(57)【要約】  可変形態タービンは、ハウジング内に支持されてタービン軸回りに回転するタービンホイールを具え、環状入口通路は可動ノズルリングの径方向面とハウジングの対向壁との間に形成されている。ノズルリングは、入口通路の幅を変化させるようにタービン軸に沿って移動可能である。実質的に環状のリブは、ノズルリングの表面(入口通路の最小幅はリブとハウジングの対向壁との間で定められる)或いはハウジングの対向壁(入口通路の最小幅はリブとノズルリングとの間で定められる)の何れかに設けられている。
2009512809.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジング内に支持されてタービン軸回りに回転するタービンホイールと、
可動壁部材の径方向面と前記ハウジングの対向壁との間に形成された環状入口通路
とを具え、前記可動壁部材は、前記入口通路の幅を変化させるようにタービン軸に沿って移動可能であり、
実質的に環状のリブは、入口通路の最小幅が該リブと前記ハウジングの前記対向壁の一部との間で定められるように前記径方向面に設けられている可変形態タービン。
【請求項２】
前記可動壁部材は、前記リブがハウジングの対向壁の前記一部と隣接する完全に閉じられた位置まで移動可能である請求項１に記載の可変形態タービン。
【請求項３】
前記完全に閉じられた位置では、前記リブはハウジングの対向壁の前記一部と共に密閉接触部を形成し、該密閉接触部は、ガス流が入口通路の中を流れることを実質的に妨げるのに効果的である請求項２に記載の可変形態タービン。
【請求項４】
リブとハウジングの対向壁の前記一部の少なくとも１つは、可動壁部材が前記完全に閉じられた位置に存在するときにガス通路の少なくとも一部を構成する少なくとも１つのガス通路構成物を具えて、ガスが前記リブを通過して入口通路の中を流れることを可能にする請求項２に記載の可変形態タービン。
【請求項５】
前記少なくとも１つのガス通路構成物は、前記リブに円周上に間隔を置いて配列されたスロットを具えている請求項４に記載の可変形態タービン。
【請求項６】
前記スロットは、可動壁部材の表面から遠いリブの軸方向端から該表面の方向へ伸び、それによって、前記スロットにより離されて間隔を置いて環状配列されたリブ部分を形成する請求項５に記載の可変形態タービン。
【請求項７】
前記スロットの少なくとも１つは、少なくとも可動壁部材の表面まで伸びる深さを有している請求項６に記載の可変形態タービン。
【請求項８】
前記スロットは、タービン軸に対して実質的に径方向に伸びる長さを有している請求項６或いは請求項７に記載の可変形態タービン。
【請求項９】
前記スロットは、タービン軸から伸びている半径線に対して前方或いは後方へ伸びる方向に伸びる長さを有している請求項６或いは請求項７に記載の可変形態タービン。
【請求項１０】
各スロットの幅は、スロット間に形成された各リブ部分の幅よりも小さい請求項６乃至請求項９の何れかに記載の可変形態タービン。
【請求項１１】
前記スロットは、等間隔で配置されている請求項６乃至請求項１０の何れかに記載の可変形態タービン。
【請求項１２】
前記スロットはそれぞれ、実質的に同じサイズ及び構成を有している請求項６乃至請求項１１の何れかに記載の可変形態タービン。
【請求項１３】
前記少なくとも１つのガス通路構成物は、ハウジングの対向壁の前記一部に形成された凹部或いは溝を具えている請求項４乃至請求項１２の何れかに記載の可変形態タービン。
【請求項１４】
前記の凹部或いは溝の環状配列を具えている請求項１３に記載の可変形態タービン。
【請求項１５】
前記の凹部或いは溝は前記配列内で等間隔で配置されている請求項１４に記載の可変形態タービン。
【請求項１６】
前記入口通路を横切って伸びる、環状配列された入口羽根を具えて、前記リブが該入口羽根を囲み、隣り合う羽根間に羽根通路が形成されている請求項１乃至請求項１５の何れかに記載の可変形態タービン。
【請求項１７】
前記入口羽根は、ハウジングの対向壁から可動壁部材の前記表面に設けられた夫々の羽根スロットを貫通して伸び、可動壁部材がハウジングの前記対向壁に向って移動することを可能とする請求項１６に記載の可変形態タービン。
【請求項１８】
前記リブは、可動壁部材の他の何れの機構よりも大きな距離を可動壁部材の前記表面から伸びている請求項１乃至請求項１７の何れかに記載の可変形態タービン。
【請求項１９】
前記入口羽根は、可動壁部材の前記表面から伸びており、ハウジングの前記対向壁は、可動部材がハウジングの前記対向壁に向って移動するときに前記羽根を受け入れる１或いは複数のキャビティを具えている請求項１６に記載の可変形態タービン。
【請求項２０】
前記羽根は、シュラウドプレートに設けられた夫々の羽根スロットを貫通して前記キャビティの中へ伸びる請求項１９に記載の可変形態タービン。
【請求項２１】
ハウジングの対向壁の前記一部は、前記シュラウドプレートによって構成されている請求項２０に記載の可変形態タービン。
【請求項２２】
前記羽根を除いて、リブは可動壁部材の他の何れの機構よりも大きな距離を可動壁部材の表面から伸びている請求項１９乃至請求項２１の何れに記載の可変形態タービン。
【請求項２３】
ハウジングの対向壁の前記一部は、実質的に環状のリブ或いはランドである請求項１乃至請求項２２の何れかに記載の可変形態タービン。
【請求項２４】
ハウジングの対向壁の前記一部は、実質的に環状のリブ或いはランドであり、ハウジングの対向壁に設けられている該リブ或いは該ランドの高さと合わせたノズルリングの表面より上のリブの高さは、可動壁部材の他の機構が該可動壁部材の表面から伸びる距離より大きい請求項１乃至請求項１７の何れかに記載の可変形態タービン。
【請求項２５】
ハウジングの対向壁の前記一部は、実質的に環状のリブ或いはランドであり、ハウジングの対向壁に設けられた該リブ或いは該ランドの高さと合わせた可動壁部材の表面より上のリブの高さは、前記羽根を除く可動壁部材の他の機構が該可動壁部材の表面から伸びる距離よりも大きい請求項１９乃至請求項２１の何れかに記載の可変形態タービン。
【請求項２６】
可動壁部材は、ハウジング内に設けられた環状キャビティ内に取り付けられ、可動壁部材の前記表面は可動壁部材の径方向壁によって構成されており、円周上に配列された開口が該径方向壁を貫通して設けられ、該開口は前記環状リブに囲まれて、リブの下流の入口通路が前記開口を経て前記キャビティと流体連通している請求項１乃至請求項２５の何れかに記載の可変形態タービン。
【請求項２７】
可動壁部材はハウジング内に設けられた環状キャビティ内に取り付けられ、可動壁部材の前記表面は可動壁部材の径方向壁によって構成されており、円周上に配列された開口が該径方向壁を貫通して設けられ、該開口は前記環状リブに囲まれて、リブの下流の入口通路が前記開口を経て前記キャビティと流体連通しており、少なくともいくつかの前記開口は入口羽根通路に位置している請求項１６乃至請求項２２、請求項２４及び請求項２５の何れかに記載の可変形態タービン。
【請求項２８】
所定値よりも小さい入口通路幅のときに前記羽根通路の少なくとも一部の周囲でガス流を迂回させる手段を具えている請求項１６乃至請求項２２及び請求項２４乃至請求項２７の何れかに記載の可変形態タービン。
【請求項２９】
前記手段は、可動壁部材が移動して前記所定値未満で入口幅を定めるときにのみ開く少なくとも１つの迂回流路を具えており、その流路は、少なくとも一部のガス流を入口から可動壁部材の表面の後方に形成されたキャビティを通過して入口羽根通路の下流のタービンホイールまで導く請求項２８に記載の可変形態タービン。
【請求項３０】
前記少なくとも１つの迂回流路の上流端は、前記入口羽根通路の下流端の上流の入口通路と連通しており、前記少なくとも１つの迂回流路の下流端は、入口羽根通路の前記下流端の下流の入口通路と連通している請求項２９に記載の可変形態タービン。
【請求項３１】
各迂回通路の前記上流端は、前記通路の下流端の上流の１つの羽根通路内の可動壁部材の表面で開く請求項３０に記載の可変形態タービン。
【請求項３２】
ハウジング内に支持されてタービン軸回りに回転するタービンホイールと、
可動壁部材の径方向面と前記ハウジングの対向壁との間に形成された環状入口通路
とを具え、前記可動壁部材は、前記入口通路の幅を変化させるようにタービン軸に沿って移動可能であり、
実質的に環状のリブは、入口通路の最小幅が該リブと前記可動壁部材の表面の一部との間で定められるようにハウジングの前記対向壁に設けられている可変形態タービン。
【請求項３３】
前記可動壁部材は、リブが該可動壁部材の表面の前記一部と隣接する完全に閉じられた位置まで移動可能である請求項３２に記載の可変形態タービン。
【請求項３４】
前記完全に閉じられた位置では、前記リブは可動壁部材の表面の前記一部と共に密閉接触部を形成し、該密閉接触部は、入口通路の中を流れるガス流を実質的に妨げるのに効果的である請求項３３に記載の可変形態タービン。
【請求項３５】
リブ及び／又は可動壁部材の表面の前記一部は、可動壁部材が前記完全に閉じられた位置に存在するときにガス通路の少なくとも一部を構成する少なくとも１つのガス通路構成物を具えて、ガスが前記リブを通過して入口通路の中を流れることを可能にする請求項３３に記載の可変形態タービン。
【請求項３６】
前記少なくとも１つのガス通路構成物は、前記リブに円周上に間隔を置いて配列されたスロットを具えている請求項３５に記載の可変形態タービン。
【請求項３７】
前記スロットは、ハウジングの対向壁から遠いリブの軸方向端から該対向壁の方向へ伸び、それによって、前記スロットにより離されて間隔を置いて環状配列されたリブ部分を形成する請求項３６に記載の可変形態タービン。
【請求項３８】
前記スロットの少なくとも１つは、少なくともハウジングの対向壁まで伸びる深さを有している請求項３７に記載の可変形態タービン。
【請求項３９】
前記スロットは、タービン軸に対して実質的に径方向に伸びる長さを有している請求項６或いは請求項７に記載の可変形態タービン。
【請求項４０】
前記スロットは、タービン軸から伸びている半径線に対して前方或いは後方へ伸びる方向に伸びる長さを有しており、その長さは、タービンホイールの回転方向と関連している請求項３７或いは請求項３８に記載の可変形態タービン。
【請求項４１】
各スロットの幅は、スロット間に形成された各リブ部分の幅よりも小さい請求項３７乃至請求項４０の何れかに記載の可変形態タービン。
【請求項４２】
前記スロットは、等間隔で配置されている請求項３７乃至請求項４１の何れかに記載の可変形態タービン。
【請求項４３】
前記スロットはそれぞれ、実質的に同じサイズ及び構成を有している請求項３７乃至請求項４２の何れかに記載の可変形態タービン。
【請求項４４】
前記少なくとも１つのガス通路構成物は、可動壁部材の表面の前記一部に形成された凹部或いは溝を具えている請求項３５乃至請求項４３の何れかに記載の可変形態タービン。
【請求項４５】
前記の凹部或いは溝の環状配列を具えている請求項４４に記載の可変形態タービン。
【請求項４６】
前記の凹部或いは溝は前記配列内で等間隔で配置されている請求項４５に記載の可変形態タービン。
【請求項４７】
前記入口通路を横切って伸びる、環状配列された入口羽根を具えて、前記リブが該入口羽根を囲み、隣り合う羽根間に羽根通路が形成されている請求項１乃至請求項４６の何れかに記載の可変形態タービン。
【請求項４８】
前記入口羽根は、ハウジングの対向壁から可動壁部材の前記表面に設けられた夫々の羽根スロットを貫通して伸び、可動壁部材がハウジングの前記対向壁に向って移動することを可能とする請求項４７に記載の可変形態タービン。
【請求項４９】
前記リブは、可動壁部材の他の何れの機構が該可動壁部材の表面から伸びるよりも大きな距離をハウジングの対向壁から伸びている請求項３２乃至請求項４８の何れかに記載の可変形態タービン。
【請求項５０】
前記入口羽根は、可動壁部材の前記表面から伸びており、ハウジングの前記対向壁は、可動部材がハウジングの前記対向壁に向って移動するときに前記羽根を受け入れる１或いは複数のキャビティを具えている請求項４７に記載の可変形態タービン。
【請求項５１】
前記羽根は、シュラウドプレートに設けられた夫々の羽根スロットを貫通して前記キャビティの中へ伸びている請求項５０に記載の可変形態タービン。
【請求項５２】
前記リブは、前記シュラウドプレートによって構成されているハウジングの対向壁の一部に設けられている請求項５１に記載の可変形態タービン。
【請求項５３】
前記羽根を除いて、リブは可動壁部材の何れの機構が該可動壁部材の表面から伸びるよりも大きな距離をハウジングの対向壁から伸びている請求項５０乃至請求項５２の何れかに記載の可変形態タービン。
【請求項５４】
可動壁部材の表面の前記一部は、実質的に環状のリブ或いはランドである請求項１乃至請求項５３の何れかに記載の可変形態タービン。
【請求項５５】
可動壁部材の表面の前記一部は、実質的に環状のリブ或いはランドであり、可動壁部材の表面に設けられている該リブ或いは該ランドの高さと合わせたハウジングの対向壁より上のリブの高さは、可動壁部材の他の機構が該可動壁部材の表面から伸びる距離よりも大きい請求項３２乃至請求項４８の何れかに記載の可変形態タービン。
【請求項５６】
可動壁部材の表面の前記一部は、実質的に環状のリブ或いはランドであり、可動壁の表面に設けられた該リブ或いは該ランドの高さと合わせたハウジングの対向壁より上のリブの高さは、前記羽根を除く可動壁部材の他の機構が該可動壁部材の表面から伸びる距離よりも大きい請求項５０乃至請求項５２の何れかに記載の可変形態タービン。
【請求項５７】
可動壁部材は、ハウジング内に設けられた環状キャビティ内に取り付けられ、可動壁部材の前記表面は可動壁部材の径方向壁によって構成されており、円周配列された開口が該径方向壁を貫通して設けられ、該開口は前記環状リブに囲まれて、リブの下流の入口通路が前記開口を経て前記キャビティと流体連通している請求項３２乃至請求項５６の何れかに記載の可変形態タービン。
【請求項５８】
可動壁部材はハウジング内に設けられた環状キャビティ内に取り付けられ、可動壁部材の前記表面は可動壁部材の径方向壁によって構成されており、円周配列された開口が該径方向壁を貫通して設けられ、該開口は前記環状リブに囲まれて、リブの下流の入口通路が前記開口を経て前記キャビティと流体連通しており、少なくともいくつかの前記開口は入口羽根通路に位置している請求項４７乃至請求項５３、請求項５５及び請求項５６の何れかに記載の可変形態タービン。
【請求項５９】
所定値よりも小さい入口通路幅のときに前記羽根通路の少なくとも一部の周囲でガス流を迂回させる手段を具えている請求項４７乃至請求項５３及び請求項５５乃至請求項５８の何れかに記載の可変形態タービン。
【請求項６０】
前記手段は、可動壁部材が移動して前記所定値未満で入口幅を定めるときにのみ開く少なくとも１つの迂回流路を具えており、その流路は、少なくとも一部のガス流を入口から可動壁部材の表面の後方に形成されたキャビティを通過して、入口羽根通路の下流のタービンホイールまで導く請求項５９に記載の可変形態タービン。
【請求項６１】
前記少なくとも１つの迂回流路の上流端は、前記入口羽根通路の下流端の上流の入口通路と連通しており、前記少なくとも１つの迂回流路の下流端は、入口羽根通路の前記下流端の下流の入口通路と連通している請求項６０に記載の可変形態タービン。
【請求項６２】
前記或いは各迂回通路の前記上流端は、前記通路の下流端の上流の１つの羽根通路内の可動壁部材の表面で開く請求項６１に記載の可変形態タービン。
【請求項６３】
請求項１乃至請求項６２の何れかに記載の可変形態タービンを具えているターボチャージャ。
【請求項６４】
内燃エンジンに固定された請求項６３に記載のターボチャージャを運転する方法であって、エンジンに対する燃料供給が停止されると共に可動壁部材が移動してタービン入口通路の幅を減小させるエンジン制動モードにおいて該ターボチャージャを運転する方法。
【請求項６５】
前記エンジン制動モードにおいて、前記可動壁部材は、該可動壁部材がタービンハウジングの対向壁と隣接する完全に閉じられた位置に移動する請求項６４に記載の方法。
【請求項６６】
内燃エンジンに固定された請求項６３に記載のターボチャージャを運転する方法であって、入口の幅が通常のエンジン運転範囲に適している幅以下に減小してタービンの中を流れる排気ガスの温度を上昇させる排気ガス加熱モードにおいて該ターボチャージャを運転する方法。
【請求項６７】
前記排気ガス加熱モードにおいて、可動壁部材は、該可動壁部材がタービンハウジングの対向壁と隣接する完全に閉じられた位置に移動する請求項６６に記載の方法。
【請求項６８】
可動壁部材は、閾値温度を下回る排気ガス温度の測定に応じて、排気ガスの加熱のために入口幅を減小させるよう移動する請求項６６又は請求項６７に記載の方法。
【請求項６９】
更に、排気ガスを可変形態タービンから後処理システムに送ることを含んでおり、排気ガス温度の測定は、後処理システム内の排気ガスの温度の測定を含み、前記閾値温度は、後処理システム内の排気ガスの閾値温度条件である請求項６８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変形態タービン及び可変形態タービンを制御する方法に関するものである。本発明は、特に、限定的ではないが、可変形態ターボチャージャに関し、更に具体的には、エンジン制動を制御し、或いは内燃エンジンの排気ガス温度に影響を及ぼすように運転されるターボチャージャに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ターボチャージャは、大気圧より高い圧力(ブースト圧力)で内燃エンジンの吸気口に空気を供給するための周知の装置である。従来のターボチャージャは、エンジン排気マニホールドの下流に接続されたタービンハウジング内で回転可能なシャフトに取り付けられた排気ガス駆動のタービンホイールを本質的に具えている。該タービンホイールの回転により、圧縮機ハウジング内で前記シャフトの他端に取り付けられた圧縮機ホイールが回転する。圧縮機ホイールは、エンジン吸気マニホールドに圧縮空気を送る。ターボチャージャシャフトは、従来、タービンと圧縮機ホイールハウジングとの間に接続された中央ベアリングハウジング内に設置された、適切な潤滑システムを含むジャーナル及びスラストベアリングによって支持されている。
【０００３】
ターボチャージャにおいて、タービンステージは、タービンホイールが中に取り付けられているタービンチャンバと、該タービンチャンバの周囲に配置された互いに対向する径方向の壁の間に形成されている環状入口通路と、該入口通路の周囲に配置されている入口と、タービンチャンバから伸びる出口通路とを具えている。両通路とチャンバとは、入口チャンバに入った加圧排気ガスが入口通路からタービンを経て出口通路まで流れてタービンホイールを回転させるように連通している。入口通路中を流れているガスをタービンホイールの回転方向に向って偏向させるためにノズル羽根と呼ばれる羽根を入口通路に設けることによってタービン性能を向上させることが出来る。
【０００４】
タービンは固定或いは可変形態型であってもよい。可変形態タービンは、タービンのパワー出力を変化させて様々なエンジン要求を満たすように、入口通路のサイズを変化させてガス流速を質量流量率の範囲に亘って最適化することが出来る点で固定形態タービンと異なる。例えば、タービンに送られている排気ガスの体積が比較的小さいときに、環状入口通路のサイズを減小させることによってタービンホイールに到達するガスの速度は効率的なタービン運転を保証するレベルに維持される。可変形態タービンを具えたターボチャージャは、可変形態ターボチャージャと呼ばれている。
【０００５】
可変形態タービンの１つの型において、“ノズルリング”と一般に呼ばれる軸方向可動壁部材が入口通路の１つの壁を構成している。入口通路の対向壁に対するノズルリングの位置は、入口通路の軸方向の幅を制御するように調整可能である。従って、例えば、タービン内のガス流量が減少したときに、入口通路の幅を減小させ、ガス流速を維持してタービン出力を最適化することが出来る。
【０００６】
ノズルリングには、入口通路の対向壁を形成している“シュラウド”に設けられてノズルリングの移動に適応するスロットを通って入口内に伸びる羽根が設けられていてもよい。或いは、羽根は、固定対向壁からノズルリングに設けられたスロットを通って伸びていてもよい。
【０００７】
一般に、ノズルリングは、径方向に伸びる壁(入口通路の１つの壁を構成している)と、径方向内側及び外側で軸方向に伸びる壁或いはフランジとを具えていてもよく、該壁或いは該フランジは、ノズルリングの径方向の表面の後方で環状キャビティ内に伸びている。キャビティは、ターボチャージャハウジング(通常は、タービンハウジング或いはターボチャージャベアリングハウジングの何れか)の一部分に形成されており、ノズルリングの軸方向の移動に適応している。フランジは、ノズルリングの背部周辺の漏れ流れを減少させ或いは防止するためにキャビティの壁に対して封止されてもよい。１つの一般的な装置においては、ノズルリングは、タービンホイールの回転軸と平行して伸びるロッドに支持され、該ロッドを軸方向に移動させるアクチュエータによって移動する。
【０００８】
ノズルリングアクチュエータは、空気圧式、水圧式及び電気式を含め、様々な構造をとることが出来、様々な方法でノズルリングに接続することが出来る。アクチュエータは、一般に、タービンの中を流れる空気流を変更して性能要求を満たすためにエンジンコントロールユニット(ＥＣＵ)の制御の下でノズルリングの位置を調整するであろう。
【０００９】
この一般的なタイプの可変形態ターボチャージャの一例はＥＰ０６５４５８７に開示されている。これは、径方向の壁を貫通する圧力平衡開口を更に具えた上述のノズルリングを開示している。その圧力平衡開口はノズルリングキャビティ内の圧力が入口通路を通過するガス流によってノズルリング表面に加えられる圧力と実質的に等しいが常に該圧力よりも僅かに低いことを確保する。これは、特に、ノズルリングが入口の対向壁に近づいて入口通路の幅を最小幅まで減小させるときに、ノズルリング位置の正確な調整を補助する、ノズルリングに対する小さな一方向の力のみが存在することを確保する。
【００１０】
ガス流を最適化するエンジン燃焼モード(燃料が燃焼のためにエンジンに供給される)における可変形態ターボチャージャの制御に加え、その機能を利用して、ターボチャージャの入口領域を最小化して、入口通路の領域が通常燃焼モードの運転範囲よりも減小するエンジン制動モード(燃料が燃焼のために供給されない)においてエンジン制動機能を提供することが出来る。
【００１１】
様々な構造のエンジン制動システムは、車両エンジンシステムに広く適しており、特にトラック等、パワーの大きい車両に用いられる圧縮燃焼エンジン(ディーゼルエンジン)に適している。エンジン制動システムは、車両ホイールに作用する摩擦制動の効果を強化するために用いられてもよく、或いは、状況次第で、例えば車両の下り坂の速度を制御するために通常のホイール制動システムから独立して用いられてもよい。あるエンジン制動システムでは、エンジンスロットルが閉じられたときに(即ち、ドライバがスロットルペダルから足を上げたとき)、ブレーキが自動的にアクティブになるように設定され、その他のエンジン制動システムでは、エンジンブレーキは、別個のブレーキペダルの押下等、ドライバによる手動での起動を必要とすることも出来る。
【００１２】
エンジン制動システムの１つの形態において、排気ラインの排気バルブは、制動が要求されたときにエンジン排気を実質的に遮断するように制御される。これは、排気ストローク中にエンジンピストン上でなされる仕事を増加させる高い背圧を発生させることによって、エンジン制動トルクを発生させる。米国特許第４,５２６,００４号は、固定形態ターボチャージャのタービンハウジングに排気バルブが設けられているターボチャージエンジンのためのこの様なエンジン制動システムを開示している。
【００１３】
可変形態タービンでは、別個の排気バルブを設ける必要はない。むしろ、制動が要求されたときに、タービン入口通路は最小の流れ領域まで単に“閉じられて”もよい。制動レベルは、ノズルリングの軸方向の位置の適切な制御による入口通路サイズの制御によって調節することが出来る。エンジン制動モードにおいては、“完全に閉じられた”位置で、ノズルリングは場合によっては入口通路の対向壁に隣接してもよい。減圧制動システムとして知られているある排気制動システムにおいては、シリンダ内減圧バルブ装置は、圧縮空気をエンジンシリンダから排気システムに放出して圧縮処理によって行なわれた仕事を開放するように制御される。この様なシステムにおいて、タービン入口の閉鎖は、背圧を増大させると共に、給気圧を提供して圧縮仕事を最大にする。
【００１４】
エンジンシリンダにおける過度の発熱を防止するために、エンジン制動の間、多少の排気ガス流がエンジンの中を流れることを許容することが重要である。この様に、エンジン制動モードにおいてノズルリングが完全に閉じられた位置に存在するとき、少なくともタービンの中を流れる最小の漏れ流れのための設備がなければならない。又、エンジン制動モードを使用する、小さな入口幅であってもその様な高い給気圧を発生させることが出来る最新の高効率の可変形態ターボチャージャは、対抗手段がとられない限り(或いは、制動効率が犠牲になる)、シリンダ圧力が許容限度に近づき、或いは超え得るので、問題となり得る。これは、減圧制動装置を含むエンジン制動システムに特に問題となり得る。
【００１５】
エンジン制動モードにおいて運転されるときにエンジンシリンダに過度の圧力が発生することを防止するための手段を具えた可変形態ターボチャージャの一例がＥＰ１４３５４３４に開示されている。これは、ノズルリングが閉じられた位置に近づいたときに開いて、多少の排気ガスがタービン入口チャンバからノズルリングキャビティを通過してタービンホイールに流れ、それによって入口通路を迂回する迂回通路を提供する迂回開口を具えたノズルリング装置を開示している。迂回ガス流が行なう仕事は入口通路内を流れているガス流よりも少ないので、迂回通路が開いた状態では、エンジンシリンダ内で過度の圧力が発生することを防止しつつタービン効率は低下する。又、迂回ガス流は、エンジン制動の間、過度の発熱を回避するために必要な最小の流れを提供し、或いはそれに寄与することが出来る。
【００１６】
可変形態ターボチャージャは又、排気ガス温度を制御するために入口通路を通常のエンジン運転状態に適している最小幅よりも小さい最小幅まで閉じるように、エンジン燃焼モードにおいて運転されることも出来る。その様な“排気ガス加熱モード”における運転の基本原理は、一定の燃料供給レベルのために、排気ガス温度を上昇させるようエンジンの中を流れる空気流の量を減少させる(燃焼のための十分な空気流を維持しながら)ことである。これには、触媒排気後処理システムが存在する特別な応用がある。
【００１７】
触媒排気後処理システムの性能は、その中を流れる排気ガスの温度に直接に関係している。望ましい性能のためには、排気ガス温度は全てのエンジン運転状態及び環境条件の下で閾値温度(一般的には約２５０℃から３７０℃の範囲である)を上回らなければならない。閾値温度範囲以下での後処理システムの運転は、該後処理システムを意図された性能レベルに戻すために、該後処理システムに再生サイクルで焼け落ちているはずの望ましくない蓄積を増加させる。又、後処理システムが再生することなく閾値温度以下で長期の運転を行なうことによって、後処理システムが不能になると共に、エンジンが政府の排出ガス規制に準拠しないものとなるだろう。
【００１８】
例えばディーゼルエンジンの運転範囲の大部分では、排気ガス温度は一般に要求される閾値温度を上回るであろう。しかしながら、ある状態、例えば軽負荷状態及び／又は寒い環境温度状態では、排気ガス温度はしばしば閾値温度を下回る。
【００１９】
排気温度が要求される閾値温度を別の方法で下回るかもしれない軽負荷状態等のエンジン運転状態では、ターボチャージャは、空気流を制限することを目的としてタービン入口通路の幅を減小させるために原則として排気ガス加熱モードで運転され、その結果、空気流冷却効果を低下させると共に排気ガス温度を上昇させることが出来る。しかしながら、最新の高効率のターボチャージャのこの様な運転に関する潜在的な問題は、小さな入口幅において得られた上昇背圧が制限の効果を弱めている空気流を実質的に増大させ、それ故に、加熱効果を低下させ、場合によっては十分な加熱を完全に妨げることである。
【００２０】
可変形態ターボチャージャの排気ガス加熱モード運転に関する上述の問題は、公開された米国特許出願第ＵＳ２００５／００６０９９９Ａ１号において解決されている。これは、排気ガス加熱モードにおいてＥＰ１４３５４３４(上述された)のターボチャージャノズルリング装置を使用することを教示している。迂回ガス通路は、通常の燃焼モード運転状態に適しているが排気ガス加熱モードにおける運転にも適している入口通路幅よりも小さい幅で開くように配置される。制動モードにおいて、迂回ガス流はタービン効率を低下させ、それ故に、そうでなければ加熱効果に逆らうかもしれない高い給気圧を回避する。又、迂回ガス通路に加えて、圧力平衡開口(上述のＥＰ０６５４５８７に教示されている様な)は、排気ガス加熱モードにおけるノズルリング位置の制御を助けるために提供されてもよい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
エンジン制動モード(減圧制動システムを具えていても具えていなくても)、或いは排気ガス加熱モードの何れで運転されても、ノズルリングが閉じられた位置に近づくときにノズルリング上の負荷に急激な増加が起こり得るので、非常に小さな入口幅でのノズルリング位置の制御は問題になる。上述の如く圧力平衡開口を具えていても、ノズルリングは入口の対向壁に近づくときに“パチン”と閉まる傾向がある。又、完全に閉じられた位置にあるときに入口の対向壁に隣接しているノズルリングを開けるために非常に大きな力を必要とする。ノズルリングが完全に閉じられた位置にあるときに、タービンの中を流れる最適な最小の流れが常に存在することを保証することも難しい。
上述の不利点を除去或いは緩和することが本発明のいくつかの実施例の目的である。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明の第１の態様によれば、
ハウジング内に支持されてタービン軸回りに回転するタービンホイールと、
可動壁部材の径方向面と前記ハウジングの対向壁との間に形成された環状入口通路
とを具え、前記可動壁部材は、前記入口通路の幅を変化させるようにタービン軸に沿って移動可能であり、
実質的に環状のリブは、前記入口通路の最小幅が該リブと前記ハウジングの前記対向壁の一部との間で定められるように前記径方向面に設けられている可変形態タービンが提供される。
【００２３】
本発明の第２の態様によれば、
ハウジング内に支持されてタービン軸回りに回転するタービンホイールと、
可動壁部材の径方向面と前記ハウジングの対向壁との間に形成された環状入口通路
とを具え、前記可動壁部材は、前記入口通路の幅を変化させるようにタービン軸に沿って移動可能であり、
実質的に環状のリブは、前記入口通路の最小幅が該リブと前記可動壁部材の前記面の一部との間で定められるように前記ハウジングの前記対向壁に設けられている可変形態タービンが提供される。
【００２４】
本発明では、更に以下で説明する様に、可動壁部材の全ての位置で入口領域のより正確な制御を可能とするリブによって入口領域が正確に形成されてもよい。リブの他の利点も、以下の詳細な説明から明らかとなるだろう。
可動壁部材は、望ましくは、ハウジングに隣接する完全に閉じられた位置に移動可能である。この様に、可動壁部材が前記完全に閉じられた位置に存在するときに、入口通路を封鎖してもよく、或いはガスがリブを通過して入口通路の中を流れることが出来るように、リブ及び／又はハウジングの対向壁(或いは可動壁部材の面)の前記一部がガス通路の少なくとも一部を形成する少なくとも１つのガス通路構成物を具えていてもよい。例えば、円周上に間隔を置いて配列されたスロットをリブに設けてもよい。
【００２５】
リブにおけるスロットの提供、或いは他のガス通路構成物の提供は、入口の中を流れる最小のガス流を確保する。例えば、タービンが燃焼エンジンに固定されたターボチャージャの一部を形成している場合には、可動壁部材が完全に閉じられた位置に存在するときに最小のガス流を提供することによって、より十分に以下で説明する様に、該可動壁部材を排気ガス加熱或いはエンジン制動モードにおいて前記完全に閉じられた位置に移動させることが可能となる。
【００２６】
望ましくは、環状配列された入口羽根は、前記リブがそれらの入口羽根を囲むように前記入口通路を横切って伸びており、隣り合う羽根の間に羽根通路が形成されている。
【００２７】
本発明に従うタービンは、ＥＰ１４３５４３４に教示されている様に、ノズルリングが閉じられた位置に存在してタービンの効率が低下するときに入口の周辺に迂回ガス流を提供する構造を含んでいてもよい。
同様に、上述のＥＰ０６５４５８７に開示されている様に、環状の可動壁部材は圧力平衡孔を具えていてもよい。いくつかの実施例においては、ＥＰ１４３５４３４に教示されている様に、圧力平衡孔が迂回通路構造と組み合わせられてもよい。
【００２８】
本発明に従う可変形態タービンが取り付けられたターボチャージャは、特に、エンジン制動或いは排気ガス加熱モードにおける運転に適している。この様に、本発明は、上述の本発明の第１及び第２の態様に従うタービンを具えているターボチャージャをも提供する。
【００２９】
本発明の第３の態様によれば、内燃エンジンに固定された本発明に従うターボチャージャを運転する方法であって、エンジンに対する燃料供給が停止されると共に可動壁部材が移動してタービンの入口通路の幅を減小させるエンジン制動モードにおいて該ターボチャージャを運転する方法が提供される。
【００３０】
本発明の第４の態様によれば、内燃エンジンに固定された本発明に従うターボチャージャを運転する方法であって、入口の幅を通常のエンジン運転範囲に適している幅以下に減小させてタービンの中を流れる排気ガスの温度を上昇させる排気ガス加熱モードにおいて該ターボチャージャを運転する方法が提供される。
本発明の様々な態様の他の望ましく有利な特徴は、以下の説明から明らかとなるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
次に、添付図面を参照して、本発明の具体的な実施形態を単に例として説明する。
図１を参照すると、図示する可変形態ターボチャージャは、中央ベアリングハウジング３によって互いに接続された可変形態タービンハウジング１及び圧縮機ハウジング２を具えている。ターボチャージャシャフト４は、タービンハウジング１からベアリングハウジング３を通って圧縮器ハウジング２に伸びている。タービンホイール５は、前記シャフト４の一端に取り付けられてタービンハウジング１内で回転し、圧縮機ホイール６は、前記シャフト４の他端に取り付けられて圧縮機ハウジング２内で回転する。前記シャフト４は、前記ベアリングハウジング内に設置されたベアリングアッセンブリ上でターボチャージャ軸４ａ回りに回転する。
【００３２】
タービンハウジング１は、内燃エンジン(図示せず)からガスが送られる入口チャンバ７(一般的に渦状)を形成している。排気ガスは、入口チャンバ７から環状入口通路９及びタービンホイール５を経てアクセル出口通路８に流れる。入口通路９は、一般に“ノズルリング”と呼ばれる可動環状壁部材１１の径方向壁の表面１０によって片側が形成されると共に、ノズルリング１１に対向する入口通路９の壁を形成する環状シュラウド１２によって反対側が形成されている。シュラウド１２は、タービンハウジング１における環状凹部１３の開口を覆っている。
【００３３】
ノズルリング１１は、円周上に等間隔で配列された入口羽根１４を支持し、それらはそれぞれ入口通路９を横切って伸びている。羽根１４は、入口通路９の中を流れているガスをタービンホイール５の回転方向に偏向させるように方位を合わせている。ノズルリング１１が環状シュラウド１２に隣接しているとき、前記羽根１４は、シュラウド１２において適切に構成されたスロットを経て前記凹部１３内に突出している。
【００３４】
空気式アクチュエータ(図示せず)は、あぶみ部材１５に連結されているアクチュエータ出力シャフト(図示せず)を介してノズルリング１１の位置を制御するように操作可能である。あぶみ部材１５は、軸方向に伸びてノズルリング１１を支持している複数のガイドロッド１６を順次噛み合わせる。従って、アクチュエータの適切な制御によって(例えば空気式或いは電気式でもよい)、ガイドロッド１６の軸方向の位置、従ってノズルリング１１の軸方向の位置を制御することが出来る。ノズルリングの取付け及びガイドの配置の詳細が図示されたものと異なってもよいことは理解されるであろう。
【００３５】
ノズルリング１１は、タービンハウジング１内に設けられた環状キャビティ１９内に伸びる軸方向延在内側及び外側環状フランジ１７、１８を有している。内側及び外側シールリング２０、２１は、環状キャビティ１９の内側及び外側環状面に対してそれぞれノズルリング１１を封止する一方、ノズルリング１１を環状キャビティ１９内で摺動させることが出来るように設けられている。内側シールリング２０は、キャビティ１９の径方向内側表面に形成された環状溝内で支持されて、ノズルリング１１の内側環状フランジ１７を圧迫する。外側シールリング２０は、キャビティ１９の径方向外側表面に形成された環状溝内で支持されて、ノズルリング１１の外側環状フランジ１８を圧迫する。内側及び／又は外側シールリングを図示のようにではなくノズルリングフランジにおける各環状溝内に取り付けることが出来ることは理解されるであろう(例えば図２ａ参照)。
【００３６】
入口チャンバ７から出口通路８に流れているガスはタービンホイール５を通過し、その結果、シャフト４にトルクが加えられて圧縮機ホイール６が駆動される。圧縮機ハウジング２内の圧縮機ホイール６の回転により、空気入口２２に存在する周囲の空気が加圧され、その加圧空気が空気出口渦２３に送られ、そこから内燃エンジン(図示せず)に供給される。タービンホイール５の速度は、環状入口通路９を通過するガスの速度に依存する。入口通路の中に流れるガスの質量の固定割合のため、ガス速度は入口通路９の幅の関数であり、その幅は、ノズルリング１１の軸方向の位置を制御することによって調整可能である。(入口通路９の幅が減小するにつれて、それを通過するガスの速度は上昇する。)図１は、完全に開かれている環状入口通路９を表わしている。入口通路９は、ノズルリング１１の表面１０がシュラウド１２に向って移動することによって、様々な運転モードに適する最小に閉じられてもよい。
【００３７】
エンジン制動モードにおいては、エンジンに供給される燃料が停止されると共に、タービン入口９が一般に通常のエンジン燃焼モードの運転に適している最小幅よりも大幅に小さい幅まで閉じるようノズルリング１１が移動する。ターボチャージャ入口を閉じることができる最小幅は、過剰な給気圧を発生させてエンジンシリンダに過剰に加圧することを回避するために制限されなければならないかもしれない。しかしながら、この方法で最小の入口幅を制限することは、制動性能を損ない得る。或いは、ＥＰ１４３５４３４で開示されている様に、エンジン制動動作モードに適している小さな入口幅で通常の入口通路９を迂回する最小限の流れを提供するための対策をとることが出来る。これは、タービン効率を低下させて、エンジンシリンダに過剰に加圧することを回避する。長い下り坂を移動している大きな車両の速度を制御するためにエンジン制動が用いられたとき等、場合によっては、ノズルリング１１が長期に亘る期間、最小の入口幅位置に維持されることが必要であってもよい。
【００３８】
排気ガス加熱モードにおいては、閾値温度以下に落ちている後処理システム内の温度に応じて入口通路の大きさを減小させるようノズルリング１１が移動する。後処理システム内の温度は、例えば、離散的な時間間隔で、又は、連続若しくは略連続的な方法でガス温度を検出するように作動することが出来る温度検出器によって測定することが出来る。燃焼モード運転時に後処理システム内の温度が閾値以下であることが検出された場合、ノズルリング１１が移動して、入口幅を減小させて空気流を十分に制限し、排気ガス温度をエンジンシリンダ内で燃焼に必要な空気流を妨げることなく上昇させる。ノズルリング１１は、検出温度が上記閾値温度、或いは該閾値温度を上回る温度となるまで、一般に通常燃焼モード動作に適している最小幅を下回ることとなる最小の幅位置に維持されてもよい。場合によっては、連続的な時間、ノズルリング１１を前記最小の位置で保持することが必要であってもよい。
【００３９】
エンジン制動モードと同様に、排気加熱モードにおいて小さなタービン入口幅でターボチャージャを運転するとき、高いタービン効率は問題となり得る。例えば、上述の如く、米国特許出願第２００５／００６０９９９Ａ１号は、排気ガス加熱モードにおいてターボチャージャを制御するときに用いるＥＰ１４３５４３４のノズルリング迂回装置の使用を教示する。
【００４０】
上述の如く、ノズルリング１１の閉じられた位置、従って、入口通路９の最小幅は、異なる運転モード間で変化することが出来る。例えば、通常燃焼運転モードにおいて、最小の入口幅は、比較的大きくてもよく、一般に約３−１２ミリメートルである。しかしながら、エンジン制動モード或いは排気ガス加熱モードにおいては、最小幅は、通常、通常燃焼モードにおいて使用される最小幅よりも小さい。一般的に、エンジン制動モード或いは排気ガス加熱モードにおける最小幅は、４ミリメートル未満である。しかしながら、最小幅の大きさがある程度タービンの大きさ及び構成によることは理解されるであろう。一般に、通常燃焼モードにおいて運転しているエンジンのためのタービン入口の最小幅は、最大入口幅の約２５％未満ではなく、一般に、エンジン制動或いは排気ガス加熱モードにおける最大ギャップ幅の２５％未満である。
【００４１】
エンジン排気ガス加熱９の間のタービン入口の閉鎖がエンジン制動の間に入口を閉じる効果と全く異なるにもかかわらず、類似の課題が発生することは理解されるであろう。過剰なエンジンシリンダ圧及び温度を回避する必要があり、そのためには、ノズルリング上の負荷バランスがノズルリングの移動に影響されることがあり得る非常に小さな入口通路幅でのノズルリングの位置の正確な制御が必要とされ、そして、入口が最小に閉じられたときにタービンの中を流れる最小のガス流量を予測可能な方法で制御すること、及び最適化することが求められる。
【００４２】
さて図２ａ及び２ｂを参照すると、これらは図１に示す一般的なタイプの可変形態タービン入口の一部の概略断面である。従って、参照の様に、数字が必要に応じて用いられる。これらの図は、図１に示す断面図に対応する断面図であって、タービン入口チャンバ７とタービンホイール５との間に環状入口通路９を横切って伸びる羽根１４を支持しているノズルリング１１を示している。ノズルリング１１は、ノズルリングキャビティ１９内で、軸方向に摺動可能である。ノズルリング１１の径方向内側及び外側環状フランジ１７、１８は、この例において、キャビティ壁内に形成されている溝ではなく、それぞれのフランジ１７、１８に設けられている溝に位置する環状シール部材２０及び２１によってキャビティ１９に対して封止される。入口通路９は、ノズルリング１１の表面１０によって片側が、そして、シュラウド１２によって反対側が形成されている。シュラウド１２は、ノズルリング１２の軸方向の移動を受け入れてノズルリングの表面１０とシュラウド１２との間の入口幅を変化させるために、羽根１４がシュラウド１２を通過して凹部１３に入ることが出来るスロット(これらの図において見えない)を具えている。
【００４３】
図２ａにおいては、ノズルリングが開かれた位置に示されているので、ノズルリング表面１０とシュラウド１２との間に形成されている入口通路９の幅が比較的大きい。示された位置が、必ずしも“完全に”開かれた位置であるというわけではなく、例えば図１に図示した様に、いくつかのターボチャージャにおいては、ノズルリング１１を更にノズルリングキャビティ１９に引っ込めることが可能であってもよい。
【００４４】
図２ｂにおいては、ノズルリング１１の表面１０がシュラウド１２に近づいて入口通路９の幅を最小の方向へ減小させる閉じられた位置にノズルリング１１が示されている。
【００４５】
上述の如く、エンジン制動モード或いは排気ガス加熱モードにおいては、入口９が最小幅に閉じられるときに、少なくとも小さな漏れ流は許容されなければならない。これは、例えば入口幅がゼロよりも大きいことを確保することによって、或いは完全に閉じられた位置において入口幅がゼロである場合には入口周辺に適切な漏れ通路を設けることによって、実現することが出来る。しかしながら、最小の流量は過大であってはならず、さもなければ、制動効率或いは排気ガス加熱効果が損なわれる。
【００４６】
図３ａ及び３ｂはそれぞれ、本発明の実施例に従うノズルリング３０の正面及び側面図である。ノズルリング３０は、図１に示されると共に図２ａ及び２ｂにおいて図式的に示された一般的なタイプのものである。ノズルリング３０は、ノズルリング表面３１、径方向外側環状フランジ３６及び径方向内側環状フランジ(これらの図において見えない)を形成している径方向に拡がる壁を有している。円周方向に配列された入口羽根３２は、ノズルリング３０の表面３１から伸びている。ノズルリング３０は、入口羽根３２を包囲してノズルリング３０の表面３１から軸方向に伸びている環状リブ３３を具えている。この特定の実施例においては、リブ３３の径方向内側側面は、リブ３３と羽根３２を形成するためのノズルリング３０の表面の機械加工に起因する径方向の窪みを有しており、その結果、リブ３３の径方向の幅はその円周周囲で変化する。この側面は、リブ３３の機能に必要でない。リブ３３の幅は、例えば同一に揃えることが出来、異なる偏差或いは位置を有することが出来、図示されたものより大きくても或いは小さくてもよい。
【００４７】
図４は、図２ｂに対応しているが、図３ａ及び３ｂにおいて示された様な、本発明に従うノズルリングを含んでいる概略図である。必要に応じて、図２ａにおいて用いられた参照番号が維持されている。内側及び外側のノズルリングシール２０及び２１は、ノズルリングキャビティ１９に対してノズルリングフランジ３５及び３６を封止する。シール２０及び２１は、それぞれのフランジ３５及び３６に設けられている環状溝(図３ａ及び３ｂにおいて示されない)に位置する。
【００４８】
本発明に従うノズルリング３０では、入口９の最小幅はノズルリング３０の表面３１とシュラウド１２との間ではなく、リブ３３とシュラウド１２との間に形成されていることがわかる。これは、後述の如く従来技術に勝る利点を提供する。
【００４９】
可動ノズルリングを具えた可変形態タービンにおいては、ノズルリングは、ヘッドが通常ノズルリングの表面上に露出する鋲或いは他の留め具(図示せず)を用いて、例えば図１に示す如くガイドロッド等の支持構造に固定される。この様な場合、タービン入口の対向壁を形成しているシュラウドに対する鋲の取付け部は、ノズルリングの表面と対向するシュラウドとの間に形成される実現可能な最小入口幅を制限する。必ずしも通常エンジン燃焼モードにおいては運転の課題ではないが、エンジン制動或いは排気ガス加熱モードにおいては、ノズルリングが閉じられたときに、結果として生じる入口の大きさが望ましくなく大きな最小流量をもたらし得る。
【００５０】
この課題は、リブ３３がノズルリング３０の表面３１より上に露出するいかなる鋲ヘッド等の高さよりも大きい高さまで伸びて、入口通路９の対向壁１２の最も近くまで伸びるノズルリング３０の部分を形成する本発明の実施例によって回避される。入口９の最小幅は、この様に正確に制御することが出来、必要に応じて、ノズルリングで実現可能であるかもしれない幅よりも小さな幅(ゼロを含む)に減小させることが出来る。更に、ノズルリングと共に入口幅を制限しているいかなる露出した鋲ヘッドも、タービンのサイズに依存するタービン入口の最小領域に異なる影響を与える。本発明によれば、入口領域はタービンのサイズに拘わらずいかなる値にも制御することが出来る。
【００５１】
入口通路９の任意の所望の最小幅を設定する能力が高められることに加えて、ノズルリング３０の表面３１上にリブ３３を提供することにより、ノズルリングがエンジン制動或いは排気ガス加熱運転モードに適している最小入口幅に向って閉じられるときにタービン効率対入口幅の特性が低下することを予期することも出来る。上述の如く、これらの状況における効率の低下は、エンジン制動或いは排気ガス加熱モードにおける課題を生じさせ得る過剰な給気圧を回避することを助けるためには望ましくてもよい。
【００５２】
又、リブ３３を提供することによって、リブ３３は入口の対向壁、即ちシュラウド１２と隣接するときに接触するので入口幅をゼロに減小させることが出来る。リブ３３及びシュラウド１２が適切に機械加工され、他の方法により形成され、或いは取り付けられる(例えば、成形、溶接、締付け或いはそれらの組合せによって)場合には、それら２つの間の接触部は例えば密閉されてもよい。入口幅がゼロに減小したときに最小流量を確保するために他の構造が設けられている場合には、エンジン制動或いは排気ガス加熱モードにおいてノズルリング３０を完全に閉じることによって、ノズルリング３０の作動力と入口９内のガス圧がもたらすノズルリング３０の表面３１上の負荷とのバランスを精密にとるという課題は回避される。従って、環状リブ３３の提供によって、エンジン制動及び／又は排気ガス加熱運転モードにおけるノズルリングの位置制御が著しく改善され、その結果、制動或いは加熱効果の制御も改善される。この様な場合、ノズルリングが完全に閉じられている場合に入口の最小のサイズは変化しないので、最小の漏れ流量は入口の最小のサイズとは無関係に定められることが出来る。
【００５３】
例えば、図５ａ及び５ｂは、ＥＰ１４３５４３４の教示に従って迂回ガス流通路が設けられている本発明の一実施例を表わしている。図示された例は、図４において表わされた実施例の変形態様であり、参照の様に、必要に応じて数字が用いられる。この特定の実施例において、迂回通路は、ノズルリングキャビティ１９の径方向内側及び外側壁のそれぞれにおいて円周配列された凹部３４(或いは連続環状凹部)によって形成されている。図５ａに示す如く、通常エンジン燃焼モードのための最小入口幅に対応する位置にノズルリング３０が存在するとき、ノズルリング３０によって担持されたシール２０及び２１は、ノズルリング３０の背部周辺のガスがノズルリングキャビティ１９の中を通ることを防止する。しかしながら、図５ｂに示す如く、ノズルリング３０が閉じられて入口９をエンジン制動或いは排気ガス加熱モードに適している最小幅に減小させているときには、シール２０及び２１が凹部３４と位置を合わせて、ガスがシール２０及び２１を通過し、凹部３４を経てキャビティ１９を通って流れることが出来、この様にして、入口通路９、そして特に入口案内羽根３２を迂回する。入口通路９及び入口案内羽根３２を迂回するガスは、より少ない仕事をタービンホイール５から生成して、ターボチャージャの効率は上述の効果と共に低下する。又、リブ３３がシュラウド１２に隣接してノズルリング３０が完全に閉じられている場合であっても、迂回通路によって、タービンの中を流れる最小の漏れ流れが存在することを確保することが出来る。この様に上述の如く、完全に閉じられたときにノズルリングの位置制御が単純化され、そして漏れ通路のサイズが迂回通路によって正確に定められる。
【００５４】
図５ａ及び５ｂに示す具体的な迂回通路構成は、ノズルリングが完全に閉じられていても最小の流れを提供する可能性があるものの１つに過ぎない。例えば、ＥＰ１４３５４３４に多くの他の迂回通路構成が開示されており、それらの全ては、ノズルリング３０及び／又はノズルリングキャビティ１９を適切に改良することによって、本発明に従う環状リブ３３と組み合わせることが出来る。
【００５５】
本発明に従う環状リブと有利な効果を伴って組み合わせることが出来る入口の他の形態では、上述のＥＰ０６５４５８７に開示されている様に、圧力平衡孔が提供される。圧力平衡孔を具えている図３ａ及び３ｂに示すノズルリングの変形態様は、図６ａ及び６ｂに示されている。図７は、タービン入口の断面であり、完全に閉じられた位置に存在する図６のノズルリングを図示している。図６ａ及び６ｂから、改良されたノズルリング４０は、複数の羽根４２の間でノズルリング４０の表面４１を貫通する圧力平衡孔４４の存在を除いて、図３ａ及び３ｂに示すノズルリングと同一であるとわかる。図７から、リブ４３がシュラウド１２に隣接してノズルリングが完全に閉じられて入口９の幅がゼロに減小するときでさえも、ノズルリングの表面４１からリブ４３が突出した結果として、ノズルリングの表面４１とシュラウド１２との間に空間が存在していることは明らかである。従って、圧力平衡孔４４は、入口９及びリブ４３の下流のタービン出口と連通したままである。これによって、ノズルリング４０が完全に閉じられているときであっても、圧力平衡孔４４は負荷平衡機能を確実に実行し続ける。これは、最小の入口幅でのノズルリングの位置の制御を高め、例えば、ノズルリング４０が完全に閉じられた位置に近づいたときにノズルリング４０がパチンと閉まる傾向を減小させ、又、ノズルリング４０を完全に閉じられた位置から開くために必要な力を減小させる。この様に、リブ４３及び圧力平衡孔４４の効果が組み合わさって、エンジン制動及び排気加熱モードに適している入口幅でのノズルリング４０の移動及び位置決めの制御を高め、これによって、制動或いは加熱効果の制御を高める。
【００５６】
圧力平衡孔は、勿論、上述の如く迂回或いは漏れ流れを提供する構造と組み合わせることが出来る。例えば、圧力平衡開口は、本発明に従うリブと組み合わせて、ＥＰ１４３５４３４に開示された何れの迂回通路構造とも組み合わせることが出来る。例えば、図６ａ及び６ｂのノズルリングは、例えば図８ａ及び８ｂに示す如く、ＥＰ１４３５４３４の教示に従って迂回ガス通路を提供するために改良することが出来る。
【００５７】
図８ａ及び８ｂからわかる様に、改良されたノズルリング５０の内側及び外側径方向フランジ５５及び５６はそれぞれ、迂回スロット５７の形で迂回通路開口を具えている。他の点では、図示されたノズルリング５０は、図６ａ及び６ｂに図示された本発明に従うノズルリングと同一である。
【００５８】
図９ａは、図７に対応する断面であるが、図８ａ及び８ｂのノズルリングを有している。これは、完全に閉じられた位置でのノズルリングを表わしており、そこから、迂回開口、即ち迂回スロット５７がノズルリングキャビティ１９の内側及び外側で径方向壁内のそれぞれの溝に位置する内側及び外側径方向シール２０、２１とぴったり合うことがわかる。例えば図９ｂに図示される様に、ノズルリングが移動して入口９が通常エンジン燃焼モード運転状態に適している最小幅に開かれた場合、スロット５７は、シール２０、２１の内側のキャビティ１９内に移動し、この様にして迂回通路を封鎖することが理解されるであろう。これは、本発明に取り込まれ得るＥＰ１４３５４３４の教示に従う迂回ガス通路を形成するための可能な代替手段の１つに過ぎない。
【００５９】
図１０は、本発明に従う、図３ａ及び３ｂに図示されたノズルリングの他の変形態様を表わしている。先ず図１０を参照すると、図示されたノズルリング６０は、径方向スロット６８を有するノズルリブ６３を具えており、ノズルリング６０の表面６１より上のリブ６３の高さは各スロット６８の位置で低くなっている。この変形態様の主な効果は、リブ６３が入口通路９の対向壁７に隣接する完全に閉じられた位置のノズルリング６０を表わす図１１に図示されている。スロット６１は、開口、或いは漏れ流れ通路を形成して、ノズルリングが完全に閉じられたときでさえも漏れガス流は入口通路９の中を流れ得る。図１１において、漏れスロット６８は、明確にするために、リブ６３の途中までのみ伸びているとして表わされている。図１０に示す如く、スロットがノズルリングの表面６８まで伸びることも出来ることは理解されるであろう。
【００６０】
従って、本発明の本実施例では、ターボチャージャが排気ガス加熱或いはエンジン制動モードにおいて運転されてノズルリングが完全に閉じられた位置に存在するとき、タービンの中を流れる最小ガス流量を確保するために、いかなる他の手段を講じることやいかなる他の構造を提供することも必要ではない。ノズルリングはエンジン制動或いは排気加熱モードにおいて完全に閉じることが出来、加えて、漏れ流れ通路のサイズを正確に定めることが出来ると共に都合よく単純な構造で設けることが出来るので、ノズルリング６０の位置の制御が高められる。
【００６１】
更に、リブ６３の漏れスロット６８は、上述の効果を有するエンジン制動或いは排気ガス加熱モードに適している小さな入口幅でタービンの効率を低下させるように構成され得る。効率を低下させる効果は、例えばいくつかの漏れスロット６８でガス流を入口羽根６２の前縁上に導くように、或いは入口羽根の側で羽根が流れに及ぼす効果を低下させるように、位置決めすると共に構成することによって得られる(或いは強化される)。例えば、ＥＰ１４３５４３４の迂回通路構造によって達成される効率低下と同程度の効率低下は、同時に最小ガス流通路のサイズの完全な制御を可能にする都合よく単純な構造で達成することが出来る。
【００６２】
可能とされる最小流量は、スロットのサイズ及び数の様なパラメータの違いによる異なるアプリケーション間で多様であってもよい。
【００６３】
所定の最小流量のための効率低下効果の大きさは、同様に、スロットの数、位置及び構成(例えば、サイズ、形状及び方向)の適切な変更によるノズルリング間で多様であってもよい。例えば、ガスを羽根の前縁上へ導くように設計されたスロットや、ガスを羽根の間に導くように設計されたスロットがあってもよい。或いは、例えば、１つ以上のスロットが空気を羽根の前縁上に導く程度は多様であってもよい。他の可能性として、１つ以上のスロットは、空気をタービンホイールの回転に対して反対方向に導くように構成され得る。多くの他の可能性は、熟練者にとって明らかであろう。
【００６４】
図６及び図７に関連して上述された更なる効果を提供するために、図１０のノズルリングが図１２に示す圧力平衡孔の提供によって変更され得ることは理解されるであろう。図１２のノズルリング７０は、羽根７２の間にノズルリングの表面７１を貫通する圧力平衡孔７４を有している。
【００６５】
又、ＥＰ１４３５４３４に教示されている様に、エンジン制動或いは排気ガス加熱モードで運転されたときに、漏れスロットは、圧力平衡開口と共に、迂回ガス通路の一部を形成してタービン効率を低下させる(或いは、更に低下させる)ことが出来る。この実施例は、図１３ａ及び１３ｂに示されており、これは、基本的に図１２のノズルリングであるが、内側ノズルリングフランジ８５にのみ迂回スロット８７を含むように改良されているノズルリング８０を図示している。
【００６６】
図１４は、リブ８３が入口シュラウド１２に隣接している完全に閉じられた位置でのノズルリング８０を図示している。通常エンジン燃焼モード運転の間、内側フランジシール２０は、外側フランジシール２１と共に、ガス流がノズルリングキャビティ１９の中を流れることを阻止する。しかしながら、エンジン制動或いは排気ガス加熱運転モードに適しているノズルリング位置(図示された様な完全に閉じられている位置を含んでいる)で、内側フランジシール２０は、多少のガス流が入口９、及び圧力平衡孔８４の下流の羽根部分を迂回するように、迂回スロット８７と合って圧力平衡孔８４からの流れ通路を提供する。ノズルリング８０が完全に閉じられるときであっても、圧力平衡孔８４は漏れスロットを経て入口９を流れるガス流にさらされたままである。従って、ノズルリングが上述の効果を有するエンジン制動及び排気ガス加熱モードに適している最小の入口幅に向って閉じられるにつれて、タービン効率は低下するだろう。例えば、漏れスロット及び迂回通路の効率低下効果を組み合わせて、何れかの手段により単独で得られるよりも大きな効率低下を得ることが出来る。エンジン制動或いは排気加熱運転モードにおいてノズルリングが完全に閉じられるようにタービンが運転された場合にも、ノズルリングの位置はより容易に制御することが出来、最小流れ通路のサイズは正確に定めることが出来る。
【００６７】
図１４に図示された本発明の実施例は、ＥＰ１４３５４３４に教示された他の実現性を含め、ガス迂回通路の代替の形状を提供するように改良することが出来る。例えば、ノズルリング８０は、その内側フランジ(即ち、図９ａ及び９ｂに示す配置)と同様に、その外側フランジに迂回スロットを具えることが出来、或いは、ノズルリングに形成された迂回スロットの代わりに、迂回凹部をノズルリングキャビティ１９の内側及び／又は外側壁に設けることが出来る(例えば図５ａ及び５ｂに示す様に)。この様な実施例において、圧力平衡孔が省略されてもよく、例えば図５ａ及び５ｂに示す実施例と類似するがノズルリングリブが漏れスロットを具えている本発明の実施例となることも理解されるであろう。
【００６８】
同様に、リブに漏れスロットを具えた本発明の実施例は、タービンの中を流れる漏れ流れを提供するための他の構造と組み合わせることが出来る。
【００６９】
上述の如く、図８乃至図１２に図示された本発明の実施例においては、ノズルリングが完全に閉じられているときの入口通路内の流れは、リブに設けられた漏れスロットによって形成されている漏れ通路によって流れることが出来る。しかしながら、リブを貫通する漏れ通路を形成している開口は、他の方法で、例えばリブを貫通して径方向に伸びる孔によって、或いはリブの孔及びスロットの組合せによって設けることが出来ることは理解されるであろう。上述の如くスロットが変更可能であることと同様に、孔のサイズ、形状、位置決め及び構成はそれらの効果を改良するために変更されてもよい。同様に、漏れ通路は、リブの構成における他の変更、例えばノズルリングの表面より上のリブの頂点に峰及び谷を形成している、リブの軸方向面における“穏やかな”起伏によって設けることが出来る。この様な一連の浅い谷は、広く浅いスロットとみなすことが出来る。
【００７０】
又、スロットが漏れ通路を形成する場合には、特にノズルリングリブに設けられている漏れスロットがノズルリングの表面の平面まで伸びている場合、リブは、円周上に間隔を置いて環状配列された突起或いはリブ部分を具えており、リブ部分の間隔はスロットによって形成されていると考えることが出来ることが理解されるであろう。スロットの構成は、リブの径方向内側及び外側側面と組み合わされて、リブ部分の構成を定めることになる。例えば、図１５は、図１３ａ及び１３ｂに図示された本発明の実施例の変更態様を図示しており、それにおいては、ノズルリングリブがタービンホイールの回転に対して羽根９２と同じ方向に伸びる環状配列された円弧状リブ部分９３を効果的に具えるようにスロット及びリブ側面が存在する。この特定の実施例では、各リブ部分９３は円弧状側面を有しており、各リブ部分の一端は、隣接しているリブ部分９３の隣接端よりノズルリングの軸に最も近い。
【００７１】
選択的にスロットを形成し、リブの側面を形成して、リブ部分は、図１５に図示されたものから変更することが出来ることは理解されるであろう。例えば、１つの変更態様において、リブ部分は、羽根と反対方向に伸びることが出来る。他の方法として、図１５に示すリブ部分は、円弧状ではなく実質的に直線であってもよい。熟練者は、多くの他の変形例が可能であることを理解するであろう。例えば、場合によっては、１つのリブ部分の径方向内側端が隣接しているリブ部分の径方向外側端と重なるように、スロットを形成することが出来る。一般的に言って、隣接しているリブ部分の隣接端によってノズルリング軸で限定される角度は、単一のリブ部分の両端によってノズルリング軸で限定される角度よりも小さい。
【００７２】
上述の本発明の全ての実施例の共通の特徴は、ノズルリング表面とノズルリングの対向壁との間の漏れ流れ通路がリブに形成された開口(例えば、スロット或いは孔)によって形成されていることである。或いは、漏れ流れ通路は、例えばシュラウド等、入口通路の対向壁に設けられている適切に構成された構成物によって設けることが出来る。例えば、図１６は、図４に図示された本発明の実施例の変更態様を図示しており、それにおいては、リブに漏れを提供するのではなく、ノズルリングは、例えば図１１に示す様な開口(例えばスロット、或いは孔)を有していないが、環状配列された凹部１００がノズルリングリブ３３の半径に対応する半径で入口通路９の対向壁に形成されている。ノズルリングが完全に閉じられるとき(図１６に示す様に)、ガスはリブ３３と共に漏れ流れ通路を形成する凹部１００を経てノズルリング３０を通り、入口の中を流れることが出来る。
【００７３】
図５ａ、５ｂ、７、９ａ、９ｂ及び１４に示す本発明の実施例は、例えば図１６に示す方法でノズルリング表面に対向している入口９の壁に凹部を設けてノズルリングリブの先に漏れ流れ通路を設けることによって、同様に改良することが出来ることは理解されるであろう。
【００７４】
凹部１００が漏れ流れ通路を形成する図１６に図示された様な本発明の実施例では、漏れ流れ通路のサイズは、サイズ、構成及び凹部の数を変更することによって改良することが出来る。同様に、凹部の効率低下効果も、リブ漏れ開口に関して上述した一般的な方法で凹部のサイズ、位置決め及び構成を変更することによって改良することが出来る。更に、本発明の実施例がリブの漏れ開口と入口通路の対向壁に形成された凹部或いは他の漏れ溝とを組み合わせ得ることが理解されるであろう。例えば、漏れ流れ通路は、リブに設けられたスロットによって一部に形成され得ると共に、ノズルリングが完全に閉じられているときに互いにぴったり合っても合わなくてもよいシュラウドの表面に形成された凹部によって一部に形成され得る。
【００７５】
本発明の上述の全ての実施例が共有する特徴は、リブがノズルリングの表面に設けられていることである。上述の本発明の全ての実施例の代替手段として、リブは、代わりに、ノズルリングに対向している入口通路の壁の表面(例えばシュラウド)に設けることが出来る。本発明のこの様な実施例においては、ガス漏れ通路がリブとノズルリングの表面との間、或いはリブの中に形成されるように、リブは上述の全ての構成を含むいかなる適切な構成をも有することが出来る。同様に、漏れガス通路は、ノズルリングが完全に閉じられているときにガスがリブを通って流れる溝等をノズルリング表面に設けることによって形成することが出来る。換言すれば、上述の本発明の全ての実施例は、リブがノズルリングの表面に対向している入口通路の壁に形成されている類似する実施例を有する。単に例として、図１７は、図１４に示す本発明の実施例の変更態様を表わしており、それにおいては、スロット６８(図１４に示す様な)を有するリブ６３ではなく、ノズルリング自体がリブを具えていないが、入口の対向壁を形成しているタービンハウジング壁がリブ１１０(例えば図１３ａ及び１３ｂに示すリブの構成を有している)を具え、漏れ通路は、該リブ１１０の中にスロット１１１によって形成されている。他の例として、図１８は、図１７に示す実施例の変更態様であり、それにおいては、リブ１１２は、漏れスロットを有していないが、代わりに、ノズルリングの表面が凹部１１３によって変更されており、ノズルリングが完全に閉じられて、ノズルリングリブの周囲の漏れガス通路のための図１６の実施例の凹部１００と実質的に同じ方法で漏れガス通路を形成するときに、該凹部１１３はリブ１１２と一直線に並ぶ。
【００７６】
リブ部分をノズルリング及び入口通路の対向壁に形成して本発明の実施例を構成することが可能なことは理解されるであろう。例えば、ノズルリングと入口通路の対向壁との両方から突出している複数のリブ部分は、ノズルリングが完全に閉じられるときに互いに隣接することが出来、或いはノズルリングが完全に閉じられるときに互いに嵌合する様に構成することが出来る。
【００７７】
本発明の実施例は、本発明の上述の全ての実施例から特徴を組み合わせることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】図１は、可変形態ターボチャージャの軸方向断面である。
【図２ａ】図２ａは、図１のタービンの入口構造を図式的に表わしている可変形態タービン入口構造の一部の断面である。
【図２ｂ】図２ｂは、図１のタービンの入口構造を図式的に表わしている可変形態タービン入口構造の一部の断面である。
【図３ａ】図３ａは、本発明の１つの実施例に従うノズルリングを表わしている。
【図３ｂ】図３ｂは、本発明の１つの実施例に従うノズルリングを表わしている。
【図４】図４は、図３ａ及び図３ｂのノズルリングを含む本発明に従う可変形態タービンの入口の断面を表わしている。
【図５ａ】図５ａは、図４に示す本発明の実施例の変形態様を表わしている。
【図５ｂ】図５ｂは、図４に示す本発明の実施例の変形態様を表わしている。
【図６ａ】図６ａは、本発明に従う更なるノズルリングを表わしている。
【図６ｂ】図６ｂは、本発明に従う更なるノズルリングを表わしている。
【図７】図７は、図６ａ及び６ｂのノズルリングを含む本発明に従う可変形態タービン入口構造を表わしている。
【図８ａ】図８ａは、本発明に従う更なるノズルリングを表わしている。
【図８ｂ】図８ｂは、本発明に従う更なるノズルリングを表わしている。
【図９ａ】図９ａは、図８ａ及び８ｂのノズルリングを含む本発明に従う可変形態タービン入口を表わしている。
【図９ｂ】図９ｂは、図８ａ及び８ｂのノズルリングを含む本発明に従う可変形態タービン入口を表わしている。
【図１０】図１０は、本発明に従うノズルリングの更なる実施例を表わしている。
【図１１】図１１は、図１０のノズルリングを含む本発明に従う可変形態タービン入口を表わしている。
【図１２】図１２は、本発明の実施例に従う更なるノズルリングを表わしている。
【図１３ａ】図１３ａは、本発明に従うノズルリングの更なる実施例を表わしており、該実施例は図１２に示すノズルリングの変形態様である。
【図１３ｂ】図１３ｂは、本発明に従うノズルリングの更なる実施例を表わしており、該実施例は図１２に示すノズルリングの変形態様である。
【図１４】図１４は、図１３ａ及び１３ｂのノズルリングを含む本発明に従う可変形態タービン入口を表わしている。
【図１５】図１５は、本発明に従うノズルリングの更なる実施例を表わしている。
【図１６】図１６は、本発明の実施例に従う更なる可変形態タービン入口構造を表わしている。
【図１７】図１７は、本発明の実施例に従う更なる可変形態タービン入口構造を表わしている。
【図１８】図１８は、本発明の実施例に従う更なる可変形態タービン入口構造を表わしている。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図７】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３ａ】
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【図１３ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【国際調査報告】
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