JP2000199427A - タ―ボチャ―ジャ用タ―ビンハウジングを鋳造一体化した排気マニホ―ルド - Google Patents
タ―ボチャ―ジャ用タ―ビンハウジングを鋳造一体化した排気マニホ―ルドInfo
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- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
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- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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- F01N13/10—Other arrangements or adaptations of exhaust conduits of exhaust manifolds
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- Mechanical Engineering (AREA)
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- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Exhaust Silencers (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 排気ガスによる熱応力とタービンハウジング
の振動による機械的応力に対して優れた強度を示す形状
を有する小型で長寿命のターボチャージャ用タービンハ
ウジングを鋳造一体化した排気マニホールドを提供す
る。 【解決手段】 エンジンの排気孔に接続する複数の排気
ガス導入用ポートを有する管部21、22と、各排気ガ
ス導入用ポートの周囲において各管部に一体的に設けら
れたフランジ部11a〜14aと、前記管部内の排気ガ
ス流路がなめらかに合流するように前記管部の途中に設
けられた集合部30と、前記集合部30と一体的に連結
して排気ガスがその円周状流路に流入するようになって
いるターボチャージャ用タービンハウジング40とを鋳
造一体化した排気マニホールドであって、タービンハウ
ジング40内の円周状流路に対して集合部30内の排気
ガス流路がほぼ接線方向となるようにタービンハウジン
グ40は前記集合部30に一体的に連結している。
の振動による機械的応力に対して優れた強度を示す形状
を有する小型で長寿命のターボチャージャ用タービンハ
ウジングを鋳造一体化した排気マニホールドを提供す
る。 【解決手段】 エンジンの排気孔に接続する複数の排気
ガス導入用ポートを有する管部21、22と、各排気ガ
ス導入用ポートの周囲において各管部に一体的に設けら
れたフランジ部11a〜14aと、前記管部内の排気ガ
ス流路がなめらかに合流するように前記管部の途中に設
けられた集合部30と、前記集合部30と一体的に連結
して排気ガスがその円周状流路に流入するようになって
いるターボチャージャ用タービンハウジング40とを鋳
造一体化した排気マニホールドであって、タービンハウ
ジング40内の円周状流路に対して集合部30内の排気
ガス流路がほぼ接線方向となるようにタービンハウジン
グ40は前記集合部30に一体的に連結している。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ターボチャージャ
用タービンハウジングを鋳造一体化した排気マニホール
ドに関する。
用タービンハウジングを鋳造一体化した排気マニホール
ドに関する。
【0002】
【従来の技術】最近エンジンの高出力化のために、自動
車のエンジンにターボチャージャを搭載することが広く
行われている。ターボチャージャによりエンジンを大型
化する必要がないので、自動車の小型化が達成できると
ともに、単位仕事量当たりの排気ガス量を低減すること
が可能になる。またターボチャージャ搭載により、エン
ジンを高い空燃比に設定可能なことから、排気ガス中の
NOxや粒子状物質などの大気汚染物質の低減に大きく
寄与することが期待されている。
車のエンジンにターボチャージャを搭載することが広く
行われている。ターボチャージャによりエンジンを大型
化する必要がないので、自動車の小型化が達成できると
ともに、単位仕事量当たりの排気ガス量を低減すること
が可能になる。またターボチャージャ搭載により、エン
ジンを高い空燃比に設定可能なことから、排気ガス中の
NOxや粒子状物質などの大気汚染物質の低減に大きく
寄与することが期待されている。
【0003】また地球温暖化対策や化石燃料の消費量抑
制という面から、燃費向上の要求も高まってきている。
ターボチャージャを搭載することにより、少ない燃料使
用量でもって大きな馬力を生み出すことができるので、
エンジン排気量が大きくなるにつれて増加する摩擦圧力
に抗する無駄なエネルギを削減し、燃費改善に大きく寄
与することになる。またターボチャージャは騒音の低減
にも効果的である。
制という面から、燃費向上の要求も高まってきている。
ターボチャージャを搭載することにより、少ない燃料使
用量でもって大きな馬力を生み出すことができるので、
エンジン排気量が大きくなるにつれて増加する摩擦圧力
に抗する無駄なエネルギを削減し、燃費改善に大きく寄
与することになる。またターボチャージャは騒音の低減
にも効果的である。
【0004】一般に、自動車等に搭載されるターボチャ
ージャは、エンジンの排気口に接続されたマニホールド
によってガイドされた高温、高圧の排気ガスのエネルギ
ーを利用して、ロータを高速回転させ、それと同軸のコ
ンプレッサを回転させてエンジンへの吸気を加圧する過
給を行うようになっている。ロータはタービンハウジン
グのタービン室内に回転可能に設けられており、タービ
ンハウジング内にはロータ室に排気ガスを導入する排気
ガス導入路が形成されている。
ージャは、エンジンの排気口に接続されたマニホールド
によってガイドされた高温、高圧の排気ガスのエネルギ
ーを利用して、ロータを高速回転させ、それと同軸のコ
ンプレッサを回転させてエンジンへの吸気を加圧する過
給を行うようになっている。ロータはタービンハウジン
グのタービン室内に回転可能に設けられており、タービ
ンハウジング内にはロータ室に排気ガスを導入する排気
ガス導入路が形成されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、自動車
のエンジン室内の限られたスペースに排気マニホールド
とターボチャージャとを共存させるためには、これらの
部品を形状を含めた最適な仕様にすることが非常に重要
である。特に既存の構造の自動車にタービンハウジング
一体型排気マニホールドを配置する場合、既存の排気マ
ニホールドにそのままタービンハウジングを取り付ける
訳にいかないので、排気マニホールド自体の形状もそれ
に連結するタービンハウジングの形状に合わせて、最適
にしなければならない。
のエンジン室内の限られたスペースに排気マニホールド
とターボチャージャとを共存させるためには、これらの
部品を形状を含めた最適な仕様にすることが非常に重要
である。特に既存の構造の自動車にタービンハウジング
一体型排気マニホールドを配置する場合、既存の排気マ
ニホールドにそのままタービンハウジングを取り付ける
訳にいかないので、排気マニホールド自体の形状もそれ
に連結するタービンハウジングの形状に合わせて、最適
にしなければならない。
【0006】この対策の切り札として、排気マニホール
ドとタービンハウジングとを鋳造一体化した排気系部品
が有望であり、その開発が急ピッチで進められている。
タービンハウジングを排気マニホールドに鋳造一体化す
ることにより、接合部がないため部品点数が減少し、組
み立てコストが低下するとともに、排気マニホールドを
コンパクトにできる。また組み立て用作業空間が必要な
くなるため、マニホールドの設計自由度が高まり、より
理想に近い形状が実現できる。例えば、「素形材」
(財)素形材センター刊行(平成10年1月20日発
行)の第2頁には、高耐熱タービンハウジング一体エキ
ゾーストマニホルドについて、部品10点の削減と4カ
所の締め付け廃止が可能となること、一体化で製品形状
が大きくなる、との記載がある。
ドとタービンハウジングとを鋳造一体化した排気系部品
が有望であり、その開発が急ピッチで進められている。
タービンハウジングを排気マニホールドに鋳造一体化す
ることにより、接合部がないため部品点数が減少し、組
み立てコストが低下するとともに、排気マニホールドを
コンパクトにできる。また組み立て用作業空間が必要な
くなるため、マニホールドの設計自由度が高まり、より
理想に近い形状が実現できる。例えば、「素形材」
(財)素形材センター刊行(平成10年1月20日発
行)の第2頁には、高耐熱タービンハウジング一体エキ
ゾーストマニホルドについて、部品10点の削減と4カ
所の締め付け廃止が可能となること、一体化で製品形状
が大きくなる、との記載がある。
【0007】高熱の排気ガスに曝される排気マニホール
ドと、振動の大きいタービンハウジングとを一体化する
と、熱応力や振動などのストレスが加わるため、従来の
設計技術では反りやクラックが入りやすく、実用的なタ
ーボチャージャ用タービンハウジング一体化した排気マ
ニホールドを得ることが困難であった。前記「素形材」
(財)素形材センター刊行(平成10年1月20日発
行)の高耐熱タービンハウジング一体エキゾーストマニ
ホルドに関する文献には、熱応力や振動などのストレス
が加わった場合の反りやクラック防止についての記載や
示唆は見当たらない。
ドと、振動の大きいタービンハウジングとを一体化する
と、熱応力や振動などのストレスが加わるため、従来の
設計技術では反りやクラックが入りやすく、実用的なタ
ーボチャージャ用タービンハウジング一体化した排気マ
ニホールドを得ることが困難であった。前記「素形材」
(財)素形材センター刊行(平成10年1月20日発
行)の高耐熱タービンハウジング一体エキゾーストマニ
ホルドに関する文献には、熱応力や振動などのストレス
が加わった場合の反りやクラック防止についての記載や
示唆は見当たらない。
【0008】従って、本発明の目的は、ターボチャージ
ャ用タービンハウジングを鋳造一体化した排気マニホー
ルドであって、排気ガスによる熱応力とタービンハウジ
ングの振動による機械的応力に対して優れた強度を示す
形状を有する小型で長寿命のターボチャージャ用タービ
ンハウジングを鋳造一体化した排気マニホールドを提供
することである。
ャ用タービンハウジングを鋳造一体化した排気マニホー
ルドであって、排気ガスによる熱応力とタービンハウジ
ングの振動による機械的応力に対して優れた強度を示す
形状を有する小型で長寿命のターボチャージャ用タービ
ンハウジングを鋳造一体化した排気マニホールドを提供
することである。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記目的に鑑み鋭意研究
の結果、本発明者らは、排気マニホールドの集合部の形
状を最適化し、特に集合部がタービンハウジングに連結
する部位におけるくびれ部の曲率半径をタービンハウジ
ングの軸中心から集合部内への排気ガス流路の接線方向
距離に対して適切な比率にすることにより、タービンハ
ウジングの振動による機械的応力に対して優れた強度を
発揮し、もってくびれ部又はその周辺にクラックが発生
するのを防止することができることを発見し、本発明を
完成した。
の結果、本発明者らは、排気マニホールドの集合部の形
状を最適化し、特に集合部がタービンハウジングに連結
する部位におけるくびれ部の曲率半径をタービンハウジ
ングの軸中心から集合部内への排気ガス流路の接線方向
距離に対して適切な比率にすることにより、タービンハ
ウジングの振動による機械的応力に対して優れた強度を
発揮し、もってくびれ部又はその周辺にクラックが発生
するのを防止することができることを発見し、本発明を
完成した。
【0010】すなわち、本発明のターボチャージャ用タ
ービンハウジングを鋳造一体化した排気マニホールド
は、エンジンの排気孔に接続する複数の排気ガス導入用
ポートを有する管部と、各排気ガス導入用ポートの周囲
において前記管部に一体的に設けられたフランジ部と、
前記管部内の排気ガス流路がなめらかに合流するように
前記管部の途中に設けられた集合部と、前記集合部と一
体的に連結して排気ガスがその円周状流路に流入するよ
うになっているターボチャージャ用タービンハウジング
とを鋳造一体化した排気マニホールドであって、前記タ
ービンハウジング内の円周状流路に対して前記集合部内
の排気ガス流路がほぼ接線方向となるように前記タービ
ンハウジングは前記集合部に一体的に連結しており、前
記タービンハウジングの外面が前記集合部の外面と所定
の角度で連結する領域におけるくびれ部の曲率半径は、
タービンハウジングの軸中心から前記集合部内への排気
ガス流路の接線方向距離比で0.13以上であることを
特徴とする。
ービンハウジングを鋳造一体化した排気マニホールド
は、エンジンの排気孔に接続する複数の排気ガス導入用
ポートを有する管部と、各排気ガス導入用ポートの周囲
において前記管部に一体的に設けられたフランジ部と、
前記管部内の排気ガス流路がなめらかに合流するように
前記管部の途中に設けられた集合部と、前記集合部と一
体的に連結して排気ガスがその円周状流路に流入するよ
うになっているターボチャージャ用タービンハウジング
とを鋳造一体化した排気マニホールドであって、前記タ
ービンハウジング内の円周状流路に対して前記集合部内
の排気ガス流路がほぼ接線方向となるように前記タービ
ンハウジングは前記集合部に一体的に連結しており、前
記タービンハウジングの外面が前記集合部の外面と所定
の角度で連結する領域におけるくびれ部の曲率半径は、
タービンハウジングの軸中心から前記集合部内への排気
ガス流路の接線方向距離比で0.13以上であることを
特徴とする。
【0011】前記くびれ部の曲率半径は、好ましくは、
タービンハウジングの軸中心から前記集合部内への排気
ガス流路の接線方向距離比で0.23以上であることを
特徴とする。
タービンハウジングの軸中心から前記集合部内への排気
ガス流路の接線方向距離比で0.23以上であることを
特徴とする。
【0012】また本発明は、排気マニホールドの管部及
び集合部に背面リブが設けられている。背面リブによ
り、排気マニホールド全体の機械的強度が向上し、熱応
力や振動により管部や集合部にクラックが生じるのが防
止できる。
び集合部に背面リブが設けられている。背面リブによ
り、排気マニホールド全体の機械的強度が向上し、熱応
力や振動により管部や集合部にクラックが生じるのが防
止できる。
【0013】また本発明は、タービンハウジングがポー
ト中心を結ぶ線より側方にずれた位置にあり、集合部の
中心線側の部分では管部がへの字状に一体的に連結して
おり、前記への字部は集合部の他の部分よりも肉厚にな
っている。この構造により、排気マニホールドの軸線方
向の熱膨張・収縮により集合部に応力がかかっても、集
合部にクラックが発生することはない。
ト中心を結ぶ線より側方にずれた位置にあり、集合部の
中心線側の部分では管部がへの字状に一体的に連結して
おり、前記への字部は集合部の他の部分よりも肉厚にな
っている。この構造により、排気マニホールドの軸線方
向の熱膨張・収縮により集合部に応力がかかっても、集
合部にクラックが発生することはない。
【0014】また本発明は、集合部の下面が管部の下面
より浮き上がっている。この構造により、集合部の下部
はエンジンケースと接することがないので、集合部の下
部が上部より著しく低温になることはない。そのため、
集合部に熱応力が発生する恐れがない。
より浮き上がっている。この構造により、集合部の下部
はエンジンケースと接することがないので、集合部の下
部が上部より著しく低温になることはない。そのため、
集合部に熱応力が発生する恐れがない。
【0015】さらに本発明は、集合部に近接する一対の
排気ガス導入用ポートの周囲に設けられたフランジ部は
集合部の下方で連結する延長部を有し、前記延長部は管
部の中心線とほぼ直角の方向に幅3mm以下のスリット
を有する。このスリットは管部の軸線方向の熱収縮を吸
収し、排気マニホールドをエンジンケースに固定するボ
ルトに過大な負荷がかかるのを防止する。
排気ガス導入用ポートの周囲に設けられたフランジ部は
集合部の下方で連結する延長部を有し、前記延長部は管
部の中心線とほぼ直角の方向に幅3mm以下のスリット
を有する。このスリットは管部の軸線方向の熱収縮を吸
収し、排気マニホールドをエンジンケースに固定するボ
ルトに過大な負荷がかかるのを防止する。
【0016】
【発明の実施の形態】タービンハウジングが鋳造一体化
された本発明の排気マニホールドの実施の形態を、添付
図面を参照して以下詳細に説明する。
された本発明の排気マニホールドの実施の形態を、添付
図面を参照して以下詳細に説明する。
【0017】図1は本発明の一実施例による排気マニホ
ールド1の正面図であり、図2はその背面図であり、図
3はその底面図であり、図4はその平面図であり、図5
はそのH−H断面図であり、図6はその管部の横断面図
であり、図7はその右側面図であり、図8はその左側面
図である。図面に例示するタービンハウジング一体型排
気マニホールド1の具体例は一体的に鋳造された下記サ
イズの直列4気筒のものであるが、本発明はこれに限定
されない。なお湾曲状の管部は全体が一体的であるが、
合流する2つの部分からなるので、説明の便宜上管部2
1,22からなるものとする。 最外端のポート中心間の距離W:400mm。 管部の排気ガス流路の断面積:46mm2。 集合部の排気ガス流路の断面積:44mm2。 フランジ部からロータシャフトの中心軸線までの垂直距
離E:162.5mm。 フランジ部からロータシャフトの中心軸線までの水平距
離F:84mm。
ールド1の正面図であり、図2はその背面図であり、図
3はその底面図であり、図4はその平面図であり、図5
はそのH−H断面図であり、図6はその管部の横断面図
であり、図7はその右側面図であり、図8はその左側面
図である。図面に例示するタービンハウジング一体型排
気マニホールド1の具体例は一体的に鋳造された下記サ
イズの直列4気筒のものであるが、本発明はこれに限定
されない。なお湾曲状の管部は全体が一体的であるが、
合流する2つの部分からなるので、説明の便宜上管部2
1,22からなるものとする。 最外端のポート中心間の距離W:400mm。 管部の排気ガス流路の断面積:46mm2。 集合部の排気ガス流路の断面積:44mm2。 フランジ部からロータシャフトの中心軸線までの垂直距
離E:162.5mm。 フランジ部からロータシャフトの中心軸線までの水平距
離F:84mm。
【0018】[1] 排気ガス導入用ポート 図6に示す通り、管部21,22のポート11〜14は
ほぼ一直線上に並んでおり、各ポート11〜14のフラ
ンジ部11a〜14aには2つの貫通孔11b〜14b
が設けられている。ただし、両端にある2つの貫通孔1
1b,14bは開放されている。隣接するフランジ部1
1a,12aの間及び13a,14aの間には、それぞ
れつなぎ部15a,15bが形成されている。またフラ
ンジ部11aと12aの間隔A、及びフランジ部13a
と14aとの間隔Aはそれぞれ最外端のポート11,1
4の中心間の距離Wの0.05倍以上であるのが好まし
い。
ほぼ一直線上に並んでおり、各ポート11〜14のフラ
ンジ部11a〜14aには2つの貫通孔11b〜14b
が設けられている。ただし、両端にある2つの貫通孔1
1b,14bは開放されている。隣接するフランジ部1
1a,12aの間及び13a,14aの間には、それぞ
れつなぎ部15a,15bが形成されている。またフラ
ンジ部11aと12aの間隔A、及びフランジ部13a
と14aとの間隔Aはそれぞれ最外端のポート11,1
4の中心間の距離Wの0.05倍以上であるのが好まし
い。
【0019】フランジ部12aと13aの間につなぎ部
15cが設けられており、つなぎ部15cの中央に管部
21,22の中心線にほぼ直角方向のスリット16が設
けられている。スリット16を設けることにより、管部
21,22の熱収縮による変位を吸収する。スリット1
6の幅は収縮代以下とし、具体的には3mm以下が好ま
しい。この大きさのスリット幅とすることにより、管部
21,22の収縮量が増大するとスリット16の内面が
当接し、それ以上の収縮応力をつなぎ部15cが受ける
ようになる。その結果、排気マニホールド1をエンジン
ケースに固定するためのボルトに負荷がかからない。
15cが設けられており、つなぎ部15cの中央に管部
21,22の中心線にほぼ直角方向のスリット16が設
けられている。スリット16を設けることにより、管部
21,22の熱収縮による変位を吸収する。スリット1
6の幅は収縮代以下とし、具体的には3mm以下が好ま
しい。この大きさのスリット幅とすることにより、管部
21,22の収縮量が増大するとスリット16の内面が
当接し、それ以上の収縮応力をつなぎ部15cが受ける
ようになる。その結果、排気マニホールド1をエンジン
ケースに固定するためのボルトに負荷がかからない。
【0020】[2] 管部 図1及び図6に示すように、一体的に連結している管部
21及び22のうち管部21はポート11を起点とし
て、ポート12を通過して集合部30に至り、また管部
22はポート14を起点として、ポート13を通過して
集合部30に至る。両管部21,22は、その中の排気
ガス流路がなめらかに合流するように集合部30で集合
し、タービンハウジング40に連結する。管部21の途
中にポート24が設けられており、ポート24の周囲に
排気ガスをシリンダヘッドに戻すEGRフランジ部24
aが設けられている。遮熱板を取り付けるボス25は管
部22のフランジ部13近辺に設けられている。
21及び22のうち管部21はポート11を起点とし
て、ポート12を通過して集合部30に至り、また管部
22はポート14を起点として、ポート13を通過して
集合部30に至る。両管部21,22は、その中の排気
ガス流路がなめらかに合流するように集合部30で集合
し、タービンハウジング40に連結する。管部21の途
中にポート24が設けられており、ポート24の周囲に
排気ガスをシリンダヘッドに戻すEGRフランジ部24
aが設けられている。遮熱板を取り付けるボス25は管
部22のフランジ部13近辺に設けられている。
【0021】図1のH−H断面図である図5に示すよう
に、管部21の内面の断面形状はポート11と12の間
ではほぼ楕円形であり、その断面積はポート11よりや
や大きい。ポート12を過ぎると管部21内の排気ガス
流路は徐々に真円形状に変化する。管部22についても
同様で、ポート13とポート14の間にある管部22の
断面は楕円形であり、ポート13を過ぎると管部22内
の排気ガス流路は徐々に真円形状に変化する。
に、管部21の内面の断面形状はポート11と12の間
ではほぼ楕円形であり、その断面積はポート11よりや
や大きい。ポート12を過ぎると管部21内の排気ガス
流路は徐々に真円形状に変化する。管部22についても
同様で、ポート13とポート14の間にある管部22の
断面は楕円形であり、ポート13を過ぎると管部22内
の排気ガス流路は徐々に真円形状に変化する。
【0022】図6に示すように、管部21、22の中心
線軸L21、L22はともに滑らかな曲線であり、それ
らの曲率半径は最小のものでも55mm以上(排気ガス
流路の断面積(mm2)の120%以上)であるのが好
ましい。両管部21、22内の排気ガス流路を曲率半径
55mm以上の滑らかな曲線状とすることにより、排気
ガスの流れをスムーズにさせて、エネルギーの損失と熱
応力の集中を避けることができる。
線軸L21、L22はともに滑らかな曲線であり、それ
らの曲率半径は最小のものでも55mm以上(排気ガス
流路の断面積(mm2)の120%以上)であるのが好
ましい。両管部21、22内の排気ガス流路を曲率半径
55mm以上の滑らかな曲線状とすることにより、排気
ガスの流れをスムーズにさせて、エネルギーの損失と熱
応力の集中を避けることができる。
【0023】管部21、22及び集合部30の背部、つ
まりフランジ部11a〜14aから最も離れた位置に背
面リブ21a、22a及び31が設けられている。背面
リブ21aはEGRフランジ部24aから出発して、集
合部30を経由してタービンハウジング40まで延びて
いる。また背面リブ22aは管部22の端部から出発し
て集合部30を経由してタービンハウジング40まで延
びているが、途中背面リブ31と合流する。管部21、
22及び集合部30に背面リブを設けることにより、排
気マニホールド1の上部と下部の温度差による膨張差
(熱応力)に対応できる。
まりフランジ部11a〜14aから最も離れた位置に背
面リブ21a、22a及び31が設けられている。背面
リブ21aはEGRフランジ部24aから出発して、集
合部30を経由してタービンハウジング40まで延びて
いる。また背面リブ22aは管部22の端部から出発し
て集合部30を経由してタービンハウジング40まで延
びているが、途中背面リブ31と合流する。管部21、
22及び集合部30に背面リブを設けることにより、排
気マニホールド1の上部と下部の温度差による膨張差
(熱応力)に対応できる。
【0024】[3] 集合部 集合部30にはタービンハウジング40及びその中のタ
ーボチャージャの荷重及び振動が直接かかるので、集合
部30の肉厚は管部21、22の肉厚の1.2〜2.0
倍とするのが好ましい。その上、ターボチャージャの荷
重による曲げモーメントは、フランジ部11a〜14a
からロータシャフトの中心軸線(ターボチャージャの重
心)までの距離に比例して大きくなるため、図9に示す
ように、集合部30の肉厚をタービンハウジング40の
側30aから排気ガス導入用ポート側30bへ向かって
徐々に大きくするのが好ましい。集合部40の肉厚に勾
配を付けることにより、増大するトルクに対応すること
ができる。
ーボチャージャの荷重及び振動が直接かかるので、集合
部30の肉厚は管部21、22の肉厚の1.2〜2.0
倍とするのが好ましい。その上、ターボチャージャの荷
重による曲げモーメントは、フランジ部11a〜14a
からロータシャフトの中心軸線(ターボチャージャの重
心)までの距離に比例して大きくなるため、図9に示す
ように、集合部30の肉厚をタービンハウジング40の
側30aから排気ガス導入用ポート側30bへ向かって
徐々に大きくするのが好ましい。集合部40の肉厚に勾
配を付けることにより、増大するトルクに対応すること
ができる。
【0025】図7及び8に示すように、タービンハウジ
ング40は、その中の円周状流路に対して集合部30内
の排気ガス流路の中心線Cがほぼ接線方向となるよう
に、集合部30に一体的に連結している。従って、ター
ビンハウジング40の外面が集合部30の外面とほぼ平
面的に連結する領域R1と、タービンハウジング40の
外面が集合部30の外面と所定の角度で交差する領域R
2とがある。領域R2においてタービンハウジング40の
外面と集合部30の外面とが直接連結する部分(くびれ
部)32は、ターボチャージャの振動による応力を最も
受ける場所である。そして、くびれ部の曲率半径がター
ビンハウジングの軸中心から集合部内への排気ガス流路
の接線方向距離に対して適切でないと、くびれ部32又
はその周辺にクラックが発生するおそれがある。
ング40は、その中の円周状流路に対して集合部30内
の排気ガス流路の中心線Cがほぼ接線方向となるよう
に、集合部30に一体的に連結している。従って、ター
ビンハウジング40の外面が集合部30の外面とほぼ平
面的に連結する領域R1と、タービンハウジング40の
外面が集合部30の外面と所定の角度で交差する領域R
2とがある。領域R2においてタービンハウジング40の
外面と集合部30の外面とが直接連結する部分(くびれ
部)32は、ターボチャージャの振動による応力を最も
受ける場所である。そして、くびれ部の曲率半径がター
ビンハウジングの軸中心から集合部内への排気ガス流路
の接線方向距離に対して適切でないと、くびれ部32又
はその周辺にクラックが発生するおそれがある。
【0026】この問題を解消するために、くびれ部32
の曲率半径を6mm以上とし、好ましくは15mm以上
とする。一般にくびれ部32の曲率半径はくびれ部32
より上部のタービンハウジングの大きさに比例して大き
くなる。くびれ部32の曲率半径rは、タービンハウジ
ングの軸中心から集合部内への排気ガス流路の接線方向
距離Lとの比で0.13以上、好ましくは0.23であ
る。くびれ部32の曲率半径rが、タービンハウジング
の軸中心から集合部内への排気ガス流路の接線方向距離
Lとの比で0.13未満では、くびれ部32に振動によ
る応力が集中し、排気ガス通路を貫通するクラックが生
じやすくなる。くびれ部32の曲率半径rを大きくする
には、くびれ部32の外面のカーブが緩やかになるよう
に、厚肉にするのが好ましい。
の曲率半径を6mm以上とし、好ましくは15mm以上
とする。一般にくびれ部32の曲率半径はくびれ部32
より上部のタービンハウジングの大きさに比例して大き
くなる。くびれ部32の曲率半径rは、タービンハウジ
ングの軸中心から集合部内への排気ガス流路の接線方向
距離Lとの比で0.13以上、好ましくは0.23であ
る。くびれ部32の曲率半径rが、タービンハウジング
の軸中心から集合部内への排気ガス流路の接線方向距離
Lとの比で0.13未満では、くびれ部32に振動によ
る応力が集中し、排気ガス通路を貫通するクラックが生
じやすくなる。くびれ部32の曲率半径rを大きくする
には、くびれ部32の外面のカーブが緩やかになるよう
に、厚肉にするのが好ましい。
【0027】集合部30の下部33、つまりフランジ部
12と13の間にあるつなぎ部15cに面している部分
では、管部21,22はほぼへの字状に一体的に連結し
ている。集合部30の下方のつなぎ部15cにはスリッ
ト16が設けられているので、集合部30のへの字部3
3に応力が集中する。そのため、このへの字部33は集
合部30の他の部分よりも肉厚にするのが好ましい。具
体的には、への字部33の肉厚を6〜12mm(管部の
肉厚の1.5〜3.0倍)とするのが好ましい。図9に
示すように、への字部33を厚肉に形成することによっ
て、つなぎ部15cにスリット16が設けられていて
も、集合部30の下部にかかる応力に対応することがで
きる。
12と13の間にあるつなぎ部15cに面している部分
では、管部21,22はほぼへの字状に一体的に連結し
ている。集合部30の下方のつなぎ部15cにはスリッ
ト16が設けられているので、集合部30のへの字部3
3に応力が集中する。そのため、このへの字部33は集
合部30の他の部分よりも肉厚にするのが好ましい。具
体的には、への字部33の肉厚を6〜12mm(管部の
肉厚の1.5〜3.0倍)とするのが好ましい。図9に
示すように、への字部33を厚肉に形成することによっ
て、つなぎ部15cにスリット16が設けられていて
も、集合部30の下部にかかる応力に対応することがで
きる。
【0028】[4] タービンハウジング タービンハウジング40は通常のラジアル式タービン用
ハウジングであり、図10に示すように、ロータ室41
と排気ガス導入通路42とを有する。タービンハウジン
グ40内の排気ガス流路は円周状であり、集合部30内
の排気ガス流路は円周状流路に対してほぼ接線方向であ
る。タービンハウジング40は排気マニホールド1に鋳
造一体化されているため、本発明のタービンハウジング
一体化排気マニホールド全体の占用空間は小さい。この
ような構造を有する本発明のタービンハウジング一体化
排気マニホールドは鋳鉄、鋳鋼等の一体鋳造品である。
ハウジングであり、図10に示すように、ロータ室41
と排気ガス導入通路42とを有する。タービンハウジン
グ40内の排気ガス流路は円周状であり、集合部30内
の排気ガス流路は円周状流路に対してほぼ接線方向であ
る。タービンハウジング40は排気マニホールド1に鋳
造一体化されているため、本発明のタービンハウジング
一体化排気マニホールド全体の占用空間は小さい。この
ような構造を有する本発明のタービンハウジング一体化
排気マニホールドは鋳鉄、鋳鋼等の一体鋳造品である。
【0029】以上本発明のタービンハウジング一体型排
気マニホールドを図示の具体例に基づいて説明したが、
本発明はこれに限定されることなく種々の変更を加える
ことができる。また異なるサイズのタービンハウジング
一体型排気マニホールドに対しては、一般にサイズの大
小に比例して各部の大きさを変更すれば良い。
気マニホールドを図示の具体例に基づいて説明したが、
本発明はこれに限定されることなく種々の変更を加える
ことができる。また異なるサイズのタービンハウジング
一体型排気マニホールドに対しては、一般にサイズの大
小に比例して各部の大きさを変更すれば良い。
【0030】また大型の排気マニホールドの場合、管部
を三分割しても良い。三分割型排気マニホールド自体は
公知であるが、中央の管部にタービンハウジングを鋳造
一体化して、そこに本発明を適用することもできる。
を三分割しても良い。三分割型排気マニホールド自体は
公知であるが、中央の管部にタービンハウジングを鋳造
一体化して、そこに本発明を適用することもできる。
【0031】
【実施例】質量比で、C:2.8〜3.4%、Si:
3.75〜4.5%、Mn:0.6以下、S:0.02
%以下、P:0.08%以下、Mg:0.030%以
上、Mo:0.4〜0.7%を含む高Si球状黒鉛鋳鉄
組成で、図1乃至図10に示すタービンハウジング一体
化排気マニホールドを鋳造後、機械加工を施して作製し
た。図1乃至図10で、最外端のポート中心間の距離
W:400mm、管部の排気ガス流路の断面積:46m
m2、集合部の排気ガス流路の断面積:44mm2、フ
ランジ部からロータシャフトの中心軸線までの垂直距離
E:162.5mm、フランジ部からロータシャフトの
中心軸線までの水平距離F:84mmである。そして、
図8に示すタービンハウジングの軸中心から前記集合部
内への排気ガス流路の接線方向距離(L)と、くびれ部
の曲率半径(r)と前記接線方向距離(L)との比(r
/L)を変化させ、650〜700℃で500h使用後
のくびれ部のクラック発生を調べた。その結果を図11
に示す。図11で●印はくびれ部にクラックがなく、▲
印はくびれ部の表面に微小クラックがあり、×印はくび
れ部から排気ガス通路内まで貫通クラックが発生してい
ることを示す。
3.75〜4.5%、Mn:0.6以下、S:0.02
%以下、P:0.08%以下、Mg:0.030%以
上、Mo:0.4〜0.7%を含む高Si球状黒鉛鋳鉄
組成で、図1乃至図10に示すタービンハウジング一体
化排気マニホールドを鋳造後、機械加工を施して作製し
た。図1乃至図10で、最外端のポート中心間の距離
W:400mm、管部の排気ガス流路の断面積:46m
m2、集合部の排気ガス流路の断面積:44mm2、フ
ランジ部からロータシャフトの中心軸線までの垂直距離
E:162.5mm、フランジ部からロータシャフトの
中心軸線までの水平距離F:84mmである。そして、
図8に示すタービンハウジングの軸中心から前記集合部
内への排気ガス流路の接線方向距離(L)と、くびれ部
の曲率半径(r)と前記接線方向距離(L)との比(r
/L)を変化させ、650〜700℃で500h使用後
のくびれ部のクラック発生を調べた。その結果を図11
に示す。図11で●印はくびれ部にクラックがなく、▲
印はくびれ部の表面に微小クラックがあり、×印はくび
れ部から排気ガス通路内まで貫通クラックが発生してい
ることを示す。
【0032】図11から分かるように、接線方向距離
(L)が55mmでは、くびれ部の曲率半径(r)と前
記接線方向距離(L)との比(r/L)が0.18のと
き、表面に微小クラックが発生している。但し、この微
小クラックが発生した状態で、運転しても問題は発生し
なかった。L=65mmでは、r/L=0.13で微小
クラックが発生するが、微小クラックが発生した状態で
運転しても問題は発生しなかった。このことから、r/
Lが0.13以上であれば問題なく実用できる。また、
L=40〜120mmの範囲すべてに対して、r/Lが
0.23以上であればクラックの発生はなかった。この
ことから、好ましくはr/Lが0.23以上であれば良
いことがわかる。
(L)が55mmでは、くびれ部の曲率半径(r)と前
記接線方向距離(L)との比(r/L)が0.18のと
き、表面に微小クラックが発生している。但し、この微
小クラックが発生した状態で、運転しても問題は発生し
なかった。L=65mmでは、r/L=0.13で微小
クラックが発生するが、微小クラックが発生した状態で
運転しても問題は発生しなかった。このことから、r/
Lが0.13以上であれば問題なく実用できる。また、
L=40〜120mmの範囲すべてに対して、r/Lが
0.23以上であればクラックの発生はなかった。この
ことから、好ましくはr/Lが0.23以上であれば良
いことがわかる。
【0033】
【発明の効果】本発明のタービンハウジング一体化排気
マニホールドは、集合部のタービンハウジングと直結す
る部位におけるくびれ部の曲率半径がタービンハウジン
グの軸中心から集合部内への排気ガス流路の接線方向距
離に対して適切であるので、タービンの振動による応力
が繰り返しかかってもクラックが入ることはない。
マニホールドは、集合部のタービンハウジングと直結す
る部位におけるくびれ部の曲率半径がタービンハウジン
グの軸中心から集合部内への排気ガス流路の接線方向距
離に対して適切であるので、タービンの振動による応力
が繰り返しかかってもクラックが入ることはない。
【0034】その上、管部及び集合部に背面リブを有す
るので、排気ガスによる温度差のために排気マニホール
ドの上部と下部に膨張差が生じ、そのため応力が繰り返
しかかっても排気マニホールドの管部及び集合部にクラ
ックが入ることはない。さらに、集合部の肉厚を下部に
かけて徐々に大きくすることにより、タービンハウジン
グの振動による応力に対する強度を確保することができ
る。
るので、排気ガスによる温度差のために排気マニホール
ドの上部と下部に膨張差が生じ、そのため応力が繰り返
しかかっても排気マニホールドの管部及び集合部にクラ
ックが入ることはない。さらに、集合部の肉厚を下部に
かけて徐々に大きくすることにより、タービンハウジン
グの振動による応力に対する強度を確保することができ
る。
【0035】さらに、集合部に近接する一対のポートの
フランジ部を集合部の下方で連結させ、その連結部にス
リットを設けることにより、管部の軸線方向の熱膨張・
収縮を吸収し、排気マニホールドをエンジンケースに固
定するボルトに過大な負荷がかかるのを防止することが
できる。また両管部の集合によりできたへの字状の部分
の肉厚を集合部の他の部分より厚くすることにより、軸
線方向の熱膨張・収縮に対する十分な機械的強度を確保
することができる。
フランジ部を集合部の下方で連結させ、その連結部にス
リットを設けることにより、管部の軸線方向の熱膨張・
収縮を吸収し、排気マニホールドをエンジンケースに固
定するボルトに過大な負荷がかかるのを防止することが
できる。また両管部の集合によりできたへの字状の部分
の肉厚を集合部の他の部分より厚くすることにより、軸
線方向の熱膨張・収縮に対する十分な機械的強度を確保
することができる。
【0036】以上の構造を有する本発明のタービンハウ
ジング一体化排気マニホールドは、優れた形状設計のた
めにクラックが発生せず、長寿命である。その上、ター
ボチャージャのタービンハウジングが鋳造一体化されて
いるために、狭い形状スペース内でも排気ガスの流路が
できるだけ流線形状となるようにすることができ、排気
マニホールドの表面温度の低下、及びターボ性能の向上
をもたらすことができる。かかる利点有する本発明のタ
ービンハウジング一体化排気マニホールドはディーゼル
エンジンに限らずガソリンエンジンにも使用できる。
ジング一体化排気マニホールドは、優れた形状設計のた
めにクラックが発生せず、長寿命である。その上、ター
ボチャージャのタービンハウジングが鋳造一体化されて
いるために、狭い形状スペース内でも排気ガスの流路が
できるだけ流線形状となるようにすることができ、排気
マニホールドの表面温度の低下、及びターボ性能の向上
をもたらすことができる。かかる利点有する本発明のタ
ービンハウジング一体化排気マニホールドはディーゼル
エンジンに限らずガソリンエンジンにも使用できる。
【図1】 本発明の一実施例によるタービンハウジング
一体化排気マニホールドを示す正面図である。
一体化排気マニホールドを示す正面図である。
【図2】 図1のタービンハウジング一体化排気マニホ
ールドの背面図である。
ールドの背面図である。
【図3】 図1のタービンハウジング一体化排気マニホ
ールドの底面図である。
ールドの底面図である。
【図4】 図1のタービンハウジング一体化排気マニホ
ールドの平面図である。
ールドの平面図である。
【図5】 図1のタービンハウジング一体化排気マニホ
ールドのH−H断面図である。
ールドのH−H断面図である。
【図6】 図1のタービンハウジング一体化排気マニホ
ールドの管部の横断面図である。
ールドの管部の横断面図である。
【図7】 図1のタービンハウジング一体化排気マニホ
ールドの右側面図である。
ールドの右側面図である。
【図8】 図1のタービンハウジング一体化排気マニホ
ールドの左側面図である。
ールドの左側面図である。
【図9】 図1のタービンハウジング一体化排気マニホ
ールドのJ−J断面図である。
ールドのJ−J断面図である。
【図10】 図7のタービンハウジング一体化排気マニ
ホールドのK−K断面図である。
ホールドのK−K断面図である。
【図11】 くびれ部の曲率半径(r)と前記接線方向
距離(L)の比(r/L)と、試験後のクラック発生状
況の関係を示す図である。
距離(L)の比(r/L)と、試験後のクラック発生状
況の関係を示す図である。
1・・・・・・・排気マニホールド 11、12、13、14・・ポート 11a、12a、13a、14a・・フランジ部 15a、15b、15c・・・・・・つなぎ部 16・・・・・・・・スリット 21、22・・・・・管部 21a、22a・・・背面リブ 30・・・・・・・集合部 31・・・・・・・・背面リブ 32・・・・・・・・くびれ部 33・・・・・・・・への字部 40・・・・・・・タービンハウジング 41・・・・・・・ロータ室 r・・・・・・・・くびれ部の曲率半径 L・・・・・・・・タービンハウジングの軸中心から前
記集合部内への排気ガス流路の接線方向距離
記集合部内への排気ガス流路の接線方向距離
Claims (6)
- 【請求項1】 エンジンの排気孔に接続する複数の排気
ガス導入用ポートを有する管部と、各排気ガス導入用ポ
ートの周囲において前記管部に一体的に設けられたフラ
ンジ部と、前記管部内の排気ガス流路がなめらかに合流
するように前記管部の途中に設けられた集合部と、前記
集合部と一体的に連結して排気ガスが流入する円周状流
路に流入するターボチャージャ用タービンハウジングと
を鋳造一体化した排気マニホールドであって、前記ター
ビンハウジング内の円周状流路に対して前記集合部内の
排気ガス流路がほぼ接線方向となるように前記タービン
ハウジングは前記集合部に一体的に連結しており、前記
タービンハウジングの外面が前記集合部の外面と所定の
角度で連結する領域におけるくびれ部の曲率半径は、タ
ービンハウジングの軸中心から前記集合部内への排気ガ
ス流路の接線方向距離比で0.13以上であることを特
徴とする排気マニホールド。 - 【請求項2】 請求項1に記載の排気マニホールドにお
いて、前記くびれ部の曲率半径は、タービンハウジング
の軸中心から前記集合部内への排気ガス流路の接線方向
距離比で0.23以上であることを特徴とする排気マニ
ホールド。 - 【請求項3】 請求項1に記載の排気マニホールドにお
いて、前記管部及び前記集合部に背面リブを設けたこと
を特徴とする排気マニホールド。 - 【請求項4】 請求項1又は2に記載の排気マニホール
ドにおいて、前記タービンハウジングは前記ポート中心
を結ぶ線より側方にずれた位置にあり、前記集合部の中
心線側の部分では前記管部がへの字状に一体的に連結し
ており、前記への字部は前記集合部の他の部分よりも肉
厚になっていることを特徴とする排気マニホールド。 - 【請求項5】 請求項1〜3のいずれかに記載の排気マ
ニホールドにおいて、前記集合部の下面が前記管部の下
面より浮き上がっていることを特徴とする排気マニホー
ルド。 - 【請求項6】 請求項1〜4のいずれかに記載の排気マ
ニホールドにおいて、前記集合部に近接する一対の排気
ガス導入用ポートの周囲に設けられたフランジ部は前記
集合部の下方で連結する延長部を有し、前記延長部は前
記管部の中心線とほぼ直角の方向に幅3mm以下のスリ
ットを有することを特徴とする排気マニホールド。
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP10374104A JP2000199427A (ja) | 1998-12-28 | 1998-12-28 | タ―ボチャ―ジャ用タ―ビンハウジングを鋳造一体化した排気マニホ―ルド |
EP99126088A EP1016778B1 (en) | 1998-12-28 | 1999-12-28 | Exhaust manifold integrally cast with turbine housing for turbocharger |
US09/474,006 US6256990B1 (en) | 1998-12-28 | 1999-12-28 | Exhaust manifold integrally cast with turbine housing for turbocharger |
DE69927233T DE69927233T2 (de) | 1998-12-28 | 1999-12-28 | Abgaskrümmer mit integral angegossenem Turbinengehäuse für einen Turbolader |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP10374104A JP2000199427A (ja) | 1998-12-28 | 1998-12-28 | タ―ボチャ―ジャ用タ―ビンハウジングを鋳造一体化した排気マニホ―ルド |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2000199427A true JP2000199427A (ja) | 2000-07-18 |
Family
ID=18503271
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP10374104A Pending JP2000199427A (ja) | 1998-12-28 | 1998-12-28 | タ―ボチャ―ジャ用タ―ビンハウジングを鋳造一体化した排気マニホ―ルド |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
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