JP2024508164A

JP2024508164A - ターボ過給組立体及びターボ過給組立体の動作を制御する方法

Info

Publication number: JP2024508164A
Application number: JP2023553589A
Authority: JP
Inventors: アレッサンドロズッケッリ
Original assignee: ターボシステムズスウィツァーランドリミテッド
Priority date: 2021-03-04
Filing date: 2022-03-04
Publication date: 2024-02-22
Also published as: KR20230153415A; EP4053388A1; WO2022184902A1; EP4301968A1; US20240133338A1; CN117321295A

Abstract

ターボ過給組立体（１０）が説明される。ターボ過給組立体（１０）は、コンプレッサホイール（２１）を有するコンプレッサ（２０）と、タービンホイール（３１）を有するタービン（３０）とを含む。タービンホイール（３１）とコンプレッサホイール（２１）は、シャフト（１１）上に背中合わせに取り付けられている。シャフト（１１）は、コンプレッサホイール（２１）の前方に設けられた動力変換装置（４０）に結合されている。加えて、ターボ過給組立体は、動力変換装置を収容するハウジング延長部（４３）を含む。ハウジング延長部はコンプレッサハウジング（２２）と結合されている。動力変換装置は、ロータ（４１）とステータ（４２）とを含む。ステータはハウジング延長部に取り付けられている。さらに、ターボ過給組立体は、コンプレッサと動力変換装置との間に配置されたフィルタサイレンサ（５０）を含む。さらに、ターボ過給組立体は、シャフトに取り付けられたブロワ（６０）を含む。ブロワは、コンプレッサから外方に面する動力変換装置の側面に配置されている。【選択図】図１

Description

本開示の実施形態は、ターボ過給組立体及びその動作を制御する方法に関する。

排気ガスターボ過給機のような過給システムは、内燃機関の出力を増大させるために使用されることが知られている。このような排気ガスターボ過給機では、内燃エンジンの排気ガス経路にタービンが設けられ、内燃エンジンの上流側にコンプレッサが配置され、コンプレッサは共通シャフトを介してタービンに結合されている。通常、シャフトは、軸受ハウジングに支持されたシャフト軸受によって支持されている。従って、排気ガスターボ過給機は、一般に、ロータ、シャフト用の軸受組立体、流体案内ハウジングセクション（コンプレッサハウジング及びタービンハウジング）、及び軸受ハウジングによって構成されている。ロータは、シャフト、インペラ及びタービンホイールを含む。

排気ガスターボ過給機による内燃エンジンの過給により、容量、従ってシリンダ内の燃料混合気が増大し、それによってエンジンの出力が顕著に増大する。随意的に、内燃エンジンの排気ガス内に蓄積されたエネルギーは、例えば出力タービンによって電気的又は機械的エネルギーに変換することができる。この場合、排気ガスターボ過給機の場合のコンプレッサの代わりに、発電機又は機械的消費手段がタービンシャフトに結合されている。

しかしながら、従来のターボ過給組立体、特に動力変換装置を有するターボ過給組立体は、特にコンパクト性、効率及び質量バランスに関して、依然として改善する余地があることが分かっている。

上記を考慮して、独立請求項によるターボ過給組立体及びターボ過給組立体の動作を制御する方法が提供される。さらなる態様、利点、及び特徴は、従属請求項、本明細書、及び添付の図面から明らかである。

本開示の一態様によれば、ターボ過給組立体が提供される。ターボ過給組立体は、コンプレッサホイールを有するコンプレッサと、タービンホイールを有するタービンとを含む。タービンホイール及びコンプレッサホイールは、シャフトに背中合わせに取り付けられている。シャフトは、コンプレッサホイールの前方に設けられた動力変換装置に結合されている。加えて、ターボ過給組立体は、動力変換装置を収容するハウジング延長部を含む。ハウジング延長部はコンプレッサハウジングと結合されている。動力変換装置は、ロータ及びステータを含む。ステータはハウジング延長部に取り付けられている。さらに、ターボ過給組立体は、コンプレッサと動力変換装置との間に配置されたフィルタサイレンサを含む。さらに、ターボ過給組立体は、シャフトに取り付けられたブロワを含む。ブロワは、コンプレッサから外方に面する動力変換装置の側面に配置されている。

従って、従来技術と比較して、改良されたターボ過給組立体が提供される。詳細には、タービンホイールとコンプレッサホイールとの背中合わせの構成を提供し、コンプレッサホイールの前方に設けられた動力変換装置を配置することにより、動力変換装置を備えたターボ過給組立体のよりコンパクトなデザインを提供することができる。さらに、動力変換装置をコンプレッサホイールの前方に設けることにより、動作中に、タービンの近傍で一般的に発生する高温から動力変換装置を保護することができる。さらに、本明細書に記載の実施形態によるターボ過給組立体は、従来技術と比較して、より良好なホイール及びシャフトバランスを好都合に提供する。

本開示のさらなる態様によれば、本明細書に記載の何らかの実施形態によるターボ過給組立体の動作を制御する方法が提供される。本方法は、動力変換装置を制御するステップを含む。動力変換装置は、コンプレッサのコンプレッサホイールの前方に設けられる。コンプレッサホイールとタービンのタービンホイールは、動力変換装置と結合したシャフトに背中合わせに取り付けられている。

本開示の上述の特徴を詳細に理解することができるように、上記で簡単に要約した本開示のより具体的な説明は、実施形態を参照することによって得ることができる。添付の図面は、本開示の実施形態に関するものであり、以下に説明する。

本明細書に記載の実施形態によるターボ過給組立体の概略図を示す。本明細書に記載のさらなる随意的な実施形態によるターボ過給組立体の概略図を示す。本明細書に記載の実施形態によるコンプレッサホイールとタービンホイールとの背中合わせの構成を示す概略断面図である。

以下、様々な実施形態が詳細に参照されるが、そのうちの１又は２以上の実施例が各図に示されている。各実施例は説明という目的に役立ち、制限とみなされるものではない。例えば、実施形態の一部として示される又は説明される特徴は、さらなる実施形態を得るために、何らかの他の実施形態上で又はこれと組み合わせて使用することができる。本開示は、このような修正及び変形を包含することが意図される。

以下の図面の説明において、同一の参照番号は、同一又は類似の構成要素に関連する。個々の実施形態に関連する相違点のみが一般的に説明される。別段の指示がない限り、１つの実施形態における１つの部品又は態様の説明は、別の実施形態における対応する部品又は対応する態様に適用することができる。

図１を例示的に参照して、本開示によるターボ過給組立体１０を説明する。本明細書に記載の他の実施形態と組み合わせることができる実施形態によれば、ターボ過給組立体１０は、コンプレッサホイール２１を有するコンプレッサ２０を含む。加えて、ターボ過給組立体１０は、タービンホイール３１を有するタービン３０を含む。タービンホイール３１とコンプレッサホイール２１は、シャフト１１に背中合わせに取り付けられている。

本明細書で使用される場合、用語「背中合わせ」は、共通シャフト、詳細には本明細書で説明するシャフト１１上に回転のために取り付けられた２つのロータ又はホイール、詳細にはコンプレッサホイール２１及びタービンホイール３１の位置決めを指す。各ロータ、すなわちコンプレッサホイール２１及びタービンホイール３１は、一方側にインペラブレードのセットを有し、他方の側に実質的に平坦又は平らな面を有する（ブレードなし）。ロータ、すなわちコンプレッサホイール２１及びタービンホイール３１の２つブレードのない面は、互いに向かい合っている。２つのブレードのセット、すなわちコンプレッサーホイールブレードとタービンホイールブレードは、互いに反対方向に離れて延びている。

詳細には、本明細書に記載の何らかの他の実施形態と組み合わせることができる実施形態によれば、コンプレッサホイールとタービンホイールとの背中合わせの構成は、コンプレッサホイールとタービンホイールとの間の距離が最小化されると理解することができる。例えば、図３に示されるように、背中合わせの構成は、第１の比率Ｒ₁＝ｘ／Ｒ_Tによって特徴付けることができ、ここで、ｘは、コンプレッサホイール２１とタービンホイール３１との間に設けられる距離であり、Ｒ_Tは、タービンホイール３１の後壁の半径である。典型的には、第１の比率Ｒ₁は、Ｒ₁≦０．８、具体的にはＲ₁≦０．７、より具体的にはＲ₁≦０．６である。追加的に又は代替的に、図３に示されるように、背中合わせの構成は、第２の比率Ｒ₂＝ｘ／ｄによって特徴付けることができ、ここで、ｘは、コンプレッサホイール２１とタービンホイール３１との間に設けられる距離であり、ｄは、タービンホイール３１の後壁の厚さである。典型的には、第２の比率Ｒ₂は、９≦Ｒ₂≦１２である。さらに、何らかの他の実施形態と組み合わせることができる実施形態によれば、コンプレッサホイール２１とタービンホイール３１との間には、動力変換装置又は動力変換装置の構成要素が設けられていないことを理解されたい。換言すれば、タービンホイールの背面とコンプレッサホイールとの間の空間には、いかなる動力変換装置又は動力変換装置のロータのような動力変換装置の構成要素も存在しない。

シャフト１１は、動力変換装置４０に結合されている。詳細には、シャフト１１は、動力変換装置４０と直接結合することができる。「直接結合する」という表現は、結合された構成要素の間に中間要素、例えば歯車装置及び／又はクラッチが存在しないことと理解される。従って、シャフト１１は、動力変換装置４０の構成要素、例えば１又は２以上の第１の電磁コイル、詳細には本明細書に記載されるロータ４１に直接かつ機械的に結合することができることが理解されよう。図１に例示的に示すように、動力変換装置４０は、コンプレッサホイール２１の前方、すなわちコンプレッサの吸気側に設けられている。図１及び２から、動力変換装置４０は、コンプレッサの吸気側でコンプレッサの前方に直接配置することができること（図１）、又は、本明細書で説明するフィルタサイレンサ５０のような中間要素は、コンプレッサと動力変換装置４０との間に設けることができることが理解されよう。

タービンホイールとコンプレッサホイールとが背中合わせに配置されたターボ過給組立体を提供し、コンプレッサホイールの前方に動力変換装置を配置することにより、従来技術と比べてターボ過給組立体のよりコンパクトな設計を提供することができ、ターボ過給組立体の全体的な占有面積を低減できるようになっている。さらに、動力変換装置をコンプレッサホイールの前方に配置することは、動作中にタービンの近傍で一般的に発生する高温から動力変換装置を保護するのに好都合である。さらに、タービンホイールとコンプレッサホイールとの背中合わせの構成と、コンプレッサホイールの前方への動力変換装置の配置を組み合わせることは、回転部品、詳細にはシャフト及びホイールの全体的な質量バランスを改善できるという利点がある。この点に関して、動力変換装置、特に共通シャフトに結合された動力変換装置の構成要素は、タービンホイール及びコンプレッサホイールに対するカウンターマスとして機能することができることに留意されたい。

本開示において、動力変換装置は、例えば動力変換装置が電気モータ又は油圧モータの場合、電気力又は油圧力を機械力に変換するように構成された装置として理解することができる。さらに、動力変換装置は、例えば動力変換装置がオルタネータである場合には、機械力を電気力に変換するように構成された装置として理解することもできる。従って、本明細書で説明する動力変換装置は、電気力変換装置又は油圧力変換装置とすることができる。詳細には、本明細書に記載の動力変換装置は、モータ、特に電気モータ又は油圧モータ、又はオルタネータとすることができる。

図１及び２を例示的に参照すると、本明細書に記載の何らかの他の実施形態と組み合わせることができる実施形態によれば、コンプレッサホイール２１を収容するコンプレッサハウジング２２は、タービンホイール３１を収容するタービンハウジング３２に結合されている。

換言すれば、コンプレッサハウジング２２及びタービンハウジング３２の各々は、別個のハウジングとすることができ、コンプレッサハウジング２２は、例えば溶接、ボルト締め又は他の機械的結合を用いて別個のタービンハウジング３２と結合することができる。あるいは、コンプレッサハウジング２２は、タービンハウジング３２と一体的に結合することもできる。換言すれば、コンプレッサハウジング２２及びタービンハウジング３２は、共通ハウジングを形成する一体成形構造とすることができる。例えば、共通ハウジングは、鋳造材料の一体化された一体成形構造とすることができる。

本明細書に記載の何らかの他の実施形態と組み合わせることができる実施形態によれば、動力変換装置４０は、１又は２以上の第１の電磁コイル及び１又は２以上の第２の電磁コイルを含む（明示的に図示せず）。典型的には、１又は２以上の第１の電磁コイルはシャフト１１と結合され、１又は２以上の第２の電磁コイルは１又は２以上の第１の電磁コイルの周囲に設けられる。動力変換装置４０は、動作中に１又は２以上の第１の電磁コイルと１又は２以上の第２の電磁コイルとの間に回転速度差を与えるように構成されている。典型的には、１又は２以上の第１の電磁コイルは、シャフト１１の回転が１又は２以上の第１の電磁コイルに伝達されるように、シャフト１１と機械的に結合される。

図２を例示的に参照すると、本明細書に記載の何らかの他の実施形態と組み合わせることができる実施形態によれば、動力変換装置４０は、ロータ４１とステータ４２とを含む。詳細には、ロータ４１は１又は２以上の第１の電磁コイルを含み、ステータ４２は１又は２以上の第２の電磁コイルを含む。典型的には、ロータ４１はシャフト１１に結合されている。

本明細書に記載の何らかの他の実施形態と組み合わせることができる実施形態によれば、ターボ過給組立体１０は、図２に例示的に示されるように、コンプレッサ２０と動力変換装置４０との間に配置されたフィルタサイレンサ５０をさらに含む。従って、コンプレッサへの空気流は、コンプレッサ２０と動力変換装置４０との間に配置されたフィルタサイレンサ５０を通って供給することができる。換言すれば、図２に例示的に示されるように、フィルタサイレンサ５０への空気流１２は、動力変換装置４０とコンプレッサホイール２１との間に供給することができ、これは、動力変換装置４０を熱から保護するために、又はさらには動力変換装置４０を冷却するために好都合とすることができる。

図２を例示的に参照すると、本明細書に記載の何らかの他の実施形態と組み合わせることができる実施形態によれば、ターボ過給組立体１０は、シャフト１１に取り付けられたブロワ６０をさらに含む。詳細には、ブロワ６０は、コンプレッサ２０から外方に面する動力変換装置４０の側面に配置される。典型的には、ブロワ６０は、動力変換装置４０に向かって、すなわちコンプレッサに向かう方向に空気を供給するように構成されたファンである。従って、ブロワ６０は、動力変換装置４０の冷却器として機能することができる。さらに、ブロワ６０は、コンプレッサ２０への吸気量（ａｉｒｉｎｔａｋｅ）を改善することができる。

本明細書に記載の何らかの他の実施形態と組み合わせることができる実施形態によれば、ターボ過給組立体１０は、図２に例示的に示されるように、動力変換装置４０を収容するハウジング延長部４３をさらに含む。ハウジング延長部４３は、コンプレッサハウジング２２と結合することができる。例えば、ハウジング延長部４３は、コンプレッサハウジング２２に直接結合することができる。あるいは、ハウジング延長部４３は、中間構成要素、例えば本明細書で説明するフィルタサイレンサ５０を介してコンプレッサハウジング２２と結合することができる。図２に例示的に示すように、ステータ４２は、ハウジング延長部４３に取り付けることができる。一例では、ステータ４２はハウジング４３に一体化することができ、このことは、コンパクト性の向上及び設置スペースの低減に好都合とすることができる。

本明細書に記載の何らかの他の実施形態と組み合わせることができる実施形態によれば、ターボ過給組立体は、図２に例示的に示されるように、動力変換装置４０に接続された動力貯蔵手段４５を含む。例えば、動力貯蔵手段４５はバッテリとすることができる。

本開示のさらなる態様によれば、本明細書に記載の何らかの実施形態によるターボ過給組立体１０の動作を制御する方法が提供される。本方法は、動力変換装置４０を制御するステップを含む。動力変換装置４０は、コンプレッサ２０のコンプレッサホイール２１の前方に設けられる。コンプレッサホイール２１とタービン３０のタービンホイール３１は、動力変換装置４０に結合したシャフト１１に背中合わせに取り付けられている。

従って、好都合には、ターボ過給組立体は、例えば、ターボ過給組立体の始動時間を早めて短縮するために、動力変換装置によって制御することができる。さらに、動力変換装置は、エンジンの過渡動作時のターボラグを低減するために使用することができる。さらに、動力変換装置は動力発生のために使用できることを理解されたい。

上述は実施形態を目的としているが、基本的な範囲から逸脱することなく他のさらなる実施形態を考え出すことができ、その範囲は以下の特許請求の範囲によって決定される。

１０ターボ過給機組立体
１１シャフト
１２空気流
２０コンプレッサ
２１コンプレッサホイール
２２コンプレッサハウジング
３０タービン
３１タービンホイール
３２タービンハウジング
４０動力変換装置
４１ロータ
４２ステータ
４３ハウジング延長部
４５動力貯蔵手段
５０フィルタサイレンサ
６０ブロワ

Claims

ターボ過給組立体（１０）であって、
－コンプレッサホイール（２１）を有するコンプレッサ（２０）と、
－タービンホイール（３１）を有するタービン（３０）であって、前記タービンホイール（３１）及び前記コンプレッサホイール（２１）は、シャフト（１１）上に背中合わせに取り付けられており、前記シャフト（１１）は、前記コンプレッサホイール（２１）の前方に設けられた動力変換装置（４０）に結合されている、タービン（３０）と、
－前記動力変換装置（４０）を収容するハウジング延長部（４３）であって、前記ハウジング延長部（４３）はコンプレッサハウジング（２２）と結合されており、前記動力変換装置（４０）はロータ（４１）とステータ（４２）とを備え、前記ステータ（４２）は、ハウジング延長部（４３）に取り付けられている、ハウジング延長部（４３）と、
－前記コンプレッサ（２０）と前記動力変換装置（４０）との間に配置されたフィルタサイレンサ（５０）と、
－前記シャフト（１１）に取り付けられたブロワ（６０）であって、前記ブロワ（６０）は、前記コンプレッサ（２０）から外方に面する前記動力変換装置（４０）の側面に配置されている、ブロワ（６０）と、
を備えるターボ過給組立体（１０）。
前記動力変換装置（４０）は、電気力変換装置又は油圧力変換装置である、請求項１に記載のターボ過給組立体（１０）。
前記動力変換装置（４０）は、モータ又はオルタネータである、請求項１又は２に記載のターボ過給組立体（１０）。
前記コンプレッサホイール（２１）を収容する前記コンプレッサハウジング（２２）は、前記タービンホイール（３１）を収容するタービンハウジング（３２）に結合されており、詳細には、前記コンプレッサハウジング（２２）は、前記タービンハウジング（３２）に一体的に結合されている、請求項１から３のいずれか１項に記載のターボ過給組立体（１０）。
前記動力変換装置（４０）は、１又は２以上の第１の電磁コイルと、１又は２以上の第２の電磁コイルとを備え、前記１又は２以上の第１の電磁コイルは前記シャフト（１１）と結合され、前記１又は２以上の第２の電磁コイルは、前記１又は２以上の第１の電磁コイルの周囲に設けられ、前記動力変換装置（４０）は、動作中に前記１又は２以上の第１の電磁コイルと、前記１又は２以上の第２の電磁コイルとの間に回転速度差を与えるように構成されている、請求項１から４のいずれか１項に記載のターボ過給組立体（１０）。
前記ロータ（４１）は、１又は２以上の第１の電磁コイルを備え、前記ステータ（４２）は、１又は２以上の第２の電磁コイルを備え、前記ロータ（４１）は、前記シャフト（１１）に結合されている、請求項１から５のいずれか１項に記載のターボ過給組立体（１０）。
前記動力変換装置（４０）に接続された動力貯蔵手段（４５）をさらに備える、請求項１から６のいずれか１項に記載のターボ過給組立体（１０）。
第１の比率Ｒ₁＝ｘ／Ｒ_Tが、Ｒ₁≦０．８、詳細にはＲ₁≦０．７、より詳細にはＲ₁≦０．６であり、ｘは、前記コンプレッサホイール（２１）と前記タービンホイール（３１）との間に設けられた距離であり、Ｒ_Tは、タービンホイール（３１）の後壁の半径である、請求項１から７のいずれか１項に記載のターボ過給組立体（１０）。
第２の比率Ｒ₂＝ｘ／ｄが、９≦Ｒ₂≦１２であり、ｘは、前記コンプレッサホイール（２１）と前記タービンホイール（３１）との間に設けられた距離であり、ｄは、前記タービンホイール（３１）の後壁の厚さである、請求項１から８のいずれか１項に記載のターボ過給組立体（１０）。
前記コンプレッサホイール（２１）と前記タービンホイール（３１）との間には、前記動力変換装置又は前記動力変換装置の構成要素が設けられていない、請求項１から９のいずれか１項に記載のターボ過給組立体（１０）。
前記動力変換装置（４０）を制御することにより、請求項１から１０のいずれか１項に記載のターボ過給組立体（１０）の動作を制御する方法。