(57)【要約】本発明のターボ過給機のタービンハウジングは、ハウジングの半径方向の端部にある排気ガス入口フランジ、および軸方向の端部にある排気ガス出口を有する、概ね円形の本体を備える。入口フランジは、壁仕切板によって分離され、それによってＸ形パターンを形成する２つのボリュートへの開口部を有するように構成される。入口フランジは、さらに、丸みを付けた非一様の厚さの壁を有するように構成される。ボリュートは、非一様の形状およびサイズを有するように構成され、壁仕切板は、ハウジングを通って入口フランジから遠ざかるにつれてボリュートの間の面積が小さくなるように構成される。ボリュートは、タービンハウジングを通って移動すると、互いに非一様の形状およびサイズを有するように構成される。このような構成により、本発明のターボ過給機のタービンハウジングは、一過性の熱負荷から生じる熱応力の影響を最小限に抑える働きをする。
2005503508.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボ過給機のタービンを容れるために使用するタービンハウジングであって、
ハウジングの半径方向の一端にある排気入口、ハウジングの軸方向の一端にある排気出口、および、概ね円形である中心ハウジングに取り付けるために前記排気出口とは反対側のハウジングの軸方向の一端にあるＶバンドフランジと、
前記ハウジング内に配置され、前記排気入口および排気出口とガス流連通し、壁仕切板によって互いに分離されている、１対のボリュートと、
前記排気入口に配置されたフランジとを備え、前記１対のボリュートが、前記排気入口で、Ｘ形パターンを形成する前記壁仕切板に関して互いに対称であるタービンハウジング。
【請求項２】
前記Ｖバンドフランジに隣接する前記ボリュートの鋳造壁が、前記Ｖバンドフランジに実質的に平行である、請求項１に記載のタービンハウジング。
【請求項３】
前記ボリュートのサイズおよび形状が、タービンハウジングを通って前記排気入口から遠ざかるにつれて互いに変化する、請求項１に記載のタービンハウジング。
【請求項４】
第１のボリュートが第２のボリュートと比較して半径方向の寸法が大きくなり、前記第２のボリュートが前記第１のボリュートと比較して軸方向の寸法が大きくなる、請求項３に記載のタービンハウジング。
【請求項５】
前記ボリュートの間の前記壁仕切板が、前記タービンハウジングを通って前記排気入口から遠ざかるにつれて面積が小さくなる、請求項２に記載のタービンハウジング。
【請求項６】
前記ハウジング内の１点で、前記１対のボリュートが共通のチャネルを介して互いに合併される、請求項２に記載のタービンハウジング。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にターボ過給機の分野に関し、より詳細には、上昇する動作排気温度による熱応力に関連する亀裂を低減するように、特に設計されたターボ過給機のタービンハウジングに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガソリンおよびディーゼル内燃機関のためのターボ過給機は、当技術分野では周知の装置であり、機関から出る排気ガスの熱および体積流量を使用して、機関の燃焼室に送られる吸気流に圧力またはブースト圧力を加えるために使用されるものである。具体的には、機関から出る排気ガスは、ハウジング内で排気ガス駆動式タービンを回転させるように、ターボ過給機のタービンハウジング内に送られる。排気ガス駆動式タービンは、シャフトの反対側の一端に取り付けられた遠心空気圧縮機と共通のシャフトの一端に取り付けられ、圧縮機ハウジング内に収容される。したがって、タービンの回転作用で、空気圧縮機も排気ハウジングとは別のターボ過給機の圧縮機ハウジング内で回転させる。空気圧縮機の回転作用で、吸気を圧縮機ハウジングに入れ、吸気を燃料と混合する前に、所望の範囲で加圧し、またはブースト圧力を加えて、機関の燃焼室内で燃焼させる。タービンハウジングおよび圧縮機ハウジングは、それぞれタービンと圧縮機の間に延びる共通シャフトを回転可能に収容する共通のターボ過給機の中心ハウジングに取り付けられる。
【０００３】
従来、タービンハウジングは、排気入口フランジを介して機関排気枝管に連結されて、機関燃焼室から出る排気ガスを受ける。タービンハウジング内に向けられた排気ガスは、入口排気フランジを介して入り、タービンハウジング内の通路またはボリュート内に向けられる。ボリュートは、一般に、タービンハウジングを通る渦巻きまたは円形の通路を画定し、タービンハウジングは、排気ガスを半径方向に内向きに、中心に取り付けたタービンに向け、タービンを回転させるように設計されている。
【０００４】
当技術分野で周知のタービンハウジングは、分岐したボリュートの構成を持つことができ、そのため、ハウジングを通るボリュートは、部分的仕切板によって分岐される。さらに、当技術分野で周知のタービンハウジングは、方形にされ厚さが一様でない、排気入口フランジを画定する壁を備える。知られているように、こうした従来のタービンハウジングの設計のターボ過給機は、熱応力および熱応力に関連する亀裂を発生させる傾向がある。こうしたタービンハウジングの熱応力に関連する亀裂は、すべてではないとしても一部には、正常な動作中にターボ過給機にかかる一過性の熱負荷に対する、こうした従来設計の特徴である反応によって生じると考えられる。こうしたタービンハウジングの温度ひび割れは、ターボ過給機からのガス漏れ／流出を招き、そのためターボ過給機効率が低下するだけでなく、周囲環境にもたらされた余分な熱に関連する機関の問題、および機関のコンパートメント／補助機関構成部品の問題が生じる可能性がある。燃料タイミングを遅らせてＮＯＸの排出を低減し、機関定格を大きくすることによって、より高い排気温度をもたらす現在の機関操作傾向から、タービンハウジングの亀裂の問題は一層重要性が増すものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、ターボ過給機は、熱応力に関連する亀裂の可能性を最小限にし、かつ／またはなくすように設計されたタービンハウジングを備えて構成されることが望ましい。こうしたタービンハウジングは、既存のターボ過給機の部品で改装可能であり、改装部品を適用し易くすることが望ましい。さらに、こうしたタービンハウジングは、他のターボ過給機の性能特性、たとえばターボ過給機効率に悪影響を与えずに、所望の結果を達成するように構成されることが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の原理によって構築されたターボ過給機のタービンハウジングは、ハウジングの半径方向の端部にある排気ガス入口フランジ、および軸方向の端部にある排気ガス出口を有する、概ね円形の本体を備える。従来のターボ過給機のタービンハウジングとは違い、この入口フランジは、壁仕切板によって分離され、Ｘ形パターンを形成する（したがってハウジングを通る２つのボリュートを形成する）２つの開口部を有するように構成される。入口フランジおよびボリュートは、さらに、Ｖバンドフランジ、およびＶバンドフランジに対して実質的に平行に中心ハウジングに取り付けるためのＶバンドフランジから間隔を置いて配置されたＶバンドクランプに隣接するボリュートの壁を持つ、丸みを付けた一様の厚さの壁を有して、切込みを入れた構成を除外するように構成されている。
【０００７】
ハウジング内で入口フランジから離れる方向で移動するにつれて、ボリュートは、非一様／非一定の形状およびサイズで構成され、壁の仕切板は、ボリュートの間で面積が減少するように構成されている。ボリュートは、タービンハウジングを通って排気入口フランジから離れるにつれて、互いにサイズおよび形状が変化する。具体的には、第１のボリュートは、半径方向の寸法が変化し、第２のボリュートは、軸方向の寸法が変化する。ハウジングを通ってさらに移動すると、ボリュートの互いに対する形状の変化が低減し、壁の仕切板が小さくなって、２つのボリュートは共通の通路で互いに合流し、それによって単一の分岐したボリュートが形成される。
【０００８】
このような構成によって、本発明のターボ過給機のタービンハウジングは、一過性の熱負荷から生じる熱応力の影響を最小限にし、それによって、熱応力に関連する亀裂を最小限にし、かつ／またはなくして、ターボ過給機の耐用年数を延ばすように動作することができる。
【０００９】
本発明の上記その他の特徴および利点は、本明細書、特許請求の範囲、および図面の参照により明らかになり、よりよく理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の原理によって構築されたターボ過給機のタービンハウジングは、ターボ過給機の作動中に一過性の熱負荷から生じる熱応力の発生を最小限にし、かつ／またはなくすように特に設計された排気入口フランジおよび排気ガスボリュートを備える。
【００１１】
図１は、排気出口１４を画定し中心に位置する開口部１２を有する、概ね渦巻き形または円形の構成を持つ、本発明のターボ過給機のタービンハウジング１０を示す。機関からの排気ガスを受けるための排気入口フランジ１６は、タービンハウジングの半径方向の端部に配置されている。入口フランジ１６で受けられる排気ガスは、概して、タービンハウジングの内部に向けられ、円形ハウジングに沿って入口ノズルに向かって通過してタービン（図示せず）を回転させる。
【００１２】
図２は、図１の断面２−２に沿ってタービンハウジング１０を示す図である。この図は、ハウジング内に配置され、入口フランジ１６とガス流連通する１対の、または二重ボリュート１８および２０を示す。図２で示したように、ボリュート１８および２０は、ハウジングにわたって一定の断面積またはサイズを有していない。ボリュート１８および２０は、むしろ、ハウジングを通って入口フランジ１６から遠ざかるにつれて断面積またはサイズが小さくなるように構成されている。さらに、ボリュート１８および２０は、それぞれタービンハウジングに沿ったどの位置でも異なる形状をしている。たとえば、ボリュート１８は、ボリュート２０と比較して、概ね半径方向の寸法がより大きく、ボリュート２０は、ボリュート１８と比較して、概ね軸方向の寸法がより大きくなるように形付けられている。
【００１３】
図３は、図１の断面３−３に沿って排気入口フランジ１６を示す。従来のターボ過給機のタービンハウジングと違い、本発明のタービンハウジングは、ボリュート１８および２０を分離する共通のボリュートの壁仕切板２４によって提供される十字またはＸ形の内部設計２２を有する排気入口フランジを備える。残りの図をより良好に示すため、入口フランジからタービンハウジング内に内に向かって移動する際は、壁仕切板２４を消してある。Ｘ形内部設計および消してある壁仕切板は共に、一過性の熱循環によるフランジの負荷に対する主な要因を取り除き、それによって熱応力に関連する亀裂を最小限にし、またはなくす機能を果たすため、本発明の重要な特徴である。
【００１４】
これらの設計の特徴に加えて、入口フランジ１６は、独特の湾曲した壁を有しており、この壁は、熱膨張による機械的負荷をより良好に分配し、熱応力に関連する亀裂を低減し、またはなくす働きをする。入口フランジおよびボリュートに沿ってタービンハウジングの壁も削り取って、より一様の厚さにし、より良好な熱均衡を提供し、接合部の柔軟性を高める。以下に論じるように、ボリュートを関節式にして、制御された熱膨張特性を提供する。
【００１５】
図４ａ〜４ｅは、入口フランジ１６から、図２の頂部で示した断面図付近のハウジング内の位置（すなわち、ボリュートが互いの中に開放されて、単一の分岐したボリュートを形成する前のタービンハウジング内の位置）に向かって移動するにつれて、タービンハウジングを通る様々な位置で、ボリュート１８および２０、ならびに壁仕切板２４の形状がいかに変化するかを示すものである。図４ａは、ボリュート１８および２０が、概ね同様の構造を持ち、壁仕切板２４が、排気入口フランジで所望のＸ形設計を提供しているところを示す。図４ｂは、図４ａから少し離れたところで切り取られたものであり、ボリュート１８が、ボリュート２０と比較した場合に、わずかに大きい垂直または半径方向の寸法を有するところを示す。さらに、壁仕切板２４は、この位置でサイズが縮小し始める。
【００１６】
図４ｃは、図４ｂから少し離れたところで切り取られたものであり、ボリュート１８が、ボリュート２０と比較した場合に、明らかにより大きい垂直または半径方向の寸法を有し、壁仕切板が少し小さくなり、ボリュートの間でより一定の厚さを持ち始めたところを示す。図４ｄは、図４ｃから少し離れたところで切り取られたものであり、ボリュート１８が、ボリュート２０と比較した場合に、垂直方向の寸法がなお拡大し、壁仕切板は、ボリュートの間で概ね一定の厚さを持ち始めたところを示す。図４ｅは、図４ｄから少し離れたところで切り取られたものであり、ボリュート１８が、ボリュート２０の水平に膨らんだ構造と比較した場合に、はっきりと垂直に整列した構造を持つところを示す。さらに、壁仕切板２４はハウジング内のこの点で、ボリュートの間で実質的に一定の壁の厚さを有しており、この壁の厚さは図４ｄで示したものからサイズが縮小していく。
【００１７】
図５ａ〜５ｒは、タービンハウジング内の様々な位置で切り取ったボリュートおよび壁仕切板の断面形状を示しており、ボリュートは、半径方向に内向きに開放されて、排気ガスをタービンに向ける単一の分岐したボリュートになっている（すなわち二重ボリュートが移行し、共通のチャネルを介して合流している）。図５ａは、図２の頂部で全体として示したタービンハウジング内の点にあるボリュートを示しており、ボリュート１８および２０は、もはや壁仕切板２４で完全に分離されておらず、ボリュートは半径方向に内向きに位置する部分に沿って共に合流して、ハウジングの入口ノズル２６を形成している。この点およびこの点から離れたハウジング内の残りの位置では、概して、ボリュートおよび壁仕切板はそれぞれサイズが縮小する。ボリュートのサイズを縮小する必要性は当技術分野では周知であり、排気ガスの流れをタービンハウジング内で半径方向に内向きに向けて、中心に設置したタービンを駆動するために必要であるが、本発明で実施する特別の方法は、不要な熱応力の影響を低減する助けをするものである。
【００１８】
図５ｂ〜５ｋは、ハウジングを通って図５ａからさらに移動すると、それぞれボリュートおよび壁仕切板のサイズがいかに縮小するかを示す。さらに、図５ａから移動すると、ボリュートの形状が変化し、それによって２つのボリュートの間の形状の違いが小さくなる。たとえば、図５ｈを見ると、２つのボリュートは、サイズおよび形状が概ね同一に見える。最後に、図５ｏ〜５ｒは、ボリュートのサイズの最後の縮小を示しており、壁仕切板が、タービンハウジング内で図５ｈの点から移動して、実質的に消滅し、２つのボリュートが実質的に１つに合併されるまでを示している。
【００１９】
本発明の原理による、タービンハウジングおよびボリュートの全般的な構造について、ボリュートは間接式構造を持ち、一過性の熱的膨張の下で概ね半径方向に膨張し、それによってＶバンド領域の周りでの曲げが低減するように設計されている。図２で最も良く見ることができるように、Ｖバンド領域でのボリュートの壁の部分２６は、伝統的な対称の短い張り出した壁ではなく、Ｖバンドクランプ３０に対してフランジ２８に実質的に平行の、細長い概ね垂直に整列した壁を有するように構成されている。この構成は、ボリュートをＶバンドフランジに隣接して鋳造したものに切込みを入れて、フランジおよびクランプを収容する、通常の幾何形状を除外するものである。この切込みを入れる幾何形状を除外することより、熱応力が高まり、こうした幾何形状によって亀裂が生じ易くするのを防ぐ。ボリュートは、比較的低い応力レベルの中心ハウジングにあるフランジ連結部に対して高い応力が生じる、鋳型とボリュートの壁上の領域から除去した機械加工された領域との間の移行部も有するように構成されている。
【００２０】
上記の設計および構造の特徴を備えた、本発明によって構築されたターボ過給機のタービンハウジングは、ターボ過給機の動作中に熱負荷への改善された制御を提供し、それによって熱応力に関連するタービンハウジングへの損傷、たとえば応力亀裂を低減かつ／またはなくし、ターボ過給機の有効耐用年数を延ばすものである。
【００２１】
本発明を特許諸法の要求に応じて詳細に記載したが、当業者には、本明細書で開示した特定の実施形態に対する修正形態および代替形態が認識されよう。こうした修正形態は、本発明の範囲内にあり企図されたものである。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の原理によって構築されたタービンハウジングを示す側面図である。
【図２】図１の断面２−２に沿って切り取られた、図１のタービンハウジングを示す断面図である。
【図３】図１の断面３−３に沿って切り取られた、図１および２のタービンハウジングからの排気入口フランジを示す正面図である。
【図４−ａ】タービンハウジングを通って排気入口フランジから離れた様々な位置で切り取った、図１および２のタービンハウジングを通る排気通路／ボリュートを示す断面図である。
【図４−ｂ】タービンハウジングを通って排気入口フランジから離れた様々な位置で切り取った、図１および２のタービンハウジングを通る排気通路／ボリュートを示す断面図である。
【図４−ｃ】タービンハウジングを通って排気入口フランジから離れた様々な位置で切り取った、図１および２のタービンハウジングを通る排気通路／ボリュートを示す断面図である。
【図４−ｄ】タービンハウジングを通って排気入口フランジから離れた様々な位置で切り取った、図１および２のタービンハウジングを通る排気通路／ボリュートを示す断面図である。
【図４−ｅ】タービンハウジングを通って排気入口フランジから離れた様々な位置で切り取った、図１および２のタービンハウジングを通る排気通路／ボリュートを示す断面図である。
【図５−ａ】図４ａ〜４ｅから続く、タービンハウジングを通して様々な位置で切り取った、図１および２のタービンハウジングを通る排気通路／ボリュートを示す断面図である。
【図５−ｂ】図４ａ〜４ｅから続く、タービンハウジングを通して様々な位置で切り取った、図１および２のタービンハウジングを通る排気通路／ボリュートを示す断面図である。
【図５−ｃ】図４ａ〜４ｅから続く、タービンハウジングを通して様々な位置で切り取った、図１および２のタービンハウジングを通る排気通路／ボリュートを示す断面図である。
【図５−ｄ】図４ａ〜４ｅから続く、タービンハウジングを通して様々な位置で切り取った、図１および２のタービンハウジングを通る排気通路／ボリュートを示す断面図である。
【図５−ｅ】図４ａ〜４ｅから続く、タービンハウジングを通して様々な位置で切り取った、図１および２のタービンハウジングを通る排気通路／ボリュートを示す断面図である。
【図５−ｆ】図４ａ〜４ｅから続く、タービンハウジングを通して様々な位置で切り取った、図１および２のタービンハウジングを通る排気通路／ボリュートを示す断面図である。
【図５−ｇ】図４ａ〜４ｅから続く、タービンハウジングを通して様々な位置で切り取った、図１および２のタービンハウジングを通る排気通路／ボリュートを示す断面図である。
【図５−ｈ】図４ａ〜４ｅから続く、タービンハウジングを通して様々な位置で切り取った、図１および２のタービンハウジングを通る排気通路／ボリュートを示す断面図である。
【図５−ｉ】図４ａ〜４ｅから続く、タービンハウジングを通して様々な位置で切り取った、図１および２のタービンハウジングを通る排気通路／ボリュートを示す断面図である。
【図５−ｊ】図４ａ〜４ｅから続く、タービンハウジングを通して様々な位置で切り取った、図１および２のタービンハウジングを通る排気通路／ボリュートを示す断面図である。
【図５−ｋ】図４ａ〜４ｅから続く、タービンハウジングを通して様々な位置で切り取った、図１および２のタービンハウジングを通る排気通路／ボリュートを示す断面図である。
【図５−ｌ】図４ａ〜４ｅから続く、タービンハウジングを通して様々な位置で切り取った、図１および２のタービンハウジングを通る排気通路／ボリュートを示す断面図である。
【図５−ｍ】図４ａ〜４ｅから続く、タービンハウジングを通して様々な位置で切り取った、図１および２のタービンハウジングを通る排気通路／ボリュートを示す断面図である。
【図５−ｎ】図４ａ〜４ｅから続く、タービンハウジングを通して様々な位置で切り取った、図１および２のタービンハウジングを通る排気通路／ボリュートを示す断面図である。
【図５−ｏ】図４ａ〜４ｅから続く、タービンハウジングを通して様々な位置で切り取った、図１および２のタービンハウジングを通る排気通路／ボリュートを示す断面図である。
【図５−ｐ】図４ａ〜４ｅから続く、タービンハウジングを通して様々な位置で切り取った、図１および２のタービンハウジングを通る排気通路／ボリュートを示す断面図である。
【図５−ｑ】図４ａ〜４ｅから続く、タービンハウジングを通して様々な位置で切り取った、図１および２のタービンハウジングを通る排気通路／ボリュートを示す断面図である。
【図５−ｒ】図４ａ〜４ｅから続く、タービンハウジングを通して様々な位置で切り取った、図１および２のタービンハウジングを通る排気通路／ボリュートを示す断面図である。
【国際公開パンフレット】
2005503508.tif 000003
2005503508.tif 000004
2005503508.tif 000005
2005503508.tif 000006
2005503508.tif 000007
2005503508.tif 000008
2005503508.tif 000009
2005503508.tif 000010
2005503508.tif 000011
2005503508.tif 000012
2005503508.tif 000013
2005503508.tif 000014
2005503508.tif 000015
2005503508.tif 000016
2005503508.tif 000017
2005503508.tif 000018
2005503508.tif 000019
2005503508.tif 000020
2005503508.tif 000021
2005503508.tif 000022
【国際調査報告】
2005503508.tif 000023
2005503508.tif 000024
2005503508.tif 000025