JP4447866B2 - 排気タービン過給機 - Google Patents

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Description

本発明は、ハウジングと該ハウジング内において回転軸線の回りで回転可能に配置された軸とを備えた排気タービン過給機で、該軸にタービン翼車とコンプレッサー翼車が配置され、且つ、該軸が磁気軸受として設計されたラジアル軸受と少なくとも1つのスラスト軸受との中に案内されており、その際、該軸受がそれぞれ、該軸上に配置された支持ディスクと、少なくとも1つの側が軸方向にそれと隙間を形成しながら向き合っている少なくとも1つのステーターとを備えている排気タービン過給機に関するものである。さらに本発明はその種の排気タービン過給機を冷却するための方法に関するものでもある。
排気タービン過給機は内燃機関の効率の改善とともに出力の増強に役立つ。排気タービン過給機は、一方の端部にタービンホイールすなわち翼車と他方の端部にコンプレッサーホイールすなわち翼車が配置された軸を備えている。タービン翼車は内燃機関の排気ガス流によって加圧(beaufschlagen)されるが、その際基本的には排気ガスの熱エネルギーの一部がタービン翼車によって回転運動に転換される。軸を介してコンプレッサー翼車が駆動され、該コンプレッサー翼車は外気(Frischluft)を吸入し、それを正圧すなわち過給圧(Uberdruck)で内燃機関の吸気口へと流入させ、それによって体積効率(Fullungsgrad)を改善する。
排気タービン過給機の軸を支える軸受には、高い要件が課せられている。一つには軸が３００．０００rpmという高い回転数にまで達することである。もう一つは排気タービン過給機とその軸受が高温にさらされることである。さらに別の問題は、タービン翼車にぶつかる排気ガス流が強い軸方向力を惹き起こし、その力がスラスト軸受で受け止められなければならないという点である。高い回転数のことを考えて、できるだけ振動が惹き起こされないように、排気タービン過給機の回転部分はきわめて正確にバランシング(auswuchten)されなければならない。これらすべての場合にさらに留意されなければならないのは、排気タービン過給機が作動する非常に幅広い温度範囲が、材料の膨張による軸受の歪み(Verspannungen)をもたらさないようにするという点である。
軸を支える軸受としてはこれまでもっぱらすべり軸受か又は転がり軸受だけが用いられている。上述の諸応力(Beanspruchungen)に目を向ければ、それらの軸受は著しい磨耗を免れないし、その潤滑と同じぐらい約８０％ほど、排気タービン過給機の故障の原因となる。それに比べると、軸を支える磁気軸受は、潤滑剤としての油の使用を放棄できるという利点が期待される。これによって自動車に対する厳しい排出基準は遵守できるし、タービン過給機の信頼性は高められる。そのうえ、こうした軸受はローターをその重心軸線(Schwerpunktachse)で支えるものなので、磁気軸受であれば、回転する構成部分のバランシング(Wuchten)の軽減どころかそれの回避という利点が得られる。その上さらに磁気軸受には、従来の油潤滑式すべり軸受あるいは転がり軸受と比べて、考慮すべき点が一つある。軸の熱の少なからぬ部分が、後者では流れ通る潤滑油によって排出されるのに対して、磁気軸受の場合はそうではない。その結果は、軸受ハウジング内にある空気の加熱であるが、しかしそこの空気は、使用される磁石の許容最高温度を越えてはならない。NdFeB磁石の使用の場合にはその限界は約１３０℃である。
それゆえ本発明の基礎となっている課題は、磁石の範囲で最大限許容温度を越えない永久磁石軸受を備えた排気タービン過給機を用意することである。
この課題の解決のために提案されているのが、請求項１に記載された特徴の組み合わせである。すなわち、本発明は、ハウジングと、該ハウジング内において回転軸線の回りで回転可能に配置された軸とを備えた排気タービン過給機で、該軸にタービン翼車とコンプレッサー翼車が配置され、且つ、該軸が磁気軸受として設計されたラジアル軸受と少なくとも1つのスラスト軸受との中に案内されており、その際、軸受がそれぞれ、軸上に配置された支持ディスクすなわち回転ディスクと、少なくとも1つの側が軸方向にそれと隙間を形成しながら向き合っている少なくとも1つのステーターとを備えている、排気タービン過給機において、ハウジング内に少なくとも１つの空気通路が形成されており、該空気通路を通して少なくとも１つの軸受隙間に空気流の負荷が加えられ得ることに特徴を有する。
本発明による排気タービン過給機においてはまた、スラスト軸受は、支持ディスクと、該支持ディスクを囲むヨークウェブと、軸方向に逆分極化されると共にヨークウェブに突き合わせ配置される２つの永久磁石と、この永久磁石を取り囲む電磁トロイダルコイルとを備え、前述の支持ディスクの撓みを阻止するように電磁トロイダルコイルへの電力供給が制御される。
本発明の主旨は、磁気軸受の必然的に存在する軸受隙間(Lagerspalt)を強制冷却のために利用することにある。それゆえ、ハウジング内に少なくとも１つの空気通路すなわち風洞(Stromungskanal)が形成されていて、該風洞を通して少なくとも１つの軸受隙間に空気流の負荷が加えられ得る(mit einem Luftstrom beaufschlagbar)ということが、本発明により提案されている。該空気流は優先的に、エンジンのために圧縮された空気の部分流としてコンプレッサーハウジングで分岐される。このことは、少なくとも1つの風洞がタービン過給機のコンプレッサーハウジングにつながっていることによって達成できる。該風洞は、ハウジングの幾何学的設計しだいで必要の場合は少なくとも部分的に、ハウジングの外部に延びるパイプライン(Leitung)によって形成されていることがあり得る。
排気タービン過給機は通常は少なくとも２つのラジアル軸受と１つのスラスト軸受を備えているだろう。それゆえ本発明の第一の代替形態により、個別の風洞すなわち空気通路がそれぞれの軸受ないしは軸受隙間へ通じていることが可能である。しかし、構造上もっと簡単に実現しうる本発明の優先順位第二の代替形態により考慮されているのは、ハウジング内に形成されたさらに別の風洞を介して軸受の隙間が互いに連通(kommuniyieren)しており、したがって空気流がそこを連続して貫流できるという点である。そのさい風洞すなわち空気通路は優先的にタービン翼車に最も近い軸受へ通じており、その軸受が最大の温度応力(Temperaturbelastung)にされされている、それゆえ優先順位第一の軸受としてその軸受には、とりあえずまだ比較的冷えている空気流が貫流されるべきであろう。
軸受隙間に通された空気流の排出のためには、空気流のための少なくとも１つの排出口(Austrittsoffnung)がハウジングに設けられているのが合目的である。その排出は次のような代替策によっても特に簡単に達成できる。つまり、軸のために通常コンプレッサー翼車の範囲に設けられているパッキンリング(Dichtungsring)を省くことによって、軸とハウジングの間に環状隙間(Ringspalt)が残り、その環状隙間を通って空気流が流れ出ることができるということで、その排出は達成できる。
軸受のための冷却空気の必要量は、タービン過給機によって加圧(beaufschlagen)されたエンジンの空気必要量(Luftbedaruf)に比べて少ないので、圧力のかかっているコンプレッサーハウジングにつながる風洞すなわち空気通路の横断面は、エンジンへ通じる圧縮空気用パイプラインの横断面に比べて小さいのが可能である。冷却空気の分岐による圧力損失はさほど危惧すべきものではなく、この分岐によってエンジン出力の損失が生じることもない。それゆえ、基本的に冷却空気は外部の空気源によっても供給できるにしても、上述の分岐は最も簡単でコストも最も安い解決策である。
排気タービン過給機の磁気軸受を冷却するための本発明による方法━つまり、排気タービン過給機がハウジングと該ハウジング内でその前後軸に回転可能に配置された軸とを備え、該軸上にタービン翼車とコンプレッサー翼車が配置され、且つ、該軸受が、軸上に配置された支持ディスクすなわち回転ディスクと、該支持ディスクから隙間(Luftspalt)によって切り離されたハウジング固定ステーターとを備えているところの、本発明による方法は、その軸受隙間に空気流の負荷を加える(mit einem Luftstrom beaufschlagen)ことを考慮している。その空気流は優先的に、コンプレッサー翼車によって圧縮された空気の部分流として分岐されており、ハウジング通路(Gehausekanal)を介して軸受隙間の少なくとも１つへ案内されることができる。設置された複数の軸受には、相互依存なしに空気流の負荷を加えることができるか、それとも、それらの軸受が流れに従って互いに結びついている限りは、逐次、空気流の負荷を加えることができるかのどちらかである。その空気流は優先的にタービン翼車側からコンプレッサー翼車側へ軸受隙間を介して案内され、少なくとも１つの軸受隙間の貫流後に、排出口を経てハウジングの外の範囲へ導かれるが、そのさい、コンプレッサー翼車側の軸パッキンリング(Wellendichtring)を省くことによって、該排出口を作り出すことが可能である。
図面に図示された実施例に基づいて本発明が以下で詳しく説明される。
以下、図面に図示された実施例に基づいて本発明が以下で詳しく説明される。
図１に示された排気タービン過給機１には軸２があり、その軸の左側端部にはコンプレッサー翼車３が、右側端部にはタービンホイールすなわちタービン翼車４が配置されている。コンプレッサーホイールすなわちコンプレッサー翼車３はそれ自体公知の仕方で遠心圧縮機(Radialverdichter)として設計されている。
コンプレッサー翼車３とタービン翼車４の間には２つのラジアル軸受５，６が配置されている。ラジアル軸受５，６はそれぞれコンプレッサー翼車３とタービン翼車４に隣接している。それらの間には溝７，８が設けられており、その溝はシーリングリング(Dichtring)を受け入れるのに用いられるが、そのさいにシーリングリングは、約±0,15mmの基準遊び(typisch Spiel)のある境界軸受(Begrenzungslager)を形成する。ラジアル軸受５，６の間にはスラスト軸受９が配置されている。
図1の上の部分から見て取れるとおり、軸２は全部で６つのリングに取り囲まれており、それらのリングは、軸２に設けられたカラー１０の方へ軸方向に押さえ付け(verspannen)られている。溝７の付いた第一の軸スリーブ１１のあとには、支持ディスク１２、第二の軸スリーブ１３、支持ディスク１４、第三の軸スリーブ１５、さらに別の支持ディスク１６が続く。
支持ディスクすなわち回転ディスク１２，１６はラジアル軸受５，６に属する。それらはそれぞれ両側を、横断面がＵ形で、軸２を同軸状に取り囲むヨーク１７，１８によって囲まれるが、その場合にそれぞれのヨーク１７，１８には、ヨーク１７，１８の脚部を成す一対のラジアル軸受ステーター１９，２０ないしは２１，２２がある。ラジアル軸受ステーター１９，２０，２１，２２と支持ディスク１２，１６には、両方のラジアル軸受５，６においてそれぞれ軸方向に向き合う永久磁石２３，２４，２５，２６ないしは２７，２８，２９，３０がある。それらの永久磁石は分極化(polarisieren)されていて、それぞれ互いに引き合うので、支持ディスク１２，１６とラジアル軸受ステーター１９，２０，２１，２２の間の隙間(Spalt)には、軸方向の引き寄せる磁界が生じる。それらの磁界が軸2を中心点に合わせるのであり、そのさい例えば１６０kN/mのラジアル剛性(Radialsteifigkeit)が達成される。
ヨーク１７，１８は半径方向の外側を、樹脂材料(Kunststoffmaterial)でできた円筒リングとして設計された弾性要素６０，６１によって取り囲まれる。発生する振動をできるだけ効果的に減衰させることができるように、リング６０，６１は一方では、ヨーク１７，１８の半径方向外側の面と、他方では、そのヨーク１７，１８に軸方向にオーバーラップ(ubergreifen)するハウジングディスク３７，３８のフランジの半径方向内側の面と隙間なく結合されている。ハウジングディスク３７，３８は、タービン過給機の詳しくは図面に描かれていないハウジングと結合されている。リング６０，６１は、ヨーク１７，１８の半径方向運動によって圧縮負荷を加えられるのであり、このようにしてその半径方向運動を減衰させる。リング６０，６１のバネ剛性は２００kN/m〜６００kN/mの範囲にある。リング６０，６１の減衰定数は約１００kg/s〜３００kg/sである。
支持ディスクすなわち回転ディスク１４はスラスト軸受９に属する。その支持ディスクは積層ケイ素鋼(geblechtes Sl-Eisen)製のリングヨーク４７によって両側を囲まれている。リングヨーク４７は両ハウジングディスク３７，３８の間にはめ込まれ、固定されている。そのリングヨークには外側ヨークカバー４８があり、その外側ヨークカバーから２つの内向きヨークウェブ４９，５０が始まるのであり、そのヨークウェブはＬ形横断面になっていて、互いに向き合ったウェブ部分で支持ディスク１４すなわち回転ディスクを囲んでおり、そのさい2つの磁性隙間５１，５２が生じる。支持ディスク１４の円周側に隣接してリングヨーク４７の内部には２つの永久磁石５３，５４が軸方向に並置されており、それらの永久磁石は━三角記号で表されているように━軸方向に逆分極化(entgegengesetzt axial polarisieren)されている。それらの永久磁石は並置されていて、ヨークウェブ４９，５０に突き合せになっている。それらの永久磁石は電磁トロイダルコイル(Ringspule)５５に取り囲まれており、そのコイルは、永久磁石５３，５４とヨークカバー４８とヨークウェブ４９，５０の間のスペースを占めている。
軸方向における軸2の磁性不安定(magnetisch Instabilitat)のゆえに、スラスト軸受９を介して軸方向の安定化(Stabilisierung)が惹き起こされなければならない。支持ディスク１４の軸方向の撓み(Auslenkung)のさいに、それは次のように行われる。つまり、（ここでは詳しく示されていないが先行技術では公知の）センサーによってその撓みが検出され、それによって（同じく示されていない）コントローラー(Regler)がトロイダルコイル５５への電力供給(Stromzuflus)を制御し、追加磁束が作り出され、その追加磁束が全体としてスラスト軸受９の範囲内の非対称磁束分布をもたらし、支持ディスクの撓みを阻止するということで、それは行われる。
支持ディスク１２，１４，１６とそのステーター１９，２０、２１，２２ないしヨークウェブ４９，５０の間には隙間が形成されており、それらの隙間は、本質的に軸中心線(Wellenachse)に沿って延びる風洞によって互いにつながっている。軸受６には風洞６２を通して圧縮空気が加えられるが、その圧縮空気は、コンプレッサーハウジング６４につながるパイプライン６５を通して供給される。そのさい冷却空気流は軸受６、９、５の軸受隙間を順々に流れ通り、軸受ハウジング(Lagergehause)３９ないしはコンプレッサーハウジング背壁(Verdichtergehausenruckwand)に選択的にか又は一緒に設けられた排出口６３，６６を通って流れ出る。タービン過給機の運転中に発生する熱はこのようにして温度に比較的敏感な磁気軸受から排出される。
軸受ハウジングの一部が一緒に描かれている排気タービン過給機の側面図であって、軸を支える軸受の上の部分が部分断面図になっており、軸受に空気流の負荷を加えるために軸受ハウジングに設けられた風洞が一緒に描かれている図である。
符号の説明
１ 排気タービン過給機(Abgasturbolader) ２ 軸
３ コンプレッサー翼車 ４ タービン翼車
５ ラジアル軸受 ６ ラジアル軸受
７ 溝 ８ 溝
９ スラスト軸受(Axiallager) １０ カラー(Bund)
１１ 軸スリーブ(Wellenhulse) １２ 支持ディスク(Lagerscheibe)
１３ 軸スリーブ １４ 支持ディスク
１５ 軸スリーブ １６ 支持ディスク
１７ ヨーク(Joch) １８ ヨーク
１９ ラジアル軸受ステーター ２０ ラジアル軸受ステーター
２１ ラジアル軸受ステーター ２２ ラジアル軸受ステーター
２３〜３０ 永久磁石 ３４ 環状磁石(Ringmagnet)
３７ ハウジングディスク(Gehausescheibe) ３８ ハウジングディスク
４７ リングヨーク(Ringjoch) ４８ ヨークカバー(Jochmantel)
４９ ヨークウェブ(Jochschenkel) ５０ ヨークウェブ
５１ 磁性隙間(Magnetspalt) ５２ 磁性隙間
５３ 永久磁石 ５４ 永久磁石
５５ トロイダルコイル(Ringspule)
６０、６１ 弾性要素(federelastisch Element)
６２，６５ 空気通路すなわち風洞


Claims (9)

  1. ハウジングと、該ハウジング内において回転軸線の回りで回転可能に配置された軸（２）とを備えた排気タービン過給機（１）で、該軸にタービン翼車（４）とコンプレッサー翼車（３）が配置され、且つ、該軸が磁気軸受として設計されたラジアル軸受（５，６）と少なくとも1つのスラスト軸受（９）との中に案内されており、その際、軸受（５，６，９）がそれぞれ、軸（２）上に配置された支持ディスク（１２，１４，１６）と、少なくとも1つの側が軸方向にそれと隙間を形成しながら向き合っている少なくとも1つのステーター（１９、２０，２１，２２，４９，５０）とを備えている、排気タービン過給機において、
    ハウジング内に少なくとも１つの空気通路（６２，６５）が形成されており、該空気通路を通して少なくとも１つの軸受隙間に空気流の負荷が加えられ得るようになっており、また、
    前記スラスト軸受（９）は、支持ディスク（１４）と、前記支持ディスク（１４）を囲
    むヨークウェブ（４９，５０）と、軸方向に逆分極化されると共に前記ヨークウェブ（４
    ９，５０）に突き合わせ配置される２つの永久磁石（５３，５４）と、前記永久磁石（５
    ３，５４）を取り囲む電磁トロイダルコイル（５５）とを備え、前記支持ディスク（１４
    ）の撓みを阻止するように前記電磁トロイダルコイル（５５）への電力供給が制御される、 ことを特徴とする排気タービン過給機。
  2. 少なくとも1つの空気通路がタービン過給機（１）のコンプレッサーハウジング（６４）につながっていることを特徴とする請求項１による排気タービン過給機。
  3. 空気通路（６２，６５）が、少なくとも部分的に、ハウジングの外部に延びるパイプライン（６５）によって形成されていることを特徴とする請求項１又は２による排気タービン過給機。
  4. 個別の空気通路がそれぞれの軸受（５，６，９）へ通じていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項による排気タービン過給機。
  5. 軸受（５，６，９）の隙間が、ハウジング内に形成されたさらに別の空気通路を介して互いに連通していることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項による排気タービン過給機。
  6. 空気通路（６２，６５）が該軸受のうちの１つへのみ、つまり、好ましくはタービン翼車側の軸受（６）へ通じていることを特徴とする請求項５による排気タービン過給機。
  7. 軸受（５，６，９）を流れ通る空気のための少なくとも１つの排出口（６３，６６）がハウジング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１項による排気タービン過給機。
  8. 該排出口が、コンプレッサー翼車（３）の範囲におけるハウジングと軸（２）の間の隙間によって形成されていることを特徴とする請求項７による排気タービン過給機。
  9. 前記空気通路（６２，６５）の横断面が、エンジンへ通じる圧縮空気用パイプラインの横断面に比べて小さいことを特徴とする、請求項２〜８のいずれか１項による排気タービン過給機。
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