JP4680472B2 - タービン動力制御を備えたモータービークル、特に産業用ビークルのための内燃機関−ターボ過給機のユニット - Google Patents

タービン動力制御を備えたモータービークル、特に産業用ビークルのための内燃機関−ターボ過給機のユニット Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に産業用ビークルであるビークルのための内燃機関−ターボ過給機のユニットに関し、例えばディーゼルエンジンである内燃機関と、この内燃機関(エンジン)に過給するためのターボ過給機とを有する。
【0002】
前記エンジンは、複数のシリンダを有し、これらシリンダは、吸気マニホルドに選択的に接続するための少なくとも1つの吸気口と、排気マニホルドに選択的に接続するための少なくとも1つの出口とそれぞれ協働する。
【0003】
前記ターボ過給機は、前記排気マニホルドに接続され、かつ前記エンジンの排気ガスによって動力が供給される入口を備えたタービンと、また、吸気回路に接続された入口と、前記エンジンの吸気マニホルドに接続された出口とを有し、前記タービンによって駆動されるコンプレッサとを有する。
【0004】
【従来の技術】
知られているように、近年、内燃機関(ICエンジン)(internal combustion engine)は、例えば圧縮ストロークの終わりにエンジンシリンダの排気弁を開くことによって、ブレーキ力を生じるエンジンシリンダ内に発生する圧力エネルギーを放散する原理に基づく減圧ブレーキ装置、もしくは排気ブレーキを特徴とすることが考えられている。この解決策の効率は、前記ターボ過給機によって提供される過給により増大され、減圧動作、したがって、ブレーキ力を増加させる。
【0005】
しかし、遠心機である場合、前記排気ブレーキが低速のエンジン速度で駆動されるときに、低いエンジンの排気圧力のために前記減圧ブレーキ効果が欠しく、かくして少量の圧縮エネルギーを放出されるように、前記ターボ過給機の寄与は、エンジン速度の低減とともに減少される。
【0006】
排気ブレーキ効率を改善するために、ターボ過給機は、通常、可変形態タービン(VGTs:variable−geometry turbines)、すなわち翼付きローターと、このローターを取り囲む可変形態ノズルとを有し、かつノズルののど領域を変形するように調節できるタービンを特徴として用いられる。
【0007】
前記可変形態ノズルは、連続的なブースト圧力制御を可能とするように、すなわちエンジンの吸気マニホルド内の空気圧とほぼ等しい、コンプレッサからの排出空気の圧力を制御するように、前記エンジンの作動状態の機能として調節される。
【0008】
特に、低速のエンジン速度で、前記可変形態ノズルは、前記タービンのローターがブースト圧力を増加するほど速く回転するように、前記タービン内の前記ノズルののど領域を最小にし、したがって前記排気ガスの速度を増加させる閉状態に維持する。
【0009】
最良のブレーキ力は、ブースト圧力と前記排気マニホルド圧力との両方を、これらの上限で、すなわち前記エンジンが機械的に許容するのと同じ高さで、同時に維持することによって、理論上達成される。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、高いエンジン速度では、前記可変形態ノズルを“開く”、すなわち前記ブースト圧力並びに/もしくは前記ターボ過給速度の限度を超えないために、前記ノズルののど領域を増加させる。前記限度は、目的値のかなり下に下がっている前記排気マニホルドの圧力の自然のなりゆきがないと達成され得ない。
【0011】
これは、公知のエンジン−ターボ過給機のユニット内で、ターボ過給機の速度と排気マニホルドの圧力(“タービン前”圧力)とが、本質的に相互に関係されているので、生ずる。可変形態ノズルを開くことがスロットリングのより低い程度のために、タービン前圧力の減少をもたらす。これは、タービンを通る低速のガス速度を導き、低いタービン出力と、前記ターボ過給機の低い速度とをもたらす。したがって、ブースと圧力は低減される。
【0012】
解決策において、前記ターボ過給機の速度、並びに/もしくは前記ブースト圧力を、前記タービンのノズルののど領域を増加させることによって制限することは、タービン前圧力、したがって、排気サイクル動作とブレーキ力への寄与とを必然的に低減する。
【0013】
換言すると、高速のエンジン速度での最大限許容可能なブースト圧力、もしくは最大限許容可能なターボ過給機の速度を維持するために、前記可変形態ノズルののど部は、前記タービン前圧力が、したがってブレーキ力が所望のレベル以下に下がるように増加されなければならない。
【0014】
また、エンジン−ターボ過給機のユニットは、前記排気ブレーキが可変形態タービンによってではなく、前記(固定された幾何的配列の)タービンの出口の下流で、前記排気ダクトのスロットバルブによって、前記スロットバルブの開口の機能として前記マニホルド内に反対圧力を生じるように制御される。前記排気ガスが排出されるとき、前記エンジンは、この反対圧力に打ち勝つように作用しなければならない。前記減圧ブレーキ装置が駆動されるとき、前記スロットバルブは、前記排気マニホルド内で高いガス圧を得るように実際的に完全に閉じられている。前記スロットバルブが閉じられる程度を考慮すると、このようなユニットは、低いガス流、したがって低レベルの前記ターボ過給機の機能、すなわち低いタービン動力によって特徴づけられ、かくして前記エンジンに低減された空気と、燃焼チャンバ内の温度の増加と、得られる最大ブレーキ力の減少とをもたらす。
【0015】
本発明の目的は、公知のエンジン−ターボ過給機のユニットに典型的に関連される上述の欠点を取除いたビークル、特に産業用のビークルのためのエンジン−ターボ過給機のユニットを提供することである。
【0016】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、
減圧ブレーキ装置を備えた内燃機関と、
この内燃機関の排気マニホルドに接続された可変形態ノズルを備えたタービンと、このタービンによって駆動され、前記内燃機関の吸気マニホルドに接続された出口を備えたコンプレッサとを有し、前記可変形態ノズルは、この可変形態ノズルに、設計上与えられた幾何学的制限内で操作することによって、前記内燃機関の作動状況に応じてタービン動力の制御を可能とするモータービークルのための内燃機関−ターボ過給機のユニットにおいて、
前記タービンの出口側に位置され、最大開口度と最小開口度との間で設定され得るスロットリング装置と、
前記内燃機関の作動状況に応じて、前記可変形態ノズルと前記スロットリング装置との両方を制御し、前記内燃機関の前記排気マニホルド圧力と、前記タービンの膨張率とを独立して制御することを可能とするための制御手段と
を有することを特徴とするモータービークルのための内燃機関−ターボ過給機のユニットが提供される。
【0017】
本発明は、この本発明の教示に係るビークルのための内燃機関−ターボ過給機(engine−turbocharger)ユニットの限定されない好ましい実施の形態を概略的に示す図面を参照して説明される。
【0018】
【発明の実施の形態】
図中の参照符号1は、ビークル、特に産業用ビークル(示されていない)のための内燃機関−ターボ過給機を全体的に示している。
【0019】
ユニット1は、例えばディーゼルエンジン(公知であり、したがって、概略的にのみ示されている)など、過給機3によって過給され、かつ複数のシリンダを備えた内燃機関2を有する。これらシリンダは、このシリンダと前記内燃機関2の吸気マニホルド4との間に位置された少なくとも吸気弁と、このシリンダと前記内燃機関2の排気マニホルド5との間に位置された少なくとも排気弁とそれぞれ協働する。
【0020】
前記内燃機関2の吸気弁と排気弁とは、公知のタイミングシステム(示されていない)によって制御される。このタイミングシステムは、例えば前記シリンダ内に生じる圧縮エネルギーを放散し、かつブレーキ力を発生させるように、前記圧縮ストロークの終わりに、内燃機関2の排気弁を開くタイプの減圧ブレーキ装置6(公知であり、したがって、概略的にのみ示されている)を有する。
【0021】
ターボ過給機3は、共通のシャフト9によって、互いに回転的に結合されたそれぞれのローターを備えたタービン7とコンプレッサ8とを有する。タービン7は、内燃機関2からの排気ガスによって動力が供給される可変形態(VGT:variable−geometry)タイプである。より詳細には、タービン7は、内燃機関2の排気マニホルド5に接続された可変形態ノズル10(以下、VGノズル)と、サイレンサ13によって終端する、前記排気ガスを排出するための排気回路12に接続された出口11とを有する。
【0022】
コンプレッサ8は、シャフト9を介してタービン7によって駆動され、フィルタ17を有する吸気回路16に接続された入口15と、中間冷却器(intercooler)19を介して内燃機関2の吸気マニホルド4に接続された出口18とを有する。
【0023】
VGノズル10は、例えば“可変翼(swing vane)”タイプ、すなわち前記ノズルののど領域ATを変化させる軸方向に可変な部材を有する公知のタイプであってよく、この場合、このノズル10は、例えば、前記VGノズル10の完全に閉じた状態と完全に開いた状態との間の設計上の所定の幾何学的制限により限定された範囲で、前記ノズルののど領域ATを変化させるように調節され、かつアクチュエータ20によって操作される可動部材含む。
【0024】
また、本発明によれば、ユニット1は、前記タービン7の出口側に、すなわち出口11に、もしくは排気回路12に沿って出口11から下流に位置されたスロットリング(throttling)装置21を有する。このスロットリング装置21は、最大に開いたすなわち“開”状態と最小に開いたすなわち“閉”状態との間に設定され得る。
【0025】
前記スロットリング装置21は、ON/OFF、すなわち段階的に調節可能であるか、前記閉状態と開状態との間で連続的に調節可能あるかのどちらであってもよい。例えば、スロットリング装置21は、スライドバルブ、もしくはスロットルバルブであり、効果的には、タービン7のケーシングのフランジ(どちらも示されていない)に組み込まれていて良い。
【0026】
ON/OFFタイプの場合、スロットリング装置21は、通常、閉状態において、絞られていないガス流面積のあらかじめ定められた実質的な割合を維持する。例えば、この割合は、スロットリング装置21の完全に開いた状態において、ガス流面積の20%から60%までである。このような割合は、最大のエンジンブレーキ力状態において許容された限度内に、ターボ過給機の速度とブースト圧力とを保つのに必要な量まで、前記タービンの膨張率を減じるように調節される。スロットリング装置21が閉じられる制限された程度のため、大量のガスが必ずユニット1を流通し、かくして、ターボ過給機3の高レベルの作動と、したがってタービン7の高出力レベルとをもたらす。
【0027】
段階的に、もしくは連続的に調節できる場合、前記閉じた状態のスロットリング装置21は、通常、ほぼ流体密(fluid−tight)であり、この場合、以下に記載されているように、複数の中間状態が、制御のために利用可能である。
【0028】
制御ユニット22は、前記内燃機関2の前記排気マニホルドの圧力と、タービン7の膨張率(Pi/Pu)との独立した制御を可能とするように、前記VGノズル10及びスロットリング装置21の状態を一緒に制御する。前記排気マニホルドの圧力は、タービン7の上流の圧力Pi(“タービン前圧力”)であり、前記膨張率は、このタービン前圧力Piとタービン7の出口圧力Puとの間の比である。
【0029】
ユニット1は、全体的に符号23で参照された排気ガス再循環(EGR:exhaust gas recirculation)システムと、排気マニホルド5を吸気マニホルド4に接続するEGRダクト24とを有する。EGRシステム23は、EGRのガス流量を制御する遮断弁25と、温度を制御するダクト24に沿うEGRの中間冷却器26とをさらに有する。
【0030】
使用の際、基本的な制御方法として、タービン動力は、VGノズル10とスロットリング装置21とによって、一緒に制御され、スロットリング装置21は、必要とされる自然なタービン膨張の分配を減じるように用いられ、そうでなければ、完全に開いた状態(デフォルト(default)姿勢)が維持される。この基本制御方法は、前記タービン7の膨張率Pi/Puに応じるタービン7の動力と、圧力Piとが、前記VGノズル10とスロットリング装置21との両方を操作することによって、独立した対象を平行して制御するという点で特徴づけられる。前記タービン前圧力Piがより高い目的値をもたらすときであっても、次にはより高いターボ過給機3の速度と、より高いブースト圧力Pbにもまた、つながる上昇するタービン動力の他の自然な効果をともなうことなく、下流でのスロットリングが適用される。
【0031】
本発明に係るタービン動力制御方法は、エンジンブレーキとEGRシステムとを制御するのに特に適切である。
【0032】
特に、エンジンブレーキ状態(遅延モード(retarding mode)において、本発明に係るタービン動力制御は、前記ターボ過給機の速度(TC速度)並びに/もしくはブースト圧力Pbの限度値を超えることなく、高いタービン前圧力(Pi)の目的値に到達するように用いられる。
【0033】
このために、スロットリング装置21は、ON状態で所定の流れセクションを有するON/OFFタイプであってよい。この制御方法は、以下のとおりである。
【0034】
‐エンジン速度が許容最大速度の50%より小さいときなど、TC速度並びに/もしくはブースト圧力の制限が到達されることができない場合においては、エンジン遅延動力は、前記VGノズル10を操作することだけによって制御され、これによって、所定の幾何学的制限内で、前記VGノズル状態の全範囲を利用する。
【0035】
‐TC速度、並びに/もしくはブースト圧力の限度が到達される、もしくは到達されそうであるとき、すなわちエンジン速度が許容最大速度の50%より大きいとき、スロットリング装置21は、ON状態に設定され、この間、遅延トルクは、VGノズル10を操作することによって制御されているままであり、これによって、VGノズル状態の全範囲を利用する。
【0036】
スロットリング装置21のガス流セクションの割合は、最大ブレーキ力状態において、タービン出口圧力の2バール以下、好ましくは約0.5バールであるようにあらかじめ設定されている。前記最大ブレーキ力状態は、点火モードにおいて定格エンジン速度の約100%ないし140%で到達される。この間、Piは、例えば4−7バールの許容限度を維持するためにVGノズル10を駆動することによって制御されている。
【0037】
スロットリング装置21が、段階的に調節可能、もしくは連続的に調節可能である場合、以下の制御方法が用いられる。
【0038】
‐TC速度、並びに/もしくはブースト圧力の限度が到達されることができない範囲において、すなわちエンジン速度が許容最大速度の50%より小さいとき、前記エンジン遅延動力は、前記VGノズル10を操作することだけによって制御され、これによって、所定の幾何学的制限内で、VGノズル状態の全範囲を利用する。
【0039】
−T速度、並びに/もしくはブースト圧力との限度が到達されるとき、すなわちエンジン速度が許容最大速度の50%より大きいとき、スロットリング装置21は、TC速度とブースト圧力とを、これらの制限に応じて制御するように操作される。この間、遅延トルクは、VGノズル10を操作することによって制御されるままであり、これによって、VGノズル状態の全範囲を利用する。
【0040】
本発明に係るタービン動力制御方法は、ブースト圧力がタービンの手前の圧力より高く自然にとどまるエンジン作動状態において、EGRを可能とするように用いられる。高効率ターボ機械を用いる場合、ブースト圧力は、例えば定格エンジン速度の40%から120%までの広い作動領域において、タービン前圧力を超えることができる。前記スロットリング装置21を用いる場合、前記タービン前圧力に対するブースト圧力の比Pb/Piは調節される。EGRの流れは、前記タービン前圧力を、ブースト圧力よりわずかに高い値まで制御することによって可能にされる。
【0041】
このために、前記スロットリング装置21は、好ましくは段階的に調節可能である、もしくは連続的に調節可能なタイプである。デフォルト状態は、完全に開いている。ブースト圧力がタービン前圧力より自然に高いが、EGRの流れが必要とされる上述のエンジン作動点において、EGRは、以下の工程によって制御され、可能とされる。
【0042】
−前記EGR遮断弁を開く。
【0043】
‐内燃機関2に流れる空気流、もしくは酸素流の目的値を確立するために、前記VGノズル10を操作し、VGノズル状態の範囲を利用する。この間、
‐目標のERG流れを確立するためにスロットリング装置(21)を操作し、スロットリング装置の状態範囲を利用する。
【0044】
この制御戦略は、公知のシステムではできない、空気流もしくは酸素流と、EGR流れとの独立した平行な制御を可能とする。
【0045】
本明細書に記載され、示されているように、変形が、内燃機関−ターボ過給機のユニット1に対してなされ得るが、請求の範囲から逸脱しない。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、ビークルのための内燃機関−ターボ過給機のユニットの限定されない好ましい実施の形態を概略的に示す図である。
【符号の説明】
1 内燃機関−ターボ過給機のユニット
2 内燃機関
3 ターボ過給機
6 減圧ブレーキ装置
7 タービン
8 コンプレッサ
10 可変形態ノズル
21 スロットリング装置

Claims (16)

  1. モータービークルのための内燃機関−ターボ過給機のユニット(1)であって、前記ユニット(1)は、
    減圧ブレーキ装置(6)を備えた内燃機関(2)と、
    この内燃機関の排気マニホルド(5)に接続された可変形態ノズル(10)を備えたタービン(7)と、このタービン(7)によって駆動され、前記内燃機関(2)の吸気マニホルド(4)に接続された出口を備えたコンプレッサ(8)とを有し、前記可変形態ノズル(10)は、この可変形態ノズルを、設計上与えられた幾何学的制限内で操作することによって、前記内燃機関(2)の作動状況に応じてタービン動力の制御を可能とする、バリアブルジオメトリーターボ過給機(3)と、
    前記タービン(7)の出口側に位置され、最大開口度と最小開口度との間で設定され得るスロットリング装置(21)と、
    前記内燃機関(2)の作動状況に応じて、前記可変形態ノズル(10)とスロットリング装置(21)との両方を制御し、前記内燃機関(2)の排気マニホルド圧力(Pi)と、前記タービンの膨張率(Pi/Pu)とを独立して制御することを可能とするための制御手段(22)と、
    を具備し、
    少なくとも前記ターボ過給機(3)のブースト圧力、及び回転速度を含む内燃機関−ターボ過給機のユニット(1)の作動パラメータを、限度値内に保持する為に、前記制御手段(22)は、初期状態において前記スロットリング装置(21)をデフォルト姿勢としての前記最大開口度の位置で維持し、前記膨張率(Pi/Pu)の限定が必要とされる場合に、前記スロットリング装置(21)を前記最大開口度と前記最小開口度との間で設定するために適合されていることを特徴とするモータービークルのための内燃機関−ターボ過給機のユニット(1)。
  2. 前記スロットリング装置(21)は、前記タービン(7)のタービンハウジングの出口ダクト内に組み込まれていることを特徴とする請求項1に記載のユニット。
  3. 前記スロットリング装置(21)は、前記タービン(7)の出口(11)に接続された排気ガス回路(12)に沿い、このタービン(7)から下流に位置されていることを特徴とする請求項1に記載のユニット。
  4. 前記スロットリング装置(21)は、ON/OFFタイプであることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1に記載のユニット。
  5. 前記スロットリング装置(21)の前記最小開口度は、絞られていないガス流面積の割合を維持しており、この割合は、前記ターボ過給機(3)の速度と前記ブースト圧力とを、最大エンジンブレーキ力状態でのこれら速度と圧力との許容限度内に維持することが必要とされる量まで、前記タービン膨張率を減少させるように調節されることを特徴とする請求項4に記載のユニット。
  6. 前記タービンの出口圧力は、前記最大ブレーキ力状態において、2バールより小さいことを特徴とする請求項5に記載のユニット。
  7. 前記スロットリング装置(21)は、前記最大開口度と前記最小開口度との間で連続的に調節可能であることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1に記載のユニット。
  8. 前記スロットリング装置(21)は、前記最大開口度と前記最小開口度との間に、複数の不連続姿勢を設定可能であることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1に記載のユニット。
  9. 前記スロットリング装置(21)は、前記最小開口度において、ほぼ流体密であることを特徴とする請求項7もしくは8に記載のユニット。
  10. 前記排気マニホルド(5)を前記内燃機関(2)の前記吸気マニホルド(4)に接続するEGRダクト(24)と、このEGRダクト(24)にEGR流れを選択的に流通させることができる遮断弁(25)とを有する請求項1ないし9のいずれか1に記載のユニット。
  11. 産業用乗り物の内燃機関−ターボ過給機を制御する方法であって、前記方法は、
    減圧ブレーキ装置(6)を備えた内燃機関(2)と、
    この内燃機関の排気マニホルド(5)に接続された可変形態ノズル(10)を備えたタービン(7)と、このタービン(7)によって駆動され、前記内燃機関(2)の吸気マニホルド(4)に接続された出口を備えたコンプレッサ(8)とを有し、前記可変形態ノズル(10)は、この可変形態ノズルを、設計上与えられた幾何学的制限内で操作することによって、前記内燃機関(2)の作動状況に応じてタービン動力の制御を可能とする、バリアブルジオメトリーターボ過給機(3)と、
    を具備し、
    前記方法は、前記内燃機関(2)の排気マニホルド圧力(Pi)と前記タービン(7)の膨張率(Pi/Pu)とを、前記可変形態ノズル(10)と、前記タービン(7)の出口側に位置されかつ最大開口度と最小開口度との間で設定可能であるスロットリング装置(21)との両者を、操作することによって独立的に制御する工程を含み、
    前記方法は、少なくとも前記ターボ過給機(3)の回転速度とブースト圧力とを含む前記内燃機関−ターボ過給機のユニット(1)の作動パラメータを、限度値内に維持する為に、前記スロットリング装置(21)をデフォルト姿勢としての前記最大開口度の位置で保持し、前記膨張率(Pi/Pu)の限定が必要とされる場合に、前記スロットリング装置(21)を前記最大開口度と前記最小開口度との間で設定するための工程をさらに含むことを特徴とする産業用乗り物の内燃機関−ターボ過給機を制御する方法。
  12. 前記スロットリング装置(21)の姿勢を調節することによって、前記ターボ過給機(3)の回転速度を、これの許容限度内に維持する工程を具備することを特徴とする請求項11に記載の方法。
  13. 前記内燃機関−ターボ過給機のユニットは、前記排気マニホルド(5)を前記内燃機関(2)の前記吸気マニホルド(4)に接続するEGRダクト(24)を有し、また、遮断弁(23)は、前記EGRダクト(24)にEGR流れを選択的に流通させることができる方法において、前記内燃機関(2)の前記吸気マニホルド(4)と前記排気マニホルド(5)との間に必要とされる差圧値を発生させるために、前記スロットリング装置(21)の姿勢を制御する工程を具備することを特徴とする請求項11又は12に記載の方法。
  14. 目標の空気流もしくは酸素流を確立するために、前記EGR遮断弁を開く工程と、前記可変形態ノズル(10)を制御する工程と、この間、前記EGR流れの目標値を確立するために前記スロットリング装置(21)を制御する工程と有することを特徴とする請求項13に記載の方法。
  15. 前記スロットリング装置(21)はON/OFFタイプであり、また、前記減圧ブレーキ装置(6)を駆動する工程と、全範囲にわたって、前記タービン(7)の前記可変形態ノズル(10)の姿勢を調節することにより前記内燃機関(2)の遅延トルクを制御する工程と、前記内燃機関−ターボ過給機のユニット(1)の少なくとも安全な限度を超えることを潜在的にもたらすエンジン速度の所定のしきい値への反応において、前記スロットリング装置(21)を前記最小開口度に設定する工程と、を具備することを特徴とする請求項11ないし14のいずれか1に記載の方法。
  16. 前記スロットリング装置(21)は、段階的、もしくは連続的に調節可能であり、また、前記減圧ブレーキ装置(6)を駆動する工程と、前記内燃機関(2)の遅延トルクを、全範囲にわたって、ターボ過給機(3)の前記可変形態ノズル(10)の姿勢を調節することによって制御する工程と、また、前記ターボ過給機の回転速度とブースト圧力とを、これら圧力と速度の許容限度内に維持するために、前記スロットリング装置(21)の姿勢を制御する工程と、を具備することを特徴とする請求項11ないし14のいずれか1に記載の方法。
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