JP2003519309A - 一体型の排気ガス再循環ポンプを組み込んだターボチャージャー - Google Patents
一体型の排気ガス再循環ポンプを組み込んだターボチャージャーInfo
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Abstract
Description
ス再循環システム”及び“制御弁及びミキサー”の双方を発明の名称とする、出
願日1997年3月3日、出願番号60/039,246の、仮出願の利益を主
張する、出願日1998年2月27日、出願番号09/032,101の一部継
続出願である。
R)に関する。より詳細には、本発明は、EGRポンプとして機能する、コンプ
レッサーインペラーと対向する側に搭載されたインペラーベーンを有するターボ
ーチャジャーコンプレッサーホイールを提供することである。このターボーチャ
ージャーコンプレッサーホイールには、ポンプからのERG出力流のための、別
個のディフューザーと渦形室、及び内燃機関のための給気中に排気ガスを再循環
させるための、別個のEGRポンプへの渦形インレットが備えられる。
使用するするため、EGRシステムは、少なくともその運転範囲中で、典型的に
は最近の高効率ジーゼルエンジンである、内燃機関中の正圧力勾配によって形成
された反対圧力勾配を乗り越えなければならない。手段であるEGRに対する各
種アプローチには、排気マニホールドから吸気マニホールドへの排気ガスの一部
をポンピング(供給)することが含まれている。このポンピングは、排気ガスを
、エンジンにある通常のターボーチャージャー又はスパーチャージャーの圧縮イ
ンレットに導入することにより達成され、代替的には、排気ガスを受け入れ、該
排気ガスをエンジンの給気昇圧システムの給気下流に供給するのに適した圧力に
加圧する、別個のコンプレッサーを提供することにより達成される。一般的に、
幾らかの燃料消費がこれらにシステムによって不利益として負担させられる。
力を高めることによって所望のシステム動作を達成することが要求され、仮にE
GRが調整又はターンオフされるならば、エンジンの空燃料比制御は、最適エン
ジン動作を維持することが望ましい。
限された強制容量内で調整しなければならない。それ故、ターボーチャージャー
のような、存在するエンジンシステムと物理的に近く且つ機能的に協働して、排
気ガスを再循環するためのポンピング要素を採用する、高度に一体化されたEG
Rシステムを提供することが望ましい。
気ガス吸気口とタービン排気口とを有するタービンハウジングを備え、該タービ
ンハウジングは排気ガス吸気口を介して受け入れられた排気ガスにより駆動し、
回転シャフトに接続されているタービンを収納している。回転シャフトを受け入
れる軸受アセンブリを支持する中央ハウジングがタービンハウジングと、空気吸
インレット及びチャージ空気排気口を有するコンプレッサハウジングに接続され
ている。コンプレッサローターが、回転シャフト及びローターに取り付けられ、
該ローターは、コンプレッサハウジングインレットを介して空気を受け入れ、チ
ャージ空気排気口に圧縮空気を排出する第1組のベーンを有する。ローターは第
2組のベーンを有し、このベーンは第1組のベーンと反対側のローター部分に一
体的に取り付けられ、EGRインレットから排気ガスを受入れ、ディフューザー
を介して排気ガスアウトレットへ圧縮排気ガスを排出する。排気ガスアウトレッ
トとチャージ空気排気口は別々の流れ経路となっている。ローター周縁での流れ
経路を隔離するバッフルが排気ガスの流れ流路とチャージ空気の流れ経路とを分
離し、シーリングシステムが、高感度のチャージ空気冷却コンポーネントが再循
環される排気ガスで汚染されることを防止するように流れの分離を高める。
チャージャに設けられている。更に一体EGR作動バルブがオン−オフ制御及び
EGR流の変調のためにタービンハウジング内に組み込まれている。
を有する内燃機関10が示されている。ターボチャージャー16が給気を高める
ため設けられていて、コンプレッサーローター18により圧縮された吸気を受け
入れる。このコンプレッサーローター18は、圧縮空気を吸気マニホールド内に
導入する前にチャージ空気クーラー20に送る。コンプレッサーローターは、内
燃機関の排気マニホールドから排気ガスを受けるタービン24に接続されたシャ
フト22により駆動される。
ーラー28へ流れる。EGRクーラーからのガスはEGRポンプのインレットに
供給される。このEGRポンプは、図示された実施形態では、タービンにより駆
動されるようにターボチャージャーのシャフトに装着されたコンプレッサーロー
ター30である。EGRポンプからの圧縮された排気ガスはミキサー32に流れ
る。このミキサー32は、再生された排気ガスの流れを過給空気と混合して吸気
マニホールドに導入する略均質な流れを生じさせる。
内燃機関の排気の背圧を制御する。更に、可変の幾何学的配列をしたインレット
はタービン出力を制御するべくタービンインレット面積を変化させることにより
、コンプレッサーのブースト圧力を調整して空気ー燃料比の制御性を向上させる
ことを可能にする。
ジャーの詳細を示す。タービンは、図示された実施形態では、二股の渦形室(ボ
リュート)38に供給する軸方向排気ガスインレット36を組み合わせた、鋳造
されたタービンハウジング34内に収容されている。タービンを通って流れるガ
スはタービンアウトレット40で排気される。シャフト22はスペーサー44で
分離されたジャーナル軸受42と、軸受48を有するスラストカラー46とを含
む軸受装置により支持される。これらジャーナル軸受42、スペーサー44、軸
受48及びスラストカラー46は全て潤滑チャネル52を組み込んだ中央ハウジ
ング50に担持されている。軸受48はボルト49で中央ハウジングに取り付け
られている。チャージ空気コンプレッサーは、空気インレット56,ディフュー
ザー58及び圧縮されたチャージ空気用の渦形室(ボリュート)60を備える、
鋳造されたタービンハウジング54内に収容されている。図示の実施形態ではト
ロイド形のインレットが使用されているが、これに代わる実施形態ではスクロー
ル形のインレットが使用される。
に加えることにより、ターボチャージャーの現存のローター群内に組み込まれる
。スクロール形インレット64は、再循環のための排気ガスを供給し、セパレー
トディフューザー66は、圧縮された排気ガスを渦形室(ボリュート)68に搬
送する。これらEGRポンプインレット、ディフューザー、渦形室(ボリュート
)は、従来のターボチャージャー用のコンプレッサーのバックプレートと置き換
えられた鋳造部材70内に組み込まれる。これにより、ローター群及びターボチ
ャージャーの全体の長さは、わずかにしか増加しない。コンプレッサー内のチャ
ージ空気流とEGRポンプ内の再循環された排気ガス流との分離は、コンプレッ
サーハウジングとEGRポンプの鋳造部材との間に拘束されるように配置された
バッフル72により維持される。EGRポンプの鋳造部材は、止め輪(保持リン
グ)74とコンプレッサーハウジングにねじ込まれたボルト76とを用いること
により、コンプレッサーハウジングに取り付けられている。
ルを介して、ローターに取り付けられている。この2段階のシールは、ローター
外周部上の第1シール80と、ポンプインペラーベーンの先端部に隣接したロー
ター外周部からはめ込まれるローター側部のEGRポンプ上の第2シールである
。図示の実施形態には、EGRガスの流れとチャージ空気の流れとの分離を更に
高める圧力差を発生させ、ターボチャージャー下流のチャージ空気ークーラーの
ような、チャージ空気の流路に関する部品が汚れることを避けるために、スクロ
ールシール84も備えられている。
る。このカバーは、本実施形態では、EGRインレットからEGR渦形室(ボリ
ュート)まで延び、バッフルの内周面と共にEGRポンプインペラーディフュー
ザーを形成する第2表面を備えている。カバーは、更に、空気力学的特性を向上
させるために、ポンプ鋳造部材を中央ハウジング50に固定する取り付けボルト
89の上側に配置されている。カバーは、EGRポンプインペラーブレードに対
して適切な輪郭形状ないし形態となるよう、表面90を加工されている。それに
よって、様々なエンジンのEGRポンピングに関する要求をもつEGRポンプ鋳
造部材の一般的な使用を行うことができるというフレキシビリティをもつことが
できる。
グをバッフル/EGRポンプキャスティングに対して、またEGRポンプキャス
ティングを中央ハウジングに対して、それぞれ追加のシーリングをしている。ピ
ストンシール96は、コンプレッサー及びタービンに隣接する回転軸のシーリン
グをしている。図2の実施形態では、タービンハウジングは、V型バンド98を
用いて中央ハウジングに取り付けられており、熱シールド99は、中央ハウジン
グとタービンハウジングの間に支持されている。
用する中央ハウジング及びタービンハウジングの構成を示している。多数の回転
ベーンの構成は、「圧力が調整されたデュアルアクスル可変ノズルターボチャー
ジャー」という名称で1998年3月2日に出願され、本願と共通の譲受人を有
する米国特許出願09/033274に開示されている構成に匹敵するものであ
り、図面に示した実施形態に提供される。幾何学的可変ノズル33のベーン10
0は、ノズルリング102内へ延びるアクスルによって支持されている。ノズル
リング102は、本実施形態においては、複数のスペーサピン104によりター
ビンハウジング34に関して離れて支持され、保持リング107により固定され
るディスクスプリング106により固定される。ダウエル(dowel)ピン1
12により支持されるローラ110上に回転可能に搭載されているユニゾンリン
グ108は、多数のベーンに動作を提供する。ユニゾンリングの回転は、最大ノ
ズル入口領域を提供する実質的に開放した第1の位置から最小ノズル入口領域を
提供する実質的に閉じた第2の位置への動作範囲でベーンを回転させる。各ベー
ンは、ノズルリングの開口116に関して近接して延びる第1アクスル114に
より部分的に支持されている。第1アクスルは、ノズルリングを通って延び、ベ
ーンの駆動のためにユニゾンリング内の溝に受け入れられるベーンアーム118
に取付けられている。ユニゾンリングの回転は、外部クランク120と、ロッド
121及びクランクアーム123を有する駆動リンクにより実現される。
、第1アクスルと同軸である。第2アクスルは、タービンハウジング内に凹んで
設けられている挿入リング126の嵌合孔124に関して近接して延び、切削面
128により支持されている。ノズルリング及び挿入リングは、ノズルのバウン
ディングハブ及びシュラウド面を形成する。3つの精密な、中空の、円形スペー
サ130は、スペーサピン104を囲み、2つのリングを正確に配置して2つの
リングの間隔を開け、且つ、ノズルリングアセンブリをノズル吸気口とタービン
に隣接するノズル排気口との間のタービンハウジングに固定するために、使用さ
れる。
36を介して渦形室38内に受け入れられる。図5に見られるように、バイパス
134が渦形室38により提供されている。図6に示されているEGR弁138
は、排気エルボ管140を介してタービンハウジングからのEGR流を制御する
。EGR弁はバイパスを閉じる着座位置からクランク146による開位置へアー
ム144により回転可能なポペット弁142を含む。図1の弁26は、ある実施
形態においては、図示されているようにオン−オフ形EGR弁のみからなるが、
他の実施形態においては、米国出願No.09/032101に開示されている
ような第2比例弁を含んでEGR流を更に制御するようにしてもよい。
を介した再循環ガスのためのエルボ管からの管接続が使用されるが、他の実施形
態では、ターボチャージャーのEGRポンプの排気ガスインレットに直接接続す
るようにしてもよい。
れた特定の実施形態の改良及び置換が特許請求の範囲において定義されたように
本発明の目的の範囲内であることを理解するであろう。
ある。
の断面図である。
ットシステムの断面図であり、bはaの4b−4b線に沿って切断した可変静ベ
ーンタービンインレットシステムの断面図である。
の図4aの5−5線に沿って切断した断面図である。
Claims (10)
- 【請求項1】 一体型の排気ガス再循環(EGR)ポンプを組み込んだター
ボチャージャーであって、 排気ガスインレットとタービンアウトレットとを有するタービンハウジングと
、 前記排気ガスインレットを通って受けた排気ガスによって駆動され、回転可能
なシャフトに連結されたタービンと、 前記回転可能なシャフトを受ける軸受アセンブリを支持する中央ハウジングと
、を備え、前記中央ハウジングは、前記タービンハウジングに連結するための手
段を有しており、 前記ターボチャージャーは、また、 空気インレットと給気アウトレットとを有するコンプレッサーハウジングと、 前記回転可能なシャフトに取り付けられたコンプレッサーローターとを備え、 前記コンプレッサーローターは、前記コンプレッサーハウジングの空気インレ
ットを通った空気を受けて、圧縮空気を前記給気アウトレットに排出する第1の
ベーン組を有しており、 前記コンプレッサーローターは、また、前記第1の組のベーンに対向する位置
で当該コンプレッサーローターに一体的に取り付けられた第2の組のベーンを有
しており、 前記第2の組のベーンは、EGRインレットから排気ガスを受け、圧縮された
排気ガスをディフューザーを通してEGRアウトレットに排出しており、 前記EGRアウトレットと給気アウトレットとは、分離した別個の流路を備え
ており、 前記ターボチャージャーは、また、 前記コンプレッサーローターの周辺で前記流路を、排気ガス用の流路と給気用
の流路とに分離しているバッフルを備え、前記バッフルは、前記コンプレッサー
ローターと協働的に相互作用可能な少なくとも一つの段付きシールを有しており
、 前記ターボチャージャーは、さらに、 前記EGRアウトレットをミキサーに取り付けるための手段と、 前記給気アウトレットを前記ミキサーに取り付けるための手段とを備えている
ことを特徴とするターボチャージャー。 - 【請求項2】 請求項1に記載のターボチャージャーにおいて、 前記EGRインレットと排気ガスアウトレットとは、前記コンプレッサーハウ
ジングと前記タービンハウジングとの中間に取り付けられた鋳物部材として組み
込まれており、 前記鋳物部材は、前記コンプレッサーローター用のバックプレートを含み、さ
らに、 前記鋳物部材を前記中央ハウジングに取り付けるための手段と、 前記コンプレッサーハウジングを前記鋳物部材に取り付けるための手段と、 所定の輪郭形状で前記第2の組のベーンと近接して相互作用する手段とを備え
ていることを特徴とするターボチャージャー。 - 【請求項3】 請求項2に記載のターボチャージャーにおいて、 所定の輪郭形状で前記第2の組のベーンと近接して相互作用する前記手段は、
実質的に円筒形のカバーを備えており、 前記円筒形のカバーは、 前記EGRアウトレットに隣接した外側周辺部と、 前記EGRインレットに隣接した内側周辺部と、 前記鋳物部材に係合する、前記コンプレッサーローターの末端側にある第1の
表面と、 前記コンプレッサーローターに設けられた前記第2の組のベーンに隣接する第
2の表面とを有しており、 前記第2の表面は、前記所定の輪郭形状で前記第2の組のベーンと整合するよ
うに機械加工されており、 所定の輪郭形状で前記第2の組のベーンと近接して相互作用する前記手段は、
また、前記カバーを前記鋳物部材に取り付けるための手段を備えていることを特
徴とするターボチャージャー。 - 【請求項4】 請求項3に記載のターボチャージャーにおいて、 前記第2の組のベーンの外側寄りのバッフルの内面は、ディフューザーの第1
の表面であり、 前記カバーの第2の表面は、ディフューザーの第2の表面として前記ディフュ
ーザーの第1の表面に対して隔置された関係で方向決めされた外側寄りの部分を
有していることを特徴とするターボチャージャー。 - 【請求項5】 請求項3に記載のターボチャージャーであって、 カバーを取り付けるための前記手段が、前記ディフューザーの第2の表面内の
奥まった位置に配置され且つ鋳物部材内へと延びている複数のボルトを含んでい
る、ターボチャージャー。 - 【請求項6】 請求項5に記載のターボチャージャーであって、 前記鋳物部材を中央ハウジング内に取り付けるための前記手段が複数の中央ハ
ウジングボルトを含み、前記カバーが同中央ハウジングボルトの上方に延びてい
る、ターボチャージャー。 - 【請求項7】 請求項3に記載のターボチャージャーであって、 前記EGRアウトレットが渦形室を含んでいる、ターボチャージャー。
- 【請求項8】 請求項3に記載のターボチャージャーであって、 前記EGRインレットがトロイド形状部分を含んでいる、ターボチャージャー
。 - 【請求項9】 一体型の排気ガス再循環(EGR)ポンプを組み込んだター
ボチャージャーであって、 排気ガスインレットとタービンアウトレットとを含んでいるタービンハウジン
グと、 排気ガスインレットから排気ガスを受け取る前記タービンハウジングに対して
一体化された流路可変ノズルであって、排気ガスの背圧を制御するように調節可
能な流路可変ノズルと、 同流路可変ノズルから受け取った排気ガスによって駆動され且つ回転可能なシ
ャフトに結合されたタービンと、 同回転可能なシャフトを受け入れる軸受アセンブリを支持している中央ハウジ
ングであって、前記タービンハウジングに結合するための手段を含んでいる、中
央ハウジングと、 空気インレットと給気アウトレットとを有するコンプレッサーハウジングと、 前記回転可能なシャフトに取り付けられたコンプレッサーローターであって、
前記コンプレッサーハウジングのインレットから空気を受け取り且つ圧縮された
空気を前記給気アウトレットへ排出する第1のベーンの組と、同第1のベーンの
組と反対側で前記ローター上に一体化されて取り付けられ且つEGRのインレッ
トから排気ガスを受け取り且つ圧縮された排気ガスをディフューザーを介して再
循環排気ガスアウトレットへと排出する第2のベーンの組と、を含み、前記再循
環排気ガスアウトレットと給気アウトレットとは別個の分離した流路を含んでい
る、コンプレッサーローターと、 再循環排気ガスと給気との前記流路を、前記ローターの周囲において分離して
いる手段と、 再循環排気ガスアウトレットをミキサーに取り付けるための手段と、 前記給気アウトレットを前記ミキサーに取り付けるための手段と、 を含むターボチャージャー。 - 【請求項10】 請求項9に記載のターボチャージャーであって、 前記タービンハウジングに一体化された、再循環されるべき排気ガスのための
バイパスと、 同バイパスを密閉するためのバルブと、 を更に含むターボチャージャー。
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