JP4537636B2 - 一体型の排気ガス再循環ポンプを組み込んだターボチャージャー - Google Patents

Description

【０００１】
関連発明との相互関係
本願は、“一体型ポンプを組み込んだターボーチャージャーを採用する排気ガス再循環システム”及び“制御弁及びミキサー”の双方を発明の名称とする、出願日１９９７年３月３日、出願番号６０／０３９，２４６の、仮出願の利益を主張する、出願日１９９８年２月２７日、出願番号０９／０３２，１０１の一部継続出願である。
【０００２】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に、排気を改良するための内燃機関排気ガス再循環装置（ＥＧＲ）に関する。より詳細には、本発明は、ＥＧＲポンプとして機能する、コンプレッサーインペラーと対向する側に搭載されたインペラーベーンを有するターボーチャジャーコンプレッサーホイールを提供することである。このターボーチャージャーコンプレッサーホイールには、ポンプからのＥＲＧ出力流のための、別個のディフューザーと渦形室、及び内燃機関のための給気中に排気ガスを再循環させるための、別個のＥＧＲポンプへの渦形インレットが備えられる。
【０００３】
【従来の技術】
ＥＧＲは内燃機関のＮＯＸ排出を低減する方法として知られている。効率良く使用するするため、ＥＧＲシステムは、少なくともその運転範囲中で、典型的には最近の高効率ジーゼルエンジンである、内燃機関中の正圧力勾配によって形成された反対圧力勾配を乗り越えなければならない。手段であるＥＧＲに対する各種アプローチには、排気マニホールドから吸気マニホールドへの排気ガスの一部をポンピング（供給）することが含まれている。このポンピングは、排気ガスを、エンジンにある通常のターボーチャージャー又はスパーチャージャーの圧縮インレットに導入することにより達成され、代替的には、排気ガスを受け入れ、該排気ガスをエンジンの給気昇圧システムの給気下流に供給するのに適した圧力に加圧する、別個のコンプレッサーを提供することにより達成される。一般的に、幾らかの燃料消費がこれらにシステムによって不利益として負担させられる。
【０００４】
ＥＧＲガスのポンピングに加え、排気システムの背圧制御には、ポンピング能力を高めることによって所望のシステム動作を達成することが要求され、仮にＥＧＲが調整又はターンオフされるならば、エンジンの空燃料比制御は、最適エンジン動作を維持することが望ましい。
【０００５】
ＥＧＲシステムの要素及び特性は、最近のエンジン区画中に割り当て可能な制限された強制容量内で調整しなければならない。それ故、ターボーチャージャーのような、存在するエンジンシステムと物理的に近く且つ機能的に協働して、排気ガスを再循環するためのポンピング要素を採用する、高度に一体化されたＥＧＲシステムを提供することが望ましい。
【０００６】
【発明の概要】
内燃機関用のＥＧＲシステムの一体ポンプを組み込むターボチャージャが、排気ガス吸気口とタービン排気口とを有するタービンハウジングを備え、該タービンハウジングは排気ガス吸気口を介して受け入れられた排気ガスにより駆動し、回転シャフトに接続されているタービンを収納している。回転シャフトを受け入れる軸受アセンブリを支持する中央ハウジングがタービンハウジングと、空気吸インレット及びチャージ空気排気口を有するコンプレッサハウジングに接続されている。コンプレッサローターが、回転シャフト及びローターに取り付けられ、該ローターは、コンプレッサハウジングインレットを介して空気を受け入れ、チャージ空気排気口に圧縮空気を排出する第１組のベーンを有する。ローターは第２組のベーンを有し、このベーンは第１組のベーンと反対側のローター部分に一体的に取り付けられ、ＥＧＲインレットから排気ガスを受入れ、ディフューザーを介して排気ガスアウトレットへ圧縮排気ガスを排出する。排気ガスアウトレットとチャージ空気排気口は別々の流れ経路となっている。ローター周縁での流れ経路を隔離するバッフルが排気ガスの流れ流路とチャージ空気の流れ経路とを分離し、シーリングシステムが、高感度のチャージ空気冷却コンポーネントが再循環される排気ガスで汚染されることを防止するように流れの分離を高める。
【０００７】
可変静ベーンタービンインレットが、排気背圧及び空気燃料比制御用のターボチャージャに設けられている。更に一体ＥＧＲ作動バルブがオン−オフ制御及びＥＧＲ流の変調のためにタービンハウジング内に組み込まれている。
【０００８】
【発明の実施形態】
図面を参照すると、図１には吸気マニホールド１２と排気マニホールド１４とを有する内燃機関１０が示されている。ターボチャージャー１６が給気を高めるため設けられていて、コンプレッサーローター１８により圧縮された吸気を受け入れる。このコンプレッサーローター１８は、圧縮空気を吸気マニホールド内に導入する前にチャージ空気クーラー２０に送る。コンプレッサーローターは、内燃機関の排気マニホールドから排気ガスを受けるタービン２４に接続されたシャフト２２により駆動される。
【０００９】
再循環用排気ガスが、排気マニホールドから逸れて制御弁２６介してＥＧＲクーラー２８へ流れる。ＥＧＲクーラーからのガスはＥＧＲポンプのインレットに供給される。このＥＧＲポンプは、図示された実施形態では、タービンにより駆動されるようにターボチャージャーのシャフトに装着されたコンプレッサーローター３０である。ＥＧＲポンプからの圧縮された排気ガスはミキサー３２に流れる。このミキサー３２は、再生された排気ガスの流れを過給空気と混合して吸気マニホールドに導入する略均質な流れを生じさせる。
【００１０】
ターボチャージャータービン用の可変の幾何学的配列をしたインレット３３が内燃機関の排気の背圧を制御する。更に、可変の幾何学的配列をしたインレットはタービン出力を制御するべくタービンインレット面積を変化させることにより、コンプレッサーのブースト圧力を調整して空気ー燃料比の制御性を向上させることを可能にする。
【００１１】
図２は、本発明による一体型のＥＧＲコンプレッサーを使用するターボチャージャーの詳細を示す。タービンは、図示された実施形態では、二股の渦形室（ボリュート）３８に供給する軸方向排気ガスインレット３６を組み合わせた、鋳造されたタービンハウジング３４内に収容されている。タービンを通って流れるガスはタービンアウトレット４０で排気される。シャフト２２はスペーサー４４で分離されたジャーナル軸受４２と、軸受４８を有するスラストカラー４６とを含む軸受装置により支持される。これらジャーナル軸受４２、スペーサー４４、軸受４８及びスラストカラー４６は全て潤滑チャネル５２を組み込んだ中央ハウジング５０に担持されている。軸受４８はボルト４９で中央ハウジングに取り付けられている。チャージ空気コンプレッサーは、空気インレット５６，ディフューザー５８及び圧縮されたチャージ空気用の渦形室（ボリュート）６０を備える、鋳造されたタービンハウジング５４内に収容されている。図示の実施形態ではトロイド形のインレットが使用されているが、これに代わる実施形態ではスクロール形のインレットが使用される。
【００１２】
このＥＧＲポンプは、インペラーベーン６２をコンプレッサーホイールの後側に加えることにより、ターボチャージャーの現存のローター群内に組み込まれる。スクロール形インレット６４は、再循環のための排気ガスを供給し、セパレートディフューザー６６は、圧縮された排気ガスを渦形室（ボリュート）６８に搬送する。これらＥＧＲポンプインレット、ディフューザー、渦形室（ボリュート）は、従来のターボチャージャー用のコンプレッサーのバックプレートと置き換えられた鋳造部材７０内に組み込まれる。これにより、ローター群及びターボチャージャーの全体の長さは、わずかにしか増加しない。コンプレッサー内のチャージ空気流とＥＧＲポンプ内の再循環された排気ガス流との分離は、コンプレッサーハウジングとＥＧＲポンプの鋳造部材との間に拘束されるように配置されたバッフル７２により維持される。ＥＧＲポンプの鋳造部材は、止め輪（保持リング）７４とコンプレッサーハウジングにねじ込まれたボルト７６とを用いることにより、コンプレッサーハウジングに取り付けられている。
【００１３】
図３によく示されるように、本実施形態では、バッフル７２は、２段階のシールを介して、ローターに取り付けられている。この２段階のシールは、ローター外周部上の第１シール８０と、ポンプインペラーベーンの先端部に隣接したローター外周部からはめ込まれるローター側部のＥＧＲポンプ上の第２シールである。図示の実施形態には、ＥＧＲガスの流れとチャージ空気の流れとの分離を更に高める圧力差を発生させ、ターボチャージャー下流のチャージ空気ークーラーのような、チャージ空気の流路に関する部品が汚れることを避けるために、スクロールシール８４も備えられている。
【００１４】
カバー８６は、ＥＧＲポンプの鋳造部品に、機械ネジ８８で取り付けられている。このカバーは、本実施形態では、ＥＧＲインレットからＥＧＲ渦形室（ボリュート）まで延び、バッフルの内周面と共にＥＧＲポンプインペラーディフューザーを形成する第２表面を備えている。カバーは、更に、空気力学的特性を向上させるために、ポンプ鋳造部材を中央ハウジング５０に固定する取り付けボルト８９の上側に配置されている。カバーは、ＥＧＲポンプインペラーブレードに対して適切な輪郭形状ないし形態となるよう、表面９０を加工されている。それによって、様々なエンジンのＥＧＲポンピングに関する要求をもつＥＧＲポンプ鋳造部材の一般的な使用を行うことができるというフレキシビリティをもつことができる。
【００１５】
図２、図３に示すように、弾性シール９２、９３が、コンプレッサーハウジングをバッフル／ＥＧＲポンプキャスティングに対して、またＥＧＲポンプキャスティングを中央ハウジングに対して、それぞれ追加のシーリングをしている。ピストンシール９６は、コンプレッサー及びタービンに隣接する回転軸のシーリングをしている。図２の実施形態では、タービンハウジングは、Ｖ型バンド９８を用いて中央ハウジングに取り付けられており、熱シールド９９は、中央ハウジングとタービンハウジングの間に支持されている。
【００１６】
図４ａ及び図４ｂは、本発明に使用する可変幾何学的タービンインレットを使用する中央ハウジング及びタービンハウジングの構成を示している。多数の回転ベーンの構成は、「圧力が調整されたデュアルアクスル可変ノズルターボチャージャー」という名称で１９９８年３月２日に出願され、本願と共通の譲受人を有する米国特許出願０９／０３３２７４に開示されている構成に匹敵するものであり、図面に示した実施形態に提供される。幾何学的可変ノズル３３のベーン１００は、ノズルリング１０２内へ延びるアクスルによって支持されている。ノズルリング１０２は、本実施形態においては、複数のスペーサピン１０４によりタービンハウジング３４に関して離れて支持され、保持リング１０７により固定されるディスクスプリング１０６により固定される。ダウエル（ｄｏｗｅｌ）ピン１１２により支持されるローラ１１０上に回転可能に搭載されているユニゾンリング１０８は、多数のベーンに動作を提供する。ユニゾンリングの回転は、最大ノズル入口領域を提供する実質的に開放した第１の位置から最小ノズル入口領域を提供する実質的に閉じた第２の位置への動作範囲でベーンを回転させる。各ベーンは、ノズルリングの開口１１６に関して近接して延びる第１アクスル１１４により部分的に支持されている。第１アクスルは、ノズルリングを通って延び、ベーンの駆動のためにユニゾンリング内の溝に受け入れられるベーンアーム１１８に取付けられている。ユニゾンリングの回転は、外部クランク１２０と、ロッド１２１及びクランクアーム１２３を有する駆動リンクにより実現される。
【００１７】
第２アクスル１２２は各ベーンから延びており、第１アクスルと対向しており、第１アクスルと同軸である。第２アクスルは、タービンハウジング内に凹んで設けられている挿入リング１２６の嵌合孔１２４に関して近接して延び、切削面１２８により支持されている。ノズルリング及び挿入リングは、ノズルのバウンディングハブ及びシュラウド面を形成する。３つの精密な、中空の、円形スペーサ１３０は、スペーサピン１０４を囲み、２つのリングを正確に配置して２つのリングの間隔を開け、且つ、ノズルリングアセンブリをノズル吸気口とタービンに隣接するノズル排気口との間のタービンハウジングに固定するために、使用される。
【００１８】
エンジンからの排気ガスは、ターボチャージャーにより、ラジアルインレット３６を介して渦形室３８内に受け入れられる。図５に見られるように、バイパス１３４が渦形室３８により提供されている。図６に示されているＥＧＲ弁１３８は、排気エルボ管１４０を介してタービンハウジングからのＥＧＲ流を制御する。ＥＧＲ弁はバイパスを閉じる着座位置からクランク１４６による開位置へアーム１４４により回転可能なポペット弁１４２を含む。図１の弁２６は、ある実施形態においては、図示されているようにオン−オフ形ＥＧＲ弁のみからなるが、他の実施形態においては、米国出願Ｎｏ．０９／０３２１０１に開示されているような第２比例弁を含んでＥＧＲ流を更に制御するようにしてもよい。
【００１９】
米国出願Ｎｏ．０９／０３２１０１に開示されているように、ＥＧＲクーラーを介した再循環ガスのためのエルボ管からの管接続が使用されるが、他の実施形態では、ターボチャージャーのＥＧＲポンプの排気ガスインレットに直接接続するようにしてもよい。
【００２０】
特許法に要求されたとおり詳細に本発明を記述したが、当業者はここに開示された特定の実施形態の改良及び置換が特許請求の範囲において定義されたように本発明の目的の範囲内であることを理解するであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のターボチャージャを使用したエンジン及びＥＧＲシステムの概要図である。
【図２】 ターボチャージャと一体である、本発明の実施の形態で使用したＥＧＲポンプの断面図である。
【図３】 図２のターボチャージャのコンプレッサ及びＥＧＲポンプの断面図である。
【図４】 ａは本発明のターボチャージャに使用するための可変静ベーンタービンインレットシステムの断面図であり、ｂはａの４ｂ−４ｂ線に沿って切断した可変静ベーンタービンインレットシステムの断面図である。
【図５】 一体排気再循環ポートを有する可変静ベーンタービン用のタービンハウジングの図４ａの５−５線に沿って切断した断面図である。
【図６】 図５の６−６線に沿って破断した断面図である。

Claims (3)

1. 一体型の排気ガス再循環（ＥＧＲ）ポンプを組み込んだターボチャージャーであって、
   排気ガスインレットとタービンアウトレットとを有するタービンハウジングと、
   前記排気ガスインレットを通って受けた排気ガスによって駆動され、回転可能なシャフトに連結されたタービンと、
   前記回転可能なシャフトを受ける軸受アセンブリを支持する中央ハウジングであって、前記タービンハウジングに連結するための手段を有する中央ハウジングと、
   空気インレットと給気アウトレットとを有するコンプレッサーハウジングと、
   前記回転可能なシャフトに取り付けられたコンプレッサーローターであって、前記コンプレッサーハウジングの前記空気インレットを通った空気を受けて、圧縮空気を当該コンプレッサーハウジングの前記給気アウトレットに排出する第１の組のベーンと、前記第１の組のベーンに対向する位置で当該コンプレッサーローターに一体的に取り付けられて、ＥＧＲインレットから排気ガスを受け、圧縮された排気ガスをディフューザーを通してＥＧＲアウトレットに排出する第２の組のベーンとを有するコンプレッサーローターと、
   前記コンプレッサハウジング内に組み込まれ、前記ＥＧＲアウトレットの流路と前記給気アウトレットの流路とに分離するバッフルであって、当該コンプレッサハウジング内で圧縮された排気ガスと圧縮空気との混合を防ぐ、バッフルと
   を備え、
   前記バッフルは、前記コンプレッサーローターと協働的に相互作用可能な少なくとも一つの段付きシールを有する、ことを特徴とするターボチャージャー。
2. 請求項１に記載のターボチャージャーにおいて、
   前記タービンハウジングに対して一体化された流路可変ノズルであって、排気ガスの背圧を制御するように調節可能な流路可変ノズルを更に備えることを特徴とするターボチャージャー。
3. 請求項２に記載のターボチャージャーであって、
   前記タービンハウジングに一体化された、再循環されるべき排気ガスのためのバイパスと、
   同バイパスを密閉するためのバルブと、
   を更に含むターボチャージャー。

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