JP2009097518A - ターボチャージャ取付システム - Google Patents

Abstract

【課題】デュアルターボチャージャーの取付応力及び熱応力を低減する。
【解決手段】内燃エンジンのターボチャージャ１０６の取付けシステム１００は、ターボチャージャを受けるために構成された頂面とターボチャージャに配置された凹状受け面１５０を有する支持基部１１０を含む。取付けシステム１００は、また、支持基部１１０に接続された少なくとも１つのブリッジクランプ１１２を含む。ブリッジクランプ１１２は、ターボチャージャ１０６の受け面１５０を押えつける少なくとも１つのウイング部１３０，１３２を有するフランジ１２０を含む。
【選択図】図３

Description

本発明は、概略的には、内燃エンジンで使用されるターボチャージャに関する。本発明は、詳細には、内燃エンジンに機械的に取付けられるターボチャージャに関する。

内燃エンジンは、燃料の化学エネルギを機械エネルギに転換する。燃料は、石油、天然ガス、他の可燃性原料、又はこれらの組み合わせがあり得る。大部分の内燃エンジンは、空気−燃料混合気を１又は２以上のシリンダに導入する。燃料は点火して急速に膨張するガスを発生させ、シリンダ内のピストンを作動させる。燃料は、ディーゼルエンジンでは圧縮によって、又はガソリンエンジンではスパークプラグのようなスパークによって点火される。ピストンは、通常、ピストンの往復運動を回転運動に転換するクランクシャフト又は同様の装置に接続されている。クランクシャフトからの回転運動は、乗物を推進させ、ポンプ又は発電機を作動させ、他の作業を行うために使用される。乗物は、トラック、自動車、船舶等である。

多くの内燃エンジンは、シリンダに導入される空気を加圧即ちブーストするターボチャージャを有する。シリンダにより多くの空気を入れると、シリンダ内でより多くの燃料を燃焼させることができる。追加の燃料の燃焼は、エンジンによって生み出される力を増大させる。内燃エンジンは、ターボチャージャ無しよりもターボチャージャ付きがより力を生み出すのが一般的である。

大部分のターボチャージャは、コンプレッサに接続されたタービンを有する。タービンは、通常、タービンハウジング内部で回転するように位置が決めらされたタービンホイールを有する。コンプレッサは、通常、コンプレッサハウジング内部で回転するように位置が決められたコンプレッサホイールを有する。タービンホイールは、通常、共通のシャフトを介してコンプレッサホイールに接続されている。ターボチャージャは、エンジンの排気マニホールドの近くに取付けられるのが一般的である。エンジンからの排気ガスは、タービンハウジングを通り抜ける。排気ガスは、タービンホイールを回転させ、この結果、コンプレッサホイールを回転させる。回転するコンプレッサホイールは、コンプレッサハウジングを通ってエンジンのシリンダに流れる吸気を加圧する。

ターボチャージャは、エンジンの作動に応答して作動するのが典型的である。一般に、ターボチャージャは、エンジンが多く排気ガスを生成するとき速く回転し、且つエンジンが少なく排気ガスを生成するときに遅く回転する。ターボチャージャの作動が速すぎると、ターボチャージャ出力がエンジン性能を低下させ、且つ、ターボチャージャ及び他のエンジン部品にダメージを与えることがある。また、ターボチャージャの作動が遅すぎると、エンジンは、応答性が悪く、パワーが出ず、又は非効率的に作動することがある。また、ターボチャージャ効率は、大気圧、周囲温度、及びエンジンスピードの変化に影響されることがある。

ターボチャージャは、ターボチャージャからの出力を制御する種々の形態をとることができる。多くのターボチャージャ形態は、排気ガスをタービンに迂回させるウェストゲート又はバルブを有することができる。他の形態のターボチャージャは、可変幾何学配置が変化するタービンを使用し、この幾何学的配置では、ベーンまたはノズルが移動してタービンホイールを通過する排気ガスを増大、又は減少させる。いくつかのターボチャージャ形態は、共通のシャフトを介してタービンに接続された２つのコンプレッサを有する。さらに、他のターボチャージャ形態では２つのターボチャージャを有することがある。

デュアルターボチャージャは、通常、排気ガスを受けさらにシリンダに流入する吸気を加圧するようにに接続された第１ターボチャージャ及び第２ターボチャージャを有している。第１ターボチャージャは、通常、吸気圧の範囲中で作動する。第２ターボチャージャは、通常、吸気圧の範囲外で作動する。第１ターボチャージャは、低い吸気圧中で作動できる。第２ターボチャージャは、高い吸気圧で作動できる。第１ターボチャージャは実質的に全ての吸気圧で作動でき、一方、第２ターボチャージャは高い吸気圧で作動できる。第１及び第２ターボチャージャは、同時に、又は異なるタイミングで作動でき、第２ターボチャージャが作動される遷移時間中に同時に作動できる。

多くのターボチャージャが、ボルト又は同様の取付け装置によって内燃エンジンに取付けられている。ボルトは、ターボチャージャ基部またはフランジに設けられた孔を貫通し、内燃エンジンの穴部にねじ込まれている。ターボチャージャ基部とエンジンが平坦でないとき、ターボチャージャ基部上の穴部をエンジンの穴部と整列していないときなどは、ターボチャージャ基部と内燃エンジンとの間の接続が食い違うことがある。ターボチャージャ基部及びエンジンが食い違ったときでも、ターボチャージャがエンジンに取り付けられることがあるが、この食い違った接続は、ターボチャージャ及び取付け装置に機械的な応力又は設置応力を引き起すことがある。

さらに、高温の排気ガスは、ターボチャージャの作動中に、熱応力を引き起す。排気ガスは、ターボチャージャの温度を、約華氏1500度（摂氏815度）又はそれより高い温度に上昇させることがある。この温度上昇は、ターボチャージャを熱膨張させる。ターボチャージャが作動を停止したときには、温度は低下し、ターボチャージャは熱収縮する。この結果、この熱膨張及び熱収縮が、ターボチャージャ内に熱応力を生じさせる。

これらの設置応力及び熱応力は、ターボチャージャ構造に亀裂、疲労、破砕、又は他の損傷を引き起すことがある。設置応力及び熱応力は、取付けボルト又は取付け機構へのせん断力又は側面荷重を増大させる。熱応力及び設置応力は、デュアルターボチャージャ、ディーゼルエンジンで使用されるターボチャージャのようなより大きいターボチャージャ、及びエンジンとより大きい又はより長い接続領域を持つ他のターボチャージャでより顕著になる。接続領域の規模及びタイプが、熱応力の影響が増大することがあり、またエンジンとターボチャージャの食い違いの可能性を増大させることがある。

いくつかのデュアルターボチャージャは単一取付け機構を有し、支持ターボチャージャが内燃エンジンに取付けられる。第２ターボチャージャは、内燃エンジンにではなく、支持ターボチャージャに直接、取付けられる。支持ターボチャージャ及び第２ターボチャージャは、ユニットとして設置することが難しく又は扱いにくいことがあり、また、別々に取付けるとエンジンの組立時間を増大させることがある。単一取付け機構の平坦ではない支持部は、ターボチャージャのメンテナンスを増大させる。さらに、単一取付けデュアルターボチャージャ組立体の幾何学的配置は、しばしば、両方のターボチャージャを、エンジンおよびターボチャージャの振動エンジンに耐えるように適当に支持するには剛性が十分でない。ノイズ、振動、及びハーシュネスは、乗物及び運転者に伝わる。

出願人およびインターナショナルトラック・アンド・エンジン・インテレクチュアルプロパティ社の共有に係る米国特許出願第7,043,915号明細書を、本願に援用する。米国特許第7,043,915号明細書には、ターボチャージャを内燃エンジンに枢動可能に取付けるターボチャージャ取付けシステムが開示されている。このターボチャージャ取付けシステムは、支持基部に取付けられた複数のクランプ装置を有する取付け機構に接続されたターボチャージャユニットを有する。ターボチャージャは、第１フランジを備えた固定接続部を有し、この固定接続部が第１フランジの水平の動きを制限する。ターボチャージャは、さらに、第２フランジを備えた浮動接続部を有し、浮動接続部は、第２フランジの水平の動きを許容する。米国特許第7,043,915号明細書の取付けシステムは、前記問題を解決しようとしているが、簡便且つ安価な取付けシステムへのニーズが存在している。

内燃エンジンのターボチャージャのための取付けシステムは、ターボチャージャを受けるように構成された頂面を有する支持基部と、ターボチャージャに配置された凹状受け面とを含む。この取付けシステムは、また、支持基部に接続された少なくとも１つのブリッジクランプを含む。ブリッジクランプは、ターボチャージャの受け面を押さえつける少なくとも１つのウイング部を有するフランジを含む。

図１及び図２を参照すると、内燃エンジンのためのターボチャージャ取付けシステムの全体が参照符号１００で示されている。ターボチャージャ取付けシステム１００は、取付け装置１０４に接続されたターボチャージャユニット１０２を有する。ターボチャージャユニット１０２は、第１ターボチャージャ１０６及び第２ターボチャージャ１０８を有するデュアルターボチャージャであるが、他の形態のデュアルターボチャージャでもよい。また、ターボチャージャユニット１０２は、シングルターボチャージャ、可変ターボチャージャ等の他の形態を有することもできる。ターボチャージャ取付けシステム１００では、第１ターボチャージャ１０６は高い吸気圧で作動し、第２ターボチャージャ１０８は、低い吸気圧で作動する。

取付け装置１０４は、例えばボルトを用いて内燃エンジンに接続され、第１ターボチャージャ１０６及び第２ターボチャージャ１０８を組立後に、旋回度を伴って内燃エンジンに取付けるように構成されている。ターボチャージャ取付けシステム１００の特定の形態を示して説明するが、本発明の取付けシステムは、追加部品を有するターボチャージャ取付け形態含む他の形態を有してもよい。

図１ないし図３を参照すると、取付け装置１０４は、２つのブリッジクランプ１１２に接続された支持基部１１０を有する。ブリッジクランプ１１２は、ターボチャージャフランジ１２０と、ブリッジクランプ１１２を支持基部１１０に取付ける球形ボルト１２２とを備えている。各ブリッジクランプ１１２は、第１ターボチャージャ１０６と第２ターボチャージャ１０８とを支持基部１１０に接続している。

支持基部１１０は、ノジュラー鋳鉄等の材料から作られ、シリンダヘッド又は燃料ポンプキャビティ等の他のエンジン部品と一体的、又はこれらによって形成される。変形例として、支持基部１１０を、内燃エンジン又は乗物のエンジンコンパートメントに取付けてもよい。

支持基部１１０は、ほぼ平らであり且つ第１ターボチャージャ１０６及び第２ターボチャージャ１０８の底面を受けるように構成された頂面１２４を有する。頂面１２４で、２つのファスナホール１２６が、球形ボルト１２２を受けるように構成されている。

フランジ１２０は全体として細長く、ほぼ円筒状の中心部１２８と、お互いに１８０度離れて中心部から延びる第１ウイング部１３０及び第２ウイング部１３２とを有する。フランジ１２０は、中心部１２８を中心にほぼ対称であり、且つウイング部１３０、１３２に接する平面内にある。

フランジ１２０の高さは、中心部１２８で最大であり、且つウイング部１３０、１３２の先に向かってほぼ減少するのが好ましい。さらに、フランジ１２０の最大幅は中心部１２８にあり、且つウイング部１３０、１３２の幅はウイング部の長さに沿って実質的に一定である。ウイング部１３０、１３２の先端で、ターボチャージャ接触面１３８、１４０が、フランジの下部側面に配置されている。ターボチャージャ接触面１３８、１４０は、それぞれ、ターボチャージャ１０６、１０８へのブリッジクランプ１１２の接触部分である。

ファスナ穴１４２が、フランジ１２０の中心部１２８が球形ボルト１２２を受け入れることができるように構成されている。ファスナ穴１４２は、円筒部１４４と球形接触部と１４６を含んでいる。球形接触部１４６は、フランジ１２０の頂面に配置され、球形ボルト１２２と接するように構成されている。球形ボルト１２２を収容した球形接触部１４６の形態は、ボルト１２２に対するフランジ１２０の回転を可能にするが、球形ボルトに対して係合された球形接触部分を越える、ボルトに対するフランジの上方変位を妨げる（すなわちクランプ力を維持する）。

取付け機構１０４は、また、第１ターボチャージャ１０６に配置された第１位置決め機構１４８と、第２ターボチャージャ１０８に配置され第１位置装置と鏡像関係にあるた第２位置決め機構（図示せず）とを含む。ターボチャージャ取付けシステム１００では、位置機構１４８が、各ターボチャージャ１０６，１０８のクランププラットフォーム１５４に配置された凹状受け面１５０と調整ピン１５２とを含む。

凹状受け面１５０は、フランジ１２０のターボチャージャ接触面１３８、１４０を受けるよう寸法決め且つ配置されている。ブリッジクランプ１１２は、フランジ１２０の先を、凹状受け面１５０の中に下方にクランプする。さらに、凹状受け面１５０は、部品間公差の蓄積および食い違いを吸収できるように、ターボチャージャ接触面１３８、１４０でのフランジ１２０の幅よりもわずかに広くなるように、また、凹部内でフランジの旋回を可能にするように寸法決めされている。

調整ピン１５２は、ターボチャージャ１０６、１０８を支持基部１１０に取付けるためにクランププラットフォーム１５４で使用される。調整ピン１５２の先端は、凹部１５０の内側面でクランププラットフォーム１５４から突出する。調整ピン１５２の先端は、アセンブリ１００を水平に横断する熱膨張を許容するが、ターボチャージャフランジ１２０の水平運動を制限するように構成されている。

取付けアセンブリ１００は、熱膨張、部品組立ての食い違い、及び公差の累積に順応しながら、支持基部１１０へのターボチャージャ１０６、１０８の安定且つ堅固な取付けを促進して乗物及び運転者への騒音、振動及びハーシュネスを減少さる。さらに、球形ボルト１２２は容易にアクセス可能である。

本発明は、その思想又は本質的特長からはずれることなく他の特定の形態で具体的に実施され得る。上述した実施形態、実例としてだけ、全ての事項が考えられ且つ制限的なものではない。本発明の範囲は、したがって、前記説明ではなく特許請求の範囲によって示される。特許請求の範囲と均等の範囲内で行われる全ての変更は、これらの範囲内に包含される。

図１は、ターボチャージャ取付けシステムの平面図である。 図２は、本発明に従ったターボチャージャ取付けシステムの側断面図である。 図３は、本発明に従ったターボチャージャ取付けシステムの斜視図である。

Claims (18)

1. 内燃エンジンのターボチャージャの取付けシステムであって、
   前記ターボチャージャを受けるように構成された頂面を有する支持基部と、
   前記ターボチャージャに配置された凹状受け面と、
   前記支持基部に接続された少なくとも１つのブリッジクランプと、を備え、
   前記ブリッジクランプが、前記ターボチャージャの前記受け面を押えつける少なくとも１つのウイング部を有するフランジを含んでいる、
   ことを特徴とする取付けシステム。
2. 前記フランジのほぼ中央に配置され、且つ球形ボルトを受けるように構成されたファスナ穴をさらに備えている、
   請求項１に記載の取付けシステム。
3. 前記ファスナ穴は、円筒部と球形接触部とを備えている、
   請求項２に記載の取付けシステム。
4. 前記フランジは、ほぼ円筒状の中心部と、お互いにほぼ１８０度をおいて前記円筒状の中心部から延びる２つのウイング部と、を備えている、
   請求項１に記載の取付けシステム。
5. 前記凹状受け面に隣接して配置された少なくとも１つの整列ピンをさらに備えている、
   請求項１に記載の取付けシステム。
6. 前記少なくとも１つの調整ピンは、前記支持基部に受け入れられる、
   請求項５に記載の取付けシステム。
7. 前記フランジは、第１ウイング部及び第２ウイング部を備え、
   前記第１ウイング部は前記ターボチャージャの前記受け面を押えつけ、前記第２ウイング部は第２ターボチャージャの第２受け面を押えつける、
   請求項１に記載の取付けシステム。
8. 前記ターボチャージャ及び前記第２ターボチャージャは、各々、２つのブリッジクランプを受けるための２つの受け面を有する、
   請求項７に記載の取付けシステム。
9. 前記凹状受け面はほぼ平らである、
   請求項１に記載の取付けシステム。
10. 内燃エンジンの第１及び第２ターボチャージャの取付けシステムであって、
    前記第１及び第２ターボチャージャを受けるように構成された頂面を有する支持基部と、
    前記第１及び前記第２ターボチャージャに配置された受け面と、
    前記支持基部に接続された少なくとも１つのブリッジクランプと、を備え、
    該ブリッジクランプは、前記第１ターボチャージャの前記受け面を押えつける少なくとも１つの第１ウイング部と、前記第２ターボチャージャの前記受け面を押えつける少なくとも１つの第２ウイング部とを有するフランジを含んでいる、
    ことを特徴とする取付けシステム。
11. 前記受け面は、前記第１及び第２ターボチャージャでほぼ平らな凹部を備えている、
    請求項１０に記載の取付けシステム。
12. 円筒部及び球形接触部を有し、前記フランジのほぼ中心に配置され、且つ球形ボルトを受けるように構成されたファスナ穴をさらに備えている、
    請求項１０に記載の取付けシステム。
13. 前記球形ボルトは支持基部に受け入れられる、
    請求項１２に記載の取付けシステム。
14. 前記フランジは、ほぼ円筒の中心部と、お互いに１８０度をおてい前記円筒中心部から延びる２つのウイング部と、を備えている、
    請求項１０に記載の取付けシステム。
15. 前記支持基部に受け入れられ、前記凹状受け面に隣接して配置された少なくとも１つの調整ピンをさらに有する、
    請求項１０に記載の取付けシステム。
16. 内燃エンジンの第１及び第２ターボチャージャの取付けシステムであって、
    前記第１及び第２ターボチャージャを受けるように構成された頂面を有する支持基部であって、前記頂面が球形ボルトを受けるように構成されたファスナ穴を含む支持基部と、
    前記第１及び第２ターボチャージャに配置された受け面であって、各受け面が、前記支持基部の前記頂面とほぼ平行なプラットフォームに配置された受け面と、
    前記支持基部に接続された少なくとも１つのブリッジクランプと、を備え、
    前記ブリッジクランプは、前記第１ターボチャージャの前記受け面を押えつける少なくとも１つの第１ウイング部と、前記第２ターボチャージャの前記受け面を押えつける少なくとも１つの第２ウイング部とを有するフランジを含み、前記フランジは、前記フランジのほぼ中央に配置され前記球形ボルトを受けるように構成されたファスナ穴を備えている、
    ことを特徴とする取付けシステム。
17. 前記フランジは、ほぼ円筒状の中心部と、お互いに約１８０度をおいて前記円筒状の中心部から延びる２つのウイング部と、を備えている、
    請求項１６に記載の取付けシステム。
18. 各ウイング部の先端に配置されたターボチャージャ接触面をさらに有する、
    請求項１６に記載の取付けシステム。

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