(57)【要約】内燃機関用の排気ガスターボチャージャは、排気ガスタービンと、シャフトを介して排気ガスタービンに連結されるコンプレッサとを具備し、排気ガスタービンは、タービンホイールへの半径流入路および半径流入口断面を有するラジアルタービンとして設計されている。さらに、半径流入口断面の断面積の設定を変えるために可変タービンジオメトリがあり、可変タービンジオメトリは、ケーシングに固定された２つの支持壁間で支えられている。支持壁の一方は、可変タービンジオメトリから離れた側のこの支持壁の背面が、半径流入路の内壁から少し離れて位置し、半径流入路内の排気ガスが背面上を流れることができるように半径流入路内に突出している。
2004510092.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガスタービンと、シャフト（４）を介して排気ガスタービンに連結されるコンプレッサ（３）とを有し、排気ガスタービンは、半径流入路（５）と、タービンホイール（９）への半径流入口断面部（６）とを備えたラジアルタービン（２）として設計され、半径流入口断面部（６）の設定を変えるために、ケーシングに固定された２つの支持壁（１１、１４）の間で支持される可変タービンジオメトリ（７）を有する、内燃機関用排気ガスターボチャージャであって、一方の支持壁（１４）は、可変タービンジオメトリ（７）から離れた側のこの支持壁（１４）の背面が、半径流入路（５）の内壁（１２）から少し離れて位置し、半径流入路（５）内の排気ガスがこの背面上を流れることができるように、半径流入路（５）内に突出することを特徴とする、排気ガスターボチャージャ。
【請求項２】
支持壁（１４）は、支持壁（１４）が排気ガスタービンのケーシング（１３）に固定される位置と、可変タービンジオメトリ（７）が支持壁（１４）に搭載される位置との間に断面積を小さくした連結部（１６）を有することを特徴とする、請求項１に記載の排気ガスターボチャージャ。
【請求項３】
支持壁（１４）は、排気ガスターボチャージャ（１）のケーシング（１３）から独立した単独構成要素として設計されることを特徴とする、請求項１または２に記載の排気ガスターボチャージャ。
【請求項４】
支持壁（１４）は、流入路（５）の内壁（１２）上にヒートシールド（２０）と共有の構成要素を形成することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の排気ガスターボチャージャ。
【請求項５】
支持壁（１４）は、タービンホイール（９）の端面に配置され、少なくともタービンホイール（９）の半径方向外部領域を越えて拡が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排気ガスターボチャージャ。
【請求項６】
可変タービンジオメトリ（７）は、支持壁（１１、１４）の間に可動ガイド羽根（１５）を備えたガイドカスケードとして設計され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排気ガスターボチャージャ。
【請求項７】
スペーサブッシュ（２１）は支持壁（１１、１４）の間の空間に提供され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排気ガスターボチャージャ。
【請求項８】
流入路（５）内に突出する支持壁（１４）は、チャージャ（１）の長手方向に見られるように、タービンホイール（９）とコンプレッサ（３）との間に配置されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の排気ガスターボチャージャ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、請求項１の前段による可変タービンジオメトリを有する内燃機関用排気ガスターボチャージャに関する。
【０００２】
このタイプの排気ガスターボチャージャは、独国特許発明第３５４１５０８号明細書から公知である。チャージャの排気ガスタービンは、半径流入口断面を経て、タービンホイールを包含するタービン部内に開く半径流入路を有するラジアルタービンとして設計される。調節可能なガイド羽根を備えたガイドカスケードリングとして設計される可変タービンジオメトリが、半径流入口断面に配置される。ガイド羽根を、内燃機関の現動作状態の関数として、タービンホイールへの自由流入口断面を低減する制動位置と、自由流入口断面を拡張する開口位置との間で調節でき、その結果、シリンダ排気と排気ガスタービンの間のラインセクション内の排気ガスの背圧を操作し、所望レベルに設定することができる。このタイプの排気ガスタービンは、エンジン出力を増す燃焼ドライブモードと、エンジンブレーキ出力を発生させるエンジンブレーキモードとの両方で使用できる。
【０００３】
特にエンジンブレーキモードでは、所望の高エンジンブレーキ出力を発生させるために排気ガス側と空気側との両方で高圧レベルを生成させるため、ガイドカスケードは、制動位置に移動される。高排気ガス背圧を発生できるようにするためには、タービンの流入路とタービンの流出側との間の空気流異常の発生を避けなければならない。この種の望ましくない空気流異常は、熱や機械的負荷のため、ラジアルガイドカスケードがガイド羽根の端部で適所にクランプされる領域にできる隙間によって生成される。高エンジンブレーキ出力を作動できなければならない、特に市販の自動車機関の場合、空気流異常を回避するために、熱および機械的負荷の低減と共に、組み合わされたガイドカスケードを正確に取り付けることが望ましい。
【０００４】
本発明は、高効率および長寿命を有する汎用タイプの排気ガスターボチャージャを提供する際の課題に基づくものである。
【０００５】
本発明によれば、この課題は、請求項１に記載の特徴によって解消される。従属請求項は有利な改良を提案する。
【０００６】
本発明による排気ガスターボチャージャでは、タービンホイールへの半径流入口断面の可変タービンジオメトリは、ケーシングに固定された２つの支持壁間に配置され、それらの支持壁の一方は、可変タービンジオメトリから離れた側の背面が、タービンケーシングの、流入路の範囲を限定する内壁から少し離れて位置するように流入路内に突出している。この実施形態では、この支持壁の背面は、自由にアクセス可能であり、流入路内の排気ガスがその上を流れることができるので、可変タービンジオメトリの領域の支持壁の前面だけでなく、支持壁の背面も排気ガスと接触状態となり、支持壁の表面が実質的に均一に加熱され、この構成要素内の熱応力の低減につながる。この支持壁が均一に加熱されると、この支持壁が反対側の第２の支持壁の膨張にほぼ相当する熱膨張を受けるようになるので、２つの支持壁間の相対距離は、広い温度範囲にわたって実質的に不変となり、ラジアルガイドカスケードの端部と所定範囲支持壁の間の空気流異常を回避できる。
【０００７】
さらなる利点は、タービンのケーシングから流入路内に突出する支持壁の機械的分断にある。従来技術とは異なり、突出する支持壁は、一方の端部だけでタービンのケーシングに連結され、その結果、支持壁の片側の全表面にわたってケーシングと接触する構造のものと比べて、ケーシングと突出支持壁の間の振動の伝わりが減少する。さらに、突出支持壁は、支持壁が流入路内に自由に突出し、ケーシングに固定された構成要素に対し大きい面積にわたっては支えないため、より大きな弾力性を有する。
【０００８】
機械的分断の効果は、画定された壁厚の分布、および結果として生ずる突出支持壁の全長にわたっての曲げ剛性の適応、例えば、有利な改良によれば、支持壁が、特に、支持壁をタービンのケーシングに固定する端部と、可変タービンジオメトリが搭載される位置との間の小さい断面を有することによって促進される。断面を小さくしたことで、熱膨張を補償するために、突出支持壁の一部での曲げ弾性による撓みを可能にする。対照してみると、可変タービンジオメトリが搭載される領域では、タービンジオメトリを適所に確実に締結できるように、支持壁はより厚さが大きく設計されるのが有利である。
【０００９】
さらに有利な実施形態によれば、支持壁を排気ガスターボチャージャのケーシングから独立した単独構成要素として設計し、流入路の範囲を限定するケーシング壁と異なる材料から支持壁を製作する。よって、支持壁に異なる機械的および／または熱的特性を与える可能性を開く。特に単独構成要素としての構造は、支持壁と他のケーシング壁との間での振動の伝わりを減少させる。
【００１０】
流入路の内壁の一部を形成し、排気ガスターボチャージャの感熱構成要素を流入路から絶縁するヒートシールドと支持壁とが組み合わされると有利となろう。
【００１１】
タービンホイールの一方の端部では、突出支持壁はタービンホイールの半径方向外側領域を便宜上少なくとも越えて拡がり、その結果、タービンホイールが回動可能に収容される流出領域からの、らせん状であると有利である流入路の範囲を限定する。この実施形態は、全体形状が小型であることを特徴とする。
【００１２】
さらなる他の利点や好都合な実施形態は、他の特許請求項、数値や図についての説明によって明白となろう。
【００１３】
以下の図面にわたって、同一構成要素には、それぞれ同一参照番号を付すものとする。
【００１４】
図１ａで例示される内燃機関用の排気ガスターボチャージャ１は、ラジアルタービン２として設計される排気ガスタービンと、コンプレッサ３とを具備する。ラジアルタービン２のタービンホイール９は、シャフト４を介して、コンプレッサ３のコンプレッサインペラ１０に回転可能に固定された状態で連結される。内燃機関が作動すると、内燃機関からの排気ガスがラジアルタービンの半径流入路内に入り、半径流入口断面を経てタービンホイール９に送られる。タービンホイール９の回転運動は、シャフト４を介してコンプレッサインペラ１０に伝動され、このときコンプレッサ３内に吸い込まれた燃焼空気は、高ブースト圧力まで圧縮され、内燃機関のシリンダ吸気口に送られる。
【００１５】
半径流入口断面６を低減する制動位置と拡大開口位置との間を、作動装置８によって、調節できる、可変タービンジオメトリ７は、ラジアルタービン２のらせん状流入路５とタービンホイール９の間の半径流入口断面６に配置される。可変タービンジオメトリの位置の設定は、シリンダ排気とラジアルタービン２の間の排気ガスの背圧と、機関に送られるブースト圧力とを制御可能に操作するための現行の機関、動作および特性変数の関数として行われる。可変タービンジオメトリ７は、燃焼ドライブモードおよびエンジンブレーキモードの両方で所望する排気ガスの背圧およびブースト圧力を設定するために有利に使用できる。
【００１６】
図１ｂおよび図１ｃと共に図１ａからも分かるように、半径流入口断面６の可変タービンジオメトリ７は、リングの形状で分配され、回転可能に搭載される複数のガイド羽根１５を有するガイドカスケードとして設計され、可変タービンジオメトリ７は、ケーシング１３に固定される２つの支持壁１１および１４の間の、ラジアルタービン２のケーシング１３内に配置される。第１の支持壁１１は、ラジアルタービン２のケーシング１３内にあるらせん状流入路５の内壁１２の一部である。
【００１７】
第２の支持壁１４は、外部の、第１の支持壁１１と反対側に配置され、流入路５の内部空間内の半径方向内側にずらされ、内部空間内に突出している。この突出支持壁１４は、支持壁１４をケーシングに固定する肉薄連結部１６と、可変タービンジオメトリのガイド羽根１５を搭載するガイド羽根キャリア１８が収容される肉厚半径方向外側端部１７とを有する。肉薄連結部１６は、突出支持壁１４の曲げ剛性を低減し、ガイド羽根キャリヤ１８の長手方向軸の方向に支持壁１４を弾性的に撓ませ、ラジアルタービンのさらなるケーシング部品からの支持壁１４の少なくとも部分的な機械的分断や、部分的な熱的分断となる。
【００１８】
突出支持壁１４の、タービン軸に対してほぼ半径方向に拡がる肉薄連結部１６は、タービンホイール９の背面から、特にタービンホイール９のタービンホイール翼１９の背面端壁領域から流入路５を分離する。肉薄連結部１６は、流入路５とタービンホイール９の間の半軸方向凹部内にある。連結部１６は、タービンホイール９への排気ガスの半軸方向流入を抑制するために連続構造であるか、またはタービンホイール９への目標流入を可能にするために、貫流開口部で設計されても良い。後者の場合、流れに影響を与えるガイドカスケードが、半軸方向流入口断面に提供されても良い。
【００１９】
支持壁１４が流入路５内に半径方向に突出するので、排気ガスは、支持壁１４の両面上を流れ、その結果、支持壁の熱応力を回避し、支持壁１４の均一な温度相関膨張となる。
【００２０】
図１ａに示された典型的実施形態では、突出支持壁１４は、流入路５の半径方向内側の範囲を定め、流入路５内の高温排気ガスから排気ガスターボチャージャ１の感熱構成要素を熱絶縁するヒートシールド２０を備えた単品構成要素を形成する。支持壁１４とヒートシールド２０とは、一体形成され、同一素材から成るのが好ましい。この構成要素は、ほぼ環状の構成要素として設計され、排気ガスターボチャージャ１に連結される。
【００２１】
図２に示された典型的実施形態では、流入路５内に突出する支持壁１４は、ケーシング１３の壁と一体形成される。すなわち支持壁は、流入路５の内壁１２に間断なく合流する。典型的実施形態では、半径方向の支持壁１４の肉薄連結部１６は、タービンホイール翼１９の半径方向の高さをほぼ越えるまで延びる。タービンホイール９の方向にある、流入路５は、ほぼ半軸方向の凹部を備えている。
【００２２】
但し、適切であれば、肉薄連結部１６をより短い半径方向範囲となるように設計し、特に、半径方向のさらに外側にある領域までずらせ、その結果流入路５の半軸方向凹部があまり顕著とならなくすることも得策である。
【００２３】
図３に示された典型的実施形態では、外部支持壁１１と、流入路５内に半径方向に突出する支持壁１４との間に画定された最小距離が確保されるようにするためと、可変タービンジオメトリ７のガイド羽根の無摩擦調節を確実にするためとに、スペーサブッシュ２１を、流入路５とタービンホイール９の間の半径流入口断面６に提供する。半径流入口断面６の可変タービンジオメトリは、支持壁１４の端部１７と支持壁１１との間を結ぶボルト２２によって固定される。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】内燃機関用排気ガスターボチャージャの排気ガスタービンがラジアルタービンとして設計され、タービンホイールへの半径流入領域内に可変タービンジオメトリを備えている、排気ガスターボチャージャの断面図である。
【図１ｂ】可変タービンジオメトリの調節可能な要素を備えたタービンの半径流入領域の拡大図である。
【図１ｃ】可動ガイド羽根を備えたラジアルガイドカスケードとして設計された可変タービンジオメトリの平面図である。
【図２】修正した実施形態の排気ガスタービンの断面図である。
【図３】他の修正実施形態の排気ガスタービンの断面図である。
【国際公開パンフレット】
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【手続補正書】
【提出日】平成14年11月22日(2002.11.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガスタービンと、シャフト（４）を介して排気ガスタービンに連結されるコンプレッサ（３）とを有し、排気ガスタービンは、半径流入路（５）と、タービンホイール（９）への半径流入口断面部（６）とを備えた半径流式タービン（２）として設計され、半径流入口断面部（６）の設定を変えるために、ケーシングに固定された２つの支持壁（１１，１４）の間で支持される可変タービンジオメトリ（７）を有し、可変タービンジオメトリ（７）から遠い方のこの支持壁（１４）の背面が、半径流入路（５）から少し離れて位置し、半径流入路（５）内の排気ガスがこの背面上を流れることができるように、一方の支持壁（１４）が半径流入路（５）内に突出する、内燃機関用排気ガスターボチャージャであって、支持壁（１４）は、半径方向外側に可変タービンジオメトリを搭載するための肉厚壁状端部（１７）、および支持壁（１４）を排気ガスタービンのケーシング（１３）に確実に連結させる断面を小さくした肉薄壁状連結部分（１６）を有し、肉薄壁状連結部分（１６）によって支持壁（１４）が弾性的に撓むことができる、排気ガスターボチャージャ。
【請求項２】
支持壁（１４）は、排気ガスターボチャージャ（１）のケーシング（１３）から独立した単独構成要素として設計される、請求項１に記載の排気ガスターボチャージャ。
【請求項３】
支持壁（１４）は、流入路（５）の内壁（１２）上にヒートシールド（２０）と共有の構成要素を形成する、請求項１〜２のいずれか一項に記載の排気ガスターボチャージャ。
【請求項４】
支持壁（１４）は、タービンホイール（９）の端面に配置され、少なくともタービンホイール（９）の半径方向外部領域を越えて拡がる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の排気ガスターボチャージャ。
【請求項５】
可変タービンジオメトリ（７）は、支持壁（１１，１４）の間に可動ガイド羽根（１５）を備えたガイドカスケードとして設計される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の排気ガスターボチャージャ。
【請求項６】
複数のスペーサブッシュ（２１）は、支持壁（１１，１４）の間の空間に提供される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の排気ガスターボチャージャ。
【請求項７】
流入路（５）内に突出する支持壁（１４）は、チャージャ（１）の長手方向に見られるように、タービンホイール（９）とコンプレッサ（３）との間に配置される、請求項１〜６のいずれか一項に記載の排気ガスターボチャージャ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
独国特許発明第３５４１５０８号明細書は排気ガスターボチャージャを開示しており、その排気ガスターボチャージャの排気ガスタービンは、半径流入口断面を経て、タービンホイールを包含するタービン部内に開く半径流入路を有するラジアルタービンとして設計される。調節可能なガイド羽根を備えたガイドカスケードリングとして設計される可変タービンジオメトリが、半径流入口断面に配置される。ガイド羽根を、内燃機関の現動作状態の関数として、タービンホイールへの自由流入口断面を低減する制動位置と、自由流入口断面を拡張する開口位置との間で調節でき、その結果、シリンダ排気と排気ガスタービンの間のラインセクション内の排気ガスの背圧を操作し、所望レベルに設定することができる。このタイプの排気ガスタービンは、機関出力を増す燃焼ドライブモードと、エンジンブレーキ出力を発生させるエンジンブレーキモードとの両方で使用できる。


【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
特にエンジンブレーキモードでは、所望の高エンジンブレーキ出力を発生させるために排気ガス側と空気側との両方で高圧レベルを生成させるため、ガイドカスケードは、制動位置に移動される。高排気ガス背圧を発生できるようにするためには、タービンの流入路とタービンの流出側との間の空気流異常の発生を避けなければならない。この種の望ましくない空気流異常は、熱や機械的負荷のため、ラジアルガイドカスケードがガイド羽根の端部で適所にクランプされる領域にできる隙間によって生成される。高エンジンブレーキ出力を作動できなければならない、特に市販の自動車機関の場合、空気流異常を回避するために、熱および機械的負荷の低減と共に、組み合わされたガイドカスケードを正確に取り付けることが望ましい。排気ガスタービンの流入路内に、ケーシングに固定される支持壁を提供することは米国特許第５，４５４，２２５号明細書で公知である、但し、この支持壁は、タービンケーシングに確実に連結され、流入路内に自由に突出する。この支持壁は、タービンホイールへの半径流入口断面内の可変タービンジオメトリを支持するために使用される。支持壁は環状構造のものであり、支持壁の断面は半径方向外側に拡がっている。可変タービンジオメトリは、半径流入口断面内の調節可能なガイドカスケードの形をしている。ガイドカスケードは、外側ケーシング壁上の、その端面の一方の領域、および突出支持壁上の、その反対端面の領域で保持される。支持壁の半径方向断面の拡大に関して、支持壁は、排気ガスがその上を流れ易い輪郭を有する。可変タービンジオメトリのガイドカスケードリングは、タービンホイールの半径方向外側にまさに近接した、支持壁の断面積が小さくなった部分の領域に搭載される。支持壁は、半径方向ガイドカスケードリングに加えて排気ガスをタービンホイールに送り込むことができる半軸方向ガイドカスケードリングによってタービンケーシングに取り付けられる。ガイドカスケードリングは、支持壁が比較的高い剛性を有し、これはタービンケーシングから支持壁および可変タービンジオメトリに振動が伝わり易くなることを意味する。但し、このタイプの振動は、それらが許容レベルを超える場合、可変タービンジオメトリの動作に悪影響を及ぼし得る。
【国際調査報告】
2004510092.tif 000020
2004510092.tif 000021
2004510092.tif 000022
2004510092.tif 000023
2004510092.tif 000024
2004510092.tif 000025