JP2005535836A - 内燃エンジン用排気ガスターボチャージャー - Google Patents

Abstract

内燃エンジン用ターボチャージャーは、内燃エンジンの排気ガス系統にタービンが、吸気トラクトにはタービンにより駆動するコンプレッサーがあり、そのときタービンはラジアル方向流入口断面のある流れ流路を有しており、ラジアル方向流入口断面を制限する流れリングが設けられている。ラジアル方向流入口断面には、流入口断面を変更調整するために調整可能な案内格子を配置している。排気ガスタービンのハウジングにある流れリングは、案内格子に対する接触位置と案内格子に対する隙間をフリーにする位置の間で移動可能である。

Description

本発明は、請求項１のプレアンブルに記載の内燃エンジン用排気ガスターボチャージャーに関するものである。

文献 ＤＥ １９６ １５ ２３７Ｃ２により、タービンの空気流範囲でラジアル方向及び半アキシャル方向の流入口断面のあるタービンを有する種類の排気ガスターボチャージャーが公知である。流入口断面の間には流れに好都合な輪郭をした流れリングをタービンの流入範囲に配置しており、その流入口断面によりラジアル方向だけでなく半アキシャル方向のタービン羽根車への流入も可能となる。ラジアル方向の流入口には調整可能な案内羽根のある案内格子を配置しており、これにより流入口断面を変えることができる。案内格子の設定により、排気ガスの背圧、そしてタービン羽根車に対する排気ガスの流れの種類と方法にも影響を与えることができ、それによりタービンの能力及びコンプレッサーの能力を、必要性及び内燃エンジンの運転状態に応じて調整することができる。

可変タービン形状を備えたこの種の排気ガスターボチャージャーは、特に内燃エンジンのブレーキ動作でも使用される。ブレーキ動作では案内格子を閉塞位置に移すが、その位置で流入口断面が著しく減少するので、それに向う配管断面内のタービンの上流側では高い排気ガス背圧を構成し、それにより排気ガスが高速で案内羽根間のチャネルを流れ、大きな衝撃でタービン羽根車に当たるようになる。チャージャーの能力が高まることにより、エンジンに供給される燃焼空気も高いチャージ圧力下におかれる。入り口側でシリンダーは高くなったチャージ圧力に当たり、同時に出口側では高くなった排気ガス背圧が接しており、その背圧がブレーキバルブを通じて排気ガス系統に向かうシリンダー内で圧縮された空気の排気に反対に働く。エンジンブレーキ運転では、圧縮行程と排気行程におけるピストンは排気系統で高い過圧に抗して圧縮作業を行わねばならず、それにより強力なブレーキ効果を達成する。

しかしながら求める高いブレーキ能力は、必要とする圧力分布がタービン内を支配し排気ガスが意図している方法でタービンを貫流するときにのみに得られる。このときに問題となるのは調整可能な案内羽根の側面での漏れであるが、それは構成部品精度や組立精度だけでなく摩耗や熱に起因する膨張でも発生することがあり、そしてタービン内での意図した圧力変化を著しく損ない兼ねず、それがエンジンブレーキ性能にネガティブに働くだけでなく、通常の駆動運転方法でのエンジン性能にも影響する。そのような案内格子漏れは、流入口断面の一つにおいて可変タービン形状をした案内格子の案内羽根が動くために必要であるという、構造に起因する隙間によっても発生する。

文献 ＤＥ ３９ ４１ ３９９Ｃ１でも同様に、内燃エンジン用排気ガスターボチャージャーが公知であり、そこではラジアル方向及び半アキシャル方向の流入口断面を有する二連の螺旋チャネルがタービンハウジングに設けられており、そのとき両方の流れは固定の分離壁により分離されている。二つが流れるラジアル方向及び半アキシャル方向流入口断面の間には、流れを分離する分離壁の側面部分には軸方向に調整可能なすべり弁があり、それがラジアル方向流入口断面を遮断する位置と半アキシャル方向流入口断面を遮断する位置の間で調整される。すべり弁はタービン羽根車への流入の流れ割合を調整する可変形状部分の機能を担っている。しかし、このターボチャージャーでも漏れ流を防ぐことはできない。

文献 ＤＥ ３５ ４１ ５０８Ｃ１では、タービン羽根車に向いたラジアル方向流入口断面を有する排気ガスターボチャージャーが公開されており、そこでは流入口断面に調整可能な案内羽根のついた案内格子リングを配置している。案内格子を側面側で挟む二つの保持リングは、周囲に配分したネジによりお互いに結合している。ネジは、両方の保持リングの最小間隔を確実にするスペーサーブッシュの中にある。外側保持リングの内側保持リングに対する相対的な軸方向移動はネジ結合により不可能であり、すなわち保持リングの間隔が大きくなる方向にも保持リングが一緒に動く方向にも動かない。これにより結果として、案内格子のインペラの軸方向正面と両方の保持リング間の隙間は、事前に規定した固定で変化しない量に設定される。このときには、インペラが充分に動ける可能性と漏れ流を避けるために充分に狭い隙間との間で、妥協点を見いだす。しかしながら、ターボチャージャーの構成部品での熱に起因する膨張は隙間の増大を招き、それにより予期しない圧力降下及びそれに伴う過給性能の劣化をもたらすことがある。

文献ＤＥ １００ ２９ ６４０Ａ１では、タービン羽根車に対して半アキシャル方向及びラジアル方向の流入口断面を有する排気ガスターボチャージャーが公開されており、その断面は軸方向に移動可能な流れリングにより分離されている。ラジアル方向流入口断面には調整可能な案内羽根のある案内格子リングが、半アキシャル方向の流入口断面には固定形状の格子が配置されている。ラジアル方向断面にある案内格子リングが閉塞位置に移ると、排気ガスの大部分が半アキシャル方向断面を通って流れる。空力学的効果によりラジアル方向案内格子リングの方向に流れリングを移動するように働くことになる。

本発明は、ラジアル方向流入口断面及び可変タービン形状を有する排気ガスタービンの効率を高めるという問題を基礎にしている。とくにエンジンブレーキ運転、場合によっては通常駆動運転においても、タービン性能を改善するものである。

本発明によれば、この問題を請求項１の特徴により解決する。
新しい種類の排気ガスターボチャージャーでは、チャージャーのハウジングにある流れリングの位置を可変で設定できるようになっている。このフーリングは、従来技術では常にチャージャーハウジングと固定結合した部品として構成しているのに対し、新しい請求項１によれば流れリングは可動となっている。これにより、構造的に条件付けられる、又は摩耗により、熱膨張により、又はその他の原因により発生する隙間を、流れリングを動かして減少する、また場合によっては完全に排除する可能性が開ける。調整可能な案内羽根の側面側での漏れは十分に又は完全に排除され、タービンの内部で必要とする圧力配分を設定でき、それがタービン羽根車への排気ガスの必要な流れに影響を与える。ラジアル方向案内羽根を調整するために、ラジアル方向案内羽根の軸方向側面での最小隙間が必要である。ラジアル方向案内羽根を調整するために、調整可能な流れリングをラジアル方向案内羽根から更に離れた位置に軸方向移動することができる。引き続いて、空隙を閉じるために流れリングを、ラジアル方向案内羽根ないしラジアル方向案内羽根にある別の構成部品の側面、又はそのために設けた間隔保持部材と接触するまで押し込む。

流れリングは軸方向に移動できるように構成しており、それにより特にラジアル方向案内格子にある案内羽根の隙間を小さくすることができる。代替又は追加として、流れリングをラジアル方向に調整できるようにすると目的に適うこともあり、それは例えば流れリングを偏心してずらすことにより、そして／又は流れリングをラジアル方向に拡張又は縮小して達成することができる。

軸方向に移動する流れリングの場合、特にラジアル方向案内格子の案内羽根の隙間開口を事前に規定した量に制限するストッパーにより、移動量を制限すると利点がある。流れリングの軸方向隙間と同一であるこの許容軸方向距離は、概ね０．１５ｍｍ〜０．３ｍｍであると好ましい。この比較的小さい量が流れリングの最大隙間を一定量に制限し、エンジンブレーキ運転だけでなく通常運転状態でもターボチャージャーが機能することを確実にすることになる。

場合によっては、流れリングを調整要素に当てることなく、揺動状態で支持することもある。いずれにしろ、ラジアル方向案内格子が閉じるに従い流れリングの案内格子側の静的圧力は大きく下がるのに対して、相対する側ではこの範囲で流速が比較的小さいことから、圧力は高いレベルに留まる。この圧力差から、軸方向に可動の流れリングをラジアル方向案内格子に対して側面から押しつける力が生じ、それにより案内格子の隙間が小さくなる。

流れリングの両側面間で延伸する軸方向の負荷除去穴を流れリングに設けることがあり、それにより圧力バランスをとることが可能になり、そして流れリングに働く押さえ力をラジアル方向案内格子に向けることができる。

調整可能な案内羽根のあるラジアル方向案内格子の場合、目的に合わせるためにはチャージャーハウジングにある、しかし好ましくは移動可能な流れリングにあるアキシャル方向軸により、これを支持している。流れリングにも設けた支持で案内羽根を両側で支持する場合、関連配置したインペラ軸を収容するために目的に合わせた切り取り部を流れリングに設けており、そのときに、案内羽根の隙間が完全になくなった時にもインペラ軸を収容するために、切り取り部の深さをインペラ軸のアキシャル方向長さに合わせていることが好ましい。

エンジンブレーキ運転及び／又は通常の駆動運転で、内燃エンジンの特定運転状態において、タービンのチャージャーハウジング内の流れる割合や圧力割合に、特定の方法で意図的に影響を与える必要な隙間量を設けることが、場合によってはまた目的に適うことがある。その他に、例えばラジアル方向流れのための流入口断面が最大値を超えてはならないというように、流れリングを調整するための追加の基準を設けると目的に適うことがある。
別の利点や目的に合った実施形態を、別の請求項、図の説明、図面に示している。

図１から図３で示している実施例において、同じ構成部品には同じ参照番号を設けている。
図１に示した、例えば商用車又は乗用車用ディーゼルエンジン又は４サイクルエンジンである内燃エンジン用排気ガスターボチャージャーのタービン１には、タービン羽根車２があり、それが過圧下にある内燃エンジンの排気ガスにより駆動され、接続軸を通じて図示していない排気ガスターボチャージャーのコンプレッサーを駆動し、コンプレッサーは燃焼空気を吸気して内燃エンジンのシリンダーインレットに給気する給気圧力に高める。さらに、タービン１にはフロー（流れ）チャネル３があり、それがタービン羽根車２をラジアル方向で取り囲み、タービン羽根車２に向かうラジアル方向流入口断面３ａを有している。ラジアル方向流入口断面３ａには、調整可能な案内羽根６のついたラジアル案内格子５があり、このラジアル案内格子５が可変タービン形状を形成している。

内燃エンジンの各運転方法に従って、関連配置した設定要素により可変タービン形状を各位置に調整でき、それにより相当する流入口断面を変える。実施例では、タービン１による可能性として最大の給気量を実現し高い過給能力を生み出すために、通常の駆動運転方法でラジアル案内格子５の案内羽根６を開口位置にずらすようにしている。それと反対にエンジンブレーキ能力を生み出すためには、案内羽根６を対応して調整することにより、ラジアル案内格子５を小さくなる断面の閉塞位置に調整する。通常の運転方法と較べて流れる全断面が減少していることにより、排気ガス系統ではタービンの上流側で排気ガス背圧が高くなり、同時に吸気トラクトでは過圧が発生する。エンジンブレーキ運転では、内燃エンジンのシリンダー排気口にあるブレーキバルブを開き、シリンダー内で圧縮された空気を高くなった排気ガス背圧に抗して排気ガス系統に押し出さねばならない。

タービン１の流れ流路３には、ラジアル方向流入口断面３ａを制限するフロー（流れ）リング７を配置している。流れリング７は排気ガスターボチャージャー内で軸方向に移動可能であり、軸方向の移動量を両方向矢印８で示している。流れリング３のラジアル方向の内径側でシールリング１１により密封を行い、そのリングは、軸受けハウジング１２と関連配置しているハウジング構成部品の溝に収容されている。シールリング１１を、軸受けハウジング１２と接続している防熱カバー１３のところで保持していると目的に合っている。

ハウジングに固定した防熱カバー１３には、流れリング７に対向した側に、軸方向に動く流れリング７のためのストッパーを形成する二つの段が付いており、その一つは段に一致した輪郭を有している。図１では、ラジアル方向案内格子５に隙間なしで隣接する位置にある流れリング７を図示している。この位置からの軸方向移動は、ハウジングに固定した構成部品１３にあり流れリング７が突き当たるストッパーにより制限される。シールリング１１は、流れリング７とラジアル方向内径側にあるハウジングに固定した構成部品１３の間の漏れ流を防ぎ、その構成部品上にストッパー位置にある流れリング７がラジアル方向で載っている。

図１で示している位置では、流れリング７がラジアル方向案内格子５の側面に軸方向で密着しており、ラジアル方向隙間は形成されておらず、それによりラジアル方向の漏れ流が防止される。ラジアル方向案内格子５に加えて、ラジアル方向流入口断面３ａにスペーサーブッシュ１４を配置することもあり、それにより流れリング７がラジアル方向案内格子５の方向に軸方向移動することを制限する。

ラジアル方向案内格子５の調整可能な案内羽根６は、軸１５ａと１５ｂに回転可能なように支持されており、そのとき両方の軸１５ａと１５ｂは軸方向に対向する案内羽根の側に延伸しており、第一軸１５ａはハウジングに固定して、それに対して第二軸１５ｂは移動可能な流れリング７内に収容されている。第二軸１５ｂは流れリング７にある切り取り部に収容され、その切り取り部の深さは少なくとも軸の長さに相当しており、それにより、流れリング７がラジアル方向案内格子５に軸方向で隣接する位置にあるときに、隙間のない軸方向隣接位置が保証される。

調整可能な案内羽根６は、軸方向の両側でカバーディスク１６と１７により挟まれており、そのカバーは、収容するハウジング側の構成部品内で対応した形状の切り取り部の中に、ないしは流れリング７の対向する側に収容されている。

図２に示した実施例は基本的に図１のものに相当しているが、違いはラジアル方向案内格子５の調整可能な案内羽根６がハウジング側の軸１５ａを一つだけ有していることである。この実施形態の利点は、案内羽根６に対向した側で対応する軸部材を収容するための、流れリング７の切り取り部をなくせることである。図２による実施例においても、案内羽根６の軸方向両側に二つのカバーディスク１６と１７を設けている。

図３による実施例では、ラジアル方向案内格子５の案内羽根６はハウジング側の軸１５ａのみを有し、そしてハウジング側のカバーディスク１６だけを有している。
流れ流路３を通じる流れにより流れリング７がタービン軸の方向で結果としてもたらされる圧縮力を受けるように、流れリング７及び／又はラジアル方向案内格子５を空気力学的に設計する、ないし好都合な流れになるように構成すると利点がある。結果としてもたらされる圧縮力が、目的に適ってラジアル方向の流入口断面３ａにあるラジアル方向案内格子５の方向に流れリング７に当たるので、ラジアル方向案内格子５の正面と流れリング７の間の軸方向の正面隙間が閉じられる。ラジアル方向案内格子５の空力学的構成を、ラジアル方向案内格子上での案内羽根位置と構成により達成することが好ましい。
しかし、過剰回転数を防ぐために、より大きくなる正面隙間の方向に流れリングを配置することも目的に適っている。

可変タービン形状及び軸方向に調整可能な流れリングのある排気ガスターボチャージャーのタービン断面。 図１に相当する図であるが、ラジアル方向案内格子の部分で変形している。 図１ないし図２に相当する図であるが、ラジアル方向案内格子の部分で更に変形している。

Claims (9)

1. 内燃エンジンの排気ガス系統にタービンを、吸気系にタービンで駆動するコンプレッサーを有する内燃エンジン用ターボチャージャーであって、タービン（１）にはラジアル方向流入口断面（３ａ）のある流れ流路（３）がありラジアル方向流入口断面（３ａ）を制限する流れリング（７）を設けており、そしてラジアル方向流入口断面（３ａ）に流入口断面（３ａ）を変更調整するために調整可能な案内格子（５）を配置している排気ガスターボチャージャーにおいて、
   排気ガスタービン（１）のハウジングにある流れリング（７）が、案内格子（５）と接触する位置と案内格子（５）との隙間を設ける位置の間で移動可能であることを特徴とする排気ガスターボチャージャー。
2. アキシャル方向の動きを制限するために、ハウジングに固定したストッパー（１８、１９）を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ー。
3. ラジアル方向流入口断面（３ａ）のアキシャル方向最小幅を決めるスペーサーブッシュ（１４）を、ラジアル方向流入口断面（３ａ）に設けて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ー。
4. ハウジングに固定した構成部品（１３）に対して密封するために、流れリング（７）のラジアル方向内径側にシールリング（１１）を設けていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の排気ガスターボチャージャー。
5. ラジアル方向案内格子（５）が、少なくとも一つのアキシャル方向側面にカバーディスク（１６と１７）を有する調整可能な案内羽根（６）を有することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の排気ガスターボチャージャー。
6. ラジアル方向案内格子（５）の調整可能な案内羽根（６）をチャージャーハウジングのアキシャル方向軸（１５ａ）により支持していることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の排気ガスターボチャージャー。
7. ラジアル方向案内格子（５）の調整可能な案内羽根（６）を、流れリング（７）のアキシャル方向軸（１５ｂ）により支持していることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の排気ガスターボチャージャー。
8. 流れリング（７）が、ラジアル方向案内格子（５）内で静的圧力が下がることにより、
   結果として生じる圧力をタービン羽根車のアキシャル方向、殊にラジアル方向案内格子（５）の方向で受けることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の排気ガスターボチャージャー。
9. 流れリング（７）に、軸方向負荷除去穴を流れリング両側面の間に設けていることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の排気ガスターボチャージャー。

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