(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関（１０）からの排気ガスのエネルギを前記内燃機関（１０）のクランクシャフト（３０）のトルクの増加に変換するためのターボコンパウンド装置であって、
タービン配列（１０５）と、
流体力学的カップリング（１１０）とフリーホイール手段（１２０）とを介して前記クランクシャフト（３０）に前記タービン配列（１０５）を動作可能に接続するように構成された手段と、
ブレーキ手段（１３０）と、を備え、
前記ブレーキ手段（１３０）及び前記フリーホイール手段（１２０）は、前記タービン配列（１０５）に対して前記流体力学的カップリング（１１０）の反対側に配置されているターボコンパウンド装置。
【請求項２】
前記クランクシャフト（３０）に前記タービン配列（１０５）を動作可能に接続するように構成された前記手段が減速歯車（１０６）を備える請求項１に記載のターボコンパウンド装置。
【請求項３】
前記減速歯車（１０６）は、前記クランクシャフト（３０）の対応するギアと噛合するための歯（１４４ａ）を有する、少なくとも１つのギア（１４２ａ）を備え、前記フリーホイール手段（１２０）は、前記歯（１４４ａ）の半径方向内側に配置されるフリーホイールクラッチとして設けられている請求項２に記載のターボコンパウンド装置。
【請求項４】
前記ブレーキ手段（１３０）は、ディスククラッチを構成する請求項１〜３のいずれか１項に記載のターボコンパウンド装置。
【請求項５】
前記ディスククラッチ及び前記フリーホイールクラッチは、前記減速歯車（１０６）の一部を形成する共通のシャフト（１４０）の端に配置されている請求項４に記載のターボコンパウンド装置。
【請求項６】
前記フリーホイールクラッチは、前記ディスククラッチに隣接して配置されている請求項５に記載のターボコンパウンド装置。
【請求項７】
前記フリーホイールクラッチ及び前記ディスククラッチは、前記シャフト（１４０）の両端に配置されている請求項５に記載のターボコンパウンド装置。
【請求項８】
前記ディスククラッチは、ピストン（１３４）を用いて油圧作動される請求項４〜７のいずれか１項に記載のターボコンパウンド装置。
【請求項９】
前記シャフト（１４０）は、前記フリーホイールクラッチ及び前記ディスククラッチの摩擦ディスク（１３２）の少なくとも何れか一方に潤滑液を提供するための油導管（１４９ｂ）を備える請求項５〜８のいずれか１項に記載のターボコンパウンド装置。
【請求項１０】
前記フリーホイール手段（１２０）及び前記ブレーキ手段（１３０）が、前記クランクシャフト（３０）に前記タービン配列（１０５）を連動するための接続モードと、前記クランクシャフト（３０）から前記タービン配列（１０５）を分離するためのフリーホイールモードと、前記クランクシャフト（３０）に対して前記タービン配列（１０５）を制動するブレーキモードと、を有するクラッチを用いて、設けられている請求項１〜３のいずれか１項に記載のターボコンパウンド装置。
【請求項１１】
前記ターボコンパウンド装置（１００）自身の動作状態を表す信号を受信するための少なくとも１つの入力（３０２）と、前記ターボコンパウンド装置自身の所望の動作状態を判定し、対応する制御信号を計算するように構成される判定装置（３０４）と、前記制御信号を前記ブレーキ手段（１３０）及び前記フリーホイール手段（１２０）の少なくとも何れか一方に伝達するための少なくとも１つの出力（３０６）と、を有する制御装置（３００）をさらに備える請求項１〜１０のいずれか１項に記載のターボコンパウンド装置。
【請求項１２】
内燃機関（１０）からの排気ガスのエネルギを前記内燃機関（１０）のクランクシャフト（３０）のトルクの増加に変換するためのターボコンパウンド装置であって、
タービン配列（１０５）と、
流体力学的カップリング（１１０）及びフリーホイール手段（１２０）を介して前記クランクシャフト（３０）に前記タービン配列（１０５）を動作可能に接続するように構成される手段（１０６）と
ブレーキ手段（１３０）と、
関連する前記内燃機関（１０）のエンジントルク及びエンジン回転速度を表す信号を受信するように構成されると共に、前記ターボコンパウンド装置（１００）自身の動作状態を表す信号を受信するための少なくとも１つの入力（３０２）と、前記動作状態に関連する前記タービン配列（１０５）内で油漏れの危険性を判定し、対応する制御信号を生成するように構成された判定装置（３０４）と、前記タービン配列（１０５）の前記回転速度を制御するために、前記ブレーキ手段（１３０）及び前記フリーホイール手段（１２０）の少なくとも何れか一方に前記制御信号を伝達するための少なくとも１つの出力（３０６）と、を有する制御装置（３００）と、
を備えるターボコンパウンド装置。
【請求項１３】
前記制御装置（３００）の前記入力（３０２）は、前記タービン配列（１０５）の前記回転速度を表す信号を受信するように構成され、前記判定装置（３０４）は、過速度による誤作動の危険性を判定するように構成されている請求項１１又は１２に記載のターボコンパウンド装置。
【請求項１４】
前記制御装置（３００）の前記入力（３０２）は、現在の駆動モードを表す信号を受信するように構成され、前記判定装置（３０４）は、前記ターボコンパウンド装置（１００）自身の過度な摩擦の危険性を判定するように構成されている請求項１１又は１２に記載のターボコンパウンド装置。
【請求項１５】
前記制御装置（３００）の前記入力（３０２）は、前記内燃機関の始動を表す信号を受信するように構成され、前記判定装置（３０４）は、関連するスタータの過剰負荷の危険性を判定するように構成されている請求項１１又は１２に記載のターボコンパウンド装置。
【請求項１６】
前記制御装置（３００）の前記入力（３０２）は、前記排気ガスの温度を表す信号を受信するように構成され、前記判定装置（３０４）は、関連する排気ガス後処理システムの好ましくない動作の危険性を判定するように構成されている請求項１１又は１２に記載のターボコンパウンド装置。
【請求項１７】
前記制御装置（３００）の前記入力（３０２）は、前記内燃機関の制動を表す信号を受信するように構成され、前記判定装置（３０４）は、前記ターボコンパウンド装置自身から前記クランクシャフトへ望まれないトルクが伝達される危険性を判定するように構成されている請求項１１又は１２に記載のターボコンパウンド装置。
【請求項１８】
請求項１〜１７のいずれか１項に記載のターボコンパウンド装置（１００）と、クランクシャフト（３０）を有する内燃機関（１０）と、を備える内燃機関システム。
【請求項１９】
請求項１〜１７のいずれか１項に記載のターボコンパウンド装置（１００）を備える車両（１）。
【請求項２０】
タービン配列と、流体力学的カップリング、ブレーキ手段及びフリーホイール手段を介して内燃機関のクランクシャフトに前記タービン配列を動作可能に接続するように構成された手段と、を備え、内燃機関からの排気ガスのエネルギを前記内燃機関のクランクシャフトのトルクの増加に変換するように構成されたターボコンパウンド装置の動作を制御する方法であって、
関連する前記内燃機関のエンジントルク及びエンジン回転速度を表す信号を受信することにより、前記ターボコンパウンド装置自身の動作状態を表す信号を受信するステップと、
前記動作状態に関連する危険性を判定するステップと、
対応する制御信号を生成するステップと、
前記制御信号を前記フリーホイール手段及びブレーキ手段の少なくとも何れか一方に伝達するステップと、
を含み、
前記タービン配列の回転速度を制御することによりターボコンパウンド装置の動作を制御する方法。
【請求項２１】
前記動作状態を表す信号を受信するステップは、前記タービン配列の回転速度を表す信号を受信することをさらに含み、前記危険性を判定するステップは、過速度による誤作動の危険性を判定することを含む請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記動作状態を表す信号を受信するステップは、現在の駆動モードを表す信号を受信することをさらに含み、前記危険性を判定するステップは、前記タービン配列中の過度の摩擦の危険性を判定することを含む請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
前記動作状態を表す信号を受信するステップは、前記内燃機関の起動を表す信号を受信することをさらに含み、前記危険性を判定するステップは、関連するスタータの過剰負荷の危険性を判定することを含む請求項２０に記載の方法。
【請求項２４】
プログラムがコンピュータ上で作動されるときに、請求項２０に記載の方法を実行するプログラムコード手段を備えるコンピュータプログラム。
【請求項２５】
プログラムがコンピュータ上で作動されるときに、請求項２０に記載の方法を実行するプログラムコード手段を含むコンピュータプログラムを記録したコンピュータ可読媒体。
【請求項２６】
請求項２０に記載の方法を実行するように構成されたターボコンパウンド装置の動作を制御するための制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気ガスのエネルギを、内燃機関のようなエンジンのクランクシャフトへのトルク入力に変換するためのターボコンパウンド装置に関する。より詳細には、本発明は、このようなターボコンパウンド装置の設計及び制御の改善に関する。
【０００２】
本発明は、トラック、バス及び建設機械のような重荷重車両に適用されることができる。本発明は、トラックに関して記載されるが、本発明は、この特定の車両に限定されるものではなく、航空又は海洋システムのようなターボコンパウンド装置を利用する他の用途でも使用することができる。
【背景技術】
【０００３】
ターボコンパウンド装置は、排気ガスのエネルギの一部を回収し、そのエネルギをシャフトの回転運動に変換するために使用される車両部品である。シャフトの回転運動は、車両のエンジンのクランクシャフトにトルクの増加として伝達される。通常、ターボコンパウンド装置は、タービンホイールが１つの遠位端に配置されるシャフトを有する。内燃機関が作動中に、排気ガスはターボコンパウンド装置内に流入し、タービンホイールを回転させる。したがって、ターボコンパウンド装置のシャフトはそれに応じて回転する。シャフトの反対側端部には、シャフトとクランクシャフトとの間を回転接続させるための追加のギアと噛合するギアホイールが備えられている。シャフトがターボコンパウンド装置を通って流れる排気ガスによって回転されると、シャフトの回転エネルギはトルクの増加としてクランクシャフトに伝達される。
【０００４】
ターボコンパウンド装置の使用は、環境と同様に運転の経済性においても著しい利点を提供することを証明し、排気ガス流からエネルギを回収することは、実際、車両の燃料消費量を減少するだろう。
【０００５】
特許文献１は、タービンホイールの回転エネルギが流体力学的クラッチ（hydrodynamic clutch）及びフリーホイールを介してクランクシャフトに伝達されるターボコンパウンド装置を開示している。タービン回転速度が同等のエンジン回転速度よりも低いときに、タービンをエンジン（内燃機関）から切断するために、タービンとエンジンのクランクシャフトとの間の動力伝達経路にフリーホイールが組み込まれている。流体力学的クラッチは、クランクシャフトからの回転振動を低減するために設けられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００９／０１３９２３１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ターボコンパウンド装置は、タービンがエンジンによって駆動されるのを防ぐが、例えば、誤った変速の場合に、ターボコンパウンド装置の回転部品が過速度にさらされる恐れがある。これにより、破損や誤動作する恐れがあるため、タービンのフリーホイールを可能にするだけではなく、タービンの回転速度の制御を可能にする、改善された解決策が必要とされている。
【０００８】
本発明は、従来技術の上述した欠点を克服するターボコンパウンド装置を提供することを目的とする。
【０００９】
第１の態様によると、本目的は請求項１に記載のターボコンパウンド装置によって達成される。第２の態様によると、本目的は請求項１２に記載のターボコンパウンド装置によって達成される。第３の態様によると、本目的は請求項２０に記載の方法によって達成される。
【００１０】
ブレーキ手段を備えるターボコンパウンド装置を設けることにより、タービンのようなターボコンパウンド装置の重要な構成要素の回転速度を動的に制御することが可能である。
【００１１】
実施形態によると、クランクシャフトにタービン配列（turbine arrangement）を動作可能に接続するように構成される手段は、減速歯車（gearing）を備えている。減速歯車は、クランクシャフトの対応するギアと噛合可能な歯を有する、少なくとも１つのギアを備えており、フリーホイール手段は、歯の半径方向内側に配置されるフリーホイールクラッチとして設けられている。これによって、フリーホイールクラッチは、追加の空間を必要とすることなく、ターボコンパウンド装置の現在の部品に直ぐに組み込むことができるという利点がある。
【００１２】
一実施形態では、ブレーキ手段はディスククラッチを備える。ディスククラッチ及びフリーホイールクラッチは、減速歯車の一部を形成する共通のシャフトの端に配置されてもよい。フリーホイールクラッチ及びブレーキ手段がターボコンパウンド装置の回転部分の大部分の動作に影響を与えるように、シャフトがクランクシャフトに隣接して設けられ得るという点において有利である。
【００１３】
一実施形態では、フリーホイールクラッチは、ディスククラッチに隣接して配置され、それによって、フリーホイールクラッチ及びディスククラッチは、ギアを外さずに修理を受けることが可能となる。
【００１４】
別の実施形態では、フリーホイールクラッチ及びディスククラッチはシャフトの両端に配置されてもよい。それによって、シャフトのタービン側で本来空いている空間を、ディスククラッチを収容するために使用することが可能となる。
【００１５】
一実施形態において、ディスククラッチは、ピストンを用いて油圧作動される。これは、効率的な作動が提供され、迅速な応答及び正確なトルク制御を可能にするという点において有利である。
【００１６】
一実施形態において、シャフトは、フリーホイールクラッチ及びディスククラッチの摩擦ディスクの少なくとも何れか一方に潤滑流体を提供するための油導管を備える。したがって、シャフトの内部空間は、追加の空間を必要とせずに潤滑用の導管を形成するために使用され得る。
【００１７】
一実施形態において、タービン配列をクランクシャフトに連動するための接続モード、クランクシャフトからタービン配列を分離するためのフリーホイールモード、及びクランクシャフトに対してタービン配列を制動するブレーキモードを有するクラッチ手段を用いて、フリーホイール手段及びブレーキ手段が設けられる。したがって、単独の装置にフリーホイール手段とブレーキ手段を組み込むことによって、あまり複雑でない解決策が実現される。
【００１８】
一実施形態において、ターボコンパウンド装置は、さらに、ターボコンパウンド装置自身の動作状態を表す信号を受信するための少なくとも１つの入力と、ターボコンパウンド装置自身の所望の動作状態を判定し、対応する制御信号を計算するように構成される判定装置と、制御信号をブレーキ手段及びフリーホイール手段の少なくとも何れか一方に伝達するための少なくとも１つの出力と、を有する制御装置を備える。したがって、最適な性能のためにターボコンパウンド装置の動作を動的に制御することが可能である。
【００１９】
一実施形態において、制御装置の入力は、関連する内燃機関のエンジントルク及びエンジン回転速度を表す信号を受信するように構成され、判定装置は、タービン配列内で油漏れの危険性を判定するように構成される。このような実施形態は、エアバッファシステムの必要性を除去することができるという点において有利である。そうでない場合には、ターボコンパウンド装置の排気ガス流路への油漏れを防止するために、エアバッファシステムが必要となる。
【００２０】
一実施形態において、制御装置の入力は、タービン配列の回転速度を表す信号を受信するように構成され、判定装置は、内燃機関の過速度による誤作動の危険性を判定するように構成される。これは、ブレーキ手段が誤作動を防止するために動作され得るという点において有利である。
【００２１】
一実施形態において、制御装置の入力は、現在の駆動モードを表す信号を受信するように構成され、判定装置は、ターボコンパウンド装置から内燃機関への正味出力トルクがゼロ又はゼロ未満であるとき、ターボコンパウンド装置自身の過度な摩擦の危険性を判定するように構成される。
【００２２】
別の実施形態では、制御装置の入力は、内燃機関の始動を表す信号を受信するように構成され、判定装置は、関連するスタータの過剰負荷の危険性を判定するように構成される。
【００２３】
本発明のさらなる利点及び有利な特徴は、以下の記載及び従属クレームにおいて開示されている。
【００２４】
また、本発明は、ターボコンパウンド装置を備える車両だけでなく、クランクシャフトを有する内燃機関及びターボコンパウンド装置を備える内燃機関システムに関する。
【００２５】
添付の図面を参照して、以下に、例として引用した本発明の実施形態のより詳細な記載を示す。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】一実施形態による車両の側面図である。
【図２】一実施形態による内燃機関システムの概略図である。
【図３】一実施形態によるターボコンパウンド装置の断面図である。
【図４】一実施形態によるターボコンパウンド装置のフリーホイール手段の等角の断面図である。
【図５】一実施形態によるターボコンパウンド装置のフリーホイール手段及びブレーキ手段の断面図である。
【図６】内燃機関のトルク及び連結されたタービンを具備する内燃機関の速度を表すタービン後方の圧力を示す図である。
【図７】所与のエンジン負荷のための内燃機関の速度に対するターボコンパウンド装置のタービン後方の圧力を示す図である。
【図８】さらなる実施形態による、ターボコンパウンド装置のフリーホイール手段及びブレーキ手段の断面図である。
【図９】一実施形態による、ターボコンパウンド装置のフリーホイール手段の断面図である。
【図１０】一実施形態によるターボコンパウンド装置の動作を制御する方法の概略図である。
【図１１】一実施形態による、ターボコンパウンド装置のフリーホイール手段及びブレーキ手段の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
図１は、車両１を示す側面図である。車両１は、トラックとして示されており、車両１を駆動するための内燃機関システムを有する。以下に詳細に説明するように、様々な実施形態によると、車両１の内燃機関システムは、内燃機関１０及びターボコンパウンド装置１００を備えている。車両１は、ターボコンパウンド装置１００と相互に作用し、排気ガス流を提供する少なくとも１つのエンジンを有するならば、電気駆動等のような追加の推進装置を有してもよい。したがって、車両１は、また、トラックに限られずバス、建設設備等のような様々な重荷重車両を意味してもよい。
【００２８】
図２は、内燃機関システムの一実施例を示す。内燃機関１０は、ディーゼル又はガソリンのような燃料を燃焼するために動作する複数のシリンダ２０を含み、それによって、シリンダ２０内のピストンの往復運動が、クランクシャフト３０の回転運動に伝達される。さらに、クランクシャフト３０は、駆動要素（図示せず）にトルクを供給する変速機（図示せず）に連結されている。トラックのような大型車の場合には、駆動要素は車輪である。しかしながら、内燃機関１０は、また、建設機械、船舶用途等のようなその他の設備に使用してもよい。
【００２９】
内燃機関システムは、さらに排気ガスシステム４０を備えている。この排気ガスシステム４０は、内燃機関１０の性能を改善するために、排気ガス流中のエネルギの少なくとも一部を回収する働きをする。図示されている実施例では、排気ガスがシリンダ２０から流出し、ターボチャージャ５０の入口５２にさらに接続されているマニホールド４２に入る。排気ガス流は、タービンホイール５４を回転させる。タービンホイール５４の回転は、流入する空気をシリンダ２０に導入される前に圧縮するために使用されるコンプレッサホイール５６の回転に変換される。ターボチャージャ５０の機能仕様と同様に、構造仕様は、当該技術分野において周知であり、さらなる詳細な記載は省略する。
【００３０】
排気ガスは、ターボチャージャ５０を出て、必要に応じて排気ガス圧力調整器（図示せず）を介して、ターボコンパウンド装置１００に流入する。流入する前に一部のエネルギがターボチャージャ５０のタービンホイール５４を駆動するためにすでに使用されている排気ガスは、ターボコンパウンド装置１００のタービンホイール１０２を通るように誘導される。よって、タービンホイール１０２及び関連するタービンシャフト１０４が回転する。タービンシャフト１０４の回転は、流体力学的カップリング１１０並びにフリーホイール手段１２０及びブレーキ手段１３０を介して、対応するギアホイール２００の回転に伝達される。フリーホイール手段１２０及びブレーキ手段１３０の少なくとも一方は、制御装置３００に接続されている。この制御装置３００は、フリーホイール手段１２０及びブレーキ手段１３０の少なくとも一方の動作を制御するための方法を実行する。ギアホイール２００は、さらに歯車装置２０５に噛合し、タービンシャフト１０４をクランクシャフト３０に連結する。したがって、タービンホイール１０２が強制的に回転されると、タービンシャフト１０４は、クランクシャフト３０に更なるトルクを提供する。
【００３１】
ターボコンパウンド装置の一実施形態は、図３にさらに詳細に示されている。ターボコンパウンド装置１００は、ターボチャージャ５０と直列に配置されている。しかし、ターボコンパウンド装置１００のその他の実施形態は、このようなターボチャージャ５０の装備を含まない。
【００３２】
ターボチャージャ５０の出口５８から出る排気ガスは、ターボコンパウンド装置１００のタービンホイール１０２の軸流又は半径方向の流れ（図示せず）に方向付けられ、それによって、タービンホイール１０２は回転し始める。タービンホイール１０２の回転は、タービンシャフト１０４に伝達され、それによって、タービンホイール１０２及びタービンシャフト１０４は、タービン配列１０５を形成する。減速歯車１０６は、クランクシャフト３０の回転速度、すなわち内燃機関１０の速度に対応するように、タービン配列１０５の回転速度を調整するために設けられている。したがって、減速歯車１０６は、タービン配列１０５をクランクシャフト３０に動作可能に接続させるように構成された手段の少なくとも一部を形成する。
【００３３】
流体力学的カップリング１１０は、クランクシャフト３０からのトルク脈動を減少するために設けられる。タービン配列１０５は、通常、流体力学的カップリング１１０のトルク入力に関連する一次側に配置される。一方、フリーホイール手段１２０及びブレーキ手段１３０は、通常、流体力学的カップリング１１０のトルク出力に関連する二次側に設けられる。
【００３４】
図３に示されるように、フリーホイール手段１２０及びブレーキ手段１３０は、減速歯車１０６の一部を形成する共通のシャフト１４０の端に設けられている。実際には、シャフト１４０は、２つのギア１４２ａ、１４２ｂを両端部に備えていてもよい。この場合、片方のギア１４２ａは、クランクシャフト３０に接続され、もう片方のギア１４２ｂは、流体力学的カップリング１１０の二次側に接続される。
【００３５】
軸方向に離間する２つのギア１４２ａ，１４２ｂを有するシャフト１４０は、ブルギアと通常呼ばれる。一実施形態によるブルギアは、図４に示されている。シャフト１４０は、クランクシャフト３０の隣接するギアの対応する歯と噛合する歯１４４ａを有するギア１４２ａを一方端に備えている。また、ギア１４２ｂは、ブルギアを出力側、すなわち流体力学的カップリング１１０の二次側に接続するために反対側端部に備えられている。フリーホイール手段１２０は、歯１４４ａの半径方向内側に配置されるフリーホイールクラッチとして設けられている。好ましくは、フリーホイールクラッチは、摩擦によって一方向にトルクを伝達又は伝達支援し、反対方向に空転するように構成されている。これは、ローラ軸受１４６と玉軸受１４７との間に複数のスプラグ１４５を配置することによって達成される。したがって、シャフトは常に、ギア１４２ａを駆動し、一方ギア１４２ａは、シャフト１４０を決して駆動しない。
【００３６】
さらに、図５には、シャフト１４０にブレーキ手段１３０を備えたブルギアが示されている。このように、ブレーキ手段１３０は、流体力学的カップリング１１０の、タービン配列１０５に相対して反対側の二次側に配置される。ブレーキ手段１３０は、ディスクパッケージ（摩擦ディスク）１３２及び油圧作動してディスクパッケージ１３２を圧縮するように構成されたピストン１３４を備えてディスククラッチを構成している。ディスクの最初の列は、シャフト１４０にしっかりと取り付けられており、一方、ディスクの第２列は隣接するハウジングにしっかりと取り付けられている。ディスクパッケージ１３２が圧縮されると、シャフト１４０は、ハウジングに対して回転が制限される。この目的のために、シャフト１４０は、作動液をブレーキ手段１３０に供給するための圧力入口１４８を備えて構成されている。さらに、油入口１４９ａが設けられ、フリーホイールクラッチに潤滑液を提供するための油導管１４９ｂに接続されている。好ましくは、入口１４８、１４９ａは、シャフト１４０の軸方向端部に配置される。
【００３７】
上述したように、ターボコンパウンド装置１００は、構造上の設計の複雑さを低減するのと同時に、改善された動作を提供することができる。特定の動作状態にある間、タービンホイール後部の圧力がターボコンパウンドハウジングから、すなわち、タービンシャフトを支持する部分から吸気力を生じさせるのを低下させることはよく知られている。この吸気力が油及びその他の潤滑液を排気ガス流に引き込むために、常にタービンホイール後部を過圧力に維持することは、望ましいことである。この問題に対する既存の解決策は、エアバッファを提供することを含み、これは加圧空気がハウジングとタービンホイールとの間の領域に供給されることを意味する。
【００３８】
本発明によるターボコンパウンド装置は、この問題を異なる方法で解決しようとするものである。図６は、エンジン回転速度及びエンジントルクを表すタービンホイール後部の圧力を示す。比較的低いエンジントルクで比較的高いエンジン回転速度に対応する破線領域は、ターボコンパウンド装置のタービンホイール後部の圧力に対して重要である。したがって、油漏れは、網掛けされた領域に対応する動作条件で発生する可能性が高い。
【００３９】
図７は、別の図を示しており、タービンホイール後部の圧力が実線でエンジン回転速度の機能として示されている。しかしながら、この図はまた、ターボコンパウンド装置がフリーホイール手段１２０又はブレーキ手段１３０（破線）のいずれかを制御し得る場合のタービンホイール後部の圧力も示す。ブレーキ又はフリーホイールがタービンホイール後部の高圧を維持し、これにより、油が排気ガス流へと漏れるのを防止することは明らかである。ターボコンパウンド装置は、この目的のために、制御装置３００を備えるのがよい。制御装置３００は、図１において、ターボコンパウンド装置１００自身の動作状態を表す信号を受信するために少なくとも１つの入力３０２と、ターボコンパウンド装置１００自身の所望の動作状態を判定し、対応する制御信号を計算するように構成される判定装置３０４と、制御信号をブレーキ手段１３０及びフリーホイール手段１２０の少なくとも何れか一方に伝達するための少なくとも１つの出力３０６とを有することを示している。図６及び図７から、ターボコンパウンド装置１００自身の動作状態を監視することによって、例えば、この場合では、関連する内燃機関の動作状態を監視することにより、最適な手法でターボコンパウンド装置１００を動作させることを可能にするために、フリーホイール手段１２０及びブレーキ手段１３０の少なくとも何れか一方を制御することが可能であることは明らかである。
【００４０】
ターボコンパウンド装置を制御する上記の実施例は、ターボコンパウンド装置１００自身の動作状態を表す信号を受信するための少なくとも１つの入力３０２と、動作状態に関連する危険性を判定し、対応する制御信号を生成するように構成される判定装置３０４と、制御信号をブレーキ手段１３０及びフリーホイール手段１２０の少なくとも何れか一方に伝達するための少なくとも１つの出力３０６とを有する制御部として作動する制御装置３００によって実現される。
【００４１】
図６及び図７を参照して記載された実施形態において、制御装置３００の入力３０２は、関連する内燃機関１０のエンジントルク及びエンジン回転速度を表す信号を受信するように構成され、判定装置３０４は、油漏れの危険性を判定するように構成される。
【００４２】
別の実施形態では、制御装置３００の入力３０２は、タービン配列１０５の回転速度を表す信号を受信するように構成される。判定装置３０４は、このような実施形態においては、タービンホイール１０２に深刻な破損を与え得る過速度の危険性を判定するように事前にプログラミングされてもよい。万一、エンジンの過速度の危険性がある場合には、制御装置３００は、タービン配列１０５を制動するために出力信号を送信することができる。このような実施形態は、制御機能が破損や誤作動を防止するため、ターボコンパウンド装置１００が、その限界に接近して設計され得るという点において特に有利である。
【００４３】
その上、さらなる実施形態においては、制御装置３００の入力３０２は、現在の駆動モードを表す信号を受信するように構成され、判定装置３０４は、ターボコンパウンド装置から内燃機関（エンジン）への正味出力トルクがゼロ又はゼロ未満である場合に、危険性を判定するように構成される。動作中、内燃機関１０がターボコンパウンド装置１００よりも高速である場合があり得る。通常、これは燃料消費量に悪影響を与える。なぜなら、内燃機関１０は、ターボコンパウンド装置１００をも駆動しなければならないためである。しかしながら、制御装置３００は、誤った方向、すなわち、内燃機関１０からターボコンパウンド装置１００へと、トルク伝達をする危険性があると判定することができ、その結果、ターボコンパウンド装置１００を制動又は惰性で回る（フリーホイールする）ようにする。
【００４４】
さらなる実施形態において、制御装置３００の入力３０２は、内燃機関１０の始動を表す信号を受信するように構成される。起動時に回転質量を最小にするために、判定装置３０４は、関連するスタータの過剰負荷の危険性を判定してもよく、制御装置３００は、ターボコンパウンド装置１００をフリーホイールするための信号を出力してもよい。
【００４５】
さらなる実施形態としては、制御装置３００の入力３０２は、関連する排気ガスの後処理システムの状態を表す信号を受信するように構成される。判定装置３０４は、最適でないエネルギ使用の危険性を判定するように事前にプログラミングされてよく、これは例えば、排気ガス流の熱がターボコンパウンド装置１００にて使用されるよりも、後処理システムにおいてより良く使用されてもよいことを示している。したがって、制御装置３００は、ターボコンパウンド装置１００をフリーホイール及び制動の少なくとも何れか一方をするための信号を出力してよい。
【００４６】
一実施形態では、制御装置３００の入力３０２は、排気ガスの温度を表す信号を受信するように構成される。判定装置３０４は、関連する排気ガス後処理システムの好ましくない動作の危険性を判定するように構成される。したがって、ターボコンパウンド装置に流入する排気ガスの温度が、関連する後処理システムの最適な動作を可能にするのに十分でない場合には、制御装置３００はターボコンパウンド装置のフリーホイールを命令することができる。
【００４７】
さらなる実施形態においては、制御装置３００の入力３０２は、エンジンの制動を表す信号を受信するように構成され、判定装置３０４は、ターボコンパウンド装置からクランクシャフトへの望まれないトルク伝達の危険性を判定するように構成される。
【００４８】
図８においては、ブレーキ手段１３０及びフリーホイール手段１２０の実施形態が示されている。特定の実施形態は、ブルギアをターボコンパウンド装置から取り外す必要がなくより容易にサービスを提供できるという点において有利である。ブルギアは、図５に示されているものに類似するが、ブレーキ手段１３０、すなわち油圧作動カップリング１３０は、フリーホイール手段１２０の反対側に配置される。
【００４９】
図９には、フリーホイール手段１２０のさらなる実施形態が示されている。この実施形態では、フリーホイール機能が制御可能である。図４及び図５を参照して説明してきたものと同様に、フリーホイール手段１２０は、軸受１４６、１４７を介してシャフト１４０で支持されるギア１４２ａによって形成されている。しかしながら、本実施形態では、スプラグはなく、これは、ギア１４２ａがシャフト１４０に対して自由に回転することを意味する。フリーホイール制御は、作動時に、ギア１４２ａ又はシャフト１４０の回転が、ギア１４２ａ又はシャフト１４０のその他の１つに伝達されるように、ギア１４２ａをシャフト１４０に接続するフリーホイールカップリング１２００によって達成される。
【００５０】
フリーホイールカップリング１２００は、シャフト１４０にしっかりと固定されるディスクの第１セット及びギア１４２ａにしっかりと接続されるディスクの第２セットを有するディスクパッケージ１２１０を備える。バネで付勢された油圧ピストン１２２０は、ディスクの第１のセット及び互いに向かい合うディスクの第２のセットを、ディスクの第１及び第２セットとの間に滑りがないか、又はごく僅かあるようにさせることができる。同期の目的で、油圧ピストン１２２０は、非回転部１２２２及び回転部１２２４を備えてよく、回転部１２２４は、ギア１４２ａ又はシャフト１４０と共に回転が可能である。回転部１２２４は、軸受１２２６を介して非回転部１２２２上に配置されている。フリーホイールカップリング１２００の形態のフリーホイール手段１２０は、例えば、図５を参照して記載された実施形態に従い、ブレーキ手段１３０に結合され得ることは理解されるべきである。したがって、シャフト１４０の一端には、フリーホイールカップリング１２００を備えてもよく、一方、シャフト１４０の反対側端部には、ブレーキ手段１３０を備えてもよい。
【００５１】
図１０には、ターボコンパウンド装置の動作を制御するための方法２００が概略的に示されている。この方法２００は、内燃機関１０又はターボコンパウンド装置１００の動作状態を表す信号を受信する第１のステップ２０２を含む。前述したように、信号は、例えば、関連する内燃機関のエンジントルク及びエンジン回転速度を表す信号、タービン配列の回転速度を表す信号、現在の駆動モードを表す信号又は内燃機関の起動を表す信号であってもよい。
【００５２】
続いて、ステップ２０４においては、本方法は、上記に従い、タービン配列における油漏れの危険性のような、動作状態に関連する危険性、過速度による不具合の危険性、タービン配列の過度な摩擦の危険性又は関連するスタータへの過剰な負荷の危険性を判定する。
【００５３】
本方法は、その後、制御信号が生成されるステップ２０６を実行する。この制御信号は、判定された危険性によって構成される。
【００５４】
また、本方法２００は、ターボコンパウンド装置１００の動作を制御するために、制御信号を、ターボコンパウンド装置１００のフリーホイール手段１２０及びブレーキ手段１３０の少なくとも何れか一方に出力及び伝達するステップ２０８を含む。
【００５５】
以上の実施形態は、ブレーキ手段１３０及びフリーホイール手段１２０の少なくとも何れか一方の動的な制御を必要とする。図５及び図８において、ブレーキ手段１３０は、ピストンを作動するために作動液を提供することによって制御される。しかしながら、フリーホイール手段１２０は静的な構成要素である。動的なフリーホイール、すなわち制御可能なフリーホイールは、図９に示されている。制御可能なフリーホイール手段１２０を提供することが望まれる場合には、クランクシャフト３０にタービン配列１０５を連動させる接続モード、クランクシャフト３０からタービン配列１０５を分離するためのフリーホイールモード及びクランクシャフト３０に対してタービン配列１０５を制動するブレーキモードを有するクラッチを用いて、フリーホイール手段１２０及びブレーキ手段１３０が設けられる。フリーホイールモードは、例えば、ブルギアの２つのギア１４２ａ、１４２ｂとの間に制御可能な連結器を配置することによって実現することができる。
【００５６】
このようなクラッチ１３００の実施形態は、図１１に示されている。クラッチ１３００は、クランクシャフトに接続するように構成されたギア１４２ａ及び流体力学的カップリング１１０（図３を参照）の出力に接続するように構成されたギア１４２ｂを備える。ギア１４２ａは、例えばプレス嵌め具を介してシャフト１４０に直接支持され、一方、ギア１４２ｂは、玉軸受１４７を介してシャフト１４０に支持されている。さらに、クラッチ１３００は、フリーホイールモードに相当するニュートラルモードと、ギア１４２ａがギア１４２ｂに回転可能に接続される係合モード又はギア１４２ｂが固定ハウジング１３２０に接続されるブレーキモードの何れかのモードとの間を移動可能であるアクチュエータ１３１０を備える。図１１は、ニュートラルな位置、すなわちギア１４２ｂがシャフト１４０に対して惰性で回転する（フリーホイール）位置におけるアクチュエータ１３１０を示す。アクチュエータ１３１０が図中で左に移動するように制御される場合、アクチュエータは、ギア１４２ｂが回転するのを防止するようにハウジング１３２０にギア１４２ｂを接続する。アクチュエータが代わりにニュートラルな位置から図中で右に移動するように制御される場合には、アクチュエータは、ギア１４２ｂがシャフト１４０と共に回転するようにシャフト１４０にギア１４２ｂを接続する。同期リング１３３０は、係合する前に２つの側の速度を同期させるために設けられ得る。
【００５７】
好ましい実施形態では、ターボコンパウンド装置１００は、さらに、クランクシャフトとタービン配列１０５との間のどこかに配置された弾性要素を備えてもよい。したがって、例えば、ブレーキ手段１３０及びフリーホイール手段１２０の少なくとも何れか一方のディスク型カップリングに組み込まれるバネの形態のような弾性要素は、流体力学的カップリング１１０を切り離し、結果的にエンジンに由来するトルク脈動からタービン配列１０５も切り離す。
【００５８】
本発明は、上に記載され、及び図面に示された実施形態に限定されないことを理解するべきであり、むしろ、当業者は多くの変更及び修正は添付の請求項の範囲内でなされ得ることを理解するべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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