JP6127681B2 - 過給機 - Google Patents

Description

本発明は、過給機に関するものである。

内燃機関に用いられる過給機は、コンプレッサインペラとタービンインペラとが同軸で連結された構造を有し、内燃機関の排気ガスによってタービンインペラが回転駆動され、該回転駆動によりコンプレッサインペラが空気を圧縮し、その圧縮された空気が内燃機関に供給されるようになっている。この過給機は、排気ガスが流通して高温になるタービンハウジング側からの伝熱によるベアリングハウジングの温度上昇を防止するべく、冷却構造を備えている。

この冷却構造としては、例えば、潤滑油による冷却方式と、冷却水による冷却方式がある。潤滑油による冷却方式は、ベアリングハウジングの軸受室に連通する潤滑油流路を形成し、多量の潤滑油を軸受室に流通させることで冷却するものである。また、冷却水による冷却方式は、ベアリングハウジングに潤滑油流路と連通しない冷却水流路を形成し、この冷却水流路に冷却水を流通させることで冷却するものである。このような潤滑油流路と冷却水流路とを備える過給機として、例えば下記特許文献１に記載の過給機が知られている（特許文献１の図１参照）。

特開平５−１４１２５９号公報

ところで、上記先行技術に示されるように、ベアリングハウジングとタービンハウジングとの間には、通常、遮熱板が設けられており、タービンハウジング側からの伝熱を抑制する構成となっている。タービンハウジングは、ベアリングハウジングの周囲に形成されたフランジ部が嵌入される凹部を備えており、遮熱板は、フランジ部と凹部との間に挟持され、その周囲近傍がボルトによって締結されることで固定されている。

近年の小型化の傾向により、機種によっては、軸方向のダウンサイジングを図るべく、タービンハウジングのスクロール流路を従来機種よりもベアリングハウジング側に寄せて配置するものがある。このような場合、従来のように遮熱板を配置することができず、遮熱板自体が小さくなり、ベアリングハウジングとタービンハウジングとが直に接触する面積が広くなることがある。そうすると、上記潤滑油や冷却水による冷却方式のみでは、冷却構造として不十分となる場合がある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、ベアリングハウジングの温度上昇を抑制することができる過給機の提供を目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、タービンインペラの回転軸を回転自在に支持するベアリングハウジングと、前記タービンインペラに排気ガスを供給するスクロール流路が形成されたタービンハウジングと、を備える過給機であって、前記ベアリングハウジングは、前記タービンハウジングと軸方向において複数段で対向する段差付きフランジ部を有し、前記タービンハウジングは、前記段差付きフランジ部が嵌入され、前記ベアリングハウジングと軸方向において複数段で対向する段差付き凹部を有し、前記段差付き凹部は、先端が切り欠かれた複数の段鼻部を有する、という構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、ベアリングハウジングのフランジ部とタービンハウジングの凹部との嵌入構造を段差付き形状にし、段差付き凹部の段鼻部の先端を切り欠いて落とすことにより、嵌入構造の段差角部に隙間を形成することができる。この隙間は、空間断熱部として機能するため、高温になるタービンハウジング側からの伝熱を抑制することができる。

また、本発明においては、前記段差付きフランジ部は、前記段鼻部の切り欠かれた先端と非接触で対向する曲面を前記複数の段鼻部毎に有する、という構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、先端が切り欠かれた段鼻部と曲面とが対向することにより、空間断熱部として機能する隙間を形成することができる。また、曲面があることにより、段差付きフランジ部の段差角部における応力集中を避けるような構造とすることができる。

また、本発明においては、前記スクロール流路の一部は、軸方向において前記ベアリングハウジングが設けられる位置まで設けられている、という構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、ベアリングハウジングとタービンハウジングの嵌入構造の段差角部に隙間を形成することにより、高温になるタービンハウジング側からの伝熱を抑制することができるため、タービンハウジングのスクロール流路を軸方向においてベアリングハウジングが設けられる位置まで寄せて、機体の軸方向のダウンサイジングを図ることができる。

また、本発明においては、前記スクロール流路は、ツインスクロール流路である、という構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、タービンハウジングのツインスクロール流路を軸方向においてベアリングハウジングが設けられる位置まで寄せて、機体の軸方向のダウンサイジングを図ることができる。

また、本発明においては、前記段差付きフランジ部と前記段差付き凹部との対向面よりも径方向内側において、前記ベアリングハウジングと前記タービンハウジングとの間に挟持される遮熱板を有する、という構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、ベアリングハウジングとタービンハウジングの嵌入構造の段差角部に隙間を形成することにより、高温になるタービンハウジング側からの伝熱を抑制することができるため、遮熱板を従来よりも小さくして、遮熱板の挟持固定を容易にすることができる。

また、本発明においては、前記ベアリングハウジングには、冷却水が流通する冷却水流路が形成されている、という構成を採用する。
この構成を採用することによって、本発明では、ベアリングハウジングとタービンハウジングの嵌入構造の段差角部に隙間を形成することにより、高温になるタービンハウジング側からの伝熱を抑制することができるため、ベアリングハウジングの冷却構造として、冷却水による冷却方式を適用しても、ベアリングハウジングにおける温度差が大きくならず、熱応力の発生を抑制した効果的な冷却が可能となる。

本発明によれば、ベアリングハウジングの温度上昇を抑制することができる過給機が得られる。

本発明の実施形態における過給機の全体構成図である。 本発明の実施形態における過給機の要部拡大図である。 本発明の実施形態におけるベアリングハウジングの温度分布を示す比較図である。 本発明の実施形態におけるベアリングハウジングの応力分布を示す比較図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態における過給機１の全体構成図である。
過給機１は、内燃機関等から排気される排気ガスを受けて回転動力を得るタービン２と、タービン２によって得られた回転動力を伝達する軸部３と、軸部３から伝達される回転動力によって空気を圧縮するコンプレッサ４とを備えている。

タービン２は、タービンハウジング２ａと、タービンインペラ２ｂとを備えている。タービンハウジング２ａは、タービンインペラ２ｂを収容すると共に、タービンインペラ２ｂの収容空間に接続される排気ガス流路（スクロール流路２ｃ及び排気流路２ｄ）を備える容器である。タービンインペラ２ｂは、スクロール流路２ｃから排気流路２ｄに流れる排気ガスを受けて回転駆動されるラジアルインペラである。

軸部３は、ベアリングハウジング３ａと、ベアリング３ｂと、回転軸３ｃとを備えている。ベアリングハウジング３ａは、ベアリング３ｂ及び回転軸３ｃを収容する容器であり、タービンハウジング２ａに固定されている。ベアリング３ｂは、ベアリングハウジング３ａの内部に収容されており、回転軸３ｃを回転可能に支持する。回転軸３ｃは、一端部がタービンインペラ２ｂと接続され、他端部がコンプレッサ４の後述のコンプレッサインペラ４ｂと接続されている。

コンプレッサ４は、コンプレッサハウジング４ａと、コンプレッサインペラ４ｂとを備えている。コンプレッサハウジング４ａは、コンプレッサインペラ４ｂを収容すると共に、コンプレッサインペラ４ｂの収容空間に接続される空気流路（吸気流路４ｃとスクロール流路４ｄ）を備える容器である。コンプレッサインペラ４ｂは、回転軸３ｃを介して伝達される回転動力によって回転駆動され、吸気流路４ｃから供給される空気を圧縮してスクロール流路４ｄに吐出するラジアルインペラである。

上述のように構成された過給機１では、内燃機関からスクロール流路２ｃに排気ガスが導入されると、タービンインペラ２ｂに排気ガスが供給される。この排気ガスの供給によって、タービンインペラ２ｂ、回転軸３ｃ及びコンプレッサインペラ４ｂが、一体となって回転する。これにより、タービン２において回転動力が得られ、この回転動力が軸部３を介してコンプレッサ４に伝達され、コンプレッサ４において圧縮空気が生成される。

次に、過給機１の冷却構造について説明する。

ベアリングハウジング３ａには、図１に示すように、潤滑油が流通する潤滑油流路３ｆと、冷却水が流通する冷却水流路３ｇと、が形成されている。潤滑油流路３ｆは、ベアリング３ｂ、回転軸３ｃに潤滑油を導くように、ベアリングハウジング３ａの内部に形成されている。冷却水流路３ｇは、潤滑油流路３ｆとは連通せず、ベアリング３ｂ、回転軸３ｃの周りを冷却水が流通するように、ベアリングハウジング３ａの内部に形成されている。このように、ベアリングハウジング３ａは、油冷式と水冷式の冷却構造を備えている。

図２は、本発明の実施形態における過給機１の要部拡大図である。
図２に示すように、タービンハウジング２ａのスクロール流路２ｃの一部は、軸方向（図２において紙面左右方向）においてベアリングハウジング３ａが設けられる位置まで設けられている。このスクロール流路２ｃは、径方向外側に向かうに従って軸方向における幅が広くなるツインスクロール流路である。このように、本実施形態では、タービンハウジング２ａのスクロール流路２ｃが、軸方向においてベアリングハウジング３ａが設けられる領域に重複するように寄せられている。

ベアリングハウジング３ａのタービンハウジング２ａ側の端部の周囲には、段差付きフランジ部１０が設けられている。段差付きフランジ部１０は、径方向に延出するように設けられている。この段差付きフランジ部１０は、タービンハウジング２ａと軸方向において複数段（本実施形態では２段）で対向するようになっている。本実施形態の段差付きフランジ部１０は、前側（図２において紙面左側を前方とする）でタービンハウジング２ａと対向する対向面１１ａと、後側でタービンハウジング２ａと対向する対向面１１ｂと、を有する。

タービンハウジング２ａは、ベアリングハウジング３ａの段差付きフランジ部１０が嵌入される段差付き凹部２０を有する。段差付き凹部２０は、段差付きフランジ部１０が内部に所定の交差で収まるように、段差付きフランジ部１０の寸法及び外形に対応する形状で形成されている。この段差付き凹部２０は、ベアリングハウジング３ａと軸方向において複数段（本実施形態では２段）で対向するようになっている。本実施形態の段差付き凹部２０は、前側（図２において紙面左側を前方とする）でベアリングハウジング３ａと対向する対向面２１ａと、後側でベアリングハウジング３ａと対向する対向面２１ｂと、を有する。

ベアリングハウジング３ａは、段差付き凹部２０に対する嵌入位置よりも後側で、ボルト５によってタービンハウジング２ａに固定されている。段差付きフランジ部１０は、段差付き凹部２０に収容され、タービンハウジング２ａと略同一の平面を形成する。ボルト５とタービンハウジング２ａとの間には、押さえ板６が挟持されている。押さえ板６は、ボルト５に挿通された円環板状のものが用いられ、段差付きフランジ部１０とタービンハウジング２ａとの間を跨ぐように配置されている。

また、ベアリングハウジング３ａとタービンハウジング２ａとの間には、遮熱板３０が配設されている。遮熱板３０は、円環状に形成されており、鍔状の外周縁部３１を有している。この遮熱板３０の外周縁部３１は、段差付きフランジ部１０と段差付き凹部２０との対向面（１１ａ，１１ｂ，２１ａ，２１ｂ）よりも径方向内側において、ベアリングハウジング３ａとタービンハウジング２ａとの間に挟持されるようになっている。

段差付き凹部２０は、図２に示すような複数の段鼻部２２を有する。段鼻部２２は、段差付き凹部２０の凸角部分であり、本実施形態では２つ設けられている。段鼻部２２の先端は、対向面２１ａ（２１ｂ）に対して斜めに切り欠かれている。
また、段差付きフランジ部１０は、段鼻部２２の先端と非接触で対向する複数の曲面１２を有する。曲面１２は、段差付きフランジ部１０の凹角部分であり、段鼻部２２に対応して２つ設けられている。この曲面１２は、対向面１１ａ（１１ｂ）と連続的に連なるように形成されている。

続いて、上述のように構成された過給機１の冷却構造の作用について説明する。

過給機１では、例えば５００℃以上の温度の排気ガスがタービンハウジング２ａのスクロール流路２ｃを流通している。このため、高温のタービンハウジング２ａ側からベアリングハウジング３ａ側に熱が伝わってくる。本実施形態の過給機１は、図２に示すように、ベアリングハウジング３ａが、タービンハウジング２ａと軸方向において複数段で対向する段差付きフランジ部１０を有しており、タービンハウジング２ａが、段差付きフランジ部１０が嵌入される段差付き凹部２０を有している。

ここで、タービンハウジング２ａに設けられた段差付き凹部２０は、先端が切り欠かれた複数の段鼻部２２を有している。段鼻部２２は、先端が対向面２１ａ（２１ｂ）に対して斜めに切り欠かれており、段差付きフランジ部１０と段差付き凹部２０との嵌入構造の段差角部に、複数の隙間Ｓを形成する。この隙間Ｓは、空間断熱部として機能し、高温になるタービンハウジング２ａ側からベアリングハウジング３ａへの伝熱を抑制する。

また、ベアリングハウジング３ａの段差付きフランジ部１０は、段鼻部２２の切り欠かれた先端と非接触で対向する曲面１２を複数の段鼻部２２毎に有する。これにより、先端が切り欠かれた段鼻部２２と曲面１２とが非接触で対向することとなり、空間断熱部として機能する隙間Ｓを形成することができる。また、曲面１２があることにより、段差付きフランジ部１０の凹角部における応力集中を避けるような構造とすることができる。

図３は、本発明の実施形態におけるベアリングハウジング３ａの温度分布を示す比較図である。図３（ａ）は、本実施形態のベアリングハウジング３ａの温度分布を示している。また、図３（ｂ）は、比較例として従来構造のベアリングハウジング３ａ（隙間Ｓなし）の温度分布を示している。なお、図３においては、温度の高低をドットパターンの濃淡で表している。
図３（ｂ）に示すように、従来構造のベアリングハウジング３ａでは、段差付きフランジ部１０にタービンハウジング２ａの熱が伝わり、高温となっていることが分かる（領域Ａで示す）。一方、本実施形態のベアリングハウジング３ａでは、図３（ａ）に示すように、段差付きフランジ部１０が高温にならないことが分かる。

図４は、本発明の実施形態におけるベアリングハウジング３ａの応力分布を示す比較図である。図４（ａ）は、本実施形態のベアリングハウジング３ａの応力分布を示している。また、図４（ｂ）は、比較例として従来構造のベアリングハウジング３ａ（隙間Ｓなし）の応力分布を示している。なお、図４においては、応力の高低をドットパターンの濃淡で表している。
図４（ｂ）に示すように、従来構造のベアリングハウジング３ａでは、高温になった段差付きフランジ部１０が径方向に熱膨張し、冷却水流路３ｇに隣接して熱膨張量が少ない部分に大きな熱応力（引っ張り応力）が作用していることが分かる（領域Ｂで示す）。一方、本実施形態のベアリングハウジング３ａでは、段差付きフランジ部１０が高温にならないため、図４（ａ）に示すように、冷却水流路３ｇに隣接する部分に作用する熱応力が小さくなっていることが分かる。また、段差付きフランジ部１０の曲面１２においては、従来構造と比較して応力集中が緩和されていることが分かる。

このように、本実施形態によれば、先端が切り欠かれた段鼻部２２と曲面１２とが対向することにより、空間断熱部として機能する隙間Ｓを形成することができ、高温になるタービンハウジング２ａ側からベアリングハウジング３ａ側への伝熱を抑制することができる。また、本実施形態によれば、ベアリングハウジング３ａの冷却構造として、冷却水による冷却方式を採用しても、図３（ａ）に示すように、ベアリングハウジング３ａにおける温度差が大きくならず、熱応力の発生を抑制した効果的な冷却が可能となる。

また、本実施形態によれば、ベアリングハウジング３ａとタービンハウジング２ａの嵌入構造の段差角部に隙間Ｓを形成することにより、高温になるタービンハウジング２ａ側からの伝熱を抑制することができるため、図２に示すように、遮熱板３０を設ける範囲を小さくすることができる。すなわち、従来のように遮熱板３０をボルト５による締結位置の近傍まで延出させなくてもよく、遮熱板３０の形状を小型で簡単化し、加工を容易にすると共に、遮熱板３０の挟持固定も容易にすることができる。

また、本実施形態によれば、従来のように遮熱板３０をボルト５による締結位置の近傍まで延出させることが困難となるような構造、すなわち、図２に示すように、スクロール流路２ｃをツインスクロール流路とし、軸方向においてベアリングハウジング３ａが設けられる位置まで寄せる構造を採用することができる。したがって、本実施形態によれば、過給機１の軸方向のダウンサイジングを図ることができる。

このように、上述の本実施形態によれば、タービンインペラ２ｂの回転軸３ｃを回転自在に支持するベアリングハウジング３ａと、タービンインペラ２ｂに排気ガスを供給するスクロール流路２ｃが形成されたタービンハウジング２ａと、を備える過給機１であって、ベアリングハウジング３ａは、タービンハウジング２ａと軸方向において複数段で対向する段差付きフランジ部１０を有し、タービンハウジング２ａは、段差付きフランジ部１０が嵌入され、ベアリングハウジング３ａと軸方向において複数段で対向する段差付き凹部２０を有し、段差付き凹部２０は、先端が切り欠かれた複数の段鼻部２２を有する、という構成を採用することによって、嵌入構造の段差角部に空間断熱部として機能する隙間Ｓを形成し、ベアリングハウジング３ａの温度上昇を抑制することができる。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態では、段差付き凹部の段鼻部の先端を斜めに切り欠いた形状を採用したが、本発明はこの構成に限定されることなく、段鼻部の先端形状を、丸みを帯びるように加工しても良く、また、段鼻部の先端を窪むように切り欠いても良い。

また、例えば、上記実施形態では、段鼻部と対向する段差付きフランジ部の凹角部に曲面を形成する構成を採用したが、本発明はこの構成に限定されることなく、段差付きフランジ部の凹角部が直角であっても、段鼻部の先端が切り欠かれていれば、空間断熱部として機能する隙間を形成することができる。但し、段差付きフランジ部の凹角部における応力集中を避けるためには、曲面を採用することが好ましい。

また、例えば、上記実施形態では、タービンハウジングのスクロール流路としてツインスクロール流路を採用したが、本発明はこの構成に限定されることなく、スクロール流路として公知のシングルスクロール流路を採用することができる。シングルスクロール流路を採用した場合であっても、軸方向においてベアリングハウジングが設けられる位置まで設ける構造を採用すれば、本発明を好適に採用することができる。

また、例えば、上記実施形態では、段差付きフランジ部及び段差付き凹部が２段構造を有する構成を採用したが、本発明はこの構成に限定されることなく、複数段であれば、３段構造、４段構造、または、それ以上の段差構造を採用することができる。また、この場合には、段数に応じて空間断熱部として機能する隙間を形成するべく、段差付き凹部の段鼻部のそれぞれの先端を切り欠くようにすることが好ましい。

また、例えば、上記実施形態では、段差付き凹部の段鼻部の先端の切り欠き形状が同一の構成を採用したが、本発明はこの構成に限定されることなく、段鼻部の先端の切り欠き形状が異なっていても良い。例えば、比較的高温になり易い段差付きフランジ部の径方向外側においては、段鼻部の先端を大きく切り欠いて、空間断熱部として機能する隙間を大きくすることが好ましい。

１…過給機、２ａ…タービンハウジング、２ｂ…タービンインペラ、２ｃ…スクロール流路、３ａ…ベアリングハウジング、３ｃ…回転軸、３ｇ…冷却水流路、１０…段差付きフランジ部、１１ａ，１１ｂ…対向面、１２…曲面、２０…段差付き凹部、２１ａ，２１ｂ…対向面、２２…段鼻部、３０…遮熱板

Claims (6)

1. タービンインペラの回転軸を回転自在に支持するベアリングハウジングと、前記タービンインペラに排気ガスを供給するスクロール流路が形成されたタービンハウジングと、を備える過給機であって、
   前記ベアリングハウジングは、前記タービンハウジングと軸方向において複数段で対向する段差付きフランジ部を有し、
   前記タービンハウジングは、前記段差付きフランジ部が嵌入され、前記ベアリングハウジングと軸方向において複数段で対向する段差付き凹部を有し、
   前記段差付き凹部は、先端が切り欠かれた複数の段鼻部を有し、
   前記段差付きフランジ部は、前記段鼻部の切り欠かれた先端と非接触で対向する曲面を前記複数の段鼻部毎に有する、ことを特徴とする過給機。
2. 前記スクロール流路の一部は、軸方向において前記ベアリングハウジングが設けられる位置まで設けられている、ことを特徴とする請求項１に記載の過給機。
3. 前記スクロール流路は、ツインスクロール流路である、ことを特徴とする請求項２に記載の過給機。
4. 前記段差付きフランジ部と前記段差付き凹部との対向面よりも径方向内側において、前記ベアリングハウジングと前記タービンハウジングとの間に挟持される遮熱板を有する、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の過給機。
5. 前記ベアリングハウジングには、冷却水が流通する冷却水流路が形成されている、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の過給機。
6. タービンインペラの回転軸を回転自在に支持するベアリングハウジングと、前記タービンインペラに排気ガスを供給するスクロール流路が形成されたタービンハウジングと、を備える過給機であって、
   前記ベアリングハウジングは、前記タービンハウジングと軸方向において複数段で対向する段差付きフランジ部を有し、
   前記タービンハウジングは、前記段差付きフランジ部が嵌入され、前記ベアリングハウジングと軸方向において複数段で対向する段差付き凹部を有し、
   前記段差付き凹部は、先端が切り欠かれた複数の段鼻部を有し、
   前記段差付きフランジ部と前記段差付き凹部との対向面よりも径方向内側において、前記ベアリングハウジングと前記タービンハウジングとの間に挟持される遮熱板を有する、ことを特徴とする過給機。