JP2009528473A - 内燃機関用の排気ターボチャージャ - Google Patents

Abstract

内燃機関（１０）用の排気ターボチャージャは、内燃機関（１０）の排気ガスライン（１４）に排気タービン（１６）と、内燃機関（１０）の吸気ダクト（１８）にコンプレッサ（２０）とを有する。さらに、コンプレッサ（２０）の、そのフローダクト（３２）にあるコンプレッサホイール（３０）の上流には動圧プローブ（３８）が設けられ、前記動圧プローブ（３８）は、コンプレッサのフローダクトの少なくとも総圧を記録して、最終的に、内燃機関によって吸気される空気量を決定できるように設計される。動圧プローブ（３８）が組み込まれたそのような排気ターボチャージャ（１２）を特に商用車にも使用できる。

Description

本発明は、請求項１の前段に記載の内燃機関用、特に商用車の内燃機関用の排気ターボチャージャ、及び内燃機関によって吸気される空気量の決定方法に関する。

内燃機関により吸気される空気量は、乗用車及び商用車において、例えば排気ガスの再循環制御のためのエンジン関係の測定変数として必要とされる。乗用車のエンジンでは、吸気される空気量を測定するために、標準としてホットフィルム空気量センサ（ＨＦＭ）が使用される。耐久性、センサドリフト、及び車両に対する接続部（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）規定のために、一般的に前記タイプのＨＦＭセンサを商用車のエンジンに組み込むことは可能ではない。さらに、前記タイプのＨＦＭセンサは、通常脈動（ｐｕｌｓａｔｉｏｎ）に敏感であり、汚染の影響を極めて受けやすい。

それゆえ、内燃機関によって吸気される空気量を測定するための、商用車にも有利に使用し得る装置又は手段に対する要求がある。

これに関連して、特許文献１には、例えば、内燃機関用の燃料噴射装置が開示されている。その燃料噴射装置は吸気ダクトに、自由に調整可能な絞り弁を有する。絞り弁の上流には、動圧測定装置及び別の絞り要素が設けられている。動圧測定装置は、吸気ダクトにおける総圧を測定するための動圧プローブと、ダクト壁に、吸気ダクトにおける静圧を測定するための測定ボアとを含み、別の絞り要素を吸気ダクトにおいて動圧プローブと測定ボアとの間に位置決めする。そこで、エンジンの燃料計量を、吸気ダクトにおける総圧と静圧とから決定される圧力差に応じて制御する。

さらに、特許文献２の要約書には、内燃機関用の排気ターボチャージャが開示されている。そのコンプレッサの上流には、空気量センサが配置されている。要約書には、使用される空気量センサのタイプ及び動作モードに関して、それ以上の説明はされていない。

特許文献３には、内燃機関用のターボ圧縮機が開示されている。それには、インペラブレードの間に、特徴的な流れ角を測定するための動圧プローブが配置されている。

独国特許出願公開第１５ ７６ ２７８Ａ号明細書 特開昭６３−０９０６２１Ａ号公報 独国特許出願公開第１４ ２８ ０４３Ａ号明細書

本発明の目的は、内燃機関用、特に商用車の内燃機関用の排気ターボチャージャを提供することにあり、それにより、内燃機関により吸気される空気量の単純で信頼性の高い測定が可能となり、その測定変数を例えば排気ガスの再循環制御に使用できる。本発明の別の目的は、内燃機関によって吸気される空気量を決定する方法を提案することにある。

この目的は、請求項１の特徴を有する内燃機関用の排気ターボチャージャ、及び請求項６の特徴を有する方法によって達成できる。本発明の有利な実施形態及び改良形態は、それぞれの従属請求項の主題である。

本発明によれば、内燃機関用の排気ターボチャージャは、内燃機関の排気ストランドに排気タービン及び内燃機関の吸気路にコンプレッサを有し、コンプレッサのフローダクトにあるコンプレッサホイールの上流には動圧プローブが設けられており、その動圧プローブは、コンプレッサのフローダクトの少なくとも総圧を測定するように設計される。

排気ターボチャージャのコンプレッサのフローダクト中の、動圧プローブによって測定された総圧により、コンプレッサによって、それゆえ内燃機関によって吸気される空気量を単純に決定することが可能となる。動圧プローブは、埃や油の影響をあまり受けず、使用寿命が長く、センサドリフトのレベルが極めて低い測定システムであるので、本発明の上述の排気ターボチャージャを商用車にも有利に使用することができ、内燃機関により吸気される空気量の単純で信頼性の高い測定を可能とする。

本発明の一実施形態では、動圧プローブをコンプレッサのハウジングに直接配置して、空気量センサを含む排気ターボチャージャの設計を非常にコンパクトにできる。

本発明の代替的な実施形態では、例えば吸気系とコンプレッサ入口との間の接続部に問題がある場合に、例えば成形部品を吸気系のホース接続部品とコンプレッサとの間に配置する必要がある場合、動圧プローブをコンプレッサのハウジングの直ぐ上流のフローダクト成形部品に配置する。

本発明の一実施形態では、動圧プローブは、コンプレッサのフローダクトの総圧及び静圧を測定するように設計され、制御ユニットが、測定された総圧と測定された静圧とからコンプレッサのフローダクトの圧力差を決定し、前記圧力差から、内燃機関により吸気される空気量を決定する。

本発明の代替的な実施形態では、動圧プローブは、コンプレッサのフローダクトの総圧を測定するように設計され；コンプレッサのフローダクトの壁に測定ボアが設けられ、コンプレッサのフローダクトの静圧を測定し；かつ制御ユニットが、測定された総圧と測定された静圧とからコンプレッサのフローダクトの圧力差を決定し、前記圧力差から、内燃機関により吸気される空気量を決定する。

本発明の別の態様によれば、コンプレッサを備える排気ターボチャージャが搭載された内燃機関によって吸気される空気量の決定方法が、コンプレッサのフローダクトの総圧及び静圧を測定するステップ；測定された総圧と測定された静圧とから、コンプレッサのフローダクトの圧力差を決定するステップ；及び決定された圧力差から、内燃機関により吸気される空気量を決定するステップを含み、コンプレッサのフローダクトの少なくとも総圧が、コンプレッサのフローダクトにあるコンプレッサホイールの上流の動圧プローブによって測定される。

前記方法を用いて、本発明による排気ターボチャージャに関連して上述したものと同じ効果及び利点を得ることが可能となる。特に、前記方法を商用車の内燃機関に有利に使用できる。

ここで、本発明の一実施形態では、コンプレッサのフローダクトの総圧及び静圧の双方を動圧プローブによって測定する。

本発明の代替的な実施形態では、コンプレッサのフローダクトの総圧を動圧プローブによって測定し、コンプレッサのフローダクトの静圧を、コンプレッサのフローダクトの壁にある測定ボアによって測定する。

上述の本発明の特徴及び利点、ならびに本発明の別の特徴及び利点は、以下、図面を参照にして、本発明の、好ましいがこれに限定しない例示的実施形態の説明からより良く理解できる。

図１は、特に商用車に使用され得る内燃機関１０の概略図である。内燃機関１０には、内燃機関１０の排気ストランド１４に排気タービン１６及び吸気路１８にコンプレッサ２０を含む排気ターボチャージャ１２が取り付けられており、そのコンプレッサ２０のコンプレッサホイールは、シャフト２２を用いてタービンホイールによって駆動される。内燃機関１０の作動中、排気タービン１６のタービンホイールは排気ストランドの排気ガスによって回転するように設定されて、コンプレッサ２０において、周囲からの燃焼空気を吸い込んで圧縮し、圧力を増大させる。

コンプレッサ２０の下流の吸気路１８に給気冷却器２４が配置され、その給気冷却器２４においてコンプレッサ２０からの圧縮された給気が冷却され、その後内燃機関１０のシリンダー入口に供給される。

内燃機関１０には排気ガス再循環装置２６も装備されており、それを介して、排気タービン１６の上流にある排気ストランド１４からの排気ガスを、給気冷却器２４の下流にある吸気路１８に再循環できる。排気ガス再循環装置２６は、再循環ライン、再循環ラインに設けられたバルブ、及び排気冷却器を含む。

内燃機関１０には制御ユニット２７も設けられており、制御ユニットは、内燃機関１０の種々の状態及び動作変数に応じて、排気ターボチャージャ１２、給気冷却器２４、排気ガス再循環装置２６等の動作を制御する。

本発明の第１の例示的実施形態による内燃機関の排気ターボチャージャ１２のコンプレッサ２０の設計を、以下、図２及び３を基にして詳細に説明する。

コンプレッサ２０はコンプレッサホイール３０を含み、コンプレッサホイールはハウジング２８内に配置され、図２の矢印で示すように、フローダクト３２を介して吸気し、前記空気をスパイラルダクト３４を介して内燃機関１０の吸気路１８に放出する。さらに、それ自体が公知の方法で、コンプレッサハウジング２８のフローダクト３２に燃焼空気を半径方向に供給するために、フローダクト３２に並行して集気用空間３６が設けられており、コンプレッサのフロー条件を調整するための１つ以上の案内格子が設けられている。前記タイプのコンプレッサ２０の設計及び動作モードは既に十分に周知であり、本発明も特定のコンプレッサに限定されないので、本明細書においてはコンプレッサ２０の詳細な説明を省略する。

コンプレッサ２０には、コンプレッサホイール３０の上流に動圧プローブ３８も組み込まれ、動圧プローブは、コンプレッサホイール３０のシャフト軸の近傍に、コンプレッサハウジング２８に半径方向に突出する。

動圧プローブの設計及び動作モードは十分に周知であるので、この点に関する詳細な説明を省略する。これに関しては、一例として２つの特許文献、独国特許出願公開第１９５ ０９ ２０８Ａ号明細書及び独国特許出願公開第１９６ ２３ ５８６Ａ号明細書に述べられている。

図２に示す例示的実施形態では、動圧プローブ３８は、フローダクト３２の空気流の方に向かって面している第１の有効圧力ダクト４０ａと、フローダクト３２の空気流から離れた方に向かって面している第２の有効圧力ダクト４０ｂとを有する。第１の有効圧力ダクト４０ａは、少なくとも１つの第１の有効圧力ボア４２ａを介してフローダクト３２の空気流の方に向かって開口しているので、フローダクト３２の空気流の総圧（すなわち静圧＋動圧）が第１の有効圧力ダクト４０ａに作用し、かつこのようにして空気流の総圧を測定できるようになっている。同様に、第２の有効圧力ダクト４０ｂは、少なくとも１つの第２の有効圧力ボア４２ｂを介してフローダクト３２の空気流から離れた方に向かって少なくとも部分的に開口しているので、フローダクト３２の空気流の静圧のみが第２の有効圧力ダクト４０ｂに作用し、かつこのようにして空気流の静圧を測定できるようになっている。第１及び第２の有効圧力ボア４２ａ、４２ｂを、フローダクト３２の流れの断面にわたってそれぞれ好ましくは均一に分布して設ける。

第２の有効圧力ダクト４０ａによって測定される総圧及び第２の有効圧力ダクト４０ｂによって測定されるフローダクト３２の空気流の静圧を、動圧プローブ３８から、これらから圧力差を決定する制御ユニット２７へ供給する。圧力差は、フローダクト３２の流速に比例するので、排気ターボチャージャ１２のコンプレッサ２０によって、それゆえ内燃機関１０によって吸気される空気量の（例えば空気密度による）測定値である。

ここで使用される動圧プローブ３８は、従来のホットフィルム空気量センサよりも遥かに長い使用寿命を有し、測定精度は従来のものと同じである。それゆえ、動圧プローブ３８が組み込まれた排気ターボチャージャ１２は、内燃機関１０により吸気される空気量のための単純、費用効果的及び信頼性の高い測定システムを提供し、特に商用車においても有利に使用することができる。

図２及び３の第１の例示的実施形態の修正例では、動圧プローブ３８は、フローダクト３２における総圧を測定するための第１の能動的圧力ボア４２ａを備える第１の有効圧力ダクト４０ａのみを有する。フローダクト３２の静圧を測定するために、動圧プローブ３８の第２の有効圧力ダクト４０ｂの代わりに、フローダクト３２のコンプレッサハウジング壁に測定ボア（図示せず）を設け、測定ボアの測定開口部は、例えば空気流の方向にほぼ平行して設けられている。

この場合も制御ユニット２７は、動圧プローブ３８によって測定されるフローダクト３２の総圧と、測定ボアによって測定されるフローダクト３２の静圧とから圧力差を決定でき、最終的には圧力差から、内燃機関１０により吸気される空気量を決定できる。

図４を参照にして、以下第２の例示的実施形態を説明する。

吸気系とコンプレッサ入口との間の接続部に問題があるために、実際にはコンプレッサ２０にホース接続部品を直接押込むことが常に可能なわけではない。このため、例えばアルミニウム製のフローダクト成形部品４４を、Ｖ字状のベルトクリップ、通常のネジ接続等によってコンプレッサ２０の上流に配置して、その成形部品４４を最終的に吸気系のホース接続部品に配置することができる。

上述の第１の例示的実施形態と同様に、前記フローダクト成形部品４４に動圧プローブ３８を組み込む。動圧プローブ３８の設計、構成及び動作モードは、上述の説明のものと類似している。動圧プローブ３８は、特にフローダクト成形部品４４における空気流の総圧及び静圧を測定する働きをする。ここで、図４に示すように、動圧プローブ３８は、成形部品４４の、コンプレッサ２０にできるだけ近いところに組み込まれる。

第１の例示的実施形態と同様の修正例が、第２の例示的実施形態の場合にも可能である。すなわち、動圧プローブ３８の機能は総圧を測定するのみであり、フローダクト成形部品４４の静圧は、測定ボアによって測定する。

関連するターボチャージャを有する内燃機関の概略図である。 本発明の第１の例示的実施形態による図１の排気ターボチャージャのコンプレッサの部分的な断面図である。 図２のＡ方向から見た図２のコンプレッサの平面図である。 本発明の第２の例示的実施形態による図１の排気ターボチャージャのコンプレッサの直ぐ上流で使用されるフローダクト成形部品の側面図である。

Claims (8)

1. 内燃機関（１０）の排気ストランド（１４）に排気タービン（１６）と、前記内燃機関（１０）の吸気路（１８）にコンプレッサ（２０）と、を有する内燃機関（１０）用の排気ターボチャージャであって、
   前記コンプレッサ（２０）のフローダクト（３２）にあるコンプレッサホイール（３０）の上流に動圧プローブ（３８）が設けられ、その動圧プローブ（３８）が、前記コンプレッサの前記フローダクトの少なくとも総圧を測定するように設計されることを特徴とする排気ターボチャージャ。
2. 前記動圧プローブ（３８）が前記コンプレッサ（２０）のハウジング（２８）に配置されることを特徴とする請求項１に記載の排気ターボチャージャ。
3. 前記動圧プローブ（３８）が、前記コンプレッサ（２０）のハウジングの上流のフローダクト成形部品（４４）に配置されることを特徴とする請求項１に記載の排気ターボチャージャ。
4. 前記動圧プローブ（３８）が、前記コンプレッサ（２０）の前記フローダクト（３２）の総圧及び静圧を測定するように設計され、制御ユニット（２７）が、測定された総圧と測定された静圧とから前記コンプレッサの前記フローダクトにおける圧力差を決定し、その圧力差から、前記内燃機関（１０）により吸気される空気量を決定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の排気ターボチャージャ。
5. 前記動圧プローブ（３８）が、前記コンプレッサ（２０）の前記フローダクトの総圧を測定するように設計され、前記コンプレッサの前記フローダクトの壁に測定ボアが設けられ、前記コンプレッサの前記フローダクトの静圧を測定し、
   制御ユニット（２７）が、測定された総圧と測定された静圧とから前記コンプレッサの前記フローダクトにおける圧力差を決定し、その圧力差から、前記内燃機関（１０）により吸気される空気量を決定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の排気ターボチャージャ。
6. コンプレッサ（２０）を備える排気ターボチャージャ（１２）が搭載された内燃機関によって吸気される空気量の決定方法であって、
   前記コンプレッサ（２０）のフローダクトの総圧及び静圧を測定するステップと、
   測定された総圧と測定された静圧とから、前記コンプレッサの前記フローダクトにおける圧力差を決定するステップと、
   決定された圧力差から、前記内燃機関（１０）により吸気される空気量を決定するステップと、を有し、
   前記コンプレッサの前記フローダクトの少なくとも総圧を、前記コンプレッサ（２０）の前記フローダクト（３２）にあるコンプレッサホイール（３０）の上流の動圧プローブ（３８）により測定する方法。
7. 前記コンプレッサの前記フローダクトの総圧及び静圧が、前記動圧プローブ（３８）によって測定されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 前記コンプレッサの前記フローダクトの総圧が前記動圧プローブ（３８）によって測定され、前記コンプレッサの前記フローダクトの静圧が、前記コンプレッサの前記フローダクトの壁にある測定ボアによって測定されることを特徴とする請求項６に記載の方法。

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