JP3326615B2 - 内燃機関ターボ過給機システム - Google Patents

内燃機関ターボ過給機システム

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、請求の範囲第１項の上位概念に記載の内燃
機関ターボ過給機システムに関する。
このような内燃機関ターボ過給機システムは、例えば
ドイツ連邦共和国特許第4330487号明細書により公知で
ある。ここでは流れ通路から出るかつタービン羽根車に
連通するリングノズル状の範囲に、案内装置が配置され
ており、この案内装置は、調節可能な案内羽根を備えた
可変の案内格子を含み、この案内格子は、異なった大き
さの自由（空いた）流れ横断面積を可能にし、かつこの
案内格子を介してブレーキ動作における絞りとして、タ
ービンへの排気ガス通路内にそれぞれもっとも狭い流れ
横断面積が決定可能であり、かつ内燃機関の動作パラメ
ータに依存して調節可能である。このようなシステムに
よって、大きなブレーキ出力が達成できるが、これらの
ブレーキ出力を内燃機関のわずかな熱的負荷の際に実現
し、かつそれぞれ適当な内燃機関ターボ過給機システム
を判定するという困難が提供される。
この目的のために、内燃機関の比較的小さい熱的負荷
の際にブレーキ動作に対して大きなブレーキ出力を可能
なようにする、内燃機関ターボ過給機システムを提供し
ようとする本発明が使われる。
このことは、内燃機関ターボ過給機システムにおい
て、請求の範囲第１項の特徴による構成によって達成さ
れ、この構成によれば、タービンは、内燃機関の総合行
程容積に関してその主パラメータにおいて、最大ブレー
キ出力が可能になり、しかも内燃機関の比較的小さな熱
的負荷において可能になるように確定されている。
その際、次の関係が成立ち、 TBF＝AT×DT/VH その際、ATによりタービンの排気ガス通路において最
大ブレーキ出力の際に与えられる空いた流れ横断面積が
示され、DTによりタービン羽根車の入口直径（半径流タ
ービンにおいて幾何学的な入口直径；軸流タービンにお
いて構成の平均流れ直径）が、かつVHにより内燃機関の
行程容積が示されている。TBFは、ターボブレーキ係数
を形成し、このターボブレーキ係数は、本発明の枠内に
おいて0.005（５‰）より小さく、かつこれは、なるべ
く0.001ないし0.003（１−３‰）にある。
最大ブレーキ出力の構成点に関して本発明の枠内にお
いて、タービンへの排気ガス通路において最大ブレーキ
出力の際に与えられる空いた流れ横断面積は、下側回転
速度範囲をカバーしかつ案内格子を閉じた際に残留流れ
横断面積として残る横断面積、及び最大ブレーキ出力の
構成点に対して大きくなる可変の流れ横断面積割合によ
って形成されており、その際、最大ブレーキ出力に向か
って可変に増加する追加的な流れ横断面積対最大ブレー
キ出力の構成点のために閉じた案内格子の際に残る残留
流れ横断面積の比は、0.2より大きく、かつなるべく0.2
と１の間の範囲にある。それより小さな比の数の際に、
下側回転速度範囲におけるブレーキ出力は、比較的小さ
く、かつ上側回転速度範囲において比較的急に増加し、
それより大きな比の数の際に、下側回転速度範囲にさら
に大きなブレーキ出力が生じ、構成点として最大ブレー
キ出力の点に向かってブレーキ出力のそれより小さな比
の数と比較してそれより平らな上昇を有する。機関の回
転速度帯域に関して、追加的な可変の流れ横断面積が開
かれる（空けられる）上側回転速度範囲は、最大ブレー
キ出力の際に与えられる回転速度のほぼ2/3ないし3/4に
おいて始まり、その際、最大ブレーキ出力の際に与えら
れる回転速度は、内燃機関の定格回転速度、したがって
内燃機関の最大出力における回転速度よりほぼ1/4ない
し1/3だけ高い範囲にある。
本発明のそれ以上の詳細及び特徴は、請求の範囲から
明らかである。さらに本発明は、次に図面によりなお詳
細に説明し、その際 図１は、ターボ過給機のタービン側の断面図を示し、 図２は、とくに調節可能な案内羽根を備えたタービン
の案内装置を示す図１の線II−IIに沿った断面図を示
し、 図３は、タービンに付属の２分割された案内装置を有
するターボ過給機の大体において図１に相当する断面図
を示し、かつ 図４は、最大ブレーキ出力の際に追加的に空けられる
可変の流れ横断面積対閉じた案内格子の際に与えられる
残留流れ横断面積の種々の比の際に機関回転速度に関す
るブレーキ出力の基本的な経過を示す概略的な基本図を
示している。
図１及び２による概略的な表示において、１によりタ
ーボ過給機が全体的に示されているが、そのうちタービ
ン２だけ、及び図示しない圧縮機部分へのタービン２の
結合部内にある駆動結合部３が部分的に示されている。
結合軸４上にそのタービン羽根６を有するタービン羽根
車５があり、これらのタービン羽根は、半径方向に排気
ガスを加えられる。
フランジ７を介してタービンは、ここでは概略的に暗
示しただけの内燃機関８に結合されており、この内燃機
関から排気ガスが、タービンの流れ通路９に供給され、
ここから半径方向に延びたリングノズル10を介してター
ビン羽根車羽根６に向かって流出する。図２に関連して
示すようにリングノズル10のノズル通路内に、案内装置
12の調節可能な案内羽根11があり、その際、羽根11のた
めの調節機構は、図１に13において暗示されているが、
ここではこれ以上説明しない。調節機構13を介して案内
羽根11は、図２から明らかなように、これらが周方向に
連続して互いに重なっておりかつリングノズル10の横断
面を大体において覆う閉じた位置から、これらがタービ
ン羽根６を囲む円に対してほぼ接線方向にある羽根11a
に対して暗示したような開いた位置に揺動することがで
きる。
案内羽根11が、図２に示したその閉じた位置にあると
き、リングノズル10の横断面積は、既存のギャップをの
ぞいてほぼ閉じているので、流れ通路９からタービン２
への移行部においてリングノズル10の範囲に残る残留流
れ横断面積は、きわめて小さい。
図３は、ターボ過給機の別の構成を示しており、その
際、これは、全体として21によって示され、かつタービ
ン22を含み、このタービンと対向する圧縮機部分との間
に、駆動結合部23が存在し、この駆動結合部は、軸24を
含み、この軸上においてタービン羽根車25は、対向する
圧縮機羽根車に対して同軸的に配置されている。すでに
図１及び２によって説明し、かつそれ以上図示しないよ
うに、ターボ過給機21は、内燃機関に結合されており、
かつその排気ガスを加えられ、これらの排気ガスは、こ
こにはそれ以上示さない流れ通路を介して内燃機関から
流れ通路29に供給され、この流れ通路は、リングノズル
状の範囲30を介してタービン羽根車25のための収容空間
に結合されており、このタービン羽根車のタービン羽根
車は26によって示されている。図３によるターボ過給機
においてリング部材35を介して半径方向通路部分36と半
軸線方向通路部分37とに分割された全体に30で示すリン
グノズルは、両方の通路部分に案内装置33を収容し、こ
の案内装置は、通路部分36において調節可能な案内羽根
を有する案内格子38を、かつ通路部分37において定置の
案内羽根を有する案内格子39を含んでいる。
案内格子39は、その流れ横断面積について不変であ
り、案内格子38は、ここにはそれ以上図示しない所属の
案内羽根の位置に依存して流れ横断面積について可変で
ある。案内格子38の案内羽根は、周知のように配置され
ており、かつ例えば図２における図と同様に調節可能で
ある。
図１及び２又は図３における案内装置12又は32の異な
った構成に相応して、案内装置12又は32からタービン羽
根車５又は25への移行部において、排気ガスのための異
なった入口直径が生じる。相応する入口直径は、図１及
び２による実施例において、実質的にタービン羽根車５
のタービン羽根車羽根６の円周に相当し、かつDTによっ
て示されている。
図３による実施例において、リングノズル30は分割さ
れており、かつ半径方向通路部分36及び半軸線方向通路
部分37を含み、これらは、異なった直径において、ター
ビン羽根車の羽根26に連通している。その際、半径方向
通路部分に関する入口直径は、再びほぼこの通路部分36
に対向する範囲におけるタービン羽根車羽根26の外周に
相当し、かつDTRによって示されている。半軸線方向通
路部分37の入口直径は、この通路部分が、半径方向に円
周の内側にあるリング横断面においてタービン羽根車羽
根26によって覆われているので、それより小さい。この
リング横断面の平均リング直径は、大体においてこの半
軸線方向通路部分37のための入口直径とみなすことがで
き、かつ図３による表示においてDTXによって示されて
いる。最大ブレーキ出力の際に空けられる流れ横断面積
は、ATによって示されている。これは、案内格子38の閉
じた案内羽根の際に残る残留流れ横断面からなり、かつ
この案内格子38に対してほぼ残りのギャップ横断面積に
相当する。最大ブレーキ出力の際、その流れ横断面積に
ついて不変の、したがってあらゆる動作段階において開
いた案内格子39に加えて、案内格子38の案内羽根を開く
ことによって、可変の流れ横断面積が接続されている。
分割されていないリングノズル10（図１及び２）にお
いて、横断面積ATを介して流れるガス量は、全体として
タービン羽根車の入口直径DTに相当する直径においてタ
ービン羽根車に作用する。
図３による実施例において、タービンへの排気ガス通
路における相応して空いた流れ横断面積が、半径方向通
路部分36に対して及び半軸線方向通路部分37に対して生
じる。その際、後者は、この通路部分の案内格子39が定
置の案内羽根を備えているので、不変である。半径方向
通路部分の流れ横断面積は、ここに設けられた案内格子
38が調節可能な案内羽根を備えているので、可変であ
る。この案内羽根が閉じていると、図１及び２による表
示と同様に、これらの案内格子38のために残った空いた
残留流れ横断面積は、実質的にギャップの程度によって
決められている。
種々の空いた流れ横断面積に相応して、種々の流通ガ
ス量が生じ、その際、これらのガス量は、横断面積と同
様な特性を有する。
すでに示したように、タービンへの排気ガス通路にお
いて最大のブレーキ出力の際に与えられる空いた流れ横
断面積が、ATによって示される場合、この流れ横断面積
は、半径方向通路部分36及び半軸線方向通路部分37を有
する２分割されたリングノズル30の際に、半径方向横断
面積ATRと半軸線方向横断面積ATXとから次のように合成
される： AT＝ATX＋ATR 通路部分36及び37における異なった流通量を重み付け
して考慮するタービン羽根車の入口直径DTは、次のよう
に計算される： DT＝（ATX/AT）×DT＋（ATR/AT）×DTR 前記の確定を考慮して、ブレーキ動作のために大きな
ブレーキ出力が比較的小さな熱負荷に結び付いた内燃機
関ターボ過給機システムに対して、次の式が成立ち TBF＝AT×DT/VH その際、ターボブレーキ係数TBFは、0.005より小さ
く、なるべく0.001と0.003の間、とくに0.002にあり、
かつVHは、内燃機関の行程容積を示している。
最大ブレーキ出力の際に残留流れ横断面積を越えて案
内羽根を（部分的に）開くことによって追加的な可変の
横断面積成分が空けられる調節可能な案内羽根を有する
案内格子を有するタービンに関して、タービンへの排気
ガス通路に最大ブレーキ出力の際に与えられる空いた横
断面積に対して、次のことが成立ち： AT＝AD＋dAV,max その際ADは、閉じた案内格子において残った残留流れ
横断面積であり、かつdAV,maxは、追加的に最大ブレー
キ出力の際に案内格子によって空けられた流れ横断面積
である。
dAV,max対ADの比VFは、なるべく0.2より大きく、かつ
とくに0.2と１の間の範囲にあり、その際、VFによって
示されたこの比の数は、ブレーキ出力がすでに低い機関
回転速度の際に高くしようとするほど、大きく選定され
る。
図４は、このことを概略的な線図において説明してお
り、この線図において機関回転速度ｎに関するブレーキ
出力Ｐが記入されており、かつその際、曲線ａは、案内
格子が全回転速度範囲にわたって一定の横断面積を有す
る、したがってAV,max対ADの比の数が０である内燃機関
ターボ過給機システムに関する状態を記述している。曲
線ｂは、最大ブレーキ出力における構成点Pmaxにおいて
曲線ａと交差しているが、曲線ａの上にあり、かつ低い
機関回転速度範囲においてすでに大きなブレーキ出力が
与えられ、かつそれにより類似の機械構成及び同じ排気
ガス量に関して下側の回転速度範囲において、タービン
への排気ガス通路においてさらに小さな流れ横断面積を
持たなければならない機械構成を説明している。下側機
関回転速度範囲においてさらに小さな流れ横断面積を有
するこのノズル構成に、上側回転速度範囲における空い
た流れ横断面積の可変の拡大が対応している。なぜなら
そうしないと低い機関回転速度レベルにおいて最大のブ
レーキ出力に達してしまうからである。案内羽根の開き
の開始は、POにおいて暗示されており；可変の横断面積
成分を接続することなく、POから出発して破線で示す曲
線経過が生じる。
曲線ｃは、下側回転速度範囲においてなおさらに大き
なブレーキ出力を有する別の変形を示しており、かつ機
械の同じ基本構成を仮定して、同じ機関回転速度の際に
最大ブレーキ出力Pmaxを達成しようとする場合、上側回
転速度範囲における流れ横断面積の可変の成分は、場合
ｂにおけるものより大きくなければならない。ここでも
曲線ｂと同様に、可変の成分のための接続点は、POによ
って示されている。
したがって可変の流れ横断面積の接続は、機関回転速
度に関するブレーキ出力の一様な上昇を保証するため
に、総合開口横断面積における可変の成分の増加ととも
に、又は下側回転速度範囲における大きくなるブレーキ
出力とともに、なるべくそれぞれ低い回転速度において
行なわれる。
内燃機関ターボ過給機システムに関して、目的に合う
ように最大のブレーキ出力は、モータの定格回転速度
の、したがって最大出力の際の機関の回転速度の範囲の
上にある機関回転速度範囲において達成される。定格回
転速度が1800回転にある場合、最大ブレーキ出力の際の
機関回転速度は、例えば毎分2300回転の範囲にあること
ができる。追加的な可変の流れ横断面積が空けられる上
側回転速度範囲は、目的に合うように最大出力の際に与
えられる回転速度のほぼ2/3ないし3/4において始まり、
その際、可変の横断面積成分の大きさは、なるべく回転
速度に依存して最大ブレーキ出力に達するまで連続的に
増加し、この最大ブレーキ出力は、できるだけ小さな熱
負荷の際の最大のブレーキ出力についてシステムの前に
述べた構成に対する基準点を形成する。
可変の案内格子を有する案内装置として、案内格子内
において案内羽根が調節可能であるが、案内格子が全体
としてその位置を維持する案内格子構成を前に説明し
た。
案内格子内において案内羽根が調節可能でないが、案
内格子が全体として調節可能なので、案内格子の互いに
ずれた範囲に対応し、異なった配置のかつ／又は構成の
案内羽根が、案内格子の調節により（例えばドイツ連邦
共和国特許第4232400号明細書に相応して案内格子の軸
線方向調節によって）ブレーキ動作に使用することがで
き、したがって本発明の意図におけるブレーキ動作のた
めに異なった配置のかつ／又は形成の案内羽根に相当す
る異なった空いた流れ横断面積を、このようなものとし
て案内格子の調節によって実現することができる、案内
格子も公知である。
本発明は、とくに商用車に使用される内燃機関ターボ
過給機システムにとって興味があり、とくにブレーキ動
作のためにも大きなエンジンブレーキ出力に指定されか
つ比較的大容積の機関を装備した車両にとって興味あ
る。
しかし本発明は、ここにおいて利用される機関がここ
に使用されるガス交換制御システムに基づいてそれ自体
小さなブレーキ出力しか加えることができないとき、小
容積の機関及び軽量の車両、例えば乗用車に結合しても
意味を与えることができる。
ブレーキ動作に関して調節可能な案内格子に対して補
充的に、圧力制限のために緊急弁としてであれ、例えば
必要な可変の横断面積成分を単独で及び／又は必要な時
間間隔を置いて案内装置の調節によって実現するという
困難が生じる場合に、例えば最大ブレーキ出力の点に対
して上側の回転速度範囲においてなるべく徐々に開かれ
る調節可能な案内格子に対して補充的に同様にその横断
面について可変の絞り要素としてであり、−それ自体周
知のように−排気弁を設けることは、本発明の構成にお
いて目的に合うことがある。
フロントページの続き (72)発明者 ズムゼル，ジークフリート ドイツ連邦共和国 デー―70184 シユ トウツトガルト イム ウンテレン キ ーンレ ９ (56)参考文献 実開 昭60−36506（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭61−82045（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭61−159639（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭62−28044（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F02B 33/00 - 39/16 F02D 9/06

Claims (12)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】内燃機関が、少なくとも１つの容積可変の
    燃焼室、及び内燃機関の燃焼室の最小容積と最大容積と
    の間の差容積の和によって決まる内燃機関行程容積を持
    ち、内燃機関に付属するターボ過給機システムが、内燃
    機関の排気ガス通路内に配置されかつ流れ通路を有する
    少なくとも１つのタービンを有し、この流れ通路が、リ
    ングノズル状の範囲を介してタービン羽根車に連通して
    おり、連通範囲に案内装置が配置されており、この案内
    装置が、調節可能な案内羽根を備えた可変の案内格子を
    含み、この案内格子が、種々の大きさの自由流れ横断面
    積を可能にし、絞りとしてのこの案内格子を介して、ブ
    レーキ動作において、タービンへの排気ガス通路内にそ
    れぞれもっとも狭い流れ横断面積が決定可能であり、か
    つ内燃機関の動作パラメータに依存して調節可能であ
    る、内燃機関ターボ過給機システムにおいて、 内燃機関の最大ブレーキ出力における際のブレーキ動作
    に関して、タービンへの排気ガス通路において最大ブレ
    ーキ出力の際に与えられる自由流れ横断面積AT、タービ
    ン羽根車の入口直径DT及び内燃機関の行程容積VHが、互
    いに次の関係になっており： TBF＝AT×DT/VH その際、ターボブレーキ係数としてのTBFが、0.005（５
    ‰）より小さい ことを特徴とする、内燃機関ターボ過給機システム。
  2. 【請求項２】ターボブレーキ係数TBFが、0.001と0.003
    （１−３‰）との間にあることを特徴とする、請求項１
    に記載の内燃機関ターボ過給機システム。
  3. 【請求項３】ターボブレーキ係数TBFが、0.002（２‰）
    の所にあることを特徴とする、請求項２に記載の内燃機
    関ターボ過給機システム。
  4. 【請求項４】調節可能な案内羽根を有する案内格子にお
    いて、タービンへの排気ガス通路において最大ブレーキ
    出力の際に与えられる自由流れ横断面積ATに対して、次
    のことが成立ち： AT＝AD＋dAV,max その際、ADが案内格子を閉じた際に残る残留流れ横断面
    積、 dAV,maxは最大ブレーキ出力において案内格子により追
    加的に開かれる流れ横断面積である ことを特徴とする、請求項１ないし３の１つに記載の内
    燃機関ターボ過給機システム。
  5. 【請求項５】案内格子を閉じた際に残る残留流れ横断面
    積ADと、最大ブレーキ出力の際に追加的に開かれる案内
    格子の流れ横断面積dAV,maxとの比VFに対して、次のこ
    とが成立つ： VF＝dAV,max/AD＞0.2 ことを特徴とする、請求項４に記載の内燃機関ターボ過
    給機システム。
  6. 【請求項６】最大ブレーキ出力の際に追加的に開かれる
    案内格子の流れ横断面積dAV,maxが、この案内素子の調
    節範囲内において可変の流れ横断面積dAVがとることが
    できる上側限界値であることを特徴とする、請求項５に
    記載の内燃機関ターボ過給機システム。
  7. 【請求項７】可変の流れ横断面積dAVが、回転速度に依
    存して可変であることを特徴とする、請求項６に記載の
    内燃機関ターボ過給機システム。
  8. 【請求項８】可変の流れ横断面積dAVが、回転速度の低
    下とともに小さくなることを特徴とする、請求項７に記
    載の内燃機関ターボ過給機システム。
  9. 【請求項９】可変の流れ横断面積dAVの調節範囲が、回
    転速度帯域の上側範囲に対応し、この回転速度帯域が、
    最大ブレーキ出力に相当する回転速度にまで達すること
    を特徴とする、請求項６ないし８の１つに記載の内燃機
    関ターボ過給機システム。
  10. 【請求項１０】最大ブレーキ出力が、内燃機関の定格回
    転速度の上にある回転速度において与えられることを特
    徴とする、請求項９に記載の内燃機関ターボ過給機シス
    テム。
  11. 【請求項１１】追加的な可変の流れ横断面積dAVが開か
    れる上側の回転速度範囲が、最大ブレーキ出力の際に与
    えられる回転速度のほぼ2/3ないし3/4において始まるこ
    とを特徴とする、請求項９又は10に記載の内燃機関ター
    ボ過給機システム。
  12. 【請求項１２】最大ブレーキ出力が、内燃機関の定格出
    力の際に与えられる定格回転速度よりほぼ1/4ないし1/3
    高い回転速度の際に与えられることを特徴とする、前記
    請求項の１つに記載の内燃機関ターボ過給機システム。
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