JP2010163951A - Exhaust gas turbine generator for automobile - Google Patents

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徹 矢ヶ崎
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    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an exhaust gas turbine generator, capable of reducing a thrust force generated in the shaft direction of a turbine shaft without adding a specific structure to an exhaust gas turbine. <P>SOLUTION: Each of turbines 20 and 30 is a radial turbine configured to introduce exhaust air through a turbine inlet 21, 31 provided in the circumferential direction thereof, to rotate a turbine impeller 23, 33 including a blade 24, 34 raised thereon by the exhaust gas, and to discharge the exhaust gas to a turbine outlet 23, 32 provided in the shaft direction of a rotary shaft 11. At least two turbines and a generator 40 are disposed on the rotary shaft, and at least the two turbines are composed of at least one turbine with a turbine outlet turned to one shaft direction, and at least one turbine with a turbine outlet turned to the other shaft direction opposed to the one shaft direction. The turbine inlets of at least the two turbines are arranged so that the exhaust gas energizes the blades of the respective turbines to rotate at least the two turbines in the same direction. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、自動車(以下、単に車両と記す)に搭載された内燃機関の排気によって発電を行う排気タービン発電装置に関する。   The present invention relates to an exhaust turbine power generator that generates power by exhaust of an internal combustion engine mounted on an automobile (hereinafter simply referred to as a vehicle).

車両に搭載された内燃機関において燃料が燃焼した後に排出される排気をエネルギとして有効に利用する方法が提案されている。例えば、内燃機関の排気管に排気タービンを備え、この排気タービンに排気を導き、排気タービンを回転させ、タービン軸に連結された発電装置によって、排気のエネルギを電気エネルギとして有効に利用する方法が提案されている(特許文献1参照)。さらに、この排気タービンの効率を高めるために、排気タービンに導入される排気の流体抵抗を減少させるスクロール型タービンや、運転状態によって変化する排気の流量を適宜制御する可変容量型タービンが提案されている(特許文献2参照)。   There has been proposed a method for effectively using, as energy, exhaust discharged after combustion of fuel in an internal combustion engine mounted on a vehicle. For example, there is a method in which an exhaust turbine is provided in an exhaust pipe of an internal combustion engine, exhaust is led to the exhaust turbine, the exhaust turbine is rotated, and the energy of the exhaust is effectively used as electric energy by a power generator connected to the turbine shaft. It has been proposed (see Patent Document 1). Furthermore, in order to increase the efficiency of the exhaust turbine, a scroll turbine that reduces the fluid resistance of the exhaust gas introduced into the exhaust turbine and a variable capacity turbine that appropriately controls the flow rate of the exhaust gas that changes depending on the operating state have been proposed. (See Patent Document 2).

実開平6−67802号公報Japanese Utility Model Publication No. 6-67802 特開2002−195046号公報JP 2002-195046 A

車両に搭載される排気タービン発電装置のタービンは、設置スペースが限られていることから、小型のラジアル型のタービンが多く適用されている。図10に特許文献1で開示されている小型ラジアル型タービンを適用した排気タービン発電装置の一例の断面説明図を示す。ラジアル型のタービンは図10に示すように、周方向のタービン入口(タービンスクロール)701から排気EGを導入する。そして、この排気EGはタービン翼車703に立設された羽根704を付勢して、タービン翼車703を回転させる。その後、排気EGは、タービン翼車703の子午面705に沿ってタービン軸706の機軸方向に備えられたタービン出口702から排出される構成となっている。ラジアル型のタービンを使用した場合、図10に示すようにタービン翼車703の背面(子午面705の裏面)に圧力の高い排気EGが流入してPの圧力でタービン翼車703をタービン出口702方向へ押圧する。一方、タービンから排出された排気EGは膨張し圧力Pよりも小さな圧力Pとなり、タービン翼車703をタービン出口702と反対の方向へ押圧する。圧力Pと圧力Pとの差は正となり、タービン翼車703をタービン出口702方向に押し出すスラスト力となる。従って、スラストベアリングが必要となり、その機械損失によるタービン効率の低下や、スラストベアリングの摩耗等の問題が生ずる。 A turbine of an exhaust turbine power generation device mounted on a vehicle has a limited installation space, and thus a small radial turbine is often used. FIG. 10 shows a cross-sectional explanatory diagram of an example of an exhaust turbine power generator to which the small radial turbine disclosed in Patent Document 1 is applied. As shown in FIG. 10, the radial type turbine introduces exhaust EG from a turbine inlet (turbine scroll) 701 in the circumferential direction. The exhaust EG urges the blades 704 standing on the turbine impeller 703 to rotate the turbine impeller 703. Thereafter, the exhaust EG is discharged from a turbine outlet 702 provided in the axial direction of the turbine shaft 706 along the meridional plane 705 of the turbine impeller 703. When using a radial turbine, the turbine outlet to the turbine wheel 703 high exhaust EG-pressure at the back (back side of the meridian plane 705) of the turbine wheel 703 and flows at a pressure of P 2 as shown in FIG. 10 Press in the 702 direction. On the other hand, the exhaust EG discharged from the turbine expands to a pressure P 1 that is smaller than the pressure P 2, and presses the turbine impeller 703 in the direction opposite to the turbine outlet 702. The difference between the pressure P 2 and the pressure P 1 is positive, and the thrust force pushes the turbine impeller 703 toward the turbine outlet 702. Therefore, a thrust bearing is required, and problems such as a decrease in turbine efficiency due to the mechanical loss and wear of the thrust bearing occur.

前記した問題を解決するため、特許文献1において開示された技術は、タービン翼車の背面にフィンを設け、遠心力により排気をラジアル方向に移動させて排気の流入を防ぎ、スラスト力を低減する。しかしながら、フィンがタービンハウジングに近接して配設されており、タービン翼車の軸方向のわずかな揺動によって接触するおそれがある。この接触を確実に防止するためにはスラストベアリングと同様にタービン翼車の軸方向の移動を規制するベアリングを使用する必要があった。また、タービン翼車の背面に新たにフィンを立設させることは、タービン効率低下、製造や組み付けにおいても煩雑な作業となり、性能、生産性を低下させるおそれがあった。   In order to solve the above-described problem, the technique disclosed in Patent Document 1 is provided with fins on the rear surface of the turbine impeller, and the exhaust is moved in the radial direction by centrifugal force to prevent the inflow of exhaust and reduce the thrust force. . However, the fins are disposed close to the turbine housing and may come into contact with each other by slight swinging of the turbine impeller in the axial direction. In order to prevent this contact with certainty, it was necessary to use a bearing that restricts the axial movement of the turbine wheel as well as the thrust bearing. In addition, the installation of a new fin on the rear surface of the turbine impeller causes a reduction in turbine efficiency and a complicated operation in manufacturing and assembly, which may reduce performance and productivity.

本発明は前記課題を鑑みてなされたもので、排気タービンに特別な構成を付加することなく、タービン軸の機軸方向に発生するスラスト力を低減し、タービン効率を低下させることなく、エンジン負荷の低いときも十分に作動する排気タービン発電装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and without adding a special configuration to the exhaust turbine, reducing the thrust force generated in the axial direction of the turbine shaft, reducing the turbine efficiency, and reducing the engine load. An object of the present invention is to provide an exhaust turbine generator that operates sufficiently even when the temperature is low.

本発明は、内燃機関の排気によってタービンを回転させて発電を行う排気タービン発電装置に関する発明である。前記タービンは、周方向に備えられたタービン入口から前記排気を導入して、前記排気によって羽根が立設されたタービン翼車を回転させ、回転軸の機軸方向に備えられたタービン出口へ前記排気を排出するラジアル型のタービンとしている。前記回転軸には、少なくとも二つの前記タービンと発電機が配設され、前記少なくとも二つのタービンは、前記タービン出口が一の機軸方向に向けられた少なくとも一つの前記タービンと、前記タービン出口が前記一の機軸方向に背向する他の機軸方向に向けられた少なくとも一つの前記タービンと、で構成されている。前記タービン入口は、前記少なくとも二つのタービンが同一方向に回転するように、排気がそれぞれのタービンの前記羽根を付勢するよう配置されている。   The present invention relates to an exhaust turbine power generator that generates power by rotating a turbine with exhaust from an internal combustion engine. The turbine introduces the exhaust gas from a turbine inlet provided in a circumferential direction, rotates a turbine impeller having blades erected by the exhaust gas, and discharges the exhaust gas to a turbine outlet provided in an axis direction of a rotating shaft. It is a radial type turbine that discharges The rotating shaft includes at least two turbines and a generator. The at least two turbines include at least one turbine having the turbine outlet directed in one axial direction, and the turbine outlet has the turbine outlet. And at least one turbine directed in the other axial direction opposite to the one axial direction. The turbine inlet is arranged such that exhaust urges the blades of each turbine such that the at least two turbines rotate in the same direction.

かかる構成は、タービン出口が互いに背向した関係にある少なくとも二つのタービンが同一の回転軸に備えられるため、タービン内へ導入されタービン出口から排出される排気によってそれぞれのタービンが生じさせるスラスト力を互いに打ち消しあうことができる。   In such a configuration, since at least two turbines having turbine outlets facing each other are provided on the same rotating shaft, the thrust force generated by each turbine by exhaust gas introduced into the turbine and discharged from the turbine outlet is generated. Can cancel each other.

前記構成において、前記回転軸には、一のタービンと、発電機と、他のタービンとが順に配設するように構成することができる。また、前記内燃機関の排気系を2系統に分割して、一の系統は前記一のタービンへ排気を導入し、他の系統は前記他のタービンへ排気を導入するように構成することができる。   The said structure WHEREIN: The said rotating shaft can be comprised so that one turbine, a generator, and another turbine may be arrange | positioned in order. Further, the exhaust system of the internal combustion engine can be divided into two systems, one system introducing exhaust into the one turbine, and the other system introducing exhaust into the other turbine. .

前記構成において、前記タービンは、前記タービン入口へ排気を導入する2系統以上の流路を備えたツインスクロール型とすることが好ましい。さらに、前記タービンは容量可変式タービンであって、前記タービン入口に可変フラップを備えたジェットターボ型タービン、前記ツインスクロール型の各流路に開閉可能な弁機構が設けられたタービン、前記タービン翼車の周囲に角度可変な複数のベーンを備えた可変ベーン型タービンのいずれかを選択して排気タービン発電装置を構成することができる。   The said structure WHEREIN: It is preferable that the said turbine is a twin scroll type | mold provided with the flow path of 2 or more systems which introduces exhaust_gas | exhaustion to the said turbine inlet_port | entrance. Further, the turbine is a variable capacity turbine, a jet turbo turbine having a variable flap at the turbine inlet, a turbine provided with a valve mechanism that can be opened and closed in each flow path of the twin scroll type, and the turbine blade An exhaust turbine power generator can be configured by selecting one of variable vane type turbines having a plurality of vanes whose angles are variable around the vehicle.

本発明によれば、排気タービンに特別な構成を付加することなく、タービン軸の機軸方向の一方に発生するスラスト力を低減し、タービン効率を低下させることなく、エンジン負荷の低いときも十分に作動する排気タービン発電装置を提供することができる。   According to the present invention, without adding a special configuration to the exhaust turbine, the thrust force generated in one of the turbine shafts in the axial direction can be reduced, and the turbine efficiency can be sufficiently reduced even when the engine load is low. An exhaust turbine generator that operates can be provided.

排気タービン発電装置の配置図であり、6気筒のエンジンに排気タービン発電装置を備えた実施例を示している。FIG. 2 is a layout diagram of an exhaust turbine power generator, showing an embodiment in which an exhaust turbine power generator is provided in a 6-cylinder engine. 排気タービン発電装置の構造を表す断面図である。It is sectional drawing showing the structure of an exhaust turbine power generator. 図2の矢視Xから見たタービンの断面図であって、スクロール型タービンを説明するものである。It is sectional drawing of the turbine seen from the arrow X of FIG. 2, Comprising: A scroll type turbine is demonstrated. 図2の矢視Xから見たタービンの断面図であって、ツインスクロール型タービンを説明するものである。It is sectional drawing of the turbine seen from the arrow X of FIG. 2, Comprising: A twin scroll type turbine is demonstrated. 図2の矢視Xから見たタービンの断面図であって、可変容量型タービンの一例としてジェットターボ型タービンを説明するものである。It is sectional drawing of the turbine seen from the arrow X of FIG. 2, Comprising: A jet turbo type turbine is demonstrated as an example of a variable capacity type turbine. 図2の矢視Xから見たタービンの断面図であって、可変容量型タービンの一例として可変ツインスクロール型タービンを説明するものである。It is sectional drawing of the turbine seen from the arrow X of FIG. 2, Comprising: A variable twin scroll type turbine is demonstrated as an example of a variable capacity type turbine. 図2の矢視Xから見たタービンの断面図であって、可変容量型タービンの一例として可変ベーン型タービンを説明するものである。It is sectional drawing of the turbine seen from the arrow X of FIG. 2, Comprising: A variable vane type turbine is demonstrated as an example of a variable capacity type turbine. 本発明の一変形例にかかる説明図である。It is explanatory drawing concerning one modification of this invention. 本発明の一変形例にかかる説明図である。It is explanatory drawing concerning one modification of this invention. 従来技術にかかる小型ラジアル型タービンを適用した排気タービン発電装置の一例の断面説明図である。It is a section explanatory view of an example of an exhaust turbine power generator to which a small radial type turbine concerning the prior art is applied.

以下、本発明にかかる車両に搭載された内燃機関の排気によって発電を行う排気タービン発電装置を車両に適用した一実施形態について図面を参照して説明する。図1は、排気タービン発電装置の配置図であり、6気筒の内燃機関(エンジン)に排気タービン発電装置を備えた実施例を示している。図2は、排気タービン発電装置の構造を表す断面図である。図3は、図2の矢視Xから見たタービンの断面図であって、スクロール型タービンを説明するものである。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, an embodiment in which an exhaust turbine power generation device that generates power by exhaust of an internal combustion engine mounted on a vehicle according to the present invention is applied to a vehicle will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a layout diagram of an exhaust turbine power generator, and shows an embodiment in which an exhaust turbine power generator is provided in a 6-cylinder internal combustion engine (engine). FIG. 2 is a cross-sectional view showing the structure of the exhaust turbine power generator. FIG. 3 is a cross-sectional view of the turbine as viewed from the arrow X in FIG. 2 and illustrates the scroll turbine.

図1を参照すると、吸気管53から導入された吸気IGは、6系統に分割され、内燃機関50に備えられた各気筒(図示せず)の吸気ポートへ流入される。燃料と混合された吸気は気筒内で燃焼し、排気EGを排気管へ排出する。排気管は、3気筒づつ一つの排気管51,52に集約された2系統に分割される。排気管51は排気EGを排気タービン発電装置10の一のタービン20へ送り、排気管52は排気EGを排気タービン発電装置10の他のタービン30へ送る。   Referring to FIG. 1, intake IG introduced from intake pipe 53 is divided into six systems and flows into intake ports of cylinders (not shown) provided in internal combustion engine 50. The intake air mixed with the fuel burns in the cylinder, and exhaust EG is discharged to the exhaust pipe. The exhaust pipe is divided into two systems that are aggregated into one exhaust pipe 51, 52 for every three cylinders. The exhaust pipe 51 sends the exhaust EG to one turbine 20 of the exhaust turbine power generator 10, and the exhaust pipe 52 sends the exhaust EG to the other turbine 30 of the exhaust turbine power generator 10.

タービン20,30は、いわゆるラジアル型タービンである。車両用の排気タービン発電装置としては、小型化、低コスト化のために製造が容易なラジアル型タービンが広く適用されている。排気EGは、それぞれのタービン20,30の周方向に配設されたタービン入口21,31から導入される。図2も併せて参照すると、排気EGは、羽根24,34が立設されたタービン翼車23,33を回転させ、回転軸11の機軸方向に備えられたタービン出口22,32へ排出する。なお、タービン入口21,31は、それぞれのタービン20,30が同一方向に回転するように、排気EGがそれぞれのタービン翼車23,33に立設された羽根24,34を付勢するよう配置されている。それぞれのタービン20,30の間には、発電機40が配設されている。   The turbines 20 and 30 are so-called radial turbines. As an exhaust turbine power generator for a vehicle, a radial turbine that is easy to manufacture in order to reduce the size and cost is widely applied. The exhaust EG is introduced from turbine inlets 21 and 31 arranged in the circumferential direction of the respective turbines 20 and 30. Referring also to FIG. 2, the exhaust EG rotates the turbine impellers 23 and 33 provided with the blades 24 and 34, and discharges them to the turbine outlets 22 and 32 provided in the axial direction of the rotary shaft 11. The turbine inlets 21 and 31 are arranged so that the exhaust EG urges the blades 24 and 34 provided upright on the turbine impellers 23 and 33 so that the turbines 20 and 30 rotate in the same direction. Has been. A generator 40 is disposed between the turbines 20 and 30.

図2を参照すると、発電機40は発電機ハウジング41に収容され、発電機40の回転子42は、回転軸11に直結している。この回転子42に対応する固定子43は、発電機ハウジング41の内周面に固定されている。かかる構成は、タービン20,30が排気によって回転することで、回転子42を回転させて、電力を発生させることができる。発生された電力は、排気が有するエネルギを回収するものであり、例えばバッテリの充電を行ったり、エンジンの駆動系に備えられた電動機に供給したりすることができる。   Referring to FIG. 2, the generator 40 is accommodated in a generator housing 41, and the rotor 42 of the generator 40 is directly connected to the rotating shaft 11. A stator 43 corresponding to the rotor 42 is fixed to the inner peripheral surface of the generator housing 41. In such a configuration, when the turbines 20 and 30 are rotated by the exhaust gas, the rotor 42 is rotated and electric power can be generated. The generated electric power is used to recover the energy of the exhaust gas, and can be charged, for example, or supplied to an electric motor provided in the engine drive system.

タービン20,30は、タービンハウジング26,36に収容されている。タービンハウジング26,36と発電機ハウジング41との間には回転軸11を軸支するベアリング機構60,60が備えられる。そして、タービンハウジング26,36から発電機40へ排気EGが漏洩することを防止するためにシールリング61が、回転軸11の周囲を蔽うように、ベアリング機構60とタービン20,30との間のタービンハウジング26,36と、ベアリング機構60と発電機40との間の発電機ハウジング41に設けられている。   The turbines 20 and 30 are accommodated in turbine housings 26 and 36. Between the turbine housings 26 and 36 and the generator housing 41, bearing mechanisms 60 and 60 that support the rotary shaft 11 are provided. Then, in order to prevent the exhaust EG from leaking from the turbine housings 26, 36 to the generator 40, the seal ring 61 is provided between the bearing mechanism 60 and the turbines 20, 30 so as to cover the periphery of the rotary shaft 11. The turbine housings 26 and 36 and the generator housing 41 between the bearing mechanism 60 and the generator 40 are provided.

図3を参照すると、図2の矢視Xから見たタービン20,30は、排気EGが同じ方向からタービン入口21,31に導入されるように構成されている。排気EGはタービン入口21,31から徐々に絞られ、吹き出し口25,35からタービン翼車23,33に立設された羽根24,34(図2参照)へ吹き出される。排気EGは吹き出し口25,35から、矢印に示すようにタービン翼車23,33の周囲を回るように羽根24,34(図2参照)へ導入される。排気EGが通過する流路は断面積が徐々に絞られるスクロールSCとしており、流体抵抗を少なくしてタービン20,30の効率を向上させている。かかる構成によって、回転軸11に直結されたタービン20,30は、同一方向に回転させることができる。   Referring to FIG. 3, the turbines 20 and 30 viewed from the arrow X in FIG. 2 are configured such that the exhaust EG is introduced into the turbine inlets 21 and 31 from the same direction. The exhaust EG is gradually throttled from the turbine inlets 21 and 31 and blown out from the blowout ports 25 and 35 to the blades 24 and 34 (see FIG. 2) provided upright on the turbine impellers 23 and 33. The exhaust gas EG is introduced from the blowout ports 25 and 35 to the blades 24 and 34 (see FIG. 2) so as to go around the turbine impellers 23 and 33 as indicated by arrows. The flow path through which the exhaust EG passes is a scroll SC whose cross-sectional area is gradually reduced, and the fluid resistance is reduced to improve the efficiency of the turbines 20 and 30. With this configuration, the turbines 20 and 30 directly connected to the rotating shaft 11 can be rotated in the same direction.

作動中のタービン20,30には、図10に示した圧力Pと圧力Pとの差によって生ずるタービン翼車703をタービン出口702方向に押し出すスラスト力と同様なスラスト力が発生する。しかしながら、タービン20には図1の左方向のスラスト力が発生し、タービン30には図1の右方向のスラスト力が発生するため、両者は打ち消しあう。このように本実施形態は、特別な構成を付加することなく、簡便な構成でスラスト力を効果的に低減することができる。 In the turbines 20 and 30 in operation, a thrust force similar to the thrust force pushing the turbine impeller 703 in the direction of the turbine outlet 702 generated by the difference between the pressure P 2 and the pressure P 1 shown in FIG. 10 is generated. However, since the thrust force in the left direction of FIG. 1 is generated in the turbine 20 and the thrust force in the right direction of FIG. 1 is generated in the turbine 30, both cancel each other. Thus, this embodiment can reduce a thrust force effectively with a simple structure, without adding a special structure.

次に図を参照して本実施形態の変形例を説明する。図4は、図2の矢視Xから見たタービンの断面図であって、ツインスクロール型タービンを説明するものである。図5は、図2の矢視Xから見たタービンの断面図であって、可変容量型タービンの一例としてジェットターボ型タービンを説明するものである。図6は、図2の矢視Xから見たタービンの断面図であって、可変容量型タービンの一例として可変ツインスクロール型タービンを説明するものである。図7は、図2の矢視Xから見たタービンの断面図であって、可変容量型タービンの一例として可変ベーン型タービンを説明するものである。なお、ここで説明する変形例は、タービンの形態が異なるものであり、図1もしくは図2に示した排気タービン発電装置の基本的な構成を変えるものではない。   Next, a modification of the present embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 4 is a cross-sectional view of the turbine as viewed from the arrow X in FIG. 2 and illustrates a twin scroll turbine. FIG. 5 is a cross-sectional view of the turbine as viewed from an arrow X in FIG. 2 and illustrates a jet turbo turbine as an example of a variable capacity turbine. FIG. 6 is a cross-sectional view of the turbine as viewed from an arrow X in FIG. 2 and illustrates a variable twin scroll turbine as an example of a variable capacity turbine. FIG. 7 is a cross-sectional view of the turbine as viewed from an arrow X in FIG. 2, and illustrates a variable vane turbine as an example of a variable capacity turbine. In addition, the modification demonstrated here differs in the form of a turbine, and does not change the fundamental structure of the exhaust-turbine power generator shown in FIG. 1 or FIG.

図4を参照すると、ツインスクロール型タービン120はタービン入口121と吹き出し口125との間の排気EGの流路を2系統に分割している。車両の内燃機関50(図1参照)はレシプロ機関であり排気EGは間歇(パルス)的に排出されるとともに各気筒によって排出のタイミングが異なる。このため、排気管51(図1参照)内で排気を集合することにより排気EG同士が干渉し、タービンの効率を下げる問題が発生する。ツインスクロール型タービン120は、流路長が異なる2系統のスクロールSC1,SC2を備えることにより、排気がタービン翼車24に到達する時間を調整し、スクロールSC1を通過する排気EG1とスクロールSC2を通過する排気EG2のパルス効果を有効に活用する。かかる構成によって、タービンの効率低下を防止することができる。   Referring to FIG. 4, the twin scroll turbine 120 divides the exhaust EG flow path between the turbine inlet 121 and the outlet 125 into two systems. The internal combustion engine 50 (see FIG. 1) of the vehicle is a reciprocating engine, and the exhaust EG is discharged intermittently (pulsed), and the discharge timing is different for each cylinder. For this reason, the exhaust EG collects in the exhaust pipe 51 (see FIG. 1), and the exhaust EGs interfere with each other, resulting in a problem of reducing the efficiency of the turbine. The twin scroll turbine 120 includes two scrolls SC1 and SC2 having different flow path lengths, thereby adjusting the time for the exhaust to reach the turbine impeller 24 and passing through the exhaust EG1 and the scroll SC2 passing through the scroll SC1. The pulse effect of exhaust EG2 is effectively used. With this configuration, it is possible to prevent a decrease in turbine efficiency.

次に、可変容量型タービンを本実施形態に適用した変形例を説明する。可変容量型タービンは排気されるガス量に応じて、タービンへ送る排気の流路断面積を変えるものである。図5を参照すると、可変容量型タービンの一つであるジェットターボ型タービン220は吹き出し口225に可動フラップVFを設けている。図5(a)に示すように、排気EGのガス量が少ないときには、可動フラップVFを吹き出し口225が絞られる方向に可動させる。そして、図5(b)に示すように、排気EGのガス量が多いときには、可動フラップVFを吹き出し口225が広げられる方向に可動させる。ジェットターボ型タービン220は、かかる可動フラップVFの可動によって、ガス量が少ないときには流路断面積を小さくして排気EGの流速を上昇させ、ガス量が多いときには流路断面積を大きくして排気EGの流速が過大にならないように調整して、適正な排気EGをタービン翼車24に導入するように構成されている。   Next, a modified example in which the variable capacity turbine is applied to the present embodiment will be described. The variable displacement turbine changes the flow passage cross-sectional area of the exhaust sent to the turbine in accordance with the amount of exhausted gas. Referring to FIG. 5, a jet turbo turbine 220 which is one of variable displacement turbines is provided with a movable flap VF at the outlet 225. As shown in FIG. 5A, when the gas amount of the exhaust EG is small, the movable flap VF is moved in the direction in which the blowout port 225 is throttled. And as shown in FIG.5 (b), when there are many gas amounts of exhaust_gas | exhaustion EG, the movable flap VF is moved in the direction where the blower outlet 225 is expanded. By moving the movable flap VF, the jet turbo turbine 220 increases the flow rate of the exhaust gas EG by reducing the flow passage cross-sectional area when the gas amount is small, and increases the flow passage cross-sectional area when the gas amount is large. The exhaust gas EG is adjusted so that the flow rate of the EG does not become excessive, and the appropriate exhaust EG is introduced into the turbine impeller 24.

図6を参照すると、可変容量型タービンの一つである可変ツインスクロール型タービン320は、図4で説明したツインスクロール型タービン120の流路長が異なる2系統のスクロールSC1,SC2のそれぞれに流路を開閉するように可動する弁SCV1,SCV2が設けられている。可変ツインスクロール型タービン320は、図6(a)(b)に示すように、これらの弁SCV1,SCV2の開閉によって、前記したジェットターボ型タービン220と同様に流路断面積を調整し、適正な排気EGをタービン翼車24に導入するように構成されている。   Referring to FIG. 6, a variable twin scroll turbine 320, which is one of the variable capacity turbines, flows to each of the two scrolls SC1 and SC2 having different flow path lengths of the twin scroll turbine 120 described in FIG. Valves SCV1 and SCV2 that are movable so as to open and close the path are provided. As shown in FIGS. 6 (a) and 6 (b), the variable twin scroll turbine 320 adjusts the channel cross-sectional area in the same manner as the jet turbo turbine 220 by opening and closing these valves SCV1 and SCV2. A simple exhaust EG is introduced into the turbine impeller 24.

図7を参照すると、可変容量型タービンの一つである可変ベーン型タービン420は、翼車24の周囲に可動する羽根である可変ベーンVVが配設されている。図7(a)に示すように、排気EGのガス量が少ないときには、可動ベーンVVが排気EGの流路断面積を狭めるように可動させる。そして、図7(b)に示すように、排気EGのガス量が多いときには、可動ベーンVVが排気EGの流路断面積を広げるように可動させる。可変ベーン型タービン420は、かかる可動ベーンVVの可動によって、ガス量が少ないときには流路断面積を小さくして排気EGの流速を上昇させ、ガス量が多いときには流路断面積を大きくして排気EGの流速が過大にならないように調整して、適正な排気EGをタービン翼車24に導入するように構成されている。   Referring to FIG. 7, a variable vane turbine 420 that is one of variable displacement turbines is provided with variable vanes VV that are movable blades around the impeller 24. As shown in FIG. 7A, when the gas amount of the exhaust gas EG is small, the movable vane VV is moved so as to narrow the cross-sectional area of the exhaust gas EG. Then, as shown in FIG. 7B, when the gas amount of the exhaust EG is large, the movable vane VV is moved so as to widen the cross-sectional area of the exhaust EG. The variable vane turbine 420 moves the movable vane VV so that when the gas amount is small, the flow passage cross-sectional area is reduced to increase the flow velocity of the exhaust EG, and when the gas amount is large, the flow passage cross-sectional area is increased. The exhaust gas EG is adjusted so that the flow rate of the EG does not become excessive, and the appropriate exhaust EG is introduced into the turbine impeller 24.

本実施形態にかかる排気タービン発電装置に前記したスクロール型タービンおよび可変容量型タービンを適用することによって、内燃機関の回転数が低く、排気のガス量が少ないときでも確実に排気タービン発電装置を可動させることができる。さらに、可変容量型タービンは、図1に示す左右のタービン20,30に導入される排気のガス量を調整することにより、それぞれのタービン20,21が発生させるスラスト力のバランスをとってスラスト力が打ち消しあうように調整することもできる。   By applying the scroll turbine and variable displacement turbine described above to the exhaust turbine generator according to this embodiment, the exhaust turbine generator can be moved reliably even when the internal combustion engine has a low rotational speed and a small amount of exhaust gas. Can be made. Further, the variable capacity turbine adjusts the amount of exhaust gas introduced into the left and right turbines 20 and 30 shown in FIG. 1 to balance the thrust forces generated by the turbines 20 and 21, respectively. Can be adjusted to cancel each other.

以上本発明の実施形態で説明したように、本発明は、排気タービンに特別な構成を付加することなく、タービン軸の機軸方向に発生するスラスト力を効果的に低減することができる。本実施形態では6気筒の内燃機関について説明したが、4気筒や8気筒の内燃機関に本発明が適用できることは言うまでもない。これで、具体的実施形態の説明を終えるが、本発明の態様は上記実施形態に限られるものではない。例えば、図8の本発明の変形例500にかかる説明図に示すように、一のタービン520、他のタービン530、発電機540の順で回転軸511に配設する構成とすることもできる。かかる構成によって、発電機540に排気が漏洩することを防止するシールリングは、他のタービン530と発電機540との間に設ければ良い。変形例500においても、一のタービン520と他のタービン530が発生させるスラスト力は相殺することができる。   As described above in the embodiments of the present invention, the present invention can effectively reduce the thrust force generated in the axial direction of the turbine shaft without adding a special configuration to the exhaust turbine. In this embodiment, a 6-cylinder internal combustion engine has been described, but it goes without saying that the present invention can be applied to a 4-cylinder or 8-cylinder internal combustion engine. This is the end of the description of the specific embodiment, but the aspect of the present invention is not limited to the above embodiment. For example, as shown in an explanatory view according to the modification 500 of the present invention in FIG. 8, a configuration may be adopted in which one turbine 520, another turbine 530, and a generator 540 are arranged on the rotating shaft 511 in this order. With such a configuration, a seal ring that prevents the exhaust gas from leaking to the generator 540 may be provided between the other turbine 530 and the generator 540. Also in the modified example 500, the thrust force generated by one turbine 520 and the other turbine 530 can be offset.

また、図9の本発明の変形例600にかかる説明図に示すように、発電機640の左右に複数のタービン620,621,630,631を回転軸611に配設する構成とすることできる。このとき、図9の左側に配設されたタービン620,621の排気の排出口は矢印L方向とし、右側に配設されたタービン630,631の排気の排出口は矢印R方向とすることによって、左右のタービンが発生させるスラスト力を相殺することができる。   In addition, as shown in the explanatory view according to the modified example 600 of the present invention in FIG. At this time, the exhaust outlets of the turbines 620 and 621 arranged on the left side of FIG. 9 are in the direction of arrow L, and the exhaust outlets of the turbines 630 and 631 arranged on the right side are in the direction of arrow R. The thrust force generated by the left and right turbines can be offset.

10 排気タービン発電装置
11 回転軸
20,30 タービン
21,31 タービン入口
22,32 タービン出口
23,33 タービン翼車
24,34 羽根
25,35 吹き出し口
26,36 タービンハウジング
40 発電機
41 発電機ハウジング
42 回転子
43 固定子
50 内燃機関
51,52 排気管
53 吸気管
60 ベアリング機構
61 シールリング
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Exhaust turbine power generator 11 Rotating shaft 20, 30 Turbine 21, 31 Turbine inlet 22, 32 Turbine outlet 23, 33 Turbine impeller 24, 34 Blade 25, 35 Outlet 26, 36 Turbine housing 40 Generator 41 Generator housing 42 Rotor 43 Stator 50 Internal combustion engine 51, 52 Exhaust pipe 53 Intake pipe 60 Bearing mechanism 61 Seal ring

Claims (6)

内燃機関の排気によってタービンを回転させて発電を行う排気タービン発電装置であって、
前記タービンは、周方向に備えられたタービン入口から前記排気を導入して、前記排気によって羽根が立設されたタービン翼車を回転させ、回転軸の機軸方向に備えられたタービン出口へ前記排気を排出するラジアル型のタービンであり、
前記回転軸には、少なくとも二つの前記タービンと発電機が配設され、
前記少なくとも二つのタービンは、前記タービン出口が一の機軸方向に向けられた少なくとも一つの前記タービンと、前記タービン出口が前記一の機軸方向に背向する他の機軸方向に向けられた少なくとも一つの前記タービンと、で構成されており、
前記タービン入口は、前記少なくとも二つのタービンが同一方向に回転するように、前記排気がそれぞれのタービンの前記羽根を付勢するよう配置されていることを特徴とする排気タービン発電装置。
An exhaust turbine power generator that generates power by rotating a turbine with exhaust from an internal combustion engine,
The turbine introduces the exhaust gas from a turbine inlet provided in a circumferential direction, rotates a turbine impeller having blades erected by the exhaust gas, and discharges the exhaust gas to a turbine outlet provided in an axis direction of a rotating shaft. Is a radial type turbine that exhausts
At least two turbines and a generator are disposed on the rotating shaft,
The at least two turbines include at least one turbine with the turbine outlet directed in one axle direction, and at least one turbine axis with the turbine outlet directed in the other axle direction facing away from the one axle direction. The turbine, and
The exhaust turbine generator according to claim 1, wherein the turbine inlet is arranged such that the exhaust urges the blades of each turbine such that the at least two turbines rotate in the same direction.
前記回転軸には、一のタービンと、発電機と、他のタービンとが順に配設されていることを特徴とする請求項1に記載の排気タービン発電装置。   The exhaust turbine power generator according to claim 1, wherein one turbine, a generator, and another turbine are arranged in order on the rotating shaft. 前記内燃機関の排気系は2系統に分割されており、一の系統は前記一のタービンへ排気を導入し、他の系統は前記他のタービンへ排気を導入することを特徴とする請求項2に記載の排気タービン発電装置。   The exhaust system of the internal combustion engine is divided into two systems, one system introduces exhaust into the one turbine, and the other system introduces exhaust into the other turbine. The exhaust turbine power generator described in 1. 前記タービンは、前記タービン入口へ排気を導入する2系統以上の流路を備えたツインスクロール型であることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の排気タービン発電装置。   The exhaust turbine power generator according to any one of claims 1 to 3, wherein the turbine is of a twin scroll type having two or more flow paths for introducing exhaust gas to the turbine inlet. 前記タービンは容量可変式タービンであることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれかに記載の排気タービン発電装置。   The exhaust turbine power generator according to any one of claims 1 to 4, wherein the turbine is a variable capacity turbine. 前記容量可変式タービンは、少なくとも前記タービン入口に可変フラップを備えたジェットターボ型タービン、前記ツインスクロール型の各流路に開閉可能な弁機構が設けられたタービン、前記タービン翼車の周囲に角度可変な複数のベーンを備えた可変ベーン型タービンのいずれかであることを特徴とする請求項5に記載の排気タービン発電装置。   The variable capacity turbine includes a jet turbo turbine having a variable flap at least at the turbine inlet, a turbine provided with a valve mechanism that can be opened and closed in each flow path of the twin scroll type, and an angle around the turbine impeller The exhaust turbine power generation device according to claim 5, wherein the exhaust turbine power generation device is any one of a variable vane type turbine including a plurality of variable vanes.
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