JP2006524765A - 燃焼空気を圧縮するための装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、燃焼空気を圧縮するための装置であって、特に、自動車技術的な内燃機関のための過給空気を圧縮するための装置であって、電気的に駆動される少なくとも１つの過給空気コンプレッサ１２，１４が設けられており、該過給空気コンプレッサは、コンプレッサ室２２内に配置され電動モータ１８によって駆動される少なくとも１つのコンプレッサホイール１４を有しており、前記電気的な過給空気コンプレッサ１４に続いて接続された第２の別の過給空気コンプレッサ３２，３４が、特に排ガスターボチャージャー３４が設けられており、該過給空気コンプレッサ３２と前記電気的な過給空気コンプレッサ１４とが接続手段３０を介して流れ技術的に互いに接続されている。本発明によれば、接続手段５２が設けられており、該接続手段により、圧縮された過給空気を電気的な過給空気コンプレッサ１４のコンプレッサ室２２へと導入できることが提案される。

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載の形式の、燃焼空気を圧縮するための装置、特に、自動車技術的な内燃機関のための過給空気（ブーストエア）を圧縮するための装置に関する。

燃料の燃焼のために必要な過給空気を圧縮することにより、自動車技術的な内燃機関の出力密度を高めることが公知である。このためには通常、排ガスターボチャージャーが使用されている。排ガスターボチャージャーはこの場合、タービンを有しており、該タービンは内燃機関の排ガス流中に配置されていて、内燃機関の過給空気供給部中に配置されたコンプレッサを駆動する。

排ガスターボチャージャーは特に自動車駆動の際に、内燃機関の回転数が低い場合にレスポンス特性が遅れたり不十分であるといった欠点を有している（ターボのタイムラグ）。

特に内燃機関の回転数の低い範囲における過給空気供給を改善するために、排ガスターボチャージャーを電気的な補助駆動装置によって助成することが公知である。このような補助は例えば、排ガスターボチャージャーに組み込まれた電動モータによって得られる。内燃機関の回転数が低い場合、電動モータは排ガスターボチャージャーの軸を補助的に駆動する。しかしながらこれにより、電動モータの高回転数負荷と、高い電気的な所要出力の発生が必要となり、これは排ガスターボチャージャーのタービンの慣性モーメントが大きいことに基づき必要である。

このような欠点を回避するために例えば米国特許第６０２９４５２号明細書によれば、純粋に電気的に駆動される別個の補助チャージャー（電気的な補助コンプレッサ、ＥＺＶ）が内燃機関の過給空気供給部中に組み込まれることが公知である。電気的な補助コンプレッサはこの場合、コンベンショナルな排ガスターボチャージャーに直列されて運転され、主として、排ガスターボチャージャーに供給される過給空気の予備圧縮のために働く。このことは、過給空気供給部に別個に挿入される電気的な補助コンプレッサを内燃機関の低い回転数範囲における使用に合わせて最適にできるという利点を有する。内燃機関の高い回転数範囲では、結果的に排ガスターボチャージャーの回転数も高くなり、例えばバイパス手段を使用して、過給空気は、必要ない電気的な補助コンプレッサを迂回して直接に排ガスターボチャージャーへと供給される。

電気的な補助コンプレッサと従来の排ガスターボチャージャーとの主要な相違点は、このようなシステムのために使用される駆動出力が大きく異なることにある。排ガスターボチャージャーでは駆動出力は数１０ｋＷであるが、電気的な補助コンプレッサでは付加的な搭載電源負荷のために最大でも数ｋＷに制限される。電気的な補助コンプレッサのコンプレッサホイールの高速回転時には特にこのことは重要である。何故ならば、始動時間が主として、補助コンプレッサの加速すべきロータの駆動出力および質量慣性モーメントによって規定されるからである。

電気的な補助コンプレッサの接続特性を観察すると、市街地での交通では、著しい回数のコンプレッサの接続状態が必要である。全負荷加速時ごとに、電気的な補助コンプレッサは約６００００ｒｐｍの回転にまで加速される。この場合、機械的な回転エネルギは典型的には４５０ワット秒消費され、これは車両の搭載電源から提供されなければならない。

発明の効果
請求項１の特徴を有した、本発明による燃焼空気を圧縮するための装置、特に自動車技術的な内燃機関のための過給空気を圧縮するための装置によれば、電気的な補助コンプレッサの加速時に電力消費を減じることができる。

装置の本発明のような構成により、特に、圧縮された過給空気を電気的な過給空気コンプレッサのコンプレッサ室に導く本発明による接続手段により、電気的な過給空気コンプレッサの高速回転が、導入された圧縮空気によって、予め加速することにより可能である。これにより電気的な補助コンプレッサの必要な加速エネルギも、最大の回転数が生じるまでのレスポンス時間も減じられる。

車両の加速段階中のシフトアップの直前には通常過給圧の減圧が行われる。これまでは、過給圧範囲から減速する際にいわゆる「サージング」を回避するために、いわゆるスラスト再循環気弁が開かれていた。スラスト再循環気弁の開放により、過給圧を案内する体積はほぼ周囲の圧力にまで排気される。この場合このような手段により逃がされたニューマチックエネルギは利用されていなかった。

本発明の装置によれば、過給空気システムのニューマチックエネルギを電気的な補助コンプレッサの補助加速のために利用することができる。車両の加速段階中のシフトアップの前には通常、再循環空気弁を介して過給圧の減圧が行われるので、この導出すべき空気を、自動車の続く加速過程のために電気的な過給空気コンプレッサを予め加速するために利用することができる。これにより、自動車の加速段階のために重要な過給圧の再減圧は、電気的な補助コンプレッサの補助により著しく迅速に行われる。

本発明の有利な別の構成と実施例とは、請求項２以下に記載されている。

有利には、電気的な過給空気コンプレッサのコンプレッサ室に、圧縮された過給空気を導く接続手段が、第２の過給空気コンプレッサの流出側に配置されていて、ここから分岐して、電気的な過給空気コンプレッサのコンプレッサ室へと直接に開口している。従って、圧縮された過給空気に含まれるニューマチックエネルギは効果的に、電気的な補助コンプレッサの予備加速のために利用される。

この場合、接続手段は電気的な過給空気コンプレッサのケーシングのリング通路に開口している。有利には、接続手段は電気的な過給空気コンプレッサのコンプレッサ室の低圧側に開口している。コンプレッサ室の壁における相応の開口を通って、方向づけられた空気流が例えば電気的な過給空気コンプレッサのコンプレッサホイールのコンプレッサブレードへとぶつかり、これによりコンプレッサホイールの高速回転が助成される。

有利には、接続手段が開口しているコンプレッサのリング通路は、全周にわたって分配された、圧縮された過給空気のための複数の導入個所を有している。この場合、導入個所は、コンプレッサホイールの加速のためにできるだけジェット状の空気流が形成されるように形成されている。

燃焼空気を圧縮するための、本発明による装置の有利な構成では、圧縮された過給空気を電気的な過給空気コンプレッサのコンプレッサ室へと導くことができる接続手段は、この空気が電気的な過給空気コンプレッサからこの接続手段を介して第2の過給空気コンプレッサへと逆流することを防止する弁を有している。単数又は複数のこのような弁は有利には電子的に制御可能なダイヤフラム弁として形成することができる。

逆流防止のための単数又は複数の弁は有利には、電気的な過給空気コンプレッサのケーシングに直接組み込まれている。

従って燃焼空気を圧縮するための本発明による装置によれば、有利には、電気的な補助コンプレッサの必要な加速エネルギとそのレスポンス時間を著しく減じることができる。このことはさらに、自動車の電気的な搭載電源の負荷軽減につながる。

本発明の装置のさらなる利点は、以下の図面ならびにこの図面に基づく本発明の装置の実施例の説明に記載されている。

図面
図面には、以下に詳しく説明する、燃焼空気を圧縮するための本発明による装置の実施例が示されている。図面、明細書、請求項には複数の特徴が組み合わされて示されている。当業者にはこれらの特徴を個々であっても、有利にはさらに組み合わせたとしても明細書に記載のものとしてみなすことができる。

実施例の説明
図１には、本発明による燃焼空気を圧縮するための装置の、特に自動車技術における内燃機関のための過給空気を圧縮するための装置の実施例が簡単な概略図で示されている。

圧縮すべき過給空気は吸気開口１０を介して第１のコンプレッサ１２に供給される。この第１のコンプレッサ１２は電気的に運転されるいわゆる補助コンプレッサ１４である。電気的な補助コンプレッサ１４は実質的にコンプレッサユニット１６と電気的な駆動ユニット１８とから成っている。

流入開口２０から、圧縮すべき過給空気が電気的な補助コンプレッサ１４のコンプレッサ室２２に供給される。コンプレッサ室２２にはコンプレッサホイール２４が配置されていて、このコンプレッサホイール２４は軸を介して電気的な駆動ユニット１８によって駆動される。圧縮すべき過給空気はコンプレッサ室において加速され、典型的にはリング通路２６と流出開口２８とを介して電気的な補助コンプレッサ１４から導出される。

接続手段３０を介して、本発明による装置の電気的な補助コンプレッサ１４は第２の過給空気コンプレッサ３２に接続されており、この第２の過給空気コンプレッサ３２は図１の実施例では排ガスターボチャージャーとして形成されている。

排ガスターボチャージャー３４はコンプレッサ室３６に配置されたコンプレッサホイール３８を有しており、該コンプレッサホイール３８は軸４０を介してタービン４２によって駆動される。タービン４２は、図示されていない自動車の内燃機関の排ガス流中に配置されている。公知のように熱い排ガス流４４の運動エネルギはタービン４２の駆動のために利用され、このタービン４２は排ガスターボチャージャー３４のコンプレッサホイール３８を加速することができる。

電気的な補助コンプレッサ１４によって圧縮された空気は、排ガスターボチャージャー３４のコンプレッサ室３６においてさらに圧縮され、接続手段４６を介して、図１には示されていない内燃機関へと供給される。この接続手段４６は例えば、図示されていない過給空気クーラーまたは過給空気流のための絞り弁も有していて良い。排ガスの体積流を、排ガスターボチャージャー３４の駆動タービンの周囲にあるバイパス通路５０によって制御する弁４８を介して、排ガスターボチャージャー３４の圧縮出力が制御される。

原理的には、圧縮段の他の接続順序も可能である。

過給空気を圧縮するためのこのような２段式の装置により、エンジン回転数が低い場合、即ち排ガス流４４が少ない場合に生じるターボラグはほぼ回避することができる。従来の排ガスターボチャージャー３４が、その駆動タービン４２に基づき高い回転数を発することができず、従って所望の高い圧縮比を得ることができないようなエンジン回転数の領域では、過給空気の所望の予備圧縮を得るために電気的な補助コンプレッサ１４が接続される。このような電気的な補助コンプレッサ１４によって、排ガスターボチャージャーの不十分な遅いレスポンス特性といった欠点が解消される。

従って電気的な補助コンプレッサ１４はその役目のためにその都度短期間だけ接続され、できるだけ迅速なレスポンス特性を要とする。このような過程は典型的には加速状況のためのものであり特に実際には、車両の全てのギヤチェンジ（シフトアップ）の際に生じる。電気的な補助コンプレッサの接続特性を観察すると、まさに停止交通時に多くの接続状態が必要であることがわかる。全負荷加速時には電気的な補助コンプレッサは約６００００ｒｐｍまで加速される。この場合、４００〜５００ワット秒の範囲の機械的な回転エネルギが使用され、これは自動車の電気的な搭載電源により提供されなければならない。加速段階中のシフトアップ過程の直前には通常、過給圧の減圧がいわゆる再循環空気弁を介して行われる。これまでは例えば「減速」の際にサージングを回避するために、システムにおける過給圧が、いわゆるスラスト再循環空気弁（ドレンバルブ）の開放により減じられていた。これにより過給圧を案内する体積はほぼ周囲圧にまで排気される。このような手段により逃がされたニューマチックエネルギはこれまでは利用されていなかった。

過給空気を圧縮するための本発明による装置では接続手段５２が設けられていて、この接続手段５２により、すでに圧縮された過給空気を直接に電気的な過給空気コンプレッサに導くことができ、これにより電気的な補助コンプレッサの迅速な高回転が予備加速により可能になる。

図１に示した本発明による装置の実施例では、接続手段５２は、排ガスターボチャージャー３４を内燃機関に接続している接続手段４６から分岐している。接続手段５２は弁５４を介して直接に、電気的な補助コンプレッサ１４のコンプレッサ室２２へと通じている。このために例えば電気的な補助コンプレッサ１４のリング通路２６の全周にわたって開口５６が分配されるように設けられていて良く、この開口は、接続手段５２から分岐した圧縮された過給空気を目的地に向かってリング通路２６へと案内し、次いでコンプレッサホイール２４のコンプレッサブレードへと案内する。圧縮された過給空気を電気的な補助コンプレッサのコンプレッサホイールのコンプレッサブレードへとノズル状に導入することにより、補助コンプレッサを予め加速することができ、これにより迅速な高回転が得られ、即ち補助コンプレッサのレスポンス特性が短縮される。さらには、過給空気システムのニューマチックエネルギの利用は、電気的な補助コンプレッサの加速の際に車両の搭載電源のエネルギ消費を減じることができることを意味する。

再循環空気導入個所は有利には電気的な補助コンプレッサ１４に直接的に組み込まれていて、例えば単数又は複数の弁を有している。これらの弁により、圧縮すべき過給空気が接続手段５２を介して逆流することが回避される。さらには、電気的な補助コンプレッサにより加速すべき過給空気が補助コンプレッサの流出開口２８から導出されて、後置された排ガスターボチャージャー３４へと供給されるように注意されたい。電気的な補助コンプレッサによって圧縮された過給空気の接続手段５２からの流出は遮断されるべきである。

別の実施例では、接続手段５２はリザーバ容積５８を有していて、このリザーバ容積５８には圧縮された過給空気が導入され、次いで高圧時に貯えることができる。例えば弁装置により所望の時点で、圧縮された過給空気が直接、電気的な補助コンプレッサのコンプレッサ室へと放出される。

本発明による装置により、燃焼システムのネガティブなシフトチェンジの際にニューマチックな過給空気エネルギを有益に利用することができる。加速段階中のシフトアップ過程の直前には通常、循環空気弁による過給圧の減圧が行われ、次いで電気的な補助コンプレッサの補助により過給圧の再増圧が再び行われる。過給圧の減圧は本発明による装置により有利には電気的な補助コンプレッサの予備加速のために利用できる。これにより電気的な補助コンプレッサの所要加速エネルギならびに最大回転数を得るためのレスポンス時間が減じられる。過給空気システムのニューマチックエネルギは、電気的な補助コンプレッサへのエネルギの伝達のための減速効率を考慮しても、電気的な補助コンプレッサのための所要回転エネルギの少なくない割合を担っている。

本発明による装置は図１に示した実施例に制限されるものではない。

特に本発明による装置は、電気的な補助コンプレッサと排ガスターボチャージャーの使用に制限されるものではない。

本発明による装置の概略を示した図である。

Claims (7)

1. 燃焼空気を圧縮するための装置であって、特に、自動車技術的な内燃機関のための過給空気を圧縮するための装置であって、電気的に駆動される少なくとも１つの過給空気コンプレッサ（１４）が設けられており、該過給空気コンプレッサは、コンプレッサ室（２２）内に配置され電動モータ（１８）によって駆動される少なくとも１つのコンプレッサホイール（１４）を有しており、前記電気的な過給空気コンプレッサ（１４）に続いて接続された第２の別の過給空気コンプレッサ（３２）が、特に排ガスターボチャージャー（３４）が設けられており、該過給空気コンプレッサ（３２）と前記電気的な過給空気コンプレッサ（１４）とが接続手段（３０）を介して流れ技術的に互いに接続されている形式のものにおいて、
   接続手段（５２）が設けられており、該接続手段により、圧縮された過給空気を電気的な過給空気コンプレッサ（１４）のコンプレッサ室（２２）へと導入できることを特徴とする、燃焼空気を圧縮するための装置。
2. 接続手段（５２）が第２の過給空気コンプレッサ（３２，３４）の流出側から分岐していて、電気的な過給空気コンプレッサ（１４）のコンプレッサ室（２２）へと開口している、請求項１記載の燃焼空気を圧縮するための装置。
3. 接続手段（５２）が電気的な過給空気コンプレッサ（１４）のケーシングのリング通路（２６）に直接的に開口している、請求項２記載の燃焼空気を圧縮するための装置。
4. リング通路（２６）が電気的な過給空気コンプレッサ（１４）の低圧側に形成されている、請求項３記載の燃焼空気を圧縮するための装置。
5. 接続手段（５２）が弁（５４）を、特に電子的に制御可能なダイヤフラム弁を有している、請求項１から４までのいずれか１項記載の燃焼空気を圧縮するための装置。
6. 前記弁が電気的な過給空気コンプレッサ（１４）のケーシングに組み込まれている、請求項５記載の燃焼空気を圧縮するための装置。
7. 接続手段（５２）がリザーバ容積（５８）を有している、請求項１から６までのいずれか１項記載の燃焼空気を圧縮するための装置。

Images