JP2014055546A

JP2014055546A - タービンハウジング

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Publication number: JP2014055546A
Application number: JP2012200494A
Authority: JP
Inventors: Norihiko Sumi; 範彦住
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-09-12
Filing date: 2012-09-12
Publication date: 2014-03-27
Anticipated expiration: 2032-09-12
Also published as: DE112013002584B4; US20150167494A1; DE112013002584T5; CN104662259A; CN104662259B; WO2014041411A1; JP5700006B2; US9835051B2

Abstract

【課題】取り付け易く且つ水通路のシール性能の低下を招き難い構造のタービンハウジングを提供する。
【解決手段】タービンハウジング３１の内部に、排気通路１３に接続されるガス通路３５とウォータジャケット１５が接続される水通路３６とが形成される。タービンハウジング３１における排気導入側の接続部５１に、水通路３６およびガス通路３５が並んで配置されるとともに、水通路３６が開口する接続面５２とガス通路３５が開口する接続面５３とが互いに連続しない形状で形成される。接続面５２とシリンダヘッド１４との間に冷却水の漏れを抑えるＯリング５６が挟持されるとともに上記接続面５３とシリンダヘッド１４との間に排気の漏れを抑えるシール部材５５が挟持される態様で、タービンハウジング３１がシリンダヘッド１４に取り付けられる。
【選択図】図６

Description

本発明は、機関冷却水の通過する水路が内部に形成されたタービンハウジングに関するものである。

水冷式のターボチャージャとして特許文献１に記載のものが提案されている。特許文献１に記載のターボチャージャのタービンハウジングでは、排気が通過するガス通路と冷却水が流通する水通路とが共に、内燃機関に接続される部分（詳しくは、排気導入側の接続用フランジ）において開口する形状で延設されている。そのため、内燃機関へのタービンハウジングの取り付け作業を通じて、ガス通路が内燃機関の排気通路に接続されるとともに、水通路が内燃機関のウォータジャケットに接続されるようになる。したがって、ガス通路と水通路とを各別の作業を通じて内燃機関に接続するものと比較して、ターボチャージャの取り付けを容易に行うことができる。

米国公開特許第２００９／０１５１３２７号公報

通常、タービンハウジングと内燃機関とが接続される部分（詳しくは、その接続面）には、ガス通路内からの排気の漏れを抑えるための金属製のシール部材や、水通路からの冷却水の漏れを抑えるためのゴム製のＯリングが配設される。ターボチャージャでは、ガス通路と排気通路との接続部分にシール部材が設けられているとはいえ、その接続部分からごく少量の排気が漏れることがある。

特許文献１に記載のタービンハウジングではガス通路と水通路とが同一面において開口している。そのため、タービンハウジングと内燃機関との接続面において、ガス通路から漏れた排気が、同じ接続面に設けられたＯリングに吹き付けられてしまう。そして、この場合には高温の排気によるＯリングの熱劣化を招いて、同Ｏリングによるシール性能の低下を招くおそれがある。

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、取り付け易く且つ水通路のシール性能の低下を招き難い構造のタービンハウジング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に記載のタービンハウジングは、内燃機関のウォータジャケットに接続される水通路と前記内燃機関の排気通路に接続されるガス通路とが内部に形成されたタービンハウジングであって、排気導入側の接続部に、前記水通路および前記ガス通路が並んで配置され、且つ前記水通路が開口する第１接続面と前記ガス通路が開口する第２接続面とが形成され、且つそれら前記第１接続面および前記第２接続面が互いに連続しない形状で形成され、前記第１接続面と前記内燃機関との間に冷却水の漏れを抑える第１シール部材が挟持されるとともに前記第２接続面と前記内燃機関との間に排気の漏れを抑える第２シール部材が挟持される態様で前記内燃機関に取り付けられることをその要旨とする。

上記タービンハウジングでは、排気導入側の接続部に水通路およびガス通路が並んで配置されており、さらには同接続部において水通路およびガス通路が共に開口している。そのため、上記接続部を内燃機関（詳しくは、そのシリンダヘッドや排気通路など）に接続する作業を通じて、ガス通路を排気通路に接続するとともに水通路をウォータジャケットに接続することができる。したがって、タービンハウジングを取り付けの容易な構造とすることができる。

しかも、水通路が開口する第１接続面と前記ガス通路が開口する第２接続面とが互いに連続しない形状で形成される。これにより、第２シール部材が配設された第２接続面においてガス通路からの排気漏れが生じた場合に、漏れた排気の流れが第１接続面と第２接続面との間の部分、すなわち連続しない形状の部分において乱されるようになる。そのため、同一面において水通路とガス通路とが開口しているものと比較して、第２接続面において漏れた排気が第１接続面に流入し難い構造になる。したがって、第１接続面に設けられて水通路からの冷却水の漏れを抑えるための第１シール部材に高温の排気が吹き付けられる状況になることを抑えることができ、タービンハウジングを水通路のシール性能の低下を招きにくい構造にすることができる。

請求項２に記載のタービンハウジングは、請求項１に記載のタービンハウジングにおいて、当該タービンハウジングは、前記第１接続面と前記第２接続面との間に屈曲した形状の面が形成されることをその要旨とする。

上記タービンハウジングによれば、ガス通路から第２接続面に漏れ出して第１接続面に向かう排気の流れが、屈曲した形状に形成された面において遮られるために、同第１接続面に到達し難くなる。そのため、第１接続面に設けられる第１シール部材に高温の排気が吹き付けられる状況になることを抑えることができる。

なお、請求項３によるように、前記屈曲した形状の面は、前記第１接続面および前記第２接続面の一方が他方より突出する段差形状に前記接続部を形成することによって形成することができる。

請求項４に記載のタービンハウジングは、請求項１に記載のタービンハウジングにおいて、当該タービンハウジングは、前記水通路の一部を構成するパイプが前記第２接続面と交差する方向に延びる形状で突設されてなり、前記第１接続面は前記パイプの先端側の部分の外面であることをその要旨とする。

上記タービンハウジングでは、内燃機関に形成された接続口に上記パイプの先端が挿入される態様でタービンハウジングの接続部を内燃機関に接続するといった作業を通じて、水通路とウォータジャケットとを接続することが可能になる。そして、この場合には、パイプの先端側の部分の外面と内燃機関の接続口の内面との間に、水通路からの冷却水の漏れを抑えるための第１シール部材が設けられる。

上記タービンハウジングでは、パイプが第２接続面と交差する方向に延設されているため、第２接続面においてガス通路から排気が漏れた場合に、その漏れた排気はパイプの外面に吹き付けられるようになる。そのため、第２接続面において漏れた排気が第１接続面、すなわち内燃機関に挿入されたパイプの先端部分の外面に流入し難い。したがって、第１接続面に設けられる第１シール部材に高温の排気が吹き付けられる状況になることを抑えることができる。

請求項５に記載のタービンハウジングは、請求項４に記載のタービンハウジングにおいて、前記第２接続面は平面形状に形成されてなり、前記パイプは前記第２接続面と直交する方向に延設されてなることをその要旨とする。

上記タービンハウジングによれば、第２接続面においてガス通路から漏れた排気がパイプの外面に対してほぼ直角に吹き付けられるようになる。そのため、排気の流れが第１接続面側に偏向され難く、同排気が第１接続面に流入し難い。したがって、第１接続面に設けられる第１シール部材に高温の排気が吹き付けられる状況になることを好適に抑えることができる。

本発明を具体化した一実施形態にかかるタービンハウジングが適用されるターボチャージャの断面構造を模式的に示す断面図。内燃機関およびタービンハウジング内の冷却水の循環態様を示す略図。タービンハウジングの斜視構造を示す斜視図。図３における矢印４方向から見たタービンハウジングの接続部の側面構造を示す側面図。図３における矢印５方向から見たタービンハウジングの接続部の側面構造を示す側面図。ガス通路および水通路の延設方向に沿う方向における各接続部およびその周辺の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ビンハウジングについて説明する。
図１に示すように、ターボチャージャ１１は、内燃機関１０の吸気通路１２に配設されるコンプレッサ２０と、同内燃機関１０の排気通路１３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４１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４１には、シャフト４２が回転可能に支持されており、同シャフト４２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１１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。本実施形態では、タービン室３２およびスクロール通路３４が、排気が通過するガス通路３５として機能する。

上記ターボチャージャ１１では次のようにして内燃機関１０への過給が行われる。
内燃機関１０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４２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１０の各気筒へと送られる。内燃機関１０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。

図１または図２に示すように、上記ターボチャージャ１１としては、タービンハウジング３１の内部に冷却水を通過させるための水通路３６が形成された水冷式のものが採用されている。そして、この水通路３６には、内燃機関１０の運転に際して同内燃機関１０の冷却に用いられる冷却水の一部が供給される。

上記水通路３６は、タービンハウジング３１におけるスクロール通路３４内に排気が導入される側（排気導入側）の接続部５１において開口している。そして、この接続部５１が、内燃機関１０のシリンダヘッド１４においてウォータジャケット１５が開口している接続部１６にボルト締結によって固定される。これにより、タービンハウジング３１の水通路３６が内燃機関１０のウォータジャケット１５に連通される。

そして、図２中に矢印で示すように、内燃機関１０の運転に際してウォータポンプ１７が駆動されると、同ウォータポンプ１７によって圧送された冷却水がウォータジャケット１５、水通路３６、およびラジエータ１８を備えた冷却水路の内部を循環するようになる。こうした冷却水の循環を通じて、内燃機関１０とターボチャージャ１１とが共に冷却される。

ここで、タービンハウジング３１の接続部５１とシリンダヘッド１４の接続部１６との間には、ガス通路３５内からの排気の漏れを抑えるための金属製のシール部材と、水通路３６からの冷却水の漏れを抑えるためのゴム製のＯリングとが配設される。本実施形態では、各接続部１６，５１の間にシール部材が設けられるとはいえ、その接続面においてガス通路３５の内部からごく少量の排気が漏れることがある。そして、この漏れた排気がＯリングに吹き付けられると、高温の排気によるＯリングの熱劣化を招いて、同Ｏリングによるシール性能の低下を招くおそれがある。

この点をふまえて本実施形態では、タービンハウジング３１の接続部５１とシリンダヘッド１４の接続部１６との接続面において排気が漏れた場合に、その排気がＯリングに吹き付けられ難い構造を採用している。以下、そうした構造について詳細に説明する。

図３〜図５に示すように、タービンハウジング３１における排気導入側の接続部５１には、同タービンハウジング３１の内部に形成された水通路３６とガス通路３５とが並んで配置されている。また、この接続部５１においては、上記ガス通路３５の排気導入側の端部３５Ａと、上記水通路３６における冷却水が導入される水導入部３６Ａと同冷却水が排出される水排出部３６Ｂとがそれぞれ開口している。

さらに、上記接続部５１においては、水通路３６の水導入部３６Ａが開口する接続面５２とガス通路３５の端部３５Ａが開口する接続面５３とが、共に平面形状に形成されるとともに、互いに連続しない形状で形成されている。詳しくは上記接続部５１が、上記接続面５３に対して上記接続面５２が突出する段差形状に形成されている。これにより、各接続面５２，５３の間にそれら接続面５２，５３と交差（本実施形態では直交）する方向に延びる面が形成されるため、各接続面５２，５３が互いに連続しない形状になる。すなわち隣接する部分と比較して表面の曲率がごく大きく変化する部分が各接続面５２，５３の間に形成される。

また、タービンハウジング３１の接続部５１において、上記接続面５３を間に挟んだ上記接続面５２の反対側の位置には、水通路３６における水排出部３６Ｂの一部を構成するパイプ５４が上記接続面５３と直交する方向に延びる形状で突設されている。このパイプ５４は、その外面と上記接続面５３との間に間隙が形成される位置に突設される。

以下、タービンハウジング３１の接続部５１を上述した形状に形成することによる作用について説明する。図６に、ガス通路３５および水通路３６の延設方向に沿う方向における各接続部１６，５１およびその周辺の断面構造を示す。

図４〜図６に示すように、タービンハウジング３１における排気導入側の接続部５１には、水通路３６の水導入部３６Ａ、水排出部３６Ｂ、およびガス通路３５が並んで配置されている。また、この接続部５１において水導入部３６Ａ、水排出部３６Ｂ、およびガス通路３５がそれぞれ開口している。さらに図６に示すように、シリンダヘッド１４の接続部１６において、上記水導入部３６Ａの開口に対応する位置にはウォータジャケット１５が開口しており、上記パイプ５４に対応する位置には同パイプ５４が挿入可能な接続口１６Ａであってウォータジャケット１５に連通された接続口１６Ａが形成されている。また接続部１６における上記ガス通路３５の開口に対応する位置には排気通路１３が開口している。

そのため、シリンダヘッド１４の接続口１６Ａに上記パイプ５４の先端が挿入される態様でタービンハウジング３１の接続部５１をシリンダヘッド１４の接続部１６に固定するといった作業を通じて、ガス通路３５を排気通路１３に接続するとともに水通路３６の水導入部３６Ａおよび水排出部３６Ｂをそれぞれウォータジャケット１５に接続することができる。したがって、タービンハウジング３１、ひいてはターボチャージャ１１を取り付けの容易な構造とすることができる。

図６に示すように、シリンダヘッド１４へのタービンハウジング３１の取り付けは、タービンハウジング３１の接続部５１とシリンダヘッド１４の接続部１６との間に、一つの金属製のシール部材５５と二つのゴム製のＯリング５６，５７とがそれぞれ挟持される態様で行われる。上記シール部材５５は、ガス通路３５からの排気の漏れを抑えるために、タービンハウジング３１の接続面５３とシリンダヘッド１４の接続部１６との間に配設される。上記Ｏリング５６は、水通路３６における水導入部３６Ａからの冷却水の漏れを抑えるために、タービンハウジング３１の接続面５２とシリンダヘッド１４の接続部１６との間に配設される。上記Ｏリング５７は、水通路３６における水排出部３６Ｂからの冷却水の漏れを抑えるべく、タービンハウジング３１のパイプ５４とシリンダヘッド１４の接続口１６Ａとの間に配設される。

なお本実施形態では、タービンハウジング３１の接続面５２とパイプ５４の先端側の部分（詳しくは、シリンダヘッド１４の接続口１６Ａに挿入される部分）の外面とが共に第１接続面として機能し、Ｏリング５６，５７が共に第１シール部材として機能する。また本実施形態では、タービンハウジング３１の接続面５３が第２接続面として機能し、シール部材５５が第２シール部材として機能する。

また、タービンハウジング３１の接続部５１における各接続面５２，５３が段差形状に形成されて、それら接続面５２，５３の間に屈曲した形状の面が形成されている。さらに、シリンダヘッド１４の接続部１６において上記接続面５２，５３が接続される部分についてもそれら接続面５２，５３と略同一形状の段差形状に形成されている。そのため、シリンダヘッド１４の接続部１６とタービンハウジング３１の接続部５１との間隙についても、段差状に屈曲した形状になる。これにより、接続面５３においてガス通路３５から漏れ出して接続面５２に向かう排気の流れ（図５および図６中に矢印Ａで示す流れ）が、各接続面５２，５３間の屈曲した形状の面において遮られるようになるため、同接続面５２に到達し難くなる。このように上記タービンハウジング３１は、同一面において水通路とガス通路とが開口しているものと比較して、接続面５３においてガス通路３５からの排気漏れが生じた場合にその漏れた排気が接続面５２に流入し難い構造になる。したがって、上記接続面５２に設けられるＯリング５６に高温の排気が吹き付けられる状況になることを抑えることができ、水通路３６の水導入部３６Ａのシール性能の低下を招きにくい構造にすることができる。

さらに、上記タービンハウジング３１では、パイプ５４が上記接続面５３と離間した位置に同接続面５３と直交する方向に延設されているために、接続面５３においてガス通路３５から排気が漏れた場合に、図５および図６中に矢印Ｂで示すように、漏れた排気がパイプ５４の外面に吹き付けられるようになる。特に上記タービンハウジング３１では、接続面５３において漏れた排気がパイプ５４の外面に対してほぼ直角に吹き付けられるために、パイプ５４および接続口１６Ａの間隙が延びる方向と排気の吹き付け方向とのなす角度が鈍角になるものと比較して、排気の流れが同間隙側に向かう方向に偏向され難い構造になり、同間隙に排気が流入し難い構造になる。このように上記タービンハウジング３１は、同一面において水排出部とガス通路とが開口しているものと比較して、接続面５３においてガス通路からの排気漏れが生じた場合にその漏れた排気がパイプ５４と接続口１６Ａとの間隙に流入し難い構造になる。したがって、パイプ５４と接続口１６Ａとの間隙に設けられるＯリング５７に高温の排気が吹き付けられる状況になることを抑えることができ、Ｏリング５７のシール性能の低下を招きにくい構造にすることができる。

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の接続部５１にガス通路３５と水通路３６の水導入部３６Ａとを並ぶように配置するとともに、水導入部３６Ａが開口する接続面５２とガス通路３５が開口する接続面５３との間に屈曲した形状の面を形成した。そのため、タービンハウジング３１を取り付けの容易な構造とすることができる。しかも、上記接続面５２に設けられるＯリング５６に高温の排気が吹き付けられる状況になることを抑えることができ、水通路３６の水導入部３６Ａのシール性能の低下を招きにくい構造にすることができる。

（２）タービンハウジング３１の接続部５１を、ガス通路３５が開口する接続面５３に対して水導入部３６Ａが開口する接続面５２が突出する段差形状に形成した。そのため、各接続面５２，５３の間に屈曲した形状の面を形成することができる。

（３）タービンハウジング３１の接続部５１にガス通路３５と水通路３６の水排出部３６Ｂとを並ぶように配置するとともに、水排出部３６Ｂの一部を構成するパイプ５４をガス通路３５が開口する接続面５３と交差する方向に延びる形状で突設した。そのため、タービンハウジング３１を取り付けの容易な構造とすることができる。しかも、上記パイプ５４とシリンダヘッド１４の接続口１６Ａとの間隙に設けられるＯリング５７に高温の排気が吹き付けられる状況になることを抑えることができ、水通路３６の水排出部３６Ｂのシール性能の低下を招きにくい構造にすることができる。

（４）タービンハウジング３１の接続面５３を平面形状に形成するとともにパイプ５４を上記接続面５３と直交する方向に延設したために、パイプ５４と接続口１６Ａとの間隙に排気が流入し難い構造になる。

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。
・水通路３６の水導入部３６Ａが開口する接続面５２やガス通路３５が開口する接続面５３の一部あるいは全部を、若干湾曲した形状に形成してもよい。

・パイプ５４の延設方向は、接続面５３と直交する方向に限らず、同接続面５３と交差する方向であれば任意の方向に変更することができる。
・タービンハウジング３１の接続部５１を、水導入部３６Ａが開口する接続面に対してガス通路３５が開口する接続面が突出する段差形状に形成してもよい。

・平面形状の接続面５２において水導入部３６Ａを開口させる構造に代えて、ガス通路３５が開口している接続面５３と交差する方向にパイプを延設するとともに同パイプを水導入部３６Ａの一部とする構造を採用してもよい。こうした構成では、上記パイプの先端が内燃機関の接続口に挿入される態様で内燃機関へのタービンハウジングの取り付けを行うとともに、パイプの先端側の部分の外面と内燃機関の接続口の内面との間にゴム製のＯリングを配設すればよい。

・ガス通路３５が開口している接続面５３と交差する方向に延設したパイプ５４を水排出部３６Ｂの一部とする構造に代えて、タービンハウジング３１の平面形状の接続面において水排出部３６Ｂを開口させる構造を採用してもよい。こうした構成では、上記接続面５３および水排出部３６Ｂが開口している接続面のうちの一方が他方より突出する段差形状にタービンハウジングの接続部を形成すればよい。

・タービンハウジング３１の接続部５１に、水通路３６の水導入部３６Ａおよび水排出部３６Ｂのうちの一方のみを形成するようにしてもよい。

１０…内燃機関、１１…ターボチャージャ、１２…吸気通路、１３…排気通路、１４…シリンダヘッド、１５…ウォータジャケット、１６…接続部、１６Ａ…接続口、１７…ウォータポンプ、１８…ラジエータ、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…ガス通路、３５Ａ…端部、３６…水通路、３６Ａ…水導入部、３６Ｂ…水排出部、４１…センターハウジング、４２…シャフト、５１…接続部、５２，５３…接続面、５４…パイプ、５５…シール部材、５６，５７…Ｏリング。

Claims

内燃機関のウォータジャケットに接続される水通路と前記内燃機関の排気通路に接続されるガス通路とが内部に形成されたタービンハウジングであって、
排気導入側の接続部に、前記水通路および前記ガス通路が並んで配置され、且つ前記水通路が開口する第１接続面と前記ガス通路が開口する第２接続面とが形成され、且つそれら前記第１接続面および前記第２接続面が互いに連続しない形状で形成され、
前記第１接続面と前記内燃機関との間に冷却水の漏れを抑える第１シール部材が挟持されるとともに前記第２接続面と前記内燃機関との間に排気の漏れを抑える第２シール部材が挟持される態様で前記内燃機関に取り付けられる
ことを特徴とするタービンハウジング。
請求項１に記載のタービンハウジングにおいて、
当該タービンハウジングは、前記第１接続面と前記第２接続面との間に屈曲した形状の面が形成されてなる
ことを特徴とするタービンハウジング。
請求項２に記載のタービンハウジングにおいて、
前記屈曲した形状の面は、前記第１接続面および前記第２接続面の一方が他方より突出する段差形状に前記接続部を形成することにより形成される
ことを特徴とするタービンハウジング。
請求項１に記載のタービンハウジングにおいて、
当該タービンハウジングは、前記水通路の一部を構成するパイプが前記第２接続面と交差する方向に延びる形状で突設されてなり、
前記第１接続面は前記パイプの先端側の部分の外面である
ことを特徴とするタービンハウジング。
請求項４に記載のタービンハウジングにおいて、
前記第２接続面は平面形状に形成されてなり、
前記パイプは前記第２接続面と直交する方向に延設されてなる
ことを特徴とするタービンハウジング。