JP2013528262A - 内燃機関用スーパーチャージャ - Google Patents

Abstract

少なくとも１つのコンプレッサインペラ（１７）を備え、吸入側（１３）および圧縮側（１２）を有するターボコンプレッサ（６）と、駆動エネルギーを蓄えるためのフライホイールマス（７）と、コンプレッサインペラ（１７）およびフライホイールマス（７）を駆動するための補助モータ（８）と、ターボコンプレッサ（６）の吸入側（１３）に配置された第１の遮断要素（１０）とを備える、内燃機関（１）用のスパーチャージャ（５）が説明される。この装置は、例えば内燃機関（１）において主たるターボチャージャとして使用される排気ガスターボチャージャ（２）のターボラグの穴埋めとして、内燃機関（１）に過給圧を一時的に供給する。この課題を解決するために、ターボチャージャ（５）によって過給圧をもたらす必要がない動作段階においてもターボコンプレッサ（６）のコンプレッサインペラ（１７）の駆動を続け、第１の遮断要素（１０）を閉じ、ターボコンプレッサ（６）の固有の圧縮性能によって吸入側コンプレッサ空気空間（１８）を真空にすることが提案される。ターボチャージャ（５）による過給圧が必要な動作段階において、第１の遮断要素（１０）が開かれ、ターボコンプレッサ（６）のコンプレッサロータ（１７）の駆動の際に補助モータ（８）がフライホイールマス（７）に蓄えられた駆動エネルギーによって補助される。

Description

本発明は、少なくとも１つのコンプレッサインペラを有し、吸入側および圧縮側を有するターボコンプレッサと、駆動エネルギーを蓄えるためのフライホイールマスと、コンプレッサインペラおよびフライホイールマスを駆動するための補助モータと、ターボコンプレッサの吸入側に配置された第１の遮断要素とを備え、第１の遮断要素とターボコンプレッサのコンプレッサインペラとの間の領域が吸入側コンプレッサ空気空間を形成し、前記ターボコンプレッサは、第１の遮断要素が閉じられた後、好ましくは専らターボコンプレッサの固有の圧縮能力によって、吸入側コンプレッサ空気空間をほぼ真空にすることができるよう設計された内燃機関用スーパーチャージャに関する。

シリンダにおける燃焼のために内燃機関へ供給される空気を内燃機関の排気ガスのエネルギーによって駆動する排気ガスターボチャージャまたは機械式のスーパーチャージャによって圧縮することが知られている。結果として、内燃機関の性能向上が達成される。機械式のスーパーチャージャを使用する場合、例えばベルト駆動を介して内燃機関によって直接駆動することができ、あるいは補助モータ、例えば電気モータによって駆動することができる。

内燃機関へ供給される空気が排気ガスターボチャージャによって圧縮される場合、例えば、内燃機関によって駆動される車両が加速する間の部分負荷範囲から全負荷範囲へ移行する場合など、緊急な負荷の要求の場合に、排気ガスターボチャージャは、内燃機関から要求されたトルクを提供するために必要な給気量を提供することができない。この結果は、しばしば「ターボラグ」とも呼ばれる。これは、ターボチャージャを駆動するための実在する排気ガスのエネルギーが、所望の過給圧を提供するためには充分でないという事実によって引き起こされる。ターボチャージャの慣性もまた、過給圧の上昇の遅れにつながる。

これらの問題は、第１には、ターボチャージャの構造的な変更、例えば可変のタービン形状を有するターボチャージャによって解決される。先行技術において知られているその他の技術的解決策は、ターボチャージャの軸に電気モータを設けることからなる（いわゆる「電気アシスト排気ガスターボチャージャ」）。

第３の選択肢は、排気ガスターボチャージャに加えて機械的に駆動されるスーパーチャージャを設け、緊急の負荷の要求のために排気ガスターボチャージャが必要とされる過給圧をすぐには提供することができず、すなわちターボラグを免れない場合に限って、スーパーチャージャによって過給圧を提供することからなる。ここで、機械式のスーパーチャージャは、原理的には内燃機関の過給に単独で使用される機械式のスーパーチャージャの大部分と同様、内燃機関によって駆動することができる。しかしながら、ここでは、機械式のスーパーチャージャは単に特定の動作点において排気ガスターボチャージャを補助しているのにすぎないため、この種の補助用の機械式のスーパーチャージャは、内燃機関そのものによって駆動されるのではなく、専用の補助モータによって駆動されることが圧倒的に多い。

このターボラグの際に、機械的に駆動される追加のスーパーチャージャが、排気ガスターボチャージャが提供することができない不足している必要な過給圧を提供することができるようにするために、機械式の追加のスーパーチャージャは、きわめて短い時間に応答しなければならない。給気する必要があるときだけ機械式のスーパーチャージャが駆動する場合、機械式のスーパーチャージャを立ち上げるため遅延が生じる。立ち上げについて、現時点において最も高速に応答するスーパーチャージャでも、３５０〜４００ｍｓ程度の起動時間が必要である。機械式のスーパーチャージャが電気モータによって駆動される場合、立ち上げの際に電気モータによるきわめて大きな電流の消費が生じる。しかしながら、この種の消費電流は、通常の１２Ｖの車に搭載された電気系統の場合、かなりの電圧低下を引き起こしかねないため許容できない。出力が２．６ｋＷ程度である場合、起動電流が３５０Ａ程度であり、定常電流が２５０Ａ程度である。

したがって、本発明は、内燃機関用の機械的に駆動されるスーパーチャージャ（以下では、「スーパーチャージャ」と称する）であって、とくには排気ガスターボチャージャを補助する意味でターボラグとして知られる状況を補填するために設けることができ、必要な過給圧を必要とされたときに速やかに提供することができると同時に、エネルギー消費も最小限であるスーパーチャージャを提供するという目的に基づく。さらに本発明は、この種のスーパーチャージャを動作させるための方法であって、第１には、要求される過給圧を迅速に提供することを可能にし、第２には、そのようなプロセスにおいて寿命全体について見たときのスーパーチャージャのエネルギー消費と個々の動作点において生じる最大エネルギー消費の両方を制限する方法を提供するという目的に基づく。

この目的は、請求項１の特徴を有するスーパーチャージャおよび請求項９の特徴を有する方法によって達成される。本発明のさらなる特徴が、従属請求項からもたらされる。

本発明によるスーパーチャージャは、ターボコンプレッサと、フライホイールマスと、補助モータと、少なくとも１つの第１の遮断要素とを備える。ターボコンプレッサは、少なくとも１つのコンプレッサインペラを有し、吸入側および圧縮側を有する。圧縮側は、ターボコンプレッサのコンプレッサインペラの圧縮された給気がより高い圧力にある側である。したがって、圧縮側は、給気の通常の流れ方向において、ターボコンプレッサの内燃機関により近い側である。

ターボコンプレッサ、フライホイールマス、および補助モータは、例えば共通の軸上に配置されることによって互いに機械的に接続される。ターボコンプレッサおよびフライホイールマスは、補助モータによって駆動される。ターボラグの際にターボコンプレッサを駆動するための駆動エネルギーはフライホイールマスに蓄えられる。

第１の遮断要素、例えば制御可能なスロットルバルブがターボコンプレッサの吸入側に配置される。第１の遮断要素とターボコンプレッサの少なくとも１つのコンプレッサインペラとの間の領域が吸入側コンプレッサ空気空間を形成し、この吸入側コンプレッサ空気空間は、ターボコンプレッサのコンプレッサインペラの吸入側の空間と、吸入側に配置された第１の遮断要素までの配管系とからなる。

ターボコンプレッサは、第１の（すなわち、吸入側の）遮断要素が閉じられた後、好ましくは、専らターボコンプレッサの固有のコンプレッサ能力によって、吸入側コンプレッサ空気空間が少なくともおおむね真空になるよう設計されている。

本発明の意味において構成されたスーパーチャージャは、吸入側の第１の遮断要素が閉じられ補助モータによって持続的に駆動するときに、持続的な状態でターボコンプレッサを駆動するために、補助モータによって提供されるわずかな動力しか必要としないという事実においてとりわけ卓越している。結果として、スーパーチャージャのターボコンプレッサを持続的に駆動された状態で動作させることができる。例えば、内燃機関を主として過給する排気ガスターボチャージャのターボラグの補填にスーパーチャージャが必要でない場合、スーパーチャージャを「スタンバイモード」で動作させるとともに、緊急な負荷の要求の場合にすぐに稼働できるよう常に保っておくことができる。この目的のため、第１の遮断要素が閉じられる。次いで、コンプレッサが、好ましくは専ら自律的に吸入側コンプレッサ空間を真空にする。吸入側コンプレッサ空間が真空になることで、コンプレッサは、それ以上の圧縮の仕事を実行する必要がほとんどない。結果として、補助モータの駆動力が大いに低減される。補助モータは、ターボコンプレッサの回転速度を所定の設定点の回転速度に保つために、実質的にターボコンプレッサの機械的損失だけを補填すればよい。

ここで、真空にするとは、技術的に可能な範囲内で、吸入側のコンプレッサ空間をできるだけ高い真空状態にすること、すなわちこの空間の圧力を可能なかぎり低くすることを意味する。絶対的な真空、すなわち空気が完全にないコンプレッサ空間は当然ながら達成できないことは理解できるであろう。

本発明によるスーパーチャージャの構成の結果として、スタンバイ動作の際、補助モータによるわずかなエネルギーの消費でスーパーチャージャのターボコンプレッサをあらかじめ設定した回転速度に保つことができる。すなわち、必要なとき（例えば、通常の動作において内燃機関を過給するために使用されるターボチャージャがターボラグを免れず、必要な過給圧をもたらすことができない場合など）に追加のスーパーチャージャの迅速な応答によって必要とされる過給圧を提供するために、ターボコンプレッサのコンプレッサインペラを連続的に駆動することができる。

しかしながら、原理的には、補助モータによって駆動される機械式のスーパーチャージャを内燃機関の唯一のスーパーチャージャとして設けることも可能であることに注意すべきである。その結果、非過給の内燃機関と比べて、急に求められるトルクをより迅速にもたらすことが可能になる。さらには、内燃機関の性能向上も達成できる。

本発明の利点は、とりわけ、ブースタのようにきわめて短い時間でターボラグを補填する過給圧を得ることができるということにある。ターボラグの持続時間は、これまでのところ、約５００〜１０００ｍｓである。現時点において最も満足できるターボチャージャは、立ち上がりに約３５０ｍｓを必要とするので上述のターボラグの持続時間の７０〜３５％が過ぎた後でなければ過給圧を提供することができない。本発明により、必要とされる過給圧は、制御技術を用いて呼び出された後、１００ｍｓ未満の応答時間で利用可能となる、すなわち、上述のターボラグの持続時間の２０〜１０％未満が過ぎた後で利用可能となる。このきわめて短い応答時間は、第１の遮断要素の応答の速さ、およびに第１の遮断要素が開かれた後のターボコンプレッサの圧力の高まりの時間によって実質的に決定される。実際の運転において、本発明によるスーパーチャージャを備えた内燃機関を装備した車両の運転手は、持続時間が１００ｍｓ未満のターボラグをほとんど認識することがなく、あるいは、もはやまったく認識することがないと考えられる。ターボラグの補填の効率が、本発明によって大幅に高められる。

スタンバイ動作の最中にターボコンプレッサによって消費される駆動力は、主として機械的な損失に打ち勝つために必要とされる。しかしながら、吸入側コンプレッサ空気空間の真空状態が不完全である場合、圧縮を実行するのに少量の駆動力が必要である。したがって、本発明の１つの有利な改良においては、ターボコンプレッサの圧縮側に第２の遮断要素を配置し、ターボコンプレッサのコンプレッサインペラと第２の遮断要素との間に形成される圧縮側コンプレッサ空気空間を実質的に真空にするための装置を設けることによって、駆動力をさらに減らすことができる。圧縮側コンプレッサ空気空間に可能なかぎり良好な真空を生成し、すなわち技術的な可能性の範囲内の絶対値に従って圧縮側コンプレッサ空気空間に可能なかぎり低い負圧を生成することは、吸入側コンプレッサ空気空間の負圧を絶対値に従ってさらに低下させることにもつながる。この場合、圧縮側コンプレッサ空気空間を実質的に真空にするための装置は、吸入側コンプレッサ空気空間を真空にすることを助ける。

圧縮側コンプレッサ空気空間をほぼ真空にするための装置は、例えば内燃機関によって駆動される車両のブレーキシステムの真空ポンプでもよく、あるいは任意の他の所望の真空ポンプであってもよい。結果として、既存の真空ポンプを利用することによって、圧縮側コンプレッサ空気空間を真空にすることができ、さらに補助的態様で、追加的にある程度吸入側コンプレッサ空気空間を真空にすることができ、したがってスタンバイ動作におけるターボコンプレッサの（したがって、補助モータの）動力消費をさらに減らすことができる。

ターボコンプレッサを駆動するための補助モータは、例えば車両に搭載された電気系統から供給を受ける電気モータであってもよい。

車両に搭載された電気系統に対する電気モータの影響を最小限にするため、例えば、車両のバッテリについて許容できない電圧低下または過度の負荷が生じないようにするため、例えば、調節装置によって電気モータの電流の消費を制限することが有益である。

ここで、本発明のさらなる利点が明らかになる。スーパーチャージャのスタンバイ動作において、電気モータは、設計に応じて、ターボコンプレッサを駆動するためにおおむね２５Ａ±５Ａ程度の大きさの電流を必要とする。これは、電気モータによって駆動される従来のスーパーチャージャの定常状態の消費電流が２５０Ａ程度の大きさであるのと比べて１０％であるという電流強度の大幅な減少を示している。圧縮側コンプレッサ空気空間を真空にするために真空ポンプが使用される場合には、消費電流を１０Ａ未満または従来のスーパーチャージャの消費電流の４％未満に削減することができる。本発明によるスーパーチャージャは、低電流であるため、電磁適合性が大幅に改善される。熱を少量しか発することがなく、ターボコンプレッサの駆動のための電気システム全体をより小さなデザインとすることができ、とくには大幅に細い断面の電気ケーブルを使用することができる。

ターボコンプレッサを、遠心コンプレッサまたは軸流コンプレッサとして構成することができる。ただ１つのコンプレッサインペラを備えた４００００〜７００００ｒｐｍの回転速度を有する遠心コンプレッサを使用することが望ましい。特に、ターボコンプレッサが軸流コンプレッサとして構成される場合には、複数のコンプレッサを軸方向に互いに直列に並べて配置することができる。

本発明のさらなる有利な改良として、スタンバイ動作からスーパーチャージ動作への移行およびスーパーチャージ動作からスタンバイ動作への移行を制御できるようにするため、制御装置によって、少なくとも第１の遮断要素を能動的に駆動することができる。

本発明のさらなる有利な改良として、任意に設けられる第２の遮断弁が逆止弁である場合に、第２の遮断要素のための制御装置を設ける必要がない。この場合、第２の遮断要素が、ターボコンプレッサの圧縮側の圧力に応じて自動的に閉じる。しかしながら、例えば制御装置によって能動的に駆動される遮断要素も、第２の遮断要素として使用することが可能である。

スーパーチャージャは、作動するために少なくとも１つのコンプレッサインペラと吸入側および圧縮側を有する少なくとも１つのターボコンプレッサと、駆動エネルギーを蓄えるためのフライホイールマスと、コンプレッサインペラおよびフライホイールマスを駆動するための補助モータと、ターボコンプレッサの吸入側に配置される第１の遮断要素とを必要とする。第１の遮断要素とコンプレッサインペラとの間の領域が、ターボコンプレッサ自体および隣接する配管系の吸入側空間からなる吸入側コンプレッサ空気空間を形成する。スーパーチャージャは、通常は排気ガスターボチャージャに追加して使用されるが、内燃機関の短時間のトルクの要求を満たすことを可能にするため、および／または内燃機関の動作範囲を広げるために単独のスーパーチャージャとして使用しても良い。

フライホイールマスは、補助モータおよび／またはターボコンプレッサの回転マスを適宜設計することによって構造的に実現することも可能である。

スーパーチャージャは、ターボコンプレッサのコンプレッサインペラおよびフライホイールマスを補助モータによって連続的に駆動することによって内燃機関とともに運転される。ターボコンプレッサによって過給圧を提供する必要がない作動時には、第１の遮断要素が閉じられる（上述の説明における「スタンバイ動作」）。その後、吸入側コンプレッサ空気空間が、好ましくは専らターボコンプレッサの固有のコンプレッサ能力によって真空にされる。

結果として、吸入側コンプレッサ空気空間が、少なくともおおむね真空にされる。すなわち、周囲の空気圧よりも圧力が大幅に低くなる。

ターボコンプレッサによって給気を圧縮する必要がある場合、例えば、内燃機関からの緊急なトルクの要求であって、トルクの要求を内燃機関と主たる過給器として用いられる排気ガスターボチャージャとの協働では満たすことができない場合（例えば、排気ガスターボチャージャのターボラグのために一時的にトルクの要求を満たすことができない場合）、第１の遮断要素が開かれる。空気が吸入側からターボコンプレッサへと流れ、流入した空気はターボコンプレッサによって直ちに要求された圧力に圧縮される。ターボコンプレッサのコンプレッサインペラは、スタンバイ動作において、すでに公称の回転速度で回転しているので、コンプレッサインペラを公称の回転速度へと立ち上げる必要がない。このようにして、機械式のスーパーチャージャによって高い過給圧に圧縮された空気をすぐに内燃機関で利用することができる。

スーパーチャージャのターボコンプレッサが内燃機関に過給圧を提供するスーパーチャージ動作の間、ターボコンプレッサの駆動は、補助モータによる持続的な駆動に加えて、フライホイールマスに蓄えられた駆動エネルギーによって大いに補助される。

第１の遮断要素が開かれ、コンプレッサインペラが圧縮作業を実行し始めたために多くの動力を消費するようになった後のターボコンプレッサの回転速度の低下は、ターボコンプレッサが突然要求する駆動モーメントを補助モータが提供することができない場合には、フライホイールマスによって軽減される。

したがって、例えば、主として内燃機関の過給に使用される排気ガスターボチャージャが、必要とされる過給圧を一時的に提供することができない場合に、ターボコンプレッサの素早い応答を確保することができる。コンプレッサインペラが常に公称の回転速度で連続的に駆動された状態にあり、直ちに圧縮を行うことができるため、過給圧が遅れることなく速やかに提供される。

機械式スーパーチャージャを突然使用する場合、コンプレッサインペラの回転速度の低下によってターボコンプレッサから提供される給気の圧力が相応に低下することは、フライホイールマスに蓄えられた駆動エネルギーによって回転速度の低下を減らすことによって軽減することができる。機械式スーパーチャージャが内燃機関に過給圧を提供する状況において、補助モータが圧力低下を補填することができない場合、コンプレッサインペラの回転速度が低下する。これは、例えば、補助モータのエネルギー消費が意図的に制限されるために、例えば、補助モータのトルクがターボコンプレッサに必要な駆動モーメントを提供するのに充分でない場合に生じうる。これらの状況において、ターボコンプレッサを駆動するためにフライホイールマスに蓄えられたエネルギーが付加的に使用され、結果として回転速度の低下が軽減される。その後、スーパーチャージャがスタンバイ、すなわち、少なくとも第１の遮断要素が閉じられ、ターボコンプレッサが圧縮を行っていない状況において、コンプレッサインペラおよびフライホイールマスの回転速度は、補助モータによって、再び公称の回転速度に戻される。

スーパーチャージャは、主として排気ガスターボチャージャのターボラグを補填するために作動するので、基本的に短い時間でしかなく、１秒に満たない程度であるので、スーパーチャージャの回転速度の低下はわずかでしかなく、したがってこの間に生じる過給圧の低下もわずかである。

吸入側コンプレッサ空気空間が真空にされた結果、ターボコンプレッサがいかなる仕事も実行する必要がなく、第１の遮断要素が閉じられている状況において、ターボコンプレッサ（したがって、補助モータ）の動力消費が最小限となり、その結果、エネルギーに関して最適な動作が実現される。

スーパーチャージャが連続的に動作することは、例えば、内燃機関のアイドリング段階などにおいても、スーパーチャージャのターボコンプレッサのコンプレッサインペラが駆動されることを意味する。しかしながら、例えば比較的長い内燃機関のアイドリングの状況など、直ちにスーパーチャージャのターボコンプレッサによる過給圧が求められることがないと予想される動作状況において、スーパーチャージャの補助モータを一時的にオフにすることも考えられる。

さらに、スーパーチャージャを動作させる方法として、ターボコンプレッサの圧縮側に第２の遮断要素を設けることによってターボコンプレッサのコンプレッサインペラと第２の遮断要素との間に圧縮側コンプレッサ空気空間を形成し、圧縮側コンプレッサ空気空間を真空にするための追加の装置によって圧縮側コンプレッサ空気空間を真空にすることは有益である。結果として、吸入側コンプレッサ空気空間を可能なかぎり充分に真空にしてもなおターボコンプレッサが消費するコンプレッサの動力をさらに減らすことができる。

圧縮側コンプレッサ空気空間は、例えば、車両にすでに存在している装置のうちの１つ、例えばブレーキシステムの真空ポンプによって真空にすることができる。

スーパーチャージャを動作する方法において、補助モータとして電気モータを使用することは有益である。この電気モータは、内燃機関を使用する車両に搭載された電気系統から供給することができる点で有利である。したがって、例えば油圧モータのような補助モータの他の実施形態とは対照的に車両の既存のエネルギー供給を使用することができる。

さらに、電気モータが補助モータとして使用される場合、スーパーチャージャの動作の際に、電気モータが消費する電流を車両に搭載された電気系統に応じて制限することは有益である。本発明において、例えば、約１００Ａ程度制限することが考えられる。スタンバイ動作からスーパーチャージ動作へ移行する際の補助モータの突然の動力の消費によって大きな電圧低下が生じることがなく、電圧が車両の電子制御ユニットの仕様上の限界を外れる結果となるような電圧低下がないように電流を制限することは有益である。これによって、車両のすべての制御ユニットが、動作の全期間において確実に動作することが確保される。

少なくとも第１の遮断要素を制御装置によって能動的に駆動することは有益である。一方、任意に設けられる第２の遮断要素は、例えば、相応の制御ユニットによって駆動されても、逆止弁として構成されることによって閉状態へと自律的に移行してもよい。

本発明による内燃機関、排気ガスターボチャージャ、および追加のスーパーチャージャの構成を示している。 本発明による内燃機関、排気ガスターボチャージャ、および追加のスーパーチャージャの構成を示しており、本発明による追加のスーパーチャージャの圧縮側圧縮機空気空間が、真空ポンプによって真空にされている。 真空ポンプを備える本発明によるスーパーチャージャの一実施形態を示しており、この実施形態においては、ターボ圧縮機が遠心圧縮機として構成されている。

本発明の実施形態を、添付の図面を使用して以下で説明する。

図１は、通常の動作において、排気ガスターボチャージャ２によって過給圧が内燃機関１に供給され、排気ガスターボチャージャ２が機械式のスーパーチャージャ５（以下、スーパーチャージャという。）によって補助される構成を示している。スーパーチャージャ５のターボコンプレッサ６によって圧縮された空気が、排気ガスターボチャージャ２のコンプレッサ４の吸入側１５に供給される。すなわち、図１に示した構成においては、排気ガスターボチャージャ２の吸入側１５とスーパーチャージャ５の圧縮側１２は互いに接続されている。さらに、ターボコンプレッサ６によって圧縮側１２に生成される過給圧が吸気管２１に逆流することがないように逆止弁２０が設けられている。

排気ガスターボチャージャ２は、内燃機関１の排気ガスの質量流によって動作するとともに、排気ガスターボチャージャ２のコンプレッサ４を駆動するタービン３で構成される。排気ガスターボチャージャ２のコンプレッサ４によって吸気管２１を通って吸い込まれた吸入側１５の空気が、コンプレッサ４の圧縮側１４に向かって圧縮され、次いで内燃機関１へ送り込まれる。

スーパーチャージャ５は、補助モータ８によって駆動されるターボコンプレッサ６を備えている。補助モータ８はまた、フライホイールマス７をも駆動する。

図１は、車に搭載された電気系統９からエネルギーが供給される電気モータである補助モータ８を示している。しかしながら、任意の他の所望の補助モータの実施形態も使用可能である。

スーパーチャージャ５のターボコンプレッサ６は、吸入側１３および圧縮側１２を有している。遮断要素１０が吸入側１３に配置されている。

排気ガスの質量流が少なすぎるという理由で、内燃機関１から要求されるトルクを達成するために必要な過給圧を排気ガスターボチャージャ２が単独では提供することができない動作点において、スーパーチャージャ５のターボコンプレッサ６から追加する必要がある過給圧が提供される。

この「スーパーチャージ動作」において、遮断要素１０が開かれる。空気は、遮断要素１０およびターボコンプレッサ６の吸入側１３を通り、例えば車両の空気フィルタ（図示しない）から到来する吸気管２１を通ってターボコンプレッサ６によって吸い込まれる。空気は、ターボコンプレッサ６によって圧縮される。図１に示す構成においては、スーパーチャージャ５から提供される給気がコンプレッサ４の吸入側１５に供給され、結果として、排気ガスターボチャージャ２とスーパーチャージャ５からの空気を合わせた空気の質量流が一緒に内燃機関１のシリンダに流れ込む。

排気ガスターボチャージャ２のコンプレッサ４のコンプレッサ能力が、内燃機関１から要求されるトルクに必要な過給圧を単独で提供するのに充分である場合、スーパーチャージャ５は、スタンバイ動作にて動作する。そのため、まず、遮断要素１０が閉じられる。補助モータ８は、スーパーチャージャ５のターボコンプレッサ６を駆動し続ける。したがって、スタンバイ動作においても、スーパーチャージャ５のターボコンプレッサ６のコンプレッサインペラ１７（図３に示す）は、補助モータ８によって引き続き駆動される。内燃機関の比較的長いアイドリング状態など、比較的長い時間スーパーチャージャ５によって過給圧をもたらす必要がないと予想される動作状態においてのみ、スーパーチャージャ５を完全にオフにすることが考えられる。

スタンバイ状態において、ターボコンプレッサ６が、コンプレッサインペラ１７と遮断要素１０との間に位置するとともに、ターボコンプレッサ６のハウジングの吸入側の壁によって境界付けられた図３に示す吸入側コンプレッサ空気空間１８を自動的に真空にする。

吸入側コンプレッサ空気空間１８がターボコンプレッサ６によっておおむね真空にされた場合、結果として、ターボコンプレッサ６が行なう圧縮は大幅に減少する。完全な真空（現実には達成できないが）の場合には、圧縮がまったく行なわれない状態になると考えられる。この動作状態において、補助モータ８は、ターボコンプレッサ６の摩擦損失だけを補えばよく、完全でない真空の場合は少量の追加の圧縮の作業を果たすだけでよい。結果として、この動作状態において、補助モータ８のエネルギー消費はきわめて少ない。

同時に、スーパーチャージャ５がスーパーチャージ動作へ突然移行する場合に、最初に、スーパーチャージャ５を公称の回転速度にするの事前の段階を必要とせずに所望の過給圧を速やかに提供するために、スーパーチャージャ５のターボコンプレッサ６のコンプレッサインペラ１７が、スタンバイ動作においても所定の回転速度で連続的に回転することが確保される。したがって、スタンバイ動作からスーパーチャージ動作へ移行する際、スーパーチャージャ５の立ち上げの段階が回避されることによって、内燃機関が必要とする過給圧をより迅速に提供することができ、内燃機関１は要求されたトルクを直ちに出力することができる。

排気ガスターボチャージャ２は、一般に、単独で、追加のスーパーチャージャ５を必要とすることなく、おおむね１秒以下の短い時間で内燃機関１が要求する過給圧を提供することができるため、この時間の経過後にスーパーチャージャ５を再びスタンバイ段階へと切り換えることができる。ここで、上述のように吸入側の遮断要素１０が閉じられる。次いで、ターボコンプレッサ６が、遮断要素１０とコンプレッサインペラ１７との間の吸入側コンプレッサ空気空間１８を真空にする。補助モータ８が、ターボコンプレッサ６およびフライホイールマス７の駆動を続ける。ターボコンプレッサ６の動力消費が少ないため、少量のエネルギーを提供すればよい。

補助モータ８によってもたらされるトルクの程度によるが、スーパーチャージャ５のスーパーチャージ動作の際に、圧縮された給気に対してターボコンプレッサ６が実行しなければならない圧縮が、補助モータ８によってもたらされる駆動トルクよりも大きいので、ターボコンプレッサ６の回転速度の低下が生じることがある。これは、第１には補助モータ８の大きさに起因して生じるが、さらに第２には、例えば、補助モータ８が車に搭載された電気系統によって電流が供給される電気モータである場合に、例えば、車に搭載された電気系統に許容できない電圧低下が生じないように電気モータの消費電流が制限されるということに起因して生じる。この場合に、ターボコンプレッサ６によって要求されたトルクと補助モータ８が出力するトルクとの間の相違に起因する回転速度の過度の低下は、フライホイールマス７に蓄えられた駆動エネルギーによって補填される。このフライホイールマス７に蓄えられた駆動エネルギーは、少なくとも一時的に、スタンバイ動作からスーパーチャージ動作に急に移行する際に、ターボコンプレッサ６のコンプレッサインペラ１７の回転速度がおおむね維持され、公称回転速度を過度に低下することがないことを確保し、結果としてスーパーチャージャ５のターボコンプレッサ６が、要求されるとおりの充分な過給圧を供給し続けることができることを確保する。スーパーチャージャ５の動作段階は一般には１秒よりも短く、通常は排気ガスターボチャージャ２のターボラグを補填するだけなので、フライホイールマス７の作動モードに起因して生じる回転速度の低下はわずかでしかない。

ターボコンプレッサ６が少量の駆動力しか必要としないスーパーチャージ段階に続くスタンバイ段階において、ターボコンプレッサ６と、フライホイールマス７と、補助モータ８とからなるシステムは、補助モータ８によって再びゆっくりと公称の回転速度に戻る。これにより、フライホイールマス７が再び駆動エネルギーを蓄え、これが、上述のように、その後のスーパーチャージ段階においてターボコンプレッサ６をさらに駆動するとともに、補助モータ８によってターボコンプレッサ６を駆動するために再び使用される。

図２は、さらなる有益な実施形態を示している。この実施形態は、図１に示す実施形態の変形であり、逆止弁の形態の第２の遮断要素１１および真空ポンプ１６がターボコンプレッサ６の圧縮側１２に配置されている。真空ポンプ１６は、ターボコンプレッサ６の圧縮側１２のスーパーチャージャ５の圧縮側コンプレッサ空気空間１９（図３に示す）に接続されている。圧縮側コンプレッサ空気空間１９は、遮断要素１０が閉じられた後、スタンバイ段階に移行する際に前記真空ポンプ１６によって真空にされる。ここで、逆止弁として構成された遮断要素１１が自動的に閉じる。このようにして圧縮側コンプレッサ空気空間１９が真空にされることで、吸入側コンプレッサ空気空間１８内の真空がさらに向上し、ターボコンプレッサ６によって実行される圧縮の仕事、したがってスタンバイ動作における補助モータの動力の消費をさらに減らすことができる。

スーパーチャージャ５がスタンバイ段階からスーパーチャージ動作に移行した直後、スーパーチャージャ５のターボコンプレッサ６によって、排気ガスターボチャージャ２のコンプレッサを通って圧縮された吸気を内燃機関１に流すために、逆止弁を構成する遮断要素１１が自動的に開く。図２の変形において、遮断要素１１を外部のコントローラによって開閉される操作可能な弁として構成することもできる。

真空ポンプ１６は、スーパーチャージャ５のためにとくに設けられる真空ポンプであってもよい。しかしながら、内燃機関を用いた車両にすでに存在している真空ポンプを使用することは有益である。この目的のためには、ブレーキシステムの真空ポンプがとくに好適である。

図３は、本発明によるスーパーチャージャ５の一実施形態を示しており、この実施形態においては、ターボコンプレッサ６は、コンプレッサインペラ１７を１つだけ備えた遠心コンプレッサとして構成されている。コンプレッサ羽根板を公知の方法で設けたコンプレッサインペラ１７が、コンプレッサハウジング２２によって側方が囲まれた空間を、一方の側の吸入側コンプレッサ空気空間１８と、他方の側の圧縮側コンプレッサ空気空間１９とに分割している。図示された実施形態において、圧縮しようとする空気または圧縮された空気がスーパーチャージャ５を通って流れる貫流方向Ｒにおいて、コンプレッサ空気空間１８および１９は、吸入側においては回転式のスロットバルブとして構成された遮断要素１０によって区切られ、圧縮側においては逆止弁として構成された遮断要素１１によって区切られている。逆止弁のボールが、ばね２５によって閉位置へ押圧されている。該当の車両に他の目的のためにすでに存在する真空ポンプ１６が、ソレノイドバルブ２３を介して圧縮側コンプレッサ空気空間１９に接続されている。ソレノイドバルブ２３は、制御ライン２４によって遮断要素１０に接続されている。

スタンバイ動作においては、遮断要素１０が閉じられ、ソレノイドバルブ２３が開かれる。したがって、吸入側コンプレッサ空気空間１８は、コンプレッサインペラ１７の固有のコンプレッサ能力の助けによって真空にされる一方、圧縮側コンプレッサ空気空間１９は、真空ポンプ１６の助けによって矢印Ｕに従って真空にされる。遮断要素１１は、圧縮側コンプレッサ空気空間１９の圧力の低下によって自動的に閉じている。コンプレッサインペラ１７は、公称の回転速度で回転し、電気モータとして構成された補助モータ８は、少ない電流の消費でコンプレッサインペラ１７およびフライホイールマス７を駆動する。

スーパーチャージャ５によって過給圧をもたらす場合には、ソレノイドバルブ２３が開かれると同時に、制御ライン２４を介して遮断要素１０が開かれる。次いで、真空ポンプ１６が圧縮側コンプレッサ空気空間１９から切り離され、コンプレッサインペラ１７は、開いた遮断要素１０および吸入側コンプレッサ空気空間１８を通った空気を圧縮するために急激に吸い込む。同様に、圧縮された空気が、圧縮側コンプレッサ空気空間１９および自動的に開く遮断要素１１を通って、排気ガスターボチャージャ２のコンプレッサ４の圧縮側１５（図２に示す）に急激に送り込まれる。

専らスタンバイ動作において圧縮側コンプレッサ空気空間１９を真空にするために働き、その他の点では車両の他のシステムのためのいかなる仕事も実行しない追加の真空ポンプを真空ポンプ１６として車両に設ける場合には、図３に示すソレノイドバルブ２３を省略することができ、追加の真空ポンプをスタンバイ動作とスーパーチャージ動作との間の移行のために直接動作させることができる。

内燃機関１は、ガソリンエンジンまたはディーゼルエンジンであってもよい。本発明の結果として、ディーゼルエンジンが使用される場合に、（これまでに達成された１５．８：１程度の圧縮比と比べ）このディーゼルエンジンにおける最適な圧縮比を約１４：１に設定することができる。結果として、例えば、ディーゼルエンジンの着火の挙動を最適化することができる。

１ 内燃機関
２ 排気ガスターボチャージャ
３ 排気ガスターボチャージャのタービン
４ 排気ガスターボチャージャのコンプレッサ
５ スーパーチャージャ
６ スーパーチャージャのコンプレッサ
７ フライホイールマス
８ 補助モータ
９ エネルギーの供給
１０ 第１の遮断要素
１１ 第２の遮断要素
１２ スーパーチャージャの圧縮側
１３ スーパーチャージャの吸入側
１４ 排気ガスターボチャージャの圧縮側
１５ 排気ガスターボチャージャの吸入側
１６ 真空ポンプ
１７ コンプレッサインペラ
１８ 吸入側コンプレッサ空気空間
１９ 圧縮側コンプレッサ空気空間
２０ 逆止弁
２１ 吸気管
２２ コンプレッサハウジング
２３ ソレノイドバルブ
２４ 制御ライン
２５ ばね

Claims (18)

1. 内燃機関（１）用のスーパーチャージャ（５）であって、
   少なくとも１つのコンプレッサインペラ（１７）を有し、吸入側（１３）および圧縮側（１２）を有するターボコンプレッサ（６）と、
   駆動エネルギーを蓄えるためのフライホイールマス（７）と、
   前記コンプレッサインペラ（１７）および前記フライホイールマス（７）を駆動するための補助モータ（８）と、
   前記ターボコンプレッサ（６）の吸入側（１３）に配置された第１の遮断要素（１０）とを備え、
   前記第１の遮断要素（１０）と前記ターボコンプレッサ（６）の前記コンプレッサインペラ（１７）との間の領域が吸入側コンプレッサ空気空間（１８）を形成し、前記ターボコンプレッサ（６）は、前記第１の遮断要素（１０）が閉じられた後、前記吸入側コンプレッサ空気空間（１８）を前記ターボコンプレッサ（６）の固有のコンプレッサ能力によって実質的に真空にすることができるよう設計されている内燃機関用のスーパーチャージャ。
2. 前記ターボコンプレッサ（６）の圧縮側（１２）に第２の遮断要素（１１）が配置され、前記ターボコンプレッサ（６）の前記コンプレッサインペラ（１７）と前記第２の遮断要素（１１）との間の領域が圧縮側コンプレッサ空気空間（１９）を形成し、前記圧縮側コンプレッサ空気空間（１９）を実質的に真空にするための装置が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のスーパーチャージャ（５）。
3. 前記圧縮側コンプレッサ空気空間（１９）を実質的に真空にするための装置は、車両のブレーキシステムの真空ポンプ（１６）であることを特徴とする請求項２に記載のスーパーチャージャ（５）。
4. 前記補助モータ（８）は車両に搭載された電気系統（９）から供給を受ける電気モータであることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のスーパーチャージャ（５）。
5. 前記電気モータの電流の消費を制限するための調節装置が設けられていることを特徴とする請求項４に記載のスーパーチャージャ（５）。
6. 前記ターボコンプレッサ（６）は遠心コンプレッサであることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のスーパーチャージャ（５）。
7. 少なくとも前記第１の遮断要素（１０）は制御装置によって能動的に駆動することができることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のスーパーチャージャ（５）。
8. 前記第２の遮断要素（１１）は逆止弁であることを特徴とする請求項３又は請求項２に従属する請求項４から７のいずれか一項に記載のスーパーチャージャ（５）。
9. 少なくとも１つのコンプレッサインペラ（１７）を有し、吸入側（１３）および圧縮側（１２）を有するターボコンプレッサ（６）と、前記コンプレッサインペラ（１７）を駆動するための補助モータ（８）と、駆動エネルギーを蓄えるためのフライホイールマス（７）と、前記ターボコンプレッサ（６）の前記吸入側（１３）に配置された第１の遮断要素（１０）とを備え、前記第１の遮断要素（１０）と前記ターボコンプレッサ（６）の前記コンプレッサインペラ（１７）との間の領域が吸入側コンプレッサ空気空間（１８）を形成するスーパーチャージャ（５）を内燃機関と一緒に作動させるための方法であって、
   前記補助モータ（８）によって、前記ターボコンプレッサ（６）の前記コンプレッサインペラ（１７）および前記フライホイールマス（７）をコンスタントに駆動する工程と、
   少なくとも前記第１の遮断要素（１０）を閉じ、前記ターボコンプレッサ（６）の固有のコンプレッサ能力によって前記吸入側コンプレッサ空気空間（１８）を実質的に真空にする工程と、
   前記内燃機関（１）が所定のトルクをもたらすことができない場合にのみ前記第１の遮断要素（１０）を開き、前記ターボコンプレッサ（６）の前記コンプレッサインペラ（１７）が駆動する間、前記フライホイールマス（７）に蓄えられた駆動エネルギーによって前記補助モータ（８）を補助する工程からなる方法。
10. 前記スーパーチャージャ（５）は排気ガスターボチャージャ（２）に加えて使用され、前記内燃機関（１）が前記排気ガスターボチャージャ（２）との協働だけでは所定のトルクをもたらすことができない場合にのみ前記第１の遮断要素（１０）が開かれることを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記スーパーチャージャ（５）は、前記ターボコンプレッサ（６）の前記圧縮側（１２）に第２の遮断要素（１１）を有し、前記ターボコンプレッサ（６）の前記コンプレッサインペラ（１７）と前記第２の遮断要素（１１）との間の領域が圧縮側コンプレッサ空気空間（１９）を形成し、前記圧縮側コンプレッサ空気空間（１９）を真空にするための装置によって前記圧縮側コンプレッサ空気空間（１９）を実質的に真空にする工程からなることを特徴とする請求項９または１０に記載の方法。
12. 前記圧縮側コンプレッサ空気空間（１９）を真空にする工程は、前記内燃機関（１）を備えた車両のブレーキシステムの前記真空にするための装置を形成する真空ポンプ（１６）によって行なわれることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 前記第２の遮断要素（１１）は、前記圧縮側コンプレッサ空気空間（１９）を真空にする動作の状況において閉状態へと移行することを特徴とする請求項１１または１２に記載の方法。
14. 前記第２の遮断要素（１１）は、前記閉状態へと自動的に移行することを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. 前記補助モータ（８）は電気モータであり、前記内燃機関（１）を備えた車両に搭載された電気系統（９）から供給を受けることを特徴とする請求項９〜１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 前記電気モータが消費する電流が制限されていることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 前記電流は、前記車両に搭載された電気系統（９）に前記車両の電子制御ユニットの所定の規格限界を超えた電圧低下が生じないよう制限されることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
18. 少なくとも前記第１の遮断要素（１０）が制御装置によって能動的に駆動されることを特徴とする請求項９〜１７のいずれか一項に記載の方法。