(57)【要約】【課題】タービンホイールとタービンハウジング及びヒートシュラウドとの間のクリアランスを極限まで小さくすること。【解決手段】  ターボチャージャのタービンハウジング３８、又はタービンハウジング３８のうちタービンホイール３１と近接、対向して配置されるためタービンホイール３１との接触を回避すべき部位若しくはタービンホイール３１との接触を回避すべき部位を含む部分、をタービンホイール３１との接触によって切削され得る程度の切削性を有する材料で形成する。タービンハウジング３８及びヒートシュラウド４４と、タービンホイール３１とのクリアランスを小さくすることで、タービン効率が向上する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排圧を回転力に変換するタービンホイールと、
このタービンホイールを回転自在に支持した状態で覆うタービンハウジングと、
このタービンハウジングに連結されるコンプレッサハウジングと、
前記コンプレッサハウジング内に回転自在に支持されるとともに、前記タービンホイールにローターシャフトを介して連結されるコンプレッサインペラと、を有するターボチャージャであって、
前記タービンハウジング、又はタービンハウジングのうち前記タービンホイールと近接、対向して配置されるためタービンホイールとの接触を回避すべき部位若しくはタービンホイールとの接触を回避すべき部位を含む部分、をタービンホイールとの接触によって切削され得る程度の切削性を有する材料で形成したことを特徴とするターボチャージャ。
【請求項２】
タービンホイールとの接触を回避すべき前記部位は、タービンブレードに対向するハウジングシュラウド、及びタービンホイールとローターシャフトとの間に介在するヒートシュラウドのうち、少なくとも一つ以上であることを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャ。
【請求項３】
タービンホイールとの接触を回避すべき前記部位が、タービンホイールとの間で有するクリアランスは、ターボチャージャ製作時に０〜０．５ｍｍに設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のターボチャージャ。
【請求項４】
タービンホイールとタービンハウジングとのクリアランスを、タービンホイールのガス入口有効幅の３％から６％の範囲とした請求項２又は３に記載のターボチャージャ。
【請求項５】
タービンホイールとヒートシュラウドとのクリアランスを、タービンホイールのガス入口有効幅の３％から６％の範囲とした請求項２から４のいずれかに記載のターボチャージャ。
【請求項６】
前記切削性を有する材料は、耐熱衝撃性が大きく、熱膨張係数、熱伝導率の小さいセラミックスである請求項１から５のいずれかに記載のターボチャージャ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関等において新気等を圧縮するターボチャージャに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等の内燃機関では、より多くの混合気を燃焼させ、機関出力を向上させることを目的として、排気エネルギを利用して新気を圧縮するターボチャージャが用いられている。
【０００３】
図４は、このようなターボチャージャの動作原理を簡単に説明するものである。
ターボチャージャ３０は、通常、図４に示すように、内燃機関からの排出される排気ガスの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とを有する。そして、これらは、タービンホイール３１を回転自在に支持した状態で覆うタービンハウジング３８やタービンハウジング３８に連結されるコンプレッサハウジング４０その他のハウジング４２によって覆われている。
【０００４】
図示しない内燃機関の排気通路と吸気通路の間に設置されたターボチャージャ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。
【０００５】
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、圧縮されつつ新気出口３４から内燃機関へと圧送される。
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−１７３１５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図５は、上述した幾つかのハウジングのうちタービンホイール３１を収納するタービンハウジング３８と、このタービンハウジング３８におけるタービンホイール３１の配置状態を示すものである。タービンホイール３１が回転したときに、これがタービンハウジング３８と接触を回避するため、設計時に両部材間には所定のクリアランスｔ１及びｐ１が設定される。
【０００８】
このようなクリアランスを設ける詳細な理由は、以下の通りである。
高温の排気ガスに直接接触するタービン側は、熱がハウジングを介してロータシャフト３５側に伝わり、耐久性の低下等の問題が生じないようにするため、通常、ステンレス鋼からなるヒートシュラウド（遮熱板）４６が設けられる。このようなヒートシュラウド４６は、熱膨張係数が大きいことから高温（例えば６００℃から１，０００℃）の排気に晒されると顕著な熱変形を起こす。
【０００９】
一方、タービン軸は経時的な劣化や汚れによって、僅かではあるが、コニカルまたはパラレル回転運動を生じるので、タービンホイール３１がタービンハウジング３８と接触し易くなる。
【００１０】
そこで、上述した熱変形や回転変動等を予め見込んで、クリアランスｐ１、及びｔ１を設け、タービンホイール３１と、ヒートシュラウド４６やタービンハウジング３８とが接触しないように設計している。
【００１１】
ところが、上記のクリアランスｐ１やｔ１が大きくなれば、タービン効率の低下をもたらす。また、排気が吸気側に漏れると、いわゆるブローバイガス量を増大させるため、内燃機関の潤滑油の劣化を招来したり、ハウジング内の汚れが促進される結果となる。
【００１２】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、少なくともタービンホイールとタービンハウジングとの間のクリアランスを極限まで小さくすることで、排気のすり抜けを抑制し、主にタービン効率の低下を少なくすることができるターボチャージャ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】
【００１３】
本発明のターボチャージャは、前記課題を解決するために以下の手段を採用し、タービンハウジングのうちタービンホイールとの接触を回避するように、タービンホイールとのクリアランスが設定される部位であるハウジングシュラウド又は／及びヒートシュラウドを切削性を有する材料で形成する。そして、ハウジングシュラウド及びヒートシュラウドが、タービンホイールとの間で有するクリアランスを極限まで小さくしたものである。
【００１４】
すなわち、排圧を回転力に変換するタービンホイールと、
このタービンホイールを回転自在に支持した状態で覆うタービンハウジングと、
このタービンハウジングに連結されるコンプレッサハウジングと、
前記コンプレッサハウジング内に回転自在に支持されるとともに、前記タービンホイールにローターシャフトを介して連結されるコンプレッサインペラと、を有するターボチャージャであって、
前記タービンハウジング、又はタービンハウジングのうち前記タービンホイールと近接、対向して配置されるためタービンホイールとの接触を回避すべき部位若しくはタービンホイールとの接触を回避すべき部位を含む部分、をタービンホイールとの接触によって切削され得る程度の切削性を有する材料で形成したことを特徴とする。
【００１５】
タービンホイールとの接触を回避すべき前記部位は、通常、タービンブレードに対向するハウジングシュラウド、及びタービンホイールとローターシャフトとの間に介在するヒートシュラウドのうち、少なくとも一つ以上である。
【００１６】
タービンホイールとの接触を回避すべき前記部位が、タービンホイールとの間で有するクリアランスは、ターボチャージャの製作時に０〜０．５ｍｍに設定することができる。
【００１７】
また、タービンホイールとタービンハウジングとのクリアランスを、タービンホイールのガス入口有効幅の３％から６％の範囲とすることが好ましい。このようにすれば、従来よりも５４％から６７％もクリアランスが減少したことになり、タービン効率の大幅な向上が期待できる。
【００１８】
さらに、タービンホイールとヒートシュラウドとのクリアランスを、タービンホイールのガス入口有効幅の３％から６％の範囲とすることが好ましい。ガス入口有効幅とは、タービンハウジング内においてタービンを設置してある位置に向けて導入される排気ガスの入り口幅をいう。
【００１９】
前記切削性を有する材料は、耐熱衝撃性が大きく、熱膨張係数，熱伝導率の小さいセラミックスとすることができる。
【００２０】
切削性を有する材料とは、比較的容易に切削可能な材料であって、耐熱性に優れたセラミックス等であって切削可能なものであり、好ましくは熱膨張係数が低く熱変形が生じにくいもの、熱伝導率の低いものがよい。特にチタン酸アルミニウムセラミックス、フッ素金雲母等が好適である。このような熱伝導率の低い材料を使用することで、軸受車室内及び構成各部位への伝熱量を低減させることができる。
【００２１】
タービンホイールの材料としては、通常はＩＮＣＯ７１３Ｃ等が用いられるが、この素材はハウジングシュラウド、ヒートシュラウドを切削可能な硬度を有しているので、タービンホイールの回転時によってハウジングシュラウド及び／又はヒートシュラウドの部分が接触が生じない程度まで切削される。
【００２２】
本発明のターボチャージャは、ハウジングシュラウド及び／又はヒートシュラウドが、タービンホイールとの間で有するクリアランスを極限まで小さくしたものであるから、ターボチャージャが排気ガスの流れによって初めて回転駆動され、排気ガスの有する高熱によってタービンホイールが熱膨張すると、タービンホイールがハウジングシュラウドやヒートシュラウドに当たることもあり得る。しかしながら、ハウジングシュラウド及びヒートシュラウドは、切削性を有する材料で形成されているので、容易に切削される。または、前記熱膨張が生じる以前でも、前記クリアランスがほとんど０になるように組み立てられたターボチャージャでは、初動回転によって切削性を有する材料で形成されている部分が切削される。
【００２３】
上記のように、タービンホイールがハウジングシュラウドやヒートシュラウドに当たっても切削によってタービンホイールの回転が阻害されることがない。
【００２４】
ターボチャージャが停止すれば、熱膨張したタービンホイールが収縮するので、当該収縮終了後にハウジングシュラウド及びヒートシュラウドが、それぞれタービンホイールとの間で有するクリアランスは、ターボチャージャを初めて作動させた時のクリアランス（以下、初期クリアランス）よりもハウジングシュラウド及びヒートシュラウドが切削された分だけ大きくなる（当該クリアランスのことを確定クリアランスということにする。）。そして確定クリアランスは、初期クリアランスの大きさ、タービンホイールの膨張率等、個々のターボチャージャの諸元に左右され、個々のターボチャージャ独自の好適寸法となる。また確定クリアランスは、個々のターボチャージャにとってタービンホイールの回転を妨げない限りなく小さなものとなる。
【００２５】
さらに、本発明ではハウジングシュラウド及び／又はヒートシュラウドがタービンホイールと接触せず、切削されないクリアランスである場合をも含む。このような場合でも、ハウジングシュラウド及び／又はヒートシュラウドとタービンホイールとの接触が許容される結果として、クリアランスを小さく設計することができる。
【００２６】
また、ハウジングシュラウド及び／又はヒートシュラウドを形成する材料が、切削性のみならず、熱変形のきわめて少ない性質をもつ材料からなるときは、前記クリアランスをさらに小さくすることができ、特にヒートシュラウドとタービンホイールとのクリアランスを小さくすることができる。すなわち、前記切削が生じる場合であっても切削される部分がより少なくなり、また、前記切削がされない場合であっても、設計時に熱変形を考慮しなければならない割合が少なくなるので、さらに極限までクリアランスを小さくすることができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、タービンホイールとタービンハウジングの間のクリアランスを、極限まで小さくすることができるので、タービン効率の向上をもたらすことができる。
【００２８】
特に、タービンホイールとヒートシュラウドとのクリアランスを小さくすることで、高温の排気ガスに晒されるタービン側の高温ガスシール及び断熱効果を改善できる。さらに、ブローバイガス量を少なくできるため、潤滑油の劣化を招来したり、ローターシャフトを収納してあるハウジング内を汚れ難くできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明に係るターボチャージャの実施の形態について図面に基づいて説明する。
本発明ターボチャージャの特徴的部分はタービン側にあるとともに、他の部分は従来技術の説明で述べたと同じである。よって、本発明の特徴部分について詳しく述べることとし他の部分については該当部分に同一符号を付して説明を省略する。
【００３０】
図１は、ターボチャージャ３０のタービン側縦断面図であり、図２は図１の要部拡大図である。また図３は、図１の別の要部拡大図である。
【００３１】
ターボチャージャ３０の特徴は、タービンハウジング３８のうちタービンホイール３１との接触を本来回避する部位を切削性を有する材料で形成したことにある。
【００３２】
タービンホイール３１との接触を回避すべき部位とは、タービンハウジング３８においてタービンブレード３９にその周方向位置で対向するハウジングシュラウド４１、及びタービンブレード３９にそのコンプレッサ側位置で対向しかつタービンホイール３１とローターシャフト３５との隔壁となって遮熱板として機能するヒートシュラウド４４のうち少なくとも一つ以上である。
【００３３】
ハウジングシュラウド４１及びヒートシュラウド４４がそれぞれタービンホイール３１との間で有するクリアランスｔ２及びｐ２は、従来技術で述べたクリアランスｔ１及びｐ１に相当するものである。そしてクリアランスｔ２及びｐ２の寸法は、ターボチャージャ製作時に０〜０．５ｍｍに設定されている。この例では、０．３ｍｍに設定した。ここで、クリアランスｔ２及びｐ２は、ターボチャージャ３０を初めて作動させた時のクリアランスであって、当該クリアランスを初期クリアランスということにする。
【００３４】
ハウジングシュラウド４１及びヒートシュラウド４４はともに切削性に優れたセラミックス材（チタン酸アルミニウム）である。その化学組成の一例を示すと、Ａｌ２が５０．８〜５６．２％、ＴｉＯ２が３６．５〜４０．５％、ＳｉＯ２が５．８〜６．５％、Ｆｅ２Ｏ３が１．６〜１．８％の範囲で合計が１００パーセントになるように組成したものである。また、熱膨張係数は−７．４５×１０−７／℃（ＲＴ〜１，０３５℃，殆どゼロに近い）であり、３５０℃において、熱伝導率は１．３（Ｋｃａｌ／ｍ・Ｈｒ・℃）である。このような組成にすることで耐熱衝撃性が大きく、熱膨張係数，熱伝導率の小さいセラミックスとなる。チタン酸アルミニウムセラミックス以外にもフッ素金雲母等が好適である。このような熱伝導率の低い材料を使用することで、軸受車室内及び構成各部位への伝熱量を低減させることができる。
【００３５】
ターボチャージャ３０のタービン側の構成をこのようにした結果、次のような作用効果を奏する。
【００３６】
ターボチャージャ３０は、タービンハウジング３８のうちタービンホイール３１との接触を回避する部位であるハウジングシュラウド４１及びヒートシュラウド４４を切削性を有する材料で形成する。そして、ハウジングシュラウド４１及びヒートシュラウド４４が、タービンホイール３１との間で有するクリアランスｔ２，ｐ２を０〜０．５ｍｍの範囲とし、限りなく小さくなクリアランスとしたものである。よってターボチャージャ３０が、排気ガスによって初めて駆動される時、排気ガスの有する高熱によりタービンホイール３１は熱膨張し、その結果、当該膨張したタービンホイール３１が、ハウジングシュラウド４１やヒートシュラウド４４に当たると、ハウジングシュラウド４１及びヒートシュラウド４４は切削性を有する材料で形成されているので、これらを例えばステンレス製にした場合と比較して、容易に切り取られ得るものといえる。切削が容易であるから、タービンホイール３１がタービンハウジング３８に当接してもタービンホイール３１の回転が阻害されることはない。
【００３７】
ターボチャージャ３０が停止すれば、熱膨張したタービンホイール３１は今度は収縮する。よって、当該収縮終了後にハウジングシュラウド４１及びヒートシュラウド４４が、それぞれタービンホイール３１との間で有するクリアランスは、初期クリアランスｔ２，ｐ２よりもハウジングシュラウド４１及びヒートシュラウド４４がタービンホイール３１によって切削された分だけ大きくなる。当該クリアランスのことを確定クリアランスということにする。確定クリアランスは、初期クリアランスｔ２，ｐ２の大きさやタービンホイールの膨張率等、個々のターボチャージャの諸元に左右され、個々のターボチャージャ独自の好適寸法となる。また確定クリアランスは、個々のターボチャージャにとってタービンホイールの回転を妨げない限りなく小さなものとなる。よって、高温の排気ガスに晒されるタービン側の高温ガスシール及び断熱効果を改善できるようになるので、タービン効率の向上をもたらすことができる。そればかりかブローバイガス量を少なくできるため、潤滑油の劣化を招来したり、ローターシャフトを収納してあるハウジング内が汚れ難くしたりできる。
【００３８】
なお、タービンホイール３１とタービンハウジング３８（具体的にはヒートシュラウド４４）とのクリアランスｐ２を、タービンホイール３１のガス入口有効幅の３％から６％の範囲としてもよい。ガス入口有効幅とは、タービンハウジング内においてタービンを設置してある位置に向けて導入される排気ガスの入り口幅（排気入口３２の幅３２ｗ）をいう。このクリアランスは従来品よりも６７％から５４％の範囲で小さくなったことが発明者の検証によってわかっている。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明ターボチャージャのタービン側縦断面図である。
【図２】図１の要部拡大図である。
【図３】図１の別の要部拡大図である。
【図４】ターボチャージャの概念図である。
【図５】従来の問題点を説明するための図である。
【符号の説明】
【００４０】
３０ ターボチャージャ
３１ タービンホイール
３２ 排気入口
３３ 排気出口
３５ ローターシャフト
３６ コンプレッサインペラ
３７ 新気入口
３８ タービンハウジング
３９ タービンブレード
４０ コンプレッサハウジング
４１ ハウジングシュラウド
４２ ハウジング
４４ ヒートシュラウド
４６ ヒートシュラウド
ｔ１，ｐ１ クリアランス
ｔ２，ｐ２ （初期）クリアランス
【図１】
2005226470.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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