JP5828263B2 - ターボチャージャ - Google Patents

Description

本発明は、ターボチャージャに関する。

従来、舶用、自動車用等の内燃機関では、その排気エネルギーを利用して駆動させられ、内燃機関の給気圧力を高めて内燃機関の出力を増大させるターボチャージャ（過給機）が知られている。
内燃機関のうち特に舶用内燃機関では、燃料として低質の重油が使用されているため、舶用内燃機関の排気ガス中にはカーボンや硫黄酸化物（硫酸成分）等の燃焼残渣物が含まれている。したがって、このような排気ガスを吸入することにより、舶用内のターボチャージャでは排気ガス中の燃焼残渣物が、タービンハウジングやタービンノズル、タービンインペラに付着するといった問題があった。

このような背景のもとに、簡単な構成で、効果的にしかもサーマルショックを引き起こすことなく、回転翼車（タービンインペラ）の洗浄を可能にした過給器（ターボチャージャ）が提供されている（例えば、特許文献１参照）。

特許第４６５０２３３号公報

しかしながら、前記したような洗浄を行うターボチャージャでは、以下の改善すべき新たな課題がある。
タービンハウジング内を洗浄すべく、タービンハウジング内に洗浄水を供給すると、先に付着したカーボンや硫黄酸化物（硫酸成分）等の燃焼残渣物がタービンハウジングやタービンノズル、タービンインペラから除去され、洗浄水中に移行する。したがって、除去した燃焼残渣物を含有する洗浄水は、そのほとんどが排気ガスとともに排気ガス流出口から排出される。

ところが、洗浄水は、僅かではあるがその一部がタービンインペラの背面側を通って回転軸上に達し、タービンハウジングに接続するベアリングハウジング内に浸入してしまう。ベアリングハウジング内に位置する回転軸のタービンハウジング側は、シーリング部によってシールされ、タービンハウジング側と隔てられていることから、前記の洗浄水の一部はこのシーリング部に付着する。

しかし、このように洗浄水がシーリング部に付着すると、洗浄水中のカーボン等がシーリング部を摩耗させ（損傷し）てしまう。シーリング部はベアリングハウジングとタービンハウジング間をシールしているので、シーリング部が損傷した場合、ベアリングハウジング内の潤滑油がタービンハウジング側に漏洩する。逆にタービンハウジング側の排気ガスや洗浄水がベアリングハウジング側、そして潤滑油タンクへ混入する。さらには、このような状態が長期化すると、シーリング部を通って前記洗浄水がベアリングハウジング内に流入し、洗浄水中の硫酸（硫酸成分）がベアリングハウジングを腐蝕させてしまうおそれもある。

本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、洗浄を行うようにしたターボチャージャにおいて、洗浄水がタービンインペラの背面側を通ってベアリングハウジング側に浸入するのを抑制し、シーリング部の摩耗（損傷）を防止したターボチャージャを提供することにある。

本発明のターボチャージャは、回転軸に設けられたタービンインペラと、前記タービンインペラを収容するタービンハウジングと、を備え、
前記タービンインペラには、その背面に、該タービンインペラの半径方向外方に向く凹部を有したインペラ段差部が、該タービンインペラの周方向に沿って設けられていることを特徴とする。

また、前記ターボチャージャにおいては、前記タービンインペラの背面に対向して遮熱板が設けられ、前記遮熱板は、前記インペラ段差部の凹部より前記タービンインペラの半径方向外方側に対向する第１面と、前記インペラ段差部の凹部より前記タービンインペラの半径方向内方側に対向する第２面とを有し、該第１面と第２面との間に、前記タービンインペラのインペラ段差部に対向する遮熱板段差部を有していることが好ましい。

また、前記ターボチャージャにおいて、前記インペラ段差部には、前記回転軸の軸方向に前記凹部が複数形成されていることが好ましい。
また、前記複数の凹部は、前記タービンインペラの半径方向での位置が互いに異なって形成されていることが好ましい。

また、前記ターボチャージャにおいて、前記タービンハウジングには、その排気ガス流入口に、該タービンハウジング内に洗浄水を供給する洗浄水供給手段が設けられていることが好ましい。

本発明のターボチャージャによれば、タービンインペラの背面に、該タービンインペラの半径方向外方に向く凹部を有したインペラ段差部が、該タービンインペラの周方向に沿って設けられているので、運転中にタービンハウジングの排気ガス流入口から洗浄水が供給され、その一部がタービンインペラの背面側を通って回転軸側に向かうと、この回転軸側に向かう洗浄水は前記インペラ段差部で遮られ、その凹部内に一旦留められる。そして、凹部内に留められ溜められた洗浄水は、タービンインペラの回転による遠心力により、タービンインペラの半径方向外方、すなわち排気ガス流入口側に戻される。

したがって、供給された洗浄水の一部がタービンインペラの背面側を通って回転軸側に向かっても、そのほとんどがインペラ段差部によって前記したように排気ガス流入口側に戻されるため、洗浄水がベアリングハウジング内に浸入してシーリング部に付着することにより、シーリング部が摩耗（損傷）したり、ベアリングハウジングが腐蝕することが防止される。

本発明のターボチャージャの一実施形態の概略構成を示す断面図である。 図１に示したターボチャージャの外観、及び洗浄供給手段の概略構成を模式的に示す図である。 図１に示したターボチャージャの要部拡大断面図である。 （ａ）〜（ｄ）はインペラ段差部の形状を示す要部拡大断面図である。 本発明のターボチャージャの他の実施形態を説明するための要部拡大断面図である。

以下、本発明のターボチャージャを詳しく説明する。
図１は、本発明のターボチャージャの一実施形態を示す断面図であり、図１中符号１はターボチャージャである。このターボチャージャ１は、図示しないエンジン（内燃機関）からの排気ガスのエネルギーを利用して、エンジンに供給される空気を過給するものである。なお、図１中に示す矢印「Ｆ」は前方向を指し、「Ｒ」は後方向を指している。

また、このターボチャージャ１は、舶用内燃機関に適用されるもの、すなわち舶用のターボチャージャであり、したがってタービンハウジング内に付着した燃焼残渣物等を除去すべく、タービンハウジング内に洗浄水が供給可能に構成されたものである。なお、このような洗浄水の供給は、ターボチャージャ１の運転中において、定期的に、もしくは必要に応じて不定期に行われるようになっている。

ターボチャージャ１には、ベアリングハウジング３が備えられており、このベアリングハウジング３内には、複数のベアリング５が設けられている。複数のベアリング５には、前後方向へ延びた回転軸７が回転可能に設けられており、したがってベアリングハウジング３には、ベアリング５を介して回転軸７が回転可能に設けられている。

ベアリングハウジング３の後側（矢印Ｒ側）には、タービンハウジング１１が設けられている。また、タービンハウジング１１内には、エンジンの排気ガスのエネルギーを利用して回転するタービンインペラ１３が収容されている。タービンインペラ１３は、回転軸７の後端部に連結されたタービンハブ１５と、タービンハブ１５の外周面に設けられた複数のタービンブレード１７とを有して構成されている。タービンブレード１７は、タービンハブ１５の軸方向に延び、かつ径方向外側に向かって延びて配設されたもので、タービンハブ１５の周方向に所定間隔をおいて配置されている。

タービンハウジング１１の適宜位置には、図２に示すように排気ガスを取り入れる排気ガス流入部１９が設けられており、この排気ガス流入部１９の端部には、排気ガス流入口１９ａが形成されている。また、排気ガス流入口１９ａには、排気管２１が接続されており、この排気管２１には、排気タンク（図示せず）を介してエンジンの排気マニホールド（図示せず）が接続されている。

また、図１に示すようにタービンハウジング１１の内部には、タービンスクロール流路２３がタービンインペラ１３を囲むように形成されており、このタービンスクロール流路２３は、前記排気ガス流入部１９のガス取入口（図示せず）に連通している。さらに、タービンハウジング１１の後側には、タービンスクロール流路２３に連通して排気ガスを排出するガス排出口２５が形成されている。このガス排出口２５には、例えば排気ガス浄化装置（図示せず）が接続されている。

前記タービンインペラ１３は、その背面１３ａ、すなわちタービンハブ１５の前記ベアリングハウジング３側の面が、ベアリングハウジング３に設けられた遮熱板２７に対向して配置されている。遮熱板２７は、ベアリングハウジング３のタービンハウジング１１側に向く面に取り付けられた円環状のもので、高熱のタービンハウジング１１側から、冷却されることで比較的低温となっているベアリングハウジング３側に熱が伝わるのを抑制するものである。

また、ベアリングハウジング３内に位置する回転軸７のタービンハウジング１１側には、回転軸７とベアリングハウジング３との間にシーリング部２９が設けられている。これにより、ベアリングハウジング３側とタービンハウジング１１側との間はシーリング部２９によってシールされ、液密に隔てられている。

前記タービンインペラ１３の背面１３ａには、図３に示すようにインペラ段差部３１が設けられている。インペラ段差部３１は、タービンハブ１５の半径方向外側と半径方向内側との間の境界部に形成された円環状のもので、半径方向外側の面に対して半径方向内側の面がベアリングハウジング３側に突出していることにより、タービンインペラ１３の周方向に沿って形成された段差部である。したがって、このインペラ段差部３１は、タービンハブ１５（タービンインペラ１３）の半径方向外方に向く面を有しており、本実施形態ではこの面に凹部３３を有している。

凹部３３は、円環状のインペラ段差部３１の周方向に沿ってその全周に形成されたもので、図４（ａ）に示すように縦断面視して湾曲した凹面３３ａが、タービンインペラ１３の半径方向外方に向けられて形成配置されたものである。凹部３３の深さや幅については、特に限定されることなく、後述するようにこの凹部３３内に溜める洗浄水の量に応じて、すなわちタービンインペラ１３の背面１３ａ側に流入する洗浄水の量等に応じて、適宜に設計され、形成される。

なお、凹部３３の凹面３３ａの形状については、図４（ａ）に示す湾曲した形状に限定されることなく、例えば図４（ｂ）に示すようにＶ字状に凹んだ形状や、図４（ｃ）に示すように角形に凹んだ形状など、種々の形状の凹面が採用可能である。
さらに、凹部３３は、インペラ段差部３１において回転軸７の軸方向に複数形成されていてもよい。例えば凹部３３が二つ形成されている場合、これら凹部３３、３３は、タービンインペラ１３の半径方向での位置が同じであってもよく、図４（ｄ）に示すように異なっていてもよい。

また、図４（ｄ）では、外側の凹部３３が内側の凹部３３より、タービンインペラ１３の半径方向内方となるように形成しているが、逆に、外側の凹部３３が内側の凹部３３より、タービンインペラ１３の半径方向外方となるように形成してもよい。さらに、凹部３３については、三つ以上形成されていてもよい。

また、本実施形態では、図２に示すように前記排気管２１に、タービンハウジング１１内に洗浄水を供給するための洗浄水供給手段４０が設けられている。
洗浄水供給手段４０は、排気管２１の側周面に挿通されて該排気管２１内に洗浄水を噴出し供給する一対のノズル４２、４２と、これらノズル４２、４２に導水分岐管４４、４４を介して接続する導水管４６と、この導水管４６に接続する洗浄水供給源（図示せず）と、を備えて構成されている。導水管４６には開閉弁４８が設けられ、これら開閉弁４８の下流側には調圧弁５０、圧力計５２が設けられている。また、導水分岐管４４には分岐開閉弁５４が設けられている。

前記一対のノズル４２、４２は、排気管２１の下流端から所定距離Ｄの位置に、相対向して設けられている。これらノズル４２、４２は、排気管２１の中心線を含む平面に配置され、該中心線に対して該ノズル４４の中心線の延長が下流側に向うよう、所要角度α（例えば４５°）傾斜して設けられている。
なお、タービンハウジング１１のガス排出口２５には、排気流出管（図示せず）が接続され、該排気流出管にはドレン管（図示せず）が接続され、該ドレン管にはドレン弁（図示せず）が設けられている。

図１に示すようにベアリングハウジング３の前側には、コンプレッサハウジング９が備えられており、このコンプレッサハウジング９内には、回転軸７と一体的に回転するコンプレッサインペラ６０が設けられている。コンプレッサインペラ６０は、回転軸７に連結したコンプレッサハブ６２と、コンプレッサハブ６２の外周面に設けられた複数のコンプレッサブレード６４とを有して構成されている。コンプレッサブレード６４は、コンプレッサハブ６２の軸方向に延び、かつ径方向外側に向かって延びて配設されたもので、コンプレッサハブ６２の周方向に所定間隔を置いて配置されている。

コンプレッサハウジング９の前側（矢印Ｆ側）には、空気を取り入れる空気取入口６６が形成されている。また、ベアリングハウジング３とコンプレッサハウジング９との間におけるコンプレッサインペラ６０の出口側には、圧縮された空気を昇圧する環状のディフューザ流路６８が形成されている。このディフューザ流路６８は、空気取入口６６に連通して形成されている。さらに、コンプレッサハウジング９の内部には、コンプレッサスクロール流路７０がコンプレッサインペラ６０を囲むように形成されており、このコンプレッサスクロール流路７０は、ディフューザ流路６８に連通して形成されている。また、コンプレッサハウジング９の適宜位置には、圧縮された空気を排出する空気排出口（図示せず）が形成されており、この空気排出口は、コンプレッサスクロール流路７０に連通している。

このような構成のターボチャージャ１では、その運転に伴い、エンジン（内燃機関）の排気ガス中のカーボンや硫黄酸化物（硫酸成分）等の燃焼残渣物が、タービンハウジング１１やタービンノズル（図示せず）、タービンインペラ１３に付着する。そこで、このような燃焼残渣物を除去するべく、洗浄水供給手段４０からタービンハウジング１１内に洗浄水を供給する。なお、このような洗浄水の供給は、前述したようにターボチャージャ１の運転中において定期的に、もしくは必要に応じて不定期に行う。

洗浄水の供給は、洗浄水供給手段４０のノズル４２、４２から排気管２１を介して排気ガス流入部１９に洗浄水を供給し、これによってタービンハウジング１１内に所定の注入圧で洗浄水を供給することで行う。このようにして洗浄水が供給されると、洗浄水はタービンハウジング１１内やタービンインペラ１３などに付着した燃焼残渣物等を除去し、同伴してガス排出口２５から排出される。

しかし、一部の洗浄水、例えば供給量の０．１％程度の洗浄水は、直接ガス排出口２５から排出されることなく、タービンインペラ１３の背面側、すなわちタービンインペラ１３と遮熱板２７との間を通って回転軸７側に向かう。このように回転軸７側に向かう洗浄水は、例えばタービンインペラ１３の背面１３ａを伝って回転軸７側に向かう。しかし、このようにして回転軸７側に向かう洗浄水は、図３に示したインペラ段差部３１で遮られ、その凹部３３内に一旦留められる。

そして、凹部３３内に溜められた洗浄水は、タービンインペラ１３の回転による遠心力により、図３中矢印で示すようにタービンインペラ１３の半径方向外方、つまり排気ガス流入口１９ａ側となるタービンスクロール流路２３側に戻される。すなわち、タービンインペラ１３と遮熱板２７との間を通ってくる洗浄水の流れは、タービンハウジング１１内を流動する過程で失速しているため、タービンインペラ１３の回転による遠心力によって飛ばされる洗浄水は、タービンインペラ１３と遮熱板２７との間を通ってくる洗浄水の流れよりも強くなり、この流れに逆らって容易にタービンスクロール流路２３側に戻る。そして、他の洗浄水と合流し、再度タービンハウジング１１内の洗浄に供された後、ガス排出口２５から排出される。

したがって、本実施形態のターボチャージャ１によれば、供給された洗浄水の一部がタービンインペラ１３の背面１３ａ側を通って回転軸７側に向かっても、そのほとんどをインペラ段差部３１の凹部３３によってタービンスクロール流路２３に戻すことができるため、洗浄水がベアリングハウジング３内に浸入してシーリング部２９に付着することにより、シーリング部２９が摩耗（損傷）したり、ベアリングハウジング３が腐蝕することを防止することができる。よって、本実施形態のターボチャージャ１は、耐久性に優れたものとなる。

また、図４（ｄ）に示したようにインペラ段差部３１に凹部３３を二つ（複数）形成した場合には、タービンインペラ１３と遮熱板２７との間を流入してきた洗浄水を二つの凹部３３、３３内に確実に留め、タービンスクロール流路２３側に戻すことができる。したがって、シーリング部２９の摩耗（損傷）やベアリングハウジング３の腐蝕をより確実に防止することができる。

次に、本発明のターボチャージャの、他の実施形態を説明する。
図５は、本発明のターボチャージャの、他の実施形態の要部を説明するための図である。図５に示す本実施形態のターボチャージャが、図１〜図３に示した実施形態のターボチャージャ１と異なるところは、タービンインペラ１３の背面１３ａに対向する遮熱板８０の形状にある。

すなわち、本実施形態のターボチャージャにおける遮熱板８０は、インペラ段差部３１の凹部３３よりタービンインペラ１３の半径方向外方側に対向する第１面８１と、インペラ段差部３１の凹部３３よりタービンインペラ１３の半径方向内方側に対向する第２面８２とを有し、これら第１面８１と第２面８２との間に、タービンインペラ１３のインペラ段差部３１に対向する遮熱板段差部８３を有している。

このような遮熱板８０を用いると、タービンインペラ１３の背面１３ａと遮熱板８０との間の隙間を充分に狭くすることができる。すなわち、遮熱板の前記背面１３ａに対向する面が一つの平面で形成されている場合、この平面と段差（インペラ段差部３１）を有している背面１３ａとの間では、段差の低い側、つまりタービンインペラ１３の半径方向外方で隙間が広くなってしまう。したがって、背面１３ａと遮熱板との間の隙間に流入する洗浄水の絶対量が多くなり、その分、インペラ段差部３１の側方を通過して回転軸７側に向かう洗浄液の量も多くなる。

しかし、本実施形態では、図５に示したように遮熱板８０にも段差（遮熱板段差部８３）を設け、前記背面１３ａの、凹部３３よりタービンインペラ１３の半径方向外方側の面と、これに対向する第１面８１との間の隙間を充分に狭くすることができることから、これらの間に流入する洗浄水の絶対量を少なくすることができ、その分、インペラ段差部３１の側方を通過して回転軸７側に向かう洗浄液の量も少なくすることができる。

また、前記背面１３ａの、凹部３３よりタービンインペラ１３の半径方向内方側の面と、これに対向する第２面８２との間の隙間も充分に狭くすることができることから、これらの間の内圧を高めることができ、これによって背面１３ａと遮熱板８０との間に洗浄水が流入するのを抑制することができる。

さらに、遮熱板段差部８３をインペラ段差部３１に対向させているので、タービンインペラ１３の遠心力によってその半径方向外方に飛ばされた洗浄水の一部が遮熱板段差部８３に衝突しても、再度インペラ段差部３１側に戻され、凹部３３内に溜められるようになる。そのため、この洗浄水は最終的には前記の遠心力によってタービンスクロール流路２３に戻されるようになる。

このように、本実施形態のターボチャージャにあっては、遮熱板８０に遮熱板段差部８３を形成し、タービンインペラ１３の背面１３ａと遮熱板８０の各面（第１面８１、第２面８２）との間の隙間を最小限に狭められるようにしたので、前記背面１３ａと遮熱板８０との間を流入する洗浄水の絶対量を少なくし、これによってインペラ段差部３１の側方を通過して回転軸７側に向かう洗浄液の量を少なくすることができる。したがって、洗浄水がベアリングハウジング３内に浸入してシーリング部２９に付着することにより、シーリング部２９が摩耗（損傷）したり、ベアリングハウジング３が腐蝕することをより確実に防止することができる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
例えば、前記実施形態では洗浄水供給手段を一体に組み付けた場合について説明したが、洗浄水供給手段については、ターボチャージャと別に備えておき、洗浄時に接続することで、洗浄を行えるようにしてもよい。すなわち、本発明のターボチャージャでは、洗浄水供給手段を着脱可能に備えていてもよい。

また、前記実施形態では本発明のターボチャージャを舶用のターボチャージャに適用した場合について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、自動車用等のターボチャージャにも適用可能である。

１…ターボチャージャ、３…ベアリングハウジング、７…回転軸、１１…タービンハウジング、１３…タービンインペラ、１３ａ…背面、１９…排気ガス流入部、１９ａ…排気ガス流入口、３１…インペラ段差部、３３…凹部、４０…洗浄水供給手段、８０…遮熱板、８１…第１面、８２…第２面、８３…遮熱板段差部

Claims (5)

1. 回転軸と、
   前記回転軸が設けられたベアリングハウジングと、
   前記回転軸と連結されたタービンハブを含むタービンインペラと、
   前記タービンインペラを収容するタービンハウジングと、
   前記ベアリングハウジングと前記タービンハウジングとの間をシールするシーリング部と、を備え、
   前記タービンインペラの前記タービンハブにおける前記ベアリングハウジング側の面である背面には、前記タービンインペラの半径方向外側と半径方向内側との間の境界部に形成されると共に前記タービンインペラの半径方向外方に向き洗浄水を留める凹部を有したインペラ段差部が、該タービンインペラの周方向に沿って設けられていることを特徴とするターボチャージャ。
2. 前記タービンインペラの背面に対向して遮熱板が設けられ、
   前記遮熱板は、前記インペラ段差部の凹部より前記タービンインペラの半径方向外方側に対向する第１面と、前記インペラ段差部の凹部より前記タービンインペラの半径方向内方側に対向する第２面とを有し、該第１面と第２面との間に、前記タービンインペラのインペラ段差部に対向する遮熱板段差部を有してい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. 前記インペラ段差部には、前記回転軸の軸方向に前記凹部が複数形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のターボチャージャ。
4. 前記複数の凹部は、前記タービンインペラの半径方向での位置が互いに異なって形成されていることを特徴とする請求項３記載のターボチャージャ。
5. 前記タービンハウジングには、その排気ガス流入口に、該タービンハウジング内に洗浄水を供給する洗浄水供給手段が設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のターボチャージャ。

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