(57)【要約】  出力軸（２）を有した内燃機関（１）、及び排気ガス利用タービン（３）を備え；排気ガスタービンは、出力軸に駆動力を伝達するために、変速ギア機構（８）を介して出力軸と駆動接続されており；流体力学的継手（４）を備えており；該継手の作業チャンバ（７）には、該継手の羽根車からタービンホイールに流体力学的にトルクを伝達するために作動媒体を充填可能であり；変速ギア機構の少なくとも一つの歯車が作動媒体により潤滑され；かつ、変速ギア機構が前記継手と排気ガスタービンとの間に駆動接続されているターボ複合システムにおいて、変速ギア機構は遊星歯車機構として構成されており、遊星歯車機構は、太陽歯車（１２）と、遊星キャリア（１５）及び内部ギア（１４）に軸受けされ太陽歯車と互いに噛合する遊星歯車（１３）とを備え；遊星キャリア内に、遊星歯車機構の歯車の少なくとも一つを作動媒体で潤滑するための潤滑油路（２１）が構成されている。
2014511455.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
特に自動車のターボ複合システムであって、
１．１  出力軸（２）を有した内燃機関（１）を備え、
１．２  前記内燃機関（１）の排気ガス流内に配置され、タービン軸（９）に回転力伝達可能に設けられたインペラーホイールを有した排気ガス利用タービン（３）を備え、
１．３  前記排気ガス利用タービン（３）は、前記内燃機関（１）の前記出力軸（２）に駆動力を伝達するために、変速ギア機構（８）を介して出力軸（２）と駆動接続されており、
１．４  羽根車（５）及びタービンホイール（６）を有した流体力学的継手（４）を備え、これら羽根車及びタービンホイールは共に円環状の作業チャンバ（７）を形成し、該作業チャンバには、前記羽根車から前記タービンホイール（６）に流体力学的にトルクを伝達するために、入口（２０）を介して作動媒体を充填することが可能であり、
１．５  前記変速ギア機構（８）の少なくとも一つの歯車が、前記流体力学的継手（４）の作動媒体により潤滑され、かつ
１．６  前記変速ギア機構（８）が、前記流体力学的継手（４）と前記排気ガス利用タービン（３）との間に駆動接続されている
ターボ複合システムにおいて、
１．７  前記変速ギア機構（８）は遊星歯車機構として構成されており、該遊星歯車機構は、太陽歯車（１２）と、遊星キャリア（１５）及び内部ギア（１４）に軸受けされ前記太陽歯車と互いに噛合する少なくとも一つの遊星歯車（１３）と、を備え、
１．８  前記遊星キャリア（１５）内に、前記太陽歯車（１２）、前記内部ギア（１４）、及び／又は、少なくとも一つの遊星歯車（１３）のうちの少なくとも一つを作動媒体で潤滑するための潤滑油路（２１）が構成されていることを特徴とするターボ複合システム。
【請求項２】
請求項１記載のターボ複合システムにおいて、前記羽根車（５）又は前記タービンホイール（６）が入力軸（１１）に回転力伝達可能に設けられており、
２．１  前記流体力学的継手（４）及び前記変速ギア機構（８）と接続された共通の作動媒体供給手段（１９）を備え、該作動媒体供給手段は、前記入力軸（１１）内に配置されるとともに、前記入口（２）に流体連通状態に接続されている、又は接続可能とされており、
２．２  前記潤滑油路（２１）は、前記共通の作動媒体供給手段（１９）に、流体連通状態に接続されていることを特徴とするターボ複合システム。
【請求項３】
請求項１又は２記載のターボ複合システムにおいて、前記潤滑油路（２１）は、前記流体力学的継手（４）の実質的に径方向に延びているいることを特徴とするターボ複合システム。
【請求項４】
請求項１ないし３の何れか１項記載のターボ複合システムにおいて、前記排気ガス利用タービン（３）の前記タービン軸（９）が、前記太陽歯車（１２）に回転力伝達可能に接続されている、又は該太陽歯車（１２）と駆動接続状態とされている、又は接続可能な状態とされている、ことを特徴とするターボ複合システム。
【請求項５】
請求項１ないし４の何れか１項記載のターボ複合システムにおいて、前記流体力学的継手（４）の前記羽根車（５）が前記遊星キャリア（１５）に接続されている、又は該遊星キャリア（１５）と駆動接続状態とされている、又は接続可能な状態とされている、ことを特徴とするターボ複合システム。
【請求項６】
請求項１ないし５の何れか１項記載のターボ複合システムにおいて、前記潤滑油路（２１）が、前記内部ギア（１４）、太陽歯車（１２）、及び／又は、少なくとも一つの遊星歯車（１３）を支持している軸受け組立体の領域で開口していることを特徴とするターボ複合システム。
【請求項７】
請求項１ないし６の何れか１項記載のターボ複合システムにおいて、前記入力軸（１１）及び前記タービン軸（９）は互いに同心的に配置されていることを特徴とするターボ複合システム。
【請求項８】
請求項１ないし７の何れか１項記載のターボ複合システムにおいて、前記作動媒体供給手段（１９）が、前記入力軸（１１）を通って軸方向に、特にその全軸長にわたって延在するチャネルの形態に構成され、好ましく前記入力軸（１１）の両方の端面に開口していることを特徴とするターボ複合システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターボ複合システム (turbo-compound system) 、すなわち駆動機構、特に自動車の駆動機構におけるシステムであって、前記駆動機構を駆動するための、排気ガス利用タービンが配置されている内燃機関に適合するターボ複合システムに関する。排気ガス利用タービンは、例えば排気ガスターボチャージャーの前記排気ガスタービンの前段又は後段の排気ガス流内に配置することができる。
【０００２】
排気ガス利用タービンによって、前記内燃機関の排気ガスからエネルギーが抽出され、機械的エネルギー、すなわち駆動力に変換される。このエネルギーは内燃機関の出力軸、通常はクランク軸、の更なる駆動のために用いられる。
【背景技術】
【０００３】
このようなターボ複合システムは知られている。例えば、特許文献１は、排気ガス利用タービンからの内燃機関の排気ガスから回収されたエネルギーをクランク軸に伝えるために、そのようなターボ複合システムにおける流体力学的継手の配置を記載している。そのために、この流体力学的継手は羽根車及びタービンホイールを備えている。これらは共に、前記羽根車からトルクを前記タービンホイールに流体力学的に伝達するために、作動媒体を充填可能な作業チャンバを形成する。従って、前記排気ガス利用タービンに伝動装置（トランスミッション）が結合される。該伝動装置は、二つの歯車を備えた平歯車変速機として構成されている。前記排気ガスタービンのタービン軸の歯車と噛合する歯車が前記羽根車に接続される。前記タービンホイールには出力軸が固定接続されている。該出力軸は中央作動媒体供給チャネルを有しており、これによって作動媒体が前記作業チャンバに搬送される。同様に、前記羽根車を支持する軸受け組立体の潤滑のために部分的な流れが枝分かれして分流される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】欧州特許第０７５１０２７号公報 (EP 0 751 027 B1)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記平歯車伝動装置における動作の間に生じる比較的高い径方向の力は一般に好ましくなく、噛合し合う歯車の取付に関し高い制限を課す。これは、高速回転する排気ガスタービンを備えたターボ複合システムを使用する間において特に不都合となる。さらに、相互噛合する歯車は比較的大きく構成されるべきであるので、コンパクトな平歯車伝動装置では比較的低いギア比のみが実現可能である。最後に、平歯車伝動装置では、該平歯車を介して互いに駆動接続状態に配置される軸同士は、常に互いに平行に取り付けられなければならない。このことがまた伝動装置を大型化させる原因となる。
【０００６】
本発明は、従来技術による装置に比べて改善されたターボ複合システムを提供することを目的としている。特に、このようなターボ複合システムのスペース要件を低減することができる。同時に、ターボ複合システムの伝動装置の軸受け組立体の最適かつ効果的な潤滑を確保することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の目的は、請求項１の特徴を有するターボ複合システムによって解決される。従属請求項に、本発明の有利なかつ特に有用な実施形態が記載されている。
【０００８】
本発明のターボ複合システム、特に自動車のターボ複合システムは、内燃機関を備えている。該ターボ複合システムは、出力軸と排気ガス利用タービンを備えており、排気ガス利用タービンは内燃機関の排気ガス流内に配置され、かつ羽根車を備える。羽根車は、タービン軸に回転力伝達可能に取り付けられている。従って、排気ガス利用タービンは、変速ギア機構を介して、内燃機関の出力軸と駆動接続できる構成となっている。これは、該変速ギア機構を介して駆動力を前記出力軸に伝達するためである。さらに、羽根車及びタービンホイールを有した流体力学的継手が提供されている。これら羽根車及びタービンホイールは共に環形の作業チャンバを形成し、該作業チャンバには入口から作動媒体を充填可能である。これらは、羽根車からトルクを流体力学的にタービンホイールに伝達するためのものである。前記変速ギア機構の少なくとも１つの歯車は、前記流体力学的継手の作動媒体で潤滑される。変速ギア機構はさらに、流体力学的継手と排気ガス利用タービンとの間において駆動接合される状態に配置されている。
【０００９】
本発明によれば、変速ギア機構は、互いに噛合した太陽歯車、少なくとも１つの遊星歯車、及び、内部ギアを有した遊星歯車機構として構成されている。１つの遊星歯車又は複数の遊星歯車は遊星キャリアに取り付けられている。遊星キャリアには、少なくとも一つの太陽歯車、内部ギア、及び又は、少なくとも一つの遊星歯車又は複数の遊星歯車を作動媒体で潤滑するための潤滑油路が設けられている。
【００１０】
有利には、羽根車又はタービンホイールが、入力軸に回転力伝達可能に取り付けられている。そのため、共通の作動媒体供給手段が前記流体力学的継手及び変速ギア機構に関連付けされている。該作動媒体供給手段は、前記入力軸に配置され、かつ前記流体力学的継手の前記入口に流体連通状態に接続されているか、接続可能とされている。作動媒体は、共通の作動媒体供給手段を介して前記流体力学的継手の前記作業チャンバに運ばれ、また同時に、前記遊星歯車、好ましくは遊星歯車の軸受け、が最適状態に潤滑される。従って、例えば、ターボ複合システムの寿命は大幅に増加する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】排気ガス利用タービンと内燃機関のクランク軸との間の駆動接続の基本構成を示す図である。
【図２】図１の実施形態に付加的な排気ガスターボチャージャを有した実施形態を示す図である。
【図３】ターボ複合システムの流体力学的継手の好ましい実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明を、実施形態および図面を参照しながら実施形態によって説明する。
【００１３】
図１は、排気ガス利用タービン３と、出力軸２、例えば内燃機関１のクランク軸との間の動力伝動機構を示している。排気ガス利用タービン３から内燃機関への動力伝達方向に、変速ギア機構８及び流体力学的継手装置４が連続して配置されている。流体力学的継手４は、羽根車５と、流体力学的循環流れを形成することができる作業チャンバ７を形成するタービンホイール６と、を備える。これにより前記羽根車５は、この場合、入力軸１１に回転力伝達可能に接続され、かつ、前記タービンホイール６は流体力学的継手４の出力軸１０に固定されている。ここで、前記タービンホイール６は、一対の歯車を介して、前記内燃機関の出力軸２との駆動接続を構成している。流体力学的継手４が制御可能な接続装置として構成されていると有利である。
【００１４】
本発明によれば、前記変速ギヤ機構８は、太陽歯車１２、２つの遊星歯車１３、及び内部ギア４を備えた遊星歯車装置として構成されている。もちろん、双方の遊星歯車１３に替えて、より少ない又はより多くの遊星歯車を設けることも考えられる。
【００１５】
前記遊星歯車１３を取り付けるための遊星キャリア１５が設けられている。遊星キャリアは前記入力軸１１に固定されており、変速ギア機構８の二次側を形成している。この遊星キャリア１５を入力軸１１から構成することも可能である。
【００１６】
前記太陽歯車１２は変速ギア機構８の一次側においてタービン軸９に回転力伝達可能に接続されている。図示されないが、タービン軸９にはタービンホイールが回転力伝達可能に取り付けられている。
【００１７】
この場合、内部ギア１４が緊密に設けられているが、これは必須ではない。
【００１８】
図示した駆動力伝達機構の動作は以下のとおりである。内燃機関１から排出された排気ガスが排気ガス利用タービン３のタービン羽根車に作用し、駆動力をタービン軸９を介して太陽歯車１２に伝達することが可能となる。太陽歯車１２と噛合する遊星歯車１３、及び内部ギア１４が、前記駆動力を遊星キャリア１５及び入力軸１１介して羽根車５に伝達する。作業チャンバ７が充填された時、好ましくは完全充填された場合、トルク、すなわちち入力軸１１の回転力が、タービンホイール６、出力軸１０、及び一対の歯車を介して内燃機関１の出力軸２に伝達される。
【００１９】
図２は図１の変形実施形態を示すものである。従って、実質的に同一の構成要素には同一の符号を付している。
【００２０】
排気ガス利用タービン３に加えて、排気ガスターボチャージャ１６の排気ガスタービン１７が設けられている。この排気ガスタービンは、排気ガスの流れる方向で見て、前記排気ガス利用タービン３の上流に設けられている。従って、内燃機関１から出てくる排気ガスはまずこの排気ガスタービン１７に作用する。前記排気ガスタービン１７を出た、すなわち該タービンを通過して流れる排気ガスは、前記排気ガス利用タービン３に至る。前記排気ガスターボチャージャー１６の新鮮空気圧縮機１８が前記排気ガスタービン１７と駆動接続されており、外気から吸入された空気流を圧縮し、かつ内燃機関１を過給するためにその圧縮空気を内燃機関１に運ぶ。
【００２１】
図１及び図２から分かるように、前記出力軸１０、入力軸１１、及びタービン軸９は互いに同心的に配置されている。しかし、これは必ずしもそうである必要はない。
【００２２】
図３は、本発明によるターボ複合システムの流体力学的継手４の好ましい実施形態を、該流体力学的継手４の回転軸を通る軸線方向に沿った断面で示したものである。同一の構成要素には同一の参照符号を付してある。
【００２３】
図３に示すように、出力軸１０及び入力軸１１の内部には軸方向ボアが形成されている。入力軸のボア、あるいは前記双方のボアは、前記流体力学的継手４及び前記変速ギア機構８とつながった共通の作動媒体供給手段１９として機能する（図１及び図２参照）。当然、前記軸方向ボアは、もっぱら出力軸１０又は入力軸１１のみの内部に設けてもよく、あるいは、作動媒体を供給するために双方のボアのうち一方のみを用いるようにすることもできる。この実施形態において、出力軸１０及び入力軸１は互いに同心的に配置され、一方、それらの互いに対面する面間には間隙が形成されている。従って、作動媒体供給手段１９からの作動媒体は、羽根車５とタービンホイール６との間（対称面）の分離間隙、そして入口２０のエリアにおいて、作業区画７内に至る部分的な流れが生じ、作業区画は充填される。
【００２４】
流体力学的継手４の入力側では、前記遊星キャリア１５は、入力軸１１と共に回転するようになっている。遊星キャリアは、入力軸１１と一体に形成してもよい。
【００２５】
遊星キャリア１５は、その内部に作動媒体供給手段１９と流体連通して接続されている潤滑油路２１を有している。遊星キャリア１５は、半径方向に延びる第１部分と、軸方向に延びる第２部分と含む延長アームを有している。前記第２部分にそれぞれ一つの遊星歯車１３が装着されている。前記延長アームの数は遊星歯車１３の数に依存する。潤滑油路２１は、この場合、前記延長アームにおける軸方向に延びた部分にまで、より詳細には、潤滑のために、遊星歯車１３の軸受け組立体の領域に延びている。
【００２６】
前記潤滑油路２１はまた、図示しない前記内部ギア１４及び／又は太陽歯車の軸受け組立体の潤滑に用いることも可能である。加えて、潤滑油路を、対応するギア歯車の領域に開口させることも可能である。
【００２７】
潤滑油路２１は、遊星キャリア１５の半径方向及び／又は軸方向の複数の孔を使用して設けることができる。
【００２８】
本発明による装置は以下の利点を有する。遊星歯車機構の組込みにより、平歯車伝動装置に比して、排気ガス利用タービンの作動中における径方向に掛かる力は最小となり、これにより伝動装置の軸受け組立体における応力を低減することができる。同時に、遊星歯車機構によって、コンパクトな伝動装置でありながら、つまりターボ複合システム全体をコンパクトなものとしながら、比較的大きな変速比を得ることができる。最後に、本発明の構成は、入力軸、出力軸、およびタービン軸を互いに同軸的に構成することが可能であり、このことはさらに該ターボ複合システムの小型化に寄与する。
【符号の説明】
【００２９】
１  内燃機関  
２  出力軸  
３  排気ガス利用タービン  
４  流体力学的継手  
５  羽根車  
６  タービンホイール  
７  作業チャンバ  
８  変速ギア機構  
９  タービン軸  
１０  出力軸  
１１  入力軸  
１２  太陽歯車  
１３  遊星歯車  
１４  内部ギア  
１５  遊星キャリア  
１６  排気ガスターボチャージャ  
１７  排気ガスタービン  
１８  新鮮空気コンプレッサ
１９  作動媒体供給手段  
２０  入口
２１  潤滑チャネル  
【図１】
2014511455.tif 000003
【図２】
2014511455.tif 000004
【図３】
2014511455.tif 000005
【国際調査報告】
2014511455.tif 000006
2014511455.tif 000007
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2014511455.tif 000009
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