JP4256196B2 - 可変形態タービン - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は可変形態タービンに関し、特に内燃機関用ターボチャージャへの使用に適したタービンに関する。更には、本発明は、排気ガス再循環システムを有する内燃機関用ターボチャージャにおいて好結果を与える。
【０００２】
【従来の技術】
可変形態タービンは良く知られているが、一般に、内部にタービンホイールが設けられたタービンチャンバと、上記タービンチャンバの周りに配置された環状入口通路と、上記環状入口通路の周りに配置された入口チャンバと、上記タービンチャンバから延在する出口通路とを備える。上記通路と上記チャンバとは連通していて、上記入口チャンバに入った圧縮空気が、上記タービンチャンバを介して、入口通路を通り上記出口通路に流れる。共通形式の可変形態タービンでは、入口通路の一つの壁は、一般に「ノズルリング」と称される可動壁部材によって形成される。入口通路の幅を制御するために、入口通路の対向壁に対するノズルリングの位置は調整可能になっている。タービンを流れるガス量が減少するときに入口通路の幅も減少して、ガス速度を維持し従ってタービン効率を維持するように、上記入口通路幅すなわちタービンの形態が変化する。
【０００３】
入口通路を流れるガスをタービンホイールの回転方向に偏向させるために、ノズル羽根と称する羽根を入口通路に設けて、タービン効率を向上させることが良く知られている。ノズル羽根は、固定構造タービンと可変形態タービンの両方に設けられる。後者の場合、羽根の設置は可変形態の構造を複雑にする。特に、入口通路の全幅を横切って常に確実に羽根を延在させるためには、構造が複雑になる。
【０００４】
例えば、米国特許第４，４９９，７３２号には、羽根が正規の位置に固定され、可動ノズルリング内のスロットを貫いて延在する可変形態型の装置が記載されている。このようにして、入口の幅を制御するためにノズルリングが移動するとき、羽根は常に全幅を横切って延在する。
【０００５】
他の可変形態の構造は、米国特許第４，２９２，８０７号および英国特許明細第ＧＢ−Ａ−１１３８９４１号と第ＧＢ−Ａ−２０４４８６０号に記載されている。これらの明細書には、様々な装置が記載されていて、ノズル羽根が移動ノズルリングから入口通路の対向壁に設けられたスロットの中に延在している。この装置では、通路が充分に開いているときでも、確実に、羽根は通路の全幅を横切って常に延在している。
【０００６】
ノズル羽根の設置はタービン効率を最適化するが、羽根はタービン入口の有効領域を減少させる欠点があって、タービンを通る最大ガス流量は、羽根が存在しない場合よりも少なくなる。米国特許第４，９７３，２２３号には、ノズルリングが「オーバーオープン」すなわち、ノズルリングが入口通路の公称の全幅を越えて引込めることのできる可変形態タービンが記載されている。このようにするには、羽根は、少なくとも部分的に、入口通路から引き出される。羽根が引き出されると、タービンの効率は下がる。しかし、最大流量の増加は、タービンによるより広範囲なエンジン速度の整合化を可能とする。羽根が入口通路から引き出されると、タービン効率が下がり始める。しかしそれでも、その効率は、タービンの低流領域で達成される効率よりも遥かに大きい。それ故、本質的には、羽根を制御して引き出すことにより、効率対流れに関するタービン特性曲線を変化させることができるので、所定の流れ範囲に対して、低効率の低流量領域でタービンを作動させる必要をなくすことによって、平均タービン効率は増大する。
【０００７】
ノズル羽根の外形を変化させることによって、同様な効果を簡単に達成できることも知られている。本出願人は、ノズル羽根が、タービン入口通路の１つの壁を形成する可動ノズルリングから、上記タービン入口通路の対向固定壁に形成されたスロットの中に延在すると共に、ノズルリングが、通路の全幅を越えて過剰に開くことのできる可変形態タービンを製作した。ノズル羽根は、半径方向内側の縁に、ノズルリングから離れた羽根の端部に向かって切取り部を有する。この切取りは、その幅の一部についてノズル羽根の高さ（ノズル羽根の高さはタービンの軸に平行なノズル羽根のサイズ、すなわち、ノズルリングから延在するノズル羽根の長さ）を有効に減少させる。このように、各羽根の端部へに向かって減少した弦を有する領域が存在し、つまり、その有効幅は、入口チャンバからタービンチャンバへの流れに対向している。ノズルリングが開の位置にあって入口通路が充分に開いているときは、上記羽根の減少弦部はスロットを貫いて延在している。しかし、上記ノズルリングがオーバーオープンすなわち過剰に開いているときは、減少弦領域は入口通路の側壁から引き出される。その結果、入口通路を横切って延在する羽根の全有効領域は減少し、タービンの嚥下（えんげ）容量は増大する。入口通路が完全に開いているときに、各羽根の減少弦領域が確実に隠蔽されていると、タービン効率のピークに悪い影響が及ぶことはない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
良好なタービン効率は明らかに望ましいことであるが、排ガス再循環システム（ＥＧＲシステム）を有する内燃機関にタービンが使用されるときは、従来の可変形態タービンの設計では問題が多い。ＥＧＲシステムでは、エンジンの排気を減少させるために、排気マニホールドから取られた排ガスの一部が、入口マニホールドに再度導かれて更に燃焼される。しかし、昨今の高効率可変形態タービン設計では、入口マニホールドのブースト（昇圧）圧力が排気マニホールドの排気ガス圧力をしばしば超えるため、排気ガスの入口マニホールドへの再導入は問題が多く、例えば、ＢＧＲポンプなどが必要になる。
【０００９】
本願発明の目的は、上記欠点を取り除いたり緩和したりすることである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明による可変形態タービンは、軸の周りに回転するために、半径方向のブレードを有すると共にハウジングの中で支持されているタービンホイールと、半径方向内側に上記タービンホイールに向かって延在する環状入口通路とを備え、上記入口通路は、可動壁部材の環状壁と上記ハウジングの対向壁との間に形成され、上記可動壁部材は、上記入口通路の幅を変化させるために、上記ハウジングに対して移動でき、上記入口通路を横切るように延在する環状配列の羽根を備え、上記羽根は、前縁および後縁と、上記前縁と上記後縁との間に形成された幅と、上記タービンホイールの上記軸に略平行に延在する高さとを有し、上記高さは、上記羽根の幅を横切って最大から最小に変化し、上記最小高さは、上記タービンブレードの翼端の軸方向の幅よりも小さく、上記入口通路の最小幅よりも大きい。
【００１１】
【００１２】
上記羽根の最小高さは、好ましくは、上記羽根の後縁に形成されている。
【００１３】
上記羽根の最大高さは、好ましくは、上記入口通路の最大幅よりも大きい。
【００１４】
上記最小高さと上記最大高さとの差は、好ましくは、上記タービンブレードの翼端の軸方向の幅以上である。
【００１５】
上記羽根は、最大幅部と、減少幅部と、上記２者間の羽根高さにおいて急峻な遷移部とを有している。
【００１６】
上記最大羽根高さは、通常、羽根の前縁に沿って形成される。例えば、羽根高さは、前縁に隣接する羽根の幅の一部を横切って実質的に一定であり、次に減少して、後縁に隣接して最小の高さとなる。また、羽根高さは、後縁に隣接する羽根の幅の一部を横切って実質的に一定であってもよい。
【００１７】
さらに、本発明の好ましく有利な特徴は、以下の説明から明らかである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の特定の実施形態は、添付の図面を参照しつつ例証として説明される。
【００１９】
図１を参照すると、これが、知られた可変形態タービンの一部を通る半径方向概略断面図である。上記タービンは、渦巻チャンバすなわち入口チャンバ２を形成するタービンハウジング１を備える。上記渦巻チャンバには、内燃機関（図示せず）からのガスが供給される。ガスは、入口チャンバ２から環状入口通路４を経て軸方向出口通路３に流れる。上記環状入口通路４の一方の側は、ノズルリング５の半径方向の面によって形成され、他方の側は、環状シュラウドプレート（囲い板）６によって形成される。上記環状シュラウドプレート６は、ハウジング１の対向壁の中に形成された環状凹部７の開口部を覆っている。ノズルリング５は、タービンハウジング１に設けられた環状の空洞８内に、滑動可能に嵌め込まれ、密封リング９により上記環状空洞８に対して密封されている。
【００２０】
ノズルリング５は、整然と並んだノズル羽根１０を支持している。ノズル羽根１０は、ノズルリング５の面から入口通路４を横切って延在する。羽根の高さ（すなわち、羽根１０がノズルリング５の面から軸方向に延在する度合）は、羽根が、入口通路３４を直角に横切り、シュラウドプレート６に適切に形成されたスロット（細長い穴）を貫いて、凹部７の中に延在するものである。各羽根１０は、幅すなわち前縁と後縁（半径方向外側の縁と内側の縁）との間の距離として定義される翼弦長を有している。各羽根（翼）は、その端部が切り取られ、減少した高さと弦長とを有する部分１０ａを形成していることが、図１から分かる。
【００２１】
使用に際して、入口チャンバ２から出口通路３に流れるガスは、軸１２の周りを回転するタービンホイール１１を通り越す。これによって、圧縮機ホイール（図示せず）を駆動するターボチャージャシャフト１３に、トルクを与える。タービンホイール１１の速度は、環状入口通路４を通過するガスの速度に依る。一定のガス流量に対しては、ガス速度は入口通路４の幅の関数である。上記入口通路４の幅は、ノズルリング５の軸方向の位置を制御することによって（すなわち、矢印１４で示されるように、ノズルリング５を前後に移動することによって）調整される。ノズルリング５の移動は、適当な作動手段によって制御され得る。例えば、ノズルリング５は軸方向に延びるピン上に取り付けられ、ピンの位置は、空気圧で作動するアクチュエータ（図示せず）に連結されたスターラップ部材（あぶみ部材、図示せず）によって制御される。アクチュエータシステムは、様々な従来型の形態を取り得るので、特定のアクチュエータ機構は図示していない。
【００２２】
図１では、ノズルリングは、入口通路４の幅が減少して最小になった「閉」の位置で示されている。この位置では、ノズル羽根１０の端部が、凹部７の中でハウジング１に接していることが分かる。上記羽根１０の減少した弦長部１０ａは、完全に凹部７の中に収容されている。
【００２３】
図２（ａ）と図２（ｂ）とは、それぞれ、中間流位置と最大流位置とにおけるノズルリング５を示している。図２（ａ）に示された中間流位置では、ノズルリング５の一部が空洞８の中に引き込まれて、ノズルリング５の面がハウジングの壁と面一になり、入口通路４は最大幅となる。効率を最大限引き出すために、羽根高さは、一般的に、タービンホイール翼端の幅１１ａより大きくしなければならないと理解されている。したがって、図２（ａ）に示すように、入口通路が完全に開いているときに、羽根（翼）の最小高さが入口通路４を横切って延在するように、上記羽根１０は形成されている。ここにおいて、上記翼１０の減少弦長部１０ａのみが、凹部７の中に収容される。
【００２４】
しかし、羽根の減少弦長部１０ａを凹部７から少なくとも一部分引き出して入口通路４内に位置させるように、ノズルリング５を空洞８に更に引き込むことによって、タービンの嚥下容量は増加する。これによって、入口通路４を通るガス流を妨げる羽根の面積は減少する。最大流位置は、図２（ｂ）に示されている。
【００２５】
図１に示すようなタービンについての効率対ガス流の標準特性は、図３に示されている。この図が示していることは、ノズルリング５が閉位置の近傍にあるときの低流量では、効率は（比較的低いが）良好であり、中間の流量位置の辺りでは、増大してピークとなる。ノズル翼１０の減少弦長部が入口通路内に来ると、効率は落ち、図２（ｂ）に示す最大流位置では、効率が最も小さくなる。
【００２６】
図４（ａ）〜４（ｃ）は、本発明によるタービン効率特性を変化させるために、図１と２に示した羽根の外形の変形例を示す。具体的には、各翼の後縁に沿った最小高さがタービンブレードの翼端の幅１１ａよりも小さくなるように、羽根２０の端部の切取りサイズを大きくしている。これの効果は、入口通路４が充分に開いていないときでも、羽根２０の減少弦長部２０ａが、入口通路４の中に達していることである。
【００２７】
図４（ａ）に示すように、図示された本発明の実施形態では、ノズルリングが閉位置にあるとき、羽根の減少された高さはなんら効果を有しない。それは、上記羽根の最小高さが、充分あって、最小の入口開口部４を横切って延在するからである。しかし、ノズルリング５を空洞８の中に収納すると、ノズルリング５が中間流位置に到達する以前に、各羽根２０の減少弦長部２０ａは凹部７から引き出される。したがって、図４（ｂ）に示された中間流位置では、羽根２０の減少弦長部２０ａは、少なくともその一部が、入口通路４に既に存在する。ノズルリング５を更に空洞８の奥に後退させると、ノズルリング羽根の減少弦長部は、凹部７からより大きく引き出される。図４（Ｃ）に図示された最大流位置では、羽根２０の減少弦長部がタービンブレード翼端１１ａの全幅を横切って延在している。
【００２８】
この変更による図３の流れ対効率の特性曲線への影響は、図５に示す。低流および最大流の条件でのタービン効率は、大きな影響はないが、ピーク（頂部）の効率は減少している。ピーク効率の減少は、羽根の切取り部の増大に略比例していることが分かった。したがって、効率対流れの正確な特性は、切取り部の寸法と形状によって適当に調整することができる。
【００２９】
本願発明は、ＥＧＲシステムを有する内燃機関用ターボチャージャのタービンに適用されたときに特に有利である。本願発明は、排ガス再循環のためにエンジン給排気マニホールドの条件を最適化でき、排気を減少させながら同時に空気と燃料の割合を最小にして、良好な燃料消費量にできるからである。これは、追加部品や構造制御機構を必要とすることなく、簡単なノズルリングの改良によって慎重に制御されたタービン効率の減少により達成される。
【００３０】
上記羽根の切取り部のサイズと形状は、所望とするタービン特性に大いに依存し、変化することが認められる。
【００３１】
本発明は、羽根の上を滑動する可動ノズルリングを用いて、羽根が正規の位置に固定された可変形態タービンにも適用できることが認められる。ここにおいて、入口通路を開くためにノズルリングが収納されると、羽根の減少弦長部が現れて減少弦長部の量が増大するように、切取り部が配置されている。
【００３２】
他の変更も可能であることは当業者には明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 知られた可変形態タービンの一部の概略図である。
【図２】 図２（ａ）と（ｂ）は、図１のタービンのノズルリングの動きを示す。
【図３】 図１のタービンのガス流対効率の特性を示すグラフである。
【図４】 図４（ａ）〜（ｃ）は、図１のタービンの本発明による変形例を示す。
【図５】 図４（ａ）〜４（ｃ）の変形例によるタービンのガス流対効率特性に及ぼす影響を示すグラフである。
【符号の説明】
１…ハウジング、
４…入口通路、
７…凹部、
８…空洞、
１１…ハウジング、
２０…羽根。

Claims (12)

1. 軸の周りに回転するために、半径方向のブレードを有すると共にハウジングの中で支持されているタービンホイールと、
   半径方向内側に上記タービンホイールに向かって延在する環状入口通路とを備え、
   上記入口通路は、可動壁部材の環状壁と上記ハウジングの対向壁との間に形成され、上記可動壁部材は、上記入口通路の幅を変化させるために、上記ハウジングに対して移動でき、
   上記入口通路を横切るように延在する環状配列の羽根を備え、
   上記羽根は、前縁および後縁と、上記前縁と上記後縁との間に形成された幅と、上記タービンホイールの上記軸に略平行に延在する高さとを有し、
   上記高さは、上記羽根の幅を横切って最大から最小に変化し、上記最小高さは、上記タービンブレードの翼端の軸方向の幅よりも小さく、且つ、上記入口通路の最小幅よりも大きいことを特徴とする可変形態タービン。
2. 請求項１に記載の可変形態タービンにおいて、
   上記最小高さは、上記羽根の後縁に形成されていることを特徴とする可変形態タービン。
3. 請求項１または２に記載の可変形態タービンにおいて、
   上記羽根の最大高さは、上記入口通路の最大幅よりも大きいことを特徴とする可変形態タービン。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の可変形態タービンにおいて、
   上記最小高さと上記最大高さとの差は、上記タービンブレードの翼端の軸方向の幅以上であることを特徴とする可変形態タービン。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の可変形態タービンにおいて、
   上記羽根は、最大幅部と、減少幅部と、上記最大幅と上記減少幅部との間の羽根高さにおける急峻遷移部とを有していることを特徴とする可変形態タービン。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の可変形態タービンにおいて、
   上記最大高さは、上記羽根の前縁に沿って形成されていることを特徴とする可変形態タービン。
7. 請求項６に記載の可変形態タービンにおいて、
   上記前縁に隣接して上記羽根の幅の一部を横切る羽根高さは実質的に一定であり、次に、羽根高さは上記後縁に隣接する最小高さに減少していることを特徴とする可変形態タービン。
8. 請求項７に記載の可変形態タービンにおいて、
   上記後縁に隣接して上記羽根の幅の一部を横切る羽根高さは実質的に一定であることを特徴とする可変形態タービン。
9. 請求項８に記載の可変形態タービンにおいて、
   上記羽根は、上記可動壁部材によって支持されていることを特徴とする可変形態タービン。
10. 請求項９に記載の可変形態タービンにおいて、
    上記タービンハウジングの上記対向壁には、上記可動壁部材が上記対向壁に向けて移動されるときに上記羽根を収容するために、環状の凹部が設けられていることを特徴とする可変形態タービン。
11. 請求項１０に記載の可変形態タービンにおいて、
    上記環状凹部は、上記羽根を収容するためのスロットが設けられた覆いによって覆われていることを特徴とする可変形態タービン。
12. 請求項１乃至１１のいずれかに記載の可変形態タービンにおいて、
    上記可動壁部材は、上記ハウジング内に設けられた環状空洞の中に嵌め込まれ、上記最大入口幅は、上記可動壁部材の環状壁が上記空洞の開口部と面一に存在するときに形成され、上記壁部材は、上記空洞の中に格納可能であることを特徴とする可変形態タービン。

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