JP2008240713A - ターボチャージャ用のコンプレッサハウジング - Google Patents

Abstract

【課題】遮音材や循環経路を備えることなく、プレサージラインからサージラインまで発生する異音（高周波音）を大幅に低減またはなくすことができるターボチャージャ用のコンプレッサハウジングを提供する。
【解決手段】コンプレッサインペラ２が、周方向に交互に配置されたそれぞれ複数の長羽根２ａと短羽根２ｂを有し、コンプレッサハウジング１０は、その内面に、短羽根２ｂの前縁チップ部近傍を周方向に囲んで外方に凹み、コンプレッサの吸入口と連通しない環状溝１２を有する
【選択図】図２

Description

本発明は、異音（高周波音）を低減するターボチャージャ用のコンプレッサハウジングに関する。

内燃機関のシリンダに供給される空気或いは混合気をあらかじめ圧縮することを過給といい、その圧縮機を過給機という。また、そのうち機関の排気ガスを利用して過給を行う過給機を排気タービン過給機、または単にターボチャージャという。

図８は、従来のターボチャージャの一例を示す全体構成図である。この図において、ターボチャージャは、タービンロータ軸５１、コンプレッサインペラ５２、ベアリングハウジング５３、タービンハウジング５４、コンプレッサハウジング５５ａ、シールプレート５５ｂ、等からなる。
ベアリングハウジング５３、タービンハウジング５４、コンプレッサハウジング５５ａ及びシールプレート５５ｂは図示の順序で互いに連結されている。また、タービンロータ軸５１は、タービンインペラ５１ａとロータ軸５１ｂが溶接等で一体化されており、ベアリングハウジング５３で回転支持され、コンプレッサインペラ５２に同軸に連結されている。

この構成により、内燃機関の排気ガスでタービンインペラ５１ａを回転駆動し、その回転力をロータ軸５１ｂを介してコンプレッサインペラ５２に伝達してこれを回転駆動し、空気（又は混合気）を圧縮して内燃機関に供給することにより内燃機関の性能を大幅に向上させることができる。

図９は、ターボチャージャを構成するコンプレッサの性能特性図の一例である。この図に示すように、コンプレッサは、一般的に回転速度Ｎが高いほど、圧力比が高く、かつ大流量となる。またこの図で一点鎖線はサージラインであり、同一回転速度において流量がサージラインに達すると、コンプレッサインペラの翼面でサージが発生し、コンプレッサはほとんど圧縮できなくなると共に、激しいサージ音（間欠音）が観測される。
従って、ターボチャージャを備えたエンジンの作動線は、この図に示すようにサージラインから十分離して設定される。

なお、サージラインを小流量側にシフトする手段として、コンプレッサの圧縮経路の途中とコンプレッサの吸入口を連通する循環経路を備え、吸入空気量を見かけ上増やす循環経路付きコンプレッサハウジングが従来から知られている。
かかる循環経路付きコンプレッサハウジングは、例えば特許文献１、２に開示されている。

特許文献１の「滑り部材付きターボチャージャ」は、サージングやチョーキング等を防止するよう構成されたターボチャージャにおいて、耐久性を犠牲にすることなく高い圧縮効率を得ることを目的とする。
図１０に示すように、この滑り部材付きターボチャージャは、コンプレッサハウジング内のコンプレッサインペラへ新気を導く新気通路６３と、コンプレッサインペラに対向するコンプレッサハウジング壁面の一部に形成される第１吸排出口６８と、コンプレッサインペラより上流の新気通路に臨む第２吸排出口６９と、第１及び第２吸排出口を連通させるバイパス通路６０とを備えたターボチャージャであり、コンプレッサインペラのブレード縁部に対向する前記コンプレッサハウジング壁面の少なくとも一部に滑り部材６５を装着したことを特徴とする。

特許文献２の「コンプレッサおよびタービンの内部またはこれに関連する改良」は、コンプレッサホイール（インペラ）の破損時にディフューザフランジを所定に予期破壊することにより、ホイールの破損破片をフランジ内部に保留するようにして破損破片による重大災害を防止することを目的とする。
図１１に示すように、求心コンプレッサ７１は、コンプレッサハウジング７３と、このハウジング内に装着されるコンプレッサブレード７５を備えたコンプレッサホイール７４とを含む。コンプレッサハウジング７３は、カバープレート７６と、このカバープレートおよび軸受ハウジングの双方に固定されるディフューザフランジ７９とを含む。ディフューザフランジ７９は、カバー部材に取着される外側周縁部分と、軸受ハウジングに取着される半径方向内側部分とを含む。ディフューザにはその外側周縁部分と半径方向内側部分との中間位置に壊れ易い溝部が画定されていて、これにより、コンプレッサホイールの破損時におけるディフューザフランジの予期破壊が可能とされている。

特開平１１−１７３１５３号公報、「滑り部材付きターボチャージャ」 特開平１１−１９０２９７号公報、「コンプレッサおよびタービンの内部またはこれに関連する改良」

上述したコンプレッサの性能特性図において、破線はプレサージラインであり、同一回転速度において流量がプレサージラインより少なくなると異音（高周波音）が発生することがある。この高周波音は、音圧レベルが９０ｄＢ以上にも達することがあり、コンプレッサの性能自体は低下しないものの、静寂性が要求される乗用車等では騒音源の１つとして対策が要求される。
この異音（高周波音）は同一回転速度において流量が少なくなるとサージ点まで発生し続け、サージ突入時には異音が消え、代わってサージ音（間欠音）が観測される。

従来、この異音（高周波音）の発生原因は不明であり、通常はターボチャージャからの音を遮音するため、遮音材を設けていたが、遮音のためにコストがかかる問題点があった。

また、上述した循環経路付きコンプレッサハウジングによりサージラインを小流量側にシフトすることで、この異音（高周波音）を低減またはなくすこともできるが、循環経路付きコンプレッサハウジングは、構造が複雑であり、循環経路のないコンプレッサハウジングに比較して製造コストが高い問題点があった。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、遮音材や循環経路を備えることなく、プレサージラインからサージラインまで発生する異音（高周波音）を大幅に低減またはなくすことができるターボチャージャ用のコンプレッサハウジングを提供することにある。

本発明によれば、内燃機関の排気ガスでタービンインペラを回転駆動し、その回転力をコンプレッサインペラに伝達してこれを回転駆動し、空気又は混合気を圧縮して内燃機関に供給するターボチャージャ用のコンプレッサハウジングであって、
前記コンプレッサインペラは、周方向に交互に配置されたそれぞれ複数の長羽根と短羽根を有し、
前記コンプレッサハウジングは、その内面に、前記短羽根の前縁チップ部近傍を周方向に囲んで外方に凹み、コンプレッサの吸入口と連通しない環状溝を有する、ことを特徴とするターボチャージャ用のコンプレッサハウジングが提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記環状溝の軸方向中心は、前記短羽根の前縁チップ部の上流側又は下流側に軸方向５ｍｍ以内に位置し、その軸方向の溝幅は、２．５ｍｍ以上、１０ｍｍ以下であり、環状溝の最大径は前記短羽根の前縁チップ部の１．２倍未満である。

また前記環状溝は、コンプレッサハウジングの内面から外方にコンプレッサの回転軸に対して垂直又は斜めに延びる。

本発明の発明者らは、上述した異音（高周波音）の発生要因は、インペラの旋回失速によるものであり、剥離が成長して短羽根に当たってこの異音が発生することを独自の検討により見出した。本発明はかかる新規の知見に基づくものである。

すなわち、上記本発明の構成によれば、コンプレッサハウジングが、その内面に、短羽根の前縁チップ部近傍を周方向に囲んで外方に凹み、コンプレッサの吸入口と連通しない環状溝を有するので、この環状溝で流路の断面積が急拡大し、消音させることができる。
なおこの消音効果は、後述する実施例で確認されている。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。

図１は、本発明のコンプレッサハウジングを備えたターボチャージャの全体構成図である。
このターボチャージャは、内燃機関の排気ガスでタービンインペラ１を回転駆動し、その回転力をコンプレッサインペラ２に伝達してこれを回転駆動し、空気又は混合気を圧縮して内燃機関に供給するようになっている。

図２は、図１のコンプレッサハウジング部の拡大断面図であり、図３はコンプレッサインペラ２の斜視図である。
図３に示すように、本発明において、コンプレッサインペラ２は、周方向に交互に配置されたそれぞれ複数の長羽根２ａと短羽根２ｂを有する。
本発明のコンプレッサハウジング１０は、図２に示すように、その内面に、コンプレッサインペラ２の短羽根２ｂの前縁チップ部近傍を周方向に囲んで外方に凹み、コンプレッサの吸入口と連通しない環状溝１２を有する。

環状溝１２の軸方向中心ａは、短羽根２ｂの前縁チップ部の上流側又は下流側に軸方向５ｍｍ以内に位置する。また、環状溝１２の軸方向の溝幅ｂは、２．５ｍｍ以上、１０ｍｍ以下である。さらに、環状溝１２の最大径ｄは短羽根２ｂの前縁チップ部の１．２倍未満であるのがよい。

なお、環状溝１２は、コンプレッサハウジング１０の内面から外方にコンプレッサの回転軸に対してこの例では垂直に延びるが、斜めに延びてもよい。

乗用車用エンジンに搭載されているターボチャージャにおいて、エンジン試験により上述した異音（高周波音）が観測された。そのため、ターボ単体の要素性能試験を行い、この要素試験においても、ターボ回転数１６万ｒｐｍ，１８万ｒｐｍにおいて異音が再現され、発生周波数もエンジン上と同等の約２．３ｋＨｚであった。
本発明の発明者らは、異音の発生要因は、インペラの旋回失速によるものであり、図３に圧縮される流体の流れの状態を模式的に示すように、長羽根の入口、チップ近傍で発生した剥離が成長して図の破線部で短羽根に当たってこの異音が発生することを独自の検討により見出した。
その根拠は、異音の周波数が回転１次には依存していない、異音初生点がプレサージ点（入口部圧力変動開始点）と一致している、コンプレッサの不安定領域（右上がりの圧力特性）で異音が発生し続けている、コンプレッサハウジングが振動している、等に基づいている。
また、異音の発生周波数が約２．３ｋＨｚと高い要因は、インペラの特性によるもので、失速セル数（失速している羽根枚数）が多いためと判断した。
上述した新規の知見に基づき、本発明の発明者らは、失速を遅延させる目的で２種のコンプレッサハウジングを準備し、ターボ単体の要素性能試験を実施した。

図４は、本発明のコンプレッサハウジングの第１実施例を示す図である。この図において、（Ａ）は本発明によるコンプレッサハウジング、（Ｂ）は従来の循環経路付きコンプレッサハウジングである。
本発明のコンプレッサハウジング１０は、異音（高周波音）が観測された上記ターボチャージャのコンプレッサハウジングの内面に、環状溝１２を追加工したものである。
この例で、環状溝１２の軸方向中心は、短羽根２ｂの前縁チップ部の上流側に軸方向４ｍｍに位置し、環状溝１２の軸方向の溝幅ｂは２．５ｍｍ、環状溝１２の深さｃは４ｍｍとした。また、環状溝１２は、コンプレッサハウジング１０の内面から外方にコンプレッサの回転軸に対してこの例では垂直に延びる。

一方、従来の循環経路付きコンプレッサハウジングは、異音（高周波音）が観測された上記ターボチャージャのコンプレッサハウジングと内面形状は同一であるが、鋳型から新たに製作した。このコンプレッサハウジングの循環経路は、本発明のコンプレッサハウジング１０と同じ位置とコンプレッサの吸入口を連通する循環経路である。循環経路の溝幅ｂ’は２．５ｍｍ、出口の溝幅ｅは６ｍｍとした。

図５は、従来のコンプレッサハウジングの試験結果である。この図において、上から順に（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、ターボ回転数１６万ｒｐｍ、流量約６，５，４．３ｍ^３／ｍｉｎの場合であり、それぞれ左側は騒音計測値、右側は圧力変動計測値である。
この図から、ターボ回転数１６万ｒｐｍ、流量約６ｍ^３／ｍｉｎ、周波数２．３ｋＨｚ付近において、騒音、圧力変動とも強いピークが発生しており、上述した異音（高周波音）に相当することがわかる。

図６は、本発明のコンプレッサハウジングの試験結果である。この図において、上から順に（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、ターボ回転数１６万ｒｐｍ、流量約６，５，４．３ｍ^３／ｍｉｎの場合であり、それぞれ左側は騒音計測値、右側は圧力変動計測値である。
この図から、ターボ回転数１６万ｒｐｍ、流量約６ｍ^３／ｍｉｎ、周波数２．３ｋＨｚ付近において、騒音、圧力変動のピークはほとんど発生しておらず、上述した異音（高周波音）がほとんど発生しないことがわかる。

表１は、この実施例における異音初生点での異音出力の計測結果である。
この表において、従来のコンプレッサハウジングつまり異音対策無しは、「オリジナル」であり、本発明のコンプレッサハウジングは「環状溝付」であり、別の異音対策である「循環経路付」は参考比較例である。

この表から、ターボ回転数１６、１８万ｒｐｍの両方において、異音出力がオリジナルに比較して大幅に低減されているのがわかる。
なお、参考比較例の循環経路付でも、同様の効果は得られるが、循環経路付きコンプレッサハウジングは、構造が複雑であり、循環経路のないコンプレッサハウジングに比較して製造コストが高いため、本発明の目的は達成できない。

図７は、本発明のコンプレッサハウジングの第２実施例を示す図である。この図において、（Ａ）はオリジナルのコンプレッサハウジング、（Ｂ）は本発明による第２のコンプレッサハウジング、（Ｃ）は本発明による第３のコンプレッサハウジングである。
オリジナルのターボチャージャは、実施例１とは別のものであり、この図でｄ１，ｄ２の直径がそれぞれ６２、８２ｍｍのものである。
（Ｂ）の第２のコンプレッサハウジングは、（Ａ）のオリジナルのコンプレッサハウジングの内面に、環状溝１２を追加工したものである。
この例で、環状溝１２の軸方向中心は、短羽根２ｂの前縁チップ部と一致し、環状溝１２の軸方向の溝幅ｂ１は３．５ｍｍ、環状溝１２の外径ｄ３は８０ｍｍとした。また、環状溝１２は、コンプレッサハウジング１０の内面から外方にコンプレッサの回転軸に対してこの例では上流側に６０度に延びている。
（Ｃ）の第３のコンプレッサハウジングは、（Ｂ）の第２コンプレッサハウジングの環状溝１２の外側に、内径（ｄ４）７５ｍｍ、外径（ｄ５）９０ｍｍ、長さ（ｂ２）２２．５ｍｍの環状空洞を設けたものである。

図７（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）のコンプレッサハウジングを備えたターボチャージャを試験した結果、圧力比２．４において、サージ流量をオリジナル（Ａ）の約８．４ｍ^３／ｍｉｎから、（Ｂ）では約７．７ｍ^３／ｍｉｎまで、（Ｃ）では約７．６ｍ^３／ｍｉｎまで下げることができた。
従って、この結果からも、（Ｂ）（Ｃ）を含む本発明のコンプレッサハウジングによって、サージラインを下げることができ、異音出力も同様に低減できることがわかる。

上述したように、本発明の構成によれば、コンプレッサハウジング１０が、その内面に、短羽根の前縁チップ部近傍を周方向に囲んで外方に凹み、コンプレッサの吸入口と連通しない環状溝１２を有するので、この環状溝１２で流路の断面積が急拡大し、消音させることができ、遮音材や循環経路を備えることなく、プレサージラインからサージラインまで発生する異音（高周波音）を大幅に低減またはなくすことができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更することができることは勿論である。

本発明のコンプレッサハウジングを備えたターボチャージャの全体構成図である。 図１のコンプレッサハウジング部の断面図である。 コンプレッサインペラの斜視図である。 本発明のコンプレッサハウジングの第１実施例を示す図である。 従来のコンプレッサハウジングの試験結果である。 本発明のコンプレッサハウジングの試験結果である。 本発明のコンプレッサハウジングの第２実施例を示す図である。 従来のターボチャージャの一例を示す全体構成図である。 ターボチャージャを構成するコンプレッサの性能特性図の一例である。 特許文献１の「滑り部材付きターボチャージャ」の模式図である。 特許文献２の装置の模式図である。

符号の説明

１ タービンインペラ、２ コンプレッサインペラ、
２ａ 長羽根、２ｂ 短羽根、
１０ コンプレッサハウジング、
１２ 環状溝

Claims (3)

1. 内燃機関の排気ガスでタービンインペラを回転駆動し、その回転力をコンプレッサインペラに伝達してこれを回転駆動し、空気又は混合気を圧縮して内燃機関に供給するターボチャージャ用のコンプレッサハウジングであって、
   前記コンプレッサインペラは、周方向に交互に配置されたそれぞれ複数の長羽根と短羽根を有し、
   前記コンプレッサハウジングは、その内面に、前記短羽根の前縁チップ部近傍を周方向に囲んで外方に凹み、コンプレッサの吸入口と連通しない環状溝を有する、ことを特徴とするターボチャージャ用のコンプレッサハウジング。
2. 前記環状溝の軸方向中心は、前記短羽根の前縁チップ部の上流側又は下流側に軸方向５ｍｍ以内に位置し、その軸方向の溝幅は、２．５ｍｍ以上、１０ｍｍ以下であり、環状溝の最大径は前記短羽根の前縁チップ部の１．２倍未満である、ことを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャ用のコンプレッサハウジング。
3. 前記環状溝は、コンプレッサハウジングの内面から外方にコンプレッサの回転軸に対して垂直又は斜めに延びる、ことを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャ用のコンプレッサハウジング。

Images