JP2014118867A - Turbocharger - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はタービンハウジング内に排気ガスを旋回させてタービンホイールを回転させるターボチャージャに関し、特にタービンハウジングの遮蔽性および熱応答性を高めることができるターボチャージャに関する。 The present invention relates to a turbocharger that rotates a turbine wheel by swirling exhaust gas into a turbine housing, and more particularly, to a turbocharger that can improve shielding performance and thermal response of the turbine housing.
自動車の内燃機関等に用いられる排気ターボチャージャにおいては燃焼室から排気された排気ガス流をタービンハウジングのスクロール部で渦巻き状に旋回させた後、そのガス流によりタービンハウジングに収容されるタービンホイールを回転させてタービンホールの下流側に排出させている。従って、排気ガス流によりタービンハウジングおよびその内部に収容されるタービンホイールは高温に加熱されることになる。 In an exhaust turbocharger used in an automobile internal combustion engine or the like, an exhaust gas flow exhausted from a combustion chamber is swirled in a scroll portion of a turbine housing, and then a turbine wheel accommodated in the turbine housing is caused by the gas flow. It is rotated and discharged to the downstream side of the turbine hole. Therefore, the turbine housing and the turbine wheel accommodated therein are heated to a high temperature by the exhaust gas flow.
ところで、タービンハウジングは一般に鋳造により厚肉に形成されており、厚肉に設定することにより、タービンハウジングの剛性が高められ、損傷した内部部品が外部に飛び出すことを防止する遮蔽性(コンテイメント性)が確保されている。
一方、厚肉のタービンハウジングを採用することにより、タービンハウジングの熱容量がその内部で回転するタービンホイールの熱容量より大きいことがあり、タービンホイールの動翼部の外周端縁部に微小なクリアランス(チップクリアランス)を隔てて接近するシュラウド部がタービンホイールより遅れて熱変形することになる。
具体的には高温の排気ガス流がタービンハウジング内を通過することにより、タービンホイールもその外側のシュラウド部も外側に広がろうとする熱変形を起こすことになる。
一般に、タービンホイールの動翼部の板厚が1〜2ミリ単位の部品で構成されるのに対し、タービンハウジングの内周部を形成するシュラウド部は10ミリ以上の肉厚を有しており、シュラウド部の熱容量がタービンホイールの熱容量よりも大きくなる。従って、高温の排気ガス流がタービンハウジング内を通過することにより、熱容量の小さいタービンホイールが熱容量の大きいシュラウド部より先に温度上昇して外側に広がろうとする熱変形を起こし、予め適切に設定された初期リアランスが狭くなり、接触リスクが高くなることが予想される。
By the way, the turbine housing is generally formed thick by casting. By setting the thickness to be thick, the rigidity of the turbine housing is increased, and the shielding property (containment property) that prevents damaged internal parts from jumping out to the outside. ) Is secured.
On the other hand, by adopting a thick-walled turbine housing, the heat capacity of the turbine housing may be larger than the heat capacity of the turbine wheel rotating inside, and a small clearance (chip) is formed at the outer peripheral edge of the rotor blade part of the turbine wheel. The shroud portion approaching through the clearance) is thermally deformed later than the turbine wheel.
Specifically, when a high-temperature exhaust gas flow passes through the turbine housing, the turbine wheel and the outer shroud portion of the turbine wheel undergo thermal deformation that tends to spread outward.
In general, the blade thickness of the rotor blade part of the turbine wheel is composed of parts of 1 to 2 mm, whereas the shroud part forming the inner peripheral part of the turbine housing has a thickness of 10 mm or more. The heat capacity of the shroud portion becomes larger than the heat capacity of the turbine wheel. Therefore, when a high-temperature exhaust gas flow passes through the turbine housing, the turbine wheel having a small heat capacity rises in temperature before the shroud portion having a large heat capacity and tends to spread outward, and is appropriately set in advance. It is expected that the initial rearrangement will be narrowed and the risk of contact will increase.
今後、エンジンの高出力化、高応答性への対応に、排気ガス温度が850℃から1000℃まで上昇するため熱変形や破損リスクが高まる。熱変形や破損リスクの対応が急務となっている。また、ターボチャージャの性能要求に伴いアクセルを踏んだ後速やかにターボが起動することが求められており、ターボの起動が短時間で行われることによる過渡的な熱変形や破損リスクが高まる。従って、タービンハウジングには遮蔽性を確保しつつ早い熱応答性が求められている。 In the future, the exhaust gas temperature will increase from 850 ° C. to 1000 ° C. in order to cope with higher engine output and higher responsiveness, so the risk of thermal deformation and breakage will increase. There is an urgent need to deal with the risk of thermal deformation and damage. In addition, the turbocharger is required to start immediately after the accelerator is depressed in accordance with the performance requirements of the turbocharger, and the risk of transient thermal deformation and damage due to the start-up of the turbo is increased in a short time. Accordingly, the turbine housing is required to have quick thermal response while ensuring shielding.
また、タービンハウジングの薄肉化のために特許文献2のように互いに空間部を隔てた二重壁構造を採用することはタービンハウジングの重量化、構造の複雑化を招く問題があった。
そこで、本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、タービンンハウジングの遮蔽性及び熱応答性に優れたターボチャージャを提供することを目的とする。
In addition, adopting a double wall structure in which a space portion is separated from each other as in Patent Document 2 in order to reduce the thickness of the turbine housing has a problem of increasing the weight of the turbine housing and complicating the structure.
Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a turbocharger excellent in shielding performance and thermal response of a turbine housing.
前記課題を解決するために、本発明はタービンハウジング内に排気ガス流の旋回流を形成する渦巻状のスクロール部と、前記タービンハウジング内に収容され排気ガス流により回転するタービンホイールと、前記タービンハウジングの内周部を形成するシュラウド部と、該シュラウド部を構成するとともにタービンホイールの動翼外周縁部に微小のクリアランスを隔てて接近して設けられる板状の受熱体と、該受熱体の背面部に前記スクロール部内の前記排気ガス流を導入して受熱体を背面部から加熱する排気ガス流導入部とを備えたことを特徴とする。
この構成によれば、板状の受熱体のタービンホイール側の面部が排気ガス流により加熱されると共に、背面部側も排気ガス流導入部に導入された排気ガス流により加熱されることにより、大きな受熱面積を得ることができる。従って、シュラウド部の温度上昇が早まり、シュラウド部の熱応答を早めることができる。さらに、ターボ起動時にタービンホイールがタービンハウジングに近づき、初期クリアランス以上に近づいて接触することを防止できる。
In order to solve the above-described problems, the present invention provides a spiral scroll portion that forms a swirling flow of an exhaust gas flow in a turbine housing, a turbine wheel that is housed in the turbine housing and rotates by the exhaust gas flow, and the turbine A shroud portion that forms an inner peripheral portion of the housing, a plate-shaped heat receiving member that constitutes the shroud portion and is provided close to the outer peripheral edge of the moving blade of the turbine wheel with a small clearance therebetween, and An exhaust gas flow introduction section that introduces the exhaust gas flow in the scroll section and heats the heat receiving body from the back surface section is provided on a back surface section.
According to this configuration, the surface portion on the turbine wheel side of the plate-shaped heat receiving body is heated by the exhaust gas flow, and the back surface side is also heated by the exhaust gas flow introduced into the exhaust gas flow introduction portion. A large heat receiving area can be obtained. Therefore, the temperature rise of the shroud portion is accelerated, and the thermal response of the shroud portion can be accelerated. Furthermore, it is possible to prevent the turbine wheel from approaching the turbine housing at the time of turbo startup and coming closer to the initial clearance or more.
本発明において好ましくは前記受熱体は筒形状を有し排気ガス流の下流端部をタービンハウジングの内周部に固着し上流端部が拡縮自在に変形するように構成するとよい。
この構成によれば、タービンホイールが外側に熱変形を起こしても筒形状の受熱体が外側に熱変形して逃げるため、タービンホイールがシュラウド部に近づき難くなり、接触リスクを未然に回避できる。
In the present invention, preferably, the heat receiving body has a cylindrical shape, and a downstream end portion of the exhaust gas flow is fixed to an inner peripheral portion of the turbine housing, and the upstream end portion is deformable to be expandable and contractable.
According to this configuration, even if the turbine wheel is thermally deformed to the outside, the cylindrical heat receiving body is thermally deformed to the outside and escapes, so that the turbine wheel is difficult to approach the shroud portion, and a contact risk can be avoided.
本発明において好ましくは前記スクロール部の周縁部に周方向に補強部を有するとよい。
この構成によれば、補強部によりスクロール部の剛性が高められ、薄肉のタービンハウジングでも高い遮蔽性を得ることができる。
In the present invention, it is preferable to have a reinforcing portion in the circumferential direction at the peripheral portion of the scroll portion.
According to this configuration, the rigidity of the scroll portion is enhanced by the reinforcing portion, and high shielding properties can be obtained even with a thin turbine housing.
本発明において好ましくは前記補強部が断面が波状に湾曲した凹凸部により構成するとよい。
この構成によれば、波状に湾曲した凹凸部によりスクロール部の剛性を高めることができると共に、波状に湾曲した凹凸部であってもスクロール部の鋳造成型時にこれと一体成型することにより簡単に形成できる。
In the present invention, it is preferable that the reinforcing portion is constituted by an uneven portion having a wavy cross section.
According to this configuration, the rigidity of the scroll portion can be increased by the wavy curved uneven portion, and even the wavy curved uneven portion can be easily formed by integrally molding it with the scroll portion when casting. it can.
本発明において好ましくはタービンハウジングが溶接接合されるべく前記スクロール部とシュラウド部とに分割され、シュラウド部の端部をスクロール部内側に露出させて前記受熱体が形成されるように、スクロール部の接合下端部をシュラウド部の外周部に接合するとよい。
この構成によれば、スクロール部とシュラウド部との接合時にこれと同時に受熱体を形成でき、組み立て性が向上する。
In the present invention, preferably, the turbine housing is divided into the scroll portion and the shroud portion to be welded, and the heat receiving body is formed by exposing the end portion of the shroud portion to the inside of the scroll portion. The joining lower end portion may be joined to the outer peripheral portion of the shroud portion.
According to this configuration, the heat receiving body can be formed simultaneously with the joining of the scroll portion and the shroud portion, and the assemblability is improved.
以上説明したように本発明によれば、タービンハウジングを薄肉化してもタービンハウジングの遮蔽性と熱応答性とを同時に確保することができる。 As described above, according to the present invention, even if the turbine housing is thinned, it is possible to simultaneously ensure the shielding property and thermal response of the turbine housing.
以下、本発明に係るターボチャージャの実施形態について詳細に説明する。
ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定の記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明にすぎない。
Hereinafter, embodiments of a turbocharger according to the present invention will be described in detail.
However, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, and the like of the component parts described in this embodiment are not intended to limit the scope of the present invention only to the description unless otherwise specified. Absent.
(第1実施形態)
図1に示すように、本発明に係るターボチャージャ11にあってはコンプレッサハウジング12が設けられ、このハウジング12内には給気のためのコンプレッサインペラ13が回転自在に収容されている。また、ターボチャージャ11の給気側にはタービンハウジング14が設けられていると共に、タービンハウジング14内に排気ガス流Gにより回転するタービンホイール15が回転中心線Kを中心に回転自在に支持されて収容されている。
(First embodiment)
As shown in FIG. 1, a
図2に示すように、タービンハウジング14には排気ガス流Gを旋回させて旋回流を形成するためのスクロール部16が形成されると共に内周部にはタービンホイール15の外周縁部17を覆うようにしてシュラウド部18が形成されている。従って、エンジンの燃焼室から排気された排気ガス流Gがスクロール部16内で旋回されて、タービンホイール15を回転させることにより、シュラウド部18を含むタービンハウジング14及びタービンホイール15は高温に温度上昇することになる。
As shown in FIG. 2, the
特に、本発明にあっては薄肉のシュラウド部18が形成されと共に、このシュラウド部18にはシェラウド18を構成する板状の受熱体31が設けられる。この受熱体31はタービンホイール15の動翼部17の外周縁部に微小のリアランス(チップクリアランス)Cを隔てて設けられる。また、受熱体31の背面部にはスクロール部16内の排気ガス流Gを引き込んで導入する排気ガス流導入部32が形成される。具体的には受熱体31の背面部に十分な排気ガス流Gが引き込まれて導入されるようにスクロール部16内に大きく開放された排気ガス流導入部32が形成されている。
In particular, in the present invention, a thin-
このようにシュラウド部18に板状の受熱体31が設けられることにより、排気ガス流Gの排気ガス熱により受熱体31が加熱昇温され、シュラウド部18の温度上昇が早められることになる。従って、排気ガス流Gによりタービンホイール15が加熱されて熱変形したときにその外側にシュラウド部18が直ちに外側に広がるように熱変形することになり、タービンホイール15の動翼部17の外周縁部が異常接近してクリアランスCが狭くなることを回避できる。
Thus, by providing the plate-shaped
特に、受熱体31のタービンホイール15側の側面が排気ガスGにより加熱されると共に、図中矢印で示すように排気ガス導入部32に導入された排気ガス流Gの排気ガス熱により受熱体31の背面側にも加熱されることにより、受熱体31の両面部がシュラウド部18を外側に熱変形させるための受熱面となる。従って、受熱体31に背面部の受熱面が加わることにより、シュラウド部18を速やかに加熱昇温させるための大きな受熱面積を得ることができ、シュラウド部18の熱応答性を高めることができる。
In particular, the side surface of the
(第2実施形態)
図3及び図4は第2実施形態を示すものである。図示するように、タービンハウジング14の内周部にはタービンホイール15を覆うように排気ガス流Gの排気通路を形成するガイド部35が形成され、ガイド部35にはタービンホイール15の動翼部17の外周縁部に微小なクリアランスCを隔てて接近してシュラウド部を構成する板状の受熱体41が形成されると共に、その受熱体41の背面部に排気ガス流Gを導入する排気流ガス導入部42が形成される。
(Second Embodiment)
3 and 4 show a second embodiment. As shown in the figure, a
図4に示すように、受熱体41はタービンホイール15の変形を許容すべくステンレス等の薄肉の筒体形状を有し、その排気ガス流Gの下流側端部がガイド部35に固着され、上流端部が拡縮自在に変形するように構成されている。従って、排気ガス流Gにより、図中矢印で示すように受熱体41のタービンハウジング14側の側面が加熱されると共に、排気ガス流導入部42から導入される排気ガス流Gにより受熱体41の背面部も同時に加熱されることになる。両面部が加熱されることにより、受熱体41は固着部43を支点に径方向外側に直ちに熱変形を起こし、これに近づこうとするタービンホイール15の熱変形に対して外側に逃げようとする熱変形となり、タービンホイール15の動翼部17の外周端縁部との接触を有効に回避できる。
As shown in FIG. 4, the
万一、タービンホイール15が大きな熱変形や急激な熱変形により受熱体41に多少接触しても受熱体41が薄い板材により形成されており、固着部43を支点に弾性変形する受熱体41がタービンホイール15の熱変形を吸収することができる。従って、タービンホイール15の動翼部17と受熱体41との間に微小なクリアランス(チップクリアランス)Cを予め形成し、タービンホイール15の動翼部17の外周縁部とタービンハウジング14のガイド部35との間には受熱体41の熱変形を許容するためにクリアランスCよりも広いクリアランスHを形成することになる。
Even if the
図5は縦軸に温度、横軸に時間をとり、タービンハウジングの従来例と本発明との熱応答特性を比較したものを示す。図示する如く、タービンホイール15の温度上昇(太い波線)に対し、従来のタービンハウジングの温度上昇(細い波線)よりも本発明のタービンハウジング15の温度上昇(実線)はタービンホイールの温度上昇の近くに移動していることが解析結果として得られた。即ち、受熱体31,41の両面部が排気ガス流Gにより同時に加熱されるために高い熱応答性が得られたことを示す。
FIG. 5 shows a comparison between the thermal response characteristics of the conventional turbine housing and the present invention, with the vertical axis representing temperature and the horizontal axis representing time. As shown in the figure, the temperature rise (solid line) of the
(第3実施形態)
また、図6に示すように、スクロール部16の周縁部に形成されたフラット部51には剛性を高めるために補強部52が形成される。この補強部52は互いに所定の離間距離を隔ててフラット部51の外周部に沿って周方向に取り付けられた2本のビード53により構成されている。このようにフラット部51にビード53を形成したことによりスクロール部16の剛性が高められ、板金製の薄肉のタービンハウジング14を採用しても高い遮蔽性を得ることができる。
(Third embodiment)
Further, as shown in FIG. 6, a reinforcing
(第4実施形態)
図7はスクロール部16の周縁部のフラット部51に補強部52の他の実施形態として凹凸部54を周方向に形成したものである。図示するように、断面が交互に互い違いに湾曲されて波形に形成された凹凸部54が形成される。波状に形成された凹凸部54によりスクロール部16の剛性を高めることができる。また、凹凸部54のように交互に互い違いに湾曲するような複雑な形状であってもタービンハウジング14を鋳造成型するときにスクロール部16と共に一体的に形成することにより簡単に形成できる。
(Fourth embodiment)
FIG. 7 shows an
(第5実施形態)
図6及び図7のシュラウド部18及びスクロール部16が鋳造により一体成型されて形成されるのに対し、図8はシュラウド部18とスクロール部16とを切り離して互いに別箇独立して成形し、これらを互いに突き合わせて溶接接合したものである。
図示する如く、タービンハウジング14がシュラウド部18とスクロール部16とに分割されると共に、シュラウド部18の端縁部をスクロール部16内に露出させた状態で受熱体31及び排気ガス導入部32が形成されるように、スクロール部16のフランジ形の接合下端部61をシュラウド部18の外周部に溶接接合したものである。従って、溶接接合と同時に受熱体31を形成することができ、組立性を向上できる。
(Fifth embodiment)
6 and 7 are formed by integrally molding the
As shown in the figure, the
排気ガス流によるタービンハウジングの温度上昇や熱変形に対応することができるターボチャージャに用いられるとよい。 It is good to use for the turbocharger which can respond to the temperature rise and thermal deformation of the turbine housing due to the exhaust gas flow.
14 タービンハウジング
15 タービンホイール
16 スクロール部
17 動翼外縁部
18 シュラウド部
31、41 受熱体
32、42 排気ガス流導入部
53 補強部
54 凹凸部
C 微小クリアランス
G 排気ガス流
14
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2012
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