JP2019183716A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】軸流式タービンを有するターボ過給機を備え、軸受の温度上昇の抑制とタービンホイールに流入する排気ガスのエネルギの増大とを好適に両立させられる内燃機関を提供する。【解決手段】内燃機関１０は、排気通路１６と、水冷式のシリンダヘッド１４と、コンプレッサインペラ２２と、回転軸３０を介してコンプレッサインペラ２２と連結された軸流式のタービンホイール２４と、コンプレッサインペラ２２とタービンホイール２４との間の部位において回転軸３０を支持する軸受２６と、コンプレッサインペラ２２及び軸受２６を収容するハウジング２８とを含むターボ過給機２０と、を備える。タービンホイール２４は、タービン翼２４ｂの出口２４ｂ１がコンプレッサインペラ２２の側に位置するように回転軸３０に連結されている。ハウジング２８は、タービンホイール２４がシリンダヘッド１４と対向する向きで、シリンダヘッド１４に直接締結されている。【選択図】図１

Description

この発明は、内燃機関に関し、より詳細には、軸流式タービンを有するターボ過給機を備える内燃機関に関する。

例えば、特許文献１には、ターボ過給機を備える内燃機関が開示されている。このターボ過給機は、コンプレッサと、コンプレッサを回転駆動する過給用タービンと、発電機を回転駆動する発電用タービンとを備えている。発電用タービンは軸流式である。より具体的には、発電用タービンのホイールは、過給用タービンのホイールの下流に配置され、回転軸を介して発電機と連結されている。換言すると、発電用タービンのホイールは、当該ホイールに流れる排気ガスの流れ方向の上流側の端部において、上記回転軸に固定されている。このような構成によれば、このホイールを通過した高温の排気ガスが上記回転軸を支持する軸受の近くを通過することになるので、軸受の温度が上昇してしまう可能性がある。

特開２０１７−１４５７４８号公報

コンプレッサを回転駆動するために軸流式タービンを備えるターボ過給機を内燃機関に搭載することが考えられる。このターボ過給機では、コンプレッサのコンプレッサインペラと軸流式タービンのタービンホイールとは、回転軸を介して連結される。このようなターボ過給機において、タービンホイールのタービン翼の出口がコンプレッサインペラ側に位置するような向きでタービンホイールを回転軸に連結することが考えられる。しかしながら、特別な配慮なしにそのような向きでタービンホイールが配置されると、特許文献１に記載の構成と同様に、回転軸を支持する軸受の温度上昇を招くことが懸念される。

軸受の温度上昇の回避のために、上記とは逆に、タービン翼の入口がコンプレッサインペラ側に位置するような向きでタービンホイールを回転軸に連結することが考えられる。しかしながら、このような構成を採用すると、コンプレッサインペラとタービンホイールとの間に位置するタービン翼の入口に排気ガスを導入するために、タービン翼の上流側の排気通路にスクロール部を設けることが必要になる。気筒からタービン翼の入口までの距離を短くすることは、タービンホイールに流入する排気ガスのエネルギを高めるうえで有効である。しかしながら、上記のスクロール部を設けることは、気筒からタービン翼の入口までの距離を短縮することへの妨げとなる。

本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたものであり、軸流式のタービンホイールを有するターボ過給機を備え、軸受の温度上昇の抑制とタービンホイールに流入する排気ガスのエネルギの増大とを好適に両立させることができる内燃機関を提供することを目的とする。

本発明に係る内燃機関は、
気筒から排出される排気ガスが流れる排気通路と、
水冷式のシリンダヘッドと、
コンプレッサインペラと、回転軸を介して前記コンプレッサインペラと連結された軸流式のタービンホイールと、前記コンプレッサインペラと前記タービンホイールとの間の部位において前記回転軸を支持する軸受と、前記コンプレッサインペラ、前記軸受及び前記タービンホイールのうちの少なくとも前記コンプレッサインペラ及び前記軸受を収容するハウジングと、を含むターボ過給機と、
を備える。
前記タービンホイールは、前記タービンホイールのタービン翼の出口が前記コンプレッサインペラの側に位置するように前記回転軸に連結されている。
前記ハウジングは、前記タービンホイールが前記シリンダヘッドと対向する向きで、前記シリンダヘッドに直接又は第１ガスケットを介して締結されている。

前記タービン翼の入口は、前記シリンダヘッドに対する前記ハウジングの締結面よりも前記排気ガスの流れの上流側に配置されていてもよい。

前記排気通路は、前記シリンダヘッドの内部に形成されたヘッド内ガス通路を含んでもよい。そして、前記タービンホイールは、前記ヘッド内ガス通路に配置されていてもよい。

前記ヘッド内ガス通路の周面が、前記タービンホイールの径方向において前記タービン翼と対向していてもよい。

前記ハウジングは、前記タービンホイールを覆うタービンハウジング部を含んでもよい。前記タービンハウジング部の少なくとも一部が前記ヘッド内ガス通路に挿入されてもよい。そして、前記タービンハウジング部の内周面が、前記タービンホイールの径方向において前記タービン翼と対向していてもよい。

前記内燃機関は、前記ヘッド内ガス通路と前記タービンホイールとの間に配置された第２ガスケットをさらに備えてもよい。そして、前記第２ガスケットの内周面が、前記タービンホイールの径方向において前記タービン翼と対向していてもよい。

前記ハウジングは、前記軸受を収容するベアリングハウジング部を含んでもよい。そして、前記ベアリングハウジング部が、前記シリンダヘッドと直接又は前記第１ガスケットを介して締結されていてもよい。

前記内燃機関は、前記タービンホイールよりも下流側の部位において前記排気通路に配置された排気浄化触媒をさらに備えてもよい。前記排気通路は、前記タービン翼の前記出口と前記排気浄化触媒とを接続する触媒上流通路を含んでもよい。そして、前記触媒上流通路の少なくとも一部は、前記シリンダヘッドに内蔵されていてもよい。

前記ターボ過給機は、前記タービンホイールよりも下流側の部位において前記排気通路に設けられたノズルをさらに備えてもよい。そして、前記ノズルは、排気ガス流れの下流側に向かうにつれて流路断面積を徐々に大きくするように形成されていてもよい。

本発明によれば、軸流式のタービンホイールは、タービン翼の出口がコンプレッサインペラの側に位置するように回転軸に連結されている。これにより、ラジアル式タービンとは異なり、タービン翼の入口側にスクロール部を備える必要がなくなる。このため、気筒からタービン翼の入口までの距離を短縮できる。その結果、タービンホイールに流入する排気ガスのエネルギを高めることができる。また、本発明によれば、ハウジングは、タービンホイールがシリンダヘッドと対向する向きで、シリンダヘッドに直接又は第１ガスケットを介して締結されている。これにより、タービン翼から流出した高温の排気ガスからハウジングに伝わった熱を、水冷式のシリンダヘッドに逃がすことができる。このため、本発明によれば、軸受の温度上昇の抑制とタービンに流入する排気ガスのエネルギの増大とを好適に両立させることができる。

本発明の実施の形態１に係る内燃機関の要部の構成を模式的に表した図である。 本発明の実施の形態２に係る内燃機関の要部の構成を模式的に表した図である。 本発明の実施の形態３に係る内燃機関の要部の構成を模式的に表した図である。 本発明の実施の形態４に係る内燃機関の要部の構成を模式的に表した図である。 本発明の実施の形態５に係る内燃機関の要部の構成を模式的に表した図である。 本発明の実施の形態６に係る内燃機関の要部の構成を模式的に表した図である。 本発明の実施の形態６に係る内燃機関の要部の構成を模式的に表した図である。 本発明の実施の形態７に係る内燃機関の要部の構成を模式的に表した図である。

以下に説明される各実施の形態において、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略又は簡略する。また、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

１．実施の形態１
まず、図１を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。

１−１．内燃機関の要部の構成
図１は、本発明の実施の形態１に係る内燃機関１０の要部の構成を模式的に表した図である。図１に示す内燃機関１０は、一例として、３つの気筒１２を有する直列３気筒エンジンである。内燃機関１０は、シリンダヘッド１４を備えている。シリンダヘッド１４は、シリンダブロック（図示省略）とともに３つの気筒１２を形成している。なお、本発明の対象となる内燃機関の気筒数及び気筒配置は特に限定されない。

シリンダヘッド１４には、エンジン冷却水が流れる冷却水通路（図示省略）が形成されている。つまり、シリンダヘッド１４は水冷式である。また、内燃機関１０は、各気筒１２から排出される排気ガスが流れる排気通路１６を備えている。排気通路１６は、図１に示すように、シリンダヘッド１４の内部に形成されたヘッド内ガス通路１８を含む。ヘッド内ガス通路１８は、各気筒１２からの排気ガスを１つに集めるように形成されている。換言すると、内燃機関１０では、排気マニホールドがシリンダヘッド１４と一体化している。なお、シリンダヘッド１４は、金属材料（例えば、アルミニウム合金）によって構成されている。

内燃機関１０は、ターボ過給機２０を備えている。ターボ過給機２０は、コンプレッサインペラ２２、軸流式のタービンホイール２４、軸受２６及びハウジング２８を含む。なお、ハウジング２８は、金属材料（例えば、鉄）によって構成されている。

具体的には、タービンホイール２４は、回転軸３０を介してコンプレッサインペラ２２と連結されている。軸受２６は、コンプレッサインペラ２２とタービンホイール２４との間の部位（図１に示す例では、２か所）において回転軸３０を支持する。ハウジング２８は、コンプレッサインペラ２２を収容するコンプレッサハウジング部３２と、２つの軸受２６を収容するベアリングハウジング部３４とからなる。コンプレッサハウジング部３２とベアリングハウジング部３４とは隣り合っている。

コンプレッサハウジング部３２は、１対のハウジングピース３２ａ及び３２ｂによって、コンプレッサ入口部３２ｃ、インペラ部３２ｄ、ディフューザ部３２ｅ及びスクロール部３２ｆを形成している。このコンプレッサハウジング部３２とコンプレッサインペラ２２とによって、内燃機関１０の吸気を過給するための遠心式（一例）のコンプレッサが構成されている。

タービンホイール２４は、ロータディスク２４ａと、複数のタービン翼（動翼）２４ｂとを有する。ロータディスク２４ａは回転軸３０に連結されている。複数のタービン翼２４ｂは、ロータディスク２４ａから径方向外向きに延びるようにロータディスク２４ａと一体的に形成されている。

図１に示すように、タービンホイール２４は、タービン翼２４ｂの出口２４ｂ１がコンプレッサインペラ２２の側に位置するように回転軸３０に連結されている。そして、ハウジング２８は、タービンホイール２４（のタービン翼２４ｂの入口２４ｂ２）がシリンダヘッド１４と対向する向きで、ボルト等の締結具（図示省略）を用いてシリンダヘッド１４に直接締結されている。

より具体的には、図１に示す例では、ハウジング２８のうちのベアリングハウジング部３４がシリンダヘッド１４に直接締結されている。なお、図１では、タービンホイール２４周りにおいてハッチングが付されたシリンダヘッド１４及びベアリングハウジング部３４の各部位は、回転軸３０の中心位置におけるシリンダヘッド１４及びベアリングハウジング部３４の断面を示している。このことは、後述の図２〜６及び８についても同様である。

また、図１に示すように、内燃機関１０では、タービン翼２４ｂの入口２４ｂ２は、シリンダヘッド１４に対するベアリングハウジング部３４の締結面３６よりも排気ガス流れの上流側に配置されている。そして、タービンホイール２４は、ヘッド内ガス通路１８に配置されている。より詳細には、タービンホイール２４は、ヘッド内ガス通路１８の集合部１８ａに配置されており、ヘッド内ガス通路１８の周面１８ｂがタービンホイール２４の径方向においてタービン翼２４ｂと対向している。換言すると、タービン翼２４ｂ（タービンホイール２４）は、周面１８ｂとの間でクリアランスを構成している。

本実施形態の内燃機関１０では、タービンホイール２４の出口通路であるタービン出口通路３８は、次のような構造によって、ベアリングハウジング部３４の壁面及びシリンダヘッド１４の壁面を利用して形成されている。

具体的には、回転軸３０の軸方向においてタービン翼２４ｂの出口２４ｂ１と近接する位置には、ベアリングハウジング部３４のタービン出口壁部４０が形成されている。タービン出口壁部４０は、回転軸３０の軸方向においてタービン翼２４ｂの出口２４ｂ１から離れるにつれ、その径が大きくなるように（換言すると、略円錐台形状に）形成されている。シリンダヘッド１４は、このタービン出口壁部４０を覆うように形成されたスクロール部４２を有している。そして、ベアリングハウジング部３４は、回転軸３０の径方向に延びるように形成されたフランジ部４４を有している。シリンダヘッド１４とベアリングハウジング部３４との締結は、より詳細には、このスクロール部４２の端面とフランジ部４４との間でなされている。すなわち、このフランジ部４４の一部が上記の締結面３６に相当する。

タービン出口通路３８は、タービン出口壁部４０とともに上述のスクロール部４２及びフランジ部４４によって構成されている。スクロール部４２は、タービン翼２４ｂの出口２４ｂ１から流出した排気ガスの流れの向きを変えるために、スクロール形状を有している。より具体的には、スクロール部４２は、回転軸３０を中心とするスクロール形状を有し、出口２４ｂ１から離れるにつれて流路断面積が徐々に大きくなるように形成されている。図１では、タービン出口壁部４０に対して紙面右側のタービン出口通路３８の部位の流路断面積は、紙面左側の部位のそれと比べて大きくなるように描かれている。つまり、紙面右側の部位は、紙面左側の部位と比べて排気ガス流れの下流側に位置する。また、上記のように構成されたタービン出口通路３８は、排気通路１６の一部に相当する。

なお、本実施形態では、排気ガス流れの下流側におけるスクロール部４２の端部は、シリンダヘッド１４の外に設けられている。この端部には、ターボ過給機２０の下流側の排気通路１６の部位を構成する排気管が接続される。また、タービン翼２４ｂの出口２４ｂ１の近傍の部位においてスクロール部４２に形成された環状の突起４６は、出口２４ｂ１から流出する排気ガスを整流するために形成されている。より詳細には、流路が急拡大すると、流れの損失が増大する。環状の突起４６は、このような流れの損失の増大を抑制するために、流路断面積を徐々に大きくできるように形成されている。

付け加えると、図１に示す例では、タービンホイール２４を収容するタービンハウジングの機能は、シリンダヘッド１４を利用して（より詳細には、ヘッド内ガス通路１８の周面１８ｂ及びスクロール部４２）によって実現されている。そして、タービン出口通路３８は、上述のように、ベアリングハウジング部３４（タービン出口壁部４０及びフランジ部４４）とスクロール部４２とによって構成されている。したがって、内燃機関１０では、タービンホイール２４と、シリンダヘッド１４の周面１８ｂ及びスクロール部４２と、ベアリングハウジング部３４（タービン出口壁部４０及びフランジ部４４）とによって、コンプレッサインペラ２２を回転駆動する軸流式タービンが構成されている。

１−２．効果
１−２−１．タービンに流入する排気ガスのエネルギの増大
ラジアル式タービンを使用するターボ過給機を備える内燃機関では、タービン翼の入口側にスクロール部と、スクロール部とその上流側の排気通路とを接続するための接続配管とが必要になる。これに対し、本実施形態の内燃機関１０は、タービン翼２４ｂの出口２４ｂ１がコンプレッサインペラ２２の側に位置するように設けられた軸流式のタービンホイール２４を有するターボ過給機２０を備えている。これにより、ラジアル式タービンとは異なり、タービン翼２４ｂの入口２４ｂ２側にスクロール部を備える必要がなく、したがって、上記接続配管も不要となる。このため、各気筒１２からタービン翼２４ｂの入口２４ｂ２までの距離を短縮できる。その結果、タービン翼２４ｂの上流側の排気通路の表面積の減少により、タービン翼２４ｂに流入する排気ガスの温度低下を抑制できる。また、タービン翼２４ｂの上流側の排気通路の容積の減少により、タービンホイール２４に流入する排気ガスの圧力の低下を抑制できる。これらのことから、本実施形態によれば、上記距離の短縮により、タービンホイール２４に流入する排気ガスのエネルギを効果的に高められる構成が得られる。

付け加えると、内燃機関１０では、タービンホイール２４は、ヘッド内ガス通路１８に配置されている。これにより、上記距離の短縮によるタービンホイール２４への排気エネルギの増大効果をより十分に引き出すことができる。

１−２−２．軸受の温度上昇の抑制
上記の向きで配置された軸流式のタービンホイール２４の使用により、上述のように、ラジアル式タービンの使用例と比べてタービンに流入する排気ガスのエネルギの増大を図ることができる。しかしながら、その背反として、タービン翼２４ｂを通過した高温の排気ガスがコンプレッサインペラ２２側（すなわち、タービンホイール２４とコンプレッサインペラ２２との間に位置する軸受２６の側）に向けてベアリングハウジング部３４の周りを流れることになる。このため、適切な対処がなされないと、軸受２６の温度が上昇してしまう可能性がある。

上記の課題に関し、本実施形態によれば、ターボ過給機２０のハウジング２８は、タービンホイール２４（のタービン翼２４ｂの入口２４ｂ２）が、水冷式のシリンダヘッド１４と対向する向きで、シリンダヘッド１４に直接的に締結されている。これにより、タービン翼２４ｂから流出した高温の排気ガスからハウジング２８に伝わった熱を、低温のシリンダヘッド１４に逃がすことができる。このため、本実施形態の内燃機関１０によれば、軸受２６の温度上昇の抑制とタービンに流入する排気ガスのエネルギの増大とを好適に両立させることができる。また、軸受２６の温度上昇の抑制により、軸受２６を潤滑するオイルの劣化を抑制することができる。

付け加えると、本実施形態においてシリンダヘッド１４と直接的に締結されているのは、軸受２６を収容するベアリングハウジング部３４である。このため、本構成によれば、タービン翼２４ｂから流出した高温の排気ガスからベアリングハウジング部３４に伝わった熱を効果的にシリンダヘッド１４に逃がすことができる。そして、このようにベアリングハウジング部３４の放熱性を効果的に向上させられることにより、次のような効果も得られる。すなわち、ベアリングハウジング部の放熱性向上のために、別途、ベアリングハウジング部３４に対してエンジン冷却水を導入する構成を採用することがある。そのような構成においては、エンジン停止がなされると、エンジン冷却水の循環が停止するため、エンジン停止後にベアリングハウジング部３４の温度が上昇することが懸念される。この点に関し、上述の締結手法によってベアリングハウジング部３４の放熱性を向上できることにより、エンジン停止後のベアリングハウジング部３４の温度上昇を効果的に抑制することもできる。

１−２−３．タービン翼への熱輻射の抑制
また、本実施形態の内燃機関１０では、タービン翼２４ｂの入口２４ｂ２は、シリンダヘッド１４に対するベアリングハウジング部３４の締結面３６よりも排気ガスの流れの上流側に配置されている。このような配置によれば、タービン翼２４ｂは、エンジン冷却水により冷却されるシリンダヘッド１４の壁面に近い部位に設けられることになる。したがって、タービン翼２４ｂがシリンダヘッド１４の外に配置される例と比べて、タービン翼２４ｂの上流に位置する排気ガスの通路壁面の温度が低くなることになる。これにより、当該通路壁面からタービン翼２４ｂへの熱輻射による熱の流入が抑制されるので、タービンホイール２４と連結された回転軸３０の温度が上記熱輻射に起因して上昇することが抑制される。このことは、軸受２６の温度上昇の抑制に繋がる。また、熱輻射による熱の流入の抑制により、排気ガス温度が高い高温時に、タービン翼２４ｂとヘッド内ガス通路１８の周面１８ｂとのクリアランスの拡大を抑制できる。

付け加えると、本実施形態の内燃機関１０では、タービンホイール２４は、ヘッド内ガス通路１８に配置されている。より詳細には、タービンホイール２４は、ヘッド内ガス通路１８の周面１８ｂがタービンホイール２４の径方向においてタービン翼２４ｂと対向するように配置されている。このような構成によれば、上記の熱輻射の抑制効果をより効果的に得ることができる。

１−２−４．タービン出口壁部の形状に関する効果
さらに、タービンホイール２４の直下に位置するタービン出口壁部４０は、上述のように、回転軸３０の軸方向においてタービン翼２４ｂの出口２４ｂ１から離れるにつれ、その径が大きくなるように（換言すると、略円錐台形状に）形成されている。このような形状とは異なり、タービン出口壁部が円筒状に形成されていると、タービン翼２４ｂから流出した排気ガスがベアリングハウジング部に衝突するように流れてしまう。これに対し、本実施形態の形状のタービン出口壁部４０によれば、タービンホイール２４の直下の排気ガスの流れを改善できる。さらに、上記の円筒状の例と比べて、軸受２６をタービン出口通路３８の壁面からより離すことができるので、伝熱距離の拡大により、軸受２６の温度上昇をより効果的に抑制できる。

２．実施の形態２
次に、図２を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。

２−１．内燃機関の要部の構成
図２は、本発明の実施の形態２に係る内燃機関５０の要部の構成を模式的に表した図である。本実施形態に係る内燃機関５０は、タービンホイール２４周りの構成において、実施の形態１に係る内燃機関１０と相違している。

図２に示すように、内燃機関５０は、ターボ過給機５２を備えている。ターボ過給機５２は、ハウジング５４の構成において、図１に示すターボ過給機２０と相違している。具体的には、ハウジング５４は、コンプレッサハウジング部３２及びベアリングハウジング部３４とともに、タービンハウジング部５６を備えている。タービンハウジング部５６は、タービンホイール２４だけでなくタービン出口壁部４０をも覆うように形成されている。

タービンハウジング部５６は、ベアリングハウジング部３４と隣り合っている。タービンハウジング部５６は、図１に示すスクロール部４２と同様に形成されたスクロール部５８を備えている。つまり、本実施形態では、タービン出口通路６０は、このスクロール部５８とタービン出口壁部４０及びフランジ部４４とによって構成されている。

本実施形態では、ハウジング５４のタービンハウジング部５６が、タービンホイール２４（のタービン翼２４ｂの入口２４ｂ２）がシリンダヘッド６２と対向する向きで、ボルト等の締結具（図示省略）を用いてシリンダヘッド６２に直接締結されている。

また、図２に示す内燃機関５０では、タービン翼２４ｂの入口２４ｂ２は、シリンダヘッド６２に対するタービンハウジング部５６の締結面６４よりも排気ガスの流れの上流側に配置されている。そして、内燃機関１０の例と同様に、タービンホイール２４は、ヘッド内ガス通路１８に配置されている。より詳細には、タービンハウジング部５６の一部（タービンホイール２４を覆う部位）がヘッド内ガス通路１８（の集合部１８ａ）の周面６２ａに挿入されている。そして、この周面６２ａと接するタービンハウジング部５６の内周面５６ａが、タービンホイール２４の径方向においてタービン翼２４ｂと対向している。換言すると、タービン翼２４ｂ（タービンホイール２４）は、内周面５６ａとの間でクリアランスを構成している。

２−２．効果
上述したタービンハウジング部５６を備える本実施形態の内燃機関５０においても、実施の形態１と同様に、軸受２６の温度上昇の抑制とタービンホイール２４に流入する排気ガスのエネルギの増大とを好適に両立させることができる。ただし、軸受２６を収容するベアリングハウジング部からシリンダヘッドへの放熱の観点では、シリンダヘッド６２とベアリングハウジング部３４との間にタービンハウジング部５６を介在する内燃機関５０よりも、そのようなタービンハウジング部５６を介在しない内燃機関１０の方が優れているといえる。

また、本実施形態の内燃機関５０では、タービンホイール２４（のタービン翼２４ｂ）は、タービンホイール２４の径方向において、シリンダヘッド６２の周面６２ａと直接的には対向しておらず、その代わりにタービンハウジング部５６の内周面５６ａと対向している。このような構成では、水冷式のシリンダヘッド６２によってタービンハウジング部５６が冷却されるので、タービンハウジング部５６からタービン翼２４ｂへの熱輻射による熱の流入が抑制される。このため、当該熱輻射に起因する回転軸３０の温度上昇及びこれに伴う軸受２６の温度上昇を抑制することができる。

２−３．変形例
上述した実施の形態２においては、タービンハウジング部５６は、その一部がヘッド内ガス通路１８に挿入されるように構成されている。しかしながら、本発明に係るタービンハウジング部の他の例では、タービンハウジング部の全体がヘッド内ガス通路に挿入されてもよい。

また、図２に示す内燃機関５０の例では、タービン翼２４ｂの入口２４ｂ２が締結面６４よりも排気ガスの流れの上流側に配置され、かつ、タービンホイール２４がヘッド内ガス通路１８に配置されている。このような例に代え、タービン翼２４ｂの入口２４ｂ２は締結面６４よりも排気ガスの流れの上流側に配置されるけれども、タービンホイール２４はヘッド内ガス通路１８に配置されないように、タービンハウジング部の形状が変更されてもよい。

３．実施の形態３
次に、図３を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。

３−１．内燃機関の要部の構成
図３は、本発明の実施の形態３に係る内燃機関７０の要部の構成を模式的に表した図である。本実施形態に係る内燃機関７０は、タービンホイール２４周りの構成において、実施の形態１に係る内燃機関１０と相違している。

図３に示すように、内燃機関７０は、ターボ過給機７２を備えている。ターボ過給機７２は、ハウジング７４の構成において、図１に示すターボ過給機２０と相違している。具体的には、ハウジング７４は、コンプレッサハウジング部３２とともに、ベアリングハウジング部７６を備えている。

図１に示す例では、タービン出口壁部４０は、シリンダヘッド１４からベアリングハウジング部３４に向けて延びるように形成されたスクロール部４２によって覆われている。これに対し、図３に示す例では、タービン出口通路７８を構成するためのスクロール部８０は、ベアリングハウジング部７６に形成されている。したがって、図３に示すタービン出口壁部４０は、ベアリングハウジング部７６からシリンダヘッド８２に向けて延びるように形成されたスクロール部８０によって覆われている。

そして、本実施形態では、ベアリングハウジング部７６のスクロール部８０が、シリンダヘッド８２にガスケット８４を介して締結されている。したがって、ガスケット８４は、本発明に係る「第１ガスケット」の一例に相当する。そして、本実施形態では、タービン出口通路７８は、タービン出口壁部４０及びスクロール部８０と、シリンダヘッド８２（より詳細には、ガスケット８４）とによって構成されている。

また、図３に示す内燃機関７０においても、内燃機関１０と同様に、タービン翼２４ｂの入口２４ｂ２は、シリンダヘッド８２に対するベアリングハウジング部７６の締結面８６よりも排気ガスの流れの上流側に配置されている。

さらに、内燃機関１０の例と同様に、タービンホイール２４は、ヘッド内ガス通路１８に配置されている（すなわち、タービンホイール２４を収容するタービンハウジングの機能は、シリンダヘッド８２を利用して実現されている）。

そして、シリンダヘッド８２とベアリングハウジング部７６との間に介在するガスケット８４は、ヘッド内ガス通路１８の周面１８ｂとタービンホイール２４との間の部位にまで及んでいる。したがって、ガスケット８４は、本発明に係る「第２ガスケット」の一例にも相当する。より詳細には、ガスケット８４の内周面８４ａが、タービンホイール２４の径方向においてタービン翼２４ｂと対向している。換言すると、タービン翼２４ｂ（タービンホイール２４）は、ガスケット８４の内周面８４ａとの間でクリアランスを構成している。なお、上記のガスケット８４の例に代え、締結面８６に対向するガスケットは、周面１８ｂに配置されたガスケットと別体であってもよいし、これらのガスケットのうちの何れか一方が省略されてもよい。

３−２．効果
上述した構成を備える本実施形態の内燃機関７０においても、実施の形態１及び２と同様に、軸受２６の温度上昇の抑制と、タービンホイール２４に流入する排気ガスのエネルギの増大とを好適に両立させることができる。ただし、軸受２６を収容するベアリングハウジング部からシリンダヘッドへの放熱の観点では、シリンダヘッド８２とベアリングハウジング部７６との間にガスケット８４を介在する内燃機関７０よりも、そのようなガスケット８４を介在しない内燃機関１０の方が優れているといえる。

また、本実施形態の内燃機関５０では、タービンホイール２４（のタービン翼２４ｂ）は、タービンホイール２４の径方向において、シリンダヘッド６２の周面６２ａと直接的には対向しておらず、その代わりにガスケット８４の内周面８４ａと対向している。このような構成では、水冷式のシリンダヘッド８２によってガスケット８４が冷却されるので、ガスケット８４からタービン翼２４ｂへの熱輻射による熱の流入が抑制される。このため、当該熱輻射に起因する回転軸３０の温度上昇及びこれに伴う軸受２６の温度上昇を抑制することができる。

４．実施の形態４
次に、図４を参照して、本発明の実施の形態４について説明する。

４−１．内燃機関の要部の構成
図４は、本発明の実施の形態４に係る内燃機関９０の要部の構成を模式的に表した図である。本実施形態に係る内燃機関９０は、タービンホイール２４周りの構成において、実施の形態２に係る内燃機関５０と相違している。

図４に示すように、内燃機関９０は、ターボ過給機９２を備えている。ターボ過給機９２のハウジング９４は、図２に示すターボ過給機５２と同様に、コンプレッサハウジング部３２及びベアリングハウジング部３４とともに、タービンハウジング部９６を備えている。

タービンハウジング部９６は、タービン翼２４ｂの出口２４ｂ１がコンプレッサインペラ２２の側に位置するように設けられたタービンホイール２４を覆っている点、タービンホイール２４（のタービン翼２４ｂの入口２４ｂ２）が水冷式のシリンダヘッド６２と対向する向きでシリンダヘッド６２に直接締結される点、及びスクロール部５８と同様のスクロール部９８を備える点においては、図２に示すタービンハウジング部５６と同様である。そのうえで、タービンハウジング部９６とタービンハウジング部５６との間での形状の相違に起因して、タービンホイール２４の搭載位置が次の点において図２に示す例と相違している。

すなわち、図４に示す内燃機関９０では、タービン翼２４ｂの入口２４ｂ２は、シリンダヘッド６２に対するタービンハウジング部９６の締結面１００よりも排気ガスの流れの上流側に配置されておらず、その下流側に配置されている。そして、タービンホイール２４は、ヘッド内ガス通路１８に配置されておらず、その下流側（すなわち、シリンダヘッド６２の外側）に位置するタービンハウジング部９６内のガス通路１０２に配置されている。

４−２．効果
上述したタービンハウジング部９６を備える本実施形態の内燃機関９０においても、タービンホイール２４は、タービン翼２４ｂの出口２４ｂ１がコンプレッサインペラ２２の側に位置するように設けられている。また、タービンハウジング部９６は、タービンホイール２４（のタービン翼２４ｂの入口２４ｂ２）が水冷式のシリンダヘッド１４と対向する向きでシリンダヘッド６２に直接締結されている。このため、実施の形態１〜３と同様に、軸受２６の温度上昇の抑制とタービンホイール２４の排気ガスのエネルギの増大とを好適に両立させることができる。

５．実施の形態５
次に、図５を参照して、本発明の実施の形態５について説明する。

５−１．内燃機関の要部の構成
図５は、本発明の実施の形態５に係る内燃機関１１０の要部の構成を模式的に表した図である。本実施形態に係る内燃機関１１０は、主に、タービン出口通路（スクロール部）よりも出口側の排気通路の構成において、上述した実施の形態１に係る内燃機関１０と相違している。

具体的には、図５に示すように、内燃機関１１０のシリンダヘッド１１２は、スクロール部１１４を備えている。このスクロール部１１４の形状は図１に示すスクロール部４２のそれと異なっているけれども、スクロール部１１４は、スクロール部４２と同様に、タービン出口壁部４０及びフランジ部４４とともにタービン出口通路１１６を構成している。

実施の形態１の内燃機関１０では、スクロール部４２における排気ガス流れの下流側の端部は、シリンダヘッド１４の外に設けられている。これに対し、本実施形態の内燃機関１１０では、スクロール部１１４における排気ガス流れの下流側の端部１１４ａは、図５に示すようにシリンダヘッド１１２の内部に位置している。そして、この端部１１４ａには、シリンダヘッド１１２内に形成されたヘッド内ガス通路１１８が接続されている。ヘッド内ガス通路１１８は、ヘッド内ガス通路１８及びタービン出口通路１１６とともに、内燃機関１１０の排気通路１２０に含まれる。

ヘッド内ガス通路１１８の下流側の端部１１８ａは、シリンダヘッド１１２の側面においてシリンダヘッド１１２の外表面１１２ａに開口している。この端部１１８ａには、排気管１２２が接続されている。排気通路１２０の内部のヘッド外ガス通路１２４も、排気通路１２０の一部に相当する。また、排気管１２２には、排気ガスを浄化するための排気浄化触媒１２６が設置されている。さらに、符号１２８は、シリンダヘッド１１２に対するベアリングハウジング部３４の締結面を示している。

なお、本実施形態では、ヘッド内ガス通路１１８と、排気浄化触媒１２６よりも上流側に位置するヘッド外ガス通路１２４の部位とが、本発明に係る「触媒上流通路」の一例に相当する。また、ヘッド内ガス通路１１８は、本発明に係る「ヘッド内ガス通路」の一例にも相当する。

５−２．効果
以上説明したように、本実施形態の内燃機関１１０では、タービン出口通路１１６と排気浄化触媒１２６とを接続する排気通路１２０の部位のうちの上流側の部位（ヘッド内ガス通路１１８）がシリンダヘッド１１２に内蔵されている。一方、当該部位がシリンダヘッド１４の外に位置する排気管の内部に形成された内燃機関１０では、この排気管は、タービン出口通路３８から出た高温の排気ガスからの熱を受ける。そして、軸受２６を収容するベアリングハウジング部３４は、この排気管の近くに位置しているため、当該排気管からの熱を受ける。この点に関し、本実施形態の内燃機関１１０によれば、タービン出口通路１１６に接続された排気通路１２０の部位は、水冷式のシリンダヘッド１１２のヘッド内ガス通路１１８である。そして、シリンダヘッド１１２から出た後の排気管１２２は、タービン出口通路１１６の端部（スクロール部１１４の端部１１４ａ）よりも下流側に配置されている。したがって、排気管１２２に流入する排気ガスの温度は、端部１１４ａから流出する排気ガスの温度よりも低くなる。このため、本実施形態の構成によれば、実施の形態１と比べて、排気管１２２からのベアリングハウジング部３４の受熱を低減できるので、軸受２６の温度上昇をより効果的に抑制できる。

５−３．変形例
上述した実施の形態５における「触媒上流通路」の例においては、触媒上流通路の一部に相当するヘッド内ガス通路１１８がシリンダヘッド１１２内に配置されている。しかしながら、本発明に係る「触媒上流通路」の他の例では、触媒上流通路の全体がシリンダヘッド１１２内に配置されてもよい。すなわち、排気浄化触媒がシリンダヘッド１１２の外表面に形成された触媒上流通路の開口部に直接的に取り付けられる構造が採用されてもよい。

また、実施の形態５に係る内燃機関１１０に対し、タービンホイール２４をバイパスする排気バイパス通路及びそれを開閉するウェイストゲートバルブを備えることが考えられる。このような構成が採用される場合には、排気バイパス通路の少なくとも一部がシリンダヘッド内に配置され、かつ、ウェイストゲートバルブがシリンダヘッドに内蔵されてもよい。

６．実施の形態６
次に、図６及び図７を参照して、本発明の実施の形態６について説明する。

６−１．内燃機関の要部の構成
図６及び図７は、本発明の実施の形態６に係る内燃機関１３０の要部の構成を模式的に表した図である。本実施形態に係る内燃機関１３０は、タービンホイール２４の出口周りの構成において、上述した実施の形態１に係る内燃機関１０と相違している。

具体的には、内燃機関１３０が備えるターボ過給機１３２は、複数のノズル板１３４を備えている。複数のノズル板１３４は、タービン出口壁部４０の周壁面４０ａに設けられている。より詳細には、複数のノズル板１３４は、タービン出口壁部４０の周方向に互いに所定間隔をあけ、かつ、その径方向については垂直に延びるように形成されている。付け加えると、複数のノズル板１３４は、突起４６と周壁面４０ａとの間で、排気ガスの流れを仕切るように形成されている。

図７は、図６中の矢視Ａの方向（すなわち、回転軸３０の径方向外側）から隣り合う２つのノズル板１３４を見た図である。排気ガスは、隣り合うノズル板１３４の間を流れる。隣り合うノズル板１３４の間には、ノズル１３６がそれぞれ構成されている。

図７に示すように、排気ガスの入口付近における隣り合うノズル板１３４間の幅Ｗ１よりも、排気ガスの出口付近における幅Ｗ２の方が大きい。より詳細には、各ノズル１３６は、排気ガス流れの下流側に向かうにつれて、隣り合うノズル板１３４間の幅Ｗが徐々に大きくなるように形成されている。また、図６に示す例では、ノズル１３６の高さ（周壁面４０ａと突起４６との距離）も、排気ガス流れの下流側に向かうにつれて徐々に大きくなっている。したがって、ノズル１３６の流路断面積は、排気ガス流れの下流側に向かうにつれて徐々に大きくなっていく。なお、ノズル１３６の流路断面積を徐々に大きくするためには、上記の例に代え、ノズル１３６の幅Ｗ及び高さの何れか一方のみが変更されてもよい。

また、図７に示す方向（回転軸３０の径方向）から見て、各ノズル板１３４は、排気ガスがスクロール部４２の出口側に向かうように排気ガスの流れを案内できるように湾曲している。なお、本実施形態に係る内燃機関１３０は、実施の形態１に係る内燃機関１０をベースとしている。しかしながら、ノズル１３６と同様のノズルが他の実施の形態２〜５の内燃機関５０、７０、９０及び１１０のそれぞれに対して提供されてもよい。

６−２．効果
以上説明したように、内燃機関１３０のターボ過給機１３２では、ノズル板１３４（及び周壁面４０ａ及び突起４６）によって、タービンホイール２４の直下にノズル１３６が構成されている。このようなノズル１３６によれば、タービンホイール２４の直下における排気ガスの流路を、排気ガス流れの下流に向かうにつれて徐々に広げることができる。これにより、タービン出口通路３８内において排気ガスの流れに剥離が生じるのを効果的に抑制することができる。そして、このように排気ガスを整流することにより、タービン効率を向上させることができる。

７．実施の形態７
次に、図８を参照して、本発明の実施の形態７について説明する。
図８は、本発明の実施の形態７に係る内燃機関１４０の要部の構成を模式的に表した図である。本実施形態に係る内燃機関１４０は、ターボ過給機２０の搭載位置において、上述した実施の形態１に係る内燃機関１０と相違している。

具体的には、内燃機関１４０が備えるシリンダヘッド１４２には、ヘッド内ガス通路１４４が形成されている。ヘッド内ガス通路１４４には、各気筒１２から排出される排気ガスが流れる。内燃機関１４０の気筒１２の列方向の一端側には、クランクシャフト（図示省略）の端部に固定されたクランクプーリ１４６が配置されている。図８に示すヘッド内ガス通路１４４の出口１４４ａは、列方向におけるクランクプーリ１４６の配置側と反対側の側面においてシリンダヘッド１４２の外表面１４２ａに開口している。そして、本実施形態では、ターボ過給機２０は、実施の形態１と同様の方法で、この外表面１４２ａに締結されている。

以上説明した本実施形態の内燃機関１４０においても、実施の形態１の内燃機関１０と同様の効果を奏する。また、本実施形態に係るターボ過給機２０の搭載位置の例は、例えば、車両への内燃機関の搭載に際し、シリンダヘッドにおける排気側の側面の方向に十分なスペースを確保することが難しいような車両において有効となる。なお、図８に示す搭載位置の例は、他の実施の形態２〜６の内燃機関５０、７０、９０、１１０及び１２０のそれぞれに対して適用されてもよい。

８．他の実施の形態
８−１．シリンダヘッドに対するハウジングの他の搭載例
上述した実施の形態１においては、ターボ過給機２０のハウジング２８（ベアリングハウジング部３４）は、回転軸３０がシリンダヘッド１４の側面に対して垂直となるようにシリンダヘッド１４に締結されている（他の実施の形態２〜７も同様）。しかしながら、本発明に係る「ハウジング」のシリンダヘッドに対する搭載例は、「タービンホイールがシリンダヘッドと対向する向きで」シリンダヘッドに締結されている限り、上記の例に限られない。すなわち、ハウジングは、回転軸がシリンダヘッドの側面に対して垂直ではなく任意の方向に傾斜するようにシリンダヘッドに搭載されてもよい。

８−２．タービン出口通路の他の構成例
上述した実施の形態１においては、タービン出口通路３８を構成するスクロール部４２は、シリンダヘッド１４を利用して形成されている。また、実施の形態２及び３においては、スクロール部５８及び８０は、それぞれ、タービンハウジング部５６及びベアリングハウジング部７６を利用して形成されている。しかしながら、タービン出口通路を構成するスクロール部は、上記の例に代え、例えば、シリンダヘッド及びベアリングハウジング部の双方を利用して形成されてもよい。換言すると、スクロール部の一部がシリンダヘッドを利用して形成され、残り部分がベアリングハウジング部を利用して形成されてもよい。

８−３．軸流式タービンの他の例
上述した実施の形態１〜７においては、タービンホイール２４のタービン翼２４ｂの数（段数）は１つである。しかしながら、本発明に係る「軸流式タービン」は、上記の例に代え、複数のタービン翼を回転軸方向に並んで配置することによって、任意の段数で多段化されていてもよい。なお、複数のタービン翼を備える例では、本発明に係る「タービン翼の入口」には、排気ガス流れの最も上流側に位置するタービン翼の入口が該当し、「タービン翼の出口」には、排気ガス流れの最も下流側に位置するタービン翼の出口が該当する。

以上説明した各実施の形態に記載の例及び他の各変形例は、明示した組み合わせ以外にも可能な範囲内で適宜組み合わせてもよいし、また、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形してもよい。

１０、５０、７０、９０、１１０、１３０、１４０ 内燃機関
１２ 気筒
１４、６２、８２、１１２、１４２ シリンダヘッド
１６、１２０ 排気通路
１８、１１８、１４４ ヘッド内ガス通路
２０、５２、７２、９２、１３２ ターボ過給機
２２ コンプレッサインペラ
２４ タービンホイール
２４ｂ タービン翼
２４ｂ１ タービン翼の出口
２４ｂ２ タービン翼の入口
２６ 軸受
２８、５４、７４、９４ ハウジング
３０ 回転軸
３２ コンプレッサハウジング部
３４、７６ ベアリングハウジング部
３６、６４、８６、１００、１２８ 締結面
３８、６０、７８、１１６ タービン出口通路
４０ タービン出口壁部
４２、５８、８０、９８、１１４ スクロール部
４４ フランジ部
４６ 突起
５６、９６ タービンハウジング部
８４ ガスケット
１０２ タービンハウジング部内のガス通路
１２２ 排気管
１２４ ヘッド外ガス通路
１２６ 排気浄化触媒
１３４ ノズル板
１３６ ノズル

Claims (9)

1. 気筒から排出される排気ガスが流れる排気通路と、
   水冷式のシリンダヘッドと、
   コンプレッサインペラと、回転軸を介して前記コンプレッサインペラと連結された軸流式のタービンホイールと、前記コンプレッサインペラと前記タービンホイールとの間の部位において前記回転軸を支持する軸受と、前記コンプレッサインペラ、前記軸受及び前記タービンホイールのうちの少なくとも前記コンプレッサインペラ及び前記軸受を収容するハウジングと、を含むターボ過給機と、
   を備え、
   前記タービンホイールは、前記タービンホイールのタービン翼の出口が前記コンプレッサインペラの側に位置するように前記回転軸に連結され、
   前記ハウジングは、前記タービンホイールが前記シリンダヘッドと対向する向きで、前記シリンダヘッドに直接又は第１ガスケットを介して締結されている
   ことを特徴とする内燃機関。
2. 前記タービン翼の入口は、前記シリンダヘッドに対する前記ハウジングの締結面よりも前記排気ガスの流れの上流側に配置されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記排気通路は、前記シリンダヘッドの内部に形成されたヘッド内ガス通路を含み、
   前記タービンホイールは、前記ヘッド内ガス通路に配置されている
   ことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
4. 前記ヘッド内ガス通路の周面が、前記タービンホイールの径方向において前記タービン翼と対向している
   ことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関。
5. 前記ハウジングは、前記タービンホイールを覆うタービンハウジング部を含み、
   前記タービンハウジング部の少なくとも一部が前記ヘッド内ガス通路に挿入され、
   前記タービンハウジング部の内周面が、前記タービンホイールの径方向において前記タービン翼と対向している
   ことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関。
6. 前記内燃機関は、前記ヘッド内ガス通路と前記タービンホイールとの間に配置された第２ガスケットをさらに備え、
   前記第２ガスケットの内周面が、前記タービンホイールの径方向において前記タービン翼と対向している
   ことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関。
7. 前記ハウジングは、前記軸受を収容するベアリングハウジング部を含み、
   前記ベアリングハウジング部が、前記シリンダヘッドと直接又は前記第１ガスケットを介して締結されている
   ことを特徴とする請求項１〜４及び６の何れか１つに記載の内燃機関。
8. 前記内燃機関は、前記タービンホイールよりも下流側の部位において前記排気通路に配置された排気浄化触媒をさらに備え、
   前記排気通路は、前記タービン翼の前記出口と前記排気浄化触媒とを接続する触媒上流通路を含み、
   前記触媒上流通路の少なくとも一部は、前記シリンダヘッドに内蔵されている
   ことを特徴とする請求項１〜７の何れか１つに記載の内燃機関。
9. 前記ターボ過給機は、前記タービンホイールよりも下流側の部位において前記排気通路に設けられたノズルをさらに備え、
   前記ノズルは、排気ガス流れの下流側に向かうにつれて流路断面積を徐々に大きくするように形成されている
   ことを特徴とする請求項１〜８の何れか１つに記載の内燃機関。

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