JP7388946B2 - exhaust turbo supercharger - Google Patents
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Description
本願発明は、内燃機関に搭載され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 turbo supercharger installed in an internal combustion engine.
車両用等の内燃機関において、出力向上等のために排気ターボ過給機を設けることは広く行われている。この排気ターボ過給機は、タービンハウジングとコンプレッサハウジングと軸受ハウジングとを備えており、タービンハウジングの内部には、タービン翼の回転方向に向かって断面積が縮小したタービンスクロール通路(タービンスクロール室)と、タービンスクロール通路の始端に連通した排気ガス導入通路と、タービン翼の回転軸心方向に開口した排気ガス出口通路とが形成されている。 2. Description of the Related Art In internal combustion engines for vehicles and the like, it is widely practiced to provide an exhaust turbo supercharger in order to improve output and the like. This exhaust turbo supercharger includes a turbine housing, a compressor housing, and a bearing housing. Inside the turbine housing, there is a turbine scroll passage (turbine scroll chamber) whose cross-sectional area decreases in the direction of rotation of the turbine blades. , an exhaust gas introduction passage communicating with the starting end of the turbine scroll passage, and an exhaust gas outlet passage opening in the direction of the rotational axis of the turbine blade.
排気ターボ過給機において、過給効率を高くするには、排気ガスをできるだけ降温させずにタービンスクロール通路に流入させるのが好適である。また、自動車用ガソリン機関では排気ターボ過給機の下流側に触媒式の排気ガス浄化装置が配置されているが、触媒はある程度の温度に昇温しないと活性化しない性質があるため、特に暖機運転時の触媒の早期昇温を図る上でも、排気ガスはできるだけ降温させずにタービンハウジングを通過するのが好ましい。更に、燃費向上のために排気ターボ過給機のハウジングをアルミ化することが提案されているが、アルミは耐熱性が低いため、排気ガスの熱害を抑制できると軽量化にとって好ましい。 In an exhaust turbo supercharger, in order to increase supercharging efficiency, it is preferable to allow exhaust gas to flow into the turbine scroll passage without lowering its temperature as much as possible. In addition, in automotive gasoline engines, a catalytic exhaust gas purification device is placed downstream of the exhaust turbo supercharger, but the catalyst has the property of not being activated unless the temperature rises to a certain level, so In order to quickly raise the temperature of the catalyst during engine operation, it is preferable that the exhaust gas passes through the turbine housing without lowering its temperature as much as possible. Furthermore, it has been proposed to make the housing of the exhaust turbo supercharger aluminum to improve fuel efficiency, but since aluminum has low heat resistance, it is preferable for weight reduction if heat damage from exhaust gas can be suppressed.
これらの要請への対応策として、タービンハウジングに、排気ガスの熱がタービンハウジングに伝わることを抑制する断熱層を設けることが考えられる。この点について、特許文献1には、タービンスクロール通路の内部を、セラミック製又はステンレス板製の耐熱性表層と断熱ファイバ等の断熱層とから成る複合体で構成することが開示されており、特許文献1では、複合体は、鋳型に中子と一緒にセットされて鋳込まれている。
As a countermeasure to these demands, it is conceivable to provide the turbine housing with a heat insulating layer that suppresses the heat of exhaust gas from being transmitted to the turbine housing. Regarding this point,
特許文献1では、タービンスクロール通路の断熱性を向上できるが、構造が著しく複雑であるため、コストが嵩むことは否めない。また、タービンハウジングには、排気ガス導入通路やウェイストゲート通路、排気ガス出口通路といったガス通路が存在するが、これらの他の通路からの熱伝達は抑制できないため、タービンハウジング全体として見た場合に高い断熱性を確保できるか疑問である。
In
更に、タービン翼とタービンスクロール通路との間には若干のクリアランスが存在しており、このクリアランスの管理は排気ターボ過給機の性能を左右する重要な要素であるが、特許文献1のように断熱性複合体を鋳込みで配置する構成では、タービンスクロール通路を高い精度で形成できるか否か、甚だ疑問である。 Furthermore, there is some clearance between the turbine blades and the turbine scroll passage, and the management of this clearance is an important factor that affects the performance of the exhaust turbocharger. It is highly questionable whether the turbine scroll passage can be formed with high precision in a configuration in which the heat insulating composite is cast.
本願発明このような現状を背景に成されたものであり、断熱性と過給性能に優れてしかも品質が安定した排気ターボ過給機を提供しようとするものである。 The present invention has been made against the background of the current situation, and aims to provide an exhaust turbo supercharger that has excellent heat insulation properties and supercharging performance, and is stable in quality.
本願発明の排気ターボ過給機は、
「タービンハウジングの内部に、タービン翼を囲うタービンスクロール通路と、前記タービンスクロール通路の始端に連通した排気ガス導入通路と、前記タービン翼の回転軸心方向に開口した排気ガス出口通路と、前記排気ガス導入通路と排気ガス出口通路とに連通したウェイストゲート通路とが形成されており、
前記タービンスクロール通路に、前記タービン翼の回転によって切削可能な硬さの断熱材からなる断熱層を形成している排気ターボ過給機であって、
前記タービンスクロール通路の断熱層は、セラミック系粒子群と樹脂系バインダとの混合物を材料にして焼成されたもので、前記樹脂系バインダが焼成によって焼失すると共にセラミック系粒子が互いに結合した多孔質焼成層になっており、
かつ、前記排気ガス導入通路と排気ガス出口通路とウェイストゲート通路とにも、前記タービンスクロール通路と同じ断熱材から成る断熱層が形成されている」
という構成になっている。
The exhaust turbo supercharger of the present invention is
"Inside the turbine housing, a turbine scroll passage surrounding the turbine blade, an exhaust gas introduction passage communicating with the starting end of the turbine scroll passage, an exhaust gas outlet passage opening in the direction of the rotational axis of the turbine blade, and the exhaust gas A waste gate passage communicating with the gas introduction passage and the exhaust gas outlet passage is formed,
An exhaust turbo supercharger in which a heat insulating layer made of a heat insulating material having a hardness that can be cut by rotation of the turbine blade is formed in the turbine scroll passage,
The heat insulating layer of the turbine scroll passage is fired from a mixture of ceramic particles and a resin binder, and the resin binder is burned away by firing and the ceramic particles bond to each other to form a porous fired layer. It is layered,
Further, a heat insulating layer made of the same heat insulating material as the turbine scroll passage is also formed in the exhaust gas introduction passage, the exhaust gas outlet passage, and the waste gate passage.
The structure is as follows.
この場合、断熱材は、セラミック粒子と樹脂系等の耐熱バインダとを混合した不定形材料を使用可能であり、液状の断熱材槽にタービンハウジングを浸漬することによって各通路の内面全体に液状断熱材を塗布して、次いで、焼成して固めることにより、剥離不能に保持された断熱材層を形成できる。 In this case, the heat insulating material can be an amorphous material made by mixing ceramic particles and a heat-resistant binder such as resin, and by immersing the turbine housing in a liquid insulating material tank, liquid insulating material can be applied to the entire inner surface of each passage. By applying the material and then curing it to harden it, an irremovably retained layer of insulation can be formed.
断熱層(断熱材層)は、各通路の全体又は大部分に形成できる。この場合の「大部分」とは、タービンハウジングの断熱効果を享受できる範囲ということであり、例えば80%以上であれば、所望の効果を享受できると云える(90%以上であると好適である。)。 A thermal insulation layer can be formed over all or most of each passageway. In this case, " most" refers to the range where the turbine housing's heat insulation effect can be enjoyed; for example, if it is 80% or more, it can be said that the desired effect can be enjoyed (90% or more is preferable). be.).
本願発明では、タービンハウジングのうち排気ガスが流れる通路が断熱材層で覆われているため、排気ガスからタービンハウジングへの熱伝達を著しく抑制して、排気ガスの降温を抑制できる。これにより、過給効率を向上できると共に、触媒式の排気ガス浄化装置が接続されている場合は、特に暖機運転時に触媒を早期昇温させて排気ガスの浄化性能向上に貢献できる。また、タービンハウジングの受熱量を抑制できることにより、タービンハウジングのアルミ化(軽量化)にも大きく貢献できる。 In the present invention, since the passage through which the exhaust gas flows in the turbine housing is covered with the heat insulating layer, heat transfer from the exhaust gas to the turbine housing can be significantly suppressed, thereby suppressing the temperature drop of the exhaust gas. As a result, the supercharging efficiency can be improved, and when a catalytic exhaust gas purification device is connected, the temperature of the catalyst can be raised early especially during warm-up operation, contributing to improved exhaust gas purification performance. Furthermore, by being able to suppress the amount of heat received by the turbine housing, it can greatly contribute to making the turbine housing aluminum (lighter).
また、断熱材は、タービンスクロール通路に設けるとタービン翼によって切削できる硬さであるため、タービンスクロール通路の断熱材層をタービン翼が接触し得る厚さに設定しておくことにより、タービン翼を取り付けて駆動すると、断熱材層がタービン翼で切削されて、タービンスクロール通路とタービン翼との間に、個々のタービン翼に対応した必要最小限度のクリアランスを自動的に形成できる。従って、排気ガスの不要な漏洩を無くして仕事効率を向上させた排気ターボ過給機を、品質のバラツキを無くした状態で提供できる。 In addition, since the heat insulating material is hard enough to be cut by the turbine blades when provided in the turbine scroll passage , by setting the heat insulating material layer in the turbine scroll passage to a thickness that allows the turbine blades to come into contact with it, the turbine blades can be When installed and driven, the heat insulating material layer is cut by the turbine blades, and the minimum necessary clearance corresponding to each turbine blade can be automatically formed between the turbine scroll passage and the turbine blades. Therefore, an exhaust turbo supercharger that eliminates unnecessary leakage of exhaust gas and improves work efficiency can be provided with uniform quality.
なお、断熱材層をタービン翼で切削してクリアランス調整を行うことは、排気ターボ過給機を組み立ててから内燃機関に搭載する前の段階で、排気ガス導入通路に例えば圧縮空気を吹き込むことによって行える(実際の運転時に似せて、熱風を排気ガス導入通路に吹き込でもよい。)。 Note that clearance adjustment by cutting the insulation layer with the turbine blade is done by blowing compressed air into the exhaust gas introduction passage after the exhaust turbocharger is assembled and before it is installed in the internal combustion engine. (Hot air may be blown into the exhaust gas introduction passage to simulate actual operation.)
(1).基本構造
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は自動車用内燃機関の排気ターボ過給機に適用している。まず、基本構造を説明する。内燃機関との関係での方向について述べると、図1を正面図としているが、これは、シリンダヘッド(図示せず)の吸気側面と対向した方向から見た状態である。従って、クランク軸線方向は左右方向になり、シリンダヘッドの幅方向は前後方向になる。
(1).Basic Structure Next, embodiments of the present invention will be described based on the drawings. This embodiment is applied to an exhaust turbo supercharger for an internal combustion engine for an automobile. First, the basic structure will be explained. Regarding the direction in relation to the internal combustion engine, FIG. 1 is a front view, which is viewed from a direction opposite to the intake side of a cylinder head (not shown). Therefore, the direction of the crank axis is the left-right direction, and the width direction of the cylinder head is the front-rear direction.
図1,2から理解できるように、排気ターボ過給機は、排気ガスで駆動されるタービン翼2が配置されたタービンハウジング1と、図1,3から理解できるように、コンプレッサ翼3が配置されたコンプレッサハウジング4と、両者の間に位置した軸受ハウジング5とを備えている。タービン翼2は回転軸6の一端部に固定されて、コンプレッサ翼3は回転軸6の他端部に固定されている。従って、各ハウジング1,4,5は左右方向に並んでいる。
As can be understood from FIGS. 1 and 2, an exhaust turbo supercharger includes a
図2に示すように、タービンハウジング1には、シリンダヘッド又は排気マニホールド(図示せず)に固定される入り口側フランジ7が形成されており、入り口側フランジ7には、排気ガスが流入する排気ガス導入通路8が後ろ向きに開口している。図8に示すように、排気ガス導入通路8はタービン翼2を囲うタービンスクロール通路9に連通しており、タービンスクロール通路9は、図6,7に示すように、タービン翼2が僅かのクリアランスで回転するシュラウド室9aを有している。シュラウド室9aはタービン翼2の回転軸芯方向に開口しており、排気ガス出口通路10と連通している。排気ガス出口通路10は、左右方向に向いた出口側フランジ11に開口している。
As shown in FIG. 2, the
従って、タービンハウジング1は、タービンスクロール通路9を囲うドラム状部1a(図1参照)と、排気ガス導入通路8が形成された筒状部1b(図3参照)と、ドラム状部1a及び筒状部1bからコンプレッサハウジング4と反対側に張り出したサイド部1cとを備えており、サイド部1cに、排気ガスを排気ガス導入通路8から排気ガス出口通路10にリークさせるウェイストゲート通路12(図6参照)が形成されている。ウェイストゲート通路12の終端はウェイストゲートバルブ13で開閉される。
Therefore, the
図3に示すように、ウェイストゲートバルブ13にはアーム13aが固定されており、アーム13aには前後長手の支軸14が固定されている。支軸14はタービンハウジング1のサイド部1cに回転自在に保持されており、外向きに突出した部位にリンク15が固定されている。
As shown in FIG. 3, an
図2に示すように、リンク15は上下長手の姿勢であり、その上端部が支軸14に固定されて、下端部には、左右長手のロッド16の先端部が前後長手のピン17によって相対回動可能に連結されている。ロッド16は、コンプレッサハウジング4に固定されたアクチュエータ18の弁体(図示せず)に固定されている。
As shown in FIG. 2, the
図3,6から明瞭に把握できるように、本実施形態では、タービンハウジング1の筒状部1bは入り口側フランジ7から斜め上向きに延びており、タービンスクロール通路9やタービン翼2は入り口側フランジ7よりも上に配置されている。従って、本実施形態の排気ターボ過給機は、排気ガスが上向きに流れる上巻き方式になっている。
As can be clearly understood from FIGS. 3 and 6, in this embodiment, the
図6に示すように、コンプレッサハウジング4の内部にはコンプレッサスクロール室19が形成されており、コンプレッサスクロール室19に吸気を送る吸気入り口20(図2参照)が軸心方向に開口している。コンプレッサスクロール室19で加圧された吸気は、回転軸心と交叉した方向に開口した吸気出口21(例えば図4)から排出される。図6に示すように、コンプレッサハウジング4は、コンプレッサスクロール室19を形成するためのインナー部材22を備えている。
As shown in FIG. 6, a
図2から理解できるように、アクチュエータ18はアクチュエータ用ブラケット23にビス(図示せす)で固定されており、コンプレッサハウジング4と軸受ハウジング5とは、アクチュエータ用ブラケット23と押さえプレート24とを介して締結されている。図4に4本のボルト25が現れているが、これらのボルト25によってアクチュエータ用ブラケット23と押さえプレート24を引き付けることにより、軸受ハウジング5がコンプレッサハウジング4に押さえ固定されている。
As can be understood from FIG. 2, the
図6に示すように、軸受ハウジング5の内部には、回転軸6を回転自在に保持するフローティングメタル26が遊嵌している。そして、軸受ハウジング5には、フローティングメタル26に向けてオイルを供給するオイル入り口27が上向きに開口していると共に、オイルを排出する出口ポート28が下向きに開口している。
As shown in FIG. 6, a floating
本実施形態において、軽量化のために、タービンハウジング1と軸受ハウジング5はアルミの鋳造品として一体化されており、また、コンプレッサハウジング4はアルミのダイキャスト品である(鋳造品であってもよい。)。そこで、図6に示すように、タービンハウジング1の内部に冷却水ジャケット31,32を形成している。
In this embodiment, in order to reduce weight, the
すなわち、冷却水ジャケットは、軸受ハウジング5の側に位置した第1冷却水ジャケット31と、排気ガス出口通路10の側に位置した第2冷却水ジャケット32とで構成されており、両者は隔壁33で仕切られている。図2,8に示すように、両冷却水ジャケット31,32には、入り口側フランジ7に開口した枝通路31a,32aを形成している。
That is, the cooling water jacket is composed of a first
第1冷却水ジャケット31は、タービンスクロール通路9を外周側と軸受ハウジング5の側とから囲うと共に、筒部1bの下端部まで延びている。他方、第2冷却水ジャケット32は、排気ガス出口通路10を囲うと共に筒部1bの下端部まで延びている。そして、筒部1bの下端寄り部位に冷却水入り口ポート34を設けて、ドラム状部1a及びサイド部1cが繋がった部位の上端に、冷却水出口ポート35を設けている。両ポート34,35には、ホースを固定するための継手36,37(例えば図1参照)を接続している。
The first
(2).断熱処理
図7,8に太線で示すように、排気ガス導入通路8の全面、シュラウド室9aを含むタービンスクロール通路9の全面、排気ガス出口通路10の全面、ウェイストゲート通路12の全面に、断熱材層38を形成している。従って、排気ガスからタービンハウジング1への放熱は著しく抑制される。その結果、排気ガスの膨張を抑制して過給効率を向上できると共に、下流側に配置した触媒の早期昇温に貢献できる。
(2).Insulation treatment As shown by thick lines in FIGS. 7 and 8, the entire surface of the exhaust
また、排気ガスからタービンハウジング1への伝熱性が低下することによって冷却水への受熱量も低減するため、冷却水の水量を抑制してウォータポンプの負担を軽減できる。従って、燃費の向上にも貢献できる。
Furthermore, since the heat transfer from the exhaust gas to the
断熱材層38は、セラミック系粒子(例えば中空粒子や多孔質粒子)を焼成して形成されている。すなわち、セラミック系粒子と樹脂系等の液状バインダとの混合物をタンクに入れて、これにタービンハウジング1を浸漬することにより、各排気ガス通路の内面に断熱中間層(被膜)を形成して、次いで、タービンハウジング1を加熱炉に入れて数百度で加熱することにより、バインダを除去すると共にセラミック系粒子同士を焼結して(結合させて)断熱材層38と成している。
The heat insulating
この場合、図7においてシュラウド室9aの箇所に一点鎖線38aで示すように、断熱材層38を、シュラウド室9aにおいてタービン翼2が僅かに接触する厚さに設定しておいて、タービン翼2を組み付けてから、排気ガス導入通路8に圧縮空気を送ることによってタービン翼2を高速回転させて、タービン翼2によって断熱材層38を切削する(タービン翼2は硬い特殊合金製であるため、断熱材層38がタービン翼2によって切削される。)。
In this case, as shown by a dashed
タービン翼2は若干振れ動くため、タービン翼2とタービンスクロール通路9(特にシュラウド室9a)との間には、個々のタービン翼2に対応した必要最小限度のクリアランスが自動的に形成され。従って、タービン翼2とシュラウド室9aとの間に多少の芯ずれがあったり、タービン翼2に加工誤差や取り付け誤差があったりしても、それらの誤差を吸収した状態で、排気ガスの不要な漏れがない状態のクリアランスを形成できる。これにより、過給効率に優れた排気ターボ過給機をバラツキのない状態で製造できる。
Since the
以上の実施形態はアルミ製の水冷式タービンハウジングに適用したが、本願発明は、鋳鋼製のタービンハウジングにも適用できる。図示の形態ではシュラウド室をタービンハウジング1に直接形成しているが、スリーブ状のシュラウドピースを排気ガス出口通路10に装着することも可能である。この場合は、シュラウドピースの内面に断熱材層38を形成しておいて、装着してからタービン翼2によって切削したらよい。
Although the above embodiment was applied to a water-cooled turbine housing made of aluminum, the present invention can also be applied to a turbine housing made of cast steel. In the illustrated embodiment, the shroud chamber is formed directly in the
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 turbo supercharger. Therefore, it can be used industrially.
1 タービンハウジング
2 タービン翼
5 軸受ハウジング
6 回転軸
8 排気ガス導入通路
9 タービンスクロール通路
9a シュラウド室
10 排気ガス出口通路
12 ウェイストゲート通路
13 ウェイストゲートバルブ
38 断熱材層
1
Claims (1)
前記タービンスクロール通路に、前記タービン翼の回転によって切削可能な硬さの断熱材からなる断熱層を形成している排気ターボ過給機であって、
前記タービンスクロール通路の断熱層は、セラミック系粒子群と樹脂系バインダとの混合物を材料にして焼成されたもので、前記樹脂系バインダが焼成によって焼失すると共にセラミック系粒子が互いに結合した多孔質焼成層になっており、
かつ、前記排気ガス導入通路と排気ガス出口通路とウェイストゲート通路とにも、前記タービンスクロール通路と同じ断熱材から成る断熱層が形成されている、
排気ターボ過給機。 Inside the turbine housing, a turbine scroll passage surrounding a turbine blade, an exhaust gas introduction passage communicating with a starting end of the turbine scroll passage, an exhaust gas outlet passage opening in the direction of the rotational axis of the turbine blade, and the exhaust gas A waste gate passage is formed which communicates with the introduction passage and the exhaust gas outlet passage,
An exhaust turbo supercharger in which a heat insulating layer made of a heat insulating material having a hardness that can be cut by rotation of the turbine blade is formed in the turbine scroll passage,
The heat insulating layer of the turbine scroll passage is fired from a mixture of ceramic particles and a resin binder, and the resin binder is burned away by firing and the ceramic particles bond to each other to form a porous fired layer. It is layered,
and a heat insulating layer made of the same heat insulating material as the turbine scroll passage is also formed in the exhaust gas introduction passage, the exhaust gas outlet passage, and the waste gate passage.
Exhaust turbo supercharger.
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