(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンハウジングの内部に設けるとともに内燃機関から流入する排圧を回転力に変換するタービンホイールと、前記タービンホイールに連結するとともに前記タービンホイールの回転力を伝えるローターシャフトと、前記ローターシャフトに連結するとともに取り込んだ新気を前記回転力により圧縮しつつ内燃機関へと圧送するコンプレッサインペラと、前記コンプレッサインペラを覆うコンプレッサハウジングとを備えたターボチャージャにおいて、前記コンプレッサインペラの新気の流入口から流出口にかけた外縁長さに対し、この流出口から前記外縁長さの1/2以内の範囲に対応させた溝を前記コンプレッサハウジングの内壁に設け、この溝に前記コンプレッサインペラが接触する寸前まで突出させた滑り部材を装着したことを特徴とする滑り部材付きターボチャージャ。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、新気を圧縮してこの新気を内燃機関に圧送するターボチャージャに係り、このターボチャージャを形成するコンプレッサハウジングの内壁に、コンプレッサインペラに設けたブレードが接触する範囲内で滑り部材を装着した滑り部材付きターボチャージャに関する。
背景技術
内燃機関等では、より多くの混合気を燃焼させ、機関出力を向上させるために排気の圧力（以下、排圧と記す）を利用したターボチャージャが用いられている。このターボチャージャは、内燃機関のシリンダ内で機械的エネルギに変換されなかった高温、高圧の排気残留エネルギを利用してタービンホイールを駆動し、このタービンホイールとローターシャフトを通じて同軸的に連結したコンプレッサインペラにて新気を圧縮し、圧縮した新気を内燃機関に圧送するものである。
このように圧縮された新気がシリンダ内に供給されると、シリンダ内が高圧になり燃焼室の燃焼エネルギが増大する。そして、この燃焼エネルギがピストンやクランクシャフト等を介して機械的エネルギに変換されるので、機関出力を向上させることができる。
次に、ターボチャージャは、一般に、ブレードを有するタービンホイールとコンプレッサインペラをローターシャフトで連結し、それぞれをタービンハウジング及びコンプレッサハウジングで全体を覆った構造のものである。
ここで、コンプレッサハウジングの内部に設けたコンプレッサインペラは、その縁部がコンプレッサハウジングの壁面に沿うように形成されたブレードを複数備えている。
そして、コンプレッサハウジングとコンプレッサインペラとは、コンプレッサインペラが回転する際に、ブレードがコンプレッサハウジングの内壁に接触しないように構成する必要がある。これらコンプレッサハウジングとコンプレッサインペラが接触すると、コンプレッサインペラの回転時に、両者の接触による摩擦熱が発生し、コンプレッサハウジングやコンプレッサインペラを破損させる虞がある。
一方、コンプレッサハウジングとコンプレッサインペラとの隙間が大きいと、その隙間から新気が漏れて旋回流を生じ、新気を効率良く内燃機関に圧送することができなくなる。特に、内燃機関の機関回転数が低い領域では、十分な排圧が得られず、タービンホイールの回転力が小さくなるので、コンプレッサハウジング内において新気を十分に圧縮することができないという問題を生じる。
従って、ターボチャージャにおける新気の圧縮効率を向上させるためには、コンプレッサハウジングとコンプレッサインペラとの隙間を極力小さくし、新気の漏れを防止する必要がある。
このような要求に対し、コンプレッサハウジングとコンプレッサインペラとの接触を許容することで、コンプレッサハウジングとコンプレッサインペラとのクリアランスを極限まで減少させ、新気の圧縮効率を向上させる技術も開発されている。
例えば、コンプレッサインペラとコンプレッサハウジングとの隙間を減少させることを目的として、コンプレッサインペラのブレード縁部に対向するコンプレッサハウジング側壁面（シュラウド部）に、アルミやポリエステル樹脂等を混合させた粉末を溶射し、削られ易い皮膜を形成する、いわゆるアブレーダブル溶射を施し、これにより形成された皮膜でコンプレッサハウジングとコンプレッサインペラとの隙間を減少させたアブレーダブルターボチャージャが知られている。
このようなアブレーダブルターボチャージャによれば、コンプレッサハウジングとコンプレッサインペラの耐久性を犠牲にすることなく、圧縮効率を向上させることができる。
しかし、上記したようなアブレーダブルターボチャージャでは、皮膜の原料となるアルミやポリエステル樹脂を混合させた粉末が高価であるとともに、溶射の加工管理が難しいため加工費用が高価になるという問題がある。
発明の開示
本発明は前記した問題点に鑑みてなされたものであり、耐久性を犠牲にすることなく高い圧縮効率を得られるターボチャージャを、安価に提供することを課題とする。
そして、本発明は、前記課題を解決するために以下の手段を採用した。
本発明に係る滑り部材付きターボチャージャは、タービンハウジングの内部に設けるとともに、内燃機関から流入する排圧を回転力に変換するタービンホイールと、前記タービンホイールに連結するとともに、前記タービンホイールの回転力を伝えるローターシャフトと、前記ローターシャフトに連結するとともに、取り込んだ新気を前記回転力により圧縮しつつ内燃機関へと圧送するコンプレッサインペラと、前記コンプレッサインペラを覆うコンプレッサハウジングとを備えている。
そして、前記コンプレッサインペラの新気の流入口から流出口にかけた外縁長さに対し、前記流出口から前記外縁長さの1/2以内の範囲に対応させた溝を前記コンプレッサハウジングの内壁に設け、この溝に前記コンプレッサインペラが接触する寸前まで突出させた滑り部材を装着したものである。
本発明によれば、流出口から外縁長さの1/2以内の範囲に対応させた溝をコンプレッサハウジングの内壁に設けるとともに、この溝にコンプレッサインペラが接触する寸前まで突出させた滑り部材を装着することで、コンプレッサハウジングとコンプレッサインペラとのクリアランスを限りなく小さくできる。さらに、この溝に滑り部材を装着するだけなので簡単に取り付けることができる。
そして、この材料は、アブレーダブル加工用の材料より安価である。また、コンプレッサインペラの回転に伴いブレードが滑り部材に接触しても何等支障はない。
次に、本発明に係る滑り部材付きターボチャージャコンプレッサハウジングは、タービンハウジングの内部に設けるとともに、内燃機関から流入する排圧を回転力に変換するタービンホイールと、前記タービンホイールに連結するとともに、前記タービンホイールの回転力を伝えるローターシャフトと、前記ローターシャフトに連結するとともに、取り込んだ新気を前記回転力により圧縮しつつ内燃機関へと圧送するコンプレッサインペラと、前記コンプレッサインペラを覆うコンプレッサハウジングとを備えたターボチャージャである。
そして、前記コンプレッサハウジングと前記コンプレッサインペラとの接触面の全面に亘って、コンプレッサハウジングの内壁に前記滑り部材を装着しても良い。
上記したような発明によれば、滑り部材を突出させることでコンプレッサハウジングとコンプレッサインペラとのクリアランスをできる限り少なくすることができるので、新気の漏れによる効率のロスがなく、ターボチャージャの低速域での加速応答性向上を図ることができる。
さらに、滑り部材とブレードが接触しても、コンプレッサインペラのブレードの磨耗を防止することができ、長時間の使用に耐えることができる。また、摩擦による熱の発生と回転速度の低下をも防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本実施の形態に係るターボチャージャの分解斜視図
【図２】  本実施の形態に係るターボチャージャの断面図
【図３】  本実施の形態１に係るコンプレッサハウジングの拡大図
【図４】  ターボチャージャの動作原理図
【図５】  本実施の形態２に係るコンプレッサハウジングの拡大図
【図６】  他の実施の形態に係るコンプレッサハウジングの拡大図
【図７】  （ａ）は滑り部材の側面図、（ｂ）は滑り部材の平面図
【図８】  Ｃ型リングの斜視図
【図９】  滑り部材の製造方法を説明する図
発明を実施するための最良の形態
以下、本実施の形態に係る滑り部材付きターボチャージャ１を図１〜５に基づいて説明する。
（１）最初に、ターボチャージャ30の動作原理を簡単に説明する。ターボチャージャ30は、通常、図４に示すように、排圧を回転力に変換するタービンホイール31と、このタービンホイール31とローターシャフト35を介して連結されたコンプレッサインペラ36とによって形成する。そして、これらの部材は、それぞれハウジングによって覆われている。
そして、ターボチャージャ30は、排気入口32から流入した排気の排圧によってタービンホイール31が回転し、エネルギ変換が行われた排気は排気出口33から排出される。
前記タービンホイール31の回転力は、ローターシャフト35を介してコンプレッサインペラ36に伝わり、新気入口37から取り入れた新気は、コンプレッサインペラ36に設けた複数のブレードの間の流路を通り、圧縮されつつ内燃機関へと圧送される。
なお、前記ターボチャージャ30は、ターボチャージャ30から内燃機関へ供給される新気の圧力（過給圧）が所定値を越えた場合に、アクチュエータ34がウエイストゲートバルブ39を開弁させ、タービンホイール31より上流の排気をタービンホイール31の下流へバイパスさせ、タービンホイール31にかかる排圧を調節することができるようになっている。
（２）次に、本実施の形態１に係る滑り部材付きターボチャージャの構成を図１〜３に基づいて説明する。
この滑り部材付きターボチャージャ１は、図１に示すように、内燃機関からの排気を取り入れる排気入口２と、排気を排出する排気出口５と、排気入口２の近傍に配置された排気バイパス６とが形成されるとともに、前記排気入口２から流入した排気の圧力により回転駆動されるタービンホイール３を内装するタービンハウジング４を備えている。
そして、前記ターボチャージャ１は、新気を取り入れる新気入口７と、新気を排出する新気出口10とが形成されるとともに、前記新気入口７から流入した新気を圧縮するコンプレッサインペラ８を内装するコンプレッサハウジング９を備えている。
前記タービンハウジング４と前記コンプレッサハウジング９は、連結部材17により連結され、この連結部材17は、前記タービンホイール３と前記コンプレッサインペラ８とを同軸的に連結するロータシャフト11を回転自在に支持している。さらに、前記連結部材17には、前記ロータシャフト11の軸受部に潤滑油を供給する潤滑油通路12が形成される。
次に、タービンホイール３とコンプレッサインペラ８の表面には、図１〜２が示すように複数のブレード13A、13Bを設け、タービンホイール３に設けたブレード13Bは、後端から先端にかけて湾曲した形状を有する。
次に、コンプレッサインペラ８に設けたブレード13Aは、通常は流線の長さが異なる長インペラ13Aと短インペラ13Aをそれぞれ交互に配置して形成する。
ここで、流線の長さとは、コンプレッサインペラ８の新気の流入口から流出口にかけた外縁長さをいい、シュラウド長さともいう。なお、コンプレッサインペラ８の外縁部を一般的にコンプレッサインペラシュラウド部といい、コンプレッサハウジング９の内壁の外縁部をコンプレッサハウジングのシュラウド部16という。
ところで、ブレード13Aの材質は、一般的にアルミを用いるが、タービンホイール３に設けたインペラ13Bは比重の大きい耐熱鋼が用いられる。また、耐熱鋼の代わりに耐熱性が良く比重の小さいセラミックを用いることもある。
次に、コンプレッサハウジング９には、図３に示すように、コンプレッサインペラ８に設けられた複数のブレード13Aとシュラウド部16とのクリアランスを可能な限り減少させるために、シュラウド部16に溝14を設け、さらに、ブレード13Aとシュラウド部16が接触する寸前のクリアランスをもたせて、溝14に滑り部材15をシュラウド部16から突出するように装着している。
ここで、滑り部材15を装着する方法は、溝14または滑り部材15に接着剤を塗布するとともに、この滑り部材15を溝14に圧入するものである。
また、溝14を設ける範囲は、コンプレッサインペラ８の新気の流入口から流出口にかけた外縁長さＬに対して1/2・Ｌ以内とし、さらに、流出口からこの長さ1/2・Ｌまでとする。
ところで、新気の圧力は、流出口から1/2・Ｌまでの範囲で上昇し、この範囲のクリアランスを十分小さくすれば、ターボチャージャの効率を高めることができる。これとは逆にこの範囲にクリアランスがあるとこの隙間から新気が漏れ、旋回流が生じてターボチャージャの効率を低下させる。
ここで、滑り部材を装着する溝14を流出口から1/2・Ｌまでにした理由は、圧力が上昇する範囲での新気の漏れを防止すれば十分だからである。
また、ブレードの新気の流入側の見かけのクリアランスは、流出側に比較して小さい。このことからコンプレッサインペラ８が十分な回転速度を得るまでの間、コンプレッサハウジング９のシュラウド部16と滑り部材との接触する割合が流入側の方が多くなる。さらに、新気の流出側に比較して流入側は、ブレード厚みが小さく剛性が弱いから接触による疲労によってブレードが破損する場合があり、これを防止するためである。
すなわち、ブレード13Aと滑り部材15が接触すると接触面での摩擦力によってコンプレッサインペラ８の回転速度が減衰する場合があることから、コンプレッサインペラ８の回転速度を減衰させないことと、クリアランスを可能な限りゼロにして新気を逃がさずに圧送するという相反する要求に合致させる必要があるからである。
本実施の形態１に係る滑り部材付きターボチャージャ１は、このようにすることでコンプレッサハウジング９とブレード13Aとの間の空隙から新気を逃がすことなく内燃機関に新気を圧送することができるとともに、低速域での加速性能の向上を図ることができる。
次に、この滑り部材は、ポリテトラフルオロエチレン（以下、PTFEという）を約50％（重量）と合成雲母を約50％（重量）を化学的に結合した樹脂であり、一般的名称は、フルオロシント500という。
この樹脂は、高温においての荷重変形がフッ素樹脂にくらべて非常に少なく、熱的寸法安定性は、アルミニウムに近い。また、線形膨張係数がPTFEの５分の１であることからはめ合いやクリアランスを考慮に入れなくても良い。
そして、極低温から260℃までの温度範囲で使用可能であり、温度サイクル中や熱衝撃を与えた後でも、約343℃で形状安定性を維持する。さらに、水蒸気の非透過性等の耐薬品性は、テフロンに匹敵する。
また、PTFEの摩擦特性を維持しつつ硬さでは摩擦特性が改良されたPTFEの３分の１である。この樹脂は非ざらつき摩擦特性により、摩擦係数及び摩擦速度が低いので金属材料を磨耗させない。さらに、電気的性能は、未充填PTFEとほぼ同等である。
（３）次に、実施の形態２に係る滑り部材付きターボチャージャを説明する。ここでは、前述の実施の形態１と異なる構成についてのみ説明する。
本実施の形態にかかる滑り部材付きターボチャージャは、図５に示すように、コンプレッサハウジングのシュラウド部21の内壁にシュラウド部21とブレード22との接触面の全面に亘って溝23を設けるとともに、この溝23に滑り部材24を装着している。
このようにこれによりシュラウド部21とブレード22が接触する全面積に滑り部材24を装着しているので、接触面の全面のクリアランスをなくし、新気を逃がすことなく内燃機関に圧送する。
ここで、タービンホイールからの回転力を受けてコンプレッサインペラが回転し、コンプレッサインペラに設けたブレード22が滑り部材24に接触した状態で摺動する場合がある。
しかし、コンプレッサインペラが十分な回転速度を有すると、ローターシャフトの回転軸の中心が軸受けの中心にほぼ一致するため、コンプレッサインペラの偏りがなくなり無接触状態になるものと考えられる。
ここで、この滑り部材23は、実施の形態１に係る滑り部材と同様にPTFEを約50％（重量）と合成雲母を約50％（重量）を化学的に結合させたフルオロシント500からなる滑り部材を用いることが好ましい。
以上述べた滑り部材付きターボチャージャは、温度上昇した給気を熱交換機で冷却するインタクーラ付きターボチャージャや給気圧力、排気圧力が過大になるのを防止するウエイストゲート付きターボチャージャ、または過給機の排気タービン入口面積を可変にする可変ターボチャージャ若しくはタービン材料としてセラミックを用いるセラミックターボチャージャとして用いることができる。
尚、前述した滑り部材付きターボチャージャでは、滑り部材の装着方法として、コンプレッサハウジングのシュラウド部に溝を設け、滑り部材もしくは溝に接着剤を塗布して、滑り部材を溝に圧入する方法を例示したが、例えば、図６〜８に示すように、筒状の滑り部材44の外壁にＣ型リング45を嵌着するとともに、コンプレッサハウジング40のシュラウド部42に、前記Ｃ型リング45が嵌合する環状の凹部43aを有する溝43を形成して、前記滑り部材44を前記溝43に挿入するようにしてもよい。
その際、前記滑り部材44は、軸方向の長さが前記溝43の軸方向の長さと略同一になるよう形成するとともに、内周面44bがコンプレッサインペラ41のブレード41a縁部と略同一形状で、且つ前記シュラウド部42よりも突出するよう形成されるものとする。さらに、前記滑り部材44の外周面には、前記溝43の凹部43aと対応する位置に、前記Ｃ型リング45を嵌着するための溝44aを形成する。
このような構成によれば、滑り部材44は、前記Ｃ型リング45を介して前記溝43の段部に係止されるので、接着剤を塗布しなくとも滑り部材44が前記溝43から抜け落ちることがなく、さらに接着剤を併用すればより一層抜け落ち難くなる。
また、上記した滑り部材44を形成する方法としては、図９に示すように、Ｃ型リング45が外嵌された筒体を、シュラウド部42の溝43に挿入した後に、前記シュラウド部42より突出した部位を切削加工して、コンプレッサインペラ41のブレード41aの縁部と略同一形状をなすように形成する方法を例示することができる。その際、前記滑り部材44の内壁面は、前記シュラウド部42よりも若干突出するように形成し、滑り部材44とコンプレッサインペラ41のブレード41aとのクリアランスが、前記シュラウド部42とコンプレッサインペラ41のブレード41aとのクリアランスよりも狭くなるようにする。
産業上の利用可能性
本発明は、新気を圧縮してこの新気を内燃機関に圧送するターボチャージャに適用できる。また、本発明は、耐久性が高く且つ圧縮性能が高いターボチャージャを簡略な構成で実現することができるため、大量生産にも適している。
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図３】
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【図８】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図９】
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