JP4317327B2 - 低速度高圧縮比ターボチャージャ - Google Patents

Description

【０００１】
［発明の背景］
発明の分野
本発明は、一般的には高圧縮比のターボチャージャに関する。特に、通常のユニット以上に圧縮比を増大する一方、ターボチャージャの回転速度を低下させることができる、一体化された空気流ダクトを持つ背中合わせのラジアル・フロー・コンプレッサ・ホイールを有する２ステージ・コンプレッサを備えたターボチャージャが提供される。
【０００２】
関係する技術の説明
ターボチャージャの分野における発展は、ターボチャージャが搭載されたエンジン、特に民生用のディーゼルの利用に、改善された燃費と、高出力レートおよび改善された排出性能を与える手段として、圧縮比の増大を求めつつけている。従来のターボチャージャの設計において、そのような増大された圧縮比を達成する中心的な方法は、コンプレッサとタービン部材の回転速度を上げることであった。従来の設計のターボチャージャの現在の圧縮比性能は、いくつかの特定の用途においては４．０で動作するものの、典型的には３．５の周辺である。所与の最大回転速度のため、コンプレッサの圧縮比性能を増大させるために唯一知られている方法は、ブレードの後方への湾曲を小さくすることである。後方への湾曲は、コンプレッサのフローレンジ性能を向上させるとともに、効率を向上させるために採用されている。したがって、その後方への湾曲を小さくすることは、効率の低下と狭いフローレンジという結果となる。運輸や産業応用のための民生用ディーゼルエンジンに対する要求は、圧縮比５から６に急速に近づいており、フローレンジについては恐らくチョークフロー対サージフローが２．５／１を超えている。これらの圧縮比においては、その要求される高回転速度によって強いられるストレスによって、従来のターボチャージャの設計の回転部材における素材の特性の限界を超えてしまう。伝統的な１ステージ・コンプレッサの設計を用いたターボにとって、特定低速度設計の高い慣性によって、効率のための最適なタービンの設計を用いることはできない。高い慣性は、エンジンの過渡応答要求を満たすためのターボチャージャの反応を低下させる。
【０００３】
直列のコンプレッサとともに動作する２またはそれ以上のターボチャージャを用いることによる複数ステージの圧縮は、高く設定された圧縮比要求を満たす一つのアプローチであった。しかしながら、そのようなシステムのコストと複雑さは、パッケージングサイズの要求とともに、ほとんどの応用にとって魅力的ではない。軸方向と半径方向の圧縮ステージを結びつけることを含む圧縮ステージを得るために、１９５５年４月６日付の英国特許出願ＧＢ７２７，６１７Ａに開示されたように、共通のシャフトの複数のコンプレッサ・ホイールを用いることも従来技術においては採用されてきた。パッケージの制約、特にターボチャージャの長さ、および、ローターの動作、ベアリングの事項は、これらの設計をほとんどのケースにおいて商業的に受入難くしている。
これらの事項を解決するための試みのなかで、１９８２年６月９日付ドイツ特許ＤＥ３０ ４１ ０９３に開示された両面インペラー・ホイールが用いられている。
【０００４】
したがって、最小のパッケージ・サイズと先行技術よりも少ない複雑さで高い圧縮比を有するターボチャージャを提供することが望ましい。既存の商用ディーゼルターボチャージャの設計と比較できる部品点数を維持することもまたコストを受け入れられるレベルにとどめるためには望まれる。
【０００５】
タービン回転速度を落として高効率の特定低速度タービンの使用を可能にすることによって、向上したタービン効率を有するターボチャージャを提供することも望まれる。
【０００６】
［発明の概要］
本発明を具体化するターボチャージャは、吸気口において内燃機関の排気マニホールドからの排気ガスを受け取りかつ排気口を有するタービン・ハウジングと、吸気口と第１の渦形室とを有するコンプレッサ・ハウジングと、タービン・ハウジングとコンプレッサ・ハウジングとの間のセンター・ハウジングとを含む。タービン・ホイールがタービン・ハウジングの中に担持されて排気ガスからエネルギーを取り出し、そのタービン・ホイールは、タービン・ハウジングからセンター・ハウジングのシャフトボアを貫いて延びるシャフトに結合される。センター・ハウジングのシャフトボア内において支持されたベアリングシステムが、シャフトを回転自在に支持している。タービン・ホイールと反対側のシャフトに結合されたコンプレッサのインペラーはコンプレッサ・ハウジング内に担持されて、吸気口に隣接する前面（フロントフェース）に取り付けられた第１の複数のインペラー・ブレードを具体化する。この第１の複数のブレードは、吸気口からの空気に第１ステージの圧縮を実施し、第１のデフューザと渦形室へ空気を排気する。コンプレッサのインペラーもまた、背面（バックフェース）に取り付けられた第２の複数のインペラー・ブレードを具体化する。この第２の複数のブレードは、第１の渦形室に結合されたスクロール吸気口からの空気を圧縮し、エンジンの吸気マニホールド結合されたチャージ空気の排気口を有する第２のデフューザと渦形室内に排気する。スクロール吸気口と第２の渦形室は、コンプレッサ・ハウジングとタービン・ハウジングとの間に配置されたキャスティングとして構成される。
【０００７】
本発明の詳細と特徴は、詳細な説明と以下の図面によってよりはっきりと理解されるであろう。
【０００８】
発明の詳細な説明
タービンハウジング１２，センターハウジング１４及びコンプレッサハウジング１６を組み込んだ本発明ターボチャージャ１０の実施形態を図１に示す。タービン・ホイール１８がシャフト２０を通してコンプレッサ・ホイール２２へ連結されている。このコンプレッサ・ホイール２２はインペラー・ホイールの拡張されたバックウォールに取り付けられたブレードを備えた外側インペラー２４と内側インペラー２６からなっている。タービン・ホイールは排気マニフォルド（図示せず）からタービン・ハウジングの渦形室１３に供給された内燃機関の排気ガスからエネルギーを変換する。排気ガスはタービンを通して膨張され、排気口１９から排気される。
【０００９】
コンプレッサ・ハウジングは、図示の実施形態では孔付きシュラウド３０を含む吸気口２８を備えている。外側インペラーは、第１ディフューザ３２を通って第１渦形室３４へ排気する流れを備えたコンプレッサの第１ステージとなっている。第１ディフューザの内側壁はバッフル３６によって形成されている。内側インペラーは、スクロール吸気口３８を通して第１渦形室３８から空気を受け取り、第２ディフューザ４０を通ってインペラーから第２渦形室４２に排気するコンプレッサの第２ステージを構成している。図１の実施形態では、吸気口３８と第２渦形室はコンプレッサ・ハウジングとセンタ・ハウジングの間にある第２ステージ・キャスティング４４に設けられている。バッフル３６は第２ディフューザの外側壁として働き、バッフルとコンプレッサ・ロータの間の段付き剪断力ポンピング・シール４６が第２ステージ・ディフューザから第１ステージ・ディフューザへのリークを最小にしている。入力条件を改善し、かつ流れを均一にするための吸気口ベーン４８が図１に示されている。
【００１０】
第２ステージ用の吸気口と排気口のための一体的な流路を設けている第２ステージ・キャスティングとともに前面と後面の双方にインペラー・ブレードを形成しているコンプレッサ・ホイールがターボチャージャの全体の長さを最小化させている。第１渦形室が第２ステージ吸気口近くに結合され、第２渦形室が内燃機関の吸気口マニフォルドに垂直の単一ステージ構成と実質的に同じ位置に排気口を設けている。さらに、オーバハングの長さの増加が限定されているのでベアリング構成への衝撃が最小になる。
【００１１】
センタ・ハウジングのシャフト・ボア５２に取り付けられたジャーナル・ベアリング５０がシャフトを回転できるように支持している。シャフトのコンプレッサの近くに取り付けられたスラスト・カラー５４が図示の実施形態のセンタ・ハウジングと第２ステージのキャスティングの間に配置されているスラスト・ベアリングに係合している。潤滑チャネル５８が潤滑剤をベアリングに供給している。コンプレッサの第１ステージと第２ステージの背中合わせ構造がコンプレッサによる軸方向空気力学的負荷をバンランスさせている。
【００１２】
第２ステージのキャスティングがコンプレッサ・ハウジングとセンタ・ハウジングとの間に、適切なシールによってベアリング・ハウジングと一体になるように、ボルト６０又はその他の従来周知の手段により取り付けられている。図１に示す実施形態に対しては、バッフルが、コンプレッサ・ハウジングと第２ステージのキャスティングの間に配置されている。
【００１３】
図２に本発明の第２実施形態が示されている。この実施形態のタービン・ハウジングとセンタ・ハウジングの形状はそれらと関連する要素とともに図１に開示され、説明されたものと同一である。吸気口と第１ステージ又はコンプレッサの外側インペラーの図１に示されたものと似ている。しかしながら、ディフューザ７０は、第２ステージの渦形室７４を実質的に取り囲んでいる第１ステージの渦形室７２へ空気を直接流し込んでいる。第１ステージの渦形室を通る流れは第２ステージのコンプレッサの吸気口に対して接線方向へ向けられている。図３にそれが詳細示されている。吸気口ベーン７８が第２ステージのインペラー２６へ空気を導く。第２ステージのインペラーを出た空気は第２ディフューザ８０を通って第２ステージの渦形室へ向かう。空気は第２ステージの渦形室から排気口８２を通って出る。図２と３に示された実施形態の第１ステージと第２ステージの渦形室の断面形状は実質的に一定である。他の実施形態は図１に開示したように断面形状が変化するものを採用しても良い。
【００１４】
図２に示されている実施形態は、第１ステージの渦形室の外壁８４と第２ステージの吸気口と第２渦形室を形成している壁構造８６は共通のキャスティング（鋳物）からなっている。図３に良く表されているように、壁構造８６は排気口で一体とされた相互接続部８８によって外壁８４に支持されている。その相互接続部は、壁構造８６と外壁８４との間に先端が延びだした双くさび形すなわち菱形形状とされ、壁構造を回って第１ステージの渦形室通って流れる空気を第２ステージへ接線方向に導くようになっている。図１の場合と同じように、バッフル９０が壁構造８６に連結され、第１ステージのディフューザの空気流を第２ステージのディフューザの空気流から分離している。ダイナミック・シール９２がインペラー・ホイールとバッフルの間に設けられている。
【００１５】
図４にダイナミック・シール９２の実施形態が示されている。シールはインペラー・ホイールの周囲の溝９６に挿入されているシール・リング９４として実現されている。バッフルが位置決めのための段状の肩にシール・リングを担持し、かつシール・リングと周囲の溝によって形成されるラビリンスによって物理的にシールしている。
【００１６】
図５はダイナミック・シールの第２の実施形態を示している。そのシールはバッフル１００の延長部１００を備え、それがインペラー・ホイールのスロットに入れられている。このシールは、延長部の蛇行表面１０４によって達成されている。図示された実施形態では、バッフルは延長部をスロットに入れ、インペラー・ホイール周りに組み立てられる少なくとも二つの部材からなっている。代わりの実施形態では、インペラー・ホイールがスロットに続く分離線に沿って分離され、バッフルの延長部の周りにインペラーを組み付けるようになっている。
【００１７】
特許法によって要求される程度に詳細に本発明を記述したが、当業者は個々に記述された特定の実施形態への変形や代用物を認識できるであろう。そのような変形物や代用物は以下の特許請求の範囲で定義された本発明の範囲内である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明の実施形態を用いたターボチャージャの断面図である。
【図２】 図２は、圧縮ステージのために準同心の２渦形室を有する、本発明の第２の実施形態の断面図である。
【図３ａ】 図３ａは、第２ステージ・コンプレッサ吸気口への第１のコンプレッサ渦形室の遷移部分の図２における３ａ−３ａ線に沿った端面図である。
【図３ｂ】 図３ｂは、図３ａの３ｂ−３ｂ線に沿った断面図である。
【図３ｃ】 図３ｃは、図３ａの３ｃ−３ｃ線に沿った断面図である。
【図４】 図４は、コンプレッサインペラーホイールの周辺シールのひとつの実施形態の断面図である。
【図５】 図５は、コンプレッサインペラーホイールの周辺シールの第２の実施形態の断面図である。

Claims (4)

1. 内燃機関の排気マニフォルドから渦形室（１３）を通して排気ガスを受けるとともに排気排気口を持つタービン・ハウジング（１２）と、空気吸気口（２８）および第１の渦形室（３４）を持つコンプレッサ・ハウジングと、前記タービン・ハウジングと前記コンプレッサ・ハウジングとの間のセンター・ハウジングとを有するタービン・ハウジング（１２）を備え；前記タービン・ハウジング内に担持され、排気ガスからエネルギを抽出するタービン・ホイール（１８）を備え、このタービン・ホイールはシャフト（２０）に結合され、このシャフトは、前記タービン・ハウジングから前記センター・ハウジング中のシャフト・ボア（５２）を通して延びており；前記センター・ハウジングの前記シャフト・ボアに支持されていて、前記シャフトを回転自在に支持するベアリング（５０）を備えているターボチャージャであって：
   前記タービン・ホイールの反対側で前記シャフトに結合され前記コンプレッサハウジング内に位置させられたコンプレッサ・ホイール（２２）を備え、
   前記コンプレッサ・ホイールには、空気吸気口に近い前面に装着されていて、前記空気吸気口からの空気の速度を増速させて第１のディフューザ（３２）へと排出する複数の第１のインペラー・ブレードが設けられ、前記第１のディフューザ（３２）は前記コンプレッサ・ホイールと前記第１の渦形室との間にあり、
   前記コンプレッサ・ホイールにはさらに、その背面に装着されていて、前記１の渦形室に結合されたスクロール吸気口（３８）からの空気の速度を増速させて第２のディフューザ（４０）へと排出する複数の第２のインペラー・ブレードが設けられ、前記第２のディフューザ（４０）は前記コンプレッサ・ホイールと前記第２の渦形室（４２）との間にあり、そして、前記第１と第２の渦形室の間の境界へ取り付けられてその境界から前記コンプレッサ・ホイールの外周に位置するダイナミック・シール（４６）へと延びる単一の壁バッフル（３６，９０）によって前記第１および第２のディフューザは分離されており、
   前記スクロール吸気口および前記第２の渦形室とは、前記コンプレッサ・ハウジングと前記タービン・ハウジングとの間のキャスティングに一体に構成され、前記第２の渦形室は空気排気口を備え、その空気排気口は前記内燃機関の吸気口マニフォルドに結合されている、ターボチャージャ。
2. 請求項１記載のターボチャージャにおいて、前記第２の渦形室は前記第１の渦形室内にほぼ同軸に含まれ、前記排気口は、前記第１の渦形室の外壁（８４）から、直径方向でくさび形に延びる相互接続部（８８）を含んでいる、ターボチャージャ。
3. 請求項１記載のターボチャージャにおいて、前記ダイナミック・シールは、前記コンプレッサ・インペラーの周囲の溝（９６）に受けられ、前記バッフル（９０）から半径内方へと延びる段状肩部（９８）によって、前記インペラー・ホイールの外周付近で担持されている、シール・リング（９４）で構成されている、ターボチャージャ。
4. 請求項１記載のターボチャージャにおいて、前記ダイナミック・シールは、前記インペラー・ホイールの外周に設けられたスロット（１０２）に受けられる、前記バッフル（１００）の延長部を含み、この延長部には、少なくともその一方の側面に蛇行表面（１０４）が設けられている、ターボチャージャ。

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