハウジングとは別体に製造されているタイプの排気ターボ過給機にも適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本願発明は、排気ターボ過給機に具体化できる。従って、産業上利用できる。
【符号の説明】
【００４６】
１  タービン翼
２  回転軸
３  ハウジング
４  タービンハウジング
５  センター軸受部
６  センターハウジング（軸受ハウジング）
１１  タービンクロール室
１２  排気ガス出口穴
１４  サイド軸受部
１６  タービン翼の本体
１７  タービン翼のブレード
１７ａ  ブレードの稜線
１８  後ろ向き延長部
１９  クリアランス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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