(57)【要約】  内燃機関用のターボチャージャであって、ハウジング（２１）と、前記ハウジング（２１）により少なくとも一部を取り囲まれているハウジング内部空間（２２）と、前記ハウジング内部空間の内部に配置される、インペラ軸（２４）により軸受ブロック（２５）に回転自在に支承されたインペラ（２３）とを有しており、その際、前記ハウジング（２１）が前記インペラ（２３）に流体を供給したりそこから排出したりするための少なくとも一つの流路（２７）を有しており、その際、中間要素（２６）が前記インペラ軸（２４）に対して共軸でインペラ（２３）と軸受ブロック（２５）間に配置されて、前記各流路（２７）の内の少なくとも一つを少なくとも部分的に限定するよう構成された壁面を少なくとも部分的に形成しているターボチャージャが提案される。
2015521713.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関用のターボチャージャであって、
‐ ハウジング（２１）と、該ハウジング（２１）により少なくとも一部を取り囲まれたハウジング内部空間（２２）と、
‐ 該ハウジング内部空間（２２）内に配置され、インペラ軸（２４）により軸受ブロック（２５）に回転自在に支承されているインペラ（２３）と、
を有しており、
前記ハウジング（２１）が、流体を前記インペラ（２３）に供給したり前記インペラから排出したりするための、少なくとも一つの流路（２７）を有している、ターボチャージャにおいて、
前記インペラ軸（２４）に対して共軸でインペラ（２３）と軸受ブロック（２５）の間に中間要素（２６）が配置されて、前記流路（２７）のうちの少なくとも一つを少なくとも部分的に限定するよう構成された壁面を少なくとも部分的に形成することを特徴とする、ターボチャージャ。
【請求項２】
前記中間要素（２６）が、前記インペラ軸に対して実質的に半径方向に延びるディスク状の突出部（２６ａ）を有しており、該ディスク状の突出部（２６ａ）が、前記少なくとも一つの流路（２７）を少なくとも部分的に限定する壁面を形成することを特徴とする、請求項１に記載のターボチャージャ。
【請求項３】
前記ディスク状の突出部（２６ａ）が、前記インペラの外径（ｄ２）よりも大きい外径（ｄ１）を有することを特徴とする、請求項２に記載のターボチャージャ。
【請求項４】
前記ディスク状の突出部（２６ａ）が、流路（２７）の隔壁（３０）の内径（ｄ３）よりも大きい外径（ｄ１）を有することを特徴とする、請求項２または３に記載のターボチャージャ。
【請求項５】
前記少なくとも一つの流路（２７）がそれぞれ螺旋形状を有しており、前記インペラ軸（２４）に対して実質的に半径方向に配向された平面内に前記流路（２７）が整列されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のターボチャージャ。
【請求項６】
前記中間要素（２６）が、前記軸受ブロック（２５）を半径方向および／または軸方向に位置決めおよび／または支持するように構成されてい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ターボチャージャ。
【請求項７】
前記中間要素（２６）が、前記ハウジング（２１）に対する前記中間要素（２６）の相対位置を軸方向に固定するために軸方向ストッパ（２６ｂ）を有す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ターボチャージャ。
【請求項８】
前記中間要素（２６）が、前記ハウジング（２１）の前記ハウジング内部空間の内部に軸方向に嵌め込まれる鍋型のアダプタ要素として構成されていて、前記中間要素（２６）が嵌め込まれた状態にあるときに、前記中間要素（２６）の少なくとも前記ディスク状の突出部（２６ａ）が、前記ハウジング（２１）の流路（２７）の壁面と同一平面上で終端することを特徴とする、請求項２〜７のいずれか一項に記載のターボチャージャ。
【請求項９】
前記ディスク状の突出部（２６ａ）が、その外周側に、前記中間要素（２６）を前記ハウジング（２１）に対して封止するために、シール（３１）、特に円周方向にその周囲をぐるりと取り囲んでいるシールリングを有することを特徴とする、請求項２〜８のいずれか一項に記載のターボチャージャ。
【請求項１０】
前記インペラ（２３）が、タービンホイールまたはコンプレッサホイールであり、および／または前記中間要素（２６）が、インペラ（２３）と軸受ブロック（２５）の間に配置されているシールド要素を形成す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ターボチャージャ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念（所謂おいて書き部分、プリアンブル部分）に記載のターボチャージャに関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボチャージャは、例えば内燃機関を搭載した自動車への導入が増加の一途を辿っているが、これにより出力を増大することが可能となり、それを何よりも特に車両の燃料消費量の低減に利用できるようになっている。
【０００３】
そのようなターボチャージャは通例、別体のコンプレッサハウジングと別体のタービンハウジングとを有しており、それらの内部にはいずれもインペラが（コンプレッサインペラならびにタービンインペラ）が配置されている。ハウジングはいずれも、それぞれ他方のハウジングに直接接続するための、または両ハウジング間に配置される軸受ブロックに接続するための、接続地点を有しているが、それぞれの接続地点には、ターボチャージャの各種構成部品をそれぞれのハウジングの内部に嵌め込むための切抜き部が設けられている。軸受ブロックは、両方のインペラを担持するとともに、両者を互いに回転を防いで結合している一本のインペラ軸を回転自在に支承するように構成されている。
【０００４】
両方のハウジングは、例えばラジアルコンプレッサハウジングならびにラジアルタービンハウジングとして構成されているとよく、そのために、一つまたは複数の螺旋状ないしは渦巻き状の流路が設けられた複雑で繊細な形状を有しているが、その結果ハウジングの製造は多大な困難を伴う挑戦課題となっている。
【０００５】
ハウジングは通常、公然周知の金属鋳造方案を利用して、ハウジングにより取り囲まれるハウジング内部空間を造形するために様々な中子を使用しながら製造される。しかしながら、これまでに知られているハウジングでは、形状が複雑で繊細であるが故に、様々な中子を用いた雌型への転写によってこの形状を鋳造できるようにするために困難を極めている。このため、例えば中子が局所的に非常に薄肉になっていると、それにより中子がこれらの領域で折損する怖れが高くなる。ハウジング開口部および切抜き部、特に軸受ブロックもしくはそれぞれ他方のハウジングに接続するための接続地点の領域内に設けられる切抜き部を、ターボチャージャのインペラおよび場合によってはその他の構成部品をこの切抜き部に通して嵌め込むことが尚も辛うじて可能である程度に、可能な限り小さく抑えようとするこれまでの試みにより、中子の折損の怖れは増幅されている。
【０００６】
そのようなものとしての製造工程の上述の難点とならび、金属鋳造方案を利用した製造は、それ以外にも製造工程上の種々の理由から、製作された鋳物部品にその寸法諸元に関する大きな製造公差を結果として伴うことになる。その一部については、後加工により補償することが確かに可能ではあるが、しかし、特に形状が複雑で繊細であり、さらにこの形状のためにハウジング内部空間が狭隘でアクセスしにくいことから、後加工は条件付きでしか実行できなくなっている。特に、急速かつ簡単な後加工を行なうために必要な適切なツールの、加工地点へのアクセスが、それにより困難になったり、いわんや妨げられたりしている。
【０００７】
その結果、特にハウジング内部空間においては、余程の困難を伴わない限り、ハウジングの高い製造公差を補償できないようになっている。したがって、例えば、ハウジングの公差値が仮に不利であったとしても、そのハウジングを使用する可能性が尚も残されるようにするためには、インペラとハウジング内部空間の内壁との間の遊隙寸法をおしなべて相応に大き目に選定することによって、それぞれのインペラのために、それにもかかわらず、十分に自由な回転性と合わせ、インペラとハウジング内部空間の内壁間の一定の遊隙寸法が確保されるようにしなければならない。
【０００８】
これは、可能な限り高い効率を達成するために、流体力学および熱力学の観点に基づいてハウジング壁面とインペラ間の遊隙寸法を極力小さくしようとする基本的な試みとは相容れぬものである。このため今のところは、鋳造ハウジングの公差の上述の高い偏差のために、インペラとハウジング壁面間に比較的大きな遊隙寸法を確保して、相応の効率低下を甘受する以外に、道は残されていない。
【０００９】
鋳造ハウジングの公差のこの高い偏差の結果、ほかにも、ハウジングの内部に組み込まれる流路に対して、インペラの軸方向の位置決め精度を出すことがかなり難しくなっている。相対的な位置決め精度を出せない直接的な結果として、ハウジング内部の流れの状況にマイナスの影響が生じるが、これに随伴して、ターボチャージャ全体の効率もさらに低下することになる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって本発明の課題は、上述の短所を少なくとも低減する、特により簡単でしかも極力正確な製造ないしは組付けとならび効率向上を可能とする、ターボチャージャを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この課題は、請求項１の各特徴を具備したターボチャージャにより解決される。有利な構成形態は、それぞれの従属クレームから明らかにされる。
【００１２】
そこに記載されるように、提供されるのは、内燃機関用のターボチャージャであって、
‐ ハウジングと、該ハウジングにより少なくとも一部を取り囲まれているハウジング内部空間と、
‐ 該ハウジング内部空間の内部に配置される、インペラ軸により軸受ブロックに回転自在に支承されたインペラと、を有しており、
その際、前記ハウジングは前記インペラに流体を供給したりそこから排出したりするための少なくとも一つの流路を有しており、さらに、中間要素が、前記インペラ軸に対して共軸でインペラと軸受ブロック間に配置されて、前記各流路の内の少なくとも一つを少なくとも部分的に限定するように構成された壁面を少なくとも部分的に形成している、
ターボチャージャである。
【００１３】
すなわちこのターボチャージャは、好適にも別体の構成部品として実施される、組付け状態においてインペラと軸受ブロック間に配置される中間要素を有している。この中間要素は、そのために、インペラ軸に直接、これに対して共軸で、回転運動を行うように接続されているとよいが、その際にこの中間要素は、ハウジングに対しては不動であるように配置されて、インペラ軸がこの中間要素に対して回転運動を行うようになっている。特にこの中間要素は、軸受ブロックに、インペラ軸に対して共軸で固定されているとよい。
【００１４】
ほかにもこの中間要素は、その一つまたは複数の部分が流路の一部を成すための壁面を形成するように、構成されている。換言すればこの流路は、少なくとも流れと対向する側の第１の部分においてはハウジング自体により限定され、第２の部分においてはこの中間要素により限定されている。当然ながら全く同様にこの中間要素により、一つまたは複数の流路のための多数の壁面が形成されるようにしてもよい。
【００１５】
これにより、完全な流路が形成されるようにハウジングを構成することが不要となるばかりか、例えば、流路を限定するために代わりに中間要素が備えられている各領域を切り欠いてハウジングを構成することができるという長所がもたらされる。したがって流路は、両方の構成部品を互いに接続することにより初めて構成されることになる。
【００１６】
それによりハウジングを大がかりに切り欠くことが可能となるために、配置構成が適切である場合には、ハウジング内部空間へのアクセス性が向上し、その結果加工地点へのツールのアクセスも容易となり、それに伴いハウジングの後加工も容易となる。すなわち、鋳造工程の後工程において、ハウジングないしはハウジング内部空間の内壁の正確な造形を行うことが可能となる。それにより、なんとハウジング内部空間の狭い公差値も達成可能となり、またそれに伴いターボチャージャの最適ジオメトリにも到達可能となる。例えばそうすることによって、インペラと内壁間の遊隙寸法の、流体力学的、熱力学的最適値への正確な調整が容易となり、それによりターボチャージャの効率のさらなる向上が可能となる。
【００１７】
ハウジングのそのような大がかりな切欠きにより、それ以外にも、ハウジングの壁面内部の熱機械応力が少なくとも低減されるという長所がもたらされる。例えばハウジングが、加熱率が異なる領域間で、局所的に著しく加熱される場合には、熱力学応力が発生する。通常その結果は、それぞれの構成部品、すなわちここではターボチャージャの故障を来しかねない、応力亀裂である。ハウジングの開口部が小さい場合は、ハウジングに付与される曲げ強さが高くなるのに対して、ハウジングを上述のように大がかりに切り欠いた場合は、ハウジングにある程度の軟度ないしはコンプライアンスがもたらされることになり、それにより、温度に起因する局所的に異なる膨張を(ある程度まで)補償することが可能となり、またそれに伴い、熱機械応力もしくはその結果として生じる応力亀裂を低減することが可能となる。
【００１８】
実施形態の一例によれば、この中間要素は、インペラ軸に対して実質的に半径方向に延びているディスク状の突出部を有しているが、そこではこのディスク状の突出部により、少なくとも一つの流路を少なくとも部分的に限定する壁面が形成されるようになっている。この突出部は、これをハウジングの内部の対応するリセスの中に嵌め込むことが可能であって、既述のように、この嵌め込まれた状態においては、一つまたは複数の流路の壁面を少なくとも部分的に定義するように構成されていると好適である。
【００１９】
ほかにもこのディスク状の突出部は、インペラの外径よりも大きい外径を有しているとよい。それにより、ハウジングに直径の大きさに応じて適宜拡大された切欠き部を相応に設けることが可能となるが、切欠き部のサイズが大きくなるほど、ハウジングの内部へのアクセス性が向上される。
【００２０】
このディスク状の突出部は、さらにその上に、流路の隔壁の内径よりも大きい外径を有しているとよい。隔壁とは、本発明の趣意においては、個々の流路の側壁、ならびに隣接する二つの流路を仕切るための中間壁であると解釈されるものである。隔壁の内径とは、インペラ軸の回転軸と、インペラ軸と対向した隔壁の周縁部（タング）間の距離であると解釈されるものである。ディスク状の突出部が隔壁の内径よりも大きい場合、これは、まだ何も組み付けられていない状態にあるときには、有利なことにも、後加工を行なうために、隔壁の少なくともこの周縁部の領域に容易にアクセスできることを意味している。
【００２１】
例えば、少なくとも一つの流路がいずれも螺旋形状を有しており、インペラ軸に対して実質的に半径方向に配向された同一平面内で各流路が整列されるようにするとよいが、それによりハウジングは、ラジアルコンプレッサハウジングとして、またはラジアルタービンハウジングとして構成されていることになる。
【００２２】
中間要素は、さらにもう一つの実施形態にしたがって、軸受ブロックを半径方向および／または軸方向に位置決めおよび／または支持するように構成されている。例えばハウジングは、中間要素を半径方向に位置決めして支持するために、中間要素のディスク状の突出部を、相補形に実施されたリセスの中にぴたりと嵌め合わせて受け入れることができるように構成されている。この場合は中間要素が、例えば、特に形状同士の係合および／または摩擦係合による接続方式を利用して、軸受ブロックに固定されているとよい。同様に（場合によってはそれにさらに追加して）材料同士の融合による接続方式も考えられる。
【００２３】
中間要素はほかにも、ハウジングに対する中間要素の相対位置を軸方向に固定するための、軸方向ストッパを有しているとよい。それにより一方では、中間要素の軸方向への正確な位置決めを確定させることができる。他方では、ほかにも中間要素を使用して直接または少なくとも間接的に接続された状態にある各構成部品の位置決めが、例えば流路および／またはハウジングの内壁に対するインペラの位置決めが、相応に一義的に高い再現精度で行われることになる。
【００２４】
中間要素はほかにも、実質的に鍋型のアダプタ要素として、ハウジングのハウジング内部空間の内部に軸方向に嵌め込まれるように構成されているとよいが、この場合は、中間要素が嵌め込まれた状態にあるときには、中間要素の少なくともディスク状の突出部が、ハウジングの流路の壁面と同一平面上で、特にこれと面一になって、終端するようになっている。そこではこのアダプタ要素に、その周囲をぐるりと取り囲んでいる、曲げ加工されたカラー状の周縁部が備えられ、これがストッパとして利用されるようになっている。
【００２５】
例えばディスク状の突出部はほかにも、その外周側に、中間要素をハウジングに対して封止するためのシールを、特に円周方向にこの突出部の周囲をぐるりと取り囲んでいるシールリングを有しているとよい。それによりインペラと、中間要素を挟んで反対側に配置される軸受ブロックとの間に、流体を封止する分割部がもたらされることになる。特に、インペラの領域から軸受ブロックに向かって高温の排気ガスが入り込むことを防止することができる。このシールは、好適には、中央要素の対応するリセス内に、特にディスク状の突出部に設けられた、その周囲をぐるりと取り囲んでいる溝の中に、またはハウジングの対応する切欠き部の中に、配置されるようにするとよい。
【００２６】
インペラは、タービンホイールまたはコンプレッサホイールであると好適である。
以下では、図を参照しながら実施例に基づき本発明を詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】従来技術にしたがったターボチャージャ用のタービン配列を示す図である。
【図２】本発明にしたがったターボチャージャ用のタービン配列を示す図である。
【図３】図２からタービン配列の中間要素を切り取って示す詳細図である。
【図４】図２に示されるタービン配列の断面見取り図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図１には、従来技術にしたがったターボチャージャ用のタービン配列１０が示される。このターボチャージャないしは図示のタービン配列１０は、ハウジング１１と、このハウジング１１により少なくとも一部を取り囲まれているハウジング内部空間１２とを有している。このハウジング内部空間１２の内部には、タービンインペラ１３が配置されて、そのインペラ軸１４により軸受ブロック１５に回転自在に支承されている。ハウジング１１はほかにも、タービンインペラ１３を回転運動させるために排気ガス流をタービンインペラ１３に供給する二つの流路１７を有している。インペラ１３と軸受ブロック１５間には、シールド要素１６が配置されている。このシールド要素１６は、シート状に構成されて、タービンインペラ１３ないしは各流路１７の方向から加えられる熱負荷に対して、軸受ブロック１５をシールドする。ハウジング１１は、図示の実施形態においては、フランジ接続部１９を介して、このフランジ接続部１９の周囲を把持するクランプ１８を合わせて利用して、軸受ブロック１５に接続されている。
【００２９】
図２および図４には、側面図ならびに断面見取り図で、内燃機関のターボチャージャ用の、ハウジング２１と、このハウジング２１により少なくとも一部を取り囲まれているハウジング内部空間２２とを有するタービン配列２０が示される。このハウジング内部空間２２の内部には、タービンインペラ２３が配置されて、そのインペラ軸２４により軸受ブロック２５に回転自在に支承されている。ハウジング２１はほかにも、タービンインペラ２３を回転運動させるために排気ガス流をタービンインペラ２３に供給する二つの流路２７を有している。ハウジング２１は、図示の実施形態においては、フランジ接続部２９を介して、このフランジ接続部２９の周囲を把持するクランプ２８を合わせて利用して、軸受ブロック２５に接続されている。当然ながら同様にそれ以外の接続手段や接続方式、特にそれ以外の摩擦係合および／または形状同士の係合を利用した接続方式や、ほかにも材料同士の融合による接続方式も考えられる。
【００３０】
インペラ２３と軸受ブロック２５間には中間要素２６が配置されている。この中間要素２６は、図３に詳細に図示されるが、両流路２７の内の一方を部分的に限定するために利用される壁面を部分的に形成している。そのために中間要素２６は、インペラ軸２４に対して実質的に半径方向に延びるディスク状の突出部２６ａを有しており、そこではこのディスク状の突出部２６ａが、流路２７を部分的に限定する壁面を形成している。さらにそれに追加して、この中間要素２６は、軸受ブロック２５を保護するためのシールド要素としても作用するようになっている。
【００３１】
ディスク状の突出部２６ａは、タービンインペラ２３の外径ｄ２よりも大きい外径ｄ１を有している。これにより、ハウジング２１のフランジ接続部の領域内および各流路２７の領域内に、従来技術（図１を参照）において可能となる切抜き部よりも一回り大きな切抜き部を備えることを可能としている。中間要素２６は、この切抜き部もしくは対応する切欠き部の領域内で、ハウジング２１の代わりに流路２７を限定する役割を引き受けるようになっている。
【００３２】
それにより、まだ何も組み付けられていない状態にあるときには、適切なツールを利用して、ハウジングの内壁のインペラと対向した領域２１ａに極めて容易に到達して後加工を行なうことができるために、例えばインペラと内壁間の遊隙寸法に関して定められた狭い公差域を守ることが可能となる。
【００３３】
ほかにもディスク状の突出部２６ａの外径ｄ１は、同様に流路２７の隔壁３０の内径ｄ３よりも大きくなっている。この隔壁３０は、図示の実施形態においては、隣接する両流路２７間の隔壁３０として配置されている。このような構成方式により、さらにそれに追加して、インペラ軸と対向している隔壁の先端部に極めて容易にアクセスすることができるために、これについても、同様に適切なツールを利用して、当該公差規定値に対して適合化させることが可能となる上に、そうすることによって、ターボチャージャの効率を可能な限り最適なものとするために、流体力学的、熱力学的観点にも配慮することが可能となる。
【００３４】
両流路２７はいずれも螺旋形状を有しており、インペラ軸２４に対して実質的に半径方向に配向された（図の面に対して垂直な）同一平面内で整列されている。
【００３５】
中間要素２６は、さらにそれに追加して、軸受ブロック２５を半径方向および軸方向に位置決めして支持するようにも構成されている。そのために中間要素２６は、そのディスク状の突出部２６ａにより、ハウジング２１に対して半径方向に支持されている。
【００３６】
中間要素２６を軸方向に位置決めするために、例えば軸方向ストッパ２６ｂが利用されるようになっている。それにさらに追加して、この軸方向ストッパ２６ｂがフランジ状に構成されるとともに、フランジ接続部２９の領域内に形状同士の係合を利用して配置されることによって、ハウジング２１に対するこの軸方向ストッパ２６ｂの軸方向の位置は固定されている。
【００３７】
換言すると、この中間要素は、ハウジングのハウジング内部空間の内部にインペラ軸２４の向きに沿って軸方向に嵌め込まれる鍋型のアダプタ要素として構成されており、またそこでは、中間要素が嵌め込まれた状態にあるときには、中間要素の少なくともディスク状の突出部が、ハウジングの流路の壁面と同一平面上で、特にこれと面一になって、終端するようになっている。さらにそれに追加して、この中間要素は、「鍋」の周縁部により、既述のようにハウジングに軸方向に位置を固定して取り付けられている。
【００３８】
あくまでもオプションとして、中間要素をハウジング２１に対して封止するために、ディスク状の突出部２６ａがその外周側に、例えば円周方向にその周囲をぐるりと取り囲んでいるシールリング３１を有しているとよい。そのためにこのシールは、ディスク状の突出部２６の同様に円周方向にその周囲をぐるりと取り囲んでいる溝の中に嵌め込まれているとよい。
【００３９】
当然ながらインペラは、図示されるタービンインペラの代わりに、同様に吸入空気を圧縮するために流れの向きが相応に逆転されているコンプレッサインペラとして構成されたものであってもかまわない。
【符号の説明】
【００４０】
１０  タービン配列
１１  ハウジング
１２  ハウジング内部空間
１３  タービンインペラ
１４  インペラ軸
１５  軸受ブロック
１６  シールド要素
１７  流路
１８  クランプ
１９  フランジ接続部
２０  タービン配列
２１  ハウジング
２１ａ  領域
２２  ハウジング内部空間
２３  タービンインペラ
２４  インペラ軸
２５  軸受ブロック
２６  中間要素
２６ａ  ディスク状の突出部
２６ｂ  軸方向ストッパ
２７  流路
２８  クランプ
２９  フランジ接続部
３０  隔壁
３１  シールリング
ｄ１  ディスク状の突出部の外径
ｄ２  タービンインペラの外径
ｄ３  隔壁の内径
【図１】
2015521713.tif 000003
【図２】
2015521713.tif 000004
【図３】
2015521713.tif 000005
【図４】
2015521713.tif 000006
【国際調査報告】
2015521713.tif 000007
2015521713.tif 000008
2015521713.tif 000009
2015521713.tif 000010
2015521713.tif 000011
2015521713.tif 000012