JP4085280B2 - 内燃機関の排気ガスターボチャージャ - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前文に記載の内燃機関用の排気ガスターボチャージャに関する。

このような排気ガスターボチャージャは、特許文献１に記載されている。ターボチャージャは、内燃機関の排気ガスによって駆動されるタービンホイールをタービンハウジング内に有する排気ガスタービンを具備する。排気ガスは、各々の場合に半径方向流入口を介して排気ガスをタービンホイールに方向付ける複数のスパイラルダクトを介してタービンホイールに送られる。特許文献１に、２つ、３つ及び４つのスパイラルダクトを有する模範的な実施形態が記載され、これらのダクトには、各々の場合に、半径方向流入口がタービンホイールの円周にわたって様々な角度範囲で分布して割り当てられる。各流入口断面には、タービンホイールへの調整可能な渦流及び体積流量を有する規定の入射流を許容するガイドカスケードが配置される。各流入口断面における様々な方法で設計されたガイドカスケードの故に、個々のスパイラルダクトの異なるせき止め挙動を異なる用途のために使用することができる。例えば、排気ガス再循環を補助するために、高い動圧力を生成するための第１のスパイラルダクトに、狭い流動断面を有するガイドカスケードを使用してもよい。他方、特に内燃機関の部分負荷作動の間に、タービンホイールへのほとんど詰まりのない排気ガス流入を可能にするために、より大きな流れ断面を有するガイドカスケードを第２のスパイラルダクトに設けてもよい。

異なるガイドカスケードは、共通のスリーブ状の流動ディフューザに配置される。流動ディフューザは軸方向に変位可能であるように設計され、その結果、閉鎖設計でありかつ連続的であるかあるいは遮断部のない流動ディフューザの壁部は、個々の流入口断面に押入することができ、したがって有効流動断面を低減することができる。しかし、この場合、ガイドカスケードが部分的にのみ露出される場合、また入口断面が部分的に流動ディフューザの壁部によって閉鎖される場合、流動状態が相当悪化することがあり、その結果、特に、排気ガスターボチャージャの効率が損なわれることを指摘しなければならない。このため、流動ディフューザは、通常、流入口断面が完全に閉鎖される位置に、あるいはガイドカスケードが流入口断面の軸方向全幅にわたって延在する位置に移動される。

独国特許発明第４２４２４９４Ｃ１号明細書

本発明の基礎となる課題は、簡単な設計措置を用いて一般的な型式の排気ガスターボチャージャに追加の調整手段を提供することである。特に、流動状態を損なうことなく、タービンホイールに対し流入口断面の軸方向幅で、中間位置を連続可変に設定することが可能である。

この課題は、本発明により請求項１の特徴によって解決される。従属請求項は、好適な実施形態を規定している。

本発明による排気ガスターボチャージャにおいて、ガイドカスケードリングは、流入口断面を軸方向に画定する２つの壁部の間に保持され、壁部の一方は軸方向に変位可能であるように設計され、かつ位置決め開口部を有し、ガイドカスケードを位置決め開口部に押入できるか、あるいは前記壁部の軸方向移動の間にガイドカスケードを位置決め開口部から取り外すことができる。流入口断面の軸方向幅は、移動可能な壁部の軸方向変位によって設定することができる。この場合、従来技術と対照的に、タービンホイールへの入射流の流動状態を損なうことなく、任意の所望の中間位置が可能であり、その規定されたガイドカスケード形状が流れに影響を及ぼしつつ、軸方向に可動する壁部の各位置において、自由な流入口断面を形づけることができるからである。流動状態に対する不利な効果を排除することができる。特に、流体的に好ましく輪郭形成された可動壁部により、壁部の軸方向位置を変更することによって、エンジンのそれぞれの作動点の最適な半径方向流入口を設定することができ、この結果、タービンホイールの装置に悪影響を及ぼすことを防止できる。

可動壁部の位置決め開口部の深さは、半径方向流入口が閉鎖されるまでガイドカスケードを位置決め開口部に押入できるように、また流入口断面が完全に閉鎖されるか、あるいは残余の間隙を除いて閉鎖されるように、ガイドカスケードの軸方向延長部に適合されることが有利である。特に、半径方向流入口に加えて軸方向流入口も有する組み合わせタービンとして設計された排気ガスタービンにおいては、、半径入口断面の閉鎖をすることによって、軸方向流入口の完全な切り離しが可能である。この結果、内燃機関のある作動状態において組み合わせタービンを軸流タービンとして動作させることができ、効率の向上が可能である。これは、特に、低速度範囲における排気ガスの低い質量流量において、かつ内燃機関の高負荷において行われ、その結果、半径流タービンに対する軸流タービンの効率の利点が得られる。この場合、軸方向流入口はまた、各々の場合にスパイラルダクト及び半径方向流入口に正確に割り当てられ、その結果、所望に応じて内燃機関の個々のシリンダを各スパイラルダクトに割り当てることによって、それぞれのシリンダの排気口の出口に生じる圧力パルスを排気ガスの低い質量流量においても利用することができる。

記載した排気ガスターボチャージャは、４気筒内燃機関と及び６気筒内燃機関の両方に使用することができる。４気筒直列エンジンでは、２つの中央シリンダの排気ガスは適切に組み合わせられ、スパイラルダクトに送られ、また同じように外側シリンダの排気ガスが組み合わせられ、第２のスパイラルダクトに送られる。６気筒直列エンジンでは、２つのスパイラルダクトを同様に設けることが可能であり、各々の場合に、互いに背後に配置された３つのシリンダが各々の場合にスパイラルダクトに接続される。

半径方向排気ガスタービンでは、おそらくは、追加の軸方向流入口を有する組み合わせタービンにおいても、内燃機関の個々のシリンダの排気ガスを別々に組み合わせることによって、タービンホイールの駆動用のラム誘導を有利に利用することができる。ラム誘導中に、排気バルブが開放されるときの初期排気パルスを、それぞれのスパイラルダクトを介して、タービンホイールに方向付けることによって、大部分の運動エネルギを利用することができる。

さらなる利点及び適切な実施形態は、他の請求項、図面の説明から理解することができるであろう。

次の図において、同一の構成要素には同一の参照番号が付せられる。

図１の縦断面図に示した排気ガスタービン１は、内燃機関用の排気ガスターボチャージャの一部分である。排気ガスタービン１は、内燃機関の排気ガスラインに配置され、内燃機関の排気ガスによって駆動される。排気ガスタービンは内燃機関の吸気路のコンプレッサを駆動し、吸入された燃焼用の空気は、このコンプレッサを介してより高い圧力に圧縮され、この圧力で燃焼用の空気が内燃機関のシリンダの吸入口に送られる。

排気ガスタービン１は、軸方向流入口及び半径方向流入口を有する組み合わせタービンとして設計される。排気ガスタービン１は、内燃機関の排気ガスラインと連通する別個に設計された２つのスパイラルダクト４と５を有し、それらを介して、内燃機関の排気ガスをタービンホイール３に送ることができる。各スパイラルダクト４、５は、別個の排気ガス導管を介して、各々の場合に内燃機関のシリンダのいくつかに適切に接続され、この結果、関連するシリンダの排気ガスのみがそれぞれのスパイラルダクト４又は５に方向付けられる。内燃機関のある作動状態において、これにより、排気ガスタービンの出力を増加するためにラム誘導の利用が可能となる。

２つのスパイラルダクト４と５は、実質的に互いに液密又は圧密であるように設計することが有利であり、その各々は、それぞれ半径方向流入口６又は７と、それぞれ軸方向流入口８又は９とを有し、それらの断面を介して、スパイラルダクト４と５からの排気ガスがタービンホイール３に衝突し、駆動する。チャージャ長手方向軸線１２を中心とするタービンホイール３の回転運動は、シャフト１３を介して排気ガスターボチャージャのコンプレッサホイールに伝達される。タービンホイール３に衝突した後、排気ガスは、流出ダクト１４を介して排気ガスタービン１から軸方向に流れ去る。

半径方向流入口６及び軸方向流入口８は、第１のスパイラルダクト４に割り当てられる。半径方向流入口７及び軸方向流入口９は、第２のスパイラルダクト５に割り当てられる。各スパイラルダクトの流入部分断面は、各々の場合に１８０°の角度範囲にわたってタービンホイール３の周りに延在する。

２つの半径方向流入口６と７の領域に、全周にわたって延在し、半径方向に作用する多数の案内羽根を有するガイドカスケードリング１０が配置され、案内羽根は円周にわたって均一に分布され、案内羽根を介して、タービンホイールへの排気ガスの流れに好ましい方法で干渉することができる。ガイドカスケードリング１０は、第１のスパイラルダクト４の半径方向流入口６及び第２のスパイラルダクト５の半径方向流入口７の両方を覆う。この場合、同一の構造のガイドカスケードセクション及び異なる構造のガイドカスケードセクションの両方、例えば、より小さな流速を有するガイドカスケードセクション及びより大きな流速を有するガイドカスケードセクションを両方の半径方向流入口６と７の領域に設けることが適切であり得る。

対応して、軸方向流入口を包囲をするガイドカスケードリング１１も、２つのスパイラルダクト４と５の軸方向流入口８と９に挿入される。軸方向のガイドカスケードリングはまた、タービンホイール３への入射流を改善し、両方の軸方向流入口に対し同一又は異なる構造であり得る。２つのガイドカスケードリング１０と１１は、固定又は不変であるように設計することが可能である。しかし、ガイドカスケードリングの少なくとも１つを調整可能に設計すること、特に、調整可能な案内羽根付きでそれを設計することによって、可変のタービン形状を実現することも好ましい。

２つのスパイラルダクト４と５内の半径方向にそれぞれ延在し、かつ両方のガイドカスケードリングの間の中間領域に配置される固定壁部１５は、２つのガイドカスケードリング１０と１１を保持する。固定壁部１５の半径方向の外形は、半径方向流入口６、７、及び、軸方向流入口８，９それぞれへの最適の流入を可能にするために、流体的に好ましい輪郭を有する。

固定壁部１５の反対側端面において、半径方向流入口６と７は、チャージャ長手方向軸線の方向に変位可能であるように設計される第２の壁部である可動壁部１６によって軸方向に画定される。このため、可動壁部１６は、軸方向に変位可能に流出ダクト１４に配置され、作動要素を介して作動できる摺動スリーブ１７に接続される。固定壁部１５と対面する摺動スリーブの側において、可動壁部１６は、可動壁部１６の円周にわたって延在しかつ軸方向に走る１つ以上の位置決め開口部１８を有する。可動壁部１６が固定壁部１５に近づくとき、これらの位置決め開口部１８は、ガイドカスケードリング１０又はガイドカスケードリング１０の案内羽根を収容するように機能する。このようにして、両方の壁部１５と１６が互いに接触して、半径方向流入口６と７が完全に閉鎖されるか、あるいは所定の間隙寸法を除いて閉鎖されるような程度に、壁部１５と１６の間の距離を低減することが可能である。このようにして、組み合わせタービンは軸方向流入により動作するタービンに変更することができる。ガイドカスケードリング１０を位置決め開口部１８に押入することによって、半径方向流入口６と７の開口断面を連続可変に調整することができる。ガイドカスケードリング１０及びタービンホイール３への最適な流入流を保証するために、可動壁部１６の軸方向位置に関わらず、可動壁部１６はまた半径方向外側にわたって流体的に好ましい輪郭を有する。

有利な実施形態によれば、ガイドカスケードリング１０が壁部１６と接触せず、かつ２つのスパイラルダクト４、５と流出ダクト１４との間に非遮断の直接流路ができる程度に、可動壁部１６を軸方向外側に大きく変位させることができる。このことにより、ガイドカスケードリングを介する流路を迂回しつつ、ブローオフ機能を達成することが可能になる。

図２による関連ユニットを有する内燃機関の概略図には、排気ガスターボチャージャの排気ガスタービン１の断面が示されており、他方、シャフト１３を介してタービンホイールに接続されたコンプレッサ２０は、概略的に示されている。内燃機関１９の排気ガスは、排気ガスタービン１のスパイラルダクト４と５に送られ、その結果、タービンホイールは回転し、タービンホイールの回転は、シャフト１３を介してコンプレッサ２０のコンプレッサホイールに伝達される。吸入された空気はより高い圧力に圧縮され、次に、インタークーラ２１で冷却され、内燃機関１９のシリンダ吸入口に所望の給気圧力で送られる。

図２による模範的な実施形態では、内燃機関１９は、直列に配置されたシリンダＺ_１、Ｚ_２、Ｚ_３とＺ_４を有する４気筒エンジンとして設計される。外側シリンダＺ_１とＺ_４の排気ガスは一体化され、排気ガスタービン１の第１のスパイラルダクト４に共に送られる。同じように、中央シリンダＺ_２とＺ_３の排気ガスは一体化され、第２のスパイラルダクト５に送られる。２つのスパイラルダクト４と５は、液密に互いに分離される。このために、固定リング２２が、チャージャ軸に対し共軸にタービンハウジング内に配置され、分離舌部２３と２４は、半軸方向カスケード１１の前のこのリング２２の上に半径方向外側に延在し、スパイラルダクト４と５の流路の分離を可能にする。さらに、分離舌部２３と２４と相互作用し、スパイラルダクト４と５と一体に設計され、また可動壁部１６に対する最小間隙によって相互シールを行う機能を有する分離舌部２５と２６が設けられる。各スパイラルダクト４又は５のそれぞれは、１８０°の角度範囲を介してタービンホイールの入射流領域に開口する。

各々の場合に内燃機関の２つのシリンダからの排気ガスを組み合わせることにより、４気筒直列エンジンのラム誘導効果の最適利用が可能になる。

図３に示した実施形態は、図２の実施形態に対応するが、図３の内燃機関１９は、シリンダＺ_１〜Ｚ_６を有する６気筒直列エンジンとして設計されるという点で異なる。互いに続く最初の３つのシリンダＺ_１〜Ｚ_３の排気ガスは一体化され、排気ガスタービン１の第１のスパイラルダクト４に送られる。互いに続く残りのシリンダＺ_４〜Ｚ_６の排気ガスは、同様に一体化され、第２のスパイラルダクト５に送られる。好ましいラム誘導はまた、排気ガスのこの一体化を介して実現することができる。

図４による模範的な実施形態の変形構造に、別の排気ガスタービン１が示されている。排気ガスタービン１は、スパイラルダクト４と５それぞれに割り当てられる２つの半径方向流入口６と７を有する半径方向流タービンとして設計される。他方、タービンホイール３への軸方向の入射流は供給されない。両方の半径方向流入口６と７には、固定壁部１５に保持されかつ軸方向に可動壁部１６の位置決め開口部１８に収容されるガイドカスケードリング１０が配置される。可動壁部１６は軸方向に変位可能であり、摺動スリーブ１７に結合される。可動壁部１６は、両方の半径方向流入口６と７が閉鎖される閉鎖位置と、ガイドカスケードリング１０が配置された半径方向流入口がそれらの最大寸法をとる最大開位置との間で調整することができる。必要ならば、可動壁部１６はまた、ガイドカスケードリング１０が可動壁部１６と接触しない程度に、外側方向に変位させることができ、その結果、スパイラルダクト４と５それぞれと流出ダクト１４との間に直接流路が形成され、ブローオフ機能が実現される。

必要な場合、排気ガスタービン内に２つよりも多くのスパイラルダクト、例えば３つのスパイラルダクトを設けることも可能であり、これらのダクトに、内燃機関のある数のシリンダの排気ガスを各々の場合に送ることができ、またこれらのダクトは、各々の場合に規定の角度セグメントにわたってタービンホイールへの流入口断面内に開口する。

タービンホイールの半径及び軸方向流入口と、半径方向流入口を形成する軸方向に可動壁部を有するガイドカスケードと、を有する内燃機関用の排気ガスターボチャージャの排気ガスタービン部の断面図である。 排気ガスターボチャージャを有する４気筒内燃機関の概略図であり、タービンホイールに排気ガスを送るために２つの別個のスパイラルダクトを有する排気ガスタービンの断面が示されている。 排気ガスターボチャージャを有する６気筒内燃機関の概略図であり、タービンホイールに排気ガスを送るために２つの別個のスパイラルダクトを有する排気ガスタービンの断面が示されている。 半径方向流入口を有する排気ガスタービンの縦断面図である。

Claims (5)

1. 吸気路内のコンプレッサ（２０）と排気ガスライン内の排気ガスタービン（１）とを具備する内燃機関の排気ガスターボチャージャであって、前記排気ガスタービン（１）が、タービンハウジング（２）内に各々半径方向流入口（６、７）に接続する少なくとも２つのスパイラルダクト（４、５）を有し、該スパイラルダクトを介して前記排気ガスタービン（１）のタービンホイール（３）に排気ガスを供給することができ、半径方向ガイドカスケードリング（１０）が前記半径方向流入口（６、７）に配置され、前記半径方向流入口（６、７）の断面が可変に調整可能である排気ガスターボチャージャにおいて、
   前記排気ガスタービン（１）は、半径方向流入口（６，７）及び軸方向流入口（８、９）を有する組み合わせタービンとして設計され、かつ軸方向流入口（８、９）が各半径方向流入口（６、７）に対応つけられ、
   前記半径方向ガイドカスケードリング（１０）は、前記半径方向流入口（６、７）を軸方向に画定する２つの壁部（１５、１６）の間に保持され、前記壁部の一方の壁部（１６）は軸方向に変位可能であるように設計されると共に位置決め開口部（１８）を有し、
   前記ガイドカスケードリング（１０）を前記位置決め開口部に押入できるか、あるいは前記一方の壁部（１６）の軸方向移動の間に前記ガイドカスケードリング（１０）を前記位置決め開口部から取り外すことができ、
   前記半径方向ガイドカスケードリング（１０）が前記一方の壁部（１６）と接触せず、かつ前記排気ガスタービン（１）内の前記２つのスパイラルダクト（４、５）と流出ダクト（１４）との間に非遮断の直接流路がある程度に、可動な前記一方の壁部（１６）を軸方向外側に変位させることができることを特徴とする排気ガスターボチャージャ。
2. 他方の壁部（１５）が固定位置に配置され、前記ガイドカスケード（１０）が固定された前記他方の壁部（１５）に接続される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。
3. 可動な前記一方の壁部（１６）が、軸方向に変位可能な摺動スリーブ（１７）を介して調整できることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の排気ガスターボチャージャ。
4. 前記半径方向流入口（６、７）が閉鎖されるまで、軸方向に可動な前記一方の壁部（１６）の前記位置決め開口部（１８）に前記ガイドカスケードリング（１０）が押入されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の排気ガスターボチャージャ。
5. 前記半径方向流入口（６、７）は各々１８０°にわたって前記タービンホイール（３）の周りに延在し、前記２つのスパイラルダクト（４、５）のうち一方のスパイラルダクト（４）は一方の半径方向流入口（６）開口し、他方のスパイラルダクト（５）は、他方の半径方向流入口（７）に開口していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の排気ガスターボチャージャ。

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