JP2021105391A - 水冷式排気ターボ過給機 - Google Patents

Abstract

【課題】タービンハウジングを水冷式とすることによってアルミ化するにおいて、冷却むらを無くして信頼性を向上させる。【解決手段】タービンハウジング１は、タービンスクロール室が形成されたドラム状部７と、シリンダヘッド１０又は排気マニホールドに接続される筒状部８とを有しており、両者には冷却水ジャケット１８，１９が形成されている。第２冷却水ジャケット１８に冷却水入り口ポート２０が接続されて、第１冷却水ジャケット１９の上端に冷却水出口２１が形成されている。冷却水入り口ポート２０からバイパス通路２３を分岐させ、タービンハウジング１のアルミ化を促進できる。【選択図】図４

Description

本願発明は、水冷式ターボ過給機に関するものである。

車両用の内燃機関において、出力向上等のために排気ターボ過給機を設けることは広く行われている。この排気ターボ過給機は、タービン翼が配置されると共にタービンスクロール室が形成されたタービンハウジングと、コンプレッサ翼が配置されると共にコンプレッサスクロール室が形成されたコンプレッサハウジングと、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）とを有しており、従来、タービンハウジングは高熱になることから耐熱合金で鋳造されていた。

しかし、タービンハウジングを耐熱合金製とすることは、コスト及び重量が嵩むという問題があり、そこで、タービンハウジングをアルミ製として軽量化しつつ、内部に冷却水ジャケットを形成して水冷方式とすることによって熱損傷を防止することが提案されている（例えば特許文献１）。

特開２０１８−１８８９６５号公報

冷却水ジャケットには冷却水入り口と冷却水出口とが連通しているが、冷却水ジャケットを冷却水で充満させるため、冷却水入り口はタービンハウジングの下部に設けて、冷却水出口はタービンハウジングの上部に設けている。

さて、タービンハウジングは、タービンスクロール室が形成されたドラム状部と、排気ガス導入通路が形成された筒状部とを有しており、筒状部の先端に設けたフランジがシリンダヘッド又は排気マニホールドに固定されている。そして、冷却水ジャケットは、タービンスクロールや排気ガス導入通路を囲うように形成されているが、排気ガス導入通路を囲う冷却水ジャケットのうちフランジに近い先端部が冷却水の主流から外れた状態になって、冷却水の淀みが発生してフランジの冷却が不十分になることがあった。

つまり、排気ガス導入通路の入り口には排気ガスが最も高い温度で流入するため、タービンハウジングはフランジの箇所が最も高温になるが、この部分を冷却するための冷却水に淀みが発生するため、フランジを適切に冷却できずに冷却不良が発生しやすいのであった。

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、
「排気ガス導入通路とこれに連続したタービンスクロール室とが形成されたタービンハウジングを備えており、前記タービンハウジングに、前記排気ガス導入通路を囲う第１冷却水ジャケットと、前記タービンスクロール室を囲う第２冷却水ジャケットとが連続した状態に形成されており、
かつ、前記タービンハウジングに、前記冷却水ジャケットに連通した冷却水入り口及び冷却水出口を形成している」
という基本構成において、
「前記第１冷却水ジャケットのうち排気ガス導入通路の入り口に近い端部と、前記冷却水入り口かその近傍部とがバイパス通路によって接続されている」
という特徴を付加している。

排気ターボ過給機には、タービンスクロール室が排気ガス導入通路の入り口よりも下に位置した下巻き方式と、タービンスクロール室が排気ガス導入通路の入り口よりも上に位置した上巻き方式とがあるが、本願発明はいずれの方式にも適用できる。

本願発明では、第１冷却水ジャケットのうち排気ガス導入通路の入り口に近い端部に冷却水が強制的に送られるため、排気ガス導入部の周辺部を的確に冷却できる。すなわち、最も高温の排気ガスに晒される部分を冷却水の流れによって的確に冷却できる。従って、タービンハウジングを熱損傷がない状態でアルミ化・軽量化することを確実化することができる。

バイパス通路はタービンハウジングの内部に鋳造によって形成してもよいし、別部材としてのパイプで構成してもよいが、パイプで構成すると、鋳型が複雑化することも防止できると共に、バイパス通路の接続位置のチューニングも容易になる利点がある。また、バイパス通路は１本でもよいが、排気ガス導入通路の軸心を挟んだ両側に設けると、強制的な送水機能を確実化できて好適である。

上記のとおり、排気ターボ過給機には下巻き方式と上巻き方式とがあるが、上巻き方式では、排気ガス導入通路の入り口部が最下端になって冷却水が淀みやすいため、本願発明を適用することによって冷却性能を格段に向上できる。従って、本願発明は、上巻き方式の排気ターボ過給機に特に好適であると云える。

実施形態の排気ターボ過給機の外観図であり、（Ａ）は排気ガス出口と対向した方向から見た側面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ視底面図である。 図１（Ａ）のII-II 視正面図である。 （Ａ）は図１（Ａ）のIIIA-IIIA 視背面図、（Ｂ）は図１（Ａ）のIIIB-IIIB 視平面図である。 主として冷却水ジャケットを示す図であり、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は底面図である。

(1).排気ターボ過給機の概要
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、排気ターボ過給機の概要を図１に基づいて説明する。本実施形態の排気ターボ過給機は、車両用内燃機関に搭載するものである。方向の特定として、本実施形態では、シリンダヘッドの排気側面と直交した方向から見た方向を正面視として、クランク軸線方向から見た方向を側面視としている。

図１（Ａ）は、タービンハウジング１を排気ガス出口２と対向した方向から見た側面図であり、回転軸挿通穴３とタービン翼配置凹所４とが現れている。回転軸は図示していないが、クランク軸（或いはカム軸）と略平行に配置されている。回転軸挿通穴３及びタービン翼配置凹所４の下方に、ウエストゲート通路５と、ウエストゲートバルブ（図示せず）が重なり得る弁座６とが現れている。排気ガス出口２には、触媒ケース（図示せず）がフランジ接合によって固定される。

タービンハウジング１には、タービン翼配置凹所４を囲うようにタービンスクロール室（図示せず）が形成されており、タービンスクロール室を設けた部位はドラム状部７になっている。ドラム状部７には、斜め下方に延びる筒状部８が一体に形成されており、筒状部８の下端に、シリンダヘッド１０にボルト（図示せず）で固定されるフランジ９が形成されている（ボルト挿通穴を符号９ａで表示している。）。図面には表示しないが、筒状部の内部には、タービンスクロール室と滑らかに連続する排気ガス導入通路９ｂ（図３（Ａ）参照）が形成されており、排気ガス導入通路９ｂからバイパス通路２３が分岐している。

本実施形態では、排気ガスは下部から排気ガス導入通路９ｂに流入してタービンスクロール室に上向きに流れる。従って、実施形態の排気ターボ過給機は上巻き方式になっている。タービン翼及びコンプレッサ翼が固定された回転軸は、図１（Ａ）の状態で反時計回り方向に回転する。

例えば図１（Ｂ）に示すように、タービンハウジング１のうち排気ガス出口２と反対側の部位には、回転軸を回転自在に保持するセミフローティング軸受け部１１（図４参照）を有する軸受けハウジング１２が一体に形成されており、軸受けハウジング１２に、模式的に示すコンプレッサハウジング１３がボルト等で固定されている。図１（Ｂ）に示すように、軸受けハウジング１２の下面にはオイル落とし穴１４が開口し、図３（Ｂ）に示すようには、軸受けハウジング１２の上面にはオイル入り口１５が開口している。

図１（Ａ）及び図３（Ａ）に示すように、タービンハウジング１のドラム状部７のうち後面にはボス部１６を形成しており、ボス部１６に、図３（Ａ）のとおり軸受け穴１７が空いている。軸受け穴１７には、ウエストゲートバルブが取り付けられた支軸（図示せず）が回転自在に保持されており、支軸をアクチュエータで回転操作することにより、排気ガスのリーク量を調節して過給圧が制御される。

(2).冷却構造
図４に示すように、タービンハウジングの内部には、タービンスクロール室を囲う第１冷却水ジャケット１９と、排気ガス導入通路９ｂを囲う第２冷却水ジャケット１８とが滑らかに連続するように形成されている。第１冷却水ジャケット１９はドラム状部７に形成されて、第２冷却水ジャケット１８は筒状部８に形成されている。ドラム状部７と筒状部８とは滑らかに連続しているため、第１冷却水ジャケット１９と第２冷却水ジャケット１８とも滑らかに連続している。

筒状部７には、冷却水入り口ポート２０が下向きに突出するように形成されており、ドラム状部７の上端には、ボス状の冷却水出口２１が形成されている。冷却水出口２１には、ボルトで締結される継手を介して出口ポートが接続されるようになっており、出口ポートにホースが接続される。冷却水入り口ポート２０にもホースが接続される。

冷却水ジャケット１８，１９は、リブ２２により、軸受けハウジング側のエリアと排気ガス出口側のエリアとに左右に二分されており、排気ガス出口側のエリアの容積が大きくなっている。

図３（Ａ）に示すように（図４（Ｂ）も参照）、第２冷却水ジャケット１８の先端は、フランジ９の端面に開口している。従って、第２冷却水ジャケット１８の先端はシリンダヘッド１０によって塞がれている。

そして、冷却水入り口ポート２０から左右一対のバイパス通路２３を分岐させ、その先端を第２冷却水ジャケット１８の先端寄り部位に接続している。バイパス通路２３は金属パイプをろう付け又は溶接することによって形成されている。既述のとおり、第２冷却水ジャケット１８は左右のエリアに分かれているため、２つのエリアに対応して２本のバイパス通路２３を設けている。

以上の構成において、冷却水は、冷却水入り口２０から第２冷却水ジャケット１８に流入し、上昇しつつ第１冷却水ジャケット１９に流れ込んで各部位を巡り、最後に冷却水出口２１から排出される。そして、冷却水は下から上に向けて流れるため、冷却水ジャケット１８，１９に充満して気泡の発生を防止できる。

他方、冷却水入り口２０は第２冷却水ジャケット１８の下端よりも少し上に位置しているため、第２冷却水ジャケット１８の下端部において冷却水に淀みが発生しやすくなる。すなわち、フランジ９の箇所において冷却水に淀みが発生しやすくなる。そして、フランジ９の箇所は最も高温の排気ガスに晒されるため、本来は最も冷却が必要であるが、淀みが発生すると冷却性能が低下して溶損などの問題が発生するおそれがある。

しかるに、本実施形態のようにバイパス通路２３を設けると、フランジ９の箇所に最も低温の冷却水が供給されるため、フランジ９を的確に冷却できる。従って、フランジ９の溶損を防止して、タービンハウジング１のアルミ化を促進できる。

さて、車両用内燃機関にはついては排気ガスの規制が強化されており、排気ガスの浄化性能を高めるため触媒ケースが大型化している。この場合、触媒ケースの下端には排気管が接続されているが、排気管は地面との関係で位置を下げることができないため、敷く倍ケースが大型化すると、触媒ケースの高さを高くして対応せねばならず、すると、排気ターボ過給機を上巻き方式にすることにより、触媒ケースの大型化に対応せざるを得ない。すると、第２冷却水ジャケット１８が第１冷却水ジャケット１９よりも下方に位置することになって、フランジ９の箇所の冷却不足問題が顕著に現れる。

これに対して本願発明を適用すると、第２冷却水ジャケット１８のうち下端よりも上に冷却水入り口２０が接続されていても、フランジ９を的確に冷却できる。従って、本願発明は、上巻き方式の排気ターボ過給機に好適であると云える。もとより、本願発明は、特許文献１に例示されている下巻き方式の排気ターボ過給機にも適用できるのであり、下巻き方式の排気ターボ過給機に適用しても高い効果を享受できる。

なお、既述のとおり、第２冷却水ジャケット１８はフランジ９の端面に開口しており、従って、第２冷却水ジャケット１８はフランジ９の箇所では袋小路状になっているが、フランジ９に冷却水の流れが接触するため、袋小路状の部分があってもフランジ９を的確に冷却できる。むしろ、袋小路状の箇所で冷却水が昇温することにより、フランジ９の温度を滑らかに変化させ得るため、フランジ９に熱ひずみが発生することを防止又は大幅に抑制できると云える。

実施形態では、冷却水入り口ポート２０からバイパス通路２３を分岐させたが、十字状等の四方継手を使用することも可能である。また、バイパス通路２３は、鋳造によって形成することも可能であるし、ドリル加工によって形成することも可能である。バイパス通路は、例えば下端部の１か所のみに設け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 タービンハウジング
２ 排気ガス出口
７ ドラム状部
８ 筒状部
９ フランジ
９ｂ 排気ガス導入通路
１２ 軸受けハウジング
１３ コンプレッサハウジング
１８ 第２冷却水ジャケット
１９ 第１冷却水ジャケット
２０ 冷却水入り口ポート（冷却水入り口）
２１ 冷却水出口
２２ リブ
２３ バイパス通路

Claims (1)

1. 排気ガス導入通路とこれに連続したタービンスクロール室とが形成されたタービンハウジングを備えており、前記タービンハウジングに、前記排気ガス導入通路を囲う第１冷却水ジャケットと、前記タービンスクロール室を囲う第２冷却水ジャケットとが連続した状態に形成されており、
   かつ、前記タービンハウジングに、前記冷却水ジャケットに連通した冷却水入り口及び冷却水出口を形成している構成であって、
   前記第１冷却水ジャケットのうち排気ガス導入通路の入り口に近い端部と、前記冷却水入り口かその近傍部とがバイパス通路によって接続されている、
   水冷式排気ターボ過給機。

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