JP5722798B2 - 駆動ユニットのエグゾーストターボチャージャのためのタービンハウジング及びタービンハウジングの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、駆動ユニットの排気ガスシステムに連結可能な少なくとも１つのスパイラルダクトと、回転軸を中心に回転可能にタービンハウジングの中に収容可能であり、少なくとも１つのスパイラルダクトの下流に配置可能な、排気ガスを当てることのできるタービンホイール用の収容スペースと、少なくとも１つのスパイラルダクトと収容スペースとの間の移行部分に、タービンハウジングに固定された状態で配置されているガイド格子と、を備える駆動ユニットのエグゾーストターボチャージャのためのタービンハウジングに関する。さらに、本発明は、タービンハウジングの製造方法に関する。

この種のタービンハウジングは、文献１から知られている。この場合、内燃機関のエグゾーストターボチャージャのタービンハウジングは、内燃機関の排気ガスシステムに連結可能なスパイラルダクトを有している。スパイラルダクトの下流には、タービンホイールが配置されており、このタービンホイールは、回転軸を中心に回転可能にタービンハウジングの中に収容されている。スパイラルダクトとタービンハウジングとの間の移行部分には、ガイド格子が、タービンハウジングに固定された状態で配置されている。このタービンハウジングは、さらに、回転軸方向に調整可能な軸方向スライダを有し、ガイド格子は、この軸方向スライダによって、程度の差はあれ、広く覆われることができる。従って、この軸方向スライダの移動によって、移行部分の通過可能な断面積を変更することができる。すなわち、軸方向スライダの軸方向の位置に応じて、様々な大きさのタービン入口断面積が設定可能となる。ガイド格子をタービンハウジングに固定して配置するため、タービンハウジングがベアリングハウジングに固定されるようになっており、ベアリングハウジングの中には、回転不能にタービンホイールと接続されているシャフトが収容されている。

特に、窒素酸化物及び煤などの排出制限値がさらに厳しくなっていることから、エグゾーストターボチャージャ又は過給内燃機関への要求も高まっている。そのため、例えば、内燃機関の平均負荷から高負荷領域のチャージ圧提供に関する要求が高まっており、このことから、エグゾーストターボチャージャを形状的に縮小する必要がある。言い換えれば、要求されているエグゾーストターボチャージャの高いタービン出力は、それぞれの内燃機関との相互作用における、エグゾーストターボチャージャの保持性能の向上又は消費性能の軽減によって実現される。この点において、タービンの効率低下に対抗するため、少なくとも１つのスパイラルダクトとタービンホイールとの間の移行部分にガイド格子を設けることは有利であることが示されている。

エグゾーストターボチャージャの性能を左右するもう１つの影響は、排気ガスシステムの中でタービンの下流に配置されている排気ガス後処理装置によって生じ、この装置には、微粒子フィルタ、触媒及び／又はＳＣＲシステム（選択的触媒還元）が含まれている。この種の排気ガス後処理装置によって、タービンハウジング又はエグゾーストターボチャージャの出口側で圧力上昇が生じる。エグゾーストターボチャージャの性能を十分に提供するために必要なタービンの圧力勾配を確保するには、タービン上流の圧力も増加させる必要がある。この場合、タービン圧力勾配として、タービン前の圧力指数とタービン後の圧力指数が算出可能である。

ここでは、タービンのサイズを特に小さく設計しても、エグゾーストターボチャージャのコンプレッサ側の出力要求を満たすことを可能にしているが、それに伴ってタービンの効率低下が生じている。この場合、従来技術から知られているエグゾーストターボチャージャによって、特に排気ガス再循環システムを備える内燃機関のために、ある程度の改善が行われており、それらのタービンハウジングには、互いに無関係に排気ガスが通過して流れることのできる、通常は非対称に形成されている２つのスパイラルダクトが含まれている。これらのスパイラルダクトは、それぞれ、内燃機関の排気ガスシステムの異なる排気ガスラインに連結されている。しかしここでも、この種のタービンハウジングのスパイラルダクトは、壁面摩擦及び小さい形状寸法によって非常に高い流動損失を引き起こすスパイラルサイズになっている。さらに、排気ガス再循環性能に関しては、特に、低回転数から平均回転数領域において必要な内燃機関の燃焼用空気と関連して、ある程度の問題が生じる。

独国特許出願公開第１０２００５０２７０８０Ａ１明細書

本発明の課題は、ガイド格子が、特に密着固定された状態でタービンハウジングに配置されている、冒頭に述べた種類のタービンハウジングを提供することである。

この課題は、請求項１の特徴を備えるタービンハウジングによって解決される。さらに、この課題は、請求項２０の特徴を備えるタービンハウジングの製造方法によっても解決される。本発明の適切な発展形態を備える有利な実施形態は、従属請求項に示されている。

本発明に基づく駆動ユニットのエグゾーストターボチャージャのためのタービンハウジングは、駆動ユニットの排気ガスシステムに連結可能な少なくとも１つのスパイラルダクトを有している。少なくとも１つのスパイラルダクトの上流には、排気ガスを当てることのできるタービンホイールの収容スペースが設けられている。このタービンホイールは、回転軸を中心に回転可能にタービンハウジングの中に収容可能である。少なくとも１つのスパイラルダクトと収容スペースとの間の移行部分には、ガイド格子がタービンハウジングに固定された状態で配置され、このガイド格子は、少なくとも部分的に材料接合によってタービンハウジングに接続されている。材料接合による接続により、ガイド格子は、特に密着固定された状態でタービンハウジングに配置されている。

本発明は、ガイド格子がタービンハウジングに取り付けられている場合、製造許容誤差によって、タービンの顕著な効率低下を伴う漏れが生じるという認識に基づいている。これに加え、又は別の可能性として、ガイド格子とは別個のタービンハウジング構成部品とガイド格子との間の、動作点に由来する温度差が、ガイド格子周辺においてタービンの効率を悪化させる漏れを引き起こすおそれがある。ガイド格子が、少なくとも部分的に材料接合によってタービンハウジングに接続されている場合、ガイド格子とタービンハウジングとの材料接合に漏れが生じる可能性は極めて低い。言い換えれば、特に高い密閉性、とりわけ気密性が達成可能となる。駆動ユニットとしては、内燃機関とは異なるシステム、例えば燃料電池システムも使用可能である。

本発明の有利な実施形態によれば、ガイド格子の少なくとも１つの端面が、少なくとも部分的にタービンハウジングと、特に気密に溶接されている。この溶接によって、極めて確実にガイド格子の端面をタービンハウジングに固定することが可能となる。

この場合は、ガイド格子の片側、特にタービンハウジングの出口ダクトに近い端面を溶接することができる。補足又は代替手段として、タービンハウジングに固定可能なベアリングハウジングの近くに配置されている端面をタービンハウジングと溶接接続することもできる。

補足又は代替手段として、ガイド格子の少なくとも１つの端面が、少なくとも部分的にタービンハウジング内で、特に気密に鋳込まれている。この鋳造により、同様に、ガイド格子をタービンハウジングに気密に固定することができる。この場合も、ガイド格子の片側又は両側をタービンハウジングに固定することが可能である。

この方法で、駆動ユニットの作動条件とは無関係に、それぞれのタービンハウジングに適したガイド格子が、持続的に、しかも作動条件に起因する漏れを生じることなく、溶接及び／又は鋳造によってタービンハウジングに固定可能である。

鋳造する場合、前もって製造された完成部品としてのガイド格子を用いることができ、このガイド格子は、鋳造により、少なくとも１つのスパイラルダクトとタービンホイールの収容部分との間の移行部分に、タービンハウジングに固定された状態で配置することが可能となる。しかし、少なくとも１つのスパイラルダクトを有するタービンハウジング部品をガイド格子に接続することも、完成部品としてのガイド格子を用いることも、両方とも考えられる。これらの完成部品は、鋳造法を用いた部分溶融によって接続可能である。同様に、少なくとも１つのスパイラルダクトを有するタービンハウジング部品だけを完成部品として用いることもでき、ガイド格子は、鋳造法によってこのタービンハウジング部品と接続される。

タービンハウジングと接続されているガイド格子表面が、少なくとも部分的に形状をつけて形成されている場合は、さらに有利であることが示されている。このことから、ガイド格子とタービンハウジングとの材料接合に加えて、ガイド格子をタービンハウジングにとりわけ確実に固定する役割を果たす係合接続が用いられる。さらに、ガイド格子を接続できる表面が広くなることから、溶接による表面の接続でも、鋳造法による表面の接続でも、接続の強度と気密性が特に大きくなる。

本発明のもう１つの有利な実施形態では、タービンハウジングが少なくとも２つの部分に分かれて形成されており、少なくとも１つのスパイラルダクトを含むタービンハウジングの第１のハウジング部分に、出口ダクトを含む第２のハウジング部分が固定可能になっている。第２のハウジング部分は、独立して第１のハウジング部分に取り付けることができることから、とりわけ、ガイド格子と第２のハウジング部分との溶接のために適切な作業性が得られる。

鋳造法によるガイド格子とタービンハウジングとの接続についても、第２のハウジング部分を後付けで第１のハウジング部分に固定可能である場合は有利である。特に、この場合、熱力学的条件から維持されなければならない規定の許容範囲内に、移行部分及び／又はガイド格子を保持するため、第２のハウジング部分の取付け前に、ガイド格子及び／又は第１のハウジング部分を再加工することが可能である。この種の再加工の場合、特に、切削加工を用いることができる。この種の精密な再加工により、タービンの効率を特に高くすることができる。

出口ダクトを含むタービンハウジングの第２のハウジング部分が、少なくとも１つのスパイラルダクトを含む第１のハウジング部分にまだ固定されていない間は、とりわけ自動的な溶接方法、例えばレーザー溶接又は電子ビーム溶接方法によって、ガイド格子と第１のハウジング部分とを溶接するのに比較的広いスペースがある。しかし、ガイド格子の第１のハウジング部分への取付けは、先に、ベアリングハウジングに近い第１のハウジング部分の側から行われる。

さらに、タービンハウジングが、駆動ユニットの排気ガスシステムに連結可能な第２のスパイラルダクトを有し、この第２のスパイラルダクトが、隔壁によって少なくとも１つのスパイラルダクトから区切られていると有利であり、この場合、ガイド格子とこの隔壁とが少なくとも部分的に接続されている。従って、保持力を達成するためにスパイラルダクトを小さくした結果、比較的大きな流動損失に陥るような設計にすることなく、このガイド格子を用いることによって、少なくとも２つのスパイラルダクトの片方の保持力を発生させることができる。代替の実施形態では、２つ以上のスパイラルダクトをタービンハウジングの中に形成することができる。

このガイド格子により、タービンハウジングの非対称特性が達成される。ここでは特に、強くせき止められる排気ガス流用として設計されたスパイラルダクトを、排気ガス再循環装置に割り当てることができる。隔壁と接続されているガイド格子を有するスパイラルダクトの中に排気ガスが比較的多くせき止められることから、このスパイラルダクトを、給気エアに排気ガスが供給される排気ガスシステムのラインに連結することが可能となる。

隔壁が、係合結合によってガイド格子と接続されている場合、隔壁の機械的応力を、スライドによってベアリング部分において緩和することができる。

これに対して、溶接又は鋳造などによって達成可能なガイド格子と隔壁との接続により、第２のスパイラルダクトに対する気密な分離が可能となる。スペースの理由から、この場合、第２のスパイラルダクトよりもベアリングハウジングに近いスパイラルダクトの移行部分にガイド格子を配置することが重要である。

この場合、隔壁が少なくとも部分的にガイド格子と一体形成されている場合は有利である。複数のスパイラルダクトの分離は、ガイド格子と一体形成の完成部品を用いることによって、とりわけ正確に行うことができる。隔壁とガイド格子とを一体形成する場合、ガイド格子及び隔壁を鋳造部品として、特に精密鋳造として形成し、一体部品として用いることができる。

この場合、排気ガスがスパイラルダクトからタービンホイールへと移行する舌状部分からタービンハウジングの入口フランジまでの隔壁を、ガイド格子と一体形成することができる。タービンハウジングの入口フランジでは、それぞれのスパイラルダクトに配置されている排気ガスシステムのラインとそれぞれのスパイラルダクトとを連結することが可能である。

代替として、スパイラルダクトを含むタービンハウジングのハウジング部分と隔壁とを部分的に一体形成することができる。しかし、この場合、特に舌状部分と接続する隔壁部分が、ガイド格子と一体形成され、例えば鋳造によって、スパイラルダクトを含むハウジング部分と接続すると有利である。

この場合、もう１つの有利な方法では、隔壁が、タービンハウジングに埋め込まれている固定部品を有している。この固定部品によって、隔壁とタービンハウジング間の係合結合が可能となり、従って、隔壁をタービンハウジングにとりわけ確実に固定することができる。固定部品は、断面積を広げられた隔壁部分として実施することができ、この部分は、鋳造工程で係合した状態でタービンハウジングに埋め込まれる。固定部品をフック型またはＴ型形状に形成することも可能である。

本発明のもう１つの有利な実施形態によれば、隔壁が、少なくとも１つの調整部分を有しており、この調整部分によって、スパイラルダクト及びガイド格子の異なる熱膨張を少なくとも部分的に補償することができる。このような調整部分として、１つの湾曲部又は連続する複数の湾曲部を隔壁の中に設けることができる。これにより、スパイラルダクトとガイド格子の異なる熱膨張による温度差を、応力が大きく増加することなく補償することができる。調整部分は、特に波形の形状にすることができる。スパイラルダクト、ガイド格子及び隔壁自体の間で異なっている相対的伸びも、極めて適切に調整可能である。

隔壁が少なくとも部分的に金属板から形成され、金属板がガイド格子と、特に気密に溶接されている場合は、さらに有利であることが示されている。金属板から形成された隔壁を溶接する場合、例えばレーザー溶接又は電子ビーム溶接加工などの自動溶接方法を用いることができる。隔壁とガイド格子とを含むこの種の一体部品は、特に鋳造によってタービンハウジングに固定することができる。代替手段として、隔壁を係合状態でガイド格子と接続することもできる。隔壁をタービンハウジングに取り付ける作業も、係合状態で行うことができる。

この種の一体部品は、特に小さな製造許容誤差で、すなわち非常に精密に製造可能である。さらに、金属板の滑らかな表面により、スパイラルダクトを通過する際の排気ガスの流動損失もとりわけ小さくなる。

これに対して、一体形成の鋳造部品、特に精密鋳造として形成されている、ガイド格子と隔壁との一体部品では、隔壁とガイド格子とを後付けで接続する工程を省略することができる。

本発明のもう１つの有利な実施形態によれば、第２のスパイラルダクトとタービンホイールの収容スペースとの間の移行部分に、フローガイドエレメントを配置することができ、このエレメントによって、互いに異なる少なくとも２つの流動状態を、この移行部分で設定することができる。このようなフローガイドエレメントは、バリオ装置として、軸方向に移動可能なガイド格子、このガイド格子を様々な広さで覆う軸方向スライダ、もしくは同様のバリオ装置、を含むことができる。タービン形状を調整するこのようなバリオ装置を用いて、特に、様々なタービンの作動条件に適合する流動状態を設定することができる。とりわけ、この種のフローガイドエレメントにより、ターボブレーキ機能を用いることが可能となる。ターボブレーキ機能のためにフローガイドエレメントを用いる際、第２のスパイラルダクトとタービンホイールとの間の移行部分の通過可能な断面積がフローガイドエレメントにより減少することにより、内燃機関のアウトプットシャフトに制動的に作用する排気ガス背圧が調整可能である。

有利な方法では、この場合、フローエレメントが、出口ダクトを含むタービンハウジングの第２のハウジング部分に組み込まれている。この出口ダクト側では、バリオ装置を設けるために、ベアリングハウジングに近いタービンハウジング側よりもスペースの制約が少ない点で有利である。

とりわけ、例えば内燃機関の駆動ユニットの要求にタービンを適合させるため、隔壁と接続されているガイド格子を有するスパイラルダクトとは無関係に、第２のスパイラルダクトを使用することができる。そのようにして、第２のスパイラルダクトとタービンホイールの収容スペースとの間の移行部分に配置されているフローガイドエレメントが、タービン形状の可変性をもたらし、ターボブレーキ機能を供給する。これに対して、隔壁に接続されているガイド格子がその移行部分に配置されているスパイラルダクトでは、内燃機関の広い回転数範囲にわたって、特に下方及び平均の回転数範囲においてすでに、排気ガス再循環を可能にする保持力が提供される。

有利な方法では、第２のスパイラルダクトの通過可能な断面積が、少なくとも１つのスパイラルダクトの通過可能な断面積と、少なくとも実質的に同じになっている。この種の、例えばダブルフロー型であり、かつ左右対称なタービンの場合、有利な方法では、排気ガス再循環に使用されるガイド格子、すなわち隔壁に接続されているガイド格子を有するスパイラルダクトの中では、せいぜい僅かな流動損失が生じるだけである。隔壁に接続されるガイド格子を設けることによっても、非対称タービンの特性を達成することができる。特に内燃機関の駆動ユニットが作動している場合、比較的大きく設計され、隔壁と接続されているガイド格子を有するスパイラルダクトの中では、排気ガスが非常に損失の少ない状態で流れる。タービンの流れを特に良くする排気ガスの加速は、ガイド格子の非常に短い距離を使って達成される。

本発明のもう１つの有利な実施形態では、タービンハウジングと、特に精密鋳造として形成されているガイド格子とが、少なくとも部分的に同じ材料、特に鋳鋼材料を有している。同じ種類の材料を選ぶことによって、溶接及び／又は鋳造によりガイド格子とタービンハウジングとを特に良好に接続することができる。鋳鋼材料として、例えば、材料１．４８４９が使用できる。このような鋳鋼材料は、とりわけ、極めて亀裂が生じ難いことが特徴である。

タービンハウジングとガイド格子とが、両方とも鋳鋼材料から形成されている場合、鋳造部品の気密な接合が容易になる。ここでは、ガイド格子が精密鋳造部品として形成されている場合、熱力学的に非常に良好な結果を得ることができる。つまり、このような精密鋳造部品は、特に高い精度を有している。これに対して、タービンハウジングは、製造に関して、精度要求がそれほど高くない鋳造部品、例えば砂型鋳造として形成することができる。

少なくとも接続箇所に同じ材料が用いられている、精度の異なる鋳造方法によって製造されたこの種の鋳造部品は、鋳造及び／又は溶接によって、特に気密に相互接続可能である。

少なくとも１つのスパイラルダクトが、排気ガスが通過可能な、特に金属板から形成された内部部品を有しているタービンハウジングの実施形態は、さらに有利であることが示されており、この場合、少なくとも１つのスパイラルダクトの外部シェルとこの内部部品との間に、少なくとも部分的に断熱を行うギャップが形成されている。少なくとも１つのスパイラルダクトのこの種の内部ライニングは、特に高い排気ガス温度が生じ得る内燃機関でタービンハウジングを使用する場合、特に有利である。例えば、出力密度が高く、それに応じてラムダ値が低いガソリンエンジン又はディーゼルエンジンでの使用が考えられる。

排気ガスのフローガイドは、この場合、内部部品の形状に左右され、この内部部品は、例えば、気密に相互接続された、金属板からなる２つの内部シェルによって形成されている。これに対して、スパイラルダクトの外部シェルは、流れを調整する内部部品のサポートとして用いられる。外部シェルを排気ガスのフローガイドには用いないことから、外部シェルは、例えば鋳鉄部品として、特に低コストに接続することができる。もう１つの低コストの代替手段として、外部シェルにアルミニウム合金を使用することもできる。さらに、少なくとも１つのスパイラルダクトの外部シェルは、タービン入口フランジと、ベアリングハウジングと、タービン出口フランジと、の間で力伝達を行う。

内部部品は、鋳造法によって、サポートとして働く外部シェルと接続することができる。代替手段として、外部シェルと内部部品の係合結合による接続も可能である。従って、少なくとも１つのスパイラルダクトへの内部部品の位置決め及び固定は、鋳造による接合の場合、湯口箇所で行うことができる。このために、外部シェルに、ギャップと接続している少なくとも１つの通過開口部を設け、この開口部から、断熱を行うギャップ製造のための、ロスト鋳造コア（中子）を取り除くことができる。

内部部品が、深絞り加工によって形成された金属板から形成されている場合、この内部部品は、非常に損失の少ないフローガイドに特に有利な滑らかな表面を有している。内部部品が僅かな凹凸を有する金属板から形成されており、この金属板が、例えば砂型鋳造部品として形成されているスパイラルダクトの外部シェルよりも小さな壁厚を有している場合、タービンハウジングの流れは、比較的少ない排気ガス熱損失を伴う。これによって、タービンハウジングの下流に配置されている排気ガス後処理装置は、排気ガスの効果的な後処理に必要な作動温度まで、比較的短時間で達することができる。

サポートとしての機能及び力伝達機能の他に、内部部品を取り囲むスパイラルダクトの外部シェルは、ブレードの破損など、タービンホイールで損傷が生じた場合の安全装置としての役割も果たしている。

ここでは、有利な方法において、特にガイド格子に溶接された、及び／又は２つのスパイラルダクトを互いに区切っている隔壁に溶接された内部部品が、気密に形成されている。この場合、外部シェルはタービンハウジングの気密性に何も影響を与えないため、鋳造コアを取り除くために設けられている外部シェルの通過開口部を、密閉しないまま残すことができる。内部部品のガイド格子及び／又は隔壁への接続は、係合状態で行うことができる。

特に、鋳造法によってスパイラルダクトと内部部品とを接続する場合、内部部品を、あらかじめ溶接又は係合結合によってガイド格子と接続しておくことが有利である。

タービンがダブルフローで形成されている場合、２つのスパイラルダクトを互いに区切っている隔壁と内部部品とを接続するために、自動的な溶接プロセス、特にレーザー溶接又は電子ビーム溶接プロセスを用いることができる。この場合、ガイド格子も隔壁と一体形成することができ、次に、この一体部品が内部部品と気密に溶接される。ガイド格子と、これに成形される隔壁とに接続される内部部品のタービンハウジングへの鋳造は、ガイド格子と内部部品との両方、もしくはガイド格子のみが、少なくとも部分的に鋳造によってスパイラルダクトに接続される方法で行うことができる。隔壁は、係合状態でスパイラルダクトと接続することができる。

本発明のもう１つの有利な実施形態の場合、外部シェルが２つの部分から形成されており、ガイド格子に接続された第１の外部部品シェルに、第２の外部部品シェルが固定され、特に気密に溶接されている。内部部品は、そのため、少なくともガイド格子によって第２の外部部品シェルに固定可能であり、内部部品の取付け後に、第１の外部部品シェルと第２の外部部品シェルとを、例えば溶接によって気密に接続することができる。代替手段として、２つの外部部品シェルを係合状態で互いに固定することも可能である。外部シェルが２つの部分から形成されている場合、断熱を行うギャップから中子を取り除く必要がないため、一方の外部部品シェルの通過開口部を省略することができる。

２つの外部部品シェルが気密に互いに接続されている場合、内部部品の気密性への要求をより少なくすることができる。従って、内部部品の製造コストが比較的小さくなる。内部部品が、両方の外部部品シェルと気密に接続されている場合、内部部品と外部部品シェルとの間にある断熱を行うギャップは、半径方向に閉じたスペースとして形成されている。一方の外部部品シェル又は両方の外部部品シェルと内部部品とを接続するために、溶接方法を用いることができる。代替手段として、内部部品と少なくとも１つの外部部品シェルとの係合結合も可能である。

本発明のもう１つの有利な実施形態では、ガイド格子が、回転軸方向に、特にタービンハウジングに固定可能なベアリングハウジングの方向に遊びを設けて、タービンハウジングと接続されている。これによって、ガイド格子とタービンハウジングとの熱による繰り返し応力が生じた場合、回転軸方向、特にガイド格子のベアリングハウジング方向への自由な動きが可能となる。

このタービンハウジングは、シールエレメントを含むことができ、このエレメントによって、タービンハウジングが、エグゾーストターボチャージャのベアリングハウジングに対して密閉可能となる。このシールエレメントは、この場合、ガイド格子がタービンハウジングに固定可能なベアリングハウジングに対して遊びのある部分に設けることができる。このようなシールエレメント、例えば熱補償リングが設けられている場合、特に効果的なタービンハウジングの気密性が得られ、それによって、タービンの効率を特に高くすることができる。

最後に、ガイド格子が多数の固定された案内羽根を有している場合は有利であることが示されている。この種の案内羽根は、比較的堅牢に、動作信頼性があるように、低コストで製造可能である。

もう１つの利点は、タービンハウジングのコンポーネントが低コストに製造可能なことである。

本発明のもう１つの視点に従って、上述の課題は、駆動ユニットのエグゾーストターボチャージャのためのタービンハウジングの、以下の工程を備える製造方法によって解決される。
ａ）駆動ユニットの排気ガスシステムに連結可能な少なくとも１つのスパイラルダクトを備えるタービンハウジング部品を用意し、
ｂ）少なくとも１つのスパイラルダクトと、回転軸を中心に回転可能にタービンハウジングに収容可能であり、少なくとも１つのスパイラルダクトの上流に配置可能な、排気ガスを当てることのできるタービンホイール用の収容スペースと、の間の移行部分に配置できるガイド格子を用意し、
ｃ）ガイド格子をタービンハウジングに固定した状態で配置し、このとき、工程ｃ）に従って、ガイド格子をタービンハウジングに固定した状態で配置した場合、ガイド格子は、少なくとも部分的に材料接合によってタービンハウジングに接続される。

本発明に基づくタービンハウジングに関して説明されている好ましい実施形態及び利点は、本発明に基づくタービンハウジング製造方法にも該当する。

以下に説明される有利な実施形態及び図に基づいて、本発明のさらなる利点、特徴及び詳細が示され、図の中では、同一エレメント又は機能を同じくするエレメントには同一の参照番号が付されている。

過給内燃機関のエグゾーストターボチャージャのためのダブルフロー型タービンハウジングの断面図であり、ガイド格子の端面が、２つのスパイラルダクトの間に形成されている隔壁と溶接されている。 図１によるダブルフロー型タービンハウジングの、隔壁とガイド格子との間に形成されている溶接継ぎ目部分の拡大図である。 ダブルフロー型タービンハウジングのもう１つの実施形態の断面図であり、ガイド格子が鋳造によってタービンハウジングに接続されている。 ダブルフロー型タービンハウジングのもう１つの実施形態の断面図であり、ガイド格子と一体形成されている隔壁が鋳造によってタービンハウジングに接続されている。 ダブルフロー型タービンハウジングのもう１つの実施形態の断面図であり、隔壁が、金属板から形成されて、ガイド格子に溶接されており、このガイド格子と隔壁とが鋳造によってタービンハウジングに接続されている。 ダブルフロー型タービンハウジングのもう１つの実施形態の断面図であり、金属板からなる内部部品とスパイラルダクトの外部シェルとの間に、断熱を行うギャップが形成されている。 ダブルフロー型タービンハウジングのもう１つの実施形態の断面図であり、金属板からなる内部部品を取り囲む外部シェルが、気密に互いに溶接されている２つの外部部品シェルによって形成されている。 図１〜７によるタービンハウジングのいずれか１つのガイド格子の半径方向断面図である。

図１に断面で示されている、過給内燃機関のエグゾーストターボチャージャのためのダブルフロー型タービンハウジング１０は、第１のスパイラルダクト１２を含み、この第１のスパイラルダクトは、隔壁１４によって第２のスパイラルダクト１６から区切られている。第１のスパイラルダクト１２とタービンホイール１８の収容スペースとの間の移行部分には、ガイド格子２０が配置されている。タービンホイール１８は、回転軸Ａを中心に回転可能にタービンハウジング１０の中に収容されており、スパイラルダクト１２、１６から噴出する内燃機関の排気ガスが当てられる。

図１に示されているタービンハウジング１０の実施形態では、ガイド格子の端面が、隔壁１４に溶接されている。該当する溶接継ぎ目２２が、図２に拡大表示されている。溶接継ぎ目２２の反対側にあるガイド格子２０の端面には、タービンハウジング１０の熱補償リング２４があり、この熱補償リングによって、タービンハウジング１０は、シャフト２６を収容するエグゾーストターボチャージャのベアリングハウジング２８に対して密閉されている。従って、ガイド格子２０は、回転軸Ａの方向の、タービンハウジング１０に固定されているベアリングハウジング２８の方に遊びを設けて、タービンハウジング１０と溶接されている。この場合、補償リング２４は、エグゾーストターボチャージャのガイド格子２０とその他の構成部品との、温度に由来する様々な膨張を調整する。第１のスパイラルダクト１２は、ベアリングハウジング側に配置されている。

タービンハウジング１０は、図１に基づいて、２つの部分に分かれて形成されており、スパイラルダクト１２、１６を含む第１のハウジング部分３２に、出口ダクト３０を含む第２のハウジング部分３４が固定可能になっている。第２のハウジング部分３４が取り外された状態で、ベアリングハウジング２８の側からタービンハウジング１０に導入可能なガイド格子２０には、例えばレーザー溶接又は電子ビーム溶接などの溶接方法を好適に行うことができる。

第２のハウジング部分３４は凹部３６を有し、この凹部の中に、フローガイドエレメントとして働く軸方向スライダ、もしくはフローガイドエレメントに連結されている軸方向スライダが挿入可能である。この軸方向スライダは、ガイド格子として形成することができる。ここには示されていない、例えば案内羽根などを含むこのようなフローガイドエレメントによって、第２のスパイラルダクト１６とタービンホイール１８の収容スペースとの間の移行部分で、互いに異なる流動状態を設定することができる。これによって、タービンの可変性が生じる。内燃機関の出力要求に応じて、第２のスパイラルダクト１６とタービンホイール１８の収容スペースとの間の移行部分において、通過可能な様々な大きさの断面積を設定することができるため、とりわけ低回転数及び平均回転数を含む非常に広い回転数領域にわたって、内燃機関の給気エア供給に対する要求を満たすことができる。

第２のハウジング部分３４の凹部３６に挿入可能な軸方向スライダにより、第２のスパイラルダクト１６とタービンホイール１８と間の移行部分において、様々な流動状態が設定可能であり、内燃機関を制動するターボブレーキ機能を用いることが可能になる。

図２に拡大して示されている、端面が隔壁１４と溶接されているガイド格子２０は、ここでは固定された案内羽根３８を有している。固定された案内羽根３８によって、第１のスパイラルダクト１２を通る排気ガスが、スパイラルダクト１２とタービンホイール１８との間の移行部分の短い距離で強く加速される。これによって、タービンホイール１８における空気の流れが非常に効率的になる。

第１のスパイラルダクト１２及び第２のスパイラルダクト１６の通過可能な断面積は、ここでは同じ大きさであるため、ダブルフロー非対称型タービンと比べ、排気ガスの壁面摩擦による流動損失は低くなる。それでもなお、このガイド格子２０によって、第１のスパイラルダクトに接続可能な排気ガスシステムを、効果的な排気ガス再循環のために利用可能にする第１のスパイラルダクト１２に保持力が与えられる。この場合、ガイド格子２０と隔壁１４との材料接合により、スパイラルダクト１２、１６を形成する、タービンハウジング１０及びガイド格子２０の構成部品が温度によって様々に膨張することでタービンの効率に影響を与えるような漏れを生じることはない。

この左右対称に形成されたダブルフロー型タービンハウジング１０は、従って、非対称型におけるスパイラルダクトの高い流動損失を招くことなく非対称型タービンハウジングの特性も有している。

ガイド格子２０は、ここでは、精密鋳造として、例えば材料１．４８４９などの鋳鋼材料から形成されている。スパイラルダクト１２、１６及び隔壁１４を含む、タービンハウジング１０の第１のハウジング部分３２は、同じ鋳鋼材料から形成されているが、より精度の低い鋳造方法を用いて、例えば砂型鋳造部品として形成されている。とりわけガイド格子２０と隔壁１４とに同じ種類の材料を使用しているため、ガイド格子２０と隔壁１４との溶接プロセスによる接続は、特に気密な接続が達成されるように実施することができる。

図３に示されているタービンハウジング１０の実施形態では、ガイド格子２０が、鋳造によって第１のスパイラルダクト１２と隔壁１４とに接続されている。この場合、ガイド格子２０は、図示されていないベアリングハウジングの接続に用いる接続フランジ４０に近い端面と、隔壁１４に近い端面とにおいて、気密に第１のハウジング部分３２に接続されている。

図１に示されているタービンハウジング１０の実施形態と同様に、出口ダクト３０を含む第２のハウジング部分３４が、スパイラルダクト１２、１６を有する第１のハウジング部分３２に固定されている。さらに、この第２のハウジング部分３４は、バリオ装置の例として、様々に調整可能な軸方向スライダのための凹部３６を有している。排気ガスを給気エアに戻すために、エグゾーストターボチャージャの作動時に、第１のスパイラルダクト１２とタービンホイール１８の収容スペースとの間の移行部分に配置されているガイド格子２０によって、排気ガスが保持される。スパイラルダクト１２及び隔壁１４に接続されているガイド格子２０の表面４２は、ここでは、ガイド格子２０の固定を特に確実にするために、波形に形成されている。代替の実施形態では、表面４２を拡大したガイド格子２０の別の形状を設けることもできる。

ガイド格子２０は、精密鋳造として、例えば材料１．４８４９などの鋳鋼材料から形成されている。これに対して、ダブルフロー型タービンのスパイラルダクト１２、１６を含む第１のハウジング部分３２は、砂型鋳造部品として同じ鋳鋼材料から形成されている。このことにより、ガイド格子２０とハウジング部分３２との極めて適切な接続が確実になる。

図４に示されているタービンハウジング１０の実施形態では、ガイド格子２０が、鋳鋼材料からなる精密鋳造部品として、隔壁１４と一体形成であらかじめ製造されている。この精密鋳造部品は、タービンハウジング１０の製造時に、鋳造によって、スパイラルダクト１２、１４を有する第１のハウジング部分３２に接続される。ガイド格子２０の波形の表面４２に加えて、例えば、ここに示されているようなＴ字形状を有することのできる、隔壁１４の固定部分４４が、一体型精密鋳造部品とハウジング部分３２との極めて確実な材料接合をもたらしている。

この場合、ハウジング部分３２は、シングルフロー型タービンのハウジングと同様に形成することができるため、ガイド格子２０と一体形成されている隔壁１４だけで、スパイラルダクト１２、１６が相互に区切られている。代替の方法として、タービン入口フランジから開始して、ハウジング部分３２の中に隔壁を設けることも考えられ、この隔壁には、一体部品を鋳造する際に、精密鋳造部品として形成される隔壁１４が接続される。ガイド格子２０と一体形成されている隔壁１４は、スパイラルダクト１２、１６から排気ガスが流出する舌状部分まで、スパイラルダクトを通って排気ガスが流れる方向に延設されている。

図５によるタービンハウジング１０の実施形態では、隔壁１４とガイド格子２０とが、同様に、鋳造によってハウジング部分３２と材料接合された一体部品を形成している。同様に、隔壁１４は、ここではフック型に形成されている固定部分４４を有している。しかし、図４に示されている実施形態とは対照的に、この隔壁１４は薄い金属板から形成されており、この金属板は、一体部品の製造時に、ガイド格子２０と気密に溶接されている。ここでは、自動的なレーザー溶接又は電子ビーム溶接プロセスを用いることができる。

さらに、図５に示されているタービンハウジング１０の実施形態では、隔壁１４が、ここでは波形に形成されている調整部分４６を有している。この調整部分４６によって、スパイラルダクト１２、１６、ガイド格子２０及び隔壁１４の異なる熱膨張を補償することができる。代替の実施形態では、調整部分４６が、ここで示されている波形とは異なる形状を有することができる。図１〜図４に示されている実施形態の場合と同様に、出口ダクト３０を含むハウジング部分３４は、バリオエレメントを収容するために設計されている凹部３６を有している。このバリオエレメントによって、スパイラルダクト１６とタービンホイール１８の収容スペースとの間の移行部分における通過可能な断面積は、タービンにターボブレーキ機能が備わるように変更することができる。

図６に示されているタービンハウジング１０の実施形態では、ハウジング部分３２により、スパイラルダクト１２だけがシングルフロー型タービンハウジングの方法によって設けられている。しかし、このスパイラルダクト１２は、排気ガスが通過可能な、金属板から形成されている内部部品４８を有している。この内部部品４８の中では、ガイド格子２０に一体形成された隔壁１４によって、互いに独立した２つの流れ５０、５２が区切られている。

内部部品４８とスパイラルダクト１２の外部シェル５４との間には、断熱を行うギャップ５６が形成されている。内部部品４８が、追加的にギャップ５６によって断熱されている、薄壁の、低い熱容量を有する金属板から形成されていることにより、エグゾーストターボチャージャが作動している場合、比較的熱い排気ガスが出口ダクト３０から放出される。これによって、出口ダクト３０の下流に配置されている排気ガス後処理装置は、効果的に後処理するための設定温度にまで、とりわけ早く達することができる。

内部部品４８は、ここでは、例えばレーザー溶接又は電子ビーム溶接方法などの溶接によって、隔壁１４及びガイド格子２０を含む一体部品に接続されている。この一体部品は、精密鋳造部品として形成されており、この場合、ガイド格子２０は、鋳造により、ハウジング部分３２の中に材料接合によって接続されている。一体部品に溶接される内部部品４８を、鋳造法によってハウジング部分３２に限定的に固定するため、内部部品４８は、３つのアンカー部分５８を有している。湯口箇所として機能するこれらのアンカー部分５８によって、内部部品４８のハウジング部分３２への位置決めが、鋳造中に行われる。

ロスト鋳造コア（中子）をギャップ５６から取り除くため、外部シェル５４は、ギャップ５６と接続している２つの通過開口部６０を有している。内部部品４８は、図６による実施形態では、気密に形成されている。深絞り加工によって金属板から形成された内部部品４８は、とりわけ滑らかな表面を有し、このことにより、隔壁１４と共同で内部部品４８によって形成される流れ５０、５２は、排気ガスの損失が非常に少ない状態で通過可能である。

図６に示されているタービンハウジング１０の実施形態では、内部部品４８が２つの部分に分かれて形成されており、第１の内部部品シェル６２は、隔壁１４と共同で流れ５０を限定している。流れ５０とタービンホイール１８の収容スペースとの間の移行部分には、ガイド格子２０が配置されている。内部部品４８の第２の内部部品シェル６４は、隔壁１４と共同で流れ５２を限定し、第１の内部部品シェル６２と溶接されている。代替の実施形態では、内部部品４８を、特に一体型の金属板部品として一体形成することができ、この内部部品は、隔壁１４又はガイド格子２０を含む一体部品、もしくは隔壁１４とガイド格子２０とを含む一体部品に接続可能である。

図６によるタービンハウジング１０の実施形態では、ハウジング部分３２が、フローガイド部品のサポート機能を引き受けている。これに対して、これらのフローガイド部品により気密性がもたらされる。さらに、ハウジング部分３２は、タービン入口フランジと、ベアリングハウジング２８（図１を参照）と、出口ダクト３０に設けられているタービン出口フランジと、の間で力伝達を行う。これに加え、タービンホイール１８のブレードが破損した場合、このハウジング部分３２は、タービンハウジング１０を取り囲む構成部品を損傷から保護する。

図７によるタービンハウジング１０の実施形態は、主のその組立てが、ほぼ図６に示されている実施形態と対応している。しかし、この場合、外部シェルは、２つの部分から形成されており、ガイド格子２０に接続された第１の外部部品シェル６６を有している。この外部部品シェルは、溶接によって第２の外部部品シェル６８と接続されている。該当する溶接継ぎ目７０は、流れ５０、５２を中央で分割している隔壁１４の延長上の、両方の外部部品シェル６６、６８の間に配置されている。

図６による実施形態において相互に溶接されている２つの内部部品シェル６２、６４を含む内部部品４８は、該内部部品４８と接続されている、隔壁１４と第１のガイド格子２０からなる一体部品の鋳造によって、第１の外部部品シェル６６と材料接合により接続されている。内部部品４８と第２の外部部品６８との接続は、例えば溶接によって、第２の外部部品シェル６６、６８を互いに溶接する際に行われる。

断熱を行うギャップ５６は、外部部品シェル６６，６８と内部部品４８との接続によって半径方向に閉じられている。図６によるタービンハウジング１０の実施形態とは対照的に、外部部品シェル６６、６８には、通過開口部がない。ギャップ５６の外部への気密性は、外部部品シェル６６、６８によって確保されているため、内部部品４８自体は、気密性に対する要求のより少ない形で形成することができる。

図８は、図１〜図７に示されているタービンハウジング１０のいずれか１つのガイド格子２０を、案内羽根３８を通る半径方向の断面図で示している。この場合、ガイド格子２０は、端面を有するサポートリング７２を含み、このサポートリングに、ドロップ型の断面形状の案内羽根３８が配置されている。

Claims (17)

1. 駆動ユニットの排気ガスシステムに連結可能な少なくとも１つのスパイラルダクト（１２、１６）と、回転軸（Ａ）を中心に回転可能にタービンハウジング（１０）の中に収容可能であり、少なくとも１つの前記スパイラルダクト（１２、１６）の下流に配置可能な、排気ガスを当てることのできるタービンホイール（１８）用の収容スペースと、少なくとも１つの前記スパイラルダクト（１２、１６）と前記収容スペースとの間の移行部分に、前記タービンハウジング（１０）に固定された状態で配置されているガイド格子（２０）と、を備える前記駆動ユニットのエグゾーストターボチャージャのタービンハウジングであって、
   前記ガイド格子（２０）が、前記タービンハウジング（１０）と少なくとも部分的に鋳造によって接続されており、このガイド格子（２０）におけるタービンハウジング（１０）に鋳込まれている箇所の表面（４２）が、波形に形成されていることを特徴とするタービンハウジング。
2. 前記タービンハウジング（１０）が、少なくとも２つの部分に分かれて形成されており、少なくとも１つの前記スパイラルダクト（１２、１６）を含む前記タービンハウジング（１０）の第１のハウジング部分（３２）に、出口ダクト（３０）を含む第２のハウジング部分（３４）が固定可能になっていることを特徴とする、請求項１に記載のタービンハウジング。
3. 前記タービンハウジング（１０）が、前記駆動ユニットの前記排気ガスシステムに連結可能な第２のスパイラルダクト（１６）を有し、該第２のスパイラルダクトが、隔壁（１４）によって少なくとも１つの前記スパイラルダクト（１２）から区切られており、前記ガイド格子（２０）が、前記隔壁（１４）と少なくとも部分的に接続されていることを特徴とする、請求項１または２に記載のタービンハウジング。
4. 前記隔壁（１４）が、少なくとも部分的に前記ガイド格子（２０）と一体形成されていることを特徴とする、請求項３に記載のタービンハウジング。
5. 前記隔壁（１４）が、前記タービンハウジング（１０）に埋め込まれている固定部分（４４）を有していることを特徴とする、請求項３又は４に記載のタービンハウジング。
6. 前記隔壁（１４）が、少なくとも１つの調整部分（４６）を有しており、該調整部分によって、前記スパイラルダクト（１２、１６）及び前記ガイド格子（２０）の異なる熱膨張を少なくとも部分的に補償することができることを特徴とする、請求項３〜５のいずれか一項に記載のタービンハウジング。
7. 前記隔壁（１４）が、少なくとも部分的に金属板から形成され、該金属板が前記ガイド格子（２０）と、特に気密に溶接されていることを特徴とする、請求項３〜６のいずれか一項に記載のタービンハウジング。
8. 前記第２のスパイラルダクト（１６）と前記タービンホイール（１８）の前記収容スペースとの間の前記移行部分に、フローガイドエレメントを配置することができ、該エレメントによって、互いに異なる少なくとも２つの流動状態を、前記移行部分で設定することができることを特徴とする、請求項３〜７のいずれか一項に記載のタービンハウジング。
9. 前記第２のスパイラルダクト（１６）の通過可能な断面積が、少なくとも１つの前記スパイラルダクト（１２）の通過可能な断面積と、少なくとも実質的に同じになっていることを特徴とする、請求項３〜８のいずれか一項に記載のタービンハウジング。
10. 前記タービンハウジング（１０）と、特に精密鋳造として形成されている前記ガイド格子（２０）とが、少なくとも部分的に同じ材料、特に鋳鋼材料を有していることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載のタービンハウジング。
11. 少なくとも１つの前記スパイラルダクト（１２）は、排気ガスが通過可能な、特に金属板から形成された内部部品（４８）を有しており、少なくとも１つの前記スパイラルダクト（１２）の外部シェル（５４）と前記内部部品（４８）との間に、少なくとも部分的に断熱を行うギャップ（５６）が形成されていることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のタービンハウジング。
12. 特に前記ガイド格子（２０）に溶接された、及び／又は２つの前記スパイラルダクトを互いに区切っている前記隔壁（１４）に溶接された前記内部部品（４８）が、気密に形成されていることを特徴とする、請求項１１に記載のタービンハウジング。
13. 前記外部シェルが２つの部分から形成されており、前記ガイド格子（２０）に接続された第１の外部部品シェル（６６）に、第２の外部部品シェル（６８）が固定され、特に気密に溶接されていることを特徴とする、請求項１１又は１２に記載のタービンハウジング。
14. 前記ガイド格子（２０）が、前記回転軸（Ａ）方向に、特に前記タービンハウジング（１０）に固定可能なベアリングハウジング（２８）の方向に遊びを設けて、前記タービンハウジング（１０）と接続されていることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか一項に記載のタービンハウジング。
15. 前記タービンハウジング（１０）が、特に熱補償リング（２４）として形成されているシールエレメントを含み、該エレメントによって、前記タービンハウジング（１０）が、前記エグゾーストターボチャージャのベアリングハウジング（２８）に対して密閉可能であることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか一項に記載のタービンハウジング。
16. 前記ガイド格子（２０）が、多数の固定された案内羽根（３８）を有していることを特徴とする、請求項１〜１５のいずれか一項に記載のタービンハウジング。
17. 駆動ユニットのエグゾーストターボチャージャのためのタービンハウジング（１０）の製造方法であって、
    ａ）駆動ユニットの排気ガスシステムに連結可能な少なくとも１つのスパイラルダクト（１２、１６）を備えるタービンハウジング部品（３２）を用意し、
    ｂ）少なくとも１つのスパイラルダクト（１２、１６）と、回転軸を中心に回転可能にタービンハウジング（１０）に収容可能であり、少なくとも１つの前記スパイラルダクト（１２、１６）の下流に配置可能な、排気ガスを当てることのできるタービンホイール（１８）用の収容スペースとの間の移行部分に配置できるガイド格子（２０）を用意し、
    ｃ）前記ガイド格子（２０）をタービンハウジングに固定した状態で配置する、という工程を備え、
    工程ｃ）に従って、前記ガイド格子（２０）を前記タービンハウジングに固定した状態で配置した場合、前記ガイド格子（２０）が、少なくとも部分的に鋳造によって前記タービンハウジング（１０）に接続され、このガイド格子（２０）におけるタービンハウジング（１０）に鋳込まれている箇所の表面（４２）が、波形に形成されることを特徴とする製造方法。

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