(57)【要約】  本発明は内燃機関用の排気ガスターボチャージャに関する。本発明の目的は、低コストで製造でき機能が向上された排気ガスターボチャージャを更に開発することである。本発明は、内燃機関用の排気ガスターボチャージャが内燃機関の排気ガス流内に配置されるタービンホイール（前記タービンホイールは耐熱性軽量合金で製作される）と、内燃機関の吸入空気流内に配置されるコンプレッサホイールと、鋼で製作されるシャフトとを有することを特徴とする。コンプレッサホイールはシャフト上に配置され、タービンホイールはシャフトに圧接される。前記排気ガスターボチャージャはまた、シャフト（５）の直径に適合されたハブ（４）のタービンホイール（１）において具現化されるシャフト用の軸受も有する。接合点（３）は軸受（６、７、１４、１５）周囲でシャフト（２）と、タービンホイール（１）のハブ（４）との間に配置される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気ガス流内に置かれ耐熱性の高い軽金属合金から成るタービンホイールと、前記内燃機関の吸入空気流内に置かれるコンプレッサホイールと、前記コンプレッサホイールが取り付けられると共に前記タービンホイールが圧接によって接合される、鋼から成るシャフトと、前記シャフトのための取付部と、を有する内燃機関用の排気ガスターボチャージャにおいて、
前記シャフトの直径（５）に適合されるハブ（４）が前記タービンホイール（１）に形成され、前記タービンホイール（１）の前記ハブ（４）と前記シャフト（２）との間の接合点（３）が前記取付部（６、７、１４、１５）の近傍に配置されることを特徴とする排気ガスターボチャージャ。
【請求項２】
前記ハブ（４）と前記シャフト（２）とが摩擦圧接によって直接接合されることを特徴とする請求項１に記載の排気ガスターボチャージャ。
【請求項３】
前記ハブ（４）と前記シャフト（２）との間の前記接合点が前記タービン側に、前記コンプレッサ側に、又は半径方向の前記取付部（６、７、１４、１５）間に配置されることを特徴とする請求項１に記載の排気ガスターボチャージャ。
【請求項４】
前記取付部が、前記シャフトの軸（８）方向に互いに距離を空けて配置される２つの転がり軸受（１４、１５）から成ることを特徴とする請求項１に記載の排気ガスターボチャージャ。
【請求項５】
前記転がり軸受（１４、１５）がハイブリッド軸受又は固体セラミック軸受として設計されることを特徴とする請求項４に記載の排気ガスターボチャージャ。
【請求項６】
少なくとも１つの転がり軸受（１４、１５）が前記ハブ（４）のシャフト延長部（１３）上に配置されることを特徴とする請求項４に記載の排気ガスターボチャージャ。
【請求項７】
前記転がり軸受（１４、１５）のインナーレース（２０、２１）が前記シャフト延長部（１３）上に直接形成されることを特徴とする請求項６に記載の排気ガスターボチャージャ。
【請求項８】
少なくとも１つのシールのためのくぼみ（１１、１２）が前記ハブ（４）に設けられることを特徴とする請求項１に記載の排気ガスターボチャージャ。
【請求項９】
前記シャフト（２）を冷却するための手段（２２、２３）が前記ハブ（４）に設けられることを特徴とする請求項１に記載の排気ガスターボチャージャ。
【請求項１０】
前記ハブ（４）に冷却リブ（２２、２３）が形成されることを特徴とする請求項９に記載の排気ガスターボチャージャ。
【請求項１１】
前記冷却リブ（２２、２３）の間を冷却媒体が流れることを特徴とする請求項１０に記載の排気ガスターボチャージャ。
【請求項１２】
前記ハブ（４）の前記冷却リブ（２２、２３）の両側にシールが配置されることを特徴とする請求項１０に記載の排気ガスターボチャージャ。
【請求項１３】
前記ハブ（４）を含む前記タービンホイール（１）がチタンアルミナイドから成ることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載の排気ガスターボチャージャ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は請求項１の前段に記載の内燃機関用の排気ガスターボチャージャに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は鋼でできた部材とアルミニウム合金又はチタン合金から成る部材とを接合するための方法を開示している。この方法では初回の摩擦圧接パスにおいてニッケル薄層又は銅層が鋼の部材に適用され、バナジウム層がチタン製の部材に適用される。中間層が機械的に形成された後で、２回目の摩擦圧接にて部材が互いに接合される。この方法は工程の段階数及び中間層に使用される材料が理由で複雑になっている。
【０００３】
特許文献２に記載のチタンアルミナイドから成るタービンローターに鋼製のシャフトを摩擦圧接するための方法では、摩擦圧接の前にシャフトの結合表面に耐熱合金が適用される。摩擦圧接によりシャフト表面にクラックが発生するが、これは後に取り除かれる。
【０００４】
特許文献３では、温度体積変化率が低い中間材料を使用した、摩擦圧接によるチタンアルミナイドから成る部材と鋼から成る部材との接合を示す。
【０００５】
特許文献４に記載の接合方法では、中心穴を有する耐熱合金が肉盛溶接によって鋼製の部材に適用されてから、チタンアルミナイドから成る部材への摩擦圧接が行われる。これらは、熱体積膨張が異なることによる誤差を防止することを意図している。
【０００６】
特許文献５ではターボチャージャについて説明している。このターボチャージャでは、ブレードに接合される、アルミニウム又はチタン鍛錬用合金から成るハブが、鋼製のシャフトに摩擦圧接され、その間には延性を有する第２族金属でできた遷移層が介在させられる。変形例では、ラジアルシールリングを受け入れる固着構成要素がシャフトとハブとの間に使用される。この設計はコストがかかり、材料を大量に必要とする。
【０００７】
【特許文献１】欧州特許第０  ５１３  ６４６  Ｂ１号明細書
【特許文献２】欧州特許第０  ８１６  ００７  Ｂ１号明細書
【特許文献３】特開平８−２８１４５４号公報
【特許文献４】特開平９−７６０９号公報
【特許文献５】国際公開第９２／２０４８７  Ａ１号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は内燃機関用の排気ガスターボチャージャを開発することにあり、該排気ガスターボチャージャは費用効果の高い構成を有し、より高い機能を発揮する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この目的は請求項１に記載された特徴を備える排気ガスターボチャージャにより達成される。従属項から有利な改良例を得ることができる。
【００１０】
本発明によれば、高強度の軽金属合金（特にアルミナイド）から成るタービンホイールにはハブが形成され、そのハブが圧接により、鋼製のシャフトに接合される。アルミナイドはチタンアルミナイド又は鉄アルミナイドであることが好ましい。ハブの直径は、圧接点でシャフトの直径に適合される。圧接点はシャフトの軸受点の近傍に軸方向に位置する。
【００１１】
シャフトとタービンホイール又はハブとは、摩擦圧接によって互いに直接的につまり中間部材又は中間層の介在なしに接合されるのが好ましい。タービンホイール又はシャフトを取り付けるために、２つの転がり軸受が軸方向に互いに距離を置いて提供され、圧接継ぎ目は軸受の間、もしくはタービンホイール側またはコンプレッサホイール側に位置する。タービンホイールはシャフト延長部と一緒に鋳造にて製作することができ、タービン側シャフトシールはシャフト延長部に一体的に形成される。シャフトシールを受け入れるために、延長部又はハブに溝を設けてもよい。シャフト延長部には軸受を形成することができ、軸受インナーレース又は軸受面はシャフト延長部の材料に直接形成される。更に、ハブ上には冷却リブや冷却ブレード等の冷却要素を形成することができ、それらのまわりを、シャフトを冷却するために冷却液が流れる。
【００１２】
本発明の好適な改良例では、転がり軸受がハイブリッド軸受又は固体セラミック軸受として設計される。
【００１３】
本発明は一連の利点を提供する。排気ガスターボチャージャは質量が小さいので、慣性モーメントが小さくなり、その結果として非定常的な動作が改善される。本発明に係る排気ガスターボチャージャは、熱的及び機械的な耐荷重能力が高い。この結果、エンジンが運転状態にあるとき、より高いエンジン出力が得られる。タービンホイールの耐熱性材料により、エンジンはより高い排気ガス温度でも動作可能であり、結果としてエンジンの汚染物質の排出は少なくなる。タービンホイール、ハブ、加工されたシャフト延長部の材料の熱伝導率が低いため、鋼製シャフト又は取付部への熱の伝導はわずかである。チタンアルミナイドから成るタービンホイールでは、耐熱性及び耐クリープ性が高いので、エンジン効率が高くなるようにブレードの幾何学的形状を変化させることが可能である。直接摩擦圧接によるタービンホイールとシャフトとの接合では、接合作業時の支出費用が大幅に削減される。シール、軸受、冷却要素等の付加的な機能要素を高耐荷重能力のタービンホイール材料で形成する場合は、追加部材に要する費用を節約できる。
【００１４】
本発明について例示的実施形態を参照しながら詳しく説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１はタービン側圧接点３を有する排気ガスターボチャージャのタービンホイール１とシャフト２とを示す。タービンホイール１は、チタンアルミナイド等の耐熱性の高い軽金属合金から成る。内燃機関の排気ガス流内に置かれるブレードは、タービンホイール１に位置する。円筒状ハブ４はタービンホイール１に形成される。ハブ４の端部は次第に細くなりシャフト２の直径５となるので、接合断面が小さくて済む。鋼から成るシャフト２は、チタン−アルミニウムから成るハブ４に圧接点３において直接摩擦圧接される。シャフト２は２つの軸受６、７で半径方向に保持されている。軸受６と軸受７との間には回転軸８の方向にスペース９が空けられており、軸受６は圧接点３の近傍に位置する。軸受６、７は滑り軸受又は転がり軸受として設計してもよい。軸受６、７が転がり軸受として設計された場合、それらはシャフトの軸方向の支持も担う。シャフト２は、軸受７の先で更に次第に細くなり、その端部においてコンプレッサホイール１０を回転に関して固定して担持する。シャフトシールの受入れ用、又はオイルはね溝を担う溝１１、１２が円筒状ハブ４の表面領域に設けられている。シールはオイル漏れを防止すると共に排気ガスが好ましくない経路を移動するのを防止する。
【００１６】
すでに紹介した参照符号が以下の説明でも使用されているが、これらは同等の機能又は意義を有する要素又は符号である。
【００１７】
図２の変形例では、圧接点３が軸受６と軸受７との間に位置する。ハブ４はシャフト延長部１３によって延長されている。軸受３は、シャフト２と同じ直径５を有するシャフト延長部１３に配置される。この例はその他の点については図１の例と同じである。
【００１８】
図３の変形例では、２つの玉軸受１４、１５がチタン−アルミニウムから成るタービンホイール１のシャフト延長部１３にハイブリッド軸受として形成されている。玉軸受１４、１５はそれぞれアウターリング１６、１７と、ボール１８、１９と、シャフト延長部１３上の軸受面２０、２１とから構成される。シャフト延長部１３と鋼から成るシャフト２との間の摩擦圧接点３は、玉軸受１５のすぐ隣にコンプレッサホイール１０側に形成される。タービンホイール１、加工されたハブ４、及びシャフト延長部１３は、１回の鋳造で製作される。チタン−アルミニウムから成るシャフト延長部１３は強度が高いので、軸受面２０、２１の磨耗は少なく、結果としてこれらの軸受や軸受ユニット全体の耐用年数が長くなる。
【００１９】
図４の変形例は、圧接点の配置が図１の例と対応しており、ハブ４のシール用溝１１、１２に加えて、冷却リブ２２、２３が形成されている。空気、水、又はオイル等の冷却流体が放熱用の冷却リブ２２と２３との間を通るように導かれるので、シャフト取付部の領域まで熱はほとんど伝わらない。冷却流体は、溝１１内のシールによってエンジン排気ガスから保護され、溝１２内のシールによって軸受潤滑油から保護されている。この配置によって、低いエンジンオイルの熱負荷、およびオイルコーキングの減少が達成される。軸受６、７の耐用年数が延長される。最少量のオイル潤滑又は寿命グリース潤滑等、新規な軸受潤滑方法を採用することが可能となり、これによりオイル消費及びオイル損失が減少する。
【００２０】
図１〜図４の変形例は、例示にすぎない。軸受６、７、１４、１５の配置及び設計の特徴、軸受６、７、１４、１５に対する圧接点３の配置の特徴、及びタービンホイール１側へのシール機能と冷却機能の統合の特徴を、任意の所望の方法で組み合わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】タービン側に圧接点を有する排気ガスターボチャージャのタービンホイール及びシャフトを示す。
【図２】軸受点の間に圧接点を有する排気ガスターボチャージャのタービンホイール及びシャフトを示す。
【図３】コンプレッサ側に圧接点を有する排気ガスターボチャージャのタービンホイール及びシャフトを示す。
【図４】タービン側に圧接点を有し、冷却リブがタービンホイール上に一体的に形成された排気ガスターボチャージャのタービンホイール及びシャフトを示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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