(57)【要約】【課題】  内燃機関１に圧縮エアチャージを供給する装置３を提供する。【解決手段】  装置３は、第１圧縮機、たとえば、ターボチャージャ５と、第２圧縮機、たとえば、電動スーパーチャージャ９を備える。第２圧縮機９は、第１圧縮機の下流に置かれる。第２圧縮機９の一部、たとえば、ベアリングアセンブリ１６は、ラビリンスシール４１によって圧縮エアチャージの熱から熱的に遮蔽される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関に圧縮エアチャージを供給する装置であって、前記装置は、第１圧縮機及び第２圧縮機を備え、前記第２圧縮機は、前記第１圧縮機の下流で、前記第１圧縮機の出力を 圧縮エアチャージに圧縮するように配置されており、第２圧縮機の一部は、ラビリンスシールにより圧縮エアチャージの熱から熱的に遮蔽された装置。
【請求項２】
前記第２圧縮機は、第１圧縮機の出力を圧縮エアチャージへ圧縮する圧縮要素と、前記圧縮要素の回転を支持するためのベアリングアセンブリとを備え、前記第２圧縮機のラビリンスシールによって熱的に遮蔽される部分が、前記ベアリングアセンブリを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第２圧縮機は、さらに、前記圧縮要素を駆動させる駆動装置と、前記駆動装置が圧縮エアチャージから遮蔽されるように配置されたシールとを備え、前記第２圧縮機のラビリンスシールによって熱的に遮蔽される部分が、前記シールを含む、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記第２圧縮機は、電動スーパーチャージャである、前記請求項のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５】
前記第１圧縮機は、ターボチャージャである、前記請求項のいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】
前記ラビリンスシールは、可動部とかみ合う固定部を備え、その間がラビリンスとして確定され、前記可動部は、前記圧縮要素に連結しており、前記固定部に対して回転可能である、前記請求項のいずれか一項に記載の装置。
【請求項７】
前記圧縮要素は、コンプレッサホイールであり、前記可動部は、前記コンプレッサホイールの背面に連結された、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記ラビリンスシールは、ラジアルラビリンスシールであり、ラビリンスシールの半径方向最外側が圧縮チャージにさらされる、前記請求項のいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】
内燃機関に圧縮エアチャージを供給する電動スーパーチャージャであって、前記スーパーチャージャは、圧縮チャージの熱から前記スーパーチャージャの一部を熱的に遮蔽するように配されたラビリンスシールを含む電動スーパーチャージャ。
【請求項１０】
請求項１から８のいずれかの装置が組み合わされた内燃機関。
【請求項１１】
図面への言及とともに本明細書に記載された、装置及び圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スーパーチャージャのような圧縮機に関するものであり、さらには、エンジンに圧縮エアチャージ（compressed air charge)を供給する２つの圧縮機を備えた装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
内燃（ＩＣ）機関からの二酸化炭素排出量を削減したいという要望の結果として、より小さい（すなわち、低減容量の）エンジンに向かう傾向がある。出力の許容レベルを維持するために、小さなエンジンにターボチャージャを取り付けることが提案されている。ターボチャージャは、エンジン出力の最大値を増加させることができる一方で、許容できないレベルのターボラグを引き起こし、それは多くの場合、自動車関連の用途としては実用的でない。このような過度のターボラグの問題を低減する方法として、ターボチャージャの下流又は上流に(すなわち、ターボチャージャとエンジンの間に)スーパーチャージャを設置することが提案されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記のような配置では、下流の圧縮機は、上流の圧縮機から高温の入力ガスを受け入れるため、特に高温にさらされる。そのため、下流の圧縮機が損傷したり、及び／又は、上記のような配置において使用可能な機器の種類／デザインが制限されることがある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の第１の態様によれば、内燃機関に圧縮エアチャージを供給する装置であって、前記装置は、第１圧縮機及び第２圧縮機を備え、前記第２圧縮機は、前記第１圧縮機の下流で、前記第１圧縮機の出力を 圧縮エアチャージに圧縮するように配置されたものが設けられており、第２圧縮機の一部は、ラビリンスシールにより圧縮エアチャージの熱から熱的に遮蔽される。本発明では、ラビリンスシールは、圧縮機の熱に敏感な部品を保護するための熱遮蔽体として使用することができ、２つの圧縮機を直列に使用される場合に、特に有益である。第２圧縮機は上記ラビリンスシールを備える。
【０００５】
ラビリンスシールは、ある程度の流体がそこを通過することを可能にし、従って、不完全な流体シールとなる傾向にある。上記ラビリンスシールは、好ましくは、ラビリンスシールの第１の（上流の）側に受け入れられた流体が第１温度にあり、ラビリンスシールの反対の（下流の）側から出る流体が第２温度にあり、第２温度は第１温度よりも低くなるように構成される。ラビリンスシールは、好ましくは非接触シールである。したがって、（たとえば、ターボチャージャ又はスーパーチャージャなど）高回転用途に特に適している。
【０００６】
第２圧縮機は、第１圧縮機の出力を圧縮エアチャージへ圧縮する圧縮要素(a compressor element)を含むことができる。圧縮要素は、一般的には、駆動時に、吸気を吸い込んで吸気を圧縮し、圧縮チャージ(compressed charge)を出力する。圧縮要素は、好ましくは、回転可能である。圧縮要素は、コンプレッサホイールであってもよい。圧縮要素は、複数のサブ要素を含むことができる単一の部品であることは必ずしも必要ではないことが理解されるであろう。
【０００７】
第２圧縮機は、圧縮要素の回転を支持するためのベアリング（軸受）アセンブリを備えることができる。ベアリングアセンブリは、特に、高温による損傷を受けやすいことが知られている。したがって、第２圧縮機のラビリンスシールによって熱的に遮蔽される部分が、前記ベアリングアセンブリを含むのが好ましい。
【０００８】
第２圧縮機は、圧縮要素を駆動させる駆動装置を備えることができる。駆動装置は、電気駆動装置であってもよい。第２圧縮機は、駆動装置が圧縮エアチャージから遮蔽されるように配置されたシールを備えることができる。そのようなシールを用いることは、上流の圧縮機の出力（例えば、油、排気ガス再循環システムからの腐食性ガス、微粒子及び圧縮エアチャージ中を運ばれる湿度）から駆動装置を保護することが知られており、したがって、第２圧縮機を第１圧縮機の下流において使用することがより可能になる。
【０００９】
上記シールは、好ましくは、駆動装置内の圧力が圧縮給気の圧力とは無関係であるように構成される。第２圧縮機のラビリンスシールによって熱的に遮蔽される部分が、上記シールを含んでもよい。
【００１０】
上記シールは、好ましくは、フェースシール(face seal)である。上記シールは、好ましくは、気体潤滑フェースシールである。気体潤滑フェースシールそれ自体は、公知である。一例として、気体潤滑フェースシールは、Ｆｒｅｕｄｅｎｂｅｒｇ  Ｓｅａｌｉｎｇ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社によって販売されている。
【００１１】
第２圧縮機は、スーパーチャージャであってよい。そして、さらに、電動スーパーチャージャであることが好ましい。本発明は、過度の温度に特に影響を受けやすい構成要素を備える電動スーパーチャージャに特に有用であると考えられる。第１圧縮機は、ターボチャージャであってもよい。
【００１２】
ラビリンスシールは、可動部とかみ合う（インターロックする）固定部を備えているのが好ましく、その間はラビリンスとして画定(define)される。可動部は、圧縮要素に連結しており、固定部に対して回転可能である。可動部は、圧縮要素の背面に連結する（たとえば、一体とする）ことができる。圧縮要素は、好ましくは、コンプレッサホイールである。コンプレッサホイールの背面は、固定部（例えば、圧縮機のハウジング）とかみ合うようにしてもよく、両者の間はラビリンスとして画定される。
【００１３】
ラビリンスシールは、好ましくは、半径（ラジアル）方向に延設される（すなわち、流体は一般的に半径方向を移動する）。好ましくは、ラビリンスシールの半径方向最外側が圧縮チャージにさらされる。
【００１４】
ラビリンスシールは、下流側の圧縮チャージの温度が１５０℃以下になるように配置することができる。下流側の圧縮チャージの温度は上流側の温度よりも少なくとも３０℃低くてもよい。
【００１５】
本発明の第２の態様によれば、内燃機関に圧縮エアチャージを供給する圧縮機が設けられており、前記圧縮機には、圧縮チャージの熱から圧縮機の一部を熱的に遮蔽するラビリンスシールが設けられている。圧縮機は、好ましくは、スーパーチャージャであり、さらに好ましくは、電動スーパーチャージャである。
【００１６】
本発明のさらに別の態様によれば、本明細書に記載の装置と組み合わせた内燃機関が示される。エンジンは、自動車用途が好ましい。エンジンは、好ましくは、比較的小容量のエンジンである。エンジンは、好ましくは４リットル以下、より好ましくは３リットル以下であり、さらに好ましくは２リットル以下である。エンジンは自動車内に設置してもよい。自動車は、５トン未満とすることができ、より好ましくは、３．５トン未満であり、より好ましくは２トン未満とすることができる。
【００１７】
本発明の一態様に関連して記載された任意の特徴は、本発明の他の態様、及びその逆にも適用可能であることが理解されるであろう。例えば、本発明の第１の態様に関連して記載された任意の特徴は、本発明の第２の態様に等しく適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１実施形態に係る装置を組み込んだエンジンを示す概略図
【図２】本発明の第１実施形態のスーパーチャージャの断面斜視図
【図３】本発明の第２実施形態におけるスーパーチャージャの断面斜視図
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態について、添付の概略図面を参照しながら、単なる例として説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る、圧縮吸入ガス(compressed intake gases)（すなわち、圧縮エアチャージ）を供給する装置３と組み合せた３気筒の内燃（ＩＣ）機関１を示す。装置３（破線で表示）はターボチャージャ５、排気ガス再循環（ＥＧＲ）弁６、給気冷却器（ＣＡＣ）７、スーパーチャージャ９及びスーパーチャージャバイパス弁１０を備えている。
【００２０】
従来のターボチャージャのとおり、ターボチャージャ５は、可変ノズルタービン（ＶＮＴ）を通過し、それによってターボチャージャコンプレッサ５ｂを駆動する、エンジン１からの排気ガスによって駆動される。エンジンの排気ガスの出力の一部は、ＥＧＲ弁６を介してエンジンの入力へと戻される。
【００２１】
ターボチャージャ５の出力は、スーパーチャージャ９に供給される前に、ＣＡＣ７を介して供給される。スーパーチャージャ９は、さらに、ターボチャージャの出力を圧縮し、エンジン１に圧縮吸入ガス（圧縮エアチャージと呼ぶ）を供給する。
【００２２】
本発明の第１実施形態において、スーパーチャージャ９は電動スーパーチャージャである。電動スーパーチャージャは、従来の（直接エンジン駆動）スーパーチャージャと比較して、燃料消費量及びエンジンの排出量を削減することが知られている。これらは、燃料消費量及び／又はエンジンの二酸化炭素出力の改善が注目される用途においては、それゆえ魅力的である。しかしながら、電動スーパーチャージャは、ＥＧＲガスと同様に、ターボチャージャからの一般的な出力である粒子及び油−空気の混合物の腐食作用に苦しむことになるため、ターボチャージャの下流での使用は否定されていた。電動スーパーチャージャは、また、圧縮チャージの高温による損傷を受けやすいと考えられていた。特に、１５０℃を超える温度にさらされると、少なくともベアリングが劣化又は故障することが知られている。
【００２３】
図２は、本発明の第２実施形態における電動スーパーチャージャ９の断面斜視図である。電動スーパーチャージャ９は、モータ１１（固定子１１ａと回転子１１ｂとからなる）を有する電動駆動装置と、モータの後方に位置する、プリント回路基板（ＰＣＢ）の形での制御ユニット（図２では見えない）とを含む。電動モータ１１及び制御ユニットへの電力は、エンジン１に連結されたオルタネータ（図示せず）によって充電された鉛／酸蓄電池（図示せず）によって供給される。駆動装置は、シャフト１３を介してコンプレッサホイール１４を駆動するように構成されている。シャフト１３は、フロントベアリングアセンブリ１６およびリアベアリングアセンブリ（図２では見えない）によって支持されている。
【００２４】
既知のスーパーチャージャと共通して、スーパーチャージャ９は、吸気口１７を通じて空気を受け入れる。コンプレッサホイール１４は、次に、吸気口１７の空気を圧縮し、ラジアルチャンバ１９にそれを放出する。圧縮チャージの大部分は、排気口２１を通過する一方、圧縮チャージの一部は、コンプレッサホイール１４の後の下方へ流出する。
【００２５】
本発明の第１実施形態によれば、スーパーチャージャは、６段のラビリンスシール４１を含む。ラビリンスシール４１は、三重に隆起した同心リング(three raised concentric rings)を有する下方固定部(a lower stationary part)４３を備える。この下方部(lower part)４３上のリングは、コンプレッサホイール１４の後部に一体とされる上方部(upper part)４５に形成された、半径方向に偏倚する、３つの対応するリングとかみ合う。上方部および下方部４３、４５は、互いに接触せず、代りに、上方部及び下方部の間の曲がりくねった通路（ラビリンス）を画定する。本発明は、ラビリンスシール４１はスーパーチャージャの熱に敏感な部品を保護するための熱遮蔽体として使用され得ることがわかる。
【００２６】
第１実施形態では、ラビリンスシール１４の半径方向最外側は１８０℃程度の温度で圧縮チャージにさらされる。圧縮チャージの一部は、ラビリンスシール１４を通過して半径方向最内側に残る。この過程の間に、圧縮チャージの熱の一部が消散され、ラビリンスシールの内側（下流側）の温度は、約１４０℃である。この温度は、上方のベアリングアセンブリ１６及びフェースシール２９が損傷したり、磨耗するのを防止するのに十分低い温度である。ラビリンスシールは、このように圧縮チャージの熱からスーパーチャージャ部分を熱的に遮蔽するように配置される。これは、内燃機関を供給するために、２つの圧縮機を直列で使用することを可能とする。
【００２７】
第１実施形態のスーパーチャージャ９は、コンプレッサ１４の背後に位置するフェースシール２９を備え、駆動装置１１は、圧縮エアチャージからシール（密封）されるように配置されている。シール２９は、高い回転数（例えば最大８００００ｒｐｍ）での軸の回転を可能にしながら、軸１３の周囲に周方向にシールを形成する気体潤滑フェースシール(a gas-lubricated face seal)である。フェースシール２９は、駆動装置内の圧力が圧縮チャージの圧力に無関係であるように、電動駆動装置への圧縮エアチャージの侵入を防止するように構成される。フェースシールは、ターボチャージャの下流のスーパーチャージャで使用されるときに、特に有益であることが知られている。ラビリンスシール１４は、圧縮チャージの最高温度からフェースシール２９を保護し、そして、それによってシールに対する熱による損傷を低減するように構成される。
【００２８】
図３は、本発明の第２実施形態に係るスーパーチャージャの上部を示す。本発明の第１実施形態における類似の特徴に対応する、本発明の第２実施形態における特徴は、第１実施形態と同一の参照番号で示しているが、数字の頭に「１」（あるいは、「１０」の適切な方）を付加している。
【００２９】
第２実施形態のスーパーチャージャ１０９は、かみ合う複数の同心リングによって形成される１５段のラビリンスシール１４１を備える。第１実施形態とは異なり、リングが傾斜面（ラビリンスシールの中心に向かって高さが増加する）上に配置されている。第２実施形態のスーパーチャージャ１０９は、フェースシールを備えていない。代りに、ラビリンスシールは、ベアリング（軸受）アセンブリ１１６及びベアリングアセンブリ１１６の下流の駆動装置（図示せず）用の熱シールを備えている。
【００３０】
第２実施形態のスーパーチャージャ１０９は、インタークーラが代わりにスーパーチャージャ（ターボチャージャ）の下流に位置することを除いて、図１に示したものと同様の装置の一部である。これは、圧縮チャージは、特に高温のため、ラビリンスシールによって与えられる熱遮蔽が特に重要であることを意味している。
【００３１】
以上、本発明について説明し、特定の実施形態を参照して解説してきたが、本発明は、本明細書に具体的に示されていない多くの異なる変形に役立つことが、当業者によって理解されるであろう。前述の説明で言及した値や構成要素に、公知、自明又は予測可能な等価物がある場合、その等価物は、個別に説明しているかのようにして、本明細書に組み込まれる。本発明の正確な範囲を決定するため特許請求の範囲に対して、上記のような等価物のいずれをも包含するよう解釈する論及がなされるべきである。好ましい、有利である、便利である、などのように記載した本発明の値や特徴は、選択的なものであり、独立請求項の範囲を限定するものでないことも分かる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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