JP2012500357A - 自動車の内燃機関用エグゾーストターボチャージャ - Google Patents

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Abstract

本発明は、タービン(26)とタービンホイール(24)とを備え、タービン(26)は、少なくとも1つの第1及び第2のスパイラルダクト(52a、52b)を備えるタービンハウジング(50)を含み、これらのスパイラルダクトは、それぞれ、内燃機関(10)の排気ガスシステム(36)の複数の排気ガスライン(34a、34b)の少なくとも1つと連結可能であり、互いに無関係に排気ガスを流すことができ、タービンハウジング(50)のタービンホイールダクト(54)の内部に配置されているタービンホイール(24)は、エグゾーストターボチャージャ(12)のコンプレッサ(18)の、ベアリングシャフト(22)によってトルク耐性にタービンホイールと連結されているコンプレッサホイール(20)を駆動するために、少なくとも2つのスパイラルダクト(52a、52b)から送られる内燃燃機関(10)の排気ガスを当てられる、自動車の内燃機関(10)用エグゾーストターボチャージャ(12)に関し、タービン(26)の面積比Qを求めるには数式Q=(Aλ+AEGR)/A≧0.40が用いられ、Aλは第1のスパイラルダクト(52a)の最小流路断面積を示し、AEGRは前記第2のスパイラルダクト(52b)の最小流路断面積を示し、Aは前記タービンホイールダクト(54)のホイール出口断面積を示している。さらに、本発明は、内燃機関(10)及びエグゾーストターボチャージャ(12)を備える自動車に関する。
【選択図】図2

Description

本発明は、請求項1の前提部分に示されている種類の自動車の内燃機関用エグゾーストターボチャージャに関する。さらに、本発明は、内燃機関及びエグゾーストターボチャージャを備える自動車に関する。
例えば、NOx及びすすなどの排出制限値がさらに厳しくなっていることから、エグゾーストターボチャージャ又は過給機関への要求も高まっている。それによって、高い排気ガス再循環率(EGR率)での、内燃機関の平均負荷領域から高負荷領域のチャージ圧提供に関する要求が高まっており、このことから、エグゾーストターボチャージャのタービンは、形状的に益々縮小されている。別の表現を使うと、要求されているエグゾーストターボチャージャの高いタービン出力は、それぞれの内燃機関との相互作用における、タービンの保持性能の向上及び消費性能の適切な軽減によって実現される。エグゾーストターボチャージャの性能に影響を及ぼすもう1つの要因は、エグゾーストシステムの中でタービンの下流に配置されている排気ガス後処理システム、例えばトラップオキシダイザ、触媒又はSCR装置から生じる。これらの排気ガス後処理システムは、エグゾーストターボチャージャの排気ガス出口の圧力上昇を引き起こす。これにより、エグゾーストターボチャージャの出力を決定するタービン圧力勾配の低下が生じる。この場合、タービンホイール前又はタービンハウジングの排気ガス入口前の圧力指数及びタービンホイール後又はタービンハウジングの排気ガス出口の圧力指数として、タービン圧力勾配が検出可能である。この理由からも、エグゾーストターボチャージャのコンプレッサの出力要求を満たすため、より小さい数値とそれに伴う低い効率に対してタービンサイズを再度設計しなければならない。
この場合、従来技術から知られているエグゾーストターボチャージャによってある程度の改善策が提供されており、それらのタービンハウジングには、互いに無関係に流れることのできる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、内燃機関の排気ガスシステムの異なる排気ガスラインに連結され、塞がれていないリングノズルを有している。排気ガスラインには、この場合、排気ガスライン側に、内燃機関の異なるシリンダ又はシリンダ群が割り当てられている。ここでは、通常、スパイラルダクトの1つが、その保持性能によって内燃機関の必要な空燃比を調達する、いわゆるラムダ・スパイラルとして働く。別のスパイラルダクトは、これに対して、排気ガス再循環スパイラル(EGRスパイラル)として働き、エグゾーストターボチャージャの排気ガス再循環性能を調整している。
通常、内燃機関の定格ポイント、チャージサイクル側及び燃料消費側によって決定される設計範囲では、2つのスパイラルダクトを備えるエグゾーストターボチャージャによっても、内燃機関の下方の負荷範囲及び回転数範囲が、最適にコントロールされないことが多い。この目的に対して、排気ガス流の必要速度を生み出すため、基本的にスパイラルダクトの流れの断面ができるだけ小さくされる。
周知のエグゾーストターボチャージャの課題として、効率が比較的低いという状況が認められ、エグゾーストターボチャージャを備える内燃機関の燃料必要量も、それに応じて増加する。このことにより、効率向上の追加措置が必要となるが、製造コストも顕著に増加する。
本発明の課題は、内燃機関又は自動車への要求が著しく過度になっても、できるだけわずかな製造コストでその効率の改善を可能にする、冒頭に述べた種類のエグゾーストターボチャージャを提供することである。
この課題は、本発明に基づき、請求項1の特徴を備えるエグゾーストターボチャージャ及び請求項11の特徴を備える自動車によって解決される。本発明の適切かつ重要な発展形態を備える有利な実施形態は、従属請求項に示されている。この場合、エグゾーストターボチャージャの有利な実施形態は、適用可能である限り、自動車の有利な実施形態として見なすことができ、またその逆も可能である。
内燃機関又は自動車への要求が著しく過度になっても、できるだけ少ない製造コストで効率の改善を可能にする、本発明に基づくエグゾーストターボチャージャは、タービンの面積比Qが0.4よりも大きく、この面積比Qを求めるには数式:Q=(Aλ+AEGR)/Aを使用し、この場合、Aλは第1のスパイラルダクトの最小流路断面積を示し、AEGRは第2のスパイラルダクトの最小流路断面積を示し、Aはタービンホイールダクトのホイール出口断面積を示す。別の表現を用いると、本発明に基づくエグゾーストターボチャージャのタービンのスパイラルダクトは、スパイラルダクト下流の最小断面積、すなわちホイール出口断面積Aに関して、従来技術とは反対に、明らかに拡大された最小断面積Aλ+AEGRを有している。従来技術から知られているエグゾーストターボチャージャ又はタービン設計の重点は、タービン全勾配のより大きいエクセルギー量が、タービンホイールダクト内ではなくスパイラルダクト内のタービンホイール前で速度に変換されるように開発されている。タービンホイールダクトの速度変換とスパイラルダクトの速度変換との比を示すタービンの反応率は、従って、従来技術から知られているタービンでは0.4以下である。これに対して、本発明に基づくエグゾーストターボチャージャを用いることにより、タービン全勾配の勾配分割が、作動中に変更可能となり、0.5を上回る反応率が達成される。流路断面積Aλ、AEGRの合計は、従来技術と比べ大きく形成されていることから、製造技術的制限に関する要求は僅かしかなく、従って、タービンハウジングの製造に低コストの砂型鋳造法又は同様の方法を用いることに問題はない。
本発明の有利な実施形態では、タービンの面積比Qが少なくとも0.45及び好ましくは少なくとも0.5であるように準備されている。これにより、より大きな質量排気ガス流にとって効率が高められ、エグゾーストターボチャージャの全体的特性は、エア供給に関して広い作動範囲で有利になる。従って、この多流タービンは、他とは異なり、設計点において0.45又は0.5の反応率を有している。
さらなる利点は、第1のスパイラルダクトの最小流路断面積Aλとタービンホイールダクトのホイール出口断面積Aとの面積比Qλが最低0.35であることによって生じる。特に第1のスパイラルダクトが、いわゆるラムダ・スパイラルとして排気ガスシステム内に配置されている場合、排気ガス再循環質量損失が生じないため、相応に効率を改善することができる。
もう1つの有利な実施形態では、第1のスパイラルダクトの最小流路断面積Aλとタービンホイールダクトのホイール出口断面積Aとの面積比Qλが、少なくとも0.4、好ましくは少なくとも0.5、特に少なくとも0.6であるように準備されている。このような方法で、第1のスパイラルダクトは、最適な反動タービンに従って、相応に高い反応率で作動することができ、このことから、とりわけ高いタービン効率を達成することができるようになるため、エグゾーストターボチャージャの全体的特性は、エア供給に関して広い作動範囲で特に有利になる。
本発明のもう1つの有利な実施形態では、第2のスパイラルダクトの最小流路断面積AEGRとタービンホイールダクトのホイール出口断面積Aとの面積比QEGRが、最大0.3であるように準備されている。特に、第2のスパイラルダクトがいわゆるEGRスパイラルとして形成されている場合、第2のスパイラルダクトは、衝動タービンに従って、反応率0.3以下で作動することができる。それぞれの面積比QEGRは、好ましくは内燃機関のEGR要求に応じて選択される。
さらなる利点は、第2のスパイラルダクトの最小流路断面積AEGRとタービンホイールダクトのホイール出口断面積Aとの面積比QEGRが、最大0.28、好ましくは最大0.25、特に最大0.1であることによって生じる。このことにより、特に厳しい排出ガス規制にも対応することができ、組み込まれている内燃機関の排気ガス特性は相応に改善される。
本発明のもう1つの有利な実施形態では、第1又は第2のスパイラルダクトの合流部分における、第1のスパイラルダクトの最小流路断面積Aλ及び/又は第2のスパイラルダクトの最小流路断面積AEGRが、タービンホイールダクトの中に設けられるように準備されている。この方法により、最小流路断面積Aλ又はAEGRは、高速の排気ガス流速度を発生させるためのリングノズルとして有利に機能する。
本発明のもう1つの有利な実施形態では、第1又は第2のスパイラルダクトが、少なくとも2つの流体的に分離されたスパイラルセグメントダクトを含み、これらのダクトは、内燃機関の異なる排気ガスラインに連結可能であるように準備されている。この方法により、少なくとも3流に形成されたタービンを備えるエグゾーストターボチャージャが作られ、スパイラルセグメントダクトは、個々のシリンダ又はシリンダグループの膨張作業を有効利用することによってパルス充電モードを可能にする。このことにより、内燃機関の下方の負荷及び回転数範囲も最適にコントロールされるため、内燃機関のより広い作動範囲にわたって顕著な効率改善が保証される。流路断面積Aλ又はAEGRは、この場合、少なくとも2つのスパイラルセグメントダクトの流路断面積の合計を表している。スパイラルセグメントダクトの数は、ここでは、シリンダ又はシリンダグループの数に合わせることができる。同様に、両方のスパイラルダクトが、2つ又はそれより多くのスパイラルセグメントダクトを有しているように準備することもできる。代替として又は追加的に、エグゾーストターボチャージャのタービンが3つ又は複数のスパイラルダクトを含むように準備することができる。
タービンの特性を内燃機関の作動状態にうまく適合させることができるように、もう1つの実施形態において有利であるのは、タービンがガイドグリル装置を含んでいることである。これにより、ガイドグリル装置の形状設計に応じて、流れを制御することが可能となる。この場合、ガイドグリル装置は動けるように形成することができ、それによって、排気ガスの取入れを、負荷又は流速に応じて有利に適合させることができる。ガイドグリル装置は、このために、例えば、並進運動及び/又は回転運動ができるように、タービンハウジング内に支持され得る。
特別な利点は、第1のスパイラルダクトの最小流路断面積Aλ及び/又は第2のスパイラルダクトの最小流路断面積AEGRが、ガイドグリル装置によって形成されている場合、及び/又はライトグリル装置を用いて調整可能である場合に生じる。この方法で、タービンの形状変動性がとりわけ高くなり、それに対応して、フローガイドを最適に調整することができるようになる。また、これにより、該当するスパイラルダクトがガイドグリル装置の上流で、拡大された断面積を備えることができるため、効率をさらに向上させることができる。
本発明のもう1つの側面は、排気ガスシステムの少なくとも2つの排気ガスラインに接続されている少なくとも2つのシリンダ又は2つのシリンダグループを含む内燃機関と、内燃機関の吸気システムに配置されているコンプレッサ及び内燃機関の排気ガスシステムに配置されているタービンを含むエグゾーストターボチャージャと、を備える自動車に関する。このタービンには、タービン側に、第1の排気ガスラインに連結された少なくとも1つの第1のスパイラルダクトと、第2の排気ガスラインに連結された第2のスパイラルダクトと、ハービンハウジングのタービンホイールダクトの範囲内に配置されたタービンホイールと、を備えるタービンハウジングが含まれている。この場合、ベアリングシャフトによってトルク耐性に(共回転するように)タービンホイールと連結されている、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、少なくとも2つのスパイラルダクトから送られる内燃燃機関の排気ガスがこのタービンホイールに当てられる。ここでは、エグゾーストターボチャージャが、前述の実施例のいずれか1つに従って形成されることにより、内燃機関又は自動車への要求が著しく過度になっても、できるだけ少ない製造コストで効率を改善することができる。これによって生じる利点は、該当する説明を参照することができる。
本発明のさらなる利点、特徴及び詳細は、実施例及び図に基づく以下の説明によって生じる。
実施例に基づく、エグゾーストターボチャージャを備える自動車の内燃機関の原理図である。 図1に示されているエグゾーストターボチャージャのタービンの側面の断面図である。 エグゾーストターボチャージャのタービンのタービン特性曲線である。
図1は、実施例に基づく、エグゾーストターボチャージャ12を備える自動車(図示されていない)の内燃機関10の原理図である。この場合、内燃機関10には、エアフィルタ16を備える周知の吸気システム14が含まれている。エアフィルタ16の下流には、エグゾーストターボチャージャ12のコンプレッサ18が配置されている。コンプレッサ18は、コンプレッサホイール20を有し、このコンプレッサホイールは、ベアリングシャフト22によって、以下に詳しく述べるエグゾーストターボチャージャ12のタービン26のタービンホイール24とトルク耐性に接続されている。吸気システム14は、コンプレッサホイール20の下流にインタークーラ28を有している。内燃機関10は、本実施例においては、ディーゼルエンジンとして形成されており、6つのシリンダ30a〜fを有し、個々のシリンダ30a〜fは、ガス交換の際に互いに影響を与えないように、2つのシリンダグループ32a、32bに分けられている。シリンダグループ32a、32bは、内燃機関10の排気ガスシステム36の分離された2つの排気ガスライン34a、34bによって、エグゾーストターボチャージャのタービン26と接続されている。シリンダ30a〜cとタービン26との間には、バルブ40と排気ガスクーラ42とを備える排気ガス再循環装置38が設けられており、この装置を用いて、排気ガスライン34aの排気ガスを吸気システム14に送ることができる。これに対して、タービン26の上流には、吹き出しバルブ46を装備したバイパスライン44が設けられ、必要に応じて、このラインから排気ガスをタービン26に送ることができる。バイパスライン44と吹き出しバルブ46とは、この場合、タービン26のタービンハウジング50に組み込まれている。タービン26の下流には、最後に、排気ガス浄化が行われる排気ガス後処理システム48が排気ガスシステム36に配置されている。
エグゾーストターボチャージャ12のタービン26を、タービン26の側面の断面図である図2と併せて以下に説明する。低コストの砂型鋳造部品として形成されている、タービン26のハウジング50には、第1の排気ガスライン34aに連結されている第1のスパイラルダクト52aと、第2の排気ガスライン34bに連結されている第2のスパイラルダクト52bと、タービンホイールダクト54の内部に配置されているタービンホイール24と、が含まれており、このタービンホイールは、ベアリングシャフト22によってコンプレッサホイール20に接続されている。スパイラルダクト52aは、この場合、出口側に配置され、ほぼ360°のかかり角を備えるフルスパイラルとして形成されており、スパイラルダクト52bはベアリング側に配置され、360°以下のかかり角を備える部分スパイラルとして形成されている。しかし、基本的には、両方のスパイラルダクト52a、52bとも、フルスパイラル及び/又は部分スパイラルとして形成することができる。同様に、少なくとも1つのスパイラルダクト52a又は52bは、タービンハウジング50の周辺に配分されている2つ又はそれ以上のセグメントダクトを備えるセグメントスパイラルとして形成されており、これらのセグメントダクトは、同じ数の排気ガスライン34と連結される。ここでは、スパイラルダクト52aが、その保持性能によって内燃機関10の必要な空燃比を調達する、いわゆるラムダ・スパイラルとして形成されている。第2のスパイラルダクト52bは、これに対して、いわゆる排気ガス再循環スパイラル(EGRスパイラル)として働き、エグゾーストターボチャージャ12又はタービン26の、排気ガス再循環性能を調整している。
内燃機関10への要求が著しく過度になっても、できるだけ少ない製造コストで効率の改善を可能にするため、本実施例におけるタービン26の面積比Qには、Q=(Aλ+AEGR)/A≧0.50が当てはまり、Aλは第1のスパイラルダクト52aの最小流路断面積を示し、AEGRは第2のスパイラルダクト52bの最小流路断面積を示し、Aはタービンホイール24の出口部分にあるタービンホイールダクト54のホイール出口断面積を示す。さらに、第1のスパイラルダクト52aの最小流路断面積Aλとタービンホイールダクト54のホイール出口断面積Aとの面積比Qλは少なくともQλ=Aλ/A=0.4であり、第2のスパイラルダクト52bの最小流路断面積AEGRとタービンホイールダクト54のホイール出口断面積Aとの面積比QEGRは最大QEGR=AEGR/A=0.25である。代替として、面積比Qλ≧0.5が選択されるように準備することができる。面積比QEGRは、内燃機関10のEGR要求に応じて決定され、従って0.25以下、必要に応じて0.1以下になるように準備することもできる。代替として、流路断面積Aλ、AEGRが、ガイドグリル装置(図示されていない)によって形成されているように準備することができ、これによって、該当するガイドグリルの上流で、スパイラルダクト52a、52bが拡大された断面積をもつように形成できるため、さらに効率を上げることができる。
図3は、エグゾーストターボチャージャ12のタービン26のタービン特性曲線である。この場合、縦座標には流動率パラメータD((kg(K)1/2)/(sbar))が示され、横座標には、スパイラルダクト52a、52bのフランジ入口での圧力p3tとタービンホイール24後の圧力pとのタービン圧力比T=p3t/pが示されている。流動率線K1〜3は、ここでは様々な回転数に対して示されている。
流動率線Kは、スパイラルダクト52a、52bが開いている場合の流動率を示している。流動率線Kは、スパイラルダクト52aが開いており、スパイラルダクト52bが閉じている場合の流動率を示し、流動率線Kは、スパイラルダクト52bが開いており、スパイラルダクト52aが閉じている場合の流動率を示している。

Claims (11)

  1. タービン(26)とタービンホイール(24)とを備え、前記タービン(26)は、少なくとも1つの第1及び第2のスパイラルダクト(52a、52b)を備えるタービンハウジング(50)を含み、前記スパイラルダクトが、それぞれ、内燃機関(10)の排気ガスシステム(36)の複数の排気ガスライン(34a、34b)の少なくとも1つと連結可能であり、互いに無関係に排気ガスを流すことができ、前記タービンハウジング(50)のタービンホイールダクト(54)の内部に配置されている前記タービンホイール(24)は、エグゾーストターボチャージャ(12)のコンプレッサ(18)の、ベアリングシャフト(22)によってトルク耐性に前記タービンホイールと連結されているコンプレッサホイール(20)を駆動するために、少なくとも2つの前記スパイラルダクト(52a、52b)から送られる前記内燃燃機関(10)の排気ガスを当てられる、自動車の内燃機関(10)用エグゾーストターボチャージャ(12)であって、
    前記タービン(26)の面積比Qは0.4よりも大きい数値を有しており、前記タービン(26)の前記面積比QはQ=(Aλ+AEGR)/Aによって求められ、Aλは前記第1のスパイラルダクト(52a)の最小流路断面積を示し、AEGRは前記第2のスパイラルダクト(52b)の最小流路断面積を示し、Aは前記タービンホイールダクト(54)のホイール出口断面積を示すことを特徴とするエグゾーストターボチャージャ(12)。
  2. 前記タービン(26)の前記面積比Qが、少なくとも0.45、好ましくは少なくとも0.5であることを特徴とする、請求項1に記載のエグゾーストターボチャージャ(12)。
  3. 前記第1のスパイラルダクト(52a)の前記最小流路断面積Aλと前記タービンホイールダクト(54)の前記ホイール出口断面積Aとの面積比Qλが、少なくとも0.35であることを特徴とする、請求項1又は2に記載のエグゾーストターボチャージャ(12)。
  4. 前記第1のスパイラルダクト(52a)の前記最小流路断面積Aλと前記タービンホイールダクト(54)の前記ホイール出口断面積Aとの面積比Qλが、少なくとも0.4、好ましくは少なくとも0.5、特に少なくとも0.6であることを特徴とする、請求項3に記載のエグゾーストターボチャージャ(12)。
  5. 前記第2のスパイラルダクト(52b)の前記最小流路断面積AEGRと前記タービンホイールダクト(54)の前記ホイール出口断面積Aとの面積比QEGRが、最大0.3であることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか一項に記載のエグゾーストターボチャージャ(12)。
  6. 前記第2のスパイラルダクト(52b)の前記最小流路断面積AEGRと前記タービンホイールダクト(54)の前記ホイール出口断面積Aとの面積比QEGRが、最大0.28、好ましくは最大0.25、特に最大0.1であることを特徴とする、請求項5に記載のエグゾーストターボチャージャ(12)。
  7. 前記第1又は前記第2のスパイラルダクト(52a、52b)の合流部分における、前記第1のスパイラルダクト(52a)の前記最小流路断面積Aλ及び/又は前記第2のスパイラルダクト(52b)の前記最小流路断面積AEGRが、前記タービンホイールダクト(54)の中に設けられていることを特徴とする、請求項1〜6のいずれか一項に記載のエグゾーストターボチャージャ(12)。
  8. 前記第1又は前記第2のスパイラルダクト(52a、52b)が、流体的に分離された少なくとも2つのスパイラルセグメントダクトを含み、該スパイラルセグメントダクトは、前記内燃機関(10)の異なる排気ガスライン(34a、34b)に連結可能であることを特徴とする、請求項1〜7のいずれか一項に記載のエグゾーストターボチャージャ(12)。
  9. 前記タービン(26)が、ガイドグリル装置を含んでいることを特徴とする、請求項1〜8のいずれか一項に記載のエグゾーストターボチャージャ(12)。
  10. 前記第1のスパイラルダクト(52a)の前記最小流路断面積Aλ及び/又は前記第2のスパイラルダクト(52b)の前記最小流路断面積AEGRが、ガイドグリル装置によって形成されている、及び/又はガイドグリル装置を用いて調整可能であることを特徴とする、請求項9に記載のエグゾーストターボチャージャ(12)。
  11. 内燃機関(10)とエグゾーストターボチャージャ(12)とを備える自動車であり、前記内燃機関が、排気ガスシステム(36)の少なくとも2つの排気ガスライン(34a、34b)に接続されている少なくとも2つのシリンダ(30a〜f)又は2つのシリンダグループ(32a、32b)を含み、エグゾーストターボチャージャ(12)は、前記内燃機関(10)の吸気システム(14)に配置されているコンプレッサ(18)及び前記内燃機関(10)の排気ガスシステム(36)に配置されているタービン(26)を含み、該タービン(26)は、第1の排気ガスライン(34a)に連結されている少なくとも1つの第1のスパイラルダクト(52a)と、第2の排気ガスライン(34b)に連結されている第2のスパイラルダクト(52b)と、タービンハウジング(50)のタービンホイールダクト(54)の内部に配置されているタービンホイール(24)とを備える前記タービンハウジング(50)を含み、前記タービンホイール(24)は、エグゾーストターボチャージャ(12)の前記コンプレッサ(18)の、ベアリングシャフト(22)によってトルク耐性に前記タービンホイールと連結されているコンプレッサホイール(20)を駆動するために、少なくとも2つの前記スパイラルダクト(52a、52b)から送られる前記内燃燃機関(10)の排気ガスを当てられ、
    前記エグゾーストターボチャージャ(12)が、請求項1〜9のいずれか一項に従って形成されていることを特徴とする自動車。
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