JP6853102B2 - 排気ターボ過給機 - Google Patents

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。

内燃機関に使用する排気ターボ過給機では、タービンが配置されているタービンハウジングが高温の排気ガスに晒される。そこで、タービンハウジングに冷却水ジャケットを形成して水冷式とすることが提案されており、その例が特許文献１に開示されている。

排気ターボ過給機は、タービンが配置されたタービンハウジングと、コンプレッサ翼が配置されたコンプレッサハウジングと、両者の間に位置した中間ハウジングとを有しているが、特許文献１では、冷却水ジャケットはタービンハウジングのみに形成されており、冷却水ジャケットは、スクロール室の外側の部位と、スクロール室に排気ガスを送り込む入口通路の周囲とに、一体に連続した状態で、又は互いに分離した状態で形成されている。この特許文献１では、タービンハウジングをアルミ製として軽量化することも開示されている。

特開２０１６−７５２８７号公報

さて、排気ターボ過給機では、排気ガスは、タービンを駆動してから出口通路から排出されるが、入口通路と出口通路とは方向が交差しており、かつ、排気ガスを入口通路から出口側に逃がすウエストゲート通路も形成されているため、加熱の態様は一様ではなく、ウエストゲート通路を中心にした部分が最も高温になる。

従って、最も高温になる部分に冷却水が多く当たるように、冷却水ジャケットの形態を配慮すべきであるが、特許文献１では、スクロール室を挟んでコンプレッサ側に位置したエリアの容積と、出口通路の側に位置したエリアの容積は殆ど同じであり、従って、タービンハウジングを的確に冷却できるか否か、問題があると思料される。

また、冷却水で冷却する場合、冷却水ジャケットの内部を冷却がどのように流れるかも重要であり、従って、冷却水入口と冷却水出口の位置関係も重要な設計要素であるが、特許文献１には、冷却水入口と冷却水出口とに関し、冷却性能を高めるための記載は見当たらない。

本願発明はこのような現状に鑑み成されたものであり、加熱の態様に応じて的確に冷却できる排気ターボ過給機を提供せんとするものである。

本願発明に係る排気ターボ過給機は、
「タービンが回転自在に配置されたハウジングに、前記タービンを排気ガスで駆動するためのスクロール室と、前記スクロール室に排気ガスを送り込む入口通路と、前記タービンを駆動した排気ガスが排出される出口通路と、少なくとも前記スクロール室を囲う冷却水ジャケットとが形成されており、
前記入口通路は前記タービンの外接円の接線方向に向かい、前記出口通路はタービンの回転軸心方向に向かっている一方、
前記冷却水ジャケットは、前記スクロール室を挟んで出口通路の側に広がるアウトサイドエリアと、前記スクロール室を挟んで出口通路と反対側に広がるインサイドエリアとを有し、前記アウトサイドエリアの容積がインサイドエリアの容積よりも大きくなって
いる」
という基本構成である。

そして、上記基本構成において、
「前記ハウジングのうち前記出口通路が開口していて排気系部材が接続される出口側端面は、前記タービンの回転軸心方向から見て前傾した傾斜面になっている一方、
前記冷却水ジャケットのうちアウトサイドエリアは、上に行くに従ってスクロール室からタービンの軸心方向に遠ざかっていて、前記アウトサイドエリアの上部に冷却水出口を設けており、冷却水ジャケットの下部に設けた冷却水入口と前記冷却水出口とが、前記タービンの回転軸心方向にオフセットされている」
という特徴を備えている。

本願発明では、冷却水ジャケットは、インサイドエリアよりもアウトサイドエリアの容積が大きいため、冷却水はアウトサイドエリアに多く流れる。このため、入口通路と出口通路とで挟まれていてウエストゲート通路が存在する部位が、多くの冷却水に晒されて的確に冷却される。従って、タービンハウジングの全体をできるだけ均等に冷却して、熱ひずみの発生を大幅に抑制できるのであり、結果として、タービンハウジングのアルミ化にも大きく貢献できる。

タービンハウジングの出口側端面に接続される排気系部材としては、触媒を内蔵した触媒ケースが好ましいが、本願発明のようにタービンハウジングの出口側端面を前傾した傾斜面に形成すると、高温の排気ガスを触媒にスムースに当てることが可能になるため、特に暖機運転時の触媒の早期活性化を図ることができる。

そして、ハウジングタービンの出口側端面を前傾させると、出口側端面の上端に行くに従って高温になるが、本願発明では、冷却水ジャケットのアウトサイドエリアは、上に行くに従ってスクロール室から離れるようにタービンの軸心方向に遠ざかっていて、しかも、アウトサイドエリアの上部に冷却水出口を設けているため、タービンハウジングのうち出口側端面の上側の部位は冷却水の強い流れに晒されて、しっかりと冷却される。

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）は正面図である。 図２（Ａ）のIII-III 視断面図である。 （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。 触媒ケースを取付けた状態での縦断正面図である。

(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、これと直交すると共にシリンダヘッドの排気側面と直交した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。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１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、タービン１の外接円に接する方向に延びる姿勢で連通している。

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には、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を装着している。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。）。排気ガスが排出される出口穴１３ｂは、斜め下向きに開口している。出口側フランジ２１は、下に行くほどタービン１の側にずれるように、正面視で鉛直面に対して前傾している。出口側フランジ２１の端面が請求項に記載した出口側端面であり、従って、実質的には、出口側フランジ２１と出口側端面とは同じになっている。

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、図４以下の図面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、左右の横長隔壁３２ａ，３２ｂにより、上下に分かれた上部ジャケット３３と下部ジャケット３４とを有しており、これら上下ジャケット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とによって連通している。隔壁３２ａ，３２ｂは、概ねタービン側スクロール室８を挟んで前後に分かれている。

そして、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、冷却水入口３７及び冷却水出口３８は、継手筒３７ａ，３８ａを介してホースに接続されている。

円形状部４ａ及び入口筒部４ｂは左右の隔壁３２ａ，３２ｂで内外の部分が繋がっているので、排気ガスが流れる内部は安定的に保持されており、全体として高い剛性が確保されている。また、連通部３５，３６は前後に分かれているので、冷却水は上下ジャケット３３，３４の全体をまんべんなく流れて冷却水出口３８から排出される。従って、タービンハウジング４の全体をできるだけ均等に冷却して、熱ひずみの発生を大幅に抑制できる。

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おり、下から送られた冷却水は、途中で淀むようなことなく、冷却水出口３８に集められて確実に排出される。この点、本実施形態の利点の一つである。例えば図６（Ｂ）において、上部ジャケット３３の上向き突出部に符号３３ａを付している。

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、タービン側スクロール室８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、タービン側スクロール室８よりも出口通路１３及びウエストゲート通路１４の側に偏って配置されており、両者は左右方向に離れている（オフセットされている）。

図３、図４（Ｂ）、図５（Ｂ）などに示すように、上下冷却水ジャケット３３，３４は出口通路１３及びウエストゲート通路１４の側が、中間ハウジング６の側よりも体積（容積）が遥かに大きくなっている。すなわち、タービン側スクロール室８を左右に分断する平面を基準平面Ｑとして、冷却水ジャケット３３，３４のうち、基準平面Ｑを挟んで出口通路１３の側に位置した部分をアウトサイドエリア、基準平面Ｑを挟んで中間ハウジング６の側に位置した部分をインサイドエリアとすると、アウトサイドエリアの容積がインサイドエリアの容積よりも遥かに大きくなっている。

このため、図３のように正断面視で見ても、図４（Ｂ）のように平面視で見ても、図８（Ｂ）のように平断面視で見ても、みな同じで、アウトサイドエリアの容積がインサイドエリアの容積よりも大きくなっている。図６（Ｂ）の状態でも、アウトサイドエリアの容積がインサイドエリアの容積の２倍以上あることは理解できるので、冷却水ジャケット３１の全体として見ると、アウトサイドエリアの容積はインサイドエリアの容積の数倍以上ある。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。

また、例えば図３に示すように、出口側フランジ２１は前傾しているため、冷却水ジャケット３３，３４も、上に行くほど、タービン１から（或いはタービン側スクロール室８から）その回転軸心方向に沿って外側にずれており、タービン１から最もずれた端部に冷却水出口３８が形成されている。従って、冷却水は、サイド張り出し部４ｃを的確に冷却水しつつ淀みなく上向きに流れて、冷却水出口３８から排出される。すなわち、冷却水がよどみなく冷却水出口３８に収束する傾向を呈するのであり、このようなスムースな流れにより、タービンハウジング４を的確に冷却できる。

さて、タービンハウジング４はアルミを素材にして鋳造されているが、鋳造のための鋳型は、排気ガスの通路に相当する部分を形成する中子と、冷却水ジャケット３１を形成するための中子とを有しており、上部ジャケット３３を形成するための中子と下部ジャケット３４を形成するための中子とは、前端部の１か所と、後端部の左右両側部とにおいて円柱状の接続部を介して接続されており、接続部の端面は、鋳型の外面に露出している。これにより、中子は安定した状態に保持されている。前端部の接続部は前向きで、後端の接続部は左右外向きになっている。

そして、上下中子の接続部はその端面が鋳型の外側に露出しているため、出来上がった製品においては、上下の中子の接続部の箇所は円形の空洞部４０として外側に開口しており、空洞部４０の箇所は筒状のボス４０ａになっている。そこで、図８に示すように空洞４０をプラグ４１で塞いでいるが、プラグ４１を奥までねじ込みきらずに途中で止めることによって、連通部３５，３６を形成している。

また、本実施形態では、ねじ式のプラグ４１の嵌め込み深さ（ねじ込み深さ）を調節して、連通部３５，３６の奥行き寸法Ｌを調節することにより、各連通部３５，３６を流れる冷却水の量を制御できる。このため、フロント連通部３５の流量とリア連通部３６の流量とを調整したり、冷却水ジャケット３１の全体を流れる冷却水の量を調整したりすることを、特別の部材を要することなく実現できる。

実施形態では、左右２つのリア連通部３６のうち、サイド張り出し部４ｃのものを大径に設定して、サイド張り出し部４ｃの箇所で水量が多くなるように設定している。このため、受熱量が大きいサイド張り出し部４ｃを的確に冷却できる。

図４（Ｂ）や図８（Ａ）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補助リブ４２，４３を設けている。このため、タービン１の保持部は高い剛性が確保されていて、タービン１の正確な回転を確保できる。また、リブ４２，４３には、水流を左右に分ける整流機能も保持させ得るため、冷却水の流れのスムース化にも貢献できる。更に、リブ４２，４３は放熱の機能も発揮するため、熱の籠もりを抑制できる利点もある。

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、冷却水ジャケット３１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。この冷却水ジャケット３１の形態に呼応して、タービン側スクロール室８を挟んで後ろに位置した後部隔壁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の後半部の上面は、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。このため、冷却水に気泡が含まれていたり、冷却水が沸騰して気泡が発生したりしても、気泡を速やかに排除できる。従って、さらに高い冷却性を確保できる。連通穴４４はドリル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。

既に述べたが、図８に示すように、タービン側スクロール室８は始端から終端に向けて、タービン１の回転軸心からの距離が徐々に小さくなっている。このため、入口通路９とタービン側スクロール室８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、舌部４６の上近傍に２つの空気抜き穴用連通穴４４が配置されているため、舌部４６の近傍部において冷却水への熱交換（冷却性能）が高くなっている。このため、舌部４６の昇温を抑制して、信頼性を向上できる。

また、図９に示すように、入口通路９とウエストゲート通路１４とは左右に並んでおり、両者の間に隔壁３２ａ，３２ｂの片側が位置しているが、本実施形態のように、後部隔壁３２ｂに空気抜き穴用連通穴４４を空けると、ウエストゲート通路１４の箇所からの伝熱も抑制できるため、舌部４６の熱害保護手段として一層有益である。

図１０に示すように、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の終端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。

以上、本願発明の実施形態を説明したが、本願発明は他にも様々に具体化できる。例えば、冷却水ジャケットの形態は、タービンハウジングの形状等に応じて適宜設定できる。中間ハウジングは、タービンハウジングとは別体であってもよい。

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 タービン
２ コンプレッサ翼
３ 回転軸
４ タービンハウジング
４ｃ サイド張り出し部
６ 中間ハウジング
８ タービン側スクロール室
９ 入口通路
１４ ウエストゲート通路
２１ 出口側フランジ（出口側端面）
３１ 冷却水ジャケット
３３ 上部ジャケット
３４ 下部ジャケット
３５，３６ 連通部
３７ 冷却水入口
３８ 冷却水出口
５２ 排気系部材の一例としての触媒ケース

Claims (2)

1. タービンが回転自在に配置されたハウジングに、前記タービンを排気ガスで駆動するためのスクロール室と、前記スクロール室に排気ガスを送り込む入口通路と、前記タービンを駆動した排気ガスが排出される出口通路と、少なくとも前記スクロール室を囲う冷却水ジャケットとが形成されており、
   前記入口通路は前記タービンの外接円の接線方向に向かい、前記出口通路はタービンの回転軸心方向に向かっている一方、
   前記冷却水ジャケットは、前記スクロール室を挟んで出口通路の側に広がるアウトサイドエリアと、前記スクロール室を挟んで出口通路と反対側に広がるインサイドエリアとを有し、前記アウトサイドエリアの容積がインサイドエリアの容積よりも大きくなっている構成であって、
   前記ハウジングのうち前記出口通路が開口していて排気系部材が接続される出口側端面は、前記タービンの回転軸心方向から見て前傾した傾斜面になっている一方、
   前記冷却水ジャケットのうちアウトサイドエリアは、上に行くに従ってスクロール室からタービンの軸心方向に遠ざかっていて、前記アウトサイドエリアの上部に冷却水出口を設けており、冷却水ジャケットの下部に設けた冷却水入口と前記冷却水出口とが、前記タービンの回転軸心方向にオフセットされている、
   排気ターボ過給機。
2. 前記ハウジングのうち前記出口通路が開口していて排気系部材が接続される出口側端面は、前記タービンの回転軸心方向から見て前傾した傾斜面になっている一方、
   前記冷却水ジャケットのうちアウトサイドエリアは、上に行くに従ってスクロール室からタービンの軸心方向に遠ざかっていて、前記アウトサイドエリアの上部に冷却水出口を設けており、冷却水ジャケットの下部に設けた冷却水入口と前記冷却水出口とが、タービンの回転軸心方向にオフセットされている、
   請求項１に記載した排気ターボ過給機。

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