JP2007120396A - 内燃機関用ターボ過給機のタービンハウジング - Google Patents

Abstract

【課題】排気による出口側の熱変形を抑制可能なタービンハウジングを提供する。
【解決手段】タービンホイール２が収容されるスクロール室１０と、スクロール室１０をバイパスするＷＧノズル１４と、を有するスクロール部３と、スクロール室１０の排気出口７及びＷＧノズル１４のＷＧポート１６がそれぞれ一端に開口し、かつ他端に内燃機関の排気管が接続される出口フランジ２４を有する出口ケース４と、ＷＧノズル１４を開閉するＷＧバルブ１７と、を備えたタービンハウジング１において、出口ケース４の内面のうち少なくともＷＧポート１６の周辺の内面を覆うように出口ケース４の内面に沿って設けられ、かつ出口ケース４の一端側に配置される一端側端部２２ａがスクロール部３に固定されるとともに出口ケース４の他端側に配置される他端側端部２２ｂが出口ケース４の内面に沿って移動可能なように設けられる第１の出口ケース２２を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関用ターボ過給機のタービンハウジングに関する。

タービンの回転に使用された排気が排出される排出口と、タービンの上流側から排気を外部に排出するリリーフ弁とが、金属板をプレス成形したケース内に配設されたタービンハウジングが知られている（特許文献１参照）。

特開２００３−２９３７８０号公報

従来のタービンハウジングでは、排気を下流に導くケースが排気によって熱変形し易い。特に、リリーフ弁が開き、タービンの上流側から排気が直接ケースに導かれた場合、この排気はタービンの回転に使用された排気よりも温度が高いので、ケースの熱変形が発生し易い。

そこで、本発明は、排気による出口側の熱変形を抑制可能なタービンハウジングを提供することを目的とする。

本発明のタービンハウジングは、タービンホイールが収容されるスクロール室と、前記スクロール室をバイパスするバイパス通路と、を有するスクロール部と、前記スクロール室の排気出口及び前記バイパス通路のバイパス出口がそれぞれ一端に開口し、かつ他端に内燃機関の排気管が接続される出口フランジを有する出口管部と、前記バイパス出口を開閉する弁手段と、を備えた内燃機関用ターボ過給機のタービンハウジングにおいて、前記出口管部の内面のうち少なくとも前記バイパス出口の周辺の内面を覆うように前記出口管部の内面に沿って設けられ、かつ前記出口管部の一端側に配置される一端側端部が前記スクロール部に固定されるとともに前記出口管部の他端側に配置される他端側端部が前記出口管部の内面に沿って移動可能なように設けられるカバー部材を備えていることにより、上述した課題を解決する（請求項１）。

本発明のタービンハウジングによれば、バイパス出口周辺の出口管部の内面を覆うようにカバー部材が設けられるので、バイパス通路を介して出口管部に導かれた排気が直接出口管部の内面に接触することを抑制できる。そのため、出口管部の熱変形を抑制できる。また、出口管部の部分的な加熱を防止し、材料強度の低下を抑制することができる。カバー部材は出口管部の他端側に配置される他端側端部が移動可能であるため、カバー部材に熱変形が生じても出口フランジ側に伸びて変形することができる。そのため、カバー部材の内部に発生する応力を変形によって逃がし、カバー部材の破損を防止できる。

本発明のタービンハウジングは、前記カバー部材が前記出口管部の内面全体を覆うように設けられていてもよい（請求項２）。このように出口管部の内面全体をカバー部材で覆うことにより、出口管部の熱変形をさらに抑制することができる。

本発明のタービンハウジングは、前記出口管部の内面と前記カバー部材との間に隙間が設けられていてもよい（請求項３）。このように隙間を設けることで、カバー部材から出口管部への熱の伝達を抑えることができる。そのため、出口管部の熱変形をさらに抑制することができる。

本発明のタービンハウジングは、前記出口管部として金属板を加工した出口ケースが設けられ、前記弁手段は、前記出口ケースの壁面に回転可能に支持される回転軸と、前記回転軸の一端に取り付けられて前記バイパス出口を開閉する弁体と、を備えていてもよい（請求項４）。このように回転軸が支持されている場合、出口ケースが熱変形すると回転軸の位置が変化してターボ過給機の過給圧特性が変化するおそれがある。本発明のタービンハウジングによれば、出口ケースの熱変形を抑制できるので、このように回転軸が設けられていても、この回転軸の位置の変化を抑制できる。そのため、回転軸の位置の変化に起因する過給圧特性の変化を抑制できる。

本発明の他の形態のタービンハウジングは、タービンホイールが収容されるスクロール室と、前記スクロール室をバイパスするバイパス通路と、を有するスクロール部と、前記スクロール室の排気出口及び前記バイパス通路のバイパス出口がそれぞれ一端に開口し、かつ他端に内燃機関の排気管が接続される出口フランジを有する出口管部と、を備えた内燃機関用ターボ過給機のタービンハウジングにおいて、前記出口管部は、一端が前記スクロール部に固定されるとともに他端が前記出口フランジの管挿入孔に移動可能なように差し込まれる内管部と、前記内管部の外側に設けられ、かつ一端が前記内管部の外周又は前記スクロール部の少なくともいずれか一方に固定されるとともに他端に前記出口フランジが固定される外管部と、を備えていることにより、上述した課題を解決する（請求項５）。

本発明の他の形態のタービンハウジングによれば、外管部が直接排気に曝されないため、排気から外管部への熱伝達を抑えて外管部の熱変形を抑制できる。また、外管部の温度上昇を抑えることができるので、排気通路部の剛性の低下を抑制できる。内管部は、他端が出口フランジの管挿入孔に移動可能なように差し込まれているので、排気熱によって加熱されても他端側に延びることで、内部応力の発生を抑制することができる。

本発明の他の形態のタービンハウジングは、前記内管部と前記外管部との間に隙間が設けられていてもよい（請求項６）。このように隙間を設けて外管部と内管部の間に空気の層を設けることで、内管部から外管部への熱の伝達を抑えることができる。そのため、外管部の熱変形をさらに抑制することができる。

以上に説明したように、本発明によれば、カバー部材によって出口管部の内面を覆うので、出口管部の熱変形を抑制できる。また、出口管部の部分的な加熱を抑制することで、出口管部の剛性の低下を抑制できる。このカバー部材は変形可能、かつこの変形によって発生する力が出口管部に伝達されないように設けられるので、カバー部材の変形に伴う出口管部の変形を防止するとともにカバー部材に生じる応力を変形によって逃がすことができる。さらに、出口管部にバイパス出口を開閉する弁手段が設けられていても、出口管部の熱変形が抑制されるので、この出口管部の熱変形に起因する過給圧特性の変化を抑制できる。

図１〜図４は、本発明のタービンハウジングの一形態を示している。なお、図２は、図１のII−II線における断面図を示し、図３は図１のIII−III線における断面図を示している。また、図４は、タービンハウジングの斜視図を示している。このタービンハウジング１は内燃機関に搭載されるターボ過給機に組み込まれるもので、図２に示したようにその内部にはタービンホイール２が収容される。なお、タービンホイール２は、周知のものと同様でよいため、詳細な説明は省略する。図１及び図２に示したように、タービンハウジング１は、タービンホイール２を収容するスクロール部３と、出口管部としての出口ケース４とを備えている。スクロール部３は、タービンホイール２と一体に回転するロータシャフト５の接線方向に開口する排気入口６及びロータシャフト５の軸線方向に開口する排出口７とを備えている。

図２及び図３に断面を示したように、スクロール部３は、内殻８及び外殻９を備えた、いわゆる二重管構造を有している。内殻８及び外殻９は、それぞれ耐熱薄板鋼板のプレス成形品である。耐熱薄板鋼板としては、例えばステンレス鋼板材などが使用される。内殻８は、内部にタービンホイール２が収容される渦巻き状のスクロール室１０と、排気入口６から流入した排気をスクロール室１０に導く案内通路１１と、を有している。なお、スクロール室１０及び案内通路１１の形状はそれぞれ周知のターボ過給機のものと同様でよいため詳細な説明は省略する。外殻９は、内殻８の外側に配置され、その大部分が内殻８と互いに離れるように設けられる。また、外殻９の他端９ｂ側には、タービンホイール２に干渉しない範囲で内方に突出するシュラウド部材１３が溶接固定される。図２に示したように、内殻８は、図２の左側の一端８ａがロータシャフト５を回転可能に支持するセンタハウジング（不図示）に接続される接続フランジ１２に溶接固定される。一方、内殻８の他端８ｂは、溶接されずに外殻９とシュラウド部材１３との間に介在されており、移動可能（自由端）となっている。なお、内殻８の一端８ａは、この溶接部から排気が漏れないように全周に亘って溶接される。外殻９は、センタハウジング側の一端９ａが接続フランジ１２に溶接固定される。また、反対側の他端９ｂには出口ケース４が溶接固定される。これら外殻９の各端部９ａ、９ｂは、これらの溶接部から排気が漏れないように全周に亘って溶接される。

図３に示したように案内通路１１には、バイパス通路としてのウェイストゲートノズル（以下、ＷＧノズルと略称する。）１４が、内殻８から出口ケース４側（図３の下側）に向かって設けられている。ＷＧノズル１４にはウェイストゲートフランジ（以下、ＷＧフランジと略称する。）１５が設けられ、このＷＧフランジ１５によってＷＧノズル１４の出口であるバイパス出口としてのウェイストゲートポート（以下、ＷＧポートと略称する。）１６が形成される。ＷＧフランジ１５は、出口ケース４に溶接固定されることによって設けられる。この溶接部も排気が外部に漏れないように、ＷＧフランジ１５の全周に亘って溶接される。なお、ＷＧフランジ１５は外殻９に溶接固定されてもよい。図４に示したように出口ケース４には弁手段としてのウェイストゲートバルブ（以下、ＷＧバルブと略称する。）１７が設けられ、ＷＧポート１６はＷＧバルブ１７によって開閉される。そのため、図３に示したようにＷＧフランジ１５のうちＷＧバルブ１７と接する部分には、座面１５ａが形成されている。なお、図１及び図３では、ＷＧバルブ１７の図示を省略した。図１に示したように、ＷＧポート１６は、排気出口７とともに出口ケース４の内側に開口している。そのため、ＷＧノズル１４によって排気入口６から流入した排気の一部をスクロール室１０を迂回させて出口ケース４に導くことができる。

図４に示したように、ＷＧバルブ１７は、弁体１８と、操作部１９と、一端に弁体１８が、他端に操作部１９がそれぞれ一体回転可能に取り付けられた回転軸２０とを備えている。回転軸２０は、出口ケース４の壁面を貫通して設けられたブッシュ２１（図１参照）に回転可能に支持される。操作部１９には不図示のアクチュエータが接続されており、このアクチュエータが操作部１９を操作することで弁体１８が開閉される。周知のように、タービンハウジング１が組み込まれたターボ過給機の過給圧は、ＷＧバルブ１７を開閉させ、スクロール室１０に導かれる排気の量を変更することによって調整される。例えば、ターボ過給機の過給圧が所定値以上の場合、過給圧を低下させるべく弁体１８が開かれ、過給圧が所定値未満の場合は過給圧を上昇させるべく弁体１８が閉じられる。

次に、図２を参照して出口ケース４を説明する。出口ケース４は、外殻９に溶接固定される内管部としての第１の出口ケース２２と、外管部としての第２の出口ケース２３と、不図示の排気管とタービンハウジング１とを接続するための出口フランジ２４とを備えている。第１の出口ケース２２及び第２の出口ケース２３は、例えばステンレス鋼板などの耐熱薄板鋼板をプレス加工してそれぞれ成形される。この際、第１の出口ケース２２及び第２の出口ケース２３の板厚は、例えば１〜２ｍｍ程度に設定される。第１の出口ケース２２は、一端部２２ａが外殻９の他端９ｂに溶接固定され、かつ他端部２２ｂが出口フランジ２４に差し込まれる。他端部２２ｂの外面と出口フランジ２４の管挿入孔２４ａとの間には、第１の出口ケース２２が自由に熱膨張して伸縮できる程度、例えば０．１〜０．２５ｍｍ程度の隙間が設けられる。なお、この隙間は第１の出口ケース２２の材質などに応じて適宜設定してよく、例えば場合によっては１ｍｍ程度設けてもよい。一端部２２ａの溶接部２５は、外部に排気が漏れないように出口ケース４の全周に亘って溶接される。第２の出口ケース２３は、一端部２３ａが第１の出口ケース２２の外面に溶接固定され、かつ他端部２３ｂが出口フランジ２４に溶接固定される。一端部２３ａと第１の出口ケース２２との溶接位置を溶接部２６として、他端部２３ｂと出口フランジ２４との溶接位置を溶接部２７として図２に示す。図２に示したように第２の出口ケース２３は、第１の出口ケース２２との間に例えば４ｍｍ以内程度の隙間が形成されるように一端部２３ａ及び他端部２３ｂがそれぞれ溶接固定される。なお、第２の出口ケース２３の一端部２３ａは、外殻９に溶接固定されてもよい。

以上に説明したタービンハウジング１では、第２の出口ケース２３が直接高温の排気と接触しないので、出口ケース４の熱変形を抑制することができる。ＷＧバルブ１７は、出口ケース４に設けれたブッシュ２１によって支持されているため、出口ケース４の熱変形時にブッシュ２１の位置が変化するが、本発明のタービンハウジング１によれば出口ケース４の熱変形を抑制することができるので、このブッシュ２１の位置ずれを抑えることができる。そのため、この出口ケース４の熱変形に起因するターボ過給機の過給圧特性の変化を抑制することができる。また、第２の出口ケース２３の温度上昇を抑えることができるので、第２の出口ケース２３の強度の低下、すなわち剛性の低下を抑えることができる。第１の出口ケース２２は、他端部２２ｂが固定されていないため、排気熱によって第１の出口ケース２２が熱変形した場合に他端部２２ｂ側に延びることができる。そのため、熱変形による応力の発生が抑制され、圧縮降伏などに起因する亀裂の発生を抑制できる。

第１の出口ケース２２と第２の出口ケース２３との間に設けられた隙間には空気層が形成されるため、第１の出口ケース２２から第２の出口ケース２３への熱の伝達を抑制できる。また、この空気層によって外部への放熱量が減少するため、排気温度の低下を抑制できる。そのため、例えばタービンハウジング１の下流側に排気浄化触媒が設けられている場合は、内燃機関の始動時などにこの排気浄化触媒を速やかに暖機することができる。第１の出口ケース２２は、他端部２２ｂが出口フランジ２４の管挿入孔２６ａの全面を覆うように、すなわち他端部２２ｂの終端が出口フランジ２４の接続面２４ｂに達するように設けられてもよい。このように第１の出口ケース２２を設けることで、出口フランジ２４の熱変形を抑制することができる。この形態では、第２の出口ケース２３に排気が直接接触しないように第１の出口ケース２２が設けられているため、第１の出口ケース２２が本発明のカバー部材として機能する。

図５〜図７は、本発明の他の形態に係るタービンハウジング１を示している。図６は、図５のVI−VI線における断面図を、図７は図５のタービンハウジング１の斜視図をそれぞれ示している。なお。図５〜図７において図１〜図４に示した形態と共通する部分には同一の参照符号を付し、それらの説明は省略する。この形態では図５及び図６に示したように出口ケース４が、一重の耐熱薄板鋼板で形成されたケース本体４０と、このケース本体４０の内面のうちＷＧポート１６の周辺にのみ設けられるカバー部材としての防護板４１とを備えている。防護板４１は、図５に示したようにケース本体４０の内面に沿って、また図６に示したように出口フランジ２４側の端部４１ｂが出口フランジ２４の接続面２４ｂに達するように設けられる。防護板４１は、スクロール部３側に配置される端部４１ａのみがケース本体４０に溶接固定されることによってケース本体４０に取り付けられる。なお、出口フランジ２４は、図６に示したようにケース本体４０の端部４０ｂに溶接固定される。また、ＷＧフランジ１５は、スクロール部側の端部１５ｂが外殻９に溶接固定され、かつ座面１５ａ側の端部１５ｃがケース本体４０に溶接固定される。なお、これらの溶接部は、排気が外部に漏れないようにＷＧフランジ１５の全周に亘ってそれぞれ溶接される。

ＷＧバルブ１７は図７に示したように開くため、ＷＧポート１６から排出された排気は弁体１８に当たって流出方向が曲げられ、防護板４１に向かう。ＷＧポート１６から排出される排気は、スクロール室１０を経由していないため、排気出口７から排出される排気よりも温度が高い。そのため、ＷＧポート１６の周辺の出口ケース４は、他の部分よりも高温の排気に曝され易い。そこで、図５に示した位置に防護板４１を設けてＷＧポート１６から排出された高温の排気がケース本体４０及び出口フランジ２４に直接当たることを防止する。これにより、ケース本体４０の部分的な高温化に起因する材料強度の低下を防止することができる。また、防護板４１の端部のうちスクロール部３側の端部４１ａのみが溶接固定されるので、この他の端部は防護板４１が熱変形した際にそれぞれの方向に延びることができる。そのため、応力の発生を抑制して溶接部の亀裂の発生を抑制することができる。さらに防護板４１は、ＷＧポート１６の出口周辺にのみ設けられるので、ターボハウジング１の質量の増加やコストの増加を抑えつつ、ターボハウジング１の熱変形を抑制することができる。

本発明は、上述した形態に限定されることなく、種々の形態にて実施することができる。例えば、タービンハウジングのスクロール部は二重管構造に限定されず、単管構造であってもよい。出口ケースが第１の出口ケース及び第２の出口ケースによって形成され、第１の出口ケースの内面のうちＷＧポートの出口周辺にさらに防護壁が設けられていてもよい。このように、２重構造を有する出口ケースの内面にさらに防護壁を設けることで、出口ケースの熱変形をさらに抑制することができる。

本発明のタービンハウジングの一形態を示す図。 図１のタービンハウジングのII−II線における断面を示す図。 図１のタービンハウジングのIII−III線における断面を示す図。 図１のタービンハウジングの斜視図。 本発明のタービンハウジングの他の形態を示す図。 図５のタービンハウジングのVI−VI線における断面を示す図。 図５のタービンハウジングの斜視図。

符号の説明

１ タービンハウジング
２ タービンホイール
３ スクロール部
４ 出口ケース（出口管部）
７ 排気出口
１０ スクロール室
１４ ウェイストゲートノズル（バイパス通路）
１６ ウェイストゲートポート（バイパス出口）
１７ ウェイストゲートバルブ（弁手段）
１８ 弁体
２０ 回転軸
２２ 第１の出口ケース（内管部、カバー部材）
２３ 第２の出口ケース（外管部）
２４ 出口フランジ
２４ａ 管挿入孔
４１ 防護板（カバー部材）

Claims (6)

1. タービンホイールが収容されるスクロール室と、前記スクロール室をバイパスするバイパス通路と、を有するスクロール部と、前記スクロール室の排気出口及び前記バイパス通路のバイパス出口がそれぞれ一端に開口し、かつ他端に内燃機関の排気管が接続される出口フランジを有する出口管部と、前記バイパス出口を開閉する弁手段と、を備えた内燃機関用ターボ過給機のタービンハウジングにおいて、
   前記出口管部の内面のうち少なくとも前記バイパス出口の周辺の内面を覆うように前記出口管部の内面に沿って設けられ、かつ前記出口管部の一端側に配置される一端側端部が前記スクロール部に固定されるとともに前記出口管部の他端側に配置される他端側端部が前記出口管部の内面に沿って移動可能なように設けられるカバー部材を備えていることを特徴とするタービンハウジング。
2. 前記カバー部材が前記出口管部の内面全体を覆うように設けられていることを特徴とする請求項１に記載のタービンハウジング。
3. 前記出口管部の内面と前記カバー部材との間に隙間が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のタービンハウジング。
4. 前記出口管部として金属板を加工した出口ケースが設けられ、
   前記弁手段は、前記出口ケースの壁面に回転可能に支持される回転軸と、前記回転軸の一端に取り付けられて前記バイパス出口を開閉する弁体と、を備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のタービンハウジング。
5. タービンホイールが収容されるスクロール室と、前記スクロール室をバイパスするバイパス通路と、を有するスクロール部と、前記スクロール室の排気出口及び前記バイパス通路のバイパス出口がそれぞれ一端に開口し、かつ他端に内燃機関の排気管が接続される出口フランジを有する出口管部と、を備えた内燃機関用ターボ過給機のタービンハウジングにおいて、
   前記出口管部は、一端が前記スクロール部に固定されるとともに他端が前記出口フランジの管挿入孔に移動可能なように差し込まれる内管部と、前記内管部の外側に設けられ、かつ一端が前記内管部の外周又は前記スクロール部の少なくともいずれか一方に固定されるとともに他端に前記出口フランジが固定される外管部と、を備えていることを特徴とするタービンハウジング。
6. 前記内管部と前記外管部との間に隙間が設けられていることを特徴とする請求項５に記載のタービンハウジング。

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