JP2020076397A - Ｅｇｒシステムを備えた高効率ターボチャージャー - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンのモードに応じてＥＧＲ率を適正に制御する。【解決手段】本開示の一態様によれば、ターボチャージャー１０２は、圧縮機ホイール１０６を有する圧縮機１０４、ハウジング内に設けられたタービン１０８、及び排気ガス再循環（ＥＧＲ）流路１１４を含む。ＥＧＲ流路は、ハウジング内にありかつタービンに近接して位置する第１の流体接続部１１６、圧縮機ホイールの後縁部に近接して位置する第２の流体接続部１１８、第１の流体接続部と第２の流体接続部との間に配置されるＥＧＲ制御弁１２０を含み、ＥＧＲ制御弁は、最大５０％のＥＧＲ率を有する低熱モード及び通常３５％未満のＥＧＲ率を有する作動モードにおいてターボチャージャーを選択的に作動させるように構成される。【選択図】図１Ａ

Description

本開示は、一般的に内燃機関用ターボチャージャーシステムに関し、より詳細には、排気ガス駆動ターボチャージャーシステムに関する。

排気ガス再循環（ＥＧＲ）は、亜酸化窒素（ＮＯ_Ｘ）の生成を弱化させるために利用されている。ＥＧＲシステムにおいて、内燃機関からの排気ガスは、エンジンの吸気管に再循環される。エンジンの排気から吸気管にガスの流れを駆動するには、圧力差が必要である。この圧力差の要件は、エンジンに不利なポンピングループを生成して、エンジンがＥＧＲ流を駆動するための追加の作業を提供する必要があるので、システム効率の低下をもたらす。

ＭｃＨｅｎｒｙらの米国特許出願公開第２０１８／０００３１３３Ａ号は、シャフト上に配置された圧縮機ホイールを有するエンジン吸気システムを記述している。軸受ハウジングに接続された圧縮機カバーは、圧縮機ホイールが回転するチャンバを定義する圧縮機本体を生成する。圧縮機本体は、排気ガスを受け取る入口を含む。ＥＧＲ流は、ＥＧＲ分配キャビティからＥＧＲ通路を介してディフューザに供給される。

一実施形態によれば、ターボチャージャーは、圧縮機ホイールを有する圧縮機、ハウジング内に設けられたタービン及び排気ガス再循環（ＥＧＲ）流路を含む。ＥＧＲ流路は、ハウジング内にありかつタービンに近接して位置する第１の流体接続部、圧縮機ホイールの後縁部に近接して位置する第２の流体接続部、及び第１の流体接続部と第２の流体接続部との間に配置されるＥＧＲ制御弁を含む。ＥＧＲ制御弁は、ＥＧＲ率を選択的に変化させるように構成される。いくつかの実施形態において、ＥＧＲ率は、ターボチャージャーの作動モードに基づいて０％〜５０％の間で変化する。

本発明の別の実施形態によれば、タービンボリュート用のＥＧＲ制御弁は、近位端部で回転駆動機構に作動可能に接続された密封フラップを含み、密封フラップは、丸い縁部を有する密封面を有する。ＥＧＲ制御弁は、回転駆動機構とタービンボリュート開口部の面取りされた縁部（ｃｈａｍｆｅｒｅｄ ｅｄｇｅ）との間の垂直オフセット、ボリュート開口部に整合してＥＧＲ流路を提供するように構成されたＥＧＲ出口ダクトをさらに含む。回転駆動機構は、第１の位置と第２の位置との間に密封フラップを作動させるように構成される。第１の位置において、タービンボリュート開口部は、タービンボリュート開口部の面取りされた縁部と整合する丸い縁部によって密封される。第２の位置において、ＥＧＲ流路は、タービンボリュートからタービンボリュート開口部を通ってＥＧＲ出口ダクトまで提供される。中間位置において、ＥＧＲ流路及びタービン排気経路の両方に流れが可能になる。

さらに別の実施形態は、ＥＧＲ制御弁を組み立てる方法を提供する。この方法は、タービンハウジングのボリュートに開口部を提供するステップ、開口部を介してボリュートの内部密封面を機械加工するステップ、回転駆動機構に作動可能に接続された密封フラップを設置するステップであって、回転機構がタービンハウジング内に配置され、開口部の着座面から垂直オフセットに配置されるステップ、及び開口部にＥＧＲダクトを取り付けるステップを含む。

別の実施形態において、ターボチャージャー圧縮機ＥＧＲボリュートは、ＥＧＲ流を受け取るように構成されたＥＧＲ入口、新気流を提供する圧縮機ホイールの後縁部（ｔｒａｉｌｉｎｇ ｅｇｄｅ）に近接して配置されたＥＧＲ出口；及びＥＧＲ入口とＥＧＲ出口との間のターボチャージャー圧縮機ボリュートの周りの線形断面積の進行を含む。

本開示のこれらおよび他の様態、ならびに特徴は、添付の図面と関連させて読むと、より容易に理解されるであろう。

図１Ａは、本開示の実施形態による、第１のエンジン空気システムのシステム概要を示す。 図１Ｂは、本開示の一実施形態による、２つの圧力−体積グラフを示す。 図２Ａは、本開示の一実施形態による、ターボチャージャー圧縮機の断面図を示す。 図２Ｂは、本開示の一実施形態による、冷却回路を有するターボチャージャー圧縮機の断面図を示す。 図３Ａは、本開示の一実施形態による、第１のＥＧＲ制御弁の断面図を示す。 図３Ｂは、本開示の一実施形態による、第１のＥＧＲ制御弁の断面図を示す。 図４Ａは、本開示の一実施形態による、第２のＥＧＲ制御弁の断面図を示す。 図４Ｂは、本開示の一実施形態による、第２のＥＧＲ制御弁の断面図を示す。 図５Ａは、本開示の一実施形態による、第３のＥＧＲ制御弁の断面図を示す。 図５Ｂは、本開示の一実施形態による、ターボチャージャーシステム内に設置された第３のＥＧＲ制御弁の斜視図を示す。 図６は、本開示の一実施形態による、第３のＥＧＲ制御弁の密封フラップの斜視図を示す。 図７は、本開示の一実施形態による、線Ａ―Ａに沿った図６の密封フラップの断面図を示す。 図８は、本開示の一実施形態による、ＥＧＲ制御弁密封フラップの斜視図を示す。 図９は、本開示の一実施形態による、中間位置におけるＥＧＲ制御弁密封フラップの斜視図を示す。 図１０は、本開示の一実施形態による、ＥＧＲ制御弁を組み立てる方法を示す。 図１１Ａは、本開示の一実施形態による、ターボチャージャー圧縮機ＥＧＲボリュートの断面図を示す。 図１１Ｂは、本開示の一実施形態による、ターボチャージャー圧縮機ＥＧＲボリュートの斜視図を示す。 図１１Ｃは、本開示の一実施形態による、互いに重ね合わされたターボチャージャー圧縮機ＥＧＲボリュートの多重断面図を示す。 図１１Ｄは、本開示の一実施形態による、ターボチャージャー圧縮機ＥＧＲボリュートの面積進行のグラフを示す。 図１２は、本開示の一実施形態による、バックプレートを備えたターボチャージャー圧縮機ＥＧＲボリュートの多数のビューを示す。 図１３は、本開示の一実施形態による、ＥＧＲ流と新気流との合流領域の断面図を示す。 図１４は、本開示の一実施形態による、ディフューザにおける流れを示す。 図１５は、本開示の一実施形態による、様々な流量に対する新気流角度のグラフを示す。 図１６は、本開示の一実施形態による、合流領域の第２の断面図を示す。 図１７は、本開示の一実施形態による、ターボチャージャーシステムの断面図を示す。 図１８は、本開示の一実施形態による、第２のエンジンエアーシステムのシステム概要を示す。

これから図面を参照すると、図１Ａは、本開示の一実施形態による、エンジン空気システムの第１のシステム概要を示す。図示されたエンジン空気システム１００は、ターボチャージャー１０２を含む。ターボチャージャー１０２は、圧縮機ホイール１０６を有する圧縮機１０４及びタービンホイール１１０を有するタービン１０８を含む。圧縮機ホイール１０６及びタービンホイール１１０は、共通シャフト１１２によって接続される。圧縮機は、入口の新気を受け取り、新気を圧縮して、燃料の制御された燃焼によって動力を生成する多数のシリンダーを有し得るエンジン１４０内に流入させる。圧縮機によって受け取った新気は、周辺空気以外の他の供給源からの空気を含み得る。例えば、圧縮機１０４に入る空気は、クランク室ポジティブ換気（ＰＣＶ）システム、ＥＧＲ、タービン後排気から引き出される圧縮機段の前に流入されたＥＧＲからの空気、または気流に存在する他の流体を含み得る。燃焼中に発生した排気ガスは、排気マニホールド１３４を介してエンジン１４０を出る。排気ガスの少なくとも一部はタービン１０８で膨張し、エネルギーを放出してタービンホイール１１０を駆動する。

排気ガスの一部または全部は、ＥＧＲ流路１１４に供給されて、圧縮機１０４に戻る。ＥＧＲ流路１１４は、タービン１０８に近接して位置するハウジング内の第１の流体接続部１１６及び圧縮機ホイール１０６の後縁部に近接して位置する第２の流体接続部１１８を含み得る。ＥＧＲ流路１１４はまた、ＥＧＲクーラー１２４を通るＥＧＲクーラー流路１２２、及びＥＧＲクーラー流路１２２に並列流路１２８を供給するＥＧＲクーラーバイパス１２６を含み得る。

ＥＧＲ流路１１４に供給される排気ガスの量は、ＥＧＲ制御弁１２０の位置（すなわち、全閉と全開との間及びこれを含む開度）で少なくとも部分的に決定される。ＥＧＲ制御弁１２０は、第１の流体接続部１１６と第２の流体接続部１１８との間に配置される。いくつかの実施形態において、ターボチャージャー１０２は、通常の（例えば、温度）作動パラメーターの公称ＥＧＲ率よりも大きいＥＧＲ率を提供するＥＧＲ制御弁を使用して低熱モードで作動する。いくつかの実施形態において、低熱モードで作動すると、ＥＧＲ率は４０％を超え、いくつかの実施形態では、ＥＧＲ率は最大５０％までである。ターボチャージャー１０２の通常作動モード（例えば、温度作動モード）では、ＥＧＲ制御弁１２０が、典型的に３５％未満の公称ＥＧＲ率を提供するが、これは作動条件によって変化し得る。所望のＥＧＲ率は、エンジンシステムの作動パラメーターに基づいて決定され、ＥＧＲ率は、ＥＧＲ制御弁を所定の位置に再配置することにより少なくとも部分的に得られる。ＥＧＲ率は、タービン排気経路１３６に供給される部分と比較して、ＥＧＲ流路１１４に供給される排気ガスの百分率に基づいて決定される。例えば、エンジンマニホールド流１３５の半分をＥＧＲ流路１１４に、半分をタービン排気経路１３６に向けるように配置されたＥＧＲ制御弁１２０は、５０％のＥＧＲ率を有するといえる。さらに、すべてのエンジンマニホールド流１３５をタービン排気経路１３６に向けるように配置されたＥＧＲ制御弁１２０は、０％のＥＧＲ率を有するといえる。

圧縮機１０４は、新気を圧縮してエンジン１４０に流入させる。したがって、新気の総圧力が増加する。しかしながら、すべての静圧上昇が圧縮機ホイール１０６を横切って発生するわけではない。圧縮機ホイール１０６を出る空気は、ほぼ同等の総圧力で圧縮機出口での速度よりも速い速度である。流体速度の増加に応じて静圧が低下するため、圧縮機ホイール１０６以後の最低動圧は、圧縮機ホイール１０６の後縁部に近接して（例えば、第２の流体接続部１１８で）実現される。新気が圧縮機ホイール１０６を出た後、ディフューザを通って半径方向外側に膨張し得る。ガスがディフューザを通って進行するにつれて、断面積が増加し、流体の速度が減少して静圧が増加する。

（例えば、ＥＧＲ流路１１４を介して）ＥＧＲ流を駆動するには、第１の流体接続部１１６（例えば、エンジン排気の高圧）と第２の流体接続部１１８（例えば、ディフューザ内で膨張する前に、圧縮機ホイール１０６の後縁部で高速で動く新気による低い静圧）との間に圧力差が必要である。ＥＧＲ流を駆動するこの圧力差は、エンジン１４０の燃焼チャンバを通る再循環のために十分な量の排気ガス（例えば、エンジンマニホールド流１３５）が吸気口（例えば、第２の流体接続部１１８）に流れるようにする。ＥＧＲ流量は、エンジン１４０及びターボチャージャー１０２の様々な作動条件に対するＥＧＲ制御弁１２０の位置によって制御され得る。

図１Ｂは、本発明の一実施形態による圧力−体積Ｐ−Ｖグラフ１５０、１７０を示す。圧力体積グラフ１５０及び１７０は、それぞれ、エンジン（例えば、エンジン１４０）の２つの異なる作動条件に対する水平軸１５４に沿った体積値と比較して、垂直軸１５２に沿った圧力値を示す。グラフ１５０及び１７０において、吸気行程１６２はグラフ１５０及び１７０の左側下端から始まり、ピストンが上死点（ＴＤＣ）から下死点（ＢＤＣ）に移動するにつれて、ほぼ一定の圧力値１５８で体積が増加する。圧縮行程１６４は体積を減少させて圧力を上昇させる。動力行程１６６は点火中に起こり、ピストンが作業を行うにつれ圧力を急速に増加させる。一般に、Ｐ−Ｖダイアグラムの曲線の下の領域は、実行中の作業を示す。

図１Ｂの左側のグラフ１５０の排気行程１６８と図１Ｂの右側のグラフ１７０の排気行程１７８とを比較すると、グラフ１５０はネガティブポンピングループ１８０を含み、グラフ１７０はポジティブポンピングループ１９０を含むことが分かる。これは、排気行程１６８が吸気行程１６２の圧力値１５８よりも高い圧力値１５６で起こり、一方、排気行程１７８は吸気行程１６２の圧力値１５８よりも低い圧力値１６０で起こるので生じる。吸気行程（例えば、１６２）中のシリンダー圧力が排気行程のシリンダー圧力（例えば、１７８）よりも高いので発生するポジティブポンピングループは、ガス交換プロセス中にエンジンクランクシャフトで積極的な作業を行うことができる。

図１Ｂの説明とともに図１Ａの説明に戻ると、新気静圧が低い点に第２の流体接続部１１８を配置すると、エンジン空気システム１００の効率を増加させることができる。これにより、一般的なＥＧＲシステムでＥＧＲ流を駆動するネガティブポンピングループが減少する。いくつかの実施形態において、第２の流体接続部１１８を圧縮機ホイール１０６の後縁部に配置させると、ポジティブポンピングループ（例えば、ポジティブポンピングループ１９０）及びエンジンシステムの増加した効率を提供する。異なる作動条件に基づいて、一般的なＥＧＲシステムは、ＥＧＲを駆動するのに十分な差圧を有していない場合がある。これは、低トルク条件で作動するときに発生し得る。典型的なＥＧＲシステムは、ＥＧＲを駆動するための所望の差圧を達成するために、排気制限または吸気低下を利用することができる。本開示のいくつかの実施形態において、ＥＧＲ制御弁１２０を使用してＥＧＲ流を駆動するのに十分な差圧を提供する。

さらに、ＥＧＲ流を圧縮機ホイール１０６の後縁部に流入させると、圧縮機入口（例えば、圧縮機の上流及び静圧の低い位置）の前にＥＧＲ流が供給されるときに、圧縮機ホイール１０６に衝突する液滴（例えば、凝縮水、未燃焼ディーゼル燃料、オイル、または排気ガス微粒子）によって発生する可能性のある損傷が除去される。また、未燃焼の炭化水素（別名ディーゼル煤）は、圧縮機ホイール１０６の上流に添加される場合、インペラー汚染などを引き起こすことができる。

本明細書で説明された様々な実施形態において、ＥＧＲ流を新気流と整列させることにより、混合流によって引き起こされる損失及び外乱（ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ）を最小化することができる。この整列は、新気流とＥＧＲ流との間の均一な流れ場が可能にする。ターボチャージャー圧縮機ＥＧＲボリュート（以下で詳細に説明する）を使用して、新気流とＥＧＲ流との間に、整列されかつ均一な流れを実現することができる。

ＥＧＲ制御弁１２０は、ＥＧＲ流路１１４とタービン排気経路１３６との間の面積比を制御することにより、ＥＧＲ率を調節する。従来技術のツインまたはデュアルボリュートハウジングは、理想的には１つのボリュートに配置されたＥＧＲ制御弁で０％〜５０％のＥＧＲ率をサポートする必要がある。しかしながら、これらのシステムの漏れにより、上限が３７％〜４５％に制限される。ＥＧＲ制御弁１２０は、ＥＧＲ流路及びタービン排気経路の改善された密封（以下により詳細に説明する）を提供するように構成され、したがって、ＥＧＲ率を０％付近、５０％付近のＥＧＲ流及び０％〜５０％の間の任意の割合で制御することが可能になる。

本明細書の様々な実施形態において、ＥＧＲ制御弁１２０の位置は、制御信号またはエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）によって受信された制御信号に基づいて制御され得る。典型的なＥＣＵは、質量空気流センサー、スロットル位置センサー、排気温度及び圧力センサーなどの様々なセンサーに対する信号接続を通じてエンジンの状態を監視する。ＥＣＵは、プログラムによって、または集積回路を介した直接的な電気接続によって、または当業者に知られている方法の任意の組み合わせによって実装され得る。

ＥＧＲ制御弁１２０は、ＥＧＲ流量を決定するために使用され得るＥＧＲ制御弁の弁位置を決定するように構成された弁位置表示システムをさらに含み得る。いくつかの実施形態において、ＥＧＲ制御弁１２０の所定の中間位置で、ＥＧＲ率はエンジン１４０の速度に基づいて変化し得る。例えば、分当たり１，０００回転（ｒｐｍ）のエンジン速度では、エンジン空気システム１００は３５％のＥＧＲ率を有することができ、１，２００ＲＰＭのエンジン速度では、エンジン空気システム１００は１０％のＥＧＲ率を有することができる。エンジン空気システム１００は、排気ガス圧力を検出及び出力するように構成されたＥＧＲ圧力センサー１３０をさらに含み得る。いくつかの実施形態において、ターボチャージャー１０２の様々な作動特性（例えば、回転速度）は、ＥＧＲ制御弁１２０の位置及び排気ガスの圧力に基づいて制御され得る。

低熱条件、例えば、低温始動及び空回転下で、排気後処理システム１３８は、エンジン１４０での燃焼中に発生したＮＯ_Ｘガスの放出を除去するのに十分な熱を持たないこともある。ＥＧＲを駆動することは、エンジン１４０に供給される吸入空気から酸素を置換することによってＮＯ_Ｘ形成を減少させる方法を提供する。ＥＧＲ制御弁１２０は、（例えば、タービン排気経路１３６を介して）タービン１０８への流路の一部を妨害または遮断し、排気ガスの一部を圧縮機１０４（例えば、ＥＧＲ流路１１４）に転換することにより、ＥＧＲを駆動することを可能にする。酸素の置換は、燃焼プロセス中にＮＯ_Ｘ形成に相当な影響を及ぼすことができる。例えば、酸素濃度が１８％未満であると、生成されたＮＯ_Ｘの４分の３以上の減少が達成され得る一方、酸素濃度が１９％を超えると、ＮＯ_Ｘの半分未満の減少が実現される。したがって、少量の漏れでさえ、酸素置換を妨害することができ、理想的な非漏れ状態と比較して、生成されたＮＯ_Ｘの量を著しく増加させることができる。

通常の作動条件下で、選択的触媒還元システムが作動温度にあると、排気後処理システム１３８は、様々な高温依存化学反応によって排気ガスからＮＯ_Ｘを効率的に除去する。したがって、生成されたガスが排気後処理システム１３８によって除去され得るので、ＥＧＲ率はこれらの条件下で低下し得る。

いくつかの実施形態において、排気後処理システム１３８の故障または欠陷（例えば、尿素の枯渇、排気ガスからＮＯ_Ｘを除去できないことの兆候）の検出に応答して、ＥＧＲ制御弁１２０は、通常の作動条件下でもＥＧＲ率を上昇させるように作動し得ることが予想される。ＥＧＲ率の増加は、全体システムの効率の減少にもかかわらず、エンジン１４０におけるＮＯ_Ｘガスの形成の減少を引き起こす。したがって、増加したＥＧＲ率は、排気後処理システム１３８が故障した場合でも、エンジン空気システム１００が環境への出力において低レベルのＮＯ_Ｘを維持することを可能にする。

いくつかの実施形態において、ＥＧＲ流路１１４は、ＥＧＲ制御弁１２０と第２の流体接続部１１８との間にＥＧＲクーラー１２４を含む。排気空気がＥＧＲクーラー流路１２２を通って流れるとき、ＥＧＲクーラー１２４は、エンジン１４０内に再流入される前に、ＥＧＲ流路１１４で排気ガスの温度を減少させる。いくつかの実施形態において、ＥＧＲ流路１１４は、ＥＧＲクーラー流路１２２に並列流路１２８を提供するＥＧＲクーラーバイパス１２６を含む。ＥＧＲクーラー流路１２２または並列流路１２８のいずれかを通る排気の制御は、ＥＧＲクーラー制御弁１４２によって実現され得る。

いくつかの実施形態において、排気システムは、ウエイストゲート１３２をさらに含む。ウエイストゲート１３２は、タービン１０８の周りに並列流路を提供する。ウエイストゲート１３２は、タービン１０８のタービンホイール１１０にエネルギーを供給する代わりに、排気ガスからエネルギーを放出する手段を提供する。ウエイストゲート１３２を通る排気ガスの流れは、通常的にタービン１０８の下流及び排気後処理システム１３８の上流に流入される。これは、ターボチャージャー１０２の速度、吸気マニホールド圧力、及び空気質量流量を制限する役割を担う。ターボチャージャー１０２の速度の制御は、ウエイストゲート１３２の弁位置に少なくとも部分的に基づくことができる。

図２Ａは、本開示の一実施形態による、例示的なターボチャージャー圧縮機の断面図を示す。特に、図２Ａは、新気流２０２が圧縮機１０４に入ることを示す断面図２００を示す。圧縮機ホイール１０６は、圧縮機ホイール１０６の羽根に沿って新気流を圧縮する。新気流は、第２の流体接続部１１８に近接して、圧縮機ホイール１０６をその後縁部で出る。同時に、ＥＧＲ流２０４は、第２の流体接続部１１８でエンジン１４０からＥＧＲ流路１１４を介して圧縮機１０４に排気される。新気流２０２は、第２の流体接続部１１８でＥＧＲ流２０４と組み合わされる。組み合わされた流れ２０６は、ディフューザ２１０を通ってエンジン１４０に進行する。

ＥＧＲ制御弁１２０の位置の全体にわたって使用される慣例として、第１の位置は、排気マニホールド１３４とＥＧＲ流路１１４との間の経路が閉じられる場合を指す。第２の位置は、排気マニホールド１３４とタービン排気経路１３６との間の経路が閉じられる場合を指す。中間位置は、ＥＧＲ制御弁１２０が排気マニホールド１３４からＥＧＲ流路１１４及びタービン排気経路１３６の両方への二重経路を提供するように配置される場合を指す。したがって、第２の位置または中間位置のいずれかにあるとき、ＥＧＲ制御弁１２０は、エンジンマニホールド流１３５の少なくとも一部をＥＧＲ流路１１４に向けるように構成されているので、ＥＧＲ位置にあるといえる。

図２Ｂは、本開示の一実施形態による、冷却回路を有するターボチャージャー圧縮機の断面図を示す。特に、図２Ｂは、図２Ａの断面図２００と同様の断面図２２０を示す。図２Ｂに示したように、圧縮機ハウジング２２６は、圧縮機ハウジング冷却回路２２２を含み、圧縮機バックプレート２２８は、圧縮機バックプレート冷却回路を含む。様々な実施形態において、ターボチャージャーは、圧縮機ハウジング冷却回路２２２及び圧縮機バックプレート冷却回路２２４のうちの一方または両方を含み得る。圧縮機ハウジング冷却回路２２２及び圧縮機バックプレート冷却回路２２４は、圧縮機ハウジングを出る前にガスから熱を除去するように構成される。冷却回路２２２、２２４は、任意の適切な冷却剤流体によって冷却することができる。いくつかの実施形態において、圧縮機ハウジング冷却回路２２２及び圧縮機バックプレート冷却回路２２４のうちの一方または両方を有するターボチャージャーは、ＥＧＲクーラー１２４、または減少したサイズ／減少した冷却容量ＥＧＲクーラー１２４なしで作動し得る。このような冷却回路は、エンジンコストの減少を可能にし、全体ターボチャージャーシステムのより小さくてより軽量であるパッケージングを可能にすることができる。

本開示の一実施形態によって、図３Ａは、第１の位置にある第１のＥＧＲ制御弁の断面図を示し、図３Ｂは、中間位置にある第１のＥＧＲ制御弁の断面図を示す。特に、図３Ａは、図１のＥＧＲ制御弁１２０として作用し得るスクープ弁３２０の断面図３００を示す。図３Ｂは、中間位置にあるスクープ弁３２０の断面図３５０を示す。ビュー３００は、スクープ弁３２０がタービンボリュート３０８内に位置することを示す。エンジン１４０からのエンジンマニホールド流１３５は、左側の排気マニホールド１３４から受け取られる。第１の流体接続部１１６において、エンジンマニホールド流１３５は、スクープ弁３２０の位置に基づいて、ＥＧＲ流路１１４、タービン排気経路１３６、またはその両方に向けられる。

スクープ弁３２０は、ビュー３００に示したように、ＥＧＲ流路１１４を密封する第１の位置にあるときにタービンボリュート３０８のハウジング壁３１０と整列されるように構成された主に平坦な面を有する第１の面３０４を含む。いくつかの実施形態において、タービンボリュート３０８は、タービン１０８のハウジングに一体化される。

スクープ弁３２０は、ビュー３５０に示したように、中間位置にあるとき、または第２の位置（図示せず）にあるときにエンジンマニホールド流１３５をＥＧＲ流路１１４に案内するように構成された凹面３０６をさらに含む。凹面３０６は、第１の面の反対側の第２の面に位置し、外乱及びエントロピー生成を最小化しながら、エンジンマニホールド流１３５をＥＧＲ流路１１４に案内するように湾曲される。凹面３０６の傾斜は、初期にはエンジンマニホールド流１３５と整列され、わずかに湾曲されてＥＧＲ流路１１４との整列を提供するように構成され得る。

ビュー３００及び３５０は、第１の位置（例えば、完全に上昇し、密封されたＥＧＲ流路１１４）及び中間位置（例えば、部分的に下降し、タービン排気経路１３６とＥＧＲ流路１１４の両方に利用可能な流れ）にあるスクープ弁３２０を示すが、完全に下降した位置にあるスクープ弁３２０の位置は、タービン排気経路１３６を密封することができることが理解される。このような第２の位置において、第１の面３０４は、タービンボリュート３０８の底面３２２に隣接する。スクープ弁３２０は、線形運動アクチュエーター３０２によって位置決めされる。スクープ弁３２０の位置は、ＥＧＲ率を決定し、ターボチャージャー性能を監視及び制御するために使用されている線形運動アクチュエーター３０２によって得られる。

本開示の一実施形態によって、図４Ａは、第１の位置にある第２のＥＧＲ制御弁の断面図を示し、図４Ｂは、中間位置にある第２のＥＧＲ制御弁の断面図を示す。特に、図４Ａは、図１のＥＧＲ制御弁１２０として作用し得るフラッパ弁４２０の断面図４００を示す。図４Ｂは、中間位置にあるフラッパ弁４２０の断面図４５０を示す。スクープ弁３２０と同様に、フラッパ弁４２０は、タービンボリュート３０８に配置される。排気マニホールド１３４からのエンジンマニホールド流１３５は、左側に入る。第１の流体接続部１１６において、エンジンマニホールド流１３５は、フラッパ弁４２０の位置に基づいて、ＥＧＲ流路１１４、タービン排気経路１３６、または両方に流れることが可能になる。

ビュー４００において、フラッパ弁４２０は、ＥＧＲ流路１１４を密封する第１の位置にある。フラッパ弁は、近位端部４１０に回転式アクチュエーター４０４を含む。フラッパ弁４２０の遠位端部４０８は、ＥＧＲ流路１１４を遮断する密封位置にあるときに、タービンボリュート３０８の凹部４０６と整合するように構成される。ビュー４５０は、排気マニホールド１３４からの排気ガスの一部がＥＧＲ流路１１４に流れ、残りがタービン排気経路１３６に流れることを可能にする中間位置にあるフラッパ弁４２０を示す。フラッパ弁４２０はまた、タービン排気経路１３６への流れを遮断する第２の位置に配置され得る。このような第２の位置において、フラッパ弁４２０は、遠位端部４０８がタービンボリュート３０８の底面３２２に対向し得るように回転される。フラッパ弁４２０は、回転アクチュエーター４０４によって位置決めされ、これはまた、ＥＧＲ率を決定し、ターボチャージャー性能を監視及び制御するために、フラッパ弁４２０の位置表示を提供することができる。

図５Ａは、本開示の一実施形態による、第３のＥＧＲ制御弁の断面図を示す。特に、図５Ａは、ＥＧＲ制御弁５２０の断面図５００を示す。図５Ｂは、本開示の一実施形態による、ターボチャージャーシステム内に設置された第３のＥＧＲ制御弁の斜視図を示す。特に、図５Ｂは、断面図５００と同じ、多くの構成部品を示す斜視図５５０を示す。図５Ｂに示したように、ＥＧＲ制御弁５２０は、タービンボリュート５０４上に配置される。ビュー５５０は、排気マニホールド１３４のないＥＧＲ制御弁５２０を示す。示されているターボチャージャーはツインボリュートターボチャージャーであり、第２のボリュート５０４−２はタービンボリュート５０４に隣接して平行に配置される。第２のボリュート５０４−２は、タービンボリュート５０４に平行な流路を提供する。ＥＧＲ出口ダクト５２８は、タービンボリュート開口部５２２上でタービンボリュート５０４と整合可能である（例えば、ボルト、ねじ、接着剤）。オペレーター５５２（例えば、電気アクチュエーター）は、回転駆動機構５０８に作動可能に結合される。

本説明は、ＥＧＲ率の全範囲が０％〜５０％の間にあることに関するものであるが、これは、１つのタービンボリュートに配置されたシングルＥＧＲ制御弁を有するツインボリュート設計に基づいている。他のＥＧＲ率は、シングルＥＧＲ制御弁を有するシングルタービンボリュート、２つのＥＧＲ制御弁を備えたデュアルタービンボリュートなどのような他の設計で達成され得る。

図５Ａの説明に戻ると、ＥＧＲ制御弁５２０は、エンジン空気システム１００においてＥＧＲ制御弁１２０として使用され得る。ＥＧＲ制御弁３２０、４２０と同様に、ＥＧＲ制御弁５２０は、エンジンマニホールド流１３５をＥＧＲ流路１１４とタービン排気経路１３６との間で分割する。ここで、ＥＧＲ制御弁５２０は、タービンボリュート５０４のタービンボリュート開口部５２２上に配置される。密封フラップ５０６は、近位端部５１０で回転駆動機構５０８に作動可能に接続される。回転駆動機構５０８は、密封フラップ５０６がタービンボリュート５０４を横切って掃引するようにする。ビュー５００に示したように、ＥＧＲ制御弁５２０は、ＥＧＲ流路１１４が密封された第１の位置にあるといえる。密封フラップ５０６の点線表示は、第２の位置でのＥＧＲ制御弁を示す。

参考として、ＥＧＲ制御弁５２０は、ビュー５００に示したように、タービンボリュート開口部５２２を密封することにより、０％またはほぼ０％のＥＧＲ率を提供することができる。この第１の位置において、密封フラップ５０６は、０度の弁位置にあり、エンジンマニホールドの流れ１３５と平行であるといえる。５０％のＥＧＲ率を達成するために、ツインまたはデュアルボリュートハウジングに設置されたＥＧＲ制御弁５２０は、タービン排気経路１３６への流れを遮断する第２の位置（例えば、密封フラップ５０６の点線表示で示したもの）にあり得る。この第２の位置において、密封フラップ５０６は、その遠位端部５１２が底面３２２に対して位置決めされるようにし、角度θで示されたように約５０度の弁位置を有することができる。しかしながら、タービンボリュート開口部５２２の異なるサイズ及びタービンボリュート５０４の高さは、第２の位置にあるときに他の弁位置角度を引き起こすことができることが想定される。

ＥＧＲ制御弁５２０は、様々な中間ＥＧＲ率を達成するために、ＥＧＲ流路１１４とタービン排気経路１３６との間の流れを分割するために中間位置に位置され得ることがさらに想定される。このような位置において、密封フラップ５０６は、第１の位置と第２の位置との間の任意の中間位置に配置され得る。

密封フラップ５０６は、丸い縁部５２６を有する密封面５１４を含む。密封フラップ５０６は、以下の図６及び図７のビュー６００及び７００にそれぞれ詳述される。丸い縁部５２６は、タービンボリュート開口部５２２の面取りされた縁部５１８に対して密封（例えば、面取りされた縁部５１８と整合）されるように構成される。回転駆動機構５０８の中心は、面取りされた縁部５１８の位置から垂直オフセット５１６に配置される。

さらに、タービンボリュート５０４の側壁は、機械加工された壁５２４を含み得る。一実施形態において、タービンボリュート５０４は、鋳造片または鍛造片である。追加の機械加工は、タービンボリュート５０４の内部密封面、例えば、側壁において行って、より滑らかな面及びより正確な寸法を提供して、密封フラップ５０６の幅ｗに、より正確に適合させることができる。タービン排気経路１３６の密封は、密封フラップ５０６の側面５４０とタービンボリュート５０４の機械加工壁５２４との間によって強固な密封を提供することにより改善され得る。側壁の機械加工は、ＥＧＲ出口ダクト５２８がタービンボリュート５０４に取り付けられていない場合、タービンボリュート開口部５２２からのアクセスを介して達成され得る。

垂直オフセット５１６は、回転駆動機構５０８と密封面５１４との間に配置された凹部５３０によって少なくとも部分的に実現される。密封フラップ５０６上の丸い縁部５２６とタービンボリュート開口部５２２の面取りされた縁部５１８との組み合わせにより、様々な温度、及び熱膨張条件下での密封が可能になり、様々な構成部品の公差の積み重ねを考慮して、タービンボリュート開口部５２２の密封を提供する。垂直オフセット５１６を提供することの追加の利点は、閉位置（例えば、０度位置）からのより均一な初期リフトオフである。

本開示の一実施形態によって、図６は、第３のＥＧＲ制御弁の密封フラップの斜視図を示し、図７は、線Ａ−Ａに沿った図６の密封フラップの断面図を示す。特に、図６は、密封フラップ５０６の斜視図６００を示し、図７は、図６の線Ａ−Ａに沿った密封フラップ５０６の断面図７００を示す。

回転駆動機構５０８は、近位端部５１０で密封フラップ５０６に取り付けるように構成される。密封面５１４の縁部は、ＥＧＲ制御弁が第１の位置（例えば、０度）にあるときにタービンボリュート開口部５２２の面取りされた縁部５１８と整合及び密封するための丸い縁部５２６を含む。

遠位端部５１２において、密封面の角部は、丸い角部５３４を含み得る。丸い角部５３４は、第２の位置（例えば、５０度）にあるとき、タービンボリュート５０４でフィレット５３６（図８に示す）と整合するように構成され得る。丸い角部５３４は、フィレット５３６の半径測定値よりもわずかに小さい半径を有するようにサイズが決定され得る。例えば、丸い角部５３４の半径は、フィレット５３６の半径よりも小さい５０〜２，５００ミクロンの間のサイズであり得る。密封フラップ５０６の側面５４０は、近位端部５１０と遠位端部５１２との間に延びる。

本開示の一実施形態によって、図８は、第２の位置にあるＥＧＲ制御弁密封フラップの斜視図を示し、図９は、中間位置にあるＥＧＲ制御弁密封フラップの斜視図を示す。特に、図８は、タービンボリュート５０４の部分切り取り部を有するＥＧＲ制御弁５２０のビュー８００を示す。図９は、中間位置にあるＥＧＲ制御弁５２０以外は、ビュー８００と同様のビュー９００を示す。ビュー８００及び９００に示したように、密封フラップ５０６は、密封フラップ５０６の密封面５１４側にガスポート８０４をさらに含み得る。ガスポート８０４は、流体接続部８０６を介して側面密封部８０２に流体接続される。側面密封部８０２は、密封フラップ５０６のキャビティ８０８内に配置され、タービンボリュート側壁に向かって、そしてタービンボリュート側壁から離れてキャビティ８０８内外に並進することが許容される。ガスポート８０４は、側面密封部８０２上の所望の圧力を得るために、密封フラップ５０６の密封面５１４上に優先的に配置され得る。

第２の位置（例えば、弁位置５０度）にあるとき、排気マニホールド１３４内の排気ガスからの圧力は、ガスポート８０４に作用する。ガスポート８０４は、側面密封部８０２に流体接続されているので、側面密封部８０２は、機械加工された壁５２４であり得るタービンボリュート５０４の側壁に向かって押され、かつ外側に押される。したがって、側面密封部８０２は、側壁と相互作用して、タービン排気経路１３６の密封を増加させ、タービン排気経路１３６への漏れを少なくする。向上された密封は、漏れを減らすことでＥＧＲ率を増加させ、これにより最小限の空気クリアランスを維持しながら、摩擦を減らす。

ビュー９００において、密封フラップ５０６は、中間位置（例えば、約２５度の弁位置）にあり、したがって、ガスポート８０４に感じられる圧力は、ビュー８００に示した第２の弁位置と比較して減少する。このように、側面密封部８０２は、多くの力で側壁に向かって加圧されない。

図１０は、本開示の一実施形態による、ＥＧＲ制御弁を組み立てる方法を示す。特に、図１０は、ＥＧＲ制御弁５２０のようなＥＧＲ制御弁を組み立てる方法１０００を示す。この方法は、ブロック１００２でボリュートに開口部を提供するステップ、ブロック１００４での内部密封面を機械加工するステップ、ブロック１００６に密封フラップを設置するステップ、ブロック１００８で開口部にＥＧＲダクトを取り付けるステップを含む。

方法１０００は、上述のＥＧＲ制御弁５２０とともに本明細書で説明される。ブロック１００２において、タービンボリュート５０４にはタービンボリュート開口部５２２が設置される。タービンボリュート５０４は、側壁のような内部密封面を含む。これらの側壁を機械加工して、より正確な公差及びより滑らかな面を提供して、密封フラップ５０６の側面に対して密封することができる。

機械加工された壁５２４は、密封フラップ５０６の側面５４０で密封するように構成される。ブロック１００４において、タービンボリュート５０４の側壁が機械加工される。側壁を機械加工するためにタービンボリュート５０４の内部へアクセスすることは、タービンボリュート開口部５２２を介して提供される。

いくつかの実施形態において、タービンボリュート５０４の内部密封面を機械加工することは、フィレット５３６を機械加工することを含む。フィレット５３６は、密封フラップ５０６の丸い縁部５３４で密封するように構成される。

ブロック１００６において、密封フラップ５０６は、回転駆動機構５０８に作動可能に接続される。回転駆動機構５０８は、タービンハウジング内に配置され、着座面（例えば、タービンボリュート開口部５２２の面取りされた縁部５１８）から垂直オフセット５１６に配置される。いくつかの実施形態において、密封フラップ５０６には、密封フラップ５０６の密封面５１４側上のガスポート８０４と流体接続される側面密封部８０２が設置され得る。このような実施形態において、側面密封部８０２を有する密封フラップ５０６が設置される。

ブロック１００８において、ＥＧＲ出口ダクト５２８は、タービンボリュート開口部５２２に取り付けられる。取り付けは、ファスナー、接着剤などを介して行われ得る。タービンボリュート５０４の外部とＥＧＲ出口ダクト５２８との間の改善された密封を提供するために、取り付けにガスケットを補充することもできる。

図１１Ａは、本開示の一実施形態による、ターボチャージャー圧縮機ＥＧＲボリュートの断面図を示し、図１１Ｂは、ターボチャージャー圧縮機ＥＧＲボリュートの斜視図を示す。特に、図１１Ａは断面図１１００を示し、図１１Ｂはターボチャージャー圧縮機ＥＧＲボリュート１１０２の斜視図１１４０を示す。ターボチャージャー圧縮機ＥＧＲボリュート１１０２を使用して、ＥＧＲ制御弁１２０からＥＧＲ流を提供し、エンジン１４０に流入させるために圧縮機１０４からの新気と混合することができる。例えば、ターボチャージャー圧縮機ＥＧＲボリュート１１０２は、圧縮機ホイール１０６の後縁部に近接して図１の第２の流体接続部１１８でＥＧＲ流を提供することができる。

ターボチャージャー圧縮機ＥＧＲボリュート１１０２は、ＥＧＲ入口１１０４及びＥＧＲ出口１１０６を含む。ターボチャージャー圧縮機ＥＧＲボリュート１１０２を通る流路は、減少する断面積の進行１１０８を実現することができる。いくつかの実施形態において、減少する断面積の進行１１０８は、ＥＧＲ入口１１０４からＥＧＲ出口１１０６までの螺旋状の流路１１１０の実質的な部分にわたって線形またはほぼ線形の、減少する断面積の進行１１０８を示す。したがって、ＥＧＲ流がターボチャージャー圧縮機ＥＧＲボリュート１１０２を通って進行するにつれて、ビュー１１００に示した領域１１０８−１及び１１０８−２によって示したように、領域の減少を実現する。

ビュー１１００の下端にある領域１１０８−１は、ＥＧＲ入口１１０４付近（例えば、螺旋状流路１１１０に沿った位置１１１０−１付近）のターボチャージャー圧縮機ＥＧＲボリュート１１０２の代表的な断面を示す。ビュー１１００の上部にある領域１１０８−２は、ＥＧＲ入口１１０４から螺旋状の流路１１１０に沿ったさらなる位置（例えば、位置１１１０−４付近）でのターボチャージャー圧縮機ＥＧＲボリュート１１０２の代表的な断面を示し、そして、領域１１０８−１よりも小さい断面積を提示している。流れが螺旋状流路に沿ってＥＧＲ入口１１０４からＥＧＲ出口１１０６に向かって進行するにつれて（例えば、１１１０−１、１１１０−２、…１１１０−Ｎ）、流れの一部が各々の増分セクションとともにターボチャージャー圧縮機ＥＧＲボリュートを出るので、ＥＧＲ出口１１０６を出るにつれて、より小さい断面積を経験する。ＥＧＲ出口１１０６は、圧縮機ホイール１０６の周囲に沿って圧縮機ホイールの後縁部にＥＧＲ流の流入を提供する。

図１１Ｃは、本開示の一実施形態による、互いに重ね合わされたターボチャージャー圧縮機ＥＧＲボリュートの多重断面図を示す。特に、図１１Ｃは、断面積１１０８−３、１１０８−４、１１０８−５を有し、それぞれが幾何学的中心１１０９−３、１１０９−４及び１１０９−５を有するビュー１１５０を示す。螺旋状流路１１１０に沿って進行する順に、領域１１０８−３は、最初の代表的な断面積を示し、領域１１０８−４は、後続の代表的な断面積を示し、領域１１０８−５は、さらに後続の代表的な断面積を示し、それぞれは先行する断面積よりも小さい断面積を有する。

ビュー１１５０はまた、それぞれの断面積１１０８−３、１１０８−４、及び１１０８−５に対する幾何学的中心１１０９−３、１１０９−４、及び１１０９−５を示す。それぞれの幾何学的中心または重心は、断面積のすべての点に対する算術平均位置を示す。さらに、ＥＧＲ出口１１０６の一般的な位置は、図１１Ｃに示す。

図１１Ｄは、本開示の一実施形態による、ターボチャージャー圧縮機ＥＧＲボリュートの面積進行のグラフを示す。特に、図１１Ｄは、ｘ軸１１６２に沿った断面角度、ｙ軸１１６４に沿った面積対半径の比Ａ／Ｒを有するグラフ１１６０を示す。断面角度は、螺旋状流路１１１０に沿った度数を示す。Ａ／Ｒは、圧縮機ホイールの中心（例えば、圧縮機ホイール１０６の中心）と各断面の幾何学的中心との間で測定された半径に対する断面（例えば、１１０８−１）の断面積の値の比を示す。面積の測定値（長さの２乗）を半径（長さ）で割ると、Ａ／Ｒ単位の長さの測定値が生成される。

グラフ１１６０は、３つの例示的な面積進行１１６６、１１６８及び１１７０を示す。第１の面積進行１１６６は、初期には１ｍｍのＡ／Ｒで始まり、これは、螺旋状の流路１１１０に沿って０ｍｍのＡ／Ｒの値に向かって０度の断面角度から３６０度の断面角度まで減少する。同様に、面積進行１１６８及び１１７０は、初期には０度の断面角でそれぞれ２ｍｍ及び３ｍｍから始まり、３６０度の断面角で０ｍｍＡ／Ｒに向かって減少する。

いくつかの実施形態において、断面角に沿って進行するにつれて、Ａ／Ｒの減少率は、螺旋状流路１１１０の実質的な部分にわたって線形であるか、またはほぼ線形である。例えば、１１７２で示した面積進行１１７０のセクションは、所定の断面角の変化に対してＡ／Ｒの線形の減少を示す。

以下により詳細に説明されるように、Ａ／Ｒ進行率を変化させて、圧縮機ホイール１０６を出た新気流の角度と一致させるために、圧縮機ホイール１０６の後縁部で流入されるＥＧＲ流の角度を変更することができる。したがって、いくつかの実施形態において、第２の流体接続部１１８またはその付近で、ＥＧＲ流は、圧縮機ホイールにおける新気流の方向に向けられる。

図１２は、本開示の一実施形態による、バックプレートを備えたターボチャージャー圧縮機ＥＧＲボリュートの多数のビューを示す。特に、図１２は、ターボチャージャー圧縮機ＥＧＲボリュート１１０２の斜視図１２００を示し、斜視図１２５０は、バックプレート１２０２を有するターボチャージャー圧縮機ＥＧＲボリュートを示す。バックプレートは、ターボチャージャー圧縮機ＥＧＲボリュート１１０２をターボチャージャーハウジングに取り付けるために提供され、共通シャフト１１２用の開口部１２０４を含む。ターボチャージャー圧縮機ＥＧＲボリュート１１０２をターボチャージャーハウジングに取り付ける例示的な方法は、ボルト、ねじ、スナップ、クランプ、バックプレート１２０２への鋳造などを含む。

図１３は、本開示の一実施形態による、ＥＧＲ流と新気流との合流領域の断面図を示す。特に、図１３は、合流領域１３０６の断面図１３００を示す。合流領域１３０６は、ＥＧＲ流１３０４が新気流１３０２と出会う場所であり、また、図１のエンジン空気システム１００に関連して議論された第２の流体接続部１１８の位置として作用することもできる。上述のように、新気という用語は、低圧ＥＧＲ流、ＰＣＶ流、周囲空気流などを含み得る、圧縮機１０４の入口に流入されるすべての流体の組み合わせを意味するものとして使用される。

ＥＧＲ流１３０４は、ターボチャージャー圧縮機ＥＧＲボリュート１１０２のＥＧＲ出口１１０６を介して提供される。新気流１３０２は、圧縮機ホイール１０６の回転羽根を介して提供される。新気流１３０２は、ＥＧＲ流１３０４と結合され、ディフューザ１３１０を通って進行して、燃焼のためにエンジン１４０に流入される。ＥＧＲ流１３０４の大部分が合流領域１３０６に提供されるが、ＥＧＲ流１３０４の一部は、ＥＧＲ出口１１０６によって圧縮機ホイール１０６の後面１３０８に向けられ得る。圧縮機ホイール１０６の後面１３０８に向けられるＥＧＲ流の当該部分は、圧縮機ホイールポケット１３１２に向けて圧力を提供し、共通シャフト１１２に沿って改善され密封を提供することができる。圧縮機ホイールポケット１３１２に向けられるＥＧＲ流は、圧縮機ホイール１０６の後面１３０８に沿って増加した圧力を提供することができ、これは、共通シャフト１１２の周りに配置されたオイル密封部にわたって圧力差を減少させる。このような減少した差圧は、圧縮機ホイール１０６と軸受区画の間に配置された密封部を越えて漏れ得るエンジンオイルの量を減少させるのに役立ち、これにより、圧縮機ホイールポケット１３１２を介して吸気管に流入されるエンジンオイルの量が制限される。後面１３０８に向かう流れの量は、合流領域１３０６に提供されたＥＧＲ流１３０４の一部と比較するとき、ＥＧＲ出口１１０６によって後面１３０８に向かって提供される重なりの程度に少なくとも部分的に基づいて調整され得る。

図１４は、本開示の一実施形態による、ディフューザにおける流れを示す。特に、図１４は、ディフューザ１３１０を通るＥＧＲ流１３０４及び新気流１３０２のビュー１４００を示す。ＥＧＲ流１３０４は、圧縮機ホイール１０６の周りに円周方向にＥＧＲ出口１１０６によって分配される。いくつかの実施形態において、ＥＧＲ流１３０４は、圧縮機ホイール１０６の周囲に均等に分配される。新気は、圧縮機ホイール１０６のブレードによって圧縮されるので、回転方向Ｕ_２と半径方向Ｗ_２に運動量を受ける。ベクトルＷ_２は、各圧縮機ホイールベーン先端から延びる軸１４０２に沿って提供される。空気の質量流量が増加するにつれて、ベクトルＷ_２の大きさが増加する。ベクトルＵ_２は、各圧縮機ホイール縁部に対して接線方向である。圧縮機ホイール１０６の回転速度が増加するにつれて、ベクトルＵ_２の大きさが増加する。ベクトルＣ_２及びＣ′_２は、それぞれ新気流及びＥＧＲ流に対する流体の流れの組み合わせた速度プロファイルを示す。これらは、当該流れに対してベクトルＵ_２とＷ_２を合計することによって達成される。ベクトルＣ_２及びＣ′_２は、それぞれ流れ角度αで延びる。流れは、ＥＧＲ流１３０４と新気流１３０２との間の相対圧力によって軸方向に（例えば、ビュー１４００の外に）整列され得る。

様々な実施形態において、インペラーの幾何形状とターボチャージャー圧縮機ＥＧＲボリュート１１０２の幾何形状は、固定されていると推定される。したがって、圧縮機ホイール１０６の回転速度及び新気の質量流量は、圧縮機ホイール１０６の後縁部における新気流１３０２の速度プロファイルを決定するであろう。ビュー１４００に示したように、新気流１３０２は、互いにほぼ重なり合う流速プロファイルによって示したように、ＥＧＲ流１３０４と整列されている。

図１５は、本開示の一実施形態による、様々な流量に対する新気流角度のグラフを示す。特に、図１５は、垂直軸１５０２に沿った新気流角度α及び水平軸１５０４に沿った質量流量を含むグラフ１５００を示す。これらの結果は、３つの異なる速度に対して３つのグループ１５０６、１５０８及び１５１０に表示される。グループ１５０６は、ターボチャージャーの低速作動を示し、グループ１５１０は、定格動力での作動を示し、グループ１５０８は、中間動力での作動を示す。

各グループは、３つの異なるＥＧＲ率のデータポイントを含む。異なるＥＧＲ率データの密接なグループ化は、ＥＧＲ率がＥＧＲ出口流角度に最小限の影響を及ぼすことを示す。これら３つのグループのそれぞれを通して、新気流角度αの変化は、グループ１５０６の場合、質量流量の範囲に対して約２０度、グループ１５０８の場合、約１７度、及びグループ１５１０の場合、質量流量の範囲に対して約１５度である。

新気流角度αは、作動パラメーターの変化によって変わるが、ＥＧＲ流角度αは、異なる作動パラメーターに対して比較的一定である。これは、ターボチャージャー圧縮機ＥＧＲボリュート１１０２が、その形状によって決定された、固定された断面積の進行１１０８を有するためである。このように、ターボチャージャー圧縮機ＥＧＲボリュート１１０２の幾何形状（例えば、形状）は、エンジン１４０及びターボチャージャー１０２の予想される作動条件に対して新気流角度αと整合するＥＧＲ流角度αを達成するように設計され得る。ターボチャージャー圧縮機ＥＧＲボリュート１１０２の形状を変化させて、所望のＥＧＲ流角度αを達成するために、断面積の進行１１０８の速度を変更することができる。例えば、ターボチャージャー圧縮機ＥＧＲボリュート１１０２の形状は、一般的にクルージング作動条件で作動するエンジン空気システム、例えば、トラック用のエンジン空気システムからの典型的な新気流と整合するＥＧＲ流角度を提供するように設計され得る。異なる形状の幾何形状の例は、グラフ１１６０に関して上記で議論されたように、Ａ／Ｒ進行速度を変化させることを含み得る。

図１６は、本開示の一実施形態による、合流領域の第２の断面図を示す。特に、図１６は、図１３のビュー１３００と同様の断面図１６００を示す。ビュー１６００において、圧縮機ホイール１０６は、スカラップ状縁部（ｓｃａｌｌｏｐｅｄ ｅｄｇｅ）１６０２を有する圧縮機ホイールポケット１３１２を生成する後面１３０８を含む。スカラップ状縁部１６０２は、ＥＧＲ流１３０４の一部を合流領域１３０６に向けるようにして、ＥＧＲ流１３０４を新気流１３０２と整列させる。

一般に、本開示の教示内容は、自動車、単線式（ｓｉｎｇｌｅ−ｔｒａｃｋ）車両、海上、電子、静止動力、及び運送産業を含む多くの産業において広範囲な適用可能性を見出すことができるが、これらに限定されるものではない。特に、本開示は、排気ガス再循環で作動するエンジンを使用するあらゆる産業において適用可能性を見出すことができる。

効率の大幅な改善は、本開示の教示を利用して実現され得る。４００ｍｂａｒ超の圧力の利点を駆動し、より様々な作動条件下でＥＧＲ流を駆動することができる。これらの改善は、巡航作動条件（例えば、トラック）におけるＢＳＦＣ（正味燃料消費率）の２．５％〜３．５％の減少、及びピークトルク条件におけるＢＳＦＣの１．５％〜２．５％の減少に対応することができる。

図１７は、本開示の一実施形態による、ターボチャージャーシステムの断面図を示す。特に、図１７は、ターボチャージャー１０２の断面図１７００を示す。タービン１０８は、左側部分に示されており、圧縮機１０４は、右側部分に示されている。タービン１０８及び圧縮機１０４は、共通シャフト１１２によって接続され、共通シャフト１１２によって支持される。軸受システム１７０２は、軸受オイルシステム１７０４によってオイルが供給される。圧縮機ホイールポケット１３１２の位置は、圧縮機ホイール１０６と圧縮機のハウジングとの間に示されるす。ターボチャージャー圧縮機ＥＧＲボリュート１１０２は、圧縮機ホイール１０６の後縁部付近でＥＧＲ出口１１０６を提供するために圧縮機１０４に取り付けられる。タービンボリュート５０４に設置されたＥＧＲ制御弁５２０が示される。ビュー１７００に見られるように、ＥＧＲ制御弁５２０及びターボチャージャー圧縮機ＥＧＲボリュート１１０２の両方は、ターボチャージャー１０２のハウジング１７０６に一体化される。

図１８は、本開示の一実施形態による、第２のエンジンエアーシステムのシステム概要を示す。特に、図１８は、エンジン空気システム１８００を示す。エンジン空気システム１８００は、図１のエンジン空気システム１００に類似しているが、エンジン空気システム１８００は、ウエイストゲート（例えば、１３２）またはＥＧＲクーラーバイパス（例えば、１２６）を含まない。典型的なエンジン空気システムにおいて、エンジン空気システムの作動条件は、ウエイストゲート流路で得られたシステム測定値上で少なくとも部分的に決定される。ウエイストゲートのないシステム（例えば、エンジン空気システム１８００）において、ターボチャージャー性能及び作動パラメーターは、ＥＧＲ制御弁１２０の位置及び排気圧力によって決定され得る。測定された作動パラメーターは、所定のＥＧＲ制御弁１２０の位置の較正テーブルと照合してチェックすることができる。このチェックは、ＥＧＲ制御弁１２０に対するさらなる調整を提供するか、またはエンジン空気システム内での仕様条件を外れた電位の表示を提供することができる。これらの作動パラメーターは、ターボチャージャーに対する速度制御戦略を実装するのに利用され得、ウエイストゲートの追加構成部品及びこれに関するセンサーは、エンジン空気システムから除去され得る。

エンジン空気システム１８００に示したように、制御弁とターボチャージャー圧縮機ＥＧＲボリュートをターボチャージャーに一体化させると、パワートレインンプラットフォームのパッケージサイズ、コスト、及び重量を減らすことができる。

前述の詳細な説明は、ある特定の実施形態に関連して提供されたが、本開示の範囲はこのような実施形態に限定されるべきではないことを理解すべきであろう。本開示の範囲及び精神は、具体的に開示されかつ以下の特許請求の範囲内に含まれる実施形態よりも広い。

さらに、いくつかの特徴がある特定の実施形態に関連して説明されているが、これらの特徴は説明されている実施形態だけでの使用に限定されない。むしろ、特定の実施形態の様態は、代替的な実施形態に関連して開示されている他の特徴と組み合わせることができるか、または代替的な実施形態に関連して開示されている他の特徴で代替することができる。

Claims (15)

1. ターボチャージャーであって、
   圧縮機ホイールを有する圧縮機；
   ハウジング内に設けられたタービン；及び
   排気ガス再循環（ＥＧＲ）流路を含み、前記排気ガス再循環流路は：
   前記ハウジング内にありかつ前記タービンに近接して位置する第１の流体接続部；
   前記圧縮機ホイールの後縁部に近接して位置する第２の流体接続部；及び
   前記第１の流体接続部と前記第２の流体接続部との間に配置されたＥＧＲ制御弁を有し、前記ＥＧＲ制御弁は、ＥＧＲ率を制御するように構成される、
   ターボチャージャー。
2. 前記ＥＧＲ制御弁は：
   ＥＧＲ制御弁の弁位置を出力するように構成された弁位置表示器；及び
   排気ガス圧力を決定して出力するように構成されたＥＧＲ圧力センサーをさらに含み；前記ターボチャージャーは、前記弁位置及び前記排気ガス圧力に少なくとも部分的に基づいてターボチャージャー速度を決定するように構成される、
   請求項１に記載のターボチャージャー。
3. 前記第２の流体接続部は、ＥＧＲ流を前記圧縮機ホイールから新気流の方向に向けるように構成される、請求項１に記載のターボチャージャー。
4. 前記ＥＧＲ制御弁は、スクープ弁を含み、前記スクープ弁は：
   密封位置にあるときにハウジング壁と整列されるように構成された主に平坦な面を有する第１の面；及び
   ＥＧＲ位置にあるときにエンジンマニホールド流を前記ＥＧＲ流路に案内するように構成された凹面を有する、前記第１の面の反対側の第２の面を有する、
   請求項１に記載のターボチャージャー。
5. 前記ＥＧＲ制御弁は、フラッパ弁を含む、請求項１に記載のターボチャージャー。
6. 前記ＥＧＲ制御弁は：
   近位端部で回転駆動機構に作動可能に接続される密封フラップであって、前記密封フラップは、丸い縁部を有する密封面を有し、前記丸い縁部は、タービンボリュート開口部の面取りされた縁部（ｃｈａｍｆｅｒｅｄ ｅｄｇｅ）と整合するように構成される、密封フラップ；
   ボリュート開口部に整合してＥＧＲ流路を提供するように構成されたＥＧＲ出口ダクトを含み；
   前記回転駆動機構は、第１の位置と第２の位置との間に前記密封フラップを作動させるように構成され；ここで：
   前記第１の位置において、前記ＥＧＲ流路は、タービンボリュートから前記タービンボリュート開口部を通って前記ＥＧＲ出口ダクトに提供され；
   前記第２の位置において、前記ＥＧＲ出口ダクトは、前記タービンボリュート開口部の面取りされた縁部と整合する前記丸い縁部によって密封される、
   請求項１に記載のターボチャージャー。
7. 前記ＥＧＲ制御弁は、回転駆動機構とタービンボリュート開口部の面取りされた縁部との間の垂直オフセットをさらに含む、請求項６に記載のターボチャージャー。
8. 前記ＥＧＲ制御弁１２０は、低熱モードで第１のＥＧＲ率を提供するように配置され、通常作動モードで第２のＥＧＲ率を提供するように配置され、前記第１のＥＧＲ率は、前記第２のＥＧＲ率よりも大きい、請求項１に記載のターボチャージャー。
9. 前記ＥＧＲ制御弁１２０は、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）から受信された制御信号に応答して再配置される、請求項１に記載のターボチャージャー。
10. 前記ＥＧＲ制御弁１２０は、排気後処理システムにおける欠陷の検出に応答して前記ＥＧＲ率を増加させるために再配置されるように構成される、請求項１に記載のターボチャージャー。
11. 前記第２の流体接続部は、ターボチャージャー圧縮機ＥＧＲボリュートの出口を含み、前記ターボチャージャー圧縮機ＥＧＲボリュートは：
    ＥＧＲ流を受け取るように構成されたＥＧＲ入口；
    新気流を提供する前記圧縮機ホイールの後縁部に近接して配置されたＥＧＲ出口；及び
    前記ターボチャージャー圧縮機ＥＧＲボリュートの周りの減少する断面積の進行を有する、
    請求項１に記載のターボチャージャー。
12. 前記ＥＧＲ制御弁は：
    近位端部で回転駆動機構に作動可能に接続され、丸い縁部を有する密封面を有する密封フラップ；
    前記回転駆動機構とタービンボリュート開口部の面取りされた縁部との間の垂直オフセット；
    ボリュート開口部に整合してＥＧＲ流路を提供するように構成されたＥＧＲ出口ダクトを含み；
    前記回転駆動機構は、第１の位置と第２の位置との間に前記密封フラップを作動させるように構成され；ここで：
    前記第１の位置において、前記タービンボリュート開口部は、前記タービンボリュート開口部の面取りされた縁部と整合する前記丸い縁部によって密封され；
    前記第２の位置及び中間位置において、ＥＧＲ流路は、タービンボリュートから前記タービンボリュート開口部を通って前記ＥＧＲ出口ダクトに提供され；
    前記第２の流体接続部は、ターボチャージャー圧縮機ＥＧＲボリュートの出口を含み、前記ターボチャージャー圧縮機ＥＧＲボリュートは：
    ＥＧＲ流を受け取るように構成されたＥＧＲ入口；
    新気流を提供する前記圧縮機ホイールの後縁部に近接して配置されたＥＧＲ出口；及び
    前記ターボチャージャー圧縮機ＥＧＲボリュートの周りの減少する断面積の進行を含む、
    請求項１に記載のターボチャージャー。
13. 圧縮機ハウジング及び圧縮機バックプレートのうちの一方または両方に、冷却回路をさらに含み、前記冷却回路は、前記圧縮機内のガスから熱を除去するように構成される、請求項１に記載のターボチャージャー。
14. タービンボリュート用の排気ガス再循環（ＥＧＲ）制御弁であって、前記ＥＧＲ制御弁は：
    近位端部で回転駆動機構に作動可能に接続され、丸い縁部を有する密封面を有する密封フラップ；
    タービンボリュート開口部に整合してＥＧＲ流路を提供するように構成されたＥＧＲ出口ダクトを含み；
    前記回転駆動機構は、第１の位置と第２の位置との間に前記密封フラップを作動させるように構成され；ここで：
    前記第１の位置において、前記タービンボリュート開口部は、前記タービンボリュート開口部の面取りされた縁部と整合する前記丸い縁部によって密封され；
    前記第２の位置及び中間位置において、前記ＥＧＲ流路は、前記タービンボリュートから前記タービンボリュート開口部を通って前記ＥＧＲ出口ダクトに提供される、
    ＥＧＲ制御弁。
15. 前記第２の位置において、前記密封フラップの第１の側面及び第２の側面は、機械加工された壁である第１のボリュート壁及び第２のボリュート壁に対して密封されるように構成される、請求項１４に記載のＥＧＲ制御弁。

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