JP2015510085A - コンパクトなマルチステージ型ターボポンプ - Google Patents
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Abstract
Description
排気駆動式タービンは全エンジン速度及び排気流量下に有効作用するのが理想であるが、一般に、エンジン高速時に効率的なタービンはエンジン低速時(低排気流量時)は効率が多少低下しそれが、所望されざるターボ遅延現象を生じさせる。
かくして、低圧及び高圧の各タービンを含む2ステージ型ターボチャージャーが提供されている。これらのタービンは、実質的に全エンジン速度範囲において、シーケンシャルに、あるいは部分的に、あるいは全体的に調和作動して充填吸気を有効圧縮する。
高低の各空気流量下に充填吸気をより良好に圧縮するために2つの圧縮ステージが提供され得、それらに不可欠の別個の気体通路、流れ弁、及び制御装置を設ける必要がある。
ターボチャージャーは3つあるいはそれ以上のステージを有し得るが、気体通路を含む必要空間全体の更なる増大が必須である。
エンジン速度範囲全体におけるターボチャージャー性能を向上させる他の手段は、気体のスループットに適合させた可変ジオメトリのブレードを提供することである。それら可変ジオメトリシステムは有効ではあるが、更なる制御及び起動用装置が必要となり得る。
ターボチャージャーの一実施形態では、圧縮機ホイール及びタービンホイールがそれらホイールを軸方向に貫いて気体を通過させ、圧縮機及びタービンの各ホイールが圧縮機の同一ステージに関連付けされ得る。
一実施形態では有孔のホイールの気体流れ通路が、回転軸を中心とする実質的に共軸を有し、且つ、一定断面積のものであり得る。
各ベーンは更に、圧縮機とタービンの各側部を連結する回転自在部材に有孔ホイールのブレード要素を連結する手段を形成し得る。
一実施形態の有孔ホイールは比較的大径であり且つ回転軸に沿って最外側のものである。
隣り合う圧縮機ホイール間、あるいは、隣り合うタービンホイール間にステータを設け得る。ステータは、流れを下流側ホイールにより良好に整列させるよう作用する、従来設計のものであり得る軸方向ベーンを含む。
圧縮機ホイールの一方を圧縮機ホイールの他方と背中合わせで取り付け得る。タービンホイールの一方をタービンホイールの他方と背中合わせで取り付け得る。何れの場合でも、背中合わせのタービンホイールあるいは圧縮機ホイールの何れか一方が、尚、上述した軸方向貫通路を含み得る。本発明の一実施形態では圧縮機ホイール及びタービンホイールの何れも背中合わせで取り付け得る。
図1には、1000〜3000rpmの低速エンジン範囲での作動状況が例示される。エンジンの排気マニホルド13からの排気流れは小径タービン14を通過した後、大径タービン15を経て排気管16に至る。バイパス弁17、18が閉鎖される。このエンジン速度範囲では小径タービン14が効率化する一方、大径タービン15は多少非効率化する。
図2には3000〜4000rpmの中間エンジン速度範囲での作動状況が例示される。前記速度範囲において流動する排気気体は大径タービン15を作動せしめ、小径タービン14の速度超過を回避するべく、バイパス弁17の開放を開始させる。圧縮機側では、小径圧縮機の出力が最大に近づくに従い、大径圧縮機が気体圧縮を開始する。タービンと圧縮機とが共に充填吸気を圧縮する。
圧縮機側では逃がし弁25が開いて小径圧縮機23をバイパスさせ、充填吸気の大半は大径圧縮機22(大径タービンにより駆動される)により圧縮される。
本実施形態で引用した速度範囲は例示的なものであって、例えば、使用する燃料種等により相違し得るが、全体的に、あるエンジン速度範囲を通して2ステージ型ターボチャージャーが提供し得る充填吸気の有効圧縮状況を表している。弁17、18、25は、所望の性能特性が提供されるように選択して開閉される。
例示目的上、制御弁も省略されるが、それら弁の機能及び位置は以下の説明及び図1−3を参照することにより明らかである。
排気流量がもっと多いと第1ステージは設計限界に接近し得、それと共に連結状態の各吸排通路52、54が次第に開き始める。排気流れは第2ステージのタービンホイール39を回転させるに十分なものであるため、第2ステージの圧縮機ホイール40をして充填吸気を有効圧縮せしめる。
最大排気流量時は送り通路53及び排気通路51は閉鎖され、かくして圧縮機及びタービンの各ホイールの速度超過が防止される。当業者は、圧縮機側で発生する圧力を安全限界内に確実に維持するための適宜の弁を設け得、排気側にはウェイストゲートをも設け得る。高流量下では第1及び第2の各ステージはシーケンス的に、あるいは相互に作動し得、ややオーバーラップするのが恐らく望ましい。
図7では第1ステージ57及び第2ステージ58が共に作動され、吸気側切替弁60が、吸気を第2ステージの圧縮機ホイール40及び内側圧縮機ホイール35に流動させている。排気側切替弁61が排気流れを、各タービンホイールに所望のターボチャージャー特性に従う所望比率で送られるよう調節する。
図8では排気側切替弁61が、排気流れの大部分を第2ステージのタービンホイール39に送り、且つ、圧力平衡により内側タービンホイール34に送る。この結果、圧縮の大半は第2ステージの圧縮機ホイール40により達成され、流入する吸気は吸気側切替弁60により前記第2ステージの圧縮機ホイール40を通過可能となる。
全実施形態において、従来設計の従来型バイパス弁(ウェイストゲート)を第2ステージのタービンの排気流路に追加し得る。
本発明によれば、ターボチャージャーの各回転パーツはエンジン作動中は静止しないため、ターボチャージャーの各流路のシール及び支承面の潤滑がより良好化され得る。
図9は図6に相当するが、切替弁60aが、第2ステージの圧縮機ホイール40の吸気管ではなく吸気ダクトに配置される。タービン側は図6に相当し、図6〜図8の実施形態と共通のコンポーネントは同じ参照番号で示される。
図9では切替弁60aが第2ステージの圧縮機ホイール40への流れを阻止する。排気側の切替弁61が、全排気流れを内側タービンホイール34に送る。本構成では第1ステージ57のみが有効化される。
図10では切替弁60aが開放され、流れは一次及び二次の各ステージの圧縮機ホイール(35、40)に流動する。排気流れは切替弁61により一次及び二次の各ステージのタービンホイール(34、39)に送られる。ターボチャージャーは両ステージにおいて並列作動する。
本発明の改変例では一次及び二次の各ステージ間の、タービン側、及び又は、圧縮機側にステータが設けられる。ステータは代表的には、ターボポンプハウジング内に取り付けたコンポーネントにして、下流側の各圧縮機/タービンホイールに流れを再送する、共通回転軸の周囲に円形配列したブレードを有するコンポーネントであり得る。
使用時において排気は、2ステージ型のターボチャージャー31においてそうであるように、排気マニホルドカップリング44を介して流入し、充填吸気出口42から排出される。従って、内側圧縮機ホイール135及び第2ステージの圧縮機ホイール140がシャフト36及び38により駆動されて吸気を圧縮することができる。
12 大径ターボチャージャー
13 排気マニホルド
14 小径タービン
15 大径タービン
16 排気管
17 バイパス弁
18 バイパス弁
21 吸気管
22 大径圧縮機
23 小径圧縮機
24 吸気マニホルド
25 弁
31 2ステージ型ターボチャージャー
32 ハウジング
33 共通回転軸
34 内側タービンホイール
35 内側圧縮機ホイール
36 チューブ状シャフト
37 支持ベアリング
38 第2ステージシャフト
39 タービンホイール
40 圧縮機ホイール
41 吸気口
42 排気口
43 充填吸気出口
44 排気マニホルドカップリング
51 排気通路
52 排気通路
53 通路
54 入口通路
57 第1ステージ
58 第2ステージ
60 吸気側切替弁
60a 切替弁
61 排気側切替弁
131 2ステージ型ターボチャージャー
135 内側圧縮機ホイール
140 圧縮機ホイール
141 気体入口
Claims (23)
- ハウジング内で共通軸を中心に回転自在の複数の圧縮機ホイール及び複数のタービンホイールを有するターボポンプであって、
前記圧縮機ホイールあるいはタービンホイールの1つが、流体を他の圧縮機ホイールあるいはタービンホイールに供給しあるいは流体を前記他の圧縮機ホイールあるいはタービンホイールから受けるための、軸方向の貫通流路を有するターボポンプ。 - 前記軸方向の貫通流路がタービンホイール内及び圧縮機ホイール内に形成される請求項1に記載のターボポンプ。
- 前記各貫通流路が共通軸の周囲で同中心を成す請求項2に記載のターボポンプ。
- 圧縮機ホイール及びタービンホイールが一対においてカップリングされる請求項1〜3の何れかに記載のターボポンプ。
- 複数の圧縮機ホイールが隣り合い、複数のタービンホイールが隣り合う請求項2あるいは3に記載のターボポンプ。
- 軸方向で最外部のタービンホイール及び圧縮機ホイールが各貫通流路を形成する請求項5に記載のタービンポンプ。
- 前記軸方向において最外側のタービンホイール及び圧縮機ホイールがその他のタービンホイール及び圧縮機ホイールより大径である請求項6に記載のターボポンプ。
- 2つの圧縮機ホイール及び2つのタービンホイールを含む請求項4〜7の何れかに記載のターボポンプ。
- 隣り合う圧縮機ホイール間に流れ整列用ステータを含み、隣り合うタービンホイール間に流れ整列用ステータを含む請求項4〜8の何れかに記載のターボポンプ。
- 1つのタービンホイールが1つの圧縮機ホイールにスリーブにより連結され、他のタービンホイールが他の圧縮機ホイールに、前記スリーブ内でジャーナル軸受けされたスピンドルにより連結される請求項4〜9の何れかに記載のターボポンプ。
- 前記スリーブがハウジング内でジャーナル軸受けされる請求項10に記載のターボポンプ。
- 圧縮機ホイール及びタービンホイールの1つが、貫通流路内において半径方向に伸延するベーンを含む請求項1〜11の何れかに記載のターボポンプ。
- 前記ベーンが弓状である請求項12に記載のターボポンプ。
- 前記ベーンが直線状である請求項12に記載のターボポンプ。
- ハウジングが、タービンホイールの下流側に単一の排気口を有する請求項1〜14の何れかに記載のターボポンプ。
- ハウジングが、タービンホイールの上流側に単一の入口を有する請求項1〜15の何れかに記載のターボポンプ。
- 隣り合うタービンホイール間にステータを更に含む請求項1〜16の何れかに記載のターボポンプ。
- 隣り合う圧縮機ホイール間にステータを更に含む請求項1〜17の何れかに記載のターボポンプ。
- 内燃機関の排気ターボチャージャーを含む請求項1〜18の何れかに記載のターボポンプ。
- 圧縮機ホイールの1つが他の圧縮機ホイールと背中合わせで取り付けられる請求項1〜19の何れかに記載のターボポンプ。
- タービンホイールの1つが他のタービンホイールと背中合わせで取り付けられる請求項1〜20の何れかに記載のターボポンプ。
- ハウジングが、その他の空気充填装置、あるいはインタークーラー装置、あるいはマニホルド装置の少なくとも1つ、に連結した少なくとも1つの気体あるいは排気用の入口あるいは出口を有する請求項1〜21の何れかに記載のターボポンプ。
- 請求項1〜22の何れかに記載のターボポンプを有するエンジンあるいは自動車。
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