JP2018053839A - 排気ターボ過給機 - Google Patents

Abstract

【課題】タービンハウジングの入口筒部に冷却水ジャケットを形成した水冷式排気ターボ過給機において、薄肉化しつつ強度の確保する。【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の入口筒部４ａとタービン側スクロール４ｂとに、それぞれ前後に繋がっ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とが形成されている。インサイドジャケット１９とアウトサイドジャケット２０とは上下の隔壁２１ａ，２１ｂで分断されており、入口筒部４ａの下面には、下部隔壁２１ｂと繋がったリブ２５が下向きに突設されている。入口筒部４ａを薄肉化しても、隔壁２１ａ，２１ｂとリブ２５とによって強度を確保できる。【選択図】図５

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、排気ガスで駆動され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。

タービンはタービンハウジングに配置されており、タービンハウジングには、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形成されたタービン側スクロール部と、タービン側スクロール空間の始端に連通した排気ガス導入通路を有する入口筒部とが形成されており、入口筒部の開口部にフランジを設けて、フランジをシリンダヘッド又は排気マニホールドに固定するようになっている。

排気ターボ過給機のハウジングは、耐熱性を確保するため一般に鋳鋼品が使用されており、主として、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た中間ハウジング（軸受けハウジング）の３つに分離しているが、特許文献１には、タービン側スクロール部に冷却水ジャケットを設けて、冷却水の入口と出口とを入口筒部の開口部寄りに配置することが開示されている。

他方、特許文献２には、タービンハウジングと中間ハウジングとコンプレッサハウジングとをアルミで一体に形成して、その内部に、タービン側スクロール部や軸受け部やコンプレッサ側スクロール部を冷却する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公報

特許文献１の冷却水ジャケットは、タービン側スクロール部のうちフランジと反対側の端部のみに形成されており、冷却水の入口と出口とが冷却水ジャケットとどのように繋がっているのかは不明であるが、いずれにしても、タービンハウジングと中間ハウジングとコンプレッサハウジングとが別体であることから、各ハウジングは鋳鋼製と推測される。従って、冷却水ジャケットを設けても、入口筒部に関して強度的な問題は生じないと推測される。

他方、特許文献２では、タービンハウジングに形成した冷却水ジャケットは、タービン側スクロール空間を全周に亙って囲っているが、排気ガス導入通路の冷却についての説明は見当たらないことから、入口筒部には冷却水ジャケットは形成されていないと推測され、従って、ハウジングをアルミ製とした特許文献２においても、入口筒部に関して強度的な問題は生じないと推測される。

さて、排気ターボ過給機においては、排気ガスは、まず、入口筒部に形成されている排気ガス導入通路に流入するため、入口筒部の冷却の必要性が高い。入口筒部はシリンダヘッドや排気マニホールドに固定されていて、シリンダヘッドや排気マニホールドからの伝熱もあるため、タービンハウジングをアルミ製として軽量化する場合、入口筒部を冷却することの必要性は特に高くなるといえる。

しかるに、上記のとおり、いずれの特許文献も入口筒部の冷却の必要性や、入口筒部に冷却水ジャケットを設けた場合の強度確保などに関する言及は見当たらず、排気ターボ過給機を水冷式とするに当たっての技術的空白が存在しているといえる。

本願発明はこのような現状に鑑み成されたものであり、より改良された水冷式排気ターボ過給機を提供せんとするものである。

本願発明の排気ターボ過給機は、
水平状の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を有しており、
前記タービンを配置したタービンハウジングに、前記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形成されたタービン側スクロール部と、前記タービン側スクロール空間の始端に連通した排気ガス導入通路を有する略横長の入口筒部とが形成されており、前記入口筒部の開口部に、シリンダヘッド又は排気マニホールドに固定されるフランジを設けている、という基本構成である。

そして、請求項１では、上記基本構成において、
前記入口筒部には、前記排気ガス導入通路を少なくとも下方から囲う冷却水ジャケットが、前記排気ガス導入通路の下端部においてその長手方向に延びる下部隔壁によって分断された状態に形成されており、かつ、前記入口筒部の下面に、前記下部隔壁と上下に重なり合う下向きのリブが、前記入口筒部の長手方向に延びるように形成されている。

請求項２では、請求項１において、
前記冷却水ジャケットは、前記入口筒部に形成された部分と前記タービン側スクロール部に形成された部部位とを有して両者は一体に連通していると共に、前記入口筒部に形成された部分は前記入口筒部の端面に開口している一方、前記リブは、前記フランジとタービン側スクロール部とに繋がっている。

下部隔壁を介して分断された冷却水ジャケットは、上端部において一体に連通していてもよいが、上端においては上部隔壁で左右に分断した構成とすることができる。また、請求項２のようにタービン側スクロール部にも冷却水ジャケットを形成した場合、タービン側スクロール部の冷却水ジャケットも、入口筒部に形成された隔壁と連続した隔壁によって左右に分断することができる。

排気ターボ過給機は、フランジから張り出した状態になっているため、入口筒部には、タービン側スクロール空間や中間ハウジングやコンプレッサハウジングの重量が、下向きのモーメントとして作用し、しかも、機関の振動によってモーメントが小刻みに作用するため、入口筒部には下向きの大きな負荷が作用する。

このため、単に入口筒部に、排気ガス導入通路を囲うように冷却水ジャケットを形成しただけでは、入口筒部の強度は弱くならざるを得ず、従って、強度を確保するには肉厚を非常に大きくせねばならないが、厚肉化すると、例えばアルミ化しても軽量化の目的を十分に達し得なくなる。

これに対して本願発明では、入口筒部において、冷却水ジャケットが下部隔壁で左右に分断していることと、下部隔壁の下方にリブが配置されていることとにより、入口筒部は下向きの荷重に対して強い抵抗を発揮するため、薄肉であっても必要な強度を確保することができる。従って、ハウジングをアルミ化するにおいて、熱変形も大幅に抑制して品質・耐久性を確保しつつ軽量化することに貢献できる。冷却水ジャケットを上端部において上部隔壁で左右に分断すると、入口筒部の強度が更に高くなるため、一層好適である。

請求項２の構成を採用すると、まず、冷却水ジャケットが入口筒部の端部に開口しているため、タービンハウジングの鋳造が容易になる。つまり、鋳造では、空洞になる部分は砂の中子で構成されるが、この中子は鋳型でしっかりと保持することと、鋳造後に砂を容易に除去できることとが必要であるところ、請求項２のように、空洞である冷却水ジャケットを入口筒部の端部に開口させると、中子の端面を砂型の枠部で支持できるため、中子を安定的に保持することができ、しかも、鋳造後の鋳砂の排除も容易になるのである。

また、請求項２の発明では、タービン側スクロール部の箇所にも冷却水ジャケットが形成されているため、タービンハウジングの冷却をより確実化して熱変形の防止効果が一層高まると共に、軸受け部に対する熱の影響も大幅に抑制できる。

更に、請求項２の発明では、リブがフランジとタービン側スクロール部とに繋がっているため、入口筒部は、上からの荷重（モーメント）に対する抵抗が格段に高くなる。従って、補強効果を万全なものとすることができる。

実施形態の縦断正面図である。 実施形態の分離縦断正面図である。 実施形態を示す図で、（Ａ）はハウジングを前から見た斜視図、（Ｂ）は（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。 実施形態のハウジングを示す図で、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は底面図である。 （Ａ）は図２のＡ−Ａ視断面図、（Ａ）の図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。 （Ａ）は冷却水の流れの別例を示す模式的、（Ｂ）は図５（Ｂ）と同じ箇所の別例図である。

(1).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、水平姿勢の回転軸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、アルミの鋳造品とし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（上端）に、図３（Ｂ）に示すように、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、排気ガス導入通路９が形成された入口筒部４ａを有しており、その先端に、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。従って、タービンハウジング３は、主要な要素として入口筒部４ａとタービン側スクロール部４ｂと有しており、入口筒部４ａは、概ね水平に近い横長姿勢になっている。図５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、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４から容易に理解できるように、タービンハウジング４に、入口筒部１０と排気出口１４とタービン側スクロール部４ｂ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、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、上部隔壁２１ａと下部隔壁２１ｂとで左右に分断されている。従って、上下の隔壁２１ａ，２１ｂは、入口筒部４ａとタービン側スクロール部４ｂとを左右に（軸方向）に２つ割りする面に沿って延びており、フランジ１２と反対側の前端部において繋がっている。

図３（Ｂ）や図４（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４ａの後面に開口している。また、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４ａ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部４ｂの箇所では環状になっている。ジャケット１９，２０の側面視形状は、図８（Ａ）で模式的に示している。

インサイドジャケット１９とアウトサイドジャケット２０との冷却水の流れの態様は、幾つか有り得る。その例を図６（Ａ）（Ｂ）及び図７（Ａ）で模式的に示している。図６（Ａ）に示す例では、上下の隔壁２１ａ，２１ｂの前端部を繋ぐことなく前端部において互いに分離することにより、タービン側スクロール部４ｂの前端部に、インサイドジャケット１９とアウトサイドジャケット２０との連通部２２を形成しており、冷却水を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に流している。従って、この例では、インサイドジャケット１９の後端が冷却水入口２２ａとなって、アウトサイドジャケット２０の後端が冷却水出口２２ｂになっている。

図６（Ｂ）に示す例では、インサイドジャケット１９とアウトサイドジャケット２０とは完全に分離して、両ジャケット１９，２０の下端にそれぞれ冷却水入口２２ａを形成して、冷却水出口２２ｂを後端に形成している。図７（Ａ）に示す例では、インサイドジャケット１９とアウトサイドジャケット２０との前部下端を連通部２２で繋いで、連通部２２に冷却水入口２２ａを設けている。両ジャケット１９，２０の後端は、それぞれ冷却水出口２２ｂになっている。

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とほぼ対称状の形態なっているが、インサイドジャケット１９の内周は、回転軸３が嵌まっている内周穴２３の近くまで延長してもよい。図１，２のとおり、回転軸３のうちタービンハウジング４の内周穴２３に嵌まっている箇所には、複数の環状溝２４が形成されていて、この環状溝２４にオイルシール２４ａが嵌め込まれている。

更に、図３，図４（Ｂ），図５に示すように、入口筒部４ａの下面には、フランジ１２からタービン側スクロール部４ｂまで延びる補強用のリブ２５が下向きに突設されており、このリブ２５は、入口筒部４ａの下部に形成した下部隔壁２１ｂと上下に重なっている。リブ３５は板状であり、前後の全長に亙ってほぼ等しい上下幅になっているが、上下幅を前後方向に向けて徐々に異ならせたり、下端が側面視でアーチ状になるように形成したりすることも可能である。なお、上部隔壁２１ａは、下部隔壁２１ｂ及びリブ２５の上に位置している。

(2).コンプレッサハウジング・中間ハウジング
念のため、コンプレッサ部と中間ハウジング６も説明しておく。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いており、この終端に、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と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、中間ハウジング６のうち軸受け部３３の左右両側方には、第１及び第２のオイル飛散空間３８，３９が形成されており、オイル飛散空間３８，３９は、オイル出口空間３７と連通している。

図２に大きく示すように、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、金属製の第１オイルシール４０を装着している。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のリテーナリング４１が固定されている。リテーナリング４１には、第２オイルシール４１ａを介して第１オイルシール４０が嵌合しており、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、両者は、弾性を有するＣ形のストッパーリング４３で抜け不能に保持されている。

(3).まとめ
本実施形態の排気ターボ過給機はシリンダヘッド１１に直付けする方式であり、しかも、インサイドジャケット１９とアウトサイドジャケット２０とは入口筒部４ａの後端に開口している。そして、冷却水をジャケット１９，２０に流すことにより、タービン側スクロール部４ｂやインサイドジャケット１９を冷却できるため、タービンハウジング４及び中間ハウジング６がアルミ製であっても、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アルミ化（軽量化）を、大きく前進させることができる。

そして、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、インサイドジャケット１９とタービン側スクロール部４ｂとに跨がった隔壁２１ａ，２１ｂ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、ジャケット１９，２０に冷却水をまんべんなく流すことができる。

従って、タービンハウジング４の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。そして、入口筒部４ａにおいて、インサイドジャケット１９とアウトサイドジャケット２０とが上下の隔壁２１ａ，２１ｂで分断されていると共に、下面には下部隔壁２１ｂと上下に連続したリブ２５が形成されているため、上からの荷重に対して高い抵抗を発揮する。

従って、タービンハウジング４（及び中間ハウジング６）をアルミ化して軽量化を図ったものでありながら、耐久性を確保しつつ、各入口筒部４ａをできるだけ薄肉化して軽量化を促進できる。実施形態のようにリブ２５をフランジ１２及びタービン側スクロール部４ｂに繋ぐと、下向きの曲げ力（モーメント）に対する断面係数が大きくなるため、強度の向上に一層貢献できる。

図７（Ｂ）に示すように、入口筒部４ａの内周部によってインサイドジャケット１９とアウトサイドジャケット２０とを分断して、分断部にリブ２５を形成してもよい。

上記の各実施形態は、ジャケット１９，２０を入口筒部４ａまで形成したが、ジャケット１９，２０の後端が入口筒部４ａの後端に至っていない形態も採用可能である。インサイドジャケット１９とアウトサイドジャケット２０とのうちいずれか一方又は両方を、それぞれサイド隔壁で上下に分断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
４ａ 入口筒部
４ｂ タービン側スクロール部
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
９ 排気ガス導入通路
１１ シリンダヘッド
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
２１ａ 上部隔壁
２１ｂ 下部隔壁
２２ａ 冷却水入口
２２ｂ 冷却水出口
２５ リブ

Claims (2)

1. 水平状の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を有しており、
   前記タービンを配置したタービンハウジングに、前記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形成されたタービン側スクロール部と、前記タービン側スクロール空間の始端に連通した排気ガス導入通路を有する略横長の入口筒部とが形成されており、前記入口筒部の開口部に、シリンダヘッド又は排気マニホールドに固定されるフランジを設けている構成であって、
   前記入口筒部には、前記排気ガス導入通路を少なくとも下方から囲う冷却水ジャケットが、前記排気ガス導入通路の下端部においてその長手方向に延びる下部隔壁によって分断された状態に形成されており、かつ、前記入口筒部の下面に、前記下部隔壁と上下に重なり合う下向きのリブが、前記入口筒部の長手方向に延びるように形成されている、
   排気ターボ過給機。
2. 前記冷却水ジャケットは、前記入口筒部に形成された部分と前記タービン側スクロール部に形成された部部位とを有して両者は一体に連通していると共に、前記入口筒部に形成された部分は前記入口筒部の端面に開口している一方、
   前記リブは、前記フランジとタービン側スクロール部とに繋がっている、
   請求項１に記載した排気ターボ過給機。

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