JP2004530834A - 排気タービン装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、シーリング空気を排気タービン（１５）に供給するための装置に関する。これは、内燃機関と相互作用して、車両のターボコンパウンド運転を行うことができる。これでは、内燃機関からの排気ガスが、過給機タービン（１１）を有する排気システム内に受け取られ、過給機タービンは、エンジン燃焼空気用の圧縮機（１３）を駆動する。排気ガス流内の残留エネルギが、排気タービン（１５）によって回収されて、内燃機関のクランク軸に伝達される。排気タービン（１５）は、軸受けハウジング（３２）内に支持されており、軸受けハウジングには、シーリング空気が流体管路（３６）を経て供給される。排気システムは、排気ブレーキ圧力を調整するための排気ガス圧力レギュレータ（２２）を有する排気ブレーキスロットル（１６）を備えている。排気ガス圧力レギュレータ（２２）は、圧縮空気管路（２８）を経て圧縮空気源（２９、３０）に接続されており、この圧縮空気源は、プライオリティ弁（３５）及び圧縮空気管路（３６）を経て軸受けハウジング（３２）と並列に接続することができる。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、シーリング空気を排気タービンに供給するための装置であって、内燃機関と相互作用して、車両のターボコンパウンド運転を行うことができ、内燃機関からの排気ガスが、過給機タービンを有する排気システム内に受け取られ、過給機タービンは、エンジン燃焼空気用の圧縮機を駆動し、排気ガス流内の残留エネルギが、排気タービンによって回収されて、内燃機関のクランク軸に伝達され、また、排気タービンは、軸受けハウジング内に支持されており、軸受けハウジングには、シーリング空気が流体管路を経て供給され、排気システムは、排気ブレーキ圧力を調整するための排気ガス圧力レギュレータを有する排気ブレーキスロットルを備えている装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボコンパウンドエンジンでは、エンジン給気の圧縮用にターボ圧縮機を駆動するために排気ガスを使用した後、内燃機関から出るその排気ガスから残留エネルギを回収するために、排気タービン、たとえば、軸流タービンが使用される。排気ガスは、排気タービンを約９０，０００ｒｐｍまでの速度で駆動する。軸受けハウジング内では、潤滑油の逃げを防止すると共に、ガスの漏入を防止するために、排気タービン駆動軸上にシールが使用される。高い速度及び温度のため、シールは大きい応力を受ける。
【０００３】
排気タービンシールの機能性を改善する既知の方法は、圧力管路及び穴によって軸受けハウジングを加圧し、それによって周囲圧力に対して過剰圧力を軸受けハウジング内の２つのシール間に維持するものである。このバッファ圧力の一定部分が、外側シールを通過して排気システムに入り込むことができ、残りは内側シールを通過して、クランクケースの内側に達する。
【０００４】
通常運転状態において、排気タービンロータの出口側では負圧が支配的である。これは、遠心力のためである。シールの反対側では、（通常は周囲圧力に対してわずかに過剰圧力である）クランクケース圧力が支配的である。約０．５バールゲージに達するバッファ圧力がまったくない場合、差圧が通常は潤滑油漏れを引き起こすであろう。
【０００５】
排気タービンの下流に配置され、内燃機関の排気ポートを通る排気ガス流を停止させるためのスロットルを有する排気ブレーキの作動時に、排気ブレーキスロットルの上流側の圧力が約５バールゲージまで上昇する可能性があり、ガス温度は約７００℃に達するであろう。この圧力及び温度の上昇は、ブレーキ操作時に、シールが、他の運転状態の場合よりはるかに大きい応力を瞬間的に受けることを意味する。 その結果、軸受けハウジング内の過剰圧力を対応の高レベルまで増加させないと、非常に高温であまり清浄でないガスが、軸受けハウジングに漏入する可能性がある。高温ガスであることは、シール及び軸受けの動作温度を超過して、システムの信頼性に悪影響を与えることを意味するであろう。したがって、排気ガスが軸受けハウジングに決して流入しないようにするために、軸受けハウジング内のバッファ圧力を、排気ブレーキの圧力より幾分高く維持しなければならない。
【０００６】
したがって、軸受けハウジング内のバッファ圧力は、運転状態に応じて、０．５〜６．０バールゲージでなければならない。理論的には、高圧レベルを常時維持することが可能であるが、これは、高い空気消費量や、クランクケースへの高流量の常時送達を招くであろう。これはまた、高圧を送るために車両の機械式圧縮機以外の空気源をまったく使用できないことを意味し、すなわち、内燃機関に容認し難い高い寄生損失が起きることを意味する。
【発明の開示】
【０００７】
したがって、本発明の目的は、シーリング空気を排気タービンに供給するための装置であって、内燃機関の効率に影響する過度の寄生損失を発生しない装置を提供することである。
【０００８】
このため、本発明に従った装置は、排気ガス圧力レギュレータが、第１圧縮空気管路を経て圧縮空気源に接続されており、この圧縮空気源が、プライオリティ弁及び圧縮空気管路を経て軸受けハウジングと並列に接続することができることを特徴とする。
【０００９】
制御弁はまた、軸受けハウジングを圧縮空気管路によってエンジン吸気マニホルドに適当に接続することができる。
【００１０】
排気ブレーキスロットルの好都合な例示的実施形態によれば、これは、排気システム内で排気ガス圧力レギュレータの下流に配置された排気スロットル弁を有する。
【００１１】
排気ガス圧力レギュレータは、ピストン弁から適当に構成され、ピストン弁は、排気ブレーキスロットルの閉鎖時に排気ガス圧力の作用を受ける第１ピストン面と、反対側の第２ピストン面とを有し、第２ピストン面は、第１ピストン面に固定されて、圧縮空気管路内の圧力の作用を受ける。
【００１２】
本発明のさらなる好都合な例示的実施形態によれば、第２ピストン面は、第１ピストン面より幾分小さい面積を有しており、圧縮空気管路及びプライオリティ弁によって形成された回路であって、ピストン弁の第２ピストン面または軸受けハウジングに圧力を送る回路内に支配的な圧力より低い排気ガス圧力がピストン弁の第１ピストン面に作用する場合、ピストン弁がバイパス管路を開いて、排気ブレーキスロットルを迂回できるようにする。
【００１３】
圧縮空気管路は、弁ユニットに適当に接続されており、弁ユニットは、圧縮空気源及びプライオリティ弁間に位置して、待期レベルから、所望のエンジンブレーキ力に比例して調節することができるより高いレベルまで変化することができる過剰圧力を供給する。
【００１４】
通常のエンジン運転状態において、プライオリティ弁は、シーリング空気をエンジン吸気マニホルドから軸受けハウジングに送ることができる。
【００１５】
低エンジン負荷状態において、プライオリティ弁は、シーリング空気を待期レベルに等しい圧力で圧縮空気管路から軸受けハウジングに送ることができる。
【００１６】
エンジンブレーキ操作状態において、プライオリティ弁は、シーリング空気をより高い圧力レベルに等しい圧力で圧縮空気管路から軸受けハウジングに送ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
次に、添付の図面に示された例示的な実施形態を参照しながら、本発明をさらに詳細に説明する。
【００１８】
図示の装置は、好ましくは大型トラックまたはバス用の駆動ユニットの一部を形成する、ターボコンパウンドタイプ（図示せず）の実質的に従来型の内燃機関に使用されることを意図している。機関は好ましくは、直接噴射ディーゼルエンジンタイプであって、タービン軸１２に取り付けられた排気駆動タービン１１及び圧縮機１３を有する過給機１０が、燃焼空気の圧縮及び供給に使用される。流入空気は、圧縮機１３へ供給されて圧縮され、続いてその圧縮空気は、エンジン吸気マニホルド１４へ送達される前に、インタークーラを通過する時に冷却されることができ、吸気マニホルド内は通常、０〜２．３バールの過剰圧力が支配的である。
【００１９】
エンジン排気ガスは、従来通りに排気プレナムチャンバ内に集められて、圧縮機１３の駆動用に過給機１０のタービン１１へ送られる。排気ガスは次に、図示の例示的な実施形態では軸流タービン１５及び排気ブレーキ装置１６からなる第２排気タービンを経て、任意の排気浄化装置を備えた排気マフラユニットへ送られる。
【００２０】
軸流タービン１５は、ターボコンパウンドエンジンにおいて、過給機のタービンを通過した後の排気ガスから残留エネルギを回収するために使用される。排気ガスは、通常のエンジン速度で約９０，０００ｒｐｍまでの非常に高速でパワータービンを駆動し、この速度は、大型トラック用のディーゼルエンジンの場合、約１，５００〜２，５００ｒｐｍの速度を意味する。得られるトルクは、とりわけ、減速を行う変速装置１７、及び変速装置１７をエンジンクランク軸から機械的に隔離する流体力学的カップリング１８を介して、内燃機関のクランク軸へ伝達される。
【００２１】
排気ブレーキ装置１６は、サーボ部材２０によって２つの限界位置間で動作することができるスロットル１９を有し、このスロットルは、全開位置及び全閉位置間を迅速に移動する。排気ブレーキ装置はさらに、スロットル１９を迂回するバイパス管路２１を有し、このバイパス管路は、スロットル１９の上流に配置されたピストン弁２２の形の排気ブレーキレギュレータによって制御することができる。排気ブレーキスロットルの閉鎖時に、第１ピストン面２３に排気ガス圧力が作用し、ピストン面２３は、らせんコイルばね２４の作用に逆らって押し付けられて、それによってバイパス管路２１が開く。第２ピストン面２５が、ロッド２６によってピストン面２３に固定されており、シリンダ２７内に変位可能に支持されている。
【００２２】
調整空気圧力が、圧縮空気管路２８によってピストン面２５に作用し、この圧縮空気管路は、車両の一部を形成する圧縮空気システムに接続されており、このシステムは、ブレーキシステムや、車両ギヤボックスの空気操作用のシステムなどの車両内の補助ユニット用のパワーを発生するために使用される。とりわけ、この圧縮空気システムは、圧縮機２９と、アキュムレータタンク３０と、弁ハウジング３１とを備えている。タンク３０内では通常、約８．５バールの過剰圧力が維持される。排気ブレーキシステム用の弁ハウジングの下流の圧縮空気管路２８内の過剰圧力は、約０．５〜７．５バールに達する。
【００２３】
ピストン弁２２の第２ピストン面２５の直径が、第１ピストン面２３より幾分小さいことから、圧縮空気管路２９内で支配的な圧力より低く、したがって、第２ピストン面２５を押し付けるように作用する排気ガス圧力が第１ピストン面に作用する場合、エンジンブレーキ操作中にピストン弁が反応して、バイパス管路２１を開き、排気ブレーキスロットル１６を迂回することができる。たとえば、ピストン面２３の直径が９０ｍｍであるのに対して、ピストン面２５の直径が８４ｍｍであると、ピストン弁２２は、システム圧力より約１５％低い排気ブレーキ圧力に反応することができる。
【００２４】
軸流タービン１５は、軸受けハウジング３２を備えており、それに２つのシール３３及び３４が設けられて、一方はクランクケース圧力を封止し、他方は排気ブレーキ装置１６に作用する排気ガス圧力を封止し、ブレーキ操作中、おそらくは過剰圧力が約５バールに達する。プライオリティ弁３５を介して圧縮空気システムに接続された圧縮空気管路３６が、２つのシール３３、３４間の空間３７に開いて、バッファ圧力を供給し、この圧力は、汚染物質を含有している高温排気ガスが軸流タービンの軸受けに入るのを防止するためのものである。シール間のバッファ圧力は、軸受けハウジングの外部の圧力より約０．５バール高い圧力を維持する必要がある。プライオリティ弁３５は、第１ブランチ管路３８によってエンジン吸気マニホルド１４に、また、第２ブランチ管路３９によって圧縮空気管路２８に接続されている。
【００２５】
エンジンの運転中（図１を参照）、軸受けハウジングは通常、吸気マニホルド１４からシーリング圧力を供給される。エンジンが低負荷で駆動される場合（図３を参照）、吸気マニホルド１４内の圧力が低下し、それにより、圧縮空気システム内で支配的な、たとえば、０．５バールの過剰圧力が、吸気マニホルド内の圧力を超えると直ぐに、プライオリティ弁３５が管路３９及び２８を経て圧縮空気システムに開く。
【００２６】
弁ユニット３１は、０．５バールゲージの待期レベルから、必要なエンジンブレーキ力に比例して調節可能であるより高いレベルまで変化することができる過剰圧力を供給する。このために、弁ユニットがエンジン制御ユニット４０（図５を参照）に接続されており、この制御ユニットは、ブレーキペダル圧力及びＡＢＳシステムに関する情報などのさまざまなパラメータに応じて過剰圧力のより高いレベルを調節するように構成されており、それによって、ブレーキ力が、エンジン駆動及び道路状態と関連して最適化される。
【００２７】
ブレーキ操作時に（図４を参照）、排気ブレーキハウジング内の圧力が増加し、より高い圧力を使用する必要があり、プライオリティ弁が切り換わり、それによって、より高いシーリング圧力が圧縮空気システムから引き込まれる。ピストン弁２２に関連して先に説明したように、排気ブレーキ圧力は、全体を通して変動制御圧力より低いレベルを維持し、エンジンブレーキ操作中、この制御圧力がプライオリティ弁３５及び圧縮空気管路３６を経て軸受けハウジング３２に送達され、それにより、シール間の圧力は常に、シール３４の外側の排気ガス圧力を超える。
【００２８】
したがって、圧縮空気システムのコンプレッサを頻繁に作動させる必要なく、異なったレベルのバッファ圧力を軸受けハウジングに送達することができる。このことは、上記目的を達成するために、最小限の追加部材及び配管が必要なだけであることを意味する。
【００２９】
図５は、本発明の変更例を示し、この場合、排気ブレーキレギュレータ１６が、図１、図３及び図４のものと異なった構造である。すなわち、排気ダクトがＬ字形であり、ピストン弁２２が、２つのダクト部分間の角に挿入されている。通常運転から排気ブレーキ操作へのシフトが、ピストン弁２２が内側の不作動位置から図５に示された外側の作動位置へ移動することによって行われるので、この場合にはスロットル１９及びバイパス管路２１が必要ない。この位置にある時、ピストン面２３は、弁ハウジング３１及びエンジン制御ユニット４０によって決定される圧力で排気ダクトを封止し、それにより、過剰圧力がピストン面２３を通過して漏れる可能性がある。図５に示された本発明の変更例は、図１、図３及び図４に示された解決策より製造コストが幾分低いが、残念ながら、排気ダクト内の圧力低下が大きくなる。
【００３０】
本発明は、上記の例示的な実施形態に制限されると考えられるべきではなく、添付の特許請求の範囲から逸脱することなく、多くのさらなるさまざまな変更及び変化が実現可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】第１用例における本発明に従った装置の例示的な第１実施形態を示す基本図である。
【図２】装置の一部を形成する軸受けハウジングの拡大図である。
【図３】図１に対応し、第２用例における装置を示す全体図である。
【図４】図１及び図３と同様に、第３用例における装置を示す図である。
【図５】本発明に従った装置の例示的な第２実施形態の概略図である。

Claims (9)

1. シーリング空気を排気タービン（１５）に供給するための装置において、内燃機関と相互作用して車両のターボコンパウンド運転を行うことができ、内燃機関からの排気ガスが、過給機タービン（１１）を有する排気システム内に受け取られ、該過給機タービンは、エンジン燃焼空気用の圧縮機（１３）を駆動し、排気ガス流内の残留エネルギが、前記排気タービン（１５）によって回収されて、内燃機関のクランク軸に伝達され、また、前記排気タービン（１５）は、軸受けハウジング（３２）内に支持されており、該軸受けハウジングには、シーリング空気が流体管路（３６）を経て供給され、前記排気システムは、排気ブレーキ圧力を調整するための排気ガス圧力レギュレータ（２２）を有する排気ブレーキスロットル（１６）を備えている装置であって、前記排気ガス圧力レギュレータ（２２）は、圧縮空気管路（２８）を経て圧縮空気源（２９、３０）に接続されており、該圧縮空気源は、プライオリティ弁（３５）及び圧縮空気管路（３６）を経て前記軸受けハウジング（３２）と並列に接続することができることを特徴とする装置。
2. 前記プライオリティ弁（３５）は、前記軸受けハウジング（３２）を圧縮空気管路（３８）によってエンジン吸気マニホルド（１４）に接続することができることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記排気ブレーキスロットル（１６）は、前記排気システム内で前記排気ガス圧力レギュレータ（２２）の下流に配置された排気スロットル弁（１９）を有することを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
4. 前記排気ガス圧力レギュレータは、ピストン弁（２２）からなり、該ピストン弁は、前記排気ブレーキスロットル（１６）の閉鎖時に排気ガス圧力の作用を受ける第１ピストン面（２３）と、反対側の第２ピストン面（２５）とを有し、該第２ピストン面は、前記第１ピストン面に固定されて、前記圧縮空気管路（２８）内の圧力の作用を受けることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
5. 前記第２ピストン面（２５）は、前記第１ピストン面より幾分小さい面積を有しており、前記圧縮空気管路（２８、３６）及びプライオリティ弁（３５）によって形成された回路であって、前記ピストン弁の前記第２ピストン面（２５）または前記軸受けハウジング（３２）に圧力を送る回路内に支配的な圧力より低い排気ガス圧力が前記ピストン弁の前記第１ピストン面（２３）に作用する場合、前記ピストン弁（２２）はバイパス管路（２１）を開いて、前記排気ブレーキスロットル（１６）を迂回できるようにすることを特徴とする請求項４に記載の装置。
6. 前記圧縮空気管路（２８）は、弁ユニット（３１）に接続されており、該弁ユニットは、前記圧縮空気源（２９、３０）及び前記プライオリティ弁（３５）間に位置して、待期レベルから、必要なエンジンブレーキ力に比例して調節することができるより高いレベルまで変化することができる過剰圧力を供給することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
7. 通常のエンジン運転状態において、前記プライオリティ弁（３５）は、シーリング空気を前記エンジン吸気マニホルド（１４）から前記軸受けハウジング（３２）に送ることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置。
8. 低エンジン負荷状態において、前記プライオリティ弁（３５）は、シーリング空気を前記待期レベルに等しい圧力で前記圧縮空気管路（２８）から前記軸受けハウジング（３２）に送ることを特徴とする請求項６に記載の装置。
9. エンジンブレーキ操作状態において、前記プライオリティ弁（３５）は、シーリング空気をより高い圧力レベルに等しい圧力で前記圧縮空気管路（２８）から前記軸受けハウジング（３２）に送ることを特徴とする請求項６に記載の装置。