JPH02248635A - 排気タービン過給式内燃機関の加速補助手段 - Google Patents

排気タービン過給式内燃機関の加速補助手段

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JPH02248635A
JPH02248635A JP2042733A JP4273390A JPH02248635A JP H02248635 A JPH02248635 A JP H02248635A JP 2042733 A JP2042733 A JP 2042733A JP 4273390 A JP4273390 A JP 4273390A JP H02248635 A JPH02248635 A JP H02248635A
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internal combustion
combustion engine
suction pipe
pressure
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JP2042733A
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Juergen Lorenz
ユルゲン・ロレンツ
Juergen Ensner
ユルゲン・エンスナー
Alfonso Nunzio D
ヌンツイオ・ダルソンソ
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MAN Nutzfahrzeuge AG
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、請求項１の上位概念に記載の、改善された加
速特性を備える、排気タービン過給式内燃機関に関する
。
実用車用の改善された駆動装置を開発する際の主な目標
は、良好な発進特性、より少ない消費量、並びに有害な
エンジン排気物質による環境汚染のできる限りの抑制に
ある。これらの目的を実現するために、今日ではますま
す、高出力密度の過給式エンジンが使用される。前記目
的は、一般に排気タービン過給機の平均有効圧力の引き
上げに移っている。この場合過給空気の追加的な冷却は
有効な平均圧力を更に上昇せしめる。
［従来の技術］ 過給空気冷却器を備える排気タービン過給式ディーゼル
エンジンは、その特有の高出力のおかげで、アスピレー
トエンジンと比べて以下のような多くの利点を有する。
一適当な出力での摩擦損失の相対的な割合が少ない、そ
のため燃料消費は減少する。
−比較的小さい構造容積のために、客室の柔軟な設計が
許される。
一材料コストが比較的安いために、比較的安価である。
前記利点は、排気タービン過給式エンジンの緩慢な応答
時間（″ターボラグ″）という公知の問題と対立してい
る。その上、加速過程における空気不足は際だった排煙
をもたらす。
加速特性を改善するための様々な提案が公知になってい
る。これらの提案は、高負荷状態において不足している
空気量を外部からエンジンに供給する（空気吹込み）か
、もしくは排気タービン過給機を迅速に高速回転させる
ことによって前記空気量をより早く供給するという発想
に本質的に基づいている。
そこで、例えば、補助駆動装置を備える追加的な圧縮機
を利用して、吸込管への補助過給空気の吹込みを実現さ
せることが公知になって塾する。この場合必要に応じて
圧縮空気容器を使用することもできるが、それは単に前
記補助駆動装置を駆動するためだけのものである。そこ
では、適当なチェック弁が主圧縮機の吸込み通２品内に
配設されている（西独国特許発明第３１００７３２号明
細書参照）７゜ この場合の欠点は、空気吹込みの間、（閉じられたチェ
ック弁までの）全通路容積をまず最初に充填しなければ
ならないことにあり、そしてそれがためにタービン圧縮
機がその上短時間的に制動（排気タービン過給機の回転
数低下）されることにある、圧縮機と吸込管との間に用
意された過給空気冷却器を使用する場合にはチェック弁
のこのような配置は特に不利である。
追加的な空気が追加的なタービン圧縮機によって生成さ
れるので、システム内の圧力形成は比較的緩慢であるが
、このことは、そこにおける使用事例、即ち主に定常運
転にある大型エンジンへの利用、に対応する加速改善へ
の期待に完全に添っている。ここでは空気吹込みは比較
的まれに行われる。この場合大量の圧縮空気がゆっくり
と形成されて、比較的長時間にわたって用意される。
類似的にもたらされるところの効果的な空気吹込みは、
米国特許第３６７３７９６号明細書に開示されている。
そこではチェック弁が圧縮機の後方の吸込管の近傍に位
置している。この文献における主題は、同様に、十分な
量の圧縮空気を調達することにより排気タービン過給式
エンジンの負荷引受特性ないし応答特性を改善すること
に関係している（この場合発電機の駆動エンジンの回転
数を一定に維持しようとしている。）。
非定常的な車両運転、特に空気吹込みが極めて頻繁に必
要な実用車両の運転においては、加速時間を改善するだ
けでなく、加速に際して発生する噴煙を防止することも
肝要である（特に粒子の減少が達成されるべきである。
）、公知の刊行物にはこれに対する解決策が何等提示さ
れていない。
運転者の希望にしたがって、軽負荷かつ低回転数からの
通常の加速過程に際して、アクセルペダルが踏み込まれ
ると、エンジンの燃焼室内の燃料量が即座に増加せしめ
られる。これによって加速が開始する。この瞬間に燃焼
室内に不十分な混合気の形成状態が生ずる。即ち流入管
路内に生じた角運動量、燃焼室内に生じた乱流並びに燃
料の噴霧及び配分は、増加した燃料量をクリーンに燃焼
するにはあまりに不利である。
前記公知の事実はアスピレートエンジンに対しても過給
式エンジンに対しても当てはまる。
過給式エンジンの場合、特にターボチャージャーの場合
には、前記問題は過給機グループの慣性のためにアスピ
レートエンジンの場合よりも深刻であるので、排気ター
ビン過給機を備えるエンジンは、過給圧力に依存する燃
料量制限装置（ＬＤＡ）をもっている、このＬＤＡ−調
整は、加速過程において燃料量が過給圧力に対応するも
のの必然的な加速過剰を伴って解放されるように作用す
る。
ＬＤＡによって、排気の質が定常的な運転の場合のよう
な有利な値を呈するように燃料量を制限することはでき
ない、何となれば、もしそうでないと車両の加速が受は
入れ難いものになるからである。
米国特許第３６７３７９６号明細書による類似の空気吹
込みの適用も（既に示唆したように）排気の改善になん
ら寄与しない、なぜなら、そこでは（所定の回転数を一
定に維持するという目的をもって）吸込管への空気吹込
みと実際に同時に、増量された燃料噴射量を燃焼室内へ
解放することがどうしても必要だからである。
このような措置は結果的に、突然増加した燃料噴射と燃
焼室における圧縮空気の到達との間の時間差において、
不足した燃焼空気供給の前述の様相を生ぜしめることに
なる。このような状況下では著しい噴煙は不可避的であ
る。
［発明が解決しようとする課題］ それゆえ本発明の課題は、特に主に非定常的な運転を伴
う実用車両において使用されるところの排気タービン過
給式内燃機関において、類似の補助過給空気の供給を適
用しながらも、排気噴煙（とりわけ粒子増加）が完全に
阻止されるように、通常の加速経過を変更することにあ
る。
［課題を解決するための手段］ 本発明によれば前記課題は請求項１の特徴的事項によっ
て解決される。
つまり本発明の場合加速の出発点は依然として運転者の
希望にある。しかしな、がら、アクセルペダルをいっば
いに踏み込むと、もはや直ちに燃料が増量されることは
なく、まず最初にエンジンへの付加空気の吹込みが引き
起こされる。
これによって、増量された燃料が燃焼室内に噴射された
時に、常に十分高い空気比率を燃焼室内に有することが
保証される。
タービン過給機の排気タービンに捕捉されるエネルギー
が可能な限り迅速に増加し、それによってタービン過給
機の動作部材を加速せしめるなめに、タービン過給式デ
ィーゼルエンジンの噴射ボン１内に通常存在するＬＤＡ
に基づいて、最大に調節された燃料量の、加速に際して
の従来であれば不足した過給圧力によってもたらされる
ところの抑制が、直ちにＬ　Ｄ　Ａ機ｆＭの超過圧力に
よって解除されるように、吹込まれた空気量及びそれに
依存する吸込管内の圧力形成が適合せしめられる。こう
して最大の全負荷量の噴射燃料の燃焼が目立った噴煙発
生もなく行われる。これは吸込管へのＬＤＡの接続を前
提としている。
多くの使用事例において望まれる、タービン過給機のあ
まり高くない加速を受は入れるならば、ＬＤＡの接続を
、チェック弁とタービン過給機の圧縮機との間に位置さ
せることもできる。
これによって付加空気によるＬＤＡの超過圧力はなくな
る。
本発明によれば、これらのすべては−燃料−過給空気シ
ステムの動作過程を相応に制御することによって達成さ
れる。この場合空気吹込みは、全負荷量が到達する時点
の最大２秒前までに開始され、そして最大２秒間行われ
る。約１６バールの最大有効平均圧力を有する、約７リ
ツターの行程容積の６気筒デイーゼルエンジンを前提と
すれば、全負荷量が到達する０、４〜０．５秒前の吹込
み開始と０．５〜０．８秒の吹込み時間が特に有利であ
ることが判明した（圧縮空気容器内の圧力は５バール）
、全負荷量を達成するまでの燃料供給の増加を飛躍的に
行わせることができる。即ち噴射ポンプの計量機構は、
前記応答時間の経過後に急激に動作せしめられる。しか
しながら、最大の燃料量（全負荷量）を達成するまで燃
料を漸増的に推移させることもできる。即ち噴射ポンプ
の計量レバーがゆっくりと動かされる。
本発明の利点及び有益な改良は従属請求項の特徴事項か
ら推定され得る。
本発明の詳細は図面についての以下の記載から理解する
ことができる。
〔実施例〕
第１図において内燃機関は符号１で、排気タービン過給
機は符号２で示されている。過給機２のタービン３は排
気ガス収電通路４を介して内燃機関１と連通している。
圧縮８！５は、フィルター７を備えた吸込通路６を介し
て空気を吸引し、そして圧縮された空気を、過給空気冷
却器９を有する通路８を介して、内燃機関１の吸込管１
１（過給空気収電通路）内へ圧送する。
この過程に際して、（過給）空気通路内に存在する自動
弁１０（逆止弁、チェック弁）は開弁する。吸込通路６
には補助通路６ａを介して別の圧縮機１２が接続されて
いる。同圧縮機は内燃機関によって駆動されるとともに
、制動空気の発生に寄与する。制動装置の（図示されな
い）圧縮空気タンク内の圧力レベルが所定値に達すると
直ちに、通路１３内において弁１６が開放して、圧縮機
１２によって圧縮された空気が前記通路１３を介して圧
縮空気タンク１４へ供給られる。同圧縮空気タンクは所
定の圧力（通路１３内に追加的に存在する圧力調整機１
５によって調節される。）になるまで充填される。
空気圧力の上限値は制動システムの最大圧力に依存する
。
前記追加的な圧縮機１２がもっばら圧縮空気タンク１４
だけを充填することも可能である。
この場合には、圧縮空気タンク内の圧力は制動システム
の圧力を上回ることになり、さらに制動システムへの通
路並びに通路１３内の弁１６は不要になろう。
圧縮空気タンク１４内に蓄積された圧縮空気は、車両の
加速ないし発進に際して内燃機関において生じた過給空
気不足（この場合、不足している排気ガスエネルギーが
原因となる。）を補償するために使用される。このため
に、電磁弁１８を備える補助空気通路１７が用意されて
いる。この電磁弁は、開弁状態において、直接吸込管１
１へ向かうところの空気吹込みを生ぜしめる。前記空気
吹込みに際して閉じられる自動弁１０を（内燃機関１の
吸込管１１へ過給空気通路８が接続する直前の同過給空
気通路の端部に）類似的に配置することによって、供給
された補助−圧縮空気の最適な利用が達成される。
空気がなくなることはほとんど有り得ない、そして即座
に圧力が形成される。これによって加速時間は大幅に減
少する。
圧縮空気の吹込みを開始せしめる信号はアクセルペダル
の位置から取り出される。運転者がアクセルペダルをい
っばいに踏むと直ちに、燃料噴射装置内の遅延手段２１
が機能せしめられる（この場合遅延手段２１は、噴射ボ
ン１２２の計量機構を遅九て操作するべく、又は限定さ
れた速度で動作させるべく、同計量機構に対して作用す
る。）、アクセルペダルが全負荷位置又は全負荷位置の
近傍（全ペダル行程の約８０〜９５％、この場合ペダル
行程と噴射量は比例的に変化するものと仮定している。
）に達すると、空気吹込み制御装Ｍ２０が機能する。こ
の制御は、電磁弁１８の迅速な開放によって飛躍的に行
われる。電磁弁１８の開放は（後で説明するように）所
定のエンジン回転数ないし車両速度にも依存するであろ
う。
電気式又は空圧式の制御装置２０は、電磁弁１８を所定
時間開放せしめるためのものである。
すでに説明したように、この時間中に圧縮空気はタンク
１４から吸込管１１内に流入する。吸込管１１内の圧力
が通路８（過給空気冷却器９の後方）内の過給圧力を越
えると直ちに、自動弁（チェック弁１０）が閉じる。こ
のようにして、（同じくすでに説明したように）単に吸
込管の容積だけが満たされればよく、その結果内燃機関
への過給空気の迅速な供給が保証されている。
本発明によれば、エンジン吸気システムの■さに前述の
全過程において、燃料噴射の増加は全く行われないか、
もしくは提供された燃料量をすすを出さずに燃焼せしめ
るために、空気吹込みによって吸込管内で高められた空
気圧力に基づいて新鮮空気の十分な過給がシリンダ内に
おいて生じていることを前提とした勾配で燃料噴射の増
加が行われることになる。燃料配分のための時間的な経
過に対する必要不可欠な干渉は、信号伝達が電気的又は
電子的方法で行われる場合に、最も簡単に実施される。
この場合遅延手段１２は、噴射ポンプ２２の電子制御装
置に内蔵されている。しかしながら同手段を（電子アク
セルペダルの）電気サーボモーターの制御装置内に設け
てもよく、こうして同手段は燃料量の増加の遅延ないし
減速を引き起こす、ｔな、機械的制御装置に基づいて燃
料配分を遅延することも考えられる（例えば空圧式又は
液圧式）。
第２．３図には、加速過程中のアクセルペダル″ａ″と
燃料増加″ｂ″と空気吹込み弁の電磁弁動作゛Ｃ″の時
間的推移が示されている。
ここに、横軸は秒時−、縦軸はペダル行程及び燃料量（
それぞれパーセント表示）である、同様に縦軸にはさら
に空気吹込み弁の開放運動が表示されている。
第２図の場合、吸込管内へ吹込まれた圧縮空気によるエ
ンジンシリンダの充填のために必要な所定の時間だけ遅
れて全燃料量が取入れられる。それに対して、第３図に
おける燃料増加は、例えば直線で示されているように勾
配的推移を示している。
両図において、吹込み開始と全員ＲｉＩＬの達成（全燃
料噴射の開始）との間の時間差は９照数字２３によって
示されている。吹込み時間はそれぞれ間隔２４から明ら
かである。
空気吹込みの開始後、その効果は直接的な関連において
排気ガスシステムにおいても継続する０発生した燃料の
増加分を燃焼することによりタービン３において上昇し
たエンタルピー差に起因して、同タービンは加速され、
それによって圧縮機のローター５も加速される。この効
果は、燃料量が飛躍的に高められた場合に、それらの燃
焼によって更に増大する。何故なら排気ガス量もそのエ
ンタルピーも本発明に基づく空気吹込みの過程によって
今や急激に上昇しているからである。排気ガスタービン
に連結された圧縮機５の急激な回転数の上昇は、結果と
して、過給空気通路８内の過給空気の迅速な増加をもた
らす、吹込みの終了後、前記通路８内の圧力は吸込管１
１内の圧力を上回り、その結果チェック弁１０が再び開
く、この時すでに、過給圧力は高レベルにあって、非定
常性に起因した噴煙増加がもはや発生し得ない程度に、
エンジンの加速は進んでいる。この時点で、吹込まれた
追加的な空気量（エンジン形式ないし負荷状態に応じて
、その時々のエンジンの行程容積の５〜５０倍に相当す
る基準容積の空気が吹込まれる。）を必要量に制限する
べく、制御装置２０はすでに電磁弁１８の閉鎖を指示し
ている。
主に行程容積の１０〜２０倍の容積が吹込まれる。この
場合圧縮空気タンク１４内の圧力は２〜１６バールの間
にある。空気吹込みの最適な時間は、その時々の使用状
況に適合せしめられる。
エンジン又は車両が比較的高い回転数又は速度にある時
、即ちタービン過給機がすでに比較的高い回転数にある
場合に、圧縮空気を不必要に消費しないようにするため
に、車両の運転に相応しいエンジン回転数ないし車両速
度を越えたところで空気吹込みを停止するところの装置
が使用される。これは、点灯用発電機又は回転数発生機
によって制御されるリレーに基づいて簡単に行われる。
同様に点灯用発電機によって制御される停止モニターは
、エンジンの停止中に圧縮空気が吸込管内に吹込まれな
いように作用する。
タンク１４からの圧縮空気のその他の浪費は、アクセル
ペダル１９が全負荷位置を離れ、そして繰り返しいっば
いに踏み込まれた時に初めて新たな空気吹込みが行われ
得ることにより予防される。
燃料噴射ポンプの電子制御装置が存在する場合に、空気
吹込みの制御は特に有利に実現される。ここでは、アク
セルペダルが全負荷位置ないし全負荷位置の近傍（約８
０〜９５％）に到達したことの他に、アクセルペダルが
所定の限界値を上回る速度（アイドル位置と全負荷位置
との間の時間が０．１〜２秒である。）で操作されるこ
とが追加的に保証されているような場合に、空気吹込み
を限定することができる。そしてさらに、（トルクない
し負荷に依存する）限界回転数曲線を設定することによ
って、空気吹込みを所定の回転数以下の運転領域に固定
することができる。その上、噴射量増量機能を任意に設
計できるという利点が生ずる（例えば第２図参照、ここ
には飛躍的増量機能が存在する。
本発明は乗合自動車（停留所間運転を行う都市バス）に
おいて特に有利である。同乗合自動車の伝動索は、自動
変速機を備える流体変換機を操作する。この場合に、時
間的な負荷特性の個別的な被干渉性は特に小さく（例え
ばクラッチは少しもスリップしない、）、その結果その
時間的な特性を決定する空気吹込みのパラメーターは最
適に調整され得る。
空気吹込みの利点は変速装置との相互作用においても、
十分に維持される。この場合に、空気吹込みの開始はク
ラッチ操作にも、入れられたギアにも依存する。
最後に言及すべきことは、第２．３図に記載された燃料
増加の推移は、その他の合理性にしたがっても起こり得
ることである。この合理性は、遅延手段２１の形式及び
エンジンシリンダへの圧縮空気の達し方に依存する。同
様に空気吹込みは、必ずしも１度に（図示のように）行
われる必要はなく、多段階的にも、又電磁弁１８のサイ
クルを通じても行われるであろう。
本発明は、低位のアイドリングからの加速に際して噴煙
を放出するアスピレートエンジンとの関連においても使
用可能である。
【図面の簡単な説明】
第１図は、タービン過給機要素及び付加空気を含む燃料
供給装置と共働的な関係にあるエンジンの概略図、第２
，３図は、それぞれ本発明による空気吹込み開始後の最
大燃料量の達成が読み取れるところの線図である。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、排気タービンによって駆動される過給空気圧縮機を
    備える内燃機関であって、該圧縮機の空気通路内に（前
    記内燃機関の吸込管へ前記空気通路が接続する直前に）
    自動弁（逆止弁ないしチェック弁）が配設されており、
    該自動弁は、吸込管の方向へ空気が流れる際に開弁する
    ものであり、そしてこの場合排気エネルギーが不足して
    いる間、前記内燃機関の前記吸込管への供給を増加させ
    るために、補助過給空気が、圧縮空気容器（圧縮空気タ
    ンク）から直接取り出されるとともに、適当な制御手段
    によって前記吸込管に供給されるものにおいて、空気吹
    込みの制御装置（２０）並びに燃料噴射装置内の遅延手
    段（２１）が（アクセルペダル（１９）の操作によって
    ）作動せしめられて、それによって補助過給空気の供給
    が、要求された燃料噴射に時間的に先行し、そして最大
    量の燃料噴射（全負荷量）が若干遅れてようやく（飛躍
    的に又は漸増的な増加推移にしたがつて）始まることを
    特徴とする排気タービン過給式内燃機関の加速補助手段
    。 ２、前記遅延手段（２１）は燃料噴射ポンプ（２２）の
    電子制御装置に内蔵されている、請求項１記載の内燃機
    関。 ３、燃料量増加の遅延ないし緩慢化は、電気サーボモー
    ターの制御装置内に存在する遅延手段（２１）によって
    達成される、請求項１記載の内燃機関。 ４、加速過程の間に、それぞれエンジン形式ないし負荷
    状態に応じて、各々のエンジンの行程容積の５〜５０倍
    に相当する基準容積の空気が吹込まれる、請求項１記載
    の内燃機関。 ５、装入される前記補助過給空気は、前記圧縮空気タン
    ク（１４）から前記吸込管（１１）に通じる通路（１７
    ）内に存在する電磁弁（１８）によって配分される、請
    求項１記載の内燃機関。 ６、前記圧縮空気タンク（１４）は、車両のブレーキシ
    ステムのための前記内燃機関により駆動されるところの
    圧縮機（１２）によつて、圧力調整機（１５）を備える
    供給通路（１３）を介して充填される、請求項１記載の
    内燃機関。 ７、特定のエンジン回転数の限度ないし車両速度の限度
    が守られている時にのみ、前記空気吹込みが行われる、
    請求項１記載の内燃機関。 ８、好ましくは、伝動索によって、自動変速機を備える
    流体変換機を操作しているところの乗合自動車において
    使用されている、請求項１記載の内燃機関ないし補助過
    給空気供給装置。
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