JP2019178694A

JP2019178694A - 過給機

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Publication number: JP2019178694A
Application number: JP2018066765A
Authority: JP
Inventors: 俊輔西井; Shunsuke NISHII
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2018-03-30
Filing date: 2018-03-30
Publication date: 2019-10-17

Abstract

【課題】耐腐食性を向上させる。【解決手段】過給機は、Ｃｕと、Ｍｎ、Ｓｉ、および、Ａｌを含む第１添加元素と、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｃｏ、および、Ｍｇのうち少なくとも１の元素を含む第２添加元素と、を含み、残部がＺｎおよび不可避不純物であり、｛（第１添加元素の亜鉛当量×第１添加元素の含有量＋第２添加元素の亜鉛当量×第２添加元素の含有量＋Ｚｎの含有量）／（第１添加元素の亜鉛当量×第１添加元素の含有量＋第２添加元素の亜鉛当量×第２添加元素の含有量＋Ｚｎの含有量＋Ｃｕの含有量）｝×１００で示される総亜鉛当量が４０％以上５５％以下である金属材料で構成された軸受面３４、３５、スラスト軸受面４１、４２を少なくとも有する本体部３１を有するすべり軸受（軸受３０）を備える。【選択図】図２

Description

本開示は、過給機に関する。

従来、シャフトが軸受に軸支された過給機が知られている。シャフトの一端には、タービンインペラが設けられる。シャフトの他端には、コンプレッサインペラが設けられる。過給機はエンジンに接続される。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が回転する。タービンインペラの回転によって、シャフトを介してコンプレッサインペラが回転する。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。

過給機のすべり軸受の材料として、４０．０ｗｔ％（質量％）のＺｎ、４．０ｗｔ％のＭｎ、１．３ｗｔ％のＳｉ、３．４ｗｔ％のＢｉを含有し、残部がＣｕと不可避不純物とからなる銅合金が提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２０１５−１７５０５９号公報

ところで、近年、エンジンから排出される排気ガスの高温化、および、過給機の高周速化（高回転化）により、軸受の温度が上昇している。このため、耐腐食性を向上させた軸受の開発が希求される。

本開示の目的は、耐腐食性を向上させることが可能なすべり軸受を備える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、本開示の一態様に係る過給機は、Ｃｕと、Ｍｎ、Ｓｉ、および、Ａｌを含む第１添加元素と、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｃｏ、および、Ｍｇのうち少なくとも１の元素を含む第２添加元素と、を含み、残部がＺｎおよび不可避不純物であり、｛（第１添加元素の亜鉛当量×第１添加元素の含有量＋第２添加元素の亜鉛当量×第２添加元素の含有量＋Ｚｎの含有量）／（第１添加元素の亜鉛当量×第１添加元素の含有量＋第２添加元素の亜鉛当量×第２添加元素の含有量＋Ｚｎの含有量＋Ｃｕの含有量）｝×１００で示される総亜鉛当量が４０％以上５５％以下である金属材料で構成された軸受面を少なくとも有する本体部を有するすべり軸受を備える。

本開示によれば、耐腐食性を向上させることが可能となる。

過給機の概略断面図である。図１の一点鎖線部分を抽出した図である。図３（ａ）は、実施例の腐食試験の実行前の写真を示す。図３（ｂ）は、実施例の腐食試験の実行後の写真を示す。図３（ｃ）は、比較例の腐食試験の実行前の写真を示す。図３（ｄ）は、比較例の腐食試験の実行後の写真を示す。実施例および比較例の摩耗試験の結果を示す図である。総亜鉛当量と腐食性との関係を説明する図である。焼き付き試験の結果を説明する図である。

以下に添付図面を参照しながら、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、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、本開示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、また本開示に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、過給機Ｃの概略断面図である。以下では、図１に示す矢印Ｌ方向を過給機Ｃの左側として説明する。図１に示す矢印Ｒ方向を過給機Ｃの右側として説明する。図１に示すように、過給機Ｃは、過給機本体１を備えて構成される。過給機本体１は、ベアリングハウジング２０を備える。ベアリングハウジング２０の左側には、締結機構２によってタービンハウジング３が連結される。ベアリングハウジング２０の右側には、締結ボルト４によってコンプレッサハウジング５が連結される。ベアリングハウジング２０、タービンハウジング３、コンプレッサハウジング５は一体化されている。

ベアリングハウジング２０の外周面には、突起２０ａが設けられている。突起２０ａは、タービンハウジング３近傍に設けられる。突起２０ａは、ベアリングハウジング２０の径方向に突出する。また、タービンハウジング３の外周面には、突起３ａが設けられている。突起３ａは、ベアリングハウジング２０近傍に設けられる。突起３ａは、タービンハウジング３の径方向に突出する。ベアリングハウジング２０とタービンハウジング３は、突起２０ａ、３ａを締結機構２によってバンド締結して取り付けられる。締結機構２は、例えば、突起２０ａ、３ａを挟持するＧカップリングで構成される。

ベアリングハウジング２０は、軸受壁部２１を有する。軸受壁部２１には、軸受孔２１ａが形成されている。軸受孔２１ａは、過給機Ｃの左右方向に貫通する。軸受孔２１ａに軸受３０（すべり軸受）が設けられる。図１では、軸受３０の一例としてセミフローティング軸受を示す。ただし、軸受３０は、フルフローティング軸受など、他のラジアル軸受であってもよい。軸受３０によって、シャフト６が回転自在に軸支されている。シャフト６の左端部にはタービンインペラ７が組み付けられている。タービンインペラ７はタービンハウジング３に回転自在に収容されている。また、シャフト６の右端部にはコンプレッサインペラ８が組み付けられている。コンプレッサインペラ８はコンプレッサハウジング５に回転自在に収容されている。

コンプレッサハウジング５には、吸気口９が形成されている。吸気口９は、過給機Ｃの右側に開口する。吸気口９は、不図示のエアクリーナに接続される。また、締結ボルト４によってベアリングハウジング２０とコンプレッサハウジング５が連結された状態では、ディフューザ流路１０が形成される。ディフューザ流路１０は、ベアリングハウジング２０とコンプレッサハウジング５の対向面によって形成される。ディフューザ流路１０は、空気を昇圧する。ディフューザ流路１０は、シャフト６の径方向内側から外側に向けて環状に形成されている。ディフューザ流路１０は、上記の径方向内側において、コンプレッサインペラ８を介して吸気口９に連通している。

また、コンプレッサハウジング５には、コンプレッサスクロール流路１１が設けられている。コンプレッサスクロール流路１１は環状である。コンプレッサスクロール流路１１は、ディフューザ流路１０よりもシャフト６の径方向外側に位置する。コンプレッサスクロール流路１１は、不図示のエンジンの吸気口と連通する。コンプレッサスクロール流路１１は、ディフューザ流路１０にも連通している。したがって、コンプレッサインペラ８が回転すると、吸気口９からコンプレッサハウジング５内に空気が吸気される。吸気された空気は、コンプレッサインペラ８の翼間を流通する過程において、加圧加速される。加圧加速された空気は、ディフューザ流路１０およびコンプレッサスクロール流路１１で昇圧される。昇圧された空気は、エンジンの吸気口に導かれる。

タービンハウジング３には、吐出口１２が形成されている。吐出口１２は、過給機Ｃの左側に開口する。吐出口１２は、不図示の排気ガス浄化装置に接続される。また、タービンハウジング３には、流路１３と、タービンスクロール流路１４とが設けられている。タービンスクロール流路１４は環状である。タービンスクロール流路１４は、例えば、流路１３よりもタービンインペラ７の径方向外側に位置する。タービンスクロール流路１４は、不図示のガス流入口と連通する。ガス流入口は、不図示のエンジンの排気マニホールドから排出される排気ガスが導かれる。タービンスクロール流路１４は、上記の流路１３を介してタービンインペラ７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１４に導かれた排気ガスは、流路１３およびタービンインペラ７を介して吐出口１２に導かれる。吐出口１２に導かれる排気ガスは、その流通過程においてタービンインペラ７を回転させる。

そして、タービンインペラ７の回転力は、シャフト６を介してコンプレッサインペラ８に伝達される。上記の通りに、空気は、コンプレッサインペラ８の回転力によって昇圧されて、エンジンの吸気口に導かれる。

図２は、図１の一点鎖線部分を抽出した図である。図２に示すように、ベアリングハウジング２０には、油路２２が形成される。油路２２は、ベアリングハウジング２０の外部から軸受孔２１ａまで貫通する。油路２２から軸受孔２１ａに潤滑油が流入する。軸受孔２１ａには軸受３０が配されている。軸受３０の本体部３１には、挿通孔３２が形成される。挿通孔３２は、シャフト６の軸方向（以下、単に軸方向と称す）に貫通する。挿通孔３２にシャフト６が挿通されている。挿通孔３２の内周面３３には、２つの軸受面３４、３５が形成されている。軸受面３４、３５は軸方向に離隔している。

軸受孔２１ａに供給された潤滑油の一部は、油孔３６を通って、本体部３１の内周面３３に流入する。油孔３６は、本体部３１を内周面３３から外周面３７まで貫通する。流入した潤滑油は、油孔３６から図２中、左右に拡がる。拡がった潤滑油は、シャフト６と軸受面３４、３５との間隙に供給される。そして、シャフト６と軸受面３４、３５との間隙に供給された潤滑油の油膜圧力によってシャフト６が軸支される。

また、本体部３１には、貫通孔３８が設けられる。貫通孔３８は、内周面３３から外周面３７まで貫通する。軸受壁部２１には、ピン孔２１ｂが形成されている。ピン孔２１ｂは、貫通孔３８に対向する部位に形成されている。ピン孔２１ｂは、軸受孔２１ａを形成する壁部を貫通する。ピン孔２１ｂに、図２中、下側から位置決めピン５０が嵌合される。位置決めピン５０の先端は、軸受３０の貫通孔３８に挿入される。位置決めピン５０によって、軸受３０の回転、および、軸方向の移動が規制される。

また、シャフト６には、油切り部材６０が取り付けられている。油切り部材６０は、本体部３１に対して、図２中、右側（コンプレッサインペラ８側）に配される。油切り部材６０は、環状部材である。油切り部材６０は、シャフト６を伝ってコンプレッサインペラ８側に流れる潤滑油を径方向外側に飛散させる。つまり、油切り部材６０により、コンプレッサインペラ８側への潤滑油の漏出が抑制される。

油切り部材６０の対向面６１は、本体部３１に軸方向に対向している。また、シャフト６には、大径部６ａが設けられている。大径部６ａは、本体部３１に対して、図２中、左側（タービンインペラ７側）に位置する。大径部６ａは、本体部３１に軸方向に対向している。

このように、本体部３１は、位置決めピン５０によって軸方向の移動が規制される。本体部３１は、油切り部材６０および大径部６ａによって軸方向に挟まれている。本体部３１と油切り部材６０との間隙、および、本体部３１と大径部６ａとの間隙には、それぞれ、潤滑油が供給されている。シャフト６が軸方向に移動すると、油切り部材６０または大径部６ａが本体部３１との間の油膜圧力によって支持される。すなわち、軸受３０のうち、本体部３１の軸方向の両端面は、スラスト軸受面４１、４２となっている。スラスト軸受面４１、４２は、スラスト荷重を受ける。

また、本体部３１の外周面のうち、軸方向の両端側それぞれには、ダンパ部３９、４０が形成されている。ダンパ部３９、４０は、軸受孔２１ａの内周面との間隙に供給された潤滑油の油膜圧力によって、シャフト６の振動を抑制する。

ところで、近年、エンジンから排出される排気ガスの高温化、および、過給機Ｃの高周速化（高回転化）により、エンジン運転時において軸受３０の温度が上昇している。そこで、本実施形態では、軸受３０の本体部３１を下記の金属材料で構成する。

具体的に説明すると、本実施形態の本体部３１は、Ｃｕ（銅）と、Ｍｎ（マンガン）、Ｓｉ（ケイ素）、および、Ａｌ（アルミニウム）を含む第１添加元素と、Ｆｅ（鉄）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｓｎ（スズ）、Ｃｏ（コバルト）、および、Ｍｇ（マグネシウム）のうち少なくとも１の元素を含む第２添加元素と、を含み、残部がＺｎ（亜鉛）および不可避不純物であり、下記式（１）で示される総亜鉛当量が４０％以上５５％以下である金属材料で構成される。

総亜鉛当量（％）＝｛（第１添加元素の亜鉛当量×第１添加元素の含有量＋第２添加元素の亜鉛当量×第２添加元素の含有量＋Ｚｎの含有量）／（第１添加元素の亜鉛当量×第１添加元素の含有量＋第２添加元素の亜鉛当量×第２添加元素の含有量＋Ｚｎの含有量＋Ｃｕの含有量）｝×１００ …式（１）
ここで、Ｍｎの亜鉛当量は０．５である。Ｓｉの亜鉛当量は１０．０である。Ａｌの亜鉛当量は６．０である。Ｆｅの亜鉛当量は０．９である。Ｎｉの亜鉛当量は−１．３である。Ｓｎの亜鉛当量は２．０である。Ｃｏの亜鉛当量は−０．１以上−１．５以下である。Ｍｇの亜鉛当量は２．０である。なお、Ｚｎの亜鉛当量は１．０である。また、不可避不純物は、精錬もしくはスクラップにおいて混入される不純物である。不可避不純物の含有量は、全体で１．０ｗｔ％以下である。

また、本実施形態の金属材料は、Ｃｕの含有率が５６ｗｔ％以上５９ｗｔ％以下であってもよい。本実施形態の金属材料は、Ｍｎの含有率が２．０ｗｔ％以上３．０ｗｔ％以下であってもよい。本実施形態の金属材料は、Ｓｉの含有率が０．７ｗｔ％以上１．３ｗｔ％以下であってもよい。本実施形態の金属材料は、Ａｌの含有率が１．０ｗｔ％以上２．０ｗｔ％以下であってもよい。本実施形態の金属材料は、Ｆｅの含有率が０．４ｗｔ％以上１．０ｗｔ％以下であってもよい。本実施形態の金属材料は、Ｎｉの含有率が０．４ｗｔ％以上１．０ｗｔ％以下であってもよい。本実施形態の金属材料は、Ｓｎの含有率が０ｗｔ％以上０．４ｗｔ％以下であってもよい。本実施形態の金属材料は、Ｃｏの含有率が０ｗｔ％以上１．０ｗｔ％以下であってもよい。本実施形態の金属材料は、Ｍｇの含有率が０ｗｔ％以上１．０ｗｔ％以下であってもよい。

例えば、本実施形態の金属材料は、Ｃｕが５６ｗｔ％以上５９ｗｔ％以下であり、Ｍｎが２．０ｗｔ％以上３．０ｗｔ％以下であり、Ｓｉが０．７ｗｔ％以上１．３ｗｔ％以下であり、Ａｌが１．０ｗｔ％以上２．０ｗｔ％以下であり、Ｆｅが０ｗｔ％以上１．０ｗｔ％以下であり、Ｎｉが０ｗｔ％以上１．０ｗｔ％以下であり、Ｓｎが０ｗｔ％以上０．４ｗｔ％以下であり、残部がＺｎおよび不可避不純物である。

このように、本実施形態の本体部３１は、ＣｕＺｎ合金（黄銅系合金）で構成される。これにより、本体部３１は、鉄系材料で構成されるシャフト６にダメージを与える事態を回避できる。また、過給機Ｃは、低負荷および高回転であるため、本体部３１の摩耗の進行速度が低い。したがって、過給機Ｃの軸受３０の本体部３１は、本実施形態の金属材料（黄銅系合金）で構成することが可能となる。

また、本実施形態の本体部３１は、Ｚｎ、ＳｉおよびＡｌを含有する金属材料で構成される。これにより、本体部３１は、高温環境下で生じ得る黒化腐食の発生を低減することができる。本体部３１に黒化腐食が発生すると、本体部３１の表面が脆くなり、本体部３１（軸受面３４、３５、スラスト軸受面４１、４２）の摩耗が急激に進行する。本実施形態の本体部３１は、黒化腐食の発生を低減できる金属材料で構成されるため、摩耗の進行を抑制することが可能となる。

さらに、本実施形態の本体部３１は、ＭｎおよびＳｉを含有する金属材料で構成される。これにより、本体部３１を構成する金属材料中にＭｎ−Ｓｉの硬質粒子が析出される。したがって、本実施形態の本体部３１は、耐摩耗性を向上させることが可能となる。

また、本実施形態の本体部３１は、ＡｌおよびＮｉを含有する金属材料で構成される。これにより、本体部３１は、靱性（機械的特性）を維持することができる。

さらに、本実施形態の本体部３１を構成する金属材料は、Ａｌの含有率が１．０ｗｔ％以上２．０ｗｔ％以下であり、好ましくは、１．０ｗｔ％以上１．３ｗｔ％未満である。Ａｌの含有率が高くなると、本体部３１に焼き付きが生じやすくなる。したがって、本実施形態の本体部３１は、Ａｌの含有率が１．０ｗｔ％以上１．３ｗｔ％未満の金属材料で構成されることにより、本体部３１への黒化腐食の発生を低減し、かつ、本体部３１（軸受３０）の焼き付きを減少することができる。

さらに、本実施形態の本体部３１は、総亜鉛当量が４０％以上である金属材料で構成される。これにより、本体部３１は、耐腐食性を向上させることができる。また、本実施形態の本体部３１は、総亜鉛当量が５５％以下である金属材料で構成される。これにより、本体部３１は、靱性を維持することが可能となる。

（第１の実施例）
実施例および比較例を用いて、腐食試験および摩耗試験が実行された。実施例は、Ｃｕが５６ｗｔ％以上５９ｗｔ％以下であり、Ｍｎが２．０ｗｔ％以上３．０ｗｔ％以下であり、Ｓｉが０．７ｗｔ％以上１．３ｗｔ％以下であり、Ａｌが１．０ｗｔ％以上２．０ｗｔ％以下であり、Ｆｅが０（ゼロ）ｗｔ％以上１．０ｗｔ％以下であり、Ｎｉが０ｗｔ％以上１．０ｗｔ％以下であり、Ｓｎが０ｗｔ％以上０．４ｗｔ％以下であり、Ｐｂが０ｗｔ％以上０．１ｗｔ％以下であり、Ｂｉが０ｗｔ％以上０．１ｗｔ％以下であり、残部がＺｎおよび不可避不純物の金属材料である。実施例の総亜鉛当量は、４０％以上５５％以下である。比較例は、Ｃｕが６８ｗｔ％であり、Ｍｎが３．３ｗｔ％であり、Ｓｉが１．５ｗｔ％であり、Ｂｉが６．５ｗｔ％であり、残部がＺｎおよび不可避不純物の金属材料である。比較例の総亜鉛当量は、３５．５％である。

図３（ａ）は、実施例の腐食試験の実行前の写真である。図３（ｂ）は、実施例の腐食試験の実行後の写真である。図３（ｃ）は、比較例の腐食試験の実行前の写真である。図３（ｄ）は、比較例の腐食試験の実行後の写真である。

図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように、実施例は、腐食試験を実行しても、試験体に黒化腐食がほとんど発生しないことが確認された。一方、図３（ｃ）、図３（ｄ）に示すように、比較例は、腐食試験を実行すると、試験体全面に黒化腐食が発生することが分った。

図４は、実施例および比較例の摩耗試験の結果を示す図である。摩耗試験を実行したところ、図４に示すように、実施例において摩耗が進行した深さは、比較例の０．４２倍であった。つまり、実施例は、比較例より耐摩耗性が高いことが確認された。

（第２の実施例）
総亜鉛当量が異なる複数の試験体の腐食試験が実行された。図５は、総亜鉛当量と腐食性との関係を説明する図である。なお、図５中、縦軸は腐食性を示し、横軸は総亜鉛当量（％）を示す。また、図５中、腐食層を白四角で示し、堆積層を黒丸で示す。なお、腐食層は、所謂、脱亜鉛腐食によって生じる層である。つまり、腐食層は、試験体中のＺｎがエンジンオイルに溶け出すことによって生じる層である。堆積層は、所謂、硫化腐食によって生じる層である。つまり、堆積層は、試験体中のＣｕとエンジンオイルに含まれるＳ（硫黄）とによって生成される化合物の層である。

図５に示すように、総亜鉛当量が増加するに従って、腐食層および堆積層が低減することが分った。また、総亜鉛当量が４０％以上になると、腐食層および堆積層がほとんど生じないことが確認された。

（第３の実施例）
Ａｌの含有率が異なる複数の試験体の焼き付き試験が実行された。焼き付き試験は、試験体に印加する圧力（面圧）を変化させ、焼き付きが発生した圧力を測定する試験である。

図６は、焼き付き試験の結果を説明する図である。なお、図６中、縦軸は圧力を示し、横軸はＡｌの含有率（％）を示す。図６に示すように、試験体中のＡｌの含有率が大きくなるほど、低い圧力で焼き付きが発生することが確認された。

以上、添付図面を参照しながら実施形態について説明したが、本開示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開示の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施形態において、軸受３０の本体部３１全体が、上記金属材料で構成される場合を例に挙げて説明した。しかし、軸受３０の本体部３１のうち、軸受面３４、軸受面３５、スラスト軸受面４１、および、スラスト軸受面４２のうち、少なくともいずれか１の軸受面（すべり面）が、上記金属材料で構成されていればよい。また、軸受３０の本体部３１のうち、軸受面３４、３５、または、スラスト軸受面４１、４２のいずれか一方が、上記金属材料で構成されていればよい。また、軸受３０の本体部３１のうち、軸受面３４、または、スラスト軸受面４１のいずれか一方が、上記金属材料で構成されていてもよい。この場合、エンジン運転時の軸受温度が相対的に高いタービンインペラ７側に配置することで好適となり得る。

また、上記実施形態において、過給機Ｃは、ラジアル軸受およびスラスト軸受として機能する軸受３０を備える場合を例に挙げて説明した。しかし、過給機Ｃは、ラジアル軸受とスラスト軸受とを別体で備えてもよい。過給機Ｃが、ラジアル軸受およびスラスト軸受を別体で備える場合、ラジアル軸受およびスラスト軸受のうち、すべり軸受である軸受の本体部の軸受面が少なくとも上記金属材料で構成されていればよい。

本開示は、過給機に利用することができる。

Ｃ過給機
３０軸受（すべり軸受）
３１本体部
３４軸受面
３５軸受面
４１スラスト軸受面（軸受面）
４２スラスト軸受面（軸受面）

Claims

Ｃｕと、
Ｍｎ、Ｓｉ、および、Ａｌを含む第１添加元素と、
Ｆｅ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｃｏ、および、Ｍｇのうち少なくとも１の元素を含む第２添加元素と、
を含み、
残部がＺｎおよび不可避不純物であり、
｛（前記第１添加元素の亜鉛当量×前記第１添加元素の含有量＋前記第２添加元素の亜鉛当量×前記第２添加元素の含有量＋前記Ｚｎの含有量）／（前記第１添加元素の亜鉛当量×前記第１添加元素の含有量＋前記第２添加元素の亜鉛当量×前記第２添加元素の含有量＋前記Ｚｎの含有量＋前記Ｃｕの含有量）｝×１００で示される総亜鉛当量が４０％以上５５％以下である金属材料で構成された軸受面を少なくとも有する本体部を有するすべり軸受を備える過給機。