JP6975072B2 - 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。そこで、タービンハウジングや軸受けハウジングが熱害を受けることを抑制するため、タービンハウジングに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、これらタービンハウジングとコンプレッサハウジングとの間に位置して回転軸を軸支する軸受けハウジング（中間ハウジング）とを備えているが、特許文献１では、タービンハウジングと軸受けハウジングとは別体に構成されており、タービンハウジングに形成された冷却水通路は、隔壁により、軸受けハウジングの側に位置した部分と、軸受けハウジングと反対側に位置した部分とに区分されている。

また、排気ターボ過給機は、シリンダヘッドに固定されるフランジを備えているが、特許文献１では、冷却水入口ポートと冷却水出口ポートとはフランジの近くに位置しており、冷却水入口ポートは軸受けハウジングの側に位置して、冷却水出口ポートが軸受けハウジングと反対側に位置している。

特許文献１では、冷却水が冷却水入口ポートから冷却水通路に対してどのような態様で流入しているのか明確でないが、タービンハウジングの熱が軸受けハウジングに伝わることを抑制するという目的からして、冷却水は、隔壁で区分された両側のうち、軸受けハウジングに近い部分に流入させてから、軸受けハウジングと反対側の部分に流入させるように構成していると推測される。

実開昭５８−１５２５２８号のマイクロフィルム

さて、タービンハウジングは排気ガスによって高温になるが、排気出口孔が軸受けハウジングと反対側に開口していることと、ウエイストゲート通路が軸受けハウジングと反対側に形成されていることとにより、軸受けハウジングと反対側の部分の受熱量が圧倒的に多い。従って、タービンハウジングは、軸受けハウジングと反対側の部分を強く冷却する要請が高いが、特許文献１では、このような要請に的確に応えているとは言い難い。

また、タービンハウジングの冷却に当たっては、全体の熱膨張ができるだけ均等になるように冷却して、熱ひずみが発生しないように考慮すべきであるが、特許文献１は、かかる考慮もなされているとは言い難い。

本願発明はこのような現状に鑑み成されたものであり、水冷式のタービンハウジングにおいて、受熱量に応じてできるだけ均等に冷却できるようにした冷却構造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、
「タービン翼が回転自在に配置されたタービンハウジングに、前記タービン翼を駆動する排気ガスが流れる単一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、前記タービンスクロール室を経由した排気ガスが排出される排気出口孔が、前記タービン翼の回転軸心方向に開口するように形成されており、
更に、前記タービンハウジングには、前記排気出口孔と反対側から前記タービンスクロール室を覆うインサイドジャケットと、前記排気出口孔の側から前記タービンスクロール室を覆うアウトサイドジャケットとが、単一の隔壁を介して分離するように形成されている」
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、
「前記タービンハウジングに、前記インサイドジャケットとアウトサイドジャケットとに連通した冷却水入口ポートが、当該冷却水入口ポートの軸心方向から見て、前記アウトサイドジャケットの開口面積が前記インサイドジャケットの開口面積よりも大きくなるようにして形成されている」
という構成が付加されている。

本願発明は請求項２の構成も含んでいる。この請求項２は、請求項１において、
「前記インサイドジャケット及びアウトサイドジャケットは、前記タービンスクロール室の上流側に位置した入口通路を囲う部分を有して、前記入口通路よりも高い位置において冷却出口ポートに集合しており、
前記隔壁は、前記入口通路の上に位置した上側部分と、これに連続して前記タービンスクロール室を囲う下側部分とを有し、前記上側部分の高さ又は厚さが前記下側部分の高さ厚さよりも小さくなるように設定している」
という構成になっている。

本願発明では、冷却水は冷却水入口ポートからインサイドジャケットとアウトサイドジャケットとに送水されるが、冷却水入口ポートに対する開口面積は、インサイドジャケットよりもアウトサイドジャケットの方が大きいため、冷却水はアウトサイドジャケットに向けて多く流れる。

そして、アウトサイドジャケットは、タービンハウジングのうち受熱量が大きい排気出口孔の部分やウエイストゲート通路の部分をカバーしているため、受熱量が多い部分を適切に冷却できると共に、隔壁を挟んだ両側での温度差をできるだけ小さくして、熱ひずみの発生も防止又は著しく抑制できる。

また、冷却水入口ポートからインサイドジャケットとアウトサイドジャケットとに流れる冷却水の割合を制御するだけの簡単な構造であるため、コストアップを招来することはない。従って、コストをかけることなく冷却水の冷却機能をフルに発揮させて、タービンハウジングの冷却性能を格段に向上させることができる。

本願発明において、請求項２のように、隔壁の高さ又は幅寸法（厚さ）を、冷却水入口ポートからタービンスクロール室の始端部のあたりまで大きくして、それよりも下流側の部分（排気ガスがタービンスクロール室に向けて直進する入口通路の部分）においては小さくすることが可能である。

タービンスクロール室を囲う部分は、インサイドジャケット及びアウトサイドジャケットにより、内外のシェル体に分離しており、内外のシェル体は隔壁で連結されているが、上記のように、隔壁の高さ又は幅寸法を、冷却水入口ポートからタービンスクロール室の始端部の近傍部まで大きくすると、まず、内外のシェル体の連結強度が高くなるため、タービンハウジングの全体の剛性を向上させることができる。

また、隔壁の高さ又は幅寸法を大きくすると、それだけジャケットの容積が小さくなるため、ジャケットを流れる冷却水の流量を抑制して、タービンハウジングの過冷却を抑制することが可能になる。

そして、冷却水の流れ方向から見てタービンスクロール室よりも下流側は、排気ガスの流れから見ると上流側になっており、この部位では最も高温の排気ガスに晒されるため熱負荷が大きいが、この部位では隔壁の幅は狭くなっているため、ジャケットの内面に対する冷却水の接触面積をできるだけ大きくして、冷却性能を向上できる。

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。 一部破断正面図である。 冷却水ジャッケトを示す図で、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は側面図である。

(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１〜４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、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Ｈ（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から分岐したウエイストゲート通路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、ウエイストゲート通路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。

ウエイストゲート通路１０は、図示しないウエイ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、ウエイ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、ウエイストゲートバルブの回動を許容するウエイストゲート空間１２になっている。なお、ウエイストゲートバルブは、コンプレッサハウジング５に設けたダイヤフラム式のアクチュェ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５参照）を装着している。

図４，５のとおり、排気出口孔８には、タービンスクロール室７の内周部を構成するシュラウドピース２４が装着されている。すなわち、タービンスクロール室７の内径はタービン翼１の外径よりも小さいため、タービン翼１の嵌め込みを許容しつつタービンスクロール室７を形成するために、別部材のシュラウドピース２４を後付けている。

(2).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。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、タービンスクロール室７と入口通路９を左右に二分するように延びるセンター隔壁２７（請求項の隔壁）によって左右に分離している。

図４，５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冷却水入口ポート２８が、下向きに開口するように形成されている。冷却水入口ポート２９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に連通した冷却水出口ポート３０が上向きに形成されている。冷却水出口ポート３０には、継手パイプ３１を介してホースが接続されている。

ジャケット２５，２６のうち特にアウトサイドジャケット２６の形態は、図７において明示している。この図に示すように、アウトサイドジャケット２６は、タービンスクロール室７を囲う第１部分２６ａと、ウエイストゲート通路１０を囲う第２部分２６ｂと、排気出口孔８を囲う第３部分２６ｃと、入口通路９を片側から囲う第４部分２６ｄとを有しており、隣り合った部分は互いに連通している。冷却水入口ポート２８は第１部分２６ａの下端に連通しており、冷却水出口ポート３０は第４部分２６ｄの上端に連通している。

図５や図６に示すように、センター隔壁２７は、アウトサイドジャケット２６の第１部分２６ａの箇所では、軸受けハウジング６の側に（インサイドジャケット２５の側に）ずれている。他方、冷却水入口ポート２８は、タービンスクロール室７を左右に二分する位置に設けている。このため、センター隔壁２７のうち冷却水入口ポート２８に露出した部位は、軸受けハウジング６の側にずれるようにオフセットされている。

従って、図１（Ｂ）に明示するように、冷却水入口ポート２８の軸心方向から見て、アウトサイドジャケット２６の開口面積が、インサイドジャケット２５の開口面積よりも大きくなっている（或いは、インサイドジャケット２５の開口面積が、アウトサイドジャケット２６の開口面積よりも小さくなっている。）。

更に、センター隔壁２７のうち、アウトサイドジャケット２６の第１部分２６ａに位置した部位（便宜的に、この部分を下側部分２７ａと呼ぶ）の左右方向の幅寸法（厚さ）Ｔ１は、アウトサイドジャケット２６のうち第４部分２６ｄに位置した部分（便宜的に、この部分を上側部分２７ｂと呼ぶ）の厚さＴ２よりも大きくなっており、かつ、第１部分のＴ１は、冷却水入口ポート２８から下流側に向けて徐々に大きくなっている。Ｔ１はＴ２の数倍の大きさになっている。

図６に明示するように、センター隔壁２７の下側部分２７ａは、その全体が円形状部４ａの左右中心線Ｏに対して軸受けハウジング６の側にオフセットされており、上側部分２７ｂは、左右中心線Ｏの上を通っている。但し、下側部分２７ａも左右中心線Ｏの上に位置させて、冷却水入口ポート２８の箇所でのみ、センター隔壁２７を軸受けハウジング６の側にずらしてもよい（左右中心線Ｏの全体の態様は、図２（Ａ）にも表示している。）。

図７に示すように、センター隔壁２７の高さは、下側部分２７ａの箇所での高さＨ１が上側部分２７ｂの高さＨ２よりも高くなっている。従って、ジャケットの通路の断面積は、第４部分２６ｄよりも第１部分２６ａの方が大きくなっている。図７に示すように、アウトサイドジャケット２６の第１部分２６ａの上部には、下方から流れてきた冷却水が第３部分に向けて多く流れるように方向付ける整流リブ３２を設けている。

なお、図７に一点鎖線で示すように、タービンハウジング４の円形状部４ａに円形のダミー通路３３が形成されているが、これは、タービンハウジング４を鋳型で鋳造するにおいて、中子型を安定させるためのものであり、冷却水の流れには寄与しておらず、プラグで塞がれている。

タービンハウジング４は、大まかには、冷却水ジャケット２５，２６によってインナーシェルとアウターシェルとに分かれており、内外のシェル体はセンター隔壁２７によって接続されているが、内外のシェル体は、センター隔壁２７のみによって接続されている訳ではなく、複数箇所においてブリッジ状リブ（図示せず）で接続されており、これにより、必要な剛性を確保している。

(3).まとめ
さて、タービンハウジング４は排気ガスによって昇温するが、排気出口孔８やウエイストゲート通路１０を設けている部位（サイド張り出し部４ｃの部位）が特に排気ガスによる受熱量が大きい。従って、サイド張り出し部４ｃの側をより強く冷却する必要がある。

そして、本実施形態では、冷却水入口ポート２８に送られた冷却水は、インサイドジャケット２５とアウトサイドジャケット２６とに分かれて流れ込むが、冷却水入口ポート２８においてアウトサイドジャケット２６の開口面積がインサイドジャケット２５の開口面積よりも大きいため（すなわち、センター隔壁２７が、冷却水入口ポート２８に露出した部位において軸受けハウジング６の側にオフセットされているため）、冷却水は、インサイドジャケット２５よりもアウトサイドジャケット２６に多く流れていく。

従って、タービンハウジング４のうち、受熱量が大きいサイド張り出し部４ｃの側を強く冷却できる。その結果、タービンハウジング４がアルミ製であっても、温度上昇を耐用限度内に抑えて、高い耐久性・実用性を確保することができる。

また、タービンハウジング４のうちタービンスクロール室７を有する円形状部４ａは、タービン翼１及び回転軸３が回転するため高い寸法精度を維持する必要があり、そのためには高い剛性が必要であるが、本実施形態では、センター隔壁２７のうち下側部分２７ａには厚肉になっているため、円形状部４ａの剛性を高めて、タービン翼１及び回転軸３をこじれなく円滑に回転させることができる。

また、実施形態では、センター隔壁２７のうち下側部分２７ａは高さＨ１も高くなっているため、アウトサイドジャケット２６のうち第１部分２６ａは容積が大きくなっているが、このように容積が大きいと、冷却水入口ポート２８から噴出した冷却水の流速が低下するため、冷却水を第２部分２６ｂや第３部分２６ｃの隅々まで行き渡らせて、排気出口孔８の周囲部やウエイストゲート空間１２の周囲部などを的確に冷却できる。

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を流れた冷却水は、入口筒部４ｂのジャケット２５，２６ｄを経由して冷却水出口ポート３０から排出されるが、入口筒部４ｂの箇所ではセンター隔壁２７の高さＨ２は低くなっているため、入口筒部４ｂは高い剛性を保持している。他方、センター隔壁２７の高さＨ２が低くなると、ジャケット２５，２６ｄの断面積は小さくなって冷却水の流速は速くなるが、本実施形態では、入口筒部４ｂの箇所ではセンター隔壁２７の厚さＴ２は小さくなっているため、ジャケット２５，２６ｄの容積をできるだけ大きくして（ジャケット２５，２６の表面積をできるだけおおきくして）、流れ抵抗を抑制できると共に放熱性も向上できる。

タービンハウジング４と軸受けハウジング６とを一体化したハウジングの冷却において重要なことは、損傷や変形などを生じることなくタービン翼１及び回転軸３の円滑な回転を確保できる許容限度以内にタービンハウジング４の昇温を抑制することと、熱ひずみが発生しないように熱膨張をできるだけ均等化することであるが、本実施形態では、センター隔壁２７を冷却水入口ポート２８の箇所においてオフセットさせる等の工夫により、できるだけ少ない量の冷却水で、必要な冷却性能の確保と熱膨張の均等化とを実現している。

本願発明は、図示の形態の他にも様々に具体化できる。例えば、軸受けハウジングと別体に構成されたタービンハウジングにも適用可能である。

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
８ 排気出口孔
２５ インサイドジャケット
２６（２６ａ〜２６ｄ） アウトサイドジャケット
２７ センター隔壁
２７ａ 下側部分
２７ｂ 上側部分
２８ 冷却水入口ポート
３０ 冷却水出口ポート

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に、前記タービン翼を駆動する排気ガスが流れる単一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、前記タービンスクロール室を経由した排気ガスが排出される排気出口孔が、前記タービン翼の回転軸心方向に開口するように形成されており、
   更に、前記タービンハウジングには、前記排気出口孔と反対側から前記タービンスクロール室を覆うインサイドジャケットと、前記排気出口孔の側から前記タービンスクロール室を覆うアウトサイドジャケットとが、単一の隔壁を介して分離するように形成されている構成であって、
   前記タービンハウジングに、前記インサイドジャケットとアウトサイドジャケットとに連通した冷却水入口ポートが、当該冷却水入口ポートの軸心方向から見て、前記アウトサイドジャケットの開口面積が前記インサイドジャケットの開口面積よりも大きくなるようにして形成されている、
   排気ターボ過給機。
2. 前記インサイドジャケット及びアウトサイドジャケットは、前記タービンスクロール室の上流側に位置した入口通路を囲う部分を有して、前記入口通路よりも高い位置において冷却出口ポートに集合しており、
   前記隔壁は、前記入口通路の上に位置した上側部分と、これに連続して前記タービンスクロール室を囲う下側部分とを有し、前記上側部分の高さ又は厚さが前記下側部分の高さ厚さよりも小さくなるように設定している、
   請求項１に記載した排気ターボ過給機。

Images