JP2019132189A - 排気ターボ過給機 - Google Patents

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真人 澤下
Masato Sawashita
真人 澤下
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ダイハツ工業株式会社
Daihatsu Motor Co Ltd
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Abstract

【課題】吸気の冷却性能に優れた排気ターボ過給機を提供する。【解決手段】排気ターボ過給機は、タービンコンプレッサ4と一体又は別体の軸受けハウジング6と、これに重なったコンプレッサハウジング5とを備えており、両者の対向面に環状溝23a,23bを形成することにより、中空のコンプレッサ側スクロール室23が構成されている。軸受けハウジング6には、当該軸受けハウジング6に形成した環状溝23bを囲うように吸気用冷却水ジャケット34が形成されている。コンプレッサ側スクロール室23は軸受けハウジング6の内部に入り込んでいるため、軸受けハウジング6と吸気との接触面積は大きくなっている。その結果、吸気を冷却水で的確に冷却できる。【選択図】図4

Description

本願発明は、内燃機関に使用す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、ハウジングに回転自在に配置された回転軸を備えており、回転軸の一端部にはタービン翼が固定されて、回転軸の他端部にはコンプレッサ翼が固定されており、ハウジングに、タービン翼を外周側から囲うタービン側スクロール室と、コンプレッサ翼を外周側から囲うコンプレッサ側スクロール室と、回転軸を回転自在に保持する軸受け部とを形成している。
一般的には、ハウジングは、タービン側スクロール室が形成されたタービンハウジングと、コンプレッサ側スクロール室が形成されたコンプレッサハウジングと、軸受け部が形成された軸受けハウジング(センターハウジング)の3つのハウジングに分離しており、隣り合ったハウジングは一体に固定されている。
排気ターボ過給機において最も問題になるのは熱の問題であり、従来は、耐熱性の高い特殊鋼でハウジングを製造しているが、これは、コストと重量が嵩むという問題がある。そこで、ハウジングをアルミ製として軽量化を図りつつ、ハウジングに冷却水ジャケットを形成することにより、熱の影響を抑制することが考えられている。
その例として特許文献1には、ハウジングの全体をアルミで一体に鋳造して、その内部に、タービン側スクロール室を囲う冷却水ジャケットや、コンプレッサ側スクロール室を囲う冷却水ジャケットを形成することが開示されている。
国際公開WO2014/153570号
タービンハウジングや軸受けには排気ガスの熱が作用するため、特許文献1では、冷却水で排気ガスの熱を吸熱することによってタービンハウジングの機能を確保できる。また、コンプレッサ側スクロール室では、吸気が加圧されることによって昇温する現象があり、特許文献1では、加圧による昇温も抑制できると云える。
しかし、特許文献1のようにハウジングの全体を一体に鋳造することは可能ではあっても、コンプレッサ翼を嵌め入れることはできないため、実用性は殆どないと解される。
本願発明はこのような現状に鑑み成されたものであり、製造上の問題がなくて現実性が高い状態で吸気を冷却できる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、請求項1のとおり、
「一端部にタービン翼を設けて他端部にコンプレッサ翼を設けた回転軸と、前記タービン翼を外周側から囲うタービン側スクロール室と、前記コンプレッサ翼を外周側から囲うコンプレッサ側スクロール室と、前記タービン側スクロール室とコンプレッサ側スクロール室との間に設けた軸受け部とを有している」
という基本構成である。
そして、上記基本構成において、
「前記コンプレッサ側スクロール室は、前記軸受け部が形成されている軸受けハウジングと、前記軸受けハウジングに重なったコンプレッサハウジングとの対向面に形成されていて、軸受けハウジングのうちコンプレッサハウジングと対向した面に、前記コンプレッサ側スクロール室を構成する環状溝が形成されており、
かつ、軸受けハウジングに、コンプレッサ側スクロール室を流れる吸気を冷却する吸気用冷却水ジャケットが形成されている」
という構成が付加されている。
本願発明は、請求項2の構成も含んでいる。この発明は、請求項1において、前記吸気用冷却水ジャケットは、隔壁によって前記回転軸の軸方向に区分されている。
本願発明では、タービン側スクロール室が形成されているタービンハウジングと、軸受け部が形成されている軸受けハウジングとは、一体に形成してもよいし、別体であってもよい。いずれにしても、軽量化や冷却性能の点からは、アルミ製又はアルミ合金製とするのが好ましい。
本願発明では、コンプレッサ側スクロール室は軸受けハウジングに入り込んだ状態に形成されているため、コンプレッサ側スクロール室を流れる吸気を的確に冷却できる。従って、吸気を冷却するインタークーラを小型化したり廃止したりしつつ、充填効率を向上できる。
本願発明では、コンプレッサ側スクロール室は、軸受けハウジングに形成した環状溝とコンプレッサハウジングに形成した環状溝とによって構成されるが、スクロール室は全体としては中空構造であっても、環状溝は、例えば半円状に近い状態でよいため、コンプレッサハウジングは、アルミ等のダイキャスト品とすることも容易であるし、場合によっては板金加工品も採用可能である。このため、コンプレッサハウジングの製造コストを抑制することができる。
吸気用冷却水ジャケットに流入した冷却水には軸受けハウジングからも伝熱するが、請求項2のように吸気用冷却水ジャケットを隔壁によって軸方向に分けると、吸気用冷却水ジャケットのうち、隔壁を挟んでコンプレッサハウジングの側に位置した部位では、冷却水には、軸受けハウジングの熱を遮断した状態で、吸気から集中的に放熱される(或いは、吸気の熱を冷却水で集中的に吸熱できる。)。従って、吸気の冷却性能を向上させることができる。
実施形態に係る排気ターボ過給機の全体図であり、(A)は吸気入口の方向から見た斜視図、(B)は排気ガスの入口方向から見た斜視図である。 (A)は排気ターボ過給機の平面図、(B)は正面図である。 図2(A)のIII-III 視縦断断面図である。 図3の部分拡大図である。 変形例の縦断断面図である。 他の変形例の縦断断面図である。
(1).概要
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、図1〜3を参照して概要を説明する。
本実施形態では、方向を特定にするため前後・左右・上下の文言を使用するが、回転軸の長手方向を左右方向として、これと直交すると共にシリンダヘッドの排気側面と直交した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。上下方向は鉛直方向である。内燃機関では、クランク軸線方向を前後方向と呼ぶことが多いが、本実施形態の方向はこの一般的な方向とは相違している。念のため、図1,2に方向を明示している。
図3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翼1及びコンプレッサ翼2を備えており、両者は、水平姿勢の回転軸3の一端部と他端部とに固定されている。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軸受けハウジング(センターハウジング)6とを有しており、タービンハウジング4と軸受けハウジング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、タービン翼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室8とが形成されている。タービン側スクロール室8は、タービン翼1の回転軸心からの距離が始端から終端に向けて徐々に小さくなる渦巻き形状になっており、その始端(上端)に、図1(B)に示す入口通路9が連通している。
従って、タービンハウジング4は、タービン側スクロール室8が形成された円形状部4aと、入口通路9が形成された入口筒部4bとを有しており、かつ、軸受けハウジング6と反対側に突出したサイド張り出し部4cが、円形状部4a及び入口筒部4bと一体に繋がった状態で形成されている。入口筒部4bの後端には、シリンダヘッド(又は排気マニホールドの集合部)にボルトで固定される入口側フランジ12が形成されている。
また、図3から理解できるように、サイド張り出し部4cには、タービン室7から排出された排気ガスが流れる出口通路13と、入口通路9と出口通路13とを繋ぐウエストゲート通路14とが形成されており、ウエストゲート通路14は、回動式のウエストゲートバルブ15で開閉される。出口通路13には、タービン側スクロール室8の内周部を構成するためのシュラウドピース13aを装着している。
ウエストゲートバルブ15は、図1に示すダイヤフラム式のアクチュエータ16によって駆動される。アクチュエータ16はロッド17を有しており、ロッド17が前後動すると、外リンク18と支軸19と内リンク20とを介して、ウエストゲートバルブ15が支軸19の軸心回りに回動する。
サイド張り出し部4cには出口側フランジ21が形成されており、図示は省略するが、この出口側フランジ21に触媒ケースが固定される(排気管を固定してもよい。)。排気ガスが排出される出口穴13bは、斜め下向きに開口している。
図3,4に示すように、軸受けハウジング6とコンプレッサハウジング5との対向面には、コンプレッサ側スクロール室23が形成されている。コンプレッサ側スクロール室23は、周方向の一端部(終端部)を最も大きい断面積として、一端部と隣り合った他端部(始端部)を最も小さい断面積としており、吸気は、コンプレッサ側スクロール室23で加圧されて、排出口24から吸気系に排出される。
本実施形態の特徴として、コンプレッサ側スクロール室23は、軸受けハウジング6の端面に形成された環状溝23aと、コンプレッサハウジング5の端面に形成された環状溝23bとで構成されており、両者により、コンプレッサ側スクロール室23は中空で環状の構成になっている。
コンプレッサ翼2はコンプレッサ室25に配置されており、コンプレッサ室25と、コンプレッサ側スクロール室23とは、間隔が狭い通路を介して接続されている。従って、コンプレッサ側スクロール室23は、軸心方向に向けて小さな溝幅で開口しており、吸気は、リング状の溝からコンプレッサ側スクロール室23に送られて、コンプレッサ側スクロール室23を周方向に流れながら圧送されていく。
軸受けハウジング6には、フローティングメタル26を介して回転軸3を回転自在に保持する軸受け部27が形成されている。軸受け部27には、上向きに開口したオイル供給穴28と、下向きに開口したオイル排出穴29とが形成されている。回転軸3のシール構造は、本願発明との関係はないので説明は省略する。
(2).冷却構造
タービンハウジング4と軸受けハウジング6とには、冷却水が流れる冷却水ジャケットを形成している。この点を次に説明する。図3,4のとおり、タービンハウジング4には、タービン側スクロール室8を囲うタービンジャケット31が形成されている。タービンジャケット31は、タービン側スクロール室8の外周外側に位置した部分31aと、タービン側スクロール室8を挟んで軸受けハウジング6の側に位置した部分31bと、タービン側スクロール室8を挟んで出口通路13の側に位置した部分31cと、出口通路13を囲う部分31dとを有しており、これらは一連に連通している。
また、図示は省略するが、タービンハウジング4のうち入口筒部4bにも冷却水ジャケットが形成されており、これらのタービンジャケット31は、タービンハウジング4の上端部に設けた冷却水出口32に集合している。
軸受けハウジング6のうちコンプレッサハウジング5に寄った部位には、コンプレッサ側スクロール室23を流れる吸気を冷却する吸気用冷却水ジャケット34が、環状に形成されている。吸気用冷却水ジャケット34は、軸受けハウジング6の環状溝23aを覆うように(被さるように)、コンプレッサ側スクロール室23に向けて凹んだ断面形状であり、コンプレッサ側スクロール室23の断面積が周方向に変化していることに対応して、断面形状は変化している。
吸気用冷却水ジャケット34は、下端部で円弧状の形態になって、上端部では略台形に近い形状になっている。軸受けハウジング6の下端には、吸気用冷却水ジャケット34と連通した冷却水入口35が形成されている。
また、吸気用冷却水ジャケット34とタービンジャケット31とは、上連通路36aと下連通路36bとを介して連通している。上連通路36aは、オイル供給穴28の前後両側に形成されており、下連通路36bは、オイル排出穴29の前後両側に形成されている。従って、本実施形態では、冷却水の一部は、吸気用冷却水ジャケット34に流れて吸気を冷却してからタービンジャケット31の上部に流れ、冷却水の他の部分は、下連通路36からタービンジャケット31に流れる。
但し、吸気用冷却水ジャケット34とタービンジャケット31とを完全に分離して、それぞれに冷却水の入口と出口を形成することも可能である。また、吸気用冷却水ジャケット34とタービンジャケット31とを連通させる場合、上連通路36aのみを形成することも可能である。或いは、下連通路36bに代えて(又はこれに加えて)、中途高さ位置に連通路を形成してもよい。
本実施形態では、コンプレッサ側スクロール室23は軸受けハウジング6にも入り込んでいるため、軸受けハウジング6に形成した吸気用冷却水ジャケット34により、吸気を効率よく冷却することができる。また、軸受けハウジング6及びコンプレッサハウジング5の環状溝23a,23bは、アンダーカット(窄まり部)がない半円状に形成できるため、コンプレッサハウジング5はダイキャスト品を使用できる。従って、鋳造品に比べてコストを抑制できる。
本実施形態では、軸受けハウジング6とコンプレッサハウジング5との両方に環状溝23a,23bを形成しているが、軸受けハウジング6のみに断面U形の形状で形成して、コンプレッサハウジング5の端面は単なる平坦面とすることも可能である。この場合は、コンプレッサ側スクロール室23が軸受けハウジング6に入り込む寸法は大きくなるため、吸気用冷却水ジャケット34による吸気の冷却性能は更にアップする。
(3).他の実施形態
図5,6では、請求項2に対応した実施形態を示している。これらの実施形態では、吸気用冷却水ジャケット34のうちの下端部を除いた部分を隔壁37によって左右に分断している。従って、吸気用冷却水ジャケット34の大部分は、隔壁37を挟んでコンプレッサハウジングの側に位置した第1部分34aと、隔壁37を挟んでコンプレッサハウジングと反対側に位置した第2部分34bとに区分されている。
そして、図5の第2実施形態では、第1部分34aの上端に専用の冷却水出口38を設けている。他方、図6の第3実施形態では、第1部分34aと第2部分34bとの上端部は連通部39を介して連通しており、第1部分34aで吸気に対する冷却の仕事をした冷却水は、第2部分34bを介してタービンジャケット31に流れていく。
以上,本願発明の実施形態を説明したが、本願発明は他にも様々に具体化できる。
本願発明は、実際に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 タービン翼
2 コンプレッサ翼
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 軸受けハウジング
8 タービン側スクロール室
9 入口通路
23 コンプレッサ側スクロール室
23a,23b 環状溝
27 軸受け部
31 タービンジャケット
32 冷却水出口
34 吸気用冷却水ジャケット
34a 第1部分
34b 第2部分
35 冷却水入口
37 隔壁

Claims (2)

  1. 一端部にタービン翼を設けて他端部にコンプレッサ翼を設けた回転軸と、前記タービン翼を外周側から囲うタービン側スクロール室と、前記コンプレッサ翼を外周側から囲うコンプレッサ側スクロール室と、前記タービン側スクロール室とコンプレッサ側スクロール室との間に設けた軸受け部とを有している構成であって、
    前記コンプレッサ側スクロール室は、前記軸受け部が形成されている軸受けハウジングと、前記軸受けハウジングに重なったコンプレッサハウジングとの対向面に形成されていて、軸受けハウジングのうちコンプレッサハウジングと対向した面に、前記コンプレッサ側スクロール室を構成する環状溝が形成されており、
    かつ、軸受けハウジングに、コンプレッサ側スクロール室を流れる吸気を冷却する吸気用冷却水ジャケットが形成されている、
    排気ターボ過給機。
  2. 前記吸気用冷却水ジャケットは、隔壁によって前記回転軸の軸方向に区分されている、
    請求項1に記載した排気ターボ過給機。
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