JP5964056B2 - タービンハウジングのスクロール構造 - Google Patents

Description

本発明は、タービンハウジングのスクロール構造に関し、詳しくは、タービンロータに排ガスを導流する２系統の排ガス流路を備えたツインスクロール型ターボチャージャにおけるタービンハウジングのスクロール構造に関する。

車両に搭載されるターボチャージャとして、エンジンの複数気筒による排気干渉を避けるとともに、排気脈動のパルス効果を有効に活用してタービンロータの回転効率を高めるようにしたツインスクロール型ターボチャージャが知られている。

図７は、かかるツインスクロール型ターボチャージャを備えたエンジンの模式図である。図７に示したように、ツインスクロール型ターボチャージャ３０を備えたエンジン１は、例えば４つの気筒１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄを有しており、これら気筒１０ａ〜１０ｄのクランク角度の位相は、例えば１８０度ずつずれているものとする。これら４つの気筒の内、気筒１０ａおよび気筒１０ｄは第１排気マニホールド１６と接続され、気筒１０ｂおよび気筒１０ｃは第２排気マニホールド１８と接続されている。気筒１０ａと気筒１０ｄとは、クランク角度の位相が例えば３６０度ずれており、夫々の排気脈動が相互に干渉しないようになっている。また同様に、気筒１０ｂと気筒１０ｃとは、クランク角度の位相が例えば３６０度ずれており、夫々の排気脈動が相互に干渉しないようになっている。

第１排気マニホールド１６は、タービンハウジング３２に形成されている排ガス流路（フロント側流路２２）と接続されており、これによって、気筒１０ａ，１０ｄから排出される排ガスが、フロント側流路２２を介してタービンハウジング３２に収容されているタービンロータ４０まで導流される。また同様に、第２排気マニホールド１８は、タービンハウジング３２に形成されている排ガス流路（リア側流路２４）と接続されており、これによって、気筒１０ｂ，１０ｃから排出される排ガスが、リア側流路２４を介してタービンハウジング３２に収容されているタービンロータ４０まで導流される。そして、導流された排ガスを受けて動翼４２が回転することでタービンロータ４０およびこれを軸支するタービンシャフト３６が回転し、タービンシャフト３６に軸支されているコンプレッサーロータ３４が回転することで、圧縮空気が吸気管１４および吸気マニホールド１２を介して各気筒１０ａ〜１０ｄへと供給されるようになっている。また、タービンロータ４０を回転させた排ガスは、排気管２０からエンジン１の外部へと排出される。

かかるツインスクロール型ターボチャージャ３０では、２つの排ガス流路２２，２４の流過能力が等しくなるように設計する必要がある。すなわち、フロント側流路２２およびリア側流路２４の流過能力に隔たりがあると、フロント側流路２２およびリア側流路２４を流れる排ガスに圧力差が生じ、かかる排ガスの圧力差が、気筒１０ａ，１０ｄと気筒１０ｂ，１０ｃから排出される排ガスの排気抵抗差となり、気筒１０ａ，１０ｄと気筒１０ｂ，１０ｃとの間の作動状態を異ならしめる。そして、ひいてはエンジン１の吸排気特性を悪化させる恐れがある。よって、ツインスクロール型ターボチャージャ３０では、フロント側流路２２とリア側流路２４の流過能力を等しくする必要がある。

このため、従来のツインスクロール型ターボチャージャにおいては、例えば特許文献１の図４に示されているように、２つの排ガス流路をタービンシャフトに対して垂直な隔壁を挟んで対称形状に構成することで、２つの排ガス流路の流過能力が等しくなるように構成される。

特開２００８−１０１５８９号公報

ところで、車載性等の問題などからツインスクロール型ターボチャージャ３０を小型化する場合に、図８に示したように、タービンハウジング３２と軸受ハウジング３３とをカップリング部材３５で接続する際の取り合いの関係上、スクロール部２６が全体的にフロント側に傾けられたタービンハウジング３２が採用されることがある。このように、スクロール部２６がフロント側に傾けられ、フロント側流路２２とリア側流路２４とを仕切る隔壁２８の中心軸２８´がタービンシャフト３６の中心軸３６´に対してフロント側に傾斜してなるタービンハウジング３２においては、例え中心軸２８´を挟んでフロント側流路２２とリア側流路２４とが対称形状に構成されていたとしても、両排ガス流路の流過能力に差異が生じてしまう。

本発明は、このような従来技術の課題に鑑みなされた発明であって、スクロール部を２つの排ガス流路に仕切る隔壁がタービンシャフトの中心軸に対して傾斜してなるツインスクロール型ターボチャージャのタービンハウジングにおいて、２つの排ガス流路の流過能力が等しく構成されたタービンハウジングのスクロール構造を提供することを目的としている。

本発明は、上述したような従来技術における課題及び目的を達成するために発明されたものであって、
本発明のタービンハウジングのスクロール構造は、
タービンロータに排ガスを導流するスクロール部を有し、該スクロール部は排ガスの流れ方向に対して垂直な横断面視において隔壁によって仕切られるフロント側流路およびリア側流路の２つの排ガス流路からなるとともに、該隔壁がタービンシャフトに対して傾斜してなるツインスクロール型ターボチャージャのタービンハウジングにおいて、該タービンハウジングには、排ガスの流れ方向に対して平行な縦断面視において前記スクロール部を外周部と内周部とに仕切る舌部が形成され、該舌部は、前記外周部における前記２つの排ガス流路の夫々を横断面視において閉塞するフロント側舌部とリア側舌部とからなり、
前記外周部の下流端部における横断面視において、前記フロント側舌部および前記リア側舌部の夫々の内辺部と、前記フロント側流路および前記リア側流路の夫々の最少流出幅部とが略平行となるように構成されていることを特徴とする。

本発明は、スクロール部をフロント側流路とリア側流路の２つの排ガス流路に仕切る隔壁が、タービンシャフトに対して傾斜してなるツインスクロール型ターボチャージャのタービンハウジングにかかる発明である。本発明のタービンハウジングには、排ガスの流れ方向に対して平行な縦断面視において、スクロール部を外周部と内周部とに仕切る舌部が形成されている。この舌部は、排ガスの流れ方向に対して垂直な横断面視において、フロント側流路およびリア側流路を夫々閉塞するフロント側舌部とリア側舌部とからなる。そして、スクロール部の外周部の下流端部における横断面視において、これらフロント側舌部およびリア側舌部の夫々の内辺部と、フロント側流路およびリア側流路の夫々の最少流出幅部とが略平行となるように構成されている。

このような本発明にあっては、フロント側舌部およびリア側舌部の夫々の内辺部と、フロント側流路およびリア側流路の夫々の最少流出幅部とが略平行となるように構成されているため、フロント側流路およびリア側流路から流出する排ガスの流量が概ね等しくなる。 すなわち、排ガス流路において舌部の内辺部を最小流出幅部に平行に揃えることで、外周部にて舌部の内辺部に沿って流れる排ガスが、舌部を超えた内周部にて内辺部に垂直な方向へと流れを変え、最少流出幅部に対して垂直な流れとなって動翼に流れこもうとする。このとき、最小流出幅部に対して垂直をなす排ガスの流速成分が、最少流出幅部を通過する（すなわち、排ガス流路を流れる）排ガス流量となるため、フロント側舌部およびリア側舌部の夫々の内辺部を最小流出幅部に対して平行にすることで、舌部近傍の偏流を防ぎ、流過特性を揃えることができる。
よって、本発明をこのように構成することで、２つの排ガス流路の流過能力を等しくすることができる。

本発明において、前記フロント側舌部および前記リア側舌部の夫々の内辺部と、前記フロント側流路および前記リア側流路の夫々の最少流出幅部とが「略」平行とは、前記フロント側舌部および前記リア側舌部の夫々の内辺部と、前記フロント側流路および前記リア側流路の夫々の最少流出幅部とのなす角度が、＋１０度から−１０度の範囲にある場合を意味する。またこの際、フロント側舌部の内辺部とフロント側流路の最少流出幅部とのなす角度と、リア側舌部の内辺部とリア側流路の最少流出幅部とのなす角度とは、必ずしも一致している必要はなく、各々異なる角度であってもよいものである。

上記発明において、前記外周部の下流端部における横断面視において、前記フロント側流路およびリア側流路が、前記隔壁の中心軸に対して略対称形状に形成されていれば、２つの排ガス流路の流過能力をより高い精度で等しくすることができる。

また上記発明の前記フロント側舌部において、該舌部の一部を外辺部側より切削する場合に、少なくとも切削する肉厚分だけその裏側の内辺部側を厚肉に形成することが望ましい。

タービンハウジングは一般的に鋳造によって製造されるため、動翼近傍のタービンハウジングの内周部（シュラウド部）は、機械加工によって余肉を切削することで動翼形状に合った所望の形状に加工される。上述したフロント側舌部を備える本発明にあっては、この余肉を切削する工程において、フロント側舌部の一部がその外辺部側より切削される場合がある。フロント側舌部は高温の排ガスに晒される部分であるため、局所的に薄い部分があると、この薄い部分において熱応力によるひび割れが発生する恐れがある。よって、このような場合には、少なくとも切削する外辺部の肉厚分だけその裏側の内辺部側のフロント側舌部を厚肉に形成することで、局所的な熱応力に起因するひび割れの発生を回避することができる。

また上記発明の前記リア側舌部の下流端部において、該リア側舌部が、隔壁面側よりもリア壁面側の方が下流に延伸していることが望ましい。
また上記発明の前記フロント側舌部の下流端部においても、該フロント側舌部が、隔壁面側よりもフロント壁面側の方が下流に延伸していることが望ましい。

このように構成すれば、リア側流路およびフロント側流路のいずれにおいても、隔壁面側を流れる排ガスの方がタービンロータに向かって早期に流れ込み易くなる。すなわち、横断面視において動翼の中心側に集まるように排ガスが流れ易くなり、これにより効率よくタービンロータを回転させることができる。

本発明によれば、スクロール部をフロント側流路とリア側流路の２つの排ガス流路に仕切る隔壁がタービンシャフトに対して傾斜してなるツインスクロール型ターボチャージャのタービンハウジングにおいて、フロント側流路およびリア側流路の夫々の最少流出幅部の流路幅が略同一幅に構成され、且つフロント側舌部およびリア側舌部の夫々の内辺部と、フロント側流路およびリア側流路の夫々の最少流出幅部とが略平行となるように構成されているため、２つの排ガス流路の流過能力が等しく構成されたタービンハウジングのスクロール構造を提供することができる。

本発明のツインスクロール型ターボチャージャにおけるタービンハウジングの縦断面図である。 図２（ａ）は図１のａ−ａ線における横断面図、図２（ｂ）は図１のｂ−ｂ線における横断面図である。 図３（ａ）は実施例の横断面図、図３（ｂ）は比較例の横断面図である。 図４（ａ）は実施例における内辺部と最少流出幅部との関係を説明した横断面図、図４（ｂ）は比較例における内辺部と最少流出幅部との関係を説明した横断面図である。 図５（ａ）は図３（ａ）のａ部の拡大図であって、シュラウド部の余肉を切削する場合を示した実施例の横断面図、図５（ｂ）は図３（ｂ）のｂ部の拡大図であって、シュラウド部の余肉を切削する場合を示した比較例の横断面図である。 図６は、フロント側流路およびリア側流路における夫々の最少流出幅部における排ガスの流れを説明するための説明図であって、図６（ａ）は横断面図、図６（ｂ）〜（ｄ）は、各々の舌部を上方から視認した平面図である。 ツインスクロール型ターボチャージャを備えたエンジンの模式図である。 ツインスクロール型ターボチャージャの縦断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいてより詳細に説明する。
ただし、本発明の範囲は以下の実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に記載がない限り、本発明の範囲をそれにのみ限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

本発明のタービンハウジング３２は、上述した図７に示したように、タービンロータ４０を収容するとともに、このタービンロータ４０に排ガスを導流する２つの排ガス流路２２、２４が形成されたツインスクロール型ターボチャージャ３０のタービンハウジング３２である。このタービンハウジング３２は、上述した図８に示したように、隔壁２８の中心軸２８´がタービンシャフト３６の中心軸３６´に対して傾斜しており、カップリング部材３５によって軸受ハウジング３３に対して接続されている。

また、本発明のタービンハウジング３２のスクロール構造は、図１に示したように、排ガスｅの流れ方向に対して平行な縦断面視において、渦巻き状のスクロール部２６が形成されるとともに、このスクロール部２６を外周部２６ａと内周部２６ｂとに仕切る舌部４４が形成されている。また、スクロール部２６は、排ガスｅの流れ方向に対して垂直な横断面視において、図２に示したように、隔壁２８によってフロント側流路２２とリア側流路２４とに仕切られている。そして上述した舌部４４は、図２（ａ）に示したように、外周部２６ａにおけるフロント側流路２２およびリア側流路２４の夫々を横断面視において閉塞するフロント側舌部４６とリア側舌部４８とからなる。なお、図２（ａ）は図１のａ−ａ線における横断面図、図２（ｂ）は図１のｂ−ｂ線における横断面図である。

本発明において、これらフロント側舌部４６およびリア側舌部４８における夫々の内辺部４６ａおよび４８ｂは、後述するように、図２（ｂ）に示した最少流出幅部５６ａおよび５８ａと略平行に形成されている。なお、本発明において「最少流出幅部」とは、上述した外周部２６ａの下流端部における横断面視（図１のａ−ａ線およびｂ−ｂ線における横断面）において、フロント側流路２２およびリア側流路２４の流出部においてその流路幅が最も小さくなっている部分を指す。

また、本発明において、外周部２６ａの下流端部における横断面視において、フロント側流路２２およびリア側流路２４が、隔壁２８の中心軸２８´に対して略対称形状に形成されている。

このように、本発明のタービンハウジング３２のスクロール構造において、外周部２６ａの下流端部における横断面視において、フロント側舌部４６およびリア側舌部４８の夫々の内辺部４６ａ，４８ａと、フロント側流路２２およびリア側流路２４の夫々の最少流出幅部５６ａ，５８ａが略平行となるように構成されていることの作用効果について、比較例と対比しつつ、図３〜図４を基に説明する。

図３（ａ）は実施例の横断面図、図３（ｂ）は比較例の横断面図である。また、図４（ａ）は実施例における内辺部と最少流出幅部との関係を説明した横断面図、図４（ｂ）は比較例における内辺部と最少流出幅部との関係を説明した横断面図である。この図３（ｂ）に示したように、比較例である従来のタービンハウジング１３２では、実施例である上述した本発明のタービンハウジング３２とは異なり、フロント側舌部１４６およびリア側舌部１４８の夫々の内辺部１４６ａおよび１４８ａが、タービンシャフトの中心軸１３６´に対して共に水平に形成されている。

排ガス流路の流過能力は、最少流出幅部に対して垂直をなす排ガスの流速成分によって支配される。そして実施例では、図４（ａ）に示したように、フロント側舌部４６およびリア側舌部４８の夫々の内辺部４６ａ，４８ａと、フロント側流路２２およびリア側流路２４の夫々の最少流出幅部５６ａ，５８ａが略平行となるように構成されている。このため、フロント側流路２２およびリア側流路２４の夫々の最少流出幅部５６ａ，５８ａを通過する排ガスｅ，ｅは、夫々の最少流出幅部５６ａ，５８ａに対して垂直に流れ、両者の流速も概ね等しくなり、フロント側流路２２およびリア側流路２４から流出する排ガスの流量も概ね等しくなる。

これに対して比較例では、図４（ｂ）に示したように、フロント側舌部１４６およびリア側舌部１４８の夫々の内辺部１４６ａおよび１４８ａがともに平坦状に形成されており、内辺部１４８ａと最少流出幅部１５８ａとは略平行に形成されているものの、内辺部１４６ａと最少流出幅部１５６ａとは略平行に形成されていない。よって、図４（ｂ）に示したように、フロント側流路１２２から流出する排ガスｅ´の流れは偏ったものとなり、リア側流路１２４から流出する排ガスｅ´とは異なる流速で流出する。したがって、フロント側流路１２２およびリア側流路１２４から流出する排ガスの流量は異なってしまう。

このように、本発明のタービンハウジング３２のスクロール構造にあっては、フロント側舌部４６およびリア側舌部４８の夫々の内辺部４６ａ，４８ａと、フロント側流路２２およびリア側流路２４の夫々の最少流出幅部５６ａ，５８ａと、が略平行となるように構成されているため、隔壁２８がタービンシャフトの中心軸３６´に対して傾斜していることに起因する２つの排ガス流路の流過能力差が矯正され、フロント側流路２２およびリア側流路２４の流過能力を等しくすることができる。またこの際、上述したように、外周部２６ａの下流端部における横断面視において、フロント側流路２２およびリア側流路２４が、隔壁２８の中心軸２８´に対して略対称形状に形成されていれば、フロント側流路２２およびリア側流路２４の流過能力をより高い精度で等しくすることができる。

ところで、上述した本発明のタービンハウジング３２は、鋳造によって製造される。このため、図５（ａ）に示したように、動翼４２の近傍のタービンハウジング３２の内周部（シュラウド部３８）に余肉部３８ａを形成し、この余肉部３８ａを旋盤用バイト３７によって切削することで動翼４２の形状に合った所望の形状に形成される。

上述した比較例にあっては、図５（ｂ）に示したように、余肉部１３８ａを旋盤用バイト１３７によって切削する場合であっても、フロント側舌部１４６は切削されない。また仮に、フロント側舌部１４６の外辺部１４６ｂの一部が切削されたとしても、比較例のフロント側舌部１４６は十分な肉厚で形成されているため、特に問題とならない。

これに対して実施例にあっては、図５（ａ）に示したように、フロント側舌部４６の外辺部４６ｂの一部が切削されてしまうと次のような問題がある。すなわち、フロント側舌部４６は高温の排ガスに晒される部分であるため、フロント側舌部４６の外辺部４６ｂの一部が切削されて、フロント側舌部４６に局所的に薄い部分が形成されると、この薄い部分において熱応力によるひび割れが発生する恐れがある。よって、このような場合には、切削部分４７に相当する盛肉部分４９を内辺部４６ａ側に形成し、少なくとも切削する外辺部４６ｂの肉厚分だけその裏側の内辺部４６ａ側のフロント側舌部４６を厚肉に形成することで、局所的な熱応力に起因するひび割れの発生を回避することができる。

また図６は、フロント側流路２２およびリア側流路２４における夫々の最少流出幅部における排ガスの流れを説明するための説明図であって、図６（ａ）は横断面図、図６（ｂ）〜（ｄ）は、各々の舌部を上方から視認した平面図である。この図６（ｂ）に示したように、リア側舌部４８の下流端部において、リア側舌部４８が、隔壁面２８ａ側よりもリア壁面２４ａ側の方が下流に延伸している。また同様に、図６（ｃ）に示したように、フロント側舌部４６の下流端部においても、フロント側舌部４６が、隔壁面２８ａ側よりもフロント壁面２２ａ側の方が下流に延伸している。

隔壁面２８ａ、リア壁面２４ａおよびフロント壁面２２ａの近傍を流れる排ガスは、壁面抵抗の影響により、その流速ベクトルにおける径方向成分が周方向成分に対して優勢となる。すなわち、隔壁面２８ａ、リア壁面２４ａおよびフロント壁面２２ａの近傍を流れる排ガスは、隔壁面２８ａとリア壁面２４ａおよびフロント壁面２２ａとの中間付近を流れる排ガスと比べて、タービンロータ４０に向かって早期に流れ込み易くなる。

したがって、リア側舌部４８およびフロント側舌部４６を図６（ｂ）および（ｃ）に示したように構成すれば、リア側流路２４およびフロント側流路２２のいずれにおいても、隔壁面２８ａ側を流れる排ガスｅ_ａの方が、リア壁面２４ａ側およびフロント壁面２２ａ側の排ガスｅ_ｂよりもタービンロータ４０に向かって早期に流れ込み易く、横断面視において、動翼４２の中心側に集まるように排ガスが流れるようになり、これにより効率よくタービンロータ４０を回転させることができるようになる。また、図６（ｃ）に代えて図６（ｄ）に示したように、下流に延伸するフロント側舌部４６を拡幅し、さらにその長さも延長することで、例えばフロント側流路２２において排ガスｅ_ａをより大流量にすることもできる。すなわち、下流に延伸するフロント側舌部４６またはリア側舌部４８の幅および長さを調整することで、上述した排ガスｅ_ａとｅ_ｂとの流量比を所望の比率に調節することもできる。

以上、本発明の好ましい形態について説明したが、本発明は上記の形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない範囲での種々の変更が可能である。

本発明によれば、タービンロータに排ガスを導流する２系統の排ガス流路を備えたツインスクロール型ターボチャージャにおけるタービンハウジングのスクロール構造として、好適に用いることができる。

１ エンジン
１０ａ〜ｄ 気筒
１２ 吸気マニホールド
１６ 第１排気マニホールド
１８ 第２排気マニホールド
２０ 排気管
２２ フロント側流路（排ガス流路）
２２ａ フロント壁面
２４ リア側流路（排ガス流路）
２４ａ リア壁面
２６ スクロール部
２６ａ 外周部
２６ｂ 内周部
２８ 隔壁
３０ ツインスクロール型ターボチャージャ
３２ タービンハウジング
３３ 軸受ハウジング
３４ コンプレッサーロータ
３５ カップリング部材
３６ タービンシャフト
３８ シュラウド部
３８ａ 余肉部
４０ タービンロータ
４２ 動翼
４４ 舌部
４６ フロント側舌部、
４６ａ 内辺部
４８ リア側舌部
５６ａ，５８ａ 最少流出幅部

Claims (5)

1. タービンロータに排ガスを導流するスクロール部を有し、該スクロール部は排ガスの流れ方向に対して垂直な横断面視において隔壁によって仕切られるフロント側流路およびリア側流路の２つの排ガス流路からなるとともに、該隔壁がタービンシャフトに対して傾斜してなるツインスクロール型ターボチャージャのタービンハウジングにおいて、該タービンハウジングには、排ガスの流れ方向に対して平行な縦断面視において前記スクロール部を外周部と内周部とに仕切る舌部が形成され、該舌部は、前記外周部における前記２つの排ガス流路の夫々を横断面視において閉塞するフロント側舌部とリア側舌部とからなり、
   前記外周部の下流端部における横断面視において、前記フロント側舌部および前記リア側舌部の夫々の内辺部と、前記フロント側流路および前記リア側流路の夫々の最少流出幅部とが略平行となるように構成されているとともに、
   前記フロント側舌部の外辺部の一部には他の部分よりも凹んだ凹部が形成されているとともに、前記フロント側舌部の内辺部における前記凹部の裏側の位置には、少なくとも前記凹部の凹みに相当する肉厚分だけ厚肉に形成された盛肉部が形成されていることを特徴とするタービンハウジングのスクロール構造。
2. 前記外周部の下流端部における横断面視において、前記フロント側舌部および前記リア側舌部の夫々の内辺部と、前記フロント側流路および前記リア側流路の夫々の最少流出幅部とのなす角度が、＋１０度から−１０度の範囲にあ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のスクロール構造。
3. 前記外周部の下流端部における横断面視において、前記フロント側流路およびリア側流路が、前記隔壁の中心軸に対して略対称形状に形成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のスクロール構造。
4. 前記リア側舌部の下流端部において、該リア側舌部が、隔壁面側よりもリア壁面側の方が下流に延伸していることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のタービンハウジングのスクロール構造。
5. 前記フロント側舌部の下流端部において、該フロント側舌部が、隔壁面側よりもフロント壁面側の方が下流に延伸していることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のタービンハウジングのスクロール構造。

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