JPH01147119A - 自動車用ターボチャージャーのインペラ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は自動車用ターボチャージャーのコンプレッサ
に使用されるインペラ（回転羽＠）に関し、時にインペ
ラをコンプレッサーハウジングに組付けて回転させるこ
とによりそのインペラの先端によってコンプレッサーハ
ウジング表面のアブレーダモル浦射皮膜を切削して、イ
ンペラとコンプレッサーハウジングとの間隙を調整する
ようにした自！ｌＪｇ用ターボチャージャーに使用され
るインペラに関するものである。

従来の技術 自動車用ターボチャージャーは、第２図に示すように、
エンジンのエキゾーストマニホールドからの排ガスをタ
ービンハウジング１に導いてタービンホイール２を回転
させ、そのタービンホイール２にシャフト３を介して連
結されたインペラ４の回転によってコンプレッサーハウ
ジング５内で吸気を圧縮し、その圧縮された吸気をエン
ジンに送り込むものである。このような自動車用ターボ
チャージャーにおけるコンプレッサーハウジング５とし
ては、一般にアルミ合金鋳物が使用され、またインペラ
４としては一般に耐熱アルミ合金鋳物を焼入れ焼もどし
した材料が使用されている。

ところで自動車用ターボチャージャーにおいては、イン
ペラ４の先端とそれに対向するコンプレッサーハウジン
グ５の内壁面との間隙Ｈを可及的に小さくすることが、
ターボ効率（コンプレッサー効率）の向上などに有利で
あることが知られている。しかしながらこの間隙Ｈを小
さくし過ぎれば、回転中にシャフト３のわずかな偏心や
振動によってもインペラ４の先端がコンプレッサーハウ
ジング５に接触して、インペラ４が破損する可能性があ
る。そこで従来の自動車用ターボチャージャーのコンプ
レッサーハウジング５とインペラ４との間隙Ｈは、ター
ボチャージャーの大きさによっても異なるが、最小でも
０．３〜０．５ｍｍ程度は必要とされており、この間隙
が、ターボ効率をより向上させることができない大きな
原因となっていた。

ところで＃Ｌ２１Ｊ［用のガスタービンエンジンについ
ては、特開昭５２−７２３３５号あるいは特開昭５２−
８５０３１号などに示されているように、圧縮鵬のケー
シング表面に、金属とグラフ１イトや樹脂等の如く潤滑
性を有する軟質非金属材料とからなる切削容易な複合溶
射皮膜、すなわちいわゆるアブレーダブル溶射皮膜を形
成し、その溶射皮膜を相手材である回転羽根により切削
してケーシングと回転羽根との間隙を調整する技術が提
案されている。

そこで太発明者等は上述のような航空機用ガスタービン
エンジンでの技術を、自動車用ターボチャージャーに着
用すべく、その実用化研究を進めている。すなわち自動
車用ターボチャージャーにおけるコンプレッサーハウジ
ングの表面に切削容易なアブレーダブル溶射皮膜を形成
しておき、インペラをコンプレッサーハウジングに組付
けて実際に回転させることによりインペラの先端でアブ
レーダブル溶射皮膜を切削して、インペラとコンプレッ
サーハウジングとの隙間を調整する技術の実用イヒを進
めている。このような自動車用ターボチャージャーにお
いては、コンプレッサーハウジングとインペラとの間隙
を零に近い極めて小さい値に調整できるため、従来より
もターボ効率を格段に向上させ得るものと期待されてい
る。

発明が解決すべき問題点 自動重用ターボチャージャーにおけるインペラとしては
一般に＠置注等の点からアルミ合金が使用されるのが通
常であり、一方前述のような間隙調整用のアブレーダブ
ル溶射皮膜としては、Ａ２合金−１１系、あるいはＮｉ
合金−グラファイト系などの９０く、金属と自己潤滑性
を有する軟質な非金属材料とを組合せた複合材料を使用
することが考えられている。このようなアブレーダブル
溶射皮膜をコンプレッサーハウジングに形成した場合、
初期のインペラの回転によるそのインペラ先端と溶射皮
膜との摺動によってインペラ先端部に摺動傷が付き、こ
の摺！ＩＪ　ＩＩにより凹凸が生じて、ターボチャージ
ャー運転時にその凹凸により空気の流れに乱流が生じて
スムーズに空気が流れなくなり、その結果前述のような
隙間調整によるターボ効率向上が充分に望めなくなるこ
とがある。すなわち、アブレーダブル溶射皮膜は、その
全体としての硬さは、Ａ２合金からなるインペラよりも
低いが、溶剤皮膜中に混在するメタル分がインペラを攻
撃し、インペラ先端部に摺動傷を生じさせてしまうもの
と考えられる。

この発明は以上の事情を背景としてなされたもので、コ
ンプレッサーハウジング表面にアブレーダブル溶射皮膜
を形成しておいて、インペラの回転によりそのアブレー
ダブル溶射皮膜を切削して間隙調整を行なうようにした
自動車用ターボチャージャーにおいて、インペラ先端部
（肩先部分）の耐摩耗性を向上させてインペラ回転によ
るアブレーダブル溶射皮膜切削時にインペラ先端部に摺
ｖＪ傷が生じないようにし、これによりターボ効率を充
分に向上させ得るようにした自動車用ターボチャージャ
ーのインペラを提供することを目的とするものである。

間１点を解決するための手段 この発明は、インペラをコンプレッサーハウジングに明
付けた状態で回転させてそのインペラの先端によりコン
プレッサーハウジング表面のアブレーダブル溶射皮膜を
切削することによりインペラとコンプレッサーハウジン
グとの隙間を調整するようにした自動車用ターボチャー
ジャーのインペラにおいて、母材部分を軽合金材料で構
成するとともに、コンプレッサーハウジング表面のアブ
レーダブル溶射皮膜と接触する部分にＴｉＮからなる被
覆層を形成したことを特徴とするものである。

ここで、前記ＴＩＮからなる被覆層の厚みは２〜１０珈
の範囲内が最適であり、またその表面粗さはＲｚ　１．
６伽以下が適当である。

作　　　用 この発明の自動車用ターボチャージセーのインペラは、
母材部分は軽量性や強度、靭性を考慮してＡ２合金やＭ
ＣＪ合金等の軽合金材料が用いられるが、その先端部分
、すなわちインペラ回転時にアブレーダブル溶射皮膜と
接触する別売部分の母材表面は、Ｔ　ｉ　Ｎ　（窒化チ
タン）からなる被覆層が形成されている。このＴ！Ｎ′
ＩＩｍ層は母材のＡ１合金等の軽合金材料と比較して格
段に硬質で耐摩耗性が優れている。したがってインペラ
とコンプレッサーハウジングとの間隙調整のためにイン
ペラをコンプレッサーハウジングに組込んでインペラを
回転さぜることによりインペラの先端でコンプレッサー
ハウジング表面のアブレーダブル溶射皮膜を切削する際
に、アブレーダブル溶射皮膜と接触するインペラ先端部
に摺１１１Ｉ傷が生じて凹凸が発生することを有効に防
止できる。そのためインペラとコンプレッサーハウジン
グとの間隙が均一に零に近い値となるように調整するこ
とができるから、ターボチャージャー使用時においてイ
ンペラとコンプレッサーハウジングとの間で突気の漏洩
が生じたり乱流が生じたりすることを有効に防止して、
コンプレッサー効率（ターボ効率）を充分に高めること
ができる。また間隙調整時のみならず、通常の使用時に
おけるインペラ先端部の摩耗の進行も少なくなるため、
使用中における間隙の拡大によってターボ効率が低下す
るおそれも少ない。

ここで、インペラ先端部のＴｉＮからなる被覆層の甲み
が２ｕｍ未満では、耐摩耗性を向上させる効果が充分に
得られないことがあり、一方その厚みが１０伽を越えれ
ば、セラミックであるＴｉＮ被覆層内の内部応力等によ
ってＡ２合金等からなる母材との界面に剪断応力が作用
してクラックが生じ、ＴｉＮ被覆＠が剥離し易くなる。

したがってＴｉＮ１１層の厚みは２〜１０珈の範囲内が
好ましい。

またＴｉＮ被覆１の表面粗さは、１０点平均粗さＲｚに
して１．６ＩＪＩｎを越えれば、インペラ回転による切
削時における相手材であるコンプレッサーハウジングの
アブレーダブル溶射皮膜に対する攻撃性が強くなって、
アブレーダブル溶射皮膜表面に５０〜１００１ＩＩｎに
も及ぶ凹凸が生じ、その凹凸によるインペラとの間の隙
間によってターボ効率が低下するおそれがある。したが
ってＴｉＮ被覆壱の表面粗さはＲｚ　ｉ、ｅ珈以下とす
ることが好ましい。

なおＴｉＮ被Ｗ１＠の形成方法は特に限定しないが、イ
オンブレーティング等のＰＶＤ法を用いることが好まし
く、このほかＣＶＤ法等を用いることができる。

実　　施　　例 第２図に示されるような自動車用ターボチャージＰ−に
この発明を適用した実施例を以下に記す。

［実施例１］ 先ず第２図に示すようなＡ２合金鋳物からなるコンプレ
ッサーハウジング５のエアー通流部のうち、特にインペ
ラ４の先端と対向する部位に、次のようにしてアブレー
ダブル溶射皮膜を形成した。

すなわち、コンプレッサーハウジング基材の表面のイン
ペラ対向部位に、脱脂処理およびショツトブラスト処理
を施した後、プラズマ溶射装置を用いて、電流５００Ａ
、Ａｒ流ｆｆ１９ＯＮ／分、Ｈ２流半２！／分の条件で
基材を１００〜１５０℃に予熱し、続いてインペラ対向
部位に、＼ｉ　−４，５ｗｔ％Ａ２合金を上記と同じ条
件でプラズマ溶射して、０．１ｍｒｎ厚の下地溶射層を
形成し、次いでその下地溶射・苦の上に、上記と同じ条
件で間隙調整用の＜Ａ＆−１２ｗｔ％３　ｉ　）　−４
０ｗｔ％ポリエステルを０．５ｒｎｍ厚て溶射してアブ
レーダブル溶射皮膜を形成し、コンプレッサーハウジン
グを完成させた。なおコンプレッサーハウジングは、下
地溶射層およびアブレーダブル＠射層なしの状態でイン
ペラとの間隙が約ｏ、５ｍｍのものである。

一方、インペラ４としては、第１図に示すように、ＪＩ
Ｓ　　ＡＣ４ＤＣ１０鋳造成形してなるへ１合金製イン
ペラ基材４Ｂの肩先部分４Ａに、基材温度１５０°Ｃ以
下でＮ２ガスおよびＴｉを用いてイオンブレーティング
により厚さ３．５ＩＪｌｎのＴｉＮ被覆層４Ｃを形成し
た。なおこのＴｉＮ被１Ｊ４Ｇの表面粗さＲｚは０．８
伽である。

［性能評価試験１１ 前述の実施例１によるインペラおよびコンプレッサーハ
ウジングを実額ターボチャージャー付エンジンに明込み
、回転数１０．０ＯＯｒｐ１１で１８０分間運転し、イ
ンペラの摩耗量、ターボ効率（コンプレッサ効率）を測
定した。なお比較のため、Ｔ　ｉ　Ｎ被覆層を形成して
いない従来の通常のインペラ（すなわち全体がＡＣ４Ｄ
Ｃ１０みからなるインペラ：これを比較例Ａとする）を
用いた場合にも同様に調べた。その結果、比較例Ａでは
インペラの摩耗量が６〜８１Ｒｆｉ　／　ｍｄでまたタ
ーボ効率向上度合（アブレーダブル溶剤皮膜を形成しな
かったコンプレッサーハウジングを用いた場合と比較し
た場合のターボ効率向上割合）が最大２．５％であった
のに対し、この発明による実施例１では、インペラの摩
耗量はほぼ零であり、またターボ効率向上度合は３．５
％と著しく高くなっていることが判明した。これは、こ
の発明の実施例品の場合、コンプレッサーハウジングと
インペラとの摺動面における凹凸〈摺動傷）の発生が全
くなく、突気の流れに乱れが生じなかったため、間隙調
整の効果がストレートにあられれたものと考えられる。

［実施例２］ インペラとして、実施例１と同様な方法で肩先部分にＴ
ｉ　Ｎ被覆ＴａがＩＩＪａ、　　１．ＦＭ＃Ｉ、２顯、
６顯、１０ｕｍ、１１伽、１２ｐＩｎの７種類の厚みで
形成されたものを作成した。これらについて顕微鏡によ
って調べたところ、Ｔ　ｉ　Ｎ被覆層の厚みが１１μｍ
のものおよび１２ｕｆｎのものについては、基材とＴｉ
Ｎ被覆層との間にクランクが生じていることが判明した
。

これらのものはＴｉＮ被覆層が剥離し易く、実用に供す
ることは困難であるから、次の性能評価試験２の対染か
ら外した。なお残りのＴｉＮ被覆層が１〜１０伽のもの
はいずれもＴｉＮ被覆層および界面に異常は認められな
かった。

［性能評価試験２］ 実ＭｌｌＡ２によって作成した１〜１０珈厚のＴｉＮ被
覆図を有する各インペラについて、実施例１で作成した
と同様なコンプレッサーハウジングと組合せて、前記回
能評価試験２と同様な実機ターボチャージャー付エンジ
ンによる運転試験および評価を行なった。

その結果、ＴｉＮ被覆層が２〜１０趨の範囲内のインペ
ラを用いた場合には、インペラ摩耗量およびターボ効率
向上度合は性能評価試験１における実施例品とほぼ同等
な効果を有することがｉ［Ｑされた。一方ＴｉＮ被覆層
の厚みが１伽、１．５伽のインペラを用いた場合は、イ
ンペラ摩耗量は４〜６ＩＲｇ／ｍ−であって、無処理の
もの（比較例Ａ）と比べれば減少したが、インペラ側に
摩耗傷が認められ、その結果ターボ効率向上度合も２．
７〜２．８％程度と不充分であった。これは、ＴｉＮ被
覆１の厚みが簿過ぎて、表面硬化による充分な耐摩耗性
向上効果が得られなかったためと思われる。

このような性能評価試験２の結果および前述のクラック
発生の点から、ＴｉＮ被覆層の厚みは２〜１０伽の範囲
内が適当であることが判る。

［実施例３１ インペラ基材におけるＴｉＮ被覆層を形成すべき部分の
表面を、予め薇械加工によってＲｚ　０．８伽、１．０
伽、１．４伽、１．６伽、２．０伽の６種類の表面粗さ
となるように加工しておき、その部分にそれぞれ実施例
１と同様な方法によりＴ　ｉ　Ｎ被覆層を３．０ＩＪＩ
ｎ厚で形成した。各インペラのＴｉＮ被覆【の表面粗さ
は、それぞれの基材の表面粗さとほぼ同等となった。

［性能評価試験３１ 実施例３により作成した各インペラ、すなわちＴｉＮ被
覆層の表面粗さが種々のインペラについて、実施例１で
作成したと同様なコンプレッサーハウジングと組合せて
、前記性能評価試験１と同様な実顆ターボチャージャー
付エンジンによる運転試験および評価を行なった。

その結果、ＴｉＮ被覆層の表面粗さが０．８〜１．６伽
Ｒｚのインペラを用いた場合は、インペラにも、またコ
ンプレッサーハウジング側のアブレーダブル溶射皮膜に
も表面の凹凸傷が認められず、ターボ効率向上度合は３
．４〜３．６％程度と良好であった。

これに対しＴｉＮ被覆層の表面粗さが１．８ｔＩＩｎＲ
ｚ。

２．０．４Ｒｚのインペラを用いた場合は、コンプレッ
サーハウジング側のアブレーダブル溶射皮膜表面に深さ
５０〜１００珈の凹凸が生じ、その結果ターボ効率向上
度合も２．５〜２．８％程度と低くなることが判明した
。

このような性能評価試験３の結果から、ＴｉＮ被覆層の
表面粗さは１．６１ＪＩｎＲｚ以下が適当であることが
判る。

発明の効果 この発明の自動車用ターボチャージャーのインペラによ
れば、隙間調整用の相手材であるコンプレッサーハウジ
ング表面のアブレーダブル溶射皮嘆と接触する部分、す
なわち羽先部分に硬質なＴｉＮ被ＷＩ噛が形成されてい
るため、その部分の耐摩耗性が優れており、そのため間
隙調整のためにインペラの回転によってアブレーダブル
溶躬皮膜を切削する際にインペラの羽先部分にｌｉ！？
！１１１傷が生じて凹凸が発生するおそれが少なく、そ
のため間隙調整によって確実かつ充分にターボ効率を向
上させることができ、またターボチャージャーとしての
使用中にインペラの摩耗が進行してターボ効率が低下し
て行くような事態の発生も防止できる。またＴｉＮ被覆
−の表面粗さを１．６珈Ｒｚ以下とすれば、相手材であ
るコンプレッサーハウジングのアブレーダブル溶射皮膜
に凹凸が生じてしまうことを有効に防止して、ターボ効
率が低下することを防止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明のインペラの要部の一例を示す模式的
な断面図、第２図はこの発明のインペラが使用されるタ
ーボチャージャーの一例の全体構成を示す断面図である
。 ４・・・インペラ、　４Ａ・・・羽先部分、４Ｃ・・・
ＴｉＮ１ｍ層、　５・・・コンプレッサーハウジング。 出願人　　トヨタ自動車株式会社 代理人　　弁理士　登　１）武　久 （ほか１名） 第１図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）インペラをコンプレッサーハウジングに組付けた
   状態で回転させてそのインペラの先端によりコンプレッ
   サーハウジング表面のアブレーダブル溶射皮膜を切削す
   ることによりインペラとコンプレッサーハウジングとの
   隙間を調整するようにした自動車用ターボチャージャー
   のインペラにおいて、 母材部分を軽合金材料で構成するとともに、コンプレッ
   サーハウジング表面のアブレーダブル溶射皮膜と接触す
   る部分にＴｉＮからなる被覆層を形成したことを特徴と
   する自動車用ターボチャージャーのインペラ。
2. （２）前記ＴｉＮからなる被覆層の厚みが２〜１０μｍ
   の範囲内である特許請求の範囲第１項記載の自動車用タ
   ーボチャージャーのインペラ。
3. （３）前記ＴｉＮからなる被覆層の表面粗さがＲｚ１．
   ６μｍ以下である特許請求の範囲第１項記載の自動車用
   ターボチャージャーのインペラ。