JP6792396B2 - 排気ターボ過給機のタービンハウジング - Google Patents

Description

本願発明は、自動車用等の内燃機関に設ける排気ターボ過給機を構成するタービンハウジングに関するものである。

排気ターボ過給機は、排気ガスで駆動されるタービンによってコンプレッサを回転させるものであり、タービンとコンプレッサとは回転軸によって連結されており、タービン室やコンプレッサ室を有するハウジングを備えている。

タービンはタービンハウジングに配置されており、タービンハウジングには、タービンを外周外側から囲うタービン側スクロール空間が形成されたスクロール部と、タービン側スクロール空間の始端に連通した排気ガス導入通路を有する入口筒部とが形成されており、入口筒部の開口部にフランジを設けて、フランジをシリンダヘッド又は排気マニホールドに固定するようになっている。

排気ターボ過給機のハウジングは、耐熱性を確保するため一般に鋳鋼品が使用されており、主として、タービンハウジングとコンプレッサハウジング、及び両者の間に位置した中間ハウジング（軸受けハウジング）の３つの単位ハウジングで構成されているが、特許文献１には、ハウジングを３つに分離したタイプにおいて、スクロール部に冷却水ジャケットを設けて、冷却水の入口と出口とを入口筒部の開口部寄りに配置することが開示されている。

他方、特許文献２には、ハウジングの全体をアルミで一体化して、その内部に、タービン側スクロール部や軸受け部やコンプレッサ側スクロール部を冷却するための冷却水ジャケットを設けることが開示されている。

実開昭５８−１５２５２８号のマイクロフィルム 国際公開ＷＯ２０１４／１０３５７０公報

特許文献１の冷却水ジャケットは、タービン側スクロール部のうちフランジと反対側の端部のみに形成されており、冷却水の入口と出口とが冷却水ジャケットに対してどのように繋がっているのかは不明であるが、冷却水ジャケットは入口筒部には形成されていないと推測される。

他方、特許文献２では、タービンハウジングに形成した冷却水ジャケットは、タービン側スクロール空間を全周に亙って囲っているが、排気ガス導入通路の冷却についての説明は見当たらないことから、入口筒部には冷却水ジャケットは形成されていないと推測される。

さて、排気ターボ過給機においては、排気ガスは、まず、入口筒部に形成されている排気ガス導入通路に流入するため、入口筒部の冷却の必要性が高い。入口筒部はシリンダヘッドや排気マニホールドに固定されていて、シリンダヘッドや排気マニホールドからの伝熱もあるため、タービンハウジングをアルミ製として軽量化する場合、入口筒部を冷却することの必要性は特に高くなるといえる。

しかるに、上記のとおり、いずれの特許文献も、入口筒部の冷却の必要性や、入口筒部に冷却水ジャケットを設けた場合の強度確保などに関する言及は見当たらず、排気ターボ過給機を水冷式とするに当たっての技術的空白が存在しているといえる。

また、入口筒部のフランジはシリンダヘッドや排気マニホールドに固定されるため、入口筒部は、排気ガスで加熱されるだけでなくシリンダヘッドや排気マニホールドからも伝熱されるが、入口筒部が冷却されていないと、入口筒部が非常に昇温するため、タービンハウジングをアルミ化すると大きな熱変形が発生するおそれがあり、軽量化が困難になることも予想される。

更に、タービンハウジングを鋳造する場合の問題も予想される。すなわち、鋳造では、空洞になる部分は砂の中子で構成されるが、この中子には、鋳型でしっかりと保持できることと、鋳造後に砂を容易に除去できることとが要請されるが、冷却水ジャケットが入口筒部の端面に開口していないと、中子を安定的に保持し難いのみならず、鋳砂の排除も非常に面倒であり、従って、量産が困難になると予想されるのである。

本願発明は、このような現状を改善すべく成されたものである。

本願発明は、
「タービンを外周外側から囲うタービン側スクロール空間が形成されたタービン側スクロール部と、前記タービン側スクロール空間の始端に連通した排気ガス導入通路を有する入口筒部とを備えており、前記入口筒部の開口端に、シリンダヘッドに固定されるフランジを設けている」
という基本構成において、
「前記タービン側スクロール部には、前記タービン側スクロール空間を囲うように冷却水ジャケットが形成されて、前記入口筒部には、前記排気ガス導入通路を囲うように冷却水ジャケットが形成されており、
前記タービン側スクロール部の冷却水ジャケットと入口筒部の冷却水ジャケットとを互いに連通させて、冷却水入口は前記タービン側スクロール部の冷却水ジャケットに連通するように形成し、冷却水出口は前記入口筒部の開口部端面に開口するように形成している」
という特徴を備えている。

本願発明は、様々な局面を有している。その例として、請求項２では、請求項１において、
「前記タービン側スクロール部の冷却水ジャケットは、前記タービン側スクロール空間の外周方向に延びる隔壁によって２つに分断されて、前記入口筒部の冷却水ジャケットは、当該入口筒部の軸心方向に延びると共に前記タービン側スクロール部の隔壁と連続した入口筒部側の隔壁によって２つに分断されており、前記入口筒部側の隔壁の端面が前記入口筒部の開口部端面にしている」、
という構成になっている。

本願発明によると、入口筒部に冷却水ジャケットが形成されているため、入口筒部を冷却して昇温を抑制できる。このため、タービンハウジングのアルミ化を大きく前進させることができる。更に、冷却水ジャケットの冷却水出口は入口筒部の端面に開口しているため、シリンダヘッドや排気マニホールドに固定されるフランジの熱変形なども大幅に抑制して、ボルト（及びナット）による締結部の緩みやシール性の低下といった問題の発生を防止できる。

また、冷却水ジャケットの冷却水出口が入口筒部の端面に開口しているため、鋳造に際しては、中子を安定的に保持することができると共に、鋳造後の鋳砂の排除も容易であり、従って、高い品質を確保しつつ量産化可能になる。

シリンダヘッドに直接締結するタイプや、スペーサを介してシリンダヘッドに締結するタイプの場合、冷却水ジャケットは、シリンダヘッドやスペーサに形成された冷却水通路に接続されて、シリンダヘッドやスペーサに冷却水が排出されるため、冷却水の経路を簡素化することができる。

請求項２では、隔壁の存在によってタービンハウジングの強度を向上できる。従って、アルミ化した場合に、特に有益である。そして、隔壁は入口筒部の端面まで至っているため、隔壁を介してシリンダヘッドの熱を冷却水に伝えることができる。従って、シリンダヘッドから冷却水への熱交換を促進して、フランジの熱変形防止効果を一層向上できる。

実施形態の縦断正面図である。 実施形態の分離縦断正面図である。 実施形態を示す図で、（Ａ）はハウジングを前から見た斜視図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ視方向から見た（シリンダヘッドの側から見た）背面図である。 実施形態のハウジングを示す図で、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は底面図である。 （Ａ）は図２のＡ−Ａ視断面図、（Ａ）の図２のＢ−Ｂ視断面図である。 冷却水の流れを示す模式図であり、（Ａ）は参考例、（Ｂ）は実施形態である。 他の実施形態を示す図である。 更に他の参考例を示す図である。

(1).概要とタービンハウジング
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。まず、概要を説明する。本実施形態では、方向を明確にするため前後・左右の文言を使用するが、これは、回転軸の長手方向を左右方向として、これと直交した水平方向を前後方向として、シリンダヘッドから向いた方向を前としている。念のため、図３に方向を明示している。

図１に示すように、排気ターボ過給機は、ブレード式のタービン１及びコンプレッサ２を備えており、両者は、水平姿勢の回転軸３で一体に固定されている。また、排気ターボ過給機は、タービンハウジング４とコンプレッサハウジング５、及び、両者の間に位置した中間ハウジング６とを有しており、タービンハウジング４と中間ハウジング６とは、アルミの鋳造品として一体に製造されている。コンプレッサハウジング５は、アルミのダイキャスト品又は鋳造品である。

タービンハウジング４には、タービン１が回転自在に配置されたタービン室７と、タービン室７の外周部に連通したタービン側スクロール空間８とが形成されている。タービン側スクロール空間８は、始端の断面積が終端の断面積よりも大きくて環状に近い渦状になっており、その始端（上端）に、図３（Ｂ）に示すように、タービン側スクロール空間８の始端部の接線方向に延びる排気ガス導入通路９が連通している。

従って、タービンハウジング４は、排気ガス導入通路９が形成された入口筒部４ａを有しており、その先端に、シンリダヘッド１１にボルト（及びナット）で固定されるフランジ１２を形成している。従って、タービンハウジング４は、主要な要素として、入口筒部４ａとタービン側スクロール部４ｂと有しており、入口筒部４ａは、概ね水平に近い横長姿勢になっている。図５に示すように、本実施形態では、シンリダヘッド１１の排気側面１１ａは、上に行くほど鉛直線１３との間隔が広がるように少し後傾姿勢になっている。

排気ガス導入通路９からタービン側スクロール空間８に流入した排気ガスは、タービン側スクロール空間８の周方向に流れながらタービン１を回転駆動しつつ、軸方向に排出される。従って、タービンハウジング４には、排気ガスを排出する筒状の排気出口１４が、回転軸３の軸心方向に向けて開口しており、この排気出口１４に排気管又は触媒ケースが接続される。

また、図１に部分的に示すように、タービンハウジング４のうち排気出口１４の近くには、排気ガス導入通路９から排気出口１４に排気ガスを逃がすバイパス通路１５が形成されている。バイパス通路１５は排気出口１４の上に位置している。そこで、図４から容易に理解できるように、タービンハウジング４に、入口筒部１０と排気出口１４とタービン側スクロール部４ｂとに繋がった拡張部１６を形成し、この拡張部１６に、バイパス通路１５と、これに連通したウエストゲートバルブ配置空間１７（図１参照）とを形成している。

ウエストゲートバルブ配置空間１７は、排気出口１４に連通して回転軸３の軸心方向に開口しており、ウエストゲートバルブは、排気出口１４の開口方向から挿入されて、支軸によってタービンハウジング４に連結される。図３に符号１８で示すのは、支軸が挿通される穴である。

タービンハウジング４には、冷却水による冷却手段として、タービン側スクロール空間８及び排気ガス導入通路９を中間ハウジング６の側から囲うインサイドジャケット１９と、タービン側スクロール空間８及び排気ガス導入通路９を排気出口１４の側から囲うアウトサイドジャケット２０とが形成されており、これらインサイドジャケット１９とアウトサイドジャケット２０とは、上部隔壁２１ａと下部隔壁２１ｂとで左右に分断されている。従って、上下の隔壁２１ａ，２１ｂは、入口筒部４ａを２つ割りしてタービン側スクロール部４ｂを左右２つに（軸方向）に分断する面に沿って延びており、フランジ１２と反対側の前端部において繋がっている。

図３（Ｂ）や図４（Ｂ）に示すように、インサイドジャケット１９及びアウトサイドジャケット２０は、入口筒部４ａの後面に開口している。また、インサイドジャケット１９及びアウトサイドジャケット２０は、入口筒部４ａの箇所では１本の流れになっているが、タービン側スクロール部４ｂの箇所では環状になっている。ジャケット１９，２０の側面視形状は、図８（Ａ）で模式的に示している。

インサイドジャケット１９とアウトサイドジャケット２０との冷却水の流れの態様は、幾つか有り得る。その例を図６（Ａ）（Ｂ）で模式的に示している。図６（Ａ）に示す参考例では、上下の隔壁２１ａ，２１ｂの前端部を繋ぐことなく前端部において互いに分離することにより、タービン側スクロール部４ｂの前端部に、インサイドジャケット１９とアウトサイドジャケット２０との連通部２２を形成しており、冷却水をインサイドジャケット１９からアウトサイドジャケット２０に流している。従って、この例では、インサイドジャケット１９の後端が冷却水入口２２ａとなって、アウトサイドジャケット２０の後端が冷却水出口２２ｂになっている。

図６（Ｂ）に示す例は実施形態であり、インサイドジャケット１９とアウトサイドジャケット２０とは完全に分離して、両ジャケット１９，２０の下端にそれぞれ冷却水入口２２ａを形成して、冷却水出口２２ｂを後端に形成している。図示していないが、インサイドジャケット１９とアウトサイドジャケット２０との前部下端を連通部２２で繋いで、連通部２２に冷却水入口２２ａを設けることも可能である。この場合は、両ジャケット１９，２０の後端は、それぞれ冷却水出口２２ｂになる。

図２に示すように、アウトサイドジャケット２０は、タービン側スクロール空間８の周囲を、概ね１／４程度の範囲で囲っている。インサイドジャケット１９は、アウトサイドジャケット２０とほぼ対称状の形態になっているが、インサイドジャケット１９の内周は、回転軸３が嵌まっている内周穴２３の近くまで延長してもよい。図１，２のとおり、回転軸３のうちタービンハウジング４の内周穴２３に嵌まっている箇所には、複数の環状溝２４が形成されていて、この環状溝２４にオイルシール２４ａが嵌め込まれている。

更に、図３，図４（Ｂ），図５に示すように、入口筒部４ａの下面には、フランジ１２からタービン側スクロール部４ｂまで延びる補強用のリブ２５が下向きに突設されており、このリブ２５は、入口筒部４ａの下部に形成した下部隔壁２１ｂと上下に重なっている。リブ２５は板状であり、前後の全長に亙ってほぼ等しい上下幅になっているが、上下幅を前後方向に向けて徐々に異ならせたり、下端が側面視でアーチ状になるように形成したりすることも可能である。なお、上部隔壁２１ａは、下部隔壁２１ｂ及びリブ２５の上に位置している。

(2).コンプレッサハウジング・中間ハウジング
本願発明との関係は薄いが、念のため、コンプレッサ部と中間ハウジング６とも説明しておく。図１，２に示すように、コンプレッサハウジング５には、コンプレッサ２が回転自在に配置されたコンプレッサ室２６と、コンプレッサ室２６の外側に位置したコンプレッサ側スクロール空間２７とが形成されており、両者は連通路２８で繋がっている。

コンプレッサ側スクロール空間２７は始端から終端に向けた断面積が拡大しており、終端には、出口通路２９が連通している。図１に符号３０で示すのは、ダイヤフラム式アクチェータの取り付けボスである。符号３１は、コンプレッサハウジング５に嵌まっている蓋部材３１であり、正確には、コンプレッサハウジング５が、本体部と蓋部材３１とで構成されている。
図１，２に示すように、中間ハウジング６には、回転軸３が回転自在に嵌まる軸受け部３３を形成しており、軸受け部３３に、オイル層を介して中空のフローティングメタル３４が配置されて、回転軸３の中途部が、フローティングメタル３４の内部に回転自在に嵌まっている。フローティングメタル３４は、軸受け部３３に設けたストッパー３５によって回転不能に保持されている。

軸受け部３３の上部には、上下方向に貫通したオイル入口３６が形成されている。また、軸受け部３３の下方には、空洞状のオイル出口空間３７が形成されている。図５（Ａ）に示すように、オイル出口空間３７は側面視で半円状の形態を成している。更に、中間ハウジング６のうち軸受け部３３の左右両側方には、第１及び第２のオイル飛散空間３８，３９が形成されている。

例えば図２に示す符号４０は、回転軸３に固定された第１オイルシールである。なお、第１オイルシール４０の断面表示（ハッチング）は省略している。符号４１は、コンプレッサハウジング５に固定されたリテーナリング、符号４１ａは、第１オイルシール４０に固定された第２オイルシールである。回転軸３の端部は、ナット４２でコンプレッサ２に固定されている。図１に示すように、中間ハウジング６とコンプレッサハウジング５とは、Ｃ形のストッパーリング４３で抜け不能に保持されている。

(3).まとめ
以上の説明のとおり、冷却水ジャケット１９，２０は入口筒部４ａの端面に開口しているので、フランジ１２の冷却性に優れており、フランジ１２の熱変形を抑制できる。また、ジャケット１９，２０の開口端が冷却水出口２２ａとして機能することにより、冷却水通路の簡素化にも貢献できる。更に、鋳造するに際しては、フランジが下になるように鋳型を構成することにより、ジャケット１９，２０のための中子を安定的に保持できる。鋳造後の鋳砂の排除は、片方又は両方の冷却水ジャケットから圧縮空気を噴出させる等して、容易に行える。

実施形態のように、インサイドジャケット１９とアウトサイドジャケット２０とを隔壁２１ａ，２１ｂで左右に分断すると、タービンハウジング４は高い強度を確保することができると共に、インサイドジャケット１９とアウトサイドジャケット２０との流路は単純化するため、冷却水の淀み現象を生じることなく、ジャケット１９，２０に冷却水をまんべんなく流すことができる利点がある。

従って、いびつな熱変形を防止して、熱ひずみも大幅に抑制できる。その結果、高い信頼性・耐久性を得ることができる。また、実施形態では、インサイドジャケット１９とアウトサイドジャケット２０とが上下の隔壁２１ａ，２１ｂで分断されていると共に、下面には下部隔壁２１ｂと上下に連続したリブ２５が形成されているため、上からの荷重に対して高い抵抗を発揮する。

(4).他の実施形態及び参考例
図７（Ａ）に示すように、インサイドジャケット１９及びアウトサイドジャケット２０を、それぞれサイド隔壁２１ｃで上下に分断することも可能である。この場合は、タービンハウジング４の強度（特に入口筒部４ａの強度）は格段に高くなる。インサイドジャケット１９とアウトサイドジャケット２０とのうち片方だけ（例えばインサイドジャケット１９だけ）をサイド隔壁２１ｃで分断することも可能である。

この場合は、ジャケット１９，２０は、おおまかには（Ｂ）に示す側面視形状になるが、冷却水の流し形態としては、点線で示すように、ジャケット１９，２０を下から上に流して、冷却水の入口と出口とを上下に近接させてもよいし、実線で示すように、前端部に冷却水入口２２ａを形成して、分岐した上下流路の後端にそれぞれ冷却水出口２２ｂを形成してもよい。冷却水の流れには直進性があるので、冷却水のスムースな流れを確保するという点では、実線で示す通水形態が優れているかもしれない。インサイドジャケット１９の前端とアウトサイドジャケット２０の前端とに繋がった連通部を形成して、この連通部に冷却水入口２２ａを設けることも可能である。

図８に示す参考例では、インサイドジャケット１９とアウトサイドジャケット２０とを左右に配置した場合において、入口筒部４ａの後端部の上下中間部に、インサイドジャケット１９の上下中間部に連続して左右外側に広がった冷却水入口２２ａと、アウトサイドジャケット２０の上下中間部に連続して左右外側に広がった冷却水出口２２ｂとを形成して、これら冷却水入口２２ａと冷却水出口２２ｂとが、シリンダヘッドに形成した通水穴２２ｃ，２２ｄに連通するように設定している。

このように形成すると、各穴２２ａ〜２２ｄは円形かそれに近い形状に設定できるため、冷却水の圧損をできるだけ抑制して流れをスムース化できる利点がある。

本願発明は、排気ターボ過給機に具体化できる。従って、産業上利用できる。

１ タービン
２ コンプレッサ
３ 回転軸
４ タービンハウジング
４ａ 入口筒部
４ｂ タービン側スクロール部
５ コンプレッサハウジング
６ 中間ハウジング
７ タービン室
９ 排気ガス導入通路
１１ シリンダヘッド
１２ フランジ
１４ 排気出口
１９ インサイドジャケット
２０ アウトサイドジャケット
２１ａ 上部隔壁
２１ｂ 下部隔壁
２１ｃ サイド隔壁
２２ 連通部
２２ａ 冷却水入口
２２ｂ 冷却水出口

Claims (2)

1. タービンを外周外側から囲うタービン側スクロール空間が形成されたタービン側スクロール部と、前記タービン側スクロール空間の始端に連通した排気ガス導入通路を有する入口筒部とを備えており、前記入口筒部の開口端に、シリンダヘッドに固定されるフランジを設けている構成であって、
   前記タービン側スクロール部には、前記タービン側スクロール空間を囲うように冷却水ジャケットが形成されて、前記入口筒部には、前記排気ガス導入通路を囲うように冷却水ジャケットが形成されており、
   前記タービン側スクロール部の冷却水ジャケットと入口筒部の冷却水ジャケットとを互いに連通させて、冷却水入口は前記タービン側スクロール部の冷却水ジャケットに連通するように形成し、冷却水出口は前記入口筒部の開口部端面に開口するように形成している、
   排気ターボ過給機のタービンハウジング。
2. 前記タービン側スクロール部の冷却水ジャケットは、前記タービン側スクロール空間の外周方向に延びる隔壁によって２つに分断されて、前記入口筒部の冷却水ジャケットは、当該入口筒部の軸心方向に延びると共に前記タービン側スクロール部の隔壁と連続した入口筒部側の隔壁によって２つに分断されており、前記入口筒部側の隔壁の端面が前記入口筒部の開口部端面に露出している、
   請求項１に記載した排気ターボ過給機のタービンハウジング。

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