JP2016504520A - 排気ガス温度の調整方法及びバイパス装置を備えたタービン - Google Patents

Abstract

本発明のターボチャージャは、少なくとも第１及び第２の部分を有するスクロール通路と、前記スクロール通路から軸方向に延在するガス出口と、前記ガス出口内に配置された１つ以上のブレードを有するタービンホイールと、前記スクロール通路の前記第１及び第２の部分の間にバイパス流を確立するための手段とからなるタービンを備え、該タービンを介してガス流が変換される。さらに本発明は排気ガス温度を調節する方法が提供される。【選択図】図１

Description

本発明は、その一態様によると、概して、排気流内にタービンを含むエンジンにおけるエンジン排気ガス温度を調整するための方法及び装置に関する。

現代のディーゼルエンジンは、一般的に、ディーゼル微粒子除去装置（ＤＰＦ）、ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）、及び選択接触還元触媒（ＳＣＲ）等の１つ以上の構成要素を備えた排気後処理システム（ＥＡＴＳ）を含んでいる。ＥＡＴＳ構成要素の大部分は、特定の温度範囲内で作動するように意図されている。作動中、始動時又は低負荷時、ＤＰＦ、ＤＯＣ、及びＳＣＲ等の装置上で触媒を活性化するのに必要な温度に到達すること、又はその温度を維持することが困難になる場合がある。更に、ＤＰＦ等の構成要素を再生するために正常動作温度をはるかに上回る温度まで排気ガス温度を上昇させる必要が時折ある。

排気ガス温度を上げる１つの方法は、エンジンの下流にタービンを備えた可変形状ターボチャージャ（ＶＧＴ）を用いることである。ＶＧＴは、ターボチャージャの効率を低下させるように調整することができ、それによってエンジン排気温度を上昇させることができるようになる。しかしながら、ＶＧＴは、高価になりがちで、故障しやすい可能性がある多数の可動部品を必要とする傾向がある。

排気ガス温度を上げる別の手法は、タービン前圧力を上昇させることなく圧縮機効率を低下させる排出再循環弁の使用を伴う。なお更なる手法は、吸排気スロットル、排気管炭化水素注入、及び給気冷却器（ＣＡＣ）バイパス弁の使用を含む。

排気ガス温度を調整するための単純で安価な装置及び方法を提供することが望ましい。

本発明の一態様によれば、ターボチャージャは、少なくとも第１及び第２の部分を有するスクロール通路と、スクロール通路から軸方向に延在するガス出口と、ガス出口内に配置された１つ以上のブレードを有するタービンホイールと、スクロール通路の第１及び第２の部分の間にバイパス流を確立するための手段とからなるタービンを備えている。

本発明の別の態様によれば、ターボチャージャは、スクロール通路と、スクロール通路から軸方向に延在するガス出口と、ガス出口に配置された１つ以上のブレードを有するタービンホイールと、スクロール通路とガス出口の間に配設されたノズルリングであって、スクロール通路からのガスの流れをガス出口内のタービンホイールの１つ以上のブレードに対して案内するように構成された複数のベーンを有するノズルリングと、スクロール通路からタービンホイールの１つ以上のブレードへとノズルリングを通るガス流を変更するようにスクロール通路に対してノズルリングを移動するための手段とからなるタービンを備えている。

本発明の別の態様によれば、エンジン排気を受け入れるように構成されたタービンを有するエンジンにおける排気ガス温度の調整方法は、少なくとも第１及び第２の部分を有する、タービンのスクロール通路を通ってタービンのガス出口へとエンジン排気ガスを流すステップと、スクロール通路の第１及び第２の部分の間にバイパス流を確立するステップとを含んでいる。

本発明の更に別の態様によれば、エンジン排気を受け入れるように構成されたタービンを有するエンジンにおける排気ガス温度の調整方法は、少なくとも第１及び第２の部分を有する、タービンのスクロール通路を通ってタービンのガス出口へとエンジン排気ガスを流すステップと、スクロール通路に対して第１の配向で配設された複数のベーンを有するノズルリングによって、排気ガスをタービンのガス出口内のタービンホイールの１つ以上のブレードに対して案内するステップと、ノズルリングを、ノズルリング上の複数のベーンがガスをタービンホイールの１つ以上のブレードに対して案内する、スクロール通路に対する第１の位置から、スクロール通路からガス出口へと複数のベーンを通るガス流が第１の位置のガス流に対して変更される、スクロール通路の第２の位置へと移動するステップとを含んでいる。

本発明の特徴及び利点は、同様の数字が同様の要素を示す図面と併せて以下の詳細な説明を読むことによって十分理解される。

図１は、ターボチャージャ及びタービンを備えたエンジンの概略図である。 図２Ａは、本発明の一態様によるタービンの一部分の部分断面図である。 図２Ａのタービンの一部分の部分断面図であって、タービンのノズルリングに対して移動したシールベーンを示している。 本発明の別の態様によるタービンの一部分の部分断面図であって、スクロール通路に対して移動したノズルリングを示している。 本発明の一態様によるタービンの一部分の部分断面図である。 図３Ａのタービンの一部分の部分断面図であって、タービンのノズルリングに対して移動したシールベーンを示している。 本発明の別の態様によるタービンの一部分の部分断面図であって、スクロール通路に対して移動したノズルリングを示している。

多気筒エンジンの排気に接続されたターボチャージャタービン内のスクロール通路を通るガス流は、通常、スクロール通路の長さにわたって一定圧力ではない。シングルスクロールタービンでは、ピストン弁の開閉やスクロールの周囲を排気が流れる時の圧力損失等の要因によって、スクロールの様々な場所の間に圧力差が存在することになる。また、ツインスクロールタービンでは、普通は同じく、そのピストンの一部が一方のスクロールに排気し、一部が他方に排気するピストン弁の開閉や、その一方が通常は他方よりも長いスクロールの周囲を排気が流れる時の圧力損失等の要因によって、スクロール間に圧力差が存在することになる。

本発明の一態様によるターボチャージャ２１は図１に示され、タービン２３を含んでいる。ターボチャージャ２１は、好ましくは固定形状ターボチャージャである。タービン２３の一実施形態は、少なくとも第１及び第２の部分を有する、図２Ａに示すようなスクロール通路２５を備えている。スクロール通路２５の第１及び第２の部分は、様々な形態をとり得る。タービン２３は、スクロール通路２５から軸方向に延在するガス出口２７と、ガス出口内に配置された１つ以上のブレード３１を有するタービンホイール２９とを備えている。

スクロール通路２５の第１及び第２の部分の間にバイパス流を確立するために幾つかの適切な構造又は手段のうちの１つ以上を設けて、ガス出口２３に向かってスクロール通路を通って流れるガスの一部又は全部が、ガス出口に到達する前に第１及び第２の部分の一方又は他方へと流れるようにすることができる。バイパス流を確立するための構造は、タービン効率を低下させるのに役立つように、バイパス流が確立された時に、スクロール通路内のガス流を変更又は中断したり、且つ／又は、ガスの圧力を低下させたりすることができる。タービン効率の低下は、更に、ターボチャージャ２１が取り付けられたエンジン３３から出るガスの温度を上昇させることになり得る。上昇したエンジン排気温度は、ディーゼル微粒子除去装置（ＤＰＦ）、ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）、及び／又は選択接触還元触媒（ＳＣＲ）等の排気後処理システム装置において触媒を活性化するのに使用することができる。また、Ｏ_２ベースの再生又はＮＯ_２ベースの再生に十分な高温を発生させる又は補助することによって、ＤＰＦの再生を促進することもできる。

図２Ａは、単独で、又は図２Ｂ及び／又は２Ｃに示す構造と共に使用することができる、バイパス流を確立するための１つの可能な構造を示している。具体的には、導管５５は、スクロール通路２５の始まり付近、即ち、入口領域のスクロール通路の第１の部分４３と、スクロール通路の終わり付近、即ち、端部領域のスクロール通路の第２の部分４５の間を接続することができ、開放してバイパス流を確立する制御弁５７を導管内に設けることができる。弁５７は、従来のＥＣＵ又はその他のコンピュータ装置５９によって、或いは、手動操作を含む、その他の適切な手段によって、制御することができる。

バイパス流を確立するための可能な構造のうちの１つが図２Ｂに示され、スクロール通路２５とガス出口２７の間に配設されたノズルリング３５を備えている。ノズルリング３５は、スクロール通路２５からのガスの流れをガス出口２７内のタービンホイール２９の１つ以上のブレード３１に対して案内するように構成された複数のベーン３７を備えている。図２Ａ及び２Ｂに示すノズルリング３５は、ガス出口２７の内壁又はタング４１まで延在し、スクロール通路２５の第１の部分４３をスクロール通路の第２の部分４５から密封する少なくとも１つのシールベーン３９を備えている。図２Ａ〜２Ｃに示す実施形態では、スクロール通路２５の第１及び第２の部分４３及び４５は、同じスクロール通路の異なる部分の形態をとる。スクロール通路２５に対してシールベーン３９を移動するための１つ以上の構造又は手段は、スクロール通路の第１及び第２の部分４３及び４５の間にバイパス流を確立するために設けられる。シールベーン３９は、固定ノズルリング３５に対してシールベーンを移動することによってスクロール通路２５に対して移動する。図２Ｂに示すように、これによって、スクロール通路２５の第１及び第２の部分４３及び４５の間のバイパス又は通路４７が開かれる。図２Ａで見られる通常の流れパターン、普通はスクロール通路２５、ノズルリング３５を通ってタービンブレード３１にぶつかる最小の乱流を有する流れは、スクロール通路の第１の部分４３からの高圧流がスクロール通路の第２の部分４５における低圧領域に流れ込む時のバイパス４７の開放によって中断される。その結果、タービン効率が低下する。

シールベーン３９は、任意の適切な方法で、例えばタービンハウジングの壁に取り付けられた回動ロッド４９上に取り付けられることによって、移動することができ、ソレノイド、モータ、又はその他の適切な手段等の装置５１（図１に概略的に示す）によって限られた角度で回転する。通常、ロッド４９はタービンハウジングの壁を通って延在することになり、ロッドとシールベーン３９はタービンの外側に取り付けられた装置５１によって回転することになるが、ロッドとシールベーンを駆動するための数多くの構成を考えることができ、必ずしもタービンの外側からではなく、タービンハウジングの内側に部分的に又は完全に配置される装置も含まれる。

バイパス流を確立するための可能な構造のうちの別の１つが図２Ｃに示すタービン１２３で見られ、スクロール通路１２５とガス出口１２７の間に配設されたノズルリング１３５を備えている。ノズルリング１３５は、スクロール通路１２５からのガスの流れをガス出口１２７内のタービンホイール１２９の１つ以上のブレード１３１に対して案内するように構成された複数のベーン１３７を備えている。図２Ａ及び２Ｂに示すノズルリング３５と同様に、図２Ｃに示すノズルリング１３５は、ガス出口１２７の内壁又はタング１４１まで延在する少なくとも１つのシールベーン１３９を備え、スクロール通路１２５の始まり付近のスクロール通路の第１の部分１４３をスクロール通路の終わり付近のスクロール通路の第２の部分１４５から密封する。スクロール通路１２５に対してノズルリング１３５を移動するための１つ以上の構造又は手段は、スクロール通路の第１及び第２の部分１４３及び１４５の間にバイパス流を確立するために設けられる。図２Ｃに示すように、これによって、スクロール通路１２５の第１及び第２の部分１４３及び１４５の間のバイパス又は通路１４７が開かれる。タービン１２３の、スクロール通路１２５、ノズルリング１３５、及びガス出口１２７を通る、ノズルリングがバイパス１４７を開放するように移動しない時の、通常の流れパターンは、図２Ａで見られるタービン２３の通常の流れパターンと実質的に同じである。この流れ、普通はスクロール通路１２５、ノズルリング１３５を通ってタービンブレード１３１にぶつかる最小の乱流を有する流れは、スクロール通路の第１の部分１４３からの高圧流がスクロール通路の第２の部分１４５における低圧領域に流れ込む時のバイパス１４７の開放によって中断される。その結果、タービン効率が低下する。ノズルリング１３５は、任意の適切な方法で、例えばタービンハウジング内に配置されるか、又はタービンハウジングの壁を通って少なくとも部分的に延在し、モータ１５３（極めて細い線で示す）によって限られた角度で駆動される被駆動ギヤ１５１（図２Ｃに極めて細い線で示す）と噛合するノズルリング上の又はそれに接続された外側ギヤ面１４９（極めて細い線で示す）、或いは、タービンハウジングの外側、内側、又は部分的内側、部分的外側に配置してもよいその他の適切な手段を設けることによって、移動することができる。タービンハウジングの開口部を通って延在するシャフト又はリンク機構部品を往復運動させること、及びシャフトの直線運動をリング（又はベーン）の回転運動に変換するリンク機構を移動することができる外部リニアアクチュエータは、シャフト又はリンク機構がタービンハウジングを通って延在するところに必要なシールが１つだけなので、現時点では特に有用だと考えられている。また、タービンハウジングを通って延在する機械的接続を必要としない手段によって、例えば、リング上に永久磁石を設けて、タービンハウジングの周囲の磁場を介してリングを移動することによって、リング（又はベーン）を移動することも可能である。

ノズルリング１３５全体が図２Ｃで見られるように移動すると、ノズルリング１３５上の複数のベーン１３７及び１３９も同じく移動する。ベーン１３７及び１３９が、図２Ａに示すように配向されている時に最大タービン効率を達成するように配向された場合、タービン効率はスクロール通路１２５に対してノズルリング１３５を小角度で回転させることによって低下させることができる。通常、ノズルリング１３５は、ノズルリング上のいずれかの２つの隣接するベーン１３７及び１３９の最外周縁先端間の円弧に過ぎない円弧でタービンホイール１２９の軸の周囲を回転する。例えば、ノズルリング１３５が円形ノズルリングの周囲に２０°ごとに離間配置された１８個のベーン１３７及び１３９を有する場合、ノズルリングは最大２０°まで移動してもよいが、より一般的には２０°未満の角度、例えば１°〜１９°、より一般的には５°〜１５°、更により一般的には約１０°の角度で移動することになる。そのような角運動により、図２Ａ（ノズルリング３５全体に延在する矢印で示す）で見られるようにある角度でタービンホイール１２９の１つ以上のブレード１３１に向かってベーン１３７及び１３９によって偏向されたガスは、幾分異なる方法（図２Ｃでノズルリング１３５の全体に延在する矢印で示す）で偏向されることになる。いかなる理論にも拘束されることを望むものではないが、タービンが限られた角度での最大効率である位置から第２の位置までのノズルリング１３５の移動は、タービン１２３内でより多くの乱流を発生させてその効率を低下させることができる。ガス出口１２７へとベーン１３７及び１３９を通るスクロール通路１２５からのガス流を変更することにより、タービンブレード１３１に対して最適以下の角度でガス出口１２７へとガスを導入することができるように、タービン効率が低下することになり得る。

図３Ａは、タービン２３の代わりに図１に示すターボチャージャ２１において使用することができるタービン２２３の一実施形態を示す。タービン２２３は、それぞれ、スクロール通路の第１及び第２の部分２４３及び２４５に相当する第１のスクロール通路２２５’及び第２のスクロール通路２２５”からなるツインスクロール通路２２５を備えている。タービン２２３は、第１及び第２のスクロール通路２２５’及び２２５”から軸方向に延在するガス出口２２７と、ガス出口内に配置された１つ以上のブレード２３１を有するタービンホイール２２９とを備えている。

図２Ａ〜２Ｃに示すシングルスクロール通路を備えたタービン２３と同様に、スクロール通路２２５’及び２２５”の第１及び第２の部分の間にバイパス流を確立するために幾つかの適切な構造又は手段のうちの１つ以上を設けて、ガス出口２２３に向かってスクロール通路を通って流れるガスの一部又は全部が、ガス出口に到達する前に第１及び第２の部分の一方又は他方へと流れるようにすることができる。バイパス流を確立するための構造は、タービン効率を低下させるのに役立つように、バイパス流が確立された時に、スクロール通路内のガス流を変更又は中断したり、且つ／又は、ガスの圧力を低下させたりすることができる。タービン効率の低下は、更に、ターボチャージャ２１が取り付けられたエンジン３３から出るガスの温度を上昇させることになり得る。上昇したエンジン排気温度は、ディーゼル微粒子除去装置（ＤＰＦ）、ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）、及び／又は選択接触還元触媒（ＳＣＲ）等の排気後処理システム装置において触媒を活性化するのに使用することができる。また、Ｏ_２ベースの再生又はＮＯ_２ベースの再生に十分な高温を発生させる又は高温の発生を補助することによって、ＤＰＦの再生を促進することもできる。

図３Ａは、単独で、又は図３Ｂ及び／又は３Ｃに示す構造と共に使用することができる、バイパス流を確立するための１つの可能な構造を示している。具体的には、導管２５５は、第１のスクロール通路２２５’によって形成されるスクロール通路２２５の第１の部分２４３と、第２のスクロール通路２２５”によって形成されるスクロール通路の第２の部分２４５の間を接続することができ、開放してバイパス流を確立する制御弁２５７を導管内に設けることができる。弁２５７は、従来のＥＣＵ又はその他のコンピュータ装置２５９によって、或いは、手動操作を含む、その他の適切な手段によって、制御することができる。

バイパス流を確立するための可能な構造のうちの１つが図３Ｂに示され、スクロール通路２２５（即ち、第１及び第２のスクロール通路２２５’及び２２５”）とガス出口２２７の間に配設されたノズルリング２３５を備えている。ノズルリング２３５は、スクロール通路２２５からのガスの流れをガス出口２２７内のタービンホイール２２９の１つ以上のブレード２３１に対して案内するように構成された複数のベーン２３７を備えている。図３Ａ及び３Ｂに示すノズルリング２３５は、ガス出口２２７に面する第１のスクロール通路２２５’の部分を第２のスクロール通路２２５”の部分から分離するガス出口の内壁部分又はタング２４１まで延在する少なくとも２つのシールベーン２３９を備え、スクロール通路２２５の第１の部分２４３、即ち、第１のスクロール通路２２５’をスクロール通路の第２の部分２４５、即ち、第２のスクロール通路２２５”から密封する。図３Ａ〜３Ｃに示す実施形態では、スクロール通路２２５の第１及び第２の部分２４３及び２４５は、異なるスクロール通路の形態をとる。スクロール通路２２５に対してシールベーン２３９を移動するための１つ以上の構造又は手段は、スクロール通路の第１及び第２の部分２４３及び２４５の間にバイパス流を確立するために設けられる。シールベーン２３９は、固定ノズルリング２３５に対してシールベーンを移動することによってスクロール通路２２５に対して移動する。図３Ｂに示すように、これによって、スクロール通路２２５の第１及び第２の部分２４３及び２４５の間のバイパス又は通路２４７が開かれる。図３Ａで見られる通常の流れパターン、普通はスクロール通路２２５、ノズルリング２３５を通ってタービンブレード２３１にぶつかる最小の乱流を有する流れは、特定の時に、どちらの部分が高い又は低い圧力を有するかに応じて、スクロール通路の第１の部分２４３からの高圧流がスクロール通路の第２の部分２４５における低圧領域に流れ込む、又は第２の部分からの高圧流が第１の部分における低圧領域に流れ込む時のバイパス２４７の開放によって中断される。その結果、タービン効率が低下する。

シールベーン２３９は、任意の適切な方法で、例えばタービンハウジングの壁に取り付けられた回動ロッド２４９上に取り付けられることによって、移動することができ、ソレノイド、モータ、又はその他の適切な手段等の装置（図１に概略的に示すモータ５１）によって限られた角度で回転することができる。通常、ロッド２４９はタービンハウジングの壁を通って延在することになり、ロッドとシールベーン２３９はタービンの外側に取り付けられた装置２５１によって回転することになるが、ロッドとシールベーンを駆動するための数多くの構成を考えることができ、必ずしもタービンの外側からではなく、タービンハウジングの内側に配置される装置も含まれる。

バイパス流を確立するための可能な構造のうちの別の１つが図３Ｃで見られ、スクロール通路３２５とガス出口３２７の間に配設されたノズルリング３３５を備えている。スクロール通路３２５は、それぞれ、スクロール通路の第１及び第２の部分３４３及び３４５に相当する第１のスクロール通路３２５’及び第２のスクロール通路３２５”を備えている。ノズルリング３３５は、スクロール通路３２５からのガスの流れをガス出口３２７内のタービンホイール３２９の１つ以上のブレード３３１に対して案内するように構成された複数のベーン３３７を備えている。図３Ａ〜３Ｂに示すノズルリング２３５と同様に、図３Ｃに示すノズルリング３３５は、ガス出口３２７の内壁部分又はタング３４１まで延在し、スクロール通路３２５の第１の部分３４３、即ち、第１のスクロール通路３２５’をスクロール通路の第２の部分３４５、即ち、第２のスクロール通路３２５”から密封する少なくとも２つのシールベーン３３９を備えている。スクロール通路３２５に対してノズルリング３３５を移動するための１つ以上の構造又は手段は、スクロール通路の第１及び第２の部分３４３及び３４５の間にバイパス流を確立するために設けられる。図３Ｃで見られるように、これによって、スクロール通路１２５の第１及び第２の部分３４３及び３４５の間のバイパス又は通路３４７が開かれる。タービン３２３の、スクロール通路３２５、ノズルリング３３５、及びガス出口３２７を通る、ノズルリングがバイパス３４７を開放するように移動しない時の、通常の流れパターンは、図３Ａで見られるタービン２２３の通常の流れパターンと実質的に同じである。この流れ、普通はスクロール通路３２５、ノズルリング３３５を通ってタービンブレード３３１にぶつかる最小の乱流を有する流れは、特定の時に、どちらの部分が高い又は低い圧力を有するかに応じて、スクロール通路の第１の部分３４３からの高圧流がスクロール通路の第２の部分３４５における低圧領域に流れ込む、又は第２の部分からの高圧流が第１の部分における低圧領域に流れ込む時のバイパス３４７の開放によって中断される。その結果、タービン効率が低下する。ノズルリング３３５は、任意の適切な方法で、例えばタービンハウジング内に配置されるか、又はタービンハウジングの壁を通って少なくとも部分的に延在し、モータ３５３（極めて細い線で示す）によって限られた角度で駆動される被駆動ギヤ３５１（極めて細い線で示す）と噛合するノズルリング上の又はそれに接続された外側ギヤ面３４９（極めて細い線で示す）、或いは、タービンハウジングの外側、内側、又は部分的内側、部分的外側に配置してもよいその他の適切な手段を設けることによって、移動することができる。

ノズルリング３３５全体が図３Ｃで見られるように移動すると、ノズルリング３３５上の複数のベーン３３７及び３３９も同じく移動する。ベーン３３７及び３３９が、図３Ａに示すように配向されている時に最大タービン効率を達成するように配向された場合、タービン効率はスクロール通路３２５に対してノズルリング３３５を小角度で回転させることによって低下させることができる。通常、ノズルリング３３５は、ノズルリング上のいずれかの２つの隣接するベーン３３７及び３３９の最外周縁先端間の円弧に過ぎない円弧でタービンホイール３２９の軸の周囲を回転する。例えば、ノズルリング３３５が円形ノズルリングの周囲に２０°ごとに離間配置された１８個のベーン３３７及び３３９を有する場合、ノズルリングは最大２０°まで移動してもよいが、より一般的には２０°未満の角度、例えば１°〜１９°、より一般的には５°〜１５°、更により一般的には約１０°の角度で移動することになる。そのような角運動により、図３Ａで見られるようにある角度でタービンホイール３２９の１つ以上のブレード３３１に向かってベーン３３７及び３３９によって偏向されたガスは、幾分異なる方法で偏向されることになる。いかなる理論にも拘束されることを望むものではないが、タービンが限られた角度での最大効率である位置から第２の位置までのノズルリング３３５の移動は、タービン３２３内でより多くの乱流を発生させてその効率を低下させることができる。ガス出口３２７へとベーン３３７及び３３９を通るスクロール通路３２５からのガス流を変更することにより、最適以下の角度でタービンブレード３３１に対してガス出口３２７へとガスを導入することができるように、タービン効率が低下することになり得る。

エンジン排気を受け入れるように構成されたタービンを有するエンジンにおける排気ガス温度を調整するための、本発明の一態様による方法を、図１に示すエンジン３３に関して説明する。説明のため、本方法は、特に指定のない限り、図２Ａ〜２Ｂに示すようなシングルスクロールタービン２３に関して説明するものとする。シングルスクロールタービン２３に関する方法の説明は、特に指定のない限り、図２Ｃに示すシングルスクロールタービン１２３と、図３Ａ〜３Ｃに示すツインスクロールタービン２２３及び３２３にも同じく全般的に適用できることが理解されよう。

本方法では、エンジン排気ガスは、エンジン３３（図１）からタービン２３のスクロール通路２５を通ってタービンのガス出口２７の方へ流される。スクロール通路２５は、少なくとも第１及び第２の部分４３及び４５を備えている。排気ガスのバイパス流は、スクロール通路２５の第１及び第２の部分４３及び４５の間のバイパス４７を通って流される。バイパス４７及びバイパス流を確立することによって、タービン２３の効率は、通常、バイパスがない時の状態に対して低下することになり、排気温度は通常上昇することになる。

図２Ａ〜２Ｂの実施形態では、図２Ｃの実施形態でも同様だが、スクロール通路２５の第１の部分４３はスクロール通路の始まり付近であり、第２の部分４５はスクロール通路の終わり付近であり、第１及び第２の部分はタング４１によって分離されている。図３Ａ〜３Ｃの実施形態では、スクロール通路の第１及び第２の部分は、２つのタングによって分離されるツインスクロール通路の第１及び第２のスクロール通路である。

説明のために図２Ａ〜２Ｂの実施形態を参照すると、排気ガスは、スクロール通路に対して第１の配向で配設された複数のベーン３７及び３９を有するノズルリングによって、タービンのガス出口２７内のタービンホイール２９の１つ以上のブレード３１に対して案内される。ノズルリング３５は、通常運転中、スクロール通路２５の第１の部分４３がスクロール通路の第２の部分４５から密封されるように配設される少なくとも１つのシールベーン３９を備えている。

スクロール通路２５の第１及び第２の部分４３及び４５の間にバイパス流を確立するためのバイパス４７は、スクロール通路２５に対してシールベーン３９を移動することによって開かれる。図２Ａ〜２Ｂの実施形態（及び図３Ａ〜３Ｂの実施形態）では、シールベーン３９は、ノズルリング３５に対してシールベーンを移動することによってスクロール通路２５に対して移動する。

図２Ｃの実施形態（及び図３Ｃの実施形態）では、シールベーン１３９は、スクロール通路１２５に対してノズルリング１３５を移動することによってスクロール通路に対して移動する。ノズルリング１３５を、スクロール通路１２５に対して、第１の位置、例えば図２Ａ（又は３Ａ）に示す位置のような位置から、第２の位置、例えば図２Ｃ（又は３Ｃ）に示す位置のような位置まで移動することにより、スクロール通路からガス出口への複数のベーン１３７及び１３９を通る排気ガスの流れを変更する。タービン内のガス流を、最適なタービン効率を達成すると考えられるものとする図２Ａに示すようなガス流（ノズルリング３５全体に延在する矢印で示す）から、図２Ｃに示すようなガス流（ノズルリング１３５全体に延在する矢印で示す）に変更することにより、タービン効率を低下させ、ひいては排気温度を上昇させることもできる。

図示の実施形態のいずれにおいても、スクロール通路の第１及び第２の部分４３及び４５に接続された導管５５を介してバイパスを確立することによって、例えば導管内の弁５７を開放することによって、バイパス流を確立することができる。また、可動シールベーン３９を備えたノズルリング３５を含む図２Ａ〜２Ｂの実施形態は、可動ノズルリング１３５を含む図２Ｃの実施形態と組み合わせることができる。また、可動シールベーン２３９を備えたノズルリング２３５を含む図３Ａ〜３Ｂの実施形態は、可動ノズルリング３３５を含む図３Ｃの実施形態と組み合わせることができる。

可動ノズルリング又はノズルリングベーンを設けることにより、可変形状ターボチャージャ又は排気スロットル装置を用いたエンジンにおいて行われるように、ターボホイール速度（ＴＷＳ）及び排気背圧の制御を可能にすることができる。これにより、（絞り／背圧を介して）エンジンブレーキ及びＥＧＲ流量制御を促進することができる。

更に、現在のエンジン設計は、様々な機械的及び物理的制約によってタービン設計において制限されている。高速（例えば、１３０，０００ｒｐｍ）で動作するように設計されたタービンでは、タービンは、この速度で機械的に頑丈であり、空気力学的に、例えばチョーク流れやサージ等に遭遇し得ないように設計しなければならない。ピーク速度を技術によって制限することができる場合（例えば、１１０，０００ｒｐｍ）、タービンは新たな制約に再設計することができ、タービン効率は向上させることができる。従って、速度の制御により、より最適な全体設計が可能になる。

本発明の態様により、機械的に連結されたターボチャージャ装置の一部であるタービンのみならず、あらゆるタービンにおけるＶＧＴの利点の実質的に全てを提供することができるようになる。

本出願において、「〜を含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」等の用語の使用は非限定的であり、「〜を有する（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」等の用語と同じ意味を有することを目的とし、その他の構造、材料、又は作用の存在を排除するものではない。同様に、「〜することができる（ｃａｎ）」又は「〜してもよい（ｍａｙ）」等の用語の使用は、非限定的であって、その構造、材料、又は作用が必須ではないことを表すことを目的としており、そのような用語を使用しないことがその構造、材料、又は作用が必須であることを表すものではない。その構造、材料、又は作用が現時点で必須であると考えられる限りは、そのように示している。

本発明を好適な実施形態に従って図示及び説明したが、特許請求の範囲に記載の発明から逸脱することなく、本発明に変形及び変更を加えることができることが明らかである。

Claims (20)

1. タービンであって、
   少なくとも第１及び第２の部分を有するスクロール通路と、
   前記スクロール通路から軸方向に延在するガス出口と、
   前記ガス出口内に配置された１つ以上のブレードを有するタービンホイールと、
   前記スクロール通路の前記第１及び第２の部分の間にバイパス流を確立するための手段とからなるタービンを備えている、
   ターボチャージャ。
2. バイパス流を確立するための前記手段は、前記スクロール通路と前記ガス出口の間に配設されたノズルリングであって、前記スクロール通路からのガスの流れを前記ガス出口内の前記タービンホイールの前記１つ以上のブレードに対して案内するように構成された複数のベーンを有し、前記スクロール通路の前記第１の部分を前記スクロール通路の前記第２の部分から密封する少なくとも１つのシールベーンを有するノズルリングと、前記スクロール通路の前記第１及び第２の部分の間にバイパス流を確立するために前記スクロール通路に対して前記シールベーンを移動するための手段とを含む、請求項１に記載のターボチャージャ。
3. 前記シールベーンを移動するための前記手段は、前記ノズルリングに対して前記シールベーンを移動するための手段を含む、請求項２に記載のターボチャージャ。
4. 前記シールベーンを移動するための前記手段は、前記スクロール通路に対して前記ノズルリングを移動するための手段を含む、請求項２に記載のターボチャージャ。
5. 前記スクロール通路に対して前記ノズルリングを移動するための前記手段は、ガスが様々な角度で前記タービンホイールの前記１つ以上のブレードに対して案内されるように前記ノズルリング上の前記複数のベーンを移動する、請求項４に記載のターボチャージャ。
6. 前記ノズルリングを移動するための前記手段は、前記ノズルリング上のいずれかの２つの隣接するベーンの最外周縁先端間の円弧に過ぎない円弧で前記タービンホイールの軸の周囲に前記ノズルリングを回転させる、請求項４に記載のターボチャージャ。
7. バイパス流を確立するための前記手段は、前記スクロール通路の前記第１及び第２の部分の間に接続された導管と、前記導管内で開放して前記バイパス流を確立する制御弁とを含む、請求項１に記載のターボチャージャ。
8. 前記スクロール通路の前記第１及び第２の部分は、前記スクロール通路の入口領域及び端部領域を含む、請求項１に記載のターボチャージャ。
9. 前記スクロール通路はツインスクロール通路であり、前記スクロール通路の前記第１及び第２の部分は第１及び第２のスクロール通路である、請求項１に記載のターボチャージャ。
10. タービンであって、
    スクロール通路と、
    前記スクロール通路から軸方向に延在するガス出口と、
    前記ガス出口に配置された１つ以上のブレードを有するタービンホイールと、
    前記スクロール通路と前記ガス出口の間に配設されたノズルリングであって、前記スクロール通路からのガスの流れを前記ガス出口内の前記タービンホイールの前記１つ以上のブレードに対して案内するように構成された複数のベーンを有するノズルリングと、
    前記スクロール通路から前記タービンホイールの前記１つ以上のブレードへと前記ノズルリングを通る前記ガス流を変更するように前記スクロール通路に対して前記ノズルリングを移動するための手段とからなるタービンを備えている、
    ターボチャージャ。
11. エンジン排気を受け入れるように構成されたタービンを有するエンジンにおける排気ガス温度の調整方法であって、
    少なくとも第１及び第２の部分を有する、前記タービンのスクロール通路を通って前記タービンのガス出口へとエンジン排気ガスを流すステップと、
    前記スクロール通路の前記第１及び第２の部分の間にバイパス流を確立するステップとを含む、方法。
12. 前記スクロール通路に対して第１の配向で配設された複数のベーンを有するノズルリングによって、前記排気ガスを前記タービンの前記ガス出口内の前記タービンホイールの１つ以上のブレードに対して案内するステップを含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記ノズルリングは、前記スクロール通路の前記第１の部分が前記スクロール通路の前記第２の部分から密封されるように配設されている少なくとも１つのシールベーンを備えており、前記バイパス流が、前記スクロール通路に対して前記シールベーンを移動することによって前記スクロール通路の前記第１及び第２の部分の間に確立されている、請求項１２に記載の方法。
14. 前記ノズルリングに対して前記シールベーンを移動することによって前記スクロール通路に対して前記シールベーンを移動するステップを含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記スクロール通路に対して前記ノズルリングを移動することによって前記スクロール通路に対して前記シールベーンを移動するステップを含む、請求項１３に記載の方法。
16. 前記スクロール通路に対する第１の位置から前記スクロール通路に対する異なる第２の位置へと前記ノズルリングを移動することによって、前記スクロール通路から前記ガス出口へと前記複数のベーンを通るガス流を変更するステップを含む、請求項１５に記載の方法。
17. 前記スクロール通路の前記第１及び第２の部分の間に接続された導管内の弁を開放することによってバイパス流を確立するステップを含む、請求項１１に記載の方法。
18. 前記スクロール通路の前記第１及び第２の部分は、前記スクロール通路の入口領域及び端部領域を含む、請求項１１に記載の方法。
19. 前記スクロール通路はツインスクロール通路であり、前記スクロール通路の前記第１及び第２の部分は第１及び第２のスクロール通路である、請求項１１に記載の方法。
20. エンジン排気を受け入れるように構成されたタービンを有するエンジンにおける排気ガス温度の調整方法であって、
    少なくとも第１及び第２の部分を有する、前記タービンのスクロール通路を通って前記タービンのガス出口へとエンジン排気ガスを流すステップと、
    前記スクロール通路に対して第１の配向で配設された複数のベーンを有するノズルリングによって、前記排気ガスを前記タービンの前記ガス出口内のタービンホイールの１つ以上のブレードに対して案内するステップと、
    前記ノズルリングを、前記ノズルリング上の前記複数のベーンがガスを前記タービンホイールの前記１つ以上のブレードに対して案内する、前記スクロール通路に対する第１の位置から、前記スクロール通路から前記ガス出口へと前記複数のベーンを通るガス流が前記第１の位置のガス流に対して変更される、前記スクロール通路に対して第２の位置へと移動するステップとを含む、方法。

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