JP5453287B2 - 過給式のコンプレッサ並びに過給式のコンプレッサを制御する方法 - Google Patents

Description

本発明は、ピストン室と、クリアランスと、クリアランスの接続のための弁装置とを備えている、商用車の圧縮空気供給のための過給式のコンプレッサに関する。

さらに本発明は、ピストン室と、クリアランスと、クリアランスの接続のための弁装置とを備えた商用車の圧縮空気供給のための過給式のコンプレッサを制御するための方法に関する。

現代の商用車は、圧縮空気運転される運転ブレーキ及び空気サスペンションといった圧縮空気運転される部分システムを有していることが多々あるので、一般的には、コンプレッサを有する圧縮空気供給装置が商用車に組み込まれている。さらに、商用車は通常、内燃機関を有する。内燃機関には効率性の理由からターボチャージャが備えられていることがよくある。原則として、周辺空気を収容するというコンプレッサに対して２つの異なる可能性が存在する。１つの可能性は、ターボチャージャの上流において圧縮されていない空気を吸い込むという点にあり、周辺空気を簡単に吸い込むことができる。他の可能性はターボチャージャの下流、理想的にはターボチャージャに設けられている給気冷却器の下流において既に予め圧縮された空気を分岐させるという点にある。ターボチャージャにより既に圧縮された空気の吸込みにより、特にエンジン回転数が比較的高い場合及びエンジン負荷が高い場合、極めて高められたエアフローがコンプレッサ内に発生する。しかしエンジン回転数が低い場合、高められた空気圧送はほとんど確定可能ではない。原因としては、エンジン回転数が低い場合及び負荷が低い場合、まだ使用可能ではない過給圧を形成する典型的なターボチャージャ設計である。さらに、過給圧が高い場合に発生する高い体積流を許容することができるように、極めて大きな弁がコンプレッサ内部に必要であるということは不都合である。従来の弁の使用時、２０〜３０ｂａｒのピーク圧が発生することがある。ピーク圧は明らかにターボチャージングなしの場合に発生する１２〜１８ｂａｒのピーク圧以上である。択一的には、コンプレッサの最大の圧縮を持続的に存在するクリアランスにより減じることが可能である。しかしこのことは、特に過給圧が低い場合、コンプレッサの空気圧送に不都合に作用し、この領域における空気圧送はさらに減じられることになる。さらに、商用車はよくエンジン回転数が低い場合、高められた必要空気量を有する、ということが判る。例えば、コンテナ交換運転及びバスのストップ必要空気量である。

本発明の目的は、上記欠点を有していない過給式のコンプレッサを提供することである。

上記目的は独立請求項に記載の特徴により達成される。

本発明の有利な構成及び改良形は従属請求項から明らかになる。

本発明に係る商用車の圧縮空気供給のための過給式のコンプレッサは、商用車の圧縮空気供給のための過給式のコンプレッサであって、ピストン室と、クリアランスと、クリアランスの接続のための弁装置とを備えている、商用車の圧縮空気供給のための過給式のコンプレッサにおいて、弁装置は、過給式のコンプレッサによって圧送される空気体積がクリアランスの接続によりゼロとは異なる値に低減可能であるように構成されていることを特徴とする。

好ましくは、弁装置は個々に切換え可能な複数の弁を有している。

好ましくは、クリアランスは、弁装置によって個々に接続可能である複数の別個の容積を有している。

好ましくは、弁装置は少なくとも二段式に切換え可能な弁を有している。

好ましくは、過給式のコンプレッサによって圧送される空気体積は、クリアランスの接続によりゼロに低減可能である。

好ましくは、過給式のコンプレッサに対応配置された連結器が、過給式のコンプレッサをエンジンから分離することに適している。

さらに本発明に係る商用車は、上記過給式のコンプレッサを備えている。

さらに本発明に係る、商用車の圧縮空気供給のための過給式のコンプレッサを制御するための方法は、ピストン室と、クリアランスと、クリアランスを接続するための弁装置とを備えている、商用車の圧縮空気供給のための過給式のコンプレッサを制御する方法において、過給式のコンプレッサによって圧送される空気体積を、クリアランスの接続によりゼロとは異なる値に減じる。

好ましくは、圧送される空気体積をクリアランスとピストン室との間における、弁装置の全体的に開放した弁横断面の変化により制御する。

好ましくは、過給式のコンプレッサによって圧送される空気体積をクリアランスの接続によりゼロに減じる。

好ましくは、クリアランスの接続のための少なくとも１つの条件を、商用車の加速段階中にのみ満たす。

好ましくは、クリアランスの接続を少なくとも１つの以下の値、つまり、エンジン回転数、ターボチャージャ回転数、ターボチャージャの過給圧、エンジン負荷、前記商用車の必要空気量、に基づいて行う。

好ましくは、コンプレッサをエンジンから分離するために、コンプレッサに対応配置されている連結器を切り換える。

好ましくは、連結器を切り換えるための少なくとも１つの条件を、商用車の加速段階中にのみ満たす。

好ましくは、連結器の切換えを以下の少なくとも１つの値、つまり、エンジン回転数、ターボチャージャ回転数、ターボチャージャの過給圧、エンジン負荷、商用車の必要空気量、に基づいて行う。

本発明は、過給式のコンプレッサによって圧送される空気体積がクリアランス（Ｓｃｈａｄｒａｕｍ）の接続によりゼロとは異なる値に低減可能であるように構成されていることによる、冒頭で述べた形式の過給式のコンプレッサ（ａｕｆｇｅｌａｄｅｎｅｒ Ｋｏｍｐｒｅｓｓｏｒ）に依拠する。クリアランスの接続及びこの接続に関係する圧送空気体積の減少により、圧縮段階中に発生するピーク圧は過給式のコンプレッサ内部において減じられる。したがって、使用される弁は比較的少ない体積流のために設計することができ、同時に持続して存在するクリアランスを省略することができる。さらに、クランク機構の構成部材は大幅に補強されないままにすることができる。

有利には、弁装置が個々に切換え可能な複数の弁を有しているようにすることができる。クリアランスの接続は、一般的に、弁装置の切換えにより行われる。弁装置はピストン室とクリアランスとの間の接続部を規定の弁横断面の形式において解放する。規定の弁横断面を介して、圧縮段階中の過給式のコンプレッサは空気をクリアランスに吸い込む。クリアランス容積の他に、弁横断面が空気のための流れ抵抗を規定するので、解放された接続部の弁横断面が重要である。したがって、個々に切換え可能な複数の弁は、過給圧に適した弁横断面の拡大若しくは流れ抵抗の減少を可能にする。

さらに有益には、クリアランスは複数の個別の容積を有している。これらの容積は弁装置により個々に接続可能であるようになっていてよい。他のクリアランス容積の接続は、必要な場合には、過給式のコンプレッサにおいて発生するピーク圧のさらなる降下を可能にする。

択一的には、弁装置は少なくとも二段式に切換え可能な弁を有しているようになっていてよい。少なくとも二段式に切換え可能な弁によって、ピストン室とクリアランスとの間において解放される弁横断面を必要に応じて適合させることもできるので、こうして、過給式のコンプレッサにおいて発生するピーク圧を同様に段階的に低減可能でもある。

特に、過給式のコンプレッサによって圧送される空気体積はクリアランスの接続により、ゼロに低減可能であるようになっていてよい。弁装置によって解放可能な、ピストン室とクリアランスとの間の弁横断面が十分に大きく、かつ同時にクリアランスの容積も十分であると、過給式のコンプレッサによって獲得可能な圧送圧は空気体積の圧送のために必要な圧力より下に低減可能である。この状態において、過給式のコンプレッサは空気体積をもはや圧送せず、これに応じて、過給式のコンプレッサは少ない作業しか行わないので、比較的少ないエネルギしか必要とならない。こうしてエネルギ節約のためのシステムを実現することができる。

さらに、過給式のコンプレッサに対して配設されている連結器は、過給式のコンプレッサをエンジンから分離することに適しているようになっていてよい。コンプレッサとエンジンとの間の接続の完全な分離により、空気圧送及び空気圧送に関連するコンプレッサの負荷はゼロに下がる。

本発明は、過給式のコンプレッサによって圧送される空気体積をクリアランスの接続によりゼロとは異なる値に減じることによる冒頭で述べた形式の方法に依拠する。

このように本発明に係るコンプレッサの利点及び特別な構成は、方法の範囲において置き換えることもできる。このことは以下に記載した特別に有利な本発明に係る方法の実施の形態にも当てはまる。

本発明に係る方法は、有利には、圧送される空気体積がクリアランスとピストン室との間の弁装置の開放した弁横断面全体の変化により制御されることにより有益に構成される。

さらに、過給式のコンプレッサによって圧送される空気体積はクリアランスの接続によりゼロに減じられるようになっていてよい。

有益には、商用車の加速段階中にのみクリアランスを接続するための少なくとも１つの条件が満たされるようになっていてよい。

特に、クリアランスの接続は、少なくとも１つの以下の値、つまり、
−エンジン回転数、
−ターボチャージャ回転数、
−ターボチャージャの過給圧、
−エンジン負荷、
−商用車の必要空気量、
に基づいて行われるようになっていてよい。

ターボチャージャの過給圧若しくはターボチャージャ回転数又はエンジン回転数及びエンジン負荷は、クリアランスの接続が過給式のコンプレッサにおいて発生するピーク圧の減少のために有利であるかどうかを決定する基礎として考慮することができる。さらに、商用車の必要空気量はクリアランスの接続のための基準として考慮することができる。商用車が十分に圧縮空気を有していると、過給式のコンプレッサは他の値から独立してエネルギ節約する状態に移行することができる。

有利には、コンプレッサに対応配置されている連結器は、コンプレッサをエンジンから分離するために作動されるようになっていてよい。

有益には、商用車の加速段階中にのみ連結器を切り換えるための少なくとも１つの条件が満たされるようになっている。

特に、連結器の切換えを少なくとも１つの以下の値、つまり、
−エンジン回転数、
−ターボチャージャ回転数、
−ターボチャージャのチャージ圧、
−エンジン負荷、
−商用車の必要空気量、
に基づいて行われるようになっていてよい。

過給式のコンプレッサを備えた車両の概略的に簡略化した図である。 コンプレッサの断面図である。 チャージ圧に基づく、本発明に係る過給式のコンプレッサの圧送される空気体積を示した図である。 方法の作動形式を具体的に示す、本発明に係る過給式のコンプレッサの種々異なる運転領域を備えたエンジン特性曲線である。

以下に本発明を、特に有利な実施の形態に基づく添付の図面を参照して説明する。

以下の図面には、同じ符号を同じ又は同様の部材に付した。

図１には、過給式のコンプレッサ１０を備えた車両１２の概略的に簡略化した図が示されている。商用車１２はエンジン２０によって駆動され、エンジン２０の排ガス流がターボチャージャ２２を駆動する。ターボチャージャ２２はエアフィルタ２４を介して新気を吸い込む。新気はエンジン２０にエンジン排ガスの質量流に基づく過給圧によって供給される。過給式のコンプレッサ１０には分岐点２６を介して同様に新気が供給される。分岐点２６はターボチャージャ２２の下流側に配置されている。分岐点２６とターボチャージャ２２との間にさらに給気冷却器を配置することも考慮可能である。給気冷却器はターボチャージャ２２によって予備圧縮された空気を再び冷却する。さらにコンプレッサ１０には、エンジン２０とコンプレッサ１０との間に配置されている連結器７２が対応配置されている。連結器７２の開放によりコンプレッサ１０はエンジン２０から分離することができる。

図２にはコンプレッサ１０の断面図が示されている。コンプレッサ１０は冷却リブ４０を備えたシリンダケーシング３８を有している。シリンダケーシング３８はピストン室１４において運動するピストン３６を取り囲む。ピストン３６はカム軸４２によって駆動される。冷却リブ４０は絶対に必要ではないが、シリンダケーシング３８の冷却を提供する。例えば水冷却によるシリンダケーシング３８の他の形式の冷却部（図示せず）が、比較的高い冷却出力を往々にして有する。さらに、空気流入弁２８を備えた空気入口３０と、空気流出弁３２を備えた空気出口３４と、弁装置１８を備えたクリアランス１６とが示されている。

図示の吸気段階中に、ピストン３６はピストン室１４の内部において下方に運動する。空気は空気流入弁２８により空気入口３０からピストン室１４内に吸い込まれる。吸込み段階において、空気流出弁３２は構成的な条件に基づき閉鎖されている。圧送段階（図示せず）中に、ピストン３６はピストン室１４において上方に運動し、空気流入弁２８は閉鎖して、充分な高圧に達した場合に空気流出弁３２は開放し、空気は空気出口３４に圧送される。

弁装置１８が切り換えられると、ピストン室１４とクリアランス１６との間の接続は開放され、この接続により空気は流れることができる。流れ抵抗は、解放された弁横断面にほぼ基づく。弁横断面を弁装置１８が切り換える。コンプレッサ１０が圧送段階にある場合、空気はピストン室１４の内部だけでなく、クリアランス１６においても圧縮される。空気の相対的な圧縮はつまり減じられる。その理由は、弁装置１８が十分に大きな弁横断面を解放すると、圧縮したいピストン室の容積はクリアランスの容積だけ拡大されるからである。解放される弁横断面が十分に大きくないと、弁横断面は絞りとして作用する。この実施の形態では、圧縮中に発生する圧力は少しの程度だけ減じられる。

クリアランス１６の容積及び弁装置１８によって解放された弁横断面が所定の限界を超過すると、圧送段階中にピストン室１４において獲得可能な圧力は、空気出口３４の領域を占める圧力よりも小さいことになる。こうして空気圧送はもはや起こらず、同時に空気の圧縮のために少ない作業を実施するだけでよい。こうして過給式のコンプレッサ１０のためのエネルギ節約システムが実現可能である。

図３には、過給圧に基づく本発明に係るコンプレッサ１０の圧送される空気体積が示されている。実線４４，４６，４８，５０は属するデータ点によって内挿された曲線である。曲線はコンプレッサの回転数に基づく過給式のコンプレッサの圧送される空気体積を示す。曲線４４はターボチャージングなしで圧送された空気体積に相当する、つまり過給圧０ｐｓｉである。曲線４６，４８，５０は２０ｐｓｉ、４０ｐｓｉ、６０ｐｓｉの過給圧に相当する。さらに点線５２が示されており、点線５２はコンプレッサの回転数に基づく、本発明による過給式のコンプレッサの測定された圧送される空気量である。約６００〜８００回転／分の間における曲線の下側の領域において、曲線５２は曲線４４と一致する。コンプレッサ１０の回転数は、ターボチャージャ２２が十分な過給圧を発生させることはできないエンジン２０の低い回転数と相互関係にある。８００〜３０００回転／分の間において、圧送される空気量はコンプレッサ１０の増大する過給圧に基づき上昇するが、使用されるターボチャージャ２２の最大の過給圧に達した際には上側の領域において平坦になる。本発明に係る過給式のコンプレッサ１０が曲線４４における非過給式のコンプレッサと同じ空気量を圧送する、ということを確認することができる。したがって、特にアイドリング運転において、ターボチャージングなしの場合と少なくとも同じ空気量を圧送することができる。

図４には、方法の作動形式を可視化するための本発明に係る過給式のコンプレッサの種々異なる運転領域を備えたエンジン特性マップが示されている。一般的に、エンジン回転数をｘ軸に記載し、エンジンによって出力されたトルクをｙ軸に記載し、付加的に右側から出発して双曲線の形式において同じエンジン出力の線が記載されている。さらに、エンジン特性マップ内に、同じ過給圧の線がミリバールにおいて記載されている。第１の運転領域６２と、第２の運転領域６４と、第３の運転領域６６とは、第１の切換え境界５８と第２の切換え境界６０とによって分けられる。太く示した線５６はエンジンデータの測定された曲線であり、エンジンデータに基づいて以下に方法を説明する。

過給式のコンプレッサの第１の運転領域においてクリアランス１６は接続されていない。第２の運転領域６４においてクリアランス１６は弁装置１８により部分的に接続されており、第３の運転領域８３においてクリアランス１６は完全に接続されているか、又は、連結器７２は開放されている。第１の運転領域６２においてアイドリング運転５４を起点にして車両は加速し、エンジン２０の状態は左下方から右上方にｓ字形の曲線５６に沿ってエンジン特性マップを通じて運動する。第１の切換え境界５８に達した際にクリアランス１６は、空気の圧縮中に過給式のコンプレッサ１０に発生するピーク圧を減じるために、部分的に接続される。エンジン回転数が上昇するに伴いターボチャージャ２２によって提供される過給圧は迅速に増大し、第２の切換え境界６０に達した際、クリアランス１６は、過給式のコンプレッサ１０内部に発生するピーク圧を減じるために完全に接続されるか、若しくは連結器７２は開放され、コンプレッサ１０は完全にエンジン２０から切り離される。上側の切換え点７０への到達時、伝動装置（図示せず）の１つ上のギアが入れられ、これと同時にエンジン２０の回転数は急勾配の下降をする。伝動装置の再接続後にエンジン回転数は再び点７０にまで上昇する。切換え過程中に曲線５６は再度第２の切換え境界６０を横断するので、クリアランス１６は再び部分的に遮断されるか若しくは連結器７２は再び閉鎖される。第１の切換え境界５８は単に一回だけ商用車１２の加速段階中に横断されるように選択されることを考慮することができる。続く全過程は第２の運転領域６４及び第３の運転領域６６において実施される。商用車１２の最終速度に達した場合には、エンジン２０は一般的には通常の運転領域６８の内側にある。通常の運転領域６８は切換え境界５８と第２の切換え境界６０とから離間されて位置する。さらに、コンプレッサを他のクリアランスの接続若しくは自由な弁横断面の拡大により、圧送される空気量がゼロに向かうエネルギ節約をする状態に移すことも考慮可能である。

上記記載、図面、及び請求項において開示されている本発明の特徴は、個々においても任意の組合せでも本発明の実現のために重要であり得る。

１０ コンプレッサ、 １２ 商用車、 １４ ピストン室、 １６ クリアランス、 １８ 弁装置、 ２０ エンジン、 ２２ ターボチャージャ、 ２４ エアフィルタ、 ２６ 分岐点、 ２８ 空気流入弁、 ３０ 空気入口、 ３２ 空気流出弁、 ３４ 空気出口、 ３６ ピストン、 ３８ シリンダケーシング、 ４０ 冷却リブ、 ４２ カム軸、 ４４ ０ｐｓｉの過給圧、 ４６ ２０ｐｓｉの過給圧、 ４８ ４０ｐｓｉの過給圧、 ５０ ６０ｐｓｉの過給圧、 ５２ 測定値、 ５４ アイドリング運転、 ５６ 測定された曲線、 ５８ 第１の切換え境界、 ６０ 第２の切換え境界、 ６２ 第１の運転領域、 ６４ 第２の運転領域、 ６６ 第３の運転領域、 ６８ 通常の運転領域、 ７０ 切換え点、 ７２ 連結器

Claims (13)

1. 商用車（１２）の圧縮空気供給のための過給式のコンプレッサ（１０）であって、ピストン室（１４）と、クリアランス（１６）と、該クリアランス（１６）の接続のための弁装置（１８）とを備えていて、
   弁装置（１８）は、過給式のコンプレッサ（１０）によって圧送される空気体積がクリアランス（１６）の接続によりゼロとは異なる値に低減可能であるように構成されている、商用車の圧縮空気供給のための過給式のコンプレッサにおいて、
   弁装置（１８）は少なくとも二段式に切換え可能な弁を有していて、該少なくとも二段式に切換え可能な弁により、ピストン室とクリアランスとの間において解放される弁横断面は調整可能であり、コンプレッサにおいて発生するピーク圧が段階的に低減可能であることを特徴とする、商用車の圧縮空気供給のための過給式のコンプレッサ。
2. 弁装置（１８）は個々に切換え可能な複数の弁を有していることを特徴とする、請求項１記載の過給式のコンプレッサ。
3. クリアランス（１４）は、弁装置（１８）によって個々に接続可能である複数の別個の容積を有していることを特徴とする、請求項２記載の過給式のコンプレッサ。
4. 過給式のコンプレッサ（１０）によって圧送される空気体積は、クリアランス（１６）の接続によりゼロに低減可能であることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか一項記載の過給式のコンプレッサ。
5. 過給式のコンプレッサ（１０）に対応配置された連結器（７２）が、過給式のコンプレッサ（１０）をエンジン（２０）から分離することに適していることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか一項記載の過給式のコンプレッサ。
6. 請求項１から５までのいずれか一項記載の過給式のコンプレッサ（１０）を備える商用車（１２）。
7. 商用車（１２）の圧縮空気供給のための過給式のコンプレッサ（１０）を制御する方法であって、
   ピストン室（１４）と、クリアランス（１６）と、該クリアランス（１６）を接続するための、少なくとも二段式に切換え可能な弁を備えた弁装置（１８）とを備えていて、
   過給式のコンプレッサ（１０）によって圧送される空気体積を、クリアランス（１６）の接続によりゼロとは異なる値に減じる、商用車の圧縮空気供給のための過給式のコンプレッサを制御する方法において、
   圧送される空気体積を、クリアランス（１６）とピストン室（１４）との間における弁装置（１８）の少なくとも二段式に切換え可能な弁の開放した弁横断面全体の変化により制御し、前記コンプレッサにおいて発生するピーク圧を段階的に減じることを特徴とする、商用車の圧縮空気供給のための過給式のコンプレッサを制御する方法。
8. 過給式のコンプレッサ（１０）によって圧送される空気体積をクリアランス（１６）の接続によりゼロに減じることを特徴とする、請求項７記載の方法。
9. クリアランス（１６）の接続のための少なくとも１つの条件を、商用車（１２）の加速段階中にのみ満たすことを特徴とする、請求項７又は８記載の方法。
10. クリアランス（１６）の接続を少なくとも１つの以下の値、つまり、
    −エンジン回転数、
    −ターボチャージャ回転数、
    −ターボチャージャの過給圧、
    −エンジン負荷、
    −前記商用車の必要空気量、
    に基づいて行うことを特徴とする、請求項７から９までのいずれか一項記載の方法
11. コンプレッサ（１０）をエンジン（２０）から分離するために、コンプレッサ（１０）に対応配置されている連結器（７２）を切り換えることを特徴とする、請求項７から１０までのいずれか一項記載の方法。
12. 連結器（７２）を切り換えるための少なくとも１つの条件を、商用車（１２）の加速段階中にのみ満たすことを特徴とする、請求項１１記載の方法。
13. 連結器（７２）の切換えを以下の少なくとも１つの値、つまり、
    −エンジン回転数、
    −ターボチャージャ回転数、
    −ターボチャージャの過給圧、
    −エンジン負荷、
    −商用車の必要空気量、
    に基づいて行うことを特徴とする、請求項１１又は１２記載の方法。

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