JP6137032B2 - タービンハウジング - Google Patents

Description

本発明は、冷却水が通過する冷却水路を備えたタービンハウジングに関するものである。

特許文献１には、内燃機関の排気によって駆動されるタイプのターボチャージャのタービンハウジングに、冷却水が通過する冷却水路を設けることが提案されている。
また特許文献１には、タービンハウジングの冷却を好適に行うために、冷却水路内の冷却水の流量を調整する制御バルブを設けるとともに、同制御バルブの作動を通じて機関冷間時の冷却水流量を機関暖機時の冷却水流量と比較して少なくすることも提案されている。

特開２０１３−２３０７号公報

ここでターボチャージャの作動に際して、タービンハウジングが排気から受ける熱量は、同タービンハウジングの各部において均一ではなく異なる。そのため、タービンハウジングの冷却では、各部の受熱量に応じたかたちで全体を効率良く冷却することが望まれる。

なお特許文献１の装置では、制御バルブの作動を通じて冷却水路を流れる冷却水の総量が調整される。このようにして冷却水の流量を調整しても、タービンハウジングの各部を効率良く冷却することが可能になるとは云えず、例えば排気からの受熱量が少ない部位において過度の冷却を招いたり、同受熱量が多い部位において冷却不足を招いたりするおそれがある。

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、全体を適正に冷却することのできるタービンハウジングを提供することにある。

上記課題を達成するためのタービンハウジングは、タービンホイールの外周において渦巻形状で延びるとともに前記タービンホイールに吹き付けられる内燃機関の排気が通過するスクロール通路と、冷却水が通過する冷却水路とを有する。またタービンハウジングは、前記スクロール通路に前記排気を導入する同スクロール通路の巻き始め部に接続される排気導入通路と、前記スクロール通路の巻き終わり部と前記排気導入通路との間に設けられて前記タービンホイールの周方向に突出する突出壁部と、を有する。さらにタービンハウジングは、前記冷却水路の内部を複数の流路に仕切る形状で延び、且つ前記複数の流路のうちの一つである特定流路が前記突出壁部に隣接する部分に冷却水を案内するようになる形状で延び、且つ前記特定流路の流路断面積が前記突出壁部に隣接する部分に近づくに連れて徐々に小さくなる形状で延びる仕切り壁部を備える。

上記タービンハウジングでは、スクロール通路の巻き終わり部と排気導入通路との間に挟まれた部分においてタービンホイールの周方向に突出する形状の突出壁部が形成される。この突出壁部は、その排気導入通路側の面およびスクロール通路側の面のそれぞれから排気の熱を受ける上に、他の部分に接続する部分、すなわち他の部分に伝熱する部分の断面積が小さいために、高温になり易い部分であると云える。

上記タービンハウジングによれば、仕切り壁部によって冷却水路内に特定流路が区画形成されるため、他の部分と比較して突出壁部に隣接する部分に冷却水が流れやすくなるように、冷却水路内における冷却水の流れを整流することができる。また、この特定流路の流路断面積が突出壁部に隣接する部分に向けて徐々に小さくなっているために、冷却水を、その流速を高めつつ突出壁部に案内することができる。したがって、タービンハウジングの中でも高温になる突出壁部を冷却水によって好適に冷却することができ、タービンハウジングの全体を適正に冷却することができる。

一実施形態のタービンハウジングが適用されるターボチャージャの概略構成を示す略図。 タービンハウジングの平面図。 タービンハウジングを図２の矢印３方向から見た側面図。 タービンハウジングの図３の４−４線に沿った断面図。 タービンハウジングの図３の５−５線に沿った断面図。 タービンハウジングの図２の６−６線に沿った端面図。

以下、タービンハウジング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２０は、内燃機関１０の排気通路１１に取り付けられたタービン２１と同内燃機関１０の吸気通路１２に取り付けられたコンプレッサ２２とを備えている。タービン２１の内部にはタービンホイール２３が配設されており、コンプレッサ２２の内部にはコンプレッサホイール２４が配設されている。タービンホイール２３とコンプレッサホイール２４とはシャフト２５を介して一体回転可能に連結されている。

このターボチャージャ２０では、内燃機関１０の運転に伴い排気がタービンホイール２３に吹き付けられると、タービンホイール２３とコンプレッサホイール２４とが一体回転し、これにより吸気通路１２内を流れる吸気が圧送されて、内燃機関１０の気筒内に強制的に送り込まれるようになる。

図２に示すように、タービン２１は、タービンホイール２３が回転可能に設けられたタービンハウジング３０にて構成されている。
図３に示すように、タービンハウジング３０には、排気を導入するための排気導入通路３３や、内部に冷却水を導入するための導入部４１、内部から冷却水を排出するための排出部４２などが形成されている。

図４に示すように、タービン２１のタービンハウジング３０の内部には、上記タービンホイール２３の外周において、渦巻形状で延びるスクロール通路３１が形成されている。スクロール通路３１の内周側にはタービンホイール２３に向かって開口する開口部３２が形成されており、その開口部３２を介してスクロール通路３１内の排気がタービンホイール２３に吹き付けられるようになっている。なお図４中の白抜きの矢印は排気の流れを示している。

また、上記スクロール通路３１には、その内部に排気通路１１（図１参照）内の排気を導入するための上記排気導入通路３３が連通されている。この排気導入通路３３は、渦巻形状で延びるスクロール通路３１の巻き始め部３１Ａに接続されている。上記タービンハウジング３０は、渦巻形状で延びるスクロール通路３１の巻き終わり部３１Ｂと排気導入通路３３との合流部分においてそれら通路３１，３３の間を仕切る位置に、タービンホイール２３の周方向において舌片形状で突出する突出壁部３４が形成されている。

先の図２や図４に示すように、タービンハウジング３０の内部には、タービンホイール２３の回転軸Ｌに沿って断面円形状で延びる排気案内通路３５が形成されている。この排気案内通路３５の一方の端部側には上記開口部３２が形成されるとともにタービンホイール２３が収容されており、他方の端部には内燃機関１０の排気管が接続される。タービンホイール２３を通過した後の排気は、上記排気案内通路３５を介してタービンハウジング３０の外部に排出される。

図５および図６に示すように、タービンハウジング３０には、その冷却のための水冷ジャケット４０が形成されている。本実施形態では、水冷ジャケット４０が内部を冷却水が通過する冷却水路として機能する。この水冷ジャケット４０はスクロール通路３１、上記排気導入通路３３、および排気案内通路３５に沿って延びる形状に形成されている。タービンハウジング３０の外壁においてスクロール通路３１に沿って延びる部分であり且つ上記突出壁部３４（図４参照）の形成部分との間に排気案内通路３５を挟むようになる部分（図５の下部）には、水冷ジャケット４０の内部に冷却水（本実施形態では、内燃機関１０の冷却に用いられる冷却水）を導入するための上記導入部４１が形成されている。

また、タービンハウジング３０の外壁において上記排気導入通路３３に沿って延びる部分（図５の上部）には、水冷ジャケット４０の内部から冷却水を排出するための上記排出部４２が形成されている。

タービンハウジング３０では、冷却水が、導入部４１を通じて水冷ジャケット４０内の上記スクロール通路３１に沿って延びる部分に流入し、同水冷ジャケット４０の各部を通過した後、水冷ジャケット４０内の上記排気導入通路３３に沿って延びる部分の排出部４２を通じて流出するようになる。本実施形態では、水冷ジャケット４０内を流れる冷却水とタービンハウジング３０との熱交換を通じて同タービンハウジング３０が冷却される。

ここで、ターボチャージャ２０の作動に際してタービンハウジング３０が排気から受ける熱量は、同タービンハウジング３０の各部において均一ではなく異なる。そのため、タービンハウジング３０の冷却では、各部の受熱量に応じたかたちで全体を効率良く冷却することが望まれる。

図４に示すように、上記タービンハウジング３０では、スクロール通路３１の巻き終わり部３１Ｂと排気導入通路３３との間に挟まれた部分においてタービンホイール２３の周方向に突出する形状の突出壁部３４が形成される。この突出壁部３４は、その排気導入通路３３側の面およびスクロール通路３１側の面のそれぞれから排気の熱を受ける上に、他の部分に接続する部分、すなわち他の部分に伝熱する部分の断面積が小さいために、高温になり易い部分であり、温度上昇に起因する信頼性の低下を招き易い部分であると云える。

そうした突出壁部３４が十分に冷却されるように冷却水の供給量を設定すると、比較的温度が低い他の部分が過度に冷却されるおそれがある。その場合には、冷却水を圧送するウォータポンプの作動負荷の不要な増大を招いて内燃機関１０の燃料消費量の低下を招くおそれがある。

図５および図６に示すように、こうした実情をふまえて本実施形態のタービンハウジング３０には、水冷ジャケット４０の内部において上記タービンホイール２３の回転軸Ｌと略並行に延びて、同水冷ジャケット４０の内部を２つの流路に仕切る仕切り壁部（第１仕切り壁部４３および第２仕切り壁部４４）が設けられている。

第１仕切り壁部４３は、水冷ジャケット４０内における排気案内通路３５の周壁に沿って、上記導入部４１側の部分から突出壁部３４に隣接する部分（隣接部４５）に向けて時計回り方向に延びている。この第１仕切り壁部４３は、回転軸Ｌ方向における両端部が水冷ジャケット４０の内壁と一体に形成されて、水冷ジャケット４０の内部を排気案内通路３５の周壁に隣接する部分における上記スクロール通路３１側の部分とそれ以外の部分とに区画する形状になっている。

第１仕切り壁部４３は、同第１仕切り壁部４３によって区画される２つの流路のうちの上記排気案内通路３５側の流路（第１特定流路４３Ａ）が上記隣接部４５に冷却水を案内するようになる形状で延びている。また第１仕切り壁部４３は、第１特定流路４３Ａの流路断面積が上記隣接部４５に近づくに連れて徐々に小さくなる形状で延びている。具体的には、第１仕切り壁部４３は、上記排気案内通路３５側の壁面とタービンホイール２３の回転軸Ｌとの距離が隣接部４５に近づくに連れて小さくなる形状に形成されている。

第２仕切り壁部４４は、水冷ジャケット４０内における排気案内通路３５の周壁に沿って、上記導入部４１側の部分から上記隣接部４５に向けて反時計回り方向に延びている。この第２仕切り壁部４４は、回転軸Ｌ方向における両端部のうちの前記スクロール通路３１側（図６の下方側）の端部のみが水冷ジャケット４０の内壁と一体に形成されている。これにより、水冷ジャケット４０の内部における第２仕切り壁部４４の配設部分では、上記排気案内通路３５の周壁に隣接する部分における上記スクロール通路３１側の部分とそれ以外の部分とが、同排気案内通路３５における排気出口側（図６の上方側）において連通している。

第２仕切り壁部４４は、第２仕切り壁部４４によって仕切られる２つの流路のうちの上記排気案内通路３５側の流路（第２特定流路４４Ａ）が上記隣接部４５に冷却水を案内するようになる形状で延びている。また第２仕切り壁部４４は、第２特定流路４４Ａの流路断面積が上記隣接部４５に近づくに連れて徐々に小さくなる形状で延びている。具体的には、第２仕切り壁部４４は、上記排気案内通路３５側の壁面とタービンホイール２３の回転軸Ｌとの距離が隣接部４５に近づくに連れて小さくなる形状に形成されている。

以下、第１仕切り壁部４３および第２仕切り壁部４４を設けることによる作用について説明する。
本実施形態のタービンハウジング３０では、第１仕切り壁部４３によって水冷ジャケット４０内に区画形成された第１特定流路４３Ａによって上記隣接部４５に冷却水が案内されるとともに、第２仕切り壁部４４によって水冷ジャケット４０内に区画形成された第２特定流路４４Ａによって上記隣接部４５に冷却水が案内される。そのため、水冷ジャケット４０内における隣接部４５以外の部分（すなわち排気からの受熱量が少ない部分）と比較して、排気からの受熱量が多い突出壁部３４に隣接する隣接部４５に冷却水が流れやすくなるように、水冷ジャケット４０内における第１仕切り壁部４３の近辺や第２仕切り壁部４４の近辺の冷却水の流れを整流することができる。

しかも、第１特定流路４３Ａおよび第２特定流路４４Ａの流路断面積が上記隣接部４５に向けて徐々に小さくなっているために、第１特定流路４３Ａや第２特定流路４４Ａを通過する際に冷却水の流速が高められるようになる。これにより、第１特定流路４３Ａや第２特定流路４４Ａに案内されて上記隣接部４５を通過する冷却水の流速が高くなるため、その分だけ冷却水による隣接部４５の冷却度合いを高くすることができる。

このように上記タービンハウジング３０によれば、タービンハウジング３０の中でも高温になる突出壁部３４を冷却水によって好適に冷却することができる。
しかも、第２特定流路４４Ａは、上記隣接部４５に近づくに連れて流路面積が小さくなる構造であることに加えて、上記排気案内通路３５における排気出口側の部分において水冷ジャケット４０の他の部分と連通する構造になっている。そのため、図６中に黒塗りの矢印で示すように、先細り形状の第２特定流路４４Ａを流れる冷却水の一部が同第２特定流路４４Ａの途中で外部に流出するようになり、その流出した冷却水が水冷ジャケット４０内において上記排気案内通路３５の排気出口側に向かう流れを形成するようになる。したがって、タービンハウジング３０における排気案内通路３５の排気出口付近を好適に冷却することができる。

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３０の中でも高温になる突出壁部３４を冷却水によって好適に冷却することができるため、タービンハウジング３０の全体を適正に冷却することができる。

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。
・水冷ジャケット４０の内部における第１仕切り壁部４３の配設部分を、上記排気案内通路３５の周壁に隣接する部分における上記スクロール通路３１側の部分とそれ以外の部分とが同排気案内通路３５における排気出口側の部分において連通される構造にしてもよい。

・第２仕切り壁部４４の前記回転軸Ｌ方向における両端部を水冷ジャケット４０の内壁と一体に形成して、水冷ジャケット４０の内部における第２仕切り壁部４４の配設部分を、排気案内通路３５の周壁に隣接する部分における上記スクロール通路３１側の部分とそれ以外の部分とに区画される構造にしてもよい。

・第１仕切り壁部４３および第２仕切り壁部４４の一方を省略してもよい。
・上記実施形態のタービンハウジング３０は、内燃機関１０の冷却に用いられる冷却水が水冷ジャケット４０に導入されるものに限らず、専用の冷却水が水冷ジャケット４０に導入されるものにも適用することができる。

１０…内燃機関、１１…排気通路、１２…吸気通路、２０…ターボチャージャ、２１…タービン、２２…コンプレッサ、２３…タービンホイール、２４…コンプレッサホイール、２５…シャフト、３０…タービンハウジング、３１…スクロール通路、３１Ａ…巻き始め部、３１Ｂ…巻き終わり部、３２…開口部、３３…排気導入通路、３４…突出壁部、３５…排気案内通路、４０…水冷ジャケット、４１…導入部、４２…排出部、４３…第１仕切り壁部、４３Ａ…第１特定流路、４４…第２仕切り壁部、４４Ａ…第２特定流路、４５…隣接部。

Claims (1)

1. タービンホイールの外周において渦巻形状で延びるとともに前記タービンホイールに吹き付けられる内燃機関の排気が通過するスクロール通路と、冷却水が通過する冷却水路とを有するタービンハウジングにおいて、
   前記スクロール通路に排気を導入する同スクロール通路の巻き始め部に接続される排気導入通路と、
   前記スクロール通路の巻き終わり部と前記排気導入通路との間に設けられて前記タービンホイールの周方向に突出する突出壁部と、
   前記冷却水路の内部を複数の流路に仕切る形状で延び、且つ前記複数の流路のうちの一つである特定流路が前記突出壁部に隣接する部分に冷却水を案内するようになる形状で延び、且つ前記特定流路の流路断面積が前記突出壁部に隣接する部分に近づくに連れて徐々に小さくなる形状で延びる仕切り壁部と
   を備えることを特徴とするタービンハウジング。