(57)【要約】  本発明は、タービンハウジング（７６）とタービンホイール（７４）とを備える排気ターボチャージャ（２２）のタービン（３２）に関し、このタービンホイールは、少なくとも部分的にタービンハウジング（７６）内に収納され、回転軸（７３）を中心に回転可能であり、またこのタービンホイールは少なくとも１つの流入エッジ（９０）および少なくとも１つの流出エッジ（９６、１０２）を持つ少なくとも１つのホイールブレード（８２）を有しており、タービンホイール（７４）を作動するためにタービンハウジング（７６）を通過する排気ガスが、流入エッジ（９０）を介してこのホイールブレードに流入可能であり、また流出エッジ（９６、１０２）を介してホイールブレードから流出可能である。この場合、調整装置（５６）が設けられ、この調整装置を介してタービンホイール（７４）のホイールブレード（８２）の流出エッジ（９６，１０２）が、第１の位置においては少なくとも部分的に流体的に解放可能であり、逆に、調整装置（５６）の少なくとも１つの第２の位置においては少なくとも部分的に流体的に少なくともほぼ閉鎖可能である。
2014511962.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンハウジング（７６）とタービンホイール（７４）とを備える排気ターボチャージャ（２２）のタービン（３２）であり、前記タービンホイールは、少なくとも部分的に前記タービンハウジング（７６）内に収納され、回転軸（７３）を中心に回転可能であり、また前記タービンホイールは、少なくとも１つの流入エッジ（９０）および少なくとも１つの流出エッジ（９６、１０２）を持つ少なくとも１つのホイールブレード（８２）を有しており、前記タービンホイール（７４）を作動するために前記タービンハウジング（７６）を通過する排気ガスが、流入エッジ（９０）を介して前記ホイールブレードに流入可能であり、また流出エッジ（９６、１０２）を介して前記ホイールブレードから流出可能である、排気ターボチャージャ（２２）のタービン（３２）であって、
調整装置（５６）が設けられ、前記調整装置を介して前記タービンホイール（７４）の前記ホイールブレード（８２）の前記流出エッジ（９６、１０２）が、第１の位置においては少なくとも部分的に流体的に解放可能であり、逆に、調整装置（５６）の少なくとも１つの第２の位置においては少なくとも部分的に流体的に少なくともほぼ閉鎖可能であることを特徴とするタービン（３２）。
【請求項２】
前記調整装置（５６）が、少なくとも部分的にタービンホイール出口領域（１０８）内に配置されており、また前記タービンホイール（７４）の前記回転軸（７３）を中心に回転可能であることを特徴とする、請求項１に記載のタービン（３２）。
【請求項３】
少なくとも部分的にタービンホイール入口領域（１１０）内に配置されているさらなる調整装置（５４）が設けられており、前記調整装置を介して前記タービンホイール（７４）の上流で前記タービンホイール入口領域（１１０）のフロー条件が可変的に調整可能であることを特徴とする、請求項１または２のいずれか１項に記載のタービン（３２）。
【請求項４】
前記第１のおよび前記第２の調整装置（５４、５６）が相互に連結されており、前記２つの調整装置（５４、５６）に共通のアクチュエータを介して作動可能である、特に移動可能であることを特徴とする、請求項３に記載のタービン（３２）。
【請求項５】
前記調整装置（５４、５６）が電気式および／または圧縮空気式および／または油圧式および／または機械式に相互に連結されていることを特徴とする、請求項４に記載のタービン（３２）。
【請求項６】
前記さらなる調整装置（５４）が、前記タービンホイール入口領域（１１０）内のフロー条件を可変調整するために、前記タービンホイール（７４）の前記回転軸（７３）を中心に回転可能であることを特徴とする請求項３から５のうちいずれか１項に記載のタービン（３２）。
【請求項７】
前記タービンホイール（７４）の前記ホイールブレード（８２）が、前記回転軸（７３）に対してほぼ平行に通る少なくとも１つの長手領域（８８）を前記流入エッジ（９０）として、またほぼ半径方向に通る１つの長手領域（９４）を前記流出エッジ（９６）として備える外側輪郭（８６）を有し、前記回転軸（７３）に対してほぼ平行に通る前記長手領域（８８）と、ほぼ半径方向に通る前記長手領域（９４）との間に少なくとも１つのさらなる長手領域（１００）がさらなる流出エッジ（１０２）として設けられており、前記さらなる流出エッジは前記回転軸（７３）と共に角度αＫを挟み、前記角度αＫが２０度＜αＫ≦９０度の領域にあることを特徴とする、請求項１から６のうちいずれか１項に記載のタービン（３２）。
【請求項８】
前記さらなる流出エッジ（１０２）が、前記調整装置（５６）を介して流体的に解放可能であり、逆に流体的に少なくともほぼ閉鎖可能であることを特徴とする、請求項７に記載のタービン（３２）。
【請求項９】
前記調整装置（５６）が、前記タービンハウジング（７６）に対してトルク耐性な第１の調整要素（８０）および前記第１の調整要素（８０）に対して前記回転軸（７３）を中心に回転可能な少なくとも１つの第２の調整要素（７８）を備えることを特徴とする、請求項１から８のうちいずれか１項に記載のタービン（３２）。
【請求項１０】
前記調整装置（５６）が、前記回転軸（７３）を中心にして２０度の調整領域内で調整可能であることを特徴とする、請求項１から９のうちいずれか１項に記載のタービン（３２）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前提部分に記載された種類の、排気ターボチャージャのタービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の大量生産から、内燃機関の排気ガスを使って駆動されるタービンを持つ排気ターボチャージャを使用することが知られている。この場合、このタービンは、少なくとも１つの調整装置を有し、この調整装置は例えば排気ガスの流れる方向において、タービンのタービンホイールの上流に配置されており、またこの装置を使用して、特にタービンホイールの上流でフロー条件に影響を与えることが可能である。このようにしてタービンを、内燃機関の複数の異なる作動点に適合させることができるため、タービンおよび従って内燃機関は、特に効率的に、すなわち僅かな燃料消費で、またこれにともなって僅かなＣＯ２排出量で作動することができる。このことから調整装置は可変性となり、タービンが作動点において熱力学的に有利に適合することを可能にする。この可変性によって、効率を最適化した作動のための１つの主要な値である、タービンのいわゆる反応度へ影響を与える方法が生じる。
【０００３】
さらに、内燃機関の特に大きな負荷開度および回転数開度に対応し得るように、タービンの特定のスループット開度を形成することが必要である。特に、内燃機関の負荷および／または回転数が小さい場合の要求事項にも対応できるように、例えばタービンによって高い堰止め効果を形成することも可能であるが、しかしながらこのことにより、タービンのスループットパラメータは低くなる。
【０００４】
国際公開第２００６／１３３８３８Ａ１号は、ハウジング内に回転可能に支承されているタービンホイールを備え、入口側チャネルを介して排気ガスが供給可能であり、この排気ガスは出口側チャネルを介して排気タービンから排出される、排気ターボチャージャ内の排気タービンを開示している。この排気タービンは、入り口側チャネルからタービンホイールへの移行部に、２つの側方画成壁の間に形成されているタービン入口断面を備え、またタービン入口断面内には案内格子およびこの案内格子と相互に作用して軸方向に調節可能である軸方向スライドが配置されており、この場合、タービン入口断面の２つの側方画成壁の一方が移動可能に設計されている。この案内格子はハウジングに固定された形でタービン入口断面内に取り付けられ、軸方向スライドは出口側チャネルに向かい合う側に配置され、また出口側チャネルの側を向いていない、ハウジングに固定されている、タービン入口断面の画成壁は、タービンホイールのタービンホイール羽根と軸方向に面一に終端する。
相当する調整装置を持つ周知のタービンは、その必要な取付けスペースを減らすための他の可能性を備えている。またこれに加えて、周知のタービンは、作動をより効率的にするための他の可能性を備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２００６／１３３８３８Ａ１号
【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、必要な取り付けスペースがより少なく、作動がより効率的である、排気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の前提部分に記載された特徴を備える排気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、目的に適った有利な実施形態および重要な発展形態は他の請求項に記述されている。
【０００８】
このような排気ターボチャージャのタービンは、タービンハウジングとタービンホイールとを備えている。タービンホイールは少なくとも部分的にタービンハウジング内に収納されており、回転軸を中心に回転可能である。タービンホイールは、少なくとも１つの流入エッジおよび少なくとも１つの流出エッジを持つ少なくとも１つのホイールブレードを備え、タービンホイールを駆動するために、タービンハウジングから流出する排気ガスが流入エッジを介してこのホイールブレードに流入可能であり、また流出エッジを介して排気ガスがこのホイールブレードから流出可能である。
【０００９】
本発明では１つの調整装置が設けられており、この調整装置を介してタービンホイールのガイドブレードの流出エッジは、第１の位置においては少なくとも部分的に流体的に解放可能であり、逆に、調整装置の少なくとも１つの第２の位置においては、少なくとも部分的に流体的に少なくともほぼ閉鎖可能である。言い換えれば、排気ガスは、流出エッジが少なくとも部分的に少なくともほぼ流体的に閉鎖されている調整装置の第２の位置においてよりも、流出エッジが少なくとも部分的に流体的に解放されている調整装置の第１の位置において、流出エッジのより長い長手方向領域から流出することができる。
【００１０】
この場合、例えばラジアルタービンである本発明のタービンの調整装置によって、必要に応じて、また特に大きな作動領域内で、例えばこのタービンが帰属するユニット、特に、排気ガスによってタービンを駆動できる内燃機関または燃料電池の多数の様々な作動点にタービンを適合させることが可能となる。これによってタービンが、またこれにともなってユニットがより効率的に作動され、その結果、ユニットは低いエネルギー消費で作動することができる。このユニットが例えば内燃機関である場合は、これは特に燃料消費が低いこと、およびＣＯ２排出量が低いことを意味する。
【００１１】
加えて、調整装置が例えば少なくとも部分的にタービンホイールの下流に取り付けられている場合、本発明のタービンは、必要な取付けスペースが少なくて済むため、例えば特に自動車のエンジンルームのようなスペースの少ない領域でのパッケージ問題の回避および解決のために貢献する。
【００１２】
さらに本発明のタービンは、調整装置の該当する配置および実施形態により、その重量に関して特に軽く形成することができ、このことは自動車の重量を低く抑える。その結果、例えば自動車を駆動できるユニットは効率的に作動することができる。さらにタービンホイール出口領域内のフロー条件が、回転軸を中心に回転可能な調整装置によって特に有利に調整可能であり、このことよって本発明のタービンはより効率的に作動される。
【００１３】
本発明のタービンの調整装置はタービンホイール出口可変性を示しており、この調節装置は僅かな部品数しか有していないことから、複雑性が少なく、従って機能信頼性も向上する。これは調整装置の寿命、従ってタービン全体の寿命に有利に働く。言い換えれば、この調整装置は特に機械的な信頼性が高く、また非常に僅かな経費しかかからない。
【００１４】
流出エッジが流体的に解放されるか、または逆に、少なくとも部分的に流体的に閉鎖されることで、調整装置によってタービンのスループットを可変的に調整することができる。したがって調整装置の様々な位置によって、タービンのスループット開度は特に大きくなるため、このタービンが帰属するユニットの多数の様々な作動点に、このタービンを適合させることが可能となる。
【００１５】
このことから、このタービンおよびこれに帰属するユニットをより効率的に作動させることができる。低い回転数領域および負荷領域では、この調整装置によって、低いスループットパラメータを持つ比較的高い堰止め効果が調整可能であり、他方で、内燃機関の高い回転数領域および負荷領域では、逆に低い堰止め効果を持つ高いスループットパラメータが調整可能である。さらに、この調整装置は取り付けスペースに有利に配置されているため、このタービンの必要な取付けスペースが縮小され、重量も非常に小さくなる。
【００１６】
本発明の有利な実施形態において、この調整装置はタービンホイールの回転軸を中心に回転可能に、また少なくとも部分的に、とりわけ完全にタービンホイール出口領域内に配置されている。タービンホイール出口領域内のフロー条件は、調整装置を介して可変的に調整可能である。これはタービンの必要な取付けスペースを特に小さく保つ。この他に、このタービンは機械的負荷および／または熱負荷に対して高い堅牢性を有しており、これにともない長い寿命にわたって高い確実性をもって非常に良好な機能信頼性がもたらされる。
【００１７】
流出エッジの開放およびこれに対する閉鎖によってタービンホイールの輪郭を変更することができ、排気ガスをタービンホイールに噴出させられるタービンホイールの流出面を可変的に調整し、それによって様々な作動点にタービンを適合させることができる。この輪郭の変更の結果、流出面が拡大または縮小され、またそれにともなって流出エッジが付け加えられるか、または取り除かれ、タービンのスループットパラメータが適切に調整されることにより、特に効率的なタービンの作動を実現することができる。これにより、いわゆるタービンの反応度が制御可能になるため、タービンの効率が上昇する。
【００１８】
したがってこのタービンは、スループットパラメータが調整可能である結果として、反応度の適合による最適化された動作レンジを有している。さらに、タービンの効率面での利点、およびこのタービンに割り当てられた、ユニットに供給する空気を圧縮するための、タービンによって駆動可能なコンプレッサによるチャージ圧上昇の改善、ならびにこれにともなって生じる僅かな燃料消費とＣＯ２排出量の軽減が結果として生じる。
【００１９】
本発明の１つの有利な実施形態では、少なくとも部分的にタービンホイール入口領域内に配置されているさらなる調整装置が設けられており、この調整装置を介してタービンホイール入口領域内のフロー条件がタービンホイールの上流で可変的に調整可能となる。これによって完全に可変的なタービンが形成され、このタービンは、特に有利に、および特に大きな範囲で様々な作動点に適合することができる。このことはタービンが帰属するユニットの、特に効率的な、またエネルギー消費が少ない、特に燃料消費が低い作動に繋がり、これにともないＣＯ２排出も少なくなる。
【００２０】
このさらなる調整装置を介して、タービンを通って排気ガスが流れる方向においてタービンホイールの上流で、例えば効率的な流路断面が調整可能であるため、このことからも、本発明のタービンの堰止め効果ならびにスループットパラメータを可変的に調整することができる。
【００２１】
このさらなる調整装置は、例えば遮断体、特にトングを備え、このトングはタービンホイールの回転軸を中心に回転可能であり、このトングを介して効率の良い流路断面が調整可能である。この遮断体は例えば調整リングと連結されており、この調整リングはタービンホイールの回転軸を中心に回転可能であり、また遮断体は効率の良い流路断面を設定するために調整リングによって移動可能であり、特に回転可能である。したがって本発明のタービンはいわゆるトングスライダ式タービンとして形成されており、これは様々な作動点に特に柔軟に適合可能であり、複雑性も低く、このことはタービンの機能信頼性に有利であり、したがって寿命にも有利に働く。
【００２２】
本発明の他の１つの有利な実施形態では、第１および別の調整装置が相互に連結されており、特に２つの調整装置の１つのみで、タービンの共通のアクチュエータを作動させることが可能であり、特に移動することが可能である。したがって、これらの調整装置の連結は、効率の良い流路断面を設定するため、もしくは流出エッジを解放または反対に閉鎖するための調整装置を移動させるために、アジャスタ、例えばアクチュエータ、特に電気モータを、１つだけ使用することを可能にする。この場合、調整装置は連結によって同時に移動可能であるようすることができる。この場合、対応する回転数比および／または連結装置によって、調整装置の様々な調整距離を示すことができる。
【００２３】
第１の調整装置そしてこれにともなうタービンホイール出口領域内での可変性と、さらなる調整装置そしてこれにともなうタービンホイール入口領域内での可変性との組み合わせは、本発明のタービンのスループット特性および反応特性の完全な可変性を可能にし、これをもって効率の変化に特に良好な影響を与える方法を提供する。本発明のタービンにおけるこの完全な可変性は、さらなる調整装置として、ならびに第１の調整装置として、トングスライダという形で、特に簡単かつ廉価な手段となっているため、このタービンは高い堅牢性と高い信頼性とを有している。
【００２４】
これらの調整装置は例えば電気式および／または圧縮空気式および／または油圧式および／または機械式に相互に連結されている。電気的連結は、タービンが帰属するユニットの変化する作動点に特に迅速に反応することができ、また調整装置が相応に速やかに調節されるという利点をもたらす。加えて、電気的連結はコスト面で特に有利となる。
【００２５】
圧縮空気式および／または油圧式の連結は、これによって効率的な流路断面を設定するために、および／または流出エッジを開放するかまたは閉鎖するために、もしくはタービンホイール出口領域内のフロー条件を可変的に設定するために、特に高い作動力とこれに対して特に低い操作力を示すことができるという利点をもたらす。
【００２６】
機械的連結は、特に低い経費ならびに特に高い堅牢性と信頼性という利点をもたらし、このことは、負荷が高い場合も、また長い耐用年数にわたって、本発明のタービンが高い機能信頼性を維持するのに役立つ。
【００２７】
本発明の特に有利な実施形態では、タービンホイールのガイドブレードは、回転軸に対して基本的に平行に通る少なくとも１つの長手領域を流入エッジとして備え、またほぼ半径方向に通る長手領域を流出エッジとして備える外側輪郭を持ち、この場合、回転軸に対してほぼ平行に通る長手領域と、ほぼ半径方向に通る長手領域との間に、少なくとも１つのさらなる長手領域がさらなる流出エッジとして設けられており、このさらなる流出エッジは回転軸と共に角度αＫを挟み、角度αＫは２０度＜αＫ＜９０度の領域にある。この場合、少なくともほぼ半径方向に通る流出エッジ（長手領域）が主な流出エッジとなり、このエッジは、例えば少なくとも流体的に閉鎖されることはほとんどなく、また第１の調整装置によって流体的に少なくとも部分的に閉鎖されることもできない。さらなる流出エッジ（長手領域）は１つの補助流出エッジであって、これは第１の調整装置によって少なくとも部分的に、流体的に解放することができ、またこれに対して少なくとも流体的に閉鎖可能である。このために、この流出エッジは少なくとも部分的に第１の調整装置で覆われるか、もしくは塞がれ、流出エッジを多少なりとも開放もしくは閉鎖するために、この被覆もしくは閉塞を可変的に調整することができる。
【００２８】
角度αＫによって、フロー条件のみでなく特にタービンホイールの流出条件も影響されるため、角度αＫもしくは相応する角度領域は、タービンホイールの最適化に影響を与える非常に重要な方法である。前述の角度領域内では、それに相応して非常に有利なフロー条件が存在し、この条件によってタービンホイールは、タービンおよびタービンが帰属するユニットの特に効率的かつ効率にとって有利な作動を可能にする。
【００２９】
この場合さらなる流出エッジは、流出エッジが第１調整装置を介して多少なりとも覆われるか、もしくは塞がれることにより、第１の調整装置を介して流体的に解放可能であり、逆に流体的に少なくともほぼ閉鎖可能であるように設けることができ、この場合、例えばさらなる流出エッジのみを、第１の流出エッジは伴わずに、流体的に解放もしくは逆に流体的に閉鎖することができる。同じく第１の流出エッジが第１の調整装置を介して流体的に解放可能であり、逆に流体的に閉鎖可能であるように設けることもでき、この場合、好ましくは第１の流出エッジに比べ、さらなる流出エッジが主に第１の調整装置によって相応に調整可能である、すなわち流体的に解放もしくは逆に流体的に閉鎖可能である。
【００３０】
第１の調整装置は、タービンハウジングに対してトルク耐性である第１の調整要素、特に第１の調整リングと、第１の調整要素に対して回転軸を中心に回転可能な少なくとも１つの第２の調整要素、特に第２の調整リングとを含み、これによって、例えば、覆うことまたは開放することで流出エッジが流体的に閉鎖または逆に解放されることから、タービンホイールの流出領域内のフロー条件を調整する非常に簡単かつ廉価な、信頼性のある方法が形成される。
【００３１】
第１の調整装置は、例えば１つの調整領域、特に第１の終端位置および第２の終端位置を持つ調整角度領域を有する。言い換えれば、第１の調整装置は２つの終端位置の間の調整領域内で移動可能であり、特に回転軸を中心に回転可能である。この場合、第１の調整装置が調整領域内の２つの終端位置へ、ならびに２つの終端位置の間にある少なくとも１つの中間位置へと移動可能であるように設けることもできる。タービンを特に有利に様々な作動点に適合できるようにするため、第１の調整装置が調整領域内で連続的に調整可能であることが好ましく、これにより第１の調整装置は多数の異なる位置を示すことができる。第１の調整装置を調整領域内で段階的に調整することも同じく可能であり、このことによりタービンの経費が非常に低くなる。
【００３２】
第１の調整装置が回転軸を中心にして２０度の調整領域内で調整可能である場合、すなわち第１の調整装置の調整角度が２０度である場合、このタービンは特に容易かつコスト面で有利に、様々な作動点に適合することができ、同時にタービンの必要な取付けスペースならびにタービンの経費が低く保たれるという点で有利である。
【００３３】
さらなる利点、特徴および本発明の詳細は、例示的実施例の１つについての以下の説明、ならびに図面を参照にして明らかにされる。前述の説明にあげられている特徴および特徴の組み合わせ、ならびに以下の図面の説明にあげられおよび／または図面に単独で示されている特徴および特徴の組み合わせは、そのつどに記載されている組み合わせのみではなく、さらに他の組み合わせもしくは単独で、本発明の枠を越えることなく使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】内燃機関の排気ガスが通過可能なタービンを備え、このタービンが、タービンのタービンホイールの回転軸を中心に回転可能に、またタービンホイール出口領域内において少なくとも部分的にタービンホイールの下流に配置されている調整装置を持ち、この調整装置を介してフロー条件、詳細にはタービンホイール出口領域のフロー条件が可変的に調整可能である、排気ターボチャージャを備える内燃機関の原理説明図である。
【図２】図１のタービンの部分的概略的縦断面図である。
【図３】図２中に示されている線Ａ−Ｂに沿って切断した場合の、図２によるタービンの部分的概略的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
図１はピストン機関として形成されている内燃機関１０を示し、これは、例えばディーゼルエンジン、ガソリンエンジン、ＤＩＥＳＯＴＴＯ（ディゾット）エンジンまたは他の内燃機関として形成されている。この内燃機関１０は例えば自動車、特に乗用車を駆動するために使われる。このために内燃機関１０には燃料が供給され、燃料は内燃機関１０の少なくとも１つの燃焼室、詳細には１つのシリンダに供給される。内燃機関１０の燃焼室にはまた空気も供給され、この空気は内燃機関１０が環境から吸引し、これは方向矢印１２で示されている。
【００３６】
空気はまず内燃機関１０のインテークマニホールド１４内に配置されているエアフィルタ１６を通過し、これによって空気は洗浄される。エアフィルタ１６に続いて、相応の吸引ダクトによって、インテークマニホールド１４内に配置されている排気ターボチャージャ２２のコンプレッサ２０内に空気が送られ、これは図１に方向矢印１８で示されている。
【００３７】
コンプレッサ２０のコンプレッサホイールを介して空気は圧縮され、それにより加熱される。空気の圧縮度を高めるために、インテークマニホールド１４内のコンプレッサ２０の下流にチャージエア冷却器２４が配置されていて、圧縮された空気は冷却器を通過し、冷却器は圧縮された空気が吸引ダクトを介して最終的に内燃機関１０の少なくとも１つの燃焼室に供給される以前にそれを冷却する。これは方向矢印２６で示されている。
【００３８】
圧縮された空気と燃料を少なくとも１つの燃焼室に供給することで燃料・空気混合物が形成され、混合物は例えば自己着火で点火し、または点火装置によって点火され、こうして燃焼される。燃焼の結果として生じる排気ガスは、燃焼室から流出して内燃機関１０の排気ガス通路２８の排気ガスダクト内に流入し、これは方向矢印３０で示されている。
【００３９】
排気ガス通路２８内の排気ガスダクトを介して排気ガスは排気ターボチャージャ２２の１つのタービン３２内へと送られ、タービンはこの排気ガスによって駆動され得る。この場合タービン３２は、その中にタービンホイール７４が回転軸を中心に回転可能に収納されている１つのタービンハウジング７６（図２）を含む。このタービンホイール７４は排気ターボチャージャ２２のシャフト３４とトルク耐性に連結されており、また排気ガスをタービンホイールに当てることにより、タービンホイールを駆動することができる。
【００４０】
同じくコンプレッサ２０のコンプレッサホイールもトルク耐性にシャフト３４と連結されているため、コンプレッサホイールおよびコンプレッサ２０が、タービンホイール７４もしくはタービン３２によって駆動可能である。
【００４１】
排気ガス通路２８を通る排気ガスのフロー方向においてタービン３２の上流に、排気ガス再循環装置３８に帰属する分岐部３６が排気ガス通路２８内に配置されている。この分岐部３６において、排気ガス再循環装置３８の排気ガス再循環配管４０が流体的に排気ガス通路２８の排気ガスダクトと連結されている。他方でこの排気ガス再循環配管４０は、流入箇所４２でインテークマニホールド１４の配管と流体的に連結されている。これによって排気ガスは、排気ガス再循環装置３８によって排気ガス通路２８からインテークマニホールド１４へ再循環され、インテークマニホールド１４に送られることができる。こうしてインテークマニホールド１４を通過する空気と、内燃機関１０の排気ガスとを混合することができるため、内燃機関１０の窒素酸化物および微粒子の排出量を低く維持することができる。
【００４２】
再循環される排気ガスの量を適切に調節するために、排気ガス再循環装置３８は、排気ガス再循環配管４０内に取り付けられている排気ガス再循環弁４４を備え、再循環される排気ガスが通過する流路断面を、この弁を介して可変的に調整することができる。排気ガス再循環配管４０を通る排気ガスのフロー方向において、排気ガス再循環弁４４下流の流入箇所４２と分岐部３６との間に、排気ガス再循冷却器４６が排気ガス再循環配管４０内に配置されており、この冷却器を介して再循環される排気ガスは冷却される。この分岐部３６はタービン３２の上流に位置していることから、高圧の排気ガス再循環が形成され、これによって特に大量の排気ガスを再循環させることができる。
【００４３】
この内燃機関１０は制御装置４８を含み、この制御装置を介して内燃機関１０ならびに排気ガス再循環弁４４が制御可能であり、これは図１に矢印５０および５２で示されている。
【００４４】
タービン３２は１つの調整装置５４を備え、この調整装置はタービン３２を通る排気ガスのフロー方向において、少なくとも部分的にタービンホイール７４の上流に取り付けられている。さらにタービン３２は１つの調整装置５６を備え、この調整装置はタービン３２を通る排気ガスの通流方向において、少なくとも部分的にタービンホイール７４の下流に取り付けられている。タービンホイール７４の上流および下流のフロー条件は調整装置５４および５６を介して可変的に調整可能であるため、タービン３２を内燃機関１０の多数の様々な作動点に適合させることができる。このような方法でタービン３２は、特に効率的かつ効率面で有利に作動可能であり、これにより内燃機関１０の効率的な作動がもたらされる。このことら、内燃機関１０の特に少ない燃料消費と、これに伴って少ないＣＯ２排出とが結果として生じる。
【００４５】
図１から読み取れるように、調整装置５４および５６は連結装置５８を介して相互に連結されているため、調整装置５４および５６は、調整装置５４および５６に共通の１つのアクチュエータを介して作動することができる。このために連結装置５８は１つの作動部分６０を備え、この作動部分はアクチュエータと、例えば１つの電気モータと相互作用することができる。作動部分６０は例えばアクチュエータを介して回転可能であり、このことは方向矢印６２で示されており、および／またはアクチュエータを介して併進式に移動可能であり、このことは方向矢印６４で示されている。矢印６６は、内燃機関１０の現時点の作動点に適切にタービン３２を適合させられるように、アクチュエータが制御装置４８を介して制御可能であることを示している。
【００４６】
排気ガスがタービン３２を通過し、タービンによって膨張された後、排気ガスは排気ガスダクトを介してさらに排気ガス通路２８内に配置されている１つの排気ガス後処理装置６８に送られ、このことは方向矢印７０で示されている。排気ガス後処理装置６８は、例えば触媒、特に酸化触媒コンバータ、ならびに微粒子フィルタを備え、排気ガスは環境に放出される前にこれらを介して浄化され、このことは方向矢印７２で示されている。
【００４７】
タービン３２の調整装置５４は、例えばいわゆるトングスライダであり、このトングスライダは１つの調整リングを有し、調整リングは回転軸７３を中心に回転可能である。この場合、回転軸７３はコンプレッサホイールとタービンホイール７４にも属する。言い換えれば、コンプレッサホイールとタービンホイール７４とシャフト３４は、排気ターボチャージャ２２の作動時に回転軸７３を中心に回転する。
【００４８】
調整リングには、少なくとも１つの、いわゆるトングが連結されていて、トングは調整リングによって回転軸７３を中心に回転可能であり、またこの調整リングを介して、タービンホイール７４の上流で効果的な流路断面を可変的に調整することができる。
【００４９】
調整装置５６は例えばいわゆるロータリバルブとして形成されていて、ロータリバルブは図２および図３の説明で解説されている。タービンホイール７４のホイール出口断面は、調整装置５６を介して可変的に調整可能である。
【００５０】
図２から読み取れるように、ロータリバルブとして形成されている調整装置５６は、タービンハウジング７６およびタービンホイール７４に対して回転軸７３を中心に回転可能である第１の調整リング７８を備えている。さらに調整装置５６は、ハウジング７６に対して不動である１つの調整リング８０も備えている。
【００５１】
タービンホイール７４は複数のホイールブレード８２を有し、ホイールブレードは方向矢印８４で示されているようにタービンホイール７４の円周方向に、タービンホイール７４の周上に均等に配分されて配置されている。ホイールブレード８２は１つの外側輪郭８６を備え、この外側輪郭は、回転軸７３に対して少なくともほぼ平行に通る第１の長手領域８８を有している。長手領域８８によってホイールブレード８２の流入エッジ９０が形成され、この流入エッジを介してタービンホイール７４を駆動するためのガイドブレード３２に排気ガスを流入させることができる。このために排気ガスは環状ノズル９２を介してタービンホイール７４に供給される。
【００５２】
さらに外側輪郭８６は長手領域９４を有し、この長手領域はホイールブレード８２の流出エッジ９６を形成する。排気ガスは１つのホイールブレード８２もしくは複数のホイールブレード８２から、この流出エッジ９６を介して流出することができる。この長手領域９４および流出エッジ９６は、方向矢印９８が示すように、タービンホイールの少なくともほぼ半径方向に通っている。少なくともほぼ半径方向に通る長手領域９４は例えば回転軸７３と１つの角度を挟み、この角度は、８０度以上１００度以下の角度領域にある。
【００５３】
方向矢印９９が示すように、タービンホイール７４の軸方向において、長手領域８８および９４との間に長手領域１００が設けられ、これは長手領域８８に接続し、この長手領域にはホイールブレード８２の長手領域９４が接続している。ホイールブレード８２のさらなる流出エッジ１０２が長手領域１００によって形成され、排気ガスはこの流出エッジを介してタービンホイール７４もしくはホイールブレード８２から流出することができる。
【００５４】
長手領域１００および流出エッジ１０２は、例えば回転軸７３と角度αＫを挟み、この角度は例えば２０度より大きく、また９０度よりも小さいか、または少なくともほぼちょうど９０度である。これにより、排気ガスにとって有利なタービンホイール７４のフロー条件が形成される。
【００５５】
調整リング７８は被覆構成要素１０４を備え、それぞれの対応する流出エッジ１０２は被覆構成要素によって流体的に特に完全に覆われることができ、特に完全に解放することができる。このために、調整リング７８は、回転軸７３を中心として方向矢印１０６の方向にそれぞれの最終位置の中に回転することができる。ホイールブレード８２の流出エッジ１０２を少なくとも部分的に開放するか、もしくは部分的に覆うか、塞ぐために、２つの最終位置の間にある多数の中間位置に調整リング７８を設定することが可能である。調整リング７８の様々な位置により、流出エッジ１０２を介してタービンホイール７４もしくはホイールブレード８２から流出する排気ガスの流量を様々に設定することが可能である。これにより、タービンホイール出口領域１０８内が可変性となり、この可変性は、調整装置５４によって生じるタービンホイール入口領域１１０内の可変性と組み合わされる。
【００５６】
こうしてタービン３２は完全な可変性タービン３２として形成され、このタービンは内燃機関１０の様々な作動点に特に柔軟に適合することができる。特に、調整装置５６によってタービンホイール出口領域１０８内に示される可変性は、必要な取付けスペースが極めて小さいことを特徴とし、これによってタービン３２全体、およびこれにともなって排気ターボチャージャ２２全体が、特に軸方向へは極めて小さな取付けスペースしか必要としない。さらに、ロータリバルブとして形成されている調整装置５６によって、複雑性ならびに部品数、重量および経費が低く保たれ、このことはタービン３２の高い機能信頼性に寄与する。
【００５７】
図３には調整リング７８の最終位置の１つが示されていて、そこではホイールブレード８２の流出エッジ１０２が流体的に完全に解放されている。この解放位置として形成されている最終位置でタービン３２は最大スループットパラメータを持つ。
【００５８】
調整リング７８がもう１つの最終位置に調整されている場合、流出エッジ１０２は少なくともほぼ完全に塞がれるか、または覆われ、したがって少なくともほぼ流体的に完全に閉鎖されているため、タービン３２のスループットパラメータは最小となる。こうしてタービン３２は特に高い堰止め効果を持ち、このことは特に内燃機関１０の低い負荷領域および／または回転数領域における効率的な作動に有利である。スループットパラメータが高くなることは、高い負荷領域および／または回転数領域におけるタービン３２の効率的な作動に有利である。
【００５９】
特に図３から読み取れるように、被覆構成要素１０４は円周方向（方向矢印８４）に相互に距離を置いて、タービンホイール７４の周上に少なくともほぼ均等に配分されて配置されている。これにより、円周方向において被覆構成要素１０２の間にそれぞれ通流チャネル１１２が形成され、この通流チャネルは、流出エッジ１０２を介してホイールブレード８２から排気ガスが少なくとも部分的に流出可能となる調整リング７８の位置において、排気ガスを通過させることができる。
【００６０】
通流チャネル１０２は例えばデフューザ状に形成されているため、これらはデフューザチャネルとなる。例えばデフューザチャネルとして形成されている通流チャネル１１２は、それぞれ流出エッジ１１４を有し、この流出エッジは非常に薄く形成されている。
【００６１】
流出エッジ１０２を塞ぐ、もしくは覆うこと、および開放することで、いわば通流開口部が開放されるか、もしくは流体的に少なくとも部分的に閉鎖され、これによってタービン３２のスループットパラメータが制御され、タービン３２を特に効率的に内燃機関１０の作動点に適合させることができる。言い換えれば、調整リング７８を回転することでタービンホイール７４の輪郭が可変的に調整され、流出エッジ１０２が追加または取り除かれるため、流出面が拡大または縮小される。これによってタービンは特に高いスループット開度を有することから、タービンは低い回転数および／または負荷領域においても、また高い回転数および／または負荷領域においても、またその中間に位置する回転数および／または負荷領域においても、効率的に作動することができる。
【００６２】
この調整装置５６は９個のいわゆる遮断区画を有し、これらの遮断区画は被覆構成要素１０２で形成されている。この場合、調整リング７８は２０度の調整角度領域内で調整可能である。これは調整リングが方向矢印８４に従って、調整リング８０に対して全体で２０度回転できることを意味する。これにより、流出エッジ１０２を完全に覆うこと、ならびに完全に開放することが可能となる。完全な開放位置では、突出したリング面の最大断面開口が５０％に到達し、これは図３に示されている。この位置ではタービン３２は流出エッジ１０２によって最大可能な流路断面を持つ。
【００６３】
図２に示されているように、固定されている調整リング８０は比較的僅かな厚みを持って形成されており、従って流出エッジ１０２上の区画ポケット１１６は排気ガスの流れにとって非常に大きな損失源とはならない。
【００６４】
この場合、図２および図３には図示されていない細かな改善が可能であり、被覆構成要素１０４もしくは調整リング７８の対応する遮断面が、調整リング７８の回転の際に、特に僅かな軸方向への運動によって、塞がれていない区画ポケット１１６内へさらに多く沈み込み、これによって流出エッジ１０２が完全に覆われている位置で、流出エッジ１０２もしくは外部輪郭８６のギャップフローに対して妨害となるエッジが少なくともほぼ回避される。
【００６５】
図２から読み取れるように、図２のタービン３２は、タービンホイール７４の上流でフロー条件を可変調整するための調整装置５４のように、少なくとも部分的にタービンホイール７４の上流に配置されている調整装置を備えていない。しかしながら、調整装置５４のような調整装置を設けることも当然可能であり、それによって少なくともほぼタービンホイール７４の上流でフロー条件を可変調整することができる。
【００６６】
図１から読み取れるように、タービン３２は内燃機関１０に帰属する。しかしながらこのタービン３２を例えば燃料電池に割り当てることも当然可能であり、この場合、このタービン３２もしくはタービンホイール７４は燃料電池の排気ガスで駆動され、タービン３２を燃料電池の様々な作動点に特に効率的かつ柔軟に適合させることができる。さらにタービン３２は排気ガスを排出するその他のユニットにも割り当てることができ、このユニットの排気ガスによってタービンを駆動することができる。
【図１】
2014511962.tif 000003
【図２】
2014511962.tif 000004
【図３】
2014511962.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成25年11月14日(2013.11.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンハウジング（７６）とタービンホイール（７４）を備える排気ターボチャージャ（２２）のタービン（３２）であり、前記タービンホイールは、前記タービンハウジング（７６）内に収納され、回転軸（７３）を中心に回転可能であり、また前記タービンホイールは、少なくとも１つの流入エッジ（９０）および少なくとも１つの流出エッジ（９６、１０２）を持つ少なくとも１つのホイールブレード（８２）を有しており、前記タービンホイール（７４）を作動するために前記タービンハウジング（７６）を通過する排気ガスが、前記流入エッジ（９０）を介して前記ホイールブレードに流入可能であり、また前記流出エッジ（９６、１０２）を介して前記ホイールブレードから流出可能である、排気ターボチャージャ（２２）のタービン（３２）であって、
調整装置（５６）が設けられ、前記調整装置を介して前記タービンホイール（７４）の前記ホイールブレード（８２）の前記流出エッジ（９６、１０２）が、第１の位置においては少なくとも部分的に流体的に解放可能であり、逆に、前記調整装置（５６）の少なくとも１つの第２の位置においては少なくとも部分的に流体的に少なくともほぼ閉鎖可能であり、また、少なくとも部分的にタービンホイール入口領域（１１０）内に配置されているさらなる調整装置（５４）が設けられており、前記調整装置を介して前記タービンホイール（７４）の上流で前記タービンホイール入口領域（１１０）のフロー条件が可変的に調整可能であり、前記第１のおよび前記第２の調整装置（５４、５６）が相互に連結されており、前記２つの調整装置（５４、５６）に共通の１つのアクチュエータを介して作動可能である、特に移動可能であることを特徴とするタービン（３２）。
【請求項２】
前記調整装置（５６）が、少なくとも部分的にタービンホイール出口領域（１０８）内に配置されており、また前記タービンホイール（７４）の前記回転軸（７３）を中心に回転可能であることを特徴とする、請求項１に記載のタービン（３２）。
【請求項３】
前記調整装置（５４、５６）が電気式および／または圧縮空気式および／または油圧式および／または機械式に相互に連結され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（３２）。
【請求項４】
前記さらなる調整装置（５４）が、前記タービンホイール入口領域（１１０）内のフロー条件を可変調整するために、前記タービンホイール（７４）の前記回転軸（７３）を中心に回転可能であることを特徴とする、請求項１から３のうちいずれか１項に記載のタービン（３２）。
【請求項５】
前記タービンホイール（７４）の前記ホイールブレード（８２）が、前記回転軸（７３）に対してほぼ平行に通る少なくとも１つの長手領域（８８）を前記流入エッジ（９０）として、またほぼ半径方向に通る１つの長手領域（９４）を前記流出エッジ（９６）として備える外側輪郭（８６）を有し、前記回転軸（７３）に対してほぼ平行に通る前記長手領域（８８）と、ほぼ半径方向に通る前記長手領域（９４）との間に少なくとも１つのさらなる長手領域（１００）がさらなる流出エッジ（１０２）として設けられており、前記さらなる流出エッジは前記回転軸（７３）と共に角度αＫを挟み、前記角度αＫが２０度＜αＫ≦９０度の領域にあることを特徴とする、請求項１から４のうちいずれか１項に記載のタービン（３２）。
【請求項６】
前記さらなる流出エッジ（１０２）が、前記調整装置（５６）を介して流体的に解放可能であり、逆に流体的に少なくともほぼ閉鎖可能であることを特徴とする、請求項５に記載のタービン（３２）。
【請求項７】
前記調整装置（５６）が、前記タービンハウジング（７６）に対してトルク耐性な第１の調整要素（８０）および前記第１の調整要素（８０）に対して前記回転軸（７３）を中心に回転可能な少なくとも１つの第２の調整要素（７８）を備えることを特徴とする、請求項１から６のうちいずれか１項に記載のタービン（３２）。
【請求項８】
前記調整装置（５６）が、前記回転軸（７３）を中心にして２０度の調整領域内で調整可能であることを特徴とする、請求項１から７のうちいずれか１項に記載のタービン（３２）。
【国際調査報告】
2014511962.tif 000006
2014511962.tif 000007
2014511962.tif 000008
2014511962.tif 000009
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