JP7168427B2 - exhaust turbocharger - Google Patents
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Description
本願発明は、少なくともタービンハウジングをアルミ製としている排気ターボ過給機に関するものである。 The present invention relates to an exhaust turbosupercharger in which at least the turbine housing is made of aluminum.
排気ターボ過給機は、タービン翼が配置されたタービンスクロール室を有するタービンハウジングを備えており、タービンスクロール室には、シリンダヘッド又は排気マニホールドに接続される排気ガス流入通路が連通している。そして、排気ガス流入通路からウエイストゲート通路が分岐しており、ウエイストゲート通路の出口をウエイストゲートバルブで開閉することにより、過給の出力が制御されるようになっている。 An exhaust turbocharger includes a turbine housing having a turbine scroll chamber in which turbine blades are arranged, and an exhaust gas inflow passage connected to a cylinder head or an exhaust manifold communicates with the turbine scroll chamber. A waste gate passage branches off from the exhaust gas inflow passage, and the output of supercharging is controlled by opening and closing the outlet of the waste gate passage with a waste gate valve.
そして、ウエイストゲート通路の出口部の端面には、ウエイストゲートバルブが繰り返し当たることから、特許文献1に開示されているように、硬い金属からなるバルブシート(弁座)を配置している。特許文献1には開示されていないが、バルブシートは、一般に、タービンハウジングに圧入されている。 A valve seat (valve seat) made of a hard metal is arranged on the end surface of the exit portion of the wastegate passage, as disclosed in Patent Document 1, because the wastegate valve repeatedly hits the end face. Although not disclosed in U.S. Pat. No. 6,200,000, valve seats are typically press-fit into the turbine housing.
さて、排気ターボ過給機のハウジングをアルミで製造すると、軽量化されて燃費の向上に貢献できる。しかし、アルミは熱に弱いため、アルミ製の排気ターボ過給機においては、少なくともタービンハウジングにウォータジャケットを設けて、冷却水で冷却する必要がある。特に、ウエイストゲート通路の箇所は過酷な熱環境になるため、冷却水による冷却の必要性は高い。 By the way, if the housing of the exhaust turbocharger is made of aluminum, it will be lighter and contribute to the improvement of fuel efficiency. However, since aluminum is vulnerable to heat, in an aluminum-made exhaust turbocharger, it is necessary to provide a water jacket at least in the turbine housing and cool it with cooling water. In particular, since the wastegate passage is in a severe thermal environment, there is a high need for cooling with cooling water.
しかし、単にウエイストゲート通路を冷却水で冷却しただけの構造では、排気ガスから冷却水への伝熱量が多くて熱損失も増大するため、ラジエータの大型化やウォータポンプの吐出量増大といった問題が生じるおそれがある。 However, with a structure in which the wastegate passage is simply cooled with cooling water, a large amount of heat is transferred from the exhaust gas to the cooling water, resulting in an increase in heat loss. may occur.
また、一般に、排気ターボ過給機の下流側には触媒を配置していることが多いが、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ため、ウエイストゲート通路において排気ガスから冷却水に旺盛に放熱されると、触媒に至る排気ガスの温度が過剰に低下して、始動してから触媒が活性化するまでに時間がかかるという問題もある。 Further, in general, a catalyst is often placed downstream of the exhaust turbocharger. If the heat is actively radiated from the engine to the cooling water, the temperature of the exhaust gas reaching the catalyst is excessively lowered, and it takes a long time to activate the catalyst after the engine is started.
更に、タービンハウジングは、冷却水によって冷却を考慮して、昇温が各部位においてなるべく均等になるように肉厚等を設定して、熱ひずみをできるだけ小さくする必要があるが、タービンハウジングは鋳造によって製造されているため、形状が複雑になり過ぎると、金属湯の流れが悪くなって加工精度が悪くなる等の問題も発生しやすくなる。 Furthermore, considering cooling by cooling water, it is necessary to set the wall thickness of the turbine housing so that the temperature rise is as uniform as possible in each part, and to minimize the thermal strain as much as possible. If the shape is too complicated, problems such as poor flow of the molten metal and poor machining accuracy are likely to occur.
本願発明はこのような現状を契機に成されたものであり、タービンハウジングをアルミ化・水冷化することに起因した問題を、簡単な構造で改善しようとするものである。 The invention of the present application was made in view of the current situation, and aims to solve the problems caused by using aluminum and water-cooled turbine housings with a simple structure.
本願発明の排気ターボ過給機は、
「排気ガス流入通路からウエイストゲート通路が分岐しているアルミ製のタービンハウジングと、前記ウエイストゲート通路の出口を開閉するウエイストゲートバルブと、前記ウエイストゲートバルブが当接するように前記ウエイストゲート通路の出口部に配置したバルブシートとを備えており、
前記タービンハウジングに、前記ウエイストゲート通路を囲うようにウォータジャケットが形成されている」
という基本構成になっている。
The exhaust turbocharger of the present invention is
A turbine housing made of aluminum in which a wastegate passage branches off from an exhaust gas inflow passage, a wastegate valve that opens and closes the exit of the wastegate passage, and an exit of the wastegate passage that contacts the wastegate valve. It is equipped with a valve seat placed in the
A water jacket is formed in the turbine housing so as to surround the wastegate passage."
It has a basic configuration.
そして、上記基本構成において、
「前記バルブシートに、前記ウエイストゲート通路の内部に入り込む筒部が設けられており、前記筒部と前記ウエイストゲート通路の内周面との間に、前記筒部からタービンハウジングへの伝熱を抑制する断熱空間が、前記排気ガス流入通路に向けて開口するように形成されている」
という構成が付加されている。
And in the above basic configuration,
"The valve seat is provided with a cylindrical portion that enters the inside of the wastegate passage, and heat transfer from the cylindrical portion to the turbine housing is conducted between the cylindrical portion and the inner peripheral surface of the wastegate passage. A suppressing heat insulating space is formed so as to open toward the exhaust gas inflow passage ."
configuration is added.
本願発明において、ウォータジャケットに関する、「ウエイストゲート通路を囲う」とは、ウエイストゲート通路の全周を囲っている必要はないのであり、ウォータジャケットがウエイストゲート通路の周囲に部分的に形成されている場合も含んでいる。ウエイストゲート通路の軸方向の範囲も同様であり、ウォータジャケットがウエイストゲート通路の全長に亙って形成されている必要はない。 In the present invention, "enclosing the wastegate passage" in relation to the water jacket does not necessarily enclose the entire circumference of the wastegate passage, and the water jacket is partially formed around the wastegate passage. It also includes cases. The same applies to the axial extent of the wastegate passage, and the water jacket need not be formed over the entire length of the wastegate passage.
本願発明では、バルブシートの筒部とウエイストゲート通路の内周面との間に遮熱空間が形成されているため、排気ガスがウエイストゲート通路の内周面に接触して流れることはない。従って、ウエイストゲート通路を通過する排気ガスから冷却水への伝熱量(放熱量)を抑制しつつ、タービンハウジングの昇温を抑制できる。 In the invention of the present application, since the heat-insulating space is formed between the cylindrical portion of the valve seat and the inner peripheral surface of the wastegate passage, the exhaust gas does not flow in contact with the inner peripheral surface of the wastegate passage. Therefore, it is possible to suppress the temperature rise of the turbine housing while suppressing the heat transfer amount (heat release amount) from the exhaust gas passing through the waste gate passage to the cooling water.
よって、排気ターボ過給機を流れる冷却水の流量を抑制して、ラジエータの小型化やウォータポンプの出力抑制を通じて燃費の向上に貢献できる。また、排気ガスの温度低下を抑制できるため、下流側に配置した触媒の早期活性化を促進して、排気ガスの浄化性能向上にも貢献できる。更に、タービンハウジングの昇温を抑制できることにより、タービンハウジングのうちウエイストゲート通路が形成されている部分は、複雑な形状にすることなく熱ひずみを抑制可能になる。従って、鋳造に際しての金属湯の流れをスムース化して、鋳造精度の向上・歩留りの向上に貢献できる。 Therefore, it is possible to suppress the flow rate of the cooling water flowing through the exhaust turbosupercharger, thereby contributing to the improvement of fuel efficiency through downsizing of the radiator and suppression of the output of the water pump. In addition, since the temperature drop of the exhaust gas can be suppressed, early activation of the catalyst arranged on the downstream side can be promoted, which contributes to improvement of purification performance of the exhaust gas. Furthermore, since the temperature rise of the turbine housing can be suppressed, the portion of the turbine housing where the wastegate passage is formed can suppress thermal strain without having a complicated shape. Therefore, it is possible to contribute to the improvement of casting accuracy and yield by smoothing the flow of molten metal during casting.
そして、筒部はバルブシートに設けているため、構造及び組み付けは簡単であり、コストアップも抑制できる。特に、遮熱部として断熱空間を採用しているため、構造はごく簡単になるため、コスト面で特に有益である。 Further, since the cylindrical portion is provided on the valve seat, the structure and assembly are simple, and cost increases can be suppressed. In particular, since the heat insulation space is used as the heat shield, the structure is extremely simple, which is particularly advantageous in terms of cost.
(1).排気ターボ過給機の基本構造
次に、本願発明を自動車用内燃機関の排気ターボ過給機に適用した実施形態を、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。
(1). Basic Structure of Exhaust Turbocharger Next, an embodiment in which the present invention is applied to an exhaust turbocharger for an internal combustion engine for an automobile will be described with reference to the drawings. First, an overview will be given with reference to FIGS.
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2(A)参照)の排気側面と直交した方向を前後方向としている。前と後ろについては、シリンダヘッドH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及び図2(A)に方向を明示している。 In this embodiment, the terms front-rear, left-right, and up-down are used to clarify the directions. The direction perpendicular to the exhaust side surface is defined as the front-rear direction. Regarding the front and rear, the direction facing from the cylinder head H is defined as front. The vertical direction is the vertical direction. Just to make sure, the directions are clearly shown in FIGS. 1 and 2(A).
図3に示すように、排気ターボ過給機は、タービン翼1と図示しないコンプレッサ翼とを備えており、両者は、略水平姿勢に配置された回転軸2の一端部と他端部とに固定されている。また、図2(B)に示すように、排気ターボ過給機は、タービンハウジング3とコンプレッサハウジング4、及び、両者の間に位置した軸受けハウジング(センターハウジング)5を有しており、タービンハウジング3と軸受けハウジング5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4は、アルミのダイキャスト品又は鋳造品である。
As shown in FIG. 3, the exhaust turbosupercharger includes turbine blades 1 and compressor blades (not shown). Fixed. Further, as shown in FIG. 2B, the exhaust turbocharger has a
タービンハウジング3には、タービン翼1を囲うようにタービンスクロール室6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穴7が形成されている。タービンスクロール室6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に向けて開口した排気ガス流入通路8(図3参照)が連通している。
A
従って、タービンハウジング3は、タービンスクロール室6が形成された円形状部3aと、排気ガス流入通路8が形成された入口筒部3bとを有しており、かつ、軸受けハウジング5と反対側に突出したサイド張り出し部3cが、円形状部3a及び入口筒部3bと一体に繋がった状態で形成されている。入口筒部3b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9が形成されている。
Therefore, the
また、図1及び図3に示すように、排気ガス流入通路8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5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と排気出口穴7とは、サイド張り出し部3cの内部で連通している。このため、サイド張り出し部3cは上下に長い形態になっている。
Further, as shown in FIGS. 1 and 3, a
ウエイストゲート通路10は、図3に簡略して表示しているウエイストゲートバルブ11で開閉される。サイド張り出し部3cの上端部には、ウエイストゲートバルブ11を駆動する弁軸が嵌まる弁軸穴12が、略上下方向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3cの内部のうちその上部は、ウエイストゲートバルブ11の回動を許容するウエイストゲート空間13になっている。
The
なお、ウエイストゲートバルブ11は、コンプレッサハウジング4に設けたダイヤフラム式のアクチュェータや、コンプレッサハウジング4又はタービンハウジング3に設けた電動負圧式のアクチュェータ等によって駆動される。
The
タービンハウジング3のサイド張り出し部3cには出口側フランジ14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14に、触媒を内蔵した触媒ケースが固定される。
An outlet-
図3に示すように、軸受けハウジング5には、フローティングメタル15を介して回転軸2を回転自在に保持する軸受け部16が形成されている。また、軸受けハウジング5には、上向きに開口したオイル供給穴17と、下向きに開口したオイル排出穴18とが形成されている。図3のとおり、排気出口孔7には、タービンスクロール室6の内周部を構成するシュラウドピース19が装着されている。
As shown in FIG. 3, the bearing
タービンハウジング3には、冷却水が流れるウォータジャケットを形成している。ウォータジャケットは、軸受けハウジング5の側に位置したインサイドジャケット20と、排気出口孔7の側に位置したアウトサイドジャケット21とで構成されており、両者は、タービンスクロール室6と排気ガス流入通路8とをそれぞれ左右に二分するように延びるセンター隔壁22によって左右に分離している。なお、左右のジャケット20,21は、センター隔壁22によって分離せずに、一体に連通させてもよい(断続的に配置したブリッジ部によって分離してもよい。)。
A water jacket through which cooling water flows is formed in the
アウトサイドジャケット21は、ウエイストゲート通路10を囲うと共に、排気出口穴7も囲っている。そして、インサイドジャケット20とアウトサイドジャケット21とは下端において連通しており、タービンハウジング3における円形状部3aの下端には、インサイドジャケット20及びアウトサイドジャケット21に向けて冷却水を送る冷却水入口ポート23が、下向きに開口するように形成されている。
The
インサイドジャケット20とアウトサイドジャケット21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3における入口筒部3bの上端部には、インサイドジャケット20及びアウトサイドジャケット21に連通した冷却水出口ポート24が上向きに形成されている。
The
(2).ウエイストゲート通路の断熱構造
図4に明示するように、ウエイストゲート通路10の出口部端面に、ウエイストゲートバルブ11が当たる金属板製のバルブシート25を重ね配置しているが、バルブシート25に、ウエイストゲート通路10の内部に入り込む筒部26を一体に形成している。筒部26は、ウエイストゲート通路10のほぼ全長に亙って延びている。
(2) Thermal insulation structure of the wastegate passage As shown in FIG. The
そして、図4のうち(A)に示す例では、筒部26は全体がストレート構造になっており、筒部26の外径をウエイストゲート通路10の内径よりもある程度の寸法だけ小径に設定することにより、筒部26とウエイストゲート通路10の内周面との間に、遮熱部として、ある程度の間隔の断熱空間27を形成している。従って、(A)に示す例では、断熱空間27は排気ガス流入通路8に向けて開口している。
In the example shown in FIG. 4A, the
他方、図4のうち(B)に示す参考例では、筒部26の先端に、ウエイストゲート通路10の内周面に当接するフランジ部(拡径部)28を形成している。従って、(B)に示す参考例では、断熱空間27は密閉した空間になっている。いずれにおいても、バルブシート25は、ウエイストゲート通路10の出口部の端面に形成された座繰り溝29に、離脱不能に嵌着している。
On the other hand, in the reference example shown in FIG. 4B, a flange portion (diameter enlarged portion) 28 is formed at the tip of the
このように、ウエイストゲート通路10の内周部に断熱空間27を形成すると、断熱空間27の箇所では排気ガスは流れずに溜まったままになるため、ウエイストゲート通路10の内周部への伝熱量は、排気ガスがウエイストゲート通路10の内周面に当たって流れる場合に比べて、著しく低下する。従って、ウエイストゲート通路10の内周部の昇温が抑制されて、アウトサイドジャケット21の冷却水への伝熱量も低下する。
When the
従って、ラジエータを介して冷却水から失われる熱損失を抑制できる。その結果、ラジエータの小型化やウォータポンプの吐出量抑制を通じて、燃費の向上に貢献できる。また、排気ガスの温度低下を抑制できるため、内燃機関の始動後に触媒を早期活性化させて、排気ガスの浄化性能アップにも貢献できる。更に、ウエイストゲート通路10の周辺部の熱ひずみを抑制できるため、タービンハウジング3を設計するに際しては、複雑なチューニングを無くしてシンプルな形状を採用可能であり、その結果、鋳造するに際して精度を向上できる。
Therefore, heat loss from the cooling water via the radiator can be suppressed. As a result, it is possible to contribute to the improvement of fuel efficiency through the miniaturization of the radiator and the suppression of the discharge amount of the water pump. In addition, since the temperature drop of the exhaust gas can be suppressed, the catalyst can be activated early after the internal combustion engine is started, which contributes to the enhancement of the purification performance of the exhaust gas. Furthermore, since thermal strain around the
図5に示す他の参考例では、バルブシート25の筒部26とウエイストゲート通路10の内周面との間に、遮熱部として、無機系の断熱材30を挟み込んでいる。断熱材30は、バルブシート25と重なるフランジ30aを有している。従って、遮熱性を更に向上できる。
In another reference example shown in FIG. 5, an inorganic
図5の例では、筒部26は全長に亙ってストレートになっているが、図4(B)のタイプと断熱材30とを組み合わせてもよい。また、断熱材30は、単なる筒状に形成して、筒部26の箇所のみに配置してもよい。
In the example of FIG. 5, the
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。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention can be embodied in various other ways.
本願発明は、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。 The present invention can be embodied in an exhaust turbocharger. Therefore, it can be used industrially.
1 タービン翼
2 回転軸
3 タービンハウジング
4 コンプレッサハウジング
5 軸受けハウジング
6 タービンスクロール室
7 排気出口孔
8 排気ガス流入通路
10 ウエイストゲート通路
11 ウエイストゲートバルブ
20,21 ウォータジャケット
25 バルブシート
26 筒部
27 遮熱部の例としての断熱空間
28 フランジ部
Reference Signs List 1
Claims (1)
前記タービンハウジングに、前記ウエイストゲート通路を囲うようにウォータジャケットが形成されている構成であって、
前記バルブシートに、前記ウエイストゲート通路の内部に入り込む筒部が設けられており、前記筒部と前記ウエイストゲート通路の内周面との間に、前記筒部からタービンハウジングへの伝熱を抑制する断熱空間が、前記排気ガス流入通路に向けて開口するように形成されている、
排気ターボ過給機。 An aluminum turbine housing in which a wastegate passage branches from an exhaust gas inflow passage, a wastegate valve that opens and closes an outlet of the wastegate passage, and an outlet portion of the wastegate passage so that the wastegate valve abuts. It is equipped with a valve seat and a
A water jacket is formed in the turbine housing so as to surround the wastegate passage,
The valve seat is provided with a cylindrical portion that enters the interior of the wastegate passage, and between the cylindrical portion and the inner peripheral surface of the wastegate passage, heat transfer from the cylindrical portion to the turbine housing is suppressed. A heat insulating space is formed to open toward the exhaust gas inflow passage ,
Exhaust turbocharger.
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