(57)【要約】より効率的な複数ステージのターボチャージングシステムおよび内燃エンジンシステムのための方法が提示される。従来は、複数ステージターボチャージングシステム中で１つのステージから別のステージまでバイパスする排気流れ中で起こる排気エネルギーの一部分の損失を回収する。この方法は、圧力から運動エネルギー（速度）に、上記バイパスされた流れをＶＧＴベイン出口またはその他の可変の幾何学的バルブ／ノズルを通過させることによって、このバイパスされた流れの排気エネルギーの一部分を転換すること、そして次に、次のステージのタービンホイールに到達する前にこの加速された流れをエネルギーを散逸させないことにより、ここで、この加速された流れは、次に、より低い圧力のタービンのホイールによって機械的回転力に転換され得る。本発明の目的を達成するための好ましいハードウェアがまた提示される。
2008514842.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃エンジンシステムであって：
第１の排気エネルギーレベルをもつ加圧排気ガスを生成する内燃エンジン；
該加圧排気ガスの流れを排気ラインの方に向けるための、該内燃エンジンに連結された排気多岐管；
該排気ラインに連結された第１のより高い圧力ステージのタービンであって、該加圧排気ガスからの仕事の抽出のために入口および該排気ガスラインと流体的に連結される出口を有し、そして該加圧排気ガスをその出口を通って第２のより低いエネルギーレベルで伝えるタービン；
少なくとも１つのより低い圧力ステージのタービンであって、該加圧排気ガスから第２のより低い排気エネルギーレベルでの仕事のさらなる抽出のために該第１のタービンの出口に流体的に連結される少なくとも１つの入口を有するタービン；
該第１のタービンの上流から少なくとも１つのより低い圧力ステージのタービンの少なくとも１つの入口まで、該第１のタービンの周りで該第１の排気エネルギーレベルをもつ加圧排気ガスの流れの一部分をバイパスするためのバイパス手段；および
該第１の排気エネルギーレベルのなお実質的に近傍にある、該排気ガスのバイパスされた流れにおける排気エネルギーの一部分を、該バイパスされた排気ガス流れの加速の形態にある運動エネルギーに変換するためのノズル手段であって、該運動エネルギーを、該バイパスされた排気ガス流れの加速の実質的散逸の前に、少なくとも１つの低圧ステージタービン中の機械的仕事への変換のためのノズル手段、を備える、内燃エンジンシステム。
【請求項２】
前記バイパスされた排気流れにおける排気エネルギーの一部分を運動エネルギーに変換するためのノズル手段が、可変の幾何学的形状の機構である、請求項１に記載の内燃エンジンシステム。
【請求項３】
前記可変の幾何学的形状の機構が、従来ＶＧＴベインである、請求項２に記載の内燃エンジンシステム。
【請求項４】
前記可変の幾何学的形状の機構が、可変の幾何学的形状のバルブである、請求項２に記載の内燃エンジンシステム。
【請求項５】
１つのみではあるが、第１および第２の渦巻きを備えるより低い圧力ステージのタービンがある、請求項１に記載の内燃エンジンシステム。
【請求項６】
前記より低い圧力ステージのタービンの第１の渦巻きが、前記加圧された排気ガスのバイパスされた流れの受容のためのバイパス手段に流体的に連結され、そして前記より低い圧力ステージのタービンの第２の渦巻きが、該加圧された排気ガスからの仕事の抽出の第１のステージのために、第１のタービンを通過した排気流れの受容のために該第１のタービンの出口に流体的に連結される、請求項５に記載の内燃エンジンシステム。
【請求項７】
前記より低い圧力ステージのタービンの第１の渦巻きが、可変の幾何学的形状の機構を有する、請求項６に記載の内燃エンジンシステム。
【請求項８】
前記より低い圧力ステージのタービンの第１の渦巻き中の可変の幾何学的形状の機構が、従来の回転ＶＧＴベインである、請求項７に記載の内燃エンジンシステム。
【請求項９】
前記より低い圧力ステージのタービンの第１の渦巻き中の可変の幾何学的形状の機構が、関節運動する後続エッジを備えるＶＧＴベインである、請求項７に記載の内燃エンジンシステム。
【請求項１０】
前記より低い圧力ステージのタービンの第１の渦巻き中の可変の幾何学的形状の機構が、該第１の渦巻き中の流れを可変に調節するような形態のスライドする機構である、請求項７に記載の内燃エンジンシステム。
【請求項１１】
２つのより低い圧力ステージタービンを備え、該２つのより低い圧力ステージのタービンの１つが、前記加圧された排気ガスのバイパスされた流れの受容のためのバイパス手段に連結され、そして該２つのより低い圧力ステージのタービンの他方が、該加圧された排気ガスからの仕事の抽出の第１のステージのために第１のタービンを通過した排気流れの受容のために第１のタービンの出口に流体的に連結される、請求項１に記載の内燃エンジンシステム。
【請求項１２】
前記２つのより低い圧力のステージのタービンが、共通シャフトによってともに連結される、請求項１１に記載の内燃エンジンシステム。
【請求項１３】
前記第１のタービンの出口および前記バイパス手段の両方に流体的に連結された単一の入口を備えた単一のより低い圧力のステージのタービンを備える、請求項１に記載の内燃エンジンシステム。
【請求項１４】
内燃エンジンのためのブーストを提供する方法であって：
該内燃エンジンによって生成された排気ガスを、高圧ターボチャージャーおよび少なくとも１つの低圧ターボチャージャーを備えた複数ステージターボチャージングシステムを通過させる工程；
該高圧ターボチャージャーの周りの加圧された排気ガスの一部分を、該低圧ターボチャージャー中のタービンにバイパスする工程；
バイパスされた加圧排気ガス流れの排気エネルギーの一部分を、該バイパスされた加圧排気ガス流れを任意の残りのバイパスされない排気ガスと再結合する後ではなく、その前に、または、再結合することなく運動エネルギーに転換する工程；および
該バイパスされた排気ガス中の転換された運動エネルギーを、該低圧ターボチャージャー中のタービンのタービンブレードに増加した運動量を与えるために利用する工程、を包含する、方法。
【請求項１５】
空気コンプレッサー、および該空気コンプレッサーにシャフトを通じて連結される２渦巻きタービンガス膨張機を備える、ターボチャージャーであって、該２渦巻きタービンガス膨張機が、個々に流体的に連結される第１のタービン入口を備えた第１の可変の幾何学的形状の渦巻き、および個々に流体的に連結される第２のタービン入口を備えた第２の固定された幾何学的形状の渦巻きを備える、ターボチャージャー。
【請求項１６】
前記第１の可変の幾何学的形状の渦巻きが、従来の回転ＶＧＴベインを利用する、請求項１５に記載のターボチャージャー。
【請求項１７】
前記第１の可変の幾何学的形状の渦巻きが、関節運動後続エッジを備える回転ＶＧＴベインを利用する、請求項１５に記載のターボチャージャー。
【請求項１８】
前記第１の可変の幾何学的形状の渦巻きが、前記ベインのための可変の流れ幾何学的形状を提供するスライド機構を利用する、請求項１５に記載のターボチャージャー。
【請求項１９】
複数ステージターボチャージングシステムであって：
内燃エンジン排気多岐管との流体連結のための形態の入口、および出口を有する第１のタービンを含む、第１のより高い圧力ステージのターボチャージャー；
第１のタービンの出口と流体的に連結された少なくとも１つの入口を有する第２のタービンを含む、第２のより低い圧力ステージのターボチャージャー；
バイパスされた排気ガスエネルギーを保存するために、該第１のタービンの周りの排気流れを、該第２のタービンの入口への送達の前にバイパスされた排気流れの膨張なくして該第２のタービンの少なくとも１つの入口にバイパスするための手段；および
該バイパスされた排気流れ中の保存された排気ガスエネルギーを、仕事の抽出のために該第２のタービンのタービンブレードへの送達のための運動エネルギーに変換するための第２のタービン内の手段、を備える、複数ステージターボチャージングシステム。
【請求項２０】
前記バイパスされた排気流れ中の保存された排気ガスエネルギーを、運動エネルギーに変換するための第２のタービン内の手段が、従来の回転ＶＧＴベインである、請求項１９に記載の複数ステージターボチャージングシステム。
【請求項２１】
前記バイパスされた排気流れ中の保存された排気ガスエネルギーを、運動エネルギーに変換するための第２のタービン内の手段が、関節運動後続エッジを備えるＶＧＴベインである、請求項１９に記載の複数ステージターボチャージングシステム。
【請求項２２】
前記バイパスされた排気流れ中の保存された排気ガスエネルギーを、運動エネルギーに変換するための第２のタービン内の手段が、前記第２のタービン中の流れを可変に調節するような形態のスライド機構である、請求項１９に記載の複数ステージターボチャージングシステム。
【請求項２３】
複数ステージターボチャージングシステムであって：
内燃エンジン排気多岐管との流体連結のための形態の入口、および出口を有する高圧タービンを含む、第１のより高い圧力ステージのターボチャージャー；
該高圧タービンの出口と流体的に連結された入口を有する第１の低圧タービン、および共通のシャフトによって該第１の低圧タービンに機械的に連結された第２の低圧タービンを含む２つの低圧タービンを備えた、第２のより低い圧力ステージのターボチャージャー；
バイパスされた排気ガスエネルギーを保存するために、該高圧タービンの周りの排気流れを、該第２の低圧タービンの入口への送達の前にバイパスされた排気流れの膨張なくして該第２の低圧タービンの入口にバイパスするための手段；および
該バイパスされた排気流れ中の保存された排気ガスエネルギーを、仕事の抽出のために該第２の低圧タービンのタービンブレードへの送達のための運動エネルギーに変換するための第２の低圧タービン内の手段、を備える、複数ステージターボチャージングシステム。
【請求項２４】
前記バイパスされた排気流れ中の保存された排気ガスエネルギーを、運動エネルギーに変換するための第２のタービン内の手段が、従来の回転ＶＧＴベインである、請求項２３に記載の複数ステージターボチャージングシステム。
【請求項２５】
前記バイパスされた排気流れ中の保存された排気ガスエネルギーを、運動エネルギーに変換するための第２のタービン内の手段が、関節運動後続エッジを備えたＶＧＴベインである、請求項２３に記載の複数ステージターボチャージングシステム。
【請求項２６】
前記バイパスされた排気流れ中の保存された排気ガスエネルギーを、運動エネルギーに変換するための第２のタービン内の手段が、可変の幾何学的形状のスライド機構である、請求項２３に記載の複数ステージターボチャージングシステム。
【請求項２７】
内燃エンジンシステムであって：
第１の排気エネルギーレベルをもつ加圧排気ガスを生成する内燃エンジン；
該加圧排気ガスの流れを排気ラインの方に向けるための、該内燃エンジンに連結された排気多岐管；
該排気ラインに連結された第１のより高い圧力ステージのタービンであって、該加圧排気ガスからの仕事の抽出のために入口および該排気ガスラインと流体的に連結される出口を有し、そして該加圧排気ガスをその出口を通って第２のより低いエネルギーレベルで伝えるタービン；
少なくとも１つのより低い圧力ステージのタービンであって、該加圧排気ガスから第２のより低い排気エネルギーレベルでの仕事のさらなる抽出のために該第１のタービンの出口に流体的に連結される少なくとも１つの入口を有するタービン；
該第１のタービンの上流から該第１のタービンの下流まで、該より低い圧力ステージのタービンの直前で、該第１のタービンの周りで該第１の排気エネルギーレベルをもつ加圧排気ガスの流れの一部分をバイパスするための手段；および
該第１の排気エネルギーレベルのなお実質的に近傍にある、該排気ガスのバイパスされた流れにおける排気エネルギーの一部分を、該バイパスされた排気ガス流れの加速の形態にある運動エネルギーに変換するためのノズル手段であって、該運動エネルギーを、該バイパスされた排気ガス流れの加速の実質的散逸の前に、少なくとも１つの低圧ステージタービン中の機械的仕事への変換のためのノズル手段、を備える、内燃エンジンシステム。
【請求項２８】
前記バイパスされた排気流れの排気エネルギーの一部分を運動エネルギーに変換するためのノズル手段が、可変の幾何学的形状のバルブである、請求項２７に記載の内燃エンジンシステム。
【請求項２９】
複数スーテジタービンシステムであって：
流体またはガスからの仕事の抽出のための第１ステージのタービンであって、第１のより高いエネルギーレベルの流れを受けるための入口、および該流れを第２のより低いエネルギーレベルで通過させるための出口を有するタービン；
該第１のタービンの出口に流体的に連結された少なくとも１つの入口を有する第２のより低いステージのタービンであって、該第２のより低いエネルギーレベルをもつ該流れからの仕事のさらなる抽出のためのタービン；
該第１のステージのタービンの周りで該第１のより高いエネルギーレベルをもつ流れの一部分を、該第１のタービンの上流から該第２のより低いタービンの少なくとも１つの入口までバイパスするための手段；および
バイパスされた流れ中のエネルギーの一部分を、なお該第１のより高いエネルギーレベルの実質的に近傍にある間に、該バイパスされた流れの加速の形態にある運動エネルギーに変換するためのノズル手段であって、該バイパスされた流れの加速の実質的な散逸の前に、該運動エネルギーの該第２のより低いステージのタービンにおける機械的仕事への転換のためのノズル手段、を備える、複数スーテジタービンシステム。
【請求項３０】
前記第２のより低いステージのタービンが、第３のなおより低いエネルギーレベルで前記流れを通過するための出口をさらに備え、そしてさらに：
第３のなおより低いエネルギーレベルをもつ流れからの仕事のさらなる抽出のための、該第２のタービンの出口に流体的に連結された少なくとも１つの入口を有する第３のステージのタービン；
該第２のステージのタービンの周りで、該第２のタービンの上流から該第３のステージのタービンの少なくとも１つの入口まで、より高いエネルギーレベルをもつ流れの一部分をバイパスするための第２のバイパス手段；および
該第２のバイパスされた流れの一部分を、該より高いエネルギーレベルの実質的近傍になおある間に、該第２のバイパスされた流れの加速の形態である運動エネルギーに変換するためのノズル手段であって、該運動エネルギーの該バイパスされた流れ加速の実質的散逸の前に、該第３のステージのタービン中の機械的仕事への変換のためのノズル手段、を備える、複数スーテジタービンシステム。
【請求項３１】
前記第３のステージのタービンが、第４のより低いエネルギーレベルで前記流れを通過する出口をさらに備え、そしてさらに：
該第４のより低いエネルギーレベルをもつ前記流れからの仕事のさらなる抽出のための、該第３のステージのタービンの出口に流体的に連結された少なくとも１つの入口を有する第４のステージのタービン；
該第３のステージの周りでより高いエネルギーレベルをもつ前記流れの一部分を、該第３のステージのタービンの上流から、該第４のステージのタービンの少なくとも１つの入口までバイパスするための第３のバイパス手段；および
該第３のバイパスされた流れにあるエネルギーの一部分を、該より高いエネルギーレベルの実質的近傍になお間に、該第３のバイパスされた流れの加速の形態にある運動エネルギーに転換するためのノズル手段であって、該バイパスされた流れ加速の実質的散逸の前に該第４のステージのタービンにおける機械的仕事への該運動エネルギーの変換のためのノズル手段、を備える、請求項３０に記載の複数スーテジタービンシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願への相互参照）
本出願は、米国仮特許出願番号第６０／６０５，８９８号の米国特許法第１１９条（ｅ）項の下の利益を主張し、この仮出願は、その全体が参考として本明細書中に援用される。
【０００２】
（発明の背景）
（発明の分野）
本発明は、複数ステージターボチャージングシステムを備えた内燃エンジンシステム、および複数ステージ複数ステージタービンの使用一般に関する。
【背景技術】
【０００３】
（関連技術の説明）
内燃エンジンとの使用のためのようなターボチャージングシステムは、当該技術分野で周知である。ターボチャージャーは、吸気チャージコンプレッサに連結された排気ガスタービンを備える。このタービンは、内燃エンジンからの排気ガスを受けることによって作動し、そしてこの排気ガス流れ中のエネルギーの一部分を、タービンホイールのブレード上にこの排気流れを通過させることによって機械的エネルギーに変換し、そしてそれによってこのタービンホイールを回転させる。この回転力は、次に、上記タービンホイールにシャフトによって連結されるコンプレッサにより利用され、所定量の空気を周辺大気より高い圧力に圧縮し、これは、次に、エンジンの吸気ストロークの間に内燃エンジンシリンダ中に引かれるように利用可能な増加した量の空気を提供する。このシリンダ中に取り込まれるさらなる圧縮された空気（ブースト）は、このシリンダ内でより多くの燃料が燃焼されることを可能にし得、そしてそれによってエンジンパワー出力を増加する機会を提供する。
【０００４】
ターボチャージされた内燃エンジンシステムでは、内燃エンジンが作動し得る広範な範囲の速度およびパワー出力レベルが、エンジンと作動するための良好な機械的効率を備えた適切に整合されたターボチャージングシステムを設計するための挑戦を提示する。たとえば、より小さなターボチャージャーは、より低いエンジン速度で迅速およびより効率的にブーストを提供するけれども、より大きなターボチャージャーは、より高い速度でより効率的にブーストを提供する。内燃エンジンによって生成される広い流れ範囲に対して、ターボチャージャーが効率的に作動する比較的狭い流れ範囲のため、先行技術においては（例えば、高ブーストが必要な場合）、より小さな（すなわち、「高圧」）ターボチャージャーおよびより大きな（すなわち、「低圧」）ターボチャージャーの両方を含む複数ステージターボチャージングシステムを提供することが知られ、ここで、より小さな高圧ターボチャージャーは、より低いエンジン速度で作動し、そしてより大きな低圧ターボチャージャーは、より高いエンジン速度で引き継ぐ。必要に応じて、高圧ターボチャージャーの周りの排気ガス流れを低圧ターボチャージャーに転換するバイパスシステムの使用を通じてターボチャージングステージ間をスイッチすることが有用であることが見出されている。
【０００５】
結果として、タービンガスエキスパンダの周りの排気流れをバイパスすることがまた、当該技術分野では周知である。代表的には、タービンバイパスシステムは、先行技術では、主に、高圧タービンを横切るシステム圧力を調節するために用いられ、そしてタービンの作動によって引き起こされる背圧が高圧タービンの上流のシステム圧力を所望のレベルを超えるようにするとき、バイパスチャネルを通る圧力低下に対し、上流排気ガスの一部分を選択的に取り出すことによって作動され得る。排気ガスをバイパスチャネルに取り出すことは、一般に、タービンの周りのバイパスチャネル中に位置決めされる「排気ゲート」と呼ばれる小さな調節バルブによって制御される。代表的な排気バルブは、いくぶん跳上げ戸のように作動し、タービンの周りでバイパスチャネルを通る排気流れの一部分を分岐することによって、より高い圧力のタービンからより低い圧力の領域にポートを開き、バイパスされた排気流れが、バイパスチャネル中の圧力低下に亘って自然に膨張し、そして次にバイパスされたタービンの下流の流れを残して再結合する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
（発明の目的）
本発明の目的は、内燃エンジンシステムのためのより効率的な複数ステージ（すなわち、２つ以上のステージを備える）ターボチャージングシステムを提供することである。
【０００７】
本発明の目的の促進において、先行技術の排気ゲートおよびバイパス機構は、先行技術の複数ステージターボチャージングシステムにおける有用エネルギーの不必要な損失の供給源であることが認識された。従って、本発明のさらなる目的は、複数ステージターボチャージングシステムを利用する内燃エンジンシステムの効率をさらに改善するために、複数ステージターボチャージングシステム中のステージ間においてバイパスすることにおけるそうでなければ損失されるエネルギーの量を保存、捕捉、利用、そして／または減少するための効率的な手段を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（発明の要旨）
本発明は、従来の複数ステージターボチャージングシステムにおいて、１つのステージから別のステージに排気流れをバイパスすることで、そうでなければ生じる排気ガスエネルギーの回収されない損失を低減する。このような排気エネルギーを保存する好ましい方法は、可変の幾何学的形状のバルブ／ノズル、タービンＶＧＴベイン、またはその他の減少した断面積ノズルを通じ、バイパスされたタービンの上流に存在するより高い排気エネルギーレベルになお実質的にある間に、バイパスされた流れを通すことによって、圧力から速度に、このバイパスされた流れの排気エネルギーの一部分を変換すること、そして次に、次のステージのタービンホイールに到達する前に、回収可能な運動エネルギーを増加した加速された流れを、実質的に失うようにしないことによる。これは、例えば、より低い圧力タービンのホイールのブレードに隣接して（または増加した加速／運動量効果の実質的散逸を避けるためにそのようなブレードの十分すぐ近くに）、およびより低いタービンのホイールのブレードに対して適切な入射角で、上記可変の幾何学的形状のバルブまたはＶＧＴベイン出口を配置することによってなされ得る。流れを加速することから得られる増加した運動量は、次いで、より低い圧力のタービンのホイールに与えられ、そしてそれによって、当該技術分野で公知のように、上記エネルギーを機械的回転力に変換することを可能にする。複数ステージターボチャージングシステム中のステージ間で失われるエネルギーを効率的に保存または捕捉するための代替の手段および好ましいターボチャージングハードウェア実施形態もまた論議される。このシステムは、３つまたは４つ（またはそれ以上の）ステージのシステムを同様に包含する、内燃エンジンまたはその他の複数ステージタービンシステムとのステージの間で利用され得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
（発明の詳細な説明）
図１は、先行技術からの、複数ステージターボチャージシングおよびバイパスシステムを備えた内燃エンジンシステムを示す。図１を参照して、周囲空気は、吸気ライン１１を通ってシステム中に入る。摂取空気は、必要に応じて再循環排気ガス（ＥＧＲ）と混合され、チャージ−空気混合物を形成する。周囲空気またはＥＧＲ／周囲空気混合物は、第１ステージ低圧空気コンプレッサ１２を通って流れ、そしてそれによって圧縮される。
【００１０】
コンプレッサ１２における圧縮後、摂取空気は、さらなる圧縮のために第２ステージ高圧空気コンプレッサ１６を通って流れ得る。あるいは、この摂取空気は、ポート１３で随意のバイパスチャネル１４に分岐され得、そして随意のバイパスバルブ１５の開放または閉鎖を調節することによって調節されるように、ポート１７で吸気ラインに戻る。
【００１１】
次に、摂取空気は、従来バルブ（図示されず）を通って従来様式で、吸気多岐管１８に、そして燃焼チャンバー２０中に入る。燃焼チャンバー２０における燃焼の後、熱く、加圧された排気ガスは燃焼チャンバー２０を去り、最初は、より高い排気ガスエネルギーレベルは、従来様式である従来バルブ（図示されず）を通り、そしてエンジン１９から排気多岐管２１を通り、排気チャネル２８に流れる。
【００１２】
排気多岐管２１を去った後、排気チャネル２８中の排気ガスは、高圧タービン２５を通って流れ得る。排気チャネル２８中の高圧エクスパンダー２５は、シャフト２９’を通じて吸気ライン１１中の高圧空気コンプレッサ１６に連結され、そしてともにタービン２５およびコンプレッサ１６は、高圧ターボチャージャー３０を形成する。高圧タービン２５を通って流れることに代わりに、排気ガスの一部分は、ポート２２でバイパスチャネル２３に選択的に転換され、そしてポート２６で、タービン２５の上流で構築されたシステム圧力に応答して開くように（能動的または受動的に）作動される排気ゲートバルブ２４の作動によってポート２２の開放または閉鎖により調節されるように、排気ラインに戻る。排気ゲートバルブ２４は、バイパスチャネル２３内のいずれかに位置され得る。排気ゲートを通った排気ガスは、タービンエクスパンダー２５をたとえ通過しなくても、バイパスされた排気ガス流れと、タービンエクスパンダー２５を通過した排気ガスとの間の圧力差異は、自然の膨張、およびこのバイパスされた排気ガスの任意の増加した速度の、バイパスチャネル２３における、またはポート２６における排気ライン２８中のより低い圧力の排気流れとの再結合に際していずれかの散逸によって失われる。
【００１３】
ガスエクスパンダー２５の下流で、第２のより低い排気ガスエネルギーレベルにある排気ガスは、次に、さらなる膨張のために低圧タービン２７を通って流れ、そして次に排気ライン２８を通って出る。図１について、排気ライン２８中のタービンガスエクスパンダー２７は、シャフト２９を通じて吸気ライン１１中の低圧空気コンプレッサ１２に連結され、そしてともにエクハスパンダー２７およびコンプレッサ１２は、低圧ターボチャージャー３１を形成することもまた注目されるべきである。
【００１４】
図２は、本発明の原理に従って作動する１つの実施形態として、図１の先行技術の複数ステージのターボチャージされた内燃エンジンシステムに対する第１の改良を提示する。先行技術に対する本発明のこの実施形態の局面を強調する際の論議を容易にするため、図２の実施形態は、本明細書で以後説明されるのを除いて、すべての局面において先行技術の図１と同一であるように提示される（すなわち、同一の構成要素、システム形態および作動）。
【００１５】
図１の先行技術と比較して図２を参照し、高圧タービン２５の周りのバイパスシステムに関して先行技術からの特定の変化が注目される。図１のバルブ２４同様、図２のバルブ３４は、バイパス手段チャネル３３を通ってポート３６まで、排気ライン２８から分岐された所定量の排気ガスを（例えば、圧力差異により）調節する。しかし、図２では、バルブ３４および戻りポート３６は、タービン２７の入口に向かって、このバイパス流れの方向に対し、より緊密に、そしてより相補的な角度であるような幾何学的形態である。
【００１６】
図２におけるこれらの変化は、バイパスチャネル３３を通って分岐されるバイパスされた排気ガス中のエネルギーの一部分が、バルブ３４を通ってバイパスされた流れを通過させることによって、バルブ３４が減少した断面積ノズルとして作用して、バルブ３４で圧力から運動エネルギー（速度）に変換されるという認識がなされる。従って、バルブ／ノズル３４は、図２では、開放位置にあるとき、バイパスされた排気ガスのための減少した断面積流れ経路を提供することによって、ノズルとして作用する。例として、バルブ／ノズル３４は、開き、排気ガスの流れをスピードアップ（そして好ましくはまた方向付ける）よう設計されたテーパーまたは狭窄（減少した断面）をもつ短いチューブの形状にある流れ経路を形成する。当該技術分野で公知のように、ガスまたは流体流れをスピードアップするこの類似の「ノズル」機能をまた実施し得る多くの公知の代替の構造があり、これらもまた、本明細書で用語「ノズル」または「ノズル手段」の本特許の使用の中に包含されることが意図される。
【００１７】
バルブ／ノズル３４を出る加速された流れは、そこで、排気ライン２８中の流れと交差点３６で（またはタービン２７への入口で直接）、好ましくは、当該分野で公知のように、タービン２７のタービンホイールブレードの直前で、そしてそれに対して適切な入射角で排気流れについて最適の組み合わされた方向を生じる配向で再結合される。この加速された流れは、そこで、排気ライン２８中の排気流れと組み合わされ、タービン２７による機械的回転力に変換される。ポート３６をタービン２７のタービンホイールブレードの十分近傍に位置することにより、この加速された流れは、仕事抽出のためにタービン２７のタービンホイールに到達する前にエネルギーを実質的に散逸させない。バルブ／ノズル３４とタービンホイールとの間の受容可能な距離の選択に関し、この距離が近い程より大きなエネルギーの回収を生じ、そして実験により、この距離は、バイパス加速からのエネルギーの回収における増加が当該技術分野の通常の状態のセンサーでもはや測定可能でなく、そしてそれ故、本発明の範囲内に入らないような点まで増加され得ることが理解される。
【００１８】
従って、図２では、バイパス手段３３およびバルブ／ノズル３４は、高圧タービンの周りのエンジンからの加圧された排気ガスの、この実施形態におけるより低い圧力ステージのタービンの入口までのバイパスを、このバイパスされた流れを、ポート３６がタービン２７への直接入口として横たわるか、またはタービン２７の直前で排気ライン２８への実質的に等価な戻りポートとしてであるかにかかわらず（そしてそれ故、この特定の実施形態には関係なく）、タービン２７のタービンホイールブレードの直前の主排気流れと相補的な流れ方向に残すことによって提供する。
【００１９】
図３は、図２と同じ実施形態を提示するが、バイパスルート３３の長さが関係なく、そして所望であれば、無くされ得ることを示す。さらに、図２または３いずれかでは、バイパスルートは、所望であれば、必要に応じて、図５（以下で論議される）に示されるように、排気ライン２８の代わりに排気多岐管２１から直接始まり得る。
【００２０】
図４は、加速されたバイパス流れの再結合の１つの実施形態、図２および３について上記で論議されたように、タービンホイールブレードの前の、そしてそれに対して適切な入射角にある主排気流れとともにより詳細に示す。図４に示されるように、バイパスルート３３中のバイパス排気流れ４９は、バルブ３４中、バイパスルート３３のより減少した断面（ノズル）領域、および／またはポート３６を通過し、これは、加速されたバイパス排気流れ５１を生成する。当該技術分野で公知のように、バイパス排気流れを加速するためのその他の「ノズル手段」が代わって用いられ得る。加速されたバイパス排気流れ５１は、次に、排気ライン２８中（またはそれに代わってタービン２７それ自体内）のより低い速度の主排気流れ５０と合わされ、組み合わせた排気流れ５２を形成する。組み合わされた排気流れ５２は、好ましくはそのすぐ後に、当該技術分野で公知のように、タービンホイール４７を回転させるような所望の角度でタービンブレード４８を打つ。しかし、このバイパス流れが、回収されるべきエネルギーのために、より低い圧力タービンのホイールブレードとの衝突前に主排気流れと再結合することは必ずしも必要ではないことに注目のこと。
【００２１】
図５は、バイパスルート４３が、排気ライン２８に代わって排気多岐管２１に直接連結される代替の実施形態を提示する。このようにして、これらの実施形態の各々について、バイパス手段４３は、排気多岐管２１と低圧タービン２７との間の直接流体連結を超えないで短縮化され得る。さらに、図５に戻り、図５では、２渦巻きタービン２７’（例えば図１０）がタービン２７を置き換え、タービン２７’の１つの渦巻き５３は、高圧タービン２５の下流の排気ライン２８からのより低い速度およびエネルギー排気を受け、そしてタービン２７’の他方の渦巻き５３’は、排気多岐管２１からのより高いエネルギーおよび速度の（加速された）バイパスされた排気を直接受ける（より低い圧力のタービンのホイールブレードと衝突する前にその他の排気ガスと再結合されることなく）。タービン２７’の渦巻き５３および５３’は、同じサイズである必要はない。タービン２７’のような２渦巻きタービン２７’は当該技術分野で公知であるが、より一般には、分割された排気多岐管との使用のためのように、同じサイズの渦巻きを備える。図１０は、サンプルの２渦巻きタービン２７’の一部切り欠き図を提示する。タービン２７’の２つの渦巻きからの流れは、所望であれば、タービンホイールのブレードに向かって個々の流れの標的付けに関して種々の方法で協調され得ることがまた理解される。
【００２２】
上記の図２〜５について、バイパスルート中のバルブ３４は、本発明では（ｉ）バイパス流れを制御するための調節バルブ、および（ｉｉ）バイパスされた流れの排気エネルギーの一部分を圧力から（バイパスされた排気流れの増加した速度の形態にある）運動エネルギーに変換するノズルとしての両方として機能し得ることが論議された。広範な範囲のエンジン速度および負荷条件の下で作動する内燃エンジンで発生される広範な範囲の排気流れが与えられれば、本発明とともに、エンジン作動の広範な範囲に亘るシステムの利点および有効性を拡大するために、バイパスされた排気流れを加速する際に可変の幾何学的形状能力をもつバルブ／ノズル手段を利用することが好ましい。
【００２３】
この好ましい可変の幾何学的形状能力をもつバルブ／ノズル手段３４の機能を供するために利用され得る種々の構造がある。図６Ａおよび６Ｂでは、２渦巻きタービン２７’との使用のための好ましい実施形態として（または、以下に論議されるように、また図１２中の２タービン配列の単一の渦巻きタービン５６のために）、タービンホイール４７を取り囲むＶＧＴベイン５４がバルブ／ノズル手段として作用する。図６Ｃは、従来のＶＧＴベイン５４のより大きな図を提示する。
【００２４】
図６Ａは、開放配向にあるベイン５４を示し、タービンブレード４８へのバイパスされた排気流れ４９の通過を可能にし、かつ案内し、そしてさらに、タービンブレード４８中に排気流れ４９を加速する際に可変の幾何学的形状のノズルとし作用する。対照的に、図６Ｂは、完全に閉鎖された配向にあり（すなわち、ここでは、タービンホイール４７の周りで「尾と鼻が接して」並べられる）、それによって、渦巻き５３’を通り、タービンブレード４８まで、任意のバイパス排気流れをシールおよびブロックする。このようにして、ＶＧＴベイン５４の位置は、流れを開放または遮断するための調節バルブとして完全に作動し得、そして排気ライン２８および／また排気多岐管２１に付与される背圧を決定し、そしてそれ故、高圧タービン２５を通る主排気流れを許容するための圧力低下を制御する。これは、結果として、比例流れ制御を含む、代替の排気経路を通る流れ制御を提供し、広範なエンジン速度および負荷作動条件に亘るシステムの利点と有効性とを拡張する。
【００２５】
２渦巻きタービン２７’のＶＧＴベイン５４の代替として、図７Ａおよび７Ｂは、渦巻き５３’においてスライドするプレート機構５４’を利用し、タービンブレード４８への渦巻き５３’のバイパス流れを調節および加速することでバルブ／ノズル機能を実施する。同様に、図８は、２渦巻きの二重流れタービンハウジングについて示されるように、スライドする部材／機構５４’’を利用する（ここで、この第２の例については、２つの渦巻きは、タービンホイール４７の周縁に対して横に並んでいることに対し、タービンホイール４７の周縁に対して同心に配置されている）。
【００２６】
図９Ａおよび９Ｂは、ここで、本発明の複数ステージターボチャージングシステムの好ましい実施形態を提示する。図９Ａは、以下に注記されるのを除いて、図５の実施形態に類似である。図９Ａの好ましい実施形態では、バルブ／ノズル３４は、１渦巻きにある可変の幾何学的形状タービン（ＶＧＴ）機構５４、２渦巻きタービン２７’の渦巻き５３’によって置き換えられる。この２つの渦巻き５３および５３’は、図９Ａに一部切り欠き図によって、そしてまた図９Ｂ中および図１０により明りょうに示されるように、タービンホイール４７の周縁の周りでそれらの配向に対して互いに横に並んだ配向にある形態である。ＶＧＴ機構５４は、図９Ａおよび９Ｂに本明細書では、従来の回転する調節可能なベイン５４として提示されている（図６Ａ〜６Ｃにまた示されるように）が、その他のＶＧＴおよび／またはその他のノズル機構がまた、本発明の範囲から逸脱することなく等価に採用され得ることが理解される（例えば、２〜３の例として、カミンズ（Ｃｕｍｍｉｎｓ）によつて、または図７Ａ〜７Ｂ中で用いられるようなスライドするノズル機構、または関節運動する後続エッジを備えたベイン（図６Ｄ））。
【００２７】
当該技術分野で公知のように、調節可能なＶＧＴベイン５４は、排気ガスを絞るためのノズルとして作用し、そして得られる制限を用いて加速された高速度の排気ガス流れを生成し、そしてまたこの排気ガス流れを（図６Ａに表されるように）タービンホイールブレード４８中に案内および方向付ける。従って、１つの実施形態では、ＶＧＴ機構５４は、従来のＶＧＴベインを備え、これは、タービン渦巻き５３’中の円の中に配列された回転するベインであり、これらベインは、一様に回転し得、排気ガスのタービンブレード４８へのより広いか、またはより狭い経路を形成する。ＶＧＴ機構（単数または複数）５４は、好ましくは、このようなベインによってバイパスされた排気流れの運動エネルギーが、当該技術分野で理解されるように、完全に保存され、そしてバイパスされた排気流れが最適角度でタービンブレード４８を打つ前に失われないように、タービンブレード４８に緊密に隣接して配置される。対照的に、タービン２７’の第２の渦巻き５３は、好ましくは、ＶＧＴ機構５４無くして固定された渦巻きであるが、所望であれば、必要に応じてＶＧＴを用い得る。両方の渦巻き５３および５３’からの流れは、図９Ｂのサンプルの実施形態で示される例についてのように、所望によりタービンホイールブレード４８の部分（単数または複数）を標的にする。
【００２８】
図９Ａをさらに参照して、高圧タービン２５（単にブロック形態で提示される）は、排気ライン２８によって排気多岐管２１に流体的に連結される。高圧タービン２５は、所望であれば、必要に応じてＶＧＴ機構を含み得る。排気ガスは、従来様式で入口および出口（図示されず）を通って高圧タービン２５に入り、かつそれから去り、排気ライン２８中を低圧タービン２７’の渦巻き５３まで続き、そこで、それはさらに膨張される。このさらに膨張された排気ガスは、次いで、従来様式で出口（図示されず）を通って、低圧タービン２７’を去り、排気ガス再循環のため、および排気システムからの放出のために排気ライン２８まで続く。低圧タービン２７’のバイパス手段／タービン入口４３はまた、排気多岐管２１に流体的に連結され、高圧排気ガスが、低圧タービン２７’の渦巻き５３’まで高圧タービン２５をバイパスすることを可能にする。上記で論議されたように、ＶＧＴ機構５４は、本明細書で１つの実施形態として調節可能な回転するＶＧＴとして示され、渦巻き５３’を通るバイパスされた排気ガス流れ４９の流れを調節するバルブに代わって作用し、そしてまた、バイパスされた排気流れ４９中の排気エネルギーを運動エネルギー（速度）に変換するためのノズル手段として作用し、加速されたバイパス排気流れ５１を生成し、そしてこの加速されたバイパス排気流れ５１を案内または方向付け、タービンホイール４７の回転のために適切な入射角（例えば、図６Ａに示されるように）でタービンブレードを打つ。タービンブレード４８近傍のＶＧＴ機構５４の配置は、タービンブレード４８における機械的な力への変換のために、バイパスされた排気流れの運動エネルギーおよび運動量における増加が保存されること（減速および膨張を可能にしないことによって）を可能にする。渦巻き５３’からの膨張された排気ガスは、次いで、従来様式で出口（図示されず）を通って低圧タービン２７’を去り、上記で論議されたように、排気ガス再循環のため、または排気システムからの放出のために排気ライン２８中に継続する。
【００２９】
図１１は、図５ならびに図９Ａおよび９Ｂに類似であるが、しかし、２渦巻き低圧タービン２７’に代わって共通シャフト２９’’上に２つの低圧タービン５６および５７を備える、本発明のエンジンシステムおよびターボチャージングシステムの代替の好ましい実施形態を提示する。タービン５６は、図９Ａ〜９Ｂからの渦巻き５３’に類似の形態および様式であるＶＧＴ機構を利用し、そして上記で先に記載されたような様式の１つで、バイパスルート４３からバイパス排気流れを受容する。タービン５７は、その一方、好ましくは、固定された幾何学的形状を利用し、そしてまた上記で先に記載されたように、高圧タービン２５をすでに通過した排気ライン２８からの排気ガスを受容する。各低圧タービン５６および５７は、別個のタービンホイール配列を含み（図１２に示されるように、タービンホイール４７および４７’、およびブレード４８および４８’として識別される）、回転するホイール４７および４７’は、共通の回転するシャフト２９’’によって連結され、この配列はまた、シャフト２９の一部分であり、これは、この２つのタービン５６および５７を（図１１に示されるように）コンプレッサ１２に連結する。コンプレッサ１２、シャフト２９および２９’’、および２つのタービン配列５６および５７は、この実施形態では、ターボチャージャー３１’を備える。
【００３０】
図９のタービン５６および５７中の膨張の後、タービン５６および５７を去る排気ガス流れは、その後、排気ライン２８中の下流（または、代替例では、２つのタービン配列自体内で）で合わされる。
【００３１】
先行する記載から、本明細書中の本発明の新規な目的および方法を達成するためにまた形成され得る種々のその他の実施形態があり、しかも、等価な機能および目的をもつそのような改変物もまた、本特許の範囲内に入ることが意図されることが理解される。例えば、本明細書中の本発明の目的は、内燃エンジンターボチャージングシステムと組み合わせてよりもその他の適用におけるガスまたは流体流れのための複数ステージタービンに適用され得る。この特許は、従って、法によって可能な様式で、特許請求の範囲によってのみ制限されることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
図面において、同じ参照番号は、類似の要素または作用を識別する。図面中の要素のサイズおよび相対的位置は、必ずしもスケール通りに描かれてはいない。
【図１】図１は、先行技術の複数ステージターボチャージングシステムを備えた内燃エンジンシステムの概略図である。
【図２】図２は、本発明の第１のターボチャージングおよびバイパス配列を備えた内燃エンジンシステムの概略図である。
【図３】図３は、本発明の第２の代替のバイパス配列を備えた内燃エンジンシステムの概略図である。
【図４】図４は、図３に示されるシステムのターボチャージングおよびバイパス配列のより詳細な図である。
【図５】図５は、本発明の別のターボチャージングおよびバイパス配列を備えた内燃エンジンシステムの概略図である。
【図６Ａ】図６Ａは、２渦巻き低圧タービンとの使用のための好ましい可変の幾何学的形状のバルブ／ノズル手段を提示し、このバルブ／ノズル手段はＶＧＴベインであり、２渦巻き低圧タービンの第２の渦巻き中で、開放位置で示される。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図６Ａの好ましい可変の幾何学的形状のバルブ／ノズル手段の別の図を提供し、しかし、このバルブ／ノズル手段は閉鎖位置にある。
【図６Ｃ】図６Ｃは、タービンにおける使用のための従来の回転ＶＧＴベインを示す。
【図６Ｄ】図６Ｄは、関節運動後続エッジを備えた代替のＶＧＴベインを示す。
【図７】図７Ａおよび７Ｂは、２渦巻きタービンの断面図であり、２渦巻き低圧タービンの第２の渦巻きにおける使用のための本発明の代替の可変の幾何学的形状のバルブ／ノズル手段の実施形態を示す。
【図８】図８は、２渦巻きタービンの断面図であり、２渦巻き低圧タービンの第２の渦巻きにおける使用のための本発明の第２の代替の可変の幾何学的形状のバルブ／ノズル手段の実施形態を示す。
【図９Ａ】図９Ａは、本発明の好ましい内燃エンジン複数ステージターボチャージングおよびバイパス配列を示し、本発明における渦巻き５３’を部分的に切り欠いた図で示す。
【図９Ｂ】図９Ｂは、本発明の内燃エンジン複数ステージターボチャージングおよびバイパス配列の好ましい実施形態の２渦巻きタービンを示す。
【図１０】図１０は、本発明の図９Ａおよび９Ｂの好ましい実施形態における使用のためのような、横に並んだ配向にある２渦巻きタービンの一部切り欠き図を示す。
【図１１】図１１は、本発明の内燃エンジンシステムの別の代替の実施形態の概略図であり、共通シャフト上の２つのタービンを示す。
【図１２】図１２は、図１１の本発明の共通シャフトターボチャージング上の２つのタービンおよびバイパス配列のより詳細な図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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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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【国際調査報告】
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