JP2016017425A

JP2016017425A - ターボチャージャ

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Publication number: JP2016017425A
Application number: JP2014139471A
Authority: JP
Inventors: 治前田; Osamu Maeda
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-07-07
Filing date: 2014-07-07
Publication date: 2016-02-01
Anticipated expiration: 2034-07-07
Also published as: JP6103253B2; EP2966263A1; EP2966263B1; US9617910B2; CN105275512A; US20160003139A1; CN105275512B

Abstract

【課題】熱膨張量の差に起因する応力集中の発生を抑制することのできるターボチャージャを提供する。【解決手段】ターボチャージャ１００は、ベアリングハウジング１０とタービンハウジング２０のフランジ部２３とが当接して固定されている。ベアリングハウジング１０は、タービンインペラ３０に連結された回転軸３１を収容する。タービンインペラ３０を収容するタービンハウジング２０は、スクロール通路２１とフランジ部２３との間のハウジング外面がハウジング内面に向かって陥入して凹部２５をなしている。そして、ベアリングハウジング１０には、第１の冷却水通路１２を構成する通路本体１１が設けられている。また、タービンハウジング２０には、スクロール通路２１の周囲に第２の冷却水通路２２が設けられているとともに、フランジ部２３には、通路本体１１と接続して第１の冷却水通路１２を形成する延長部２６が設けられている。【選択図】図１

Description

この発明は内燃機関に搭載されるターボチャージャに関する。

従来、タービンハウジングに冷却水通路を設けたターボチャージャが知られている。たとえば特許文献１には、タービンハウジングに、スクロール通路を覆うように形成された冷却水通路が設けられたターボチャージャが開示されている。

特開２０１０‐４８１８７号公報

特許文献１に開示されているターボチャージャのタービンハウジングでは、冷却水の循環によってスクロール通路の壁面は比較的低温に保たれる。一方、ベアリングハウジングと当接するフランジ部は冷却されていないため比較的高温になる。したがって、フランジ部の温度とスクロール通路の壁面の温度とに乖離が生じ、熱膨張量に差が生じる。そのため、フランジ部とスクロール通路の壁面との熱膨張量の差に起因する応力によって歪が発生することがある。

ここで、タービンハウジングにおいて、フランジ部はタービンハウジングの端部を拡径した板状に形成され、スクロール通路はタービンホイールを覆うように膨出して形成されている。そのため、タービンハウジングにおけるフランジ部とスクロール通路との間は凹部をなしている。

上記のようにフランジ部とスクロール通路の壁面との熱膨張量に差が生じると、これらの間に位置する凹部に熱膨張量の差に起因する応力が集中しやすい。そのため、こうした凹部では、特に歪の影響を受けやすくなっている。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、熱膨張量の差に起因する応力集中の発生を抑制することのできるターボチャージャを提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
上記課題を解決するためのターボチャージャは、タービンインペラに連結された回転軸を収容するベアリングハウジングと、前記タービンインペラの周囲を取り囲むスクロール通路が形成されており、前記タービンインペラを収容するタービンハウジングと、を含み、前記ベアリングハウジングと前記タービンハウジングのフランジ部とが当接し、前記タービンハウジングにおいて、前記スクロール通路と前記フランジ部との間のハウジング外面がハウジング内面に向かって陥入して凹部をなしているターボチャージャであり、前記ベアリングハウジングには、第１の冷却水通路を構成する通路本体が設けられており、前記タービンハウジングには、前記スクロール通路の周囲に第２の冷却水通路が設けられているとともに、前記フランジ部に前記ベアリングハウジングの前記通路本体と接続されて前記第１の冷却水通路を形成する延長部が設けられていることをその要旨とする。

上記構成によれば、第１の冷却水通路の一部である延長部がタービンハウジングのフランジ部に形成されているため、タービンハウジングのフランジ部にも冷却水を循環させることができる。これにより、フランジ部が冷却されるため、タービンハウジングにおけるフランジ部の温度と、第２の冷却水通路を流れる冷却水によって冷却されるスクロール通路の壁面の温度との乖離が小さくなる。すなわち、フランジ部とスクロール通路の壁面との熱膨張量の差が軽減される。したがって、熱膨張量の差から生じる応力を軽減し、凹部に応力が集中することを抑制できる。要するに、熱膨張量の差に起因する応力集中の発生を抑制することができる。

上記ターボチャージャの一例では、前記ベアリングハウジングの、前記タービンハウジングと当接するフランジ面は、前記タービンインペラの回転軸方向に対して垂直な面として形成されており、前記延長部は、前記回転軸方向であって前記フランジ面から離間する方向に延在しており、前記回転軸方向に対して直行する前記タービンハウジングの断面において前記凹部と前記ハウジング内面との間の壁の厚さが最も薄くなる箇所と、前記フランジ面との前記回転軸方向における距離は、前記延長部における前記回転軸方向の底部と、前記フランジ面との前記回転軸方向における距離よりも短い。

上記構成によれば、凹部における、フランジ部とスクロール通路の壁面との熱膨張量の差に起因する応力が集中しやすい箇所よりも、フランジ面からタービンインペラの回転軸方向に離間した位置まで延長部が形成される。したがって、上記構成によれば、延長部と通路本体とから形成される第１の冷却水通路を循環する冷却水によって、凹部における熱膨張量の差に起因する応力が集中しやすい箇所を効果的に冷却することができる。

上記ターボチャージャの一例では、前記延長部の表面の少なくとも一部は、前記通路本体の表面よりも粗く形成されている。
上記構成によれば、延長部の表面が粗くなっているため、第１の冷却水通路における延長部によって形成される壁面の表面積が増大する。つまり、冷却水通路の壁面と冷却水とが接触する面積が増大するため、タービンハウジングと冷却水との間での熱移動の効率を向上させることができる。熱移動の効率が向上することによって熱膨張量の差に起因する応力を抑制できるようになるため、より効果的に凹部に応力が集中することを抑制できるようになる。

上記ターボチャージャの一例では、前記延長部の表面のうち、前記タービンハウジングの径方向内側に位置する表面が、前記通路本体の表面よりも粗く形成されている。
タービンハウジングに収容されたタービンインペラには、スクロール通路を通じて圧縮された排気が吹き付けられる。したがって、タービンハウジングにおける径方向内側の壁面はタービンインペラに吹き付けられる圧縮された高温の排気に曝されるため、タービンハウジングの中でも特に高温になりやすい。

上記構成によれば、延長部の表面のうち、タービンハウジングの径方向内側に位置する表面が粗くなっているため、タービンハウジングの中でも特に高温になりやすい径方向内側の壁面に対しての冷却効率を高めることができる。したがって、タービンハウジングの中でも特に高温になりやすい径方向内側の壁面を効果的に冷却することができるようになる。

（ａ）は、ターボチャージャの一実施形態についてタービン部分の構造を示す断面図。（ｂ）は、（ａ）の一部を拡大して示す拡大図。同実施形態にかかるターボチャージャを構成するタービンハウジングについて、フランジ側から見た構造を示す平面図。比較例のターボチャージャにおける凹部周辺を示す断面図。ターボチャージャの変形例における凹部周辺を示す断面図。

以下、ターボチャージャの一実施形態について、図１及び図２を参照して説明する。
図１（ａ）に示すように、ターボチャージャ１００は、タービンインペラ３０を収容するタービンハウジング２０と、タービンインペラ３０に連結された回転軸３１を収容するベアリングハウジング１０とが組み合わされて構成されている。

以下、タービンインペラ３０の回転軸方向を軸方向と称する。
ベアリングハウジング１０の図１（ａ）における右側の端部は、拡径したフランジ部１３を形成している。そしてフランジ部１３は、タービンハウジング２０との当接面であるフランジ面１４を形成している。当該フランジ面１４は、軸方向に対して垂直な面として形成されている。また、ベアリングハウジング１０には、フランジ面１４に開口する通路本体１１が形成されている。通路本体１１は、後述する延長部２６とともに第１の冷却水通路１２を形成する。

タービンハウジング２０には、タービンインペラ３０に排気を導くスクロール通路２１が形成されている。さらに、タービンハウジング２０には、スクロール通路２１を覆うように第２の冷却水通路２２が形成されている。第２の冷却水通路２２は、スクロール通路２１を形成する壁のうち、軸方向と直交するベアリングハウジング１０側の壁である垂直壁２７を除いた部分に形成されている。

タービンハウジング２０の図１（ａ）における左側の端部は、拡径したフランジ部２３を形成している。そしてフランジ部２３は、ベアリングハウジング１０との当接面２４を形成している。フランジ部２３とスクロール通路２１との間は、ハウジング外面がハウジング内面に向かって陥入して縮径した凹部２５をなしている。

また、フランジ部２３には延長部２６が形成されている。延長部２６は、当接面２４に開口し、タービンハウジング２０における凹部２５よりも径方向内側を通過するように設けられている。

そして、図１（ｂ）に示すように、延長部２６は、距離Ｌ１よりも距離Ｌ２が長くなるように設けられている。ここで、距離Ｌ１は、軸方向に対して直行するタービンハウジング２０の断面において凹部２５とハウジング内面との間の壁の厚さが最も薄くなる箇所（図１（ｂ）に破線で示す箇所）と、当接面２４との軸方向における距離である。また、距離Ｌ２は、延長部２６における軸方向の底部２６ａと、当接面２４との軸方向における距離である。

すなわち延長部２６は、軸方向に対して直行する方向のタービンハウジング２０の断面において凹部２５とハウジング内面との間の壁の厚さが最も薄くなる箇所よりも、当接面２４から離間した位置まで軸方向に延設されている。

そして、ベアリングハウジング１０とタービンハウジング２０は、環状に形成されたクランプ４０によってフランジ部１３とフランジ部２３とが挟持され、締結固定される。フランジ部１３のフランジ面１４と、フランジ部２３の当接面２４との間はシールされる。

ところで、通路本体１１と延長部２６は、このようにベアリングハウジング１０とタービンハウジング２０とが固定されたとき、フランジ部１３とフランジ部２３との当接に伴って双方の開口部同士が接続するように形成されている。これにより、ターボチャージャ１００では、ベアリングハウジング１０とタービンハウジング２０との固定に伴い通路本体１１と延長部２６とが接続されることによって第１の冷却水通路１２が形成されるようになっている。

なお、図２に示すように、延長部２６は、連続した環状の溝として当接面２４に形成されている。
以上のようにターボチャージャ１００には、ベアリングハウジング１０とタービンハウジング２０のフランジ部２３とに冷却水を循環させる第１の冷却水通路１２と、タービンハウジング２０に冷却水を循環させる第２の冷却水通路２２とが形成されている。また、ターボチャージャ１００では、フランジ部２３に延長部２６を設け、フランジ部２３にも冷却水を循環させるようにしている。

なお、これら２つの冷却水通路は、内燃機関の冷却水の循環経路において並列に設けられている。
次に、本実施形態にかかるターボチャージャ１００の作用について、フランジ部に冷却水が循環されないターボチャージャと比較して説明する。

ターボチャージャのハウジングは、排気の流入によって温度が上昇し、熱膨張する。そのため、ターボチャージャのハウジングには冷却水を循環させる冷却水通路が設けられている。

たとえば、図３に示すターボチャージャ２００では、タービンハウジング２２０に形成されたスクロール通路２２１を覆うように、冷却水通路２２２が形成されている。したがって、スクロール通路２２１の壁面は冷却水通路２２２を流れる冷却水によって冷却される。一方、フランジ部２２３には冷却水通路が設けられておらず、冷却水が循環しないため、フランジ部２２３は冷却されない。そのため、冷却水によって冷却されるスクロール通路２２１の壁面の温度と冷却水によって冷却されないフランジ部２２３の温度とが乖離してしまう。

また、ターボチャージャ２００では、ベアリングハウジング２１０には冷却水通路が設けられていない。そのため、冷却されていないベアリングハウジング２１０のフランジ部２１３から、タービンハウジング２２０のフランジ部２２３に熱が伝わり、フランジ部２２３の温度が高くなりやすい。

このように、冷却水によって冷却されるスクロール通路２２１の壁面は比較的低温に保たれる一方で、冷却水によって冷却されないフランジ部２２３は比較的高温になる。その結果、フランジ部２２３の温度とスクロール通路２２１の壁面の温度とに乖離が生じ、図３に矢印で示すように、フランジ部２２３の熱膨張量と、スクロール通路２２１の壁面の熱膨張量とには差が生じる。

そして、タービンハウジング２２０におけるフランジ部２２３とスクロール通路２２１との間の凹部２２５では、上記の熱膨張量の差に起因して応力集中が発生することになる。

さらに、ターボチャージャ２００ではフランジ部２２３はクランプ２４０によってフランジ部２１３と締結固定されている。そのため、フランジ部２２３には、冷却水通路の設けられていないベアリングハウジング２１０側のフランジ部２１３の熱膨張による影響も作用する。

すなわち、こうしたターボチャージャ２００では、凹部２２５に応力が集中しやすい。
この点、本実施形態にかかるターボチャージャ１００では、上述したように、第１の冷却水通路１２の一部である延長部２６がタービンハウジング２０のフランジ部２３に形成されているため、タービンハウジング２０のフランジ部２３を冷却水が循環する。

さらに、延長部２６が凹部２５の径方向内側まで延設されているため、凹部２５の径方向内側にも冷却水が循環する。
以上説明した本実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。

（１）第１の冷却水通路１２の一部である延長部２６がタービンハウジング２０のフランジ部２３に形成されているため、タービンハウジング２０のフランジ部２３にも冷却水を循環させることができる。フランジ部２３が冷却されるため、タービンハウジング２０におけるフランジ部２３の温度と、第２の冷却水通路２２を流れる冷却水によって冷却されるスクロール通路２１の壁面の温度との乖離が小さくなる。すなわち、フランジ部２３とスクロール通路２１の壁面との熱膨張量の差が軽減される。したがって、熱膨張量の差から生じる応力を軽減し、凹部２５に応力が集中することを抑制できる。要するに、熱膨張量の差に起因する応力集中の発生を抑制することができる。

（２）延長部２６が、凹部２５の径方向内側を通過するように延設されているため、延長部２６を流れる冷却水によって凹部２５の径方向内側を冷却することができる。すなわち、フランジ部２３とスクロール通路２１との間に生じる熱膨張量の差を効果的に軽減し、凹部２５に応力が集中することを抑制できる。

（３）凹部２５における、フランジ部２３とスクロール通路２１の壁面との熱膨張量の差に起因する応力が集中しやすい箇所よりも、フランジ面１４から軸方向に離間した位置まで延長部２６が形成される。すなわち、延長部２６と通路本体１１とから形成される第１の冷却水通路１２を循環する冷却水によって、凹部２５における熱膨張量の差に起因する応力が集中しやすい箇所を効果的に冷却することができる。

（４）スクロール通路２１を冷却する冷却水通路は、スクロール通路２１の周囲に形成されるが、タービンハウジング２０におけるスクロール通路２１を形成する壁のうち、ベアリングハウジング１０側の壁、つまり垂直壁２７の中にまで冷却水通路を形成すると、垂直壁２７の肉厚化が避けられない。

この点、本実施形態にかかるタービンハウジング２０では、垂直壁２７を境に、回転軸の延伸方向における一方に第１の冷却水通路１２が形成され、他方に第２の冷却水通路２２が形成される。つまり、垂直壁２７の中に冷却水通路を形成することなくスクロール通路２１を冷却する冷却水通路を形成することができるため、垂直壁２７の肉厚化を避けることができる。特に、本実施形態では、延長部２６が凹部２５の径方向内側まで延設されている。そのため、第１の冷却水通路１２を循環する冷却水と垂直壁２７との熱交換が行われるようになり、垂直壁２７を冷却することができる。すなわち、タービンハウジング２０の全長がタービンインペラ３０の軸方向に対して増大することを避けることによって、ターボチャージャ１００の大型化を避けつつ、フランジ部２３及びスクロール通路２１を冷却する効果を得ることができる。

（５）延長部２６によって第１の冷却水通路１２がタービンハウジング２０にまで延設されているため、第１の冷却水通路１２を循環する冷却水とタービンハウジング２０との熱交換が行われる。つまり、タービンハウジング２０の熱によって第１の冷却水通路１２を循環する冷却水の昇温を促進することができ、排気に曝されるタービンハウジング２０に比して暖機され難いベアリングハウジング１０の暖機を昇温した冷却水によって促進することができる。すなわち、タービンハウジング２０とベアリングハウジング１０との熱交換を効果的に行うことができる。

（６）フランジ部２３とフランジ部１３とが当接するシール面において過度な熱膨張が生じると、シール性を保つことができなくなる虞がある。本実施形態によれば、フランジ部２３を冷却することができるため、フランジ部２３の熱膨張が軽減される。すなわち、製造時の寸法が変化することが軽減されるため、フランジ部２３とフランジ部１３とのシール性が低下することを抑制することができる。

なお、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することもできる。
・図４に示すように、延長部２６の表面を粗く形成する構成を採用してもよい。ここでは、延長部２６の表面を通路本体１１の表面よりも粗くしている。この構成によれば、延長部２６の表面が粗くなっているため、第１の冷却水通路１２における延長部２６によって形成される壁面の表面積が増大する。つまり、冷却水通路の壁面と冷却水とが接触する面積が増大するため、タービンハウジング２０と冷却水との間での熱移動の効率を向上させることができる。そして、熱移動の効率が向上することによって熱膨張量の差に起因する応力を抑制できるようになるため、より効果的に凹部２５に応力が集中することを抑制できるようになる。

図４では、延長部２６の表面を粗く形成する構成の一例として、延長部２６の表面のうちタービンハウジング２０の径方向内側に位置する表面を粗くした構成を示している。タービンハウジング２０に収容されたタービンインペラ３０には、スクロール通路２１を通じて圧縮された排気が吹き付けられる。したがって、タービンハウジング２０における径方向内側の壁面はタービンインペラ３０に吹き付けられる圧縮された高温の排気に曝されるため、タービンハウジング２０の中でも特に高温になりやすい。そのため、延長部２６の表面のうちタービンハウジング２０の径方向内側に位置する表面を粗く形成すれば、タービンハウジング２０の中でも特に高温になりやすい径方向内側の壁面に対しての冷却効率を高めることができる。したがって、タービンハウジング２０の中でも特に高温になりやすい径方向内側の壁面を効果的に冷却することができるようになる。

なお、図４は延長部２６の表面を粗くした様子を模式的に図示したものに過ぎず、目視できるほど粗くする必要はない。また、延長部２６の全面を通路本体１１の表面よりも粗くしてもよい。

・上記実施形態では、スクロール通路２１を形成する壁のうちベアリングハウジング１０側の壁が軸方向と直交して垂直に延びる垂直壁２７であった。しかし、当該壁はスクロール通路を形成する壁であるので、当該壁の形状はスクロール通路の形状に伴って変更される。すなわち垂直なものに限らず、たとえば湾曲していてもよい。上記実施形態では、当該壁に冷却水通路を形成しないため、壁の形状変更を妨げない。

・上記実施形態では、延長部２６を連続した環状の溝として形成したが、延長部２６の構成としてはこれに限らない。フランジ部２３に冷却水を循環させることのできる溝であればよい。たとえば、溝が連続して設けられていなくてもよい。また、フランジ部２３側から見た溝の形状が環状でなくてもよく、たとえば矩形であってもよい。

・上記実施形態のように延長部２６を凹部２５の径方向内側まで延設しなくてもよい。当接面２４に開口するように延長部２６を形成し、通路本体１１と接続するように構成すれば、第１の冷却水通路１２を循環する冷却水によってフランジ部２３を冷却することができる。

・上記実施形態では、第１の冷却水通路１２と第２の冷却水通路２２とを内燃機関の冷却水の循環経路に並列に設けた構成を例示したが、並列に設けられたものでなくてもよい。第１の冷却水通路１２と第２の冷却水通路２２とを直列に設けたとしても、フランジ部２３に冷却水を循環させることのできる構成を備えていれば、凹部２５への応力集中を抑制することができる。

・上記実施形態では、フランジ部１３とフランジ部２３とをクランプ４０によって挟持してベアリングハウジング１０とタービンハウジング２０とを締結固定したが、ベアリングハウジング１０とタービンハウジング２０との固定は、クランプ４０による挟持でなくてもよい。たとえば、フランジ部１３とフランジ部２３を貫通するようにボルトを挿通してベアリングハウジング１０とタービンハウジング２０とをボルトで締結固定する構成でもよい。

１０，２１０…ベアリングハウジング、１１…通路本体、１２…第１の冷却水通路、１３，２３，２１３，２２３…フランジ部、１４…フランジ面、２０，２２０…タービンハウジング、２１，２２１…スクロール通路、２２…第２の冷却水通路、２４…当接面、２５，２２５…凹部、２６…延長部、２６ａ…底部、２７…垂直壁、３０…タービンインペラ、３１…回転軸、４０，２４０…クランプ、１００，２００…ターボチャージャ、２２２…冷却水通路。

Claims

タービンインペラに連結された回転軸を収容するベアリングハウジングと、
前記タービンインペラの周囲を取り囲むスクロール通路が形成されており、前記タービンインペラを収容するタービンハウジングと、を含み、
前記ベアリングハウジングと前記タービンハウジングのフランジ部とが当接し、前記タービンハウジングにおいて、前記スクロール通路と前記フランジ部との間のハウジング外面がハウジング内面に向かって陥入して凹部をなしているターボチャージャであり、
前記ベアリングハウジングには、第１の冷却水通路を構成する通路本体が設けられており、
前記タービンハウジングには、前記スクロール通路の周囲に第２の冷却水通路が設けられているとともに、前記フランジ部に前記ベアリングハウジングの前記通路本体と接続されて前記第１の冷却水通路を形成する延長部が設けられている
ことを特徴とするターボチャージャ。
前記ベアリングハウジングの、前記タービンハウジングと当接するフランジ面は、前記タービンインペラの回転軸方向に対して垂直な面として形成されており、
前記延長部は、前記回転軸方向であって前記フランジ面から離間する方向に延在しており、
前記回転軸方向に対して直行する前記タービンハウジングの断面において前記凹部と前記ハウジング内面との間の壁の厚さが最も薄くなる箇所と、前記フランジ面との前記回転軸方向における距離は、前記延長部における前記回転軸方向の底部と、前記フランジ面との前記回転軸方向における距離よりも短い
請求項１に記載のターボチャージャ。
前記延長部の表面の少なくとも一部は、前記通路本体の表面よりも粗く形成されている
請求項１又は２に記載のターボチャージャ。
前記延長部の表面のうち、前記タービンハウジングの径方向内側に位置する表面が、前記通路本体の表面よりも粗く形成されている
請求項３に記載のターボチャージャ。