JP5941169B2 - ターボポンプ - Google Patents

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Description

この発明は、自動車エンジンのターボポンプに関するものであり、特に、ターボチャージャーを組み込んだ排気駆動ターボポンプに関するものである。この発明の側面は、ポンプ、アセンブリ、システム、エンジン及び自動車に関するものである。
自動車エンジンの排気駆動ターボチャージャーは広く知られている。排気ガスにより駆動されるターボチャージャーのタービンは、吸気側でコンプレッサーを駆動し、それにより、エンジンの各燃焼サイクルのチャージボリュームを増大させる。
有害な排出物を減らす目的で、冷機始動時（during a cold engine start）に、新鮮なエアチャージを希釈するため、排気ガスを、エンジンの吸気側へ再循環させる排気ガス再循環（ＥＧＲ）もまた知られている。
高圧ＲＧＲは、排気マニホールドでの、又はその近傍からの排気ガスをもたらす。この構成は、排気ガス蒸気が熱く、それによってそれと混合すると吸気チャージの温度を上昇させるので、若干の不都合がある。また、そのような排気ガスはろ過されておらず、そのため、エンジン潤滑油の劣化の原因となり得るカーボン及び他の汚染物質が含まれる。
いわゆる低圧ＥＧＲは、通常のディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）及びディーゼル粒子フィルター（ＤＰＦ）の下流側で排気システム内の位置から排気ガスを供給する代替手段である。そのようなガスは、比較的冷たく、かつクリーンであるが、実質的にテールパイプ圧力にある。比較的低い圧力であることにより、不十分な量がエンジン吸気管内に流れるか、又は引き込まれることがある。それ故、要求に応じて、比較的冷たく、かつクリーンな排気ガスの十分な量を吸気管に供給できることを確保するため、ポンプを設けることがある。
本発明は、このような背景に対して着想されたものである。この発明の実施形態は、上述した問題に対処する改良されたポンプを提供することができる。この発明の他の目的及び利点は、以下の詳細な説明、特許請求の範囲及び図面から明らかになる。
本発明の一の側面によれば、共通の軸の周りで回転可能な、対をなすコンプレッサー及びタービンホイールを有する自動車エンジンの排気ターボポンプアセンブリであって、前記ホイールの内側対（an inner pair of said wheels）が、スピンドルに対して回転可能なチューブ状シャフトにより連結されるものであり、前記スピンドルが、該シャフトを通過するとともに前記ホイールの外側対（an outer pair of said wheels）を連結するものであり、一の対をなす前記ホイール（one pair of wheels）が、排気駆動ターボチャージャーを備え、他の対をなす前記ホイール（another pair of said wheels）が、エンジン吸気管への排気ガスの再循環のための排気駆動ターボポンプを備えるものが提供される。そのようなポンプは、ここではＥＧＲターボポンプと称する。
そのような構成は、小型なターボポンプアセンブリをもたらすことができ、ここでは、対をなすコンプレッサー及びタービンホイールは、同じ回転軸の周りで独立して作動して、ターボチャージャー及びＥＧＲターボポンプをもたらす。
一の実施形態では、デュアル・ターボポンプアセンブリを提供する。さらなる対をなすタービン・コンプレッサーホイールを設け、これらは、共通の軸上で回転可能な各チューブ状シャフトにより連結することができる。たとえば、トリプル・ターボポンプアセンブリは、二段階のターボチャージャー及び、ＥＧＲターボポンプを備えることができる。
この発明の実施形態では、ターボポンプアセンブリの外側ホイールは、環状であって、それぞれの内側ホイールへのガス流路をもたらす通路である。
この発明の実施形態では、ＥＧＲターボポンプは、要求に応じて作動可能なものであって、そのタービンホイールの上流側にクロージャーバルブを含む。クロージャーバルブは閉じることができ、それにより、ＥＧＲポンプのタービンホイールのアクティブな回転が未然に防止されて、全ての排気ガスが、ターボチャージャーのタービンホイールを通過する。ＥＧＲポンプ・タービンホイールを越える流れの増大をもたらすため、クロージャーバルブは徐々に開くことができ、それにより、それと対をなすＥＧＲポンプ・コンプレッサーホイールからの所望のポンピング効果を実現することができる。
ターボチャージャーは、従来のウェイストゲート又は、それと同様のものを含むことができ、それにより、その過度の圧力を防止し、及び／又は、ターボチャージャー・タービンが対応できない流れを分流させる。
一の実施形態では、ＥＧＲターボポンプが、ホイールの外側対を備えるのに対し、ターボチャージャーは、ホイールの内側対を備える。
この発明の実施形態では、ＥＧＲターボポンプのコンプレッサーホイールの排気口と、ターボチャージャーのコンプレッサーホイールの排気口は連結される。この構成では、ＥＧＲターボポンプにより加圧された排気ガスは、両コンプレッサーホイールの下流側の位置で、ターボチャージャーからの流入空気と混合する。
他の実施形態では、ＥＧＲターボポンプのコンプレッサーホイールの排気口と、ターボチャージャーのコンプレッサーホイールの吸気口は連結される。この構成では、ターボチャージャー・コンプレッサーホイールの上流側において吸気管内で混合するために、比較的低い圧力の排気ガスが必要である。
ＥＧＲターボポンプのコンプレッサーホイールは、混合位置で再循環排気ガスの十分な流れをもたらす寸法とし、また必要に応じて、適切な圧力調整器、流量制限器、及び／又は、逆止弁を設けることができる。
この発明の実施形態では、再循環排気ガスは、ＥＧＲターボポンプからの更なる加圧なしで、ターボチャージャー・コンプレッサーの上流側で吸気管に直接供給することができる。そのような構成は、排気ガスを、エンジンの吸気側に混合及び分流する更なる選択肢をもたらし、そして、ＥＧＲターボポンプを介して導入される排気ガスを補うことができる。望ましい割合の排気ガスが、それぞれの経路を介して流れることを確保するため、適切なダイバータ弁及び／又は流量制限器を組み込むことができる。
他の実施形態では、エンジンの吸気管からのクリーンな空気は、ＥＧＲターボポンプのコンプレッサーホイールの上流側で排気ガス再循環ダクト内に導入されることができる。適切なバルブは、流れ制御を可能にし得るが、それによって再循環排気ガスの希釈を許容し、このことは、エンジン吸気チャージ内での望ましい量の再循環排気ガスを実現することに役立つことがある。
そのため、希釈排気ガスはその後、ＥＧＲターボポンプ・コンプレッサーホイールを通過し、そして、ターボチャージャー・コンプレッサーの上流側の吸気管、又は、ターボチャージャー・コンプレッサーの下流側の位置及び、好ましくはエンジン吸気管のインタークーラーのいずれかに案内される。
他の実施形態では、ＥＧＲターボポンプ・コンプレッサーの上流側で排気再循環ダクト内に、四方弁を設けることができる。そのようなバルブは、排気ガスの吸気口、吸気管からの新鮮な空気の吸気口、ターボチャージャー・コンプレッサーの上流側の吸気管への排気口、及び、ＥＧＲターボポンプ・コンプレッサーへの排気口を備える。
使用に際し、四方弁は閉じて、排気ガス再循環を阻止することができ、又は開いて、以下の（ａ）〜（ｅ）の一つを可能にすることができる。
（ａ）エンジンの吸気管への、加圧されていない排気ガスの直接流入
（ｂ）ＥＧＲターボポンプ・コンプレッサーへの、加圧されていない排気ガスの直接流入
（ｃ）望ましい割合での（ａ）及び（ｂ）の組合せ
（ｄ）吸気管からの新鮮な空気とともに再循環排気チャージの希釈、ＥＧＲターボポンプ・コンプレッサーへの混合流流れ
（ｅ）（ａ）及び（ｄ）の組合せ
この発明の実施形態によりもたらされる様々な流路は、ターボチャージャー・コンプレッサーの上流側及び下流側の様々な位置での再循環排気ガスの混合を可能にする。これらのバリエーションはまた、比較的熱いガス及び比較的冷たいガスが、エンジン吸気側の位置での望ましいガス温度プロファイルをも実現し得る割合で混合する利点を可能にする。
この出願の範囲内において、先述の段落、特許請求の範囲ならびに／または、後述の詳細な説明および図面で明記する様々な側面、実施形態、実施例および代替手段ならびに、特にその個々の構成は、独立して、または任意の組合せとして解釈され得ることが想定されている。たとえば、一の実施形態との組合せで説明した構成は、そのような構成が矛盾しない限り、全ての実施形態に適用可能である。
この発明の第一実施形態を、「オフ」ないし「オン」の状態で概略的に示す。 この発明の第一実施形態を、「オフ」ないし「オン」の状態で概略的に示す。 この発明の第二実施形態を、「オフ」ないし「オン」の状態で概略的に示す。 この発明の第二実施形態を、「オフ」ないし「オン」の状態で概略的に示す。 この発明の第三実施形態を、「オフ」ないし「オン」の状態で概略的に示す。 この発明の第三実施形態を、「オフ」ないし「オン」の状態で概略的に示す。 この発明の第四実施形態を、「オフ」ないし「オン」の状態で概略的に示す。 この発明の第四実施形態を、「オフ」ないし「オン」の状態で概略的に示す。 この発明の第五実施形態を、「オフ」ないし「オン」の状態で概略的に示す。 この発明の第五実施形態を、「オフ」ないし「オン」の状態で概略的に示す。 この発明の第六実施形態を、「オフ」ないし「オン」の状態で概略的に示す。 この発明の第六実施形態を、「オフ」ないし「オン」の状態で概略的に示す。
以下に添付図面を参照しつつ、本発明の実施形態を、単なる例示を目的として説明する。
添付図面に、デュアル・ターボポンプアセンブリを概略的に示す。対をなすタービン及びコンプレッサーホイール１１、１２及び１３、１４は、共通の軸の周りで回転するように取り付けられており、その内側対１１、１２は、チューブ状シャフト１５により連結され、また、外側対１３、１４は、チューブ状シャフト１５内に延びるシャフト（図示せず）により連結されている。
ホイールの各対は他から独立しており、また、外側対１３、１４は環状であり、それによって、後述の説明から明らかになるように、内側対への及び内側対からの流れを許容する。
使用に際し、流れ制御バルブは、流れを、一もしくは他のタービンホイールに向かせるために設けられる。ホイールの内側対１１、１２は、内燃エンジンの従来型のターボチャージャーを備え、また、ホイールの外側対は、エンジン吸気側（ＥＧＲターボポンプ）へ再循環される低圧排気ガスのためのポンプを備える。
図１を参照すると、デュアル・ターボポンプアセンブリは、ディーゼルエンジン（図示せず）の排気マニホールド１９から排気ガスを供給される排気駆動タービン１２、１４で構成されている。タービン段階を通過した後、排気ガスは、ディーゼル酸化触媒１６及びディーゼル微粒子捕集フィルター１７を通過し、排気テールパイプ１８に至る。テールパイプでは、排気ガス圧力は、ターボポンプアセンブリの上流側の排気ガス圧力と比較して、低いものと見なされる。
図面では、実際の流路を実線で示す一方で、潜在的な流路は点線で示している。
図１に示す構成では、ＥＧＲターボポンプに関連するタービン１４はアクティブではなく、排気流れ供給弁２１は閉鎖し、全ての排気ガス流れは、エンジンターボチャージャーの一部をなすタービン１２を経由している。ある程度のフリーホイリング（some free-wheeling）が、そのベアリングの潤滑を確保するために意図的に許容されているとしても、排気流れは、タービン１４の中央開口部を通過するが、それに実質的に回転力を付与しない。
この構成では、ターボチャージャーのコンプレッサーホイール１１は、エンジンの吸気マニホールド２０をチャージするべく従来のように作動し、そしてコンプレッサーホイール１３の中央開口部を通して吸気を受け取り、これは、タービン１４への連結に起因して、フリーホイールする。
排気ガス再循環経路２２は、排気ガスを、コンプレッサーホイール１３に向けるが、この経路は、この実施形態では、バルブ２３によって閉ざされている。
それ故に、図１の実施形態では、ＥＧＲポンプは「オフ」である。
図２では、ＥＧＲポンプは「オン」であり、バルブ２１は、タービン１４を通る流れを許容し、そしてこれは、コンプレッサーホイール１３を駆動させる。またバルブ２３は開いて、コンプレッサーホイール１３がダクト２２を介してＥＧＲガスを引き込むことを許容するとともに、それを吸気マニホールド２０に送り出し、それにより、コンプレッサーホイール１１からの圧縮空気を補う。ＥＧＲガスと吸気の混合は、好ましくは、吸気マニホールド２０の上流側に位置する従来型のエアトゥエアインタークーラー（図示せず）の上流側で起こる。
この実施形態は、ポンピングなしで吸気マニホールド内に効果的に流すには低すぎる圧力である排気ガスの再循環を可能にする。
適切なタービン及びコンプレッサーホイール、バルブ、流量並びにその他の変数の設計及び仕様は、適正な当業者の能力の範囲内であり、ここでさらに詳細に説明することを要しない。
再循環する排気ガスの温度が高すぎる場合は、適切なクーラー２４を、ＥＧＲダクト内に組み込むことができ、たとえば、エンジン冷却システムに関連するガス／ウォータークーラー等である。
図３及び４に他の実施形態を示す。同様のコンポーネントは、同一の符号を付している。
この実施形態は、圧縮排気ガスが、コンプレッサーホイール１３から出て、コンプレッサーホイール１１の上流側で吸気と混合することを除いて、図１及び２のそれと対応する。図３は「オフ」の構成を示し、ここでは、バルブ２１及び２３が閉じている。図４は「オン」の構成を示し、ここでは、低圧排気ガスが、吸気ダクトに送り出される。図３及び４の構成は、ガスのより優れた混合、及び、密集したエンジン区画内に設置するための他の構造をもたらす。
図５及び６ａに示す構造では、排気側は変化していない。図５は「オフ」の状態を示し、この一方で、図６ａは「オン」の状態を示し、それにより、排気ガスは、吸気管に直接通過し、昇圧されない。ＥＧＲダクトの第二バルブ２５は、コンプレッサーホイール１３への流路を閉ざす。
ＥＧＲガスと空気の混合物は、吸気マニホールド２０に供給するため、コンプレッサーホイール１１によって昇圧される。
図６ｂの実施形態では、バルブ２５はまた開いて、排気ガスの一部が、コンプレッサーホイール１１の下流側の吸気管に直接昇圧されることを許容する。ＥＧＲガス流れの二つの経路の流れの割合を決定するため、流量制限器又は他の手段を用いることができる。
図７及び８にさらに他の構成を示す。排気側は変化していない。図７は「オフ」の状態を表し、また図８は「オン」の状態を表す。
追加のバルブ２６は、吸気管内に組み込まれており、それにより、空気は、コンプレッサーホイール１３の上流側でＥＧＲガスと混合するように指向されることができる。また、ＥＧＲ流れと混合させるためのバルブ２３に向ける空気の割合を決定するため、流量制限器又は他の手段を設けることができる。
図７ではバルブ２６は開くことができるが、ＥＧＲダクト２２を通る逆流のいかなるリスクをも未然に防止するため、それを閉じることができると理解されるだろう。バルブ２６及び２３が開いたとき（図８）、ＥＧＲ流れは、望ましい割合で新鮮な空気と混合する。
図９、１０ａ及び１０ｂは、図７及び８と密接に対応するバルブ２３、２７を有するが、コンプレッサーホイールの上流側の吸気口に向けられた昇圧ＥＧＲガスの流路を有する他の実施形態を示す。排気側は変化していない。
それにより、図９の「オフ」構成では、バルブ２３及び２７は閉じており、ＥＧＲ流れは妨げられる。
図１０ａの「オン」構成では、バルブ２３は開いて、排気ガスが、コンプレッサーホイール１３によって昇圧されるとともに、吸気管へと運ばれることを可能にする（この構成はまた図４と対応する）。
図１０ｂの「オン」構成ではまた、バルブ２７が開いて、コンプレッサーホイール１３に流入する排気ガスの希釈を可能にする。
図１１及び１２ａ〜１２ｅに、他の実施形態を示す。図１１は、「オフ」構成を示し、この一方で、図１２ａ〜１２ｅは「オン」構成を示す。これらの実施形態では、ＥＧＲダクト内に、四方弁２８を設けている。
第一「オン」状態（図１２ａ）では、排気ガスは、コンプレッサーホイール１１の上流側の吸気ダクトに向けられ（図６ａにも対応する）、昇圧されない。
図１２ｂでは、排気ガスは、コンプレッサーホイール１３を介して昇圧される（図２にも対応する）。
図１２ｃでは、排気ガスは、昇圧及び、吸気管への直接供給の両方がなされる（図６ｂにも対応する）。
図１２ｄでは、バルブ２８は、吸気を、コンプレッサーホイール１３の上流側で排気ガスと混合させるべく指向させる（図８にも対応する）。
図１２ｅでは、吸気及び排気ガスは混合されて、コンプレッサーホイール１３の上流側の吸気管及び、コンプレッサーホイール１１の両方へ供給される割合である。
ここで述べた構造により許容される異なる流路はともに、密集したエンジン区画内の設置に適用することができ、また、排気ガスと新鮮な空気との適切な割合での混合を許容し、吸気マニホールドへの望ましいチャージを実現することができる。特に、排気ガスと空気との望ましい割合に加えて、吸気口チャージの望ましい温度を実現することを可能にすることができる。

Claims (16)

  1. 共通の軸の周りで回転可能な対をなすタービン及びコンプレッサーホイールを備える内燃エンジンのポンプアセンブリであって、前記ホイールの内側対が、スピンドルに対して回転可能なチューブ状シャフトに連結されるものであり、前記スピンドルが、該シャフトを通過して前記ホイールの外側対を連結するものであり、前記ホイールの外側対のそれぞれが、前記ホイールの内側対へのガス流れ用の通路を画定する中央開口部を有し、一の対をなす前記ホイールが、前記エンジンの吸気口のためのターボチャージャーを備え、他の対をなす前記ホイールが、前記吸気口へ再循環される排気ガス用のポンプを備えるアセンブリ。
  2. 二対のタービン及びコンプレッサーホイールを有する請求項１に記載のアセンブリ。
  3. 前記ターボチャージャーが、前記ホイールの内側対を備える請求項２に記載のアセンブリ。
  4. 前記スピンドルが、前記チューブ状シャフト内に軸支される請求項１〜３のいずれか一項に記載のアセンブリ。
  5. 前記ポンプのタービンを通る排気ガス流れを制御するべく作動可能なバルブを含む請求項１〜４のいずれか一項に記載のアセンブリ。
  6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載のアセンブリと、内部にクロージャーバルブを有する排気ガス戻りダクトとを備えるＥＧＲシステム。
  7. 前記ダクトが、そこを通って流れるガスの温度を下げるクーラーを包含する請求項６に記載のＥＧＲシステム。
  8. 前記クロージャーバルブが、排気ガスを、前記ポンプのコンプレッサーホイールに向けるべく作動可能であり、前記ポンプの排気口が、前記ターボチャージャーのコンプレッサーホイールの下流側でエンジンの吸気管に連結される請求項６又は７に記載のＥＧＲシステム。
  9. 前記クロージャーバルブが、排気ガスを、前記ポンプのコンプレッサーホイールに向けるべく作動可能であり、前記ポンプの排気口が、前記ターボチャージャーのコンプレッサーホイールの上流側でエンジンの吸気管に連結される請求項７又は８に記載のＥＧＲシステム。
  10. 前記クロージャーバルブが、排気ガス流れの選択可能な割合を、前記ターボチャージャーのコンプレッサーホイールの上流側で、前記吸気管に向けるべく作動可能である請求項８又は９に記載のＥＧＲシステム。
  11. 前記クロージャーバルブが、エンジンの吸気管から空気を流入させて、前記ポンプのコンプレッサーホイールに向けられた排気ガスを補うべく作動可能である請求項８〜１０のいずれか一項に記載のＥＧＲシステム。
  12. 前記クロージャーバルブが、望ましい流路を実現するべく組み合わせて作動可能な複数のバルブ要素を備える請求項６〜１１のいずれか一項に記載のＥＧＲシステム。
  13. 前記クロージャーバルブが、望ましい流路を実現するべく切替可能なバルブ要素を有するマルチパスバルブを備える請求項６〜１１のいずれか一項に記載のＥＧＲシステム。
  14. 単一の吸気口、単一の排気口、吸気マニホールド用の単一の連結部、及び、排気マニホールド用の単一の連結部を有する請求項６〜１３のいずれか一項に記載のＥＧＲシステム。
  15. 請求項１〜１４のいずれか一項に記載のアセンブリもしくはシステムを有するエンジン。
  16. 請求項１〜１４のいずれか一項に記載のアセンブリもしくはシステムを有する自動車。
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