JP2019148224A - Exhaust turbosupercharger - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to an exhaust turbocharger used for an internal combustion engine.
排気ターボ過給機では、タービン翼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。このため、タービンハウジングは特殊鋼で構成されていることが多いが、かくすると、重量増大、コスト増大という問題がある。そこで、軽量化しつつ耐熱性を確保するために、タービンハウジングをアルミ等の軽合金製としつつ冷却水ジャケットを設け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に開示されている。
In the exhaust turbocharger, the turbine housing in which the turbine blades are arranged is exposed to high-temperature exhaust gas. For this reason, the turbine housing is often made of special steel, but there is a problem of increased weight and cost. Therefore, in order to ensure heat resistance while reducing the weight, it has been proposed that the turbine housing be made of a light alloy such as aluminum and provided with a cooling water jacket to be water-cooled, and an example thereof is disclosed in
排気ターボ過給機は、タービン翼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、両者の間に位置して回転軸を回転自在に保持する軸受けハウジング(センターハウジング)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。
The exhaust turbocharger includes a turbine housing in which turbine blades are disposed, a compressor housing in which compressor blades are disposed, and a bearing housing (center housing) that is positioned between the two and rotatably holds a rotating shaft. However, in
さて、タービンハウジングには、タービン翼の外側には排気ガスが流れるタービンスクロール室が形成されていると共に、タービン翼の回転軸心方向に開口した排気出口孔が形成されており、タービンスクロール室に流入した排気ガスは、タービンスクロール室に沿って周方向に流れつつ、タービン翼を駆動する仕事をして排気出口孔に流出する。 In the turbine housing, a turbine scroll chamber through which exhaust gas flows is formed outside the turbine blades, and an exhaust outlet hole opened in the direction of the rotation axis of the turbine blades is formed. The inflowing exhaust gas flows in the circumferential direction along the turbine scroll chamber and flows out to the exhaust outlet hole while driving the turbine blades.
そこで、タービン翼は、回転軸心と直交した方向から見て略台形の形態を成しており、タービン翼の外周部の外側には、タービンスクロール室と排気出口孔との連接部となるシュラウド部が形成されており、タービン翼とシュラウド部との間には、タービン翼とシュラウド部の干渉を避けるためのわずかな隙間が形成されている。正確には、タービン翼の外周部がタービンハウジングのシュラウド部に入り込んでおり、タービンハウジングのシュラウド部のうち排気出口孔に寄った部位とタービン翼との間に、タービン翼とシュラウド部の干渉を避ける若干の隙間が空いている(タービン翼とシュラウド部との間の隙間を適正な値に設定することは、排気ターボ過給機の性能を確保する上で非常に重要である。)。 Therefore, the turbine blade has a substantially trapezoidal shape when viewed from the direction orthogonal to the rotation axis, and a shroud that is a connecting portion between the turbine scroll chamber and the exhaust outlet hole is provided outside the outer peripheral portion of the turbine blade. A small gap is formed between the turbine blade and the shroud portion to avoid interference between the turbine blade and the shroud portion. Precisely, the outer periphery of the turbine blade enters the shroud portion of the turbine housing, and interference between the turbine blade and the shroud portion is caused between the portion of the shroud portion of the turbine housing close to the exhaust outlet hole and the turbine blade. There is a slight gap to avoid (setting the gap between the turbine blade and the shroud to an appropriate value is very important for ensuring the performance of the exhaust turbocharger).
従って、タービンハウジングのシュラウド部内径(最小径)はタービン翼の外径(最大径)よりも小さくなっている。このような特性により、従来は、タービンハウジングと軸受けハウジングとを別部材で構成して、タービン翼と軸受けハウジングとの間にタービンスクロール室を形成しており、排気ターボ過給機の組み立てに当たっては、タービン翼をセットしてから、タービンハウジングと軸受けハウジングとを固定している。 Accordingly, the inner diameter (minimum diameter) of the shroud portion of the turbine housing is smaller than the outer diameter (maximum diameter) of the turbine blade. Due to such characteristics, conventionally, the turbine housing and the bearing housing are configured as separate members, and a turbine scroll chamber is formed between the turbine blades and the bearing housing. In assembling the exhaust turbocharger, After the turbine blades are set, the turbine housing and the bearing housing are fixed.
他方、特許文献1でも、タービンハウジングのシュラウド部内径(最小径)はタービン翼の外径(最大径)より小さくなっているが、タービンハウジングと軸受けハウジングとを一体化すると、タービン翼をタービンハウジングに嵌め入れることはできず、製造不能である。
On the other hand, in
この点については、タービンハウジングの排気出口孔に、タービン翼の外径よりも大径(或いは同径)のシュラウドピースを装着して、シュラウドピースによってタービンハウジングのシュラウド部を構成したらよいといえる。 In this regard, it can be said that a shroud piece having a larger diameter (or the same diameter) than the outer diameter of the turbine blade is attached to the exhaust outlet hole of the turbine housing, and the shroud portion of the turbine housing is configured by the shroud piece.
本願発明は、このような知見に基づいて成されたものであり、シュラウドピースを使用することにより、タービンハウジングと軸受けハウジングとを一体化することを実現するにおいて、シュラウドピースの取付けの容易性や排気ガス流路の寸法精度の向上を図ろうとするものである。 The present invention has been made on the basis of such knowledge, and by using the shroud piece, it is possible to integrate the turbine housing and the bearing housing. It is intended to improve the dimensional accuracy of the exhaust gas passage.
本願発明の排気ターボ過給機は、
「タービン翼が回転自在に配置されたタービンハウジングと、前記タービン翼に固定された回転軸を保持する軸受けハウジングとが一体化されており、
前記タービンハウジングには、排気ガスで前記タービン翼を駆動するためのタービンスクロール室が、前記タービン翼を囲うように形成されていると共に、前記タービン翼を駆動した排気ガスが排出される排気出口孔が、前記回転軸の軸心方向に向けて開口しており、
更に、前記排気出口孔に、円筒状のシュラウドピースが、その先端面を前記タービン翼の外周部と対向させた状態で装着されている」
という基本構成になっている。
The exhaust turbocharger of the present invention is
“A turbine housing in which turbine blades are rotatably arranged and a bearing housing that holds a rotating shaft fixed to the turbine blades are integrated.
In the turbine housing, a turbine scroll chamber for driving the turbine blades with exhaust gas is formed so as to surround the turbine blades, and an exhaust outlet hole through which the exhaust gas driving the turbine blades is discharged Is open toward the axial direction of the rotating shaft,
Furthermore, a cylindrical shroud piece is mounted in the exhaust outlet hole in a state in which the tip surface thereof faces the outer peripheral portion of the turbine blade. ''
It is the basic composition.
そして、上記基本構成において、
「前記シュラウドピースと排気出口孔とに、前記シュラウドピースをねじ込みによって取り付けるための螺合部と、前記螺合部よりも前記タービン翼の側に位置した部位において密嵌する嵌合部とを形成している」
という構成が付加されている。
And in the above basic configuration,
“A threaded portion for screwing the shroud piece into the shroud piece and the exhaust outlet hole and a fitting portion that fits closely at a portion located closer to the turbine blade than the threaded portion are formed. doing"
The structure is added.
シュラウドピースが圧入式であると、斜め打ちによってカジリ現象が生じることが有り得るが、本願発明では、シュラウドピースはねじ込み式になっているため、排気出口孔と同心の状態に正確に取り付けることができる。 If the shroud piece is press-fit, galling may occur due to slanting. However, in the present invention, since the shroud piece is screwed, it can be accurately attached to the concentric state with the exhaust outlet hole. .
また、圧入式では、シュラウドピースの外径と排気出口孔の内径との寸法差が小さいと、摩擦が小さくなって取付け強度が低くなる一方、シュラウドピースの外径と排気出口の内径との寸法差が大きいと、シュラウドピースを圧入できなくなる問題があり、このためシュラウドピースの外径と排気出口孔の内径との寸法精度を厳格に管理する必要があるが、本願発明のシュラウドピースはねじ込み式であってねじ込みトルクは任意に調節できるため、寸法精度を厳格に管理することなく、所定の強度に簡単に取り付けることができる。従って、製造工程や組み付け工程の管理の手間を軽減できる。 In the press-fitting type, if the dimensional difference between the outer diameter of the shroud piece and the inner diameter of the exhaust outlet hole is small, the friction is reduced and the mounting strength is reduced. If the difference is large, there is a problem that the shroud piece cannot be press-fitted. For this reason, it is necessary to strictly manage the dimensional accuracy between the outer diameter of the shroud piece and the inner diameter of the exhaust outlet hole. Since the screwing torque can be adjusted arbitrarily, it can be easily attached to a predetermined strength without strictly managing the dimensional accuracy. Therefore, it is possible to reduce the time and effort of managing the manufacturing process and the assembly process.
更に、シュラウドピースを取り外すことも簡単にできるため、シュラウドピースの交換やタービン翼の交換も容易である。或いは、個々の排気ターボ過給機ごとにタービン翼との間隔が適正になるようにトリミングしながら組み付けるといったことも可能であり、これにより、精度向上に一層貢献できる。 Further, since the shroud piece can be easily removed, the shroud piece and the turbine blade can be easily replaced. Alternatively, each exhaust turbocharger can be assembled while being trimmed so that the distance from the turbine blade is appropriate, which can further contribute to accuracy improvement.
(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1〜4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H(図(B)や図2(A)参照)の排気側面と直交した方向を前後方向として、シリンダヘッドに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。
(1). Outline Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. First, an outline will be described with reference to FIGS. In the present embodiment, front / rear, left / right, and upper / lower terms are used to clarify the direction, but the longitudinal direction of the rotation axis is the left / right direction, and the cylinder head H (FIG. (B) or FIG. The direction perpendicular to the exhaust side of A) is defined as the front-rear direction, and the direction facing the cylinder head is the front. The vertical direction is the vertical direction. As a precaution, the directions are clearly shown in FIGS.
図4に示すように、排気ターボ過給機は、ねじれた羽根を有するタービン翼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軸受けハウジング(軸受けハウジング)6とを有しており、タービンハウジング4と軸受けハウジング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。
As shown in FIG. 4, the exhaust turbocharger includes a
タービンハウジング4には、タービン翼1を囲うようにタービンスクロール室7が形成されていると共に、タービン翼1の回転軸心方向に開口した排気出口孔8が形成されている。タービンスクロール室7は、タービン翼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、シリンダヘッドHに向けて開口した入口通路9(図4参照)が連通している。
In the
従って、タービンハウジング4は、タービンスクロール室7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、軸受けハウジング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)Hにボルトで固定される入口側フランジ4dが形成されている。
Accordingly, the
また、図4(図1(B)も参照)に示すように、入口通路9から分岐したウエストゲート通路10が、軸受けハウジング6と反対側に向けて開口しており、ウエストゲート通路10と排気出口孔8とは、サイド張り出し部4cの内部で連通している。このため、サイド張り出し部4cは上下に長い形態になっている。
Further, as shown in FIG. 4 (see also FIG. 1B), a
ウエストゲート通路10は、図示しないウエストゲートバルブで開閉される。サイド張り出し部4cの上端部には、ウエストゲートバルブを駆動する弁軸が嵌まる弁軸孔11が、上下に貫通した状態に形成されている。従って、サイド張り出し部4cの内部のうちその上部は、ウエストゲートバルブの回動を許容するウエストゲート空間12になっている。なお、ウエストゲートバルブは、コンプレッサハウジング5にブラケットを介して固定されるダイヤフラム式のアクチュエータによって駆動される。
The
タービンハウジング4のサイド張り出し部4cには出口側フランジ13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13に触媒ケースが固定される(排気管を固定してもよい。)。
An
図4に示すように、コンプレッサハウジング5には、吸気入口14と、コンプレッサ翼2の外側に位置したコンプレッサスクロール室15とが形成されており、コンプレッサスクロール室15で加圧された吸気は、排出口16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17を介して軸受けハウジング6とボルト18で連結されている。このため、軸受けハウジング6の端部にはフランジ6aを形成している。
As shown in FIG. 4, the
軸受けハウジング6には、フローティングメタル19を介して回転軸3を回転自在に保持する軸受け部20が形成されている。また、軸受けハウジング6には、上向きに開口したオイル供給穴21と、下向きに開口したオイル排出穴22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を省略する。
The bearing
回転軸3の一端部は大径部3aに形成されており、この大径部3aがタービン翼1に圧入されている。また、大径部3aには、タービンハウジング4の軸受け部に摺接するシール材23(図5,6参照)を装着している。
One end of the
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。冷却水ジャケットは、軸受けハウジング6の側に位置したインサイドジャケット25と、排気出口孔8の側に位置したアウトサイドジャケット26とで構成されており、両者はセンター隔壁27によって左右に分離している。アウトサイドジャケット26は、排気出口孔8を囲う内環状部26aを有しており、内環状部26aの上方に、ウエストゲート空間12が位置している。従って、ウエストゲート空間12は、その周囲がアウトサイドジャケット26で囲われている。
A cooling water jacket through which cooling water flows is formed in the
図4に示すように、インサイドジャケット25とアウトサイドジャケット26とは下端において連通しており、タービンハウジング4における円形状部4aの下端には、インサイドジャケット25及びアウトサイドジャケット26に向けて冷却水を送る入口ポート28が、下向きに開口するように形成されている。入口ポート28には、継手パイプ29を介してホースが接続されている。
As shown in FIG. 4, the
インサイドジャケット25とアウトサイドジャケット26とは、上端においても連通している。そこで、タービンハウジング4における入口筒部4bの上端部には、インサイドジャケット25及びアウトサイドジャケット26の冷却水を排出する出口ポート30が上向きに形成されている。出口ポート30には、継手パイプ31を介してホースが接続されている。
The
なお、タービンハウジング4は、インサイドジャケット25とアウトサイドジャケット26とで左右に分離しているが、それらインサイドジャケット25とアウトサイドジャケット26で分離された内側部分と外側部分とは、図示しない複数のリブによって接続されている。
The
(2).シュラウドピース
さて、タービン翼1は、軸部に複数の羽根を設けた構成であり、正面視で台形状の形態と成すことにより、排気ガスによって駆動されつつ、排気ガスが排気出口孔8に向けて排出されるようになっているが、排気ガスによるタービン翼1の駆動を効率良く行うためには、タービン翼1の外周部がタービンスクロール室7のシュラウド(内周)部7aに入り込んだ状態になっておらねばならない。一方、タービンハウジング4と軸受けハウジング6とを一体化した構造では、タービン翼1は排気出口孔8の部位から嵌め込まなければ ならない。
(2). Shroud piece The
そこで、タービン翼1の外径よりも大きい外径のシュラウドピース32をタービンハウジング4とは別部材として用意して、タービン翼1を排気出口孔8に挿入してから、シュラウドピース32を装着することによって、タービン翼1と所定の間隔を有するシュラウド部7aを形成している(厳密には、排気出口孔8もシュラウドピース32で構成されている。)。なお、コンプレッサ翼2は、ナット33で回転軸3の他端部に固定されている。
Therefore, a
そして、図5,6に示すように、シュラウドピース32及び排気出口孔8は、タービン翼1に向いた先端側のある程度は、隙間無くきっちりと密嵌する嵌合部34に形成されて、それよりも後ろの部位には螺合部35に形成されている。従って、嵌合部34は、シュラウドピース32においては円筒になって、排気出口孔8においては孔になっている。また、螺合部35は、シュラウドピース32においては雄ねじになって、排気出口孔8においては雌ねじになっている。
As shown in FIGS. 5 and 6, the
シュラウドピース32の後端にはフランジ36が形成されている一方、排気出口孔8には、フランジ36が当接するストッパー面37を形成している。フランジ36の先端とストッパー面37とは、タービン翼1に向けて小径になるテーパ面に形成されているが、回転軸心と直交した端面に形成することも可能である。シュラウドピース32の後端面には、回転工具を係合させるための係合孔(図示せず)が、周方向に並んで複数形成されている。
A
嵌合部34は、シュラウドピース32における螺合部35(雄ねじ部)の谷径よりも少し小径に設定している。従って、シュラウドピース32では、嵌合部34は螺合部35よりも小径の段違いになっている。嵌合部34は、図5及び図6(A)の例ではストレートに形成されており、図6(B)の例では、タービン翼1に向けて若干の角度θで窄まったテーパ状に形成されている。
The
このように、シュラウドピース32はねじ込み式であるため、発明の効果に記載した効果を奏する。付言すると、シュラウドピース32をねじ込み式に構成すると、シュラウドピース32の雄ねじと排気出口孔8の雌ねじとが螺合するが、ねじ込みによる締結力は、雄ねじの追い側フランクが雌ねじに当接することで発生するが、追い側フランクは螺旋状に傾斜しているため、単なる圧入に比べて高い摩擦抵抗を発生させることができる。従って、所定のトルクでねじ込むことにより、離脱しない状態に強固に締結できる。
Thus, since the
また、シュラウドピース32は、フランジ36がストッパー部37に当たることで前進位置が規定されるが、フランジ36がストッパー部37にしっかりと当たることに要するトルクを見込んで、雄ねじと雌ねじとがしっかり噛み合うトルクに設定しておくことにより、シュラウドピース32の雄ねじと排気出口孔8の雌ねじとの接触面に、高い伝熱性を確保するのに必要な面圧を確保することができる。これにより、冷却水によるシュラウドピース32の冷却を確実化できる。
Further, the forward position of the
図6(B)のように、嵌合部34を先窄まりのテーパ状に形成すると、シュラウドピース32のねじ込みによって嵌合部34の密着性を強固にできると共に、カジリ防止の確実化や面圧の安定性向上にも貢献できる。
When the
実施形態では、排気出口孔8の終端はシュラウドピース32の後端よりも後ろに位置している。このため、シュラウドピース32の上には、アウトサイドジャケット26の内環状部26aで囲われたはみ出し部38(図4〜6参照)が存在するが、このはみ出し部38の存在により、シュラウドピース32の後端部がウエストゲート通路10から流れた排気ガスに晒されることを防止できる。従って、シュラウドピース32の耐久性を向上できる利点がある。
In the embodiment, the end of the
本願発明は、内燃機関の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。 The present invention can be embodied in an exhaust turbocharger of an internal combustion engine. Therefore, it can be used industrially.
1 タービン翼
2 コンプレッサ翼
3 回転軸
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
5 コンプレッサハウジング
6 軸受けハウジング
7 タービンスクロール室
7a シュラウド部
8 排気出口孔
25 インサイドジャケット
26 アウトサイドジャケット
28 入口ポート
30 出口ポート
32 シュラウドピース
34 嵌合部
35 螺合部
36 フランジ
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記タービンハウジングには、排気ガスで前記タービン翼を駆動するためのタービンスクロール室が、前記タービン翼を囲うように形成されていると共に、前記タービン翼を駆動した排気ガスが排出される排気出口孔が、前記回転軸の軸心方向に向けて開口しており、
更に、前記排気出口孔に、円筒状のシュラウドピースが、その先端面を前記タービン翼の外周部と対向させた状態で装着されている構成であって、
前記シュラウドピースと排気出口孔とに、前記シュラウドピースをねじ込みによって取り付けるための螺合部と、前記螺合部よりも前記タービン翼の側に位置した部位において密嵌する嵌合部とを形成している、
排気ターボ過給機。 A turbine housing in which turbine blades are rotatably arranged and a bearing housing that holds a rotating shaft fixed to the turbine blades are integrated.
In the turbine housing, a turbine scroll chamber for driving the turbine blades with exhaust gas is formed so as to surround the turbine blades, and an exhaust outlet hole through which the exhaust gas driving the turbine blades is discharged Is open toward the axial direction of the rotating shaft,
Further, a cylindrical shroud piece is attached to the exhaust outlet hole in a state in which a tip surface thereof is opposed to an outer peripheral portion of the turbine blade,
The shroud piece and the exhaust outlet hole are formed with a threaded portion for mounting the shroud piece by screwing, and a fitting portion that fits closely at a portion located closer to the turbine blade than the threaded portion. ing,
Exhaust turbocharger.
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