JPH11173153A - 滑り部材付きターボチャージャ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 サージングやチョーキング等を防止するよう
構成されたターボチャージャにおいて、耐久性を犠牲に
することなく高い圧縮効率を得られる技術を安価に提供
する。 【解決手段】 滑り部材付きターボチャージャは、コン
プレッサハウジング内のコンプレッサインペラへ新気を
導く新気通路２３と、コンプレッサインペラに対向する
コンプレッサハウジング壁面の一部に形成される第１吸
排出口１８と、コンプレッサインペラより上流の新気通
路に臨む第２吸排出口１９と、第１及び第２吸排出口を
連通させるバイパス通路２０とを備えたターボチャージ
ャであり、コンプレッサインペラのブレード縁部に対向
する前記コンプレッサハウジング壁面の少なくとも一部
に滑り部材１５を装着したことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、新気等を圧縮する
ターボチャージャに関し、特に、コンプレッサインペラ
上流の新気通路とコンプレッサハウジングのシュラウド
部に形成された吸排出口とを連通するバイパス通路を備
えたターボチャージャに関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車等の内燃機関では、より多くの混
合気を燃焼させ、機関出力を向上させることを目的とし
て、排気エネルギを利用して新気を圧縮するターボチャ
ージャが用いられている。

【０００３】このようなターボチャージャとしては、タ
ービンハウジングと、このタービンハウジングに回転自
在に内装されるタービンホイールと、前記タービンハウ
ジングに連結されるコンプレッサハウジングと、このコ
ンプレッサハウジングに回転自在に内装されるとともに
前記タービンホイールと同軸的に連結されるコンプレッ
サインペラと、前記コンプレッサインペラへ新気を導く
新気通路と、前記コンプレッサインペラに対向する前記
コンプレッサハウジング壁面の一部に形成される第１吸
排出口と、前記コンプレッサインペラより上流の前記新
気通路に臨む第２吸排出口と、前記第１及び第２吸排出
口を連通するバイパス通路とを備えたターボチャージャ
が知られている。

【０００４】このようなターボチャージャでは、内燃機
関の高回転運転時等のように内燃機関が吸入可能な空気
量が増加した場合に、前記新気通路内の新気の一部が第
２吸排出口を介してバイパス通路へ流れ、次いで第２吸
排出口からコンプレッサインペラへ向けて排出されるの
で、コンプレッサインペラから圧送される空気量は、新
気通路を介してコンプレッサインペラへ供給された新気
と、バイパス通路を介してコンプレッサインペラへ供給
された新気とを加算した量となる。この場合、内燃機関
に供給される圧縮空気の量が増加するため、チョーキン
グが抑制される。

【０００５】一方、内燃機関の低回転運転時等のように
内燃機関が吸入可能な空気量が減少した場合は、前記タ
ーボチャージャでは、シュラウド部近傍の新気の圧力が
増加するため、シュラウド部近傍の新気の一部が第１吸
排出口を介してバイパス通路へと流れ、次いで第２吸排
出口からコンプレッサインペラ上流の新気通路に再循環
される。この場合、コンプレッサハウジング内の圧力の
過剰な上昇が抑制されるため、サージングが抑制され
る。

【０００６】ここで、コンプレッサインペラは、その縁
部がコンプレッサハウンジングの壁面に沿うように形成
されたブレードを複数備えており、これらブレードとコ
ンプレッサハウンジングのシュラウド部とは、コンプレ
ッサインペラの回転時に接触しないよう構成する必要が
ある。これは、コンプレッサハウンジングとコンプレッ
サインペラが接触すると、両者の接触による摩擦熱が発
生し、コンプレッサハウンジングやコンプレッサインペ
ラが破損する虞があるからである。

【０００７】しかし、コンプレッサハウジングとコンプ
レッサインペラとの隙間が大きくなると、その隙間から
新気が漏れて旋回流を生じ、新気を効率良く内燃機関に
圧送することができなくなる。特に、内燃機関の機関回
転数が低い領域では、十分な排圧が得られず、タービン
ホイールの回転力が小さくなるので、コンプレッサハウ
ンジング内において新気を十分に圧縮することができな
いという問題を生じる。

【０００８】従って、ターボチャージャにおける新気の
圧縮効率を向上させるには、コンプレッサハウジングと
コンプレッサインペラとの隙間を極力小さくし、新気の
漏れを防止する必要がある。

【０００９】このような要求に対し、コンプレッサハウ
ジングとコンプレッサインペラとの接触を許容すること
で、コンプレッサハウジングとコンプレッサインペラと
のクリアランスを極限まで減少させ、新気の圧縮効率を
向上させる技術も開発されている。

【００１０】例えば、コンプレッサインペラとコンプレ
ッサハウジングとの隙間を減少させることを目的とし
て、コンプレッサインペラのブレード縁部に対向するコ
ンプレッサハウンジング側壁面（シュラウド部）に、ア
ルミやポリエステル樹脂等を混合させた粉末を溶射し、
削られ易い皮膜を形成する、いわゆるアブレーダブル溶
射を施し、これにより形成された皮膜でコンプレッサハ
ウンジングとコンプレッサインペラとの隙間を減少させ
たアブレーダブルターボチャージャが知られている。

【００１１】このようなアブレーダブルターボチャージ
ャによれば、コンプレッサハウジングとコンプレッサイ
ンペラの耐久性を犠牲にすることなく、圧縮効率を向上
させることができる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記したよ
うなアブレーダブルターボチャージャでは、皮膜の原料
となるアルミやポリエステル樹脂を混合させた粉末が高
価であるとともに、溶射の加工管理が難しいため加工費
用が高価になるという問題がある。

【００１３】本発明は前記した問題点に鑑みてなされた
ものであり、圧縮空気のサージングやチョーキングを抑
制すべく、コンプレッサインペラ上流の新気通路とコン
プレッサハウジングのシュラウド部に形成された吸排出
口とを連通するバイパス通路を備えたターボチャージャ
であって、コンプレッサハウジングやコンプレッサイン
ペラ等の耐久性を犠牲にすることなく高い圧縮効率を得
られるターボチャージャを安価に提供することを目的と
する。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記課題を解
決するために以下の手段を採用した。すなわち、本発明
にかかる滑り部材付きターボチャージャは、タービンハ
ウジング内に回転自在に支持されるタービンホイール
と、前記タービンハウジングに連結されるコンプレッサ
ハウジングと、前記コンプレッサハウジング内に回転自
在に支持されるとともに前記タービンホイールと同軸的
に連結されるコンプレッサインペラと、前記コンプレッ
サインペラへ新気を導く新気通路と、前記コンプレッサ
インペラに対向する前記コンプレッサハウジング壁面の
一部に形成される第１吸排出口と、前記コンプレッサイ
ンペラより上流の新気通路に臨む第２吸排出口と、前記
第１及び第２吸排出口を連通させるバイパス通路と、を
備えたターボチャージャであり、前記コンプレッサイン
ペラの新気の流入口から流出口にかけた外縁に対向する
前記コンプレッサハウジング壁面の少なくとも一部に溝
を形成し、この溝に前記コンプレッサインペラと接触す
る寸前まで突出させた滑り部材を装着したことを特徴と
する。

【００１５】このように構成された滑り部材付きターボ
チャージャでは、コンプレッサインペラの外縁と対向す
るコンプレッサハウジングの内壁に溝を設けるととも
に、この溝にコンプレッサインペラと接触する寸前まで
突出させた滑り部材を装着することで、コンプレッサハ
ウジングとコンプレッサインペラとのクリアランスを限
りなく小さくできる。

【００１６】そして、コンプレッサインペラの回転時
に、コンプレッサインペラと滑り部材とが接触しても、
滑り部材の摩擦抵抗が小さいので、摩擦熱が発生せず、
コンプレッサインペラが破損することがない。上記した
ような滑り部材付きターボチャージャは、シュラウド部
の溝に滑り部材を装着するだけでよいので、簡単に製造
することができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明にかかるターボチャ
ージャの実施の形態について図面に基づいて説明する。

【００１８】（１）最初に、ターボチャージャ３０の動
作原理を簡単に説明する。ターボチャージャ３０は、通
常、図１に示すように、排圧を回転力に変換するタービ
ンホイール３１と、このタービンホイール３１とロータ
ーシャフト３５を介して連結されたコンプレッサインペ
ラ３６とによって形成される。そして、これらの部材
は、それぞれハウジングによって覆われている。

【００１９】そして、ターボチャージャ３０は、排気入
口３２から流入した排気の排圧によってタービンホイー
ル３１が回転し、エネルギ変換が行われた排気は排気出
口３３から排出される。

【００２０】前記タービンホイール３１の回転力は、ロ
ーターシャフト３５を介してコンプレッサインペラ３６
に伝わり、新気入口３７から取り入れた新気は、コンプ
レッサインペラ３６に設けた複数のブレードの間の流路
を通り、圧縮されつつ内燃機関へと圧送される。

【００２１】尚、前記ターボチャージャ３０は、ターボ
チャージャ３０から内燃機関へ供給される新気の圧力
（過給圧）が所定値を越えた場合に、アクチュエータ３
４がウエイストゲートバルブ３９を開弁させ、タービン
ホイール３１より上流の排気をタービンホイール３１の
下流へバイパスさせ、タービンホイール３１にかかる排
圧を調節することができるようになっている。

【００２２】（２）次に、本発明にかかる滑り部材付き
ターボチャージャの実施の形態について図２〜４に基づ
いて説明する。この滑り部材付きターボチャージャ１
は、図２、３に示すように、内燃機関からの排気を取り
入れる排気入口２と、排気を排出する排気出口５と、排
気入口２の近傍に配置された排気バイパス６とが形成さ
れるとともに、前記排気入口２から流入した排気の圧力
により回転駆動されるタービンホイール３を内装するタ
ービンハウジング４を備えている。

【００２３】そして、前記ターボチャージャー１は、新
気を圧縮するためのコンプレッサインペラ８を回転自在
に内装するとともに、新気を取り入れるための新気入口
７と、この新気入口７から取り入れられた新気を前記コ
ンプレッサインペラ８へ導く新気通路２３と、前記コン
プレッサインペラ８により圧縮された新気を排出するた
めの新気出口１０とが形成されるコンプレッサハウジン
グ９を備えている。

【００２４】前記タービンハウジング４と前記コンプレ
ッサハウジング９は、連結部材１７により連結され、こ
の連結部材１７は、前記タービンホイール３と前記コン
プレッサインペラ８とを同軸的に連結するロータシャフ
ト１１を回転自在に支持している。さらに、前記連結部
材１７には、前記ロータシャフト１１の軸受部に潤滑油
を供給する潤滑油通路１２が形成される。

【００２５】次に、タービンホイール３とコンプレッサ
インペラ８の表面には、複数のブレード１３Ａ、１３Ｂ
が設けられ、タービンホイール３のブレード１３Ｂは、
後端から先端にかけて湾曲した形状を有する。一方、コ
ンプレッサインペラ８のブレード１３Ａは、通常は流線
の長さが異なる長インペラ１３Ａと短インペラ１３Ａを
それぞれ交互に配置して形成する。

【００２６】ここで、流線の長さとは、コンプレッサイ
ンペラ８の新気の流入口から流出口にかけた外縁長さを
いい、シュラウド長さともいう。尚、コンプレッサイン
ペラ８の外縁部を一般的にコンプレッサインペラシュラ
ウド部といい、このコンプレッサインペラシュラウド部
に対向するコンプレッサハウジング９の壁面をシュラウ
ド部１６という。

【００２７】ところで、ブレード１３Ａの材質は、一般
的にアルミを用いるが、タービンホイール３に設けたイ
ンペラ１３Ｂは比重の大きい耐熱鋼が用いられる。ま
た、耐熱鋼の代わりに耐熱性が良く比重の小さいセラミ
ックを用いることもある。

【００２８】次に、コンプレッサハウンジング９のシュ
ラウド部１６には、図４に示すように、周方向に環状の
溝１４が設けられ、この溝１４には、ブレード１３Ａと
接触する寸前まで突出するよう滑り部材１５が装着され
ている。

【００２９】前記滑り部材１５をコンプレッサハウジン
グ９に装着する際、図５〜図６に示すように、筒状の滑
り部材１５の外壁に周方向に沿う溝１５ａを形成し、こ
の溝１５ａにＣ型リング２２を嵌着する。続いて、前記
コンプレッサハウンジング９のシュラウド部１６には、
前記Ｃ型リング２２が嵌合する環状の凹部１４ａを有す
る溝１４を形成する。そして、前記Ｃ型リング２２が嵌
着された滑り部材１５を前記溝１４に挿入する。

【００３０】その際、前記滑り部材１５は、軸方向の長
さが前記溝１４の軸方向の長さと略同一になるよう形成
するとともに、内周面１５ｂがコンプレッサインペラ８
のブレード１３Ａの縁部と略同一形状で、且つ前記シュ
ラウド部１６より突出するよう形成されるものとする。

【００３１】このような装着方法によれば、滑り部材１
５は、前記Ｃ型リング２２を介して前記溝１４の段部に
係止されるので、前記溝１４から抜け落ちることがな
く、さらに接着剤を併用すればより一層抜け落ち難くな
る。

【００３２】また、上記した滑り部材１５を形成する方
法としては、図７に示すように、Ｃ型リング２２が外嵌
された筒体を、シュラウド部１６の溝１４に挿入した後
に、前記シュラウド部１６より突出した部位を切削加工
して、コンプレッサインペラ８のブレード１３Ａの縁部
と略同一形状をなすように形成する方法を例示すること
ができる。この場合、前記滑り部材１５の内壁面は、前
記シュラウド部１６よりも若干突出するように形成し、
滑り部材１５とコンプレッサインペラ８のブレード１３
Ａとのクリアランスが、前記シュラウド部１６と前記ブ
レード１３Ａとのクリアランスよりも狭くなるようにす
る。

【００３３】前記溝１４を設ける範囲は、コンプレッサ
インペラ８の新気の流入口から流出口にかけた外縁長さ
Ｌに対して１／２・Ｌ以内とし、さらに、流出口からこ
の長さ１／２・Ｌまでとする。

【００３４】ところで、新気の圧力は、流出口から１／
２・Ｌまでの範囲で上昇し、この範囲のクリアランスを
十分小さくすれば、ターボチャージャの効率を高めるこ
とができる。これとは逆にこの範囲にクリアランスがあ
るとこの隙間から新気が漏れ、旋回流が生じてターボチ
ャージャの効率を低下させる。

【００３５】ここで、滑り部材を装着する溝１４を流出
口から１／２・Ｌまでにした理由は、圧力が上昇する範
囲での新気の漏れを防止すれば十分だからである。さら
に、ブレードの新気の流入側の見かけのクリアランス
は、流出側に比較して小さい。このことからコンプレッ
サインペラ８が十分な回転速度を得るまでの間、コンプ
レッサインペラ８と滑り部材１５との接触する割合が流
入側の方が多くなる。さらに、新気の流出側に比較して
流入側は、ブレード１３Ａが薄く、剛性が低いため、接
触等による疲労によりブレード１３Ａが破損する可能性
がある。

【００３６】つまり、ブレード１３Ａと滑り部材１５と
が接触すると接触面での摩擦力によってコンプレッサイ
ンペラ８の回転速度が減衰するとともに、ブレード１３
Ａが破損する虞があることから、コンプレッサインペラ
８の回転速度を減衰させず、且つ、ブレード１３Ａの破
損を防止しつつ、クリアランスを可能な限りゼロにして
新気を逃がさずに圧送するという相反する要求を満たす
ため、流出口から１／２・Ｌまでの範囲に溝１４を形成
することが好ましい。

【００３７】この場合、滑り部材付きターボチャージャ
１は、コンプレッサハウジング９とブレード１３Ａとの
間の空隙から新気を逃がすことなく内燃機関に新気を圧
送することができ、内燃機関の機関回転数が低い領域で
も加速性能を向上させることができる。

【００３８】前記滑り部材１５は、例えば、ポリテトラ
フルオロエチレン（以下、ＰＴＦＥという）を約５０％
（重量）と合成雲母を約５０％（重量）を化学的に結合
した樹脂、いわゆるフルオロシント５００で形成され
る。

【００３９】フルオロシント５００は、高温においての
荷重変形がフッ素樹脂にくらべて非常に少なく、熱的寸
法安定性は、アルミニウムに近い。また、線形膨張係数
がＰＴＦＥの５分の１であることからはめ合いやクリア
ランスを考慮に入れなくても良い。

【００４０】さらに、フルオロシント５００は、極低温
から２６０℃までの温度範囲で使用可能であり、温度サ
イクル中や熱衝撃を与えた後でも、約３４３℃で形状安
定性を維持する。さらに、フルオロシント５００の水蒸
気の非透過性等の耐薬品性は、テフロンに匹敵する。

【００４１】また、フルオロシント５００は、ＰＴＦＥ
の摩擦特性を維持しつつ硬さでは摩擦特性が改良された
ＰＴＦＥの３分の１である。フルオロシント５００は、
摩擦係数及び摩擦速度が低いという特性を有し、金属材
料を磨耗させない。フルオロシント５００の電気的性能
は、未充填ＰＴＦＥとほぼ同等である。

【００４２】ここで図４に戻り、前記コンプレッサハウ
ジング９の内壁面には、前記滑り部材１５が装着されて
いないシュラウド部１６から新気入口７にかけて筒状の
ガイド２１が装着される。

【００４３】その際、前記コンプレッサハウジング９の
内壁面には、径の異なる２つの溝２４ａ、２４ｂを連接
してなる溝２４を形成する。前記２つの溝２４ａ、２４
ｂのうち新気入口７側の溝２４ａの径は、シュラウド１
６側の溝２４ｂより径大とし、シュラウド１６側の溝２
４ｂの径は、前記溝１４より径小とする。

【００４４】これに対応して、ガイド２１の外径も、新
気入口７側の外径がシュラウド部１６側の外径より径大
となり、新気入口７側の外径が前記溝２４ａの内径と略
同径となるよう形成されるが、シュラウド部１６側のガ
イド２１の外径は、前記溝２４ｂよりも径小となるよう
形成される。さらに、前記ガイド２１の新気入口７側の
軸方向の長さは、前記溝２４ａの軸方向の長さと同一と
なるよう形成されるが、シュラウド部１６側の軸方向の
長さは、前記溝２４より短くなるよう形成される。

【００４５】このように形成されたガイド２１は、新気
入口７側のガイド２１が前記溝２４ａ及び前記溝２４ｂ
の段差に当接するよう、新気入口７側から前記溝２４に
挿入される。このとき、前記ガイド２１のシュラウド部
１６側の端部と前記滑り部材１５との間には、環状の溝
１８が形成され、前記ガイド２１のシュラウド部１６側
の外周面と前記溝２４ｂの内周面との間には、断面環状
の空間２０が形成される。

【００４６】前記溝１８は、本発明にかかる第１吸排出
口に相当し（以下、第１吸排出口１８と称する）、前記
空間２０は、本発明にかかるバイパス通路に相当する
（以下、バイパス通路２０と称する）。

【００４７】続いて、シュラウド部１６側のガイド２１
には、前記バイパス通路２０と前記新気通路２３とを連
通すべく、第２吸排出口１９が形成される。上記した第
１及び第２吸排出口１８、１９とバイパス通路２０によ
れば、内燃機関の高回転運転時等のように内燃機関が吸
入可能な空気量が増加した場合に、前記新気通路２３内
の新気の一部が第２吸排出口１９からバイパス通路２０
へと流れ、次いで第１吸排出口からコンプレッサインペ
ラ８のシュラウド部へ向けて排出されるので、コンプレ
ッサインペラ８から圧送される空気量が増加し、チョー
キングが抑制される。

【００４８】一方、内燃機関の低回転運転時等のように
内燃機関が吸入可能な空気量が減少した場合は、コンプ
レッサインペラ８より下流に位置する圧縮空気の圧力が
上昇するため、コンプレッサインペラ８近傍の新気の一
部が第１吸排出口１８からバイパス通路２０へ流れ、次
いで第２吸排出口から新気通路２３へ戻され、圧縮空気
の過剰な昇圧が防止され、サージングが抑制される。

【００４９】以上述べた実施の形態によれば、サージン
グやチョーキングを防止すべくバイパス通路が設けられ
たターボチャージャにおいて、コンプレッサハウジング
のシュラウドに滑り部材を設けることにより、コンプレ
ッサハウジングとコンプレッサインペラとのクリアラン
スを限りなく小さくすることができ、低回転時における
圧縮効率を向上させることができる。

【００５０】さらに、前記滑り部材をフルオロシント５
００等の樹脂で形成することにより、ターボチャージャ
に係るコストを低減させることができる。また、滑り部
材とガイドとを組み合わせて第１及び第２吸排出口やバ
イパス通路を形成することにより、タービンハウジング
に複雑な加工を施す必要がない。

【００５１】尚、本実施の形態にかかる滑り部材付きタ
ーボチャージャは、温度上昇した給気を熱交換機で冷却
するインタクーラ付きターボチャージャや給気圧力、排
気圧力が過大になるのを防止するウエイストゲート付き
ターボチャージャ、または過給機の排気タービン入口面
積を可変にする可変ターボチャージャ若しくはタービン
材料としてセラミックを用いるセラミックターボチャー
ジャとして用いることができる。

【００５２】

【発明の効果】本発明によれば、サージングやチョーキ
ングを防止するためのバイパス通路を備えたターボチャ
ージャにおいて、コンプレッサハウジングに滑り部材を
設けることで、コンプレッサハウジングとコンプレッサ
インペラとのクリアランスを可能な限り小さくすること
ができるので、新気の漏れによる効率のロスがなく、タ
ーボチャージャの低速域での加速応答性向上を図ること
ができる。

【００５３】さらに、滑り部材がコンプレッサインペラ
のブレードと接触しても、コンプレッサインペラのブレ
ードの磨耗を防止することができ、長時間の使用に耐え
ることができる。また、摩擦による熱の発生と回転速度
の低下をも防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ターボチャージャの動作原理図

【図２】本実施の形態に係るターボチャージャの分解斜
視図

【図３】本実施の形態に係るターボチャージャの断面図

【図４】本実施の形態に係るコンプレッサハウジングの
拡大図

【図５】（ａ）は滑り部材の側面図、（ｂ）は滑り部材
の平面図

【図６】Ｃ型リングの斜視図

【図７】滑り部材の製造方法を説明する図

【符号の説明】

１ ・・・滑り部材付きターボチャージャ ３ ・・・タービンホイール ４ ・・・タービンハウジング ８ ・・・コンプレッサインペラ ９ ・・・コンプレッサハウジング １１ ・・・ローターシャフト １３Ａ・・・ブレード １３Ｂ・・・ブレード １４ ・・・溝 １４ａ・・・凹部 １５ ・・・滑り部材 １５ａ・・・溝 １５ｂ・・・内周面 １６ ・・・シュラウド部 １８ ・・・第１吸排出口 １９ ・・・第２吸排出口 ２０ ・・・バイパス通路 ２１ ・・・ガイド ２２ ・・・Ｃ型リング ２３ ・・・新気通路 ２４ ・・・溝

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 タービンハウジング内に回転自在に支持
   されるタービンホイールと、前記タービンハウジングに
   連結されるコンプレッサハウジングと、前記コンプレッ
   サハウジング内に回転自在に支持されるとともに前記タ
   ービンホイールと同軸的に連結されるコンプレッサイン
   ペラと、前記コンプレッサインペラへ新気を導く新気通
   路と、前記コンプレッサインペラに対向する前記コンプ
   レッサハウジング壁面の一部に形成される第１吸排出口
   と、前記コンプレッサインペラより上流の新気通路に臨
   む第２吸排出口と、前記第１及び第２吸排出口を連通さ
   せるバイパス通路と、を備えたターボチャージャであ
   り、 前記コンプレッサインペラの新気の流入口から流出口に
   かけた外縁に対向する前記コンプレッサハウジング壁面
   の少なくとも一部に溝を形成し、この溝に前記コンプレ
   ッサインペラと接触する寸前まで突出させた滑り部材を
   装着したことを特徴とする滑り部材付きターボチャージ
   ャ。