(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃エンジン（１）であって、
−減圧式ブレーキ装置（２）と、
−ロータ（１２）と環状ノズル（１７）とを有し、前記ノズル（１７）の可変の効果的なフローセクション（Ｓ）を画定するブレード付きステータ（１６）が配置される前記ロータ（１２）の方に排気ガスを方向付ける可変幾何学タービンを備えたターボチャージャ（３）と、
−前記ステータ（１６）の設定を制御するアクチュエータ（２０）と、
−減圧ブレーキのための始動信号に応答して、そして、前記エンジン（１）の少なくともスピード（Ｎ）の関数として、エンジン（１）のスピードの変化の範囲の低い部分に維持される最低値（Ｓ０）から最大ブレーキ力の状態下での限度値に前記効果的なフローセクションを徐々に増大するように、前記アクチュエータ（２０）を制御する制御ユニット（２４）と、
を備え、前記最大ブレーキ力状態を参照にして、前記限度値が、
式
【数１】
0004097945.tif 000007
によって定義される少なくとも１つの最低安全値（ＳＴ）に等しく、
式中、
ＴＯは、周囲温度、
Ｔｉは、前記最大ブレーキ力状態下でのタービン（１０）の入口におけるガスの温度、
Ｐｉは、前記最大ブレーキ力状態下でのタービン（１０）の入口におけるガスの圧力、
ＰＭＥｍａｘは、エンジン（１）の平均の効果的圧力の最大デザイン値、
ＮＴｍａｘは、タービン（１０）のスピードの最大許容値、
Ｎｍａｘは、エンジン（１）の最大スピード、
ＤＴは、タービン（１０）のロータ（１２）の入口直径、
Ｖは、エンジン（１）の容量、
Ｋは、０．０１７５と０．０２３０との間の単位のない定数であることを特徴とする、内燃エンジン。
【請求項２】
前記定数Ｋが、０．０２０と０．０２２との間であることを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
【請求項３】
前記定数Ｋが、ほぼ０．０２１に等しいことを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
【請求項４】
スピード変化の範囲の前記低い部分が、前記エンジン（１）の最大パワーの公称スピード（ＮＮ）の６５％と８０％との間のしきい値（Ｎ０）以上に限定されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のエンジン。
【請求項５】
前記しきい値（Ｎ０）が、エンジン（１）の前記公称スピード（Ｎｎ）の７０％と７５％との間であることを特徴とする請求項４に記載のエンジン。
【請求項６】
前記最大ブレーキ力状態が、エンジン（１）の最大スピード（Ｎｍａｘ）で、エンジン（１）の前記公称スピード（Ｎｎ）の１１０％と１３０％との間で達成されることを特徴とする請求項５に記載のエンジン。
【請求項７】
前記制御ユニット（２４）は、エンジン（１）のスピード（Ｎ）が増大するとき、前記効果的なフローセクション（Ｓ）を前記最小値（Ｓ０）から前記限度値に線形的に変えるために処理および制御手段（２４ａ）を備えることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載のエンジン。
【請求項８】
前記ステータ（１７）が、環状カラー（１９）と、前記カラー（１９）から軸方向に延在する複数のブレード（１８）とを備え、前記カラーが、前記ノズル（１７）の前記効果的なフローセクション（Ｓ）を変えるように、前記アクチュエータ（２０）の圧力のもとで、前記ノズル（１７）において軸方向に可動することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のエンジン。
【請求項９】
前記ステータ（１６）が、前記アクチュエータ（２０）によって制御される可変傾斜を有する複数のブレード（１８）を備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のエンジン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可変幾何学タービンを有するターボチャージャと、減圧式ブレーキシステムとを備えた内燃エンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
可変幾何学タービンを有するターボチャージャと、減圧式ブレーキシステムとを備えた内燃エンジンは、たとえば、ＤＥ−Ｃ−１９７  ２７  １４０から周知である。
【０００３】
減圧式ブレーキシステムは、ブレーキ力を生成するために、エンジンシリンダ内で生成される圧縮エネルギーを分散する原理に基づいている。たとえば、これは、圧縮ストロークの終りでエンジンシリンダの排気バルブを開けることによって達成されることができる。この解決法の効率は、ターボチャージャによって供給される過給によって増加され、そして、それは、圧縮力、その結果、ブレーキ力を増加させる。
【０００４】
しかしながら、タービンの効率は、ガスのフローレートが減少するときに減少し、それは、駆動シャフトの角速度（簡略のために、下記において「エンジンスピード」と表示されている）によるということは周知である。その結果、エンジンブレーキが、たとえば、下り坂を走行するときに起こるように、低いエンジンスピードで始動されるとき、エンジンの誘導圧力のレベルが低く、かつ、分散される圧縮作業が結果として適度でないため、減圧によって得られることが可能なブレーキ効果は、不十分である。。
【０００５】
低いｒｐｍにおけるエンジンブレーキの効率を改善する目的で、ターボチャージャが使用され、それは、可変幾何学タービン（ＶＧＴ）を備えている、すなわち、ブレードの方向を変えることによって、あるいは、ステータの一部を形成するフローカットオフ（切断）要素とノズル自体との間の相対軸方向滑動によって、ロータと、ノズルの効果的なフローセクションを制御するように構成されるブレード付きステータが収容される環状入口ノズルとを備えている。
【０００６】
効果的なフローセクションは、エンジンの作動状態の関数として調整される。特に、低いエンジンスピードにおいて、ステータは、最低の効果的なフローセクションの位置に維持され、従って、ロータに衝突するガスの速度を増大させる。タービンロータの回転のスピード（簡略のために、下記に「タービンスピード」と表示されている）は、過給圧力を増大させる。
【０００７】
高いエンジンスピードにおいて、排気ガスの高フローレートがタービンを通過する。安全レベルで、すなわち、ターボチャージャが過度に負荷をかけられないような、かつ、エンジンの熱応力およびターボチャージャの熱応力を含むようなレベルで、タービンのスピードを維持する目的で、前記ガスがロータに衝突する速度を減少するように、その結果、タービンのスピードおよび過給圧力を含むように、ノズルの効果的なフローセクションを徐々に増加する必要がある。
【０００８】
ＤＥ−Ｃ−１９７  ２７  １４０によれば、タービンの効果的なフローセクションは、ＴＢＦ＝ＡＴ・ＤＴ／ＶHとして定義されるタービンの設定に特徴を示している大きさをプリセット限度間に維持することによって制御され、式中、ＡＴは、タービンの効果的な吸い込みフローセクション、すなわち、制御された変数であり、ＤＴは、タービンロータの入口直径であり、ＶHは、エンジン容量である。特に、この大きさは、値０．００５以下に維持され、０．０１と０．０３との間が好ましい。
【０００９】
前述の制御論理は、エンジンの作動状態でなく、エンジン（容量）とタービン（入口直径）との幾何学的ファクターだけが考慮されているという欠点を有している。
【００１０】
この結果は、特定の作動状態、特に、ほとんど最大許容エンジンスピードのもとで、上述の論理で達成されることが可能な制御が、構造上の制限があるエンジンとターボチャージャとの作動パラメータの望ましくない値へと導くということである。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、可変幾何学タービンを有するターボチャージャと、減圧式ブレーキシステムとを備えた内燃エンジンを考案し、上記の欠点を削除することを可能にすることである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この目的は、
−減圧式ブレーキ装置と、
−ローターと環状ノズルとを有し、前記ノズルの可変の効果的なフローセクションを画定するブレード付きステータが配置される前記ロータの方に排気ガスを方向付ける可変幾何学タービンを備えたターボチャージャと、
−前記ステータの設定を制御するアクチュエータと、
−減圧ブレーキのための始動信号に応答して、そして、前記エンジンの少なくともスピードの関数として、エンジンスピードの変化の範囲の低い部分に維持される最低値から最大ブレーキ力の状態における限度値に前記効果的なフローセクションを徐々に増大するように、前記アクチュエータを制御する制御ユニットと、
を備える内燃エンジンに関する本発明によって達成され、前記最大ブレーキ力状態を参照にして、前記限度値が、
式
【数２】
0004097945.tif 000002
によって定義される少なくとも１つの最低安全値（ＳＴ）に等しく、
式中、
ＴＯ（Ｋ）は、周囲温度、
Ｔｉ（Ｋ）は、前記最大ブレーキ力状態下でのタービン入口におけるガスの温度、
Ｐｉは、前記最大ブレーキ力状態下でのタービン入口におけるガスの圧力、
ＰＭＥは、エンジンの平均の効果的圧力の最大デザイン値、
ＮＴｍａｘは、タービンスピードの最大許容値、
Ｎｍａｘは、最大エンジンスピード、
ＤＴは、タービンロータの入口直径、
Ｖは、エンジン容量、
Ｋは、０．０１７５と０．０２３０との間の単位のない定数である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明をより良く理解するために、好ましい実施の形態が、添付の図面を参照にして以下に記述されている：
図１を参照すると、参照符号１は、全体として、減圧式ブレーキ装置２とターボチャージャ３とを備えた自動車、特に、商業乗物の内燃エンジンを示している。
【００１４】
エンジン１は、複数のシリンダ４を備え、そのそれぞれに、インゼクタ５、一対の入口バルブ６および一対の排気バルブ７が連結されている。入口バルブ６および排気バルブ７は、それぞれの吸い込みマニホルド８および排気マニホルド９に接続されている。
【００１５】
それ自体周知のタイプであり、詳細に記述されていない減圧式ブレーキ装置２は、排気バルブ７の始動作用を変えるように、あるいは補助バルブの円筒形開口を制御するように構成され、連結した圧縮ストローク後シリンダ４を減圧させる。このような装置の例示は、ＥＰ−Ａ−０５４３２１０に図示されている。
【００１６】
ターボチャージャ３は、可変幾何学タービン１０と、共通のシャフト１４にキー止めされたそれぞれのロータ１２，１３を有するコンプレッサ１１とを備えている。
【００１７】
タービン１０は、さらに、エンジン１の排気マニホルド９に接続される環状吸い込み通路１５と、その通路１５からロータ１２にガスを方向付けるノズル１７とを備えている。ノズル１７の中に、特に、複数のブレード１８と、そのブレードに付着され、かつ、引き込み位置（図１に破線で示されている）間でそれらともに軸方向に移動することが可能なカラー１９とを備えている可変幾何学環状のブレード付きステータ１６が配置されて、そこで、カラーは、ノズル１７から軸方向に除去され、そして、ガスの効果的なフローセクションが最大で、かつ、図１において前進位置であり、そこで、ノズルのかなりのフラクションが、カラー１９によって遮断され、そして、残りの効果的なフローセクションが最小となる。
【００１８】
カラー１９の軸方向移動は、エンジン１のための電子制御ユニット２４によって制御される電気アクチュエータ２０によって制御され、その制御ユニットは、さらに、それ自体周知の方法でインゼクタ５とブレーキ装置２とを制御する。
【００１９】
ブレーキペダル２２と連結されるスイッチ２１から、あるいは、別の手動による作動装置２３から受ける始動信号に応答して、制御ユニット２４は、減圧式ブレーキ装置２を作動し、シリンダ４への燃料の注入を防止する。その結果、ブレーキ作用が、圧縮エネルギーの分散の結果として得られる。
【００２０】
このブレーキ作用は、可変幾何学タービン１０によって増大され、その設定は、センサ２５によって検知されるエンジンスピードＮの関数としてアクチュエータ２０よる制御ユニット２４によって制御される。
【００２１】
特に、Ｎ０が、たとえば、エンジン１の最大パワーの公称スピードＮｎの７０％−７５％に等しいしきい値以下のエンジンスピードＮの範囲において、タービン１０は、最大クロージャ−設定に制御ユニット２４によって維持され、そこで、カラー１９は、上述の前進位置であり、そして最小の効果的なフローセクションＳ０を開放する。この方法において、エンジンの圧縮エネルギーを増大させる背圧が生成される。さらに、排気ガスの速度、従って、ロータ１２のスピードが増大する。その結果、過給効果が、さらに、倍増し、それは、さらに、圧縮エネルギー、従って、ブレーキ力を増大する。
【００２２】
エンジンスピードおよびブレーキ力が増大するとき、前述の効果は、安全レベル、すなわち、ターボチャージャが負荷をかけ過ぎられないようなレベルで、そして、エンジン１とターボチャージャ２との熱応力をプリセット限度内に含むように、タービン１０のスピードを維持するために制御される必要がある。特に、ガスがロータ１２に衝突する速度を、その結果、過給圧力を減少するように、効果的なフローセクションＳを徐々に増大する必要がある。
【００２３】
したがって、Ｎ０に等しいエンジンスピードからスタートし、制御ユニット２４は、カラー１９を後方に移動するようにアクチュエータ２０を制御し、そして、徐々に増大する効果的なフローセクションＳを開放させる。このセクションは、式
【数３】
0004097945.tif 000003
によって定義され、
式中、ｎは、ステータブレードの数（そして、その結果、ブレード間の仕切りの数）、Ｌは、各仕切りの長さ（周方向における）、そして、ｘは、仕切りの開放した軸方向の大きさ、すなわち、カラー１９とノズル１７と対向する側の軸方向に境界を画定する表面との間に形成されるギャップの軸方向長さである。
【００２４】
最大ブレーキ力状態は、公称スピードＮｎより高い、たとえば、Ｎｎの１２０％に等しい最大エンジンスピードＮｍａｘで達成される。
【００２５】
本発明によれば、前記最大ブレーキ力状態下での効果的なフローセクションＳの最小安全値ＳＴは、方程式
【数４】
0004097945.tif 000004
によって、エンジン１とターボチャージャ３との幾何学的、かつ、作動パラメータに連結され、
式中、Ｋは、単位のない定数であり、本発明によるその値は、０．０１７５と０．０２３０との間であり、
Ｔ０は、２９３Ｋに等しい周囲温度、
Ｔｉは、最大ブレーキ力状態下でのタービン入口におけるガスの温度、通常、エンジンおよびターボチャージャのタイプにより、６３０Ｋと７４０Ｋとの間、
Ｐｉは、前記最大ブレーキ力状態下でのタービン入口におけるガスの圧力、
ＰＭＥｍａｘは、エンジンの平均の効果的な圧力の最大デザイン値、
ＮＴは、タービンスピードの最大許容値、
ＤＴは、タービン１０のロータ１２の入口直径、
Ｖは、エンジン容量である。
【００２６】
前記方程式［２］において、温度は、ケルヴィン絶対温度で表示される必要がある。単位のない方程式が含まれるとき、他の単位は、それらが一致するという条件で、あらゆる測定単位で表示されることが可能である。たとえば、長さはｍｍ、面積はｍｍ２、体積はｍｍ３（あるいは、それぞれ、ｃｍ，ｃｍ２およびｃｍ３、あるいは、ｍ，ｍ２およびｍ３）。
【００２７】
定数Ｋの値は、０．０２０と０．０２２との間であることが好ましく、約０．０２１に等しいことがより好ましい。
【００２８】
前記値Ｋが、実質的にエンジン１とターボチャージャ３との構造上の特性および作動特性における変化とともに変化しないということは数値処理によって決定され、そして、経験的に立証されている、すなわち、それは、異なるエンジンおよびパラメータの異なる限度値に有効である。その結果、前記値は、エンジンの構造上のパラメータおよびデザインパラメータと関連付けられ、そして、構造上のパラメータが周知であり、デザイン限度データが設定されると、最大ブレーキ力の状態において、ノズル１７の効果的なフローセクションの最大値ＳＴを計算することを可能とし、それは、前記限度データと矛盾していない。
【００２９】
セクションＳの制御は、上述のように、カラー１９と、ノズル１７と対向する側の軸方向に境界を画定する表面２５との間に形成されるギャップの軸方向大きさｘを変えることによって行われる。特に、アクチュエータ２０は、ｘを最小値
【数５】
0004097945.tif 000005
で、ｘを
最大スピードＮ０に維持するように、従って、ユニット２４の処理および制御ブロック２４ａに格納される法則によるスピードＮｍａｘで、最大値
【数６】
0004097945.tif 000006
にｘを増大するように、ユニット２４によって制御される。この法則は線形タイプであることが適切である。
【００３０】
本発明によって達成されることが可能である利点は、本発明によるタービンスピードＮＴとエンジンスピードＮにおける変化（実線）および作図への導入に表示される制御テクニックによるエンジンスピードＮにおける変化（破線）を有するタービンスピードＮＴとＰＭＥとの作用を図示する図２および図３の定性的グラフの研究から明らかである。本発明によれば、最大ブレーキ力状態下でのタービンの効果的なフローセクションＳＴが、前述の値を考慮に入れて決定されるかぎり、ＮＴおよびＰＭＥは、方程式［２］に示されるそれぞれのプリセット最大値内に維持されことがグラフから容易に明らかである。一方、周知の技術によれば、このセクションは、全くエンジンとターボチャージャとの幾何学的パラメータのみに基づいて計算されるので、望ましくない値が、作動パラメータ、たとえば、ＮＴおよびＰＭＥについて得られる。
【００３１】
さらに、本発明による制御は、幾何学パラメータと、作動パラメータの両方を考慮に入れているので、方程式［２］は、エンジンの様々なタイプに適用されることが可能であり、そして、エンジンの匹敵する幾何学的特性とともに、それは、作動パラメータの様々な限度値に適応されるタービンの幾何学の制御を可能とすることができる。
【００３２】
最後に、本発明は、請求の範囲の保護の範囲から逸脱することなく変更および変化を施すことが可能であることが明らかである。
【００３３】
特に、効果的なフローセクションにおける変化は、ステータの軸方向の配置によってではなく、それらの間の仕切りの効果的な幅と、ロータへのガスの入射の角とを変えるように、アクチュエータ２４によってタービン１０のブレードの傾斜を変更することによって達成されることができる。
【００３４】
さらに、最小値Ｓ０から最大ブレーキ力の状態下で推定される値ＳＴへのフローセクションにおける変化は、非線形法則により、たとえば、エンジンスピードの関数として、任意に、１つ以上の別の作動パラメータとして描くことによって行われることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による可変幾何学タービンを有するターボチャージャと、減圧式ブレーキシステムとを備えた内燃エンジンの機能上の図を図示している。
【図２】エンジンスピードの関数として図１におけるエンジンの作動の大きさの作用を示すグラフである。
【図３】図２と同様な図。
【符号の説明】
１…エンジン，２…減圧式ブレーキ装置，３…ターボチャージャー，１０…タービン，１２…ロータ，１６…ステータ，１７…ノズル，１８…ブレード，１９…環状カラー，２０…アクチュエータ，２４…制御ユニット。
【図１】
0004097945.tif 000008
【図２】
0004097945.tif 000009
【図３】
0004097945.tif 000010