JP6436737B2

JP6436737B2 - タービンハウジング

Info

Publication number: JP6436737B2
Application number: JP2014234294A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　明; 佐藤　　明
Original assignee: Aisin Takaoka Co Ltd
Current assignee: Aisin Takaoka Co Ltd
Priority date: 2014-11-19
Filing date: 2014-11-19
Publication date: 2018-12-12
Anticipated expiration: 2034-11-19
Also published as: JP2016098670A

Description

本発明は、ターボチャージャーにおける排気タービン用のハウジング（タービンハウジング）に関し、特に水冷ジャケット付きのタービンハウジングに関する。

従来の一般的なタービンハウジングは、鋳造による鋳物製品である。鋳物製ハウジングの長所は、形状設定の自由度が大きく生産性が良好なこと、並びに、耐熱鋼の使用および高剛性化が容易で耐久性に優れることである。近年、エンジンの燃費向上に伴い排気ガス温度が高温化しているため、オーステナイト等の鉄系材料を使用する傾向にある。ただし、オーステナイトは耐熱性等に優れるものの、コストが高いという欠点がある。また、鉄系の鋳造品は重く、薄肉化するにも限界があるという欠点がある。

タービンハウジングを従来よりも軽量化及び低コスト化するための試みとして、ハウジング本体のステンレス板金製化や、水冷ジャケット付きアルミニウム合金製（以下単に「水冷アルミ製」という）化が提案されている。しかしながら、ステンレス板金製のタービンハウジングには、高精度加工が必要な部位の製造上の問題や薄肉化による変形のために、機能（耐久信頼性等）とコストとの両立が非常に難しいという欠点がある。他方、水冷アルミ製のタービンハウジングによれば、水冷ジャケットを併設することでアルミ材の使用が可能となり、オーステナイトに比べて材料コストを低減できるというメリットがある。ただし、アルミは鋳鉄に比べて熱伝導率がかなり大きい（３００℃におけるアルミの熱伝導率：２３３（Ｗ／ｍ・Ｋ）に対し、３００℃における鋳鉄の熱伝導率：３１（Ｗ／ｍ・Ｋ）程度）。このため、タービンハウジング内を流れる排気ガスの熱がアルミ製のハウジング壁を介して水冷ジャケットに過度に伝わり、排気ガスの冷え過ぎによる熱又は運動エネルギーの減少、ひいては過給性能の低下を招く結果となっている。また、水冷ジャケットを流れる冷却水が過度に高温化することで、エンジン側での冷却性能の向上（即ちラジエータの大容量化）が必要になり、結果的にコスト増につながってしまう。

なお、特許文献１は、水冷ジャケット付きのタービンハウジングの一例を開示する。特許文献１によれば、タービンハウジング(10)の本体は、アルミニウム合金又は他の金属からなる鋳造部品である。該ハウジング本体の周囲に中空室(12)を形成するために、二つのシェル部材(14,16)が設けられており、これらシェル部材によって冷却ジャケット(18)が構成されている。また、冷却ジャケット(18)の内部であって前記ハウジング本体の外周部には、冷却液を導くための少なくとも１つのフローエレメント(28)が設けられている。同文献１のＦＩＧ．１及び２には、フローエレメントは突条の形態で描かれている。

国際公開ＷＯ２００９／１０６１６６号公報

本発明は、従来の鋳物製タービンハウジングの長所を生かしつつ従来の水冷アルミ製タービンハウジングの欠点を克服することを意図したものである。即ち、本発明の目的は、排気ガス流路を流れる排気ガスの冷え過ぎによる熱又は運動エネルギーの減少を極力回避して過給効率の低下を防止することができると共に、水冷ジャケットを流通する冷却水の量を低減可能な水冷ジャケット付きタービンハウジングを提供することにある。

本発明は、排気タービンの収容室およびそれを取り囲む排気ガス流路を内部に区画形成するスクロール本体部と、前記スクロール本体部の外側に配設され、前記スクロール本体部の外壁面との間に水冷ジャケットを区画形成するシェルとを備えたタービンハウジングであって、
前記スクロール本体部は、鉄系材料からなる鋳物として構成され、
前記水冷ジャケットに面した前記スクロール本体部の外壁面の表面性状（表面粗さ）が、前記排気ガス流路に面した前記スクロール本体部の内壁面の表面性状（表面粗さ）よりも粗く設定されるべく、前記スクロール本体部の外壁面の表面性状が、算術平均粗さＲａ＝２５μｍ以上に設定されており、且つ前記スクロール本体部の内壁面の表面性状が、算術平均粗さＲａ＝１８μｍ以下に設定されている、ことを特徴とするタービンハウジングである。

また、前記シェルが板金製または樹脂製であることは好ましい。

［作用］
本発明によれば、排気タービンの収容室およびそれを取り囲む排気ガス流路を形成するスクロール本体部を、熱伝導率がアルミよりも低い鉄系材料の鋳物製としている。このため、スクロール本体部を流れる排気ガスの熱が水冷ジャケットを流れる冷却水に必要以上に伝達される事態を防止して排気ガスの冷え過ぎを回避することができ、ひいては熱又は運動エネルギーの過度な減少による過給効率の低下を防止することができる。
また、本発明のタービンハウジングでは、水冷ジャケットに面したスクロール本体部の外壁面の表面性状が、排気ガス流路に面したスクロール本体部の内壁面の表面性状よりも粗く設定されている。このように、排気ガス流路に面したスクロール本体部内壁面の表面性状が相対的に滑らかなことで、当該内壁面と排気ガスとの接触面積が小さくなり、排気ガスからスクロール本体部へ熱が多少なりとも伝わり難くなる。このことは排気ガスの冷え過ぎ防止に貢献する。他方で、水冷ジャケットに面したスクロール本体部外壁面の表面性状を相対的に粗くすることで、水冷ジャケットを流れる冷却水と当該外壁面との接触面積を増大させて効率的な熱移動が可能になるため、従来よりも少ない冷却水量で鋳物製スクロール本体部の冷却（高温化阻止）を図ることができる。

なお、スクロール本体部外壁面の表面性状が算術平均粗さＲａで２５μｍ未満では、外壁面の表面性状の粗化による冷却水と当該外壁面との間の接触面積の増大効果が得られず、上記のような作用効果を期待できなくなる。
また、鋳物製スクロール本体部の外側において水冷ジャケットを区画形成するシェルを、鋳物製ではなく板金製または樹脂製とすることで、水冷ジャケット付きタービンハウジングの軽量化を図ることができる。

本発明のタービンハウジングによれば、排気ガス流路を流れる排気ガスの冷え過ぎによる熱又は運動エネルギーの減少を極力回避して過給効率の低下を防止することができると共に、水冷ジャケットを流通する冷却水の必要量を従来よりも低減することができる。

図１及び図２は本発明の一実施形態に従う水冷ジャケット付きタービンハウジングの全体像を示し、図１の（Ａ）は正面図、（Ｂ）は右側面図。図２の（Ａ）は背面図、（Ｂ）は平面図（上面図）。図３は、図１（Ｂ）のＸ−Ｘ線での概略断面図。図４は、図３のＹ−Ｙ線での概略断面図。図５は、鋳物製スクロール本体部の一側面図。図６は、鋳物製スクロール本体部の平面図（上面図）。図７は、鋳物製スクロール本体部の外壁面及び内壁面の表面性状を模式的に示す部分拡大断面図。図８は、実施例及び比較例の比較実験の結果を示すグラフ。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図１〜図４に示すように、本発明の一実施形態に従う水冷ジャケット付きタービンハウジングは、鋳物製のスクロール本体部１０、板金製又は樹脂製の第１及び第２のシェル２１，２２、金属製の入口フランジ３０、並びに、金属製の出口フランジ４０を備える。

特に図３及び図４に示すように、スクロール本体部１０は、その中心域に排気タービン（図示略）の収容室１１を区画形成すると共に、その排気タービン収容室１１を取り囲む位置に略環状（より具体的には略渦巻き状）の排気ガス流路１２を区画形成することを基本形状（この基本形状自体は公知）とする中空な鋳物部品である。スクロール本体部１０の正面サイド（図４の左側）には、車両エンジンからの排気ガスを排気ガス流路１２に導入するための入口ポート１３が設けられている。また、スクロール本体部１０の一方側面の中央付近（図３の右側）には、排気ガス流路１２を経て排気タービン収容室１１に集められた排気ガスを車両の排気系（触媒コンバータやマフラー等）に向けて排出するための出口ポート１４が設けられている。

図１〜図４に示すように、スクロール本体部１０の外側には、第１のシェル２１及び第２のシェル２２が配設されている。これら第１及び第２のシェル２１，２２は、スクロール本体部１０の左側半部及び右側半部を覆うようなカバー状の部材としてそれぞれ形成されており、第１及び第２のシェル２１，２２が組み合わされることで、スクロール本体部１０が両シェル内に包み込まれる。そして、第１及び第２のシェル２１，２２がスクロール本体部１０に装着されると、両シェルの内壁面とスクロール本体部の外壁面との間には、水冷ジャケット２３が区画形成される。水冷ジャケット２３は、その内部に冷却水流路（２４，２５）を提供する。

図１、図２及び図４に示すように、入口フランジ３０は、スクロール本体部の入口ポート１３の位置に取り付けられ、同位置において、スクロール本体部の入口ポート１３を区画する周壁部と第１及び第２のシェル２１，２２の端縁部とを連結している。図１（Ａ）及び図４から見て取れるように、入口フランジ３０には、その中央域において前記入口ポート１３と連通する排気ガス用の中央開口３１が形成され、その中央開口３１の下及び上の各位置に冷却水導入口３２及び冷却水導出口３３がそれぞれ形成されている。冷却水導入口３２及び冷却水導出口３３は、水冷ジャケット２３内に設定された冷却水流路と連通する。なお、入口フランジ３０は、車両エンジンの排気マニホルド及び冷却系統と、当該水冷ジャケット付きタービンハウジングとを連結するためのフランジ部品である。この入口フランジ３０が車両エンジンの排気マニホルド等に連結されると、前記中央開口３１が排気マニホルドの下流側に接続されると共に、前記冷却水導入口３２及び冷却水導出口３３が車両エンジンの冷却系統（ラジエータを含む）に接続されることになる。

図３に示すように、出口フランジ４０は、スクロール本体部の出口ポート１４の位置に配置されると共に、当該出口ポート１４を区画する周壁部に対して外嵌状態で固定されている。出口フランジ４０は、前記排気マニホルドよりも更に下流側にある車両の排気系（触媒コンバータやマフラー等）と、当該水冷ジャケット付きタービンハウジングとを連結するためのフランジ部品である。この出口フランジ４０が車両の排気系に連結されることで、出口ポート１４が車両の排気系につながる。

本発明では、スクロール本体部１０は、鉄系材料からなる鋳物として構成されている。鉄系材料としては、鋳鉄（球状黒鉛鋳鉄、ねずみ鋳鉄など）、鋳鋼を例示することができる。これら鉄系材料はいずれも、アルミニウム又はアルミニウム合金に比べて熱伝導率が低い金属である。そして、このスクロール本体部１０を鋳造する際には、スクロール本体部の外壁面１５に、流路仕切り部１６が同時に形成される（図３，５，６参照）。

図３、図５及び図６に示すように、スクロール本体部の左右の外壁面１５上には、それぞれ一条の流路仕切り部（流路仕切り突条）１６が設けられている。流路仕切り部１６の各々は、スクロール本体部１０の入口ポート付近を起点（図５，６に符号「１６ａ」で示す）として排気ガス流路１２に沿うように延びると共に（図５参照）、スクロール本体部１０の側面を約半周したところの該本体部の最も低い位置にある終点（図５に符号「１６ｂ」で示す）まで延びている。これら左右一対の流路仕切り部１６は、各々が水冷ジャケット２３の内部を該流路仕切り部の下側領域（内側領域）と上側領域（外側領域）とに区分する。

即ち、流路仕切り部１６の下側領域（内側領域）は、入口フランジの冷却水導入口３２と連通すると共に、冷却水導入口３２からの冷却水を流路仕切り部１６に沿ってガイドする流入側冷却水流路２４を提供する。これに対し、流路仕切り部１６の上側領域（外側領域）は、入口フランジの冷却水導出口３３と連通する。そして、この流路仕切り部１６の上側領域（外側領域）は、前記流入側冷却水流路２４に沿って水冷ジャケット２３の奥にまで流れ入った冷却水が、流路仕切り部の終点１６ｂに達したところで折り返し反転（Ｕターン）した後に、冷却水導出口３３に向けて冷却水を流路仕切り部１６に沿ってガイドする流出側冷却水流路２５を提供する。

なお、スクロール本体部１０の外側に第１及び第２のシェル２１，２２が装着された状態において、流路仕切り部１６の頂部（該突条１６の高さ方向の頂上部）がシェルの内壁面に接するか、又は、流路仕切り部１６の頂部とシェル内壁面との間に存する隙間が０．５ｍｍ以下となるように、流路仕切り部１６の高さが設定されている。このように０．５ｍｍ以下の隙間であれば、かかる隙間が存在していても、流路仕切り部１６の「流路仕切り」としての機能は何ら損なわれない。

本実施形態のタービンハウジングが、入口フランジ３０を介して車両エンジンに連結されると、車両エンジンの冷却系統の主要な構成要素であるラジエータからの冷却水（即ちエンジンクーラント）が冷却水導入口３２を介して水冷ジャケット２３内に導入可能となる。冷却水導入口３２から導入された冷却水は、流路仕切り部１６の下側領域（内側領域）を占める流入側冷却水流路２４に沿って水冷ジャケット２３の奥にまで流れ入り、その後、流路仕切り部１６の上側領域（外側領域）を占める流出側冷却水流路２５に沿って入口フランジ３０に向けて逆流する。そして冷却水は、冷却水導出口３３から水冷ジャケット２３の外に流れ出て、車両エンジンの冷却系統に戻される。

図７の丸囲みは、スクロール本体部１０の外壁面１５及び内壁面１７の表面性状を模式的に示す部分拡大断面図である。図７が示唆するように本発明では、水冷ジャケット２３に面したスクロール本体部外壁面１５の表面性状が、排気ガス流路１２に面したスクロール本体部内壁面１７の表面性状よりも粗くなっている。より具体的には、スクロール本体部内壁面１７の表面性状が、算術平均粗さＲａで１８μｍ以下（実施例ではＲａ＝１８μｍ）に設定されている。これに対し、スクロール本体部外壁面１５の表面性状は、算術平均粗さＲａで２５μｍ以上（実施例ではＲａ＝４０μｍ）に設定されている。

スクロール本体部１０の外内壁面１５，１７間において表面性状を異ならせる手法としては種々のものがある。一例を示せば、砂型鋳造の際に、スクロール本体部の内側中空部を形成する内側砂型（中子）に相対的に細目の鋳物砂（中子砂）を使用する一方で、スクロール本体部の外殻部を形成する外側砂型に相対的に粗目の鋳物砂を使用することがあげられる。あるいは、スクロール本体部の内側中空部を形成する内側砂型（中子）にだけ、その表面に塗型材を塗布しておき、鋳造完了後に、スクロール本体部の内壁面の鋳肌が外壁面の鋳肌よりも平滑になるようにすることも可能である。

図８は、鋳物製スクロール本体部１０の外内壁面１５，１７間の表面性状を異ならせることが、スクロール本体部１０の壁部の温度にどのような影響を及ぼすかについて調べた比較実験の結果を示す。図８の実線は、本発明の実施例の結果を示す。この実施例は「スクロール本体部外壁面１５のＲａ＝４０μｍ、スクロール本体部内壁面１７のＲａ＝１８μｍ」のスクロール本体部１０を採用したタービンハウジングの事例である。図８の破線は、本発明と対比されるべき比較例の結果を示す。この比較例は「スクロール本体部外壁面１５のＲａ＝１８μｍ、スクロール本体部内壁面１７のＲａ＝１８μｍ」のスクロール本体部１０を採用したタービンハウジングの事例である。

この比較実験は、排気ガス流路１２を流れる排気ガスの温度を約１０００℃に統一すると共に、水冷ジャケット２３を流れる水量を同量としつつ冷却水の温度を約１００℃に統一するという統一条件の下で行われた。その結果、図８に示すように、比較例ではスクロール本体部１０の壁部（鋳物）の温度が約５００℃であったのに対し、実施例ではスクロール本体部１０の壁部（鋳物）の温度が約３００℃であった。この比較実験により、スクロール本体部の外内壁面１５，１７間の表面性状を異ならせることによるスクロール本体部１０の冷却効果を確認することができた。

［実施形態の効果］
本実施形態では、排気タービン収容室１１および排気ガス流路１２を形成するスクロール本体部１０を、熱伝導率がアルミよりも低い鉄系材料の鋳物製としている。このため、スクロール本体部１０を流れる排気ガスの熱が水冷ジャケット２３を流れる冷却水に必要以上に伝達される事態を防止して排気ガスの冷え過ぎを極力回避することができる。その結果、排気ガスの熱又は運動エネルギーの過度な減少による過給効率の低下を防止することができる。また、本タービンハウジングの水冷ジャケット２３を出た後にエンジンの冷却系統に戻される冷却水は過度に高温化されていないため、ラジエータの熱交換負荷を殊更に高めることは無く、ひいてはラジエータ容量の増加を図る必要が無く、冷却系統の設備コストを増大させるおそれがない。

本実施形態のタービンハウジングでは、水冷ジャケット２３に面したスクロール本体部外壁面１５の表面性状を、排気ガス流路１２に面したスクロール本体部内壁面１７の表面性状よりも粗く設定した。排気ガス流路１２に面したスクロール本体部内壁面１７の表面性状が相対的に滑らかなことで、当該内壁面と排気ガスとの接触面積が小さくなり、排気ガスからスクロール本体部１０へ熱が多少なりとも伝わり難くなる。このことは排気ガスの冷え過ぎ防止に貢献する。その一方で、水冷ジャケット２３に面したスクロール本体部外壁面１５の表面性状を相対的に粗くすることで、水冷ジャケット２３を流れる冷却水と当該外壁面との接触面積を増大させて効率的な熱移動が可能になる。このため、従来よりも少ない冷却水量で鋳物製スクロール本体部１０の冷却（高温化阻止）を図ることができる。また、スクロール本体部１０がアルミよりも高温耐熱性に優れた鉄系材料（例えば鋳鉄）であることも、必要冷却水量の低減に貢献する。また、必要冷却水量が少なくて済むことは、冷却系統の設備コストを低く抑えることにも貢献する。

本実施形態では、水冷ジャケット２３を区画形成するシェル２１，２２を、鋳物製ではなく板金製または樹脂製とすることで、水冷ジャケット付きタービンハウジングの軽量化を図ることができる。

［変更例］
上記実施形態では、水冷ジャケット２３を形成するためのシェルを二つの部品（２１，２２）で構成したが、単一のシェル部品で水冷ジャケット２３を形成してもよい。

１０スクロール本体部
１１排気タービン収容室
１２排気ガス流路
１５スクロール本体部の外壁面
１７スクロール本体部の内壁面
２１，２２シェル
２３水冷ジャケット
２４，２５冷却水流路

Claims

排気タービンの収容室およびそれを取り囲む排気ガス流路を内部に区画形成するスクロール本体部と、
前記スクロール本体部の外側に配設され、前記スクロール本体部の外壁面との間に水冷ジャケットを区画形成するシェルとを備えたタービンハウジングであって、
前記スクロール本体部は、鉄系材料からなる鋳物として構成され、
前記水冷ジャケットに面した前記スクロール本体部の外壁面の表面性状が、前記排気ガス流路に面した前記スクロール本体部の内壁面の表面性状よりも粗く設定されるべく、前記スクロール本体部の外壁面の表面性状が、算術平均粗さＲａ＝２５μｍ以上に設定されており、且つ前記スクロール本体部の内壁面の表面性状が、算術平均粗さＲａ＝１８μｍ以下に設定されている、ことを特徴とするタービンハウジング。
前記シェルは、板金製または樹脂製である、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。