JP2010144615A - 車両の空気圧縮機構 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジン排気ガスのエネルギを利用して、ブレーキ等に用いる圧縮空気を直接または間接的に作り出してブレーキ等に利用する。
【解決手段】排気管に設ける排気タービンと、排気タービンにクラッチを介して接続される排気タービン駆動エアコンプレッサと、空気吸い込み経路の途中とエアコンプレッサとを繋ぐ第一の吸気配管と、空気吸い込み経路の途中と排気タービン駆動エアコンプレッサとを繋ぐ第二の吸気配管と、エアコンプレッサとエアリザーバとの間を繋ぐ第一の送気配管と、エアリザーバとクラッチとエアコンプレッサとを繋ぎ、エアリザーバ内のエア圧力が所定値になったときにエアコンプレッサの吸気バルブを大気連通にするとともに、クラッチを断・接して、過剰な圧縮エアの供給を停止する空気圧リターン配管（アンロード回路）とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、制動機構やエアサスペンション機構等の作動に圧縮空気を用いるトラック、バス等の車両の空気圧縮機構に関する。

大型商用車では、ブレーキやクラッチ等の操作力軽減のために圧縮空気を利用したアシスト機構が付いており、バスではドアの開閉にも圧縮空気を利用している（例えば、特許文献１，２，３参照）。

図７は、従来の車両の空気圧縮機構を示す。
この従来の車両の空気圧縮機構は、エア吸い込みダクト２からエアフィルタ３を経由してエンジン１内に空気を吸い込むエンジン１の空気吸い込み経路４の途中において、エアフィルタ３とコンプレッサ６との間を繋ぐ吸気配管５と、コンプレッサ６とエアリザーバ７との間を逆流防止のチェック弁９を介して繋ぐ送気配管８と、コンプレッサ６とエアリザーバ７とを繋ぐ空気圧リターン配管（アンロード回路）１０とを備えている。

この従来の車両の空気圧縮機構において、上述の圧縮空気は、吸気配管５より空気をエアコンプレッサ６の膨張行程による吸い込み力で吸い込み、圧縮行程で圧力を０．８〜０．９ＭＰａ（８〜９ｋｇ／ｃｍ²）に増加して作られ、逆流防止のチェック弁９を介して送気配管８でエアリザーバ７に圧送される。
また、エアリザーバ７の空気圧が規定値に達すると、その圧力を空気圧リターン配管（アンロード回路）１０を介してフィードバックして、エアコンプレッサ６のバルブ類を開放するアンロード機能により、空気圧縮を停止するようになっている。

このように、エアコンプレッサ６の圧縮作動は間欠的ではあるが、大型車両の場合、アイドリング時で概略２〜３ＫＷ（３〜４ＰＳ）、最高回転数に近い走行時には概略８〜９ＫＷ（１１〜１２ＰＳ）に達することもあり、常にフルロードの稼動ではないが、燃費を低下させる一要因となっている。
一方、エンジン１は、燃料を燃焼して走行エネルギに変換しているが、燃料の有するエネルギの大半を熱エネルギとして放射ないし排気ガスとして排出している。
特開平９−２２５１号公報 特公昭６３−２８８１０号公報 特開昭６０−９５１２４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の車両の圧縮空気供給装置では、エンジン側への過給（エンジン側の吸い込み負圧）が大きい高回転時には、エアコンプレッサ側への空気供給が十分に行われず、逆止弁がないためにエアコンプレッサの作動が不良になる虞がある。
また、特許文献２に記載の車両のエア機構では、エンジン過給とエアコンプレッサへの空気供給を、運転状況に応じて電子制御にて弁を作動させて、エンジンかエアコンプレッサか、空気を供給する方向を制御しているが、複雑で高価である。但し、特許文献１のようにエンジンへの過給が多いからといってエアコンプレッサへの空気供給が完全に停止することはない。
また、特許文献３に記載の排気発電装置では、蓄電装置にもよるが、排気エネルギが大きい場合は十分に充電できない可能性がある。

本発明は斯かる従来の問題点を解決するために為されたもので、その目的は、エンジン排気ガスのエネルギを利用して、ブレーキ等に用いる圧縮空気を直接または間接的に作り出してブレーキ等に利用することで、エンジンの補機駆動動力を軽減して燃費を向上することを可能とする車両の空気圧縮機構を提供することにある。

請求項１記載の車両の空気圧縮機構は、エアフィルタから吸い込んだ空気をエンジンの空気吸い込み口へ導く空気吸い込み経路と、エンジンの排気ガスを導く排気管に取り付けられる排気タービンと、排気タービンに排気タービンで得られた回転動力を断・接するクラッチを介して接続される排気タービン駆動エアコンプレッサと、空気吸い込み経路の途中とエアコンプレッサとを繋ぐ第一の吸気配管と、空気吸い込み経路の途中と排気タービン駆動エアコンプレッサとを繋ぐ第二の吸気配管と、逆流防止のチェック弁を介してエアコンプレッサとエアリザーバとの間を繋ぐ第一の送気配管と、エアリザーバとクラッチとエアコンプレッサとを繋ぎ、エアリザーバ内の空気圧力が所定値になったときにエアコンプレッサの吸気バルブを大気連通にするとともに、クラッチを断・接して、過剰な圧縮空気の供給を停止する空気圧リターン配管（アンロード回路）とを備えることを特徴とする。

請求項２記載の車両の空気圧縮機構は、請求項１記載の車両の空気圧縮機構において、排気タービン駆動エアコンプレッサとエアリザーバとは、排気タービン駆動エアコンプレッサから吐出される空気を冷却して密度を上げるエアクーラと、排気タービン駆動エアコンプレッサとエアリザーバとの間の逆流を防止するチェック弁とを備える第二の送気配管を介して繋がれていることを特徴とする。

請求項３記載の車両の空気圧縮機構は、エアフィルタから吸い込んだ空気をエンジンの空気吸い込み口へ導く空気吸い込み経路と、エンジンの排気ガスを導く排気管に取り付けられる排気タービンと、排気タービンに排気タービンで得られた回転動力を断・接するクラッチを介して接続される排気タービン駆動エアコンプレッサと、逆流防止のチェック弁を介して空気吸い込み経路の途中とエアコンプレッサとを繋ぐ第一の吸気配管と、逆流防止のチェック弁を介して空気吸い込み経路の途中と排気タービン駆動エアコンプレッサとを繋ぐ第二の吸気配管と、逆流防止のチェック弁を介してエアコンプレッサとエアリザーバとの間を繋ぐ第一の送気配管と、エアリザーバとクラッチとエアコンプレッサとを繋ぎ、エアリザーバ内の空気圧力が所定値になったときにエアコンプレッサの吸気バルブを大気連通にするとともに、クラッチを断・接して、過剰な圧縮空気の供給を停止する空気圧リターン配管（アンロード回路）とを備えることを特徴とする。

請求項４記載の車両の空気圧縮機構は、請求項３記載の車両の空気圧縮機構において、排気タービン駆動エアコンプレッサと第一の吸気配管とは、排気タービン駆動エアコンプレッサから吐出される空気を冷却して密度を上げるエアクーラと、排気タービン駆動エアコンプレッサと第一の配管との間の逆流を防止するチェック弁とを備える第三の送気配管を介して繋がれていることを特徴とする。

本発明は、従来のエンジン駆動式エアコンプレッサシステムに、排気ガスの排気エネルギを利用した機構を追加することで、エンジン駆動式エアコンプレッサの駆動時間あるいは駆動負荷を低減することができるため、燃料消費量が低減し、燃費が向上する。
また、エアコンプレッサを稼動状況にマッチングさせて小型化すると、排気エネルギの利用効率が上がるとともに、コンプレッサを小型化できて駆動動力が減るため、効果が増加する。
さらに、コンプレッサシステムが二重系となるため、片側のコンプレッサが故障しても所要空気圧を確保することができる。

以下、本発明を図面に示す実施形態に基づいて説明する。
（実施形態１）
本実施形態に係る車両の空気圧縮機構は、図１に示すように、図７に示す従来の車両の空気圧縮機構と、排気タービン駆動コンプレッサ２２を利用した空気圧縮機構とを備えている。なお、ここでは、図７に示す従来の車両の空気圧縮機構の説明を省略し、本実施形態では、図７に示す従来の車両の空気圧縮機構と同一構成要素については、同一の符号を付して説明する。

本実施形態では、図１に示すように、エンジン１の排気ガスを導く排気管２０に、排気タービン２１を取り付けている。排気タービン２１には、この排気タービン２１で得られた回転動力を断・接するクラッチ２３を介して排気タービン駆動エアコンプレッサ２２を接続している。また、排気ガス駆動コンプレツサ２２の吐出圧力は、エアコンプレッサ６と同様エアリザーバ７の略最高設定蓄積圧力としている。

クラッチ２３は、図２、図３に示すように、排気タービン２１の回転軸２１ａに設けた摩擦板２１ｂと、排気タービン駆動エアコンプレッサ２２の駆動軸２２ａに設けた摩擦板２２ｂと、摩擦板２２ｂを摩擦板２２ａへ押圧するばね２２ｃと、ばね２２ｃのばね力に抗して摩擦板２２ｂを摩擦板２２ａから切り離すシリンダ機構２３ａとで構成されている。シリンダ機構２３ａは、エアリザーバ７からの圧縮空気でピストン２３ｃを移動させるシリンダ２３ｂと、一端をこのシリンダ２３ｂのピストンロッド２３ｄに回動自在に取り付け、他端を車体に取り付けられた作動桿２３ｅとで構成されている。

排気タービン駆動エアコンプレッサ２２には、空気吸い込み経路４の途中に繋がる吸気配管（第二の吸気配管）２４と、排気タービン駆動エアコンプレッサ２２から吐出される空気を冷却して密度を上げるエアクーラ２５と、排気タービン駆動エアコンプレッサ２２とエアリザーバ２１との間の逆流を防止するチェック弁２７とを備える繋ぐ送気配管（第二の送気配管）２６とが取り付けられている。
本実施形態では、コンプレッサ６とエアリザーバ７とを繋ぐ空気圧リターン配管（アンロード回路）１０が、方向切替弁１０ａを介してシリンダ機構２３ｂに繋がっている。

次に、本実施形態の作用を説明する。
エアリザーバ７の内圧が最低設定圧力より低い場合は、空気圧リターン配管（アンロード回路）１０によるフィードバック制御により、エンジン１が稼働しておれば、コンプレッサ６および排気タービン駆動エアコンプレッサ２２が同時に作動し、圧縮空気をエアリザーバ７に圧送する。

すなわち、吸気配管５より空気をエアコンプレッサ６の膨張行程による吸い込み力で吸い込み、圧縮行程で圧力を０．８〜０．９ＭＰａ（８〜９ｋｇ／ｃｍ²）に増加して作られ、逆流防止のチェック弁９を介して送気配管８でエアリザーバ７に圧送される。
同時に、排気タービン駆動エアコンプレッサ２２は、図３（ａ）に示すように、排気ガスによって駆動される排気タービン２１の回転力によって、圧縮空気をエアリザーバ７に圧送する。

そして、エアリザーバ７の空気圧が設定最高圧力に達すると、空気圧リターン配管（アンロード回路）１０を経由してその圧力がコンプレッサ６および排気タービン駆動エアコンプレッサ２２に伝達され、コンプレッサ６を大気連通し、クラッチ２３を「断」として空気圧縮を停止する。

すなわち、その圧力を空気圧リターン配管（アンロード回路）１０を介してフィードバックして、エアコンプレッサ６のバルブ類を開放するアンロード機能により、空気圧縮を停止する。
同時に、図３（ｂ）に示すように、エアリザーバ７の空気圧でシリンダ機構２３ａのピストン２３ｃを押し出し、作動桿２３ｅを移動させてクラッチ２３を切り離し、過剰な圧縮空気の供給を停止する。

以上のように、本実施形態によれば、コンプレッサ６および排気タービン駆動エアコンプレッサ２２の吐出流量は、図４に示すように、従来方式に比べると増加しているので、短時間でエアの充填が終了する。
その結果、コンプレッサ６だけの駆動に要する時間が低減され、燃料消費量が節約される。
また、本実施形態では、コンプレッサシステムが二重系となるため、片側のコンプレッサが故障しても所要空気圧を確保することができる。
さらに、本実施形態では、排気タービン駆動エアコンプレッサ２２は、圧縮空気を得るための専用機構であり、エンジン１の過給には用いない。

なお、排気に頼る時間密度が低い場合は、排気タービン駆動エアコンプレッサ２２を小型化して、排気ガスの有効活用度を上げるげるとともに、エンジンによるエアコンプレッサ６の駆動動力を低減することで、より燃費低減が図れる。
また、排気タービン駆動エアコンプレッサ２２から吐出される空気を冷却して密度を上げるエアクーラ２５を設けた場合について説明したが、省略しても良い。

（実施形態２）
図５は、本発明の実施形態２に係る車両の空気圧縮機構を示す。
本実施形態は、実施形態１における排気タービン駆動エアコンプレッサ２２から吐出される空気を吸気配管（第一の吸気配管）５に圧送して二段圧縮システムとして構成したものである。

吸気配管（第一の吸気配管）５にチェック弁５ａを設置し、吸気配管（第二の吸気配管）２４にチェック弁２４ｂを設置している。
また、排気タービン駆動コンプッレサ２２から吐出される圧縮空気をエアクーラエア２５を介して吸気配管（第一の吸気配管）５に繋ぐ吸気配管（第三の吸気配管）４１を設けている。この吸気配管（第三の吸気配管）４１にはチェック弁４１ａを設置している。

本実施形態によれば、作動は排気タービン駆動コンプレツサ２２で中間圧まで吸気空気を圧縮し、さらにコンプレッサ６で所定の空気圧力まで加圧する。
このような構成にすると、図６に示すように、コンプレッサ６は吸気を行わなくても空気が充填され、また中間圧から所要圧までの圧縮仕事が従来に比べて軽減されるので、結果エンジン１の燃料消費量が節約される。
本実施形態においても、実施形態１と同様の作用効果を得ることが可能となる。

本発明の実施形態１に係る車両の空気圧縮機構を示す構成説明図である。 図１のクラッチ機構の構成説明図である。 （ａ）アンロード機構の空気圧縮作動時を示す説明図、（ｂ）アンロード機構のアンロード時（空気圧縮非作動時）を示す説明図である。 本発明の実施形態１に係る車両の空気圧縮機構の作用を説明する図である。 本発明の実施形態２に係る車両の空気圧縮機構を示す構成説明図である。 本発明の実施形態２に係る車両の空気圧縮機構の作用を説明する図である。 従来の車両の空気圧縮機構を示す構成説明図である。

符号の説明

１ エンジン
２ エア吸い込みダクト
３ エアフィルタ
４ エンジン１の空気吸い込み経路
５ 吸気配管（第一の吸気配管）
６ コンプレッサ
６ａ 吸気バルブ
７ エアリザーバ
８ 送気配管（第一の送気配管）
９、５ａ、２４ｂ、４１ａ チェック弁
１０ 空気圧リターン配管（アンロード回路）
２０ 排気管
２１ 排気タービン
２２ 排気タービン駆動エアコンプレッサ
２３ クラッチ
２４ 吸気配管（第二の吸気配管）
２５ エアクーラ
２６ 送気配管（第二の送気配管）
４１ 吸気配管（第三の吸気配管）

Claims (4)

1. エアフィルタから吸い込んだ空気をエンジンの空気吸い込み口へ導く空気吸い込み経路と、
   前記エンジンの排気ガスを導く排気管に取り付けられる排気タービンと、
   前記排気タービンに前記排気タービンで得られた回転動力を断・接するクラッチを介して接続される排気タービン駆動エアコンプレッサと、
   前記空気吸い込み経路の途中とエアコンプレッサとを繋ぐ第一の吸気配管と、
   前記空気吸い込み経路の途中と前記排気タービン駆動エアコンプレッサとを繋ぐ第二の吸気配管と、
   逆流防止のチェック弁を介して前記エアコンプレッサとエアリザーバとの間を繋ぐ第一の送気配管と、
   前記エアリザーバと前記クラッチと前記エアコンプレッサとを繋ぎ、前記エアリザーバ内の空気圧力が所定値になったときに前記エアコンプレッサの吸気バルブを大気連通にするとともに、前記クラッチを断・接して、過剰な圧縮空気の供給を停止する空気圧リターン配管（アンロード回路）と
   を備えることを特徴とする車両の空気圧縮機構。
2. 請求項１記載の車両の空気圧縮機構において、
   前記排気タービン駆動エアコンプレッサと前記エアリザーバとは、前記排気タービン駆動エアコンプレッサから吐出される空気を冷却して密度を上げるエアクーラと、前記排気タービン駆動エアコンプレッサと前記エアリザーバとの間の逆流を防止するチェック弁とを備える第二の送気配管を介して繋がれている
   ことを特徴とする車両の空気圧縮機構。
3. エアフィルタから吸い込んだ空気をエンジンの空気吸い込み口へ導く空気吸い込み経路と、
   前記エンジンの排気ガスを導く排気管に取り付けられる排気タービンと、
   前記排気タービンに前記排気タービンで得られた回転動力を断・接するクラッチを介して接続される排気タービン駆動エアコンプレッサと、
   逆流防止のチェック弁を介して前記空気吸い込み経路の途中とエアコンプレッサとを繋ぐ第一の吸気配管と、
   逆流防止のチェック弁を介して前記空気吸い込み経路の途中と前記排気タービン駆動エアコンプレッサとを繋ぐ第二の吸気配管と、
   逆流防止のチェック弁を介して前記エアコンプレッサとエアリザーバとの間を繋ぐ第一の送気配管と、
   前記エアリザーバと前記クラッチと前記エアコンプレッサとを繋ぎ、前記エアリザーバ内の空気圧力が所定値になったときに前記エアコンプレッサの吸気バルブを大気連通にするとともに、前記クラッチを断・接して、過剰な圧縮空気の供給を停止する空気圧リターン配管（アンロード回路）と
   を備えることを特徴とする車両の空気圧縮機構。
4. 請求項３記載の車両の空気圧縮機構において、
   前記排気タービン駆動エアコンプレッサと前記第一の吸気配管とは、前記排気タービン駆動エアコンプレッサから吐出される空気を冷却して密度を上げるエアクーラと、前記排気タービン駆動エアコンプレッサと前記第一の配管との間の逆流を防止するチェック弁とを備える第三の送気配管を介して繋がれている
   ことを特徴とする車両の空気圧縮機構。
   

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