JP3709592B2 - ターボチャージャー装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関用のターボチャージャー装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
パワー出力改善を目的として、ターボチャージャーによって内燃機関を過給することはよく知られている。
【０００３】
一段ターボチャージの場合、すべてのシリンダに空気を送るために十分な１基のターボチャージャーを使用するだけでよい。大形機関（エンジン）、特に２列のシリンダをもつ機関の場合、各列のシリンダに対応するスーパーチャージャーを設ければよい。このような構成の一例はイギリス特許第ＧＢ４３７０７８号公報に開示されている。
【０００４】
一段ターボチャージャーによって実現できる圧力比にはある程度の制限があり、より高性能化するために、多段ターボチャージが利用されている。この場合、高圧／低圧ターボチャージャーを直列配置することによって必要な圧縮比を得ている。エンジンからの排気ガスは高圧ターボチャージャーのタービンに流れてから、低圧ターボチャージャーのタービンに流れる。同様に、大気圧空気は低圧コンプレッサーで圧縮されてから、高圧コンプレッサーでさらに圧縮される。
【０００５】
二段ターボチャージを大形エンジンに適用した場合には、低圧ターボチャージャーは物理的に大きくてもよいことがわかっている。また、大形の低圧ターボチャージャーの使用に伴う問題を解決するために、二段ターボチャージャーを２組使用する構成が知られている。この構成の各二段ターボチャージャーでは、２基の低圧ターボチャージャーを並列接続し、これらを１基の高圧ターボチャージャーに直列接続する。この構成を使用するエンジンについては、例えば、“ＬＳＭ”、１９９３年８月号の第５３〜５４頁に発表されている“Ｈｉｇｈ Ｓｐｅｅｄ Ｖａｒｉｅｔｙ−Ｐａｘｍａｎ’ｓ ｎｅｗ ｈｉｇｈｐｅｒｆｏｒｍｉｎｇ １２ＶＰ１８５ ｂｏａｓｔｓ ａ ｇｅｎｕｉｎｅｙｖｅｒｓａｔｉｌｅｄｅｓｉｇｎ”に記載がある。この設計によれば、すべてのターボチャージャーをいずれも同じサイズにできるため、従来の低圧ターボチャージャーに伴う高さや容積に関する問題を解決できる。この従来の構成では、適用対象におけるエンジンの条件に合うように設計された１基の一体部材に二段ターボチャージャーを２組取付ける。この構成は満足のいくものであるが、必要なターボチャージャー数の多い、より大形のエンジンや、１組のターボチャージャーのみが必要なより小形のエンジンに対しては適当ではない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、各種サイズのエンジンに単独で、あるいは複数で使用できる改良ターボチャージャー装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、第１、第２及び第３ターボチャージャーからなる、過給式内燃機関用ターボチャージャー装置において、第１ターボチャージャーの両側に第２及び第３ターボチャージャーを設置するとともに、並列配置の第２及び第３ターボチャージャーにおけるタービンの給気口に第１ターボチャージャーにおけるタービンの排気口を接続したターボチャージャー装置を提供するものである。
【０００８】
【作用】
この構成によれば、実質的に対称な配置を実現できると同時に、高圧タービン排気口を低圧タービン給気口に接続するのに必要な導管の長さを最短化することができる。
【０００９】
また、それぞれを本発明に従って構成した多数の同一なターボチャージャーモジュールを１基のエンジン（モジュール数はエンジンサイズに対応する）に、そして一つのモジュールのみが必要な小形のエンジンに適用することができる。この結果得られる設計の均一性により、製造コストが低くなり、その上取扱いが簡単になり、またスペアの獲得の容易になる。
【００１０】
各装置（モジュール）のターボチャージャーは実質的に同じにすることができる。これもまたコストや、必要な異なる部品数の点からみて、経済的な構成であり、いずれも製造や保守にとって有利である。
【００１１】
好ましくは、コンプレッサーが支持体の外部に、そしてタービンが支持体の内部に設置されるように各装置（モジュール）に支持体を設ける。これによって、高温排気ガスが流れる各部品による熱損失に伴う問題を低減できる上に、高温部品との作業員の接触事故を防止できる。
【００１２】
タービン及び／又は対応する導管から排気ガスが漏出する設計の場合には、漏出ガスを支持体が回収し、これを排気導管に導くように支持体を構成するのが有利である。あるいは、支持体を気密構成にして、内部に背圧を蓄積し、漏出を防止してもよい。
【００１３】
また、低圧ターボチャージャーのコンプレッサーを並列接続して、高圧ターボチャージャーのコンプレッサーに空気を送るように構成してもよい。この構成によれば、１基の低圧コンプレッサーによって空気を高圧コンプレッサーに供給する同様な二段ターボチャージャーよりも高さを低くできる。
【００１４】
【実施例】
図１について、ターボチャージャーモジュール１００はターボチャージャー３基からなる。各ターボチャージャーはタービンハウジング、コンプレッサーハウジング、及び共通なシャフトに設けたタービン輪及びコンプレッサー羽根からなるカートリッジからなり、シャフトには軸受けを設ける。
【００１５】
第１ターボチャージャーは、タービンハウジング１とコンプレッサーハウジング２で構成する。同様に、第２ターボチャージャーは第２タービンハウジング３と第２コンプレッサーハウジング４で構成する。また、第３ターボチャージャーは第３タービンハウジング５と第３コンプレッサーハウジング６で構成する。これらターボチャージャーは支持体９の壁部に取付ける。なお、ターボチャージャーの構成及び支持態様についてには、図６〜図８について後述する。
【００１６】
第１タービンハウジングの排気口は、分岐導管１０によって第２及び第３タービンハウジングの給気口に接続する。分岐導管１０と低圧タービンハウジング３、５との継手部分はそれぞれ横方向に滑動するフランジ５０、５１で構成する。これらフランジは対応するタービンハウジング５２、５３に小さなクリアランスをもって取付ける。分岐導管の各配管端部は滑動フランジ内部で軸方向に滑動可能であるが、そのクリアランスは小さい。第２及び第３タービンハウジング３、５の排気口は、排気管（図示省略）に排気ガスを導くトランペット管７、８に接続する。第１タービンハウジング１の給気口が高圧排気ガスを給気する。第２及び第３ターボチャージャーは第１ターボチャージャーの両側に対称配置する。これによって、構成がコンパクトになり、排気ガス供給管及び排気管を中心軸線上に設置することができる。
【００１７】
このように、１基の高圧タービンを２基の低圧タービンに直列に接続すると、同一設計のカートリッジをこれら３基のターボチャージャーに使用した場合に、すぐれた性能を実現することができる。同一設計のタービンハウジングの使用によっても許容できる性能を実現することは可能であるが、効率を最適化するためには、第１タービンハウジング１に対して設計上異なる第２及び第３タービンハウジング３、５を使用するのが好ましい。
【００１８】
支持体９の壁部を中空形状にして、冷却液を内部に供給できるようにする。支持体の蓋材は、図１には示していないが、同様に形状が中空形状である。開口１１を設けて、支持体と蓋材との間で冷却液を循環できるようにする。図示を明瞭にするために、冷却液流れの入力及び出力接続については図示から省略してある。コンプレッサーハウジング２、４、６はそれぞれ排気口１３、１４、１５及び給気口１６、１７、１８を備えている。コンプレッサーハウジングの支持体に対する角度は任意に選択でき、またコンプレッサーハウジングは対応するＶ形バンドクランプ１２を締付けることによって所定位置に固定する。
【００１９】
図２及び図３に示すように、それぞれ図１に示したような３基のターボチャージャーモジュール２１、２２、２３をエンジンに直線状に設置して、二段ターボチャージャーとして使用できるようにする。
【００２０】
図２に示したモジュール２３には、蓋材１９を所定位置に取付ける。図示のように、モジュール２１には、隣接ターボチャージャーモジュールに対応する中間圧力導管２７ｂ、２７ｃに対してクリアランスを与える凹部を形成する。図３は、すべての蓋材を所定位置に保持した状態における、図２のＩＩＩ−ＩＩＩについての断面図である。
【００２１】
各蓋１９の係合部３０には、それぞれ排気管４０及びシーリングガスケット３１を係合する。この係合部の位置は、トランペット管７、８の端部に整合する開口を中心とする位置であるため、トランペット管と開口の壁部３２との間にクリアランスが形成する。
【００２２】
それぞれ開口４１を形成し、エンジンの排気マニホルド（図示なし）から排気ガスを各高圧タービンハウジング１の給気口１１１に送る排気導管４２を設ける。この場合、排気マニホルドにジャケットを設けて、排気系の継手からエンジン回りに漏れでる恐れのある排気ガスの漏出を防止する。この開口によって、ジャケット（図示なし）と支持体９の内部とを連絡する。支持体９の内部は、トランペット管７、８及び前記壁部３２との間にあるクリアランスを介して排気管４０の内部に連絡する。この構成によって、ガスが排気導管の継手から漏れでた場合には、このガスを排気管を介して逃がすことができる。
【００２３】
本発明を１８気筒エンジン４００に適用した構成例を図４に示す。図を明瞭にするために、ターボチャージャーモジュールと、対応する導管及び冷却器のみを図示してある。ターボチャージャーモジュール２１、２２、２３はエンジンにそって直線状に設置する。これらターボチャージャーモジュールは二段ターボチャージャーとして機能するようになっている。第２のコンプレッサー４ａ、４ｂ、４ｃそれぞれの排気口１４ａ、１４ｂ、１４ｃは、第１の中圧（ＩＰ）給気導管２４ａに並列接続する。また、第３のコンプレッサー６ａ、６ｂ、６ｃのそれぞれの排気口も同様に第２のＩＰ給気導管２４ｂに並列接続する。図示を明瞭にするため省略してあるエアフィルター及び導管を介してそれぞれ第２及び第３コンプレッサーの給気口に大気圧空気を送る。第１及び第２ＩＰ給気導管２４ａ、２４ｂは中間冷却器２６ａ、２６ｂそれぞれの給気口２５ａ、２５ｂまで延長する。冷却された後、中間圧力の冷却空気は少なくとも一本のＩＰ給気導管にそって流れる。この場合、エンジンは二列のシリンダを備えたＶｅｅブロック構成であり、この導管を二列のシリンダ間の空間に通すのが有利である。
【００２４】
分岐管２７ａ、２７ｂ、２７ｃによってＩＰ排気導管からターボチャージャー２１、２２、２３それぞれの第１高圧コンプレッサー２ａ、２ｂ、２ｃそれぞれの給気口に空気を送る。コンプレッサー２ｃの高圧排気口は第１高圧（ＨＰ）導管２００を介して最終冷却器２８の給気口に、高圧コンプレッサー２ｂの排気口は第２ＨＰ導管２０１を介して最終冷却器２８の第２給気口に、そして高圧コンプレッサー２ａの排気口は両方のＨＰ導管２００、２０１に連絡する平衡管２０３を介して最終冷却器の給気口に接続する。冷却された後、最終冷却器２８を出た空気は、それぞれ高圧空気導管２０４ａ、２０４ｂを介してエンジンの給気マニホルドに送られる。
【００２５】
図から理解できるように、ターボチャージャーモジュールの構成により、導管の配置を特にコンパクトにできるだけでなく、オーバーホール及び／又は交換のために、個々のターボチャージャーに接触することができる。
【００２６】
図示しないけれども、２基の比較的小形な中間冷却器２６ａ、２６ｂを別々に使用するかわりに、１基の比較的大形な中間冷却器を使用することも可能である。
【００２７】
本発明を１２気筒のエンジン６００に適用した構成例を図５に示す。この構成例では、二つのターボチャージャーモジュール６０１、６０２を使用する。第２コンプレッサーの出力は第１ＩＰ導管２４ａに並列接続する。また、第３コンプレッサーの出力は第２ＩＰ導管２４ｂに並列接続する。第１及び第２ＩＰ給気導管２４ａ、２４ｂは中間冷却器２６ａ、２６ｂそれぞれの入力２５ａ、２５ｂまで延長する。モジュール６０２及び６０１の高圧コンプレッサーはそれぞれＨＰ導管２００を介して最終冷却器２８ａ、２８ｂに接続する。
【００２８】
図示はしないけれども、最終冷却器２８ａ及び２８ｂを１基にまとめるることも可能である。同様に、図示しないけれども、中間冷却器２６ａ、２６ｂを１基にまとめることも可能である。
【００２９】
本発明に使用するのに好適なターボチャージャーの構成を図６〜図８について説明する。
【００３０】
ターボチャージャーは基本的には以下の四つの部材からなる。
すなわち、（ａ）タービンハウジング、（ｂ）コンプレッサーハウジング、（ｃ）ターボチャージャーの可動部分からなるカートリッジ８５０、及び（ｄ）ハウジング９の壁部９０の中間部分９５０である。
【００３１】
カートリッジ８５０はコンプレッサー羽根８１２と、軸受け８０９内を走行する共通シャフト８１６に取付けたタービンローター８１４とからなる。カートリッジ８５０には油道８６１があり、軸受け８０９に潤滑油を給油する。また、軸受け８０９から生じる潤滑油を抜く油ドレン導管８６２を設ける。油道８６１及び導管８６２はカートリッジ８５０の軸方向面８０７内まで延長する。従来のように、防熱材８３０を設けて、タービン内の高温の排気ガスから軸受けを保護する。ハウジング壁部９０の給油導管８０２を壁部９０の第１面８０３まで延長するとともに、カートリッジ８５０を第１面８０３に組付けたときに、カートリッジ８５０の油道８６１に連絡するように構成する。壁部９０の油ドレン導管８０４についても、第１面８０３まで延長するとともに、油ドレン導管８６２に連絡するように構成する。ハウジングのＯリングオイルシール８０５、８０６によって、油道及び油ドレン導管をシールする。
【００３２】
ターボチャージャーを組立てるさいには、（図示しない）アーバを使用するか、あるいは壁部９０及びタービンハウジングの位置合わせ部を使用して、壁部９０の支持領域９５０の内腔８５１に合わせる。タービンケーシング８００のねじ穴９１６に係合するファスナー９１０及びワッシャー９１２を利用して、タービンハウジング８００を所定位置に固定する。ファスナー９１０を締付けると、タービケーシング８００の軸方向面８２０が上記領域９５０の第１面８０７に締付けられる。上記面８２０及び８０７を合わせたときに、気密接合できるように、これら面を機械加工する。次に、カートリッジ８５０を内腔８５１に挿入する。そして、上記領域９５０の第２面８０３をカートリッジ８５０の軸方向面８１７に係合する。上記面８０７が上記面８０３に係合したときに、タービンローター８１４がタービンハウジング８００に対して正確に位置決めされるように、上記領域９５０の厚みを適宜選定する。タービンハウジング８００の狭い円形の位置合わせ部８７１に密接して嵌合するスピゴット８７０によってタービンケーシングに対して同軸的にカートリッジを保持する。上記領域９５０のねじ穴９２４に係合するファスナー９２０及びワッシャー９２２によって第２面８０３にカートリッジ８５０を固定する。ファスナー９２０を締付けると、Ｏリングシール８０５、８０６が圧縮されて、給油接続部及び油ドレン接続部をシールする。
【００３３】
最後に、コンプレッサーハウジング８１０をカートリッジ８５０に組付け、断面がＶｅｅの締付けリング１２によって所定位置に固定する。これによって、ハウジング１０８の半径方向を調節でき、従ってコンプレッサー排気口８１３を任意の所定位置に設定することができる。図から理解できるように、組立てが完了すると、上記領域９５０がターボチャージャーの一体化部分になり、タービンローターのタービンハウジングに対する整合がその厚みによって設定されることになる。
【００３４】
また、図から理解できるように、ターボチャージャーが使用中故障した場合には、可動部分を支持するカートリッジ８５０を交換しなければならないが、このためには、空気取入れ口から給気導管を外し、排気口８０３から排気導管を外し、クランプ１２を取外し、コンプレッサーケーシング８１０を引張り出し、ファスナー９２０を緩め、カートリッジ８５０を引き出せばよい。次に、交換用のカートリッジを前述した方法で再嵌合すればよい。すなわち、タービンハウジング８００又はタービンの給気口又は排気口に接続した排気導管については、これらに何かをする必要はない。従って、本構成例では、支持体のシーリングが破られることはない。このため、タービンの取外しや交換が簡単かつ迅速になる。
【００３５】
タービンハウジングをケーシングの壁に直接取付けると、熱交換が非常に有利になる。というのは、排気ガスからタービンケーシングへの伝熱量の多くが軸受けからそれ、直接上記壁に流れ、ここで冷却液を介して取出すことができるからである。このため、高温のタービンハウジングからタービン及びコンプレッサーの中間にあるターボチャージャーハウジングの部分を介して冷却器領域に流れる従来のターボチャージャーによくみられる問題がなくなる。また、従来ターボチャージャーの場合には、エンジンを突然停止する必要があり、この結果、ターボチャージャー軸受けのオイルポンプによる強制潤滑作用（及び冷却作用）がなくなるが、この場合には、（赤熱状態にある）タービンケーシングと冷却器領域との間に大きな熱的勾配が生じ、軸受けの潤滑油が炭化することになる。
【００３６】
上記ターボチャージャーの場合、スピゴット８７０が位置合わせ部８７１と係合する比較的狭い環状領域が、低い熱抵抗を与える直接的な機械的接触が高温のタービンケーシング８００と軸受けを含むカートリッジ８５０との間に生じる唯一の領域である。他の領域間が比較的緩く係合しているために生じる空気間隙が存在するので、伝導による熱流れに対する熱抵抗が大きくなる。さらに、前述したように、冷却液を受けいれる中空部をもつ壁９０とタービンケーシング８００との間の直接的な接続は係合面８７１及び８０７を介して生じるが、これらの面は機械的に良好に係合できるように機械加工しておく。従って、これらの面は伝熱による熱流れに対して熱抵抗の低い流路になり、カートリッジ８５０内の軸受けから熱を取去るものである。
【００３７】
上記構成例は例示のみを目的とし、従って本発明の範囲内で多くの変更が可能である。
【００３８】
上記形式のターボチャージャーが好ましいが、本発明にとってこれは本質的なものではなく、その他の好適なターボチャージャーも使用することができることはいうまでもない。
【００３９】
使用するターボチャージャーモジュール数が奇数の場合には、平衡管を使用すればよい。あるいは、（２基というよりは）１基の最終冷却器に対する給気ケーシングを混合空間として使用してもよい。コンプレッサー出口は、共通導管に対する分岐管ではなく、個々の導管を介して、対応する空気冷却器の給気口に接続してもよい。ジャケット付き排気管を使用する場合には、ターボチャージャーを支持するハウジングの内部にこれを連絡する必要はない。本質的ではないが、製造コストの面からみて、ターボチャージャーがすべて同一であることが好ましい。なお、効率を最大化するためには、高圧ターボチャージャーと低圧ターボチャージャーとは別なものにする必要がある。しかし、この構成でも、１基の高圧コンプレッサーに供給するために１基の低圧コンプレッサーを使用する構成と比較した場合、スペースの面で依然として有利である。また、支持体を水冷する必要もない。
【００４０】
支持体内部と排気管とを連絡しない状態で、支持体をシールしてもよい。支持体内に発生した背圧により、排気ガスの漏出を防止することができる。
【００４１】
また、支持体はシールしなくてもよい。タービンによって放射された熱の除去や、排気ガスが漏出した場合、漏出ガスの散逸が問題にならない程換気が良好な状態にあるエンジンにターボチャージャーを使用した場合は、支持体は密閉支持体である必要はない。この場合、ターボチャージャーは排気ガス給気口及び／又は排気口、あるいはこれらに接続した導管、あるいは支持ブラケットによって従来通り支持すればよい。
【００４２】
各モジュールの第２及び第３コンプレッサーは並列に相互接続してもよい。このような構成はターボチャージャー１基のみを必要とする小形のエンジンに特に好適であるが、複数のターボチャージャーを使用する場合にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるターボチャージャーの平面図である。
【図２】本発明による３基のターボチャージャーの平面図である。
【図３】図２の部分断面側面図である。
【図４】本発明による第１ディーゼルエンジンの平面図である。
【図５】本発明による第２ディーゼルエンジンの平面図である。
【図６】本発明に使用するのに好適なターボチャージャーを示す図である。
【図７】本発明に使用するのに好適なターボチャージャーを示す図である。
【図８】本発明に使用するのに好適なターボチャージャーを示す図である。
【符号の説明】
１ タービンハウジング
２ コンプレッサーハウジング
３ タービンハウジング
４ コンプレッサーハウジング
５ タービンハウジング
６ コンプレッサーハウジング
９ 支持体
１００ ターボチャージャーモジュール

Claims (12)

1. 第１高圧ターボチャージャー（１，２）及び第２、第３低圧ターボチャージャー（３，４；５，６）からなる３つのターボチャージャー群であって、各ターボチャージャーは共通の回転軸上に構成されたタービン（１；３；５）及びコンプレッサー（２；４；６）を備え、各タービン及び各コンプレッサーは入力及び出力を有し、第２及び第３ターボチャージャーのタービン入力は互いに平行に接続される一方で第１ターボチャージャーのタービン出力と直列に接続され、第２及び第３ターボチャージャーのコンプレッサー出力は互いに平行に接続される一方で第１ターボチャージャーのコンプレッサー入力と直列に接続され、そして、多面支持体９がターボチャージャーを支持するターボチャージャー装置において、
   前記支持体は前記第１ターボチャージャー（１，２）を支持する中心に位置した略平面の第１側面、及び、前記第２及び第３ターボチャージャー（３，４；５，６）をそれぞれ支持する前記第１側面の反対側に構成された略平面の第２及び第３側面を備え、
   前記支持体の第２及び第３側面は前記第１側面に対して角度をなし、それにより前記第２及び第３ターボチャージャーの回転軸は、該ターボチャージャーを越えて延長するように、互いに関して、また、前記第１ターボチャージャーの延長した回転軸に関して「Ｖ」型を形成し、前記第２及び第３ターボチャージャーのタービン出力は、互いの方向に向かって一箇所に収束し、そして、前記ターボチャージャーの回転軸を横断した支持体内を延伸する排気ダクト手段（７，８）に接続することを特徴とする過給式内燃機関用ターボチャージャー装置。
2. 第１、第２及び第３ターボチャージャーが実質的に同じである請求項１に記載のターボチャージャー装置。
3. 該タービンあるいは該タービンに接続した導管から該支持体外部に直接漏れる恐れのある排気ガスの漏出を該支持体が防止するようにした請求項１又は２に記載のターボチャージャー装置。
4. 排気ガスを第２及び第３タービンから送り出す開口と、該開口の周囲に排気管を気密的に固定する手段と、及び、第２及び第３タービンの出口からの排気ガスを該開口を介して導き、かつ該支持体の内部と該排気管の内部を連絡して、該タービンあるいは対応する導管から排気ガスが逃げた場合に、この排気ガスを自由に排気管から逃がすように、該支持体内部に配管した排気ガス導管で該支持体を構成した請求項３に記載のターボチャージャー装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載した、少なくとも１基のターボチャージャー装置からなる内燃機関。
6. 第２コンプレッサーの出力口を第１コンプレッサーの入力口に接続した請求項５に記載の内燃機関。
7. 第３コンプレッサーの出力口を第１コンプレッサーの入力口に接続した請求項５又は６に記載の内燃機関。
8. 複数のターボチャージャー装置からなる請求項５〜７のいずれかに記載した内燃機関において、複数の第２コンプレッサーの排気口を共通して接続するとともに、複数の第３コンプレッサーの排気口を共通して接続した内燃機関。
9. 複数のターボチャージャー装置からなる請求項６〜８のいずれかに記載した内燃機関において、第１ターボチャージャー装置における第１コンプレッサーの排気口を第１高圧空気導管に接続するとともに、第２ターボチャージャー装置における第１コンプレッサーの排気口を第２空気導管に接続した内燃機関。
10. 第３ターボチャージャー装置を含む請求項９に記載した内燃機関において、第３ターボチャージャー装置における第１コンプレッサーの出力を共通して第１及び第２空気導管に接続した内燃機関。
11. 第１及び第２空気導管の間に平衡導管を接続した請求項９又は１０に記載の内燃機関。
12. 上記支持体を気密構成にして、該支持体内に背圧を蓄積し、排気ガスの漏出を防止した請求項３に記載のターボチャージャー装置。

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