JP2010508467A - 内燃機関用ターボチャージャ - Google Patents

Abstract

本発明は、ハウジング（２）およびロータアセンブリ（４）を備え、ハウジング（２）は貫流可能な排ガス導入セクション（３）を、およびロータアセンブリ（４）はタービンホイール（５）と、回転軸（７）を具備しタービンホイール（５）と共に回転するように接続されたシャフト（６）とを備えており、タービンホイール（５）は排ガス導入セクション（３）に回転可能に支承されており、タービンホイール（５）は排ガスが当たるように形成され、ガス導入セクション（３）内にタービンホイール（５）への排ガスの当たりを変化させるための配向装置（１４）が配置されており、配向装置（１４）は回転軸（７）の方向へ調整可能なアキシャルスライダ（１６）を備え、調節フォーク（２０）を具備した調節装置（１９）が配向装置（１４）に接続されている、内燃機関用ターボチャージャに関する。本発明により、回転軸（７）の方向に伸びる案内要素（２２）を備え、調節フォーク（２０）が案内要素（２２）に沿って平進して動くことが可能に形成されている。本発明は主として商用車構造において、可変タービンジオメトリを備えたエンジンに取り付けられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１の前段部に従った内燃機関用ターボチャージャに関する。

特許文献１から、ハウジングとロータアセンブリから構成されるターボチャージャが知られており、このハウジングは排ガス導入セクションを備えており、この排ガス導入セクション内にはロータアセンブリのタービンホイールが回転可能に収容されている。タービンホイールは回転軸を備えたロータアセンブリのシャフトと共に回転するように接続されている。作動中はタービンホイールに内燃機関の排ガスが当てられ、回転運動に移行される。排ガス導入ハウジング内に配置された配向装置を用いて排ガスによるタービンホイールへの当たりを変化させるため、タービンホイールへの流入は、ターボチャージャの可能な限り高い効率が達成できるよう調整される。ここでは、配向装置は調整可能に形成されており、位置決めは内燃機関の特定の作動ポイントに依存している。この配向装置は回転軸の方向に軸上を滑り移動できるアキシャルスライダを備えている。配向装置にはアキシャルスライダを滑り移動させるための調節装置が接続されている。この調節装置は複数の端部セクションの付いた調節フォークを備えており、それら端部セクションはカム形状に形成されている。端部セクションはアキシャルスライダの周囲に備えられている複数の切り欠き部に収容され、それによって調節フォークの切り欠き部への噛み合いが実行される。この調節フォークは、ニューマチックシリンダの働きで旋回可能に形成されている。アキシャルスライダが軸方向に滑り移動するために調節フォークがニューマチックシリンダによって動かされると、調節フォークの回転運動が開始され、切り欠き部内の端部セクションは回転運動を実行する。その際、切り欠き部内の端部が傾くこと、およびその結果によるターボチャージャの故障は排除できない。

独国特許第１９８１６６４５Ｂ４号明細書

本発明の課題は、ターボチャージャ用の調節装置の単純で安価な構造を考慮しつつ、すべての作動範囲においてアキシャルスライダの調整が確保されるよう、ターボチャージャを設計することである。

本発明により、この課題は請求項１の特徴により解決される。本発明によるターボチャージャは、案内要素に沿って平進して動くことが可能に形成された調節フォークを備えており、案内要素は回転軸の方向に伸びるように形成されている。案内要素の助けにより、調節フォークの軸上の動作が回転軸の方向へ定義され、調節フォークの傾斜運動は回転軸周囲で排除される。調節フォークが回転軸の方向へ軸上に滑り移動されると、調節フォークの端部セクションは平進動作を行う。端部セクションの助けで、調節フォークの平進動作はアキシャルスライダに伝達可能である。アキシャルスライダの滑り移動のために、アキシャルスライダへ伝達された運動はすでに平進運動を描いているため、アキシャルスライダの回転軸周りの傾斜運動は排除される。さらに、調節フォークは軽量化された安価な構造を意味する。

有利な実施形態では、案内要素は確実な案内のために調節フォークの開口部へ位置決めされ、開口部は調節フォークの案内セクションに配置される。

好ましい実施形態では、調節フォークと案内要素の間に、ある長さをもった接点が設けられており、案内要素は有効な直径を有する。摩耗を低減し、ターボチャージャの永続的な作動を保証するため、長さと直径の成す比は２より大きいことが有利である。

別の実施形態では、案内要素の、タービンホイールとは反対を向いた側が成形シェル内で、そしてタービンホイールの方に向いた側が排ガス導入セクション内で支持されており、それによって温度変化の大きい状態での作動中に案内要素の歪みが回避できる。

別の好ましい実施形態では、安価に製造するため、および組み立てを容易にするため、案内要素と開口部が円筒形状に形成されている。

別の有利な実施形態では、調節フォークおよびアキシャルスライダは第１の物理的接点と第２の物理的接点を備えており、第１と第２の物理的接点が案内要素の案内軸に対して対称に配置され、それによってアキシャルスライダの傾斜運動が回避可能になる。

別の実施形態では、案内セクションが第２の切り欠き部を備えており、第２の切り欠き部の中に調節レバーの第１のレバー端部が噛み合うように配置され、第１のレバー端部の助けによって軸方向の滑り移動が開始可能になる。第２の切り欠き部の助けによって、軸方向の滑り移動を開始する動きが平進運動へ変換可能になり、それによってアキシャルスライダの傾斜角度が補足的に制限可能になる。第２の切り欠き部は、回転軸に対して横向きに形成されるのが好ましい。

別の実施形態では、第１のレバー端部が滑りローラの形状に形成されており、それによって調節力が調節レバーから案内セクションで伝達される際に固着が抑制可能になる。有利かつ好適な本発明の実施形態を、以下の記述および図面により説明する。

本発明によるターボチャージャの排ガス導入セクションの縦断面図。 組み立てた状態の配向装置および調節装置の斜視図。

図中では、同一または同一に作用する構成部品にはすべて同じ符号が付されている。内燃機関は、シリンダヘッドおよびクランクケースを具備したマシンハウジングを備えている。シリンダヘッドは内燃機関の吸気系および内燃機関の排気系と接続している。

クランクケース内にはシリンダが配置されており、各シリンダにはそれぞれ１つの軸方向に可動なピストンが備えられている。さらに、クランクケースにはクランクシャフトが回転可能に支承されている。各ピストンはコンロッドによってクランクシャフトと接続されており、その結果ピストン力がクランクシャフトへ伝達可能になっており、クランクシャフトの回転運動へ変換することができる。

内燃機関のシリンダ内には混合気を燃焼させるための燃焼室が形成されている。各燃焼室は、シリンダの内壁、シリンダ内で可動のピストン、シリンダヘッドの壁によって限定され、その際シリンダヘッドの壁および各ピストンの壁はほぼ向かい合って配置されている。燃焼室は対応するピストンの助けにより、その容積を変更可能に形成されており、その結果その内部において周知の燃焼過程が実施可能になる。

シリンダヘッドは、インレットポートおよびインレットバルブを備えたインテークシステム、アウトレットポートおよびアウトレットバルブを備えたエキゾーストシステム、付属する燃焼室内で燃料を噴射するためのインジェクションシステムを具備し、その際、燃料が燃料ポンプの助けにより燃料タンクから送ることが可能である。各インレットポートは、好ましくは少なくとも１つのインレットバルブを備えており、インレットバルブの助けによってインレットポートを開閉し、インレットバルブは、燃焼室の方に向いたインレットポート端部に配置されている。このインレットポートを経由して、インレットバルブが開いている状態で、燃焼室へ燃焼用空気または混合気が供給可能となる。燃焼室と反対の方に向いたインレットポート端部は、吸気系に配置されて流れを安定化させる役目を果たすリザーバと接続している。

各アウトレットポートは、好ましくは少なくとも１つのアウトレットバルブを備えており、そのアウトレットバルブの助けによってアウトレットポートを開閉し、アウトレットバルブは、燃焼室の方に向いたアウトレットポート端部に配置されている。燃焼の際、燃焼室内に生成された混合気から、内燃機関の動作中に排ガスが生じ、排ガスはアウトレットポートを通って燃焼室から排気系へと流れることができる。

吸気系にはターボエアダクトが備えられており、内燃機関の方に向いたターボエアダクトの端部にリザーバが配置されている。リザーバ上流側には、ターボエアダクト内に吸入した燃焼用空気を冷却するためのインタークーラが配置されている。吸入した燃焼用空気を浄化するためのエアフィルタは、内燃機関と反対の方に向いたターボエアダクトの反対側端部に配置されている。

排気系は、排気マニホールドおよび排気ラインを備えており、排気マニホールドは排気ダクトおよび排気ダクトと合流するコレクターダクトを備えている。排気マニホールドは、エキゾーストシステムの下流に配置されており、排気ダクトごとに１つのアウトレットポートが割り当てられている。排気ラインはコレクターダクトの開口部で排気マニホールドと接続されており、開口部は排気ダクト下流側に置かれている。内燃機関と反対の方に向いた排気ライン端部には、排ガスの後処理のために排ガス後処理システムが配置されており、排ガス後処理システムは微粒子フィルタおよび／またはキャタライザの形に形成されている。

内燃機関は、補足的に排ガス再循環システムを備えており、排気マニホールドとリザーバの間に接続ラインが排ガス再循環ラインの形で配置されている。排ガス再循環ライン内には、再循環される排ガスを冷却するために排ガス再循環クーラが配置されている。再循環される排ガス量の調整は、排ガス再循環バルブを使用して行われる。

多数の機能を調整および制御するため、内燃機関には調整・制御システムが割り当てられている。調整・制御システムによって、特に燃料供給および排ガス再循環バルブを調整できる。

内燃機関には、ガスが貫流可能な空気導入セクション、ガスが貫流可能な排ガス導入セクション３、軸受けセクションを具備したハウジング２を備えたターボチャージャ１が割り当てられており、空気導入セクションは吸気系内に、排ガス導入セクション３は排ガス系内に配置されている。

ターボチャージャ１は、燃焼用空気を圧縮するためのコンプレッサーホイール、排ガスを膨張させるためのタービンホイール５、コンプレッサーホイールをタービンホイール５と共に回転するように接続するシャフト６（回転軸７付き）を具備した、ロータアセンブリ４を備えている。シャフト６は、空気導入セクションと排ガス導入セクション３の間に配置されたターボチャージャ１の軸受けセクション内で回転可能に支承されている。

空気導入セクション内では、コンプレッサーホイールが第１のホイールチャンバ内に回転可能に配置されている。第１のホイールチャンバの上流では、空気導入セクション内にインレットダクトが配置されており、インレットダクトおよびコンプレッサーホイールが好ましくは同軸で配置される。インレットダクトはコンプレッサーホイールによって吸入された燃焼用空気を調節するために使用される。

第１のホイールチャンバ下流では、空気導入セクション内に流出ダクトがディフューザの形で配置されており、流出ダクトはコンプレッサーホイールによって吸入され圧縮された燃焼用空気を調節するために配置されている。流出ダクトは、その第１のホイールチャンバの反対の側に向いた端部で、空気導入セクションに属する第１の螺旋ダクトに接続しており、螺旋ダクトは回転対称の流れを用意するために使用される。さらに、第１の螺旋ダクトは、流出ダクトと空気導入セクション内に形成されたアウトレットダクトの間に、接続ポートとして仕上げられている。

空気導入セクションは、コンプレッサーホイールの流入量を変更するための装置を備えている。流入量の変化により、吸入された燃焼用空気の膨張が達成可能となり、その結果冷気タービン運転でのコンプレッサーホイールの運転が可能になる。

排ガス導入セクション３への排ガス流入のため、インレットダクト８が排ガス導入セクション３内に形成されている。インレットダクト８は、内燃機関の作動中にタービンホイール５を回転運動に移行させる、排ガスの調節のために使用される。好ましくは、インレットダクト８は回転軸７に対して垂直に配置される。

インレットダクト８の下流では、排ガス導入セクション３内に第２の螺旋ダクト９が配置され、第２の螺旋ダクト９は軸対称な流れを用意するために使用される。第２の螺旋ダクト９の上流では、排ガス導入セクション３内に流入ダクト１０が配置され、流入ダクト１０は通例排ガス流を調整するために形成される。さらに、第２の螺旋ダクト９は、インレットダクト８と流入ダクト１０間の接続ポートとして形成される。流入ダクト１０の下流では、第２のホイールチャンバ１１が排ガス導入セクション３内に配置され、第２のホイールチャンバ１１内にはタービンホイール５が配置されている。流入ダクト１０は、その第２のホイールチャンバ１１の側に向いた端部のところに合流セクション１２を備えている。第２のホイールチャンバ１１の下流には、アウトレットダクト１３が排ガス導入セクション３内に配置されている。

内燃機関の作動中、タービンホイール５は内燃機関の排ガスが当てられた結果、回転運動に移行され、シャフト６の助けによりコンプレッサーホイールも同じく回転運動に移行され、その結果燃焼用空気が吸入されて圧縮される。

低負荷時および内燃機関の低回転数時も、高負荷時および内燃機関の高回転数時も、最大のターボチャージャ効率が達成可能になるように、調節可能に形成された配向装置１４を使用して排ガスの調節が可能であり、配向装置１４は排ガス導入セクション３内に配置されている。

図１に示されたように、配向装置１４は貫流可能な配向格子リング１５、リング状のアキシャルスライダ１６、アウトレットダクト１３内で排ガス流入調節に使用される成形シェル１７を備えている。配向格子リング１５、アキシャルスライダ１６、および成形シェル１７は、同軸でシャフト６に配置されている。成形シェル１７は固定状態で排ガス導入セクション３内に配置されている。

配向格子リング１５は、タービンホイール５の一部を取り囲むようにして流入ダクト１０内に配置されており、配向格子リング１５は合流セクション１２に張り出すように形成されている。アキシャルスライダ１６は、配向格子リング１５の方を向くように配置された第１の切り欠き部１８を備えており、第１の切り欠き部１８内へ配向格子リング１５が挿入可能に形成されている。アキシャルスライダ１６を使用して、合流セクション１２は自身の大きさを調整することができる。好ましくは、合流セクション１２が低負荷時および／または内燃機関が低回転数時に小さく、および高負荷時および／または内燃機関が高回転数時に大きいように形成される。

調節装置１９が配向装置１４に接続されている。調節装置１９は、案内セクション２１の付いた調節フォーク２０、案内要素２２、調節レバー２３を備えている。調節レバー２３へ作用する、滑り移動を引き起こさせる力は、電気により、および／または機械により、および／または空気圧により、および／または油圧により開始可能である。

調節フォーク２０はU字形に形成されている。弧状に形成された第１のフォークアーム２４および弧状に形成された第２のフォークアーム２５は、その案内セクション２１の側へ向いた端部のところで固定状態で案内セクション２１と接続されている。第１のフォークアーム２４および第２のフォークアーム２５は、対称に向かい合っており、第１のフォークアーム２４と第２のフォークアーム２５間に配置された案内セクション２１に対して出っ張った状態で配置されている。

案内セクション２１は、案内軸２７の付いた、案内セクション２１を完全に貫き通す開口部２６を備えており、案内軸２７は回転軸７に平行に配置されている。案内軸２７対して横向きに、案内セクション２１はそのアキシャルスライダ１６と反対の側を向いた表面に、溝状の第２の切り欠き部２８を備えている。調節フォーク２０の確実な案内のため、案内要素２２は開口部２６に対する補完として形成された断面を備えている。対称的な断面を選択するのが好ましい。

案内要素２２は、好ましくは、円筒形に形成され、有効な直径Ｄを備えている。確実な案内を保証するため、案内要素２２は、そのタービンホイール５の反対側を向いた面が成形シェル１７と固定接続されている。案内要素２２は、そのタービンホイール５の側を向いた面で排ガス導入セクション３内に支持されており、それによって温度変化による案内要素２２の歪みを回避することができる。

調節フォーク２０は案内要素２２内で支承されて配置されており、案内要素２２は好ましくは円筒状に形成された開口部２６内に配置される。軸受によって、長さＬの接点２９は、案内要素２２と調節フォーク２０の間に形成されている。調節フォーク２０の傾斜運動を回避するため、案内要素２２の有効な直径Ｄは、長さＬが有効な直径Ｄよりも大きく、特に長さＬと有効な直径Ｄが成す比率Ｌ／Ｄが２よりも大きくなるように選択するのが好ましい。

調節レバー２３は、円錐形に形成されたレバー端部３１を具備した第１のレバーアーム３０と、第２のレバーアーム３２を備えている。第１のレバーアーム３０および第２のレバーアーム３２は、互いに向かい合っており、接続ロッド３３を使用して固定的に接続されており、第１のレバー端部３１が第２の切り欠き部２８の側に向くよう配置されている。調節レバー２３は調節力を受けるために、ブッシュ３４内に収納された接続ロッド３３を使用して排ガス導入セクション３内に回転可能に支承されている。

レバー端部３１は、第２の切り欠き部２８にかみ合うように形成されており、レバー端部３１の強制案内が第２の 切り欠き部２８内に形成されている。好ましくは、レバー端部３１は滑りローラの形に形成され、それによって作動中の摩耗および固着が低減可能になる。

図２に示されたように、調節フォーク２０はアキシャルスライダ１６を囲むように配置されており、案内セクション２１の反対の側に向いて配置された、第１のフォークアーム２４の第１の端部セクション３５、および案内セクション２１の反対の側に向いて配置された、第２のフォークアーム２５の第２の端部セクション３６が、アキシャルスライダ１６に取り囲まれた溝状の第３の切り欠き部３７とかみ合うように形成されている。第３の切り欠き部３７と、第３の切り欠き部３７の側へ向いて配置された、第１の端部セクション３５の第１の接触面３８の間に、第１の物理的接点が形成されている。アキシャルスライダ１６の傾斜運動に対して抵抗するために、第２の物理的接は第３の切り欠き部３７と、第３の切り欠き部３７の側へ向いて配置された、第２の端部セクション３６の第２の接触面３９との間に形成されており、案内軸２７に対して第１の物理的接点と第２の物理的接点の対称的形成が考慮されなければならない。

有利には、第３の切り欠き部３７は第１の端部セクション３５および第２の端部セクション３６に対して補完的に形成され、アキシャルスライダ１６を調節フォーク２０内に固定するため、固定物理的接点は第３の切り欠き部３７と第１の端部セクション３５の間、および第２の端部セクション３６との間で、静止摩擦が考慮されなければならない。

別の実施形態では、第１のフォークアーム２４および第２のフォークアーム２５は、それぞれアキシャルスライダ１６の側へ向いて配置された溝状の切り欠き部を備え、切り欠き部内にリング状または部分的にリング状の、アキシャルスライダ１６と固定的に接続された、補完的に溝状の切り欠き部の断面に形成されたリングを受容できるように備えられている。

その他の、代替の実施形態では、調節フォーク２０がアキシャルスライダ１６と一体構造に形成されており、調節フォーク２０とアキシャルスライダ１６が第１の物理的接点と第２の物理的接点においてそれぞれ固定的な接続を有している。

アキシャルスライダ１６の位置決めのため、アクチュエーターにより第２のレバーアーム３２に作用する調節力が生成される。調節レバー２３が回転可能に支承されているため、第１のレバーアーム３０は、第２のレバーアーム３２と固定的に接続されていることにより回転運動を行う。この回転運動は、レバー端部３１の強制案内の助けによって調節フォーク２０の平進運動に変換される。調節フォーク２０は、案内軸２７に沿って案内要素２２上で回転軸７の方向へ軸上でずらされる。その際、アキシャルスライダ１６は第１の物理的接点と第２の物理的接点によって調節フォーク２０と共に軸方向運動を実行する。

Claims (7)

1. ハウジング（２）とロータアセンブリ（４）とを有する内燃機関用ターボチャージャであって、
   前記ハウジング（２）はガスが貫流可能な排ガス導入セクション（３）を備え、前記ロータアセンブリ（４）はタービンホイール（５）と、回転軸（７）を有し該タービンホイール（５）と共に回転するように接続されるシャフト（６）とを備え、
   前記タービンホイール（５）は前記排ガス導入セクション（３）内に回転可能に支承され、排ガスが当たるように形成されており、
   前記排ガス導入セクション（３）内に前記タービンホイール（５）への排ガスの当たりを変化させるための配向装置（１４）が配置され、該配向装置（１４）は前記回転軸（７）の方向へ調整可能なアキシャルスライダ（１６）を備え、調節フォーク（２０）を具備する調節装置（１９）が該配向装置（１４）に接続されている、ターボチャージャにおいて、
   前記回転軸（７）の方向に伸びる案内要素（２２）を備え、前記調節フォーク（２０）が該案内要素（２２）に沿って平進して動くことが可能に形成され、該案内要素（２２）は前記調節フォーク（２０）の開口部（２６）内に配置され、該開口部（２６）は前記調節フォーク（２０）の案内セクション（２１）内に配置されていることを特徴とするターボチャージャ。
2. 前記調節フォーク（２０）と前記案内要素（２２）の間に長さ（Ｌ）を持つ接点が形成されており、前記案内要素（２２）は有効な直径（Ｄ）を有し、前記長さ（Ｌ）と前記有効な直径（Ｄ）が成す比（Ｌ／Ｄ）が２よりも大きいことを特徴とする、請求項１に記載のターボチャージャ。
3. 前記案内要素（２２）が、前記タービンホイール（５）と反対の方に向いた側が成形シェル（１７）内に、および前記タービンホイール（５）の方に向いた側が排ガス導入セクション（３）に支持されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のターボチャージャ。
4. 前記案内要素（２２）および前記開口部（２６）が円筒形状に形成されていることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のターボチャージャ。
5. 前記調節フォーク（２０）および前記アキシャルスライダ（１６）が第１の物理的接点および第２の物理的接点を有し、前記第１の物理的接点および前記第２の物理的接点が前記案内要素（２２）の案内軸（２７）に対して対称に配置されていることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のターボチャージャ。
6. 軸方向の滑り移動を開始する動きを前記案内セクション（２１）の平進運動に変換するため、第２の切り欠き部（２８）を備え、該第２の切り欠き部（２８）内に調節レバー（２３）のレバー端部（３１）が噛み合うように配置され、該レバー端部（３１）の助けによって軸方向の滑り移動が開始可能になることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のターボチャージャ。
7. 前記レバー端部（３１）が滑りローラの形を形成することを特徴とする、請求項６に記載のターボチャージャ。
   
   

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