(57)【要約】【課題】クラッチを用いることなく、空気機械を無効化できる過給システムを提供する。【解決手段】過給システムは、回転体であるターボコンプレッサ２２に機械的に連結されて当該ターボコンプレッサ２２と一体となって回転するアシストタービン２６と、前記アシストタービン２６の入口および出口のうち、前記アシストタービン２６の回転に伴い圧力上昇する入口を低圧部である吸気通路１４に連通し、前記アシストタービン２６の回転に伴い圧力低下する出口を閉鎖することで、前記アシストタービン２６と前記ターボコンプレッサ２２との連結を維持したまま前記アシストタービン２６を無効化する機構と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転体に機械的に連結されて当該回転体と一体となって回転する空気機械と、
前記空気機械の入口および出口のうち、前記空気機械の回転に伴い圧力上昇する口を低圧部に連通し、前記空気機械の回転に伴い圧力低下する口を閉鎖することで、前記空気機械と前記回転体との連結を維持したまま前記空気機械を無効化する経路切替機構と、
を備えることを特徴とする過給システム。
【請求項２】
請求項１に記載の過給システムであって、
前記回転体は、ターボチャージャのコンプレッサまたはタービンであり、
前記空気機械は、前記ターボチャージャのコンプレッサまたはタービンに機械的に連結されたアシストタービンであって、前記コンプレッサの始動時に有効化されて前記コンプレッサの駆動を補助し、前記コンプレッサの始動完了後に無効化されて前記コンプレッサまたはタービンの回転に従動するアシストタービンであり、
前記経路切替機構は、前記コンプレッサの始動完了後、前記アシストタービンの入口を低圧部に連通し、出口を閉鎖する、
ことを特徴とする過給システム。
【請求項３】
請求項２に記載の過給システムであって、さらに、
前記アシストタービンを駆動させる圧縮空気の供給源を有し、
前記経路切替機構は、前記アシストタービンの始動時に、前記アシストタービンの入口を前記供給源に、出口を吸気通路に、それぞれ連通する、
ことを特徴とする過給システム。
【請求項４】
請求項２または３に記載の過給システムであって、
前記アシストタービンは、ラジアルタービンである、ことを特徴とする過給システム。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の過給システムであって、
前記低圧部は、吸気通路である、ことを特徴とする過給システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジン等の内燃機関に供給する気体の圧力を高める過給システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、内燃機関に空気を圧縮して送る過給システムが広く知られている。かかる過給システムでは、通常、空気を圧縮するためのコンプレッサや、当該コンプレッサを回転させるためのタービン等の空気機械が設けられている。これら空気機械は、回転することで、過給システムに対する仕事を行う。
【０００３】
過給システムの中には、その駆動状況に応じて、空気機械の有効・無効を切り替えなければならないものがある。例えば、過給システムの中には、内燃機関のクランク軸とコンプレッサとを機械的に連結し、コンプレッサをクランク軸と一体的に回転させることで空気を圧縮して内燃機関に供給するスーパーチャージャがある。かかるスーパーチャージャでは、内燃機関の高回転時には、コンプレッサの風損が大きくなり、内燃機関の燃費を悪化させる恐れがあるため、高回転時には、当該コンプレッサを無効化する必要があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−２０７６３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
空気機械を適宜、無効化する機構としては、電磁クラッチが知られている。空気機械と回転体（スーパーチャージャにおける内燃機関のクランク軸）との間に、電磁クラッチを設け、必要に応じて、空気機械と回転部材との機械的連結を解除することで空気機械を無効化している。特許文献１には、過給システムで電磁クラッチを用いた技術が開示されている。しかしながら、空気機械を高速回転させるシステムでは、かかる電磁クラッチは、慣性抵抗となって空気機械の応答性が悪くなるという問題があった。
【０００６】
そこで、本発明では、クラッチを用いることなく、空気機械を無効化できる過給システムを提供することを目的とする。なお、ここで、空気機械の無効化とは、過給システムに作用する空気機械の仕事を実質的に無くすことである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の過給システムは、回転体に機械的に連結されて当該回転体と一体となって回転する空気機械と、前記空気機械の入口および出口のうち、前記空気機械の回転に伴い圧力上昇する口を低圧部に連通し、前記空気機械の回転に伴い圧力低下する口を閉鎖することで、前記空気機械と前記回転体との連結を維持したまま前記空気機械を無効化する経路切替機構と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
好適な態様では、前記回転体は、ターボチャージャのコンプレッサまたはタービンであり、前記空気機械は、前記ターボチャージャのコンプレッサまたはタービンに機械的に連結されたアシストタービンであって、前記コンプレッサの始動時に有効化されて前記コンプレッサの駆動を補助し、前記コンプレッサの始動完了後に無効化されて前記コンプレッサまたはタービンの回転に従動するアシストタービンであり、前記経路切替機構は、前記コンプレッサの始動完了後、前記アシストタービンの入口を低圧部に連通し、出口を閉鎖する。この場合、さらに、前記アシストタービンを駆動させる圧縮空気の供給源を有し、前記経路切替機構は、前記アシストタービンの始動時に、前記アシストタービンの入口を前記供給源に、出口を吸気通路に、それぞれ連通する、ことが望ましい。また、この場合、前記アシストタービンは、ラジアルタービンである、ことも望ましい。他の好適な態様では、前記低圧部は、吸気通路である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、圧力上昇する口が低圧部に連通されるため、空気機械内部の圧力を低下させることができ、ひいては、空気機械の回転に伴う風損を大幅に低下できる。そして、風損を低下できるため、クラッチを用いて空気機械と回転体との連結を解除しなくても、空気機械を実質的に無効化できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態である過給システムが組み込まれた内燃機関システムの構成を示す図である。
【図２】過給システムの構成を示す図である。
【図３】タービンロータにおける空気の流れを示す図である。
【図４】（ａ）は、他の技術におけるロータ入口圧力および出口圧力を示すグラフであり、（ｂ）は、本実施形態におけるロータ入口圧力および出口圧力を示すグラフである。
【図５】スーパーチャージャ式の過給システムの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態である内燃機関システム１０の構成図である。また、図２は、この内燃機関システム１０に組み込まれた過給システムの構成図である。
【００１２】
内燃機関システム１０は、乗用車等の車両に搭載される。内燃機関１２には、吸気通路１４および排気通路１６が接続されており、吸気通路１４上には、インタークーラ１８やスロットル２０が設けられている。吸気通路１４の上流側から送られた空気は、インタークーラ１８で冷却された後、スロットル開度Ｔａに応じた流量だけ、内燃機関１２に供給される。内燃機関１２で生じた排気は、排気通路１６を通じて外部に放出される。また、排気の一部は、排気循環のために、循環通路１７を介して吸気通路１４に戻される。
【００１３】
過給システムは、ターボコンプレッサ２２やターボタービン２４、アシストタービン２６、圧縮タンク２８等を備えている。ターボコンプレッサ２２は、吸気通路１４に、ターボタービン２４は排気通路１６に設置されており、排気圧力を受けて吸気を圧縮するターボチャージャを構成する。ターボコンプレッサ２２およびターボタービン２４は、回転軸３０を介して機械的に連結されており、一体となって回転する。
【００１４】
ターボタービン２４は、内燃機関１２から排出される排気が吹き付けられることで回転する。また、ターボタービン２４の回転に伴って、当該ターボタービン２４と機械的に連結されたターボコンプレッサ２２も同様に回転する。このとき、外部から取り入れられた空気は、ターボコンプレッサ２２の回転によって圧縮され、内燃機関１２に供給される。このように、ターボコンプレッサ２２により空気が圧縮され、内燃機関１２に多量の空気が供給されることで、内燃機関１２の出力が向上される。
【００１５】
ただし、こうしたターボチャージャは、排気圧力が小さい軽負荷領域では、十分な過給能力を発揮できず、過給タイミングの遅れ、いわゆるターボラグが生じる。かかるターボラグを防止するために、本実施形態では、軽負荷領域におけるターボコンプレッサ２２の駆動を補助するアシストタービン２６および圧縮タンク２８を設けている。
【００１６】
アシストタービン２６は、回転軸３２を介して回転体であるターボコンプレッサ２２に機械的に連結され、ターボコンプレッサ２２、ターボタービン２４と一体となって回転するタービンである。アシストタービン２６の構成は、特に限定されないが、本実施形態では、アシストタービン２６としてラジアルタービンを用いている。圧縮タンク２８は、アシストタービン２６の動力源となる圧縮空気を貯留しているタンクである。この圧縮タンク２８に貯留された圧縮空気は、入口通路３４を介してアシストタービン２６に吹きつけられるようになっている。このとき、入口通路３４上に設けられた入口弁４０は、エンジンコントロールユニット（以下「ＥＣＵ」という）５０の制御の下に、アシストタービン２６に吹きつけられる圧縮空気の流量を調整する流量調整弁である。
【００１７】
圧縮空気を受けてアシストタービン２６が回転すると、当該アシストタービン２６と機械的に連結されたターボコンプレッサ２２も回転する。排気圧力が低い段階では、このアシストタービン２６の回転により、ターボコンプレッサ２２の回転を迅速に上げ、過給の応答性を高めている。
【００１８】
アシストタービン２６で仕事をした空気は、断熱膨張により低温になる。この断熱膨張後の空気、すなわち、ターボタービン２４の出口から出る空気は、出口通路３６を介して、ターボコンプレッサ２２の上流側に送られ、ターボコンプレッサ２２に導入される。低温の空気がターボコンプレッサ２２に導入されることで、ターボコンプレッサ２２で圧縮された後の吸入空気の温度を低下させることができる。
【００１９】
本実施形態では、さらに、アシストタービン２６の入口と、吸気通路１４のうちターボコンプレッサ２２の上流位置とを連通する導通路３８を設けている。また、この導通路３８や出口通路３６には、ＥＣＵ５０により開閉制御される導通弁４４、出口弁４２が設けられている。こうした導通路３８や、導通弁４４、出口弁４２は、アシストタービン２６の入口圧力を低下させ、ひいては、風損を低減するために設けられているが、これについては後に詳説する。
【００２０】
ＥＣＵ５０は、内燃機関１２の運転を総合的に制御するマイクロコントローラである。このＥＣＵ５０は、車両に搭載された各種センサでの検出結果に基づいて、内燃機関１２の駆動を制御する。また、本実施形態のＥＣＵ５０は、タービン２４，２６、コンプレッサ２２の駆動状況に応じて、入口弁４０や出口弁４２、導通弁４４の開閉制御も行う。
【００２１】
以上のような内燃機関システム１０では、加速の要求が検知されれば、まずは、アシストタービン２６でターボコンプレッサ２２を回転させ、過給を開始する。すなわち、過給の要求が検知されれば、入口弁４０を全開して、圧縮タンク２８の圧縮空気を、アシストタービン２６に吹き付け、アシストタービン２６を回転させる。アシストタービン２６の回転に伴い、当該アシストタービン２６に機械的に連結されたターボコンプレッサ２２も従動して回転し、吸気の圧送を開始する。本明細書では、このようにアシストタービン２６の回転に伴い、ターボコンプレッサ２２が回転させられる状態を、アシストタービン２６の「有効化」と呼ぶ。アシストタービン２６は、ターボチャージャの始動時に有効化される。
【００２２】
ターボコンプレッサ２２の回転開始に伴い、内燃機関１２への吸気量が増加し、内燃機関１２の出力トルクが迅速に増加する。また、内燃機関１２からの排気量も急激に増加するため、ターボタービン２４に作用する排気圧力も増加する。そして、最終的に、排気圧力が十分に高まり、アシストタービン２６による動力アシストが無くても、ターボタービン２４、ターボコンプレッサ２２が、適切に回転する状態になれば、ターボチャージャの始動完了とみなす。この状態になれば、ＥＣＵ５０は、入口弁４０を全閉してアシストタービン２６への圧縮空気の供給を停止し、アシストタービン２６の駆動を停止する。ただし、アシストタービン２６は、ターボコンプレッサ２２と機械的に連結されているため、単にアシストタービン２６への圧縮空気供給を停止しただけの場合、アシストタービン２６は、ターボコンプレッサ２２に従動して回転、すなわち、空回りを続けることになる。
【００２３】
アシストタービン２６をただ空回りさせ続けると、風損が発生し、内燃機関システム１０全体としての燃費が悪化する。この風損発生の理由について、図３を参照して説明する。図３は、アシストタービン２６周辺での空気の流れを示す図である。
【００２４】
アシストタービン２６への圧縮空気供給を停止しただけの状態、すなわち、入口弁４０を全閉し、出口弁４２を全開、導通弁４４を全閉した状態を考える。一般にアシストタービン２６に用いられるラジアルタービンは、ロータ２６ａの入口径Ｄｉｎが出口径Ｄｏｕｔより大きい。そのため、単に、ロータ２６ａへの圧縮空気の供給を停止した場合、ロータ２６ａ内の空気は、図３において実線矢印で示すように、遠心力の作用でロータ出口から入口に向かって逆流する。その結果、ロータ２６ａの入口圧力Ｐｉｎが出口圧力Ｐｏｕｔより高くなる。入口圧力Ｐｉｎが、出口圧力Ｐｏｕｔよりも十分に高くなると、今度は、逆流していない部分を通って、破線矢印で示すようなロータ入口から出口に流れる二次流れが発生する。この二次流れによるロータ内の循環流れを維持する力のため、アシストタービン２６を空回りさせると損失、すなわち風損が発生する。この風損は、タービンロータ内の密度（圧力）が高いほど、大きくなる。
【００２５】
ここで、入口弁４０を全閉し、出口弁４２を全開、導通弁４４を全閉した状態では、アシストタービン２６の出口は、吸気通路１４に連通しているため、ロータの出口圧力Ｐｏｕｔは、吸気通路圧力Ｐａと等しくなる。一方、圧縮空気を供給しない状態では、ロータの入口圧力Ｐｉｎは、上述した通り、遠心力の作用により出口圧力Ｐｏｕｔよりも高くなる。結果として、タービンロータ内の圧力は、吸気通路圧力Ｐａ以上となり、風損が発生する。かかる風損は、過給システム全体の効率を低下させ、燃費の悪化等を招く。図４（ａ）は、この場合における入口圧力Ｐｉｎおよび出口圧力Ｐｏｕｔを示している。
【００２６】
こうしたアシストタービン２６から生じる風損を低減する方法として、ターボコンプレッサ２２が始動完了してアシストタービン２６による動力アシストが不要になれば、アシストタービン２６とターボコンプレッサ２２との機械的連結を解除することが考えられる。かかる構成によれば、アシストタービン２６が、ターボコンプレッサ２２に従動して空回りし続けることがないため、上述した風損を確実に防止できる。しかし、アシストタービン２６とターボコンプレッサ２２の機械的連結を解除するためには、クラッチ機構が必須となるが、こうしたクラッチ機構は、回転軸３０を高速回転させる場合には、慣性抵抗となり、過給の応答性を悪化させるという問題があった。また、クラッチは、比較的高価な部品であり、かかるクラッチを設けることは、過給システム全体のコスト増加を招いた。
【００２７】
そこで、本実施形態では、アシストタービン２６と、これに機械的に連結された回転体（本実施形態ではターボコンプレッサ２２）との機械的連結を解除することなく、アシストタービン２６を無効化するために、導通路３８や、出口弁４２、導通弁４４を設けている。
【００２８】
すなわち、本実施形態では、アシストタービン２６による動力アシストが不要になれば、入口弁４０を全閉して、圧縮空気の供給を停止するとともに、導通弁４４を全開してアシストタービン２６の入口を吸気通路１４に連通し、かつ、出口弁４２を全閉してアシストタービン２６の出口を閉鎖する。この場合、アシストタービン２６の入口圧力Ｐｉｎは、吸気通路圧力Ｐａと同じになる。一方、アシストタービン２６の出口圧力Ｐｏｕｔは、必ず、入口圧力Ｐｉｎ（＝Ｐａ）よりも低くなるため、タービンロータ内の圧力は、吸気通路圧力Ｐａ以下となり、風損を大幅が大幅に低下する。すなわち、本実施形態における入口圧力Ｐｉｎおよび出口圧力Ｐｏｕｔは、図４（ｂ）に示す通りとなる。そして、結果として、アシストタービン２６とターボコンプレッサ２２の機械的連結を解除せず、アシストタービン２６を回転させ続けたとしても、アシストタービン２６の風損を大幅に低減でき、燃費の悪化を防止できる。換言すれば、本実施形態によれば、アシストタービン２６と回転体（ターボコンプレッサ２２）との連結を維持したまま、過給システムに対するアシストタービン２６の仕事を実質的に無くして、アシストタービン２６を無効化できる。なお、ＥＣＵ５０や、当該ＥＣＵにより開閉制御される弁４０，４２，４４は、アシストタービンを無効化するために、経路を切り替える経路切替機構として機能する。
【００２９】
以上、説明したとおり、本実施形態によれば、アシストタービン２６とターボコンプレッサ２２の機械的連結を解除することなく、アシストタービン２６を無効化できるため、クラッチ等の慣性抵抗となる部材を無くすことができる。
【００３０】
なお、本実施形態では、アシストタービン２６をターボコンプレッサ２２に連結しているが、アシストタービン２６は、当該アシストタービン２６に回転力を与える回転体であれば他の部材、例えば、ターボタービン２４等に連結されてもよい。また、本実施形態では、アシストタービン２６を無効化する際のロータ入口の連通先を、吸気通路１４としているが、過給システムのうち比較的圧力の低い低圧部であれば、他の部位に連通させてもよい。なお、低圧部の圧力は、特に限定されないが、大気圧以下であることが望ましい。
【００３１】
また、本実施形態では、ターボチャージャの駆動を補助するアシストタービン２６を無効化しているが、無効化・有効化の切り替えが必要となる空気機械であれば、本実施形態の技術は、他の空気機械に適用してもよい。例えば、過給システムの中には、内燃機関の出力軸からギア等の伝達機構を介して取り出した動力によってコンプレッサを駆動し、空気を圧縮してエンジンに供給するスーパーチャージャ式の過給システムも知られている。かかる過給システムでは、過給の状況に応じて、コンプレッサを無効化する必要があった。従来、このコンプレッサを無効化するために、コンプレッサと内燃機関の出力軸との間にクラッチを設け、必要に応じて、両者の機械的連結を解除していた。しかし、繰り返し説明している通り、こうしたクラッチは、回転する際の慣性抵抗となるため、結果として、過給の応答性を悪化させていた。
【００３２】
そこで、図５に示すように、スーパーチャージャ式の過給システムに、本実施形態の技術を適用してもよい。図５は、本実施形態の技術を適用したスーパーチャージャ式の過給システムの構成を示す図である。この過給システムでは、コンプレッサ５２は、吸気通路１４に設置されており、このコンプレッサ５２には、回転軸６１が連結されている。回転軸６１は、当該回転軸６１に連結された受動プーリ５８、内燃機関１２のクランク軸５４に止着された駆動プーリ５６、および、受動プーリ５８および駆動プーリ５６に巻き掛けられベルト６０からなる伝達機構により、内燃機関１２の回転が伝達される。そして、これにより、コンプレッサ５２が駆動され、過給が行われる。このとき、コンプレッサ５２で過圧された空気がバイパス通路６２を通って逆流しないようにバルブ４５は全閉にする。
【００３３】
この過給システムでは、さらに、吸気通路１４のうち、コンプレッサ５２の上流側および下流側に配置された入口弁４０および出口弁４２が設けられている。コンプレッサ５２を無効化する際には、この入口弁４０および出口弁４２を全閉し、外部空気がコンプレッサ５２に流れ込まず、また、コンプレッサ５２から出力される圧縮空気が内燃機関１２に送られないようにする。また、過給システムには、入口弁４０の上流側と、出口弁４２の下流側を連通する通路、換言すれば、外部空気を、コンプレッサ５２を通過させず、内燃機関１２に送るバイパス通路６２も設けられている。入口弁４０および出口弁４２を閉鎖した際には、バルブ４５を全開にして、当該バイパス通路６２を介して外部空気が内燃機関１２に送られる。
【００３４】
ところで、入口弁４０および出口弁４２を全閉にして、コンプレッサ５２が空気を圧送しない空転状態では、タービンとは逆に、入口圧力Ｐｉｎよりも出口圧力Ｐｏｕｔが高くなる。そこで、コンプレッサ５２を回転させつつも風損を低減し、無効化するためには、コンプレッサ５２の出口圧力Ｐｏｕｔを低下させる必要がある。そこで、本実施形態では、コンプレッサ５２の出口と吸気通路１４とを連通する導通路３８を設け、当該導通路３８に導通弁４４を設けている。コンプレッサ５２を無効化する際には、入口弁４０および出口弁４２を全閉しつつ、導通弁４４を全開する。これにより、コンプレッサ５２の出口圧力Ｐｏｕｔは、吸気通路圧力Ｐａと同じになり、コンプレッサ５２の入口圧力Ｐｉｎは、吸気通路圧力Ｐａよりも低くなる。結果として、コンプレッサ５２のロータ内部の圧力が低下し、コンプレッサ５２の回転時に生じる風損が大幅に低下する。そして、風損を大幅に低減することにより、クラッチを設けなくても、コンプレッサ５２と内燃機関１２との連結を維持したままでも、コンプレッサ５２を実質的に無効化できる。
【符号の説明】
【００３５】
１０  内燃機関システム、１２  内燃機関、１４  吸気通路、１６  排気通路、１７  循環通路、１８  インタークーラ、２０  スロットル、２２  ターボコンプレッサ、２４  ターボタービン、２６  アシストタービン、２８  圧縮タンク、３０，３２，６１  回転軸、３４  入口通路、３６  出口通路、３８  導通路、４０  入口弁、４２  出口弁、４４  導通弁、５２  コンプレッサ、５４  クランク軸、５６  駆動プーリ、５８  受動プーリ、６０  ベルト。
【図１】
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【図２】
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【図５】
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【図３】
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【図４】
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