JP4426450B2 - 内部バイパス排気ガス流を有する可変幾何学ターボチャージャ - Google Patents

Description

本発明は一般に可変幾何学ターボチャージャ（variable geometry turbocharger）の分野に関し、特に、外部廃棄物ゲートの必要性を排除するために内部のバイパス排気ガス流を提供するように特に構成された可変幾何学ターボチャージャに関する。

ガソリン及びディーゼル内燃エンジンのためのターボチャージャは、エンジンを出る排気ガスの熱及び容積流れを使用して、エンジンの燃焼室へ送られる吸入空気流を加圧即ち昇圧するために使用される当業界で既知の装置である。特に、エンジンを出る排気ガスはハウジング内で排気ガス駆動タービンを回転させるような方法でターボチャージャのタービンハウジング内へ送られる。排気ガス駆動タービンは、シャフトの他端に装着されコンプレッサハウジング内に収容されたラジアルコンプレッサに対して共通のシャフトの一端に装着される。従って、タービンの回転作用はまたタービンハウジングから隔てられたターボチャージャのコンプレッサハウジング内で空気コンプレッサを旋回させる。空気コンプレッサの回転作用は吸入空気をコンプレッサハウジング内へ進入させ、この空気は、燃料と混合されてエンジンの燃焼室内で燃焼される前に、所望量だけ加圧即ち昇圧させられる。

ターボチャージャにおいては、ターボチャージャの効率又は作動範囲を改善するためにタービンへの排気ガスの流れを制御することがしばしば望ましい。可変幾何学ターボチャージャ（ＶＧＴｓ）はこの要求を処理するように形状づけられてきた。１つの形式のこのようなＶＧＴｓは可変ノズルターボチャージャとして参照される可変排気ノズルを有するものである。別の形状の可変ノズルは排気ガス流を制御するために使用されてきた。このようなＶＧＴｓ内で排気ガス流制御を達成するために取られた１つの接近法はタービン入口のまわりで環状に位置する複数の枢動羽根の使用を含む。枢動羽根は羽根間の通路ののど面積を変更するように普通に制御され、タービン内への排気ガス流を制御するように機能する。

ターボチャージャ付きの高速ディーゼル及びガソリンエンジンは、ターボチャージャのタービンにより要求されるパワーと比べた場合に、高速において過剰な排気エネルギを発生することが知られている。従って、（ＶＧＴｓ又は普通の非可変幾何学ターボチャージャを有する）このようなターボチャージャ付きのエンジンは、高速エンジン作動状態の下でターボチャージャエンジンへ送られる排気ガスの最大量を制御する目的の廃棄物ゲート弁（wastegate valve）を含むものとして知られている。当業界で知られている廃棄物ゲートはターボチャージャの外部にあり、典型的には高速エンジン作動状態の下でエンジンを出る排気ガス流をターボチャージャから逸らすか又はバイパスさせるように構成される。上述のように、ターボチャージャタービンに対する排気流のこのバイパスは望ましく、エンジンを損傷させないようにターボチャージャにより提供されるブースト圧力の最大量を制御する目的のために必要である。

このような従来の廃棄物ゲートは、存在し、ターボチャージャから隔てて装着されるので、いくつかの技術上及び設計上の挑戦を提起する。１つのこのような挑戦は、このような廃棄物ゲートがエンジン廃棄装置に取付けるように構成され、エンジンコンパートメント内又はこれに隣接して空間的に矛盾なく配置されるように形状づけられねばならないので、配置及び詰め込みに関連する。別の挑戦は、このような廃棄物ゲートが車両エンジン及びターボチャージャの両方の作動で活動され、制御され、車両エンジン及びターボチャージャの双方の作動と調和されねばならないので、適正な作動に関連する。特別な活動及び制御を必要とする可変幾何学部材をそれ自体含むＶＧＴを扱う場合に、この仕事は複雑となる。このような従来の外部の廃棄物ゲートは幅広く使用されているが、これらの廃棄物ゲートに固有の上述の挑戦はターボチャージャ付きのエンジンの作動を制御する仕事にコスト及び複雑さの双方を付加してしまう。

それ故、取り付け、詰め込み及び作動に関連する上述の挑戦を最小化及び（又は）排除するような方法で、排気バイパス装置又は機構をＶＧＴと一緒に使用するように構成することが望ましい。製造コストを最小化しかつ好ましくは既存のターボチャージャの構造及び部品を利用するような方法で、このような排気バイパス装置又は機構を構成するのが望ましい。また、このような排気バイパス装置又は機構が、妥協せずに、普通の廃棄物ゲートを使用した場合に比べて好ましくはターボチャージャの作動効率を増大させるような方法で機能することが望ましい。

本発明の原理に従って構成された可変幾何学ターボチャージャは排気ガス入口及び出口と、入口に接続したボリュート（volute;渦巻室）と、ボリュートに隣接するノズル壁とを備えたタービンハウジングを有する。タービン羽根車はタービンハウジング内に担持され、シャフトに取付けられる。複数の可動羽根はノズル壁に隣接してタービンハウジング内に位置し、排気ガス入口とタービン羽根車との間に位置決めされる。

このような可変幾何学ターボチャージャのタービンハウジングはその内部に位置するバイパス排気ガス流ポートを有し、ポートはタービン羽根車の上流に位置する入口開口と、タービン羽根車の下流に位置する排気出口開口とを有する。羽根が閉位置に置かれたときに各ポートのための入口開口がそれぞれの羽根により覆われるように、羽根はそれぞれのバイパスポートに隣接して位置する。それぞれの羽根が活動するか又は開位置へ移動したときに、ターボチャージャを通るバイパス排気ガス流を容易にするためにバイパスポートの入口開口は露出される。

タービンハウジングはまたターボチャージャ内での付加的なバイパス排気ガス流を許容するように特殊に形状づけられたノズル壁終端縁を有することができる。このような実施の形態においては、ノズル壁終端縁は、羽根が開位置にあるときにタービンハウジングのボリュートから可動羽根の下部への排気ガスの通過を容易にするように修正される。この実施の形態に使用される１又はそれ以上の羽根は増大した排気ガス流能力を提供するために羽根自体を通してバイパス排気ポートへガスを伝える即ち送る手段を有する。

本発明の可変幾何学ターボチャージャと一緒に使用される羽根は各々タービン羽根車に隣接するように指向した内側の翼表面と、内側の翼表面とは反対側に指向した外側の翼表面とを有する。内側及び外側の翼表面は羽根の翼厚さを画定する。羽根の先端縁即ち鼻部は第１の内側及び外側翼表面の合流部に沿って位置し、羽根の後端縁は第２の内側及び外側表面の合流部に沿って位置する。各羽根は、ノズル壁から外方へ突出するそれぞれのポストをその中に受け入れるために、外側のノズル壁に実質上平行な第１の軸方向の羽根表面内に位置する穴を有する。各羽根はまた第１の羽根表面とは反対側の第２の軸方向の羽根表面から延びる活動タブを有する。

これらの羽根は好ましくは普通のＡｓｌｉｍ＠羽根よりも大きな翼厚さを有する。例示的な実施の形態においては、このような好ましい羽根は羽根の先端縁と後端縁との間で測定した羽根の長さの約０．１６倍以上の翼厚さを有する。

本発明の原理に従って構成された本発明はそれぞれの可動羽根により作動状態に置かれるその中に位置した１又はそれ以上の内部の排気ガスバイパスポートを有する可変幾何学ターボチャージャ（ＶＧＴ）である。この方法で構成された本発明のＶＧＴｓは高速エンジン作動状態でのタービンへの過剰な排気ガス流を制御するために普通の外部の廃棄物ゲートを使用する必要性を排除する。それによって、排気装置の取り付け及びエンジンコンパートメント関連事項を排除し、さらに、エンジン及びターボチャージャの作動状態に基づく外部の廃棄物ゲートの活動、制御及び調和作動に関連する関連事項を排除する。

ＶＧＴは一般に一端で取付けられたタービンハウジングと、他端で取付けられたコンプレッサハウジングとを備えた中央のハウジングを有する。シャフトは中央のハウジング内に収容された軸受組立体内で回転自在に位置する。タービン又はタービン羽根車はシャフトの一端に取付けられ、タービンハウジング内に位置し、コンプレッサのインペラはシャフトの他端に取付けられ、コンプレッサハウジング内に位置する。タービン及びコンプレッサハウジングは隣接するハウジング間を延びるボルトにより中央のハウジングに取付けられる。

図１は排気ガスストリームを受け入れるための標準の入口１４と、エンジンの排気装置へ排気ガスを導くための出口１６とを備えたタービンハウジング１２を有する既知のＶＧＴ１０の一部を示す。ボリュートは排気入口に接続され、一体の外側ノズル壁はボリュートに隣接してタービンハウジング鋳造体内に組み込まれる。タービン羽根車１７及びシャフト組立体１８はタービンハウジング１２内に担持される。ターボチャージャを補給する排気ガス又は他の高エネルギガスは入口１４を通ってタービンハウジングへ入り、円周方向のノズル入口２０を通してのタービン羽根車への実質上半径方向の送給のためにボリュートを通してタービンハウジング内で分配される。

多数の羽根２２は、羽根から外方へ垂直に突出するシャフト２６を使用して、タービンハウジング内に機械加工されたノズル壁２４に装着される。このようなＶＧＴに普通に使用される羽根は上述した薄翼厚さデザインである。シャフト２６はノズル壁のそれぞれの開口２８内に回転自在に係合する。羽根は各々活動タブ３０を有し、これらのタブはシャフトの反対側から突出し、第２のノズル壁として作用する一体リング（unison ring）３４のそれぞれの溝穴３２に係合する。

アクチュエータ組立体（図示せず）は一体リング３４に接続され、タービンへの排気ガス流の量をそれぞれ増大又は減少させるために羽根を半径方向外方又は内方へ移動させるのに必要なように一方向又は他方向へリングを回転させるように形状づけられる。一体リングが回転すると、羽根のタブ３０はそのそれぞれの溝穴３２内で溝穴の一端から溝穴の他端へ移動させられる。溝穴が一体リングに沿って半径方向に指向しているので、それぞれの溝穴３２内での羽根のタブ３０の運動がそのそれぞれの開口内での羽根シャフトの回転を介して羽根を枢動させ、一体リングの回転方向に応じて半径方向外方又は内方へ移動させる。

図２は、一体リングにより活動されたときの、上述し図示したＶＧＴに使用されるような普通の薄羽根３６の一般的な運動パターンを示す。しかし、この運動パターンは既知の薄羽根形状及びＶＧＴｓと一緒に使用するような本発明の原理に従って準備された改善された羽根デザインの双方のものとほぼ同じである。各羽根のタブ４２は一体リング（unison ring）４０のそれぞれの細長い溝穴３８内に位置する。閉位置「Ａ」においては、羽根のタブ４２は溝穴３８の第１の端部４４に隣接して位置する。この位置は閉位置として参照される。その理由は、羽根が半径方向外方へ拡がらず、タービンへの排気ガスの流れを制限するように作用するからである。中間位置「Ｂ」においては、一体リング４０は、羽根のタブ４２が第１の溝穴端部４４から離れるように溝穴の中間位置の方へ溝穴３８内で移動するのに十分な量だけ回転してしまっている。

羽根のタブの運動はノズル壁に関する羽根の枢動作用により提供され、羽根が一定程度だけ半径方向外方へ回転するのを許容する。位置「Ｂ」で、羽根の中間の半径方向の突出は、閉位置「Ａ」と比べた場合、タービンへの排気ガスの流れを増大させるのに役立つ。位置「Ｃ」で、一体リングはこのとき最大位置へ回転してしまっており、羽根のタブ４２を溝穴３８内で第２の端部４６へ移動させる。再度、このような羽根の更なる運動は、羽根が最大位置へ半径方向外方に回転するのを許容する、羽根とノズル壁との間の枢動構成により、容易になる。位置「Ｃ」で、羽根の最大の半径方向の突出は、中間の位置「B」に比べて、タービンへの排気ガスの流れを増大させるのに役立つ。

背景技術において述べたように、上述し図１に示したような複数の可動羽根を有する既知のＶＧＴｓの適正な作動は、一体リングにより活動されたときにノズル壁に関して羽根の自由な枢動運動を許容することを必要とする。このような自由な枢動運動は、羽根のシャフトがそのそれぞれのノズル穴内で拘束されないか又はその回転運動を制限されないことを必要とする。既知の羽根デザインは、各羽根から突出するシャフトが完全に垂直でない場合に、羽根の自由な枢動運動を害することがある。その上、既知の羽根デザインは羽根シャフト及び穴取り付け機構のせいで羽根上に加えられる比較的大きな片持ち荷重応力により羽根の自由な枢動運動を害することがある。

図３は内側の半径方向表面５２と、反対側の外側の半径方向表面５４と、軸方向表面５６、５８とを有する「シャフト無し（shaftless）」即ち「心棒無し（stemless）」羽根５０を示す。これらの羽根表面はタービンハウジング内での羽根の配置に関して定義される。羽根５０は内側及び外側の半径方向表面５２、５４の両側共通端部における先端縁即ち鼻部６０及び後端縁６２を有する。ここで使用するように、先端縁という用語は羽根の丸い鼻部分を参照するものとして使用され、鋭利又は急峻な角度の表面特徴を意図するものではない。羽根は、軸方向表面５８から離れるように外方へ突出し先端縁６０に隣接して位置するタブ６４を有し、このタブは羽根の活動を容易にするために上述した方法で一体リングと共働するように形状づけられる。

上述し図１、図２に示した既知の羽根デザインとは異なり、羽根５０はシャフトを有しない。それどころか、羽根５０中にそれぞれのポスト６８（図３）を配置させるように寸法決めされ形状づけられた軸方向の表面５６内に位置する穴６４を有するように設計される。そのポストはタービンハウジングのノズル壁から離れるように外方へ垂直に突出する。このように形状づけられると、ノズル壁に関する羽根の枢動運動は固定のポストと羽根内の穴との間の相対回転運動により提供される。回転可能な羽根の穴内に位置する固定のポストにより提供される枢動機構は、既知の羽根デザイン及び取り付け機構と比べた場合、羽根上の片持ち荷重応力の量を減少させ、有効な羽根の運動及び作動に対する可能性のある弊害を減少及び（又は）除去する。

各ポスト６８は、圧入又は他の普通の取り付け方法によりノズル壁に取付けられるように形状づけることができ、所望の離間した羽根配列に一致する実質上円形のパターンでノズル壁内に位置する。例示的な実施の形態においては、ポスト６８は２つの異なる直径を備えた段付きデザインを有するように形状づけられ、第１の拡大直径区分７０はノズル壁内での固定的な圧入取り付けを提供するように寸法決めされ形状づけられ、第２の減少した直径区分７２は、ノズル壁から外方へ突出し、一緒の回転運動を提供するために羽根の穴６６内に嵌合するように寸法決めされ形状づけられる。しかし、ポストは均一の直径即ち段付きでないデザインとすることができる。

本発明のＶＧＴｓは上述のいずれかの形式の羽根を有することができる。例えば、本発明のＶＧＴｓはタービンのノズル壁の補足的な開口内に嵌合するためにそこから外方へ突出する心棒又はシャフトを有する図１に示すものと類似の羽根を有することができ又はシャフト無し又は心棒無しデザインを有する図３に示すものと類似の羽根（及び他の後に説明する特徴）を含むことができる。好ましい実施の形態においては、本発明のＶＧＴｓはシャフト無し又は心棒無し形状の羽根を有する。

羽根５０は内側及び外側の半径方向表面５２、５４間で測定したような比較的薄い翼厚さを有するように形状づけられる。例えば、羽根の長さが（羽根の先端縁と羽根の後端縁との間の直線に沿って測定したような）ほぼ５２ｍｍであるような１つの実施の形態においては、翼厚さはほぼ５ｍｍ又は長さの０．１倍よりも小さかった。例示的な実施の形態においては、このような薄羽根デザインに対する翼暑さは羽根の長さの約０．１４倍よりも小さく、例えば羽根の長さの約０．０５乃至０．１４の範囲にある。

羽根５０のための比較的薄い翼厚さは比較的緩やかに湾曲する翼の外側及び内側の羽根表面５４、５２の結果である。羽根５０は比較的大きな曲率半径により画定された連続的な凸形状の外側表面と、同様の大きな曲率半径により画定された連続的な凹形状の内側表面とを有するように特徴づけられる。このような薄羽根デザインのための羽根の外側表面５４の曲率半径は羽根の長さの約０．８倍よりも大きくすることができ、例えば、羽根の長さの約０．８乃至１．５倍の範囲とすることができる。このような薄羽根デザインのための羽根の内側表面５２の曲率半径は羽根の長さの１倍よりも大きくすることができ、例えば羽根の長さの約１乃至１．８倍の範囲とすることができる。例えば、羽根の長さがほぼ５２ｍｍであるような１つの実施の形態においては、羽根の外側表面５４はほぼ５７ｍｍの曲率半径を有し、羽根の内側表面５２は６８ｍｍの曲率半径を有する。その上、このような羽根５０の羽根先端縁６０は比較的小さな半径により画定された急激に丸くなった形状を有する。

図４は、上述し図３に示した羽根５０と同様、内側の半径方向表面８２と、反対側の外側の半径方向表面８４と、軸方向の表面８６、８８と、先端縁即ち鼻部９０と、後端縁９２と、活動タブ９４と、ポスト穴９６とを有する本発明のＶＧＴｓ内に取り付けるために使用できる羽根８０を示す。羽根８０は一体リング及びタービンハウジングと共働し、タービン羽根車への排気ガス流を制御するためにタービンハウジング内で回転するように羽根５０と同じ方法でほぼ形状づけられる。

薄い羽根５０とは異なり、羽根８０は翼プロフィールと、薄い羽根とは異なる、例えば薄い羽根のものよりも実質上一層厚い翼厚さとを有する。羽根８０は増大した度合いの曲率半径、即ち、普通の薄い翼厚さ羽根と比べた場合に減少した曲率半径を有する外側の表面８４を含む。減少した曲率半径は、普通の薄い羽根の比較的緩やかに湾曲した外側表面と比べた場合に誇張された湾曲を有する外側の翼プロフィールを提供する。この減少した曲率半径はまた羽根の半径即ち翼厚さを増大させるように作用する。

例示的な実施の形態においては、本発明のＶＧＴ内に取り付けるために使用できる羽根は羽根の長さの約０．１６よりも大きく、例えば（羽根の先端及び後端縁間の直線により測定したときに）羽根の長さの約０．１６乃至０．５０倍の範囲とすることができる翼厚さ即ち半径方向厚さを有することができる。羽根の長さがほぼ４７ｍｍであるような１つの実施の形態においては、翼厚さはほぼ１２ｍｍ即ち羽根の長さの０．２５倍である。本発明の改善された羽根の正確な翼厚さは特定のＶＧＴ及びエンジン応用に応じてこの一般範囲内で変更することができ、変更されるであろうことを理解すべきである。

上述のように、羽根８０は比較的小さな曲率半径を持つ外側の翼表面８４を有する。例示的な実施の形態においては、羽根は羽根の長さの約０．８倍よりも小さな、例えば羽根の長さの約０．１乃至０．８倍の曲率半径により画定される外側の翼表面を有することができる。羽根８０は比較的大きな曲率半径により画定される凸状表面を有する外観がほぼ直線の内側の翼表面８２を有する。例示的な実施の形態においては、羽根は羽根の長さの約２倍よりも大きな曲率半径により画定される内側の翼表面を有することができる。例えば、羽根の長さがほぼ４７ｍｍであるような１つの実施の形態においては、羽根の外側表面８４はほぼ２８ｍｍの曲率半径を有し、羽根の内側表面８２はほぼ２０７ｍｍの曲率半径を有する。

その上、羽根８０は、羽根の流れ範囲を通る入射効果を最小化する目的で、普通の薄い翼羽根と対比した場合に、比較的大きな曲率半径により特徴づけられる先端縁９０を有する。一般に、このような羽根は一定量の羽根の回転に対して一層高い面積下降を生じさせるように極端に厚い翼の遮蔽効果を利用するように作動する。翼列内の翼の増大した厚さは「羽根の開き」位置におけるよりも「羽根の閉じ」位置において喉面積に一層大きな影響を与える。羽根の厚さを大幅に増大させ、羽根の軸方向の幅を僅かに増大させることにより、同じ最大喉面積が達成される。

羽根が回転して閉じると、喉面積は一層高い割合で減少する。これの付加的な利点は、一定面積の下降に対して、羽根の回転が一層少なくて済むことである。羽根の減少した回転は（半径からおよそ７０度の）最適な流れベクトルからの一層少ない逸れを招き、不十分なデザイン効率を改善する。

後にもっと説明するように、上述の増大した翼厚さの心棒無し羽根デザインにより提供される上述の空気力学的及び機械的な効率に加えて、このような方法で形状づけられた羽根は羽根の開閉運動中ノズル壁内のそれぞれのバイパス排気ガス流ポート開口の露出及び遮蔽の双方を行うように作動するのに十分な翼厚さを提供する。

図５はその中に一体的に位置する１又はそれ以上の内部のバイパス排気ガス流ポート即ち通路１０２を有する本発明の原理に従って構成されたＶＧＴ１００を示す。特に、バイパスポート１０２はノズル壁１０６からタービンハウジングの排気出口１０８へ延びるタービンハウジング１０４の部分を通って斜めに位置する。タービンハウジングを通るバイパスポートの精確な傾斜角はデザインの融通性を提供する目的で特定のターボチャージャ応用に応じて変更することができ、変更されるであろう。例示的な実施の形態において、バイパスポートはタービンハウジングを通って共通のシャフトに平行に走る軸線に関してほぼ２５度の角度でターボチャージャのハウジングを通って位置する。バイパスポート１０２はノズル壁を通る入口開口１１０と、排気出口を画定する壁を通る出口開口１１２とを有する。バイパスポートの開口１１０はポートの解放、閉鎖及びガス流通過の特徴を調整する目的で拡大口部を有するように形状づけることができる。

多数の羽根１１６は上述の方法でタービンハウジング１０４内に可動な状態で位置し、例えばボリュートとタービン羽根車との間のタービンハウジングの喉部１１７内に位置する。好ましい実施の形態においては、羽根１１６は心棒無しデザインのもので、それぞれのシャフト即ちポスト１１８の使用によりノズル壁１０６に隣接した位置にそれぞれ枢着され、ポストはハウジング内の空洞１２０内において一端で固定的に取付けられ、他端でそれぞれの羽根に枢動自在に結合される。羽根１１６はリング溝穴１２６構成で羽根のタブによって各羽根に結合された一体リング１２２によりタービンハウジング内で活動される。

図６Ａは閉位置「Ａ」、中間位置「Ｂ」及び開位置「Ｃ」での、上述し図５に示した本発明のＶＧＴ内に位置する例示的な羽根の対を示す。羽根１３０はタービンハウジングを通って位置するバイパスポート１３２に関連するときに３つの上述の位置の各々において示されている。図６Ａ、６Ｂに示すように、バイパスポートの入口開口１３４は羽根１３０の下側即ち覆い側に隣接してノズル壁１３８を通って位置する。口部１３６は入口開口１３４に連通し、ノズル壁１３８のくぼみ付き部分から形成される。口部１３６は種々の異なる形として形状づけることができ、排気バイパスの所望の開放、閉鎖及びガス流通過の特徴を提供するような寸法を有することを理解すべきである。一般的に言うと、口部は、羽根が開位置の近傍へ動かしたときにある程度のバイパス排気流を提供し、ポートを通る排気バイパス流を変調する目的で羽根の位置の関数として所望の開放面積を提供するように、羽根が閉位置にあるときに、バイパスポートを遮断するように寸法決めされ形状づけられる。

図６Ａを参照すると、羽根１３０が閉位置１４０にあるとき、入口開口の口部１３６は羽根の覆い側により完全に覆われ、ポート１３２を通る排気バイパスガス流を阻止するように作動する。羽根が中間開位置１４２にあるとき、入口開口への口部１３６はまだ完全に覆われ、ポート１３２を通る排気バイパス流を阻止するように作動する。羽根が中間開位置１４２から開位置１４４へ移動すると、羽根の内側表面１４６は入口開口の口部１３６の一部を露出即ち覆い解除するのに十分な距離だけ半径方向外方へ動き、ポート１３２を通る排気ガスの所望の通過を可能にする。

ポートを通る排気ガスの通過はバイパス流として参照される。その理由は、ポートを通過した排気ガスは、タービン羽根車と接触することなく、即ちタービン羽根車を『Ａｂｙｐａｓｓｅｄ＠』して、タービンハウジングを出るからである。エンジンの損傷を回避するために最大量のターボチャージャ援助即ち吸入空気ブースと圧力が達成されてしまっているような高速エンジン作動状態中は、このバイパス排気流が望ましい。これは、ＶＧＴ内の羽根が活動されて、完全開位置の近傍又はその位置に置かれた場合に、生じる。

図７Ａ乃至図７Ｃは異なる羽根作動位置におけるターボチャージャのタービンハウジングのノズル壁上に位置する羽根の組立体を示す。図７Ａはタービン羽根車（図示せず）のまわりに同心的に位置し、閉位置において活動されて、タービン羽根車への排気ガスの流れを制限する多数の可動羽根５２を有する組立体１５０を示す。羽根は、各々上述の方法でタービンハウジングのノズル壁１５４上に装着され、ノズル壁はまた、そこを通ってタービンハウジングの排気出口へ延びる多数のバイパス排気ガス流ポート１５６を有する。上述のように、各バイパス流ポート１５６はノズル壁を通る開口において口部１５８を有する。この図面に示すように、羽根１５２が閉位置で作動するとき、バイパス流ポート１５６及び口部１５８は羽根により覆われてシールされ、そこを通る排気ガスのバイパス流れを阻止するように作動する。

図７Ｂは、羽根がこのときタービン羽根車への排気ガスの部分的な通過を許容するように半開位置へ活動することを除いて、タービンハウジングのノズル壁１５４に沿って位置する羽根１５２の同じ組立体１５０を示す。しかし、半開位置においては、羽根１５２はそれぞれのバイパス流ポートの口部１５８の一部を覆い解除するのに十分な量だけタービン羽根車から離れるように半径方向外方へ枢動しておらず、バイパス排気ガス流ポート１５６を通るバイパス排気ガス流を阻止するように依然として作動する。

図７Ｃは、羽根がこのときタービン羽根車への排気ガスの完全な通過を許容するように完全な開位置へ活動することを除いて、タービンハウジングのノズル壁１５４に沿って位置する羽根１５２の同じ組立体１５０を示す。完全な開位置に置かれたとき、羽根１５２はそれぞれのバイパス流ポートの口部１５８の部分１６０を覆い解除するためにタービン羽根車から離れるように半径方向外方へ最大程度枢動し、バイパス排気ガス流ポート１５６を通るバイパス排気ガス流を許容するように作動する。

バイパス排気ガス流ポートの口部１５８の部分１６０が覆い解除されたとき、排気ガスの付加的な流れが各バイパスポート１５６を通してタービン羽根車のまわりへ送られる。従って、排気が完全開位置の近傍又はその位置で羽根にとってのタービン要求を越える過剰なエネルギを有するときは、流れのある部分をタービンステージのまわりへ送ることができる。バイパス流ポートを有する、この方法で形状づけられたＶＧＴｓの特徴はデザイン融通性を許容することである。例えば、特定のターボチャージャ応用に応じてバイパス流ポートに適合する数の羽根、各バイパス流ポート及びそれぞれの口部の特定の寸法及び形状を選定することができる。

また、本発明のＶＧＴｓにおいてバイパス排気ガスポートを形成するために使用できるいくつかの方法がある。例えば、図５、図６Ｂに示すように角度のついた穴をドリル加工することができ、又は、タービン出口内にコア付き環体として直線的な穴をドリル加工することができる。しかし、バイパス排気流ポートをタービンハウジング内に形成でき具体化できる方法が少しはある。従って、たった３つのバイパス排気ガス流ポートを有する弁組立体を図７Ａ乃至図７Ｃに示したが、これは参照の目的で提供され、本発明の原理に従って構成されたＶＧＴｓの種々の実施の形態を制限することを意図するものではなかったことを理解すべきである。

その上、各羽根の下の通路の部分は上述し図示したものとは異なるように形状づけることができる。基本的には、羽根が開位置の近傍にきたときに、通路は開くべきであり、エンジンの要求を調和させるためにいくらかの調整余地がある。その上、羽根の位置の関数としての開き面積はデザインの変調能力を生じさせる目的で重要なデザイン考慮事項である。

図８は、上述のＶＧＴの実施の形態と比べた場合に増大したバイパス排気ガス流を提供するように特に構成された本発明のＶＧＴの実施の形態１７０を示す。ＶＧＴ１７０は上述した素子の同じ一般的な組立体、すなわち、ターボチャージャのタービンハウジング１７６のノズル壁１７４に隣接して位置する多数の可動羽根１７２を有する。羽根１７２の少なくとも１つはターボチャージャの作動中にそこを通る排気ガスのバイパス流を制御するためにバイパス排気ガス流ポート１８０の開口１７８の上に位置する。

しかし、タービンハウジングの内部を通るバイパス排気ガス流を増大させるための努力として、このＶＧＴの実施の形態はバイパス排気ガス流の能力を増大させる目的でバイパスポートへの別の排気ガス流れ経路を提供するように特殊に構成された。特に、このＶＧＴの実施の形態はこの付加的な流れ経路を提供するように一緒に作動する２つの構造上の特徴を利用する。第１の特徴はタービンのボリュート内へ突出する下方へ角度をなした表面を有するように形状づけられたタービンノズルの終端縁１８２である。この方法でノズルの終端縁表面１８２を形状づけると、羽根１７２の先端縁１８３がノズル壁の終端縁１８２上でボリュート内へ突出するように、羽根がほぼ開位置又は開位置へ活動するときに、タービンのボリュートから羽根の下側即ち覆い側表面への排気ガス流れ経路を生じさせる。

ノズル壁に関するノズル壁の終端縁のための出発の精確な角度は特定のターボチャージャの応用に応じて変化するものと理解され、所望の増大したバイパス排気ガス流能力を達成する目的で設計技師に対して融通性を提供するのに有用である。しかし、重要な設計基準は、羽根がほぼ開位置又は開位置へ活動するときに羽根１７２の下側即ち覆い側表面１８４の部分が覆われないように、ノズルの終端縁を形状づけることである。例示の実施の形態においては、ノズル壁の終端縁１８２は（ノズル壁の表面の面に関して）ほぼ３０度の角度でボリュート内へ下方に突出する表面を有するように形状づけられる。

図８に示すように、増大したバイパス排気ガス流を可能にする他のＶＧＴの構造上の特徴は、羽根の下側即ち覆い側表面１８４が（羽根の先端縁がノズル壁の表面から離れて位置するときに）タービンのボリュートからバイパス排気ガス流ポート１８０へのバイパス排気ガスの通過を許容するように形状づけられていることである。例示的な実施の形態においては、羽根１７２はボリュートからバイパス流ポートへバイパス排気ガスを送るために羽根自体内にチャンネル即ち通路を提供する窪んだ即ち芯抜きした下側表面１８４を有するように形状づけられる。

図８は窪んだ下側表面１８４を示す目的で内側の半径方向表面を省略した例示的な羽根１７２を示す。窪んだ部分の精確な形状は特定のターボチャージャの応用に応じて変えることができることを理解すべきであるが、重要な特徴は、窪んだ即ち芯抜きした部分の形状及び寸法が羽根の先端縁からバイパスポートに連通する羽根の内側部分へ排気ガスを通過させるためのチャンネルを羽根内に提供することである。例示的な実施の形態においては、羽根の窪んだ部分は羽根の先端縁、羽根のポスト開口、並びに、羽根の内側及び外側の半径方向表面の内部表面の間に画定される羽根の下側区分を占めるように形状づけられる。

このような方法で形状づけると、このＶＧＴの実施の形態は羽根自体を通るバイパス排気ガスの付加的な流れを許容する。この付加的な排気ガス流は、その内側の半径方向縁表面が露出し、先のＶＧＴの実施の形態において上述し図示した方法でバイパス排気ガスポートへのバイパス排気流を許容するのに十分な距離だけ羽根が活動すると同時に又はその前に又はその後に生じることができる。

図９は元のバイパス流れ面積及びすぐ前に述べた付加的なバイパス流れ面積の双方に対する羽根の回転角度の関数としてのバイパス排気ガス流れ経路の開口面積をグラフの形で示す。羽の窪んだ表面及び（又は）タービンノズルの終端縁の寸法のプロフィールが面積を決定し、流れ経路が異なる羽根セットに対して開いたときに回転位置決めされる。グラフは、ＶＧＴがこのような付加的なバイパス流れ経路を有するように構成された場合に、バイパス流れ面積のための開口量が増大し、そのため総合最大バイパス流れ面積となることを明確に示す。

羽根が各バイパス流ポートの上に位置決めされるように、本発明のＶＧＴ内の羽根が閉位置又は完全に開いていない位置で作動する場合、羽根がそれぞれのポートを遮断することが重要である。本発明のＶＧＴ及びこのような可変幾何学作動を提供するためにその中で使用される機構は、羽根の側クリアランス即ち羽根の軸方向側部と隣接するノズル壁の表面との間のクリアランスを精確に制御するように高精度で製造された部品を含む。

本発明のＶＧＴはまた一体リングを羽根上へ引っ張って、羽根の側クリアランスを最小にするように作動させるためにターボチャージャの作動中にタービンハウジング内に存在する空気力学的な力に依存することができる。この特徴はまたそれぞれのバイパス排気ガスポートの開口のまわりのシール表面上へ羽根を押すために使用することができる。その上、バイパス排気ガスポートがタービンハウジングの下流部分即ち排気出口とガス流連通しているので、各バイパスポートのノズル壁開口において圧力差が提供される。この差圧はそれぞれのバイパスポート開口のシール表面上へ羽根を引っ張り、それによって羽根の側クリアランスを最小にする補助を行うという所望の効果を有し、良好な羽根のシールを提供する。

このような内部のバイパス排気ガス流ポートを有する本発明のＶＧＴｓは、外部の機構例えば廃棄物ゲート弁を提供する必要性を、最小のターボチャージャ昇圧制御を提供する目的のターボチャージャに交換することを意図する。従って、本発明のＶＧＴｓは普通の外部の廃棄物ゲート弁に関連する取り付け、詰め込み及び空間的な挑戦を処理する必要性を排除するように作動する。さらに、本発明のＶＧＴｓは適正な廃棄物ゲートの作動をターボチャージャ及び車両エンジンの作動条件と調和させることに関連する活動及び制御上の挑戦を排除するように作動する。

本発明のＶＧＴｓは同じ形式の材料から及び普通のＶＧＴｓを形成するために使用されるものと同じ方法により（すなわち、機械加工又はモールド成形することにより）形成することのできる部品及び部材を含む。本発明のＶＧＴｓに使用される羽根は実質的に売られているデザインを有することができ又は芯無しデザインを有するように形状づけることができる。付加的なバイパス排気ガス流れ経路を提供するために使用されるような例示的な実施の形態においては、羽根は芯無し軸方向表面を有するように形状づけられる。普通の羽根と比べた場合に、良好な形成性及び高レベルの剛性を提供し、生産コストが一層安く、質量が減少することが判明したので、芯無しデザインが好ましい。

特許法令で要求されるように詳細に本発明をここで説明したが、当業者なら、ここに開示された特定の実施の形態に対する修正及び置換を認識できよう。このような修正は本発明の範囲及び精神内にある。

可動羽根を使用する可変幾何学ターボチャージャのためのタービンハウジングの分解部品斜視図である。 異なる羽根作動位置における心棒無し薄羽根のタブとの係合を示す溝穴付きの一体リングの頂面図である。 図２の心棒無し薄羽根の詳細図である。 本発明の原理に従って構成される可変幾何学ターボチャージャと一緒に使用する改善された羽根の詳細図である。 図４の羽根とバイパス排気ガス流ポートとを有する本発明の可変幾何学ターボチャージャの断面側立図である。 図６Ａは異なる羽根作動位置における本発明の可変幾何学ターボチャージャ内のタービンノズル壁上に位置する羽根の概略頂面図であり、図６Ｂは図５の可変幾何学ターボチャージャから取り出されたバイパス排気ガス流ポートの部分断面側立面図である。 図７Ａ乃至７Ｃは各々異なる羽根作動位置における本発明の可変幾何学ターボチャージャ内のタービンノズル壁上に位置する羽根の概略頂面図である。 付加的なバイパス排気ガス流れ経路を有する本発明の可変幾何学ターボチャージャのタービンハウジングの拡大部分斜視図である。 図８の可変幾何学ターボチャージャのための両方のバイパス排気ガス流れ経路についてのバイパス排気ガス流ポート面積と羽根回転角度との関係を示すグラフである。

Claims (8)

1. 可変幾何学ターボチャージャ組立体あって、
   排気ガス入口（１４）、排気ガス出口（１６）、入口に接続したボリュート、及びボリュートに隣接するノズル壁（２４）を有するタービンハウジング（１２）；
   タービンハウジング内に担持され、シャフト（１８）に取付けられたタービン羽根車（１７）；
   排気ガス入口とタービン羽根車との間でノズル壁に隣接してタービンハウジング内に配置され、内側の羽根半径表面（５２）及び外側の羽根半径表面（５４）により画定される翼厚さをそれぞれ有する複数の可動羽根（２２）；並びに
   タービンハウジングを通って配置され、タービン羽根車から上流の入口開口（１１０）及びタービン羽根車から下流の出口開口（１１２）を有するバイパス排気ガス流ポートであって、入口開口は、羽根が閉位置に位置するときにそれぞれの羽根により覆われ、それぞれの羽根が開位置へ移動したときに露出されるバイパス排気ガス流ポート（１０２）；
   を含み、
   前記ポートの入口開口がノズル壁を通って配置され、ポートの出口開口がタービンハウジングの排気ガス出口を形成する壁を通って配置されることを特徴とする可変幾何学ターボチャージャ組立体。
2. 前記ボリュートに隣接するノズル壁の終端縁は、羽根が開位置に置かれたときにそれぞれの羽根の下表面への排気ガスの通過を許容するように形状づけられることを特徴とする請求項１の可変幾何学ターボチャージャ組立体。
3. 前記羽根の下表面は、羽根が開位置に置かれたときにノズルの終端縁からバイパス排気ガス流ポートへの排気ガスの通過を容易にするように窪んでいることを特徴とする請求項２の可変幾何学ターボチャージャ組立体。
4. 前記各羽根が羽根の長さの約０．１６乃至０．５０倍の範囲の翼厚さを有することを特徴とする請求項１の可変幾何学ターボチャージャ組立体。
5. 可変幾何学ターボチャージャ組立体あって、
   排気ガス入口（１４）、排気ガス出口（１６）、入口に接続したボリュート、及びボリュートに隣接するノズル壁（２４）を有するタービンハウジング（１２）；
   タービンハウジング内に担持され、シャフト（１８）に取付けられたタービン羽根車（１７）；
   排気ガス入口とタービン羽根車との間でノズル壁に隣接してタービンハウジング内に配置される複数の羽根であって、それぞれの羽根が、タービン羽根車に隣接するように配置された内側の翼表面（５２）と、内側の翼表面とは反対側に配置された外側の翼表面であって、内側及び外側の翼表面が羽根の翼厚さを画定するような外側の翼表面（５４）と、第１の内側及び外側翼表面の合流部に沿って位置決めされる先端縁（６０）と、第２の内側及び外側翼表面の合流部に沿って位置決めさる後端縁（６２）と、ノズル壁からタービン羽根車の方へ突出するそれぞれのポスト（６８）をその中に受け入れるために、ノズル壁に実質上平行な第１の軸方向の羽根表面内に配置される穴（６６）と、第１の羽根表面とは反対側の第２の軸方向の羽根表面から延びる活動タブ（６４）と、を含む複数の羽根（２２）；
   タービンハウジングを通って配置され、タービン羽根車から上流の入口開口（１１０）及びタービン羽根車から下流の出口開口（１１２）を有するバイパス排気ガス流ポートであって、入口開口は、羽根が閉位置に位置するときにそれぞれの羽根により覆われ、それぞれの羽根が開位置へ移動したときに露出されるバイパス排気ガス流ポート（１０２）；並びに
   各羽根のタブに係合し、タービンハウジング内で羽根を一体的に回転させるための手段（３４）；を含み、
   前記ポートの入口開口がノズル壁を通って配置され、ポートの出口開口がタービンハウジングの排気ガス出口を形成する壁を通って配置されることを特徴とする可変幾何学ターボチャージャ組立体。
6. 前記ボリュートに隣接するノズル壁の終端縁は、羽根が開位置に置かれたときにそれぞれの羽根の下表面への排気ガスの通過を許容するように形状づけられることを特徴とする請求項５の可変幾何学ターボチャージャ組立体。
7. 前記羽根の下表面は、羽根が開位置に置かれたときにノズルの終端縁からバイパス排気ガス流ポートへの排気ガスの通過を容易にする手段を有することを特徴とする請求項６の可変幾何学ターボチャージャ組立体。
8. 前記羽根の内側の翼表面が羽根の先端縁に隣接する凸状の表面と、後端縁に隣接する凹状の表面とを有し、羽根の翼厚さが先端縁と後端縁との間で測定した羽根の長さの約０．１６乃至０．５０倍の範囲にあることを特徴とする請求項５の可変幾何学ターボチャージャ組立体。

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