(57)【要約】本発明は、第１のボリュート（６１）及び第２のボリュート（６２）を含むターボチャージャーの排気タービン（３２）のハウジング（６０）であって、各ボリュート（６１、６２）がそれぞれの第１及び第２のガイド舌部（６４、６６）及びタービンホイールで終わるハウジングに関する。この舌部の非対称により、タービンホイールのブレードがそれぞれの舌部を通過するときに放出されるパルス振幅を制御することができる。さらに、第２のガイド舌部（６６）のホイールから舌部までの距離を増加させることにより、耐久性要件を満たすことができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
螺旋状ケーシング形態のターボチャージャータービンハウジング（６０）であって、少なくとも第１及び第２のボリュート（６１、６２）は、タービンホイールボアに対する別途の流路を画定し、前記流路は、第１及び第２のガイド舌部（６４、６６）で終わり、前記第１のガイド舌部（６４）とタービンホイール（１）外周（２）との間のギャップは、第２のガイド舌部（６６）とタービンホイール外周（２）との間のギャップよりも小さい、ターボチャージャータービンハウジング。
【請求項２】
ホイールの直径で割った最も近い地点でのホイール−舌部ギャップとして測定された、前記第２のガイド舌部（６４）の舌部−ギャップ比（ＴＧＲ）は、０．１５〜０．０４の範囲から選択され、第１のガイド舌部（６６）のＴＧＲは、０．８〜０．１の範囲で選択され、大きいＴＧＲ対小さいＴＧＲの比は、１．５〜４の範囲から選択される、請求項１に記載のターボチャージャー。
【請求項３】
前記第２のガイド舌部（６４）のＴＧＲは、０．１〜０．０５の範囲から選択される、請求項２に記載のターボチャージャー。
【請求項４】
前記第２のガイド舌部（６４）のＴＧＲは、０．８〜０．０５の範囲から選択される、請求項２に記載のターボチャージャー。
【請求項５】
前記第２のガイド舌部（６４）のＴＧＲは、０．７〜０．６の範囲から選択される、請求項２に記載のターボチャージャー。
【請求項６】
前記第１のガイド舌部（６６）のＴＧＲは、０．７〜０．２の範囲から選択される、請求項２に記載のターボチャージャー。
【請求項７】
前記第１のガイド舌部（６６）のＴＧＲは、０．６〜０．３の範囲から選択される、請求項２に記載のターボチャージャー。
【請求項８】
前記第１のガイド舌部（６６）のＴＧＲは、０．５〜０．４の範囲で選択される、請求項２に記載のターボチャージャー。
【請求項９】
より大きいＴＧＲ対より小さいＴＧＲの比は、２〜３の範囲から選択される、請求項２に記載のターボチャージャー。
【請求項１０】
前記ボリュートは、非対称である、請求項１に記載のターボチャージャー。
【請求項１１】
前記１つのボリュートは、排気ガス再循環ラインに連結される、請求項１０に記載のターボチャージャー。
【請求項１２】
前記タービンは、可変幾何形状タービンである、請求項１に記載のターボチャージャー。
【請求項１３】
前記第１の舌部先端は、前記第２の舌部先端から円周方向に１８０°オフセットされる、請求項１に記載のターボチャージャー。
【請求項１４】
前記第１の舌部先端は、前記第２の舌部先端から円周方向に１６５°〜１７７°オフセットされる、請求項１に記載のターボチャージャー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
シリンダーが順次に燃焼される多気筒内燃機関において、タービンホイールを駆動するためのエネルギーが供給される排気口は、異なる時間に開かれる。排気口が最初に開かれると、ガスのサージ（ｓｕｒｇｅ）がシリンダーから排出される。この高エネルギー短期間パルスは、排気ガスターボチャージャーのタービンを駆動するのに非常に価値がある。次に、排気口が閉じると、マニホールド内の圧力が減少する。単一のマニホールドが備え付けられたエンジンでは、マニホールドの下に移動する１つのシリンダーからの高エネルギーパルスが他のシリンダーからの低圧波と出会って結合して圧力パルスを除去することができる。このピークパルス圧力の振幅の減少により、タービン駆動効率が減少する。
【０００２】
タービンホイールを駆動するための改良された技術を「パルス充電」（ｐｕｌｓｅ  ｃｈａｒｇｉｎｇ）として知られている。エンジン排気システムは２つ以上の排気マニホールドに分割され、各排気マニホールドは互いに異なるセットのシリンダーに連結され、これらの独立したマニホールドは内部に分割されたタービンハウジングに供給される。これにより、異なるグループのシリンダーから誘導された少なくとも第１及び第２のフローストリーム（ｆｌｏｗ  ｓｔｒｅａｍ）が、シリンダー排気口からタービンホイールまでずっと分離されて維持され、１つのマニホールドにおける高エネルギーパルスは、他のマニホールドの低圧波との相互作用によって減少しない。
【０００３】
デュアル・ボリュート・タービンの内部で分割されたハウジングは、チャンネルを形成し、各チャンネルはいわゆる舌部（ｔｏｎｇｕｅ）で終端される。この舌部がタービンホイールに対する最適な流れを少なくとも部分的に防ぐという事実を考慮しなければならない。舌部は、タービンホイールの一部を隠しており、タービンホイールのこの部分に対して流れを直接向けるようにすることはできない。２つのチャンネルの場合、タービンホイールに対する最適の流れに悪影響を及ぼす２つのこのような舌部がある。空気力学的目的で細長い先端を有する舌部を形成することが望ましいと思われるかもしれないが、特定のレベルの耐久強度を保障するのに十分な厚さに対する相殺要求がある。
【０００４】
また他の問題は、パルス充電式ターボチャージャータービンホイールが非常に不安定な空力に曝され、相当なブレード振動を引き起こすことである。ターボチャージャータービンのタービンホイールの高サイクル疲労の主な原因は、空気力学的ブレードの励起力である。
【０００５】
さらに他の問題は、ノズルベーンを通過するタービンブレードによって発生されるノイズである。タービンホイールのブレードが舌部を通過するときに放出されるパルスの振幅は、ノイズに変換され得る。このパルスエネルギーは、また舌部に応力を導入することができる。舌部は、熱応力及び高サイクル疲労による亀裂及び破損が発生しやすいタービンハウジングの特徴であり、これらの圧力パルスは追加的な力を導入して舌部の疲労破損を加速化することができる。
【０００６】
国際公開公報ＷＯ２０１５／１７９３５３号（ボルグワーナー）は、通常に、第１チャンネルの舌部の先端は第２チャンネルの舌部の先端から円周方向に１８０°オフセットして配置される一方、本発明では、ブレードの疲労破損の危険は円周方向の角度オフセットを少なくとも５°短縮することにより減少され得ると教示している。しかしながら、ノズルまたは舌部破損の問題は解決されず、タービンホイール寿命のさらなる改善が要求される。
【０００７】
本発明の目的は、コスト効果的な生産及び低メンテナンス操作とともに、パルス充電を可能にし、同時にコンパクトであり、乗用車及び商業車で使用され得る排気ガスターボチャージャーを具体化することである。
【発明の概要】
【０００８】
本発明によれば、上述の問題は、少なくとも第１及び第２の別途の流路を有するターボチャージャーを提供し、第１及び第２のガイド舌部で終端することにより解決している。第１のガイド舌部とタービンホイールとの間のギャップは、第２のガイド舌部とタービンホイールとの間のギャップよりも小さい。この舌部の非対称により、タービンホイールのブレードがそれぞれの舌部を通過するときに放出されるパルス振幅を制御することができる。
【０００９】
半径方向及び混流タービンステージの熱力学的性能は、タービンホイール周りの流れ漏れを減少させることができるだけでなく、エンジンによって放出される流れの脈動からより多量のエネルギーピークを利用することができるため、第１のガイド舌部での舌部とホイールの距離が小さくなると増加される。熱力学的性能を最大化するために、第１のガイド舌部はタービンホイールにできるだけ近くに配置される。
【００１０】
タービンホイールの耐久性を向上させるために、第２のガイド舌部とタービンホイールとの間の距離は、第１のガイド舌部よりも大きく、これにより、ホイールが各舌部を通過して回転することによるタービンホイールにおける同期式応答またはそうでなければ交感式応答を防止することができる。
【００１１】
第２のガイド舌部のみのホイールから舌部までの距離を増加させることにより、耐久性要件を満たすことができ、一方、第１の舌部で終端する第１のボリュートの性能は、不必要に悪影響を受けないであろう。
【００１２】
デュアル・ボリュート・タービンの２つの舌部は、鋳放して使用することができるか、またはそれらの最終形状と配置に機械加工することができる。第２の舌部のホイールから舌部までの距離は、第１の舌部から鋳造形状で直接変化させることができるか、または仕上げ機械加工作業を通じて変化させることができる。
【００１３】
したがって、本発明は、排気ガス速度及びパルスエネルギーを維持することができる低コストのタービン流量制御装置の設計に関する。低コストのターボチャージャーは、低流量条件に一致させ、低流量に対して最適化されたターボ（及びこれにより、エンジン）過度応答を提供する同時に、同じコスト効率的なターボチャージャーにおいて低流量条件以外の他の条件でエンジンが要求する高流量を供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
本発明は、添付した図面に限定せずに例として示し、ここで同様の参照番号は同様の部分を示す。
【図１】ターボチャージャーの排気タービンへの排気ガス流れの概要を示す。
【図２】デュアルエントリータービンハウジングを有する本発明の第１の実施形態を示す。
【図３】分割されたタービンハウジングを有する本発明の第２の実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
パルス充電タービンはよく知られている。米国特許第８，６２１，８６３号（クレッチマーら）は、ターボチャージャーが取り付けられた内燃機関の概略図を図５に示しており、その開示は参照として本明細書に組み込まれる。原則として、内燃機関は、ディーゼル、ＳＩまたはディーゼル／ＳＩエンジンであることができ；示された実施形態において、６つのシリンダーを有し、これらのシリンダーうちの３つの第１セットが組み合わされて第１シリンダーグループを形成し、３つのシリンダーの第２セットが組み合わされて第２シリンダーグループを形成する。２つの排気ガスラインはそれぞれのシリンダーグループに割り当てられ、第１の排気ガスラインは適切なマニホールドを介して部分ボリュートとして設計されたターボチャージャーの第１の螺旋状通路に連結され、一方、第２の排気ガスラインは完全なボリュートとして設計された第２の螺旋状通路に結合される。
【００１６】
本出願の図１は、米国特許出願公開第２０１６／００２５０４４号の図２から改造されたものであり、その開示は参照として本明細書に組み込まれる。図１は、ターボチャージャーの排気タービン３２への排気ガス流れの概要を示す。内燃機関１２システムは、吸気通路１８及び排気マニホールド２０を含む。吸気通路１８は、燃焼室１６と流体連通して吸気を燃焼室１６に供給する。排気マニホールド２０は、燃焼室１６と流体連通して排気口を通じて燃焼室１６の外部に排出される排気ガスを受け取る。
【００１７】
燃焼室１６のシリンダー＃１、＃２及び＃３からの排気流は、燃焼室１６のシリンダー＃４、＃５及び＃６からの排気流から物理的に分離される。特に、燃焼室１６のシリンダー＃１、＃２及び＃３からの排気ガスは、第１の排気管２１に流入し、一方、燃焼室１６のシリンダー＃４、＃５及び＃６からの排気ガスは、第２の排気管２２に流入する。エンジン１２の運転中に、排気バルブが開閉するときに生成される排気ガスパルスＰ１〜Ｐ６は、シリンダー＃１、＃２、＃３、＃４、＃５及び＃６からそれぞれ伝播する。排気パルス干渉は、通常的に１つのシリンダーからの排気ガスパルスが他のシリンダーからの低圧波に会うときに起こる。上述のように、シリンダー＃１、＃２、＃３、＃４、＃５及び＃６から排気ガスを第１及び第２の排気管２１、２２に分離することにより、排気タービン３２は排気掃気技術を効率的に利用することができ、これにより、タービンシステムの性能を向上させ、ターボラグ（ｔｕｒｂｏ  ｌａｇ）を減少させる。
【００１８】
ターボチャージャーの排気タービン３２は、第１のボリュート６１、第２のボリュート６２及びタービンホイール収容ボア６３（ベースサークルとしても知られる）を有するタービンハウジング６０を有する。第１のボリュート６１は、断面積Ａ１を有する第１のボリュート排気ガス入口６１ａを有する。ここで、第１のボリュート排気ガス入口６１ａは、シリンダー＃１、＃２及び＃３から混合排気ガスのストリームを受け取る。第１のボリュート６１は、第１の排気ガス出口６１ｂの始まり部分に断面積Ａ１′を有する第１の排気ガス出口６１ｂを有し、これは、図１に示したように、反時計回り方向に第１の舌部６４の先端または自由端部から第２の舌部６６の先端または自由端部まで延びる。第２のボリュート６２は、断面積Ａ２を有する第２の排気ガス入口６２ａを有する。ここで、第２の排気ガス入口６２ａは、シリンダー＃４、＃５及び＃６から混合排気ガスのストリームを受け取る。第２のボリュート６２は、第２の排気ガス出口６２ｂの始まり部分に断面積Ａ２′を有する第２の排気ガス出口６２ｂを有し、これは、図１に示したように、反時計回り方向に第２の舌部６６の先端から第１の舌部６４の先端まで円周方向に延びる。第１及び第２のボリュート６１、６２の断面積Ａ１及びＡ２は、実質的に同じにすることができる。代案的に、第２のボリュート６２の断面積Ａ２は、第１のボリュート６１の断面積Ａ１よりも小さくすることができる。
【００１９】
図１に図表で示したように、第１の排気ガス出口６１ｂは、タービン収容ボア６３の１８０度に沿って円周方向に開かれ、一方、第２の排気ガス出口６２ｂは、タービン収容ボア６３の残りの１８０度に沿って円周方向に開かれる。
【００２０】
本発明によれば、ターボチャージャーには、少なくとも第１及び第２の別途の流路が提供され、第１及び第２のガイド舌部で終端する。第１のガイド舌部とタービンホイールとの間のギャップは、第２のガイド舌部とタービンホイールとの間のギャップよりも小さい。この舌部の非対称により、タービンホイールのブレードがそれぞれの舌部を通過するときに放出されるパルス振幅を制御することができる。
【００２１】
タービンハウジングは、各ボリュートの出口がタービンハウジングのベースサークルの周りに配置されるように構成された複数（２つ以上）のボリュート６１、６２からなる。ボリュートは、図３に示したように、排気をタービンホイール１の外周２に累積的に送る。
【００２２】
舌部のギャップを定義する一般的な方法は、最も近い地点のホイール−舌部のギャップをホイールの直径で割ったものである（タービンホイールの半径方向外部の先端で測定）。例えば、３ｍｍのギャップを５３ｍｍのホイール直径＝３／５３＝５．６％または０．０５６舌部ギャップの割合（ＴＧＲ）で割った値である。舌部ギャップが増加するにつれてデュアル・ボリュート・パルス効果が小さくなる。より大きなギャップのＴＧＲは、０．１５〜０．０４の範囲、好ましくは０．１〜０．０５の範囲、より好ましくは０．８〜０．０５の範囲、最も好ましくは０．７〜０．６の範囲で選択される。より近いギャップのＴＧＲは、０．８〜０．１、好ましくは０．７〜０．２、より好ましくは０．６〜０．３、最も好ましくは０．５〜０．４の範囲で選択され得る。より大きいＴＧＲ対より小さいＴＧＲの比は、１．５〜４、好ましくは２〜３であり得る。
【００２３】
非対称の舌部間隔は、対称または非対称のボリュートを備えたターボチャージャーに使用され得る。それは、ＥＧＲターボチャージャーで使用することができる。それは、可変タービン幾何形状（ＶＴＧ）を有するターボチャージャーで使用することができる。本発明の本質的な特徴は、非対称の舌部−ホイール間隔である。これは、デュアルエントリータービンで使用されることができ、ここで、アクチュエーターは、例えば、米国特許第４，３８９，８４５号（小池）に開示されたように、このようなガスの流れを第１のスクロールで維持しながら入口から第２のスクロールへの排気ガスの流れを選択的に制御するのに使用される。アクチュエーターが固体仕切り壁によって形成された第１または第２及び第１のボリュート内への流量を制御するバルブを制御する図９Ｂを参照する。非対称の舌部間隔はまた、半径方向流れタービンまたは「混流」半径方向／軸方向タービンとともに使用され得る（ＵＳ２００７／０１８０８２６参照）。
【００２４】
第１の舌部と第２の舌部との間の舌部からホイールまでの距離を変化させる代替案として、第２のボリュートに対する第１のボリュートのノズル幅を変化させることも可能である。
【００２５】
第２のボリュートから第１のボリュートのノズル幅を変化させることを含むこの非対称の方法により、両方のボリュートの間の流量の調節が可能になる。この方法は、両方のシリンダーグループのタービン入口圧力を等しくするために使用することができる。これは、シリンダーヘッドの設計に発見される非対称性を防止するために使用され得る。例えば、第１のボリュート及び第２のボリュートのノズル幅が等しい状況では、タービン入口圧力は、各ボリュート（及び各シリンダーペアリング）で測定され得る。この実施例において、第２のボリュートに流入する圧力は、エンジンで操作するための目標を下回っている。第２のボリュートのノズル幅を減少させて、第２のボリュートを通る流量を減少させ、タービン入口圧力を増加させることができる。
【００２６】
１つのボリュートでの流量を減少させることは、タービンステージのローエンドトルク及び過度性能潜在力を高めるのに有用であり得る。より低い流量タービンステージは、低いエンジン流量及びエンジンＲＰＭでコンプレッサーステージにより多くの電力を提供して、より攻撃的なローエンドトルク（ｌｏｗ  ｅｎｄ  ｔｏｒｑｕｅ）及び過度作動を可能にする。
【００２７】
この方法は、各ボリュートで不均等なタービン入口圧力を生成するシリンダーグループ間に不均等な流れを生成するために使用され得る。第１のボリュートのノズル幅と第２のボリュートのノズル幅が対称である状況では、タービン入口圧力は、各ボリュート（及び各シリンダーペアリング）で測定されることができ、等しいものと確認することができる。ＨＰ−ＥＧＲを駆動するために、第２のボリュートのノズル幅を減少させて第２のボリュートより先にタービン入口圧力を増加させることができる。第２のボリュートのタービン入口圧力を増加させると、ターボ／エンジンシステムが第１のボリュートのシリンダーグループのポンピングループ／ＶＥに影響を与えることなくＨＰ−ＥＧＲを駆動することができる。
【００２８】
これにて、本発明の説明を終了する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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