JP5124636B2 - ターボチャージャに用いるためのディフューザを備えた遠心圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、たとえば自動車用の排ガスターボチャージャに使用されるディフューザを備えた遠心圧縮機に関する。

ターボチャージャは、一般的に、排ガス流における排ガスタービンから成っており、排ガスタービンは、ターボ軸を介して、給気路における圧縮機と接続されている。このために、ターボ軸に、たとえばタービンホイールおよび圧縮機ホイールが回動可能に支承されており、ここではタービンホイールは、タービンハウジング内に配置されており、圧縮機ホイールは、ディフューザを備えた圧縮機ハウジング内に配置されている。運転中、タービンハウジングを通ってガイドされる排ガス流は、タービンホイールを駆動する。タービンホイールは、圧縮機ホイールを駆動し、これによって圧縮機は、エンジンの排ガス炉における圧力を高めるので、給気サイクルの間、比較的多量の空気がシリンダに達する。これによって多量の酸素が提供され、これに応じて多量の燃料が燃焼される。これによってエンジンの出力が高められる。

ターボチャージャの騒音放出に関して、圧縮機が重要である。特に圧縮機入口は、極めて多くの騒音を外へ放出する。

背景技術において、排ガスターボチャージャ用の遠心圧縮機が公知であり、遠心圧縮機は、ディフューザを備えており、ディフューザは、形成された速度を圧力に変換する。そのようなディフューザは、いわゆる螺旋部で終了しており、螺旋部は、圧縮された空気を消費器に導出する。螺旋部の移行部分の幾何学形状、つまりいわゆる舌部は、問題となる構成要素である。なぜならばその箇所で頻繁に圧力脈動が生じるからである。背景技術によれば、そのような圧力脈動の発生の問題は、従来、一定のディフューザ直径もしくは半径を有する舌部の流体技術的に有利な構成によって解決された。

吸込音を低減するために、もしくは比較的大きな音響負荷において、多くの場合、前置された消音器が用いられる。消音器は、通路状または溝状の要素を備えることができ、この要素自体は、たとえば吸音性材料によって被覆されている。そのような吸音型消音器の他に、消音のために音響共鳴器および音響フィルタを用いることもできる。

そのような消音器の欠点によれば、追加的な構成スペースが必要である。さらに消音器の製造および取付は、費用が嵩み、手間の掛かるものである。

したがって本発明の課題は、圧力脈動の発生を少なくとも低減するか、または実質的に完全に防止する、圧力脈動ディフューザを備えた圧縮機を提供することである。

この課題は、請求項１の特徴部に記載の構成を有する遠心圧縮機によって解決される。

本発明によれば、特にターボチャージャ用の遠心圧縮機において、螺旋形ハウジングを備え、ディフューザを備え、ディフューザは、螺旋形ハウジングの移行領域もしくは舌部の位置する領域における負圧域が少なくとも低減されるように、形成されている。

遠心圧縮機の利点によれば、ディフューザにおける特に螺旋形ハウジングの移行領域に生じる負圧域の低減または抑制によって、不都合な圧力脈動の発生が防止される。これによって少なくとも部分的または完全にたとえば追加的な消音器の使用を省略することができる。その結果として製造および組立コストに関して大幅な削減が得られる。さらにたとえばターボチャージャに使用する際にコンパクトな構造が得られる。

本発明の有利な形態および改良形は、従属請求項ならびに図面に関する詳細な説明から明らかである。

本発明による１形態によれば、ディフューザの横断面が、負圧域の形成が少なくとも低減されるか、または実質的に完全に防止されるように、変化される。その利点によれば、ディフューザの横断面を比較的簡単に適合もしくは変化させることができ、したがって背景技術における消音器の使用に対して経済的であり、追加的な構成スペースが必要でない。

本発明の１形態によれば、ディフューザの横断面が変化され、それもディフューザの半径もしくは螺旋形ハウジングの移行領域もしくは舌部の位置する領域で拡張されるように、変化される。その利点によれば、ディフューザは、ガス速度をさらに低下させることができ、ひいては比較的大きな圧力上昇を形成する。比較的大きな圧力上昇は、脈動のない流出または少なくとも脈動の低減された流出が実現される。ディフューザの、拡張された直径もしくは半径を有する領域は、外向きに湾曲した隆起部または楕円部として形成することができる。

本発明の別の形態によれば、ディフューザの横断面は、ディフューザの幅が拡張されることによって、変化される。このためにディフューザは、螺旋形ハウジングの移行領域もしくは舌部の位置する領域で、比較的大きな幅もしくは漸増する幅を有している。ディフューザにおける幅の拡張によって、ディフューザの半径の拡張と同等の利点が得られる。ここでも負圧域の形成が、防止されるか、または少なくとも低減されるので、不都合な脈動を抑制し、ひいてはこれに応じた騒音発生を抑制することができる。

本発明の別の形態によれば、ディフューザの少なくとも１つの壁または両方のそれぞれ反対側に位置する壁が、外向きに傾斜付けして、かつ／または湾曲して形成されている。各壁は、楔部を形成することができ、この場合楔部は外向きに拡張される。壁は、形状、傾斜および／または湾曲に関して、同一に、または異なって形成されている。その利点によれば、機能および使用目的に応じて、ディフューザの幅は、少なくとも１領域で、両方または片方の壁の適合によって簡単に実現することができる。

次に本発明を、図面した実施の形態に基づいて詳しく説明する。

背景技術による遠心圧縮機およびディフューザを示す概略断面図である。 図１に示した圧縮機ホイールおよびディフューザを示す概略断面図である。 本発明の第１形態による遠心圧縮機およびディフューザを示す概略断面図である。 図３に示した圧縮機ホイールおよびディフューザを示す概略断面図である。 本発明の第２形態による遠心圧縮機およびディフューザを示す概略断面図である。 図５に示した圧縮機ホイールおよびディフューザを示す概略断面図である。

全図において、同じもしくは機能的に同じ要素および装置には、特に言及しない限り、同じ符号を付した。

図１には、背景技術に基づくディフューザ１２を備えた遠心圧縮機１０を示しており、遠心圧縮機１０は、ターボチャージャ（図示していない）の構成要素である。ここでは遠心圧縮機１０は、概略的に正面からみた断面図で示した。

遠心圧縮機１０は、螺旋形ハウジング１４とディフューザ１２とを備えている。ディフューザ１２の半径ｒ１もしくは直径は、一定である。さらにディフューザ１２の幅ｂ１も一定であり、これについては図２に示した。したがってディフューザ１２は、実質的に一定の横断面を有している。

遠心圧縮機１０のハウジングには、ターボ軸１６が配置されており、ターボ軸１６に、圧縮機ホイール１８が設けられている。圧縮機ホイール１８は、適切なタービンホイール（図示していない）を介して、ターボ軸１６上で駆動される。運転時には、圧縮機ホイール１８の回転数によって、空気が軸方向に吸い込まれ、圧縮機ホイール１８において、高速に加速される。ここでは空気は、圧縮機ホイール１８から半径方向に離反する。

ディフューザ１２において、空気の速度が低減される。その結果として、圧力および温度が高まる。ディフューザ１２は、たとえば圧縮機後壁と螺旋形ハウジング１４の一部とから形成される。螺旋形ハウジング１４内で、空気が集められ、速度が圧縮機出口まで継続的に低下される。ここでは螺旋形ハウジング１４の螺旋部１３の移行部の幾何学形状、いわゆる舌部２０が、問題となる構成要素を成している。なぜならばこの箇所では、負圧が形成されるので、頻繁に圧力脈動が生じるからである。したがって、前述したように、背景技術による遠心圧縮機１０では、そのような圧力脈動の結果として生じる騒音発生を防止するか、または少なくとも低減するために、とりわけ消音器（図示していない）が設けられている。

図２には、図１に示したディフューザ１２および圧縮機ホイール１８を断面図で示した。ここではディフューザ１２の幅ｂ１は、実質的に一定である。

さらに図３には、本発明による、ターボチャージャ（図示していない）の一部である遠心圧縮機１０を示した。遠心圧縮機１０は、ここでも螺旋形ハウジング１４とディフューザ１２とを備えている。ターボ軸１６には、既に図１に関して記載したように、圧縮機ホイール１８およびタービンホイール（図示していない）が配置されている。ここではディフューザ１２は、圧縮機ホイール１８を介して吸い込まれた空気の、形成された速度を、圧力に変換する。この場合ディフューザ１２は、螺旋形ハウジング１４の螺旋部１３で終了しており、螺旋部１３では、圧縮された空気が消費器に導出される。

螺旋部１３の移行部の領域、つまりいわゆる舌部２０に生じる圧力脈動に対処するために、本発明によれば、ディフューザ１２の横断面が変化される。換言すると、ディフューザ１２の横断面が変形され、したがって背景技術とは異なって一定ではない。横断面変化は、以下に説明するように様々に実現される。

ディフューザ１２の横断面を適切に変化させるために、たとえばディフューザ１２の半径ｒもしくは直径は、以下のように形成もしくは変形することができる。ディフューザ１２の半径ｒもしくは直径は、負圧領域の形成が低減されるか、または舌部２０の位置する領域、つまり螺旋部の移行領域に実質的に負圧が形成されないように、形成されている。このことは、たとえばディフューザ１２の半径ｒもしくは直径が少なくとも所定の領域で拡大されることによって得られ、これによって負圧域の形成を低減するか、実質的に完全に防止することができる。したがってディフューザ１２の半径ｒ２は、舌部２０の位置する領域で、この領域の外側におけるディフューザ１２の半径ｒ１よりも大きく選択されている。

発明者が見出した点によれば、たとえば一定の幅を有するディフューザ１２において、背景技術に当てはまるが、一定の半径ｒもしくは直径を用いるのは有利ではない。その代わりに、ディフューザ１２の直径もしくは半径ｒが変化すると有利である。その意味するところによれば、ディフューザ１２は、少なくとも１領域、たとえば螺旋部１３の移行領域で、僅かに大きな直径もしくは半径ｒ２を有している。

ディフューザ１２の、拡張された直径もしくは半径ｒ２によって、ガス速度のさらなる低下と比較的大きな圧力形成が得られ、これは、実質的に脈動のない流出または少なくとも脈動の低減された流出を実現する。したがって不都合な騒音発生に対処することができるので、追加的なコストおよび取付に関する手間の掛かる追加的な消音エレメントを組み込む必要はない。

このために、既に記載したように、ディフューザ１２は、図３に示したように、たとえば舌部２０の位置する領域もしくは螺旋部１３の移行領域で、比較的大きな半径ｒ２もしくは直径を有して形成されている。ここではディフューザ１２は、たとえば舌部２０の位置する領域で、外向きに膨らんだ隆起部３０を有して成形されるか、この領域で楕円形に形成されている。図３は、本発明の原理を説明するために誇張して示してある。

図４には、図３に示した圧縮機ホイール１８およびディフューザ１２の一部を断面図で示した。ディフューザ１２は、概ね一定の幅ｂ１を有している。

さらに図５には、本発明による遠心圧縮機１０の第２形態を示した。遠心圧縮機１０は、一定の直径もしくは半径ｒ１を有している。ディフューザ１２の横断面を適切に変化させるために、ここでは、ディフューザ１２の幅ｂが変化される。

ここでは、本発明によれば、ディフューザ１２の幅ｂは、既に説明した、たとえば螺旋部１３の移行領域で生じる圧力脈動に対処するために、少なくとも１領域で変化される。ここではディフューザ１２の幅ｂは、たとえば図６に示したように、拡張される。幅ｂ１は、図示の領域で幅ｂ２に拡張される。このためにディフューザ１２の第１壁２２が、この領域で、たとえば角度γだけ僅かに外向きに傾斜付けされる。選択的に第１壁２２は、たとえば湾曲して形成してもよい。原則的に、ディフューザ１２の、第１壁２２とは反対側に位置する第２壁２４も、第１壁２２に対応してこれに適合するように形成することができる。

ここではディフューザ１２の幅ｂは、たとえば螺旋部１３の移行領域もしくは舌部２０の位置する領域で、この領域における負圧域の形成に対処するために、変化されるか、もしくは幅ｂ２に拡張される。ディフューザ１２は、楔部２８の構成をしたある種の凹部２６を備えることができ、これについては図５の正面図および図６の側面図で示した。楔部２８は、たとえば舌部２０に向かって外向きに拡がる。

本発明は、前述の有利な実施の形態に基づいて説明したが、これに制限されるものではなく、むしろ多様な形態に変更可能である。前述の形態は、相互に、とりわけ形態の個々の特徴を組み合わせることができる。

たとえばディフューザ１２の単数または複数の領域を、直径もしくは半径ｒに関して変化させることができる。さらにディフューザ１２の単数または複数の領域を、幅ｂに関して変化させることもできる。ここでは、変化される領域は、どこで不都合な圧力脈動が生じるかを考慮して選択され、これによって、圧力脈動に対処するために、負圧域が生じないか、または場合によっては僅かな負圧域しか生じないように、選択された領域を適合させることができる。

さらにディフューザ１２は、既に図３および図４に関して詳説したように、少なくとも１領域で、変化した直径もしくは半径ｒを有することができる。このようなディフューザ１２は、選択的に、図５および図６に関して詳説したように、追加的に、幅ｂの変化された少なくとも１領域を備えることができる。換言すると、ディフューザ１２の横断面は、直径もしくは半径ｒおよび／または幅ｂに関して変化可能である。

さらにディフューザ１２の幅ｂを拡張するために、ディフューザ１２の少なくとも第１壁２２および／または第２壁２４は、外向きに傾斜付し、かつ／または湾曲して形成することができる。両壁２２，２４は、同一に、または異なって成形することができ、つまりたとえば異なる傾斜もしくは湾曲を有して成形することができる。この場合壁２２，２４は、この領域において異なる構成を有していてもよい。したがって機能および使用目的に応じて、一方の壁２２，２４は傾斜付けして、他方の壁２２，２４は湾曲して形成してもよい。

Claims (6)

1. ターボチャージャ用の遠心圧縮機（１０）において、
   螺旋形ハウジング（１４）を備え、
   ディフューザ（１２）を備え、該ディフューザ（１２）は、螺旋形ハウジング（１４）の移行領域および舌部（２０）の位置する領域におけるディフューザ（１２）の横断面が変化されて、螺旋形ハウジング（１４）の移行領域および舌部（２０）の位置する領域におけるディフューザ（１２）の半径（ｒ）および／または幅が半径方向外向きに拡張されており、これによって、螺旋形ハウジング（１４）の移行領域および舌部（２０）の位置する領域における負圧域が少なくとも低減されているように、形成されていることを特徴とする、遠心圧縮機。
2. ディフューザ（１２）は、螺旋形ハウジング（１４）の移行領域および舌部（２０）の位置する領域で半径方向外向きに隆起部（３０）を有している、請求項１記載の遠心圧縮機。
3. 移行領域および舌部（２０）の位置する領域におけるディフューザ（１２）の少なくとも１つの第１壁（２２）または第１壁（２２）と、該第１壁（２２）とは反対側に位置する第２壁（２４）とが、移行領域および舌部（２０）の位置する領域におけるディフューザ（１２）の幅（ｂ）が半径方向外向きに増加するように、外向きに傾斜付けされているか、かつ／または湾曲されている、請求項１記載の遠心圧縮機。
4. 第１壁（２２）および第２壁（２４）は、形状、傾斜および／または湾曲に関して、同一に、または異なって形成されている、請求項３記載の遠心圧縮機。
5. 第１壁（２２）と、該第１壁（２２）とは反対側に位置する第２壁（２４）との間に、ディフューザ（１２）は、半径方向外向きに拡張している楔形部を形成する、請求項３記載の遠心圧縮機。
6. 請求項１から５までのいずれか１項記載の遠心圧縮機（１０）を備えたターボチャージャ。

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