(57)【要約】  本発明は、高圧エグゾーストターボチャージャ（１８）と、これに直列接続された低圧エグゾーストターボチャージャ（２０）とを備えた内燃機関（１０）に関し、高圧エグゾーストターボチャージャと低圧エグゾーストターボチャージャは、それぞれ、少なくとも内燃機関（１０）の排気側（１４）で、内燃機関（１０）の排気ガスが通過可能なタービン（２２、２４、２４”）を有しており、低圧エグゾーストターボチャージャ（２０）のタービンハウジング（１０６）によって支持された吹き出しバルブ（３４）を備えるバイパス（３２）によって、高圧エグゾーストターボチャージャ（１８）のタービン（２２）を排気ガスが迂回可能であり、該排気ガスは低圧エグゾーストターボチャージャ（２０）のタービン（２４、２４’）の吸気流（３６、３８、３８’、３８”）の中へ送られることができる。低圧エグゾーストターボチャージャ（２０）のタービン（２４、２４’）は、第１の吸気流（３６、３８、３８’、３８”）を有し、これによって、排気ガスを、低圧エグゾーストターボチャージャ（２０）のタービンハウジング（１０６）によって支持されたタービンホイール（１１６）に、実質的にタービンホイール（１１６）の半径方向に供給可能であり、低圧エグゾーストターボチャージャ（２０）のタービン（２４、２４’）は、第２の吸気流（３６、３８、３８’、３８”）を有し、これによって、排気ガスを、低圧エグゾーストターボチャージャ（２０）のタービンホイール（１１６）に、実質的にタービンホイール（１１６）の半径方向に対して横方向又は斜め方向で供給可能である。【選択図】図１
2012524854.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧エグゾーストターボチャージャ（１８）と、これに直列接続された低圧エグゾーストターボチャージャ（２０）とを備え、前記高圧エグゾーストターボチャージャと前記低圧エグゾーストターボチャージャとが、それぞれ、少なくとも内燃機関（１０）の排気側（１４）で、該内燃機関（１０）の排気ガスが通過可能なタービン（２２、２４、２４’）を有しており、前記低圧エグゾーストターボチャージャ（２０）のタービンハウジング（１０６）によって支持された吹き出しバルブ（３４）を備えるバイパス（３２）によって、前記高圧エグゾーストターボチャージャ（１８）の前記タービン（２２）を排気ガスが迂回し、該排気ガスが、前記低圧エグゾーストターボチャージャ（２０）の前記タービン（２４、２４’）の吸気流（３６、３８、３８’３８”）の中へ送られるように設定されている内燃機関（１０）であって、
前記低圧エグゾーストターボチャージャ（２０）の前記タービン（２４、２４’）が、第１の吸気流（３６、３８、３８’、３８”）を有し、該吸気流によって、前記排気ガスを、前記低圧エグゾーストターボチャージャ（２０）の前記タービンハウジング（１０６）によって支持されたタービンホイール（１１６）に、実質的に前記タービンホイール（１１６）の半径方向に供給可能であることと、前記低圧エグゾーストターボチャージャ（２０）の前記タービン（２４、２４’）が、第２の吸気流（３６、３８、３８’、３８”）を有し、該吸気流によって、排気ガスを、実質的に前記タービンホイール（１１６）の半径方向に対して横方向又は斜め方向で、比較的小さなホイールインレット開口部に供給可能であることと、を特徴とする内燃機関（１０）。
【請求項２】
前記バイパス（３２）によって、前記排気ガスが、前記低圧エグゾーストターボチャージャ（２０）の前記タービン（２４、２４’）の前記第１の吸気流（３６、３８、３８’、３８”）の中へ送られることが可能であることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関（１０）。
【請求項３】
前記吹き出しバルブ（３４）が、前記タービンホイール（１１６）のホイールインレット部分において、比較的大きなホイールインレット開口部上に配置されていることを特徴とする、請求項１又は２のいずれか一項に記載の内燃機関（１０）。
【請求項４】
前記吹き出しバルブ（３４）が、前記の第１の吸気流（３６、３８、３８’３８”）の中に配置されてい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内燃機関（１０）。
【請求項５】
前記吹き出しバルブ（３４）が、少なくとも１つの案内羽根エレメントを有す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内燃機関（１０）。
【請求項６】
少なくとも１つの案内羽根エレメントが回転可能に支持されていることを特徴とする、請求項４に記載の内燃機関（１０）。
【請求項７】
前記吹き出しバルブ（３４）が変更可能なガイドグリル（１１８）として形成されてい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内燃機関（１０）。
【請求項８】
前記吹き出しバルブ（３４）が移動可能な調整装置を有しており、該調整装置によって、流路断面に影響を与えることができ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内燃機関（１０）。
【請求項９】
前記調整装置がマトリックス（１０８）として形成されており、それによって、前記の少なくとも１つの案内羽根エレメント又は前記の変更可能なガイドグリル（１１８）が、少なくとも部分的に支持可能であることを特徴とする、請求項８に記載の内燃機関（１０）。
【請求項１０】
前記低圧エグゾーストターボチャージャ（２０）の前記タービンホイール（１１６）のホイールアウトレット部分において、フローパラメータに影響を与えるための移動可能な調整装置、詳細にはテーパスライダが設けられてい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内燃機関（１０）。
【請求項１１】
前記吸気流（３６、３８、３８’３８”）が、実質的に非対称な流路断面を有することを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の内燃機関（１０）。
【請求項１２】
前記低圧エグゾーストターボチャージャ（２０）の前記タービン（２４、２４’）が、前記第１の吸気流（３６、３８、３８’、３８”）の中に収集チャンバ（１０４）を有することを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の内燃機関（１０）。
【請求項１３】
前記低圧エグゾーストターボチャージャ（２０）の前記タービンハウジング（２４、２４’）が、セグメントハウジング（２０４）として、又はツインハウジングとして形成されていることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の内燃機関（１０）。
【請求項１４】
前記セグメントハウジング（２０４）又は前記ツインハウジングを用いて、少なくとも２つの分離された収集チャンバ（１０４）が形成されており、該収集チャンバが、対称又は非対称な保持特性を有することを特徴とする、請求項１３に記載の内燃機関（１０）。
【請求項１５】
タービンホイールインレット直径が、前記低圧エグゾーストターボチャージャ（２０）の前記タービン（２４、２４’）のタービンホイールアウトレット直径に等しくなるように形成されていることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の内燃機関（１０）。
【請求項１６】
排気ガス再循環が設けられていることを特徴とする、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の内燃機関（１０）。
【請求項１７】
高圧エグゾーストターボチャージャ（１８）と、これに直列接続された低圧エグゾーストターボチャージャ（２０）とを備え、前記高圧エグゾーストターボチャージャと前記低圧エグゾーストターボチャージャとが、それぞれ、少なくとも内燃機関（１０）の排気側（１４）で、該内燃機関（１０）の排気ガスが通過可能なタービン（２２、２４、２４’）を有しており、前記低圧エグゾーストターボチャージャ（２０）のタービンハウジング（１０６）によって支持された吹き出しバルブ（３４）を備えるバイパス（３２）によって、前記高圧エグゾーストターボチャージャ（１８）の前記タービン（２２）を排気ガスが迂回し、該排気ガスが、前記低圧エグゾーストターボチャージャ（２０）の前記タービン（２４、２４’）の吸気流（３６、３８、３８’３８”）の中へ送られるように設定されている内燃機関（１０）の作動方法であって、
前記排気ガスが、前記内燃機関（１０）の作動ポイントに応じて、必要に応じ、前記低圧エグゾーストターボチャージャ（２０）の前記タービンハウジング（１０６）によって支持されている前記タービンホイール（１１６）に、第１の吸気流（３６、３８、３８’、３８”）を介して、実質的に前記タービンホイール（１１６）の半径方向に供給され、及び/又は第２の吸気流（３６、３８、３８’、３８”）を介して、実質的に前記タービンホイール（１１６）の半径方向に対して横方向又は斜め方向に供給されることを特徴とする、方法。
【請求項１８】
前記バイパス（３２）によって、前記排気ガスが、前記低圧エグゾーストターボチャージャ（２０）の前記タービン（２４、２４’）の前記第１の吸気流（３６、３８、３８’、３８”）の中へ送られることを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前提部分に基づく内燃機関及び請求項１６の前提部分に基づく内燃機関の作動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
排気ガス再循環を備えるこの種の内燃機関、詳細には商用車のディーゼルエンジンは、すでに周知である。この種の再循環は、窒素酸化物、すなわちＮＯＸ排出を低下させ、法定の限界値を順守するために使用される。これらの、さらに強化された限界値、たとえばユーロ６規格は、排気ガス再循環率のさらなる増加を要求する。排気ガス再循環率のこのような増加は、この種の内燃機関のエグゾーストターボチャージャという形での過給装置にとっては、より大きなチャージ圧に対する要求を意味しており、それは、内燃機関に固有の出力に関してあまり大幅な削減を強いないようにするためである。
【０００３】
最近になって、最大チャージ圧の絶対レベルが約３．５ｂａｒから４．５ｂａｒへ引き上げられ、間もなく、あるいは少なくとも中期的には、内燃機関の幾つかの作動段階におけるチャージ圧の要求が約６ｂａｒへと上昇するであろうが、これは場合によっては、１段式過給から２段式過給への変更を意味するものである。
【０００４】
商用車のため、また乗用車のためにも内燃機関を幅広く適用するためには、低圧エグゾーストターボチャージャと高圧エグゾーストターボチャージャとの直列接続のコンセプトをさらに発展させることが考慮に値する。このような種類のコンセプトはすでに知られている。この種の２段式過給コンセプトの場合、内燃機関は、高圧エグゾーストターボチャージャと、この高圧エグゾーストターボチャージャに直列接続された低圧エグゾーストターボチャージャとを備え、さらにバイパスが設けられており、このバイパスによって、高圧エグゾーストターボチャージャの内燃機関の排気側で、排気ガスがタービンを迂回できるようになっている。このことは、バイパスが吹き出し装置の形状を呈しており、この吹き出し装置によって、高圧エグゾーストターボチャージャのタービンを通って流動する排気ガスがこのタービンに送られ得ることを意味する。しかしながら、この吹き出し装置は、本質的な損失要因である。この部分において、高圧エグゾーストターボチャージャのタービンをバイパスすることによって無用なスロットルエネルギーになる多大なエクセルギー量が、大部分、熱に転換される。高圧エグゾーストターボチャージャのタービンをこのようにバイパスすることは、両方のエグゾーストターボチャージャを調整するために必要であり、それは、高圧エグゾーストターボチャージャのタービンが典型的には非常に小さく設計されている場合に、対応する内燃機関の過負荷を内燃機関の比較的回転数の高い負荷範囲で防止するためである。多大なエクセルギー量を、前述のような無用なスロットルエネルギーに変換することは、高圧エグゾーストターボチャージャのタービンの明らかな効率損失を意味しており、従って、高圧エグゾーストターボチャージャ全体の、又は過給装置全体の効率低下を意味しており、それによって、内燃機関の燃費とＣＯ２排出が増加することになる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、この種の２段式過給の全効率を改善すること、及び同時に内燃機関のエア側の排気圧及びチャージ圧に関する不安定性を防止することが望ましい。
【０００６】
従って、本発明の課題は、冒頭に述べた種類の内燃機関を発展させ、内燃機関の全効率の増加を達成することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この課題は、請求項１の特徴を有する内燃機関及び請求項１６の特徴を有する内燃機関の作動方法によって解決される。本発明の適切かつ重要な発展形態を備える有利な実施形態は、従属請求項に示されている。
【０００８】
高圧エグゾーストターボチャージャと、これに直列接続された低圧エグゾーストターボチャージャとを備え、これらの高圧エグゾーストターボチャージャと低圧エグゾーストターボチャージャとは、それぞれ、少なくとも内燃機関の排気側で、内燃機関の排気ガスが通過可能なタービンを有し、低圧エグゾーストターボチャージャのタービンハウジングによって支持された吹き出しバルブを備えるバイパスによって、高圧エグゾーストターボチャージャのタービンを排気ガスが迂回可能であり、この排気ガスは低圧エグゾーストターボチャージャのタービンの吸気流の中へ送られることができるように設定されている、このような内燃機関は、本発明に基づき、低圧エグゾーストターボチャージャのタービンが第１の吸気流を有し、この吸気流によって、排気ガスを、低圧エグゾーストターボチャージャのタービンハウジングによって支持されているタービンホイールに、実質的にタービンホイールの半径方向に供給可能であることと、低圧エグゾーストターボチャージャのタービンが第２の吸気流を有しており、この吸気流によって、排気ガスを、低圧エグゾーストターボチャージャのタービンホイールに、実質的にタービンホイールの比較的小さなホイールインレット開口部の半径方向に対して横方向又は斜め方向に供給可能であることと、を特徴としている。
【０００９】
この場合、タービンホイールの半径方向に対して実質的に斜め方向又は横方向に排気ガスを供給することは、実質的に低圧エグゾーストターボチャージャのタービンホイールのホイール裏側からタービンホイールに排気ガスを供給可能であることを意味する。この種の２段式過給装置の効率を高めることは、低圧エグゾーストターボチャージャのタービンが、本発明に従って排気ガスのための２つの異なる吸気開口を提供するように形成されることによって達成され、すなわち、１つは、低圧エグゾーストターボチャージャのタービンホイールに送られる排気ガスの、前述のような半径方向の供給という形態における第１の吸気開口と、もう１つは、タービンホイールの半径方向に対する横方向又は斜め方向、すなわち低圧エグゾーストターボチャージャのタービンホイールに対してほぼ軸方向又は半ば軸方向の排気ガス供給による比較的小さな第２の吸気開口と、を提供することである。
【００１０】
排気ガスがこのようにタービンホイールに対して軸方向又は半ば軸方向に供給される場合、この第２の直径は排気ガスが通過する流入面積の分割直径に関係している。
【００１１】
これによって、低圧エグゾーストターボチャージャのタービンの２つの異なる吸気開口が生み出されるため、対応する内燃機関の様々な作動ポイントに低圧エグゾーストターボチャージャのタービンを効率的に適合させることが可能となる。このことは、要求されるトルクを実現するための必要かつ望ましい内燃機関へのエア供給を確保することと同時に、このタービンをより効率的に、有利に作動させることを意味し、その結果、内燃機関の燃費とＣＯ２排出とが削減される。
【００１２】
前述の吹き出しバルブの調整によって、内燃機関の作動ポイントに応じて、個々の異なる吸気流に排気ガスを割り当てることができ、それによって低圧エグゾーストターボチャージャのタービンの作動を、内燃機関の現在の作動ポイントに最適に適合させることが可能となり、比較的低い燃費と比較的低いＣＯ２排出という前述の利点が達成される。
【００１３】
すなわち、本発明に基づく内燃機関により、高圧エグゾーストターボチャージャのタービンをバイパスによって通過した排気ガスの吹き出し量のエクセルギーを、低圧エグゾーストターボチャージャのタービンホイールの前で速度エネルギーへ直接変換することが可能となり、次に、この速度エネルギーをその後に続くタービンホイールの中で、機械的仕事へ直接変換することが可能となる。
【００１４】
有利な方法では、バイパスによって、排気ガスを、低圧エグゾーストターボチャージャのタービンの第１の吸気流の中へ送ることができる。すなわち、高圧エグゾーストターボチャージャのタービンをバイパスによって通り過ぎた排気ガスは、高圧エグゾーストターボチャージャのタービンによって膨張しないため、比較的高い圧力を有していることから、その後に続く低圧エグゾーストターボチャージャのタービンホイールの大きな吸気開口に理想的な形で導かれるか、又は送られることができる。なぜなら、比較的高い圧力状態での比較的大きな吸気開口は、排気ガスが膨張していないという理由から、それによって、０．７という最適値に少なくとも近い、低圧エグゾーストターボチャージャのタービンの先端速度率が可能となるために望ましいからである。このことは、低圧エグゾーストターボチャージャのタービンの、特に効率的な作動を意味しており、これによって、低圧エグゾーストターボチャージャのタービン効率がさらに向上することにより、対応する内燃機関の効率がさらに向上する。これによって、燃費とＣＯ２排出がさらに削減されるという利点がもたらされる。
【００１５】
すなわち、要約すれば、このことは、バイパスされた排気ガスの比較的高い圧力により、比較的高い圧力状態が可能となることを意味する。有利な方法では、この排気ガスを、低圧エグゾーストターボチャージャのタービンホイールの比較的大きな吸気開口に送ることができ、このことは、低圧エグゾーストターボチャージャのタービンの最適な先端速度率を達成するために、本発明に基づく内燃機関によって可能となる。
【００１６】
この場合、低圧エグゾーストターボチャージャのタービンによって膨張した排気ガスは、低圧エグゾーストターボチャージャのタービンホイールのホイール裏側にある、前述の吸気開口上に配置された噴射ノズルを介して、低圧エグゾーストターボチャージャのタービンの第２のフローに送ることができる。この排気ガスは、比較的低い圧力レベルを有しているため、比較的低い圧力勾配又は圧力状態が生じ、それによって、比較的低いレベルを備えたこの排気が、低圧エグゾーストターボチャージャのタービンの比較的小さな吸気開口にも送られることにより、低圧エグゾーストターボチャージャのタービンの最適な作動が可能となる。
【００１７】
すなわち、このことにより、必要に応じて、つまり圧力レベルに応じて排気ガスが低圧エグゾーストターボチャージャのタービンへ送られ、内燃機関の高い効率が達成されるような内燃機関が生み出される。
【００１８】
本発明のもう１つの有利な実施形態では、吹き出しバルブが、タービンホイールのホイールインレット部分に配置されており、この吹き出しバルブは、すなわち、高圧エグゾーストターボチャージャのタービンのバイパスを調整するために準備されており、このため、低圧エグゾーストターボチャージャのタービンの構造が非常に小型になる。これによって、パッケージ問題を解決することができるが、この問題は、詳細には、内燃機関と、それに伴って低圧エグゾーストターボチャージャのタービンとが配置されているエンジンルームの中では、きわめて深刻なものとなる。
【００１９】
吹き出しバルブが第１の吸気流の中に配置されている場合、すなわち、この吸気流を介して排気ガスが低圧エグゾーストターボチャージャのタービンのタービンホイールに半径方向で送ることができるような吸気流の中に配置されている場合、このことは、吹き出しバルブを、この部分で、特に有利に、低コストかつコンパクトな方法で配置することができるという利点をもたらし、低圧エグゾーストターボチャージャの製造コスト及び取付けコストが削減され、それによって、低圧エグゾーストターボチャージャと内燃機関とのコストが削減される。
【００２０】
本発明のもう１つの有利な態様では、吹き出しバルブが少なくとも１つの、理想的には複数の案内羽根エレメントを有しており、これらは、低圧エグゾーストターボチャージャのタービンのタービンホイールの周囲に配分されている。これによって、排気ガスが、気流角に関して特に有利な方法によって、低コストで供給できるようになり、さらに効率的な作動が可能になることから、内燃機関の燃費とＣＯ２排出とがさらに削減される。従って、吹き出しバルブは、旋回発生装置になっており、この装置は、そのノズル導管によって、排気のフローパラメータにポジティブな影響を与える。
【００２１】
旋回発生装置の形態の吹き出しバルブの少なくとも１つの案内羽根エレメントが回転可能であるように支持されている場合、それによって、内燃機関の作動ポイントに対するフローパラメータを最適に調整することが可能である。この場合、内燃機関の高い負荷範囲において、比較的低い排気背圧と、エグゾーストターボチャージャの最大のコンプレッサ出力とを実現するために、回転可能な案内羽根エレメントの開口部によって流路断面が拡大されるように設定することができ、それによって内燃機関の望ましい高トルクと望ましい高出力が提供される。低い負荷範囲では、内燃機関又は低圧エグゾーストターボチャージャの特に優れた反応特性を実現するために、流路断面を案内羽根エレメントの回転によって再び閉じることができる。この態様において、低圧エグゾーストターボチャージャの作動を、有利な方法で内燃機関の作動ポイントに適合させることが可能である。
【００２２】
同様に、吹き出しバルブが、変更可能なガイドグリルとして形成されており、それによって、フローパラメータがさらにポジティブな影響を受けることができるように設定することもできる。
【００２３】
低圧エグゾーストターボチャージャ又は低圧エグゾーストターボチャージャのタービンのさらなる適合可能性は、本発明の有利な実施形態において、吹き出しバルブが、スライド可能な調整装置を有し、この調整装置により、排気ガスが通過する流路断面に影響を与えることができることによって達成される。回転可能な案内羽根エレメントに関連した前述の説明のとおり、これによって、内燃機関の作動ポイントに対する低圧エグゾーストターボチャージャの適合可能性をさらに改善し、流路断面を内燃機関の作動ポイントに適合させ、それによって内燃機関の燃費とＣＯ２排出とのさらなる削減を可能にすることができる。
【００２４】
この場合、調整装置がマトリックスとして形成されており、このマトリックスによって少なくとも１つの案内羽根エレメント又は変更可能なグリルエレメントが、少なくとも部分的には支持可能であるように設定することができる。それによって、流路断面は、特に有利な方法で、ガスタイトに拡大可能であるか、又は低圧エグゾーストターボチャージャの適合可能性を最適化するために縮小可能である。
【００２５】
変更可能な旋回発生装置の形態の吹き出しバルブの上流側で、低圧エグゾーストターボチャージャのタービンホイールの直径を固定することによって、中間の吸気開口に関して、すなわち、低圧エグゾーストターボチャージャのタービンホイールに、実質的に、タービンホイールの半径方向に対して横方向又は斜め方向で供給できる、排気ガスの通過流入面積を分割している前述の吸気開口に関して、軸方向でのホイールインレットが得られ、低圧エグゾーストターボチャージャのタービンの両方のタービンインレットのフランジ断面における両方の先端速度率ｕａｘ／Ｃ０ａｘ及びｕｒａｄ／ｃ０ｒａｄを組み合わせるための付加的な設計自由度が得られる。この場合、先端速度率ｕａｘ／Ｃ０ａｘは、前述の半径方向のホイールインレットに関係しており、先端速度率ｕｒａｄ／ｃ０ｒａｄは、この場合、前述の、低圧エグゾーストターボチャージャのタービンホイールに対する半径方向の供給に関する、比較的大きな吸気開口に関係している。両方の吸気流は、ガスタイトであり、かつ別々に流れるので、高圧エグゾーストターボチャージャのタービンをバイパスすることによって、排気の相異なった流入温度と流入圧力の理由から、吸気流における両方の気流の間に生じる先端速度率の等エントロピー速度の関係は、
ｃ０ａｘ＜ ｃｒａｄ
となる。ところで、前述の両方のホイールインレットの吸気開口の関係は、先端速度率
ｕａｘ＜ ｕｒａｄ
の周辺速度の関係に比例し、このような吸気開口の関係については、本発明に基づく適用におけるこの種のタイプの低圧エグゾーストターボチャージャのタービンでは、非対称なタービンへの噴射を備えた吸気流における両方の気流の先端速度率調整について、低圧エグゾーストターボチャージャのタービン効率に対する影響に関するさらなる最適化自由度が存在する。従って、低圧エグゾーストターボチャージャのタービンは、タービンホイール側から２つの吸気開口を固定することを許容する、拡張された非対称なタービンである。
【００２６】
低圧エグゾーストターボチャージャのタービンホイールの、タービンアウトレット部分のホイールアウトレットの中に、フローパラメータに影響を与えるための移動可能な調整装置、詳細にはテーパスライダが設けられている場合には、それによって、低圧エグゾーストターボチャージャのタービンの作動を、対応する内燃機関の作動ポイントに対して最適に調整するためのさらなる自由度が生み出されるという利点を有しており、このため、内燃機関の燃費とＣＯ２排出とを削減するためのさらなる可能性が生じる。
【００２７】
この部分については、前述のフローパラメータに影響を与える装置が、高圧エグゾーストターボチャージャと組み合わせて、高圧エグゾーストターボチャージャのタービンのタービンホイールのホイールアウトレットでも、ホイールインレットでも使用されることもまた可能であるという点に留意されたい。この場合、低圧エグゾーストターボチャージャのタービンに関する前記の説明が、利点に関してもまた同様に当てはまる。同様に、フローパラメータに影響を与える調整装置を備えたそれぞれのエグゾーストターボチャージャのコンプレッサもまた、それぞれのコンプレッサのコンプレッサホイールのホイールインレット部分又はホイールアウトレット部分の中に形成されていることが可能であるように設定することができる。
【００２８】
本発明の特に有利な実施形態においては、吸気流が、実質的に非対称な流路断面を有する。 この場合、この非対称性は、場合によっては、相互の吸気流にも、吸気流に対応するそれぞれの流路断面にも、そのどちらにも関係している。それによって、吸気流を、排気の流量比に対して最適に適合させることができ、これにより、流量損失を最小限に抑えることができるため、排気ガスによって輸送されたエネルギーの出来る限り大きな量を機械的仕事へ転換して、低圧エグゾーストターボチャージャのタービンの効率をさらに向上させることができる。この損失削減は、対応する内燃機関の燃費とＣＯ２排出との削減を意味する。吸気流が、相異なった大きさに形成されている場合、すなわち、比較的大きな吸気流と比較的小さな吸気流とが存在する場合には、例えば、それによって、最適な排気ガス再循環（ＡＧＲ）のための前提が生み出され、それによって、内燃機関のＮＯＸ排出が特に効果的に削減される。
【００２９】
本発明のもう１つの態様では、低圧エグゾーストターボチャージャのタービンが第１の吸気流の中に収集チャンバを有するように設定されている。このことは、それによって排気の流量比に対するさらなる適合可能性が生み出されるという点において、有利である。例えば、最適な排気ガス再循環を実現するための保持特性が実現可能であり、それによって、このような設定における前述の利点がもたらされる。
【００３０】
低圧エグゾーストターボチャージャのタービンハウジングがセグメントハウジングとして形成されている場合、このことは、タービンハウジングの周辺でガスタイトに分離された吸気流が存在し、そのため複数の流れがもたらされ、これらの流れを介してタービンホイールに流れを送ることができるということを意味する。このことは、特に第１の吸気流との関連で、第２の吸気流が存在する場合には、それによって、少なくとも３つの流れが存在するということを意味する。それによって、例えば一定数のシリンダが内燃機関の中で連結され、吸気流に向けて送られることが可能になり、内燃機関の作動ポイントに対してタービンを最適に適合するための極めて多様な適用が実現される。同様に、セグメントハウジングによって、前述の収集チャンバが、この種のセグメントハウジングの枠内で形成されているように設定することもできる。
【００３１】
代替の方法では、低圧エグゾーストターボチャージャのタービンハウジングを、ツインハウジングとして形成することができる。すなわち、このことは、タービンホイールの周辺に、平行して通る複数の吸気流が設けられ、同様に、このタービンホイールによって、極めて多様な適用可能性に対する要求を満たすことができることから、タービンをこれらの要求に適合することができることを意味する。セグメントハウジングに関する前述の説明のとおり、この場合には、収集チャンバを、この種のツインハウジングによって形成することができる。すなわち、このことは、複数の分離された収集チャンバが存在することを意味しており、セグメントハウジングとしてのタービンハウジングの形成に対しても、このことが同様に当てはまる。
【００３２】
すなわち、少なくとも２つの分離された収集チャンバがセグメントハウジングによって、又は、ツインハウジングによって形成されている場合、これらの収集チャンバは、対称又は非対称な保持特性を有することができ、これによって、きわめて多様な適用可能性に対する、例えば排気ガス再循環に対するタービンの適用可能性の最大化がもたらされる。
【００３３】
本発明のもう１つの態様では、タービンホイールインレット直径が、低圧エグゾーストターボチャージャのタービンのタービンホイールアウトレット直径に等しくなるように形成されている。このことは、吹き出し断面を非常に大きな値まで拡張すること意味しており、それは、大きな吹き出し面によって、高圧エグゾーストターボチャージャのタービンを特に良好にバイパスすることを意味する。
【００３４】
高圧エグゾーストターボチャージャとこれに直列接続された低圧エグゾーストターボチャージャとが、それぞれ、少なくとも内燃機関の排気側で、内燃機関の排気ガスが通過できるようなタービンを有しており、この場合には、低圧エグゾーストターボチャージャのタービンハウジングによって支持された吹き出しバルブを備えたバイパスによって、高圧エグゾーストターボチャージャのタービンを排気ガスが迂回するようになっており、この排気ガスは低圧エグゾーストターボチャージャのタービンの吸気流の中へ送られるようになっている。そのような高圧エグゾーストターボチャージャとこれに直列接続された低圧エグゾーストターボチャージャとを備えた内燃機関の本発明に基づく作動方法の場合には、内燃機関の作動ポイントに応じ、必要に応じて低圧エグゾーストターボチャージャのタービンハウジングによって支持されたタービンホイールに、実質的にタービンホイールの半径方向に供給される第１の吸気流を介して、及び/又は実質的にタービンホイールの半径方向に対して横方向又は斜め方向で供給される第２の吸気流を介して、排気ガスを送ることが本発明に基づき設定されている。
【００３５】
すなわち、それは、本発明に基づく内燃機関との関連における前述の全ての利点が、それによって可能になるということを意味する。すなわち、本発明に基づく方法によって、低圧エグゾーストターボチャージャのタービン又はタービンホイールは、内燃機関の作動ポイントに応じて、比較的大きな吸気開口に対して流れを当てられるか、又は比較的小さな吸気開口に対して流れを当てられるかのどちらかである。この場合、比較的大きな吸気開口は、タービンホイールに対する半径方向への排気ガス供給に関係し、比較的小さな吸気開口は、タービンホイールの軸方向に対する横方向又は斜め方向での供給に関係しており、この供給を、軸方向の又は半ば軸方向の供給と呼ぶこともできる。従って、バイパスによって高圧エグゾーストターボチャージャのタービンの周囲に送られた排気ガスのエクセルギーは、浪費されずに、低圧エグゾーストターボチャージャのタービンの中で機械的仕事に変換される。このことは、低圧エグゾーストターボチャージャのタービンの効率向上を意味し、従って、対応する内燃機関の効率向上を意味し、これは、内燃機関の燃費削減、及びＣＯ２排出削減という結果をもたらす。
【００３６】
有利な方法では、バイパスによって、排気ガスが、低圧エグゾーストターボチャージャのタービンの第１の吸気流の中へ、すなわち、比較的大きな吸気開口に対して送られる。本発明に基づく内燃機関との関連における前述の説明のとおり、バイパスされた排気ガスは、比較的高い圧力レベルを有し、これによって、タービンホイールでは比較的高い圧力勾配が生み出される。この種の高い圧力勾配の場合には、タービンホイールに対する半径方向の排気ガス供給によって生み出される、比較的大きな吸気開口もまた望ましい。その場合に、高圧エグゾーストターボチャージャのタービンによって膨張した排気ガスは、前述の説明のとおり、タービンホイールの比較的小さな吸気開口に送られることができ、すなわち、この比較的小さな吸気開口は、フロー断面積の分割吸気開口に関係し、この吸気開口によって、膨張した排気は、タービンホイールへの流入の際に、ホイール裏側から軸方向又は半ば軸方向に流れる。このことは、これによって、低圧エグゾーストターボチャージャのタービンを、０．７という最適値に近い先端速度率で作動させることができることを意味しており、それは、タービンの効率的作動、及び、それによる内燃機関の燃費とＣＯ２排出とのさらなる削減を意味している。
【００３７】
この場合、内燃機関の有利な実施形態は、本方法の有利な実施形態と見なされる。
【００３８】
本発明のさらなる利点、特徴及び詳細は、複数の実施例及び図に基づく以下の説明に示されている。ここまでの説明で述べた特徴及び特徴の組合せ、並びに以下の図の説明で述べられている、及び／又は図の中にのみ示されている特徴及び特徴の組合せは、それぞれに示された特徴の組合せだけではなく、本発明の範囲から出ることなく、その他の組合せ又は単独でも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】高圧エグゾーストターボチャージャと低圧エグゾーストターボチャージャとを備えた、２段式過給を備えた内燃機関の接続図である。
【図２】図１による低圧エグゾーストターボチャージャのタービンの縦の部分断面図である。
【図３】図１による低圧エグゾーストターボチャージャのタービンの、図２に対する代替の実施形態を示す縦の部分断面図である。
【図４】高圧エグゾーストターボチャージャの、図１に対する代替の実施形態を備えた、２段式過給を備えた内燃機関の接続図である。
【図５】高圧エグゾーストターボチャージャと、高圧エグゾーストターボチャージャのタービンのダブルフロー型バイパスを備えた低圧エグゾーストターボチャージャとの、図１及び図４に対する代替の実施形態を備えた、２段式過給を備えた内燃機関の接続図である。
【００４０】
図１と図４及び図５は２段式の過給機関の接続図であり、高圧エグゾーストターボチャージャと、低圧エグゾーストターボチャージャ、及び高圧エグゾーストターボチャージャのタービンのバイパスの異なる実施形態が示されているのに対して、図２及び図３は、低圧エグゾーストターボチャージャのタービンの可能な実施形態を示しており、これらの実施形態が図１と図４及び図５による２段式の過給機関において使用される様子を示している。
【００４１】
図１は、２段式の過給装置１２を備えた内燃機関１０を示している。この場合、２段式の過給装置１２は、高圧エグゾーストターボチャージャ１８と低圧エグゾーストターボチャージャ２０とを有している。高圧エグゾーストターボチャージャ１８は、内燃機関１０の排気側１４で、高圧タービン２２を有しており、低圧エグゾーストターボチャージャ２０は、排気側１４で、低圧タービン２４を有している。
【００４２】
内燃機関１０の排気ガスは、排気側１４の矢印２６に従って、高圧タービン２２を通り、さらに低圧タービン２４を通って流れ、その後に、排気ガス後処理装置２８を通過し、この排気ガス後処理装置によって浄化され、最後に周辺へ排出される。高圧タービン２２は、内燃機関１０の作動ポイントに応じて、バイパス３２を用いてバイパスされることができ、この高圧タービンは、バイパスライン３０と吹き出しバルブ３４とを有している。図１で分かるように、内燃機関１０の、高圧タービン２２を通過する排気ガスは、低圧タービン２４の吸気流３６の中へ送られ、バイパスライン３０を通って流れる排気ガスは、低圧タービン２４の吸気流３８の中へ送られる。この場合に、低圧タービン２４の吸気流３６と吸気流３８の噴射は、バイパス３２の前述の吹き出しバルブ３４によって制御されることができる。この場合、吹き出しバルブ３４は、変更可能な半径方向ガイドグリルとして形成されており、低圧エグゾーストターボチャージャ２４のタービンホイールのインレット部分の中に配置されている。
【００４３】
バイパスライン３０によってバイパスされた排気ガスは、高圧エグゾーストターボチャージャ１８の高圧タービン２２によって膨張させられなかったため、この排気ガスは、高い圧力レベルを有しており、それによって、低圧エグゾーストターボチャージャ２０の低圧タービン２４の中に、高い圧力勾配が生み出される。従って、バイパスされた排気ガスが、低圧エグゾーストターボチャージャ２４のタービンホイールのできる限り大きな吸気開口に送られ、この排気ガスは、この大きな吸気開口を介してタービンホイールに送られることが望ましい。このことは、バイパスされた排気ガスがバイパスライン３０によって他ならぬ吸気流３８に送られ、この吸気流がタービンホイールの半径方向の流れを可能にするということによって実現される。
【００４４】
高圧タービン２０を通って流れる排気ガスは、比較的低い圧力レベルを有しており、そのため、低圧タービン２４の中で、比較的低い圧力勾配が生み出され、吸気流３６を介して、タービンホイールの比較的小さな吸気開口に送られる。この排気ガスは、タービンホイールのホイール裏側から、タービンホイールの半径方向に対して斜め方向又は横方向に流れる。
【００４５】
低圧タービン２４のタービンホイールは、シャフト５２を介して、低圧コンプレッサ５４のコンプレッサホイールに接続されており、このコンプレッサホイールは、内燃機関１０から吸入された空気を圧縮し、この空気は、第１のインタクーラ５８によって冷却される。事前に圧縮された空気は、さらに、高圧コンプレッサ５０を通って流れ、この高圧コンプレッサはコンプレッサホイールを有しており、このコンプレッサホイールは、シャフト４８を介して、高圧コンプレッサホイール２２のタービンホイールに接続されている。高圧コンプレッサ５０は、事前に圧縮された空気をさらに圧縮し、その後で、この空気は第２のインタクーラ５６を通って再び冷却され、最後には、内燃機関１０に送られて、望ましいエンジントルクを示すことになる。
【００４６】
さらに、排気ガス再循環装置（ＡＧＲ装置）が設けられており、この装置は、高圧エグゾーストターボチャージャ１８の上流側で、内燃機関１０の排気側１４で排気ガスを取り出し、ＡＧＲバルブ６０とＡＧＲラジエタとを介して、内燃機関１０のエア側１６へと戻す。これによって、内燃機関１０の窒素酸化物の削減が実現される。
【００４７】
前記の構成部品を制御するために制御装置４０が設けられ、この制御装置は、その信号の流れが図に示されているように、エンジン作動ポイント４２及びチャージ圧４７に応じて、循環された排気ガス４４及び吹き出しバルブ３４の位置４６を制御する。許容されたチャージ圧Ｐ２に応じて、制御装置４０を介して、吹き出しバルブ３４を調整することにより、高圧タービン２２の吹き出し又は迂回が影響され、この吹き出しバルブ３４はアクチュエータ６４を介して操作される。それによって、タービンに組み込まれた吹き出しバルブ３４は、その位置を変更され、対応する流路断面が、タービンホイールへの半径方向の排気ガス供給に対応して形成され、すなわち拡大又は縮小される。
【００４８】
図２及び図３では、同一の構成要素には同一の符号が付されている。
【００４９】
図２及び図３は、例えば、図１による過給装置１４の中で低圧エグゾーストターボチャージャ２０として使用することのできるエグゾーストターボチャージャのタービン１００、１０２を示している。従って、タービン１００、１０２は、低圧タービン２４として機能する。すなわち、図１との関連で、高圧タービン２２のバイパスライン３０は、それぞれのタービン１００、１０２の収集チャンバ１０４へ通じている。収集チャンバ１０４は、場合によっては、タービンスパイラルに対応して、タービンスパイラルの範囲に形成されることができる。高圧タービン２２のタイプに応じて、それぞれのタービン１００又は１０２のタービンハウジング１０６は、セグメントハウジングとしても形成されていることが可能であり、これは詳細には図４及び図５との関連で分かる通りである。
【００５０】
ところで、図１との関連における前記の吹き出しバルブ３４は、図２及び図３との関連で、収集チャンバ１０４の他に、アクチュエータ６４によって可動なマトリックス１０８を有しており、このマトリックスの中へ、０．２〜０．３ｍｍの機能ギャップを備えた案内羽根１１０の側面の開口部がはめ込まれる。アクチュエータ６４に固定されたマトリックス１０８の位置によって、吹き出しバルブ３４の望ましい断面が、有効な羽根高さ１１２を介して、閉じられた位置から最大限開かれた位置まで調整される。すなわち、高圧タービン２２によって膨張させられた排気ガスが通過する高圧タービン２２の出口ダクトは、タービン１００又は１０２の吸気流１１４とガスタイトに結合されており、この吸気流１１４によって、ほぼ軸方向に、タービン１００又は１０２のタービンホイール１１６に送られる。
【００５１】
従って、排気ガスは、収集チャンバ１０４を介して、タービンホイールの半径方向に、タービンホイール１１６に送られるので、タービン１００又は１０２は、いわば２つのタービンを備えた混式タービンであり、この混式タービンでは、一方のタービンがタービンホイール１１６の半径方向の流れを生み出し、もう一方のタービンがタービンホイール１１６のほぼ軸方向の流れを生み出す。タービンホイール１１６のほぼ軸方向の流れを可能にするタービンは、このタービンがフローパラメータに影響を与えるための調整装置を有していないので、固定形状軸流タービンと呼ばれることができる。しかし、このことは、必要に応じて設定することができる。
【００５２】
タービンホイール１１６の中で、効率上有利になるように排気ガスの流れをエクセルギー変換するために、周辺方向に対して相対的に平らなブレード角度に、案内羽根１１８が変形されており、相応の高い周辺速度が、タービンホイール１１６の上流側にあるタービン１００又は１０２のタービンアウトレットに対して生じるバイパスライン３０のタービン比から生み出される。
【００５３】
この部分では、収集チャンバ１０４によって形成されるタービンを、ラジアルタービンと呼ぶことができ、タービン１００のラジアルタービンが、前述の吹き出しバルブ３４を実現するためのバリオスライダを有するという点に留意されたい。これに対して、タービン１０２のラジアルタービンは、吹き出しバルブ３４を実現するための動翼案内羽根を有している。
【００５４】
すなわち、タービン１００又はタービン１０２の、それぞれの吹き出しバルブ３４は、まず、高圧タービン２２をバイパスするための質量流束量決定という課題を有し、さらに、タービンホイール１１６の前で、高い圧力状態を高い速度に直接変換するという課題を有し、最終的には、周辺方向への偏重に重点を置いた案内羽根の形成を介して、流れの方向を定義するという課題を有している。そのとき、以下のタービンホイール１１６は、オイラーの機械運動方程式に従って、使用中の速度エネルギーを仕事に変換することになる。
【００５５】
案内羽根１１８によって形成されているねじり装置により、結果的に、図１の過給装置１２による過給装置の効率が改善され、この過給装置の中ではタービン１００及びタービン１０２が使用されており、このことは、達成可能な気体状態変数の引き上げを意味するか、又は、内燃機関のガス交換に有利な取り扱いをすることを意味する。さらに、過給装置は、この種の装置を介して、改善された条件の下で、内燃機関の全中心領域において、固定的にも非固定的にも非常に精密に制御可能となる。
【００５６】
タービンの外側にある標準的な吹き出しバルブとは違って、図示された吹き出しねじりバルブは、それぞれのタービンの中で、流路断面の有利な直線的開口特性を提供し、その他に、閉鎖位置における高い密閉品質の可能性もまた提供する。
【００５７】
同様に、吹き出しバルブ３４の流路断面の形態の吹き出し断面を非常に大きな値まで拡張することもまた考えられ、これによって、低圧エグゾーストターボチャージャをバイパスすることが、必要に応じて、実施可能になる。そのためには、図２によるＴＲＩＭ１００タービンホイールを備えたタービン型は、インレットホイール直径がアウトレットホイール直径に等しくなっており、理想的なベースである。調整可能なマトリックス１０８は、極端な場合には、マトリックス１０８の正面１２２がホイールアウトレットエッジ１２４の上に位置するようになるまで、タービンアウトレット１２０の方向へ移動させられるであろうが、それによって、総流量のうちのかなりの部分は、高圧タービン２２ばかりでなく、図１による過給装置１４の中で高圧タービンとなっているタービン１００又は１０２のタービンホイール１１６も迂回する。
【００５８】
既に示したように、図３はタービン１０２を示しており、このタービンは混式タービンを形成しており、この混式タービンの場合には、前記の吹き出しバルブ３４が、回転可能なブレードによってタービンホイール１１６の半径方向のインレットを介して配置されており、回転可能なブレードが、前記の案内羽根１１８を形成している。また、案内羽根の回転運動によって、公開される予定の流路断面と、排気の流れ角度とが規定される。
【００５９】
図３は、タービンホイール１１６に対する半径方向の排気ガス供給の比較的大きな吸気開口Ｄｒａｄと、これに比べて比較的小さな、タービンホイール１１６に対しほぼ軸方向での排気ガス供給の吸気開口Ｄａｘとを示している。
【００６０】
図４及び図５では、図１と同じ構成要素には同じ符号が付けられている。
【００６１】
図１による接続図ではシングルフローの高圧タービン２２が示されているのに対して、図４及び図５による接続図では、ダブルフローの高圧タービン２２’が示されており、この場合には、吸気流１９９と吸気流２０１との螺旋面値は、図示された実施例では異なっている。すなわち、ここで扱われているのは、ダブルフローの非対称な高圧タービン２２’であり、これによって、高圧ＡＧＲ装置の排気ガス再循環率が影響を受ける。
【００６２】
高圧タービン２２’のバイパス量の制御を引き受けるのは、低圧タービン２４又は低圧タービン２４’の代替的な実施形態であり、図４では、高圧タービン２２’のシングルフローのバイパスが示されており、図５では、高圧タービン２２’のダブルフローのバイパスが示されている。ダブルフローをバイパスする場合、低圧タービン２４’は、高圧タービン２２’のアウトレットに関連した吸気流３６を有しており、その他に、２つの相互に分離された収集チャンバ２８’と収集チャンバ３８”とを有しており、これらは、分離して通されているバイパスチャンネル２００とバイパスチャンネル２０２とに合流する。この場合、前述の収集チャンバ３８’と収集チャンバ３８”とは、ツインフローハウジングとして形成されることが可能であり、又は、課題に応じて、対称又は非対称な保持特性を備えたセグメントハウジング２０４として形成されることも可能である。
【符号の説明】
【００６３】
１０    内燃機関
１２    過給装置
１４    排気側
１６    エア側
１８    高圧エグゾーストターボチャージャ
２０    低圧エグゾーストターボチャージャ
２２、２２’、２４、２４’、２４”    タービン
２６    矢印
２８    排気ガス後処理装置
３０    バイパスライン
３２    バイパス
３４    吹き出しバルブ
３６、３８、３８’、３８”、１１４、１９９、２０１    吸気流
４０    制御装置
４２    エンジン作動ポイント
４４    排気ガス
４６    位置
４７    チャージ圧
４８、５２    シャフト
５０    高圧コンプレッサ
５４    低圧コンプレッサ
５６    インタクーラ
５８    インタクーラ
６０    ＡＧＲバルブ
６４    アクチュエータ
１００、１０２    タービン
１０４    収集チャンバ
１０６    タービンハウジング
１０８    マトリックス
１１０、１１８    案内羽根
１１２    羽根高さ
１１６    タービンホイール
１１８    ガイドグリル
１２０    タービンアウトレット
１２２    正面
１２４    ホイールアウトレットエッジ
２００、２０２    バイパスチャンネル
２０４    セグメントハウジング
【図１】
2012524854.tif 000003
【図２】
2012524854.tif 000004
【図３】
2012524854.tif 000005
【図４】
2012524854.tif 000006
【図５】
2012524854.tif 000007
【国際調査報告】
2012524854.tif 000008
2012524854.tif 000009
2012524854.tif 000010
2012524854.tif 000011
2012524854.tif 000012
2012524854.tif 000013