JP6898145B2 - 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ため、タービンハウジングは、出口通路の箇所でも高温に晒されている。しかも、タービンハウジングには、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が形成されているため、出口通路を囲う部分は過酷な熱環境に晒されている。

しかるに、特許文献１では、冷却水ジャケットはスクロール室を囲うように形成されているに過ぎず、出口通路を囲う部分に関する熱害防止対策は成されていない。このため、スクロール室を囲う部分と出口通路を囲う部分との間に大きな温度差が発生して、大きな熱ひずみが発生することが懸念される。

本願発明はこのような現状に鑑み成されたものであり、熱ひずみの発生を大きく抑制できる水冷式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、請求項１のとおり、
「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排出する出口通路とが形成されており、
前記入口通路は、前記タービンの回転軸心と直交した方向に開口している一方、
前記出口通路は、前記タービンの回転軸心の方向に開口しており、
前記入口通路と出口通路とは、ウエストゲートバルブを内蔵したウエストゲート通路によって連通している構成であって、
前記出口通路を囲う冷却水ジャケットと前記ウエストゲート通路を囲う冷却水ジャケットとが、一体に連続した状態に形成されている」
というものである。

排気ターボ過給機において、ウエストゲート通路は、出口通路に向かって開口していたり、出口通路とウエストゲート通路とが共通した出口に向かっていたりしていることが普通であるが、本願発明では、冷却水ジャケットは、両者を全体的に囲うように形成されている。なお、冷却水ジャケットは、途切れることなく全周にわたってループ状に形成されている必要はないのであり、補強等のために隔壁で分断されているなど、非連続の状態であってもよい。

本願発明では、排気ガスに晒されて過酷な熱環境を受ける出口通路の部分とウエストゲート通路の部分とを冷却水で冷却できるため、スクロール室を囲う冷却水ジャケットや入口通路を囲う冷却水ジャケットと併用することにより、タービンハウジングの熱変形の度合いをできるだけ均等化して、熱ひずみの発生を大幅に抑制できる。従って、タービンハウジングのアルミ化（すなわち排気ターボ過給機の軽量化）にも大きく貢献できる。

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）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。 図３及び図５（Ａ）の X-X視断面図である。

(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１の回転軸心方向に開口し、入口通路９は平面視でタービン１の回転軸心と直交した方向（タービン１の回転円周の接線方向）に開口している。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の側に近づくように、正面視で鉛直面に対して前傾している。

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に連結されている。

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。

(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、左右一対ずつの横長の前後隔壁３２ａ，３２ｂにより、上部ジャケット３３と下部ジャケット３４とに分かれており、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を挟んで左右に分かれている。

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、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。

タービンハウジング４の円形状部４ａ及び入口筒部４ｂは、左右一対の前後隔壁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。

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の側に位置した部位が、中間ハウジング６ の側に位置した部位よりも体積（容積）が遥かに大きくなっている。

また、図３や図８（Ｂ）、図１０に示すように、出口通路１３とウエストゲート通路１４とは、冷却水ジャケット３３，３４によってほぼ全周が囲われている。換言すると、タービンハウジング４のサイド張り出し部４ｃに、冷却水ジャケット３３，３４が、出口通路１３とウエストゲート通路１４とからなる空間を囲うように形成されている。更に換言すると、冷却水ジャケット３３，３４は、出口穴１３ｂに向けて延長形成されている。
例えば図５（Ｂ）に示すように、冷却水ジャケット３３，３４について、出口通路１３及びウエストゲート通路１４を囲っている部分を符号３３ａ，３４ａで表示している。なお、図１０において符号４７で示すのは、ウエストゲートバルブの支軸１９（図２（Ｂ）参照）が嵌まる筒状ボス部である。

サイド張り出し部４ｃは過酷な熱環境に晒されるが、冷却水ジャケット３３ａ，３４ａが形成されているため、的確に冷却して熱ひずみの発生を大幅に抑制できる。この場合、本実施形態では、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。

図８に示すように、上下の冷却水ジャケット３３，３４の連通部３５，３６は、外向きに開口した空洞部４０にプラグ４１をねじ込むことによって形成しており、プラグ４１のねじ込み深さを調節して、連通部３５，３６の奥行き寸法を調節することにより、連通部３５，３６を流れる冷却水の流量を調節できる。空洞部４０はボス部４１ａに形成している。

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。

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。

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。

なお、タービンハウジング４の出口側フランジ２１には、図示しない触媒ケースが継手管を介して接続される。この場合、出口側フランジ２１が下向きに傾斜しているため、排気ガスを、継手管にあまり接触させずに触媒に当てることができる。このため、暖機運転時に触媒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
１３ 出口通路
１３ｂ 出口穴
１４ ウエストゲート通路
２１ 出口側フランジ
３１ 冷却水ジャケット
３３ 上部冷却水ジャケット
３２ａ，３２ｂ 冷却水ジャケットを上下に区分する隔壁
３３ａ 上部冷却水ジャケットのうち出口通路及びウエストゲート通路を囲う部分
３４ 下部冷却水ジャケット
３４ａ 下部冷却水ジャケットのうち出口通路及びウエストゲート通路を囲う部分
３７ 冷却水入口
３８ 冷却水出口

Claims (1)

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を排出する出口通路とが形成されており、
   前記入口通路は、前記タービンの回転軸心と直交した方向に開口している一方、
   前記出口通路は、前記タービンの回転軸心の方向に開口しており、
   前記入口通路と出口通路とは、ウエストゲートバルブを内蔵したウエストゲート通路によって連通している構成であって、
   前記出口通路を囲う冷却水ジャケットと前記ウエストゲート通路を囲う冷却水ジャケットとが、一体に連続した状態に形成されている、
   排気ターボ過給機。

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