WO1998048157A1

WO1998048157A1 - Turbocompresseur equipe d'un element coulissant

Info

Publication number: WO1998048157A1
Application number: PCT/JP1997/003346
Authority: WO
Inventors: Masami Shimizu; Kiyohiko Ebara
Original assignee: Kyoritsu Corp.
Priority date: 1997-04-22
Filing date: 1997-09-19
Publication date: 1998-10-29
Also published as: JP3639846B2

Description

明細書

滑り部材付きターボチャージャ技術分野

本発明は、新気を圧縮してこの新気を内燃機関に圧送するターボチャージャに係り、このターボチヤ一ジャを形成するコンプレッサハウジングの内壁に、コンプレッサインペラに設けたブレードが接触する範囲内で滑り部材を装着した滑り部材付きターボチャージャに関する。背景技術

内燃機関等では、より多くの混合気を燃焼させ、機関出力を向上させるために排気の圧力（以下、排圧と記す）を利用したターボチヤ一ジャが用いられている, このターボチヤ一ジャは、内燃機関のシリンダ内で機械的エネルギに変換されなかった高温、高圧の排気残留エネルギを利用してタービンホイールを駆動し、このタービンホイールと口一夕一シャフトを通じて同軸的に連結したコンプレッサィンペラにて新気を圧縮し、圧縮した新気を内燃機関に圧送するものである。このように圧縮された新気がシリンダ内に供給されると、シリンダ内が高圧になり燃焼室の燃焼エネルギが増大する。そして、この燃焼エネルギがピストンやクランクシャフト等を介して機械的エネルギに変換されるので、機関出力を向上させることができる。

次に、ターボチヤ一ジャは、一般に、ブレードを有するタービンホイールとコンプレッサインペラをロータ一シャフ卜で連結し、それぞれをタービンハウジング及びコンプレツサハウジングで全体を覆った構造のものである。

ここで、コンプレッサハウジングの内部に設けた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いる。

そして、コンプレッサハウンジングとコンプレッサインペラとは、コンプレツサインペラが回転する際に、ブレードがコンプレッサハウジングの内壁に接触しないように構成する必要がある。これらコンプレッサハウンジングとコンプレツ „ /JP

サインペラが接触すると、コンプレッサインペラの回転時に、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ゃコンプレツサインペラを破損させる虞がある。

一方、コンプレッサハウジングとコンプレツサインペラとの隙間が大きいと、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。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ためには、コンプレッサハウジングとコンプレツ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。

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。

例えば、コンプレッサインペラとコンプレツ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プ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（シユラウド部）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、いわゆるアブレ一ダブル溶射を施し、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ツサインペラとの隙間を減少させたアブレ一ダブル夕一ボチャージャが知られている。

このようなアブレ一ダブルターボチャージャによれば、コンプレツサハゥジングとコンプレツ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。

し力、し、上記したようなアブレーダブルターボチヤ一ジャでは、皮膜の原料となるアルミゃ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。 „

発明の開示

本発明は前記した問題点に鑑みてなされたものであり、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課題とする。

そして、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。

本発明に係る滑り部材付きタ一ポチャ一ジャは、タービンハゥジングの内部に設けるとともに、内燃機関から流入する排圧を回転力に変換するタービンホイ一ルと、前記タービンホイールに連結するとともに、前記タービンホイールの回転力を伝えるローターシャフトと、前記ロータ一シャフトに連結するとともに、取り込んだ新気を前記回転力により圧縮しつつ内燃機関へと圧送するコンプレッサインペラと、前記コンプレツサインペラを覆うコンプレッサハウジングとを備えている。

そして、前記コンプレツサインペラの新気の流入口から流出口にかけた外縁長さに対し、前記流出口から前記外縁長さの 1 Z 2以内の範囲に対応させた溝を前記コンプレッサハウジングの内壁に設け、この溝に前記コンプレツサインペラが接触する寸前まで突出させた滑り部材を装着したものである。

本発明によれば、流出口から外縁長さの 1 2以内の範囲に対応させた溝をコンプレッサハウジングの内壁に設けるとともに、この溝にコンプレツサインペラが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。さらに、この溝に滑り部材を装着するだけなので簡単に取り付けることができる。

そして、この材料は、アブレ一ダブル加工用の材料より安価である。また、コンプレツサインペラの回転に伴いブレードが滑り部材に接触しても何等支障はない。

次に、本発明に係る滑り部材付きターボチャージヤコンプレッサハウジングは、タービンハウジングの内部に設けるとともに、内燃機関から流入する排圧を回転力に変換するタービンホイールと、前記タービンホイールに連結するとともに、前記タービンホイールの回転力を伝えるロータ一シャフトと、前記ロータ一シャフトに連結するとともに、取り込んだ新気を前記回転力により圧縮しつつ内燃機 T JP

関へと圧送するコンプレッサインペラと、前記コンプレッサインペラを覆うコンプレッサハウジングとを備えた夕一ボチャージャである。

そして、前記コンプレッサハウジングと前記コンプレツサインペラとの接触面の全面に亘つて、コンプレツサハウジングの内壁に前記滑り部材を装着しても良い。

上記したような発明によれば、滑り部材を突出させ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できる限り少な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。

さらに、滑り部材とブレードが接触しても、コンプレツ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】本実施の形態に係るターボチヤ一ジャの分解斜視図

【図 2】本実施の形態に係るターボチャージャの断面図

【図 3】本実施の形態 1に係るコンプレツサハウジングの拡大図

【図 4】ターボチャージャの動作原理図

【図 5】本実施の形態 2に係るコンプレッサハウジングの拡大図

【図 6】他の実施の形態に係るコンプレッサハウンジングの拡大図

【図 7】（ a ) は滑り部材の側面図、（b ) は滑り部材の平面図

【図 8】 C型リングの斜視図

【図 9】滑り部材の製造方法を説明する図発明を実施するための最良の形態

以下、本実施の形態に係る滑り部材付きターボチャージャ 1を図 1 〜 5に基づいて説明する。

( 1 ) 最初に、ターボチャージャ 3 0の動作原理を簡単に説明する。ターボチャ一ジャ 3 0は、通常、図 4に示すように、排圧を回転力に変換するタービンホィール 3 1 と、この夕一ビンホイール 3 1 とローターシャフト 3 5を介して連結されたコンプレッサインペラ 3 6とによって形成する。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。

そして、ターボチャージャ 3 0は、排気入口 3 2から流入した排気の排圧によつてタービンホイール 3 1が回転し、エネルギ変換が行われた排気は排気出口 3 3から排出される。

前記タービンホイール 3 1の回転力は、ロータ一シャフト 3 5を介してコンプレッサインペラ 3 6に伝わり、新気入口 3 7から取り入れた新気は、コンプレツサインペラ 3 6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。

なお、前記ターボチャージャ 3 0は、夕一ボチャージャ 3 0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、ァクチユエ一夕 3 4がウェイストゲ一トバルブ 3 9を開弁させ、タービンホイール 3 1より上流の排気をタービンホイール 3 1の下流へバイパスさせ、タービンホイール 3 1にかかる排圧を調節することができるようになつている。

( 2 ) 次に、本実施の形態 1に係る滑り部材付きターボチャージャの構成を図 1 〜 3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 1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。

そして、前記ターボチヤ一ジャー 1は、新気を取り入れる新気入口 7と、新気を排出する新気出口 1 0.とが形成されるとともに、前記新気入口 7から流入した新気を圧縮するコンプレッサインペラ 8を内装するコンプレッサハウジング 9を備えている。

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 1 7 により連結され、この連結部材 1 7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口一夕シャフト 1 1を回転自在に支持している。さらに、前記連結部材 1 7には、前記ロータシャフト 1 1の軸受部に潤滑油を供給する潤滑油通路 1 2が形成される。

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、図 1〜 2が示すように複数のブレード 1 3 A、 1 3 Bを設け、タービンホイール 3に設けたブレード 1 3 Bは、後端から先端にかけて湾曲した形状を有する。

次に、コンプレツサインペラ 8に設けたブレード 1 3 Aは、通常は流線の長さが異なる長ィンペラ 1 3 Aと短ィンペラ 1 3 Aをそれぞれ交互に配置して形成する。

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。なお、コンプレッサインべラ 8の外縁部を一般的にコンプレツサインぺラシユラウド部といい、コンプレツサハゥジング 9の内壁の外縁部をコンプレッサハウジングのシュラウド部 1 6という。

ところで、ブレード 1 3 Aの材質は、一般的にアルミを用いるカ、タービンホィール 3に設けたィンペラ 1 3 B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。

次に、コンプレッサハウンジング 9には、図 3に示すように、コンプレツサインペラ 8に設けられた複数のブレード 1 3 Aとシユラウド部 1 6とのクリアランスを可能な限り減少させるために、シュラウド部 1 6に溝 1 4を設け、さらに、プレード 1 3 Aとシユラウド部 1 6が接触する寸前のクリアランスをもたせて、溝 1 4に滑り部材 1 5をシュラウド部 1 6から突出するように装着している。

ここで、滑り部材 1 5を装着する方法は、溝 1 4または滑り部材 1 5に接着剤を塗布するとともに、この滑り部材 1 5を溝 1 4に圧入するものである。

また、溝 1 4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。

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ヤ一ジャの効率を低下させる。

ここで、滑り部材を装着する溝 1 4を流出口から 1 Z 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。

また、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ツサインペラ 8が十分な回転速度を得るまでの間、コンプレッサハウジング 9のシュラウド部 1 6と滑り部材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、ブレード厚みが小さく剛性が弱いから接触による疲労によってブレードが破損する場合があり、これを防止するためである。

すなわち、ブレード 1 3 Aと滑り部材 1 5が接触すると接触面での摩擦力によつてコンプレッサインペラ 8の回転速度が減衰する場合があることから、コンプレッサインペラ 8の回転速度を減衰させないことと、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に合致させる必要がある力ヽらである。

本実施の形態 1に係る滑り部材付きターボチャージャ 1は、このようにすることでコンプレッサハウジング 9とブレード 1 3 A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るとともに、低速域での加速性能の向上を図ることができる。

次に、この滑り部材は、ポリテトラフルォロエチレン（以下、 P T F Eという）を約 5 0 % (重量）と合成雲母を約 5 0 % (重量）を化学的に結合した樹脂であり、一般的名称は、フルォロシント 5 0 0という。

この樹脂は、高温においての荷重変形がフッ素樹脂にくらベて非常に少なく、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 P T F Eの 5分の 1であることからはめ合いゃクリアランスを考慮に入れなくても良い。

そして、極低温から 2 6 0 °C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 3 4 3 °Cで形状安定性を維持する。さらに、水蒸気の非透過性等の耐薬品性は、テフロンに匹敵する。

また、 P T F E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 P T F Eの 3分の 1である。この樹脂は非ざらつき摩擦特性により、摩擦係数及び摩擦速度が低いので金属材料を磨耗させない。さらに、電気的性能は、未充填 P T F Eとほぼ同等である。

( 3 ) 次に、実施の形態 2に係る滑り部材付き夕一ボチャージャを説明する。ここでは、前述の実施の形態 1 と異なる構成についてのみ説明する。

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、図 5に示すように、コンプレッサハウジングのシュラウド部 2 1の内壁にシュラウド部 2 1 とブレード 2 2との接触面の全面に亘つて溝 2 3を設けるとともに、この溝 2 3に滑り部材 2 4を装着している。

このようにこれによりシュラウド部 2 1 とブレード 2 2が接触する全面積に滑り部材 2 4を装着しているので、接触面の全面のクリアランスをなくし、新気を逃がすことなく内燃機関に圧送する。

ここで、タービンホイールからの回転力を受けてコンプレツサインペラが回転し、コンプレツサインペラに設けたブレード 2 2が滑り部材 2 4に接触した状態で摺動する場合がある。

し力、し、コンプレッサインペラが十分な回転速度を有すると、ローターシャフトの回転軸の中心が軸受けの中心にほぼ一致するため、コンプレツサインペラの偏りがなくなり無接触状態になるものと考えられる。

ここで、この滑り部材 2 3は、実施の形態 1に係る滑り部材と同様に P T F E を約 5 0 % (重量）と合成雲母を約 5 0 % (重量）を化学的に結合させたフルォ口シント 5 0 0からなる滑り部材を用いることが好ましい。

以上述べた滑り部材付きターボチヤージャは、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夕一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ェイストゲ一ト付きターボチヤ一ジャ、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ヤ一ジャとして用いることができる。

尚、前述した滑り部材付きターボチヤ一ジャでは、滑り部材の装着方法として、コンプレッサハウジングのシュラウド部に溝を設け、滑り部材もしくは溝に接着剤を塗布して、滑り部材を溝に圧入する方法を例示したが、例えば、図 6〜 8に示すように、筒状の滑り部材 4 4の外壁に C型リング 4 5を嵌着するとともに、コンプレッサハウンジング 4 0のシュラウド部 4 2に、前記 C型リング 4 5が嵌合する環状の凹部 4 3 aを有する溝 4 3を形成して、前記滑り部材 4 4を前記溝 4 3に揷入するようにしてもよい。

その際、前記滑り部材 4 4は、軸方向の長さが前記溝 4 3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 4 4 bがコンプレッサインペラ 4 1のブレード 4 1 a縁部と略同一形状で、且つ前記シュラウド部 4 2よりも突出するよう形成されるものとする。さらに、前記滑り部材 4 4の外周面には、前記溝 4 3の凹部 4 3 aと対応する位置に、前記 C型リング 4 5を嵌着するための溝 4 4 aを形成する。

このような構成によれば、滑り部材 4 4は、前記 C型リング 4 5を介して前記溝 4 3の段部に係止されるので、接着剤を塗布しなくとも滑り部材 4 4が前記溝 4 3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。

また、上記した滑り部材 4 4を形成する方法としては、図 9に示すように、 C 型リング 4 5が外嵌された筒体を、シュラウド部 4 2の溝 4 3に挿入した後に、前記シュラウド部 4 2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 4 1のブレード 4 1 a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。その際、前記滑り部材 4 4の内壁面は、前記シュラウド部 4 2よりも若干突出するように形成し、滑り部材 4 4とコンプレッサインペラ 4 1のブレード 4 1 aとのクリアランスが、前記シュラウド部 4 2とコンプレッサインべラ 4 1のブレード 4 1 aとのクリアランスよりも狭くなるようにする。産業上の利用可能性

本発明は、新気を圧縮してこの新気を内燃機関に圧送するターボチャージャに適用できる。また、本発明は、耐久性が高く且つ圧縮性能が高いターボチャージャを簡略な構成で実現することができるため、大量生産にも適している。

Claims

請求の範囲

1 . タービンハウジングの内部に設けるとともに内燃機関から流入する排圧を回転力に変換するタービンホイールと、前記夕一ビンホイールに連結するとともに前記タービンホイールの回転力を伝えるロータ一シャフ卜と、前記ロータ一シャフトに連結するとともに取り込んだ新気を前記回転力により圧縮しつつ内燃機関へと圧送するコンプレッサインペラと、前記コンプレッサインペラを覆うコンプレッサハウジングとを備えたターボチヤ一ジャにおいて、

前記コンプレツサインペラの新気の流入口から流出口にかけた外縁長さに対し、この流出口から前記外縁長さの 1 / 2以内の範囲に対応させた溝を前記コンプレッサハウジングの内壁に設け、この溝に前記コンプレツサインペラが接触する寸前まで突出させた滑り部材を装着したことを特徴とする滑り部材付きターボチヤ一ジャ。

2 . タービンハウジングの内部に設けるとともに内燃機関から流入する排圧を回転力に変換するタービンホイールと、前記タービンホイールに連結するとともに前記タービンホイールの回転力を伝えるロータ一シャフ卜と、前記ローターシャフトに連結するとともに取り込んだ新気を前記回転力により圧縮しつつ内燃機関へと圧送するコンプレッサインペラと、前記コンプレッサインペラを覆うコンプレッサハウジングとを備えたターボチヤ一ジャにおいて、

前記コンプレッサハウジングと前記コンプレツサインペラとの接触面の全面に直って、コンプレッサハウジングの内壁に前記滑り部材を装着したことを特徴とする滑り部材付きターボチャージャ。