JP2014047714A - ターボチャージャ - Google Patents

Abstract

【課題】冷却水の調節を実行せずともタービンのチップクリアランスを小さくすることのできるターボチャージャを提供する。
【解決手段】ターボチャージャは、アルミ合金により形成されるとともに内部に機関冷却水を循環させるための冷却水路３５が形成された水冷式のタービンハウジング３１を備える。表面にアブレーダブルシール３７を予め形成した分割部３８を、タービンハウジング３１に形成された段差部３９に圧入する。これにより、タービンハウジング３１のシュラウド部３６にアブレーダブルシール３７を形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、水冷式のタービンハウジングを備えたターボチャージャに関するものである。

ターボチャージャのタービンハウジングとして、アルミ合金により形成されるとともに、内部に機関冷却水を循環させるための水路が形成された水冷式のものが提案されている（特許文献１参照）。こうしたターボチャージャでは、その温度上昇に伴ってタービンホイールとタービンハウジングとの材質（詳しくは、熱膨張係数）の違いなどに起因して、タービンホイールの羽根の先端とタービンハウジングとの間隙、いわゆるチップクリアランスの変化が大きくなり易い。そのため、温度変化によることなくタービンホイールとタービンハウジングとの干渉を確実に回避するためには、チップクリアランスを予め大きく設定せざるを得ない。

特許文献１に記載のターボチャージャでは、タービンハウジング内に流通させる冷却水の量を調節することにより、温度変化に伴うチップクリアランスの変化を抑えるようにしている。これにより、チップクリアランスを小さくすることが可能になる。

特開２００８−１９７１１号公報

特許文献１に記載のターボチャージャでは、タービンのチップクリアランスの変化を抑えるためとはいえ、冷却水の流通量が制約されてしまうために、内燃機関の冷却やターボチャージャ全体の冷却を適正に行えなくなる可能性がある。そして、この場合には冷却水循環量の不足によるタービンハウジング温度の不要な上昇を招いたり、冷却水循環量が多くなることによる内燃機関の燃料消費量の不要な増加を招いたりするおそれがある。

本発明は、そうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、冷却水の調節を実行せずともタービンのチップクリアランスを小さくすることのできるターボチャージャを提供することにある。

以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について説明する。
請求項１に記載の発明は、アルミ合金により形成されるとともに内部に機関冷却水を循環させるための水路が形成された水冷式のタービンハウジングを備えたターボチャージャにおいて、前記タービンハウジングのシュラウド部にアブレーダブルシールが形成されてなることをその要旨とする。

上記ターボチャージャでは、タービンホイールの回転に際して同タービンホイールの先端によってアブレーダブルシールの表面が削られる。そのため、タービンハウジング（詳しくは、アブレーダブルシールの表面）とタービンホイールの羽根の先端との間隙（チップクリアランス）が、個々のターボチャージャ各部の形状に合わせて調整されるようになる。したがって上記ターボチャージャによれば、冷却水の調節を実行せずともタービンのチップクリアランスを小さくすることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のターボチャージャにおいて、当該ターボチャージャは、表面にアブレーダブルシールが形成された部材が前記タービンハウジングのシュラウド部に取り付けられることをその要旨とする。

一般に、タービンハウジングのシュラウド部は、タービンハウジングの内部に形成される上に表面の曲率が大きい。また自動車などの車両に搭載されるような小型のターボチャージャではタービンハウジングが小さい。そのため、予め形成されたタービンハウジングのシュラウド部の表面にアブレーダブルシールの層を後工程において形成することは難しい。

この点、上記ターボチャージャによれば、表面にアブレーダブルシールを予め形成した別部材をタービンハウジングに取り付けることにより、タービンハウジングのシュラウド部にアブレーダブルシールを容易に形成することができる。

本発明を具体化した一実施形態にかかるターボチャージャの断面構造を模式的に示す断面図。 タービンハウジングの断面構造を示す断面図。 分割部の［ａ］側面構造を示す側面図、［ｂ］断面構造を示す断面図。

以下、本発明を具体化した一実施形態にかかるターボチャージャについて説明する。
図１に示すように、ターボチャージャ１０は、内燃機関１の吸気通路２に配設されるコンプレッサ２０と、同内燃機関１の排気通路３に配設されるタービン３０と、それらコンプレッサ２０およびタービン３０を連結するセンターハウジング１１とを備えている。

コンプレッサハウジング２１の内部にはコンプレッサ室２２が形成されており、同コンプレッサ室２２にはコンプレッサホイール２３が収容されている。一方、タービンハウジング３１の内部にはタービン室３２が形成されており、同タービン室３２にはタービンホイール３３が収容されている。他方、センターハウジング１１には、シャフト１２が回転可能に支持されており、同シャフト１２の一端にはコンプレッサホイール２３が固定され、他端にはタービンホイール３３が固定されている。このターボチャージャ１０は、コンプレッサホイール２３とタービンホイール３３とが一体回転する構造になっている。

コンプレッサ室２２はコンプレッサホイール２３の回転軸心Ｌ１に沿って延設されている。また、コンプレッサハウジング２１には、上記コンプレッサホイール２３の外周において渦巻形状で延びるスクロール通路２４が形成されている。

一方、タービン室３２はタービンホイール３３の回転軸心Ｌ１に沿って延設されている。また、タービンハウジング３１には上記タービンホイール３３の外周において渦巻形状で延びるスクロール通路３４が形成されている。スクロール通路３４は上記タービン室３２の周壁においてその全周にわたる円環形状で開口されている。

上記ターボチャージャ１０では次のようにして内燃機関１への過給が行われる。
内燃機関１の排気がスクロール通路３４を介してタービンホイール３３に吹き付けられると、同タービンホイール３３が排気流のエネルギを受けることによって回転する。そして、このタービンホイール３３の回転がシャフト１２を通じてコンプレッサホイール２３に伝達されて、同コンプレッサホイール２３が回転する。これによりコンプレッサ２０内では、コンプレッサホイール２３の回転による遠心力の作用により、同コンプレッサ２０の入口部２０ａからコンプレッサ室２２に流入する吸気がスクロール通路２４、ひいては内燃機関１の各気筒へと送られる。内燃機関１では、こうした排気の持つエネルギを利用した過給を行うことによって出力向上が図られる。

上記ターボチャージャ１０では、タービンハウジング３１がアルミ合金により形成されている。また、ターボチャージャ１０として水冷式のものが採用されている。具体的には、タービンハウジング３１の内部に、冷却水を循環させるための冷却水路３５が形成されている。そして、この冷却水路３５の内部に冷却水を強制的に循環させることにより、タービンハウジング３１が冷却される構造になっている。なお本実施形態では、内燃機関１の運転に際して同内燃機関１の冷却に用いられる冷却水の一部が上記冷却水路３５に供給されて循環するようになっている。

図１または図２に示すように、本実施形態のターボチャージャ１０では、タービンハウジング３１の内面において上記タービンホイール３３の羽根の先端が対向する部分、いわゆるシュラウド部３６の表面の一部にアブレーダブルシール３７が形成されている。このアブレーダブルシール３７は、高温（例えば９００℃程度）の排気に晒された場合にも特性が殆ど変化しない材料であり、且つ削られ易い快削性を有する材料により形成されている。

上記ターボチャージャ１０では、タービンホイール３３の回転に際して同タービンホイール３３の羽根の先端によってアブレーダブルシール３７の表面が削られる。その結果、アブレーダブルシール３７の表面形状が、タービンホイール３３の羽根の先端の回転軌跡と極めて近似した形状になる。そのため、タービンハウジング３１（詳しくは、アブレーダブルシール３７の表面）とタービンホイール３３の羽根の先端との間隙（いわゆるチップクリアランス）が、個々のターボチャージャの各部の形状に合わせて自動的に調整されて、ごく小さくなる。したがって、タービンハウジング３１の冷却水路３５内を循環する冷却水の量を調節せずとも、タービン３０のチップクリアランスを小さくすることができる。

また、アブレーダブルシール３７が形成された部分では、同シール３７によってタービンハウジング３１の内面が覆われており、このアブレーダブルシール３７が断熱効果を発揮するようになるため、排気の有する熱の上記タービンハウジング３１への伝達が抑えられるようになる。

上記タービンハウジング３１は、アルミ合金によって形成されているために、鋳鉄や鋳鋼により形成されたものと比較して熱伝達率が高く、排気熱が伝達されやすい。そのため、そうしたタービンハウジング３１を有するタービン３０は、冷却水路３５内を循環する冷却水による冷却の度合いを小さくすることが難しいと云える。冷却水による冷却の度合いが不要に大きくなると、タービン３０において回収される排気エネルギの減少によるターボチャージャ１０の出力低下や、冷却損失の増加による内燃機関１の燃料消費量の増加などを招くおそれがある。

本実施形態では、タービンハウジング３１のシュラウド部３６（詳しくは、アブレーダブルシール３７が形成された部分）において、同アブレーダブルシール３７によってタービンハウジング３１への排気熱の伝達が抑えられるため、その分だけ冷却水路３５内を循環する冷却水による冷却の度合いを小さくすることができる。

またタービンハウジング３１のシュラウド部３６は、排気の流速が高い部分であるため、排気からタービンハウジング３１への熱伝達量が多くなり易い部位であると云える。本実施形態では、そうしたシュラウド部３６にアブレーダブルシール３７が形成されるために、タービンハウジング３１への熱伝達量を好適に抑制することができる。

さらにタービンホイール３３のシュラウド部３６は排気がタービンホイール３３を通過する部位、すなわち排気エネルギの回収が行われる部位の一部を構成しているため、シュラウド部３６において排気の熱が不要に奪われてしまうと、回収される排気エネルギの量が少なくなって、ターボチャージャ１０の運転効率の低下を招くおそれがある。本実施形態では、そうしたシュラウド部３６にアブレーダブルシール３７が形成されるため、ターボチャージャ１０の運転効率の低下を好適に抑えることができる。

ここで、タービンハウジング３１のシュラウド部３６は、同タービンハウジング３１の内部に形成される部分である上に、排気の流れが大きく偏向される部位であるために表面の曲率が大きい部分でもある。また自動車などの車両に搭載されるような小型のターボチャージャではタービンハウジングが小さい。そのため、予め形成されたタービンハウジングのシュラウド部の表面にアブレーダブルシールを後工程において形成する作業は困難な作業であると云える。例えば溶射法によってシュラウド部３６の表面にアブレーダブルシールを形成することが考えられるが、その場合には、形成箇所の周囲をマスキングすることや溶射用のノズルを適切な角度で形成箇所に向けることが困難である。

この点をふまえて本実施形態では、アブレーダブルシール３７が以下のような手順で形成される。
先ずは図３［ａ］および［ｂ］に示すように、アルミ合金により円環形状に形成された分割部３８が用意される。そして、この分割部３８の内周面および一方の側面（図３［ｂ］中に３８ａで示す面）に、溶射法を用いてアブレーダブル材料（本実施形態では、ニッケルを成分に含む粉末、またはセラミックを成分に含む粉末）を積層することによって、アブレーダブルシール３７が形成される。本実施形態では、この分割部３８が、表面にアブレーダブルシールが形成された部材として機能する。

その後、分割部３８の表面におけるアブレーダブルシール３７が形成されない外周面および一方の側面（図３［ｂ］中に３８ｂで示す面）にそれぞれ仕上げ加工（研磨加工や切削加工など）が施される。

図２に示すように、本実施形態では、タービンハウジング３１のシュラウド部３６におけるセンターハウジング１１側（図中における左側）の端部に、排気流れ方向下流側の部位に対して排気流れ方向上流側の部位が拡径された形状の段差部３９が形成されている。この段差部３９は、前記タービン室３２の内周面の全周にわたって円環形状で延びる形状に形成されている。

上記分割部３８は、この段差部３９に圧入固定される。この圧入は、アブレーダブルシール３７がタービンハウジング３１の内部に露出する態様で行われる。これにより、分割部３８がシュラウド部３６の一部を構成するようになるとともに、同分割部３８の表面に形成されたアブレーダブルシール３７がシュラウド部３６の表面に配置されるようになる。なお、シュラウド部３６内面の形成精度の低下が懸念される場合には、分割部３８を段差部３９に圧入固定した後に、タービン室３２の内面に研磨加工や切削加工などの仕上げ加工を施すようにしてよい。ちなみに、鋳鉄や鋳鋼により形成されるとともに内部に冷却水路が形成されない一般的なタービンハウジングは、水冷式のタービンハウジングと比較して温度変化幅が大きいため、タービンハウジングに分割部を圧入するといった構成を採用すると、同分割部の取り付け部分の周辺において発生する熱応力が大きくなって耐久性能の低下を招いてしまう。本実施形態では、温度変化幅の小さい水冷式のタービンハウジング３１に分割部３８が圧入される構成であるため、分割部３８の取り付け部周辺における熱応力の発生が抑えられ、タービンハウジング３１の耐久性能の低下も抑えられる。

このように本実施形態では、表面にアブレーダブルシール３７を形成した分割部３８をタービンハウジングの段差部３９に圧入固定することによって、シュラウド部３６にアブレーダブルシール３７を容易に形成することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、以下に記載する効果が得られるようになる。
（１）タービンハウジング３１の冷却水路３５内を循環する冷却水の量を調節せずとも、タービン３０のチップクリアランスを小さくすることができる。

（２）表面にアブレーダブルシール３７を予め形成した分割部３８をタービンハウジングの段差部３９に圧入固定することによって、シュラウド部３６にアブレーダブルシール３７を容易に形成することができる。

なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
・分割部３８として、鋼鉄など、アルミ合金以外の材料により形成したものを用いてもよい。

・分割部３８の圧入を通じてアブレーダブルシール３７を形成する部分を、シュラウド部３６の表面の一部とすることに限らず、シュラウド部３６の表面の全体としてもよい。要は、シュラウド部３６の表面における任意の部分に、分割部の圧入を通じてアブレーダブルシールを形成することができる。

・分割部３８の表面にアブレーダブルシール３７を形成する手法として、溶射法を用いることに代えて、焼結法などの他の手法を用いることができる。
・分割部３８の段差部３９への取り付けを、接着によって行うなど、圧入以外の方法によって行うようにしてもよい。

・タービンハウジング３１の内部に形成されたシュラウド部３６の表面にアブレーダブル材料を直接溶射することによって同シュラウド部３６にアブレーダブルシール３７を形成することも可能である。

１…内燃機関、２…吸気通路、３…排気通路、１０…ターボチャージャ、１１…センターハウジング、１２…シャフト、２０…コンプレッサ、２０ａ…入口部、２１…コンプレッサハウジング、２２…コンプレッサ室、２３…コンプレッサホイール、２４…スクロール通路、３０…タービン、３１…タービンハウジング、３２…タービン室、３３…タービンホイール、３４…スクロール通路、３５…冷却水路、３６…シュラウド部、３７…アブレーダブルシール、３８…分割部、３８ａ，３８ｂ…側面、３９…段差部。

Claims (2)

1. アルミ合金により形成されるとともに内部に機関冷却水を循環させるための水路が形成された水冷式のタービンハウジングを備えたターボチャージャにおいて、
   前記タービンハウジングのシュラウド部にアブレーダブルシールが形成されてなる
   ことを特徴とするターボチャージャ。
2. 請求項１に記載のターボチャージャにおいて、
   当該ターボチャージャは、表面にアブレーダブルシールが形成された部材が前記タービンハウジングのシュラウド部に取り付けられてなる
   ことを特徴とするターボチャージャ。