JP2013513761A - コンプレッサのオイル消費を低減するシステム - Google Patents

Abstract

第１のコンプレッサおよび第２のコンプレッサを含む動力源用の吸気システムが開示される。吸気システムは、第１のコンプレッサでのオイル消費を低減するために、第２のコンプレッサから、第１のコンプレッサ内のコンプレッサホイールとセンタハウジングとの間の領域に圧縮空気を送る空気供給路を含む。

Description

本開示は、エンジン用の吸気システムに関する。より詳細には、本開示は、コンプレッサのオイル消費を低減するのに高圧空気を利用する吸気システムに関する。

内燃機関には、エンジンで発生する動力出力を改善するために、ターボチャージャ付き吸気システムを装備することができる。ターボチャージャ付き吸気システムは、別の方法で可能なよりも多くの空気を燃焼室に送り込むことでエンジン出力を増大させる。空気量のこの増加により、エンジンで発生する動力出力をさらに増大させる、改善された燃料供給が可能になる。

ターボチャージャは通常、タービンホイールおよびコンプレッサホイールを回転可能なシャフトに取り付けている。シャフトは通常、エンジンオイルで潤滑されるベアリングによって、ハウジング内に回転可能に支持される。高圧ガスがハウジングに（ひいては、エンジンクランクケースに）流入するのを防止し、さらには、オイルがコンプレッサおよびタービン領域に流入するのを防止するために、ハウジングのコンプレッサ側端部およびタービン側端部の両方でシャフトシールが使用される。

シャフトシールがある場合でも、ある条件下で、オイルがコンプレッサ領域に漏出し、エンジン吸気口に搬送されることがある。シャフトシールからオイルが漏出する可能性をなくすか、または低減するために、一部のメーカでは、圧縮空気をコンプレッサからシール領域に送る。

例えば、Ｍｅｙｅｒｋｏｒｄらによる（特許文献１）は、４サイクルエンジンターボチャージャでのシールシステムを開示している。ターボチャージャは、オイル潤滑されるロータシャフトに取り付けられたタービンホイールおよびコンプレッサホイールを含む。タービン領域およびコンプレッサ領域へのオイル漏出を制限するために、シャフトのコンプレッサ側端部およびタービン側端部の両方にラビリンスシールが使用される。さらに、コンプレッサホイールの出力側からの空気圧が、ベアリングハウジング内の内部流路を通ってラビリンスシールに送られて、コンプレッサおよびタービンホイールに向かってオイルが移動するのをさらに防止する。

米国特許第６，３６８，０７７号明細書

（特許文献１）のシステムは、コンプレッサ領域へのオイルの漏出を制限するのに寄与するが、複数の内部空気路があることでシステムの複雑さが増し、シールに送られる空気圧は調整されず、コンプレッサの出力圧力に限定される。

開示する排気システムは、上記の問題および／または先行技術の他の問題の１つまたは複数を解決することを目的とする。

一態様では、本開示は、第１のコンプレッサおよび第２のコンプレッサを含む動力源用の吸気システムに関する。流路は、圧縮空気を第２のコンプレッサからコンプレッサホイールとセンタハウジングとの間の領域に送る。第２のコンプレッサは、第１のコンプレッサよりも高い圧力に空気を圧縮するように構成することができる。

別の態様では、本開示は、コンプレッサホイールおよびバックプレートを有する第１のコンプレッサ内のオイルシール漏れを低減する方法に関する。本方法は、第１の位置にある空気を圧縮し、第２の位置にある空気を圧縮することと、圧縮空気を第２の位置からコンプレッサホイールとセンタハウジングとの間の領域に送ることとを含む。

本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する添付の図面では、本明細書とともに、開示するシステムの原理を説明する助けとなる本開示の例示的な実施形態が示される。

開示する動力システムの実施形態の概略図である。 図１の動力システムで使用できるターボチャージャのコンプレッサ領域の側部断面図である。

図１は、動力源１２、吸気システム１４、および排気システム１６を有する動力システム１０を示している。本開示において、動力源１２は、４ストロークディーゼルエンジンとして図示および説明される。しかし、動力源１２は、例えば、ガソリンエンジン、ガス燃料駆動エンジンなどの他の任意のタイプの燃焼機関とすることができる。動力源１２は、複数のシリンダ２０を少なくとも部分的に画定するエンジンブロック１８を含む。ピストン（図示せず）は、上死点位置と下死点位置との間を往復運動するように、各シリンダ２０内にスライド可能に配置され、シリンダヘッド（図示せず）が、各シリンダ２０に連結される。図示した実施形態では、動力源１２は６つのシリンダ２０を含む。しかし、動力源１２は、それを超えるか、またはそれ未満の数量のシリンダ２０を含むことができ、シリンダ２０は、「直列」構成、「Ｖ字」構成、または他の任意の適切な構成で配置することができると考えられる。

吸気システム１４は、給気を動力源１２に導入するように構成された構成要素を含む。例えば、吸気システム１４は、シリンダ２０と連通する吸気マニホルド２２と、第１のコンプレッサホイール２５を有する第１のコンプレッサ２４と、第２のコンプレッサホイール２７を有する第２のコンプレッサ２６と、空気冷却器２８とを含む。第１のコンプレッサ２４および第２のコンプレッサ２６には、コンプレッサ２４、２６の上流の流体路から空気を受け入れ、空気が動力源１２に流入する前に空気を高い圧力レベルまで圧縮するように構成された固定容量コンプレッサ、可変容量コンプレッサ、または他の任意のタイプのコンプレッサを含めることができる。第１のコンプレッサ２４および第２のコンプレッサ２６は、直列の関係で配置し、流体路３２を介して動力源１２に接続することができる。しかし、他の実施形態では、第２のコンプレッサ２６は、第１のコンプレッサ２４と並列に配置することができる。

第２のコンプレッサ２６は、第１のコンプレッサ２４よりも高い圧力に空気を圧縮するように構成されている。第２のコンプレッサ２６は、流体路３４を介して第１のコンプレッサ２４と流体連通することができ、第１のコンプレッサ２４からの圧縮空気を受け入れ、第１のコンプレッサ２４によってすでに圧縮された空気をさらに圧縮するように配置することができる。

空気冷却器２８には、空気対空気熱交換器、空気対液体熱交換器、または両方の組み合わせを含めることができ、空気冷却器２８は、動力源１２に送られる圧縮空気との間の熱エネルギの伝達を容易にするように構成することができる。空気冷却器２８は、第１のコンプレッサ２４と第２のコンプレッサ２６との間の流体路３４内か、または動力源１２と第２のコンプレッサ２６との間の流体路３２内に配置することができる。

排気システム１６は、排気ガスを動力源１２から大気に送るように構成された構成要素を含む。具体的には、排気システム１６は、シリンダ２０と連通する排気マニホルド３６と、排気システム１６を吸気システム１４と流体連通させる排気ガス再循環（ＥＧＲ）回路３８と、第１のコンプレッサ２４と連結された第１のタービン４０と、第２のコンプレッサ２６と連結された第２のタービン４２と、動力源１２の排気ガスから望ましくない排出物を除去するように構成された排気ガス後処理システム４４とを含む。排気ガス後処理システム４４は、それに限定するものではないが、再生装置、熱源、酸化触媒、ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）、ディーゼル粒子フィルタ（ＤＰＦ）、選択的接触還元触媒（ＳＣＲ）、ＮＯｘ吸蔵触媒（ＬＮＴ）、マフラ、または動力源１２から出た排気ガスを処理するのに必要とされる他の装置を含む様々な排出物処理技術を含むことができる。図１では、排気ガス後処理システム４４は、第１のタービン４０より下流にあるとして示されている。しかし、排気ガス後処理システム４４の１つまたは複数の構成要素は、エンジンと第２のタービン４２との間、および／または第２のタービン４２と第１のタービン４０との間に配置することができる。

動力源１２で生じた排気ガスは、排気マニホルド３６を介して排気システム１６に流入する。排気マニホルド３６は、動力源１２を第１のタービン４０および第２のタービン４２に流体的に接続する。ＥＧＲ回路３８は、動力源１２で生じた排気ガスの一部の方向を排気マニホルド３６から吸気システム１４に協同して向け直す構成要素を含むことができる。具体的には、ＥＧＲ回路３８は、流体路４６、ＥＧＲ冷却器４８、および再循環制御弁５０を含む。流体路４６は、第２のタービン４２の上流で排気システム１６に流体的につながり、空気冷却器２８の下流で吸気システム１４に流体的につながっている。

再循環制御弁５０は、ＥＧＲ冷却器４８の下流で流体路４６内に配置されて、ＥＧＲ回路３８を通る排気ガスの流れを制御する。再循環制御弁５０は、例えば、蝶形弁、ダイヤフラム弁、ゲート弁、ボール弁、ポペット弁、または玉形弁などの当技術分野で公知の任意のタイプの弁とすることができる。さらに、再循環制御弁５０は、ソレノイドで駆動されるか、油圧で駆動されるか、空気圧で駆動されるか、または他の任意の態様で駆動されて、流体路４６を通る排気ガスの流れを選択的に制限する、または完全に遮断することができる。

ＥＧＲ冷却器４８は、ＥＧＲ回路３８を流れる排気ガスを冷却するように構成されている。ＥＧＲ冷却器４８には、液体対空気熱交換器、空気対空気熱交換器、または排気ガス流れを冷却する、当技術分野で公知の他の任意のタイプの熱交換器があり得る。

第１のタービン４０は、第１のコンプレッサ２４を駆動するように構成することができ、第２のタービン４２は、第２のコンプレッサ２６を駆動するように構成することができる。例えば、第１のタービン４０は、第１のシャフト５２によって第１のコンプレッサ２４に直接、かつ機械的に連結されて、第１のターボチャージャ５４を形成することができる。動力源１２から出た高温排気ガスは、第１のタービン４０を通るので、第１のタービン４０は回転し、第１のコンプレッサ２４を駆動して流入空気を加圧する。第２のタービン４２は、第２のシャフト５６を介して第２のコンプレッサ２６に同様に連結されて、第２のターボチャージャ５８を形成することができる。第２のタービン４２は、第１のタービン４０と直列に配置することができる。別の実施形態では、第１のタービン４０は、第１のコンプレッサ２４および第２のコンプレッサ２６の両方を駆動するように構成される。例えば、動力システム１０は、第１のコンプレッサ２４および第２のコンプレッサ２６が、共通シャフトを介して第１のタービンに機械的に連結されるツインコンプレッサターボチャージャ（図示せず）を含むことができる。この実施形態では、第２のタービン４２をなくすことができる。

吸気システム１４はまた、第２のコンプレッサホイール２７からの圧縮空気を第１のコンプレッサ２４に送るように構成された空気供給路６０を含む。空気供給路６０は、入口６２、出口６４、および空気供給制御装置６６などの圧力調整装置を有する。入口６２は、第２のコンプレッサホイール２７の下流に配置され、第２のコンプレッサ２６によって圧縮された空気を受け入れるように構成されている。出口６４は、第１のコンプレッサホイール２５に近接して配置されている。空気供給制御装置６６は、様々な形で構成することができる。第１のコンプレッサ２４に送られる空気の流量および／または圧力を制御または調整可能な任意の装置を使用することができる。例えば、空気供給制御装置６６は、第１のコンプレッサ２４の方に向けられる空気圧力を約４ｋＰａ〜約１００ｋＰａに制御できる圧力レギュレータとすることができる。空気供給制御装置６６は、例えば、電気でか、空気圧でか、または機械式に駆動することができる。空気供給制御装置６６はまた、流路内の空気圧が、例えば、１００ｋＰａなどの所定の圧力しきい値を超えた場合に、吸気供給路６０を閉鎖するように構成することができる。

図２を参照すると、示した実施形態において、第１のコンプレッサホイール２５は、コンプレッサホイール背面６８および外周縁部７０を含む。第１のコンプレッサホイール２５は、長手軸７３のまわりに回転するように、第１のシャフト５２に固定して連結され、コンプレッサハウジング７２内の中心に配置されている。コンプレッサハウジング７２は、第１のコンプレッサホイール２５を少なくとも部分的に囲むように構成することができる。

コンプレッサハウジング７２は、コンプレッサバックプレート７６を介してセンタハウジング７４に取り付いている。図示した実施形態では、コンプレッサバックプレート７６は、例えば、留め具などの任意の適切な手段によって、コンプレッサハウジング７２およびセンタハウジング７４の両方に取り付けられる。他の実施形態では、コンプレッサバックプレート７６は、コンプレッサハウジング７２またはセンタハウジング７４と一体に形成することができる。

コンプレッサバックプレート７６は、第１のシャフト５２を貫通させて受け入れる開孔７８を形成している。第１のシャフト５２は、１つまたは複数のベアリングアセンブリ８０によってセンタハウジング７４内に回転可能に支持されている。ベアリングアセンブリ８０は、様々な形で構成することができる。ターボチャージャシャフトにとって典型的な動作条件および回転速度で、第１のシャフト５２をセンタハウジング７４内に回転可能に支持するのに適した任意のベアリングアセンブリ８０を使用することができる。

例えば、ターボチャージャシャフトに対して浮動スリーブ式ベアリングを使用するのは公知である。浮動スリーブ式ベアリング（すなわち、ジャーナルベアリング）は、ターボチャージャシャフトとセンタハウジングとの間に配置されたスリーブ（図示せず）を利用する。エンジンのオイル回路からなどのオイルは、ベアリングアセンブリに送られて、ターボチャージャシャフトとスリーブとの間、およびセンタハウジングとスリーブとの間にオイルの薄膜を形成する。したがって、スリーブは、２つのオイル膜間で「浮遊」し、ターボチャージャシャフトおよびセンタハウジングに対して回転することができる。

ターボチャージャは、ボールベアリングを使用するとしても公知である。浮動スリーブ式ベアリングと同様に、ボールベアリングアセンブリは、ターボチャージャシャフトをセンタハウジング内で回転可能に支持する。しかし、ボールベアリングの場合、ターボチャージャシャフトがオイルのクッション上をスリーブベアリングとともに回転する代わりに、シャフトは、ボールベアリングアセンブリの内輪（図示せず）を回転させる。

ベアリングアセンブリ８０はオイルで潤滑される。オイル路８２は、圧力下でオイルをベアリングアセンブリ８０に供給するように構成されている。例えば、図示した実施形態では、オイル路８２は、センタハウジング７４内に形成され、ベアリングアセンブリ８０を動力源１２の潤滑システム（図示せず）などのオイル源に流体的に接続する。

ベアリングアセンブリ８０からのオイルがコンプレッサ領域に流入するのを防止するために、１つまたは複数のシャフトシールが利用される。シャフトシールは、様々な形で構成することができる。オイルがコンプレッサ領域に流入するのを阻止できる任意の封止装置を使用することができる。図示した実施形態では、環状の第１のシール８４が、センタハウジング７４と第１のコンプレッサホイール２５との間で、第１のシャフト５２のまわりに配置され、環状の第２のシール８５が、ハウジング７４と環状の第１のシール８４との間で、第１のシャフト５２のまわりに配置されている。環状の第１のシール８４および環状の第２のシール８５は、環状空間８７がシール間に形成されるように軸方向に離間している。

空気供給路６０をセンタハウジング７４と第１のコンプレッサホイール２５との間の領域に流体的に接続する空気路８６が設けられている。一実施形態では、空気路８６は、空気供給路６０の一部である。空気路８６は、空気供給路６０からの圧縮空気を受け入れるように構成された流路入口８８と流路出口９０とを含む。図示した実施形態では、空気路８６は、コンプレッサバックプレート７６を貫通している。しかし、他の実施形態では、空気路８６は、コンプレッサハウジング７２および／またはセンタハウジング７４などの、第１のターボチャージャ５４の他の部分を部分的に、または完全に貫通することができる。したがって、第２のコンプレッサ２６からの圧縮空気が、センタハウジング７４と第１のコンプレッサホイール２５との間の領域に送られるのを可能にする空気路８６の任意の構成を使用することができる。図示した実施形態では、空気路８６は、空気供給路６０を環状空間８７に流体的に接続している。

再度図１を参照すると、動力システム１０は、動力システム１０の一部またはすべての動作を制御できるコントローラ９２を含む。コントローラ９２は、１つまたは複数のセンサから受け取った信号に応じて、動力システム１０の動作を制御する手段を含む単一または複数のマイクロプロセッサ、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）などを含むことができる。

様々な市販のマイクロプロセッサが、コントローラ９２の機能を実行するように構成され得る。当然ながら、コントローラ９２は、他の非排気関連の動力システム機能を制御するものとは別のマイクロプロセッサを容易に組み込むことができ、またはコントローラ９２は、汎用動力システムマイクロプロセッサと一体化することができ、様々な動力システム機能および運転モードを制御することができる。コントローラ９２は、汎用動力システムマイクロプロセッサから離れている場合に、データリンクまたは他の方法を介して汎用動力システムマイクロプロセッサと通信することができる。電源回路、信号調整回路、アクチュエータドライバ回路（すなわち、ソレノイド、モータ、または圧電アクチュエータを駆動する回路）、通信回路、および他の適切な回路を含む、様々な他の公知の回路をコントローラ９２に接続することができる。

図示した実施形態では、コントローラ９２は、空気供給制御装置６６を制御して、第２のコンプレッサ２６から第１のコンプレッサ２４に送られる空気の流量および／または圧力を調整するために使用される。例えば、第２のコンプレッサ２６から第１のコンプレッサ２４に送られる空気圧を示す信号を生成するために、圧力センサ９４を空気供給路６０に取り付けることができる。コントローラ９２は、圧力センサ９４から信号を受け取り、空気供給制御装置６６を調整して、所望の空気圧を生じさせることができる。

別の実施形態では、空気供給制御装置６６は、コントローラ９２からの入力なしに、流れおよび圧力を調整または制御するように構成することができる。例えば、空気供給制御装置６６は、空気圧を調整するバイアス要素またはダイヤフラムなどの機械的手段を含むことができる。

コントローラ９２はまた、再循環制御弁５０を制御して、吸気システム１４に送られる排気ガスの流量および／または圧力を調整するように構成することができる。

開示した吸気システムは、吸気システム内で第１および第２のコンプレッサを利用する任意の動力システム用途に実装することができる。開示した吸気システムにより、第１のコンプレッサのオイル消費が低減される。

図示した実施形態では、動力源１２からの排気ガスは、直列配置の第２のタービン４２および第１のタービン４０に通される。それに応じて、第２のタービン４２は、第２のシャフト５６を介して第２のコンプレッサ２６を駆動し、第１のタービン４０は、第１のシャフト５２を介して第１のコンプレッサ２４を駆動する。第１のコンプレッサ２４は、吸気システム１４内の空気を第１の圧力に圧縮する。第２のコンプレッサ２６は、第１のコンプレッサ２４によってすでに圧縮された空気を、第１の圧力よりも大きい第２の圧力に圧縮する。

第２のコンプレッサ２６によって圧縮された空気の一部は、第１のコンプレッサに戻されて、第１のコンプレッサホイール２５とセンタハウジング７４との間の領域に至る。加圧した空気を第１のコンプレッサホイール２５とセンタハウジング７４との間の領域に送ることで、第１のコンプレッサホイール２５とベアリングアセンブリ８０との間に、ベアリングアセンブリ８０を潤滑するために利用されるオイル圧力よりも高い圧力領域が形成される。したがって、圧力領域は、オイルが、第１のシール８４を通り過ぎてコンプレッサハウジング７２に漏出するのを阻止する。空気路８６は、コンプレッサバックプレート７６および／または第１のターボチャージャ５４の他の部分を貫通するので、第２のコンプレッサ２６からの圧縮空気は、第１のシール８４と第２のシール８５との間に送られる。さらに、第２のコンプレッサ２６は、第１のコンプレッサ２４よりも高い圧力に空気を圧縮するので、第１のコンプレッサホイール２５とコンプレッサバックプレート７６との間の圧力は、第１のコンプレッサ２４の出力を使用した場合に供給できる圧力よりも高くなり得る。

第１のコンプレッサホイール２５とセンタハウジング７４との間の領域への空気圧および流れも、コントローラ９２および／または空気供給制御装置６６によって制御することができる。したがって、圧力は、動力システム１０の動作条件に応じて変えることができ、幅広い動作条件にわたって所望の範囲内に維持することができる。さらに、圧力しきい値に達した場合など、必要に応じて、空気流を停止することができる。

開示した排気システムに対して、様々な修正および変形を行うことができると当業者には分かるであろう。開示した排気システムの仕様および実施を検討することで、他の実施形態が当業者に明らかになるであろう。仕様および実施例は、単なる例示とみなされることが意図され、真の範囲は、添付の特許請求の範囲およびそれらの等価物によって示される。

Claims (10)

1. センタハウジング（７４）内に支持されたシャフト（５２）に取り付けられた第１のコンプレッサホイール（２５）を有する第１のコンプレッサ（２４）と、
   第２のコンプレッサホイール（２７）を有する第２のコンプレッサ（２６）と、
   圧縮空気を、第２のコンプレッサホイール（２７）の下流の領域から、第１のコンプレッサホイール（２５）とセンタハウジング（７４）との間の領域に送るように構成された流路（６０）と、
   流路（６０）に配置された制御装置（６６）であって、第１のコンプレッサホイール（２５）とセンタハウジング（７４）との間の領域に送られる、流路（６０）内の圧縮空気の流れおよび／または圧力を制御するように構成された制御装置（６６）と、
   を含む吸気システム。
2. 第２のコンプレッサ（２６）は、第１のコンプレッサ（２４）と直列に配置され、空気を第１のコンプレッサ（２４）よりも高い圧力に圧縮するように構成される、請求項１に記載の吸気システム。
3. 流路（６０）は、圧縮空気を第１のコンプレッサ（２４）のバックプレート（７６）内の流路（８６）に通す、請求項１に記載の吸気システム。
4. センタハウジング（７４）と第１のコンプレッサホイール（２５）との間に配置された環状の第１のシール（８４）をさらに含み、流路（６０）は、圧縮空気を第１のコンプレッサホイール（２５）と環状の第１のシール（８４）との間の領域に送るように構成される、請求項１に記載の吸気システム。
5. 環状の第１のシール（８４）と第１のコンプレッサホイール（２５）との間に配置された環状の第２のシール（８５）をさらに含み、流路（６０）は、圧縮空気を環状の第１のシール（８４）と環状の第２のシール（８５）との間の領域に送るように構成される、請求項４に記載の吸気システム。
6. 制御装置（６６）は、空気圧が所定の圧力しきい値を超えた場合に、流路（６０）を閉じるように構成される、請求項１に記載の吸気システム。
7. センタハウジング（７４）内に支持されたシャフト（５２）に取り付けられたコンプレッサホイール（２５）を有するコンプレッサ（２４）内のオイルシール漏れを低減する方法であって、
   第１の位置にある空気を第１の圧力に圧縮することと、
   第２の位置にある空気を第１の圧力よりも高い第２の圧力に圧縮することと、
   第２の位置で圧縮された空気をコンプレッサホイール（２５）とセンタハウジング（７４）との間の領域に送ることと、
   を含む方法。
8. 圧縮空気を、第２の位置から、コンプレッサホイール（２５）とセンタハウジング（７４）との間の領域に送ることには、圧縮空気をコンプレッサ（２４）のバックプレート（７６）内の流路（８６）に通すことがさらに含まれる、請求項７に記載の方法。
9. 第１の位置にある空気を圧縮することには、第１のターボチャージャ（５４）で空気を圧縮することがさらに含まれ、第２の位置にある空気を圧縮することには、第１のターボチャージャ（５４）によってすでに圧縮された空気を第２のターボチャージャ（５８）で圧縮することがさらに含まれる、請求項７に記載の方法。
10. 第２の位置から第１の位置に送られた圧縮空気の圧力および／または流れを調整することがさらに含まれる、請求項７に記載の方法。

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