JP2019078245A

JP2019078245A - Supercharger

Info

Publication number: JP2019078245A
Application number: JP2017207526A
Authority: JP
Inventors: 理仁菅原; Michihito Sugawara
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2017-10-26
Filing date: 2017-10-26
Publication date: 2019-05-23

Abstract

To simplify the structure to decrease the capacity of a cooling system.SOLUTION: A rotating force of a turbine blade 42b is transmitted via a bearing unit 42c to a compressor wheel 42a. An aluminum water-cooled bearing turbine integrated housing 42d has a water jacket 42l for storing the bearing unit 42c and the turbine blade 42b. A shroud piece 42m using ceramic showing higher adiabaticity than aluminum as a material is mounted on the water-cooled bearing turbine integrated housing 42d near the turbine blade 42b.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

この発明は、過給機に関し、特に、タービンブレードの回転力をベアリングユニットを介してコンプレッサホイールに伝達する、過給機に関する。 The present invention relates to a supercharger, and more particularly to a supercharger that transmits the rotational force of a turbine blade to a compressor wheel through a bearing unit.

特許文献１によれば、水冷式過給機の冷却水通路は、部材温度が高温になるシュラウド部を有する冷却通路と、当該シュラウド部に比べて部材温度が低いスクロール部を有する冷却通路に分けられる。また、スクロール部を有する冷却通路には、断熱層が形成される。 According to Patent Document 1, the cooling water passage of the water-cooled supercharger is divided into a cooling passage having a shroud portion where the member temperature becomes high and a cooling passage having a scroll portion where the member temperature is lower than the shroud portion. Be Further, a heat insulating layer is formed in the cooling passage having the scroll portion.

特開２０１５−４８８１０号公報JP, 2015-48810, A

特許文献１の技術は、部材温度が高温になるシュラウド部を十分に冷却する一方、部材温度が低いスクロール部には断熱層を設けて冷却水の過渡な受熱を抑制し、ラジエータの冷却不足による冷却効率の低下と部材の過冷却とを防止しようとするものである。しかし、冷却通路を２系統に分け、さらには一方の冷却通路に断熱層を形成する技術は、構造の複雑化とコストアップを引き起こす。 The technique of Patent Document 1 sufficiently cools the shroud portion where the temperature of the member becomes high, while the heat insulating layer is provided in the scroll portion where the temperature of the member is low to suppress the transient heat reception of the cooling water, and the cooling of the radiator is insufficient. It is intended to prevent the reduction of the cooling efficiency and the overcooling of the members. However, the technology of dividing the cooling passage into two systems and forming the heat insulating layer in one of the cooling passages causes the complication of the structure and the cost increase.

それゆえに、この発明の主たる目的は、冷却系の能力を引き下げるための構造を簡略化できる、過給機を提供することである。 Therefore, the main object of the present invention is to provide a supercharger which can simplify the structure for reducing the capacity of the cooling system.

この発明に係る過給機は、タービンブレードの回転力をベアリングユニットを介してコンプレッサホイールに伝達する過給機本体、第１素材を材料とし、ウォータージャケットを有してベアリングユニットおよびタービンブレードを収める水冷ベアリングタービン一体ハウジング、および第１素材の断熱性よりも高い断熱性を示す第２素材を材料とし、タービンブレードの近傍で水冷ベアリングタービン一体ハウジングに取り付けられるシュラウドピースを備える。 A turbocharger according to the present invention includes a turbocharger body that transmits the rotational force of a turbine blade to a compressor wheel via a bearing unit, a first material as a material, a water jacket, and a bearing unit and a turbine blade. A water-cooled bearing turbine integral housing, and a second material exhibiting a thermal insulation higher than that of the first material are used as the material, and a shroud piece attached to the water-cooled bearing turbine integral housing in the vicinity of the turbine blade is provided.

タービンブレードの近傍に取り付けられるシュラウドピースの少なくとも一部の断熱性を高めることで、ウォータージャケット内の冷却水の受熱量が抑制される。これによって、冷却系の能力を引き下げるための構造を簡略化できる。 By improving the thermal insulation of at least a portion of the shroud piece mounted in the vicinity of the turbine blade, the amount of heat received by the cooling water in the water jacket is suppressed. This can simplify the structure for reducing the capacity of the cooling system.

この発明の上述の目的，その他の目的，特徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳細な説明から一層明らかとなろう。 The above object, other objects, features and advantages of the present invention will become more apparent from the detailed description of the following embodiments given with reference to the drawings.

この実施例の車両の要部構成の一部を示す図解図である。It is an illustration figure showing a part of principal part composition of vehicles of this example. 過給機の構造の一例を示す図解図である。It is an illustration figure showing an example of the structure of a supercharger.

図１を参照して、この実施例のエンジン構造１０は、３つの気筒２４を有する４ストローク型のエンジン本体１２を動力源として備える。吸気管１４は、気筒２４の上流の位置で３つに分岐する。一方、排気管３８は、気筒２４の下流の位置で３つから１つに集約される。各気筒２４に設けられた燃焼室２６は、吸気管１４および排気管３８と連通する。ただし、吸気管１４の開口と燃焼室２６との間には吸気バルブ２２が設けられ、排気管３８の開口と燃焼室２６との間には排気バルブ３６が設けられる。 Referring to FIG. 1, the engine structure 10 of this embodiment includes a four-stroke engine body 12 having three cylinders 24 as a power source. The intake pipe 14 branches into three at a position upstream of the cylinder 24. On the other hand, the exhaust pipe 38 is consolidated from three to one at a position downstream of the cylinder 24. A combustion chamber 26 provided in each cylinder 24 communicates with the intake pipe 14 and the exhaust pipe 38. However, an intake valve 22 is provided between the opening of the intake pipe 14 and the combustion chamber 26, and an exhaust valve 36 is provided between the opening of the exhaust pipe 38 and the combustion chamber 26.

吸気管１４の分岐点には、空気流量を平準化するためのサージタンク１８が設けられる。サージタンク１８よりも上流の位置には、バルブモータ（図示せず）によって開度が調整される単一のスロットルバルブ１６が設けられる。サージタンク１８よりも下流の位置には、吸気管１４に燃料を噴射するインジェクタ２０が設けられる。 At a branch point of the intake pipe 14, a surge tank 18 for equalizing the air flow rate is provided. At a position upstream of the surge tank 18, a single throttle valve 16 whose opening degree is adjusted by a valve motor (not shown) is provided. At a position downstream of the surge tank 18, an injector 20 for injecting fuel into the intake pipe 14 is provided.

インジェクタ２０から噴射された燃料は吸入空気と混合され、混合気は、吸気バルブ２２が開かれたときに燃焼室２６に供給される。供給された混合気は、点火プラグ２８によって燃焼され、燃焼ガスは、排気バルブ３６が開かれたときに燃焼室２６から排出される。 The fuel injected from the injector 20 is mixed with the intake air, and the air-fuel mixture is supplied to the combustion chamber 26 when the intake valve 22 is opened. The supplied mixture is burned by the spark plug 28 and the combustion gas is exhausted from the combustion chamber 26 when the exhaust valve 36 is opened.

この実施例ではインジェクタ２０を吸気管１４に設けたポート噴射式のエンジン構造を示しているが、インジェクタ２０を燃焼室２６に設け、燃料を直接燃焼室２６に噴射する筒内直噴式のエンジンであっても良い。 In this embodiment, a port injection type engine structure in which the injector 20 is provided in the intake pipe 14 is shown, but an in-cylinder direct injection type engine in which the injector 20 is provided in the combustion chamber 26 and fuel is directly injected into the combustion chamber 26 is shown. It may be.

コンロッド３２を介してクランクシャフト３４と結合されたピストン３０は、混合気の燃焼によって上下動する。クランクシャフト３４の回転力はドライブシャフト（図示せず）に伝達され、これによって車両（図示せず）が前進または後退する。 The piston 30 coupled to the crankshaft 34 via the connecting rod 32 moves up and down by combustion of the mixture. The rotational force of the crankshaft 34 is transmitted to a drive shaft (not shown), whereby the vehicle (not shown) is advanced or retracted.

この実施例のエンジン構造１０は、エンジン本体１２の外側に設けられた水冷式の過給機４２をさらに備える。過給機本体ＭＢ１は、ベアリングユニット４２ｃと、その両端にそれぞれ装着されたコンプレッサホイール４２ａおよびタービンブレード４２ｂとによって構成される。ここで、コンプレッサホイール４２ａは吸気路に配され、タービンブレード４２ｂは排気路に配される。 The engine structure 10 of this embodiment further includes a water-cooled supercharger 42 provided outside the engine body 12. The supercharger main body MB1 is configured of a bearing unit 42c, and a compressor wheel 42a and a turbine blade 42b mounted respectively at both ends thereof. Here, the compressor wheel 42a is disposed in the intake passage, and the turbine blade 42b is disposed in the exhaust passage.

これに対応して、スロットルバルブ１６の上流には、吸入空気を冷却するインタークーラ４６が設けられる。また、触媒コンバータ４０は、過給機４２の下流に設けられる。 Corresponding to this, an intercooler 46 for cooling intake air is provided upstream of the throttle valve 16. In addition, the catalytic converter 40 is provided downstream of the turbocharger 42.

過給機４２は、詳しくは図２に示すように構成される。ここでは、説明の便宜上、紙面の左右方向にＸ軸を割り当て、紙面の厚み方向にＹ軸を割り当て、紙面の上下方向にＺ軸を割り当てる。 The supercharger 42 is specifically configured as shown in FIG. Here, for convenience of explanation, the X axis is assigned to the horizontal direction of the paper surface, the Y axis is assigned to the thickness direction of the paper surface, and the Z axis is assigned to the vertical direction of the paper surface.

ベアリングユニット４２ｃは、Ｘ軸に沿って延在する主軸ＡＸ１を備える。コンプレッサホイール４２ａは主軸ＡＸ１の一方端に結合され、タービンブレード４２ｂは主軸ＡＸ１の他方端に結合される。このとき、コンプレッサホイール４２ａの裏面は、タービンブレード４２ｂの裏面と向き合う。こうして結合された結果、タービンブレード４２ｂの回転力は、主軸ＡＸ１を介してコンプレッサホイール４２ａに伝達される。 The bearing unit 42c includes a main axis AX1 extending along the X axis. The compressor wheel 42a is coupled to one end of the main shaft AX1, and the turbine blade 42b is coupled to the other end of the main shaft AX1. At this time, the back surface of the compressor wheel 42a faces the back surface of the turbine blade 42b. As a result of the coupling, the rotational force of the turbine blade 42b is transmitted to the compressor wheel 42a via the main shaft AX1.

コンプレッサホイール４２ａは、アルミ製のコンプレッサハウジング４２ｅに収められる。これに対して、ベアリングユニット４２ｃおよびタービンブレード４２ｂは、アルミ製の水冷ベアリングタービン一体ハウジング４２ｄに収められる。 The compressor wheel 42a is housed in an aluminum compressor housing 42e. On the other hand, the bearing unit 42c and the turbine blade 42b are housed in an aluminum water-cooled bearing-turbine integral housing 42d.

コンプレッサハウジング４２ｅは、その左側に形成された開口ＯＰ１と、その上側に形成された開口ＯＰ２とを有する。開口ＯＰ１の奥には、Ｘ軸方向に延在しかつスクロール室ＳＣ１と連通するシュラウド部ＳＨ１が形成される。スクロール室ＳＣ１は、シュラウド部ＳＨ１および開口ＯＰ２の各々と連通するように、コンプレッサハウジング４２ｅの内部に形成される。なお、コンプレッサホイール４２ａは、シュラウド部ＳＨ１の近傍に配される。 The compressor housing 42e has an opening OP1 formed on the left side thereof and an opening OP2 formed on the upper side thereof. A shroud portion SH1 extending in the X-axis direction and in communication with the scroll chamber SC1 is formed at the back of the opening OP1. Scroll chamber SC1 is formed inside compressor housing 42e so as to be in communication with each of shroud portion SH1 and opening OP2. The compressor wheel 42a is disposed in the vicinity of the shroud portion SH1.

上流側の吸気管１４は開口ＯＰ１と結合され、下流側の吸気管１４は開口ＯＰ２と結合される。開口ＯＰ１から取り込まれた吸気は、コンプレッサホイール４２ａの回転によって圧縮された後、スクロール室ＳＣ１を経て開口ＯＰ２から排出される。 The upstream intake pipe 14 is coupled to the opening OP1, and the downstream intake pipe 14 is coupled to the opening OP2. The intake air taken in from the opening OP1 is compressed by the rotation of the compressor wheel 42a, and then discharged from the opening OP2 through the scroll chamber SC1.

水冷ベアリングタービン一体ハウジング４２ｄは、その裏側に形成された開口（図示せず）と、その右側に形成された大口径かつ斜め下向きの開口ＯＰ３とを有する。バイパス（図示せず）およびスクロール室ＳＣ２は、裏側の開口および開口ＯＰ３の各々と連通するように、水冷ベアリングタービン一体ハウジング４２ｄの内部に形成される。 The water-cooled bearing turbine integral housing 42d has an opening (not shown) formed on the back side thereof and a large-aperture, obliquely downward opening OP3 formed on the right side thereof. The bypass (not shown) and the scroll chamber SC2 are formed inside the water-cooled bearing-turbine integral housing 42d so as to communicate with each of the back side opening and the opening OP3.

開口ＯＰ３の奥には、バイパスと連通しかつウェイストゲートバルブ４２ｋによって開閉されるウェイストゲート４２ｊと、Ｘ軸方向に延在しかつスクロール室ＳＣ２と連通するシュラウド部ＳＨ２とが形成される。なお、タービンブレード４２ｂは、シュラウド部ＳＨ２の近傍に配される。 Behind the opening OP3, a waste gate 42j in communication with the bypass and opened and closed by the waste gate valve 42k, and a shroud portion SH2 extending in the X axis direction and in communication with the scroll chamber SC2 are formed. The turbine blade 42 b is disposed in the vicinity of the shroud portion SH2.

シュラウド部ＳＨ２には、セラミック製のシュラウドピース４２ｍが装着される。より詳しくは、シュラウドピース４２ｍは円筒状に形成され、Ｘ軸に沿って延在する姿勢でシュラウド部ＳＨ２に圧入される。タービンブレード４２ｂとのクリアランスは、こうして装着されたシュラウドピース４２ｍによって詰められる。 A ceramic shroud piece 42m is attached to the shroud portion SH2. More specifically, the shroud piece 42m is formed in a cylindrical shape, and is press-fit into the shroud portion SH2 so as to extend along the X-axis. The clearance with the turbine blade 42b is packed by the thus mounted shroud piece 42m.

なお、シュラウドピース４２ｍが必要な理由は、以下のとおりである。つまり、水冷ベアリングタービン一体ハウジング４２ｄを採用する場合は、まずベアリングユニット４２ｃを水冷ベアリングタービン一体ハウジング４２ｄに収め、その後にタービンブレード４２ｂを主軸ＡＸ１の他方端に取り付ける必要がある。 The reason why the shroud piece 42m is required is as follows. That is, in the case of adopting the water-cooled bearing-turbine integral housing 42d, it is necessary to first store the bearing unit 42c in the water-cooled bearing-turbine integral housing 42d and then attach the turbine blade 42b to the other end of the main shaft AX1.

すると、シュラウド部ＳＨ２の外径をタービンブレード４２ｂの外径よりも大きくしなければならない。ただし、そのままではタービンブレード４２ｂを効率よく回転させることができないため、タービンブレード４２ｂを主軸ＡＸ１の他方端に取り付けた後に、シュラウドピース４２ｍがシュラウド部ＳＨ２に圧入される。 Then, the outer diameter of the shroud portion SH2 must be larger than the outer diameter of the turbine blade 42b. However, since the turbine blade 42b can not be rotated efficiently as it is, the shroud piece 42m is press-fit into the shroud portion SH2 after the turbine blade 42b is attached to the other end of the main shaft AX1.

上流側の排気管３８は裏側の開口と結合され、下流側の排気管３８は開口ＯＰ３と結合される。裏側の開口から取り込まれた排気は、スクロール室ＳＣ１を経てタービンブレード４２ｂを回転させた後、シュラウド部ＳＨ２を介して開口ＯＰ３に達する。 The upstream exhaust pipe 38 is coupled to the back opening, and the downstream exhaust pipe 38 is coupled to the opening OP3. The exhaust taken in from the opening on the back side passes through the scroll chamber SC1 and rotates the turbine blade 42b, and then reaches the opening OP3 through the shroud portion SH2.

水冷ベアリングタービン一体ハウジング４２ｄの内部にはまた、ウォータージャケット４２ｌが形成される。ウォータージャケット４２ｌは、水冷ベアリングタービン一体ハウジング４２ｄの下側に取り付けられた給水管４２ｈと連通し、さらに水冷ベアリングタービン一体ハウジング４２ｄの上側に取り付けられた排水管４２ｉと連通する。冷却水は、給水管４２ｈからウォータージャケット４２ｌに供給され、排水管４２ｉから排出される。 A water jacket 42l is also formed inside the water cooled bearing turbine integral housing 42d. The water jacket 42l communicates with a water supply pipe 42h attached to the lower side of the water-cooled bearing turbine integrated housing 42d, and further communicates with a drain pipe 42i attached to the upper side of the water-cooled bearing turbine integrated housing 42d. Cooling water is supplied from the water supply pipe 42h to the water jacket 42l and discharged from the drain pipe 42i.

冷却水は、エンジン本体１２に加えて水冷ベアリングタービン一体ハウジング４２ｄから受熱し、図示しないラジエータにより冷却されて循環する。この結果、水冷ベアリングタービン一体ハウジング４２ｄの表面温度は、１００℃近傍に抑えられる。 The cooling water receives heat from the water-cooled bearing turbine integral housing 42d in addition to the engine body 12, and is cooled and circulated by a radiator (not shown). As a result, the surface temperature of the water-cooled bearing-turbine integral housing 42d is suppressed to around 100 ° C.

水冷ベアリングタービン一体ハウジング４２ｄのうちベアリングユニット４２ｃの上側の位置および下側の位置には、給油管４２ｆおよび排油管４２ｇがそれぞれ取り付けられる。ベアリングオイルは、給油管４２ｆからベアリングユニット４２ｃに供給され、排油管４２ｇから排出される。 An oil supply pipe 42 f and an oil discharge pipe 42 g are respectively attached to the upper position and the lower position of the bearing unit 42 c in the water-cooled bearing-turbine integral housing 42 d. The bearing oil is supplied from the oil supply pipe 42f to the bearing unit 42c and discharged from the oil discharge pipe 42g.

上述のように、水冷ベアリングタービン一体ハウジング４２ｄはアルミを材料として作製される一方、シュラウドピース４２ｍはアルミよりも高い断熱性を示すセラミックを材料として作製される。 As described above, the water-cooled bearing-turbine integral housing 42d is made of aluminum, while the shroud piece 42m is made of ceramic which exhibits higher thermal insulation than aluminum.

排気からの受熱量が大きくかつ温度が高く上昇する部材はシュラウドピース４２ｍであるところ、シュラウドピース４２ｍの材料として断熱性（耐熱性）に優れたセラミックを採用することで、ウォータージャケット４２ｌ内の冷却水の受熱量が抑制される。 The heat receiving heat from the exhaust is large and the temperature rising member is a shroud piece 42m. By using a ceramic with excellent heat insulation (heat resistance) as the material of the shroud piece 42m, cooling in the water jacket 42l Heat reception of water is suppressed.

冷却水の受熱量の抑制は、ウォータージャケット４２ｌの小型化（ひいては過給機４２の小型化）または流水量の抑制を可能とし、さらには水冷ベアリングタービン一体ハウジング４２ｄの均熱化を可能とする。ウォータージャケット４２ｌの小型化または流水量の抑制は、ラジエータ，クーリングファン，ウォーターポンプなどの冷却系の能力の引き下げ（つまり冷却系の小型化）に貢献する。 The suppression of the amount of heat received by the cooling water makes it possible to miniaturize the water jacket 42l (thus, to miniaturize the turbocharger 42) or to control the amount of water flow, and further enables soaking of the water-cooled bearing turbine integrated housing 42d. . The miniaturization of the water jacket 42l or the reduction of the flow rate contributes to the reduction of the capacity of the cooling system such as the radiator, the cooling fan and the water pump (that is, the miniaturization of the cooling system).

つまり、シュラウドピース４２ｍが水冷ベアリングタービン一体ハウジング４２ｄと同様にアルミ製であれば、ウォータージャケット４２ｌからアルミ部材端（＝シュラウドピース４２ｍの内周面）までの距離がシュラウドピース４２ｍの厚みの分だけ長くなり、冷却が必要なアルミ部材の体積も大きくなる。また、大量の排気熱がアルミ部材を経てウォータージャケット４２ｌ内の冷却水に伝達され、冷却水の熱量が増大するため、冷却系に高い能力が求められる。 That is, if the shroud piece 42m is made of aluminum in the same manner as the water-cooled bearing turbine integral housing 42d, the distance from the water jacket 42l to the aluminum member end (= inner circumferential surface of the shroud piece 42m) is the thickness of the shroud piece 42m It becomes longer and the volume of the aluminum member that needs cooling becomes larger. In addition, a large amount of exhaust heat is transmitted to the cooling water in the water jacket 42l through the aluminum member, and the amount of heat of the cooling water is increased, so a high capacity is required for the cooling system.

これに対して、シュラウドピース４２ｍが断熱性に優れたセラミック製であれば、ウォータージャケット４２ｌからアルミ部材端（＝シュラウドピース４２ｍの外周面）までの距離を短くすることができ、上述のように、ウォータージャケット４２ｌの小型化，流水量の抑制，水冷ベアリングタービン一体ハウジング４２ｄの均熱化，冷却系の能力の引き下げが図られる。 On the other hand, if the shroud piece 42m is made of ceramic excellent in thermal insulation, the distance from the water jacket 42l to the aluminum member end (= outer peripheral surface of the shroud piece 42m) can be shortened, as described above The size of the water jacket 42l can be reduced, the flow rate can be reduced, the heat uniformity of the water-cooled bearing turbine integrated housing 42d can be reduced, and the ability of the cooling system can be reduced.

なお、この実施例では、シュラウドピース４２ｍとしてセラミック製のものを想定している。しかし、水冷ベアリングタービン一体ハウジング４２ｄよりも高断熱性を示す限り、セラミック以外の材料を用いてシュラウドピース４２ｍを作製するようにしてもよい。 In this embodiment, the shroud piece 42m is assumed to be made of ceramic. However, the shroud piece 42m may be made of a material other than ceramic as long as it exhibits higher thermal insulation than the water-cooled bearing-turbine integral housing 42d.

また、この実施例のように高い断熱性を示す単一の材料でシュラウドピース４２ｍを作製する代わりに、水冷ベアリングタービン一体ハウジング４２ｄと略同じ断熱性を示す素材（たとえばアルミ）で鋳造されたシュラウドピースの表面にセラミック塗料などの高断熱性の塗料を塗布するようにしてもよい。 Also, instead of producing the shroud piece 42m from a single material exhibiting high thermal insulation as in this embodiment, a shroud cast from a material (for example, aluminum) exhibiting substantially the same thermal insulation as the water-cooled bearing turbine integral housing 42d. A highly thermally insulating paint such as a ceramic paint may be applied to the surface of the piece.

４２ …過給機
４２ａ …コンプレッサホイール
４２ｂ …タービンブレード
４２ｃ …ベアリングユニット
４２ｄ …水冷ベアリングタービン一体ハウジング
４２ｅ …コンプレッサハウジング
４２ｌ …ウォータージャケット
４２ｍ …シュラウドピース 42 ... supercharger 42a ... compressor wheel 42b ... turbine blade 42c ... bearing unit 42d ... water-cooled bearing turbine integral housing 42e ... compressor housing 42l ... water jacket 42m ... shrouded piece

Claims

A turbocharger body that transmits the rotational power of turbine blades to the compressor wheel via a bearing unit
A water-cooled bearing-turbine integral housing made of a first material and having a water jacket and containing the bearing unit and the turbine blade, and a second material showing heat insulation higher than that of the first material; A turbocharger comprising a shroud piece attached to the water cooled bearing turbine integral housing proximate to the turbine blade.