JP2014114746A

JP2014114746A - タービンハウジング

Info

Publication number: JP2014114746A
Application number: JP2012269431A
Authority: JP
Inventors: Takanori Fukuda; 高則福田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-12-10
Filing date: 2012-12-10
Publication date: 2014-06-26
Anticipated expiration: 2032-12-10
Also published as: US20150300203A1; JP5935677B2; WO2014091905A1; DE112013005892T5; CN104822918A; US9816395B2; CN104822918B

Abstract

【課題】全体を適正に冷却することのできる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４０には、タービンホイールの外周において渦巻形状で延びるスクロール通路４１と、内部を冷却水が通過する水冷ジャケット４５とが形成される。タービンハウジング４０は、スクロール通路４１の巻き始め部４１Ａに接続されて同スクロール通路４１の内部に排気を導入する排気導入通路４３と、スクロール通路４１の巻き終わり部４１Ｂおよび排気導入通路４３の間に設けられてタービンホイール３３の周囲方向に突出する仕切り壁部４４とを備える。水冷ジャケット４５は、タービンホイール３３の回転軸Ｌ１方向において仕切り壁部４４に隣接する部分４５Ａおよびその周辺を始点に延設されるとともに、冷却水を内部に導入する導入口４６が上記始点側の端部４５Ｂに形成される。
【選択図】図３

Description

本発明は、機関冷却水などの冷却媒体が通過する媒体通路を備えたタービンハウジングに関するものである。

内燃機関に排気駆動式のターボチャージャを設けることが多用されている。そうしたターボチャージャの一部を構成するタービンハウジングとしては特許文献１に記載のものが提案されている。このタービンハウジングでは、その外面を覆う形状の外殻部が取り付けられるとともに、同ハウジングの外面と外殻部との間に機関冷却水が供給されるようになっている。上記タービンハウジングでは、その外面と外殻部との間隙が媒体通路として機能し、同媒体通路内に供給される冷却水との熱交換を通じてタービンハウジングが冷却されるようになっている。

特開２００８−２６７２５７号公報

ここで、ターボチャージャの作動に際してタービンハウジングが排気から受ける熱量は、同タービンハウジングの各部において均一ではなく異なる。上記特許文献１に記載のものでは、上記媒体通路が、タービンハウジング全体を冷却するためにその外面のほぼ全体を覆う形状に形成されている。そのため、タービンハウジング各部の温度に応じてその全体を効率良く冷却することが可能な構造になっているとは云えず、例えばタービンハウジングにおいて排気からの受熱量が少ない部位において過度の冷却を招いたり、同受熱量が多い部位において機関冷却水による冷却度合いの不足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、全体を適正に冷却することのできるタービンハウジングを提供することにある。

上記課題を解決するためのタービンハウジングは、タービンホイールの外周において渦巻形状で延びるとともに前記タービンホイールに吹き付けられる内燃機関の排気が通過するスクロール通路と、内部を冷却媒体が通過する媒体通路とが形成される。タービンハウジングは、前記スクロール通路の巻き始め部に接続されて同スクロール通路の内部に前記排気を導入する排気導入通路と、前記スクロール通路の巻き終わり部および前記排気導入通路の間に設けられ前記タービンホイールの周囲方向に突出する仕切り壁部とを備える。前記媒体通路は、前記タービンホイールの回転軸方向において前記仕切り壁部に隣接する部分およびその周辺を始点に延設されるとともに、前記冷却媒体を内部に導入する導入口が前記始点側の端部に形成される。

上記タービンハウジングでは、スクロール通路の巻き終わり部と排気導入通路との間に挟まれた部分においてタービンホイールの周囲方向に突出する形状の仕切り壁部が形成される。この仕切り壁部は、その排気導入通路側の面およびスクロール通路側の面のそれぞれから排気の熱を受ける上に、他の部分に接続する部分、すなわち他の部分に伝熱する部分の断面積が小さいため、高温になり易い部分であって、温度上昇に起因する信頼性の低下を招き易い部分であると云える。

また上記タービンハウジングは、冷却媒体とタービンハウジングとの熱交換を通じて同タービンハウジングの冷却を行うものであるため、冷却媒体の温度が低い部分ほど、その冷却の度合いは大きくなる。媒体通路の内部に冷却媒体を導入する導入口の近傍では、上記熱交換が殆どなされていないために、冷却媒体の温度が低い。

上記タービンハウジングによれば、前記仕切り壁部に隣接する部分およびその周辺に冷却媒体を導入することができるため、タービンハウジングの中でも高温になる仕切り壁部およびその周辺を比較的低温の冷却媒体によって好適に冷却することができる。しかも、タービンハウジングにおいて仕切り壁部から離れた部分、すなわち比較的高温になり難い部分については、仕切り壁部およびその周辺を冷却した後の冷却媒体によって冷却することができる。このように上記タービンハウジングによれば、その全体を各部の温度に見合うかたちで適正に冷却することができる。

上記タービンハウジングにおいて、前記媒体通路は、前記スクロール通路に沿って延びる形状に形成されることが望ましい。
上記タービンハウジングによれば、スクロール通路が形成された部分、すなわち内部を排気が通過するために排気からの受熱量が多い部分を効率よく冷却することができる。

上記タービンハウジングにおいて、前記媒体通路は、前記冷却媒体を外部に排出する排出口が前記始点側の端部とは反対側の終点側の端部に形成されるとともに、前記導入口から前記排出口に向かうに連れて通路断面積が小さくなる形状に形成されることが好ましい。

媒体通路の内部を通過する冷却媒体の温度は、タービンハウジングとの熱交換に起因して高くなるために、その流れ方向下流側（以下、単に「下流側」）に向かうに連れて高くなってしまう。そのため、冷却媒体による冷却の度合いは下流側に向かうほど小さくなり易いと云える。

上記タービンハウジングによれば、前記導入口から前記排出口に向かうに連れて、言い換えれば下流側に向かうに連れて媒体通路の断面積が小さくなっているため、冷却媒体の流速が高くなる。そのため、冷却媒体の温度が高くなる下流側の部位ほど、同冷却媒体の流速を高くしてタービンハウジングから冷却媒体への伝熱における熱伝達率を高くすることができる。したがって、タービンハウジングの各部における冷却度合いのばらつきを小さく抑えて、同タービンハウジングの全体を好適に冷却することができる。

上記タービンハウジングにおいては、前記冷却媒体として機関冷却水を採用することができる。

一実施形態のタービンハウジングが適用されるターボチャージャの概略構成を示す略図。タービンハウジングの平面断面構造を示す断面図。タービンハウジングの平面構造を示す平面図。図３の４−４線に沿った端面構造を示す端面図。図３の５−５線に沿った端面構造を示す端面図。図３の６−６線に沿った端面構造を示す端面図。図３の７−７線に沿った端面構造を示す端面図。他の実施形態のタービンハウジングの平面構造を示す平面図。図８の９−９線に沿った端面構造を示す端面図。図８の１０−１０線に沿った端面構造を示す端面図。図８の１１−１１線に沿った端面構造を示す端面図。図８の１２−１２線に沿った端面構造を示す端面図。

以下、タービンハウジングの一実施形態について説明する。
図１に示すように、ターボチャージャ３０は、内燃機関２０の排気通路２１に取り付けられたタービン３１と同内燃機関２０の吸気通路２２に取り付けられたコンプレッサ３２とを備えている。タービン３１の内部にはタービンホイール３３が配設されており、コンプレッサ３２の内部にはコンプレッサホイール３４が配設されている。タービンホイール３３とコンプレッサホイール３４とはシャフト３５を介して一体回転可能に連結されている。

このターボチャージャ３０では、内燃機関２０の運転に伴い排気がタービンホイール３３に吹き付けられると、タービンホイール３３とコンプレッサホイール３４とが一体回転し、これにより吸気通路２２内を流れる吸気が圧送されて、内燃機関２０の気筒内に強制的に送り込まれるようになる。

図２に示すように、タービン３１のタービンハウジング４０の内部には、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４１が形成されている。スクロール通路４１の内周側の部分にはその全周にわたって延びる開口（スリット４２）が形成されており、このスリット４２を介してスクロール通路４１内の排気がタービンホイール３３に吹き付けられるようになっている。なお図２中の白抜きの矢印は排気の流れを示している。

スクロール通路４１には、その内部に排気通路２１内の排気を導入するための排気導入通路４３が接続されている。この排気導入通路４３は、渦巻形状で延びるスクロール通路４１の巻き始め部４１Ａに接続されている。上記タービンハウジング４０は、渦巻形状で延びるスクロール通路４１の巻き終わり部４１Ｂと排気導入通路４３との合流部分においてそれら通路４１，４３の間を仕切る位置に、タービンホイール３３の周囲方向において舌片形状で突出する仕切り壁部４４が形成されている。

図３に示すように、タービンハウジング４０には、その冷却のための水冷ジャケット４５が形成されている。この水冷ジャケット４５は上記排気導入通路４３およびスクロール通路４１に沿って延びる形状に形成されている。これにより、排気導入通路４３およびスクロール通路４１が形成された部分、すなわち内部を排気が通過するために排気からの受熱量が多い部分が効率よく冷却される。水冷ジャケット４５の延設方向（図３中に白抜きの矢印で示す方向）における一端には冷却媒体（本実施形態では、内燃機関２０の冷却に用いられる冷却水）を内部に導入するための導入口４６が形成されており、他端には内部から冷却水を排出するための排出口４７が形成されている。この水冷ジャケット４５の内部では冷却水が導入口４６から排出口４７に向けて流れる。そして本実施形態では、水冷ジャケット４５内を流れる冷却水とタービンハウジング４０との熱交換を通じて同タービンハウジング４０が冷却されるようになっている。

図４〜図７に示すように、上記タービンハウジング４０は、排気導入通路４３およびスクロール通路４１を有するハウジング本体４８と水冷ジャケット４５の外壁の一部を構成するジャケット部４９とにより構成されている。なお、図４は図３の４−４線に沿ったタービンハウジング４０の端面構造を示し、図５は図３の５−５線に沿ったタービンハウジング４０の端面構造を示し、図６は図３の６−６線に沿ったタービンハウジング４０の端面構造を示し、図７は図３の７−７線に沿ったタービンハウジング４０の端面構造を示す。これらハウジング本体４８およびジャケット部４９は鋳造法などを用いて各別に形成される。そして、ハウジング本体４８にジャケット部４９を溶接等によって取り付けることによりタービンハウジング４０が形成される。

ここで、ターボチャージャ３０の作動に際してタービンハウジング４０が排気から受ける熱量は、同タービンハウジング４０の各部において均一ではなく異なる。
図２または図３に示すように、上記タービンハウジング４０では、スクロール通路４１の巻き終わり部４１Ｂと排気導入通路４３との間に挟まれた部分においてタービンホイール３３の周囲方向に突出する形状の仕切り壁部４４が形成される。この仕切り壁部４４は、その排気導入通路４３側の面およびスクロール通路４１側の面のそれぞれから排気の熱を受ける上に、他の部分に接続する部分、すなわち他の部分に伝熱する部分の断面積が小さいために、高温になり易い部分であり、温度上昇に起因する信頼性の低下を招き易い部分であると云える。

そうした仕切り壁部４４が十分に冷却されるように冷却水の供給量を設定すると、比較的温度が低い他の部分が過度に冷却されるおそれがある。その場合には、冷却水を圧送するウォータポンプの作動負荷の不要な増大を招いて内燃機関２０の燃料消費量の低下を招くおそれがある。

上記タービンハウジング４０は、水冷ジャケット４５内を通過する冷却水との熱交換を通じて冷却されるものであるため、冷却水の温度が低い部分ほど、その冷却の度合いは大きくなる。そして、水冷ジャケット４５の内部に冷却水を導入する導入口４６の近傍では、上記熱交換が殆どなされていないために、冷却水の温度が低い。

この点をふまえて本実施形態では、水冷ジャケット４５が以下に記載する態様で形成される。
水冷ジャケット４５は、ハウジング本体４８の外面における上記タービンホイール３３の回転軸Ｌ１方向において仕切り壁部４４に隣接する部分４５Ａおよびその周辺を始点に延設される。また、上記導入口４６が水冷ジャケット４５の延設方向における上記始点側の端部４５Ｂに形成される。詳しくは、導入口４６が、水冷ジャケット４５における仕切り壁部４４に隣接する位置より、同水冷ジャケット４５内における冷却水の流れ方向上流側（以下、単に「上流側」）の位置になるように形成される。また、水冷ジャケット４５の外部に冷却水を排出する排出口４７が、同水冷ジャケット４５の延設方向における上記始点側の端部４５Ｂとは反対側の終点側の端部４５Ｃに形成される。

こうしたタービンハウジング４０によれば、水冷ジャケット４５における上記仕切り壁部４４に隣接する部分４５Ａおよびその周辺に冷却水を導入することができるため、タービンハウジング４０の中でも高温になる仕切り壁部４４およびその周辺を比較的低温の冷却水によって冷却することができる。しかも、タービンハウジング４０において仕切り壁部４４から離れた部分、すなわち比較的高温になり難い部分については、仕切り壁部４４およびその周辺を冷却した後の冷却水によって冷却することができる。このように上記タービンハウジング４０によれば、その全体を各部の温度に見合うかたちで適正に冷却することができる。

また、上記タービンハウジング４０では、水冷ジャケット４５における仕切り壁部４４に隣接する部分４５Ａより同水冷ジャケット４５内における上流側の位置において冷却水が導入される。これにより、導入口４６から流入した冷却水が水冷ジャケット４５における仕切り壁部４４に隣接する部分４５Ａにおいて一方向によどみなく流れるようになるため、同部分４５Ａを好適に冷却することができる。

水冷ジャケット４５内における冷却水の温度は、タービンハウジング４０との熱交換に起因して高くなるために、その流れ方向下流側（以下、単に「下流側」）に向かうに連れて高くなってしまう。そのため、冷却水による冷却の度合いは下流側に向かうほど小さくなり易いと云える。

この点をふまえて本実施形態では、水冷ジャケット４５がその導入口４６から上記排出口４７に向かうに連れて通路断面積が小さくなる形状に形成されている。具体的には、水冷ジャケット４５の延設方向における導入口４６側から順に、図４に示す端面における水冷ジャケット４５の通路断面積を「Ｓ１」、図５に示す端面における同通路断面積を「Ｓ２」、図６に示す端面における同通路断面積を「Ｓ３」、図７に示す端面における同通路断面積を「Ｓ４」とすると、関係式「Ｓ１＞Ｓ２＞Ｓ３＞Ｓ４」を満たすように、水冷ジャケット４５の形状が設定される。

こうしたタービンハウジング４０によれば、上記導入口４６から排出口４７に向かうに連れて、言い換えれば下流側に向かうに連れて水冷ジャケット４５の断面積が小さくなるため、冷却水の流速が高くなる。そのため、冷却水の温度が高くなる下流側の部位ほど、同冷却水の流速を高くしてタービンハウジング４０から冷却水への伝熱における熱伝達率を高くすることができる。したがって、タービンハウジング４０の各部における冷却度合いのばらつきを小さく抑えて、同タービンハウジング４０の全体を好適に冷却することができるようになる。

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）水冷ジャケット４５を、ハウジング本体４８の外面にける上記タービンホイール３３の回転軸Ｌ１方向において仕切り壁部４４に隣接する部分４５Ａおよびその周辺を始点に延設した。しかも、導入口４６を水冷ジャケット４５の延設方向における上記始点側の端部４５Ｂに形成するようにした。そのため、タービンハウジング４０の全体を各部の温度に見合うかたちで適正に冷却することができる。

（２）水冷ジャケット４５をスクロール通路４１に沿って延びる形状に形成したために、スクロール通路４１が形成された部分、すなわち内部を排気が通過するために排気からの受熱量が多い部分を効率よく冷却することができる。

（３）水冷ジャケット４５を導入口４６から排出口４７に向かうに連れて通路断面積が小さくなる形状に形成するようにしたために、タービンハウジング４０の各部における冷却度合いのばらつきを小さく抑えて、同タービンハウジング４０の全体を好適に冷却することができる。

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。
・水冷ジャケット４５の通路形状としては、その各部の通路断面積がほぼ等しくなる形状や、導入口４６から排出口４７に向かうに連れて通路断面積が徐々に大きくなる形状など、任意の形状を採用することができる。

・水冷ジャケット４５の延設形状は、仕切り壁部４４に隣接する部分４５Ａおよびその周辺を始点に延びる形状であれば、スクロール通路４１に沿って延びる形状に限らず、任意の形状に設定することができる。

・仕切り壁部４４に隣接する部分４５Ａに向けて冷却水が流入する態様で開口するように導入口を形成したり、仕切り壁部４４に隣接する部分４５Ａより若干下流側の部位に向けて冷却水が流入する態様で開口するように導入口を形成したりしてもよい。

・ハウジング本体４８とジャケット部４９とを鋳造法などを用いて一体に形成するようにしてもよい。
・図８〜図１２に示すように、タービンハウジング５０を、排気導入通路５１およびスクロール通路５２の一部をなすスクロール部５３と、水冷ジャケット５４の一部をなすジャケット部５５と、スリット４２よりコンプレッサ側の部分を構成する第１ハウジング部５６と、スリット４２よりシュラウド部５７側の部分を構成する第２ハウジング部５８とにより構成するようにしてもよい。このタービンハウジング５０では、スクロール部５３およびジャケット部５５を、鋳造法を用いて成形することの他、板金加工によって形成することもできる。なお、図９は図８の９−９線に沿ったタービンハウジング５０の端面構造を示し、図１０は図８の１０−１０線に沿ったタービンハウジング５０の端面構造を示し、図１１は図８の１１−１１線に沿ったタービンハウジング５０の端面構造を示し、図１２は図８の１２−１２線に沿ったタービンハウジング５０の端面構造を示す。

・上記実施形態のタービンハウジングは、その冷却のための冷却媒体として、内燃機関２０の冷却に用いる冷却水の一部が供給されるものに限らず、内燃機関２０の周辺機器に供給される流体（冷却水やオイルなど）の一部が供給されるものや、タービンハウジングの冷却のみに用いられる専用の流体（例えば、冷却水や冷却オイル）が供給されるものにも適用することができる。

２０…内燃機関、２１…排気通路、２２…吸気通路、３０…ターボチャージャ、３１…タービン、３２…コンプレッサ、３３…タービンホイール、３４…コンプレッサホイール、３５…シャフト、４０…タービンハウジング、４１…スクロール通路、４１Ａ…巻き始め部、４１Ｂ…巻き終わり部、４２…スリット、４３…排気導入通路、４４…仕切り壁部、４５…水冷ジャケット（媒体通路）、４５Ａ…隣接する部分、４５Ｂ…始点側の端部、４５Ｃ…終点側の端部、４６…導入口、４７…排出口、４８…ハウジング本体、４９…ジャケット部、５０…タービンハウジング、５１…排気導入通路、５２…スクロール通路、５３…スクロール部、５４…水冷ジャケット、５５…ジャケット部、５６…第１ハウジング部、５７…シュラウド部、５８…第２ハウジング部。

Claims

タービンホイールの外周において渦巻形状で延びるとともに前記タービンホイールに吹き付けられる内燃機関の排気が通過するスクロール通路と、内部を冷却媒体が通過する媒体通路とが形成された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、前記スクロール通路の巻き始め部に接続されて同スクロール通路の内部に前記排気を導入する排気導入通路と、前記スクロール通路の巻き終わり部および前記排気導入通路の間に設けられ前記タービンホイールの周囲方向に突出する仕切り壁部とを備え、
前記媒体通路は、前記タービンホイールの回転軸方向において前記仕切り壁部に隣接する部分およびその周辺を始点に延設されるとともに、前記冷却媒体を内部に導入する導入口が前記始点側の端部に形成される
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、
前記媒体通路は、前記スクロール通路に沿って延びる形状に形成される
ことを特徴とするタービンハウジング。
請求項２に記載のタービンハウジングにおいて、
前記媒体通路は、前記冷却媒体を外部に排出する排出口が前記始点側の端部とは反対側の終点側の端部に形成されるとともに、前記導入口から前記排出口に向かうに連れて通路断面積が小さくなる形状に形成される
ことを特徴とするタービンハウジング。
請求項１〜３のいずれか一項に記載のタービンハウジングにおいて、
前記冷却媒体は機関冷却水である
ことを特徴とするタービンハウジング。