JP5832515B2

JP5832515B2 - 内燃機関

Info

Publication number: JP5832515B2
Application number: JP2013503019A
Authority: JP
Inventors: トーマス・クーン; ニルス・ブリンケルト
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-04-07
Filing date: 2011-02-19
Publication date: 2015-12-16
Anticipated expiration: 2031-02-19
Also published as: WO2011124295A1; JP2013524081A; US20130047606A1; DE102010014096A1; CN102933815B; CN102933815A; US9097173B2

Description

本発明は、請求項１の前提部分に示されている種類の内燃機関に関する。

特許文献１はエグゾーストターボチャージャを備える内燃機関を開示しており、このエグゾーストターボチャージャは２つのスパイラルダクトを備えるタービンハウジングを有している。これらのスパイラルダクトはそれぞれがノズル断面を有しており、これらのノズル断面はタービンハウジング内に支持されているタービンホイールの回転軸を中心にタービンホイールの周囲に配分されて配置され、これらのノズル断面を介して、タービンホイールに内燃機関の排気ガスを当てることができる。

この場合、エグゾーストターボチャージャは、さらに、摩耗を軽減する能力を有している。

独国特許発明第１０２１２６７５Ｂ４号明細書

本発明の課題は、エグゾーストターボチャージャの摩耗が特に少ない、少なくとも１つのエグゾーストターボチャージャを備える内燃機関を提供することである。

この課題は、請求項１の特徴を備える内燃機関によって解決される。

本発明に基づく内燃機関は、少なくとも１つのエグゾーストターボチャージャを有し、このエグゾーストターボチャージャにはタービンが含まれ、このタービンは内燃機関の排気ガスシステム内に配置されており、内燃機関の排気ガスが当てられるタービンホイールを有している。さらに、この内燃機関は、少なくとも１つの燃焼室、特にシリンダを有し、このシリンダから排気ガスシステムの排気ガス配管を介して内燃機関の排気ガスを送り出し、タービンに供給することができる。この場合、タービンには少なくとも２つのスパイラルダクトが含まれ、これらのスパイラルダクトは、それぞれが、タービンホイールの回転軸を中心にタービンホイールの周囲に配分されて配置されているノズル断面を有しており、これらのノズル断面を介してタービンホイールに排気ガスを当てることができる。この内燃機関は、燃焼室から送り出される排気ガスを、排気ガスの流れる方向に対してタービンの上流で、排気ガス配管により２つの排気ガス部分流に分けることができ、これらの部分流は、排気ガス配管によりスパイラルダクトの１つにそれぞれ供給可能である。この排気ガス配管により、排気ガス部分流の１つがスパイラルダクトの１つに供給され、他方の排気ガス部分流が他方のスパイラルダクトに供給されるのが好ましい。

言い換えれば、このことは、タービンに供給される排気ガスのタービンへの供給量が分割され、この供給量をもつ排気ガスが、タービンホイールの周囲に配分されてタービンホイールに供給されることを意味している。

このことにより負荷が非常に小さくなるため、タービンホイールのベアリング、又はエグゾーストターボチャージャの全てのロータベアリングの摩耗も非常に少なくなる。これらのベアリングは、タービンホイール、エグゾースト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並びにシャフトを支持しており、このシャフトはタービンホイールとコンプレッサホイールとにトルク耐性に接続され、ターボチャージャのベアリングハウジング内に支持されている。ベアリングへの負荷が非常に小さくなることから、通常タービンホイールの回転軸に向かう力は相殺されるか、又は少なくとも大幅に軽減される結果となる。さらに、タービンホイールへの衝突負荷がより適切に実施されることによって、タービンの効率面での優位性も確認され、このことから、このエグゾーストターボチャージャにより、内燃機関の効率的な動圧過給が生じる。

本発明の有利な実施形態では、スパイラルダクトのノズル断面がタービンホイールの周囲に均等に配分されて配置されている。すなわち、例えば２つのスパイラルダクトが設けられている場合、タービンは２つのセグメントをもつセグメントタービンとなり、これらのスパイラルダクトは有利には互いに１８０°ずれてタービンホイールの周囲に配置され、その結果としてベアリングの負荷が非常に小さくなる。２つより多いスパイラルダクト（すなわちセグメント）が設けられている場合、これらは互いに均等な角度を隔ててタービンホイールの周囲に配置されている。代替の方法として、スパイラルダクトのノズル断面をタービンホイールの周囲に不均等に配分して配置することも可能である。

すなわち、スパイラルダクトが２つある場合、このことは、ノズル断面が１８０°とは異なる角度を隔てて互いに配置されていることを意味している。これによって、例えば排気ガス配管を通る排気ガスの流れる距離の違いを補正できるという利点が生じる。

本発明の有利な実施形態では、ノズル断面が互いに異なった断面を有しており、この断面は、例えばその大きさ、形状などに関して異なることができる。このことは、ノズル断面が非対称的に形成されていることを意味している。これにより、スパイラルダクトに、それぞれ互いに異なった目的を与えることが可能となる。２つのスパイラルダクトが設けられている場合、１つのスパイラルダクトは、例えば内燃機関の燃焼空気過剰率を調整できる、いわゆるλスパイラルダクトとして機能することができる。他方のスパイラルダクトは、例えば、そのノズル断面の面積をより小さくすることにより、いわゆるＥＧＲ（排気ガス再循環）スパイラルダクトの機能を引き受けている。この場合、ＥＧＲスパイラルダクトは、内燃機関の排気ガス再循環を支援する。なぜなら、このＥＧＲスパイラルダクトによって排気ガスをうまく堰き止めることができるため、非常に多量の排気ガスを排気ガスシステムから内燃機関の吸気側に戻すことが可能だからである。

さらに、スパイラルダクトが互いに異なるかかり角を有するように設定することもできる。しかし、また、同一のかかり角を有することも可能である。

もう１つの有利な実施形態では、この内燃機関が複数の燃焼室を有しており、これらの燃焼室の少なくとも２つの燃焼室から送り出されるそれぞれの排気ガスを、燃焼室の下流で、最初に排気ガス配管によって少なくとも１つの収集箇所に集め、引き続きこの収集箇所の下流及びタービンの上流で、少なくとも２つの排気ガス部分流に分けることができ、これらの部分流は、排気ガス配管によりスパイラルダクトの１つにそれぞれ供給可能である。すなわち、このことは、２つの燃焼室から出る排気ガスが、まず初めに１つの全排気ガス流に集められ、続いてこの全排気ガス流は再び分割され、スパイラルダクトに供給されることを意味している。すでに説明したように、このことによりベアリングの負荷が非常に小さくなり、このことがエグゾーストターボチャージャの摩耗を非常に少なくする。

さらに本発明に基づく内燃機関は、タービンホールの設計における自由度がより大きくなるという利点をもたらし、このことから、燃費が減少し、それによって内燃機関のＣＯ_２排出量が低下するという結果を生じる。このことによって達成されるもう１つの利点は、より良好な反応特性であり、そのため、特定のトルク又は内燃機関の特定の出力を発生させるために必要な過給レベルが少なくともほぼ遅れなく準備される。さらに、本発明に基づく内燃機関により、ロータのダイナミクスと耐疲労性とを改善することができる。

さらに、本発明に基づく内燃機関は動圧過給モードで作動可能である。なぜなら、燃焼室から排気ガス配管への容量が縮小し、そのことによって燃焼室とエグゾーストターボチャージャ間における排気ガスガイド容量も縮小することにより、動圧過給の効果が実現されるからである。

本発明に基づく内燃機関に関するこれまでの記載は、排気ガス配管の１つの流れによって排気ガスが供給されるタービンにも適用でき、２つ又は複数の流れによって排気ガスが供給されるタービンにも適用できる。内燃機関が、例えば複数の燃焼室を有しており、燃焼室の下流及びタービンの上流で、これらの複数の燃焼室から送り出される排気ガスの一方の部分量が排気ガス配管によって第１の排気ガス流にまとめられるか、又はまとめることができ、複数の燃焼室から送り出される排気ガスのその他の部分量は第２の排気ガス流にまとめられるか、又はまとめることができる場合、排気ガス配管によって２つの流れができ、これらの流れを介して排気ガス流のそれぞれ一方をタービンに供給することができる。タービンの下流と上流とで、第１と第２の排気ガス流を排気ガス配管によってさらに２つの排気ガス部分流に分割することもでき、これらの排気ガス部分流は、それぞれが排気ガス配管によってタービンのいずれかのスパイラルダクトに供給可能であるか、又は供給される。このことは、初めは２つの流れに分けられているタービンへの２つの供給容量が、４つの排気ガス部分流に分割され、それぞれが１つのスパイラルダクトに供給されることを意味している。この原理はより多数の流れに転用することが可能であり、この点において、エグゾーストターボチャージャのベアリングの負荷は特に小さくなり、それによって、摩耗も極めて少なくなる。

本発明のさらなる利点、特徴及び詳細は、好ましい実施例及び図に基づく以下の説明に示されている。ここまでの説明で述べた特徴及び特徴の組合せ、並びに以下の図の説明で述べられている、及び／又は図の中にのみ示されている特徴及び特徴の組合せは、それぞれに示された特徴の組合せだけではなく、本発明の範囲から出ることなく、その他の組合せ又は単独でも適用可能である。

６つのシリンダと、タービン付きエグゾーストターボチャージャとを備える内燃機関の原理図であり、排気ガス配管によって、それぞれ３つのシリンダから出る排気ガスがそれぞれ１つの流れにまとめられ、それぞれの流れはタービンの上流で排気ガス配管によってそれぞれ２つの部分流に分割されている。図１による内燃機関のエグゾーストターボチャージャのタービンの断面図である。

図１は、エグゾーストターボチャージャ１２を備える内燃機関１０を示し、このエグゾーストターボチャージャには、内燃機関１０の吸気側に配置されているコンプレッサ１６並びに内燃機関１０の排気ガスシステム１８内に配置されているタービン２０が含まれている。コンプレッサ１６はコンプレッサホイール２２を有し、このコンプレッサホイールはエグゾーストターボチャージャ１２のシャフト２４に共回転するように接続されている。同様に、タービン２０のタービンハウジング２６内に支持されているタービンホイール２８もシャフト２４と共回転するように接続されており、このタービンホイールに内燃機関の排気ガスが当てられて、タービンホイールを駆動することができる。これにより、タービンホイール２８は、シャフト２４を介してコンプレッサホイール２２を駆動する。

タービンホイール２８によって駆動されるコンプレッサホイール２２により、方向矢印３０に従って内燃機関１０により吸引される空気が圧縮され、この圧縮の際に加熱される。圧縮され、加熱された空気は、方向矢印３２に従ってインタークーラ３４を通って流れ、空気はこのインタークーラによって再び冷却される。次に、圧縮された空気は、方向矢印３６に従ってエアコレクタ３８の中に流れ込み、空気はこの中にまず集められ、それから内燃機関１０のシリンダに供給される。内燃機関１０が直噴式である場合、シリンダ内の空気に燃料が加えられ、そこで燃料と空気の混合気が自己着火又は外部からの着火によって燃焼する。
この燃焼から生じる排気ガスは、排気ガス配管４０によって内燃機関１０のシリンダから送り出される。図１から分かるように、この場合、排気ガス配管４０によって、まず６気筒の内燃機関の３つのシリンダから出る排気ガスが、それぞれ１つの流れ４２及び４４にまとめられ、タービン２０に供給される。このことは、６つのうち３つのシリンダが流れ４２へ排気ガスを送り、その他のシリンダは流れ４４に排気ガスを送ることを意味している。これに連動して、シリンダとタービン２０との間において、流れ４２及び４４のそれぞれの排気ガスガイド容量が縮小することにより動圧過給の効果が生じるため、このことから、内燃機関１０はエグゾーストターボチャージャ１２によって動圧過給されている。

特に図１と図２とから分かるように、タービン２０のタービンハウジング２６は４つのスパイラルダクト４６、４８、５０及び５２を有し、これらはそれぞれノズル断面Ａ_Ｒを有している。これらのノズル断面Ａ_Ｒは、この場合、タービンホイール２８の回転軸５６を中心にタービンホイールの周囲に配分されて配置されている。さらに、タービンホイール２８には、ノズル断面Ａ_Ｒを介してシリンダから出される排気ガスが当てられ、それによってタービンホイールを駆動することができる。

コンプレッサホイール２２、シャフト２４並びにタービンホイール２８のベアリングの負荷を特に小さくするため、排気ガス配管４０によってシリンダから送り出され、最初に流れ４２と４４とにまとめられた排気ガスは、タービン２０の上流で、それぞれ２つの排気ガス部分流５８と６０又は６２と６４に分けられ、これらの部分流は、排気ガス配管によりスパイラルダクト４６、４８、５０及び５２の１つにそれぞれ供給される。すなわち、このことは、流れ４２及び４４への分割によって、４つの排気ガス部分流５８、６０、６２及び６４が形成されていることを意味し、排気ガス部分流５８はスパイラルダクト５０に、排気ガス部分流６０はスパイラルダクト４６に、排気ガス部分流６２はスパイラルダクト５２に、排気ガス部分流６４はスパイラルダクト４８に供給することができる。共通の流れ４２又は４４から排気ガスを供給されるスパイラルダクト４８と５２又はスパイラルダクト４６と５０のノズル断面Ａ_Ｒは、少なくとも実質的に対向して配置されているため、通常は排気ガスの力によって回転軸５６に向かう力が少なくともほぼ相殺される。このことにより、ベアリングへの負荷が非常に小さくなり、それによって、エグゾーストターボチャージャ１２の摩耗も非常に少なくなる。

スパイラルダクト４６、４８、５０及び５２は、それぞれがかかり角ψｓを有しており、この角度は均等にするか、又は互いに異なる角度に形成することができる。ノズル断面Ａ_Ｒも、その形状及び／又は断面積に関して互いに異なるように、又は非対称に形成することができる。また、ノズル断面Ａ_Ｒはタービンホイールの周囲に必ずしも均等に配分して配置しなくてもよい。不均等な配分は、例えば、排気ガスの流れる距離の違いを補正するために有利である。

１０内燃機関
１２エグゾーストターボチャージャ
１４吸気側
１６コンプレッサ
１８排気ガスシステム
２０タービン
２２コンプレッサホイール
２４シャフト
２６タービンハウジング
２８タービンホイール
３０方向矢印
３２方向矢印
３４インタークーラ
３６方向矢印
３８エアコレクタ
４０排気ガス配管
４２流れ
４４流れ
４６スパイラルダクト
４８スパイラルダクト
５０スパイラルダクト
５２スパイラルダクト
５６回転軸
５８排気ガス部分流
６０排気ガス部分流
６２排気ガス部分流
６４排気ガス部分流
Ａ_Ｒノズル断面
ψｓかかり角

Claims

少なくとも１つのエグゾーストターボチャージャ（１２）と、複数の燃焼室とを備える内燃機関（１０）であり、前記エグゾーストターボチャージャ（１２）には、前記内燃機関（１０）の排気ガスシステム（１８）内に配置されている、前記内燃機関（１０）からの排気ガスが当てられるタービンホイール（２８）を有するタービン（２０）が含まれており、前記内燃機関（１０）からの排気ガスは、前記燃焼室から前記排気ガスシステム（１８）の排気ガス配管（４０）を介して送り出され、前記タービン（２０）に供給可能であり、前記タービン（２０）にはスパイラルダクト（４６、４８、５０、５２）の少なくとも２つのペア（４６、５０）（４８、５２）が含まれ、各ペアにおけるスパイラルダクトは、前記タービンホイール（２８）の回転軸を中心に前記タービンホイール（２８）の周囲に配分されて配置されているノズル断面（Ａ_Ｒ）を有しており、該ノズル断面を介して前記タービンホイール（２８）に排気ガスを当てることができる、内燃機関（１０）であって、
前記スパイラルダクト（４６、４８、５０、５２）の前記ノズル断面（Ａ_Ｒ）の形状が、前記タービンホイール（２８）の周囲に均等に配分されかつ均等に配置され、
各ペアにおけるスパイラルダクトの前記ノズル断面（Ａ_Ｒ）の形状が、互いに１８０°ずれて配置され、
前記排気ガス配管（４０）によって、前記複数の燃焼室からの排気ガスは、前記タービン（２０）の上流で、一方の流れ（４２）および他方の流れ（４４）に分けられ、
さらに、前記一方の流れ（４２）から前記排気ガスが第１排気ガス部分流（５８）と第２排気ガス部分流（６０）の２つに分けられ、かつ
前記他方の流れ（４４）から前記排気ガスが第３排気ガス部分流（６２）と第４排気ガス部分流（６４）に分けられ、
前記第１排気ガス部分流（５８）および前記第２排気ガス部分流（６０）が、前記互いに１８０°ずれて配置されている前記スパイラルダクトの一方の１対のペア（４６、５０）にそれぞれ個別に供給され、
前記第３排気ガス部分流（６２）および前記第４排気ガス部分流（６４）が、前記互いに１８０°ずれて配置されている前記スパイラルダクトの他方の１対のペア（４８、５２）にそれぞれ個別に供給される
内燃機関（１０）。