JP2019167930A - ターボチャージャのコンプレッサ翼車 - Google Patents

Abstract

【課題】コンプレッサ翼車の軽量化を図りつつ、コンプレッサ翼部の強度を向上させることができるターボチャージャのコンプレッサを提供する。【解決手段】ターボチャージャ１０のコンプレッサ翼車３０は、タービン翼車２０と、タービン翼車２０に回転シャフト４０を介して接続されたコンプレッサ翼車３０と、を有するターボチャージャ１０のコンプレッサ翼車３０であって、回転シャフト４０に接続されたコンプレッサ基部３２と、コンプレッサ基部３２に接続された複数個のコンプレッサ翼部３１と、を備え、コンプレッサ基部３２は、アルミニウムによって構成され、コンプレッサ翼部３１は、ウィスカーによって強化されたアルミニウムによって構成されていることを特徴とする。【選択図】図３

Description

本開示は、ターボチャージャのコンプレッサ翼車に関する。

従来、タービン翼車と、このタービン翼車に回転シャフトを介して接続されたコンプレッサ翼車と、を有するターボチャージャが知られている（例えば特許文献１参照）。このようなターボチャージャのコンプレッサ翼車は、回転シャフトに接続されたコンプレッサ基部と、このコンプレッサ基部に接続された複数個のコンプレッサ翼部とを備えている。

また、本開示に関連する他の特許文献として、特許文献２が挙げられる。この特許文献２には、主としてガスタービンに用いられるセラミックタービンロータの材質の一部にウィスカーが含有された構成が開示されている。

特許第５７６９０６１号公報 特開２００３−１７２１０３号公報

ところで、ターボチャージャのコンプレッサ翼車は、過渡応答性を向上させる観点から、できるだけ軽量であることが望ましい。そこで、コンプレッサ翼車（コンプレッサ基部及びコンプレッサ翼部）の材質として、鋼に比較して比重の軽いアルミニウムを用いることが考えられる。しかしながら、この場合、コンプレッサ翼部の強度が不足するおそれがある。

本開示は、上記のことを鑑みてなされたものであり、その目的は、コンプレッサ翼車の軽量化を図りつつ、コンプレッサ翼部の強度を向上させることができるターボチャージャのコンプレッサを提供することである。

上記目的を達成するため、本発明の態様に係るターボチャージャのコンプレッサ翼車は、タービン翼車と、前記タービン翼車に回転シャフトを介して接続されたコンプレッサ翼車と、を有するターボチャージャの前記コンプレッサ翼車であって、前記回転シャフトに接続されたコンプレッサ基部と、前記コンプレッサ基部に接続された複数個のコンプレッサ翼部と、を備え、前記コンプレッサ基部は、アルミニウムによって構成され、前記コンプレッサ翼部は、ウィスカーによって強化されたアルミニウムによって構成されていることを特徴とする。

本発明の態様によれば、コンプレッサ翼車の軽量化を図りつつ、コンプレッサ翼部の強度を向上させることができる。

実施形態に係る車両の一部の構成を模式的に示す構成図である。 実施形態に係るターボチャージャの模式的断面図である。 実施形態に係るコンプレッサ翼車の模式的断面図である。 図４（ａ）及び図４（ｂ）は実施形態に係るコンプレッサ翼車の製造方法の一例を説明するための模式的断面図である。

以下、本実施形態に係るターボチャージャ１０について、図面を参照しつつ説明する。なお、図面に関しては、構成が分かり易いように模式的に図示されており、図面上の各部位の寸法比は必ずしも実物とは一致しない。図１は、本実施形態に係るターボチャージャ１０が適用された車両１の一部の構成を模式的に示す構成図である。車両１の種類は特に限定されるものではなく、商用車、乗用車等の種々の車両を用いることができる。本実施形態では、車両１の一例として、商用車、具体的にはトラックを用いている。

車両１は、エンジン２と、吸気通路３と、排気通路４と、ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）システム５と、ターボチャージャ１０とを備えている。エンジン２は、シリンダブロック、シリンダブロックの上部に配置されたシリンダヘッド、シリンダブロックに形成された気筒内に配置されたピストン、ピストンにコンロッドを介して接続されたクランクシャフト等を備えている。なお、エンジン２の具体的な種類は特に限定されるものではなく、ディーゼルエンジンやガソリンエンジン等の種々のエンジンを用いることができる。本実施形態では、エンジン２の一例として、ディーゼルエンジンを用いている。

吸気通路３は、エンジン２に吸入される吸気が通過する通路である。吸気通路３の下流側端部は、エンジン２の気筒の吸気ポートに接続されている。排気通路４は、エンジン２から排出された排気が通過する通路である。排気通路４の上流側端部は、エンジン２の気筒の排気ポートに接続されている。

ＥＧＲシステム５は、ＥＧＲ通路６を備えるとともに、ＥＧＲ通路６に配置されたＥＧＲバルブ７及びＥＧＲクーラ８を備えている。本実施形態に係るＥＧＲ通路６は、排気通路４におけるターボチャージャ１０よりも下流側の箇所と、吸気通路３におけるターボチャージャ１０よりも上流側の箇所とを連通している。ＥＧＲバルブ７は、制御装置（図示せず）によって制御されて開閉することで、ＥＧＲ通路６を開閉する。ＥＧＲバルブ７が開弁状態になることで、ターボチャージャ１０よりも下流側の排気の一部は、ＥＧＲ通路６を通過して、吸気通路３におけるターボチャージャ１０よりも上流側に導入される。ＥＧＲクーラ８は、ＥＧＲ通路６を通過する排気を冷却する熱交換器である。なお、図１において、ＥＧＲバルブ７は、ＥＧＲ通路６におけるＥＧＲクーラ８よりも下流側の箇所に配置されているが、これに限定されるものではない。ＥＧＲバルブ７は、ＥＧＲ通路６におけるＥＧＲクーラ８よりも上流側の箇所に配置されていてもよい。

以上のような車両１に、本実施形態に係るターボチャージャ１０は搭載されている。続いて、ターボチャージャ１０の構成について説明する。図２は、ターボチャージャ１０の模式的断面図である。なお、図２には、参考用としてＸ−Ｙ−Ｚの直交座標が設けられている。このＸ軸は、ターボチャージャ１０の回転中心軸線１００（回転中心を示す線）に平行な軸となっている。ターボチャージャ１０は、タービン翼車２０、コンプレッサ翼車３０、回転シャフト４０、軸受５０、タービンハウジング６０、コンプレッサハウジング７０、及び、軸受ハウジング８０を備えている。

タービン翼車２０は、複数個のタービン翼部２１を有する翼車によって構成されている。コンプレッサ翼車３０は、複数個のコンプレッサ翼部３１を有する翼車によって構成されている。なお、このコンプレッサ翼車３０の詳細な構成は、後述する。タービン翼車２０は回転シャフト４０の一方の端部側に接続され、コンプレッサ翼車３０は回転シャフト４０の他方の端部側に接続されている。回転シャフト４０は、タービン翼車２０及びコンプレッサ翼車３０の回転軸としての機能を有している。軸受５０は、回転シャフト４０を回転可能に軸支する軸受であり、軸受ハウジング８０に収容されている。

タービンハウジング６０は、その内部にタービン翼車２０を収容している。コンプレッサハウジング７０は、その内部にコンプレッサ翼車３０を収容している。タービンハウジング６０には、タービンスクロール部６１及び排気出口６２が設けられている。コンプレッサハウジング７０には、コンプレッサスクロール部７１及び吸気入口７２が設けられている。

エンジン２から排出された排気は、排気通路４を通過してタービンハウジング６０の内部におけるタービンスクロール部６１に流入し、次いで、タービン翼車２０のタービン翼部２１に導入されて、タービン翼車２０を回転させ、次いで、排気出口６２から排出される。この排気出口６２から排出された排気は、排気通路４を通過して、一部はＥＧＲ通路６に導入されて、その後、吸気通路３に導入される。一方、ＥＧＲ通路６に導入されなかった排気は、その後、車両１の外部に排出される。

また、コンプレッサハウジング７０の吸気入口７２には、吸気通路３におけるターボチャージャ１０よりも上流側の部分を通過した吸気が流入する。導入された排気のエネルギを受けてタービン翼車２０が回転中心軸線１００を回転中心として回転することで、回転シャフト４０を介してタービン翼車２０に接続されたコンプレッサ翼車３０も回転する。コンプレッサ翼車３０が回転することによって、コンプレッサ翼車３０のコンプレッサ翼部３１が吸気を過給する。この過給された吸気はコンプレッサスクロール部７１を通過した後にコンプレッサハウジング７０から排出されて、最終的には、エンジン２に吸入される。このようにしてターボチャージャ１０は、排気のエネルギを利用して吸気を過給している。

なお、本実施形態においては、図１で前述したように、ＥＧＲシステム５によって、吸気通路３におけるターボチャージャ１０よりも上流側の箇所に排気の一部が導入されているので、コンプレッサ翼部３１には、エンジン２の排気の一部を含有する吸気（すなわち「ＥＧＲガス」）が導入されている。

続いて、コンプレッサ翼車３０の詳細について説明する。図３は、コンプレッサ翼車３０の模式的断面図である。具体的には図３は、コンプレッサ翼車３０について、回転中心軸線１００を包含する切断面で切断した断面を模式的に図示している。コンプレッサ翼車３０は、前述した複数個のコンプレッサ翼部３１を備えるとともに、コンプレッサ基部３２も備えている。

コンプレッサ基部３２は、コンプレッサ翼車３０におけるコンプレッサ翼部３１以外の部位であるとともに、回転シャフト４０に接続される部位でもある。本実施形態に係るコンプレッサ基部３２は、回転シャフト４０に接続されるシャフト孔３３を有しており、このシャフト孔３３に回転シャフト４０の−Ｘ方向側の端部の周辺が挿入されるようにして、コンプレッサ基部３２は回転シャフト４０に接続されている。なお、このようなコンプレッサ基部３２と回転シャフト４０との接続構造は、公知のターボチャージャで用いられているコンプレッサ基部と回転シャフトとの接続構造を適用できるものであるので、これ以上詳細な説明は省略する。

また、本実施形態に係るコンプレッサ基部３２は、相対的に外形の大きい円筒状の部位（大径部３４）と、相対的に外形の小さい円筒状の部位（小径部３５）とを有しており、小径部３５が大径部３４の−Ｘ方向側の側面から−Ｘ方向側に向けて突出した形状を呈している。また、本実施形態において、大径部３４のＸ軸方向の長さ（厚み）は小径部３５
のＸ軸方向の長さよりも短くなっている。

コンプレッサ翼部３１は、コンプレッサ基部３２の小径部３５の周りに、隣接するコンプレッサ翼部３１との間に所定の間隔を置くようにして、小径部３５及び大径部３４に接続している。コンプレッサ翼部３１には、吸気入口７２から流入した吸気（本実施形態では、一例としてＥＧＲガス）が導入される。コンプレッサ翼部３１は、この導入された吸気をコンプレッサ翼部３１の回転によって圧縮する（すなわち過給する）。

ここで、本実施形態に係るコンプレッサ基部３２は、アルミニウムによって構成されている。換言すると、コンプレッサ基部３２の材質は、アルミニウムである。

一方、コンプレッサ翼部３１は、ウィスカー（短繊維）によって強化されたアルミニウム（ウィスカー強化アルミニウム）によって構成されている。換言すると、コンプレッサ翼部３１の材質は、ウィスカー強化アルミニウムである。

なお、このウィスカーの具体的な種類は、アルミニウムに混入できて、アルミニウムを強化できるものであればよく、その具体的な種類は特に限定されるものではないが、例えば、炭化ケイ素等のようなセラミックウィスカーや、ホウ酸アルミニウム、酸化チタニウム等の酸化物系ウィスカー等を用いることができる。

また、コンプレッサ翼部３１に占めるウィスカーの体積比率（Ｖｏｌ％）は、特に限定されるものではないが、このウィスカーの体積比率が高いほど、コンプレッサ翼部３１の強度（外部からの衝撃に対する強度等）は高くなる傾向がある。この点を考慮して、予め実験等を行って、適切なウィスカーの体積比率を設定すればよい。本実施形態においては、ウィスカーの体積比率として、５（Ｖｏｌ％）〜３０（Ｖｏｌ％）の範囲から選択された値を用いている。但し、この数値例は、あくまでも一例に過ぎず、これに限定されるものではない。

なお、本実施形態に係るコンプレッサ翼車３０の具体的な製造方法は、特に限定されるものではないが、例えば以下の手法を用いて製造することができる。図４（ａ）及び図４（ｂ）はコンプレッサ翼車３０の製造方法の一例を説明するための模式的断面図である。具体的には、図４（ａ）は、加工前の素材（加工前素材３００）の模式的断面図であり、図４（ｂ）は加工前素材３００に加工が施されることによって完成したコンプレッサ翼車３０の模式的断面図である。

まず、図４（ａ）に示すような加工前素材３００を準備する。この加工前素材３００は、加工後においてコンプレッサ基部３２になる部分である加工前コンプレッサ基部３２０と、加工後においてコンプレッサ翼部３１になる部分である加工前コンプレッサ翼部３１０とを備えている。なお、加工前コンプレッサ翼部３１０は、円柱状の外観形状を呈している。

この加工前コンプレッサ基部３２０の材質は、アルミニウムである。一方、加工前コンプレッサ翼部３１０の材質は、ウィスカー強化アルミニウムである。なお、この加工前コンプレッサ翼部３１０としては、アルミニウム粉末中にウィスカーを所定の体積比率（Ｖｏｌ％）で混合した中間素材を、例えば粉末冶金法等によってバルク状に成形したもの等を用いることができる。また、加工前コンプレッサ基部３２０と加工前コンプレッサ翼部３１０とは、例えば溶接等によって接続されることで、一体化している。

なお、図４（ａ）において、既に、シャフト孔３３が形成されているが、シャフト孔３３の形成時期は、これに限定されるものではない。他の一例を挙げると、シャフト孔３３は、コンプレッサ翼部３１が形成された後に、形成されてもよい。

図４（ａ）に示すような加工前素材３００を準備した後に、加工前コンプレッサ翼部３１０に対して機械加工（具体的には切削加工）を施すことによって、図４（ｂ）に示すように、コンプレッサ翼部３１の形状を削り出す。以上のような手法によって、コンプレッサ翼車３０を容易に製造することができる。

続いて、本実施形態の作用効果について説明する。まず、本実施形態によれば、コンプレッサ基部３２がアルミニウムによって構成されており、コンプレッサ翼部３１がウィスカー強化アルミニウムによって構成されているので、コンプレッサ基部３２及びコンプレッサ翼部３１が両方とも鋼によって構成されている場合に比較して、コンプレッサ翼車３０の軽量化を図ることができる。また、コンプレッサ翼部３１がウィスカー強化アルミニウムによって構成されているので、コンプレッサ翼部がアルミニウムのみによって構成されている場合に比較して、コンプレッサ翼部３１の強度を向上させることができる。以上のように、本実施形態によれば、コンプレッサ翼車３０の軽量化を図りつつ、コンプレッサ翼部３１の強度を向上させることができる。

また、本実施形態によれば、コンプレッサ翼部３１がウィスカー強化アルミニウムによって構成されているので、コンプレッサ翼部３１の強度を、コンプレッサ翼部がアルミニウムのみによって構成されている場合（これを「比較例」と称する）のコンプレッサ翼部の強度と同等にした場合には、コンプレッサ翼部３１の厚みを、この比較例に係るコンプレッサ翼部の厚みに比較して、薄くすることができる。すなわち、本実施形態によれば、コンプレッサ翼部３１の薄肉化を実現することができる。これにより、比較例に比較して、コンプレッサ効率を向上させることができる。

また、本実施形態によれば、前述したように、コンプレッサ翼車３０の軽量化が図られているので、コンプレッサ翼車３０の回転時の慣性力を低減させて、コンプレッサ翼車３０の過渡応答性を向上させることもできる。また、本実施形態においてコンプレッサ翼部３１の材質として用いられているウィスカー強化アルミニウムは、複合材料の中でも比較的、切削加工性が良好なものである。したがって、本実施形態によれば、コンプレッサ翼部３１を容易に製造することもできる。

なお、図１等で説明したように、本実施形態において、コンプレッサ翼部３１にはＥＧＲガスが導入されているが、この構成に限定されるものではない。他の例を挙げると、ターボチャージャ１０は、ＥＧＲシステム５を備えていない車両に適用されていてもよい（この場合、コンプレッサ翼部３１には、排気を含まない吸気が導入される）。

しかしながら、本実施形態のように、コンプレッサ翼部３１にＥＧＲガスが導入される場合、ＥＧＲガスに含まれる凝縮水や微小粒子（煤等）が高速で回転するコンプレッサ翼部３１に衝突する可能性がある。これに対して、本実施形態によれば、コンプレッサ翼部３１がウィスカー強化アルミニウムによって構成されているので、凝縮水に対する耐腐食性が鋼に比較して高くなっている（すなわち、腐食し難い構成になっている）。また、コンプレッサ翼部３１がウィスカーによって強化されているので、微小粒子が衝突して破損することも効果的に抑制されている。すなわち、本実施形態に係るコンプレッサ翼車３０によれば、コンプレッサ翼部３１にＥＧＲガスが導入された場合であっても、腐食したり破損したりすることが効果的に抑制されている。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１ 車両
２ エンジン
３ 吸気通路
４ 排気通路
５ ＥＧＲシステム
１０ ターボチャージャ
２０ タービン翼車
３０ コンプレッサ翼車
３１ コンプレッサ翼部
３２ コンプレッサ基部
３３ シャフト孔
３４ 大径部
３５ 小径部
４０ 回転シャフト
３００ 加工前素材
３１０ 加工前コンプレッサ翼部
３２０ 加工前コンプレッサ基部

Claims (2)

1. タービン翼車と、前記タービン翼車に回転シャフトを介して接続されたコンプレッサ翼車と、を有するターボチャージャの前記コンプレッサ翼車であって、
   前記回転シャフトに接続されたコンプレッサ基部と、前記コンプレッサ基部に接続された複数個のコンプレッサ翼部と、を備え、
   前記コンプレッサ基部は、アルミニウムによって構成され、
   前記コンプレッサ翼部は、ウィスカーによって強化されたアルミニウムによって構成されていることを特徴とするターボチャージャのコンプレッサ翼車。
2. 前記コンプレッサ翼部には、エンジンの排気の一部を含有するＥＧＲガスが導入される請求項１記載のターボチャージャのコンプレッサ翼車。

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