JP2007528955A - ターボ過給器 - Google Patents

Abstract

ターボ機械装置。タービン（１０）は、タービン翼車を保持するためのボア段差要素を有する保持器（２０）、およびタービン（１０）のトリム直径（ＤＴＲＩＭ）より小さい調整直径（ｄ）を示す孔とを備え、それによってタービン効率特性をカスタマイズすることができる。調整直径の孔を有するタービン保持器の様々な構成が開示されている。

Description

本発明は、一般にターボ機械、特にターボ過給器付き内燃機関に関し、詳細にはタービン効率特性を向上させるタービンハウジングに関する。

内燃機関の一般的な技術分野では、タービンが排気ガスからのエネルギーを利用して圧縮機を作動させる、ある種のターボ過給システムを提供することが周知である。その場合、圧縮機は、一般には機関に供給された空気圧を高めることによって機関性能を向上させるのに使用される。

機関性能とほぼ同程度に重要なのは、より清浄な排気に対する必要性である。殆んどの内燃機関は、機関の排出物中の汚染物質水準を規制する法規の対象となる。内燃機関によって作動する発電機等の「固定汚染源」、ならびに自動車は、ＣＯやＮＯ_Ｘなどある種の汚染物質からなる排出物を法的規制値より低く維持することが求められる。しかし、汚染防止は、理想的には機関性能の損失をできる限り少なくしながら達成されるものである。

内燃機関の排出物を減らす１つの形態は、機関がターボ過給器付きであるかどうかにかかわらず、しかしそうである場合はたいがい、ＥＧＲ（排気ガス再循環）によるものである。ＥＧＲは、機関排気の一部を機関の吸気マニホールドへ還流させるものである。排気ガスは、排気マニホールドから分岐され、送管や導管を通って吸気マニホールドに送られ、それによって排気ガスを燃焼サイクルに導入できるようになり、その結果、酸素含有量が低減され、それによって、過剰にＮＯ_Ｘが形成される一因となる高い燃焼温度を低下させる。

例えば、大型ディーゼル機関にＥＧＲシステムを導入しても、目標とするタービン効率特性は従来のターボ機械性能と合致しない。本出願人のＶＮＴ（商標）ブランドの可変ノズルタービン・ターボ過給器ＥＧＲシステムを使用するとき、旧来のターボ機械タービン効率特性をそのまま受け入れると、（１）ある機関動作速度での、容認しがたいほどの高い燃料消費量、（２）容認しがたいほど高いターボ過給器回転数（すなわち、周知の生産材料および工程を使用して容認できる限度値を超えるターボ過給器回転数）、および（３）全ての目標機関動作点でＥＧＲの運転が不能になることを含めて、いくつかの結果が生じる。

さらに、大型ディーゼル機関にＥＧＲシステムを使用する場合、ターボ過給器を機関に「適合させる」ことによって、ターボ過給器のタービン翼車の適合が異常になることになる。例えば、場合によっては、伝統的なまたは従来の翼車の輪郭が設計から除外される。この、タービン翼車の特異な加工により、タービン翼車がターボ過給器シャフトから分離した場合に、タービン翼車を保持することがより困難になる可能性がある。そのような場合には、タービン翼車は、現在のターボ過給器アセンブリ設計を使用した同様な状況よりもかなり高い速度とエネルギーでタービンハウジングガス出口から出て行くことになる。

以上のことを背景にして、本発明は開発された。

翼車を保持し、かつターボ過給器効率を調整するようにタービンハウジングを変更し、それによって、上記に指摘した欠陥に対処する。本発明の利用可能性の範囲は、一部には、添付の図面と共に以下の詳細な説明に記述されており、一部には、以下のことを検討することで当分野の技術者に明らかになり、あるいは本発明を実施することによって学び取ることができる。本発明の目的および利点は、添付の特許請求の範囲に具体的に指摘する手段および組合せによって実現し達成することができる。

明細書の一部に組み込まれ、その一部を形成する添付の図面は、本発明の２つの実施形態を示しており、以下の説明と共に本発明の諸原理を説明するのに役立つ。図面は、本発明の好ましい実施形態を例示するためのものにすぎず、本発明を限定するものと解釈すべきではない。

本発明は、タービンに関し、必ずしもではないが特にターボ過給器付き機関に使用されるタービンに関する。本発明の装置は、それだけには限らないが、大型自動車の機関を含むディーゼル燃料動力装置で使用されるＥＧＲ（排気ガス再循環）システムと共に、有利に使用することができる。本発明に従ってタービン翼車の保持設計を変更することにより、タービン効率特性を専門的な必要を満たすように調整することができ、タービン翼車の保持力が促進される。従って、本発明は、ＥＧＲシステムをタービンと共に使用することに起因する、翼車保持およびタービン効率特性の問題を改善する。上記の諸問題は、本発明のタービンハウジングの変更形態によって対処される。本発明は、以下により詳しく記述し開示するように、こうした変更形態を含む。

当分野で周知のように、タービンの仕事は、タービン効率、質量流量、タービン全体の圧力比、および入口温度に正比例する。シャフト回転数またはロータ回転数は、直接駆動される圧縮機に加えられる、タービンの仕事によって得られるものである。ＶＮＴのタービンのロータ回転数は、タービン翼車出口のところで出口構成の形状および寸法によってタービンの効率を調整することによって変更することができる。効率変化の効果を用いて、機関の空気システムの要求を満たすように圧縮機およびＶＮＴの特性を適合させる。出口形状（ｆｅａｔｕｒｅ）の寸法は、結果として生じるターボ機械回転制御に加えて機関性能パラメータ、すなわち燃料消費または場合によっては機関圧力比によって、制限されることがある。

形状および寸法が定められた段差ボア（ｓｔｅｐ−ｂｏｒｅ）をタービンハウジング内で画成することによって、タービン翼車出口でタービン効率挙動が改善するようにタービン効率特性を選択的に調整することができ、それによってＶＮＴターボ過給器のＥＧＲシステム性能が強化される。簡潔に述べると、段差ボアを設けると、タービン効率が低下し、その結果、タービン入口圧力が有利な程度に上昇する。この入口圧力が高いことにより機関の排気マニホールドから機関の吸気マニホールド内への排気ガスの流れが促される。本発明によれば、この有利なターボ過給器の挙動が、典型的なターボ機械のタービン効率特性の場合に得られるよりも低いターボ機械回転数で達成される。ターボ過給器回転数が比較的低いにもかかわらず、性能が損なわれない。従って、本発明の装置は、既存の生産材料から作製することが可能であり、ＶＮＴターボ過給器システムに関する周知の方法が適用できる。さらに、タービン効率が低いので、従来のタービンハウジング設計によって可能であるよりも多い量のＥＧＲの流れを機関の吸気マニホールド内に送り戻す能力がもたらされる。

図１に注目すると、本発明の装置の一実施形態が示されている。タービン１０は、以下にさらに詳しく説明する以外はほぼ周知の技術に従って製造された、タービンハウジング１２を特徴としている。タービンハウジング１２は、一般に慣行に従ってタービンシャフト上で回転可能なタービン翼車（図１に示さない）を受ける、タービンボア１４を実質的に取り囲み、画成する。可能な一実施形態では、ハウジング１２の入口側に、タービンの組立中にタービン翼車をボア１４中に配置できるようにするポート１６を備えることができる。タービン翼車を取り付けた後、ポート１６が、例えば、ターボ過給器中央ハウジングの回転組立体のボルト締めされた付属部品（図示せず）によって閉じられ固定される。

引き続き図１を参照すると、タービンハウジング１２が、周知の技術に従ってタービン翼車の最大歯先円直径に通常はほぼ一致するタービン歯先円直径Ｄ_ＴＩＰを有しそれを規定することが留意される。タービンハウジングのトリム直径Ｄ_ＴＲＩＭも規定され、この直径Ｄ_ＴＲＩＭは、異なるタービンハウジングの型ごとに変わるが、一般的にタービン翼車の機能的直径に対応し、翼車の周囲とトリム直径Ｄ_ＴＲＩＭを規定するハウジングのトリム壁１７の間には非常に狭い隙間が存在する。本発明のいくつかの実施形態では、タービン歯先円直径Ｄ_ＴＩＰは、トリム直径Ｄ_ＴＲＩＭよりほんの僅かに大きくすることができる。

ボア１２内の「下流側」には、タービン拡散器、すなわちそこを通ってガスがタービン組立体から排気される導管であるエクスデューサ（ｅｘｄｕｃｅｒ）１８がある。直径Ｄ_ＥＸは、連結部のための適切な機械式継手を作り、排気システムに必要とされる寸法をもたらす際に重要である。とりわけ、本発明は、図１、４、５、６、および８に示すような全体的に円筒形のエクスデューサを使用するタービン、ならびに図３および７に示すようなフレア形に拡がる（ｆｌａｒｅｄ）または円錐形のエクスデューサを有するタービンで実用性がある。

タービン効率調整の実施は、とりわけ、ガスの流れをエクスデューサ１８中を通過させることによって達成される。図１を参照すると、このことは、ボア１４内に「段差」を設け、それによってエクスデューサ１８の直径を軸方向長さのうちの短い部分で急に縮小させることによって達成される。例えば、図１の実施形態では、エクスデューサ１８を通してボア１４内に挿入可能な、別に製作された段差ボア・リング２０が提供される。図２Ａおよび２Ｂに示すように、段差ボア・リング２０は、図１に示すようにボア１４の軸周りで同心状にエクスデューサ１８のスロート部内にぴたりと受けられるように、エクスデューサの直径Ｄ_ＥＸと実質的に等しい外径を有する剛性の環状体である。段差ボア２０は、そこで、ねじ付きボルト２１、または他の適切な締結手段によって定位置に固定し、あるいはタービンハウジングの鋳造物中に組み込むことができる。

特に、段差ボア・リング２０は、その中に、好ましくはリングの外周と同心で、選択された調整直径ｄ（図２Ａおよび２Ｂ）を有する孔２２を画成する。調整直径ｄは、好ましくは、また、ほぼ常に、エクスデューサの外径Ｄ_ＥＸより小さく、かつタービンハウジングのトリム直径Ｄ_ＴＲＩＭより小さい。このようにボア１４内で段差ボア・リング２０によって画成される段差は、タービン翼車から出て行くガスの通常の滑らかな流れが、タービン翼車出口近くで、リング２０の孔２２を通る狭くなった通路によって妨害されるように形成される。調整直径ｄは、Ｄ_ＴＲＩＭの約８０パーセントと１００パーセントの間である。ｄとＤ_ＴＲＩＭの正確な比は、目標とする調整が得られるように選択され決定される。調整直径ｄとハウジングのトリム直径Ｄ_ＴＲＩＭの間の比は、タービン効率特性に影響を及ぼす。タービン段の性能調整は、Ｄ_ＴＲＩＭに対する、下流開口部の調整直径ｄ（例えば図１における）の効果と関係している。

孔２２から生じる「段差ボア」は、ＶＮＴブランドのターボ過給器ＥＧＲシステムにとって望ましいものと同様な効率特性をもたらすようにタービン効率が適合できるように調整することができる。

図９は、タービン圧力比およびタービン効率で表した、固定トリム直径に対する固定した構成のｄ直径の寸法の相対効果を示すグラフである。固定したｄ直径の寸法によってＶＮＴタービン段のタービン効率を調節することが、特定の１組の機関状態を満たすようにターボ機械回転数を変更または適合できる手段である。開口部直径の効率の効果は、寸法および動作圧力比と共に変化する。様々な構成のｄ直径の形状の性能特性は、開口部の基本形状に基づいて可変である。

図３を参照すると、本発明の好ましい実施形態が示されている。図３の実施形態は、段差ボア・リング２４が、定位置でハウジング１２と一体に鋳造されている点を除いて、図１の実施形態に多くの点で非常によく似ている。タービン翼車３０が、タービンボア１４に取り付けられて示されている。本発明のこの「固定した形状寸法」の実施形態では、ハウジング１２と一体に鋳造されるリング２４は、ボア中に段差２５をもたらしている。従って、リング２４は、鋳造ハウジングの恒久的な延長部であり、ハウジングの製作時にそれと一体に結合される。この鋳造形状は、ほぼ環状であるが、図に示すようにハウジングのボア１４内に成型されている。鋳造されるリング２４の円形の孔は、調整された直径ｄを規定する。エクスデューサ１８は円筒形ではなく、エクスデューサの直径がタービン排気口に向かうにつれて増加し続ける円錐形の拡散器であることが図３に示されている。円錐形拡散器を追加すると、タービン性能の調整を細かく行う助けとなる。

図３の実施形態では、ボア段差形状が、好ましくはハウジング１２と一体に鋳造されるリング２４によってもたらされる。あるいは、図１、２Ａおよび２Ｂ、および４に示すように、保持リング２４を別に製造し、次いでタービンのボア１４内に挿入し固定することもできる。ボア段差２５は、直径ｄを有するリング２４の孔の縁部によって画成される。直径ｄは、適切なタービン効率が得られるように選択された、調整された直径であり、いずれにせよトリム直径Ｄ_ＴＲＩＭより小さい。タービンのガスは、当然ながらリング２４の孔を通って流れるが、孔はタービン翼車３０を通過させるには小さすぎる。

図５は、図４に示す実施形態と同様の挿入可能な保持リング２４が、どのように装置の適応性を提供することができるかを示す。挿入可能なリング２４は、タービンのボア内に配置し、１つまたは複数の異なる軸方向の位置で固定することができる。図５は、軸方向前方位置で（例えば、径方向を向いてリングを通りハウジングに入るボルトを用いて）固定された保持リング２４を示している。しかし、保持リング２４は着脱式に挿入可能なので、その軸方向の位置もまた、選択的に調整可能である。図５に想像線で示すように、保持リングは軸方向前方位置から係脱し、任意の第２の後方位置に滑って移動し、そこで再度定位置に暫定的に固定することができる。この調整は、リング２４をハウジングに結合する形態に応じて増分的にまたは無限に変更可能とすることができ、それによって、単一のタービン装置１０の保持しかつ調整するための形状（ｆｅａｔｕｒｅ）を特定の用途に合うようにカスタマイズすることができる。このようにリングの位置が調整可能なことにより、リングによって規定される、縮小された調整直径ｄの軸方向位置および効果を、最適タービン効率が得られるように調節し選択することができる。保持段差２５の位置も、同様に（例えば、異なる軸方向長さのタービン翼車３０を収容できるように）調整可能である。

リングの軸方向移動は、周方向に配列された２つ以上の長手方向の案内部２９、２９’によって案内することができ、案内部２９、２９’は、タービンボア壁から突出する、ハウジング１２の一体的な延長部とすることができる。案内２９、２９’はまた、リング２４が装置の中心軸周りで径方向に移動するのを防止する。着脱式に挿入可能な保持リング２４は、保守または交換のために取り外しまた再取り付けすることができる。

本発明の別の実施形態を図６および６Ａに示す。保持器および調整の利点が、ハウジング１２と一体に鋳造される複数の特殊な外形の（ｐｒｏｆｉｌｅｄ）突起部３３、３３’によってもたらされる。この特殊な外形の突起部は、１つの軸周りに可変的に回転させることができ、その結果、タービン効率を可変調整することもできる。径方向に配列された凸状の突出部３３、３３’は、径方向内側にボア１４のスロート内へ延び、好ましくは、図６Ａに示すように、ボアの円周部の周囲に等間隔に配置される。図に、特に図６Ａに示すように、有効な調整直径ｄは、直径に沿って対向する突起の平均「高さ」によって近似的に規定される。突起部３３、３３’は、任意の様々な輪郭や形状を有することができる。１つの好ましい輪郭が、図６および６Ａに示され、各突起部は、ある程度卵形または「涙滴様の」足型および翼型の軸方向輪郭を有する。任意の多様な形状や輪郭が本発明の機能に適しているが、図に示すような、円滑な空気力学的輪郭が好ましい。

あるいは、突起部３３、３３’は、図示するよりも直線的あるいは翼のような形にすることもできる。図７および７Ａは、等間隔に配置された複数の直線的な突起部３３、３３’（図７および７Ａの実施形態では８個の突出部）を備える別の実施形態を示す。図示のように、突起部は、例えば低い軸方向輪郭を有することができ、各突起部３３は、タービン軸に垂直な前「面」と、エクスデューサ１８の内壁に後面が円滑に合体することができるようにする、鋭角で規定される後面とを備える、四辺形の軸方向断面を特徴とする。また、有効調整直径ｄは、突起部の近似的な平均径方向延長を用いて決定される。

配列された複数の突起部３３，３３’を特徴とするどの実施形態でも、突起部の長手方向軸は、好ましくは互いに平行であるが、排気ガスがタービン翼車３０から出て行くとき排気ガスの「非旋回化」を促進するように、タービン軸に対して傾斜させあるいは角度をつけることができる。突起部３３、３３’の個数も選択可能であり、例えば３個から８個の間の個数にすることができる（図６および７の実施形態では８個）。

本発明の別の実施形態を図８および８Ａに示す。本発明のこの実施形態では、円筒形ではなく円錐形のエクスデューサ内で、調整可能なボア段差を使用することが可能になる。この実施形態では、セグメント化されたリング２７が、必要に応じて円錐形のエクスデューサ１８の傾斜した環状面に対応して拡張または収縮するように、変更可能な直径を有する。リングセグメント３１，３１’は、少なくとも３個以上（図８および８Ａに４個示す）の複数個、例えば８個または１０個と、個数を変えることが可能である。

従って、図８および８Ａの実施形態は、ハウジング１２内で軸方向位置に選択的に調整可能であるのに加えて、段差リング２７の有効直径が調整可能であり、同様にリング２７の孔によって規定される有効調整直径ｄが調整できる以外は、図５に示す実施形態と特徴および利点の一部が共通している。調整直径ｄを増加させるために、等間隔配置のセグメント３１、３１’を径方向外側に移動させ、その結果、隣り合うセグメントを分離する周方向の間隙寸法が増加する。同様に、リング２７をエクスデューサの前方位置に移動させたとき、リング２７の隣り合ったセグメント間の間隙を減らすことによって直径ｄが縮小される。

図８Ａに示すように、リングセグメント３１，３１’は、くさび型の長手方向側面を示し、従って、ボアの環状斜面３５に沿って動く（ｒｉｄｅ）ことによって同時に軸方向および径方向に移動することができる。リングセグメントは、常に、セグメント化された環状部を画成し、１つまたは複数の軸方向の異なる位置で固定されるように配置される。図８は、（例えば、径方向を向いてリングを通りハウジングに入るボルトを用いて）軸方向前方位置で固定される、保持リング２７のセグメントを示す。しかし、保持リング２７は移動式に挿入可能なので、その軸方向位置もまた、選択的に調整可能である。図８に想像線で示すように、保持リング２７は、軸方向前方位置から係脱し、任意の第２の後方位置に滑って移動し、そこで再度定位置に暫定的に固定することができる。リング２７が配列されたエクスデューサ１８の直径が変更されたため、リング２７の調整直径ｄも同様に変更される。この調整により、単一のタービン装置１０の、保持しかつ調整するための形状（ｆｅａｔｕｒｅ）を特定の用途に合うようにカスタマイズすることができる。このようにリング位置が調整可能なことにより、リングによって規定される、縮小された調整直径ｄの軸方向位置、寸法および効果を、最適タービン効率が得られるように調整し選択することができる。保持段差２５の位置も、同様に（例えば、異なる軸方向長さのタービン翼車３０を収容できるように）調整可能である。

図５の実施形態の場合と同様に、リング２７の軸方向移動を周方向に配列された２つ以上の長手方向の案内部（図８に図示せず）によって案内することが可能であり、その案内部は、タービンボア壁から突出するハウジング１２の一体的な延長部とすることができる。

従って、本発明の装置は、全ての実施形態で、タービン翼車３０がタービンハウジング１２の後方に向かって不適切に移動しないように保持する働きをするステップボア２５を提供する。カスタマイズされた突起部を持つあるいは持たない典型的には環状のリングであるこの保持器により、タービン効率特性が最適になるような、トリム直径Ｔ_ＴＲＩＭに対する調整直径ｄの関係が可能になる。

タービンハウジング内に「段差ボア」を設計し形状および寸法を決めることによって、タービン翼車出口付近でタービン効率特性を変更しあるいは調整し、その結果、タービン効率挙動を本発明による可変ノズルタービン・ターボ過給器ＥＧＲシステムの性能にとってより好ましいものにすることができる。結局、ステップボア２５によってタービン効率が低下し、その結果タービン入口圧力が上昇し、機関の排気マニホールドから機関の吸気マニホールドへの排気ガスの流れが促される。この挙動は、通常のターボ機械タービン効率特性によって実現可能になるよりも低いターボ過給器回転数で達成される。

本発明を上記の好ましい実施形態を具体的に参照して詳しく説明してきたが、他の実施形態によって同じ結果を達成することもできる。本発明の変形形態および変更形態が当分野の技術者には自明になり、添付の特許請求の範囲にこうした変更形態およびそれと同等のものの全てを包含することが意図されている。上記に列挙した全ての引用文献、出願、特許、および刊行物の開示全体を参照により本明細書に合体する。

本発明によるタービン装置の一実施形態の側（軸方向）断面図である。 図２Ａは、図１に示す装置の保持リング要素の側（軸方向）断面図である。図２Ｂは、図２Ａに示す保持リング要素の端面図である。 タービンハウジングと一体に鋳造された保持リングを示す、本発明による装置の別の実施形態の側断面図である。 着脱式に挿入可能な保持リングを示す、本発明による装置の別の実施形態の側断面図である。 ハウジング内で軸方向に移動可能であり、異なる複数の位置で固定可能な保持リングを示す、本発明の別の実施形態の側断面図である。 タービンハウジングと一体に鋳造され、径方向内側に延出する空気力学的な突起部を有する保持リングを示す、本発明の別の実施形態の側断面図である。 図６に示す装置の、図６の線Ａ−Ａに沿った端（径方向）断面図である。 タービンハウジングと一体に鋳造され、径方向内側に延出する直線的な突起部を有する保持リングを示す、本発明の別の実施形態の側断面図である。 図７に示す装置の、図７の線Ａ−Ａに沿った端（径方向）断面図である。 径方向の直径が調整可能であり、またタービンハウジング内で選択的に調整可能な軸方向位置を有する保持リングを示す、本発明の装置の別の実施形態の側断面図である。 図８に示す装置の、図８の線Ａ−Ａに沿った端（径方向）断面図である。 タービン圧力比とタービン効率で表した、固定トリム直径に対する本発明による固定した構成の調整直径の寸法の相対的な効果を示したグラフである。

Claims (9)

1. 軸方向ボアおよび軸方向エクスデューサを部分的に取り囲み、前記ボアがトリム直径を有するタービンハウジングと、
   前記ボア内に回転可能に取り付けられたタービン翼車と、
   前記エクスデューサ内に前記タービン翼車に近接して配設された保持器とを備え、前記保持器がボア段差と調整直径を有する孔とを画成し、前記トリム直径が前記調整直径を超えるタービン装置。
2. 前記調整直径が、前記トリム直径の約８０パーセントから約１００パーセントである、請求項１に記載の装置。
3. 前記保持器が環状のリングを備える、請求項１に記載の装置。
4. 前記リングが前記ハウジングと一体に鋳造される、請求項３に記載の装置。
5. 前記リングが前記エクスデューサ内に着脱式に挿入可能である、請求項３に記載の装置。
6. 前記リングが、長手方向に選択的に配置可能であり、前記エクスデューサの軸線に沿って固定可能である、請求項５に記載の装置。
7. 前記リングが、前記エクスデューサの軸線に対して径方向に移動可能な複数のリングセグメントを備える、請求項６に記載の装置。
8. 前記リングがさらに、前記エクスデューサの軸線に対して径方向内側に延びる複数の突起部を備える、請求項３に記載の装置。
9. 前記突起部が、互いに平行であり、タービン排気の非旋回化を促進するために前記エクスデューサの軸線に対して傾斜して配置される、請求項８に記載の装置。

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