JP5445810B2 - 排気ガスターボチャージャ用のタービン - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前提部に記載された形式の排気ガスターボチャージャ用のタービンに関する。

特許文献１から、内燃機関の吸気路にコンプレッサを、内燃機関の排気路にタービンを有する排気ガスターボチャージャを備えた自動車用の内燃機関が公知である。ここでタービンは、排気路の排気管と結合されたスパイラルチャネルとタービンホイールとを備えるタービンハウジングを有している。このタービンホイールはタービンハウジングの収容空間内に配置されており、シャフトを介してタービンホイールと回動不能に結合されたコンプレッサのコンプレッサホイールを駆動するために、スパイラルチャネルを通って案内可能な内燃機関の排気ガスをこのタービンホイールに吹き込むことができる。タービンは調整装置を有しており、この調整装置によってスパイラルチャネルのスパイラル入口断面および収容空間へのスパイラルチャネルのノズル断面を共通に調整することができる。

このような排気ガスターボチャージャは、内燃機関の量産を背景にして個数がますます増大する大量生産品であるので、割り当てられた内燃機関の効率的な駆動、すなわち消費燃料と排出物の少ない駆動を可能にし、かつ極端な温度変化および圧力変化の下でも高い動作信頼性を有する排気ガスターボチャージャを提供することが望まれる。

独国特許出願公開第１０２００８０３９０８５号明細書

本発明の課題は、高い動作信頼性を有し、かつ排気ガスターボチャージャに割り当てられた内燃機関の効率的な駆動を可能にする排気ガスターボチャージャ用のタービンを提供することである。

この課題は本発明により、請求項１の特徴を備える排気ガスターボチャージャ用のタービンによって解決される。本発明の目的に適う重要な改善形態を備えた有利な構成は、従属請求項に記載されている。

本発明の、内燃機関の排気ガスターボチャージャ用のタービンは少なくとも１つのハウジング部材を備え、このハウジング部材は内燃機関の排気ガスが通流することができ、それぞれスパイラル入口断面を備える少なくとも２つのスパイラルチャネルを有する。本発明の排気ガスターボチャージャ用のタービンは、前記ハウジング部材が、タービンの少なくとも１つの別のハウジング部材によりスパイラルチャネルに共通に形成された収容空間内に収容されており、この収容空間から内燃機関の排気ガスがそれぞれのスパイラル入口断面を介してスパイラルチャネルに流入することができることを特徴とする。

排出制限値、とりわけ窒素酸化物およびカーボンブラックの排出制限値がますます厳格になることにより、一方では内燃機関にチャージするための排気ガスターボチャージャに大きな影響が生じる。そこから、排気ガスターボチャージャのチャージ圧の形成に関しては、内燃機関の中程度の負荷領域から全負荷領域までで実現すべきＥＧＲ率（ＥＧＲ-排気ガス再循環）が高いため高い要求が課せられる。これは、タービンの寸法または大きさに関して幾何的に小型のタービンをこのような排気ガスターボチャージャのために作製することを要求する。ここで要求される高いタービン能力は、タービンの装填能力の向上または飲込み能力の低下により内燃機関と協調して実現される。

さらに場合によっては、タービンの入口圧力レベルが、排気ガス浄化装置、とりわけカーボンフィルタの背圧によって高められる。この排気ガス浄化装置は排気ガスの通流方向でタービンの下流側に配置されており、このことは、寸法または大きさの点でタービンをさらに小型化することを要求する。このことは、タービンのこのような小型化が通例、タービンの作用効率の悪化を伴うという問題を随伴する。しかし排気ガスターボチャージャのコンプレッサ側での必要能力を満足させるためには、望ましい空気・排気ガス送出を作り出し、これにより所望のトルクまたは所望の出力を作り出し、内燃機関の排出を低くすることが必要である。

本発明のタービンは、寸法または大きさの点でタービンを小型に構成し、これにより所望の装填特性を作り出すことを可能にする。これは高いＥＧＲ率を可能にする。言い替えると、とくに大量の排気ガスを内燃機関の排気ガス側から内燃機関の空気側に再循環し、内燃機関により吸気された空気に供給することができる。これにより内燃機関の排出物、とくに窒素酸化物およびブラックカーボン排出を低下することができる。

さらに排気ガスターボチャージャのコンプレッサ側でのタービンによる前記高い必要能力も満足させることができる。なぜならこのタービンは、これに割り当てられた内燃機関の装填チャージ動作を可能にするからである。ここで別のハウジング部材によって形成された収容空間は集合空間として機能し、この集合空間に内燃機関の排気ガスがまず集合され、装填され、それからスパイラルチャネルを通って流れてタービンホイールを駆動する。このタービンホイールはさらにこれと回動不能に結合されたシャフトを介して、排気ガスターボチャージャのコンプレッサ側でコンプレッサホイールを駆動することができる。さらにこのタービンの部品数は小さい。このことは安いコストと、タービンの高い動作信頼性を伴う。

本発明の有利な実施形態では、スパイラルチャネルがそれぞれ少なくとも１つのノズル断面を有し、スパイラルチャネルを介して第１のハウジング部材内に収容されたタービンのタービンホイールに排気ガスを吹き込むことができる。ここでノズル断面は、タービンホイールの回転軸に沿って並置されており、および／または回転軸を中心にタービンホイールの周囲にわたって分散して配置されている。これによりタービンは、所望の空気供給または空気−排気ガス供給を行うこと、および内燃機関の排出物を低くすることに関しての要求を充足するために種々の要求に適合することができる。

タービンが、スパイラルチャネルのそれぞれのスパイラル入口断面および／またはそれぞれのノズル断面を調整することのできる調整装置を有していて、たとえばスパイラルチャネルの１つのスパイラル入口断面およびノズル断面がこの調整装置によって共通に調整可能である場合、および／または別のスパイラルチャネルのスパイラル入口断面およびノズル断面がこの調整装置によって共通に調整可能である場合には、内燃機関の全体特性マップ中の低負荷領域および中負荷領域でも、全負荷領域でもタービンは種々の動作点に少なくともほぼ適合することができる。調整装置はとりわけタービンの装填特性を調整することもでき、これにより燃費要求および排出要求を充足するために、空気再循環必要量および排気ガス再循環必要量をとくに広い範囲で調整することができる。

このことは商用車での適用で有利である。タービンはとりわけ自家用車での適用でも有利であり、ここで内燃機関は可変特性を有する。タービンの装填能力が可変であることにより、自家用車の走行中に内燃機関の特性が可変であっても許容可能な走行特性を示すことができる。このことは、ダウンサイジングコンセプトにしたがい小さな排気量しか有さず、かつ高い比出力を有する内燃機関でも当てはまる。

ここで調整装置はたとえば各スパイラルチャネルに少なくとも１つの遮断体を有し、この遮断体によりスパイラル入口断面および／またはノズル断面が調整可能であり、この遮断体はリードの形に構成されている。したがってタービンはいわゆるリードスライダ・セグメント・タービンとして構成されており、このタービンの部品数は小さく、かつタービンは安価で頑強なタービンハウジングコンセプトを備えた流体関連のスパイラルチャネル結合体を有する。高いスループット開度を形成するために、第１のハウジングは前記スパイラルチャネルを２つ以上有し、したがって２つ以上のスパイラルセグメントを有する。

マルチセグメントスパイラルとも称されるスパイラルチャネルは、タービンにおいて第２のハウジング部材とは別個の第１のハウジング部材により、たとえば精密製造方法によって作製されており、第２のハウジング部材と接続されている。この第２のハウジング部材は、集合ハウジングとして機能し、マルチセグメントスパイラルを含み、環境に対してガス気密に構成されている。第２のハウジング部材の収容空間はたとえばスパイラル形状に構成されている。この第２のハウジング部材は、内燃機関の排気ガスをスパイラルチャネルのスパイラル入口断面へ環境に対してガス気密に流体供給する他に、タービンまたは排気ガスターボチャージャ全体の支持機能を、タービンロータの漏出保護に関する防護とともに引き継いでいる。タービンロータは、タービンホイール、シャフト、排気ガスターボチャージャのコンプレッサのコンプレッサホイール、および場合によりさらなる構成部材を有する。

スパイラルチャネルを形成する第１のハウジング部材および／または調整装置の遮断体はたとえば鋳造法、とりわけ精密鋳造法によって作製され、および／または有利には非常に滑らかな通流表面を有する薄板部材として構成されている。このことは、スパイラルチャネルおよび場合により遮断体の非常に正確な調整を可能にする。

第１のハウジング部材を取り囲む第２のハウジング部材は場合により比較的簡単な幾何形状を有し、したがって比較的粗い標準的な砂型鋳造法によって安価に作製されている。このことは本発明のタービンのコストを低く抑える。２つのハウジング部材の結合は、たとえば安価な組立て技術、接合技術および／または密閉技術によって行われ、同様に、第１のハウジング部材を第２のハウジング部材内に鋳込むことができる。

収容空間を有する第２のハウジング部材とスパイラルチャネルを有する第１のハウジング部材とを本発明のタービンによって可能となったように結合することにより、１つの第２のハウジング部材と、取付け部材として互いに異なる複数の第２のハウジング部材とによって、多様なタービン特性を形成するための有利なモジュールが創成される。前記取付け部材は、たとえば２、３、４、５、６、７またはそれ以上のスパイラルチャネルを適合された調整装置と関連して有する。このモジュールは、タービンの適合された熱力学的特性を、内燃機関の広い適用分野で提供し、この内燃機関はタービンの効率的な組み合わせとモデルシリーズの簡素化を提供することができる。言い替えると、タービンの種々の構造バリエーションを克服することができる。構造バリエーションは互いに異なる数のスパイラルチャネルを有し、第２のハウジング部材は同一部品として使用され、したがってこれによりモジュールのコストを低く抑える。

本発明のさらなる利点、特徴および詳細は、複数の好ましい実施例の以下に説明から、ならびに図面に基づいて得られる。明細書中の前述の特徴および特徴の組み合わせ、ならびに以降の図面の説明で述べる特徴および特徴の組み合わせ、および／または図面だけに示された特徴および特徴の組み合わせは、それぞれ述べられた組み合わせだけでなく、別の組み合せにおいてもまたは独自でも本発明の枠を逸脱することなく使用することができる。

内燃機関の装填チャージ動作を可能にするリードスライダ・マルチセグメント・タービンを有する排気ガスターボチャージャによってチャージされる内燃機関の原理的概略図である。 図１のリードスライダ・マルチセグメント・タービンの概略的断面図である。

図１は、６つのシリンダ１２を有する内燃機関１０を示す。内燃機関１０の動作中に内燃機関は空気を方向矢印１４にしたがって吸気し、この空気はエアフィルタ１６によって濾過され、方向矢印１８にしたがってさらに、内燃機関１０に割り当てられた排気ガスターボチャージャ２２のコンプレッサ２０に流れる。ここで空気はコンプレッサ２０を通りコンプレッサホイール２４によって圧縮され、これにより空気は加熱される。このようにして圧縮され、加熱された空気を冷却するために、空気はさらに方向矢印２６にしたがってターボエアクーラ２８に、さらに方向矢印３０にしたがってエアコレクタ３２に流れ、エアコレクタを介して空気は方向矢印３４にしたがいシリンダ１２に供給される。シリンダ１２には、吸気され、圧縮された空気が燃料とともに充填され、燃焼される。ここから方向矢印３８にしたがった内燃機関１０のクランクシャフト３６の回転が生じる。

内燃機関１０の空気側４０に配置されたコンプレッサ２０は、内燃機関１０の所望の出力またはトルクレベルを形成するために内燃機関１０に所望の空気供給を行うために用いられる。これにより内燃機関１０をその排気量、したがってその寸法に関して小型に構成することができる。このことは、軽量化、高い比出力、低い燃料消費、およびわずかなＣＯ_２排出と結び付いている。

シリンダ１２内での燃焼から生じる内燃機関１０の排気ガスは、内燃機関１０の排気ガス側４４にある排気ガスマニフォールド４２によってまず排気ガス再循環装置４５に導かれ、この排気ガス再循環装置によって内燃機関１０の排気ガスは排気ガス側４４から空気側４０に再循環することができる。そのために排気ガス再循環装置４５は排気ガス再循環弁４６を有し、この排気ガス再循環弁によって内燃機関１０の既存の動作点に整合した量の再循環排気ガスを調整することができる。排気ガスは方向矢印５２にしたがって排気ガス再循環クーラ５０に流れ、これにより、方向矢印４８にしたがって内燃機関１０により吸気された空気に供給される前に冷却される。吸気された空気に再循環された排気ガスを加えることにより、内燃機関１０の排出物、とりわけ窒素酸化物とブラックカーボンの排出が低減され、これにより内燃機関は燃料消費量が少なくなるだけでなく、出力が高くなり、排出物が少なくなる。

さらに排気ガスを排気ガスマニフォールド４２によって排気ガスターボチャージャ２２のタービン５４に供給することができる。ここでタービン５４はシングルフローのタービン、すなわちいわゆるリードスライダ・マルチセグメント・タービンとして構成されており、これについては図２に関連して説明する。タービン５４は、内燃機関１０の排気ガスが通流することのできる３つのスパイラルチャネル５８を備える第１のハウジング部材５６を有する。スパイラルチャネル５８はそれぞれスパイラル入口断面Ａ_Ｓとノズル断面Ａ_Ｒを有する。ハウジング部材５６内ではタービン５４のタービンホイール６０が回転可能に収容されている。

次に内燃機関１０の排気ガスはそれぞれのスパイラル入口断面Ａ_Ｓを介してスパイラルチャネル５８に入り、それぞれのノズル断面Ａ_Ｒを介してタービンホイール６０に当たり、これによりタービンホイール６０は排気ガスによって駆動され、回転する。タービンホイール６０は排気ガスターボチャージャ２２のシャフト６２と結合されており、このシャフトはコンプレッサホイール２４とも回動不能に結合されている。これによりコンプレッサホイール２４はタービンホイール６０のシャフト６２を介して駆動される。シャフト６２は回転軸６３を有する。

タービン５４は調整装置６４も有しており、この調整装置はさらに調整リング６６を有する。調整リングはリードスライダ６８の形の３つの遮断体と結合されており、そのうちの各１つのリードスライダ６８が１つのスパイラルチャネル５８に割り当てられている。調整リング６６は方向矢印７０にしたがってタービンホイール６０の回転軸６３を中心に回転可能である。これによりスパイラル入口断面Ａ_Ｓおよびタービンホイール６０の周方向でその周囲にわたり均等に分散して配置されたノズル断面Ａ_Ｒを調整することができる。言い替えるとこのことは、ノズル断面Ａ_Ｒを狭めるまたはまったく閉じてしまう少なくとも１つの個所と、これに対向していてノズル断面ＡＲを開放する少なくとも１つの個所との間のリードスライド６８が調整リング６６の回転によって調整可能であることを意味する。調整装置６４によってタービン５４の可変性が形成される。これにより効率的でひいては燃料消費が少なく、かつ排出物の少ない内燃機関１０の動作を作り出すために、タービン５４を種々の動作点に少なくとも内燃機関１０の特性マップ全体の中で少なくともほぼ適合することができる。ノズル断面Ａ_Ｒを調整することにより、タービン５４の装填特性またはスループット特性を可変に調整することができる。

タービン５４の複数のセグメントを形成するスパイラルチャネル５８によって、内燃機関１０の衝撃チャージ動作がまず可能である。内燃機関１０の装填チャージ動作を可能にするためにタービン５４は別のハウジング部材７２を有している。この別のハウジング部材により、当該別のハウジング部材７２によって環境に対してガス気密に閉鎖されていてスパイラルチャネル５８に共通の収容空間７４が形成されており、この収容空間には第１のハウジング部材５６が収容されている。この別のハウジング部材７２は第２のハウジング部材５６をベアリング装置の側で、ひいてはコンプレッサホイール２４に向いた側および／またはこの側に対向する側で、すなわちタービン出口の側で取り囲むことができる。別のハウジング部材７２は流入チャネル７６を有し、この流入チャネルへは排気ガスマニフォールド４２を介して方向矢印７８にしたがって排気ガスが流入することができ、流入チャネルは排気ガスをさらに収容空間７４へ導く。図２から分かるように、流入チャネル７６は排気ガスの通流方向で方向矢印７８にしたがって先細になっている。入口チャネル７６を介して収容空間７４に導かれた排気ガスはまず、収容空間７４内に集合され、スパイラルチャネル５８を通ってタービンホイール６０に通流することができる。ここで排気ガスの混合と集合は、排気ガスマニフォールド４２によって排気ガスの通流方向で第１のハウジング部材５６の上流で行われる。

それぞれのスパイラル入口断面Ａ_Ｓの上流にスパイラルチャネル５８は実質的にトランペット形の入口チャネル８０をそれぞれ少なくとも１つ有し、これを介して排気ガスがスパイラルチャネル５８に入ることができる。タービン５４は高い可変性を有しており、これにより種々の装填特性およびひいては種々のＥＧＲ率を作り出すことができる。同様にこれは、高い出力またはトルク要求を満足するために内燃機関１０の所定の空気供給を作り出すことができる。さらにこのタービン５４の部品数は小さく、このことは安いコストと、高い動作信頼性を伴う。

基本的にダブルフロータービンをタービン５４と同じように作製することもできる。この場合、タービンホイール６０の回転軸６３に沿って第１のハウジング部材５６の他に、少なくとも２つのスパイラルチャネルを備える付加的なハウジング部材がたとえば第１のハウジング部材５６の形で配置されており、この付加的なハウジング部材によって別のハウジング部材７２と同じように形成された付加的な収容空間内に収容空間７４と同じように収容されている。したがって両収容空間は平行に配置され、互いにガス気密に分離されている。この場合、平行に接続された２つのハウジング部材５６が設けられており、これらはある程度の装填作用を有しており、内燃機関１０のシリンダ１２が別個のシリンダ群である場合には、互いにガス気密な２つの集合空間のある程度の衝撃チャージがたとえば湾曲部材によって生じる。これにより調整装置６４と同じ両側の調整装置および対応するリードスライダ６８によって、擬似的な可変ダブルフロー衝撃タービンが形成される。この衝撃タービンは、適用目的に応じて非対称の装填特性を伴うこともできる。

ここでタービン５４の調整装置６４は内燃機関１０の制御装置８２によって調整または制御される。制御装置は調整装置６４を、タービン６４をちょうど存在する内燃機関１０の動作点に適合するために調整する。

排気ガスはタービン６０に吹き込まれ、これを駆動した後、タービン出口を介して方向矢印８８にしたがってタービン５４から出て、排気ガス後処理装置９０を通流する。排気ガス後処理装置はたとえば触媒機、とりわけ窒素酸化物触媒機および場合により微粒子フィルタを有し、その後、排気ガスは方向矢印９２にしたがい浄化されて環境に流出する。

Claims (10)

1. 内燃機関（１０）の排気ガスターボチャージャ（２２）用のタービンであって、少なくとも１つのハウジング部材（５６）を備え、該ハウジング部材は前記内燃機関（１０）の排気ガスが通流することができ、それぞれスパイラル入口断面（Ａ_Ｓ）を有する少なくとも２つのスパイラルチャネル（５８）を有するタービンにおいて、
   前記ハウジング部材（５６）が、前記タービン（５４）の少なくとも１つの別のハウジング部材（７２）によって前記スパイラルチャネル（５８）に共通に形成された収容空間（７４）内に収容されており、該収容空間から前記内燃機関（１０）の排気ガスがそれぞれのスパイラル入口断面（Ａ_Ｓ）を介して前記スパイラルチャネル（５８）に流入することができる、ことを特徴とするタービン。
2. 前記スパイラルチャネル（５８）はそれぞれ少なくとも１つノズル断面（Ａ_Ｒ）を有し、該ノズル断面を介して前記第１のハウジング部材（５６）内に収容された前記タービン（５４）のタービンホイール（６０）に排気ガスを吹き込むことができ、前記ノズル断面（Ａ_Ｒ）は、前記タービンホイール（６０）の回転軸（６２）に沿って並置されており、および／または前記回転軸（６２）を中心にして前記タービンホイール（６０）の周囲にわたって分散して配置されている、ことを特徴とする請求項１に記載のタービン。
3. 前記タービン（５４）は調整装置（６４）を有し、該調整装置によって前記スパイラルチャネル（５８）のそれぞれの前記スパイラル入口断面（Ａ_Ｓ）および／またはそれぞれのノズル断面（Ａ_Ｒ）が調整可能である、ことを特徴とする請求項１または２に記載のタービン。
4. 前記スパイラルチャネル（５８）の１つおよび／または別の少なくとも１つの前記スパイラルチャネル（５８）は、とりわけ３５０度超の巻き角を備えるフルスパイラルチャネルとして、および／または３５０度を含めた角度から３０度を含めた角度までの範囲の巻き角を備える部分スパイラルチャネルとして構成されている、ことを特徴とする請求項１から３までのいずれか一項に記載のタービン。
5. 前記スパイラルチャネル（５８）を有する前記第１のハウジング部材（５６）は精密鋳造法により作製されており、および／または薄板として構成されている、ことを特徴とする請求項１から４までのいずれか一項に記載のタービン。
6. 前記収容空間（７４）を形成する前記別のハウジング部材（７２）は砂型鋳造法により作製されている、ことを特徴とする請求項１から５までのいずれか一項に記載のタービン。
7. 前記第１のハウジング部材（５６）は前記別のハウジング部材（７２）内に鋳込まれている、ことを特徴とする請求項１から６までのいずれか一項に記載のタービン。
8. 前記別のハウジング部材（７２）は少なくとも１つの流入チャネル（７６）を有し、該流入チャネルを介して前記内燃機関（１０）の排気ガスが前記収容空間（７４）に流入することができる、ことを特徴とする請求項１から７までのいずれか一項に記載のタービン。
9. 前記流入チャネル（７６）は排気ガスの通流方向（７８）で前記収容空間（７４）に向かって変化する通流断面、とりわけ先細になる通流断面を有する、ことを特徴とする請求項８に記載のタービン。
10. 前記収容空間（７４）はスパイラル形状に構成されている、ことを特徴とする請求項１から９までのいずれか一項に記載のタービン。

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