JPH065023B2 - タ−ボチヤ−ジヤ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、自動車のエンジン等に適用されるターボチ
ャージャに関する。

〔従来の技術〕

従来、特開昭５８−１３８２２２号公報に記載された排
気タービン過給機については、タービンスクロールを二
分割し、一方のタービンスクロール部分に開閉弁即ち開
閉シャッタを設置し、ノズル面積を可変にするような構
造のものが開示されている。これについて第２図を参照
して概説する。

第２図において、内燃機関の排気タービンの過給機にお
ける排気タービン６０が示されている。排気タービン６
０については、タービンケース６１の内部を隔壁６２に
よりほぼ軸方向に並んだ流路面積の異なる大容量及び小
容量用の２つのスクロール室６３，６４に分割し、隔壁
６２の先端はタービン羽根６７の外周の羽根入口に近接
させて、ノズル部分６５，６６も軸方向に二分割し、且
つこの二分割されたノズル幅をそれぞれに連通している
２つのスクロール室６３，６４の容量に応じて与え、ス
クロール入口部にスクロール室６３，６４に連なる２流
路のうち流路面積の大きな方の流路入口を開閉できるバ
ルブ６８を設けている。

エンジン低速時の過給圧力が低い場合には、バルブ６８
を閉じて流路面積の小さな方のスクロール室６４のみに
排気ガスを流し、エンジン高速時には次第にバルブ６８
を開いて流路面積の大きな方のスクロール室６３にも排
気ガスを流すようにしたものである。

更に、第３図には、別の構造を示し、特にスクロール及
びノズルを示すものである。第３図の部品には、第２図
の部品と同一のものについては同一の符号にダッシュを
付した符号を付して説明を省略する。

〔発明が解決しようとする問題点〕

第２図及び第３図に示す排気タービン過給機６０は、エ
ンジン低速から高速まで広範囲で効率良く十分な過給圧
力を得るためにスクロール室６３，６４及びノズル６
５，６６を可変容量にし、この容量を大幅に変えるため
低速時に使うスクロール流量面積をできるだけ小さくす
るものであり、スクロール室６３，６４を二分割して、
一方のタービンスクロール部分にバルブ６８即ち開閉シ
ヤッタを設置し、ノズル面積を可変にしている。

しかしながら、上記の排気タービン過給機は、タービン
通路を形成するタービンケーシングは鋳物のみで構成さ
れ、エンジンから排気される排気ガスを断熱するという
ものではない。また、２つのタービン通路は、別体とし
て構成したものでなく、両者のスクロールを一体的に形
成しているものであり、製作上、タービン通路の形状を
正確に且つ堅牢に構成し且つ所望の形状を容易に製作す
るという点では、問題点を有するものである。

ところで、本出願人はこの出願の先願である特願昭６１
−２５０２３４号として、回転電機付ターボチャージャ
を提供している。該回転電機付ターボチャージャは、エ
ンジンの排気管に回転電機を有するタービンを設け、排
気エネルギーを回生して電気負荷に供給するものであ
り、電気負荷の需要電気量に応じて前記タービンに圧送
する排気エネルギーを制御する制御手段と前記回転電機
の電気出力を調節する調節手段とを設けたことを特徴と
している。

このような回転電機付ターボチャージャは、タービンス
クロールを二分割にしているが、二分割にしたタービン
スクロールを製作するに当たって、製造上簡単にできず
種々の問題を有している。また、タービンとコンプレッ
サとがタービン軸によって連結され、該タービン軸上に
交流機である回転電機は配置されている。回転電機は、
例えば、強力な永久磁石から成る回転子及び三相巻線を
有する固定子から構成されている。

しかしながら、永久磁石は熱に対して極めて弱く、温度
約200℃以上になると、その減磁率は大幅に劣化するも
のである。永久磁石は、例えば、約200℃での減磁率が
約５％であるが、約300℃での減磁率が約30％にも達す
る性質を有している。それ故に、回転電機がタービンか
らの熱の影響を受けないように、タービンから伝わる熱
を遮熱するということが大きな問題となる。

そこで、この発明の目的は、上記の問題点を解消するこ
とであり、タービン通路に関してタービンケースを鋳物
で構成すると共に、タービンスクロールを二分割にする
のに簡単な構造を提供し、しかもタービン通路即ちメイ
ンポートとサブポートの形状を所望のサイズに正確に且
つ堅牢に構成して所望の形状を簡単に製作することがで
き、更に、エンジンから排気される排気ガスからの熱即
ち高温状態になるタービンから伝導、輻射によって伝え
られる熱を断熱ガスケットによって遮熱し、前記タービ
ンをコンプレッサとの間に配設されたシャフトを支持す
るベアリング、永久磁石から成る交流機の回転電機を高
熱による悪影響から保護し、排気ガスが有する熱エネル
ギーをタービン通路に閉じ込めて熱エネルギーを効率的
に回収することができるターボチャージャを提供するこ
とである。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明は、上記の目的を達成するため、次のように構
成されている。即ち、この発明は、タービンとコンプレ
ッサを連結したタービン軸、該タービン軸上の回転電機
を収容したセンタハウジングとメインポートを形成した
タービンケースの間に配置したハウジング、前記タービ
ンケースと前記ハウジングとの各取付面に形成した各凹
部、該各凹部が整合した状態で前記タービンケースと前
記ハウジングを固着して形成したサブポート、及び前記
タービンケースと前記ハウジングとの前記各取付面間に
介在させた断熱ガスケットを有することを特徴とするタ
ーボチャージャに関する。

また、このターボチャージャにおいて、排気ガス流量の
少ないアイドリング時には、エンジンからの排気ガスを
前記サブポートにのみ導き、前記回転電機の発電出力を
増加させるものである。

また、このターボチャージャにおいて、エンジンの高負
荷時には、前記メインポートを開放し、前記回転電機で
十分な発電出力を確保し、ブーストの発生を図るもので
ある。

〔作用〕

この発明は、上記のように構成されているので、次のよ
うに作用する。即ち、この発明によるターボチャージャ
は、センタハウジングとタービンケースとの間にハウジ
ングを配置し、前記ハウジングのタービンケース取付面
に凹部を形成し、メインポートを形成する前記タービン
ケースのハウジング取付面に形成した凹部と前記凹部と
によってサブポートを形成したので、前記サブポートを
極めて簡単に且つ正確に製作でき、簡潔な堅固な構造に
構成できる。

また、組立工程において、前記ハウジングと前記タービ
ンケースとの前記各取付面との間に断熱ガスケットを介
在させて前記タービンケースと前記ハウジングを結合す
るだけで、前記タービンからの高熱を遮熱して前記回転
電機への悪影響を防止することができる。

〔実施例〕

以下、図面を参照して、この発明によるターボチャージ
ャの実施例を詳述する。

第１図において、この発明によるターボチャージャの一
実施例が符号１０によって全体的に示されている。この
ターボチャージャ１０は、エンジンの排気ガス即ち排気
ガスエネルギーによって駆動されるタービン１、タービ
ン１の駆動によって過給するコンプレッサ２、及びター
ビン１によって駆動され且つ電動機又は発電機として機
能する永久磁石２６及び固定子１７から成る回転電気３
を有する。なお、タービン１、コンプレッサ２及び回転
電機３の関係については、例えば、本出願人による前掲
特願昭６１−２５０２３４号に開示されている回転電機
付ターボチャージャと同様な構成である。

タービン１は、タービンケーシング、ハウジング等のタ
ービンケース４、ハウジング７及びセンタハウジング８
によって形成されるスペース内に排気ブレード即ちター
ビンブレード９が配置されたものである。このタービン
１のタービンブレード９はタービン軸であるシャフト１
１の一端部に取り付けられている。

また、コンプレッサ２は、コンプレッサハウジング１３
内にコンプレッサインペラ１２が配置されたものであ
り、コンプレッサインペラ１２はシャフト１１の一端即
ちタービン１とは反対側の他端部にコンプレッサ軸を介
して取り付けられている。

更に、電動機又は発電機として機能する永久磁石２６及
び固定子１７から成る回転電機３は、タービン１とコン
プレッサ２との中間のシャフト１１上に配設されてい
る。回転電機３は、上述のように、前掲特願昭６１−２
５０２３４号に開示されている回転電機付ターボチャー
ジャと同様な構成であり、電動機又は発電機として作用
できるものとして設けてある。回転電機３は、センタハ
ウジング８内を貫通するターボチャージャシャフト即ち
シャフト１１の中央部に取り付けられた軸方向に伸長す
る永久磁石２６の磁石ロータ、及びセンタハウジング８
に取り付けられた固定子１７のステータコア、ステータ
コイル等から成る。

タービンブレード９とシャフト１１との取付構造は、例
えば、シャフト１１の端部の継手部に形成された嵌合穴
に、タービンブレード９のタービン軸が嵌合することに
よって、タービンブレード９とシャフト１１とが固定さ
れる。また、シャフト１１の継手部はシールリングを介
してセンタハウジング８内に支持されている。シャフト
１１は、センタハウジング８に固定されたベアリング１
４を介して回転自在に支持されている。

タービン１のタービンブレード９は、タービンスクロー
ルであるメインポート５及びサブポート６にエンジンの
排気マニホルド（図示省略）を通じて送込まれる排気ガ
スの流れ即ち排気ガスエネルギーを受けて回転し、排気
ガスを矢印Ａの方向に排気する。

また、コンプレッサインペラ１２は、吸気口からコンプ
レッサスクロール１５に導入された空気をディフューザ
によって圧力変換してエンジンの吸気マニホルドに送込
む作用を果たす。

回転電機３は、タービン１によって駆動され、ステータ
コイルに電圧を誘起し、この電圧を電源側に戻す機能を
果たすもので、即ち回生電圧をバッテリに充電したり又
は負荷として利用できるように機能するものである。

以上の構成において、この発明によるターボチャージャ
１０は、特に、次の構成の点に特徴を有している。この
ターボチャージャ１０については、センタハウジング８
とタービンケース４との間にハウジング７が配置されて
いるが、タービン１に形成したタービンスクロールをメ
インポート５及びサブポート６の２つのスクロールから
構成し、サブポート６をタービンケース４とハウジング
７の壁面を利用して構成した点に特徴を有している。

サブポート６を形成するため、ハウジング７の取付面２
１の内方部位には凹部１９を形成し、また、タービンケ
ース４にはメインポート５を形成すると共に、取付面２
２の内方部位に凹部２５を形成する。サブポート６は、
メインポート５を形成するタービンケース４の取付面２
２の内方部位の凹部２５と取付面２１の内方部位の凹部
１９とを整合させることによって形成されている。これ
らの凹部１９，２５は、タービンケース４及びハウジン
グ７の各側面を削り込んでいくことによって簡単に且つ
正確に形成することができる。

タービンケース４とハウジング７とは、断熱ガスケット
２０を介してボルト等の固着手段１６によって取付面２
１と取付面２２の各々の外方部位とが密接状態に整合す
るように固着されている。また、ハウジング７とセンタ
ハウジング８とは、セラミック材等から成る断熱ガスケ
ット２３を介してボルト等の固着手段１８によって固着
されている。

断熱ガスケット２３は、タービン軸であるシャフト１１
の外周面付近まで伸長しており、断熱ガスケット２３と
センタハウジング８のタービンブレード９側との間には
断熱空気層２４が形成されている。また、場合によって
は、ハウジング７の内周面と断熱ガスケット２３との間
にも断熱空気層３１を形成するように構成してもよい。

この発明によるターボチャージャ１０は、以上のように
構成されており、次のように作動する点について特徴を
有している。

エンジンのアイドリング時等には、空気流量即ちガス流
量が少なく、発電機である回転電機３の出力が不足する
状態になる。このような場合には、サブポート６にのみ
排気ガスを導くように制御し、サブポート６にのみ排気
ガスを流すことによって、タービン１の回転数を上昇さ
せることができ、それによって回転電機３の発電出力を
増加させ、発電性能の向上を図ることができる。

また、エンジンの高速、高負荷時には、空気流量即ちガ
ス流量が多いので、メインポート５を開放するように制
御し、メインポート５に排気ガスを流すことによって、
十分な発電出力を得ると共に、ブーストの発生を図るよ
うにする。

断熱ガスケット２０，２３は、例えば、チタン酸カリウ
ムウィスカーを主成分とする断熱シートの外面をスチー
ル、ステンレススチール等の金属製シートで被覆したも
のであり、断熱シート自体及び断熱シートと金属製シー
トとの間には空気層が形成されている。断熱ガスケット
２０，２３は、断熱シートが複数枚重ねられた積層体で
あり、その外周部は一方の金属製シートが覆うように曲
げられて形成され、他方の金属製シートと密着した状態
に固定され、また、その内周部は両側の金属製シートが
複数個のパイプリベットによって互いに固着されてい
る。

断熱シートは、例えば、ウィスカー状チタン酸カリウム
（Ｋ_２Ｔｉ₆Ｏ₁₃、融点1370℃、比重3.2、熱伝導率0.00
012cal/cmsec℃）をステンレススチール製シートの間に
配置するように構成することができるが、更に、断熱シ
ートには、場合によっては、カーボンをシール部、例え
ば、タービンケース４とハウジング７との間及びハウジ
ング７とセンタハウジング８との間のシール部のみに少
量混合し、シール機能を向上させることもできる。

また、断熱ガスケット２０，２３を構成する断熱シート
の材料、構成等については、種々のものがあり、例え
ば、次のような構造の断熱シートがある。まず、断熱シ
ートの構造については、少なくともチタン酸カリウム製
シートとステンレススチール製シートとが交互に配置さ
れ、しかもこれらのシートの重合体の外面はステンレス
スチール等の金属製ケースによって被覆した構造に構成
されている。

また、別の断熱ガスケットは、チタン酸カリウム製シー
トの断熱シートとステンレススチール等の金属製シート
とを交互に重ねて積層し、外面を金属製シート即ち金属
製ディスクによって被覆して構成したものである。

更に、別の断熱ガスケットは、チタン酸カリウムウィス
カーの両面をアルミナファイバ製シートでサンドイッチ
状に補強して断熱シートを形成し、該断熱シートを積層
体に形成して金属製シートで被覆して構成したものであ
る。

また、他の断熱ガスケットは、チタン酸カリウムウィス
カーとアルミナファイバ即ちアルミナ短繊維とを混合し
て断熱シートを構成し、該断熱シートを積層体に構成し
て金属製シートで被覆して構成したものである。

〔発明の効果〕

この発明によるターボチャージャは、以上のように構成
されているので、次のような効果を有する。即ち、この
ターボチャージャは、センタハウジングとタービンケー
スとの間にハウジングを配置し、前記ハウジングの取付
面に凹部を形成し、メインポートを形成する前記タービ
ンケースの取付面に形成した凹部と前記凹部とによって
サブポートを形成したので、補助のタービンスクロール
となる前記サブポートを極めて簡単に且つ正確に製作で
き、簡潔で堅固な構造に構成できる。

また、組立工程において、前記タービンケースと前記ハ
ウジングとの前記各取付面間にセラミック材から成る断
熱ガスケットを単に介在させて前記タービンケースと前
記ハウジングを結合するだけで、高温の排気ガスが通る
タービンからの高熱を遮熱する構造に構成することがで
きる。

それ故に、ターボチャージャのベアリング、コンプレッ
サインペラ等への熱影響を防止することができる。ま
た、このターボチャージャにおける上記遮熱構造を、タ
ービンブレードとコンプレッサインペラとを連結したタ
ービン軸上に回転電機を配置したターボチャージャに適
用した場合に、永久磁石から成る回転電機に対して前記
タービンからの高熱が完全に遮熱され、前記回転電機を
構成する永久磁石は熱影響を受けることがなく、本来の
永久磁石の機能を果たし、耐久性に富んだものとなり、
前記回転電機は電動−発電機として本来の機能を果たし
且つ確実に作動でき、エンジンの排気ガスエネルギーを
回収するエネルギー回収装置として良好に機能すること
ができる。

更に、前記断熱ガスケットとしてチタン酸カリウム等の
セラミック材の積層体を使用することができ、その場合
には、断熱性、耐熱性、耐腐食性、耐変形性等に極めて
富んだものとなり、前記断熱ガスケットは前記タービン
ケースと前記ハウジングとの間に極めて強固に固定で
き、温度変化があったとしても前記断熱ガスケットが固
定不良になるようなことがない。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明によるターボチャージャの一実施例を
示す断面図、第２図は従来の排気タービン過給機の一例
を示す断面図、及び第３図は従来の排気タービン過給機
の別の例を示す断面図である。 １……タービン、２……コンプレッサ、３……回転電
機、４……タービンケース、５……メインポート、６…
…サブポート、７……ハウジング、８……センタハウジ
ング、９……タービンブレード、１０……ターボチャー
ジャ、１１……シャフト、１２……コンプレッサインペ
ラ、１５……コンプレッサスクロール、１９，２５……
凹部、２０，２３……断熱ガスケット、２１，２２……
取付面、２６……永久磁石。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】タービンとコンプレッサを連結したタービ
   ン軸、該タービン軸上の回転電機を収容したセンタハウ
   ジングとメインポートを形成したタービンケースの間に
   配置したハウジング、前記タービンケースと前記ハウジ
   ングとの各取付面に形成した各凹部、該各凹部が整合し
   た状態で前記タービンケースと前記ハウジングを固着し
   て形成したサブポート、及び前記タービンケースと前記
   ハウジングとの前記各取付面間に介在させた断熱ガスケ
   ットを有することを特徴とするターボチャージャ。
2. 【請求項２】排気ガス流量の少ないアイドリング時に
   は、エンジンからの排気ガスを前記サブポートにのみ導
   き、前記回転電機の発電出力を増加させることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項に記載のターボチャージャ。
3. 【請求項３】エンジンの高負荷時には、前記メインポー
   トを開放し、前記回転電機で十分な発電出力を確保し、
   ブーストの発生を図ることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項に記載のターボチャージャ。