JP2008513672A

JP2008513672A - 内燃機関用ターボチャージャ装置

Info

Publication number: JP2008513672A
Application number: JP2007532277A
Authority: JP
Inventors: ギセルモ，ケント; アンデルソン，ペル; イシン，マグナス
Original assignee: ボルボラストバグナーアーベー
Priority date: 2004-09-22
Filing date: 2004-09-22
Publication date: 2008-05-01
Also published as: BRPI0419058A; US20090019849A1; CN101027459A; WO2006038836A8; WO2006038836A1; EP1797282A1; US7574862B2

Abstract

本発明は、内燃機関の燃焼室からの排気ガスを排気するための少なくとも２つの排気ラインと前記燃焼室に空気を供給するための少なくとも１つの吸気ラインとを備える多シリンダ内燃機関用のターボチャージャ装置（１８）に関する。このターボチャージャ装置は、少なくとも１つの圧縮機（１９）と協働して内燃機関の排気流からエネルギーを抽出し内燃機関の吸気を加圧する少なくとも１つのタービン（１７）を備え、このタービンには、ウォーム状のハウジングが設けられ、このハウジングは、ハウジング内のタング（３５）により画定され静翼（３４）を介して互いに分離された排気流を少なくとも一つのタービンホイール（１７，２３）に導く少なくとも２つの流路（１５，１６）を備える。分離された排気流の運動エネルギーを維持するために、各対応するガイドタング（３５）が、該タングに向かって延びた静翼（３７）と直面している。
【選択図】図４

Description

本発明は、内燃機関の燃焼室からの排気ガスを排気するための少なくとも２つの排気ラインと前記燃焼室に空気を供給するための少なくとも１つの吸気ラインとを備える多シリンダ内燃機関用のターボチャージャ装置に関する。このターボチャージャ装置は、少なくとも１つの圧縮機と協働して内燃機関の排気流からエネルギーを抽出し内燃機関の吸気を加圧する少なくとも１つのタービンを備え、このタービンには、ウォーム状のハウジングが設けられ、このハウジングは、ハウジング内のタングにより画定され静翼を介して互いに分離された排気流をタービンホイールに導く少なくとも２つの流路を備える。

特に、大型車両用のディーゼル型内燃機関の過給用ターボチャージャシステムにおける当該技術分野の状態は、通常、いずれもラジアル型の単段タービンにより駆動される単段圧縮機を備えたものである。

６〜２０リットルの容積のディーゼルエンジンに好適な過給機は、通常、定常状態下で５０％〜６０％の効率（η圧縮機＊η機械的＊ηタービン）である。現代のディーゼルエンジンにおいては、良好な効率から得られる収量でも、将来のエンジンの場合よりも低く、より高度な過給圧が必要となるであろう。過給要求が高いシステムの例としては、窒素酸化物の排気がより少ない排ガスの再循環であり、あるいは、吸気弁を可変的に制御するシステムである。

定常状態下で６０％より高い効率のターボチャージャシステムは、環境に優しく、燃料効率の良いエンジンとしての将来の要求をより満たすものと予期されている。今日まで、ディーゼルエンジンに対する環境上の要求によって、一般に、かえって効率が悪くなる結果となっており、したがって、これは、燃料のエネルギー源があまり良く利用されていないことを意味してきた。

６気筒ディーゼルエンジン用のタービンウォームは、伝統的に「ツインエントリー」式である。シリンダ１〜３からの排気ガスは、一方のダクト内に導かれ、シリンダ４〜６からの排気ガスは、別のダクト内に導かれる。これらのダクトは、タービン入口に到るまで平行に通っており、ブレードの高さよりも上方で分離されている。また、「ダブルエントリー」式のタービンウォームも用いられ得る。この型は、一方のシリンダ群からのダクトがタービン入口の１８０°分を提供し、他方のシリンダ群からのダクトがタービン入口の残りの１８０°分を提供するように構成されている。エンジンの排気弁が開くと、排気ガスの強力なパルスが得られる。６気筒エンジンでは、このパルスは、前方及び後方のシリンダ群で１２０°（クランク軸）間隔に交互に生じる。この２つのシリンダ群の圧力は、下記図のように生じ得る。

ここで、「ダブルエントリー」式のタービンウォームを、タービンへの入口ガイドレールとともに用いる場合には、ダクトができるだけ長い間分離されていることが重要であり、理想的には、これらのダクトが入口ガイドレール後まで連結されるべきではない。その理由は、一方のシリンダ群（例えば、シリンダ１〜３）からの圧力パルスが、大幅に損なわれてしまうため、他方のシリンダ群に覆いかぶさってはならないからである。

従来のガイドレールの構造は、図３に示すように表すことができる。ブレードのうちの２つがウォームの２つのタングに直接隣接して置くことができるため、ガイドレールの数は、便宜上、偶数とする。ウォーム状のタービンハウジングは、通常、ダイカストにより、単一部品としてタングを有して製造される。ガイドレールは、タービンハウジングの出口開口部に嵌合する環状の構成部材上に配置される。したがって、製造上の理由により、タングは、ガイドレールの型枠径内を通過し得ない。

したがって、本発明の目的は、エンジンの過渡応答及び効率を向上するため、多シリンダエンジンからの排気ガスパルスを効果的に用いるターボチャージャ装置を製造することである。

上記目的のために構成された本発明に係るターボチャージャ装置は、多シリンダ内燃機関用であり、内燃機関の燃焼室からの排気ガスを排気するための少なくとも２つの排気ラインと前記燃焼室に空気を供給するための少なくとも１つの吸気ラインとを備えるものであり、少なくとも１つの圧縮機と協働して内燃機関の排気流からエネルギーを抽出し内燃機関の吸気を加圧する少なくとも１つのタービンを備え、このタービンには、ウォーム状のハウジングが設けられ、このハウジングが、ハウジング内のタングにより画定され静翼を介して互いに分離された排気流をタービンホイールに導く少なくとも２つの流路を備え、各対応するタングが、該タングに向かって延びた静翼と直面することを特徴とする。このターボチャージャ装置の構造によって、過渡応答が向上されると同時に、効率が高く維持され得る。

本発明の有利な実施形態は、以下の特許請求の範囲の独立請求項から導かれるものである。以下、本発明について、添付図面に示された実施形態を参照しながら、より詳細を説明する。

本発明は、特に、トラック、バス、及び建設機械などの大型車両に用いられ、主に、約６〜約２０リットルの容積を有するディーゼルエンジン用の２段過給システムに用いられるものとして記載される。本過給システムの特徴は、現在のシステムと比較して、かなりより効果的な過給を提供することである。この過給は、ラジアル型の２つの直列接続された圧縮機を備えた２段階で実現され、中間冷却となる。第１の圧縮機段階は、低圧圧縮機と称されるものだが、軸型の低圧タービンにより駆動される。第２の圧縮段階は、高圧圧縮機と称されるものだが、ラジアル型の高圧タービンにより駆動される。

図１は、６つのエンジンシリンダ１１を備えるエンジンブロック１０を示している。これらエンジンシリンダは、従来から吸気マニホールド１２と２つの個別の排気マニホールド１３、１４とに連通している。これら２つの排気マニホールドの各々は、エンジンシリンダのうちの３つからの排気ガスを受け取る。排気ガスは、個別のパイプライン１５、１６を介して高圧ターボ装置１８内のタービン１７まで導かれる。この高圧ターボ装置は、タービン１７と共通の軸上に搭載された圧縮機１９を備える。

排気ガスは、低圧ターボ装置２２内のタービン２１までパイプライン２０を介して前方に導かれる。この低圧ターボ装置は、タービン２１と共通の軸上に搭載された圧縮機２３を備える。最後に、排気ガスは、エンジンの排気システムまでパイプライン２４を通して前方に導かれる。この排気システムは、排気ガスの後処理用の装置を備えることができる。

フィルタ処理された吸気は、パイプライン２５を通してエンジンに入り、低圧ターボ装置２２の圧縮機２３に導かれる。パイプライン２６は、高圧ターボ装置１８の圧縮機１９まで第１の給気冷却器２７を介して前方に吸気を導く。中間冷却を伴う、この２段階の過給に続いて、吸気は、パイプライン２８を通して第２の給気冷却器２９まで前方に導かれ、その後、吸気は、パイプライン３０を介して吸気マニホールド１２に到達する。

図２に、ターボチャージャシステムをより詳細に示す。この図では、高圧タービン１７に対する二重のウォーム状の入口１５、１６を示している。これら入口の各々が静翼３４を介したガス流をタービンの半分にそれぞれ提供する。高圧タービン１７は、ラジアル型であり、中間ダクト２０によって低圧タービン２１に接続される。この高圧タービン１７は、高圧圧縮機１９とともにシャフト３１上に搭載される。低圧タービン２１は、低圧圧縮機２３とともにシャフト３２上に対応して搭載される。

図３は、静翼３４とガイドタング３５を備える従来のタービン入口の一部を示している。ガイドタングは、入口１５、１６を通るガス流が共通のリング３６上に配置された静翼３４に当たるまで互いに分離されるように、入口を分割する。別の対応するガイドタング（図示せず）が、タービンハウジングの対向面に配置され、入口１５からのガス流（図２を参照）がステータリング３６の一方の半分に向かって導かれるとともに、入口１６からのガス流（図２を参照）が他方の半分に向かって導かれる。図３から分かるように、従来の構成のリング３６上に配置された静翼３４は、全く同様なもののようであるが、不利なことに、２つの入口１５、１６間に一定の漏出流を生じさせる。これは、入口１５、１６に交互に生じた圧力パルスの最大運動エネルギーが完全に利用され得ないことを意味する。

図４は、静翼を備える本発明に従って構成されたリングを示している。このリングは、各対応するタング３５がタングに向かって延びた静翼３７と直面するように実現されている。２つのより長い静翼３７が、ウォームの２つのガイドタング３５と連結している。それにより、漏出が無視できるレベルにまで低減されることができる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものと考えられるべきではなく、むしろ数多くの更なる変更及び変形が、これに続く本発明の特許請求の範囲内において考慮され得るものである。例えば、本発明に係るターボチャージャ装置は、２段ターボ過給を有する６気筒ディーゼルエンジンと関連させて記載されているが、本発明は、単気筒以上のもので、一段又は多段過給であり、２行程又は４行程で駆動される異なるピストンエンジンの全てに適応可能である。また、本発明は、船舶エンジンや、上述したのと異なる容量を有するエンジンにも適応することができる。

２段ターボチャージャシステムを有する内燃機関を表す図である。ターボチャージャシステムに属する２つのターボチャージャ段階を通った長手方向断面図である。静翼及びタングを備える従来のタービンホイールの部分的な分解平面図である。図３に対応する様式で、静翼及びタングを備える本発明に係るタービンホイールを示す図である。

Claims

内燃機関の燃焼室（１１）からの排気ガスを排気するための少なくとも２つの排気ライン（１５，１６）と前記燃焼室に空気を供給するための少なくとも１つの吸気ライン（１２）とを備える多シリンダ内燃機関（１０）用のターボチャージャ装置（１８）であって、少なくとも１つの圧縮機（１９）と協働して内燃機関の排気流からエネルギーを抽出し内燃機関の吸気を加圧する少なくとも１つのタービン（１７）を備え、前記タービンには、ウォーム状のハウジングが設けられ、前記ハウジングが、該ハウジング内のガイドタング（３５）により画定され静翼（３４）を介して互いに分離された排気流をタービンホイール（１７）に導く少なくとも２つの流路（１５、１６）を備え、各対応するガイドタング（３５）が、該タングに向かって延びた静翼（３７）と直面していることを特徴とするターボチャージャ装置（１８）。
前記各対応するガイドタング（３５）に向かって延びる前記静翼（３７）が、他の静翼（３４）と比較して長くなされていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
静翼（３４、３７）の数は、偶数であることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
静翼（３４、３７）の数は、奇数であることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
シリンダ１〜３からの排気ガスが一方の流路内に導かれ、シリンダ４〜６からの排気ガスが別の流路内に導かれる６気筒ディーゼルエンジンにおける、請求項１乃至４のいずれかに記載のターボチャージャ装置の使用。