JP4548237B2 - ターボチャージャのツインスクロールタービンハウジング - Google Patents

Description

本発明は、車両に装備されるターボチャージャのタービンハウジングに関し、詳しくは、２系統のスクロール流路を備えたツインスクロールタービンハウジングの構造に関するものである。

車両に装備されるターボチャージャのタービンハウジングとして、エンジンの排気干渉を避けると共に排気のパルス効果を有効に活用してタービンロータの回転効率を高めるようにしたツインスクロールタービンハウジングが従来一般に知られている。

この種のツインスクロールタービンハウジングは、タービンロータの周囲を囲む排気流路として２系統のスクロール流路を設けたものであり（例えば特許文献１参照）、異なるタイミングで排出される排気ガスが流通する各スクロール流路は、ウェイストゲートバルブが着座するバルブシートのシート面に開口している２つのウェイストゲートポートにそれぞれ連通されている。
特開平５−１５６９５８号公報（段落番号８、段落番号１１、段落番号１２、図１）

ところで、特許文献１にも見られるように、この種のツインスクロールタービンハウジングにおいて、排気タイミングの異なる２系統のスクロール流路にそれぞれ連通する２つのウェイストゲートポートは、通常、ウェイストゲートバルブのバルブシートのシート面の対称位置に単に並べて開口している。このため、ウェイストゲートバルブには、２つのウェイストゲートポートからの排気脈動圧がバルブ面の対称位置に交互に作用することとなり、これに伴うモーメントがウェイストゲートバルブに作用する。

ここで、一般的なウェイストゲートバルブは、バルブシートに対する着座性を良くするために、通常、中央部に支持点が配置されている。このようなウェイストゲートバルブの閉時には、これに作用するモーメントによりウェイストゲートバルブが微小に振動するため、騒音が発生すると共に、バルブシートに対するウェイストゲートバルブの密着度が低下してタービンロータの回転効率が低下する恐れがある。また、このようなウェイストゲートバルブの開放の際には、これに作用するモーメントによりウェイストゲートバルブが大きく振動するため、ウェイストゲートバルブの支持点に磨耗や疲労破壊が発生してウェイストゲートバルブの耐久性が低下する恐れがある。

そこで、本発明は、ターボチャージャのツインスクロールタービンハウジングにおいて、ウェイストゲートバルブの性能および耐久性を向上できる構造を提供することを課題とする。

本発明に係るターボチャージャのツインスクロールタービンハウジングは、ターボチャージャのタービンロータを収容するタービンハウジングであって、タービンロータの周囲を囲む第１、第２のスクロール流路と、各スクロール流路にそれぞれ連通してバルブシートのシート面に開口する第１、第２のウェイストゲートポートと、各ウェイストゲートポートを同時に開放可能にバルブシートに着座する単一のウェイストゲートバルブとを備え、第１、第２のウェイストゲートポートのうち一方のウェイストゲートポートはバルブシートのシート面の中央部に開口し、他方のウェイストゲートポートは一方のウェイストゲートポートの周囲に同心状に開口していることを特徴とする。

この発明に係るターボチャージャのツインスクロールタービンハウジングでは、一方のウェイストゲートポートからの排気脈動圧と他方のウェイストゲートポートからの排気脈動圧とがウェイストゲートバルブのバルブ面の中央部とその周囲の同心状の部位とに交互に均一に作用するため、ウェイストゲートバルブには不要なモーメントが作用しなくなる。その結果、ウェイストゲートバルブの閉時の微小振動が抑制されてバルブシートに対するウェイストゲートバルブの密着度が向上すると共に振動騒音が防止される。また、ウェイストゲートバルブの開放の際の大きな振動が抑制されてウェイストゲートバルブの支持点の磨耗や疲労破壊が抑制される。

また、本発明に係るターボチャージャのツインスクロールタービンハウジングは、ターボチャージャのタービンロータを収容するタービンハウジングであって、タービンロータの周囲を囲む第１、第２のスクロール流路と、各スクロール流路にそれぞれ連通してバルブシートのシート面に開口する第１、第２のウェイストゲートポートと、各ウェイストゲートポートを同時に開放可能に前記バルブシートに着座する単一のウェイストゲートバルブとを備え、第１、第２のウェイストゲートポートのうち一方のウェイストゲートポートはバルブシートのシート面の中央部に開口し、他方のウェイストゲートポートは一方のウェイストゲートポートの両側に対称的に開口していることを特徴とする。

この発明に係るターボチャージャのツインスクロールタービンハウジングでは、一方のウェイストゲートポートからの排気脈動圧と他方のウェイストゲートポートからの排気脈動圧とがウェイストゲートバルブのバルブ面の中央部とその両側の対称的な部位とに交互に均一に作用するため、ウェイストゲートバルブには不要なモーメントが作用しなくなる。その結果、ウェイストゲートバルブの閉時の微小振動が抑制されてバルブシートに対するウェイストゲートバルブの密着度が向上すると共に振動騒音が防止される。また、ウェイストゲートバルブの開放の際の大きな振動が抑制されてウェイストゲートバルブの支持点の磨耗や疲労破壊が抑制される。

本発明に係るターボチャージャのツインスクロールタービンハウジングによれば、ウェイストゲートバルブに不要なモーメントが作用しなくなるため、ウェイストゲートバルブの閉時の微小振動が抑制されてバルブシートに対するウェイストゲートバルブの密着度が向上すると共に振動騒音が防止される。また、ウェイストゲートバルブの開放の際の大きな振動が抑制されてウェイストゲートバルブの支持点の磨耗や疲労破壊が抑制される。従って、ウェイストゲートバルブの性能および耐久性を向上することができる。

以下、図面を参照して本発明に係るターボチャージャのツインスクロールタービンハウジングの実施の形態を説明する。参照する図面において、図１は第１実施形態に係るツインスクロールタービンハウジングの出口フランジ側から見たターボチャージャの正面図、図２は図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。

第１実施形態に係るターボチャージャのツインスクロールタービンハウジングは、図示しない車両の排気系と吸気系とに跨って設置されるターボチャージャ（例えば図１参照）において、排気ガスの流通により回転するタービンロータ（図２参照）を収容する部分として構成される。

図１および図２に示すように、第１実施形態のツインスクロールタービンハウジング１は、排気タイミングの異なる２系統の排気ガス流入口を有する入口フランジ２と、１系統にまとめられた排気ガス流出口を有する出口フランジ３と、入口フランジ２側の２系統の排気ガス流入口と出口フランジ３側の１系統の排気ガス流出口との間においてタービンロータ４の周囲に第１スクロール流路５Ａおよび第２スクロール流路５Ｂを形成するタービンスクロール部５と、タービンロータ４を回転自在に支持するベアリングハウジング６に接続される接続フランジ７とを備えている。

ここで、図１に示すように、ツインスクロールタービンハウジング１の出口フランジ３付近には、ターボチャージャの過給圧を設定値以下に抑えるためのウェイストゲートバルブ装置８が付設されている。このウェイストゲートバルブ装置８は、第１スクロール流路５Ａおよび第２スクロール流路５Ｂ（図２参照）から排気ガスの一部を排気ガス流出口に逃がすための単一のウェイストゲートバルブ８Ａと、このウェイストゲートバルブ８Ａを開閉操作するためのアクチュエータ８Ｂと、このアクチュエータ８Ｂの作動に応じてウェイストゲートバルブ８Ａを開閉するようにリンク機構を構成するレバー８Ｃ、ウェイストゲートピン８Ｄ、操作アーム８Ｅを有する。

アクチュエータ８Ｂは、出口フランジ３の外側に配置されている。このアクチュエータ８Ｂは、ターボチャージャの過給圧が設定値以下では収縮し、設定値以上となると伸張する操作ロッド８Ｆを有する。操作ロッド８Ｆの先端部にはレバー８Ｃの基端部が枢着されており、レバー８Ｃの先端部は、出口フランジ３の壁部を貫通して軸回りに回動可能なウェイストゲートピン８Ｄの外端部に固定されている。そして、出口フランジ３の内側に臨むウェイストゲートピン８Ｄの内端部には、操作アーム８Ｅの基端部が固定されている。この操作アーム８Ｅの先端部は例えばフォーク状に形成されている。

ウェイストゲートバルブ８Ａは、操作アーム８Ｅのフォーク状の先端部に挟み込まれる支持ピン８Ａ１が中心部に突設された円板状に形成されている（図２参照）。このウェイストゲートバルブ８Ａの支持ピン８Ａ１の先端部には、操作アーム８Ｅのフォーク状の先端部に係合する係合頭部８Ａ２が形成されている。

一方、図２に示すように、ツインスクロールタービンハウジング１の出口フランジ３の内側には、ウェイストゲートバルブ８Ａが着座するバルブシート部９が形成されている。そして、操作アーム８Ｅの先端部に支持ピン８Ａ１を介して中心部が支持された円板状のウェイストゲートバルブ８Ａがバルブシート部９の円形のシート面９Ａにバルブ面８Ａ３を対向して着座可能に配置されている。

ここで、図２に示すバルブシート部９のシート面９Ａには、図３に示すように、第１ウェイストゲートポート９Ｂと第２ウェイストゲートポート９Ｃとが開口している。第２ウェイストゲートポート９Ｃはバルブシート部９のシート面９Ａの中央部に円形に開口し、第１ウェイストゲートポート９Ｂは第２ウェイストゲートポート９Ｃの周囲に同心状に開口している。

そして、第２ウェイストゲートポート９Ｃは、図２に示すタービンスクロール部５の第２スクロール流路５Ｂに第２バイパス通路５Ｄを介して連通し、第１ウェイストゲートポート９Ｂは、第１スクロール流路５Ａに第１バイパス通路５Ｃを介して連通している。

以上のように構成された第１実施形態のツインスクロールタービンハウジング１を備えたターボチャージャでは、図示しないエンジンの運転に伴い、排気ガスが第１スクロール流路５Ａおよび第２スクロール流路５Ｂを異なるタイミングで流通することにより、エンジンの気筒間の排気干渉が無くなるためエンジン性能が向上する。さらに、タービンロータ４が排気干渉を受けることなく排気のパルス効果を有効に活用して効率良く回転する。

ここで、ターボチャージャの過給圧が設定値以下の場合、アクチュエータ８Ｂの操作ロッド８Ｆが収縮しているため、この操作ロッド８Ｆにレバー８Ｃ、ウェイストゲートピン８Ｄ、操作アーム８Ｅを介してリンク構成された単一のウェイストゲートバルブ８Ａは、バルブシート部９のシート面９Ａに着座して第１ウェイストゲートポート９Ｂおよび第２ウェイストゲートポート９Ｃを同時に閉鎖している。

この場合、ウェイストゲートバルブ８Ａのバルブ面８Ａ３には第１ウェイストゲートポート９Ｂおよび第２ウェイストゲートポート９Ｃから異なる排気タイミングで交互に排気脈動圧が作用する。しかしながら、第２ウェイストゲートポート９Ｃからの排気脈動圧はウェイストゲートバルブ８Ａのバルブ面８Ａ３の中央部に作用し、第１ウェイストゲートポート９Ｂからの排気脈動圧はバルブ面８Ａ３の中央部を同心状に囲む部位に作用する。このため、支持点としての支持ピン８Ａ１が中心部に突設されたウェイストゲートバルブ８Ａには、異なる排気タイミングで作用する排気脈動圧に起因する不要なモーメントは発生しなくなる。

その結果、ウェイストゲートバルブ８Ａの閉時の微小振動が抑制されるのであり、ウェイストゲートバルブ８Ａの振動騒音が防止されると共に、バルブシート部９のシート面９Ａに対するウェイストゲートバルブ８Ａのバルブ面８Ａ３の密着度が向上する。従って、第１実施形態のツインスクロールタービンハウジング１の構造によれば、ウェイストゲートバルブ８Ａの性能を向上することができる。

一方、ターボチャージャの過給圧が設定値以上に上昇すると、アクチュエータ８Ｂの操作ロッド８Ｆが伸長するため、この操作ロッド８Ｆにリンク構成された単一のウェイストゲートバルブ８Ａがバルブシート部９のシート面９Ａから離間して第１ウェイストゲートポート９Ｂおよび第２ウェイストゲートポート９Ｃを同時に開く。

その結果、第１スクロール流路５Ａを流通する排気ガスの一部が第１バイパス通路５Ｃから第１ウェイストゲートポート９Ｂを介して出口フランジ３の内側の排気ガス流出口に逃がされると共に、第２スクロール流路５Ｂを流通する排気ガスの一部が第２バイパス通路５Ｄから第２ウェイストゲートポート９Ｃを介して出口フランジ３の内側の排気ガス流出口に逃がされるようになり、こうしてターボチャージャの過給圧が設定値以下に抑えられる。

ここで、ターボチャージャの過給圧が設定値以上に上昇してウェイストゲートバルブ８Ａがバルブシート部９のシート面９Ａから離間して開く際においても、第２ウェイストゲートポート９Ｃからの排気脈動圧はウェイストゲートバルブ８Ａのバルブ面８Ａ３の中央部に作用し、第１ウェイストゲートポート９Ｂからの排気脈動圧はバルブ面８Ａ３の中央部を同心状に囲む部位に作用する。このため、ウェイストゲートバルブ８Ａには、異なる排気タイミングで作用する排気脈動圧に起因する不要なモーメントは発生しなくなる。

その結果、ウェイストゲートバルブ８Ａが開く際の大きな振動が抑制されてウェイストゲートバルブ８Ａの支持ピン８Ａ１、係合頭部８Ａ２、操作アーム８Ｅの先端部などの磨耗や疲労破壊が抑制される。従って、第１実施形態のツインスクロールタービンハウジング１の構造によれば、ウェイストゲートバルブ８Ａの耐久性を向上することができる。

次に、図４および図５を参照して本発明の第２実施形態に係るツインスクロールタービンハウジングについて説明する。図４に示すように、第２実施形態に係るツインスクロールタービンハウジング１０は、図２に示した第１実施形態のツインスクロールタービンハウジング１のバルブシート部９に対応するバルブシート部１９およびこれに関連する部分の構造を変更したものであり、その他の構造部分は、図２に示したツインスクロールタービンハウジング１と略同様に構成されているため、略同様に構成されている部分については同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

ここで、図４に示すバルブシート部１９のシート面１９Ａには、図５に示すように、第１ウェイストゲートポート１９Ｂ、第２ウェイストゲートポート１９Ｃ，１９Ｃが開口している。第１ウェイストゲートポート１９Ｂは、円形のシート面１９Ａの中心線に沿って細長い矩形状に開口しており、第２ウェイストゲートポート１９Ｃ，１９Ｃは、第１ウェイストゲートポート１９Ｂの両側に半円より幅の狭い三日月状の対称形状で開口している。

第１ウェイストゲートポート１９Ｂは、図４に示すタービンスクロール部１５の第１スクロール流路１５Ａに第１バイパス通路１５Ｃを介して連通し、一対の第２ウェイストゲートポート１９Ｃ，１９Ｃは、第２スクロール流路１５Ｂに第２バイパス通路１５Ｄを介して連通している。

このような構造のバルブシート部１９を備えた第２実施形態のツインスクロールタービンハウジング１０では、単一のウェイストゲートバルブ８Ａがバルブシート部１９のシート面１９Ａに着座して第１ウェイストゲートポート１９Ｂおよび第２ウェイストゲートポート１９Ｃ，１９Ｃを同時に閉鎖している場合、およびこの状態からウェイストゲートバルブ８Ａがシート面１９Ａから離間して開く際において、ウェイストゲートバルブ８Ａのバルブ面８Ａ３には、第１ウェイストゲートポート１９Ｂに対向する中央部に第１ウェイストゲートポート１９Ｂからの排気脈動圧が作用し、第２ウェイストゲートポート１９Ｃ，１９Ｃに対向する中央部の両側の三日月状の対称的な部位に第２ウェイストゲートポート１９Ｃ，１９Ｃからの排気脈動圧が同時に作用する。

このため、第２実施形態のツインスクロールタービンハウジング１０においても、ウェイストゲートバルブ８Ａには、異なる排気タイミングで作用する排気脈動圧に起因する不要なモーメントは発生しなくなる。その結果、ウェイストゲートバルブ８Ａの閉時の微小振動が抑制され、ウェイストゲートバルブ８Ａの振動騒音が防止されると共に、バルブシート部９のシート面９Ａに対するウェイストゲートバルブ８Ａのバルブ面８Ａ３の密着度が向上する。また、ウェイストゲートバルブ８Ａが開く際の大きな振動が抑制されてウェイストゲートバルブ８Ａの支持ピン８Ａ１、係合頭部８Ａ２、操作アーム８Ｅの先端部などの磨耗や疲労破壊が抑制される。

従って、第２実施形態のツインスクロールタービンハウジング１０においても第１実施形態のツインスクロールタービンハウジング１と同様に、ウェイストゲートバルブ８Ａの性能および耐久性を向上することができる。

本発明のツインスクロールタービンハウジングは、前述した各実施形態に限定されるものではない。例えば、図３に示したバルブシート部９は、図６に示すように、シート面９Ａの中心線上に形成された隔壁９Ｄによって第１ウェイストゲートポート９Ｂがシート面９Ａの中心線の両側に２つに分離された構造に変更してもよい。

また、図１および図２に示した操作アーム８Ｅの先端部は、図示のようなフォーク状に限らず、ウェイストゲートバルブ８Ａの支持ピン８Ａ１が貫通するリング状に形成されていてもよい。

本発明の第１実施形態に係るツインスクロールタービンハウジングの出口フランジ側から見たターボチャージャの正面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う部分断面図である。 第１実施形態に係るツインスクロールタービンハウジングの図２に示したバルブシート部の正面図である。 第２実施形態に係るツインスクロールタービンハウジングの図２に対応した部分断面図である。 第２実施形態に係るツインスクロールタービンハウジングの図４に示したバルブシート部の正面図である。 図２に示したバルブシート部の変形例を示す図３に対応した正面図である。

符号の説明

１ ツインスクロールタービンハウジング
２ 入口フランジ
３ 出口フランジ
４ タービンロータ
５ タービンスクロール部
５Ａ 第１スクロール流路
５Ｂ 第２スクロール流路
５Ｃ 第１バイパス通路
５Ｄ 第２バイパス通路
８ ウェイストゲートバルブ装置
８Ａ ウェイストゲートバルブ
８Ａ１ 支持ピン
８Ａ２ 係合頭部
８Ａ３ バルブ面
８Ｂ アクチュエータ
９ バルブシート部
９Ａ シート面
９Ｂ 第１ウェイストゲートポート
９Ｃ 第２ウェイストゲートポート
１０ ツインスクロールタービンハウジング
１５ タービンスクロール部
１５Ａ 第１スクロール流路
１５Ｂ 第２スクロール流路
１５Ｃ 第１バイパス通路
１５Ｄ 第２バイパス通路
１９ バルブシート部
１９Ａ シート面
１９Ｂ 第１ウェイストゲートポート
１９Ｃ 第２ウェイストゲートポート

Claims (2)

1. ターボチャージャのタービンロータを収容するタービンハウジングであって、タービンロータの周囲を囲む第１、第２のスクロール流路と、各スクロール流路にそれぞれ連通してバルブシートのシート面に開口する第１、第２のウェイストゲートポートと、各ウェイストゲートポートを同時に開放可能に前記バルブシートに着座する単一のウェイストゲートバルブとを備え、第１、第２のウェイストゲートポートのうち一方のウェイストゲートポートは前記バルブシートのシート面の中央部に開口し、他方のウェイストゲートポートは一方のウェイストゲートポートの周囲に同心状に開口していることを特徴とするターボチャージャのツインスクロールタービンハウジング。
2. ターボチャージャのタービンロータを収容するタービンハウジングであって、タービンロータの周囲を囲む第１、第２のスクロール流路と、各スクロール流路にそれぞれ連通してバルブシートのシート面に開口する第１、第２のウェイストゲートポートと、各ウェイストゲートポートを同時に開放可能に前記バルブシートに着座する単一のウェイストゲートバルブとを備え、第１、第２のウェイストゲートポートのうち一方のウェイストゲートポートは前記バルブシートのシート面の中央部に開口し、他方のウェイストゲートポートは一方のウェイストゲートポートの両側に対称的に開口していることを特徴とするターボチャージャのツインスクロールタービンハウジング。
   

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