JP2004504524A - 段階的ベーンを具備する摺動ベーンターボチャージャー - Google Patents

Abstract

本発明は、タービン内で取り入れノズルの領域を変更すべく可搬の円筒状ピストンを備える可変タービン取り入れノズルを具備するターボチャージャーに関する。ノズル内への流れを制御すべくピストンに取り付けたベーンはタービンのベーン内に滑らかな空気力学的流れを与えるスロットが形成された熱バッフルを貫通する。ベーンは、熱バッフルの表面に係合しかつピストンが閉鎖位置にある状態でスロットを密閉する、より大きなコード及び深さを有するステップ付部分を備える。軸線方向作動装置がピストンを作動させるために取り付けられる。

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に可変外形ターボチャージャーに関する。より詳細には、ターボチャージャーはタービン入口の摺動ベーン可変ノズルを有し、該ターボチャージャーにはタービンハウジング内に懸架されたスロットが形成されたシートメタル製熱シールドを通じて受容される複数のベーンが設けられる。複数のベーンは熱シールドの表面を密封するためのステップが付された形状を有する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
高効率ターボチャージャーは性能及び空気力学的効率を増大させるためにタービンノズル入口に可変外形装置（ｖａｒｉａｂｌｅ ｇｅｏｍｅｔｒｙ ｓｙｓｔｅｍｓ）を用いる。ターボチャージャー用可変外形装置は典型的には２つの形式からなっている。すなわち、回転ベーン形式及びピストン形式である。ＰＲＥＳＳＵＲＥ ＢＡＬＡＮＣＥＤ ＤＵＡＬ ＡＸＬＥ ＶＡＲＩＡＢＬＥ ＮＯＺＺＬＥ ＴＵＲＢＯＣＨＡＲＧＥＲと題する米国特許第５、９４７、６８１号明細書によって例示される回転ベーン形式は、ノズル領域及び流量容積（ｆｌｏｗ ｖｏｌｕｍｅ）を増減させるために回転可能な、タービン入口ノズル内に配置された複数の別個のベーンを提供する。両方ともＴＵＲＢＯＣＨＡＲＧＥＲ ＡＰＰＡＲＡＴＵＳと題する米国特許第５、２１４、９２０号明細書及び米国特許第５、２３１、８３１号明細書、及びＶＡＲＩＡＢＬＥ ＥＸＨＡＵＳＴ ＤＲＩＶＥＮ ＴＵＲＢＯＣＨＡＲＧＥＲＳと題する米国特許第５、４４１、３８３号明細書によって例示されるピストン形式は、ノズル入口の領域を減じるためにタービンの回転軸線と同心な間係で移動可能な円筒状ピストン又は壁を用いる。大抵の場合、ピストン形式の可変外形ターボチャージャーは、空気流に対して固定された迎え角（ａｎｇｌｅ ｏｆ ａｔｔａｃｋ）を具備するベーンを含む。これらのベーンはピストンに取り付けられるか又はピストンと反対側の静止ノズル壁に取り付けられ、かつピストンの作動中は反対側表面のスロット内に受容される。
【０００３】
従来技術におけるピストン形式の可変外形ターボチャージャーでは、特にベーンと、極端な温度変動及び機械的応力に晒される受容スロットとの係合面の許容範囲と釣り合う空気力学的性能を最大にし、並びに容易に製造可能な形状のピストンを作動させる手段を提供する挑戦がなされてきた。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明を含むターボチャージャーは、内燃機関の排出マニホールドからの排出ガスを入口で受容しかつ排出出口を具備するタービンハウジングを有するケース、空気入口及び第１渦巻室（ｖｏｌｕｔｅ）を具備するコンプレッサーハウジング、及びタービンハウジングとコンプレッサーハウジングの中間にあるセンターハウジングを備える。タービンホイールは、排出ガスからエネルギーを取り出すためにタービンハウジング内にタ担持される。タービンホイールはセンターハウジングのシャフト孔を通じてタービンハウジングから延在するシャフトに連結される。タービンホイールは実質的に中実な背面ディスク及び多くのブレードを備える。センターハウジングのシャフト孔内に担持される軸受はシャフトの回転運動を支持する。コンプレッサーの羽根車はタービンホイールと反対側のシャフトに連結されかつコンプレッサーハウジングに内包される。
【０００５】
実質的に円筒状のピストンはタービンホイールに対して同軸な間係にありかつ該タービンホイールの回転軸線に平行に移動可能である。複数のベーンが背面ディスク近くでピストンの第１端部から回転軸線に実質的に平行に延在する。熱シールドが、タービンハウジングとセンターハウジングの間で自身の外周に係合され、かつ回転軸線に向かって半径方向内向きに延在する。熱シールドはベーンを受容する複数のスロットを備える。前記第１端部が前記熱シールドに近接する第１位置から、前記第１端部が前記熱シールドから離れた第２位置まで前記ピストンを移動させるためにアクチュエータが設けられる。前記ベーンは前記スロット内に受容すべく寸法づけた第１部分、及び、前記第１部分と前記熱シールドの表面に係合すべく寸法づけた前記ピストンの中間にある第２部分すなわちステップを備え、かつ前記ピストンが前記第１位置にある状態で前記スロットを覆う。
【０００６】
本発明の詳細及び特徴は図面及び以下の詳細な説明からより明瞭になる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図面を参照して説明する。図１は、タービンハウジング１２、センターハウジング１４、及びコンプレッサハウジング１６を組み込んだターボチャージャー１０に対する本発明の実施形態を示す。タービンホイール１８は、シャフト２０を介してコンプレッサホイール２２に連結される。タービンホイールは、（図示しない）排出マニホールドを設けた内燃機関の排出ガスからのエネルギーをタービンハウジング内の渦巻室２４に転換する。排出ガスはタービンを通じて膨張して出口２６からタービンハウジングを出る。
【０００８】
コンプレッサハウジングには入口２８及び出口３０が組み込まれる。背面プレート３２がボルト３４によってコンプレッサハウジングに連結される。背面プレートは、今度は、（図示しない）ボルトを用いてセンターハウジングに固定される。第１環状シール３６は、背面プレートとコンプレッサハウジングとの間に係合する。第２環状シール３８は、背面プレートと中央ハウジングとの間に係合する。ボルト４０と取付ワッシャー４２は、タービンハウジングをセンターハウジングに連結する。
【０００９】
センターハウジングのシャフト孔５２内に取り付けられたジャーナル軸受５０はシャフトを回転支持する。コンプレッサホイールに隣接するシャフトに取り付けられたスラストカラー５４は、図示した実施形態に対しては、センターハウジングと背面プレートとの間に拘束されるスラスト軸受５６に係合する。スリーブ５８はスラストカラーとコンプレッサホイールの中間に係合する。ピストンリングのような回転シール６０は、スリーブと背面プレートの間にシールを形成する。止め輪６２がジャーナル軸受をシャフト孔内に拘束し、かつナット６４がコンプレッサホイールと軸受構成要素をシャフト上に拘束する。
【００１０】
本発明用の可変外形機構は、タービンの回転軸線と同心な関係に整合されたタービンハウジング内に受容される実質的に円筒状のピストン７０を備える。図示した実施形態では３つの脚部を有し、ピストンに固着しかつ作動シャフト７４に固着するスパイダー７２によって、ピストンは長手方向に移動可能である。作動シャフトはタービンハウジングを貫通して延在するブシュ７６内に受け入れられかつアクチュエータ７７に連結される。図示した実施形態に対して、アクチュエータはブラケット７８及びボルト８０を使ってタービンハウジング上の隆起部に取り付けられる。
【００１１】
ピストンは低摩擦挿入物８２を介してタービンハウジング内で摺動する。円筒状シール８４がピストンと挿入物の間に挿入される。ピストンは図１に示す閉鎖位置から、渦巻室２４からタービンへの入口ノズルの領域を実質的に減じながら移動可能である。完全に開放した位置では、ピストンの半径方向の突出部８６は、ピストンの移動を制限する起伏部分（ｒｅｌｉｅｆ）８８内に受容される。
【００１２】
ノズルベーン９０はピストン上の半径方向突出部から延在する。ピストン閉鎖位置では、ベーンはセンターハウジング鋳物の起伏部分内に収容される。熱シールド９２はタービンハウジングとセンターハウジングとの間に係合する。シールドは、センターハウジングとタービンハウジングの間の界面からタービンハウジングの空洞内に延在し、かつタービン入口ノズル用内壁を形成するように形状付与される。
【００１３】
図２は、ベーン９０を受容するための閉じたスロット９６を組み込んだ熱シールドを示す。図３及び図４に示すように、ベーンは、スロット内に受容される第１部分９８と、コード（ｃｏｒｄ）及び深さがスロットの寸法を越える程に長いステップ形態の第２部分１００とを有する。図５ａに示すように、ピストンが開放位置にある状態では、タービン入口に対するノズル領域は、タービン内に最大流量を流すように寸法づけられる。図５ｂに示すように、ピストンが閉鎖位置にある状態では、ベーンの第１部分はスロット内に受容され、かつベーンの第２部分すなわちステップはヒートシールドの表面に係合する。ステップはスロットをヒートシルド内に密封して、図６ａに最も良く示すように、タービン入口流れの過度の漏れを阻止する。ステップの空気力学的形状は、ピストンの閉鎖位置及び開放位置の両方における入口流を滑らかな流れに維持する。図６ｂは、線１０６で表されるステップのコードが、線１０４で表されるブレードのコードに対して角度が付された関係で設定されたステップ付きブレードの別の実施形態を示す。この配置構成は、空気力学的制御を向上させるために、ピストンの開放及び閉鎖位置における空気流に対するブレードの変更された迎え角を画定する。
【００１４】
図面に示した実施形態のピストン作動装置は、図１に示すようなブラケット７８に取り付けられたケースの底部１０２を有する空気圧アクチュエータ７７である。
【００１５】
本発明を特許法で要求されるように詳細に説明してきたが、当業者であれば、本明細書に開示した特定事項に対する変更及び置換に気づくであろう。そのような変更及び置換は特許請求の範囲に記載した本発明の範囲及び意図内にある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を用いるターボチャージャーの断面立面図である。
【図２】熱シールドの平面図である。
【図３】取り付けた複数のベーンを具備するピストンの底面図である。
【図４】複数のベーンのうちの１つの側面図である。
【図５ａ】ピストンが閉鎖位置にある状態で熱シールドと係合するベーンステップの詳細を示す、本発明を組み込んだターボチャージャーの部分的側面図である。
【図５ｂ】ピストンが開放位置にある状態で熱シールドと係合するベーンステップの詳細を示す、本発明を組み込んだターボチャージャーの部分的側面図である。
【図６ａ】スロットを密封するベーンのステップの足跡を想像線で示す熱シールドの底面図である。
【図６ｂ】ステップのコード線がブレードのコード線に対して角度を成す状態にある、ブレード及びステップの足跡の別の実施形態を示す詳細図である。
【符号の説明】
１０　ターボチャージャー
１２　タービンハウジング
１４　センターハウジング
１６　コンプレッサーハウジング
１８　タービンホイール
２０　シャフト
２２　コンプレッサーホイール
２４　渦巻室
２８　入口
３０　出口
３２　背面プレート
３４　ボルト
３６　第１環状シール
３８　第２環状シール
４０　ボルト
４２　取付ワッシャー
５０　ジャーナル軸受
５２　シャフト孔
５４　スラストカラー
５６　スラスト軸受
５８　スリーブ
６０　回転シール
６２　止め輪
６４　ナット
７０　ピストン
７２　スパイダー
７４　作動シャフト
７６　ブシュ
７８　ブラケット
８０　ボルト
８２　低摩擦挿入物
８４　円筒状シール
８８　リリーフ
９０　ノズルベーン
９２　熱シールド
９６　スロット
９８　第１部分
１００　第２部分
１０４　ブレードのコード
１０６　ステップのコード

Claims (3)

1. 内燃機関の排出マニホールドからの排出ガスを入口で受容しかつ排出出口を具備するタービンハウジング、空気入口及び第１渦巻室を具備するコンプレッサーハウジング、及び前記タービンハウジングと前記コンプレッサーハウジングの中間にあるセンターハウジングを有するケースと、
   前記排出ガスからエネルギーを取り出すために前記タービンハウジング内に担持され、前記センターハウジングのシャフト孔を通じて前記タービンハウジングから延在するシャフトに連結されるタービンホイールと、
   前記センターハウジングのシャフト孔内に担持され、前記シャフトの回転運動を支持する軸受と、
   前記タービンホイールの反対側の前記シャフトに連結され、かつ前記コンプレッサーハウジングに内包されるコンプレッサー羽根車と、
   前記タービンホイールに対して同軸な間係にありかつ該タービンホイールの回転軸線に対して平行に移動可能な実質的に円筒状のピストンと、
   背面ディスクに近接する、前記ピストンの第１端部から前記回転軸線に対して実質的に平行に延在し、各々が第１のコード及び深さを具備する第１部分と、前記第１部分及び前記ピストンの第１端部の中間の第２部分とを有し、前記第２部分が前記第１のコードおよび深さよりも大きな第２のコード及び深さを具備する、複数のベーンと、
   前記タービンハウジングと前記センターハウジングとの間で自身の外周に係合し、かつ前記回転軸線に向かって半径方向内向きに延在し、前記ベーンの第１部分を近接して受容するためのコード及び深さを具備する複数のスロットをさらに有する熱シールドと、
   前記第１端部が前記熱シールドに近接する第１位置から、該第１端部が前記熱シールドから離間する第２位置まで前記ピストンを移動させ、前記ベーンの第２部分が前記熱シールドに係合しかつ、前記ピストンが前記第１位置にある状態で、前記スロットを密封する手段と、を備えるターボチャージャー。
2. 前記ベーンの第２部分が前記タービン入口の滑らかな流れを促進するための空気力学的形状を備えている、請求項１に記載のターボチャージャー。
3. 前記ベーンの第２部分が、前記ピストンが前記閉鎖位置にある状態で前記空気流用の変更した迎え角を提供すべく前記第１部分に対して角度が付された関係にある、請求項２に記載のターボチャージャー。