(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関（１０）のエグゾーストターボチャージャ（２２）用タービン（５４）であり、前記タービンは収容スペース（１１４）を有する少なくとも１つのハウジング部品（１０４）を備え、該ハウジング部品は前記内燃機関（１０）の排気ガスが通過する少なくとも１つのスパイラルダクト（９４、９６）を備えており、該スパイラルダクトは出口断面（ＡＲ、ＡＲ，λ、ＡＲ，ＲＧＲ）を有し、該出口断面を介して、タービンホイール（１１６）に排気ガスが当てられ、ここで該タービンホイール（１１６）は少なくとも部分的に前記収容スペース（１１４）内に収容され、さらに、前記タービンは、調整部品（１２０）に接続されている、少なくともほぼ前記収容スペース（１１４）の周方向（１０８）に前記調整部品（１２０）によって前記調整部品と一緒に移動可能な少なくとも１つの閉鎖体（１２２、１２４）を備え、前記出口断面（ＡＲ、ＡＲ，λ、ＡＲ，ＲＧＲ）は前記閉鎖体により調整可能である、タービンであって、
少なくとも１つのバイパスダクト（１２８）が設けられており、排気ガスの少なくとも一部が前記バイパスダクトを介して前記タービンホイール（１１６）を迂回することができ、前記バイパスダクト（１２８）の流路断面（ＡＵ）は、前記調整部品（１２０）の動きによって調整可能であり、
前記調整部品（１２０）が少なくとも１つの通過開口部（１４６）を有しており、該通過開口部は前記調整部品（１２０）の動きによって、少なくとも部分的に前記バイパスダクト（１２８）と重なり合って動くことができる
ことを特徴とする、タービン。
【請求項２】
前記調整部品（１２０）の少なくとも一部が、前記ハウジング部品（１０４）の中に収容されていることを特徴とする、請求項１に記載のタービン（５４）。
【請求項３】
一方では前記バイパスダクト（１２８）が、前記スパイラルダクト（９４、９６）及び別のスパイラルダクト（１０２）に流体的に接続されており、排気ガスが、少なくとも１つの前記スパイラルダクト（９４、９６）に供給され、他方では、前記バイパスダクトが前記ハウジング部品（１０４）のタービン出口部分（１４３）に、前記タービンホイール（１１６）の下流で合流していることを特徴とする、請求項１または２に記載のタービン（５４）。
【請求項４】
前記調整部品（１２０）が調整リング（１２０）として形成されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のタービン（５４）。
【請求項５】
前記調整部品（１２０）が、前記閉鎖体（１２２、１２４）を動かすために前記収容スペース（１１４）の周方向（１０８）に移動可能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タービン（５４）。
【請求項６】
少なくとも１つのシーリングエレメント（１４７）が、前記調整部品（１２０）と前記タービン（５４）の前記ハウジング部品（１０４）及び／又は別のハウジング部品（１５１）との間に配置されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のタービン（５４）。
【請求項７】
前記バイパスダクト（１２８）は、その少なくとも一部が、前記タービン（５４）の前記ハウジング部品（１０４）及び／又は少なくとももう１つのハウジング部品（１５１）の中に組み込ま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タービン（５４）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前段部分に示されている種類のエグゾーストターボチャージャのタービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、特にエグゾーストターボチャージャ内にある、少なくとも部分的に調整可能な断面積を備えるターボ機関用スパイラルハウジングを開示しており、この場合、スパイラルハウジングの内壁を半径方向にスライドしながらガイドされる、この壁に続いて周辺方向に移動可能な少なくとも１つのトングが設けられている。
【０００３】
特許文献２から、内燃機関の吸気システム内にコンプレッサを備え、内燃機関の排気システム内にタービンを備えるエグゾーストターボチャージャをもつ自動車の内燃機関が知られている。このタービンはタービンハウジングを有しており、このタービンハウジングには、排気システムの排気ラインに連結されたスパイラルダクトとタービンホイールとが含まれ、このタービンホイールはタービンハウジングの収容スペース内に配置されており、シャフトによってトルク耐性にタービンホイールに接続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、スパイラルダクトを介して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。このタービンは調整装置を含み、この調整装置によって、収容スペースでのスパイラルダクトのスパイラルインレット断面及びスパイラルダクトのノズル断面が同時に調整可能になっている。
【０００４】
エグゾーストターボチャージャは、内燃機関の連続生産を背景にして大量生産の個数が常に増加しているため、取り付けられている内燃機関の効率的な動作、すなわち燃費及び排気ガスの少ない動作を可能にするエグゾーストターボチャージャを提供することが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】独国特許出願公開第２５３９７１１Ａ１号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第１０２００８０３９０８５Ａ１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、本発明の課題は、高い動作信頼性を有し、内燃機関の効率的な動作を可能にする、エグゾーストターボチャージャのタービンを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この課題は、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のタービン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。
【０００８】
このような内燃機関のエグゾーストターボチャージャ用タービンは、収容スペースを有する少なくとも１つのハウジング部品を含み、このハウジング部品は内燃機関の排気ガスが通過する少なくとも１つのスパイラルダクトを含んでいる。このスパイラルダクトは出口断面を有し、この出口断面を介して、少なくとも部分的に収容スペース内に収容されているタービンホイールに排気ガスが当てられる。さらに、このタービンは、調整部品に接続されている、少なくともほぼ収容スペースの周辺方向にこの調整部品によって調整部品と一緒に移動可能な少なくとも１つの閉鎖体を備え、出口断面はこの閉鎖体により調整可能である。
【０００９】
本発明に基づき、少なくとも１つのバイパスダクトが設けられており、スパイラルダクトを通過する排気ガスの少なくとも一部がこのバイパスダクトを介してタービンホイールを迂回することができ、このバイパスダクトの流路断面は、調整部品の動きによって調整可能であるようになっている。このことは、流路断面を調整するために、閉鎖体に接続されている調整部品が動くことによって閉鎖体を移動させることを意味している。１つの調整部品ポジション又は複数のポジションでは、バイパスダクトの流路断面が、例えば少なくともその大部分を流体的に閉鎖されるため、スパイラルダクトからくる排気ガスはバイパスダクトを介してタービンホイールを迂回できなくなり、従ってこの排気ガスはタービンホイールを駆動することができない。
【００１０】
１つの調整部品ポジション以降では、調整部品がバイパスダクトの流路断面を少なくとも部分的に開放するため、スパイラルダクトを通過する排気ガスの少なくとも一部は、タービンホイールに当たってこれを駆動することなく、バイパスダクトを介してタービンホイールを迂回することができる。このことから、スパイラルダクトからくる排気ガスの少なくとも一部がタービンホイールを迂回することをバイパス化と呼ぶ。このことにより、タービンの吸い込み性能は非常に大きく向上する。
【００１１】
エグゾーストターボチャージャのタービン出力は、タービンの最大吸い込み性能によって制限される。言い換えれば、タービンを通過してタービン又はタービンホイールを駆動できる排気ガスの流量はタービンの最大吸い込み性能によって制限される。本発明に基づくタービンは、調整部品によるバイパスダクトの開放によって特に高い吸い込み性能を有しているため、排気ガスの流量が非常に多い場合にも本発明に基づくタービンを使用することができ、内燃機関の効率的な動作を可能とする。
【００１２】
流路断面が調整可能であることにより、本発明に基づくタービンは実現可能なスループット範囲が極めて広く、内燃機関の多くの様々な動作点に適合することができるため、効率的かつ低燃費及び低排気ガスの内燃機関の動作が可能となる。さらに、本発明に基づくタービンは、出口断面の調整ができることにより、内燃機関の多くの様々な動作点に適合できるため、このタービンは多くの様々な動作点において効率良く動作することができ、このことは、同様に、低燃費かつ低排気ガスの内燃機関の動作に有利に作用する。本発明に基づくタービンは、低燃費及び低排気ガスの内燃機関の動作にとって有利な効率特性を有しており、この特性は、特に広い動作範囲、とりわけ少なくとも特性マップのほぼ全体においてバイパスダクトの流路断面を調整できるという理由から、内燃機関に有利に作用する。
【００１３】
本発明に基づくタービンの場合、バイパスダクトの流路断面は調整部品を用いることによって、例えば少なくともほとんどが流体的に閉鎖可能である。言い換えると、この断面は少なくともほぼゼロにまで縮小されるため、排気ガスはバイパスダクトを通過することができなくなる。さらに、これとは逆に、この流路断面は調整装置によって開放することもできるため、排気ガスはバイパスダクトを通過してタービンホイールを迂回することができる。
【００１４】
本発明の有利な実施形態の場合、流路断面は、１つの調整部品ポジションにおいて流体的に少なくとも大部分が閉鎖され、もう１つの調整部品ポジションでは最大に開放される。これに加え、調整部品の中間ポジションも調整可能であり、この中間ポジションでは、流路断面積が最大に開放可能な流路断面よりも小さく形成され、流体的に閉鎖されている流路断面よりも大きく形成されている。有利であるのは、この調整部品が、常時及び／又は無段階にこれらのポジションの間で調整可能であるため、流路断面及びバイパスダクトを通過する排気ガスの量が、効率的かつ適切に、タービン及び内燃機関の複数の異なる動作点に適合できることである。
【００１５】
排気ガス規制値、とりわけ窒素酸化物及び煤の排出量規制が常に厳しさを増していることにより、エグゾーストターボチャージャによる内燃機関の過給に関して大きな影響が生じている。このことにより、内燃機関の平均負荷領域から高負荷領域にかけて高い排気ガス再循環率（ＥＧＲ率）を実現する必要があることから、エグゾーストターボチャージャのチャージ圧提供に関する要求が高まっている。従って、そのようなエグゾーストターボチャージャのため、寸法又は大きさに関して形状的に小型のタービンを作る必要性が生じ、その際、要求される高いタービン出力は、内燃機関との相互作用によるタービンの堰止め性能の向上もしくは吸込み性能の低下によって実現される。
【００１６】
さらに、タービンのインレット圧力レベルが、排気ガスの流れる方向に向かってタービンの下流に配置されている排気ガス浄化装置、特に粒子フィルタの背圧によって上昇するため、このことからも、タービンの寸法又は大きさに関してさらなる小型化が要求される。これに伴って、そのようなタービンの小型化は一般的に効率を悪化させるという問題が生じる。しかしながら、この小型化は、エグゾーストターボチャージャのコンプレッサ側の出力要求を満たすために不可欠であり、望ましい空気‐排気ガス供給を実現し、それによって内燃機関の回転数又は出力を望ましいものにし、さらに低排出を実現するためである。
【００１７】
本発明に基づくタービンは、その寸法又は大きさに関して小型に形成することが可能であり、それによって望ましい堰止め特性を実現することができる。このことにより、ＥＧＲ率も上昇させることができる。言い換えれば、特に量の多い排気ガスを内燃機関の排気側から内燃機関のエア側に再循環させ、内燃機関によって吸引されるエアに供給できることにより、内燃機関の排出量、特に窒素酸化物及び煤の排出量を低く抑えることができる。
【００１８】
さらに、前述したようなエグゾーストターボチャージャのコンプレッサ側の高い出力要求は、このタービンによって達成することができる。なぜなら、このタービンにより、例えばタービンに割り当てられている内燃機関の静圧過給モードが可能になるからである。さらに、本発明に基づくタービンは、高い吸込み性能と高いスループット範囲を有している。
【００１９】
特に乗用車の場合、この内燃機関及びタービンは明確な非定常特性を有し、許容可能な走行特性が達成されるように、この特性はタービンの可変的堰止め性能によって制御しなければならない。このことは、いわゆるダウンサイジングの原理に従って形成されている内燃機関では、特に重要である。この種の内燃機関は比較的少ない排気量でありながら、同時に高出力及び高回転数を有しており、このことはエグゾーストターボチャージャによる強い過給によって実現されている。
【００２０】
この場合、本発明に基づくタービンにより、堰止め特性の可変的かつ適合可能な調整と、特に出口断面の調整による非定常特性の制御とが可能になるため、本発明に基づくタービンは乗用車用内燃機関でも、商用車用内燃機関でも使用可能であり、内燃機関の効率的な動作、及びそれに伴って低燃費及び低排出量の動作が可能になることから、ＣＯ２排出量が低下する。
【００２１】
本発明に基づくタービンは、特に出口断面の調整によって、非常に優れた効率を有するというさらなる利点をもたらす。さらに、閉鎖体によるこの調整は、比較的簡単な手段によって単純に実施されているため、本発明に基づくタービンの部品数、経費及び重量は僅かな値に抑えられている。さらに、本発明に基づくタービンは、非常に小さな取付けスペースを必要とするだけなので、エンジンルームなど、特にスペースの限られた部分でのパッケージ問題の解決又は回避にも貢献する。また、本発明に基づくタービンは、長い耐用年数にわたって、特に圧力及び温度負荷などの負荷が高い場合にも優れた機能達成安全性を有している。
【００２２】
非常に良好かつ有利なタービンの堰止め性能を有しているにもかかわらず、本発明に基づくタービンは、特に出口断面の調整及び僅かなタービン寸法により、出口断面をアクチュエータによって調整する従来の調整方法の場合でも、適合する作用特性の制御に伴って、極めて高い吸込み性能と広いスループット範囲とを有している。本発明に基づくタービンは、閉鎖体がトング形に形成されていることからトングスライダタービンとも呼ばれるが、とりわけもっとも単純な形状設定ではスループット範囲指数が３よりも大きく、また４よりも大きいか、もしくは特にガソリンエンジンの場合は５よりも大きいスループット範囲指数を有している。この場合、スループット範囲指数は下記の数式１によって求められる。
【００２３】
【数１】
0005986578.tif 000002
【００２４】
ここで、Φｍａｘはタービンの最大スループットを表し、Φｍｉｎは最小スループットを表しており、本発明に基づくタービンは出口断面並びに流路断面の調整によって最大スループットΦｍａｘと最小スループットΦｍｉｎとの間で調整することができる。このことは、本発明に基づくタービンが、ガソリンエンジンとして形成されている、排気ガス流量が特に高い内燃機関の場合でも、とりわけ大きな動作範囲で効率的に動作できることを意味している。
【００２５】
さらに、本発明に基づくタービンの実現可能なスループット範囲及び動作特性は、特に、ハウジング部品に固定された、スパイラルダクトの少なくとも部分的に境界となっている壁の、主要な寸法設計及び寸法決定によっても影響を受け、閉鎖体は出口断面を調整するためにこれらの壁に対して相対的に動くことができる。また、例えば排気ガスがタービンホイールに流れる方向に向かって調整部品の下流に配置されている閉鎖体の設計及び固定も、タービンの実現可能なスループット範囲及び効率特性にとって重要である。
【００２６】
バイパスダクトの流路断面の調整と、調整部品及び閉鎖体の動きによる出口断面の調整との連結によって、特に、出口断面の調整を生じさせる調整部品及び閉鎖体の移動並びにバイパスダクトの流路断面の調整を行うために使用するアクチュエータは１つだけで済むという利点が生じる。このことにより、本発明に基づくタービンの部品数、重量及び取付けスペースが少なくなる。また、これにより、本発明に基づくタービンの制御又は調整コストも小さな範囲に収めることが可能となる。
【００２７】
本発明の有利な実施形態では、調整部品が少なくとも１つの通過開口部を有しており、この通過開口部は（閉鎖体の動きを伴う）調整部品の動きによって、少なくとも部分的にバイパスダクトと重なり合って動くことができる。調整部品の通過開口部とバイパスダクト又はバイパスダクトの出口開口部とが重なり合う場合、排気ガスはタービンホイールを迂回してバイパスダクトを通過することができるため、タービンは非常に大きな吸込み性能を有する。この場合、通過開口部は、バイパスダクトの流路断面又は出口開口部と比べ、少なくともほとんど同じ大きさであるか、又は大きな断面を有することができるため、調整部品の通過開口部がバイパスダクト又はその出口開口部と完全に重なり合う場合、バイパスダクトを介する排気ガスの流れは調整部品の通過開口部によって絞られることはない。この実施形態により、バイパスダクトの流路断面の調整が調整部品に統合され、極めて簡単な方法で実施されるという利点が生じ、その結果、タービンの取付けスペース及びコストが抑えられる。
【００２８】
さらに、このことにより、ハウジング部品に接した状態で、又はハウジング部品の中に調整部品を特に良好に支持することができるため、少なくともほぼ安定的に調整部品の正常な動作が保障される。このことは、本発明に基づくタービンの機能達成安全性に有利に働く。
【００２９】
本発明のもう１つの有利な実施形態では、調整部品の少なくとも一部が、特に大部分が、さらには全部が、例えばタービンハウジングとして形成されているハウジング部品の中に収容されている。従って、このタービンの取付けスペースは特に小さくなる。
【００３０】
本発明の特に有利なもう１つの実施形態の場合、一方ではバイパスダクトが、前記のスパイラルダクト及び／又は別のスパイラルダクトに流体的に接続されており、このバイパスダクトを介して少なくとも１つのスパイラルダクトに排気ガスを供給することができ、他方ではバイパスダクトはハウジング部品のタービン出口部分に、タービンホイールの下流で合流している。この方法で、排気ガスは極めて良好にタービンホイールの上流で取り出され、タービンホイールの下流で排気システムに誘導されることができるため、この排気ガスがタービンホイールに当たってタービンホイールを駆動することはできない。さらに、これにより、取付けスペースを取らないタービンホイールのバイパス化が可能となる。
【００３１】
本発明の有利な実施形態においてバイパスダクトの少なくとも一部が、特に大部分もしくは全部がタービンの前記のハウジング部品及び／又はもう１つのハウジング部品の中に組み込まれている場合、本発明に基づくタービンは、前に述べた利点を実現しながら取付けスペースを特に小さくすることができる。この場合、バイパスダクトは、例えばボーリング、フライス加工又は切出しなどによって、鋳造によるハウジング部品の製造時に作ることができる。これにより、コスト及び重量のかさむ追加の配管部品が設けられず、そうしたものは本発明に基づくタービンの高い吸込み性能及びスループット範囲を実現するのに不要である。
【００３２】
本発明のもう１つの有利な実施形態では、調整部品が実質的に調整リングとして形成されている。従って、この調整部品は複雑性が非常に低く、製造コストも低下することから、結果としてタービン全体にかかるコストが少なくなる。
【００３３】
閉鎖体を動かすために、調整部品が収容スペースの周辺方向に移動可能であり、特に回転軸を中心に回転可能である場合、このことによって特に簡単な方法で閉鎖体の動きと出口断面積の調整とが可能となる。このように動きが単純な場合には、調整部品が挟まれて動かなくなったり、好ましくない高い摩耗もしくはその他の誤動作が生じたりする危険が非常に少なくなることから、極めて良好なタービンの機能達成安全性に有利である。
【００３４】
ハウジング部品から周辺環境などへの排気ガスの好ましくない漏れを回避するため、有利には、調整部品とタービンの前述のハウジング部品との間、及び／又は調整部品とタービンの別のハウジング部品との間に少なくとも１つのシーリングエレメントが配置されている。それにより、タービンを通過する少なくともほとんどの排気ガスがタービン出口を介して送り出され、タービンの下流で内燃機関の排気システムに配置されている排気ガス後処理装置の中に送り込まれ、排気ガスは最終的に周辺環境に放出される前に排気ガス後処理装置で清浄化される。
【００３５】
本発明のさらなる利点、特徴及び詳細は、好ましい実施形態及び図に基づく以下の説明に示されている。ここまでの説明で述べた特徴及び特徴の組合せ、並びに以下の図の説明で述べられている、及び／又は図の中にのみ示されている特徴及び特徴の組合せは、それぞれに示された特徴の組合せだけではなく、本発明の範囲から逸脱することなく、その他の組合せ又は単独でも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】エグゾーストターボチャージャによって過給される内燃機関の概略図であり、この内燃機関はバイパスダクトを有するトングスライダ・マルチセグメント・タービンを備え、トングスライダ・マルチセグメント・タービンのタービンホイールは、このバイパスダクトを介して迂回することができる。
【図２】図１に基づくトングスライダ・マルチセグメント・タービンの概略横断面図である。
【図３】図１及び図２によるトングスライダ・マルチセグメント・タービンのスループットパラメータの３つの異なる曲線である。
【図４】図１〜３によるトングスライダ・マルチセグメント・タービンのもう１つの実施形態の概略部分縦断面図である。
【図５】図２に基づくトングスライダ・マルチセグメント・タービンのもう１つの実施形態の概略横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
図１は６つのシリンダ１２を備える内燃機関１０を示している。内燃機関１０の動作中、この内燃機関は方向矢印１４に従って空気を吸引し、この空気はエアフィルタ１６によって濾過され、さらに方向矢印１８に従って内燃機関１０に割り当てられているターボチャージャ２２のコンプレッサ２０内に流れ込む。この場合、空気はコンプレッサ２０を介してコンプレッサホイール２４により圧縮され、それにより空気が加熱される。そのようにして圧縮され、加熱された空気を冷却するため、空気はさらに方向矢印２６に従ってインタクーラ２８へ流れ、次に方向矢印３０に従ってエアコレクタ３２へと流れ、空気はこのエアコレクタを介して方向矢印３４に従ってシリンダ１２に供給される。シリンダ１２では、吸引され、圧縮された空気に燃料が加えられて空気が燃焼し、その結果、方向矢印３８に従って内燃機関１０のクランクシャフト３６の回転が生じる。
【００３８】
内燃機関１０のエア側４０に配置されているコンプレッサ２０は、内燃機関１０の望ましい出力レベル又は回転数レベルを作り出すために、望ましい空気供給を内燃機関１０に提供するのに用いられる。これにより、内燃機関１０は、その排気量及び寸法に関して小型に設計することができ、このことにより、軽量化、高い比出力、低燃費及び低いＣＯ２排出量が達成される。
【００３９】
シリンダ１２における燃焼から発生する内燃機関１０の排気ガスは、排気管４２によってまず内燃機関の排気側４４の排気ガス再循環装置４５に送られ、この排気ガス再循環装置によって内燃機関１０の排気ガスを排気側４４からエア側４０に戻すことができる。そのために、排気ガス再循環装置４５は排気ガス再循環バルブ４６を備え、このバルブによって、特定の、内燃機関１０の現在の動作点に適合する排気ガス再循環量を調整することができる。排気ガスが方向矢印４８に従って内燃機関１０により吸引された空気に供給される前に、排気ガスは方向矢印５２に従って排気ガス再循環クーラ５０に流れ、これによって排気ガスが冷却される。戻された排気ガスが吸引された空気に加えられることにより、内燃機関１０の特に窒素酸化物及び微粒子の排出量が低下し、このことから内燃機関１０は低燃費、高出力であるばかりでなく、排出量も低くなっている。
【００４０】
内燃機関の排気ガスは、排気管４２によってエグゾーストターボチャージャ２２のタービン５４に送られる。以下に、このタービンを図２を用いて説明する。同様に、図５に示されているタービン５４をエグゾーストターボチャージャ２２のタービン５４として使用することもできる。図５によるタービン５４も同様に以下で説明される。内燃機関１０の排気ガスは、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９４と、同様に部分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９６とに送られる。重要な２つのスパイラルダクト９４及び９６は、この場合、隣接して配置された、気密性があるように互いに密閉されている接続フランジ９８及び１００を含んでいる。接続フランジ１００とスパイラルダクト９６の供給ダクト１０２とは、図面を見た場合に視線方向で、実質的にスパイラルダクト９４の下方をとおり、供給ダクト１０２の端部は、図面ではスパイラルインレット断面ＡＳ０，ＲＧＲ及びタービン５４のタービンハウジング１０４に対して固定されているハウジングトング１０６の前に現れている。
【００４１】
図２から分かるように、スパイラルダクト９４及び９６は、方向矢印１０８に従ってタービンホイールの周辺方向に、その周辺にわたって取り付けられており、すなわち連続して接続されている。第１のスパイラルダクト９４は約１３５°の巻付け角ψＳを有し、いわゆるＥＧＲスパイラル（ＥＧＲ：排気ガス再循環）として機能し、排気ガスを堰き止めるために用いられ、それによって特に多くの排気ガスを、排気ガス再循環装置を使って再循環させることができる。いわゆるλ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９６は、その堰止め性能を使って、内燃機関１０に必要な空燃比を提供する。
【００４２】
タービン５４を、内燃機関１０の少なくともほぼ特性マップ全体において効率的に、多数の様々な内燃機関の動作点に適合させることができるように、タービン５４は調整装置１１０を備え、この調整装置によって、スパイラルダクト９４及び９６のスパイラルインレット断面ＡＳ，λ、ＡＳ，ＲＧＲは、方向矢印１１２に従って半径方向に同時に開かれる、収容スペース１１４への流入プロセスのために働くスパイラルダクト９４及び９６のノズル断面ＡＲ，λ、ＡＲ，ＲＧＲとともに調整可能であり、この収容スペースの範囲内ではタービンホイール１１６が回転軸１１８を中心に回転可能に収容されている。調整装置１１０は制御装置８２によって制御又は調整される。
【００４３】
調整装置１１０は、タービンホイール１１６の回転軸１１８と同軸にタービンハウジング１０４内に配置されている調整リング１２０を有し、この調整リングは、ノズル断面ＡＲ，λ及びＡＲ，ＲＧＲの部分に配置されている２つの閉鎖体１２２及び１２４に接続されている。閉鎖体１２２及び１２４は少なくともほぼトング形に形成され、そのためトングとも呼ばれており、一方、調整リング１２０はトングスライダと呼ばれる。ここでは断面が翼面状に形成されている閉鎖体１２２及び１２４が、方向矢印１０８に従って、つまりタービンホイール１１６の周辺方向に、調整リング１２０が回転軸１１８を中心にタービンホイールの周辺を回転運動することによって、スパイラルインレット断面ＡＳ，λ及びＡＳ，ＲＧＲ並びにノズル断面ＡＲ，λ及びＡＲ，ＲＧＲを縮小するポジションと、スパイラルインレット断面ＡＳ，λ及びＡＳ，ＲＧＲ並びにノズル断面ＡＲ，λ及びＡＲ，ＲＧＲを拡大するポジションとの間で動くことができる。この場合、閉鎖体１２２及び１２４は、図２の中で角度ε２だけ初期位置から回転した状態で示されているため、スパイラルインレット断面ＡＳ，λ及びＡＳ，ＲＧＲ及びノズル断面ＡＲ，λ及びＡＲ，ＲＧＲはそれぞれの最小値まで調整されている。図２には、また、閉鎖体１２２及び１２４の初期位置での最大のスパイラルインレット断面ＡＳ０，λ及びＡＳ０，ＲＧＲも示されている。
【００４４】
調整装置１１０を用いることによって、両方のタービン側（ＲＧＲ及びλ側）は、スパイラルダクト９４及び９６の形状設計と閉鎖体１２２及び１２４とに応じて、同時に相互調整又は制御することができる。閉鎖体１２２、１２４の全調整角範囲εにおけるスパイラルの様々な形状変化により、多様な組合せを作ることができる。従って、調整角範囲εの範囲内で、目標とするタービン５４のＥＧＲ性能は、目標とするコンプレッサ２０のエア供給量と共に、燃料消費と窒素酸化物及び微粒子の排出とに関して、内燃機関１０の望ましい動作状態を生み出すのに有効な空燃比λのため、構造的に単純かつ低コストで変更できるように調整することができる。特徴的なスパイラルインレット断面ＡＳ，λ、ＡＳ，ＲＧＲの変更と関連する調整角範囲εは、内燃機関１０の排気ガスの堰止め特性又はタービン５４のスワール発生に影響を及ぼすことができる。すなわち、タービンの仕様出力ａｕは、下記の一般的公式に従って周辺構成部品ｃ１ｕに比例しているため、スパイラルインレット断面ＡＳ，λ及びＡＳ，ＲＧＲの面積操作によって、タービンの仕様出力及び絶対出力を調整することができる。
【００４５】
【数２】
0005986578.tif 000003
【００４６】
この場合、タービン５４は、内燃機関１０と同様に、商用車及び乗用車の内燃機関にも使用可能であり、ディーゼルエンジン、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いる内燃機関にも使用することができる。
【００４７】
特に図１から分かるように、タービン５４は少なくとも１つのバイパスダクト１２８を備えるバイパス装置１２６も備えている。このバイパスダクト１２８を介して、排気ガスの少なくとも一部がタービンホイール１１６を迂回することができるため、この排気ガスがタービンホイール１１６に当たってこれを駆動することはない。そのために、バイパス装置１２６は分岐箇所１３０を備え、この分岐箇所は排気ガスの流れる方向を向いてタービンホイール１１６の上流に配置されている。さらに、バイパス装置１２６は流入箇所１３２を含み、この流入箇所で、タービンホイール１１６を迂回した排気ガスが再び排気管４２の中に流入する。この場合、流入箇所１３２は、排気ガスの流れる方向を向いて排気ガス後処理装置９０の上流に配置されているため、タービンホイール１１６を迂回した排気ガスは、方向矢印９２に従って周辺環境へ放出される前に排気ガス後処理装置９０によって清浄化される。
【００４８】
タービンホイール１１６をバイパスダクト１２８によって迂回する排気ガスの量は調整リング１２０によって調整することができる。回転軸１１８を中心に方向矢印１０８に従って調整リング１２０が回転することにより、方向矢印１０８に従って回転軸１１８を中心に閉鎖体１２２及び１２４が動く、詳細にはスライドするばかりでなく、タービンホイール１１６を迂回する排気ガスが通過するバイパスダクト１２８の流路断面ＡＵ（図４）も調整される。
【００４９】
この場合、調整リング１２０の調整角範囲εの部分範囲は、調整リング１２０の壁によってバイパスダクト１２８の流路断面ＡＵを少なくともほぼゼロにまで縮小し、流体的に少なくとも大部分を閉鎖するため、排気ガスがバイパスダクト１２８を通過できないようにすることができる。調整リング１２０が調整角範囲εを一方向に動くことにより、調整リング１２０の特定のポジション以降では、調整リング１２０がバイパスダクト１２８の流路断面ＡＵを少なくとも部分的に開放するため、排気ガスはバイパスダクト１２８を通過することができる。調整リング１２０がさらにこの方向に動くと、バイパスダクト１２８の流路断面は徐々に大きくなり、さらに開放されるため、これに伴って、タービンホイール１１６を迂回するためにバイパスダクト１２８を通過する排気ガスの量も徐々に大きくなる。
【００５０】
この場合は、バイパスダクト１２８の流路断面ＡＵを最大に開放する調整角範囲εのエンドポジションに調整リング１２０が回転又は移動するまで、この方向に調整リング１２０が調整角範囲εを移動するように設定することができる。同様に、流路断面ＡＵが最大に調整され、従ってバイパスダクト１２８が最大に開放されている際に調整リング１２０が１つのポジションを有し、調整リングはそのポジションから、これまで流路断面ＡＵを徐々に拡大するために動いていた方向と同じ方向にさらに移動できるようにすることも可能である。このことが当てはまる場合、例えば、流路断面ＡＵを、調整可能な最大値に一定して維持することができる。同様に、調整リング１２０がさらに移動する、詳細には回転することによって、調整リング１２０が調整角範囲εのエンドポジションに達するまで、再び流路断面ＡＵを徐々に減少させることも可能である。このエンドポジションでは、必要に応じて流路断面ＡＵを再度少なくともほぼゼロまで減少させることができる。
【００５１】
従って、バイパスダクト１２８の流路断面ＡＵを様々な方法で調整することが可能となり、それによってタービン５４の、とりわけその吸込み性能を内燃機関１０の多数の様々な動作点に適合させることができる。
【００５２】
バイパスダクト１２８の開放により、流量の一部がタービンホイール１１６に流れ、この過程でタービン５４を通過し、排気ガス流量の一部はバイパスダクト１２８を介してタービン５４を通過させることによって、極めて大きい流量の内燃機関１０の排気ガスをタービン５４に送ることができる。言い換えれば、バイパスダクト１２８の開放により、非常に高いタービン５４の吸込み性能が実現され、それによって非常に高いスループット範囲を達成することができる。同時に、特に多量の排気ガスを再循環させるために、バイパスダクト１２８を閉鎖することにより、非常に良好なタービン５４の堰止め性能を実現することも可能になる。
【００５３】
さらに、タービン５４は、多数の様々な動作点、特に内燃機関１０の特性マップ全体の少なくとも大部分に対して非常に優れた適合性能を有している。なぜなら、閉鎖体１２２及び１２４によってタービン５４を様々に調整できるからである。従って、内燃機関１０は極めて効率的に動作し、特に低燃費かつ低排出に動作することが可能となり、その結果、ＣＯ２の排出量も少なくなる。
【００５４】
図３はタービン５４のタービンスループット特性マップ１３３を示し、その横座標１３５にはタービン圧力比ＴＴｔｓが示され、その縦座標１３４にはスループットパレメータΦＴが示されている。このタービンのスループット特性マップ１３３は、図５によるタービン５４にも有効である。タービンのスループット特性マップ１３３には、スループットパラメータΦＴの経過曲線１３６が示されており、この経過曲線は、閉鎖体１２２及び１２４が調整角範囲εの最小ポジションに調整されている場合に生じ、この調整角範囲では、ノズル断面ＡＲ，λ及びＡＲ，ＲＧＲ及び／又はスパイラルインレット断面ＡＳ，λ及びＡＳ，ＲＧＲがそれぞれの最小値に調整されている。
【００５５】
さらに、スループットパラメータΦＴのもう１つの経過曲線１３８が示されており、この経過曲線は、閉鎖体１２２及び１２４が調整リング１２０によって最大ポジションに調整されている場合に生じ、この最大ポジションでは、ノズル断面ＡＲ，λ及びＡＲ，ＲＧＲ及び／又はスパイラルインレット断面ＡＳ，λ及びＡＳ，ＲＧＲがそれぞれの最大値に調整されている。
【００５６】
この最大ポジションに加えて、調整リング１２０によってバイパスダクト１２８が最大に開放される場合、図３に示されているスループットパラメータΦＴの経過曲線１４０が生じる。このことは、タービンのスループット特性マップ１３３の経過曲線１３６と１３８との間、並びに経過曲線１３６及び１３８では、バイパスダクト１２８が流体的にほぼ閉鎖されていることを意味している。バイパスダクトが、閉鎖体１２２及び１２４の最大ポジションから開始して、調整リング１２０によって徐々に開放される場合、タービン５４のスループットパラメータΦＴは、例えばタービン圧力比ＴＴｔｓが少なくともほぼ一定のとき、経過１３８から出発して縦座標１３４に沿ってより高い値へ経過曲線１４０の方向に移動する。バイパスダクト１２８の流路断面ＡＵが、最大に調整された流路断面ＡＵから出発して減少し、閉鎖体１２２及び１２４が最大ポジションにある場合、スループットパラメータΦＴは、タービン圧力比ＴＴｔｓが少なくともほぼ一定のとき、経過曲線１４０から経過曲線１３８の方向に移動する。
【００５７】
閉鎖体１２２及び１２４が最大ポジションにある場合に、バイパスダクト１２８の流路断面ＡＵの拡大又は減少がスループットパラメータΦＴに与える影響は、図３の中で方向矢印１４２によって示されている。従って、経過曲線１３８（閉鎖体１２２及び１２４が最大ポジション、バイパスダクト１２８は流体的に閉鎖されている）と経過曲線１４０（閉鎖体１２２及び１２４が最大ポジション、バイパスダクト１２８は最大に開放されている）との間の縦座標１３４に沿った範囲は吹出し範囲と呼ばれ、この範囲においてスループットパラメータΦＴはバイパスダクト１２８の流路断面の拡大又は縮小によって極めて高い値をとり、可変的に調整することができる。バイパスダクト１２８によるタービンホイール１１６の迂回は、この場合、吹出しと呼ばれる。
【００５８】
図４はタービンハウジング１０４を備えるタービン５４のもう１つの実施形態を示している。このタービンハウジング１０４は、供給ダクトとして形成されているスパイラルダクト１４５並びに少なくとももう１つのスパイラルダクト１５３を有している。このスパイラルダクト１４５はスパイラルダクト１５３と流体的に接続されているため、排気ガスは、まずスパイラルダクト１４５を通り、ここからスパイラルダクト１５３に流れ込む。例えば、タービンハウジング１０４を介して少なくとももう１つのスパイラルダクト（図４には図示されていない）がスパイラルダクト１５３と同様に少なくとも部分的に形成されているため、スパイラルダクト１４５は、スパイラルダクト１５３及び少なくとももう１つのスパイラルダクトによって流体的に分割されている。この場合、スパイラルダクト１４５はコレクタダクトとしても機能し、この中に排気ガスを集めることができるため、内燃機関１０の静圧過給モードが実現可能である。この点に関しては、図２によるタービン５４によっても内燃機関１０の静圧過給モードを有利な形で実現できることに留意されたい。
【００５９】
図４から分かるように、バイパスダクト１２８は入口開口部１４９を有し、この入口開口部を介してスパイラルダクト１４５と流体的に接続されている。さらに、バイパスダクト１２８は出口開口部１５０を有し、この出口開口部を介して、タービンホイール出口１４３に通じている。そのため、排気ガスはスパイラルダクト１４５から分岐し、従ってタービンホイール１１６の上流で分岐することができ、タービンホイール１１６を迂回しながらタービンホイール出口１４３に送られ、従ってタービンホイール１１６の下流に送ることができる。このことにより、バイパスダクト１２８を通過する排気ガスは、リングノズル１４４を介してタービンホイール１１６に向かって流れることができないため、タービンホイールを駆動できない。さらに、バイパスダクト１２８をスパイラルダクト１５３と流体的に接続して、リングノズル１４４の上流で排気ガスを分岐することも可能である。
【００６０】
図４から分かるように、調整リング１２０は少なくとも１つの通過開口部１４６を有し、この通過開口部は調整リング１２０の壁によって境界が定められている。例えば図３によるスループット特性マップ１３３のような望ましいタービンのスループット特性マップに従って、調整角範囲εにおける調整リング１２０の特定のポジション以降では、調整リング１２０の通過開口部１４６とバイパスダクト１２８又はバイパスダクト１２８の出口開口部１４８との間で重なり合いが生じるため、排気ガスはこの出口開口部を介してタービンハウジング１０４内のバイパスダクト１２８から流出し、調整リング１２０の通過開口部１４６を通過することができる。通過開口部１４６がバイパスダクト１２８と完全に重なり合う場合、タービン５４のスループット性能が最大となる最大吹出し断面が生じる。従って、排気ガスの部分流はスパイラルダクト１４５から分岐し、方向矢印１５２に従ってタービンホイール１１６を迂回しながら、タービン５４の該当する外部輪郭部品１５１を介してタービンホイール出口１４３に送られることができる。
【００６１】
この場合、図４から分かるように、バイパスダクト１２８は一部がタービンハウジング１０４内に、一部が外部輪郭部品１５１内に形成されており、調整リング１２０の通過開口部１４６が少なくとも部分的にバイパスダクト１２８の該当する部分範囲と重なり合っている場合は、これらの部分範囲が調整リング１２０の通過開口部１４５を介して互いに流体的に接続される。
【００６２】
図４には、シーリングエレメント及び／又は補正機構１４７も示されており、これらによって調整リング１２０及び／又は外部輪郭部品１５１が密閉されているため、排気ガスは好ましくない形でタービンハウジング１０４から周辺環境に排出されることはない。さらに図４から非常によく分かるように、閉鎖体１２２及び閉鎖体１２４は調整リング１２０に接続され、例えば一体成形で形成されており、調整リング１２０と一緒に動くことができる。
【００６３】
図４ではアクチュエータ１５４が図示されており、このアクチュエータは動作部品１５６によって調整リング１２０に接続され、この動作部品によって調整リング１２０と閉鎖体１２２及び１２４とが可変的に調整可能になっている。調整リング１２０と閉鎖体１２２及び１２４の調整又は動きは、バイパスダクト１４８又はバイパスダクトの部分範囲に対する通過開口部１４６の動きに伴って生じるため、スパイラルインレット断面ＡＳ，λ及びＡＳ，ＲＧＲ及び／又はノズル断面ＡＲ，λ、ＡＲ，ＲＧＲと、タービンホイール１１６を迂回してバイパスダクト１２８を通過する排気ガスの量との両方を調整するために必要なアクチュエータはアクチュエータ１５４だけである。
【００６４】
図５によるタービン５４はシングルフローの、いわゆるトングスライダ・マルチセグメント・タービンとして形成されている。このタービンは第１のハウジング部分１５８を備え、このハウジング部分は内燃機関１０の排気ガスが通過できる３つのスパイラルダクト１６０を有している。スパイラルダクト１６０はそれぞれのスパイラルインレット断面ＡＳ並びにそれぞれのノズル断面ＡＲを有している。ハウジング部品１５８にはタービン５４のタービンホイール１１６が収容されており、このタービンホイールは回転軸１１８を中心に回転可能である。
【００６５】
内燃機関１０の排気ガスはそれぞれのスパイラルインレット断面ＡＳを介してスパイラルダクト１６０に流入し、それぞれのノズル断面ＡＲを介してタービンホイール１１６に向かって流れ、それによってタービンホイール１１６が排気ガスによって駆動され、回転する。タービンホイール１１６はエグゾーストターボチャージャ２２のシャフトと接続されており、コンプレッサホイール２４もこのシャフトとトルク耐性に接続されていることから、コンプレッサホイール２４はシャフトを介してタービンホイール１１６によって駆動される。
【００６６】
タービン５４は調整リング１２０を有する調整装置１１０も備えており、調整リングはトングスライダの形で３つの閉鎖体１２２と接続されており、それぞれ１つのトングスライダがスパイラルダクト１６０のいずれかに割り当てられている。調整リングは、タービンホイール１１６の回転軸１１８を中心として方向矢印１６２の方向に回転可能であることから、スパイラルインレット断面ＡＳ並びにタービンホイール１１６の周辺方向にタービンホイールの周辺にわたって均等に配分されて配置されているノズル断面ＡＲが調整可能になっている。言い換えれば、このことは、ノズル断面ＡＲを狭めているか閉鎖している少なくとも１つのポジションと、反対にノズル断面ＡＲを開放している少なくとも１つのポジションとの間で、トングスライダが調整リング１２０の回転によって調整可能であることを意味している。調整装置１１０によってタービン５４の変動性が生じることから、タービン５４は、内燃機関１０の特性マップの少なくともほぼ全体において様々な動作点に適合することができ、それによって内燃機関の動作が効率的になり、内燃機関は低燃費かつ低排出に動作することができるようになる。ノズル断面ＡＲの調整によって、堰止め特性又はタービン５４のスループット特性を可変的に調整することができる。
【００６７】
タービン５４の複数のセグメントを形成しているスパイラルダクト１６０によって、まず、内燃機関１０の動圧過給モードが可能である。内燃機関の静圧過給モードを可能にするため、タービン５４はコレクタハウジング１６４を備え、このコレクタハウジング１６４によって、周辺環境に対して密閉された、スパイラルダクト１６０に共通するコレクタスペース１６６が形成されており、このコレクタスペース内にハウジング部品１５８が収容されており、コレクタハウジング１６４はベアリング設備の側でハウジング部品１５８を取り囲むことができ、従ってコンプレッサ２４に対向する側及び／又はこの側の反対側、すなわちタービン出口側で取り囲むことができる。このコレクタハウジング１６４はインレットダクト１６８を有し、排気ガスは方向矢印１７０に従って排気管４２を介してこのインレットダクト内へ流入することができ、この排気管が排気ガスをさらにコレクタスペース１６６に誘導する。図５から分かるように、インレットダクト１６８は方向矢印１７０に従って排気ガスのフロー方向に徐々に細くなっている。インレットダクト１６８を介してコレクタスペース１６６に送られる排気ガスは、まず、コレクタスペース１６６内に集められ、スパイラルダクト１６０からタービンホイール１１６へと流れることができる。この場合、排気ガスの混合並びに収集は、排気管４２を介して排気ガスのフロー方向に向かってハウジング部品１５８の上流で行われる。
【００６８】
それぞれのスパイラルインレット断面ＡＳの上流では、スパイラルダクト１６０がそれぞれ１つの少なくともほぼトランペット形のインレットダクト１７２を有し、排気ガスはこのインレットダクトを介してスパイラルダクト１６０に流入することができる。タービン５４は高い変動性を有していることから、様々な堰止め特性を示し、それに伴って様々なＥＧＲ値を発生させることができる。同様に、このことによって、高い出力又は回転トルク要求を満たすために、内燃機関１０の特定のエア供給を実現することが可能となる。さらに、タービン５４は僅かな部品数しか有していないことに伴って、少ない経費で高い動作信頼性が生じる。
【００６９】
基本的に、ダブルフロー型タービンを、図５によるタービン５４の実施形態と同様に形成することも可能であり、タービンホイール１１６の回転軸１１８に沿ってハウジング部品１５８の横に、少なくとも２つのスパイラルダクトを備えるもう１つのハウジング部品が、例えばハウジング部品１５８の形で配置されており、このハウジング部品は、コレクタハウジング１６４に基づくもう１つのハウジング部品によって形成されている、収容スペース１６６に基づくもう１つの収容スペースの中に収容されている。従って、コレクタスペースは並行に配置され、密閉された状態で互いに分離されている。この場合、並列に接続されている２つのハウジング部品１５８が設けられており、これらのハウジング部品はそれぞれが一定の静圧作用を有しており、内燃機関１０のシリンダ１２がマニホールド部品などを用いてシリンダグループに分割されている場合は、これらのハウジング部品により互いに密閉されている２つのコレクタスペースに一定の動圧過給が生じることから、調整装置１１０及び該当するトングスライダによる両側の調整装置によって、可変的な、いわゆるダブルフロー排気タービンが成立し、このタービンは、用途に応じて非対称の堰止め特性をもたらすこともできる。
【００７０】
この場合、タービン５４の調整装置１１０は内燃機関１０の制御装置８２によって制御又は調整され、この制御装置が調整装置を調整して、タービン５４を内燃機関１０のそのときの動作点に適合させる。
【００７１】
図５によるタービン５４も、少なくとも１つのバイパスダクト１２８をもつ前述のバイパス装置１２６を備え、バイパスダクト１２８を介してタービンホイールを迂回する排気ガスの量を調整リング１２０によって調整することができる。回転軸１１８を中心に方向矢印１６２に従って調整リング１２０が回転することにより、前述した方法と同様に、回転軸１１８を中心にトングスライダが動く、詳細にはスライドするばかりでなく、タービンホイール１１６を迂回する排気ガスが通過できるバイパスダクト１２８の流路断面ＡＵ（図４）も調整される。
【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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