JP2018053836A - 排気ターボ過給機 - Google Patents

Abstract

【課題】タービンハウジングと中間ハウジング（軸受けハウジング）とをアルミ化・一体化するにおいて、軸受け部が熱害を受けることを防止する。【解決手段】タービンハウジング４と中間ハウジング６とがアルミ鋳造品で一体化されており、タービンハウジング４に、タービン室７とタービン側スクロール空間８とが形成されて、中間ハウジング６に軸受け部３３が形成されている。タービン側スクロール空間８を挟んだ片側にインサイドジャケット１９が形成されている。軸受け部３３とタービンハウジング４との間に、オイル切り等のためのタービン側空洞部３８が介在しており、タービン側スクロール空間８とタービン側空洞部３８との間にインサイドジャケット１９が介在している。インサイドジャケット１９とタービン側空洞部３８とのダブル効果により、軸受け部３３への伝熱を効果的に抑制できる。【選択図】図２

Description

本願発明は、自動車用等の内燃機関に設ける排気ターボ過給機に関するものである。

排気ターボ過給機は、排気ガスで回転するタービンによってコンプレッサを回転させるものであり、タービンとコンプレッサとは回転軸によって連結されており、タービン室やコンプレッサ室を有するハウジングを備えている。また、タービンの外周外側にはタービン側スクロール空間が形成されている一方、コンプレッサの外周外側には、コンプレッサ側スクロール空間が形成されている。

タービンとコンプレッサとは回転軸で連結されており、例えば特許文献１に開示されているように、回転軸は、一般に、オイル層を介して軸受け部に配置されたフローティングメタルで回転自在に保持されていることが多く、従って、軸受け部にはオイルが連続的に供給されており、軸受け部を経由したオイルは、軸受け部の下方に流下して管路で機関本体に戻るようになっている。また、軸受け部を挟んでタービンの側とコンプレッサの側とにはオイル切り用等の空洞部が形成されており、オイルが回転軸を伝ってタービンの側に流れたりコンプレッサの側に流れたりすることを阻止している。

排気ターボ過給機を構成するハウジングは、耐熱性や加工性の点から、鋳鋼製のタービンハウジングとコンプレッサハウジング、及び両者の間に位置して軸受け部が形成されている中間ハウジング（軸受けハウジング）とで構成されていることが多く、特許文献１には、タービンハウジングに、タービン側スクロール空間を囲う冷却水ジャケットを形成し、更に、タービンハウジングと中間ハウジングとの重合部に、断熱用の空室部を環状に形成することが開示されている。

上記のとおり、ハウジングは鋳鋼品が一般的であるが、軽量化のためにアルミ化することも考えられており、その例として特許文献２には、タービンタービンと中間ハウジングとコンプレッサハウジングとの全体をアルミ鋳造品として一体化して、内部に冷却水ジャケットを設けることが開示されている。

実開昭５８−１５２５２８号のマイクロフィルム 国際公開ＷＯ２０１４／１０３５７０

特許文献１のように、タービンスクロール空間と中間ハウジングとの間に空室部を形成すると、タービンハウジングの熱が軸受け部に伝わることを抑制できるが、空室部は軸受け部よりもかなり外周外側に位置しているため、軸受け部に対する断熱性は必ずしも高くないといえる。

また、タービンハウジングと中間ハウジングとをアルミ鋳造品として一体化した場合は、ループ構造の空室部を形成することは不可能となり、従って、特許文献１は、タービンハウジングと中間ハウジングとを一体化したものには適用できないという不具合もある。

本願発明は、このような現状を改善すべく成されたものである。

本願発明の排気ターボ過給機は、
回転軸で連結されて同心に回転するタービン及びコンプレッサと、前記タービンが配置されたタービン室と、前記コンプレッサが配置されたコンプレッサ室と、前記回転軸を回転自在に保持する軸受け部とを有しており、
前記タービン室はタービンハウジングに形成されていて、タービンを外周外側から囲うタービン側スクロール空間が連通している一方、前記軸受け部は中間ハウジングに形成されており、前記タービンハウジングと中間ハウジングとが一体に鋳造されている、
という基本構成である。

そして、上記基本構成において、
前記軸受け部とタービンハウジングとの間に、下方に開口した空洞部を形成している一方、
前記タービンハウジングのうち、少なくとも前記タービン側スクロールを挟んで中間ハウジングの側に位置した部位に、前記タービン側スクロール空間を囲うように冷却水ジャケットが形成されており、前記冷却水ジャケットの内周部は、前記空洞部とタービン側スクロール空間との間の部位まで入り込んでいる。

本願発明は、様々な構成を含んでいる。例えば、空洞部の上部をコンプレッサハウジングの側に入り込ませて、軸受け部の一部をタービンハウジングに向けて突出させることができる。タービンハウジングには、特許文献１のように、タービン側スクロール空間を中間ハウジングと反対側から囲う冷却水ジャケットを設けることも可能である。

本願発明において、軸受け部とタービンハウジングとの間の空洞部はオイル切りのために従来から存在しており、下方に開口しているため、中間ハウジングとタービンハウジングとをアルミ鋳造品として一体化しても、製造上の問題は生じない。

そして、空洞部とタービン側スクロール空間との間に冷却水ジャケットが介在しているため、タービン側スクロール空間の部位の熱が軸受け部に伝わることを、冷却水と空洞部とで抑制できる。すなわち、本願発明では、冷却水と空洞部とのダブル効果により、タービンから軸受け部へ伝熱を著しく抑制できる。

従って、タービンハウジングと中間ハウジングとを軽金属の鋳造品として一体化して排気ターボ過給機を軽量化することを、軸受け部の熱害を防止した状態で実現することができる。これにより、ハウジングの軽量化を促進して燃費の向上に大きく貢献できる。

空洞部の上部をコンプレッサハウジングの側に入り込ませると、空洞部による遮熱性が一層向上する利点がある。また、冷却水ジャケットの冷却水入口を下端部に設けて、冷却水が冷却水ジャケットを下から上に流れる構成を採用すると、昇温していない冷却水で軸受け部とタービンハウジングとを遮断できるため、軸受け部に対する遮熱性を一層向上できる利点がある。

実施形態の縦断正面図である。 図１の要部拡大図である。 （Ａ）はハウジングを前から見た斜視図、（Ｂ）はハウジングを（Ａ）のＢ−Ｂ視方向から見た（シリンダヘッドの側から見た）背面図である。 （Ａ）は図２のＡ−Ａ視断面図、（Ｂ）は図２のＢ−Ｂ視断面図である。 冷却水の流れを示す模式図である。

(1).実施形態の概要とタービンハウジング
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。まず、概要を説明する。本実施形態では、方向を明確にするため前後・左右の文言を使用するが、これは、回転軸の長手方向を左右方向として、これと直交した水平方向を前後方向として、シリンダヘッドから向いた方向を前としている。念のため、図３に方向を明示している。

図１に示すように、排気ターボ過給機は、ブレード式のタービン１及びコンプレッサ２を備えており、両者は回転軸３で一体に固定されている。また、排気ターボ過給機は、タービンハウジング４とコンプレッサハウジング５、及び、両者の間に位置した中間ハウジング６とを有しており、タービンハウジング４と中間ハウジング６とは、アルミ等の軽金属の鋳造によって一体に製造されている。コンプレッサハウジング５は、アルミ等の軽金属のダイキャスト品又は鋳造品である。

タービンハウジング４には、タービン１が回転自在に配置されたタービン室７と、タービン室７の外周部に連通したタービン側スクロール空間８とが形成されている。タービン側スクロール空間８は、始端の断面積が終端の断面積よりも大きくて環状に近い渦状になっており、その始端に、図５に模式的に示すように（図３も参照）、タービン側スクロール空間８の始端部の接線方向に延びる排気ガス導入通路９が連通している。

従って、タービンハウジング４は、図３，４に示すように、排気ガス導入通路９が形成された入口筒部４ａと、タービン側スクロール空間８が形成されたタービン側スクロール部４ｂとを有しており、入口筒部４ａの先端に、シリンダヘッド１１（又は排気マニホールド）にボルト（及びナット）で固定されるフランジ１２を形成している。図４に示すように、本実施形態では、シリンダヘッド１１の排気側面１１ａは、上に行くほど鉛直線１３との間隔が広がるように少し後傾姿勢になっている。

排気ガス導入通路９からタービン側スクロール空間８に流入した排気ガスは、タービン側スクロール空間８の周方向に流れながらタービン１を回転駆動しつつ、軸方向に排出される。従って、タービンハウジング４には、図１のとおり、排気ガスを排出する筒状の排気出口１４が、回転軸３の軸心方向に向けて開口しており、この排気出口１４に排気管又は触媒ケースが接続される。

また、図１に部分的に示すように、タービンハウジング４のうち排気出口１４の近くには、排気ガス導入通路９から排気出口１４に排気ガスを逃がすバイパス通路１５が形成されている。バイパス通路１５は排気出口１４の上に位置している。そこで、図３から容易に理解できるように、タービンハウジング４に、排気ガス導入通路９と排気出口１４とに繋がった拡張部１６を形成し、この拡張部１６に、バイパス通路１５と、これに連通したウエストゲートバルブ配置空間１７（図１参照）とを形成している。

ウエストゲートバルブ配置空間１７は、排気出口１４に連通して回転軸３の軸心方向に開口しており、ウエストゲートバルブは、排気出口１４の開口方向から挿入されて、支軸によってタービンハウジング４に連結される。図３に符号１８で示すのは、支軸が挿通される穴である。

タービンハウジング４には、更に、冷却水による冷却手段として、タービン側スクロール空間８及び排気ガス導入通路９を中間ハウジング６の側から囲うインサイドジャケット１９と、タービン側スクロール空間８及び排気ガス導入通路９を排気出口１４の側から囲うアウトサイドジャケット２０とが形成されており、これらインサイドジャケット１９とアウトサイドジャケット２０とは、隔壁２１によって左右に分断されている。従って、隔壁２１は、排気出口１４とスクロール部とを左右に（軸方向）に２つ割りする面に沿って延びている。

インサイドジャケット１９が、請求項に記載した冷却水ジャケットに該当する。インサイドジャケット１９とアウトサイドジャケット２０とを一体に連続させることも可能であるが、この場合は、隔壁２１を飛び飛びに形成することにより、タービンハウジング４の強度を確保するのが好ましい。

図３（Ｂ）に示すように、インサイドジャケット１９及びアウトサイドジャケット２０は、入口筒部１０の後面に開口している。また、図５から理解できるように、インサイドジャケット１９及びアウトサイドジャケット２０は、排気ガス導入通路９の箇所では１本の流れになっているが、タービン側スクロール空間８の箇所では環状になっている。

両ジャケット１９，２０の通水態様は、幾つかのパターンが有り得る。図５（Ａ）に示す例では、インサイドジャケット１９からインサイドジャケット１９に冷却水が流れるように設定している。すなわち、隔壁２１を、フランジ１２と反対側の先端部においてある程度の寸法だけ除去することにより、タービンハウジング４の先端部に、冷却水がインサイドジャケット１９からアウトサイドジャケット２０に向けて流れる連通路２２を形成している。従って、インサイドジャケット１９の後端が冷却水入口４５となり、アウトサイドジャケット２０の後端が冷却水出口４６になっている。

図５（Ｂ）では、インサイドジャケット１９とアウトサイドジャケット２０とを独立した流路として、それぞれ下部に冷却水入口４５を設けている。冷却水出口４６は、両ジャケット１９，２０の後端に開口させている。両ジャケット１９，２０を独立した流路とした場合、インサイドジャケット１９とアウトサイドジャケット２０との下端部を連通させて、この連通部に冷却水入口を設けてもよい。

これらの場合は、冷却水は、タービン側スクロール空間８の箇所では二股に分かれて上昇し、それから一つの流れに合流して排気ガス導入通路９の後端に向かい、冷却水出口４６から流出する。冷却水出口４６は、シリンダヘッド１１に形成されているジャケットに連通させてもよいし、別途、パイプを接続してもよい。

この実施形態では、冷却水は、重力に抗して上昇するため、インサイドジャケット１９及びアウトサイドジャケット２０の隅々まで広がりながら上昇する傾向を呈する。このため、インサイドジャケット１９及びアウトサイドジャケット２０の全体に冷却水を均等に行き渡らせることができて、冷却性能に優れている。また、インサイドジャケット１９とアウトサイドジャケット２０とで流量などを異ならせることができるため、きめ細かい冷却を実現できる。更に、冷却水中に気泡が存在しても、気泡を速やかに排除することができる。

図２に示すように、アウトサイドジャケット２０は、タービン側スクロール空間８の周囲を、概ね１／４程度の範囲で囲っている。インサイドジャケット１９は、アウトサイドジャケット２０と対称に近い形態になっているが、インサイドジャケット１９の内周端は、タービンハウジング４の貫通穴（内周穴）２３の近くまで延ばしている。インサイドジャケット１９と貫通穴２３との間隔寸法は、例えば、インサイドジャケット１９の箇所でのタービン側スクロール部４ｂの肉厚ｔ（図２参照）と同じ程度に設定できる。なお、回転軸３のうち貫通穴２３に嵌まっている箇所には複数の環状溝２４が形成されており、環状溝２４にオイルシール２４ａが嵌まっている。

(2).コンプレッサハウジング・中間ハウジング
図１，２に示すように、コンプレッサハウジング５には、コンプレッサ２が回転自在に配置されたコンプレッサ室２６と、コンプレッサ室２６の外側に位置したコンプレッサ側スクロール空間２７とが形成されており、両者は連通路２８で繋がっている。コンプレッサ側スクロール空間２７は環状に近い状態に形成されており、始端から終端に向けて断面積が大きくなっている。コンプレッサ側スクロール空間２７の終端は接線方向に向かって開口しており、これに、吸気吐出口２９が接続されている。図１に符号３０で示すのは、ダイヤフラム式アクチェータの取り付けボスである。

コンプレッサハウジング５には、蓋部材３１が中間ハウジング６の側から嵌まっており、コンプレッサハウジング５と蓋部材３１とでコンプレッサ側スクロール空間２７が形成されている。また、コンプレッサ室２６及び連通路２８は、は蓋部材３１と中間ハウジング６との間に形成されている（従って、正確には、コンプレッサハウジング５が、本体部と蓋部材３１とで構成されている。）。

図１，２に示すように、中間ハウジング６には、回転軸３が回転自在に嵌まる軸受け部３３が形成されており、軸受け部３３に、オイル層を介して中空のフローティングメタル３４が配置されており、回転軸３の中途部が、フローティングメタル３４の内部に回転自在に嵌まっている。フローティングメタル３４は、軸受け部３３に下方から嵌着又はねじ込んだストッパー３５によって回転不能に保持されている。

軸受け部３３の上部の左右中間部には、上下方向に貫通したオイル入口３６が形成されている。また、軸受け部３３の下方には、空洞状のオイル出口空間３７が形成されている。図５（Ａ）に示すように、オイル出口空間３７は、側面視で半円状の形態を成している。

更に、軸受け部３３は、タービンハウジング４の側に位置したタービン側空洞部３８と、コンプレッサハウジング５の側に位置したコンプレッサ側空洞部３９とにより、タービンハウジング４及びコンプレッサハウジング５から分断されている。これら空洞部３８，３９は、オイル出口空間３７と連通している。

タービン側空洞部３８とタービン側スクロール空間８との間に、インサイドジャケット１９の内周部が入り込んでいる。また、両空洞部３８，３９には、軸受け部３３の左右中間部の側に入り込んだ凹入部３８ａ，３９ａが形成されている。従って、軸受け部３３の左右端部は、空洞部３８，３９で包まれた突出部になっている。

図１，２に示すように、軸受け部３３のうちコンプレッサハウジング５の側の端部には、金属製等の第１オイルシール４０を固定しており、第１オイルシール４０とフローティングメタル３４との間には若干の隙間が空いている。なお、第１オイルシール４０の断面表示（ハッチング）は省略している。また、中間ハウジング６の左端部は大きく開口しており、この大径の開口部に、金属製等のリテーナリング４１を固定し、リテーナリング４１と第１オイルシール４０との間に、第２オイルシール４１ａを配置している。第２オイルシール４１ａは第１オイルシール４０に固定されている。回転軸３の端部は、ナット４２でコンプレッサ２に固定されている。

図１に示すように、中間ハウジング６のうちタービンハウジング４と反対側の端部は、コンプレッサハウジング５によって外側から抱持されており、両者の間には、弾性を有するＣ型のストッパーリング４３が嵌まっており、これにより、両者は抜け不能に保持されている。

(3).まとめ
以上の構成において、冷却水をインサイドジャケット１９，アウトサイドジャケット２０に流すことにより、タービン側スクロール部４ｂや入口筒部４ａを冷却できるため、タービンハウジング４と中間ハウジング６とをアルミ製の一体鋳造品とした場合であっても、過剰な熱変形や溶損を防止した状態で、タービン１の円滑な回転を確保できる。従って、燃費向上に貢献できるハウジングの軽量化を大きく前進させることができる。

そして、軸受け部３３は回転軸３を円滑に回転保持する機能を担うものであり、過度に熱膨張すると回転軸３のガタつきが生じるなどの不具合が生じるおそれがあるが、本実施形態では、軸受け部３３とタービン側スクロール空間８との間に、インサイドジャケット１９とタービン側空洞部３８とが存在するため、タービンハウジング４と中間ハウジング６とを一体化したものでありながら、タービンハウジング４から軸受け部３３の熱の伝達を著しく抑制して、軸受け部３３の過剰な昇温を防止できる。これにより、回転軸３の円滑な回転を確保しつつ、排気ターボ過給機の軽量化を促進できる。

実施形態のように、タービン側空洞部３８に凹入部３８ａを形成すると、タービン側空洞部３８による遮熱性が一層向上するため、軸受け部３３の熱害防止効果をより万全なものとすることができる。

また、インサイドジャケット１９を貫通穴２３に近づけると、タービンハウジング４の内周部もの昇温も抑制できるため、タービンハウジング４から回転軸３への伝熱も抑制できる。この面でも、回転軸３の円滑な回転の確保に貢献できる。

なお、実施形態では、インサイドジャケット１９とアウトサイドジャケット２０とは、タービンハウジング４を上部と前部と下部との三方から囲う隔壁２１で左右に分断されているため、タービンハウジング４は高い強度を確保することができると共に、インサイドジャケット１９とアウトサイドジャケット２０との流路は単純化するため、冷却水の淀み現象を生じることなく、インサイドジャケット１９とアウトサイドジャケット２０との全体に冷却水をまんべんなく流すことができる。

従って、いびつな熱変形を防止して、熱ひずみも大幅に抑制できる。その結果、高い信頼性・耐久性を得ることができる。入口筒部１０及びスクロール部は、中間ハウジング６の側よりも排気出口１４の側の方が高温になるが、インサイドジャケット１９からアウトサイドジャケット２０に冷却水を流すと、タービンハウジング４から中間ハウジング６への伝熱性を大幅に抑制できるため、軸受け部３３の伝熱防止の面で好適である。インサイドジャケット１９とアウトサイドジャケット２０とに冷却水を別々に流した場合も、軸受け部３３への伝熱阻止効果に優れている。

上記の実施形態では、入口筒部４ａにもジャケット１９，２０を形成したが、タービン側スクロール部４ｂだけに環状のジャケット１９，２０を形成することも可能である。

本願発明は、排気ターボ過給機に具体化できる。従って、産業上利用できる。

１ タービン
２ コンプレッサ
３ 回転軸
４ タービンハウジング
５ コンプレッサハウジング
６ 中間ハウジング
７ タービン室
８ タービン側スクロール空間
９ 排気ガス導入通路
１４ 排気出口
１９ インサイドジャケット
２０ アウトサイドジャケット
２１ 隔壁
３３ 軸受け部
３８ 軸受け部とタービンハウジングとの間の空洞部

Claims (1)

1. 回転軸で連結されて同心に回転するタービン及びコンプレッサと、前記タービンが配置されたタービン室と、前記コンプレッサが配置されたコンプレッサ室と、前記回転軸を回転自在に保持する軸受け部とを有しており、
   前記タービン室はタービンハウジングに形成されていて、タービンを外周外側から囲うタービン側スクロール空間が連通している一方、前記軸受け部は中間ハウジングに形成されており、前記タービンハウジングと中間ハウジングとが一体に鋳造されている構成であって、
   前記軸受け部とタービンハウジングとの間に、下方に開口した空洞部を形成している一方、
   前記タービンハウジングのうち、少なくとも前記タービン側スクロールを挟んで中間ハウジングの側に位置した部位に、前記タービン側スクロール空間を囲うように冷却水ジャケットが形成されており、前記冷却水ジャケットの内周部は、前記空洞部とタービン側スクロール空間との間の部位まで入り込んでいる、
   排気ターボ過給機。

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