JP2010507045A - ガス封止および振動減衰用のリングシール - Google Patents

Abstract

２段ターボ過給システムの２つのタービンハウジング（１、２）を接続するための接続装置が、２つのタービンハウジングを結合するための雄／雌継手；排気ガスを封止するための、雄／雌継手の内側に圧縮下において取り付けられた円筒状リングシール（３）；および２つのハウジング間に配置された、平ワッシャの形状の振動ダンパ（４）を含む。円筒状リングシールは、バーミキュライトまたはグラファイトで含浸されたステンレス鋼メッシュで作製されている。振動ダンパは、ステンレス鋼メッシュで作製されているが、含浸されていない。

Description

本発明は、内燃機関用の２段ターボ過給システムに関し、より詳細には、各タービン段間の円筒状ラジアルシールおよびハウジング間の振動ダンパに関する。

ターボチャージャは、強制的な吸気システムの一種である。ターボチャージャは、エンジンに流入する空気を圧縮するので、その重量を顕著に増大させることなくエンジンの馬力を上げる。ターボチャージャはエンジンからの排気流を使用してタービンを回転させ、次にタービンがエアコンプレッサを回転させる。タービンは、大多数の自動車エンジンより約３０倍高速で回転し、かつ排気部と接続しているので、タービン内の温度は非常に高くなっている。

ターボチャージャに関する主要な問題の１つは、アクセルを踏んだ時に出力を即時に増大させないことである（いわゆるターボラグまたはブーストラグ）。ターボラグを低減させるための一方法は、タービンの直径を縮小させることである。しかしながら、タービンが小さいと、高いエンジン回転数において出力を十分に上げない。また、タービンを通過する排気量が多いときに、高いエンジン回転数で急速に回転しすぎることは危険でもある。ターボチャージャが大きいと、高いエンジン回転数において出力を多く増大させることができるが、その重いタービンおよびコンプレッサを加速させるためにかかる時間のせいで、ターボラグが長くなる場合がある。

上述の問題を解決するために、ツインターボシステムが設計された。ツインターボシステムは、パラレルツインターボシステムまたはシーケンシャルツインターボシステムである。パラレルツインターボシステムは２つの小さなターボを有し、一方のターボはエンジンの全回転範囲にわたってアクティブであり、他方のターボはＲＰＭが高くなるとアクティブになる。シーケンシャルツインターボシステムは２段ターボ過給システムとも称し、サイズの異なる２つのターボチャージャを使用する。小さなターボチャージャは、非常に急速に速度を回転させてラグを低減させ、大きなターボチャージャは、より高速において引き継いで、出力をより増大させる。

従来、２段ターボ過給システムの大きな低圧（ＬＰ）タービンハウジングと小さな高圧（ＨＰ）タービンハウジングとは、排気ガスの漏出を回避するために、例えばＶバンド連結およびすべり継手によって剛結合される。しかしながら、この種の剛結合は、高温下において熱膨張のために応力の原因となり得る。

一部の２段ターボ過給システムでは、小さなユニットが大きなユニットから片持ちされるので、熱的条件下で自由に成長することができる。しかしながら、この種の結合は確実な支持をもたらさないため、両タービンユニットが十分に大きい場合には、両タービンユニットをエンジンにしっかりと取り付ける必要があり、それは、取付けフランジが強固であるなら、熱成長下で大きな応力が発生し得ることを意味する。

従って、本開示の目的の１つは、２段ターボ過給システムにおけるタービンハウジング間の結合を提供することであり、これは、確実な支持をもたらし、同時に（ｍｅａｎ ｔｉｍｅ）高いおよび低い動作温度において必要な排気ガス封止をもたらし、かつまた、ハウジングの熱成長を可能とする。

上述の目的を達成するために、本開示は、好ましくはステンレス鋼製でかつバーミキュライト、グラファイトまたは他の好適な媒材で含浸されたワイヤメッシュ装置を、雄／雌継手によって接続される２段ターボ過給システムの各タービン段間のラジアルシールとして提供する。含浸されたメッシュ装置は、薄壁の円筒状リングの形状であり、２つのタービンハウジングを接続する雄／雌継手の内側に圧縮下において取り付けられる。このラジアルシールは、高いおよび低い動作温度において必要な排気ガス封止をもたらし、かつ同時に、ハウジングの熱成長を可能とさせるので、雄／雌継手は、シールを破壊することなくその主軸に沿って摺動可能となる。この種の接続は、２つのターボチャージャユニットを効率的に分離し、かつ２つのターボチャージャユニットが、応力をもたらさない温度で成長できるという利点も有する。

ターボチャージャユニットの分離は、システムがあまり剛性でないため、第１のモードの周波数に悪影響をもたらすかもしれない。これを説明すると、好ましくはステンレス鋼製でかつ平ワッシャ形状の第２のメッシュリングを各ハウジング間に配置して、振動ダンパとして機能させる。第２のリングは、ラジアルシールと類似の材料で作製されているが、含浸されていない。第２のリングは、励振範囲における振動を減衰させるように調整された「弾性係数」（ワイヤの直径および密度など）を有するので、システムに必要なモード応答を達成する。

本発明のさらなる利点および実施形態は、以下の説明および関連する図面から明らかとなる。

本発明を、添付の図面において限定ではなく一例として説明し、図面においては、同様の参照符号は類似の部分を示す。

本開示の本態様に従った２段ターボチャージャの斜視図である。 ２つのタービンハウジングの接続を示す断面図である。

図１〜２に、２段ターボチャージャの高圧（ＨＰ）タービンハウジング１および低圧（ＬＰ）タービンハウジング２との関連でシール３およびダンパ４の位置を示す。

一実施形態では、本開示によるシール３およびダンパ４は、以下の動作条件下で作動できる。最大温度は約７５０℃；ハウジング間のほぼ線形の成長は１〜２ｍｍ；ハウジング１、２双方の鋳造用の材料はＨｉＳｉＭｏ鉄である；周波数の第１のモードは３００Ｈｚ超である；および熱サイクルの最少数は約１０，０００である。

一実施形態では、ラジアルシール３は、３００系ステンレス鋼の編みワイヤメッシュで作製されており、ワイヤの直径は約０．２０ｍｍであり得る。本開示はまた、コストなど複数の要素に基づいて他の材料を使用することも意図する（例えば、低炭素鋼、４００系ステンレス鋼等）。しかしながら、排気ガスの水分含量および鉄製ハウジングの性質のため、シール３を破壊せずに必要に応じてハウジング１、２が成長／収縮する能力を制限し得る腐食が発生することがある。利点対コストを考慮する必要はあるものの、よりコストの高い材料（例えば、ニッケル合金、オーステナイトニッケル系の超合金、ＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）等）を使用することもできる。シール３を形成するために使用するワイヤの直径は、０．１５〜０．３０ｍｍの範囲である。シール３のワイヤは、骨組みとしての機能を果たして、潤滑性材料、例えばバーミキュライト、グラファイト等を幾何学的形状に保持し、かつ、ある程度の剛性をもたらすことができる。その部分の封止能力は、ワイヤの直径にあまり影響されない。含浸されたメッシュ装置は、薄壁の円筒状リングの形状であり、かつ２つのタービンハウジング１、２を接続する雄側連結構造１０および雌側連結構造２０によって形成された雄／雌継手の内部に圧縮下において取り付けられ得る。メッシュシール３は、３．０〜６．０ｍｍの範囲の厚さ、かつ７０〜８０％の密度のワイヤ量を有し得る。

別の実施形態では、ワイヤメッシュシール３に、バーミキュライトスラリーを含浸させることができる。シール３にグラファイトまたは他の好適な媒材を含浸させることもできる。バーミキュライトスラリー、グラファイトまたは他の好適な媒材は、以下の特性を有し得る。
ａ）７５０℃超の定常温度に耐える熱的能力；
ｂ）ハウジング１、２の間で圧縮されている場合にも離層することのない、取付け時の耐久性；
ｃ）熱サイクルおよび滑り摩擦が離層の原因とならないような、使用中の耐久性；および
ｄ）シール表面上を各部分が互いに対して摺動できるような、動作温度範囲にわたる潤滑性。

別の実施形態では、ダンパ４は、ワイヤの直径が約０．２８ｍｍおよび密度が約２５％の３００系ステンレス鋼のような編みワイヤメッシュで作製され得る。好ましい実施形態では、ダンパ４は含浸されていない。シール３と同様に、他のコストの低いまたは高い材料を使用することもできるが、腐食の可能性とコストを考慮する必要がある。

ダンパ４のワイヤの直径は、０．１０〜０．４０ｍｍの範囲である。シール３とは異なり、ワイヤの直径は、ダンパ４の重要な特徴の１つであることが分かっている。密度とともに、これらの２つの特徴によって、ダンパ４の「調整」が可能となり、熱成長および振動減衰に必要な弾性係数をもたらす。ダンパの密度は、熱成長、必要なモード応答および選択したワイヤの直径に依存し得る。これらの部分が設計された特定の用途では、密度を１５〜２５％に制限する必要がある。上述の変数に依存して、密度は１０から８０％の間になり得る。ワイヤの直径、熱成長およびモード応答に依存して、一般的に、ダンパ４の厚さは２．０〜１０．０の範囲が好ましい。

シールは排気マニホルドおよび他のパイプ型用途に使用されているが、ダンパリングは他の用途にも使用されている。しかしながら、本開示の発明者らは、本開示のシール３およびダンパ４を共に２段ターボ過給システムに適用して排気継手を分離させ、ハウジング１、２の熱成長を可能とする一方で、漏出の問題およびモード応答を解決する。

シールは排気マニホルドに使用されているが、ターボチャージャにおける温度は通常の排気マニホルドよりもかなり高いため、ある種のシールはターボチャージャに使用できないということは共通の認識である。また、漏出の問題は、通常の排気マニホルドにおいては、ターボチャージャほど重要ではない。

本発明を、例示目的で選択した特定の実施形態を参照して説明してきたが、それに対し、当業者が本発明の趣旨および範囲から逸脱せずに多くの修正例をなし得ることは明白である。

Claims (18)

1. ２段ターボ過給システムの２つのタービンハウジング（１、２）を接続するための接続装置であって、
   前記２つのタービンハウジングを結合するための雄／雌継手（１０、２０）；
   排気ガスを封止するための、前記雄／雌継手の内側に圧縮下において取り付けられる円筒状リングシール（３）；および
   前記２つのタービンハウジング間に位置決めされた、平ワッシャの形状の振動ダンパ（４）、
   を含み、
   前記円筒状リングシールが、物質で含浸されたワイヤメッシュで作製されており、かつ前記振動ダンパが、含浸されていないワイヤメッシュで作製されている、接続装置。
2. 前記円筒状リングシールおよび前記振動ダンパのうちの少なくとも１つの前記ワイヤメッシュがステンレス鋼製である、請求項１に記載の接続装置。
3. 前記ワイヤメッシュが３００系ステンレス鋼製である、請求項２に記載の接続装置。
4. 含浸した物質が、熱的能力、取付け時の耐久性、使用中の耐久性、および温度範囲にわたる潤滑性を含む基準に基づいて選択される、請求項１に記載の接続装置。
5. 前記含浸した物質が、バーミキュライトまたはグラファイトである、請求項１に記載の接続装置。
6. 前記振動ダンパが、励振範囲において振動を減衰させるように調整された弾性係数を有する、請求項１に記載の接続装置。
7. 前記弾性係数が、ワイヤの直径および織密度を含む、請求項６に記載の接続装置。
8. 前記ワイヤの直径が約０．１０〜０．４０ｍｍであり、かつ密度が約１０〜８０％である、請求項７に記載の接続装置。
9. 前記ワイヤの直径が約０．２８ｍｍであり、かつ密度が約１５〜２５％である、請求項８に記載の接続装置。
10. 前記円筒状リングシールが、約０．１５〜０．３０ｍｍのワイヤの直径、約３．０〜６．０ｍｍの厚さ、および約７０〜８０％の密度のワイヤ量を有する、請求項１に記載の接続装置。
11. 前記円筒状リングシールが約０．２０ｍｍのワイヤの直径を有する、請求項１０に記載の接続装置。
12. 前記ダンパが約２．０〜１０．０ｍｍの厚さを有する、請求項１０に記載の接続装置。
13. 雄側連結部（１０）のあるハウジング（２）を有する第１のタービン；
    雌側連結部（２０）のあるハウジング（１）を有する第２のタービン；
    ここで、前記雄側および雌側連結は、雄／雌継手を形成するために接続可能であり、
    排気ガスを封止するための、前記雄／雌継手の内側に圧縮下において取り付けられる円筒状リングシール（３）；および
    前記２つのハウジング間に配置された、平ワッシャの形状の振動ダンパ（４）
    を含み、前記円筒状リングシールが、物質で含浸されたワイヤメッシュで作製されており、かつ前記振動ダンパが含浸されていないワイヤメッシュで作製されている、２段ターボチャージャシステム。
14. 前記円筒状リングシールおよび前記振動ダンパのうちの少なくとも１つの前記ワイヤメッシュがステンレス鋼製である、請求項１３に記載のシステム。
15. 含浸した物質が、バーミキュライトまたはグラファイトである、請求項１４に記載のシステム。
16. 前記振動ダンパが、励振範囲において振動を減衰させるように調整された弾性係数を有する、請求項１３に記載のシステム。
17. 前記円筒状リングシールが、約０．１５〜０．３０ｍｍのワイヤの直径、約３．０〜６．０ｍｍの厚さ、および約７０〜８０％の密度のワイヤ量を有する、請求項１３に記載のシステム。
18. 前記振動ダンパが約２．０〜１０．０ｍｍの厚さを有する、請求項１３に記載のシステム。
    

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