(57)【要約】内燃機関において使用するブレードレスターボ過給機（１０）を開示する。この装置は、一端において内燃機関からの排気ガスで駆動されるタービンをもち、他端においてタービン（１１）で駆動されるブロア（１２）をもつ軸受機構（１４）と嵌合する駆動軸（１３）を備える。タービン（１１）およびブロア（１２）は、平面型ディスクを駆動軸に設けるスポークをもつ開環状中心部から臨界距離だけ離間する平面型ディスク（１６）をもつ。タービンディスク（１６）間の臨界距離により、タービンディスク（１６）に対する排気ガスの境界層抵抗効果を増強させる。ブロアは、ブロアディスク（７）に対する空気の境界層抵抗効果のみによってブロアディスク間の臨界距離内に入る空気に回転エネルギーを移送する。このエネルギー移送により、ブロアから出口における空気の単位体積当り重量を増加させる。
2004514827.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関およびブレードレスターボ過給機を組み合わせたものであって、該組み合わせが、
内燃機関と、
この内燃機関と組み合わせたブレードレスターボ過給機であって、このブレードレスターボ過給機が、
軸受機構と、
第１の端部と第２の端部をもつ駆動軸であって、この駆動軸が軸受機構を突き抜けるとともに回転可能に嵌合されているものと、
ブレードレスタービンであって、このブレードレスタービンが、
タービンボリュートと、
このタービンボリュートに隣接するタービン内壁と、
このタービンボリュートに隣接し、タービン内壁の反対側にあるタービン外壁と、
約．００６”から約．０１２”の臨界距離だけ離間したタービンボリュート内に置かれ、駆動軸の第１の端部に対してタービンディスクの中心部を固定設置する複数のスポーク状突起をもつ開環状中心部をもつ複数の平行平面型タービンであって、臨界距離内において内燃機関からの排気ガスに境界層抵抗効果機能を働かせることが可能なだけの臨界距離としたものと、
タービンディスクの周に対して接線位置にあるタービンボリュート壁内に設けた少なくとも１つのタービン入口であって、タービンディスクの周に対して接線方向に排気ガスが入ることを可能にするものであって、内燃機関の排気行程によってタービン入口を通して排気ガスを、タービンディスクを回転させるタービンディスクと駆動軸間の臨界距離内に、タービンディスクに対する排気ガスの境界層抵抗効果により排気ガスから送られたエネルギーによって送り込むようにしたタービン入口と、
タービンディスクの開環状中心部に対して軸方向に隣接するタービン外壁内に設置したタービン出口であって、タービンディスクの開環中心部を通して排気ガスをブレードレスタービンまで排出するようにした出口とを備えるブレードレスタービンと、
駆動軸によって駆動されるブレードレスブロアであって、このブレードレスブロアが、
ブロアボリュートと、
ブロアボリュートに隣接するブロア内壁と、
ブロアボリュートに隣接し、ブロア内壁の反対側にあるブロア外壁と、
臨界距離だけ離間したブロアボリュート内に置かれ、回転駆動軸の第２の端部に対してブロアディスク中心部を固定設置する複数のスポーク状突起をもつ開環状中心部をもつ複数の平行平面型ブロアディスクであって、臨界距離内において空気の境界層抵抗効果機能を働かせることが可能な臨界距離としたものと、
ブロアディスクの開環状中心部に対して軸方向に隣接するブロア外壁内に設けたブロア入口であって、このブロア入口によってブロアディスクの開環状中心部を通して空気を、ブロアディスク間の臨界距離までブロア内に入ることを可能にするものであって、ブロアボリュート内で回転するブロアディスクで創生された圧力によって空気をブロア内まで引き込み、これによってブロアディスクの回転エネルギーを、回転するブロアディスクに対する境界層抵抗効果機能により空気まで送り込み、これによって空気の単位体積当りの重量を増すようにしたブロア入口と、
フィボナッチ式で決まるブロアボリュート壁内に、ブロアディスクの周に対して接線方向になるよう配置されたブロア出口であって、このブロア出口によって、単位体積当り重量の増加した空気が、ブレードレスブロアから内燃機関の機関取入れ口内までブロアディスクの周に対して接線方向に出ることを可能にしたブロア出口とを備えたブレードレスブロアとを備えたブレードレスターボ過給機とを備えた組み合わせ。
【請求項２】
請求項１に記載の組み合わせであって、さらに、
タービンディスクとタービン内壁間に設けた同心相関リッジの第１のラビリンスシールと、
タービンディスクとタービン外壁間に設けた同心相関リッジの第２のラビリンスシールであって、第１と第２のラビリンスシールによって、エネルギーをタービンディスクに送る前にタービン出口を通して排気ガスがタービンから排出されることを防ぐようにしたものを備えた組み合わせ。
【請求項３】
請求項２に記載の組み合わせであって、さらに、
ブロアディスクとブロア内壁間に設けた同心相関リッジの第３のラビリンスシールと、
ブロアディスクとブロア外壁間に設けた同心相関リッジの第４のラビリンスシールであって、第３と第４のラビリンスシールによって、空気の単位体積当り重量が増加する前にブロア出口を通して空気がブロアから排出されることを防ぐようにしたものを備えた組み合わせ。
【請求項４】
請求項３に記載の組み合わせであって、さらに、タービン入口内に置かれた少なくとも１つの可変ノズルを備えたものであって、この可変ノズルによって、タービン入口の断面積を変化させることが可能であり、タービンンに入る排気ガスの速度を上げる、もしくは下げることができるようにした組み合わせ。
【請求項５】
請求項４に記載の組み合わせであって、さらに、ブロア入口内に置かれた少なくとも１つの可変ノズルを備えたものであって、この可変ノズルによって、ブロア入口の断面積を変化させることが可能であり、ブロアに入る空気の速度を上げる、もしくは下げることができるようにした組み合わせ。
【請求項６】
請求項５に記載の組み合わせであって、
ブレードレスタービンが２つのタービン入口をもち、
タービンディスクが、タービンディスク中心部を駆動軸の第１の端部に対して固定設置する３つのスポーク状突起をもち、
タービンディスクおよび駆動軸がステンレス鋼でできている組み合わせ。
【請求項７】
請求項５に記載の組み合わせであって、
ブロアディスクが、ブロアディスク中心部を駆動軸の第２の端部に対して固定設置する３つのスポーク状突起をもち、
ブロアディスクがステンレス鋼でできている組み合わせ。
【請求項８】
内燃機関で用いるターボ過給機であって、このターボ過給機が、
軸受機構と、
第１の端部と第２の端部をもつ駆動軸であって、この駆動軸が軸受機構を突き抜けるとともに回転可能に嵌合されているものと、
駆動軸の第１の端部に固定されたタービンであって、このタービンによって駆動軸を駆動させるタービンと、
タービンによって駆動されるブレードレスブロアであって、このブロアが、
ブロアボリュートと、
このブロアボリュートに隣接するブロア内壁と、
このブロアボリュートに隣接し、ブロア内壁の反対側にあるブロア外壁と、
臨界距離だけ離間したブロアボリュート内に置かれ、回転駆動軸の第２の端部に対してブロアディスク中心部を固定設置する複数のスポーク状突起をもつ開環状中心部をもつ複数の平行平面型ブロアディスクであって、臨界距離内において空気の境界層抵抗効果機能を働かせることが可能な臨界距離としたものと、
ブロアディスクの開環状中心部に対して軸方向に隣接するブロア外壁内に設けたブロア入口であって、このブロア入口によってブロアディスクの開環状中心部を通して空気を、ブロアディスク間の臨界距離までブロア内に入ることを可能にするものであって、ブロアボリュート内で回転するブロアディスクで創生された圧力によって空気をブロア内まで引き込み、これによってブロアディスクの回転エネルギーを、回転するブロアディスクに対する境界層抵抗効果機能により空気に移送し、これによって空気の単位体積当りの重量を増すようにしたブロア入口と、
フィボナッチ式で決まるブロアボリュート壁内に、ブロアディスクの周に対して接線方向になるよう配置されたブロア出口であって、このブロア出口によって、単位体積当り重量の増加した空気が、ブレードレスブロアから内燃機関の機関取入れ口内までブロアディスクの周に対して接線方向に出ることを可能にしたブロア出口とを備えたブロアとを備えたターボ過給機。
【請求項９】
請求項８に記載のターボ過給機であって、さらに、
ブロアディスクとブロア内壁間に設けた同心相関リッジの第１のラビリンスシールと、
ブロアディスクとブロア外壁間に設けた同心相関リッジの第２のラビリンスシールであって、第１と第２のラビリンスシールによって、空気の単位体積当り重量が増加する前にブロア出口を通して空気がブロアから排出されることを防ぐようにしたものを備えた組み合わせ。
【請求項１０】
請求項９に記載のターボ過給機であって、さらに、
ブロア入口内に置かれた少なくとも１つの可変ノズルを備えたものであって、この可変ノズルによって、ブロア入口の断面積を変化させることが可能であり、ブロアに入る空気の速度を上げる、もしくは下げることができるようにした組み合わせ。
【請求項１１】
請求項１０に記載の組み合わせであって、
ブロアディスクが、ブロアディスク中心部を駆動軸の第２の端部に対して固定設置する３つのスポーク状突起をもち、
ブロアディスクがステンレス鋼でできている組み合わせ。
【請求項１２】
内燃機関で用いるターボ過給機であって、このターボ過給機が、
軸受機構と、
第１の端部と第２の端部をもつ駆動軸であって、この駆動軸が軸受機構を突き抜けるとともに回転可能に嵌合されているものと、
ブレードレスタービンであって、このブレードレスタービンが、
タービンボリュートと、
このタービンボリュートに隣接するタービン内壁と、
このタービンボリュートに隣接し、タービン内壁の反対側にあるタービン外壁と、
約．００６”から約．０１２”の臨界距離だけ離間したタービンボリュート内に置かれ、駆動軸の第１の端部に対してタービンディスクの中心部を固定設置する複数のスポーク状突起をもつ開環状中心部をもつ複数の平行平面型タービンであって、臨界距離内において流体に境界層抵抗効果機能を働かせることが可能な臨界距離としたものと、
タービンディスクの周に対して接線位置にあるタービンボリュート壁内に設けた少なくとも１つのタービン入口であって、タービンディスクの周に対して接線方向に内燃機関からの排気ガスが入ることを可能にするものであって、内燃機関の排気行程によってタービン入口を通して排気ガスを、タービンディスクを回転させるタービンディスクと駆動軸間の臨界距離内に、タービンディスクに対する排気ガスの境界層抵抗効果により排気ガスから送られたエネルギーによって送り込むようにしたタービン入口と、
タービンディスクの開環状中心部に対して軸方向に隣接するタービン外壁内に設置したタービン出口であって、タービンディスクの開環状中心部を通して排気ガスをブレードレスタービンまで排出するようにした出口とを備えたブレードレスタービンと、
駆動軸の第２の端部に固定されたブレードレスタービンによって駆動されるブロアであって、このブロアが、内燃機関に供給される空気の単位体積当り重量を増加させるようにしたブロアとを備えるターボ過給機。
【請求項１３】
請求項１２に記載のターボ過給機であって、さらに、
タービンディスクとタービン内壁間に設けた同心相関リッジの第１のラビリンスシールと、
タービンディスクとタービン外壁間に設けた同心相関リッジの第２のラビリンスシールであって、第１と第２のラビリンスシールによって、エネルギーをタービンディスクに送る前にタービン出口を通して排気ガスがタービンから排出されることを防ぐようにしたものを備えたターボ過給機。
【請求項１４】
請求項１３に記載のターボ過給機であって、さらに、タービン入口内に置かれた少なくとも１つの可変ノズルを備えたものであって、この可変ノズルによって、タービン入口の断面積を変化させることが可能であり、タービンに入る排気ガスの速度を上げる、もしくは下げることができるようにしたターボ過給機。
【請求項１５】
請求項１４に記載の組み合わせであって、
ブレードレスタービンが２つのタービン入口をもち、
タービンディスクが、タービンディスク中心部を駆動軸の第１の端部に対して固定設置する３つのスポーク状突起をもち、
タービンディスクおよび駆動軸がステンレス鋼でできている組み合わせ。
【請求項１６】
内燃機関で用いるターボ過給機であって、このターボ過給機が、
第１の端部と第２の端部をもつ駆動軸と、
駆動軸の第１の端部と連通するタービンであって、このタービンが、
臨界距離だけ離間され、駆動軸の第１の端部に対してタービンディスク中心部を固定設置する少なくとも１つのスポーク状突起をもつ開環状中心部をもつ複数のタービンディスクであって、複数の平面型タービンディスクが、内燃機関からの排気ガスの速度を、平面型タービンディスク表面に接する排気ガスの境界層抵抗効果によって駆動軸を駆動させる回転エネルギーに変換するようにしたタービンディスクと、
タービンディスクの周に対して接線方向に設けた少なくとも１つのタービン入口と、
タービンディスクの開環状中心部の軸方向に隣接する少なくとも１つのタービン出口とを備えたタービンと、
駆動軸の第２の端部によって駆動されるブロアであって、このブロアが、
ブロアボリュートと、
ハウジング内において第２の臨界距離に離間され、駆動軸の第２の端部に対して、ブロアディスク中心部を固定設置する少なくとも１つのスポーク状突起をもつ開環状中心部をもつ複数のブロアディスクと、
ブロアディスクの開環状中心部の軸方向に隣接する少なくとも１つのブロア入口であって、平面型ブロアディスク表面に接する空気の境界層抵抗効果によってブロアディスクの回転エネルギーが空気に移送されるブロアボリュート内で回転するブロアディスクによって創生される差圧によりブロア入口内に空気が引き入れられるブロア入口と、
フィボナッチ式で決まる大きさと形状をもつ少なくとも１つのブロア出口とを備えるブロアとを備えるターボ過給機。
【請求項１７】
請求項１６に記載のターボ過給機であって、
タービンディスクに隣接するタービン内壁とタービン外壁と、
タービンディスクとタービン内壁間に設けた同心相関リッジの第１のラビリンスシールとを備えたターボ過給機。
【請求項１８】
請求項１７に記載のターボ過給機であって、さらに、タービンディスクとタービン外壁間に同心相関リッジの第２のラビリンスシールを備えたターボ過給機。
【請求項１９】
請求項１６に記載のターボ過給機であって、さらに、
ブロアディスクに隣接するブロア内壁とブロア外壁と、
ブロアディスクとブロア内壁間に設けた同心相関リッジの第３のラビリンスシールとを備えたターボ過給機。
【請求項２０】
請求項１９に記載のターボ過給機であって、さらに、ブロアディスクとブロア外壁間に同心相関リッジの第４のラビリンスシールを備えたターボ過給機。
【請求項２１】
請求項１６に記載のターボ過給機であって、さらに、タービン入口内に置かれた少なくとも１つの可変ノズルを備えたものであって、この可変ノズルによって、タービン入口の断面積を変化させることが可能であり、タービンに入る排気ガスの速度を上げる、もしくは下げることができるようにしたターボ過給機。
【請求項２２】
請求項１６に記載のターボ過給機であって、さらに、ブロア入口内に置かれた少なくとも１つの可変ノズルを備えたものであって、この可変ノズルによって、ブロア入口の断面積を変化させることが可能であり、ブロアに入る排気ガスの速度を上げる、もしくは下げることができるようにしたターボ過給機。
【請求項２３】
請求項１６に記載のターボ過給機であって、
境界層抵抗効果により平面型タービンディスクの終端を約マッハ．３からマッハ．９の速度で回転させ、
複数のタービンディスク間における臨界距離が約．００６インチから約．０５０インチであり、
複数のブロアディスク間における第２の臨界距離が約．００６インチから約．０５０インチであるターボ過給機。
【請求項２４】
内燃機関で用いるターボ過給機であって、このターボ過給機が、
第１の端部と第２の端部をもつ駆動軸と、
駆動軸の第１の端部と連通するタービンと、
駆動軸の第２の端部で駆動されるブロアであって、このブロアが、
ブロアボリュートと、
臨界距離に離間され、駆動軸の第２の端部に対して、ブロアディスク中心部を固定設置する少なくとも１つのスポーク状突起をもつ開環状中心部をもつ複数の平面型ブロアディスクと、
ブロアディスクの開環状中心部の軸方向に隣接する少なくとも１つのブロア入口であって、平面型ブロアディスク表面に接する空気の境界層抵抗効果によってブロアディスクの回転エネルギーが空気に移送されるブロアボリュート内で回転するブロアディスクによって創生される差圧によりブロア入口内に空気が引き入れられるブロア入口と、
フィボナッチ式で決まる大きさと形状をもつ少なくとも１つのブロア出口とを備えるブロアとを備えるターボ過給機。
【請求項２５】
請求項２４に記載のターボ過給機であって、さらに、
ブロアディスクに隣接するブロア内壁とブロア外壁と、
ブロアディスクとブロア内壁間に設けた同心相関リッジの第１のラビリンスシールとを備えたターボ過給機。
【請求項２６】
請求項２５に記載のターボ過給機であって、さらに、ブロアディスクとブロア外壁間に同心相関リッジの第２のラビリンスシールを備えたターボ過給機。
【請求項２７】
請求項２４に記載のターボ過給機であって、さらに、ブロア入口内に置かれた少なくとも１つの可変ノズルを備えたものであって、この可変ノズルによって、ブロア入口の断面積を変化させることが可能であり、ブロアに入る排気ガスの速度を上げる、もしくは下げることができるようにしたターボ過給機。
【請求項２８】
請求項２４に記載のターボ過給機であって、
駆動軸が平面型ブロアディスクの終端を約マッハ．３からマッハ．９の速度で回転させ、ディスク間における臨界距離が約．００６インチから約．０５０インチであるターボ過給機。
【請求項２９】
内燃機関で用いるターボ過給機であって、このターボ過給機が、
第１の端部と第２の端部をもつ駆動軸と、
駆動軸の第１の端部と連通するタービンであって、このタービンが、
臨界距離だけ離間され、駆動軸の第１の端部に対してタービンディスク中心部を固定設置する少なくとも１つのスポーク状突起をもつ開環状中心部をもつ複数の平面型タービンディスクであって、複数の平面型タービンディスクが、内燃機関からの排気ガスの速度を、平面型タービンディスク表面に接する排気ガスの境界層抵抗効果によって駆動軸を駆動させる回転エネルギーに変換するようにした平面型タービンディスクと、
タービンディスクの周に対して接線方向に設けた少なくとも１つのタービン入口と、
タービンディスクの開環状中心部の軸方向に隣接する少なくとも１つのタービン出口と、
駆動軸の第２の端部と連通するブロアとを備えたタービンとを備えたターボ過給機。
【請求項３０】
請求項２９に記載のターボ過給機であって、さらに、
タービンディスクに隣接するタービン内壁とタービン外壁と、
タービンディスクとタービン内壁間に設けた同心相関リッジの第１のラビリンスシールとを備えたターボ過給機。
【請求項３１】
請求項３０に記載のターボ過給機であって、さらに、タービンディスクとタービン外壁間に同心相関リッジの第２のラビリンスシールを備えたターボ過給機。
【請求項３２】
請求項２９に記載のターボ過給機であって、さらに、タービン入口内に置かれた少なくとも１つの可変ノズルを備えたものであって、この可変ノズルによって、タービン入口の断面積を変化させることが可能であり、タービンに入る排気ガスの速度を上げる、もしくは下げることができるようにしたターボ過給機。
【請求項３３】
請求項２９に記載のターボ過給機であって、境界層抵抗効果により平面型タービンディスクの終端を約マッハ．３からマッハ．９の速度で回転させ、複数のタービンディスク間における臨界距離が約．００６インチから約．０５０インチであるターボ過給機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
請求を行っている本発明は、概して内燃機関の性能を向上させるよう設計されたターボ過給機、さらにより詳細にはターボ過給機の効率と性能を向上させるための層流を用いたターボ過給機に関するものである。
【０００２】
（背景技術）
ターボ過給機は、通常の場合、内燃機関からの排気ガスで駆動されるタービンを用いて、出力と効率を向上させるため内燃機関の機関取り込み口に噴射される空気を圧縮するための圧縮機を駆動する。
【０００３】
機関の出力と効率に関しては様々な因子がある。出力を創生するための主な因子の１つとして、燃焼可能な燃料量があるが、これは機関内で利用可能な空気の量に直接関係している。第２の因子として機関圧縮率があり、この圧縮率が高くなるほど出力と効率が大きくなる。圧縮率は火花点火された機関内におけるノッキングにより制限を受ける。ノッキングにより機関が損傷をうけ、出力が低下する。本発明における重要点は、ノッキングを引き起こす多くの変数についてその内の２つである、燃焼室内の空気量および空気温度である。空気量が少なく空気温度が低ければ機関ノッキングの発生確率が低くなる。そのため、最大機関出力は、冷たい空気の空気流量が高く、圧縮比をできるだけ高くすれば達成できる。出力と効率の上昇は、内燃機関の機関取り込み口に噴射される空気流量が上昇することにより達成される。
【０００４】
しかしながら、機関取り込み口に噴射される空気の圧縮により空気流に乱流が発生し、噴射される空気の温度が上昇する。乱流の発生と温度上昇は、機関取り込み口への空気流量を高める上で望ましくない副産物である。こういった効果に対処するため、従来技術では、通常の場合、ディフューザを用いて空気乱流を減らし、中間冷却器を用いて空気温度を制御する。ジーゼル機関では、取込み吸気の上部温度を制限するものは主に放射である。これは高温の空気流量が機関の放射出力に対して悪影響を与えるためである。
【０００５】
タービンは通常の場合、ハウジングと、軸に固定されたブレード付き回転輪羽根でできており、圧縮機を駆動させる。ブレード付き回転輪羽根は通常、タービンに入る排気ガスの線エネルギーを、圧縮機を駆動させる回転エネルギーに変換するため複雑な羽根の配置をとっている。こういった型のタービンは製造業者にとって高価なものであることが多く、比較的効率が悪い。通常の場合、タービンの大きさは使用される内燃機関の出力特性によって決まる。
【０００６】
圧縮機は通常の場合、ハウジングとブレード付きインペラでできている。空気が圧縮機内に引き込まれ、インペラと、任意の体積内で空気の重量を増加させるハウジングとの間で圧縮される。この圧縮された空気はその後、機関取り込み口に噴射される。圧縮機の大きさは通常の場合、使用される内燃機関の出力特性によって決まる。
【０００７】
内燃機関の空気取込みにおける要求事項は、要求が変動することから機関の運転中に変わる。これにより、ターボ過給機は機関の要求に応じて圧力や入射された空気体積を変化させることができるようにする必要がある。現行の技術においては、圧縮機の出力を低下させるシステムの速度を低下させるため、タービン周辺の機関排気ガスを排出するバイパス機構を用いている。
【０００８】
ここで示すような運転を行う、従来技術において開示されているターボ過給機がいくつかある。例えば、Ｕ．Ｓ．特許番号５，４０６，７９６、４，３６７，６２６、４，１２４，９７９、３，９７５，９１１である。Ｈｉｅｒｅｔｈに対して発給されたＵ．Ｓ．特許番号５，４０６，７９６は、内燃機関からの排気ガスで駆動される同一軸上にあるタービンで駆動される圧縮機を備えたものである。Ｂｏｒｉｓｏｖｉｃｈに対して発給されたＵ．Ｓ．特許番号３，９７５，９１１は、内燃機関からの排気ガスで駆動される同一軸上にあるタービンで駆動される圧縮機で構成されるものである。さらにＢｏｒｉｓｏｖｉｃｈは噴射される空気中の乱流を低減させるためディフューザを用いる方法について開示している。Ｔｈｏｌｅｎに対して発給されたＵ．Ｓ．特許番号４，１２４，９７９は、内燃機関内に噴射される空気の温度を制御するため中間冷却器を用いるターボ過給機について開示している。
【０００９】
取り込み空気を機関内に送り込むため、ターボ過給機は４または２行程機関からのエネルギーを用いる。高圧排気ガスがタービンのドライバを回転させ、これがさらに同一軸上にあるシステムの圧縮機を回転させる。現行のターボ過給器圧縮機およびドライバは空気の移動を行わせるため複雑な羽根の配置を行っている。こういったものは比較的効率が悪く、結果的に排気ガスを十分利用できなかったり、ターボ過給機からの排出空気が加熱されたりといったことが起こる。これらの機器の配置は製造業者にとって難しく、費用もかかる。したがって、内燃機関に入る空気の流量を増加させることに付随する乱流や温度の増加を起こすことなく排気ガスから供給されるエネルギーをさらに効率よく用いるターボ過給機を得ることが望まれている。
【００１０】
（発明の開示）
したがって、ここで請求を行っている発明の目的は、内燃機関の機関取り込み口に入る空気に生じる乱流や温度変化といったことを減らしながら、機関取り込み口に入る空気流量を増加させることで内燃機関の出力を効率的に増加させることのできるターボ過給機を提供することである。
【００１１】
ここで請求を行っている発明の他の目的は、排気マニホルドの背圧を低下させるターボ過給機を提供することである。ここで請求を行っているターボ過給機は、タービンに入る排気ガスに対して制限を加えることの少ない設計のタービンを提供することにより排気マニホルドの背圧を低下させる。
【００１２】
ここで請求を行っている発明のさらに他の目的は、高効率のターボ過給機の製造に伴う製造費用を低減させることである。請求を行っている発明の配置の複雑さを低下させることにより、内燃機関の出力を向上させることが可能なターボ過給機の全製造費用が大きく低減される。
【００１３】
前述の、およびその他の目的を達成するため、さらにこの発明の目的に従い、ブレードレスブロアおよびブレードレスタービンとして知られている同様の設計のブロアおよびタービンの両方を備えたブレードレスターボ過給機を提供する。ブレードレスターボ過給機は、機関出力を上昇させるため、内燃機関への給気を発生させるブレードレスブロアを駆動させるブレードレスタービンに入る内燃機関からの機関排気ガスを用いる。ブレードレスブロアとブレードレスタービンはいずれも、より効率を上げるため層状粘性境界層を用いる筒状ボリュート内におかれた平面型の堅い離間ディスクで構成されている。
【００１４】
境界層効果として知られる、固定表面近くの流れに対して流体が抵抗をもつということはよく知られている。この境界層は、粘性力によって層流をもたらす表面近くの流体域のことである。境界層の厚さは、表面から、流体速度が自由流速度の１パーセント内となる流体流内の点までの距離として定義される。境界層内の流体流量は、層流の効率が高いことから自由流内での速度よりも高い。したがって、固体移動表面近くの流体流量は、境界層効果のない同じ領域を通過する流体の流量よりも大きくなる。本発明では、機関の排気ガスにより強化された内燃機関に対して冷たい給気をもたらすシステムを得るという前述の目的を達成するため境界層効果がおよぶところにある流体の層流を用いている。
【００１５】
現行のターボ過給機の技術では通常、給気が機関の取り込み口内に導かれる前に給気において発生する乱流を低減させるためディフューザを用いている。大きな乱流をもつ空気は効率的な空気流に対して悪影響をもたらす。本発明においては、移動しているブロアディスクに対して働く空気の粘性によってブロアディスク間に空気の環流が生じる。これによって得られる筒状空気速度および遠心力によって圧力と空気流が生じる。ブロアディスク間の空気流が乱流を持たないという性質から、燃焼のために供給される空気の有効質量が増加する一方、周辺の空気温度をあまり上昇させることもない。
【００１６】
内燃機関から出る排気ガスは、特別に設計された口を通して系統のタービン側面上の内蔵ディスクの組に対する入射角度で系統に入る。これによって、回転輪羽根で制限を受けることのないブレードレスタービンに入る機関排気による機関排気マニホルド背圧を低下させる。この方法は効率がよいため、同じターボ過給機軸出力を達成する上で背圧が低くなる。これによってディスクの組が排気ガスの速度と共存できるような高速度で回転する。機関排気ガスは、様々な速度の物体に対する流れ抵抗のため、入口を通って入り、ディスクと接触する際に、回転方向に対して接線方向に働く粘性層流になりやすい。排気ガス圧力により排気空気がディスク中心に向かう。このディスクは、機関排気ガスが排出されるディスク中心に到達するまで連続的に低下する速度でらせん状パスで機関排気ガスが移動しながら回転可能に移動できるようセットされる。
【００１７】
さらのこの回転によって、ディスクが同じ軸に固定されていることから、系統のブロア側ディスクが同じ回転速度で回転する。同じ原理が粘性層流の要素についても当てはまる。周辺温度の入口空気は、装置の出口通路内に向けて、さらにその後内燃機関の取り込み部に向けて、回転するディスクの周辺速度にみあう速度まで加速される。こういった接線方向の力と遠心力を合わせた効果により、入口空気が排出される適切な周方向出口に到達するまでらせん状パスで速度を上げながら入口空気を推進する。適当な軸受系統によりディスクが自由に回転できるようになっていれば、ディスクのリムは排気ガスの速度とほぼ同じ速度になり、ガスのらせん状パスは比較的長くなり、ほぼ円形の筒状方向転換で構成されるようになる。
【００１８】
この空気のらせん状移動は自由で乱れがなく、空気の特性に依存するものであり、自然な流線を可能にするとともに、空気中に乱流を発生させることのない最低限の増加によって速度と方向を変化させることを可能にする。この空気は層流を用いる方法で圧縮されているため、現行技術よりも内燃機関の取り込み口に供給される空気密度が増加する。こういった特徴は本発明を首尾よく実行する上で重要である。当然ながら、理想気体の理論で示されるとおり空気が圧縮される際には加熱される。これは非効率性による加熱であり、最小化される。
【００１９】
それぞれの機関での応用では、それぞれの機関特有の大きさに対して必要とされる空気流に見合うよう、組立体内にあるディスクの直径および／または数の再配置を行う必要がある。現在のところ、特定の機関性能特性における最適な機関要求事項（給気量および圧力）を記載した特定の機関マッピング工程がある。こういった要求は各機関の大きさに応じて変わり、公開文献において利用可能である。本発明においては、使用した配置によりこういった原則を適切に用いる方法について明らかにしており、その他のディスク直径および／またはディスク数の変化により他の応用例に対する本発明の性能向上をはかることができる。
【００２０】
内燃機関の空気取り込みにおける要求事項は、要求が変動することから機関の運転中に変わる。これにより、ターボ過給機は機関の要求に応じて圧力や入射された空気体積を変化させることができるようにする必要がある。現行の技術においては、圧縮機の出力を低下させる系統速度を低下させるため、タービン周辺の機関排気ガスを排出するバイパス機構を用いている。ここで請求されている発明の空気層流の特徴として、空気の大幅な温度上昇をもたらさないため、系統の出力制御は、系統の回転速度を低下させるよりもブロアへ入る空気を制限することにより可能になる。こういった特徴から、常時最大速度で系統を運転させることが可能になり、機関の運転条件が変化している間にも燃焼のための空気要求に対して即座に反応できるようになる。
【００２１】
機関速度が低い際に性能を最適化するために、タービンボリュートにおいて可変ノズルを用いてもよい。タービンノズルの断面積を小さくすることにより、タービンに入る排気ガスの速度が上昇する。これにより、あらゆるターボ過給機にとって望ましくないターボ過給機ラグを減少させることができる。
【００２２】
前述の、およびその他の目的を達成するため、さらにこの発明の目的に従い、ブレードレスブロアを提供する。このブレードレスターボ過給機は、軸受機構を通過するとともに、これと回転可能に嵌合する第１の端部と第２の端部をもつ駆動軸を備えた軸受機構を含む。ブレードレスタービンは駆動軸の第１の端部に設けられ、ブレードレスブロアは駆動軸の第２の端部に設けられる。
【００２３】
このブレードレスタービンは、タービンボリュートと、このタービンボリュートに隣接するタービン内壁と、このタービンボリュートに隣接し、タービン内壁の反対側にあるタービン外壁とを備える。複数の平行平面型タービンが［約．００６”から約．０１２”の］臨界距離だけ離間したタービンボリュート内に置かれ、駆動軸の第１の端部に対してタービンディスクの中心を固定設置する複数のスポーク状突起をもつ開環状中心部をもち、臨界距離内において内燃機関からの排気ガスに境界層抵抗効果機能を働かせることが可能とする。この臨界距離は、内燃機関のタイプやディスクの表面仕上げ、周辺空気温度や圧力といった複数の因子によって変わる。本発明の好ましい実施例では、臨界距離を約．００６”から約．０１２”としている。請求されている本発明における他の実施例では、臨界距離はターボ過給機の応用例に応じて．０５０”程度でも可能である。
【００２４】
タービンディスクの周に対して接線位置にあるタービンボリュート壁内に設けた少なくとも１つのタービン入口であって、タービンディスクの周に対して接線方向に排気ガスが入ることを可能にするものであって、内燃機関の排気行程によってタービン入口を通して排気ガスを、タービンディスクを回転させるタービンディスクと駆動軸間の臨界距離内に、タービンディスクに対する排気ガスの境界層抵抗効果により排気ガスから移送されたエネルギーによって送り込むようにしたタービン入口を提供する。
【００２５】
タービンディスクの開環状中心部に対して軸方向に隣接するタービン外壁内に設置したタービン出口であって、タービンディスクの開環状中心部を通して排気ガスをブレードレスタービンまで排出するようにしたタービン出口を提供する。
【００２６】
駆動軸によって駆動されるブレードレスブロアであって、このブレードレスブロアが、ブロアボリュートと、ブロアボリュートに隣接するブロア内壁と、ブロアボリュートに隣接し、ブロア内壁の反対側にあるブロア外壁とを備える。臨界距離だけ離間したブロアボリュート内に置かれ、回転駆動軸の第２の端部に対してブロアディスク中心部を固定設置する複数のスポーク状突起をもつ開環状中心部をもつ複数の平行平面型ブロアディスクであって、臨界距離内において空気の境界層抵抗効果機能を働かせることが可能な臨界距離としたものを提供する。
【００２７】
ブロアディスクの開環状中心部に対して軸方向に隣接するブロア外壁内に設けたブロア入口であって、このブロア入口によってブロアディスクの開環状中心部を通して空気を、ブロアディスク間の臨界距離までブロア内に入ることを可能にするものであって、ブロアボリュート内で回転するブロアディスクで創生された圧力によって空気をブロア内まで引き込み、これによってブロアディスクの回転エネルギーを、回転するブロアディスクに対する境界層抵抗効果機能により空気まで移送し、これによって空気の単位体積当り重量を増すようにしたブロア入口を提供する。
【００２８】
フィボナッチ式で決まるブロアボリュート壁内に、ブロアディスクの周に対して接線方向になるよう配置されたブロア出口であって、このブロア出口によって、単位体積当り重量の増加した空気が、ブレードレスブロアから内燃機関の機関取り入れ口内までブロアディスクの周に対して接線方向に出ることを可能にしたブロア出口を提供する。
【００２９】
ここで請求されている本発明の他の特徴においては、内外タービンディスクと内外タービン壁間の同心相関リッジのラビリンスシールが含まれる。同様に、このブロアは内外ブロアディスクと内外ブロア壁間のラビリンスシールを含む。
【００３０】
さらにこのタービンはタービン入口に少なくとも１つの可変ノズルをもち、入口の断面積をターボ過給機の運転状況に応じて大きくしたり、小さくしたりできる。同様に、このブロアは少なくとも１つの可変ノズルをもち、ブロア入口の断面積を大きくしたり、小さくしたりできる。
【００３１】
（発明を実施するための最良の形態）
図を参照しながら、内燃機関において用いられるブレードレスターボ過給機１０を図１および図２に示す。このブレードレスターボ過給機１０はタービン１１とブロア１２で構成される。タービン１１とブロア１２は、タービン１１とブロア１２を接合するハウジング１５内に設けたタービン１１とブロア１２間においた軸受機構１４において回転する駆動軸１３を通してお互い連通している。
【００３２】
図１は市販のＡｉｒｒｅｓｅａｒｃｈ社製の軸受機構であり、好ましい実施例で用いられるものであるが、同様な他の型の軸受機構についてもここで請求されている発明での利用に適するものとみなすことが可能である。軸受機構１４は、平面型タービンディスク１６の組とブロアディスク１７の組がタービンボリュート１８やブロアボリュート１９に近接していることから、比較的高精度に駆動軸１３を保持する必要がある。
【００３３】
図１および図２は、平面型タービンディスク１６組を含むタービンボリュート１８および平面型ブロアディスク１７組を含むブロアボリュート１９を示す。タービンボリュート１８は、タービンボリュート１８と平面型タービンディスク１６間において．０２０”から．０３０”の間隔２０を設ける。図３はタービン１１の端面を示す。ブロアボリュート１９は、ブロアディスク１７の周の約７５％にわたってブロアボリュート１９と平面型ブロアディスク１７組間において．０２０”から．０３０”の同じ間隔２０をもつブロアディスク１７組を含むよう設計されている。図５は、フィボナッキ式で記述される関係で急速に増加するブロアボリュート１９の残りの部分に対して、ブロアボリュート１９とブロアディスク１７組間における間隔２１を示す。
【００３４】
図１から図４では、タービン１１が、２つのタービン入口、タービン内壁２３、タービン外壁２４をもつタービンボリュート１８を備えていることを示す。２つのタービン入口２２により、内燃機関からの排気ガスが、タービン入口２２を通してタービン１１に入り、タービン外壁２４の中心にあるタービン出口２５を通してタービン１１から出ることが可能になる。図１、図５、図６では、ブロア１２がブロア出口２６をもつブロアボリュート１９、ブロア内壁２７、ブロア外壁２８を備えていることを示す。ブロア外壁２８は、ブロア入口２９をもち、これにより空気をブロア１２内に引き込み、ブロア出口２６を通してブロア１２からの排出を促すことができる。図２参照のこと。
【００３５】
図１および図２は、特別な寸法をもつタービンスペーサ３０により離間され、ねじ部品３１により締められた駆動軸１３上にまとめて設けられたタービンボリュート１８内の複数の平面型タービンディスク１６でタービン１１が構成されていることを示す。平面型タービンディスク１６、特別な寸法をもつタービンスペーサ３０、ねじ部品３１の数と大きさは、ブレードレスターボ過給機１０が用いられる内燃機関のタイプによって決まる。図３にねじ部品３１の位置を示す。特定の機関性能の特性における、給気量や圧力といった最適な機関要求事項を記述する、特定機関マッピング工程が公開されており利用できる。平面型タービンディスク１６、特別な寸法をもつタービンスペーサ３０、ねじ部品３１の組は堅い、耐食性のある材料、好ましくはステンレス鋼でできている。特別な寸法をもつタービンスペーサ３０については図８参照のこと。
【００３６】
図１において、平面型タービンディスク１６の組は、特別な寸法をもつタービンスペーサ３０により臨界距離３２だけ離間されており、平面型タービンディスク１６の周３３とタービンボリュート１８内部の間の、．０２０”から．０３０”の範囲の間隔２０が形成される直径をもつ。臨界間隔３２は、内燃機関のタイプやディスクの表面仕上げといった様々な要因によって変わる。図１に示す本発明の好ましい実施例では、ターボ過給機１０が約．００６”から約．０１２”の臨界間隔３２をもつ。他の応用例では、臨界距離は．０５０”程度であってもよい。平面型タービンディスク１６とタービンボリュート１８内部の間の間隔２０は、ブレードレスターボ過給機の取り扱いに応じた１分当り回転数によって決まる。１分当り回転数が上がれば、平面型タービンディスク１６は、平面型タービンディスク１６の材料の弾性係数に基づいて長くなる傾向がある。
【００３７】
タービンディスク１６が排気ガスにより回転されれば、タービンディスク１６の周端付近の表面速度は、前記の様々な要素により約マッハ．３から約マッハ．９に達する。この表面速度は、ターボ過給機１０の適切な配置を決定するにあたって考慮する要因の１つである。排気ガスによりもたらされるタービンディスク１６に対して働く力の総量はタービンディスク１６の大きさに影響を与える因子の１つである。
【００３８】
図３は、平面型タービンディスク１６を駆動軸１３に設ける径方向離間された３つのスポークをもつ開環状中心部３４を各平面型タービンディスク１６が備えていることを示す。特別な寸法をもつタービンスペーサ３０を用いて、平面型タービンディスク１６を臨界距離３２だけ離間させる。図１参照のこと。．００６”から．０１２”の範囲の臨界距離３２により、タービン１１に入る排気ガスを平面型タービンディスク１６間に流すことが可能になる。特別な寸法をもつ各タービンスペーサ３０には、駆動軸３６の第１の端部周りにフィットさせるよう中心部３０ａに開口部をもち、タービンディスク１６の中心部におけるスポークの断面に合うよう形が決められる。図８参照のこと。特別な寸法をもつタービンスペーサ３０により離間された平面型タービンディスク１６はねじ部品３１によりまとめて固定される。図９は、特別な寸法をもつタービンスペーサ３０がタービンディスク１６とどのように合わせられているかを示す。
【００３９】
図３および図４は、２つのタービン入口２２が、内燃機関からの排気ガスを平面型タービンディスク１６の周３３に対して接線方向になるようタービン１１内に導く様子を示す。タービン入口２２はタービンボリュート１８において同じだけ離間されており、内燃機関が順次、気筒からの排気ガスを、タービン入口２２を通してタービン１１まで押し出し、この結果タービン１１に入る排気ガスの流量が均一化される。機関速度が低い場合、ブレードレスターボ過給機１０の性能を最適化するため、様々なノズル（表記されていない）をタービン入口２２と合わせて用いて、タービン入口２２の断面積を小さくして、これによりタービン１１に入る排気ガスの速度を増加させる。タービンボリュート１８と平面型タービンディスク１６の周３３間が近接していることから。排気ガスを平面型タービンディスク１６間の臨界距離内に導くことができる。図３参照のこと。これにより内燃機関の排気行程からの排気ガスに働く力で、タービンディスク１６の表面に対する排気ガスの境界層抵抗効果により駆動軸１３上に設けた平面型タービンディスク１６を回転させる。平面型タービンディスク１６間の臨界距離３２は境界層効果の働きだけを増加させる。境界層流効果は表面近くの流体の流れ抵抗により起こるということはよく知られている。粘性としても知られているこの抵抗は流体が押し出されて固定物体を通り過ぎる場合、もしくは物体が流体内を移動する際に発生する。流体が物体表面に接する点において、流体は動きに対して抵抗し、物体表面に沿って層流と呼ばれる均一化された状態で流れようとする。平面型タービンディスク１６間の排気ガスの層流により、排気ガスから平面型タービンディスク１６までの効率のよいエネルギー移送ができるようになる。
【００４０】
平面型タービンディスク１６組が駆動軸１３を回転させると、排気ガスの層流は遠心力を受け、これにより排気ガス流を平面型タービンディスク１６の中心に向かってらせん状パスに導く。平面型タービンディスク１６間のらせん状パスにより、排気ガスからのエネルギーがディスク１６に移送される排気ガス滞留時間が長くなる。排気ガスは、平面型１６の開環状中心部３４を通って平面型１６間の臨界距離３２を離れ、タービンディスク１６組の軸方向に隣接するタービン外壁２４の中心部にあるタービン出口２５を通ってタービン１１を出る。図３および図４はタービンボリュート１８内のタービン入口２２およびタービン外壁２４上にあるタービン出口を示す。
【００４１】
図１は、平面型タービンディスク１６組の内面３９とタービン内壁２３間の相関同心リッジ３８で構成されたラビリンスシール３７を示す。図１２は同心リッジ３８を示す。ラビリンスシール３７は排気ガスが平面型タービンディスク１６組とタービン内壁２３間で逃げることと、平面型タービンディスク１６組に対してエネルギーを与えることなくタービン出口２５を出ることを防ぐ。同様に、平面型タービンディスク１６組の外面４０には、平面型タービンディスク１６組の外面４０とタービン外壁２４間の相関同心リッジ３８で形成されたラビリンスシール３７がある。駆動軸１３は、平面型タービンディスク１６組への排気ガスから移送されたエネルギーにより回転される。図１は、軸受機構１４内における駆動軸１３の回転により、ブレードレスターボ過給機１０のブロアボリュート１９内において平面型タービンディスク１６組を駆動させる。
【００４２】
駆動軸１３は軸受機構１４内で固定され、排気ガスからのエネルギーが平面型タービンディスク１６組に移送された際に、平面型タービンディスク１６組により軸受機構１４内において駆動軸１３を回転させる。平面型タービンディスク１６組は、平面型タービンディスク１６組からの駆動軸１３に対して与えられるトルクを調整するため、駆動軸４２の第２端部よりも断面積が大きい駆動軸３６の第１端部上に設けられている。図３および図４は、タービンディスク１６を駆動軸３６の第１の端部に設けるタービンディスク１６のスポーク３５中心部にある穴３６を示す。平面型ブロアディスク１７組は駆動軸４２の第２の端部に設けられている。図１０および１１は、ブロアディスク１７を駆動軸４２の第２の端部に設けるブロアディスク１７のスポーク４６中心部にある穴４２ａを示す。軸受機構１４により、平面型ブロアディスク１７組が、排気ガスが平面型タービンディスク１６を回転させるのと同じ回転速度で回転することを可能ならしめる。
【００４３】
ブロア１２は、特別な寸法をもつブロアスペーサ４３により離間され、ねじ部品３１により締められた駆動軸４２の第２の端部にまとめて設けられたブロアボリュート１９内にある複数の平行平面状ブロアディスク１７で構成されている。平面型ブロアディスク１７、特別な寸法をもつブロアスペーサ４３、ねじ部品３１の数と大きさは、ブレードレスターボ過給機１０が用いられている内燃機関のタイプによって決まる。平面型ブロアディスク１７、特別な寸法をもつブロアスペーサ４３は堅く、重量の軽い材料、好ましくはアルミで構成されている。
【００４４】
図５および図６は、平面型ブロアディスク１７組の周囲の約７５％にわたって．２０”から．０３０”の範囲で平面型ブロアディスク１７組の周３３とブロアボリュート１９の内部の間に間隔２０を設けるような直径をもつ特別な寸法をもつブロアスペーサ４３によって．００６”から．０１２”の臨界距離で平面型ブロアディスク１７組が離間されていることを示す。平面型ブロアディスク１７組の周囲残りの部分とブロアボリュート１９の間の間隔２１は急速に増大するが、これはフィボナッチ式に従って決まる。各平面型ブロアディスク１７は、平面型ブロアディスク１７を駆動軸１３に設ける径方向に離間された３つのスポーク４６をもつ開環状中心部４５を備える。図１０は径方向に離間された３つのスポーク４６を示す。特別な寸法をもつブロアスペーサ４３を用いて、．００６”から．０１２”の範囲で臨界距離３２だけ平面型ブロアディスク１７を離間させ、これによりブロア１２に入る周辺空気が平面型ブロアディスク１７間を流れることができるようになる。臨界距離３２は、内燃機関のタイプ、ディスクの表面仕上げ、ブロア出力制限、周辺空気の温度や圧力、入口部の空気に対して回転エネルギーを与えることができるディスク表面といった様々な要因に依存する。図１に示す本発明の好ましい実施例では、ターボ過給機１０が約．００６”から約．０１２”離間した臨界距離をもっている。他の応用例では、上記の要因が考慮された場合、約．０５０”程度の臨界距離が可能である。特別な寸法をもつ各ブロアスペーサ４３は、中心部４３ａに開口部をもち、駆動軸４２の第２の端部周りにフィットさせ、平面型ブロアディスク１７の中心部におけるスポーク４６の断面に合うよう形成されている。図１１は、特別な寸法をもつブロアスペーサ４３の形状を示す。平面型ブロアディスク１７は特別な寸法をもつブロアスペーサ４３で離間されており、ねじ部品３１によってまとめて固定されている。平面型ブロアディスク１７が設けられている駆動軸１３はブレードレスターボ過給機１０のタービン１１で回転されている。
【００４５】
図２は、回転する平面型ブロアディスク１７組の中心部に隣接するブロアボリュート１９の中心部に周辺空気を引き込むブロア外壁２８の中心部にあるブロア入口２９を示す。図６は、各平面型ブロアディスクが、平面型ブロアディスク１７を駆動軸１３に設ける径方向に離間されたスポーク４６をもつ開環状中心部４５をもつことを示す。平面型ブロアディスク１７の開環状中心部４５により、ブロア入口２９を通してブロア１２に引き込まれる空気が、回転する平面型ブロアディスク１７間の臨界距離３２内に入ることが可能になる。
【００４６】
タービン１１の運転において記載した境界層抵抗効果原理を用いると、平面型タービンディスク１６間の臨界距離３２により境界層効果の作用だけを高めることができる。ブロアディスク１７の表面に沿って空気を引き込めば、回転するブロアディスク組に対する空気の粘性により回転する平面型ブロアディスク１７間の空気速度が高まり、これによりブロアディスク１７の回転エネルギーを空気に与えることができる。回転する平面型ブロアディスク１７組が空気の加速を行うと、空気は回転する平面型ブロアディスク１７から遠心力を受けるようになる。この遠心力により、層流空気を、回転する平面型ブロアディスク１７の周４７に向かうらせん状パスに導く。この空気のらせん状の動きにより空気の速度と方向がわずかな量しか変化しないため、空気に乱流が生じない。わずかな量の空気加速しか行われないことにより、ブロアボリュート１９内の空気を圧縮するとともに、層流を維持する。層流を維持しながら空気を圧縮することにより、内燃機関に供給される単位体積当り空気密度が増加する。
【００４７】
圧縮された空気は回転する平面型ブロアディスク１７の周４７から離れ、ブロア出口２６を通ってブロアボリュート１９を出て内燃機関の機関取り込み口に向かう。図５および図６はブロア出口を示す。圧縮された空気が平面型ブロアディスク１７の周４７を離れ、ブロア出口２６を通ってブレードレスターボ過給機１０を出る場合、空気の流れは乱流になりやすい。しかしながら、ブロア１２により空気に対する乱流が少なくなっていることから、乱流を減らすためのディフューザはさらに必要ではない。
【００４８】
図１は、ブロア内壁２７に隣接する平面型フロアディスク４８が、平面型ブロアディスク１７組の内面とブロア内壁２７間の相関同心リッジ３８で形成されるラビリンスシール３７を備えていることを示す。図１２はラビリンスシール３７の詳細を示す。ラビリンスシール３７により、平面型ブロアディスク１７組とブロア内壁２７間に空気が逃げることを防止して、平面型ブロアディスク１７組からのエネルギーが空気に与えられることなくブロア出口２６から出ることを防ぐ。同様に、ブロア外壁２８に隣接する平面型ブロアディスク４９は、平面型ブロアディスク１７組の外面とブロア外壁２８間にある相関同心リッジ３８で形成されるラビリンスシール３７を備える。
【００４９】
ブレードレスターボ過給機１０により内燃機関に供給される圧縮空気により、内燃機関の燃焼室内で燃焼する燃料と空気の混合気に加えられる燃料量が増加する。内燃機関に供給される燃料と空気の混合気の増加により内燃機関の出力潜在量が増加する。
【００５０】
内燃機関の空気取り込みにおける要求事項は、内燃機関からの出力要求が変動することから機関運転中に変動する。この要求により、ブレードレスターボ過給機は機関の要求に対する入射空気の圧力と体積を変化させることが可能なものとしなければならない。ブレードレスターボ過給機１０を離れる空気に対してブロア１２によって与えられる層流により、ブレードレスターボ過給機１０を離れる空気の温度は大きく増加しない。温度がわずかしか増加しないことから、ブレードレスターボ過給機１０を離れる空気の圧力と体積を、標準的なスロットル本体（表示されていない）によりブロア入口２９を通ってブロア１２に入る空気を制限することで変化させることが可能になる。こういった特徴により、ブレードレスターボ過給機１０を常時最大速度で運転することが可能になり、内燃機関の機関取り込み口に噴射される空気に対する要求が変化している場合でも、ブレードレスターボ過給機１０の応答時間を短くすることができる。
【００５１】
本発明は様々な具現化によって上記のように記述したが、新たな機器はこれによって制限されるものではなく、その変更についても、前記開示、本特許請求の範囲、添付図面の広範な適用範囲およびその考え方から逸脱しないものとして含まれるものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】
ブレードレスターボ過給機の断面図
【図２】
ブレードレスターボ過給機の分解図
【図３】
ブレードレスターボ過給機のタービンの端面
【図４】
タービンの透視図
【図５】
ブレードレスターボ過給機のブロアの端面
【図６】
ブロアの透視図
【図７】
平面型タービンディスクの正面図
【図８】
特別な寸法をもつタービンスペーサの正面図
【図９】
タービンディスクおよび特別な寸法をもつタービンスペーサの側面図
【図１０】
平面型ブロアディスクの正面図
【図１１】
特別な寸法をもつブロアスペーサの正面図
【図１２】
ラビリンスシールの１つの側面図
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際公開パンフレット】
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【手続補正書】
【提出日】平成14年6月21日(2002.6.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関およびブレードレスターボ過給機を組み合わせたものであって、該組み合わせが、
内燃機関と、
この内燃機関と組み合わせたブレードレスターボ過給機であって、このブレードレスターボ過給機が、
軸受機構と、
第１の端部と第２の端部をもつ駆動軸であって、この駆動軸が軸受機構を突き抜けるとともに回転可能に嵌合されているものと、
ブレードレスタービンであって、このブレードレスタービンが、
タービンボリュートと、
このタービンボリュートに隣接するタービン内壁と、
このタービンボリュートに隣接し、タービン内壁の反対側にあるタービン外壁と、
約．００６”から約．０１２”の臨界距離だけ離間したタービンボリュート内に置かれ、駆動軸の第１の端部に対してタービンディスクの中心部を固定設置する複数のスポーク状突起をもつ開環状中心部をもつ複数の平行平面型タービンであって、臨界距離内において内燃機関からの排気ガスに境界層抵抗効果機能を働かせることが可能なだけの臨界距離としたものと、
タービンディスクの周に対して接線位置にあるタービンボリュート壁内に設けた少なくとも１つのタービン入口であって、タービンディスクの周に対して接線方向に排気ガスが入ることを可能にするものであって、内燃機関の排気行程によってタービン入口を通して排気ガスを、タービンディスクを回転させるタービンディスクと駆動軸間の臨界距離内に、タービンディスクに対する排気ガスの境界層抵抗効果により排気ガスから送られたエネルギーによって送り込むようにしたタービン入口と、
タービンディスクの開環状中心部に対して軸方向に隣接するタービン外壁内に設置したタービン出口であって、タービンディスクの開環中心部を通して排気ガスをブレードレスタービンまで排出するようにした出口とを備えるブレードレスタービンと、
駆動軸によって駆動されるブレードレスブロアであって、このブレードレスブロアが、
ブロアボリュートと、
ブロアボリュートに隣接するブロア内壁と、
ブロアボリュートに隣接し、ブロア内壁の反対側にあるブロア外壁と、
臨界距離だけ離間したブロアボリュート内に置かれ、回転駆動軸の第２の端部に対してブロアディスク中心部を固定設置する複数のスポーク状突起をもつ開環状中心部をもつ複数の平行平面型ブロアディスクであって、臨界距離内において空気の境界層抵抗効果機能を働かせることが可能な臨界距離としたものと、
ブロアディスクの開環状中心部に対して軸方向に隣接するブロア外壁内に設けたブロア入口であって、このブロア入口によってブロアディスクの開環状中心部を通して空気を、ブロアディスク間の臨界距離までブロア内に入ることを可能にするものであって、ブロアボリュート内で回転するブロアディスクで創生された圧力によって空気をブロア内まで引き込み、これによってブロアディスクの回転エネルギーを、回転するブロアディスクに対する境界層抵抗効果機能により空気まで送り込み、これによって空気の単位体積当りの重量を増すようにしたブロア入口と、
フィボナッチ式で決まるブロアボリュート壁内に、ブロアディスクの周に対して接線方向になるよう配置されたブロア出口であって、このブロア出口によって、単位体積当り重量の増加した空気が、ブレードレスブロアから内燃機関の機関取入れ口内までブロアディスクの周に対して接線方向に出ることを可能にしたブロア出口とを備えたブレードレスブロアとを備えたブレードレスターボ過給機とを備えた組み合わせ。
【請求項２】
請求項１に記載の組み合わせであって、さらに、
タービンディスクとタービン内壁間に設けた同心相関リッジの第１のラビリンスシールと、
タービンディスクとタービン外壁間に設けた同心相関リッジの第２のラビリンスシールであって、第１と第２のラビリンスシールによって、エネルギーをタービンディスクに送る前にタービン出口を通して排気ガスがタービンから排出されることを防ぐようにしたものを備えた組み合わせ。
【請求項３】
請求項２に記載の組み合わせであって、さらに、
ブロアディスクとブロア内壁間に設けた同心相関リッジの第３のラビリンスシールと、
ブロアディスクとブロア外壁間に設けた同心相関リッジの第４のラビリンスシールであって、第３と第４のラビリンスシールによって、空気の単位体積当り重量が増加する前にブロア出口を通して空気がブロアから排出されることを防ぐようにしたものを備えた組み合わせ。
【請求項４】
請求項３に記載の組み合わせであって、さらに、タービン入口内に置かれた少なくとも１つの可変ノズルを備えたものであって、この可変ノズルによって、タービン入口の断面積を変化させることが可能であり、タービンンに入る排気ガスの速度を上げる、もしくは下げることができるようにした組み合わせ。
【請求項５】
請求項４に記載の組み合わせであって、さらに、ブロア入口内に置かれた少なくとも１つの可変ノズルを備えたものであって、この可変ノズルによって、ブロア入口の断面積を変化させることが可能であり、ブロアに入る空気の速度を上げる、もしくは下げることができるようにした組み合わせ。
【請求項６】
請求項５に記載の組み合わせであって、
ブレードレスタービンが２つのタービン入口をもち、
タービンディスクが、タービンディスク中心部を駆動軸の第１の端部に対して固定設置する３つのスポーク状突起をもち、
タービンディスクおよび駆動軸がステンレス鋼でできている組み合わせ。
【請求項７】
請求項５に記載の組み合わせであって、
ブロアディスクが、ブロアディスク中心部を駆動軸の第２の端部に対して固定設置する３つのスポーク状突起をもち、
ブロアディスクがステンレス鋼でできている組み合わせ。
【請求項８】
内燃機関で用いるターボ過給機であって、このターボ過給機が、
軸受機構と、
第１の端部と第２の端部をもつ駆動軸であって、この駆動軸が軸受機構を突き抜けるとともに回転可能に嵌合されているものと、
駆動軸の第１の端部に固定されたタービンであって、このタービンによって駆動軸を駆動させるタービンと、
タービンによって駆動されるブレードレスブロアであって、このブロアが、
ブロアボリュートと、
このブロアボリュートに隣接するブロア内壁と、
このブロアボリュートに隣接し、ブロア内壁の反対側にあるブロア外壁と、
臨界距離だけ離間したブロアボリュート内に置かれ、回転駆動軸の第２の端部に対してブロアディスク中心部を固定設置する複数のスポーク状突起をもつ開環状中心部をもつ複数の平行平面型ブロアディスクであって、臨界距離内において空気の境界層抵抗効果機能を働かせることが可能な臨界距離としたものと、
ブロアディスクの開環状中心部に対して軸方向に隣接するブロア外壁内に設けたブロア入口であって、このブロア入口によってブロアディスクの開環状中心部を通して空気を、ブロアディスク間の臨界距離までブロア内に入ることを可能にするものであって、ブロアボリュート内で回転するブロアディスクで創生された圧力によって空気をブロア内まで引き込み、これによってブロアディスクの回転エネルギーを、回転するブロアディスクに対する境界層抵抗効果機能により空気に移送し、これによって空気の単位体積当りの重量を増すようにしたブロア入口と、
フィボナッチ式で決まるブロアボリュート壁内に、ブロアディスクの周に対して接線方向になるよう配置されたブロア出口であって、このブロア出口によって、単位体積当り重量の増加した空気が、ブレードレスブロアから内燃機関の機関取入れ口内までブロアディスクの周に対して接線方向に出ることを可能にしたブロア出口とを備えたブロアとを備えたターボ過給機。
【請求項９】
請求項８に記載のターボ過給機であって、さらに、
ブロアディスクとブロア内壁間に設けた同心相関リッジの第１のラビリンスシールと、
ブロアディスクとブロア外壁間に設けた同心相関リッジの第２のラビリンスシールであって、第１と第２のラビリンスシールによって、空気の単位体積当り重量が増加する前にブロア出口を通して空気がブロアから排出されることを防ぐようにしたものを備えた組み合わせ。
【請求項１０】
請求項９に記載のターボ過給機であって、さらに、
ブロア入口内に置かれた少なくとも１つの可変ノズルを備えたものであって、この可変ノズルによって、ブロア入口の断面積を変化させることが可能であり、ブロアに入る空気の量を増加させ、もしくは減少させることができるようにした組み合わせ。
【請求項１１】
請求項１０に記載の組み合わせであって、
ブロアディスクが、ブロアディスク中心部を駆動軸の第２の端部に対して固定設置する３つのスポーク状突起をもち、
ブロアディスクがステンレス鋼でできている組み合わせ。
【請求項１２】
内燃機関で用いるターボ過給機であって、このターボ過給機が、
軸受機構と、
第１の端部と第２の端部をもつ駆動軸であって、この駆動軸が軸受機構を突き抜けるとともに回転可能に嵌合されているものと、
ブレードレスタービンであって、このブレードレスタービンが、
タービンボリュートと、
このタービンボリュートに隣接するタービン内壁と、
このタービンボリュートに隣接し、タービン内壁の反対側にあるタービン外壁と、
約．００６”から約．０１２”の臨界距離だけ離間したタービンボリュート内に置かれ、駆動軸の第１の端部に対してタービンディスクの中心部を固定設置する複数のスポーク状突起をもつ開環状中心部をもつ複数の平行平面型タービンであって、臨界距離内において流体に境界層抵抗効果機能を働かせることが可能な臨界距離としたものと、
タービンディスクの周に対して接線位置にあるタービンボリュート壁内に設けた少なくとも１つのタービン入口であって、タービンディスクの周に対して接線方向に内燃機関からの排気ガスが入ることを可能にするものであって、内燃機関の排気行程によってタービン入口を通して排気ガスを、タービンディスクを回転させるタービンディスクと駆動軸間の臨界距離内に、タービンディスクに対する排気ガスの境界層抵抗効果により排気ガスから送られたエネルギーによって送り込むようにしたタービン入口と、
タービンディスクの開環状中心部に対して軸方向に隣接するタービン外壁内に設置したタービン出口であって、タービンディスクの開環状中心部を通して排気ガスをブレードレスタービンまで排出するようにした出口とを備えたブレードレスタービンと、
駆動軸の第２の端部に固定されたブレードレスタービンによって駆動されるブロアであって、このブロアが、内燃機関に供給される空気の単位体積当り重量を増加させるようにしたブロアとを備えるターボ過給機。
【請求項１３】
請求項１２に記載のターボ過給機であって、さらに、
タービンディスクとタービン内壁間に設けた同心相関リッジの第１のラビリンスシールと、
タービンディスクとタービン外壁間に設けた同心相関リッジの第２のラビリンスシールであって、第１と第２のラビリンスシールによって、エネルギーをタービンディスクに送る前にタービン出口を通して排気ガスがタービンから排出されることを防ぐようにしたものを備えたターボ過給機。
【請求項１４】
請求項１３に記載のターボ過給機であって、さらに、タービン入口内に置かれた少なくとも１つの可変ノズルを備えたものであって、この可変ノズルによって、タービン入口の断面積を変化させることが可能であり、タービンに入る排気ガスの速度を上げる、もしくは下げることができるようにしたターボ過給機。
【請求項１５】
請求項１４に記載の組み合わせであって、
ブレードレスタービンが２つのタービン入口をもち、
タービンディスクが、タービンディスク中心部を駆動軸の第１の端部に対して固定設置する３つのスポーク状突起をもち、
タービンディスクおよび駆動軸がステンレス鋼でできている組み合わせ。
【請求項１６】
内燃機関で用いるターボ過給機であって、このターボ過給機が、
第１の端部と第２の端部をもつ駆動軸と、
駆動軸の第１の端部と連通するタービンであって、このタービンが、
臨界距離だけ離間され、駆動軸の第１の端部に対してタービンディスク中心部を固定設置する少なくとも１つのスポーク状突起をもつ開環状中心部をもつ複数のタービンディスクであって、複数の平面型タービンディスクが、内燃機関からの排気ガスの速度を、平面型タービンディスク表面に接する排気ガスの境界層抵抗効果によって駆動軸を駆動させる回転エネルギーに変換するようにしたタービンディスクと、
タービンディスクの周に対して接線方向に設けた少なくとも１つのタービン入口と、
タービンディスクの開環状中心部の軸方向に隣接する少なくとも１つのタービン出口とを備えたタービンと、
駆動軸の第２の端部によって駆動されるブロアであって、このブロアが、
ブロアボリュートと、
ハウジング内において第２の臨界距離に離間され、駆動軸の第２の端部に対して、ブロアディスク中心部を固定設置する少なくとも１つのスポーク状突起をもつ開環状中心部をもつ複数のブロアディスクと、
ブロアディスクの開環状中心部の軸方向に隣接する少なくとも１つのブロア入口であって、平面型ブロアディスク表面に接する空気の境界層抵抗効果によってブロアディスクの回転エネルギーが空気に移送されるブロアボリュート内で回転するブロアディスクによって創生される差圧によりブロア入口内に空気が引き入れられるブロア入口と、
フィボナッチ式で決まる大きさと形状をもつ少なくとも１つのブロア出口とを備えるブロアとを備えるターボ過給機。
【請求項１７】
請求項１６に記載のターボ過給機であって、
タービンディスクに隣接するタービン内壁とタービン外壁と、
タービンディスクとタービン内壁間に設けた同心相関リッジの第１のラビリンスシールとを備えたターボ過給機。
【請求項１８】
請求項１７に記載のターボ過給機であって、さらに、タービンディスクとタービン外壁間に同心相関リッジの第２のラビリンスシールを備えたターボ過給機。
【請求項１９】
請求項１６に記載のターボ過給機であって、さらに、
ブロアディスクに隣接するブロア内壁とブロア外壁と、
ブロアディスクとブロア内壁間に設けた同心相関リッジの第３のラビリンスシールとを備えたターボ過給機。
【請求項２０】
請求項１９に記載のターボ過給機であって、さらに、ブロアディスクとブロア外壁間に同心相関リッジの第４のラビリンスシールを備えたターボ過給機。
【請求項２１】
請求項１６に記載のターボ過給機であって、さらに、タービン入口内に置かれた少なくとも１つの可変ノズルを備えたものであって、この可変ノズルによって、タービン入口の断面積を変化させることが可能であり、タービンに入る排気ガスの速度を上げる、もしくは下げることができるようにしたターボ過給機。
【請求項２２】
請求項１６に記載のターボ過給機であって、さらに、ブロア入口内に置かれた少なくとも１つの可変ノズルを備えたものであって、この可変ノズルによって、ブロア入口の断面積を変化させることが可能であり、ブロアに入る排気ガスの速度を上げる、もしくは下げることができるようにしたターボ過給機。
【請求項２３】
請求項１６に記載のターボ過給機であって、
境界層抵抗効果により平面型タービンディスクの終端を約マッハ．３からマッハ．９の速度で回転させ、
複数のタービンディスク間における臨界距離が約．００６インチから約．０５０インチであり、
複数のブロアディスク間における第２の臨界距離が約．００６インチから約．０５０インチであるターボ過給機。
【請求項２４】
内燃機関で用いるターボ過給機であって、このターボ過給機が、
第１の端部と第２の端部をもつ駆動軸と、
駆動軸の第１の端部と連通するタービンと、
駆動軸の第２の端部で駆動されるブロアであって、このブロアが、
ブロアボリュートと、
臨界距離に離間され、駆動軸の第２の端部に対して、ブロアディスク中心部を固定設置する少なくとも１つのスポーク状突起をもつ開環状中心部をもつ複数の平面型ブロアディスクと、
ブロアディスクの開環状中心部の軸方向に隣接する少なくとも１つのブロア入口であって、平面型ブロアディスク表面に接する空気の境界層抵抗効果によってブロアディスクの回転エネルギーが空気に移送されるブロアボリュート内で回転するブロアディスクによって創生される差圧によりブロア入口内に空気が引き入れられるブロア入口と、
フィボナッチ式で決まる大きさと形状をもつ少なくとも１つのブロア出口とを備えるブロアとを備えるターボ過給機。
【請求項２５】
請求項２４に記載のターボ過給機であって、さらに、
ブロアディスクに隣接するブロア内壁とブロア外壁と、
ブロアディスクとブロア内壁間に設けた同心相関リッジの第１のラビリンスシールとを備えたターボ過給機。
【請求項２６】
請求項２５に記載のターボ過給機であって、さらに、ブロアディスクとブロア外壁間に同心相関リッジの第２のラビリンスシールを備えたターボ過給機。
【請求項２７】
請求項２４に記載のターボ過給機であって、さらに、ブロア入口内に置かれた少なくとも１つの可変ノズルを備えたものであって、この可変ノズルによって、ブロア入口の断面積を変化させることが可能であり、ブロアに入る排気ガスの速度を上げる、もしくは下げることができるようにしたターボ過給機。
【請求項２８】
請求項２４に記載のターボ過給機であって、
駆動軸が平面型ブロアディスクの終端を約マッハ．３からマッハ．９の速度で回転させ、ディスク間における臨界距離が約．００６インチから約．０５０インチであるターボ過給機。
【請求項２９】
内燃機関で用いるターボ過給機であって、このターボ過給機が、
第１の端部と第２の端部をもつ駆動軸と、
駆動軸の第１の端部と連通するタービンであって、このタービンが、
臨界距離だけ離間され、駆動軸の第１の端部に対してタービンディスク中心部を固定設置する少なくとも１つのスポーク状突起をもつ開環状中心部をもつ複数の平面型タービンディスクであって、複数の平面型タービンディスクが、内燃機関からの排気ガスの速度を、平面型タービンディスク表面に接する排気ガスの境界層抵抗効果によって駆動軸を駆動させる回転エネルギーに変換するようにした平面型タービンディスクと、
タービンディスクの周に対して接線方向に設けた少なくとも１つのタービン入口と、
タービンディスクの開環状中心部の軸方向に隣接する少なくとも１つのタービン出口と、
駆動軸の第２の端部と連通するブロアとを備えたタービンとを備えたターボ過給機。
【請求項３０】
請求項２９に記載のターボ過給機であって、さらに、
タービンディスクに隣接するタービン内壁とタービン外壁と、
タービンディスクとタービン内壁間に設けた同心相関リッジの第１のラビリンスシールとを備えたターボ過給機。
【請求項３１】
請求項３０に記載のターボ過給機であって、さらに、タービンディスクとタービン外壁間に同心相関リッジの第２のラビリンスシールを備えたターボ過給機。
【請求項３２】
請求項２９に記載のターボ過給機であって、さらに、タービン入口内に置かれた少なくとも１つの可変ノズルを備えたものであって、この可変ノズルによって、タービン入口の断面積を変化させることが可能であり、タービンに入る排気ガスの速度を上げる、もしくは下げることができるようにしたターボ過給機。
【請求項３３】
請求項２９に記載のターボ過給機であって、境界層抵抗効果により平面型タービンディスクの終端を約マッハ．３からマッハ．９の速度で回転させ、複数のタービンディスク間における臨界距離が約．００６インチから約．０５０インチであるターボ過給機。
【国際調査報告】
2004514827.tif 000063