DE112014001084T5

DE112014001084T5 - Variable Düseneinheit und Lader mit variabler Kapazität

Info

Publication number: DE112014001084T5
Application number: DE112014001084.7T
Authority: DE
Inventors: Tomohiro Inoue; Takao ASAKAWA; Kenichi SEGAWA
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2013-03-01
Filing date: 2014-01-28
Publication date: 2015-11-12
Also published as: WO2014132727A1; CN104884761B; CN104884761A; JP6098233B2; JP2014169641A

Abstract

Eine Vielzahl variabler Düsen (61) ist zwischen einer vorderen Fläche (47f) eines ersten Düsenrings (47) und einer vorderen Fläche (57f) eines zweiten Düsenrings (57) in einer Umfangsrichtung so angeordnet, dass sie ein Turbinenlaufrad (29) umgibt. Wenn sich jede variable Düse (61) zu einem Ende einer Seite der Öffnungs-Richtung in dem Drehbereich hin dreht, steht eine hinten liegende Kante (61t) jeder variablen Düse (61) in einer radialen Richtung in Bezug auf eine Innenkante (57fe) der vorderen Fläche (57f) des zweiten Düsenrings (57) nach innen vor.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine variable Düseneinheit und einen Turbolader vom System mit variabler Geometrie, bei dem eine Strömungs-Durchlassfläche (eine Eintrittsöffnungsfläche) für Abgas reguliert wird, das einer Turbinenlaufrad-Seite in dem Turbolader vom System mit variabler Geometrie zugeführt wird.
Technischer Hintergrund
In den letzten Jahren sind verschiedenartige variable Düseneinheiten entwickelt worden, wie sie in einem Turbolader vom System mit variabler Geometrie vorhanden sind. Die Patentdokumente 1 bis 3 offenbaren eine variable Düseneinheit, die einer herkömmlichen Technologie entspricht. Ein konkreter Aufbau derselben wird im Folgenden beschrieben.
Ein erster Basisring ist konzentrisch mit einem Turbinenlaufrad in einem Turbinengehäuse angeordnet. Ein zweiter Basisring ist integral mit dem ersten Basisring an einer Position vorhanden, die in einer axialen Richtung des Turbinenlaufrades von dem ersten Basisring getrennt ist. Des Weiteren ist eine Vielzahl variabler Düsen zwischen einer vorderen Fläche des ersten Basisrings und einer vorderen Fläche des zweiten Basisrings angeordnet. Die variablen Düsen der Vielzahl sind in gleichmäßigen Abständen in einer Umfangsrichtung so angeordnet, dass sie das Turbinenlaufrad umgeben. Jede variable Düse kann in einer Öffnungs-Richtung und einer Schließ-Richtung um einen axialen Mittelpunkt parallel zu einem axialen Mittelpunkt des Turbinenlaufrades innerhalb eines zuvor festgelegten Drehbereiches gedreht werden. Eine Verbindungskammer ist an einer Seite einer der vorderen Fläche des ersten Basisrings gegenüberliegenden Fläche ausgebildet. Ein Verbindungsmechanismus ist in der Verbindungskammer angeordnet. Der Verbindungsmechanismus dreht die Vielzahl variabler Düsen innerhalb des Drehbereiches synchron in der Öffnungs-Richtung oder der Schließ-Richtung. Wenn sich die variablen Düsen der Vielzahl synchron in der Öffnungs-Richtung drehen, wird eine Strömungs-Durchlassfläche (eine Eintrittsöffnungsfläche) für Abgas, das der Seite eines Turbinenlaufrades zugeführt wird, größer. Wenn sich die variablen Düsen der Vielzahl hingegen synchron in der Schließ-Richtung drehen, wird die Strömungs-Durchlassfläche für das Abgas kleiner.
Liste der Anführungen
Patentdokumente

Patentdokument 1: Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2010-65591
Patentdokument 2: Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2009-243431
Patentdokument 3: Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2009-243300

Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Wenn ein Turbolader vom System mit variabler Geometrie für ein Motorsystem mit Aufladung eingesetzt wird, sind die im Folgenden aufgeführten zwei Charakteristika (Leistungsparameter) erforderlich, um den Kraftstoffverbrauch eines Motors vom System mit Motoraufladung zu verbessern. Eine erste Charakteristik ist Verbesserung des Turbinenwirkungsgrades in einem Bereich niedriger Strömungsgeschwindigkeit, in dem die Motordrehzahl niedrig ist und eine Strömungsgeschwindigkeit des Abgases niedrig ist (Turbinenwirkungsgrad in einem Bereich niedriger Motordrehzahl), und eine zweite Charakteristik ist Zunahme der Turbinenkapazität in einem Bereich hoher Strömungsgeschwindigkeit, in dem die Motordrehzahl hoch ist und die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases hoch ist (Turbinenkapazität in einem Bereich hoher Motordrehzahl).
Verbesserung des Turbinenwirkungsgrades in dem Bereich niedriger Strömungsgeschwindigkeit geht jedoch auf Kosten der Turbinenkapazität in dem Bereich hoher Strömungsgeschwindigkeit und umgekehrt, und es hat sich als problematisch erwiesen, beide Charakteristika zu erzielen.
Die vorliegende Erfindung zielt daher darauf ab, eine variable Düseneinheit und einen Turbolader vom System mit variabler Geometrie zu schaffen, mit denen Verbesserung des Turbinenwirkungsgrades im Bereich niedriger Strömungsgeschwindigkeit und Zunahme der Turbinenkapazität im Bereich hoher Strömungsgeschwindigkeit erzielt werden können.
Lösung des Problems
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine variable Düseneinheit, mit der eine Strömungs-Durchlassfläche (eine Eintrittsöffnungsfläche) für Abgas reguliert wird, das der Seite eines Turbinenlaufrades in einem Turbolader vom System mit variabler Geometrie zugeführt wird, wobei die variable Düseneinheit einen ersten Basisring, der konzentrisch mit dem Turbinenlaufrad in einem Turbinengehäuse in dem Turbolader vom System mit variabler Geometrie angeordnet ist, einen zweiten Basisring, der integral mit dem ersten Basisring an einer Position vorhanden ist, die von dem ersten Basisring in einer axialen Richtung des Turbinenlaufrades getrennt ist und dem ersten Basisring zugewandt ist, eine Vielzahl variabler Düsen, die zwischen einer vorderen Fläche des ersten Basisrings und einer vorderen Fläche des zweiten Basisrings in einer Umfangsrichtung so angeordnet sind, dass sie das Turbinengehäuse umgeben, und die in einer Öffnungs-Richtung und einer Schließ-Richtung um einen axialen Mittelpunkt parallel zu einem axialen Mittelpunkt des Turbinenlaufrades innerhalb eines zuvor festgelegten Drehbereiches gedreht werden können, sowie einen Verbindungsmechanismus zum synchronen Drehen der Vielzahl variabler Düsen in der Öffnungs-Richtung und der Schließ-Richtung innerhalb des Drehbereiches enthält, wobei eine hintere Kante jeder variablen Düse in einer radialen Richtung in Bezug auf eine Innenkante der vorderen Fläche wenigstens des ersten Basisrings oder des zweiten Basisrings vorsteht, wenn sich die jeweilige variable Düse auf ein Ende der Seite in der Öffnungs-Richtung in dem Drehbereich zu dreht.
Es ist anzumerken, dass in der Patentbeschreibung und den Patentansprüchen der vorliegenden Anmeldung die Bedeutung von ”angeordnet sein” indirekte Anordnung über ein anderes Element zusätzlich zu direkter Anordnung einschließt und dass die Bedeutung von ”vorhanden sein” indirektes Vorhandensein über ein anderes Element zusätzlich zu direktem Vorhandensein einschließt. Des Weiteren steht die ”hinten liegende Kante” für ein in einer Strömungsrichtung von Abgas stromab liegendes Ende.
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung können die variable Düseneinheit und der Turbolader vom System mit variabler Geometrie geschaffen werden, mit denen Verbesserung des Turbinenwirkungsgrades in dem Bereich niedriger Strömungsgeschwindigkeit und Zunahme der Turbinenkapazität in dem Bereich hoher Strömungsgeschwindigkeit erzielt werden können.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine vergrößerte Ansicht eines mit Pfeilen gekennzeichneten Abschnitts I in 3.
2 ist eine vergrößerte Schnittansicht entlang einer Linie II-II in 3.
3 ist eine vergrößerte Ansicht eines mit Pfeilen gekennzeichneten Abschnitts III in 7.
4 ist eine Ansicht, die den Großteil einer variablen Düseneinheit gemäß einer Ausführungsform der hier offenbarten vorliegenden Erfindung zeigt.
5(a) ist eine Ansicht, die einen Düsenring in der variablen Düseneinheit gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, und 5(b) ist eine Schnittansicht entlang einer Linie VB-VB in 5(a).
6(a) ist eine Ansicht, die einen Tragering in der variablen Düseneinheit gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, und 6(b) ist eine Schnittansicht entlang einer Linie VIB-VIB in 6(a).
7 ist eine als Schnitt ausgeführte Vorderansicht eines Turboladers vom System mit variabler Geometrie gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8 ist eine Ansicht, die einen charakteristischen Abschnitt einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt und ist die 1 entsprechende Ansicht.
9(a) ist eine schematische Teilschnittansicht eines Turboladers vom System mit variabler Geometrie gemäß einem herkömmlichen Beispiel, und 9(b) ist eine Schnittansicht entlang einer Linie IXB-IXB in 9(a).
10(a) ist eine schematische Teilschnittansicht eines Turboladers vom System mit variabler Geometrie gemäß einem erfindungsgemäßen Beispiel, und 10(b) ist eine Schnittansicht entlang einer Linie XB-XB in 10(a).
11 ist ein Diagramm, das Ergebnisse von Leistungstests des Turboladers vom System mit variabler Geometrie gemäß dem herkömmlichen Beispiel und des Turboladers vom System mit variabler Geometrie gemäß dem erfindungsgemäßen Beispiel zeigt.
Beschreibung von Ausführungsformen
Neue Erkenntnisse
Zunächst werden neue Erkenntnisse erläutert, die als Grundlage der vorliegenden Erfindung dienen.
9(a) und 9(b) zeigen einen Turbolader 200 vom System mit variabler Geometrie gemäß einem herkömmlichen Beispiel. 10(a) und 10(b) zeigen einen Turbolader 300 vom System mit variabler Geometrie gemäß einem erfindungsgemäßen Beispiel (d. h., eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung). Bei dem Turbolader 200 vom System mit variabler Geometrie gemäß dem herkömmlichen Beispiel steht, obwohl sich jede variable Düse 261 in jeder beliebigen Richtung dreht, eine hinten liegende Kante 261t jeder variablen Düse 261 nicht von einer Innenkante 247fe einer vorderen Fläche 247f eines ersten Basisrings 247 und einer Innenkante 257fe einer vorderen Fläche 257f eines zweiten Basisrings 257 vor. Hingegen steht bei dem Turbolader 300 vom System mit variabler Geometrie gemäß dem erfindungsgemäßen Beispiel, wenn jede variable Düse 361 in einer Öffnungs-Richtung gedreht wird, eine hinten liegende Kante 361t der jeweiligen variablen Düse 361 in einer radialen Richtung in Bezug auf eine Innenkante 357fe einer vorderen Fläche 357f eines zweiten Basisrings 357 nach innen vor. In 9(b) zeigt eine durchgehende Linie die variable Düse 261 an, die sich an einem Ende einer Seite in der Öffnungs-Richtung in einem Drehbereich befindet, und eine unterbrochene Linie zeigt die variable Düse 261 an, die sich am Ende einer Seite in der Schließ-Richtung in dem Drehbereich befindet. Desgleichen zeigt in 10(b) eine durchgehende Linie die variable Düse 361 an, die sich an einem Ende einer Seite der Öffnungs-Richtung in dem Drehbereich befindet, und zeigt eine unterbrochene Linie die variable Düse 361 an, die sich an einem Ende einer Seite in der Schließ-Richtung in dem Drehbereich befindet. Es ist anzumerken, dass die Bezugszeichen 227, 229, 237, 299 in 9(a) ein Turbinengehäuse, ein Turbinenlaufrad, einen Turbinen-Spiral-Strömungskanal bzw. einen Dichtungsring des Turboladers 200 vom System mit variabler Geometrie kennzeichnen. Desgleichen kennzeichnen die Bezugszeichen 327, 329, 337, 399 in 10(a) ein Turbinengehäuse, ein Turbinenlaufrad, einen Turbinen-Spiral-Strömungskanal bzw. einen Dichtungsring des Turboladers 300 vom System mit variabler Geometrie.
11 zeigt Ergebnisse von Leistungstests des Turboladers 200 vom System mit variabler Geometrie und des Turboladers 300 vom System mit variabler Geometrie. 11 zeigt eine Beziehung zwischen einer Strömungsgeschwindigkeit von Gas (einer Strömungsgeschwindigkeit von Testgas), das durch Turbinen der beiden Turbolader strömt, und dem Turbinenwirkungsgrad. Es ist anzumerken, dass die Strömungsgeschwindigkeit mit einer bekannten Formel korrigiert wird, die eine Temperatur und einen Druck eines Turbineneinlasses verwendet.
Bei dem Turbolader 300 vom System mit variabler Geometrie gemäß dem erfindungsgemäßen Beispiel wird, wie in 11 gezeigt, der Turbinenwirkungsgrad in einem Bereich niedriger Strömungsgeschwindigkeit auf dem gleichen Wert wie der des Turboladers 200 vom System mit variabler Geometrie gemäß dem herkömmlichen Beispiel gehalten, und nimmt eine Strömungsgeschwindigkeit in einem Bereich hoher Strömungsgeschwindigkeit stärker zu als bei dem Turbolader 200 vom System mit variabler Geometrie gemäß dem herkömmlichen Beispiel. Das heißt, wenn jede variable Düse so eingerichtet ist, dass die hinten liegende Kante der jeweiligen variablen Düse in der radialen Richtung in Bezug auf die Innenkante der vorderen Fläche des zweiten Basisrings nach innen vorsteht, wenn sich die jeweilige variable Düse zu dem Ende einer Seite in der Öffnungs-Richtung in dem Drehbereich dreht, führt dies zu der Erkenntnis, dass ausreichender Turbinenwirkungsgrad in dem Bereich niedriger Strömungsgeschwindigkeit aufrechterhalten werden kann und dabei eine Strömungsgeschwindigkeit von Abgas in dem Bereich hoher Strömungsgeschwindigkeit erhöht werden kann. Es wird geschlussfolgert, dass die Zunahme der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases durch die Tatsache verursacht wird, dass eine Position einer Eintrittsöffnung (einer scheinbaren Eintrittsöffnung) T zu einer stromauf liegenden Seite in einer Strömungsrichtung des Gases verschoben wird und dass eine Fläche der Eintrittsöffnung T (eine scheinbare Eintrittsöffnungsfläche) in dem Bereich hoher Strömungsgeschwindigkeit vergrößert wird. Des Weiteren lässt sich auch in dem Fall, in dem jede variable Düse so eingerichtet ist, dass die hinten liegende Kante der jeweiligen variablen Düse in der radialen Richtung in Bezug auf die Innenkante der vorderen Fläche des ersten Basisrings nach innen vorsteht, wenn sich die jeweilige variable Düse zu dem Ende einer Seite in der Öffnungs-Richtung in dem Drehbereich dreht, schlussfolgern, dass eine ähnliche Erscheinung auftritt.
Ausführungsform
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf 1 bis 7 beschrieben. Es ist anzumerken, dass in den Zeichnungen ”R” nach rechts gerichtet bedeutet und ”L” nach links gerichtet bedeutet.
7 zeigt einen Turbolader 1 vom System mit variabler Geometrie gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Der Turbolader 1 vom System mit variabler Geometrie lädt (verdichtet) eine einem Motor zugeführte Luft unter Nutzung von Energie von Abgas von dem Motor (nicht dargestellt) auf.
Der Turbolader 1 vom System mit variabler Geometrie enthält ein Lagergehäuse 3. Ein Radiallager 5 und ein Paar Axiallager 7 sind in dem Lagergehäuse 3 vorhanden. Des Weiteren ist eine Rotorwelle (eine Turbinenwelle) 9, die sich in einer horizontalen Richtung erstreckt, drehbar an der Vielzahl von Lagern 5, 7 angeordnet. Das heißt, die Rotorwelle 9 kann in dem Lagergehäuse 3 über die Vielzahl von Lagern 5, 7 gedreht werden.
Ein Verdichtergehäuse 11 befindet sich an einer rechten Seite des Lagergehäuses 3. In dem Verdichtergehäuse 11 ist ein Verdichterlaufrad 13 um seinen axialen Mittelpunkt C (d. h., einen axialen Mittelpunkt der Rotorwelle 9) herum drehbar angeordnet. Das Verdichterlaufrad 13 verdichtet die Luft unter Nutzung einer Zentrifugalkraft mittels Drehung. Des Weiteren enthält das Verdichterlaufrad 13 ein Verdichterrad (eine Verdichterscheibe) 15, die integral mit einem rechten Ende der Rotorwelle 9 gekoppelt ist, sowie eine Vielzahl von Verdichterflügeln 17, die an einer Außenumfangsfläche des Verdichterrades 15 in gleichmäßigen Abständen in einer Umfangsrichtung angeordnet sind.
Ein Lufteinlass 19 zum Einleiten der Luft ist an einer Eintrittsseite (einer stromauf liegenden Seite in einer Strömungsrichtung der Luft) des Verdichterlaufrades 13 in dem Verdichtergehäuse 11 ausgebildet. Der Lufteinlass 19 ist mit einem Luftfilter (nicht dargestellt) verbunden, der die Luft reinigt. Des Weiteren ist ein ringförmiger Diffusor-Strömungskanal 21, der einen Druck der verdichteten Luft erhöht, an einer Austrittsseite (einer stromab liegenden Seite in der Strömungsrichtung der Luft) des Verdichterlaufrades 13 zwischen dem Lagergehäuse 3 und dem Verdichtergehäuse 11 ausgebildet. Weiterhin ist ein spiralförmiger Verdichter-Spiral-Strömungskanal 23 im Inneren des Verdichtergehäuses 11 ausgebildet. Der Verdichter-Spiral-Strömungskanal 23 steht mit dem Diffusor-Strömungskanal 21 in Verbindung. Ein Luftauslass 25 zum Ausstoßen der verdichteten Luft ist an einer entsprechenden Position des Verdichtergehäuses 11 ausgebildet, und der Luftauslass 25 steht mit dem Verdichter-Spiral-Strömungskanal 23 in Verbindung und ist mit einem Ansaugkrümmer (nicht dargestellt) des Motors verbunden.
Ein Turbinengehäuse 27 befindet sich, wie in 3 und 7 gezeigt, an einer linken Seite des Lagergehäuses 3. In dem Turbinengehäuse 27 ist ein Turbinenlaufrad 29 um den axialen Mittelpunkt C (einen axialen Mittelpunkt des Turbinenlaufrades 29, d. h., den axialen Mittelpunkt der Rotorwelle 9) herum drehbar angeordnet. Das Turbinenlaufrad 29 erzeugt eine Drehkraft (Drehmoment) unter Verwendung von Druckenergie des Abgases. Das Turbinenlaufrad 29 enthält ein Turbinenrad (eine Turbinenscheibe) 31, das integral an einem linken Ende der Rotorwelle 9 angeordnet ist, sowie eine Vielzahl von Turbinenflügeln 33, die an einer Außenumfangsfläche des Turbinenrades 31 in gleichmäßigen Abständen in einer Umfangsrichtung angeordnet sind. Dabei sind vordere Enden 33a der Vielzahl von Turbinenflügeln 33 mit einer Abdeckwand 27s des Turbinengehäuses 27 abgedeckt.
Ein Gaseinlass 35 zum Einleiten von Abgas ist an einer entsprechenden Position des Turbinengehäuses 27 ausgebildet. Der Gaseinlass 35 ist mit einem Abgaskrümmer (nicht dargestellt) des Motors verbunden. Ein spiralförmiger Turbinen-Spiral-Strömungskanal 37 ist an einer Eintrittsseite (einer in einer Strömungsrichtung des Abgases stromauf liegenden Seite) des Turbinenlaufrades 29 im Inneren des Turbinengehäuses 27 ausgebildet. Der Turbinen-Spiral-Strömungskanal 37 steht mit dem Gaseinlass 35 in Verbindung. Des Weiteren ist ein Gasauslass 39 zum Ausstoßen des Abgases an einer Austrittsseite (einer in der Strömungsrichtung des Abgases stromab liegenden Seite) des Turbinenlaufrades 29 in dem Turbinengehäuse 27 ausgebildet. Der Gasauslass 39 ist mit einer Abgasreinigungsvorrichtung (nicht dargestellt) verbunden, die das Abgas reinigt.
Es ist anzumerken, dass sich eine Wärmeabschirmplatte 41 an einer Fläche an der linken Seite des Lagergehäuses 3 befindet. Die Wärmeabschirmplatte 41 ist in einer Ringform ausgebildet und schirmt Wärme von der Seite des Turbinenlaufrades 29 ab. Ein ringförmiges Spannelement 23, wie beispielsweise eine Blattfeder oder eine gewellte Federscheibe, befindet sich zwischen der Fläche an der linken Seite des Lagergehäuses 3 und einer Außenumfangskante (einem Außenumfangsende) der Wärmeabschirmplatte 41.
Der Turbolader 1 vom System mit variabler Geometrie ist mit einer variablen Düseneinheit 45 versehen, die eine Strömungs-Durchlassfläche (eine Fläche der Eintrittsöffnung T, die im Folgenden kurz als Eintrittsöffnungsfläche bezeichnet wird) für das Abgas reguliert, das der Seite des Turbinenlaufrades 29 zugeführt wird.
Im Folgenden wird ein Aufbau der variablen Düseneinheit 45 erläutert. In dem Turbinengehäuse 27 ist, wie in 1 sowie 3 bis 5(b) gezeigt, ein erster Düsenring 47 als ein erster Basisring konzentrisch mit dem Turbinenlaufrad 29 angeordnet. In dem ersten Düsenring 47 sind eine Vielzahl von Lagerlöchern 49 in gleichmäßigen Abständen in einer Umfangsrichtung ausgerichtet. Die Lagerlöcher 49 sind so ausgebildet, dass sie durch den ersten Düsenring 47 hindurch verlaufen. Des Weiteren ist eine Innenumfangskante (ein Innenumfangsende) des ersten Düsenrings 47 auf die Außenumfangskante (einen Absatz der Seite der Außenumfangskante) der Wärmeabschirmplatte 41 aufgesetzt.
Eine Vielzahl von Führungsklauen 51 sind integral an einer Fläche an der rechten Seite des ersten Düsenrings 47 ausgebildet. Die Führungsklauen 51 der Vielzahl befinden sich in einer radialen Richtung des Lagerlochs 49 außen und sind in einer Umfangsrichtung des ersten Düsenrings 47 radial voneinander beabstandet ausgebildet. Jede Führungsklaue 51 weist eine Führungsnut 53 mit einem U-förmigen Querschnitt an einer vorderen Seite (Außenseite in der radialen Richtung) auf. Ein konvexer Kopplungsabschnitt 55 ist an der Innenumfangskante (der Seite der Innenumfangsfläche) der rechten Seitenfläche des ersten Düsenrings 47 ausgebildet. Der konvexe Kopplungsabschnitt 55 ist in einer Ringform ausgebildet und steht nach rechts (einer Seite in der axialen Richtung) vor. Der konvexe Kopplungsabschnitt 55 ist so geformt und koppelt so ein unteres Ende der Vielzahl von Führungsklauen 51.
Ein zweiter Düsenring 57 als ein zweiter Basisring befindet sich, wie in 1 bis 4 gezeigt, an einer Position, die von dem ersten Düsenring 47 in der horizontalen Richtung (einer axialen Richtung des Turbinenlaufrades 29) getrennt ist, und ist dem ersten Düsenring 47 zugewandt. Der zweite Düsenring 57 ist über eine Vielzahl (drei oder mehr) Kopplungsbolzen 59, die in einer Umfangsrichtung des zweiten Düsenrings 57 ausgerichtet sind, integral und konzentrisch mit dem ersten Düsenring 47 angeordnet. Dabei legt die Vielzahl von Kopplungsbolzen 59 einen Zwischenraum zwischen einer vorderen Fläche (einer Fläche an der linken Seite) 47f des ersten Düsenrings 47 und einer vorderen Fläche (einer Fläche an der rechten Seite) 57f des zweiten Düsenrings 57 fest.
Eine Vielzahl variabler Düsen 61 sind, wie in 1 bis 3 gezeigt, zwischen der vorderen Fläche 47f des ersten Düsenrings 47 und der vorderen Fläche 57f des zweiten Düsenrings 57 angeordnet. Die variablen Düsen 61 der Vielzahl sind in gleichmäßigen Abständen in der Umfangsrichtung so angeordnet, dass sie das Turbinenlaufrad 29 umgeben. Jede variable Düse 61 kann in einer Öffnungs-Richtung und einer Schließ-Richtung um einen axialen Mittelpunkt parallel zu dem axialen Mittelpunkt C des Turbinenlaufrades 29 innerhalb eines im Voraus festgelegten Drehbereiches gedreht werden. Eine Düsenwelle 63 ist integral an einer Fläche an der rechten Seite (einer Seitenfläche an einer Seite in der axialen Richtung) der jeweiligen variablen Düse 61 ausgebildet. Jede Düsenwelle 63 ist über das entsprechende Lagerloch 49 des ersten Düsenrings 47 drehbar gelagert. Dabei befindet sich die mit einer durchgehenden Linie gezeigte variable Düse 61 in 2 an einem Ende der Seite der Öffnungs-Richtung in einem Drehbereich, und die mit einer unterbrochenen Linie gezeigte variable Düse 61 befindet sich an einem Ende der Seite der Schließ-Richtung in dem Drehbereich. Es ist anzumerken, dass jede variable Düse 61 der Ausführungsform eine Düsenwelle 63 aufweist. Jedoch kann eine andere Düsenwelle (nicht dargestellt) integral an einer Fläche an der linken Seite (einer Seitenfläche der anderen Seite in der axialen Richtung) der jeweiligen variablen Düse 61 ausgebildet sein, und jede andere Düsenwelle kann über ein anderes Lagerloch (nicht dargestellt) des zweiten Düsenrings 57 drehbar gelagert sein. Des Weiteren sind in der Ausführungsform die Abstände der variablen Düsen 61 in der Umfangsrichtung konstant. Es ist jedoch unter Berücksichtigung einer Form der einzelnen variablen Düse 61 usw. möglich, dass diese Abstände nicht konstant sind. Das gleiche gilt für die Lagerlöcher 49.
Eine ringförmige Verbindungskammer 65 ist an einer rechten Seite (einer Seite der der vorderen Fläche 47f gegenüberliegenden Fläche) des ersten Düsenrings 47 ausgebildet. Ein Verbindungsmechanismus 67 zum synchronen Drehen der Vielzahl variabler Düsen 61 in der Öffnungs-Richtung oder der Schließ-Richtung befindet sich in der Verbindungskammer 65. Der Verbindungsmechanismus 67 ist mit den Düsenwellen 63 der Vielzahl variabler Düsen 61 gekoppelt.
Ein konkreter Aufbau des Verbindungsmechanismus 67 wird im Folgenden erläutert. Ein Antriebsring 69 wird, wie in 1, 3 und 4 gezeigt, in einer positiven Richtung oder einer entgegengesetzten Richtung (der Öffnungs-Richtung oder der Schließ-Richtung) um den axialen Mittelpunkt C (einen axialen Mittelpunkt des ersten Düsenrings 47) des Turbinenlaufrades 29 durch die Führungsnut 53 jeder Führungsklaue 51 drehbar geführt. Der Antriebsring 69 dreht sich durch Antrieb eines Dreh-Stellgliedes 71, wie beispielsweise eines Elektromotors oder eines Unterdruckzylinders, in der positiven Richtung oder der entgegengesetzten Richtung. Des Weiteren ist ein konkaver Eingriffsabschnitt (ein Eingriffsabschnitt) 73 in gleichmäßigen Abständen in einer Innenkante des Antriebsrings 69 ausgebildet. Der konkave Eingriffsabschnitt 73 ist in einer radialen Richtung des Antriebsrings 69 nach außen vertieft. Die Anzahl konkaver Eingriffsabschnitte 73 entspricht der der variablen Düsen 61. Ein konkaver Eingriffsabschnitt (ein anderer Eingriffsabschnitt) 75 ist an einer entsprechenden Position der Innenkante des Antriebsrings 69 ausgebildet. Ähnlich dem konkaven Eingriffsabschnitt 73 ist auch der konkave Eingriffsabschnitt 75 in der radialen Richtung des Antriebsrings 69 nach außen vertieft. Des Weiteren ist ein unteres Ende eines Synchron-Verbindungsgliedes (eines Düsen-Verbindungsgliedes) 77 integral mit der Düsenwelle 63 jeder variablen Düse 61 gekoppelt. Ein vorderes Ende jedes Synchron-Verbindungsgliedes 77 ist mit einem entsprechenden konkaven Eingriffsabschnitt 73 des Antriebsrings 69 in Eingriff. Es ist anzumerken, dass in der Ausführungsform der Antriebsring 69 durch die Führungsnut 53 drehbar in der positiven Richtung und der entgegengesetzten Richtung geführt wird. Stattdessen kann, wie in den Patentdokumenten 2 und 3 gezeigt, der Antriebsring 69 durch einen Führungsring (nicht dargestellt), der sich an der der vorderen Fläche 47f des ersten Düsenrings 47 gegenüberliegenden Fläche befindet, in der positiven Richtung und der entgegengesetzten Richtung drehbar geführt werden. Des Weiteren werden Abstände der konkaven Eingriffsabschnitte 73 entsprechend den Abständen der variablen Düsen 61 festgelegt. Das heißt, bei der Ausführungsform sind die konkaven Eingriffsabschnitte 73 dadurch, dass die variablen Düsen 61 in gleichmäßigen Abständen angeordnet sind, ebenfalls in gleichmäßigen Abständen angeordnet. Wenn sich jedoch die Abstände der variablen Düsen 61 ändern, ändern sich auch die Abstände der konkaven Eingriffsabschnitte 73 entsprechend der jeweiligen Position der variablen Düse 61.
Eine Antriebswelle 79 ist über eine Buchse 81 an einem Abschnitt an der linken Seite des Lagergehäuses 3 angeordnet. Die Antriebswelle 79 ist um den axialen Mittelpunkt parallel zu dem axialen Mittelpunkt des Turbinenlaufrades 29 herum drehbar angeordnet. Ein rechtes Ende (ein Ende) der Antriebswelle 79 ist über einen Kraftübertragungsmechanismus 83 mit dem Dreh-Stellglied 71 verbunden. Des Weiteren ist ein unteres Ende eines Antriebs-Verbindungsgliedes 85 integral mit einem linken Ende (einem anderen Ende) der Antriebswelle 79 gekoppelt. Ein vorderes Ende des Antriebs-Verbindungsgliedes 85 ist mit einem anderen konkaven Eingriffsabschnitt (einem anderen Eingriffsabschnitt) 75 des Antriebsrings 69 in Eingriff.
Eine Innenumfangskante des Tragerings 87 ist, wie in 1, 3, 4, 6(a) und 6(b) gezeigt, integral mit der Fläche an der rechten Seite (der der vorderen Fläche 47f gegenüberliegenden Fläche) des ersten Düsenrings 47 über rechte Enden (Enden an einer Seite) der Vielzahl von Kopplungsbolzen 59 verbunden. Ein Außendurchmesser des Tragerings 87 ist größer als der des ersten Düsenrings 47. Eine Vielzahl von Verbindungsteilen 89 ist integral mit dem Tragering 87 an einer Innenumfangsfläche des Tragerings 87 ausgebildet. Jedes Verbindungsteil 89 steht in einer radialen Richtung des Tragerings 87 nach innen vor und ist von dem jeweils anderen Ende in einer Umfangsrichtung beabstandet angeordnet. Jedes Verbindungsteil 89 ist integral mit der Fläche an der rechten Seite des ersten Düsenrings 47 verbunden. Ein Einführloch 91 zum Einführen eines linken Endes des Kopplungsbolzens 59 ist in jedem Verbindungsteil 89 ausgebildet. Das Einführloch 91 verläuft durch das Verbindungsteil 89 hindurch. Eine Außenumfangskante des Tragerings 87 ist in einem Zustand an dem Lagergehäuse 3 angebracht, in dem sie im Zusammenwirken mit dem Turbinengehäuse 27 eingeschlossen ist. Die Außenumfangskante des Tragerings 87 ist an dem Lagergehäuse 3 angebracht, und dadurch ist die variable Düseneinheit 45 in dem Turbinengehäuse 27 angeordnet.
Ein Aufnahme-Absatz 93 als ein konkaver Aufnahmeabschnitt, der einen Abschnitt an der Seite des Innenumfangs des zweiten Düsenrings 57 aufnimmt, ist, wie in 1 und 3 gezeigt, in dem Turbinengehäuse 27 ausgebildet. Der Aufnahme-Absatz 93 ist in einer Ringform ausgebildet und befindet sich an der Eintrittsseite des Turbinenlaufrades 29. Ein ringförmiger Zwischenraum 95 ist zwischen einer Innenwandfläche (einer Innenumfangsfläche) des Aufnahme-Absatzes 93 des Turbinengehäuses 27 und einer Innenumfangsfläche des zweiten Düsenrings 57 ausgebildet. Des Weiteren ist eine Umfangsnut 97 in einer Innenumfangsfläche des Aufnahme-Absatzes 93 ausgebildet. Eine Vielzahl von Dichtungsringen 99 befindet sich zwischen der Umfangsnut 97 des Aufnahme-Absatzes 93 und der Innenumfangsfläche des zweiten Düsenrings 57. Der Dichtungsring 99 dient als ein Dichtungselement, das Austreten des Abgases über eine linke Seite (eine Seite der der vorderen Fläche 57f gegenüberliegenden Fläche) des zweiten Düsenrings 57 zu dem Zwischenraum 95 verhindert. Es ist anzumerken, dass ein ringförmiger konkaver Aufnahmeabschnitt (nicht dargestellt), der den gesamten zweiten Düsenring 57 aufnimmt, anstelle des Aufnahme-Absatzes 93 ausgebildet sei kann.
Wenn sich jede variable Düse 61 zum Ende der Seite in der Öffnungs-Richtung in dem Drehbereich hin dreht, steht jede hinten liegende Kante 61t der jeweiligen variablen Düse 61 in der radialen Richtung in Bezug auf eine Innenkante 57fe der vorderen Fläche 57f des zweiten Düsenrings 57 nach innen vor. Wenn jede variable Düse 61 zum Ende der Seite der Öffnungs-Richtung in dem Drehbereich hin gedreht wird, befindet sich die hinten liegende Kante 61t der jeweiligen variablen Düse 61 näher an der Innenseite in der radialen Richtung als eine Innenumfangskante 93e des Aufnahme-Absatzes 93 (d. h., eine Außenumfangskante 27se der Abdeckwand 27s). Es ist anzumerken, dass sich die hinten liegende Kante 61t jeder variablen Düse 61 in der radialen Richtung näher an der Außenseite befinden kann als die Innenumfangskante 93e des Aufnahme-Absatzes 93, wenn sich die jeweilige variable Düse 61, wie oben beschrieben, dreht.
Im Folgenden werden die Wirkung und ein Effekt der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert.
Abgas, das über den Gaseinlass 35 eingeleitet wird, strömt von der Eintrittsseite über den Turbinen-Spiral-Strömungskanal 37 zu der Austrittsseite des Turbinenlaufrades 29, und dadurch kann die Drehkraft (das Drehmoment) unter Nutzung der Druckenergie des Abgases erzeugt werden, um so die Rotorwelle 9 und das Verdichterlaufrad 13 integral mit dem Turbinenlaufrad 29 zu drehen. Dadurch kann über den Lufteinlass 19 eingeleitete Luft verdichtet und über den Diffusor-Strömungskanal 21 sowie den Verdichter-Spiral-Strömungskanal 23 an dem Luftauslass 25 ausgestoßen werden, und damit kann die dem Motor zugeführte Luft aufgeladen (verdichtet) werden.
Wenn beim Betrieb des Turboladers 1 vom System mit variabler Geometrie die Motordrehzahl niedrig ist und eine Strömungsgeschwindigkeit von Abgas in einem Bereich niedriger Strömungsgeschwindigkeit liegt, dreht sich der Antriebsring 69 durch Antrieb des Dreh-Stellgliedes 71 in der entgegengesetzten Richtung (der Schließ-Richtung). Wenn sich der Antriebsring 69 in der entgegengesetzten Richtung dreht, wird die Vielzahl von Synchron-Verbindungsgliedern 77 in der entgegengesetzten Richtung geschwenkt, und die Vielzahl variabler Düsen 61 dreht sich synchron in der Schließ-Richtung (der entgegengesetzten Richtung). Dadurch wird die Strömungs-Durchlassfläche (die Eintrittsöffnungsfläche) für das der Seite des Turbinenlaufrades 29 zugeführte Abgas kleiner, und eine Strömungsgeschwindigkeit des Abgases steigt an. Dementsprechend kann eine ausreichende Kapazität des Turbinenlaufrades 29 gewährleistet werden. Wenn hingegen die Motordrehzahl hoch ist und die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases in einem Bereich hoher Strömungsgeschwindigkeit liegt, dreht sich der Antriebsring 69 durch den Antrieb des Dreh-Stellgliedes 71 in der positiven Richtung (der Öffnungs-Richtung). Wenn sich der Antriebsring 69 in der positiven Richtung dreht, wird die Vielzahl von Synchron-Verbindungsgliedern 77 in der positiven Richtung geschwenkt, und die Vielzahl variabler Düsen 61 dreht sich synchron in der Öffnungs-Richtung (der positiven Richtung). Dadurch wird die Strömungs-Durchlassfläche für das der Seite des Turbinenlaufrades 29 zugeführte Abgas größer, und eine der Seite des Turbinenlaufrades 29 zugeführte Menge des Abgases nimmt zu. Dadurch kann die Drehkraft des Turbinenlaufrades 29 unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases ausreichend und stabil erzeugt werden.
Wenn sich jede variable Düse 61 auf das Ende der Seite der Öffnungs-Richtung in dem Drehbereich zu dreht, steht die hinten liegende Kante 61e der jeweiligen variablen Düse 61 in der radialen Richtung in Bezug auf die Innenkante 57fe der vorderen Fläche 57f des zweiten Düsenrings 57 nach innen vor. Aus den oben aufgeführten Erkenntnissen ergibt sich, dass in diesem Fall die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases in dem Bereich hoher Strömungsgeschwindigkeit stärker als zuvor erhöht werden kann. Das heißt, beim Betrieb des Turboladers 1 vom System mit variabler Geometrie kann in dem Bereich niedriger Strömungsgeschwindigkeit ausreichender Turbinenwirkungsgrad aufrechterhalten werden, und in dem Bereich hoher Strömungsgeschwindigkeit kann die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases erhöht werden.
Dementsprechend ist es möglich, den Kraftstoffverbrauch des Motors ausreichend zu verbessern und gleichzeitig Verbesserung des Turbinenwirkungsgrades in dem Bereich niedriger Strömungsgeschwindigkeit sowie Zunahme der Turbinenkapazität in dem Bereich hoher Strömungsgeschwindigkeit zu erreichen.
Weitere Ausführungsform
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf 8 beschrieben. Es ist anzumerken, dass in den Zeichnungen ”R” nach rechts gerichtet bedeutet und ”L” nach links gerichtet bedeutet.
Ein Turbolader vom System mit variabler Geometrie der Ausführungsform ist, wie in 8 gezeigt, anstelle der variablen Düseneinheit 45 (siehe 1) mit einer variablen Düseneinheit 101 versehen. Darüberhinaus hat die variable Düseneinheit 101 einen Aufbau, der dem der variablen Düseneinheit 45 gleicht. Dementsprechend werden von dem Aufbau der variablen Düseneinheit 101 nur ein Abschnitt, der sich von der variablen Düseneinheit 45 unterscheidet, und ein Aufbau um den Abschnitt herum erläutert. Es ist anzumerken, dass in 8 von der Vielzahl von Komponenten in der variablen Düseneinheit 101 Komponenten, die Komponenten in der variablen Düseneinheit 45 entsprechen, die gleichen Bezugszeichen erhalten.
Ein zweiter Düsenring 103 als ein zweiter Basisring befindet sich an einer Position, die von dem ersten Düsenring in der horizontalen Richtung (der axialen Richtung des Turbinenlaufrades 29) getrennt ist, und ist dem ersten Düsenring 47 zugewandt. Der zweite Düsenring 103 ist über die Vielzahl von Kopplungsbolzen 59, die in einer Umfangsrichtung des zweiten Düsenrings 103 ausgerichtet sind, integral und konzentrisch mit dem ersten Düsenring 47 angeordnet. Des Weiteren weist der zweite Düsenring 103 einen zylindrischen Abdeckungsabschnitt 105 auf, der die vorderen Kanten 33a der Vielzahl von Turbinenflügeln 33 abdeckt.
Ein Aufnahme-Absatz 107 als ein ringförmiger konkaver Aufnahmeabschnitt, der den Abdeckungsabschnitt 105 aufnimmt, ist im Inneren des Turbinengehäuses 27 ausgebildet. Der Aufnahme-Absatz 107 ist in einer Ringform ausgebildet und befindet sich in der radialen Richtung des Turbinenlaufrades 29 außen. Des Weiteren ist eine Umfangsnut 109 in einer Außenumfangsfläche des Abdeckungsabschnitts 105 ausgebildet. Eine Vielzahl von Dichtungsringen 111 befindet sich zwischen der Umfangsnut 109 und einer Innenwandfläche (einer Innenumfangsfläche) des Aufnahme-Absatzes 107. Der Dichtungsring 111 dient als ein Dichtungselement, das das Austreten von Abgas über eine linke Seite (eine Seite einer der vorderen Fläche 103f gegenüberliegenden Fläche) des zweiten Düsenrings 103 verhindert.
Eine Einkerbung (eine Umfangsnut) 113 ist an der Seite der vorderen Fläche 103f des zweiten Düsenrings 103 ausgebildet. Die Einkerbung (die Umfangsnut) 113 ist in einer Ringform so ausgebildet, dass die hinten liegende Kante 61t jeder variablen Düse 61 in Bezug auf eine Innenkante 103fe der vorderen Fläche 103f des zweiten Düsenrings 103 nach innen vorsteht, wenn die jeweilige variable Düse 61 auf das Ende der Seite der Öffnungs-Richtung in dem Drehbereich zu gedreht wird.
Dementsprechend werden auch mit dieser Ausführungsform die Wirkung und der Effekt erzielt, wie sie oben erwähnt sind, da die ringförmige Einkerbung 113 vorhanden ist.
Es ist anzumerken, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die jeweils oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist. Die vorliegende Erfindung kann beispielsweise in verschiedenen Aspekten ausgeführt werden, wie sie im Folgenden beschrieben sind. Das heißt, bei der oben beschriebenen Ausführungsform steht, wenn sich jede variable Düse 61 auf das Ende der Seite in der Öffnungs-Richtung in dem Drehbereich zu dreht, die hinten liegende Kante 61t der jeweiligen variablen Düse 61 in der radialen Richtung in Bezug auf die Innenkante 57fe (103fe) des zweiten Düsenrings 57 (103) nach innen vor. Stattdessen kann jede hinten liegende Kante 61t in der radialen Richtung in Bezug auf die Innenkante 47fe des ersten Düsenrings 47 nach innen vorstehen. Des Weiteren kann jede hinten liegende Kante 61t in der radialen Richtung in Bezug auf die Innenkante 47fe des ersten Düsenrings 47 und die Innenkante 57fe (103fe) des zweiten Düsenrings 57 (103) nach innen vorstehen. Es ist anzumerken, dass der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt ist.

Claims

Variable Düseneinheit, mit der eine Strömungs-Durchlassfläche für Abgas reguliert wird, das der Seite eines Turbinenlaufrades in einem Turbolader vom System mit variabler Geometrie zugeführt wird, wobei die variable Düseneinheit umfasst: einen ersten Basisring, der konzentrisch mit dem Turbinenlaufrad in einem Turbinengehäuse in dem Turbolader vom System mit variabler Geometrie angeordnet ist; einen zweiten Basisring, der integral mit dem ersten Basisring an einer Position vorhanden ist, die von dem ersten Basisring in einer axialen Richtung des Turbinenlaufrades getrennt ist, und dem ersten Basisring zugewandt ist; eine Vielzahl variabler Düsen, die zwischen einer außen liegenden Fläche des ersten Basisrings und einer vorderen Fläche des zweiten Basisrings in einer Umfangsrichtung so angeordnet sind, dass sie das Turbinengehäuse umgeben, und die in einer Öffnungs-Richtung und einer Schließ-Richtung um einen axialen Mittelpunkt parallel zu einem axialen Mittelpunkt des Turbinenlaufrades innerhalb eines zuvor festgelegten Drehbereiches gedreht werden können; sowie einen Verbindungsmechanismus zum synchronen Drehen der Vielzahl variabler Düsen in der Öffnungs-Richtung und der Schließ-Richtung innerhalb des Drehbereiches enthält, wobei eine hintere Kante jeder variablen Düse in einer radialen Richtung in Bezug auf eine Innenkante der vorderen Fläche wenigstens des ersten Basisrings oder des zweiten Basisrings vorsteht, wenn sich die jeweilige variable Düse auf ein Ende der Seite in der Öffnungs-Richtung in dem Drehbereich zu dreht.
Variable Düseneinheit nach Anspruch 1, wobei der zweite Basisring einen zylindrischen Abdeckungsabschnitt aufweist, der Vorderkanten einer Vielzahl von Turbinenflügeln an dem Turbinenlaufrad abdeckt, und eine ringförmige Einkerbung an der Seite der vorderen Fläche des zweiten Basisrings so ausgebildet ist, dass die hinten liegende Kante jeder variablen Düse in der radialen Richtung in Bezug auf die Innenkante der vorderen Fläche des zweiten Basisrings nach innen vorsteht, wenn sich die jeweilige variable Düse zu dem Ende der Seite der Öffnungs-Richtung in dem Drehbereich hin dreht.
Turbolader vom System mit variabler Geometrie, der mit einer variablen Düseneinheit nach Anspruch 1 versehen ist und eine einem Motor zugeführte Luft unter Nutzung von Energie von Abgas von dem Motor auflädt, wobei ein ringförmiger konkaver Aufnahmeabschnitt, der wenigstens einen Innenumfangsseitenabschnitt des zweiten Basisrings aufnimmt, an einer Eintrittsseite des Turbinenlaufrades im Inneren des Turbinengehäuses ausgebildet ist und ein ringförmiger Zwischenraum zwischen einer Innenumfangsfläche des konkaven Aufnahmeabschnitts des Turbinengehäuses und einer Innenumfangsfläche des zweiten Basisrings ausgebildet ist, und die hinten liegende Kante jede variablen Düse in der radialen Richtung in Bezug auf die Innenkante der vorderen Fläche des zweiten Basisrings nach innen vorsteht, wenn sich die jeweilige variable Düse zu dem Ende der Seite der Öffnungs-Richtung in dem Drehbereich hin dreht.
Turbolader vom System mit variabler Geometrie nach Anspruch 3, der ein Dichtungselement umfasst, das Austreten des Abgases über die Seite einer der vorderen Fläche des zweiten Basisrings gegenüberliegenden Fläche zu dem Zwischenraum verhindert.
Turbolader vom System mit variabler Geometrie, der eine einer Motor-Seite zugeführte Luft unter Nutzung von Energie von Abgas von dem Motor auflädt, wobei der Turbolader vom System mit variabler Geometrie mit einer variablen Düseneinheit nach Anspruch 1 oder 2 versehen ist.