JP2004204842A - 排気ガスターボチャージャと製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトな構造の排気ガスターボチャージャを提供する。
【解決手段】ハウジング８ａ、８ｂ、ハウジング内に配置され給気圧力を制御するための可変タービン形状を有する少なくとも一つのタービン２、少なくとも部分的にタービンを迂回するための排気ガス流用バイパス機構を備えており、そのときバイパス機構はハウジング内に、殊にハウジング壁内に一体化されている内燃機関用の排気ガスターボチャージャ１に関するものである。さらに、そのようなものに対する封鎖機構及び調整機構のついたバイパス孔２０を製造するための方法に関するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は特許請求範囲の請求項１の前文で挙げている種類の内燃機関用排気ガスターボチャージャ、及びそのような排気ガスターボチャージャに使う封鎖機構及び調整機構のついたバイパス孔の製造方法に関するものである。

排気ガスターボチャージャは内燃機関用の過給システムであり、それにより給気圧力を高めて内燃機関のシリンダーの圧力を高める。そのような排気ガスターボチャージャは、一段、二段、或いは多数段で構成することがある。排気ガスターボチャージャの各段はそれぞれ、内燃機関の吸気側の前に接続して配置したコンプレッサ、及びエンジンエグの排気側の後に接続して配置したタービンから成っている。タービンとコンプレッサは共通の軸を介してお互いに結合されている。そのような排気ガスターボチャージャの詳細な構造や動作方法は非常によく知られており、よって詳しくは説明しない。

排気ガスターボチャージャを装備した内燃機関用駆動ユニットの運転方法には、出力が同じ従来タイプの内燃機関、例えば吸気エンジンと同じく高い要求が求められる。だから、必要な内燃機関すなわちエンジン出力を達成するために、排気ガスターボチャージャのフルの給気圧力を非常に低い機関回転数すなわちエンジン回転数でも使用できるようにせねばならない。この要求に対応するために、ターボチャージャのハウジングは典型的には小さい寸法となり、低い回転数でタービンの応答を維持するために、ハウジングは必要以上に小さく構成されている。しかし、そのような大きさは、中間及び高回転数では、規定の機関出力すなわちエンジン出力に必要な空気量を供給するには充分過ぎる。

充分なエンジン出力は、排気ガスターボチャージャの低回転数だけでなく高回転数でも、給気圧力を（タービン側で）制御することによってのみ達成可能である。給気圧力を制御するために、現在まで二つの異なった方法がある。

給気圧力制御の最も簡単な形態は、タービン側にバイパスを設けることである。低回転数での回転モーメント挙動に対する要求を満足するように、そしてエンジンの良好な運転方法、即ち迅速な反応を達成するように、排気ガスターボチャージャのタービンを小さく選ぶ。許容最高給気圧力に達した後、排気ガスの一部は独自にそのために設けたバイパス経路を通じてタービンを迂回させる。それにより、一定のエンジン回転数から給気圧力はそれ以上に上がらない。バイパスの機能は自己制御、又はエンジン制御により外部から制御することもある。排気ガスをタービンないしバイパスへ分配するのは、たいていバルブ、スライド又は同類のもので行う。

給気圧力を排気ガス側のバイパス配管により制御することについては例えばJP 63 297 731 Aに、所謂“ウェィストゲート”により制御することについてはDE 196 18 311 A1、JP 04 054 223 A、US 5,943,864に詳細に記述されている。

最近の排気ガスターボチャージャは、給気圧力を制御するために調整可能な可変タービン形状（VTG）を有していることが増えている。調整可能なタービン形状では、エンジンの動作レベルに依存してタービンの流入口断面を調整することが出来る。それにより排気ガスの全エネルギーを利用し、タービンの流入口断面をいずれの動作レベルにも調整出来るので、前述のバイパス制御と比べて、ターボチャージャの効率、それによりエンジンの効率が改善される。エンジンのいずれの運転条件にも流入口断面が常に適合していることにより、燃費や排気の減少に効果がある。低速回転でも既にエンジンの高回転モーメントが得られ、また繊細に調整した制御により、その他にもダイナミックな走行挙動の改善に明らかに判る効果を与える。
VTGタービンのついた排気ガスターボチャージャの一般的な背景については、下記特許文献５ないし１５を参照されたい。

可変タービン形状（VTG）を備えた最近のディーゼルエンジンでは、専ら前述のVTG制御により全回転数範囲に亘って案内格子のブレードの位置の調整を介して給気圧力を調整する。だから、給気を制御する別の手段は必要としない。
例えば、可変タービン形状を備えた４サイクルエンジン（Ｏｔｔｏｍｏｔｏｒｅｎ）では、状況が異なる。この場合、回転数変化範囲それにより吸気変化範囲はディーゼルエンジンと比べて明らかに広い。しかし、回転数の全変化範囲に亘って給気を制御することは、別の手段なしでは不可能である。

この目的のために、特に可変タービン形状を備えた４サイクルエンジンでは、別にタービン側にバイパスを設計し、そのバイパスが最大給気圧力に達すると排気ガスを外部のバイパスパイプを通じて排出する。VTG排気ガスターボチャージャでバイパスを設けることは、例えば下記特許文献２、１１及び１６に記述されている。

しかしながら、最近の自動車のエンジンルーム内には使えるスペースが少ないので、よりコンパクトな内燃機関及び排気ガスターボチャージャの要求が常にある。しかし、VTGタービン用に外部のバイパスを別に設けることは、エンジンルームに別のスペースを必要とするが、それは避けたいことである。

それ以上に、別のバイパスを設けることは、そのために必要な余分な組立工数も必要とするので、比較的手間がかかりそれにより高価となる。
別のバイパスでの更なる欠点は、タービン案内ブレード及びバイパスを同時に制御できない、ないしは高価なメカニズムを使ってのみ可能である。しかしながら、そのようなメカニズムはコスト的な理由から出来ない。

JP 63 297 731A DE 196 18 311 A1 JP 04 054 223 A US 5,943,864 DE-PS 34 27 715 DE 43 30 487 C1 DE 100 29 640 C2 DE 100 48 105 A1 DE 35 41 508 C1 DE 196 15 237 C2 DE 199 05 637 C1 DE 199 51 592 A1 DE 195 43 190 C2 DE 198 44 571 C2 DE 199 61 610 A1 DE 198 43 026

上述の従来技術を前提に、本発明の課題は構造的に改良した排気ガスターボチャージャを提供することであり、それは特にコンパクトな構造であり、特に給気圧力を容易に制御するものである。
本発明の別の課題は、そのような排気ガスターボチャージャを生産するための簡単な方法を提供することである。

ターボチャージャに関する課題は、本発明に従い請求項１の特徴を有する排気ガスターボチャージャにより解決する。
すなわち、本発明による内燃機関用のターボチャージャーは、ハウジングと、ハウジング内に配置され給気圧力制御のために可変形状を有する少なくとも一つのタービンと、排気ガスの流れを少なくとも部分的にタービンを迂回させるバイパス機構とを備えた内燃機関用ターボチャージャであって、バイパス機構をハウジング内に一体化していることを特徴とする。

これに従う内燃機関用の排気ガスターボチャージャは、ハウジング、ハウジング内に配置され給気圧力を制御するための可変タービン形状をした少なくとも一つのタービン、少なくとも部分的にタービンを迂回する排気ガス流用のバイパス機構を備えており、そのバイパス機構はハウジング内に一体化されている。

本発明の基礎になっているアイデアは、タービンハウジングに一体化されている調整可能なバイパスを設けることにある。そのとき、重要であるのは公知の“ウエスト-ゲート”ではなく、むしろバイパスが隔てられて完全にハウジング材料に、殊にタービンハウジング内に一体化されていることである。それにより有利なことは、既にあるタービンハウジングの壁面を利用するので、余分なハウジング空間を必要としない。それにより、非常に簡単ではあるが非常に効果的な手段で、非常にコンパクトなタービンハウジングを準備することができ、それには付加機能としてバイパス機構を含んでいる。

可変タービン形状を備えたタービンは、複数のタービンブレード、ハウジングと固定接続した案内格子調整リング、及び多数の調整可能な案内格子ブレードで構成している。案内格子ブレードは案内格子調整リング上でタービン羽根車の周りで半径方向に伸長させて配置されており、その位置に従い排気ガスの流れの方向及び／又は効果的な流入口断面を決める。そのようなVTGタービンの構造と機能は充分に知られており、例えば前記のVTGタービンの構造と機能に関して本発明の記述に引用した印刷物に記述されている。

本発明によるバイパス機構は、ハウジング内を貫通する切り取り部ないし孔で構成しており、その入口側開口部はタービンの前に繋がって配置されており、その出口側開口部はタービンの後に繋がって配置されている。
貫通している切り取り部ないし孔は、その入口開口部は案内格子ブレードの範囲に配置されるように、ハウジング壁に一体化されている。
切り取り部ないし孔は、好ましくは円形状、楕円形状、あるいは円形に近い断面を備えている。これにより、切り取り部ないし孔をハウジング壁に設けるのに、製造技術的に非常に簡単、即ちコスト的に有利な可能性をもたらす。

代用的な構成として、勿論、開口部を正方形、四角形、三角形、あるいは六角形の断面で設けることもできる。当然のことながら、任意の別の構成をした断面の切り取り部ないし孔も考えられる。
調整可能な案内格子の案内格子ブレードは、好ましくは同時にバイパス用の封鎖機構を構成する。それにより、タービン案内ブレード及びバイパスは共通で単一の調整装置、例えば負圧ボックスで制御できる。

封鎖機構は封鎖カバーにより構成し、その各カバー断面は入口側開口部の範囲で対応する切り取り部ないし孔の断面より少なくとも大きい。封鎖カバーは好ましくは案内格子ブレードに設けられており、これにより調整される。封鎖カバー及び開口部を配置しているハウジングの側面は好ましくは出来るだけ平坦な表面を有している。これにより、これらのエレメントが接触する場合に強い摩耗を回避できる。

閉鎖した状態では封鎖カバーは、いわば自己密封するようにカバーのある対応する切り取り部ないし孔を密封することが出来る。その時、流入する排気ガスは封鎖カバーに対して圧力を生じ、これを開口部に押しつけて開口部を密封する。この時の前提は、ハウジング側面及び封鎖カバー前側は出来るだけ平坦な表面を有し、開口部は完全に閉鎖されていることである。

方法に関連する課題は、本発明に従い、特許請求範囲15の特徴による製造方法で解決する。
すなわち、本発明による方法は、排気ガスターボチャージャ用の封鎖機構と調整機構のある切り取り部を製造する方法であって、切り取り部をターボチャージャのハウジングへの孔あけにより製造し、孔あけは、組み付けた状態で案内格子に対向して配置しているハウジングの側面に関して９０°以下の角度で行われることに特徴を有する。

それに従い、ターボチャージャ用の封鎖機構及び調整機構のついたバイパス機構を製造するための方法を設けており、孔は、組み込んだ状態でタービン案内格子に対向して配置されているハウジング側面に関して９０°以下の角度で延伸している。

ハウジングの側面は、ここでは、案内格子調整リングとそれに設けた案内格子ブレードに対向して配置している平坦な平面である。貫通している孔をあけることは、流路の最もコスト的に有利な、そして最も単純な製造方法を示している。代替として、流路を例えばタービンハウジングを既に鋳込む時につくることもできる。しかし、必要な寸法に流路をつくる手段である対応するハウジングの型を準備するのに問題がある。これは孔開けに比べて極端に高くなり、その上そんなに精度も良くないであろう。

バイパス孔を排気ガスターボチャージャのハウジングに開ける側面は一つには非常に平坦でツルツルでなければならない。他方、鋳鉄製のタービンハウジングは異常に硬い。そこで問題となるのは、孔あけのために孔あけ機をセットする適切なポイントを見つけることである。加えて、９０°以下の角度で孔をあけることが難しいので、孔あけ機はその意図した方向から容易に切り替えられることである。

だから本発明により、本来の孔をあける前にタービンハウジングに点状の切り取り部を設ける。この点状の切り取り部は最終的に孔あけ機のセット点としての役割をする。利点ある構成としては、この点状の切り取り部は例えばレーザー溶融によりつくることもできる。

案内格子ブレードと封鎖機構を外れないように接続する工程で注意すべきことは、前述のエレメントの形状を出来るだけ変更しない製造方法を使うことである。とくに、これらのエレメントは、例えば微少なクラックが発生したり案内格子ブレードが変形するようなトラブルが生じる可能性があるので、極端に熱くなってはならない。これを避けるために、案内格子ブレードと封鎖機構を本発明によりレーザー溶接によりお互いに固定する。それにより、代表的には焼結した鉄材料から成る案内格子ブレードと封鎖機構を広範囲に形状変更なし逆向きにならないようにお互いに接続できる。

利点を有する本発明による構成や別の構造は従属請求項及び図面を引用した記述から判断できる。図面で示す実施例を用いて、本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明による一体化したバイパス孔のある排気ガスターボチャージャの縦方向に切った断面図を示している。図１において、引用符号1で内燃機関用のターボチャージャを表しており、そのとき内燃機関は、商用車又は乗用車用のディーゼル内燃機関でも４サイクルエンジンでもよい。

排気ガスターボチャージャ1はハウジング8a、8bを有する。排気ガスターボチャージャ1のハウジング8a、8bには、ラジアルタービン2として設計した排気ガスタービン2及びコンプレッサ3を配置している。コンプレッサ羽根車10はコンプレッサ3用のハウジング部分8b内に、タービン羽根車9はタービン2用のハウジング部分8a内に配置されている。ラジアルタービン2のタービン羽根車9は、共通の軸4を介して、コンプレッサ3のコンプレッサ羽根車10と相対回転しないように結合されている。

さらに、タービン2にはタービン羽根車9を半径方向で取り囲む流路13がある。流路13にはタービン羽根車9の範囲で半径方向の流入口断面があり、その中に半径方向の案内格子5が配置されている。この調整可能な案内格子5によりタービン2は可変のタービン形状となっている。調整可能な案内格子5には、案内格子調整リング27及び調整可能な案内格子ブレード6がある。案内格子ブレード6は、案内ブレード支持リング7の軸14に回転できる状態で支持されている。

本発明によれば、タービンハウジング8aにはハウジング壁に配置して貫通する切り取り部20がある。この切り取り部20は、その入口側の開口部21を側面22に設け、その出口側開口部23をハウジング8bの第二側面24に設けるように、ハウジング壁8aに一体的に形成されている。少なくとも、第一開口部21のついた第一側面22はできるだけ平坦である。第一開口部21は排気ガス側でタービン吸気の前に接続して配置されており、第二開口部23は排気ガス側でタービン排気部の後に接続して配置されている。それにより、切り取り部20はタービン羽根車9を迂回しているので、少なくとも排気ガスの一部がタービン羽根車9を通らないで切り取り部20を流れることができる。

調整可能の案内格子ブレード6には、案内格子ブレード6の動きで側面22の上で動けるように、封鎖カバー25（図２参照）が設けられている。同時に、開口部21も案内格子ブレード6の範囲に配置されている。それにより、案内格子ブレード6の動きにより、開口部21が開閉し、又は部分的に閉じる。

図２に示すように、切り取り部20ないし開口部21はほぼ丸い断面を有している。封鎖カバー25もほぼ丸い表面を有しており、封鎖カバー25の表面は開口部21の断面より大きい。
さらにスペーサー26が設けられており、案内格子ブレード6それにより封鎖カバー25が動くときに側面22で詰まるのを回避している。
以下に、ターボチャージャ1ないし可変タービン形状のタービン2の好ましい運転方法を、例を使って簡単に説明する。

内燃機関で過圧下にある排気ガスにより駆動するタービン羽根車9が、共通の軸4を通じて反対側にある排気ガスターボチャージャ1のコンプレッサ羽根車10を駆動する。内燃機関の運転時、エンジンの排気ガスはラジアルタービン2の流路13に流れタービン羽根車9に導かれる。その回転運動が共通の軸4を介してコンプレッサ羽根車10に伝達され、それにより、コンプレッサ3内に吸い込まれた給気が高い給気圧に圧縮され、エンジンのシリンダー吸気に導かれる。

流入口の断面を変えるために、排気ガスターボチャージャ1にはタービン2の範囲で調整可能な案内格子ブレード6のついた案内格子5があり、そのブレードにより流入口断面を変えることができる。内燃機関の運転モードにより、案内格子5の可変タービン形状をそれに並んだ調整要素によりそれぞれの位置に調整することができる。この案内格子5はタービン2の流入範囲に配置されており、タービン羽根車9への流れを変えられるようになっている。案内格子5の設定により、排気ガスの背圧及びタービン羽根車9への排気ガスの流れの状態に影響を与え、それにより、タービン2の出力及びコンプレッサ3の出力を、必要性と内燃機関の状態に応じて調整することができる。

ハウジング8aとタービン羽根車9の間で回転可能なように支持した案内格子ブレード6が堰き止め状態を変え、それによりタービン2の出力を変える。低い機関回転数すなわちエンジン回転数では、案内格子ブレード6を閉じることにより、タービン2の有効流入口断面を小さくする。高いエンジン回転数では、案内格子ブレード6を開く。

低いエンジン回転数から自動車を加速する間、案内格子ブレード6は殆ど閉じられる。この運転状態では、内燃機関すなわちエンジンで発生した排気ガスは完全にタービン羽根車９を通じて流れる。エンジン回転数の上昇時、ある点に達し、そこでは完全に開いたタービンブレードでもタービンハウジングの最大吸引能力に達している。バイパスなしでは、排気ガス背圧は許容できないように上昇するだろう。エンジン回転数がさらに上がると、案内格子ブレード6及びそれに設けている封鎖カバー25の開口動作により、加えて切り取り部20の開口部21も開く。それにより排気ガスは、バイパスの役目をする切り取り部20を通じて、タービン羽根車9から分岐され、排気ガス背圧を制限する。

案内格子ブレード6の制御は大抵、エレクトロニクスにより負圧制御ボックスとストロークバルブを使って行うが、正確で殊にフレキシブルに給気圧の制御が可能な位置フィードバックのついた電気アクチュエータも考えられる。

纏めると、本発明によるハウジング壁に内蔵したバイパス装置をもつターボチャージャにより、非常に簡単で非常に効果的な方法で、従来技術による構造的に工数がかかり高価な解決手段を受認することなく、非常にコンパクトなターボチャージャハウジングが提供されることが確認される。

本発明の原理及びその利用について出来るだけ説明するために、前記の記述により本発明を説明したが、勿論、適切な修正により本発明による配置が多様な別の実施例で実施することも可能である。

図面では、特に別の指示がないかぎり、同じ要素ないし機能の同じ要素は同じ引用符号を付けている。
本発明による一体化したバイパス孔のある排気ガスターボチャージャの縦方向に切った断面図。 図１に相当する排気ガスターボチャージャにおける案内格子調整リングとその後に配置しバイパス孔のついたハウジング側面。

符号の説明

1 排気ガスターボチャージャ 2 タービン、ラジアルタービン
3 コンプレッサ 4 共通の軸
5 （半径方向の）案内格子 6 案内格子ブレード
27 案内格子調整リング 8a タービンハウジング、ハウジング壁
8b コンプレッサハウジング 9 タービン羽根車
10 コンプレッサ羽根車 13 流路（タービン）
14 案内格子ブレードの軸 20 切り取り部、孔
21 （第一）開口部 22 側面、側面側
23 （第二）開口部 24 側面
25 封鎖カバー 26 ディスタンスピース
7 ブレード支持リング

Claims (16)

1. ハウジング（8a、8b）と、ハウジング（8a）内に配置され給気圧力制御のために可変形状を有する少なくとも一つのタービン（2）と、排気ガスの流れを少なくとも部分的にタービン（2）を迂回させるバイパス機構（20、21、22）とを備えた内燃機関用ターボチャージャ（1）において、
   バイパス機構（20、21、22）をハウジング（8a）内に一体化していることを特徴とする排気ガスターボチャージャ。
2. バイパス機構（20、21、22）をハウジング壁（8a）、殊にタービン（2）の範囲に一体的に設けていることを特徴とする請求項１に記載の排気ガスターボチャージャ。
3. 可変タービン形状を有するタービン（2）が少なくとも、タービン羽根車（9）、ハウジング（8a）と接続した案内格子調整リング（7）、案内格子調整リング（7）上でタービン羽根車（9）のまわりに半径方向に配置されその位置によって排気ガス流の方向及び／又は効率的な流入路断面を決める多数の調整可能な案内格子ブレード（6）の特徴を含んでいることを特徴とする請求項１又は２に記載の排気ガスターボチャージャ。
4. バイパス機構（20、21、22）がハウジング（8a）内で貫通する切り取り部（20）として構成され、その入口側開口部（21）はタービン（2）の前に接続して配置され、その出口側開口部（23）はタービン（2）の後に接続して配置されていることを特徴とする前述の請求項１ないし３のいずれかに記載の排気ガスターボチャージャ。
5. 切り取り部（20）は、その入口側開口部（21）が案内格子ブレード（6）の範囲に配置されるように、ハウジング壁（8a）に一体的に形成されていることを特徴とする請求項４に記載の排気ガスターボチャージャ。
6. 切り取り部（20）を円形状、楕円形状又は円形に近い断面の孔（20）で構成していることを特徴とする請求項４又は５に記載の排気ガスターボチャージャ。
7. 切り取り部（20）が正方形、四角形、三角形又は六角形の断面を有していることを特徴とする請求項４又は５に記載の排気ガスターボチャージャ。
8. 少なくとも封鎖機構（25）と少なくとも調整機構（7、6、27、14）を備えており、封鎖機構（25）は調整機構（7、6、27、14）により全体又は部分的に入口側開口部（21）上を動けるようになっていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の排気ガスターボチャージャ。
9. 調整機構（7、6、27、14）を案内格子ブレード（6）により構成していることを特徴とする請求項８に記載の排気ガスターボチャージャ。
10. 封鎖機構（25）を封鎖カバー（25）により構成し、そのカバー断面は入口側開口部（21）の範囲で対応する切り取り部（20）の断面より少なくとも大きいことを特徴とする請求項８又は９に記載の排気ガスターボチャージャ。
11. 封鎖機構（25）だけでなく調整機構（7、6、27、14）も案内格子ブレード（6）により構成し、案内格子ブレード(6)の断面が閉鎖した状態でそして入口側開口部（21）の範囲で、この範囲の切り取り部（20）の断面より少なくとも大きいことを特徴とする請求項８ないし１０のいずれかに記載の排気ガスターボチャージャ。
12. 封鎖機構（25）が閉鎖した状態で自己密封するように対応する開口部（21）上にあり、これを密封することを特徴とする請求項８ないし１１のいずれかに記載の排気ガスターボチャージャ。
13. 開口部（21）を配置している側面（22）と調整機構（7、6、27、14）の間に配置し、これらの要素が直接接触することを回避するスペーサー（26）を設けていることを特徴とする請求項８ないし１２のいずれかに記載の排気ガスターボチャージャ。
14. 特に請求項１ないし１３のいずれかに従う排気ガスターボチャージャ（1）用の封鎖機構（25）と調整機構（7、6、27、14）のある切り取り部（20）を製造する方法であって、
    切り取り部（20）をターボチャージャ（1）のハウジング（8a）への孔あけにより製造し、孔あけは、組み付けた状態で案内格子（5）に対向して配置しているハウジング（8a）の側面（22）に関して９０°以下の角度で行われることを特徴とする製造方法。
15. 孔あけの前に、孔あけ機セット点の役割をする点状切り取り部をターボチャージャ（1）のハウジング（8a）に、例えばレーザー溶融によりつくることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 封鎖機構（25）を対応する案内格子ブレード（6）にレーザー溶接を使って、殊にインダクション溶接を使って固定することを特徴とする請求項１４又は１５のいずれかに記載の方法。
    
    
    
    
    

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