JPH08226333A - ターボチャージャー装置 - Google Patents
ターボチャージャー装置Info
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Abstract
で使用できる多段のターボチャージャー装置を提供す
る。さらに、このターボチャージャー装置を実質的に同
じである複数のターボチャージャーで構成することを可
能にする。 【解決手段】第1ターボチャージャー1、2と、第1タ
ーボチャージャーの両側に設置した第23、4及び第3
5、6とを含むハウジング9でターボチャージャー装置
100を構成する。第1ターボチャージャーのタービン
1の排気ガス排気口を第2及び第3ターボチャージャー
のタービン3、5の給気口に並列接続する。ターボチャ
ージャーはすべて実質的に同じである。複数のターボチ
ャージャー装置をディーゼルエンジンに使用することが
できる。この場合、第2コンプレッサー4それぞれを並
列接続し、第3コンプレッサー4それぞれを並列接続す
る。
Description
ボチャージャー装置に関する。
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。
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。
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。
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”、19
93年8月号の第53〜54頁に発表されている“Hi
gh Speed Variety−Paxman’s
new highperforming 12VP1
85 boasts a genuineyversa
tiledesign”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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
に示したような3基のターボチャージャーモジュール2
1、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。
9を所定位置に取付ける。図示のように、モジュール2
1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。
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。
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3
2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。
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2
1、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、6
b、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2
6a、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。
P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204
a、204bを介してエンジンの給気マニホルドに送ら
れる。
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。
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。
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20
0を介して最終冷却器28a、28bに接続する。
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。
ジャーの構成を図6〜図8について説明する。
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。
812と、軸受け809内を走行する共通シャフト81
6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8
03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。
(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9
10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9
50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8
50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。
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。
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。
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。
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。
本発明の範囲内で多くの変更が可能である。
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。
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。
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。
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。
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。
る。
図である。
である。
である。
ーを示す図である。
ーを示す図である。
ーを示す図である。
Claims (13)
- 【請求項1】 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。 - 【請求項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。 - 【請求項3】 上記ターボチャージャーを支持体によっ
て支持し、該支持体の外部にコンプレッサーを、該支持
体の内部にタービンを設置した請求項1又は2に記載の
ターボチャージャー装置。 - 【請求項4】 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3に
記載のターボチャージャー装置。 - 【請求項5】排気ガスを第2及び第3ターボチャージャ
ー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4に記載のター
ボチャージャー装置。 - 【請求項6】 請求項1〜5項のいずれか1項に記載し
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。 - 【請求項7】 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6に記載の内燃機
関。 - 【請求項8】 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6又は7に記載の
内燃機関。 - 【請求項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1項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接続し
た内燃機関。 - 【請求項10】 複数のターボチャージャー装置からな
る、請求項7〜9のいずれか1項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。 - 【請求項11】 第3ターボチャージャー装置を含む、
請求項10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。 - 【請求項12】 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10又は請求項11に記載の内燃機
関。 - 【請求項13】 上記支持体を気密構成にして、該支持
体に背圧を蓄積し、排気ガスの漏出を防止した請求項4
に記載のターボチャージャー装置。
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