JP2008031892A - 過給機 - Google Patents

Abstract

【課題】加圧空気或いは排気ガスの流れを改善し、また周辺に配置させた他の装置との干渉を回避することができる過給機を提案する。
【解決手段】排気タービンにより回転駆動されるコンプレッサインペラと、コンプレッサインペラを収容するコンプレッサハウジング２４を有する過給機において、コンプレッサハウジング２４に形成されて内燃機関の給気口に接続する吐出口３４の開口形状を、コンプレッサインペラの回転軸の軸方向（Ｘ）で対向し合う第一の壁面間の距離（２ａ）がコンプレッサインペラの回転軸の半径方向（Ｙ）で対向し合う第二の壁面間の距離（２ｂ）よりも長くなるように形成した。
【選択図】図２

Description

本発明は、過給機に係り、特に過給機のハウジングに設けられる吐出口、排気ガス入口等に関する。

過給機は、内燃機関の排気ガスにより回転軸を回転させ、その回転軸に連結した圧縮機を作動させて気体を圧縮し、高圧になった気体を内燃機関に供給することで、エンジンの出力や効率を向上させるものである。
この過給機は、コンプレッサハウジングに形成された吐出口が内燃機関の給気口に、タービンハウジングに形成された排気ガス入口が内燃機関の排気口に、それぞれ接続される。
コンプレッサハウジングの吐出口及びタービンハウジングの排気ガス入口は、それぞれ円形に形成されるが、例えばコンプレッサハウジングから発生する騒音を低減するために、吐出口の開口断面積を設定する技術等が開示されている。
特開平８−３１２３６１号公報

ところで、コンプレッサハウジングの吐出口及びタービンハウジングの排気ガス入口の開口形状は、過給機と内燃機関との間を流通する加圧空気或いは排気ガスの流れに影響を与えることが知られている。
また、吐出口及び排気ガス入口は、コンプレッサハウジング及びタービンハウジングから突出するように形成されて内燃機関に連結するため、限られた空間内に配置される場合には、これらの周辺に配置させた他の装置との干渉を回避する必要がある。
しかしながら、加圧空気或いは排気ガスの流れを改善し、また周辺に配置させた他の装置との干渉を回避するために、吐出口や排気ガス入口の開口形状を規定する技術は見当たらない。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、加圧空気或いは排気ガスの流れを改善し、また周辺に配置させた他の装置との干渉を回避することができる過給機を提案することを目的とする。

本発明に係る過給機では、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
第１の発明は、排気タービンにより回転駆動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を収容するコンプレッサハウジングを有する過給機において、前記コンプレッサハウジングに形成されて内燃機関の給気口に接続する吐出口の開口形状を、前記コンプレッサインペラの回転軸の軸方向で対向し合う第一の壁面間の距離が前記コンプレッサインペラの回転軸の半径方向で対向し合う第二の壁面間の距離よりも長くしたことを特徴とする。
また、前記吐出口は、前記第一の壁面間の距離と前記第二の壁面間の距離との比が２．０以下に形成されることを特徴とする。

第２の発明は、排気タービンにより回転駆動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を収容するコンプレッサハウジングを有する過給機において、前記コンプレッサハウジングに形成されて内燃機関の給気口に接続する吐出口の開口形状を楕円形にしたことを特徴とする。

また、前記吐出口は、前記コンプレッサインペラの回転軸の軸方向と同軸方向が長径となるように形成されることを特徴とする。
また、前記吐出口は、長径と短径との比が２．０以下に形成されることを特徴とする。

第３の発明は、コンプレッサを回転駆動するタービンインペラと、前記タービンインペラを収容するタービンハウジングを有する過給機において、前記タービンハウジングに配置されて形成されて内燃機関の排気口に接続する排気ガス入口の開口形状を、前記タービンインペラの回転軸の軸方向で対向し合う第三の壁面間の距離が前記タービンインペラの回転軸の半径方向で対向し合う第四の壁面間の距離よりも長くしたことを特徴とする。
また、前記排気ガス入口は、前記第三の壁面間の距離と前記第四の壁面間の距離との比が２．０以下に形成されることを特徴とする。

第４の発明は、コンプレッサを回転駆動するタービンインペラと、前記タービンインペラを収容するタービンハウジングを有する過給機において、前記タービンハウジングに配置されて形成されて内燃機関の排気口に接続する排気ガス入口の開口形状を楕円形にしたことを特徴とする。

また、前記排気ガス入口は、前記タービンインペラの回転軸の軸方向と同軸方向が長径となるように形成されることを特徴とする。
また、前記排気ガス入口は、長径と短径との比が２．０以下に形成されることを特徴とする。

第５の発明は、コンプレッサハウジングに形成されて外部空気を吸気する吸気口の口形状を楕円形にしたことを特徴とする。

第６の発明は、タービンハウジングに形成されて排気ガスを外部に排出する排気ガス出口の口形状を楕円形にしたことを特徴とする。

本発明によれば以下の効果を得ることができる。
コンプレッサハウジングに形成される吐出口やタービンハウジングに形成される排気ガス入口の開口形状を、コンプレッサインペラ又はタービンインペラの回転軸の軸方向で対向し合う壁面間の距離が、コンプレッサインペラ又はタービンインペラの回転軸の半径方向で対向し合うの壁面間の距離よりも長くしたので、吐出口や排気ガス入口を流れる流体のエネルギー損失を抑制することが可能となる。

コンプレッサハウジングに形成される吐出口やタービンハウジングに形成される排気ガス入口の開口形状を楕円形とすることで、過給機の周辺に配置される他の装置との干渉を回避することが可能となる。これにより、限られた空間内に過給機や他の装置を効率的に配置することができる。

また、吐出口や排気ガス入口の形状を、タービンシャフトと同軸方向が長径となるように形成することで、吐出口や排気ガス入口に発生する流体（加圧空気、排気ガス）の速度分布のばらつきを小さくすることができ、これにより流体の流れが円滑となる。

以下、本発明に係る過給機の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る過給機（ターボチャージャ）１０の全体構成を示す断面図である。

過給機１０は、排気ガスタービン部Ｔとコンプレッサ部Ｃとから構成される。
具体的には、過給機１０は、タービンインペラ１１と、コンプレッサインペラ１２と、タービンインペラ１１とコンプレッサインペラ１２とを連結する回転軸としてのシャフト１３と、これらを囲むハウジング１４と、ハウジング１４内でシャフト１３を回転自在に支持する軸受１５等とを備えており、タービンインペラ１１側が排気ガスタービン部Ｔを、コンプレッサインペラ１２側がコンプレッサ部Ｃを構成する。

タービンインペラ１１とシャフト１３とは溶接等により一体化され、コンプレッサインペラ１２とシャフト１３とはナット等を介して結合されている。
また、ハウジング１４は、タービンハウジング２１、ベアリングハウジング２２、シールプレート２３、及びコンプレッサハウジング２４等が順に連結された構成からなる。

タービンハウジング２１の外周側には、排気ガス入口３１が形成される。この排気ガス入口３１は内燃機関Ｅの排気口Ｅ２に接続されて、内燃機関Ｅから排気ガスが導かれる。
また、タービンハウジング２１には、シャフト１３と同軸上に、排気ガス出口３２が形成される。この排気ガス出口３２は、排気筒（図示せず）等に接続される。

コンプレッサハウジング２４には、シャフト１３と同軸上に、吸気口３３が形成される。この吸気口３３から外気が吸引される。
また、コンプレッサハウジング２４の円周所要位置には、吐出口３４が形成される。この吐出口３４は、内燃機関Ｅの給気口Ｅ１に接続されて、加圧空気を内燃機関Ｅに向けて導く。

このような構成により、内燃機関Ｅから、高温・高圧の排気ガスが排気ガス入口３１よりタービンハウジング２１内に流入し、タービンインペラ１１を回転させた後に、排気ガス出口３２より外部に排気される。そして、タービンインペラ１１の回転は、シャフト１３を介して、コンプレッサインペラ１２を伝達される。
これにより、吸気口３３より外気がコンプレッサハウジング２４内に吸入され、更に圧縮された後に、吐出口３４を経て内燃機関Ｅに供給される。なお、シャフト１３の回転数は、例えば数万〜数１０万ｒｐｍ程度となる。

図２は、コンプレッサハウジング２４の詳細形状を示す図である。
コンプレッサハウジング２４は、ダイキャスト法等を用いて形成された部材であって、円筒形に形成された吸気口３３、吸気口３３の外周側を取り巻くように配置されたスクロール部３５、スクロール部３５の一部からその接線方向に突出するように配置された吐出口３４を有している。

図２（ｃ）に示すように、吐出口３４は、楕円形に形成された開口を有している。そして、この吐出口３４は、吸気口３３の中心軸方向（コンプレッサインペラ１２の回転軸の軸方向：図２のＸ方向）が長径（ａ）となり、吸気口３３の中心軸方向に直交する放射方向（コンプレッサインペラ１２の回転軸の半径方向：図２のＹ方向）が短径（ｂ）となるように形成されている。すなわち、吐出口３４の開口形状を、Ｘ方向で対向し合う壁面間の距離（２ａ）が、Ｙ方向で対向し合う壁面間の距離（２ｂ）よりも長くなるように形成されている。

吐出口３４の開口形状を楕円形とするのは、過給機１０や内燃機関Ｅの周辺に配置される他の装置との干渉を回避するためである。他の装置としては、例えば、内燃機関Ｅに接続される配管類、過給機１０及び内燃機関Ｅを固定するための部材等である。
また、吐出口３４の開口形状を、Ｘ方向が長径、Ｙ方向が短径となるように形成するのは、吐出口３４を流れる加圧空気の速度分布のばらつきを小さくするためである。

より詳しく説明すると、コンプレッサインペラ１２で加圧された加圧空気は、スクロール部３５を経由して吐出口３４に導かれる。その際、加圧空気の流れをできるだけ乱さないで吐出口３４に導くため、スクロール部３５から吐出口３４にかけて、加圧空気が通過する流路断面形状は滑らかに変化させる必要がある。つまり、スクロール部３５の流路断面形状は、吐出口３４にかけて徐々に変化しながら吐出口３４で所定の楕円形状とする必要がある。そのため、スクロール部３５の舌部近傍の流路断面形状も吐出口３４の流路断面形状の影響を受けて楕円形に近い形状となる。

コンプレッサインペラ１２からスクロール部３５に流れてくる加圧空気は、スクロール部３５の流路断面では、インペラ１２の中心軸（シャフト１３と同軸）を中心とした角運動量が一定となるような速度分布を有する特性があり、インペラ１２の中心軸から遠い領域ほど、加圧空気の流速は遅くなるせん断流となっている。このせん断は、結果的にミキシングして流体エネルギーの損失となるので、スクロール部３５から吐出口３４にかけての流れは、できるだけ均一にすることが好ましい。
吐出口３４、ひいては吐出口３４につながるスクロール３５の一部の開口形状をＸ方向が長径（ａ）でＹ方向が短径（ｂ）となる楕円形として流路断面のインペラ１２の中心軸からの距離が最も遠い位置と最も近い位置の互いのインペラ１２の中心軸からの距離の差を小さくして上記せん断流の速度差が大きくならないようにすることで、流体のエネルギー損失を抑制することが可能となる。

図３は、吐出口３４の長径ａと短径ｂの比率を説明するための図である。
吐出口３４の開口形状を楕円形とする場合、その開口面積（流路面積）を変更前（円形の場合）と同一にする必要がある。すなわち、吐出口３４の開口面積（流路面積）は、過給機１０の仕様条件により異なるが、仕様条件から規定される所定の開口面積（Ｓ１）を有することが要求される。

このため、吐出口３４の長径ａと短径ｂは、所定の開口面積（Ｓ１）を満たす関係を有する。具体的には、吐出口３４の長径ａと短径ｂは、式（１）の関係を有する。
Ｓ１＝ａｂπ・・・（１）

したがって、例えば、Ｓ１＝π（半径１の円形の場合と同一面積）の場合には、長径ａと短径ｂは、式（２）の関係を有する（図３参照）。
ａｂ＝１・・・（２）

また、吐出口３４は、長径ａと短径ｂが式（１）を満たし、且つ、長径ａと短径ｂとの比が２．０以下となることが好ましい（図３の実線部分）。長径ａと短径ｂとの比が２．０を越えると（図３の破線部分）、製造上及び組立上、実現困難となってしまう場合があるからである。

なお、上述した実施の形態において示した動作手順、あるいは各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

上述した実施形態では、コンプレッサハウジング２４の吐出口３４の開口形状を楕円形にする場合について説明したが、これに限らない。
タービンハウジング２１の排気ガス入口３１の開口形状を楕円形としてもよい。これにより、吐出口３４の開口形状を楕円形とした場合と同様に、周辺に配置される他の装置との干渉を回避することが可能となる。排気ガス入口３１の長径ａと短径ｂの比率も、吐出口３４の場合と同様である。
また、タービンハウジング２１のタービンスクロールに排気ガスが流入する部位の流路断面で、タービンインペラ１１の中心軸からの距離が最も遠い位置と最も近い位置でのタービンインペラ１１の中心軸（シャフト１３と同軸）を中心とした排気ガスの角運動量の差が大きくならないようにすることができ、タービンスクロールからタービンインペラ１１に無理なく排気ガスを導くことができる。

また、内燃機関Ｅに連結する排気ガス入口３１や吐出口３４の開口形状を楕円形にする場合に限らない。タービンハウジング２１の排気ガス出口３２やコンプレッサハウジング２４の吸気口３３においても、内燃機関Ｅと過給機の配置の都合上、排気ガス配管や吸気配管に曲げ部を設けなくてはならない場合、その曲げ部における配管内で流れの偏りが避けられない場合は、同様の考え方で流路断面形状を楕円形に形成してもよい。

本発明の実施形態に係る過給機１０の全体構成を示す断面図である。 コンプレッサハウジング２４の詳細形状を示す図である。 吐出口３４の長径ａと短径ｂの比率を説明するための図である。

符号の説明

１０…過給機
１１…タービンインペラ
１２…コンプレッサインペラ
１３…シャフト（タービンシャフト）
２１…タービンハウジング
２４…コンプレッサハウジング
３１…排気ガス入口
３２…排気ガス出口
３３…吸気口
３４…吐出口
Ｔ…排気ガスタービン部
Ｃ…コンプレッサ部
Ｅ…内燃機関
Ｅ１…給気口
Ｅ２…排気口
ａ…長径（第一の壁面間の距離，第三の壁面間の距離）
ｂ…短径（第二の壁面間の距離，第四の壁面間の距離）

Claims (12)

1. 排気タービンにより回転駆動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を収容するコンプレッサハウジングを有する過給機において、
   前記コンプレッサハウジングに形成されて内燃機関の給気口に接続する吐出口の開口形状を、
   前記コンプレッサインペラの回転軸の軸方向で対向し合う第一の壁面間の距離が前記コンプレッサインペラの回転軸の半径方向で対向し合う第二の壁面間の距離よりも長くしたことを特徴とする過給機。
2. 前記吐出口は、前記第一の壁面間の距離と前記第二の壁面間の距離との比が２．０以下に形成されることを特徴とする請求項１に記載の過給機。
3. 排気タービンにより回転駆動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を収容するコンプレッサハウジングを有する過給機において、
   前記コンプレッサハウジングに形成されて内燃機関の給気口に接続する吐出口の開口形状を楕円形にしたことを特徴とする過給機。
4. 前記吐出口は、前記コンプレッサインペラの回転軸の軸方向と同軸方向が長径となるように形成されることを特徴とする請求項３に記載の過給機。
5. 前記吐出口は、長径と短径との比が２．０以下に形成されることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の過給機。
6. コンプレッサを回転駆動するタービンインペラと、前記タービンインペラを収容するタービンハウジングを有する過給機において、
   前記タービンハウジングに配置されて形成されて内燃機関の排気口に接続する排気ガス入口の開口形状を、
   前記タービンインペラの回転軸の軸方向で対向し合う第三の壁面間の距離が前記タービンインペラの回転軸の半径方向で対向し合う第四の壁面間の距離よりも長くしたことを特徴とする過給機。
7. 前記排気ガス入口は、前記第三の壁面間の距離と前記第四の壁面間の距離との比が２．０以下に形成されることを特徴とする請求項６に記載の過給機。
8. コンプレッサを回転駆動するタービンインペラと、前記タービンインペラを収容するタービンハウジングを有する過給機において、
   前記タービンハウジングに配置されて形成されて内燃機関の排気口に接続する排気ガス入口の開口形状を楕円形にしたことを特徴とする過給機。
9. 前記排気ガス入口は、前記タービンインペラの回転軸の軸方向と同軸方向が長径となるように形成されることを特徴とする請求項８に記載の過給機。
10. 前記排気ガス入口は、長径と短径との比が２．０以下に形成されることを特徴とする請求項８又は請求項９に記載の過給機。
11. コンプレッサハウジングに形成されて外部空気を吸気する吸気口の口形状を楕円形にしたことを特徴とする過給機。
12. タービンハウジングに形成されて排気ガスを外部に排出する排気ガス出口の口形状を楕円形にしたことを特徴とする過給機。
    
    
    
    
    

Images