特許 7393989 排気ターボ過給機用タービンハウジング

(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】

(24)【登録日】2023-11-29

(45)【発行日】2023-12-07

(54)【発明の名称】排気ターボ過給機用タービンハウジング

(51)【国際特許分類】

   F02B 39/00 20060101AFI20231130BHJP

【ＦＩ】

F02B39/00 D

F02B39/00 S

F02B39/00 U

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2020052733

(22)【出願日】2020-03-24

(65)【公開番号】P2021152347

(43)【公開日】2021-09-30

【審査請求日】2023-02-09

(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】小西 基樹

【審査官】津田 真吾

(56)【参考文献】

【文献】特開平７－４９０３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１３／１３３３１２（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０２Ｂ ３９／００

Ｆ０１Ｄ ２５／２４

Ｆ０４Ｄ ２９／４４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

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を備えており、
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の終端部とで挟まれた部位は、排気ガスの流れ方向に向けて厚さが縮小した舌部になっている構成であって、
前記舌部のうち前記排気ガス導入通路の終端部に露出した面に、前記排気ガス導入通路の終端部のみに開口して前記タービンスクロール室の終端部には連通していない切り欠き溝が、排気ガスの流れ方向に向かって深くなるように形成されている、
排気ターボ過給機用タービンハウジング。

【請求項2】

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を備えており、
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の終端部とで挟まれた部位は、排気ガスの流れ方向に向けて厚さが縮小した舌部になっている構成であって、
前記舌部における前記排気ガス導入通路の終端部に露出した面と前記タービンスクロール室の終端部に露出した面とのうちいずれか一方又は両方に、圧縮変形可能なセラミック系素材より成る遮熱材が充填された切り欠き溝を形成している、
排気ターボ過給機用タービンハウジング。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本願発明は、排気ターボ過給機用タービンハウジングに関するものである。

【背景技術】

【0002】

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。

【0003】

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、タービンスクロール室の終端部と前記排気ガス導入通路の終端部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。

【0004】

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スリットを形成することが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特許第５２６０２５８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

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を利用して、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、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が懸念される。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。

【0007】

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。

【0008】

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。

【課題を解決するための手段】

【0009】

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を備えており、
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の終端部とで挟まれた部位は、排気ガスの流れ方向に向けて厚さが縮小した舌部になっている」
という基本構成になっている。

【0010】

そして、請求項１の発明では、上記基本構成において、
「前記舌部のうち前記排気ガス導入通路の終端部に露出した面に、前記排気ガス導入通路の終端部のみに開口して前記タービンスクロール室の終端部には連通していない切り欠き溝が、排気ガスの流れ方向に向かって深くなるように形成されている」
という特徴を備えている。

【0011】

また、請求項２の発明では、上記基本構成において、
「前記舌部における前記排気ガス導入通路の終端部に露出した面と前記タービンスクロール室の終端部に露出した面とのうちいずれか一方又は両方に、圧縮変形可能なセラミック系素材より成る遮熱材が充填された切り欠き溝を形成している」
という特徴を備えている。
この請求項２の発明では、切り欠き溝は、請求項１のように排気ガス導入通路の終端部とタービンスクロール室の終端部との両方に連通していない態様であってもよいし、特許文献１のように、排気ガス導入通路の終端部とタービンスクロール室の終端部との両方には連通したスリットタイプであってもよい。

【0012】

本願両発明において、切り欠き溝は、舌部の先端に向けて切り開かれているのが好ましい。また、切り欠き溝の始端は、舌部を超えて上流側まで延びていてもよい。

【0013】

切り欠き溝は鋳造時に形成してもよいし、フライスカッター等の切削工具を使用して後加工によって形成してもよい。或いは、削り代を残した状態で鋳造によって中間状態を形成してから、切削加工で仕上げることも可能である。請求項２の発明では、遮熱材の充填は後加工によって行われる。

【発明の効果】

【0014】

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（タービンスクロール室の幅方向）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、特段の対策を施していない場合は、特に収縮によって蓄積した残留応力により、舌部をその幅方向に分離するような（回転軸の軸心方向に引き裂くような）亀裂が発生しやすい。

【0015】

これに対して本願両発明では、舌部に切り欠き溝が存在することにより、舌部が過給機の運転・停止の繰り返しによって膨張・収縮の変形作用を繰り返し受けても、その変形は切り欠き溝によって吸収され残留応力の蓄積を防止又は著しく抑制できる。これにより、舌部に亀裂が発生することを防止又は著しく抑制できる。

【0016】

そして、請求項１の発明では、切り欠き溝は、排気ガス導入通路とタービンスクロール室との両方には連通せずに舌部は分断されていないため、切り欠き溝を介して排気ガスが排気ガス導入通路とタービンスクロール室とに流れることはない。従って、タービンスクロール室での排気ガスの乱れが発生することはなくて、過給を安定化させて信頼性を保持できる。また、特許文献１に比べて熱の籠もりは少ないため、部分的な過剰昇温を抑制して溶損も防止又は著しく抑制できる。

【0017】

特に、実施形態のように切り欠き溝を舌部の先端に向けて切り開かれた形態に形成すると、排気ガスの流れをスムース化して過給の安定化を一層向上できると共に、過剰昇温抑制効果も向上できる。

【0018】

請求項２の発明では、切り欠き溝は遮熱材で充填されていることにより、排気ガスが切り欠き溝に入り込むことはないため、排気ガスの流れに乱れが発生することや、切り欠き溝の開口縁が過剰昇温（ヒートポイント化）することを防止できる。そして、遮熱材はセラミック系で容易に圧縮変形するため、熱による舌部の伸縮を阻害することはなくて、切り欠き溝の熱応力吸収機能に支障はない。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】実施形態に係る排気ターボ過給機の正面図である。

【図2】排気ターボ過給機の背面図である。

【図3】図１のIII-III 視右側面図である。

【図4】図１のIV-IV 視左側面図である。

【図5】排気ターボ過給機の平面図である。

【図6】図３及び図４のVI-VI 視断面図である。

【図7】図６とほぼ同じ部位の部分拡大図である。

【図8】（Ａ）は図６及び図７のVIIIA-VIIIA 視断面図、（Ｂ）は（Ａ）の部分拡大図である。

【図9】図８（Ａ）のIX-IX 視断面図である。

【図10】 参考例及び別例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

(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。

【0021】

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。

【0022】

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。

【0023】

従って、タービンハウジング１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２及び図８（Ａ）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（図５参照）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。

【0024】

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。

【0025】

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。

【0026】

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。

【0027】

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４参照）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。

【0028】

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（図示せず）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。

【0029】

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。

【0030】

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。

【0031】

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。

【0032】

第１冷却水ジャケット３１は、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。

【0033】

(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（半径）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８ａ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）が蓄積したりして、この熱応力によって、舌部３８に、これを回転軸心方向に破断させる亀裂が発生することがある。

【0034】

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９参照）を有することから、舌部３８の先端３８ａはタービン翼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する。

【0035】

そこで、本実施形態では、図８，９に示すように、舌部３８のうち排気ガス導入通路８の終端部８ａに露出した面に、１本の切り欠き溝３９を形成している。切り欠き溝３９は排気ガスの流れ方向に長い形態で、断面は、角を丸めた四角形になっている。また、切り欠き溝３９は、舌部３８の先端３８ａに切り開かれた形態になっており、深さは排気ガスの流れ方向に向けて深くなっている。

【0036】

舌部３８はタービン翼２の回転軸心方向（幅方向）に長い形態であるため、過給機の運転と停止とによって幅方向（Ｗ方向）の熱変形（熱膨張・熱収縮）が発生するが、過給機の運転と停止との繰り返しによって、伸び状態を維持するような残留応力が徐々に蓄積し、特段の対策を施していないと、運転停止後に収縮しきれずに、図９に一点鎖線で示すような亀裂４０が発生することがある。

【0037】

これに対して本実施形態では、舌部３８をその幅方向に分断するように切り欠き溝３９が形成されているため、舌部３８の幅方向の伸びと収縮とが切り欠き溝３９によって吸収され、舌部３８に応力が残留することを防止又は著しく抑制できる。これにより、舌部３８に亀裂４０が発生して破断に至る問題を防止できる。

【0038】

また、切り欠き溝３９は排気ガス導入通路８の終端部８ａのみに露出しているため、排気ガス導入通路８の終端部８ａとタービンスクロール室９の終端部９ａとの間に排気ガスが漏洩することはない。従って、排気ガスの流れに乱れが発生することを無くして、過給性能を安定化できる。特許文献１に比べて熱の籠もりや部分的なヒートポイント化も抑制されるため、溶損の問題も防止できる。

【0039】

実施形態のように切り欠き溝３９を舌部３８の先端３８ａに向けて開口させると、排気ガスの流れをスムース化できて好適である。また、切り欠き溝３９を先端に向けて深くなるように傾斜させると、舌部３８の先端３８ａに応力が残留することを防止できるため、亀裂４０のきっかけが形成されることを防止できて好適である。

【0040】

図１０では切り欠き溝３９の参考例と別例を示している。このうち（Ａ）に示す第１参考例では、切り欠き溝３９に等しい深さの部分が続くように形成している。（Ａ）に一点鎖線で示すように、切り欠き溝３９の始端３９ａを舌部３８よりも上流側に位置させることも可能である。（Ｂ）に示す第２参考例では、切り欠き溝３９は舌部３８の先端３８ａには開口させずに、排気ガス導入通路８の終単部８ａのみに開口させている。

【0041】

更に、（Ｃ）に示す第３参考例では、切り欠き溝３９を舌部３８のうちタービンスクロール室９の終端部９ａに向いた面に形成している。この（Ｃ）の形態を採用すると、フライスカッターを排気ガス出口通路１０から挿入して切り欠き溝３９を加工できるため、切り欠き溝３９を後加工で形成する場合に有益である。（Ｃ）のようにタービンスクロール室９の終端部９ａに露出した面に形成する場合、（Ｂ）のように舌部３８の先端３８ａに開口しない状態に形成することも可能である。

【0042】

図１０のうち（Ｄ）に示す例は請求項２の発明の具体例であり、切り欠き溝３９をタービンスクロール室９の終端部９ａに向けて開口しつつ、切り欠き溝３９に遮熱材４１を充填している。遮熱材４１は、例えばアルミナ粉末と樹脂との混合物であり、溶射によって一体に固定したり、遮熱材の溶液に浸漬してから乾燥又は焼成して固定したりしている。

【0043】

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、切り欠き溝３９の断面形状は四角形に限らず、Ｖ形やＵ形、半円形なども採用できる。また、加工上の問題が許せば、舌部のうち排気ガス導入通路に向いた面とタービンスクロール室に向いた面との両方に切り欠き溝を形成することも可能である（この場合は、互いの面の切り欠き溝３９を回転軸心方向にずらすことになる。）。

【0044】

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。

【0045】

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。

【産業上の利用可能性】

【0046】

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。

【符号の説明】

【0047】

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
８ａ 排気ガス導入通路の終端部
９ タービンスクロール室
９ａ タービンスクロール室の終端部
１０ 排気ガス出口通路
３８ 舌部
３８ａ 先端
３９ 切り欠き溝
４０ 亀裂
４１ 遮熱材

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】