JP2003020906A - 可変ジオメトリータービン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】特に内燃機関過給ターボコンプレッサー（２）
のための、可変ジオメトリータービン（１）を提供す
る。 【解決手段】可変ジオメトリータービン（２）は、動作
流体のための螺旋形の入口チャネル（６）を形成してい
る外側ハウジング（３）と、このハウジング内に回転可
能なように支持されたロータ（４）と、チャネルからロ
ータへの動作流体のフローを制御するために軸方向に移
動する制御部材（１４）を有し、チャネルとロータ杜の
間に径方向に介在された可変ジオメトリーの環状の羽根
付きノズル（１０）とを具備する。制御部材は、制御圧
力によって直接的に駆動される流体アクチュエーター
（２０）の環状ピストンとして形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、可変ジオメトリー
タービンに関する。

【０００２】

【従来の技術】好ましい、しかしこれに限定されない、
本発明の応用分野は、以下に非限定的に説明されてい
る、内燃機関への過給にある。螺旋形の入口チャネルを
有し、この入口チャネルは、タービンのロータと、入口
チャネルとロータとの間に径方向に介在された羽根付き
環状ノズルとを囲んでいる、タービンが、公知である。
また、可変ジオメトリータービン（ＶＧＴ）は、羽根付
き環状ノズルが変えられ得る構成を有するので、入口チ
ャネルからロータへの動作流体のフローのパラメータが
変えられ得るとして、公知である。公知の実施形態に係
われば、可変ジオメトリーノズルは、このノズルのスロ
ート部、即ちノズルの動作フロー部を変えるように軸方
向に移動する環状の制御部材を有する。この環状の制御
部材は、例えば、羽根付き支持リングによって形成され
得る。この羽根付きリングは、これから羽根が軸方向に
延出し、開位置と閉位置との間を軸方向に移動し得る。
開位置では、羽根は、フロー内に沈められ、ノズルのス
ロート部が、最大である。閉位置では、リングは、ノズ
ルのスロート部を、部分的もしくは全体的に閉じてい
る。リングが前方へと動いている間、ノズルの羽根は、
このリングに面する位置でタービンのハウジング内に設
けられたハウジング内の適当なスロットに収容される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】環状の制御部材の変位
は、空気のもしくは電気のタービンの外側のアクチュエ
ーターとこのアクチュエーターからノズルの環状の制御
部材へ運動を伝達するための運動学的なチェーンとを有
する制御装置によって、制御され得る。これには、比較
的高いコストが必要であり、信頼性を制限する。また、
殆どの公知の解決法では、運動学的なチェーンが、磨耗
によって装置の寿命が続く間に増加する傾向がある重要
な働き（あそび）を有するように、制御の精度が低下さ
れる。この公知の解決法に関係する更なる欠点は、公知
の制御装置は、非常に正確な調節のための、精密な動き
を必要とするという点である。本発明の目的は、上述し
たような公知のタービンに見られた欠点を克服する、軸
方向に移動可能な制御部材を備えた羽根付きのノズルを
有した、可変ジオメトリータービンを提供することであ
る。

【０００４】

【課題を解決するための手段】このような目的は、本発
明によって果たされる。本発明は、ハウジングとこのハ
ウジング内を回転可能に支持されたロータとを有し、こ
のハウジングは、流体を、ロータを囲む螺旋形状に作動
させるための入口チャネルを規定し、また、可変ジオメ
トリーの羽根付き環状ノズルは、このチャネルとロータ
との間に径方向に介在され、ノズルのスロート部変える
ことによってチャネルからロータへの作動流体のフロー
を制御するように軸方向に移動する制御部材を有してい
る、可変ジオメトリータービンにおいて、制御部材は、
流体アクチュエーターの環状ピストンとして形成され、
流体制御ラインを有しており、この制御部材は、この流
体制御ラインを介して、直接的な制御圧力によって駆動
されることを特徴とするジオメトリータービンに関す
る。本発明は、非限定的な例を用いて、幾つかの実施形
態を参照して、非限定的な例を用いて、以下に説明さ
れ、添付図面に明らかにされている。

【０００５】

【発明の実施の形態】図１では、可変ジオメトリーター
ビンが、全体的に参照符号１によって示されている。タ
ービンは、有利には、内燃機関に過給するために、ター
ボコンプレッサー２（部分的に示されている）内で、使
用される。タービン１は、軸Ａを有しこの軸Ａを中心に
回転可能なように支持されていると共にコンプレッサー
（図示されず）の駆動シャフト５に固定的に接続された
ロータ４と、ハウジング３とを、主に有する。ハウジン
グ３は、ロータ４を囲んでいる螺旋形の入口チャネル６
を公知の方法で規定しており、また、エンジンの排気マ
ニホルド（図示されず）に接続されるように適合された
入口開口７が設けられている。ハウジング３は、排気ガ
スのための軸方向の出口ダクト８を、ロータ４の出口
に、更に規定している。

【０００６】また、タービン１は、チャネル６とロータ
４との間に径方向に介在され、スロート部１１、即ちノ
ズル１０の最小フローの動作部を規定する、可変ジオメ
トリーの羽根付き環状ノズル１０を有する。このスロー
ト部は、入口チャネル６からロータ４への排気ガスのフ
ローを制御するために変えられ得る。ノズル１０は、ス
ロート部１１とこれに軸方向に面しているハウジング３
の壁１３とを固定する、軸方向に動く羽根付きリング１
２によって、形成されている。更に、羽根付きリング１
２は、壁１３に面する位置でハウジング３内に設けられ
た環状チャンバ１５内を軸方向に滑動可能なように設け
られた環状の部材１４と、この環状の部材１４から軸方
向に延びて壁１３内に設けられた各スロット１８内で軸
方向に滑動可能なように係合する複数の羽根１７とを有
する。

【０００７】本発明に係われば、環状の部材１４は、効
果的には空気の流体アクチュエーター２０のピストンを
形成している。このアクチュエーターのチャンバ１５
が、シリンダを規定しており、また、タービンのハウジ
ング３内に設けられてチャンバ１５と連通している制御
ライン２１を介して、制御圧力ＰＣによって直接的に駆
動される。この制御ライン２１は、以下に詳しく説明さ
れるように、制御バルブ２２、効果的には、電気制御ユ
ニット（図示されず）により駆動される、電磁気で制御
される比例バルブに、接続されており、車の動作パラメ
ータの変形例に適した制御圧力ＰＣを提供する。

【０００８】重量を減少させるために効果的には中空の
Ｃ字型の部分を有する環状の部材１４は、従来のタイプ
のシール部材２３によって、漏れを防ぐようにチャンバ
１５と共働している。従って、図１の実施形態では、環
状の部材１４は、制御圧力ＰＣを受ける制御面２４と、
動作流体の圧力を受ける反応面２５とを有する。動作時
には、制御圧力ＰＣは、制御面２４上で、ノズル１０の
閉鎖方向に、軸方向に作用する。タービン１の、特に排
気ガス中の動作流体は、反応面２５上に、反対方向に、
即ち、ノズル１０を開いた構成にさせるような方向に、
作用する。制御圧力ＰＣの所定の変動が、制御圧力ＰＣ
と動作流体の圧力との間で平衡状態がリセットされるま
で、羽根付きリング１２を変位させる。これは、制御圧
力ＰＣの各値は、少なくとも羽根付きリング１２がこの
ストロークの端部で機械止めと接触するまで、ノズル１
０内の動作流体の平均圧力の値、かくしてタービン入口
圧力ＰＴの値に対応していることを意味する。従って、
制御圧力ＰＣの制御は、過給されたエンジンの最も重要
な動作パラメータの１つであるタービン入口圧力ＰＴの
制御と、同等である。

【０００９】動作時には、動作流体は、外側から、即ち
入口チャネル６からほぼ径方向に、ノズル１０に入り、
羽根１７によって、ロータ４に対するこれらのピッチ角
に応じて偏向される。環状の部材１４の軸方向変位によ
って、スロート部は、最大値から、ノズル１０が最大限
閉じられた構成ではゼロでもよい最小値まで、変えられ
得る。動作時には、この状況は、内燃機関／ターボコン
プレッサーシステムにおいて、エンジンブレーキによる
制動位相、冷却開始位相、エンジンの緊急停止位相で、
動作流体のフローを停止させ、効果的に利用され得る。

【００１０】図２乃至４は、タービン１の各変形例を示
す。これら図は、図１のタービン１との違いに関して、
以下に詳しく説明されている。また、図１を参照して既
に説明された構成部品に対応したもしくはこれと等しい
構成部品には、同じ参照符号が与えられている。

【００１１】図２の変形例では、羽根付きリング１２
は、ノズル１０の開方向に作用する、即ち制御圧力ＰＣ
に対抗する、１もしくは複数の回復スプリング２５の弾
性回復力（elastic recall force）にさらされている。
スプリング２５は、弾性回復力が使用中に生じ得る任意
の摩擦抵抗を克服するようにさせることから、動作の安
全性を向上させる。更に、ノズル１０を閉じるために必
要とされる制御圧力ＰＣのレベルは上げられ、かくし
て、制御の精度が向上される。実際には、圧力調節バル
ブが、低い圧力レベルでは的確に作動しないということ
が、公知である。スプリング２５の更なる効果は、動作
流体、例えば内燃機関の排気ガスの圧力パルスによっ
て、羽根付きリング１２が使用時にさらされ得る発振機
の振幅を、減じることである。

【００１２】図３は、タービン１の変形例を示す。この
タービンは、チャンバ１５を有し、このチャンバは、軸
方向に互いに隣接して夫々異なった動作領域を有する２
つの部分１５ａ、１５ｂを有する。第１の部分１５ａ
は、ノズル１０のスロート部１１に隣接し、大きな動作
領域を有する。第２の部分１５ｂは、流体制御ライン２
１と連通し、実質的に小さい動作領域を有する。従っ
て、環状の部材は、“段付き”構造を有し、チャンバ１
５の第２の部分１５ｂ内でもれを防ぐように滑動して制
御面２４を規定する部分２８と、第１の部分１５ａ内で
滑動して反応面２５を規定する部分２９とを有する。こ
の部分２９は、制御面２４に面すると共に通路３１を介
してノズル１０内の動作流体の圧力にさらされる補助ス
ラスト面３０を、有する。動作流体の圧力は、制御圧力
ＰＣと同時に、補助スラスト面３０上でも作用する。

【００１３】このようにして、羽根付きリング１２を変
位させるために必要とされる制御流体のフローは、減じ
られ、より小型で経済的な制御バルブ２２の使用を可能
にする。図３の実施形態では、補助スラスト面３０は、
制御面２４に対して径方向外側にあり、このノズルのス
ロート部１１の上流に位置された通路３１を介してノズ
ル１０と連通している。かくして、補助的な面３０は、
反応面２５に作用する平均圧力よりも大きな圧力にさら
される。このようにして、制御圧力ＰＣに対抗して羽根
付きリング１２に作用する、動作流体によってリング１
２に伝えられる合成された圧力を、シール部材２３の摩
擦抵抗にほぼ匹敵する値まで減じることが可能である。
かくして、動作流体の圧力パルスから生じる、羽根付き
リング１２の発振の振幅が実質的に減少される。

【００１４】図４の変形例では、補助スラスト面３０
は、制御面２４の径方向内方にあり、このノズルのスロ
ート部１１の下流に位置された通路３１を介してノズル
１０と連通している。かくして、補助的な面３０は、反
応面２５上に作用する平均圧力よりも小さな圧力にさら
されている。この解決法は、羽根付きリング１２を変位
させるのに必要とされる制御圧力ＰＣのレベルを上げる
ので、制御バルブ２１は大きい圧力レベルで作動される
ことができ、かくして、制御の高精度を得ることができ
る。

【００１５】図５は、図３、図４の解決法の制御特性Ｃ
３、Ｃ４が夫々に比較されているグラフである。このグ
ラフは、ライン２１内の制御圧力ＰＣの関数としての、
タービン入口圧力ＰＴ（ノズル１０の上流の入口チャネ
ル６内の圧力）を示す。タービン入口圧力ＰＴ（縦軸上
の）は、上述された羽根付きリング１２上に作用する力
の平衡の原則による制御圧力ＰＣ（横座標）に線形に応
じていることが、このグラフから明らかである。また、
制御圧力ＰＣのレベルが同じタービン入口圧力ＰＴに比
べて、図４の場合には大きいことを、理解されるだろ
う。

【００１６】図６は、全体が参照符号３５で示された本
発明のタービンの、更なる実施形態を示す。タービン３
５は、上述されたタービン１と比較して、これが、互い
に軸方向に面して軸方向にスロート部１１を固定してい
る一対の羽根付きリング３７，３８によって形成された
ノズル３６を有している点で、異なっている。羽根付き
リング３７、３８は、環状の部材３９、４０と、各環状
の部材３９、４０に固定的に接続されて他の羽根付きリ
ング３８、３７の環状の部材４０、３９の方へ延びてい
る複数の羽根４１、４２とを、夫々有する。羽根４１、
４２は、２つの羽根４１、４２が互いに貫通するような
くさびとして、実質的に傾斜されている。

【００１７】羽根付きリング３７は、タービン３５のハ
ウジング３に固定されている。羽根付きリング３８は、
ノズル３６のスロート部１１を変えるように、リング３
７に対して軸方向に移動し得る。本発明に係われば、羽
根付きリング３８の環状の部材４０は、ハウジング３内
に設けられた環状チャンバ４５内を漏れを防ぐように滑
動するよう位置されており、ノズル３６のスロート部１
１を制御するために、空気のアクチュエーター２０の環
状ピストンを形成している。かくして、羽根付きリング
３８の軸方向の位置は、タービン１を参照して説明され
たのと全く同じ方法でチャンバ４５内の圧力を変えるこ
とによって、直接的に制御され得る。

【００１８】羽根４１、４２は、羽根付きリング３８が
最大の軸方向前進位置にあり羽根付きリング３７と接触
するように配置される、ノズル３６の完全な閉鎖構成の
ときに、互いにかみあうように、成形されている。羽根
４１、４２（図７）は、各環状の部材３９、４０上で、
ほぼ接線方向に配置され、軸Ａを有するシリンダーによ
って得られる部分は、三角形、好ましくは鋸歯状の形状
を有する。

【００１９】好ましくは、羽根４１、４２は、互いに相
補的な形状を有する、例えば平坦である各フランク４
６、４７によって固定されている。これらは、動く羽根
付きリング３８の羽根４２上の動作流体によって起こさ
れる動的作用下で、固定された羽根付きリング３７に対
して移動する羽根付きリング３８の所定の角位置を規定
するために互いに共働するように、適合されている。

【００２０】本発明によって得られる効果は、タービン
１、３５の特徴的な特性を検査することによって明らか
になる。特に、タービンのスロート部の制御部材による
直接的な流体制御は、外部アクチュエーター及び関連し
た運動学的伝達機構の使用を回避できるようにする。こ
れによって、より簡素かつ経済的な、及び小型の可変ジ
オメトリータービンが提供される。また、運動学的な伝
達機構の機能停止の恐れが減じられることから、信頼性
も高くなる。過給エンジンの制御における最も重要なパ
ラメータの１つである、タービン入口圧力の制御は、特
に単純に、かつ信頼でき、正確になる。

【００２１】請求項の権利範囲から逸脱しない変形及び
修正が、説明されたタービン１、３５に成され得ること
を、理解されるだろう。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の可変ジオメトリータービン
の、部分的な軸方向の断面である。

【図２】図２は、図１の可変ジオメトリータービンの変
形例の、部分的な軸方向の断面である。

【図３】図３は、図１の可変ジオメトリータービンの変
形例の、部分的な軸方向の断面である。

【図４】図４は、図１の可変ジオメトリータービンの変
形例の、部分的な軸方向の断面である。

【図５】図５は、図３、図４のタービンの夫々の制御特
性を示すグラフである。

【図６】図６は、本発明の可変ジオメトリータービンの
変形例の更なる実施形態の、軸方向の断面である。

【図７】図７は、図６のタービンのノズルの斜視図であ
る。

【符号の説明】

１…可変ジオメトリータービン、３…ハウジング、４…
ロータ、６…入口チャネル、１４…制御部材。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ユアーグ・シュプーラー スイス国、シーエイチ−9315 ノイキルヒ ェ、エーブネート（番地なし) Ｆターム(参考） 3G005 EA15 EA16 FA06 FA13 GA04 GB25 GC03 GC04 GD11 GE09 JB07 3G071 AB06 BA09 BA26 DA01 EA04 FA03 HA03 JA05

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ハウジング（３）と、このハウジング
   （３）内に回転可能なように支持されたロータ（４）と
   を具備し、このハウジング（３）は、ロータ（４）を囲
   んでいる、動作流体のための螺旋形状の入口チャネル
   （６）を規定しており、また、チャネル（６）からロー
   タ（４）への動作流体のフローを、ノズル（１０、３
   ６）のスロート部を変えることによって制御するために
   軸方向に動く制御部材（１４、４０）を有し、このチャ
   ネル（６）とロータ（４）との間に径方向に介在され
   た、可変ジオメトリーの環状羽根付きノズル（１０、３
   ６）を具備する可変ジオメトリータービン（１、３５）
   において、前記制御部材（１４、４０）は、流体アクチ
   ュエーター（２０）の環状ピストンとして形成され、ま
   た、このタービンは、流体制御ライン（２１）を有し、
   前記制御部材（１４、４０）は、流体制御ライン（２
   １）を介する制御圧力によって直接的に駆動されること
   を特徴とする、タービン。
2. 【請求項２】 前記制御部材（１４）は、制御圧力にさ
   らされると共に、この制御圧力の増加に応じて制御部材
   （１４）を閉構成になるように動かすために軸方向に方
   向付けられた制御面（２４）を有することを特徴とする
   請求項１のタービン。
3. 【請求項３】 前記制御部材（１４）は、ノズル（１
   ０）内の動作流体の圧力にさらされると共に、前記制御
   面（２４）とは反対の軸方向に方向付けられた反応面
   （２５）を有することを特徴とする請求項２のタービ
   ン。
4. 【請求項４】 前記制御部材（１４）は、制御面（２
   ４）と同様の軸方向に方向付けられた少なくとも１つの
   補助的な面（３０）と、ノズル（１０）から補助的なチ
   ャンバ（１５ａ）へと動作流体を供給するための接続手
   段（３１）とを有することを特徴とする請求項２もしく
   は３のタービン。
5. 【請求項５】 前記補助的な面（３０）は、制御面（２
   ４）に対して径方向外方に位置され、接続手段（３１）
   は、ノズル（１０）のスロート部（１１）の上流部で、
   ノズル（１０）と連通していることを特徴とする請求項
   ４のタービン。
6. 【請求項６】 前記補助的な面（３０）は、制御面（２
   ４）に対して径方向内方に位置され、接続手段（３１）
   は、ノズル（１０）のスロート部（１１）の下流部で、
   ノズル（１０）と連通していることを特徴とする請求項
   ４のタービン。
7. 【請求項７】 前記制御部材（１４）は、この制御部材
   （１４）の軸方向の位置がこれに作用する圧力の平衡に
   よって規定されるように、軸方向に移動可能であること
   を特徴とする請求項１乃至６のいずれか１のタービン。
8. 【請求項８】 前記ノズル（１０）を開構成にするよう
   に制御部材（１４）を駆り立てるよう適合された弾性的
   な手段（２５）を有していることを特徴とする請求項１
   乃至６のいずれか１のタービン。
9. 【請求項９】 前記制御部材は、軸方向に延びている複
   数の羽根（１７）が設けられた環状の部材（１４）であ
   り、前記ハウジング（３）は、ノズル（１０）の閉構成
   もしくは部分的に閉じられた構成において羽根（１７）
   を収容するための複数のスロット（１８）を有すること
   を特徴とする請求項１乃至８のいずれか１のタービン。
10. 【請求項１０】 前記可変ジオメトリーの環状の羽根付
    きノズル（３６）は、互いに面している、第１の羽根付
    きリング（３７）と第２の羽根付きリング（３８）とを
    有し、これら羽根付きリング（３７、３８）の夫々は、
    環状の部材（３９、４０）と、これら環状の部材（３
    ９、４０）に夫々固定的に接続されて他方の羽根付きリ
    ング（３８、３７）の環状の部材（４０、３９）に向か
    って延びている複数の羽根（４１、４２）とを有し、こ
    れら羽根（４１、４２）は、２つの羽根（４１、４２）
    が互いに貫通されているくさびのように、実質的に傾斜
    されており、前記環状の部材（３９、４０）の少なくと
    も一方（４０）は、他方の環状の部材（３８）に対して
    軸方向に移動可能で、制御部材を形成していることを特
    徴とする請求項１乃至８のいずれか１のタービン。
11. 【請求項１１】 請求項１乃至１０のいずれか１の可変
    ジオメトリータービン（１）を有することを特徴とす
    る、内燃機関のためのターボコンプレッサー。
12. 【請求項１２】 ハウジング（３）と、このハウジング
    （３）内に回転可能なように支持されたロータ（４）と
    を具備し、このハウジング（３）は、ロータ（４）を囲
    んでいる、動作流体のための螺旋形状の入口チャネル
    （６）を規定しており、また、チャネル（６）からロー
    タ（４）への動作流体のフローを、ノズル（１０、３
    ６）のスロート部を変えることによって制御するために
    軸方向に動く制御部材（１４、４０）を有し、このチャ
    ネル（６）とロータ（４）との間に径方向に介在され
    た、可変ジオメトリーの環状羽根付きノズル（１０、３
    ６）を具備する、可変ジオメトリータービン（１）にお
    いて、前記制御部材（１４、４０）は、流体アクチュエ
    ーター（２０）の環状ピストンとして形成され、また、
    このタービンは、制御部材（１４、４０）のための流体
    制御ライン（２１）を有している、ターボコンプレッサ
    ー（２）によって過給される内燃機関内のタービン入口
    圧力を制御するための、制御部材（１４、４０）を直接
    的に駆動するために流体制御ライン（２１）を介して制
    御圧力を供給する工程を有する方法。