JP4750791B2 - 内燃機関用の排気ガスターボチャージャ - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前段による内燃機関用の排気ガスターボチャージャに関する。

特許文献１は、前記種類の排気ガスターボチャージャを記載しており、この排気ガスターボチャージャは、内燃機関の排気ラインに排気ガスタービンを備え、吸気ラインにコンプレッサを備え、前記排気ガスタービンのタービンホイールは、シャフトを介してコンプレッサのコンプレッサホイールを駆動する。コンプレッサは、燃焼用の空気を周囲から吸引して、その空気を高い給気圧力に圧縮し、この圧縮された空気が内燃機関のシリンダに供給される。排気ガス側では、内燃機関からの高い圧力の排気ガスがタービンホイールを駆動する。

出力を向上させるために、排気ガスタービンには、タービンホイールに対する有効な流入口断面積の可変調節を可能にする可変タービンジオメトリ構造が設けられる。可変タービンジオメトリ（ＶＴＧ）構造を用いて、通常運転モード及びエンジンブレーキモードの両方で出力を増大させることができる。前記可変タービンジオメトリ構造は、端面に保持された案内羽根を有するサポートリングを備える調節可能な案内格子として供される。案内羽根は、流入口断面に配置され、最小遮断位置と最大開口位置との間で回転軸を中心に旋回させることができる。

このようなロータ羽根タービンジオメトリの場合の機能を保証するのに必要な案内羽根の隙間は、案内羽根の材料及び形状によって、また案内格子の低温状態の遊びを設定するのに役立つスペーサスリーブの位置及び材料によって決定される。別の影響変数は、２つの動作面の間の（案内羽根支持体の端面と、タービンハウジングの対向する加工輪郭との間の）熱的負荷及び機械的負荷によって調整不良であり、これに対して、案内羽根は、可能な限り最小の隙間になるように端面に終端すべきである。前記２つの動作面の間の間隔は、概して、３つのみのスペーサスリーブによって決定されるので、特に、大きい排気ガスタービンの場合、１つの案内羽根から他の案内羽根までの作動隙間を著しく変化させることが可能である。このことにより、例えば、排気ガス温度が急上昇した場合には、スペーサスリーブは加熱し、すなわち、案内羽根よりも非常にゆっくりと膨張することにもなる。

したがって、１つ又は複数の案内羽根が最小の隙間で引っ掛かることを防止するために、低温状態において比較的大きい遊びを設け、またそれに応じた効率損失を容認する必要がある。

独国特許出願公開第１０２３７４１３Ａ１号明細書

前記従来技術から発して、本発明は、簡単な手段を使用して排気ガスターボチャージャの効率を向上させるという課題に基づいている。設計手法によりエネルギーを消費することなく、流入口断面の案内羽根の端面と、それに隣接するハウジング壁との間の隙間を適切に減少することを目的とする。

本発明によれば、前記課題は、請求項１の特徴によって解決される。従属請求項はその好適な改良形態を示す。

案内格子の構成部品としてのサポートリングは浮動するように支持壁部に装着され、軸方向の補正移動が可能になる。さらに、本発明による排気ガスターボチャージャにおいて、案内羽根の反対側のサポートリングの後面には、排気ガスターボチャージャの流入ダクト内を支配する圧力が作用する。案内格子で流れが加速することにより、流入ダクトにおけるよりも低い圧力が、タービンホイールへの流入口断面を支配するので、軸方向に作用する合力がサポートリングに加えられ、この合力が、流入口断面の範囲を定める壁部の方向にサポートリングに作用する。サポートリングに保持される案内羽根は、前記合力によって、案内羽根の端面に隣接する壁部に押圧され、隙間寸法が確実に防止されて、漏洩流が抑制される。このことは、排気ガスターボチャージャの効率を著しく向上させ、特に、すべての作動状態下で、すなわち、低温状態及び高温作動状態の両方において維持することができる。案内格子のサポートリングの前面とそのリングの後面との圧力差によってのみ、合力が発生されるので、案内格子を調節するために、エネルギーを消費する能動的な調節要素が必要とされない。したがって、高価な制御装置を省略することが可能である。サポートリングの後面（高い圧力）とサポートリングの前面（比較的低い圧力）との圧力差は、案内羽根を含むサポートリングを所望の方向に移動させるのに十分である。

基本的には、サポートリングが、浮動するように軸受ハウジングの又はタービンハウジングの半径方向部分に装着され、したがって、前記支持壁部に対する軸方向に十分移動することができる。また、対照的に、タービンハウジングの周囲ハウジング部に対して移動可能な壁部を設計する必要がない。さらに、サポートリングを保持する壁部は、回転可能に装着されたチャージャシャフトを保持し、排気ガスターボチャージャの構成部品であるハウジングの、特に軸受ハウジングの固定された及び不動の構成部品として形成することができる。サポートリングは、比較的小さい重量を有するので、サポートリングの前面とそのリングの後面との比較的より小さい圧力差は、調節した力を対向壁部の方向にサポートリングに作用させるのに十分である。

十分に高い圧力をサポートリングの後面に付与するために、サポートリングの後面は、接続間隙によって流入ダクトに連通することが好ましく、接続間隙は、流入ダクトの最大圧力がサポートリングの後面に導かれることを保証するために、案内羽根から距離をおいて流入ダクトから分岐することが好ましい。圧力低下が、サポートリングの前面に取付けられる案内羽根の領域に既に生じており、このようにして、サポートリングの前面とそのリングの後面とに圧力差が発生される。前記圧力差を維持できるようにするために、ピストンリングによって適切に形成されたシールが、サポートリングの内側面に必要である。ピストンリングの代わりに、シールリングを用いることもできる。

サポートリングの後面が流入ダクトに連通する接続間隙は、サポートリングの半径方向外側面に沿って延びることが好ましい。これによって、接続間隙は二重機能を果たし、すなわち、一方では、接続間隙は圧力を流入ダクトからサポートリングの後面に導き、他方では、サポートリングが、摩擦又は障害なしにサポートリングの半径方向外側面で案内されることが保証され、この結果、サポートリングの軸方向の調節移動が妨げられない。

サポートリングが軸方向に移動できる軸方向自由通路は、両方向で適切に範囲が定められる。第１に、ハウジングに装着されたストッパを設けることができ、このストッパは案内羽根の反対側の側面でサポートリングの軸方向移動度の範囲を定める。第２に、スペーサスリーブを流入口断面に取付けることができ、このスペーサスリーブは、サポートリングと、案内羽根の端面が当接する壁部との間に延在する。前記スペーサスリーブは、案内羽根と、タービンハウジングの対向する輪郭との間の規定された最小の遊びを設定するのに役立つ。スペーサスリーブは、温度勾配が付与されたときに案内格子の案内羽根とほぼ同様に膨張及び収縮するように、特にスペーサスリーブの形状及びスペーサスリーブの材料に関して適切に形成される。流入口断面における、熱に関連する案内羽根の引っ掛かりが回避される。

別の請求項、発明の詳細な説明、及び図面により、別の利点及び好都合な実施形態を理解できる。

図面において、同一の構成要素には、同一の参照番号が付されている。

図１に示した内燃機関１、すなわち、火花点火式エンジン又はディーゼル内燃機関は、排気ライン４に排気ガスタービン３を備えかつ内燃機関の吸気ライン６にコンプレッサ５を備える排気ガスターボチャージャ２を有する。排気ガスタービン３のタービンホイールは、シャフト７によってコンプレッサ５のコンプレッサホイールに回転するように固定して接続されるので、タービンホイールによってシャフト７が駆動されたときに、燃焼用の空気は、周囲から吸引されて、コンプレッサで高い給気圧力に圧縮される。最初に、コンプレッサ５の下流において、圧縮された空気は、インタークーラ８に供給されて、その中で冷却される。次に、燃焼用の空気は、給気圧力を受けて内燃機関１のシリンダに導かれる。

排気ガス側において、内燃機関１によって排出された排気ガスは、排気ライン４に流入し、排気ガスタービン３に供給され、著しく高い圧力の排気ガスがタービンホイールを駆動する。排気ガスタービン３を通過した後、排気ガスは膨張状態にあり、浄化処理の後に大気中に排出される。

さらに、排気ガス再循環装置９が設けられ、この排気ガス再循環装置９は、排気ガスタービン３の下流の排気ガスライン４とインタークーラ８の下流の吸気ライン６との間に再循環ラインを備え、この再循環ラインには、調節可能な弁及び排気ガス冷却器が取付けられる。

電子制御ユニット１０により、状態変数及び動作変数に基づいて、内燃機関の調節可能なすべてのユニットを調節することが可能になる。前記ユニットは、特に、排気ガス再循環装置９の弁と、タービンホイールへの有効な流入口断面積を可変に調節できる排気ガスタービン３の可変タービンジオメトリ構造１１とを制御する機能を含む。可変タービンジオメトリ構造により、特に、自由な流入口断面を最小化する遮断位置から最大開口位置まで調節される。

図２の断面図に示した排気ガスタービン３は、スパイラルダクトとして形成されかつタービンホイール１２の上流に配置される流入ダクト１３がタービンハウジング１４により形成され、流入ダクト１３には、内燃機関の排気ラインを介して排気ガスが供給される。流入ダクト１３は、流入口断面１６部分で回転可能に装着されるタービンホイール１２に向かって、半径方向に開口する。流入口断面１６を介して流入する排気ガスは、タービンホイール１２に半径方向に衝突する。著しく高い圧力の排気ガスは、タービンホイール１２を駆動し、膨張状態において、出口ダクト１５を介して軸方向に排気ガスタービンから出る。

排気ガスタービン３には、サポートリング１８と、それに取付けられる案内羽根１９とを有する案内格子を備える可変タービンジオメトリ構造１１が備えられ、前記案内羽根１９は、サポートリングの周縁にわたって均一に分配され、サポートリングの端面に旋回可能に保持される。案内羽根１９は、流入口断面１６内に突出して、案内羽根が保持されるサポートリング１８の端面と、タービンハウジング１４の対向する壁部２１との間に軸方向に延在する。

調節要素によって、案内羽根１９の角度位置を調節でき、この結果、一方では、有効で自由な流入口断面積が変更され、他方では、排気ガスの通過流量、特に、排気ガスがタービンホイール１２に衝突するように排気ガスに与えるべき角運動量を調節できる。

サポートリング１８は、タービンハウジング１４とは別個に形成された軸受ハウジング１７に保持され、この軸受ハウジング１７は排気ガスターボチャージャの構成部品であり、この軸受ハウジング１７にシャフト７が回転可能に装着される。軸受ハウジング１７は、凹部を形成する軸方向に凹む肩部を有し、この肩部にサポートリング１８が挿入される。壁部２１に対面しかつ案内羽根１９が取付けられるサポートリング１８の端面又は前面は、流入口断面１６の範囲を定める壁部を形成する。

流入口断面１６に対面するサポートリング１８の当該面と、軸受ハウジング１７に対面するサポートリング１８の当該面との圧力差を防止するために、ピストンリング２２が前記サポートリング１８の内側面に設けられる。

サポートリング１８の後面、すなわち、案内羽根１９の反対側のサポートリングの当該壁面は、接続間隙２０によって流入ダクト１３に接続される。接続間隙２０はサポートリング１８の半径方向外周面に延びる。前記接続間隙２０により、サポートリング１８の摩擦なしの軸方向移動が可能になるが、この理由は、サポートリングの半径方向外周面と、タービンハウジング１４の対面する内壁との間の接触が回避されるからである。接続間隙２０は、流入ダクト１３において、案内羽根１９から距離をおいて、特に、案内羽根よりもタービンホイールから大きく半径方向に距離をおいて分岐する。このことにより、流入ダクト１３内を支配する最大圧力が、接続間隙２０を介してサポートリング１８の後面に導かれ、さらに、サポートリングの後面が、軸方向環状間隙によって、隣接する構成要素に最も近接して配置され、その上、前記後面には、流入ダクト１３からの最大圧力が作用することになる。

対照的に、外部から内部に半径方向に向かう案内羽根１９の領域において、著しい圧力低下が生じると、この結果、サポートリングの後面よりも低い圧力が、流入口断面１６に隣接するサポートリング１８の前面を支配する。このことにより、矢印で示したように壁部２１に向かって軸方向に作用し、かつ案内羽根１９を含むサポートリング１８に作用する合力が発生される。前記合力により、案内羽根１９の端面が、タービンハウジング１４の対面する壁部２１に押圧される。このようにして、案内羽根の隙間は、スペーサスリーブ２４により予め規定された最小値に減少される。本発明による実施形態に関連して、前記案内羽根の（低温状態の）遊びの０．０２〜０．１ｍｍの最小値を得ることが可能である。

サポートリング１８は、軸方向においてのみ調節可能であり、半径方向においては移動可能でないことが好ましい。軸方向移動は、軸受ハウジング１７に固定して接続されるストッパによって案内羽根の反対側の面で範囲が定められる。反対方向における調節移動の範囲を定めるために、スペーサスリーブ２４が流入口断面１６に軸方向に取付けられ、このスペーサスリーブ２４を特にサポートリング１８に保持できるが、代わりに、対向する壁部２１に保持してもよい。前記種類のスペーサスリーブは、サポートリング１８の周縁にわたって分布され、また図４〜図６に詳細に示されている。

軸受ハウジング１７のサポートリング１８の角位置は、軸受ハウジング１７に位置決めされる位置決めピン２５によって規定される。位置決めピン２５は、サポートリング１８の軸方向移動を可能にするが、必要に応じて、壁部２１までの移動に対するストッパを形成できる。

ヒートシールド２３は、タービンホイール１２の端面後壁に配置され、このヒートシールド２３は、タービンホイール１２によって発生された熱から軸受ハウジング１７を遮蔽する。図示した実施形態では、ヒートシールド２３は、サポートリング１８と一体に形成され、その半径方向内側面でシャフト７に延在する。

図３の断面図に示した排気ガスタービン３の構造形態及び作動形態は、上記の典型的な実施形態の構造形態及び作動形態に対応するが、ヒートシールド２３がサポートリング１８とは別個の構成要素として形成されているという点で異なる。ヒートシールド２３は、サポートリング１８を半径方向に固定するのを補助する。さらに、板ばねとして供される前記ヒートシールド２３により、ガス力に関係なくハウジング壁２１の方向に前記サポートリング１８を押圧する予め規定された荷重をサポートリング１８に作用させることが可能になる。

また、スペーサスリーブ２４が、案内羽根１９と同様の熱膨張率をもたらす中空孔であることを前記図面から理解することができる。

図４〜図６は、サポートリング１８と、それに隣接する壁部２１との間で軸方向に流入口断面に取付けられるスペーサスリーブ２４の種々の実施形態を示している。図４では、スペーサスリーブ２４はサポートリング１８と一体に形成される。図５では、スペーサスリーブ２５とサポートリング１８とが、２つの別個の構成要素として形成され、スペーサスリーブ２４の軸２６は、サポートリング１８の相補的な形状の凹部内に突出する。図６では、軸はスペーサスリーブ２４とは別個に形成され、その軸はスペーサスリーブの中空円筒状の室内空間内に突出する。

過給式内燃機関の概略図である。 内燃機関に使用される排気ガスターボチャージャの排気ガスタービンの断面図である。 別の実施形態である排気ガスタービンの断面図である。 サポートリングと、それに隣接する壁部との間の流入口断面に取付けられるスペーサスリーブの実施例を示す図である。 サポートリングと、それに隣接する壁部との間の流入口断面に取付けられるスペーサスリーブの別の実施例を示す図である。 サポートリングと、それに隣接する壁部との間の流入口断面に取付けられるスペーサスリーブの別の実施例を示す図である。

Claims (9)

1. 内燃機関（１）の排気ライン（４）に設けられる排気ガスタービン（３）と、
   吸気ライン（６）に設けられるコンプレッサ（５）と、を備え、
   タービンホイール（１２）の上流に配置される流入ダクト（１３）が、前記排気ガスタービン（３）のタービンハウジング（１４）に形成され、
   可変タービンジオメトリ構造（１１）が、前記タービンホイール（１２）への前記流入ダクト（１３）の流入口断面（１６）に配置され、
   前記可変タービンジオメトリ構造（１１）が、端面に保持される案内羽根（１９）を有するサポートリング（１８）を備える調節可能な案内格子として構成され、前記サポートリング（１８）が浮動した状態でハウジング（１４、１７）の部分（２１）に装着され、
   少なくとも１つのスペーサスリーブ（２４）が前記流入口断面（１６）に取付けられ、前記スペーサスリーブ（２４）が前記案内羽根（１９）の端面作動隙間を規定する排気ガスターボチャージャにおいて、
   前記案内羽根（１９）と反対側になる前記サポートリング（１８）の後面には、前記流入ダクト（１３）内の圧力が作用し、
   温度勾配が生じたときに、前記スペーサスリーブ（２４）が、前記案内羽根（１９）と同じ膨張率を有するように構成されることを特徴とする排気ガスターボチャージャ。
2. 低温状態で測定されたときの前記案内羽根の前記端面作動隙間が、０．０２ｍｍ〜０．１ｍｍであ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. 前記スペーサスリーブ（２４）が、前記案内羽根（１９）の材料と同じ熱膨張率を有する材料で構成され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. 前記スペーサスリーブ（２４）が、前記サポートリング（１８）の反対側の前記スペーサスリーブの面に開口部を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の排気ガスターボチャージャ。
5. 前記スペーサスリーブ（２４）が前記サポートリング（１８）に着脱可能に固定されることを特徴とする請求項４に記載の排気ガスターボチャージャ。
6. 前記着脱可能な固定がねじ接続であることを特徴とする請求項５に記載の排気ガスターボチャージャ。
7. 前記スペーサスリーブ（２４）が前記サポートリング（１８）と一体に成形されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の排気ガスターボチャージャ。
8. 前記スペーサスリーブ（２４）が軸（２６）を有し、該軸（２６）が前記サポートリング（１８）に着脱可能又は着脱不能に取付けられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の排気ガスターボチャージャ。
9. 前記軸（２６）が前記スペーサスリーブ（２４）とは別個に形成されることを特徴とする請求項８に記載の排気ガスターボチャージャ。

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