JP5964408B2 - タービンバイパスを有する動力システム及び該動力システムを動作させる方法 - Google Patents

Description

本発明は、概して、動力システムに関連し、より詳細には、パワータービンを有する内燃機関を含む動力システムに関する。

内燃エンジンの機械的ターボコンパウンドシステムの動作中に、パワーフローが逆向きになる時間がある。すなわち、エンジンからの動力が、実際に、ターボコンパウンドパワータービンのシャフトに伝達される。このシステムの通常動作中、排気からのエネルギーは、パワータービンを駆動するために用いられる。エネルギーの標準的な流れは、パワータービンの出力シャフトからエンジンクランクシャフトに、である。動力の逆転は、エンジン速度及び負荷がより低い状態において、ターボコンパウンドタービンを所定のパワーレベル（動力を駆動シャフトに送るために必要なレベルよりも高いレベル）で駆動するためには排気流が低くなり過ぎたときに生じる。このようなエネルギー逆行の時間の間、動力は、実際に、エンジンからターボコンパウンドユニットのパワータービンに移動している。動力の逆転は、ターボチャージャタービン出口における背圧の増大を生じさせ、これにより、燃料消費を高くする。

本発明の一態様によれば、動力システムが、排気ラインを含むエンジンと、前記排気ラインにおけるタービンと、前記タービンの上流にて前記排気ラインに連結されており、且つ、制御可能なバイパス弁を含むバイパスラインと、エンジン負荷、エンジン速度、及び、排気ライン圧力の少なくとも１つが予め決められたレベルよりも低い場合に前記タービンを迂回させるように前記バイパス弁の開放を制御するために配置されたコントローラとを備えている。

本発明の別の態様によれば、動力システムが、排気ラインを含むエンジンと、前記排気ラインにおけるタービンとを備え、前記タービンのタービンシャフトが前記エンジンのクランクシャフトに、前記タービンシャフトと前記クランクシャフトとの間での動力の伝達を可能にするように接続されている。前記動力システムは、さらに、前記タービンの上流にて前記排気ラインに連結されており且つ、制御可能なバイパス弁を含むバイパスラインと、動力が前記クランクシャフトから前記タービンシャフトに伝達されるように前記エンジンが動作されるときに前記タービンを迂回させるように前記バイパス弁の開放を制御するために配置されたコントローラとを備えている。

本発明のさらに別の態様によれば、動力システムを動作させる方法が、エンジンからガスを排気ラインに排出するステップと、動力が前記以外に前記クランクシャフトから前記タービンシャフトに伝達されるように前記エンジンが動作されるときに、タービンを迂回させるために前記排気ラインに配置されたバイパスラインを開放するようにバイパス弁を制御するステップとを含む。

本発明の特徴及び利点が、以下の詳細な説明を図面を参照しつつ読むことにより良好に理解されるであろう。図面において、類似の番号は類似の要素を示す。

本発明の一態様による動力システムの概略図である。 本発明の一態様によるターボコンパウンド内燃エンジンの動力システムのためのエンジントルク対エンジン速度のグラフであり、また、パワータービンが迂回されるようなエンジン動作状態を示す。

本発明の一態様による動力システム２１が、図１に概略的に示されている。動力システム２１は、車両２３（点線で概略的に示されている）（例えば、トラック、ボート、バス、若しくはその他の車両）において、又は、静止用途に用いられることができる。動力システム２１は、排気ライン２７を含むエンジン２５を含む。エンジン２５は内燃エンジン（内燃機関）（例えばディーゼルエンジン）であるが、エンジンは、火花点火エンジンであってもよい。タービン２９が、排気ラインにおいてエンジン２５の下流に設けられている。

タービン２９は、通常、ターボコンパウンドシステムのパワータービンである。ターボコンパウンドシステムは、エンジンの上流にコンプレッサ３１を含み、コンプレッサ３１は、ターボチャージャタービン３３に接続されている。ターボチャージャタービン３３は、エンジンの下流にあり、且つ、パワータービンの上流にある。パワータービン２９のタービンシャフト３５が、任意の適切な手段（例えば、ギヤトレイン又は補助装置プーリ）３６によりエンジン２５のクランクシャフト３７に接続されており、これにより、タービンシャフトとクランクシャフトとの間の動力の伝達を可能にしている。排気ライン２７における圧力が十分に高いとき、パワータービン２９が動力をクランクシャフト３７に伝達する。しかし、排気ライン２７における圧力が所定のレベルよりも低下したとき（例えば、エンジンの低速／低負荷動作時）、エンジン２５からの動力がパワータービン２９のタービンシャフト３５に伝達される。動力がタービンシャフト３５に伝達される動作状態は、エンジンタイプにより異なるであろう、しかし、１００ｍｍ〜１６０ｍｍのエンジンボアを有する６気筒ヘビーデューティディーゼルエンジンに関しては、エンジン動作状態が、例えば、エンジン２５の正味平均有効圧（ＢＭＥＰ）が０．５ＭＰａ（メガパスカル）以下であり、且つ／又は、エンジントルクが７５０Ｎｍ（ニュートンメートル）よりも小さく、且つ／又は、エンジン速度が約１４００ｒｐｍ（回転数／分）以下であるようなとき、このポイントが観察されている。

バイパスライン３９が排気ライン２７にパワータービン２９の上流で連結されており、また、制御可能なバイパス弁４５を含む。コントローラ４３が、バイパス弁４５の開放を制御するために配置されている。この開放は、動力がタービンシャフト３５に伝達されることが予測されるような状況下でエンジン２１が動作されるときにタービン２９を迂回させるために行われる。例えば、コントローラ４３は、エンジン負荷、エンジン速度、及び、排気ライン圧力の少なくとも１つが予め決められたレベルよりも低いという判断に応答して、バイパス弁４５を開放するように制御し得る。しかし、その他の理由によっても弁４５が開放され得ることが理解されよう。図２に示されているグラフは、１００ｍｍ〜１６０ｍｍのエンジンボアを有する６気筒ヘビーデューティディーゼルエンジンに関してバイパスライン（ウェイストゲートとも称する）が開放されるような状態を示す。

バイパス弁４５は、簡単なオン／オフ弁であってもよいが、通常は、完全な開放位置と完全な閉鎖位置との間の様々な位置に移動するように制御可能な弁を設けることが有用であろう。例えば、システムにより異なる所定の動作状態において、タービンシャフト３５のクランクシャフト３７からの動力取り出しをもたらしかねない背圧を低減し、それによりタービン２９がタービンを通過するより少ない量の排ガス流を用いてクランクシャフト３７に動力を供給できるように、バイパス弁４５は部分的に開放されることができる。制御可能な弁４１が、バイパスラインとタービンとの間に、タービンの上流にて設けられることができ、これは、流れがパワータービン２９を通ってではなくバイパスライン３９を通って流れることを保証するためである。

本発明の一態様による動力システム２１を動作する方法において、ガスが、エンジン２５から排気ライン２７に排出される。例えば、動力がクランクシャフト３７からタービンシャフト３５に伝達されるように、且つ／又は、エンジン負荷、エンジン速度、及び、排気ライン圧力の少なくとも１つが予め決められたレベルよりも低いようにエンジン２５が動作されるとき、バイパス弁４５は、完全に又は部分的に開放されるように、そしてそれにより、排気ラインにおいてタービン２９を完全に又は部分的に迂回するようにバイパスライン３９を開放するように制御されることができる。同時に、タービン２９の上流の弁４１が、バイパスライン３９を通る流れの発生の保証を容易にするように制御されることができる。本明細書に記載される、弁４１及び弁４５の開閉を生じるような環境が、例示的であり、限定的でないことが理解されよう。

本発明のさらなる態様において、コントローラ４３は、動力システムが上記の方法を実行することを可能にするようにコンピュータプログラミング可能なコントローラとして
広く称されるものである。前記方法を実行するためのコンピュータコードを含む持続性コンピュータ可読媒体、例えば、ディスクを設けることができる。

本発明の動力システム、方法、及びその他の態様は、１つの機械的システムが別のシステムを駆動しないようにするための公知の方法、例えばオーバーランクラッチに比べて遜色ないと考えられる。例えば、オーバーランクラッチを、ヘビーデューティディーゼルエンジン、又は定置エンジン上のパワータービンと組み合わせて用いる場合には、物理的中断(physical break)又はフリーホイールをギヤトレインに設けなければならないであろう。オーバーランクラッチを組み込むことにより、複雑性がかなり増し、また、部品の数もかなり多くなることが必然であろう。一方、バイパスライン及びバイパス弁は比較的単純である。また、オーバーランクラッチは、バイパスライン及びバイパス弁とは異なり、かなりの余剰コスト及び重量を伴うであろう。また、発明のシステム及び方法は、パワータービンを、高速及び低負荷状態では迂回させ（パワータービンがシステムにおいて抗力(drag)として作用することを回避するため）、そして、低速及び高負荷状態では係合させる（排気における利用可能な動力を利用するため）。これとは対照的に、オーバーランクラッチは、通常、トルクに対処するようには配置されない。オーバーランクラッチは、単に、被駆動シャフトの回転速度が駆動シャフトの回転速度よりも小さいときに係合を外すだけである。

さらに、オーバーランクラッチは、バイパスライン及び弁においては予測されないような耐久性の問題を有すると考えられる。

さらに、ウェイストゲートは、完全開放位置、完全閉鎖位置、又はこれらの間の任意の位置で故障を生じても、エンジン又はタービンを損傷させないと考えられるが、一方、オーバーランクラッチに関連する物理的なギヤ装置の故障は、エンジンのギヤトレイン又はオイルシステムに損傷を生じる可能性がある。

最後に、本発明によるバイパス弁及びバイパスラインは、タービンの負荷を除去（完全に又は部分的に）することを必要とするだけである。タービンシャフトは、クランクシャフトと共に回転し続けることができる。トルクのみが、バイパス弁及びバイパスラインを開放することにより影響を受ける。これとは対照的に、オーバーランクラッチでは、速度及びトルクの両方を分離し、すなわち、タービンシャフトはクランクシャフトと共に回転し続けない。

本出願において、用語、例えば「含む」(“including”)の使用は、制約がなく、また、「備える」(“comprising”)のような用語と同一の意味を有し、且つ、その他の構造、材料、又は動作の存在を排除しないことを意図されている。同様に、用語、例えば、「〜できる」(“can”)、又は「〜し得る」(“may”)などの使用も、制約がなく、且つ、構造、材料、又は動作が必須でないことを反映することを意図されている。しかし、これらの用語（“can”, “may”)が使用されていない場合でも、それは、構造、材料、又は動作が必須であることを反映するものではない。構造、材料又は動作は、それらが現在必須であると考えられる限りにおいて、必須であると見なされる。

本発明を好ましい実施形態に従って例示及び記載してきたが、この実施形態に、特許請求項に記載されている本発明の範囲から逸脱することなく変更及び変化が行われ得ることが理解されよう。

２１ 動力システム
２５ エンジン
２７ 排気ライン
２９ パワータービン
３１ コンプレッサ
３３ ターボチャージャタービン
３５ タービンシャフト
３６ ギヤトレイン
３７ エンジンのクランクシャフト
４１ 制御可能な弁
４３ コントローラ
４５ バイパス弁

Claims (18)

1. 排気ラインを含むエンジンと、
   前記排気ラインにおけるターボチャージャタービンと、
   前記排気ラインにおけるパワータービンと、
   前記パワータービンの上流にて前記排気ラインに連結されており、且つ、制御可能なバイパス弁を含み前記パワータービンをバイパスするためのバイパスラインと、
   前記バイパスラインと前記パワータービンとの間であって該パワータービンの上流に配置された制御可能な弁と、
   前記エンジンが前記エンジンからクラッチを介することなく前記パワータービンに動力を伝達するように動作され、且つ、エンジン負荷、エンジン速度、及び、排気ライン圧力の少なくとも１つが予め決められたレベルよりも低い場合に前記パワータービンを迂回させるように前記バイパス弁の開放を制御し、前記制御可能な弁を閉じて前記排気ラインの閉鎖を制御するために配置されたコントローラとを備える、動力システム。
2. 前記バイパス弁がオン／オフ弁である請求項１に記載の動力システム。
3. 前記バイパス弁が、完全な開放位置と完全な閉鎖位置との間の位置に移動するように制御可能である請求項１に記載の動力システム。
4. 前記パワータービンがターボコンパウンドシステムのパワータービンである請求項１に記載の動力システム。
5. 前記パワータービンが、前記エンジンのクランクシャフトに接続されたタービンシャフトを有する請求項１に記載の動力システム。
6. 前記パワータービンが、前記バイパス弁が開放されるときに前記エンジンのクランクシャフトに接続維持される請求項１に記載の動力システム。
7. 請求項１に記載の動力システムを備えた車両。
8. 動力システムであって、
   排気ラインを含むエンジンと、
   前記排気ラインにおけるターボチャージャタービンと、
   前記排気ラインにおけるパワータービンとを備え、前記パワータービンのタービンシャフトが前記エンジンのクランクシャフトに、前記タービンシャフトと前記クランクシャフトとの間での動力の伝達を可能にするように接続されており、前記動力システムが、さらに、
   前記パワータービンの上流にて前記排気ラインに連結されており、且つ、制御可能なバイパス弁を含み前記パワータービンをバイパスするためのバイパスラインと、
   前記バイパスラインと前記パワータービンとの間であって該パワータービンの上流に配置された制御可能な弁と、
   動力が、前記エンジンから、及び、前記クランクシャフトからクラッチを介することなく前記タービンシャフトに伝達されるように前記エンジンが動作され、且つ、エンジン負荷、エンジン速度、及び、排気ライン圧力の少なくとも１つが予め決められたレベルよりも低い場合のときに、前記パワータービンを迂回させるように前記バイパス弁の開放を制御し、前記制御可能な弁を閉じて前記排気ラインの閉鎖を制御するために配置されたコントローラとを備える、動力システム。
9. 前記バイパス弁がオン／オフ弁である請求項８に記載の動力システム。
10. 前記バイパス弁が、完全な開放位置と完全な閉鎖位置との間の位置に移動するように制御可能である請求項８に記載の動力システム。
11. 請求項８に記載の動力システムを備えた車両。
12. 動力システムを動作させる方法であって、
    エンジンからガスを排気ラインに排出し、ターボチャージャタービンを回転させるステップと、
    エンジンにより発生された動力が前記エンジン又はクランクシャフトからクラッチを介することなくパワータービンのタービンシャフトに伝達されるように前記エンジンが動作され、且つ、エンジン負荷、エンジン速度、及び、排気ライン圧力の少なくとも１つが予め決められたレベルよりも低い場合のときに、前記パワータービンを迂回させるために前記排気ラインに配置されたバイパスラインを開放するようにバイパス弁を制御するとともに前記排気ラインを閉鎖するように前記排気ラインと前記パワータービンとの間であって該パワータービンの上流に配置された制御可能な弁を制御するステップとを含む、前記方法。
13. 前記バイパス弁を、完全な開放位置及び完全な閉鎖位置の一方にあるように制御するステップを含む請求項１２に記載の方法。
14. 前記バイパス弁を、完全な開放位置及び完全な閉鎖位置を含むがそれらに限定されない複数の位置のいずれか１つにあるように制御するステップを含む請求項１２に記載の方法。
15. 前記パワータービンのタービンシャフトが前記エンジンのクランクシャフトに接続されており、前記クランクシャフトと前記タービンシャフトとの間で動力を伝達するステップを含む、請求項１２に記載の方法。
16. エンジン負荷、エンジン速度、及び、排気ライン圧力の少なくとも１つが予め決められたレベルよりも低い場合に前記バイパス弁を開放するように制御するステップを含む、請求項１２に記載の方法。
17. 請求項１２に記載の方法を実行するようにプログラムされたコンピュータ。
18. 請求項１２に記載の方法を実行するためのコンピュータコードを含む持続性コンピュータ可読媒体。

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