JP2020165335A - 排気ターボ過給機の水冷式タービンハウジング及びその鋳造用中子 - Google Patents

Abstract

【課題】水冷式タービンハウジングの冷却水ジャケットを形成するための中子が、高い精度で歩留り良く製造される技術を提供する。【解決手段】中子１９は、タービンハウジング１の排気ガス出口を囲う出口側冷却水ジャケットに相当する筒状部１９ｂを有している。筒状部１９ｂの内周面と外周面とに一対ずつの補強リブ２２を形成している。一対の補強リブ２２の延長線は真円を形成している。成形装置（金型）を使用して中子１９を成形してから突き出しピンで突き出して型抜きするにおいて、補強リブ２２の箇所が突き出しピンで押される。突き出しピンの当接面積が大きくなっているため、突き出しピンによる突き出しに際して筒状部１９ｂが潰れることはなくて中子１９を高い精度で製造できる。【選択図】図５

Description

本願発明は、排気ターボ過給機の水冷式タービンハウジング及びその鋳造用中子に関するものである。

排気ターボ過給機では、タービン翼が配置されているタービンハウジングが高温の排気ガスに晒される。そこで、タービンハウジングが熱害を受けることを抑制するため、タービンハウジングに冷却水ジャケットを設けて水冷式とすることが提案されており、その例を、本願出願人は特許文献１において開示した。特許文献１のようにタービンハウジングに冷却水ジャケットを設けると、タービンハウジングをアルミ製として軽量化することが可能になるため、燃費の向上に貢献できる。

特開２０１８−１７３０５８号公報

さて、排気ターボ過給機を構成するハウジングは内部に中空部を有することから鋳造で製造されており、水冷式のタービンハウジングを製造するにおいては、出口側冷却水ジャケットの部分は、砂の中子を使用して形成することになる。

この場合、排気ガス出口を覆う出口側冷却水ジャケットは略筒状の部分を有するため、この出口側冷却水ジャケット用の中子を製造するに当たっては、中子の軸心方向に相対動する成形型を使用して製造することになるが、この場合、型抜きに際しては、一対の成形型を離反させてから、一方の成形型から中子を突き出しピンで押し出すことになる。

しかし、出口側冷却水ジャケットの溝幅は大きくないことから、中子のうち筒状部の厚さもかなり薄いものにならざるを得ず、このため、突き出しピンによる突き出しに際して、中子が部分的に潰れる現象がみられた。そして、中子の形状は出口側冷却水ジャケットの形状として現れるため、中子の一部が潰れると、出口側冷却水ジャケットの一部がいびつな形態になってしまい、冷却水の流れに悪影響を与えたり、肉厚が設計の許容範囲外に外れてしまって強度面での問題が発生したりすることが懸念される。

本願発明はこのような現状を背景に成されたものであり、中子を改良することにより、水冷式のタービンハウジングを歩留りよく高精度で製造できるようにすると共に、製品であるタービンハウジングについても冷却効率の向上や剛性の強度を図ろうとするものである。

本願発明は、タービンハウジングとその製造用中子とを含んでおり、タービンハウジングは、請求項１で特定しているように、
「タービン翼の回転軸心方向に開口した排気ガス出口を有しており、前記排気ガス出口を囲う肉部内に出口側冷却水ジャケットが形成されている」
という構成において、
「前記出口側冷却水ジャケットの内周面及び外周面のうち少なくも一方に、当該出口側冷却水ジャケットの溝幅を大きくした状態で前記タービン翼の回転軸心方向に延びる凹溝が、周方向に隔てて複数本形成されており、かつ、前記排気ガス出口の内周面又は外側に、前記凹溝に対応したリブが形成されているタービン翼の回転軸心方向に開口した排気ガス出口を有しており、前記排気ガス出口を囲う肉部内に出口側冷却水ジャケットが形成されている」
という特徴を有している。

他方、中子は請求項２で特定しており、この中子は、
「タービン翼の回転軸心方向に開口した排気ガス出口を有しており、前記排気ガス出口を囲う肉部内に出口側冷却水ジャケットが形成されている」、という構成のタービンハウジングを鋳造するに際して使用するものであり、
「軸心方向に相対動する成形型を使用して製造されるものであり、
内周面と外周面とのうち少なくともいずれか一方に、前記成形型によって成形してから突き出しピンによって一方の成形型から軸心方向に突き出すにおいて前記突き出しピンの当接面積を増大させる補強リブが、周方向に隔てて多数本形成されている」
という特徴を有している。

請求項１と請求項２との関係について述べると、請求項２のように中子の外周面に補強リブを形成すると、外周の補強リブは、請求項１の凹溝として現れる、凹溝の箇所の肉厚を一定化すると、排気ガス出口の内周又はタービンハウジングの外周面面に請求項１のリブが現れる。

そして、成形型を使用して中子を製造してから突き出しピンを使用した突き出しで型抜きするに際して、請求項２のように中子に補強リブを設けたことにより、中子と突き出しピンとの当接面積が増大して、中子を、薄くても潰れ現象を招来することなく突き出すことができる。従って、中子を高精度で製造できて製品としてのタービンハウジングの精度向上に貢献できると共に、歩留りを高めてコスト抑制にも貢献できる。

更に、補強リブの箇所は請求項１の凹溝として現れるため、請求項１では、出口側冷却水ジャケットの容量を増大して冷却効率を向上できる。また、肉厚を等しくすることによって排気ガス出口の内周面又はタービンハウジングの外周面にリブの群が形成されるため、リブの補強効果でタービンハウジングの剛性向上にも貢献できる。

実施形態に係るハウジングを示す図で、排気ガスの排出方向と反対側から見た図である。 図１のII-II 視断面図である。 図１のIII-III 視断面図である。 図２の IV-IV視断面図である。 中子の斜視図である。 中子の成形状態を示す図で、（Ａ）は型抜き方向から見た図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ視断面図である。

(1).タービンハウジングの構造
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１〜４を参照してタービンハウジングを説明する。

排気ターボ過給機は、タービン翼を備えたタービンハウジングと、コンプレッサ翼を備えたコンプレッサハウジングと、回転軸を保持する軸受ハウジング（センターハウジング）とを有しているが、本実施形態のタービンハウジング１は、図２，３のとおり、軸受ハウジング２と一体化している。図２，３において、軸受ハウジング２の下部にオイル排出穴３が見えている。なお、コンプレッサハウジングは軸受ハウジング２に固定される。

図２，３に示すように、タービンハウジング１は、タービン翼が回転自在に配置されるタービン室４と、これに外周側から連通したタービンスクロール室５と、タービン室４に連通してタービン翼の回転軸心Ｏの方向に開口した排気ガス出口６とを備えている。排気ガス出口６はタービン室４よりも大きい外径になっている。なお、排気ガス出口６には、触媒ケースなどの排気系部材が接続される。

本実施形態のタービンハウジング１は、排気ガスは下方からスクロール室５に流入して上方に回って排気ガス出口６から排出される上巻き方式になっている。図２，３では、タービンスクロール室５は上部しか表示されていないが、これは、図２，３が回転軸心Ｏを通る平面での切断ではないからであり、実際には、タービンスクロール室５は、始端から終端に向けて断面積を縮小しながら略全周に亙って形成されている。そして、タービンスクロール室５の始端は概ねタービン室４の下方に位置していて、この始端に、図２，３に入口だけを表示した排気ガス導入通路７が連通している。

従って、タービンハウジング１は、タービン室４とタービンスクロール室５と排気ガス出口６とを有する本体ボデー８と、排気ガス導入通路７が形成された排気ガス導入筒部９とを有しており、排気ガス導入筒部９の先端には、シリンダヘッドに固定するための上フランジ１０が形成されている。排気ガス導入筒部９は、下方に行くに従ってシリンダヘッドに近づくように後傾した姿勢になっている。

図１〜３に示すように、本体ボデー８の上部には、排気ガス導入通路７と排気ガス出口６とに連通したウエイストゲート通路１１が形成されている。ウエイストゲート通路１１の出口は図示しないウエイストゲートバルブで開閉される。そこで、本体ボデー８には、ウエイストゲートバルブの回転軸が嵌まる軸支穴１２を設けている。

(2).冷却手段
図２，３に示すように、タービンハウジング１の内部には、冷却水が通るジャケットとして、軸受ハウジング２の側に位置したインサイドジャケット１３と、排気ガス出口６の側に位置したアウトサイドジャケット１４とが形成されている。

インサイドジャケット１３は、概ねタービンスクロール室５を外周側と軸受ハウジング２の側とから囲うように形成されており、先端は排気ガス導入筒部９の先端面まで延びている。他方、アウトサイドジャケット１４は、タービン室４を囲う第１部分１４ａと、排気ガス出口６を囲う第２部分１４ｂと、排気ガス導入筒部９を通る第３部分１４ｃとを有しており、第３部分１４ｃの先端は、インサイドジャケット１３と同様に排気ガス導入筒部９の先端面に開口している。

インサイドジャッケト１３とアウトサイドジャケット１４とは、その下端と上端とにおいては完全に連通しているが、上端と下端との間の部位においても連通させることは可能である。そして、図１に示すように、本体ボデー８の上端には、冷却水出口ポートを上向きに開口させた出口ボス部１５が形成されている一方、排気ガス導入筒部９の下端部には、冷却水入口ポートを下向きに開口させた入口ボス部１６が形成されている。

アウトサイドジャケット１４の第２部分１４ｂは、請求項に記載した出口側冷却水ジャケットに該当するものであり、図４に示すように、第２部分１４ｂには、タービン翼の回転軸心方向に長い凹溝１７が、周方向に適宜間隔で断続的に多数形成されている。また、第２部分１４ｂは、第１部分１４ａに連続した部位から先端に向けて幅が小さくなっている。

凹溝１７は第２部分１４ｂの内周面と外周面とに形成されていて、円弧面の延長線を繋ぐと真円になる。第２部分１４ｂの内周面に凹溝１７を形成しつつ、第２部分１４ｂの内側の肉厚を同じにしたことにより、排気ガス出口６の内周面には、各凹溝１７に対応した内向きリブ１８が形成されている。排気ガス出口６を形成する筒部の外周面に、凹溝１７に対応した外向きリブを形成してもよい。

図２は軸受ハウジング２及び凹溝１７が存在しない部位での断面図であり、図３は軸受ハウジング２及び凹溝１７の箇所での断面図であるが、第２部分１４ｂの溝幅が図２よりも図３の方が大きいことから、凹溝１７の存在を理解できる。

実施形態のように、アウトサイドジャケット１４の第２部分１４ｂに凹溝１７の群を形成すると、それだけ容積と表面積が増大するため、排気ガス出口６の箇所に対する冷却性能を向上できる。また、排気ガス出口６の内周面には内向きリブ１８の群が並ぶため、タービンハウジング１は、重量を殆ど増大させることなく剛性を向上できる。また、排気ガス出口６は排気ガスに晒された高温になるが、内向きリブ１８の存在によって表面積が増大するため、冷却水との熱交換を促進して冷却性能を向上できる。

(3).タービンハウジング及び中子の製造
タービンハウジング１はアルミを材料にした鋳造品であり、中空部は中子によって形成される。従って、本実施形態のタービンハウジング１を製造するに当たっては、インサイドジャケット１３と同じ形状の中子と、アウトサイドジャケット１４と同じ形状の中子とを製造する必要がある。

図５においてアウトサイドジャケット１４を形成するための中子１９を表示しているが、中子１９は、アウトサイドジャケット１４の第１部分１４ａに対応したリング状部１９ａと、アウトサイドジャケット１４の第２部分１４ｂに対応した筒状部１９ｂと、アウトサイドジャケット１４の第３部分１４ｃに対応した延長部１９ｃとを有しており、リング状部１９ａに、冷却水出口ポートの半分を形成するための突起１９ｄを形成している。

筒状部１９ｂは全周に亙って連続してはおらず、タービンハウジング１の軸支穴１２に対応した部位には、リング状部１９ａまで近づいたＵ形のサイド切り欠き２０が形成されている。切り欠き２０の箇所はタービンハウジング１の肉部になっており、この肉部に、ドリル加工によって軸支穴１２が空けられている。

また、突起１９ｄを設けた部位には、中途高さまで切除した状態の下切り欠き２１を形成している。従って、下切り欠き２１の箇所では、排気ガス出口６の下方部は厚肉になって高い強度が保持されている。

中子１９の筒状部１９ｂには、既述の凹溝１７に対応して、内周面と外周面とに、軸心方向に長く延びる補強リブ２２が、周方向に断続して多数形成されている。凹溝１７と同様に、内外の補強リブ２２の延長線を繋ぐと真円になるように設定している。

中子１９は、図６に部分的に表示した成形装置を使用して製造される。すなわち、成形装置は、筒状部１９ｂの軸心方向に密着・離反する一対の成形型（金型）から成っており、一方の成形型２３は、筒状部１９ｂの内部を成形するコア部２３ａと、筒状部１９ｂの先端面及び外周部を成形するキャビ部２３ｂとを有しており、砂を固めて中子１９を成形した後は、一対の成形型を離反させてから、一方の成形型２３に設けた多数本の突き出しピン２４によって中子１９が押し出される。

そして、本実施形態では、筒状部１９ｂの内外に補強リブ２２の群を形成しているため、突き出しピン２４は円形であっても外径をできるだけ大きくして、筒状部１９ｂとの突設面積を増大できる。従って、中子１９は、筒状部１９ｂの潰れ現象を防止した状態で押される。これにより、中子１９は、筒状部１９ｂを全体的に厚肉化することなく、高い精度で歩留りよく製造される。

中子１９に補強リブ２２を設けたことにより、タービンハウジング１の第２部分１４ｂには凹溝１７が形成されるが、凹溝１７によって冷却効果の向上や剛性向上の効果があることは既述したとおりである。

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。例えば、中子の形態（換言すると、出口側冷却水ジャケットの形態）は、様々に具体化することができる。また、タービンハウジングには、必ずしも軸受ハウジングが一体化されている必要はない。

本願発明は、排気ターボ過給機のタービンハウジング及びその製造に使用する中子に具体化できる。従って、産業上利用できる。

１ タービンハウジング
２ 軸受ハウジング
４ タービン室
５ タービンスクロール室
６ 排気ガス出口
７ 排気ガス導入通路
８ 本体ボデー
９ 排気ガス導入筒部
１１ ウエイストゲート通路
１３ インサイドジャケット
１４ アウトサイドジャケット
１４ｂ 請求項の出口側冷却水ジャケットに相当する第２部分
１５ 出口ボス部
１６ 入口ボス部
１７ 凹溝
１８ 内向きリブ
１９ 中子
１９ａ リング状部
１９ｂ 筒状部
２２ 補強リブ
２３ 成形型（金型）
２４ 突き出しピン

Claims (2)

1. タービン翼の回転軸心方向に開口した排気ガス出口を有しており、前記排気ガス出口を囲う肉部内に出口側冷却水ジャケットが形成されている構成であって、
   前記出口側冷却水ジャケットの内周面及び外周面のうち少なくも一方に、当該出口側冷却水ジャケットの溝幅を大きくした状態で前記タービン翼の回転軸心方向に延びる凹溝が、周方向に隔てて複数本形成されており、かつ、前記排気ガス出口の内周面又は外側に、前記凹溝に対応したリブが形成されている、
   排気ターボ過給機の水冷式タービンハウジング。
2. タービン翼の回転軸心方向に開口した排気ガス出口を有しており、前記排気ガス出口を囲う肉部内に出口側冷却水ジャケットが形成されている、という構成のタービンハウジングを鋳造するに際して前記出口側冷却水ジャケットを形成するために使用する中子であって、
   軸心方向に相対動する成形型を使用して製造されるものであり、
   内周面と外周面とのうち少なくともいずれか一方に、前記成形型によって成形してから突き出しピンによって一方の成形型から軸心方向に突き出すにおいて前記突き出しピンの当接面積を増大させる補強リブが、周方向に隔てて多数本形成されている、
   排気ターボ過給機の水冷式タービンハウジングの鋳造用中子。

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