(57)【要約】【課題】燃費が向上される空気圧縮機を提供する。【解決手段】吸引弁２と吐出弁３を有する空気圧縮用のシリンダ４と、シリンダ４内に往復運動可能に収容されたピストン５と、ピストン５に連結されたクランク軸６と、クランク軸６に対してエンジン９の回転軸１０を締結・遮断するクラッチ１１と、吐出弁３における吐出圧が閾値より低いときにはクラッチ１１を締結させ、吐出弁３における吐出圧が閾値より高くなるとクラッチ１１を遮断させる制御機構１２と、クランク軸６に連結され、エンジン９の排気管１３内に設置されたタービン１４とを備える。【選択図】図１
2012233460.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸引弁と吐出弁を有する空気圧縮用のシリンダと、
前記シリンダ内に往復運動可能に収容されたピストンと、
前記ピストンに連結されたクランク軸と、
前記クランク軸に対してエンジンの回転軸を締結・遮断するクラッチと、
前記吐出弁における吐出圧が閾値より低いときには前記クラッチを締結させ、前記吐出弁における吐出圧が閾値より高くなると前記クラッチを遮断させる制御機構と、
前記クランク軸に連結され、前記エンジンの排気管内に設置されたタービンとを備えたことを特徴とする空気圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃費が向上される空気圧縮機に関する。
【背景技術】
【０００２】
中型自動車や大型自動車には、大きな制動力を得るために、圧縮空気で駆動されるエアブレーキが搭載される。エアブレーキのための圧縮空気を生成する空気圧縮機としては、往復式空気圧縮機が一般的である。空気圧縮機で生成された圧縮空気は、いったん圧縮空気タンクに蓄積され、エアブレーキが作動されるとき消費される。圧縮空気の消費先として、他にはエアサスペンションがある。
【０００３】
図３（ａ）に示されるように、従来の空気圧縮機１０１は、吸引弁２と吐出弁３を有する空気圧縮用のシリンダ４と、シリンダ４内に往復運動可能に収容されたピストン５と、ピストン５に連結されたクランク軸６と、吐出弁３から吐出される圧縮空気を蓄積する圧縮空気タンク（図示せず）と、吐出弁３の吐出圧により駆動されて吸引弁２を押し開けるアンローダ機構８とを備え、クランク軸６にエンジン９の回転軸１０が連結されている。
【０００４】
シリンダ４のヘッド側に隣接して吸引室４１と吐出室４２が設けられ、吸引室４１と吐出室４２はいずれも通気口を介してシリンダ４に連通している。吸引室４１には大気に繋がる吸引管４３が接続され、吐出室４２には圧縮空気タンクに繋がる吐出管４４が接続される。
【０００５】
吸引弁２は、吸引室４１に繋がる通気口に望ませてシリンダ４内に設置され、スプリングによって通気口を閉じる方向に引っ張られている。シリンダ４の圧力が大気より小さくなると、吸引弁２がシリンダ４内に進出することで吸引弁２が開くようになっている。吐出弁３は、シリンダ４の通気口の吐出室４２側に設置され、スプリングによって通気口を閉じる方向に押されている。シリンダ４の圧力が高まって圧縮空気タンクの圧力に拮抗すると、吐出弁３が吐出室４２の方へ後退することで吐出弁３が開くようになっている。
【０００６】
エンジン９の回転に伴ってクランク軸６が回転すると、ピストン５がシリンダ４内を往復運動し、シリンダ４の容積が拡張・縮小する。
【０００７】
シリンダ４の容積が拡張するとき、図３（ａ）に示されるように、吐出弁３が閉じ、吸引弁２が開いてシリンダ４内に大気からの空気が取り込まれる。図３（ｂ）に示されるように、シリンダ４の容積が縮小するとき、吸引弁２が閉じ、吐出弁３が開いてシリンダ４内の空気が圧縮空気タンクに供給される。圧縮空気タンクの圧力が高いときは、すぐには吐出弁３が開かず、シリンダ４内で空気が圧縮されることで圧力が高まると吐出弁３が開く。これにより、圧縮空気タンクに圧縮空気が蓄積されていく。
【０００８】
図３（ｃ）に示されるように、圧縮空気タンクの圧力が必要以上高くならないよう、アンローダ機構８が設置される。アンローダ機構８は、吐出弁３における吐出圧（＝圧縮空気タンクの圧力）によって駆動され、吸引弁２を押し開ける作用をするものである。吐出圧が上限設定値を超えると、アンローダ機構８により吸引弁２が開かれ、シリンダ４内の空気が大気に排出される。よって、クランク軸６が回転しても、圧縮空気タンクには圧縮空気が追加されなくなる。圧縮空気タンクの圧縮空気がエアブレーキ等で消費されて吐出圧が下限設定値に達すると、アンローダ機構８は吸引弁２を開かなくなるので、再び、圧縮空気タンクに圧縮空気が蓄積されていく。
【０００９】
このように、アンローダ機構８が動作することにより、圧縮空気タンクの圧力が必要な一定値に保持されると共に、シリンダ４において過度な圧縮を行う無駄なエネルギ消費が回避される。
【００１０】
なお、図４に示されるように、エンジン９の補機、例えば、オイルポンプや冷却水ポンプ（いずれも図示せず）は、エンジン９の運転に欠かせないものであり、補機自体がエンジン９の筐体に取り付けられ、動力もエンジン９から得ている。これに対し、空気圧縮機１０１は、車両の補機であってエンジン９を補助していないにもかかわらず、エンジン９の筐体に取り付けられ、動力もエンジン９から得ている。これは、空気圧縮機１０１が車両の制動に必要なエアブレーキに関係する重要な保安部品であるからであり、電動式のアクチュエータは使用されず、エンジン９から機械的に動力を得て確実に空気圧縮機１０１が駆動されるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００５−２４０８０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところで、従来の空気圧縮機１０１では、エンジン９の回転軸１０にクランク軸６が連結されているため、吐出圧がアンローダ機構８の上限設定値に達して圧縮空気タンクに圧縮空気を蓄積する仕事がなくなった後でもクランク軸６が回転し、ピストン５が往復運動する。このようなクランク軸６の無駄な回転による駆動損失は、積載量１０トンの車両でエンジン出力の０．８％に相当し、これによって燃費が悪化する。
【００１３】
これに対し、本発明者は、空気圧縮機１０１のクランク軸６に対してエンジン９の回転軸１０が吐出弁３における吐出圧に応じて締結・遮断されるように構成し、エンジン９の回転エネルギがクランク軸６の無駄な回転に消費されることを防止する空気圧縮機を提案中である。しかし、この構成では、エンジン９の回転軸１０からクランク軸６が遮断されているときはクランク軸６が静止しており、エンジン９の回転軸１０にクランク軸６が締結されるときにクランク軸６が静止状態から駆動開始されるので過渡的な負荷が大きい。このとき、エンジン９に急激な負荷（衝撃）が加わり、燃費が悪化すると共に、運転フィーリングにも影響する。
【００１４】
また、従来より、エンジン９の排気ガスのエネルギは、過給器（図示せず）の駆動には利用されているものの、過給器を出た排気ガスに残っているエネルギは、利用されずに大気に排出されている。一方、エンジン９が補機を駆動するエネルギは、極力、節約されることが燃費向上の観点から望ましいので、排気ガスのエネルギも余すところなく利用したいところである。
【００１５】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、燃費が向上される空気圧縮機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するために本発明の空気圧縮機は、吸引弁と吐出弁を有する空気圧縮用のシリンダと、前記シリンダ内に往復運動可能に収容されたピストンと、前記ピストンに連結されたクランク軸と、前記クランク軸に対してエンジンの回転軸を締結・遮断するクラッチと、前記吐出弁における吐出圧が閾値より低いときには前記クラッチを締結させ、前記吐出弁における吐出圧が閾値より高くなると前記クラッチを遮断させる制御機構と、前記クランク軸に連結され、前記エンジンの排気管内に設置されたタービンとを備えたものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【００１８】
（１）燃費が向上される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態を示す空気圧縮機の構成図である。
【図２】図１の空気圧縮機の圧縮及び吐出行程における状態を示す図であり、（ａ）はクラッチが締結時の図、（ｂ）はクラッチが遮断時の図である。
【図３】従来の空気圧縮機の図であり、（ａ）は吸引行程における図、（ｂ）は圧縮及び吐出行程におけるアンローダ機構非作動時の図、（ｃ）は圧縮及び吐出行程におけるアンローダ機構作動時の図である。
【図４】空気圧縮機がエンジンに取り付けられることを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００２１】
図１に示されるように、本発明に係る空気圧縮機１は、吸引弁２と吐出弁３を有する空気圧縮用のシリンダ４と、シリンダ４内に往復運動可能に収容されたピストン５と、ピストン５に連結されたクランク軸６と、吐出弁３から吐出される圧縮空気を蓄積する圧縮空気タンク７と、吐出弁３の吐出圧により駆動されて吸引弁２を押し開けるアンローダ機構８と、クランク軸６に対してエンジン９の回転軸１０を締結・遮断するクラッチ１１と、吐出弁３における吐出圧が閾値より低いときにはクラッチ１１を締結させ、吐出弁３における吐出圧が閾値より高くなるとクラッチ１１を遮断させる制御機構１２と、クランク軸６に連結され、エンジン９の排気管１３内に設置されたタービン１４とを備える。
【００２２】
クラッチ１１は、エンジン９の回転軸１０に取り付けられた固定クラッチ板１５と、クランク軸６に取り付けられた可動クラッチ板１６とを備える。固定クラッチ板１５に対して可動クラッチ板１６が圧接されていれば、クラッチ１１は締結であり、固定クラッチ板１５から可動クラッチ板１６が離間していればクラッチ１１は遮断である。クラッチ１１の具体的構成は限定しないが、例えば、ここでは可動クラッチ板１６がダイヤフラムに支持されているダイヤフラム式クラッチが採用されている。
【００２３】
制御機構１２は、ヘッド側で吐出管４４及び圧縮空気タンク７に連通している制御シリンダ１７と、制御シリンダ１７内に往復運動可能に収容された制御ピストン１８と、制御ピストン１８をヘッド側に押しているスプリング１９と、制御ピストン１８に連結されクラッチ１１の可動クラッチ板１６を移動させるリンク機構２０とを備える。リンク機構２０の具体的構成は限定しないが、ダイヤフラム式クラッチに対しては、吐出圧が閾値より高くなって圧縮空気が制御シリンダ１７に導入されると、リンク機構２０がダイヤフラムを変形させることによって可動クラッチ板１６が固定クラッチ板１５から離間するように構成される。
【００２４】
制御機構１２における吐出圧の閾値と、アンローダ機構８における吐出圧の上限設定値及び下限設定値との大小関係は、実験等により燃費の向上効果が良い組み合わせに設定するとよい。動作としては、例えば、閾値＝下限設定値であれば、アンローダ機構８により吸引弁２が閉じると同時にクラッチ１１が締結されることになる。閾値＝上限設定値であれば、アンローダ機構８により吸引弁２が開くと同時にクラッチ１１が遮断されることになる。
【００２５】
タービン１４は、排気ガスにより羽根車を回転させるものである。タービン１４は、過給器タービン２１よりも下流に設置されるのが好ましい。
【００２６】
タービン１４との連結のために、クランク軸６がクランク軸６を収容しているクランク筐体２２の外に延長され、そのクランク軸６の延長部に第一ギア２３が取り付けられ、タービン１４の回転軸（タービン軸）２４が排気管１３の外に延長され、そのタービン軸２４の延長部に第二ギア２５が取り付けられ、第二ギア２５と第一ギア２３とが互いに噛み合わされる。ギアの枚数は２枚に限らず任意であるが、タービン１４によるクランク軸６の回転方向とエンジン９によるクランク軸６の回転方向が同じになるように組み合わせるのが好ましい。
【００２７】
タービン１４、第二ギア２５、第一ギア２３は、排気ガスのエネルギ（運動エネルギ及び熱エネルギ）を動力（クランク軸６を回転させるエネルギ）に変換するターボコンパウンド機構２７を構成するものである。
【００２８】
以下、空気圧縮機１の動作を説明する。
【００２９】
今、エアブレーキ等による圧縮空気の消費がないものとする。また、説明の便宜上、上限設定値＞閾値＞下限設定値とする。
【００３０】
図２（ａ）に示されるように、圧縮空気タンク７（図１参照）の圧力が低く、吐出弁３における吐出圧が制御機構１２の閾値に達していないとき、制御機構１２はクラッチ１１を締結させている。このため、エンジン９の回転軸１０の回転がクランク軸６に伝達され、クランク軸６が回転する。一方、タービン１４が排気ガスによって回転されるため、これによってもクランク軸６が回転する。クランク軸６の回転により、圧縮空気タンク７に圧縮空気が蓄積されていく。このとき、排気ガスのエネルギがクランク軸６の回転に寄与するので、エンジン９の負荷が軽減され、燃費が向上する。
【００３１】
図２（ｂ）に示されるように、圧縮空気タンク７の圧力が上昇し、吐出弁３における吐出圧が制御機構１２の閾値を超えると、制御機構１２はクラッチ１１を遮断させる。これによって、エンジン９の回転軸１０の回転はクランク軸６に伝達されなくなり、空気圧縮機１に関するエンジン９の負荷はなくなり、燃費が向上する。一方、タービン１４の回転はクランク軸６に伝達されるので、圧縮空気タンク７の圧縮空気の圧力は上昇を続ける。
【００３２】
圧縮空気タンク７の圧力がさらに上昇し、吐出弁３における吐出圧がアンローダ機構８における吐出圧の上限設定値を超えると、アンローダ機構８により吸引弁２が開かれ、シリンダ４内の空気が大気に排出される。タービン１４の回転は引き続きクランク軸６に伝達されるが、圧縮空気タンク７の圧力はこれ以上、上昇することはない。このとき、クランク軸６は空気圧縮の仕事をすることなく空転するが、その回転エネルギは、もともと捨てられていた排気ガスのエネルギに由来するものであるから、燃費に影響はない。
【００３３】
その後、圧縮空気が消費されて圧縮空気タンク７の圧力が低下し、吐出弁３における吐出圧が制御機構１２の閾値より低くなると、制御機構１２はクラッチ１１を締結させる。また、吐出弁３における吐出圧がアンローダ機構８における吐出圧の下限設定値より低くなると、アンローダ機構８は吸引弁２を開かなくなる。
【００３４】
クラッチ１１が締結されたことにより、エンジン９の回転軸１０の回転がクランク軸６に伝達されはじめる。このとき、クランク軸６が静止状態から駆動開始されるとエンジン９にかかる過渡的な負荷が大きいが、本発明では、クランク軸６がタービン１４によって回転されている状態でクラッチ１１が締結されるので、エンジン９に急激な負荷が加わることがない。この結果、急激な負荷による燃費の増加がないため、燃費が向上すると共に、衝撃による運転フィーリングの悪化もない。
【００３５】
以上説明したように、本発明の空気圧縮機１によれば、排気ガスのエネルギでタービン１４が回転され、この回転エネルギがクランク軸６の回転に寄与してエンジン９によるクランク軸６の回転をアシストするので、エンジン９のエネルギ消費が低減され、燃費が向上する。
【００３６】
なお、排気ガスが少なく、排気ガス温度が低いときはタービン１４の回転が弱い。しかし、このような排気ガスが少なく、排気ガス温度が低い状態は、エンジン９が低負荷状態であるで、クランク軸６の回転をタービン１４でアシストしなくてもよい。逆に、エンジン９が高負荷状態のときは、排気ガスが多く、排気ガス温度も高い。この排気ガスのエネルギがクランク軸６の回転のアシストに使用されるので、好ましい。
【００３７】
また、排気ガスのエネルギは、過給器において優先的に消費されるべきであるので、タービン１４は、過給器タービン２１よりも下流に配置されるのが好ましい。
【００３８】
本発明の空気圧縮機１によれば、クランク軸６に対してエンジン９の回転軸１０を締結・遮断するクラッチ１１と、吐出弁３における吐出圧に応じてクラッチ１１を締結・遮断させる制御機構１２を備えるので、エンジン９の回転エネルギがクランク軸６の無駄な回転に消費されることが防止される。
【００３９】
本発明の空気圧縮機１によれば、制御機構１２によりクラッチ１１が遮断されているときもタービン１４によってクランク軸６が回転されるので、その後、クラッチ１１が締結されるときに、エンジン９に加わる衝撃が小さく、燃費が向上すると共に、運転フィーリングの悪化がない。
【符号の説明】
【００４０】
１  空気圧縮機
２  吸引弁
３  吐出弁
４  シリンダ
５  ピストン
６  クランク軸
７  圧縮空気タンク
８  アンローダ機構
９  エンジン
１０  回転軸
１１  クラッチ
１２  制御機構
１３  排気管
１４  タービン
【図４】
2012233460.tif 000003
【図１】
2012233460.tif 000004
【図２】
2012233460.tif 000005
【図３】
2012233460.tif 000006