CN100436775C - 排气涡轮增压器 - Google Patents

Abstract

本发明目的在于提供一种高效率的排气涡轮增压器，其设有：排气涡轮壳体，在内部设有涡状流路及与该涡状流路的最内周部连接的涡轮容纳室；排气涡轮，在涡轮容纳室内与涡状流路轴线平行地设置；轴，与该排气涡轮的轴线方向上的一方同轴连接；轴承壳，相对于排气涡轮壳体，与排气涡轮的轴线方向的一方相邻配置；轴承，设在轴承壳内，支撑轴并使其可绕轴线旋转；以及隔热板，安装在排气涡轮壳体和轴承壳之间，通过隔热板构成涡状流路的内壁面中涡轮容纳室入口附近部分，在涡状流路的内壁面中由隔热板构成的部分是比上游部更向流路内侧突出的突出部。

Description

排气涡轮增压器

技术领域

本发明涉及一种船舶或汽车、发电机的发动机等内燃机中使用的排气涡轮增压器。

本申请基于日本专利申请NO.2005-306505，其内容在此作为参考而援引。

背景技术

排气涡轮增压器通过向内燃机的燃烧室内强制性地供给空气，提高燃烧效率，达到提高内燃机输出的目的。

作为这种排气涡轮增压机，公知的有例如具有通过排气进行驱动的排气涡轮装置，以及被排气涡轮装置驱动、将外部气体压送入燃烧室的进气涡轮装置(压气机)的排气涡轮增压器(参照特开2002-70568号公报)。

排气涡轮装置具有内部形成有涡状流路的排气涡轮壳体、以及设在该排气涡轮壳体的径方向大致中心部的排气涡轮。进气涡轮装置具有内部形成有涡状流路的进气涡轮壳体、以及设在该进气涡轮壳体的径方向大致中心部的进气涡轮。

排气涡轮和进气涡轮通过轴部同轴连接。在排气涡轮壳体和进气涡轮壳体之间设有轴承壳。在该轴承壳上设有可自由旋转地支撑轴部的轴承。

该排气涡轮增压机利用被导入排气涡轮壳体内的排气流来旋转驱动排气涡轮。由此，通过轴部与排气涡轮连接的进气涡轮被旋转驱动，进气涡轮进行外部气体的压送。

在此，在排气涡轮壳体和轴承壳之间设有隔断二者之间的热传导的隔热板。由此来自排气涡轮壳体的排气热很难传到轴承壳的轴承上，能够防止轴承的烧结等问题。

在排气涡轮装置的涡状流路中，在流路内壁面附近，由于与流路内壁面的摩擦阻力，排气流的流速降低(即，排气流在流路内壁面附近形成有相对于主流速度产生速度损失的边界层)。

因此，向排气涡轮提供的排气流的速度分布产生不均匀，动叶入口的冲撞损失变大，排气涡轮装置的效率降低。

发明内容

本发明鉴于以上问题，目的在于提供一种高效率的排气涡轮增压器。

为了解决上述问题，本发明提供以下装置。

即，本发明提供一种排气涡轮增压器，具有：排气涡轮壳体，在内部设有涡状流路及与该涡状流路的最内周部连接的涡轮容纳室；排气涡轮，在上述涡轮容纳室内与上述涡状流路轴线平行地设置；轴，与该排气涡轮的轴线方向上的一方同轴连接；轴承壳，相对于上述排气涡轮壳体，与上述排气涡轮的上述轴线方向的一方相邻配置；轴承，设在上述轴承壳内，支撑上述轴并使其可绕轴线旋转；以及隔热板，安装在上述排气涡轮壳体和上述轴承壳之间，上述隔热板构成上述涡状流路的内壁面中上述涡轮容纳室入口附近部分的一部分，在上述涡状流路的内壁面中由上述隔热板构成的部分，是比上游部更向流路内侧突出的突出部。

在这种结构的排气涡轮增压器中，在涡状流路的内壁面中，涡轮容纳室入口附近部分的一部分由作为与排气涡轮壳体分离的部件的隔热板构成。由该隔热板构成的部分是比上游部更向流路板内侧突出的突出部。

由此，在涡状流路内流通的排气中沿着涡状流路的内壁面形成的边界层(相对于排气流中的主流速度产生速度损失的部分)在到达突出部时被推到流路内侧，加速该边界层的流动。

由此，能够降低流入涡轮容纳室的排气流的速度不匀，因此排气涡轮增压器的效率高。

在此，为了使排气的流动顺利进行，提高排气涡轮增压器的效率，排气涡轮壳体的涡状流路的内部形状要求较高的形状精度。

但是，在一般的排气涡轮增压器中，排气涡轮壳体由铸造而成，需要在要求较高形状精度的部分进一步进行机械加工。并且，排气涡轮壳体的形状是三维变化的复杂形状，因此很难机械加工。

与此相对，在上述本发明的排气涡轮增压器中，设在涡状流路内壁面的突出部由作为与排气涡轮壳体分离的部件的隔热板构成。因此，可以通过冲压加工等任意整形方法对隔热板进行整形，由此能够容易地制作出形状精度高的突出部。

因此，在本发明的排气涡轮增压器中，涡状流路的内部形状为高精度，且容易以低成本制造。

在上述本发明中，将上述突出部突出方向上的上述涡状流路的宽度设为2L，上述突出部的突出量设为X时，0.08235L≤X≤0.6983L。

根据基于指数规则求出的涡状流路内排气流的速度分布，相对于排气流的主流速度的速度损失不满30％的区域，是从涡状流路的内壁面离开超过0.08235L的区域。同样地，相对于排气流的主流速度的速度损失不满5％的区域，是从涡状流路的内壁面离开超过0.6983L的区域。

因此，如上所述，通过将突出部的突出量X设定为0.08235L以上，将流过比涡状流路中心靠隔热板侧的排气流中速度损失超过主流速度的30％的部分推向流路内侧并使其加速，将排气流的流速偏差降低到30％以下。在这种情况下，突出部堵塞涡状流路的流路截面积的约4.1％。

同样地，通过将突出部的突出量X设定为0.6983L，将流过比涡状流路中心靠隔热板侧的排气流中速度损失超过主流速度的5％的部分推向流路内侧并使其加速，将排气流的流速偏差降低到5％以下。

另一方面，将突出部的突出量设在0.080L时，突出部堵塞涡状流路的流路截面积的34.9％，因此，如果再增加突出部的突出量X，则很可能无法充分确保供给排气涡轮的排气流量。

因此，优选将突出部的突出量X设在0.08235L≤X≤0.6983L。

在此，突出部的突出量可以根据排气涡轮增压器所要求的性能、例如排气流流速的偏差的容许量和供给排气涡轮的排气的流量的下限值，适当进行选择。

例如，相对于排气流的主流速度的速度损失不满20％的区域，是从涡状流路的内壁面离开超过0.2097L的区域，因此通过将突出部的突出量X设在0.2097L≤X≤0.6983L，能够将排气流流速的偏差抑制在20％以下。在这种情况下，突出部堵塞涡状流路的流路截面积的大约10.5％。

同样地，相对于排气流的主流速度的速度损失不满15％的区域，是从涡状流路的内壁面离开超过0.3206L的区域，因此通过将突出部的突出量X设在0.3206L≤X≤0.6983L，能够将排气流流速的偏差抑制在15％以下。在这种情况下，突出部堵塞涡状流路的流路截面积的大约16.5％。

在本发明中，舌部划分上述排气涡轮壳体的上述涡状流路中最内周部和位于该最内周部的外周侧的部分，上述舌部由从上述排气涡轮壳体的面向上述轴承壳侧的内壁面朝向该轴承壳突出的壁部构成，上述隔热板可以构成上述涡状流路的内壁面中与上述舌部的突出端相对的部位。

如上所述，在一般的排气涡轮增压器中，排气涡轮壳体由铸造而成。因此涡状流路和涡轮容纳室一体形成，涡状流路和涡轮容纳室是由跨越排气涡轮壳体的面向轴承壳侧的内壁面和轴承壳侧的内壁面的分隔壁划分的构成。

在这种结构的排气涡轮壳体中，在划分涡状流路和涡轮容纳室的分隔壁中，构成涡状流路和涡轮容纳室的连接部附近部分的舌部上，从轴承壳离开侧的端部和轴承壳侧的端部二者成为固定端。

因此，舌部接收到排气的热，无法释放舌部产生的热应力，长时间使用排气涡轮增压器时，舌部上会产生裂缝。

对此，通过使上述舌部由从排气涡轮壳体的面向轴承壳侧的内壁面朝向轴承壳突出的壁部构成，舌部的轴承壳侧的端部成为自由端。

由此，舌部接收到排气的热时，舌部向自由端侧热膨胀，能够释放舌部上产生的热应力，因此不容易在舌部上产生裂缝。

根据这种结构的排气涡轮增压器，能够降低流入涡轮容纳室内的排气流的速度偏差，提高效率。

附图说明

图1是表示本发明一个实施方式的排气涡轮增压器的结构的纵剖视图。

图2是表示本发明一个实施方式的排气涡轮增压器的排气涡轮装置的结构的轴向正交剖视图。

图3是沿图2的A-A向的剖视图。

图4是沿图2的B-B向的剖视图。

图5是表示隔热板上没有突出部时的涡状流路中排气的流速分布的图。

图6是表示本发明一个实施方式的排气涡轮增压器的涡状流路中排气的流速分布的图。

具体实施方式

以下参照附图对本发明的实施方式进行说明。

如图1所示，排气涡轮增压器1具有设在内燃机的排气排出路径上并由排气驱动的排气涡轮装置2、以及被排气涡轮装置2驱动而将外部气体压送到内燃机燃烧室的压气机3。

排气涡轮装置2具有：在内部设有涡状流路S以及与该涡状流路S的最内周部连接的涡轮容纳室T的排气涡轮壳体6；在涡轮容纳室T的径方向的大致中心部上与涡状流路S的轴线大致平行地设置的排气涡轮7(涡轮叶轮)；在排气涡轮7轴线方向的压气机3侧(后述的轴承壳16侧)与排气涡轮7大致同轴连接的轴8。

如图2所示，涡状流路S的流路重复的部分，即排气涡轮壳体6的涡状流路S中最内周部与位于该最内周部的外周侧的部分，被从最内周部的上游侧向下游侧突出的壁部构成的舌部6a划分。

如图3(沿图2的A-A向的剖视图)所示，该舌部6a由从排气涡轮壳体6的面向压气机3侧的内壁面朝向压气机3侧突出的壁部构成。即，舌部6a在压气机3侧的端部作为自由端。

在此，如图1至图3所示，在本实施方式中，涡状流路S形成为将涡轮容纳室T从径向外侧卷绕的形状。即，在本实施方式中，排气涡轮装置2构成为从排气涡轮7的径向外侧沿着直径方向供给排气的结构(径流式涡轮机)。排气涡轮装置2也可以构成为：涡状流路S比排气涡轮7向压气机3侧错开设置，从相对于排气涡轮7的径向倾斜的方向提供排气(斜流式涡轮机)。

如图1所示，压气机3具有：内部形成有涡状流路的压气机涡管11；以及设在压气机涡管11的径向大致中心部的压气机叶轮12。

排气涡轮装置2的排气涡轮7和压气机3的压气机叶轮12由轴8大致同轴地连接。在排气涡轮壳体6和压气机涡管11之间，临近该排气涡轮壳体6和压气机涡管11设有轴承壳16。

在排气涡轮壳体6中，在与轴承壳16的连接部侧设有与涡轮容纳室T相通的开口部6b。轴承壳16在将排气涡轮壳体6侧的端部插入排气涡轮壳体6的开口部6b内的状态下与排气涡轮壳体6结合。

在轴承壳16中设有：对轴8进行支撑使其可绕轴线旋转的轴承17；以及向轴承17供给润滑油的润滑系统18。

如图1至图4(沿图2的B-B向的剖视图)，在排气涡轮壳体6和轴承壳16之间安装有隔热板21。隔热板21构成涡状流路S的内壁面中涡轮容纳室T的入口附近部分的一部分。在本实施方式中，如图2所示，隔热板21在涡状流路S的舌部6a附近设有向径向外侧伸出的伸出部D。该伸出部D如图4所示，构成涡状流路S内壁面中与舌部6a的突出端相对的部位。

如图1、图3及图4所示，隔热板21形成为大致有底圆筒形状，该大致有底圆筒形状具有大致圆板部21a以及从该大致圆板部21a的外周边朝向大致圆板部21a轴线方向的一方竖起的大致圆筒部21b。

隔热板21，使大致圆板部21a与排气涡轮7相邻配置，并插入排气涡轮壳体6的开口部6b内。

在大致圆筒部21b的前端设有外凸缘21c，隔热板21通过将该外凸缘21c夹在排气涡轮壳体6和轴承壳16之间，进行定位并固定。

在大致圆板部21a的径向大致中央部上设有开口部21d，轴8穿过该开口部21d。在开口部21d上嵌合有轴承壳16的排气涡轮壳体6侧的端部，由此，隔热板进行定位并被固定。

在本实施方式中，大致圆板部21a的周边部从径向外侧开始朝向径向内侧逐渐向轴线方向的另一方突出地倾斜。比大致圆板部21a的周边部更靠径向内侧的区域，从径向外侧开始朝向径向内侧逐渐向轴线方向的一方倾斜。

在涡状流路S的内壁面中由隔热板21构成的部分作为比上游部更向流路内侧突出的突出部22。在本实施方式中，突出部22由大致圆板部21a的周边部构成。

将该突出部22的突出方向上的涡状流路S的宽度设为2L，将突出部22的突出量设为X时，0.08235L≤X≤0.6983L。

这样构成的排气涡轮增压机1通过将从内燃机排出的排气流送入排气涡轮装置2，旋转驱动排气涡轮7。这样，通过旋转驱动排气涡轮7，与排气涡轮7连接的压气机叶轮12被旋转驱动，利用压气机3进行外部气体的压送。

在该排气涡轮增压器1中，在排气涡轮装置2的涡状流路S的内壁面中涡轮容纳室T的入口附近部分的一部分由与排气涡轮壳体6分离的部件、即隔热板21构成。由该隔热板21构成的部分作为比上游部更向流路内侧突出的突出部22。

由此，在涡状流路S内流通的排气中，沿着涡状流路S的内壁面形成的边界层(排气流中相对于主流速度产生速度损失的部分)在到达突出部22时被推向流路内侧，该边界层的气流被加速。

具体来说，在没有设置突出部22的排气涡轮增压器中，在涡状流路S的内壁面附近，由于与内壁面的摩擦，排气流的流速降低(参照图5的流速分布图)。由此，在涡状流路S的内壁面附近形成相对于排气流的主流速度产生速度损失的边界层。

与此相对，在本实施方式的排气涡轮增压器1中，沿着涡状流路S的内壁面形成的边界层在到达突出部22时被推向流路内侧，该边界层的气流被加速(参照图6的流速分布图)。

由此，能够降低流入涡轮容纳室T内的排气流的速度偏差，因此本实施方式的排气涡轮增压器1中，排气涡轮装置2的效率高。

在此，为了使排气的流动顺利进行，提高排气涡轮装置2的效率，排气涡轮壳体6的内部形状要求较高的形状精度。

但是，在一般的排气涡轮增压器中，排气涡轮壳体由铸造而成，需要在要求较高形状精度的部分进一步进行机械加工。并且，排气涡轮壳体的形状是三维变化的复杂形状，因此很难机械加工。

对此，在上述本发明的排气涡轮增压器1中，设在涡状流路S内壁面的突出部22由与排气涡轮壳体6分离的部件、即隔热板21构成。因此，可以通过冲压加工等任意整形方法对隔热板21进行整形，由此能够容易地制作出形状精度高的突出部22。

因此，本实施方式的排气涡轮增压器1能够使涡状流路S的内部形状保持高精度，并可以容易且低成本地进行制造。

在本实施方式的排气涡轮增压器1中，在上述突出部22的突出方向上的涡状流路S的宽度设为2L，突出部22的突出量设为X时，0.08235L≤X≤0.6983L。

根据指数规则，具体来说即1/7乘方速度分布式(U＝U*(X/L)^1/7，U为流速，U*为主流的流速，X为距壁面的距离、L为至流路中心的距离)近似求出的涡状流路S内排气流的速度分布中，相对于排气流的主流速度的速度损失不满30％的区域是从涡状流路S的内壁面离开超过0.08235L的区域。同样地，相对于排气流的主流速度的速度损失不满5％的区域是从涡状流路S的内壁面离开超过0.6983L的区域。

因此，如上所述，通过将突出部22的突出量X设定为0.08235L以上，将流过比涡状流路S的中心更靠隔热板21侧的排气流中速度损失超过主流速度的30％的部分推向流路内侧并使其加速。其结果将排气流的流速偏差降低到30％以下。在这种情况下，突出部22堵塞涡状流路S的流路截面积的约4.1％。

同样地，通过将突出部22的突出量X设定为0.6983L，将流过比涡状流路S的中心更靠隔热板21侧的排气流中速度损失超过主流速度5％的部分推向流路内侧并使其加速。其结果将排气流的流速偏差降低到5％以下。

另一方面，将突出部22的突出量X设在0.080L时，突出部22堵塞涡状流路S的流路截面积的34.9％。如果再增加突出部22的突出量X，则很可能无法充分确保供给排气涡轮7的排气流量。

因此，优选将突出部22的突出量X设在0.08235L≤X≤0.6983L。

突出部22的突出量可以根据排气涡轮增压器1所要求的性能、例如排气流流速的偏差的容许量和供给排气涡轮7的排气的流量的下限值，适当进行选择。

例如，相对于排气流的主流速度的速度损失不满20％的区域是从涡状流路S的内壁面离开超过0.2097L的区域，因此通过将突出部22的突出量X设在0.2097L≤X≤0.6983L，能够将排气流流速的偏差抑制在20％以下。在这种情况下，突出部22堵塞涡状流路S的流路截面积的大约10.5％。

同样地，相对于排气流的主流速度的速度损失不满15％的区域是从涡状流路S的内壁面离开超过0.3206L的区域，因此通过将突出部22的突出量X设在0.3206L≤X≤0.6983L，能够将排气流流速的偏差抑制在15％以下。在这种情况下，突出部22堵塞涡状流路S的流路截面积的大约16.5％。

在此，在一般的排气涡轮增压器中，排气涡轮壳体由铸造而成。因此涡状流路和涡轮容纳室一体形成，涡状流路和涡轮容纳室是由跨越排气涡轮壳体的面向轴承壳侧的内壁面和轴承壳侧的内壁面的分隔壁划分的构成。

在这种结构的排气涡轮壳体中，在划分涡状流路和涡轮容纳室的分隔壁中，构成涡状流路和涡轮容纳室的连接部附近部分的舌部上，离开轴承壳一侧的端部和轴承壳侧的端部二者成为固定端。

因此，舌部接收到排气的热，无法释放舌部产生的热应力，长时间使用排气涡轮增压器时，舌部上会产生裂缝。

对此，在本实施方式的排气涡轮增压器1中，舌部6a划分排气涡轮壳体6的涡状流路S中最内周部和位于最内周部的外周侧的部分，上述舌部6a由从排气涡轮壳体6的面向压气机3侧(轴承壳16侧)的内壁面朝向该压气机3突出的壁部构成，隔热板21构成涡状流路S的内壁面中与舌部6a的突出端相对的部位。

由此，舌部6a的压气机3侧的端部为自由端，舌部6a接收到排气的热时，舌部可以向自由端侧热膨胀，由此能够释放舌部6a上产生的热应力，因此不容易在舌部6a上产生裂缝。

Claims (4)

1.一种排气涡轮增压器，具有：

排气涡轮壳体，在内部设有涡状流路及与该涡状流路的最内周部连接的涡轮容纳室；

排气涡轮，在所述涡轮容纳室内与所述涡状流路轴线平行地设置；

轴，与该排气涡轮的轴线方向上的一方同轴连接；

轴承壳，相对于所述排气涡轮壳体，与所述排气涡轮的所述轴线方向的一方相邻配置；

轴承，设在该轴承壳内，支撑所述轴并使其可绕轴线旋转；和

隔热板，安装在所述排气涡轮壳体和所述轴承壳之间，

该隔热板构成所述涡状流路的内壁面中所述涡轮容纳室入口附近部分，其特征在于，

在所述涡状流路的内壁面中由所述隔热板构成的部分，是比上游部更向流路内侧突出的突出部。

2.根据权利要求1所述的排气涡轮增压器，

在所述突出部的突出方向上的所述涡状流路的宽度设为2L，所述突出部的突出量设为X时，0.08235L≤X≤0.6983L。

3.根据权利要求1所述的排气涡轮增压器，

舌部划分所述排气涡轮壳体的所述涡状流路中最内周部和位于该最内周部的外周侧的部分，所述舌部由从所述排气涡轮壳体的面向所述轴承壳侧的内壁面朝向该轴承壳突出的壁部构成，

所述隔热板构成所述涡状流路的内壁面中与所述舌部的突出端相对的部位。

4.根据权利要求2所述的排气涡轮增压器，

舌部划分所述排气涡轮壳体的所述涡状流路中最内周部和位于该最内周部的外周侧的部分，所述舌部由从所述排气涡轮壳体的面向所述轴承壳侧的内壁面朝向该轴承壳突出的壁部构成，

所述隔热板构成所述涡状流路的内壁面中与所述舌部的突出端相对的部位。

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