JP2010270732A - インペラ及び過給機 - Google Patents

Abstract

【課題】過給機１の正常な動作を十分に確保した上で、タービンインペラ２７の性能の向上を図ること。
【解決手段】タービンインペラ２７が金属粉末成形法によって成形された成形体を焼結してなるものであって、各タービンブレード５５の外縁の全部又は出口側部分にタービンハウジング２５のシュラウドとの接触を許容する接触フィン５７が一体形成されていること。
【選択図】 図１

Description

本発明は、車両用過給機等の過給機に用いられるタービンインペラ等のインペラ等に関する。

車両用過給機におけるタービンインペラ（インペラの一例）の一般的な構成について説明すると、次のようになる（特許文献１、特許文献２、及び特許文献３等参照）。

タービンインペラは、排気ガスの圧力エネルギーを利用して回転力（回転トルク）を発生させるものであって、通常、精密鋳造によって成形された成形体からなるものである。また、タービンインペラは、車両用過給機におけるタービンハウジング内に回転可能に設けられたタービンホイールを備えており、このタービンホイールは、車両用過給機におけるロータ軸の端部に一体的に連結してあって、タービンホイールの外周面は、タービンインペラの軸方向から径方向外側に向かって延びている。更に、タービンホイールの外周面には、複数枚のタービンブレードが周方向に間隔を置いて一体形成されており、各タービンブレードの外縁は、タービンハウジングのシュラウド（内壁面）に沿って延びている。

従って、タービンハウジング内に取入れた排気ガスをタービンインペラの入口側から出口側（排気ガスの流れ方向から見てタービンインペラの上流側から下流側）へ流通させることにより、排気ガスの圧力エネルギーを利用して回転力を発生させて、ロータ軸をタービンインペラと一体的に回転させることができる。

特開２０００−２６５８４４号公報 特開２００７−５６７９１号公報 特開平１１−６２６０３号公報

ところで、高温・高速回転時におけるタービンインペラの変形量が大きくなって、タービンブレードの外縁がタービンハウジングのシュラウドに接触すると、その衝撃によってロータ軸の振れ等が生じ、車両用過給機の正常な動作が損なわれることがある。そのため、通常、高温・高速回転時におけるタービンインペラの変形量を加味して、タービンブレードの外縁とタービンハウジングのシュラウドとの間のクリアランスを設定している。

一方、タービンブレードの外縁とタービンハウジングのシュラウドとのクリアランスが大きくなると、タービンブレードの正圧面側から負圧面側に相対的に流れる所謂クリアランスフローが増大して、隣接するタービンブレード間におけるエネルギー損失が大きくなり、タービンインペラの性能（車両用過給機の性能）が低下するという問題がある。

つまり、車両用過給機の正常な動作を十分に確保した上で、タービンインペラの性能を図ることは容易でないという問題がある。

そこで、本発明は、前述の問題を解決することができる、新規な構成のインペラを提供することを目的とする。

本発明の第１の特徴は、過給機に用いられるインペラにおいて、金属粉末成形法によって成形された成形体を焼結してなるものであって、前記過給機におけるハウジング内に回転可能に設けられ、前記過給機におけるロータ軸に一体的に連結してあって、外周面が軸方向から径方向外側に向かって延びたホイールと、前記ホイールの外周面に周方向に間隔を置いて一体形成され、外縁が前記ハウジングのシュラウドに沿うように延びた複数枚のブレードと、を備え、各ブレードの外縁の全部又は一部分に前記ハウジングのシュラウド（内壁面）との接触を許容する接触フィンが一体形成されていることを要旨とする。

なお、「インペラ」には、排気ガスの圧力エネルギーを利用して回転力（回転トルク）を発生させるタービンインペラの他に、遠心力を利用して空気を圧縮するコンプレッサインペラが含まれる。また、本願の明細書及び特許請求の範囲において、「設けられ」とは、直接的に設けられたことの他に、ブラケット等の介在部材を介して間接的に設けられたことを含む意である。「ハウジング」とは、例えば可変ノズルユニットのシュラウドリング等、前記ハウジングの一部に相当する部材も含む意である。

第１の特徴によると、前記インペラが金属粉末成形法によって成形された前記成形体を焼結してなるものであって、各ブレードの外縁の全部又は一部分に前記接触フィンが一体形成されているため、換言すれば、精密鋳造に比べて薄肉部の作製（形成）に優れた金属粉末成形法によって各ブレードの外縁の全部又は一部分に前記接触フィンが一体形成されているため、各接触フィンを前記ハウジングのシュラウドとの接触によって簡単に欠ける程度の薄さに設定することができる。これにより、前記接触フィンと前記ハウジングのシュラウドとの接触時における衝撃を緩和しつつ、前記ブレードの外縁と前記ハウジングのシュラウドとのクリアランスを極力小さくすることができる。

本発明の第２の特徴は、エンジンからの排気ガスのエネルギーを利用して、前記エンジンに供給される空気を過給する過給機において、第１の特徴からなるインペラを備えたことを要旨とする。

第２の特徴によれば、第１の特徴による作用と同様の作用を奏する。

本発明によれば、前記接触フィンと前記ハウジングのシュラウドとの接触時における衝撃を緩和しつつ、前記ブレードの外縁と前記ハウジングのシュラウドとのクリアランスを極力小さくできるため、前記過給機の正常な動作を十分に確保した上で、前記ブレードの正圧面側から負圧面側に相対的に流れる所謂クリアランスフローを抑えて、前記インペラの性能（前記過給機の性能）の向上を図ることができる。

図４における矢視部Iの拡大図である。 図１におけるII-II線に沿った拡大断面図である。 タービンインペラの別態様を示す図であって、図４における矢視部Iの拡大図に相当する図である。 図５における矢視部IVの拡大図である。 本発明の実施形態に係る車両用過給機の断面図である。

本発明の実施形態に係る車両用過給機ついて図１から図５を参照して説明する。なお、図面中、「Ｌ」は、左方向を指し、「Ｒ」は、右方向を指してある。

図４及び図５に示すように、本発明の実施形態に係る車両用過給機１は、エンジン（図示省略）からの排気ガスのエネルギーを利用して、エンジンに供給される空気を過給（圧縮）するものである。そして、車両用過給機１の具体的な構成等は、以下のようになる。

車両用過給機１は、ベアリングハウジング３を備えており、このベアリングハウジング３内には、ラジアルベアリング５及び一対のスラストベアリング７が設けられてあって、複数のベアリング５，７には、左右方向へ延びたロータ軸（タービン軸）９が回転可能に設けられており、換言すれば、ベアリングハウジング３には、ロータ軸９が複数のベアリング５，７を介して回転可能に設けられている。

ベアリングハウジング３の右側には、コンプレッサハウジング１１が設けられており、このコンプレッサハウジング１１内には、遠心力を利用して空気を圧縮するコンプレッサインペラ１３が回転可能に設けられている。そして、コンプレッサインペラ１３の具体的な構成要素について説明すると、コンプレッサハウジング１１内には、コンプレッサホイール１５が設けられており、コンプレッサホイール１５は、ロータ軸９の右端部に一体的に連結してあって、コンプレッサインペラ１３の軸心（換言すれば、ロータ軸９の軸心）Ｃ周りに回転可能である。また、コンプレッサホイール１５の外周面は、コンプレッサインペラ１３（コンプレッサホイール１５）の軸方向から径方向外側に向かって延びている。更に、コンプレッサホイール１５の外周面には、複数枚のコンプレッサブレード１７が周方向に間隔を置いて一体形成されており、各コンプレッサブレード１７の外縁は、コンプレッサハウジング１１のシュラウド（内壁面）に沿うように延びている。

コンプレッサハウジング１１におけるコンプレッサインペラ１３の入口側（空気の流れ方向から見てコンプレッサインペラ１３の上流側）には、空気を取入れる空気取入口１９が形成されており、この空気取入口１９は、接続管（図示省略）を介してエアクリーナー（図示省略）に接続可能である。また、ベアリングハウジング３とコンプレッサハウジング１１の間におけるコンプレッサインペラ１３の出口側（空気の流れ方向から見てコンプレッサインペラ１３の下流側）には、圧縮された空気を昇圧する環状のディフューザ流路２１が形成されており、このディフューザ流路２１は、空気取入口１９に連通してある。更に、コンプレッサハウジング１１の内部には、コンプレッサスクロール流路２３がコンプレッサインペラ１３を囲むように形成されており、このコンプレッサスクロール流路２３は、ディフューザ流路２１に連通してある。そして、コンプレッサハウジング１１の適宜位置には、圧縮された空気を排出する空気排出口（図示省略）が形成されており、この空気排出口は、コンプレッサスクロール流路２３に連通してあって、エンジンの給気マニホールド（図示省略）に接続可能である。

ベアリングハウジング３の左側には、タービンハウジング２５が設けられており、このタービンハウジング２５内には、排気ガスの圧力エネルギーを利用して回転力（回転トルク）を発生させるタービンインペラ２７が回転可能に設けられている。なお、タービンインペラ２７の具体的な構成要素については、後述する。

タービンハウジング２５内には、可変ノズルユニット２９がタービンインペラ２７を囲むように設けられている。そして、可変ノズルユニット２９の具体的な構成要素について説明すると、タービンハウジング２５内におけるタービンインペラ２７の径方向外側には、ノズルリング３１が取付リング３３を介して設けられており、このノズルリング３１には、シュラウドリング３５が複数（１つのみ図示）の連結ピン３７を介して一体的かつ左右に離隔して設けられてあって、ノズルリング３１及びシュラウドリング３５は、タービンハウジング２５の一部に相当するのとして捉えることができる。また、ノズルリング３１とシュラウドリング３５の間には、複数枚の可変ノズル３９が周方向に間隔を置いて設けられており、各可変ノズル３９は、タービンインペラ２７の軸心Ｃに平行な軸心周りに回動可能（揺動可能）であって、複数枚の可変ノズル３９のノズル軸４１は、特許文献１に示すように、同期機構４３によって連動連結してある。

なお、ベアリングハウジング３の左側下部には、伝動軸４５が回動可能に設けられており、この伝動軸４５の右端部は、複数枚の可変ノズル３９を同期して回動させるシリンダ等のアクチュエータ（図示省略）に接続レバー４７を介して接続（連動連結）してあって、伝動軸４５の左端部は、同期機構４３に接続してある。

タービンハウジング２５の適宜位置には、排気ガスを取入れるガス取入口（図示省略）が形成されており、このガス取入口は、エンジンの排気マニホールド（図示省略）に接続可能である。また、タービンハウジング２５の内部には、タービンスクロール流路４９がタービンインペラ２７を囲むように形成されており、このタービンスクロール流路４９は、ガス取入口に連通してあって、排気ガスを取入可能である。更に、タービンハウジング２５におけるタービンインペラ２７の出口側（排気ガスの流れ方向から見てタービンインペラ２７の下流側）には、排気ガスを排出するガス排出口５１が形成されており、このガス排出口５１は、タービンスクロール流路４９に連通してあって、接続管（図示省略）を介して排気ガス浄化装置（図示省略）に接続可能である。

続いて、本発明の実施形態の要部であるタービンインペラ２７の具体的な構成について説明する。

図１及び図２に示すように、タービンインペラ２７は、金属粉末射出成形法（ＭＩＭ工法）によって成形された成形体を焼結してなるものである。具体的には、タービンインペラ２７は、射出成形金型（図示省略）内に金属粉末とバインダとの混合物を射出することによって成形体を成形する射出工程、成形体に含まれるバインダを脱脂する脱脂工程、脱脂後の成形体を焼成して焼結させる焼結工程を経ることによって製造されるものである。

タービンインペラ２７は、タービンハウジング２５内に設けられたタービンホイール５３を備えており、このタービンホイール５３は、ロータ軸９の左端部に一体的に連結してあって、タービンインペラ２７の軸心（換言すれば、ロータ軸９の軸心）Ｃ周りに回転可能である。また、タービンホイール５３の外周面は、タービンインペラ２７（タービンホイール５３）の軸方向から径方向外側に向かって延びている。

タービンホイール５３の外周面には、複数枚のタービンブレード５５が周方向に間隔を置いて一体形成されており、各タービンブレード５５の外縁は、タービンハウジング２５の一部に相当するシュラウドリング３５のシュラウド（内壁面）に沿うように延びている。そして、各タービンブレード５５の外縁の全部には、シュラウドリング３５のシュラウド（タービンハウジング２５のシュラウド）との接触を許容する接触フィン５７が一体形成されている。また、各接触フィン５７は、タービンホイール５３の回転方向（換言すれば、タービンインペラ２７の回転方向）Ｄの反対側に片寄るようになっており、各接触フィン５７におけるタービンホイール５３の回転方向Ｄ側の面は、アール形状を呈している。なお、各タービンブレード５５の外縁の全部に接触フィン５７が一体形成される代わりに、図３に示すように、各タービンブレード５５の外縁の出口側部分に接触フィン５７が一体形成されるようにしても構わない。

続いて、本発明の実施形態に係る車両用過給機１の作用及び効果について説明する。

ガス取入口からタービンスクロール流路４９に取入れた排気ガスをタービンインペラ２７の入口側から出口側（排気ガスの流れ方向から見てタービンインペラ２７の上流側から下流側）へ流通させることにより、排気ガスの圧力エネルギーを利用して回転力（回転トルク）を発生させて、ロータ軸９及びコンプレッサインペラ１３をタービンインペラ２７と一体的に回転させることができる。これにより、空気取入口１９から取入れた空気を圧縮して、ディフューザ流路２１及びコンプレッサスクロール流路２３を経由して空気排出口から排出することができ、エンジンに供給される空気を過給することができる。

ここで、排気ガスの流量が少ない場合（換言すれば、エンジン回転数が低速域にある場合）には、アクチュエータによって複数枚の可変ノズル３９を絞る方向へ同期して回動させることにより、タービンインペラ２７側へ供給される排気ガスの流速を高くして、タービンインペラ２７の仕事量を十分に確保する。一方、排気ガスの流量が多い場合（換言すれば、エンジン回転数が高速域にある場合）には、アクチュエータによって複数枚の可変ノズル３９を開く方向へ同期して回動させることにより、可変ノズル３９のスロート面積を大きくして、タービンインペラ２７側へ多くの排気ガスを供給する。これにより、排気ガスの流量の多少に関係なく、タービンインペラ２７によって回転力を十分かつ安定的に発生させることができる（車両用過給機１による通常の作用）。

前述の車両用過給機１による通常の作用を奏する他に、タービンインペラ２７が金属粉末成形法によって成形された成形体を焼結してなるものであって、各タービンブレード５５の外縁の全部又は出口側部分に接触フィン５７が一体形成されているため、換言すれば、精密鋳造に比べて薄肉部の作製（形成）に優れた金属粉末成形法によって各タービンブレード５５の外縁の全部又は出口側部分に接触フィン５７が一体形成されているため、各接触フィン５７をシュラウドリング３５のシュラウドとの接触によって簡単に欠ける程度の薄さに設定することができる。これにより、接触フィン５７とシュラウドリング３５のシュラウドとの接触時における衝撃を緩和しつつ、タービンブレード５５の外縁とシュラウドリング３５のシュラウドとのクリアランスを極力小さくすることができる。

また、各接触フィン５７がタービンホイール５３の回転方向Ｄの反対側に片寄るようになってあって、各接触フィン５７におけるタービンホイール５３の回転方向Ｄ側の面がアール形状を呈しているため、各接触フィン５７がシュラウドリング３５のシュラウドに接触しても、各接触フィン５７の一部分が欠けるだけで、各接触フィン５７の大部分が残ることになる（車両用過給機１による特有の作用（タービンインペラ２７による特有の作用））。

従って、本発明の実施形態に、接触フィン５７とシュラウドリング３５のシュラウドとの接触時における衝撃を緩和しつつ、タービンブレード５５の外縁とシュラウドリング３５のシュラウドとのクリアランスを極力小さくできるため、車両用過給機１の正常な動作を十分に確保した上で、タービンブレード５５の正圧面側から負圧面側に相対的に流れる所謂クリアランスフローを抑えて、タービンインペラ２７の性能（車両用過給機１の性能）の向上を図ることができる。特に、各接触フィン５７がシュラウドリング３５のシュラウドに接触しても、各接触フィン５７の一部分が欠けるだけで、各接触フィン５７の大部分が残ることになるため、クリアランスフローを安定的に抑えて、タービンインペラ２７の性能の向上をより一層図ることができる。

なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限られるものではなく、例えば、タービンインペラ２７に適用した技術的思想をコンプレッサインペラ１３に適用したり、可変ノズルユニットを備えていない過給機におけるタービンインペラ又はコンプレッサインペラに適用したりする等、その他、種々の態様で実施可能である。また、本発明に包含される権利範囲は、これらの実施形態に限定されないものである。

１ 車両用過給機
３ ベアリングハウジング
９ ロータ軸
１１ コンプレッサハウジング
１３ コンプレッサインペラ
１５ コンプレッサホイール
１７ コンプレッサブレード
２５ タービンハウジング
２７ タービンインペラ
２９ 可変ノズルユニット
３１ ノズルリング
３３ 取付リング
３５ シュラウドリング
３９ 可変ノズル
５３ タービンホイール
５５ タービンブレード
５７ 接触フィン

Claims (4)

1. 過給機に用いられるインペラにおいて、
   金属粉末成形法によって成形された成形体を焼結してなるものであって、
   前記過給機におけるハウジング内に回転可能に設けられ、前記過給機におけるロータ軸に一体的に連結してあって、外周面が軸方向から径方向外側に向かって延びたホイールと、
   前記ホイールの外周面に周方向に間隔を置いて一体形成され、外縁が前記ハウジングのシュラウドに沿うように延びた複数枚のブレードと、を備え、
   各ブレードの外縁の全部又は一部分に前記ハウジングのシュラウドとの接触を許容する接触フィンが一体形成されていることを特徴とするインペラ。
2. 各接触フィンが前記ホイールの回転方向の反対側に片寄るようになってあって、各接触フィンにおける前記ホイールの回転方向側の面がアール形状を呈していることを特徴とする請求項１に記載のインペラ。
3. 各ブレードの外縁の一部分は、各ブレードの外縁の出口側部分であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のインペラ。
4. エンジンからの排気ガスのエネルギーを利用して、前記エンジンに供給される空気を過給する過給機において、
   請求項１から請求項３のうちのいずれかの請求項に記載のインペラを備えたことを特徴とする過給機。

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