WO2016093072A1

WO2016093072A1 - 過給機のインペラ

Info

Publication number: WO2016093072A1
Application number: PCT/JP2015/083285
Authority: WO
Inventors: 翔平成岡; 寛之渡部
Original assignee: 川崎重工業株式会社
Priority date: 2014-12-11
Filing date: 2015-11-26
Publication date: 2016-06-16
Also published as: EP3239489A1; EP3239489A4; US20170268527A1; EP3239489B1

Abstract

　インペラが大形化するのを抑制しつつ、効率を向上できる過給機のインペラを提供する。　遠心式過給機（４２）のインペラ（６０）は、自動二輪車に搭載されるエンジン（Ｅ）のクランク軸（２６）に連動して回転し、エンジン（Ｅ）に吸気（Ｉ）を供給する。インペラ（６０）は、許容最大エンジン回転数で過給機（４２）が駆動する際に、インペラ（６０）の入口側先端部（１１２）での周速が音速を超え、且つ音速の１．３倍以下となるように入口径（Ｉｉ）が設定されている。

Description

過給機のインペラ

関連出願

　この出願は、２０１４年１２月１１日出願の特願２０１４－２５０７５８および特願２０１４－２５０７５９の優先権を主張するものであり、その全体を参照により本願の一部をなすものとして引用する。

　本発明は、自動二輪車に搭載されるエンジンのクランク軸に連動して回転し、前記エンジンに吸気を供給する過給機の遠心式インペラに関するものである。

　自動二輪車のエンジンにおいて、クランク軸に連動して回転し、前記エンジンに吸気を供給する遠心式インペラを備えた過給機を搭載したものがある（例えば、特許文献１）。

特開２０１３－２２４６１４号公報

　自動二輪車では、機器を配置するスペースが限られているので、このような過給機をなるべく小さくしたいという要求があるが、過給機を小形化すると効率が低下し、所望の吸気量が得られにくくなる。

　本発明は、インペラが大形化するのを抑制しつつ、効率を向上できる過給機のインペラを提供することを目的とする。

　上記目的を達成するために、本発明の過給機のインペラは、自動二輪車に搭載されるエンジンのクランク軸に連動して回転し、前記エンジンに吸気を供給する過給機の遠心式インペラであって、許容最大エンジン回転数で過給機が駆動される際に、前記インペラの入口側先端部（チップエンド部）での周速が音速を超えるように入口径が設定されている。ここで、「許容最大エンジン回転数」とは、負荷の異常な低下によるエンジンのオーバーラン状態を除き、設計上設定されている最大回転数をいう。

　この構成によれば、許容最大エンジン回転数で音速を超えるように設定されているので、許容最大エンジン回転数未満の通常動作領域での周速を音速に近づけることができる。その結果、通常動作領域での効率が高くなって、エンジン出力が向上する。

　本発明において、前記許容最大エンジン回転数時の前記インペラの入口側先端部での周速が、音速の１．３倍以下であるように入口径が設定されていることが好ましい。この構成によれば、許容最大エンジン回転数時でもエンジン出力の低下幅が小さく、最高出力を向上させやすい。

　本発明において、トリム値が５０％以上に設定されていることが好ましい。この構成によれば、トリム値を５０％以上に設定することで、比較的出口径を小さくすることができるので、スペースに制限がある自動二輪車においても過給機を搭載しやすい。

　本発明において、翼のバックワード角が正の値に設定されていることが好ましい。この構成によれば、自動二輪車に搭載するためにインペラを小形化すると、翼長が短くなりやすいが、バックワード角を正の値とすることで、インペラを小形化しつつ、翼長を延長でき、過給機の効率が低下するのを抑制できる。

　バックワード角が正の値に設定されている場合、前記クランク軸の回転が、インペラが固定される過給機回転軸に遊星歯車装置を介して伝達され、前記遊星歯車装置は、前記クランク軸の回転を増速して前記過給機に伝達し、インペラは前記過給機回転軸の一端部に固定され、前記遊星歯車装置は前記過給機回転軸の他端部に連結され、インペラの出口径が、前記遊星歯車装置の外径よりも小さく設定されていることが好ましい。この構成によれば、インペラの出口径が制限される場合でも、バックワード角を正の値とすることで、インペラを小形化しつつ、過給機の効率が低下するのを抑制できる。

　本発明において、周方向に離間して配置された複数のメイン翼と、前記複数のメイン翼の周方向の間に配置された複数のスプリッタ翼とを備え、前記メイン翼は、流れ方向の中間部に最も厚みが大きくなる最大厚部分を有し、前記スプリッタ翼の前縁と前記メイン翼の前記最大厚部分とが、吸気の流れ方向にずれて配置されていることが好ましい。この構成によれば、スプリッタ翼の存在によって流路が急激に狭くなるのを防いで、効率を向上させることができる。

　本発明において、吸気の流れ方向に沿って翼の表面が切削加工によって形成されていることが好ましい。この構成によれば、切削加工により形成された加工溝に沿って吸気が流れるので、流路抵抗が低減され、その結果、効率が向上する。

　本発明において、前記インペラは、貫通孔に挿通された過給機の回転軸に固定具を用いて固定され、翼が形成されるインペラ本体と、前記インペラ本体から軸方向一方側に突出して前記固定具に当接する前端部と、前記インペラ本体から軸方向他方側に突出して前記回転軸のフランジ部に当接する後端部とを備え、前記後端部の端面の外径が、前記前端部の端面の外径よりも大きく設定されていることが好ましい。

　この構成によれば、後端部の端面の外径が前端部の端面の外径よりも大きく設定されているので、後端部の径方向外側への引張力に対する強度が向上する。これにより、過給機の回転軸を高速回転させた場合に、外径の最も大きいインペラ本体の後端側の外周部が、遠心力によって径方向外側に向かう大きな引張力を受けても、このような引張力によりインペラ本体の後端側が影響を受けるのを抑制できる。したがって、インペラの高速回転が可能になる。

　前記後端部の端面の外径が前記前端部の端面の外径よりも大きく設定されている場合、前記後端部の端面の外径は、前記インペラ本体の前端部の外径よりも小さいことが好ましい。この構成によれば、後端部が大形化するのを防いで、遠心力の増加を抑制するとともに、インペラの軽量化を図ることができる。

　前記後端部の端面の外径が前記前端部の端面の外径よりも大きく設定されている場合、前記後端部の外径寸法は、その端面から前記インペラ本体に向かって徐々に大きくなり、前記後端部における前記インペラ本体との境界部分の外径寸法は、前記インペラ本体の基端の外形寸法の１／２よりも大きく、前記インペラ本体の先端の外形寸法よりも小さいことが好ましい。この構成によれば、前記境界部分における応力集中を抑制し、かつ後端部の剛性を大きくしつつ、インペラの後端側の外周縁部が大きくなるのを抑制して遠心力を低減できる。

　前記後端部の端面の外径が前記前端部の端面の外径よりも大きく設定されている場合、前記後端部の前記インペラ本体からの突出寸法は、貫通孔の半径と、前記前端部の端面の半径との差以上に設定されていることが好ましい。この構成によれば、後端部の突出量が大きくなり、インペラ本体の後端側の剛性が低下するのを抑制できる。

　前記後端部の端面の外径が前記前端部の端面の外径よりも大きく設定されている場合、前記後端部は、前記フランジ部の径方向外側に配置されるシール部材に軸方向に対向していることが好ましい。この構成によれば、シール部材とインペラの軸方向隙間が小さくなるので、潤滑液が漏れるのを防ぐことができる。

　本発明の別の過給機のインペラは、貫通孔に挿通された過給機の回転軸に固定具を用いて固定される遠心式インペラであって、翼が形成されるインペラ本体と、前記インペラ本体から軸方向一方側に突出して前記固定具に当接する前端部と、前記インペラ本体から軸方向他方側に突出して前記回転軸のフランジ部に当接する後端部とを備え、前記後端部の端面の外径が、前記前端部の端面の外径よりも大きく設定されている。

　上記特許文献１の過給機では、インペラ本体の後端側で外径が最も大きくなっている。このような過給機において、出力を向上させるために過給機回転軸を高速回転させると、外径の最も大きいインペラ本体の後端側の外周部が、遠心力によって径方向外側に向かう大きな引張力を受ける。このような引張力が残留応力として残ることが懸念されるため、特に、小形のインペラでは回転の高速化には限界があった。

　上述の別の過給機のインペラによれば、後端部の端面の外径が前端部の端面の外径よりも大きく設定されているので、後端部の径方向外側への引張力に対する強度が向上する。これにより、過給機の回転軸を高速回転させた場合に、外径の最も大きいインペラ本体の後端側の外周部が、遠心力によって径方向外側に向かう大きな引張力を受けても、このような引張力によりインペラ本体の後端側が影響を受けるのを抑制できる。したがって、インペラの高速回転が可能になる。

　請求の範囲および／または明細書および／または図面に開示された少なくとも２つの構成のどのような組合せも、この発明に含まれる。特に、請求の範囲の各請求項の２つ以上のどのような組合せも、この発明に含まれる。

　この発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施形態の説明からより明瞭に理解されるであろう。しかしながら、実施形態および図面は単なる図示および説明のためのものであり、この発明の範囲を定めるために利用されるべきものではない。この発明の範囲は添付の請求の範囲によって定まる。添付図面において、複数の図面における同一の部品番号は、同一または相当部分を示す。
本発明の第１実施形態に係る過給機のインペラを備えた自動二輪車を示す側面図である。同過給機を示す水平断面図である。同インペラを示す側面図である。同インペラを吸込側から見た示す正面図である。同インペラを示す斜視図である。同インペラのメイン翼とスプリッタ翼の位置関係を示す簡略図である。同インペラの翼の切削方向を示す平面図である。

　以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。本明細書において、「左側」および「右側」は、車両に乗車した運転者から見た左右側をいう。

　図１は本発明の第１実施形態に係るエンジンの過給機を搭載した自動二輪車の側面図である。この自動二輪車の車体フレームＦＲは、前半部を形成するメインフレーム１と、後半部を形成するリヤフレーム２とを有している。メインフレーム１の前端にヘッドパイプ４が設けられ、このヘッドパイプ４にステアリングシャフト（図示せず）を介してフロントフォーク８が回動自在に軸支されている。フロントフォーク８の下端部に前輪１０が取り付けられ、フロントフォーク８の上端部に操向用のハンドル６が固定されている。

　一方、車体フレームＦＲの中央下部であるメインフレーム１の後端部に、スイングアームブラケット９が設けられている。このスイングアームブラケット９に取り付けたピボット軸１６の回りに、スイングアーム１２が上下揺動自在に軸支されている。このスイングアーム１２の後端部に、後輪１４が回転自在に支持されている。車体フレームＦＲの中央下部でスイングアームブラケット９の前側に、エンジンＥが取り付けられている。エンジンＥがドライブチェーン１１を介して後輪１４を駆動する。

　エンジンＥは、左右方向（車幅方向）に延びる回転軸を有するクランク軸２６と、クランク軸２６を支持するクランクケース２８と、クランクケース２８の前部上面から上方に突出したシリンダブロック３０と、その上方のシリンダヘッド３２と、クランクケース２８の下方に設けられたオイルパン３４とを有している。本実施形態では、クランクケース２８とシリンダブロック３０とが型成形により一体に形成され、クランクケース２８の後部が変速機ケースを兼ねている。エンジンＥは４気筒４サイクルエンジンであるが、これに限定されない。

　シリンダヘッド３２の前面に、４本の排気管３６が接続されている。これら４本の排気管３６が、エンジンＥの下方で集合され、後輪１４の右側に配置された排気マフラー３８に接続されている。

　メインフレーム１の上部に燃料タンク１５が配置され、リヤフレーム２に操縦者用シート１８および同乗車用シート２０が支持されている。また、車体前部に、樹脂製のカウリング２２が装着されている。カウリング２２は、前記ヘッドパイプ４の前方を覆っている。カウリング２２には、空気取入口２４が形成されている。空気取入口２４は、カウリング２２の前端に位置し、外部からエンジンＥへの吸気を取り入れる。カウリング２２の上部には、透明のウィンドシールド２３が装着されている。

　車体フレームＦＲの左側に、吸気ダクト５０が配置されている。吸気ダクト５０は、前端開口５０ａをカウリング２２の空気取入口２４に臨ませた配置でヘッドパイプ４に支持されている。吸気ダクト５０の前端開口５０ａから導入された空気は、ラム効果により昇圧される。吸気ダクト５０は、エンジンＥの前方からシリンダブロック３０およびシリンダヘッド３２の左外側方を通過して、エンジンＥに走行風Ａを吸気Ｉとして導いている。

　シリンダブロック３０の後方でクランクケース２８の上面に、外気を浄化するエアクリーナ４０および過給機４２が車幅方向に並んで配置されている。吸気ダクト５０の下流端５０ｂがエアクリーナ４０を介して過給機４２の吸込口４６に接続されている。過給機４２は、エンジンＥに対して着脱自在に設けられ、エアクリーナ４０からの清浄空気を加圧してエンジンＥに供給する。

　過給機４２の吐出口４８とエンジンＥの吸気ポート５４との間に、吸気チャンバ５２が配置され、過給機４２の吐出口４８と吸気チャンバ５２とが直接接続されている。吸気チャンバ５２は、過給機４２の吐出口４８から供給された高圧の吸気Ｉを貯留する。吸気チャンバ５２と吸気ポート５４との間には、スロットルボディ４４が配置されている。吸気チャンバ５２は、過給機４２およびスロットルボディ４４の上方に位置している。吸気チャンバ５２およびスロットルボディ４４の上方に、前記燃料タンク１５が配置されている。

　過給機４２は、クランクケース２８の後部の上方で、クランクケース２８の左右方向の幅の中に収まっている。つまり、過給機４２は、シリンダブロック３０およびシリンダヘッド３２の後方で、クランクケース２８の後部の上方に位置し、かつ吸気チャンバ５４の下方で、クランクケース２８の幅の両外側端よりも車幅方向内側の限られたスペースに配置されている。

　図２に示すように、過給機４２は遠心式であり、車幅方向（左右方向）の延びる過給機回転軸４４の一端部（左側端部）４４ａに固定されたインペラ６０と、インペラ６０を覆うインペラハウジング６３と、過給機回転軸４４を回転自在に支持する過給機ケース６６と、エンジンＥのクランク軸２６の回転を増速して過給機回転軸４４に伝達する遊星歯車装置６４とを有している。つまり、過給機回転軸４４の一端部４４ａにインペラ６０が固定され、他端部４４ｂに遊星歯車装置６４が連結されている。

　増速により過給機回転軸４４の最大回転数は、毎分１０万回転以上、本実施形態では約１４万回転になる。本実施形態では、吸気は過給機により高温圧縮され、過給機出口での吸気温度は約１００℃に達する。さらに、自動二輪車は急加速、急減速する可能性がある。また、エンジン無負荷状態でアイドリング運転から０．５秒で最大許容回転数に達することがあるから、インペラ６０にかかる遠心力が非常に大きい。インペラ６０の詳細は後述する。

　過給機４２はエンジンＥの動力によって駆動される。具体的には、クランク軸２６（図１）の回転力が、動力伝達部材の一種であるチェーン７４を介して、過給機回転軸４４に連結された遊星歯車装置６４の入力軸６５に伝達されている。より詳細には、入力軸６５の右側端部にスプロケット６２が設けられ、このスプロケット６２の歯車６２ａにチェーン７４が掛け渡されている。つまり、過給機回転軸４４の軸方向一方側（左側）に吸込口４６が設けられ、他方側（右側）にチェーン（動力伝達機構）７４が設けられている。

　過給機ケース６６は、入力軸６５およびスプロケット６２を収納する右側の入力ケース部５６と、遊星歯車装置６４を収納する左側のギヤケース部５８とからなり、これら入力ケース部５６とギヤケース部５８とが、ボルト（図示せず）を用いて連結されている。さらに、インペラハウジング６３が、ボルト（図示せず）を用いてギヤケース部５８に連結されている。

　入力軸６５は中空軸からなり、一対の軸受７２を介して入力ケース部５６に回転自在に支持されている。入力軸６５の右側端部６５ｂの外周面にスプライン歯６７が形成されている。このスプライン歯６７にスプロケット６２がスプライン嵌合されて、入力軸６５に連結されている。入力軸６５の右側端部６５ｂの内周面に雌ねじ部が形成されており、スプロケット６２が、この雌ねじ部に螺合されたボルト６８の頭部により、ワッシャ７０を介して、入力軸６５の右側端部６５ｂに固定されている。

　過給機回転軸４４の基端部である右側端部４４ｂが、入力軸６５の左側端部６５ａに、遊星歯車装置６４を介して連結されている。入力軸６５の左側端部６５ａは、鍔状のフランジ部６５ａからなる。過給機回転軸４４は、軸受６９を介してギヤケース部５８に回転自在に支持されている。軸受６９は軸方向に並んで２つ配置されており、これら２つの軸受６９，６９が、軸受ハウジング７６に収納されている。過給機回転軸４４の右側端部４４ｂに外歯７８が形成されている。

　遊星歯車装置６４は入力軸６５と過給機回転軸４４との間に配置され、ギヤケース部５８に支持されている。過給機回転軸４４の右側端部４４ｂの外歯７８に、複数の遊星歯車８０が周方向に並んでギヤ連結されている。すなわち、過給機回転軸４４の外歯７８は遊星歯車装置６４の太陽歯車として機能する。遊星歯車８０には、太陽歯車（外歯）７８に噛み合う外歯８１が形成されている。遊星歯車８０は、周方向に離間して、例えば、３つ配置されている。

　遊星歯車８０は径方向外側で大径の内歯車（リング歯車）８２にギヤ連結している。各遊星歯車８０は、ギヤケース部５８に装着された軸受８４によりキャリア軸８６に回転自在に支持されている。つまり、キャリア軸８６は、遊星歯車８０の支持軸を構成する。この実施形態では、軸受８４として、針状ころが用いられている。

　キャリア軸８６は円板状の固定部材８８に固定され、この固定部材８８がギヤケース部５８にボルト９０により固定されている。つまり、キャリア軸８６は固定されており、遊星歯車８０は公転しない。内歯車８２には、入力軸６５の左側端部に設けられた入力ギヤ９２がギヤ連結されている。入力ギヤ９２は、円板の外周に外歯が形成された外歯車である。

　このように、内歯車８２が入力軸６５と同じ回転方向に一体的に回転するようにギヤ接続され、キャリア軸８６が固定されて、遊星歯車８０は内歯車８２と同じ回転方向に回転する。太陽歯車（外歯車）７８は、遊星歯車８０と反対の回転方向に回転する。

　過給機ケース６６の内部に、過給機４２の外部から潤滑液ＯＬを導入して、軸受ハウジング７６に潤滑液ＯＬを導く過給機潤滑液通路９４が形成されている。過給機潤滑液通路９４は、型成形により過給機ケース６６と同時に形成される。本実施形態では、潤滑液ＯＬとしてオイルが用いられている。

　過給機ケース６６と軸受ハウジング７６との間にオイル層９６が形成され、このオイル層９６に過給機潤滑液通路９４が接続されている。これにより、軸受ハウジング７６は、オイル層９６を介して過給機ケース６６に径方向に移動可能に支持されている。オイル層９６は、過給機回転軸４４の揺動を緩和する機能を持つ。オイル層９６の潤滑液ＯＬの一部が、被潤滑部分である軸受６９に供給される。右側の軸受６９を通過したオイルは、外歯７８に供給されて、外歯７８と遊星歯車８０の外歯８１との噛み合い部分を潤滑する。

　過給機回転軸４４における軸受６９とインペラ６０との間に、オイルシールアセンブリＳＡが配置されている。オイルシールアセンブリＳＡは、過給機回転軸４４に嵌合されてインペラ６０と左側の軸受６９の内輪との間で挟圧される筒状のカラー７５と、オイル層９６からのオイル漏れを防ぐためのシール部材７７と、これを保持するシール保持体７９とを有している。

　カラー７５は、羽根車５０と軸受アセンブリＢＡの内輪６９ａとに狭持されて過給機回転軸４４に固定されている。カラー７５が過給機回転軸４４のフランジ部を構成する。カラー７５に代えて、過給機回転軸４４にフランジ部を一体形成してもよい。オイルシール７７は、カラー７５とシール保持体７９との径方向隙間をふさいで、インペラ６０側にオイルが流れるのを防いでいる。シール保持体７９は、オイルシール７７を保持し、ボルト（図示せず）により過給機ケース６６に支持されている。

　過給機回転軸４４の左側端部（先端部）の外周面に雄ねじ部９５が形成されており、この雄ねじ部９５にナットのような締結部材からなる固定具８５が螺合により取り付けられている。固定具８５は、インペラ６０を過給機回転軸４４の軸方向他方側（自動二輪車の右側）に押圧して過給機回転軸４４のカラー７５に当接させることで、過給機回転軸４４に取り付ける。

　インペラ６０は、高温下での応力低下が低い材料、例えばアルミ合金により形成されており、ハブ７３とその外周に配置された翼とからなる。このインペラ６０は、図３に示すように、翼が形成されるインペラ本体１００と、インペラ本体１００から軸方向一方側（左側）に突出して固定具８５（図２）に当接する前端部１０２と、インペラ本体１００から軸方向他方側（右側）に突出して過給機回転軸４４のフランジ部であるカラー７５（図２）に当接する後端部１０４とを備えている。後端部１０４の端面１０４ａは、インペラ６０の回転軸心ＡＸに直交している。

　ここで、インペラ６０の前端および後端は、インペラ６０の回転軸心ＡＸ方向の一方側の端部と他方側の端部とを意味している。つまり、本実施形態では、インペラ６０の前後方向と自動二輪車の前後方向とは異なっている。

　インペラ本体１００は、周方向に離間して配置された複数のメイン翼（長羽根）１０６と、複数のメイン翼１０６の周方向の間に配置された複数のスプリッタ翼（半羽根）１０８とを備えている。メイン翼１０６は、インペラ６０の前端部１０２から後方に延び、スプリッタ翼１０８は、メイン翼１０６の前端よりも後方の位置から後方に延びている。本実施形態では、メイン翼１０６およびスプリッタ翼１０６はそれぞれ６枚設けられている。

　インペラ６０の入口側先端部、つまりメイン翼１０６の前縁における先端１１２で定義される円の外径をインペラ６０の入口径Ｉｉと称し、インペラ６０の後縁の外径を出口径をＩｏと称する。

　インペラ６０の入口径Ｉｉおよび出口径Ｉｏは以下のように設定される。インペラ６０の入口径Ｉｉは、インペラ６０の回転数により決定される。つまり、経験的に、メイン翼１０６における入口側先端部１１２での周速が音速付近のときに最も効率がよくなることが知られているので、通常用いられる回転数の領域において、インペラ６０の入口側先端部１１２での周速が音速となるように入口径Ｉｉを設定するのが好ましい。

　また、本願発明者は、入口側先端部１１２での周速が音速を大きく超えていない場合には、エンジン出力の低下が少ないことを見い出した。つまり、許容最大エンジン回転数で過給機４２が駆動する際の入口側先端部１１２での周速を、音速をやや超えるあたりとなるように入口径Ｉｉを設定すれば、許容最大エンジン回転数時の過給効率を低下させることなく、通常用いられる回転数の領域で入口側先端部１１２での周速を音速付近とすることができる。ここで、「許容最大エンジン回転数」とは、負荷の異常な低下によるエンジンのオーバーラン状態を除き、設計上設定されている最大回転数をいう。

　詳細には、許容最大エンジン回転数で過給機４２が駆動される際に、インペラ６０の入口側先端部１１２での周速が音速を超え、且つ音速の１．３倍以下であるように、インペラ６０の入口径Ｉｉを設定するのがよい。例えば、入口側先端部１１２での周速を音速付近とした従来の過給機では、入口面積が小さくなるために十分な流量が得られなかったのに対し、本願発明の入口側先端部１１２は外径が大きくなっており、流量を十分稼いで、過給機４２の出力および効率を向上させることができる。

　すなわち、エンジンの最大回転数をＮｍ（ｒｅｖ／ｍｉｎ）、増速比をα、音速をＶｓ（ｍｍ／ｓ）とすると、下記の（１）式が成立する。
　［（Ｎｍ×α）／６０］×π×Ｉｉ＞Ｖｓ　・・・（１）
　本実施形態では音速の１．３倍に設定されるので、入口径Ｉｉ（ｍｍ）は、つぎの範囲に設定される。
　１．３×Ｖｓ＞［（Ｎｍ×α）／６０］×π×Ｉｉ＞Ｖｓ
　［（１．３Ｖｓ×６０）／（Ｎｍ×π）］＞Ｉｉ＞［（Ｖｓ×６０）／（Ｎｍ×π）］
　つまり、本実施形態のように増速後の過給機の最大回転数が毎分１４万回転の場合、入口径Ｉｉは４５ｍｍを超えて５９ｍｍ未満が好ましい範囲となる。本実施形態では、入口径Ｉｉ（ｍｍ）は、５２ｍｍに設定される。

　一方、インペラ６０の出口径Ｉｏは、図２のインペラハウジング６３の大きさにより決まる。換言すれば、インペラ６０の大きさ、つまり、インペラ６０の軸方向に直交する方向の寸法（高さ寸法、前後方向寸法）は出口径Ｉｏにより決まり、インペラハウジング６３の大きさはインペラ６０の大きさに比例する。本実施形態の場合、上述のように、図１の過給機４２は、シリンダブロック３０、シリンダヘッド３２、クランクケース２８および吸気チャンバ５４に囲まれた限られたスペースに配置されるので、図３のインペラ６０の出口径Ｉｏは制限されている。具体的には、インペラ６０の出口径Ｉｏは１００ｍｍ以下とすることが要求される。

　このように、インペラ６０の出口径Ｉｏは、自動二輪車に搭載するのに適したサイズとする必要があるため、大きさが制限される。しかしながら、出口径Ｉｏを小さくし過ぎると、偏向が急になって効率が落ちるから好ましくない。本実施形態では、出口径Ｉｏを約６９ｍｍとした。

　これらの条件から、インペラ６０の最適のトリム値ＴＲを設定する。「トリム値ＴＲ」とは、インペラ６０の出口径Ｉｏに対する入口径Ｉｉの比で、（Ｉｉ）２／（Ｉｏ）２（％）で表される。本願発明者は、試行錯誤の結果、インペラ６０のトリム値ＴＲを５０％以上に設定するのが好ましいことを見い出した。トリム値ＴＲは、５５％以上で６５％以下がより好ましく、本実施形態では約５７％である。このとき、入口径Ｉｉは約５２ｍｍであり、入口側先端部１１２の周速は約３８０ｍ／ｓ（１．１５×Ｖｓ程度）となる。

　インペラ６０の軸方向寸法である高さｈは出口径Ｉｏの０．３～０．４倍程度が好ましいことが知られている。本実施形態では、設置スペースの関係で出口径Ｉｏの大きさが制限されているので、インペラ６０の高さｈも小さくなる。その結果、翼１０６，１０８の流れ方向の長さが短くなることが懸念される。そこで、図４に示すメイン翼１０６のバックワード角θ１およびスプリッタ翼１０８のバックワード角θ２を正の値に設定している。これにより、翼１０６，１０８の長さが確保され、高効率化が実現される。

　ここで、「バックワード角」とは、インペラ出口角度のことをいい、詳細には、インペラ６０を入口側（前端側）から軸方向に見た際の、翼の出口端（後縁）の径方向に対する傾斜角度をいう。また、「バックワード角が正の値」とは、バックワード角がインペラ６０の回転方向Ｒに対して後側に傾斜していることをいう。各バックワード角θ１，θ２は、好ましくは３０～５０°で、より好ましくは３５～４５°で、本実施形態では約４０°である。

　後端部１０４の端面１０４ａの外径Ｄｏは、前端部１０２の端面１０２ａの外径Ｄｉよりも大きく設定されている（Ｄｏ＞Ｄｉ）。また、後端部１０４の端面１０４ａの外径Ｄｏは、インペラ本体１００の入口径Ｉｉよりも小さい（Ｄｏ＜Ｉｉ）。インペラ６０の前端面１０２は、固定具８５が当接する座面を構成しており、前端部の端面１０２の外径Ｄｉは、固定具８５の直径とほぼ同じである。このように、外径Ｄｉを固定具８５の直径とほぼ同じにすることで、入口開口を大きくして出力向上を図るとともに、後端部１０４の端面１０４ａの外径Ｄｏを端部の端面１０２の外径Ｄｉよりも大きくして強度を向上させることで、高温条件下での高速回転を可能として、さらなる出力向上を図っている。

　後端部１０４は、カラー７５に当接する端面１０４ａと、端面１０４ａからインペラ本体１００に向かって外径寸法が徐々に大きくなる補強部分１０４ｂとを有している。詳細には、補強部分１０４ｂの外径寸法は、インペラ本体１００に向かって徐々に大きくなる複数の曲率半径が組み合わされる形状で形成され、インペラ本体１００側の曲率半径が後端側の曲率半径よりも大きい。これにより、インペラ本体１００と後端部１０４との境界部分、つまり後端部１０４の根元部分における応力集中が回避される。また、後端部１０４におけるインペラ本体１００との境界部分の外径寸法Ｄ１は、インペラ６０の出口径Ｉｏの１／２よりも大きく、インペラ６０の入口径Ｉｉよりも小さい（Ｉｉ＞Ｄ１＞Ｉｏ／２）。

　また、端面１０４ａの外径Ｄｏは、出口径Ｉｏの０．２８倍以上０．３６倍以下が好ましく、より好ましくは、０．３０倍以上０．３４倍以下であり、本実施形態では０．３２倍である。さらに、端面１０２ａの外径Ｄｉは、入口径Ｉｉの０．２４倍以上０．２８倍以下が好ましく、より好ましくは、０．２５倍以上０．２７倍以下であり、本実施形態では０．２６倍である。

　さらに、スプリッタ翼１０８の前端１１６におけるハブ７３と連結する根元部１１６ａは、軸心方向ＡＸからみて後端部１０４の端面１０４ａの円形の内側に位置している。これにより、スプリッタ翼１０８を設けたことによるインペラ６０の質量増加に対応して、後端部１０４の径方向寸法を大きくして、後端部１０４の強度を向上させることができる。

　後端部１０４のインペラ本体１００からの突出寸法ｔは、図２の過給機回転軸４４が挿通される貫通孔１１０の半径ｒと、図３の前端部１０２の端面１０２ａの半径Ｄｉ／２との差以上に設定されている（ｔ≧（（Ｄｉ／２）－ｒ））。図２に示すように、後端部１０４の端面１０４ａは、シール部材７７に軸方向に対向している。また、インペラ６０の出口径Ｉｏ（図３）、つまりインペラ６０の最大径は、遊星歯車装置６４の外径Ｐよりも小さく設定されている。

　図５に示すように、メイン翼１０６は、吸気の流れ方向ＦＤの中間部に最も厚みが大きくなる最大厚部分１１４を有しており、スプリッタ翼１０８の前端１１６とメイン翼１０６の最大厚部分１１４とが、流れ方向ＦＤにずれて配置されている。詳細には、スプリッタ翼１０８の前端１１６が、メイン翼１０６の最大厚部分１１４よりも上流側に位置している。

　より詳細には、図６に示すメイン翼１０６の横断面の中心線Ｃ１に沿った長さＬに対し、最大厚部分１１４とスプリッタ翼１０８との流れ方向ＦＤの偏位寸法Ｌｄが、Ｌｄ＝（１／１０～１／４）Ｌである（０．１Ｌ≦Ｌｄ≦０．２５Ｌ）。ここで、「メイン翼１０６の横断面」とは、メイン翼１０６における流れ方向ＦＤに沿った断面をいう。

　つぎに、インペラ６０の製造方法について説明する。まず、鍛造により円錐台形状のインペラ原型を成形する。つぎに、旋盤加工によりインペラ６０の概略形状を成形する。この時点で、インペラ本体１００、前端部１０２および後端部１０４は区画されるが、インペラ本体１００には翼１０６，１０８は形成されていない。つづいて、粗加工により翼１０６，１０８の概略形状を形成する。粗加工は、例えば、大きなボールミルを用いて行われる。

　最後に精密加工により翼１０６，１０８の最終形状を形成する。精密加工は、小さなエンドミルを用いた切削加工により行われる。この際、図７に示すように、各翼１０６，１０８の表面は、吸気の流れ方向ＦＤに沿って切削される。また、精密加工は、共通のエンドミルを用いて表面と裏面の両方が同時に加工される。

　つぎに、過給機４２の動作について説明する。図１のエンジンＥが始動すると、クランク軸２６に連動して過給機４２が駆動される。上述のように、図２の過給機回転軸４４は最大毎分１４万回転の高速で回転する。このような高速で回転するので、インペラ６０における外径が最も大きなインペラ本体１００の後端側部分１１８に大きな遠心力が働く。その結果、インペラ６０の後端側の領域ＡＲに外側に向かう大きな引張力が発生する。上述にように、過給機４２の出口で吸気温度が約１００℃に達するので、常温条件下に比べて素材の強度が低下することがあり、高速回転時の遠心力に起因するインペラ６０の変形を防ぐ必要がある。

　インペラ６０の小形化を図りつつ性能を維持するためには、高速化が必要であるが、高速化すると、上述のように大きな遠心力が生じる。上記実施形態では、後端部１０４の端面１０４ａの外径Ｄｏが前端部１０２の端面１０２ａの外径Ｄｉよりも大きく設定されているので、後端部１０４の径方向外側への引張力に対する強度が向上する。したがって、過給機回転軸４４が高速回転してインペラ本体１００の後端側に径方向外側に向かう大きな引張力が発生しても、このような引張力によりインペラ本体１００の後端側が影響を受けるのを抑制できる。これにより、インペラ６０の高速回転が可能になる。

　ただし、図３に示す後端部１０４の端面１０４ａの外径Ｄｏは、インペラ６０の入口径Ｉｉよりも小さい。これにより、後端部１０４が大形化するのを防いで、遠心力の増加を抑制するとともに、インペラ６０の軽量化を図ることができる。

　また、後端部１０４の外径寸法は、インペラ本体１００に向かって徐々に大きくなっているので、後端部１０４におけるインペラ本体１００との境界部分における応力集中が抑制される。また、この境界部分の外径寸法は、インペラ本体１００の出口径Ｉｏの１／２よりも大きく、インペラ本体の入口径Ｉｉよりも小さい。これにより、後端部１０４の剛性を大きくしつつ、インペラ本体１００の後端側部分１１８の外形が大きくなるのを抑制して遠心力を低減できる。

　後端部１０４のインペラ本体１００からの突出寸法ｔは、貫通孔１１０の半径ｒと、前端部１０２の端面１０２ａの半径Ｄｉ／２との差以上に設定されている（ｔ＞（Ｄｉ／２）－ｒ）。これにより、後端部１０４の突出量が大きくなり、インペラ本体１００の後端側の領域ＡＲ（図２）の剛性が低下するのを抑制できる。

　図２に示すように、後端部１０４の端面１０４ａはシール部材７７に軸方向に対向している。これにより、シール部材７７とインペラ６０の軸方向隙間が小さくなるので、潤滑液が漏れるのを防ぐことができる。

　上記構成では、許容最大エンジン回転数で過給機４２が駆動する際に、インペラ６０の入口側先端部１１２での周速が音速を超えるように設定されているので、最大エンジン回転数未満の通常動作領域での周速を音速に近づけることができる。その結果、通常動作領域での過給効率が高くなるので、エンジン出力が向上する。また、インペラ６０の入口側先端部１１２の径方向寸法を、その周速度が音速を超える程度に大きくして流量を稼いでおり、インペラ６０の出口径Ｉｏ、すなわち過給機４２の径方向寸法が大きくなるのを抑制できる。したがって、過給機４２が大形化しないので、自動二輪車の限られた設置スペースに過給機４２を配置できる。

　また、インペラ６０の入口径Ｉｉは、許容最大エンジン回転数時の入口側先端部１１２での周速が音速の１．３倍以下であるように設定されている。これにより、許容最大エンジン回転数時も音速に近い周速で回転するので、許容最大エンジン回転数時での出力低下を抑制できる。その結果、広範囲にわたって良好なエンジン出力を得ることができる。

　さらに、トリム値が５０％以上に設定されており、出口径Ｉｏが小さくなるので、スペースに制限がある自動二輪車においても過給機４２を搭載しやすい。また、インペラ６０の高さｈ（車幅方向寸法）は出口径Ｉｏにより決まるので（ｈ＝０．３～０．４×Ｉｏ程度）、出口径Ｉｏが小さくなると高さｈも小さくなる。本実施形態では、図１の過給機４２はクランクケース２８の幅内に収まっており、さらに、車体左側に吸込口４６が設けられ、右側に動力伝達機構７４（図２）が設けられており、車幅方向のスペースも限られている。しかしながら、インペラ６０の高さｈが小さくなっているので、過給機４２が一層コンパクトになる。したがって、車幅方向の限られたスペースにも、過給機４２を搭載できる。

　また、図４のメイン翼１０６およびスプリッタ翼１０８のバックワード角θ１、θ２が正の値に設定されている。自動二輪車に搭載するためにインペラ６０を小形化すると、翼長が短くなりやすいが、バックワード角θ１、θ２を正の値とすることで、翼長を稼ぐことができる。その結果、インペラ６０を小形化しつつ、過給機４２の効率が低下するのを抑制できる。

　インペラ６０の出口径Ｉｏは、図２の遊星歯車装置６４の外径よりも小さく設定されている。このようなインペラの出口径Ｉｏおよび高さｈが制限される場合でも、バックワード角θ１、θ２を正の値とすることで、インペラ６０を小形化しつつ、過給機４２の効率が低下するのを抑制できる。

　図６に示すように、スプリッタ翼１０８の前端１１６とメイン翼１０６の最大厚部分１１４とが、吸気の流れ方向ＦＤにずれて配置されている。これにより、スプリッタ翼１０８の存在によって流路が急激に狭くなるのを防いで、過給効率を向上させることができる。

　図７に示すように、各翼１０６，１０８の表面が吸気の流れ方向ＦＤに沿って切削加工により形成されている。これにより、切削加工により形成された加工溝に沿って吸気が流れるので、流路抵抗が低減され、その結果、効率が向上する。

　上記実施形態では、遊星歯車装置６４を介してエンジンＥの回転が増速されてインペラ６０に伝達される。これにより、入口径Ｉｉを大きくすることなく、流量を稼ぐことができる。さらに、遊星歯車装置６４に加えて、動力伝達経路での歯車連結により増速することでさらなる入口径Ｉｉの小形化を実現できる。換言すれば、入口径Ｉｉおよび出口径Ｉｏが遊星歯車装置６４の外径Ｐよりも小さくなるように増速比を設定することで、過給機４２の大形化を抑制するとともに、増速比が過剰になるのを防ぐことができる。

　また、トリム値が比較的小さく、翼の径方向寸法が小さくなってしまう場合でも、バックワード角を正とすることで、翼の径方向寸法を延長して、翼による空気の案内面を増やすことができる。これにより、トリム値が小さくなることによる過給効率の低下を抑制できる。また、インペラ６０の高さｈが小さく、翼の軸方向寸法が小さくなってしまう場合でも、バックワード角を正とすることで、翼の横断面の中心線に沿った翼長さを延長して、翼による空気の案内面を増やすことができる。これにより、インペラ６０の高さｈが小さくなることによる過給効率の低下を抑制できる。

　上記実施形態の過給機４２を小形化するには、インペラ６０の高さｈ（車幅方向寸法）を小さくするのが好ましい。つまり、上記実施形態の過給機４２は、インペラハウジング６３の右側に過給機ケース６６が配置され、左側にエアクリーナ４０が配置され、これらインペラハウジング６３、過給機ケース６６およびエアクリーナ４０が、クランクケース２８の幅内に収められている。さらに、前後方向に延びる吸気ダクト５０が車幅方向に湾曲してエアクリーナ４０に接続されるので、車幅方向スペースが一層圧迫される。このように、インペラ６０の高さｈを小形化することが要求される場合でも、上述のようにバックワード角を正とすることで、過給効率の低下を抑制できる。

　換言すれば、出口径Ｉｏが遊星歯車装置６４の外径Ｐよりも小さくなるように設定され、入口径Ｉｉは周速が音速以上となるように設定され、これらを満たすように増速比を設定することで、過給機４２の大形化を防ぎつつエンジン出力の向上を図り、自動二輪車への搭載性も向上させることができる。

　入口側先端部１１２の周速が音速を超える場合、音速を超えた所定範囲内であれば、エンジン出力の低下幅は小さく、この所定範囲を超えると、エンジン出力の低下幅が大きくなる。本発明では、許容最大回転数において、入口側先端部１１２の周速が音速を超え、且つ所定範囲内となるように設定される。この所定範囲は、実験またはシミュレーションによって求めることができる。

　以上説明した各実施形態は、「インペラの入口径」を要件としない応用態様として、つぎのようなものを含む。

　［態様１］
　態様１に係る過給機のインペラは、貫通孔に挿通された過給機の回転軸に固定具を用いて固定される遠心式インペラであって、翼が形成されるインペラ本体と、前記インペラ本体から軸方向一方側に突出して前記固定具に当接する前端部と、前記インペラ本体から軸方向他方側に突出して前記回転軸のフランジ部に当接する後端部とを備え、前記後端部の端面の外径が、前記前端部の端面の外径よりも大きく設定されている。

　態様１の構成によれば、後端部の端面の外径が前端部の端面の外径よりも大きく設定されているので、後端部の径方向外側への引張力に対する強度が向上する。これにより、過給機の回転軸を高速回転させた場合に、外径の最も大きいインペラ本体の後端側の外周部が、遠心力によって径方向外側に向かう大きな引張力を受けても、このような引張力によりインペラ本体の後端側が影響を受けるのを抑制できる。したがって、インペラの高速回転が可能になる。

　［態様２］
　態様１において、前記後端部の端面の外径は、前記インペラ本体の前端部の外径よりも小さいことが好ましい。

　［態様３］
　態様１または２において、前記後端部の外径寸法は、その端面から前記インペラ本体に向かって徐々に大きくなり、前記後端部における前記インペラ本体との境界部分の外径寸法は、前記インペラ本体の基端の外形寸法の１／２よりも大きく、前記インペラ本体の先端の外形寸法よりも小さいことが好ましい。

　［態様４］
　態様１から３のいずれか一態様において、前記後端部の前記インペラ本体からの突出寸法は、貫通孔の半径と、前記前端部の端面の半径との差以上に設定されていることが好ましい。

　［態様５］
　態様１から４のいずれか一態様において、前記後端部は、前記フランジ部の径方向外側に配置されるシール部材に軸方向に対向していることが好ましい。

　本発明は、以上の実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。例えば、上記実施形態のインペラ６０はメイン翼１０６とスプリッタ翼１０８とを有していたが、スプリッタ翼１０８はなくてもよい。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

２６　クランク軸
４２　過給機
４４　過給機回転軸
４６　吸込口
６０　インペラ
６４　遊星歯車装置
７４　チェーン（動力伝達機構）
１０６　メイン翼
１０８　スプリッタ翼
１１２　入口側先端部
１１４　メイン翼の最大厚部分
１１６　スプリッタ翼の前縁
Ｅ　エンジン
Ｉｉ　入口径
Ｉｏ　出口径
ＴＲ　トリム値

Claims

　自動二輪車に搭載されるエンジンのクランク軸に連動して回転し、前記エンジンに吸気を供給する過給機の遠心式インペラであって、
　許容最大エンジン回転数で過給機が駆動される際に、前記インペラの入口側先端部での周速が音速を超えるように入口径が設定されている過給機の遠心式インペラ。
　請求項１に記載の遠心式インペラにおいて、前記許容最大エンジン回転数時の前記インペラの入口側先端部での周速が、音速の１．３倍以下であるように入口径が設定されている過給機の遠心式インペラ。
　請求項１または２に記載の遠心式インペラにおいて、トリム値が５０％以上に設定されている過給機の遠心式インペラ。
　請求項１から３のいずれか一項に記載の遠心式インペラにおいて、翼のバックワード角が正の値に設定されている過給機の遠心式インペラ。
　請求項４に記載の遠心式インペラにおいて、前記クランク軸の回転が、インペラが固定される過給機回転軸に遊星歯車装置を介して伝達され、
　前記遊星歯車装置は、前記クランク軸の回転を増速して前記過給機に伝達し、
　インペラは前記過給機回転軸の一端部に固定され、前記遊星歯車装置は前記過給機回転軸の他端部に連結され、
　インペラの出口径が、前記遊星歯車装置の外径よりも小さく設定されている過給機の遠心式インペラ。
　請求項１から５のいずれか一項に記載の遠心式インペラにおいて、周方向に離間して配置された複数のメイン翼と、前記複数のメイン翼の周方向の間に配置された複数のスプリッタ翼とを備え、
　前記メイン翼は、流れ方向の中間部に最も厚みが大きくなる最大厚部分を有し、
　前記スプリッタ翼の前縁と前記メイン翼の前記最大厚部分とが、吸気の流れ方向にずれて配置されている過給機の遠心式インペラ。
　請求項１から６のいずれか一項に記載の遠心式インペラにおいて、吸気の流れ方向に沿って翼の表面が切削加工によって形成されている過給機の遠心式インペラ。
　請求項１から７のいずれか一項に記載の遠心式インペラにおいて、前記インペラは、貫通孔に挿通された過給機の回転軸に固定具を用いて固定され、
　翼が形成されるインペラ本体と、
　前記インペラ本体から軸方向一方側に突出して前記固定具に当接する前端部と、
　前記インペラ本体から軸方向他方側に突出して前記回転軸のフランジ部に当接する後端部と、を備え、
　前記後端部の端面の外径が、前記前端部の端面の外径よりも大きく設定されている過給機の遠心式インペラ。
　請求項８に記載の遠心式インペラにおいて、前記後端部の端面の外径は、前記インペラ本体の前端部の外径よりも小さい過給機の遠心式インペラ。
　請求項８または９に記載の遠心式インペラにおいて、前記後端部の外径寸法は、その端面から前記インペラ本体に向かって徐々に大きくなり、
　前記後端部における前記インペラ本体との境界部分の外径寸法は、前記インペラ本体の基端の外形寸法の１／２よりも大きく、前記インペラ本体の先端の外形寸法よりも小さい過給機の遠心式インペラ。
　請求項８から１０のいずれか一項に記載の遠心式インペラにおいて、前記後端部の前記インペラ本体からの突出寸法は、貫通孔の半径と、前記前端部の端面の半径との差以上に設定されている過給機の遠心式インペラ。
　請求項８から１１のいずれか一項に記載の遠心式インペラにおいて、前記後端部は、前記フランジ部の径方向外側に配置されるシール部材に軸方向に対向している過給機の遠心式インペラ。
　貫通孔に挿通された過給機の回転軸に固定具を用いて固定される遠心式インペラであって、
　翼が形成されるインペラ本体と、
　前記インペラ本体から軸方向一方側に突出して前記固定具に当接する前端部と、
　前記インペラ本体から軸方向他方側に突出して前記回転軸のフランジ部に当接する後端部と、を備え、
　前記後端部の端面の外径が、前記前端部の端面の外径よりも大きく設定されている過給機の遠心式インペラ。