JP7252108B2 - 排気ターボ過給機 - Google Patents

Description

本願発明は、アルミ等の軽金属より成るハウジングを備えた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いる。タービンスクロール室には、タービン翼の軸心と交叉した方向に向かう排気ガス導入通路と、タービン翼の回転軸心方向に向かう排気ガス排出通路とが連通しており、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。

そして、排気ターボ過給機の軽量化のために、ハウジングをアルミ製とすることが研究されている。ハウジングをアルミ製にした場合の問題点は、特にタービンハウジングの耐熱性であり、耐熱性を確保するための手段として、特許文献１には、冷却水ジャケットを設けることに加えて又はこれに代えて、排気ガス導入通路や排気ガス排出通路、ウエイストゲート通路に金属板製のスリーブを装着し、スリーブと通路との間に遮熱用の間隙（空隙）を設けることが開示されている。

特許文献１では、排気ガスがアルミ製ハウジングの通路内面に直接接触することが抑制されるため、排気ガスからハウジングへの伝熱を抑制できる。従って、水冷式の場合は、排気ガスから冷却水への熱交換量が抑制される。

特開２０１６－７５２８７号公報

さて、特許文献１では、スリーブは周方向に連続した筒状になっており、その開口部に設けたフランジをハウジングの固定部に固定し、筒部と通路との間に間隙を形成している。従って、ガス通路が大型化し、延いてはハウジングも大型化するという問題がある（ハウジングが大型化すると、軽量化のためにアルミ製としたことの意味が没却されてしまうし、自動車に搭載するに当たって設計に手間が掛かりやすい。）。

また、間隙は通路のうち開口部よりも奥の部位を広げることによって形成されているため、ハウジングを鋳造するに当たっては、通路を形成するための中子に、間隙に相当する部分を付加することになるが、かくすると、中子の形態が複雑化するため鋳造に要するコストが嵩むと共に、製造能率も悪くなるという問題もある。

更に、特許文献１では、スリーブは、その縁部に設けたフランジのみがハウジングの固定部に固定されているに過ぎず、いわば、片持ち梁の状態でハウジングに取り付けられているため、機関の振動や排気ガスの脈動によって振動し、騒音が発生したり破断しやすくなったりすることが懸念される。また、スリーブの筒部は通路に接触していないため、スリーブからハウジングへの伝熱性は過剰に低くなっており、このため、スリーブが過剰昇温して溶損するおそれも懸念される。

本願発明は、このような現状を改善すべく成されたものである。

本願発明の排気ターボ過給機は、
「軽金属製のハウジングに、タービン翼が配置されたタービンスクロール室と、前記タービンスクロール室に連通した排気ガス導入通路及び排気ガス排出通路と、前記排気ガス導入通路から分岐したウエイストゲート通路が分岐しており、前記排気ガス導入通路と排気ガス排出通路とウエイストゲート通路とはそれぞれ外部に開口している」
という基本構成である。

そして、上記基本構成において、
「前記排気ガス導入通路と排気ガス排出通路とウエイストゲート通路とのうち少なくとも１つの通路に、耐熱板材製のスリーブが装着されており、前記スリーブと通路とのうちいずれか一方又は両方に、排気ガスの流れ方向に長い姿勢の突条を設けることにより、前記スリーブと通路との間に、前記突条で仕切られた遮熱空間を形成している」
という構成が付加されている。

本願発明において、スリーブは筒状でもよいし、半割状のような非筒状の形態であってもよい。排気ガス導入通路には半割状のスリーブを装着し、ウエイストゲート通路と排気ガス排出通路には筒状のスリーブを装着するというように、場所によってスリーブの形態を異ならせることも可能である。また、遮熱空間に断熱材を充填することも可能である。

本願発明では、スリーブ又は通路に突条を形成することによって遮熱空間を形成しているため、ガス通路の断面積が増大することはない。従って、ハウジングが大型化することはなくて、軽量化のために軽金属製にしたことの意義を全うして燃費向上に貢献できると共に、自動車に実装するに当たっての設計の自由性も向上できる。

特に、突条をスリーブに形成すると、ハウジングへの加工は不要であるため、ハウジングの製造コストの悪化といった問題は皆無である一方、スリーブに突条を形成することはプレス加工等によって簡単に行えるため、スリーブの製造コストが嵩むこともない。他方、ハウジングの通路に突条を形成する場合、突条は通路の長手方向に長い姿勢であるため、抜き型を使用して突条付き通路を形成することも可能である。従って、コストアップや製造能率悪化を抑制可能である。

また、スリーブは突条を介して通路に支持されているため、振動しない状態に安定的に保持できる。更に、スリーブの熱は突条を介してハウジングに伝達されるため、スリーブが過剰昇温して溶損するような不具合も防止できる。

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。 図２（Ａ）のIV-IV視断面図である。 （Ａ）は図２（Ａ）の方向から見た要部断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ－Ｂ視断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＣ－Ｃ視断面図、（Ｄ）は（Ｂ）の箇所の別例図、（Ｅ）は（Ｃ）の箇所の別例図である。 （Ａ）（Ｂ）ともウエイストゲート通路の遮熱構造の別例図である。

(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１（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４に示すように、排気ターボ過給機は、回転軸１の一端部に固定されたタービン翼２を備えており、回転軸１の他端には図示しないコンプレッサ翼が固定されている。そして、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とを有しており、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。

図４のとおり、タービンハウジング３には、タービン翼２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２の回転軸心方向に開口した排気ガス排出通路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２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導入通路８（図５も参照）が連通している。

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、排気ガス導入通路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３ｄが形成されている。

また、図４（図５や図１（Ａ）も参照）に示すように、排気ガス導入通路８から分岐したウエイストゲート通路９が、軸受ハウジング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９と排気ガス排出通路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。

ウエイストゲート通路９は、図示しないウエイストゲートバルブで開閉される。例えば図１（Ａ）に示すように、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を駆動する弁軸が嵌まる弁軸孔１０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３ｃ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作動空間１１になっている。

図１に示すように、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１２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１２に、触媒ケースが固定される（排気管を固定してもよい。）。センターハウジング（軸受ハウジング）５には、コンプレッサハウジング４と接合するためのフランジ５ａを設けている。回転軸１は軸受けハウジング５に回転自在に保持されているが、本願発明との関係はないので説明を省略する。

図４のとおり、排気ガス排出通路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１４が装着されている。すなわち、タービンスクロール室６の内径はタービン翼２の外径よりも小さいため、タービン翼２の嵌め込みを許容しつつタービンスクロール室６を形成するために、別部材のシュラウドピース１４を後付けしている。

(2).冷却構造
図４に示すように、タービンハウジング３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５の側に位置したインサイドジャケット１５と、排気ガス排出通路７の側に位置したアウトサイドジャケット１６とで構成されており、両者は、タービンスクロール室７と排気ガス導入通路８とを左右に二分するように延びるセンター隔壁１７によって左右に分離している。

図４に示すように、インサイドジャケット１５とアウトサイドジャケット１６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１５及びアウトサイドジャケット１６に向けて冷却水を送る冷却水入口ポート１８が、下向きに開口するように形成されている。

インサイドジャケット１５とアウトサイドジャケット１６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１５及びアウトサイドジャケット１６に連通した冷却水出口ポート１９が上向きに形成されている。図５に示すように、ジャケット１５，１６は、入口筒部３ｂ及びサイド張り出し部３ｃまで広がっている。

(3).排気ガス導入通路の排気ガス通路の遮熱構造
図５に示すように、排気ガス導入通路８は、始端は小判形の断面で下流に向けて幅が狭まるように先窄まりになっており、既述のとおり、先端はタービンスクロール室６と連通している。また、その中途部からウエイストゲート通路９が分岐している。ウエイストゲート通路９は概ね円形になっている。また、排気ガス導入通路８は、概ね全長に亙ってジャケット１５，１６で囲われている。また、ウエイストゲート通路９も、アウトサイドジャケット１６で囲われている。

排気ガス導入通路８の内部には、その下半部を覆う第１スリーブ３１が装着されている。第１スリーブ３１は、概ねウエイストゲート通路９を超えたあたりまで延びている。第１スリーブ３１は、左右方向から見てほぼ直線状の姿勢になっている。従って、排気ガス導入通路８に簡単に後付け（嵌着）できる。

第１スリーブ３１は、ステンレス板のように耐熱性及び耐蝕性に優れた金属板で製造されており、その下面に、排気ガス導入通路８に当たる第１突条３２が形成されている。この第１突条３２は溝形になっており、溶接によって第１スリーブ３１に固定されている。第１突条３２は排気ガス導入通路８の長手方向（排気ガスの流れ方向）に長い姿勢であり、従って、第１スリーブ３１と排気ガス導入通路８との間には、第１突条３２によって分断された複数の第１遮熱空間３３が形成されている。

図５（Ｂ）の例では、第１スリーブ３１と第１突条３２との間にも、第１スリーブ３１の全長に亙って延びる補助遮熱空間３４が形成されている。いずれにしても、第１遮熱空間３３と補助遮熱空間３４とは、排気ガスの流れが生じないように前後両端のうち一方又は両方が塞がれている。

第１スリーブ３１は、排気ガス導入通路８に強制的に嵌着させられている。排気ガス導入通路８及び第１スリーブ３１は先窄まりになっているので、強制的な押し込みによって抜け離脱不能に保持される。第１スリーブ３１の後端にフランジを形成して、このフランジを、排気ガス導入通路８の始端部に形成した段部に嵌め込んでもよい。排気ガス導入通路８には、第１スリーブ３１の長手側縁３１ａが下方から当接する段部３５が形成されている。

図５（Ｄ）に示すように、第１スリーブ３１に第１突条３２をプレス加工によって形成することも可能である。この場合、第１スリーブ３１に、第１突条３２を上から覆う底板を溶接等によって固定することも可能であり、この場合は、第１スリーブ３１の耐熱性・遮熱性を向上できる。また、図示していないが、第１スリーブ３１を筒体に形成したり、上下に分離した２つ割り状の部材で筒状の第１スリーブ３１を構成することも可能である。

なお、図面では明示していないが、第１スリーブ３１のうちウエイストゲート通路９の入り口に対応して部位には、ウエイストゲート通路９への排気ガスの流入を阻害しないように切り欠きが形成されている。

(4).ウエイストゲート通路の遮熱構造
既に述べたが、ウエイストゲート通路９は真円状の断面形状になっており、全長に亙って同径のストレートになっている。そして、ウエイストゲート通路９に、円筒形の第２スリーブ３６を外側から嵌着している。

第２スリーブ３６には、周方向に離れた複数本（４本）の第２突条３７が外向きに形成されている。従って、ウエイストゲート通路９の内面と第２スリーブ３６との間に、第２突条３７によって分断された第２遮熱空間３８が、第２スリーブ３６の全長に亙って延びるように形成されている。

ウエイストゲート通路９の下流側縁部には、拡径部３９を形成してこれにウエイストゲートバルブが当たるシールリング４０を嵌め入れている。そして、第２スリーブ３６の基端に、拡径部３９の段差面に重なるフランジ４１を形成して、フランジ４１をシールリング３９で押さえ保持している。第２スリーブ３６は、各第２突条３７がウエイストゲート通路９の内面に突っ張り気味となるように設定しておくのが好ましい。

なお、第２遮熱空間３８に排気ガスが進入しても、排気ガスは第２遮熱空間３８に溜まったままで流れないため、第２遮熱空間３８は排気ガス導入通路８に向けて開口していても特段の問題はないが、第２スリーブ３６の先端にフランジを設けて第２遮熱空間３８を塞ぐと、遮熱性を向上できて好適である。

図５（Ｅ）に示すように、第２スリーブ３６は、１枚の金属帯板を筒状に曲げることによっても形成できる。この場合は、長手側縁にフランジ状の第２突条３７を形成して、２枚のフランジ状第２突条３７をぴったりと重ね合わせている。第１スリーブ３１についても、この図５（Ｅ）のような構造を適用可能である。

ウエイストゲート通路９は、図６（Ａ）に示すように下流側に向けて拡径したテーパ状や、図６（Ｂ）に示すように下流側に向けて縮径したテーパ状に形成することも可能である。図６（Ａ）の形態では、第２スリーブ３６は、テーパを利用してウエイストゲート通路９に外側から強制嵌合できる。従って、フランジ４１はなくても、抜け不能に保持できる。

ウエイストゲート通路９が図６（Ｂ）のように下流側に向けて縮径している場合は、第２スリーブ３６を、図５（Ｅ）のように非筒体に形成しておいて、窄めた状態でウエイストゲート通路９に嵌め入れてから、弾性復元力によってウエイストゲート通路９の内面に当接させたらよい。

(4).排気ガス排出通路の遮熱構造
図３（Ａ）及び図４に示すように、排気ガス排出通路７のうちシュラウドピース１４よりも下流側の部位に、第３スリーブ４２を装着している。第３スリーブ４２は上向きに開口した略Ｕ形の形態を成しており、外面に、回転軸１の軸心方向に長い第３突条４３が、周方向に離反して複数本形成されている。これにより、第３スリーブ４２の外側に、第３突条４３で分断された複数の第３遮熱空間４４が形成されている。

第３スリーブ４２は、予め広げて状態に形成されており、弾性に抗して窄めて排気ガス排出通路７に嵌着している。従って、離反不能に保持されている。第３スリーブ４２にも、排気ガス排出通路７の出口の縁部に重なるフランジ４５を形成している。

本実施形態では、シュラウドピース１４の内周に第４スリーブ４６を嵌着している。第４スリーブ４６は全周に亙って連続した筒状の形態になっており、複数本の第４突条４７が周方向に離反して多数形成されている。従って、第４スリーブ４６とシュラウドピース１４と間に、第４突条４７で分断された複数の第４遮熱空間４８が周方向に並んでいる。

第４スリーブ４６のうちタービン翼２に近い先端部には、シュラウドピース１４の先端部を覆う湾曲部４６ａが曲げ形成されており、湾曲部４６ａとタービン翼２との間に、排気ガスが流れる空間が空いている。

第４スリーブ４６の基端部には、シュラウドピース１４の後端面に重なるフランジ４９が形成されている。フランジ４９の突出寸法は僅かであり、第４スリーブ４６は、弾性に抗してシュラウドピース１４に強制嵌合させられる。排気ガス排出通路７の箇所では、第３スリーブ４２のみ又は第４スリーブ４６のみを装着することも可能である。

(5).まとめ
以上のように、排気ガスの通路にスリーブ３１，３６，４２，４６を設けているため、排気ガスからタービンハウジング３への伝熱を抑制できる。このため、タービンハウジング３が熱害を受けることを抑制して、耐久性を向上できる。また、排気ガスから冷却水への伝熱を抑制できるため、ジャケット１５，１６を流れる冷却水の水量を少なくしつつ必要な冷却性を確保できる。これにより、ウォータポンプの負担を軽減して燃費の向上に貢献できる。

また、スリーブ３１，３６，４２，４６からタービンハウジング３への伝熱が抑制されるため、排気ガスを、あまり降温させることなく触媒ケースに流入させることができる。これにより、暖機運転時において触媒の早期昇温による早期活性化に貢献できる。特に、実施形態のように第２～第４スリーブ３６，４２，４６を設けると、排気ガスの降温を大幅に抑制できるため、特に好適である。

更に、各スリーブ３１，３６，４２，４６と通路との間には遮熱空間３３，３８，４４，４８が存在するため、各スリーブ３１，３６，４２，４６からタービンハウジング３への伝熱を抑制して、タービンハウジング３の熱害を防止できる。そして、タービンハウジング３への断熱を抑制できることに加えて、タービンハウジング３は冷却水によって冷却されているため、アルミ製のタービンハウジング３でありながら、溶損のような不具合を防止して信頼性を大幅に向上できる。

しかも、各スリーブ３２，３６，４３，４７は複数本（多数本）の突条３２を介してタービンハウジング３で支持されているため、振動しない状態に安定的に保持されている。特に、突条３２，３７，４３，４７を通路の内面に弾性的に突っ張らせると、振動や騒音の防止効果を向上できて好適である。

本実施形態では、第１スリーブ３１は排気ガス導入通路８の下半部にしか装着していないが、本実施形態の排気ターボ過給機は下巻き方式であるため、排気ガスは排気ガス導入通路８の下面に強く接触する傾向を呈する。従って、排気ガス導入通路８は、上面よりも下面の伝熱量が大きくなっている。従って、実施形態のように、排気ガス導入通路８の下半部のみに第１スリーブ３１を装着しても高い断熱効果を発揮できる。

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、突条を螺旋状に形成することも可能である。また、スリーブは、セラミック製のものも採用できる。

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。

２ タービン翼
３ タービンハウジング
４ コンプレッサハウジング
５ 軸受ハウジング
６ タービンスクロール室
７ 排気ガス排出通路
８ 排気ガス導入通路
９ ウエイストゲート通路
１４ シュラウドピース
１５，１６ 冷却水ジャケット
３１ 第１スリーブ
３２ 第１突条
３３ 第１遮熱空間
３６ 第２スリーブ
３７ 第２突条
３８ 第２遮熱空間
４２ 第３スリーブ
４３ 第３突条
４４ 第３遮熱空間
４６ 第４スリーブ
４７ 第４突条
４８ 第４遮熱空間

Claims (1)

1. 軽金属製のハウジングに、タービン翼が配置されたタービンスクロール室と、前記タービンスクロール室に連通した排気ガス導入通路及び排気ガス排出通路と、前記排気ガス導入通路から分岐したウエイストゲート通路が分岐しており、前記排気ガス導入通路と排気ガス排出通路とウエイストゲート通路とはそれぞれ外部に開口している構成であって、
   前記排気ガス導入通路と排気ガス排出通路とウエイストゲート通路とのうち少なくとも１つの通路に、耐熱板材製のスリーブが装着されており、前記スリーブと通路とのうちいずれか一方又は両方に、排気ガスの流れ方向に長い姿勢の突条を設けることにより、前記スリーブと通路との間に、前記突条で仕切られた遮熱空間を形成している、
   排気ターボ過給機。

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