JP2008019711A - Supercharger system of internal combustion engine - Google Patents

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Tatsuo Iida
達雄 飯田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a supercharger system of an internal combustion engine, which both reduces heat capacity of a turbine housing and improves turbo efficiency, at the same time. <P>SOLUTION: The heat capacity of the turbine housing 2 is reduced by adopting an aluminum alloy as a constituting material of the turbine housing 2. The turbine housing 2 is cooled by engine cooling water so that the ratio of the temperature of the turbine housing 2 and the temperature of a turbine wheel 51, becomes the relationship of the reciprocal ratio, to the ratio of an expansion coefficient of the constituting material of the turbine housing 2 and an expansion coefficient of a constituting material of the turbine wheel 51. Thus, both early activation of a catalyst by reduction in the heat capacity of the turbine housing 2 and continuous security of high turbo efficiency by maintenance of a tip clearance, are made compatible. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、例えば自動車用エンジン等の内燃機関に搭載される過給機システムに係る。特に、本発明は、タービンハウジングの熱容量の低減化とターボ効率の向上とを両立するための対策に関する。   The present invention relates to a supercharger system mounted on an internal combustion engine such as an automobile engine. In particular, the present invention relates to measures for achieving both a reduction in the heat capacity of the turbine housing and an improvement in turbo efficiency.

従来より、自動車用エンジンにおいて、排気ガスの流体エネルギを利用して吸入空気を圧縮して空気密度を高め、これによってエンジン出力の増大を図る過給機(以下、ターボチャージャと呼ぶ)が知られている。このターボチャージャは、排気通路の途中に設けられタービンハウジング内に配設されたタービンホイールと、吸気通路の途中に設けられコンプレッサハウジング内に配設されたコンプレッサホイール(インペラとも呼ばれる)とがタービンシャフトによって連結されて成るターボロータを備えている。そして、排気ガスの圧力によってタービンホイールが回転すると、その回転力がタービンシャフトを介してコンプレッサホイールに伝達され、このコンプレッサホイールの回転によって吸入空気が燃焼室に向けて過給される。   2. Description of the Related Art Conventionally, in an automobile engine, a turbocharger (hereinafter referred to as a turbocharger) that increases the air density by compressing intake air using the fluid energy of exhaust gas and thereby increasing the engine output is known. ing. In this turbocharger, a turbine shaft includes a turbine wheel provided in the turbine housing and disposed in the turbine housing, and a compressor wheel (also referred to as an impeller) disposed in the compressor housing and disposed in the intake passage. And a turbo rotor connected to each other. When the turbine wheel is rotated by the pressure of the exhaust gas, the rotational force is transmitted to the compressor wheel via the turbine shaft, and the intake air is supercharged toward the combustion chamber by the rotation of the compressor wheel.

ところで、自動車用エンジン等の排気系には、排気ガスの浄化を行うための触媒コンバータが備えられている。この触媒コンバータは、一般的には排気ガスの熱を利用して触媒(例えば三元触媒等)を加熱し、この触媒を所定の活性温度まで上昇させることで排気ガス浄化機能を発揮するようになっている。従って、特にエンジンの冷間始動時等にあっては、触媒温度が上記活性温度に達するまで排気ガス浄化機能が発揮されない状況となるため、この触媒温度を迅速に高める構成が求められている。   Incidentally, an exhaust system of an automobile engine or the like is provided with a catalytic converter for purifying exhaust gas. In general, the catalytic converter uses a heat of the exhaust gas to heat a catalyst (for example, a three-way catalyst) and raises the catalyst to a predetermined activation temperature so as to exhibit an exhaust gas purification function. It has become. Therefore, particularly when the engine is cold started, the exhaust gas purification function is not exhibited until the catalyst temperature reaches the activation temperature. Therefore, there is a demand for a structure for rapidly increasing the catalyst temperature.

しかしながら、上述したようなターボチャージャをエンジンに搭載した場合、タービンハウジングの構成材料は一般的に鋼(耐熱鋳鋼)であって、その熱容量が大きいために、冷間始動時における排気ガスの熱の大部分がタービンハウジングによって奪われてしまうことになる。このため、触媒コンバータを通過する排気ガスの温度が低くなってしまって、触媒を早期に活性化させることが困難となる。   However, when the turbocharger as described above is mounted on an engine, the constituent material of the turbine housing is generally steel (heat-resistant cast steel), and since its heat capacity is large, the heat of the exhaust gas at the cold start is Most of it will be taken away by the turbine housing. For this reason, the temperature of the exhaust gas passing through the catalytic converter becomes low, and it becomes difficult to activate the catalyst at an early stage.

この点に鑑み、例えば下記の特許文献1や特許文献2では、鋼よりも比熱の低いアルミニウム合金によってタービンハウジングを構成し、その熱容量の低減化を図っている。これにより、エンジンの冷間始動時においてタービンハウジングにより奪われる熱量の削減を図り、触媒温度の迅速な上昇に伴う触媒の早期活性化を実現している。
実開昭64−34404号公報 特開2005−163786号公報
In view of this point, for example, in Patent Document 1 and Patent Document 2 described below, a turbine housing is formed of an aluminum alloy having a specific heat lower than that of steel, and the heat capacity thereof is reduced. As a result, the amount of heat taken away by the turbine housing at the time of cold start of the engine is reduced, and early activation of the catalyst accompanying rapid increase of the catalyst temperature is realized.
Japanese Utility Model Publication No. 64-34404 JP 2005-163786 A

しかしながら、単にタービンハウジングの構成材料をアルミニウム合金に変更しただけでは、以下に述べるような新たな課題が生じてしまう。   However, simply changing the constituent material of the turbine housing to an aluminum alloy causes a new problem as described below.

つまり、タービンハウジングを構成している材料(アルミニウム合金)の膨張係数(線膨張係数)とタービンホイールを構成している材料(例えば耐熱鋼)の膨張係数(線膨張係数)とに差がある(アルミニウム合金の方が線膨張係数が大きい)ため、ターボチャージャの駆動時におけるタービンホイールの膨張割合とタービンホイールの膨張割合との差によってこの両者間の間隔寸法(タービンホイールのブレードとタービンハウジング内面との間隔寸法:以下、チップクリアランスと呼ぶ)が大きくなってしまう。一般に、このチップクリアランスは0.5mm程度の小さな寸法に設定しておくことが好ましいが、上記各材料の膨張係数の差によってこのチップクリアランスが例えば0.8mm以上になってしまう場合もある。   That is, there is a difference between the expansion coefficient (linear expansion coefficient) of the material (aluminum alloy) constituting the turbine housing and the expansion coefficient (linear expansion coefficient) of the material (for example, heat-resistant steel) constituting the turbine wheel ( Since the aluminum alloy has a larger linear expansion coefficient, the distance between the two (the turbine wheel blade and the turbine housing inner surface) depends on the difference between the turbine wheel expansion rate and the turbine wheel expansion rate when the turbocharger is driven. (Hereinafter referred to as chip clearance). In general, it is preferable to set the tip clearance to a small dimension of about 0.5 mm. However, the tip clearance may be, for example, 0.8 mm or more due to the difference in expansion coefficient between the above materials.

これでは、ターボチャージャに導入される排気ガスのうちチップクリアランスを通過するもの(タービンホイールに流体エネルギを与えることなく素通りする排気ガス)の量が著しく増大することになってしまい、ターボ効率の悪化を招いてしまうことになる。タービンハウジングの構成材料とタービンホイールの構成材料とを同一材料にすれば、つまり、タービンホイールをアルミニウム合金製にすれば上記課題は生じ難いが、タービンホイールの構成材料としてアルミニウム合金を適用することは耐熱性の面で困難である。   This significantly increases the amount of exhaust gas introduced into the turbocharger that passes through the tip clearance (exhaust gas that passes through without giving fluid energy to the turbine wheel), and deteriorates turbo efficiency. Will be invited. If the constituent material of the turbine housing and the constituent material of the turbine wheel are made the same material, that is, if the turbine wheel is made of an aluminum alloy, the above-mentioned problem is unlikely to occur, but it is not possible to apply an aluminum alloy as the constituent material of the turbine wheel. Difficult in terms of heat resistance.

このように、これまで、タービンハウジングの構成材料としてアルミニウム合金を採用することでタービンハウジングの熱容量を小さくして触媒温度の迅速な上昇を可能としながらも、上記チップクリアランスを小さな値(例えば0.5mm程度で)維持するための有効な技術については未だ提案されていないのが実情である。   Thus, while adopting an aluminum alloy as the constituent material of the turbine housing so far, the heat capacity of the turbine housing is reduced to enable a rapid increase in the catalyst temperature, while the tip clearance is reduced to a small value (for example, 0. 0). The actual situation is that no effective technique has been proposed yet to maintain (at about 5 mm).

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、タービンハウジングの熱容量の低減化とターボ効率の向上とを両立することが可能な内燃機関の過給機システムを提供することにある。   The present invention has been made in view of such points, and an object of the present invention is to provide a supercharger system for an internal combustion engine that can achieve both a reduction in the heat capacity of a turbine housing and an improvement in turbo efficiency. It is to provide.

−課題の解決原理−
上記の目的を達成するために講じられた本発明の解決原理は、タービンハウジングの構成材料としてアルミニウム合金を採用することでタービンハウジングの熱容量を小さくすると共に、このタービンハウジングの構成材料とタービンホイールの構成材料との膨張係数の差に応じたタービンハウジングの冷却動作を行って、タービンハウジングの膨張量とタービンホイールの膨張量とを略一致させ、これによってチップクリアランスの変化を防止している。
-Solving principle-
The solution principle of the present invention devised to achieve the above object is to reduce the heat capacity of the turbine housing by adopting an aluminum alloy as the constituent material of the turbine housing, and to reduce the heat capacity of the turbine housing and the turbine wheel. The turbine housing is cooled in accordance with the difference in expansion coefficient from the constituent material, so that the expansion amount of the turbine housing and the expansion amount of the turbine wheel are substantially matched, thereby preventing the tip clearance from changing.

−解決手段−
具体的に、本発明は、タービンハウジング内に収容されたタービンホイールが排気ガスの流体エネルギを受けて回転し、その回転力をコンプレッサホイールに伝達することにより吸入空気を過給する内燃機関の過給機システムを前提とする。この内燃機関の過給機システムに対し、上記タービンハウジングの構成材料をアルミニウム合金とする一方、タービンホイールの構成材料を鋼(炭素鋼)とする。そして、上記タービンハウジングの構成材料の膨張係数とタービンホイールの構成材料の膨張係数との比が「N:1」(Nは整数だけでなく小数も含む)であるときに、タービンハウジングの温度とタービンホイールの温度との比が上記膨張係数同士の比の略逆比「1:N」となるようにタービンハウジングを冷却媒体により冷却する冷却手段を備えさせた構成としている。
-Solution-
Specifically, the present invention relates to an internal combustion engine that supercharges intake air by rotating a turbine wheel housed in a turbine housing by receiving fluid energy of exhaust gas and transmitting the rotational force to the compressor wheel. Assume a feeder system. For the turbocharger system of the internal combustion engine, the constituent material of the turbine housing is an aluminum alloy, and the constituent material of the turbine wheel is steel (carbon steel). When the ratio of the coefficient of expansion of the constituent material of the turbine housing to the coefficient of expansion of the constituent material of the turbine wheel is “N: 1” (N includes not only an integer but also a decimal number), the temperature of the turbine housing The turbine housing is provided with a cooling means for cooling the turbine housing with a cooling medium so that the ratio of the turbine wheel to the temperature is substantially the inverse ratio “1: N” of the ratio of the expansion coefficients.

この特定事項により、内燃機関の運転に伴う過給機の駆動に伴い、タービンハウジング及びタービンホイールは排気ガスの熱を受けて共に温度上昇していく。この際、上記タービンハウジングは、一般に使用されていた耐熱鋳鋼に比べて比熱が小さいアルミニウム合金製となっているため、タービンハウジング全体としての熱容量は大幅に小さくなっている。このため、特にエンジンの冷間始動時においてタービンハウジングにより奪われる熱量の大幅な削減を図ることができる。従って、エンジン始動後、短時間のうちに触媒コンバータの触媒温度を活性温度まで上昇させることができ、触媒の早期活性化を実現することができる。また、このタービンハウジングのアルミニウム合金化により過給機全体としての軽量化を図ることもできる。   Due to this specific matter, the temperature of the turbine housing and the turbine wheel both rise due to the heat of the exhaust gas as the turbocharger is driven during the operation of the internal combustion engine. At this time, since the turbine housing is made of an aluminum alloy having a specific heat smaller than that of heat-resistant cast steel that is generally used, the heat capacity of the turbine housing as a whole is greatly reduced. For this reason, it is possible to significantly reduce the amount of heat taken away by the turbine housing, particularly when the engine is cold started. Therefore, the catalyst temperature of the catalytic converter can be raised to the activation temperature within a short time after the engine is started, and early activation of the catalyst can be realized. Moreover, weight reduction as the whole supercharger can be achieved by making the turbine housing into an aluminum alloy.

また、タービンハウジング及びタービンホイールが共に温度上昇した状態では、冷却媒体を利用した冷却手段によるタービンハウジングの冷却が行われ、このタービンハウジングの温度がタービンホイールの温度よりも低く設定される。そして、このタービンハウジングの冷却に際しては、タービンハウジングの構成材料(アルミニウム合金)の膨張係数とタービンホイールの構成材料(鋼)の膨張係数との比が「N:1」であるときに、タービンハウジングの温度とタービンホイールの温度との比が上記膨張係数同士の比の略逆比「1:N」となるようにしている。つまり、タービンハウジングの温度がタービンホイールの温度の「1/N」となるように冷却媒体によってタービンハウジングを冷却する。これにより、熱によるタービンハウジングの膨張量とタービンホイールの膨張量とが略一致することになり、これら両者間のチップクリアランスが変動することはない。即ち、タービンホイールの膨張による外径寸法(ブレードの外径寸法)の増大分だけタービンハウジングの内径寸法も増大することになり、この両者間のチップクリアランスが所定寸法に維持される。このため、予めチップクリアランスを非常に小さい値(例えば0.5mm)に設定しておいた場合であってもその値は継続的に維持されることになる。   In the state where the temperature of both the turbine housing and the turbine wheel has risen, the turbine housing is cooled by the cooling means using the cooling medium, and the temperature of the turbine housing is set lower than the temperature of the turbine wheel. When the turbine housing is cooled, when the ratio of the expansion coefficient of the constituent material (aluminum alloy) of the turbine housing to the expansion coefficient of the constituent material (steel) of the turbine wheel is “N: 1”, the turbine housing The ratio between the temperature of the turbine and the temperature of the turbine wheel is set to be substantially the reverse ratio “1: N” of the ratio between the expansion coefficients. That is, the turbine housing is cooled by the cooling medium so that the temperature of the turbine housing becomes “1 / N” of the temperature of the turbine wheel. Thereby, the expansion amount of the turbine housing due to heat and the expansion amount of the turbine wheel substantially coincide with each other, and the tip clearance between them does not vary. That is, the inner diameter dimension of the turbine housing is increased by the increase of the outer diameter dimension (blade outer diameter dimension) due to the expansion of the turbine wheel, and the tip clearance between the two is maintained at a predetermined dimension. For this reason, even when the tip clearance is set to a very small value (for example, 0.5 mm) in advance, the value is continuously maintained.

以上の如く、本解決手段によれば、タービンハウジングの熱容量の低減化による触媒の早期活性化と、上記チップクリアランスの維持による高いターボ効率の継続的な確保とを両立することができる。   As described above, according to this solution, it is possible to achieve both early activation of the catalyst by reducing the heat capacity of the turbine housing and continuous securing of high turbo efficiency by maintaining the tip clearance.

上記冷却手段として具体的には、タービンハウジングの内部に形成された冷却水通路であり、この冷却水通路に冷却媒体としての内燃機関冷却用冷却水(エンジン冷却水)を流すことによってタービンハウジングを冷却する構成としている。   Specifically, the cooling means is a cooling water passage formed inside the turbine housing, and the cooling water passage for cooling the internal combustion engine (engine cooling water) as a cooling medium is allowed to flow through the cooling water passage. It is configured to cool.

これによれば、既存の内燃機関冷却用の冷却水を利用してタービンハウジングを冷却することができ、簡単な設計変更でタービンハウジングの冷却構造を実現することができる。また、この構成によれば、過給機内部で冷却水と排気ガスとの熱交換が行われることになるため、排気ガス中の熱を冷却水に与えることができ、冷却水の温度上昇を急速に行うことができて内燃機関の暖機運転を早期に完了させることができる。その結果、内燃機関の潤滑用オイル(エンジンオイル)の温度上昇も迅速に行われ、このオイルが所望の粘性を得るまでの時間(オイル粘度が所定値に低くなるまでの時間)も短縮化され、内燃機関始動後のオイルによるフリクション低減効果を早期に得ることができ内燃機関の燃費改善に寄与させることができる。   According to this, the turbine housing can be cooled using the existing cooling water for cooling the internal combustion engine, and a cooling structure for the turbine housing can be realized with a simple design change. Further, according to this configuration, heat exchange between the cooling water and the exhaust gas is performed inside the supercharger, so that the heat in the exhaust gas can be given to the cooling water, and the temperature of the cooling water is increased. It can be performed rapidly and the warm-up operation of the internal combustion engine can be completed early. As a result, the temperature of the lubricating oil (engine oil) of the internal combustion engine is rapidly increased, and the time until the oil obtains a desired viscosity (the time until the oil viscosity decreases to a predetermined value) is shortened. In addition, the effect of reducing the friction caused by the oil after starting the internal combustion engine can be obtained at an early stage, which can contribute to the improvement of the fuel consumption of the internal combustion engine.

タービンハウジングやタービンホイールの温度は内燃機関の運転状況に応じて変動する。このため、上記チップクリアランスを高い精度で維持するためには、これら変動する温度に対応してタービンハウジングに対する冷却状態を変化させていくことが好ましい。この点に鑑みられた構成として以下のものが挙げられる。つまり、タービンハウジングの温度とタービンホイールの温度との比が上記膨張係数同士の比の逆比に近付くように冷却媒体の温度または流量を調整する冷却媒体調整手段を備えさせた構成である。   The temperature of the turbine housing and the turbine wheel varies depending on the operating condition of the internal combustion engine. For this reason, in order to maintain the above-mentioned tip clearance with high accuracy, it is preferable to change the cooling state with respect to the turbine housing corresponding to these fluctuating temperatures. The following are mentioned as a configuration in view of this point. That is, the cooling medium adjusting means is provided for adjusting the temperature or flow rate of the cooling medium so that the ratio between the temperature of the turbine housing and the temperature of the turbine wheel approaches the inverse ratio of the expansion coefficients.

この場合、上記冷却媒体調整手段による調整動作として具体的には以下のものが挙げられる。先ず、内燃機関の運転状態に基づいてタービンホイールの温度を推定するホイール温度推定手段を備えさせる。そして、冷却媒体調整手段が、このホイール温度推定手段によって推定されたタービンホイールの温度に応じ、タービンホイールの温度が低いほどタービンハウジングを冷却する能力が上昇するように冷却媒体の温度または流量を調整する構成としている。   In this case, specific examples of the adjusting operation by the cooling medium adjusting means include the following. First, a wheel temperature estimating means for estimating the temperature of the turbine wheel based on the operating state of the internal combustion engine is provided. The cooling medium adjusting means adjusts the temperature or flow rate of the cooling medium according to the temperature of the turbine wheel estimated by the wheel temperature estimating means so that the lower the turbine wheel temperature, the higher the ability to cool the turbine housing. It is configured to do.

この構成によれば、タービンホイールの温度の変化に追従するようにタービンハウジングの温度を変化させていくことができる。つまり、例えば内燃機関の低回転時等のように排気ガス温度が低く、それに伴ってタービンホイールの温度も低い状況では、タービンハウジングに対する冷却能力を高く設定する。例えば、タービンハウジングに供給する冷却媒体の温度を低めに設定したり、冷却媒体の流量を高く設定することになる。一方、例えば内燃機関の高回転時等のように排気ガス温度が高く、それに伴ってタービンホイールの温度も高い状況では、タービンハウジングに対する冷却能力を低く設定する。例えば、タービンハウジングに供給する冷却媒体の温度を高めに設定したり、冷却媒体の流量を低く設定することになる。このような動作により、タービンハウジングの温度とタービンホイールの温度との比が上記膨張係数同士の比の逆比に近付くように制御する。これにより、上記チップクリアランスを高い精度で維持することが可能になり、高いターボ効率を継続的に維持することができる。   According to this configuration, the temperature of the turbine housing can be changed so as to follow the change in the temperature of the turbine wheel. That is, for example, when the exhaust gas temperature is low and the temperature of the turbine wheel is low, such as when the internal combustion engine is running at a low speed, the cooling capacity for the turbine housing is set high. For example, the temperature of the cooling medium supplied to the turbine housing is set low, or the flow rate of the cooling medium is set high. On the other hand, for example, when the exhaust gas temperature is high and the temperature of the turbine wheel is also high, such as when the internal combustion engine is rotating at high speed, the cooling capacity for the turbine housing is set low. For example, the temperature of the cooling medium supplied to the turbine housing is set high, or the flow rate of the cooling medium is set low. By such an operation, control is performed so that the ratio between the temperature of the turbine housing and the temperature of the turbine wheel approaches the inverse ratio of the ratios of the expansion coefficients. As a result, the tip clearance can be maintained with high accuracy, and high turbo efficiency can be continuously maintained.

また、本発明は以下の技術的思想をも含んでいる。つまり、タービンハウジング内に収容されたタービンホイールが排気ガスの流体エネルギを受けて回転し、その回転力をコンプレッサホイールに伝達することにより吸入空気を過給する内燃機関の過給機システムを前提とする。この内燃機関の過給機システムに対し、タービンハウジング内における排気ガスの流線に対して直交する面での排気ガス流路面積を、排気ガス最大流量時におけるマッハ係数(排気ガス流速/音速)が略「1」となるように設定している。   The present invention also includes the following technical idea. That is, it is based on a supercharger system for an internal combustion engine in which a turbine wheel housed in a turbine housing rotates by receiving fluid energy of exhaust gas and supercharges intake air by transmitting the rotational force to the compressor wheel. To do. For the turbocharger system of the internal combustion engine, the exhaust gas passage area in the plane orthogonal to the exhaust gas flow line in the turbine housing is the Mach coefficient (exhaust gas flow velocity / sound velocity) at the maximum exhaust gas flow rate. Is set to be substantially “1”.

このようにタービンハウジング内の流路面積を設定した場合、排気系に排出されてくる排気ガスの温度が最も高くなる状況である排気ガス最大流量時にあっては、タービンホイール内の流路(例えばスクロール室)では、その流路断面の中央部分のガス流速が高く、また比較的高温度の排気ガスがこの部分に流れることになる。一方、流路断面の外周部分のガス流速が低く、また比較的低温度の排気ガスがこの部分に流れることになる。このため、排気ガス中の熱がタービンハウジングやタービンホイールに伝達される量も低く抑えられることになる。従って、特にエンジンの冷間始動時においてタービンハウジングやタービンホイールにより奪われる熱量の大幅な削減を図ることができ、エンジン始動後、短時間のうちに触媒コンバータの触媒温度を活性温度まで上昇させることができ、触媒の早期活性化を実現することができる。   When the flow passage area in the turbine housing is set in this way, the flow passage in the turbine wheel (for example, the maximum flow rate of the exhaust gas discharged to the exhaust system, which is the highest temperature) In the scroll chamber, the gas flow rate is high in the central portion of the flow path cross section, and the exhaust gas having a relatively high temperature flows through this portion. On the other hand, the gas flow rate in the outer peripheral portion of the flow path cross section is low, and the exhaust gas having a relatively low temperature flows through this portion. For this reason, the amount of heat in the exhaust gas transmitted to the turbine housing and the turbine wheel is also kept low. Therefore, the amount of heat taken away by the turbine housing and the turbine wheel can be greatly reduced, particularly during cold start of the engine, and the catalyst temperature of the catalytic converter can be raised to the activation temperature within a short time after the engine is started. And early activation of the catalyst can be realized.

本発明では、タービンハウジングの構成材料としてアルミニウム合金を採用することでタービンハウジングの熱容量を小さくしている。また、タービンハウジングの構成材料の膨張係数とタービンホイールの構成材料の膨張係数との比に対して、タービンハウジングの温度とタービンホイールの温度との比が略逆比の関係になるようにタービンハウジングを冷却している。このため、内燃機関始動後、短時間のうちに触媒コンバータの触媒温度を活性温度まで上昇させることができて、触媒の早期活性化を実現することができ、且つチップクリアランスを非常に小さい値に設定しておいた場合であってもその値を継続的に維持できて、高いターボ効率を継続的に確保できる。   In the present invention, the heat capacity of the turbine housing is reduced by adopting an aluminum alloy as a constituent material of the turbine housing. Further, the turbine housing is configured such that the ratio of the temperature of the turbine housing and the temperature of the turbine wheel has a substantially inverse relationship with respect to the ratio of the expansion coefficient of the constituent material of the turbine housing and the expansion coefficient of the constituent material of the turbine wheel. Is cooling. For this reason, the catalyst temperature of the catalytic converter can be raised to the activation temperature within a short time after the internal combustion engine is started, the catalyst can be activated early, and the chip clearance can be reduced to a very small value. Even if it is set, the value can be continuously maintained, and high turbo efficiency can be continuously secured.

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本実施形態では自動車用ディーゼルエンジンに搭載されたシングルターボ式のターボチャージャに本発明を適用した場合について説明する。これに限らず、ツインターボ式のターボチャージャ、シーケンシャルターボ式のターボチャージャ、スーパーチャージャを併設したハイブリッド式過給システムにも本発明は適用可能である。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the present embodiment, a case where the present invention is applied to a single turbo turbocharger mounted on an automobile diesel engine will be described. The present invention is not limited to this, and the present invention can also be applied to a hybrid turbocharging system provided with a twin turbo turbocharger, a sequential turbo turbocharger, and a supercharger.

(第1実施形態)
−ターボチャージャの構成説明−
図1は、本実施形態に係るターボチャージャ1の縦断面図である。このターボチャージャ1は、エンジンの排気通路に設けられたタービンハウジング2内に収容され且つこのタービンハウジング2内に送り込まれる排気ガスによって回転するタービンホイール51と、エンジンの吸気通路に設けられたコンプレッサハウジング3内に収容され且つ上記タービンホイール51の回転力を受けて空気(吸気)を強制的に燃焼室へ送り込むコンプレッサホイール52とを備えている。
(First embodiment)
-Configuration explanation of turbocharger-
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a turbocharger 1 according to this embodiment. The turbocharger 1 is accommodated in a turbine housing 2 provided in an exhaust passage of the engine and is rotated by exhaust gas fed into the turbine housing 2, and a compressor housing provided in an intake passage of the engine. 3 and a compressor wheel 52 that receives the rotational force of the turbine wheel 51 and forcibly feeds air (intake air) into the combustion chamber.

これらタービンホイール51とコンプレッサホイール52とは、金属製(例えば鋳鉄)のタービンシャフト53によって一体回転可能に連結されている。つまり、タービンホイール51、コンプレッサホイール52、タービンシャフト53が同一軸心上に配置され、一体的に組み付けられてターボロータ5が構成されており、タービンホイール51の回転に伴ってタービンシャフト53及びコンプレッサホイール52がこの軸心回りに回転する構成となっている。   The turbine wheel 51 and the compressor wheel 52 are connected to each other by a metal (for example, cast iron) turbine shaft 53 so as to be integrally rotatable. That is, the turbine wheel 51, the compressor wheel 52, and the turbine shaft 53 are arranged on the same axis, and are integrally assembled to constitute the turbo rotor 5. As the turbine wheel 51 rotates, the turbine shaft 53 and the compressor The wheel 52 is configured to rotate around this axis.

上記タービンホイール51は、外周面に多数のタービンブレード51a,51a,…を備えている。また、このタービンホイール51は高温(例えば600〜800℃)の排気ガスに晒されるため耐熱性を有する鋼(炭素鋼)製となっている。また、上記タービンハウジング2には、タービンホイール51を取り囲むように、渦巻き状をなすスクロール室21が形成されている。このスクロール室21は、ターボロータ5の接線方向に開口する排気ガス取入れ口と、ターボロータ5の軸線方向に開口する排気ガス排出口22とを有している。排気ガス取入れ口は内燃機関の排気マニホールドに接続され、排気ガス排出口22は触媒コンバータへと排気ガスを導く排気管に接続される。   The turbine wheel 51 includes a large number of turbine blades 51a, 51a,. The turbine wheel 51 is made of heat-resistant steel (carbon steel) because it is exposed to high-temperature (for example, 600 to 800 ° C.) exhaust gas. In addition, a scroll chamber 21 having a spiral shape is formed in the turbine housing 2 so as to surround the turbine wheel 51. The scroll chamber 21 has an exhaust gas intake port that opens in the tangential direction of the turbo rotor 5 and an exhaust gas discharge port 22 that opens in the axial direction of the turbo rotor 5. The exhaust gas intake port is connected to an exhaust manifold of the internal combustion engine, and the exhaust gas discharge port 22 is connected to an exhaust pipe that guides the exhaust gas to the catalytic converter.

一方、上記コンプレッサホイール52は、外周面に多数のコンプレッサブレード52a,52a,…を備えている。また、このコンプレッサホイール52はターボラグを抑えるために軽量なアルミニウム合金や合成樹脂により形成されている。上記コンプレッサハウジング3には、コンプレッサホイール52を取り囲むように、渦巻き状をなすディフューザ31が形成されている。このディフューザ31は、ターボロータ5の軸線方向に開口する給気取入れ口32と、ターボロータ5の接線方向に開口する過給気吐出口とを有している。給気取入れ口32はエアクリーナに接続され、過給気吐出口は内燃機関の吸気マニホールドに接続される。   On the other hand, the compressor wheel 52 includes a large number of compressor blades 52a, 52a,. The compressor wheel 52 is made of a lightweight aluminum alloy or synthetic resin in order to suppress turbo lag. A spiral diffuser 31 is formed in the compressor housing 3 so as to surround the compressor wheel 52. The diffuser 31 has an intake air inlet 32 that opens in the axial direction of the turbo rotor 5 and a supercharged air outlet that opens in the tangential direction of the turbo rotor 5. The air supply intake 32 is connected to an air cleaner, and the supercharged air discharge is connected to an intake manifold of the internal combustion engine.

尚、上記タービンホイール51の形状は特に限定されるものではなく、衝撃型、反射型、斜流式等が採用可能である。同様に、コンプレッサホイール52の形状も特に限定されるものではなく、ラジアル型、バックワード型、バックワードレイク型等が採用可能である。本実施形態のターボロータ5は、タービンホイール51、コンプレッサホイール52、タービンシャフト53をそれぞれ別体として形成して、これらを一体的に組み付けるものとしたが、これらを一体形成したものであってもよい。   The shape of the turbine wheel 51 is not particularly limited, and an impact type, a reflection type, a mixed flow type, or the like can be adopted. Similarly, the shape of the compressor wheel 52 is not particularly limited, and a radial type, a backward type, a backward lake type, or the like can be adopted. In the turbo rotor 5 of the present embodiment, the turbine wheel 51, the compressor wheel 52, and the turbine shaft 53 are formed as separate bodies, and these are integrally assembled. However, even if these are integrally formed, Good.

また、上記タービンシャフト53は、軸受ハウジング4内に形成された軸受部材41に挿通されている。この軸受部材41はその内部に円筒形状の空間が形成されており、その内周面には、軸受である軸受メタル42が遊嵌されている。また、この軸受メタル42の内周面は、タービンシャフト53に遊嵌されている。すなわち、軸受メタル42は、タービンシャフト53と軸受部材41との間の摺動部に配設されている。更に、この軸受メタル42には、軸受ハウジング4内に形成された潤滑油供給路43から潤滑油が供給されるようになっている。この潤滑油の供給によって、軸受部材41の内周面と軸受メタル42の外周面との間に油膜が形成される。一方、軸受メタル42には、その外周面から内周面に亘って貫通する油供給孔42aが複数箇所に形成されている。従って、軸受メタル42の外周面に供給された潤滑油は、これら複数の油供給孔42aを介して軸受メタル42の内周面にも供給され、軸受メタル42の内周面とタービンシャフト53の外周面との間にも油膜が形成される。このように、本実施形態におけるタービンシャフト53の軸受方式は、所謂フローティングベアリング方式とされており、軸受メタル42はタービンシャフト53と軸受部材41との間で自由に回転することができるようになっている。尚、軸受メタル42は、スナップリング44,44によって、軸心方向への移動が規制されている。このような構成の軸受け構造がタービンシャフト53の長手方向の両端部(タービンホイール51に近接する箇所とコンプレッサホイール52に近接する箇所の2箇所)に設けられている。   The turbine shaft 53 is inserted through a bearing member 41 formed in the bearing housing 4. The bearing member 41 has a cylindrical space formed therein, and a bearing metal 42 as a bearing is loosely fitted on the inner peripheral surface thereof. Further, the inner peripheral surface of the bearing metal 42 is loosely fitted to the turbine shaft 53. That is, the bearing metal 42 is disposed in a sliding portion between the turbine shaft 53 and the bearing member 41. Further, lubricating oil is supplied to the bearing metal 42 from a lubricating oil supply passage 43 formed in the bearing housing 4. By supplying the lubricating oil, an oil film is formed between the inner peripheral surface of the bearing member 41 and the outer peripheral surface of the bearing metal 42. On the other hand, in the bearing metal 42, oil supply holes 42a penetrating from the outer peripheral surface to the inner peripheral surface are formed at a plurality of locations. Therefore, the lubricating oil supplied to the outer peripheral surface of the bearing metal 42 is also supplied to the inner peripheral surface of the bearing metal 42 through the plurality of oil supply holes 42 a, and the inner peripheral surface of the bearing metal 42 and the turbine shaft 53. An oil film is also formed between the outer peripheral surface. Thus, the bearing system of the turbine shaft 53 in the present embodiment is a so-called floating bearing system, and the bearing metal 42 can freely rotate between the turbine shaft 53 and the bearing member 41. ing. The bearing metal 42 is restricted from moving in the axial direction by the snap rings 44 and 44. The bearing structure having such a configuration is provided at both ends in the longitudinal direction of the turbine shaft 53 (two locations, a location close to the turbine wheel 51 and a location close to the compressor wheel 52).

尚、上記軸受ハウジング4はタービンシャフト53と同一材料(例えば鋳鉄)で構成されている。これにより、熱による軸受ハウジング4の膨張量とタービンシャフト53の膨張量とを略等しくし、良好な軸受け状態が継続的に維持されるようになっている。また、上記コンプレッサホイール52とコンプレッサハウジング3との構成材料も同一材料であることが好ましい。   The bearing housing 4 is made of the same material as the turbine shaft 53 (for example, cast iron). Thereby, the amount of expansion of the bearing housing 4 due to heat and the amount of expansion of the turbine shaft 53 are made substantially equal, and a good bearing state is continuously maintained. Moreover, it is preferable that the constituent material of the said compressor wheel 52 and the compressor housing 3 is also the same material.

そして、本実施形態の特徴は、上記タービンハウジング2の構成材料及びこのタービンハウジング2を冷却するための構造にある。以下、具体的に説明する。   The feature of the present embodiment is the constituent material of the turbine housing 2 and the structure for cooling the turbine housing 2. This will be specifically described below.

本実施形態におけるタービンハウジング2はアルミニウム合金(アルミニウム、シリコン、銅等を含む合金)により成形されている。このアルミニウム合金は、これまでタービンハウジング2の構成材料として一般に使用されていた耐熱鋳鋼に比べて比熱が小さいものである。このため、タービンハウジング2全体としての熱容量を従来のものよりも大幅に小さくでき、エンジンの冷間始動時においてタービンハウジング2により奪われる熱量の削減を図ることができる。その結果、エンジン始動後、短時間のうちに触媒コンバータの触媒温度を活性温度まで上昇させることができ、触媒の早期活性化を実現することができる。また、ターボチャージャ1全体としての軽量化を図ることもできる。   The turbine housing 2 in the present embodiment is formed of an aluminum alloy (an alloy containing aluminum, silicon, copper, or the like). This aluminum alloy has a smaller specific heat than heat-resistant cast steel that has been generally used as a constituent material of the turbine housing 2 until now. For this reason, the heat capacity of the turbine housing 2 as a whole can be significantly smaller than that of the conventional one, and the amount of heat taken away by the turbine housing 2 when the engine is cold started can be reduced. As a result, after the engine is started, the catalyst temperature of the catalytic converter can be raised to the activation temperature within a short time, and early activation of the catalyst can be realized. Further, the overall weight of the turbocharger 1 can be reduced.

また、タービンハウジング2を冷却するための構造としては、タービンハウジング2におけるスクロール室21に近接する位置であって上記排気ガス排出口22側にその略全周囲に亘ってハウジング内冷却水通路(冷却手段)23が形成されている。このハウジング内冷却水通路23は、上流側端が後述する導入配管H3を介してウォータポンプ63の吐出側に接続されている一方、下流側端が後述する導出配管H6を介してウォータポンプ63の吸入側に接続されている(詳細は図2を用いて後述する)。このため、ウォータポンプ63の駆動に伴い、導入配管H3を経てハウジング内冷却水通路23にエンジン冷却水(冷却媒体)が導入され、この冷却水によってタービンハウジング2が冷却され、その後、この冷却水は導出配管H6を経てウォータポンプ63に戻されるようになっている。また、この冷却水は必要に応じてラジエータ61によって冷却される。   Further, as a structure for cooling the turbine housing 2, a cooling water passage (cooling in the housing) is provided in the turbine housing 2 at a position close to the scroll chamber 21 and around the exhaust gas discharge port 22. Means) 23 is formed. The cooling water passage 23 in the housing has an upstream end connected to the discharge side of the water pump 63 via an introduction pipe H3, which will be described later, while a downstream end thereof is connected to the discharge side of the water pump 63, via an outlet pipe H6, which will be described later. It is connected to the suction side (details will be described later using FIG. 2). Therefore, as the water pump 63 is driven, engine cooling water (cooling medium) is introduced into the in-housing cooling water passage 23 via the introduction pipe H3, and the turbine housing 2 is cooled by this cooling water. Is returned to the water pump 63 via the outlet pipe H6. The cooling water is cooled by the radiator 61 as necessary.

また、本実施形態における他の特徴とする構成としては、上記タービンハウジング2内の空間(例えば上記スクロール室21)における排気ガスの流線に対して直交する面での流路面積が、排気ガス最大流量時におけるマッハ係数が略「1」となるように設定されている。この排気ガス最大流量時におけるマッハ係数を設定するためのパラメータとしては、エンジンの排気量、エンジン出力、排気ガス温度、タービンスクロール面積等が挙げられる。つまり、これらパラメータを適切に設定することにより、排気ガス最大流量時におけるマッハ係数が略「1」となるようにターボチャージャ1は設計されている。   As another feature of the present embodiment, the flow passage area in a plane orthogonal to the exhaust gas stream line in the space in the turbine housing 2 (for example, the scroll chamber 21) is the exhaust gas. The Mach coefficient at the maximum flow rate is set to be substantially “1”. Parameters for setting the Mach coefficient at the maximum exhaust gas flow rate include engine displacement, engine output, exhaust gas temperature, turbine scroll area, and the like. That is, by appropriately setting these parameters, the turbocharger 1 is designed so that the Mach coefficient at the maximum exhaust gas flow rate is substantially “1”.

そして、このようにタービンハウジング2内の流路面積を設定した場合、排気系に排出されてくる排気ガスの温度が最も高くなる状況である排気ガス最大流量時にあっては、タービンハウジング2内の流路(スクロール室21等)では、その流路断面の中央部分のガス流速が高く、また比較的高温度の排気ガスがこの部分に流れることになる一方、流路断面の外周部分のガス流速が低く、また比較的低温度の排気ガスがこの部分に流れることになる。このため、上記排気ガスのうち高温度の領域がタービンハウジング2やタービンホイール51に晒されることがなく、排気ガス中の熱がタービンハウジング2やタービンホイール51に伝達される量を低く抑えることができる。このため、特にエンジンの冷間始動時においてタービンハウジング2やタービンホイール51により奪われる熱量の大幅な削減を図ることができ、この構成によっても、エンジン始動後、短時間のうちに触媒コンバータの触媒温度を活性温度まで上昇させることができ、触媒の早期活性化を実現することができるようになっている。   When the flow passage area in the turbine housing 2 is set in this way, the exhaust gas temperature exhausted to the exhaust system is at the highest temperature at the maximum exhaust gas flow rate. In the flow path (such as the scroll chamber 21), the gas flow rate in the central portion of the cross section of the flow path is high, and exhaust gas having a relatively high temperature flows through this portion. The exhaust gas having a low temperature and a relatively low temperature flows through this portion. For this reason, the high temperature region of the exhaust gas is not exposed to the turbine housing 2 and the turbine wheel 51, and the amount of heat in the exhaust gas transmitted to the turbine housing 2 and the turbine wheel 51 can be kept low. it can. For this reason, the amount of heat taken away by the turbine housing 2 and the turbine wheel 51 can be greatly reduced, particularly at the time of cold start of the engine. Also with this configuration, the catalyst of the catalytic converter can be obtained within a short time after the engine is started. The temperature can be raised to the activation temperature, and early activation of the catalyst can be realized.

−冷却水循環経路の説明−
以下、本実施形態に係るエンジンの冷却水循環経路について説明する。図2は、本実施形態に係る冷却水循環経路の概略を示す回路図である。この図2に示すように、冷却水循環経路には、ラジエータ61、サーモスタット62、ウォータポンプ63、上記ターボチャージャ1、これら各機器61,62,63,1及びエンジン本体Eに形成されたウォータジャケット64を接続する配管及びホースH1,H2,H3,H4,H5,H6が備えられている。
-Explanation of cooling water circulation path-
Hereinafter, the cooling water circulation path of the engine according to the present embodiment will be described. FIG. 2 is a circuit diagram showing an outline of a cooling water circulation path according to the present embodiment. As shown in FIG. 2, the cooling water circulation path includes a radiator 61, a thermostat 62, a water pump 63, the turbocharger 1, the devices 61, 62, 63, 1, and a water jacket 64 formed in the engine body E. Piping and hoses H1, H2, H3, H4, H5, and H6 are provided.

具体的には、ラジエータ61のロアタンク61aとサーモスタット62とはロアホースH1によって接続されており、ウォータポンプ63の吐出口はエンジン本体Eのウォータジャケット64に連通している。このウォータジャケット64では、ウォータポンプ63からの冷却水がシリンダブロック側のウォータジャケット64aを経た後、シリンダヘッド側のウォータジャケット64bに導入され、その後、取り出し管H2によってエンジン本体Eから取り出される。この取り出し管H2は分岐され、一方は導入配管H3によってターボチャージャ1のハウジング内冷却水通路23に接続されており、他方はアッパホースH4によってラジエータ61のアッパタンク61bに接続されている。また、アッパホースH4とウォータポンプ63の吸入側とは冷間時バイパスホースH5によって接続されている。   Specifically, the lower tank 61a of the radiator 61 and the thermostat 62 are connected by the lower hose H1, and the discharge port of the water pump 63 communicates with the water jacket 64 of the engine body E. In the water jacket 64, the cooling water from the water pump 63 passes through the water jacket 64a on the cylinder block side, is introduced into the water jacket 64b on the cylinder head side, and is then taken out from the engine body E by the take-out pipe H2. This take-out pipe H2 is branched, one is connected to the in-housing cooling water passage 23 of the turbocharger 1 by the introduction pipe H3, and the other is connected to the upper tank 61b of the radiator 61 by the upper hose H4. The upper hose H4 and the suction side of the water pump 63 are connected by a cold bypass hose H5.

そして、ターボチャージャ1のハウジング内冷却水通路23は、導出配管H6によってウォータポンプ63の吸入側に接続されている。つまり、取り出し管H2によってエンジン本体Eから取り出された冷却水の一部が導入配管H3によってターボチャージャ1のハウジング内冷却水通路23に導入された後、この冷却水が導出配管H6によってウォータポンプ63の吸入側に戻される構成となっている。   The in-housing cooling water passage 23 of the turbocharger 1 is connected to the suction side of the water pump 63 by a lead-out pipe H6. That is, after a part of the cooling water taken out from the engine main body E by the take-out pipe H2 is introduced into the in-housing cooling water passage 23 of the turbocharger 1 by the introduction pipe H3, this cooling water is sent by the outlet pipe H6 to the water pump 63. It is configured to be returned to the suction side.

そして、上記導入配管H3には開閉自在な電磁弁24が備えられている。つまり、この電磁弁24が開放状態にあるときにはターボチャージャ1のハウジング内冷却水通路23に冷却水が導入されてタービンハウジング2の冷却動作が行われる一方、電磁弁24が閉鎖状態にあるときにはターボチャージャ1のハウジング内冷却水通路23に冷却水は導入されず、タービンハウジング2の冷却動作は行われない構成となっている。この電磁弁24の開閉制御については後述する。   The introduction pipe H3 is provided with a solenoid valve 24 that can be freely opened and closed. That is, when the electromagnetic valve 24 is in the open state, cooling water is introduced into the in-housing cooling water passage 23 of the turbocharger 1 and the turbine housing 2 is cooled. On the other hand, when the electromagnetic valve 24 is in the closed state, The cooling water is not introduced into the in-housing cooling water passage 23 of the charger 1 and the cooling operation of the turbine housing 2 is not performed. The opening / closing control of the electromagnetic valve 24 will be described later.

以下、この冷却水循環経路を構成している各機器の構成及び機能について簡単に説明する。   Hereinafter, the configuration and function of each device constituting the cooling water circulation path will be briefly described.

本実施形態におけるラジエータ61は、ダウンフロータイプのものであり、アッパタンク61bとロアタンク61aとの間にラジエータコア61cが備えられている。これにより、エンジン本体Eから取り出し管H2及びアッパホースH4を経てアッパタンク61bに回収された冷却水がロアタンク61aに向けてラジエータコア61cの内部を流下する際に外気(走行風や冷却ファンの駆動による送風)との間で熱交換を行い、外気に放熱することで冷却水が冷却されるようになっている。   The radiator 61 in the present embodiment is of a down flow type, and a radiator core 61c is provided between the upper tank 61b and the lower tank 61a. As a result, when the cooling water collected from the engine body E through the take-out pipe H2 and the upper hose H4 flows down to the lower tank 61a through the inside of the radiator core 61c, the outside air (air flow by driving air or a cooling fan is driven). The cooling water is cooled by exchanging heat with the air and radiating heat to the outside air.

サーモスタット62は、冷却水循環経路の水路を切り換えることによって冷却水の温度を調整するものであって、例えば内部に封入されたワックスの熱膨張を利用し、内装されたバルブが冷却水温度に応じて開閉される機構を備えている。そして、エンジン本体Eの冷間時、つまり冷却水温度が比較的低い場合には、サーモスタット62のバルブが閉鎖して、ラジエータ61のロアタンク61aとウォータポンプ63との間の水路を遮断し、ラジエータ61に冷却水を流さないことでエンジン本体Eの暖機運転の早期完了を図るようになっている。一方、エンジン本体Eの暖機完了後、つまり冷却水温度が比較的高い場合には、サーモスタット62のバルブが開放して、ラジエータ61のロアタンク61aとウォータポンプ63との間の水路を開放し、ラジエータ61に冷却水の一部を流すことでその冷却水が回収した熱をラジエータ61によって大気に放出するようにしている。   The thermostat 62 adjusts the temperature of the cooling water by switching the water channel of the cooling water circulation path. For example, the thermostat 62 uses the thermal expansion of wax sealed inside, and the valve provided in accordance with the temperature of the cooling water. A mechanism to be opened and closed is provided. When the engine body E is cold, that is, when the cooling water temperature is relatively low, the valve of the thermostat 62 is closed and the water path between the lower tank 61a of the radiator 61 and the water pump 63 is shut off, and the radiator By not supplying cooling water to 61, the warm-up operation of the engine body E can be completed early. On the other hand, after the engine body E has been warmed up, that is, when the coolant temperature is relatively high, the valve of the thermostat 62 is opened, and the water path between the lower tank 61a of the radiator 61 and the water pump 63 is opened. By flowing a part of the cooling water through the radiator 61, the heat recovered by the cooling water is released to the atmosphere by the radiator 61.

ウォータポンプ63は、冷却水循環経路内に水流を発生させるためのものであって、その駆動軸に備えられたウォータポンププーリとクランクシャフトプーリとの間に伝動ベルトが掛け渡されていることにより、クランクシャフトの回転力を受けて駆動するようになっている。   The water pump 63 is for generating a water flow in the cooling water circulation path, and a transmission belt is stretched between a water pump pulley and a crankshaft pulley provided on the drive shaft. It is driven by the rotational force of the crankshaft.

−冷却水循環動作及びタービンハウジング2の冷却動作−
次に、上述した冷却水循環経路における冷却水循環動作について説明する。
-Cooling water circulation operation and cooling operation of the turbine housing 2-
Next, the cooling water circulation operation in the above-described cooling water circulation path will be described.

先ず、エンジンの冷間始動時における冷却水循環動作について説明する。この冷間始動時には、サーモスタット62が閉鎖状態となっていると共に上記導入配管H3に備えられた電磁弁24は開放状態となっている。そして、冷却水循環動作としては、図2に実線の矢印で示すように、ウォータポンプ63、ウォータジャケット64、取り出し管H2の順で冷却水が流れる。そして、この取り出し管H2によりエンジン本体Eから取り出された冷却水は、導入配管H3と冷間時バイパスホースH5とに分流される。導入配管H3に分流された冷却水は、ターボチャージャ1のハウジング内冷却水通路23に導入され、タービンハウジング2を冷却した後に導出配管H6を経てウォータポンプ63に吸入される。また、冷間時バイパスホースH5に分流された冷却水もウォータポンプ63の吸入側に戻される。これにより、比較的少量の冷却水を、ラジエータ61をバイパスして循環させ、ラジエータ61における放熱動作を行わせないことでエンジンの暖機を早期に完了させるようにする。   First, the cooling water circulation operation at the time of cold start of the engine will be described. At the time of the cold start, the thermostat 62 is in a closed state and the electromagnetic valve 24 provided in the introduction pipe H3 is in an open state. As the cooling water circulation operation, the cooling water flows in the order of the water pump 63, the water jacket 64, and the take-out pipe H2, as indicated by solid arrows in FIG. And the cooling water taken out from the engine main body E by this taking-out pipe H2 is shunted to the introduction pipe H3 and the cold time bypass hose H5. The cooling water divided into the introduction pipe H3 is introduced into the in-housing cooling water passage 23 of the turbocharger 1, and after cooling the turbine housing 2, it is sucked into the water pump 63 through the outlet pipe H6. Further, the cooling water diverted to the cold time bypass hose H <b> 5 is also returned to the suction side of the water pump 63. Thus, a relatively small amount of cooling water is circulated by bypassing the radiator 61, and the heat dissipation operation in the radiator 61 is not performed, so that the engine warm-up is completed at an early stage.

上述した如くタービンハウジング2はアルミニウム合金により成形されており、タービンハウジング2全体としての熱容量が小さくなっているため、このような冷間始動時において、排気ガス中の熱のうちタービンハウジング2により奪われる熱量は少なく、その結果、触媒コンバータに比較的高温度の排気ガスを通過させることができる。このため、エンジン始動後、短時間のうちに触媒コンバータの触媒温度を活性温度まで上昇させることができて、触媒の早期活性化を実現することができる。   As described above, the turbine housing 2 is formed of an aluminum alloy, and the heat capacity of the turbine housing 2 as a whole is small. Therefore, at the time of such cold start, the turbine housing 2 takes away the heat in the exhaust gas. The amount of heat generated is small, so that a relatively high temperature exhaust gas can be passed through the catalytic converter. For this reason, the catalyst temperature of the catalytic converter can be raised to the activation temperature within a short time after the engine is started, and early activation of the catalyst can be realized.

また、このような冷却水循環動作によれば、ターボチャージャ1の内部で冷却水と排気ガスとの熱交換(タービンハウジング2と冷却水との間での熱交換)が行われることになるため、冷却水はエンジン本体Eから受ける熱ばかりでなく排気ガスの熱も受けることで急速な温度上昇が可能になる。このため、エンジンの暖機運転を早期に完了させることができ、また、エンジンオイルの温度上昇も迅速に行われるためエンジン始動後のオイルによるフリクション低減効果を早期に得ることができてエンジンの燃費改善に寄与することができる。   Further, according to such a cooling water circulation operation, heat exchange between the cooling water and the exhaust gas (heat exchange between the turbine housing 2 and the cooling water) is performed inside the turbocharger 1. The cooling water receives not only the heat received from the engine body E but also the heat of the exhaust gas, so that the temperature can be rapidly increased. For this reason, the engine warm-up operation can be completed at an early stage, and the temperature of the engine oil can be increased quickly, so that the effect of reducing the friction caused by the oil after starting the engine can be obtained at an early stage. It can contribute to improvement.

次に、エンジンの暖機運転完了後の冷却水循環動作について説明する。この場合、サーモスタット62が開放状態となると共に上記導入配管H3に備えられた電磁弁24は開閉動作が制御される。   Next, the cooling water circulation operation after the engine warm-up operation is completed will be described. In this case, the thermostat 62 is opened, and the opening / closing operation of the electromagnetic valve 24 provided in the introduction pipe H3 is controlled.

この電磁弁24の開閉動作について説明する。エンジンコントローラ内のROMには、エンジン回転数、エンジン負荷、冷却水温度に基づいてタービンホイール51の温度を推定するホイール温度推定マップが記憶されており、このホイール温度推定マップからタービンホイール51の推定温度を読み出す(本発明でいうホイール温度推定手段によるタービンホイール温度の推定動作)。そして、このタービンホイール51の温度が所定温度以上である場合には電磁弁24を閉鎖してタービンハウジング2に対する冷却能力を低くし、タービンホイール51の温度上昇に迅速に追従するように(後述するようにタービンハウジング2の温度がタービンホイール51の温度の1/2の値を下回らないように)タービンハウジング2の温度上昇を許容する。一方、タービンホイール51の温度が所定温度未満である場合には電磁弁24を開放して、タービンホイール51の温度よりもタービンハウジング2の温度が十分に下回るように(後述するようにタービンハウジング2の温度がタービンホイール51の温度の1/2の値を上回らないように)タービンハウジング2に対する冷却能力を高くする。   The opening / closing operation of the electromagnetic valve 24 will be described. The ROM in the engine controller stores a wheel temperature estimation map for estimating the temperature of the turbine wheel 51 on the basis of the engine speed, the engine load, and the coolant temperature, and the estimation of the turbine wheel 51 from the wheel temperature estimation map. The temperature is read out (turbine wheel temperature estimation operation by the wheel temperature estimation means in the present invention). When the temperature of the turbine wheel 51 is equal to or higher than a predetermined temperature, the solenoid valve 24 is closed to lower the cooling capacity for the turbine housing 2 so that the temperature of the turbine wheel 51 can be quickly followed (described later). As described above, the temperature of the turbine housing 2 is allowed to rise (so that the temperature of the turbine housing 2 does not fall below a half value of the temperature of the turbine wheel 51). On the other hand, when the temperature of the turbine wheel 51 is lower than the predetermined temperature, the solenoid valve 24 is opened so that the temperature of the turbine housing 2 is sufficiently lower than the temperature of the turbine wheel 51 (as described later, the turbine housing 2 The cooling capacity for the turbine housing 2 is increased so that the temperature of the turbine housing 51 does not exceed half the temperature of the turbine wheel 51.

このようにしてタービンハウジング2に対する冷却能力を調整することにより、タービンハウジング2の構成材料であるアルミニウム合金の膨張係数とタービンホイール51の構成材料である鋼の膨張係数との比が「N:1」であるときに、タービンハウジング2の温度とタービンホイール51の温度との比が上記膨張係数同士の比の略逆比「1:N」となるようにしている。つまり、タービンハウジング2の温度がタービンホイール51の温度の「1/N」となるように冷却水によってタービンハウジング2を冷却する。   By adjusting the cooling capacity for the turbine housing 2 in this manner, the ratio between the expansion coefficient of the aluminum alloy that is the constituent material of the turbine housing 2 and the expansion coefficient of the steel that is the constituent material of the turbine wheel 51 is “N: 1. ”, The ratio of the temperature of the turbine housing 2 and the temperature of the turbine wheel 51 is set to be substantially the reverse ratio“ 1: N ”of the ratio of the expansion coefficients. That is, the turbine housing 2 is cooled by the cooling water so that the temperature of the turbine housing 2 becomes “1 / N” of the temperature of the turbine wheel 51.

より具体的には、例えばタービンハウジング2の構成材料であるアルミニウム合金の線膨張係数が20×10-6程度であり、タービンホイール51の構成材料である鋼の膨張係数が10×10-6程度である場合、アルミニウム合金の膨張係数と鋼の膨張係数との比は「2:1」である。このときに、タービンホイール51の温度が排気ガス温度に近い値である600℃となっている場合には、タービンハウジング2の温度がタービンホイール51の温度の1/2、つまり、300℃となるように電磁弁24の開閉制御によってタービンハウジング2に対する冷却能力を変更していくようにしている。これら値はこれに限るものではなく任意に設定可能である。 More specifically, for example, the linear expansion coefficient of an aluminum alloy that is a constituent material of the turbine housing 2 is about 20 × 10 −6 , and the expansion coefficient of steel that is a constituent material of the turbine wheel 51 is about 10 × 10 −6. In this case, the ratio between the expansion coefficient of the aluminum alloy and the expansion coefficient of the steel is “2: 1”. At this time, when the temperature of the turbine wheel 51 is 600 ° C., which is a value close to the exhaust gas temperature, the temperature of the turbine housing 2 is ½ of the temperature of the turbine wheel 51, that is, 300 ° C. Thus, the cooling capacity for the turbine housing 2 is changed by opening / closing control of the electromagnetic valve 24. These values are not limited to this, and can be set arbitrarily.

言い換えると、タービンハウジング2の構成材料の膨張係数とタービンホイール51の構成材料の膨張係数との比に対して逆比の関係になるようにタービンハウジング2の温度とタービンホイール51の温度との比が調整されるよう、タービンハウジング2の構成材料であるアルミニウム合金の膨張係数、タービンホイール51の構成材料である鋼の膨張係数、電磁弁24の開閉動作を切り換えるためのタービンホイール推定温度(閾値)を適切に設定するようにしている。   In other words, the ratio between the temperature of the turbine housing 2 and the temperature of the turbine wheel 51 so as to have an inverse relationship with respect to the ratio between the expansion coefficient of the constituent material of the turbine housing 2 and the expansion coefficient of the constituent material of the turbine wheel 51. Is adjusted so that the expansion coefficient of the aluminum alloy that is the constituent material of the turbine housing 2, the expansion coefficient of the steel that is the constituent material of the turbine wheel 51, and the opening / closing operation of the electromagnetic valve 24 are switched. Is set appropriately.

以下、具体的な冷却水循環動作について説明する。図2に破線の矢印で示すように、ウォータポンプ63、ウォータジャケット64、取り出し管H2の順で冷却水が流れる。そして、この取り出し管H2によりエンジン本体Eから取り出された冷却水は、導入配管H3とアッパホースH4とに分流される。上記推定されたタービンホイール51の温度が比較的低く、電磁弁24が開放状態にある時には、上記導入配管H3に分流された冷却水は、ターボチャージャ1のハウジング内冷却水通路23に導入され、タービンハウジング2を冷却した後に導出配管H6を経てウォータポンプ63に吸入される。また、アッパホースH4に分流された冷却水は、ラジエータ61に戻される。   Hereinafter, a specific cooling water circulation operation will be described. As indicated by the dashed arrows in FIG. 2, the cooling water flows in the order of the water pump 63, the water jacket 64, and the take-out pipe H2. And the cooling water taken out from the engine main body E by this taking-out pipe H2 is divided into the introduction piping H3 and the upper hose H4. When the estimated temperature of the turbine wheel 51 is relatively low and the solenoid valve 24 is in an open state, the cooling water divided into the introduction pipe H3 is introduced into the in-housing cooling water passage 23 of the turbocharger 1, After the turbine housing 2 is cooled, it is sucked into the water pump 63 through the outlet pipe H6. Further, the cooling water divided into the upper hose H4 is returned to the radiator 61.

一方、上記推定されたタービンホイール51の温度が比較的高く、電磁弁24が閉鎖状態にある時には、上記導入配管H3に冷却水が導入されることはなく、タービンハウジング2の冷却は行われない。このため、取り出し管H2を流れてきた冷却水の全てがアッパホースH4を経てラジエータ61に戻される。   On the other hand, when the estimated temperature of the turbine wheel 51 is relatively high and the solenoid valve 24 is in a closed state, cooling water is not introduced into the introduction pipe H3, and the turbine housing 2 is not cooled. . For this reason, all the cooling water flowing through the take-out pipe H2 is returned to the radiator 61 through the upper hose H4.

以上の冷却水循環動作により、冷却水の熱をラジエータ61によって大気に放出して冷却水を冷却し、エンジン本体Eを適温に維持すると共に、タービンホイール51の温度が所定温度未満であって電磁弁24が開放状態にある場合にはタービンハウジング2に対する冷却動作が行われる。   By the above cooling water circulation operation, the heat of the cooling water is discharged to the atmosphere by the radiator 61 to cool the cooling water, the engine body E is maintained at an appropriate temperature, and the temperature of the turbine wheel 51 is less than a predetermined temperature so that the solenoid valve When 24 is in an open state, a cooling operation for the turbine housing 2 is performed.

このように、タービンホイール51の温度に応じてタービンハウジング2に対する冷却能力を調整し、タービンハウジング2の構成材料(アルミニウム合金)の膨張係数とタービンホイール51の構成材料(鋼)の膨張係数との比が「N:1」であるときに、タービンハウジング2の温度とタービンホイール51の温度との比が上記膨張係数同士の比の略逆比「1:N」となるようにしている。このため、熱によるタービンハウジング2の膨張量とタービンホイール51の膨張量とが略一致することになり、これら両者間のチップクリアランスが変動することがなくなる。つまり、タービンホイール51の膨張による外径寸法(タービンブレード51aの外径寸法)の増大分だけタービンハウジング2の内径寸法も増大することになり、この両者間のチップクリアランスが所定寸法に維持される。このため、予めチップクリアランスを非常に小さい値(例えば0.5mm)に設定しておいた場合であってもその値は継続的に維持されることになり、高いターボ効率を継続的に確保することができる。   In this way, the cooling capacity for the turbine housing 2 is adjusted according to the temperature of the turbine wheel 51, and the expansion coefficient of the constituent material (aluminum alloy) of the turbine housing 2 and the expansion coefficient of the constituent material (steel) of the turbine wheel 51 are When the ratio is “N: 1”, the ratio between the temperature of the turbine housing 2 and the temperature of the turbine wheel 51 is set to be substantially the reverse ratio “1: N” of the ratio between the expansion coefficients. For this reason, the expansion amount of the turbine housing 2 due to heat and the expansion amount of the turbine wheel 51 substantially coincide with each other, and the tip clearance between them does not fluctuate. That is, the inner diameter dimension of the turbine housing 2 is increased by the increase in the outer diameter dimension (the outer diameter dimension of the turbine blade 51a) due to the expansion of the turbine wheel 51, and the tip clearance between the two is maintained at a predetermined dimension. . For this reason, even if the tip clearance is set to a very small value (for example, 0.5 mm) in advance, the value is continuously maintained, and high turbo efficiency is continuously secured. be able to.

尚、上述した実施形態における電磁弁24の開閉制御では、タービンホイール51の推定温度が所定温度以上であるか否かによって電磁弁24の開閉を切り換えるようにしていた。これによれば、特にタービンハウジング2の温度を認識しておくことなしに、タービンハウジング2の構成材料の膨張係数とタービンホイール51の構成材料の膨張係数との比に対して略逆比の関係になるようにタービンハウジング2の温度とタービンホイール51の温度との比を調整することが可能である。   In the opening / closing control of the electromagnetic valve 24 in the above-described embodiment, the opening / closing of the electromagnetic valve 24 is switched depending on whether or not the estimated temperature of the turbine wheel 51 is equal to or higher than a predetermined temperature. According to this, the relationship between the expansion coefficient of the constituent material of the turbine housing 2 and the expansion coefficient of the constituent material of the turbine wheel 51 is substantially opposite without particularly recognizing the temperature of the turbine housing 2. It is possible to adjust the ratio of the temperature of the turbine housing 2 and the temperature of the turbine wheel 51 so that

これに対し、より高い精度でタービンハウジング2の冷却動作を行うためには、タービンハウジング2の温度を検知するためのハウジング温度センサを備えさせ、タービンホイール51の推定温度とハウジング温度センサにより検知されたタービンハウジング2の温度とを比較し、タービンホイール51の推定温度に対してタービンハウジング2の温度が「1/2」(タービンハウジング2の構成材料の膨張係数とタービンホイール51の構成材料の膨張係数との比が「2:1」の場合)となるように電磁弁24の開閉制御を行うようにすることが好ましい。   On the other hand, in order to perform the cooling operation of the turbine housing 2 with higher accuracy, a housing temperature sensor for detecting the temperature of the turbine housing 2 is provided, which is detected by the estimated temperature of the turbine wheel 51 and the housing temperature sensor. The temperature of the turbine housing 2 is compared with the estimated temperature of the turbine wheel 51, and the temperature of the turbine housing 2 is “½” (the expansion coefficient of the constituent material of the turbine housing 2 and the expansion of the constituent material of the turbine wheel 51). It is preferable to perform the opening / closing control of the solenoid valve 24 so that the ratio to the coefficient is “2: 1”.

(第2実施形態)
次に、第2実施形態について説明する。本実施形態におけるターボチャージャ1の構成は上述した第1実施形態におけるターボチャージャ1と同一である。従って、ここでは、ターボチャージャ1の構成についての説明は省略し、冷却水循環経路、冷却水循環動作及びタービンハウジング2の冷却動作についてのみ説明する。また、本実施形態に係る冷却水循環経路の概略を示す図3にあっては、上述した第1実施形態のものと同一の部材については同一の符号を付している。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment will be described. The configuration of the turbocharger 1 in the present embodiment is the same as that of the turbocharger 1 in the first embodiment described above. Accordingly, the description of the configuration of the turbocharger 1 is omitted here, and only the cooling water circulation path, the cooling water circulation operation, and the cooling operation of the turbine housing 2 will be described. Moreover, in FIG. 3 which shows the outline of the cooling water circulation path | route which concerns on this embodiment, the same code | symbol is attached | subjected about the member same as the thing of 1st Embodiment mentioned above.

−冷却水循環経路の説明−
以下、本実施形態に係るエンジンの冷却水循環経路について説明する。図3は、本実施形態に係る冷却水循環経路の概略を示す回路図である。この図3に示すように、冷却水循環経路には、上述した第1実施形態のものと同様にラジエータ61、サーモスタット62、ウォータポンプ63、ターボチャージャ1、これら各機器61,62,63,1及びエンジン本体Eに形成されたウォータジャケット64を接続する配管及びホースH1,H2,H4,H5が備えられている。
-Explanation of cooling water circulation path-
Hereinafter, the cooling water circulation path of the engine according to the present embodiment will be described. FIG. 3 is a circuit diagram showing an outline of a cooling water circulation path according to the present embodiment. As shown in FIG. 3, the cooling water circulation path includes a radiator 61, a thermostat 62, a water pump 63, a turbocharger 1, and each of these devices 61, 62, 63, 1 and the like as in the first embodiment. Pipes and hoses H1, H2, H4, and H5 for connecting a water jacket 64 formed on the engine body E are provided.

本実施形態に係る冷却水循環経路の上記第1実施形態との相違点は、ターボチャージャ1のタービンハウジング2を冷却するための冷却水経路にある。つまり、本実施形態では、ターボチャージャ1のタービンハウジング2を冷却するための専用の冷却水経路が備えられている。この冷却水経路としては、上流端がロアホースH1に接続し、下流端がターボチャージャ1のハウジング内冷却水通路23に接続する導入配管H7と、上流端がターボチャージャ1のハウジング内冷却水通路23に接続し、下流端がアッパホースH4に接続する導出配管H8とを備えている。そして、上記導入配管H7にはハウジング冷却用ポンプ25が備えられている。つまり、このハウジング冷却用ポンプ25の駆動に伴って、ラジエータ61のロアタンク61aから取り出された冷却水がロアホースH1及び導入配管H7を経てターボチャージャ1のハウジング内冷却水通路23に導入され、タービンハウジング2を冷却した後に、導出配管H8及びアッパホースH4を経てラジエータ61のアッパタンク61bに戻されるようになっている。即ち、ハウジング冷却用ポンプ25が駆動している場合にのみタービンハウジング2が冷却されるようになっている。このハウジング冷却用ポンプ25の制御については後述する。   The difference of the cooling water circulation path according to the present embodiment from the first embodiment is in the cooling water path for cooling the turbine housing 2 of the turbocharger 1. That is, in the present embodiment, a dedicated cooling water path for cooling the turbine housing 2 of the turbocharger 1 is provided. As this cooling water path, the upstream end is connected to the lower hose H1, the downstream end is connected to the in-housing cooling water passage 23 of the turbocharger 1, and the upstream end is the in-housing cooling water passage 23 of the turbocharger 1. , And a downstream end is provided with a lead-out pipe H8 connected to the upper hose H4. The introduction pipe H7 is provided with a housing cooling pump 25. In other words, as the housing cooling pump 25 is driven, the cooling water taken out from the lower tank 61a of the radiator 61 is introduced into the in-housing cooling water passage 23 of the turbocharger 1 via the lower hose H1 and the introduction pipe H7, and the turbine housing. 2 is cooled and then returned to the upper tank 61b of the radiator 61 through the outlet pipe H8 and the upper hose H4. That is, the turbine housing 2 is cooled only when the housing cooling pump 25 is driven. The control of the housing cooling pump 25 will be described later.

その他の冷却水循環経路の構成は上述した第1実施形態のものと同様である。   Other configurations of the cooling water circulation path are the same as those of the first embodiment described above.

−冷却水循環動作及びタービンハウジング2の冷却動作−
次に、本実施形態における冷却水循環動作について説明する。
-Cooling water circulation operation and turbine housing 2 cooling operation-
Next, the cooling water circulation operation in this embodiment will be described.

先ず、エンジンの冷間始動時における冷却水循環動作について説明する。この冷間始動時には、サーモスタット62が閉鎖状態となっていると共に上記ハウジング冷却用ポンプ25が駆動される。そして、冷却水循環動作としては、図3に実線の矢印で示すように、ウォータポンプ63、ウォータジャケット64、取り出し管H2、冷間時バイパスホースH5、ウォータポンプ63の順で冷却水が流れる循環動作が行われる。また、ハウジング冷却用ポンプ25の駆動に伴い、ラジエータ61のロアタンク61aから取り出された冷却水がロアホースH1及び導入配管H7を経てターボチャージャ1のハウジング内冷却水通路23に導入され、タービンハウジング2を冷却した後に、導出配管H8及びアッパホースH4を経てラジエータ61のアッパタンク61bに戻される。   First, the cooling water circulation operation at the time of cold start of the engine will be described. During this cold start, the thermostat 62 is closed and the housing cooling pump 25 is driven. As the cooling water circulation operation, as shown by the solid line arrow in FIG. 3, the circulation operation in which the cooling water flows in the order of the water pump 63, the water jacket 64, the take-out pipe H 2, the cold bypass hose H 5, and the water pump 63. Is done. As the housing cooling pump 25 is driven, the cooling water taken out from the lower tank 61a of the radiator 61 is introduced into the in-housing cooling water passage 23 of the turbocharger 1 through the lower hose H1 and the introduction pipe H7. After cooling, it is returned to the upper tank 61b of the radiator 61 through the outlet pipe H8 and the upper hose H4.

本実施形態においても、タービンハウジング2はアルミニウム合金により成形されており、タービンハウジング2全体としての熱容量が小さくなっている。このため、上記冷間始動時において、排気ガス中の熱のうちタービンハウジング2により奪われる熱量は少なく、その結果、触媒コンバータに比較的高温度の排気ガスを通過させることができ、エンジン始動後、短時間のうちに触媒コンバータの触媒温度を活性温度まで上昇させることができて、触媒の早期活性化を実現することができる。   Also in the present embodiment, the turbine housing 2 is formed of an aluminum alloy, and the heat capacity of the turbine housing 2 as a whole is small. For this reason, at the time of the cold start, the amount of heat taken away by the turbine housing 2 out of the heat in the exhaust gas is small, and as a result, a relatively high temperature exhaust gas can be passed through the catalytic converter. The catalyst temperature of the catalytic converter can be raised to the activation temperature within a short time, and the early activation of the catalyst can be realized.

また、このような冷却水循環動作によれば、ターボチャージャ1の内部で冷却水と排気ガスとの熱交換(タービンハウジング2と冷却水との間での熱交換)が行われることになるため、冷却水はエンジン本体Eから受ける熱ばかりでなく排気ガスの熱も受けることで急速な温度上昇が可能になる。このため、エンジンの暖機運転を早期に完了させることができ、また、エンジンオイルの温度上昇も迅速に行われるためエンジン始動後のオイルによるフリクション低減効果を早期に得ることができエンジンの燃費改善に寄与することができる。   Further, according to such a cooling water circulation operation, heat exchange between the cooling water and the exhaust gas (heat exchange between the turbine housing 2 and the cooling water) is performed inside the turbocharger 1. The cooling water receives not only the heat received from the engine body E but also the heat of the exhaust gas, so that the temperature can be rapidly increased. Therefore, warm-up operation of the engine can be completed at an early stage, and the temperature of the engine oil rises quickly, so that the effect of reducing friction due to oil after the engine is started can be obtained early and the fuel efficiency of the engine can be improved. Can contribute.

次に、エンジンの暖機運転完了後の冷却水循環動作について説明する。この場合、サーモスタット62が開放状態となると共に上記ハウジング冷却用ポンプ25の駆動状態(ポンプからの冷却水の吐出量)が制御される。   Next, the cooling water circulation operation after the engine warm-up operation is completed will be described. In this case, the thermostat 62 is opened and the driving state of the housing cooling pump 25 (the amount of cooling water discharged from the pump) is controlled.

このハウジング冷却用ポンプ25の制御動作について説明する。エンジンコントローラ内のROMには、エンジン回転数、エンジン負荷、冷却水温度に基づいてタービンホイール51の温度を推定するホイール温度推定マップが記憶されており、このホイール温度推定マップからタービンホイール51の推定温度を読み出す(本発明でいうホイール温度推定手段によるタービンホイール温度の推定動作)。そして、このタービンホイール51の温度が高いほどハウジング冷却用ポンプ25からの冷却水の吐出量が少なくなるようにポンプ回転数を制御してタービンハウジング2に対する冷却能力を低くし、タービンホイール51の温度上昇に迅速に追従するように(上述した如くタービンハウジング2の温度がタービンホイール51の温度の1/2の値を下回らないように)タービンハウジング2の温度上昇を許容する。一方、タービンホイール51の温度が低いほどハウジング冷却用ポンプ25からの冷却水の吐出量が多くなるようにポンプ回転数を制御して、タービンホイール51の温度よりもタービンハウジング2の温度が十分に下回るように(上述した如くタービンハウジング2の温度がタービンホイール51の温度の1/2の値を上回らないように)タービンハウジング2に対する冷却能力を高くする。   The control operation of the housing cooling pump 25 will be described. The ROM in the engine controller stores a wheel temperature estimation map for estimating the temperature of the turbine wheel 51 on the basis of the engine speed, the engine load, and the coolant temperature, and the estimation of the turbine wheel 51 from the wheel temperature estimation map. The temperature is read out (turbine wheel temperature estimation operation by the wheel temperature estimation means in the present invention). Then, the higher the temperature of the turbine wheel 51, the lower the cooling capacity for the turbine housing 2 by controlling the pump rotation speed so that the amount of cooling water discharged from the housing cooling pump 25 is reduced. The temperature of the turbine housing 2 is allowed to rise so as to quickly follow the rise (as described above, so that the temperature of the turbine housing 2 does not fall below a half value of the temperature of the turbine wheel 51). On the other hand, the temperature of the turbine housing 2 is sufficiently higher than the temperature of the turbine wheel 51 by controlling the pump rotation speed so that the cooling water discharge amount from the housing cooling pump 25 increases as the temperature of the turbine wheel 51 decreases. The cooling capacity for the turbine housing 2 is increased so as to be lower (so that the temperature of the turbine housing 2 does not exceed half the temperature of the turbine wheel 51 as described above).

このようにしてタービンハウジング2に対する冷却能力を調整することにより、タービンハウジング2の構成材料であるアルミニウム合金の膨張係数とタービンホイール51の構成材料である鋼の膨張係数との比が「N:1」であるときに、タービンハウジング2の温度とタービンホイール51の温度との比が上記膨張係数同士の比の略逆比「1:N」となるようにしている。つまり、タービンハウジング2の温度がタービンホイール51の温度の「1/N」となるように冷却水によってタービンハウジング2を冷却する。   By adjusting the cooling capacity for the turbine housing 2 in this manner, the ratio between the expansion coefficient of the aluminum alloy that is the constituent material of the turbine housing 2 and the expansion coefficient of the steel that is the constituent material of the turbine wheel 51 is “N: 1. ”, The ratio of the temperature of the turbine housing 2 and the temperature of the turbine wheel 51 is set to be substantially the reverse ratio“ 1: N ”of the ratio of the expansion coefficients. That is, the turbine housing 2 is cooled by the cooling water so that the temperature of the turbine housing 2 becomes “1 / N” of the temperature of the turbine wheel 51.

より具体的な数値としては上述した第1実施形態の場合と同様であるので、ここでの説明は省略する。   More specific numerical values are the same as those in the case of the first embodiment described above, and a description thereof will be omitted here.

以下、具体的な冷却水循環動作について説明する。図3に破線の矢印で示すように、ラジエータ61、ロアホースH1、サーモスタット62、ウォータポンプ63、ウォータジャケット64、取り出し管H2、アッパホースH4、ラジエータ61の順で冷却水が流れる。これにより、冷却水の熱をラジエータ61によって大気に放出して冷却水を冷却し、エンジン本体Eを適温に維持することになる。   Hereinafter, a specific cooling water circulation operation will be described. As indicated by broken arrows in FIG. 3, the cooling water flows in the order of the radiator 61, the lower hose H 1, the thermostat 62, the water pump 63, the water jacket 64, the take-out pipe H 2, the upper hose H 4, and the radiator 61. Thereby, the heat of the cooling water is released to the atmosphere by the radiator 61 to cool the cooling water, and the engine body E is maintained at an appropriate temperature.

そして、上記推定されたタービンホイール51の温度が比較的低く、ハウジング冷却用ポンプ25からの冷却水の吐出量が多くなるように制御されている時には、ラジエータ61のロアタンク61aから取り出された冷却水がロアホースH1及び導入配管H7を経てターボチャージャ1のハウジング内冷却水通路23に比較的高い流速で導入され、タービンハウジング2を高い冷却能力で冷却した後に、導出配管H8及びアッパホースH4を経てラジエータ61のアッパタンク61bに戻される。一方、上記推定されたタービンホイール51の温度が比較的高く、ハウジング冷却用ポンプ25からの冷却水の吐出量が少なくなるように制御されている時やハウジング冷却用ポンプ25が停止されている時には、上記導入配管H7における冷却水の流量は僅かまたは「0」となっており、タービンハウジング2の冷却能力は低くなる。   When the estimated temperature of the turbine wheel 51 is relatively low and the discharge amount of the cooling water from the housing cooling pump 25 is controlled to be increased, the cooling water taken out from the lower tank 61a of the radiator 61 is cooled. Is introduced into the in-housing cooling water passage 23 of the turbocharger 1 through the lower hose H1 and the inlet pipe H7, and after cooling the turbine housing 2 with a high cooling capacity, the radiator 61 passes through the outlet pipe H8 and the upper hose H4. Is returned to the upper tank 61b. On the other hand, when the estimated temperature of the turbine wheel 51 is relatively high and the discharge amount of the cooling water from the housing cooling pump 25 is controlled to be small, or when the housing cooling pump 25 is stopped. The flow rate of the cooling water in the introduction pipe H7 is slight or “0”, and the cooling capacity of the turbine housing 2 is lowered.

このように、本実施形態においてもタービンホイール51の温度に応じてタービンハウジング2に対する冷却能力を調整し、タービンハウジング2の構成材料(アルミニウム合金)の膨張係数とタービンホイール51の構成材料(鋼)の膨張係数との比が「N:1」であるときに、タービンハウジング2の温度とタービンホイール51の温度との比が上記膨張係数同士の比の略逆比「1:N」となるようにしている。このため、熱によるタービンハウジング2の膨張量とタービンホイール51の膨張量とが略一致することになり、これら両者間のチップクリアランスが変動することがなくなる。つまり、タービンホイール51の膨張による外径寸法(タービンブレード51aの外径寸法)の増大分だけタービンハウジング2の内径寸法も増大することになり、この両者間のチップクリアランスが所定寸法に維持される。その結果、予めチップクリアランスを非常に小さい値(例えば0.5mm)に設定しておいた場合であってもその値は継続的に維持されることになり、高いターボ効率を継続的に確保することができる。   Thus, also in this embodiment, the cooling capacity with respect to the turbine housing 2 is adjusted according to the temperature of the turbine wheel 51, the expansion coefficient of the constituent material (aluminum alloy) of the turbine housing 2, and the constituent material (steel) of the turbine wheel 51. So that the ratio of the temperature of the turbine housing 2 and the temperature of the turbine wheel 51 is substantially the reverse ratio “1: N” of the ratio of the expansion coefficients. I have to. For this reason, the expansion amount of the turbine housing 2 due to heat and the expansion amount of the turbine wheel 51 substantially coincide with each other, and the tip clearance between them does not fluctuate. That is, the inner diameter dimension of the turbine housing 2 is increased by the increase in the outer diameter dimension (the outer diameter dimension of the turbine blade 51a) due to the expansion of the turbine wheel 51, and the tip clearance between the two is maintained at a predetermined dimension. . As a result, even if the tip clearance is set to a very small value (for example, 0.5 mm) in advance, the value is continuously maintained, and high turbo efficiency is continuously secured. be able to.

尚、本実施形態の冷却水循環経路においても、上述した如く、タービンハウジング2の温度を検知するためのハウジング温度センサを備えさせ、このセンシング値に基づいてハウジング冷却用ポンプ25の回転数を制御するようにしてもよい。つまり、タービンホイール51の推定温度とハウジング温度センサにより検知されたタービンハウジング2の温度とを比較し、タービンホイール51の推定温度に対してタービンハウジング2の温度が「1/2」(タービンハウジング2の構成材料の膨張係数とタービンホイール51の構成材料の膨張係数との比が「2:1」の場合)となるようにハウジング冷却用ポンプ25の回転数制御を行うようにしたものである。   The cooling water circulation path of the present embodiment also includes a housing temperature sensor for detecting the temperature of the turbine housing 2 as described above, and controls the rotational speed of the housing cooling pump 25 based on this sensing value. You may do it. That is, the estimated temperature of the turbine wheel 51 is compared with the temperature of the turbine housing 2 detected by the housing temperature sensor, and the temperature of the turbine housing 2 is “½” with respect to the estimated temperature of the turbine wheel 51 (turbine housing 2 The number of revolutions of the housing cooling pump 25 is controlled so that the ratio of the expansion coefficient of the constituent material of the above and the expansion coefficient of the constituent material of the turbine wheel 51 is “2: 1”.

(変形例1)
次に、上述した第1実施形態に係る冷却水循環経路の変形例1について説明する。ここでは、上記第1実施形態との相違点についてのみ説明する。
(Modification 1)
Next, Modification 1 of the cooling water circulation path according to the first embodiment described above will be described. Here, only differences from the first embodiment will be described.

図4は、本例に係る冷却水循環経路の概略を示す回路図である。この図4に示すように、本例の冷却水循環経路では、上述した第1実施形態の冷却水循環経路に加えて、ターボチャージャ1のハウジング内冷却水通路23の冷却水排出側の配管である導出配管H6にリザーバタンク26が備えられている。このリザーバタンク26はターボチャージャ1の配設位置よりも下側に配設されている。また、上記ハウジング内冷却水通路23から延びる導出配管H6aはリザーバタンク26の上部に接続され、ウォータポンプ63の吸入側に向けて延びる導出配管H6bはリザーバタンク26の下部に接続されている。   FIG. 4 is a circuit diagram showing an outline of a cooling water circulation path according to this example. As shown in FIG. 4, in the cooling water circulation path of the present example, in addition to the cooling water circulation path of the first embodiment described above, a lead-out that is a piping on the cooling water discharge side of the in-housing cooling water passage 23 of the turbocharger 1. A reservoir tank 26 is provided in the pipe H6. The reservoir tank 26 is disposed below the position where the turbocharger 1 is disposed. The outlet pipe H6a extending from the in-housing cooling water passage 23 is connected to the upper part of the reservoir tank 26, and the outlet pipe H6b extending toward the suction side of the water pump 63 is connected to the lower part of the reservoir tank 26.

このため、上記第1実施形態で説明したような冷却水の循環動作が行われた後に、エンジンが停止してウォータポンプ63も停止した場合には、ハウジング内冷却水通路23内の冷却水が導出配管H6aを経てリザーバタンク26内に回収され、これにより、ハウジング内冷却水通路23内には冷却水が存在しない状態となる。つまり、冷却水循環動作の終了後には、ターボチャージャ1から冷却水を抜き取る構成となっている。   Therefore, after the cooling water circulation operation as described in the first embodiment is performed, when the engine stops and the water pump 63 also stops, the cooling water in the in-housing cooling water passage 23 It is collected in the reservoir tank 26 via the lead-out pipe H6a, so that no cooling water exists in the in-housing cooling water passage 23. That is, the cooling water is extracted from the turbocharger 1 after the cooling water circulation operation is completed.

このため、次回のエンジン始動時においてもハウジング内冷却水通路23内には冷却水が存在しない状態となっており、タービンハウジング2内を流れる排気ガス中の熱がハウジング内冷却水通路23内に存在する冷却水によって奪われるといったことがない。このため、上記タービンハウジング2をアルミニウム合金により成形したこととの相乗効果により、触媒コンバータに比較的高温度の排気ガスを通過させることができ、エンジン始動後、短時間のうちに触媒コンバータの触媒温度を活性温度まで上昇させることができて、触媒の早期活性化を実現することができる。   Therefore, even when the engine is next started, there is no cooling water in the in-housing cooling water passage 23, and the heat in the exhaust gas flowing in the turbine housing 2 is transferred into the in-housing cooling water passage 23. It is never taken away by existing cooling water. For this reason, a synergistic effect with the formation of the turbine housing 2 made of an aluminum alloy allows the exhaust gas having a relatively high temperature to pass through the catalytic converter. The temperature can be raised to the activation temperature, and early activation of the catalyst can be realized.

尚、このようにターボチャージャ1の下側にリザーバタンク26を配設して、冷却水循環動作の終了後にターボチャージャ1から冷却水を抜き取る構成は、上記第2実施形態における冷却水循環経路に対しても適用可能である。   The configuration in which the reservoir tank 26 is disposed below the turbocharger 1 and the cooling water is extracted from the turbocharger 1 after the cooling water circulation operation is completed is compared with the cooling water circulation path in the second embodiment. Is also applicable.

(変形例2)
次に、ターボチャージャ1の配設状態の変形例について説明する。ここでも、上記第1実施形態との相違点についてのみ説明する。
(Modification 2)
Next, a modified example of the arrangement state of the turbocharger 1 will be described. Here, only differences from the first embodiment will be described.

図5は、本例に係るターボチャージャ1及びその周辺部分の縦断面図である。この図5にあっては、上述した第1実施形態のものと同一の部材については同一の符号を付している。   FIG. 5 is a longitudinal sectional view of the turbocharger 1 and its peripheral portion according to this example. In FIG. 5, the same members as those in the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals.

この図5に示すように、本例では、タービンハウジング2がシリンダヘッド7の内部に一体的に成形されている。つまり、シリンダヘッド7の排気ポート71に連続して上記スクロール室21となる空間を形成し、これによってシリンダヘッド7とタービンハウジング2とを一体化させた構成となっている。その他の構成は上記第1実施形態で説明したターボチャージャ1と同様である。   As shown in FIG. 5, in this example, the turbine housing 2 is integrally formed inside the cylinder head 7. That is, the space which becomes the scroll chamber 21 is formed continuously to the exhaust port 71 of the cylinder head 7, thereby the cylinder head 7 and the turbine housing 2 are integrated. Other configurations are the same as those of the turbocharger 1 described in the first embodiment.

本例の構成によれば、シリンダヘッド7内部にタービンハウジング2が配設されることになるため、エンジンの小型軽量化を図ることができる。   According to the configuration of this example, the turbine housing 2 is disposed inside the cylinder head 7, so that the engine can be reduced in size and weight.

−その他の実施形態−
以上説明した各実施形態及び変形例では、自動車用ディーゼルエンジンに搭載されたターボチャージャ1に本発明を適用した場合について説明した。本発明はこれに限らず、ガソリンエンジン等の他の内燃機関にも適用可能である。また、本発明が適用可能なエンジンは、自動車用のエンジンに限るものでもない。
-Other embodiments-
In each of the embodiments and modifications described above, the case where the present invention is applied to the turbocharger 1 mounted on the automobile diesel engine has been described. The present invention is not limited to this and can be applied to other internal combustion engines such as a gasoline engine. The engine to which the present invention is applicable is not limited to an automobile engine.

また、上記第1実施形態では電磁弁24の開閉動作により、第2実施形態ではハウジング冷却用ポンプ25の吐出量制御によりそれぞれタービンハウジング2に対する冷却能力を調整するようにしたが、ハウジング内冷却水通路23に導入する冷却水の温度を制御することによりタービンハウジング2に対する冷却能力を調整するようにしてもよい。具体的には、ラジエータ61のロアタンク61aから導出された比較的温度の低い冷却水とエンジン本体Eのウォータジャケット64から導出された比較的温度の高い冷却水との混合割合を調整することで所望の温度の冷却水を生成し、この冷却水をハウジング内冷却水通路23に導入することでタービンハウジング2に対する冷却能力を調整するものである。   In the first embodiment, the cooling capacity of the turbine housing 2 is adjusted by the opening / closing operation of the electromagnetic valve 24 and in the second embodiment by the discharge amount control of the housing cooling pump 25. The cooling capacity for the turbine housing 2 may be adjusted by controlling the temperature of the cooling water introduced into the passage 23. Specifically, it is desired to adjust the mixing ratio of the relatively low temperature cooling water derived from the lower tank 61a of the radiator 61 and the relatively high temperature cooling water derived from the water jacket 64 of the engine body E. The cooling water of the temperature is generated, and this cooling water is introduced into the in-housing cooling water passage 23 to adjust the cooling capacity for the turbine housing 2.

また、タービンハウジング2を冷却するための冷却媒体としては、エンジン冷却水に限定されるものではなく、エンジンオイルや燃料等を利用することも可能である。   Further, the cooling medium for cooling the turbine housing 2 is not limited to engine cooling water, and engine oil, fuel, and the like can be used.

更に、上述した各実施形態及び変形例では、エンジン回転数、エンジン負荷、冷却水温度に基づいてタービンホイール51の温度を推定し、この推定値に基づいて電磁弁24の開閉制御やハウジング冷却用ポンプ25の回転数制御を行うようにしていた。本発明はこれに限らず、タービンホイール51の温度は排気ガスの温度に略近似していると仮定して、この排気ガスの温度のみに基づいて電磁弁24の開閉制御やハウジング冷却用ポンプ25の回転数制御を行うようにしてもよい。   Further, in each of the above-described embodiments and modifications, the temperature of the turbine wheel 51 is estimated based on the engine speed, the engine load, and the cooling water temperature, and on the basis of the estimated value, the opening / closing control of the electromagnetic valve 24 and the housing cooling are performed. The rotational speed of the pump 25 was controlled. The present invention is not limited to this. Assuming that the temperature of the turbine wheel 51 is approximately approximate to the temperature of the exhaust gas, the opening / closing control of the electromagnetic valve 24 and the housing cooling pump 25 are based only on the temperature of the exhaust gas. The rotational speed control may be performed.

実施形態に係るターボチャージャの縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of the turbocharger which concerns on embodiment. 第1実施形態に係る冷却水循環経路の概略を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the outline of the cooling water circulation path | route which concerns on 1st Embodiment. 第2実施形態に係る冷却水循環経路の概略を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the outline of the cooling water circulation path | route which concerns on 2nd Embodiment. 変形例1に係る冷却水循環経路の概略を示す回路図である。FIG. 6 is a circuit diagram illustrating an outline of a cooling water circulation path according to Modification 1; 変形例2に係るターボチャージャ及びその周辺部分の縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of the turbocharger which concerns on the modification 2, and its peripheral part.

符号の説明Explanation of symbols

1 ターボチャージャ(過給機)
2 タービンハウジング
23 ハウジング内冷却水通路(冷却手段)
24 電磁弁(冷却媒体調整手段)
25 ハウジング冷却用ポンプ(冷却媒体調整手段)
51 タービンホイール
52 コンプレッサホイール
1 Turbocharger (supercharger)
2 Turbine housing 23 Cooling water passage in housing (cooling means)
24 Solenoid valve (cooling medium adjusting means)
25 Housing cooling pump (cooling medium adjusting means)
51 Turbine wheel 52 Compressor wheel

Claims (5)

タービンハウジング内に収容されたタービンホイールが排気ガスの流体エネルギを受けて回転し、その回転力をコンプレッサホイールに伝達することにより吸入空気を過給する内燃機関の過給機システムにおいて、
上記タービンハウジングの構成材料はアルミニウム合金である一方、タービンホイールの構成材料は鋼であって、
上記タービンハウジングの構成材料の膨張係数とタービンホイールの構成材料の膨張係数との比が「N:1」であるときに、タービンハウジングの温度とタービンホイールの温度との比が上記膨張係数同士の比の略逆比となるようにタービンハウジングを冷却媒体により冷却する冷却手段を備えていることを特徴とする内燃機関の過給機システム。
In a supercharger system for an internal combustion engine in which a turbine wheel accommodated in a turbine housing rotates by receiving fluid energy of exhaust gas and supercharges intake air by transmitting the rotational force to a compressor wheel.
The constituent material of the turbine housing is an aluminum alloy, while the constituent material of the turbine wheel is steel,
When the ratio of the coefficient of expansion of the constituent material of the turbine housing to the coefficient of expansion of the constituent material of the turbine wheel is “N: 1”, the ratio of the temperature of the turbine housing and the temperature of the turbine wheel A supercharger system for an internal combustion engine, characterized by comprising cooling means for cooling the turbine housing with a cooling medium so as to have a substantially inverse ratio.
上記請求項1記載の内燃機関の過給機システムにおいて、
冷却手段は、タービンハウジングの内部に形成された冷却水通路であり、この冷却水通路に冷却媒体としての内燃機関冷却用冷却水を流すことによってタービンハウジングを冷却するよう構成されていることを特徴とする内燃機関の過給機システム。
In the internal combustion engine supercharger system according to claim 1,
The cooling means is a cooling water passage formed inside the turbine housing, and is configured to cool the turbine housing by flowing cooling water for cooling the internal combustion engine as a cooling medium through the cooling water passage. An internal combustion engine supercharger system.
上記請求項1または2記載の内燃機関の過給機システムにおいて、
タービンハウジングの温度とタービンホイールの温度との比が上記膨張係数同士の比の逆比に近付くように冷却媒体の温度または流量を調整する冷却媒体調整手段を備えていることを特徴とする内燃機関の過給機システム。
In the internal combustion engine supercharger system according to claim 1 or 2,
An internal combustion engine comprising cooling medium adjusting means for adjusting a temperature or a flow rate of the cooling medium so that a ratio between the temperature of the turbine housing and the temperature of the turbine wheel approaches an inverse ratio of the expansion coefficients. Turbocharger system.
上記請求項3記載の内燃機関の過給機システムにおいて、
内燃機関の運転状態に基づいてタービンホイールの温度を推定するホイール温度推定手段を備え、冷却媒体調整手段は、このホイール温度推定手段によって推定されたタービンホイールの温度に応じ、タービンホイールの温度が低いほどタービンハウジングを冷却する能力が上昇するように冷却媒体の温度または流量を調整するよう構成されていることを特徴とする内燃機関の過給機システム。
In the internal combustion engine supercharger system according to claim 3,
Wheel temperature estimating means for estimating the temperature of the turbine wheel based on the operating state of the internal combustion engine is provided, and the cooling medium adjusting means has a low temperature of the turbine wheel according to the temperature of the turbine wheel estimated by the wheel temperature estimating means. A supercharger system for an internal combustion engine, characterized in that the temperature or flow rate of the cooling medium is adjusted so as to increase the ability to cool the turbine housing.
タービンハウジング内に収容されたタービンホイールが排気ガスの流体エネルギを受けて回転し、その回転力をコンプレッサホイールに伝達することにより吸入空気を過給する内燃機関の過給機システムにおいて、
タービンハウジング内における排気ガスの流線に対して直交する面での排気ガス流路面積が、排気ガス最大流量時におけるマッハ係数が略「1」となるように設定されていることを特徴とする内燃機関の過給機システム。
In a supercharger system for an internal combustion engine in which a turbine wheel accommodated in a turbine housing rotates by receiving fluid energy of exhaust gas and supercharges intake air by transmitting the rotational force to a compressor wheel.
The exhaust gas passage area in a plane orthogonal to the exhaust gas flow line in the turbine housing is set so that the Mach coefficient at the maximum exhaust gas flow rate is substantially “1”. Internal combustion engine supercharger system.
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