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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft zum Beispiel eine variable Düseneinheit bzw. eine Einheit mit variabler Düse, die einen Durchgangsbereich bzw. eine Durchgangsfläche (Halsbereich) für ein Abgas einstellt, um zu einer Turbinenradseite in einem Systemturbolader mit variabler Geometrie zugeführt zu werden.
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STAND DER TECHNIK
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In jüngsten Jahren wurden verschiedene Arten von Entwicklungen an variablen Düseneinheiten vorgenommen, die in Systemturboladern mit variabler Geometrie verwendet werden (siehe Patentliteratur 1 und Patentliteratur 2). Konventionelle variable Düseneinheiten haben die folgende spezifische Konfiguration.
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Ein erster Düsenring ist in einem Turbinengehäuse in dem Systemturbolader mit variabler Geometrie angeordnet. Der erste Düsenring hat mehrere bodenlose (durchdringende) erste Stützlöcher, die in Intervallen in einer Umfangsrichtung (in einer vorbestimmten Umfangsrichtung) ausgebildet sind. Ein zweiter Düsenring ist einstückig mit dem ersten Düsenring ausgebildet. Der zweite Düsenring ist an einer Stelle vorgesehen, die axial (in der axialen Richtung eines Turbinenrads) von dem ersten Düsenring entfernt und gegenüberliegend dazu ist. Ferner befindet sich der zweite Düsenring auf einer Seite weiter entfernt von dem Lagergehäuse des Systemturboladers mit variabler Geometrie (auf einer Seite entgegengesetzt zu dem Lagergehäuse) als der erste Düsenring. Außerdem hat der zweite Düsenring mehrere bodenlose (durchdringende) zweite Stützlöcher, die ausgebildet sind, um zu den mehreren ersten Stützlöchern des ersten Düsenrings zu passen.
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Der erste Düsenring und der zweite Düsenring haben zugewandte Flächen, die einander zugewandt sind. Mehrere variable Düsen sind in Intervallen in der Umfangsrichtung (in einer vorbestimmten Umfangsrichtung) zwischen der zugewandten Fläche des ersten Düsenrings und der zugewandten Fläche des zweiten Düsenrings angeordnet. Jede der variablen Düsen kann sich in einer Öffnungs- oder Schließrichtung (Vorwärts- oder Rückwärts-Richtung) um deren Wellenmitte drehen, welche parallel zu der Wellenmitte des Turbinenrads ist. Jede von den variablen Düsen hat eine erste Düsenwelle, die einstückig an einer Seitenfläche (einer Endfläche) ausgebildet ist. Die erste Düsenwelle ist drehbar gestützt mit einem entsprechenden ersten Stützloch des ersten Düsenrings. Ferner hat jede der variablen Düsen eine zweite Düsenwelle, die einstückig an der anderen Seitenfläche (der anderen Endfläche) ausgebildet ist. Die zweite Düsenwelle ist drehbar mit einem entsprechenden zweiten Stützloch des zweiten Düsenrings gestützt. Außerdem ist ein erster Düsenflansch (ein erster innerer Düsenflansch und ein erster äußerer Düsenflansch) einstückig an einer Bohrungsendseite der ersten Düsenwelle an einer Schaufelfläche (eine Schaufelfläche innerhalb in der radialen Richtung und eine Schaufelfläche außerhalb in der radialen Richtung) von jeder von den variablen Düsen einstückig ausgebildet. Darüber hinaus ist ein zweiter Düsenflansch (ein zweiter innerer Düsenflansch und ein zweiter äußerer Düsenflansch) einstückig auf einer Basisendseite der zweiten Düsenwelle auf einer Schaufelfläche von jeder von den variablen Düsen einstückig ausgebildet.
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Der erste Düsenflansch von jeder von den variablen Düsen ist gestaltet, um in der Lage zu sein, die zugewandte Fläche des ersten Düsenrings zu berühren. Deshalb ist es möglich, den Eintritt von Fremdstoffen, wie zum Beispiel Ruß, in das erste Stützloch des ersten Düsenrings durch ein Schließen des Spalts zwischen der Innenumfangsfläche des ersten Stützlochs des ersten Düsenrings und der Außenumfangsfläche der ersten Düsenwelle der variablen Düse zu unterdrücken. Ferner ist der zweite Düsenflansch von jeder von den variablen Düsen gestaltet, um in der Lage zu sein, die zugewandte Fläche des zweiten Düsenrings zu berühren. Deshalb ist es möglich, den Eintritt von Fremdstoffen in das zweite Stützloch des zweiten Düsenrings durch ein Schließen des Spalts zwischen der Innenumgangsfläche des zweiten Stützlochs des zweiten Düsenrings und der Außenumfangsfläche der zweiten Düsenwelle der variablen Düse zu unterdrücken. Außerdem sind der erste Düsenflansch und der zweite Düsenflansch von jeder von den variablen Düsen gestaltet, um in der Lage zu sein, die zugewandte Fläche des ersten Düsenrings und die zugewandte Fläche des zweiten Düsenrings jeweils zu berühren. Deshalb ist es möglich, ein Neigen der variablen Düse (der Wellenmitte der variablen Düse) durch ein Stabilisieren des Stützzustands der variablen Düse durch die zugewandte Fläche des ersten Düsenrings und der zugewandten Fläche des zweiten Düsenrings niederzuhalten bzw. zu unterdrücken.
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Ein Verbindungsmechanismus zum synchronen Drehen der vielen variablen Düsen ist auf einer entgegengesetzten Flächenseite der zugewandten Fläche des ersten Düsenrings angeordnet. Wenn der Verbindungsmechanismus die vielen variablen Düsen in der Vorwärtsrichtung (Öffnungsrichtung) synchron dreht, erhöht sich der Durchgangsbereich bzw. die Durchgangsfläche (Halsbereich) für ein Abgas, um zu der Turbinenradseite zugeführt zu werden. Wenn der Verbindungsmechanismus die vielen variablen Düsen in der umgekehrten Richtung (Schließrichtung) synchron dreht, verringert sich der Durchgangsbereich bzw. die Durchgangsfläche für das Abgas, um zu der Turbinenradseite zugeführt zu werden.
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LITERATURSTELLEN LISTE
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PATENTLITERATUR
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- Patentliteratur 1: Japanische Patentanmeldungsoffenlegung Nr. 2013-2293
- Patentliteratur 2: Japanische Patentanmeldungsoffenlegung Nr. 2011-247189
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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TECHNISCHES PROBLEM
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Wie vorangehend beschrieben ist, werden der erste Düsenflansch und der zweite Düsenflansch der variablen Düse zum Beispiel benötigt, um den Eintritt von Fremdstoffen, zum Beispiel in die ersten Stützlöcher des ersten Düsenrings zu unterdrücken. Jedoch behindern andererseits der erste Düsenflansch und der zweite Düsenflansch der variablen Düse lokal die Strömung eines Hauptstroms des Abgases. Deshalb kann der Druckverlust zwischen variablen Düsen in Abhängigkeit von Betriebsbedingungen des Systemturboladers mit variabler Geometrie erhöht bzw. vergrößert werden, um eine Turbineneffizienz des Systemturboladers mit variabler Geometrie abzusenken. Dementsprechend wird ein weiterer Anstieg der Turbineneffizienz des Systemturboladers mit variabler Geometrie gewünscht.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine variable Düseneinheit und einen Systemturbolader mit variabler Geometrie zu bieten, der das vorangehend beschriebene Problem lösen kann.
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LÖSUNG DES PROBLEMS
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Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine variable Düseneinheit, die zwischen einem Turbinenschraubendurchgang und einem Turbinenrad in einem Turbinengehäuse eines Systemturboladers mit variabler Geometrie angeordnet ist, und gestaltet ist, um einen Durchgangsbereich (Halsbereich) eines Abgases einzustellen, um zu der Turbinenradseite zugeführt zu werden, die folgendes aufweist:
einen ersten Düsenring, der in dem Turbinengehäuse angeordnet ist und eine Vielzahl von ersten Stützlöchern hat, die in Intervallen in einer Umfangsrichtung (in einer vorbestimmten Umfangsrichtung) ausgebildet sind;
einen zweiten Düsenring, der einstückig mit dem ersten Düsenring an einer Stelle vorgesehen ist, die von dem ersten Düsenring axial beabstandet und entgegengesetzt dazu ist, und der eine Vielzahl von zweiten Stützlöchern hat, die ausgebildet sind, um zu der Vielzahl von ersten Stützlöchern des ersten Düsenrings zu passen;
eine Vielzahl von variablen Düsen, die in Intervallen in der Umfangsrichtung (in einer vorbestimmten Umfangsrichtung) und zwischen dem ersten Düsenring und dem zweiten Düsenring angeordnet sind, wobei die variablen Düsen in der Lage sind, sich in einer Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung (in einer Öffnungs- oder Schließrichtung) um eine Wellenmitte parallel zu einer Wellenmitte des Turbinenrads zu drehen, und jede variable Düse hat eine erste Düsenwelle und eine zweite Düsenwelle, wobei die erste Düsenwelle einstückig an einer Seitenfläche (eine Endfläche) ausgebildet ist und drehbar mit dem entsprechenden ersten Stützloch des ersten Düsenring gestützt ist, und die zweite Düsenwelle einstückig an der anderen Seitenfläche (andere Seitenendfläche) ausgebildet ist und drehbar mit dem entsprechenden zweiten Stützloch des zweiten Düsenrings gestützt ist; und
einen Verbindungsmechanismus, der gestaltet ist, um die Vielzahl von variablen Düsen in der Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung synchron zu drehen,
wobei ein Außendurchmesser von einer Düsenwelle der ersten Düsenwelle und der zweiten Düsenwelle von jeder variablen Düse kleiner ist als der Außendurchmesser der anderen Düsenwelle,
wobei ein Abschnitt, der die eine Düsenwelle auf einer von der einen Seitenfläche und der anderen Seitenfläche von jeder von den variablen Düsen einschließt, gestaltet ist, um in der Lage zu sein, einen Düsenring von dem ersten Düsenring und dem zweiten Düsenring zu berühren, und
wobei ein Düsenflansch (ein innerer Düsenflansch und ein äußerer Düsenflansch) einstückig auf einer Basisseite der anderen Düsenwelle auf einer Schaufelfläche (eine Schaufelfläche innerhalb in der radialen Richtung und eine Schaufelfläche außerhalb in der radialen Richtung) von jeder von den variablen Düsen derart einstückig ausgebildet ist, dass der Düsenflansch die zugewandte Fläche des anderen Düsenrings berühren kann.
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Es sei vermerkt, dass in der Beschreibung und den Ansprüchen der vorliegenden Anmeldung der Ausdruck „angeordnet” nicht lediglich „direkt angeordnet” bedeutet, sondern auch „indirekt durch ein anderes Bauteil angeordnet” bedeutet, und der Ausdruck „vorgesehen” nicht lediglich „direkt vorgesehen” bedeutet, sondern auch „indirekt durch ein anderes Bauteil vorgesehen” bedeutet. Außerdem bedeutet der Ausdruck „axial” in der axialen Richtung des Turbinenrads (mit anderen Worten die axiale Richtung des ersten Düsenrings oder des zweiten Düsenrings). Es sei vermerkt, dass der Ausdruck „radiale Richtung” die radiale Richtung des Turbinenrads bedeutet (mit anderen Worten die radiale Richtung des ersten Düsenrings oder des zweiten Düsenrings).
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Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Systemturbolader mit variabler Geometrie, der Energie eines Abgases von einer Maschine verwendet, um zu der Maschinenseite zuzuführende Luft zu laden, wobei der Systemturbolader mit variabler Geometrie die variable Düseneinheit gemäß dem ersten Aspekt aufweist.
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VORTEILHAFTE EFFEKTE DER ERFINDUNG
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, den Eintritt von Fremdstoffen, zum Beispiel in das erste Stützloch des ersten Düsenrings oder ein Neigen der variablen Düse zu unterdrücken, selbst wenn ein Düsenflansch, der die Strömung des Hauptstroms des Abgases behindert, von einer Basisendseite der einen Düsenwelle von jeder von den variablen Düsen eliminiert bzw. entfernt ist. Dementsprechend kann ein Druckverlust zwischen den variablen Düsen während eines Betriebs des Systemturboladers mit variabler Geometrie reduziert werden, um einen weiteren Anstieg einer Turbineneffizienz des Systemturboladers mit variabler Geometrie zu erreichen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts, der durch den Pfeil I in 2 angezeigt ist.
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2 ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts, der durch den Pfeil II in 7 dargestellt ist.
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3 ist eine vergrößerte Schnittansicht, die entlang der Linie III-III in 2 genommen ist und einen Zustand von mehreren variablen Düsen darstellt, die geöffnet sind.
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4 ist eine vergrößerte Schnittansicht, die entlang der Linie IV-IV in 2 genommen ist und einen Zustand von mehreren variablen Düsen darstellt, die geöffnet sind.
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5(a) ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts, der durch den Pfeil VA in 3 dargestellt ist, und 5(b) ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts, der durch den Pfeil VB in 4 dargestellt ist.
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6(a) und 6(b) sind entsprechende Ansichten, die jeweils eine variable Düse in einer variablen Düseneinheit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen: 6(a) stellt einen Zustand der variablen Düse dar, wenn von einer Schaufelflächenseite auf der inneren Seite in der radialen Richtung gesehen, und 6(b) stellt einen Zustand der variablen Düse dar, wenn von einer Schaufelflächenseite auf der äußeren Seite in der radialen Richtung gesehen.
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7 ist eine Vorderschnittansicht eines Systemturboladers mit variabler Geometrie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf 1 bis 7 beschrieben. Es sei vermerkt, dass in den Zeichnungen „L” die linke Richtung repräsentiert, „R” die rechte Richtung repräsentiert, „D1” die axiale Richtung repräsentiert, „D2” die radiale Richtung repräsentiert und „D3” die Rotationsrichtung bzw. Drehrichtung eines Turbinenrads repräsentiert.
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Wie in 7 dargestellt ist, ist ein Systemturbolader 1 mit variabler Geometrie gemäß dieser Ausführungsform eine Vorrichtung, die zu einer Maschine (nicht dargestellt) zuzuführende Luft unter Verwendung einer Energie eines Abgases von der Maschine lädt (komprimiert).
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Der Systemturbolader 1 mit variabler Geometrie weist ein Lagergehäuse 3 auf. Das Lagergehäuse 3 hat ein Radiallager 5 und ein Paar von Axiallagern 7, die darin vorgesehen sind. Ferner ist eine Rotorwelle (Turbinenwelle) 9, die sich in der linken und rechten Richtung erstreckt, in den mehreren Lagern 5 und 7 drehbar vorgesehen. Mit anderen Worten ist in dem Lagergehäuse 3 die Rotorwelle 3 durch die mehreren Lager 5 und 7 drehbar vorgesehen.
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Ein Kompressorgehäuse 11 ist an der rechten Seite des Lagergehäuses 3 vorgesehen. Das Kompressorgehäuse 11 hat eine Ummantelung 11s, die darin vorgesehen ist. In dem Kompressorgehäuse 11 ist ein Kompressorrad 13, das Luft unter Verwendung einer Zentrifugalkraft komprimiert bzw. verdichtet, drehbar um deren Wellenmitte C (in anderen Worten die Wellenmitte der Rotorwelle 9) vorgesehen. Das Kompressorrad 13 weist eine Kompressorscheibe 15 auf, die einstückig mit einem rechten Endabschnitt der Rotorwelle 9 gekoppelt ist. Die Kompressorscheibe 15 hat eine Nabenfläche 15h, die sich zu der linken Seite auswärts in der radialen Richtung (auswärts in der radialen Richtung des Kompressorrads 13) erstreckt. Die Nabenfläche 15h der Kompressorscheibe 15 hat mehrere Kompressorschaufeln 17, die daran einstückig vorgesehen sind und in Intervallen in der Umfangsrichtung angeordnet sind. Die Kompressorschaufeln 17 haben jeweils einen distalen Endrand (äußerer Rand) 17t, der sich entlang der Ummantelung 11s des Kompressorgehäuses 11 erstreckt. Es sei vermerkt, dass es zusätzlich zu den mehreren Kompressorschaufeln 17 möglich sein kann, andere Kompressorschaufeln (nicht dargestellt) mit der axialen Länge, die kürzer als jene der Kompressorschaufel 17 ist, zu verwenden. In diesem Fall sind die Kompressorschaufel 17 und die Kompressorschaufel, die die kürzere axiale Länge als die Kompressorschaufel 17 hat, abwechselnd einstückig an der Nabenfläche 15h der Kompressorscheibe 15 vorgesehen.
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Ein Lufteinlass 19 zum Aufnehmen von Luft ist an der Einlassseite (stromaufwärtige Seite hinsichtlich der Richtung einer Strömung des Hauptstroms der Luft) des Kompressorrads 13 in dem Kompressorgehäuse 11 ausgebildet. Der Lufteinlass 19 ist mit einem Luftfilter (nicht dargestellt) zum Reinigen von Luft verbunden. Ein ringförmiger Diffuserdurchgang 21, der einen Druck von komprimierter Luft erhöht, ist auf der Auslassseite (stromabwärtige Seite hinsichtlich einer Strömung der Luft) des Kompressorrads 13 und zwischen dem Lagergehäuse 3 und dem Kompressorgehäuse 11 ausgebildet. Ein Kompressorschneckendurchgang 23 mit einer Spiralform ist innerhalb des Kompressorgehäuses 11 ausgebildet. Der Kompressorschneckendurchgang 23 steht mit dem Diffuserdurchgang 21 in Verbindung. Ein Luftabgabeanschluss 25 zum Abgeben von komprimierter Luft ist an einer geeigneten Stelle in dem Kompressorgehäuse 11 ausgebildet.
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Der Luftabgabeanschluss 25 steht mit dem Kompressorschneckendurchgang 23 in Verbindung und ist mit einem Einlasskrümmer (nicht dargestellt) der Maschine verbunden.
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Wie in 2 und 7 dargestellt ist, ist ein Turbinengehäuse 27 an der linken Seite des Lagergehäuses 3 vorgesehen. Das Turbinengehäuse 27 hat eine Ummantelung 27s, die darin vorgesehen ist. Das Turbinengehäuse 27 hat ein Turbinenrad 29, das darin vorgesehen ist. Das Turbinenrad 29 ist drehbar vorgesehen um deren Wellenmitte C (die Wellenmitte des Turbinenrads 29, mit anderen Worten die Wellenmitte der Rotorwelle 9) und erzeugt eine Drehkraft (Drehmoment) unter Verwendung einer Druckenergie eines Abgases. Das Turbinenrad 29 weist eine Turbinenscheibe 31 auf, die einstückig an dem linken Endabschnitt der Rotorwelle 9 vorgesehen ist. Die Turbinenscheibe 31 hat eine Nabenfläche 31h, die sich zu der rechten Seite (einer Seite des Turbinenrads 29 in der axialen Richtung) auswärts in der radialen Richtung (auswärts in der radialen Richtung des Turbinenrads 29) erstreckt. Die Nabenfläche 31h der Turbinenscheibe 31 hat mehrere Turbinenschaufeln 33, die einstückig daran vorgesehen und in Intervallen in der Umfangsrichtung angeordnet sind. Die Turbinenschaufeln 33 haben jeweils einen distalen Endrand (äußerer Rand) 33t, der sich entlang der Ummantelung 27s des Turbinengehäuses 27 erstreckt.
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Ein Gaseinlass 35 zum Aufnehmen von Abgas ist an einer geeigneten Stelle in dem Turbinengehäuse 27 ausgebildet. Der Gaseinlass 35 ist mit einem Auslasskrümmer bzw. Abgaskrümmer (nicht dargestellt) der Maschine verbunden. Ein Turbinenschneckendurchgang 37 mit einer Spiralform ist an der Einlassseite (stromaufwärtige Seite hinsichtlich der Richtung einer Strömung des Hauptstroms des Abgases) des Turbinenrads 29 in dem Turbinengehäuse 27 ausgebildet. Der Turbinenschneckendurchgang 37 steht mit dem Gaseinlass 35 in Verbindung. Ein Gasabgabeanschluss 39 zum Abgeben des Abgases ist auf der Auslassseite (stromabwärtige Seite hinsichtlich der Richtung einer Strömung des Hauptstroms des Abgases) des Turbinenrads 29 in dem Turbinengehäuse 27 ausgebildet. Der Gasabgabeanschluss 39 ist mit einer Abgasreinigungseinheit (nicht dargestellt) zum Reinigen des Abgases verbunden.
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Der Systemturbolader 1 mit variabler Geometrie ist mit einer variablen Düseneinheit 41 ausgerüstet, die den Durchgangsbereich bzw. die Durchgangsfläche (Halsbereich) des Abgases variiert, das zu der Seite des Turbinenrads 29 zugeführt wird. Die variable Düseneinheit 41 ist zwischen dem Turbinenschneckendurchgang 37 und dem Turbinenrad 29 in dem Turbinengehäuse 27 angeordnet.
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Nachfolgend wird die spezifische Konfiguration der variablen Düseneinheit 41 beschrieben.
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Wie in 1 und 2 dargestellt ist, ist der erste Düsenring 43 zwischen dem Turbinenschneckendurchgang 37 und dem Turbinenrad 29 in dem Turbinengehäuse 27 angeordnet. Der erste Düsenring 43 ist konzentrisch zu dem Turbinenrad 29 durch einen becherartigen Stützring 45 angeordnet. Der erste Düsenring 43 hat mehrere erste Stützlöcher 47, die in regulären bzw. gleichmäßigen Intervallen in der Umfangsrichtung (in einer vorbestimmten Umfangsrichtung) ausgebildet sind. Jedes von den ersten Stützlöchern 47 ist ein bodenloses Loch, d. h. ein Durchgangsloch. Der erste Stützring 43 hat eine Innenumfangsfläche mit einem ersten gestuften Abschnitt 49, der daran ausgebildet ist.
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Der erste gestufte Abschnitt 49 ist in einer Ringform ausgebildet und ist in der radialen Richtung auswärts vertieft. Es sei vermerkt, dass der Außenumfangsrandabschnitt des Stützrings 45 zwischen dem linken Seitenabschnitt des Lagergehäuses 3 und dem rechten Seitenabschnitt des Turbinengehäuses 27 gestützt wird. Die mehreren ersten Stützlöcher 47 können in der Umfangsrichtung in regulären Intervallen oder in irregulären bzw. ungleichmäßigen Intervallen in Übereinstimmung mit Spezifikationen (Leistung, bzw. Performance) eines Turboladers angeordnet sein.
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Ein zweiter Düsenring 51 ist an einer Stelle vorgesehen, die axial (in der axialen Richtung des Turbinenrads 29, mit anderen Worten, in der linken und rechten Richtung) von dem ersten Düsenring 43 entfernt und entgegengesetzt dazu ist. Der zweite Düsenring 51 ist konzentrisch und einstückig mit dem ersten Düsenring 43 durch mehrere Kopplungsstifte 53 vorgesehen. Der zweite Düsenring 51 umgibt einen ringförmigen Vorsprung 55, der zwischen dem Turbinenschneckendurchgang 37 und dem Turbinenrad 29 in dem Turbinengehäuse 27 ausgebildet ist, und so in der rechten Richtung (eine Seite in der axialen Richtung) vorzuragen. Mit anderen Worten befindet sich der zweite Düsenring 51 auswärts in der radialen Richtung des ringförmigen Vorsprungs 55 des Turbinengehäuses 27. Ferner befindet sich der zweite Düsenring 51 auf einer Seite (linke Seite) weiter weg von dem Lagergehäuse 3 als der erste Düsenring 43. Der zweite Düsenring 51 umgibt teilweise einen distalen Endrand 33t von jeder von den mehreren Turbinenschaufeln 33 mit dem ringförmigen Vorsprung 55, der zwischen dem zweiten Düsenring 51 und dem distalen Endrand 33t platziert ist. Der zweite Düsenring 51 hat mehrere (lediglich eines ist dargestellt) mit einem Boden versehene zweite Stützlöcher 57, die ausgebildet sind, um zu den mehreren ersten Stützlöchern 47 des ersten Düsenrings 43 zu passen. Der zweite Düsenring 51 hat eine Innenumfangsfläche mit einem zweiten gestuften Abschnitt 59, der daran ausgebildet ist. Der zweite gestufte Abschnitt 59 ist in einer Ringform ausgebildet und ist auswärts in der radialen Richtung vertieft. Im vorliegenden Fall hat jeder der mehreren Kopplungsstifte 53 eine Funktion eines Gestaltens eines Raums zwischen der zugewandten Fläche des ersten Düsenrings 43 und der zugewandten Fläche des zweiten Düsenrings 51. Es sei vermerkt, dass der zweite Düsenring 51 ausgebildet sein kann, um einen zylindrischen Abschnitt zu haben, der den gesamten distalen Endrand 33t von jeder von den Turbinenschaufeln 33 umgibt, wie in Patentliteratur 1 und Patentliteratur 2 beschrieben ist.
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Wie in 1 bis 5(b) dargestellt ist, sind mehrere variable Düsen 61 zwischen der zugewandten Fläche (linke Seitenfläche) des ersten Düsenrings 43 und der zugewandten Fläche (rechte Seitenfläche) des zweiten Düsenrings 51 angeordnet. Die mehreren variablen Düsen 61 sind in regulären bzw. gleichmäßigen Intervallen in der Umfangsrichtung (in einer vorbestimmten Umfangsrichtung) angeordnet. Die variablen Düsen 61 sind jeweils um deren Wellenmitte herum drehbar, welche parallel zu der Wellenmitte C des Turbinenrads 29 ist, in einer Öffnungs- oder Schließrichtung (Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung). Jede von den variablen Düsen 61 hat eine Seitenfläche (rechte Seitenfläche, erste Seitenfläche), die einstückig mit einer ersten Düsenwelle 63 ausgebildet ist. Jede erste Düsenwelle 63 ist drehbar gestützt mit einem entsprechenden ersten Stützloch 47 des ersten Düsenrings 43. Jede von den variablen Düsen 61 hat die andere Seitenfläche (linke Seitenfläche, zweite Seitenfläche) mit einer zweiten Düsenwelle 65, die einstückig mit der ersten Düsenwelle 63 in einer konzentrischen Art und Weise ausgebildet ist. Jede zweite Düsenwelle 65 ist drehbar gestützt mit einem entsprechenden zweiten Stützloch 57 des zweiten Düsenrings 51. Es sei vermerkt, dass die mehreren variablen Düsen 61 in der Umfangsrichtung in regulären Intervallen oder in unregelmäßigen Intervallen angeordnet sein können. Die Wellenmitte von jeder von den ersten Düsenwellen 63 und die Wellenmitte von jeder von den zweiten Düsenwellen 65 kann näher an einer Schaufelfläche 61i (innenseitige Schaufelfläche), die sich einwärts in der radialen Richtung befindet, oder einer Schaufelfläche 61o (außenseitige Schaufelfläche) positioniert sein, die sich in der radialen Richtung von jeder von den variablen Düsen 61 auswärts befindet.
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Wie in
1 und
2 dargestellt ist, ist eine ringförmige Verbindungskammer
67 an einer Flächenseite entgegengesetzt zu der zugewandten Fläche des ersten Düsenrings
43 ausgebildet. Ein Verbindungsmechanismus
69 zum synchronen Drehen der mehreren variablen Düsen
61 in der Öffnungs- oder Schließrichtung ist in der Verbindungskammer
67 angeordnet. Der Verbindungsmechanismus
69 ist mit jeder von den ersten Düsenwellen
63 derart verbunden, dass die erste Düsenwelle
63 von jeder von den variablen Düsen
61 sich in einer verbundenen Art und Weise bewegt. Der Verbindungsmechanismus
69 hat eine bekannte Konfiguration, die zum Beispiel in den
japanischen Patentanmeldungsoffenlegungen Nummer 2009-243300 und
2009-243431 beschrieben ist, und ist durch einen Kraftübertragungsmechanismus
71 mit einem Drehaktor (nicht dargestellt), wie zum Beispiel einem Drehmotor oder einem Drehzylinder verbunden, der die mehreren bzw. vielen variablen Düsen
61 in der Öffnungs- oder Schließrichtung dreht. Es sei vermerkt, dass der Verbindungsmechanismus
69 auf einer entgegengesetzten Flächenseite der zugewandten Fläche des zweiten Düsenrings
51 angeordnet sein kann anstelle eines Angeordnetseins auf einer entgegengesetzten Flächenseite der zugewandten Fläche des ersten Düsenrings
43 (in der Verbindungskammer
67).
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Nachfolgend werden Merkmale der variablen Düseneinheit 41 beschrieben.
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Wie in 1, 5(a), 5(b), 6(a) und 6(b) dargestellt ist, steht die entgegengesetzte Flächen-(rechte Seitenflächen-)Seite der zugewandten Fläche des ersten Düsenrings 43 mit dem Turbinenschneckendurchgang 37 durch ein Verbindungsloch (nicht dargestellt) in Verbindung, das an dem Stützring 45 ausgebildet ist. Die zweite Düsenwelle 65 von jeder von den variablen Düsen 61 hat einen Außendurchmesser, der eingestellt ist, um kleiner als jener der ersten Düsenwelle 63 zu sein. Ein Abschnitt 61e, der die zweite Düsenwelle 65 auf der anderen Seitenfläche (linke Seitenfläche) von jeder von den variablen Düsen 61 einschließt, kann die zugewandte Fläche des zweiten Düsenrings 51 berühren. Ferner ist ein innerer Düsenflansch (einer von Düsenflanschen) 73, der die zugewandte Fläche des ersten Düsenrings 43 berühren kann, einstückig mit der Basisseite der ersten Düsenwelle 63 an einer Schaufelfläche 61i (eine Schaufelfläche) ausgebildet, die sich in der radialen Richtung von jeder von den variablen Düsen 61 einwärts befindet. Ferner ist ein äußerer Düsenflansch (einer von Düsenflanschen) 75, der die zugewandte Fläche des ersten Düsenrings 43 berühren kann, einstückig mit der Basisseite der ersten Düsenwelle 63 an einer Schaufelfläche 61o (die andere Schaufelfläche) ausgebildet, die sich in der radialen Richtung von jeder von den variablen Düsen 61 auswärts befindet. Es sei vermerkt, dass der Abschnitt 61e gemäß dieser Ausführungsform den gesamten Umfang der zweiten Düsenwelle 65 einschließt. Jedoch kann zum Beispiel in dem Fall, in dem die zweite Düsenwelle 65 einen Außendurchmesser hat, der größer als die Dicke (Schaufeldicke) der variablen Düse 61 ist, ein Teil der zweiten Düsenwelle 65 in der Umfangsrichtung nicht durch den Abschnitt 61e eingeschlossen, bzw. umfasst sein.
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Nachfolgend wird die Konfiguration der Peripherie der variablen Düseneinheit 41 beschrieben.
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Wie in 1 dargestellt ist, ist eine Hitzeschutzplatte 77 an einem zentralen Abschnitt bzw. Mittenabschnitt einer Seitenfläche vorgesehen, die einer Rückfläche 31b der Turbinenscheibe 31 in dem Lagergehäuse 3 zugewandt ist. Die Hitzeschildplatte 77 ist in einer Ringform ausgebildet und schirmt Wärme bzw. Hitze ab, die von der Seite des Turbinenrads 29 her kommt. Die Hitzeschutzplatte 77 ist an dem Lagergehäuse 3 mit mehreren, ebenen Bolzen bzw. Schrauben 79 fixiert, die als ein Befestigungsbauteil bzw. Anbringungsbauteil dienen. Die Hitzeschutzplatte 77 ist konzentrisch zu dem Turbinenrad 29 angeordnet. Die Hitzeschutzplatte 77 hat eine Außenumfangsfläche, die in eine Innenumfangsfläche des ersten Düsenrings 43 passt. Die Hitzeschutzplatte 77 hat einen Innenumfangsrandabschnitt mit einem ringförmigen Passflansch 81, der daran ausgebildet ist, um in der rechten Richtung vorzuragen. Eine Umfangspassnut 83 ist an dem zentralen Abschnitt einer Seitenfläche ausgebildet, die der Rückfläche 31b der Turbinenscheibe 31 in dem Lagergehäuse 3 zugewandt ist. Die Umfangspassnut 83 ist konzentrisch zu dem Turbinenrad 29 ausgebildet. Der Passflansch 81 der Hitzeschutzplatte 77 ist in diese Umfangspassnut 83 eingepasst. Ferner hat die Hitzeschutzplatte 77 die Außenumfangsfläche mit einer Umfangseinsetznut 85, die daran ausgebildet ist.
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Der erste gestufte Abschnitt 49 des ersten Düsenrings 43 hat eine Bodenfläche 49u mit mehreren ersten Dichtringen 87, die in einer Druckkontaktart und Weise mit deren eigener elastischen Kraft (elastische Kraft von jedem von den ersten Dichtringen 87) vorgesehen sind. Jeder von den ersten Dichtringen 87 unterdrückt eine Leckage bzw. ein Austreten von Abgas von der entgegengesetzten Flächenseite der zugewandten Fläche des ersten Düsenrings 43 zu der Einlassseite des Turbinenrads 29. Der Innenumfangsrandabschnitt von jedem von den ersten Dichtringen 87 ist in die Umfangseinsetznut 65 der Hitzeschildplatte 77 eingepasst.
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Es soll vermerkt sein, dass die Hitzeschildplatte
77 vorgesehen sein kann, um in die Außenumfangsfläche eines Vorsprungs (nicht dargestellt) des Lagergehäuses
3 eingepasst zu sein, wie zum Beispiel in der
japanischen Patentanmeldungsoffenlegung Nr. 2013-194546 beschrieben ist. In solch einem Fall sind die mehreren ersten Dichtringe
87 entfernt und ein Energieaufbringungsbauteil (nicht dargestellt), wie zum Beispiel eine Wellenscheibe, die die Hitzeschildplatte
77 zu der Richtung hin mit Energie beaufschlagt, um mit dem Innenumfangsrandabschnitt des ersten Düsenrings
43 in Druckkontakt zu stehen, ist an einer geeigneten Position des Vorsprungs des Lagergehäuses
3 vorgesehen.
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Der Vorsprung 55 des Turbinengehäuses 27 hat eine Außenumfangsfläche mit einer Umfangseinsetznut 89, die daran ausgebildet ist. Der zweite gestufte Abschnitt 59 des zweiten Düsenrings 51 hat eine Bodenfläche 59u mit einer Vielzahl von zweiten Dichtringen 91, die in einer Druckkontaktart und Weise mit deren eigener elastischer Kraft (elastische Kraft von jedem von den zweiten Dichtringen 91) versehen sind. Jeder von den zweiten Dichtringen 91 unterdrückt ein Austreten von Abgas von der entgegengesetzten Flächenseite der zugewandten Fläche des zweiten Düsenrings 51 zu der Einlassseite des Turbinenrads 29. Der Innenumfangsrandabschnitt von jedem von den zweiten Dichtringen 91 ist in die Umfangseinsetznut 89 des Vorsprungs 55 des Turbinengehäuses 27 eingepasst.
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Nachfolgend werden Betrieb und Effekt der Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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Abgas, das von dem Gaseinlass 35 aus eingebracht wird, wird veranlasst, von der Einlassseite des Turbinenrads 29 zu der Auslassseite durch den Turbinenschneckendurchgang 37 zu strömen, wodurch eine Drehkraft (Drehmoment) unter Verwendung einer Druckenergie des Abgases erzeugt wird, und demensprechend ist es möglich, die Rotorwelle 9 und das Kompressorrad 13 mit dem Turbinenrad 29 einstückig zu drehen. Dies macht es möglich, Luft, die von dem Lufteinlass 19 aus eingebracht wird, zu komprimieren, die komprimierte Luft von dem Luftabgabeanschluss 25 durch den Diffuserdurchgang 21 und den Kompressorschneckendurchgang 23 abzugeben und um Luft, die zu der Maschine zugeführt wird, zu laden (verdichten).
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In dem Fall, in dem die Maschine in einem Hochdrehzahlbereich arbeitet und das Strömungsvolumen des Abgases während Tätigkeiten des Systemturboladers 1 mit variabler Geometrie groß ist, wird der Drehaktor angetrieben, um den Verbindungsmechanismus 69 zu betätigen, und zur gleichen Zeit werden die mehreren variablen Düsen 61 veranlasst, sich synchron in der Vorwärtsrichtung (Öffnungsrichtung) zu drehen. Dies macht es möglich, den Durchgangsbereich bzw. die Durchgangsfläche (Halsbereich) des Abgases, das zu der Seite des Turbinenrads 29 zuzuführen ist, zu erhöhen und das große Volumen von Abgas zu der Seite des Turbinenrads 29 zuzuführen.
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In dem Fall, in dem die Maschine in einem Niedrigdrehzahlbereich arbeitet und das Strömungsvolumen des Abgases klein ist, wird der Drehaktor angetrieben, um den Verbindungsmechanismus 69 zu betätigen, und zur gleichen Zeit werden die mehreren variablen Düsen 61 veranlasst, sich synchron in der Rückwärtsrichtung (Schließrichtung) zu drehen. Dies macht es möglich, den Durchgangsbereich bzw. die Durchgangsfläche des Abgases, um zu der Seite des Turbinenrads 29 zugeführt zu werden, zu reduzieren, um die Fluidgeschwindigkeit des Abgases zu erhöhen und um ausreichend das Arbeitsvolumen des Turbinenrads 29 zu gewährleisten.
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Der umfasste Abschnitt 61e auf der anderen Seitenfläche von jeder von den variablen Düsen 61 kann die zugewandte Fläche des zweiten Düsenrings 51 berühren, und deshalb ist es möglich, einen Eintritt von Ruß oder anderen Fremdstoffen in das zweite Stützloch 57 des zweiten Düsenrings 51 durch ein Schließen des Spalts zwischen der Innenumfangsfläche des zweiten Stützlochs 57 des zweiten Düsenrings 51 und der Außenumfangsfläche der zweiten Düsenwelle 65 der variablen Düse 61 zu unterdrücken. Der innere Düsenflansch 73 und der äußere Düsenflansch 75 von jeder von den variablen Düsen 61 kann die zugewandte Fläche des ersten Düsenrings 43 berühren, und deshalb ist es möglich, den Eintritt von Fremdstoffen in das erste Stützloch 47 des ersten Düsenrings 43 durch ein Schließen des Spalts zwischen der Innenumfangsfläche des ersten Stützlochs 47 des ersten Düsenrings 43 und der Außenumfangsfläche der ersten Düsenwelle 63 der variablen Düse 61 zu unterdrücken. Ferner kann der umfasste Abschnitt 61e auf der anderen Seitenfläche von jeder von den variablen Düsen 61 die zugewandte Fläche des zweiten Düsenrings 51 berühren und der innere Düsenflansch 73 und der äußere Düsenflansch 75 von jeder von den variablen Düsen 61 kann die zugewandte Fläche des ersten Düsenrings 43 berühren, und deshalb ist es möglich, ein Neigen der variablen Düse 61 (Wellenmitte der variablen Düse 61) durch ein Stabilisieren des Stützzustands der variablen Düse 61 mit der zugewandten Fläche des ersten Düsenrings 43 und der zugewandten Fläche des zweiten Düsenrings 51 zu unterdrücken. Mit anderen Worten ist es möglich, den Eintritt von Fremdstoffen in zum Beispiel das erste Stützloch 47 des ersten Düsenrings 43 zu unterdrücken und außerdem ein Neigen der variablen Düse 61 zu unterdrücken, selbst wenn Düsenflansche (innerer Düsenflansch und äußerer Düsenflansch), welche die Strömung eines Hauptstroms des Abgases beeinträchtigen, von der Basisendseite der zweiten Düsenwelle 65 von jeder von den variablen Düsen 61 entfernt werden.
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Da jedes von den ersten Stützlöchern 47 des ersten Düsenrings 43 ein bodenloses Loch (Durchgangsloch) ist, steht die entgegengesetzte Flächenseite der zugewandten Fläche des ersten Düsenrings 43 mit dem Turbinenschneckendurchgang 37 in Verbindung, und da jedes von den zweiten Stützlöchern 57 des zweiten Düsenrings 51 mit einem Boden versehen ist, ist es möglich den Druck, der auf die Endfläche der ersten Düsenwelle 63 von jeder von den variablen Düsen 61 wirkt, weiter als den Druck ausreichend zu erhöhen, der auf die Endfläche der zweiten Düsenwelle 65 während eines Betriebs des Systemturboladers 1 mit variabler Geometrie wirkt. Dies macht es möglich, die Strömung einer Leckage aus dem Spalt zwischen der linken Seitenfläche von jeder von den variablen Düsen 61 und der zugewandten Fläche des zweiten Düsenrings 51 durch ein Versetzen von jeder von den variablen Düsen 61 näher an die zugewandte Flächenseite des zweiten Düsenrings 51 aufgrund der Druckdifferenz während eines Betriebs des Systemturboladers 1 mit variabler Geometrie zu reduzieren.
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Wie vorangehend beschrieben ist, kann die Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung einen Eintritt von Fremdstoffen in zum Beispiel das erste Stützloch 47 des ersten Düsenrings 43 unterdrücken und außerdem ein Neigen von jeder von den variablen Düsen 61 selbst dann unterdrücken, wenn Düsenflansche, welche die Strömung eines Hauptstroms des Abgases beeinträchtigen, von der Basisendseite der zweiten Düsenwelle 65 von jeder von den variablen Düsen 61 entfernt werden. Dementsprechend ist es möglich, eine weitere Verbesserung einer Turbineneffizienz des Systemturboladers 1 mit variabler Geometrie durch Reduzieren des Druckverlusts zwischen variablen Düsen 61 während eines Betriebs des Systemturboladers 1 mit variabler Geometrie zu erreichen, während die Strömung des Abgases an der zugewandten Flächenseite des zweiten Düsenrings 51 stabilisiert wird.
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Insbesondere, da die Strömung einer Leckage von dem Spalt zwischen der linken Flächenseite von jeder von den variablen Düsen 61 und der zugewandten Fläche des zweiten Düsenrings 51 während eines Betriebs des Systemturboladers 1 mit variabler Geometrie reduziert werden kann, ist es möglich, eine weitere Verbesserung einer Turbineneffizienz des Systemturboladers 1 mit variabler Geometrie durch ein Stabilisieren der Strömung des Abgases auf der Seite der Ummantelung 27s des Turbinengehäuses 27 in dem Turbinenrad 29 zu erreichen.
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Es soll vermerkt sein, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die vorangehend beschriebene Ausführungsform begrenzt ist und verschiedentlich zum Beispiel in der folgenden Art und Weise ausgeführt werden kann.
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Genauer gesagt ist es möglich, den Außendurchmesser der ersten Düsenwelle
63 von jeder von den variablen Düsen
61 einzustellen, um kleiner als der Außendurchmesser der zweiten Düsenwelle
65 zu sein, anstelle eines Einstellens des Außendurchmessers der zweiten Düsenwelle
65 von jeder von den variablen Düsen
61, um kleiner als der Außendurchmesser der ersten Düsenwelle
63 zu sein. In solch einem Fall kann ein Abschnitt, der die erste Düsenwelle
63 an einer Seitenfläche (rechte Seitenfläche) von jeder von den variablen Düsen
61 umfasst, mit der zugewandten Fläche des ersten Düsenrings
43 in Kontakt stehen. Ferner wird ein anderer Düsenflansch (nicht dargestellt), der die zugewandte Fläche des zweiten Düsenrings
51 berühren kann, an der Basisseite der zweiten Düsenwelle
65 an jeder von der Schaufelfläche
61i, die sich in der radialen Richtung einwärts befindet, und der Schaufelfläche
61o, die sich in der radialen Richtung auswärts befindet, von jeder von den variablen Düsen
61 ausgebildet werden. Außerdem hat die variable Düse
61 eine Düsenform (Schaufelform), die entlang der axialen Richtung konstant ist, mit anderen Worten eine sogenannte zweidimensionale Düse ist. Jedoch ist es anstelle eines Verwendens der variablen Düse
61 möglich, zum Beispiel eine sogenannte dreidimensionale Düse mit einer Düsenform zu verwenden, die nicht entlang der axialen Richtung konstant ist (siehe zum Beispiel
japanische Patentanmeldungsoffenlegung Nr. 2012-246807 ).
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Der Schutzumfang eines Rechts, das in der vorliegenden Erfindung enthalten ist, ist nicht auf die vorangehend beschriebene Ausführungsform beschränkt. Verschiedene Arten von Systemturboladern mit variabler Geometrie einschließlich einer zweidimensionalen Düse, wie zum Beispiel der variablen Düse 61, einer dreidimensionalen Düse oder anderen Düsen sollten ebenfalls enthalten sein.
