JP2011089524A

JP2011089524A - 高性能小型ターボチャージャ

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Publication number: JP2011089524A
Application number: JP2010271598A
Authority: JP
Inventors: Steven Don Arnold; アーノルド，スティーブン・ドン; Martin Verschoor; ヴァースクール，マーティン; Gary Vrbas; ヴルバス，ガリー
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2003-09-12
Filing date: 2010-12-06
Publication date: 2011-05-06
Anticipated expiration: 2024-09-13
Also published as: US7950227B2; JP5314661B2; EP1664545A2; EP1664545B1; ATE446452T1; WO2005028877A2; DE602004023732D1; US20090126363A1; EP2107250B1; US6948314B2; WO2005028877A3; EP2107250A2; CN1849456A; US20060260309A1; US20050056014A1; KR20070011228A; JP2007505263A; EP2107250A3; US7461507B2

Abstract

【課題】高レベルの効率および高応答性の、従来の単一圧縮機のターボチャージャに比較して小型のターボチャージャパッケージを提供する複式圧縮機構造を備えるターボチャージャを提供。
【解決手段】ターボチャージャ１８は、タービンハウジングと、その中に配置されたタービン翼車２０とを備える。センタハウジングが、タービンハウジングに連結され、圧縮機ハウジングが、センタハウジングに取り付けられている。圧縮機２６および２８が、圧縮機ハウジング内に配置され、背中合わせの向きに２つのインペラを備える。移動可能な部材が、圧縮機ハウジング内で空気流量を制御するために、圧縮機ハウジング内の圧縮機の下流に配置されている。移動可能な部材位置は、圧縮機の作動効率を全作動範囲で向上させ、エンジン１２の必要空気流量を供給するために、圧縮機インペラの１つによって生成される加圧空気の量を制御するように操作することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ターボチャージャに関し、より詳細には、所期の高レベルの効率および高応答性を提供し、従来の単一圧縮機のターボチャージャに比較して小型のターボチャージャパッケージを提供するように特に構成された複式圧縮機構造を備えるターボチャージャに関する。

ターボチャージャ付ディーゼルエンジンは、規制排出物を低レベルに保ちながら、より高い正味平均有効圧力（ＢＭＥＰ）レベルを実現するにつれて、従来の単一圧縮機および／または単一タービンのターボチャージャでは、タービンおよび圧縮機を釣り合わせ、所期のレベルの性能を達成するのが次第に困難になってきた。未発効だが立法化された排出物規制により、ＮＯｘを抑えるための排気ガス再循環装置、ならびに煤煙および微粒子排出物を抑えるための微粒子除去装置の能力を極度に高めることを余儀なくされる。一般に、圧縮機は、エンジンが最大出力で必要とするレベルの流量を供給しなければならず、この要件が圧縮機の大きさの設定を左右する。一般に、圧縮機インデューサのスロート面積、すなわち、インデューサ直径、翼入口角度、翼ブロッケージを含む設計パラメータによって特徴付けられる、流入空気を迎え入れる圧縮機部分が、圧縮機の流量を決定する。所与の流量レベルを達成するのに必要なブースト圧力は、エンジン設計および流れの特性によって定まる。圧縮機の速度は、その直径および羽根翼の後方湾曲によって決まる。タービンは、エンジンが必要とするブースト圧力および流量に達するのに圧縮機が必要とする速度に圧縮機を駆動するために必要な動力を発生しなければならない。したがって、タービンとの釣合いを達成するために常に妥協が生じる。

ラジアルタービンは、タービン翼端速度を等エントロピー出口速度で割った商が（通常Ｕ／Ｃｏと称する）が約０．７のとき最も良好に作動する。残念ながら、将来エンジンの幾つかの設計上の特色が、この達成を困難にしている。タービンの最大修正流量は、そのサイズと翼湾曲の関数である。超高圧のブースト圧は、排気ガス再循環装置（ＥＧＲ）を装備するのと同様に、必要タービン最大修正流量を低下させる。ＥＧＲは、基本的に、エンジンの外気体積効率を低下させ、したがって、必要な外気を送り込むためにより高いブースト圧力を必要とする。これにより、より高いタービン出力が必要になり、それはエンジンの背圧を上げることによって達成される。

ディーゼル微粒子除去装置、全タイプの触媒装置、ターボ複合タービンなどのタービンの背圧を上昇させる他の装置も、必要タービン修正流量を低下させるように働く。タービンが排出する圧力は上昇し、タービンの圧力比は、必要な動力を発生するために一定に保たれるので、タービンの入口圧力が著しく上昇する。このタービン入口圧力の増加が、排気ガスの密度を高めることになり、したがって、修正流量が低下する。出力密度が高くなり、また、前述の装置が益々当たり前になってきたので、タービンと圧縮機を正確に釣り合わせる必要性が増してきている。

良好なエンジン低速性能を達成するためには、利用できる最低の排気エネルギーで良好なブースト圧力を発生させるように、タービン流量を低下させる必要がある。これにより、可変容量式タービンの使用が増えてきた。そのような可変容量式タービンでは、タービンのジオメトリは、タービンの流路面積を減少し、より高い背圧を発生させる制御ができるように構成されている。このように背圧を高くすることにより、タービンの膨張比を増加させ、それが、より大きなタービン出力を発生させるように働く。

エンジンをアイドルから急加速するときに見られるような極端な使い方をすると、タービンの性能は極めて悪くなる。これには幾つかの原因がある。第１に、翼車およびタービンノズルは、設計点から遠いところで作動し、Ｕ／Ｃｏは最適作動域にない。第２に、タービン流路面積はかなり絞られ、流量制御装置（調節可能なベーンノズル翼列など）内で大きな圧力損失を生じる。

従来のターボチャージャは、前述の理由によって、極めて小さなタービンを伴う大きな圧縮機を備えるように構成する必要があった。これに対して、ターボチャージャの速度を上げてタービンとの釣合いを改善するために、後方湾曲が大きい高トリム（インデューサのサイズが大きい）圧縮機を用いることが可能である。タービンは、流量特性に適合し、タービンの直径をできるだけ大きくするために、低トリムタービンを用いるように構成することもできる。しかし、これら代替設計は、疲労寿命、組込み、効率、慣性などの他の視点から望ましくないことがある。

結論として、将来の高品質低排出物ターボディーゼルエンジンには、単一のラジアルタービンによって駆動される単一のラジアル圧縮機を備える従来のターボチャージャが現在提供するのとは基本的に異なるターボチャージャの設計コンセプトが必要である。

上記の欠点を克服するために、それぞれ２つのターボチャージャを用いる様々な手法が取られてきた。３つの最も一般的な、２つのターボチャージャによる構成は、直列、並列／シーケンシャル、または多段式と通常呼ばれる。３つのコンセプト全てに共通なテーマは、最大性能を発揮するために、速度範囲の低速側で小さなターボチャージャ（通常の全範囲用単一ターボチャージャのおおよそ半分以下のサイズ）を用いることである。

初めに小さなターボチャージャを使用することにより、幾つかの理由によって、過渡性能の向上が達成される。第１に、圧縮機が、効率の低いサージラインの近くで作動せず、最大効率領域近くで作動する。第２に、タービンもかなり小さくなり、より良好に低流量に適合する。これは、固定容量式、ウェイストゲート式および可変容量式のいずれのタービンが使用されていても当てはまる。可変容量式およびウェイストゲート式タービンについては、タービンハウジングのＡ／ｒ（これが流量特性を制御する）は、効率の最適点に近い。可変容量式タービンでは、タービンのサイズが小さくなり、ノズルの設定がより開き勝手になり、翼列を通る流れの損失が低減する。第３に、小さなターボチャージャほど、回転部分の慣性がより小さくなり、したがって、ターボチャージャの速度を上げるのに消費されるタービン出力はより少なくなり、ブースト圧力を発生するのに圧縮機に適用されるタービン出力はより小さくなる。

ターボチャージャの釣合いの第２の問題が、上記でこれら新しいエンジンについて論じたタービン釣合いの問題とは別にそれから離れて、従来の単一ターボ手法には存在することが知られている。エンジンの低速度での応答性の向上が、最大速度での高い出力レベルと相俟って、圧縮機の作動範囲の問題を生じる。最新の空気力学解析を用いて圧縮機の流量範囲を増加させることによって、著しい改善が得られた。しかし、それはまだエンジン製造者の期待に届いていない。圧縮機サージライン（圧縮機の流量範囲を画定するパラメータ）が、多くのエンジンの低速トルクを制限している。

この流量範囲の問題は、前述のターボチャージャを２つ使用するのと同様に、可変容量式圧縮機の開発努力につながった。可変容量式圧縮機は、圧縮機の性能を改善することができる一方で、複雑さ、動く部品、コスト、およびエンジンに対する制御要素が増加する。多段式、直列、並列／シーケンシャルのいずれの配置の多重ターボチャージャも、速度範囲の低速側でエンジン性能を向上するのに役立つことができ、圧縮機作動範囲を改善してきた一方で、やはり、コスト、複雑さ、重量、およびエンジンへの組込みの難しさが増す。

したがって、ターボチャージャは、エンジンが所期のＢＭＥＰレベルを達成し、規制排出物制限を満足することができる水準のターボチャージャの釣合いを実現するように構築されることが望ましい。そのようなターボチャージャは、最低限の付随的改修で改装または新規適用に適用することができるように構築されていることが望ましい。そのようなターボチャージャは、より上手くエンジン室に組み込めるように場所を取らないように構築されていることがさらに望ましい。

本発明のターボチャージャアセンブリは、タービンハウジングと、タービンハウジング内に回転可能に配置されたタービン翼車とを備える。タービンハウジングは、軸の一端に取り付けられている。ターボチャージャは、タービンハウジングの一端に連結され、軸をその中に担持するように構成されたセンタハウジングを備える。圧縮機ハウジングが、センタハウジングのタービンハウジングから反対側の部分に取り付けられている。

本発明のターボチャージャは、圧縮機ハウジング内に回転可能に配置された圧縮機を備える。圧縮機は軸に取り付けられており、互いに背中合わせの向きに配置された２つのインペラを備える。圧縮機が備える両インペラは、一体化されていても、または互いに別個でもよい。圧縮機ハウジングは、吸入空気を圧縮機ハウジング内および圧縮機インペラへ導くために少なくとも１つの空気取入口を有する。

ターボチャージャはさらに、空気の流量を制御するための手段を、圧縮機ハウジング内に備える。例示的実施形態では、そのような手段は、圧縮機の下流に配置され、作動時には、圧縮機インペラの１つによって生成された加圧空気の通路を閉鎖するように構成された移動可能な部材の形式をもつ。好ましい実施形態では、移動可能な部材は、環状であり、圧縮機ハウジングの壁の空洞内に配置され、所期の量だけ空洞から突き出して加圧空気の通路を狭めるように設計されている。移動可能な部材は、全作動範囲で圧縮機作動効率を向上させ、エンジンが必要とする流量を供給する目的で、圧縮機ハウジングを出る加圧空気の量を調節するのに使用される。

本発明は、添付図面を参照することにより、より明確に理解されるであろう。

本発明のターボチャージャは一般に、圧縮機およびタービンの効率を向上するようにタービンの釣合い状態を改善し、エンジンへ必要な空気流量を供給し、エンジンの排出物要件も満足するように特に設計された、背中合わせの構成に配置された複式圧縮機を備える。これらのターボチャージャは、複式圧縮機をその中に収容するように特に構築された圧縮機ハウジングおよび囲繞構造を有し、両方の圧縮機に理想的にバランスが取れた状態で入口空気を流せるように設計されている。これらターボチャージャは、エンジンの作動範囲および必要流量の全域で、圧縮機の作動許容範囲の拡大を実現し、圧縮機作動効率を向上する目的のために、圧縮機ハウジングから出る加圧空気の量を調節する手段をさらに有することができる。

図１は、ガソリンまたはディーゼルであり得る内燃エンジン１２を備えるターボチャージャ付き内燃エンジンシステム１０を示し、内燃エンジン１２はそれに取り付けられた空気吸入マニホルド１４および排気ガスマニホルド１６を有する。本発明のターボチャージャ１８は、エンジン１２の近くに搭載され、タービン翼車またはタービン２０をその中に備えるタービンハウジングを有し、タービン２０は、タービンハウジングに取り付けられたセンタハウジング内に配設された軸２２に取り付けられている。タービン翼車２０は、排気マニホルドをタービンハウジングに接続する適切な接続手段２４を介して、エンジンから排気ガスを取り込む。

ターボチャージャ１８は、センタハウジングの反対側の軸端に取り付けられた圧縮機ハウジングを備え、その圧縮機ハウジングは、その中に回転可能に配設された複式圧縮機インペラまたは圧縮機２６および２８を有する。圧縮機同士は、背中合わせの向きに配置され、両方ともタービン２０によって回転駆動するために軸２２に連結されている。圧縮機ハウジングは特に、圧縮機２６および２８のそれぞれに空気を導くように構成された空気取入口３０を有するように構成されている。以下に極めて詳細に説明するように、空気取入口は、特定の用途および設計パラメータ／目的に応じて様々に異なる方式で構成され得る。また、より詳細に以下に説明されるように、従来の単一圧縮機ターボチャージャと比較すると、圧縮機の効率を改善すると共に、ＢＭＥＰの所期の改善を図るために、圧縮機は、特定のサイズにされ、タービンとの釣合いの改善を図るように構成されている。

冷却器３２、たとえば空冷式給気冷却器を、圧縮機ハウジングを出た加圧空気の温度を下げるのに用いることができ、それは、圧縮機ハウジングとエンジン吸気マニホルドとの間に挿入される。

上で記述し例示した特定のシステムは、本発明に従ってその最も基本的な形で構成されたターボチャージャを参照する目的で提示されている。望むなら、ターボチャージャの性能の所期の変化を達成するために、本発明のターボチャージャと共に他の装置を用いることができる。たとえば、ターボチャージャへ、またはターボチャージャからの空気の流量を制御するために、空気またはガス制御手段を本発明のターボチャージャと共に用いることができる。そのような手段は、ターボチャージャ自体の一部とすることもできるし、ターボチャージャから分離することもできる。また、本発明のターボチャージャは、タービン翼車に導かれる排気ガスの量を制御するためにタービンと共に用いられる、または、圧縮機ハウジングから出る加圧ガスの量を制御するためにタービンと共に用いられる１つまたは複数の可変容量部材を有するように構成することができることが理解される。

図２は、上記で言及し図１に示したのとほぼ同じ構成要素を備えるターボチャージャ付き内燃エンジンシステム３４を概略的に示す。さらに、このシステム３４は、両圧縮機のうちの１つ２６の上流に配置された流量制御手段３６を有する。そのような流量制御手段は、圧縮機ハウジングの内側または外側に配置され、サージ流れの発生を抑えるために、圧縮機に導かれる吸入空気の量をエンジンの特定の作動条件に応じて制御するように、エンジン制御装置またはその他の手段によって作動させることができ、それによって、エンジンの特定の必要流量を満足させる最も効率的な圧縮機作動を実現する。

図３は、上記で言及し図１に示したのとほぼ同じ構成要素を備えるターボチャージャ付き内燃エンジンシステム３８を概略的に示す。さらに、このシステム３８は、両圧縮機のうちの１つ２６の下流に配置された流量制御手段４０を有する。そのような流量制御手段は、圧縮機ハウジングの内側または外側に配置され、サージ流れの発生を抑えるために、圧縮機に導かれる吸入空気の量をエンジンの特定の作動条件に応じて制御するように、エンジン制御装置またはその他の手段によって作動させることができ、それによって、エンジンの特定の必要流量を満足させる最も効率的な圧縮機作動を実現する。

図４は、上記で言及し図１に示したのとほぼ同じ構成要素を備えるターボチャージャ付き内燃エンジンシステム４２を概略的に示す。さらに、このシステム４２は、図２に示した両圧縮機のうちの１つ２６の上流に配置された流量制御手段３６、および図３に示した両圧縮機のうちの１つ２６の下流に配置された流量制御手段４０の両方を有する。やはり、これら流量制御手段は、圧縮機ハウジングの内側または外側に配置され、サージ流れの発生を抑えるために、圧縮機に導かれる吸入空気の量をエンジンの特定の作動条件に応じて制御するように、エンジン制御装置またはその他の手段によって作動させることができ、それによって、エンジンの特定の必要流量を満足させる最も効率的な圧縮機作動を実現する。

図５は、上記で言及し図１に示したのとほぼ同じ構成要素を備えるターボチャージャ付き内燃エンジンシステム４４を概略的に示す。さらに、このシステム４４は、圧縮機の入口と出口との間のバイパス流路４６、およびバイパス流路内に配置された流量制御手段４８を有する。この特定の実施形態では、圧縮機ハウジング内で生成された加圧空気の一部は、冷却されることなしに、たとえば冷却器の上流で分流されて圧縮機に導き戻され得る。バイパス流路は、ターボチャージャを出た加圧空気を導き、圧縮機ハウジングに入る吸入空気と混合することができるように設けられている。流量制御手段４８は、圧縮機ハウジングの内側または外側に配置され、圧縮機の流量範囲を拡張するために圧縮機に導かれる加圧空気の量を、エンジンの特定の作動条件に応じて制御するように、エンジン制御装置またはその他の手段によって作動させることができ、それによって、エンジンの特定の必要流量を満足させる最も効率的な圧縮機作動を実現する。

図６は、上記で言及し図１に示したのとほぼ同じ構成要素を備えるターボチャージャ付き内燃エンジンシステム５０を概略的に示す。さらに、このシステム５０は、給気冷却器３２と圧縮機空気取入口との間のバイパス流路５２、およびバイパス流路内に配置された流量制御手段５４を有する。この特定の実施形態では、加圧空気は、冷却された後に、たとえば冷却器３２の下流で分流されて圧縮機に導き戻される。バイパス流路は、ターボチャージャを出た加圧空気を導き、圧縮機ハウジングに入る吸入空気と混合することができるように形成されている。流量制御手段５４は、圧縮機ハウジングの外側に配置され、圧縮機の流量範囲を拡張するために圧縮機に導かれる冷却加圧空気の量をエンジンの特定の作動条件に応じて制御するように、エンジン制御装置またはその他の手段によって作動させることができ、それによって、エンジンの特定の必要流量を満足させる最も効率的な圧縮機作動を実現する。

図７は、上記で言及し図１に示したのとほぼ同じ構成要素を備えるターボチャージャ付き内燃エンジンシステム５６を概略的に示す。さらに、このシステム５６は、ターボチャージャ翼車２０の上流に配置された流量制御手段５８を有する。そのような流量制御手段は、タービンハウジングの内側または外側に配置することができる。たとえば、流量制御手段５８は、米国特許第６，２６９，６４２号に開示されているようなターボチャージャ内に配置された１つまたは複数の可変容量部材の形式であり得、それらはそれぞれここに参照により本明細書に組み込まれる。流量制御手段は、タービン翼車に導かれる排気ガスの量をエンジンの特定の作動条件に応じて制御するように、エンジン制御装置またはその他の手段によって作動させることができる。協働して、複式圧縮機とタービン可変容量部材とは、エンジンの特定の必要流量を満足させる効率的なターボチャージャ作動を実現できるように働く。

図８は、上記で言及し図１および８に示したのとほぼ同じ構成要素を備えるターボチャージャ付き内燃エンジンシステム６０を概略的に示す。さらに、このシステム６０は、圧縮機２６および２８の下流に配置された流量制御手段６２を有する。そのような流量制御手段６２は、圧縮機ハウジングの内側または外側に配置することができる。たとえば、流量制御手段６２は、ターボチャージャ内に配置された１つまたは複数の可変容量部材の形式でもよい。流量制御手段６２は、圧縮機ハウジングから送り出される加圧空気の量をエンジンの特定の作動条件に応じて制御するように、エンジン制御装置またはその他の手段によって作動させることができる。協働して、複式圧縮機と、圧縮機可変容量部材と、タービン可変容量部材とは、エンジンの特定の必要流量を満足させる効率的なターボチャージャ作動を実現できるように働く。

図９は、その中に回転可能に配置され、センタハウジング７２を貫通して配設された軸７０の一端部に搭載されたタービン翼車またはタービン６８を有するターボチャージャハウジング６６を備える本発明のターボチャージャ６４の一実施形態を示す。背板７４が、センタハウジング７２と圧縮機ハウジング７６との間に挿入されている。複式圧縮機７８が、回転可能に圧縮機ハウジング内に配置され、軸７０の反対側の端部に搭載され、背中合わせの向きにインペラ面８０および８２を有するように構成されている。本発明のターボチャージャのこの実施形態および全ての実施形態について、圧縮機７８は、軸７０が圧縮機７８を完全に、またはほんの一部だけ貫通して延在するように構成することができる。さらに、圧縮機は、たとえば図示されているように単一部品の形態で構成することができ、あるいは、組立体または２個以上の部品を有してもよい。

圧縮機ハウジング７６は、各圧縮機へ吸入空気を通過させると共に、各圧縮機から加圧ガスを通過させるように特に構成されている。この特定の実施形態では、圧縮機ハウジングは軸方向に別々に配置された２つの空気取入口を備える。すなわち、吸入空気を圧縮機面８０へ軸方向に通過させるように圧縮機ハウジング端部に近接して配置された第１の空気取入路８４と、第１の空気取入路８４とは別に、半径方向にある間隔で離れて配置された第２の空気取入路８６とである。第２の空気取入路８６は、取入開口９０から圧縮機ハウジング内へある距離だけ軸方向に延在し、渦形室９２の外面と圧縮機ハウジングの内壁面との間で画定される第１の区間８８と、圧縮機ハウジングの周りに環状に延在し、半径方向内部へ向かって突き出す第２の区間９４とを有する。第２の区間９４は、渦形室９２の外側面および背板７４の内側面によって画定される。第２の区間を通過する吸入空気は、渦形室の外壁面と背板との間で形成される開口９５を介して、圧縮機の第２の面８２に送り込まれる。圧縮機７８で生成された加圧空気は、面８０および８２のそれぞれから単一の通路９６を通って渦形室９２へ半径方向に導かれる。

図１０は、図９で示す実施形態について上記で言及したのと同じ一般的なタービンハウジングおよびセンタハウジング構成部品を備える、本発明のターボチャージャ９８の一実施形態を示す。この特定の実施形態は、圧縮機の第１および第２のインペラ面に空気を送り込むように構成された上記と同様な第１および第２の空気取入路８４および８６を備える圧縮機ハウジングを有する。圧縮機ハウジングはまた、圧縮機７８から渦形室９２へ通過する加圧空気の量を制御するために、圧縮機ハウジングの中に配置された流量制御手段１００を有する。

この実施形態では、流量制御装置１００は、圧縮機と渦形室との間に介在する内側ノズル壁１０２の区間内に、移動可能に配置された環状部材の形式で設けられている。環状部材１００は、部材の一部をその中に配置できるような寸法および形状をもつ空洞１０４内に配置されている。環状部材１００は、直接隣接する内側ノズル壁部分を補完して空気力学的な悪影響を最低限に抑えるように構成された外側面１０６を有することが好ましい。

この特定の実施形態では、環状部材１１２は、丸められた端部をもつマッシュルーム形の輪郭を有し、その端部が圧縮機から渦形室へ流れる加圧空気の乱流遷移を最小限に抑えるように構成されており、それによって、圧縮機ハウジング内の空気力学的悪影響を最低限に抑えるように働く。

環状部材１００は、非作動および作動の両位置で示されている（透視図で）。非作動位置では、環状部材は圧縮機からの加圧空気を制限するように外側ノズル壁１１０に向かって突き出すことはしない。作動位置では、環状部材は所定の距離だけ外側ノズル壁に向かって突き出して、圧縮機の第２の面８２によって生成された加圧空気が単一の通路９６に流入するのを制限する。環状部材は、機械的、油圧的、空気的、または電気的手段によって駆動して、上記のように突き出すことができる。環状部材が内側ノズル壁に向かって突き出す量は、適切な制限手段によって制御される。

このように構成することによって、環状部材１００は、圧縮機の流量範囲を拡大するために圧縮機によって生成される加圧空気の量を制御するように、エンジン制御ユニットなどによって作動させることができ、それによって、圧縮機効率を最大化して所期のＢＭＥＰを実現し、エンジンの流量要件を満足する。

図１１は、図１０で示す実施形態について上記で言及したのと同じ一般的な構成部品を備える、本発明のターボチャージャ１１２の一実施形態を示す。さらにこの実施形態は、環状部材１００を駆動する手段１１４を有する。駆動手段１１４は、環状部材の背側、たとえば環状部材および空洞と渦形室９２との間を空気が流れるように連通させ、または、環状部材の背側と第２の空気通路９４との間を空気が流れるように連通させるように動くように構成された２方向バルブの形式である。例示的実施形態では、バルブ１１６が、空洞１０４と空気が流れるように連通しているバルブポート１１８内に延在する。バルブポート１１８はまた、第２の空気通路９４および渦形室９２と空気が流れるように連通する。これは、１つまたは異なる２つのポートを介して果たされる。図示の例では、第１のポート１２０が、渦形室９２をバルブポートに接続し、第２のポート１２２が、第２の空気通路９４をバルブポートに接続する。

バルブ１１６は、バルブポート内である回転位置に設定されたとき、空気が渦形室からバルブ１１６を通って空洞１０４に流れることができるように構成されており、それによって、環状部材を作動位置に移動させ、また、第２の回転位置に設定されたとき、空気が第２の空気通路から空洞に流れることができるように構成されており、それによって、環状部材を非作動位置に移動させる。このように構成されたバルブは、環状部材を駆動するために、たとえば、空気式、油圧式、機械的、または電気式手段によって作動させることができる。

図１２は、図９で示す実施形態について上記で言及したのと同じ一般的なタービンハウジングおよびセンタハウジング構成部品を備える、本発明のターボチャージャ１１８の一実施形態を示す。この特定の実施形態は、同心に配置された第１および第２の空気通路１２２および１２４を備える単一または共通な空気取入口１２１をもつ圧縮機ハウジング１２０を有する。空気取入口１２１は、圧縮機１２６に軸方向に隣接して配置されている。
第１の空気通路１２２は、圧縮機に向かってある距離だけ軸方向内側に配置され、圧縮機の第１の面１２８へ空気を送るように構成されている。第２の空気通路１２４は、第１の空気通路１２２の周りに同心に配置されており、図９の実施形態に関して上で記述したものと同様な設計で、圧縮機の第２の面１３４に空気を送るように構成された第１および第２の区間１３０および１３２を有する。望むなら、圧縮機の上流で空気に所期の処理を施すために、ディフューザ１３５を、第２の区間１３２内に配置することができる。

圧縮機ハウジング１２０はさらに、圧縮機１２６から渦形室１３８へ流す加圧空気の量を制御するために、圧縮機ハウジング１２０内に配設された流量制御手段１３６を備える。この実施形態では、流量制御手段１３６は、圧縮機と渦形室との間に介在する外側ノズル壁１４０の区間内に移動可能に配置された環状部材の形式で設けることができる。例示的実施形態では、環状部材を組み込んだ外側ノズル壁の区間は、圧縮機ハウジングの独立した部片でもよい。環状部材１３６は、部材の基部１４４をその中に配置できるような寸法および形状をもつ空洞１４２内に配置されている。部材１３６は、外側ノズル壁１４０の直接隣接する部分、渦形室１３８、および反対側の内側ノズル壁１４６を補完して空気力学的な悪影響を最低限に抑えるように構成された外面１４５を有することが好ましい。

例示的実施形態では、環状部材１３６は、空洞の外に配置される一方の軸方向端部に沿った頭部を有する。頭部は、そこから半径方向外向きに突き出し、渦形室の端部を形成するような寸法および形状のリップ１４８を有する。リップは、圧縮機から渦形室に流れる加圧空気の乱流遷移を抑え、それによって、圧縮機ハウジング内の好ましくない空気力学的な影響を最低限に抑えるように働く。

図１２では、環状部材１３６は作動位置にあり、圧縮機からの加圧空気の通路を制限するために、所期の距離だけ内側ノズル壁１４６に向かって外へ突き出している。例示的実施形態では、環状部材は、圧縮機の第１の面１２８で生成される加圧空気の通路を制限するために、内側ノズル壁に向かって定められた距離だけ突き出す。環状部材は、記述されたように突き出すために、機械的、油圧的、空気的、または電気的手段によって駆動することができる。環状部材が内側ノズル壁に向かって突き出す量は、適切な制限手段で制御される。例示的実施形態では、制限手段は、空洞内と部材上の協働する１対の部材によって実現することができる。例示的実施形態では、制限手段は、突起および溝機構である。
好ましい一実施形態では、環状部材に設けられた溝１５２内に嵌まるような寸法および形状の突起１５０が、空洞内に突き出している。ただし、これは協働する部材の一構成であり、他にも多くのものが、本発明の範囲および精神内にあることが理解されよう。

このように構成することによって、環状部材１３６は、圧縮機の流量を最大限に改善するために圧縮機で生成される加圧空気の量を制御するように、エンジン制御ユニットなどによって作動させることができ、それによって、所期のＢＭＥＰを実現してエンジンの流量要件を満足する圧縮機効率の改善を達成する。

図１２に示す本発明の実施形態は、環状部材１３６を空洞１４２内で特定の位置に偏倚させる偏倚機構１５４を備える。好ましい実施形態では、偏倚機構１３６は、環状部材１３６と空洞１４２との間に挿入されて、環状部材を空洞から内側ノズル壁１４６に向かって偏倚させる１つまたは複数のばね１５６の形式にすることができる。好ましい実施形態では、環状部材は、その周囲に等間隔に配置された複数のばねを備え、それにより、ターボチャージャ内で所期の偏倚作用を実現する。

図に示すとおり、この位置に偏倚された時、環状部材は、圧縮機の第１の面１２８によって生成された加圧空気の渦形室１３８中への通路を狭くするように働く。圧縮機１２６で生成された圧力が閾値に達すると、その圧力が、ばねが加える力を相殺するように働き、環状部材を空洞内へ移動させ、それによって、圧縮機の第１の面からの加圧空気の通路を回復するように働く。

図１３は、図１２で示す実施形態について上記で言及したのと同じ一般的な構成部品を備える、本発明のターボチャージャ１６０の一実施形態を示す。この特定の実施形態は、リップが渦形室の一部を形成する頭部を有していない点で、図１２に示し、開示された環状部材とは異なる環状部材１６２を備える。すなわち、環状部材は、隣接する外側ノズル壁１４０および渦形室リップ１６６の表面形状にうまくつながるような形状の縁部をした表面を有する頭部を備える。さらに、この実施形態の環状部材制限手段は、環状部材が空洞１４２の壁部に形成されたスロット１７０内で協働するピン１６８を有するように構成されている点で異なっている。

参照および説明の目的で、図１３では、環状部材１６２は、作動位置および非作動位置で示されている。環状部材は圧縮機ハウジング内にただ１つだけであり、作動位置または非作動位置を取り、その双方にあるわけではないことは理解されよう。作動位置１７２に配置されたとき、ピン１６８がスロット１７０の壁に係合して環状部材が外へ向かって移動するのを制限するように働き、それによって、圧縮機の第１の面１２８から渦形室１３８への加圧空気の流路を狭めるために、環状部材を内側ノズル壁に向かって所期の距離だけ突き出すことができる。

図１４は、前述し図示した実施形態について言及したのと同じ一般的なタービンハウジングおよびセンタハウジング構成部品を備える、本発明のターボチャージャ１７４の別の実施形態を示す。この特定の実施形態では、圧縮機１８０に対して半径方向に吸入空気を導くように配置された単一の空気取入口１７８を有する圧縮機ハウジング１７６を備える。空気取入口１７８は、空気を圧縮機面１８６および１８８それぞれに送るように圧縮機の周りに円周状にそれぞれ延在する異なる２つの空気流路１８２および１８４に流入空気を分け入れる隔壁１８０を備える。例示的実施形態では、２つの空気流路は、互いに実質的に対称になるように構成されている。加圧空気は、圧縮機の第１および第２の面１８６および１８８から共通の流路１９２を介して渦形室１９０へ流れる。このような構成により、圧縮機ハウジングは、両方の圧縮機面に実質的に同じ条件で吸入空気を供給して、圧縮機性能を確保する。

図１５は、前述し図示した実施形態について言及したのと同じ一般的なタービンハウジングおよびセンタハウジング構成部品を備える、本発明のターボチャージャ１９４の別の実施形態を示す。この特定の実施形態では、圧縮機１９８に対して半径方向に吸入空気を導くように配置された１つまたは複数の空気取入口（図示せず）を有する圧縮機ハウジング１９６を備える。空気取入口は、空気を圧縮機面２０４および２０６それぞれに送るように圧縮機のまわりに円周状にそれぞれ延在する異なる２つの空気流路２００および２０２に通じる。両空気通路は、圧縮機面２０４および２０６それぞれへの吸入空気を実質的に同じ条件で供給するために、スタック方向に実質的に同じ形状を有するように設計されており、すなわちそれらは互いに対称ではない。

圧縮機ハウジング１９８は、圧縮機から渦形室２１０へ導かれる加圧空気の量を制御するために、圧縮機の中に配置された環状部材２０８をさらに備える。環状部材２０８は、外側ノズル壁２１４の空洞２１２内に移動可能に配置されている。環状部材２０８は、非作動位置で外側ノズル壁面に沿って滑らかな変化を実現するように構成された表面部分２１６を有する。環状部材はまた、空洞から作動位置に突き出したとき圧縮機の第１の面２０４からの加圧空気の流れを閉鎖するように働く、表面部分２１６に隣接して半径方向内側に突き出すリップ２１８を有する。

作動状態の部材が空洞から突き出す量は、制限手段、たとえば溝内突起協働部材の形式によって制御される。この特定の実施形態では、環状部材は、基部から突き出す突起２２０を有し、空洞は、所期の環状部材の移動量に対処する所定の軸方向長さの溝２２２を有する。環状部材は、上記と同じ技法によって作動させることができる。

本発明のターボチャージャは、従来の単一圧縮機のターボチャージャと比較するとき、タービンの釣合い水準を改善するような寸法にされ構成された圧縮機を備え、それにより、エンジンの流量要件を満足する所期のＢＭＥＰを生成する。本発明によって使用される圧縮機の特徴は、圧縮機が、タービン速度との釣合いを改善するような寸法にされ構成されることである。単一の圧縮機を有する従来のターボチャージャは、特にエンジンの低速範囲で、過度に低速で作動することをタービンに強いる。その１つの解決法は、タービンに関係する圧縮機の速度を上昇させることである。空気力学者は、エクスデューサ翼の後方湾曲を増す、または一定の圧縮機直径に対してインデューサの面積を増加させることによって圧縮機の速度を上げることができる。しかし、これらを選択すると、前述の低サイクル疲労故障を急激に増加させる。

本発明の圧縮機は、２つのインペラを背中合わせの配置で有するように設計される。同一の設計を縮尺して用いると、約０．７の比率で圧縮機の直径を縮めることができる。背中合わせの圧縮機は、単一の大きな圧縮機と同一の先端速度で回転し、したがって、空気力学性能が同様であるように応力も同様である。しかし、この構成から得られる利点は、ターボチャージャの絶対回転速度が約４０％増加し、タービンの釣合いを著しく改善し、タービンの直径を小さくできる可能性すらあることである。

小さいタービンほど、同じ流量で、ノズルをより開いた位置で作動することができるので、タービンの直径を減らすことができると、エンジン加速状態での可変ノズルの流れ損失を減らすことができる。ここで、空気力学者は、ノズル損失に対するエクスデューサのトリム（入口直径に対する出口直径の比の２乗）およびタービン翼出口角度の関係を用いてタービン直径の最適化を実施する選択肢を得る。タービン直径を減少させると、所与の低流量状態に対するノズルの開きが最適なノズル設定（翼車に入る流れのベクトルと、ノズルスロートとの組合せ）に近付く。また、タービン直径を減少させるとき、最大タービン流量は維持しなければならず、それはタービントリムの増加とタービンの反りの減少（タービン翼車の出口角度の減少）の組み合わせで達成することができる。

本発明のターボチャージャは、上述のような圧縮機流量範囲を対象にし、また、ディフューザの壁を１つ無くしたことにより圧縮機壁の粘性摩擦が減少する（各ディフューザにハブおよびシュラウド壁を有する２つのターボチャージャ翼車の場合と比較して）ことによるサージラインの改善を実現するように特に設計されている。この設計では、ハブライン壁は完全に無くされている。本発明のターボチャージャは、サージラインの改善にさらに寄与する流量制御手段をさらに有することができる。たとえば、圧縮機の１つを通る空気流れを閉鎖するようにそのような流量制御手段を用いると、サージ流量を半分に減らす働きになる。

そのような流量制御手段は、圧縮機によって生成される加圧空気の量をエンジンの全作動範囲で制御するように、適切な制御手段を介して作動して、圧縮機が、確実に常にその流量範囲内で働くようにすることができ、それによって、圧縮機は、エンジンの流量要件に効果的に適合することができる。

本発明の原理に従って構成されたターボチャージャはまた、ターボチャージャを小型化する可能性をもたらし、重量を１／２位に減らし、回転能率を１／８位に減らすことができる。ターボチャージャの低回転での応答は、圧縮機およびタービンの効率を向上し、回転群の慣性を減らすことによって改善される。最適なタービン性能は、タービン最大流量は維持しながら、著しく低流量範囲に移動する。圧縮機の推力荷重は、作動範囲の大部分でバランスが取れる。ボンネット下環境への熱損失が、熱慣性と同様に低減され、触媒着火時間を著しく改善する。ターボチャージャ実装および製造費用が、特に多重ターボ形態に比較して著しく改善される。圧縮機流量範囲は、もはやエンジンの低速性能に対する制限要因ではない。

本発明を、特許法による要求に従ってここに詳細に記述したが、本明細書で開示された特定の実施形態に対する変更形態および代替形態を、当業者は考え付くであろう。そのような変更形態は、本発明の範囲および意図に含まれる。

本発明の原理に従って構成された、内燃エンジン内で用いられるターボチャージャの実施形態の概略線図である。本発明の原理に従って構成された、内燃エンジン内で用いられるターボチャージャの別の実施形態の概略線図である。本発明の原理に従って構成された、内燃エンジン内で用いられるターボチャージャの別の実施形態の概略線図である。本発明の原理に従って構成された、内燃エンジン内で用いられるターボチャージャの別の実施形態の概略線図である。本発明の原理に従って構成された、内燃エンジン内で用いられるターボチャージャの別の実施形態の概略線図である。本発明の原理に従って構成された、内燃エンジン内で用いられるターボチャージャの別の実施形態の概略線図である。本発明の原理に従って構成された、内燃エンジン内で用いられるターボチャージャの別の実施形態の概略線図である。本発明の原理に従って構成された、内燃エンジン内で用いられるターボチャージャの別の実施形態の概略線図である。軸方向に別々に配置された空気取入口を備える、本発明のターボチャージャの実施形態の概略側面図である。軸方向に別々に配置された空気取入口、および空気流量制御手段を備える、本発明のターボチャージャの別の実施形態の概略側面図である。軸方向に別々に配置された空気取入口、空気流量制御手段、および駆動手段を備える、本発明のターボチャージャの別の実施形態の概略側面図である。軸方向に配置された同心の空気取入口、および空気流量制御手段を備える、本発明のターボチャージャの別の実施形態の概略側面図である。軸方向に配置された同心の空気取入口、および空気流量制御手段を備える、本発明のターボチャージャの別の実施形態の側方断面図である。単一の半径方向空気取入口を備える、本発明のターボチャージャの別の実施形態の側方断面図である。複式半径方向空気取入口および空気流量制御手段を備える、本発明のターボチャージャの別の実施形態の側方断面図である。

Claims

タービンハウジングと、
前記タービンハウジング内に回転可能に配置され、軸に取り付けられたタービン翼車と、
前記タービンハウジングに連結され、前記軸を担持するセンタハウジングと、
前記センタハウジングに取り付けられた圧縮機ハウジングと、
前記圧縮機ハウジング内に回転可能に配置され、前記軸に取り付けられた圧縮機であって、互いに背中合わせの向きの２つのインペラを備え、前記圧縮機ハウジングが、空気を前記圧縮機ハウジング内および前記圧縮機インペラに導く少なくとも１つの空気取入口を有する圧縮機と、
前記圧縮機ハウジング内で空気流量を制御する機構と
を備えるターボチャージャアセンブリ。
前記圧縮機ハウジングが、圧縮機インペラそれぞれと空気が流れるように連通する別々の２つの空気取入口を有し、前記両空気取入口は、空気を前記圧縮機に対して軸方向に取り入れるように任意選択的に向きを定められ、また、前記両空気取入口は、空気を前記圧縮機に対して半径方向に取り入れるように任意選択的に向きを定められている、請求項１に記載のターボチャージャアセンブリ。
前記圧縮機ハウジングが、圧縮機インペラそれぞれと空気が流れるように連通する共通の単一空気取入口を備え、前記空気取入口は、空気を前記圧縮機に対して軸方向に取り入れるように向きを定められ、また、前記空気取入口は、空気を前記圧縮機に対して半径方向に取り入れるように向きを定められている、請求項１に記載のターボチャージャアセンブリ。
前記制御用機構が、前記圧縮機ハウジング内に移動可能に配置された環状部材を備え、
前記環状部材は、前記圧縮機内の加圧空気の流量を制御するように前記圧縮機の下流に配置され、前記環状部材は、前記圧縮機ハウジングの壁部分内に任意選択的に移動可能に配置され、作動位置を取るとき、前記圧縮機インペラの１つからの加圧空気の流量を制御するように任意選択的に位置決めされる、請求項１に記載のターボチャージャアセンブリ。
タービンハウジングと、
前記タービンハウジング内に回転可能に配置され、軸に取り付けられたタービン翼車と、
前記タービンハウジングに連結され、前記軸を担持するセンタハウジングと、
前記センタハウジングに取り付けられた圧縮機ハウジングと、
前記圧縮機ハウジング内に回転可能に配置され、前記軸に取り付けられた圧縮機であって、互いに背中合わせの向きの２つのインペラを備え、前記圧縮機ハウジングが、前記圧縮機インペラのそれぞれと空気が流れるように連通する少なくとも１つの空気取入口を有する圧縮機と、
作動位置を取ったとき前記圧縮機インペラの１つからの加圧空気の流量を制御するように、前記圧縮機の下流で前記圧縮機ハウジングの壁の空洞内に移動可能に配置された環状部材と
を備える、ターボチャージャアセンブリ。
前記圧縮機ハウジングが、圧縮機インペラそれぞれと空気が流れるように連通する別々の２つの空気取入口を有し、前記両空気取入口は、空気を前記圧縮機に対して軸方向に前記圧縮機ハウジングに取り入れるように任意選択的に配置され、また、前記両空気取入口は、空気を前記圧縮機に対して半径方向に取り入れるように任意選択的に向きを定められている、請求項５に記載のターボチャージャアセンブリ。
前記圧縮機ハウジングが、圧縮機インペラそれぞれと空気が流れるように連通する共通の単一空気取入口を備え、前記空気取入口は、空気を任意選択的に前記圧縮機に対して軸方向に前記圧縮機ハウジングへ送り込み、また、前記両空気取入口は、空気を任意選択的に前記圧縮機に対して半径方向に前記圧縮機ハウジングへ送り込む、請求項５に記載のターボチャージャアセンブリ。
タービンハウジングと、
前記タービンハウジング内に回転可能に配置され、軸に取り付けられたタービン翼車と、
前記タービンハウジングに連結され、前記軸を担持するセンタハウジングと、
前記センタハウジングに取り付けられた圧縮機ハウジングと、
前記圧縮機ハウジング内に回転可能に配置され、前記軸に取り付けられた圧縮機であって、互いに背中合わせの向きの２つのインペラを備え、前記圧縮機ハウジングが、前記圧縮機の周りに同心に配置された渦形室、および、同心の向きに配置された２つの空気流路に空気が流れるように連通する単一の空気取入口を有し、空気流路のそれぞれが、圧縮機インペラのそれぞれと空気が流れるように連通する圧縮機と、
前記圧縮機ハウジングの壁の空洞内に移動可能に配置され、作動位置を取ったとき、前記圧縮機インペラの１つからの加圧空気の流量を制御するように前記圧縮機と前記渦形室との間に挿入される環状部材と
を備えるターボチャージャアセンブリ。
ターボチャージャ内に回転可能に配置されたタービン翼車を回転させるために、内燃エンジンからターボチャージャのタービンハウジングへ排気ガスを導くステップであって、
タービン翼車が回転することによって圧縮機ハウジング内の圧縮機も回転させるステップと、
前記圧縮機ハウジング内および前記圧縮機へ空気を導くステップであって、前記圧縮機が、加圧空気を生成するために、背中合わせの向きに配置された２つのインペラを備えるステップと、
前記内燃エンジンの作動状態に応じて、前記圧縮機ハウジングを出る少なくとも１つの前記インペラからの加圧空気の流量を制御するステップと
を含む、内燃エンジンによる燃焼のために加圧空気を供給する方法。
前記制御するステップが、前記圧縮機ハウジング内に移動可能に配置された環状部材を前記圧縮機の下流の空気流路内に突き出すように駆動するステップを含む、請求項９に記載の方法。