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JP2010534298A - 新規で高められたスーパチャージ内燃機関、及びシステム - Google Patents

新規で高められたスーパチャージ内燃機関、及びシステム Download PDF

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Abstract

【課題】
【解決手段】 本発明は、タービン（７）、コンプレッサ（８）、並びに、パワー伝達システム（１６，１９）によりクランクシャフト（４）もしくは内燃エンジンの自動車駆動シャフトに接続され、電気により駆動されるシステムと組み合わされた内燃エンジン（４）のためのスーパチャージシステム（６）であって、タービンの入口から排気ガスがタービンに入って、タービンのホイールを回転させ、この結果、前記駆動シャフトな機械的な回転パワーを生じさせる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関のための新規で高められたスーパチャージシステム、及びこのようなシステムを備えた内燃機関に関する。
今日では、燃料燃焼を全体に渡って減少させるためのシステムを見出すような位置著しい発展が自動車産業である。そして、組み合わせて良い結果を生じさせる多くの技術分野がある。
内燃機関の効率を改良する１つの良い方法は、内燃機関のポンピングロス（internal pumping losses）を減じるために吸引マニホールド圧力を高くするある種のスーパチャージ装置を使用することである。これは、燃料燃焼の減少をさせる。また、自動車の性能への要求に反することが無く、エンジンを小型化することもできる。
幾つかの利用可能な異なるスーパチャージ装置があるけれども、これらは、全て以下の形式のうちの１つに分類される。
例えば、クランクシャフトのような自動車の駆動シャフトにより機械的に駆動されるスーパチャージャー
排気により駆動されるターボスーパチャージャー
電気モータにより駆動されるスーパチャージャー。
ある適用においては複数のスーパチャージ装置が、同じエンジンに使用されることができる。
ＪＰ公開公報２０００−２３０４２７号は、クラッチによりエンジンとスーパチャージャーとの間の接離を果たすスーパチャージを備えた内燃機関を開示している。
ＷＯ２００４／０２５０９７Ａ１は、ターボチャージャーに吐出される吸入空気の圧力を高めるように、ターボチャージャーの吸引口に接続されており、ベルト駆動を介してエンジンのクランクシャフトにより駆動される別れたコンプレッサにより、ターボチャージャーを備えた内燃機関を動作させる方法を開示している。このことは、ロスが、別れたコンプレッサとターボチャージャーとを接続している更に加圧された導管により、多くなり、またこの多くなったコンプレッサが高モータ速度でロスを生じさせることを意味している。
本発明の目的は、異なる推進力に関連して異なる性能の効果を得るために、１つのスーパチャージ装置に、全ての異なる推進モードで組み合わせることである。目的は、また、排気ガスからの過度のエネルギーを、必要であれば、バッテリーを再チャージすることができるような電気エネルギーに変換できる可能性を与えることである。本発明に係わるスーパチャージ装置は、既存の内燃エンジンに実用的に適用可能であり、また、入口側のスーパチャージ装置に、全ての規定された推進モードで駆動させることができる。
本発明に係わるスーパチャージシステムを備えた内燃エンジンの概略的な側面図である。 本発明に係わるスーパチャージシステムのための基本的なレイアウトをブロックで概略的に示す図である。 本発明に係わるスーパチャージシステムの一実施の形態の概略的な側面図である。 本発明に係わるスーパチャージシステムの他の実施の形態の概略的な側面図である。 図１とは類似した、本発明に係わるスーパチャージシステムを備えた内燃エンジンの他の実施の形態の図である。 本発明に係わるスーパチャージシステムの異なる実施の形態を概略的に示す図である。 本発明に係わるスーパチャージシステムの異なる実施の形態を概略的に示す図である。 本発明に係わるスーパチャージシステムの異なる実施の形態を概略的に示す図である。 本発明に係わるスーパチャージシステムの異なる実施の形態を概略的に示す図である。 本発明に係わるスーパチャージシステムの異なる実施の形態を概略的に示す図である。 本発明に係わるスーパチャージシステムの異なる実施の形態を概略的に示す図である。 本発明に係わるスーパチャージシステムの異なる実施の形態を概略的に示す図である。 本発明に係わるスーパチャージシステムの異なる実施の形態を概略的に示す図である。 本発明に係わるスーパチャージシステムの異なる実施の形態を概略的に示す図である。 本発明に係わるスーパチャージシステムの異なる実施の形態を概略的に示す図である。 本発明に係わるスーパチャージシステムの異なる実施の形態を概略的に示す図である。
以下に、概略的に示された実施の形態を参照して本発明を説明する。
図面の夫々の図に示されている提起された解決は、共通のシャフトに配置された機械的なスーパチャージシステムと、電気的なスーパチャージ／再生システム(an electrical supercharging/regenerating system)と、排気ガスにより推力動作されるターボスーパチャージシステムとの組み合わせである。前記シャフトは、一方向クラッチユニットにより、エンジン駆動シャフトと結合される機械的な推進力を受けるシャフトに接続されている。
図１は、空気吸引マニホールド２と排気ガスマニホールド３とを備えた内燃エンジン１を概略的に示している。概略的に示されているこの実施の形態では、４つのシリンダーを有するエンジンを規定している４つの空気吸引パイプがあるが、シリンダーの数は、これよりも多くても少なくても良い。エンジン１は、プーリ５を備えたクランクシャフト４を有している。
スーパチャージ装置６が、スーパチャージシステムが装着される現在の方法と同様の方法でエンジンブロックに直接装着されている。このスーパチャージ装置６は、共通のシャフト９に配置されたタービン７とコンプレッサ８とを有している。このタービンは、前記排気ガスマニホールド３からの排気ガスにより駆動され、これと共に回転するコンプレッサ８のインペラは、空気フイルタ１０を介して吸引される外気を圧縮する。この圧縮された空気は、ダクト１１を流れ、インタークーラ１２並びにスロットル１３を通って前記空気吸引マニホールド２に導入される。一方、前記タービン７を通った後の排気ガスは、触媒器１５を備えた排気ガス導管１４を通って排気される。
エンジンのクランクシャフト４と共に回転する前記プーリ５は、回転をベルト駆動部１６を介してシャフト１７に伝達する。このシャフト１７は、一方向クラッチ１８を介して、タービン７とコンプレッサ８とが装着されている前記シャフト９に結合されている。この結果、前記クランクシャフト４の回転は、タービンがこれの動作範囲に達しない状態で、タービンとコンプレッサとに共通のシャフト９に伝達されることができる。
電気的なパワーへの回転パワーの再生のために、前記共通のシャフト９は、ベルト駆動部１９を介してバッテリー等の電気機器２０に接続されている。エンジンは、また、エンジンブレーキバルブ２１と排気ゲート２２とを有している。
勿論、上述したようなスーパチャージ装置を既存の内燃エンジンに適合させるために、この装置が既存のパワー変換ノードと一致するように、この装置をデザインする必要がある。即ち、排気ガスの吸引口が、排気マニホールドの出口と対応するように適合されなければならないし、また、機械的に駆動されるパワー変換ノードが、内燃エンジンからの補助の負荷のための既存の出力とインラインで位置されていなければならない。
上述したようなスーパチャージ装置の以下の技術的効果は、認識されることができ、これは、最も効率の高い良いインターバルでの概念で、各別のサブシステムを使用する可能性からほとんど生じる
高いエンジン速度での無いか非常に少ない機械的なコンプレッサのロス
最も効率の良いときの、スーパチャージ装置からの電気的なパワーへのエネルギーの再生
１つのスーパチャージ装置と１つの軸と、３つの異なる動作モード
コンプレッサとタービンとの間の更なる加圧パイプによるロスが無い
ターボラグが無い
既存の燃焼エンジンのほとんどのものへの装着が容易
電気的モータ／ジェネレータを介する排気ガスからの過度のガスの電気的なパワーへの再生が可能
必要なときの、即ち、非常に低いエンジン速度の間、もしくは瞬間的な高速時のブースト圧力の維持のときに、電気的な駆動により、機械的なスーパチャージシステムへの瞬間的な援助が可能
エンジンのルームスペースに関する効果
図２は、本発明に係わるスーパチャージシステムのための基本的なレイアウトをブロックの形態で概略的に示している。この図には、コンプレッサシャフト８ａに装着されたタービン７とコンプレッサ８とが示されている。このコンプレッサシャフト８ａは、例えば、一方向クラッチであり得るクラッチ２３を介して、遊星ギア２５の一部を形成しているリング２４に接離可能に接続されている。この遊星ギアは、遊星ホイール支持体に接続され、太陽ホイール２７と共働する複数の遊星ホイール２６を有している。この太陽ホイール２７は、シャフト２８に装着されている。このシャフトは、回転可能に支持され、プーリ２９を有している。このプーリ２９は、ベルト駆動部１６のようなトランスミッションによりプーリ５に接続されている。このプーリ５は、エンジンのクランクシャフトのようなエンジンのシャフトに接続されている。また、前記遊星ホイール支持体は、ベルト駆動部のようなトランスミッション３０を介して、制御電子装置３３により制御される電気モータ３２のシャフト３１に接続されている。
図３並びに図４は、本発明に係わるスーパチャージ装置の僅かに異なる２つの実施の形態を概略的に示している。
かくして、図３は、シャフト９によってコンプレッサ８のホイールに接続されたタービン７を示している。前記シャフト９は、ベアリング３４、３４ａにより支持されると
共に、タービン７から離れた側の一端部にプーリ３１ａを支持している。このプーリは、タービンからの過度のエネルギーを回収するために、例えば、ベルト駆動部のような図示しないトランスミッションを介して、図示しないジェネレータに結合されている。この実施の形態のスーパチャージ装置では、前記シャフト９は、クラッチ１８、２３によって更なるシャフト２８に接離可能に接続されている。この結果、２つのシャフト９，２８は、クラッチが係合位置にあるときには、共通の軸をなすように、相互に接続され、前記２番目のシャフト２８は、ベアリング３４により支持される。このシャフト２８は、速度を変えるための遊星ギア２５を備えている。また、このシャフト２８は、ベアリング３４とは反対側の端部に更なるプーリ２９を支持している。このプーリは、ベルト駆動部のような図示しないトラントミッションを介してクランクシャフトに、もしくは、タービンが、これの動作速度に達する前にコンプレッサ８を駆動するための燃焼エンジンの他の駆動シャフトに接続されている。
図４には、図３に示すスーパチャージ装置とは僅かに異なるスーパチャージ装置の他の実施の形態が示されている。
本発明に係わるこの実施の形態のスーパチャージ装置には、図３に示されているものと同様には、タービン７とコンプレッサ８とを支持しているシャフト９が設けられている。このシャフトは、ロールベアリング３４とプレーンベアリング３４ａとにより軸支されている。また、このシャフト９は、遊星ギア２５の遊星ホイールに結合された反対側のシャフト２８を有する遊星ギア２５のリング２４に接続されている。遊星ギアから少し離れたところで、前記シャフト９と連続した軸を形成しているこのシャフト２８には、プーリ３１ａが装着されている。このプーリは、例えば、ベルト駆動部のような図示しないトランスミッションを介して、図示しないジェネレータに結合されている。また、このプーリ３１ａの後方には更なるシャフトが設けられている。このシャフトは、クラッチ１８によって前記シャフト２８に対して接離されることができる。また、この更なるシャフトは、更なるプーリ２９を支持している。このプーリは、ベルト駆動部のような図示しないトランスミッションを介して、クランクシャフトもしくは燃焼エンジンの他の駆動シャフトに接続されている。
図５は、４つの空気吸引パイプを備えた空気吸引マニホールド２と、エンジンの４つのシリンダーのための４つの排気ガスパイプを備えた排気ガスマニホールド３とを有する内燃エンジン１の実施の形態を概略的に示している。このエンジン１は、プーリ５が装着されたクランクシャフト４を有している。
エンジンブロックには、共通のシャフト９に配置されたタービン７とコンプレッサ８とを有するスーパチャージ装置６が装着されている。このコンプレッサ８は、前記共通のタービン／コンプレッサシャフト９とは反対方向に突出したコンプレッサシャフト８ａを有している。前記タービンは、前記排気ガスマニホールド３からの排気ガスにより駆動される。そして、一緒に回転するコンプレッサ８のインペラは、空気フイルタ１０を通って吸引された外気を圧縮する。そして、この圧縮された空気は、ダクト１１を流れ、インタークーラ１２並びにスロットル１３を通って前記空気吸引マニホールド２に導入される。一方、前記タービンを通った後の排気ガスは、触媒器１５を備えた排気ガス導管１４を通って排気される。
エンジンのクランクシャフト４と共に回転する前記プーリ５は、回転をベルト駆動部１６を介してシャフト１７に伝達する。このシャフト１７は、クラッチユニット１８を介して、電気機器２０に結合されることが可能である。この電気機器は、前記コンプレッサシャフト８ａに接続された太陽ギアホイール２７と複数の遊星ギアホイール２６とを備えた遊星ギア２５のリングギアホイールに結合されている。このようにして、タービンがこれの動作範囲に達しない状態で、タービン７とコンプレッサ８とが装着されている前記シャフト９に、クランクシャフト４の回転が伝達されることができる。
また、前記エンジンは、エンジンブレーキバルブ２１と排気ゲート２２とを有している。このブレーキバルブ２１は、制御ボックス２３により制御される。この制御ボックスは、異なるエンジン動作パラメータに基づいて、排気側での危険な圧力増加を避けるために可能な限り高いタービン回転速度を維持するように動作する。
図６ないし１６は、本発明に係わるスーパチャージ装置のレイアウトの異なる変形例を概略的な形態で示している。図６に係わる概略的な表示は、図５に従った実施の形態の主な構成部材を示している。即ち、タービン７は、エンジン１からの排気ガスにより駆動される。コンプレッサ８は、タービン７と同じシャフトに配置されている。また、エンジンのクランクシャフト４は、トランスミッション１６を介してプーリを駆動する。このプーリは、フライホイール／クラッチ１８を介して、約２００００ｒｐｍしくはこれ以上の動作速度を有する電気機器２０のシャフトに接続されている。そして、この電気機器２０とコンプレッサ８のシャフトとの間には遊星ギア２５が設けられている。
図７に示された実施の形態は、遊星ギア２５が、クラッチ１８に接近して配置され、電気機器２０が、クラッチ１８の外側に位置されていることが、図６に従った実施の形態とは相違している。
図８には、クラッチ１８が、クランクシャフト４とトランスミッション１６との間に配置され、また、電気機器２０が、遊星ギアのリングギアホイールに接続されている実施の形態が示されている。
図９に示されている実施の形態は、電気機器がクランクシャフト４に、クラッチ１８とコンプレッサとを介して接続されていることが、図７に従った実施の形態とは異なっている。
図１０は、電気機器２０が、タービン７とクラッチ１８との間に配置され、また、遊星ギア２５が、クラッチ１８とコンプレッサとの間に配置されている実施の形態を示している。
図１１は、タービン７とコンプレッサとが、遊星ギア２５によって相互に接続されており、また、クラッチ１８が、クランクシャフト４と、電気機器を駆動するトランスミッション１６との間に接続されている更に異なる実施の形態を示している。この実施の形態で、遊星ギアは、ターボチャンバのハウジングと一体的である。
図１２には、第１の遊星ギア２５が、タービン７とコンプレッサ８との間に配置され、また、第２の遊星ギア２５ａとクラッチ１８とが、エンジンのクランクシャフトと電気機器２０との間に配置されている機械的な実施の形態が示されている。
図１３は、タービン７がジェネレータ２８を駆動し、このジェネレータは、電気機器２０に高電圧を供給する、実施の形態を示している。クラッチ１８は、電気機器２０と、トランスミッション１６のためのプーリとの間に設けられており、また、このプーリとコンプレッサ８との間には、遊星ギア２５が設けられている。前記ジェネレータ２８の回転速度は、好ましくは、約１００．０００ｒｐｍであり、一方、電気機器は、好ましくは、約２０．０００ｒｐｍの回転速度を有している。
図１４には、タービン７とコンプレッサ８とを相互接続しているターボシャフト９が、磁界中で浮いた状態で、閉塞されたハウジング内にどのようにして位置されているかが示されている。この解決は、複数の磁気クラッチ３０とガスシール３１とを備えていることによる。ギア３２が、第１の遊星ギア２５から第２の遊星ギア２５ａにパワーを伝達するために設けられている。
図１５は、共通のシャフト９と、ターボシャフトに直接に接続された高速の電気モータと共に、高電圧のバッテリーパック３３と高速で高電圧の電気機器２０とを備えた、高電圧のためのハイブリッドトランスミッションを示している。
最後に、図１６は、図１５に従った実施の形態と同じような実施の形態を示しているが、ターボシャフトを囲んでいる電気モータが、遊星ギアの一部に接続され、６００Ｖのバッテリーパック３３を備え、電気機器２０，２０ｃが６００Ｖの電圧を有している。
この装置の組み合わされた動作の簡単な説明のために、以下のサブシステムが規定されている。
このターボチャジャーは、駆動されたときに良い効率を呈するが、これは、実質的な吸引マニホールド圧力を確立するのに充分に早くタービンを駆動する充分なパワーを有するような排気ガスのための高回転速度に依存している。
このターボチャジャーは、吸引マニホールド空気をチャージするために排気ガスの過度のエネルギーを使用しているので、全ての他のスーパチャージシステムと比較して１つの優れた効果を有している。
このようにすることにより、余分な燃料は、優れた吸引マニルド圧力を確立するためには、消費されない。回転速度の関数としての主吸引マニホールド圧力は、以下のような様相を有している。
スーパチャジャーは、低回転速度からの高くされた吸引マニホールド圧力と、回転速度と関連した吸引マニホールド圧力の比例的な増加とを意味している。かくして、比較的高い回転速度でのスーパチャジャーの効率は、高い内部摩擦と熱ロスとのために、非常に低くなる。回転速度の関数としての主吸引マニホールド圧力は、以下の様相を有している。
電気的なスーパチャジシステム
電気的にスーパチャージされるシステムは、機械的にスーパチャージされるシステムと同じように機能するけれども、必要なときにパワーを与えることにより所定のレベルに吸引マニホールド圧力を制御するが、また、可能なときに排気ガスからのパワーを再生することができる可能性を与える効果を有している。
既存のパワー電気的モニターシステム
エネルギーの管理のためのアルゴリズムは、自動車の電気システムにパワーを再生させることができるようにすることが必要である。このためのシステムは、バッテリーの状態をモニターすると共に現在の補助的な負荷でトラックを保つようにデザインされている。バッテリーを再チャージする必要があり、また、パワーが、補助システムが全く使用されない事実のために、利用されるのであれば、このシステムは、システムの再チャージを始めるように、ジェネレータの負荷電圧を高くすることができる。
アナゴリズムは、本発明に加えて、バッテリーがフル充電されなかったときに、このスーパチャージ装置により与えられるパワーを電気的なパワー中に再生させるように、設定されることができる。このようにすることにより、例えば、ハイウエイでの走行時に、電気的なシステムは、フル充電されたバッテリーが、優れたスタート／ストップ動作のために必須であるスタート／ストップ動作のために、準備されることが望ましい。
電気的にマシンが、どのようにしてどのときに働くかを決めるために、新規なアルゴリズムが、再生モードをサポートするように必要である。これは、rpmセンサー、圧力並びに流量センサーのような既に生産されている既存のハートーウエアを、既存の電気的なモニターシステムの変更したものと共に使用することにより、果たされることができる。
パワーの分割（power split）と規定された推進モード
この新規な発明の異なる推進モードを明確にするめために、以下のパワー変換モードが規定されている。
Ａ： 化学的なパワー（流量、圧力）＝＞機械的なパワー（回転速度、トルク）
Ｂ： 機械的なパワー（回転速度、トルク）＝＞化学的なパワー（流量、圧力）
Ｃ： 生成： 電気的なパワー（Ｉ，Ｕ）＝＞機械的なパワー（回転速度、トルク）
非生成： 機械的なパワー（回転速度、トルク）＝＞電気的なパワー（Ｉ）
概要
本発明は、既に既存のシステムを新規な方法で組み合わせることにより、全体的に燃料の消費を減じることができる比較的容易な方策を与えている。本発明が、スタート／ストップシステムを備えたエンジンと組み合わされれば、電気モニターシステム（ＣＥＭ）が、バッテリーの消耗を避けるためにスタート／ストップ適用を始動並びに停止させなければならない前に、エンジンを始動させる時間を長くすることにより、この装置をうまく更に“高める”ことができるであろう。
本願発明は、図面に概略的に示され、また図面を参照して説明された実施の形態に限定されることは無く、変更並びに変形が、請求の範囲内で可能である。
説明されたトランスミッションは、ベルト駆動部として説明されたが、如何なる形式の適当なトランスミッションユニットが使用され得る。また、説明されたクラッチユニットは、適当な形式の機械的な一方向クラッチでよいが、電気的なクラッチ、粘性カップリング等でも良い。

Claims (11)

  1. タービン、コンプレッサ、並びに、パワー伝達システムによりクランクシャフトもしくは内燃エンジンの自動車駆動シャフトに接続され、電気により駆動されるシステムと組み合わされた内燃エンジンのためのスーパチャージシステムであって、タービンの入口から排気ガスがタービンに入って、タービンのホイールを回転させ、この結果、前記駆動シャフトな機械的な回転パワーを生じさせる、スーパチャージシステム。
  2. 前記タービンと、コンプレッサと、電気により駆動されるシステムとは、共通の軸に沿って配設されている請求項１の内燃エンジンのためのスーパチャージシステム。
  3. パワー伝達システムによりクランクシャフトもしくは内燃エンジンの自動車駆動シャフトに接続されたタービンと、コンプレッサと、電気モータ／ジェネレータと組み合わされた内燃エンジンのためのスーパチャージシステムであって、タービンの入口から排気ガスがタービンに入って、タービンのホイールを回転させ、この結果、前記駆動シャフトな機械的な回転パワーを生じさせる、請求項１もしくは２のスーパチャージシステム。
  4. 共通の軸に沿って配設されたタービンとコンプレッサとに組み合わされた内燃エンジンのためのスーパチャージシステムであって、タービンの入口から排気ガスがタービンに入って、タービンのホイールを回転させて、タービンのホイールの回転でコンプレッサのインペラを回転させ、この結果、外気を圧縮してエンジンの空気吸引口へと吐出し、そして、駆動装置が、タービンが最低の動作点に達する前にコンプレッサと関連した前記軸に回転を伝達させるために設けられている、スーパチャージシステム。
  5. 前記駆動シャフトには、排気ガスにより駆動されるタービンからの過度のエネルギーを電気的なパワーに再生させるために、電気ジェネレータに結合されたトランスミッションが設けられている請求項１ないし４のいずれか１のスーパチャージシステム。
  6. 前記軸は、クラッチ手段の助けにより互いに接続可能な複数のアラインメントされたシャフトに分けられている請求項１ないし５のいずれか１のスーパチャージシステム。
  7. 請求項１もしくは２のスーパチャージシステムに設けられた内燃エンジンであって、この内燃エンジンは、少なくとも１つの燃焼チャンバに燃焼用空気を供給するための空気吸引マニホールドと、前記少なくとも１つの燃焼チャンバから排気ガスを排出するための排気マニホールドとを有し、また、
    前記スーパチャージシステムは、共通の軸に沿って配設されたタービンとコンプレッサとを有し、このタービンの入口は、排気ガスを受けるように前記排気マニホールドに接続され、この結果、タービンのホイールは回転され、共通のシャフトを介して、前記コンプレッサのスンペラをタービンの速度で回転させ、また、外気を圧縮して前記エンジンの空気吸引マニホールドに吐出させ、また、
    前記内燃エンジンは、更に複数の回転駆動シャフトを有し、これら回転駆動シャフトのいずれか１つは、タービンが最低の動作点に達する前にコンプレッサを駆動するための回転力を伝達するために、トランスミッションを介して前記軸の一部に接続可能である、内燃エンジン。
  8. クランクシャフトの回転を共通のシャフトに伝達するための前記トランスミッションは、ベルト駆動部である請求項７の内燃エンジン。
  9. 前記共通の軸は、クラッチ手段により互いに接続可能で、個々に回転可能なアラインメントされた複数のシャフトにより構成されている請求項７もしくは８の内燃エンジン。
  10. 前記互いに接続可能なシャフトの１つには、タービンからの過度のエネルギーを電気的なパワーに再生するための電気機器に結合されたトランスミッションを備えている請求項９の内燃エンジン。
  11. 前記共通の軸には、この軸の回転速度を高くするための仲介の遊星ギアが設けられている請求項９もしくは１０の内燃エンジン。
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