JP2014125912A - 遠心式過給機 - Google Patents

Abstract

【課題】効率低下を抑えつつ、タービン軸の振動に伴うインペラとハウジングの接触を回避する。
【解決手段】遠心式過給機は、過給機本体と、過給機本体内に回転自在に収容され、両端にインペラが設けられたタービン軸と、タービン軸を回転自在に軸支する軸受部と、過給機本体のうち、少なくとも一端に設けられたコンプレッサインペラ１１を、タービン軸の径方向外方から覆うシュラウド部２０と、を備え、コンプレッサインペラとシュラウド部との間隙Ｓは、タービン軸の中心側よりもタービン軸の端部側の方が大きい。
【選択図】図３

Description

本発明は、ハウジングにインペラが収容された遠心式過給機に関する。

従来、一端にタービンインペラが設けられ他端にコンプレッサインペラが設けられたタービン軸が、ベアリングハウジングに回転自在に軸支された過給機が知られている。こうした過給機をエンジンに接続し、エンジンから排出される排気ガスによってタービンインペラを回転させるとともに、このタービンインペラの回転によって、タービン軸を介してコンプレッサインペラを回転させる。こうして、過給機は、コンプレッサインペラの回転に伴い空気を圧縮してエンジンに送出する。

両インペラは、それぞれのハウジングに非接触状態で収容される。例えば、特許文献１では、タービンハウジングのうち、タービンインペラに対向する曲面を、タービン軸に垂直な断面形状が、タービン軸の軸心を中心とした円弧、および、タービン軸の軸心に対して偏心した円弧とを組み合わせたものとなる構成が提案されている。この構成によれば、タービンハウジングが熱変形を起こしてもタービンインペラとタービンハウジングの間隙を適正に維持できるとしている。

特開昭６２−１２６２２５号公報

ところで、タービン軸は軸受によって軸支されており、この軸受に両端のインペラの荷重が負荷されている。この状態でタービン軸が回転するため、タービン軸のうち、軸受から両端までの部分は、軸受部分を頂点とする円錐状の軌跡で振動する。すると、インペラがハウジングと接触してしまうおそれがある。

しかし、このようなインペラとハウジングの接触を回避するため、インペラとハウジングの間隙を一様に大きくするだけでは効率低下を招く。具体的には、コンプレッサインペラの場合、コンプレッサインペラの回転力によって空気を圧縮する効率が低下する。また、タービンインペラの場合、排気ガスのエネルギーをタービンインペラの回転力に変換する効率が低下する。

本発明の目的は、効率低下を抑えつつ、タービン軸の振動に伴うインペラとハウジングの接触を回避することが可能な遠心式過給機を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明の遠心式過給機は、過給機本体と、前記過給機本体内に回転自在に収容され、両端にインペラが設けられたタービン軸と、前記タービン軸を回転自在に軸支する軸受部と、前記過給機本体のうち、少なくとも前記タービン軸の一端に設けられた前記インペラを、前記タービン軸の径方向外方から覆うシュラウド部と、を備え、前記インペラと前記シュラウド部との間隙は、前記タービン軸の中心側よりも該タービン軸の端部側の方が大きいことを特徴とする。

前記インペラは、前記タービン軸の端部側に位置する直線部と、該直線部に連続し、前記タービン軸の中心側に向かうにしたがって外径が大きくなる湾曲部と、を有し、前記シュラウド部は、前記タービン軸に対して平行、もしくは、前記インペラの直線部との間隙が、前記タービン軸の中心側から端部側に向かうにしたがって漸増する角度を維持する対向直線部を有し、前記対向直線部は、前記インペラの直線部に連続する湾曲部の一部に対向する部位まで延在していてもよい。

前記シュラウド部は、前記インペラに対して前記タービン軸の径方向に対向する部位において、前記タービン軸の端部側に向かうにしたがって当該タービン軸からの距離が大きくなる傾斜部を有してもよい。

電磁力によって前記タービン軸を回転駆動する、または、該タービン軸の回転動力を電磁誘導によって電力に変換する電磁機構をさらに備えてもよい。

前記タービン軸の一端に設けられたインペラは、吸気を圧縮するコンプレッサとして機能するコンプレッサインペラであって、前記電磁機構は、前記軸受部と前記コンプレッサインペラとの間に設けられていてもよい。

本発明によれば、効率低下を抑えつつ、タービン軸の振動に伴うインペラとハウジングの接触を回避することが可能となる。

遠心式過給機の概略断面図である。 タービン軸の振れ角と振れ量との関係を説明するための説明図である。 コンプレッサハウジングおよびコンプレッサインペラの間隙を説明するための説明図である。 変形例におけるコンプレッサハウジングとコンプレッサインペラの間隙を説明するための説明図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、遠心式過給機Ｃの概略断面図である。以下では、図に示す矢印Ｌ方向を遠心式過給機Ｃの左側とし、矢印Ｒ方向を遠心式過給機Ｃの右側として説明する。図１に示すように、遠心式過給機Ｃは、過給機本体１を備えて構成される。この過給機本体１は、ベアリングハウジング２と、ベアリングハウジング２の左側に締結ボルト３によって連結されるタービンハウジング４と、ベアリングハウジング２の右側に嵌め込まれる電磁機構本体５と、電磁機構本体５の右側に締結ボルト６によって連結されるコンプレッサハウジング７と、が一体化されて形成されている。

ベアリングハウジング２には、遠心式過給機Ｃの左右方向に貫通する軸受孔２ａが形成されており、この軸受孔２ａに軸受部８が配され、軸受部８によってタービン軸９が回転自在に軸支されている。タービン軸９の左端部にはタービンインペラ１０が一体的に連結されており、このタービンインペラ１０がタービンハウジング４内に回転自在に収容されている。また、タービン軸９の右端部にはコンプレッサインペラ１１が一体的に連結されており、このコンプレッサインペラ１１がコンプレッサハウジング７内に回転自在に収容されている。

コンプレッサハウジング７には、遠心式過給機Ｃの右側に開口するとともに不図示のエアクリーナに接続される吸気口１２が形成されている。また、締結ボルト６によって電磁機構本体５とコンプレッサハウジング７とが連結された状態では、これら電磁機構本体５およびコンプレッサハウジング７の対向面によって、空気を昇圧（圧縮）するディフューザ流路１３が形成される。このディフューザ流路１３は、タービン軸９（コンプレッサインペラ１１）の径方向内側から外側に向けて環状に形成されており、上記の径方向内側において、コンプレッサインペラ１１を介して吸気口１２に連通している。

また、コンプレッサハウジング７には、ディフューザ流路１３よりもタービン軸９（コンプレッサインペラ１１）の径方向外側に位置する環状のコンプレッサスクロール流路１４が設けられている。コンプレッサスクロール流路１４は、不図示のエンジンの吸気口と連通するとともに、ディフューザ流路１３にも連通している。したがって、コンプレッサインペラ１１が回転すると、吸気口１２からコンプレッサハウジング７内に空気が吸気されるとともに、当該吸気された空気は、遠心力の作用によりディフューザ流路１３およびコンプレッサスクロール流路１４で昇圧されてエンジンの吸気口に導かれることとなる。このように、コンプレッサインペラ１１は、吸気を遠心力で圧縮する遠心式のコンプレッサとして機能する。

タービンハウジング４には、タービンインペラ１０よりもタービン軸９の径方向外方に位置する環状のタービンスクロール流路１５が形成されている。また、タービンハウジング４には、タービンインペラ１０を介してタービンスクロール流路１５に連通するとともに、タービンインペラ１０の正面に臨み、不図示の排気ガス浄化装置に接続される吐出口１６が形成されている。

また、締結ボルト３によってベアリングハウジング２とタービンハウジング４とが連結された状態では、これら両ハウジング２、４の対向面間に隙間１７が形成される。この隙間１７は、排気ガスが流通する可変流路ｘが構成される部分であり、タービン軸９の径方向内側から外側に向けて環状に形成されている。

タービンスクロール流路１５は、エンジンから排出される排気ガスが導かれる不図示のガス流入口と連通するとともに、上記の隙間１７にも連通している。したがって、ガス流入口からタービンスクロール流路１５に導かれた排気ガスは、可変流路ｘおよびタービンインペラ１０を介して吐出口１６に導かれるとともに、その流通過程においてタービンインペラ１０を回転させることとなる。そして、上記のタービンインペラ１０の回転力は、タービン軸９を介してコンプレッサインペラ１１に伝達されることとなり、コンプレッサインペラ１１の回転力によって、上記のとおりに、空気が昇圧されてエンジンの吸気口に導かれることとなる。

タービンハウジング４に導かれる排気ガスの流量が変化すると、タービンインペラ１０およびコンプレッサインペラ１１の回転量が変化して、十分に昇圧された空気をエンジンの吸気口に安定的に導くことができなくなってしまう場合がある。そこで、タービンハウジング４の隙間１７には、タービンハウジング４とベアリングハウジング２との対向面に固定され、タービンスクロール流路１５と吐出口１６との連通開度を可変する可変静翼機構１８が設けられている。

可変静翼機構１８は、排気ガスの流量に応じて、タービンインペラ１０に導かれる排気ガスの流速を変化させる。具体的に、可変静翼機構１８は、エンジンの回転数が低く排気ガスの流量が少ない場合には、可変流路ｘの開度を小さくしてタービンインペラ１０に導かれる排気ガスの流速を向上し、少ない流量でもタービンインペラ１０を回転させることができるようにするものである。

また、軸受部８とコンプレッサインペラ１１の間には電磁機構１９が配される。電磁機構１９は、電磁機構本体５の内部にコイルと磁石を設けて構成され、電動機（モータ）および発電機として機能する。具体的に、電磁機構１９は、ベアリングハウジング２とコンプレッサインペラ１１との間に配され、外部電力が供給されると、電磁力によってタービン軸９を回転駆動する。また、電磁機構１９は、タービン軸９の回転動力を電磁誘導によって電力に変換し、不図示の蓄電池などに出力する。

図２は、タービン軸９の振れ角と振れ量との関係を説明するための説明図である。タービン軸９は、軸受部８を回転中心として、円錐状の軌跡で振動する場合がある。例えば、図２に示すように、任意の振れ角θで振動する場合、その振動の回転中心Ｏに近い部位における振れ量Ｗ_１よりも、遠い部分における振れ量Ｗ_２の方が大きくなる。

上述したように、軸受部８とコンプレッサインペラ１１の間に電磁機構１９を設ける場合、電磁機構１９を設けない場合に比べて、軸受部８からコンプレッサインペラ１１までのタービン軸９の長さが長くなってしまう。そのため、タービン軸９の軸受部８を中心とした振動によって生じる、コンプレッサインペラ１１の振れ量は大きくなる。

このように、コンプレッサインペラ１１の振れ量の増大に対し、コンプレッサハウジング７とコンプレッサインペラ１１の接触を回避するため、コンプレッサハウジング７とコンプレッサインペラ１１の間隙を大きくする構成が考えられる。しかし、コンプレッサハウジング７とコンプレッサインペラ１１の間隙を一様に大きくすると、間隙から空気が漏れ出てしまい、空気を圧縮する効率の低下を招いてしまう。

そこで、本実施形態では、コンプレッサハウジング７とコンプレッサインペラ１１の間隙の取り方を工夫することで、コンプレッサハウジング７とコンプレッサインペラ１１との衝突を回避しつつ、空気の圧縮効率の低下を抑制する。以下、コンプレッサハウジング７とコンプレッサインペラ１１の間隙について詳述する。

図３は、コンプレッサハウジング７およびコンプレッサインペラ１１の間隙Ｓを説明するための説明図であり、図１の破線で囲われた部分を拡大して示す。

上述したように、コンプレッサインペラ１１は、コンプレッサハウジング７に収容されており、コンプレッサインペラ１１の周方向に亘って、コンプレッサハウジング７に囲繞されている。ここでは、コンプレッサハウジング７のうち、コンプレッサインペラ１１を、タービン軸９の径方向外方から覆う内面部分をシュラウド部２０と称する。

コンプレッサインペラ１１のうち、タービン軸９の端部側（図３中、右側）には、直線部１１ａが設けられている。直線部１１ａは、図３に示すように、コンプレッサインペラ１１のうち、径方向外方の端部１１ｂが、タービン軸９の軸方向に沿って直線状となっている部位である。

また、コンプレッサインペラ１１には、湾曲部１１ｃが設けられている。湾曲部１１ｃは、直線部１１ａのうち、タービン軸９の中心側（図３中、左側）に連続し、タービン軸９の中心側に向かうにしたがって外径が大きくなる部位である。換言すれば、湾曲部１１ｃは、コンプレッサインペラ１１のうち、径方向外方の端部１１ｂが、曲線状に湾曲している部位である。図３中、破線で直線部１１ａと湾曲部１１ｃの境界を示す。

そして、シュラウド部２０は、傾斜部２０ａを有している。傾斜部２０ａは、シュラウド部２０のうち、コンプレッサインペラ１１、より詳細にはコンプレッサインペラ１１の直線部１１ａに対してタービン軸９の径方向に対向する部位に設けられ、タービン軸９の端部側に向かうにしたがってタービン軸９からの距離が大きくなる。図３では、傾斜部２０ａがなかった場合のシュラウド部２０の輪郭線を一点鎖線で示す。

そして、傾斜部２０ａとコンプレッサインペラ１１との最短距離（傾斜部２０ａのいずれかの位置から、コンプレッサインペラ１１の最も近い部分までの距離、すなわち、傾斜部２０ａのいずれかの位置からコンプレッサインペラ１１までの、タービン軸９に垂直な面方向の距離）は、タービン軸９の中心側よりも端部側の方が大きい。また、傾斜部２０ａの端部のうち、図３中、左側の端部２０ｂから、タービン軸９の中心側に延在するシュラウド部２０は、コンプレッサインペラ１１との最短距離（端部２０ｂからタービン軸９の中心側に延在するシュラウド部２０のいずれかの位置から、コンプレッサインペラ１１の最も近い部分までの距離、すなわち、端部２０ｂからタービン軸９の中心側に延在するシュラウド部２０のいずれかの位置において、法線方向のコンプレッサインペラ１１との距離）が大凡一定となっている。

間隙Ｓは、コンプレッサハウジング７のいずれかの位置と、コンプレッサインペラ１１との最短距離が大きいほど大きくなり、コンプレッサハウジング７のいずれかの位置と、コンプレッサインペラ１１との最短距離が小さいほど小さくなる。すなわち、間隙Ｓは、コンプレッサハウジング７とコンプレッサインペラ１１の径方向（または、コンプレッサハウジング７もしくはコンプレッサインペラ１１における法線方向）の離隔距離と言い換えてもよい。

図２において説明したように、タービン軸９の振動の回転中心Ｏに近い部位における振れ量Ｗ_１よりも、遠い部分における振れ量Ｗ_２の方が大きくなる。すなわち、コンプレッサインペラ１１の振れ量は、タービン軸９の中心側よりもタービン軸９の端部側の方が大きくなる。

本実施形態では、上記の傾斜部２０ａを設けることで、コンプレッサインペラ１１とシュラウド部２０との間隙Ｓを、タービン軸９の中心側よりもタービン軸９の端部側の方を大きくする。

すなわち、コンプレッサインペラ１１とシュラウド部２０との間隙Ｓを、コンプレッサインペラ１１の振れ量が大きい側をより大きくする。そのため、コンプレッサインペラ１１とシュラウド部２０との接触を回避しつつ、間隙Ｓ全体を大きくする場合に比べ、空気の圧縮効率の低下を抑えることが可能となる。

また、傾斜部２０ａを設けることで、間隙Ｓが、タービン軸９の軸方向の位置ごとのコンプレッサインペラ１１の振れ量に比例した大きさで形成される。したがって、コンプレッサインペラ１１とシュラウド部２０との接触を回避するために拡げる間隙Ｓの拡大幅を抑制することができ、空気の圧縮効率の低下を最小限に抑えることが可能となる。

（変形例）
図４は、変形例におけるコンプレッサハウジング７とコンプレッサインペラ１１の間隙Ｓを説明するための説明図であり、変形例の遠心過給機における、図３に対応する位置の断面図を示す。

図４（ａ）に示す第１変形例、および、図４（ｂ）に示す第２変形例において、シュラウド部３０、４０は、それぞれ対向直線部３０ｃ、４０ｃを有する。対向直線部３０ｃ、４０ｃは、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、コンプレッサインペラ１１の直線部１１ａに連続する湾曲部１１ｃの一部に対し、コンプレッサインペラ１１の径方向外方に対向する部位まで延在している。

そして、第１変形例においては、対向直線部３０ｃがタービン軸９に対して平行となっている。対向直線部３０ｃは、コンプレッサインペラ１１の湾曲部１１ｃに対向しているため、湾曲部１１ｃと対向する部分において、間隙Ｓが、タービン軸９の中心側よりもタービン軸９の端部側の方が大きくなる。図４（ａ）では、対向直線部３０ｃがなかった場合のシュラウド部３０の輪郭線を一点鎖線で示す。

そのため、コンプレッサインペラ１１とシュラウド部３０との接触を回避しつつ、間隙Ｓ全体を大きくする場合に比べ、空気の圧縮効率の低下を抑えることが可能となる。

また、第２変形例においては、シュラウド部４０の対向直線部４０ｃは、コンプレッサインペラ１１の直線部１１ａとの間隙Ｓが、タービン軸９の中心側から端部側に向かうにしたがって漸増し、その漸増する角度が、対向直線部４０ｃのいずれの位置においても、所定の角度に維持されている。図４（ｂ）では、対向直線部４０ｃがなかった場合のシュラウド部４０の輪郭線を一点鎖線で示す。

すなわち、対向直線部４０ｃは、タービン軸９の中心側から端部側に向かうほど、比例的にコンプレッサインペラ１１の直線部１１ａから離隔していく。

そのため、第１変形例と異なり、直線部１１ａの径方向外方の間隙Ｓにおいても、タービン軸９の中心側よりもタービン軸９の端部側の方が大きくなり、コンプレッサインペラ１１とシュラウド部４０との接触をより確実に回避することが可能となり、加えて、上述した実施形態と同様、間隙Ｓ全体を大きくする場合に比べ、空気の圧縮効率の低下を抑えることが可能となる。

また、第１変形例、第２変形例のいずれにおいても、上述した実施形態よりもシュラウド部３０、４０を形成する加工が容易となる。特に、第１変形例では、対向直線部３０ｃがタービン軸９に対して平行であるため、第２変形例よりも加工性がよい。

上述した実施形態および変形例では、遠心式過給機Ｃが電磁機構１９を備える場合について説明したが、遠心式過給機Ｃは電磁機構１９を備えなくてもよい。また、上述した実施形態のように、電磁機構１９を備える場合、軸受部８に対し、タービンインペラ１０側よりもコンプレッサインペラ１１側の方が低温であることから、磁石の減磁や消磁を回避するため、軸受部８に対しコンプレッサインペラ１１側に設けられる。

そして、コンプレッサインペラ１１側に電磁機構１９を設ける分、タービン軸９のうち、軸受部８からコンプレッサインペラ１１までの部分が長くなり、軸受部８を中心としたコンプレッサインペラ１１の振れ量が大きくなる。そのため、コンプレッサインペラ１１側のシュラウド部２０、３０、４０との間隙Ｓを上述した実施形態や変形例のように構成することで、遠心式過給機Ｃ全体の効率低下の抑制効果が大きい。

また、上述した実施形態および変形例では、コンプレッサハウジング７とコンプレッサインペラ１１のシュラウド部２０、３０、４０との間隙Ｓについて、タービン軸９の中心側よりもタービン軸９の端部側の方が大きい構成を説明した。しかし、タービンインペラ１０とタービンハウジング４のシュラウド部との間隙について、タービン軸９の中心側よりもタービン軸９の端部側の方が大きい構成であってもよい。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、ハウジングにインペラが収容された遠心式過給機に利用することができる。

Ｃ …遠心式過給機
Ｓ …間隙
１ …過給機本体
８ …軸受部
９ …タービン軸
１１ …コンプレッサインペラ
１１ａ …直線部
１１ｃ …湾曲部
１９ …電磁機構
２０、３０、４０ …シュラウド部
２０ａ …傾斜部
２０ｂ …端部
３０ｃ、４０ｃ …対向直線部

Claims (5)

1. 過給機本体と、
   前記過給機本体内に回転自在に収容され、両端にインペラが設けられたタービン軸と、
   前記タービン軸を回転自在に軸支する軸受部と、
   前記過給機本体のうち、少なくとも前記タービン軸の一端に設けられた前記インペラを、前記タービン軸の径方向外方から覆うシュラウド部と、
   を備え、
   前記インペラと前記シュラウド部との間隙は、前記タービン軸の中心側よりも該タービン軸の端部側の方が大きいことを特徴とする遠心式過給機。
2. 前記インペラは、前記タービン軸の端部側に位置する直線部と、該直線部に連続し、前記タービン軸の中心側に向かうにしたがって外径が大きくなる湾曲部と、を有し、
   前記シュラウド部は、
   前記タービン軸に対して平行、もしくは、前記インペラの直線部との間隙が、前記タービン軸の中心側から端部側に向かうにしたがって漸増する角度を維持する対向直線部を有し、
   前記対向直線部は、前記インペラの直線部に連続する湾曲部の一部に対向する部位まで延在していることを特徴とする請求項１に記載の遠心式過給機。
3. 前記シュラウド部は、前記インペラに対して前記タービン軸の径方向に対向する部位において、前記タービン軸の端部側に向かうにしたがって当該タービン軸からの距離が大きくなる傾斜部を有することを特徴とする請求項１に記載の遠心式過給機。
4. 電磁力によって前記タービン軸を回転駆動する、または、該タービン軸の回転動力を電磁誘導によって電力に変換する電磁機構をさらに備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の遠心式過給機。
5. 前記タービン軸の一端に設けられたインペラは、吸気を圧縮するコンプレッサとして機能するコンプレッサインペラであって、
   前記電磁機構は、前記軸受部と前記コンプレッサインペラとの間に設けられていることを特徴とする請求項４に記載の遠心式過給機。

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