JP6805052B2

JP6805052B2 - 排気ターボ過給機

Info

Publication number: JP6805052B2
Application number: JP2017072652A
Authority: JP
Inventors: 真人澤下
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2017-03-31
Filing date: 2017-03-31
Publication date: 2020-12-23
Anticipated expiration: 2037-03-31
Also published as: JP2018173055A

Description

本願発明は、内燃機関に使用する排気ターボ過給機に関するものである。

排気ターボ過給機では、入口通路からスクロール室に流入した排気ガスによってタービンが駆動され、スクロール室を通過した排気ガスは、タービンの回転軸心と直交した方向に向いた出口通路に排出されるが、過給圧の制御のために、入口通路から分岐したウエストゲート通路を形成して、ウエストゲート通路にリークする排気ガスの量をウエストゲートバルブで調整している。

ウエストゲート通路は、一般に、入口通路から横向きに分岐してから下方に向きを変えて出口通路に連通しているが、この一般的構成では、リークした排気ガスが急激に流れ方向を変えるため、部材が部分的に加熱されて熱ひずみが大きいという問題がある。

また、排気ガスを浄化するための触媒はある程度の温度に昇温しないと活性化しないという性質があるが、排気ガスがウエストゲート通路を通過するときに放熱すると、触媒の活性化を遅らせて排気ガスの浄化性能が悪化するおそれもある。

そこで、特許文献１には、ウエストゲートバルブを排気ガスのガイドに使用して、ウエストゲートバルブのガイド作用によって排気ガスを触媒にダイレクトに向かわせることが開示されている。

国際公開ＷＯ２０１３／１４５２７８号公報

特許文献１は、ウエストゲート通路から排出された排気ガスを触媒ケースに向けて排出できるが、ウエストゲート通路は入口通路から真横に分岐しているため、ウエストゲート通路に排気ガスが入り込みやすいとはいえず、従って、吸気圧制御の精度は必ずしもよくないと推測される。

本願発明はこのような現状に鑑み成されたものであり、ウエストゲート通路への排気ガスの取り込み性に優れると共に、触媒ケースへの排気ガスの流入性も向上させた排気ターボ過給機を提供せんとするものである。

本願発明の排気ターボ過給機は、
「タービンハウジングに、排気ガスにてタービンを回転駆動するスクロール室と、前記スクロール室の上部に連通した入口通路と、前記スクロール室を通過した排気ガスが排出される出口穴と、前記前記入口通路から分岐して前記出口穴に向けて開口したウエストゲート通路とを形成しており、前記出口穴に触媒ケースが接続される構成であって、
前記ウエストゲート通路は、前記入口通路の下流方向に向きつつ斜め上向きの姿勢で前記入口通路から分岐したのち、前記タービンの回転軸心方向に向きを変えて斜め下向きの姿勢で前記出口穴の方向に開口している」
とういものである。

出口穴は、タービンの回転軸心方向に向いて開口していてもよいが、ウエストゲート通路の先端部の傾斜方向と同じ方向に向いて開口させるのが好ましい。

本願発明では、ウエストゲート通路は、入口通路の下流方向に向かう姿勢で入口通路から分岐しているため、排気ガスはウエストゲート通路にスムースに流入する。このため、ウエストゲートバルブの開度に応じて排気ガスを正確にリークさせることができる。その結果、過給圧制御の精度を向上できる。

そして、ウエストゲート通路は、いったん高さが高くなるように傾斜してから方向変換して斜め下向きに姿勢を変えているため、全体としてコンパクト化しつつ、ウエストゲート通路の開口方向をできるだけ出口穴の中心に寄せることができて、排気ガスをあまり方向変換させずに触媒ケースに向かわせることができる。その結果、排気ガスの放熱を抑制して、触媒の早期昇温・早期活性化を図って排気浄化性能向上（特に暖機運転時の浄化性能向上）に貢献できる。

実施形態に係る排気ターボ過給機の全体図であり、（Ａ）は吸気入口の方向から見た斜視図、（Ｂ）は排気ガスの入口方向から見た斜視図である。（Ａ）は排気ターボ過給機の平面図、（Ｂ）の正面図である。図２（Ａ）のIII-III 視縦断正面図である。（Ａ）はタービンハウジングの平面図、（Ｂ）は冷却水ジャケットを実線で表示してタービンハウジングの外形を一点鎖線で表示した平面図、（Ｃ）は排気ガス通路を実線で表示してタービンハウジングの外形を一点鎖線で表示した平面図である。（Ａ）はタービンハウジングの正面図、（Ｂ）は冷却水ジャケットを実線で表示してタービンハウジングの外形を一点鎖線で表示した正面図である。（Ａ）はタービンハウジングの右側面図、（Ｂ）は冷却水ジャケットを実線で表示してタービンハウジングの外形を一点鎖線で表示した右側面図である。（Ａ）はタービンハウジングの底面図、（Ｂ）は図４（Ａ）の VIIB-VIIB視左断面図、（Ｃ）は冷却水ジャケットの左側面図である。（Ａ）は図４（Ａ）及び図５（Ａ）の VIIIA-VIIIA視断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ視断面図で図５（Ａ）の VIIIB-VIIIB視断面図、（Ｃ）は図４（Ａ）及び図６（Ａ）並びに図７（Ｂ）の VIIIC-VIIIC視概略断面図である。（Ａ）は図４（Ａ）及び図７（Ｂ）のIX-IX 視断面図、（Ｂ）は図６（Ａ）及び図８（Ａ）のIXB-IXB 視断面図である。（Ａ）は触媒ケースを取り付けた状態での要部縦断正面図、（Ｂ）は排気ガス通路の右側面図、（Ｃ）は排気ガス通路の正面図である。

(1).概要
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、図１〜３を参照して概要を説明する。本実施形態では、方向を明確にするため前後・左右・上下の文言を使用するが、回転軸の長手方向を左右方向として、これと直交してシリンダヘッドの排気側面と直交した方向を向を前後方向として、シリンダヘッドのから向いた方向を前としている。上下方向は鉛直方向である。念のため、図１，２等に方向を明示している。

図３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及びコンプレッサ翼２を備えており、両者は、水平姿勢の回転軸３の一端部と他端部とに固定されている。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室８とが形成されている。タービン側スクロール室８は、タービン２の回転軸心からの距離が始端から終端に向けて徐々に小さくなる渦巻き形状になっており、その始端（上端）に、図１（Ｂ）に示す入口通路９が連通している。

従って、タービンハウジング４は、タービン側スクロール室８が形成された円形状部４ａと、入口通路９が形成された入口筒部４ｂとを有しており、かつ、中間ハウジング６と反対側に突出したサイド張り出し部４ｃが、円形状部４ａ及び入口筒部４ｂと一体に繋がった状態で形成されている。入口筒部４ｂの後端には、シリンダヘッド（又は排気マニホールドの集合部）にボルトで固定される入口側フランジ１２が形成されている。

また、図３から理解できるように、サイド張り出し部４ｃには、タービン室７から排出された排気ガスが流れる出口通路１３と、入口通路９と出口通路１３とを繋ぐウエストゲート通路１４とが形成されており、ウエストゲート通路１４は、回動式のウエストゲートバルブ１５で開閉される。出口通路１３は、タービン側スクロール室８の内周部を構成するためのシュラウドピース１３ａで構成されている。出口通路１３とウエストゲート通路１４とは、１つの出口穴１３ｂに連通している。

ウエストゲートバルブ１５は、図１に示すダイヤフラム式のアクチュェータ１６によって駆動される。アクチュェータ１６はロッド１７を有しており、ロッド１７が前後動すると、外リンク１８と支軸１９と内リンク２０とを介して、ウエストゲートバルブ１５が支軸１９の軸心回りに回動する。

サイド張り出し部４ｃには出口側フランジ２１が形成されており、図示は省略するが、この出口側フランジ２１に触媒ケースが固定される（排気管を固定してもよい。）。出口通路１３及びウエストゲート通路１４に連通してて排気ガスが排出される出口穴１３ｂは、は斜め下向きに開口している。

図３に示すように、コンプレッサハウジング５には、吸気入口２２と、コンプレッサ翼２の外側に位置したコンプレッサ側スクロール室２３とが形成されており、コンプレッサ側スクロール室２３で加圧された吸気は、排出口２４から吸気系に排出される。コンプレッサハウジング５は、Ｃ形又は２つ割り状のリング２５を介して中間ハウジング６と連結されている。

中間ハウジング６には、フローティングメタル２６を介して回転軸３を回転自在に保持する軸受け部２７が形成されている。軸受け部２７には、上向きに開口したオイル供給穴２８と、下向きに開口したオイル排出穴２９とが形成されている。回転軸３のシール構造は、本願発明との関係はないので説明は省略する。

(2).タービンハウジングの冷却構造
タービンハウジング４には、冷却水が流れる冷却水ジャケットを形成している。この点を、主として図４〜９を参照して説明する。図７（Ｃ）及び図８に示すように、冷却水ジャケット３１は、基本的には、タービンハウジング４の円形状部４ａと入口筒部４ｂとを全体的に覆う形態である。

そして、冷却水ジャケット３１は、前後の横長隔壁３２ａ，３２ｂで上下に仕切られて、上部ジャケット３３と下部ジャケット３４に区分されており、上下ジャケット３３，３４は、１つのフロント連通部３５と、左右２つのリア連通部３６によって連通している。連通穴３５，３６は、外向きに開口した空洞部４０にねじ式のプラグ４１を嵌め込むことによって形成されている。下部ジャケット３４には冷却水入口３７が連通して、上部ジャケット３３には冷却水出口３８が連通している。冷却水入口３７及び冷却水出口３８はボス部に形成されており、図８，９に示すように、継手筒３７ａ，３８ａを介してホースに接続されている。

図３，５，７（Ａ）（Ｂ）などに示すように、サイド張り出し部４ｃは、円形状部４ａ及び入口筒部４ｂよりも上に突出した山形になっており、最も高い部位に出口ボス３９を形成して、これに冷却水出口３８を形成している。従って、上部ジャケット３３は、側面視及び正面視で上向きに窄まった漏斗状になっている。上部ジャケット３３の上向き突出部は、例えば図６（Ｂ）において符号３３ａで表示している。

また、例えば図５に明示するように、冷却水ジャケット３１の冷却水入口３７はタービン室７の真下に位置して筒状の形態になっている一方、冷却水出口３８は、出口通路１３及びウエストゲート通路１４の側に偏っており、両者は左右方向に離れている（オフセットされている）。また、上下冷却水ジャケット３３，３４も、中間ハウジング６の側よりも出口通路１３及びウエストゲート通路１４の側（サイド張り出し部４ｃの側）において、体積（容積）が遥かに大きくなっている。このため、高温に晒されて熱害を受けやすい部位（特に、排気ガス通路で囲まれた部位）を強く冷却して、熱ひずみの発生を大幅に抑制できる。

図４（Ｂ）や図８（Ａ）、図９（Ｂ）から理解できるように、円形状部４ａには、上部ジャケット３３と下部ジャケット３４とを左右に二分する上下の縦長リブ４２，４３が形成されている。

図７（Ｂ）に示すように、入口筒部４ｂは、その後端から前端に向けて高さが少し高くなるように傾斜している。このため、図７（Ｃ）に示すように、下部ジャケット３４のうち入口筒部４ｂの箇所に位置した部分も、手前に向けて高くなるように側面視でやや傾斜している。この下部ジャケット３４の形態に対応して、後部横長隔壁３２ｂは、いったん立ち上がってから水平状の姿勢で後ろに向かい、それから後ろに向けて低くなるように傾斜しており、このため、下部ジャケット３４の上面は、概ね側面視で山形の形態を成している。

そこで、下部ジャケット３４の上端部に気泡が溜まることを確実に阻止すべく、後部横長隔壁３２ｂのうち高さが高い部分に、図９（Ａ）に示すように連通穴４４を形成している。連通穴４４はドルリ加工で形成されているため、タービンハウジング４には連通穴４４と同心のドリル穴４５が空いているが、このドリル穴４５は図示しないプラグで塞がれている。

図８に示すように、タービン側スクロール室８は渦巻き状になっているため、タービン側スクロール室８の始端部と入口通路９の終端部とで挟まれた部分は、先端に向けて厚さが薄くなった舌部４６になっている。このため、舌部４６はタービンハウジング４で最も過酷な熱環境に晒されるが、本実施形態では、概ね舌部４６の横に後部横長隔壁３２ｂの前端部が位置しており、後部横長隔壁３２ｂのうち舌部４６の横に位置した部位に連通穴４４が空いている。

(3).ウエストゲート通路・触媒ケース
図１（Ｂ）及び図９（Ｃ）に示すように、入口通路９の基端（後端）は左右横長の小判形になっており、かつ、図４（Ｃ）に示すように、入口通路９は、左右幅を徐々に小さくしてスクロール室８に連続している。そして、図４（Ｃ）に示すように、ウエストゲート通路１４は、入口通路９のうち幅が縮んでいる箇所から分岐しており、平面視では、入口通路９の長手方向とほぼ同じ方向に向かうように分岐している。従って、排気ガスは、ウエストゲート通路１４にきわめて自然に流入する。

ウエストゲート通路１４は、平面視で入口通路９の長手方向に向いた第１部分１４ａと、平面視でタービン１の回転軸心方向に向いた第２部分１４ｂとから成っている。従って、ウエストゲート通路１４は、平面視でほぼ直角に方向変換している。そして、図１０（Ｂ）に示すように、第１部分１４ａは、入口通路９の軸線４８に対して、下流側に向けて高さガ高くなるように側面視である程度の角度θ１で上向きに傾斜しており、第２部分１４ｂは、図１０（Ｃ）に示すように、正面視でタービン１の回転軸心４９に対してある程度の角度θ２で前傾している。

従って、ウエストゲート通路１４は、全体として上向き凸の山形になっており、排気ガスは、いったん斜め上向きの姿勢で第１部分１４ａを通ってから、第２部分１４ｂにおいて斜め下向きに流れ方向を変える。

タービンハウジング４の出口側フランジ２１には、触媒５１を内蔵した触媒ケース５２が継手管５３を介して接続されている。継手管５３は、入口から出口に向けて断面積が徐々に小さくなっており、かつ、先端が下向きになるように曲がっている。触媒ケース５２は、正面視でタービンハウジング４の側に倒れるように傾斜しているが、鉛直姿勢に配置することも可能である。

ウエストゲート通路１４の第２部分１４ｂは斜め下向きに開口しているため、排気ガスは、あまり方向変換することなく、触媒ケース５２に流入する。これにより、排気ガスの放熱を抑制して、特に暖機運転時における触媒５１の早期昇温に貢献できる。そして、ウエストゲート通路１４は、いったん上向きに傾斜してから斜め下向きに方向変換しているため、下向きの傾斜角度θ２をできるだけ大きくして、触媒ケース５２の内部に向かう方向性を高めることができる。この点、本実施形態の特徴の一つである。

また、図１０（Ｂ）に示すように、ウエストゲート通路１４の先端が、タービン１の回転軸心４９の真上に近い位置に配置されているため、排気ガスは、できるだけ触媒ケース５２の中心に向かうように放出される。これにより、排気ガスをできるだけ触媒５１の表面に均等に接触させて、触媒５１の耐久性向上に貢献できる。

図１（Ｂ）に明示するように、タービンハウジング４の出口穴１３ｂは上下長手の小判形に近い形状になっているため、出口通路１３とウエストゲート通路１４とから排出された排気ガスは、あまり干渉することなく合流して触媒ケース５２に流入する。このため、継手管５３への放熱を抑制できるといえる。また、ウエストゲート通路１４の出口の箇所には、ウエストゲートバルブ１５が入り込む弁座凹所５３が形成されており、全閉状態で、排気ガスのリークをしっかりと阻止できる。

ウエストゲート通路１４を構成する第１部分１４ａと第２部分１４ｂとは直角にほぼ曲がっているため、曲がり部の箇所で強い熱を受けるが、この部分は上部ジャケット３３で囲われているため、異常昇温を阻止して熱ひずみの発生を抑制できる。

なお、触媒ケース５２を更に水平に近い姿勢に配置して、排気ガスが触媒５１にダイレクトに当たるように設定することも可能である。また、第２部分１４ｂの傾斜角度θ２を更に大きくしてもよい。

ウエストゲート通路を姿勢が相違する上流側部分と下流側部分とで構成して、上流側部分を斜め上向きに傾斜させて下流側部分を斜め下向きに傾斜させることは、ウエストゲート通路を入口通路から略真横に分岐させたタイプにも適用できる。すなわち、実施形態の第１部分１４ａを、入口通路９から真横かそれに近い姿勢で横向きに形成したタイプについても適用できる（この場合は、ウエストゲート通路、平面視ではほぼ直線状の形態になる。）。

本願発明は、実際に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回転軸
２タービン
４タービンハウジング
４ｂ入口筒部
４ｃサイド張り出し部
７タービン室
８タービン側スクロール室
９入口通路
１３出口通路
１３ｂ出口穴
１４ウエストゲート通路
１４ａ第１部分
１４ｂ第２部分
１５ウエストゲートバルブ
３１冷却水ジャケット
５１触媒
５２触媒ケース
５３継手管

Claims

タービンハウジングに、排気ガスにてタービンを回転駆動するスクロール室と、前記スクロール室の上部に連通した入口通路と、前記スクロール室を通過した排気ガスが排出される出口穴と、前記前記入口通路から分岐して前記出口穴に向けて開口したウエストゲート通路とを形成しており、前記出口穴に触媒ケースが接続される構成であって、
前記ウエストゲート通路は、前記入口通路の下流方向に向きつつ斜め上向きの姿勢で前記入口通路から分岐したのち、前記タービンの回転軸心方向に向きを変えて斜め下向きの姿勢で前記出口穴の方向に開口している、
排気ターボ過給機。