JP4459440B2 - 排気ガスターボチャージャタービン - Google Patents

Description

【発明の属する技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前提部分により詳細に定義された型式の排気ガスターボチャージャタービンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般型の排気ガスターボチャージャタービンについて、独国特許第４２ ３２４００ Ｃ１号に記載されている。この場合、通常動作で、特に内燃機関の部分負荷レンジ内で、排気ガス通路を制御するための案内羽根を有する調整可能な流動案内装置が、案内通路とタービンインペラとの間の流動間隙に配置されている。さらに、流動間隙に連続的に配置される調整可能な流動案内装置は、内燃機関の制動動作のためにも使用される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この場合の不都合は、案内羽根を有する流動案内装置によって部分負荷レンジ内でより優れた加速が達成されるが、全負荷動作時には、効率の損失と燃費の不利益が生じるという事実である。
【０００４】
排気ガスターボチャージャの排気ガスタービン用の同様の調整可能な流動案内装置が独国特許第４３ ０３ ５２０ Ｃ１号および同第４３ ０３ ５２１ Ｃ１号に開示されている。
【０００５】
従来技術に関して、欧州特許第０ ５７１ ２０５ Ｂ１号および米国特許第４，７７６，１６８号も参照することができ、各特許では、通常動作における排気ガスタービンの投入の程度を制御するための調整可能な流動案内装置が開示され、この場合エンジンブレーキ動作の使用も部分的に考慮されている。
【０００６】
本発明の目的は、内燃機関の制動動作時に高い制動性能が達成されるが、全負荷時において効率損失が生じないように、排気ガスターボチャージャタービンを設計することである。しかしながら、同時に、車両の動的な駆動挙動が改良されなければならない。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、上記目的は請求項１の特徴部分に述べられている特徴によって達成される。
【０００８】
概ね調整可能な案内羽根を有するガイドカスケードが、通常動作時に、排気ガス流量を制御するために流動間隙内に連続的に突出される従来技術と異なり、本発明によれば、固定されたガイドカスケードが使用され、このガイドカスケードは、通常動作時に、タービンハウジングのハウジング壁部の凹部に装着される。これは、流動間隙が通常動作時に完全に空いており、この理由のため全負荷動作中に効率損失をもはや我慢する必要がないということを意味する。
【０００９】
創意に富んだ方法では、ガイドカスケードによって、排気ガスターボチャージャの過給の潜在能力がエンジンブレーキ動作中にも利用される。このため、制動動作中に支持部を適切に軸方向に変位することによってガイドカスケードが流動間隙内に押入され、この場合、排気ガスタービンが低い残留ガス流動でも作動し続けるように、フローを最適化するため、径方向に案内羽根を配設することができる。一方で、これはエンジンを過給し、これによって、次にその結果として排気ガス側のガス流が増加され、他方、かくして排気ガス背圧も増加され、同時にタービンがさらに速く回転するのを可能にする。
【００１０】
このプロセスは、エンジンスピードがもはや増加しなくなる程度に排気ガス背圧が大きくなるまで繰り返される。追加の空気および燃焼空間内の追加の排気ガス背圧は、ピストンに対し非常に強力な制動効果を有するので、エンジン、したがって車両の制動作用が行われ、圧縮段階の終わりに、圧縮空気は、シリンダヘッドに追加的に配置されたバルブ、例えばコンスタントチョークを介して既知の方法で排気システムに放出される。このようにして、圧縮空気の形態のエネルギーは再びピストンに戻されない。
【００１１】
本発明による解決方法によって、エンジン構成要素の、特にインジェクションノズルの、熱負荷を同時に低減して、より高い制動性能が達成される。同時に、ターボチャージャがエンジンの制動中に作動し続け、また引き続く加速動作の間にチャージプレッシャが再びエンジンに直ちに存在するので、車両の動的な駆動挙動の改良が達成される。このようにして、いわゆるターボホールが避けられる。
【００１２】
案内羽根の軸方向変位に必要な小さなクリアランスは別として、実質的に閉鎖したハウジング壁部が、同時に空いた流動間隙が、案内羽根用のはめ合い側面形状の雌部片の形態で、案内羽根の領域のハウジング壁部が設計されることによって達成される。かくして、ターボチャージャ効率を害するであろう妨げとなる輪郭は、通常のターボチャージャ動作、すなわち点火動作時に、案内通路と流動間隙に配置されない。
【００１３】
本発明の有利な改良では、この制動装置は組立式モジュールとして設計し、またユニットとしてタービン内に押入することができる。この場合、少なくとも案内羽根を有するガイドカスケード、支持部および雌部片を形成するハウジング壁部はモジュールの部分となる。もちろん、必要ならばさらなる部分を一体化し、組立式モジュールとして排気ガスターボチャージャタービンに押入することが可能である。
【００１４】
本発明の有利な改良と展開が、従属請求項から、また図面を参考にして以下に原理的に説明する模範的な実施形態から理解される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
ダブルフロー渦巻き案内通路１ａと１ｂと、タービンインペラ２と、案内通路１ａと１ｂとタービンインペラ２との間の流動間隙３とを有する既知の構造形式の排気ガスターボチャージャタービンが、模範的な実施形態に示されている。タービンインペラ２を離れる排気ガス用の流動案内を形成する内部スリーブ５が、タービンハウジング４に配置されている。排気ガスフランジ７は、締付け帯金６を介してタービンハウジング４に接続されている。
【００１６】
流動間隙３の軸方向外側には、タービンインペラ２の縦軸に対し共軸に、軸方向に変位可能であるように、スリーブ８の形態の支持部が内部スリーブ５の外周に配設されている。流動間隙３に対面するスリーブ８のその端面から案内羽根９が突出し、この案内羽根は、ガイドカスケード１０を形成し、このために案内羽根９は、リング形状で円周に渡って適切に分布されるように配設される。図１に示した案内羽根９の押し戻りまたは押し込み状態では、案内羽根の前縁は、タービンハウジング４のハウジング壁１１のハウジング壁部１１ａと同一平面上にある。ハウジング壁部１１ａは内部スリーブ５と一体としてもよい。
【００１７】
ハウジング壁部１１ａの端面図は図２に部分的に見ることができ、この場合ハウジング壁部１１ａが凹部を備え、これによって案内羽根９用のはめ合い側面形状が形成されることを見ることができる。小さなギャップ３０（図２参照）を除いて、これは実質的に閉じたハウジング壁１１または１１ａをもたらす。ギャップ３０を通過する排気ガスの漏れは、スリーブ８の外周上のシールリング１２によって防止することができる。必要ならば、さらなるシールリングを内部スリーブ５の外周壁部とスリーブ８の内周壁部との間に設けてもよい。
【００１８】
案内羽根９の位置は、羽根の間に流動間隙１４を見ることができる図２に見ることができ、この流動間隙１４は、ガイドカスケード１０が伸びた状態、案内羽根９が制動動作中に流動間隙３内に突出した状態において、制御された排気ガスの通過を許容するために機能する。
【００１９】
あらゆる種類の作動装置を、流動間隙３の中に案内羽根９を伸ばしたり縮めたりするために、支持部またはスリーブ５を軸方向に変位させるのに利用することができる。
【００２０】
その実質的な部分を有する上述の制動装置は、組立式モジュールとして設計され、したがってユニットとしてタービンハウジングの中に挿入することができる。図から分かるように、このモジュールは、案内羽根９を有するガイドカスケード１０と、それに接続された支持部８と、内部スリーブ５と一体であるハウジング壁部１１ａと、フランジ７とから構成される。このモジュールは、組立中に排気ガスターボチャージャタービンに押入され、また常にタービンハウジング４の環状フランジと排気ガスフランジ７とを囲む締付け帯金６によって、タービンハウジング４に接続される。図１から特に見ることができるように、ハウジング壁部１１ａの輪郭は、ハウジング壁１１に適合され、この場合、案内羽根９が押込まれた状態では、流路内に妨げとなる縁部はない。
【００２１】
機械的解決方法が図１から図３に原理的に示され、力の直接導入による軸方向変位は、確実な方法で動作するほんの少数のコンポーネントのみによって達成される。このために、スリーブ８の外周には２つの向かい合う凹部１５が設けられ、そのそれぞれの中に調整突起部１６が突出している。調整突起部１６は調整シャフト１７を有し、調整シャフト１７はクランピングジョー１８の間に保持かつ装着される。それぞれにシャフト１７が装着される２つの向かい合うクランピングジョー１８は、タービンハウジング４の外側に湾曲形状で延在するスターラップ１９によって互いに接続される。調整装置の調整レバー２０はスターラップ１９に作用し、また、その調整レバー２０は、空圧シリンダ２３のピストンロッド２２に接続されたボール／ソケットジョイント２１を介して作動される。
【００２２】
図３に示すように、ガイドカスケード１０の２つの端部位置、すなわち延伸した位置と押戻した位置は、空圧シリンダ２３を介してスターラップ１９を適切に旋回することによって達成される。このために、調整突起部は、各々の場合にそれらに接続されたシャフト１７上に適切に偏心して着座する。調整突起部１６をスリーブ８に直接係合することによって、変位力が傾き傾向なしに軸に平行にスリーブ８に導入される。
【００２３】
調整突起部１６のシャフト１７はタービンハウジング４を通して外側に導かれる。ターボチャージャの内側から外側への接続も構成するシャフト１７を介したスターラップ１９から調整突起部１６へのトルク伝送のため、それに対応して長い通路を有する２つのシールリングギャップがあるだけなので、この結果シールリング１２が不具合の場合でも、排気ガスの漏れが大部分防止される。
【００２４】
スリーブ８’の空圧作動について、図４に原理的に示されている。図から分かるように、スリーブ８’は、後部端部に、すなわち流動間隙３から離れたスリーブ８’のその端部に環状面２４を有する上記目的のための環状ピストンとして設計され、この環状面２４はピストン面を形成する。圧縮空気供給部２６を有するピストン空間２５は環状面２４の後ろに配置されている。一般的に車両分配システムから行われる圧縮空気供給部２６を介した圧縮空気の供給が行われると、スリーブ８’は、流動間隙３の方向に軸方向に変位され、これによって、エンジンの制動動作中のみであるが、ガイドカスケード１０の案内羽根９はそれに応じてギャップ空間３に押出される。
【００２５】
ガイドカスケード１０をリセットするために、スプリング２７は、ピストン空間２５と反対側の環状面２４の側に作用し、スプリング２７はその他方の端部をタービンハウジング４によって支持される。
【００２６】
スプリング２７の代わりに、同様に環状面２４に作用して圧縮空気供給部２９も有するさらなるピストン空間２８を、この場所に配置することも可能である。
【００２７】
単純化のために、スプリング２７を有する解決方法およびピストン空間２８と圧縮空気供給部２９とを有する解決方法の両方を図４に示した。しかしながら、両方の解決方法はもちろん代替方法としてのみ提供されなければならない。
【００２８】
スプリング２７の配設は、ガイドカスケード１０が流動間隙３の中に押出される時に前記スプリングが予荷重を受け、これによって端部位置の減衰が達成されるという利点を有する。
【００２９】
圧縮空気の給気の場合は、端部位置減衰装置を一般的に設けなければならないが、必要な作動力がより小さいという利点を有する。機械的解決方法または機械的／空圧的解決方法と比較して、空圧的解決方法は、この場合には、必要な構成要素がより少なく、また装置が占める空間がより小さいというさらなる利点を有する。
【００３０】
この制動装置用の組立式モジュールを得るために、ハウジング壁部１１ａは、まさに図１から図３による模範的な実施形態のように、タービンハウジング４から分離され、また雌部片として設計されるが、ハウジング壁１１に対して連続的な移行部を形成する。ハウジング壁部１１ａは、詳細には示されていない方法で内部スリーブ５に接続される。まさに図１から図３による模範的な実施形態のように、ハウジング壁部１１ａは、排気ガスフランジ７に向かって配向されると共に支持部またはスリーブ８’用の案内部を形成する軸方向の外壁部を備える。
【００３１】
このようにして、図４に見ることができるように、案内羽根９を有するガイドカスケード１０、内部スリーブ５、スリーブ８’およびピストン空間２５を囲むハウジング部分、必要ならばまた排気ガスフランジ７が、組み立てて、ユニットとして排気ガスターボチャージャタービンの中に挿入することができるモジュールを形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 排気ガスターボチャージャタービンの図２のラインI−Iに沿った縦断面図である。
【図２】 排気ガスターボチャージャタービンの端面図（部分的に断面）である。
【図３】 図１による排気ガスターボチャージャタービンの平面図である。
【図４】 異なった設計の排気ガスターボチャージャタービンの（詳細な）縦断面図である。

Claims (11)

1. タービンハウジング内に配設された渦巻き案内通路と、タービンインペラと、前記案内通路と前記タービンインペラとの間の流動間隙と、ガイドカスケードを形成する案内羽根とを有する内燃機関の排気ガスターボチャージャタービンにおいて、
   前記案内羽根（９）を有する前記ガイドカスケード（１０）が、前記タービンハウジング（４）の軸方向に変位可能であるように配設された支持部（８、８’）から軸方向に突出し、当該案内羽根（９）が、前記タービンハウジング（４）のハウジング壁部（１１ａ）における、前記案内羽根（９）用のはめ合い側面形状を形成し雌部片の形態をした凹部に、通常動作において前記流動間隙（３）が完全に空くように装着され、
   前記内燃機関の制動動作時に前記案内羽根（９）が、前記支持部（８、８’）の軸方向変位中に、前記流動間隙（３）内に突出し、制動装置を形成する
   ことを特徴とする排気ガスターボチャージャタービン。
2. 前記支持部が、タービン羽根車（２）の縦軸に共軸に位置するスリーブ（８、８’）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タービン。
3. 前記スリーブ（８、８’）が、その外周壁部にシールリング（１２）を備える
   ことを特徴とする請求項２に記載の排気ガスターボチャージャタービン。
4. 前記支持部または前記スリーブ（８）が、その軸方向変位のために作動装置（１７−２３）を備え、調整部材（１６）が前記作動装置（１７−２３）に係合する
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の排気ガスターボチャージャタービン。
5. 前記作動装置が、前記支持部または前記スリーブ（８）内に、少なくとも２つの向かい合う凹部（１５）を有し、前記凹部（１５）の中に、調整装置（２０−２３）が作用するスターラップ（１９）を介して互いに接続された調整突起部（１６）が突出する
   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タービン。
6. 前記支持部または前記スリーブ（８’）が、油圧式または空圧式の作動装置（２４、２５、２６）を備える
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の排気ガスターボチャージャタービン。
7. 前記スリーブ（８’）がピストンであり、ピストン空間（２５）が、前記スリーブ（８’）の前記流動間隙（３）と反対の側に配置される
   ことを特徴とする請求項６に記載の排気ガスターボチャージャタービン。
8. 前記スリーブ（８’）をリセットするために、スプリング装置（２７）が前記スリーブ（８’）に作用する
   ことを特徴とする請求項６あるいは７に記載の排気ガスターボチャージャタービン。
9. 前記スリーブ（８’）をリセットするために、油圧式または空圧式のリセット装置（２８、２９）が設けられる
   ことを特徴とする請求項６あるいは７に記載の排気ガスターボチャージャタービン。
10. 前記スリーブ（８’）が第２のピストン空間（２８）を備え、前記第２のピストン空間（２８）が、前記流動間隙（３）と、前記スリーブ（８’）の前記流動間隙（３）と反対の側に配置されたピストン空間（２５）との間に配置される
    ことを特徴とする請求項７あるいは９に記載の排気ガスターボチャージャタービン。
11. 組立式モジュールである前記制動装置を前記タービン内に挿入することができ、この場合、少なくとも前記案内羽根（９）を有する前記ガイドカスケード（１０）と、前記支持部（８，８’）と、前記雌部片を形成するハウジング壁部（１１ａ）とが前記モジュールの部分である
    ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の排気ガスターボチャージャタービン。

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