特許 6805051 排気ターボ過給機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6805051

(24)【登録日】2020年12月7日

(45)【発行日】2020年12月23日

(54)【発明の名称】排気ターボ過給機

(51)【国際特許分類】

   F02B 39/00 20060101AFI20201214BHJP

【ＦＩ】

   F02B39/00 B

   F02B39/00 D

【請求項の数】3

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2017-72651(P2017-72651)

(22)【出願日】2017年3月31日

(65)【公開番号】特開2018-173054(P2018-173054A)

(43)【公開日】2018年11月8日

【審査請求日】2020年2月26日

(73)【特許権者】

【識別番号】000002967

【氏名又は名称】ダイハツ工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100099966

【弁理士】

【氏名又は名称】西 博幸

(74)【代理人】

【識別番号】100134751

【弁理士】

【氏名又は名称】渡辺 隆一

(72)【発明者】

【氏名】澤下 真人

【審査官】 坂口 達紀

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１５−２０３３７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭６２−１３７３４１（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 実開平０２−０９３５２３（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開平０５−０７９３４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１５／０２１１３８３（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０２Ｂ ３３／００−４１／１０，

Ｆ０１Ｐ １／００−１１／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ハウジングに、タービンを排気ガスで駆動するためのスクロール室と、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覆う冷却水ジャケットとが形成されており、
前記冷却水ジャケットは、前記入口通路の軸心方向から見た正面視で左右に配置された一対の隔壁により、上部ジャケットと下部ジャケットに区分されており、前記上下のジャケットは、前記正面視で前部と後部とにおいて互いに連通しており、冷却水は、下部ジャケットから上部ジャケットに向けて、又は、上部ジャケットから下部ジャケットに向けて流れるように設定されている、
排気ターボ過給機。

【請求項2】

前記ハウジングは、前記冷却水ジャケットと同じ形状の中子を使用して製造された鋳造品であり、前記上部ジャケットと下部ジャケットとの連通部は、上下の中子を連結するための接続部が空洞部として残っていることを利用して形成されている、
請求項１に記載した排気ターボ過給機。

【請求項3】

前記上部ジャケットと下部ジャケットとの連通部は、前記空洞部にプラグを嵌め込むことによって形成されており、前記プラグの嵌め込み深さを調節することによって連通部の流量調整が許容されている、
請求項２に記載した排気ターボ過給機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【背景技術】

【0002】

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１，２に開示されている。

【0003】

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とを有しているが、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。

【0004】

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にも、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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】国際公開ＷＯ２０１４／１０３５７０号公報

【特許文献2】特開２０１６−７５２８７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ハウジングに冷却水ジャケットを設けた場合、高い冷却性能を確保するには、冷却水が冷却水ジャケットの全体に行き渡ることが必要であるが、特許文献１には一連に連続した冷却水ジャケットが開示されているに過ぎず、冷却水のスムースな流れについての配慮は見られない。

【0007】

また、タービンハウジングでは、スクロール室の上流側に連通した入口通路の箇所も高温になるが、特許文献１には入口通路の箇所の冷却は開示されておらず、従って、熱ひずみを抑制して的確な冷却ができるか否か、不明である。更に、冷却水ジャケットの箇所は空洞になるため、ハウジングの剛性確保にも配慮が必要である、特許文献１には、このような剛性に関する配慮も見受けられない。

【0008】

他方、特許文献２では、冷却水ジャケットは入口通路にも形成しているため、ハウジングの全体的な冷却については配慮されているといえる。しかし、冷却水ジャケットを挟んで外側の部分と内側の部分とが広い範囲で分離しているため、冷却水ジャケットで囲われた内側部分の剛性は著しく低くなっていると推測される。従って、現実性において問題があると思料される。

【0009】

また、特許文献２の場合、例えば図４には冷却水の出入り口と推測される穴が空いているが、具体的な冷却水の流れは開示されておらず、冷却水がスムースに流れるか否か、不明である（特許文献２では、入口通路のうちシリンダヘッド等に固定される奥側の部分は袋小路になっているため、冷却水ジャケットが流れずに淀んでしまうことが懸念され、全体に亙って均等に冷却できるか否か、疑問である。）。

【0010】

本願発明はこのような現状に鑑み成されたものであり、冷却水の流れやハウジングの剛性等に配慮した現実性の高い排気ターボ過給機を提供せんとするものである。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本願発明は多くの構成を含んでおり、その例を各請求項で特定している。このうち請求項１の発明は、ハウジングに、タービンを排気ガスで駆動するためのスクロール室と、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覆う冷却水ジャケットとが形成されている、という基本構成である。

【0012】

そして、上記基本構成において、前記冷却水ジャケットは、前記入口通路の軸心方向から見た正面視で左右に配置された一対の隔壁により、上部ジャケットと下部ジャケットに区分されており、前記上下のジャケットは、前記正面視で前部と後部とにおいて互いに連通しており、冷却水は、下部ジャケットから上部ジャケットに向けて、又は、上部ジャケットから下部ジャケットに向けて流れるように設定されている。

【0013】

請求項２の発明は、請求項１において、前記ハウジングは、前記冷却水ジャケットと同じ形状の中子を使用して製造された鋳造品であり、前記上部ジャケットと下部ジャケットとの連通部は、上下の中子を連結するための接続部が空洞部として残っていることを利用して形成されている。

【0014】

請求項３の発明は、請求項２において、前記上部ジャケットと下部ジャケットとの連通部は、前記空洞部にプラグを嵌め込むことによって形成されており、前記プラグの嵌め込み深さを調節することによって連通部の流量調整が許容されている。

【0015】

本願発明では、タービンハウジングの素材には限定はないが、アルミ等の軽金属製とすると、軽量化できて水冷式のメリットを大きく享受できる。この場合、タービンハウジングと中間ハウジングとを一体化すると、部品管理の手間や組み付けの手間を抑制できると共に、寸法精度も向上できて好適である。また、上下の各ジャケットにおいて、当該ジャケットで分離した内外の部分を柱状のブリッジや帯板状のリブで繋ぐことは可能であり、それらブリッジによって剛性を更に向上できる（ブリッジに整流機能を持たせることも可能である。）。

【発明の効果】

【0016】

本願発明では、冷却水ジャケットは左右の隔壁を介して上下に分離しているため、冷却水ジャケットを挟んで外側に位置した部分と内側に位置した部分とが、左右の隔壁で繋がっている。このため、冷却水ジャケットで囲われた内側部分は、高い剛性を確保できる。また、隔壁は放熱部としても機能するため、熱の籠もりを抑制して冷却性能向上にも貢献できるといえる。

【0017】

また、冷却水は、前後の連通部を介して上下のジャケットに流れるため、冷却水を下部ジャケットと上部ジャケットとのそれぞれについてまんべんなく行き亙らせることができる。これにより、ハウジング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。なお、冷却水は上部ジャケットから下部ジャケットに向けて流してもよいが、下部ジャケットから上部ジャケットに流すと、冷却水が下部ジャケットと上部ジャケットとのそれぞれにおいて隅々まで充満した状態で流れるため、高い冷却性能を確保できる利点がある（気泡の排除も容易である。）。

【0018】

さて、ハウジングは複雑な形状であるため鋳造で製造することになるが、この場合、鋳型においては、ジャケットの箇所は砂の中子となる。そして、中子を外型で所定の位置に安定的に支持しておくために、中子には、鋳型の外面に露出した支持部を形成する必要があり、この支持部は、鋳造後は、ジャケットと連通した穴になる。

【0019】

しかして、本願請求項２の発明は、下部ジャケットを形成するための中子と上部ジャケットを形成するための中子を接続部で繋いで、この接続部を支持部として形成された空洞部（穴）を上下ジャケットの連通部に利用するものであり、このため、ドリル加工のような後加工を要することなく連通部が形成されている。従って、それだけ製造の手間を抑制してコストも抑制できる。また、加工によるバラツキは生じないため、品質の安定化にも貢献できる。

【0020】

中子の接続部によって形成された空洞部は外側に開口するため、これを塞ぐ必要があるが、請求項３のように嵌め込み式のプラグ（ねじ式が好ましい）で塞ぐと、プラグの嵌め込み深さを調節することによって連通部の断面積が変化するための、プラグを利用して連通部の流量を調節できる。従って、冷却の必要性に応じて前後の連通部の流量を調節したり、冷却水ジャケットに流れる冷却水の流量を調節したりすることが、特別の弁手段を要することなく実現できる。これにより、品質に優れた水冷式排気ターボ過給機を簡単な構造で提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】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。

【図2】（Ａ）は排気ターボ過給機の平面図、（Ｂ）の正面図である。

【図3】図２（Ａ）のIII-III 視断面図である。

【図4】（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。

【図5】（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。

【図6】（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。

【図7】（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。

【図8】（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。

【図9】（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。

【発明を実施するための形態】

【0022】

(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。

【0023】

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。

【0024】

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。

【0025】

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。

【0026】

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。

【0027】

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。）。排気ガスが排出される出口穴１３ｂは、斜め下向きに開口している。

【0028】

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。

【0029】

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。

【0030】

(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、左右の横長隔壁３２ａ，３２ｂにより、上下に分かれた上部ジャケット３３と下部ジャケット３４とを有しており、これら上下ジャケット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とによって連通している。隔壁３２は、概ねスクロール室８を挟んで前後に分かれている。

【0031】

そして、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、冷却水入口３７及び冷却水出口３８は、継手筒３７ａ，３８ａを介してホースに接続されている。

【0032】

円形状部４ａ及び入口筒部４ｂは左右の隔壁３２ａ，３２ｂで内外の部分が繋がっているので、排気ガスが流れる内部は安定的に保持されており、全体として高い剛性が確保されている。また、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。

【0033】

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。従って、上部ジャケット３３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なく、冷却水出口３８に集められて確実に排出される。この点、本実施形態の利点の一つである。例えば図６（Ｂ）において、上部ジャケット３３の上向き突出部に符号３３ａを付している。

【0034】

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、タービン側スクロール室８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、タービン側スクロール室８よりも出口通路１３及びウエストゲート通路１４の側に偏って配置されており、両者は左右方向に離れている（オフセットされている）。また、上下冷却水ジャケット３３，３４は、出口通路１３及びウエストゲート通路１４の側が、中間ハウジング６の側よりも体積（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、熱ひずみの発生を大幅に抑制できる。

【0035】

さて、タービンハウジング４はアルミを素材にして鋳造されているが、鋳造のための鋳型は、排気ガスの通路に相当する部分を形成する中子と、冷却水ジャケット３１を形成するための中子とを有しており、上部ジャケット３３を形成するための中子と下部ジャケット３４を形成するための中子とは、前端部の１か所と、後端部の左右両側部とにおいて円柱状の接続部を介して接続されており、接続部の端面は、鋳型の外面に露出している。これにより、中子は安定した状態に保持されている。前端部の接続部は前向きで、後端の接続部は左右外向きになっている。

【0036】

そして、上下中子の接続部はその端面が鋳型の外側に露出しているため、出来上がった製品においては、上下の中子の接続部の箇所は円形の空洞部４０として外側に開口しており、空洞部４０の箇所は筒状のボス４０ａになっている。そこで、図８に示すように空洞４０をプラグ４１で塞いでいるが、プラグ４１を奥までねじ込みきらずに途中で止めることによって、連通部３５，３６を形成している。このため、溶湯の使用量を減らして製造能率を向上できると共に、後加工の手間も軽減できる。すなわち、後加工としてのドリル加工を無くして工数を低減することが可能であり、或いは、ドリル加工を行っても、切削量は少ないため加工能率を向上できると共に、切り粉の発生量も低減できる。

【0037】

また、本実施形態では、ねじ式のプラグ４１の嵌め込み深さ（ねじ込み深さ）を調節して、連通部３５，３６の奥行き寸法Ｌを調節することにより、各連通部３５，３６を流れる冷却水の量を制御できる。このため、フロント連通部３５の流量とリア連通部３６の流量とを調整したり、冷却水ジャケット３１の全体を流れる冷却水の量を調整したりすることを、特別の部材を要することなく実現できる。

【0038】

実施形態では、左右２つの連通部３６のうち、サイド張り出し部４ｃのものを大径に設定して、サイド張り出し部４ｃの箇所で水量が多くなるように設定している。このため、受熱量が大きいサイド張り出し部４ｃを的確に冷却できる。

【0039】

実施形態のように、リア連通部３６を左右に分けて２か所設けると、左右の連通部３６の流量も調節できるため、例えば、サイド張り出し部４ｃの側に位置した連通部３６の流量を多くして、サイド張り出し部４ｃでの熱交換量を向上できるというように、実際の加熱状況に応じて流量を微調整できる利点がある。

【0040】

図４（Ｂ）や図８（Ａ）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補助リブ４２，４３を設けている。このため、タービン１の保持部は高い剛性が確保されていて、タービン１の正確な回転を確保できる。また、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、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。

【0041】

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の形態に呼応して、スクロール室８挟んで後ろに位置した後部隔壁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の後半部の上面は、概ね側面視で山形の形態を成している。

【0042】

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。従って、さらに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。

【0043】

既に述べたが、図８に示すように、タービン側スクロール室８は始端から終端に向けて、タービン２の回転軸心からの距離が徐々に小さくなっている。このため、入口通路９とタービン側スクロール室８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、舌部４６の上近傍に２つの空気抜き穴用連通穴４４が配置されているため、舌部４６の近傍部において冷却水への熱交換（冷却性能）が高くなっている。このため、舌部４６の昇温を抑制して、信頼性を向上できる。

【0044】

また、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、両者の間に隔壁３２ａ，３２ｂの片側が位置しているが、本実施形態のように、後部隔壁３２ｂに空気抜き穴用連通穴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の熱害保護手段として一層有益である。

【0045】

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。中間ハウジングは、タービンハウジング４とは別体であってもよい。

【産業上の利用可能性】

【0046】

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。

【符号の説明】

【0047】

１ 回転軸
２ タービン
３ コンプレッサ翼
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
６ 中間ハウジング
８ タービン側スクロール室
９ 入口通路
１４ ウエストゲート通路
３１ 冷却水ジャケット
３２ａ，３２ｂ 隔壁
３３ 上部ジャケット
３４ 下部ジャケット
３５ フロント連通部
３６ リア連通部
３７ 冷却水入口
３９ 冷却水出口
４０ 空洞部
４１ プラグ
４２，４３ 補助リブ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】