JP4064650B2 - ターボコンパウンド内燃エンジン - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、いわゆるターボコンパウンド内燃エンジンに関し、特に，産業用ビークルのためのターボコンパウンド内燃エンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
“ターボコンパウンド”内燃エンジンは知られており、それはターボチャージャーのタービンから下流で駆動シャフトに機械的に連結され、排気ガスの残留エネルギの一部のを再生して駆動シャフトに対する機械的パワーに変換する補助タービンを有している。
【０００３】
補助タービンおよび駆動シャフトは、通常はギア減速装置および或程度の“スリップ”を許容する液圧継手を含む変速機によって機械的に連結されている（ここでは剛性の連結とは対照的に機械的パワーの伝達能力の広い意味で使用される）。液圧継手または相対的な液圧供給回路の破壊の場合に、補助タービンは駆動シャフトから機械的に遮断され、そのため駆動シャフトの回転によって生成されたブレーキトルクによって影響を受けないので、排気ガスだけによって駆動されるタービンの速度は安全限界を越えてタービンの破壊が生じる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この問題を解決する方法として、ターボコンパウンド内燃エンジンにおいて油圧継手の油の圧力を検出するために安全制御装置が開発され、それは圧力が予め定められた限界より低下するとき介入する。しかしながら、この形式の装置は油圧系統の故障の場合にのみ有効であり、介入するが、油圧継手のトルク伝達機構の故障の場合には、例えばシステムの回路は健全であるがオイルが粒子で汚染されている場合でも故障が生じることが認められた。
【０００５】
本発明の目的は、補助タービンの速度制御装置から従来の装置について上述したような欠点を除去したターボコンパウンド内燃エンジンを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、上述のような欠点のないターボコンパウンド内燃エンジンが提供される。本発明は、駆動シャフトと、タービンおよびコンプレッサーを備えたターボチャージャーと、このターボチャージャーのタービンから下流の排気ガスの通路に沿って位置している補助タービンと、補助タービンと駆動シャフトとの間の変速機手段とを具備しているターボコンパウンド内燃エンジンにおいて、補助タービンの回転速度を検出するための第１の角速度センサと、第１の角速度センサに接続されて補助タービンの回転速度を制御し、補助タービンの回転速度の許容値の範囲を計算する計算手段と、許容値の範囲と第１の角速度センサによって測定された補助タービンの回転速度とを比較する比較手段と、この比較手段によって生成されたエネーブル信号に応答して内燃エンジンの動作パラメータを制御して補助タービンの回転速度を許容値の範囲内に維持する制御手段とを備えた制御装置とを具備していることを特徴とする。
【０００７】
本発明はまたターボコンパウンド内燃エンジンの制御方法を提供する。本発明は、駆動シャフトと、タービンおよびコンプレッサーを備えたターボチャージャーと、このターボチャージャーの前記タービンから下流の排気ガスの通路に沿って位置している補助タービンと、前記補助タービンと前記駆動シャフトとの間の変速機手段とを具備しているターボコンパウンド内燃エンジンを制御する方法において、補助タービンの回転速度を第１の角速度センサによって測定し、補助タービンの回転速度の許容値の範囲を計算し、許容値の範囲と前記第１の角速度センサによって測定された前記補助タービンの回転速度とを比較し、この比較の結果に応答して内燃エンジンの動作パラメータを制御して補助タービンの回転速度を許容値の範囲内に維持することを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の限定されない例示として添付図面を参照にして好ましい実施形態について説明する。
図１では産業用ビークルのターボコンパウンド内燃エンジンの全体が符号1 で示されている。内燃エンジン1 は共通のシャフトに固定されたタービン3 およびコンプレッサー4 を備えたターボチャージャー2 を備えている。タービン3 は内燃エンジン1 のニホルド6 に接続された入口5 および出口7 を有している。コンプレッサー4 は空気取入れ回路8 に接続された入口と、内部冷却器10を介して内燃エンジンの空気取入れマニホルド（図示せず）に接続された出口9 を有している。
【０００９】
内燃エンジン1 はまた補助タービン（パワータービン）13を備え、それはタービン3 の出口7 に連結された入口14と排気系統16に接続された出口15を備えている。
補助タービン13はシャフト18に固定され、このシャフト18は全体を20で示されている変速機によって内燃エンジン1 の駆動シャフト19に機械的に連結されている。
さらに詳しく説明すると、変速機20は第１のギア減速機構24と液圧継手25と、駆動シャフト19に出力が接続された第２のギア減速機構26とを備えている。
【００１０】
本発明によれば、シャフト18に取付けられているパルス発生ホイール29またはシャフト18に取付けられて固定速度で回転するその他の部材で構成された角速度センサ28は、補助タービン13の回転速度を検出し、制御装置31の第１の入力に接続されて燃料の供給およびタービン3 の幾何学的な形状を制御し、入力30に補助タービン13の回転速度に関係する信号Ｉ1 を供給する。第２のセンサ34は通常の形式であり（図示せず）、例えば駆動シャフトの角速度（以下単にエンジン速度と言う）を検出するためにビークルの変速機の入力シャフトと関連し、制御装置31の第２の入力に接続されて信号Ｉ2 を供給する。
【００１１】
図２は制御装置31のブロック図を示している。制御装置31は信号Ｉ2 に基づいて補助タービン13の理論的速度ｎＴＣteorを計算する第１のブロック36を備えている。この第１のブロック36は制御装置31の第２の入力35に接続され、実質的に変速機20の伝達比を考慮に入れた定数と内燃エンジン速度とを乗算する乗算器を含んでおり、その出力はブロック37に接続されている。ブロック37は補助タービンの実際の速度を、上記のように計算された理論的速度に基づいて定められた許容値の範囲と比較する。さらに詳しく説明すると、ブロック37は、定数（例えば10,000 rpm）をｎＴＣteorに加算することによって補助タービン13の理論的最大速度ｎＴＣmax を計算する第１の加算器40と、定数（例えば20,000 rpm）をｎＴＣteorから減算することによって補助タービン13の理論的最小速度ｎＴＣmin を計算する第２の加算器41とを備えている。
【００１２】
２つの値ｎＴＣmax およびｎＴＣmin は補助タービン13の速度ｎＴＣの許容値の範囲を定める第１のしきい値比較装置42に供給される。速度ｎＴＣはセンサ28からの信号Ｉ1 に基づいて、制御装置31の第１の入力30に接続されたインターフェースブロック43において既知の方法で計算され、このインターフェースブロック43はまた既知の方法でセンサ28の動作状態を示す診断信号44を発生し、例えばセンサ28が正確に動作しているときには論理値０を有し、センサ28の信号Ｉ1 が妥当でなくなった場合、例えば信号がなくなったり無価値となった場合には論理値１を有する。
【００１３】
第１のしきい値比較装置42はインターフェースブロック43から信号ｎＴＣを受取ってそれをしきい値ｎＴＣmax およびｎＴＣmin と比較する。さらに詳しく説明すると、第１のしきい値比較装置42はｎＴＣがしきい値ｎＴＣmax とｎＴＣmin の間にある場合には値１のデジタル信号45を発生し、ｎＴＣがしきい値ｎＴＣmax およびｎＴＣmin によって規定された範囲の外側にある場合には値０を発生する。
【００１４】
デジタル信号45は第１のアンドゲート46の一方の入力に供給され、その他方の入力にはノットゲート48により反転された診断信号44に等しい信号47が供給される。アンドゲート46の出力は時間フィルタブロック50に接続され、この時間フィルタブロック50は、入力信号が予め定められた時間インターバルにわたって安定とていれば入力信号として同じ論理値の信号53を発生する。信号53はフリップフロップ55のリセット入力54に供給される。
【００１５】
第１の加算ブロック40によって計算されたｎＴＣmax 値は第２のしきい値比較装置54のスイッチングしきい値を設定するために使用され、この第２のしきい値比較装置54はインターフェースブロック43によって発生された信号ｎＴＣを受信し、ｎＴＣがｎＴＣmax よりも大きい場合に論理値１の信号56を発生し、したがって補助タービン13の故障を示し、ｎＴＣがｎＴＣmax よりも小さい場合には論理値０を示す。
【００１６】
第２のしきい値比較装置54からの出力信号56およびノットゲート48からの信号47は第２のアンドゲート57の入力に供給される。
【００１７】
第２のアンドゲート57の出力は第２の時間フィルタブロック58に接続され、この第２の時間フィルタブロック58は入力信号が予め定められた時間インターバルにわたって安定していれば入力信号として同じ論理値の信号59を発生する。信号59はフリップフロップ55のセット入力60に供給される。
【００１８】
フリップフロップ55は出力信号０１を発生し、それはタービン3 の幾何学的形状を制御するブロック38およびインジェクタによって供給される燃料を制御するブロック39に供給される。ブロック39の動作は詳細に後述するが、このブロック39はまた補助タービン13の速度に関する信号ｎＴＣを受取る。
【００１９】
制御装置31の動作は前述の説明で部分的に明らかであるが、以下全体的に説明する。動作の開始において、センサ28は正確に動作していると仮定し、それ故、信号44は値１であり、ｎＴＣの値にのみ依存しているアンドゲート46，57の出力には影響はない。
【００２０】
補助タービン13の速度ｎＴＣが許容可能な値の範囲で低下し、センサ28が正確に動作している場合には、第１のアンドゲート46の出力は１であり、この値が時間の経過に対して安定に保持される場合にはフリップフロップ55のリセット入力もまた１に等しい。
【００２１】
ｎＴＣが許容可能な値の範囲で低下するならば、条件ｎＴＣ＜ｎＴＣmax が確実に規定され、したがって、第２のしきい値比較装置54の出力は０であり、第２のアンドゲート57の出力も０であり、この値が時間の経過に対して安定に保持される場合にはフリップフロップ55のセット入力もまた０である。
その結果、フリップフロップ55の出力信号０１が０であり、そのため、ブロック38，39の部分に信号は供給されず、これらのブロックの装置による動作の介入は行なわれない。
【００２２】
図２のブロック図の上方のブランチは全体を31ａで示され、正確な動作を決定するための認識回路として動作する。
補助タービン13の速度ｎＴＣが許容可能な値の範囲内に入らないで、センサ28が正確に動作している場合には、第１のアンドゲート46の出力は０であり、この値が時間の経過に対して安定に保持される場合にはフリップフロップ55のリセット入力もまた０に等しい。
【００２３】
ｎＴＣがｎＴＣmax よりも大きい場合には、第２のしきい値比較装置54の出力は１であり、第２のアンドゲート57の出力も１であり、この値が時間の経過に対して安定に保持される場合には、フリップフロップ55のセット入力もまた１である。
したがって、この場合には、フリップフロップ55の出力信号０１が１に等しく、タービン3 の幾何学的形状および燃料供給の変更が可能にされる。
図２のブロック図の下方のブランチ31ｂは故障状態であることを決定するための認識回路として動作する。
【００２４】
反対に、ｎＴＣがｎＴＣmin よりも小さい場合には、第２のしきい値比較装置54の出力は０であり、第２のアンドゲート57の出力も０であり、この値が時間の経過に対して安定に保持される場合には、フリップフロップ55のセット入力もまた０である。フリップフロップ55の入力は両方とも０であり、存在している状態が維持される。
【００２５】
センサ28についての故障が検出された場合（すなわち、診断信号44が値１の場合）に同じことが（すなわち、検出されたｎＴＣの値に関係なく）適用され、その場合信号47は０であり、そのため両アンドゲート46, 57の出力は０である。
【００２６】
信号０１の論理１値が存在する場合に、ブロック38はタービン3 の幾何学的形状を全開条件に設定し、したがってスーパーチャージを減少させ、同時に、ブロック39は直ちに予め定められたスタート値にインジェクターによって供給される燃料を減少させその後補助タービン13の速度を一定に維持するために燃料供給値を変化させ、許容可能な値、例えばｎＴＣmaに等しくする。
【００２７】
本発明の内燃エンジン1 の利点、特に制御装置31の利点は、上述の説明から明らかであろう。
特に、装置31によって補助タービン13の回転速度を決定することによって、タービンの機械的な性能に影響する故障が検出される。
【００２８】
補助タービン13の完全性が決定的に危険である場合に、装置31の制御論理装置のみが内燃エンジンの動作パラメータ（タービン3 の形状および燃料供給）を補正を行う。すなわち、故障がセンサ28の故障に依存する可能性があるとき、または、故障が補助タービン13の完全性に脅威でないとき（ｎＴＣ＜ｎＴＣmin ）には介入動作は行なわれない。
【００２９】
さらに、補助タービン13の過度の加速を阻止するために制御される内燃エンジンに適用することによって、介入はビークルの緊急動作を可能にするように設計される。
【００３０】
特許請求の範囲に記載された本発明の技術的範囲を逸脱することなく種々の変形、変更が内燃エンジン1 および、特に制御装置に対して行なわれることができることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるターボコンパウンド内燃エンジンの概略図。
【図２】図１の内燃エンジンの制御装置のブロック図。

Claims (9)

  1. 駆動シャフト(19)と、タービン(3) とコンプレッサー(4) とを備えたターボチャージャー(2) と、このターボチャージャー(2) の前記タービン(3) から下流の排気ガスの通路に沿って位置している補助タービン(13)と、この補助タービン(13)と駆動シャフト(19)との間に設けられた変速機手段(20)とを具備しているターボコンパウンド内燃エンジン(1) において、
    補助タービン(13)の回転速度を検出する第１の角速度センサ(28)と、
    駆動シャフト (19) の回転速度を検出する第２の角速度センサ (34) と、
    それら第１の角速度センサ(28)および第２の角速度センサ (34)に接続されて補助タービン(13)の回転速度を制御する制御装置 (31) とを具備し、
    この制御装置 (31) は、前記第２の角速度センサ (34) に接続されて補助タービン(13)の回転速度の許容値の範囲を計算する計算手段(40, 41)と、前記許容値の範囲と第１の角速度センサ(28)により測定された補助タービン(13)の回転速度とを比較する比較手段(42, 54)と、この比較手段(42, 54)によって生成されたエネーブル信号(01)に応答して内燃エンジン(1) の動作パラメータを制御して補助タービン(13)の回転速度を前記許容値の範囲内に維持するように制御する制御手段(38, 39)とを備え、
    前記計算手段 (40, 41) は駆動シャフト (19) の回転速度に基づいて補助タービン (13) の回転速度の許容値の範囲の最大値を計算する計算手段 (40) を含んでいることを特徴とするターボコンパウンド内燃エンジン。
  2. ターボチャージャー(2) のタービン(3) は幾何学的形状が可変の形式であり、内燃エンジンの動作パラメータを制御する制御手段(38, 39)はタービンの幾何学的形状を変化させる手段を備えている請求項１記載の内燃エンジン。
  3. 前記形状が可変のタービン(3) の幾何学的形状を変化させる手段(38)は、形状が可変のタービンの全開状態を設定する手段を備えている請求項２記載の内燃エンジン。
  4. 内燃エンジンの動作パラメータを制御する制御手段(38, 39)は、前記補助タービン (13) の回転速度の許容値の最大値の範囲内に補助タービン(13)の前記回転速度を維持するために可変燃料供給手段(39)を備えている請求項２または３記載の内燃エンジン。
  5. 前記制御装置(31)は、前記第１のセンサ(28)から受信された信号の妥当性を決定する手段と、前記信号の妥当でない状態の検出に応じて内燃エンジンの動作パラメータを制御する制御手段(38, 39)をディスエーブルにするディスエーブル手段(46, 57)とを具備している請求項１乃至４のいずれか１記載の内燃エンジン。
  6. 駆動シャフト(19)と、タービン(3) およびコンプレッサー(4) を備えたターボチャージャー(2) と、このターボチャージャー(2) の前記タービン(3) から下流の排気ガスの通路に沿って位置している補助タービン(13)と、前記補助タービン(13)と前記駆動シャフト(19)との間に設けられている変速機手段(20)とを具備しているターボコンパウンド内燃エンジンを制御する方法において、
    補助タービン(13)の回転速度を第１の角速度センサ(28)によって測定し、
    駆動シャフト (19) の回転速度を第２の角速度センサ (34) によって測定し、
    第２の角速度センサ (34) によって測定された駆動シャフト (19) の回転速度に基づいて補助タービン(13)の回転速度の許容値の範囲を計算し、
    前記補助タービン (13) の回転速度の許容値の範囲と第１の角速度センサ(28)によって測定された補助タービン(13)の回転速度とを比較し、
    この比較の結果に応答して内燃エンジン(1) の動作パラメータを制御して補助タービン(13)の回転速度を前記許容値の範囲内に維持することを特徴とする制御方法。
  7. 前記内燃エンジン(1) の動作パラメータは、ターボチャージャー(2) のタービン(3) の形状および燃料供給を含んでいる請求項６記載の制御方法。
  8. 前記内燃エンジン(1) の動作パラメータを制御するステップは、ターボチャージャー(2) のタービン(3) を全開状態に設定する動作および最大限界内に補助タービン(13)の回転速度を維持するように燃料供給を変化させる動作を含んでいる請求項７記載の制御方法。
  9. 前記第１のセンサ(28)から受信された信号（Ｉ1)の妥当性を決定するステップと、前記信号(I1)の妥当でない状態の検出に応じて内燃エンジンの動作パラメータを制御するステップをディスエーブルにするステップとを含んでいる請求項６乃至８のいずれか１項記載の制御方法。
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