JP4387411B2 - 回転軸が事実上同軸の二つの直列に配置したターボユニットを有する内燃エンジンのためのターボコンプレッサシステム - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの燃焼室から排気ガスを排出するための少なくとも一つの排気管と前記燃焼室に空気を供給するための少なくとも一つの導入管を持つ内燃エンジンのためのターボチャージャシステムに関し、このターボチャージャシステムは、エンジンの排気流からエネルギーを取り出し、エンジンの流入空気を加圧するための、高圧コンプレッサに接続され、これにより共通回転軸を有する高圧ターボユニットを形成する高圧タービンと、低圧コンプレッサに接続され、これにより共通回転軸を有する低圧ターボユニットを形成する低圧タービンを備えている。

過給ジーゼル型の内燃エンジンのためのターボチャージャシステムに関する技術水準は、通常、共にラジアルタイプである、単一ステージタービンにより駆動される単一ステージコンプレッサを有している。時には、中間冷却を含む、２ステージの過給機を持つターボチャージャも、また、見られるが、その構成は、通常は多くのスペースを占有するものである。この問題についての技術的な解決は、したがって、スペースが厳しく限られている自動車に適用することは困難とされている。

２ステージ過給システムに使用される伝統的なターボチャージャは、高圧タービンを出る流れは軸方向であり、低圧タービンへの流入は半径方向であるため、それらの軸を横方向にずらして配置しなければならない。したがって、ガスダクトを９０度曲げる必要がある。この曲げは多くのスペースを必要とし、大きな圧力損失を生じて、全体の効率に悪い影響を与えている。

６から２０リットルの排気量のジーゼルエンジンに適した過給器は、通常、静止条件で、５０%〜６０%の間の効率を持つ（η_compressor * η_mechanical * η_turbine）。現代のジーゼルエンジンにおいては、より高いチャージ圧力を必要とする将来のエンジンより効率比が低い。過給が要請されるシステムの例としては、酸化窒素の放出を低くするための排ガスの再循環、即ち、吸気口バルブの種々の制御を与えるシステムである。

静的条件で、６０%より高い効率を持つターボチャージャシステムは、環境に適し、燃料効率が要求される将来の要求に合致するというより大きな見通しを与えるものである。これまでは、ジーゼルエンジンに対する環境問題の要求は、通常は、効率の低下につながり、したがって、このことは燃料のエネルギー源が十分に利用されていないことを意味してきた。

したがって、本発明の目的は、取り付けの問題を生じることなしに、乗り物に適用できる効率の高いターボチャージャシステムを得ることである。

本発明によるこの目的のために構成される、少なくとも一つの排気管と前記燃焼室に空気を供給するための少なくとも一つの導入管を持つターボチャージャシステムは、エンジンの排気流からエネルギーを取り出し、エンジンの流入空気を加圧するための、高圧コンプレッサに接続され、これにより共通回転軸を有する高圧ターボユニットを形成する高圧タービンと、低圧コンプレッサに接続され、これにより共通回転軸を有する低圧ターボユニットを形成する低圧タービンを備えることを特徴とし、且つ本発明によれば、低圧タービンは、アキシャルタイプであり、高圧ターボユニットと低圧ターボユニットは事実上同心の回転軸により直列に配置され、高圧タービンと低圧タービンは相互に隣接して配置され、流体ダクトとして形成される中間部材により連結され、二つの回転軸の間で所定の偏芯を許容するように配置され、前記低圧ターボユニットは内燃エンジンの一部に取り付けられ、一方、高圧ターボユニットは内燃エンジンの他の部分に取り付けられていることを特徴としている。ここで、「内燃エンジン」と「エンジン」の用語は、また、エンジンに属する部品、例えば、シリンダーヘッド、フライホイールケーシング、及びトランスミッションケーシングなどを含む意味で使用される。

本発明の有利な実施態様が下記の独立特許クレームから導き出される。

本発明は、添付図面に示された説明のための実施例を参照としてより詳細に説明される。

本発明は、第１に、約６リットルから約２０リットルの排気量を持つジーゼルエンジンのための、また、好ましくは、トラック、バス、建設機械などの重量車両のための加給システム（スーパーチャージャ）の装着に関する。この加給システムは、現在のシステムより非常に高い加給効率を持つ。この加給システムは、中間冷却手段を持つラジアルタイプのコンプレッサが直列に２つ接続された２ステージにより実現される。低圧コンプレッサとして参照される第１のステージは、アキシャルタイプの低圧タービンにより駆動される。第２のステージである高圧コンプレッサは、ラジアルタイプの高圧タービンにより駆動される。

図１は、一つの吸気マニホルド１２と２つの分離した排気マニホルド１３，１４を通常の方法で備える６個のエンジンシリンダ１１を持つエンジンブロック１０を示す。これらの二つの排気マニホルドの各々は３個のエンジンシリンダからの排ガスを受け取る。排ガスは分離したパイプ１５，１６に導かれ高圧ターボユニット１８におけるタービン１７に送られ、このターボユニット１８はタービン１７と共通のシャフトに取り付けられたコンプレッサ１９を備えている。

排ガスはパイプ２０を通り、低圧ターボユニット２２のタービン２１に送られ、低圧ターボユニット２２はタービン２１と共通の軸に取り付けられたコンプレッサ２３を備えている。排ガスは、最終的にはパイプ２４を通り排ガスの後処理のためのユニットを備えるエンジンの排気システムに送られる。

フィルターを通った流入空気は、パイプ２５を経てエンジンに入り、低圧ターボユニット２２のコンプレッサ２３に導かれる。パイプ２６が流入空気を第１のチャージエアクーラ２７を経て高圧ターボユニット１８のコンプレッサ１９に送られる。中間冷却手段を持つこの２ステージ過給器の後に、流入空気はパイプ２８を通って第２のチャージエアクーラ２９に送られ、その後、流入空気はパイプ３０を経て入口マニホルド１２に到達する。

この本発明によるターボチャージャシステムは、図２に詳細に示され、ここでは、高圧タービン１７への二重の螺旋状入口１５，１６が示され、その各々は入口ガイドレール１７ａを介してタービンに半分のガスフローを供給する。高圧タービン１７は通常のラジアルタイプで、低圧タービンはアキシャルタイプであるため使用可能となる短い中間ダクト２０によって低圧タービン２１に接続される。この短い流路はタービンのステージ間における圧力損失を最小にする。

高圧タービン１７はシャフト３１に高圧コンプレッサ１９と共に取り付けられている。低圧タービン２１は、同じように、シャフト３２に低圧コンプレッサ２３と共に取り付けられている。二つのターボユニット１８，２２は、事実上、同じ長手方向の軸に沿って向けられている。中間ダクト２０にはシール３３が取り付けられており、これについては図３により詳細に示されており、これにより、ある程度の軸方向及び径方向への移動を許容して、取り付け応力と漏洩を防止し、熱応力とある程度の組み立て上の欠陥を吸収する。

この目的のため、シール３３は、高圧タービン１７の出口の円筒部分３４と低圧タービン２１の入口の円筒部分３５に、夫々、軸方向の移動ができるように弾性ピストンリングとなるように形成されている。シール３３は中間部材２０の溝に取り付けられている。中間部材２０の内側ダクトは環状で、ダクトの後方にいくに従い断面が増加する中心のボディ２０ａを持っている。

図４から明らかなように、低圧ターボユニット２２はブラケット３６によってエンジンブロック１０上に設けられており、ブラケット３６は低圧タービン２１の出口３７に螺子で連結されている。高圧ターボユニット１８はエンジンの排気マニホルド１３，１４に対して通常の方法で取り付けられている。他の説明のための本発明の実施例においては、他のエンジン構成要素、例えば、シリンダーヘッド、フライホイールケーシング、及びトランスミッションケーシング、はターボチャージャのためのサスペンションに使用できる。また、ターボチャージャを排気マニホルドの種々の部分に取り付けることも可能である。

ターボチャージャは、したがって、エンジンの横に、その長手軸に事実上平行に直列に配置され、高圧コンプレッサがエンジンの長手方向前方に向くように配置し、また、他方、低圧コンプレッサを後方に向けるようにすることができる。この配置は、エンジンのエアフィルタからの誘導ポートが、通常、重量車両においてはエンジン室の後部に配置されており、エアダクト２５を短くすることができるために有利である（図１参照）。したがって、空気を、エンジン室の前方に配置することができる中間クーラ２７から受けるため、高圧コンプレッサを前方に向けることが有利である。しかしながら、本発明は、ターボチャージャとクーラの向きが、決して、これに限定されるものではない。

本発明は、上述の説明するための実施例に限定されるものとみなされるべきでなく、さらに多くの変形や改良が、以下の特許クレームの範囲内において想定できる。例えば、本発明によるターボチャージャシステムは、６気筒ジーゼルエンジンとの関連で説明されたが、本システムは１気筒からそれ以上の種々のピストンエンジンにも適用でき、また、２ストロークでも４ストロークサイクルで駆動されるものにも適用できる。

本発明による２ステージターボチャージャシステムを備える内燃エンジンを模式的に示した図である。 ターボチャージャシステムを構成する二つのターボチャージャステージの軸方向の断面図を示した図である。 図２の部分拡大図であり、二つのターボチャージャステージの間の中間部材をより明確に示した図である。 本発明によって設けられたターボチャージャシステムを有する内燃エンジンの部分的断面側面図である。

Claims (9)

1. エンジンの燃焼室（１１）から排気ガスを排出するための少なくとも一つの排気管（１５，１６）と前記燃焼室に空気を供給するための少なくとも一つの導入管（１２）を持つ内燃エンジン（１０）のためのターボチャージャシステムであって、
   エンジンの排気流からエネルギーを取り出し、エンジンの流入空気を加圧するための、高圧コンプレッサ（１９）に接続され、これにより共通回転軸（３１）を有する高圧ターボユニット（１８）を形成する高圧タービン（１７）と、低圧コンプレッサ（２３）に接続され、これにより共通回転軸（３２）を有する低圧ターボユニット（２２）を形成する低圧タービン（２１）を備え、
   前記低圧タービン（２１）はアキシャルタイプであり、前記高圧ターボユニット（１８）と前記低圧ターボユニット（２２）は事実上同心的な回転軸（３１，３２）により直列に配置され、且つ高圧タービン（１７）と定圧タービン（２１）は互いに隣接して、流路として形成されている中間部材（２０）によって連結され、前記二つの回転軸の間で所定の量の偏芯が許容できるように配置され、前記低圧ターボユニット（２２）は内燃エンジン（１０）の一部に取り付けられており、前記高圧ターボユニット（１８）は前記エンジン（１０）の他の部分に取り付けられていることを特徴とするターボチャージャシステム。
2. 前記低圧ターボユニット（２２）は、内燃エンジンのシリンダーブロック（１０）に取り付けられ、前記高圧ターボユニット（１８）は前記エンジンの排気マニホルド（１５，１６）に取り付けられてい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システム。
3. 前記高圧ターボユニット（１８）と前記低圧ターボユニット（２２）は、内燃エンジン（１０）の側部に直列に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のターボチャージャシステム。
4. 前記二つのユニット（１８，２２）は、事実上、前記エンジン（１０）のクランクシャフトに平行に配置されていることを特徴とする請求項３に記載のターボチャージャシステム。
5. 前記ターボユニット（１８，２２）は、前記高圧コンプレッサ（１９）は前記エンジン（１０）の軸方向の前方に向けて配置され、前記低圧コンプレッサ（２３）は後方に向けて配置されていることを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載のターボチャージャシステム。
6. 前記中間部材（２０）は、径方向に弾性を持つシールリング（３３）が設けられていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のターボチャージャシステム。
7. 前記シールリング（３３）は、高圧タービン（１７）の出口の円筒状部分（３４）と、低圧タービン（２１）の入口の円筒状部分（３５）に、夫々、スライド可能に装着されていることを特徴とする請求項６に記載のターボチャージャシステム。
8. 前記低圧ターボユニット（２２）は、低圧タービン（２１）の出口（３７）を介してブラケット（３６）によりエンジンブロック（１０）に取り付けられていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のターボチャージャシステム。
9. 前記中間部材（２０）の内側ダクトは環状であり、下流に向かうに従い増加する断面を持つ内側ボディ（２０ａ）を有する請求項１乃至８のいずれかに記載のターボチャージャシステム。

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