(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンハウジング内に回転自在に支持されるタービンホイールと、前記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と同軸的に連結されるコンプレッサインペラと、前記コンプレッサインペラへ新気を導く新気通路と、前記コンプレッサインペラに対向する前記コンプレッサハウジング壁面の一部に形成される第１吸排出口と、前記コンプレッサインペラより上流の新気通路に臨む第２吸排出口と、前記第１及び第２吸排出口を連通させるバイパス通路と、を備えたターボチャージャであり、
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ての外縁長さLに対し、１／２・L以内の範囲で前記コンプレッサハウジング壁面に溝を形成し、この溝に、前記コンプレッサインペラに接触する寸前までコンプレッサインペラとの対向面を連続して突出させた滑り部材を装着して、この滑り部材とコンプレッサインペラ外縁との隙間を極力小さく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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、新気等を圧縮するターボチャージャに関し、特に、コンプレッサインペラ上流の新気通路とコンプレッサハウジングのシュラウド部に形成された吸排出口とを連通するバイパス通路を備えたターボチャージャに関する。
【０００２】
【従来の技術】
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】
このようなターボチャージャとしては、タービンハウジングと、このタービンハウジングに回転自在に内装されるタービンホイールと、前記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、このコンプレッサハウジングに回転自在に内装されるとともに前記タービンホイールと同軸的に連結されるコンプレッサインペラと、前記コンプレッサインペラへ新気を導く新気通路と、前記コンプレッサインペラに対向する前記コンプレッサハウジング壁面の一部に形成される第１吸排出口と、前記コンプレッサインペラより上流の前記新気通路に臨む第２吸排出口と、前記第１及び第２吸排出口を連通するバイパス通路とを備えたターボチャージャが知られている。
【０００４】
このようなターボチャージャでは、内燃機関の高回転運転時等のように内燃機関が吸入可能な空気量が増加した場合に、前記新気通路内の新気の一部が第２吸排出口を介してバイパス通路へ流れ、次いで第２吸排出口からコンプレッサインペラへ向けて排出されるので、コンプレッサインペラから圧送される空気量は、新気通路を介してコンプレッサインペラへ供給された新気と、バイパス通路を介してコンプレッサインペラへ供給された新気とを加算した量となる。この場合、内燃機関に供給される圧縮空気の量が増加するため、チョーキングが抑制される。
【０００５】
一方、内燃機関の低回転運転時等のように内燃機関が吸入可能な空気量が減少した場合は、前記ターボチャージャでは、シュラウド部近傍の新気の圧力が増加するため、シュラウド部近傍の新気の一部が第１吸排出口を介してバイパス通路へと流れ、次いで第２吸排出口からコンプレッサインペラ上流の新気通路に再循環される。この場合、コンプレッサハウジング内の圧力の過剰な上昇が抑制されるため、サージングが抑制される。
【０００６】
ここで、コンプレッサインペラは、その縁部がコンプレッサハウン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おり、これらブレードとコンプレッサハウンジングのシュラウド部とは、コンプレッサインペラの回転時に接触しないよう構成する必要がある。これは、コンプレッサハウンジングとコンプレッサインペラが接触すると、両者の接触による摩擦熱が発生し、コンプレッサハウンジングやコンプレッサインペラが破損する虞があるからである。
【０００７】
しかし、コンプレッサハウジングとコンプレッサインペラとの隙間が大きくなると、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、コンプレッサハウン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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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ンジング側壁面（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ン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。
【００１１】
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。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、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。
【００１３】
本発明は前記した問題点に鑑みてなされたものであり、圧縮空気のサージングやチョーキングを抑制すべく、コンプレッサインペラ上流の新気通路とコンプレッサハウジングのシュラウド部に形成された吸排出口とを連通するバイパス通路を備えたターボチャージャであって、コンプレッサハウジングやコンプレッサインペラ等の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目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
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。すなわち、本発明にかか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内に回転自在に支持されるタービンホイールと、前記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と同軸的に連結されるコンプレッサインペラと、前記コンプレッサインペラへ新気を導く新気通路と、前記コンプレッサインペラに対向する前記コンプレッサハウジング壁面の一部に形成される第１吸排出口と、前記コンプレッサインペラより上流の新気通路に臨む第２吸排出口と、前記第１及び第２吸排出口を連通させるバイパス通路と、を備えたターボチャージャであり、
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ての外縁長さLに対し、１／２・L以内の範囲で前記コンプレッサハウジング壁面に溝を形成し、この溝に、前記コンプレッサインペラに接触する寸前までコンプレッサインペラとの対向面を連続して突出させた滑り部材を装着して、この滑り部材とコンプレッサインペラ外縁との隙間を極力小さくしたことを特徴とする。
【００１５】
このように構成された滑り部材付きターボチャージャでは、コンプレッサインペラの外縁と対向するコンプレッサハウジングの内壁に溝を設けるとともに、この溝にコンプレッサインペラと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。
【００１６】
そして、コンプレッサインペラの回転時に、コンプレッサインペラと滑り部材とが接触しても、滑り部材の摩擦抵抗が小さいので、摩擦熱が発生せず、コンプレッサインペラが破損することがない。
上記したような滑り部材付きターボチャージャは、シュラウド部の溝に滑り部材を装着するだけでよいので、簡単に製造することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかか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。
【００１８】
（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１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とによって形成される。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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
尚、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。
【００２２】
（２）次に、本発明にかかる滑り部材付きターボチャージャの実施の形態について図２〜４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２、３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。
【００２３】
そして、前記ターボチャージャー１は、新気を圧縮するためのコンプレッサインペラ８を回転自在に内装するとともに、新気を取り入れるための新気入口７と、この新気入口７から取り入れられた新気を前記コンプレッサインペラ８へ導く新気通路２３と、前記コンプレッサインペラ８により圧縮された新気を排出するための新気出口１０とが形成されるコンプレッサハウジング９を備えている。
【００２４】
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。
【００２５】
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、複数のブレード１３Ａ、１３Ｂが設けられ、タービンホイール３のブレード１３Ｂは、後端から先端にかけて湾曲した形状を有する。一方、コンプレッサインペラ８のブレード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。
【００２６】
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。尚、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、このコンプレッサインペラシュラウド部に対向するコンプレッサハウジング９の壁面をシュラウド部１６という。
【００２７】
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。
【００２８】
次に、コンプレッサハウンジング９のシュラウド部１６には、図４に示すように、周方向に環状の溝１４が設けられ、この溝１４には、ブレード１３Ａと接触する寸前まで突出するよう滑り部材１５が装着されている。
【００２９】
前記滑り部材１５をコンプレッサハウジング９に装着する際、図５〜図６に示すように、筒状の滑り部材１５の外壁に周方向に沿う溝１５ａを形成し、この溝１５ａにＣ型リング２２を嵌着する。続いて、前記コンプレッサハウンジング９のシュラウド部１６には、前記Ｃ型リング２２が嵌合する環状の凹部１４ａを有する溝１４を形成する。そして、前記Ｃ型リング２２が嵌着された滑り部材１５を前記溝１４に挿入する。
【００３０】
その際、前記滑り部材１５は、軸方向の長さが前記溝１４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１５ｂがコンプレッサインペラ８のブレード１３Ａの縁部と略同一形状で、且つ前記シュラウド部１６より突出するよう形成されるものとする。
【００３１】
このような装着方法によれば、滑り部材１５は、前記Ｃ型リング２２を介して前記溝１４の段部に係止されるので、前記溝１４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。
【００３２】
また、上記した滑り部材１５を形成する方法としては、図７に示すように、Ｃ型リング２２が外嵌された筒体を、シュラウド部１６の溝１４に挿入した後に、前記シュラウド部１６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８のブレード１３Ａ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。この場合、前記滑り部材１５の内壁面は、前記シュラウド部１６よりも若干突出するように形成し、滑り部材１５とコンプレッサインペラ８のブレード１３Ａとのクリアランスが、前記シュラウド部１６と前記ブレード１３Ａとのクリアランスよりも狭くなるようにする。
【００３３】
前記溝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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
さらに、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、コンプレッサインペラ８と滑り部材１５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１３Ａが薄く、剛性が低いため、接触等による疲労によりブレード１３Ａが破損する可能性がある。
【００３６】
つまり、ブレード１３Ａと滑り部材１５と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とともに、ブレード１３Ａが破損する虞があることから、コンプレッサインペラ８の回転速度を減衰させず、且つ、ブレード１３Ａの破損を防止しつつ、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を満たすため、流出口から１／２・Ｌまでの範囲に溝１４を形成することが好ましい。
【００３７】
この場合、滑り部材付きターボチャージャ１は、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、内燃機関の機関回転数が低い領域でも加速性能を向上させることができる。
【００３８】
前記滑り部材１５は、例えば、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、いわゆるフルオロシント５００で形成される。
【００３９】
フルオロシント５００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。
【００４０】
さらに、フルオロシント５００は、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、フルオロシント５００の水蒸気の非透過性等の耐薬品性は、テフロンに匹敵する。
【００４１】
また、フルオロシント５００は、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。フルオロシント５００は、摩擦係数及び摩擦速度が低いという特性を有し、金属材料を磨耗させない。フルオロシント５００の電気的性能は、未充填ＰＴＦＥとほぼ同等である。
【００４２】
ここで図４に戻り、前記コンプレッサハウジング９の内壁面には、前記滑り部材１５が装着されていないシュラウド部１６から新気入口７にかけて筒状のガイド２１が装着される。
【００４３】
その際、前記コンプレッサハウジング９の内壁面には、径の異なる２つの溝２４ａ、２４ｂを連接してなる溝２４を形成する。前記２つの溝２４ａ、２４ｂのうち新気入口７側の溝２４ａの径は、シュラウド１６側の溝２４ｂより径大とし、シュラウド１６側の溝２４ｂの径は、前記溝１４より径小とする。
【００４４】
これに対応して、ガイド２１の外径も、新気入口７側の外径がシュラウド部１６側の外径より径大となり、新気入口７側の外径が前記溝２４ａの内径と略同径となるよう形成されるが、シュラウド部１６側のガイド２１の外径は、前記溝２４ｂよりも径小となるよう形成される。さらに、前記ガイド２１の新気入口７側の軸方向の長さは、前記溝２４ａの軸方向の長さと同一となるよう形成されるが、シュラウド部１６側の軸方向の長さは、前記溝２４より短くなるよう形成される。
【００４５】
このように形成されたガイド２１は、新気入口７側のガイド２１が前記溝２４ａ及び前記溝２４ｂの段差に当接するよう、新気入口７側から前記溝２４に挿入される。このとき、前記ガイド２１のシュラウド部１６側の端部と前記滑り部材１５との間には、環状の溝１８が形成され、前記ガイド２１のシュラウド部１６側の外周面と前記溝２４ｂの内周面との間には、断面環状の空間２０が形成される。
【００４６】
前記溝１８は、本発明にかかる第１吸排出口に相当し（以下、第１吸排出口１８と称する）、前記空間２０は、本発明にかかるバイパス通路に相当する（以下、バイパス通路２０と称する）。
【００４７】
続いて、シュラウド部１６側のガイド２１には、前記バイパス通路２０と前記新気通路２３とを連通すべく、第２吸排出口１９が形成される。
上記した第１及び第２吸排出口１８、１９とバイパス通路２０によれば、内燃機関の高回転運転時等のように内燃機関が吸入可能な空気量が増加した場合に、前記新気通路２３内の新気の一部が第２吸排出口１９からバイパス通路２０へと流れ、次いで第１吸排出口からコンプレッサインペラ８のシュラウド部へ向けて排出されるので、コンプレッサインペラ８から圧送される空気量が増加し、チョーキングが抑制される。
【００４８】
一方、内燃機関の低回転運転時等のように内燃機関が吸入可能な空気量が減少した場合は、コンプレッサインペラ８より下流に位置する圧縮空気の圧力が上昇するため、コンプレッサインペラ８近傍の新気の一部が第１吸排出口１８からバイパス通路２０へ流れ、次いで第２吸排出口から新気通路２３へ戻され、圧縮空気の過剰な昇圧が防止され、サージングが抑制される。
【００４９】
以上述べた実施の形態によれば、サージングやチョーキングを防止すべくバイパス通路が設けられたターボチャージャにおいて、コンプレッサハウジングのシュラウドに滑り部材を設けることにより、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することができ、低回転時における圧縮効率を向上させることができる。
【００５０】
さらに、前記滑り部材をフルオロシント５００等の樹脂で形成することにより、ターボチャージャに係るコストを低減させることができる。
また、滑り部材とガイドとを組み合わせて第１及び第２吸排出口やバイパス通路を形成することにより、タービンハウジングに複雑な加工を施す必要がない。
【００５１】
尚、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、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。
【００５２】
【発明の効果】
本発明によれば、サージングやチョーキングを防止するためのバイパス通路を備えたターボチャージャにおいて、コンプレッサハウジングに滑り部材を設けることで、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可能な限り小さ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。
【００５３】
さらに、滑り部材がコンプレッサインペラのブレードと接触しても、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】ターボチャージャの動作原理図
【図２】本実施の形態に係るターボチャージャの分解斜視図
【図３】本実施の形態に係るターボチャージャの断面図
【図４】本実施の形態に係るコンプレッサハウジングの拡大図
【図５】（ａ）は滑り部材の側面図、（ｂ）は滑り部材の平面図
【図６】Ｃ型リングの斜視図
【図７】滑り部材の製造方法を説明する図
【符号の説明】
１  ・・・滑り部材付きターボチャージャ
３  ・・・タービンホイール
４  ・・・タービンハウジング
８  ・・・コンプレッサインペラ
９  ・・・コンプレッサハウジング
１１  ・・・ローターシャフト
１３Ａ・・・ブレード
１３Ｂ・・・ブレード
１４  ・・・溝
１４ａ・・・凹部
１５  ・・・滑り部材
１５ａ・・・溝
１５ｂ・・・内周面
１６  ・・・シュラウド部
１８  ・・・第１吸排出口
１９  ・・・第２吸排出口
２０  ・・・バイパス通路
２１  ・・・ガイド
２２  ・・・Ｃ型リング
２３  ・・・新気通路
２４  ・・・溝
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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