(57)【要約】  ターボチャージャは、コンプレッサ及び前記コンプレッサを取り囲むコンプレッサハウジング（１）、タービン及び前記タービンを取り囲むタービンハウジング（２）を備え、前記コンプレッサハウジング（１）は機関の燃焼室に入る空気（４）のための吸気口及び排気口を備え、前記タービンハウジング（２）は排気ガス（５）のための吸気口及び排気口、前記タービン及び前記コンプレッサを連結するシャフト（３）、前記シャフト（３）の回転を支持し、案内するための少なくとも１つの軸受を備え、前記ターボチャージャはタービンハウジング（２）をコンプレッサハウジング（１）に取り付けるための取付手段（６、７ａ、７ｂ）を備え、前記シャフト（３）は２つのハウジング（１、２）の間に自由部（８）を備え、前記取付手段（６、７ａ、７ｂ）は前記自由部（８）に沿って、前記タービンハウジング（２）及びコンプレッサハウジング（１）の周囲を循環する空気の流れの通過を可能にすることに適している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンプレッサ及び前記コンプレッサを囲むコンプレッサケーシング（１）、タービン及び前記タービンを囲むタービンケーシング（２）を備えるターボチャージャであって、前記コンプレッサケーシング（１）は機関の燃焼室に入れられる空気（４）のための吸気口及び排気口を備え、前記タービンケーシング（２）は排気ガス（５）のための吸気口及び排気口、前記タービン及び前記コンプレッサを接続するシャフト（３）、前記シャフト（３）の回転を支持し、案内するための少なくとも１つの軸受（９ａ、９ｂ）を備え、前記ターボチャージャは前記コンプレッサケーシング（１）を前記タービンケーシング（２）に固定するための手段（６、７ａ、７ｂ）を備えるターボチャージャにおいて、
前記シャフト（３）は前記２つのケーシング（１、２）の間に自由部（８）を備え、前記固定手段（６、７ａ、７ｂ）は前記自由部（８）に沿って、前記コンプレッサケーシング（１）及びタービンケーシング（２）の周囲を流れる空気の流れの通過を可能にすることに適していることを特徴とするターボチャージャ。
【請求項２】
請求項１に記載のターボチャージャにおいて、前記シャフト（３）の前記自由部（８）は空気偏向手段（１０）を備え、前記空気偏向手段（１０）は、前記シャフト（３）が回転している場合に、空気の流れを生成することに適していることを特徴とするターボチャージャ。
【請求項３】
請求項２に記載のターボチャージャにおいて、前記空気偏向手段（１０）は、前記コンプレッサケーシング（１）から前記タービンケーシング（２）への方向に流れる空気の流れを生成することに適していることを特徴とするターボチャージャ。
【請求項４】
請求項２又は３に記載のターボチャージャにおいて、前記空気偏向手段は前記シャフト（３）に取り付けられるブレード（１０）を備えることを特徴とするターボチャージャ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載のターボチャージャにおいて、保護シェル（１２）は前記コンプレッサケーシング（１）、前記タービンケーシング（２）、及び前記シャフト（３）の前記自由部（８）の周囲に固定されることを特徴とするターボチャージャ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載のターボチャージャにおいて、前記コンプレッサケーシング（１）を前記タービンケーシング（２）に固定するための前記手段は複数のバー（６）を備えることを特徴とするターボチャージャ。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載のターボチャージャにおいて、前記コンプレッサケーシング（１）と前記シャフトの前記自由部（８）との間に位置する第１の軸受ハウジング（９ａ）と、前記タービンケーシング（２）と前記シャフトの前記自由部（８）との間に位置する第２の軸受ハウジング（９ｂ）とを備えることを特徴とするターボチャージャ。
【請求項８】
車両において、請求項１〜７のいずれか一項に記載のターボチャージャに接続される内燃機関を備えることを特徴とする車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明はターボチャージャに関し、特に、内燃機関用のターボチャージャに関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボチャージャは内燃機関においてこれらの機関の出力を増加させる目的のために極めて広範に用いられる過給システムである。原理は、ひいては排気ガスにより回転を生じるタービンにシャフトによって接続されるコンプレッサを用いて空気を圧縮することによって、機関の燃焼室に供給される空気の密度を増加させることにある。圧縮された空気は、一般に、ターボチャージャの排気口において高温を有するため、最適な動作のため、ターボチャージャは、一般に、空気を冷却し、従ってその密度を更に増加させるために、ターボチャージャ下流の熱交換器の使用を必要とする。それらの高い温度のために、排気ガスはターボチャージャ内部の主要な熱源となる。従って、これらの排気ガスは、ターボチャージャによって圧縮される空気並びにコンプレッサ及びタービンを接続するシャフトの軸受の両方にとって有益ではない温度の増加に至る。
【０００３】
文献米国特許出願公開第２０１４／０３５２２９９号明細書はターボチャージャを開示しており、そこではコンプレッサ内で圧縮された空気の一部をタービンとコンプレッサとの間のシャフトの軸受の近くに運ぶように、冷却ダクトが設計されている。この種の冷却システムは、従って、軸受におけるシャフトの摩擦に起因し且つ高温の排気ガスに起因する加熱から軸受を保護するために軸受を冷却する狙いを有している。
【０００４】
文献米国特許出願公開第２０１２／０００３０８１号明細書もターボチャージャを開示しており、そこでは冷却ジャケットが、シャフトの軸受を冷却する目的のために、圧縮された空気をコンプレッサ又はその下流からキャビティ内へ直接運ぶよう設計されている。従って、過圧弁を含んでも含まなくてもよい経路がコンプレッサケーシングの内部と冷却キャビティとの間に設けられる。
【０００５】
従って、上記の先行技術のターボチャージャは、タービンをコンプレッサに接続するシャフトを支持する単数又は複数の軸受を冷却する目的のためにコンプレッサに入る空気を利用している。しかし、上記のシステムは、コンプレッサに入る空気に対するタービン入口ガスによって生成される熱の流れの悪影響を低減することができない。
【発明の概要】
【０００６】
本発明は、添付の独立クレームにおいて定義されている。好ましい実施形態は、従属クレームにおいて定義されている。
【０００７】
第１の態様によれば、本発明は、コンプレッサ及び前記コンプレッサを囲むコンプレッサケーシング、タービン及び前記タービンを囲むタービンケーシングを備えるターボチャージャに関し、前記コンプレッサケーシングは機関の燃焼室に入れられる空気のための吸気口及び排気口を備え、前記タービンケーシングは排気ガスのための吸気口及び排気口、前記タービン及び前記コンプレッサを接続するシャフト、前記シャフトの回転を支持し、案内するための少なくとも１つの軸受を備え、前記ターボチャージャはコンプレッサケーシングをタービンケーシングに固定するための手段を備え、前記シャフトは２つのケーシングの間に自由部を備え、前記固定手段は前記自由部に沿って、前記コンプレッサケーシング及びタービンケーシングの周囲を流れる空気の流れの通過を可能にすることに適している。
【０００８】
自由部、従って、軸受ハウジング内部に囲まれないコンプレッサをタービンに接続するシャフト部分の存在は、先行技術において従来観測されるタービンケーシングからコンプレッサケーシングへの熱の伝達を低減させることが可能となる。実際、コンプレッサケーシングとタービンケーシングとの間のシャフトのその部分の全てを取り囲む軸受ハウジングの存在は、それ故に排気ガスによって加熱されるタービンケーシングからコンプレッサケーシングへの無視できない熱の流れを生じることが観測されており、従って、温度の上昇のいずれも、結果として生じる圧縮空気の密度の低下のために不利である。
【０００９】
従って、コンプレッサケーシングをタービンケーシングに固定するための手段は、空気の流れと自由部との間の直接的接触により、外気の流れが前記ケーシングの周囲に、前記自由部に沿って通過することを可能にするため、シャフトの自由部はターボチャージャの外面と直接連通する。従って、及び先行技術において観測されるものとは対照的に、この自由部の存在は、２つのケーシングの間の熱伝導による熱の伝達を実質的に減少させる。
【００１０】
１つの有利な実施形態によれば、コンプレッサケーシングをタービンケーシングに固定するための手段は複数のバーを備える。
【００１１】
１つの有利な実施形態によれば、ターボチャージャはコンプレッサをタービンに接続するシャフトを支持するための２つの軸受ハウジングを備え、第１の軸受ハウジングはタービンケーシングとシャフトの自由部との間に位置し、第２の軸受ハウジングはコンプレッサケーシングとシャフトの自由部との間に位置する。第１の軸受ハウジングはタービンケーシングに固定され、第２の軸受ハウジングはコンプレッサケーシングに固定される。従って、第１及び第２の軸受ハウジングは、コンプレッサをタービンに接続するシャフトの回転を支持し、それらが、例えば、ジャーナル軸受であろうと転がり軸受であろうと、この機能を実現することに適した任意の種類の軸受を含んでいてもよい。第１及び第２の軸受ハウジングは、潤滑剤を受けるための注入口及び排出口、並びに、シャフトの自由部並びにタービン及びコンプレッサケーシングに向かう潤滑剤の漏出を防ぐためのシールを有利に備える。
【００１２】
１つの有利な実施形態によれば、シャフトの自由部は空気偏向手段を備え、前記空気偏向手段は、前記シャフトが回転している場合に、空気の流れを生成することに適している。極めて有利に、空気偏向手段は、コンプレッサケーシングからタービンケーシングへの方向に流れる空気の流れを生成することに適している。実際、その方向に流れる空気の流れはコンプレッサケーシングの最適な通気を可能にして、ターボチャージャ外側から来る周囲温度の空気の流れをコンプレッサケーシングの周囲に引き込む一方で、タービンケーシングを取り囲む熱い空気を吹き払い、その結果として、この熱い空気がコンプレッサケーシングを加熱することを防いでいる。一方でのコンプレッサをタービンに接続するシャフト上の自由部及び他方での自由部に沿ってコンプレッサケーシングからタービンケーシングへ向かう空気の流れを生成する空気偏向手段の存在は、従って、コンプレッサケーシングの最適な冷却を可能にする一方で、コンプレッサケーシングとタービンケーシングとの間の熱伝導を低減し、更に、コンプレッサケーシング近傍の空気の効率的な通気をもたらしている。これは、タービンケーシングに対するコンプレッサケーシングの最適な断熱を確実なものにする。かかるシステムにより、ターボチャージャに接続される機関の効率が大きく向上され、また、もはやインタークーラを用いることが必要ではないことを観察することができる。他の実施形態において、通気は、ターボチャージャ外側に位置し、外部エネルギー源によってエネルギーが供給される通気手段によって、完全に又は上で説明した通気システムに加えてのどちらか一方でもたらされてもよい。例えば、前記通気手段はコンプレッサケーシング近傍に位置するファンを備えていてもよい。
【００１３】
１つの有利な実施形態によれば、空気偏向手段は、シャフトの自由部に取り付けられ、従って、ターボチャージャが排気ガスによって動力が供給される場合に回転される複数のブレード、例えば、２枚のブレードを備える。
【００１４】
１つの有利な実施形態によれば、発明によるターボチャージャは、タービンをコンプレッサに接続するシャフトの自由部を取り囲む保護シェルを備える。この種のシェルは、ターボチャージャの動作中に極めて高い回転速度を有するシャフトの自由部のための保護障壁として機能する。この種のシェルは、また、コンプレッサ及びタービンケーシングの全てを被覆する一方で、シャフトの自由部上に有利に存在する空気偏向手段によって生成される空気の流れの通過を可能にするために、コンプレッサ及びタービンケーシングの周囲に開口部を残してもよい。この場合、シェルは、操作者とケーシング、特に、動作中に高い温度を有するタービンケーシングとの間の直接的接触を防ぐよう障壁として機能する。保護シェルは、タービンケーシングをコンプレッサケーシングに固定するための手段に又はタービン及びコンプレッサケーシングに直接固定されてもよい。
【００１５】
第２の態様によれば、発明は、上で説明したようなターボチャージャに接続される内燃機関を備える車両に関する。その上、発明による複数のターボチャージャは、単一の車両上に設置され、機関の様々な動作範囲における過給性能を最適化する目的のために、直列又は並列に取り付けられてもよい。更に、発明によるターボチャージャ及び排気ガスの毒性を低減する目的のためのその排気ラインにおける触媒コンバータを備える車両において、ターボチャージャのタービンケーシングは触媒コンバータの下流の機関の排気ガスに有利に接続されてもよい。実際、排気ガスは触媒コンバータの出口においてその入口よりも低温であり、従って、かかる構成がコンプレッサケーシングに対する熱の伝達を最小にし、従ってターボチャージャの性能を最適化する目的のために結果として有利であったことが観測された。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
発明のこれらの態様及び他の相補的な態様を、実施例を用いることによって及び添付図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
【図１】図１は、発明によるターボチャージャの一実施形態を示す。
【図２】図２は、発明によるターボチャージャと共に用いることができる保護シェルの一実施形態を示す。
【００１８】
図は正確な縮尺で描かれてはいない。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１は、発明によるターボチャージャの一実施形態を示している。従って、ターボチャージャは、ラジアルコンプレッサを収容するコンプレッサケーシング１と、ラジアルタービンを収容するタービンケーシング２とからなっている。タービンはシャフト３によってコンプレッサに接続される。従って、コンプレッサは機関に入れられるよう意図される空気４を吸い込み、それがこの空気を圧縮すると、それを機関の吸気ダクトに送る。一方で、タービンは機関からの排気ガス５によって駆動される。コンプレッサケーシング１は、前記ケーシング１及び２に固定される複数のバー６並びに取付プレート７ａ及び７ｂを介在してタービンケーシング２に固定される。シャフト３は２つのケーシング１及び２の間に自由部８を備えている。
【００２０】
従って、自由部８はターボチャージャの外面と連通する。特に、バー６が空気の流れと自由部８との間の直接的な接触を可能にしながら、バー６はターボチャージャの外面から来る空気の流れの通過並びに２つのケーシング１及び２の周囲及び自由部８に沿って流れることを可能にする。この自由部８の存在は、中央軸受ハウジングが２つのケーシングの間に挿入され、それらと当接する場合に先行技術において観測されているタービンケーシングからコンプレッサケーシングへの熱伝導による熱の伝達を大きく低減させる。
【００２１】
シャフト３は軸受ハウジング９ａ及び９ｂ内に位置する２つの軸受によって有利に支持される。軸受ハウジング９ａは取付プレート７ａを介在してコンプレッサケーシングに固定される一方で、軸受ハウジング９ｂは取付プレート７ｂを介在してタービンケーシングに固定される。軸受ハウジング９ａ及び９ｂ内に収容される軸受は、それらがそれらの役割、特に、シャフト３の回転を支持し、案内することを果たすのであれば、いかなる種類のものであってもよい。軸受は、例えば、ジャーナル軸受、転がり軸受、又はフォイル軸受であってもよい。その上、軸受の適切な動作は、一般に、潤滑剤の供給を必要とするため、注入口及び潤滑剤を排出させるための排出口（図示せず）が軸受ハウジング９ａ及び９ｂ内に有利に作成される。自由部８及びコンプレッサ並びにタービンケーシング１及び２に向かう潤滑剤の漏出を避けるため、シール（図示せず）が軸受ハウジング９ａ及び９ｂ内に有利に導入される。その上、ターボチャージャの軸受に運ばれる潤滑油が、第一に内燃機関の他の構成要素を潤滑するために用いられる場合、それがターボチャージャに入る地点でこの潤滑油の温度を最小にするために、ターボチャージャの上流に潤滑油分配回路内に熱交換器等の冷却システムを設けることが有利である。その上、２つの軸受ハウジングの存在は厳密には必須ではないことに言及することが重要である。また、単一の軸受ハウジングが存在する実施形態を想定することも可能である。唯一の軸受ハウジングがハウジング９ａ若しくは９ｂであるか又は２つのケーシング１及び２の間のより中間位置に設置される軸受ハウジングであってもよい。
【００２２】
図１に示すターボチャージャのシャフト３の自由部８は、シャフト３を中心として螺旋状を形成する２つのブレード１０を備えている。従って、これらのブレードは、ターボチャージャが排気ガス５によって駆動される場合、回転して作動し、自由部８に沿った空気１１の流れを生成することができる空気偏向手段を構成している。ブレード１０の寸法形状（図示せず）は、タービン及びコンプレッサが駆動されて回転する場合、コンプレッサケーシングからタービンケーシングに進む空気の流れを生成するように選択される。実際、その方向に流れる空気の流れはコンプレッサケーシング１の最適な通気を可能にして、ターボチャージャ外側から来る周囲温度の空気の流れをコンプレッサケーシングの周囲に引き込む一方で、タービンケーシング２を取り囲む熱い空気を吹き払い、その結果として、この熱い空気がコンプレッサケーシング１を加熱することを防いでいる。従って、発明によるシステムにおいて、コンプレッサをタービンに接続するシャフトは、空気の流れをコンプレッサケーシング１の周囲に引き込むファンのための回転支持としての機能を果たす新しい役割を有する。一方でのシャフト３上の自由部８及び他方での自由部８に沿ってコンプレッサケーシング１からタービンケーシング２へ向かう空気の流れを生成する空気偏向手段の存在は、従って、コンプレッサケーシング１の最適な冷却を可能にする一方で、コンプレッサケーシング１とタービンケーシング２との間の熱伝導を低減し、更に、コンプレッサケーシング１近傍の空気の効率的な通気をもたらしている。かかるシステムにより、ターボチャージャに接続される機関の効率が大きく向上され、また、もはやインタークーラを用いることが必要ではないことを観察することができる。
【００２３】
図１に示すターボチャージャは、この例において、より良い理解のために透明として図示される保護シェル１２を有利に備えているが、不透明のシェルが、無論、用いられてもよい。この種のシェル１２は、シャフト３の自由部８に対し、特に、ターボチャージャの動作中に超高速で回転するシャフト３に取り付けられるブレード１０に対するアクセスを保護するよう機能を果たす。それがコンプレッサケーシング１及びタービンケーシング２を被覆する場合、シェル１２は、操作者とケーシング、特に、動作中に極めて高い温度を有するタービンケーシングとの間の直接的接触を防ぐよう障壁としても機能する。保護シェル１２は、支柱１３等の取付手段を介在してタービンケーシングをコンプレッサケーシングに固定するためのバー６に固定されてもよいか、又は、タービン及びコンプレッサケーシングに直接固定されてもよい。しかし、保護シェル１２は空気１１の流れの通過を可能にするようコンプレッサケーシング１及びタービンケーシング２の周囲に開口部を残している。タービンケーシング２の周囲で排気された空気１１は、また、熱回収システムによって回収され、車両のある特定の構成部品又は範囲を加熱するよう機能を果たしてもよい。
【００２４】
その上、発明によるターボチャージャは可変形態ターボチャージャであってもよく、すなわち、必要とされる負荷への依存においてタービンの出力を最適化するために、排気ガスの流れを調節し、それによって流量を調整することができるタービンを備えてもよい。更に、発明によるターボチャージャは、順に配置される複数のコンプレッサ及び／又はタービンを備えてもよい。ターボチャージャは、例えば、一方がタービンのどちらかの側にある２つのコンプレッサに接続される中央タービンを備えてもよい。空気の流れがその周囲を流れることができる自由部８は、次いで、タービンと２つのコンプレッサのそれぞれとの間のシャフト上に有利に含まれる。
【００２５】
図２は、発明によるターボチャージャと共に用いることができるシェル１２の実施形態をより詳細に示している。このシェル１２は、コンプレッサケーシング１を少なくとも部分的に取り囲むための部品１４と、タービンケーシング２を少なくとも部分的に取り囲むための部品１５とを有利に備えている。これら２つの部品１４及び１５は、ターボチャージャのシャフト３を取り囲むために中心範囲で有利に対峙し、固定ロッド１６等の固定手段によって接続される。部品１４は、空気１１の流れのための吸気開口部１４ａと空気１１のこの流れの排出のための排気開口部１４ｂとを備える管状部品であるのが有利である。部品１４は円錐台状部分１７を有利に備えている。円錐台状部分１７は、遠位小径円筒部分１８と近位大径円筒部分１９との間に有利に位置する。タービンケーシング２を取り囲む部品１５も、部品１４の遠位部分１８が挿入される入口穴２０を備える管状部品であるのが有利である。固定手段１６は、部品１４の円錐台状部分１７及び部品１５の入口穴２０の壁部に接続される４本のロッドを有利に備える。部品１５は、また、空気１１の流れの排出のための出口穴２１を備えるのが有利である。遠位部分１８は、接触することなく、部品１５の入口穴２０に有利に挿入される。実際、遠位部分１８と入口穴２０の壁部との間の間隔の存在は、保護シェル１２の部品１４及び１５の間の伝導による熱の伝達を低減することを可能にしている。動作中、部品１５は、タービンケーシング２から受ける熱のために部品１４よりも高温である。従って、ターボチャージャの性能を向上させるために、この部品１５と部品１４との間の熱の伝達を低減させるのが望ましい。部品１４の遠位部分１８と部品１５の入口穴２０の壁部との間の間隔の代わりに、２つの部品１４及び１５の間の熱伝達を低減させるために、断熱材を用いることも可能である。その上、部品１４及び１５のうちの少なくとも１つは、少なくとも部分的に、タービンケーシング２とコンプレッサケーシング１との間の、通常は赤外線の、放射によって熱の伝達を低減させることに役立つ材料を用いて有利に作成される。実際、通常は赤外線の放射に対して有利なレベルの不伝導性を有するこの種の材料の存在は、タービンケーシング２とコンプレッサケーシング１との間の熱の伝達がその存在によって更に低減されるため、保護シェル１２と組み合わせて用いられるターボチャージャの性能を更に向上させることを可能にしている。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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2020500272.tif 000006
2020500272.tif 000007
2020500272.tif 000008