JP6882039B2 - 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。

内燃機関に使用する排気ターボ過給機では、タービン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に冷却水ジャケットを形成し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１〜３に開示されている。

排気ターボ過給機は、タービン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、両者の間に位置した中間ハウジングを有しているが、特許文献１は、これら３つのハウジングをアルミで一体に鋳造して、各ハウジングに冷却水ジャケットを形成している。

他方、特許文献２では、冷却水ジャケットはタービンハウジングのみに形成されており、冷却水ジャケットは、スクロール室の外側の部位と、スクロール室に排気ガスを送り込む入口通路の周囲とに、一体に連続した状態で、又は互いに分離した状態で形成されている。この特許文献２でも、タービンハウジングをアルミ製とすることが開示されている。

冷却水ジャケットには冷却水入口と冷却水出口とを設ける必要があり、特許文献１では、タービンハウジングにおいては、スクロール室を挟んだ左右の内周部のうち、排気出口の側の内周部に冷却水入口を設けて、中間ハウジングの側の内周部に冷却水出口を設けている。他方、特許文献２では、図４，５，１５に冷却水の入口又は出口と思えるポートが表示されているが、実際に冷却水がどのように流れるのかは不明である。

国際公開ＷＯ２０１４／１０３５７０号公報 特開２０１６−７５２８７号公報

冷却水ジャケットにおいて、その構造は冷却性能と密接に関連している。例えば、タービンハウジングにはウエストゲート通路が形成されているのが普通であるが、ウエストゲート通路は排気ガスに晒されるため、タービンハウジングのうちウエストゲート通路を設けている側が強く冷却されるような構造を設計すべきである。また、冷却水入口や冷却水出口は、冷却水が淀みなくスムースに流れるように配置を検討すべきである。

しかるに、特許文献１，２は、単に冷却水ジャケットを開示しているに過ぎず、場所による受熱量の違いに対応した冷却水ジャケットの構造は見出し難い。特に、ウエストゲート通路に起因して高温になる部分をどのようにして的確に冷却するかは重要であるが、この点について有益な開示は見出せない。

本願発明はこのような現状に鑑み成されたものであり、冷却性能に優れて現実性が高い排気ターボ過給機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、「タービンハウジングに、排気ガスにてタービンを回転駆動するスクロール室と、前記スクロール室に排気ガスを送り込む入口通路と、前記スクロール室及び入口通路を囲う冷却水ジャケットとを形成しており、前記冷却水ジャケットには、前記スクロール室及び入口通路よりも下方に位置した下端部に冷却水入口を設けて、前記スクロール室及び入口通路よりも上に位置した上端部に冷却水出口を設けている」という基本構成である。

そして、請求項１の発明は、上記基本構成において、
「前記入口通路からウエストゲート通路が分岐していて、前記冷却水ジャケットは、前記ウエストゲート通路を少なくとも上下両側から囲うように広がっており、前記冷却水入口は前記スクロール室の下方に位置して、前記冷却水出口は、前記ウエストゲート通路に寄った部位でかつ、前記入口通路を通る排気ガスの流れ方向である前後方向からみて前記冷却水入口よりも手前にずれた位置に設けられており、
かつ、前記前後方向からみて前記スクロール室を挟んだ前後両側に、前記冷却水ジャケットを上下に分ける横長隔壁が形成されている」
という特徴を備えている。

本願発明によると、上向き突出部は冷却水が集まるタンクとして機能し、冷却水ジャケットを流れた冷却水は、上向き突出部に集められてから冷却水出口より排出される。従って、冷却水に流れの方向性を付与して、冷却水をスムースに流すことができる。その結果、冷却性能を向上できる。更に述べると、熱は上に逃げる性質があるため、本願発明のように上向き突出部を設けると、受熱した冷却水が上向き突出部を介して冷却水出口に排出されて、熱の籠もりが生じることはないであり、これにより、高い冷却性能を確保できる。

特に、上向き突出部を、タービン側スクロール室とウエストゲート通路と入口通路との三者に跨がって広がるように形成すると、排気ガスの熱を強く受ける部分を通って昇温して冷却水が速やかに排出されるため、排気ガスの熱を受ける部分を適切に冷却して、高い耐久性・信頼性を確保することができる。従って、アルミ製タービンハウジングの実用化にも大きく貢献できるといえる。

更に、本願発明では、冷却水入口はスクロール室（タービン側スクロール室）の下方（真下かその近傍が好ましい）に配置されているため、冷却水はスクロール室を挟んだ両側に分かれて流れる。従って、冷却水を冷却水ジャケットの全体に行き渡らせることができる。そして、冷却水出口はウエストゲート通路に寄った部位に設けているため、ウエストゲート通路を設けている部分を通過した冷却水は、伝熱されてから速やかに排出される。従って、熱の籠もりを防止して高い冷却性能を確保できる。

実施形態に係る排気ターボ過給機の全体図であり、（Ａ）は吸気入口の方向から見た斜視図、（Ｂ）は排気ガスの入口方向から見た斜視図である。 （Ａ）は排気ターボ過給機の平面図、（Ｂ）の正面図である。 図２（Ａ）のIII-III 視断面図である。 （Ａ）はタービンハウジングの平面図、（Ｂ）は冷却水ジャケットを実線で表示してタービンハウジングの外形を一点鎖線で表示した平面図、（Ｃ）は排気ガス通路を実線で表示してタービンハウジングの外形を一点鎖線で表示した平面図である。 （Ａ）はタービンハウジングの正面図、（Ｂ）は冷却水ジャケットを実線で表示してタービンハウジングの外形を一点鎖線で表示した正面図である。 （Ａ）はタービンハウジングの右側面図、（Ｂ）は冷却水ジャケットを実線で表示してタービンハウジングの外形を一点鎖線で表示した右側面図である。 （Ａ）はタービンハウジングの底面図、（Ｂ）は図４（Ａ）の VIIB-VIIB視左断面図、（Ｃ）は冷却水ジャケットの左側面図である。 （Ａ）は図４（Ａ）及び図５（Ａ）の VIIIA-VIIIA視断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ視断面図で図５（Ａ）の VIIIB-VIIIB視断面図、（Ｃ）は図４（Ａ）及び図６（Ａ）並びに図７（Ｂ）の VIIIC-VIIIC視概略断面図である。 （Ａ）は図４（Ａ）及び図７（Ｂ）のIX-IX 視断面図、（Ｂ）は図６（Ａ）及び図８（Ａ）のIXB-IXB 視断面図である。

(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１〜３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、ブレード式のタービン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中間ハウジング６とを有しており、タービンハウジング４と中間ハウジング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１が回転自在に配置されたタービン室７と、タービン室７の外周部に連通したタービン側スクロール室８とが形成されている。タービン側スクロール室８は、タービン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、図１（Ｂ）に示す入口通路９が連通している。

従って、タービンハウジング４は、タービン側スクロール室８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、中間ハウジング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（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１２が形成されている。

また、図３から理解できるように、サイド張り出し部４ｃには、タービン室７から排出された排気ガスが流れる出口通路１３と、入口通路９と出口通路１３とを繋ぐウエストゲート通路１４とが形成されており、ウエストゲート通路１４は、回動式のウエストゲートバルブ１５で開閉される。出口通路１３には、タービン側スクロール室８の内周部を構成するためのシュラウドピース１３ａを装着している。ウエストゲートバルブ１５は、図１に示すダイヤフラム式のアクチュェータ１６によって駆動される。アクチュェータ１６はロッド１７を有しており、ロッド１７が前後動すると、外リンク１８と支軸１９と内リンク２０とを介して、ウエストゲートバルブ１５が支軸１９の軸心回りに回動する。

サイド張り出し部４ｃには出口側フランジ２１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２１に触媒ケースが固定される（排気管を固定してもよい。）。出口通路１３及びウエストゲート通路１４に連通して排気ガスが排出される出口１３ｂは、斜め下向きに開口している。

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２２と、コンプレッサ翼２の外側に位置したコンプレッサ側スクロール室２３とが形成されており、コンプレッサ側スクロール室２３で加圧された吸気は、排出口２４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２５を介して中間ハウジング６と連結されている。

中間ハウジング６には、フローティングメタル２６を介して回転軸３を回転自在に保持する軸受け部２７が形成されている。軸受け部２７には、上向きに開口したオイル供給穴２８と、下向きに開口したオイル排出穴２９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は省略する。

(2).タービンハウジングの冷却構造
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。この点を、図４以下の図面を参照して説明する。図７（Ｃ）及び図８に示すように、冷却水ジャケット３１は、基本的には、タービンハウジング４の円形状部４ａと入口筒部４ｂとを全体的に覆う形態である。

そして、冷却水ジャケット３１は、スクロール室８を挟んで手前側の部位を前部横長隔壁３２ａで上下に仕切ると共に、スクロール室８を挟んで後ろ側の部位を、左右の後部横長隔壁３２ｂで上下に仕切っている。図９（Ａ）に示すように、ウエストゲート通路１４は、上下の冷却水ジャケット３３，３４で挟まれている。前部横長隔壁３２ａは、スクロール室８を左右の手前から囲うように平面視で略Ｕ形の形態を成しており、大まかには、前後の横長隔壁３２ａ，３２ｂは、入口筒部４ｂの軸心方向である前後方向に長く延びる形態になっている。

従って、冷却水ジャケット３１は、横長隔壁３２ａ，３２ｂにより、上部ジャケット３３と下部ジャケット３４に区分されている。そして、上下ジャケット３３，３４は、１つのフロント連通部３５と、左右２つのリア連通部３６によって連通している。下部ジャケット３４には冷却水入口３７が連通して、上部ジャケット３３には冷却水出口３８が連通している。冷却水入口３７及び冷却水出口３８はボス部に形成されており、図８，９に示すように、継手筒３７ａ，３８ａを介してホースに接続されている。

連通部３５，３６は前後に分かれているので、冷却水は、上下ジャケット３３，３４の全体をまんべんなく流れて冷却水出口３８から排出される。従って、タービンハウジング４の全体をできるだけ均等に冷却して、熱ひずみの発生を大幅に抑制できる。

図３，５，７（Ａ）（Ｂ）などに示すように、サイド張り出し部４ｃは、円形状部４ａ及び入口筒部４ｂよりも上に突出した山形になっており、最も高い部位に出口ボス３９を形成して、これに冷却水出口３８を形成している。このため、上部ジャケット３３にも、上向き突出部３３ａが形成されており、上部ジャケット３３ａの上端に冷却水出口３８が形成されている。従って、冷却水ジャケット３１は、側面視及び正面視で上向きに窄まった漏斗状になっており、下から送られた冷却水は、途中で淀むようなことはなくて、冷却水出口３８に集められて確実に排出される。

また、例えば図５に明示するように、冷却水ジャケット３１の冷却水入口３７はタービン室７の真下に位置して筒状の形態になっている一方、冷却水出口３８は、出口通路１３及びウエストゲート通路１４の側に偏っており、両者は左右方向と前後方向とに離れている（オフセットされている）。すなわち、図４（Ｂ）に示すように、冷却水出口３８は、冷却水入口３７に対して後ろ側にＬ１だけずれて、中間ハウジング６は反対側にＬ２だけずれており、図３及び図９から理解できるように、冷却水出口３８は、ウエストゲート通路１４よりもやや外側に配置されている（サイド張り出し部４ｃの上に位置している。）。

また、例えば図９（Ａ）から容易に理解できるように、上下冷却水ジャケット３３，３４の両方とも、中間ハウジング６の側よりも出口通路１３及びウエストゲート通路１４の側（サイド張り出し部４ｃの側）において、体積（容積）が遥かに大きくなっている。このため、高温に晒されて熱害を受けやすい部位（特に、排気ガス通路で囲まれた部位）を強く冷却して、異常に昇温することを防止できると共に、熱ひずみも大幅に抑制できる。

連通穴３５，３６は、外向きに開口した空洞部４０にねじ式のプラグ４１を嵌め込むことによって形成されている。すなわち、プラグ４１を空洞部４０の途中までねじ込むことにより、空洞部４０の一部を連通穴３５，３６と成している。

図４（Ｂ）や図８（Ａ）、図９（Ｂ）から理解できるように、円形状部４ａには、上部ジャケット３３と下部ジャケット３４とを左右に二分する上下の縦長リブ４２，４３が形成されている。従って、円形状部４ａの箇所においては、冷却水ジャケット３１で区分された内外の部分は、前部横長隔壁３２ａと上下の縦長リブ４２，４３とによって繋がっており、これら前部横長隔壁３２ａと上下の縦長リブ４２，４３とは、正面視で十文字状の形態を成している。

上下の縦長リブ４２，４３には、水流を左右に分ける整流機能も保持させ得るため、冷却水の流れのスムース化にも貢献できる。更に、縦長リブ４２，４３は放熱の機能も発揮するため、熱の籠もりを抑制できる利点もある。図８（Ａ）から理解できるように、上部縦長リブ４２は、概ね円形状部４ａの前半分程度に形成されており、上縦長リブ４２の後ろにおいて上部ジャケット３３は左右が一体に連続している。従って、冷却水は冷却水出口３８にスムースに集められる。

他方、下部縦長リブ４３は、冷却水入口３７を挟んで前後両側に形成されている。従って、下部ジャケット３４は、円形状部４ａの箇所では、前後の下部縦長リブ４３と、冷却水入口３７を形成しているボス部とによって左右に分離しており、手前の下部縦長リブ４３で左右に分離された水流は、フロント連通部３５に集合して上部ジャケット３３に流れて、後ろの下部縦長リブ４３で左右に分離された水流は、入口筒部４ｂの箇所において下部ジャケット３４に集合して、左右のリア連通部３６に分かれて上部ジャケット３３に流れていく。

図７（Ｂ）に示すように、入口筒部４ｂは、その後端から前端に向けて高さが少し高くなるように傾斜している。このため、図７（Ｃ）に示すように、冷却水ジャケット３１のうち入口筒部４ｂの箇所に位置した部分も、手前に向けて高くなるように側面視でやや傾斜している。この冷却水ジャケット３１の形態に対応して、後部横長隔壁３２ｂは、いったん立ち上がってから水平状の姿勢で後ろに向かい、それから後ろに向けて低くなるように傾斜しており、このため、下部ジャケット３４の上面は、概ね側面視で山形の形態を成している。

そこで、下部ジャケット３４の上端部に気泡が溜まることを確実に阻止すべく、後部横長隔壁３２ｂのうち高さが高い部分に、図９（Ａ）に示すように連通穴４４を形成している。このため、冷却水に気泡が含まれていたり、冷却水が沸騰して気泡が発生したりしても、気泡を速やかに排除できる。このため、高い冷却性を確保できる。連通穴４４はドルリ加工で形成されているため、タービンハウジング４には連通穴４４と同心のドリル穴４５が空いているが、このドリル穴４５は図示しないプラグで塞がれている。

図８に示すように、タービン側スクロール室８は渦巻き状になっているため、タービン側スクロール室８の始端部は入口通路９の終端部とで挟まれた部分は、先端に向けて厚さが薄くなった舌部４６になっている。このため、舌部４６はタービンハウジング４で最も過酷な熱環境に晒されるが、本実施形態では、概ね舌部４６の横に後部横長隔壁３２ｂの前端部が位置しており、後部横長隔壁３２ｂのうち舌部４６の横に位置した部位に連通穴４４が空いている。

そして、連通穴４４を冷却水が流れることにより、後部横長隔壁３２ｂから冷却水への熱交換が著しく促進されるため、舌部４６の熱も後部横長隔壁３２ｂを介して冷却水に旺盛に放熱される。その結果、舌部４６が過剰に昇温することを防止して、高い品質を確保できる。図９に示すように、入口通路９とウエストゲート通路１４とは左右に並んでおり、両者の間に後部横長隔壁３２ｂの片側が位置しているが、後部横長隔壁３２ｂに連通穴４４を空けると、ウエストゲート通路１４の箇所からの伝熱も抑制できるため、舌部４６の保護手段として一層有益である。

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、冷却水ジャケットの形態は、タービンハウジングの形状等に応じて適宜設定できる。中間ハウジングとタービンハウジングとは別体であってもよい。

本願発明は、実際に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 回転軸
２ タービン
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
７ タービン室
８ タービン側スクロール室
９ 入口通路
３１ 冷却水ジャケット
３２ａ，３２ｂ 横長隔壁
３３ 上部ジャケット
３４ 下部ジャケット
３５，３６ 連通部
３７ 冷却水入口
３９ 冷却水出口

Claims (1)

1. タービンハウジングに、排気ガスにてタービンを回転駆動するスクロール室と、前記スクロール室に排気ガスを下向きに送り込む入口通路と、前記スクロール室及び入口通路を囲う冷却水ジャケットとを形成しており、前記冷却水ジャケットには、前記スクロール室及び入口通路よりも下方に位置した下端部に冷却水入口を設けて、前記スクロール室及び入口通路よりも上に位置した上端部に、前記冷却水ジャケットに形成された上向き突出部の上端に位置した冷却水出口を設けている構成であって、
   前記入口通路からウエストゲート通路が分岐していて、前記冷却水ジャケットは、前記ウエストゲート通路を少なくとも上下両側から囲うように広がっており、前記冷却水入口は前記スクロール室の下方に位置して、前記冷却水出口は、前記ウエストゲート通路に寄った部位でかつ、前記入口通路を通る排気ガスの流れ方向である前後方向からみて前記冷却水入口よりも手前にずれた位置に設けられており、
   かつ、前記前後方向からみて前記スクロール室を挟んだ前後両側に、前記冷却水ジャケットを上下に分ける横長隔壁が形成されている、
   排気ターボ過給機。

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