(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
自動車の内燃機関（１０）のためのターボチャージャであって、
少なくとも第１及び第２のスパイラルダクトを含むタービンハウジング（１２）を備え、それぞれのスパイラルダクトは内燃機関（１０）の排気ガスシステム（１８）の複数の排気ガスライン（１６ａ、１６ｂ）の少なくとも１つと連結可能であり、それぞれのスパイラルダクトを介して相互に独立して排気ガスを通すことができ、
前記タービンハウジング（１２）の支持チャンバ（２０）の内部に配置されたタービンホイール（２２）を備え、前記少なくとも２つのスパイラルダクトを通って送られる、内燃機関の排気ガスを、軸受（２４）を介して共回転するように連結されているコンプレッサホイール（２５）を駆動するために該タービンホイールに当てることができ、
前記第１と第２のスパイラルダクトが相異なった巻き角（φＳ）を有し、
前記第１のスパイラルダクトが、１５０°よりも小さい巻き角（φＳ）を有し、
前記第２のスパイラルダクトが、少なくとも３５０°の巻き角（φＳ）又はフルスパイラルの巻き角（φＳ）を有し、
前記第１のスパイラルダクトが、前記軸受（２４）の側に、前記第２のスパイラルダクトが、前記タービンハウジング（１２）の中の排気ガス排出口（２６）の側に配置されるように、前記第１のスパイラルダクトと前記第２のスパイラルダクトが、前記タービンホイール（２２）の回転軸（Ｉ）に沿って並設されることを特徴とする、ターボチャージャ。
【請求項２】
前記第１の、及び／又は前記第２のスパイラルダクトが、前記支持チャンバ（２０）に対する合流部の中に、ノズル（２８ａ、２８ｂ）を含むことを特徴とする、請求項１に記載のターボチャージャ。
【請求項３】
前記ノズル（２８ａ）の断面幅（ｂＤ）が、少なくとも約４．５ｍｍであることを特徴とする、請求項２に記載のターボチャージャ。
【請求項４】
前記ノズル（２８ａ）の有効断面（ＡＤ）が、前記スパイラルダクトの前記巻き角（φＳ）、及び／又は該ノズル（２８ａ）の断面幅（ｂＤ）、及び／又は該ノズル（２８ａ）の半径（ｒＤ）、及び／又は前記ターボチャージャの効率に応じて形成されていることを特徴とする、請求項２又は３に記載のターボチャージャ。
【請求項５】
前記ノズル（２８ａ）の前記の有効断面（ＡＤ）が、公式
ＡD=ｒD＊２＊π＊ｂＤ＊ｓｉｎ（αＤ）＊（φＳ／３６０）
に従って形成されており、
ＡＤが、前記ノズル（２８ａ）の有効断面積を表し、
ｒＤが、前記タービンホイール（２２）の回転軸（Ｉ）との関係における前記ノズル（２８ａ）の半径を表し、
ｂＤが、該ノズル（２８ａ）の前記有効断面幅を表し、
αＤが、周辺速度ベクトルと、該ノズル（２８ａ）の該断面における排気ガス流の半径方向速度ベクトルとの間の角を表し、
φＳが、当該のスパイラルダクトの前記巻き角を表すことを特徴とする、請求項４に記載のターボチャージャ。
【請求項６】
前記タービンハウジング（１２）が、前記第１のスパイラルダクトを囲んで半径方向に伸長し、前記第１のスパイラルダクトとは異なる巻き角（φＳ）を有する、更なるスパイラルダクトを有し、前記第１のスパイラルダクトの１つの吸入部（Ｅ１４ａ）と、前記更なるスパイラルダクトの１つの吸入部（Ｅ１４ｂ）とが共通であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載のターボチャージャ。
【請求項７】
前記第２のスパイラルダクトが、前記第１のスパイラルダクトと前記更なるスパイラルダクトに前記タービンホイール（２２）の回転軸（Ｉ）に沿って隣接して配置されることを特徴とする、請求項６に記載のターボチャージャ。
【請求項８】
前記第１の、及び／又は前記第２のスパイラルダクトの、前記支持チャンバ（２０）の中への合流部において、案内羽根を含む１つのグリルエレメント（３０、３０´）が配置されていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載のターボチャージャ。
【請求項９】
前記グリルエレメント（３０）が、移動可能なように前記タービンハウジング（１２）の中に設置されていることを特徴とする、請求項８に記載のターボチャージャ。
【請求項１０】
前記グリルエレメント（３０）の１つのブレード高さを調整するために、移動可能なように前記タービンハウジング（１２）の中に設置されている１つのカバー（３２）が準備されていることを特徴とする、請求項８又は９に記載のターボチャージャ。
【請求項１１】
前記タービンホイール（２２）の上流に、排気ガスが前記タービンホイール（２２）を迂回して通過するように案内するための吹き出し装置（４２）が設けられることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のターボチャージャ。
【請求項１２】
内燃機関（１０）であって、
少なくとも２つの排気ガスライン（１６ａ、１６ｂ）が割り当てられた少なくとも２つのシリンダ（１１ａ−ｆ）又は２つのシリンダグループ（３４ａ、３４ｂ）と、
内燃機関の吸気システム（４０）に配置されているコンプレッサ（２７）と、該内燃機関（１０）の排気システム（１８）に配置されているタービン（２３）とを有するターボチャージャとを備え、前記タービン（２３）は、
少なくとも第１及び第２のスパイラルダクトを含むタービンハウジング（１２）を備え、それぞれのスパイラルダクトは内燃機関（１０）の排気ガスシステム（１８）の複数の排気ガスライン（１６ａ、１６ｂ）の少なくとも１つと連結可能であり、それぞれのスパイラルダクトを介して相互に独立して排気ガスを通すことができ、
前記タービンハウジング（１２）の支持チャンバ（２０）の内部に配置されたタービンホイール（２２）を備え、前記第１と第２のスパイラルダクトを通って送られる、内燃機関（１０）の排気ガスを、軸受（２４）を介して共回転するように連結されているコンプレッサホイール（２５）を駆動するために該タービンホイールに当てることができ、
前記第１と第２のスパイラルダクトが相異なった巻き角（φＳ）を有し、
前記第１のスパイラルダクトが、１５０°よりも小さい巻き角（φＳ）を有し、
前記第２のスパイラルダクトが、少なくとも３５０°の巻き角（φＳ）又はフルスパイラルの巻き角（φＳ）を有し、
前記第１のスパイラルダクトが、前記軸受（２４）の側に、前記第２のスパイラルダクトが、前記タービンハウジング（１２）の中の排気ガス排出口（２６）の側に配置されるように、前記第１のスパイラルダクトと前記第２のスパイラルダクトが、前記タービンホイール（２２）の回転軸（Ｉ）に沿って並設されることを特徴とする、内燃機関。
【請求項１３】
前記タービン（２３）の上流には、排気ガスフィードバックシステム（３８）が前記排気ガスシステム（１８）の中に配置されており、該排気ガスフィードバックシステムを用いて、前記排気ガスが、少なくとも部分的には、前記排気ガスライン（１６ａ）の中から前記吸気システム（４０）の中へ輸送されることができることを特徴とする、請求項１２に記載の内燃機関。
【請求項１４】
前記排気ガスシステム（１８）の中で、前記タービンハウジング（１２）の前記排気ガス排出口（２６）の下流に、排気ガス後処理システム（４４）が配置されていることを特徴とする、請求項１２又は１３に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本発明は、請求項１の前提部分に示された自動車の、内燃機関のためのターボチャージャ、及び請求項１２の前提部分に示された方式の内燃機関、特にガソリンエンジン及び／又はディーゼルエンジンに関する。
【０００２】
たとえばＮＯｘの放出限界値の、及びすす放出限界値の継続的な厳格化によって、ターボチャージャ又は過給内燃機関に対する要求もまた高まっている。その結果、例えば、排気ガスフィードバック率が高い場合における、内燃機関の平均負荷及び高負荷の領域を介したチャージ圧の提供に関する要求が高まり、これによって、ターボチャージャのタービンは、形状的にますます縮小されることになる。別の言葉で言えば、要求されている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、又は圧入性の低下によって実現される。ターボチャージャの性能に対するさらなる影響は、排気システムの中でタービンの下流に配置されている、例えばパーティキュレートフィルタ、触媒コンバータ又はＳＣＲ装置のような、排気ガス後処理システムから生じる。これらの排気ガス後処理システムは、ターボチャージャの排気ガス出口における圧力上昇を引き起こす。このことによって、さらには、ターボチャージャの出力を決定するタービン圧力勾配が低下し、その場合には、タービン圧力勾配は、タービンホイールの前側、又はタービンハウジングの排気ガス吸入口の前側の圧力と、タービンホイールの後ろ側、又は排気ガス排出口の後ろ側の圧力との比率として算出されることができる。このような理由によってもまた、ターボチャージャのコンプレッサに対する出力要求を満たすためには、タービンのサイズが、さらに小さい値となるように設計されなければならない。この場合に、従来の技術に基づいた周知のターボチャージャは、そのタービンハウジングが、独立して互いに貫流可能であり、かつ、普通は非対称的に形成された２つのスパイラルダクトを有し、これらのスパイラルダクトが、それぞれ、内燃機関の排気ガスシステムの相異なった排気ガスラインと連結されているならば、ある程度の改善をもたらす。この場合に、これらの排気ガスライン自身は、内燃機関の相異なったシリンダ又はシリンダグループに配置されている。
【０００３】
しかし、普通は内燃機関の定格ポイント、ガス交換側及び燃料消費側から決定される、ターボチャージャの設計範囲では、非対称的な２つのスパイラルダクトを備えたターボチャージャによってもまた、特に内燃機関の負荷範囲及び回転数範囲の下方域では、最適な作動ができない。このような目的のために、必要とされる排気ガス流速度を作り出すためには、スパイラルダクトの断面を、原則として比較的小さく選択しなければならない。しかし、普通はタービンハウジングの製造のために用いられる、低コストの砂型鋳造法の場合には、製造技術上の限界が決まっており、その結果、４．５ｍｍ以上の幅を備えたスパイラルダクトだけが、確実に製造可能である。そのうえ、鋳造物の場合には、しばしば１０％以上もの比較的高い変動幅が生じるので、その結果、ターボチャージャの効率損失がさらに大きくなる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の課題は、できる限り製造コストを抑えつつ、比較的広い作動範囲において効率の改善を可能にするような、内燃機関のためのターボチャージャ、又は、このようなターボチャージャを備えた内燃機関を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この課題は、本発明に基づいて、請求項１の特徴を有する、車両用内燃機関のためのターボチャージャによって、並びに請求項１２の特徴を有する車両用内燃機関によって、解決される。本発明の、有効であり、かつ自明ではない発展形態を備えた有利な実施形態は、それぞれの従属請求項に示されており、この場合に、ターボチャージャの有利な実施形態は、内燃機関の有利な実施形態と見なすことができ、またその逆も可能である。
【０００６】
できる限り製造コストを抑えつつ、比較的広い作動範囲において、配置された内燃機関の効率改善を可能にするようなターボチャージャは、本発明に基づいて、第１のスパイラルダクトと第２のスパイラルダクトが相異なった巻き角（接触角）を有することによって実現される。この場合に、巻き角は、スパイラルダクトがタービンハウジングの支持チャンバを取り囲む角度で、それぞれの接触域を画定する。このような方法により、特に、配置された内燃機関の負荷範囲および回転数範囲の下方域及び中間域では、効率の改善と同時に、製造許容誤差に対する要求の軽減が、確実に行われる。この場合に、比較的小さな巻き角を備えたスパイラルダクトは、特に、タービンホイールに部分負荷がかかる場合には、効率を大幅に向上させるために役立つ。そのため、従来の技術に比べ、排気ガス流の騒音経路が、タービンホイールの直前に生成されるようにできる。このような仕方で、排気ガス流の騒音経路がスパイラルダクトのスパイラル断面の中にセットされ、下流側に配置された合流部で大きな流動損失が生じることが、確実に防止される。さらには、ターボチャージャハウジングの効率又は機械的な安定性が制限される結果にならないように砂型鋳造法の製造技術上の限界を考慮することが問題なく可能であるのだから、本発明に基づくターボチャージャによって、低コストの既成の砂型鋳造法をさらに使用し続けることもできるようになる。製造許容誤差に対する要求が少ないので、その他の低コストの製造方法を代替として用いることも、もちろん可能である。
【０００７】
本発明のもう１つの有利な実施形態では、第１のスパイラルダクトが３００°よりも小さい巻き角を有し、特に２００°よりも小さい巻き角を有し、好ましくは１５０°よりも小さい巻き角を有することが準備されている。別の言葉で言えば、第１のスパイラルダクトが部分スパイラルとして形成されているので、コンプレッサに対する出力要求は、内燃機関の負荷範囲および回転数範囲の下方域及び中間域でも、最適に満たされるようにできる。
【０００８】
もう１つの有利点は、第２のスパイラルダクトが少なくとも２８０°の巻き角を有し、特に少なくとも３２０°の巻き角を有し、好ましくは少なくとも３５０°の巻き角を有することによって生じる。別の言葉で言えば、第２のスパイラルダクトはフルスパイラルとして形成されており、それによってターボチャージャは、内燃機関の負荷範囲及び回転数範囲の上方域でも作動させることができ、あるいは適切なガス排気量まで負荷をかけることができ、その結果としてタービンホイールの全負荷が可能になる。さらに、このような仕方で、第１のスパイラルダクトをいわゆるラムダ流として形成し、その保持性能を用いて、それぞれに必要な空燃比を最善の効率で生じさせることが可能である。
【０００９】
本発明のもう１つの有利な実施形態では、第１のスパイラルダクトが軸受の部分に配置されており、第２のスパイラルダクトがタービンハウジングの中の排気ガス排出口の部分に配置されていることが準備されている。別の言葉で言えば、タービンハウジングの中で、少なくとも近似的にフル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は出口の側に配置され、部分スパイラルとして形成されている第１のスパイラルダクトはベアリングの側に配置されて、これによりターボチャージャの効率のさらなる最適化が達成されることが準備されている。 
【００１０】
この場合に、さらなる実施形態では、第１及び／又は第２のスパイラルダクトが支持チャンバに対する合流部において１つのノズルを含むことが有利であると示された。ノズルを用いて、当該のスパイラルダクトのきわめて狭い流れの断面を、定義された位置に置くことができ、その結果、排気ガス流速度の騒音経路をタービンホイールの直前に生成することができる。このような仕方で、好ましくない流動損失が確実に防止され、これと結び付いた効率損失が確実に防止される。
【００１１】
本発明のさらなる有利な実施形態では、ノズルの断面の幅を、製造技術上の限界幅に応じて形成することが準備されている。この場合に、たとえば、その都度使用されるタービンハウジング製造方法の製造許容誤差が、後になってターボチャージャのタービンサイドの作動状態に及ぼす影響ができる限り小さくなるように、その範囲で、ノズルの断面幅を、製造技術上の達成可能な限界幅を越えて選択することが準備されている。たとえば、低コストの砂型鋳造法を用いる場合に、一方では、その場合に一般的な±１０％の製造許容誤差を保ちつつ、タービンハウジングの低コストかつプロセス安全性を備えた製造を達成するために、また他方では、後にターボチャージャの確実な作動を達成するために、ノズルの断面幅が少なくとも約４．５ｍｍになるように準備されているようにできる。
【００１２】
さらなる有利点は、ノズルの有効断面が、スパイラルダクトの巻き角、及び／又はノズルの断面幅、及び／又はノズルの半径、及び／又はターボチャージャの効率に応じて形成されていることによって生じる。そのように形成された有効断面については、スパイラルダクト内部の流動損失が既に考慮されており、そのような断面によって、ターボチャージャの相異なった使用特性に対する特に簡単かつ可変的な適合が、望ましい効率を考慮しつつ可能になる。この場合に、本発明のもう１つの実施形態では、ノズルの有効断面が公式：
ＡD  =  ｒD＊２＊π＊ｂＤ＊ｓｉｎ（αＤ）＊（φS／３６０）
に従って形成されているときが有利であることが示され、この場合に、ＡDはノズルの有効断面積を表し、ｒDはタービンホイールの回転軸との関係におけるノズルの半径を表し、ｂDはノズルの断面幅を表し、αＤは周辺速度ベクトルとノズルの断面における排気ガス流の半径方向速度ベクトルとの間の角を表し、φSは当該のスパイラルダクトの巻き角を表す。このように形成された有効ノズル断面によって、関連した要因と作動パラメータとを簡単に考慮しつつ、最適な幾何学的配置を確実なものにし、それによって最適な効率を確実なものにすることが可能になる。
【００１３】
本発明に基づくターボチャージャのさらなる構造では、第１のスパイラルダクトの第１の吸入部が、第２のスパイラルダクトの第２の吸入部に対応する。これによって、有利な仕方で、わずかな大きさしか有さないダブルフローのターボチャージャが成形可能であり、このターボチャージャは、乗用車用の内燃機関の場合にも使用可能である。乗用車用の内燃機関の使用分野では、以上のような構造を用いて、改善された可変特性を達成することができる。商用車用の内燃機関の使用分野では、窒素酸化物の排出を削減するための排気ガスフィードバック量の調節を、簡単な仕方で適合させることができる。
【００１４】
ターボチャージャのさらなる構造では、第１と第２のスパイラルダクトの他に第３のスパイラルダクトが配置されており、この場合に、第３のスパイラルダクトは、フルスパイラルに対応した巻き角を有する。それによって、有利な仕方で、最適な渦生成及び排気ガスフィードバックラインの中での適切な保持圧力の他にも、非常に高いタービン効率を生み出すことができる。 
【００１５】
ターボチャージャの広い作動範囲での効率改善を可能にするために、本発明に基づいて、第１及び／又は第２スパイラルダクトの合流部において、支持チャンバの中へ、案内羽根を含むグリルエレメントが配置されていることが提案されている。このような種類のグリルエレメントは、ターボチャージャのタービンホイール前の圧力上昇を可能にし、その結果、たとえ当該のスパイラルダクト内の排気ガスの流速が小さい場合であっても、ターボチャージャの効率改善が達成される。 
【００１６】
さらには、グリルエレメントが、特に並進運動及び／又は回転運動できるようにタービンハウジングの中に配置されていることが有利である。グリルエレメントの可動性によって、第１又は第２のスパイラルダクトの有効流れ断面を、特に可変的に適合させることができる。その場合には、さらに、グリルエレメントが、内燃機関のエンジン制動段階の間にそれぞれのスパイラルダクトの中へ動かされ、その結果、ターボチャージャの、いわゆる「ターボブレーキ」としての使用が可能であることが準備されている。しかし、選択的又は追加的には、グリルエレメントが内燃機関の点火段階の間にスパイラルダクトの中へ又はスパイラルダクトの中から外へ動かされ、これによってターボチャージャの出力が、内燃機関のその都度の支配的な作動状態に、さらに改善された仕方で適合させられることも準備されている。このため、たとえば、適切な制御信号に応じてグリルエレメントを動かすためには、グリルエレメントに配置されたアクチュエータを内燃機関のエンジン制御装置に連結することができる。
【００１７】
さらなる有利点は、グリルエレメントのブレード高さを調整するために、特に並進運動及び／又は回転運動できるようにタービンハウジングの中に配置されているカバーが準備されていることによって生じる。このようなカバーを用いて、当該のスパイラルダクトと、それとともにタービンの保持性能が、全体として、グリルエレメントのブレード高さを調整することによって特に可変的に変更されることが可能であり、内燃機関のその都度の作動状態に適合されるようにできる。
【００１８】
本発明のもう１つの有利な実施形態では、タービンホイールの上流に吹き出し装置、特に吹き出しバルブが準備されており、この吹き出し装置によって、排気ガスはタービンホイールに沿って通過するように運搬されるようにできる。このことによって、ターボチャージャのタービンの排気ガス流速を微調整することが可能となる。
【００１９】
本発明のさらなる様態は、少なくとも２つの排気ガスラインが配置された少なくとも２つのシリンダ又は２つのシリンダグループと、１つのターボチャージャと、タービンハウジングの支持チャンバ内部に配置されたタービンホイールとを備えた車両用内燃機関、特にガソリンエンジン及び／又はディーゼルエンジンに関するものであり、前記のターボチャージャは、内燃機関の吸気システムの中に配置されているコンプレッサと、内燃機関の排気システムの中に配置されているタービンとを含んでおり、この場合に、タービンは、少なくとも第１と第２のスパイラルダクトとを備えたタービンハウジングを含んでおり、これらのスパイラルダクトは、それぞれ、排気システムの２つの排気ガスラインの中の少なくとも１つと連結されており、相互に独立して排気ガスを通すことができ、前記のタービンホイールは、軸受を介してタービンホイールとトルク耐性に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、第１と第２のスパイラルダクトを通って送られる内燃機関の排気ガスを当てることができる。この場合に、できる限り製造コストを抑えつつ、比較的広い作動範囲において内燃機関の効率を改善することは、本発明に基づいて、第1のスパイラルダクトと第２のスパイラルダクトとが相異なった巻き角を有することによって可能になる。これによって、タービンの部分負荷と全負荷とが両方とも可能であり、その結果、内燃機関の作動範囲の下方部分と、中間部分と、上方部分とが、すべて効率の改善を伴って操作されることができる。この場合に、構造上の簡単に実現できるという理由から、既に確立された低コストの製造方法の維持が有利であることができる。この他に生じる有利な点は、前述の説明に書かれている。
【００２０】
内燃機関の排出改善は、排気ガスシステムの中でタービンの上流に排気ガスフィードバックシステムを配置することによって可能となり、この排気ガスフィードバックシステムを用いて、排気ガスは少なくとも部分的には、吸気システムの中の排気ガスラインの少なくとも１つの中から外へ輸送されることができる。排気ガスフィードバックシステムは、特に、内燃機関の中で燃料が燃焼する場合の窒素酸化物（ＮＯｘ）の削減を可能にする。この場合に、ターボチャージャの保持性能の改善に基づいて、排気ガスフィードバック性能の大きさにも関わらず、内燃機関の排気システムと吸気システムとの間のポジティブなガス交換が生み出される。
【００２１】
内燃機関の排気ガス値のさらなる改善は、排気ガスシステムの中で、特にタービンハウジングの排気ガス排出口の下流に、排気ガス後処理システム、特にパーティキュレートフィルタ及び／又は触媒コンバータ及び／又はＳＣＲ装置が配置されることによって実現される。そのような種類の排気ガス後処理システムによって、タービンホイールの背圧が万一上昇した場合には、ターボチャージャを用いて、内燃機関の作動範囲の下方部又は中間部でも、有利な仕方でその背圧上昇を補整することができる。
【００２２】
以下に説明される実施例及び図に基づいて、本発明のさらなる特徴、利点及び詳細が示され、図の中では、同一エレメント又は機能を同じくするエレメントには同一の番号が付されている。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、第１の実施例に基づく、ターボチャージャの部分断面図。
【図２】図２は、図１に示された切断面ＩＩ−ＩＩに沿った、ターボチャージャの第１のスパイラルダクトの部分断面図。
【図３】図３は、さらなる実施例に基づくターボチャージャの部分断面図であり、第２のスパイラルダクトの固定的グリルエレメントのブレード高さを調整するためのカバーを示す。
【図４】図４は、図３に示されたターボチャージャの部分断面図であり、カバーが、ブレード高さを第２のスパイラルダクトの流面の中へ変更するために動かされているものを示す。
【図５】図５は、第１の実施例に基づくターボチャージャを備えた内燃機関の原理図。
【図６】図６は、さらなる実施例に基づくターボチャージャの部分断面図であり、第１のスパイラルダクトの吸入部が、第２のスパイラルダクトの吸入部に対応しているものを示す。
【図７】図７は、図６に従ったさらなる実施例に基づくターボチャージャを備えた内燃機関の原理図。
【図８】図８は、図６に従ったさらなる実施例に基づくターボチャージャを備え、並びに、２段階の配列に対応したさらなるターボチャージャを備えた内燃機関の原理図。
【図９】図９は、第１の実施例における、３つのスパイラルダクトを有するターボチャージャを備えた内燃機関の原理図。
【図１０】図１０は、さらなる実施例における、３つのスパイラルダクトを有するターボチャージャを備えた内燃機関の原理図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１は、第１の実施例に基づく、自動車の内燃機関１０（図５を参照）のためのターボチャージャの部分断面図である。この場合に、ターボチャージャは、タービンハウジング１２を含み、このタービンハウジングは、第１と第２のスパイラルダクト１４ａ、１４ｂ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１８の複数の排気ガスライン１６ａ、１６ｂ（図５を参照）の１つと連結可能であり、相互に独立して排気ガスを通すことができる。さらに、このタービンハウジング１２は、支持チャンバ２０の内部に配置されているタービンホイール２２を含み、このタービンホイールは、軸受２４を介してこのタービンホイールと共回転するように（トルク耐性に）連結されているコンプレッサ２７のコンプレッサホイール２５（図５を参照）を駆動するために、２つのスパイラルダクト１４ａ、１４ｂを通って送られる内燃機関１０の排気ガスを当てることができる。できる限り製造コストを抑えつつ、配置された内燃機関１０の比較的広い作動範囲における効率改善を可能にするために、第１と第２のスパイラルダクト１４ａ、１４ｂは、この場合に、相異なった巻き角φSを有する。タービンハウジング１２の排気ガス排出口２６の部分に配置されている第２のスパイラルダクト１４ｂが、３２０°よりも大きな巻き角φSを有するのに対して、軸受２４の部分に配置されている第１のスパイラルダクト１４ａは、約１３５°の比較的小さな巻き角φSを具備している（図２を参照）。別の言葉で言えば、ターボチャージャは、ダブルフローのタービン２３を含み、このタービンの第１のスパイラルダクト１４ａは、部分スパイラルとして形成されており、このタービンの第２のスパイラルダクト１４ｂは、排気ガス流の流れをガイドするために、少なくとも近似的にはフルスパイラルとして形成されている。このことによって、タービン２３のきわめて狭い流れの断面をノズル２８ａ又は２８ｂの中へ置くことができ、それによって、排気ガス流速度の騒音経路（音の伝達経路）は、それぞれのスパイラルダクト１４ａ、１４ｂの断面ＡSの中にではなくタービンホイール２２の直前に（図２を参照）生成される。この場合に、ノズル２８ａ、２８ｂは、これら自身が２つのスパイラルダクト１４ａ、１４ｂのそれぞれきわめて狭い断面幅ｂＤを有しており、それぞれのノズルが、支持チャンバに対する合流部２０に配置されている。この場合に、比較的小さなノズル２８ａの断面幅ｂＤは、タービンハウジング１２を製造するために用いられる低コストの砂型鋳造法の、製造技術上の限界幅に応じて形成されており、その場合に一般的な±１０％の製造許容誤差を保ちつつ、一方ではタービンハウジング１２の低コストかつプロセス安全性を備えた製造を確保するために、また他方では、後にターボチャージャの確実な作動を達成するために、少なくとも約４．５ｍｍになっている。この場合に、ノズル２８ａの有効断面積ＡＤは、以下の公式
ＡD=ｒD＊２＊π＊ｂＤ＊ｓｉｎ（αＤ）＊（φS／３６０）
に従って形成され、この場合に、ｒDはタービンホイール２２の回転軸Ｉとの関係におけるノズル２８ａの半径を表し、ｂDはノズルの断面幅を表し、αDは周辺速度ベクトルとノズル２８ａの断面における排気ガス流の半径方向速度ベクトルとの間の角（図２を参照）を表す。別の言葉で言えば、ノズル２８ａの有効断面積ＡDは、巻き角φＳと、達成可能な製造許容誤差に応じたノズル２８ａの断面幅ｂＤと、望ましいタービン効率とに応じて選択される。さらに、このターボチャージャは、複数の案内羽根を含むそれ自体としては周知のグリルエレメント３０を含み、このグリルエレメントは、とりわけ、ターボチャージャの「ターボブレーキ」として機能するために、双方向矢印Ｉａに従って、第２のスパイラルダクト１４ｂのノズル２８ｂの中へ軸方向で挿入されるようにでき、又は、ノズル２８ｂの中から外へ引き出されることができる。
【００２５】
図２は、図１に示された切断面ＩＩ‐ＩＩに沿った、第１のスパイラルダクト１４ａの部分断面図を示す。その場合に、特に、フルスパイラルに比べて減らされた約１３５°の巻き角φＳ、角αＤ及びスパイラルダクト１４ａの断面ＡＳが分かる。
【００２６】
図３は、さらなる実施例に基づく、ターボチャージャの部分断面図を示す。この場合に、原則的な構造は、すでに前述の説明に書かれている。しかし、第１の実施例とは異なり、第１のグリルエレメント３０は固定的に形成されている。カバー３２が追加的に準備されており、このカバーは、グリルエレメント３０のブレード高さを調整するために、またそれとともに双方向矢印ＩＩＩに従ったグリルエレメント３０の保持性能を調整するために、軸方向に移動可能な仕方でタービンハウジング１２の中に配置されている。この場合に、カバー３２は、図３では、第２のスパイラルダクト１４ｂの流面の中から外へ動かされており、これに対して、図４では、ほとんど流面の中へ挿入されている。このような仕方で、ターボチャージャのタービン２３の保持性能は、全面的に変更可能な仕方で調整されることができる。さらに、図３及び図４では、原則的にはオプションの第２のグリルエレメント３０´が分かり、このグリルエレメントは、第１のスパイラルダクト１４ａのダクト２８ａの部分に配置されており、固定的に形成されている。
【００２７】
図５は、第１の実施例に基づくターボチャージャを備えた内燃機関１０の原理図を示している。この場合に、内燃機関１０は、原則としてディーゼルエンジン又はガソリンエンジン又はディゾットエンジンとして形成されており、目下のところでは６つのシリンダ１１ａ−ｆを含んでおり、これらの中でシリンダ１１ａ−ｃは、第１のシリンダグループ３４ａにまとめられ、シリンダ１１ｄ−ｆは、第２のシリンダグループ３４ｂにまとめられている。シリンダグループ３４ａ、３４ｂには、２つの排気ガスライン１６ａ、１６ｂが配置されており、これらの排気ガスラインの中で、第１の排気ガスライン１６ａは、対応したマニホールドを介して、ターボチャージャの第１の、部分スパイラルとして形成されているスパイラルダクト１４ａに連結されており、第２の排気ガスライン１６ｂは、第２の、フルスパイラルとして形成されているスパイラルダクト１４ｂに連結されている。さらに、第１のスパイラルダクト１４ａの上流には、排気ガスフィードバックシステム３８が排気ガスシステム１８の中に配置されており、この排気ガスフィードバックシステムを用いて、排気ガスは少なくとも部分的には、排気ガスライン１６ａの中から吸気システム４０の中へ輸送されることができる。吸気システム４０自体は、エアフィルタ３６、並びにコンプレッサホイール２５の下流に配置されたインタークーラ３７を含んでいる。排気ガスフィードバックシステム３８自体は、制御可能な排気ガスフィードバックバルブ４６、並びに排気ガスクーラー４８を含み、この排気ガスクーラーを用いて排気ガス温度を冷却することができる。
【００２８】
タービンホイール２２の上流では、第２の排気ガスライン１６ｂが、吹き出し装置４２と連結されており、この吹き出し装置を用いて、排気ガスはタービンホイール２２に沿って通過するように運搬されることができる。この場合に、吹き出し装置４２は、原則として、ターボチャージャのタービンハウジング１２の中に統合されているか、又は、独立したコンポーネントとして形成されていることができる。タービンハウジング１２の排気ガス排出口２６の下流では、排気ガスシステム１８の中に排気ガス後処理システム４４が配置されており、この排気ガス後処理システムは、内燃機関１０の構造に応じて、たとえばパーティキュレートフィルタ、触媒コンバータ及び／又はＳＣＲ装置として形成されていることができる。フル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１４ｂは、ラムダ流としても表示されるが、その保持性能を用いて、最善のタービン効率を生じさせるという目的を有する必要な空燃比をもたらす。この場合に、ターボチャージャを用いて、第２のスパイラルダクト１４ｂと作動連結されている第２のシリンダグループ３４ｂによって、ポジティブなガス交換ｐ２‐ｐ３´を実施することが可能である。それによって、非対称的なタービン２３を利用する場合には、大きな排気ガスフィードバック能力にも関わらずポジティブなガス交換が生じるような、内燃機関１０の作動範囲が与えられる。多数の機能を調整し制御するために、内燃機関１０には、調整及び制御システム５０が割り当てられている。この調整及び制御システム５０を介して、特に、排気ガスフィードバックバルブ４６及び吹き出し装置４２を制御することができる。
【００２９】
図６に基づくターボチャージャのさらなる実施例では、第２のスパイラルダクト１４ｂが、第１のスパイラルダクト１４ａを囲んで半径方向に伸長するように形成されている。この場合に、第１のスパイラルダクト１４ａの第１の吸入部Ｅ１４ａは、第２のスパイラルダクト１４ｂの第２の吸入部Ｅ１４ｂに対応している。第１の吸入部Ｅ１４ａの、又は第２のスパイラルダクトに対する第２の吸入部Ｅ１４ｂの、リング状の移行範囲５２は、相異なった仕方で形成されていることができる。図に示された実施例では、リング状の移行範囲５２が、完全に流れを通すように開口している。詳しくは図示されていない実施例では、移行範囲５２が、流れを通す切込み溝の形をした複数の開口部を有する。同様に、移行範囲５２は、円形の開口部を有することもできる。流れを通す開口部は、どのような形であれ、移行範囲５２の中に準備されているようにでき、ターボチャージャの使用分野に適合されているようにできる。また、リング状の移行範囲５２又はその流れを通す開口部が、移動可能な仕方で形成されているようにもできるだろう。
【００３０】
第１のグリルエレメント３０は、第２のスパイラルダクト１４ｂの、タービンホイール２２の側に向けて位置決めされている端部と、支持チャンバ２０との間に位置決めされている。図示された実施例では、第１のグリルエレメント３０は固定的に配置されている。ブレード高さを調整し、それとともに保持性能を調整するためには、カバー３２が準備されており、このカバーは、軸方向に移動可能な仕方でタービンハウジング１２の中に設置されている。詳しくは図示されていないさらなる実施例では、グリルエレメント３０が、周知の可動的な案内羽根の形で形成されている。カバー３２の位置決め、又はグリルエレメント３０の可動的な案内羽根の調整は、調整及び制御システム５０を用いて行われる。
【００３１】
内燃機関１０は、図７に基づいて排気ガスライン１６ａを有し、この排気ガスラインが、第１の吸入部Ｅ１４ａ又は第２の吸入部Ｅ１４ｂと結合されている。カバー３２を用いて、タービンホイール２２の受ける流れを変更することができる。カバー３２の位置決めに応じて、タービンホイール２２は、第１のスパイラルダクト１４ａだけを介して流れを受けるか、又は、第１のスパイラルダクト１４ａと第２のスパイラルダクト１４ｂとの両方から流れを受けるかを選択することができる。タービンホイール２２が、スパイラルダクト１４ａと１４ｂとの両方を介して流れを受けるときには、カバー３２の位置決めに応じて、タービンホイール２２が第２のスパイラルダクト１４ｂを介して比較的に強い流れを受けるか、又は比較的に弱い流れを受けるかを選択して実施することができる。
【００３２】
図８に基づく内燃機関１０の実施例では、内燃機関１０に、第２のターボチャージャ５４が配置されており、この場合には、バイパスチャンネル５６を介して、排気ガスを、第２のターボチャージャ５４の第２のタービン５８を通り過ぎ、第１の吸入部Ｅ１４ａ又は第２の吸入部Ｅ１４ｂの中へ導くことが可能である。カバー３２を用いて、第２のタービン５８を通り過ぎて導かれることのできる排気ガスの排気ガス量を調整することができる。
【００３３】
図６に基づく実施例のタービン２３のバリエーションでは、ターボチャージャが、第３のスパイラルダクト１４ｃを有しており、この場合には、第３のスパイラルダクト１４ｃが、第１のスパイラルダクト１４ａと第２のスパイラルダクト１４ｂに並んで配置されている。第３のスパイラルダクト１４ｃは、周知の仕方で成形されており、フルスパイラルに対応する巻き角φＳを有する。第３のスパイラルダクト１４ｃは、図９に基づいて、第２の排気ガスライン１６ｂと連結されている。第１の排気ガスライン１６ａは、吹き出し装置４２とは連結されていないが、第１のスパイラルダクト１４ａ又は第２のスパイラルダクト１４ｂとは接続されている。この実施例では、排気ガスフィードバックシステム３８における調整されるべき圧力の制御は、第２のスパイラルダクト１４ｂのグリルエレメント３０を用いて行われるので、有利な仕方で、排気ガスフィードバックシステム３８の排気ガスフィードバックバルブ４６を放棄することができる。内燃機関１０の負荷範囲の下方部分では、たとえばシリンダグループ３４ａのシリンダにおける最大限可能な保持圧力を達成するために、第１のグリルエレメント３０が完全にカバー３２の中に支持されており、その結果、第２のスパイラルダクト１４ｂからは排気ガスがタービンホイール２２に向かって全然流れることができない。
【００３４】
図１０に基づくさらなる実施例では、第２のスパイラルダクト１４ｂを介して流れる排気ガスの調整が、第２のスパイラルダクト１４ｂの部分に位置決めされている制御バルブ６０を介して行われる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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