JP4487411B2

JP4487411B2 - タービン

Info

Publication number: JP4487411B2
Application number: JP2000353193A
Authority: JP
Inventors: 成穴田
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2000-11-20
Filing date: 2000-11-20
Publication date: 2010-06-23
Anticipated expiration: 2020-11-20
Also published as: JP2002155754A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はタービンに関するもので、例えば可変容量ターボチャージャに用いられるものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のターボチャージャにおいて、ターボチャージャのタービンハウジングと排気マニホルドとを一体的に構成することはよく知られている。例えば特開２０００−１９９４２７号公報（第１の従来技術という）にはエンジンの排気口に接続する複数の管部及び、管部内の排気ガス流路が合流するように設けられた集合部を有する排気マニホルドと、集合部と一体的に連結して排気ガスがそのスクロール部に流入するタービンハウジングとを鋳造一体化した排気マニホールドが開示されている。
【０００３】
また、特開平７−９１３９９号公報（第２の従来技術という）にはタービンハウジング本体の一部分を分割してその部分にタービンロータの回転軸線上に対して同心円状の仕切壁と、排気ガス流路を備えたフランジを組み込むように構成した分割タービンハウジングが開示されている。
【０００４】
また、特開平１０―８９７７号公報（第３の従来技術という）にはスクロール部を内側スクロールと外側スクロールとに区画する区画壁を設け、タービンロータを回転させる排気ガスの量が少ないエンジンの低回転域においても効率的にタービンロータを回転させることができる可変容量ターボチャージャが開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、第１の従来技術においては、エンジンの排気口に接続する複数の管部を集合させた集合部とタービンのスクロール部とを一体的に連結しているため、この連結している部分の鋳造欠陥が発見しにくい、という問題が生じる。特にスクロール部や、スクロール部が集合部に接続する部分においては、スクロール部が巻回した形状であるため複数の管部の出口から鋳造欠陥の有無や中子部材（例えば鋳物砂等）が内部に残っているかどうかを発見することは極めて困難である。ターボチャージャの場合、タービンロータは高速で回転するため内部に異物があるとロータに折損等が発生し、タービンロータによる仕事率が低下してターボチャージャの性能低下が起こる恐れがある。このため中子部材が内部に残っているかどうかをチェックすることは品質管理上極めて重要なことである。
【０００６】
また、第２の従来技術においてはタービンロータの回転軸心に対して同心円板状に設けた仕切壁を介して分割した２つのタービンハウジングを固着してタービンハウジングを形成している。しかしながらこの方法では、第３の従来技術に開示されているような可変容量ターボチャージャのタービンハウジングを分割して形成することは不可能であった。
【０００７】
それゆえ、本発明は、タービンロータの回転軸心に対して同心円筒状の隔壁を有する可変容量ターボチャージャにおいてタービンハウジングを分割して形成できるようにすると共に、排気マニホルドと一体的に形成しても鋳造欠陥や中子部材残りが発見しやすい排気マニホルド一体型のタービンを提供することをその課題とする。
【０００８】
上記した課題を解決するために請求項１の発明にて講じた技術的手段は、シャフトと、前記シャフトの一端に取り付けられたタービンロータと、流体導入部、スクロール部、流体導出部を備え、前記タービンロータを収容するタービンハウジングと、前記スクロール部を内側スクロール及び外側スクロールに分割する区画壁と、を備えてなるタービンにおいて、前記タービンハウジングをアウタ部とインナ部とで構成すると共に、前記区画壁を前記アウタ部及び前記インナ部のうち少なくとも前記インナ部に形成し、前記アウタ部には前記流体導入部と前記スクロール部と前記インナ部を挿入する挿入部とを形成し、前記インナ部には前記流体導出部を形成し、前記インナ部を前記アウタ部に挿入して両者を固着したことである。
【０００９】
上記した手段によれば、タービンハウジングをアウタ部とインナ部とに分割して構成し、区画壁をアウタ部及びインナ部のうち少なくともインナ部に設けたことによって、タービンロータの回転軸心に対して円筒状の区画壁を有するタービンを２つの部品に分割して形成することができる。更に、アウタ部、インナ部を共に単純な形状とすることができるので鋳造性の向上や鋳造欠陥、中子残りの発見がし易くなり、製品の品質を向上させることができる。
【００１０】
また、上記した課題を解決するために請求項２の発明にて講じた技術的手段は、請求項１に記載の発明に加えて、タービンハウジングと排気マニホルドとを一体的に構成したことである。これによって、巻回する内側スクロール部がアウタ部と排気マニホルドとの接続部に存在しないので、従来は外部からの発見が困難であったタービンハウジングと排気マニホルドとを接続する部分の鋳造欠陥や中子部材残りの有無の確認がし易くなる。また、排気マニホルドと一体で構成されるハウジング部の形状が複雑なスクロール形状を有しないので鋳湯流れの改善や中子形状の簡素化を図ることができ、生産性を向上させることができる。
【００１２】
また、上記した課題を解決するために請求項３の発明にて講じた技術的手段は、請求項１または２に記載の発明に加えて、挿入部は断面円形状とし、インナ部は断面円形状に構成することである。これによって２つの部品を簡単な方法で精度よく製造することが可能となる。
【００１３】
また、上記した課題を解決するために請求項４の発明にて講じた技術的手段は、請求項１乃至３のいずれか１つに記載の発明に加えて、前記区画壁は内側スクロールと外側スクロールとを連通する連通部を備えていることである。これによって、効率的にタービンロータを回転させるために必要なスクロール部内の排気ガス流れの向きを変化させる区画壁を鋳造などで製作しやすい単純な形状で構成することができる。
【００１４】
また、上記した課題を解決するために請求項５の発明にて講じた技術的手段は、請求項１乃至４のいずれか１つに記載の発明に加えて、可変容量ターボチャージャに用いられることである。これによって、インナ部をだけを交換することで内側スクロールの容積を変化させることができるので、異なる特性を有する可変容量ターボチャージャを簡単に提供することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明に従った実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１６】
図１は本発明のタービンを可変容量ターボチャージャに適用した場合を示す断面図である。
【００１７】
図１において、可変容量ターボチャージャ１はコンプレッサハウジング１０とタービンハウジング６０とを有している。コンプレッサハウジング１０にはコンプレッサ導入口１２、コンプレッサ導出口１４、リング状のスクロール１６、１８が設けられている。スクロール１６、１８はコンプレッサ導出口１４に隣接する位置からコンプレッサハウジング１０の外周によって延びて、コンプレッサ導出口１４に連通する。そして、コンプレッサ導出口に近づくにつれて断面積を徐々に拡大するように構成されている。２０はスクロール１６、１８を区画するディフューザであり、ボルト２２によってコンプレッサハウジング１０に取り付けられている。
【００１８】
コンプレッサハウジング１０に隣接するベアリングハウジング３０の外周には、潤滑油導入口３２が形成されている。潤滑油導入口３２は、シャフト５０の長手方向（軸方向という）に形成された油路３４を介して枝油路３６、３８、４０に連通しており、図示しないオイルポンプから供給される潤滑油をシャフト５０とシャフト５０を支持する軸受４２、４３、４４、４５、４６の摺動面に供給している。この摺動面に供給された潤滑油はベアリングハウジング３０の内部に形成された空間５２を介して潤滑油排出口５４から排出される。５６は可変容量ターボチャージャ１を冷却するための冷却水通路である。
【００１９】
ベアリングハウジング３０に隣接するタービンハウジング６０は、２つの部材から構成されている。１つはタービンハウジング６０に排気ガス（流体）を導入する排気マニホルド（流体導入部）９１と一体的に構成され、タービンハウジング６０のスクロール部９６を構成するアウタ部９０である。もう一つは、排気ガスを排出する流体導出部６３と、スクロール部９６を外周スクロール９８及び内周スクロール６９に画設する区画壁６７とを有するインナ部６０ａである。インナ部６０ａはアウター部９０に挿入された後、ガスケット２００を介してボルト２０１によって螺着され固定されている。アウタ部９０の形成するスクロール部９６は排気マニホルド９１から流体導出部６３に近づくにつれてその断面積が徐々に縮小されるように形成されている。
【００２０】
ベアリングハウジング３０の軸受４２、４３、４４、４５、４６に支持されるシャフト５０は、コンプレッサハウジング１０側の端部においてボルト７４とナット７６によって固定されたコンプレッサロータ７０を相対回転不能に取り付けており、タービンハウジング６０側の端部においてタービンロータ８０を例えば溶接などによって相対回転不能に取り付けている。コンプレッサロータ７０とタービンロータ８０には、それぞれ径方向に延在するコンプレッサ翼７２とタービン翼８２が取り付けられており、タービンロータ８０を回転させることによってコンプレッサロータ７０が一体的に回転するようになっている。
【００２１】
図２は、図１のＡ−Ａ断面を図示した図である。
【００２２】
図２において、アウタ部９０のスクロール部９６には流体導入部たる排気マニホルド９１が一体で設けられている。排気マニホルド９１はスクロール部９６の接線方向からスクロール部９６に接続されている。排気マニホルド９１からは延在してインナ部６０ａの区画壁６７に向かって続く第２導入壁部６８ａに滑らかに接続される第１導入壁部９４と、内側スクロール６９の終端を形成する終端壁部６８ｂに滑らかに接続する第３導入壁部９５とが設けられている。この第１導入壁部９４と第２導入壁部６８ａは後述する図示しない切替手段の位置によって排気ガスを内側スクロール６９に導入するように機能する。また、排気マニホルド９１とアウタ部９０とが接続する部分には内側スクロール６９と外側スクロール９８に流れる排気ガスの流量を制御する図示しない切替手段を取り付ける取り付けフランジ９３ａと、インナ部６０ａを取り付けるフランジ部９３ｂが設けられている。切替手段は例えば、バタフライ弁と枢軸と駆動源からなり、排気マニホルド９１から内側スクロール６９または外側スクロール９８あるいは両方に導入する排気ガスの流量を制御するためのものである。フランジ部９３ｂの中央にはインナ部６０ａを挿入するための挿入部９２が設けられている。この挿入部９２は軸方向に所定の長さを有する円筒形状を有し、アウタ部９０を型等で鋳造した後に機械加工によって高精度に形成される。
【００２３】
図３は本発明の実施の形態のインナ部を図示した正面図である。尚、図中の２点鎖線はアウタ部９０の形状を示すものである。
【００２４】
図３において、インナ部６０ａはタービンロータ８０の回転軸を中心とする有底円筒形状を有している。コンプレッサ１０から離隔する側の端面にはインナ部６０ａの径よりも大径のフランジ部６１が設けられている。フランジ部６１には貫通孔６１ａが設けられており、図１に示すボルト２０１が挿入され、アウタ部９０と螺着する。また、フランジ部６１はガスケット２００のシール面として機能する。インナ部６０ａの外周面６２は円筒形状を有し、アウタ部９０の挿入部９２に挿入され、インナ部６０ａがアウタ部９０内に精度良く挿入されるためのガイドとして機能する。インナ部６０ａのコンプレッサ１０側端面の中央付近にはタービンロータ８０を回転させた排気ガスを排出する流体導出口６３が形成されている。その外周に示す円は流体導出口６３の端部で圧力損失が生じないように設けたベルマウス形状６４を示すものである。流体導出口６３の外周にはスクロール部９６を外側スクロール９８と内側スクロール６９とに区画する区画壁６７が形成されている。この区画壁６７は内側スクロール６９よりも外側スクロール９８の方が容積の大きくなるように形成される。区画壁６７には異なった角度を有する第１の傾斜面６７ａと第２の傾斜面６７ｂとの間に連通孔６５が形成されている。尚、この連通孔６５により外側スクロール９８と内側スクロール６９とは連通する。第１の傾斜面６７ａの内側スクロール６９への延長方向は時計の回転とは逆方向に回転するタービンロータの接線に近似した緩やかな傾斜面である。一方、第２の傾斜面６７ｂの内側スクロール６９への延長方向はタービンロータの回転中心の近くへ向かっている垂直に近い傾斜面である。また、区画壁６７の流体導入部方向（反時計回転方向）にはアウタ部９０の第１導入壁部９４と連続的かつ滑らかに接続される第２導入壁面６８ａが形成されている。また、内側スクロール６９の終端を形成する終端壁部６８ｂが形成され、アウタ部９０の第３導入壁部９５と連続的かつ滑らかに接続されている。この第１導入壁部９４と第２導入壁部６８ａ、終端壁部６８ｂと第３導入壁部９５は、アウタ部９０にインナ部６０ａをガスケット２００を介して挿入した後にボルト２０１で螺着する際に、周方向の位置決めとして使用することができる。
【００２５】
本発明の作用について説明する。流体導入口たる排気マニホルド９１から導入された排気ガスはタービンハウジング６０内のスクロール部に導かれ、タービンロータ８０を回転させてた後、流体導出部６３から排出される。タービンロータ８０の回転はシャフト５０を介してコンプレッサロータ７０に伝達され、コンプレッサロータ７０はコンプレッサ導入口１２に導いた図示しないエンジンに供給する吸気ガス（大気）を圧縮してコンプレッサ導出口１４を介してエンジンの吸気装置へ高い密度の吸気ガスを導いている。
【００２６】
そして、排気ガスの流量が少ない低速時においては排気ガスが効率的にタービンロータ８０を回転させるために、図示しない切替手段を外側スクロール９８の導入口を閉鎖する位置として、第１導入壁部９４と第２導入壁部６８ａによって排気ガスを内側スクロール６９のみに導く。一方、排気ガス流量の多い高速域においては排気ガスが必要以上にタービンロータ８０を回転させないために、図示しない切替手段を内側スクロール６９の導入口を閉鎖する位置とし、排気マニホルド９１から導入した排気ガスを外側スクロール９８に導く。外側スクロール９８に導かれた排気ガスが外側スクロール９８を流れている間はタービンロータ８０を回転させることはない。また、外側スクロール９８から内側スクロール６９へ流れ込むときには区画壁６７の角度の異なる第１、第２の傾斜面６７ａ、６７ｂによって排気ガスの流れの向きがタービンロータ８０の回転中心に向かって流れるように流れの向きが変えられるのでタービンロータ８０を回転させる効率を著しく低下させる。尚、中速域においては切替手段を適切な位置に制御することにより所望の過給圧を得ることができる。
【００２７】
上記したように、本実施形態においては、アウタ部９０にはスクロール部９６と流体導入部たる排気マニホルド９１とが一体で設けられているだけであると共に、挿入部９２によって大きく開口している。このため、従来のタービンハウジングの構成では開口が狭くて外部からの発見が困難であったスクロール部９６の内側の鋳造欠陥や中子部材残り等を確認しやすくなる。また、本実施形態では排気マニホルド９１とタービンハウジングとを一体で構成しているが、従来の構成では困難であった排気マニホルドとタービンハウジングの接続部の鋳造欠陥や中子部材の残りの確認が非常に容易となる。
【００２８】
以上の如く、請求項１の発明によれば、タービンハウジングをアウタ部とインナ部で構成すると共に、区画壁をアウタ部及びインナ部のうち少なくともインナ部に形成し、インナ部をアウタ部に挿入し両者を固着したことによって、タービンロータの回転軸心に対して円筒状の区画壁を有するタービンを２つの部品に分割して形成することができる。これにより、従来では難しかったスクロール部の鋳造欠陥や中子部材残りの確認が行えるようになり、スクロール部の鋳造欠陥による内部の欠損や突出などで生じる排気ガスの流れ乱れや漏れを手直しによって防止し、ターボチャージャの性能を向上できる。また、内部に残っていた中子部材がタービンロータの回転により吸込まれて、タービン翼を折損させることなどを防止でき、ターボチャージャの品質を向上できる。更に、アウタ部には流体導入部とスクロール部とインナ部を挿入する挿入部とを形成し、インナ部には流体導出部を形成したことによって、アウタ部、インナ部を共に単純な形状とすることができるので鋳造性の向上や鋳造欠陥、中子残りの発見がし易くなり、製品の品質を向上できる。また、区画壁がインナ部の端面に形成されているので、区画壁に鋳造不良による欠損が生じていても手直しが可能となり、生産性の向上と性能の確保を図ることができる。
【００２９】
また、請求項２の発明によれば、タービンハウジングと排気マニホルドとを一体的に構成したことによって、巻回する内側スクロール部がアウタ部と排気マニホルドとの接続部に存在しないので、従来では発見が困難であったタービンハウジングと排気マニホルドとを接続する部分の鋳造欠陥や中子部材残りの有無の確認がし易くなる。また、排気マニホルドと一体で構成されるハウジング部の形状が複雑なスクロール形状を有しないので鋳湯流れの改善や中子形状の簡素化を図ることができ、生産性を向上できる。さらに、タービンハウジングと排気マニホルドとを締結するためのフランジやボルト、ガスケットなどを設ける必要がなくなりターボチャージャと排気マニホルドの軽量化に貢献することができる。
【００３１】
また、請求項３の発明によれば、挿入部は断面円形状とし、インナ部は断面円形状に構成することによって２つの部品を簡単な方法で精度よく製造することが可能となる。また、インナ部をアウタ部に挿入する際に、２つの部品のずれ等が生じにくくなるのでインナ部とアウタ部との間に隙間や段差などの発生を防ぎ、ターボチャージャの性能の低下を防止できる。
【００３２】
また、請求項４の発明によれば、区画壁は内側スクロールと外側スクロールとを連通する連通部を備えていることによって、効率的にタービンロータを回転させるために必要なスクロール部内の排気ガス流れの向きを変化させる区画壁を鋳造などで製作しやすい単純な形状で構成することができる。
【００３３】
また、請求項５の発明によれば、可変容量ターボチャージャに用いられることによって、インナ部だけを交換することで内側スクロールの容積を変化させることができる。これにより、内側スクロールの容量が異なる、つまり低速時の応答性が異なる可変容量ターボチャージャをインナ部を置き換えることだけで簡単に提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示す可変容量ターボチャージャの断面図である。
【図２】本発明の実施の形態を示すタービンハウジングのアウタ部を示す図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】本発明の実施の形態を示すタービンハウジングのインナ部を示す正面図である。
【符号の説明】
１可変容量ターボチャージャ
５０シャフト
６０タービンハウジング
６０ａインナ部
６３流体導出部
６５連通部
６７区画壁
６９内側スクロール
８０タービンロータ
８２タービン翼
９０アウタ部
９１排気マニホルド（流体導入部）
９２挿入部
９６スクロール部
９８外側スクロール

Claims

シャフトと、
前記シャフトの一端に取り付けられたタービンロータと、
流体導入部、スクロール部、流体導出部を備え、前記タービンロータを収容するタービンハウジングと、
前記スクロール部を内側スクロール及び外側スクロールに分割する区画壁と、を備えてなるタービンにおいて、
前記タービンハウジングをアウタ部とインナ部とで構成すると共に、
前記区画壁を前記アウタ部及び前記インナ部のうち少なくとも前記インナ部に形成し、
前記アウタ部には前記流体導入部と前記スクロール部と前記インナ部を挿入する挿入部とを形成し、
前記インナ部には前記流体導出部を形成し、
前記インナ部を前記アウタ部に挿入して両者を固着したタービン。
前記タービンハウジングと排気マニホルドとを一体的に構成したことを特徴とする請求項１に記載のタービン。
前記挿入部は断面円形状とし、前記インナ部は断面円形状に構成することを特徴とする請求項１または２に記載のタービン。
前記区画壁は前記内側スクロールと前記外側スクロールとを連通する連通部を備えていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載のタービン。
可変容量ターボチャージャに用いられる請求項１乃至４のいずれか１つに記載のタービン。