JP6975071B2 - 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。

排気ターボ過給機では、タービン翼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。このため、タービンハウジングは特殊鋼で構成されていることが多いが、かくすると、重量増大、コスト増大という問題がある。そこで、軽量化しつつ耐熱性を確保するために、タービンハウジングをアルミ等の軽合金製としつつ冷却水ジャケットを設け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、タービン翼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、両者の間に位置して回転軸を回転自在に保持する軸受けハウジング（センターハウジング）とを有しているが、特許文献１は、これら３つのハウジングをアルミで一体に鋳造して、各ハウジングに冷却水ジャケットを形成している。

国際公開ＷＯ２０１４／１０３５７０号公報

さて、タービンハウジングには、タービン翼の外周外側には排気ガスが流れるタービンスクロール室が形成されていると共に、タービン翼の回転軸心方向に開口した排気出口孔が形成されており、タービンスクロール室に流入した排気ガスは、タービンスクロール室に沿って周方向に流れつつ、タービン翼を駆動する仕事をして排気出口孔に流出する。

そこで、タービン翼は、回転軸心と直交した方向から見て略台形の形態を成しており、タービン翼の外周部の外側には、タービンスクロール室と排気出口孔との連接部となるシュラウド部が形成されており、タービン翼とシュラウド部との間には、タービン翼とシュラウド部の干渉を避けるためのわずかな隙間が形成されている。正確には、タービン翼の外周部がタービンハウジングのシュラウド部に入り込んでおり、タービンハウジングのシュラウド部のうち排気出口孔に寄った部位とタービン翼との間に、タービン翼とシュラウド部の干渉を避ける若干の隙間が空いている（タービン翼とシュラウド部との間の隙間を適正な値に設定することは、排気ターボ過給機の性能を確保する上で非常に重要である。）。

従って、タービンハウジングのシュラウド部内径（最小径）はタービン翼の外径（最大径）よりも小さくなっている。このような特性により、従来は、タービンハウジングと軸受けハウジングとを別部材で構成して、タービン翼と軸受けハウジングとの間にタービンスクロール室を形成しており、排気ターボ過給機の組み立てに当たっては、タービン翼をセットしてから、タービンハウジングと軸受けハウジングとを固定している。

他方、特許文献１でも、タービンハウジングのシュラウド部内径（最小径）はタービン翼の外径（最大径）より小さくなっているが、タービンハウジングと軸受けハウジングとを一体化すると、タービン翼をタービンハウジングに嵌め入れることはできず、製造不能である。

この点については、タービンハウジングの排気出口孔に、タービン翼の外径よりも大径（或いは同径）のシュラウドピースを装着して、シュラウドピースによってタービンハウジングのシュラウド部を構成したらよいといえる。

本願発明は、このような知見に基づいて成されたものであり、シュラウドピースを使用することにより、タービンハウジングと軸受けハウジングとを一体化することを実現するにおいて、シュラウドピースの取付けの容易性や排気ガス流路の寸法精度の向上を図ろうとするものである。

本願発明の排気ターボ過給機は、
「タービン翼が回転自在に配置されたタービンハウジングと、前記タービン翼に固定された回転軸を保持する軸受けハウジングとが一体化されており、
前記タービンハウジングには、排気ガスで前記タービン翼を駆動するためのタービンスクロール室が、前記タービン翼を囲うように形成されていると共に、前記タービン翼を駆動した排気ガスが排出される排気出口孔が、前記回転軸の軸心方向に向けて開口しており、
更に、前記排気出口孔に、円筒状のシュラウドピースが、その先端面を前記タービン翼の外周部と対向させた状態で装着されている」
という基本構成になっている。

そして、上記基本構成において、
「前記シュラウドピースと排気出口孔とに、前記シュラウドピースをねじ込みによって取り付けるための螺合部と、前記螺合部よりも前記タービン翼の側に位置した部位において密嵌する嵌合部とを形成していて、
前記嵌合部は、前記タービン翼に向けて窄まったテーパ状に形成されている」
という構成が付加されている。
本願発明は請求項２の構成も含んでおり、この発明は、請求項１において、
「前記シュラウドピースのうちねじ込み方向を向いて後端に位置した箇所にフランジを形成されている一方、前記排気出口孔に、前記シュラウドピースのフランジが当接するストッパー面を形成している」
という構成になっている。

シュラウドピースが圧入式であると、斜め打ちによってカジリ現象が生じることが有り得るが、本願発明では、シュラウドピースはねじ込み式になっているため、排気出口孔と同心の状態に正確に取り付けることができる。

また、圧入式では、シュラウドピースの外径と排気出口孔の内径との寸法差が小さいと、摩擦が小さくなって取付け強度が低くなる一方、シュラウドピースの外径と排気出口の内径との寸法差が大きいと、シュラウドピースを圧入できなくなる問題があり、このためシュラウドピースの外径と排気出口孔の内径との寸法精度を厳格に管理する必要があるが、本願発明のシュラウドピースはねじ込み式であってねじ込みトルクは任意に調節できるため、寸法精度を厳格に管理することなく、所定の強度に簡単に取り付けることができる。従って、製造工程や組み付け工程の管理の手間を軽減できる。
また、嵌合部を先窄まりのテーパ状に形成しているため、シュラウドピースのねじ込みによって嵌合部の密着性を強固にできると共に、カジリ防止の確実化や面圧の安定性向上にも貢献できる。

更に、シュラウドピースを取り外すことも簡単にできるため、シュラウドピースの交換やタービン翼の交換も容易である。或いは、個々の排気ターボ過給機ごとにタービン翼との間隔が適正になるようにトリミングしながら組み付けるといったことも可能であり、これにより、精度向上に一層貢献できる。
請求項２の構成では、シュラウドピースは、フランジがストッパー部に当たることによって前進位置が規定されるため、フランジがストッパー部にしっかりと当たることに要するトルクを見込んで、雄ねじと雌ねじとがしっかり噛み合うトルクに設定しておくことにより、シュラウドピースの雄ねじと排気出口孔８の雌ねじとの接触面に、高い伝熱性を確保するのに必要な面圧を確保することができる。

実施形態に係るハウジングを示す図で、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は底面図である。 （Ａ）はハウジングの平面図、（Ｂ）は正面図である。 （Ａ）は右側面図、（Ｂ）は左側面図である。 全体の縦断正面図である。 図４の要部拡大図である。 （Ａ）はシュラウドピースを分離した状態の縦断正面図、（Ｂ）は別例図である。

(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１〜４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Ｈ（図（Ｂ）や図２（Ａ）参照）の排気側面と直交した方向を前後方向として、シリンダヘッドに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４に示すように、排気ターボ過給機は、ねじれた羽根を有するタービン翼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軸受けハウジング（軸受けハウジング）６とを有しており、タービンハウジング４と軸受けハウジング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、タービン翼１を囲うようにタービンスクロール室７が形成されていると共に、タービン翼１の回転軸心方向に開口した排気出口孔８が形成されている。タービンスクロール室７は、タービン翼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、シリンダヘッドＨに向けて開口した入口通路９（図４参照）が連通している。

従って、タービンハウジング４は、タービンスクロール室７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、軸受けハウジング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）Ｈにボルトで固定される入口側フランジ４ｄが形成されている。

また、図４（図１（Ｂ）も参照）に示すように、入口通路９から分岐したウエストゲート通路１０が、軸受けハウジング６と反対側に向けて開口しており、ウエストゲート通路１０と排気出口孔８とは、サイド張り出し部４ｃの内部で連通している。このため、サイド張り出し部４ｃは上下に長い形態になっている。

ウエストゲート通路１０は、図示しないウエストゲートバルブで開閉される。サイド張り出し部４ｃの上端部には、ウエストゲートバルブを駆動する弁軸が嵌まる弁軸孔１１が、上下に貫通した状態に形成されている。従って、サイド張り出し部４ｃの内部のうちその上部は、ウエストゲートバルブの回動を許容するウエストゲート空間１２になっている。なお、ウエストゲートバルブは、コンプレッサハウジング５にブラケットを介して固定されるダイヤフラム式のアクチュエータによって駆動される。

タービンハウジング４のサイド張り出し部４ｃには出口側フランジ１３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１３に触媒ケースが固定される（排気管を固定してもよい。）。

図４に示すように、コンプレッサハウジング５には、吸気入口１４と、コンプレッサ翼２の外側に位置したコンプレッサスクロール室１５とが形成されており、コンプレッサスクロール室１５で加圧された吸気は、排出口１６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１７を介して軸受けハウジング６とボルト１８で連結されている。このため、軸受けハウジング６の端部にはフランジ６ａを形成している。

軸受けハウジング６には、フローティングメタル１９を介して回転軸３を回転自在に保持する軸受け部２０が形成されている。また、軸受けハウジング６には、上向きに開口したオイル供給穴２１と、下向きに開口したオイル排出穴２２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を省略する。

回転軸３の一端部は大径部３ａに形成されており、この大径部３ａがタービン翼１に圧入されている。また、大径部３ａには、タービンハウジング４の軸受け部に摺接するシール材２３（図５，６参照）を装着している。

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。冷却水ジャケットは、軸受けハウジング６の側に位置したインサイドジャケット２５と、排気出口孔８の側に位置したアウトサイドジャケット２６とで構成されており、両者はセンター隔壁２７によって左右に分離している。アウトサイドジャケット２６は、排気出口孔８を囲う内環状部２６ａを有しており、内環状部２６ａの上方に、ウエストゲート空間１２が位置している。従って、ウエストゲート空間１２は、その周囲がアウトサイドジャケット２６で囲われている。

図４に示すように、インサイドジャケット２５とアウトサイドジャケット２６とは下端において連通しており、タービンハウジング４における円形状部４ａの下端には、インサイドジャケット２５及びアウトサイドジャケット２６に向けて冷却水を送る入口ポート２８が、下向きに開口するように形成されている。入口ポート２８には、継手パイプ２９を介してホースが接続されている。

インサイドジャケット２５とアウトサイドジャケット２６とは、上端においても連通している。そこで、タービンハウジング４における入口筒部４ｂの上端部には、インサイドジャケット２５及びアウトサイドジャケット２６の冷却水を排出する出口ポート３０が上向きに形成されている。出口ポート３０には、継手パイプ３１を介してホースが接続されている。

なお、タービンハウジング４は、インサイドジャケット２５とアウトサイドジャケット２６とで左右に分離しているが、それらインサイドジャケット２５とアウトサイドジャケット２６で分離された内側部分と外側部分とは、図示しない複数のリブによって接続されている。

(2).シュラウドピース
さて、タービン翼１は、軸部に複数の羽根を設けた構成であり、正面視で台形状の形態と成すことにより、排気ガスによって駆動されつつ、排気ガスが排気出口孔８に向けて排出されるようになっているが、排気ガスによるタービン翼１の駆動を効率良く行うためには、タービン翼１の外周部がタービンスクロール室７のシュラウド（内周）部７ａに入り込んだ状態になっておらねばならない。一方、タービンハウジング４と軸受けハウジング６とを一体化した構造では、タービン翼１は排気出口孔８の部位から嵌め込まなければ ならない。

そこで、タービン翼１の外径よりも大きい外径のシュラウドピース３２をタービンハウジング４とは別部材として用意して、タービン翼１を排気出口孔８に挿入してから、シュラウドピース３２を装着することによって、タービン翼１と所定の間隔を有するシュラウド部７ａを形成している（厳密には、排気出口孔８もシュラウドピース３２で構成されている。）。なお、コンプレッサ翼２は、ナット３３で回転軸３の他端部に固定されている。

そして、図５，６に示すように、シュラウドピース３２及び排気出口孔８は、タービン翼１に向いた先端側のある程度は、隙間無くきっちりと密嵌する嵌合部３４に形成されて、それよりも後ろの部位には螺合部３５に形成されている。従って、嵌合部３４は、シュラウドピース３２においては円筒になって、排気出口孔８においては孔になっている。また、螺合部３５は、シュラウドピース３２においては雄ねじになって、排気出口孔８においては雌ねじになっている。

シュラウドピース３２のうちねじ込み方向を向いて後端にはフランジ３６が形成されている一方、排気出口孔８には、フランジ３６が当接するストッパー面３７を形成している。フランジ３６の先端とストッパー面３７とは、タービン翼１に向けて小径になるテーパ面に形成されているが、回転軸心と直交した端面に形成することも可能である。シュラウドピース３２の後端面には、回転工具を係合させるための係合孔（図示せず）が、周方向に並んで複数形成されている。

嵌合部３４は、シュラウドピース３２における螺合部３５（雄ねじ部）の谷径よりも少し小径に設定している。従って、シュラウドピース３２では、嵌合部３４は螺合部３５よりも小径の段違いになっている。嵌合部３４は、図５及び図６（Ａ）の例ではストレートに表示しているが、図６（Ｂ）に明示するように、タービン翼１に向けて若干の角度θで窄まったテーパ状に形成されている。

このように、シュラウドピース３２はねじ込み式であるため、発明の効果に記載した効果を奏する。付言すると、シュラウドピース３２をねじ込み式に構成すると、シュラウドピース３２の雄ねじと排気出口孔８の雌ねじとが螺合するが、ねじ込みによる締結力は、雄ねじの追い側フランクが雌ねじに当接することで発生するが、追い側フランクは螺旋状に傾斜しているため、単なる圧入に比べて高い摩擦抵抗を発生させることができる。従って、所定のトルクでねじ込むことにより、離脱しない状態に強固に締結できる。

また、シュラウドピース３２は、フランジ３６がストッパー部３７に当たることで前進位置が規定されるが、フランジ３６がストッパー部３７にしっかりと当たることに要するトルクを見込んで、雄ねじと雌ねじとがしっかり噛み合うトルクに設定しておくことにより、シュラウドピース３２の雄ねじと排気出口孔８の雌ねじとの接触面に、高い伝熱性を確保するのに必要な面圧を確保することができる。これにより、冷却水によるシュラウドピース３２の冷却を確実化できる。

図６（Ｂ）のように、嵌合部３４を先窄まりのテーパ状に形成すると、シュラウドピース３２のねじ込みによって嵌合部３４の密着性を強固にできると共に、カジリ防止の確実化や面圧の安定性向上にも貢献できる。

実施形態では、排気出口孔８の終端はシュラウドピース３２の後端よりも後ろに位置している。このため、シュラウドピース３２の上には、アウトサイドジャケット２６の内環状部２６ａで囲われたはみ出し部３８（図４〜６参照）が存在するが、このはみ出し部３８の存在により、シュラウドピース３２の後端部がウエストゲート通路１０から流れた排気ガスに晒されることを防止できる。従って、シュラウドピース３２の耐久性を向上できる利点がある。

本願発明は、内燃機関の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 タービン翼
２ コンプレッサ翼
３ 回転軸
４ タービンハウジング
４ａ 円形状部
４ｂ 入口筒部
４ｃ サイド張り出し部
５ コンプレッサハウジング
６ 軸受けハウジング
７ タービンスクロール室
７ａ シュラウド部
８ 排気出口孔
２５ インサイドジャケット
２６ アウトサイドジャケット
２８ 入口ポート
３０ 出口ポート
３２ シュラウドピース
３４ 嵌合部
３５ 螺合部
３６ フランジ
３７ ストッパー部

Claims (2)

1. タービン翼が回転自在に配置されたタービンハウジングと、前記タービン翼に固定された回転軸を保持する軸受けハウジングとが一体化されており、
   前記タービンハウジングには、排気ガスで前記タービン翼を駆動するためのタービンスクロール室が、前記タービン翼を囲うように形成されていると共に、前記タービン翼を駆動した排気ガスが排出される排気出口孔が、前記回転軸の軸心方向に向けて開口しており、
   更に、前記排気出口孔に、円筒状のシュラウドピースが、その先端面を前記タービン翼の外周部と対向させた状態で装着されている構成であって、
   前記シュラウドピースと排気出口孔とに、前記シュラウドピースをねじ込みによって取り付けるための螺合部と、前記螺合部よりも前記タービン翼の側に位置した部位において密嵌する嵌合部とを形成していて、
   前記嵌合部は、前記タービン翼に向けて窄まったテーパ状に形成されている、
   排気ターボ過給機。
2. 前記シュラウドピースのうちねじ込み方向を向いて後端に位置した箇所にフランジを形成されている一方、前記排気出口孔に、前記シュラウドピースのフランジが当接するストッパー面を形成している、
   請求項１に記載した排気ターボ過給機。

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