特表 2024-523235 ターボチャージャ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-06-28

(54)【発明の名称】ターボチャージャ

(51)【国際特許分類】

   F02B 37/00 20060101AFI20240621BHJP

   F02B 39/00 20060101ALI20240621BHJP

   F01N 3/18 20060101ALI20240621BHJP

【ＦＩ】

F02B37/00 301G

F02B39/00 D

F02B37/00 302Z

F01N3/18 D

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023575896

(86)(22)【出願日】2022-06-10

(85)【翻訳文提出日】2024-02-07

(86)【国際出願番号】 EP2022065807

(87)【国際公開番号】W WO2022258801

(87)【国際公開日】2022-12-15

(31)【優先権主張番号】102021205972.4

(32)【優先日】2021-06-11

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】504174917

【氏名又は名称】フラウンホッファー－ゲゼルシャフト・ツァー・フォデラング・デル・アンゲワンテン・フォーシュング・エー．ファウ．

(74)【代理人】

【識別番号】240000327

【弁護士】

【氏名又は名称】弁護士法人クレオ国際法律特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】スツォーラク ローベルト

(72)【発明者】

【氏名】ボーテル パウル

(72)【発明者】

【氏名】ダンカート ベルント

【テーマコード（参考）】

3G005

3G091

【Ｆターム（参考）】

3G005EA04

3G005FA35

3G005HA18

3G091AA10

3G091AB01

3G091BA02

3G091CA01

(57)【要約】

本発明は、内燃機関の新気を圧縮するコンプレッサ構造体（２）と、新気入口（２０１）及び新気出口（２０２）を有し、コンプレッサインペラ（３２）が配設されたコンプレッサハウジング（２０）と、コンプレッサ構造体（２）を駆動する排気ガスタービン（３）と、排気ガス入口（３０１）及び排気ガス出口（３０２）を有し、タービンホイール（３２）が配設されたタービンハウジング（３０）と、供給された燃料を新気及び／又は排気ガスで変換する加熱式触媒コンバータ（４）と、を備えたターボチャージャ（１）に関する。加熱式触媒コンバータ（４）は、ガス入口（４０１）、ガス出口（４０２）及び燃料入口（４０３）を有する触媒コンバータハウジング（４０）を備え、第一に触媒コンバータハウジング（４０）、第二にコンプレッサハウジング（２０）及び／又はタービンハウジング（３０）が部分表面に熱的に接触する。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ターボチャージャ（１）であって、
内燃機関の新気を圧縮するように構成されたコンプレッサ構造体（２）と、
前記コンプレッサ構造体（２）を駆動するための少なくとも１つの排気ガスタービン（３）と、
を備え、
前記コンプレッサ構造体（２）は、新気入口（２０１）及び新気出口（２０２）を有する少なくとも１つのコンプレッサハウジング（２０）と、前記コンプレッサハウジング（２０）内に配設された少なくとも１つのコンプレッサインペラと、を備え、
前記排気ガスタービン（３）は、排気ガス入口（３０１）及び排気ガス出口（３０２）を有する少なくとも１つのタービンハウジング（３０）と、前記タービンハウジング（３０）内に配設された少なくとも１つのタービンホイールと、を備え、
前記ターボチャージャ（１）は、供給された燃料を新気及び／又は排気ガスで少なくとも部分的に変換する加熱式触媒コンバータ（４）をさらに備え、
前記加熱式触媒コンバータ（４）は、ガス入口（４０１）、ガス出口（４０２）及び燃料入口（４０３）を有する触媒コンバータハウジング（４０）を有し、
第一に前記触媒コンバータハウジング（４０）と、第二に前記コンプレッサハウジング（２０）及び／又は前記タービンハウジング（３０）とが、少なくとも１つの部分表面（４５）において熱的に接触する、ことを特徴とするターボチャージャ。

【請求項2】

第１のオーバーフローチャネル（１５）をさらに備え、
前記第１のオーバーフローチャネル（１５）は、第１の端部（１５１）と、反対側の第２の端部（１５２）と、を有し、
前記第１の端部（１５１）は、前記タービンハウジング（３０）の前記排気ガス入口（３０１）に接続され、前記第２の端部（１５２）は、前記触媒コンバータハウジング（４０）の前記ガス入口（４０１）に接続されている、ことを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャ。

【請求項3】

第２のオーバーフローチャネル（２５）をさらに備え、
前記第２のオーバーフローチャネル（２５）は、第１の端部（２５１）と、反対側の第２の端部（２５２）と、を有し、
前記第１の端部（２５１）は、前記コンプレッサハウジング（２０）の前記新気出口（２０２）に接続され、前記第２の端部（２５２）は、前記触媒コンバータハウジング（４０）の前記ガス入口（４０１）に接続されている、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のターボチャージャ。

【請求項4】

第３のオーバーフローチャネル（３５）をさらに備え、
前記第３のオーバーフローチャネル（３５）は、第１の端部（３５１）と、反対側の第２の端部（３５２）と、を有し、
前記第１の端部（３５１）は、前記触媒コンバータハウジング（４０）の前記ガス出口（４０２）に接続され、前記第２の端部（３５２）は、前記タービンハウジング（３０）の前記排気ガス出口（３０２）に接続されている、ことを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載のターボチャージャ。

【請求項5】

前記第３のオーバーフローチャネル（３５）の前記第２の端部（３５２）に、少なくとも１つのノズル（３５３）が配設されている、ことを特徴とする請求項４に記載のターボチャージャ。

【請求項6】

前記第１のオーバーフローチャネル（１５）及び／又は前記第２のオーバーフローチャネル（２５）及び／又は前記第３のオーバーフローチャネル（３５）に二方弁（５２）が設けられている、ことを特徴とする請求項２～５のいずれか一項に記載のターボチャージャ。

【請求項7】

３つの入口／出口を有する三方弁（５３）をさらに備え、
前記三方弁（５３）には前記第１のオーバーフローチャネル（１５）、前記第２のオーバーフローチャネル（２５）及び前記ガス入口（４０１）が接続される、ことを特徴とする請求項１～６のいずれか一項に記載のターボチャージャ。

【請求項8】

前記触媒コンバータハウジング（４０）の少なくとも１つの部分（４２１、４２２）、及び前記コンプレッサハウジング（２０）又はタービンハウジング（３０）は一体的に形成されている、ことを特徴とする請求項１～７のいずれか一項に記載のターボチャージャ。

【請求項9】

前記触媒コンバータハウジング（４０）の少なくとも１つの部分（４２）、前記コンプレッサハウジング（２０）及び前記タービンハウジング（３０）は一体的に形成されている、ことを特徴とする請求項１～７のいずれか一項に記載のターボチャージャ。

【請求項10】

前記第１のオーバーフローチャネル（１５）及び／又は前記第２のオーバーフローチャネル（２５）及び／又は前記第３のオーバーフローチャネル（３５）は、少なくとも所定の領域において、前記触媒コンバータハウジング（４０）及び／又は前記コンプレッサハウジング（２０）及び／又は前記タービンハウジング（３０）におけるボアとして設計されている、ことを特徴とする請求項８又は９に記載のターボチャージャ。

【請求項11】

排気ガスが前記タービンハウジング（３０）を流れるときに、一方の前記触媒コンバータハウジング（４０）と、他方の前記コンプレッサハウジング（２０）及び／又は前記タービンハウジング（３０）との間における熱接触によって、約０．５ｋＷ～約６ｋＷ、又は約１ｋＷ～約４ｋＷ、又は約０．５ｋＷ～約３ｋＷの熱流が前記触媒コンバータハウジング（４０）に導入される、ことを特徴とする請求項１～１０のいずれか一項に記載のターボチャージャ。

【請求項12】

前記触媒コンバータハウジング（４０）と、少なくとも前記コンプレッサハウジング（２０）又は前記タービンハウジング（３０）とは、１つの鋳造部品として形成される、ことを特徴とする請求項８～１０のいずれか一項に記載のターボチャージャ。

【請求項13】

ターボチャージャを備えた内燃機関の改修方法であって、
既存のターボチャージャを取り外すステップと、
請求項１～１２のいずれか一項に記載のターボチャージャを取り付けるステップと、
を含む、ことを特徴とする方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、内燃機関の新鮮な空気（新気）を圧縮するように構成されたコンプレッサ構造体を有するターボチャージャに関する。コンプレッサ構造体は、新気入口及び新気出口を有する少なくとも１つのコンプレッサハウジングと、コンプレッサハウジング内に配設され少なくとも１つのコンプレッサインペラと、を備える。少なくとも１つの排気ガスタービンは、コンプレッサ構造体を駆動し、少なくとも１つのタービンハウジングは、排気ガス入口及び排気ガス出口を有し、少なくとも１つのタービンホイールは、タービンハウジング内に配設される。

【背景技術】

【0002】

内燃機関が少なくとも１つのターボチャージャを有することは実際に知られている。ターボチャージャは、タービンを有し、タービンは、排気ガス流から運動エネルギーを取り出して、これを機械的動力として供給する。この機械的動力は、コンプレッサを駆動するために使用され、燃焼に必要な新気を内燃機関に高圧で供給する。これにより、応答特性、出力及び／又は消費を最適化することができる。

【0003】

内燃機関から少なくとも１つの排気ガス後処理装置に排気ガスを供給することも実際に知られている。排気ガス後処理装置は、例えば、パティキュレートフィルタ（微粒子捕集フィルタ）及び／又は少なくとも１つの触媒コンバータを有する。触媒コンバータは、煤粒子を保持するか、あるいは、ＣＯ，ＣＨ_X（クロルヘキシジン）又はＮＯ_X（窒素酸化物）などの汚染物質を酸化又は還元して無害化する。

【0004】

既知の触媒コンバータはすべて、排気ガスから汚染物質を十分に除去するために、通常の周囲条件よりも高い運転温度を必要とする。パティキュレートフィルタは、冷間始動後でも確実に機能するが、時々高温で再生される必要がある。

【0005】

したがって、国際公開ＷＯ２０２０／１９３５９５Ａ１は、供給された燃料を排気ガス又は新気で変換するように設計された加熱式触媒コンバータを開示している。加熱式触媒コンバータは、さまざまな運転状態で作動する。例えば、供給された燃料は、排気ガス後処理装置における酸化のために、単に気化されて、その結果、熱が放出され、排気ガス後処理装置が加熱される。別の運転状態では、燃料の少なくとも一部が合成ガスに変換される。合成ガスは、排気ガス後処理装置におけるライトオフ温度が低いので、内燃機関の一部の運転状態において、排気ガス後処理装置の加熱を改善する。最終的に、燃料は加熱式触媒コンバータにおいて完全に変換されて、高温ガスを生成する。高温ガスは排気ガス後処理装置に供給されて、排気ガス後処理装置を加熱する。

【0006】

この公知の加熱式触媒コンバータの欠点は、特にスペースが制限されている乗用車や軽商用車において追加の設置スペースが必要となることである。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

したがって、本発明の目的は、先行技術に基づき、内燃機関の排気ガス後処理装置を迅速に加熱する装置であって、設置スペースをほとんど必要とせず、かつ、既存の内燃機関の改修にも適した装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の目的は、請求項１に記載のターボチャージャによって達成される。本発明のさらなる有利な展開は、従属請求項に記載されている。

【0009】

本発明によれば、少なくとも１つのコンプレッサ構造体と、少なくとも１つの排気ガスタービンと、を有するターボチャージャが提供される。コンプレッサ構造体は、内燃機関に供給される新気を圧縮するように設計されている。この目的のために、コンプレッサ構造体は、新気入口及び新気出口を有する少なくとも１つのコンプレッサハウジングと、コンプレッサハウジング内に配設された少なくとも１つのコンプレッサインペラと、を備える。内燃機関における燃料の燃焼に必要な新気は、第１の圧力で新気入口からコンプレッサ構造体に供給され、第２の圧力で新気出口から排出される。第２の圧力は第１の圧力よりも高くなっている。従って、コンプレッサにより、新気には、機械的な働きが加えられる。

【0010】

少なくとも１つのコンプレッサインペラは、複数のロータブレード（動翼）を有し、ラジアルコンプレッサ又はアキシャルコンプレッサとして動作する。本発明の他の実施例では、少なくとも１つのコンプレッサインペラは、スクリューコンプレッサ又はルーツブロワ、あるいは、斜板式コンプレッサの一部となっている。本発明は、特定の設計のコンプレッサ構造体を解決原理として使用することを教示するものではない。

【0011】

少なくとも１つの排気ガスタービンは、コンプレッサ構造体を駆動するように設計されている。この目的のために、一方の排気ガスタービンと他方のコンプレッサ構造体とは、回転シャフト、ギアボックス、ベルト駆動、又はそれ自体が公知の別の方法で、互いに連結している。少なくとも１つの排気ガスタービンは、排気ガス入口と排気ガス出口とを有する少なくとも１つのタービンハウジングと、タービンハウジング内に配設された少なくとも１つのタービンホイールとを、有する。排気ガスタービンは、排気ガス流からエネルギーを取り出し、機械的動力として供給するように設計されている。この点で、内燃機関からの排気ガス流は、排気ガス入口を介して、第２の圧力で、タービンハウジングに供給され、排気ガス出口を介して、第１の圧力で、排出される。第２の圧力は第１の圧力よりも高くなっている。

【0012】

本発明によるターボチャージャはまた、供給された燃料を新気及び／又は排気ガスで少なくとも部分的に変換するように設計された加熱式触媒コンバータを有し、加熱式触媒コンバータは、少なくとも１つのガス入口及び少なくとも１つのガス出口並びに少なくとも１つの燃料入口を有する触媒コンバータハウジングを備える。新気及び／又は排気ガスは、ガス入口から供給される。例えばガソリン又はディーゼルなどの燃料は、燃料入口を介して、加熱式触媒コンバータに供給される。加熱式触媒コンバータにおいて、燃料と、排気ガス及び／又は新気と、から生成ガスが生成される。この目的のために、燃料は、加熱式触媒コンバータにおいて気化され、及び／又は、熱の放出により少なくとも部分的に酸化され、及び／又は、クラッキング反応により合成ガスに変換される。生成ガスには、よって、高温ガス及び／又は燃料蒸気及び／又は合成ガスが含まれる。生成ガスは、ガス出口を介して加熱式触媒コンバータから排出され、排気ガスタービンの下流側の排気管に再び供給される。したがって、排気ガスタービンによって発生する乱流を利用して、加熱式触媒コンバータで生成された生成ガスを排気ガスと混合することができる。排気ガス及び／又は新気は、ガス入口を介して、それぞれの第２の圧力で供給され、流れる排気ガス中に第１の圧力で排出されるので、その結果、追加の搬送装置を必要とせずに、触媒コンバータハウジングを通る確実な流れが得られる。本発明の幾つかの実施例では、加熱式触媒コンバータは、供給された燃料をコークス化させることなくフリースによって気化させるように、設計されている。

【0013】

本発明によれば、一方の触媒コンバータハウジングと、他方のコンプレッサハウジング及び／又はタービンハウジングとが、少なくとも１つの部分表面において熱的に接触することが提案される。一つには、加熱式触媒コンバータの追加機能を持たない公知のターボチャージャに比べ、加熱式触媒コンバータを内蔵したターボチャージャは、これ以上の設置スペースをほとんど必要としないため、コンパクトな設計につながる。さらに、ターボチャージャを有する、既に使用されている内燃機関に対しては、既存のターボチャージャを本発明によるターボチャージャに交換することにより、本発明による加熱装置を容易に後付けすることができる。このようにして、エンジン内で対処することで、内燃機関の効率を低下させることなく、追加の熱エネルギーを排気ガス後処理装置に導入することができる。

【0014】

さらに、ターボチャージャの運転中に発生する廃熱を加熱式触媒コンバータに供給することで、加熱式触媒コンバータ自体は、より早く運転温度に達することができる。その結果、加熱式触媒コンバータへの電気補助エネルギーの供給は低減又は完全に回避され、加熱式触媒コンバータを消費最適化された方法で運転させることができる。

【0015】

本発明のいくつかの実施例では、ターボチャージャは、第１のオーバーフローチャネルをさらに備え、第１のオーバーフローチャネルは、第１の端部と、反対側の第２の端部と、を有する。第１の端部はタービンハウジングの排気ガス入口に接続され、第２の端部は触媒コンバータハウジングのガス入口に接続される。これによって、加熱式触媒コンバータに排気ガスが供給され、排気ガスは、一方では、触媒コンバータにおける燃料の変換を可能、あるいは、促進するために、加熱式触媒コンバータに熱エネルギーを導入し、他方では、燃料を気化、すなわち液体状態から気体状態に変換する。さらに、排気ガスは、燃料の少なくとも一部を酸化して熱を放出するための酸化剤として使用される。富酸素排気ガスはこの目的に特に適しており、例えば火花点火式内燃機関のリーン運転時（空気数λ＞１）、あるいは、一般には自己着火式内燃機関の場合に、生成される。

【0016】

本発明のいくつかの実施例では、ターボチャージャは、少なくとも１つの第２のオーバーフローチャネルを備え、第２のオーバーフローチャネルは、第１の端部と、反対側の第２の端部と、を有する。第１の端部はコンプレッサハウジングの新気出口に接続され、第２の端部は触媒コンバータハウジングのガス入口に接続される。このように、第２のオーバーフローチャネルは、加熱式触媒コンバータに新気を供給するために使用される。排気ガスと同様に、圧縮された新気も、加熱式触媒コンバータに追加の熱エネルギーを加えるために使用される。さらに、新気は、加熱式触媒コンバータに供給される燃料の酸化剤として適している。このようにして、原料排気ガスの組成に関係なく酸化が行われるため、燃料の酸化は、内燃機関の運転状態にとらわれず、確実に行われる。

【0017】

本発明のいくつかの実施例では、ターボチャージャは、第３のオーバーフローチャネルを備え、第３のオーバーフローチャネルは、第１の端部と、反対側の第２の端部と、を有する。第１の端部は、触媒コンバータハウジングのガス出口に接続され、第２の端部は、タービンハウジングの排気ガス出口に接続される。このように、第３のオーバーフローチャネルは、排気ガスタービンの下流側の加熱式触媒コンバータで生成された生成ガスを排気管に供給するのに適しており、かつ、そのためのものである。既に上述したように、生成ガスは、燃料蒸気であってもよく、あるいは、燃料蒸気を含んでもよい。本発明の他の実施例では、生成ガスは、加熱式触媒コンバータ上で燃料を反応させることによって得られる合成ガスであってもよく、あるいは、合成ガスを含んでもよい。本発明のさらに他の実施例では、生成ガスは、加熱式触媒コンバータ上で燃料を酸化させることによって得られる高温ガスであってもよく、あるいは、高温ガスを含んでもよい。このように、加熱式触媒コンバータには、排気ガスタービンの上流側で、比較的高い圧力レベルで、排気ガス又は新気が供給され、排気ガスタービンの下流側で、より低い圧力で、加熱式触媒コンバータの生成ガスが供給されるため、排気ガスタービン内の圧力降下により、必然的に、排気ガス又は新気の加熱式触媒コンバータを通る流れが発生する。

【0018】

本発明のすべての実施例において、第１、第２又は第３のオーバーフローチャネルは必ずしも存在しなくてよい。本発明のいくつかの実施例では、オーバーフローチャネルは１つのみ、又は２つのみでもよい。

【0019】

本発明のいくつかの実施例において、第１のオーバーフローチャネル、及び／又は第２のオーバーフローチャネル、及び／又は第３のオーバーフローチャネルは、少なくとも部分的に、触媒コンバータハウジング内又はコンプレッサハウジング内、あるいは、タービンハウジング内における、ボア（ｂｏｒｅ）として設計される。この種のボアは、機械加工によって、あるいは、ハウジングの一次成形の際に、形成される。一方、この結果、本発明によるターボチャージャの製造が容易になり、摩耗しやすいプラスチックやゴムホース、及びハウジングへのホースの接続箇所が不要となるため、機械的に堅牢な運転が可能になる。

【0020】

本発明のいくつかの実施例では、少なくとも１つのノズルは、第３のオーバーフローチャネルの第２の端部に配設される。これにより、加熱式触媒コンバータの生成ガスは、事前決定可能な方向及び／又は事前決定可能なパルスで、排気ガス流に導入され、生成ガスと排気ガス流との混合が付加的に促進される。

【0021】

本発明のいくつかの実施例では、二方弁は、第１のオーバーフローチャネルに、及び／又は第２のオーバーフローチャネルに、及び／又は第３のオーバーフローチャネルに、設けられる。このタイプの二方弁は、制御装置からの電気信号の影響を受けて、それぞれのオーバーフローチャネルにおける流れを、オープンループ又はクローズドループ方式で制御する。その結果、運転状態に応じて、排気ガス又は新気、もしくは、排気ガスと新気との混合気を、加熱式触媒コンバータに供給することができ、あるいは、少なくとも１つのオーバーフローチャネルを閉じることによって加熱式触媒コンバータを完全に不活性化する。本発明のいくつかの実施例では、オーバーフローチャネルは、加熱式触媒コンバータを通して排気ラインに、許容を超える高いブースト圧を排出することによって、もしくは、排気ガスタービンを通過させて、排気ガスをバイパスすることによって、ウェイストゲートバルブとして使用されてもよい。したがって、追加のウェイストゲートバルブは不要である。

【0022】

本発明のいくつかの実施例では、ターボチャージャは、三方弁をさらに備え、三方弁は、第１のオーバーフローチャネルと、第２のオーバーフローチャネルと、ガス入口と、が接続される３つの入口／出口を有する。三方弁の位置を利用して、加熱式触媒コンバータに新気、排気ガス、又は新気と排気ガスの混合気が供給されるので、加熱式触媒コンバータの運転状態を単一の弁を使用して広い範囲で調整することができる。三方弁を閉じることで、加熱式触媒コンバータの運転が停止され、例えば全負荷時や全負荷に近い運転状態では、排気ガス後処理は追加の加熱手段を必要としない。

【0023】

本発明の一実施例では、少なくとも１つの部分の触媒コンバータハウジングと、コンプレッサハウジング又はタービンハウジングのいずれかと、は一体で製造される。この種の一体製造は、特に鋳造法における一次成形によってなされる。本発明の他の実施例では、ハウジングは、少なくとも部分的に、３Ｄ印刷法で製造される。このようにして、少なくとも１つの部分の触媒コンバータハウジングと、少なくとも１つの部分のコンプレッサハウジング又は少なくとも１つの部分のタービンハウジングと、は一体的に接合され、コンプレッサハウジング又はタービンハウジングからの熱は、ほとんど無駄なく、加熱式触媒コンバータに導入される。このようにして、長時間の運転後に酸化した、かなり耐入熱性が高くなっている、生の（未加工の）接触面及び／又は接触面を避けることができる。

【0024】

本発明のいくつかの実施例では、少なくとも１つの部分の触媒コンバータハウジングと、少なくとも１つの部分のコンプレッサハウジングと、少なくとも１つの部分のタービンハウジングと、を一体で製造することができる。この結果、ターボチャージャ全体は、機械的に堅牢、かつ、コンパクトに設計される。

【0025】

本発明のいくつかの実施例では、一方の触媒コンバータハウジングと、他方のコンプレッサハウジング又はタービンハウジングと、の間における熱接触により、約０．５ｋＷ～約６ｋＷの熱流が加熱式触媒コンバータに導入される。本発明の他の実施例では、熱接触によって加熱式触媒コンバータに導入される熱流は、約１ｋＷ～約４ｋＷの間である。本発明のさらに他の実施例では、熱入力は約０．５ｋＷ～約３ｋＷの間である。上述の熱出力は、追加の電気補助エネルギーを必要とせずに、加熱式触媒コンバータにおける燃料の気化及び／又は変換を効率的なものとする。したがって、内燃機関は、消費最適化された方法で運転することが可能となる。

【0026】

以下、本発明の一般概念を限定することなく、図面に基づいて、本発明をより詳細に説明する。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】図１は本発明によるターボチャージャの第１の実施例の第１の図である。

【図2】図２は本発明によるターボチャージャの第１の実施例の第２の図である。

【図3】図３は本発明によるターボチャージャの第１の実施例の第３の図である。

【図4】図４は本発明によるターボチャージャの第２の実施例の第１の図である。

【図5】図５は本発明によるターボチャージャの第２の実施例の第２の図である。

【図6】図６は本発明による排気ガス後処理装置及びターボチャージャを有する内燃機関のブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0028】

図１～図３は、本発明によるターボチャージャの第１の実施例を示している。ターボチャージャ１は、コンプレッサ構造体２を備え、コンプレッサ構造体２は、内燃機関における燃焼に必要な新気を圧縮するように設計されている。図示された例示的な実施例では、コンプレッサ構造体２は、ラジアルコンプレッサとして設計されている。コンプレッサ構造体２は、周囲の空気を第１の圧力で取り入れるように設計された新気入口２０１を有する。さらに、コンプレッサ構造体２は、圧縮された新気を第２の圧力で排出するように設計された新気出口２０２を有する。新気出口２０２は、内燃機関の吸気マニホールド（インテークマニホールド）に接続され、内燃機関における燃料の燃焼に必要な新気を内燃機関に高圧で供給する。

【0029】

少なくとも１つのタービンハウジング３０を有する排気ガスタービン３がコンプレッサ構造体の駆動のために使用される。タービンハウジング３０は、排気ガス入口３０１及び排気ガス出口３０２を有する。タービンハウジング３０には、少なくとも１つのタービンホイールが配設されている。図示された例示的な実施例では、排気ガスタービンは、ラジアルタービンとして設計されている。すなわち、排気ガス入口３０１及び排気ガス出口３０２が互いに略直角に配置されている。

【0030】

本発明のいくつかの実施例では、タービンハウジング３０及びコンプレッサハウジング２０は、例えば、１つの鋳造部品として、もしくは３Ｄ印刷法により一体に形成される。本発明の他の実施例では、ハウジングは、複数の部品により形成されてもよいし、あるいは、別体として形成され、ねじ接続によって互いに接続されてもよい。

【0031】

図１～図３は、加熱式触媒コンバータ４を図示している。加熱式触媒コンバータ４は、主な形状が略円筒形であるハウジング４０を備えている。ハウジング４０の下側にはガス入口４０１が設けられており、排気ガス及び／又は新気を加熱式触媒コンバータ４に供給する。さらに、加熱式触媒コンバータ４は、少なくとも１つの燃料入口４０３を有する。気体又は液体の燃料、通常はガソリン又はディーゼルが燃料入口４０３を介して供給される。燃料は、ガス入口４０１を介して供給される排気ガス又は新気により、上述の方法で完全に又は部分的に変換される。このようにして加熱式触媒コンバータ４において生成された生成ガスは、ガス出口４０２を介して加熱式触媒コンバータ４から排出される。

【0032】

さらに、図１～図３は保持ブラケット４３を示している。保持ブラケット４３は熱伝導性材料、例えば金属や合金から形成される。保持ブラケットは、加熱式触媒コンバータ４の触媒コンバータハウジング４０を機械的に固定するように設計されている。触媒コンバータハウジング４０から離れた側の保持ブラケット４３の一端は、タービンハウジング３０と熱を伝えるように機械的に接触している。ターボチャージャの運転中、高温の排気ガスがタービンハウジング３０内を流れる。これによりタービンハウジング３０が加熱される。熱の一部は対流と放射によって周囲に放出される。しかし、タービンハウジング３０に導入された熱の一部は、保持ブラケット４３と、触媒コンバータハウジング４０と保持ブラケット４３との間に形成された部分表面４５と、を介して、加熱式触媒コンバータ４に流入する。この目的のため、触媒コンバータハウジング４０は、少なくとも部分的に熱伝導性材料、例えば金属又は合金から形成されてもよい。このようにして、電気的補助エネルギーの供給を受けずに、又は供給を減少させた状態で、加熱式触媒コンバータ４は、燃料を新気又は排気ガスで変換できる温度まで上昇させることができる。

【0033】

図にも見られるように、触媒コンバータハウジング４０はポート４１をさらに有する。前記ポートを介して、温度センサ又は電気加熱装置が接続される。加熱式触媒コンバータ４内で燃料をより均一に分布させるために、オプションとして複数の燃料入口４０３を設けてもよい。

【0034】

図１及び図２にさらに示すように、本発明によるターボチャージャは、第１の端部１５１及び第２の端部１５２を有する第１のオーバーフローチャネル１５を備える。第１の端部１５１は、タービンハウジング３０の排気ガス入口３０１に接続されている。このようにして、例えば、約３．５～約５バールといった、相対的に高い圧力で内燃機関から排出される排気ガス流は、少なくとも部分的に取り出され、加熱式触媒コンバータ４に供給される。このため、第１のオーバーフローチャネル１５の第２の端部１５２は、触媒コンバータハウジング４０のガス入口４０１に接続されている。オーバーフローチャネル１５には、任意の二方弁（図示せず）を設けてもよい。この二方弁によって、加熱式触媒コンバータ４に供給される排気ガスの量が制御される。

【0035】

さらに、本発明の第１の実施例によるターボチャージャは、第１の端部３５１と、反対側の第２の端部３５２と、を有する第３のオーバーフローチャネル３５を備える。第１の端部３５１は、本実施例では触媒コンバータハウジング４０のガス出口４０２に接続されている。第２の端部３５２は、ノズル３５３を介して、タービンハウジング３０のタービンホイールの下流側に開口している。タービンホイールの下流側では、タービンホイールが排気ガス流からエネルギーを取り出すため、一方ではより低い圧力が生じる。加えて、タービンホイールは乱流を生じさせるので、加熱式触媒コンバータ４におり生成された生成ガスは、排気ガス主流と良好に混合される。この圧力差により、加熱式触媒コンバータ４を通過する排気ガスの流れが規定される。同時に、本発明によるターボチャージャは、コンパクトな設計であるため、設置スペースが節約され、既存の内燃機関の改修が容易となる。

【0036】

図４及び図５は、本発明の第２の実施例をより詳細に示している。本発明の同一の構成要素には同一の参照符号を付しているため、以下の説明は本発明の本質的な相違点に限定している。

【0037】

図４から明らかなように、第２の実施例では、タービンハウジング３０と触媒コンバータハウジング４０とを機械的かつ熱的に結合するための保持ブラケット４３が省かれている。第２の実施例によれば、触媒コンバータハウジング４０は、２つの部分、つまり、上側部分４２１と下側部分４２２とから構成されている。図示された例示的な実施例では、触媒コンバータハウジング４０の下側部分４２２は、タービンハウジング３０と一体形成されている。すなわち、金属鋳造法によるタービンハウジング３０の一次成形の際に、下側部分４２２もタービンハウジング３０の均質な構成部品として、金属鋳造法における同一のステップで製造される。

【0038】

触媒コンバータハウジング４０の下側部分４２２及びタービンハウジング３０は、一体又はモノリシックに製造されているため、部分表面４５には境界面がなく、２つの部分は熱的に結合され、凹凸、汚染又は酸化による入熱（ヒートインプット）を防ぐ。従って、タービンハウジング３０から触媒コンバータハウジング４０への入熱は、より均一となり、かつ／又はより効果的となる。本発明の他の実施例では、触媒コンバータハウジングの少なくとも１つの部分と、タービンハウジングとのこのような一体的な結合接続は、はんだ付け、溶接又は３Ｄ印刷によってなされてもよい。

【0039】

本発明の第２の実施例によるモノリシック製造の場合、オーバーフローチャネル１５，２５及び３５は、ハウジングの凹部又はボアによって単純に製造される。さらに、二方弁又は三方弁は、ハウジングに組み込まれてもよく、加熱式触媒コンバータ４の運転パラメータを事前決定可能な目標条件に適合させるために、一方では排気ガス又は新気の供給に影響を与え、他方では生成ガスの除去に影響を与える。

【0040】

図６は、本発明による排気ガス後処理装置７２，７３，７４及びターボチャージャを有する内燃機関７のブロック図である。分かりやすくするため、コンプレッサ構造体２、排気ガスタービン３及び加熱式触媒コンバータ４は、図６では空間的に離間している。当業者であれば、図１～図５を参照して、上述したように、本発明のこれらの構成部品が協働することはもちろん承知している。

【0041】

内燃機関７は、自己着火式又は火花点火式の内燃機関としてもよい。内燃機関７は、周囲の空気で燃料を燃焼させて機械的動力を供給するように設計されている。内燃機関７は、自動車、トラック、船舶、建設機械において使用され、あるいは、定置式としては、コンプレッサ、発電機、熱電併給装置又は同様の装置において使用される。

【0042】

運転中、内燃機関７には、エアフィルタ７７を介して新気又は周囲の空気が供給される。新気は、コンプレッサ構造体２において、圧力レベルがより高められる。このため、新気は、新気入口２０１に供給され、コンプレッサインペラで圧縮された後、新気出口２０２を介して内燃機関７に供給される。

【0043】

コンプレッサ構造体は回転軸８によって駆動される。この駆動力は排気ガスタービン３によってもたらされる。このため、内燃機関７からの排気ガスは、排気ガス入口３０１を介して排気ガスタービンに供給される。排気ガスはその後、排気ガス出口３０２を介して排気ガスタービン３から排出される。

【0044】

排気ガスは、その後、排気管７１を介して排気ガス後処理装置に供給されて、煤粒子及びガス状汚染物質が低減される。図示された例示的な実施例では、排気ガス後処理装置は、炭化水素及び一酸化炭素を酸化するように設計された酸化触媒コンバータ７２を備える。このようにして前処理された排気ガスは、パティキュレートフィルタ７３に到達し、微粒子の塵埃が保持される。排気ガスは、次に、ＳＣＲ触媒コンバータ７４に供給され、尿素が添加されて、窒素酸化物を低減する。排気ガス温度は、さまざまな温度センサＴＩＡを用いて異なる地点で測定され、加熱式触媒コンバータ４及び内燃機関７をオープンループ又はクローズドループ方式で制御する。

【0045】

酸化触媒コンバータ７２及びＳＣＲ触媒コンバータ７４は、運転のために、例えば２５０℃以上の高温を必要とする。パティキュレートフィルタ７３は低温でも機能するが、時々高温で運転させて、埋め込まれた粒子を酸化させて、パティキュレートフィルタを再生する必要がある。したがって、排気管７１内を流れる排気ガスを事前決定可能な温度にするか、あるいは、高温に保つ必要が生じる。従来技術によれば、これは、内燃機関７の適切な運転条件、例えば後期噴射又は後噴射によって行うことが可能である。しかし、そのために、排気ガスの挙動が悪化し、内燃機関７の燃料要求量が増加する。

【0046】

したがって、本発明は、排気ガス後処理装置の少なくとも１つの構成部品７２，７３，７４に熱を導入するように設計された加熱式触媒コンバータ４を使用することを提案する。この目的のため、燃料は、貯蔵タンク７４から電気駆動ポンプ４６を介して加熱式触媒コンバータ４に供給され、燃料は、燃料入口４０３を介して加熱式触媒コンバータ４の触媒コンバータハウジング４０に流入される。触媒コンバータハウジング４０の内部には、触媒材料でコーティングされた触媒コンバータサポートが配設されている。

【0047】

最も単純な場合、燃料入口４０３から流入された燃料は、加熱式触媒コンバータ４において気化され、ガス出口４０２を介して触媒コンバータハウジング４０から排出される。第１の端部３５１及び反対側の第２の端部３５２を有する第３のオーバーフローチャネル３５によって、燃料蒸気は排気管７１に導入され、排気ガスタービン３が発生させる乱流によって、効果的な混合が確実となる。燃料蒸気はその後、酸化触媒７２及び／又は下流側の構成部品７３又は７４で酸化され、熱が放出される。

【0048】

他の運転状態においては、燃料は、加熱式触媒コンバータ４において、排気ガス及び／又は新気で変換され、高温ガス又は合成ガスが生成される。合成ガスは、同様に、第３のオーバーフローチャネル３５を介して排気管７１に供給される。合成ガスは、酸化触媒コンバータ７２又は下流側の構成部品７３，７４において変換されてもよいが、気化しているが化学的変化を起こしていない燃料に比べて、ライトオフ温度が低下する可能性がある。

【0049】

排気ガス又は新気で燃料を変換するために、加熱式触媒コンバータ４にはガス入口４０１が設けられている。ガス入口４０１は、三方弁５３を介して第１のオーバーフローチャネル１５及び第２のオーバーフローチャネル２５に接続されている。第１のオーバーフローチャネル１５は、第１の端部１５１を介して排気ガスタービン３のガス入口３０１に接続されており、排気ガスを相対的に高い圧力レベルで抽出して、三方弁５３のポートに供給する。さらに、図示した実施例は、第２のオーバーフローチャネル２５を含み、第１の端部２５１は、コンプレッサ構造体２の新気出口２０２に接続されている。反対側の第２の端部２５２は、三方弁５３のさらなるポートに接続されている。三方弁５３の位置に応じて、新気又は排気ガス、もしくは、その両方が、ガス入口４０１を介して、加熱式触媒コンバータ４の触媒コンバータハウジング４０内に供給される。こうして、加熱式触媒コンバータ４における酸素含有量は、三方弁５３の位置によって調整され、供給された燃料の変換のタイプに影響を与える。

【0050】

加熱式触媒コンバータ４における燃料の変換及び単なる気化は、共に、一方では、加熱式触媒コンバータ４における燃料の少なくとも部分的な酸化によって生成される熱エネルギーを必要とする。さらに、このエネルギーは、本発明に従って、加熱式触媒コンバータ４を排気ガスタービン３及び／又はコンプレッサ構造体２に熱的に結合させることによって実施されてもよい。

【0051】

供給される燃料の量、三方弁５３、及び、必要に応じて、加熱式触媒コンバータ４のさらなる構成部品を駆動するために、電子オープンループ又はクローズドループ制御装置７６を利用してもよい。この装置は、任意に、データバスを介してエンジン制御ユニット７５に接続され、加熱式触媒コンバータ４を駆動する際に、内燃機関７の運転状態を考慮する。

【0052】

加熱式触媒コンバータ４を排気ガスターボチャージャに完全に一体化すれば、追加部品を節約することができる。図示した例示的な実施例では、ウェイストゲートバルブの代わりに、三方弁５３を使用している。この目的のために、新気出口２０２の圧力が許容量を超えて上昇した場合、加熱式触媒コンバータ４への燃料供給を中断し、三方弁５３を開いて、排気ガスタービン３の高圧側から低圧側へと、加熱式触媒コンバータ４を通って排気ガスが流れるようにする。

【0053】

もちろん、本発明は図示の実施例に限定されるものではない。したがって、上記の説明は限定的なものではなく、説明的なものとみなされるべきである。以下の特許請求の範囲は、記載された特徴が本発明の少なくとも１つの実施例に存在するように理解されるべきである。これは、さらなる特徴の存在を排除するものではない。特許請求の範囲及び上記説明において「第１」及び「第２」の実施例が定義されている場合、この呼称は、順位付けを決定するのではなく、２つの類似の実施例を区別するために使用される。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【国際調査報告】