JP3851923B2 - 内燃エンジン用排気ガスターボチャージャー - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、請求項１に規定された種類の、内燃エンジン用排気ガスターボチャージャーに関する。
【０００２】
タービンの流入領域において半径および半軸流入口断面を有するタービンを備える、そのような排気ガスターボチャージャーは、ドイツ特許第１９６ １５ ２３７ Ｃ２号から公知である。流入口断面の間には、流れに好ましい外形を有する流れリングがタービンの流入領域内に配置され、これら流入口断面によって、タービン羽根車に対する半径流および半軸流が可能になる。半径流入口断面内に配置されているのは、流入口断面が変えられ得る調節可能な案内羽根を有する案内バッフルである。排気ガス背圧およびタービン羽根車上への排気ガスの流入の仕方は、案内バッフルの設定に影響され得、これは、タービンの出力およびコンプレッサの性能が、内燃エンジンの要件および動作状態に依存して調節され得ることを意味する。
【０００３】
可変タービン・ジオメトリーを備えたこのような排気ガスターボチャージャーは、特に、内燃エンジンがオーバーラン状態（エンジン制動動作）であるときにも用いられる。オーバーラン状態では、案内バッフルは、入口断面が大幅に減少する堰止め位置に移動され、それによって、増大した排気ガス背圧がタービンのライン部上流において確立し、その結果、案内羽根とタービン羽根車との間の流路を通る高速の排気ガス流が高パルスと共に作用させられる。過給機出力の増大によって、エンジンに与えられる燃焼空気も、増大した給気圧下に置かれる。増大した給気圧は、吸気側のシリンダーに作用する。同時に、増大した排気ガス背圧は排出口側に与えられ、これはシリンダー内で圧縮された空気の、制動弁を介した排気ガス路内への噴出しに反作用する。エンジン制動（排出制動）動作において、圧縮ストロークおよび排気ストロークを行うピストンは、排気ガス路内の高背圧に対して圧縮作業を行わなければならない。この手段によって、強力な制動作用が達成される。
【０００４】
しかし、所望される高制動力は、所望される圧力分布がタービン内に広がり、排気ガスが所与の方法でタービンを介して流れる場合のみに達成され得る。この状況において問題であるのは、特に、構成要素および製造許容度のため、ならびに磨耗、引裂きおよび熱によって生じる膨張のために生じ得、かつ、タービン内の設定値圧力特性を大きく損なわせ得る不適当な空気流であり、これはエンジン制動性能のみならず、機能駆動動作モードにおけるエンジン性能にもマイナスの影響を有する。しかし、不適切な空気流は、設計による、あるいは、流入口断面の一つにおける可変タービン・ジオメトリーの案内バッフルの案内羽根が動くために必要である間隙を介しても発展し得る。
【０００５】
本発明の目的は、可変タービン・ジオメトリーを有する排気ガスタービンの効率を高くすることである。目的は、特に、エンジン制動動作における過給機性能を向上させることであるが、可能であれば、機能駆動動作モードにおいても向上させることである。
この目的は、請求項１の特徴により、本発明に従って達成される。
【０００６】
新しいタイプの排気ガスターボチャージャーによると、過給機のハウジング内の流れリングの位置が、可変調節され得る。従来技術においては、この流れリングは過給機ハウジングに固定接合された部材として常に構成されているが、新規な請求項１によると、流れリングは可動であることが意図される。これにより、設計に依存する、あるいは磨耗および引裂き、熱膨張または他の原因によって発展する空隙の大きさが、流れリングの動きによって減少し、事によると完全に無くなるという可能性が開かれる。不適切な空気流は大部分がまたは完全に防止され得る。タービン内では、所望の圧力分布が調節され得、それによって排気ガスの所望の流れがタービン羽根車上に生じさせられる。例えば、半軸／半径組合わせタービンと共に作動するとき、半軸流入口断面内に配置された案内バッフルを固定羽根を用いて構成し、かつ、特に、エンジン制動動作における要件についてこの半軸方向案内バッフルを設計することが可能になる。この構成において、エンジン制動動作において半径流入口断面をできるだけ大きい範囲で減少させること、すなわち、半径方向案内バッフルを閉塞することが目的である。しかし、半径方向案内羽根を調節し得るためには、半径方向案内羽根の軸方向端面に最小間隙が必要である。半径方向案内羽根を調節するためには、調整可能な流れリングが、半径方向案内バッフルからさらに離れた位置にシフトし得る。空気間隙を閉塞するためには、続いて、流れリングは、半径方向案内羽根または半径方向案内バッフルの別の構成要素の端面で接触するまで押圧される。
【０００７】
流れリングは軸方向に変位可能に有利に設計され、それによって、半径方向案内バッフルでの案内羽根間隙を減少させることが特に可能になる。しかし、代替的にあるいは付加的に、例えば、流れリングの偏心シフトおよび／または流れリングの半径方向への幅広化処理またはテーパー処理によって達成され得る流れリングの半径方向調節可能性を提供することも好都合であり得る。
【０００８】
軸方向に変位可能な流れリングの場合、シフト移動は、特に、半径方向案内バッフルの案内羽根間隙の開口部を前もって規定された寸法に制限する停止部によって、有利に制限される。流れリングの軸方向遊隙と同じであるこの許容された軸路は、有利にはおおよそ０．１５ｍｍから０．３ｍｍである。この比較的小さい寸法は、誤動作の場合に、例えば、流れリングを調整する制御要素が作動しない場合に、流れリングの最大遊隙が、エンジン制動動作および機能駆動動作モードの両方において排気ガスターボチャージャーが機能するのを確実にする寸法に制限されることを確実にすることが意図されている。
【０００９】
調節可能な案内羽根を有する半径方向案内バッフルの場合、過給機ハウジング上のみならず、有利に変位可能な流れリング内で、いずれもの場合も軸方向シャフトを介して、好都合に支持される。流れリング内にも設けられる、案内羽根の両側支持の場合も、凹部が流れリング内に好都合に設けられて、割り当てられた羽根シャフトを受容し、凹部の深さは、案内羽根間隙が完全に閉塞される場合にでも羽根シャフトを収容し得るようにするために、羽根シャフトの軸方向長さに有利に適合される。
【００１０】
選択的には、エンジン制動動作および／または機能駆動動作モードでの内燃エンジンの特定の動作状態において、所望の間隙寸法を提供することも好都合であり得、この所望の間隙寸法によって、タービンにおける過給機ハウジング内の流速および圧縮速度は、特定の方法で意図的に影響され得る。さらに、流れリングの調整のために、例えば、半径および／または半軸流入のための流入口断面が最大値を越えないように、付加的な基準を提供することが好都合であり得る。
【００１１】
さらなる利点および実施可能な実施の形態は、さらなる請求項、図面の説明および図面から推測される。
【００１２】
図１から図３に示される例示的な実施の形態において、同一構成要素には同一の参照符号が付される。
【００１３】
図１に示される、内燃エンジン用、例えば、商業用車両または乗用車のためのディーゼル内燃エンジンまたは火花点火機関用の排気ガスターボチャージャーのタービン１は、超過圧力下にある、内燃エンジンの排気ガスによって駆動され、燃焼空気を引き込み、内燃エンジンのシリンダー入口に供給される増大した供給空気圧（給気圧）に燃焼空気を圧縮する排気ガスターボチャージャのコンプレッサ（図示せず）を連結シャフトを介して駆動するタービン羽根車２を備える。タービン１は、半径方向および半軸方向にタービン羽根車２を囲み、タービン羽根車２に対して半径流入口断面３ａおよび半軸流入口断面３ｂを有する流路３も備える。調整可能な案内羽根６を有する半径方向案内バッフル５は、半径流入口断面３ａ内に配置される。この半径方向案内バッフル５は、可変タービン・ジオメトリーを形成する。固定案内羽根を有する半軸案内バッフル４は、半軸流入口断面３ｂ内に配置される。
【００１４】
可変タービン・ジオメトリーは、内燃エンジンの動作モードに依存して、割り当てられた制御要素によってその位置が調節され得、それによって、対応する流入口断面が変化する。例示的な実施の形態において、半径方向案内バッフル５の案内羽根６を開状態へシフトさせることが、機能駆動動作モードにおいて行われることによって、タービン１を介する最大可能質量流速を可能にし、かつ、高過給機出力が生成される。他方、エンジン制動力を生じさせるためには、半径方向案内バッフル５は、案内羽根６の対応する調節によって堰止め位置に移動され、それと共に断面が減少され、特に、半径流入口断面３ａがゼロに減少される。すると、内燃エンジンの排ガス排出口から流路３を介して供給される排気ガスは、そこに配置される半軸流入口断面３ｂおよび半軸案内バッフル４を介してその大部分または全てが、タービン羽根車２上に流される。機能駆動動作モードと比較して全流断面が減少しているために、タービンの排ガス路上流に増大した排気背圧が確立する。同時に、超過圧力が吸気路において生じる。エンジン制動動作において、内燃エンジンのシリンダー排出口の制動弁が開放される。シリンダー内の圧縮された空気は、排気ガス路内の増大した排気背圧に対向して排気されなければならない。
【００１５】
タービン１の流路３内に配置されているのは、半径流入口断面３ａおよび半軸流入口断面３ｂの両方を制限する流れリング７である。流れリング７は、排気ガスターボチャージャー内で軸方向に変位可能である。軸方向変位可能性は、双頭矢印８によって示される。流れリング７は、外側リング９および内側リング１０を含み、それらの間に半軸方向案内バッフル４が固定配置される。内側リング１０の半径方向内側は、軸受ハウジング１２に割り当てられたハウジング構成要素の溝内に収納されるハウジング搭載封止リング１１によって作用させられる。封止リング１１は、軸受ハウジング１２に固定接合された遮熱材１３上に好都合に保持される。
【００１６】
ハウジング搭載遮熱材１３は、流れリング７に対向する側に、軸方向に変位可能な流れリング７のための停止部を形成する２つの段差を有し、流れリングの内側リング１０は、段差に適合された外形を有する。図１において、流れリング７は、空隙のない状態で半径方向案内バッフル５に突き合う位置にあるところが図示されている。この位置からの軸方向シフトは、ハウジング搭載構成要素１３上の停止部によって制限され、流れリング７は停止部に当接する。封止リング１１によって、流れリング７と流れリング７が停止位置で半径方向に位置する半径方向内側のハウジング搭載構成要素１３との間の不適切な空気流が防止される。
【００１７】
図１に示される位置において、流れリング７は、半径方向案内バッフル５の端面に軸方向に突き合い、封止を形成する。半径方向の間隙は形成されず、これは不適切な半径方向空気流が防止されることを意味する。半径方向案内バッフル５に加えて、半径方向案内バッフル５の方向に流れリング７の軸方向シフトを制限するスペーサスリーブ１４も、半径流入口断面３ａ内に配置され得る。
【００１８】
半径方向案内バッフル５の調節可能案内羽根６は、シャフト１５ａおよび１５ｂ上に回転可能に取り付けられ、二つのシャフト１５ａおよび１５ｂは、案内羽根の軸方向に反対の側に延び、第一の軸１５ａはハウジングに搭載され、第２のシャフト１５ｂは変位可能な流れリング７内に収納される。第２のシャフト１５ｂは、流れリング７の凹部内に収納され、凹部の深さは、少なくともシャフト長さに対応し、それによって、半径方向案内バッフル５に対して軸方向に突き合う流れリング７の位置において、間隙のない軸方向突合せが確実になる。
【００１９】
調節可能な案内羽根６は、受容ハウジング側構成要素内に、また、流れリング７の対向側に、対応して形成された凹部に各々収納される被覆板１６および１７によって、両側で軸方向に境界付けられる。
【００２０】
図２に示される例示的な実施の形態は、図１に示されるものに実質的に対応するが、半径方向案内バッフル５の調節可能な案内羽根６が、単一のハウジング側シャフト１５ａのみを有することが異なっている。この実施の形態は、対応するシャフト片を受容するための案内羽根６に対向する側の、流れリング７における凹部を不要にすることを可能するという利点を提供する。案内羽根６の両軸側の二つの被覆板１６および１７も、図２による例示的な実施の形態において提供される。
【００２１】
図３による例示的な実施の形態において、半径方向案内バッフル５の案内羽根６は、１つのみのハウジング側シャフト１５ａおよびハウジング側の１つのみの被覆板１６を有する。
【００２２】
流れリング７および／または半軸方向案内バッフル４および／または半径方向案内バッフル５が、空気力学的に有利に成形される、すなわち、流路３を介する接近流、言い換えれば、半径および半軸流入口断面３ａおよび３ｂを各々通る半径方向および／または半軸方向接近流のために、流れリング７が結果としてタービン羽根車の軸方向へ生じる圧力を受けるように、流れに対して好ましい外形を呈する。結果として生じる圧力は、半径方向流入口断面３ａ内で半径方向案内バッフル５の方向に、好都合に流れリング７に作用し、その結果、半径方向案内バッフル５の端面と流れリング７との間の軸方向端部間隙が閉塞される。半径方向案内バッフル５の空気力学的設計は、好ましくは、半径方向案内バッフル上の案内羽根の構成および位置によって達成される。
【００２３】
しかし、超過速度を防止するために、流れリングが、端部間隙が増大する方向に作用されることも好都合であり得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 可変タービン・ジオメトリーおよび軸方向に調節可能な流れリングを有する排気ガスターボチャージャーのタービンの断面を示す図である。
【図２】 図１に対応するが、半径方向案内バッフルの領域において一つ改変を行った図である。
【図３】 図１および２の各々に対応するが、半径方向案内バッフルの領域においてさらに改変を行った図である。

Claims (12)

1. 排気ガス路内のタービンと、内燃エンジンの吸気路内の、前記タービンによって駆動されるコンプレッサとを備えた内燃エンジン用の排気ガスターボチャージャーであって、前記タービン（１）が、半径流入口断面（３ａ）および半軸流入口断面（３ｂ）を有する流路（３）を有し、前記二つの流入口断面（３ａ、３ｂ）を制限する流れリング（７）が提供され、前記タービン（１）が、前記流入口断面（３ａ、３ｂ）の変更可能な調節のための可変タービン・ジオメトリーを備えた内燃エンジン用の排気ガスターボチャージャーにおいて、
   前記排気ガスターボチャージャーのハウジング内の前記流れリング（７）の位置が可変調節可能である
   ことを特徴とする排気ガスターボチャージャー。
2. 前記流れリング（７）が、軸方向に変位可能に設計された、ことを特徴とする請求項１に記載の排気ガスターボチャージャー。
3. 前記流れリング（７）の軸方向シフトによって調節可能である前記半径流入口断面（３ａ）の幅が、最小値および／または最大値に制限され得る、ことを特徴とする請求項２に記載の排気ガスターボチャージャー。
4. ハウジング搭載停止部が、前記軸方向シフトを制限するために設けられる、ことを特徴とする請求項２または３に記載の排気ガスターボチャージャー。
5. 前記半径流入口断面（３ａ）の最小軸方向幅を規定するスペーサスリーブ（１４）が、前記半径流入口断面（３ａ）内に設けられる、ことを特徴とする請求項２乃至４の一項に記載の排気ガスターボチャージャー。
6. 前記半軸流入口断面（３ｂ）が、前記流れリング（７）の外側リング（９）および内側リング（１０）によって形成される、ことを特徴とする請求項１乃至５の一項に記載の排気ガスターボチャージャー。
7. ハウジング搭載構成要素に関する封止のための封止リング（１１）が、前記内側リング（１０）の半径方向内側に設けられる、ことを特徴とする請求項６に記載の排気ガスターボチャージャー。
8. 少なくとも一つの軸方向端面に被覆板を有する調節可能な案内羽根（６）を有する半径方向案内バッフル（５）が、前記半径流入口断面（３ａ）内に配置されている、ことを特徴とする請求項１乃至７の一項に記載の排気ガスターボチャージャー。
9. 前記半径方向案内バッフル（５）における前記案内羽根（６）が、軸方向シャフト（１５ａ）を介して、前記過給機ハウジング上に支持されている、ことを特徴とする請求項１乃至８の一項に記載の排気ガスターボチャージャー。
10. 前記半径方向案内バッフル（５）における前記案内羽根（６）が、軸方向シャフト（１５ｂ）を介して、前記流れリング（７）内で支持されている、ことを特徴とする請求項１乃至９の一項に記載の排気ガスターボチャージャー。
11. 固定羽根を有する案内バッフル（４）が、前記半軸流入口断面（３ａ）内に配置されている、ことを特徴とする請求項１乃至１０の一項に記載の排気ガスターボチャージャー。
12. 半径方向および／または半軸方向の接近流のために、前記流れリング（７）が、前記タービン羽根車の軸方向、特に、前記半径流入口断面（３ａ）内の半径方向案内バッフル（５）の方向に、結果として生じる圧力を受ける、ことを特徴とする請求項２に記載の排気ガスターボチャージャー。

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