JP2007146849A - 過給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】第１軸流排気駆動式過給機（１）と第２軸流排気駆動式過給機（２）とを備えた２段式過給装置を、コンパクトな構造で内燃機関の全運転範囲にわたり高い効率で稼働するように改良する。
【解決手段】第２排気駆動式過給機（２）が中空軸（４）を有し、この中空軸（４）が第１排気駆動式過給機（１）の軸（３）上に回転可能に支持されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、直列接続された２個の排気駆動式過給機（ターボチャージャ）を備えた過給装置に関する。

従来において、半径流排気駆動式過給機と軸流排気駆動式過給機が知られている。軸流排気駆動式過給機は特に大きな動力が必要であるときに採用されている。自動車分野において、即ち、半径流排気駆動式過給機の利用分野で、内燃機関の全運転範囲にわたって最良の効率を得るために、複数の排気駆動式過給機を直列接続することが知られている。即ち、内燃機関の部分負荷時に早くも内燃機関に過給空気を良好に供給することを保証するために、低圧排気駆動式過給機と高圧排気駆動式過給機が組み合わせて利用される。

直列接続された２個の排気駆動式過給機の従来公知の利用方式には、両排気駆動式過給機間の配管接続に対して無駄の多い配管敷設が必要であり、また大きな構造空間が必要である、という欠点がある。無駄の多い配管敷設のために、配管内に流れ損失が生ずるので、直列接続された排気駆動式過給機の効率が低くなってしまう。

上述した従来の欠点から出発して、本発明の課題は、内燃機関の全運転範囲にわたって高い効率で稼働するコンパクトな排気駆動式過給機を提供することにある。

この課題は請求項１に記載の特徴、即ち、「第１排気駆動式過給機と第２排気駆動式過給機とを備え、前記第１排気駆動式過給機が第１軸上に軸流式の第１排気ガスタービンと第１圧縮機インペラとを有し、前記第２排気駆動式過給機が第２軸上に軸流式の第２排気ガスタービンと第２圧縮機インペラとを有している過給装置において、第１軸と第２軸が同軸的に支持されていることを特徴とする過給装置。」によって解決される。本発明の有利な実施態様は従属請求項に記載されている。

本発明によれば、排気装置は統合された２個の排気駆動式過給機が設けられている。各排気駆動式過給機はそれらの軸上に排気ガスタービンと圧縮機インペラを有している。それらは軸流排気駆動式過給機であるので、排気ガスタービンは軸方向に、即ち、軸に対して平行に貫流される。両排気駆動式過給機の軸は互いに同軸的に配置されている。

例えば第１軸の周りに支持された第２中空軸の利用によって実現される両軸の同軸的配置によって、構造空間を最適にすることができる。その同軸的配置によって、排気駆動式過給機間の補助的配管が十分に省かれ、これによって、両排気駆動式過給機間の流れ損失も最低になる。

本発明の有利な実施態様において、排気駆動式過給機は排気ガス流の中に、過給装置において外側に配置された第１排気ガスタービンが最初に、続いて、第２排気ガスタービンが排気ガスで貫流されるように配置されている。

この処置により、過給装置の中心までの有用場所が増大されるので、排気ガス流の導入に対する配管敷設を僅かにすることができる。即ち、内側位置の排気駆動式過給機より前に外側位置の排気駆動式過給機に排気ガスを供給することによって、内側位置の第２排気ガスタービンにまず排気ガスを供給する配管を省くことができる。なお、その配管は形状および所要場所を大きくし構造経費を高め、従って不利である。また、この処置および本発明に基づく２段式過給装置のコンパクトな構造によって、本発明に基づく過給装置を、単段式過給装置に換えて内燃機関に設けることができる。

本発明の他の有利な実施態様において、一方あるいは両方の排気駆動式過給機に、駆動装置および／又は出力装置が装備されている。

内燃機関に速く負荷を負わせようとするとき、その負荷投入のはじめに過給空気が不足している。従ってこの過程において、駆動装置を介して、一方あるいは両方の排気駆動式過給機の軸が駆動され、これにより、その早い時点で既に十分な過給空気が用意でき、内燃機関の応答性能が向上される。従って、この処置は、低圧排気駆動過給機および高圧排気駆動過給機の利用に加えて行われる。また、内燃機関の部分負荷運転中、内燃機関における燃焼過程が部分負荷範囲では最適に進行しないため、多量のすすが発生する。この問題を解決するために、駆動装置が利用され、部分負荷運転時に、追加的過給空気の導入によって、内燃機関の有害物発生値が最適化される。

さらに、過給装置の一方あるいは両方の軸に出力装置を設けることも有利である。この出力装置は駆動装置と一体化することもできる。余剰排気ガスをバイパス路を介して排気駆動過給機を迂回して導くために、いわゆる「ウエスト ゲート バルブ（排気逃し弁）」を利用することが従来知られている。発生されるほど多量の過給空気が必要とされない場合、出力装置が投入され、その出力装置を介して余剰排気ガスを利用することができる。排気駆動式過給機軸を動力出力軸として使用することによって、余剰排気ガスの流れエネルギが利用できる。

本発明の有利な実施態様において、両排気ガスタービン間に案内グリルが設けられている。この案内グリルは、両排気ガスタービン間で流れ状態を最適にするために使われる。そのため、案内グリルの構成要素は、排気駆動式過給機の回転数に関係して調整できる。

本発明の他の有利な実施態様において、過給装置の効率を向上するために、低圧排気駆動式過給機並びに高圧排気駆動式過給機にインタクーラ（過給空気冷却器）が装備されている。即ち、低圧排気駆動式過給機の下流に中間冷却器が配置されている。あるいはまた、一方の排気駆動式過給機だけにインタクーラが装備され、あるいは両排気駆動式過給機に同一インタクーラが利用される。さらに他の有利な実施態様として、低圧排気駆動式過給機の排気ガスタービンの直径が、高圧排気駆動式過給機の排気ガスタービンの直径より大きいものとする。また、過給装置に消音器を設けるものとする。

以下図に示した２つの実施例を参照して本発明を詳細に説明する。

図１は、排気ガスタービン５と圧縮機インペラ７が配置された第１軸３を備えた第１排気駆動式過給機１を示している。第１排気駆動式過給機１は高圧排気駆動式過給機であり、その排気ガスタービン５はそれに応じて、排気ガス流に小さな慣性モーメントを相対させるために、低圧排気駆動式過給機におけるより大きく形成される。なお、単段排気駆動式過給機に比べて、両排気ガスタービン５、６の直径は小さく、これにより、排気ガスタービンの慣性モーメントは単段構造に比べて小さい。

第２排気駆動式過給機２は第２軸４の両端にそれぞれ第２排気ガスタービン６ないし第２圧縮機インペラ８を有している。第２軸４は中空軸として形成され、第１軸３上に支持されている。この構造形状によって、全体としてコンパクトな過給装置構造が可能となる。両排気ガスタービン５、６間に、第２ガスタービン６への空気流を最適化するために設計された案内グリル１１が設けられている。なお、第１排気ガスタービン５に対して同じ目的を果たすために、第１排気ガスタービン５の上流にも案内グリルを設けることができる。不足回転数の際に軸を駆動するために、あるいは超過回転数の際にエネルギ回収によって制動するために、第１軸３の一端に駆動／出力複合装置９、１０が設けられている。中空軸４にも駆動／出力複合装置を設けることができるが、もっとも、構造形状は構造空間１５における場所状態に合わせねばならない。

圧縮機インペラ８を通して流れる空気は中間冷却器（インタクーラ）１２を介して導かれ、その後、高圧排気駆動式過給機の圧縮機インペラ７に導かれる。高圧排気駆動式過給機１の圧縮機インペラ７の貫流後、過給空気は別のインタクーラ（過給空気冷却器）１３で冷却される。インタクーラ１２、１３を冷却するために、排気駆動式過給機ハウジングに冷却液に対する接続口１６が設けられている。騒音発生を減少するために、排気駆動式過給機ハウジングに消音器１４が設けられている。

図２は本発明の異なった実施例を示している。その過給装置の構造部品には第１実施例に相当した符号が付されている。第２実施例は第１実施例とは、第１排気駆動式過給機１がここでは低圧排気駆動式過給機を形成し、過給装置において第１排気駆動式過給機に比べて内側に位置する第２排気駆動式過給機２が高圧排気駆動式過給機として用いられる点で相違している。それに応じて、インタクーラ１２が第１排気駆動式過給機の圧縮機インペラ７に設けられ、消音器１４は過給装置の外周に設けられず、過給装置終端に設けられている。

本発明に基づく過給装置の第１実施例の概略図。 本発明に基づく過給装置の第２実施例の概略図。

符号の説明

１ 第１排気駆動式過給機
２ 第２排気駆動式過給機
３ 第１軸
４ 第２軸
５ 第１排気ガスタービン
６ 第２排気ガスタービン
７ 第１圧縮機インペラ
８ 第２圧縮機インペラ
９ 駆動装置
１０ 出力装置
１１ 案内グリル
１２ 中間冷却器（インタクーラ）
１３ インタクーラ（過給空気冷却器）
１４ 消音器
１５ 駆動／出力装置に対する組込み空間
１６ 冷却液供給用接続口

Claims (10)

1. 第１排気駆動式過給機（１）と第２排気駆動式過給機（２）とを備え、前記第１排気駆動式過給機（１）が第１軸（３）上に軸流式の第１排気ガスタービン（５）と第１圧縮機インペラ（７）とを有し、前記第２排気駆動式過給機（２）が第２軸（４）上に軸流式の第２排気ガスタービン（６）と第２圧縮機インペラ（８）とを有している過給装置において、第１軸（３）と第２軸（４）が同軸的に支持されていることを特徴とする過給装置。
2. 過給装置において外側に配置された第１排気ガスタービン（５）が最初に、続いて、第２排気ガスタービン（６）が排気ガスで貫流されることを特徴とする請求項１に記載の過給装置。
3. 第１排気駆動式過給機（１）および／又は第２排気駆動式過給機（２）に、駆動装置（９）および／又は出力装置（１０）が装備されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の過給装置。
4. 第２排気駆動式過給機（２）の第２軸（４）が中空軸として形成され、第１軸（３）の周りに回転可能に支持されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の過給装置。
5. 一方の排気駆動式過給機（１、２）が高圧排気駆動式過給機として形成され、他方の排気駆動式過給機（１、２）が低圧排気駆動式過給機として形成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の過給装置。
6. 第１排気ガスタービン（５）と第２排気ガスタービン（６）との間に、両排気ガスタービン（５、６）間で空気を案内するための案内グリル（１１）が設けられていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の過給装置。
7. 案内グリル（１１）の幾何学形状が回転数に関係して調整できることを特徴とする請求項６に記載の過給装置。
8. 低圧排気駆動式過給機の圧縮機インペラ（７、８）の下流にインタクーラ（１２）が、および／又は、高圧排気駆動式過給機の圧縮機インペラ（７、８）の下流にインタクーラ（１３）が設けられていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の過給装置。
9. 低圧排気駆動式過給機の排気ガスタービン（５、６）の直径が、高圧排気駆動式過給機の排気ガスタービン（５、６）の直径より大きいことを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の過給装置。
10. 過給装置に消音器（１４）が設けられていることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１つに記載の過給装置。

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