JP5669932B2 - 排ガスターボチャージャのタービンハウジング - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念部に記載の排ガスターボチャージャのタービンハウジングに関する。

内燃機関、特に、自動車に使用されるものは、効率を更に向上させ、これによって燃料消費を低減させるためにますます過給器によって過給されるように成ってきている。好ましくは、過給器として、ターボチャージャが使用される。その際、ターボチャージャと、特にターボチャージャハウジングは、極めて正確に各エンジンの性能特性に適合される。

ターボチャージャが、高い効率で動作することができるよう、ターボチャージャの各部材のクリアランスを保持することは、運転中及び前後において極めて重要である。それぞれの運転状態の間には、数百度に至る温度差が生じる。この温度差は、様々な部材及び使用される材料並びに材料厚さのもと、部材部材が互いにばらついた膨張をするという結果をもたらす。膨張の際に、クリアランスもまた変化するので、望まれていないブローバイがターボチャージャ無いに発生する恐れがある。これによってターボチャージャの効率が低下する。部材が、互いに異なる膨張を行うことによって接触するに至るということも同様にまた起こり得る。最悪の場合、部材が互いに腐食する。この腐食は、ターボチャージャの損傷または完全な故障をもたらす。

更に、自動車に用いられるあらゆる材料及びコンポーネントの重量削減も極めて重要である。この際、ターボチャージャの製造、特に薄板構造でのターボチャージャハウジングの製造は、特に重量面で最適化された排ガスターボチャージャを製造する可能性という観点に立っている。

特許文献１では、排ガスを案内する部材及び支持またはシールする外部構造を取りは外すことが提案される。ターボチャージャの排ガスを案内する部材が高い温度負荷にさらされるので、運転中に赤熱する一方で、シールを行う外部構造の熱負荷は明らかに低い。もちろん、外側ハウジング、特にターボチャージャのベアリングハウジングへ接続する領域、及び比較的高温の排ガスが流れ込む側へ接続する領域の外側ハウジングは、極めて高い熱負荷及び流体技術上の不かにさらされる。

特許文献２からは、排ガスターボチャージャのタービンハウジングが公知である。このタービンハウジングは、外側ハウジング及び内側ハウジングを有し、その際、管形状の短管を有する内側ハウジングと、排ガス装置へと接続されるアウトレット管が形成されている。アウトレット管は、管形状の短管とシールリップを介して相対的に可動に連結されており、その際、シールリップは内側に向けられて裏返されて短管上にめくりあげられている。

更に特許文献３から、少なくとも一つの、端部が中空構造に接続されるフランジが公知であり、その際、中空構造は、外側面と内側面を有している。内側面は、その際Uの字の形状のカールを有しており、これが外側面を外側周囲で取り囲んでおり、その際、カールは、端部部分と共にフランジ内へと挿入されている。

排ガスターボチャージャの外側ハウジングは、通常、変形された薄板シェルから成る。この薄板シェルは、通常、熱的な接合過程によりベアリングフランジと溶接される。同様にベアリングフランジと連結されるのは、排ガスターボチャージャの内側ハウジングである。

通常、内側ハウジングは、ベアリングフランジに連結されるか、又は追加的にこれと材料結合的に連結される。しかしここで、異なる熱膨張係数によって接触が起こった場合、リークおよびこれに基づくブローバイが発生する可能性がある。材料結合的な連結の場合は、熱的な接合過程の熱影響区域が、形状的に及び材料技術的に、熱接合過程によって弱められる。この箇所において、極度の負荷のもとで、疲労断裂や亀裂形成が起こり得る。

独国特許出願第100 22 0 52 A1号明細書 欧州特許出願第2 180 163 A2号明細書 独国特許出願第102 23 838 C1号明細書

よって、本発明の課題は、熱的に引き起こさる膨張が排ガスターボチャージャの構造によって相殺されるように、及び、熱負荷が部材の早期損傷に通じないよう、排ガスターボチャージャのシール性および耐久性を高めることである。

上述の課題は、請求項１に記載の特徴を有する排ガスターボチャージャのタービンハウジングによって解決される。

本発明の有利な実施形は、従属請求項に記載される。

排ガスターボチャージャの本発明に係るタービンハウジングは、外側ハウジングを備えており、この外側ハウジング内に、管形状の短管を有する内側ハウジングと、排ガス装置へと接続するためのアウトレット管が設けられており、その際、アウトレット管は、シールリップを介して管形状の短管と相対的にスライド可能に連結されている。このタービンハウジングは、シールリップが内側に向かって裏返されるように短管上にめくりあげられており、およびスライディングスリーブが短管上に設けらており、その際、スライディングスリーブ及び短管が一つの間隙を形成し、この間隙内にシールリップの端部が収容される点で際立っている。

特発明に従う構造において特に有利であるのは、短管とアウトレット管の間で内側に裏返られたシールリップが、個々の部材の互いに異なる熱膨張の相殺が行われ得ることである。シールリップは、この為特に有利には、極めて薄い厚さを有しており、これによってシールリップが短管上で滑ったり及び/又はまくれあがったりすることが可能とされる。

シールリップは、短管上に支持され、特に形状結合的に支持され、極めて好ましくは、プレス嵌めによって支持される。排ガスターボチャージャの内側ハウジングと外側ハウジングの間の圧力差に基づいて、シールリップが短管から取り外され、よって外れてしまうということが起こり得る。この際、いわゆるブローバイ効果が発生する。これは排ガスターボチャージャの効率を引き下げる。取りはずれるのを補償するために、スライディングスリーブが短管上に設けられ、つまり、スライディングスリーブのシールショルダーと短管の間に間隙が形成され、この間隙内にシールリップの端部が配置されるように設けられる。スライディングスリーブは、特にシールショルダー領域は、これによって間隙内にシールリップを収容し、及びこれをこれを追加的に短管へと形状結合的に当接させる。特に本発明の枠内で、シールショルダーとシールリップの間に、又は短管との間に、プレス嵌めが形成される。その結果シールリップの取り外しが防止される。

本発明のさらに有利な実施形においては、追加的に、シールリップの端部の相対運動が可能であるようにシールリップは間隙内に支承される。これによってシールリップの材料中における応力亀裂、及び/又は、金属学的破損が防止される。

本発明の有利な実施形においては、間隙が、タービンホイールの回転軸に対して平行に向けられて短管上を周回するよう設けられており、その際、間隙は、短管の外側面とスライディングスリーブのシールショルダーの間に形成される。特に、間隙は、タービンホイールの方に向けられているので、シールショルダーとシールリップは、排ガス流に直接さらされることが無い。これによって発明に従う連結の耐久性は向上する。

好ましくは、シールリップの端部は間隙内で相対的にスライド可能に支承されている。シールリップの端部は、これによって、シールショルダーと短管の間で滑ることができ、よって内側ハウジング内と内側ハウジングと外側ハウジングの間の異なる絶対圧力に基づくシールリップの断裂は防止される。

本発明の更に有利な実施形では、シールリップの端部は、短管側及び/又はスライディングスリーブ側に少なくとも部分的に、シールリップの他の部分よりも粗い表面を有している。この領域内の粗い表面によって、シールリップの滑りが望まれる程度に調整され、及び/又は抑えられる。シールリップの端部は、粗い表面によって位置固定されることが可能である。シールショルダーでの干渉、及び/又は短管の外側面での干渉は、シールリップの粗い表面と各対応する上述した表面との間のミクロ的かみ合わせにもとづいておこなわれる。

さらに有利な実施形においては、シールショルダー端部が、半径方向外側に向けられて処理されており、好ましくは、シールショルダー端部があるアールを有している。これによって滑らされた又はまくり上げられたシールリップの損傷が防止される。これがシールショルダー端部の領域に来ると、これが処理された端部に又はそこに形成されるアールに接する。処理された端部とは、周回するカラーでもあり得る。

別の有利な実施形においては、スライディングスリーブは、短管の端部と材料結合的に連結されており、好ましくは、熱接合過程によって連結されている。特にここでは溶接過程が使用され、例えばWIG溶接過程、レーザー溶接過程、またはMAG溶接過程が使用される。材料結合的な連結によって、スライディングスリーブが常に地震にポジションに保ち続ける。短管とスライディングスリーブの間の異なる熱膨張に基づくスライディングスリーブのスライドまたはズレは、これによって防止される。短管の端部とスライディングスリーブの間の熱による連結の熱影響区域は、幅の狭いシールリップに比して、著しく取り除かれる。よって、発明に係るタービンハウジングの製造過程中において、シールリップの損傷は防止される。

さらに有利な実施形において、アウトレット管上にサポートリングも設けられ、その際アウトレット管とアウトレット管サポートリングは、好ましくは互いに熱的に連結される。選択的に、シールリップが追加的に熱接合によって連結されることも可能である。これによって、アウトレット管とアウトレット管サポートリングが、そして選択的にシールリップが、堅固かつ確実に連結され、およびここでは本発明に係るタービンハウジングの全作動期間中にわたってズレが発生しないことが補償される。好ましくは、アウトレット管自体が、カラーによって半径方向内側に向かって取り囲まれ、そしてアウトレット管サポートリングが、カラーによって半径方向外側に向かって取り囲まれるので、ここでもまたシールリップのスライドまたはまくり上げによってこの領域に損傷が発生しない。

好ましくは、シールリップのアウトレット管との連結箇所、及び/又は短管との連結箇所に、しまり嵌めが形成される。この領域のプレス嵌めに基づいてガスリークは、著しく減少される。これによって高い効率が、発明に係るタービンハウジングの様々な運転条件における全使用期間にわたって補償される。

さらに有利には、シールリップのシールショルダーとの連結箇所、及び/又はアウトレット管サポートリングとの連結箇所に、止まり嵌めまたはしまり嵌めが形成される。これによって、追加的な嵌めあいが、シールショルダー及び/又は外側管サポートリングによって引き起こされ、内側システムと外側システムの間の圧力差の結果としてシールリップが取り外されていしまうことを補償する。これはまた、発明に係るタービンハウジングの全使用期間にわたって様々な運転状況の間の高い効率を確実なものとする。

タービンハウジングの内側システムと外側システムの間の本発明に係る連結は、内側ハウジングが、タービンホイール回転軸を基準として、アウトレット管に対して半径方向及び軸方向に可動に支承されていることで際立っている。ことなる熱膨張は、よって相対スライドによって補償され、その際、シール性が失われることも無く、また耐久性が機械的接触のために影響されることもなく、よって損傷が発生することも無い。常に良好な相対スライド性がシールリップに与えられるように、好ましくはこれは０．５ｍｍよりも薄い厚さを有しており、特に好ましくは０．２ｍｍより薄い厚さを有している。このため、使用される金属材料、特にステンレス鋼材料において、必要十分なシール性が、同時に柔軟なすべり可能性のもと補償される。シールリップは、耐熱性の鋼材料から成る。特にシールリップは、ニッケルベース合金から製造される。

本発明のさらに有利な実施形では、シールリップは二重壁式に形成される。これによって、シールリップのシステムは、一つには冗長的に形成され、他方では、直接互いに接しているシールリップによって良好な柔軟性が薄い壁部の造形によって、しかも同時に、二つの直接互いに接して設けられる圧力壁形式のシールリップに基づいての良好なシール性のもと、補償される。

本発明のさらなる利点、特徴、特性および観点は、以下に続く説明中に記載される。好ましい実施形は、簡略的に表した図中に示されている。これらは、本発明の簡単な理解の為に使用される。

シールリップを介してアウトレット管と接続される内側ハウジングの断面図。 シールリップの本発明に係る構造の詳細図。

簡単の為に繰り返しの説明は書略されるが、同一または類似の部材に対しては同一の符号が使用される。

図１は、排ガスターボチャージャの発明に従うタービンハウジング１を示す。このタービンハウジングは、簡略的に示唆された外側ハウジング２と、その中にある内側ハウジング３を有している。内側ハウジング３は、アウトレット管４の方向に短管５を有しており、その際、アウトレット管４と短管５の間にはシール機構がシールリップ６を介して達成される。シールリップ６が、短管５にもアウトレット管４にも確実にシートするよう、これらはそれぞれサポートリングによって補償されている。短管５上には、サポートリングがスライディングスリーブ７の形式で形成され、アウトレット管４上には、アウトレット管サポートリング８の形式で形成される。スライディングスリーブ７は、さらにシールショルダー９を有している。シールショルダー９と短管５の外側面１０の間には、これによって間隙１１が発生する。この間隙内にシールリップ６の端部１２が配置される。

図２は、アウトレット管４と短管５の間のシールリップ６による本発明に係る連結の詳細を示す。スライディングスリーブ７は、好ましくは、熱接合部１３によって短管端部１４と連結される。特に、この熱接合部１３は、スライディングスリーブ７のスライディングスリーブ端部１５にも同様に設けられる。シールリップ６の端部１２は、相対的にスライド可能に間隙１１内で支承されている。選択的に、シールリップ６の短管側１６及び/又はスライディングスリーブ側１７が、シールリップ６の他の材料とは反対に粗い表面を有している。

更に特に有利には、スライディングスリーブ７のシールショルダー端部１８が、カラー１９によって、半径方向外側に向かって半径方向Rへと処理されている。これによって柔軟な縁部が生ずるので、シールリップ６は、シールショルダー端部１８と接触する際に、機械的損傷を生じない。同様に、アウトレット管端部２０は、カラー１９によって半径方向外側に向かって、及びアウトレット管サポートリング端部２２を有するアウトレット管サポートリング２１は、カラー１９によって半径方向外側に向かって行くよう処理されている。シールリップ６との接触の際にここでもまた機械的損傷は発生し得ない。

内側ハウジング３は、更にシールショルダー収容部２３を膨らみ部（Ausbuchtung）の形式で有している。スライド及び/又は軸方向動作の場合に、シールリップ６は、シールショルダー収容部２３中へと軸方向へ自由に移動し、その際、シールリップ６はシールショルダー収容部２３中で当接することが無い。ここでは、鋭い縁部を回避していることに基づいて、機械的な損傷が一切発生しない。

1 - タービンハウジング
2 - 外側ハウジング
3 - 内側ハウジング
4 - アウトレット管
5 - 短管
6 - シールリップ
7 - スライディングスリーブ
8 - アウトレット管サポートリング
9 - シールショルダー
10 - ５の外側面
11 - 間隙
12 - ６の端部
13 - 熱接合部
14 - 短管端部
15 - スライディングスリーブ端部
16 - 短管側
17 - スライディングスリーブ側
18 - シールショルダー端部
19 - カラー
20 - アウトレット管端部
21 - アウトレット管サポートリング
22 - アウトレット管サポートリング端部
23 - シールショルダー収容部


R - 半径方向

Claims (13)

1. 外側ハウジング（２）を有する排ガスターボチャージャのタービンハウジング（１）であって、この外側ハウジング内に、管形状の短管（５）を有する内側ハウジング（３）と、排ガス装置へと接続するためのアウトレット管（４）が設けられており、その際、アウトレット管（４）が、シールリップ（６）を介して相対的に可動に管形状の短管（５）と連結されている前記タービンハウジング（１）において、
   シールリップ（６）が、０．５ｍｍより薄い厚さを有し、かつ内側に向かって裏返され、短管（５）上にめくりあげられているのでシールリップ（６）が短管（５）上でまくり上がることが可能であり、及びスライディングスリーブ（７）が短管（５）上に設けられていること、その際、スライディングスリーブ（７）がシールショルダー（９）を有し、および当該シールショルダー（９）と短管（５）がこれらの間に一つの間隙（１１）を形成し、この間隙内に、シールリップ（６）の端部（１２）が収容され、かつ短管（５）に形状結合的に当接せしめられており、かつ短管（５）の短管端部（１４）が、熱接合部（１３）によってスライディングスリーブ端部（１５）と材料結合的に連結されることを特徴とするタービンハウジング（１）。
2. 間隙（１１）が、タービンホイールの回転軸に対して平行に向けられ短管（５）上で周回するよう設けられていること、その際、間隙（１１）が短管（５）の外側面と、スライディングスリーブ（７）のシールショルダー（９）の間に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のタービンハウジング。
3. シールリップ（６）の端部（１２）が、間隙（１１）内で相対的にスライド可能に支承されていることを特徴とする請求項１または２に記載のタービンハウジング。
4. シールリップ（６）の端部（１２）が、短管側（１６）及び／又はスライディングスリーブ側（１７）上で、少なくとも部分的に、他のシールリップ（６）部よりも粗い表面を有していることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のタービンハウジング。
5. シールショルダー端部（１８）が、半径方向外側に向かって処理されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のタービンハウジング。
6. アウトレット管サポートリング（２１）、アウトレット管（４）及び、選択的にシールリップ（６）が、材料結合的に互いに連結されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のタービンハウジング。
7. アウトレット管サポートリング（２１）が、内側ハウジング（３）の方に向かって広げられていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のタービンハウジング。
8. シールリップ（６）のアウトレット管（４）及び／又は短管（５）との連結箇所に、しまり嵌めが形成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載のタービンハウジング。
9. シールリップ（６）のシールショルダー（９）及び／又はアウトレット管サポートリング（２１）との連結箇所にしまり嵌めが形成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載のタービンハウジング。
10. 内側ハウジング（３）が、タービンホイール回転軸に関して、アウトレット管（４）に対して半径方向及び軸方向に可動式に支承されていることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載のタービンハウジング。
11. シールリップ（６）が、０．２ｍｍより薄い厚さを有することを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載のタービンハウジング。
12. シールリップ（６）が、ニッケルベース合金からなることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載のタービンハウジング。
13. シールリップ（６）が、二重壁式に形成されていることを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載のタービンハウジング。

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