JP4612719B2 - 排気ターボチャージャの排気タービン - Google Patents

Description

本発明は請求項１の前段に記載の排気ターボチャージャの排気タービンに関する。

特許文献１は、内燃機関用排気ターボチャージャを記載している。当該排気ターボチャージャの排気タービンが内燃機関の排気ストランド内に配置され、そしてコンプレッサが吸気管内に配置されており、雰囲気圧にある燃焼空気が、増加されたチャージ圧力まで圧縮されるとすぐに、排気タービンのタービンホイールが、加圧された排気ガスによって駆動され、そしてその回転運動がシャフトを介してコンプレッサ内のコンプレッサホイールに伝達される。排気タービンには、入口側チャネルとタービンホイールとの間のタービン入口断面の軸方向可動案内格子からなる可変タービン形状が備えられ、該案内格子によって、タービン入口断面を最小の遮断位置と最大の開口位置との間で調整することができる。可変タービン形状によって、現在のエンジンおよび作動状況に応じて排気ガスの反対圧力を可変設定することができる。

スライドの壁が、タービン入口断面の２つの側方画成壁の内の一方を形成する。軸方向スライドの移動の際、案内格子の自由端側が、タービンハウジング内の反対側凹部に移動する。軸方向スライドの軸方向位置に応じて、より大きくあるいはより小さく有効なタービン入口断面が設定される。

タービン入口断面の、軸方向スライドに形成される調節可能画成壁は、排気タービンの出口側ダクトから離れる方を向くタービンの軸受側に位置決めされる。タービン入口断面が完全に開口したとき、軸方向スライドの画成壁はタービンホイール羽根の軸方向端部側と整列して位置決めされる。対照的に、タービン入口断面が減少するとき、軸方向スライドの画成壁は、タービンホイール羽根の端部側に対して軸方向に後退し、その結果、入口側チャネルとタービンホイールとの間の流れの状態が大きく変化する。

特許文献２は、排気ガスが入口側チャネルを介して供給されることができる排気タービンであって、案内羽根を備えた固定案内格子が入口側チャネルからタービンホイールへの移行部に配置されている排気タービンを備えた排気ターボチャージャを開示している。さらに、軸方向スライドが、タービン入口断面の軸方向に配置され、その軸方向スライドによって、有効なタービン入口断面を設定することが可能である。軸方向スライドは同時に、タービンホイールの周囲と半径方向に係合する形状付きスリーブを形成する。

迂回部が軸方向スライドに一体化されており、迂回部は開口状態において、排気ガスがタービンホイールを迂回して入口側チャネルから直接出口側チャネルへ排出されることを可能にする。迂回部は固定式タービンハウジングの壁内の通路として具現化され、軸方向スライドの外側面によって画成される。軸方向スライドが完全に後退すると、通路は一方の端部において入口側チャネルと連通し、別の端部において出口側ダクトに開口する排出開口部と連通する。軸方向スライドが部分的にあるいは完全にタービン入口側断面の方へ押されると、排出開口部から入口側ダクトまでは対照的に軸方向スライドによって閉鎖される。

排気ガスは、軸方向スライドが完全に開口したとき、迂回部及び直接出口側ダクトに通じる排出開口部を介して流れることが可能であり、最初に迂回部の方へ半径方向に導かれ、次に軸方向スライドの外側面において軸方向に９０°偏向されねばならず、そしてその後、排出開口部を通って排出可能であるように半径方向にさらに９０°後退する。前記の排気ガスの複数回の偏向によって、流れ挙動を改善する、したがって効率を改善する渦流を排気ガスに付与することは不可能である。

特許文献３はまた、流出開口部がその中に形成されている形状付きスリーブによってタービンホイールが半径方向に囲まれている排気ターボチャージャ内の排気タービンを提案している。軸方向スライドが形状付きスリーブ上に位置決めされ、移動可能なように形状付きスリーブ上に取り付けられており、軸方向スライドが後退位置にあるとき、排出開口部が開口され、排気ガスがタービンホイールを迂回して、入口側チャネルから直接排気タービンの出口側ダクトへ流れることが可能である。

しかしながら、タービン入口断面の案内格子は前記排気タービンには設けられない。互いに隣接して配置され、互いに分離される２つの入口側チャネルが、タービンハウジング内に配置され、入口側チャネルは軸方向スライドによって連続して開口される又は閉鎖される。案内格子の欠落は、入口側チャネルからの排気ガスが追加的に渦流を生成することなくタービンホイールに衝突するという結果をもたらす。

欧州特許第０ ６５４ ５８７ Ｂ１号明細書 国際公開第２００４／０４８７５５ Ａ１号パンフレット 国際公開第２００４／１１３６８６ Ａ１号パンフレット

本発明は、軸方向スライドを備えた案内格子の形態にある可変タービン形状を有し、かつ幅広い作動レンジにおける好ましい流れの状態によって特徴付けられる排気ターボチャージャの排気タービンを特定するという課題に基づく。簡単な設計措置を備えた排気タービンの排出機能を実現するための可能性を特定することも好都合に意図される。

前記課題は、本発明に従い請求項１の特徴によって解決される。従属請求項は好ましい改良形態を特定する。

本発明による排気タービンにおいて、タービン入口断面に向かって延在する案内格子が、ハウジングに対して固定するように取り付けられ、有効なタービン入口断面の調節が、軸方向スライドの移動によって行われる。軸方向スライドは、排気ガスが排出される出口側ダクトの方を向く側に配置され、従って案内格子は、タービンハウジングの出口側ダクトから離れる方を向く側に位置決めされる。出口側ダクトから離れる方を向き、ハウジングに対し固定される画成壁が、タービンホイールのタービンホイール羽根と軸方向に同一平面状に終端することがさらに提供される。このようにして、軸方向スライドが遮断位置の方向に閉じられた場合、有効なタービン入口断面は引き続き残り、タービンの軸受側の方を向くタービンホイール入口側の部分にわたって横たわるようになる。前記特徴は、提案される本発明を、先行技術から知られる実施形態と区別するものであり、その先行技術の実施形態においては、流れダクトの軸受側の方を向く画成面が軸方向に移動可能であり、そして出口側ダクトの方を向く画成面が固定される。

本発明による設計を用いることで、たとえば、軸方向スライドが後退位置にあるとき、すなわちタービン入口断面が拡張しているとき、排気タービン内の入口側チャネルと出口側ダクトとの間の直接の排出経路が開口され、その排出経路を介して、排気ガスが実質的にタービンホイール羽根を迂回して流出することができることにより得られる排出機能を実現することが極めて容易に可能になる。たとえば高エンジン回転速度時に、排気ガスの反対圧力を消失させるために作動され得る所謂内部排出が、このようにして実現される。排出の量を、軸方向スライドの軸方向の位置によって無段階式に設定することができる。

軸方向スライドは、端部側の領域において、ハウジングに固定される案内格子を保持するための収容開口部を有する母体として好都合に具現化される。前記収容開口部の深さおよび案内格子に対する軸方向スライドの相対位置は、軸方向スライドが完全に後退したときでさえ、案内格子の案内羽根が依然として収容開口部内に案内されるような方法で有利に設計される。

１つの好ましい実施形態において、軸方向スライドは、タービンホイールを収容する形状をなしたスリーブ上に配置され、またスリーブ上を移動できるように取り付けられる。前記スリーブは、タービンハウジング内に固定式にかつ移動不可能に取り付けられているために、可能な最良の方法でタービンホイールの形状に適合させることが可能で、その結果、タービンホイール羽根とスリーブの内側との間の間隙が最小になり、空気流の損失を大幅に回避することができる。別の有利な実施形態において、スリーブは少なくとも１つの排出開口部を有し、該排出開口部は、少なくとも軸方向スライドが最大開口位置にあるとき、前記入口側チャネルから前記出口側ダクトへの直接の排出経路を形成するために開口され、その結果、排気ガスが入口側チャネルから出口側ダクトへ直接進むことができる。案内格子は、スリーブの排出開口部の上を軸方向に有利に延在し、その結果、軸方向スライドが後退しかつ排出開口部が開口しているときでさえ、流出する排気ガスは最初に案内格子を通過しなければならず、前記案内格子によって排気ガスは渦流となり、渦流はタービン出口側断面において流れの状態を改善し、その結果、排出動作においてさえも効率の増加が得られる。

さらなる利点ならびに好ましい実施形態を、別の請求項から、図面の説明から、および図から得ることができる。

図面において、同一の部品には同じ参照符号が付けられている。

図１において図示され、特に火花点火式エンジン、適切であればディーゼル内燃機関でもある内燃機関１は排気ターボチャージャ２を備えており、排気ターボチャージャ２は、内燃機関の排気ストランド４内の排気タービン３と、吸気管６内のコンプレッサ５とを備えている。内燃機関の加圧された排気ガスによって駆動されるタービンホイールが、排気タービン３内に回転可能に取り付けられている。雰囲気圧にある燃焼空気が吸引されて増加したチャージ圧力まで圧縮されるとすぐに、前記の回転運動が、シャフト７を介してコンプレッサ５内のコンプレッサホイールに伝達される。

排気タービン３は、有効なタービン入口断面に突出し、相互作用する軸方向スライドを備える案内格子として特に具現化される可変タービン形状８を備え、軸方向スライドの軸方向の調節が、最小である遮断位置と最大である開口位置との間で有効なタービン入口断面の変化をもたらす。

吸気管６内のコンプレッサ５の下流に配置されているのは給気冷却器９であり、供給された燃焼空気がそこで冷却される。続いて、冷却された給気は内燃機関１のシリンダに供給される。

内燃機関１には、排気再循環ライン１０がさらに装備される。排気再循環ライン１０は、排気タービン３の上流の排気ストランド４と給気冷却器９の下流の吸気管６との間に再循環ラインを備える。排気冷却器と、調節可能な調整弁とが再循環ライン内に配置される。

内燃機関のすべての調節可能な装置、特に可変タービン形状８および排気再循環ライン１０内の調整弁は、状態および動作の変数に応じて調整制御装置１１によって調節される。

図２は排気タービン３を断面図で示す。ハウジング内に回転可能に取り付けられているタービンホイール１４が、シャフト７によってコンプレッサホイールに回転式に固定連結される。タービンハウジング１２内に形成され単一チャネル設計である渦巻状入口側チャネル１６を通って、排気ガスが排気タービン３に供給される。タービンホイール１４を半径方向に囲んでいる入口側チャネル１６と、タービンホイール１４との間に、タービン入口断面１５が配置され、その中に案内格子１７の案内羽根１８が突出する。前記案内格子１７はハウジングに対して固定するように配置される。案内羽根１８は、軸方向スライド１９の収容開口部内に保持され、軸方向スライド１９は形状付きスリーブ２０上に位置決めされ、形状付きスリーブ上を軸方向に動くことができる。軸方向スライド１９は、作動要素２１によって軸方向に調節される。形状付きスリーブ２０は、タービンホイール１４のタービンホイール羽根の周囲で係合するか、またはそれを取り囲み、タービンホイール羽根の形状に適合される。排出開口部２２が形状付きスリーブ２０の壁に、その外周に分配されるように形成され、該排出開口部は、軸方向スライド１９が軸方向後退位置（この軸方向後退位置は有効なタービン入口断面１５の最大開口位置に対応する）にあるとき開口され、その結果、タービンホイール羽根を迂回する、入口側チャネル１６から案内羽根１８を経由する出口側ダクト１３への直接の排出経路が開口される。

しかしながら図２の例示において、排出開口部２２は、有効なタービン入口断面１５を最小化する遮断位置に位置決めされた軸方向スライド１９によって覆われており、前記位置において排出開口部２２を介する排出は不可能であり、入口側チャネル１６内にある排気ガスは、タービン入口断面１５を介するタービンホイール１４のタービンホイール羽根への直接の流路をとらなければならない。

図３の排気タービン３の拡大図において、軸方向スライド１９は完全に後退した位置にあり、その位置で、有効なタービン入口断面１５は最大値をとる。タービン入口断面１５は、側面の２つの画成壁２４および２５によって画成され、第１の画成壁２４は案内格子１７の構成要素であり、第２の対向する画成壁２５は軸方向スライド１９の端部側によって形成される。軸方向スライド１９の前記の後退位置において、案内羽根１８の端部側終端部は、軸方向スライドの収容開口部２３内にまだ位置しているが、しかしながら同時に、排出開口部２２を介する流路が矢印２６のように開口され、その結果、排気ガスはタービンホイール羽根を迂回して、入口側チャネル１６から形状付きスリーブ２０の排出開口部２２を介して直接出口側ダクト１３へ進むことができる。

同様に図３からは、案内格子１７の固定案内羽根が排出開口部２２の領域へ軸方向に延在し、その結果、通過する排気ガスが、案内羽根１８を経由する流路をとるようにされ、それにより、排出される排気ガスはまた渦流となり、流れの状態を、特に排気タービンからの出口の領域において改善することができる。

タービン入口断面１５の、ハウジングに固定される画成壁２４は、案内格子１７の固定された構成要素部分であり、出口側ダクト１３から離れる方を向く側にあり、一方では、端部側画成壁２５を含む軸方向スライド１９は、タービン入口断面の出口側ダクト１３の方を向く側に配置される。画成壁２４は、タービンホイール羽根の軸方向端部側と軸方向に同一平面に終端する。画成壁２４は、タービンロータの回転軸に垂直である半径方向面に対してわずかに傾斜しており、傾斜の角度は０°〜約３０°の範囲にある。

図４、図４ａ、および図４ｂから理解できるように、案内羽根１８の外側の端部側領域２７は、他の領域と異なる形状を備え、そして具体的には他の領域に対して半径方向に窪んでいる。案内羽根１８の前記外側領域２７は、排出開口部２２のレベルまで軸方向に延在している。軸方向スライド１９が後退したとき、排出開口部２２が開口され、排気ガスが排出開口部を介して流出する。排気ガスが案内羽根１８を通過するとき、排気ガスは、タービン出口側における流れの状態に有利性を有する付随性の渦流となり、したがって、排気動作におけるタービン効率の改善をもたらす。

軸方向スライド１９の軸方向移動にわたる有効なタービン入口断面１５の形状は、外側領域２７における案内羽根の半径方向の窪みによって、スループット挙動に関してエンジンの要求に適合させることができる。

形状付きスリーブ２０を使用することによって、タービンホイール羽根の半径方向外側の形状を、軸方向の長さに沿って見た場合、可変であるように設計することがさらに有利に可能である。１つの有利な実施形態によれば、タービンホイール羽根の出口側の直径の、入口側の直径に対する比率ＴＲＩＭは、０．６〜０．８５の範囲の値にあることが提供される。前記比率において、タービンホイール羽根の出口側の直径は、入口側の直径よりも小さく、それは、タービンホイールへの推進力がついた伝達の向上に貢献する。

排気ターボチャージャを備え、その排気タービンには可変タービン形状が備えられている内燃機関の概略図である。 タービン入口断面を最小化する遮断位置に描写された可動軸方向スライドと相互作用するタービン入口断面の固定案内格子を備えた、排気ターボチャージャの排気タービンの断面を示す。 軸方向スライドが完全に後退し、その結果としてタービン入口断面が最大化された、排気タービンの拡大詳細図を示す。 排出開口部が中に形成された、排気タービン内の形状付きスリーブの、および案内羽根を備えた固定案内格子の図を示す。 案内格子の端部側の図を示す。 図４ａのＡ−Ａ線に沿った案内格子の断面を示す。

Claims (4)

1. 排気ターボチャージャ（２）の排気タービンであって、ハウジング内に回転可能に取り付けられるタービンホイール（１４）を備え、排気ガスが入口側チャネル（１６）を介して前記タービンホイール（１４）へ供給され、排気ガスは出口側ダクト（１３）を介して前記排気タービン（３）から排出されることができ、前記排気タービンはさらに、前記入口側チャネル（１６）から前記タービンホイール（１４）までの移行部に、２つの側方画成壁（２４、２５）の間に形成されたタービン入口断面（１５）を有し、前記タービン入口断面（１５）には案内格子（１７）と、該案内格子（１７）と相互作用し軸方向に調節可能である軸方向スライド（１９）と、が配置され、前記タービン入口断面（１５）の前記画成壁（２４、２５）の一方は、移動可能であるように設計され、前記軸方向スライド（１９）によって形成され、前記案内格子（１７）は、前記ハウジングに固定されるように前記タービン入口断面（１５）に取り付けられ、前記軸方向スライド（１９）は、前記出口側ダクト（１３）の方を向く側に配置され、前記タービン入口断面（１５）の前記画成壁（２４）は前記出口側ダクト（１３）から離れる方を向き前記ハウジングに固定され、前記タービンホイール（１４）のタービンホイール羽根と軸方向に同一平面に終端し、前記タービン入口断面（１５）と前記出口側ダクト（１３）との間の排出経路（２６）が、前記軸方向スライド（１９）が後退位置にあるとき開口される排気タービンにおいて、
   前記軸方向スライド（１９）が、前記タービンホイール（１４）を包み込む形状をなしたスリーブ（２０）上に配置され、前記スリーブ上を移動可能であるように取り付けられ、少なくとも１つの排出開口部（２２）が前記スリーブ（２０）に形成され、前記排出開口部（２２）は、前記軸方向スライド（１９）が最大開口位置にあるとき、前記入口側チャネル（１６）から前記出口側ダクト（１３）への直接の排出経路を形成するために開口され、有効なタービン入口断面（１５）を最小化する遮断位置にあるとき閉じられ、及び前記案内格子（１７）が、前記排出開口部（２２）のレベルまで軸方向に延在し、前記軸方向スライド（１９）が最大開口位置にあるとき、前記案内格子（１７）による前記排出開口部（２２）の重なり部分が依然として存在することを特徴とする、排気タービン。
2. 前記排出開口部（２２）の上に延在する前記案内羽根（１８）の部分が形状の付けられた領域（２７）を有し、それにより前記案内羽根の外形のコード長が最大３０％短くされることを特徴とする請求項１に記載の排気タービン。
3. 前記ハウジングに固定され前記タービンホイール羽根（１８）と共に軸方向に終端する、前記タービン入口断面（５）の前記画成壁（２４）が、タービンロータの回転軸に垂直な半径方向面に対して３０°未満の角度を有することを特徴とする請求項１あるいは２に記載の排気タービン。
4. 前記タービンホイール羽根の出口側の直径の、入口側の直径に対する比率（ＴＲＩＭ）が、０．６〜０．８５の範囲：
   ０．６＜ＴＲＩＭ＜０．８５
   にあることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の排気タービン。

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