JP5506695B2 - 商用車における圧縮空気供給用のコンプレッサー及び該コンプレッサーの制御のための方法 - Google Patents

Description

本発明は、駆動エンジンを有する商用車における圧縮空気供給用のコンプレッサーであって、該コンプレッサーは伝動装置を介して１よりも小さい伝動比で前記駆動エンジンによって駆動されるようになっており、かつ前記コンプレッサーは、ピストン室、空所室並びに、該空所室の切換のための弁装置を有している形式のものに関する。

本発明はさらに、駆動エンジンを有する商用車における圧縮空気供給用のコンプレッサーの制御のための方法であって、該コンプレッサーは伝動装置を介して１よりも小さい伝動比で前記駆動エンジンによって駆動され、かつ前記コンプレッサーは、ピストン室、空所室並びに、該空所室の切換のための弁装置を有する形式のものに関する。

圧縮空気需要を最新の商用車の部分システムによって満たすために、圧縮空気供給装置に配設されたコンプレッサーは、小さくなる伝動比で構成されている。この場合に駆動軸の、エンジン回転数に等しい回転数ｎ_Antriebと被動軸の、コンプレッサー回転数に等しい回転数ｎ_Abtriebとの間の前記伝動比ｉは、

によって求められるものであり、できるだけ小さく選ばれる。

商用車において、特に回転数の低い場合に高い空気需要が多く発生している。このような例は、例えばトラックやトレーラ等のコンテナ積み下ろし作業の場合や、バスが停留所において停車又は発車する場合等である。停留所におけるバスの場合には、ドアは開かれ、空気ばねはまず空気を抜かれ、これによりバスの床レベルが低くされて、乗り降りが容易にされ、そしてドアは再び閉じられ、次いで空気ばねは発車の前に再び空気を充填されねばならない。これらのすべての作業は多くの空気を消費し、空気は低いエンジン回転数で供給されねばならない。

しかしながら、吐出される空気量は小さくなる伝動比によって、低いエンジン回転数の場合だけではなく、高いエンジン回転数の場合にも著しく高められ、これにより、コンプレッサーの機械的及び熱的な過度な負荷が発生することになる。このことは特に、駆動エンジンの２０００回／分の定格回転数を、エンジンブレーキの際の例えば２４００回／分のブレーキ回転数まで数百回／分上回る場合に当てはまる。このような状態における問題は、エンジンブレーキを掛ける際に、コンプレッサーの完全な遮断が器材保護のために望まれないことにあり、それというのは、空気が車両を止めるために常用ブレーキによって必要とされるからである。このような空気消費は、商用車をエンジンブレーキにより制動するようになっているので、増大している。

本発明の課題は、１よりも著しく小さい伝動比で運転できるコンプレッサーを提供することであり、特にエンジン回転数の高い場合に、コンプレッサーに発生する負荷を低下させる。

前記課題を解決するために、冒頭に述べた形式のコンプレッサーにおいて、弁装置は、コンプレッサーから吐出される空気流が、空所室の接続により、零と異なる値に減少されるように形成されている。空所室の接続は、コンプレッサーにより圧縮段階で達成される圧縮率を減少させることになる。圧縮中に発生する熱は圧縮率と相関関係があるので、最大圧縮の減少により、コンプレッサーの吐出行程中に発生する熱、ひいてはコンプレッサーの熱的な負荷も減少される。さらに、コンプレッサーの機械的に負荷される構成部分、例えばクランク軸、ピストン、連接棒、連結ピン及びクランク軸軸受が、回転数及び圧力の高い場合の過負荷から保護されており、その結果、構成部分の機械的な補強は不要である。本発明に係るコンプレッサーを特に有利に用いる場合の典型的な伝動比は、０．４〜０．７であるものの、本発明に係るコンプレッサーは他の伝動比でも用いることができる。

有利な実施の形態によれば、弁装置は、互いに個別に切換可能な複数の弁を含んでいる。空所室の接続は、主として弁装置の操作によって行われ、該弁装置は、ピストン室と空所室との間の接続部、つまり、規定された弁横断面を開放するようになっている。規定された弁横断面を介して、コンプレッサーは圧縮段階時に空気を空所室内へ送り込むことになる。空所室体積に加えて、開放可能な接続部の弁横断面も、該弁横断面、つまり弁流過断面が空気の流れ抵抗を規定するので重要である。互いに個別に切換可能な複数の弁により、弁横断面の、コンプレッサー回転数に適合された増大若しくは流れ抵抗の減少が可能である。

さらに別の有利な実施の形態によれば、空所室は複数の個別の容積を有しており、該複数の個別の容積は互いに個別に切換可能になっている。複数の空所室容積の接続により、コンプレッサー内に発生するピーク圧力がさらに減少され、ひいては熱的及び機械的な負荷がさらに減少される。

別の実施の形態によれば、弁装置は、少なくとも二段階に切換可能な弁を含んでいる。少なくとも二段階に切換可能な弁を用いることによっても、ピストン室と空所室との間の開放可能な弁横断面を、必要な値に適合させることができ、従って、コンプレッサー内に発生するピーク圧力が段階的に減少されるようになっている。

特に有利な実施の形態によれば、コンプレッサーから吐出される前記空気流は、空所室の接続によって零に減少されるようになっている。ピストン室と空所室との間の、弁装置によって開放される弁横断面が十分に大きく、かつ空所室の体積が十分である場合には、コンプレッサー内に達成可能な吐出圧力は、空気流の吐出のために必要な圧力を下回ることになる。このような状態では、コンプレッサーは空気流をもはや送り出すことはなく、従って、わずかな仕事しかしないので、相応に少ないエネルギーしか必要としなくなっている。このような構成により、エネルギー節減システムを実施することができる。

コンプレッサーの制御のための方法において、本発明の構成によれば、コンプレッサーから吐出される空気流は、空所室の接続により、零と異なる値に減少される。

有利な実施の形態によれば、吐出される空気流は、空所室とピストン室との間の弁装置の開かれる弁横断面を変化させることにより調節される。

さらに別の実施の形態によれば、コンプレッサーから吐出される空気流は、空所室の接続によって零に減少される。

有効な実施の形態によれば、空所室の切換のための少なくとも１つの条件は、商用車のエンジンブレーキ中にのみ満たされる。

本発明の実施の形態によれば、空所室の切換は、特に次に述べる値の少なくとも１つに基づき行われ、つまり、該値は、
エンジン回転数、
コンプレッサー回転数、
アクセルペダル位置、
吐出される空気流、
エンジン負荷、
ギヤ選択、
商用車の空気需要量、
コンプレッサーの温度である。

コンプレッサーの圧縮サイクル中に発生する熱は、圧縮率が分かっている場合には算出されるものである。従って、排出すべき熱量は、エンジン回転数、コンプレッサー回転数、吐出される空気流若しくはギヤの選択及びアクセルペダルの位置に基づき算出される。排出すべき熱量が、コンプレッサーの冷却システムにより排出される熱量を上回る場合には、排出すべき熱量は、空所室の接続によって減少されるようになっている。この場合に、エンジン負荷並びにコンプレッサーの温度も用いることができる。さらに、商用車の空気需要が、空所室の接続のための基準として用いることができる。商用車が十分な圧縮空気の供給を受けている場合には、コンプレッサーは、燃料を節約するために、エネルギー節減状態に移すことができる。

上記構成と関連して、有利には、コンプレッサー回転数は、回転数センサーによって直接に検出され、かつコンプレッサー回転数は、制御装置によって弁装置の切換のために用いられる。コンプレッサー回転数の直接的な検出しかつ弁装置の切換のために用いることは、コンプレッサー運転の最適化を可能にしている。

別の有利な実施の形態によれば、コンプレッサー回転数は間接的に、エンジン回転数及び伝動比に基づき求められ、かつコンプレッサー回転数は、制御装置によって弁装置の切換のために用いられる。コンプレッサー回転数をエンジン回転数及び伝動比に基づき間接的に求めることにより、別個の回転数センサーを省略することができる。

次に本発明を図示の特に有利な実施の形態に基づき説明する。

コンプレッサーを備える車両の概略図である。 コンプレッサーの断面図である。 エンジン回転数若しくはコンプレッサー回転数に依存する、本発明に係るコンプレッサーにより吐出された空気流を示す図である。 本発明に係るコンプレッサーの作動に関するエンジン特性分布図である。 方法のプロセスを示すフローチャートである。

図面において、同一の符号は同一若しくは同等の構成部分を示している。

図１は、商用車１２を概略的に示しており、該商用車はコンプレッサー１０を備えている。商用車１２は、駆動エンジン２０によって駆動されるようになっている。駆動エンジン２０は伝動装置２６を介してコンプレッサー１０を駆動するようになっており、該コンプレッサーは、空気フィルター２４を介して空気を吸い込み、かつ圧縮して蓄圧装置２２へ送るようになっている。伝動装置２６は１より小さい伝動比ｉを有しており、つまり、エンジン回転数と同じであってよい駆動回転数ｎ_Antriebは、コンプレッサー回転数と同じである被動回転数ｎ_Abtriebよりも大きくなっている。即ち、コンプレッサー回転数はエンジン回転数に対して一定の係数ｉだけ異なっている。駆動エンジン２０、伝動装置２６及びコンプレッサー１０から成る１つのシステムが形成されており、コンプレッサー１０は伝動装置２６を介して駆動エンジン２０によって駆動されるようになっている。本発明に係るコンプレッサーが有利に用いられる典型的な伝動比は、０．４〜０．７であるが、本発明に係るコンプレッサーは他の伝動比でも用いることができる。さらに、コンプレッサー回転数の検出のための回転数センサー７４及びコンプレッサー１０の制御のための制御装置７２が図示されている。

図２はコンプレッサー１０の断面を示している。コンプレッサー１０はシリンダーケーシング３８を含んでおり、該シリンダーケーシングは冷却リブ４０を備えていて、ピストン３６のためのピストン室１４を画成しており、ピストン室１４内を往復運動可能なピストン３６は、クランク軸４２によって駆動されるようになっている。冷却リブ４０は必須のものではないものの、シリンダーケーシング３８の冷却のために用いられており、シリンダーケーシング３８の冷却は、別の異なる手段、例えば水冷によって行われてよく、水冷は高い冷却作用を有している。冷却リブ４０は、低い冷却作用に加えて、シリンダーケーシングに剛性を与えるために役立っている。さらに、空気入口弁２８を備える空気入口３０、空気出口弁３２を備える空気出口３４、並びに弁装置１８を備える空所室１６が図示されている。弁装置１８は、制御装置７２によって制御されるようになっており、この場合に制御装置７２は、個別の構成部分として形成され、若しくは、既に商用車１２内に配置されていて圧縮空気供給装置２２を制御するための他の制御装置に組み込まれた構成部分として形成されていてよいものである。制御装置７２は、弁装置１８をエンジン回転数若しくはコンプレッサー回転数に基づき制御するようになっており、この場合に各回転数の検出のために、制御装置７２に直接に接続された別個のセンサー７４が設けられており、若しくは回転数は車両用バス、例えばＣＡＮバスを介して制御装置に伝達されるようになっている。後者の場合には、回転数の検出のために、商用車１２内に既に設けられているセンサーが用いられる。

図示の空気吸込行程中には、ピストン３６はピストン室１４の内部を下方へ運動し、この場合に空気は空気入口弁２８を介して空気入口３０からピストン室１４内へ吸い込まれる。該吸込行程では空気出口弁３２は構造上閉じられている。図示されていない吐出行程中には、ピストン３６はピストン室１４内を上方へ運動し、この場合に空気入口弁２８は閉じ、かつ空気出口弁３２は十分に高い圧力の達成に際して開き、空気は空気出口３４内へ吐出される。

弁装置１８が切り換えられると、ピストン室１４と空所室１６との間の接続部は開かれて、該接続部を通って空気は流れ得るようになっている。この場合に、流れ抵抗は、実質的に弁装置１８によって開放された弁横断面に依存している。コンプレッサー１０が吐出行程にある場合に、空気はピストン室１４内でのみ圧縮されるのではなく、空所室１６内でも圧縮される。従って、空気の相対的な圧縮は減少され、それというのは、ピストン室内の圧縮すべき体積が、弁装置１８によって十分に大きな弁横断面を開放することにより、空所室の体積だけ拡大されるからである。開放された弁横断面が十分に大きくない場合には、開放された弁横断面は絞りとして作用することになる。この場合には、圧縮中に発生する圧力はわずかにしか減少されない。圧縮の上記減少により、発生する廃熱は減少し、ひいてはコンプレッサーの熱負荷が減少される。

空所室１６の体積及び弁装置１８によって開放される弁横断面が規定の限界値を上回ると、吐出行程中にピストン室１４内に達成可能な圧力は、空気出口３４の領域に作用している圧力よりも低下することになる。この場合には、空気吐出はもはや行われなくなり、同時に空気の圧縮のための仕事は少なくてすむようになっている。このような構成により、コンプレッサー１０のためのエネルギー節減システムを実施することができる。

図３は、エンジン回転数若しくはコンプレッサー回転数に依存する、本発明に係るコンプレッサーにより吐出された空気流を示している。ｘ軸には、各エンジン回転数若しくはコンプレッサー回転数がプロットしてあり、この場合にそれぞれ小さい方の数字はエンジン回転数に対応し、かつそれぞれ大きい方の数字はコンプレッサー回転数に対応するものである。ｙ軸には、吐出される空気流がプロットしてある。図示の第１の吐出特性線４４は、駆動エンジンのアイドリング回転数である５００回／分、若しくは該アイドリング回転数に対応するコンプレッサー回転数である７５０回／分から始まって上昇しており、この場合に回転数は伝動装置の三分の二の伝動比に相当している。駆動エンジンの定格回転数である２０００回／分の下側にある接続点４６で、空所室は接続される。該接続に基づき、吐出される空気流が小さくなり、この場合に、吐出される空気流は第２の吐出特性線４８を用いて規定されている。エンジン回転数が駆動エンジンの定格回転数２０００回／分を超えると、吐出される空気流は、第１の吐出特性線４４の下側を延びる第２の吐出特性線４８に沿って大きくなっており、２４００回／分のブレーキ回転数が達成され、例えばエンジンブレーキが導入される。第２の吐出特性線４８は、接続された空所室による空気の圧縮の減少を伴って延びており、つまり、排出すべき圧縮熱は、空所室の接続に基づき減少されている。複数段の減少も可能である。

図４は、本発明に係るコンプレッサーの作動に関するエンジン特性分布図であり、ｘ軸にはエンジン回転数がプロットされ、かつｙ軸には、駆動エンジンによって形成されるトルクがプロットされ、かつ追加的にその右側から延びる強調した線でエンジン出力が示してある。さらに、エンジン特性分布図の中に過給圧の線が描かれ、ミリバールで表されており、該線は駆動エンジンのターボ過給機の過給圧を示している。第１の運転領域６２と第２の運転領域６４とは、切換境界線５８で分離されている。太い線５６はエンジンデータの測定された特性線であり、該特性線に基づき次に制御を説明する。

コンプレッサー１０の第１の運転領域６２では空所室１６は接続されていない。第２の運転領域６４では、空所室１６は弁装置１８を介して接続されている。第１の運転領域６２におけるアイドリング５４から、商用車は加速され、この場合に駆動エンジン２０の状態は、左側下方から右側上方へエンジン特性分布図内をｓ字形の特性線５６に沿って移動する。上方の切換点７０が達成されると、図示省略の伝動装置の次の高い方のギヤが接続され、これによって駆動エンジン２０のエンジン回転数は急激に低下する。伝動装置の上記接続の後に、エンジン回転数は再び点７０まで増大する。切換境界線５８は、該切換境界線が商用車１２の駆動エンジン２０の通常の運転作動中には超えられないように選ばれている。商用車１２の最終速度が達成されると、駆動エンジン２０は、切換境界線５８から離れて位置する通常の運転領域６８内にある。今、エンジンブレーキが導入されると、駆動エンジン２０の状態は、エンジンブレーキに関する特性線６６に沿って移動して、駆動エンジン２０の２０００回／分の定格回転数を超えるようになる。この場合に切換境界線５８が超えられ、従って弁装置１８によって空所室１６が接続され、これにより、コンプレッサー１０内における最大の圧縮率が減少し、その結果、吐出される空気流及び発生する廃熱が減少される。エンジンブレーキが終了されると、駆動エンジン２０の状態は、切換境界線５８を再び下回り、これまで接続されている空所室１６は、弁装置１８によって再び遮断される。今や、駆動エンジン２０の状態は再びｓ字形の特性線５６に沿って移動する。さらに、コンプレッサー１０を、別の空所室の接続によって、若しくは開かれる弁横断面の増大によって、吐出される空気量が零に向かって減少するようなエネルギー節減の状態に移すことも考えられる。

図５は、方法のプロセスを示すフローチャートである。ステップ１００から始まり、該ステップでは、コンプレッサー１０から吐出される空気量が最大の空気量Ｖ_maxよりも大きいか否かが識別される。このような識別は、例えば、直接に若しくは間接的に車両用バス、例えばＣＡＮバスを介して制御装置に接続された回転数センサーを用いて、駆動エンジン２０のエンジン回転数若しくはコンプレッサー回転数を検出することに基づき、或いはギヤ選択及びアクセルペダル位置を検出することに基づき行われる。同様に、コンプレッサー１０の温度の直接的な検出も考えられる。さらに、特にコンプレッサー１０をターボチャージャーによって過給する場合には、駆動エンジン２０のエンジン負荷を用いることも考えられる。コンプレッサー１０から吐出される空気量が空気量Ｖ_maxよりも大きい場合に、つまり、１００・イエス（100-Ja）である場合には、ステップ１１０において空所室１６が弁装置１８を介して接続される。続いてステップ１２０において、空所室の接続が、後の診断のため、若しくは統計的な評価のために記憶される。続いて、再びステップ１００において、プロセスが継続される。コンプレッサー１０から吐出される空気量が空気量Ｖ_maxよりも小さい場合に、つまり、１００・ノー（100-Nein）である場合には、ステップ１３０においてプロセスが継続される。空所室１６は、コンプレッサー１０の空気吐出を再び増大するために、弁装置１８によって遮断される。続いて、ステップ１００において、プロセスが継続される。注意すべき点は、ステップ１００においてはコンプレッサー１０により実際に吐出された空気量を決定するのではなく、むしろ、空所室１６が接続されていない場合に、コンプレッサー１０により吐出されることになる空気量を決定することにある。さらに付言すると、コンプレッサー１０の始動は通常の始動圧力よりも低い圧力で行われてもよい。始動圧力は、規則に定められた最小圧力よりも高く規定されていなければならない。このような構成により、回転数の高い場合の機械的な過負荷に対するコンプレッサーの保護が、コンプレッサーを高い回転数では作動しなくなっているので、確実に得られるようになっている。

明細書、図面並びに特許請求の範囲に記載の構成事項は、本発明の実施のために個別にも、任意に組み合わせても用いられるものである。

１０ コンプレッサー、 １２ 商用車、 １４ ピストン室、 １６ 空所室、 １８ 弁装置、 ２０ 駆動エンジン、 ２６ 伝動装置、 ２８ 空気入口弁、 ３０ 空気入口、 ３２ 空気出口弁、 ３４ 空気出口、 ３６ ピストン、 ３８ シリンダーケーシング、 ４０ 冷却リブ、 ５８ 切換境界線、 ６８ 運転領域、 ７２ 制御装置、 ７４ 回転数センサー、 ｎ_antrieb 駆動回転数、 ｎ_abtrieb 被動回転数

Claims (12)

1. 駆動エンジン（２０）を有する商用車（１２）における圧縮空気供給用のコンプレッサー（１０）であって、該コンプレッサー（１０）は伝動装置（２６）を介して１よりも小さい伝動比で前記駆動エンジン（２０）によって駆動されるようになっており、かつ前記コンプレッサー（１０）は、ピストン室（１４）、空所室（１６）並びに、該空所室（１６）の切換のための弁装置（１８）を有しており、前記弁装置（１８）は、前記コンプレッサー（１０）から吐出される空気流が、前記空所室（１６）の接続により、零と異なる値に減少されるように形成されており、前記弁装置（１８）は、個別に切換可能な複数の弁を含んでいることを特徴とする、商用車における圧縮空気供給用のコンプレッサー。
2. 前記空所室（１６）は、互いに分離された複数の容積を有しており、該各容積は前記弁装置（１８）によって個別に切り換えられるようになっている請求項１に記載のコンプレッサー。
3. 前記弁装置（１８）は、少なくとも二段階に切換可能な弁を含んでいる請求項１に記載のコンプレッサー。
4. 前記コンプレッサー（１０）から吐出される前記空気流は、前記空所室（１６）の接続によって零に減少されるようになっている請求項１から３のいずれか１項に記載のコンプレッサー。
5. 商用車（１２）において、該商用車は請求項１から４のいずれか１項に記載のコンプレッサー（１０）を有していることを特徴とする商用車。
6. 駆動エンジン（２０）を有する商用車（１２）における圧縮空気供給用のコンプレッサー（１０）の制御のための方法であって、該コンプレッサー（１０）は伝動装置（２６）を介して１よりも小さい伝動比で前記駆動エンジン（２０）によって駆動され、かつ前記コンプレッサー（１０）は、ピストン室（１４）、空所室（１６）並びに、該空所室（１６）の切換のための弁装置（１８）を有しており、前記弁装置（１８）は、個別に切換可能な複数の弁を含んでおり、前記コンプレッサー（１０）から吐出される空気流は、前記空所室（１６）の接続により、零と異なる値に減少されることを特徴とする、商用車における圧縮空気供給用のコンプレッサーの制御のための方法。
7. 前記吐出される空気流は、前記空所室（１６）と前記ピストン室（１４）との間の前記弁装置（１８）の開かれる弁横断面を変化させることにより調節される請求項６に記載の方法。
8. 前記コンプレッサー（１０）から吐出される前記空気流は、前記空所室（１６）の接続によって零に減少される請求項６又は７に記載の方法。
9. 前記空所室（１６）の切換のための少なくとも１つの条件は、前記商用車（１２）のエンジンブレーキ中にのみ満たされる請求項６から８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記空所室（１６）の切換は、
    エンジン回転数、
    コンプレッサー回転数、
    アクセルペダル位置、
    前記吐出される空気流、
    エンジン負荷、
    ギヤ選択、
    前記商用車の空気需要量、及び
    前記コンプレッサーの温度である値のうちの少なくとも１つの値に基づき行われる請求項６から９のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記コンプレッサー回転数は、回転数センサー（７４）によって直接に検出され、かつ、
    前記コンプレッサー回転数は、制御装置（７２）によって前記弁装置（１８）の切換のために用いられる請求項６から１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 前記コンプレッサー回転数は間接的に、前記エンジン回転数及び前記伝動比に基づき求められ、かつ
    前記コンプレッサー回転数は、制御装置（７２）によって前記弁装置（１８）の切換のために用いられる請求項６から１０のいずれか１項に記載の方法。

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