JP7388946B2

JP7388946B2 - 排気ターボ過給機

Info

Publication number: JP7388946B2
Application number: JP2020031284A
Authority: JP
Inventors: 真人澤下
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2020-02-27
Filing date: 2020-02-27
Publication date: 2023-11-29
Anticipated expiration: 2040-02-27
Also published as: JP2021134717A

Description

本願発明は、内燃機関に搭載される排気ターボ過給機に関するものである。

車両用等の内燃機関において、出力向上等のために排気ターボ過給機を設けることは広く行われている。この排気ターボ過給機は、タービンハウジングとコンプレッサハウジングと軸受ハウジングとを備えており、タービンハウジングの内部には、タービン翼の回転方向に向かって断面積が縮小したタービンスクロール通路（タービンスクロール室）と、タービンスクロール通路の始端に連通した排気ガス導入通路と、タービン翼の回転軸心方向に開口した排気ガス出口通路とが形成されている。

排気ターボ過給機において、過給効率を高くするには、排気ガスをできるだけ降温させずにタービンスクロール通路に流入させるのが好適である。また、自動車用ガソリン機関では排気ターボ過給機の下流側に触媒式の排気ガス浄化装置が配置されているが、触媒はある程度の温度に昇温しないと活性化しない性質があるため、特に暖機運転時の触媒の早期昇温を図る上でも、排気ガスはできるだけ降温させずにタービンハウジングを通過するのが好ましい。更に、燃費向上のために排気ターボ過給機のハウジングをアルミ化することが提案されているが、アルミは耐熱性が低いため、排気ガスの熱害を抑制できると軽量化にとって好ましい。

これらの要請への対応策として、タービンハウジングに、排気ガスの熱がタービンハウジングに伝わることを抑制する断熱層を設けることが考えられる。この点について、特許文献１には、タービンスクロール通路の内部を、セラミック製又はステンレス板製の耐熱性表層と断熱ファイバ等の断熱層とから成る複合体で構成することが開示されており、特許文献１では、複合体は、鋳型に中子と一緒にセットされて鋳込まれている。

実開昭６０－２４８３９号のマイクロフィルム

特許文献１では、タービンスクロール通路の断熱性を向上できるが、構造が著しく複雑であるため、コストが嵩むことは否めない。また、タービンハウジングには、排気ガス導入通路やウェイストゲート通路、排気ガス出口通路といったガス通路が存在するが、これらの他の通路からの熱伝達は抑制できないため、タービンハウジング全体として見た場合に高い断熱性を確保できるか疑問である。

更に、タービン翼とタービンスクロール通路との間には若干のクリアランスが存在しており、このクリアランスの管理は排気ターボ過給機の性能を左右する重要な要素であるが、特許文献１のように断熱性複合体を鋳込みで配置する構成では、タービンスクロール通路を高い精度で形成できるか否か、甚だ疑問である。

本願発明このような現状を背景に成されたものであり、断熱性と過給性能に優れてしかも品質が安定した排気ターボ過給機を提供しようとするものである。

本願発明の排気ターボ過給機は、
「タービンハウジングの内部に、タービン翼を囲うタービンスクロール通路と、前記タービンスクロール通路の始端に連通した排気ガス導入通路と、前記タービン翼の回転軸心方向に開口した排気ガス出口通路と、前記排気ガス導入通路と排気ガス出口通路とに連通したウェイストゲート通路とが形成されており、
前記タービンスクロール通路に、前記タービン翼の回転によって切削可能な硬さの断熱材からなる断熱層を形成している排気ターボ過給機であって、
前記タービンスクロール通路の断熱層は、セラミック系粒子群と樹脂系バインダとの混合物を材料にして焼成されたもので、前記樹脂系バインダが焼成によって焼失すると共にセラミック系粒子が互いに結合した多孔質焼成層になっており、
かつ、前記排気ガス導入通路と排気ガス出口通路とウェイストゲート通路とにも、前記タービンスクロール通路と同じ断熱材から成る断熱層が形成されている」
という構成になっている。

この場合、断熱材は、セラミック粒子と樹脂系等の耐熱バインダとを混合した不定形材料を使用可能であり、液状の断熱材槽にタービンハウジングを浸漬することによって各通路の内面全体に液状断熱材を塗布して、次いで、焼成して固めることにより、剥離不能に保持された断熱材層を形成できる。

断熱層（断熱材層）は、各通路の全体又は大部分に形成できる。この場合の「大部分」とは、タービンハウジングの断熱効果を享受できる範囲ということであり、例えば８０％以上であれば、所望の効果を享受できると云える（９０％以上であると好適である。）。

本願発明では、タービンハウジングのうち排気ガスが流れる通路が断熱材層で覆われているため、排気ガスからタービンハウジングへの熱伝達を著しく抑制して、排気ガスの降温を抑制できる。これにより、過給効率を向上できると共に、触媒式の排気ガス浄化装置が接続されている場合は、特に暖機運転時に触媒を早期昇温させて排気ガスの浄化性能向上に貢献できる。また、タービンハウジングの受熱量を抑制できることにより、タービンハウジングのアルミ化（軽量化）にも大きく貢献できる。

また、断熱材は、タービンスクロール通路に設けるとタービン翼によって切削できる硬さであるため、タービンスクロール通路の断熱材層をタービン翼が接触し得る厚さに設定しておくことにより、タービン翼を取り付けて駆動すると、断熱材層がタービン翼で切削されて、タービンスクロール通路とタービン翼との間に、個々のタービン翼に対応した必要最小限度のクリアランスを自動的に形成できる。従って、排気ガスの不要な漏洩を無くして仕事効率を向上させた排気ターボ過給機を、品質のバラツキを無くした状態で提供できる。

なお、断熱材層をタービン翼で切削してクリアランス調整を行うことは、排気ターボ過給機を組み立ててから内燃機関に搭載する前の段階で、排気ガス導入通路に例えば圧縮空気を吹き込むことによって行える（実際の運転時に似せて、熱風を排気ガス導入通路に吹き込でもよい。）。

実施形態に係る排気ターボ過給機の正面図である。排気ターボ過給機の背面図である。図１のIII-III 視右側面図である。図１の IV-IV視左側面図である。排気ターボ過給機の平面図である。図３及び図４のVI-VI 視断面図である。図６の部分拡大図である。図２及び図６の VIII-VIII視断面図である。

(1).基本構造
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は自動車用内燃機関の排気ターボ過給機に適用している。まず、基本構造を説明する。内燃機関との関係での方向について述べると、図１を正面図としているが、これは、シリンダヘッド（図示せず）の吸気側面と対向した方向から見た状態である。従って、クランク軸線方向は左右方向になり、シリンダヘッドの幅方向は前後方向になる。

図１，２から理解できるように、排気ターボ過給機は、排気ガスで駆動されるタービン翼２が配置されたタービンハウジング１と、図１，３から理解できるように、コンプレッサ翼３が配置されたコンプレッサハウジング４と、両者の間に位置した軸受ハウジング５とを備えている。タービン翼２は回転軸６の一端部に固定されて、コンプレッサ翼３は回転軸６の他端部に固定されている。従って、各ハウジング１，４，５は左右方向に並んでいる。

図２に示すように、タービンハウジング１には、シリンダヘッド又は排気マニホールド（図示せず）に固定される入り口側フランジ７が形成されており、入り口側フランジ７には、排気ガスが流入する排気ガス導入通路８が後ろ向きに開口している。図８に示すように、排気ガス導入通路８はタービン翼２を囲うタービンスクロール通路９に連通しており、タービンスクロール通路９は、図６，７に示すように、タービン翼２が僅かのクリアランスで回転するシュラウド室９ａを有している。シュラウド室９ａはタービン翼２の回転軸芯方向に開口しており、排気ガス出口通路１０と連通している。排気ガス出口通路１０は、左右方向に向いた出口側フランジ１１に開口している。

従って、タービンハウジング１は、タービンスクロール通路９を囲うドラム状部１ａ（図１参照）と、排気ガス導入通路８が形成された筒状部１ｂ（図３参照）と、ドラム状部１ａ及び筒状部１ｂからコンプレッサハウジング４と反対側に張り出したサイド部１ｃとを備えており、サイド部１ｃに、排気ガスを排気ガス導入通路８から排気ガス出口通路１０にリークさせるウェイストゲート通路１２（図６参照）が形成されている。ウェイストゲート通路１２の終端はウェイストゲートバルブ１３で開閉される。

図３に示すように、ウェイストゲートバルブ１３にはアーム１３ａが固定されており、アーム１３ａには前後長手の支軸１４が固定されている。支軸１４はタービンハウジング１のサイド部１ｃに回転自在に保持されており、外向きに突出した部位にリンク１５が固定されている。

図２に示すように、リンク１５は上下長手の姿勢であり、その上端部が支軸１４に固定されて、下端部には、左右長手のロッド１６の先端部が前後長手のピン１７によって相対回動可能に連結されている。ロッド１６は、コンプレッサハウジング４に固定されたアクチュエータ１８の弁体（図示せず）に固定されている。

図３，６から明瞭に把握できるように、本実施形態では、タービンハウジング１の筒状部１ｂは入り口側フランジ７から斜め上向きに延びており、タービンスクロール通路９やタービン翼２は入り口側フランジ７よりも上に配置されている。従って、本実施形態の排気ターボ過給機は、排気ガスが上向きに流れる上巻き方式になっている。

図６に示すように、コンプレッサハウジング４の内部にはコンプレッサスクロール室１９が形成されており、コンプレッサスクロール室１９に吸気を送る吸気入り口２０（図２参照）が軸心方向に開口している。コンプレッサスクロール室１９で加圧された吸気は、回転軸心と交叉した方向に開口した吸気出口２１（例えば図４）から排出される。図６に示すように、コンプレッサハウジング４は、コンプレッサスクロール室１９を形成するためのインナー部材２２を備えている。

図２から理解できるように、アクチュエータ１８はアクチュエータ用ブラケット２３にビス（図示せす）で固定されており、コンプレッサハウジング４と軸受ハウジング５とは、アクチュエータ用ブラケット２３と押さえプレート２４とを介して締結されている。図４に４本のボルト２５が現れているが、これらのボルト２５によってアクチュエータ用ブラケット２３と押さえプレート２４を引き付けることにより、軸受ハウジング５がコンプレッサハウジング４に押さえ固定されている。

図６に示すように、軸受ハウジング５の内部には、回転軸６を回転自在に保持するフローティングメタル２６が遊嵌している。そして、軸受ハウジング５には、フローティングメタル２６に向けてオイルを供給するオイル入り口２７が上向きに開口していると共に、オイルを排出する出口ポート２８が下向きに開口している。

本実施形態において、軽量化のために、タービンハウジング１と軸受ハウジング５はアルミの鋳造品として一体化されており、また、コンプレッサハウジング４はアルミのダイキャスト品である（鋳造品であってもよい。）。そこで、図６に示すように、タービンハウジング１の内部に冷却水ジャケット３１，３２を形成している。

すなわち、冷却水ジャケットは、軸受ハウジング５の側に位置した第１冷却水ジャケット３１と、排気ガス出口通路１０の側に位置した第２冷却水ジャケット３２とで構成されており、両者は隔壁３３で仕切られている。図２，８に示すように、両冷却水ジャケット３１，３２には、入り口側フランジ７に開口した枝通路３１ａ，３２ａを形成している。

第１冷却水ジャケット３１は、タービンスクロール通路９を外周側と軸受ハウジング５の側とから囲うと共に、筒部１ｂの下端部まで延びている。他方、第２冷却水ジャケット３２は、排気ガス出口通路１０を囲うと共に筒部１ｂの下端部まで延びている。そして、筒部１ｂの下端寄り部位に冷却水入り口ポート３４を設けて、ドラム状部１ａ及びサイド部１ｃが繋がった部位の上端に、冷却水出口ポート３５を設けている。両ポート３４，３５には、ホースを固定するための継手３６，３７（例えば図１参照）を接続している。

(2).断熱処理
図７，８に太線で示すように、排気ガス導入通路８の全面、シュラウド室９ａを含むタービンスクロール通路９の全面、排気ガス出口通路１０の全面、ウェイストゲート通路１２の全面に、断熱材層３８を形成している。従って、排気ガスからタービンハウジング１への放熱は著しく抑制される。その結果、排気ガスの膨張を抑制して過給効率を向上できると共に、下流側に配置した触媒の早期昇温に貢献できる。

また、排気ガスからタービンハウジング１への伝熱性が低下することによって冷却水への受熱量も低減するため、冷却水の水量を抑制してウォータポンプの負担を軽減できる。従って、燃費の向上にも貢献できる。

断熱材層３８は、セラミック系粒子（例えば中空粒子や多孔質粒子）を焼成して形成されている。すなわち、セラミック系粒子と樹脂系等の液状バインダとの混合物をタンクに入れて、これにタービンハウジング１を浸漬することにより、各排気ガス通路の内面に断熱中間層（被膜）を形成して、次いで、タービンハウジング１を加熱炉に入れて数百度で加熱することにより、バインダを除去すると共にセラミック系粒子同士を焼結して（結合させて）断熱材層３８と成している。

この場合、図７においてシュラウド室９ａの箇所に一点鎖線３８ａで示すように、断熱材層３８を、シュラウド室９ａにおいてタービン翼２が僅かに接触する厚さに設定しておいて、タービン翼２を組み付けてから、排気ガス導入通路８に圧縮空気を送ることによってタービン翼２を高速回転させて、タービン翼２によって断熱材層３８を切削する（タービン翼２は硬い特殊合金製であるため、断熱材層３８がタービン翼２によって切削される。）。

タービン翼２は若干振れ動くため、タービン翼２とタービンスクロール通路９（特にシュラウド室９ａ）との間には、個々のタービン翼２に対応した必要最小限度のクリアランスが自動的に形成され。従って、タービン翼２とシュラウド室９ａとの間に多少の芯ずれがあったり、タービン翼２に加工誤差や取り付け誤差があったりしても、それらの誤差を吸収した状態で、排気ガスの不要な漏れがない状態のクリアランスを形成できる。これにより、過給効率に優れた排気ターボ過給機をバラツキのない状態で製造できる。

以上の実施形態はアルミ製の水冷式タービンハウジングに適用したが、本願発明は、鋳鋼製のタービンハウジングにも適用できる。図示の形態ではシュラウド室をタービンハウジング１に直接形成しているが、スリーブ状のシュラウドピースを排気ガス出口通路１０に装着することも可能である。この場合は、シュラウドピースの内面に断熱材層３８を形成しておいて、装着してからタービン翼２によって切削したらよい。

本願発明は、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。

１タービンハウジング
２タービン翼
５軸受ハウジング
６回転軸
８排気ガス導入通路
９タービンスクロール通路
９ａシュラウド室
１０排気ガス出口通路
１２ウェイストゲート通路
１３ウェイストゲートバルブ
３８断熱材層

Claims

タービンハウジングの内部に、タービン翼を囲うタービンスクロール通路と、前記タービンスクロール通路の始端に連通した排気ガス導入通路と、前記タービン翼の回転軸心方向に開口した排気ガス出口通路と、前記排気ガス導入通路と排気ガス出口通路とに連通したウェイストゲート通路とが形成されており、
前記タービンスクロール通路に、前記タービン翼の回転によって切削可能な硬さの断熱材からなる断熱層を形成している排気ターボ過給機であって、
前記タービンスクロール通路の断熱層は、セラミック系粒子群と樹脂系バインダとの混合物を材料にして焼成されたもので、前記樹脂系バインダが焼成によって焼失すると共にセラミック系粒子が互いに結合した多孔質焼成層になっており、
かつ、前記排気ガス導入通路と排気ガス出口通路とウェイストゲート通路とにも、前記タービンスクロール通路と同じ断熱材から成る断熱層が形成されている、
排気ターボ過給機。