JP2012505989A - 内燃機関用ツインステージ型排気タービン駆動式ターボチャージャ機構 - Google Patents

Abstract

排気マニホールド（２ａ）を有する内燃機関（２）用のツインステージ型排気タービン駆動式過給機構（１）であって、前記排気タービン駆動式過給機構（１）が、前記内燃機関（２）の排出ガスが流れる向きに沿って互いに並列に配置される第１（４）および第２（５）の小型高圧ターボチャージャと、その下流側に直列に配置される低圧ターボチャージャ（３）とを有しており、前記第２高圧タービンハウジング（５ａ）と前記低圧タービンハウジング（３ａ）とが、排出ガスを導くように互いに接続されており、一方では前記第２高圧タービンハウジング（４ａ，５ａ）を前記排気マニホールド（２ａ）に、他方では前記低圧タービンハウジング（３ａ）を前記排気マニホールド（２ａ）に配置可能であり、さらに前記各高圧タービンハウジング（４ａ，５ａ）から来る排出ガスが、前記排気マニホールド（２ａ）の内部またはこれに隣接して設けた流路（１３）を通り前記低圧タービンハウジング（３ａ）に導かれる、ツインステージ型排気タービン駆動式過給機構。ツインステージ型排気タービン駆動式過給機構の本発明にしたがった構成形態により、コンパクトな構造、ひいてはコストメリットが達成される。

Description

本発明は、請求項１の上位概念（所謂おいて部分、プリアンブル部分）に記載の各特徴を具備した、内燃機関用ツインステージ型排気タービン駆動式ターボチャージャ機構に関する。

これは、特許文献１に由来するものである。この文献から、排気マニホールドを有する内燃機関用ツインステージ型排気タービン駆動式ターボチャージャ機構が知られている。このターボチャージャは、内燃機関の排出ガスが流れる向きに沿って互いに並列に配置される第１および第２の小型高圧ターボチャージャと、その下流側に直列に配置されるさらにもう一つの大型低圧ターボチャージャとを有している。排気マニホールド、第１高圧ターボチャージャの第１高圧タービンハウジング、および低圧ターボチャージャの低圧タービンハウジングは、排出ガスを導くように互いに接続されている。排気マニホールドはさらに、絞り要素を介在して、第２高圧ターボチャージャの第２高圧タービンハウジングに、排出ガスを導くように接続可能である一方で、第１高圧タービンハウジングと低圧タービンハウジングは、常時排出ガスを導くように互いに接続されている。

この冒頭に記した種類のツインステージ型排気タービン駆動式ターボチャージャ機構により、内燃機関のために非常に高い出力密度を達成可能であるが、これには、構成部品がかなり複雑でコスト高である点とあわせ、サイズがかなり大型となる点を除き、特段の短所はない。

ＤＥ１０２００６０１１１８８Ａ１

本発明の課題は、冒頭に記した種類のツインステージ型排気タービン駆動式ターボチャージャ機構のために、できる限りコンパクトな構造を(パッケージング化により)もたらす可能性を提示することにある。

この課題は、請求項１の特徴部分に記載の特徴より解決される。
本発明にしたがった構成形態により、有利なことにも、パッケージング化によるメリットが生じ、またそれに伴いコストメリットが生じることになる。

請求項２にしたがった構成形態は、非常に好ましい保守性に優れた組付け手段の可能例の一つである。これは、たとえば定評あるボルト締結部であるとよい。
請求項３および４にしたがった構成形態により、構成部品にかける工数が再度低減され、それによりコストが低減される。
以下では、三つの図に示される好ましい実施例に基づき本発明を詳しく説明する。

本発明にしたがった内燃機関用ツインステージ型排気タービン駆動式ターボチャージャ機構の構造を示す図式図である。 本発明にしたがったツインステージ型排気タービン駆動式ターボチャージャ機構を上から見た三次元図である。 図２の本発明にしたがったツインステージ型排気タービン駆動式ターボチャージャ機構の断面図である。

以下では、図１から３の同じ構成部品に対して同じ符号を適用している。
図１には、本発明にしたがった内燃機関２用のツインステージ型排気タービン駆動式ターボチャージャ機構１の構造が図式的に示されている。内燃機関２は、六気筒内燃機関として例示的に図示されている。内燃機関２の図式的に示唆される六つの気筒は、一つだけしかない排気マニホールド２ａに合流している。この排気マニホールド２ａは、高圧排気タービン駆動式過給機４のタービンハウジング４ａに、排出ガスを導くように永久接続されている。排気マニホールド２ａはさらに、第４の絞り要素６を介在して、第１の高圧排気タービン駆動式過給機４と並列に配置される第２の高圧排気タービン駆動式過給機５の第２のタービンハウジング５ａに、排出ガスを導くように接続できるようになっている。第１および第２の高圧タービンハウジング４ａ、５ａもまた、低圧排気タービン駆動式過給機３の低圧タービンハウジング３ａに、排出ガスを導くように接続されている。排出ガスの流れの向きは、矢印により象徴的に図示されている。

図１から明らかであるように、ツインステージ型排気タービン駆動式過給機構１は、排気側では、低圧排気タービン駆動式過給機３、ならびに、互いに並列に配置される二つの高圧排気タービン駆動式過給機４、５により構成されている。第１の高圧排気タービン駆動式過給機４には、排出ガスが連続的に流れる一方で、第２の高圧排気タービン駆動式過給機５は、開ループまたは閉ループ制御が可能な第４の絞り要素６を利用して、オンオフできるようになっている。したがって、以下で説明するように、内燃機関２への燃焼空気の供給方式は、可変式に構成されている。

ツインステージ型排気タービン駆動式過給機構１は、内燃機関２の吸気側では、次のように構成される：
新鮮な燃焼空気が、ツインステージ型排気タービン駆動式過給機構１により吸い込まれるが、これも再び吸気系の入口ポートのところの小さな矢印により図示されている。この燃焼空気は、まず低圧排気タービン駆動式過給機３の低圧コンプレッサハウジング３ｂを通り流れて、続いて第１のインタクーラ１１内で空気温度を下げるために冷却された後、続いてガスを通す二つの別々の分岐路に分割される。したがって燃焼空気は、高圧排気タービン駆動式過給機４の高圧コンプレッサハウジング４ｂに連続的に通して送られ、引き続いて第２のインタクーラ１２を通るが、この第２のインタクーラ１２により、再度圧縮され、それにより加熱された燃焼空気が再び冷却される。燃焼空気は、続いて楕円記号により図示された内燃機関２の各気筒内へと送られる。

ガスを通す二つの別々の分岐路への分割部の、燃焼空気が流れる向きで下流側には、第１の高圧コンプレッサハウジング４ｂと並列に、第２の排気タービン駆動式過給機５の第２の高圧コンプレッサハウジング５ｂが配置されている。この高圧コンプレッサハウジング５ｂの燃焼空気が流れる向きで上流側には、開ループまたは閉ループ制御が可能な第２の絞り要素９が配置されている。さらにこの高圧コンプレッサハウジング５ｂの、燃焼空気が流れる向きで下流側には、同様に開ループまたは閉ループ制御が可能な第３の絞り要素１０が配置されている。第１および第２の絞り要素９、１０は、実施可能な二通りの代替例である。高圧コンプレッサハウジング５ｂと、第２の絞り要素９および第３の絞り要素１０との間には、バイパス７が高圧コンプレッサハウジング５ｂと並列に備えられている。このバイパス７にも同様に、開ループまたは閉ループ制御が可能な第１の絞り要素８、好適には排気フラップが配置されている。

図２には、本発明にしたがったツインステージ型排気タービン駆動式過給機構１を、図１に関して既に説明したさまざまなコンポーネントとともに、但し内燃機関２は除いて、上から見た三次元図が示されている。図２においては、一方では二つの高圧タービンハウジング４ａ、５ａを排気マニホールド２ａに、他方では低圧タービンハウジング３ａを排気マニホールド２ａに配置可能であり、またその際にはこれらの高圧タービンハウジング４ａ、５ａから来る排出ガスが、排気マニホールド２ａの内部に設けた（図３において見ることができる）流路１３を通り低圧タービンハウジング３ａに導かれるという、本発明にしたがった構成形態により、ツインステージ型排気タービン駆動式過給機構１の構造がいかにコンパクトに構成されるかを、はっきりと確認することができる。

第１のインタクーラ１１のハウジングおよび低圧コンプレッサハウジング３ｂは、取付け空間をさらに最小限化するために、材料を統一した一体型構造であると好適である。それ以外の補助的なコンポーネントについては、符号が付されていないが、というのもそれらは主に管路であるからであって、図１においてもこれらには同様に符号を付していない。符号３を付した二つの矢印は、図３に示されるツインステージ型排気タービン駆動式過給機構１の断面図の切断面を示す。

図３には、図２に示される本発明にしたがったツインステージ型排気タービン駆動式過給機構を切断面３−３で切り取った時の断面図が示されている。第１高圧タービンハウジング４ａから低圧タービンハウジング３ａに至る、排気マニホールド２ａの内部に設けた流路１３を通る排出ガスの流れの向きが、矢印で図式的に示されている。

配列の基本説明：
排気タービン駆動式過給機は、合計で三基、互いに対して並列に配置される、同じサイズまたは異なるサイズの高圧排気タービン駆動式過給機４、５が二基、必要である。高圧排気タービン駆動式過給機４、５の内少なくとも一方は、バリアブルジオメトリターボチャージャとして実施されると好適である。そのためにはこれに低圧排気タービン駆動式過給機３が前置される。低圧コンプレッサハウジング３ｂと夫々の高圧コンプレッサハウジング４ｂ、５ｂとの間には、過給温度を低下させるために中間冷却機構が備えられる。中間冷却のために、第１および第２のインタクーラ１１、１２が利用される。オンオフ式の第２の高圧コンプレッサハウジング５ｂの上流側および下流側には、遮断用の通常の弁である第２および第３の絞り要素９、１０とならび、この第２高圧コンプレッサハウジング５ｂの入口と出口とを接続する、同様にオンオフできるようになっている、迂回ラインであるバイパス７が位置している。排気側には、遮断弁である第４の絞り要素６が、第２の高圧タービンハウジング５ａの入口の上流側に位置して、これを排気流から切り離すためにオンオフできるようになっている。

内燃機関の運転点に応じて、排気タービン駆動式過給機構１の異なる運転戦略が弁別される。

１．低回転域：
排気弁である第４の絞り要素６が閉じられ、排気質量流量（排気マス流量）は連続的に第１高圧タービンハウジング４ａを通って流れ、続いて低圧タービンハウジング３ａを通って流れる。吸い込まれた燃焼空気質量流量は、低圧コンプレッサハウジング３ｂにより予備圧縮され、中間冷却器である第２のインタクーラ１１内で冷却され、続いて連続稼動する第１高圧コンプレッサ４ｂ内で圧縮される。第２のオンオフ式高圧排気タービン駆動式過給機５は、規定された排気質量流量が流れることにより、第２高圧コンプレッサハウジング５ｂが再循環モードで回転する回転数に保持されて、それにより「ポンピング動作」が回避されるようにしている。第２のオンオフ可能な高圧コンプレッサの上流側および下流側の、両方とも弁である第２、第３の絞り要素９、１０は、閉じられている。

２．高回転域：
排気弁である第４の絞り要素６が開かれ、排気質量流量は、このときには第１および第２の高圧タービンハウジング４ａ、５ａを通り流れ、続いて低圧タービン３ａを通り流れる。吸い込まれた燃焼空気質量流量は、低圧コンプレッサハウジング３ｂにより予備圧縮され、中間冷却器である第１のインタクーラ１１内で冷却され、続いて両方の高圧コンプレッサハウジング４ｂ、５ｂ内で圧縮される。再循環弁である第１の絞り要素８は閉じられており、第２のオンオフ可能な高圧コンプレッサの上流側および下流側の、両方とも弁である第２および第３の絞り要素９、１０は、排気弁である第４の絞り要素６と同様に開かれている。

したがってこの排気タービン駆動式過給機構１は、特性マップの全域においてツインステージモードが可能となるように構成されている。それ以外にも本発明にしたがった構成形態により、第２の低圧排気タービン駆動式過給機を放棄することができる。

１ 排気タービン駆動式過給機構
２ 内燃機関
２ａ 排気マニホールド
３ 低圧ターボチャージャ
３ａ 低圧タービンハウジング
３ｂ 低圧コンプレッサハウジング
４ 第１高圧ターボチャージャ
４ａ 第１高圧タービンハウジング
４ｂ 第１高圧コンプレッサハウジング
５ 第２高圧ターボチャージャ
５ａ 第２高圧タービンハウジング
５ｂ 第２高圧コンプレッサハウジング
６ 第４絞り要素
７ バイパス
８ 第１絞り要素
９ 第２絞り要素
１０ 第３絞り要素
１１ 第１インタクーラ
１２ 第２インタクーラ
１３ 流路

Claims (4)

1. 排気マニホールド（２ａ）を有する内燃機関（２）用のツインステージ型排気タービン駆動式過給機構（１）であって、前記排気タービン駆動式過給機構（１）が、前記内燃機関（２）の排出ガスが流れる向きにて互いに並列に配置される第１および第２の小型高圧ターボチャージャ（４，５）と、その下流側に直列に配置される低圧ターボチャージャ（３）とを有しており、前記排気マニホールド（２ａ）、前記第１の高圧ターボチャージャ（４）の第１高圧タービンハウジング（４ａ）、および前記低圧ターボチャージャ（３）の低圧タービンハウジング（３ａ）は、排出ガスを導くように互いに接続されており、前記排気マニホールド（２ａ）は、前記第２の高圧ターボチャージャ（５）の第２高圧タービンハウジング（５ａ）に、排出ガスを導くように接続可能であり、さらに前記第２高圧タービンハウジング（５ａ）と前記低圧タービンハウジング（３ａ）とが、排出ガスを導くように互いに接続されている、ツインステージ型排気タービン駆動式過給機構において、
   一方では前記第２高圧タービンハウジング（４ａ，５ａ）を前記排気マニホールド（２ａ）に、他方では前記低圧タービンハウジング（３ａ）を前記排気マニホールド（２ａ）に配置可能であること、またその際に前記各高圧タービンハウジング（４ａ，５ａ）から来る排出ガスが、前記排気マニホールド（２ａ）の内部またはこれに隣接して設けた流路（１３）を通って前記低圧タービンハウジング（３ａ）に導かれることを特徴とする、ツインステージ型排気タービン駆動式過給機構。
2. 請求項１に記載のツインステージ型排気タービン駆動式過給機構において、
   前記第１および第２の高圧タービンハウジング（４ａ，５ａ）が、前記排気マニホールド（２ａ）に着脱自在に接続可能であることを特徴とする、ツインステージ型排気タービン駆動式過給機構。
3. 請求項１または２に記載のツインステージ型排気タービン駆動式過給機構において、
   前記第１および第２の高圧タービンハウジング（４ａ，５ａ）が、材料を統一した一体型構造であることを特徴とする、ツインステージ型排気タービン駆動式過給機構。
4. 前記低圧排気タービン駆動式過給機（３）用に第１のインタクーラ（１１）が備えられた、請求項１〜３のいずれか一項に記載のツインステージ型排気タービン駆動式過給機構において、
   前記低圧排気タービン駆動式過給機（３）の低圧コンプレッサハウジング（３ｂ）が、前記第１インタクーラ（１１）のハウジングと一体式であることを特徴とする、ツインステージ型排気タービン駆動式過給機構。

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