(57)【要約】【課題】軸流式タービンホイールを有するターボ過給機を備え、上記の圧力差に起因して軸受にかかる負荷の増加抑制とタービンホイールに流入する排気ガスのエネルギの増大とを好適に両立させられる内燃機関を提供する。【解決手段】内燃機関１０は、遠心式のコンプレッサインペラ２２と、回転軸３２を介してコンプレッサインペラ２２と連結された軸流式のタービンホイール２４と、回転軸３２を支持する軸受２６と、コンプレッサインペラ２２及び軸受２６を収容するハウジング２８と、を含むターボ過給機２０を備える。タービンホイール２４は、タービン翼２４ｂの出口２４ｂ１がコンプレッサインペラ２２の側に位置するように回転軸３２に連結されている。コンプレッサインペラ２２は、その入口２２ａが出口２２ｂと比べてタービンホイール２４に近くなる向きで配置されている。【選択図】図１
2019183714.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
遠心式のコンプレッサインペラと、回転軸を介して前記コンプレッサインペラと連結された軸流式のタービンホイールと、前記回転軸を支持する軸受と、前記コンプレッサインペラ、前記軸受及び前記タービンホイールのうちの少なくとも前記コンプレッサインペラ及び前記軸受を収容するハウジングと、を含むターボ過給機と、
を備え、
前記タービンホイールは、前記タービンホイールのタービン翼の出口が前記コンプレッサインペラの側に位置するように前記回転軸に連結され、
前記コンプレッサインペラは、前記コンプレッサインペラの入口が前記コンプレッサインペラの出口と比べて前記タービンホイールに近くなる向きで配置されている
ことを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記軸受は、前記コンプレッサインペラと前記タービンホイールとの間の部位において前記回転軸に設けられ、
前記ターボ過給機は、
前記コンプレッサインペラから流出したガスが流れるスクロール部と、
前記軸受と前記コンプレッサインペラとの間に位置する前記ハウジングの部位と、前記回転軸との間に介在するオイルシール部と、
をさらに備え、
前記ハウジングは、前記オイルシール部よりも前記コンプレッサインペラに近い位置において前記ハウジングと前記回転軸との間に位置する隙間と前記スクロール部とを連通する連通路を含む
ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記内燃機関は、シリンダヘッドを含み、
前記ハウジングは、前記タービンホイールが前記シリンダヘッドと対向する向きで、前記シリンダヘッドに直接又はガスケットを介して締結されている
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関に関し、より詳細には、遠心式コンプレッサと軸流式タービンとを有するターボ過給機を備える内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１には、ターボ過給機を備える内燃機関が開示されている。このターボ過給機は、コンプレッサと、コンプレッサを回転駆動する過給用タービンと、発電機を回転駆動する発電用タービンとを備えている。発電用タービンは軸流式である。より具体的には、発電用タービンのホイールは、過給用タービンのホイールの下流に配置され、回転軸を介して発電機と連結されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−１４５７４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
遠心式コンプレッサを回転駆動するために軸流式タービンを備えるターボ過給機を内燃機関に搭載することが考えられる。このターボ過給機では、遠心式コンプレッサのコンプレッサインペラと軸流式タービンのタービンホイールとは、回転軸を介して連結される。このようなターボ過給機において、タービンホイールのタービン翼の入口がコンプレッサインペラ側に位置するような向きでタービンホイールを回転軸に連結することが考えられる。しかしながら、このような構成を採用すると、コンプレッサインペラとタービンホイールとの間に位置するタービン翼の入口に排気ガスを導入するために、タービン翼の上流側の排気通路にスクロール部を設けることが必要になる。気筒からタービン翼の入口までの距離を短くすることは、タービンホイールに流入する排気ガスのエネルギを高めるうえで有効である。しかしながら、上記のスクロール部を設けることは、気筒からタービン翼の入口までの距離を短縮することへの妨げとなる。
【０００５】
そこで、上記とは逆に、タービン翼の出口がコンプレッサインペラ側に位置するような向きでタービンホイールを回転軸に連結することが考えられる。しかしながら、このような構成を採用すると、次のような課題が生じる。すなわち、遠心式コンプレッサのコンプレッサインペラは、一般的に、その入口よりも出口の方がタービンに近くなる向きで配置される。その結果、回転体（すなわち、コンプレッサインペラ、回転軸及びタービンホイールの集合体）には、ガスの圧力差に起因する力が次のように作用する。すなわち、タービン翼の出口側の圧力は、タービン翼の入口側の圧力よりも低くなる。したがって、この圧力差に起因して、回転体をタービンホイール側からコンプレッサインペラ側に引っ張ろうとする力がタービンホイールに作用する。一方、コンプレッサインペラの出口側の圧力は、コンプレッサインペラの入口側の圧力よりも高くなる。したがって、この圧力差に起因してコンプレッサインペラに作用する力の向きは、タービンホイールに作用する上記の力の向きと同じになる。これらの力の合力が回転体に作用することで、回転軸を支持する軸受にかかる負荷が大きくなる。
【０００６】
本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたものであり、軸流式タービンホイールを有するターボ過給機を備え、上記の圧力差に起因して軸受にかかる負荷の増加抑制とタービンホイールに流入する排気ガスのエネルギの増大とを好適に両立させることができる内燃機関を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る内燃機関は、
遠心式のコンプレッサインペラと、回転軸を介して前記コンプレッサインペラと連結された軸流式のタービンホイールと、前記回転軸を支持する軸受と、前記コンプレッサインペラ、前記軸受及び前記タービンホイールのうちの少なくとも前記コンプレッサインペラ及び前記軸受を収容するハウジングと、を含むターボ過給機と、
を備える。
前記タービンホイールは、前記タービンホイールのタービン翼の出口が前記コンプレッサインペラの側に位置するように前記回転軸に連結されている。
前記コンプレッサインペラは、前記コンプレッサインペラの入口が前記コンプレッサインペラの出口と比べて前記タービンホイールに近くなる向きで配置されている。
【０００８】
前記軸受は、前記コンプレッサインペラと前記タービンホイールとの間の部位において前記回転軸に設けられてもよい。前記ターボ過給機は、前記コンプレッサインペラから流出したガスが流れるスクロール部と、前記軸受と前記コンプレッサインペラとの間に位置する前記ハウジングの部位と、前記回転軸との間に介在するオイルシール部と、をさらに備えてもよい。そして、前記ハウジングは、前記オイルシール部よりも前記コンプレッサインペラに近い位置において前記ハウジングと前記回転軸との間に位置する隙間と前記スクロール部とを連通する連通路を含んでもよい。
【０００９】
前記内燃機関は、シリンダヘッドを含んでもよい。そして、前記ハウジングは、前記タービンホイールが前記シリンダヘッドと対向する向きで、前記シリンダヘッドに直接又はガスケットを介して締結されていてもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、軸流式のタービンホイールは、タービン翼の出口がコンプレッサインペラの側に位置するように回転軸に連結されている。軸流式のタービンホイールは、タービン翼の出口がコンプレッサインペラの側に位置するように回転軸に連結されている。これにより、ラジアル式タービンとは異なり、タービン翼の入口側にスクロール部を備える必要がなくなる。このため、気筒からタービン翼の入口までの距離を短縮できる。その結果、タービンホイールに流入する排気ガスのエネルギを高めることができる。また、本発明によれば、コンプレッサインペラは、その入口が出口と比べてタービンホイールに近くなる向きで配置されている。これにより、本発明に係るターボ過給機では、コンプレッサインペラの上下流の圧力差に起因してコンプレッサインペラに作用する力の向きは、タービンホールの上下流の圧力差に起因してタービンホイールに作用する力の向きと逆になる。このため、本発明によれば、軸受にかかる負荷の増加抑制とタービンホイールに流入する排気ガスのエネルギの増大とを好適に両立させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態１に係る内燃機関の要部の構成を模式的に表した図である。
【図２】コンプレッサハウジング部を図１中のＡ−Ａ線で切断して得られる断面図である。
【図３】図１に示す内燃機関との対比のために参照する内燃機関の構成を説明するための図である。
【図４】図１に示すコンプレッサハウジング部のコンプレッサ入口部の他の形状例を表した断面図である。
【図５】本発明の実施の形態２に係る内燃機関の要部の構成を模式的に表した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に説明される各実施の形態において、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略又は簡略する。また、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造やステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。
【００１３】
１．実施の形態１
まず、図１を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。
【００１４】
１−１．内燃機関の要部の構成
図１は、本発明の実施の形態１に係る内燃機関１０の要部の構成を模式的に表した図である。図１に示す内燃機関１０は、一例として、３つの気筒１２を有する直列３気筒エンジンである。内燃機関１０は、シリンダヘッド１４を備えている。シリンダヘッド１４は、シリンダブロック（図示省略）とともに３つの気筒１２を形成している。なお、本発明の対象となる内燃機関の気筒数及び気筒配置は特に限定されない。
【００１５】
１−１−１．シリンダヘッド
シリンダヘッド１４には、エンジン冷却水が流れる冷却水通路（図示省略）が形成されている。つまり、シリンダヘッド１４は水冷式である。また、内燃機関１０は、各気筒１２から排出される排気ガスが流れる排気通路１６を備えている。排気通路１６は、図１に示すように、シリンダヘッド１４の内部に形成されたヘッド内ガス通路１８を含む。ヘッド内ガス通路１８は、各気筒１２からの排気ガスを１つに集めるように形成されている。換言すると、内燃機関１０では、排気マニホールドがシリンダヘッド１４と一体化している。なお、シリンダヘッド１４は、金属材料（例えば、アルミニウム合金）によって構成されている。
【００１６】
１−１−２．ターボ過給機
内燃機関１０は、ターボ過給機２０を備えている。ターボ過給機２０は、コンプレッサインペラ２２、軸流式のタービンホイール２４、軸受２６、ハウジング２８及びオイルシール部３０を含む。なお、ハウジング２８は、金属材料（例えば、鉄）によって構成されている。
【００１７】
具体的には、タービンホイール２４は、回転軸３２を介してコンプレッサインペラ２２と連結されている。軸受２６は、例えば、コンプレッサインペラ２２とタービンホイール２４との間の部位（図１に示す例では、２か所）において回転軸３２を支持する。ハウジング２８は、コンプレッサインペラ２２を収容するコンプレッサハウジング部３４と、２つの軸受２６を収容するベアリングハウジング部３６とからなる。コンプレッサハウジング部３４とベアリングハウジング部３６とは隣り合っている。コンプレッサハウジング部３４は、一対のハウジングピース３４ａ、３４ｂからなる。オイルシール部３０は、軸受２６（より詳細には、コンプレッサインペラ２２に近い方の軸受２６）とコンプレッサインペラ２２との間に位置するコンプレッサハウジング部３４（より詳細には、ハウジングピース３４ａ）の部位３４ｃと、回転軸３２との間に介在している。また、軸受２６は、回転軸３２を軸方向に拘束するためのスラスト軸受を含む。
【００１８】
１−１−２−１．軸流式のタービンホイール
タービンホイール２４は、ロータディスク２４ａと、複数のタービン翼（動翼）２４ｂとを有する。ロータディスク２４ａは回転軸３２に連結されている。複数のタービン翼２４ｂは、ロータディスク２４ａから径方向外向きに延びるようにロータディスク２４ａと一体的に形成されている。そして、図１に示すように、タービンホイール２４は、タービンホイール２４のタービン翼２４ｂの出口２４ｂ１がコンプレッサインペラ２２の側に位置するように回転軸３２に連結されている。
【００１９】
１−１−２−２．ターボ過給機の内燃機関への搭載例
図１に示す例では、ハウジング２８は、タービンホイール２４（のタービン翼２４ｂの入口２４ｂ２）がシリンダヘッド１４と対向する向きで、ボルト等の締結具（図示省略）を用いてシリンダヘッド１４に直接締結されている。より具体的には、図１に示す例では、ハウジング２８のうちのベアリングハウジング部３６がシリンダヘッド１４に直接締結されている。なお、図１に示す構成において、シリンダヘッド１４に対するベアリングハウジング部３６の締結面３８には、両者の間にガスケット（本発明に係る「ガスケット」の一例に相当）が介在していてもよい。また、図１では、タービンホイール２４周りにおいてハッチングが付されたシリンダヘッド１４及びベアリングハウジング部３６の各部位は、回転軸３２の中心位置におけるシリンダヘッド１４及びベアリングハウジング部３６の断面を示している。このことは、後述の図３についても同様である。
【００２０】
１−１−２−３．タービン出口通路
本実施形態の内燃機関１０では、タービンホイール２４の出口通路であるタービン出口通路４０は、次のような構造によって、ベアリングハウジング部３６の壁面及びシリンダヘッド１４の壁面を利用して形成されている。
【００２１】
具体的には、回転軸３２の軸方向においてタービン翼２４ｂの出口２４ｂ１と近接する位置には、ベアリングハウジング部３６のタービン出口壁部４２が形成されている。タービン出口壁部４２は、回転軸３２の軸方向においてタービン翼２４ｂの出口２４ｂ１から離れるにつれ、その径が大きくなるように（換言すると、略円錐台形状に）形成されている。シリンダヘッド１４は、このタービン出口壁部４２を覆うように形成されたスクロール部４４を有している。そして、ベアリングハウジング部３６は、回転軸３２の径方向に延びるように形成されたフランジ部４６を有している。シリンダヘッド１４とベアリングハウジング部３６との締結は、より詳細には、このスクロール部４４の端面とフランジ部４６との間でなされている。すなわち、このフランジ部４６の一部が上記の締結面３８に相当する。
【００２２】
タービン出口通路４０は、タービン出口壁部４２とともに上述のスクロール部４４及びフランジ部４６によって構成されている。スクロール部４４は、タービン翼２４ｂの出口２４ｂ１から流出した排気ガスの流れの向きを変えるために、スクロール形状を有している。より具体的には、スクロール部４４は、回転軸３２を中心とするスクロール形状を有し、出口２４ｂ１から離れるにつれて流路断面積が徐々に大きくなるように形成されている。図１では、タービン出口壁部４２に対して紙面右側のタービン出口通路４０の部位の流路断面積は、紙面左側の部位のそれと比べて大きくなるように描かれている。つまり、紙面右側の部位は、紙面左側の部位と比べて排気ガス流れの下流側に位置する。また、上記のように構成されたタービン出口通路４０は、排気通路１６の一部に相当する。なお、タービン出口通路を構成するスクロール部は、スクロール部４４がシリンダヘッド１４に形成される例に代え、フランジ部４６の形状を変更することによってベアリングハウジング部に形成されていてもよい。
【００２３】
なお、本実施形態では、排気ガス流れの下流側におけるスクロール部４４の端部（図示省略）は、一例として、シリンダヘッド１４の外に設けられている。この端部には、ターボ過給機２０の下流側の排気通路１６の部位を構成する排気管が接続される。また、タービン翼２４ｂの出口２４ｂ１の近傍の部位においてスクロール部４４に形成された環状の突起４８は、出口２４ｂ１から流出する排気ガスを整流するために形成されている。より詳細には、流路が急拡大すると、流れの損失が増大する。環状の突起４８は、このような流れの損失の増大を抑制するために、流路断面積を徐々に大きくできるように形成されている。
【００２４】
付け加えると、図１に示す例では、タービンホイール２４を収容するタービンハウジングの機能は、シリンダヘッド１４を利用して（より詳細には、ヘッド内ガス通路１８の周面１８ｂ及びスクロール部４４）によって実現されている。そして、タービン出口通路４０は、上述のように、ベアリングハウジング部３６（タービン出口壁部４２及びフランジ部４６）とスクロール部４４とによって構成されている。したがって、内燃機関１０では、タービンホイール２４と、シリンダヘッド１４の周面１８ｂ及びスクロール部４４と、ベアリングハウジング部３６（タービン出口壁部４２及びフランジ部４６）とによって、コンプレッサインペラ２２を回転駆動する軸流式タービンが構成されている。
【００２５】
１−１−２−４．遠心式コンプレッサ
次に、図１とともに図２を参照して、上記コンプレッサインペラ２２を有する遠心式コンプレッサの具体的な構成について説明する。図２は、コンプレッサハウジング部３４を図１中のＡ−Ａ線で切断して得られる断面図である。なお、図２中に示す円Ｃは、コンプレッサインペラ２２の入口２２ａと同じ軸方向位置におけるコンプレッサ入口部３４ｄの開口を示している。
【００２６】
コンプレッサインペラ２２は、その入口２２ａが出口２２ｂと比べてタービンホイール２４に近くなる向きで配置されている。具体的には、コンプレッサハウジング部３４は、１対のハウジングピース３４ａ及び３４ｂによって、コンプレッサ入口部３４ｄ、インペラ部３４ｅ、ディフューザ部３４ｆ及びスクロール部３４ｇを形成している。
【００２７】
コンプレッサ入口部３４ｄは、図１に示すように、コンプレッサインペラ２２よりもタービンホイール２４に近い位置において、ハウジングピース３４ａに形成されている。コンプレッサ入口部３４ｄのガス（空気）の入口は、ハウジングピース３４ａの外周面に開口している。コンプレッサ入口部３４ｄ内のガス通路は、ハウジングピース３４ａ内において、回転軸３２の径方向に沿って外側から内側に向かって延びた後に、コンプレッサインペラ２２の入口２２ａに向かって曲がるように形成されている。
【００２８】
ディフューザ部３４ｆは、コンプレッサインペラ２２の出口２２ｂ（インペラ部３４ｅの出口）よりも外周側に位置する円板状のガス通路である。コンプレッサインペラ２２から流出したガスは、ディフューザ部３４ｆを通過した後にスクロール部３４ｇの内部を流れる。スクロール部３４ｇは、回転軸３２を中心とするスクロール形状を有し、ガス流れの下流側に向かうにつれて流路断面積が徐々に大きくなるように形成されている。図１では、コンプレッサインペラ２２に対して紙面右側のスクロール部３４ｇの部位の流路断面積は、紙面左側の部位のそれと比べて大きくなるように描かれている。つまり、紙面右側の部位は、紙面左側の部位と比べてガス流れの下流側に位置する。コンプレッサハウジング部３４内に形成されたガス通路は、内燃機関１０の吸気通路の一部として機能する。
【００２９】
上述したコンプレッサハウジング部３４とコンプレッサインペラ２２とによって、内燃機関１０の吸気を過給するための遠心式のコンプレッサが構成されている。
【００３０】
１−１−２−５．タービン翼周りの構成例
また、図１に示すように、内燃機関１０では、タービン翼２４ｂの入口２４ｂ２は、シリンダヘッド１４に対するベアリングハウジング部３６の締結面３８よりも排気ガス流れの上流側に配置されている。そして、タービンホイール２４は、ヘッド内ガス通路１８に配置されている。より詳細には、タービンホイール２４は、ヘッド内ガス通路１８の集合部１８ａに配置されており、ヘッド内ガス通路１８の周面１８ｂがタービンホイール２４の径方向においてタービン翼２４ｂと対向している。換言すると、タービン翼２４ｂ（タービンホイール２４）は、周面１８ｂとの間でクリアランスを構成している。
【００３１】
１−２．効果
１−２−１．タービンに流入する排気ガスのエネルギの増大
ラジアル式タービンを使用するターボ過給機を備える内燃機関では、タービン翼の入口側にスクロール部と、スクロール部とその上流側の排気通路とを接続するための接続配管とが必要になる。これに対し、本実施形態の内燃機関１０は、タービン翼２４ｂの出口２４ｂ１がコンプレッサインペラ２２の側に位置するように設けられた軸流式のタービンホイール２４を有するターボ過給機２０を備えている。これにより、ラジアル式タービンとは異なり、タービン翼２４ｂの入口２４ｂ２側にスクロール部を備える必要がなく、したがって、上記接続配管も不要となる。このため、各気筒１２からタービン翼２４ｂの入口２４ｂ２までの距離を短縮できる。その結果、タービン翼２４ｂの上流側の排気通路の表面積の減少により、タービン翼２４ｂに流入する排気ガスの温度低下を抑制できる。また、タービン翼２４ｂの上流側の排気通路の容積の減少により、タービンホイール２４に流入する排気ガスの圧力の低下を抑制できる。これらのことから、本実施形態によれば、上記距離の短縮により、タービンホイール２４に流入する排気ガスのエネルギを効果的に高められる構成が得られる。
【００３２】
付け加えると、内燃機関１０では、タービンホイール２４は、ヘッド内ガス通路１８に配置されている。これにより、上記距離の短縮によるタービンホイール２４への排気エネルギの増大効果をより十分に引き出すことができる。
【００３３】
１−２−２．軸受２６にかかる負荷の増加抑制
図３は、図１に示す内燃機関１０との対比のために参照する内燃機関１００の構成を説明するための図である。ここでは、内燃機関１０に対する内燃機関１００の差異点について説明する。内燃機関１００は、遠心式コンプレッサの構造において、図１に示す内燃機関１０と相違している。
【００３４】
具体的には、内燃機関１００のターボ過給機１０２が備える遠心式コンプレッサは、一般的な遠心式コンプレッサの構造を示している。遠心式コンプレッサは、コンプレッサインペラ１０４を備えている。コンプレッサインペラ１０４は、その入口１０４ａが出口１０４ｂと比べてタービンホイール２４から遠くなる向きで配置されている。その結果、回転体（すなわち、コンプレッサインペラ１０４、回転軸３２及びタービンホイール２４の集合体）には、ガスの圧力差に起因する力が次のように作用する。
【００３５】
すなわち、タービン翼２４ｂの出口２４ｂ１側の圧力Ｐｔｅｘは、タービン翼２４ｂの入口２４ｂ２側の圧力Ｐｅｉｎよりも低くなる。したがって、この圧力差に起因して、回転体をタービンホイール２４側からコンプレッサインペラ１０４側に引っ張ろうとする力Ｆｔがタービンホイール２４に作用する。一方、コンプレッサインペラ１０４の背面に作用する圧力Ｐｃｂｃは、コンプレッサインペラ１０４の入口１０４ａ側の圧力Ｐｃｉｎよりも高い。したがって、この圧力差に起因してコンプレッサインペラ１０４に作用する力Ｆｃ１の向きは、タービンホイール２４に作用する上記の力Ｆｔの向きと同じになる。このように、これらの力Ｆｔ及びＦｃ１は、共に、回転体をコンプレッサインペラ１０４側に引っ張ろうとする。このため、回転軸３２を支持する軸受２６にかかる負荷が大きくなる。
【００３６】
これに対し、本実施形態のターボ過給機２０では、コンプレッサインペラ２２は、その入口２２ａが出口２２ｂと比べてタービンホイール２４に近くなる向きで配置されている。その結果、圧力差に起因してタービンホイール２４に作用する力Ｆｔは、図３に示す比較例と同じであるが、圧力差に起因してコンプレッサインペラ２２に作用する力Ｆｃ２の向きは、上記比較例とは異なり、タービンホイール２４に作用する上記の力Ｆｔの向きと逆になる。つまり、本実施形態の構成によれば、タービン側の力Ｆｔとコンプレッサ側の力Ｆｃ２とが相殺し合うようにすることができる。このため、本実施形態の内燃機関１０によれば、軸受２６にかかる負荷の増加抑制とタービンホイール２４に流入する排気ガスのエネルギの増大とを好適に両立させることができる。
【００３７】
１−２−３．ターボ過給機のシリンダヘッドへの締結に関連する効果
図３に示す比較例のターボ過給機１０２も、本実施形態のターボ過給機２０と同様に、タービンホイール２４（のタービン翼２４ｂの入口２４ｂ２）が、水冷式のシリンダヘッド１４と対向する向きで、シリンダヘッド１４に直接締結されている。しかしながら、この比較例では、コンプレッサインペラ１０４の入口１０４ａは、出口１０４ｂよりもシリンダヘッド１４から遠い位置にある。そして、この比較例では、コンプレッサ入口部１０６の開口は、ターボ過給機１０２の構成要素の中で、回転軸３２の軸方向においてシリンダヘッド１４から最も遠くに位置している。その結果、このコンプレッサ入口部１０６に接続されるコンプレッサ上流管（図示省略）は、少なくともコンプレッサ入口部１０６の近くの部位において、回転軸３２の軸方向においてシリンダヘッド１４から更に遠くなる位置に設けられることになる。このため、車両への内燃機関１００の実際の搭載を考えた場合、エンジンコンパートメント内の限られたスペース内で上記コンプレッサ上流管を設置する場所を確保することが難しくなる（特に、横置きエンジン）。
【００３８】
これに対し、本実施形態のターボ過給機２０では、コンプレッサインペラ２２は、その入口２２ａが出口２２ｂと比べてタービンホイール２４に近くなる向きで配置されている。その結果、コンプレッサ入口部３４ｄの開口は、図１に示すように、回転軸３２の軸方向におけるターボ過給機２０の端よりもシリンダヘッド１４からの距離が短く抑えられた位置において、当該軸方向に直交する方向（径方向）に向くようになる。このため、上記比較例と比べて、コンプレッサ上流管を設置する場所を確保し易くなる。また、本実施形態の内燃機関１０によれば、次のような効果も奏する。
【００３９】
すなわち、まず、軸受２６の温度上昇の抑制効果が得られる。具体的には、図１に示すようにタービン翼２４ｂの出口２４ｂ１がコンプレッサインペラ２２の側を向くように配置されていると、タービン翼２４ｂを通過した高温の排気ガスがコンプレッサインペラ２２側（すなわち、タービンホイール２４とコンプレッサインペラ２２との間に位置する軸受２６の側）に向けて流れることになる。このため、適切な対処がなされないと、軸受２６の温度が上昇してしまう可能性がある。この課題に関し、本実施形態によれば、ターボ過給機２０のハウジング２８は、タービンホイール２４（のタービン翼２４ｂの入口２４ｂ２）が、水冷式のシリンダヘッド１４と対向する向きで、シリンダヘッド１４に直接的に締結されている。これにより、タービン翼２４ｂから流出した高温の排気ガスからハウジング２８に伝わった熱を、低温のシリンダヘッド１４に逃がすことができる。このため、軸受２６の温度上昇の抑制効果が得られる。付け加えると、本実施形態においてシリンダヘッド１４と直接的に締結されているのは、軸受２６を収容するベアリングハウジング部３６である。このため、本構成によれば、タービン翼２４ｂから流出した高温の排気ガスからベアリングハウジング部３６に伝わった熱を効果的にシリンダヘッド１４に逃がすことができる。そして、この効果は、シリンダヘッド１４とベアリングハウジング部３６との間にガスケットが介在する例よりも、本実施形態の内燃機関１０のようにベアリングハウジング部３６がシリンダヘッド１４に直接締結される例の方が高くなるといえる。
【００４０】
さらに、タービン翼２４ｂへの熱輻射の抑制も図れる。具体的には、本実施形態の内燃機関１０では、タービン翼２４ｂの入口２４ｂ２は、シリンダヘッド１４に対するベアリングハウジング部３６の締結面３８よりも排気ガスの流れの上流側に配置されている。このような配置によれば、タービン翼２４ｂは、エンジン冷却水により冷却されたシリンダヘッド１４の壁面に近い部位に設けられることになる。したがって、タービン翼２４ｂがシリンダヘッド１４の外に配置される例と比べて、タービン翼２４ｂの上流に位置する排気ガスの通路壁面の温度が低くなるといえる。これにより、当該通路壁面からタービン翼２４ｂへの熱輻射による熱の流入が抑制されるので、タービンホイール２４と連結された回転軸３２の温度が上記熱輻射に起因して上昇することが抑制される。このことは、軸受２６の温度上昇の抑制に繋がる。
【００４１】
付け加えると、本実施形態の内燃機関１０では、タービンホイール２４は、ヘッド内ガス通路１８に配置されている。より詳細には、さらに、タービンホイール２４は、ヘッド内ガス通路１８の周面１８ｂがタービンホイール２４の径方向においてタービン翼２４ｂと対向している。このような構成により、上記の熱輻射の抑制効果をより効果的に得ることができる。
【００４２】
１−３．コンプレッサ入口部の流路形状の他の例
図４は、図１に示すコンプレッサハウジング部３４のコンプレッサ入口部の他の形状例を表した断面図である。図４は、図２と同様の位置におけるコンプレッサハウジング部３４’の断面を示している。上述の図２に示す例では、コンプレッサ入口部３４ｄは、コンプレッサインペラ２２の全周方向から一様にガス（空気）を入口２２ａに取り込めるように形成されている。
【００４３】
しかしながら、コンプレッサ入口部のガス流路は、図２に示す例に代え、例えば、図４に示す例のように形成されていてもよい。すなわち、図４に示す例では、コンプレッサ入口部３４ｄ’は、コンプレッサインペラ２２の入口２２ａの直上に、ガスが入口２２ａに近づくにつれて流路断面積が徐々に小さくなるスクロール形状を有するように形成されている。
【００４４】
２．実施の形態２
次に、図５を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
【００４５】
２−１．内燃機関の要部の構成
図５は、本発明の実施の形態２に係る内燃機関５０の要部の構成を模式的に表した図である。本実施形態に係る内燃機関５０は、遠心式コンプレッサの構成において、実施の形態１に係る内燃機関１０と相違している。
【００４６】
図５に示すように、内燃機関５０は、ターボ過給機５２を備えている。ターボ過給機５２はハウジング５４を備えている。ハウジング５４は、ベアリングハウジング部３６とともに、一対のハウジングピース５６ａ、５６ｂからなるコンプレッサハウジング部５６を備えている。
【００４７】
コンプレッサハウジング部５６のハウジングピース５６ａには、連通路５８が形成されている。連通路５８は、オイルシール部３０よりもコンプレッサインペラ２２に近い位置においてハウジングピース５６ａ（の内周面）と回転軸３２（の外周面）との間に位置する隙間６０と、スクロール部３４ｇとを連通する。より詳細には、図５に示す例では、隙間６０は、所望の容積を確保するために、ハウジングピース５６ａ側に形成された圧力室（例えば、環状の溝形状）を含む空間として形成されている。なお、本発明に係る「隙間」は、図５に示す例に代え、環状の圧力室を伴わなくてもよい。また、この隙間の他の例は、ハウジングピース５６ａ側に代え、或いはそれとともに、回転軸３２側に形成された圧力室（例えば、環状の溝形状）を利用するものであってもよい。
【００４８】
２−２．効果
上述した実施の形態１の構成のように、コンプレッサインペラ２２の入口２２ａが出口２２ｂと比べてタービンホイール２４に近くなる向きでコンプレッサインペラ２２が配置されていると、次のような課題が生じる。すなわち、この構成が採用されると、コンプレッサハウジング部３４の内部において軸受２６に近い側は、コンプレッサインペラ２２の背面側（高圧側）ではなく入口２２ａ側（低圧側）となる。その結果、軸受２６に供給されるオイル（潤滑油）がオイルシール部３０を通過してコンプレッサ入口部３４ｄ側に吸い出される可能性がある。
【００４９】
上記の課題に鑑み、本実施形態のターボ過給機５２は、連通路５８を備えている。これにより、過給により高くなるスクロール部３４ｇのガスの圧力を、連通路５８を介して隙間６０（圧力室）に加えることができる。その結果、オイルがオイルシール部３０を通過してコンプレッサ入口部３４ｄ側に流入することを抑制できる。
【００５０】
なお、上記の課題に対処するために、上述した実施の形態２のように連通路５８を備えることに代え、或いはそれとともに、次のような構成が採用されてもよい。具体的には、オイルシール部３０よりもコンプレッサインペラ２２に近い位置において、ハウジングピース５６ａの内周面に環状の溝が設けられてもよい。また、そのような環状の溝は、当該内周面に代え、或いはそれとともに、当該内周面に対向する回転軸３２の外周面に設けられてもよい。このような溝が設けられていると、軸受２６側から溝の内部に流れ込んだガスが膨張することで、当該ガスの圧力が低下する。このため、当該ガスとともにオイルがオイルシール部３０を通過してコンプレッサ入口部３４ｄ側に流入することを抑制することができる。
【００５１】
３．他の実施の形態
３−１．ターボ過給機の他の搭載例
上述した実施の形態１においては、ターボ過給機２０は、シリンダヘッド１４に搭載される（実施の形態２のターボ過給機５２も同様）。しかしながら、本発明に係る「ターボ過給機」の内燃機関への搭載場所は、上記の例に限られない。すなわち、ターボ過給機は、例えば、シリンダヘッドの外部に位置する排気通路内に軸流式のタービンホイールが配置されるように内燃機関に搭載されてもよい。より具体的には、この例では、ターボ過給機のハウジングは、タービンホイールを収容し、かつ、タービン翼の出口側に上記スクロール部４４と同様のスクロール部を有するタービンハウジング部を備えていてもよい。
【００５２】
また、本発明に係るターボ過給機は、図１に示す例におけるシリンダヘッド１４の排気側の側面に代え、例えば、気筒１２の列方向の一方の側面において、実施の形態１の同様の方法で、シリンダヘッド１４の外表面に締結されてもよい。
【００５３】
さらに、実施の形態１においては、ターボ過給機２０のハウジング２８（ベアリングハウジング部３６）は、回転軸３２がシリンダヘッド１４の側面に対して垂直となるようにシリンダヘッド１４に締結されている（他の実施の形態２も同様）。しかしながら、本発明に係る「ハウジング」のシリンダヘッドに対する搭載例は、「タービンホイールがシリンダヘッドと対向する向きで」シリンダヘッドに締結されている限り、上記の例に限られない。すなわち、ハウジングは、回転軸がシリンダヘッドの側面に対して垂直ではなく任意の方向に傾斜するようにシリンダヘッドに搭載されてもよい。
【００５４】
３−２．軸流式タービンの他の例
上述した実施の形態１及びにおいては、タービンホイール２４のタービン翼２４ｂの数（段数）は１つである。しかしながら、本発明に係る「軸流式タービン」は、上記の例に代え、複数のタービン翼を回転軸方向に並んで配置することによって、任意の段数で多段化されていてもよい。なお、複数のタービン翼を備える例では、本発明に係る「タービン翼の入口」には、排気ガス流れの最も上流側に位置するタービン翼の入口が該当し、「タービン翼の出口」には、排気ガス流れの最も下流側に位置するタービン翼の出口が該当する。
【００５５】
以上説明した各実施の形態に記載の例及び他の各変形例は、明示した組み合わせ以外にも可能な範囲内で適宜組み合わせてもよいし、また、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形してもよい。
【符号の説明】
【００５６】
１０、５０  内燃機関
１２  気筒
１４  シリンダヘッド
１６  排気通路
１８  ヘッド内ガス通路
２０、５２  ターボ過給機
２２  コンプレッサインペラ
２２ａ  コンプレッサインペラの入口
２２ｂ  コンプレッサインペラの出口
２４  タービンホイール
２４ｂ  タービン翼
２４ｂ１  タービン翼の出口
２４ｂ２  タービン翼の入口
２６  軸受
２８、５４  ハウジング
３０  オイルシール部
３２  回転軸
３４、３４’、５６  コンプレッサハウジング部
３４ｄ  コンプレッサ入口部
３４ｄ、３４ｄ’  コンプレッサ入口部
３４ｅ  インペラ部
３４ｆ  ディフューザ部
３４ｇ  遠心式コンプレッサのスクロール部
３６  ベアリングハウジング部
３８  締結面
４０  タービン出口通路
４２  タービン出口壁部
４４  軸流式タービンのスクロール部
４６  フランジ部
４８  突起
５８  連通路
６０  隙間
【図１】
2019183714.tif 000003
【図２】
2019183714.tif 000004
【図３】
2019183714.tif 000005
【図４】
2019183714.tif 000006
【図５】
2019183714.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成31年3月11日(2019.3.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
遠心式のコンプレッサインペラと、回転軸を介して前記コンプレッサインペラと連結された軸流式のタービンホイールと、前記回転軸を支持する軸受と、前記コンプレッサインペラ、前記軸受及び前記タービンホイールのうちの少なくとも前記コンプレッサインペラ及び前記軸受を収容するハウジングと、を含むターボ過給機を備え、
前記タービンホイールは、前記タービンホイールのタービン翼の出口が前記コンプレッサインペラの側に位置するように前記回転軸に連結され、
前記コンプレッサインペラは、前記コンプレッサインペラの入口が前記コンプレッサインペラの出口と比べて前記タービンホイールに近くなる向きで配置されている
ことを特徴とする内燃機関。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
本発明に係る内燃機関は、
遠心式のコンプレッサインペラと、回転軸を介して前記コンプレッサインペラと連結された軸流式のタービンホイールと、前記回転軸を支持する軸受と、前記コンプレッサインペラ、前記軸受及び前記タービンホイールのうちの少なくとも前記コンプレッサインペラ及び前記軸受を収容するハウジングと、を含むターボ過給機を備える。
前記タービンホイールは、前記タービンホイールのタービン翼の出口が前記コンプレッサインペラの側に位置するように前記回転軸に連結されている。
前記コンプレッサインペラは、前記コンプレッサインペラの入口が前記コンプレッサインペラの出口と比べて前記タービンホイールに近くなる向きで配置されている。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
本発明によれば、軸流式のタービンホイールは、タービン翼の出口がコンプレッサインペラの側に位置するように回転軸に連結されている。これにより、ラジアル式タービンとは異なり、タービン翼の入口側にスクロール部を備える必要がなくなる。このため、気筒からタービン翼の入口までの距離を短縮できる。その結果、タービンホイールに流入する排気ガスのエネルギを高めることができる。また、本発明によれば、コンプレッサインペラは、その入口が出口と比べてタービンホイールに近くなる向きで配置されている。これにより、本発明に係るターボ過給機では、コンプレッサインペラの上下流の圧力差に起因してコンプレッサインペラに作用する力の向きは、タービンホイールの上下流の圧力差に起因してタービンホイールに作用する力の向きと逆になる。このため、本発明によれば、軸受にかかる負荷の増加抑制とタービンホイールに流入する排気ガスのエネルギの増大とを好適に両立させることができる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
１．実施の形態１
まず、図１〜図４を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５４】
３−２．軸流式タービンの他の例
上述した実施の形態１及び２においては、タービンホイール２４のタービン翼２４ｂの数（段数）は１つである。しかしながら、本発明に係る「軸流式タービン」は、上記の例に代え、複数のタービン翼を回転軸方向に並んで配置することによって、任意の段数で多段化されていてもよい。なお、複数のタービン翼を備える例では、本発明に係る「タービン翼の入口」には、排気ガス流れの最も上流側に位置するタービン翼の入口が該当し、「タービン翼の出口」には、排気ガス流れの最も下流側に位置するタービン翼の出口が該当する。