JP2003522310A

JP2003522310A - 二重溝付きタービンハウジングを備えた制御可能な排気ガスターボチャージャ

Info

Publication number: JP2003522310A
Application number: JP2001511322A
Authority: JP
Inventors: エンゲルス，ベルトルト; フォルスター，アルノ; リンゲンナウバー，ローベルト; ヤイスル，イェーネス−ヴォルフ
Original assignee: ボーグワーナー・インコーポレーテッド
Priority date: 1999-05-27
Filing date: 2000-05-24
Publication date: 2003-07-22
Also published as: EP1180198A1; DE19924228A1; WO2000073630A1; DE60039107D1; DE19924228C2; EP1180198B1

Abstract

(57)【要約】排気ガス駆動ターボチャージャ（１）は、共通軸(４)でコンプレッサ（３）を駆動する調整可能な半径流タービン（２）を備えており、複数の渦巻きに設計されたタービンハウジング（５）がタービンホイール（６）を囲んでおり、タービンホイール（６）を環状に取り囲む少なくとも２つの流入口（７ａ、７ｂ）が備えられており、その出口（８ａ、８ｂ）は、少なくとも部分的にはタービンホイール（６）のホイール近接口（９）を取り囲んでおり、互いに軸方向に離れている。環状の軸方向に移動できるカプラ（１５）が、少なくとも１つの流入口（７ａ、７ｂ）の出口（８ａ、８ｂ）を開閉するために設けられているので、タービンの給気圧はその影響を受けることになる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本発明は、請求項１に記載されているように、排気ガス駆動ターボチャージャ
に関するものである。この様な排気ガス駆動ターボチャージャは、１９９１年出
版の自動車技術に関するポケットブック「Ｋｒａｆｔｆａｈｒｔｅｃｈｎｉｓｈ
ｅｓＴａｓｃｈｅｎｂｕｃｈ／Ｂｏｓｈ」２１版、４２０ページ以降に記載が
ある。

【０００２】乗用車用エンジン用の排気ガス駆動ターボチャージャでは、乗用車エンジンの
速度範囲が広いので、できるだけ広い速度範囲で給気圧をほぼ一定に保つため、
排気ガス駆動ターボチャージャを制御する必要がある。先行技術においては、エ
ンジンからの排気ガスの一部をタービンを通さずに（バイパスさせて）流す排気
ガス側の制御が知られている。この目的のために必要な制御部材は、バルブ又は
フラップとして配置することができる。必要な制御圧が排気ガス駆動ターボチャ
ージャの圧力側に供給され、給気圧制御部材を備えた排気ガス駆動ターボチャー
ジャのシステムは独立したユニットとして働くようになっている。

【０００３】エネルギー的により好ましい制御では可変タービンの幾何学的形状が採用され
、タービンの背圧の挙動が継続的にチャージされ、排気ガスのエネルギー全体を
利用できるようになっている。

【０００４】既知の実施例から見ると、制御範囲が相当に広く、同時に効率レベルも優れて
いることから、調整可能なガイドブレードが広く受け入れられるようになってき
ている。調整リングが回転運動をするようになっているので、ブレード角度を非
常に簡単な方法で調整することができる。ブレードは、ツイストカムか、又はブ
レードに取り付けられた調整レバーによって直接的にかの何れかで、所望の角度
に設定される。圧力過多もしくは圧力不足の際には、調整ダッシュポットにより
、空圧的にトリガー（ｔｒｉｇｇｅｒ）が起きる。マイクロ電子制御によって、
全モーターダイアグラムに亘って給気圧を最適に適用することにより、可変ター
ビンジオメトリの利点を活用することができる。

【０００５】しかしながら、可変タービンの幾何学的形状（ＶＴＧ）は相当なコスト要因と
なるため、ピストン容積の小さな小型のエンジンでは、ＶＴＧ付きのターボチャ
ージャは、一般的に確立できてはいない。

【０００６】上記に基づき、本発明の目的は、制御可能な給気圧を備え低コストで小型エン
ジンに使用できる、上記タイプの排気ガス駆動ターボチャージャを提供すること
である。

【０００７】この目的は、本発明の請求項１に述べる特徴により達成される。本発明の利点は、可変タービンの幾何学的形状を有する排気ガス駆動ターボチ
ャージャとは対照的に、ホイール近接口（ａｐｐｒｏａｃｈ）の前で排気ガスの
流れの方向と速度を制御する複雑な調整機能は全く設けられていないが、代わり
にタービン流量の調整は多重溝付きタービンハウジングによって行われ、それに
よって第２流入口がカプラによって連続的に切り換えられることである。従って
タービンに排気ガスを詰め込むのは、単純な環状のカプラが流入口を開閉するこ
とによって直接行われる。

【０００８】更なる利点は、最大排気ガス流量の約５０％でやっと最高の効率が得られる、
可変タービンジオメトリを備えた排気ガス駆動ターボチャージャと比較して、本
発明による排気ガス駆動ターボチャージャの場合、最高の効率は、最少流量、即
ち最少のエンジンスピードで生じることである。これによって低いエンジン回転
数範囲でエンジンのトルクが改善できるようになり、これは少排気量のエンジン
では特に望ましいことである。この効果は、特に、複数の溝、好ましくは二重溝
付きで設計された排気ガス駆動ターボチャージャの結果であり、カプラが閉じて
いるときは、低回転数範囲に対して1つの溝の作用を最適化し、続いてエンジン
スピードが上がったときにだけカプラを開くようにしている。

【０００９】別の実施例では、給気圧が制限できるように、バイパスポートは、カプラの作
動によって開放位置を超えて開かれる。なお、給気圧比の調整は、唯一のサーボ
構成部品であるカプラを使用して、もう一つの溝を開いて流量を上げること、及
びバイパスを開いて流量を下げること、の両方で行われ得る。

【００１０】本発明のその他の有用な実施例は、２から２０までの従属請求項で明らかにな
るであろう。以下、本発明の好適な実施例を、添付図面を参照しながら説明する。

【００１１】図１は、共に放射状に設計された、タービン２と、タービン２によって駆動さ
れるコンプレッサ３とを有する排気ガス駆動ターボチャージャを示す。タービン
２とコンプレッサ３は、共通軸４の上に組み付けられている。

【００１２】タービン２は、フレッシュエアを吸入して、ここには図示しないが、ディーゼ
ルエンジンのシリンダ内に事前に圧縮した空気を押し込むコンプレッサ３を駆動
するため、排気ガスに含まれているエネルギーを利用する。流体技術的には、排
気ガス駆動ターボチャージャ１は、空気と排気ガスの質量流量によってのみ、エ
ンジンと連結されている。そのエンジンスピードは、エンジンスピードによって
ではなく、タービン２とコンプレッサ３の間のパワー・ウェイト・レシオに依存
する。

【００１３】二重溝付きのタービンハウジング５はタービンホイール６を取り囲んでいる。
タービンハウジング５と一体で、軸方向に互いにある距離を置いて両流入口７ａ
と７ｂが配置されており、その出口８ａと８ｂは、タービンホイール６の内側で
そのほぼ全円周を覆う形で同心的にホイール近接口９を囲んでいる。流入口７ａ
と７ｂとは、タービンハウジング５の半径方向に伸びる仕切り１０によって互い
に分離されている。出口８ａと８ｂから出る排気ガスの流れは、ホイール近接口
９に押し込まれるが、このホイール近接口９は、タービンホイール６のブレード
１１の半径方向の外端部により形成され、それによりその空間部分がホイール近
接口に円筒状の外輪郭を与えている。ブレード１１は湾曲した空間部を形成し、
排気ガスは、半径方向に更に内側にある直径上でタービンホイール６を離れるよ
うになっている。排気ガスの流れは、その後、排気ガス駆動ターボチャージャ１
の軸１４と同軸上に配置された管状の輪郭スリーブ１３によって形成される、半
径流タービン２の下流側にある排気ガスポート１２へと入る。輪郭スリーブ１３
の下流端には湾曲した空間部があり、輪郭スリーブは、ブレード１１の湾曲した
部分と合致するようになっている。輪郭スリーブ１３の円筒状外周の外径は、ホ
イール近接口９の直径と殆ど同じ寸法となっており、輪郭スリーブ１３はホイー
ル近接口９と同一面をなしている。

【００１４】下流の流入口７ｂ又はその出口８ｂを開閉するために、半径流タービンは、図
１と図２ａでは閉鎖位置で示されている、環状の、軸方向に移動可能なカプラ１
５を備えている。カプラ１５は、軸１４と同軸に配置されており、輪郭スリーブ
１３を同軸的に覆い、その円筒状の外部側面上を軸方向にその調整位置にスライ
ドする。この目的のため、カプラ１５はその下流端で、給気圧に従って制御され
ているドライブ１８に連結されている。下流の流入口７ｂを密閉するために、カ
プラ１５はその流入口側の先端に、円錐形のシール面１７ａを有する閉鎖先端部
１６を備えており、これが仕切り１０の円錐形に成形されたシール面１７ｂと協
働するようになっている。閉鎖の位置では、閉鎖先端部１６は、出口８ｂを完全
に覆い、流入口７ｂからの排気ガスが漏れるのを効果的に防ぐ。加えて、閉鎖先
端部１６は、シール面１７ａと連結する円筒状の部分を有している。事前設定さ
れた給気圧比率を維持するためにガス流量を増やす場合には、カプラ１５を下流
方向に動かし、出口８ｂを開放し、ホイール近接口９への排気ガスの流れの通路
から障害を取り除く。この開放位置を図２ｂに示す。

【００１５】エンジンスピードが上がった際に最大許容給気圧を超えてしまうのを避けるた
め、この排気ガス駆動ターボチャージャにはバイパスポート１９が設けられてお
り、カプラ１５を更に下流側へ動かすことによって、ホイール近接口９の前面で
、バイパスポート１９を直接両方の溝へ連結できるようになっている。図２に示
すようにカプラ１５がバイパス位置にあるときには、閉鎖先端部１６は、ハウジ
ング側の凹部２０ａを開放している。環状のシール２１に関しては、凹部２０ａ
の下流側、バイパスポート１９の方向へと流すために、カプラ１５には閉鎖先端
部１６の下流側に円周溝２２が設けられていて、バイパスポート１９が最終的に
は溝２２と凹部２０によって流入口７ｂの排気ガスの流れと連結するようになっ
ている。

【００１６】図３ａと３ｂは、輪郭スリーブが設けられていない、排気ガス駆動ターボチャ
ージャ１の別の実施例を示している。輪郭スリーブの機能は、ここでは管状に設
計されたカプラ１５によって完全に置き換えられており、軸１４とも同軸上に配
置されている長手方向に移動可能なカプラ１５が、排気ガスポート１２を形成し
ている。

【００１７】タービンホイール６はいわゆる「１００％輪郭」に設計されており、即ち、ホ
イール近接口９は、タービンホイール６の基本的に全軸深さに亘って伸張してい
る。ホイール近接口９は、出口８ａ、８ｂに向かい合う半径方向距離に配置され
ており、同様に、円筒形の部分、カプラガイド２３に向かい合う位置にある。カ
プラガイド２３には、カプラ１５を軸に沿って移動可能にガイドし且つシールす
るために、ブッシュ２４が設けられている。図３に示すように、スリーブの形状
をしたカプラ１５の内径と外径は、カプラガイド２３の直径とホイール近接口９
の直径に適合しており、カプラが閉鎖の状態にあるときには、カプラ１５の閉鎖
先端部１６は流入口７ｂ及びその出口８ｂを密閉し、カプラガイド２３からホイ
ール近接口９への半径方向のクリアランスによって生じる隙間２５をかたく密閉
する。これに加えて、閉鎖先端部１６は、基本的に図１に示すように設計されて
いるので、カプラが閉鎖位置にあるときには、図３ａに示すように、シール面１
７ａと１７ｂは互いに協働し、閉鎖先端部１６が出口８ｂを密閉するようになっ
ている。

【００１８】閉鎖状態では、カプラ１５は、軸部においてホイール近接口９を覆っている。
続いて、カプラ１５が下流方向に開放された状態にあるとき、閉鎖先端部１６は
出口８ｂを開放し、下流側流入口７ｂがタービンホイール６に作用できるように
なる。同様に、出口８ｂが完全に開放される時には、ホイール近接口９とカプラ
ガイド２３の間の隙間は、ホイール近接口９を覆っていることにより、閉鎖した
ままに保たれる。カプラ１５を更に下流側へ動かしたときにだけ、閉鎖先端部は
この隙間を開放するので、排気ガスの流れのある部分、即ち排出は図１に示すよ
うにカプラ１５の周囲に排出されるのではなく、カプラの内側に排出されること
になる。

【００１９】下流側流入口７ａがホイール近接口へ確実に最適に作用できるようにするため
に、閉鎖先端部１６には円錐形にテーパーのついた入り口２６が設けられ、それ
により、正常な経路が死んでしまうのを防止している。タービンハウジング５と
カプラ１５の間の気密性を確実なものとするため、閉鎖先端部下流の接続部に、
連結ガイド２３と密接に協働するピストンリングが設けられている。最大作動温
度においても要求される弾性を保証するために、このピストンリングの材料とし
てヘインズ合金が使用されている。ピストンリング２７とブッシュ２４の間の組
み合わせを最適なものとするために、ブッシュは、必要な温度と腐食に対する耐
久性だけでなく潤滑性能をも持ち合わせた材料、ブリコＰＭＳ２６００で製造さ
れている。ブッシュ２４のソリッドシートは、圧力ばめで保証されている。図１
に示されているカプラとは対照的に、図３ａと図３ｂによるカプラは、鋳造材料
であるインコネル７１３Ｃの替わりに、ブリコＰＭＳ２６００で設計されている
。こうすると、インコネルでは必要な、費用の掛かる鋳造加工を効果的に省くこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】輪郭スリーブとカプラを備えた排気ガス駆動ターボチャージャの縦断面図であ
り、カプラは閉じた状態にある。

【図２】図２ａは、請求項１に記載の排気ガス駆動ターボチャージャの縮小図である。図２ｂは、図２ａに示す排気ガス駆動ターボチャージャで、カプラが開放位置
にある状態を示す。図２ｃは、図２ａに示す排気ガス駆動ターボチャージャで、カプラがバイパス
位置にある状態を示す。

【図３】図３ａは、スリーブ無しカプラコントロールが閉鎖位置にある、排気ガス駆動
ターボチャージャの縦断面である。図３ｂは、図３ａに示す排気ガス駆動ターボチャージャで、カプラがバイパス
位置にある状態を示す。

【符号の説明】

１排気ガス駆動ターボチャージャ２タービン３コンプレッサ４軸５タービンハウジング６タービンホイール７ａ、７ｂ流入口８ａ、８ｂ出口９ホイール近接口１０仕切り１１ブレード１２排出口１３輪郭スリーブ１４軸１５カプラ１６閉鎖先端部１７ａ、１７ｂシール面１８ドライブ１９バイパスポート２０ａ、ｂ凹部２１環状シール２２溝２３カプラガイド２４ブッシュ２５隙間２６入り口２７ピストンリング

【手続補正書】特許協力条約第１９条補正の翻訳文提出書

【提出日】平成１２年１１月７日（２０００．１１．７）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者エンゲルス，ベルトルトドイツ連邦共和国デー−67256 ヴァイゼンハイム／ザント，パークヴェーグ７ (72)発明者フォルスター，アルノドイツ連邦共和国デー−67549 ヴォルムス，ランドグラフェンシュトラーセ４ (72)発明者リンゲンナウバー，ローベルトドイツ連邦共和国デー−67227 フランケンタール，ルードヴィヒ−ヴォルカー−シュトラーセ 17 (72)発明者ヤイスル，イェーネス−ヴォルフドイツ連邦共和国デー−69126 ハイデルベルグ，シェルクリーシュトラーセ 64 Ｆターム(参考） 3G005 EA04 EA15 EA16 FA00 FA43 FA51 GA02 GA07 GB24 GB27 GB65 GB69 GB86 GB87 KA09 3G071 AA02 AB06 DA01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】共通軸（４）によってコンプレッサ（３）を駆動する調整可
能な半径流タービン（２）を有する排気ガス駆動ターボチャージャであって、タ
ービンハウジング（５）は、タービンホイール（６）を囲む複数の溝を持つよう
に設計されており、前記タービンホイール（６）を環状に囲む少なくとも２つの
流入口（７ａ、７ｂ）を備えており、前記流入口は、互いにある距離軸方向に離
れていて、その出口（８ａ、８ｂ）は、少なくとも部分的にはタービンホイール
（６）のホイール近接口（９）を取り囲んでいるような排気ガス駆動ターボチャ
ージャにおいて、環状の軸方向に移動可能なカプラ（１５）が、少なくとも１つ
の流入口（７ａ、７ｂ）の出口（８ａ、８ｂ）を開閉するために設けられている
ことを特徴とする排気ガス駆動ターボチャージャ。
【請求項２】前記タービンハウジング（５）は、仕切り（１０）によって
互いに分離された２つの流入口（７ａ、７ｂ）を有し、前記仕切り（１０）の半
径方向内端部は、前記カプラ（１５）と協働するための、環状のシール面（１７
ｂ）を有していることを特徴とする請求項１に記載の排気ガス駆動ターボチャー
ジャ。
【請求項３】前記仕切り（１０）の前記端部は、前記ホイール近接口（９
）の前面で前記両溝を連結するために、前記ホイール近接口（９）から半径方向
に距離をおいて配置されていることを特徴とする請求項２に記載の排気ガス駆動
ターボチャージャ。
【請求項４】前記カプラ（１５）は、流入口側のその先端に、前記流入口
（７ａ、７ｂ）を閉鎖するための円錐状のシール面（１７）を有する閉鎖先端部
（１６）を有していることを特徴とする上記請求項の何れかに記載の排気ガス駆
動ターボチャージャ。
【請求項５】前記出口（８ａ、８ｂ）を覆うための円筒形の部分は前記閉
鎖先端部（１６）のシール面（１７）と連結するように設計されていることを特
徴とする請求項４に記載の排気ガス駆動ターボチャージャ。
【請求項６】前記カプラ（１５）は、その位置を規制するために、給気圧
によって制御されるドライブに連結されていることを特徴とする上記請求項の何
れかに記載の排気ガス駆動ターボチャージャ。
【請求項７】前記カプラ（１５）の外径は前記タービンハウジング（５）
の円筒形のシール及び／又はガイド面によって決められ、その内径は、前記ホイ
ール近接口（９）の直径によって決められることを特徴とする上記請求項の何れ
かに記載の排気ガス駆動ターボチャージャ。
【請求項８】前記カプラ（１５）は、少なくとも閉鎖位置においては、前
記ホイール近接口（９）と前記タービンハウジング（５）の間に形成された隙間
（２５）の中に突出し、これを閉じていることを特徴とする上記請求項の何れか
に記載の排気ガス駆動ターボチャージャ。
【請求項９】前記カプラ（１５）は、少なくとも閉鎖位置においては、前
記ホイール近接口（９）の軸の部分を覆っていることを特徴とする上記請求項の
何れかに記載の排気ガス駆動ターボチャージャ。
【請求項１０】前記排気ガス駆動ターボチャージャ（１）は、タービンホ
イール（６）を備えており、そのホイール近接口（９）は、実質的にブレードパ
ン（１１）の軸寸法全体に亘って伸張していることを特徴とする上記請求項の何
れかに記載の排気ガス駆動ターボチャージャ。
【請求項１１】前記ホイール近接口（９）は、円筒形の輪郭を有するカプ
ラ側に、少なくとも１つの部分を有していることを特徴とする前記請求項の何れ
かに記載の排気ガス駆動ターボチャージャ。
【請求項１２】前記カプラ（１５）は、円筒形の下流部分へと変化する円
錐形にテーパーがついた入り口（２６）を有していることを特徴とする上記請求
項の何れかに記載の排気ガス駆動ターボチャージャ。
【請求項１３】前記カプラ（１５）の円筒形の部分は、少なくとも閉鎖位
置においては、前記ホイール近接口（９）の円筒形の輪郭を有する部分を覆って
いることを特徴とする前記請求項１１、又は１２の何れかに記載の排気ガス駆動
ターボチャージャ。
【請求項１４】前記カプラ（１５）は、前記半径流タービン（２）の排気
口（１２）を形成していることを特徴とする前記請求項の何れかに記載の排気ガ
ス駆動ターボチャージャ。
【請求項１５】前記カプラ（１５）と同軸上には、前記タービンホイール
（６）に出口側で連結する前記半径流タービン（２）の排気ガス口（１２）を形
成する管状の輪郭スリーブが配置されていることを特徴とする前記請求項１から
１３の何れかに記載の排気ガス駆動ターボチャージャ。
【請求項１６】前記排気ガス駆動ターボチャージャは、封鎖可能な流入口
（７ｂ）に連結されているバイパスポート（１９）を有しており、そのバイパス
ポートは前記カプラ（１５）によって封鎖できることを特徴とする請求項１５に
記載の排気ガス駆動ターボチャージャ。
【請求項１７】前記タービンハウジング（５）と前記カプラ（１５）の間
には、閉鎖位置では前記カプラ（１５）に接触し、連結を解除するシールが配置
され、一方バイパス位置では、前記カプラ（１５）に形成された凹部（２０ａ）
が、シールの前記カプラ（１５）との接触を解除し前記バイパスポート（１９）
との連結を開放することを特徴とする請求項１６に記載の排気ガス駆動ターボチ
ャージャ。
【請求項１８】前記輪郭スリーブ（１３）は、上流側の端部が、前記ター
ビンホイール（６）の湾曲した外面の輪郭に突出していることを特徴とする請求
項１５から１７の何れかに記載の排気ガス駆動ターボチャージャ。
【請求項１９】前記円筒形の輪郭スリーブ（１３）は、前記ホイール近接
口（９）と外周が同一平面上にあることを特徴とする請求項１８に記載の排気ガ
ス駆動ターボチャージャ。
【請求項２０】前記カプラ（１５）は、下流側の流入口（７ｂ）の出口（
８ｂ）を開閉し、タービン軸（１４）と同軸に配置されていることを特徴とする
上記請求項の何れかに記載の排気ガス駆動ターボチャージャ。