JP2020097937A - Exhaust gas turbocharger including authentic structure - Google Patents

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Abstract

To provide improved solution for an exhaust gas turbocharger having safety operation behavior of high efficiency, in particular, capable of improving a problem on transient elongation.SOLUTION: An authentic material (M) or an authentic structure is used for an exhaust gas turbocharger which includes a shaft (2), at least one compressor wheel (V) and a turbine wheel (T) disposed on the shaft, and a housing (3) for housing the shaft (2), the compressor wheel (V) and the turbine wheel (T) inside thereof, and in which the housing (3) is at least partially composed of the authentic material (M) having a negative Poisson's ratio.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は排ガスターボチャージャーに関する。 The present invention relates to an exhaust gas turbocharger.

従来の排ガスターボチャージャーは、出力を増大させ、燃焼を最適化するために使用される。エンジンでの良好で完全燃焼のためには、特定の混合比（化学量論的燃料比）が必要である。排ガスターボチャージャーの過給中、吸入空気の密度は増大し、したがって空気量が増加する。過給により、充填の程度が、したがって内燃機関の効率が大幅に改善される。 Conventional exhaust gas turbochargers are used to increase power output and optimize combustion. A specific mixing ratio (stoichiometric fuel ratio) is required for good and complete combustion in the engine. During supercharging of the exhaust gas turbocharger, the density of the intake air increases and therefore the amount of air increases. Supercharging greatly improves the degree of filling and thus the efficiency of the internal combustion engine.

ターボチャージャーの心臓部は、ターボチャージャーハウジング内に配置されたシャフトおよびコンプレッサーホイールを備えたタービンホイールから構成されるランニングギアである。タービンホイールは排ガス側にあり、たいていシャフトに恒久的に接続されている。コンプレッサーホイールは、ローターシャフトの他端に取り付けられる。実施形態に応じて、ホイールは典型的にはローターブレードを備え、端部側でハウジングに向かうギャップを形成する。ギャップ幅はターボチャージャーの効率に直接影響する。シャフトの回転速度に応じて、さまざまな回転コンポーネントおよび非回転コンポーネントに異なる伸び率が発生する。これにより相対位置が変化する。 At the heart of the turbocharger is a running gear consisting of a turbine wheel with a shaft and a compressor wheel located within the turbocharger housing. The turbine wheel is on the exhaust side and is usually permanently connected to the shaft. The compressor wheel is attached to the other end of the rotor shaft. Depending on the embodiment, the wheel typically comprises rotor blades, forming a gap towards the housing on the end side. The gap width directly affects the efficiency of the turbocharger. Depending on the speed of rotation of the shaft, different rolling and non-rotating components experience different elongations. This changes the relative position.

したがって、ブレード先端とハウジング壁との間のギャップも同様に変化する。伸び挙動に関しては、特に、サイクルを通過する際のローターとハウジングとの間の、いわゆる過渡的伸び挙動に注意が払われる。回転コンポーネントおよび非回転コンポーネントのこのそれぞれの過渡的伸び挙動は大きく異なる。この結果、ブレードホイール先端がハウジングに擦れるギャップブリッジングに関する高いリスクが存在する。ハウジングとブレード先端との間の擦れの一例のそうしたリスクは、特に、排ガスターボチャージャーの運転中に存在する。 Therefore, the gap between the blade tip and the housing wall changes as well. With regard to the elongation behavior, particular attention is paid to the so-called transient elongation behavior between the rotor and the housing as it passes through the cycle. The respective transient elongation behaviors of rotating and non-rotating components are very different. As a result, there is a high risk for gap bridging where the blade wheel tip rubs against the housing. Such an example of the risk of rubbing between the housing and the blade tip is especially present during operation of the exhaust gas turbocharger.

互いに対して運動可能なコンポーネント間の過渡的動作における危険かつ／または許容されない動作状態を回避するために、従来技術では、公称ギャップは結果的に十分に大きく寸法決めされている。これにより、過渡的運転中、ハウジングへの接触を伴う摩擦あるいはギャップのブリッジングを回避することができるが、相応に大きく寸法決めされたギャップは、排ガスターボチャージャーのその後の定常運転中には効率の低下を引き起こす。 In order to avoid dangerous and/or unacceptable operating conditions in transient motion between components that are movable with respect to each other, in the prior art the nominal gap is consequently dimensioned sufficiently large. This makes it possible to avoid friction or bridging of the gap during contact with the housing during transient operation, but a correspondingly sized gap is not efficient during the subsequent steady-state operation of the exhaust gas turbocharger. Cause a drop in.

回転コンポーネントが機能不全の間に破損が生じた場合、排ガスターボチャージャーの破片が飛び散る危険な状況が発生する可能性がある。従来技術においては、この目的のために、さまざまな破損保護デバイスが提案されている。 If damage occurs during the malfunction of a rotating component, a dangerous situation can occur in which exhaust gas turbocharger debris is splashed. Various damage protection devices have been proposed in the prior art for this purpose.

回転コンポーネントの確定した故障シナリオにおいてコンポーネントの破片が飛び出すのを防止するために、例えば、従来のハウジング構造体に中実壁厚みが付与され、かつ／またはハウジングの周りに複雑な付加的破損保護構造体が直接設置される。しかしながら、目的は、精巧な破損保護設計および／または中実導流ハウジング構造体を用いずに、それを実施できることである。 To prevent the debris of the component from jumping out in a defined failure scenario of a rotating component, for example, a conventional housing structure is provided with a solid wall thickness and/or a complex additional damage protection structure around the housing. The body is placed directly. However, the purpose is to be able to do so without elaborate break protection designs and/or solid diversion housing structures.

さらに、従来技術から知られている排ガスターボチャージャーには、互いに結合されたコンポーネントがその伸び挙動に関して著しく異なって伸張するという問題がある。そのようなコンポーネント間の従来の接続の場合、例えば、伸長の阻止および例えば接触面の相対的な動きによる対応する損耗などにより、高いねじり応力が発生する。こうした不利な特性の最適化を本発明の概念によって実現することが同様に望ましい。 Furthermore, the exhaust gas turbochargers known from the prior art have the problem that the components connected to one another stretch significantly differently with respect to their stretching behavior. In the case of conventional connections between such components, high torsional stresses are generated, for example by blocking elongation and corresponding wear, for example by the relative movement of the contact surfaces. It is likewise desirable to realize the optimization of these disadvantageous properties according to the inventive concept.

したがって、本発明は上述した欠点を克服するという目的に基づいており、高効率で安全な動作挙動を有し、そして特に過渡的伸びの問題に関する改善を実現する、排ガスターボチャージャーのための改善された解決策を提案する。 The present invention is therefore based on the object of overcoming the abovementioned drawbacks, an improved exhaust gas turbocharger having a highly efficient and safe operating behavior and which realizes an improvement in particular with regard to transient elongation problems. Proposed solution.

この目的は請求項１および請求項３による特徴の組み合わせにより解決される。 This object is solved by a combination of features according to claims 1 and 3.

本発明の基本的な考え方は、影響が及ぼされる領域の伸び挙動に特に影響を及ぼすために、ハウジングまたはターボチャージャーの特定の領域において、負のポアソン比（横方向収縮数）を有する材料の特性を使用することにある。 The basic idea of the invention is that the properties of a material with a negative Poisson's ratio (transverse shrinkage number) in a particular region of the housing or turbocharger in order to particularly influence the elongation behavior of the affected region. Is to use.

したがって、本発明によれば、熱および過渡的伸びに影響を与えるために、二つの隣接するコンポーネント上あるいはその間における排ガスターボチャージャー内またはその上での、負のポアソン比を有するオーセチック材料またはオーセチック構造体の新規な使用が提案される。 Thus, according to the invention, an auxetic material or auxetic structure with a negative Poisson's ratio on or in the exhaust gas turbocharger on or between two adjacent components in order to influence the heat and the transient elongation. A new use of the body is proposed.

本発明の有利な構成では、オーセチック材料の使用が提案され、オーセチック材料またはオーセチック構造体は、ターボチャージャーハウジングの二つのハウジング壁の間、排ガスターボチャージャーのコンポーネントの中空空間内および／または互いに隣接する排ガスターボチャージャーの少なくとも二つのコンポーネント間に配置され、最後に言及した例では、オーセチック材料が好ましくは弾性接続要素として設けられる。 In an advantageous configuration of the invention it is proposed to use an auxetic material, the auxetic material or auxetic structure being located between two housing walls of a turbocharger housing, in the hollow space of a component of an exhaust gas turbocharger and/or adjacent to each other. Located between at least two components of the exhaust gas turbocharger, in the last-mentioned example an auxetic material is preferably provided as elastic connecting element.

本発明のさらなる態様は、シャフトと、少なくともシャフト上に配置されたコンプレッサーホイールおよびタービンホイールと、その中にシャフトとコンプレッサーホイールとタービンホイールとが配置されるハウジングとを備えた排ガスターボチャージャーに関し、ハウジングの少なくとも一部は負のポアソン比を有するオーセチック材料から構成される。 A further aspect of the present invention relates to an exhaust gas turbocharger comprising a shaft, at least a compressor wheel and a turbine wheel arranged on the shaft, and a housing in which the shaft, the compressor wheel and the turbine wheel are arranged. At least part of the is composed of an auxetic material having a negative Poisson's ratio.

本発明の好ましい構成では、ハウジングは、内側ハウジング壁と外側ハウジング壁と中間スペースとを備え、オーセチック材料（Ｍ）は、好ましくは中間スペース内で全体的に（完全に）ハウジング壁間に配置される。 In a preferred configuration of the invention, the housing comprises an inner housing wall, an outer housing wall and an intermediate space, the auxetic material (M) being preferably arranged between the housing walls entirely (completely) in the intermediate space. It

ラジアルまたはアキシャル排ガスターボチャージャーのコンプレッサーおよび／またはタービン側ハウジングにオーセチック構造体を組み込むことにより、ハウジングの伸び挙動をローターの伸び挙動に適合させることができる。適合は、オーセチック構造体の幾何学的パラメーターのターゲット調整を通じて行われる。幾何学的パラメーターの調整は、圧力および遠心力の結果としての過渡的熱伸びおよび伸び比率を考慮して、ハウジングの伸び特性がローターの伸び特性に適合されるように行われる。これにより、定常動作中に実現される半径方向ギャップは従来の設計と比較してより狭くなる。この結果、タービンに関してより高い効率を、そしてコンプレッサーに関してより長いサージ制限間隔を実現できる。 By incorporating an auxetic structure in the compressor and/or turbine side housing of a radial or axial exhaust gas turbocharger, the extension behavior of the housing can be adapted to that of the rotor. Fitting is done through targeting of geometric parameters of the auxetic structure. The adjustment of the geometrical parameters is carried out so that the elongation properties of the housing are adapted to those of the rotor, taking into account the transient thermal elongation and the elongation ratio as a result of pressure and centrifugal forces. This results in a narrower radial gap achieved during steady state operation as compared to conventional designs. This results in higher efficiency for the turbine and longer surge limit intervals for the compressor.

さらに、コンプレッサーホイールおよび／またはタービンホイールの周りの領域、好ましくはハウジング壁間にオーセチック材料が全体的に（完全に）配置されることが好ましく、この結果、ターボチャージャーが破損した場合の付加的な安全効果が実現される。この場合、オーセチック構造体は、回転コンポーネントの衝突時に運動エネルギーを吸収するためのクラッシュゾーンとしてハウジング構造体に統合され、この結果、重量を大幅に増大させることなく、コンポーネントおよび／またはコンポーネント破片の飛び出しに対する安全性が向上する。 Furthermore, it is preferred that the auxetic material is wholly (completely) arranged between the compressor wheel and/or the area around the turbine wheel, preferably between the housing walls, as a result of which additional auxetic material should the turbocharger be damaged. Safety effect is realized. In this case, the auxetic structure is integrated into the housing structure as a crash zone for absorbing kinetic energy during impact of the rotating component, which results in the ejection of the components and/or component debris without significantly increasing the weight. To improve safety.

さらに、排ガスターボチャージャーの少なくとも二つの隣接するコンポーネント間（例えばベアリングハウジングとタービン流入ハウジングとの間）に、負のポアソン比を有するオーセチック材料から構成される弾性接続要素が配置されことが有利である。構造体は、例えば、一つのコンポーネントまたは両方のコンポーネントに印刷または塗布（付与）することができ、あるいは、詳しくは説明しない接続要素によって二つのコンポーネントに取り付けることができる。 Furthermore, it is advantageous that a resilient connecting element made of auxetic material with a negative Poisson's ratio is arranged between at least two adjacent components of the exhaust gas turbocharger (for example between the bearing housing and the turbine inlet housing). .. The structure can be printed or applied (applied) to one or both components, for example, or it can be attached to two components by connecting elements not described in detail.

代替的に、二つの隣接するコンポーネントは、オーセチック材料を介して互いに直接接続できる。 Alternatively, two adjacent components can be directly connected to each other via an auxetic material.

本発明のさらに有利な実施形態では、ハウジング内に、オーセチック材料で満たされた中空空間が設けられる。構造体を適切に構成することにより、必要な剛性が調整され、これによって軽量であるにもかかわらず振動に関する要件が満たされる。 In a further advantageous embodiment of the invention, a hollow space filled with auxetic material is provided in the housing. With proper construction of the structure, the required rigidity is adjusted, so that the requirements for vibration are met despite its light weight.

その伸びが影響を受けることになる排ガスターボチャージャーのコンポーネントをオーセチック材料で覆うかあるいはそれにオーセチック材料を付加する場合も同様に有利である。 It is likewise advantageous if the components of the exhaust gas turbocharger whose elongation will be affected are covered with or added to the auxetic material.

本発明の概念は、特に、以下の排ガスターボチャージャー、すなわちラジアルターボチャージャー、アキシャルターボチャージャー、ターボブロワーまたはタービン（パワータービン）において使用できる。 The concept of the invention can be used in particular in the following exhaust gas turbochargers: radial turbochargers, axial turbochargers, turbo blowers or turbines (power turbines).

本発明のその他の有利なさらなる展開は従属請求項において言及されるか、あるいは本発明の好ましい実施形態の説明と共に以下の図によって示される。 Other advantageous further developments of the invention are mentioned in the dependent claims or are illustrated by the following figures together with a description of the preferred embodiments of the invention.

本発明の第１の例示的実施形態の概略図である。1 is a schematic diagram of a first exemplary embodiment of the present invention. 本発明の例示的な代替実施形態の概略図である。FIG. 7 is a schematic diagram of an exemplary alternative embodiment of the present invention.

以下、図１および図２を参照して本発明についてより詳細に説明するが、図中の同じ参照符号は同じ構造体的および／または機能的特徴を指している。 The invention will now be described in more detail with reference to FIGS. 1 and 2, wherein like reference numerals in the figures refer to like structural and/or functional features.

図１には、本発明の第１の純粋に例示的な実施形態が大まかに示されている。図示されているのは、ローターブレード７を備えたローターＬ（例えばタービンホイールＴまたはコンプレッサーホイールＶ）を備えた排ガスターボチャージャーのハウジング３の一部である。ローターＬは、ハウジング３内でシャフト２上に配置されている。 In figure 1 a first purely exemplary embodiment of the invention is shown generally. Shown is part of the housing 3 of an exhaust gas turbocharger with a rotor L (for example turbine wheel T or compressor wheel V) with rotor blades 7. The rotor L is arranged on the shaft 2 in the housing 3.

ハウジング３は内側ハウジング壁４と外側ハウジング壁５とを有し、負のポアソン比を有するオーセチック材料Ｍまたはオーセチック構造体が二つのハウジング壁４，５間に配置される。 The housing 3 has an inner housing wall 4 and an outer housing wall 5, in which an auxetic material M or auxetic structure with a negative Poisson's ratio is arranged between the two housing walls 4, 5.

ローターブレード７と内側ハウジング壁４との間には、意図されたようにギャップＳが設けられる。 A gap S is provided between the rotor blade 7 and the inner housing wall 4 as intended.

図示された例示的な実施形態において、オーセチック材料Ｍは、ハウジング壁４，５間のローターＬの周囲の領域に全体的に（完全に）配置される。 In the illustrated exemplary embodiment, the auxetic material M is wholly (completely) arranged in the region around the rotor L between the housing walls 4, 5.

図２は、本発明の例示的な代替実施形態を大まかに示している。図示されているのは、排ガスターボチャージャーのコンポーネントＢ１およびコンポーネントＢ２であり、排ガスターボチャージャーの二つの隣接する、すなわち近接するコンポーネントＢ１，Ｂ２間には弾性接続要素１０が配置されており、これは、負のポアソン比を有するオーセチック材料Ｍまたはオーセチック構造体Ｍからなる。ここで、二つの隣接するコンポーネントＢ１，Ｂ２は、オーセチック材料Ｍによって互いに直接接続されている。 FIG. 2 generally illustrates an exemplary alternative embodiment of the present invention. Shown are components B1 and B2 of the exhaust gas turbocharger, in which an elastic connecting element 10 is arranged between two adjacent or adjacent components B1, B2 of the exhaust gas turbocharger. , An auxetic material M or an auxetic structure M having a negative Poisson's ratio. Here, two adjacent components B1, B2 are directly connected to each other by an auxetic material M.

その実施形態では、本発明は、上述した好ましい例示的な実施形態に限定されない。むしろ、根本的に異なるタイプの実施形態と共に、やはり提示された解決策を利用する多くの変形例が考えられる。 In that embodiment, the invention is not limited to the preferred exemplary embodiments described above. Rather, many variations are conceivable, which also make use of the presented solution, with radically different types of embodiments.

３ ハウジング
４ 内側ハウジング壁
５ 外側ハウジング壁
７ ローターブレード
１０ 接続要素
Ｂ１ コンポーネント１
Ｂ２ コンポーネント２
Ｌ ローター
Ｍ オーセチック材料／オーセチック構造体
Ｓ ギャップ
Ｔ タービンホイール
Ｖ コンプレッサーホイール 3 Housing 4 Inner Housing Wall 5 Outer Housing Wall 7 Rotor Blade 10 Connecting Element B1 Component 1
B2 component 2
L rotor M auxetic material/auxetic structure S gap G turbine wheel V compressor wheel

Claims (10)

熱および過渡的伸びに影響を及ぼすための、二つの隣接するコンポーネント間における排ガスターボチャージャー内でのまたは排ガスターボチャージャー上での、負のポアソン比を持つオーセチック材料（Ｍ）またはオーセチック構造体の使用法。 Use of an auxetic material (M) or auxetic structure with a negative Poisson's ratio in or on an exhaust gas turbocharger between two adjacent components to affect thermal and transient elongation Law. 弾性接続要素としてのオーセチック材料（Ｍ）が、前記排ガスターボチャージャーのコンポーネントの中空空間内で二つのハウジング壁間に、あるいは互いに隣接する前記排ガスターボチャージャーの少なくとも二つのコンポーネント間に配置される、請求項１に記載のオーセチック材料（Ｍ）またはオーセチック構造体の使用法。 An auxetic material (M) as elastic connecting element is arranged between two housing walls in the hollow space of a component of the exhaust gas turbocharger or between at least two components of the exhaust gas turbocharger adjacent to each other. Item 2. Use of the auxetic material (M) or auxetic structure according to Item 1. シャフト（２）と、前記シャフト上に配置された少なくとも一つのコンプレッサーホイール（Ｖ）およびタービンホイール（Ｔ）と、その中に前記シャフト（２）と前記コンプレッサーホイール（Ｖ）と前記タービンホイール（Ｔ）とが配置されるハウジング（３）と、を有する排ガスターボチャージャーであって、前記ハウジング（３）の少なくとも一部が、負のポアソン比を有するオーセチック材料（Ｍ）からなる排ガスターボチャージャー。 A shaft (2), at least one compressor wheel (V) and a turbine wheel (T) arranged on the shaft, in which the shaft (2), the compressor wheel (V) and the turbine wheel (T) And a housing (3) in which is disposed, at least a part of the housing (3) is made of an auxetic material (M) having a negative Poisson's ratio. 前記ハウジング（３）は内側ハウジング壁（４）および外側ハウジング壁（５）を有し、前記オーセチック材料（Ｍ）は前記ハウジング壁間に配置されることを特徴とする請求項３に記載の排ガスターボチャージャー。 Exhaust gas according to claim 3, characterized in that the housing (3) has an inner housing wall (4) and an outer housing wall (5), the auxetic material (M) being arranged between the housing walls. Turbocharger. 前記オーセチック材料（Ｍ）が、前記コンプレッサーホイール（Ｖ）および／または前記タービンホイール（Ｔ）の周囲の領域に全体的に配置されることを特徴とする請求項３に記載の排ガスターボチャージャー。 Exhaust gas turbocharger according to claim 3, characterized in that the auxetic material (M) is arranged entirely in the region around the compressor wheel (V) and/or the turbine wheel (T). 前記排ガスターボチャージャーの二つの少なくとも隣接するコンポーネント間に、負のポアソン比を有するオーセチック材料（Ｍ）からなる弾性接続要素が配置されることを特徴とする請求項３ないし請求項５のいずれか１項に記載の排ガスターボチャージャー。 6. An elastic connecting element made of an auxetic material (M) having a negative Poisson's ratio is arranged between two at least adjacent components of the exhaust gas turbocharger. Exhaust gas turbocharger according to item. 前記二つの隣接するコンポーネントが前記オーセチック材料（Ｍ）によって互いに直接接続されることを特徴とする請求項６に記載の排ガスターボチャージャー。 7. Exhaust gas turbocharger according to claim 6, characterized in that the two adjacent components are directly connected to each other by the auxetic material (M). 前記オーセチック材料（Ｍ）で満たされたキャビティが前記ハウジング（３）内に設けられることを特徴とする請求項３ないし請求項７のいずれか１項に記載の排ガスターボチャージャー。 An exhaust gas turbocharger according to any one of claims 3 to 7, characterized in that a cavity filled with the auxetic material (M) is provided in the housing (3). 前記排ガスターボチャージャーのコンポーネントが前記オーセチック材料（Ｍ）で覆われるか、または前記排ガスターボチャージャーのコンポーネントに前記オーセチック材料（Ｍ）が付加されることを特徴とする請求項３ないし請求項８のいずれか１項に記載の排ガスターボチャージャー。 9. An exhaust gas turbocharger component is covered with the auxetic material (M), or the auxetic material (M) is added to the exhaust gas turbocharger component, according to any one of claims 3 to 8. The exhaust gas turbocharger according to item 1. 前記排ガスターボチャージャーは、ラジアルターボチャージャー、アキシャルターボチャージャー、ターボブロワーまたはタービンであることを特徴とする請求項３ないし請求項９のいずれか１項に記載の排ガスターボチャージャー。 The exhaust gas turbocharger according to any one of claims 3 to 9, wherein the exhaust gas turbocharger is a radial turbocharger, an axial turbocharger, a turbo blower, or a turbine.
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