(57)【要約】　　　（修正有）【課題】二つの段が単一の共通ハウジングのなかに統合されている商業的に入手可能な２段式排気タービン過給機は、公知のものはない。そこでできるだけ場所をとらない２段式排気タービン過給機を提供する。【解決手段】少なくとも２段式に設計された内燃機関用の過給装置、それも、過給装置のそれぞれの段が、共通の軸15、18によって互いに連結されたそれぞれ１つのタービン13とそれぞれ１つのコンプレッサー14を備えている、過給装置に関するものであり、そのさい、排気タービン過給機の少なくとも排気ガス側の部分は共通ハウジングユニットのなかに統合されている。さらにそのような過給装置を装備した内燃機関でもある。【選択図】図２ａ
2004092646.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
　少なくとも２段式に設計された内燃機関用過給装置で、前記過給装置(10)のそれぞれの段(11, 12)が、共通の軸(15, 18)によって互いに連結されたそれぞれ１つのタービン(13, 16)とそれぞれ１つのコンプレッサー(14, 17)を備えている、過給装置において、
　排気タービン過給機(10)の少なくとも排気ガス側の部分(13, 16)が共通のハウジングユニット(19, 19')のなかに、あるいは、場所をとらずに相互結合された２つのハウジングユニットのなかに統合されていることを特徴とする、過給装置。
【請求項２】
　少なくとも２つのタービン(13, 16)が共通のハウジング(19)のなかに統合されていることを特徴とする、請求項１に記載の過給装置。
【請求項３】
　少なくとも１つの高圧段(11)と少なくとも１つの低圧段(12)が設けられており、そのさい低圧段(12)が排気ガス側では高圧段(11)に後置接続されており、過給空気側では高圧段(11)に前置接続されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の過給装置。
【請求項４】
　高圧段(11)が、少なくとも１つの排気ガス側に配置された高圧タービン(13)と、少なくとも１つの過給空気側に配置された高圧コンプレッサー(14)とを含み、前記高圧タービンと前記高圧コンプレッサーが、両者の間に配置された第一の共通の軸(15)を介して、互いに連結されており、また、低圧段(12)が、少なくとも１つの排気ガス側に配置された低圧タービン(16)と、少なくとも１つの過給空気側に配置された低圧コンプレッサー(17)とを含み、前記低圧タービンと前記低圧コンプレッサーが、両者の間に配置された第二の共通の軸(18)を介して、互いに連結されていることを特徴とする、請求項３に記載の過給装置。
【請求項５】
　高圧タービン(13)の排気ガス出口が、管路の介在なしに、共通ハウジング(19)内の共通流路を経て、低圧タービン(16)の入口と接続されていることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の過給装置。
【請求項６】
　高圧段(11)と低圧段(12)が共通ハウジング(19')のなかに統合されていることを特徴とする、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の過給装置。
【請求項７】
　過給装置(10)の少なくとも１つのタービン(13, 16)が単流式に設計されていることを特徴とする、請求項１ないし６のいずれか一項に記載の過給装置。
【請求項８】
　少なくとも１つのタービン(13, 16)、とくに高圧タービン(13)が複流式ないしは多流式に設計されていることを特徴とする、請求項１ないし７のいずれか一項に記載の過給装置。
【請求項９】
　共通ハウジング(19, 19')が鋳鉄製であることを特徴とする、請求項１ないし８のいずれか一項に記載の過給装置。
【請求項１０】
　連結管路(24)が設けられていて、前記連結管路を通じて低圧コンプレッサー(17)の空気出口が高圧コンプレッサー(14)の空気入口と特にフランジを介して接続されていることを特徴とする、請求項１ないし９のいずれか一項に記載の過給装置。
【請求項１１】
　高圧タービン(13)のホイール直径が低圧タービン(16)のホイール直径よりも小さいことを特徴とする、請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の過給装置。
【請求項１２】
　共通ハウジング(19, 19')が少なくとも２つの部分から成り、そのさい、第一部分が第一タービン(13)用であり、第二部分が第二タービン(16)用であり、且つ、第一タービン(13)の出口が第二タービン(16)の入口と直接結合されていることを特徴とする、請求項１ないし１１のいずれか一項に記載の過給装置。
【請求項１３】
　両タービン(13, 16)の第一部分と第二部分の間の結合がフランジによって成されていることを特徴とする、請求項１２に記載の過給装置。
【請求項１４】
　前記結合が共通ハウジングユニット(19, 19')の延長された首部で行われていることを特徴とする、請求項１３に記載の過給装置。
【請求項１５】
　共通ハウジングユニット(19, 19')の中に、特に延長された首部の中に、排気ガスのバイパス質量流量の調整のための少なくとも１つのフラップ弁及び／又はスライド弁が取り付けられていることを特徴とする、請求項１４に記載の過給装置。
【請求項１６】
　両タービン(13, 16)がコンパクトに入れ子式交互配置されていることを特徴とする、請求項１ないし１５のいずれか一項による過給装置。
【請求項１７】
　エンジンブロック、 つまり、少なくとも１つのシリンダー(2)、少なくとも１つの過給空気入口(7)、及び少なくとも１つの排気ガス出口(8)とを備えたエンジンブロックと、過給装置、 つまり、少なくとも２つの段(11, 12)を備えた請求項１ないし１６のいずれか一項に記載の過給装置(10)と、を装備した内燃機関(1)。
【請求項１８】
　前記過給装置(10)が排気タービン過給機として設計されていることを特徴とする、請求項１７に記載の内燃機関。
【請求項１９】
　前記内燃機関(1)がオットーサイクル機関か又はディーゼルサイクル機関として設計されていることを特徴とする、請求項１７又は１８に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は、請求項１の前文で述べた種類の内燃機関用過給装置、すなわち、少なくとも２段式に設計された過給装置、それも、前記過給装置のそれぞれの段が、共通の軸によって互いに連結されたそれぞれ１つのタービンとそれぞれ１つのコンプレッサーを備えている、過給装置に関するものである。さらに本発明は、過給装置を装備した内燃機関に関するものでもある。
【背景技術】
【０００２】
　このような過給装置は例えば排気タービン過給機である。現代の排気タービン過給式内燃機関は２段式排気タービン過給機を装備している。２段式排気タービン過給機には低圧段と高圧段が設けられ、それらの段はそれぞれ１つのコンプレッサーと１つのタービンを含んでいる。タービンとコンプレッサーは共通の軸を介して互いに連結されている。このような２段式過給装置を装備した請求項１の前文による内燃機関は、例えばドイツ公開公報DE 19837978 A1及びDE 19514572 A1で詳しく説明されているので、その構造及び機能方法については以下では詳しくは触れない。
【０００３】
　２段式又は３段式に設計された排気タービン過給機で問題となるのは、エンジンルームにおいてそれに必要な所要床面積(Platzbedarf)である。この問題は商用車の場合に特に重大である。商用車の場合に排気タービン過給機の個々の段はサイズが、当然のことながら、乗用車の場合よりもはるかに大きく、したがってエンジンルームに相当の所要床面積を必要とする。しかしその所要床面積がしばしば自由に得られない、その結果、２段式構造の排気タービン過給機に必要な所要床面積は、解決できないことがよくある問題のもととなる。
【０００４】
　ドイツ特許出願 DE 19822874 A1 では、２つの排気タービン過給機が１つの共通ハウジングのなかに統合されるという配置が説明されている。しかしドイツ特許出願 DE 19822874 A1 で説明された配置の場合には、排気ガス側に互いに並列配置されたそれぞれ単段の２つの排気タービン過給機の統合が問題になっている。その２つの並列配置された排気タービン過給機には、１つの共通の入口と２つの分けられた排気ガス出口が設けられている。DE 19822874 A1 の配置の特別な長所は、普通用いられる入口側の分けられた管路を放棄することができるという点である。
【０００５】
　しかし、ドイツ公開公報ＤE 19822874 A1で説明された単一ハウジング内の２つの排気タービン過給機の統合は、そう簡単には、２段式排気タービン過給機にまで広げることはできない。その理由は、排気タービン過給機の並列接続(Parallelschaltung)は直列接続(Reihenschaltung)とはハウジングの設計が根本的に異なるという理由である。とくに例えば並列接続の場合には、簡単に（例えばDE 19822874 A1の場合のように）複数の入口及び／又は出口の単なる集合によって、管路の削減による場所の節約は達成できる。しかしこの措置はそう簡単には、１つの排気タービン過給機（２段式排気タービン過給機）の直列構造方式にまで広げることはできない、それは、そこでは別の必要条件と周辺条件が通用するからである。例えば２段式排気タービン過給機の場合は、熱い排気ガス流が、高圧段から低圧段への貫流のさい、できるだけ排気ガス温度もしくは流速のあまりにも大きすぎる減少なしに、実現されるということが考慮されなければならない。しかしそのためには流れ方向が守られなければならない、つまり、排気ガス渦巻きが、一定の範囲で定められた形状になっていなければならない。
【０００６】
　こうした理由から目下のところ、二つの段が単一の共通ハウジングのなかに統合されている商業的に入手可能な２段式排気タービン過給機は、公知のものではない。
【特許文献１】ドイツ公開公報　DE 19837978 A1
【特許文献２】ドイツ公開公報　DE 19514572 A1
【特許文献３】ドイツ特許出願 DE 19822874 A1
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
　それゆえ本発明の課題は、できるだけ場所をとらない２段式排気タービン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】
　本発明によりその課題は、請求項１の諸特徴を備えた過給装置によって解決される。
　本発明によれば、少なくとも２段式に設計された内燃機関用過給装置で、前記過給装置のそれぞれの段が、共通の軸によって互いに連結されたそれぞれ１つのタービンとそれぞれ１つのコンプレッサーを備えている、過給装置であって、排気タービン過給機の少なくとも排気ガス側の部分が共通のハウジングユニットのなかに、あるいは、場所をとらずに相互結合された２つのハウジングユニットのなかに統合されていることを特徴とする、過給装置が提供される。
【０００９】
　それに相応して考慮されているのは、請求項１の前文による過給装置において排気タービン過給機の少なくとも排気ガス側の部分が共通のハウジングユニットのなかに、あるいは、場所をとらずに相互結合された２つのハウジングユニットのなかに統合されているということである。
【００１０】
　さらにその課題は、エンジンブロック、つまり、少なくとも１つのシリンダー、少なくとも１つの過給空気入口及び少なくとも１つの排気ガス出口を備えたエンジンブロック と、少なくとも２段式の過給装置とを装備した内燃機関によって、解決される。
【００１１】
　本発明による排気タービン過給機配置の特別な長所は、そのコンパクトな構造設計にある。そのさい排気タービン過給機ないしは少なくともタービンの個々の段は、管路を用いずに、相互結合が可能である。それによって二つの段の間の管路が無くなることは、相当な費用節約を意味している。そのうえ、排気タービン過給機のコンパクトな構造に基づいて、必要な組立費用が少なくなり、これは、更なる費用節約となる。結局のところ排気タービン過給機のコンパクトな構造の長所は、エンジンルームにおいてそれに必要な所要床面積がはるかに小さくなるという長所である。このように、本発明により一層小型に設計された２段式排気タービン過給機はとても簡単にエンジンルームに組み入れることができるのだから、自動車製造業者は、付加的な自由度(zusatzlich. Freiheitsgrad)を獲得することになる。
【００１２】
　本発明の有利な構造及び発展形態は、従属請求項から、ならびに、図面に関する説明から見て取ることができる。
【実施例】
【００１３】
　以下、図面の図に示した実施例に基づいて、本発明を詳しく説明する。
　図面のすべての図において、同じ要素ないしは機能の同じ要素には、他になにも指示がない限りは、同じ照合符号が付けられている。さらに図では、排気ガス流と過給空気流の方向がそれぞれ矢印によって相応の導管に表示されている。
【００１４】
　図１は、本発明による２段式過給装置を備えた内燃機関の概略図である。
　図１では照合符号1によって４気筒内燃機関が表されている。内燃機関のシリンダー2はここでは１列に並んで配置されている。内燃機関1には給気側3と排気ガス側4とがあり、そのさい、内燃機関1における給気側3の入口7は過給空気マニホールド5と、排気ガス側4の出口8は排気ガスマニホールド6と接続されている。
【００１５】
　さらに図１では照合符号10によって、本発明による２段式構造の排気タービン過給機が表されている。このような２段式排気タービン過給機10には高圧段11と低圧段12が設けられている。高圧段11は、共通軸15を介して互いに固定連結されている高圧タービン13と高圧コンプレッサー14から成る。同様に低圧段12には、共通軸18を介して互いに連結されている低圧タービン16と低圧コンプレッサー17がある。高圧段11は排気ガス側では低圧段12に前置接続されている。
【００１６】
　本発明により、高圧タービン13のタービンハウジングと低圧タービン16のタービンハウジングは、共通タービンハウジングユニット19に統合され、それと同時に非常にコンパクトで場所をとらないように相互配置されている。図１ではこのことは、ハウジング19を示すことになっている点線によって示唆されている。追加的にあるいは選択的に、排気タービン過給機10の２つの段11、12も、共通のハウジング19'に統合されていることが可能である。そのことは図１では破線によって示唆されている。両方のタービンハウジングは、適切な構造上の措置によって場所をとらずに相互結合されている二つのハウジングユニットにも統合されていることが可能である。
【００１７】
　本発明による過給装置を用いて実施できる２段式過給は、タービンの構造設計の仕方によって、排気ガス再循環の最適化された制御と、全エンジン運転範囲におけるエンジン制動力の増大を可能にする。
【００１８】
　以下、図２a〜図２dの組立図に基づいて、本発明を詳しく説明する。
　図２a には、高圧タービン13と低圧タービン16の共通タービンハウジング19が示されている。共通ハウジング19には排気ガス入口20と排気ガス出口21とがある。排気ガス入口20には、高圧タービン13を上流で内燃機関1の排気ガスマニホールド6と接続させることのできる図示されていない排気ガス管路が連結できる。同様に排気ガス出口21は、２つのタービン13、16を流れる排気ガスを排気口へと導く排気ガス管路と接続できる。ここでは、高圧タービン13の排気ガス出口が低圧タービン16の排気ガス入口と直接結合されている点に、特別の長所がある。すなわち、ここでは、多かれ少なかれ長い管路の使用は、その管路の機能が共通タービンハウジング19の構造によってかなえられるので、排除できる。したがって、その２つのタービン13、16は、図２aないし図２ｄに示されているようにか又はそれと似たように、入れ子式に交互配置されている。
【００１９】
　低圧コンプレッサー17には空気入口22がある。したがって、空気入口22に連結可能か又はフランジ取付可能である図２ａないし図２ｄに図示されていない管路を介して、空気は、排気タービン過給機10の低圧段12に供給できる。高圧コンプレッサー14には空気出口23がある。同じく空気出口23には管路が連結可能か又はフランジ取付可能（フランジ25）であり、前記管路を介して、高圧コンプレッサー14によって圧縮された空気が内燃機関1の空気入口7に供給される。
【００２０】
　低圧コンプレッサー17は、低圧コンプレッサー17の出口と高圧コンプレッサー14の入口の間にフランジ取付ないしは連結された管路24を介して、高圧コンプレッサー14と連結されている。とりわけ共通タービンハウジング19のコンパクトな配置には、２段式排気タービン過給機10がそれで一層場所をとらない構造になることができるという長所がある。しかし共通ハウジング19の中の両タービン13、16のコンパクトな配置には、さらに別の技術的長所、つまり、高圧タービン13から低圧タービン16へ流れる排気ガスが経なければならない道程(Wegstrecke)が非常に短いという長所、がある。排気ガスが高圧タービン13と低圧タービン16の間の流路において被る運動エネルギー損失は、それゆえ最小限である。さらに温度降下も、その短い道程とタービン13、16の相互密接配置によって、同じく最小限である。温度に関しても運動に関しても損失を最小限に抑えるということは、ひとしくタービンホイールの速度増大という意味を含んでいる。これによってコンプレッサーホイールの回転速度も増大するので、空気の圧縮は強められ、それとともにエンジン出力は高められる。
【００２１】
　図３には、コンプレッサー間の連結管路がまだ連結ないしフランジ取付されていない図２に相当する排気タービン過給機の写真(Bilddarstellung)が示されている。図3では、両タービン13、16が共通ハウジング19の中に配置されている様子が特にはっきりと認識できる。とりわけ、両タービン13、16がいわば入れ子式に交互配置されているので、それによってこのタービンハウジングのきわめてコンパクトで場所をとらない配置が保証されている。同じく図３で分かるとおり、共通ハウジング19は好ましくは鋳鉄製であり、そのさいそれぞれのタービンブレードは公知の製造方法によってハウジング19に組み込まれる。とりわけ、高圧タービン13と低圧タービン16の間の連結流路が非常に短く、高圧タービンと低圧タービンのそれぞれのタービンの幾何学形状(Turbinengeometrie)によってのみ規定されていることは図３でも示されている。本実施例においては、高圧タービン13は低圧タービン16よりもホイール直径が小さいが、そのさい低圧タービンと高圧タービンの間のホイール直径比率は、典型的には、しかし必ずというわけではなく、1,2 〜 1,3の範囲にある。同様に高圧コンプレッサー14のコンプレッサーホイールは低圧コンプレッサー17のコンプレッサーホイールよりも直径が小さい。
【００２２】
　高圧段は単流式か又は複流式の構造が可能である。単流式高圧段の場合にはタービンハウジングは、典型的には、ただバイパスボアホールすなわちバイパス穴だけを備えており、そのバイパスボアホールは場合によっては拡大されていることもある。複流式ないしは多流式の高圧段の場合にはタービンハウジングは、典型的には、２つの（同じく場合によっては拡大された）バイパスボアホールを備えている。排気ポートは、面、つまり、フラップ板（フラップ円板）の座であると同時に低圧段のフランジ取付のためのシール面でもある面、のフライス削りによって、有利に加工される。この変形例は、２つの分離された調整弁とか場合によっては両タービン流路の異なった大きさの螺旋断面積(Spiralquerschnitt)を用いて、タービン前の排気ガス圧の調整によって具現できる。これによって、高圧段と低圧段への排気ガスの質量流量のきめ細かな分配が可能になるだけでなく、エンジンが排気ガス再循環を装備している場合の排気ガス再循環率(Abgasruckfuhrrate)の制御も可能になる。
【００２３】
調整された排気ブレーキフラップ(又はブレーキ弁)との相互作用において、バイパスフラップ（又はバイパス弁）の調整により、全エンジン運転範囲において排気制動力(Auspuffbremsleistung)の増大が達成できる。
【００２４】
　事情によっては低圧段の複流式タービンハウジングも考えられ得るにせよ、低圧段のタービンハウジングは、典型的には、単流式構造である。ただし発展形態では、低圧段のタービン入口が延長された形状に設計されていることが可能であるので、排気ガス入口のフランジは高圧段の出口に直接取付けられる。したがってタービン入口は高圧段のタービン出口とバイパス穴を被う。さらに低圧段のタービンハウジングの延長された首部の中には、バイパス質量流量を調整するための支持体やフラップも有利に取り付けることができる。
【００２５】
　本発明によるこうした非常にコンパクトな２段制御過給の設計は、第一に、タービンハウジングの極端にコンパクトな構造、シール面の数を減らし、あるいは存在するかもしれない排気ガス再循環率の制御の可能性をもたらし、制動力の増大を許す構造、を可能にする。
【００２６】
　本発明は、言うまでもなく、２段式構造の排気タービン過給機にだけ限定されるのではなく、それどころか、３段式あるいはそれ以上の多段式構造の排気タービン過給機へも拡大できる。
【００２７】
　上記の実施例では高圧タービンと低圧タービンのための共通タービンハウジングだけが具現された。言うまでもなく、追加的又は選択的に両コンプレッサーを単一の共通ハウジングの中に配置することも可能であると言えよう。ただしそうしたコンパクトな配置はどうしても必要というわけではない。たしかにそのようにコンパクトに具現することは場所に関しては長所であるが、しかしそれによって、運動的損失と熱的損失の削減によるエンジン出力の増加に関する上述の技術的長所も自動的に生ずるわけではない。
【００２８】
　要約すれば、タービンハウジングないしは排気タービン過給機ハウジングのコンパクトな構造方式によって、簡単だがそれにもかかわらず非常に効果的に、２段式排気タービン過給機のための場所をとらない配置が用意できるし、そのうえ、その排気タービン過給機は、公知の技術水準に基づく構造上費用のかかる高価な解決策に甘んじる必要がなく、公知の排気タービン過給機として、改善された性能特性とそれに改善されたエンジン制動特性をも備えている、ということが確認できる。
【００２９】
　発明の原理とその原理の実際的応用をできるだけ適切に説明するために、本発明は上記の明細書によって具現されたが、しかし言うまでもなく、本発明は適切なバリエーション(Abwandlung)において多様な別の実施形態で実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明による２段式過給装置を備えた内燃機関の概略図。
【図２ａ】本発明による２段式排気タービン過給機のハウジングを示す側面図である。
【図２ｂ】図２ａの２段式排気タービン過給機のハウジングの左側から見た側面図である。
【図２ｃ】図２ａの２段式排気タービン過給機のハウジングの右側から見た側面図である。
【図２ｄ】図２ａの段式排気タービン過給機の上から見たハウジングの平面図である。
【図３】コンプレッサー間の連結管路がまだ連結ないしフランジ取付されていない                図２に相当する排気タービン過給機の写真。
【符号の説明】
【００３１】
　1 　 内燃機関　　　　　　　　　　　　　　2    シリンダー
3    過給空気側　　　　　　　　　　　　　4    排気ガス側
5    過給空気マニホールド　　　　　　　　6    排気ガスマニホールド
7    入口　　　　　　　　　　　　　　　　8    出口
10   排気タービン過給機　　　　　　　　　11   高圧段
12   低圧段　　　　　　　　　　　　　　　13   （高圧）タービン
14   （高圧）コンプレッサー　　　　　　　15　 軸
　16   低圧タービン　　　　　　　　　　　　17   低圧コンプレッサー
18   軸　　　　　　　　　　　　　　　　　19   共通タービンハウジング
19'    排気タービン過給機のハウジング　　 20    排気ガス入口
21    排気ガス出口                       22    空気入口
23    空気出口                           24    連結管路
25    フランジ
【図１】
2004092646.tif 000003
【図２ａ】
2004092646.tif 000004
【図２ｂ】
2004092646.tif 000005
【図２ｃ】
2004092646.tif 000006
【図２ｄ】
2004092646.tif 000007
【図３】
2004092646.tif 000008