JP2018091299A - ターボチャージャ - Google Patents

Abstract

【課題】低流量時にディフューザにおける吸気の逆流により発生する異音を抑制することが可能なターボチャージャの提供にある。
【解決手段】シュラウド側ディフューザ壁部３１は、ディフューザ２０におけるコンプレッサ室１７と接続する入口Ａから径方向の中間部Ｃまでの入口側環状領域部３１Ａと、ディフューザ２０における中間部Ｃからスクロール室２１に接続する出口Ｂまでの出口側環状領域部３１Ｂと、入口側環状領域部３１Ａに起点を有し、出口側環状領域部３１Ｂに延在する凹部３３と、を有し、凹部３３は、入口側環状領域部３１Ａにおいて、起点から出口側へ向けてディフューザ２０の流路断面積を緩やかに拡大する。
【選択図】 図２

Description

この発明は、ターボチャージャに関する。

一般的な自動車用ターボチャージャのコンプレッサの断熱性能曲線は、例えば、図５に示される。図５ではコンプレッサの回転数がＮ１〜Ｎ４（ｒｐｍ）のときの流量と圧力比との関係を示している。コンプレッサの回転数が同一（例えば、Ｎ１ｒｐｍ）である場合に流量がサージラインよりも少なくなると、サージングが発生する。サージングが発生するとコンプレッサは圧縮不能になる。また、従来の自動車用ターボチャージャでは、サージライン近傍の領域（図５のハッチングＨの領域）で使用した場合に、プレサージ音と呼ばれる異音を発生することが知られている。このプレサージ音は、コンプレッサインペラから放出されてディフューザをスクロール通路に向けて流れる空気の一部が、ディフューザ内でコンプレッサインペラへ向けて逆流することで発生する。

ディフューザにおける逆流を防止する従来技術として、例えば、特許文献１に開示されたターボ形回転機械が知られている。特許文献１に開示されたターボ形回転機械は、羽根車の下流に設けられているディフューザ部の上流側に突起部を有する。特許文献１のターボ形回転機械によれば、低流量域運転時におけるディフューザ上流側で発生する逆流は阻止され、ディフューザ性能の低下を最小とした上で、不安定運転の騒音の増大を防止できるとしている。

実願昭６１−７７９８２号（実開平６２−１８８５９８号）のマイクロフィルム

しかしながら、特許文献１に開示されたターボ形回転機械は、突起部の下流側の端面は、回転軸の軸方向に平行な面となっているため、ディフューザの入口部近傍でディフューザの流路断面積が急激に拡大することとなる。ディフューザの入口部近傍での流路断面積の急激な拡大は、逆流が発生しない高流量域運転時において端面付近にて渦を著しく発生させ、圧縮効率を低下させるという問題がある。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、低流量時にディフューザにおける吸気の逆流により発生する異音を抑制することが可能なターボチャージャの提供にある。

上記の課題を解決するために、本発明は、コンプレッサインペラと、前記コンプレッサインペラが収容されるコンプレッサ室と、前記コンプレッサインペラの外周側に環状に形成されるスクロール室とを備えるコンプレッサハウジングと、シュラウド側ディフューザ壁部およびハブ側ディフューザ壁部により区画され、前記コンプレッサ室とスクロール室とを接続するように、前記コンプレッサインペラの外周側に環状に設けられるディフューザと、を備えたターボチャージャにおいて、前記シュラウド側ディフューザ壁部は、前記ディフューザにおける前記コンプレッサ室と接続する入口から径方向の中間部までの入口側環状領域部と、前記ディフューザにおける前記中間部から前記スクロール室に接続する出口までの出口側環状領域部と、前記入口側環状領域部に起点を有し、前記出口側環状領域部に延在する凹部と、を有し、前記凹部は、前記入口側環状領域部において、前記起点から出口側へ向けて前記ディフューザの流路断面積を緩やかに拡大することを特徴とする。

本発明では、ディフューザの入口側領域部に凹部の起点を設けているので、低流量時にディフューザにおいて吸気の逆流が生じても、その逆流する吸気がコンプレッサ室へ到達することを抑制することができる。また、凹部は、入口側環状領域部において、起点側から出口側へ向けてディフューザの流路断面積を緩やかに拡大する。このため、凹部がディフューザを入口から出口に向けて流れる吸気に悪影響を与えることがなくなり、ターボチャージャの効率の低下を抑制することができる。

また、上記のターボチャージャにおいて、前記シュラウド側ディフューザ壁部は、前記起点から出口側へ向けて形成され、前記凹部の一部を形成する湾曲面又はテーパ面を有する構成としてもよい。
この場合、湾曲面又はテーパ面はディフューザの流路断面積の緩やかな拡大を実現することができる。

また、上記のターボチャージャにおいて、前記シュラウド側ディフューザ壁部は前記湾曲面を有し、前記湾曲面の曲率は、前記起点から出口側へ向けて小さくなっている構成としてもよい。
この場合、湾曲面は凹部において空気の逆流の向きを制御する。このため、湾曲面により向きを変えた逆流がディフューザを通過する空気流と合流しても、ディフューザを通過する空気流は逆流による影響を受け難い。

本発明によれば、低流量時にディフューザにおける吸気の逆流により発生する異音を抑制することが可能なターボチャージャターボチャージャを提供することができる。

第１の実施形態に係るターボチャージャの概要を示す縦断面図である。 第１の実施形態に係るターボチャージャの要部を示す拡大断面図である。 シュラウド側ディフューザ壁部における凹部の要部を拡大して示す拡大図である。 第２の実施形態に係るシュラウド側ディフューザ壁部における凹部の要部を拡大して示す拡大図である。 ターボチャージャのコンプレッサの断熱性能曲線である。

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に係るターボチャージャについて図面を参照して説明する。本実施形態のターボチャージャは車載用のターボチャージャである。なお、説明の便宜上、図１に示すターボチャージャの左方を前方とし、右方を後方とする。

図１に示すターボチャージャは、中央部に位置する軸受ハウジング１１と、軸受ハウジング１１の前部に備えられたコンプレッサ１２と、軸受ハウジング１１の後部に備えられたタービン１３と、を有する。軸受ハウジング１１内には、回転軸１４を回転自在に支持するラジアル軸受１５が備えられているほか、回転軸１４のスラスト方向の荷重を受けるスラスト軸受（図示せず）が備えられている。回転軸１４の軸心Ｐは前後方向となっている。

軸受ハウジング１１の前端部には、コンプレッサハウジング１６が接合されている。コンプレッサハウジング１６内には、コンプレッサ室１７が形成されている。コンプレッサ室１７には、回転可能なコンプレッサインペラ１８が設けられている。コンプレッサインペラ１８は回転軸１４に固定されている。

コンプレッサハウジング１６の前部には、空気の入口となる空気入口部１９が形成されている。空気入口部１９は、エンジンの吸気通路（図示せず）に接続されている。コンプレッサハウジング１６におけるコンプレッサインペラ１８の外径部の外側には、環状のディフューザ２０が形成されている。ディフューザ２０は、軸受ハウジング１１とコンプレッサハウジング１６との間に形成されており、コンプレッサ室１７と連通している。ディフューザ２０は、空気入口部１９から吸入され、コンプレッサインペラ１８により圧縮された空気の圧力を増大させる流路である。コンプレッサハウジング１６には、渦巻状のスクロール室２１が形成されている。ディフューザ２０はコンプレッサ室１７とスクロール室２１とを接続するように、コンプレッサインペラ１８の外周側に環状に設けられている。コンプレッサインペラ１８の外周側に環状に形成されるスクロール室２１には、空気の出口となる吐出口（図示せず）が設けられており、この吐出口はエンジンの吸気マニホールド（図示せず）に接続されている。

軸受ハウジング１１の後方には、タービン１３が設けられている。軸受ハウジング１１の後部は、タービンハウジング２２と接合されている。タービンハウジング２２は軸受ハウジング１１およびコンプレッサハウジング１６とともにターボチャージャのハウジングを構成する。タービンハウジング２２内には、タービンインペラ２３が設けられている。タービンインペラ２３は、回転軸１４の後部に固定されている。

タービンハウジング２２には、排気ガスの入口となるガス取入口（図示せず）が形成されている。このガス取入口は、エンジンの排気マニホールド（図示せず）に接続されている。タービンハウジング２２の内部には、タービンスクロール室２４がタービンインペラ２３を囲むように渦巻状に形成されている。タービンスクロール室２４は、ガス取入口と連通している。タービンハウジング２２には、排気ガスを排出するガス排出口２５が形成されている。ガス排出口２５は、排気ガスの出口であり、タービンスクロール室２４と連通し、排気管（図示せず）に接続されている。タービン１３は、エンジンの排気通路に介装される。

コンプレッサインペラ１８は略円錐台状のハブ２６を備えている。ハブ２６の外周径は、軸心Ｐ方向において空気入口部１９側から軸受ハウジング１１へ向かう所定の位置までは一定であり、所定の位置から軸受ハウジング１１へ近づくにつれて大きくなっている。従って、ハブ２６において空気入口部１９側と対向する端部はハブ２６において最小外周径となる部位であり、ディフューザ２０側となる外周縁部はハブ２６において最大外周径となる部位である。

ハブ２６の表面には、周方向に設けた複数のインペラ翼を備えている。本実施形態のインペラ翼は、ハブ２６の表面における空気入口部１９側からディフューザ２０の入口付近まで延在する複数の長翼２７と、長翼２７よりも延在長さが短い複数の短翼２８とを備えている。長翼２７と短翼２８とはハブ２６と一体形成されており、ハブ２６の表面の周方向において交互に配置されている。長翼２７および短翼２８は三次元的に湾曲した板状に形成されている。長翼２７および短翼２８は、湾曲線として描かれる外周縁（インペラシュラウドライン）をそれぞれ有している。

図２に示すように、コンプレッサハウジング１６には、コンプレッサインペラ１８の外周縁に対向して形成されているシュラウド壁部２９を備えている。シュラウド壁部２９の表面であるシュラウド面３０はコンプレッサインペラ１８の外周縁に倣う面となっている。

コンプレッサハウジング１６は、シュラウド壁部２９の径方向外側においてシュラウド壁部２９と隣接するシュラウド側ディフューザ壁部３１を備えている。図２では、説明の便宜上、シュラウド壁部２９とシュラウド側ディフューザ壁部３１との境界を一点鎖線により示す。軸受ハウジング１１は、シュラウド側ディフューザ壁部３１と間隔を空けて設けたハブ側ディフューザ壁部３２を備えている。シュラウド側ディフューザ壁部３１とハブ側ディフューザ壁部３２とは互いに平行であり、ディフューザ２０は、シュラウド側ディフューザ壁部３１と、ハブ側ディフューザ壁部３２とにより区画されている。

ディフューザ２０は、コンプレッサ室１７側の入口Ａとスクロール室２１側の出口Ｂを有する。ディフューザ２０における入口Ａと出口Ｂとの間の中間の位置は中間部Ｃである。シュラウド側ディフューザ壁部３１は、ディフューザ２０におけるにおけるコンプレッサ室１７と接続する入口Ａから径方向の中間部Ｃまでの入口側環状領域部３１Ａと、中間部Ｃからスクロール室２１に接続する出口Ｂまでの出口側環状領域部３１Ｂと、を有する。

本実施形態では、シュラウド側ディフューザ壁部３１には逆流防止のための凹部３３が形成されている。凹部３３は、入口側環状領域部３１Ａおよび出口側環状領域部３１Ｂにわたって形成されている。入口側環状領域部３１Ａは、入口Ａ側から出口Ｂ側へ向けて湾曲する湾曲面３４と、湾曲面３４から出口Ｂ側へ向けて延在する平坦面３５とを有している。平坦面３５は入口側環状領域部３１Ａから出口側環状領域部３１Ｂにわたって延在する。

湾曲面３４とシュラウド壁部２９との境界には、凹部３３の起点となる角部３６が形成されている。角部３６はディフューザ２０の入口Ａに位置しており、図３に示すように、湾曲面３４の曲率は、入口Ａ側から出口Ｂ側へ向けて小さくなっている。従って、湾曲面３４は入口Ａから出口Ｂへ向かうほど、平坦面３５に対する湾曲面３４の勾配は緩やかとなる。平坦面３５に対する湾曲面３４の勾配が緩やかであることにより、入口側環状領域部３１Ａでは、起点である角部３６から出口Ｂ側へ向けてディフューザ２０の流路断面積が緩やかに拡大され、凹部３３において生じる空気の逆流ｆによるディフューザ２０を通過する空気流Ｆに対する悪影響が低減される。

凹部３３の軸方向の深さや湾曲面３４の曲率の設定は、ターボチャージャの性能等の諸条件により決定される。また、凹部３３の起点となる角部３６は、シュラウド壁部２９とシュラウド側ディフューザ壁部３１との境界に位置するだけでなく、入口側環状領域部３１Ａにおいて入口Ａよりも出口Ｂ側に位置してもよい。

シュラウド側ディフューザ壁部３１と対向するハブ側ディフューザ壁部３２は、シュラウド側ディフューザ壁部３１における平坦面３５と平行な平坦面３７を有している（図２を参照）。平坦面３７の径方向中心側の端部は、コンプレッサ室１７に収容されているコンプレッサインペラ１８の外周縁部と接近している。

次に、本実施形態のターボチャージャの作用について説明する。ターボチャージャが一定の回転数で回転されるとき、コンプレッサインペラ１８には空気が取り込まれる。コンプレッサインペラ１８に取り込まれた空気の流速は、コンプレッサインペラ１８を通過する際に増速される。増速された空気はコンプレッサインペラ１８からディフューザ２０へ送り出されて圧縮される。

コンプレッサ１２の回転数が同一（例えば、Ｎ１ｒｐｍ）である場合に、サージラインの近傍の領域（例えば、図５に示すハッチングＨの範囲）における流量で使用すると、コンプレッサインペラ１８から放出されてディフューザ２０をスクロール室２１に向けて通過する空気の一部が逆流する。

本実施形態では、図３に示すように、ディフューザ２０に空気の逆流ｆが生じる場合、逆流ｆは凹部３３の平坦面３５に沿って流れ、最終的には湾曲面３４に沿って流れる。湾曲面３４における逆流ｆは、湾曲面３４に応じて流れの向きを変える。逆流ｆの流れの向きが変わることにより、軸方向の成分が生じる。逆流ｆに軸方向の成分が生じることによって、逆流ｆはディフューザ２０を通過する空気流Ｆに合流し易くなる。このため、逆流ｆはコンプレッサ室１７へ流れることが殆どなく、コンプレッサ室１７における渦の発生が抑制される。その結果、プレサージ音と呼ばれる逆流ｆによる異音の発生は抑制され、コンプレッサ１２は高い圧縮効率を保つ。また、条件によっては、逆流ｆによる異音発生は防止される。

シュラウド側ディフューザ壁部３１は、凹部３３の起点である角部３６から湾曲面３４によって緩やかに窪んでいる。このため、ディフューザ２０に逆流ｆが発生しない流量では、ディフューザ２０を通過する空気流Ｆが角部３６を通過しても、角部３６付近における渦の発生が抑制される。このため、ディフューザ２０を通過する空気流Ｆは、凹部３３による影響を殆ど受けることがなく、高い圧縮効率が保たれる。

本実施形態のターボチャージャは以下の作用効果を奏する。
（１）ディフューザ２０の入口側環状領域部３１Ａに凹部３３の起点を設けているので、低流量時にディフューザ２０に空気（吸気）の逆流ｆが生じても、その逆流する空気がコンプレッサ室１７へ到達することを抑制することができる。また、凹部３３は、入口側環状領域部３１Ａにおいて、起点側から出口Ｂ側へ向けてディフューザ２０の流路断面積を緩やかに拡大する。このため、ディフューザ２０の逆流ｆによる異音発生を抑制しつつ、凹部３３がディフューザ２０を入口Ａから出口Ｂに向けて流れる空気（吸気）に悪影響を与えることがなくなり、ターボチャージャの効率の低下を抑制することができる。

（２）湾曲面３４はディフューザ２０の流路断面積の緩やかな拡大を実現することができる。その結果、逆流ｆが発生しない流量では、ディフューザ２０を通過する空気流Ｆが角部３６を通過しても、角部３６付近では渦の発生が抑制される。このため、ディフューザ２０を通過する空気流Ｆは、凹部３３による影響を殆ど受けることがない。

（３）入口Ａ側から出口Ｂ側へ向けて湾曲面３４の曲率が小さくなるため、湾曲面３４は凹部３３において空気の逆流ｆの流れの向きを制御する。湾曲面３４により向きを変えた逆流ｆがディフューザ２０を通過する空気流Ｆと合流しても、ディフューザ２０を通過する空気流Ｆは逆流ｆの影響を受け難い。

（４）入口側環状領域部３１Ａに凹部３３を設けるため、従来技術のようにディフューザの上流側に突起部を設けて逆流のコンプレッサ室への到達を妨げる場合と比べると、ディフューザ２０の入口Ａが狭くなることはない。よって、ディフューザ２０を通過する流量が低減することはなく、高い圧縮効率を維持することができる。

（５）逆流ｆが発生する流量では、湾曲面３４は逆流ｆの流れを円滑にすることができる。逆流ｆが湾曲面３４に沿って角部３６に近づくにつれて、逆流ｆの流れの向きに軸方向の成分を大きくすることができ、ディフューザ２０を通過する空気流Ｆと円滑に合流することができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係るターボチャージャについて説明する。本実施形態は、凹部に設けた湾曲面に代えて凹部にテーパ面を設けた点で、第１の実施形態と異なる。本実施形態では、第１の実施形態と同じ構成については、第１の実施形態の説明を援用し、符号を共通して用いる。

図４に示すように、シュラウド側ディフューザ壁部３１における入口側環状領域部３１Ａには、逆流防止のための凹部４０が形成されている。凹部４０は、入口側環状領域部３１Ａおよび出口側環状領域部３１Ｂにわたって形成されている。入口側環状領域部３１Ａは、入口Ａ側から出口Ｂ側へ向けて傾斜するテーパ面４１と、テーパ面４１から延在するテーパ面４２と、テーパ面４２から出口Ｂ側へ向けて延在する平坦面３５とを有している。

テーパ面４１の平坦面３５に対する勾配は、テーパ面４２の平坦面３５に対する勾配よりも大きい。角部３６を起点とするテーパ面４１と、テーパ面４１から連続して延在するテーパ面４２は、ディフューザ２０の流路断面積の緩やかな拡大を実現している。本実施形態によれば、第１の実施形態の作用効果（１）〜（４）と同等の作用効果を奏する。また、テーパ面４１、４２であることから加工し易く、シュラウド側ディフューザ壁部３１を製作し易い。

本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく発明の趣旨の範囲内で種々の変更が可能である。

○ 上記の第１、第２の実施形態では、凹部の起点となる角部が入口に位置したが、凹部の起点は、ディフューザにおける逆流の発生状態を考慮し、入口側環状領域部における入口以外に位置するようにしてもよい。
○ 上記の第１、第２の実施形態では、シュラウド側ディフューザ壁部はコンプレッサハウジングと一体化され、ハブ側ディフューザ壁部は軸受ハウジングと一体化されていたが、この限りではない。シュラウド側ディフューザ壁部およびハブ側ディフューザ壁部は別体であってもよい。
○ 上記の第２の実施形態では、入口側環状領域部が連続して延在する２つのテーパ面を有する例を説明したが、テーパ面は１つであってもよい。テーパ面を１つとする場合、テーパ面の平坦面に対する勾配は、ディフューザの流路断面積を緩やかに拡大するように小さくすることが好ましい。

１１ 軸受ハウジング
１２ コンプレッサ
１６ コンプレッサハウジング
１７ コンプレッサ室
１８ コンプレッサインペラ
２０ ディフューザ
２９ シュラウド壁部
３１ シュラウド側ディフューザ壁部
３１Ａ 入口側環状領域部
３１Ｂ 出口側環状領域部
３２ ハブ側ディフューザ壁部
３３、４０ 凹部
３４ 湾曲面
３６ 角部（起点としての）
４１、４２ テーパ面
Ａ 入口
Ｂ 出口
Ｃ 中間部
Ｆ ディフューザの空気流
ｆ 空気の逆流

Claims (3)

1. コンプレッサインペラと、
   前記コンプレッサインペラが収容されるコンプレッサ室と、前記コンプレッサインペラの外周側に環状に形成されるスクロール室とを備えるコンプレッサハウジングと、
   シュラウド側ディフューザ壁部およびハブ側ディフューザ壁部により区画され、前記コンプレッサ室とスクロール室とを接続するように、前記コンプレッサインペラの外周側に環状に設けられるディフューザと、を備えたターボチャージャにおいて、
   前記シュラウド側ディフューザ壁部は、
   前記ディフューザにおける前記コンプレッサ室と接続する入口から径方向の中間部までの入口側環状領域部と、
   前記ディフューザにおける前記中間部から前記スクロール室に接続する出口までの出口側環状領域部と、
   前記入口側環状領域部に起点を有し、前記出口側環状領域部に延在する凹部と、を有し、
   前記凹部は、前記入口側環状領域部において、前記起点から出口側へ向けて前記ディフューザの流路断面積を緩やかに拡大することを特徴とするターボチャージャ。
2. 前記シュラウド側ディフューザ壁部は、前記起点から出口側へ向けて形成され、前記凹部の一部を形成する湾曲面又はテーパ面を有することを特徴とする請求項１記載のターボチャージャ。
3. 前記シュラウド側ディフューザ壁部は前記湾曲面を有し、
   前記湾曲面の曲率は、前記起点から出口側へ向けて小さくなっていることを特徴とする請求項２記載のターボチャージャ。

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