JP7401343B2

JP7401343B2 - 排気ターボ過給機用タービンハウジング及びその製造方法

Info

Publication number: JP7401343B2
Application number: JP2020031286A
Authority: JP
Inventors: 基樹小西
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2020-02-27
Filing date: 2020-02-27
Publication date: 2023-12-19
Anticipated expiration: 2040-02-27
Also published as: JP2021134719A

Description

本願発明は、排気ターボ過給機用タービンハウジング及びその製造方法に関するものである。

車両用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室と、タービンスクロール室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。

そして、タービンスクロール室は、タービン翼の軸心と直交した方向の幅を変えることにより、タービン翼の回転方向に向かって断面積を縮小させているが、このタービンスクロール室の形状に起因して、タービンハウジングのうち、タービンスクロール室の終端部と前記排気ガス導入通路とで挟まれた部位は、排気ガス出口通路に向かって厚さが縮小した舌部になっている。

舌部は先端に向けて薄くなっているため、排気ガスの熱による損傷や、膨張・収縮に起因した熱応力によって亀裂が発生しやすいという問題があり、そこで、従来から対応策が提案されている。その例として特許文献１には、舌部に、これをタービン翼の回転軸心の方向に分断するようなスリットを形成することが開示されている。

特許第５２６０２５８号公報

特許文献１は、熱応力が舌部の表面部において大きいことに着目して、表面部にスリットを形成することによって熱応力を吸収しようとするものであるが、舌部はタービンハウジングの内部に位置しているため、スリットの加工は非常に面倒になると思料される。

また、スリットを形成すると舌部の表面積が増大するため、スリットの箇所に熱が籠もる現象が発生して、スリットの箇所が過剰昇温して損傷しやすくなることも懸念される。特に、軽量化のためにタービンハウジングをアルミ製にした場合には、熱による損傷が強く懸念される。更に、排気ガスがスリットを介して下流側に漏洩することにより、排気ガスに乱れが発生してタービン翼の円滑な高速回転が阻害されたり、過給効率が低下したりすることも懸念される。

本願発明はこのような現状を背景に成されたものであり、タービン翼の回転に悪影響を及ぼすことなく舌部の損傷や亀裂を防止できるタービンハウジングを、簡単な構造で提供しようとするものである。

本願発明のタービンハウジングは、
「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室と、前記タービンスクロール室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を、有して、
前記タービンスクロール室の終端部と前記排気ガス導入通路とで挟まれた部位は、前記排気ガス導入通路に向けて厚さが縮小した舌部になっており、
更に、前記タービンスクロール室を囲うように冷却水ジャケットが配置されている」
という基本構成になっている。

そして、請求項１の発明は、上記基本構成において、
「前記舌部のうち前記タービン翼の側に向いた内面の表層は硬化処理が施された硬化部になっており、
前記冷却水ジャケットに、前記舌部の側に入り込んだ拡張部が形成されている」
という特徴を備えている。

本願発明はタービンハウジングの製法も含んでいる。この製法は、
「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室と、前記タービンスクロール室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を、有して、前記タービンスクロール室の終端部と前記排気ガス導入通路とで挟まれた部位は、前記排気ガス導入通路に向けて厚さが縮小した舌部になっている、
という構成のタービンハウジング中間品を鋳造する工程と、
前記タービンハウジング中間品における前記舌部のうち前記タービン翼の側に向く内面に向けて前記排気ガス出口通路から小球群を当てるショットピーニング処理工程とを、有しており、
前記タービンハウジング中間品を鋳造する工程において、前記タービンスクロール室を囲うように配置されると共に前記舌部の側に入り込んだ拡張部を有する冷却水ジャケットが一体に形成されている」
という構成を特徴にしている。

本願発明では、舌部の内面が硬化処理されて緻密な組織になっているため、膨張・収縮によって熱応力が発生しても、硬化層で熱応力を吸収して、熱応力が芯部に波及することを抑制できる。そして、表面積の増大はないため、熱の籠もり現象が発生することもない。また、硬化処理は請求項２のようなショットピーニングによって実現できるため、加工上の問題もなくて、現実性に優れている。更に、排気ガスの漏洩はないため、タービン翼の回転に悪影響を及ぼすこともない。

さて、タービンスクロール室はタービン翼の回転軸心方向にある程度の幅があるため、舌部の先端はタービン翼の回転軸心方向（幅方向）に細長い形状になっている。このため、排気ターボ過給機の運転・停止に伴って、舌部は、主としてその幅方向に膨張・収縮することになる。従って、熱応力も幅方向に作用し、残留応力により、舌部をその幅方向に分離するような亀裂が発生しやすい。

他方、ショットピーニングによる硬化では、小球群の衝突によって舌部の表面に加工硬化に伴う残留応力が発生するが、請求項２のように、排気ガス出口通路から小球群を舌部の内面に当てて硬化させると、熱膨張による応力の作用方向とショットピーニングによる加工硬化に伴う残留応力の作用方向が略逆向きになって、ショットピーニングによる加工による残留応力が熱応力を打ち消すように作用する。これにより、熱膨張・熱収縮に起因した熱応力の発生を抑制することを確実化できる。
また、両請求項の両発明とも、冷却水ジャケットに拡張部を形成しているため、舌部の熱応力を抑制できることと相まって、舌部に亀裂や損傷が発生することを的確に防止できる利点がある。

実施形態に係る排気ターボ過給機の正面図である。排気ターボ過給機の背面図である。図１のIII-III 視右側面図である。図１のIV-IV視左側面図である。排気ターボ過給機の平面図である。図３及び図４のVI-VI 視断面図である。図６とほぼ同じ部位の部分拡大図である。（Ａ）は図６及び図７のVIIIA-VIIIA視断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ－Ｂ視図である。

(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。

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。

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７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室９に連通しており、タービンスクロール室９は、図３や図６に示す排気ガス出口通路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。

従って、タービンハウジング１には、タービンスクロール室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）とは、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。

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。

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。

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室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。

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。

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。

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。

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。

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。

第１冷却水ジャケット３１は請求項に記載した冷却水ジャケット３１に該当するもので、タービンスクロール室９を外周側と軸受ハウジング５の側とから囲うと共に、筒状部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を囲うと共に筒状部１ｂの下端部まで延びている。そして、筒状部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。

(2).舌部とその処理
図８（Ａ）に示すように、タービンスクロール室９は、始端から終端に向けて放射方向の幅が小さくなっており、このため、タービンスクロール室９の終端部９ａと排気ガス導入通路８の終端部とで挟まれた部位に舌部３８が形成されている。正確に述べると、舌部３８は、タービン翼２の回転軸心と直交した方向の厚さが先端に向けて小さくなっている。このため、熱による損傷が発生したり、熱膨張・熱収縮の繰り返しによって残留応力（熱応力）が蓄積し、この熱応力によって、図８（Ｂ）に亀裂３９が発生したりすることがある。

タービンスクロール室９はタービン翼２の回転軸心方向にある程度の幅Ｗ（図８（Ｂ）参照）を有することから、舌部３８の先端３８ａは図８（Ｂ）に示すように、タービン翼２の軸心方向に長い形態になっており、このため、熱応力は舌部３８の幅方向（Ｗ方向）に作用する傾向を呈し、亀裂３９は、舌部３８をタービン翼２の回転軸心と交叉した方向に生じる傾向を呈している。

そこで、本願発明では、図７及び図８（Ｂ）に点線４０で示すように、排気ガス出口通路１０の方向から小球（微細球）の群を舌部３８の内面３８ｂに高速で当てるショットピーニング加工を施すことにより、舌部３８の内面３８ｂの表層を硬化処理している。図８（Ａ）において、硬化された部分（硬化部）は太線で表示している。このように、舌部３８の内面３８ｂを硬化処理して硬化部を形成すると、組織が緻密化して熱膨張・熱収縮による残留応力が芯部に波及しにくくなるため、亀裂３９の発生を大幅に抑制できる。

また、舌部３８の先端はタービン翼２の回転軸心方向に長いため、舌部３８はその幅方向（Ｗ方向）に伸びようとするが、タービンハウジング１には軸受ハウジング５が一体化していることから、舌部３８は，熱膨張により、図８（Ｂ）に矢印Ｆ１で示すように、排気ガス出口通路１０の方向に逃げて伸びる傾向を呈しており、結果として、排気ターボ過給機の運転停止後の熱収縮に際しては、舌部３８を図８（Ｂ）に矢印Ｆ１の方向に伸ばそうとする残量応力が発生すると思料される。

他方、ショットピーニングによる小球の投射方向は排気ガス出口通路１０から内向きに向いているため、ショットピーニングによる加工硬化で生じた残留応力は、図８（Ｂ）に矢印Ｆ２で示すように、舌部３８を幅方向（Ｗ方向）に縮めるように作用している。従って、熱膨張による熱応力（Ｆ１）がショットピーニングによる残量応力（Ｆ２）を打ち消して、亀裂３９の発生を防止できる。

ショットピーニングによって舌部３８の内面が緻密化していると、熱の反射（特に輻射熱の反射）の性能も高くなるといえるため、受熱性を低下させて熱応力の発生自体を軽減できると推測される。

実施形態では、図８（Ａ）に示すように、第１冷却水ジャケット３１に、舌部３８の突出方向に向いた（舌部３８の側に入り込んだ）拡張部３１ｂを形成しているが、このように構成すると、舌部３８の熱応力を抑制できることと相まって、舌部３８に亀裂や損傷が発生することを的確に防止できる利点がある。

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。

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。

１タービンハウジング
２タービン翼
４コンプレッサハウジング
５軸受ハウジング
６回転軸
７入り口側フランジ
８排気ガス導入通路
９タービンスクロール室
１０排気ガス出口通路
３１第１冷却水ジャケット（請求項の冷却水ジャケット）
３１ｂ拡張部
３８舌部
３８ａ先端
３８ｂ内面
３９亀裂

Claims

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室と、前記タービンスクロール室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を、有して、
前記タービンスクロール室の終端部と前記排気ガス導入通路とで挟まれた部位は、前記排気ガス導入通路に向けて厚さが縮小した舌部になっており、
更に、前記タービンスクロール室を囲うように冷却水ジャケットが配置されている構成であって、
前記舌部のうち前記タービン翼の側に向いた内面の表層は硬化処理が施された硬化部になっており、
前記冷却水ジャケットに、前記舌部の側に入り込んだ拡張部が形成されている、
排気ターボ過給機用タービンハウジング。
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室と、前記タービンスクロール室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を、有して、前記タービンスクロール室の終端部と前記排気ガス導入通路とで挟まれた部位は、前記排気ガス導入通路に向けて厚さが縮小した舌部になっている、
という構成のタービンハウジング中間品を鋳造する工程と、
前記タービンハウジング中間品における前記舌部のうち前記タービン翼の側に向く内面に向けて前記排気ガス出口通路から小球群を当てるショットピーニング処理工程とを、有しており、
前記タービンハウジング中間品を鋳造する工程において、前記タービンスクロール室を囲うように配置されると共に前記舌部の側に入り込んだ拡張部を有する冷却水ジャケットが一体に形成されている、
排気ターボ過給機用タービンハウジングの製造方法。