JP2012500356A5 - - Google Patents

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エグゾーストターボチャージャを備える内燃機関

本発明は、請求項１の前提部分に示されている種類の車両用内燃機関に関する。さらに、本発明は、請求項１４の前提部分に示されている種類の内燃機関用エグゾーストターボチャージャ、内燃機関を備える車両及びエグゾーストターボチャージャを備える内燃機関の作動方法に関する。

例えば、ＮＯｘ及びすすなどの排出制限値がさらに厳しくなっていることから、エグゾーストターボチャージャ又は過給機関への要求も高まっている。それによって、例えば、高い排気ガス再循環率での内燃機関の平均負荷領域から高負荷領域のチャージ圧提供に関する要求が高まっており、このことから、エグゾーストターボチャージャのタービンは、形状的に益々縮小されている。別の表現を使うと、要求されているエグゾーストターボチャージャの高いタービン出力は、それぞれの内燃機関との相互作用における、タービンの保持性能の向上又は消費性能の軽減によって実現される。エグゾーストターボチャージャの性能に影響を及ぼすもう１つの要因は、エグゾーストシステムの中でタービンの下流に配置されている排気ガス後処理システム、例えばトラップオキシダイザ、触媒又はＳＣＲ装置から生じる。これらの排気ガス後処理システムは、エグゾーストターボチャージャの排気ガス出口の圧力上昇を引き起こす。このことにより、エグゾーストターボチャージャの出力を決定するタービン圧力勾配の低下が生じるが、この場合、タービンホイール前又はタービンハウジングの排気ガス入口前の圧力指数及びタービンホイール後又はタービンハウジングの排気ガス出口の圧力指数として、タービン圧力勾配が検出可能である。この理由からも、エグゾーストターボチャージャのコンプレッサの出力要求を満たすため、より小さい数値とそれに伴う低い効率に対してタービンサイズを再度設計しなければならない。この場合、従来技術から知られている排気ガスターボチャージャによってある程度の改善が提供されており、それらのタービンハウジングには、互いに無関係に流れることのできる、通常は非対称的に形成されている２つのスパイラルダクトが含まれ、これらのスパイラルダクトは、それぞれ、内燃機関の排気ガスシステムの異なる排気ガスラインに連結されている。排気ガスラインには、この場合、排気ガスライン側で、内燃機関の異なるシリンダ又はシリンダ群が割り当てられている。

排気ガスターボチャージャを備えるこのような種類の内燃機関は、例えば特許文献１から知られている。このターボチャージャは、内燃機関の吸気システム内にコンプレッサを有し、内燃機関の排気ガスシステム内にタービンを有している。このタービンはタービンハウジングを有しており、このタービンハウジングには、排気ガスシステムの排気ガスラインに連結されたスパイラルダクトとタービンホイールとが含まれ、タービンホイールはタービンハウジングの支持スペース内に配置され、シャフトによってトルク耐性に（共回転するように）タービンホイールと接続されているコンプレッサのコンプレッサホイールを駆動するために、スパイラルダクトから送られる内燃燃機関の排気ガスがこのタービンホイールに当てられる。スパイラルダクトのノズル断面が、回転可能な案内羽根を用いてタービンホイールを支持する支持スペースの中に変更可能に調整されることによって、このタービンハウジングには、さらに、変動するタービン形状が備えられる。

独国特許出願公開第１００４８２３７Ａ１号明細書

通常、内燃機関の定格ポイント、チャージサイクル側及び燃料消費側によって決定される設計範囲では、非対称のスパイラルダクトを備えるエグゾーストターボチャージャによっても、特に、内燃機関の下方の負荷及び回転数範囲は、最適に作動させることが困難である。この目的のため、排気ガス流の必要速度を生じさせるために、これまでは基本的にスパイラルダクトのスパイラルインレット断面を比較的小さくしなければならなかった。さらに、タービンハウジングを製造するため通常使用されている低コストの砂型鋳造法では製造技術上の制限があるため、工程信頼性をもって製造可能であるのは、４．５ｍｍ以上のノズル断面をもつスパイラルダクトしかない。この場合、鋳造の際には、１０％及びそれ以上の比較的高い分散が生じ、このことがエグゾーストターボチャージャの効率損失につながる。

従って、本発明の課題は、この種の過給機関において、低コストの製造方法を維持しつつ、広い作動範囲で効率の改善を可能にすることである。

この課題は、本発明に基づき、請求項１の特徴を備える車両用内燃機関と、請求項１４の特徴を備える内燃機関のエグゾーストターボチャージャと、請求項１５に基づく内燃機関を備えた車両と、請求項１６に基づく内燃機関の作動方法と、によって解決される。本発明の適切かつ重要な発展形態を備える有利な実施形態は、それぞれの従属請求項に示されており、内燃機関及び排気ガスターボチャージャの有利な実施形態は、適用可能である限り、車両及び方法の有利な実施形態として見なすことができる。

低コストの製造方法を維持しつつ、広い作動範囲で効率の改善を可能にする内燃機関は、本発明に基づいて、エグゾーストターボチャージャのタービンが調整装置を含み、この調整装置によって、スパイラルダクトのスパイラルインレット断面及び支持スペースでのスパイラルダクトのノズル断面が共に調整可能であることによって作り出される。この方法で、一方では、低コストの製造方法（例えば砂型鋳造法など）の維持という目標が、タービンハウジング製造の製造許容誤差に対する要求をより少なくすることによって満たされ、他方では、タービンホイールへの噴射を構造的にとりわけ簡単かつ変更可能に調整することは、エグゾーストターボチャージャ及び内燃機関の効率を相応に上昇させることになり、コストの安い方法でこの目標を実現させることができる。本発明に基づく調整装置を使って、タービンの保持特性を適切に制御し、タービンホイールへの噴射を部分噴射と完全噴射との間で、とりわけ簡単に変更することができる。この場合、内燃機関は、基本的にガソリンエンジン、ディーゼルエンジン又はディゾットエンジンとして形成されている。

本発明の有利な実施形態では、調整装置が、タービンホイールの回転軸と同軸にタービンハウジング内に配置されている調整リングを含むように準備されており、この調整リングは、ノズル断面範囲に配置されている少なくとも１つの閉鎖体に接続され、この閉鎖体は、調整リングの回転運動及び／又は並進運動によって、少なくともスパイラルインレット断面及びノズル断面を小さくする位置とスパイラルインレット断面及びノズル断面を大きくする位置との間で移動可能である。このことが、構造的に簡単かつ取付けスペースを節約する方法となり、この方法は、両方の断面積の形状設計又は閉鎖体の形状設計に応じて、同時に、単純な回転運動により、相互にタービンの保持性能に影響を与える。タービンホイール前の案内羽根が回転する又は軸方向に移動する、従来技術から知られているバリオ装置と比べ、さらに、より低いコストでの機械的脆弱性の低下又は内燃機関の耐用年数にわたる機能保証に関して大きな利点がある。

その他の利点は、少なくとも１つの閉鎖体の断面が、翼状に形成されていることによって生じる。これにより、タービンホイールの流れを、とりわけ簡単に、様々な形状及びタービンハウジングの空気力学的特性に適応させることができ、このことから、内燃機関の全体的効率がさらに改善される。

本発明のもう１つの有利な実施形態においては、調整リングが、調整リングに接続されている調整レバーを有するように準備されており、この調整レバーは、タービンハウジングに通され、タービンハウジングに対してスパイラルインレット断面及びノズル断面を調整するために、回転運動及び／又は並進運動することができる。これによって、調整装置の調整リングの調整は、タービンハウジングの範囲外で、例えば割り当てられているアクチュエータによって行うことができる。この方法により、構造的な自由度が高まり、様々な種類の内燃機関、装備ライン及び同様のものに適応しやすくなる。

本発明のもう１つの実施形態において有利であるのは、タービンハウジングが、少なくとも１つの別のスパイラルダクトを有しており、このスパイラルダクトは排気ガスシステムの少なくとも１つの別の排気ガスラインに連結されていることである。このような多流の実施形態により、タービンは短い反応時間で高い効率を有し、全体として、内燃機関のより広い回転数範囲にわたって反応特性が改善される。この場合、排気ガス再循環能力を示すスパイラルダクト（排気ガス再循環（ＥＧＲ）スパイラル）の１つ及び必要な内燃機関の特性を発生させる適切な空燃比を示すもう１つのスパイラルダクト（λスパイラル）が形成されるように準備することができ、これによって、燃料消費及び有害物質の排出（特にＮＯｘ／微粒子排出）の両方が顕著に低下する。同様に、一方のスパイラルダクトと少なくとも１つの別のスパイラルダクトとが、対称的及び／又は非対称的に形成されているように準備することもできる。

本発明のもう１つの有利な実施形態では、一方のスパイラルダクト及び少なくとも１つの別のスパイラルダクトのノズル断面が、タービンホイールの回転軸に沿って及び／又は回転軸を中心に隣り合い、タービンホイールの周囲に分配されて配置されるように準備されている。多流に形成されたタービンの一方のスパイラルダクトと少なくとも１つの別のスパイラルダクトとは、別の表現を用いると、並列に接続される及び／又は直列に接続されることができるため、極めて多様に排気ガスをこのタービンホイールに噴射させることができる。このことにより、構造的な自由度が高まる他に、内燃機関の全体的効率もさらに改善される。

一方のスパイラルダクトと少なくとも１つの別のスパイラルダクトのスパイラルインレット断面及び支持スペースでの一方のスパイラルダクトと少なくとも１つの別のスパイラルダクトのノズル断面を共に変更する調整装置が形成されている場合は、さらなる利点が生じる。すなわち、別の表現を用いると、これらのスパイラルダクトの保持特性は、調整装置によって共に変更することができ、それによって、タービンの比出力と絶対出力とが、とりわけ簡単かつ必要に応じて、調整又は制御可能である。

本発明のもう１つの有利な実施形態では、調整装置が、一方のスパイラルダクトと少なくとも１つの別のスパイラルダクトとの間で排気ガスを流通させるように設けられている。このことにより、例えばタービンの定格ポイントにおいて、構造的に簡単な方法で、排気ガスラインの１つで保持特性を任意に低下させることができるようになる。この場合、ＥＧＲスパイラルとして形成されているスパイラルダクトが、λスパイラルとして形成されている別のスパイラルダクトの上流に配置されるように準備することができる。一般的な場合の流通機能を実現したい場合、内燃機関の全ての回転数範囲にわたって、確実に流通を行うことができるようにするため、より小さな流れ又はより小さなスパイラルダクトをより大きな流れ又はより大きなスパイラルダクトの上流に配置する。

もう１つの実施形態において有利であるのは、一方のスパイラルダクト及び／又は必要に応じて少なくとも１つの別のスパイラルダクトが、特に巻き角が３５０°より大きいフルスパイラルとして、及び／又は特に巻き角が３５０°〜３０°の部分スパイラルとして、及び／又はセグメントスパイラルとして、対称的及び／又は非対称的に形成されていることである。このことによって、様々な種類の内燃機関に極めて多様に対応することができるようになるため、全体の効率を簡単に最適化することができる。

排気ガスを排気ガスシステムから吸気システムに送ることができる排気ガス再循環装置が準備されている場合は、さらに有利である。このことにより、本発明に基づく調整装置と組み合わせて、燃料消費及び有害物質の排出、特にＮＯｘ／微粒子排出に関して、内燃機関を必要な作動状態に調整することが極めて確実にできるようになる。

本発明のもう１つの有利な実施形態では、排気ガスシステムのタービンの上流にガスガイド装置が配置されるように準備されており、このガスガイド装置によって、内燃機関の多数のシリンダの排出口を少なくとも１つのスパイラルダクトに接続することができる、及び／又は排気ガスにタービンを迂回させることができる。他の表現を用いると、接続及び迂回装置として形成することのできるガスガイド装置により、接続機能の場合には、タービンの静圧過給モードと動圧過給モードとの間での切替えを行うことができる。迂回機能の場合には、必要に応じて排気ガスにタービンを迂回させることによって、簡単なチャージ圧コントロール方法が提供される。

本発明のもう１つの視点は、特に前述の実施例の１つによる内燃機関用排気ガスターボチャージャに関し、低コストの製造方法を維持しつつ、広い作動範囲で排気ガスターボチャージャ及びそれに割り当てられている内燃機関の効率の改善は、本発明に基づいて、タービンに調整装置が含まれ、この調整装置によって、スパイラルダクトのスパイラルインレット断面及び支持スペースでのスパイラルダクトのノズル断面が共に変更調整可能であることによって達成される。調整装置を用いることにより、タービンの複数の流路断面を共に変更することができ、それによって、排出ガスエネルギーをより有効に利用することが可能となり、特に、エグゾーストターボチャージャのタービンの保持特性及びそれに伴う出力が変更可能となり、確実に高い効率で調整することができるようになる。それに加えて、本発明に基づく排気ガスターボチャージャは、製造許容誤差に対する要求が比較的少ないため、例えば砂型鋳造法などの低コストの製造方法を用いることが可能である。この他に生じる利点は、前述の説明に書かれている。

本発明のもう１つの視点は、前述の実施例の１つによる内燃機関を備える車両及び／又は前述の実施例によるエグゾーストターボチャージャを備える車両に関する。ここから発生する利点については、特に低コストの製造方法を維持しつつ効率を向上させることに関して、前述の説明を参照することができる。

最後に、本発明のもう１つの視点は、前述の実施例の１つによる内燃機関の作動方法に関し、この場合は、スパイラルダクトのスパイラルインレット断面及び支持スペースでのスパイラルダクトのノズル断面が、内燃機関の作動状態に応じてタービンの調整装置により共に調整される。このことによっても、低コストの製造方法を維持しつつ、広い作動範囲での内燃機関の効率改善が達成される。ここでは、内燃機関の作動点に応じて、スパイラルインレット断面とノズル断面とが調整装置によって変更調整されるように準備することができる。例えば、エンジン回転数が低い場合は、排気ガスから最大のエネルギーを得るために、スパイラルインレット断面とノズル断面とが縮小されるように準備することができる。逆に、エンジン回転数が高い場合は、スパイラルインレット断面とノズル断面とが拡大されるように準備することができるため、低いタービン圧力状態で、必要なチャージ圧に達する。

以下に説明される複数の実施例及び図に基づいて、本発明のさらなる利点、特徴及び詳細が示され、図の中では、同一エレメント又は機能を同じくするエレメントには同一の番号が付されている。

第１の実施例に基づく、調整装置を含む、多流のエグゾーストターボチャージャを備える内燃機関の原理図である。 部分スパイラルとして形成されている２つのスパイラルダクトを備える、図１に示されたエグゾーストターボチャージャのタービン断面図である。ここでは、スパイラルダクトのスパイラルインレット断面とノズル断面を縮小する位置にある調整装置が示されている。 図１及び図２に示されているエグゾーストターボチャージャのタービンの側面の部分断面図である。 エグゾーストターボチャージャのもう１つのタービン断面図である。ここでは、図２と比較して、調整装置の調整リングが、スパイラルダクトのスパイラルインレット断面とノズル断面を最大に縮小する位置に動いている。 エグゾーストターボチャージャのもう１つのタービン断面図である。ここでは、図４と比較して、排気ガスが両方のスパイラルダクトの間で流通される流通位置にある調整装置が示されている。 第２の実施例に基づく内燃機関の原理図である。 図６に示されている内燃機関のエグゾーストターボチャージャのタービンの側面の部分断面図である。 第３の実施例に基づく内燃機関の原理図である。 図６〜８に示されているエグゾーストターボチャージャのタービンの、ＥＧＲスパイラルとして形成されているスパイラルダクトの断面図である。ここでは、スパイラルダクトのスパイラルインレット断面とノズル断面とを縮小する位置にある調整装置が示されている。 図８に示されているエグゾーストターボチャージャのタービンの、λスパイラルセグメントとして形成されているスパイラルダクトの断面図である。 調整装置の位置に応じた、図２〜５に示されているエグゾーストターボチャージャのスパイラルダクトのスパイラルインレット断面の面積変化グラフである。 調整装置の位置に応じた、図６〜７に示されているエグゾーストターボチャージャのスパイラルダクトのスパイラルインレット断面の面積変化グラフである。

図１は、第１の実施例に基づく、トラック用内燃機関の原理図を示している。この場合、内燃機関１０は、基本的にディーゼルエンジン、ガソリンエンジン又はディゾットエンジンとして形成されることができ、６つのシリンダ１１ａ〜ｆを含み、その中のシリンダ１１ａ〜ｃは第１のシリンダ群１２ａにまとめられ、シリンダ１１ｄ〜ｆは第２のシリンダ群１２ｂにまとめられている。シリンダ群１２ａ、１２ｂには、内燃機関１０の排気ガスシステム１５の２つの排気ガスライン１４ａ、１４ｂが割り当てられ、それらのラインのうち第１の排気ガスライン１４ａは、該当するマニホールドを介して、エグゾーストターボチャージャ２０のタービン１８の部分スパイラルとして形成されている第１のスパイラルダクト１６ａに連結され、第２の排気ガスライン１４ｂは、同様にエグゾーストターボチャージャ２０のタービン１８の部分スパイラルとして形成されている第２のスパイラルダクト１６ｂに接続されている。この場合、気体をスピンさせるスパイラルダクト１６ａ，１６ｂには、隣り合って配置された、互いに気密性にシールされている接続フランジ１７ａ、１７ｂが含まれている。接続フランジ１７ｂ及びスパイラルダクト１６ｂの供給ダクト１９は、注視の方向において、実質的にスパイラルダクト１６ａの下方を通り、図の平面における供給ダクト１９の端部は、スパイラルインレット断面Ａ_{Ｓ０、ＥＧＲ}及び静的なハウジングタブ１０１の前で現れている。ダブルフローのエグゾーストターボチャージャ２０又はそのタービン１８の構造は、さらに図２と合わせて説明され、図２には、タービンホイール周辺にわたって順番に接続されている両方のスパイラルダクト１６ａ、１６ｂを備えるタービンの断面図が示されている。

第２のスパイラルダクト１６ｂと同様に部分スパイラルとして形成され、約１３５°の巻き角ψ_Ｓを有する第１のスパイラルダクト１６ａの上流には、排気ガスシステム１５内にある排気ガス再循環装置２２（ＥＧＲ装置）が配置されており、この装置によって、一部の排気ガスを、排気ガスライン１４ａから内燃機関１０の吸気システム２４に運搬することができる。吸気システム２４は、システム側に、エアフィルタ２６と、エグゾーストターボチャージャ２０のコンプレッサ３０のコンプレッサホイール２８の下流に配置されているインタークーラ３２と、を含んでいる。排気ガス再循環装置２２には、装置側に、制御可能な排気ガス再循環バルブ２３及び排気ガスクーラ２５が含まれ、この排気ガスクーラによって排気ガス温度を下げることができる。タービン１８のタービンホイール３４の上流には、第２の排気ガスライン１４ｂがガスガイド装置３６に連結されており、このガスガイド装置を使って排気ガスをタービン１８に送ることができる。タービンホイール３４は、通常、シャフト３７によってトルク耐性にコンプレッサホイール２８に接続されている。ガスガイド装置３６は、装置側で、基本的にエグゾーストターボチャージャのタービンハウジング３８の中に組み込むことができる、又は独立した構成部品エレメントとして形成することができる。タービンハウジング３８の排気ガス出口４０の下流には、排気ガスシステム１５内にある排気ガス後処理システム４２が配置されており、このシステムは、内燃機関１０の実施形態に応じて、例えばトラップオキシダイザ、触媒又はＳＣＲ装置として形成することができる。

いわゆるＥＧＲスパイラルとして形成されている第１のスパイラルダクト１６ａは、この場合、排気ガスの保持に働くため、このＥＧＲ装置２２によって、圧力ｐ３がかかる排気ガスシステム１５から圧力ｐ２Ｓがかかる吸気システム２４に排気ガスを送ることができる。いわゆるλスパイラルとして形成されている第２のスパイラルダクト１６ｂは、その保持性能によって、内燃機関１０の必要な空燃比を調達する。低コストの製造方法を維持しつつ、広い作動範囲で効率の改善を可能にするため、特に図２に示されているように、エグゾーストターボチャージャ２０のタービン１８には、調整装置４４が含まれ、この調整装置によって、スパイラルダクト１６ａ、１６ｂのスパイラルインレット断面Ａ_Ｓ、λ、Ａ_{Ｓ、ＥＧＲ}と、支持スペース４６（この中にタービンホイール３４が配置されている）でのスパイラルダクト１６ａ，１６ｂの、半径方向に開かれた、ホイール流入プロセスに働くノズル断面Ａ_Ｒ、λ、Ａ_{Ｒ、ＥＧＲ}とが、共に変更調整可能である。

調整装置４４は、この場合、タービンホイール３４の回転軸Ｄと同軸にタービンハウジング３８内に配置されている調整リング４８（図３を参照）を有しており、このリングは、ノズル断面Ａ_Ｒ、λ、Ａ_{Ｒ、ＥＧＲ}の部分に配置されている２つの閉鎖体５０ａ、５０ｂに接続されている。ここでは、断面が翼状に形成されている閉鎖体５０ａ、５０ｂが、二重矢印ＩＩに従って、回転軸Ｄを中心とする調整リング４８の回転運動により、スパイラルインレット断面Ａ_Ｓ、λ、Ａ_{Ｓ、ＥＧＲ}及びノズル断面Ａ_Ｒ、λ、Ａ_{Ｒ、ＥＧＲ}を縮小する位置と、スパイラルインレット断面Ａ_Ｓ、λ、Ａ_{Ｓ、ＥＧＲ}及びノズル断面Ａ_Ｒ、λ、Ａ_{Ｒ、ＥＧＲ}を拡大する位置と、の間で動くことができる。閉鎖体５０ａ、５０ｂは、この場合、図２において初期位置から角度ε１だけ回転した状態で示されているため、スパイラルインレット断面Ａ_Ｓ、λ、Ａ_{Ｓ、ＥＧＲ}は、初期位置における最大のスパイラルインレット断面Ａ_Ｓ０、λ、Ａ_{Ｓ０、ＥＧＲ}に比べて縮小されている。同時に、閉鎖体５０ａ、５０ｂによって、ノズル断面Ａ_Ｒ、λ、Ａ_{Ｒ、ＥＧＲ}も縮小される。調整装置４４を用いることによって、両方のタービン側（すなわちＥＧＲ及びλ側）は、スパイラルダクト１６ａ、１６ｂの形状設計及び閉鎖体５０ａ、５０ｂに応じて、同時に相互調整又は制御されることができる。閉鎖体５０ａ、５０ｂの全調整角範囲εにおけるスパイラルの様々な形状変化により、多様な組合せを作ることができる。従って、調整角範囲εの範囲内で、目標とするタービン１８のＥＧＲ能力は、燃料消費及びＮＯｘ／微粒子排出に関して、内燃機関１０の必要な作動状態を生み出すのに有効な空燃比のための、目標とするコンプレッサ３０のエア輸送量と共に、構造的に簡単かつ低コストで変更できるように調整することができる。調整角範囲εは、特別なスパイラルインレット断面Ａ_Ｓ、λ、Ａ_{Ｓ、ＥＧＲ}の変更と組み合わせて、エンジン排気ガスの保持性能又はタービン１８のスピン発生に影響を及ぼすことができる。すなわち、タービンの比出力ａｕは、一般的数式ａｕ〜ｃ１ｕ〜１／Ａｓに従って、周辺構成部品ｃ１ｕに比例するため、スパイラルインレット断面Ａｓの面積操作によって、タービンの比出力及び絶対出力を調整することができる（図２の速度三角形を参照）。

この場合、回転可能な調整装置４４の取付け必要スペースは非常に小さい。タービンホイール３４前の案内羽根が回転又は軸方向に移動する、従来技術から知られているバリオ装置と比べ、より低いコストでの機械的脆弱性の低下に関してさらに大きな利点があることから、メンテナンス経費及び交換部品経費の減少と共に、エンジン耐用年数にわたる機能が保証される。排気ガス再循環を担う排気ガスライン１４ａを流れる排気ガスの保持性能又は排気ガスシステム１５のＥＧＲセグメントの保持性能は、この場合、必要に応じて、ＥＧＲ要求により、排気ガスライン１４ｂの保持性能又はスパイラルダクト１６ａを備えるλセグメントの保持性能よりも高くなる。従って、このλセグメントは、好ましくはＥＧＲ輸送を生じさせるＥＧＲセグメントの必要なマイナスの圧力勾配（ｐ２ｓ−ｐ３１）とは無関係に、燃料消費性能を促進する有効な充填サイクル圧力差（ｐ２ｓ−ｐ３２）のために設計される。λセグメントの形状設計は、この場合、特に内燃機関１０のエア必要量に影響されており、タービン１８のλセグメントの名称はこのことに由来している。調整装置４４の使用は、原則的に、乗用車の内燃機関１０又はガソリンエンジン若しくはディゾットエンジン用のエグゾーストターボチャージャ２０又はタービン１８でも考えられ、少なくともガソリンエンジン使用の場合、ダブルフローのタービン１８が、両方のフロー又はスパイラルダクト１６ａ、１６ｂの左右対称な保持性能を有するように準備されている。

図３には、さらに明瞭化するために、図１及び図２に示されているエグゾーストターボチャージャ２０のタービン１８の側面の部分断面図が示されている。この場合、特に、調整リング４８に接続された調整レバー５２が認められ、この調整レバーは、タービンハウジング３８を通り、タービンハウジング３８に対してスパイラルインレット断面Ａ_Ｓ、λ、Ａ_{Ｓ、ＥＧＲ}及びノズル断面Ａ_Ｒ、λ、Ａ_{Ｒ、ＥＧＲ}を調整するために、回転可能に動くことができる。調整レバー５２には、好ましくは、アクチュエータ（図示されていない）が割り当てられているため、調整レバー５２又は調整リング４８は、内燃機関１０の作動状態に応じて動くことができる。

図４は、これまでの図に示された、エグゾーストターボチャージャ２０のもう１つのタービン１８の断面図であり、閉鎖体５０ａ、５０ｂを備える調整リング４８は、図２と比較して、角度ε１に比べより大きい角度ε２で、スパイラルダクト１６ａ、１６ｂのスパイラルインレット断面Ａ_Ｓ、λ、Ａ_{Ｓ、ＥＧＲ}及びノズル断面Ａ_Ｒ、λ、Ａ_{Ｒ、ＥＧＲ}を最大に縮小する位置に動いている。

図５は、これまでの図に示された、エグゾーストターボチャージャ２０のもう１つのタービン１８の断面図であり、閉鎖体５０ａ、５０ｂを備える調整リング４８は、図２及び図４と比較して、二重矢印ＩＩに従って角度ε３だけ回転し、矢印Ｖに従って、ＥＧＲスパイラルとして働くスパイラルダクト１６ａからλスパイラルとして働くスパイラルダクト１６ｂに排気ガスが流通される流通位置へ移動している。このことによって、例えば定格ポイントにおいて必要とされるような、ＥＧＲスパイラル１６ａの保持性能を適切に低下させることができる。両方のフローのフロー利用又は定義は、別の表現を用いると、ＥＧＲスパイラル１６ａがλスパイラル１６ｂの上流に配置されている限り、これまでの実施形態と比較して逆である。一般的な場合の流通を実現したい場合は、必然的に、より小さいフローがより大きいフローの上流に配置されることによって、流通を確実に行うことができる。

図６は、第２の実施例に基づく内燃機関１０の原理図である。基本的な構造は、この場合、前述の説明からすでに明らかである。第１の実施例とは異なり、ここでは、エグゾーストターボチャージャ２０のタービン１８のスパイラルダクト１６ａ、１６ｂが、互いに並列に配置されている。図６は、図６に示されているエグゾーストターボチャージャ２０のタービン１８の側面断面図を示す図５と、及び図６〜８に示されているエグゾーストターボチャージャ２０のタービン１８の、ＥＧＲスパイラルとして形成されているスパイラルダクト１６ａの断面図を示す図９と合わせて、以下に説明される。ＥＧＲスパイラルとして形成され、ＥＧＲ輸送を担っているスパイラルダクト１６ａは、ここでは、約１３５°の巻き角ψ_Ｓを備える部分スパイラルとして新たに形成されている。これに対して、平行に配置され、λ制御を担うスパイラルダクト１６ｂは、ここでは、約３５０°の巻き角ψを有するフルスパイラルとして形成されている。調整装置４４には、この実施例では、唯一の閉鎖体５０ａが含まれ、この閉鎖体によって、調整リング４８が回転軸Ｄを中心に回転することにより、両方のスパイラルダクト１６ａ、１６ｂのスパイラルインレット断面Ａ_Ｓ、λ、Ａ_{Ｓ、ＥＧＲ}及びノズル断面Ａ_Ｒ、λ、Ａ_{Ｒ、ＥＧＲ}を共に調整することができる。

図８は、第３の実施例に基づく内燃機関１０の原理図である。これまでの実施例とは異なり、ガスガイド装置３６が接続及び迂回装置として形成されているため、３つのシリンダ１１ｄ〜ｆの出口は、選択的に、１つ又は複数のスパイラルダクト１６ｂ〜ｄに接続できる、及び／又は排気ガスにタービン１８を迂回させることができる。エグゾーストターボチャージャ２０のタービン１８は、このために、ＥＧＲスパイラルとして形成された、排気ガスライン１４ａに接続されているスパイラルダクト１６ａを含み、このスパイラルダクト１６ａは、前述のように、ＥＧＲ要求により巻き角ψ_Ｓを有する部分スパイラルとして形成され（図４を参照）、この巻き角は、必要なＥＧＲ性能（例えばＥＰＡ０７限界値達成など）の理由から、最適な設計では、３６０°のフルスパイラルの明らかに下方で選択される。さらに、タービン１８には、約１２０°の巻き角ψを有するλスパイラルセグメントとして形成されている３つのさらなるスパイラルダクト１６ｂ〜ｄが含まれ、これらのスパイラルダクトは、図１０に断面図で詳しく示されている。スパイラルダクト１６ｂ〜ｄは、排気ガスライン１４ｂ〜ｄのそれぞれ１つと接続され、スパイラルダクト１６ａとは反対に、支持スペース４６と並列に配置されており、タービン１８のλ側での超動圧過給モードに使用される。マニホールド部分に配置されているガスガイド装置３６を用いて、この超動圧過給モードと少なくともほぼ静圧過給モードとの間で切り替えることができる。閉鎖体５０ａ〜ｄは、少なくとも間接的に調整リング４８に接続され、新たに同時に動かされる。代替として、閉鎖体５０ａ及び５０ｂ〜ｄは、互いに別個に動くことができるように準備されることができる。

図１１は、巻き角ψ及び調整装置４４又は閉鎖体５０ａ、５０ｂの角度位置に応じた、図２〜５に示されているエグゾーストターボチャージャ２０の直列接続されたスパイラルダクト１６ａ、１６ｂのスパイラルインレット断面Ａ_Ｓ、λ、Ａ_{Ｓ、ＥＧＲ}の面積変化グラフを示している。それぞれのスパイラルダクト１６ａ、１６ｂでは、流れの方向に沿って面積が小さくなることにより、流れが加速される。それぞれの基本スパイラルインレット断面Ａ_Ｓ０、λ、Ａ_{Ｓ０、ＥＧＲ}は、流れが最大に使用できるスパイラル断面Ａ_Ｓを意味している。閉鎖体５０ａ、５０ｂが角度εだけ同時に回転することにより、調整装置４４の使用可能な回転角範囲において、Ａ_Ｓ、λ、Ａ_{Ｓ、ＥＧＲ}上のΔＡ_Ｓ、λ、ΔＡ_{Ｓ、ＥＧＲ}の分だけスパイラル面積が縮小される。同時に、これによって、前述したように、ノズル断面Ａ_Ｒ、λ、Ａ_{Ｒ、ＥＧＲ}も相応に縮小される。

図１２は、巻き角ψ及び調整装置４４又は閉鎖体５０ａ、５０ｂの角度位置に応じた、図６〜７に示されているエグゾーストターボチャージャ２０の並列接続されたスパイラルダクト１６ａ、１６ｂのスパイラルインレット断面Ａ_Ｓ、λ、Ａ_{Ｓ、ＥＧＲ}の面積変化グラフを示している。閉鎖体５０ａの調整角度範囲ψにおけるスパイラルインレット断面Ａ_Ｓ、λ、Ａ_{Ｓ、ＥＧＲ}は、この例では、継続的に減少しており、このことによって、排気ガス流のスピン変化の感度を高めることができる。スパイラル設計の重点は、この場合、一定した流れのノズル出口角を実現することにあるのではなく、保持性能における変動を大きくするため、及びエンジンの必要空気量を保証するためのタービン出力を制御するために、ΔＡ_Ｓ、λ、ΔＡ_{Ｓ、ＥＧＲ}の変動幅を大きくすることにある。

Claims (16)

1. 内燃機関（１０）の吸気システム（２４）内にあるコンプレッサ（３０）と、前記内燃機関（１０）の排気ガスシステム（１５）内にあるタービン（１８）とを含み、前記タービン（１８）がタービンハウジング（３８）を有しており、該タービンハウジング（３８）には、前記排気ガスシステム（１５）の排気ガスライン（１４ａ）に連結されたスパイラルダクト（１６ａ）とタービンホイール（３４）とが含まれ、該タービンホイールは、前記タービンハウジング（３８）の支持スペース（４６）内に配置され、シャフト（３７）によってトルク耐性に前記タービンホイール（３４）と接続されている前記コンプレッサ（３０）のコンプレッサホイール（２８）を駆動するために、前記スパイラルダクト（１６ａ）から送られる前記内燃機関（１０）の排気ガスが前記タービンホイールに噴射される、エグゾーストターボチャージャ（２０）を備える車両用内燃機関（１０）であって、
   前記タービン（１８）が調整装置（４４）を含み、該調整装置（４４）が、タービンホイール（３４）の回転軸（Ｄ）を中心として回転運動することができる、少なくとも１つの閉鎖体（５０ａ）を含み、該閉鎖体（５０ａ）は、少なくとも前記スパイラルダクト（１６ａ）のスパイラルインレット断面（Ａ _Ｓ ）及び前記支持スペース（４６）での前記スパイラルダクト（１６ａ）のノズル断面（Ａ _Ｒ ）を小さくする位置と前記スパイラルインレット断面（Ａ _Ｓ ）及び前記ノズル断面（Ａ _Ｒ ）を大きくする位置との間で移動可能であり、
   これにより、前記スパイラルインレット断面（Ａ_Ｓ）及び前記ノズル断面（Ａ_Ｒ）が共に調整可能であることを特徴とする内燃機関（１０）。
2. 前記調整装置（４４）が、前記タービンホイール（３４）の回転軸（Ｄ）と同軸に前記タービンハウジング（３８）内に配置されている調整リング（４８）を含み、該調整リングは、前記ノズル断面（Ａ_Ｒ）範囲に配置されている前記少なくとも１つの閉鎖体（５０ａ）に接続されることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関（１０）。
3. 少なくとも１つの前記閉鎖体（５０ａ）の断面が、翼状に形成されていることを特徴とする、請求項２に記載の内燃機関（１０）。
4. 前記調整装置（４４）が、前記調整リング（４８）に接続されている調整レバー（５２）を有し、該調整レバーは、前記タービンハウジング（３８）に通されると共に前記タービンハウジング（３８）に対して前記スパイラルインレット断面（Ａ_Ｓ）及び前記ノズル断面（Ａ_Ｒ）を調整するために、回転運動及び／又は並進運動することができることを特徴とする、請求項２又は３に記載の内燃機関（１０）。
5. 前記タービンハウジング（３８）が、少なくとも１つの別のスパイラルダクト（１６ｂ〜ｄ）を有し、該スパイラルダクトは、前記排気ガスシステム（１５）の少なくとも１つの別の排気ガスライン（１４ｂ〜ｄ）に連結されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の内燃機関（１０）。
6. 前記スパイラルダクト（１６ａ）及び少なくとも１つの別の前記スパイラルダクト（１６ｂ〜ｄ）の前記ノズル断面（Ａ_Ｒ）が、前記タービンホイール（３４）の前記回転軸（Ｄ）に沿って及び／又は前記回転軸（Ｄ）を中心に前記タービンホイール（３４）の周囲に分配されて隣り合って配置されることを特徴とする、請求項５に記載の内燃機関（１０）。
7. 前記調整装置（４４）が、前記スパイラルダクト（１６ａ）と少なくとも１つの別の前記スパイラルダクト（１６ｂ〜ｄ）の前記スパイラルインレット断面（Ａ_Ｓ）、及び前記支持スペース（４６）での前記スパイラルダクト（１６ａ）と少なくとも１つの別の前記スパイラルダクト（１６ｂ〜ｄ）の前記ノズル断面（Ａ_Ｒ）を共に変更調整するように形成されていることを特徴とする、請求項５又は６に記載の内燃機関（１０）。
8. 前記調整装置（４４）は、前記スパイラルダクト（１６ａ）と少なくとも１つの別の前記スパイラルダクト（１６ｂ）との間で排気ガスを流通させるように形成されていることを特徴とする、請求項５〜７のいずれか一項に記載の内燃機関（１０）。
9. 前記スパイラルダクト（１６ａ）又は少なくとも１つの別の前記スパイラルダクト（１６ｂ〜ｄ）が、巻き角（ψ）が３５０°より大きいフルスパイラルとして形成されていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の内燃機関（１０）。
10. 前記スパイラルダクト（１６ａ）又は少なくとも１つの別の前記スパイラルダクト（１６ｂ〜ｄ）が、巻き角（ψ）が３５０°〜３０°の部分スパイラルとして形成されていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の内燃機関（１０）。
11. 前記スパイラルダクト（１６ａ）及び少なくとも１つの別の前記スパイラルダクト（１６ｂ〜ｄ）が、セグメントスパイラルとして、対称的又は非対称的に形成されていることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の内燃機関（１０）。
12. 排気ガスを前記排気ガスシステム（１５）から前記吸気システム（２４）に送ることができる排気ガス再循環装置（２２）が設けられることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の内燃機関（１０）。
13. 前記排気ガスシステム（１５）において、前記タービン（１８）の上流にガスガイド装置（３６）が配置され、該ガスガイド装置によって、前記内燃機関（１０）の多数のシリンダ（１１ｄ〜ｆ）の排出口を少なくとも１つのスパイラルダクト（１６ｂ〜ｄ）に接続することができる、及び／又は排気ガスに前記タービン（１８）を迂回させることができることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の内燃機関（１０）。
14. 内燃機関（１０）の吸気システム（２４）内に取り付けるコンプレッサ（３０）と、前記内燃機関（１０）の排気ガスシステム（１５）内に取り付けるタービン（１８）とを備え、前記タービン（１８）がタービンハウジング（３８）を有しており、該タービンハウジング（３８）には、前記排気ガスシステム（１５）の排気ガスライン（１４ａ）に連結されたスパイラルダクト（１６ａ）とタービンホイール（３４）とが含まれ、該タービンホイールは、前記タービンハウジング（３８）の支持スペース（４６）内に配置され、シャフト（３７）によってトルク耐性に前記タービンホイール（３４）と接続されている前記コンプレッサ（３０）のコンプレッサホイール（２８）を駆動するために、前記スパイラルダクト（１６ａ）から送られる前記内燃機関（１０）の排気ガスが噴射される、内燃機関（１０）用エグゾーストターボチャージャ（２０）であって、
    前記タービン（１８）が調整装置（４４）を含み、該調整装置（４４）が、タービンホイール（３４）の回転軸（Ｄ）を中心として回転運動することができる、少なくとも１つの閉鎖体（５０ａ）を含み、該閉鎖体（５０ａ）は、少なくとも前記スパイラルダクト（１６ａ）のスパイラルインレット断面（Ａ _Ｓ ）及び前記支持スペース（４６）での前記スパイラルダクト（１６ａ）のノズル断面（Ａ _Ｒ ）を小さくする位置と前記スパイラルインレット断面（Ａ _Ｓ ）及び前記ノズル断面（Ａ _Ｒ ）を大きくする位置との間で移動可能であり、
    これにより、前記スパイラルインレット断面（Ａ_Ｓ）及び前記ノズル断面（Ａ_Ｒ）が共に変更調整できることを特徴とするエグゾーストターボチャージャ（２０）。
15. 請求項１〜１３のいずれか一項に記載の内燃機関（１０）を備える、及び／又は請求項１４に記載のエグゾーストターボチャージャ（２０）を備える車両。
16. 前記スパイラルダクト（１６ａ）の前記スパイラルインレット断面（Ａ _Ｓ ）及び前記支持スペース（４６）での前記スパイラルダクト（１６ａ）の前記ノズル断面（Ａ _Ｒ ）が、前記内燃機関（１０）の作動状態に応じて前記タービン（１８）の前記調整装置（４４）により共に調整される、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の内燃機関（１０）の作動方法。