(57)【要約】ターボチャージャーシステム（３０）は、排気ガスが第１タービン（２５）次いで第２タービン（２７）を通過するように配列された第１タービンおよび第２タービンを含む。バイパスチャネル（２３）は、排気ガスが第２タービン（２７）を通じてのみ通過するようにされる。このチャネル中に位置決めされるバルブ（２４、３４、６０、６６、７０）が、それを通るガスの流れを調節する。このバルブは、ガスの流れを加速し、第２タービンに向かって、付加された速度の大部分が第２タービンに入るとき保存されるように集める。バルブの作動は、第１タービン圧力（２５）を超える排気ガス圧力が第１の閾値未満である間に閉鎖位置に維持し、圧力（２５）がこの第１の閾値を超えて増加するとき、バルブを漸次開放し、そして圧力（２５）が第２の閾値を超えている間にバルブを完全開放位置に維持するように制御され得る。
2008511796.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボチャージャーバイパスバルブであって：
第１のガス入口とガス出口との間に延びる第１の通路、および第２のガス入口とガス出口との間に延びる第２の通路を有するバルブ本体であって、該第１の通路および第２の通路が、該第１の入口および第２の入口に入るガス流れが該ガス出口を出る単一のガス流れに合わされるような形態であるバルブ本体；
閉鎖位置と開放位置との間で作動可能なバルブ部材であって、該閉鎖位置では該バルブ部材が該第２の通路中のすべてのガス流れを実質的にブロックし、そして該開放位置では該第２の通路中を流れるガスが該バルブ部材によって妨げられず、該第２の通路中を流れるガスを該出口に向かう実質的に集められた流れに向けるような形態であるバルブ部材；および
該第２のガス入口における圧力レベルに従って該バルブ部材の作動を制御する形態の制御機構、を備える、バルブ。
【請求項２】
前記制御機構が：
前記バルブ部材を、前記圧力レベルが第１の閾値未満である間に前記閉鎖位置に維持し；
前記バルブ部材を、前記圧力レベルが該第１の閾値を超えるとき前記開放位置に向かって移動し；そして
前記バルブ部材を、前記圧力レベルが該第１の閾値より大きい第２の閾値を超える間に前記開放位置に維持するような形態である、請求項１に記載のバルブ。
【請求項３】
前記バルブ部材が、前記第２の通路の一部分と協働し、可変の幾何学的形態のノズルを形成する、請求項１に記載のバルブ。
【請求項４】
前記第２の通路が、前記第２の入口と前記出口との間で真っ直ぐである、請求項１に記載のバルブ。
【請求項５】
前記バルブが、ゲートタイプバルブである、請求項１に記載のバルブ。
【請求項６】
前記バルブが、ベンチュリタイプバルブである、請求項１に記載のバルブ。
【請求項７】
入口および出口を有する第１タービン；
該第１タービンの入口と流体連通する第１の端部、および該第１タービンの出口と流体連通する第２の端部を有し、そして該第１タービンの周りのガス状流体の流れのためのバイパスを提供するようなバイパスチャネル；
該第１タービンの出口および該バイパスチャネルの第２の端部と流体連通する入口、および出口を有する第２タービン；および
該バイパスチャネル中に位置決めされ、そして該バイパスチャネル中のガス状流体の流れを調節するような形態のバルブであって、それを通るガス状流体の流れの速度を増加し、そして該第２タービンの入口に向かう流れを、該流体の流れの増加した速度が、それが該第２タービンに入るとき実質的に保存されるように集めるバルブ、を備える、システム。
【請求項８】
前記流体の流れが、前記第１タービンの出口からのガス状流体のさらなる流れと合わされ、そして該流体の第１の流れの増加した速度の部分が該流体のさらなる流れに与えられる、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記バルブが、ゲートタイプバルブである、請求項７に記載のシステム。
【請求項１０】
前記バルブが、ベンチュリタイプバルブである、請求項７に記載のシステム。
【請求項１１】
前記バルブの幾何学的形状を閉鎖位置と開放位置との間で変化する形態のアクチュエータをさらに備え、該閉鎖位置では、前記バイパスチャネル中の流体の通過が実質的にブロックされ、該開放位置では、該バイパスチャネル中の流体の通過が実質的に妨害されない、請求項７に記載のシステム。
【請求項１２】
前記第１タービンの入口における流体圧力のレベルに応答して前記アクチュエータを制御する形態のコントローラをさらに備える、請求項７に記載のシステム。
【請求項１３】
前記コントローラおよびアクチュエータが、集合的に、前記バルブの幾何学的形状を、前記圧力が第１の閾値未満である間に閉鎖位置に維持し、該圧力が該第１の閾値を超えて増加するとき、該幾何学的形状を開放位置に向かって漸次変化し、そして該圧力が第２の閾値を超えている間に該バルブを開放位置に維持するような形態である、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記コントローラが、前記第１タービンの入口と流体連通する排気経路中に位置決めされた圧力センサを含む、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１５】
前記流体圧力のレベルが、エンジンの作動値を基に算出される、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１６】
前記第１タービンおよび第２タービンにそれぞれ作動可能に連結される第１のコンプレッサおよび第２のコンプレッサをさらに備える、請求項７に記載のシステム。
【請求項１７】
前記第２のコンプレッサの出力が、前記第１のコンプレッサの入力と流体連通している、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
内燃エンジン；
該エンジンに連結され、そして該エンジンの燃焼シリンダからの排気ガスを受容するような形態である排気多岐管；および
該排気多岐管の出口に連結される第１の端部、および前記第１タービンの入口に連結される第２の端部を有する排気チャネルをさらに備える、請求項７に記載のシステム。
【請求項１９】
前記第２タービンの入口が、前記排気チャネルのバイパスポートに連結される、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記第２タービンの入口が、前記排気多岐管のさらなる出口に連結される、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２１】
ターボチャージャーシステムであって：
内燃エンジンの排気システムに連結されるような形態の入口を有する第１タービン；
該第１タービンの入口と流体連通する第１の端部、および該第１タービンの出口と流体連通する第２の端部を有するバイパスチャネル；
該第１タービンの出口と流体連通する入口を有する第２タービン；および
該排気システム中の排気ガスの圧力レベルに直接関係して、該第１タービンを過ぎる該排気システム中の排気ガスの一部分をバイパスし、バイパスされた一部分における圧力低下を、該バイパスされた一部分の速度における増加に変換し、そして該バイパスされた一部分を該第２タービンの入口に向かう集められた流れにするためのバイパス手段、を備える、ターボチャージャーシステム
【請求項２２】
排気多岐管からの排気ガスの第１の流れを第１タービンに伝達する工程；
該排気多岐管中の排気圧力のレベルが閾値を超えるとき、該多岐管からの排気ガスの第２の流れを第２タービンに伝達する工程；
該閾値を超える排気圧力のレベルに直接関係して、該第２タービンへの該排気ガスの第２の流れを調節する工程；
該第２の流れ中の圧力エネルギーを、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工程；および
該転換されたエネルギーの実質的部分が該第２の排気ガス流れ中にある間に、該排気ガスの第２の流れを該第２タービンに導入する工程、を包含する、方法。
【請求項２３】
前記排気ガスの第１の流れを前記第１タービンから第２タービンに伝達する工程をさらに包含する、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記第１および第２の流れを前記第２タービンに導入する工程の前に、該第１および第２の流れを単一の流れに合わせる工程をさらに包含する、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記調節する工程および変換する工程が、可変幾何学的形状ノズルとして機能するバルブ形態の使用を通じて実施される、請求項２２に記載の方法。
【請求項２６】
入口および出口を有する第１タービン；
該第１タービンの出口と流体連通する入口、および出口を有する第２タービン；
該第１タービンを通過することなく該第２タービンの入口にガス流れを通すためのバイパス手段；および
該バイパス手段中のガス流れの圧力が低下するとき放出されたエネルギーポテンシャルの一部分を保存するための手段、を備える、システム。
【請求項２７】
前記第１タービンの入口におけるガス圧力レベルに従って、ガス流れの容量を可変に制御するための制御手段をさらに備える、請求項２６に記載のシステム。
【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）
本明細書中に開示される発明は、一般に、内燃エンジンのためのターボチャージャーシステム、そして詳細には、第１タービンの周りの排気ガス流れを転換するためのバイパスシステムを有する複数ステージターボチャージャーに関する。
【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の流れ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。この回転運動は、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、所定量の空気をその入口で入る空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
増加する機会を提供する。ターボチャージャー中のタービンは、しばしば、ガスエキスパンダと称される。これは、このタービンが、本質的に、排気流れ中のガスと周囲圧力との間の圧力差によって表されるエネルギーのいくらかを、タービンおよびコンプレッサの回転の形態にある機械的エネルギーに変換するからである。上記排気流れ中のガスが圧力を損失するとき、それは、膨張し、そしてポテンシャルエネルギーを失う。
【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】
タービンの周りの排気流れをバイパスすることもまた、当該技術分野で周知である。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、高圧タービン入口の上流のバイパスチャネル中のポートを開き、バイパス排気流れが、排気ゲートでの、そしてこのバイパスチャネルを通る経路中での圧力低下に対して自然に膨張し、そして次にバイパスタービンの下流に排気流れを残して再結合して、このタービンの周りで排気流れの一部分を転換する。
【０００６】
図１は、公知技術による、複数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概略的に示す。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）と混合され得、チャージ−空気混合物を形成する。周囲空気およびチャージ−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。
【０００７】
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に転換または分岐され得、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。
【０００８】
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。
【０００９】
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中の高圧タービン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。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。
【００１０】
タービン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、そして次に排気チャネル２８を経由して出る。排気チャネル２８中のタービン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、そしてともにタービン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。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
（発明の簡単な要旨）
本発明の実施形態によれば、ターボチャージャーシステムが提供され、入口および出口を有する高圧タービン、この高圧タービンの入口と流体連通する第１の端部、およびこの高圧タービンの出口と流体連通する第２の端部を有し、そしてこの高圧タービンの周りの流れのためのバイパスを可能にするような形態のバイパスチャネル、および上記高圧タービンの出口および上記バイパスチャネルの第２の端部と流体連通する入口、および出口を有する低圧タービンを備える。このシステムはまた、上記バイパスチャネル中に位置決めされ、そして上記バイパスチャネル中の流れを調節するような形態のバルブを含み、このバルブはさらに、それを通る流体の流れ加速し、そして上記低圧タービンの入口に向かう流れを、上記流れの付加された速度の大部分が、それが上記低圧タービンに入るとき保存されるようにするような形態である。このバルブは、上記流体の流れを集めるノズルとしての機能するような形態であり得る。
【００１２】
閉鎖位置と開放位置との間でバルブの幾何学的形状を変えるような形態のアクチュエータが提供され、上記閉鎖位置では上記バイパスチャネル中の通路が実質的にブロックされ、上記開放位置では上記バイパスチャネル中の流体の通路は実質的に妨げられない。上記第１タービンの入口における流体圧力のレベルに応答して上記アクチュエータを制御すような形態のコントローラもまた、提供される。
【００１３】
上記コントローラおよびアクチュエータは、集合的に、上記バルブの幾何学的形状を、上記圧力が第１の閾値未満である間に閉鎖位置に維持し、上記圧力が上記第１の閾値を超えて増加するとき、上記幾何学的形状を開放位置に向かって漸次変化し、そして上記圧力が第２の閾値を超えている間に上記バルブを開放位置に維持するような形態である。
【００１４】
１つの実施形態によれば、ターボチャージャーを含むエンジンシステムが提供される。
【００１５】
別の実施形態によれば、バルブ本体およびバルブ部材を含むバイパスバルブが提供される。このバルブ本体は、第１のガス入口とガス出口との間に延びる第１の通路、および第２のガス入口とガス出口との間に延びる第２の通路を有する。この第１の通路および第２の通路は、上記第１の入口および第２の入口に入るガス流れが上記ガス出口を出る単一のガス流れに合わされるような形態である。このバルブ部材は、このバルブ部材が上記第２の通路中のすべてのガス流れを実質的にブロックする閉鎖位置と、上記第２の通路を流れるガスが上記バルブ部材によって実質的に妨害されない開放位置との間を作動可能であり、そして上記第２の通路中のガス流れを上記出口に向かう実質的に集められた流れに向けるような形態である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
（発明の詳細な説明）
以下の説明では、本発明の種々の実施形態の完全な理解を提供するために特定の特有の詳細が提示される。しかし、当業者は、本発明がこれらの詳細なくして実施され得ることを理解する。
【００１７】
本発明で以後説明される実施形態は、内燃エンジンの排気ガス流れのエネルギーのより効率的な回収を主に取り扱う。
【００１８】
図１を再び参照して、先に説明されたように、排気がタービン上で膨張されるとき、高圧タービン２５上を横切って圧力における低下があり、その一方、このタービンは、排気流れからエネルギーを捕獲する。不幸なことに、バイパスライン２３上のポート２２と２６との間で流れる排気中では、等しい低下が起こり、そのすべては回収されない排気エネルギーである。この圧力低下の大部分は、排気ゲート２４で生じる。本発明者らは、バイパスチャネル２３におけるこの低下が有用なエネルギーの損失を意味することを認識した。このエネルギーの損失は、排気ゲート２４が部分的に開放しているエンジンの作動の範囲で最も鋭い可能性がある。この範囲では、排気ゲート２４を横切る顕著な圧力低下がある。例えば、高圧タービン２５は、その最大効率範囲またはそれを超えて作動していても良く、そして低圧タービン２７は、その最大効率範囲のいくぶん下で作動しているかも知れない。
【００１９】
排気ゲート２４が部分的にのみ開放されている作動の範囲では、排気ゲート２４を横切る圧力低下は、排気ガスがこのゲートの制限している通路を通過するとき、増加した流速または速度に対応する。圧力が低下する点では、この排気ゲート２４の上と下との加圧ガス間の圧力における差異によって表されるエネルギーポテンシャルがガス流れにおける乱流運動エネルギーに変換される。排気ガスがバイパスチャネル２３からポート２６に下方に辿ることを継続するとき、それらがバイパスチャネル２３およびポート２６の回旋を通過し、そして高圧タービン２５から流れるガスと再混合されるので、それらは、遅くなり、そして変換された運動エネルギーを失う。本発明者らは、このバイパスチャネル２３および排気ゲート２４におけるエネルギー損失の少なくともいくらかは、有用に取り戻せ得ることを決定した。
【００２０】
図２は、本発明の第１の実施形態を示す。この実施形態の先行技術に対する局面を強調する際の論議の容易さのために、本明細書では、すべての観点（すなわち、同一の構成要素、命数法、システム形態および操作）で、本明細書で以後説明されるのを除いて、先行技術の図１と同一として提示される。
【００２１】
図１と比較して図２を参照すると、先行技術から特定の変更が、高圧タービン２５の周りのバイパスシステムに関してなされていることが注目される。図２では、バルブ３４が、バイパスチャネル３３を通る排気チャネル２８からポート３６まで分岐される排気ガスの量を（例えば、圧力差異を通じ）調節する。バイパスチャネル３３を通って分岐されているバイパスされた排気ガス中のエネルギーの一部分は、バルブ３４を通過させることによって圧力から運動エネルギー（速度）に転換され、バルブ３４は、このバイパスされた流れを加速し、そして集める低減された断面領域ノズルとして作用する。
【００２２】
バルブ３４を出る加速された流れは、本明細書で以後より詳細に論議されるように、高圧タービン２５からの流れと、バイバスチャネル３３からの流れの利用可能な運動エネルギーを保存するため、そしてタービン２７のタービンホイールブレードと接触する直前に排気流れのための効率的な組み合わせ方向を提供するために選択された配向に再結合される。この加速された流れは、次に、排気チャネル２８中の排気流れと組み合わせられ、タービン２７によって機械的回転エネルギーに転換される。
【００２３】
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、そして集められた流れは、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するようにはされない。このようにして、バイパスチャネル３３は、高圧タービン２５の周りのエンジン１９からの加圧排気ガスの低圧ステージタービン２７の入口へのバイパスを、ポート３６がタービン２７への直接入口を備えるか、またはタービン２７直前の排気チャネル２８への実質的に等価な戻りポートであるかにかかわらず、タービン２７のタービンホイールブレード接触する直前に、バイパスされた流れを主排気流れと相補的に流れる方向に向けることによって提供する。
【００２４】
バルブ３４は、多くの図において、単純なフラッパバルブとして表されている。これは、便利さのみのためであり、そしてバルブの構造に関して本発明の範囲を制限することは意図されない。例えば、バルブ３４は、排気ガスの流れを、バルブ３４からの高速度排気ガスの流れが、低圧タービン２７中に直接集められるように速度を上げ、そしてそれに向かうために設計されたテーパーまたは狭窄（低減された断面）をもつ短いチューブの形状の流れ経路を形成するように開いていても良い。バルブ構造のその他の例は、本明細書で以後より詳細に論議される。
【００２５】
本明細書および特許請求の範囲で用いられるとき、用語「集める」は、ガスが均一かつ整然とした流れに実質的に向けられ、そして運動量が増加および保存される本発明の種々の実施形態による、バイパスバルブからの排気ガスの流れをいう。これは、代表的な排気ゲートで一般に生じる乱流および方向付けられないガス流れとは対照的である。
【００２６】
図３の実施形態は、バイパスチャネル３３の長さが実質的にないことを除いて、図２のそれと類似である。さらに、バイパスチャネルは、必要に応じて、所望であれば、図５を参照してより詳細に説明されるように、排気チャネル２８に代わって、排気多岐管２１から直接始まり得る。
【００２７】
図４は、図２および３を参照して上記で論議されたように、加速されたバイパス流れ５１が、タービン２７のタービンホイールブレードに接触する前に、主排気流れ５０と再結合される実施形態のより詳細を示す。図４に示されるように、バイパスチャネル３３中のバイパス排気流れ４９は、バイパスチャネル３３および／またはポート３６の低減された断面（ノズル）領域中のバルブ３４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。加速されたバイパス排気流れ５１は、次に、排気チャネル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、次いで、当該技術分野で公知のように、タービンホイール４７を回転させるように選択された角度でタービンブレード４８を打つ。
【００２８】
主排気流れ５０と組み合わせることで、バイパス排気流れ５１の速度のいくらかは、より遅い主排気流れ５０に与えられることに注目すべきである。これは、このバイパス排気流れ５１によって引き渡されるエネルギーが主排気流れ５０に移される限り、エネルギーの正味の損失を必ずしも表すのではない。従って、速度を保存することに言及する用語はまた、例えば、本明細書または特許請求の範囲でバイパスガスに言及するために用いられるとき、１つのガス流れの速度の一部分のもう１つへの移行をいい得る。
【００２９】
図５は、バイパスチャネル４３が、排気チャネル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示す。このようにして、バイパスチャネル４３は、バイパスバルブ３４をその中に位置決めして、排気多岐管２１と低圧タービン２７への入口との間の直接流体連結であるように短縮化され得る。
【００３０】
図２〜５を参照して上記で説明された実施形態では、バイパスチャネル中のバルブ３４は、本発明では（ｉ）バイパス流れを比例的に制御するための調節バルブ、および（ｉｉ）バイパスされた排気流れを集め、そして加速するノズルとしての両方として機能し得ることが開示されている。あるいは、別個のバルブおよびノズル構造が用いられ得る（例えば、ノズルの直ぐ上流のオン／オフバルブとともに）。本発明の実施形態によれば、バイパスされた排気流れを集めおよび加速するために、可変の幾何学的形状能力をもつバルブ／ノズルが提供され、より広い範囲のエンジン作動に亘るシステムの利点および有効性を拡張し、そしてこのシステムの排気流れ特徴における増分変化に対する均整と適切に適合する。
【００３１】
ここで、図６を参照して、可変幾何学的形状のバイパスバルブ６０が示される本発明の実施形態が示される。この可変幾何学的形状のバイパスバルブ６０は、チャネル６４内でスライドするような形態のスライドするバルブ部材６２を含む。このスライドするバルブ部材６２は、バルブチャネル６４内で、バイパスチャネル３３がこのスライドする部材６２によって完全の閉鎖される第１の位置、およびこのスライドするバルブ部材６２がバルブチャネル６４内にバイパスチャネル３３が妨害されないように完全に退却される第２の位置からスライドするような形態である。このスライドするバルブ部材６２の形状は、バイパスチャネル３３を通る排気ガスの流れを、これらガスがバルブ部材６２を通るとき、集中するように選択される。実際、このスライドするバルブ部材６２は、チャネル３３の対向する壁と協働し、可変の幾何学的形状を有するノズルを形成する。
【００３２】
アクチュエータ６１は、スライドするバルブ部材６２を上記第１の位置と第２の位置との間を移動するような形態である。コントローラ６３は、排気ラインにおける圧力を感知または決定するような形態であり、そして従ってアクチュエータ６１を制御する。
【００３３】
排気チャネル２８中のガス圧力は、第１の閾値未満である間は、バイパスバルブ６０は閉鎖位置に維持される。排気チャネル２８中の圧力がこの第１の閾値を超えて上昇するとき、バルブ６０は開放し始め、排気ガスの一部分が高圧タービン２５をバイパスし、そして低圧タービン２７に直接流れることを可能にする。バルブ６０は、上記第１の閾値を超える排気ガスの圧力における変化に比例して応答するように制御される。このようにして、高圧タービン２５を横切る最大圧力は、エンジンからの排気流れが変化するとき、実質的に一定のままである。
【００３４】
スライドするバルブ部材６２と、バイパスチャネル３３の対向する壁との間の通路は、概してバイパスチャネル３３の断面積に対して非常に小さい面積を有するので、実質的にすべての圧力低下がバルブ６０のノズルで起こる。排気ガスは、それらが部分的に閉鎖されたノズルを通過するとき加速する。加速されたガス５１の流れは、高圧タービン２５から出る排気流れ５０と再結合され、組み合わされた流れ５２を形成し、これは、次に、タービン２７に入る。
【００３５】
排気チャネル２８中の圧力が増加し続けるとき、アクチュエータ６１は、排気ガス圧力が第２の閾値を超えるまで、スライドするバルブ部材６２をバルブチャネル６４中に退却し続け、それによってノズルを広くし、この点では、このスライドするバルブ部材６２は、バルブチャネル中に完全に退却され、そしてバイパスチャネル３３は妨害されない。
【００３６】
アクチュエータ６１およびコントローラ６３は、ブロック形態のみで示されているが、このようなデバイスの設計および製造は、当業者の能力内である。それらは別個の構成要素であり得るか、または単一の構成要素に組み合わされ得る。
【００３７】
上記第１および第２の閾値の選択は、任意の所望の規準に従い得る。例えば、第１の閾値は、高圧タービンが最も効率的に作動する圧力として選択され得る。あるいは、第１の閾値は、高圧タービンの最大の所望のｒｐｍに対応する圧力として選択され得、それによって、摩耗を低減し、そしてタービン寿命を延ばす。いくつかのシステムでは、第２の閾値は、関連するエンジンの作動範囲を超え得る。このようなシステムでは、上記バイパスバルブは、完全に開放されることは決してなく、常に、バイパスガス流れを少なくともある程度制限し、そして集めている。その他のシステムでは、第２の閾値を超える延長された範囲の作動が存在し、そこでは、バイパスバルブは、完全に開放されて静止し、そして排気ガスは妨害されないで通過する。第１および第２の閾値を確立するための規準の選択および操作は、当業者の能力内である。
【００３８】
バイパスバルブの制御は、受動的であり得、そこでは、排気ライン中の増加する圧力は、スプリング抵抗性に打ち克ち、例えば、この排気ライン中の圧力のレベルに従ってこのバルブをより大きく、またはより少ない程度開放する。この制御は、センサが排気経路中に提供され、そして回路またはモジュールがこのセンサによって提供される信号をモニターしバルブの作動を制御するときのように、能動的であり得る。
【００３９】
あるいは、このバルブは、排気ガス圧力センサ以外のセンサからの信号に応答して制御され得る。例えば、エンジン負荷に関する情報と組み合わせたエンジンｒｐｍが排気ガス圧力を算出するたに用いられ得る。いくつかの実施形態によれば、上記バルブは、その他のセンサ信号またはエンジンデータに由来する算出または参照テーブルに基づいて制御され得、そして排気圧力は、算出または測定さえされなくても良いかも知れない。それにもかかわらず、本明細書および特許請求の範囲の目的には、上記の例のすべては、結果が、バルブ位置が排気圧力に少なくともいくらか関連する場合、排気ガス圧力を決定する異なる方法であると考えられる。
【００４０】
本明細書に記載される実施形態では、バイパスバルブの制御は、一般に、多岐管または排気チャネル中の排気ガス圧力を参照して記載される。排気バイパスシステムの制御はまた、あるいはそれに代わって、例えば、物質流速または排気ガス速度のようなその他のパラメータに応答し得ることが当業者によって理解され得る。従って、圧力が、添付の特許請求の範囲で記載される操作パラメータであるが、上記で述べたようなパラメータを含むその他の操作パラメータが等価であると考えられ、そしてそれ故、同様に特許請求の範囲内に入る。
【００４１】
ここで、図７〜８Ｂを参照して、ゲートバルブタイプのバイパスバルブ７０が示される。図７は、分解された図でこのバルブ７０を示す。その一方図８Ａおよび８Ｂは、図７の線８−８に実質的に沿ってとった断面を示す。このバルブ７０は、第１の入口７４と出口７８との間に延びる第１の通路７３、および第２の入口７６と出口７８との間に延びる第２の通路７５を有するバルブ本体７２を含む。スライドするバルブ部材８０は、バルブチャネル８４内に位置決めされ、そしてアクチュエータロッド８２を備える。案内プレート８６は、バルブチャネル８４の上でバルブ本体７２に連結されるような形態であり、そしてアクチュエータロッド８２が通過するアパーチャ８８を含む。ブッシング９０が、案内プレート８６とスライドするバルブ部材８０のアクチュエータロッド８２との間のアパーチャ８８内に位置決めされる。ファスナーが一般に参照番号９２によって示される。
【００４２】
このバイパスバルブ７０は、第１の入口７４を経由して第１の通路７３中に排気ガスの第１の流れ９４を、そして第２の入口７６を経由して第２の通路７５中に排気ガスの第２の流れ９６を受容するような形態である。このバルブ７０に入る排気ガスの第１および第２の流れ９４、９６は、出口７８を経由してこのバルブ７０を出る排気ガスの単一の流れ９８に合わされる。スライドするバルブ部材８０は、第２の通路７５中の排気ガスの第２の流れ９６の通過が完全にブロックされる完全に閉鎖された位置と、図８Ａに示されるように、スライドするバルブ部材８０がバルブチャネル８４中に完全に退却され、第２の流れ９６に妨害を提供しない第２の位置との間を移動するような形態である。このスライドするバルブ部材８０の形状は、バルブ部材８０がバルブ本体７２の壁１００と協働し、それらの間のガスの流れを集めるためのノズルとして機能し、第２の流れ９６の速度を増加し、そしてその乱流を最小にし、ならびに流れ９６を、それがバルブ７０の出口７８の近傍で流れ９４と合わされるとき集めるように選択される。図８Ｂは、第２の流れ９６が実質的に制限されている、部分的に閉鎖された位置にあるスライドするバルブ部材８０を示す。
【００４３】
示された実施形態では、第２の通路７５は真っ直ぐであり、第２の入口７６と出口７８との間で、方向における変化に起因するエネルギー損失を最小にする。さらに、バルブ本体７２およびスライドするバルブ部材８０の幾何学的形状は、乱流が可能な限りないように第１の流れ９４および第２の流れ９６を合わせるように選択され、その結果、合わされた流れ９８は、高エネルギーレベルを保持する。
【００４４】
図９を参照して、本発明の１つの実施形態が示され、そこでは、本明細書では、ベンチュリタイプバルブ６６と称されるバルブが、バイパスチャネル３３が排気チャネル２８に再び一緒になる点でバイパスチャネル３３中に位置決めされる。このバイパスバルブ６６は、バルブチャンバ６９内に位置決めされるバルブ部材６８を含む。このバルブ部材６８は、このバルブ部材６８がバルブシート６７と接触する完全に閉鎖された位置と、このバルブ部材６８がバルブチャンバ６９中の実質的に中央位置に退却される完全開放位置との間を移動するような形態である。このバルブ部材６８が開放位置にある間、バイパスチャネル３３中の排気流れ４９は、バルブ部材６８の周りで妨害されないで自由に流れ、そして排気チャネル２８中に流れる。バルブ部材６８が閉鎖位置に向かって移動するとき、バルブ部材６８の形状は、バルブシート６７の形状と協働して、排気流れ４９の流れを漸次制限し、その一方、排気を、それが排気チャネル２８に入るとき集められた流れに方向付ける。
【００４５】
別の実施形態によれば、バルブ６６は、真のベンチュリバルブであり、そこでは、バルブチャンバ６９の出口は、排気チャネル３３に対し、完全に開放するとき、バルブ６６がそれを通って流れるガスを加速かつ集めるように狭窄されたサイズを有する。
【００４６】
本発明の実施形態は、従前に公知の複数ステージターボチャージャーシステムに対していくつかの利点を提供する。例えば、代表的な先行技術のシステムでは、排気ゲートが部分的に開放されているとき、作動の中央範囲で効率が顕著に低下する。これは、例えば、このようなシステムを採用するエンジンがこの範囲を通って加速するとき、出力低下、燃料対負荷−質量比における減少、または燃料効率対補償における低下のいずれかがあることを意味する。通常の都市およびフリーウェイ作動の間で起こり得るように、エンジンがこの範囲で長期間作動する場合、このターボチャージャーシステムの全体の利点および効率は、大きく低減される。
【００４７】
本発明の実施形態は、この低下を大きな程度和らげ得、そして作動の中央範囲における増加した燃料およびエネルギー効率を提供する。
【００４８】
作動の中央範囲における最小の要求されるレベルの効率に合致するよう設計された先行技術のシステムは、高い範囲および低い範囲において過剰産生であり、そうでなければ必要であろうより高い負荷をエンジンに置く。
【００４９】
本発明の実施形態によるターボチャージャーシステムは、中央範囲おける増加した効率を有するので、高い範囲および低い範囲の作動特徴は、実際のエンジン要求かなりより近くあり得、これは、先行技術と比較したとき、これらの範囲おけるエンジン性能を改善する。これは、次に、出力を犠牲にすることなくエンジンの全体の燃料経済を増加する。
【００５０】
最後に、本発明の実施形態に従うより効率的なシステムは、全体の負荷要求を減少し得、これは、ターボチャージャーのサイズおよび重量における減少に変換され、これは、さらに、乗物効率をさらに改善し、そしてエンジン区画配列を単純にする。
【００５１】
本明細書で言及され、そして／または出願データシートに列挙された、上記の米国特許、米国特許出願公開、米国特許出願、外国特許、外国特許出願および非特許刊行物のすべては、それらの全体が、本明細書中に参考として援用される。
【００５２】
先行する記載から、本発明の特定の実施形態が、例示の目的のために本明細書中に記載されているが、種々の改変が、本発明の思想および範囲から逸脱することなくなされ得ることが認識される。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲によることを除いて、制限されない。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
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、公知技術による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、本発明の実施形態による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、本発明の別の実施形態による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４】図４は、図３の実施形態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、本発明の別の実施形態による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６】図６は、本発明の別の実施形態による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７】図７は、本発明の実施形態によるバイパスバルブの分解等尺性図である。
【図８Ａ】図８Ａは、図７の線８−８に沿ってとったバルブの断面図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、図７の線８−８に沿ってとったバルブの断面図である。
【図９】図９は、本発明のさらなる実施形態によるターボチャージャーバイパス配列の概略図である。
【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６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【国際調査報告】
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