JP2015014287A - 排ガスターボチャージャの圧縮機の空気流入ハウジング - Google Patents

Abstract

【課題】排ガスターボチャージャの圧縮機の流入範囲を、破損時の構造体負荷が最小限に抑えられ得ると同時に、流入部の高い品質が維持されるように最適化する。【解決手段】圧縮機の空気流入ハウジング２のハウジング壁により形成された、圧縮機の吸込み範囲に空気を供給する円錐形進入部２４が、流れ方向で該円錐形進入部２４の流出平面にまで延びる流れ通路を取り囲んでおり、残留肉厚さｂを残して、半径方向外側から、円錐形進入部２４を形成するハウジング壁に切欠き２５が形成されており、該切欠き２５が、円錐形進入部２４の軸方向の延在長さに沿って延びている。【選択図】図４

Description

本発明は、過給式の内燃機関の分野に関する。本発明は、排ガスターボチャージャの圧縮機の空気流入ハウジング、特にフィルタ消音器または空気吸込み管片、ならびにこのような空気流入ハウジングを備えた圧縮機に関する。

ターボチャージャは空気流入ハウジングを有する。このことは、一般にフィルタ消音器であるか、または空気吸込み管片である。どちらの変化形が使用されるのかは、エンジンにおける管路案内に応じて種々異なっていて、エンジン製造者により確定される。ターボチャージャの製造者によって、一般に同一のターボチャージャタイプのために両空気流入部変化形が提供される。

圧縮機車（ロータ部）のすぐ上流側の範囲における空気流入ハウジングの、流れ通路を画定する内側の輪郭は、空気流入ハウジングの両変化形において、できるだけ同一構造に形成される。圧縮機車への流入の品質は、熱力学的な特性に影響を与え、したがってターボチャージャの効率および圧縮機安定性ならびに機械的な特性、たとえば圧縮機車の翼振動に影響を与える。したがって、流体力学的な視点から見ると、圧縮機車への流入ができるだけ均一となり、できるだけ僅かな圧力損失しか生じないことが必要となる。このために、最新のターボチャージャでは、円錐形進入部（Einlaufkonus）が使用される。この円錐形進入部はフィルタ消音器および空気吸込み管片のために同一に形成されている。したがって、両空気流入部変化形に関して、圧縮機手前で類似の流れ状態が得られる。

破損（バースト）事例、つまり高い回転数において圧縮機車が破損した場合には、安全規定に基づいて、ターボチャージャから構成部分が離れないことが保証されなければならない。圧縮機車の破損時に、挿入壁の流入縁部は塑性変形に基づいて軸方向で空気流入部に向かって移動させられる。これにより、空気流入ハウジングに設けられた円錐形進入部の流出平面と、挿入壁に設けられた流れ通路の流入平面との間のギャップ寸法が消滅され、挿入壁と、空気流入ハウジングの円錐形進入部の範囲との間に接触が生じる恐れがある。この場合には、挿入壁が円錐形進入部への衝突時に、空気流入ハウジングへ軸方向の衝撃を伝達してしまう。このことは、空気流入ハウジングに設けられた取付けフランジの破損またはこの取付けフランジにおけるねじ結合部の故障を招く恐れがある。

コンテインメント事例において発生した、空気流入ハウジングへの軸方向衝撃を、圧縮機への流入が著しく妨げられることなしに最小限に抑える、空気流入通路のための構成が必要とされる。

空気流入ハウジングに設けられた円錐形進入部の流出平面と、挿入壁に設けられた流れ通路の流入平面との間のギャップ寸法を増大させることも１つの選択肢であると考えられる。空気流入ハウジングに設けられた円錐形進入部の流出平面と、挿入壁に設けられた流れ通路の流入平面との間の増大されたギャップ寸法に基づき、挿入壁の塑性変形が大きい場合にしか、挿入壁と円錐形進入部との間の接触は生じない。欠点となるのは、潜在的に高い流入損失、ひいては低い圧縮機効率である。

別の選択肢としては、円錐形進入部を、潜在的な接触範囲において軸方向のスリットにより局所的に意図的に弱めることが考えられる。空気流入ハウジングの流出平面における一貫した環状横断面は、軸方向のスリットにより解消される。こうして、挿入壁の局所的な衝突範囲では、衝突時に応力集中が生じる。衝突により生ぜしめられた圧縮応力は、もはや円錐形進入部の（スリットにより中断された）環状横断面にわたって分配され得ない。円錐形進入部の個々のセグメントの故障および破断によるセグメント欠損が生じる。このことは、意図された効果である。円錐形進入部からの個々のセグメント（スリットからスリットの間にそれぞれ１つのセグメントが延びている）の破断欠損により、空気流入ハウジング全体に伝達される軸方向衝撃は低減され、この場合、エネルギは変形によって減じられ、挿入壁を変形させるための十分な移動距離が提供される。したがって、コンテインメントのために重要となる以下のリスクは低減される：
・ 空気流入ハウジングのフランジの故障
・ フランジ結合部におけるねじの破損
・ ターボチャージャからの空気流入ハウジング構造体の飛散。

しかし、前記スリットにより、圧縮機車への流入が妨げられ、かつ圧力損失が生ぜしめられるので、この手段は圧縮機効率に不都合に作用する。付加的に、前記スリットにより、圧縮機翼の機械的な負荷が高められる恐れがある。なぜならば、圧縮機翼の付加的な、流れに誘発された振動励起が生じる恐れがあるからである。

本発明の課題は、排ガスターボチャージャの圧縮機の流入範囲を、破損時の構造体負荷が最小限に抑えられ得ると同時に、流入部の高い品質が維持されるように最適化することである。

この課題を解決するために本発明の構成では、排ガスターボチャージャの圧縮機の空気流入ハウジングであって、当該空気流入ハウジングのハウジング壁により形成された、圧縮機の吸込み範囲に空気を供給する円錐形進入部を備え、該円錐形進入部は、流れ方向で該円錐形進入部の流出平面にまで延びる流れ通路を取り囲んでいる、排ガスターボチャージャの圧縮機の空気流入ハウジングにおいて、所定の残留肉厚さを残して、半径方向外側から、前記円錐形進入部を形成するハウジング壁に切欠きが加工成形されており、該切欠きが、前記円錐形進入部の軸方向の延在長さに沿って延びているようした。

本発明によれば、空気流入ハウジングに設けられた円錐形進入部が、圧縮機の挿入壁に対する潜在的な接触範囲において、外側に位置する、軸方向に案内された切欠きによって局所的に意図的に弱められることにより、排ガスターボチャージャの圧縮機の流入範囲を、破損時の構造体負荷が最小限に抑えられ得ると同時に、流入部の高い品質が維持されるように最適化することが達成される。切欠きは、所定の残留深さを残して外部から円錐形進入部に加工成形されるので、流れ通路を外部に対して画成する円錐形進入部の壁は、内部からは無傷のままとなる。したがって、切欠きの範囲では、負荷を受けると変形する目標破断個所が形成される。挿入壁の局所的な衝突範囲では、衝突時に応力集中が生じる。衝突により生ぜしめられた圧縮応力は、前記目標破断個所のうちの少なくとも１つの目標破断個所の破壊を招き、これにより空気流入ハウジングの流出平面における一貫した環状横断面が中断される。その結果、圧縮応力は、もはや円錐形進入部の、前記少なくとも１つの破断個所により中断された環状横断面にわたって分配され得なくなる。円錐形進入部の個々のセグメントの故障および破断欠損が生じる。目標破断個所により画定された個々のセグメントが円錐形進入部から破断により取り出されることにより、空気流入ハウジング全体に伝達される軸方向衝撃は低減され、この場合、エネルギは変形により減じられて、挿入壁を変形させるための十分な移動距離が提供される。

したがって、スリットを備えた公知のデザインの利点が、その欠点を甘受する必要なしに利用される。

別の利点は、請求項２以下から得られる。

互いに異なる２つの空気流入ハウジング、すなわちフィルタ消音器と空気吸込み管片とを有する圧縮機を備えた、公知先行技術による排ガスターボチャージャの全体を示す側面図である。 本発明において形成された円錐形進入部を備えたフィルタ消音器のベースボディを示す斜視図である。 本発明において形成された円錐形進入部を備えた空気吸込み管片を示す斜視図である。 本発明において形成された円錐形進入部を備えた、図１に示した圧縮機の空気流入部を、図１の範囲ＩＶにおいて軸方向で断面した断面図である。

以下に、本発明を実施するための形態を図面につき詳しく説明する。

図１には、圧縮機１と排ガスタービン３とを備えた慣用の排ガスターボチャージャの側面図が示されている。圧縮機１は、圧縮機ハウジング１０内に配置された圧縮機車（圧縮機ロータ）を有し、排ガスタービン３は、タービンハウジング３０内に配置されたタービン車（タービンロータ）を有する。排ガスタービン３と圧縮機１との間には、軸受けハウジング４０が配置されている。排ガスタービン３のハウジングはガス流入部３１を有する。このガス流入部３１を通って、高温の排ガスがタービン車に向かって流れて、このタービン車を駆動し、その後で排ガスはガス流出部３２を通って排気設備に供給される。

タービン車は、ロータの軸線Ａ周りに回転可能なターボチャージャシャフトの一方の端部に配置されている。このターボチャージャシャフトは軸受けハウジング４０内に回転可能に支承されている。ターボチャージャシャフトの他方の端部には、圧縮機車が配置されており、この圧縮機車は、空気流入部１１を通じて吸い込まれた空気を圧縮する。この空気は引き続き、スパイラルハウジングまたはコレクタハウジング内に捕集されて、空気流出部１２を介して内燃機関の燃焼器に供給される。空気は、圧縮機の吸込み範囲に、管状の空気吸込み管片２２（図１で見て左側の半部において軸線Ａの上方に示す）を介して供給され得るか、または消音器２１（図１で見て左側の半部において軸線Ａの下方に示す）を介して供給される。この消音器２１は付加的にフィルタエレメントを有していてよい。フィルタエレメントは、圧縮機内への大きな粒子の侵入を阻止する。この場合には、フィルタ消音器と呼ばれる。

図２には、フィルタ消音器の円筒状のベースボディ２１０が、挿入された消音エレメントなしに、かつ装着されたフィルタエレメントなしに、図示されている。ベースボディ２１０はモノブロック（一体鋳造部品）であるか、または複数の個別部分から接合された構成部分である。本実施形態では、ベースボディ２１０が、閉じられた端面側の前壁２１１と、中央の空気流出開口２１３を備えた後壁２１２とを有する。円筒状のベースボディ２１０の外周面を取り囲むように、一般にフィルタエレメントが設けられる。このフィルタエレメントを通じて空気がフィルタ消音器の内部に流入し、そしてフィルタ消音器の内部においてほぼ半径方向で、このために設けられた溝２１４内に配置された消音エレメントに沿って中央の中空室に流入する。軸方向へ変向された後に、空気は後壁２１２に設けられた中央の空気流出開口２１３を通って円錐形進入部２４に沿ってフィルタ消音器から圧縮機の流入範囲に流入する。円錐形進入部２４には、本発明によれば、外側に位置する複数の切欠き２５が加工成形されている。

図３には、空気吸込み管片２２が図示されている。この空気吸込み管片２２は図示の形態では、圧縮機に供給される空気流を半径方向から軸方向へ変向させる。空気吸込み管片２２は２つの取付けフランジ、すなわち固定手段を収容するための複数の孔を備えた流入側の取付けフランジ２２１と、固定手段を収容するための複数の孔を備えた流出側の取付けフランジとを有する。流入側では、取付けフランジに供給管路が接続され、流出側では空気吸込み管片が圧縮機ハウジングに取り付けられる。流出範囲において、空気吸込み管片２２は円錐形進入部２４を有する。この円錐形進入部２４は流れを圧縮機の流入範囲に導入する。円錐形進入部２４には、本発明によれば、外側に位置する複数の切欠き２５が加工成形されている。

図４につき、フィルタ消音器または空気吸込み管片の円錐形進入部２４に加工成形された切欠き２５について詳しく説明する。

空気流入ハウジング２（フィルタ消音器または空気吸込み管片）に設けられた円錐形進入部２４は、本発明によれば、圧縮機の挿入壁に対する潜在的な接触範囲において、外側に位置する、軸方向に案内された複数の切欠き２５によって局所的に意図的に弱められる。これらの切欠き２５は、肉厚さａを有する円錐形進入部２４に外部から、残留肉厚さｂが残るまで加工成形されるので、円錐形進入部２４の、流れ通路Ｓを外部に対して画定する壁は、内部からは無傷のままとなる。したがって、切欠き２５の範囲には、負荷を受けて変形する目標破断個所が形成される。

圧縮機車の破損時に、挿入壁１５の流入縁部１５１は塑性変形に基づいて軸方向で空気流入部の方向に移動させられる（図面で見て左側に向かって）。これにより、空気流入ハウジング２に設けられた円錐形進入部２４における流れ通路の流出平面Ｆ_Ａと、挿入壁１５に設けられた流れ通路の流入平面Ｆ_Ｅとの間のギャップ寸法ｃを通過して、挿入壁１５と空気流入ハウジング２の円錐形進入部２４の範囲との間に接触が生じる恐れがある。挿入壁１５の局所的な衝突範囲では、衝突時に応力集中が生じる。衝突により生ぜしめられた圧縮応力は、前記目標破断個所のうちの少なくとも１つの目標破断個所の破断を生ぜしめ、これにより空気流入ハウジング２の流出平面における一貫した環状横断面が解消される。その結果、この圧縮応力は、もはや円錐形進入部２４の、前記少なくとも１つの破断個所により中断された環状横断面にわたって分配され得なくなる。円錐形進入部２４の個々のセグメントの故障および破断欠損が生じる。目標破断個所により画定された個々のセグメントが円錐形進入部２４から破断により取り出されることにより、空気流入ハウジング全体へ伝達される軸方向衝撃は低減される。この場合、エネルギが変形により消費され、挿入壁を変形させるための十分な移動距離が提供される。

円錐形進入部２４は、空気流入ハウジング２の構成要素であり、一般に鋳造で一体成形されている。好適な１実施形態では、円錐形進入部が軸方向の８つの切欠きを備えて形成されている。圧縮機車の破損時では、経験から最大４つの比較的大きな破断片が予想され得る。８つの切欠きの数は、環状横断面を各セグメントに分割して、これらのセグメントが局所的に負荷されるようにすることの所望の効果を得るために十分となる。これらの切欠きは全周にわたって均一に分配されている。選択的に、これらの切欠きは全周にわたって不均一に分配されていてよい。

切欠きの深さは、製作技術的に好都合となるような大きさに形成されている。残留肉厚さｂが薄くなればなるほど、空気流入ハウジング２の製作時における製作手間および不良率はますます高くなる。一般に、最適の切欠き深さは、切欠きに沿った円錐形進入部２４の平均肉厚さの約７０〜９０％であってよい。ただしこの場合、切欠きの、製作技術的に斜めに延びる縁範囲は考慮されていない。初期肉厚さａが１１ｍｍである場合、切欠き深さの、７０〜９０％の前記値は（鋳造誤差および使用された加工法に関連して）、約１〜３ｍｍの残留肉厚さに相当する。このことは、接触時に所望の故障パターン（円錐形進入部２４からの個々のセグメントの破断欠損）を得るために十分となる。一貫して延びるスリットとは異なり、流れに対する不都合な作用は生じない。なぜならば、流れを案内するジオメトリ（幾何学的形状）は変えられないからである。

１ 圧縮機
２ 空気流入ハウジング
１０ 圧縮機ハウジング
１１ 空気流入部
１２ 空気流出部
１３ 圧縮機車
１５ 挿入壁
２１ フィルタ消音器
２２ 空気吸込み管片
２３ 取付けフランジ
２４ 円錐形進入部
２５ 切欠き
３０ タービンハウジング
３１ ガス流入部
３２ ガス流出部
４０ 軸受けハウジング
１５１ 流入縁部
２１０ ベースボディ
２１１ 前壁
２１２ 後壁
２１３ 空気流出開口
２１４ 溝
Ｓ 流れ通路

Claims (7)

1. 排ガスターボチャージャの圧縮機の空気流入ハウジング（２）であって、当該空気流入ハウジング（２）のハウジング壁により形成された、圧縮機の吸込み範囲に空気を供給する円錐形進入部（２４）を備え、該円錐形進入部（２４）は、流れ方向で該円錐形進入部（２４）の流出平面にまで延びる流れ通路を取り囲んでいる、排ガスターボチャージャの圧縮機の空気流入ハウジング（２）において、残留肉厚さ（ｂ）を残して、半径方向外側から、前記円錐形進入部（２４）を形成するハウジング壁に切欠き（２５）が形成されており、該切欠き（２５）が、前記円錐形進入部（２４）の軸方向の延在長さに沿って延びていることを特徴とする、排ガスターボチャージャの圧縮機の空気流入ハウジング。
2. 複数の切欠き（２５）が設けられており、該切欠き（２５）が、全周に沿って分配されて配置されている、請求項１記載の空気流入ハウジング。
3. 前記切欠きは全周に沿って均一に分配されて配置されている、請求項２記載の空気流入ハウジング。
4. 前記切欠きは、前記円錐形進入部（２４）を形成するハウジング壁の平均肉厚さ（ａ）の７０〜９０％の深さを有し、ただし平均肉厚さ（ａ）として、前記切欠きに沿った平均肉厚さが適用される、請求項１から３までのいずれか１項記載の空気流入ハウジング。
5. 当該空気流入ハウジングは消音器（２１）である、請求項１から４までのいずれか１項記載の空気流入ハウジング。
6. 当該空気流入ハウジングは空気吸込み管片（２２）である、請求項１から４までのいずれか１項記載の空気流入ハウジング。
7. 請求項５または６記載の空気流入ハウジングを有する、排ガスターボチャージャの圧縮機。