JP5225736B2 - タービンハウジング - Google Patents

Description

本発明は、ターボチャージャーの主要な構成部品の１つである排気タービンホイール用のハウジング（通称、タービンハウジング）に関するものである。

一般に、タービンハウジングは鋳物製であるが、鋳物製ハウジングは重くて熱容量が大きいという欠点がある。それゆえ近年、タービンハウジングの薄肉化（ひいては軽量化及び低熱容量化）を図るため、スクロール部の全部又は一部を金属板材の板金加工やハイドロフォーミングによって形成してなる非鋳物製のタービンハウジングが提案されている（例えば特許文献１参照）。図１及び図２は、そのような非鋳物製タービンハウジングの一従来例を示す。

図１及び図２のタービンハウジングは、スクロール本体部１１及びガス導入部１２からなるスクロール部１０を備え、このスクロール部１０に対し、入口フランジ１３、出口フランジ１４及びセンターハウジング側フランジ（図示略）を固着して構成されている。スクロール本体部１１は、その内部に、巻き始め位置と巻き終り位置とがつながった略環状のガス流路を区画するものである。ガス導入部１２は、入口フランジ１３に対応するガス入口１３ａから取り込んだ排気ガスを前記スクロール本体部１１の巻き始め位置に導くための導管である。

特に図２に示すように、ガス導入部１２は、第１の半割りパーツ２１と第２の半割りパーツ２２とを接合すると共に、両半割りパーツ接合時における左右両側の重ね合わせ接合部２３（図２（ａ）参照）に対し溶接を施すことにより一体化されている。更に、このガス導入部１２の内壁部には、前記第１及び第２の半割りパーツ２１，２２とは別体の整流板２４が装着されている。この整流板２４は、ガス入口１３ａから導入された排気ガスと、スクロール本体部１１を一巡し還流してきた排気ガスとの合流点におけるガス流れを整えて、新規導入の排気ガスと還流排気ガスとの干渉による排気抵抗の増大を回避するために設けられている。

なお、かかる整流板２４は、タービンハウジングの非鋳物化に伴って特に必要となった部材であり、鋳物製タービンハウジングにおいてスクロール部内壁の延長に位置するように一体鋳造されていたタング部に相当するものである。特許文献１の図３に示されたガイド部材（９）は、上記非鋳物製タービンハウジングにおける整流板２４に対応する。
特開２００７−２２４８２７号（図３等参照）

しかしながら、図１及び図２に示すタービンハウジングのように、整流板２４を別体のものとすると、部品点数の増加及び溶接工数の増加によるコスト増を招いてしまうおそれがあった。また、第１及び第２の半割りパーツ２１，２２の溶接位置（溶接ビードの位置）と、整流板２４をガス導入部１２内に溶接したときの溶接位置（溶接ビードの位置）とが接近している場合には、不要な入熱によって溶接強度が低下するおそれがあることから、タービンハウジングの耐久信頼性を更に向上させることが望まれている。

本発明の目的は、従来よりも部品点数の削減、溶接工数の削減および耐久信頼性の向上を図ることができるタービンハウジングを提供することにある。また、スクロール部に新規導入される排気ガスと還流排気ガスとの排気干渉を生じにくいタービンハウジングを提供することにある。

請求項１の発明は、巻き始め位置と巻き終り位置とがつながった略環状のガス流路を区画するスクロール本体部、及び、ガス入口から取り込んだ排気ガスを前記スクロール本体部の巻き始め位置に導くためのガス導入部を備えたタービンハウジングであって、
少なくとも前記ガス導入部は、相互に接合可能な第１分割パーツ及び第２分割パーツを接合することにより形成され、且つ、当該ガス導入部の横断面における一端位置において両分割パーツが突き合せ接合されると共に、当該ガス導入部の横断面における反対端位置において両分割パーツが重ね合わせ接合されることにより形成され、
前記第１及び第２分割パーツのいずれか一方には、両分割パーツが重ね合わせ接合される前記反対端位置において、前記ガス入口から前記スクロール本体部の巻き始め位置に導入される排気ガスと、前記スクロール本体部を一巡して前記巻き終り位置から前記巻き始め位置に向かう還流排気ガスとの合流点において排気ガス流れを整流化するための整流部が一体形成されており、
前記第１及び第２分割パーツのいずれか一方の前記反対端位置に一体形成された整流部が、これら分割パーツの相互接合時にはその接合境界を超えて前記第１及び第２分割パーツのうちの他方の内側に入り込んでいる、ことを特徴とする。

この構成によれば、ガス導入部を形成する第１及び第２分割パーツの一方には、ガス入口から新規導入される排気ガスと還流排気ガスとの合流点において排気ガス流れを整流化するための整流部が一体形成されている。このため、整流板が別体化されていた従来例に比べて、部品点数の削減および溶接工数の削減を図ることができると共に、溶接ビードの接近による耐久性の低下を回避して耐久信頼性の向上を図ることができる。

請求項２の発明は、請求項１に記載のタービンハウジングにおいて、前記他方の分割パーツの内側に入り込んだ整流部の一部が、当該他方の分割パーツの内壁に対して溶接固定されている、ことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は２に記載のタービンハウジングにおいて、前記第１及び第２分割パーツは、それぞれ金属板材の板金加工によって形成されると共に、これら分割パーツの相互接合部に溶接を施すことにより一体化されて前記ガス導入部の本体部分を形成することを特徴とする。
このように、ガス導入部の本体部分が、板金加工製の二つの分割パーツの相互接合部に溶接を施して一体化されたものである場合（つまり非鋳物製品である場合）に、本発明の有用性や必要性が特に認められる。

なお、タービンハウジングにおいて、当該タービンハウジングに前記整流部が存在しない場合における前記スクロール本体部の巻き終り位置での流路断面積をＡｅとした場合、前記整流部によって前記Ａｅの２８〜３８％が閉ざされ、その結果、前記スクロール本体部の巻き終り位置での流路断面積が前記Ａｅの６２〜７２％となるように前記整流部が設けられていることは好ましい。

このように、スクロール本体部の巻き終り位置での流路断面積が、Ａｅ（タービンハウジングに整流部が存在しない場合におけるスクロール本体部の巻き終り位置での流路断面積）の６２〜７２％となるように整流部を設けることで、整流板の形状如何にかかわらず、新規導入の排気ガスと還流排気ガスとの合流点での排気干渉を緩和して、排気干渉に起因する過給性能の低下を防止することができる。ちなみに、スクロール本体部の巻き終り位置での流路断面積がＡｅの６２％未満であると、還流排気ガスの流通抵抗が過大になり、過給性能が低下するおそれがある。他方、巻き終り位置での流路断面積がＡｅの７２％を超えると、整流部が全く存在しないケースに近くなり、新規導入ガスと還流ガスとの排気干渉が顕著化して過給性能が低下するおそれがある。

本発明のタービンハウジングによれば、従来よりも部品点数の削減、溶接工数の削減および耐久信頼性の向上を図ることができる。また、スクロール部に新規導入される排気ガスと還流排気ガスとの排気干渉を生じにくくすることができる。

以下、本発明の一実施形態を図３〜図５を参照しつつ説明する。
図３及び図４に示すように、タービンハウジングはスクロール部１０を備え、このスクロール部１０に対し入口フランジ１３、出口フランジ１４及びセンターハウジング側フランジ（図示略）を固着して構成されている。スクロール部１０は、スクロール本体部１１と、それに連なるガス導入部１２（「助走部」ともいう）とから構成されている。

スクロール本体部１１の内部には、巻き始め位置と巻き終り位置とがつながった略環状トンネル状のガス流路１１ａが区画されている。このようなスクロール本体部１１は、例えばステンレス鋼板等の金属板材をプレス成形して得た半割り部品（二つ）を重ね合わせ接合又は突き合せ接合して溶接することにより得られる板金加工品、又は、中空な金属素材をハイドロフォーミングすることにより得られる液圧成形品として提供される。

スクロール本体部１１の中央部正面側には、略リング形状の出口フランジ１４が設けられている。出口フランジ１４は、当該タービンハウジングにそれよりも下流側の外部配管（例えばエルボ、図示略）を接続する際の継手部であり、スクロール本体部１１内を循環した排気ガスが当該タービンハウジングの外へ逃れ出るためのガス出口１４ａを提供するものである。他方、スクロール本体部１１の中央部背面側（図示略）には、センターハウジング側フランジ（図示略）が設けられている。センターハウジング側フランジは、当該タービンハウジングをターボチャージャーのセンターハウジング（ベアリングハウジングともいう）に接続固定する際の継手部となるものである。

スクロール部１０の一側部を占めるガス導入部１２の先端部には、入口フランジ１３が設けられている。入口フランジ１３は、当該タービンハウジングにそれよりも上流側の外部配管（図示略）を接続する際の継手部であり、当該タービンハウジングに導入されるべき排気ガスの入口（ガス入口１３ａ）を提供するものである。ガス導入部１２は、ガス入口１３ａから取り込んだ排気ガスをスクロール本体部１１の巻き始め位置に導く導管の役目を果たす。

図４（ａ）に示すように、ガス導入部１２は、横断面略円形の円筒形状をなしており、その略円形の横断面をほぼ水平に横切る直径線（図中に二点鎖線で示す接合境界１５）に沿って上下に二分割したような二つの半割りパーツ（即ち第１の分割パーツ３１及び第２の分割パーツ３２）から形成されている。第１及び第２の分割パーツ３１，３２は、金属板材（例えばステンレス鋼板）の板金加工（例えばプレス加工）によってそれぞれ別パーツとして形成されている。本実施形態では、図４（ａ）においてガス導入部１２の下側半分を構成する第２の分割パーツ３２には、湾曲板形状の整流部３３が分割パーツ本体部分と一体形成されている。この整流部３３は、ガス入口１３ａから導入された排気ガスと、スクロール本体部１１を一巡し還流してきた排気ガスとの合流点におけるガス流れを整えて、新規導入の排気ガスと還流排気ガスとの干渉による排気抵抗の増大を回避する。

本実施形態では、第１の分割パーツ３１と第２の分割パーツ３２とを互いに接合させると共に、その相互接合部分に溶接を施すことにより、両分割パーツ３１，３２は一体化されている。即ち図４（ａ）では、ガス導入部１２の右端位置において両分割パーツ３１，３２が突き合せ接合され、この突き合せ接合部に対し溶接Ｗ１が施されている。また、ガス導入部１２の左端位置において両分割パーツ３１，３２が重ね合わせ接合され、この重ね合わせ接合部に対し溶接Ｗ２が施されている。

なお、本実施形態では、第２分割パーツ３２に一体形成された整流部３３が、両分割パーツの接合境界１５を超えて第１分割パーツ３１の内側に入り込んでいる（図４（ａ）参照）。この第１分割パーツ３１の内側に入り込んだ整流部３３の先端部又はその近傍に溶接Ｗ３を施して、整流部３３の先端部またはその近傍を第１分割パーツ３１の内壁面に溶接固定することは好ましい。溶接Ｗ３を施すことで、スクロール部内部での整流部３３の支持が確実になり、タービンハウジングの耐久信頼性が更に向上する。

本実施形態のタービンハウジングは、図５のグラフに示すような流路断面積を有している。即ち、ガス導入部１２の流路断面積は、ガス入口１３ａ（断面積Ｓ１）からスクロール本体部１１の巻き始め位置（断面積Ｓ２）に向かうにつれて絞り込まれている。他方、スクロール本体部１１の流路断面積は、ガス導入部におけるほどの急峻な変化はないものの、巻き始め位置から巻き終わり位置に向けて徐々に減少する傾向にある。特に、当該タービンハウジングに前記整流部３３が存在しない場合におけるスクロール本体部１１の巻き終り位置での流路断面積をＡｅとした場合（図５の太破線の場合）、本実施形態では、整流部３３によって前記Ａｅの約１／３（即ち約３３％）が閉ざされ、その結果、スクロール本体部１１の巻き終り位置での流路断面積が前記Ａｅの約２／３（即ち約６７％）に設定されている。

本実施形態によれば、ガス導入部１２を形成する第１及び第２分割パーツ３１，３２の一方（即ち第２分割パーツ３２）には、ガス入口１３ａから新規導入される排気ガスと還流排気ガスとの合流点において排気ガス流れを整流化するための整流部３３が一体形成されている。このため、整流板２４が別体化されていた従来のタービンハウジング（図１及び図２）に比べて、部品点数の削減および溶接工数の削減を図ることができる。また、第１及び第２分割パーツ３１，３２を結合するための溶接Ｗ１，Ｗ２は、接合境界１５に沿った位置での溶接だけで足り、従来例のような整流板２４の溶接が不要なので、従来例の場合よりも、溶接ビードの接近による耐久性の低下を回避することができる。

本実施形態では、スクロール本体部１１の巻き終り位置での流路断面積が、整流部３３を設けることで、タービンハウジングに整流部３３が存在しない場合におけるスクロール本体部１１の巻き終り位置での流路断面積Ａｅの約２／３となるように設定されている。かかる整流部３３の配設および巻き終り位置での流路断面積設定により、非鋳造製タービンハウジングにありがちな、排気干渉による過給性能の低下を効果的に防止することができる。特に、エンジンが最大出力に近い状態で回転し、排気ガスが高流量となっている場合の排気干渉を非常に効果的に回避することができる。

なお、本発明を完成するまでに幾多の試作実験を積み重ねた結果、非鋳造製タービンハウジングでの整流部３３の整流作用は、その整流部３３の形状の差異（具体的にはその整流部３３がストレート板形状かそれとも滑らかな湾曲板形状かといった違い）よりも、巻き終り位置での流路断面積をどの程度の大きさにし得る寸法を当該整流部３３が有するかの方がはるかに大きな影響を受けることが判明した。かかる技術的知見に基づいて、本実施形態の整流部３３は、当該整流部３３によって前記Ａｅの約１／３が閉ざされ、その結果、スクロール本体部１１の巻き終り位置での流路断面積が前記Ａｅの約２／３となるように寸法設定されている。なお、このような寸法設定が整流部３３の最善の寸法設定と思われるが、この寸法を中心として若干の寸法幅が許されることは言うまでもない。

［変更例］図３〜図５の上記実施形態では、第２分割パーツ３２の側に整流部３３を一体形成したが、第１分割パーツ３１の側に整流部３３を一体形成してもよい。

（削除）

従来のタービンハウジングの正面図。 図１のタービンハウジングのガス導入部付近を示し、（ａ）は（ｂ）のＡ−Ａ線での断面図（横断面図）、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線での断面図（平断面図）。 本発明の一実施形態に従うタービンハウジングの正面図。 図３のタービンハウジングのガス導入部付近を示し、（ａ）は（ｂ）のＡ−Ａ線での断面図（横断面図）、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線での断面図（平断面図）。 図３のタービンハウジングにおける流路断面積の変化状況を示すグラフ。

１０…スクロール部、１１…スクロール本体部、１１ａ…略環状トンネル状のガス流路、１２…ガス導入部、１３ａ…ガス入口、１４ａ…ガス出口、１５…接合境界、３１…第１の分割パーツ、３２…第２の分割パーツ、３３…整流部。

Claims (3)

1. 巻き始め位置と巻き終り位置とがつながった略環状のガス流路を区画するスクロール本体部、及び、ガス入口から取り込んだ排気ガスを前記スクロール本体部の巻き始め位置に導くためのガス導入部を備えたタービンハウジングであって、
   少なくとも前記ガス導入部は、相互に接合可能な第１分割パーツ及び第２分割パーツを接合することにより形成され、且つ、当該ガス導入部の横断面における一端位置において両分割パーツが突き合せ接合されると共に、当該ガス導入部の横断面における反対端位置において両分割パーツが重ね合わせ接合されることにより形成され、
   前記第１及び第２分割パーツのいずれか一方には、両分割パーツが重ね合わせ接合される前記反対端位置において、前記ガス入口から前記スクロール本体部の巻き始め位置に導入される排気ガスと、前記スクロール本体部を一巡して前記巻き終り位置から前記巻き始め位置に向かう還流排気ガスとの合流点において排気ガス流れを整流化するための整流部が一体形成されており、
   前記第１及び第２分割パーツのいずれか一方の前記反対端位置に一体形成された整流部が、これら分割パーツの相互接合時にはその接合境界を超えて前記第１及び第２分割パーツのうちの他方の内側に入り込んでいる、ことを特徴とするタービンハウジング。
2. 前記他方の分割パーツの内側に入り込んだ整流部の一部が、当該他方の分割パーツの内壁に対して溶接固定されている、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. 前記第１及び第２分割パーツは、それぞれ金属板材の板金加工によって形成されると共に、これら分割パーツの相互接合部に溶接を施すことにより一体化されて前記ガス導入部の本体部分を形成することを特徴とする請求項１又は２に記載のタービンハウジング。

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