JP3789149B2 - ターボコンパウンド型燃焼エンジン - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はターボコンパウンド型燃焼エンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
４行程の燃焼エンジンのブレーキ効果を改善するための既知の手段は、排気ガスマニホルドの出口に排気ガスブレーキダンパを配置することである。この排気ガスダンパを閉じると、エンジンは排気行程中に排気ガスを閉じられたダンパに向かってポンプ作用させ、その結果エンジンブレーキ効果を増加させる。なかでもブレーキ効果の応答をより速くするために、排気ガスブレーキダンパをシリンダーの排気ガス弁に対してできるだけ近接して配置する努力がなされてきており、好ましくは、シリンダー状の排気ガス支管が合流して共通の排気ガスダクトを形成する部位の直後に配置する努力がなされてきている。ある種の場合には、エンジンの排気ガス側における脈動ノイズを減少させるために、２あるいはそれ以上の別々の排気ガスマニホルドが排気ガスをタービン内に２あるいはそれ以上の案内レールを有したタービンに導いている過給機（スーパーチャージャー）の直後にダンパを位置させてもよい。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ターボコンパウンド型エンジンに関して言うと、ターボコンパウンド型エンジンのブレーキ効果を増加させようとするための多数の解決法に対して特許がなされてきている。
例えば、ヨーロッパ特許第２７２６８０号や米国特許第４７４８８１２号はいわゆるジェイクブレーキ（Ｊａｋｅ ｂｒａｋｅ）を有したエンジンに関する解決法が示されている。そのようなブレーキは圧縮行程の終期に排気ガス弁を少し開くことによりエンジンブレーキを作動させる。記述した既知の解決法は、過給機タービンと出力タービンとの間に配設された特別な排気ガスダンパを用いており、スロットルダクトが開くと同時に過給機タービンからの流れを閉じ、従って、出力タービンは出力タービンの伝達装置が逆転されると同時にスロットルに対してポンプ作用をすることができるようになっている。この解決法は幾つかの歯車を有した逆転可能なギャボックスを含んでいて、技術的に複雑になり、高価になる。
【０００４】
米国特許第５１１９６３３号は、いわゆるジェイクブレーキを備えたエンジンの他の例を示しており、出力タービンの単純なバイパスがエンジンブレーキが作動するやいなや作動する。増加するブレーキ効果はクランクシャフトへ供給される出力タービン駆動出力によって達成されるようになっており、クランクシャフトは出力タービンへの流れがなくなるので、大きく分離される。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、コンパウンド型燃焼エンジン、特に重量トラックやバスのための駆動装置の一部を形成するエンジンにおいて、エンジンブレーキ効果、特に高速エンジン速度の時のブレーキ効果を極めて大きく改善することにある。
【０００６】
第２の目的は、排気ガスの温度を余り高くせず、あるいは排気ガスの背圧をあまり大きくしないで、より大きなブレーキ効果を提供することにある。
【０００７】
更に他の目的は、与えられたブレーキ効果において、基本エンジンにかかる温度負荷と圧力負荷とを減少させ、それによって基本エンジンや、燃焼噴射器およびシールの使用寿命を長くし、過大温度に到達せずにエンジンブレーキの作動期間をより長くすることにある。
【０００８】
他の目的は、多数の歯車からなる特別な逆転可能な機械的伝達装置や、複雑な排気ゲート装置を必要とせずに、機械的に単純でかつ安価な系統を有した、ターボコンパウンド型のエンジンに、大きなエンジンブレーキ効果を提供することにある。
【０００９】
これらの点に関して、本発明の特徴は特許請求の範囲第１項の特徴部分に示されている。
【００１０】
【実施例】
図１は好ましくは大型トラックあるいは大型バスのための駆動装置の一部を形成しているターボコンパウンド型の燃焼エンジン７を示す。このエンジンは好ましくは直接噴射式のディーゼルエンジンであり、排気ガスによって駆動されるタービン３とタービン軸１９に設けられたコンプレッサー４とを有する過給機１４が、燃焼空気を圧縮、供給するために用いられる。
【００１１】
入口空気は、従来通り、図中の白い矢印によって示されるように、入口ダクト１５を通って、図示されてはいないが空気フィルターを通り、最初にコンプレッサー４へ送られ、その後で、給気クーラ５へ送られ、その結果として圧縮されかつ冷却された空気がエンジン入口の分岐管９（図示せず）へ供給される。エンジンからの排気ガスは最初に排気ガスマニホルド８に集められ、次に図中の黒色の矢印によって示されるように、第１排気ガスダクト１１、ここでは分割されたタービン３へのらせん状の入口、を通ってコンプレッサーを駆動するための過給機タービン３へ導かれる。その後、排気ガスは第２排気ダクト１２を通って、出力タービン２へ送られ、また従来通りに第３排気ガスダクト１３を通って、図示されてはいないサイレンサーや多分排気ガス浄化装置へ送られる。出力タービン２はターボコンパウンド型エンジンにおいて、排気ガスが過給機タービンを通過した後に、排気ガスから残留エネルギーを抽出するために用いられる。排気ガスは通常のエンジン回転数の場合、出力タービンを毎分６０，０００回転にもおよぶ極めて高速で駆動させるが、この通常のエンジン回転数は、重量トラックのディーゼルエンジンの場合で毎分約１４００ないし２０００回転である。結果として得られる駆動トルクは伝達機構１を介して燃焼エンジンのクランクシャフト１０へ伝達される。伝達機構は回転速度を段階的に降下させ、また流体クラッチ１６を効果的に組み込んでいる。駆動装置の総合効率は、燃焼空気を圧縮して、正の駆動トルクをエンジンのクランクシャフトに供給するために、排気ガスをよりよく利用することによって改善される。排気ガスの支管８における約６５０℃の通常の排気ガス温度から、排気ガスの温度は、単純な過給機エンジンとコンパウンドエンジンとにおいて、過給機タービン３を通過することにより約１５０℃低下するが、コンパウンドエンジンでは排気ガスの温度は出力タービン２を通過する時に更に１００℃−１１０℃低下する。この事実はタービンを通過する時に大きく圧力降下することと組み合って、大量のエネルギーが出力タービンによって利用され、かつ燃焼エンジンのクランクシャフトに供給されることを意味している。
【００１２】
本発明の特徴は、出力タービンの出口に連結された第３の排気ガスダクト１３の出力タービン２の下流側に、可変的なスロットルダンパ、好ましくは、排気ガスブレーキダンパ６が配置されている点である。このような位置関係によると、エンジンとダンパとの間で集められる排気ガスの容積が比較的大きくなり、このことは全体的なエンジンブレーキ効果を得るための応答時間に関する明確な利点である。しかしながら、通常のエンジン速度においては、この排気ガスの容積は、ブレーキ効果の目立った遅れもなく比較的速く満たされる。
【００１３】
排気ガスダンパ６は、所定の閉鎖力を有したサーボがダンパに作用している図１に示したような閉位置において、ガス漏洩のないシールを提供するように設計されている。サーボは圧力制御された制御シリンダー１８の形をとっていてもよく、これは圧力アキュムレータ１７に連結された制御弁２１を開くことによって加圧される。重量車両の場合には、圧力アキュムレータ１７はブレーキやその他の設備に関して用いられる圧縮空気装置の一部分を従来のように形成していてもよく、かつアキュムレータ１７の中に系統圧力を維持するためのコンプレッサー２６を組み入れている。
【００１４】
制御シリンダー内に配置された戻しばね２４の作用に抗して排気ガスダンパ６を閉鎖させることになる弁２１の開放操作は、自動車の運転手によって行われるエンジンブレーキ操作に応じて制御装置２０を介して制御されるが、このことは運転手がブレーキペダル２５を踏んだ後で自動的に行われ（このことはブレーキペダル接点２２を介して検出される）るか、あるいは運転手が特別なエンジンブレーキ制御装置２３を作動させた時に行われる。
【００１５】
気密性ダンパを圧力制御することによって、エンジンと排気ガスダンパとの間に位置する排気ガス容積が急速に満され、加圧されることになり、それによってエンジンを流れる空気の流れが少ないエンジン低速度の場合でも、エンジンブレーキの迅速かつ良好な応答が得られる。
【００１６】
他の既知の場合においては、排気ガスダンパには、最大排気ガス圧力を制限する目的で、所定のリークギャップが設けられている。そのような解決法は、エンジン速度が低い場合にエンジンブレーキの応答をより遅くし、その効果をより小さくするという欠点を有している。リークギャップはまた、エンジンの排気ガス弁に関する弁ばねをより弱くして、従って、排気ガスマニホルド内の排気ガス圧力が高くなって、排気ガス弁の開放を開始させるという危険性をなくすることを可能にしているが、排気ガス弁がエンジンサイクルの中で全く不適切な時期に開き、かつ作用するという危険性が次に生じる。
【００１７】
しかしながら、本発明によると、排気ガスダンパが所定の閉鎖力において、気密性シールを提供することが利点である。このことは、排気ガスダンパを閉じてエンジンブレーキに切り替わった時に、出力タービンが排気ガスを排気ガスダンパに対してポンプ作用を開始し、出力タービンの下流側を閉鎖力に対応した排気ガス圧力に維持することを意味している。この目的のために、排気ガスダンパには排気ガスダクト１３に関して偏心した枢軸が設けられていて、ダンパの大きい方の半体が下流側に向けられていることが好ましく、従って、閉鎖運動の間にはダンパの大きい方の半体が排気ガス流に対抗して移動する。そのような偏心的な排気ガスダンパは、排気ガス圧力が大きくなり過ぎた時に開く。
【００１８】
エンジンブレーキが作動していない常時にも出力タービンからクランクシャフトへ流れていた出力ガスの流れが、エンジンブレーキに切り替わった時には、逆転してエンジンから出力タービンへ流れる。このことは、出力タービンの伝達装置１内に配置された流体クラッチ１６がエンジンブレーキの時には、正のスリップの代わりに負のスリップをすることを意味している。スリップは普通は約３ないし５％である。スリップのパーセンテージは、１００−（η_pump−η_turb）／η_pumpで表わされ、ここでη_pumpはタービンに連結された流体クラッチの半体の回転速度を示し、η_turbはエンジンのクランクシャフトに連結された流体クラッチの半体の回転速度を示す。
【００１９】
２つの同一の６気筒、１１リットルのディーゼルエンジン、一方は過給機のみが設けられていて、排気ガスブレーキが過給機タービンの出口より後に位置しているターボエンジンと呼ぶエンジンであり、他方は過給機タービンの下流側に出力タービンが設けられていて、排気ガスブレーキが出力タービンの下流側に配置されているコンパウンドエンジンと呼ぶエンジンを実際的に比較すると、許される最大排気ガス温度において、コンパウンドエンジンの方にエンジンブレーキ効果がかなり増大するということがわかる。毎分約２３００回転という全速力でエンジンが作動している時に排気ガスブレーキをかけると、コンパウンドエンジンは排気ガス温度と排気ガスブレーキのタイプとが同じ場合に、最大排気ガス温度を越えることなしに、ターボエンジンのブレーキ効果よりほぼ２７％大きなブレーキ効果を得ることができる。
【００２０】
テストによると、排気ガス温度が１℃上昇する毎に、コンパウンドエンジンでは０．６０ｋｗのブレーキ効果を増大させ、ターボエンジンでは約０．４５ｋｗのブレーキ効果の増大であることがわかる。
【００２１】
排気ガスダンパの前における排気ガス圧力に関するテストによると、コンパウンドエンジンでは圧力が１バール増加するごとに４３．５ｋｗのブレーキ効果が得られ、他方ターボエンジンでは約３４．６ｋｗの増加であることがわかる。これらの結果は、純粋なターボエンジンと比較した“ジェイクブレーキ”によって制御されるエンジンにおけるバイパス出力タービンに適用された米国特許第５１１９６３３号によるブレーキトルクの増加と比較してもよい。圧縮サイクルの閉鎖段階中に排気ガス弁を開くために特別な装置を設け、かつ出力タービンにバイパス制御装置を設けたこのより複雑なエンジンは、ブレーキトルクを２５％以上に増加させるために要求されている。
【００２２】
本発明によるような、出力タービンの下流側に排気ガスダンパを設けた単純な装置は、必ずしもではないが好ましくはバイパスダクトを省略することができ、極めて単純な装置によってエンジンブレーキ効果を少なくとも同じように改善することができる。
【００２３】
出力タービンの下流側に配置された排気ガスブレーキのスロットルが、与えられた限定的な許容排気ガス温度において、ブレーキ効果をそのように大きく増加させることができる理由は、出力タービンがエンジンによって駆動されるように切り替わるからであり、それによって多くの効果が発生する。最初に生じる効果は、クランクシャフトがコンプレッサー状態になってポンプとして出力タービンを駆動させるように切り替わった時にクランクシャフトに伝えるブレーキトルクであり、排気ガスは排気ガスダンパに対してポンプ作用される。出力タービンは圧力制御の気密性ダンパと協動して排気ガス圧力を増加した状態に維持し、これは排気ガスダンパを閉状態に維持しておくのに必要な制御圧力と一致する。出力タービンが原理的には最大効率で排気ガスによって駆動されるという事実は、その逆のポンプ機能は、排気ガスブレーキの作動中は、効率が低いということを意味している。このことは出力タービンにかかる温度負荷を増加させる大きな乱流の形成にも反映される。しかしながら、出力タービンから得られるポンプ効果は基本エンジンを通過する質量流量を、与えられたブレーキ効果を維持しながら増加させ、それによって基本エンジン及びエンジン冷却装置にかかる温度負荷を軽減させることになる。
【００２４】
与えられた全体的なブレーキ効果に関して言うと、本発明による排気ガスブレーキの位置どりによって、排気ガスが加えられた時にエンジンを通る質量流量は増加するが、基本タービンにかかる温度負荷は出力タービンにかかる温度負荷よりもかなりの程度低下するという効果が得られる。この質量流量の増加は、部分的にはある程度まで出力タービンから得られポンプ効果によるものである。その結果、総合ブレーキ効果は、例えば、排気ガスブレーキの制御圧力を増加させることによって増加させることができ、エンジンから出る排気ガスの温度は、過給機タービンの後に排気ガスブレーキを配置した従来型の過給機エンジンと同じ程度にまでなることができる。
【００２５】
総合ブレーキ効果は２つの要素、すなわち、基本エンジンのブレーキ効果と、出力タービンからクランクシャフトに供給されるブレーキトルクとからなっている。これら２つの要素は一緒になって、エンジンを出ていく排気ガスの温度を与えられた許容温度にしながら、従来型の過給機エンジンで得られる総合ブレーキ効果よりもかなり大きなブレーキ効果を与えることになり、それに対し、過給機エンジンでは排気ガスブレーキは過給機タービンの後に配置されていて、ブレーキ効果は基本エンジンからしかこないことになっている。
【００２６】
他の解決法（図示せず）によると、気密性ダンパは、サーボによって閉鎖維持される。このサーボは、排気ガス圧力によっては作動せず、従ってダンパは開き、また排気ガスダンパは燃焼エンジンの排気ガスマニホルドにおける排気ガスの温度を検出する温度制御によって制御される。しかしながら、この解決法は、従来型の排気ガスダンパを用いる場合には、非常に応答速度の速い温度センサーを用いる必要がある。本質的なことは、エンジン排気ガスマニホルド内の温度が、エンジンの噴射器やガスケットに影響を与えるような温度を越えないようにすることである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による排気ガスブレーキがコンパウンドタービンの下流側に配置されたタービンコンパウンド型の燃焼エンジンの概略図。
【符号の説明】
２ 出力タービン
３ 過給機タービン
４ コンプレッサー
６ ブレーキスロットル
７ 燃焼エンジン
８ 排気ガスマニホルド
１０ クランクシャフト
１１ 第１排気ガスダクト
１２ 第２排気ガスダクト
１３ 第３排気ガスダクト
１６ 流体クラッチ
１８ サーボ機構
１９ シャフト

Claims (5)

1. 燃焼エンジンからの排気ガスを受留めて、第１排気ガスダクト（１１）を通って、エンジンに供給される燃焼空気のためのコンプレッサー（４）を駆動する過給機タービン（３）へ通過させる排気ガスマニホルド（８）と、前記過給機タービンの出口に連結された第２排気ガスダクト（１２）の過給機タービンの下流側に配置された出力タービン（２）とを具備し、前記出力タービンが伝達装置（１）を介して、排気ガスから抽出されたエネルギーを燃焼エンジンのクランクシャフト（１０）へ伝達するターボコンパウンド型燃焼エンジン（７）において、排気ガスブレーキスロットル（６）、好ましくは排気ガスダンパが、出力タービンの出口に連結された第３排気ガスダクト１３に配置されていることを特徴とするターボコンパウンド型燃焼エンジン。
2. 出力タービンの前記伝達装置（１）が機械的なものであり、出力タービン（２）とクランクシャフト（１０）との間の速度差を吸収することのできる流体クラッチ（１６）を有している請求項１記載のターボコンパウンド型燃焼エンジン。
3. 過給機のタービン（３）が被駆動コンプレッサー（４）と同一のシャフト（１９）上に位置している請求項２記載のターボコンパウンド型燃焼エンジン。
4. 閉鎖位置に位置した排気ガスブレーキスロットル（６）が、全体として、所定のリークギャップがなく気密性を有する請求項１記載のターボコンパウンド型燃焼エンジン。
5. 前記排気ガスブレーキスロットル（６）が所定の出力レベルになったサーボ装置（１８）を介して閉鎖位置に維持され、排気ガスダンパは、排気ガス圧力が前記出力レベルに合致したレベルを越えた時に、開くことができる請求項４記載のターボコンパウンド型燃焼エンジン。

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