JP2002519581A - 低速度高圧縮比ターボチャージャ - Google Patents
低速度高圧縮比ターボチャージャInfo
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Abstract
Description
ニット以上に圧縮比を増大する一方、ターボチャージャの回転速度を低下させる
ことができる、一体化された空気流ダクトを持つ背中合わせのラジアル・フロー
・コンプレッサ・ホイールを有する2ステージ・コンプレッサを備えたターボチ
ャージャが提供される。
ジン、特に民生用のディーゼルの利用に、改善された燃費と、高出力レートおよ
び改善された排出性能を与える手段として、圧縮比の増大を求めつつけている。
従来のターボチャージャの設計において、そのような増大された圧縮比を達成す
る中心的な方法は、コンプレッサとタービン部材の回転速度を上げることであっ
た。従来の設計のターボチャージャの現在の圧縮比性能は、いくつかの特定の用
途においては4.0で動作するものの、典型的には3.5の周辺である。所与の
最大回転速度のため、コンプレッサの圧縮比性能を増大させるために唯一知られ
ている方法は、ブレードの後方への湾曲を小さくすることである。後方への湾曲
は、コンプレッサのフローレンジ性能を向上させるとともに、効率を向上させる
ために採用されている。したがって、その後方への湾曲を小さくすることは、効
率の低下と狭いフローレンジという結果となる。運輸や産業応用のための民生用
ディーゼルエンジンに対する要求は、圧縮比5から6に急速に近づいており、フ
ローレンジについては恐らくチョークフロー対サージフローが2.5/1を超え
ている。これらの圧縮比においては、その要求される高回転速度によって強いら
れるストレスによって、従来のターボチャージャの設計の回転部材における素材
の特性の限界を超えてしまう。伝統的な1ステージ・コンプレッサの設計を用い
たターボにとって、特定低速度設計の高い慣性によって、効率のための最適なタ
ービンの設計を用いることはできない。高い慣性は、エンジンの過渡応答要求を
満たすためのターボチャージャの反応を低下させる。
用いることによる複数ステージの圧縮は、高く設定された圧縮比要求を満たす一
つのアプローチであった。しかしながら、そのようなシステムのコストと複雑さ
は、パッケージング・サイズの要求とともに、ほとんどの応用にとって魅力的で
はない。軸方向と半径方向の圧縮ステージを結びつけることを含む圧縮ステージ
を得るために、共通のシャフトの複数のコンプレッサ・ホイールを用いることも
従来技術においては採用されてきた。パッケージの制約、特にターボチャージャ
の長さ、および、ローターの動作、ベアリングの事項は、これらの設計をほとん
どの場合において商業的に受入難くしている。
圧縮比を有するターボチャージャを提供することが望ましい。既存の商用ディー
ゼルターボチャージャの設計と比較できる部品点数を維持することもまたコスト
を受け入れられるレベルにとどめるためには望まれる。
ことによって、向上したタービン効率を有するターボチャージャを提供すること
も望まれる。
ホールドからの排気ガスを受け取りかつ排気口を有するタービン・ハウジングと
、吸気口と第1の渦形室とを有するコンプレッサ・ハウジングと、タービン・ハ
ウジングとコンプレッサ・ハウジングとの間のセンター・ハウジングとを含むケ
ースを有する。タービン・ホイールがタービン・ハウジングの中に担持されて排
気ガスからエネルギーを取り出し、そのタービン・ホイールは、タービン・ハウ
ジングからセンター・ハウジングのシャフト・ボアを貫いて延びるシャフトに結
合される。センター・ハウジングのシャフトボア内に支持されたベアリング・シ
ステムが、シャフトを回転自在に支持している。タービン・ホイールと反対側の
シャフトに結合されたコンプレッサのインペラーはコンプレッサ・ハウジング内
に担持されて、吸気口に隣接する前面(フロントフェース)に取り付けられた第
1の複数のインペラー・ブレードを具体化する。この第1の複数のブレードは、
吸気口からの空気に第1ステージの圧縮を施し、第1のデフューザと渦形室へ空
気を排気する。コンプレッサのインペラーもまた、背面(バックフェース)に取
り付けられた第2の複数のインペラー・ブレードを具体化する。この第2の複数
のブレードは、第1の渦形室に結合されたスクロール吸気口からの空気を圧縮し
、エンジンの吸気マニホールド結合されたチャージ空気の排気口を有する第2の
デフューザと渦形室内に排気する。スクロール吸気口と第2の渦形室は、ケース
にとって不可欠であり、コンプレッサ・ハウジングとタービン・ハウジングとの
間に配置される。
されるであろう。
グ16を組み込んだ本発明ターボチャージャ10の実施形態を図1に示す。ター
ビン・ホイール18がシャフト20を通してコンプレッサ・ホイール22へ連結
されている。このコンプレッサ・ホイール22はインペラー・ホイールの拡張さ
れたバックウォールに取り付けられたブレードを備えた外側インペラー24と内
側インペラー26からなっている。タービン・ホイールは排気マニフォルド(図
示せず)からタービン・ハウジングの渦形室13に供給された内燃機関の排気ガ
スからエネルギーを変換する。排気ガスはタービンを通して膨張され、排気口1
9から排気される。
む吸気口28を備えている。外側インペラーは、第1ディフューザ32を通って
第1渦形室34へ排気する流れを備えたコンプレッサの第1ステージとなってい
る。第1ディフューザの内側壁はバッフル36によって形成されている。内側イ
ンペラーは、スクロール吸気口38を通して第1渦形室38から空気を受け取り
、第2ディフューザ40を通ってインペラーから第2渦形室42に排気するコン
プレッサの第2ステージを構成している。図1の実施形態では、吸気口38と第
2渦形室はコンプレッサ・ハウジングとセンタ・ハウジングの間にある第2ステ
ージ・キャスティング44に設けられている。バッフル36は第2ディフューザ
の外側壁として働き、バッフルとコンプレッサ・ロータの間の段付き剪断力ポン
ピング・シール46が第2ステージ・ディフューザから第1ステージ・ディフュ
ーザへのリークを最小にしている。入力条件を改善し、かつ流れを均一にするた
めの吸気口ベーン48が図1に示されている。
ージ・キャスティングとともに前面と後面の双方にインペラー・ブレードを形成
しているコンプレッサ・ホイールがターボチャージャの全体の長さを最小化させ
ている。第1渦形室が第2ステージ吸気口近くに結合され、第2渦形室が内燃機
関の吸気口マニフォルドに垂直の単一ステージ構成と実質的に同じ位置に排気口
を設けている。さらに、オーバハングの長さの増加が限定されているのでベアリ
ング構成への衝撃が最小になる。
リング50がシャフトを回転できるように支持している。シャフトのコンプレッ
サの近くに取り付けられたスラスト・カラー54が図示の実施形態のセンタ・ハ
ウジングと第2ステージのキャスティングの間に配置されているスラスト・ベア
リングに係合している。潤滑チャネル58が潤滑剤をベアリングに供給している
。コンプレッサの第1ステージと第2ステージの背中合わせ構造がコンプレッサ
による軸方向空気力学的負荷をバンランスさせている。
ングとの間に、適切なシールによってベアリング・ハウジングと一体になるよう
に、ボルト60又はその他の従来周知の手段により取り付けられている。図1に
示す実施形態に対しては、バッフルが、コンプレッサ・ハウジングと第2ステー
ジのキャスティングの間に配置されている。
ジングとセンタ・ハウジングの形状はそれらと関連する要素とともに図1に開示
され、説明されたものと同一である。吸気口と第1ステージ又はコンプレッサの
外側インペラーの図1に示されたものと似ている。しかしながら、ディフューザ
70は、第2ステージの渦形室74を実質的に取り囲んでいる第1ステージの渦
形室72へ空気を直接流し込んでいる。第1ステージの渦形室を通る流れは第2
ステージのコンプレッサの吸気口に対して接線方向へ向けられている。図3にそ
れが詳細示されている。吸気口ベーン78が第2ステージのインペラー26へ空
気を導く。第2ステージのインペラーを出た空気は第2ディフューザ80を通っ
て第2ステージの渦形室へ向かう。空気は第2ステージの渦形室から排気口82
を通って出る。図2と3に示された実施形態の第1ステージと第2ステージの渦
形室の断面形状は実質的に一定である。他の実施形態は図1に開示したように断
面形状が変化するものを採用しても良い。
ージの吸気口と第2渦形室を形成している壁構造86は共通のキャスティング(
鋳物)からなっている。図3に良く表されているように、壁構造86は排気口で
一体とされた相互接続部88によって外壁84に支持されている。その相互接続
部は、壁構造86と外壁84との間に先端が延びだした双くさび形すなわち菱形
形状とされ、壁構造を回って第1ステージの渦形室通って流れる空気を第2ステ
ージへ接線方向に導くようになっている。図1の場合と同じように、バッフル9
0が壁構造86に連結され、第1ステージのディフューザの空気流を第2ステー
ジのディフューザの空気流から分離している。ダイナミック・シール92がイン
ペラー・ホイールとバッフルの間に設けられている。
ラー・ホイールの周囲の溝96に挿入されているシール・リング94として実現
されている。バッフルが位置決めのための段状の肩にシール・リングを担持し、
かつシール・リングと周囲の溝によって形成されるラビリンスによって物理的に
シールしている。
ッフル100の延長部100を備え、それがインペラー・ホイールのスロットに
入れられている。このシールは、延長部の蛇行表面104によって達成されてい
る。図示された実施形態では、バッフルは延長部をスロットに入れ、インペラー
・ホイール周りに組み立てられる少なくとも二つの部材からなっている。代わり
の実施形態では、インペラー・ホイールがスロットに続く分離線に沿って分離さ
れ、バッフルの延長部の周りにインペラーを組み付けるようになっている。
記述された特定の実施形態への変形や代用物を認識できるであろう。そのような
変形物や代用物は以下の特許請求の範囲で定義された本発明の範囲内である。
ある。
明の第2の実施形態の断面図である。
プレッサ渦形室の遷移部分の端面図である。
の実施形態の断面図である。
実施形態の断面図である。
用いることによる複数ステージの圧縮は、高く設定された圧縮比要求を満たす一
つのアプローチであった。しかしながら、そのようなシステムのコストと複雑さ
は、パッケージングサイズの要求とともに、ほとんどの応用にとって魅力的では
ない。軸方向と半径方向の圧縮ステージを結びつけることを含む圧縮ステージを
得るために、1955年4月6日付の英国特許出願GB727,617Aに開示
されたように、共通のシャフトの複数のコンプレッサ・ホイールを用いることも
従来技術においては採用されてきた。パッケージの制約、特にターボチャージャ
の長さ、および、ローターの動作、ベアリングの事項は、これらの設計をほとん
どのケースにおいて商業的に受入難くしている。これらの事項を解決するための試みのなかで、1982年6月9日付ドイツ特許
DE30 41 093に開示された両面インペラー・ホイールが用いられている
。
ホールドからの排気ガスを受け取りかつ排気口を有するタービン・ハウジングと
、吸気口と第1の渦形室とを有するコンプレッサ・ハウジングと、タービン・ハ
ウジングとコンプレッサ・ハウジングとの間のセンター・ハウジングとを含む。
タービン・ホイールがタービン・ハウジングの中に担持されて排気ガスからエネ
ルギーを取り出し、そのタービン・ホイールは、タービン・ハウジングからセン
ター・ハウジングのシャフトボアを貫いて延びるシャフトに結合される。センタ
ー・ハウジングのシャフトボア内において支持されたベアリングシステムが、シ
ャフトを回転自在に支持している。タービン・ホイールと反対側のシャフトに結
合されたコンプレッサのインペラーはコンプレッサ・ハウジング内に担持されて
、吸気口に隣接する前面(フロントフェース)に取り付けられた第1の複数のイ
ンペラー・ブレードを具体化する。この第1の複数のブレードは、吸気口からの
空気に第1ステージの圧縮を実施し、第1のデフューザと渦形室へ空気を排気す
る。コンプレッサのインペラーもまた、背面(バックフェース)に取り付けられ
た第2の複数のインペラー・ブレードを具体化する。この第2の複数のブレード
は、第1の渦形室に結合されたスクロール吸気口からの空気を圧縮し、エンジン
の吸気マニホールド結合されたチャージ空気の排気口を有する第2のデフューザ
と渦形室内に排気する。スクロール吸気口と第2の渦形室は、コンプレッサ・ハ
ウジングとタービン・ハウジングとの間に配置されたキャスティングとして構成
される。
ある。
明の第2の実施形態の断面図である。
プレッサ渦形室の遷移部分の図2における3a−3a線に沿った端面図である。
の実施形態の断面図である。
実施形態の断面図である。
Claims (9)
- 【請求項1】 内燃機関の排気マニフォルドから排気ガスを受ける吸気口を
持つとともに排気口を持つタービン・ハウジングと、タービン・ハウジングとコ
ンプレッサ・ハウジングとの間のセンター・ハウジングとを有するケースを備え
; 前記タービン・ハウジング内に担持され、排気ガスからエネルギを抽出するタ
ービン・ホイールを備え、このタービン・ホイールはシャフトに結合され、この
シャフトは、前記タービン・ハウジングから前記センター・ハウジングのシャフ
ト・ボアを通して延びており; 前記センター・ハウジングの前記シャフト・ボアに支持されていて、前記シャ
フトを回転自在に支持するベアリングを備え; 前記タービン・ホイールの反対側で前記シャフトに結合されたコンプレッサ・
インペラーを備え、前記インペラーには、空気吸気口に近い前面に装着されてい
て、前記空気吸気口からの空気の速度を増速させて第1の渦形室へと排出する複
数の第1のインペラー・ブレードと、背面に装着されていて、前記1の渦形室へ
結合されたスクロール吸気口からの空気の速度を増速させて第2の渦形室へと排
出する複数の第2のインペラー・ブレードとが設けられ、前記第2の渦形室は、
機関の吸気口マニフォルドに結合されたチャージ空気排気口を有しており、前記
スクロール吸気口および前記第2の渦形室は、前記コンプレッサ・ハウジングと
前記タービン・ハウジングとの間のキャスティングに、一体に構成されている、
ターボチャージャ。 - 【請求項2】 請求項1記載のターボチャージャにおいて、 前記コンプレッサ・ホイールと前記第1の渦形室との間の第1のディフーザ、
および、前記コンプレッサ・ホイールと前記第2の渦形室との間の第2のディフ
ーザをさらに備え、前記第1及び第2の渦形室は、前記コンプレッサ・ホイール
の外周付近から前記第1および第2の渦形室へと延びる共通壁により分離されて
おり; 前記共通壁と前記コンプレッサ・ホイールとの間に設けられるダイナミック・
シールを生成する手段を備え ているターボチャージャ。 - 【請求項3】 請求項2記載のターボチャージャにおいて、 前記共通壁は、前記コンプレッサ・ハウジングから前記第1の渦形室付近まで
延びているバッフルを含む、ターボチャージャ。 - 【請求項4】 請求項1記載のターボチャージャにおいて、 前記第2のスクロール吸気口と前記第2の渦形室とは、ベアリングおよび潤滑
システムを囲む前記センター・ハウジングに一体に構成されている、ターボチャ
ージャ。 - 【請求項5】 内燃機関の排気マニフォルドから排気ガスを受ける吸気口を
持つとともに排気口を持つタービン・ハウジングと、タービン・ハウジングとコ
ンプレッサ・ハウジングとの間のセンター・ハウジングとを有するケースを備え
; 前記タービン・ハウジング内に担持され、排気ガスからエネルギを抽出するタ
ービン・ホイールを備え、このタービン・ホイールはシャフトに結合され、この
シャフトは、前記タービン・ハウジングから前記センター・ハウジングのシャフ
ト・ボアを通して延びており; 前記センター・ハウジングの前記シャフト・ボアに支持されていて、前記シャ
フトを回転自在に支持するベアリングを備え; 前記タービン・ホイールの反対側で前記シャフトに結合されたコンプレッサ・
インペラーを備え、前記インペラーには、空気吸気口に近い前面に装着されてい
て、前記空気吸気口からの空気の速度を増速させて第1の渦形室へと排出する複
数の第1のインペラー・ブレードと、背面に装着されていて、前記1の渦形室へ
結合されたスクロール吸気口からの空気の速度を増速させて第2の渦形室へと排
出する複数の第2のインペラー・ブレードとが設けられ、前記第2の渦形室は、
機関の吸気口マニフォルドに結合されたチャージ空気排気口を有しており、前記
第2の渦形室は前記第1の渦形室内にほぼ同軸に含まれ、前記排気口は前記第1
の渦形室の外壁を貫通する相互接続部を含んでいる、 ターボチャージャ。 - 【請求項6】 請求項5記載のターボチャージャにおいて、前記相互接続部
はくさび形をしている、ターボチャージャ。 - 【請求項7】 請求項5記載のターボチャージャにおいて、 前記コンプレッサ・ホイールと前記第1の渦形室との間の第1のディフーザ、
および、前記コンプレッサ・ホイールと前記第2の渦形室との間の第2のディフ
ーザをさらに備え、前記第1及び第2の渦形室は、前記コンプレッサ・ホイール
の外周付近から前記第1および第2の渦形室へと延びる共通壁により分離されて
おり; 前記共通壁と前記コンプレッサ・ホイールとの間に設けられるダイナミック・
シールを生成する手段を備え ているターボチャージャ。 - 【請求項8】 請求項2記載のターボチャージャにおいて、前記ダイナミッ
ク・シールを生成する手段は、 前記コンプレッサ・インペラーの周囲の溝に受けられて、前記バッフルから半
径内方へと延びる段状肩部によって、前記インペラー・ホイールの外周付近で担
持されている、シール・リング を含んでいるターボチャージャ。 - 【請求項9】 請求項2記載のターボチャージャにおいて、前記ダイナミッ
ク・シールを生成する手段は、 前記インペラー・ホイールの外周に設けられたスロットに受けられる、前記バ
ッフルの延長部を含み、この延長部には、少なくともその一方の側面に蛇行表面
が設けられている、ターボチャージャ。
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