JP6809358B2 - ターボチャージャ用シャフト及びターボチャージャ - Google Patents

Description

本発明は、ターボチャージャ用シャフト及びこれを備えるターボチャージャに関する。

従来、エンジンの排気のエネルギを利用して吸気を過給するターボチャージャが知られている（例えば特許文献１参照）。このようなターボチャージャは、タービンと、コンプレッサと、タービン及びコンプレッサを接続するシャフトとを有しており、エンジンの排気のエネルギによってタービンが駆動し、このタービンが駆動すると、タービンにシャフトを介して接続されたコンプレッサが駆動して、吸気を過給する。また、シャフトは、コンプレッサの近傍に配置されたコンプレッサ側軸受と、タービンの近傍に配置されたタービン側軸受とによって軸支されている。

特開２００９−１９７７７２号公報

上記のような従来のターボチャージャにおいて、何らかの原因で例えばタービンの一部が欠損する等して、タービン側とコンプレッサ側との重量バランスが崩れた場合、ターボチャージャのシャフトに対して、重量バランスが崩れたことに起因して生じる衝撃荷重が加わった状態でターボチャージャが回転する。この場合、ターボチャージャは大きく振動しながら回転することになるが、この状態で、ターボチャージャが回転を続けて、エンジンに過給し続けた場合、ターボチャージャの大きな振動が伝わった状態でエンジンが高出力で回転することになる。この場合、エンジンに二次的な被害が生じる可能性がある。

本発明は、上記のことを鑑みてなされたものであり、その目的は、タービン側とコンプレッサ側との重量バランスが崩れた状態でターボチャージャが回転することに伴うエンジンの二次的な被害を抑制することができるターボチャージャ用シャフト及びターボチャージャを提供することである。

上記の目的を達成するため、本発明に係るターボチャージャ用シャフトは、エンジンの排気のエネルギを利用して吸気を過給するターボチャージャのタービンとコンプレッサとを接続するとともに、前記コンプレッサの近傍に配置されたコンプレッサ側軸受と前記タービンの近傍に配置されたタービン側軸受とによって軸支されたシャフトにおいて、前記シャフトのうち前記コンプレッサ側軸受と前記コンプレッサとの間の領域に前記シャフトの周方向に亘って設けられて、予め設定された所定の荷重が加わった場合に破断するような破断強度に設定された低強度部を備え、前記所定の荷重は、タービン側とコンプレッサ側との重量バランスが崩れた状態で前記ターボチャージャが回転することに起因して生じる衝撃荷重以上の値に設定されていることを特徴とする。

また、上記目的を達成するため、本発明に係るターボチャージャは、上記のシャフトを備えることを特徴とするターボチャージャである。

本発明によれば、タービン側とコンプレッサ側との重量バランスが崩れた状態でターボ
チャージャが回転してシャフトの低強度部に対して所定の荷重（衝撃荷重以上の荷重）が加わった場合に、この低強度部が破断することで、シャフトのうち低強度部よりもコンプレッサ側の部分をシャフトの他の部分から分離させることができる。これにより、ターボチャージャによる過給を強制的に停止させることができる。この結果、エンジンの出力を低下させて、エンジンに二次的な被害が生じることを抑制することができる。

実施形態に係るターボチャージャの模式的断面図である。 ターボチャージャのコンプレッサ側軸受の近傍の模式的拡大図である。 実施形態の変形例に係るターボチャージャのシャフトの低強度部を説明するための模式図である。

以下、本発明の実施形態に係るターボチャージャ用シャフト１３（以下、シャフト１３と略称する）及び、これを備えるターボチャージャ１０について、図面を参照しつつ説明する。なお、図面に関しては、構成が分かり易いように模式的に図示されており、各部材の厚みや幅、長さ等の比率は必ずしも実際の製品の比率と一致しているとは限らない。

図１は、本実施形態に係るターボチャージャ１０の構成を模式的に示す模式的断面図である。なお、図１には、参考用としてＸ−Ｙ−Ｚの直交座標が設けられている。このターボチャージャ１０は、エンジン（図示せず）に接続されている。このエンジンの一例として、本実施形態では、ディーゼルエンジンを用いている。ターボチャージャ１０は、タービン１１と、コンプレッサ１２と、シャフト１３と、タービン側軸受１４と、コンプレッサ側軸受１５と、タービンハウジング１６と、コンプレッサハウジング１７とを備えている。なお、図１に図示されている軸線２２は、シャフト１３の軸線（中心軸を示す線）である。

タービン１１及びコンプレッサ１２は、シャフト１３によって接続されている。タービン１１は、複数枚のタービン翼を有するタービン翼車によって構成されている。コンプレッサ１２も、複数枚のコンプレッサ翼を有するコンプレッサ翼車によって構成されている。シャフト１３は、タービン１１の近傍に配置されたタービン側軸受１４と、コンプレッサ１２の近傍に配置されたコンプレッサ側軸受１５とによって軸支されている。なお、本実施形態に係るシャフト１３の材質は一例として、焼き入れ加工が施された鋼である。

タービンハウジング１６は、その内部にタービン１１を収容している。コンプレッサハウジング１７は、その内部にコンプレッサ１２を収容している。タービンハウジング１６には、排気スクロール部１８及び排気出口１９が設けられている。コンプレッサハウジング１７には、吸気入口２０及び吸気スクロール部２１が設けられている。エンジンから排出された排気（Ｅ）は、排気スクロール部１８に流入し、次いで、タービン１１に当接し、その後、排気出口１９から排出される。コンプレッサハウジング１７の吸気入口２０には、ターボチャージャ１０よりも上流側の吸気（Ａ）が流入する。

タービン１１は、排気スクロール部１８から流入した排気のエネルギを受けて回転する。タービン１１が回転すると、シャフト１３を介してタービン１１に接続されたコンプレッサ１２も回転する。コンプレッサ１２が回転することにより、コンプレッサ１２は吸気を過給する。この過給された吸気は吸気スクロール部２１から排出されてエンジンに供給される。このようにしてターボチャージャ１０は排気のエネルギを利用して吸気を過給している。

図２は、ターボチャージャ１０のコンプレッサ側軸受１５の近傍を拡大して示す模式的
拡大図である。シャフト１３のうちコンプレッサ側軸受１５とコンプレッサ１２との間の領域（以下、「コンプレッサ側シャフト領域」と称する）には、低強度部２５が設けられている。この低強度部２５は、予め設定された所定の荷重が加わった場合に破断するような破断強度に設定されている。この「所定の荷重」の詳細は後述する。

なお、シャフト１３のうちタービン側軸受１４とタービン１１との間の領域（以下、「タービン側シャフト領域」と称する）には、このような低強度部２５は設けられていない。

本実施形態に係る低強度部２５は、コンプレッサ側シャフト領域の一部に切り欠き部２６が設けられることによって構成されている。具体的には、この切り欠き部２６は、コンプレッサ側シャフト領域の一部に、断面Ｖ字状又は断面Ｕ字状の溝がシャフト１３の周方向に形成されることによって構成されている。

前述したように、低強度部２５の破断強度は予め設定された所定の荷重が加わった場合に破断するような強度であるが、本実施形態では、この「所定の荷重」として、タービン側とコンプレッサ側との重量バランスが崩れた状態でターボチャージャ１０が回転することに起因して生じる衝撃荷重以上の値が設定されている。

この「所定の荷重」の具体的な値は、例えば、シミュレーションや実験等で適切な値を設定すればよいが、一例として、以下の手法を用いて決定することができる。

まず、ターボチャージャ１０においては、特にタービン１１のタービン翼部分が高回転で共振を起こすことで、タービン翼の一部（すなわちタービン１１の一部）が欠損することが考えられる。このようにタービン１１の一部が欠損した場合において、この欠損した質量をｍ_ｔ（ｋｇ）とし、この質量ｍ_ｔの等価回転半径をｒ_ｔ（ｍ）とし、タービン１１の回転角速度をω（ｒａｄ／ｓ）としたとき、タービン１１の一部が欠損することよって生じる荷重Ｆ_ｔ（アンバランスによる荷重；Ｎ）は下記式（１）となる。

Ｆ_ｔ＝ｍ_ｔ×ｒ_ｔ×ω^２・・・（１）

したがって、タービン１１の一部が欠損することによってタービン側とコンプレッサ側との重量バランスが崩れた状態でターボチャージャ１０が回転した場合、上記（１）のＦ_ｔが衝撃荷重として生じる。

そこで、「所定の荷重」として、このＦ_ｔを用いることができる。具体的には、ターボチャージャ１０について、上記のＦ_ｔを計算し、このＦ_ｔが低強度部２５に対して曲げ応力として付加された場合にシャフト１３が低強度部２５において破断するように、切り欠き部２６の寸法を設定すればよい。

あるいは、「所定の荷重」として、以下の値を用いることもできる。具体的には、上記のＦ_ｔが発生した状態でタービン１１が回転し続けた場合、コンプレッサ側軸受１５からシャフト１３に対してシャフト１３を屈曲させるような荷重が発生し、この結果、シャフト１３が軸線２２に対してｒ’（ｍ）だけ偏心した状態で回転し続けることが考えられる。この場合、シャフト１３が偏心して回転することによって、下記式（２）に示す荷重Ｆ_ｃ（シャフト１３の偏心による荷重；Ｎ）が発生する。なお、式（２）においてｍ_ｃ（ｋｇ）はコンプレッサ１２の質量である。

Ｆ_ｃ＝ｍ_ｃ×ｒ’×ω^２・・・・（２）

そこで、「所定の荷重」として、下記式（３）に示す荷重Ｆ_{ｔｏｔａｌ}（Ｎ）、すなわち、衝撃荷重Ｆ_ｔとシャフト１３の偏心による荷重Ｆ_ｃとを合算させた荷重を用いることもできる。

Ｆ_{ｔｏｔａｌ}＝Ｆ_ｔ+Ｆ_ｃ・・・（３）

「所定の荷重」としてＦ_{ｔｏｔａｌ}を用いる場合においても、ターボチャージャ１０についてＦ_{ｔｏｔａｌ}を計算し、このＦ_{ｔｏｔａｌ}が低強度部２５に対して曲げ応力として付加された場合にシャフト１３が低強度部２５において破断するように、切り欠き部２６の寸法を設定すればよい。

以上のような本実施形態によれば、タービン側とコンプレッサ側との重量バランスが崩れた状態でターボチャージャ１０が回転してシャフト１３の低強度部２５に対して所定の荷重（衝撃荷重以上の値）が加わった場合に、この低強度部２５が破断することで、シャフト１３のうち低強度部２５よりもコンプレッサ側の部分をシャフト１３の他の部分から分離させることができる。すなわち、本実施形態によれば、所定の荷重が加わった場合にタービン側ではなくコンプレッサ側を優先的に破断させることができる。これにより、ターボチャージャ１０による過給を強制的に停止させて、エンジンの出力を低下させることができる。

この結果、本実施形態によれば、重量バランスの崩れたターボチャージャ１０の大きな振動がエンジンに伝わった状態で、エンジンが高出力で回転することを抑制できる。これにより、エンジンに二次的な被害が生じることを抑制することができる。具体的には、エンジンの例えば燃料配管が大きな振動で損傷する等の二次的な被害が生じることを抑制できる。この結果、修理コストの低減を図ることができる。また、安全性を確保することもできる。

（実施形態の変形例）
図３は、実施形態の変形例に係るターボチャージャ１０ａのシャフト１３ａの低強度部２５ａを説明するための模式図である。具体的には、図３は、本変形例に係るターボチャージャ１０ａのコンプレッサ側軸受１５の近傍を拡大して模式的に図示している。

本変形例に係る低強度部２５ａは、低強度部２５ａの一部に、シャフト１３ａの他の領域の材質よりも破断強度の低い材質からなる低強度材質部２７を備えている。

具体的には、低強度材質部２７は、シャフト１３ａのコンプレッサ側シャフト領域の一部に、シャフト表面から所定距離内側の範囲に亘ってリング状に設けられている。換言すると、本変形例に係るシャフト１３ａのコンプレッサ側シャフト領域の一部には、断面Ｕ字状又は断面Ｖ字状の低強度材質部２７がシャフト１３ａの周方向に亘って設けられている。

また、この低強度材質部２７は、熱処理加工が施されることによって、シャフト１３ａの他の部分よりも破断強度の低い材質になっている。この一例として、本変形例においては、シャフト１３ａのうち、低強度材質部２７以外の部分は、焼き入れされた鋼（焼き入れ鋼）によって構成されており、一方、低強度材質部２７は、焼きなましされた鋼（焼きなまし鋼）によって構成されている。これにより、低強度材質部２７の材質の破断強度はシャフト１３ａの他の領域の材質の破断強度よりも低くなっている。そして、本変形例においても、低強度部２５ａは、低強度材質部２７を有することによって、予め設定された所定の荷重（衝撃荷重以上の荷重）が加わった場合に破断するような破断強度に設定されている。

本変形例においても、前述した実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

以上本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０，１０ａ ターボチャージャ
１１ タービン
１２ コンプレッサ
１３，１３ａ シャフト（ターボチャージャ用シャフト）
１４ タービン側軸受
１５ コンプレッサ側軸受
２５，２５ａ 低強度部
２６ 切り欠き部
２７ 低強度材質部

Claims (4)

1. エンジンの排気のエネルギを利用して吸気を過給するターボチャージャのタービンとコンプレッサとを接続するとともに、前記コンプレッサの近傍に配置されたコンプレッサ側軸受と前記タービンの近傍に配置されたタービン側軸受とによって軸支されたシャフトにおいて、
   前記シャフトのうち前記コンプレッサ側軸受と前記コンプレッサとの間の領域に前記シャフトの周方向に亘って設けられて、予め設定された所定の荷重が加わった場合に破断するような破断強度に設定された低強度部を備え、
   前記所定の荷重は、タービン側とコンプレッサ側との重量バランスが崩れた状態で前記ターボチャージャが回転することに起因して生じる衝撃荷重以上の値に設定されていることを特徴とするターボチャージャ用シャフト。
2. 前記低強度部は、前記領域の一部に切り欠き部が設けられることによって構成されている請求項１記載のターボチャージャ用シャフト。
3. 前記低強度部は、前記領域の一部に、前記シャフトの他の領域の材質よりも破断強度の低い材質からなる低強度材質部が設けられることによって構成されている請求項１に記載のターボチャージャ用シャフト。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のシャフトを備えることを特徴とするターボチャージャ。

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