JP4194802B2 - 可変ジオメトリータービン - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可変ジオメトリータービンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
好ましい、しかしこれに限定されない、本発明の応用分野は、以下に非限定的に説明されている、内燃機関への過給にある。
螺旋形の入口チャネルを有し、この入口チャネルは、タービンのロータと、入口チャネルとロータとの間に径方向に介在された羽根付き環状ノズルとを囲んでいる、タービンが、公知である。また、可変ジオメトリータービン（ＶＧＴ）は、羽根付き環状ノズルが変えられ得る構成を有するので、入口チャネルからロータへの動作流体のフローのパラメータが変えられ得るとして、公知である。公知の実施形態に係われば、可変ジオメトリーノズルは、このノズルのスロート部、即ちノズルの動作フロー部を変えるように軸方向に移動する環状の制御部材を有する。この環状の制御部材は、例えば、羽根付き支持リングによって形成され得る。この羽根付きリングは、これから羽根が軸方向に延出し、開位置と閉位置との間を軸方向に移動し得る。開位置では、羽根は、フロー内に沈められ、ノズルのスロート部が、最大である。閉位置では、リングは、ノズルのスロート部を、部分的もしくは全体的に閉じている。リングが前方へと動いている間、ノズルの羽根は、このリングに面する位置でタービンのハウジング内に設けられたハウジング内の適当なスロットに収容される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
環状の制御部材の変位は、空気のもしくは電気のタービンの外側のアクチュエーターとこのアクチュエーターからノズルの環状の制御部材へ運動を伝達するための運動学的なチェーンとを有する制御装置によって、制御され得る。これには、比較的高いコストが必要であり、信頼性を制限する。また、殆どの公知の解決法では、運動学的なチェーンが、磨耗によって装置の寿命が続く間に増加する傾向がある重要な働き（あそび）を有するように、制御の精度が低下される。この公知の解決法に関係する更なる欠点は、公知の制御装置は、非常に正確な調節のための、精密な動きを必要とするという点である。
本発明の目的は、上述したような公知のタービンに見られた欠点を克服する、軸方向に移動可能な制御部材を備えた羽根付きのノズルを有した、可変ジオメトリータービンを提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
このような目的は、本発明によって果たされる。本発明は、ハウジングとこのハウジング内を回転可能に支持されたロータとを有し、このハウジングは、流体を、ロータを囲む螺旋形状に作動させるための入口チャネルを規定し、また、可変ジオメトリーの羽根付き環状ノズルは、このチャネルとロータとの間に径方向に介在され、ノズルのスロート部変えることによってチャネルからロータへの作動流体のフローを制御するように軸方向に移動する制御部材を有している、可変ジオメトリータービンにおいて、制御部材は、流体アクチュエーターの環状ピストンとして形成され、流体制御ラインを有しており、この制御部材は、この流体制御ラインを介して、直接的な制御圧力によって駆動されることを特徴とするジオメトリータービンに関する。
本発明は、非限定的な例を用いて、幾つかの実施形態を参照して、非限定的な例を用いて、以下に説明され、添付図面に明らかにされている。
【０００５】
【発明の実施の形態】
図１では、可変ジオメトリータービンが、全体的に参照符号１によって示されている。タービンは、有利には、内燃機関に過給するために、ターボコンプレッサー２（部分的に示されている）内で、使用される。
タービン１は、軸Ａを有しこの軸Ａを中心に回転可能なように支持されていると共にコンプレッサー（図示されず）の駆動シャフト５に固定的に接続されたロータ４と、ハウジング３とを、主に有する。ハウジング３は、ロータ４を囲んでいる螺旋形の入口チャネル６を公知の方法で規定しており、また、エンジンの排気マニホルド（図示されず）に接続されるように適合された入口開口７が設けられている。ハウジング３は、排気ガスのための軸方向の出口ダクト８を、ロータ４の出口に、更に規定している。
【０００６】
また、タービン１は、チャネル６とロータ４との間に径方向に介在され、スロート部１１、即ちノズル１０の最小フローの動作部を規定する、可変ジオメトリーの羽根付き環状ノズル１０を有する。このスロート部は、入口チャネル６からロータ４への排気ガスのフローを制御するために変えられ得る。
ノズル１０は、スロート部１１とこれに軸方向に面しているハウジング３の壁１３とを固定する、軸方向に動く羽根付きリング１２によって、形成されている。更に、羽根付きリング１２は、壁１３に面する位置でハウジング３内に設けられた環状チャンバ１５内を軸方向に滑動可能なように設けられた環状の部材１４と、この環状の部材１４から軸方向に延びて壁１３内に設けられた各スロット１８内で軸方向に滑動可能なように係合する複数の羽根１７とを有する。
【０００７】
本発明に係われば、環状の部材１４は、効果的には空気の流体アクチュエーター２０のピストンを形成している。このアクチュエーターのチャンバ１５が、シリンダを規定しており、また、タービンのハウジング３内に設けられてチャンバ１５と連通している制御ライン２１を介して、制御圧力ＰＣによって直接的に駆動される。この制御ライン２１は、以下に詳しく説明されるように、制御バルブ２２、効果的には、電気制御ユニット（図示されず）により駆動される、電磁気で制御される比例バルブに、接続されており、車の動作パラメータの変形例に適した制御圧力ＰＣを提供する。
【０００８】
重量を減少させるために効果的には中空のＣ字型の部分を有する環状の部材１４は、従来のタイプのシール部材２３によって、漏れを防ぐようにチャンバ１５と共働している。従って、図１の実施形態では、環状の部材１４は、制御圧力ＰＣを受ける制御面２４と、動作流体の圧力を受ける反応面２５とを有する。
動作時には、制御圧力ＰＣは、制御面２４上で、ノズル１０の閉鎖方向に、軸方向に作用する。タービン１の、特に排気ガス中の動作流体は、反応面２５上に、反対方向に、即ち、ノズル１０を開いた構成にさせるような方向に、作用する。制御圧力ＰＣの所定の変動が、制御圧力ＰＣと動作流体の圧力との間で平衡状態がリセットされるまで、羽根付きリング１２を変位させる。これは、制御圧力ＰＣの各値は、少なくとも羽根付きリング１２がこのストロークの端部で機械止めと接触するまで、ノズル１０内の動作流体の平均圧力の値、かくしてタービン入口圧力ＰＴの値に対応していることを意味する。従って、制御圧力ＰＣの制御は、過給されたエンジンの最も重要な動作パラメータの１つであるタービン入口圧力ＰＴの制御と、同等である。
【０００９】
動作時には、動作流体は、外側から、即ち入口チャネル６からほぼ径方向に、ノズル１０に入り、羽根１７によって、ロータ４に対するこれらのピッチ角に応じて偏向される。環状の部材１４の軸方向変位によって、スロート部は、最大値から、ノズル１０が最大限閉じられた構成ではゼロでもよい最小値まで、変えられ得る。動作時には、この状況は、内燃機関／ターボコンプレッサーシステムにおいて、エンジンブレーキによる制動位相、冷却開始位相、エンジンの緊急停止位相で、動作流体のフローを停止させ、効果的に利用され得る。
【００１０】
図２乃至４は、タービン１の各変形例を示す。これら図は、図１のタービン１との違いに関して、以下に詳しく説明されている。また、図１を参照して既に説明された構成部品に対応したもしくはこれと等しい構成部品には、同じ参照符号が与えられている。
【００１１】
図２の変形例では、羽根付きリング１２は、ノズル１０の開方向に作用する、即ち制御圧力ＰＣに対抗する、１もしくは複数の回復スプリング２５の弾性回復力（elastic recall force）にさらされている。スプリング２５は、弾性回復力が使用中に生じ得る任意の摩擦抵抗を克服するようにさせることから、動作の安全性を向上させる。更に、ノズル１０を閉じるために必要とされる制御圧力ＰＣのレベルは上げられ、かくして、制御の精度が向上される。実際には、圧力調節バルブが、低い圧力レベルでは的確に作動しないということが、公知である。スプリング２５の更なる効果は、動作流体、例えば内燃機関の排気ガスの圧力パルスによって、羽根付きリング１２が使用時にさらされ得る発振機の振幅を、減じることである。
【００１２】
図３は、タービン１の変形例を示す。このタービンは、チャンバ１５を有し、このチャンバは、軸方向に互いに隣接して夫々異なった動作領域を有する２つの部分１５ａ、１５ｂを有する。第１の部分１５ａは、ノズル１０のスロート部１１に隣接し、大きな動作領域を有する。第２の部分１５ｂは、流体制御ライン２１と連通し、実質的に小さい動作領域を有する。
従って、環状の部材は、“段付き”構造を有し、チャンバ１５の第２の部分１５ｂ内でもれを防ぐように滑動して制御面２４を規定する部分２８と、第１の部分１５ａ内で滑動して反応面２５を規定する部分２９とを有する。この部分２９は、制御面２４に面すると共に通路３１を介してノズル１０内の動作流体の圧力にさらされる補助スラスト面３０を、有する。動作流体の圧力は、制御圧力ＰＣと同時に、補助スラスト面３０上でも作用する。
【００１３】
このようにして、羽根付きリング１２を変位させるために必要とされる制御流体のフローは、減じられ、より小型で経済的な制御バルブ２２の使用を可能にする。
図３の実施形態では、補助スラスト面３０は、制御面２４に対して径方向外側にあり、このノズルのスロート部１１の上流に位置された通路３１を介してノズル１０と連通している。かくして、補助的な面３０は、反応面２５に作用する平均圧力よりも大きな圧力にさらされる。このようにして、制御圧力ＰＣに対抗して羽根付きリング１２に作用する、動作流体によってリング１２に伝えられる合成された圧力を、シール部材２３の摩擦抵抗にほぼ匹敵する値まで減じることが可能である。かくして、動作流体の圧力パルスから生じる、羽根付きリング１２の発振の振幅が実質的に減少される。
【００１４】
図４の変形例では、補助スラスト面３０は、制御面２４の径方向内方にあり、このノズルのスロート部１１の下流に位置された通路３１を介してノズル１０と連通している。かくして、補助的な面３０は、反応面２５上に作用する平均圧力よりも小さな圧力にさらされている。この解決法は、羽根付きリング１２を変位させるのに必要とされる制御圧力ＰＣのレベルを上げるので、制御バルブ２１は大きい圧力レベルで作動されることができ、かくして、制御の高精度を得ることができる。
【００１５】
図５は、図３、図４の解決法の制御特性Ｃ３、Ｃ４が夫々に比較されているグラフである。このグラフは、ライン２１内の制御圧力ＰＣの関数としての、タービン入口圧力ＰＴ（ノズル１０の上流の入口チャネル６内の圧力）を示す。タービン入口圧力ＰＴ（縦軸上の）は、上述された羽根付きリング１２上に作用する力の平衡の原則による制御圧力ＰＣ（横座標）に線形に応じていることが、このグラフから明らかである。また、制御圧力ＰＣのレベルが同じタービン入口圧力ＰＴに比べて、図４の場合には大きいことを、理解されるだろう。
【００１６】
図６は、全体が参照符号３５で示された本発明のタービンの、更なる実施形態を示す。
タービン３５は、上述されたタービン１と比較して、これが、互いに軸方向に面して軸方向にスロート部１１を固定している一対の羽根付きリング３７，３８によって形成されたノズル３６を有している点で、異なっている。
羽根付きリング３７、３８は、環状の部材３９、４０と、各環状の部材３９、４０に固定的に接続されて他の羽根付きリング３８、３７の環状の部材４０、３９の方へ延びている複数の羽根４１、４２とを、夫々有する。
羽根４１、４２は、２つの羽根４１、４２が互いに貫通するようなくさびとして、実質的に傾斜されている。
【００１７】
羽根付きリング３７は、タービン３５のハウジング３に固定されている。羽根付きリング３８は、ノズル３６のスロート部１１を変えるように、リング３７に対して軸方向に移動し得る。
本発明に係われば、羽根付きリング３８の環状の部材４０は、ハウジング３内に設けられた環状チャンバ４５内を漏れを防ぐように滑動するよう位置されており、ノズル３６のスロート部１１を制御するために、空気のアクチュエーター２０の環状ピストンを形成している。かくして、羽根付きリング３８の軸方向の位置は、タービン１を参照して説明されたのと全く同じ方法でチャンバ４５内の圧力を変えることによって、直接的に制御され得る。
【００１８】
羽根４１、４２は、羽根付きリング３８が最大の軸方向前進位置にあり羽根付きリング３７と接触するように配置される、ノズル３６の完全な閉鎖構成のときに、互いにかみあうように、成形されている。羽根４１、４２（図７）は、各環状の部材３９、４０上で、ほぼ接線方向に配置され、軸Ａを有するシリンダーによって得られる部分は、三角形、好ましくは鋸歯状の形状を有する。
【００１９】
好ましくは、羽根４１、４２は、互いに相補的な形状を有する、例えば平坦である各フランク４６、４７によって固定されている。これらは、動く羽根付きリング３８の羽根４２上の動作流体によって起こされる動的作用下で、固定された羽根付きリング３７に対して移動する羽根付きリング３８の所定の角位置を規定するために互いに共働するように、適合されている。
【００２０】
本発明によって得られる効果は、タービン１、３５の特徴的な特性を検査することによって明らかになる。
特に、タービンのスロート部の制御部材による直接的な流体制御は、外部アクチュエーター及び関連した運動学的伝達機構の使用を回避できるようにする。これによって、より簡素かつ経済的な、及び小型の可変ジオメトリータービンが提供される。また、運動学的な伝達機構の機能停止の恐れが減じられることから、信頼性も高くなる。過給エンジンの制御における最も重要なパラメータの１つである、タービン入口圧力の制御は、特に単純に、かつ信頼でき、正確になる。
【００２１】
請求項の権利範囲から逸脱しない変形及び修正が、説明されたタービン１、３５に成され得ることを、理解されるだろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の可変ジオメトリータービンの、部分的な軸方向の断面である。
【図２】図２は、図１の可変ジオメトリータービンの変形例の、部分的な軸方向の断面である。
【図３】図３は、図１の可変ジオメトリータービンの変形例の、部分的な軸方向の断面である。
【図４】図４は、図１の可変ジオメトリータービンの変形例の、部分的な軸方向の断面である。
【図５】図５は、図３、図４のタービンの夫々の制御特性を示すグラフである。
【図６】図６は、本発明の可変ジオメトリータービンの変形例の更なる実施形態の、軸方向の断面である。
【図７】図７は、図６のタービンのノズルの斜視図である。
【符号の説明】
１…可変ジオメトリータービン、３…ハウジング、４…ロータ、６…入口チャネル、１４…制御部材。

Claims (9)

1. ハウジング（３）と、このハウジング（３）内に回転可能なように支持されたロータ（４）とを具備し、このハウジング（３）は、ロータ（４）を囲んでいる、動作流体のための螺旋形状の入口チャネル（６）を規定しており、また、チャネル（６）からロータ（４）への動作流体のフローを、ノズル（１０、３６）のスロート部を変えることによって制御するために軸方向に動く制御部材（１４、４０）を有し、このチャネル（６）とロータ（４）との間に径方向に介在された、可変ジオメトリーの環状羽根付きノズル（１０、３６）を具備する可変ジオメトリータービン（１、３５）において、
   前記制御部材（１４、４０）は、流体アクチュエーター（２０）の環状ピストンとして形成され、また、このタービンは、流体制御ライン（２１）を有し、前記制御部材（１４、４０）は、流体制御ライン（２１）を介する制御圧力によって直接的に駆動され、
   前記制御部材（１４）は、制御圧力にさらされると共に、この制御圧力の増加に応じて制御部材（１４）を閉構成になるように動かすために軸方向に方向付けられた制御面（２４）を有し、
   前記制御部材（１４）は、ノズル（１０）内の動作流体の圧力にさらされると共に、前記制御面（２４）とは反対の軸方向に方向付けられた反応面（２５）を有し、
   前記制御部材（１４）は、前記制御面（２４）と同様の軸方向に方向付けられた少なくとも１つの補助的な面（３０）と、ノズル（１０）から補助的なチャンバ（１５ａ）へと動作流体を供給するための接続手段（３１）とを有すること、を特徴とするタービン。
2. 前記補助的な面（３０）は、制御面（２４）に対して径方向外方に位置され、接続手段（３１）は、ノズル（１０）のスロート部（１１）の上流部で、ノズル（１０）と連通していることを特徴とする請求項１のタービン。
3. 前記補助的な面（３０）は、制御面（２４）に対して径方向内方に位置され、接続手段（３１）は、ノズル（１０）のスロート部（１１）の下流部で、ノズル（１０）と連通していることを特徴とする請求項１のタービン。
4. 前記制御部材（１４）は、この制御部材（１４）の軸方向の位置がこれに作用する圧力の平衡によって規定されるように、軸方向に移動可能であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１のタービン。
5. 前記ノズル（１０）を開構成にするように制御部材（１４）を駆り立てるよう適合された弾性的な手段（２５）を有していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１のタービン。
6. 前記制御部材は、軸方向に延びている複数の羽根（１７）が設けられた環状の部材（１４）であり、前記ハウジング（３）は、ノズル（１０）の閉構成もしくは部分的に閉じられた構成において羽根（１７）を収容するための複数のスロット（１８）を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１のタービン。
7. 前記可変ジオメトリーの環状の羽根付きノズル（３６）は、互いに面している、第１の羽根付きリング（３７）と第２の羽根付きリング（３８）とを有し、これら羽根付きリング（３７、３８）の夫々は、環状の部材（３９、４０）と、これら環状の部材（３９、４０）に夫々固定的に接続されて他方の羽根付きリング（３８、３７）の環状の部材（４０、３９）に向かって延びている複数の羽根（４１、４２）とを有し、これら羽根（４１、４２）は、２つの羽根（４１、４２）が互いに貫通されているくさびのように、実質的に傾斜されており、前記環状の部材（３９、４０）の少なくとも一方（４０）は、他方の環状の部材（３８）に対して軸方向に移動可能で、制御部材を形成していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１のタービン。
8. 請求項１乃至７のいずれか１の可変ジオメトリータービン（１）を有することを特徴とする、内燃機関のためのターボコンプレッサー。
9. ターボコンプレッサー（２）によって過給される内燃機関内のタービン入口圧力を制御するための方法において、
   可変ジオメトリータービン（１）は、ハウジング（３）と、前記ハウジング（３）内に 回転可能なように支持されたロータ（４）と、このハウジング（３）は、前記ロータ（４）を囲んでいる、動作流体のための螺旋形状の入口チャネル（６）を画定しており、前記チャネル（６）と前記ロータ（４）との間に径方向に介在された、可変ジオメトリーの環状羽根付きノズル（１０、３６）と、を備えており、
   また、前記可変ジオメトリータービン（１）は、前記ノズル（１０、３６）のスロート部を変えることによって、前記チャネル（６）から前記ロータ（４）への動作流体のフローを制御するために軸方向に動く制御部材（１４、４０）を備えており、ここで、前記制御部材（１４、４０）は、流体アクチュエーター（２０）の環状ピストンとして形成され、前記タービンは、前記制御部材（１４、４０）のための流体制御ライン（２１）を備えており、
   前記方法は、前記流体制御ライン（２１）によって、制御圧力を供給する工程を備え、前記制御圧力の増加に応答して前記制御部材を閉鎖状態に移動するように、前記制御部材の制御面（２４）に軸方向に作用し、前記ノズル内の前記動作流体の圧力は、前記制御部材を開いた状態に移動するように、前記制御部材の反応面（２５）に作用し、
   前記方法は、さらに、前記ノズルから前記制御部材（１４）の補助的な面（３０）を収容する補助のチャンバ（１５ａ）へと前記動作流体を供給する工程を備え、前記補助的な面は、前記制御面（２４）と同じ方向を向いている、方法。

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