JP5042464B2 - 可変幾何学的形態タービンを使用する内燃機関におけるあと処理システム用の排ガスの温度を決定する方法 - Google Patents

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。

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。

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。

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。

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。

本発明の１つの形態は、流体流動面積を有するタービンに対する入口通路を持つ可変幾何学的形態タービンを備えるターボ過給機を作動させる方法において、流体流動面積が、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、寸法を減少させるステップが、ノズルリングに設けられた迂回流体流路を入口通路内の排ガスに露呈させ、流体流動面積が通常の寸法であるとき、迂回流体流路は閉止され、寸法を減少させるステップが、可変幾何学的形態タービンの一部分を動かすステップを含み、タービンの一部分を動かすステップが、ノズルリングを軸方向に動かし、ノズルリングを軸方向に動して流体流動面積が縮小した寸法であるとき、排ガスの一部分をノズルリングに設けられた迂回流体流路を通じてタービン翼車に流し、減少させるステップと迂回させるステップとを実行するために単一のアクチュエータを動作させるステップを更に備える方法を対象とする。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

ノズルリングを含む従来技術の可変幾何学的形態ターボ過給機の断面図である。 あと処理システムと流れ連通状態に結合されたターボ過給機の概略図である。 ２ａは、本発明に従った図１のターボ過給機の形態変更例の図である。

２ｂは、本発明に従った図１のターボ過給機の別の形態変更例の図である。
３ａは、本発明の第二の実施の形態を示す図である。 ３ｂは、本発明の第二の実施の形態を示す図である。 ４ａは、本発明の第三の実施の形態を示す概略図である。

４ｂは、本発明の第三の実施の形態を示す概略図である。
ベーンが閉じた位置にある旋回ベーンの可変幾何学的形態タービンの軸方向断面図である。 開放位置にあるベーンを示す、図５のタービンの拡大部分図である。 側壁の１つの実施の形態を示す、図６のベーンの拡大図である。 閉じた位置におけるタービン翼車の周りのベーンの断面図である。 開放位置におけるタービン翼車の周りのベーンの断面図である。 側壁の１つに樋状部を備える本発明の別の形態の断面側面図である。 側壁の樋状部を示す、中間位置にあるベーンの断面図である。

符号の説明

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

Claims (6)

1. 流体流動面積を有するタービンに対する入口通路を持つ可変幾何学的形態タービンを備えるターボ過給機を作動させる方法において、
   前記流体流動面積が、通常の作動範囲内で作動する内燃機関に対する通常の寸法を有する前記ターボ過給機を作動させるステップと、
   流体流動面積を通常の寸法から排ガスを加熱するための縮小した寸法まで減少させるステップと、
   入口通路に入る排ガスの一部分を可変幾何学的形態タービンの案内ベーンの周りにて迂回させるステップと、を備え、
   前記寸法を減少させるステップが、ノズルリングに設けられた迂回流体流路を入口通路内の排ガスに露呈させ、流体流動面積が通常の寸法であるとき、前記迂回流体流路は閉止され、
   前記寸法を減少させるステップが、可変幾何学的形態タービンの一部分を動かすステップを含み、
   前記タービンの一部分を動かすステップが、前記ノズルリングを軸方向に動かし、
   前記ノズルリングを軸方向に動して前記流体流動面積が縮小した寸法であるとき、前記排ガスの一部分を前記ノズルリングに設けられた前記迂回流体流路を通じてタービン翼車に流し、
   前記方法は、前記減少させるステップと前記迂回させるステップとを実行するために単一のアクチュエータを動作させるステップを更に備える、方法。
2. 請求項１の方法において、流体流動面積が最大の流動面積を有し、前記減少した寸法に相応する流動面積が最大の流動面積の約０％から約２５％の範囲にある、方法。
3. 請求項１の方法において、前記迂回路からの排ガスの部分が、鋭角な角度又は実質的に垂直に入口通路からタービン翼車まで流れる排ガスのその他の部分に再度入るようにする、方法。
4. 請求項１の方法において、可変幾何学的形態タービンの出口から流れる排ガスの温度を決定するステップと、可変幾何学的形態タービンの出口から流れる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、前記寸法を減少させる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。
5. 請求項１の方法において、排ガスを可変幾何学的形態タービンからあと処理システムまで流すステップを更に含み、
   あと処理システム内の排ガスの温度を決定するステップと、あと処理システム内の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、前記寸法を減少させる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。
6. 請求項５の方法において、閾値温度状態が約２６０°Ｃ（約５００°Ｆ）ないし約３７１．１１１°Ｃ（約７００°Ｆ）の範囲にある、方法。

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