JP2009517578A - ターボチャージャ - Google Patents

Abstract

本発明はターボチャージャに関し、このターボチャージャは、排気ガス吸入口（３）及び排気ガス排出口（４）を有するタービンケーシング（２）を備え、軸（６）に固定され、かつタービンケーシング（２）内に設置されるタービンホイール（５）を備え、排気ガス吸入口（３）とタービンホイール（５）との間でタービンケーシング（２）内に設置される複数のブレード（７；Ｔ）を備え、各ブレードは、ブレード厚を画定する断面下面（８；８’）及び断面上面（９；９’）と、ブレード下側（８；８’）とブレード上側（９；９’）との第１の交点におけるブレード前縁（１０；１０’）と、ブレード下側（８；８’）とブレード上側（９；９’）との第２の交点におけるブレード後縁（１１；１１’）と、ブレード下側（８；８’）及びブレード上側（９；９’）によって画定され、それらの間をブレード前縁（１０；１１’）からブレード後縁（１１；１１’）まで延在する断面中心線（１２；１２’）とを備え、この断面中心線（１２；１２’）は波状に延在する。

Description

本発明は、請求項１の前段によるターボチャージャ、詳細にはＶＴＧ排気ガスターボチャージャに関する。

かかるターボチャージャは米国特許第６，７０９，２３２（Ｂ１）号（欧州特許出願公開第１，５３４，９３３（Ａ１）号に相当）によって開示されている。

ドライバビリティおよび低燃費に関する、直接燃料噴射を備えたディーゼルエンジンの利点及び成功は、調整可能な案内羽根を備えたタービンを有するターボチャージャの使用によって大いに助けられてきた。これによって、実行可能なタービンの作動範囲を実質的に増大することが可能となり、ウエストゲートタービンと較べてより高いレベルの効率がもたらす。

可変タービン形状（ＶＴＧ）を備えたターボチャージャの使用において、効率限界は、ストレートブレード（すなわち、真直ぐな骨子又は断面中心線、及び対称な厚さ分布を有しているブレード）を用い、高過給レベルで経験されることが知られている。これは、特に、エンジン始動範囲（全負荷時の低エンジン回転速度）にあてはまる。しかし、ストレートブレードは、それらの調整性に関して良好な特徴を有していると言われ得る。

ストレートブレードの前記熱力学的な不足を補うために、上述した米国特許第６，７０９，２３２（Ｂ１）号では、曲がった及び／又は型出しされたブレードの使用が提案された。これらのブレードが閉鎖状態にある時、すなわちブレードが互いに極めて近接する時、従来技術の刊行物により開示される一般的なタイプの配置は、ふさわしくない入射流れをもたらし、ブレードの開放方向かそれとも閉鎖方向に作用する可変的なモーメントとなる。２つの隣接するブレードによって形成される流路における速度分布と結果的にもたらされる静圧分布は、ブレードに作用するモーメントに対してさらに影響を与える。この効果はコントロールヒステリシスの増加にもなり、このコントロールヒステリシスは、発生している力が調整装置の力を超える場合には、調整容量の損失に結びつく可能性がある。

それゆえ、本発明の目的は、請求項１の前段に記載した形式のターボチャージャを作成することであり、改良されたコントロール特性を備えた可変タービン形状のブレードのための良好な熱力学的特性をもたらす。

この目的は、請求項１の特徴によって達成される。

本発明によるブレード形状を有しているターボチャージャを使用することにより、熱力学上の改良に加えて、ディストリビュータリングにおける全圧力損失を減じることにより、クロージングモーメントを著しく減じることが可能である。それゆえ、ブレードの回転軸を保持するときのコントロール機能を改良することが可能である。

開放モーメントを得るために、回転軸はブレードの前縁に向かってシフトされなければならない。本発明によるブレード形状は、最新技術により開示されるブレードと比較し、その回転軸は、より小さな量だけシフトされる必要があるだけであるという利点を与える。それゆえ、周知の解決策より小さな全体形方向スペースが要求される。

従属請求項には、本発明の有益な成果が含まれている。

本発明による、ブレードの波状の断面中心線は２つの対向する波腹を有する。この断面中心線形状が、水平Ｘ軸及び垂直Ｙ軸のＸ−Ｙ座標系上にプロットされ、負のＹ値が最初にブレード前縁に近接して発生され、これらの値は、Ｘ軸を通過した後、正のＹ値に変化し、そして断面中心線は変曲点を有する。

熱力学的特性についての結果は、ブレード前縁の修正された方向であり、このブレード前縁の修正された方向は、ブレード前縁に対するフラッター入射流により、衝撃によるエネルギー損失を減らす。

これは、さらにブレード間の流路内のより低い速度をもたらし、流れ損失はより低くなり、それにもかかわらず、周方向のたわみを略一定に維持する。

「開放」方向で発生するモーメントにも、流路内のより低い速度によって達成される、変化が生じ、静圧が上昇し、それゆえ、変曲点に関連して「開放」方向でモーメントを発生させる。これは、ブレード下側の前縁範囲及びブレード上側の後縁範囲にあてはまる。

ブレード上側の後縁範囲１３’が直線をなす形状のとき、有効な流路断面の増加をもたらす。

これは、次に流路内の低い速度によるより小さい損失をもたらすが、周方向のたわみを維持している。

この実施形態は、さらに流路内のより低い速度による「開放」方向で発生するモーメントでの変化をもたらし、次に、静圧を上昇させ、変曲点に関連して「開放」方向でのモーメントを発生させる。

請求項５において、本発明によるブレードは、それぞれに、市場向きの実体として画定される。

本発明のさらなる詳細、利点および特徴は、添付図面を参照して、実施形態に関する以下の記載で説明される。

図１は、ＶＴＧ排気ガスターボチャージャの方式による、本発明によるターボチャージャ１を示す。

ターボチャージャ１は、タービンハウジング２を有しており、このタービンハウジング２は排気ガス吸入口３及び排気ガス排出口４を備える。

また、タービンロータ５がタービンハウジング２内に設置され、このタービンロータ５は、軸６に固定されている。

複数のブレードは、排気ガス吸入口３とタービンロータ５との間でタービンハウジング２内に配置され、これら複数のブレードの内、ブレード７だけが図１に示されている。

本発明によるターボチャージャ１は、コンプレッサホイール（軸６に固定されコンプレッサーハウジングの中に設置されている）及び全ベアリングユニット（本発明の原理を説明するのに不可欠ではないので、以下に記載されていない）などのターボチャージャのすべての他の通常の部品も当然備えている。

図２は、本発明によるブレード７の第１の実施形態を示す。

ブレード７は、ブレード下側８を有しており、このブレード下側は、はめ込まれた状態でタービンロータ５に対向する。

さらに、ブレード７は、ブレード上側９を有しており、このブレード上側はブレード下側８と共にブレード７の厚みを画定する。

図２に示されるブレード７の位置において、ブレード下側８及びブレード上側９は、右側でブレード前縁１０に、左側でブレード後縁１１に結合する。

ブレード下側８及び上側９は、断面中心線１２を画定し、この断面中心線１２はブレードの上下側間に位置し骨子線と呼ばれる。図２に示すように、示された実施形態において、この断面中心線１２は、反対方向に曲がった２つの範囲１２Ａ及び１２Ｂを有し、この配置は、断面中心線１２に波状の輪郭を与え、範囲１２Ａ及び１２Ｂのそれぞれは、波腹を使う方法で形成される。図２は、断面中心線１２は反曲点ＷＰを有すことを示し、かつ、図２は、ブレード前縁１０において入射流れ角度γの位置を示しており、この前縁はブレード７の断面のノーズと呼ばれている。入射流れ角度γは、反曲点において断面中心線１２の接線に対して、及びブレード前縁１０において断面中心線１２Ｂの接線に対して鋭角である。

図３においては、断面中心線１２の輪郭がＸ―Ｙ座標系にプロットされており、Ｘ軸は、ブレード７のブレード長さを示している。

断面中心線１２のグラフは、ブレード前縁１０から始まっている範囲１２Ｂを示し、この範囲は、ブレード前縁１０（Ｘ＝０、Ｙ＝０）とゼロ通過点（Ｘ≒０．２７；Ｙ＝０）との間で負のＹ値を有する。ゼロ通過点は、Ｘ＝０．１０とＸ＝０．４０との間の範囲に好ましくは位置する。

前記ゼロ通過点から前方へ、第２範囲１２Ａは、ブレード後縁１１（Ｘ＝１、Ｙ＝０）まで、常に正値を有する。反曲点ＷＰは、略Ｘ＝０．４；Ｙ＝０．０２）の値で発生する。

図３は、翼弦に対する垂直距離として形成される、断面中心線又は骨子線１２の輪郭を示し、この断面中心線又は骨子線は、ブレード前縁及びブレード後縁の線形連結によって形成され、かつ、ブレードの長さを表す。

図４及び図５は、図２によるブレード７の２つの基本的に可能な設計変更を示す。図４による実施形態において、上側９は、ブレード後縁１１に近接している範囲１３において曲がっている。図５において、この範囲は参照番号１３’によって識別され、平らにされている、すなわち曲線ではなく平らな形状となっている。

用語上の説明に加え、本発明の特徴の開示のために、さらに、図面が明確に参照される。

本発明によるターボチャージャの一部分解斜視図を示す。 図１によるターボチャージャの調整可能タービン形状に対する、本発明によるブレードの第１の実施形態を簡略化して図示する。 図２の断面中心線又はブレードの骨子線の形状をＸＹ座標系で示す。 図２のブレードのさらなる設計変形例を示す。 図２のブレードのさらなる設計変形例を示す。

符号の説明

１ ターボチャージャ
２ タービンハウジング
３ 排気ガス吸入口
４ 排気ガス排出口
５ タービンロータ
６ 軸
７、７’ ブレード
８、８’ ブレード下側（より低い案内面）
９、９’ ブレード上側（より高い案内面）
１０、１０’ ブレード前縁
１１、１１’ ブレード後縁
１２、１２’ 断面中心線（骨子線）
１２Ａ、１２Ｂ 断面中心線１２の波腹
１３Ａ、１３Ｂ 断面上面９および９’の後縁範囲
ＷＰ 反曲点
γ 入射流れ角度

Claims (5)

1. ターボチャージャ（１）であって、
   排気ガス吸入口（３）及び排気ガス排出口（４）を有するタービンハウジング（２）と、
   軸（６）に固定され、かつ前記タービンハウジング（２）内に配置されるタービンロータ（５）と、
   前記排気ガス吸入口（３）と前記タービンロータ（５）との間で、前記タービンハウジング（２）内に配置される複数のブレード（７；７’）であって、各ブレードが、
   前記ブレードの厚みを画定するブレード下側（８；８’）及びブレード上側（９；９’）と、
   前記ブレード下側（８；８’）と前記ブレード上側（９；９’）との第１の交点におけるブレード前縁（１０；１０’）と、
   前記ブレード下側（８；８’）と前記ブレード上側（９；９’）との第２の交点におけるブレード後縁（１１；１１’）と、
   前記ブレード下側（８；８’）及び前記ブレード上側（９；９’）によって画定され、かつそれらの間を前記ブレード前縁（１０；１０’）から前記ブレード後縁（１１；１１’）まで延在する断面中心線（１２；１２’）と、
   を有する各ブレードにおいて、
   前記断面中心線（１２；１２’）の輪郭が、２つの対向する波腹（１２Ａ；１２Ｂ）を伴う波状であることを特徴とする複数のブレードと、
   を備えるターボチャージャ（１）。
2. 前記ブレード（７）が、湾曲した、前記ブレード上側（９）の後縁範囲（１３）を有することを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャ。
3. 前記ブレード（７’）が、平らな、前記ブレード上側（９’）の後縁範囲（１３’）を有することを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャ。
4. 前記入射流れ角度γが、好ましくは１０度から３０度の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャ。
5. 排気ガス吸入口（３）及び排気ガス排出口（４）を備えるタービンハウジング（２）を有し、かつ軸（６）に固定されたタービンロータ（５）がその中に配置される、ターボチャージャ（１）のブレード（７；７’）であって、前記ブレード（７）が、
   前記ブレードの厚さを画定する、ブレード下側（８；８’）及びブレード上側（９；９’）と、
   前記ブレード下側（８；８’）と前記ブレード上側（９；９’）との第１の交点におけるブレード前縁（１０；１０’）と、
   前記ブレード下側（８；８’）と前記ブレード上側（９；９’）との第２の交点におけるブレード後縁（１１；１１’）と、
   前記ブレード下側（８；８’）及び前記ブレード上側（９；９’）によって画定され、かつ、それらの間を前記ブレード前縁（１０；１０’）から前記ブレード後縁（１１；１１’）まで延在する断面中心線（１２；１２’）と、
   を備えるブレード（７；７’）において、
   請求項１〜３の特徴の少なくとも１つを特徴とするブレード（７；７’）。

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