(57)【要約】  本発明は、内燃機関（１）、特にディーゼルエンジンのための排ガスターボチャージャ（１０）に関し、新鮮ガス供給装置（４）を備えており、排ガスターボチャージャ（１０）は少なくとも１つのコンプレッサ（１１）と、少なくとも１つの排ガスタービン（１２）と、少なくとも１つのコンプレッサ（１１）及び少なくとも１つの排ガスタービン（１２）を相対回動不能に連結しているターボチャージャシャフト（１３）とを有し、慣性モーメントを高めるためのエネルギ貯蔵器（１４）を有しており、エネルギ貯蔵器（１４）は、ターボチャージャシャフト（１３）を介して、少なくとも１つのコンプレッサ（１１）及び少なくとも１つの排ガスタービン（１２）に相対回動不能に連結されている。内燃機関（１）に新鮮ガスを供給するためのアセンブリは、上記排ガスターボチャージャ（１０）及び新鮮ガス供給装置を有する。
2013515892.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関（１）、特にディーゼルエンジンのための排ガスターボチャージャ（１０）であって、新鮮ガス供給装置（４）を備えており、前記排ガスターボチャージャ（１０）は：
少なくとも１つのコンプレッサ（１１）と、
少なくとも１つの排ガスタービン（１２）と、
前記少なくとも１つのコンプレッサ（１１）及び前記少なくとも１つの排ガスタービン（１２）を相対回動不能に連結しているターボチャージャシャフト（１３）と、
慣性モーメントを高めるためのエネルギ貯蔵器（１４）とを有しており、
該エネルギ貯蔵器（１４）は、ターボチャージャシャフト（１３）を介して、前記少なくとも１つのコンプレッサ（１１）及び前記少なくとも１つの排ガスタービン（１２）に相対回動不能に連結されていることを特徴とする、排ガスターボチャージャ。
【請求項２】
前記エネルギ貯蔵器（１４）はフライホイールマスを有することを特徴とする、請求項１記載の排ガスターボチャージャ。
【請求項３】
前記エネルギ貯蔵器（１４）のフライホイールマスは、前記ターボチャージャシャフト（１３）に少なくとも部分的に組み込まれていることを特徴とする、請求項２記載の排ガスターボチャージャ。
【請求項４】
前記エネルギ貯蔵器（１４）のフライホイールマスは、少なくとも１つのコンプレッサ（１１）及び／又は少なくとも１つの排ガスタービン（１２）の回動可能な部分に、少なくとも部分的に組み込まれていることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか一項記載の排ガスターボチャージャ。
【請求項５】
前記エネルギ貯蔵器（１４）のフライホイールマスは、前記排ガスターボチャージャ（１０）の回転数の所定の減速のために規定されていることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか一項記載の排ガスターボチャージャ。
【請求項６】
少なくとも１つの新鮮ガス供給装置（４）と、少なくとも１つの、請求項１から５までのいずれか一項記載の排ガスターボチャージャ（１０）とを備えた、内燃機関（１）、特にディーゼルエンジンへ新鮮ガスを供給するためのアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、新鮮ガス供給装置を備えた内燃機関のための排ガスターボチャージャに関する。また、本発明は、内燃機関の新鮮ガスを供給するための相応のアセンブリにも関する。
【０００２】
内燃機関、例えばディーゼルエンジンにはよく、排ガスターボチャージャが備え付けられている。図１に、排ガスターボチャージャ１０の排ガスタービン１２に接続されている排ガス管路６を有する、先行技術に基づく内燃機関１を示す。排ガスタービン１２は、排ガスターボチャージャ１０のコンプレッサ１１を駆動する。この構成において、排ガスタービン１２及びコンプレッサ１１は、ターボチャージャシャフト１３を介して連結されている。コンプレッサ１１は、新鮮ガス入口２からの吸込み空気を圧縮し、ひいては内燃機関１の吸込み管路５内の吸込み圧を高める。これにより、例えば内燃機関１を備える車両（図示せず）の加速特性が改良される。さらに燃料消費の低減が達成される。
【０００３】
内燃機関における排ガスターボチャージャ（ＡＴＬ）のコンプレッサ羽根車は、アルミニウム若しくはアルミニウム合金又はチタン若しくはチタン合金から製造される。この根拠は、低い固有の質量という点にあり、また、低い質量慣性モーメントという点にもある。これによりターボチャージャの迅速なパワーアップを促進し、ひいてはいわゆる「ターボラグ」を減じる。このターボラグは、排ガスターボチャージャ１０がその完全なブースト圧を形成することができるように、加速工程時に内燃機関１からの排ガス質量流によって、排ガスタービン１２により排ガスターボチャージャ１０のコンプレッサ１１を加速する必要があるので、排ガスターボチャージャを備えた内燃機関において発生する。最大のブースト圧が達成されるまでの時間は、（排ガスタービン１２及びコンプレッサ１１の）羽根車の質量慣性に決定的に左右される。質量慣性モーメントが小さければ小さいほど、（特にマニュアルトランスミッション及び自動化されたマニュアルトランスミッションにおける）シフトプロセス若しくはギア変更中のターボチャージャの回転数はより減じられる。このことは結果的に、接続後に先ず排ガスターボチャージャ１０は、現状のエンジン回転数に対応する必要な回転数にまで再び加速される、ということになる。
【０００４】
上記「ターボラグ」を克服するために、解決手段が提案されてきた。この解決手段においては、内燃機関１の吸気需要が高まる場合に、この吸気需要を満たすために、例えば空気コンプレッサ９によって供給される圧縮空気タンク８からの圧縮空気を、制御して内燃機関１の吸込み管路５内に導入する。ターボチャージャ１０のコンプレッサ１１若しくは流れ方向において下流側で接続されているインタクーラ３と、吸込み管路５との間に配置されている新鮮ガス供給装置４により行われる。
【０００５】
国際特許出願公開第２００６０８９７７９号明細書には、ターボチャージャにより荷重をかけられるピストン型内燃機関に新鮮空気を供給するためのアセンブリと、このアセンブリを運転するための方法が開示されている。
【０００６】
したがって本発明の目的は、改良された排ガスターボチャージャを提供することである。
【０００７】
上記目的は、請求項１の特徴部を備えた排ガスターボチャージャにより達成される。
【０００８】
したがって、内燃機関、特にディーゼルエンジンのための排ガスターボチャージャは、新鮮ガス供給装置を有しており、排ガスターボチャージャは、少なくとも１つのコンプレッサと、少なくとも１つの排ガスタービンと、少なくとも１つのコンプレッサ及び少なくとも１つの排ガスタービンを相対回動不能に連結しているターボチャージャシャフトと、慣性モーメントを高めるためのエネルギ貯蔵器とを有している。このエネルギ貯蔵器はターボチャージャシャフトを介して、少なくとも１つのコンプレッサと、少なくとも１つの排ガスタービンとに相対回動不能に連結されている。
【０００９】
本発明の思想の重要な点は、排ガスターボチャージャの質量慣性モーメントを高めるエネルギ貯蔵器を備えた排ガスターボチャージャにある。
【００１０】
排ガスターボチャージャ、つまり回転する構成部材の質量慣性を高めることは、いわゆるターボラグの明らかな拡大に繋がるという事実に対し、排ガスターボチャージャ及び新鮮ガス供給装置をアセンブリにして組み合わせることは、現状のエンジン回転数にとって必要な、付属のブースト圧のためのターボチャージャ回転数値まで排ガスターボチャージャを加速させることが必要ないように、ギア変更後に排ガスターボチャージャが、現状のエンジン回転数に同期化されている、という利点をもたらす。
【００１１】
他の利点は、排ガスターボチャージャの加速がギア変更後に不要になるので、新鮮ガス供給装置の圧縮空気消費が減じられる点にある。
【００１２】
さらにエネルギ貯蔵器はフライホイールマスを有する。このフライホイールマスは、ターボチャージャシャフトに相対回動不能に取り付けられている一種のフライホイールとして形成されていてよい。
【００１３】
上記フライホイールマスは、少なくとも部分的にターボチャージャシャフトに組み込まれていてもよく、これにより部品点数は減じられる。
【００１４】
さらにエネルギ貯蔵器のフライホイールマスが、少なくとも部分的に少なくとも１つのコンプレッサ及び／又は少なくとも１つの排ガスタービンの回動可能な部材に組み込まれているように分割されているということが可能である。この構成は、例えばコンプレッサ及び／又は排ガスタービンの羽根車が鋼から製造されていることにより可能である。
【００１５】
有利な構成において、エネルギ貯蔵器のフライホイールマスは、排ガスターボチャージャの回転数の所定の減速に対して規定されていてよい。これにより新鮮ガス供給装置の圧縮空気消費は減じられる。これと同時に内燃機関の効率は高まる。
【００１６】
さらに、エネルギ貯蔵器により、適切な調節を前提とする追加空気に対する高められた需要はないので、圧縮空気消費を減じることにより、追加空気のための圧縮空気装置又は空気乾燥システムのエアコンプレッサ若しくは空気コンプレッサの適切な調節は回避される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】先行技術に基づく、排ガスターボチャージャ及び新鮮ガス供給装置を備えた内燃機関の概略図である。
【図２】本発明に係る排ガスターボチャージャ及び新鮮ガス供給装置の一実施の形態を備えた内燃機関の概略図である。
【図３】ａ−ｃはギア段変更と、エンジン回転数及びターボチャージャ回転数との時間的な関係を示す３つのグラフである。
【００１８】
以下に、本発明を、添付の図面に記載の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
【００１９】
同一の機能を備えた同一の構成エレメント及び機能ユニットには、同一の符号を図面において用いる。
【００２０】
図１については既に記述したので、以下にさらに説明しない。
【００２１】
図２には、本発明に係る排ガスターボチャージャ１０及び新鮮ガス供給装置４を備えた内燃機関１の実施の形態を概略的に示す。
【００２２】
図１との相違点は、図２に示す実施の形態における本発明に係る排ガスターボチャージャ１０は、エネルギ貯蔵器１４を有する点にある。
【００２３】
本発明に係る排ガスターボチャージャ１０及び新鮮ガス供給装置４は、内燃機関１に新鮮ガスを供給するためのアセンブリを形成する。
【００２４】
エネルギ貯蔵器１４はターボチャージャシャフト１３に連結されており、この実施の形態においてはフライホイールマスを有する。このフライホイールマスは、排ガスタービン１２が内燃機関１の排ガス流により駆動されると、コンプレッサ１１及び排ガスタービン１２と共に回転する。
【００２５】
この実施の形態において、エネルギ貯蔵器は、一種のフライホイールであるフライホイールマスとして、コンプレッサ１１及び排ガスタービン１２の慣性を高める。ただしフライホイールマスによるこの慣性の高まりは、内燃機関１が付属する車両の始動時、又はシフトプロセスが行われることなく低い回転数から加速する場合の加速工程において、ターボラグの明らかな増大に繋がる。
【００２６】
図２に示した、エネルギ貯蔵器１４を備えた排ガスターボチャージャ１０と、新鮮ガス供給装置４との組合せにおいて、コンプレッサ１１及び排ガスタービン１２の羽根車の高められた慣性により拡大されるターボラグは、また、新鮮ガス供給装置４による、内燃機関１の吸込み管路５内への圧縮空気の吹込みにより、ほぼ完全に減じられる。
【００２７】
エネルギ貯蔵器１４は、ターボチャージャシャフト１３にフライホイールマスとして相対回動不能に取り付けられていてよい。フライホイールマスが、例えば２つ又は２つより多くの、ターボチャージャシャフト１３の適切な位置に配置されているフライホイールディスクに分配されているということも可能である。エネルギ貯蔵器１４は、別様に、例えば連結部及び／又は伝動装置を介してターボチャージャシャフト１３に連結されていてもよい。当然にターボチャージャシャフト１３は、エネルギ貯蔵器がターボチャージャシャフト１３に組み込まれているように形成されていてもよい。
【００２８】
エネルギ貯蔵器１４のフライホイールマスは、例えばギア変更時に排ガスターボチャージャの回転数の降下が、時間単位毎に予め規定された値に達するように選択することができる。こうして、特に（しかし専らではない）自動化されたマニュアルトランスミッションにおいて、シフトプロセス若しくはギア変更後に、ターボチャージャの回転数は、現状のエンジン回転数に同期化することができる。これにより、排ガスターボチャージャ１０の不必要なパワーアップは、回避されるか若しくは最小限に抑えられる。
【００２９】
このことは、図３ａ〜ｃとの関連において説明したい。図３ａ〜ｃに、ギア段変更と、エンジン回転数ｎＭ及びターボチャージャの回転数ｎＬとの時間的な関係の３つのグラフを示す。
【００３０】
図３ａに、時間ｔに関するギア段Ｇのグラフを示す。この実施の形態において、所定の時点Ｔ１の前に、自動化されたマニュアルトランスミッション（図示せず）のギア段５が調節されている。時点Ｔ１において、ギア段５からギア段７へのギア段変更が行われる。時点Ｔ２においてはギア段７が占められている。
【００３１】
Ｔ１からＴ２へのギア段変更若しくはシフトプロセスの期間は、この実施の形態においては２ｓである。
【００３２】
図３ａとの時間的な関係において、図３ｂは時間に関するエンジン回転数ｎＭが、グラフ区分として概略的に記載されているグラフを示す。時点Ｔ１において、エンジン回転数ｎＭＴ１は１５００Ｕ／ｍｉｎである。ギア変更のための連結解除時に、エンジン回転数ｎＭは、エンジン回転数ｎＭが時点Ｔ２における連結時に、ｎＭＴ２＝１１５０Ｕ／ｍｉｎの値を有するまで低下する。
【００３３】
付随するターボチャージャ回転数ｎＬを、図３ｃにおける他のグラフにおいて示す。時点Ｔ１において、ターボチャージャ回転数ｎＬＴ１は１５００００Ｕ／ｍｉｎである。まず、通常のターボチャージャの事例を記載する。この事例においては、ターボチャージャ回転数ｎＬはシフトプロセス中に、減少していく排ガス流に基づき、時点Ｔ２においてｎＬＴ２＝２００００Ｕ／ｍｉｎの値まで下がる。このことは真っ直ぐに引かれた鎖線により示されている。時点Ｔ２において存在するエンジン回転数ｎＭＴ２＝１１５０Ｕ／ｍｉｎに必要なブースト圧を達成するために、ターボチャージャはｎ’Ｌ＝７００００Ｕ／ｍｉｎの最適なターボチャージャ回転数を有する必要がある。これはこの実施の形態においては該当しないので、ターボチャージャは２００００Ｕ／ｍｉｎから７００００Ｕ／ｍｉｎにまで加速する必要がある。
【００３４】
本発明に係るエネルギ貯蔵器１４を備えたターボチャージャ１０の使用時に、ターボチャージャの回転数ｎＬは、高められた慣性に基づき、時点Ｔ２において「ただ」ｎ’ＬＴ２＝７００００Ｕ／ｍｉｎの値にまでしか下がらない。
【００３５】
この実施の形態において、フライホイールマスは、排ガスターボチャージャ１０が２ｓのシフトプロセス中に４００００Ｕ／ｓだけ制動されるように規定されている。こうして時点Ｔ２における２ｓのシフトプロセス後に、現状のエンジン回転数ｎＭＴ２に対して同期化されている最適なターボチャージャの回転数ｎ’ＬＴ２がもたらされる。次いで排ガスターボチャージャ１０の不必要な高加速はもはや必要ではなく、ターボラグはもはや生じない。
【００３６】
当然、エネルギ貯蔵器１４のフライホイールマスは、内燃機関１のアイドリング回転数からの始動時若しくはシフトプロセスがない低いエンジン回転数ｎＭからの加速時にターボラグを高める。しかしこの影響は、新鮮ガス供給装置４により完全に排除される。
【００３７】
時点Ｔ２の到達時、つまりシフトプロセスが行われた場合、ターボチャージャ回転数ｎＬＴ２はエンジン回転数ｎＭＴ２に対して同期化されていて、もはや加速する必要はないので、圧縮空気の吹込み工程時の空気消費は、新鮮ガス供給装置により減じられる。このことから、例えば商用車における空気コンプレッサ９又は空気乾燥システムの必要な適合は回避可能であり、コスト節約がもたらされることになる。
【００３８】
上記実施の形態は本発明を限定するものではない。本発明は、添付の特許請求の枠内において変更可能である。
【００３９】
例えばエネルギ貯蔵器１４は、このエネルギ貯蔵器１４のために用意されている排ガスターボチャージャ１０に後から、例えば適切な連結部を介して取付け可能であるか、又は排ガスターボチャージャ１０内に組み付け可能であるということが例えば可能である。
【００４０】
排ガスターボチャージャ１０において、コンプレッサ１１及び／又は排ガスタービン１２の羽根車は、アルミニウム又はチタンより重い材料、例えば鋼から成っていてよい。これによりエネルギ貯蔵器１４の付加的なフライホイールマスを縮小することができる。
【００４１】
内燃機関１の種々異なる運転状態に慣性モーメントを適合させるために、エネルギ貯蔵器１４は、１つ又は複数の制御可能な連結部により排ガスターボチャージャシャフト１３に完全な状態で連結可能であるか、又は２つ若しくはそれより多い区分に分けられて連結可能である。
【符号の説明】
【００４２】
１  内燃機関
２  新鮮ガス入口
３  インタクーラ
４  新鮮ガス供給装置
５  吸込み管路
６  排ガス管路
７  排ガス出口
８  圧縮空気タンク
９  空気コンプレッサ
１０  排ガスターボチャージャ
１１  コンプレッサ
１２  排ガスタービン
１３  ターボチャージャシャフト
１４  エネルギ貯蔵器
ＤＬ  圧縮空気管路
Ｇ  ギア段
ｎＭ  エンジン回転数
ｎＬ  ターボチャージャ回転数
ｔ，Ｔ１，Ｔ２  時間
【図１】
2013515892.tif 000003
【図２】
2013515892.tif 000004
【図３ａ】
2013515892.tif 000005
【図３ｂ】
2013515892.tif 000006
【図３ｃ】
2013515892.tif 000007
【国際調査報告】
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2013515892.tif 000009
2013515892.tif 000010
2013515892.tif 000011
2013515892.tif 000012
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