JP2011021612A - Method of determining exhaust gas temperature for after-treatment system on internal combustion engine using variable geometry turbine - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2005年3月2日付けで出願された米国特許出願第11/070,491号及び2004年5月6日付けで出願された米国特許出願第10/840,057号に基づく優先権を主張するものである。2005年3月2日付けで出願された米国特許出願第11/070,491号は、2004年5月6日付けで出願された米国特許出願第10/840,057号の継続出願である。米国特許出願第10/840,057号は、2003年11月19日付けで出願された米国特許出願第10/717,232号の一部継続出願であり、米国特許出願第10/717,232号は、2003年9月11日付けで出願された米国特許出願第10/659,857号の一部継続出願であり、該米国特許出願第10/659,857号は、2002年11月19日付けで出願された英国特許出願第0226943.9に基づく優先権を主張するものである。 This application is based on US patent application Ser. No. 11 / 070,491, filed on Mar. 2, 2005, and US patent application Ser. No. 10 / 840,057, filed on May 6, 2004. Asserts rights. US Patent Application No. 11 / 070,491, filed March 2, 2005, is a continuation of US Patent Application No. 10 / 840,057, filed May 6, 2004. U.S. Patent Application No. 10 / 840,057 is a continuation-in-part of U.S. Patent Application No. 10 / 717,232 filed on November 19, 2003, and U.S. Patent Application No. 10 / 717,232. Is a continuation-in-part of US patent application Ser. No. 10 / 659,857 filed on Sep. 11, 2003, which is filed on Nov. 19, 2002. Claims priority based on UK patent application No. 02626943.9 filed on date.
本発明は、全体として、可変幾何学的形態タービン(variable geometry turbine)を制御する方法に関する。より具体的には、本発明は、(これに限定されるものではないが)ディーゼルエンジンの排ガスの温度を、あと処理システムにとって所望のレベルにすべく、可変幾何学的形態ターボ過給機(variable geometry turbocharger)を制御する方法に関する。 The present invention relates generally to a method for controlling a variable geometry turbine. More specifically, the present invention includes (but is not limited to) a variable geometry turbocharger (in order to bring the exhaust gas temperature of a diesel engine to a desired level for the aftertreatment system ( The present invention relates to a method for controlling a variable geometry turbocharger.
あと処理システムの性能は、該システムを通る排ガスの温度に直接、関係している。あと処理システムの設計者は、所望の性能を得るためには、排ガスの温度は全ての作動状態及び雰囲気状態下にて閾値温度以上でなければならないことを認識している。閾値温度は、大体において、約260°C(約500°F)ないし約371.111°C(約700°F)の範囲にあると認識されている。あと処理システムが閾値温度範囲以下にて作動するならば、あと処理システムは、望ましくない堆積物を形成することになる。望ましくない堆積物は、再生サイクル中に燃焼させ、あと処理システムが所望の性能レベルに戻るのを許容し得るようにしなければならない。更に、再生せずにあと処理システムを閾値温度以下にて長時間作動させるならば、あと処理システムは作動不能となり且つ、エンジンは政府の規制に適合しなくなる。 The performance of the aftertreatment system is directly related to the temperature of the exhaust gas passing through the system. The designer of the aftertreatment system recognizes that the exhaust gas temperature must be above the threshold temperature under all operating and atmospheric conditions in order to obtain the desired performance. The threshold temperature is generally recognized to be in the range of about 260 ° C. (about 500 ° F.) to about 371.111 ° C. (about 700 ° F.). If the aftertreatment system operates below the threshold temperature range, the aftertreatment system will form undesirable deposits. Undesirable deposits must be burned during the regeneration cycle to allow the aftertreatment system to return to the desired performance level. Furthermore, if the aftertreatment system is operated for a long time below the threshold temperature without regeneration, the aftertreatment system will become inoperable and the engine will not comply with government regulations.
ディーゼルエンジンの大部分の作動範囲に対する排ガスの温度は、全体として、所望の閾値温度以上であることが認識されている。しかし、軽負荷状態及び(又は)冷たい雰囲気温度は、排ガスの温度をしばしば所望の閾値温度以下に低下させる。 It has been recognized that the exhaust gas temperature for the majority of the operating range of a diesel engine as a whole is above the desired threshold temperature. However, light load conditions and / or cold ambient temperatures often reduce the temperature of the exhaust gas below the desired threshold temperature.
本発明は、排ガスの温度をあと処理システムのために所望の閾値温度まで上昇させるべく可変幾何学的形態ターボ過給機を制御する新規且つ非自明の方法を提供するものである。 The present invention provides a novel and non-obvious method of controlling a variable geometry turbocharger to raise the temperature of the exhaust gas to a desired threshold temperature for the aftertreatment system.
本発明の1つの形態は、通常の作動範囲にて作動する内燃機関用の通常の寸法を有する流体流動面積を持つ、タービンへの入口通路を備える可変幾何学的形態タービンを含むターボ過給機を作動させるステップと、流体の流体流動面積の寸法を通常の寸法から排ガス加熱のための縮小した寸法まで減少させるステップと、可変幾何学的形態タービンの案内ベーンの周りにて入口通路に入る排ガスの一部分を迂回させるステップとを備える方法を対象とする。 One form of the present invention is a turbocharger comprising a variable geometry turbine with an inlet passage to the turbine having a fluid flow area with normal dimensions for an internal combustion engine operating in a normal operating range. Reducing the size of the fluid flow area of the fluid from a normal size to a reduced size for exhaust gas heating, and exhaust gas entering the inlet passage around the guide vanes of the variable geometry turbine And a method of bypassing a portion of the method.
本発明の別の形態は、可動のノズルベーンの可変幾何学的形態タービンを有するターボ過給機であって、該タービンが、排ガスを流動させ得るようにされた排ガスの流動面積を有する入口通路を備え、排ガスの流動面積が、通常の作動範囲にて作動する内燃機関用の形態とされた第一の寸法を有する、上記ターボ過給機を作動させるステップと、可変幾何学的形態ターボ過給機から出る排ガスの第一の温度を決定するステップと、第一の温度が閾値温度状態を満足させないならば、ノズルリングを可変幾何学的形態タービン内にて動かし、排ガスの流動面積を第一の寸法から縮小した寸法まで減少させるステップと、可変幾何学的形態タービンの複数のベーンの周りにて入口通路に入る排ガスの一部分を迂回させるステップとを備える、方法を対象とする。 Another aspect of the invention is a turbocharger having a variable geometry turbine with movable nozzle vanes, the turbine having an inlet passage having an exhaust gas flow area adapted to allow the exhaust gas to flow. Operating the turbocharger, wherein the exhaust gas flow area has a first dimension configured for an internal combustion engine operating in a normal operating range; and variable geometry turbocharging Determining the first temperature of the exhaust gas leaving the machine, and if the first temperature does not satisfy the threshold temperature condition, move the nozzle ring in the variable geometry turbine to reduce the flow area of the exhaust gas And reducing a portion of the exhaust gas that enters the inlet passage around the plurality of vanes of the variable geometry turbine. Of interest.
本発明の更に別の形態は、複数の案内ベーンを有する旋回ベーンの可変幾何学的形態タービンを備えるターボ過給機であって、タービンが、排ガスを流動させ得るようにされた排ガスの流動面積を有する入口通路を備え、排ガスの流動面積が、通常の作動範囲にて作動する内燃機関に対する第一の面積を有する、上記ターボ過給機を作動させるステップと、可変幾何学的形態ターボ過給機の出口に近接する排ガスの第一の温度を決定するステップと、第一の温度が閾値温度を満足させないならば、複数の案内ベーンを可変幾何学的形態タービン内にて旋回させ、排ガスの流動面積を第一の面積から第二の縮小した面積まで減少させるステップと、可変幾何学的形態タービンの複数の案内ベーンの周りにて入口通路に入る排ガスの一部分を流動させるステップとを備える方法を対象とする。 Yet another aspect of the present invention is a turbocharger comprising a swirling vane variable geometry turbine having a plurality of guide vanes, the exhaust gas flow area being adapted to allow the turbine to flow exhaust gas. Operating the turbocharger, wherein the flow area of the exhaust gas has a first area for an internal combustion engine operating in a normal operating range; and a variable geometry turbocharger Determining a first temperature of the exhaust gas proximate to the machine outlet and, if the first temperature does not satisfy the threshold temperature, swiveling a plurality of guide vanes in the variable geometry turbine to Reducing the flow area from a first area to a second reduced area and flowing a portion of the exhaust gas entering the inlet passage around the plurality of guide vanes of the variable geometry turbine To a method comprising the steps of.
本発明の1つの目的は、可変幾何学的形態ターボ過給機を制御する独創的な方法を提供することである。
本発明の関連する目的及び有利な効果は、以下の説明から明らかになるであろう。
One object of the present invention is to provide an ingenious method of controlling a variable geometry turbocharger.
Related objects and advantageous effects of the present invention will become apparent from the following description.
本発明の原理の理解を促進する目的のため、次に、図面に図示した実施の形態について説明し、その説明のため、特定の用語を使用する。しかし、これにより本発明の範囲を何ら限定することを意図するものではなく、本発明が関係する技術分野の当業者にとって通常案出されるであろうような、図示した装置の変更例及び更なる変更形態、並びに、図示した本発明の原理の更なる適用例も本発明に含まれることが理解されよう。 For the purposes of promoting an understanding of the principles of the invention, reference will now be made to the embodiments illustrated in the drawings and specific language will be used to describe the same. However, this is not intended to limit the scope of the present invention in any way, and variations and further modifications of the apparatus shown and as would normally be devised by those skilled in the art to which the present invention pertains. It will be understood that variations and further applications of the illustrated principles of the invention are also encompassed by the invention.
ターボ過給機は、空気を雰囲気圧力(昇圧圧力)以下の圧力にて内燃機関の吸込口に供給する周知の装置である。従来のターボ過給機は、基本的に、タービンハウジング内にて回転軸上に取り付けられた排ガス被駆動のタービン翼車を備えている。タービン翼車の回転は、コンプレッサハウジング内にて軸の他端に取り付けられたコンプレッサ翼車を回転させる。コンプレッサ翼車は、圧縮された空気をエンジンの吸込マニホルドに供給する。タービンは、固定型又は可変幾何学的型式のものとすることができる。可変幾何学的形態タービンは、入口通路の寸法を変化させ、体積流量の範囲全般に亙って気体の流動速度を最適化し、タービンの動力出力を種々のエンジンの要求に適するように変化させることができる点にて固定幾何学的形態タービンと相違する。本願は、可動のノズルベーン及び旋回ベーンを含む、あらゆる型式の可変幾何学的形態タービンと共に本発明を利用することを考えたものであるが、これに限定されるものではない。 A turbocharger is a well-known device that supplies air to an intake port of an internal combustion engine at a pressure equal to or lower than an atmospheric pressure (pressure increase). A conventional turbocharger basically includes an exhaust gas driven turbine impeller mounted on a rotating shaft in a turbine housing. The turbine impeller rotates the compressor impeller attached to the other end of the shaft in the compressor housing. The compressor wheel supplies compressed air to the engine intake manifold. The turbine may be of a fixed or variable geometric type. Variable geometry turbines change the size of the inlet passage, optimize the gas flow rate over the entire volume flow range, and change the turbine power output to suit different engine requirements. It differs from a fixed geometry turbine in that This application contemplates, but is not limited to, using the present invention with any type of variable geometry turbine, including movable nozzle vanes and swirl vanes.
従来から、エンジン制御装置(ECU)の指針の下、内燃機関への空気の流れを管理するため可変幾何学的形態タービンが使用されている。ターボ過給機のコンプレッサ段を介して供給されたエンジンの空気の流れを制御するため排ガスをタービン段を通じて案内すべく、一般に、ターボ過給機ノズルリングが利用される。本発明は、圧縮点火ディーゼルエンジン用として開発されたが、火花点火エンジン、及び液体又は気体であるかを問わず、任意の型式の燃料運転のエンジンに適用することが考えられる。 Traditionally, variable geometry turbines have been used to manage the flow of air to an internal combustion engine under the guidance of an engine control unit (ECU). In order to guide the exhaust gas through the turbine stage in order to control the air flow of the engine supplied through the compressor stage of the turbocharger, a turbocharger nozzle ring is generally used. Although the present invention was developed for a compression ignition diesel engine, it could be applied to a spark ignition engine and any type of fuel operated engine, whether liquid or gas.
図1を参照すると、図1には、米国特許第5,044,880号に開示されたような既知のターボ過給機が示されている。該ターボ過給機は、タービン段1と、コンプレッサ段2とを備えている。タービン段1は、内燃機関(図示せず)からの排ガスが供給される渦巻室すなわち入口チャンバ4を画成するタービンハウジング3を備える可変幾何学的形態タービンである。排ガスは、一側部にて本明細書にてノズルリングと称する可動の環状部材8の半径方向壁7により画成され、反対側部にてハウジング3の対面する半径方向壁9により画成される環状の入口通路6を介して入口チャンバ4から出口通路5まで流れる。列状のノズルベーン10は、ノズルリング8のスロットを通って入口通路6を亙って、支持ピン12に取り付けられたベーン支持リング11から伸びている。ベーン10が入口通路6を亙って伸びる程度は、ノズルリング8と独立的に制御可能であるような配置とされており、この配置については、本明細書にて詳細に説明する必要はないであろう。
Referring to FIG. 1, there is shown a known turbocharger as disclosed in US Pat. No. 5,044,880. The turbocharger includes a turbine stage 1 and a
入口チャンバ4から出口通路5まで流れる気体は、タービン翼車12上を通り、その結果、該タービン翼車は、軸受組立体15にて回転するターボ過給機の軸14を介してコンプレッサ翼車13を駆動し、該軸受組立体は、軸受ハウジング16内に配置されており、該軸受ハウジング16は、タービンハウジング2をコンプレッサハウジング17に接続する。コンプレッサ翼車13が回転すると、空気はコンプレッサ入口18を通って吸引され且つ、圧縮された空気は出口渦巻室19を介してエンジン(図示せず)の吸込口に供給される。図1aを参照すると、出口通路5からあと処理システムまでの排ガスの通路が概略図的に示されている。本発明にて当該技術分野の当業者に全体として既知であると考えられる多岐に亙るあと処理システムとすることが考えられる。本発明にて考えられるあと処理システムの型式は、微粒子、窒素−酸化物化合物及びその他の凝集した排出物を除去する設計とされている。
The gas flowing from the inlet chamber 4 to the
1つの形態において、あと処理システムは、あと処理システム内の温度を決定する温度検出器2100を備えている。該温度検出器は、センサを介する等により温度を直接決定するか又は計算により及び(又は)アルゴリズム又はソフトウェアルーチンを反復することを通じて温度を決定することができる。温度検出器2100は、システム内の温度を決定し且つ、必要に応じて排ガスの温度を変化させ得るように可変幾何学的形態タービンの制御を容易にすべく信号をECUに提供する。更に、本発明は、非限定的に、タービンの流体流れ出口のようなその他の箇所にて温度を決定することが可能であるとも考える。軸受ハウジングは、油供給及び密封装置を収納していることも理解されるであろうし、これらの詳細は本発明を理解するために必要ではない。 In one form, the aftertreatment system includes a temperature detector 2100 that determines the temperature within the aftertreatment system. The temperature detector can determine the temperature directly, such as through a sensor, or by calculation and / or through repeating an algorithm or software routine. The temperature detector 2100 provides a signal to the ECU to determine the temperature in the system and to facilitate control of the variable geometry turbine so that the temperature of the exhaust gas can be varied as needed. Furthermore, the present invention also contemplates that the temperature can be determined at other locations, such as, but not limited to, the fluid flow outlet of the turbine. It will also be appreciated that the bearing housing contains an oil supply and sealing device, and these details are not necessary for an understanding of the present invention.
ノズルリング8は、半径方向壁7を画成する半径方向に伸びる環状部分と、それぞれタービンハウジング3に設けられた環状キャビティ22内に伸びる内側環状フランジ20と、外側環状フランジ21とを備えている。図面に示したタービンの構造の場合、キャビティ22の大部分は、完全にこの場合に本発明が適用される特定のターボ過給機の構造の結果として、実際上、軸受ハウジング16により画成され、このため、本発明の目的上、この点に関してタービンハウジングと軸受ハウジングとを何ら区別していない。キャビティ22は、半径方向内側環状面24と、半径方向外側環状面25との間に画成された半径方向に伸びる環状開口部23を有している。密封リング26は、外側環状面25に設けられた環状溝内に配置され且つ、ノズルリング8の外側環状フランジ21に当接し、排ガスが入口通路6ではなくてキャビティ22を介してタービンを通って流れるのを防止する。
The
空気圧作動型アクチュエータ27は、あぶみ部材29に連結されたアクチュエータの出力軸28を介してノズルリング8の位置を制御するように作動可能である一方、該あぶみ部材は、軸方向に伸びる案内ロッド30(その一方のみを図面に図示)と係合し、該案内ロッドは連結板31を介してノズルリング8を支持する。しかし、ノズルリング8の動きは任意の適宜な作動手段により制御することが可能である。本発明にて考えるアクチュエータ手段は、非限定的に、空気圧、電動、又は液圧装置を含む。従って、アクチュエータ27を適宜に制御することにより、案内ロッド、従って、ノズルリング8の軸方向位置を制御することができる。図1には、入口通路6がその最大幅となる、その完全に開放した位置にあるノズルリング8が示されている。
The pneumatically actuated
図1に開示したもののような可変幾何学的形態タービンは、本発明にとって必要であるとき、入口通路6を閉じ最小幅となるように作動可能である。排ガスの温度を制御すべく本発明に対する最小幅は、通常のエンジンの作動状態に対する最小幅よりも狭い。より具体的には、1つの形態において、排ガスの温度を制御する最小幅は、約0mmないし約4mmの範囲にあると予想される。これに反して、1つの形態において、ノズルリング8は、全体として閉じられて通常のエンジンの作動範囲にて作動するエンジンに対し、約3mmないし約12mmの最小幅/空隙を提供する。しかし、最小幅の寸法は、全体として、タービンの寸法及び形態にも依存する。通常の範囲にて作動するエンジンに対する最小幅を検討するとき、最大空隙幅の約25%ないし100%を利用することが適当である。排ガス温度の加熱を制御するため最小の空隙を設定するとき、1つの形態において、最大空隙幅の約0%ないし25%を使用することが適当である。しかし、本発明にてその他の比率とすることも考えられる。本発明にて、環状入口通路6を通る流体の流れに関係したパラメータを設定するとき、最小幅/空隙又はのど面積が利用されよう。
A variable geometry turbine such as that disclosed in FIG. 1 is operable to close the
図2a及び図2bには、本発明に従った図1のターボ過給機の形態変更例が示されている。本発明を理解するのに必要なタービンの部品のみが図2a及び図2bに示されており、これらの図は、ターボ過給機のノズルリング/入口通路領域の拡大図であり、それぞれ完全に開放した位置及び完全に閉じた位置にあるノズルリングを示す。半径方向外側フランジ21に設けられた周方向列の開口32を設けることにより、ノズルリング8の形態が変更されている。開口32の配置は、次のようにされている、すなわち、ノズルリング6が閉じた位置に接近し、開口32はシール26を通過する(図2bに示すように)ときを除いて、開口が入口通路6から遠方の密封リング26の側部に位置するようにされている(図2aに示すように)。この開放した迂回流路は、排ガスの一部が入口通路6を通らずに、入口チャンバ4からキャビティ22を介してタービン翼車12に流れるのを許容する。入口通路6、ノズルベーン10を迂回する排ガスの流れは、特に、ベーン10によって接線方向に方向変更されるから、入口通路6を通る排ガスの流れよりもこの排ガスによる仕事量は少ない。換言すれば、開口32が入口通路6と連通されると直ちに、ターボ過給機の効率は低下し、これに相応して、コンプレッサの排出流の圧力(昇圧)が降下し、それに伴いエンジンシリンダの圧力が降下する。
FIGS. 2a and 2b show a modification of the turbocharger of FIG. 1 according to the invention. Only the parts of the turbine necessary to understand the invention are shown in FIGS. 2a and 2b, which are enlarged views of the nozzle ring / inlet passage area of the turbocharger, each fully Figure 3 shows the nozzle ring in an open position and a fully closed position. By providing the
このように、本発明によれば、入口迂回開口32を設けることは、通常の作動状態下にてターボ過給機の効率に何ら影響を与えないが、タービンが排ガスの加熱モードにて作動し、入口通路がその最小値に減少するとき、開口32は、エンジンシリンダを過剰に加圧することなく、従来技術にて可能である入口通路の寸法を一層、大幅に減少させることを容易にする。より具体的には、本発明の1つの形態において、迂回開口32は、通常のエンジンの作動状態の間、通常、閉じる設計とされている。
Thus, according to the present invention, providing the
ターボ過給機の効率の低下効果は、開口32の数、寸法、形状及び位置を適宜に選ぶことにより、決定することが可能であることが理解されよう。
図3a及び図3bには、可変幾何学的形態タービンの第二の実施の形態が示されている。図2a及び図2bと同様に、タービンのノズルリング/入口通路領域の詳細のみが示されている。適当な場合、図1、図2にて使用したものと同一の参照番号が図3a、図3bにて使用されている。図3a、図3bには、幾つかの点にて図1のタービンと相違する、その他の従来のタービンに対する本発明の技術の適用例が示されている。第一に、ノズルベーン10は、ノズルリング8に取り付けられ且つ、入口通路6を亙ってシュラウド板34に形成された、それぞれのスロットを介してキャビティ33内に伸びており、該シュラウド板は、ノズルリング8の半径方向壁7と共に、入口通路6の幅を画成する。これは周知の配置である。
It will be understood that the effect of reducing the efficiency of the turbocharger can be determined by appropriately selecting the number, size, shape and position of the
3a and 3b show a second embodiment of a variable geometry turbine. Similar to FIGS. 2a and 2b, only the details of the nozzle ring / inlet passage area of the turbine are shown. Where appropriate, the same reference numbers used in FIGS. 1 and 2 are used in FIGS. 3a and 3b. FIGS. 3a and 3b show application examples of the technology of the present invention to other conventional turbines that are different from the turbine of FIG. 1 in several respects. First, the
第二に、欧州特許第0 654 587号の教示に従って、圧力平衡開口35がノズルリング8の半径方向壁7に形成されており、内側環状リング20は、ハウジング3の半径方向内側環状部分24に形成された環状溝内に配置されたそれぞれの密封リング36によりハウジング3に対して密封されている。開口35を設けることは、キャビティ22内の圧力が入口通路6を通る排ガスの流れによりノズルリング8の半径方向面7に加えられる静圧と等しいことを保証する。このことは、ノズルリングの負荷を減少させ、特に、入口通路6がその最小幅に向けて減少するとき、ノズルリング8の位置の制御精度を向上させることになる。
Secondly, according to the teachings of EP 0 654 587,
半径方向内側シールリング36を設けることを考慮するならば、本発明の適用は、ノズルリング8の内側環状フランジ20に気体の迂回通路32aを設けることを必要とする。該通路32aは、次のようにシールリング26に対し配置される、すなわち、これらの通路は、外側環状フランジ21内の通路32bとしてと同時に、シールリング26の入口通路側部と連通するように開放し、これにより、キャビティ22を通る迂回通路を提供し、図2a及び図2bの実施の形態に関して上述したものと正確に同一の効果を実現するように配置される。
Considering the provision of the radially
これと代替的に、外側通路32bを省略し、圧力平衡開口35を利用して内側通路32aと共に、迂回流路を提供してもよい。
また、内側環状/又は外側シールリングをハウジング内に設けられた位置決め溝ではなくて、ノズルリングに設けられた位置決め溝内に配置することにより、ノズルリングをハウジングに対し密封することも既知である。この場合、シールリングは、ノズルリングと共に動くことになろう。具体的には、図4a及び図4bには、本発明に従って形態変更した欧州特許第0 654 587号に開示されたタービンのノズルリング/入口通路領域が示されている。適当な場合、図4a、図4bにて、上述したものと同一の参照番号が使用されている。図3a、図3bのタービンの配置と同様に、ノズルベーン10は、ノズルリング8により支持され且つ、シュラウド板34を通って入口通路6を亙り且つ、キャビティ33内に伸びている。圧力平衡開口35がノズルリング8の半径方向壁7に形成されており、該半径方向壁は、内側リングシール26、外側リングシール37によりキャビティ22に対し密封されている。しかし、シールリング26はハウジング3内に設けられた溝内に配置される一方、半径方向側方シールリング37は、ノズルリング8の外側環状フランジ21に設けられた溝38内に配置され、このため、ノズルリングが動くときに動く。
Alternatively, the
It is also known to seal the nozzle ring to the housing by placing the inner annular / or outer seal ring in the positioning groove provided in the nozzle ring rather than in the positioning groove provided in the housing. . In this case, the seal ring will move with the nozzle ring. In particular, FIGS. 4a and 4b show the nozzle ring / inlet passage area of the turbine disclosed in EP 0 654 587 modified in accordance with the present invention. Where appropriate, the same reference numbers as described above are used in FIGS. 4a and 4b. Similar to the turbine arrangement of FIGS. 3 a, 3 b, the
本発明に従って、ノズルリング8の内側環状フランジ20には、ノズルリングが動いて入口通路6を最小程度に閉じるとき(図4bに図示)、シールリング26を通る入口通路開口32が設けられている。しかし、外側入口迂回路は、ノズルリングを貫通する開口ではなくて、キャビティ22の開口部23の外側環状部分25に形成された周方向列の凹所39により提供される。図4aにて見ることができるように、通常の作動状態のとき、シールリング37は、凹所39の内方に配置され、排ガスがノズルリング8の周り及びキャビティ22を通って流れるのを防止する。しかし、ノズルリングが図4bに示すように動いて、入口通路6を最小程度に閉じるとき、シールリング37は、動いて凹所39と軸方向に整合し、これにより、該凹所39は、シールリング37の周りに迂回路を提供し、気体がノズルリング8の内側環状フランジに設けられた入口迂回開口32を介してキャビティ22を通り、また、タービン翼車まで流れるのを許容する。凹所39の効果は、開口32の効果と直接、等価的であり、また、作動時、本発明のこの実施の形態は、上述した本発明のその他の実施の形態とほぼ同一の仕方にて機能することが理解されよう。
In accordance with the present invention, the inner
上述した実施の形態は形態変更することができることが理解されよう。例えば、図8の実施の形態におけるように、例えば1つのシールリングのみが必要とされ、このシールリングがノズルリング上に配置されるならば、ノズルリングの内側フランジに開口32を設ける必要はない。同様に、ハウジング内に配置された内側及び外側シールリングの双方があるならば、ノズルリングを通る迂回開口に代えて、ハウジングの内側及び外側環状部分の双方に迂回凹所を設ける必要があろう。
It will be understood that the embodiments described above can be modified. For example, as in the embodiment of FIG. 8, if only one seal ring is required, for example, and this seal ring is placed on the nozzle ring, there is no need to provide an
図1ないし図4に示した本出願の実施の形態に関して、ノズルリング8を迂回する排ガスの流れは、干渉する関係にて入口通路から流れる排出流体の他の流れ部分内に排出されることが理解されよう。ノズルリングを迂回する排ガスの流れは、鋭角な角度、又は実質的に垂直に、ノズルリングからの排出流れに入る。
With respect to the embodiment of the present application shown in FIGS. 1-4, the flow of exhaust gas that bypasses the
図5ないし図11を参照すると、旋回ベーン型の可変幾何学的形態タービンが示されている。本出願は、2004年4月8日付けで出願された、英国特許出願0407978.6号を参考として引用し、本明細書に含めるものである。旋回ベーン型の可変幾何学的形態タービンは、タービン翼車の上流側にあり、タービン翼車に対する流動断面積を制御するよう調節可能である案内ベーンを有している。案内ベーンの弦がタービン翼車に対し実質的に半径方向となるようにベーンを回すと、のどと称される両者の間の距離が長くなる。その弦がタービン翼車に対して実質的に接線方向となるようにベーンを回すと、両者の間ののど距離が短くなる。ベーンののど寸法と一定の軸方向長さとの積は、任意の所定の角度の流動面積を決定することになる。 Referring to FIGS. 5-11, a swirl vane variable geometry turbine is shown. This application is incorporated herein by reference for reference to British Patent Application No. 04079788.6, filed April 8, 2004. A swirl vane variable geometry turbine has a guide vane upstream of the turbine wheel and adjustable to control the flow cross-section for the turbine wheel. Turning the vane so that the guide vane strings are substantially radial to the turbine impeller increases the distance between the two, called the throat. Turning the vane so that the string is substantially tangential to the turbine wheel reduces the throat distance between the two. The product of the vane throat dimension and a constant axial length will determine the flow area at any given angle.
図5ないし図11を参照すると、内燃機関(図示せず)からの排ガスが供給される渦巻室すなわち入口チャンバ200を有するタービンハウジング100を備える可変幾何学的形態タービンが示されている。排ガスは、一側部にて環状壁部材500により、及び反対側部にて半径方向に伸びる環状スリーブ700により画成された半径方向に向けた環状入口通路400を介して入口チャンバ200から出口通路300まで流れる。この環状スリーブ700内にその各々が入口通路を亙って伸び、周方向に隔てられた列状ベーン800があり、これらの列状ベーンは、レバー800aの回転を通じてベーンが同時に回転することができるような仕方にて支持されている。
Referring to FIGS. 5-11, a variable geometry turbine is shown comprising a
入口チャンバ200から出口通路300まで流れる排ガスは、求心型タービン翼車900の複数の翼900a上を流れ、その結果、求心型コンプレッサ翼車1100を駆動するターボ過給機の軸1000(軸受1000aにより軸支されている)にトルクが加えられる。コンプレッサ翼車1100が回転すると、空気入口1200内に存在する周囲空気は加圧され、その圧縮された空気は、空気出口又は渦巻室1300に供給され、そこから、空気は内燃機関(図示せず)に供給される。タービン翼車900の回転速度は、環状通路400を通って流れる気体の速度に依存する。排ガスの流量が一定の場合、気体の速度は、ベーン800の角度を制御することにより調節することのできる、隣接するベーン間の通路ののど幅の関数である。
Exhaust gas flowing from the
図8を参照すると、最小ののど幅まで閉じられた環状入口通路400のベーン800が示されている。図8に示したベーンの状態において、排ガスの一部分は、側壁の空所及び(又は)任意の幾何学的変化部分を通ってベーンの周りを流れることにより、ベーン800を迂回する。図9を参照すると、実質的に開放した状態にあるベーン800が示されている。ベーン800の間ののど幅が狭くなると、これらベーンを通る気体の速度は増す。入口通路400内にてベーンを迂回することは、タービンの効率を低下させることになる。
Referring to FIG. 8, the
ベーン800の動きは、例えば、リンク1400のような、取り付けたレバー800aに設けられた任意の適宜な手段により、制御することができる。ベーンは、レバー又は相互接続リンクによりこれら全てを係合させるリングにより同調して動くよう規制されることが好ましい。空気圧、電動又は液圧型装置とすることのできるアクチュエータ(図示せず)にマスターリンクを取り付けることができる。
The movement of the
図7を参照すると、側壁3000、3001の一方又は双方が軸対称の仕方にてテーパー付きとされた、本発明の1つの実施の形態が示されている。側壁にテーパーが付きであることは、排ガスの一部分がベーンの周りを流れ且つ、ノズルベーンを効果的に迂回することを許容する。ベーン800が閉じた状態から開放状態に旋回すると、その後縁は、タービン翼車の入口に向けて半径方向内方に動く。側壁3000、3001間の幅が更に増すと、これらの側壁がタービン翼車に向けて動くような、側壁のテーパーの設計とされている。図7の実施の形態を参照すると、直線状のテーパーが示されている。しかし、本発明は、直線状のテーパーに限定されず、また、双方の側壁にテーパーを付けることにも限定されない。ベーンが開放位置にある1つの実施の形態において、隙間は最大となり、ベーンが閉じると、側部隙間は最小値まで減少して回転隙間を許容する。本発明は、テーパー率及びテーパーの開始部分の半径方向位置は、エンジンの特定の特徴を特に設定し得るように選ぶことができると考える。
Referring to FIG. 7, one embodiment of the present invention is shown in which one or both
図10、図11を参照すると、先に述べた実施の形態よりも大きい自由度を有するシステムの1つの実施の形態が示されている。図10、図11の実施の形態は、別個の空所1500が関係したベーン800を有している。別個の空所1500は、側壁の一方又は双方に配置することができる。1つの形態において、空所1500は、ベーンが回転するとき、ベーン800がその上を拭き払う実質的にセクタの形態をしている。1つの形態において、複数のベーンの各々が、該ベーンと関係した空所を有している。空所1500を通る流体の流れの開始及び停止は、空所の前縁及び後縁を配置することにより操作することができる。空所を通る流体の流量は、空所の幅及び深さにより調節することができる。空所は、排ガスの一部分がベーンの外面の周りを流れ、これにより流れをノズル段内でベーンを通って迂回させることを許容する。タービンに対する設計パラメータに適合するよう空所に対する多岐に亙る形状が考えられる。全体として、通常のエンジンの作動範囲内にて排ガスの流れに露呈される空所1500は、この期間の間、殆ど効果がなく、それは、ベーンの少なくとも一部分の周りに実質的に取り囲まれた通路が形成されないからである。ベーンが排ガスの加熱位置まで開放する間、空所の位置は排ガスの流れに露呈される。排ガスの一部分は、空所を通り且つ、入口通路400内に配置されたベーン10の周りを迂回する。
Referring to FIGS. 10 and 11, one embodiment of a system having a greater degree of freedom than the previously described embodiment is shown. The embodiment of FIGS. 10 and 11 has a
幾つかの可変幾何学的形態タービンに適合するシステムについて図1ないし図11に関して上記に説明した。本出願は、上述した可変幾何学的形態型式のタービンを制御するよう適用可能であることが好ましいが、本発明の方法は、極めて多岐に亙るその他の型式の可変幾何学的形態タービンを制御するため適用可能であることを理解すべきである。本発明は、排ガスの通路の寸法を変化させ、ターボ過給機の入口通路内のベーンの周りにて排ガスの流れの一部分を迂回させることにより、排ガスの温度を制御するものである。 Systems that are compatible with several variable geometry turbines have been described above with respect to FIGS. While the present application is preferably applicable to control turbines of the variable geometry configuration described above, the method of the present invention controls a very wide variety of other types of variable geometry turbines. Therefore, it should be understood that this is applicable. The present invention controls the temperature of exhaust gas by changing the size of the exhaust gas passage and bypassing a part of the exhaust gas flow around the vane in the inlet passage of the turbocharger.
ノズルリングを利用する可変幾何学的形態タービンシステムにおいて、あと処理システム内の温度が閾値温度以下となるのに応答して、ノズルリングは軸方向に動いて入口通路の寸法を縮小させる。あと処理システム内の温度は、温度検出器により決定される。1つの形態において、排ガスの温度は、複数の狭い時間間隔にて測定し、また、別の形態において、温度の検出は、ほぼ連続的に行われる。しかし、検出のための時間間隔を決定することは、当該技術分野の当業者の技術の範囲であると考えられる。あと処理システム内の温度が閾値温度以下であると決定されたとき、ノズルリングは、通常のエンジンの作動のために必要とされる位置よりも下方の排ガスの加熱位置まで軸方向に動く。検出された温度が閾値温度以上となる迄の時間、ノズルリングは排ガスの加熱位置に維持される。ノズルリングが排ガスの加熱位置に配置されているとき、迂回路は、排ガスの流れに露呈され、また、排ガスは、後面の周り、又はノズルの下方にて迂回しベーンを迂回する。 In a variable geometry turbine system that utilizes a nozzle ring, in response to the temperature in the aftertreatment system being below a threshold temperature, the nozzle ring moves axially to reduce the size of the inlet passage. The temperature in the aftertreatment system is determined by a temperature detector. In one form, the temperature of the exhaust gas is measured at a plurality of narrow time intervals, and in another form, the temperature detection is performed substantially continuously. However, determining the time interval for detection is considered to be within the skill of one of ordinary skill in the art. When it is determined that the temperature in the aftertreatment system is below the threshold temperature, the nozzle ring moves axially to the exhaust gas heating position below that required for normal engine operation. The nozzle ring is maintained at the exhaust gas heating position until the detected temperature becomes equal to or higher than the threshold temperature. When the nozzle ring is positioned at the exhaust gas heating position, the bypass is exposed to the exhaust gas flow, and the exhaust gas bypasses the vanes around the rear surface or below the nozzle.
ノズルリングが軸方向に動く結果、入口通路の流動面積が減少し、迂回路を露出状態にすることは、排ガスがノズルの周りを流れるのを許容することになる。その結果、タービン段の効率は低下し、空気流は減少し、所望の動力レベルを維持するためのエンジンの圧送仕事量が増すことになる。1つの形態において、所望の動力レベルは、排ガスの温度の上昇を決定する前に確立されたレベルである。1つの形態において、形成される排ガスの温度は、実質的に閾値温度以上に上昇する。 As a result of the axial movement of the nozzle ring, the flow area of the inlet passage is reduced and exposing the detour allows the exhaust gas to flow around the nozzle. As a result, the efficiency of the turbine stage is reduced, airflow is reduced, and the pumping work of the engine is increased to maintain the desired power level. In one form, the desired power level is the level established prior to determining the exhaust gas temperature increase. In one form, the temperature of the exhaust gas formed increases substantially above the threshold temperature.
図2a、図2bのシステムを参照すると、排ガスは、入口通路6を通らずに、キャビティ22を介して入口チャンバ4からタービン翼車12に流れる。図3a、図3bのシステムを参照すると、該システムは、シールリング26の入口通路側部と流れ連通するように開放する通路32aを有している。排ガスは、通路32aを通ってキャビティ22に迂回し、そこから、タービン翼車12に流れる。図4a、図4bを参照すると、ノズルリングが動いて入口通路6を閉じ排ガスを加熱するため最小幅となるようにし、シールリング37が凹所39と整合するようにされた、システムが図示されている。このように、排ガスが流れるための迂回路がキャビティ22に対するシールリング37の周りに確立される。
Referring to the system of FIGS. 2 a, 2 b, the exhaust gas flows from the inlet chamber 4 to the
旋回ベーン型式の可変幾何学的形態タービンを利用するシステムを参照すると、あと処理システム内の温度が閾値温度以下に低下したことに応答して、複数のベーンが同調して動いて入口通路の寸法を縮小させる。温度検出器があと処理システム内の温度を決定する。1つの形態において、排ガスの温度は狭い複数の時間間隔にて測定し、別の形態において、温度の検出はほぼ連続的に行われる。しかし、温度を検出する時間間隔は当該技術分野の当業者の技術に属すると考えられる。温度が閾値以下であると決定されたならば、ベーンは、通常のエンジンの作動のために必要とされるよりも小さい流路を画成する排ガスの加熱位置まで回転する。温度が閾値温度に達する迄、ベーンは排ガスの加熱位置に維持される。複数のベーンが排ガスの加熱位置に配置されているとき、排ガスの少なくとも一部分は、タービン翼車まで流れる際に、ベーンの周りを流れ/ベーンを迂回する。 Referring to a system utilizing a swirl vane-type variable geometry turbine, in response to the temperature in the aftertreatment system dropping below a threshold temperature, the plurality of vanes move in synchrony and the dimensions of the inlet passage Reduce. A temperature detector determines the temperature in the aftertreatment system. In one form, the temperature of the exhaust gas is measured at narrow time intervals, and in another form, the temperature is detected almost continuously. However, the time interval for detecting the temperature is considered to belong to the skill of those skilled in the art. If it is determined that the temperature is below the threshold, the vane rotates to a heated exhaust gas position that defines a smaller flow path than is required for normal engine operation. The vane is maintained in the exhaust gas heating position until the temperature reaches the threshold temperature. When the plurality of vanes are disposed at the exhaust gas heating position, at least a portion of the exhaust gas flows around the vanes / bypasses the vanes as it flows to the turbine impeller.
本発明は図面に示し且つ上記の説明にて詳細に記述したが、これは単に一例であり、特徴を限定するものと見なすべきではなく、好ましい実施の形態のみを示し且つ説明したものであり、本発明の精神に属するその他の変更及び形態変更が保護されることを望むものであることが理解される。上記の説明にて好ましい、好ましくは、又は好まれるという語を使用したことは、そのように説明した特徴がより望ましいことを意味するが、必ずしもそうする必要はなく、それを欠如する実施の形態は本発明の範囲に属するものと見なすことができ、本発明の範囲は、特許請求の範囲により規定される。特許請求の範囲を読むとき、「1つ」「少なくとも1つ」「少なくとも一部分」というような語が使用される場合、特許請求の範囲に別段の反対の記載がない限り、特許請求の範囲を1つの物品にのみ制限することを意図するものではない。更に、「少なくとも一部分」及び(又は)「一部分」という語が使用される場合、物品は、一部分を含み及び(又は)その反対の特段の記載がない限り、物品全体をも含むものとすることができる。 While the invention has been illustrated in the drawings and described in detail in the foregoing description, this is by way of example only and should not be construed to limit the features, but only the preferred embodiments. It will be understood that other changes and modifications that fall within the spirit of the invention are desired to be protected. The use of the word preferred, preferred or preferred in the above description means that the features so described are more desirable, but are not necessarily so, and lack embodiments thereof. Can be regarded as belonging to the scope of the invention, which is defined by the claims. When reading the claims, the words “one”, “at least one”, “at least a portion” are used unless the claim claims otherwise. It is not intended to be limited to only one article. Further, when the terms “at least part” and / or “part” are used, an article may include the whole article unless stated otherwise and / or vice versa. .
1 タービン段
2 コンプレッサ段/タービンハウジング
3 タービンハウジング
4 入口チャンバ
5 出口通路
6 入口通路
7 環状部材8の半径方向壁
8 環状部材/ノズルリング
9 ハウジング3の対面する半径方向壁
10 ノズルベーン
11 ベーン支持リング
12 支持ピン/タービン翼車
13 コンプレッサ翼車
14 ターボ過給機の軸
15 軸受組立体
16 軸受ハウジング
17 コンプレッサハウジング
18 コンプレッサ入口
19 出口渦巻室
20 内側環状フランジ
21 外側環状フランジ
22 環状キャビティ
23 開口部
24 半径方向内側環状面
25 半径方向外側環状面
26 密封リング/シール/内側シールリング
27 空気圧作動アクチュエータ
28 出力軸
29 あぶみ部材
30 案内ロッド
31 連結板
32 開口
32a 迂回通路/内側通路
32b 外側環状フランジ21内の通路
33 キャビティ
34 シュラウド板
35 圧力均衡開口
36 密封リング/内側シールリング
37 外側シールリング/半径方向側方シールリング
38 溝
39 凹所
100 タービンハウジング
200 入口チャンバ
300 出口通路
400 環状入口通路
500 環状壁部材
700 環状スリーブ
800 列状ベーン
800a レバー
900 求心型タービン翼車
900a 求心型タービンの複数の翼
1000 ターボ過給機の軸
1000a 軸受
1100 求心型コンプレッサ翼車
1200 空気入口
1300 渦巻室
1400 リンク
1500 空所
2100 温度検出器
3000 側壁
3001 側壁
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (8)
ノズルリングと、タービンの入口通路内に複数の案内ベーンとを有する可変幾何学的形態タービンを有するターボ過給機に対し排ガスを流動させるステップと、 Flowing exhaust gas to a turbocharger having a variable geometry turbine having a nozzle ring and a plurality of guide vanes in an inlet passage of the turbine;
排ガスの一部分をノズルリングの半径方向面の少なくとも1つの開口を通じて排出するステップと、 Discharging a portion of the exhaust gas through at least one opening in a radial surface of the nozzle ring;
ノズルリングを入口通路内で動かして入口通路の流動面積を減少させ且つ、ノズルリングの少なくとも1つの出口をタービン翼車と流れ連通状態に配置するステップと、 Moving the nozzle ring within the inlet passage to reduce the flow area of the inlet passage and disposing at least one outlet of the nozzle ring in flow communication with the turbine impeller;
排ガスの部分を少なくとも1つの出口を通じて流し且つ、案内ベーンを迂回しつつ、タービン翼車まで流すステップとを備える、方法。 Flowing a portion of the exhaust gas through at least one outlet and bypassing the guide vane to the turbine impeller.
あと処理システムまで流れる排ガスの温度を決定するステップと、 Determining the temperature of the exhaust gas flowing to the aftertreatment system;
排ガスの温度が閾値温度状態を満足させるかどうかに基づいて、前記ノズルリングを動かすステップを作用可能に制御するステップとを更に含む、方法。 Operatively controlling the step of moving the nozzle ring based on whether the temperature of the exhaust gas satisfies a threshold temperature condition.
前記ノズルリングを動かすとき、通常のエンジンの作動のための流体の流動面積よりも小さい流体の流動面積を画成するよう、ノズルリングが入口通路内の位置に配置され、 When moving the nozzle ring, the nozzle ring is positioned at a position in the inlet passage to define a fluid flow area that is smaller than the fluid flow area for normal engine operation;
排ガスをあと処理システムまで流すステップと、 Flowing exhaust gas to the aftertreatment system;
あと処理システムまで流れる排ガスの温度を決定するステップと、 Determining the temperature of the exhaust gas flowing to the aftertreatment system;
排ガスの温度が閾値温度を満足させるかどうかに基づいて、前記ノズルリングを動かすステップを作用可能に制御するステップとを更に含み、 Operably controlling the step of moving the nozzle ring based on whether the temperature of the exhaust gas satisfies a threshold temperature;
前記排ガスを流すとき、排ガスの一部分がターボ過給機内で完全に流れる、方法。 A method wherein when exhaust gas flows, a portion of the exhaust gas flows completely within the turbocharger.
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