JP2007532811A - ターボコンパウンドシステム - Google Patents

Abstract

本発明はターボコンパウンドシステムに関する。内燃エンジンにより駆動されるクランク軸と、内燃エンジンの排ガス流の中に配置される排ガス利用タービンと、一次ホイールと二次ホイールとを有し、該一次ホイールと二次ホイールとが作動媒体で充填可能な作用空間または作動媒体で充填される作用空間を形成しているハイドロダイナミックカップリングであって、該ハイドロダイナミックカップリングの作用空間が充填されていて且つ排ガス利用タービンが排ガス流により駆動されているときに駆動力が排ガス利用タービンからクランク軸へ伝達されるようにクランク軸と排ガス利用タービンとの間の駆動結合部の中に配設されている前記ハイドロダイナミックカップリングとを備えている。本発明によるターボコンパウンドシステムは、ハイドロダイナミックカップリングの一次ホイールまたは二次ホイールの回転方向を逆転させるための切換え手段が設けられていることを特徴としている。

Description

本発明はターボコンパウンドシステムに関わり、すなわちパワートレインの中に配置されている内燃エンジンの排ガスエネルギーを排ガス利用タービンとハイドロダイナミックカップリングとを介して内燃エンジンのクランク軸へ効率よく伝動させるためのシステムに関するものである。本発明によるシステムは、必要な場合に内燃エンジンのクランク軸に制動作用をもたらすことのできるリターダー機能をも有しているので、ターボコンパウンドリターダーシステムとも呼ばれる。

ターボコンパウンドシステムおよびターボコンパウンドリターダーシステムは当業者にとって公知のものである。特に後者は、通常、排ガス利用タービンと内燃エンジンのクランク軸との間でトルクを伝動させるために用いられるハイドロダイナミックカップリングを有している。前記制動作用を得るため、羽根車をハイドロダイナミックカップリングに機械的に固定して該ハイドロダイナミックカップリングからリターダー機能を得るようにするか、或いは、排ガス利用タービンをコンプレッサとして作動させるのが通常である（たとえば米国特許第５，８８４，４８２号明細書を参照）。後者のシステムに関しては、制動作動で排ガス利用タービンの回転方向を逆転させて、より大きな制動トルクを発生させることも知られている（たとえば米国特許第４，７４８，８１２号明細書を参照）。

前記後者のシステムは制動作動時にある程度の制動作用を達成するものの、実際には、コンプレッサとしての排ガス利用タービンを切換えても、制動トルクがクランク軸に対し均等にもたらされず、満足のいくものでないことが明らかになった。また、羽根車をハイドロダイナミックカップリングに固定したシステムにおいては、ハイドロダイナミックカップリングのリターダー作動時に生成されて内燃エンジンのクランク軸の制動に用いられる制動トルクは回転数に大きく左右され、したがって同様に均等なものではない。

本発明の課題は、内燃エンジンの減速作動時に特に均等な高制動トルクを特に正確に予測可能に且つ制御可能に提供するターボコンパウンドシステムを実現させることである。

本発明の上記課題は、請求項１の構成を備えたターボコンパウンドシステムにより解決される。従属項は本発明の特に合目的な有利な他の構成を記載している。

本発明によるターボコンパウンドシステムは、クランク軸を駆動するようにした内燃エンジンと、内燃エンジンの排ガス流の中に配設される排ガス利用タービンとを有している。排ガス利用タービンとクランク軸との駆動結合部内にはハイドロダイナミックカップリングが接続されている。ハイドロダイナミックカップリングは一次ホイールと二次ホイールとを有し、一次ホイールと二次ホイールとは作用空間を形成している。作用空間は作動媒体、特にオイルで充填され、またはオイルで充填可能であり、その結果一次ホイールから二次ホイールへ、または二次ホイールから一次ホイールへトルクが伝達され、これはどちらの側（一次側または二次側）が外部から駆動されるかに依存している。本発明を説明するにあたって記載を統一するため、排ガス利用タービン側に配置されて特に排ガス利用タービンと機械的に直接駆動結合している羽根車を一次ホイールと呼ぶことにする。これに対応して、本発明においては、二次ホイールとは、クランク軸側に配置されて特にクランク軸と機械的に直接駆動結合している、或いはこのような結合に切換え可能な、ハイドロダイナミックカップリングの羽根車である。

いわゆる「タービン連結作動」（「ターボコンパウンド作動」とも言う）では、排ガス利用タービンは内燃エンジンの排ガス流によって駆動され、すなわち排ガスタービンは排ガスエネルギーを回転運動に変換し、その駆動力は、排ガス利用タービンと駆動結合している、即ち、排ガス利用タービンのタービンホイールと駆動結合しているハイドロダイナミックカップリングの一次ホイールから、ハイドロダイナミックカップリングの作用空間内にある作動媒体を介して、二次ホイールへ伝達され、さらに二次ホイールと駆動結合している駆動エンジンのクランク軸へ伝達される。この限りでは、本発明の実施態様は従来の技術のものと異なっていない。

しかしながら、本発明によるターボコンパウンドシステムは、さらに、ハイドロダイナミックカップリングの一次ホイールまたは二次ホイールの回転方向を逆転させるための切換え手段を有している。その結果いわゆる「リターダー作動」においては、すなわち特に内燃エンジンが減速作動状態にあるときに制動力が内燃エンジンのクランク軸にもたらされるターボコンパウンドシステムの作動状態においては、ハイドロダイナミックカップリングの一次ホイールと二次ホイールは互いに逆方向に回転し、したがっていわゆる逆回転リターダーを形成する。

本発明によるターボコンパウンドシステムの逆回転リターダー機能の利点は、特に大きな制動トルクを発生させること、ハイドロダイナミックカップリングの回転数の広範囲にわたって、たとえばハイドロダイナミックカップリングの入力回転数に関し、従来の技術に比べて均等な制動トルク分布を生成させることである。

本発明による切換え手段は種々の実施態様で設けられていてよい。第１の実施態様によれば、本発明による切換え手段は排ガス利用タービンのタービンホイールの回転方向を逆転させ、その結果ハイドロダイナミックカップリングの一次ホイールは「連結作動」に比べて逆回転する。このため、本発明による切換え手段は流動誘導装置の形態で構成され、たとえば排ガス利用タービンの誘導器または誘導格子の形態で構成されている。上記実施態様によれば、この誘導格子により、排ガス利用タービンのタービンホイールへの入射流は所望の回転方向逆転が生じるように変化する。

本発明の第２の実施態様によれば、切換え手段は変速装置であり、或いは、切換え手段は変速装置の形態で構成されている。この場合、有利な実施態様によれば、変速装置はクランク軸とハイドロダイナミックカップリングの二次ホイールとの駆動結合部の中に配置された逆転伝動装置であってよい。第１の切換え状態（連結作動）では、二次ホイールは変速装置を介して内燃エンジンのクランク軸を駆動し、その際二次ホイールは第１の方向に回転する。第２の切換え状態では、クランク軸は変速装置を介して二次ホイールを駆動し（リターダー作動）、その際この状態では、二次ホイールは逆転伝動装置として構成された変速装置を適宜切換えることにより前記第１の方向とは逆の第２の回転方向で回転する。

択一的な実施態様によれば、対応する逆転伝動装置が排ガス利用タービンとハイドロダイナミックカップリングの一次ホイールとの駆動結合部の中に配置されている。したがって、ハイドロダイナミックカップリングの一次ホイールは逆転伝動装置の２つの切換え位置において互いに逆の方向に回転する。

本発明によるターボコンパウンドシステムの他の実施態様によれば、変速装置は、ハイドロダイナミックカップリングに対し並列に配置されており、且つハイドロダイナミックカップリングの一次ホイールと二次ホイールとを回転方向が互いに逆になるように機械的に駆動結合するよう切換えるための切換えクラッチを有している。したがって、リターダー作動においては、ハイドロダイナミックカップリングの二次ホイールはクランク軸により第１の方向に駆動され、他方一次ホイールも同様に（間接的に）クランク軸により逆の第２の方向に駆動され、その結果ハイドロダイナミックカップリングは逆回転リターダーとして作動する。

ハイドロダイナミックカップリングに対し並列に配置される切換えクラッチは多板クラッチとして実施されていてよく、或いは、同様にハイドロダイナミックカップリングとして実施されていてもよい。変速装置は特に切換えクラッチを備えた遊星歯車伝動装置として実施されている。

有利な実施態様によれば、一次ホイールと二次ホイールとはリターダー作動において互いに異なる回転数で互いに逆の回転方向に回転する。これにより特に高制動力が達成される。これとは択一的に、一次ホイールと二次ホイールとをリターダー作動において同じ回転数で互いに逆の方向に回転させてもよい。

次に、本発明を種々の実施形態および図面を用いてより詳細に説明する。

図１は内燃エンジン１を備えた本発明によるターボコンパウンドシステムである。タービン連結作動（ターボコンパウンド作動ともいう）において、内燃エンジン１のクランク軸１．１はハイドロダイナミックカップリング３を介して内燃エンジン１の排ガス流の中に配置されている排ガス利用タービン２により補助的に駆動される。ハイドロダイナミックカップリング３の作用空間は一次ホイール３．１と二次ホイール３．２との間にあり、作動媒体で充填されている。ハイドロダイナミックカップリング３の両側、すなわちクランク軸１．１と二次ホイール３．２との間および排ガス利用タービン２と一次ホイール３．１との間には、それぞれ動力伝達装置が配置されている。図からわかるように、排ガス流を排ガス利用タービンへ適宜供給することにより、或いは、誘導格子を通じて排ガス利用タービンのタービンホイールへ供給することにより、タービン連結作動においてハイドロダイナミックカップリングの一次ホイール３．１は第１の回転方向に回転する。

これに対しリターダー作動においては、タービン連結作動に対し排ガス流の案内が切換えられ、排ガス利用タービン２の回転方向、よってハイドロダイナミックカップリング３の一次ホイール３．１の回転方向は逆転する。これに応じて、リターダー作動においては、一次ホイール３．１と二次ホイール３．２とは互いに逆方向に回転し、他方タービン連結作動においては両ホイール３．１，３．２は図示のごとく常に同方向に回転する。

排ガス利用タービン２の回転方向の逆転は、該排ガス利用タービンの前記誘導格子を位置調整するか、或いは、排ガス流の供給をたとえば第１のインレットから第２のインレットへ切換えることにより達成できる。

図２には、リターダー作動においてハイドロダイナミックカップリング３の一次ホイール３．１の回転方向をタービン連結作動時に対し逆転するための切換え手段の択一的構成が図示されている。図からわかるように、ハイドロダイナミックカップリング３に対し並列に、切換えクラッチ４．１を有する変速装置４が配置されている。タービン連結作動においては、切換えクラッチは開状態にあり、その結果ハイドロダイナミックカップリング３の一次ホイール３．１と二次ホイール３．２との間に機械的連結はなされず、二次ホイール３．２は、もっぱらハイドロダイナミックカップリングの作用空間の中にある作動媒体の循環流を介して、一次ホイール３．１により駆動され、その結果両ホイール３．１，３．２は同方向に回転する。これに対しリターダー作動においては、切換えクラッチ４．１は閉じており、その結果ハイドロダイナミックカップリングの一次ホイール３．１は二次ホイール３．２の回転方向とは逆の方向でクランク軸１．１により駆動される。よって、これと同時に、排ガス利用タービンはタービン連結作動時の回転方向とは逆の方向に駆動され、したがってコンプレッサまたは「エアポンプ」として作動し、更なる制動トルクとしてクランク軸１．１を制動させるために寄与する。

このように、図２に図示した実施形態では、タービン連結作動時における排ガス利用タービン２からクランク軸１．１へのトルク伝達は純粋に流体力学に準じて行なわれ、他方リターダー作動においては、ハイドロダイナミックカップリングの両ホイール（一次ホイール３．１と二次ホイール３．２）は機械的に互いに逆方向に駆動され、ハイドロダイナミックカップリング３は逆回転リターダーの機能を果たす。

本発明の第１の実施形態を示すもので、タービン連結作動時およびリターダー作動時に排ガス利用タービンの誘導格子を位置調整することにより排ガス利用タービンへの入射流を変化させるようにした前記第１の実施形態を示す図である。 本発明の第２の実施形態を示すもので、ハイドロダイナミックカップリングの一次ホイールと二次ホイールとの間に切換えクラッチを有している変速装置を備えた前記第２の実施形態を示す図である。

符号の説明

１ 内燃エンジン
１．１ クランク軸
２ 排ガス利用タービン
３ ハイドロダイナミックカップリング
３．１ 一次ホイール
３．２ 二次ホイール
３．３ 作用空間
４ 変速装置
４．１ 切換えクラッチ

Claims (10)

1. １．１ 内燃エンジン（１）により駆動されるクランク軸（１．１）と、
   １．２ 内燃エンジン（１）の排ガス流の中に配設される排ガス利用タービン（２）と、
   １．３ 一次ホイール（３．１）と二次ホイール（３．２）とを有し、該一次ホイール（３．１）と二次ホイール（３．２）とが作動媒体で充填可能な作用空間（３．３）または作動媒体で充填される作用空間（３．３）を形成しているハイドロダイナミックカップリング（３）であって、該ハイドロダイナミックカップリング（３）の作用空間（３．３）が充填されていて且つ排ガス利用タービン（２）が排ガス流により駆動されているときに駆動力が排ガス利用タービン（２）からクランク軸（１．１）へ伝達されるようにクランク軸（１．１）と排ガス利用タービン（２）との間の駆動結合部の中に配設されている前記ハイドロダイナミックカップリング（３）と、
   を備えたターボコンパウンドシステムにおいて、
   １．４ ハイドロダイナミックカップリング（３）の一次ホイール（３．１）または二次ホイール（３．２）の回転方向を逆転させるための切換え手段が設けられている、
   ことを特徴とするターボコンパウンドシステム。
2. 切換え手段が排ガス流の中に流動誘導装置を有し、該流動誘導装置は、ハイドロダイナミックカップリング（３）の排ガス利用タービン側に配置されている一次ホイール（３．１）の回転方向を逆転させるため、排ガス利用タービン（２）の回転方向が逆転するように排ガスの流動方向を変化させることを特徴とする、請求項１に記載のターボコンパウンドシステム。
3. 流動誘導装置が排ガス利用タービン（２）の誘導格子または誘導器を含んでいることを特徴とする、請求項２に記載のターボコンパウンドシステム。
4. 切換え手段が変速装置（４）を含んでいることを特徴とする、請求項１に記載のターボコンパウンドシステム。
5. 変速装置（４）が、クランク軸（１．１）とハイドロダイナミックカップリング（３）のクランク軸側に配置されている二次ホイール（３．２）との駆動結合部の中に位置決めされた逆転伝動装置の形態で実施されていることを特徴とする、請求項４に記載のターボコンパウンドシステム。
6. 変速装置（４）が、排ガス利用タービン（２）とハイドロダイナミックカップリング（３）の排ガス利用タービン側に配置されている一次ホイール（３．１）との駆動結合部の中に位置決めされた逆転伝動装置の形態で実施されていることを特徴とする、請求項４に記載のターボコンパウンドシステム。
7. 変速装置（４）が、ハイドロダイナミックカップリング（３）に対し並列に配置されており、且つハイドロダイナミックカップリング（３）の一次ホイール（３．１）と二次ホイール（３．２）とを回転方向が互いに逆になるように機械的に駆動結合するよう切換えるための切換えクラッチ（４．１）を有していることを特徴とする、請求項４に記載のターボコンパウンドシステム。
8. 切換えクラッチ（４．１）が多板クラッチとして実施されていることを特徴とする、請求項７に記載のターボコンパウンドシステム。
9. 切換えクラッチ（４．１）がハイドロダイナミックカップリングとして実施されていることを特徴とする、請求項７に記載のターボコンパウンドシステム。
10. 変速装置（４）が切換えクラッチ（４．１）を備えた遊星歯車伝動装置として実施されていることを特徴とする、請求項７から９までのいずれか一つに記載のターボコンパウンドシステム。
    
    

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