(57)【要約】      （修正有）【課題】排気アセンブリを提供する。【解決手段】分配構成部材４の排気入口８と結合される排気マニホールド２を有する排気アセンブリであって、排気を分配構成部材４の低圧接続部１０および／または高圧接続部９に導くために適切なアクチュエータ７が分配構成部材４に配置され、高圧側で高圧タービンハウジング５が分配構成部材４と結合され、低圧側で低圧タービンハウジング６が分配構成部材４と結合され、高圧タービンハウジング５の高圧排気出口と低圧タービンハウジング６の低圧排気入口とを結合する結合通路１１が、分配構成部材４を通して延在する排気アセンブリ。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
分配構成部材（４）の排気入口（８）と結合される排気マニホールド（２）を有する排気アセンブリであって、
排気を分配構成部材（４）の低圧接続部（１０）および／または高圧接続部（９）に導くために適切なアクチュエータ（７）が分配構成部材（４）に配置され、高圧側で高圧タービンハウジング（５）が分配構成部材（４）と結合され、低圧側で低圧タービンハウジング（６）が分配構成部材（４）と結合され、高圧タービンハウジング（５）の高圧排気出口（２０）と低圧タービンハウジング（６）の低圧排気入口（３９）とを結合する結合通路（１１）が、分配構成部材（４）を通して延在し、分配ハウジング（４）が鋳造された構成部材であり、低圧および高圧タービン（１３、１５）の内側および外側ハウジング（１９、３０；２３、３２）が薄板シェルから形成される排気アセンブリ。
【請求項２】
分配構成部材（４）がバイパス通路（２４）を備え、バイパス通路（２４）を通して、高圧タービンハウジング（５）の高圧排気出口（２０）から低圧タービン（１５）を迂回して、分配構成部材（４）の排気出口（１６）に排気を導入できることを特徴とする、請求項１に記載の排気アセンブリ。
【請求項３】
バイパス通路（２４）がバイパス弁（２５）によって遮断可能であることを特徴とする、請求項２に記載の排気アセンブリ。
【請求項４】
排気マニホールド（２）が、排気マニホールド（２）の内側ハウジング（２７）と排気マニホールド（２）の外側ハウジング（２６）との間に空隙（２８）を備えることと、低圧および高圧タービンハウジング（５、６）が、低圧および高圧タービンハウジング（５、６）の内側および外側ハウジング（１９、３０；２３、３２）の間に空隙（２９、３１）を備えることを特徴とする、請求項１または２に記載の排気アセンブリ。
【請求項５】
排気マニホールド（２）の空隙（２８）が、低圧および高圧タービンハウジング（５、６）の空隙（２９、３１）から分離されることを特徴とする、請求項４に記載の排気アセンブリ。
【請求項６】
分配構成部材（４）が、低圧タービンハウジング（６）と、高圧タービンハウジング（５）と、排気マニホールド（２）と金属結合により結合され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排気アセンブリ。
【請求項７】
低圧および高圧タービン段（１３、１５）の外側ハウジング（３２）が、排気マニホールド（２）の外側ハウジング（２６）と金属結合により結合され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排気アセンブリ。
【請求項８】
低圧および高圧タービン（１３、１５）の外側ハウジング（３０、３２）が、排気マニホールド（２）の外側ハウジング（２６）を包囲することを特徴とする、請求項７に記載の排気アセンブリ。
【請求項９】
低圧および高圧タービン（１３、１５）の内側ハウジング（１９、２３）が、摺動座（３３、３４）を形成しつつ分配構成部材（４）と結合され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排気アセンブリ。
【請求項１０】
排気マニホールド（２）の内側ハウジング（２７）が、摺動座を形成しつつ分配構成部材（４）と結合されることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の排気アセンブリ。
【請求項１１】
結合通路（１１）が、摺動座（１８）を形成しつつ分配構成部材（４）と結合される薄板からなる長さ部分（１７）を備えることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の排気アセンブリ。
【請求項１２】
低圧タービン（１５）の低圧排気出口（４０）が、分配構成部材（４）の排気出口（１６）に開口することを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の排気アセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の特徴を有する内燃機関用の排気アセンブリに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車用の内燃機関では、ターボ過給機によって過給されることが増えているが、この理由は、燃料消費を低減できるからである。ターボ過給機の重量も燃料消費に影響を及ぼすので、特に軽く、コンパクトな排気システムを開発することが追求され、とりわけ、エンジンルーム内部の構造スペースはますます小さくなっている。ターボ過給機は、その使用中に、著しい機械的な負荷、特に最大の熱負荷にさらされる。それにもかかわらず、所望の寿命を達成するために、熱的に誘導される応力を回避すること、およびターボ過給機の変動強度（Ｗｅｃｈｓｅｌｆｅｓｔｉｇｋｅｉｔ）を高めることを目標とする多くの解決方法の提案がすでになされてきた。これに関する一例は、排気を案内する構成部材と、支承またはシールする外部構造とを切り離すための特許文献１に記載された解決方法である。このようにして、より低い表面温度を有する構成部材を提供することができる。
【０００３】
別の重要な形態は、特にディーゼルエンジンの出力密度の上昇である。この場合も、内燃機関の過給技術が重要な要素となる。従来技術では、すでに、低い回転数の場合にも十分な給気圧、ひいては十分なトルクを達成するために、段階構造（Ｓｔｕｆｅｎｂａｕｗｅｉｓｅ）の２つのターボ過給機を使用することが考えられている（特許文献２）。同様に、従来技術では、機械式コンプレッサおよびターボ過給機からなる組み合わせが考えられている（非特許文献１）。当然、この場合、一方で、構成部材の構成が複雑であり、ならびに調整のための費用が非常に高価である。他方で、構成部材の表面積が著しく増加する。しかし、このことにより、排気の強力な冷却がもたらされる。このことは、目標とする低い排出値に関しさらに不利であるが、この理由は、排気温度が上昇して初めて、後接続の触媒が最適に動作するからである。逆説的に、高い負荷では、多くの熱が生じ、この熱が、表面の拡大のためエンジンルームに導入される。このことは、エンジンルームに存在する多様なプラスチック製構成部材および別のユニットに関する問題をもたらす。
【０００４】
非特許文献２に、６気筒ディーゼルエンジンの段階過給（Ｓｔｕｆｅｎａｕｆｌａｄｕｎｇ）について記載されており、このエンジンでは、２つの標準装備のターボ過給機がマニホールド（Ｋｒｕｅｍｍｅｒ）と結合され、対応する切替機構および錠止機構（Ｓｃｈａｌｔ−  ｕｎｄ  Ｒｉｅｇｅｌｏｒｇａｎｅ）によって補完された。全体として、排気アセンブリはかなりばらばらになり、このことにより、ねじ結合に関して、取付け費用の増大、表面積の拡大、およびこれに伴って生じる排気の冷却がもたらされる。
【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１００２２０５２Ａ１号明細書
【特許文献２】独国特許第１９８３７９７８Ｂ４号明細書
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】ＡｕｔｏＢｉｌｄ３６／２００５、１６ページ
【非特許文献２】ＭＴＺ５／２００５、Ｊａｈｒｇａｎｇ６６、３３４−３４４ページ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のことから出発して、本発明の課題は、熱放射を小さくし、重量を最小化するために、２段階過給の場合にも、排気の強すぎる冷却を可能な限り低減でき、さらに可能な限りコンパクトであり、同時に軽量である過給機を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題は、請求項１の特徴を有する排気アセンブリによって解決される。
【０００９】
従属請求項は有利な発展形態に関する。
【００１０】
本発明による排気アセンブリは、４つの構成要素、すなわち、排気マニホールド、分配構成部材（Ｖｅｒｔｅｉｌｅｒｂａｕｔｅｉｌ）および２つのタービンを備える。最初に、内燃機関から流出する排気が排気マニホールドを貫流し、この配管によって排気が集められて分配構成部材に供給される。分配構成部材は、排気アセンブリの中央要素である。分配構成部材に、高圧タービンハウジングおよび低圧タービンハウジングが直接接続される。分配構成部材は、それに応じて、それぞれのタービン用の高圧接続部および低圧接続部を有する。さらに、分配構成部材を通して、高圧タービンから低圧タービンに至る結合通路が延在し、高圧タービンから流出する排気が低圧タービンに移行する。高圧タービンおよび低圧タービンが排気により負荷が（ｂｅａｕｆｓｃｈｌａｇｔ）どの程度かけられるかは、特に、同様に分配構成部材に存在するアクチュエータによって影響を受ける。
【００１１】
分配構成部材は、その多様な機能のため、複雑な構成部材であり、このため、一次成形によって製造されることが好ましく、すなわち鋳物構成部材である。低圧および高圧タービンの内側および外側ハウジングは、これに対し、変形された薄板シェルから形成される。これらの薄板シェルと、引き続く排気システムへの接続部も結合することができる。鋳造されたハウジングと異なって製造されたハウジングも対象とされる。
【００１２】
本発明による排気アセンブリは、両方のタービンと中央の分配構成部材と直接結合するため、非常に軽量で、コンパクトな構造によって際立っている。タービンハウジングは、非常に近く隣接している。これによって、両方のタービンの間の流動経路が短縮される。この結果、排気アセンブリ全体の表面積が著しく低減される。表面積の低減により、熱放出が小さくなる。このことが、内燃機関の始動の際の触媒のより優れた始動挙動をもたらし、最大負荷における熱放出の低減をもたらす。さらに、短い流動経路およびコンパクトな構造によって、自動車の重量ならびにぎりぎりに寸法決めされたエンジンルーム内部の構造スペースを節約することができる。
【００１３】
有利な発展形態では、分配構成部材は、バイパス通路を有し、このバイパス通路を通して、高圧タービンハウジングの高圧排気出口から低圧タービンを迂回して、分配構成部材の排気出口に排気を導入できる。コンパクトな構造にとって、決定的なことは、バイパス通路が、分配構成アセンブリ（Ｖｅｒｔｅｉｌｅｒｂａｕｇｒｕｐｐｅ）の排気出口に直接開口し、この結果、分配構成アセンブリの外部の管路案内部（Ｌｅｉｔｕｎｇｓｆｕｅｈｒｕｎｇ）が必要でないことである。
【００１４】
バイパス通路は、アクチュエータと同様に分配構成部材に直接配置されるバイパス弁によって遮断可能である。バイパス弁を制御するために必要な駆動要素のために、追加の構造スペースがおそらくは必要となる。
【００１５】
排気マニホールドは、断熱のために、その内側ハウジングとその外側ハウジングとの間に空隙を有する。同様に、低圧および高圧タービンハウジングは、それぞれの内側ハウジングと外側ハウジングとの間に存在するそれぞれ１つの空隙を備える。
【００１６】
内側ハウジングの板厚は、通常、外側ハウジングの板厚よりも相当小さい。これによって、内側ハウジングの熱吸収はより少なく、このことは、同様に、触媒の始動挙動（Ａｎｓｐｒｉｎｇｖｅｒｈａｌｔｅｎ）にポジティブに、または同様に排気温度にポジティブに作用する。それぞれの内側ハウジングは、第一に排気を導く機能を有し、一方、それぞれの構成部材の外側ハウジングには、支承機能のみが付与される。支承機能に追加して、外側ハウジングは、周囲に対する排気アセンブリのシールを行う。
【００１７】
存在する３つの空隙が互いに分離される場合、特に有利と見なされる。特に、排気マニホールドの空隙は、低圧および高圧タービンハウジングの空隙から分離される。このようにして、排気マニホールドの空隙への熱注入は、低圧および高圧タービンハウジングの空隙内に直ちに伝達されない。このことは、両方のタービンの熱的荷重除去をもたらす。
【００１８】
本発明による排気アセンブリは、完全に、ねじ結合なしに済む。ねじ結合は、重量を増す対応するフランジを前提とし、漏れをもたらす潜在的な可能性がある。本発明による排気アセンブリの構成要素は、金属結合により（ｓｔｏｆｆｓｃｈｌｕｅｓｓｉｇ）互いに結合され、特に溶接されることが好ましい。金属結合による結合は、漏れをもたらさず、重いフランジを回避し、狭く、コンパクトな結合領域を可能にする。このことが、全体的に重量を低減するように作用する。
【００１９】
排気アセンブリの構成要素の溶接された外側ハウジングは、分配構成部材と共に支承構造を形成する。この構造は、排気アセンブリとタービンの外気吸気路とを結合するために、低圧および高圧タービンの領域に、対応する軸受フランジが設けられることによって支持される。さらに、これらの軸受フランジによって、外側ハウジングの薄板シェルが補強される。
【００２０】
排気マニホールドおよびタービンの空隙は、互いに分離されるべきであるため、低圧および高圧タービン段の外側ハウジングが、排気マニホールドの外側ハウジングと金属結合により結合されることが意図される。特に、低圧および高圧タービン段の外側ハウジングは、排気マニホールドの外側ハウジングを包囲する。排気マニホールドの外側ハウジングは、内燃機関のシリンダ頭部に固定される排気マニホールドの頭部フランジと、分配構成部材との間の結合体である。それに応じて、空隙も分配構成部材まで延在する。理論的に、高圧および低圧タービン段の外側ハウジングはそこで始まることができ、このことは、当然、複数の溶接シームの集中をもたらすであろう。この結合領域における応力ピークを回避するために、低圧および高圧タービン段の外側ハウジングが、排気マニホールドの外側ハウジングと直接結合され、詳しくは、排気マニホールドの外側ハウジングが他の上述の外側ハウジングに係合するように結合される。外側ハウジングの互いの直接溶接によって、排気マニホールドとタービンの外側ハウジングとの間の非常に剛性の連結が達成される。結合領域に隣接して、これによって、排気マニホールドおよびタービンの空隙が重なり合うが、この場合、流体を導くようには（ｆｌｕｉｄｌｅｉｔｅｎｄ）互いに結合されない。
【００２１】
本発明による排気アセンブリは、低圧および高圧タービンの内側ハウジングが、摺動座を形成しつつ分配構成部材と連結されるように形成することができる。摺動座によって、熱的に誘導される個々のハウジングの長さ変化を補償することができ、これにより、排気アセンブリ全体の疲労強度が高められる。
【００２２】
タービンハウジングの空隙が排気マニホールドの空隙まで延在することによって、分配構成部材も空隙により断熱され、詳しくは、タービンハウジングの空隙によって断熱される。このようにして、分配構成部材の主要な上面領域が断熱される。
【００２３】
排気マニホールドの内側ハウジングも、摺動座を形成しつつ分配構成部材と結合することができる。同様のことが、同様に摺動座を形成しつつ分配構成部材と結合される結合通路の長さ部分にも当てはまる。これによって、著しく可変の熱負荷にさらされる中央の分配構成部材は、熱的に誘導される長さ変化によって引き起こされる応力から可能な限り解放される。
【００２４】
排気アセンブリの中央要素は、すなわち、鋳造技術によって製造された分配構成部材であり、この部材によって、対応する機械加工の後にアクチュエータおよびバイパス弁が収容される。さらに、分配構成部材は、排気アセンブリを貫流する排気を、排気路の引き続く構成要素に転送するために機能する排気出口を備えることができる。したがって、低圧タービンの低圧排気出口も、分配構成部材の排気出口に直接開口することができる。
【００２５】
本発明による排気アセンブリは、熱負荷および所望の剛性に応じて材料の柔軟な選択を可能にする。中央の分配構成部材は、ほとんど完全に薄板構造によって囲まれ、これによって、熱損失を最小化することができる。１．５ｍｍ未満の壁厚を有する非常に薄い内側構造により、触媒始動挙動の改良によって閉じた内燃機関の排出値が改善される。
【００２６】
次に、２つの図面に示した実施形態を参照して、本発明について説明する。
【００２７】
図１と図２は、同一の排気アセンブリの２つの断面図を示している。それぞれの断面は、Ｉ−ＩまたはＩＩ−ＩＩで示されている。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】排気アセンブリ１の第１の断面図Ｉ−Ｉである。断面Ｉ−Ｉの位置は、図２に示されている。
【図２】図１の断面ＩＩ−ＩＩの図面である。断面ＩＩ−ＩＩの位置は、図１から理解できる。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
排気アセンブリ１は、頭部フランジ３を介して詳細に示していない内燃機関と結合することができる排気マニホールド２を含む。排気マニホールド２は、複流式に形成されている。断面Ｉ−Ｉは、特に、鋳物構成部材として製造される中央の分配構成部材３に開口する排気マニホールド２の断面を示している。図１では、分配構成部材４の上方に、高圧タービンハウジング５が配置されている。分配構成部材４の下方に、より大きな低圧タービンハウジング６がある。分配構成部材４の内部のフラップの形態のアクチュエータ７は、図示した下方の位置から、破線で示した上方の位置に変位されることができ、したがって、矢印Ａの方向に分配構成部材４に入る排気は、上方でなく、下方に方向転換する。アクチュエータ７が上方位置にあるとき、高圧接続部９が閉じられ、この結果、排気は、分配構成部材４の管状の低圧接続部１０を介して、低圧タービンハウジング６の低圧排気入口３９に直接導入される。アクチュエータ７の中間位置が可能である。
【００３０】
図示した位置では、排気は、高圧タービンハウジング５から、図１に破線で示されている結合通路１１を介して低圧タービンハウジング６に導かれる。図２に示した矢印Ｂは、排気が分配構成部材４の排気入口８から高圧タービン１３のタービン羽根車１２を貫流し、結合通路１１を介して矢印Ｃの方向に、低圧タービン１５のタービン羽根車１４に流入し、そこから矢印Ｄの方向に、低圧タービン１５の低圧排気出口４０を介して分配構成部材４の排気出口１６に流れ込む状況を示している。
【００３１】
結合通路１１は、２つの長さ部分、すなわち、深絞りした薄壁の薄板からなる上方長さ部分１７、および分配構成部材４内に延在する下方長さ部分２２を有する。上方長さ部分１７は、摺動座１８を形成しつつ、高圧タービン１３の内側ハウジング１９と結合され、つまり、高圧排気出口２０と接続される。さらに、結合通路１１の薄板からなるこの長さ部分１７は、摺動座２１を介して分配構成部材４と連結される。これが可能な理由は、摺動座１８、２１の移動方向が区別され、構成部材が一方で分配構成部材４と、他方で高圧タービン１３の内側ハウジング１９と確実に結合されるからである。結合通路１１の下方長さ部分２２は、分配構成部材４の内部に延在して、低圧タービン１５の内側ハウジング２３に開口し、このハウジングは、高圧タービン１３の内側ハウジング１９と全く同様に薄板シェルから構成される。
【００３２】
さらに、バイパス通路２４が、結合通路１１の下方長さ部分２２に形成され、このバイパス通路は、図２ではバイパス弁２５によって遮断される。バイパス弁２５が開放されると、排気は、結合通路１１から矢印Ｅの方向に、分配構成部材４の排気出口１６に直接流入することができる。排気出口１６は、排気路の別の後接続の構成要素と結合するためにフランジを有する。
【００３３】
特に図１から、ほぼ全体の排気アセンブリが空隙断熱される（ｌｕｆｔｓｐａｌｔｉｓｏｌｉｅｒｔ）ことを理解できる。排気マニホールド２は、このために、シールするかまたは支承する外側ハウジング２６を備え、このハウジングは、一方で頭部フランジ３と溶接され、他方で分配構成部材４の排気入口８を包囲し、この入口は、このために段状の突起を備える。外側ハウジング２６の内部に、内側ハウジング２７がある。外側ハウジング２６と内側２７との間に、空隙２８がある。内側ハウジング２７は、本実施形態では頭部フランジ３と固定溶接され、摺動座を介して分配構成部材４の排気入口８に係合する。この空隙２８は、内側ハウジング１９と高圧タービンハウジング５の外側ハウジング３０との間に形成される空隙２９から分離される。同様に、空隙２８は、内側ハウジング２３と、低圧タービンハウジング６の支承する外側ハウジング３２との間の空隙３１から分離されて配置される。高圧および低圧タービン１３、１５の外側ハウジング３０、３２は、排気マニホールド２に向き合う外側ハウジング３０、３２の端部の外側で、排気マニホールド２の外側ハウジング２６と溶接される。排気マニホールド２から離れた外側ハウジング３０、３２の他方の端部は、分配構成部材４と溶接される。これらの端部は、分配構成部材対４の対応する固定ウェブに位置する。
【００３４】
分配構成部材４は、高圧および低圧タービン１３、１５のハウジングによってほぼ完全に囲まれていることが理解される。さらに、外側ハウジング３０、３２の板厚が、それぞれの内側ハウジング１９、２３の板厚よりもはるかに大きいことが理解される。さらに、内側ハウジング１９、２３が公知の方法で渦巻き状に構成され、この結果、高圧タービン１３または低圧タービン１５のハウジングの空隙幅が著しく変化することが指摘される。
【００３５】
熱応力を中央の分配構成部材４から遠ざけるために、高圧タービン１３または低圧タービン１５の内側ハウジング１９、２３が、摺動座３３、３４を介して分配構成部材４の高圧接続部９または分配構成部材４の低圧接続部１０と結合される。これによって、高圧タービン１３および低圧タービン１５のそれぞれの外側および内側ハウジング３０、１９、２３、３２が、一方で分配構成部材４を介して間接的に互いに結合する。他方で、軸受フランジ３５、３６を介して結合が行われ、排気アセンブリ１を軸受アセンブリの吸気側部分／外気側部分に結合するために機能する。
【００３６】
図２から、軸受フランジ３５、３６が互いに平行の面に位置することが認識される。言い換えれば、タービン羽根車１２、１４の回転軸線３７、３８は、この実施形態では互いに平行に位置する。
【符号の説明】
【００３７】
１  排気アセンブリ
２  排気マニホールド
３  頭部フランジ
４  分配構成部材
５  高圧タービンハウジング
６  低圧タービンハウジング
７  アクチュエータ
８  排気入口
９  高圧接続部
１０  低圧接続部
１１  結合通路
１２  タービン羽根車
１３  高圧タービン
１４  タービン羽根車
１５  低圧タービン
１６  排気出口
１７  上方長さ部分
１８  摺動座
１９  内側ハウジング
２０  高圧排気出口
２１  摺動座
２２  下方長さ部分
２３  内側ハウジング
２４  バイパス通路
２５  バイパス弁
２６  外側ハウジング
２７  内側ハウジング
２８  空隙
２９  空隙
３０  外側ハウジング
３１  空隙
３２  外側ハウジング
３３  摺動座
３４  摺動座
３５  軸受フランジ
３６  軸受フランジ
３７  回転軸線
３８  回転軸線
３９  低圧排気入口
４０  低圧排気出口
Ａ  矢印
Ｂ  矢印
Ｃ  矢印
Ｄ  矢印
Ｅ  矢印
【図１】
2011007185.tif 000003
【図２】
2011007185.tif 000004