(57)【要約】【課題】広範囲の効率特性を有する簡素で且つ効率の良い出力タービンの提供。【解決手段】空気入口と燃焼生成物の排気口とを有する空気吸入往復内燃機関を組み込んでいる内燃機関装置。半径流タービン２２は燃焼生成物を受け取る。ハウジング４４内でタービンホイール５０が回転可能である。当該ハウジングは、前記入口からタービンホイールの外周の区分された部分まで約１８０°に亘ってつながっている第一及び第二の通路５８、６０を備えている。当該通路は、タービンホイールの外周に隣接して固定された羽根６６、６８を備えており、前記通路のうちの一つにおける羽根の角度は、他の通路における羽根の角度と異なっており、種々の出力レベルを吸収して、タービンホイール５０の羽根とブレード５２とを通過する気体間に最適なアプローチ角を提供する。通路内を流れる流れは、フラッパ弁７０によって制御されて、エンジンの負荷ファクタに応じて一方又は他方又は両方の通路へと導かれる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半径流タービンであり、
高速ガスの入口と出口とを備えているハウジングと、
当該ハウジング内で回転可能なタービンホイールであって、外周から少なくとも径方向内方へ延びている複数のブレードを備えているタービンホイールとを備え、
前記ハウジングは、前記タービンホイールの外周に沿った部分を区分し且つ分離するために、前記入口からつながっている第一及び第二の通路を備えており、
前記ハウジングは、前記タービンホイールの外周に隣接して前記通路内に固定された羽根を備えており、
前記ハウジングは、前記第一の通路、第二の通路及びこれらの通路の両方の中を通る流れを選択的に許容するための装置を備えている、半径流タービン。
【請求項２】
請求項１に記載の半径流タービンであって、
前記第一及び第二の通路が相互に周方向に隔置されている半径流タービン。
【請求項３】
請求項２に記載の半径流タービンであって、
前記第一及び第二の通路が、各々、前記タービンホイールの外周の約１８０°を占めている半径流タービン。
【請求項４】
請求項１に記載の半径流タービンであって、
前記第一及び第二の通路が互いに等しくない流量面積を有している半径流タービン。
【請求項５】
請求項１に記載の半径流タービンであって、
前記第一及び第二の通路内の前記固定された羽根が、前記タービンハウジングに対して種々の角度を有している半径流タービン。
【請求項６】
請求項５に記載の半径流タービンであって、
前記通路が、前記タービンホイールの外周に沿って周方向に隔置されており、前記第一の通路は前記入口により近く、前記第一の通路内の羽根は、前記第二の通路内の羽根の角度よりも径方向により近接した角度を有している半径流タービン。
【請求項７】
請求項１に記載の半径流タービンであって、
流れを選択的に許容するための前記装置がフラッパ弁である半径流タービン。
【請求項８】
請求項７に記載の半径流タービンであって、
前記フラッパ弁が先端の下流で枢動可能な後縁を備えており且つ３つの位置の間を枢動可能であり、当該３つの位置のうちの一つは前記第一の通路への流れを遮断し、別の位置は前記第二の通路への流れを遮断し、第三の位置は、前記第一の位置と第二の位置との間にあって、前記第一及び第二の通路の両方を通る流れを許容するようになされた、半径流タービン。
【請求項９】
請求項１に記載の半径流タービンであって、
前記選択的な流れを許容する装置は、前記第一の通路、第二の通路及びこれらの両方の通路の中を流れる流れを選択的に許容するために、軸線を中心に枢動可能なロータリー弁を含んでいる、半径流タービン。
【請求項１０】
請求項１に記載の半径流タービンであって、
前記タービンホイールのブレードが、前記タービンブレードの入口部分から延びており且つ当該入口部分に結合されている軸線方向出口部分を備えている半径流タービン。
【請求項１１】
請求項１に記載の半径流タービンであって、
前記タービンによって駆動される負荷を更に含んでいる半径流タービン。
【請求項１２】
請求項１１に記載の半径流タービンであって、
前記負荷が流体を加圧するためのコンプレッサである半径流タービン。
【請求項１３】
請求項１２に記載の半径流タービンであって、
前記負荷が前記タービンによって駆動される発電機である半径流タービン。
【請求項１４】
内燃機関装置であり、
空気及び燃焼生成物の排気ガスのための入口を備えている空気吸入往復内燃機関と、
前記排気ガスからの高速ガスの形態の燃焼生成物を受け取る少なくとも１つの半径流タービンとを備え、当該タービンは、
前記高速ガスを受け入れる入口と出口とを備えているハウジングと、
当該ハウジング内で回転可能なタービンホイールであり、当該タービンホイールの外周から少なくとも径方向へ延びている複数のブレードを備えているタービンホイールとを備えており、
前記ハウジングは、前記タービンホイールの外周に沿った部分を区分し且つ分離するために前記タービンの入口からつながっている第一及び第二の通路を備えており、
前記ハウジングは、前記第一の通路、第二の通路及びこれら両方の通路内を流れる流れを選択的に許容するための装置を備えている、内燃機関装置。
【請求項１５】
請求項１４に記載の内燃機関装置であって、
前記第一及び第二の通路が周方向において相互に隔置されている内燃機関装置。
【請求項１６】
請求項１５に記載の内燃機関装置であって、
前記第一及び第二の通路が、各々、前記タービンホイールの外周の約１８０°を占めている内燃機関装置。
【請求項１７】
請求項１４に記載の内燃機関装置であって、
前記第一及び第二の通路が異なる流量面積を有している内燃機関装置。
【請求項１８】
請求項１４に記載の内燃機関装置であって、
前記第一及び第二の通路内の前記固定された羽根が、前記タービンハウジングに対して異なる角度を有している内燃機関装置。
【請求項１９】
請求項１８に記載の内燃機関装置であって、
前記通路が、前記タービンホイールの外周に沿って周方向に隔置されており、前記第一の通路は前記入口に近接しており、当該第一の通路内の羽根が、前記第二の通路内の羽根の角度より径方向に対してより近い角度を有している内燃機関装置。
【請求項２０】
請求項１４に記載の内燃機関装置であって、
前記流れを選択的に許容するための装置がフラッパー弁である内燃機関装置。
【請求項２１】
請求項２０に記載の内燃機関装置であって、
前記フラッパー弁が先端の下流で枢動可能な後縁を備えており且つ３つの位置間を枢動可能であり、当該３つの位置のうちの一つの位置においては前記第一の通路への流れを遮断し、もう一つ別の位置においては前記第二の通路への流れを遮断し、第三の位置においては前記第一及び第二の通路の両方を通る流れを許容するように、前記第一の位置と第二の位置との間にある、内燃機関装置。
【請求項２２】
請求項１４に記載の内燃機関装置であって、
前記流れを選択的に許容する装置が、前記第一の通路、第二の通路及びこれら両方の通路内を流れる流れを選択的に許容するために、その軸線を中心に枢動可能なロータリー弁を備えている、内燃機関装置。
【請求項２３】
請求項１４に記載の内燃機関装置であって、
前記タービンホイールのブレードが、当該タービンブレードから延びており且つ当該タービンブレードに結合されている軸線方向出口部分を備えている、内燃機関装置。
【請求項２４】
請求項１４に記載の内燃機関装置であって、
当該タービンによって駆動される負荷を更に含んでいる内燃機関装置。
【請求項２５】
請求項２４に記載の内燃機関装置であって、
前記負荷が流体を加圧するためのコンプレッサである、内燃機関装置。
【請求項２６】
請求項２４に記載の内燃機関装置であって、
前記負荷が当該タービンによって駆動される発電機である、内燃機関装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関装置に関し、更に特定すると、出力タービンを備えている当該装置内に組み込まれたエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
最初のターボチャージャは、１９０５年にAlfred Buchiによって提案された。ターボチャージャは、回転動力出力を発生するために、排気ガスを、タービンホイール上の一連のブレードを通過させることによって自然に吸引されるエンジンの排気装置において消費されたエネルギを捕捉するための装置として始まった。タービンは、コンプレッサに結合され且つ当該コンプレッサを駆動させて、エンジンの装入密度、従って、動力出力を増大させるために使用された。ターボ機械分野においては、１９０５年以来、個々の構成部品の効率、自由度及び耐久性を改良するために多大な進歩がなされて来た。効率のための追求における鍵となる部材はタービンである。ほとんどの共通の市販形態においては、タービンは、コンプレッサ又はその他の出力負荷装置を駆動するために、タービンのノズルから加熱されたガスを受け取り、これらを加速し、エネルギを取り出す径方向入口を備えている半径流タービンホイールからなる。より高い作動温度及びより高い回転数を可能にするために、金属学における進歩がなされて来た。これらの進歩の共通点は、タービンをある範囲の作動条件において最大効率で作動させる試みであった。
【０００３】
広範囲の作動条件に亘って効率を維持することに対する主要な障害は、排気又は加熱されたガスの流れがタービンホイールの外周へと導入される入射角の結果である。タービンは、典型的には、定格速度で最大負荷状態で最大効率を有するように設計されている。しかしながら、負荷が例えば２５％まで低下すると、８０％の定格効率を有するタービンは、２５％の効率まで容易に低下し得る。このことは、主として、部分的絞り状態に対して最適ではない入射角によるものである。効率の低下は、使用されるエンジン装置の部分的負荷性能特性に著しく強い影響を及ぼし且つ最終的に故障のない燃焼特性に必要とされる空気の流れに影響を及ぼすかも知れない。
【０００４】
タービンホイールの周縁に可変角度の羽根を有するリングを組み込むことによって、この状態に適合させる試みがなされて来た。この羽根は、枢動されてホイールに対する羽根の角度を変え且つガスがホイールに入るスロート面積を変えてエンジンの部分的負荷状態でのガスの速度を増すために提供されている。しかしながら、このような装置は、内部を通過する気体の炭素負荷特性及び多数の羽根が正しく調和して枢動される要件が提供されたときに信頼性が疑わしくなることが証明されて来た。
【特許文献１】無し
【非特許文献１】無し
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、本発明の目的は、当該技術において必要とされている広範囲の効率特性を有する簡素で且つ効率の良い出力タービンを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一つの形態においては、本発明は、高速ガスのための入口及び出口を備えたハウジングを備えている半径流タービンに関する。タービンホイールは、ハウジング内で回転可能であり且つその外周から少なくとも径方向内方へ延びている複数のブレードを備えている。ハウジングは、入口からタービンホイールの外周の個々に区切られた別個の部分へとつながっている第一及び第二の通路を備えている。当該ハウジングは、タービンホイールの外周に隣接した通路内に固定された羽根を備え、第一の通路、第二の通路及びこれらの通路の両方を通る流れを選択的に許容する器具を備えている。
【０００７】
別の形態においては、本発明は、空気及び燃焼生成物の排気のための入口を備えている空気吸入往復型内燃機関を備えた内燃機関装置に関する。少なくとも１つの半径流タービンは、排気ガスから高速ガスの形態の燃焼生成物を受け取る。当該タービンは、高速ガスを受け入れる入口と出口とを備えたハウジングを備えている。タービンホイールは、ハウジング内で回転可能であり且つタービンホイールの外周から少なくとも径方向内方へ延びている複数のブレードを備えている。当該ハウジングは、入口からタービンホイールの外周の区切られた個々の部分までつながっている第一及び第二の通路を備えている。ハウジングは、タービンホイールの外周に隣接した通路内に固定された羽根を備えており且つ第一の通路、第二の通路及びこれらの通路の両方内を流れる流れを選択的に許容する装置を備えている。
【発明の実施の形態】
【０００８】
図１は、動力出力を発生するエンジン１０を備えている内燃機関装置を示している。エンジン１０は、多くの異なる形態で提供することができるが、本発明を図示する目的のために、空気が入口１２から受け入れられ且つシリンダ又は燃焼室内で圧縮される往復空気吸入内燃機関として記載されている。燃料は、燃焼室へ入る前又は当該燃焼室内で混合される。結果として得られる混合物は、スパーク点火のような外部発生源又はディーゼルエンジンのような空気の圧縮熱によって点火される。予混合圧縮着火エンジンのような更に別の組み合わせを提供しても良い。多くの異なる内燃機関のタイプを本発明において採用することができることは当業者にとって明らかである。
【０００９】
エンジン１０からの燃焼生成物は、排気管１４へと給送され且つそこから概して参照番号１８によって示されているターボチャージャのタービン１６へと送られる。ターボチャージャ１８の構造の詳細は、本発明のより明確な理解を可能にするために省略されている。ターボチャージャ１８は、タービン１６が取り付けられているシャフト（図示せず）にジャーナル結合するための軸受け装置と、軸受けのための潤滑及び冷却装置とを備えていることは当業者に明らかであるはずである。
【００１０】
依然としてエネルギを保持しているガスは、タービン１６から導管２０を介して、本発明を実施している出力タービン２２へと送られる。以下に説明する可変の幾何学的弁２４
がタービン２２の入口に配置されている。タービン２２は、符号２６によって示されている負荷に動力を付与するための回転出力２５を提供する点で、出力タービンと称することができる。最終的なガス生成物は、外気へと排出される前に、導管２８によって適当な排気ガス後処理装置（図示せず）へと送られる。
【００１１】
負荷２６は、多数の負荷のうちの一つとすることができる。一つの形態においては、負荷は、内燃機関１０の出力に直に接続するために又はエンジン付属品を駆動することによって排気ガスの流れから付加的なエネルギを取り出してエンジン１０全体の効率を増大させるために使用されるターボ発電機としても良い。別の任意の形態においては、負荷２６は、エンジンの吸気へと給送するための空気を予め加圧するために使用されるコンプレッサとしても良い。更に別の形態においては、内燃機関装置のデューティサイクルに依存して、出力タービン２２は、コンプレッサを駆動し且つ内燃機関装置内のターボチャージャ１８と置換するために使用しても良い。
【００１２】
ターボチャージャ１８のタービン１６は、適切な濾過された吸気装置３２から吸気を受け取り且つこれを圧縮してエンジンの吸気口１２へ給送する半径流コンプレッサ３０を駆動する。負荷２６がコンプレッサである場合には、出力は、点線３４によってコンプレッサ３０のための吸気口３２に結合される。
【００１３】
内燃機関装置全体の制御はＥＣＵ３６によって提供される。ＥＣＵ３６は、ライン３８から作動パラメータ信号入力を受け取り且つ最大効率及び最小排気を有する所望のエンジン出力を達成するために、ライン４０を介して燃料噴射装置のような装置を制御する。ＥＣＵ３６はまた、ライン４２を介して以下に説明する可変の幾何学的弁２４に制御信号を提供する。
【００１４】
図２に示されているタービンは、導管２０から高速のガスを受け取る入口４６及び図２の面に直角な方向にガスを出て行かせるための参照番号４８によって示されている出口とを有しているハウジング４４を備えている。ハウジング４４は、内燃機関装置において使用されているタービンが一般的に受けるガスの温度を吸収するように設計されている適切な材料によって作られている。タービン２２は、本発明のより明確な理解を可能にするために図示されていない適当な軸受け装置によって中心軸線Ａを中心として回転できるようにジャーナル結合されている半径流タービンであるタービンホイール５０を備えている。タービンホイール５０は、通常はタービンホイール５０と一体化され且つ当該タービンホイール５０の外周５４から径方向内方へ延びている複数のブレード５２を備えている。ブレード５２は、次いで、タービンハウジング４４からの最終的な排気のために、軸線方向エクスデューサ部分５６を経て移行する。第一の通路５８と第二の通路６０とが、タービンホイール５０の外周５４に沿って渦巻き状に延びている。第一の通路５８は、外周５４の近くに個々に区別されている入口６２を有し、第二の通路６０は、外周５４の近くに第二の個々に区別された入口６４を有している。ここに示されている入口６２及び６４は、各々、外周の約１８０度に亘っているが、これら２つの比率は、特別な用途に対しては等しくなくても良い。複数の羽根６６が、タービンホイール５０の外周５４に隣接した第一の通路５８内に配置されており、複数の羽根６８がタービンホイール５０の外周５４に隣接した第二の通路６０内に配置されている。
【００１５】
可変の幾何学的弁２４は、フラッパ弁７０として示されており、当該フラッパ弁７０は、通路６０と５８を分割している壁７４の上流端に隣接し且つ当該弁の下流又は後縁に設けられたヒンジ結合取り付け部７２を備えている。フラッパ弁７０は、３つの位置間を枢動可能であり、当該３つの位置のうちの第一の位置は、通路５８内の流れが遮断され且つ通路６０を通る流れが許容される図２において実線形態で示されている。点線７６によって示されている第二の位置は、通路６０を通る流れを遮断するが通路５８を流れる流れは許容する。点線７８によって示されている第三の位置は、通路５８及び６０の両方を通ってタービンホイール５０の外周へ向かう流れを許容する。
【００１６】
フラッパ弁７０に対する代替例は、本願と譲渡が同じ米国特許第４，５１２，７１４号に開示されている弁に類似したロータリー弁である。当該ロータリー弁は、３つの位置間を回転可能に枢動し、これらの位置のうちの一つは第一の通路５８内の流れのみを許容する。もう一つ別の位置は第二の通路６０を通る流れのみを許容し、第三の位置は、通路５８及び６０の両方を通る流れを許容する。
【００１７】
タービンホイール５４の外周への通路５８及び６０の流入は流量面積が異なり、第一の通路５８の流通面積が第二の通路６０の流量面積よりも小さいのが好ましい。更に、羽根６６が中心線Ａから引かれた径方向の線との間に形成する角度は、第二の通路６０内の羽根６８が、同じ中心線Ａからの同じ径方向の線との間に形成する角度よりも小さい。当該羽根の角度及び各通路の流量面積は、種々の出力レベルでの流れのための最適な進入角を提供するように設計されている。例えば、当該羽根の角度と第一の通路５８内の流量面積とは、２５％負荷に対して最適化することができ、第二の通路６０内の羽根の角度と流量面積とは７５％の負荷に対して最適化されている。当該羽根の角度と流量面積とは、タービン２２の最大のデューティサイクルに対して必要とされる比率又は他の比率によって流れを理想化するように容易に選択することができることが、ターボ機械技術における当業者に明らかなはずである。
【００１８】
作動時には、フラッパ弁７０は、２５％負荷で作動するように、ライン４２からの適切な機械制御入力によって位置７６に維持される。負荷が７５％か又はそれに近いときには、フラッパ弁７０は、ライン４２からの別の制御入力によって、実線で示されている位置７０へ動かされて、流れを第二の通路６０内へ導く。負荷が全負荷状態にあるか又はそれに近づくと、フラッパ弁７０は、ライン４２からの別の制御入力によって位置７８に配置されて、通路５８及び６０の両方内を流れる流れを許容する。全負荷位置においては、タービンの効率は理想よりも低いけれども、部分負荷状態で効率を高めることによってなされるよりは高い。
【００１９】
全負荷状態におけるよりも部分負荷においてより多くの時間を費やすエネルギシステムは、本発明の出力タービンによる利益を受ける。タービン２２がターボ発電機の形態で負荷２６を駆動するときには、部分負荷の性能は、作動している包囲体の広い領域に亘ってより良好な性能を付加することによって著しく改良される。この改良は、トラック及び小型の農業用トラクタのような比較的低いデューティサイクルの用途において最も大きい。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、特許請求の範囲に規定されている本発明の範囲から逸脱することなく、種々の改良をなすことができることは明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、本発明による出力タービンが組み込まれている内燃機関装置の概略図である。
【図２】図２は、図１に示されている出力タービンの断面図である。
【符号の説明】
【００２２】
１０  エンジン、
１２  入口、
１４  排気管、
１６  タービン、
１８  ターボチャージャ、
２０  導管、
２２  出力タービン、
２４  可変の幾何学的弁、
２６  負荷、
３０  コンプレッサ、
３２  吸気装置、
３６  ＥＣＵ、
４４  ハウジング、
４６  入口、
４８  出口、
５０  タービンホイール、
５２  ブレード、
５８  第一の通路、
６０  第二の通路、
６２、６４  入口、
６６、６８  羽根、
７０  フラッパ弁、
７２  ヒンジ結合取り付け部、
７４  壁
【図１】
2009047163.tif 000003
【図２】
2009047163.tif 000004