JP5419163B2 - タービンハウジング - Google Patents

Description

本発明は、車両に装備されるターボチャージャーのタービンハウジングの構造に関するものである。

近年、自動車のエミッション低減、燃費向上のために、エンジンの小型・軽量化が進められているが、出力低下が課題となっている。この課題を解決するために世界的にターボチャージャーの装着が増えている。
一方、従来の鋳物製ターボチャージャータービンハウジングには、次のような問題点がある。（１）余肉過多のためコールドスタート時に温まりにくく、触媒に高価な貴金属（白金，ロジウム，パラジウム）を多く使用するため、システム自体でコストアップとなっている。（２）余肉過多のため重量大となり燃費に悪影響を及ぼしている。
そこで、最近では、そのタービンを収容するタービンハウジングとして、鋼板のプレス成形品を組み合わせて溶接接合した構造とすることが提案されている（例えば特許文献１，２参照）。

タービンハウジングは、基本的には、スクロール部と、そのスクロール部に排気ガスを導入する排ガス導入部とで構成されているが、特許文献１で提案されているタービンハウジングは、熱効率を良くするために二重構造を採用している。
そして、鋼板のプレス成形品を組み合わせて溶接接合した構造のタービンハウジングにあっては、その排ガス導入部は、一般的に、スクロール部近傍まで差込まれた筒状体で形作られている（例えば特許文献１の図２参照）。

鋳物製であっても、鋼板のプレス成形品であっても、ターボ性能を落とさないためには、スクロール流路の末部の断面積を絞ることが有効である。
特許文献１で提案されているタービンハウジングでは、スクロール流路の末部の断面積を絞るとともに、筒状体の差込みにより形成した排ガス導入部とスクロール流路末部との接続部においてスクロール流路断面積を小さくしている。
特許文献２で提案されているタービンハウジングでも、このスクロール部の入口側に助走部を区画するタングを設けている。

特開２００３−２９３７７９号公報 特開２００６−１６１５７４号公報

ところで、製造コストを低減するためにタービンハウジング自体の構造を簡便にするには、タービンハウジングを、少なくとも鋼板製の半割プレス成形部材を接合したシェル構造のスクロール部、このスクロール部の入口側に差込んだ筒状体からなる排ガス導入部、及びこの排ガス導入部に接続した排ガス供給部材で構成することが想定される。
そして、このようなタービンハウジングにあって、ターボ性能を向上させるためには、図３（ｂ）に示すように、スクロール流路の末部の断面積を絞るとともに、筒状体を差込んで形成した排ガス導入部の筒状体差込み位置を深くしてスクロール流路末部との接続部においてスクロール流路断面積を小さくすることが有効と考えられる。

しかしながら、筒状体からなる排ガス導入部とスクロール部との接続部位はハウジングの内表面温度が最も高くなる部位であり、急激な形状変化が起こり易い部位である。排ガス導入部の差込みパイプ差込み位置を深くすると、排ガス導入部とスクロール部との接続部位で急激な温度変化が起こり易くなり、熱歪が集中して割れが生じる恐れが拡大する。
また、筒状体からなる差込みパイプをスクロール部に差込んで排ガス導入部を形作る構造を採用すると、スクロール部におけるスクロール流路末部の絞り部とスクロール部入口側に差込まれた筒状の排ガス導入部先端との間に淀み部が形成されてガスの流れに淀みが生じ、ターボ効率を低下させる要因になる。

さらに、半割プレス成形部材を接合したシェル構造のスクロール部とこのスクロール部の入口側に差込パイプを差込んで溶接接合して排ガス導入部とで形作る構造とすると、ここまでの構造で３ピース構造となってしまい、生産性を低下させる要因になっている。しかも、差込パイプを差込んで固定する際に固定位置が変動しやすく、ターボ性能の信頼性低下につながる恐れがある。
本発明は、このような問題点を解消するために案出されたものであり、排ガス導入部とスクロール部を一体化して優れたターボ効率を安定して得るとともに、生産性の良いターボチャージャーのタービンハウジングを提供することを目的とする。

本発明のターボチャージャーのタービンハウジングは、その目的を達成するため、鋼板製の２つの半割プレス成形部材を接合したシェル構造を有し、スクロール部と排ガス導入部とが一体化されたタービンハウジングであって、前記スクロール部のスクロール流路末部に絞り部が形成され、当該絞り部と前記排ガス導入部とが、１０ｍｍ以上の半径を有する内側に凸の湾曲壁で接続されているとともに、前記排ガス導入部と排ガス供給部材とがそれらの端部同士で接続されていることを特徴とする。

本発明のターボチャージャーのタービンハウジングでは、筒状体を利用することなく、スクロール部と排ガス導入部が鋼板製の２つの半割プレス成形部材で一体的に形作られている。このため、生産性が極めて高くなっている。しかも、スクロール流路末部に形成される絞り部が、内側に凸の湾曲壁によってスクロール部自体に形作られる構造になっている。このため、高温時の局部的な熱歪の集中を回避でき、長期にわたって安定的なターボ性能が得られる。この湾曲壁は、スクロール流路末部に絞り部を成形することと、スクロール部と排ガス導入部をプレス加工にて割れなく一体成形するのに必要な形状を両立させている。

ターボチャージャータービンハウジングの概略構造を説明する図 ターボチャージャータービンハウジングの断面形状を説明する図 本発明タービンハウジングと従来のタービンハウジングの違いを説明する図 本発明タービンハウジングのスクロール断面を説明する図 比較例タービンハウジングのスクロール断面を説明する図

ターボチャージャーのタービンハウジングは、図１に示すように、スクロール部と排ガス導入部及び排ガス供給部材（図１中では差込みパイプ）から構成され、このタービンハウジングにコンバーターケース接続用のフランジ、コンプレッサー接続用のフランジ、エキマニ接続用のフランジが接続されている。
そして、タービンハウジングのスクロール部にあっては、図２に示すように、そのスクロール流路の末部に絞り部を設けてターボ効率の向上を図っている。
本発明は、基本的には上記のようなスクロール部と排ガス導入部及び排ガス供給部材からなるタービンハウジングの構造に関するものである。

前記した通り、特許文献１で提案されたタービンハウジングは、熱効率を良くするために二重構造を採用している。このために構造が複雑で、製造コストが高くなっている。そこで、鋼板製の２つの半割シェル部材を接合したシェル構造のスクロール部を有するタービンハウジングが、特許文献２で提案されている。
しかしながら、特許文献２で提案されたタービンハウジングも、排ガス導入部を形成すべく他の部材（特許文献２ではタング６Ｅ等）を接合する必要があり、必ずしもコスト低減は達成できない。しかも、タング接続の精度によりターボ性能は低下する恐れがある。さらに、特許文献１および特許文献２ともに熱影響によりスクロール近傍まで差込まれた筒状体の先端やタング先端が歪んでターボ性能が劣化する心配もある。

スクロール部に繋がる排ガス導入部は、特許文献２で提案されたタービンハウジングではタングにより形作られているが、通常のタービンハウジングにあっては、図３（ｂ）に示すように、スクロール部の開口に差込みパイプを差込んで形作られている。
そして、差込みパイプの差込み深さは、ターボ効率向上の観点からは、スクロール部のスクロール流路末部に形成された絞り部により絞られたガス流の断面が差込みパイプ先端の端部に当接する程に深くすることが好ましいとされている。当然ながら、前記絞り部もガス流の断面積を極力小さくするように狭くする方が好ましいとされている。

しかしながら、差込みパイプの差込み深さが深くなると前記のような問題点が生じる。
また、スクロール部を、鋼板製の２つの半割プレス成形部材を接合したシェル構造としても、前記差込みパイプを含めて３ピース構造となってしまう。
そこで、本発明では、まず、差込みパイプの利用を止め、排ガス導入部を含めて鋼板製の２つの半割プレス成形部材を接合したシェル構造とすることとした。
具体的には、図３の（ａ）に示すように、スクロール部とそのスクロール部に排気ガスを導入する排ガス導入部を一体化し、スクロール部と排ガス導入部を形作る鋼板製の２つの半割部材をプレス成形法で作成し、一方の半割部材の外周縁部の内側に他方の半割部材の外周縁部を嵌合させて重ね合せ接合する構造を採用した。
当然ながら、スクロール部のスクロール流路の末部には絞り部を形成している。

本発明のタービンハウジングでは、筒状体の差込みパイプを差込むことなく、スクロール部のスクロール流路末部の絞り部のみで、所要のターボ効率を引出すスクロール流を形成することができた。
そして、本発明のタービンハウジングは、筒状体の差込みパイプを差込んでいないので、排ガス導入部の開口端部に排ガス供給部材の端部を直に接続された構造となっている。なお、図３の（ａ）では排ガス導入部の開口端部に排ガス供給管が接続されているが、排ガス導入部の形状によってはエキマニ接続用のフランジが直に接続されていても良い。

ところで、ターボ効率を向上させるためには、スクロール流路末部に形成される絞り部を、その断面積が極力小さくなるように形成することが望ましく、また図３（ａ）中、Ｒ部で示される絞り部と排ガス導入部との接続部となる湾曲壁は、内側に凸でその半径が極力小さくなるように形成することが望ましい。
詳細は後記の実施例に譲るが、前記Ｒ部の半径が小さくなるほどプレス加工時に割れが生じやすくプレス成形性が低下する。当該タービンハウジングの生産性を考慮すると、前記Ｒ部の半径は１０ｍｍ以上とすることが好ましい。

次に、本発明タービンハウジングのスクロール部と排ガス導入部を構成する２つの鋼板製の半割プレス成形部材のプレス成形方法について簡単に説明する。
２つの半割プレス成形部材は、半割面に対して上下対称な形状を有するものでも構わないが、加工性や溶接等の接合性、スクロール流路の絞り効率を考慮すると、図２の（ｂ）に見られるように、半割上部材はプレス加工度を大きく、半割下部材はプレス加工度を小さくしたものが好ましい。

半割上部材をプレス成形するに当たっては、まず素材鋼板を大よそのタービンハウジング形状に沿ってブランキングする。ブランキングされた素材鋼板に所望のハウジング形状の金型を用いてプレス法により絞り加工を施す。その後、タービンハウジングの所望の外形にトリミングするとともに、コンバーターケース接続用フランジの径に沿ってピアスする。さらにその後、ハウジング外壁の縁立て加工を施して半割上プレス成形部材を得る。
半割下部材は上部材ほどに高い加工度を必要としないため、工程数としては少なくてすむ。まず、素材鋼板をハウジングの外形状に沿って精密にブランキングする。その後、ブランキングされた素材鋼板に所望のハウジング形状の金型を用いてプレス法によりハウジング外壁の縁立て加工を施し、外形状を整える。さらにその後、コンプレッサー接続用フランジの径に沿ってピアスし、半割下プレス成形部材を得る。

そして、半割下部材の外周縁部の内側に半割上部材の外周縁部を嵌合させて重ね合せた後、重ね合わせ部を溶接接合する。
その後、排ガス導入部の開口端部に排ガス供給部材の端部を接続すれば、本発明ターボチャージャーのタービンハウジングが得られる。
なお、本発明のターボチャージャーのタービンハウジングを構築する素材鋼板としては、１４Ｃｒ−１Ｓｉ−１Ｍｎ−Ｎｂ系、１８．５Ｃｒ−１Ｍｎ−２Ｍｏ−Ｎｂ系、或いは１１Ｃｒ−Ｔｉ−ＬＣ（低炭素）系等の耐熱用ステンレス鋼板を用いることが好ましい。
また、タービンハウジング内に組み込まれるタービン部品とのシール性を安定させるため、図２の（ｃ）に示すように、スクロール部の半割上部材とパイプの接続部の間にリング状の継手部材を設けることが好ましい。
さらに、各部材を溶接接合した後にタービンハウジング内側やコンプレッサー接続用フランジを切削加工する際に生じるびびり振動を防止し、加工精度を向上させるために、例えば、図１に示すコンプレッサー接続用フランジの外周部に切削加工用のクランプ部（図示せず）を設け、クランプ力を強化することが好ましい。

実施例；
板厚２ｍｍの１８．５Ｃｒ−１Ｍｎ−２Ｍｏ−Ｎｂ系ステンレス鋼をプレス加工と溶接により、図４に示す形状の排ガス導入部を有する、外径１４０ｍｍ、内径８０ｍｍ、最大高さ５０ｍｍの蝸牛形状のスクロールに成形した。
この際、スクロールのＲ部を形作る湾曲壁面として、５ｍｍ、１０ｍｍ、１５ｍｍの３種の半径を選定した。このようなスクロールに、図４に示すような構成でパイプ部品とフランジ部品を溶接で接合した。

スクロールのＲ部を形作る湾曲壁面として半径５ｍｍのものを製造しようとすると、プレス成形時に割れが生じたが、半径１０ｍｍ以上では割れを生じることなく成形が行なえた。
ターボ性能を低速走行、中速走行、高速走行を模擬して評価した結果、鋳物製の構造のもと比べても性能は同等であった。

比較例；
比較として、図４において排ガス導入部に接続にした差込みパイプを、同排ガス導入部の奥まで押込み、図５に示すように、スクロールの終点部分を絞り込んだ。
その後、実施例と同様にターボ性能を調べた。
その結果、差込みパイプを差し込んで絞り込んだものは、排ガス流量の不用意な変化から乱流が生じ、低速走行、中速走行、高速走行を模擬した３パターンとも２〜３％ターボ性能が低下した。

Claims (1)

1. 鋼板製の２つの半割プレス成形部材を接合したシェル構造を有し、スクロール部と排ガス導入部とが一体化されたタービンハウジングであって、前記スクロール部のスクロール流路末部に絞り部が形成され、当該絞り部と前記排ガス導入部とが、１０ｍｍ以上の半径を有する内側に凸の湾曲壁で接続されているとともに、前記排ガス導入部と排ガス供給部材とがそれらの端部同士で接続されていることを特徴とするターボチャージャーのタービンハウジング。

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