JP4468286B2 - 排気ターボ式過給機 - Google Patents

Description

本発明は、船舶や自動車、発電機のエンジンなどの内燃機関に用いられる排気ターボ式過給機に関するものである。

排気ターボ式過給機は、内燃機関の燃焼室内に強制的に空気を供給することで燃焼効率を向上させて、内燃機関の出力向上を図るものである。
このような排気ターボ式過給機としては、例えば後記の特許文献１に記載の排気タービン過給機が知られている。この排気タービン過給機は、排気ガスによって駆動される排気タービン装置と、排気タービン装置によって駆動されて外気を燃焼室に圧送する吸気タービン装置（コンプレッサ）とを有している。

排気タービン装置は、内部に渦状流路が形成された排気タービンハウジングと、この排気タービンハウジングの径方向略中心部に設けられた排気タービンとを有している。吸気タービン装置は、内部に渦状流路が形成された吸気タービンハウジングと、吸気タービンハウジングの径方向略中心部に設けられた吸気タービンとを有している。
排気タービンと吸気タービンとは、シャフト部によって同軸にして接続されている。排気タービンハウジングと吸気タービンハウジングとの間には軸受ハウジングが設けられており、この軸受ハウジングには、シャフト部を回転可能にして支持する軸受が設けられている。

この排気ターボ式過給機は、排気タービンハウジング内に導入された排気ガスの流れによって排気タービンが回転駆動されることで、排気タービンにシャフト部を介して接続された吸気タービンが回転駆動されて、吸気タービンによる外気の圧送が行われるようになっている。
ここで、排気タービンハウジングと軸受ハウジングとの間には、これらの間での熱の伝達を遮断する遮熱板が設けられており、これによって排気タービンハウジングからの排気ガスの熱が軸受ハウジングの軸受に伝わりにくくなって、軸受の焼き付きなどの不具合が防止されている。

特開２００２−７０５６８号公報

排気タービン装置の渦状流路内のうち、流路内壁面近傍では、流路内壁面との摩擦抵抗によって排気ガス流の流速が低下する（すなわち、排気ガス流において流路内壁面近傍に、主流速度に対して速度欠損が生じた境界層が形成される）。
このため、排気タービンに供給される排気ガス流の速度分布に歪が生じ、動翼入口で衝突損失が大きくなり、排気タービン装置の効率が低下してしまう。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、効率のよい排気ターボ式過給機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提供する。
すなわち、本発明は、内部に渦状流路及び該渦状流路の最内周部に接続されるタービン収納室が設けられた排気タービンハウジングと、前記タービン収納室内に前記渦状流路と軸線を平行にして設けられる排気タービンと、該排気タービンの軸線方向の一方に同軸にして接続されるシャフトと、前記排気タービンハウジングに対して前記排気タービンの前記軸線方向の一方に隣接配置される軸受ハウジングと、該軸受ハウジングに設けられて前記シャフトを軸線回りに回転可能にして支持する軸受と、前記排気タービンハウジングと前記軸受ハウジングとの間に介装される遮熱板とを有しており、該遮熱板が、前記渦状流路の内壁面のうち、前記タービン収納室入口近傍部分を構成しており、前記渦状流路の内壁面のうち、前記遮熱板によって構成される部分は、上流部よりも流路内方に突出する突出部とされ、前記排気タービンハウジングの前記渦状流路のうち最内周部と該最内周部の外周側に位置する部分とを区画する舌部が、前記排気タービンハウジングの前記軸受ハウジング側を向く内壁面から該軸受ハウジングに向けて突出する壁部によって構成されており、前記遮熱板が、前記渦状流路の内壁面のうち、前記舌部の突出端に対向する部位を構成している排気ターボ式過給機を提供する。

このように構成される排気ターボ式過給機では、渦状流路の内壁面のうち、タービン収納室入口近傍部分の一部が、排気タービンハウジングとは別部材である遮熱板によって構成されており、この部分は、上流部よりも流路内方に突出する突出部とされている。
これにより、渦状流路内を流通する排気ガスのうち、渦状流路の内壁面に沿って形成される境界層（排気ガス流のうち主流速度に対して速度欠損が生じている部分）が、突出部に到達した際に流路内方に押し出されることになり、この境界層の流れが加速される。
これにより、タービン収納室内に流入する排気ガス流の速度歪が低減されるので、排気ターボ式過給機の効率が高い。

ここで、排気タービンハウジングの渦状流路の内部形状は、排気ガスの流れを円滑にして排気タービン装置の効率を向上するために、高い形状精度が要求される。
しかし、一般的な排気ターボ式過給機では、排気タービンハウジングは鋳造によって作成されており、高い形状精度が必要な部分には、さらに機械加工を施す必要がある。また、排気タービンハウジングの形状は三次元的に変化する複雑な形状であるので、機械加工が困難である。
これに対して、上記した本発明の排気ターボ式過給機では、渦状流路の内壁面に設けられた突出部が、排気タービンハウジングとは別部材である遮熱板によって構成されているので、遮熱板をプレス加工等の任意の整形方法によって整形することで、形状精度の高い突出部を容易に作成することができる。
このため、本発明の排気ターボ式過給機は、渦状流路の内部形状が高精度でありながら、容易かつ低コストで製造することができる。

また、前記のように、一般的な排気ターボ式過給機では、排気タービンハウジングは鋳造によって製造されており、このため、渦状流路とタービン収納室とは一体的に形成されていて、渦状流路とタービン収納室とは、排気タービンハウジングの軸受ハウジング側を向く内壁面と軸受ハウジング側の内壁面とにまたがる隔壁によって仕切られた構造とされている。
このような構成の排気タービンハウジングでは、渦状流路とタービン収納室とを区画する隔壁のうち、渦状流路とタービン収納室との接続部近傍部分を構成する舌部は、軸受ハウジングから離間した側の端部と軸受ハウジング側の端部との両方が固定端となっている。
このため、舌部が排気ガスの熱を受けることで舌部に生じる熱応力を逃がすことができず、排気ターボ式過給機を長期間使用すると、舌部にクラックが生じてしまうことがある。
これに対して、上記のように舌部を排気タービンハウジングの軸受ハウジング側を向く内壁面から軸受ハウジングに向けて突出する壁部によって構成することで、舌部の軸受ハウジング側の端部が自由端となる。
これにより、舌部が排気ガスの熱を受けた際に舌部が自由端側に熱膨張して舌部に生じる熱応力を逃がすことができるので、舌部にクラックが生じにくい。

また、上記本発明の排気ターボ式過給機において、前記突出部の突出方向における前記渦状流路の幅を２Ｌとし、前記突出部の突出量をＸとすると、０．０８２３５Ｌ≦Ｘ≦０．６９８３Ｌとされていてもよい。
指数法則に基づいて求めた渦状流路内の排気ガス流の速度分布によれば、排気ガス流の主流速度に対する速度欠損が３０％未満となるのは、渦状流路の内壁面から０．０８２３５Ｌよりも離間した領域である。同様に、排気ガス流の主流速度に対する速度欠損が５％未満となるのは、渦状流路の内壁面から０．６９８３Ｌよりも離間した領域である。
このため、上記のように、突出部の突出量Ｘを０．０８２３５Ｌ以上に設定することで、渦状流路の中心よりも遮熱板側を流れる排気ガス流のうち、速度欠損が主流速度の３０％を超える部分が流路内方に押し出されて加速させられることになり、排気ガス流の流速のばらつきが３０％以下に低減される。なお、この場合には、突出部は渦状流路の流路断面積の約４．１％を閉塞することになる。

同様に、突出部の突出量Ｘを０．６９８３Ｌに設定することで、渦状流路の中心よりも遮熱板側を流れる排気ガス流のうち、速度欠損が主流速度の５％を超える部分が流路内方に押し出されて加速させられることになり、排気ガス流の流速のばらつきが５％以下に低減される。
一方、突出部の突出量Ｘを０．６９８３Ｌとした場合には、突出部は渦状流路の流路断面積の３４．９％を閉塞することになるので、これよりも突出部の突出量Ｘを増加させると、排気タービンに供給する排気ガスの流量を十分に確保できなくなる可能性がある。
このため、突出部の突出量Ｘは、０．０８２３５Ｌ≦Ｘ≦０．６９８３Ｌとすることが好ましい。

ここで、突出部の突出量は、排気ターボ式過給機に要求される性能、例えば排気ガス流の流速のばらつきの許容量や排気タービンに供給する排気ガスの流量の下限値に応じて、適宜選択することができる。
例えば、排気ガス流の主流速度に対する速度欠損が２０％未満となるのは、渦状流路の内壁面から０．２０９７Ｌよりも離間した領域であるので、突出部の突出量Ｘを、０．２０９７Ｌ≦Ｘ≦０．６９８３Ｌとすることで、排気ガス流の流速のばらつきを２０％以下に抑えることができる。なお、この場合には、突出部は渦状流路の流路断面積の約１０．５％を閉塞することになる。
同様に、排気ガス流の主流速度に対する速度欠損が１５％未満となるのは、渦状流路の内壁面から０．３２０６Ｌよりも離間した領域であるので、突出部の突出量Ｘを、０．３２０６Ｌ≦Ｘ≦０．６９８３Ｌとすることで、排気ガス流の流速のばらつきを１５％以下に抑えることができる。なお、この場合には、突出部は渦状流路の流路断面積の約１６．５％を閉塞することになる。

このように構成される排気ターボ式過給機によれば、タービン収納室内に流入する排気ガス流の速度歪が低減されるので、効率が高い。

以下に、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
図１に示すように、排気ターボ式過給機１は、内燃機関の排気ガス排出経路上に設けられて排気ガスによって駆動される排気タービン装置２と、排気タービン装置２によって駆動されて外気を内燃機関の燃焼室に圧送するコンプレッサ３とを有している。

排気タービン装置２は、内部に渦状流路Ｓ及びこの渦状流路Ｓの最内周部に接続されるタービン収納室Ｔが設けられた排気タービンハウジング６と、タービン収納室Ｔの径方向略中心部に渦状流路Ｓと軸線を略平行にして設けられる排気タービン７（タービン羽根車）と、排気タービン７の軸線方向のコンプレッサ３側（後述する軸受ハウジング１６側）に排気タービン７と略同軸にして接続されるシャフト８とを有している。

図２に示すように、渦状流路Ｓの流路が重複する部分、すなわち排気タービンハウジング６の渦状流路Ｓのうち最内周部とこの最内周部の外周側に位置する部分とは、最内周部の上流側から下流側に向けて突出する壁部からなる舌部６ａによって区画されている。
図３（図２のＡ−Ａ線矢視断面図）に示すように、この舌部６ａは、排気タービンハウジング６のコンプレッサ３側を向く内壁面からコンプレッサ３側に向けて突出する壁部によって構成されている。すなわち、舌部６ａは、コンプレッサ３側の端部が自由端とされている。

ここで、図１から図３に示すように、本実施形態では、渦状流路Ｓは、タービン収納室Ｔを径方向外側から取り巻く形状に形成されている。すなわち、本実施形態では、排気タービン装置２は、排気ガスが排気タービン７の径方向外側から径方向に沿って供給される構成（ラジアルタービン）とされている。なお、排気タービン装置２は、渦状流路Ｓが排気タービン７よりもコンプレッサ３側にずらして設けられて、排気ガスが排気タービン７の径方向に対して傾斜する方向から供給される構成（斜流タービン）とされていてもよい。

図１に示すように、コンプレッサ３は、内部に渦状流路が形成されたコンプレッサスクロール１１と、コンプレッサスクロール１１の径方向略中心部に設けられたコンプレッサ羽根車１２とを有している。
排気タービン装置２の排気タービン７とコンプレッサ３のコンプレッサ羽根車１２とは、シャフト８によって略同軸にして接続されている。排気タービンハウジング６とコンプレッサスクロール１１との間には、これら排気タービンハウジング６及びコンプレッサスクロール１１に隣接させて軸受ハウジング１６が設けられている。

排気タービンハウジング６には、軸受ハウジング１６との接続部側に、タービン収納室Ｔに通じる開口部６ｂが設けられている。軸受ハウジング１６は、排気タービンハウジング６側の端部を排気タービンハウジング６の開口部６ｂ内に挿入した状態にして排気タービンハウジング６と結合されている。
軸受ハウジング１６には、シャフト８を軸線回りに回転可能にして支持する軸受１７と、軸受１７へ潤滑油を供給する潤滑系統１８とが設けられている。

図１から図４（図２のＢ−Ｂ線矢視断面図）に示すように、排気タービンハウジング６と軸受ハウジング１６との間には、遮熱板２１が介装されている。遮熱板２１は、渦状流路Ｓの内壁面のうち、タービン収納室Ｔの入口近傍部分の一部を構成している。また、本実施形態では、図２に示すように、遮熱板２１は、渦状流路Ｓの舌部６ａ近傍部分に、径方向外側に張り出す張出部Ｄが設けられている。この張出部Ｄは、図４に示すように、渦状流路Ｓの内壁面のうち、舌部６ａの突出端に対向する部位を構成している。

図１、図３、及び図４に示すように、遮熱板２１は、略円板部２１ａと、この略円板部２１ａの外周縁から略円板部２１ａの軸線方向の一方に向けて立ち上がる略円筒部２１ｂとを有する略有底円筒形状をなしている。
遮熱板２１は、略円板部２１ａが排気タービン７に近接配置されるようにして排気タービンハウジング６の開口部６ｂ内に挿入されている。
略円筒部２１ｂの先端には、外フランジ２１ｃが設けられており、遮熱板２１は、この外フランジ２１ｃを排気タービンハウジング６と軸受ハウジング１６との間に挟みこまれることによって位置決め固定されている。
略円板部２１ａの径方向略中央部には、開口部２１ｄが設けられており、シャフト８は、この開口部２１ｄに挿通されている。また、開口部２１ｄには、軸受ハウジング１６の排気タービンハウジング６側の端部が嵌合されており、これによって遮熱板２１が位置決め固定されている。

本実施形態では、略円板部２１ａの周縁部は、径方向外側から径方向内側に向うにつれて次第に軸線方向の他方に向けて突出するよう傾斜させられている。また、略円板部２１ａの周縁部よりも径方向内側の領域は、径方向外側から径方向内側に向うにつれて次第に軸線方向の一方に向うように傾斜させられている。

渦状流路Ｓの内壁面のうち、遮熱板２１によって構成される部分は、上流部よりも流路内方に突出する突出部２２とされている。本実施形態では、突出部２２は、略円板部２１ａの周縁部によって構成されている。
この突出部２２の突出方向における渦状流路Ｓの幅を２Ｌとし、突出部２２の突出量をＸとすると、０．０８２３５Ｌ≦Ｘ≦０．６９８３Ｌとされている。

このように構成される排気ターボ式過給機１は、内燃機関から排出される排気ガス流が排気タービン装置２に送り込まれることで排気タービン７が回転駆動され、排気タービン７が回転駆動されることで排気タービン７に接続されたコンプレッサ羽根車１２が回転駆動されて、コンプレッサ３による外気の圧送が行われる。

この排気ターボ式過給機１では、排気タービン装置２の渦状流路Ｓの内壁面のうち、タービン収納室Ｔの入口近傍部分の一部が、排気タービンハウジング６とは別部材である遮熱板２１によって構成されており、この部分は、上流部よりも流路内方に突出する突出部２２とされている。
これにより、渦状流路Ｓ内を流通する排気ガスのうち、渦状流路Ｓの内壁面に沿って形成される境界層（排気ガス流のうち主流速度に対して速度欠損が生じている部分）が、突出部２２に到達した際に流路内方に押し出されることになり、この境界層の流れが加速される。

具体的には、突出部２２を設けていない排気ターボ式過給機では、渦状流路Ｓの内壁面近傍では、内壁面との摩擦抵抗によって排気ガス流の流速が低下する（図５の流速分布図参照）。これにより、渦状流路Ｓの内壁面近傍には、排気ガス流の主流速度に対して速度欠損が生じた境界層が形成される。
これに対して、本実施形態に係る排気ターボ式過給機１では、渦状流路Ｓの内壁面に沿って形成される境界層が、突出部２２に到達した際に流路内方に押し出されることになり、この境界層の流れが加速される（図６の流速分布図参照）。
これにより、タービン収納室内Ｔに流入する排気ガス流の速度歪が低減されるので、本実施形態に係る排気ターボ式過給機１は、排気タービン装置２の効率が高い。

ここで、排気タービンハウジング６の内部形状は、排気ガスの流れを円滑にして排気タービン装置２の効率を向上するために、高い形状精度が要求される。
しかし、一般的な排気ターボ式過給機では、排気タービンハウジングは鋳造によって作成されており、高い形状精度が必要な部分には、さらに機械加工を施す必要がある。また、排気タービンハウジングの形状は三次元的に変化する複雑な形状であるので、機械加工が困難である。
これに対して、本実施形態に係る排気ターボ式過給機１では、渦状流路Ｓの内壁面に設けられた突出部２２が、排気タービンハウジング６とは別部材である遮熱板２１によって構成されているので、遮熱板２１をプレス加工等の任意の整形方法によって整形することで、形状精度の高い突出部２２を容易に作成することができる。
このため、本実施形態に係る排気ターボ式過給機１は、渦状流路Ｓの内部形状が高精度でありながら、容易かつ低コストで製造することができる。

また、本実施の形態に係る排気ターボ式過給機１では、突出部２２の突出方向における渦状流路Ｓの幅を２Ｌとし、突出部２２の突出量をＸとすると、０．０８２３５Ｌ≦Ｘ≦０．６９８３Ｌとされている。
指数法則、具体的には１／７乗速度分布式（Ｕ＝Ｕ^＊（Ｘ／Ｌ）^１／７、なお、Ｕは流速、Ｕ^＊は主流の流速、Ｘは壁面からの距離、Ｌは流路中心までの距離である）に基づいて近似的に求めた渦状流路Ｓ内の排気ガス流の速度分布によれば、排気ガス流の主流速度に対する速度欠損が３０％未満となるのは、渦状流路Ｓの内壁面から０．０８２３５Ｌよりも離間した領域である。同様に、排気ガス流の主流速度に対する速度欠損が５％未満となるのは、渦状流路Ｓの内壁面から０．６９８３Ｌよりも離間した領域である。
このため、上記のように、突出部２２の突出量Ｘを０．０８２３５Ｌ以上に設定することで、渦状流路Ｓの中心よりも遮熱板２１側を流れる排気ガス流のうち、速度欠損が主流速度の３０％を超える部分が流路内方に押し出されて加速させられることになり、排気ガス流の流速のばらつきが３０％以下に低減される。なお、この場合には、突出部２２は渦状流路Ｓの流路断面積の約４．１％を閉塞することになる。

同様に、突出部２２の突出量Ｘを０．６９８３Ｌに設定することで、渦状流路Ｓの中心よりも遮熱板２１側を流れる排気ガス流のうち、速度欠損が主流速度の５％を超える部分が流路内方に押し出されて加速させられることになり、排気ガス流の流速のばらつきが５％以下に低減される。
一方、突出部２２の突出量Ｘを０．６９８３Ｌとした場合には、突出部２２は渦状流路Ｓの流路断面積の３４．９％を閉塞することになるので、これよりも突出部２２の突出量Ｘを増加させると、排気タービン７に供給する排気ガスの流量を十分に確保できなくなる可能性がある。
このため、突出部２２の突出量Ｘは、０．０８２３５Ｌ≦Ｘ≦０．６９８３Ｌとすることが好ましい。

なお、突出部２２の突出量は、排気ターボ式過給機１に要求される性能、例えば排気ガス流の流速のばらつきの許容量や排気タービン７に供給する排気ガスの流量の下限値に応じて、適宜選択することができる。
例えば、排気ガス流の主流速度に対する速度欠損が２０％未満となるのは、渦状流路Ｓの内壁面から０．２０９７Ｌよりも離間した領域であるので、突出部２２の突出量Ｘを、０．２０９７Ｌ≦Ｘ≦０．６９８３Ｌとすることで、排気ガス流の流速のばらつきを２０％以下に抑えることができる。なお、この場合には、突出部２２は渦状流路Ｓの流路断面積の約１０．５％を閉塞することになる。
同様に、排気ガス流の主流速度に対する速度欠損が１５％未満となるのは、渦状流路Ｓの内壁面から０．３２０６Ｌよりも離間した領域であるので、突出部２２の突出量Ｘを、０．３２０６Ｌ≦Ｘ≦０．６９８３Ｌとすることで、排気ガス流の流速のばらつきを１５％以下に抑えることができる。なお、この場合には、突出部２２は渦状流路Ｓの流路断面積の約１６．５％を閉塞することになる。

ここで、従来の一般的な排気ターボ式過給機では、排気タービンハウジングは鋳造によって製造されており、このため、渦状流路とタービン収納室とは一体的に形成されていて、渦状流路とタービン収納室とは、排気タービンハウジングの軸受ハウジング側を向く内壁面と軸受ハウジング側の内壁面とにまたがる隔壁によって仕切られた構造とされている。
このような構成の排気タービンハウジングでは、渦状流路とタービン収納室とを区画する隔壁のうち、渦状流路とタービン収納室との接続部近傍部分を構成する舌部は、軸受ハウジングから離間した側の端部と軸受ハウジング側の端部との両方が固定端となっている。
このため、舌部が排気ガスの熱を受けることで舌部に生じる熱応力を逃がすことができず、排気ターボ式過給機を長期間使用すると、舌部にクラックが生じてしまうことがある。

これに対して、本実施形態に係る排気ターボ式過給機１では、排気タービンハウジング６の渦状流路Ｓのうち最内周部とこの最内周部の外周側に位置する部分とを区画する舌部６ａが、排気タービンハウジング６のコンプレッサ３側（軸受ハウジング１６側）を向く内壁面からコンプレッサ３に向けて突出する壁部によって構成されており、遮熱板２１が、渦状流路Ｓの内壁面のうち、舌部６ａの突出端に対向する部位を構成している。
これにより、舌部６ａのコンプレッサ３側の端部が自由端となり、舌部６ａが排気ガスの熱を受けた際に舌部６ａが自由端側に熱膨張することができ、これによって舌部６ａに生じる熱応力を逃がすことができるので、舌部６ａにクラックが生じにくい。

本発明の一実施形態に係る排気ターボ式過給機の構成を示す縦断面図である。 本発明の一実施形態に係る排気ターボ式過給機の排気タービン装置の構成を示す軸直交断面図である。 図２のＡ−Ａ線矢視断面図である。 図２のＢ−Ｂ線矢視断面図である。 遮熱板に突出部がない場合の渦状流路における排気ガスの流速分布を示す図である。 本発明の一実施形態に係る排気ターボ式過給機の渦状流路における排気ガスの流速分布を示す図である。

１ 排気ターボ式過給機
６ 排気タービンハウジング
６ａ 舌部
７ 排気タービン
８ シャフト
１６ 軸受ハウジング
１７ 軸受
２１ 遮熱板
２２ 突出部
Ｓ 渦状流路
Ｔ タービン収納室

Claims (2)

1. 内部に渦状流路及び該渦状流路の最内周部に接続されるタービン収納室が設けられた排気タービンハウジングと、
   前記タービン収納室内に前記渦状流路と軸線を平行にして設けられる排気タービンと、
   該排気タービンの軸線方向の一方に同軸にして接続されるシャフトと、
   前記排気タービンハウジングに対して前記排気タービンの前記軸線方向の一方に隣接配置される軸受ハウジングと、
   該軸受ハウジングに設けられて前記シャフトを軸線回りに回転可能にして支持する軸受と、
   前記排気タービンハウジングと前記軸受ハウジングとの間に介装される遮熱板とを有しており、
   該遮熱板が、前記渦状流路の内壁面のうち、前記タービン収納室入口近傍部分を構成しており、
   前記渦状流路の内壁面のうち、前記遮熱板によって構成される部分は、上流部よりも流路内方に突出する突出部とされ、
   前記排気タービンハウジングの前記渦状流路のうち最内周部と該最内周部の外周側に位置する部分とを区画する舌部が、前記排気タービンハウジングの前記軸受ハウジング側を向く内壁面から該軸受ハウジングに向けて突出する壁部によって構成されており、
   前記遮熱板が、前記渦状流路の内壁面のうち、前記舌部の突出端に対向する部位を構成している排気ターボ式過給機。
2. 前記突出部の突出方向における前記渦状流路の幅を２Ｌとし、前記突出部の突出量をＸとすると、０．０８２３５Ｌ≦Ｘ≦０．６９８３Ｌとされている請求項１記載の排気ターボ式過給機。

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