JP6040928B2

JP6040928B2 - ターボチャージャ

Info

Publication number: JP6040928B2
Application number: JP2013267641A
Authority: JP
Inventors: 俊典沖
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-12-25
Filing date: 2013-12-25
Publication date: 2016-12-07
Anticipated expiration: 2033-12-25
Also published as: JP2015124615A; CN104747274B; CN104747274A; US20150176429A1; EP2889455A1; EP2889455B1; US9784124B2

Description

本発明は、水冷式のタービンハウジングを備えたターボチャージャに関するものである。

ターボチャージャは、タービンハウジングとベアリングハウジングとが一体に結合されている。そして、タービンハウジング内部のタービンホイールには回転シャフトが一体回転可能に連結されおり、同回転シャフトは上記ベアリングハウジングに支持されている。

特許文献１のターボチャージャでは、タービンハウジングの内部に冷却水を循環させるための水路が設けられている。こうした水冷式のタービンハウジングを備えたターボチャージャでは、水路内を流れる冷却水との熱交換を通じてタービンハウジングが冷却されて同タービンハウジングの過熱が抑えられる。

特開２０１０−４８１８７号公報

ここで、ターボチャージャの運転時には、タービンホイールおよび回転シャフトの一体回転に伴って振動が発生するとともに、その振動が、回転シャフトを支持しているベアリングハウジングに伝達されるようになる。そして、ベアリングハウジングに伝達した振動は、タービンハウジングを介して、同タービンハウジングの排気下流側に結合された下流側排気部材（排気管や排気浄化装置）にも伝わるために、これが騒音発生の一因になってしまう。

しかも、水冷式のタービンハウジングを備えたターボチャージャでは、タービンハウジングの温度が低くなるために、同タービンハウジングの剛性が高くなって振動伝達率が高くなる。そのため、回転シャフトからベアリングハウジングに伝わった振動がタービンハウジングを介して下流側排気部材に伝達され易く、上述した騒音発生を招き易いと云える。

本発明は、そうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、下流側排気部材の振動に起因する騒音発生を抑えることのできるターボチャージャを提供することにある。

上記課題を達成するためのターボチャージャは、タービンハウジングとベアリングハウジングとが一体に結合され、且つ前記タービンハウジング内部のタービンホイールに一体回転可能に連結された回転シャフトが前記ベアリングハウジングに回転可能に支持され、且つ前記タービンハウジングの内部に冷却水を循環させるための冷却水路が設けられる。前記タービンハウジングは、前記冷却水路が前記タービンホイールの周囲に設けられている。またタービンハウジングは、前記ベアリングハウジングとの結合部分である第１結合部と、機関排気通路における前記タービンハウジングの排気下流側に設けられる下流側排気部材との結合部分である第２結合部と、前記第１結合部および前記第２結合部の少なくとも一方と前記冷却水路との間に設けられた断熱部と、を有する。前記断熱部は一体的に形成されたタービンハウジングの壁の内部に設けられ、且つ前記タービンホイールの配設された前記タービンハウジングの内部の内壁面に開口部を有さないものである。

タービンハウジングの第１結合部や第２結合部は、ベアリングハウジングから下流側排気部材（排気管や排気浄化装置）へと振動が伝わる経路（振動伝達経路）の一部を構成している。そのため、第１結合部の周辺部分や第２結合部の周辺部分の振動伝達率を低くすることにより、上記振動伝達経路の一部分の振動伝達率を低くすることができ、ベアリングハウジングから下流側排気部材への振動伝達を抑えることができる。

この点、上記ターボチャージャでは、第１結合部および第２結合部の一方と冷却水路との間が断熱されており、第１結合部の周辺部分や第２結合部の周辺部分が冷却され難くなっている。そのため、断熱部を有していないものと比較して、第１結合部の周辺部分や第２結合部の周辺部分の温度を高くして剛性を低くすることができ、同部分の振動伝達率を低くすることができる。したがって、ベアリングハウジングから下流側排気部材への振動伝達を抑えることができ、同下流側排気部材の振動に起因する騒音発生を抑えることができる。

しかも上記ターボチャージャによれば、タービンホイールの周辺、すなわち最も温度が高くなり易く冷却が望まれる部分には冷却水路が配設されるため、同部分を的確に冷却することができる。

上記ターボチャージャにおいて、前記断熱部を、空気が満たされる空洞にすることが望ましい。
上記ターボチャージャによれば、タービンハウジングの内部に空洞を形成するといった簡素な構造により、第１結合部および第２結合部の一方と冷却水路との間を断熱することができる。

一実施形態のターボチャージャの断面構造を模式的に示す断面図。タービンハウジングの断面構造を示す断面図。

以下、ターボチャージャの一実施形態について説明する。
図１に示すように、ターボチャージャ１０は、内燃機関１の吸気通路２の途中に配設されたコンプレッサ２０と、同内燃機関１の排気通路３の途中に配設されたタービン３０と、それらコンプレッサ２０およびタービン３０を連結するベアリングハウジング１１とを備えている。

コンプレッサ２０はコンプレッサハウジング２１を有しており、コンプレッサハウジング２１の内部にはコンプレッサインペラ２３が配設されている。また、タービン３０はタービンハウジング３１を有しており、タービンハウジング３１の内部にはタービンホイール３３が配設されている。タービンホイール３３とコンプレッサインペラ２３とは回転シャフト１２を介して一体回転可能に連結されており、同回転シャフト１２は上記ベアリングハウジング１１の軸受部に回転可能に支持されている。

次に、上記タービン３０およびその周辺の構造について詳しく説明する。
図２に示すように、タービンハウジング３１の内部には、上記タービンホイール３３の回転軸心Ｌ１を中心とする断面円形状で延びるダクト部３４が設けられている。

ダクト部３４の一方（図２における左側）の端部はホイール室３５になっており、このホイール室３５の内部にはタービンホイール３３が配設されている。またタービンハウジング３１の内部には、上記タービンホイール３３の周囲全周にわたって渦巻形状で延びるスクロール通路３６が設けられている。このスクロール通路３６は上記ホイール室３５の周壁においてその全周にわたる円環形状で開口されている。スクロール通路３６には排気通路３における上記タービン３０よりも排気上流側の部分（上流側排気管３Ａ）が接続される。

一方、上記ダクト部３４の上記ホイール室３５と反対側（図２における右側）の端部は、排気をダクト部３４の外部に排出する排出部３７になっており、この排出部３７には排気通路３の上記タービン３０よりも排気下流側の部分（下流側排気管３Ｂ）が接続される。下流側排気管３Ｂは、タービンハウジング３１の排出部３７周辺に設けられた雌ねじ３８へのボルト締結を通じて同タービンハウジング３１に固定される。

タービンハウジング３１には、前記ベアリングハウジング１１が、回転軸心Ｌ１方向において下流側排気管３Ｂとの間にダクト部３４を挟む態様で固定されている。タービンハウジング３１とベアリングハウジング１１とはＶクランプ１３によって一体に結合されている。ベアリングハウジング１１の内部には軸受部１４が形成されており、この軸受部１４に前記回転シャフト１２が回転可能に支持されている。

図１または図２に示すように、上記ターボチャージャ１０では次のようにして内燃機関１への過給が行われる。図中に黒塗りの矢印で示すように、内燃機関１の排気通路３の内部を流れる排気は、上流側排気管３Ａからタービンハウジング３１のスクロール通路３６内に流入するとともに、同スクロール通路３６の内部からタービンホイール３３に吹き付けられる。これにより、タービンホイール３３が排気流のエネルギを受けて回転し、このときタービンホイール３３と共にコンプレッサインペラ２３が回転する。そして、このコンプレッサインペラ２３の回転に伴って、図１中に白塗りの矢印で示すように、コンプレッサハウジング２１に流入する空気が内燃機関１の吸気通路２におけるコンプレッサ２０よりも吸気下流側、ひいては内燃機関１の気筒に圧送されるようになる。

なお、タービンハウジング３１内においてタービンホイール３３を通過した後の排気はダクト部３４の排出部３７から下流側排気管３Ｂに排出され、同下流側排気管３Ｂに設けられた排気浄化装置４（図１）によって浄化された後に、同下流側排気管３Ｂの外部に排出される。

タービンハウジング３１の内部には、上記スクロール通路３６および上記ダクト部３４の周囲を囲う形状で、冷却水を循環させるための冷却水路３９が延設されている。このタービンハウジング３１は、冷却水路３９の内部に冷却水を強制的に循環させることにより、同冷却水との熱交換を通じて冷却される水冷式のものになっている。内燃機関１には、その内部に設けられて冷却水が供給されるウォータジャケット５や、冷却水を冷却するためのラジエータ６、冷却水を圧送するウォータポンプ７などからなる機関冷却系を備えている。本実施形態では、内燃機関１の運転に際して機関冷却系内の冷却水の一部が上記冷却水路３９に供給されて循環するようになっている。

ここで、ターボチャージャ１０の運転時には、タービンホイール３３および回転シャフト１２の一体回転に伴って振動が発生するとともに、その振動が、回転シャフト１２を支持しているベアリングハウジング１１に伝達されるようになる。そして、ベアリングハウジング１１に伝達した振動は、タービンハウジング３１を介して下流側排気管３Ｂや排気浄化装置４にも伝わるために騒音発生の一因になってしまう。

しかも、ターボチャージャ１０では、タービンハウジング３１が冷却されるため、同タービンハウジング３１の温度が低くなって剛性が高くなり、ひいては振動伝達率が高くなる。そのため、回転シャフト１２からベアリングハウジング１１に伝わった振動がタービンハウジング３１を介して下流側排気管３Ｂに伝達され易く、騒音発生を招き易い。

本実施形態では、図２に示すように、タービンハウジング３１の内部における上記スクロール通路３６および上記ダクト部３４の周囲を囲う形状で、冷却水路３９が延設されている。ただし、タービンハウジング３１における上記ベアリングハウジング１１が結合される部分（第１結合部Ｃ１）の近傍、すなわちスクロール通路３６の前記ベアリングハウジング１１側の部分の周囲には、冷却水路３９が形成されていない。また、タービンハウジング３１における上記下流側排気管３Ｂが結合される部分（第２結合部Ｃ２）の近傍、すなわちダクト部３４の排出部３７側の部分の周囲にも、冷却水路３９が形成されていない。

そして、タービンハウジング３１における上記第１結合部Ｃ１と上記冷却水路３９との間には、タービンホイール３３の回転軸心Ｌ１の周囲全周にわたって延びる略円環形状の断熱部４１が形成されている。また、タービンハウジング３１における上記第２結合部Ｃ２と冷却水路３９との間にも、タービンホイール３３の回転軸心Ｌ１の周囲全周にわたって延びる形状の断熱部４２が形成されている。これら断熱部４１，４２としては空気が満たされる空洞が形成されており、各断熱部４１，４２は、タービンホイール３３の配設された前記タービンハウジング３１の内部（詳しくは、ダクト部３４およびスクロール通路３６）の内壁面に開口部を有していない。本実施形態では、これら断熱部４１，４２の内部を満たす空気が熱伝達を抑える断熱層として機能するようになっている。

以下、こうした冷却水路３９および断熱部４１，４２をタービンハウジング３１の内部に設けることによる作用を説明する。
ターボチャージャ１０では、タービンハウジング３１の第１結合部Ｃ１や第２結合部Ｃ２が、ベアリングハウジング１１から下流側排気管３Ｂや排気浄化装置４へと振動が伝わる経路（振動伝達経路）の一部を構成している。そのため、タービンハウジング３１における第１結合部Ｃ１の周辺部分や第２結合部Ｃ２の周辺部分の振動伝達率を低くすることにより、上記振動伝達経路の一部分の振動伝達率を低くすることができ、ベアリングハウジング１１から下流側排気管３Ｂや排気浄化装置４への振動伝達を抑えることができる。

この点、上記ターボチャージャ１０では、タービンハウジング３１における第１結合部Ｃ１の周辺に冷却水路３９が形成されておらず、同第１結合部Ｃ１と冷却水路３９との間に断熱部４１が形成されている。これにより、第１結合部Ｃ１と冷却水路３９との間が断熱されて同第１結合部Ｃ１の周辺部分が冷却され難くなっているため、断熱部４１を有していないものと比較して、第１結合部Ｃ１の周辺部分の温度を高くして剛性を低くすることができ、同部分の振動伝達率を低くすることができる。したがって、ベアリングハウジング１１からタービンハウジング３１への振動伝達が抑えられるようになる。

さらには、タービンハウジング３１における第２結合部Ｃ２の周辺に冷却水路３９が形成されておらず、同第２結合部Ｃ２と冷却水路３９との間に断熱部４２が形成されている。これにより、第２結合部Ｃ２と冷却水路３９との間が断熱されて同第２結合部Ｃ２の周辺部分が冷却され難くなっているため、断熱部４２を有していないものと比較して、第２結合部Ｃ２の周辺部分の温度を高くして剛性を低くすることができ、同部分の振動伝達率を低くすることができる。したがって、タービンハウジング３１から下流側排気管３Ｂや排気浄化装置４への振動伝達を抑えることができる。

このように上記ターボチャージャ１０によれば、振動伝達経路における第１結合部Ｃ１の周辺部分および第２結合部Ｃ２の周辺部分の振動伝達率を低くすることができる。そのため、ベアリングハウジング１１から下流側排気管３Ｂや排気浄化装置４への振動伝達を抑えることができ、それら下流側排気管３Ｂや排気浄化装置４の振動に起因する騒音発生を抑えることができる。しかも、第１結合部Ｃ１の周辺部分の振動伝達率が低くなっているため、ベアリングハウジング１１からタービンハウジング３１への振動伝達が抑えられて、タービンハウジング３１の振動も抑えられるようになる。

タービンハウジング３１では、タービンホイール３３の周辺、具体的にはホイール室３５の内壁（いわゆるシュラウド）やその周辺部分の温度が高くなり易いため、その冷却が望まれる。この点、上記ターボチャージャ１０では、タービンホイール３３の周辺に冷却水路３９が設けられているため、冷却が望まれる部分を冷却することができる。また、空洞である各断熱部４１，４２がダクト部３４およびスクロール通路３６の内壁面に開口部を有していないために、断熱部４１，４２の内部に高温の排気が流入しない。そのため、タービンホイール３３の周辺の過熱を抑えることができる。

しかも、タービンハウジング３１における第１結合部Ｃ１の周辺部分や第２結合部Ｃ２の周辺部分、すなわちホイール室３５の内壁から離れた部分には冷却水路３９が設けられていないため、冷却が望まれるタービンホイール３３の周辺を重点的に冷却することができる。

また、上記ターボチャージャ１０は、第１結合部Ｃ１の周辺部分および第２結合部Ｃ２の周辺部分にも冷却水路が設けられるものと比較して、タービンハウジング３１からの冷却水の受熱量が少なくなって同冷却水の温度が低くなる。そのため、タービンハウジング３１を通過して温度が上昇した冷却水を内燃機関１に直接戻しても、同内燃機関１の冷却効率の低下が適正に抑えられるようになる。したがって上記ターボチャージャ１０では、冷却水用のラジエータ６の容量を小さくすることができる。

さらに、タービンハウジング３１からの冷却水の受熱量が少なくなることによって、同タービンハウジング３１内部を通過する排気の温度が低下し難くなる。これにより、排気浄化装置４内を比較的高温の排気が通過するようになるため、内燃機関１の冷間始動に際して同排気浄化装置４の温度を早期に上昇させることができ、排気浄化性能の向上を図ることができる。

また、タービンハウジング３１における上記ベアリングハウジング１１に結合される第１結合部Ｃ１の周辺部分の温度が高くなるため、タービンハウジング３１からベアリングハウジング１１に伝わる熱量が多くなる。そのため、内燃機関１の冷間始動に際してベアリングハウジング１１における軸受部１４の温度を早期に上昇させることができ、軸受部１４におけるフリクションの低減を図ることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、以下に記載する効果が得られるようになる。
（１）タービンハウジング３１内部の、上記タービンホイール３３の周囲に冷却水路３９を設け、ベアリングハウジング１１に結合される第１結合部Ｃ１と冷却水路３９との間に断熱部４１を設け、下流側排気管３Ｂに結合される第２結合部Ｃ２と冷却水路３９との間に断熱部４２を設けた。そのため、ベアリングハウジング１１から下流側排気管３Ｂや排気浄化装置４への振動伝達を抑えることができ、それら下流側排気管３Ｂや排気浄化装置４の振動に起因する騒音発生を抑えることができる。しかも、冷却が望まれるタービンホイール３３の周辺を的確に冷却することができる。

（２）タービンハウジング３１の内部に断熱部４１，４２としての空洞を設けるといった簡素な構造により、第１結合部Ｃ１と冷却水路３９との間や第２結合部Ｃ２と冷却水路３９との間を断熱することができる。

（３）空洞である各断熱部４１，４２がダクト部３４およびスクロール通路３６の内壁面に開口部を有していないために、タービンホイール３３の周辺の過熱を抑えることができる。

なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
・断熱部４１および断熱部４２の一方を省略してもよい。
・タービンハウジング３１内の冷却水路３９に、内燃機関１の冷却に用いられる冷却水を供給して循環させることに代えて、専用の冷却水を供給して循環させるようにしてもよい。

・上記実施形態では、タービンハウジング３１の内部に設けた空洞を断熱部４１，４２とした。これに代えて、耐熱性の高い多孔質材料（例えばセラミック材料）により形成した断熱部を、鋳込む等して、タービンハウジング３１の内部に配設するようにしてもよい。

１…内燃機関、２…吸気通路、３…排気通路、３Ａ…上流側排気管、３Ｂ…下流側排気管、４…排気浄化装置、５…ウォータジャケット、６…ラジエータ、７…ウォータポンプ、１０…ターボチャージャ、１１…ベアリングハウジング、１２…回転シャフト、１３…Ｖクランプ、１４…軸受部、２０…コンプレッサ、２１…コンプレッサハウジング、２３…コンプレッサインペラ、３０…タービン、３１…タービンハウジング、３３…タービンホイール、３４…ダクト部、３５…ホイール室、３６…スクロール通路、３７…排出部、３８…雌ねじ、３９…冷却水路、４１，４２…断熱部。

Claims

タービンハウジングとベアリングハウジングとが一体に結合され、且つ前記タービンハウジング内部のタービンホイールに一体回転可能に連結された回転シャフトが前記ベアリングハウジングに回転可能に支持され、且つ前記タービンハウジングの内部に冷却水を循環させるための冷却水路が設けられたターボチャージャにおいて、
前記タービンハウジングは、
前記冷却水路が前記タービンホイールの周囲に設けられてなり、且つ
前記ベアリングハウジングとの結合部分である第１結合部と、機関排気通路における前記タービンハウジングの排気下流側に設けられる下流側排気部材との結合部分である第２結合部と、前記第１結合部および前記第２結合部の少なくとも一方と前記冷却水路との間に設けられた断熱部と、を有し、
前記断熱部は一体的に形成されたタービンハウジングの壁の内部に設けられ、且つ前記タービンホイールの配設された前記タービンハウジングの内部の内壁面に開口部を有さないものである
ことを特徴とするターボチャージャ。
請求項１に記載のターボチャージャにおいて、
前記断熱部は、空気が満たされる空洞である
ことを特徴とするターボチャージャ。