JP6360519B2 - ガス流を制御するための装置、排気後処理システム、及び車両を推進するシステム - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前文に記載のガス流を制御するための装置に関し、より具体的には、内燃エンジンのためのターボチャージングユニット用の可変ジオメトリタービンに関する。本発明はさらに、排気後処理システム内の排気後処理ユニットの機能を制御するために、該排気後処理システム内に前記装置を適用することに関する。一つの応用は、高いエンジンブレーキング性能を達成することである。

ターボチャージャはよく知られており、また動力出力を増加し、燃料消費及び排出を減少させ、かつ高い標高における空気密度の減損を補う目的で、内燃エンジンと共に広く使用されている。一般的にターボチャージャは、排気ガスのエネルギーを利用して空気圧縮機を駆動することにより、それがないときに自然吸気を通じて誘導可能となる量よりも多くの燃焼過程のためのチャージ給気を供給する。この、より多くの給気により、より多くの燃料が燃焼可能となり、これによりそれがない自然吸引条件の下において所定の気筒の排気量を有するエンジンからは得られない動力及び出力の増加が得られる。

可変ジオメトリ・ターボチャージャ（ＶＧＴｓ）は、吸気流の制御を可能にし、これにより、エンジン速度の一定範囲にわたって、吸気流を最適化することを可能にする。ＶＧＴは、この目的のために、タービンステータに複数の入口案内羽根を備えてもよい。タービンへの入口通路は、タービン周囲に円周状に延在し、環状通路を形成している。前記タービンステータ上の入口案内羽根は、この通路内に円周状に間隔をおいて配置されている。吸気流は、タービンステータ上の入口案内羽根の角度を変更することによって最適化される。入口案内羽根の最適な位置は、所望のトルク応答、燃費、排出物質要件の組合せから決定される。

より具体的には、前記環状通路は、タービンハウジング内に確定されているスクロール形状のボリュートをタービンが設置されているタービン室に接続している。各羽根は、ノズルリング内に収容された羽根端子に接続されている。該羽根端子は、羽根端子をユニゾンリングに接続する羽根アームに接続されている。該ユニゾンリングの枢動により、前記環状通路内の羽根が同時に枢動することが可能になる。羽根の端位置を制御するために、特に羽根が、羽根の先端間の狭い隙間を設定するためにセットされている場合、止めねじが使用される。

さらに、今日の厳しい排出規制に対応するために、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）と、選択的触媒還元（ＳＣＲ）システムを備えた排気後処理システム（ＥＡＴＳ）がしばしば使用される。エンジンが低負荷で動作しているとき、ＥＡＴＳが満足に機能するために排気温度が常に充分に高いとは限らない。その化学反応のために特定の温度レベルが必要なためである。従って、ＥＡＴＳにより、良好な性能を達成するためには、排気温度を上昇させることが必要であり、これをヒートモード又は熱管理と呼んでいる。

上記のように入口案内羽根を備えたこの種のＶＧＴは、排気温度を上昇させてＥＡＴＳにより良好な性能を達成するために使用できる。これはいくつかの動作点において、「ゼロギャップ」位置まで羽根を閉じることによって達成される。しかし、羽根を閉じることにより、羽根が損傷する恐れがある。公差による、及び羽根同士を圧迫及び摩耗により閉じ合さるように押しつけてはならないことによる、羽根角度の個々の差のために、個々により異なって羽根を越える漏出が起き、ゆえに個々により異なるブーストが起きる。

本発明の目的はそれゆえ、ターボユニットに適したガス流制御装置を実現し、それにより強固な制御機能性のための条件を提供することである。

この目的は、独立請求項の特徴によって達成される。他の請求項及び明細書は、本発明の有利な実施形態を開示する。

本発明の第一の態様によれば、通路を通るガス流を制御するための装置が提供され、該装置は複数の枢動可能なガス流制御羽根を含み、前記第１及び第２の隣接する羽根が、実質的に前記通路を通る前記ガス流を制限するため第１の相互エンド状態におかれているとき、第１及び第２の隣接する羽根の枢動軸が第１羽根の後縁が第２羽根の前縁に重なるように間隔をおいて配置される装置であり、前記第１及び第２の隣接する羽根が、前記第１の相互エンド状態におかれているとき、第２羽根が凹部を有し、この凹部が、第１羽根の後縁が少なくとも部分的に該凹部内に収容されるような形状であることを特徴とする。

前記羽根の設計では公差による羽根角度の差異が考慮に入れられているため、２つの隣接する羽根が前記第１の相互エンド状態（「閉」位置を意味する）にあるときに該２つの羽根の間で、漏洩が実質的に等しくなる条件を作る。

さらに、すべての羽根がこのような凹部を有するように設計することによって、制御された漏洩を達成する条件が作られる。より具体的には、羽根の配列の全長にわたって、つまり個々のターボチャージャ構成部分の強固かつ正確な制御のためターボチャージャ内に適用された、全環状通路にわたって、漏洩が実質的に同一となる。

さらにこの解決方法は、異なる個々のターボ構成部分が、小さな隙間のある動作点での運動の間、実質的に同一の背圧を噴出するための条件を作る。これにより、異なるターボチャージャ構成部分が異なる動きをするリスクが低減される。

好ましい実施態様によれば、前記第１及び第２羽根が前記第１相互エンド状態におかれているとき、第１及び第２羽根は、凹部に向い合う第１羽根の後縁表面が凹部の対向する面から一定の距離におかれるように構成される。エンド状態（「閉」位置を意味する）を、羽根間に隙間をもたせて確定することにより、運転中の羽根間の磨耗が低減され、寿命が長くなる。好ましくは、羽根は、このエンド状態にロックされる。

さらに好ましい実施形態によれば、前記第１及び第２羽根が前記第１相互エンド状態におかれているとき、羽根が許容公差内にある場合、前記第２羽根の凹部と第１羽根の後縁とは、前記向い合う表面同士の間に実質的に一定の隙間を確立するように構成される。羽根のこの設計により、羽根が前記第１相互エンド状態におかれているときに、２つの隣接する羽根の間の漏洩が実質的に同一となる。

本発明の第二の態様によれば、内燃エンジンのための排気後処理システムが提供される。該システムは、少なくとも一つの排気処理装置、及び該排気処理装置の上流に配置される、上記に係る装置を含む。該上記に係る装置は、前記フロー制御羽根を前記第１相互エンド状態におくことによって、排気ガス中の上昇した温度を達成する。本発明装置を該後処理システムにおいて使用することによって、ＥＡＴＳから強固な性能を達成するための条件、いわゆるヒートモード又は熱管理が作り出される。

本発明の第三の態様によれば、内燃エンジン、及び前記フロー制御羽根が前記第１相互エンド状態におかれているときに高い排気背圧を達成するための前記内燃エンジンからの排気ラインに配置された上記にかかる装置を含む、車両を推進するためのシステムが提供される。本発明装置を該推進システムにおいて使用することによって、エンジンブレーキングに関して強固な動作を達成するための条件が作られる。

本発明は、上記の及び他の目的及び利点とともに、以下の実施形態の詳細な説明からもっともよく理解され得るが、これらの実施形態に制限されるものではなく、以下のように図示される。
内燃エンジン、ターボチャージャユニット及びガス後処理装置を含む、車両を推進するためのシステムを模式的に示す。 図１に示されるシステム中のターボチャージャユニットの、２つの異なる方向からの一部切り欠き斜視図である。 図１に示されるシステム中のターボチャージャユニットの、２つの異なる方向からの一部切り欠き斜視図である。 図２−３に示されるターボチャージャユニット中のタービンへの流入ガスを制御するためのガス流制御装置の中の羽根の角度位置を制御する機構を示す。 図２−３に示されるターボチャージャユニット中のタービンへの流入ガスを制御するためのガス流制御装置の中の羽根の角度位置を制御する機構を示す。 図４−５のガス流制御装置の中の羽根の異なる角度位置を示す。 図４−５のガス流制御装置の中の羽根の異なる角度位置を示す。 図４−５のガス流制御装置の中の羽根の異なる角度位置を示す。 図４−５のガス流制御装置の中の羽根の異なる角度位置を示す。 ２つの他の各ガス流制御装置を示す。 ２つの他の各ガス流制御装置を示す。

図１は、車両、好ましくはトラック、バス、建設機械のような重荷重用商用車を推進するための、ディーゼルエンジンの形態の内燃エンジン２、ターボチャージャユニット３及びガス後処理装置４を含むシステム１を模式的に示す。

エンジンは、吸気マニホールド７及び排気マニホールド８に従来の方法で通じている６つの気筒６を有するエンジンブロック５を含む。排気マニホールド８は、前記エンジン気筒から排気ガスを受取る。該排気ガスは、排気マニホールド８からパイプ９（タービンハウジング）を介してターボチャージャユニット３内のタービン１０へ導かれ、さらにパイプ１１を介してタービン１０からガス後処理装置へと導かれる。

ろ過された吸気は、パイプ１２を介してエンジンに取り込まれ、ターボチャージャユニット３のコンプレッサ１３に導かれる。コンプレッサ１３は、タービン１０と共通の軸１４に取り付けられている。運転の間、コンプレッサ１３はタービン１０によって作動させられる。

パイプ１５、１７は、前記吸気をコンプレッサ１３から給気冷却器１６を介して前進させ吸気マニホールド７へ導く。

システム１はさらに、排気ガス再循環（ＥＧＲ）構造１８を含む。この構造では排気ガスの一部がパイプ１９を介して排気マニホールド８から、ＥＧＲ弁２０及び冷却器２１を通って、吸気マニホールド７へと戻される。

図２は、ターボチャージャユニット３の第１の方向からの一部切り欠き斜視図である。ターボチャージャユニット３は、タービン１０が設置されているタービン室２３を画定するタービンハウジング２２を含む。環状通路の形状の通路２４がタービンハウジング２２に形成され、タービンハウジング２２に確定されているスクロール形状のボリュート２５を、タービン１０が設置されているタービン室に接続する。すなわち、前記通路２４は周方向に延びるスロットを形成する。

ターボチャージャユニット３は、環状通路２４を介してガス流を制御し、それによりタービン１０を介して排気ガスの流れを制御する装置２６を含む。装置２６は、複数の枢動可能なガス流制御羽根２７、２８を含む。前記複数の枢動可能なガス流制御羽根２７、２８の枢動軸は、前記環状通路２４の方向に対し周方向に間隔をあけて配置されている。より具体的には、２７、２８の各羽根は、前記タービンハウジング２２内に収容された羽根端子２９、３０に接続されている。すべての前記羽根２７、２８の羽根端子２９、３０は、互いに平行に配置されている。さらに、前記羽根２７、２８の羽根端子２９、３０は、共通軸１４の軸方向５２と平行に配置されている。枢動可能なガス流制御羽根２７、２８は、通路２４の実質的に全幅にわたって延在している。

ガス流制御装置２６は、前記羽根２７、２８を異なる枢動位置に一括して設定する機構を含む。

すなわち、ガス流制御装置２６は、径方向からガスを受容するように構成されたロータ（タービン１０）を含み、通路２４はタービン１０の上流に配置され、前記複数の枢動可能なガス流制御羽根２７、２８は、前記ロータの周囲に配置された入口案内羽根により形成されている。より具体的には、前記複数の枢動可能なガス流制御羽根２７、２８は、タービン１０の直上流側に配置される。さらに、前記タービン１０は回転軸５２の周囲を回転するように構成され、フロー制御羽根２７、２８は、前記枢動軸が、タービン１０の回転軸５２と平行となるように配置される。このように、前記タービンは可変ジオメトリのタービンを形成する。

図３は、ターボチャージャユニット３の第２の方向からの一部切り欠き斜視図である。より具体的には、環状通路２４を通るガス流を制御する装置２６を、図２の他方の側から示している。該羽根端子２９、３０は、前記羽根端子をユニゾンリング３３に接続する羽根アーム３１、３２に接続されている。ユニゾンリング３３の枢動は、環状通路２４内の羽根２７、２８が同時に枢動することを可能にする。ユニゾンリング３３は、タービンハウジング２２や該タービンハウジングに取り付けられたフランジ部材に形成されたトレースに枢動可能に配置されている。ユニゾンリング３３の枢動を達成するために、前記羽根を異なる枢動位置に一括して設定する機構３４が備えられる。

図４−５は、変位機構３４をより詳細に示す。変位機構３４はユニゾンリングを含む。矢印はそれぞれ枢動及び直線運動を示す。ユニゾンリング変位機構３４は、前記タービンハウジング２２に収容される枢動軸３５、枢動軸３５から一定の径方向距離にユニゾンリング３３と係合されて枢動可能に配置されるピン３６、前記枢動軸３５及びピン３６に動作可能に接続されるアクチュエータアーム３７を含む。

ユニゾンリング変位機構３４は更に、前記ピン３６上に配置される第２のアクチュエータアーム３８を含む。第２のアームは、プッシュロッド３９を介してアクチュエータに接続される。アクチュエータを使用して第２のアクチュエータアーム３８に作用することで、ピン３６が回転し、これにより第１アクチュエータアームは回転し、枢動軸３５の周囲を枢動する。ユニゾンリング変位機構３４により、ユニゾンリング３３はその回転軸４０の周囲を枢動することが可能になる。

ユニゾンリング変位機構３４はさらに、羽根２７、２８の角運動を制限するための手段４１を含む。前記角運動制限手段４１は、前記ユニゾンリング変位機構３４内の部材の変位を制限するように配置される手動操作可能な止めネジ４２を含む。図４に示す実施形態では、止めねじ４２が、アクチュエータアーム３８に作用するように配置されている。止めねじ４２は、タービンハウジング２２に組込まれて形成された台座４３に配置される。

図６は、複数の枢動可能なガス流制御羽根２７、２８を側面から見た切断図である。枢動可能なガス流制御羽根２７、２８の枢動軸は、環状通路２４の周方向に等距離に配置されている。枢動可能なガス流制御羽根２７、２８は、図６において、ガス流４４を実質的に無制限に通過させる開状態で示されている。より具体的には、前記第１及び第２の隣接する羽根２７、２８が、前記通路を通る前記ガス流を入れるよう第２相互エンド状態（「開」状態を意味する）におかれているとき、第１羽根２７の後縁は、第２羽根２８の前縁から充分な距離におかれる。

図８は、図６と同一の枢動可能なガス流制御羽根２７、２８を、羽根が第１相互エンド状態（「閉状態」を意味する）に配置されている違いとともに示す。

図７は、第１及び第２の隣接する羽根２７、２８の拡大図である。矢印４５、４６は、実質的に前記通路を通る前記ガス流を制限する第１相互エンド状態（「閉状態」）、点線表示参照、と、第２相互エンド状態（「開状態」）との間の、羽根２７、２８の枢動を示す。第１及び第２の隣接する羽根２７、２８の枢動軸は、前記第１及び第２の隣接する羽根が前記第１相互エンド状態におかれているとき、第１羽根２７の後縁４７が第２羽根２８の前縁４８に重なるように間隔をおいて配置される。

図９−１１は、三つの異なる各ガス流制御装置を示す。三つの図は、隣接する羽根２７、２８の相互の位置が、許容公差内で異なっている。

図９は第２羽根２８の前縁４８に重なる第１羽根２７の後縁４７の設計を示す。第２羽根２８は凹部又はノッチ４９を有し、前記第１及び第２の隣接する羽根２７、２８が前記第１相互エンド状態におかれているとき、第１羽根２７の後縁４７が少なくとも部分的に凹部４９に収容されるような形状を備えている。

図９−１１は、前記第１及び第２羽根２７、１２７、２２７；２８、１２８、２２８が前記第１相互エンド状態におかれているとき、羽根が許容公差内にある場合に、第２羽根２８、１２８、２２８の凹部４９、１４９、２４９と第１羽根２７、１２７、２２７の後縁４７、１４７、２４７が、凹部４９、１４９、２４９に向い合う第１羽根２７、１２７、２２７の後縁４７、１４７、２４７の表面５０、１５０、２５０と凹部４９、１４９、２４９の対向する表面５１、１５１、２５１との間に実質的に一定の間隔ｄを確立するように構成されていることを示す。

図１０はさらに、前記第１及び第２羽根１２７、１２８が前記第１相互エンド状態におかれているとき、前記第１及び第２羽根１２７、１２８が、凹部１４９に向い合う第１羽根１２７の後縁１４７の表面１５０が凹部１４９の対向する表面１５１から一定の距離ａにおかれるように構成されることを示す。

ここで図４をも参照すると、羽根１２７、１２８の間の距離が所定距離ａを超えないように制限するために前記角運動制限手段４１が採用されている。このようにして、隣接する羽根の向い合う表面間の運転中の摩耗が制限される。

図１−９の実施形態を再び参照すると、前記複数の羽根のすべての羽根２７、２８の枢動軸は、前記羽根が前記第１相互エンド状態におかれているとき、前記それぞれの羽根の後縁が、隣接する羽根の前縁に重なるように、円周方向に間隔を置いて配置される。さらに、前記羽根２７、２８の各々は、前記羽根が前記第１相互エンド状態におかれているとき、隣接する羽根の後縁が少なくとも部分的に該凹部に収容されるような形状を備えた凹部４９を含む。

前記羽根２７、２８の各々は、横断面に翼の形状を有する。前記羽根２７、２８の各々が、前記前縁と前記後縁の間に延在する加圧側及び吸引側を有していてもよく、凹部４９はその加圧側に設けられていてもよい。「加圧側」及び「吸引側」の用語は、翼型の羽根形状に関する従来の定義である。末端の動作点では、定義された加圧側は、実際にはむしろ吸引機能を持って動作しうること、またその逆も同様であることに留意すべきである。

前記凹部４９は前記前縁の近傍に設けられる。前記凹部４９は、前記前縁と後縁の間の翼弦線に対して横方向に延びる細長い形状を有する。さらに、前記凹部４９は、羽根の全幅にわたって延在している。また前記凹部は、前記第１羽根の後縁の幅に相当する距離を超える一定の幅を有する。さらに、前記第１羽根の後縁及び前記第２羽根の凹部の形状が互いに一致するように構成されている。好ましくは、前記凹部は、前記第１羽根の全幅を超える一定の幅を有している。

前記凹部４９の深さは、内燃エンジン用ターボチャージャユニット内のデバイスに用いるためには、好ましくは２ｍｍ未満、特に好ましくは１．５ｍｍ未満である。さらに、前記凹部の深さは、前記の用途のためには、０．２ｍｍを超えていることが好ましい。

平均キャンバー線は、羽根の側面と側面の間を平均キャンバー線自体に対して垂直に測定したときの中間点の軌跡として定義される。羽根は、反り形状を有しており、すなわち非対称である。この場合の平均キャンバー線は、前端と後端との間の曲線を辿る。

さらなる考案により、前記第１羽根及び第２羽根が前記第１相互エンド状態におかれているとき、前記羽根が許容公差内にある場合に、前記第１羽根の後縁と前記凹部の表面との間に実質的に一定の隙間を確立するために、前記第１羽根の後縁に面した前記凹部の表面は、前記第１羽根の回転角度に対応した湾曲を有する。

本発明は上述の実施形態の例によって制限するものと解するべきではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、多数のさらなる変形や変更が可能である。

Claims (17)

1. 通路（２４）を通るガス流を制御するための装置（２６）であって、
   前記装置（２６）は複数の枢動可能なガス流制御羽根（２７、２８）を含み、
   前記通路（２４）を通る前記ガス流を実質的に制限するために、第１及び第２の隣接する羽根（２７、２８）がガス流の流れを制限する第１の相互エンド状態におかれているとき、該第１羽根（２７）の後縁（４７）が該第２羽根（２８）の前縁（４８）に重なるように、前記第１及び第２の隣接する羽根（２７、２８）の枢動軸が間隔をおいて配置され、
   前記第２羽根（２８）が凹部（４９）を含み、該凹部が、前記第１及び第２の隣接する羽根（２７、２８）がガス流を制限する前記第１の相互エンド状態におかれているとき、前記第１羽根（２７）の前記後縁（４７）が少なくとも部分的に該凹部内に収容されるような形状を有すると共に、前記凹部（４９）に向い合う前記第１羽根（２７）の前記後縁（４７）のいかなる表面（５０）も前記凹部（４９）の対向する面（５１）から一定の距離におかれるように構成され、前記凹部（４９）が、前記前縁と前記後縁の間の翼弦線に対して横方向に延びる細長い形状を有することを特徴とする、前記装置（２６）。
2. 前記通路（２４）が周方向に延びるスロットを形成すること、及び前記第１及び第２の枢動可能なガス流制御羽根（２７、２８）の前記枢動軸が、前記周方向に、円周状に間隔をおいて配置されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記通路（２４）が周方向に延びるスロットを形成すること、
   前記複数のガス流制御羽根のすべての羽根（２７、２８）の前記枢動軸が、前記羽根が、ガス流を制限する前記第１の相互エンド状態におかれているとき、各々の前記第１羽根（２７）の後縁（４７）が隣接する第２羽根（２８）の前縁（４８）に重なるように、円周状に間隔をおいて配置されること、及び
   前記ガス流制御羽根がガス流の流れを制限する前記第１の相互エンド状態におかれているとき前記羽根の各々が隣接する羽根の前記後縁が該凹部内に収容されるような形状を有する凹部（４９）を含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記羽根（２７、２８）の各々が、横断面に翼の形状を有することを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の装置。
5. 前記凹部が前記前縁の近傍に設けられることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の装置。
6. 前記凹部（４９）が、前記第２羽根（２８）の全幅にわたって延在することを特徴とする、請求項１乃至５のいずれかに記載の装置。
7. 前記ガス流制御羽根（２７、２８）を一括して異なる枢動位置に設定するための機構（３４）を含むことを特徴とする、請求項１乃至６のいずれかに記載の装置。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の装置であって、
   該装置が、径方向からガスを受容するように構成されたロータ（１０）を含むこと、
   前記通路（２４）が前記ロータの上流に配置されること、及び
   前記複数の枢動可能なガス流制御羽根（２７、２８）が、前記ロータの周囲に配置された入口案内羽根として形成されていることを特徴とする、前記装置。
9. 前記複数の枢動可能なガス流制御羽根（２７、２８）が、前記ロータの直上流側に配置されることを特徴とする、請求項８に記載の装置。
10. 前記ロータ（１０）が回転軸の周囲を回転するように構成されること、及び、前記ガス流制御羽根が、前記枢動軸が前記ロータの回転軸と平行となるように配置されることを特徴とする、請求項８又は９に記載の装置。
11. 内燃エンジンのためのターボチャージングユニット用タービン（１０）の可変ジオメトリに合わせて構成されていることを特徴とする、請求項１乃至１０のいずれかに記載の装置。
12. 前記凹部（４９）の深さが２ｍｍ未満であることを特徴とする、請求項１乃至１１のいずれかに記載の装置。
13. 前記凹部（４９）の深さが０．２ｍｍより大きいことを特徴とする、請求項１乃至１２のいずれかに記載の装置。
14. 前記通路を通る前記ガス流を入れるために前記第１及び第２の隣接する羽根（２７、２８）が第２の相互エンド状態におかれているとき、前記第１羽根（２７）の後縁（４７）が前記第２羽根（２８）の前縁（４８）から充分な距離におかれることを特徴とする、請求項１乃至１３のいずれかに記載の装置。
15. 内燃エンジン（２）のための排気後処理システムであって、少なくとも一つの排気処理装置（４）、及び該排気処理装置（４）の上流に配置された、前記ガス流制御羽根（２７、２８）をガス流の流れを制限する前記第１の相互エンド状態におくことによって排気ガス中の上昇した温度を達成するための、請求項１乃至１４のいずれかに記載のガス流制御装置（２６）を含む、前記排気後処理システム。
16. 車両を推進するためのシステム（１）であって、内燃エンジン（２）、及び該内燃エンジンからの排気ラインに配置された、前記ガス流制御羽根（２７、２８）がガス流の流れを制限する前記第１の相互エンド状態におかれているときに高い排気背圧を達成するための、請求項１乃至１４のいずれかに記載のガス流制御装置（２６）を含む、前記システム。
17. 前記ガス流制御羽根（２７、２８）がガス流の流れを制限する前記第１の相互エンド状態におかれているとき、前記ガス流制御装置（２６）がエンジンブレーキングを達成させるように構成された、請求項１６に記載のシステム。

Images