JP4634319B2 - タービンハウジング - Google Patents

Description

本発明は、ノズルベーン付きターボチャージャー用のタービンハウジングに関する。

ターボチャージャーの分野においては、排気タービンホイール用のハウジング（通称、タービンハウジング）によって区画される環状の排気ガス通路と、タービンホイールとの間に可変ノズルベーンを配設し、この可変ノズルベーンの開度（具体的には各ベーンの傾角）をエンジンの運転状況等に応じて調節することにより、タービンホイールに作用する排気ガスの流速又は流量を調節可能とした可変ノズルベーン付きターボチャージャーが知られている（例えば特許文献１参照）。他方、伝統的にタービンハウジングの形状は、環状の排気ガス通路の断面積が通路の入口位置から巻終り位置に向かって徐々に絞られていくような形状となっている（図４の従来例参照）。この徐変断面形状は、可変ノズルベーン付きターボチャージャーが出現する以前の原初的なターボチャージャー（つまり可変ノズルベーンを持たないターボチャージャー）において過給効率を高めるための工夫であった。かかる沿革的な事情から、今日の可変ノズルベーン付きターボチャージャーにおいても、そのタービンハウジングには徐変断面形状を採用することが通例となっている（例えば特許文献２参照）。

特開平１−２６７３０３号公報（従来の技術の欄） 特開昭６３−１４７９０３号公報（第１図）

しかしながら、可変ノズルベーン付きターボチャージャーの構造及び特性を再検討したところ、タービンハウジングに上述のような徐変断面形状を採用していることは、かえって可変ノズルの効果を減殺しターボ効率向上の足かせとなる場合があることが判明した。具体的には、エンジンからの排気ガスが高流量のときに可変ノズルを全開状態にしても、タービンハウジングの環状排気ガス通路のうち断面積が最も絞られた部分がボトルネックとなって圧力損失が増大し、過給性能がさほど向上しないという問題があった。

また、従来のタービンハウジングは、環状排気ガス通路の断面積が大きい部位と小さい部位とが偏在することによって非対称なハウジング形状となっているため、熱伸び量も部位によって大きく異なる。つまり、環状の排気ガス通路のうちでも断面積が相対的に大きい部位では熱伸びの程度も大きい。このため、ターボチャージャーの稼動時、タービンハウジングの非対称的な熱膨張又は熱変形に起因して、タービンハウジングをセンターハウジング（ターボチャージャーのタービン部とコンプレッサー部とを連結している中央ハウジング部）に対して傾かせようとする熱応力が生まれ、例えばタービンハウジングの内壁部がタービンホイールに干渉する等の機械的な障害を生ずるおそれがあった。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものである。本発明の目的は、ノズルベーンの効果を減殺することなくターボチャージャーの過給性能を向上させることができ、又、ターボチャージャーの稼動時にタービンハウジング自体の熱膨張や熱変形が生じたとしても機械的な障害を生じ難いノズルベーン付きターボチャージャー用のタービンハウジングを提供することにある。

請求項１の発明は、ノズルベーン付きターボチャージャー用のタービンハウジングであって、
ノズルベーン付きターボチャージャー用のタービンハウジングであって、
スクロール本体(1)と、
前記スクロール本体の正面側に設けられた出口フランジ(2)と、
前記スクロール本体の背面側に設けられたセンターハウジング側フランジ(3)と、
前記スクロール本体の側部に設けられた入口フランジ(4)と、
前記スクロール本体に対し前記ノズルベーンを位置決めすべく前記スクロール本体の中央域に設けられたノズル壁面フランジ(5)とを備え、
前記スクロール本体によって環状トンネル状の排気ガス通路(6)が区画されると共に、この排気ガス通路はその全周にわたって断面積及び断面形状が共にほぼ一定となるように形成されており、
前記スクロール本体の側部において排気ガスの入口孔(8)を区画しているスクロール本体の壁部が当該スクロール本体の半径方向に突出し、その壁部の外側に前記入口フランジ(4)が設けられて、当該スクロール本体はその正面視がほぼ円形状をなすと共に、中心軸線（Ｃ）を包含するような任意の仮想断面において当該中心軸線（Ｃ）に対し対称性を持った形状となっており、
前記スクロール本体は、ステンレス鋼板をプレスして得た二つの半割り部品を重ね合わせ接合もしくは突合せ接合して溶接することにより得られる板金製品、又は、中空な金属素材を液圧成形することにより得られる一体成形品として提供される、ことを特徴とするタービンハウジングである。

請求項１によれば、スクロール本体によって区画される環状トンネル状の排気ガス通路は、その全周にわたって断面積がほぼ一定となるように形成されている。このため、環状トンネル状排気ガス通路の各位置における通路断面積を、当該位置に対応するベーン間通路の最大開き時の通路断面積よりも大きく設定することが排気ガス通路の全周にわたって可能になる。つまり、環状トンネル状排気ガス通路の一部分における通路断面積が、当該一部分に対応するベーン間通路の最大開き時の通路断面積よりも小さくなる事態を回避するようなハウジング設計が可能になる。それ故、環状トンネル状排気ガス通路の一部分がボトルネックとなってノズルベーンの効果が減殺されることが防止され、ターボチャージャーの過給性能を向上させることが可能になる。また、環状トンネル状の排気ガス通路をその全周にわたって断面積がほぼ一定となるように形成することで、タービンハウジングの中心軸線に対するスクロール本体の対称性が高められる。それ故、ターボチャージャーの稼動時にタービンハウジングが熱膨張を起こしたとしても、その熱膨張はタービンハウジングの中心軸線を中心として全ての方向にほぼ均等なものになり、従って、熱膨張の不均一性（又は非等方位性）に起因するような機械的な障害を生じ難い。また、スクロール本体が上記のような全方位に均等な熱変形特性を有することは、タービンハウジング（特にスクロール本体）の薄肉化を容易にし、熱容量の小さなターボチャージャーの構築を容易にする。特に、スクロール本体によって区画される環状トンネル状の排気ガス通路が、断面積のみならず断面形状についても当該排気ガス通路の全周にわたってほぼ一定となるように形成されることで、タービンハウジングの中心軸線に対するスクロール本体の対称性が更に高められる。従って、ターボチャージャーの稼動時にタービンハウジングが熱膨張を起こしたとしても、その熱膨張はタービンハウジングの中心軸線を中心として全ての方向にほぼ均等なものになり、熱膨張の不均一性（又は非等方位性）に起因するような機械的な障害を非常に生じ難くなる。

請求項２の発明は、ノズルベーン付きターボチャージャー用のタービンハウジングであって、
スクロール本体(1)と、
前記スクロール本体の正面側に設けられた出口フランジ(2)と、
前記スクロール本体の背面側に設けられたセンターハウジング側フランジ(3)と、
前記スクロール本体の側部に設けられた入口フランジ(4)と、
前記スクロール本体に対し前記ノズルベーンを位置決めすべく前記スクロール本体の中央域に設けられたノズル壁面フランジ(5)と、
前記センターハウジング側フランジにおけるスクロール本体に面した部位を全周にわたって覆うべく前記センターハウジング側フランジに装着されたリング形状のフランジカバー(13)とを備え、
前記スクロール本体と前記フランジカバーとによって環状トンネル状の排気ガス通路(6)が区画されると共に、この排気ガス通路はその全周にわたって断面積及び断面形状がほぼ一定となるように形成されており、
前記スクロール本体の側部において排気ガスの入口孔(8)を区画しているスクロール本体の壁部が当該スクロール本体の半径方向に突出し、その壁部の外側に前記入口フランジ(4)が設けられて、当該スクロール本体はその正面視がほぼ円形状をなすと共に、中心軸線（Ｃ）を包含するような任意の仮想断面において当該中心軸線（Ｃ）に対し対称性を持った形状となっており、
前記スクロール本体は、ステンレス鋼板をプレスして得た二つの半割り部品を重ね合わせ接合もしくは突合せ接合して溶接することにより得られる板金製品、又は、中空な金属素材を液圧成形することにより得られる一体成形品として提供される、ことを特徴とするタービンハウジングである。

請求項２によれば、請求項１と同様の作用効果を奏する。
加えて、センターハウジング側フランジには、当該フランジにおけるスクロール本体に面した部位を全周にわたって覆うリング形状のフランジカバーが装着されているため、排気ガス通路内の高温の排気ガスはフランジカバーによって流れをガイドされても、高温の排気ガスがセンターハウジング側フランジに直接接触することがない。それ故、センターハウジング側フランジの構成材料として、高価な高耐熱材料ではなく、比較的安価な通常グレードの材料を使用することができる。また、熱容量が比較的大きいセンターハウジング側フランジに高温の排気ガスが直接当たらないことによって排気ガスの温度低下が抑制されるため、エンジンの冷間始動時における早期暖機や排気ガス浄化触媒の早期活性化を図りやすい。

請求項３の発明は、請求項２に記載のタービンハウジングにおいて、前記リング形状のフランジカバーの外周部(13a)は前記センターハウジング側フランジ(3)の環状外周部に対して全周溶接によって固定される一方、同フランジカバーの内周部(13b)は前記センターハウジング側フランジ(3)の環状内周部に対して単純接触していることを特徴とする。

請求項３によれば、リング形状のフランジカバーの内周部はセンターハウジング側フランジの環状内周部に対して単純接触しているに過ぎず、いわば自由端部となっている。このため、加熱及び冷却といった熱履歴によってフランジカバーが熱膨張及び収縮を繰り返したとしても、センターハウジング側フランジによって機械的に拘束されていないフランジカバーの内周部によってフランジカバーの熱変形が無理なく許容される。このように、センターハウジング側フランジとフランジカバーとの間には熱応力（又は熱歪み）が生じないか生じたとしても大幅に緩和されるので、タービンハウジングにおいてフランジカバーが追加的構成要素として存在しても、タービンハウジングの機械的な耐久性や信頼性が損なわれることはない。

請求項４の発明は、請求項２又は３に記載のタービンハウジングにおいて、前記スクロール本体(1)は、その中央部正面に開口した出口孔(7)を区画すると共に当該タービンハウジングの半径方向に沿って鍔状に設けられた出口孔周辺壁(1b)を有しており、前記スクロール本体の出口孔周辺壁(1b)に対し補強部材(15)を介して前記出口フランジ(2)が取り付けられていることを特徴とする。

請求項４によれば、出口フランジは補強部材を介してスクロール本体の出口孔周辺壁に取り付けられているため、出口フランジに対し締結されるエルボ等の外部部材からの荷重や熱伸びの影響が及んだとしても、それらは補強部材によって受け止められ、タービンハウジングの少なくとも一部（例えばスクロール本体の出口孔周辺壁）が変形する等の不都合な事態を防止することができる。

請求項５の発明は、請求項４に記載のタービンハウジングにおいて、前記補強部材は、タービンハウジングの中心軸線に沿って延設された円筒状首部(15a)と、その円筒状首部の基端部からタービンハウジングの半径方向外向きに延設された鍔状スカート部(15b)とを有する補強リング(15)であり、
前記スクロール本体の出口孔周辺壁(1b)に対し前記補強リングの鍔状スカート部(15b)が固着されると共に、前記補強リングの円筒状首部(15a)の先端部付近に前記出口フランジ(2)が固着されていることを特徴とする。

請求項５によれば、出口フランジに対し締結されるエルボ等の外部部材からの荷重や熱伸びの影響が及んだとしても、それらは補強リングの鍔状スカート部を介してスクロール本体の出口孔周辺壁によって広く面的に受け止められる。それ故、タービンハウジングの少なくとも一部の変形等が効果的に防止される。

請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれか一項に記載のタービンハウジングにおいて、前記環状トンネル状の排気ガス通路のうち前記入口フランジ(4)に対応する位置には、前記排気ガス通路内に一方向のガス流れを作り出すためのガイド部材(9,9’)が設けられていることを特徴とする。

請求項６によれば、環状トンネル状の排気ガス通路のうち入口フランジに対応する位置（例えば入口孔）に設けられたガイド部材は、その位置（例えば入口孔）に進入した排気ガスを当該環状通路の一方の側に導いて、排気ガス通路内に一方向のガス流れを作り出す（図３参照）。故に、環状トンネル状の排気ガス通路がその全周にわたって断面積及び断面形状が共にほぼ一定となるように形成されていたとしても、ガイド部材の作用により、排気ガス通路内には排気ガスの一方向流れが円滑に作り出され、ガス流通抵抗が効果的に低減される。

［付記］本発明の更に好ましい態様や追加的構成要件を以下に列挙する。
・請求項３において、前記センターハウジング側フランジと前記フランジカバーとの間には、略環状の断熱空間（Ｓ）が確保されていること。
・請求項４又は５において、前記スクロール本体の出口孔周辺壁は、前記ノズル壁面フランジと前記補強部材（又は補強リングの鍔状スカート部）との間に挟み込まれていること。これによれば、ノズル壁面フランジと補強部材（又は補強リングの鍔状スカート部）との間に挟まれることでスクロール本体の出口孔周辺壁の剛性が大幅にアップする。

本発明のノズルベーン付きターボチャージャー用タービンハウジングによれば、ノズルベーンの効果を減殺することなくターボチャージャーの過給性能を向上させることができると共に、ターボチャージャーの稼動時にタービンハウジング自体の熱膨張や熱変形が生じたとしても機械的な障害を生じ難くすることができる。

以下、本発明を具体化した第１及び第２実施形態を図面を参照しつつ説明する。

［第１実施形態］
図１及び図２に示すように、可変ノズルベーン付きターボチャージャー用のタービンハウジングは、スクロール本体１に対して、出口フランジ２、センターハウジング側フランジ３、入口フランジ４及びノズル壁面フランジ５を固着して構成されている。なお、図１及び図２において、中心線Ｃはタービンハウジング及びスクロール本体１の両者に共通の中心軸線である。

スクロール本体１は、正面視（及び背面視）がほぼ円形状をなすと共に、中心軸線Ｃを包含するような任意の仮想断面において中心軸線Ｃに対し高い対称性を持った形状となっている。図２に示すように、スクロール本体１は、あたかもドーナツのように膨らんだ略リング形状をなす外周部１ａと、その略リング状外周部１ａの径方向内側領域であるスクロール本体中心域に位置する出口孔周辺壁１ｂとを有している。スクロール本体の略リング状外周部１ａの内部には、環状トンネル状の排気ガス通路６が区画されている。他方、スクロール本体の出口孔周辺壁１ｂは、前記略リング状外周部１ａの正面側内周部から中心軸線Ｃに向かって（つまりタービンハウジングの半径方向に沿って）鍔状に延設されており、中心軸線Ｃに対してほぼ直交するように直立している。

第１実施形態では図２に示すように、出口孔周辺壁１ｂの内周端部には、そこからタービンハウジングの正面側に向かって中心軸線Ｃに沿って延びる短円筒状の首部１ｃが設けられている。出口孔周辺壁１ｂの中央部には、前記短円筒状首部１ｃによって、タービンハウジングからの排気ガス出口となる出口孔７が区画形成されている。

尚、スクロール本体１は、例えばステンレス鋼板をプレスして得た半割り部品（二つ）を重ね合わせ接合又は突合せ接合して溶接することにより得られる板金製品、又は、中空な金属素材を液圧成形（ハイドロフォーミング）することにより得られる一体成形品として提供される。

図１（Ａ）及び図２に示すように、タービンハウジングの正面側に突出した前記短円筒状首部１ｃの先端部外周には、略リング形状の出口フランジ２が設けられると共に、全周溶接（Ｗ１）によって溶接固定されている。出口フランジ２は、タービンハウジングの出口孔７に対して、タービンハウジングよりも下流側の外部配管（例えばエルボ、図示略）を接続するための継手部としての役割を担う。

スクロール本体１の中央域であって出口孔周辺壁１ｂの内壁面側位置には、略リング形状のノズル壁面フランジ５が設けられている。そして、出口孔周辺壁１ｂとノズル壁面フランジ５とを相互接合した状態で、例えばレーザービームによる全周溶接（Ｗ２）を施すことにより、両者（１ｂ，５）は一体化されている。ノズル壁面フランジ５は、スクロール本体１に対して可変ノズルベーン１０（二点鎖線で示す）をスラスト方向に位置決めする規制部としての役割と、可変ノズルベーン１０を構成する複数のベーン１１（一つだけ破線で示す）に隣接してベーン間通路の区画形成に関与するベーン間通路区画壁としての役割とを担う。

図１（Ｃ）及び図２に示すように、スクロール本体１の略リング状外周部１ａの背面側内周縁の内側には、略リング形状のセンターハウジング側フランジ３（「ベアリングハウジング側フランジ」ともいう）が設けられている。そして、前記略リング状外周部１ａの背面側内周縁がセンターハウジング側フランジ３の外周面に対し全周溶接（Ｗ３）されることにより、スクロール本体１の背面側にはセンターハウジング側フランジ３が固定されている。センターハウジング側フランジ３は、このタービンハウジングをターボチャージャーのセンターハウジングに対して接続固定する際の継手部としての役割と、可変ノズルベーン１０をラジアル方向に位置決めする規制部としての役割とを担う。

なお、図２に示すように、センターハウジング側フランジ３とノズル壁面フランジ５とが中心軸線Ｃに沿って所定間隔を隔てて離間配置されることにより、両フランジ３，５間には環状の隙間空間が確保されている。この環状の隙間空間は、スクロール本体１の内周部に設定された環状開口（つまり環状トンネル状排気ガス通路６）と連通する。そして、センターハウジング側フランジ３内に可変ノズルベーン１０が配置されると、可変ノズルベーン１０を構成する一群のベーン１１が両フランジ３，５間の前記環状の隙間空間に位置決めされ、その結果、環状トンネル状排気ガス通路６からベーン間通路に対して排気ガスが流入可能になる。

図１及び図３に示すように、スクロール本体１の側部（図３では上端部）には、排気ガスの入口孔８が形成されており、その入口孔８を区画しているスクロール本体１の壁部の外側には、入口フランジ４が設けられている。入口フランジ４は、タービンハウジングの入口孔８に対して、タービンハウジングよりも上流側の外部配管（図示略）を接続するための継手部としての役割を担う。

また図３に示すように、スクロール本体１の排気ガス通路６内であって、入口フランジ４に対応する入口孔８の内側には、湾曲したガイド壁９ａを備えたガイド部材９が設けられている。ガイド部材９はその湾曲したガイド壁９ａによって、入口孔８に進入した排気ガスを環状トンネル状排気ガス通路６の一方の側に導くことで、当該排気ガス通路６内に一方向のガス流れを作り出す働きをする。ガイド部材９としては、図３に実線で示すような湾曲したガイド壁９ａを備えるタイプが好ましいが、図３に破線で示すような直立壁状のガイド部材９’で代替することもできる。なお、ガイド部材９（又は９’）は、スクロール本体１内に区画された環状トンネル状排気ガス通路６の入口位置（環状トンネルの始点）と、環状トンネル状排気ガス通路６の巻終り位置（環状トンネルの終点）との境をなす仕切り材でもある。

本発明のタービンハウジングにあっては、環状トンネル状排気ガス通路６は、その全周にわたって通路の断面積がほぼ一定であり且つ通路の断面形状もほぼ一定となるように形成されている。即ち、図４のグラフに示すように、環状トンネル状排気ガス通路６の入口位置（０°の位置）から巻終り位置（３６０°の位置）に到るまでの全周にわたるどの位置においても、通路断面積が一定となっている。これに対し、従来例（徐変断面形状のタービンハウジング）では、排気ガス通路の入口位置から巻終り位置に向かうに従い、通路断面積が徐々に減少する傾向にある。なお、第１実施形態では、環状トンネル状排気ガス通路６の通路断面積は、ノズルベーン１０の各位置におけるベーン間通路断面積よりも大きくなるように設定されている。

本発明のタービンハウジングは、ターボチャージャーの排気タービン部において、当該タービンハウジング内に可変ノズルベーン１０が組み込まれた状態で使用される。タービンハウジングの使用時（即ちターボチャージャーの稼動時）、エンジンからの排気ガスは、入口孔８を介して環状トンネル状排気ガス通路６に進入し、ガイド部材９に導かれて当該通路６内を一方向に流れる。排気ガス通路６を流れる排気ガスは、可変ノズルベーン１０のベーン間通路を通ってタービンハウジングの中心域に配設された排気タービンホイール（図示略）に作用し、その後、出口孔７を介して下流側に排出される。ターボチャージャーの稼動時、排気タービンホイールに作用する排気ガスの流量又は流速は、可変ノズルベーン１０の開度（つまりベーン１１の傾角に対応するベーン間通路の連通断面積）を調節することによって制御される。即ち、エンジンの低速回転時（排気ガス流量小の時）には、可変ノズルベーン１０の開度を絞ることにより、ベーン間通路を通過する排気ガスの流速を高めて過給圧を増大させている。他方、エンジンの高速回転時（排気ガス流量大の時）には、可変ノズルベーン１０の開度を大きく開くことにより、排気抵抗を低減し、ベーン間通路を通過する排気ガス流量を増大させて過給圧を増大させている。

エンジンの低速回転時には可変ノズルベーン１０の開度を絞るような制御がなされるため、タービンハウジングの排気ガス通路６の断面積及び断面形状が全周にわたってほぼ一定であるか、それとも徐変断面形状が採用されているかは、過給性能にほとんど影響を及ぼさない。これに対し、エンジンの高速回転時には、可変ノズルベーン１０の開度を大きく開くような制御がなされるため、タービンハウジングの排気ガス通路６の断面積及び断面形状が全周にわたってほぼ一定であるか、それとも徐変断面形状が採用されているかは、過給性能に大きく影響する。

例えば、徐変断面形状を採用する従来のタービンハウジング（図４の従来例）の場合には、タービンハウジングの排気ガス通路６の一部に、可変ノズルベーン１０の最大開度よりも通路断面積が狭くなる部位（狭断面部）があり、そのために、タービンハウジングを経由するガス流れは、可変ノズルベーン１０の開度ではなく排気ガス通路６中の上記狭断面部の通路断面積によって支配される。つまり、排気ガス通路６中の狭断面部がターボチャージャーの排気タービン部における圧力損失の大きさを決定付け、過給性能をかなり低下させてしまう。しかしながら本発明によれば、タービンハウジングにおける排気ガス通路６の断面積及び断面形状が全周にわたってほぼ一定であるため、排気ガス通路６の通路断面積を可変ノズルベーン１０の最大開度よりも予め大きくしておくことができる。このため、可変ノズルベーン１０の開度の変更可能範囲に対応した過給圧制御を実現できると共に、図４の従来例に比べ、可変ノズルベーン１０の最大開度時における排気タービン部の圧力損失を小さくして過給性能を向上させることができる。

上記の考察を裏付けるべく、本発明及び従来例にそれぞれ従うタービンハウジングの特性評価を行った。具体的には、本発明のタービンハウジングを使用した可変ノズルベーン付きターボチャージャーと、従来のタービンハウジング（図４の従来例）を使用した可変ノズルベーン付きターボチャージャーとを用意し、それぞれを同型のエンジンに組み付けた。そして、それぞれのエンジンについてエンジン全負荷性能評価試験を行った。この評価試験では、エンジン回転数と可変ノズルベーン１０の開度との関係が同一条件となるように条件統一して、二つのターボチャージャーの過給性能を比較可能とした。図５はその評価試験の結果をグラフ化したものである。図５の横軸はエンジン回転数を示し、縦軸はエンジン出力を示す。前述のように、ターボチャージャー付きエンジンでは、エンジンの低速回転時には可変ノズルベーン１０の開度は絞られ、その低速回転時よりもエンジン回転数が高速になるのに伴って可変ノズルベーン１０の開度が大きく開かれる。当然のことながら、同一エンジン回転数においてエンジン出力が高い方が、ターボチャージャーの過給性能がより優れていると評価されることになる。

図５からわかるように、エンジン回転数が低速から中速の範囲では（つまり可変ノズルベーン１０の開度が絞られているときには）、本発明と従来例とでエンジン出力にほとんど違いはない。ところが、エンジン回転数が中速から高速の範囲では（つまり可変ノズルベーン１０の開度が大きく開かれているときには）、本発明のタービンハウジングを使用したターボチャージャー付きエンジンのエンジン出力は従来例を常に上回っている。つまり、可変ノズルベーン１０の開度が大きくなるとき（エンジンの高速回転時）には、明らかに従来例よりも本発明の方が優れた過給性能を示した。図５の結果は、本発明の有効性に関する前述の考察を裏付けるものである。

［第１実施形態の作用効果のまとめ］
（ａ）環状トンネル状の排気ガス通路６をその全周にわたって断面積及び断面形状がほぼ一定となるように形成しているので、排気ガス通路６の各位置における通路断面積を、当該位置に対応するベーン間通路の最大開き時の通路断面積よりも大きく設定することができる。それ故、環状トンネル状排気ガス通路６の一部分がボトルネックとなってノズルベーンの効果が減殺されることが防止され、ターボチャージャーの過給性能を従来例よりも向上させることができる。特に図５に示すように、可変ノズルベーン１０が開き傾向にあるときには、エンジン出力を従来例よりも高めることができる。

（ｂ）環状トンネル状の排気ガス通路６を断面積のみならず断面形状についても当該排気ガス通路６の全周にわたってほぼ一定となるように形成したことで、中心軸線Ｃに対するスクロール本体１の対称性が非常に高められ、ターボチャージャーの稼動時にタービンハウジングが熱膨張を起こしたとしても、その熱膨張は中心軸線Ｃを中心として全ての方向にほぼ均等なものになる。従って、熱膨張の不均一性（又は非等方位性）に起因してタービンハウジングが中心軸線Ｃに対して傾斜変形し、その結果、タービンハウジングと排気タービンホイールとが干渉し合うというような機械的障害を生じ難い。また、上記のようにスクロール本体１が全方位に均等な熱変形特性を有することは、スクロール本体１の薄肉化を容易にし、熱容量の小さなターボチャージャーを構築し易くする。

（ｃ）環状トンネル状の排気ガス通路６の断面積及び断面形状が全周にわたってほぼ一定となるようにスクロール本体１を構成しているので、スクロール本体１を例えばステンレス鋼板を用いた板金製とした場合には、プレス成形等の工程数を従来よりも削減でき、製造コストの低減を図ることができる。また、スクロール本体１を液圧成形（ハイドロフォーミング）により一体成形した場合でも、拡管率等を従来よりも小さくでき、製造コストの低減を図ることができる。なお、スクロール本体１が板金加工製品又は液圧成形品である場合には、鋳物製品の場合に比べてスクロール本体１の内面粗度が良くなることで排気抵抗を低下させることができ、ターボチャージャーの過給性能を向上させることができる。

［第２実施形態］
第２実施形態に従う可変ノズルベーン付きターボチャージャー用のタービンハウジングは、上記第１実施形態のタービンハウジングを更に改良したものである。以下では、第１実施形態と異なる点を中心に説明し、第１実施形態と共通する点については説明を極力省略する。

第２実施形態のタービンハウジングは、スクロール本体１、出口フランジ２、センターハウジング側フランジ３、入口フランジ４及びノズル壁面フランジ５の他に、センターハウジング側フランジカバー１３及び補強リング１５を備えている。

図６に示すように、センターハウジング側フランジ３には、当該フランジ３におけるスクロール本体１に面した正面側部位を全周にわたって覆うためのセンターハウジング側フランジカバー１３が装着されている。このフランジカバー１３は概してリング形状をなしている。そして、フランジカバー１３の外周部１３ａは中心軸線Ｃを中心とする短円筒リング形状に形成されると共に、フランジカバー１３の内周部１３ｂも中心軸線Ｃを中心とする短円筒リング形状に形成されている。なお、センターハウジング側フランジカバー１３の構成素材としては、スクロール本体１の構成素材と同等又はそれ以上の高耐熱材（例えばフェライト系ステンレス鋼）を使用することが好ましい。また、当該フランジカバー１３の肉厚（板厚）は、好ましくは０．５ｍｍ〜３．０ｍｍである。

センターハウジング側フランジ３へのフランジカバー１３の装着時には、フランジカバーの外周部１３ａがセンターハウジング側フランジ３の環状外周部の外側面に外嵌されると共に、フランジカバーの内周部１３ｂがセンターハウジング側フランジ３の環状内周部の内側面に接触係合される。この装着状態でフランジカバーの外周部１３ａに全周溶接（Ｗ４）を施すことにより、リング形状のフランジカバーの外周部１３ａがセンターハウジング側フランジ３の環状外周部に対して溶接固定されている。他方、フランジカバーの内周部１３ｂについては、センターハウジング側フランジ３の環状内周部の内側面に単純接触させている。つまり、フランジカバーの内周部１３ｂは、少なくとも中心軸線Ｃに沿って若干移動可能な自由端部として存在し、センターハウジング側フランジ３によって機械的に拘束される状況にない。こうして、センターハウジング側フランジ３とフランジカバー１３との間には、略環状の断熱空間Ｓが確保されている。

なお、第２実施形態では、フランジカバーの内周部１３ｂをセンターハウジング側フランジ３に対し固定していないが、敢えて、フランジカバーの内周部１３ｂに対して全周溶接又はスポット溶接（Ｗ５）を施すことにより、フランジカバーの内周部１３ｂをセンターハウジング側フランジ３に対し完全固定してもよい。

図６に示すように第２実施形態では、あたかもドーナツのように膨らんだ略リング形状をなすスクロール本体外周部１ａの背面側内周縁が上記センターハウジング側フランジカバーの外周部１３ａに対し全周溶接（Ｗ４）されることにより、スクロール本体１とフランジカバー１３とが連結されている。その結果、第２実施形態のタービンハウジングでは、スクロール本体の外周部１ａとフランジカバー１３とが共同して環状トンネル状の排気ガス通路６を区画している。この環状トンネル状排気ガス通路６は、上記第１実施形態と同様、その全周にわたって通路の断面積がほぼ一定であり且つ通路の断面形状もほぼ一定となるように形成されている（図４の本発明参照）。かかる構成の下では、センターハウジング側フランジ３におけるスクロール本体１に面した正面側部位を全周にわたって覆うリング形状のフランジカバー１３は、排気ガス通路６内での排気ガスの流れをガイドするための排気ガス通路区画壁としての役割と、高温の排気ガスがセンターハウジング側フランジ３に直接接触するのを防止するガス遮断壁としての役割とを担う。

更に第２実施形態では、スクロール本体１の出口孔周辺壁１ｂの中央部には、出口孔周辺壁１ｂの内周端部によって、タービンハウジングからの排気ガス出口となる円形状の出口孔７が区画形成されている。この出口孔７はスクロール本体１の中央部正面に開口しており、出口フランジ２は、補強部材としての補強リング１５を介して出口孔周辺壁１ｂに対し装着されている。より具体的には、補強リング１５は、出口孔７とほぼ同径の中心軸線Ｃに沿って延びる円筒状首部１５ａと、その円筒状首部１５ａの基端部からタービンハウジングの半径方向外向きに延びる鍔状スカート部１５ｂとを有している。そして、スクロール本体の出口孔周辺壁１ｂの正面側に補強リングの鍔状スカート部１５ｂを接合した状態で全周溶接（例えば図６のＷ６及び／又はＷ７）を施すことにより、スクロール本体１に対し補強リング１５が溶接固定されている。また、補強リングの円筒状首部１５ａの先端部付近に略リング形状の出口フランジ２を外嵌した状態で全周溶接（Ｗ８）を施すことにより、スクロール本体１及び補強リング１５に対し出口フランジ２が溶接固定されている。なお、補強リング１５の肉厚は、好ましくは１〜４ｍｍである。

また図６に示すように、スクロール本体の出口孔周辺壁１ｂは、ノズル壁面フランジ５と補強リング１５の鍔状スカート部１５ｂとの間に挟み込まれているので、出口孔周辺壁１ｂの剛性及び強度は、上記第１実施形態の場合よりも大幅にアップする。

［第２実施形態の作用効果のまとめ］
第２実施形態のタービンハウジングによれば、上記（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）のような作用効果を奏することに加えて、以下に述べるような作用効果を奏する。

（ｄ）センターハウジング側フランジ３におけるスクロール本体外周部１ａに面した部位を全周にわたって覆うリング形状のフランジカバー１３を設けて、高温の排気ガスがセンターハウジング側フランジ３に直接接触しないように構成したので、センターハウジング側フランジ３の構成材料として、高価な高耐熱材料ではなく、比較的安価な材料（例えば通常グレードの鉄系金属）を使用することができる。また、熱容量が比較的大きいセンターハウジング側フランジ３に高温の排気ガスが直接当たらないようにしたので、タービンハウジング内を流れる排気ガスの温度低下を極力抑制でき、その結果として、エンジンの冷間始動時における早期暖機や排気ガス浄化触媒の早期活性化を図ることができる。

（ｅ）センターハウジング側フランジカバー１３の内周部１３ｂはセンターハウジング側フランジ３の環状内周部に対して単純接触しているに過ぎないため、加熱及び冷却といった熱履歴によってフランジカバー１３が熱膨張及び収縮を繰り返したとしても、センターハウジング側フランジ３によって機械的に拘束されないフランジカバー内周部１３ｂによってフランジカバー１３の熱変形が無理なく許容される。このように、センターハウジング側フランジ３とフランジカバー１３との間に熱応力（又は熱歪み）が生じたとしてもこれらは大幅に緩和されるので、タービンハウジングにおいてフランジカバー１３が追加的構成要素として存在しても、タービンハウジングの機械的な耐久性や信頼性が損なわれることはない。

（ｆ）出口フランジ２は補強リング１５を介してスクロール本体の出口孔周辺壁１ｂに取り付けられているため、出口フランジ２に対して締結されるエルボ等の外部部材からの荷重や熱伸びの影響が及んだとしても、それらは補強リング１５の鍔状スカート部１５ｂを介してスクロール本体の出口孔周辺壁１ｂの全体によって広く面的に受け止められる。それ故、出口フランジ２側からもたらされる荷重や熱伸びの影響が緩和され、タービンハウジングの少なくとも一部（例えば出口孔周辺壁１ｂ）が変形する等の不都合な事態を未然防止することができる。

（ｇ）第２実施形態によれば、出口孔周辺壁１ｂの肉厚等を変更せずとも、補強リング１５の肉厚を変更するだけで簡単に出口孔周辺壁１ｂ等の補強強度を任意に設定することができる。このため、スクロール本体１の薄肉化が容易になり、総合的に低熱容量のタービンハウジングを構成することが可能になる。その結果、エンジンの冷間始動時における早期暖機や排気ガス浄化触媒の早期活性化が容易になる。また、補強リング１５を追加しているだけなので、特段の製造上の困難やコストアップを伴わないという利点がある。

［変更例］上記第１及び第２実施形態では、入口フランジ４とガイド部材９又は９’とをそれぞれ別体としたが（図３参照）、入口フランジ４に対してガイド部材９又は９’が一体化されたガイド部材付き入口フランジとして入口フランジ４が提供されてもよい。

第１及び第２実施形態に従うタービンハウジングを示し、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）は背面図。 第１実施形態における図１（Ａ）のＡ−Ａ線での断面図。 第１及び第２実施形態における図１（Ｂ）のＢ−Ｂ線での断面図。 環状トンネル状排気ガス通路の各位置と通路断面積との関係を示すグラフ。 エンジン全負荷性能評価試験の結果を示すグラフ。 第２実施形態における図１（Ａ）のＡ−Ａ線での断面図。

符号の説明

１…スクロール本体、１ａ…略リング状外周部、１ｂ…出口孔周辺壁、２…出口フランジ、３…センターハウジング側フランジ、４…入口フランジ、５…ノズル壁面フランジ、６…環状トンネル状の排気ガス通路、７…出口孔、８…入口孔、９，９’…ガイド部材、１０…可変ノズルベーン、１１…ベーン、１３…センターハウジング側フランジカバー、１３ａ…フランジカバーの外周部、１３ｂ…フランジカバーの内周部、１５…補強リング（補強部材）、１５ａ…補強リングの円筒状首部、１５ｂ…補強リングの鍔状スカート部、Ｃ…中心軸線。

Claims (6)

1. ノズルベーン付きターボチャージャー用のタービンハウジングであって、
   スクロール本体(1)と、
   前記スクロール本体の正面側に設けられた出口フランジ(2)と、
   前記スクロール本体の背面側に設けられたセンターハウジング側フランジ(3)と、
   前記スクロール本体の側部に設けられた入口フランジ(4)と、
   前記スクロール本体に対し前記ノズルベーンを位置決めすべく前記スクロール本体の中央域に設けられたノズル壁面フランジ(5)とを備え、
   前記スクロール本体によって環状トンネル状の排気ガス通路(6)が区画されると共に、この排気ガス通路はその全周にわたって断面積及び断面形状が共にほぼ一定となるように形成されており、
   前記スクロール本体の側部において排気ガスの入口孔(8)を区画しているスクロール本体の壁部が当該スクロール本体の半径方向に突出し、その壁部の外側に前記入口フランジ(4)が設けられて、当該スクロール本体はその正面視がほぼ円形状をなすと共に、中心軸線（Ｃ）を包含するような任意の仮想断面において当該中心軸線（Ｃ）に対し対称性を持った形状となっており、
   前記スクロール本体は、ステンレス鋼板をプレスして得た二つの半割り部品を重ね合わせ接合もしくは突合せ接合して溶接することにより得られる板金製品、又は、中空な金属素材を液圧成形することにより得られる一体成形品として提供される、ことを特徴とするタービンハウジング。
2. ノズルベーン付きターボチャージャー用のタービンハウジングであって、
   スクロール本体(1)と、
   前記スクロール本体の正面側に設けられた出口フランジ(2)と、
   前記スクロール本体の背面側に設けられたセンターハウジング側フランジ(3)と、
   前記スクロール本体の側部に設けられた入口フランジ(4)と、
   前記スクロール本体に対し前記ノズルベーンを位置決めすべく前記スクロール本体の中央域に設けられたノズル壁面フランジ(5)と、
   前記センターハウジング側フランジにおけるスクロール本体に面した部位を全周にわたって覆うべく前記センターハウジング側フランジに装着されたリング形状のフランジカバー(13)とを備え、
   前記スクロール本体と前記フランジカバーとによって環状トンネル状の排気ガス通路(6)が区画されると共に、この排気ガス通路はその全周にわたって断面積及び断面形状がほぼ一定となるように形成されており、
   前記スクロール本体の側部において排気ガスの入口孔(8)を区画しているスクロール本体の壁部が当該スクロール本体の半径方向に突出し、その壁部の外側に前記入口フランジ(4)が設けられて、当該スクロール本体はその正面視がほぼ円形状をなすと共に、中心軸線（Ｃ）を包含するような任意の仮想断面において当該中心軸線（Ｃ）に対し対称性を持った形状となっており、
   前記スクロール本体は、ステンレス鋼板をプレスして得た二つの半割り部品を重ね合わせ接合もしくは突合せ接合して溶接することにより得られる板金製品、又は、中空な金属素材を液圧成形することにより得られる一体成形品として提供される、ことを特徴とするタービンハウジング。
3. 前記リング形状のフランジカバーの外周部(13a)は前記センターハウジング側フランジ(3)の環状外周部に対して全周溶接によって固定される一方、同フランジカバーの内周部(13b)は前記センターハウジング側フランジ(3)の環状内周部に対して単純接触していることを特徴とする請求項２に記載のタービンハウジング。
4. 前記スクロール本体(1)は、その中央部正面に開口した出口孔(7)を区画すると共に当該タービンハウジングの半径方向に沿って鍔状に設けられた出口孔周辺壁(1b)を有しており、前記スクロール本体の出口孔周辺壁(1b)に対し補強部材(15)を介して前記出口フランジ(2)が取り付けられていることを特徴とする請求項２又は３に記載のタービンハウジング。
5. 前記補強部材は、タービンハウジングの中心軸線に沿って延設された円筒状首部(15a)と、その円筒状首部の基端部からタービンハウジングの半径方向外向きに延設された鍔状スカート部(15b)とを有する補強リング(15)であり、
   前記スクロール本体の出口孔周辺壁(1b)に対し前記補強リングの鍔状スカート部(15b)が固着されると共に、前記補強リングの円筒状首部(15a)の先端部付近に前記出口フランジ(2)が固着されていることを特徴とする請求項４に記載のタービンハウジング。
6. 前記環状トンネル状の排気ガス通路のうち前記入口フランジ(4)に対応する位置には、前記排気ガス通路内に一方向のガス流れを作り出すためのガイド部材(9,9’)が設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のタービンハウジング。

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