JP2508738B2

JP2508738B2 - タ―ボコンパウンドエンジン

Info

Publication number: JP2508738B2
Application number: JP62188748A
Authority: JP
Inventors: 正貴岡田
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1987-07-30
Filing date: 1987-07-30
Publication date: 1996-06-19
Anticipated expiration: 2011-06-19
Also published as: JPS6435127A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明はターボコンパウンドエンジンに係り、特にク
ランク軸とパワータービンとの間に、正転切替え時にパ
ワータービンからクランク軸に動力を戻し逆転切替え時
にクランク軸の回転をパワータービンに逆転させて伝達
するように構成された動力反転装置を介設したターボコ
ンパウンドエンジンに関するものである。

［従来の技術］図６に本出願人が先に提案した「ターボコンパウンド
エンジン」（特願昭61−308776号）のシステムを示す。
このシステムは、クランク軸ｄとパワータービンａとの
間に、動力反転装置を介設し、さらにその動力反転装置
とパワータービンａとの間に一対のポンプ車（羽根車）
k,lを有する流体継手ｊを介設したものである。

動力反転装置は、具体的には、パワータービンａの軸
ｂと一体の入出力軸ｃとクランク軸ｄとの間を連結する
ギヤトレーンであってパワータービンａの回転駆動力を
クランク軸ｄに戻し得るように構成された正転用ギヤト
レーンｆと、入出力軸ｃとクランク軸ｄとの間を連結し
てクランク軸ｄの回転をパワータービンａに逆転させて
伝達し得るように構成された逆転用ギヤトレーンｅと、
逆転用ギヤトレーンｅに設けられた電磁クラッチｈと、
正転用ギヤトレーンｆに設けられたワンウェイクラッチ
ｉとからなる。この場合、ワンウェイクラッチｉは、パ
ワータービンａからクランク軸ｄに回転を伝える方向の
入力に対してはロックされ、その逆方向の力の入力に対
してはフリー回転となる。したがってこのような装置に
よれば、電磁クラッチｈをOFF（切り離し）とするだけ
で、パワータービンａによる動力回収が行われ、電磁ク
ラッチをON（接続）とするだけでパワータービンａの負
の仕事（ポンプ仕事）によるエンジンの制動が行われ
る。

［発明が解決しようとする課題］しかし、正転用ギヤトレーンｆで動力回収を行ってい
る最中（通常運転時）に、電磁クラッチｈをOFF（切り
離し）からON（接続）に切替えたときには（エンジン制
動時）、ポンプ車k,l間に通常の２〜５倍の相対回転数
差が生じて、伝達トルクが図７に示すように定格の伝達
トルクの２〜４倍に急激に増加してしまうという問題が
あり、そのために伝達トルクが滑らかに吸収されずに、
流体継手の作動流体の温度が異常に上昇して劣化した
り、クランク軸ｄとパワータービンａとの間の一連の動
力伝達系に過負荷が作用してしまうという問題があっ
た。

なお、このような問題の対策として入力側のポンプ車
と出力側のポンプ車の間に油路を設け、油路によって作
動流体の量を調節するという構造の流体継手の採用も考
えられているが、高速回転軸でしかも短時間（２〜3se
c）のうちに回転方向を切替える必要のある流体継手と
しては、その応答性が低く採用することはできなかっ
た。

［課題を解決するための手段］本発明は上記問題点を解決することを目的とし、クラ
ンク軸と排気通路のパワータービンとの間に介設された
動力伝達装置であって正転切替え時にはパワータービン
からクランク軸に動力を戻し得るように、逆転切替え時
にはクランク軸の回転をパワータービンに逆転させて伝
達させ得るように構成された動力反転装置と、この動力
反転装置とパワータービンとの間に介設された流体継手
であって過大伝達トルクの吸収のためにその一方のポン
プ車が他方のポンプ車から離間し得るように軸方向に移
動可能に構成された流体継手と、上記一方のポンプ車に
これを他方のポンプ車に近接・離間させるべく設けられ
たアクチューエータ手段と、上記動力反転装置が正転か
ら逆転に切替えられたときに上記過大伝達トルクを吸収
すべく上記アクチュエータ手段を離間作動させるコント
ローラとを備えたものである。

［作用］動力反転装置が正転切替えされているときは、パワー
タービンの回転力は、クランク軸に伝えられ、エンジン
に動力が回収される。またこの逆に、動力反転装置が逆
転切替えされているときは、クランク軸の回転がパワー
タービンに逆転されて伝達され、パワータービンは、パ
ワータービン自身の回転の抵抗力をそのままクランク軸
に加え、エンジンを制動するが、この動力反転装置の正
転切り替えによってパワータービンからクランク軸に動
力が回収されている最中（通常運転時）に、制動のため
に動力反転装置が正転から逆転に切替えられると、流体
継手に過大伝達トルクが作用して、流体継手の作動流体
が異常に温度上昇してしまったり、クランク軸とパワー
タービンと結ぶ一連の駆動力伝達系に過負荷が作用して
しまうという問題が発生する。

しかし、本発明にあっては、コントローラが、その動
力反転装置が正転から逆転に切替えられたときに、過大
伝達トルクを吸収すべく上記アクチュエータ手段を離間
作動させて、一方のポンプ車を他方のポンプ車から離間
させて、このときの過大伝達トルクを吸収する。

したがって、流体継手の作動流体の異常な温度上昇、
駆動力伝達系の過負荷といった従来の問題は解消され
る。

［実施例］以下に、本発明の好適一実施例を添付図面に基づいて
説明する。

第１図はこの発明に係るターボコンパウンドエンジン
の流体継手を示す断面図、第２図はこの発明に係るター
ボコンパウンドエンジンの全体構成を示すシステム図、
第３図，第４図は第２図の要部詳細図、第５図はコント
ローラに組み込むマップを説明するための図である。

第２図において１はエンジンであり、その吸気マニホ
ールド２には吸気通路５が接続され、排気マニホールド
３には排気通路4aが接続されており、ターボ過給機10の
タービン10aは、排気通路4aの途中に、コンプレッサ10b
は、吸気通路５の途中に介設されている。排気ガスエネ
ルギを回収しこれをエンジン１のクランク軸15の動力と
して利用し得るようにするために、排気通路4bには、パ
ワータービン12が設けられている。そして、パワーター
ビン12を、通常の動力回収だけてなく、エンジン制動の
ためのリターダとしても使用することができるようにす
るために、本実施例にあっては、クランク軸15とパワー
タービン12との間に動力反転装置が介設され、さらにそ
の動力反転装置とパワータービン12との間に、遊星歯車
機構19と流体継手21が介設されている。また、排気通路
4bには、パワータービン12を迂回させて流体通路25が設
けられている。

本実施例にあっては、遊星歯車機構19は、パワーター
ビン12側に位置させて、流体継手21は動力反転装置側に
位置させて設けられ、流体通路25は、その一端が流路切
換手段30を介してタービン10aとパワータービン12との
間の排気通路4bに接続され、他端がパワータービン12よ
り下流となる排気通路4eに接続される。

第３図、第４図は、流路切換手段30の構造を示してい
る。

流路切換手段30は、ロータリーバルブ31と、このロー
タリーバルブ31を切替えるための駆動装置32とから構成
されている。

ロータリーバルブ31は、ケーシング31a内にロータ31b
を回動自在に収容し、そのロータ31bに第１ポートＡと
第２ポートＢとを設けたものであり、第１ポートＡのポ
ート直径d₁は、排気通路4bの通路直径d₀に等しく、第２
ポートＢのポート直径d₂は流体通路25の通路直径d₃より
小さくなっている。

ケーシング31aは、排気通路4bの一部となる通口31cを
有しており、第１ポートＡと第２ポートＢとは、排気通
路4bに第１ポートＡが接続されたときには、排気通路4b
と第２ポートＢとの接続を断ち（第３図）、排気通路4b
に第２ポートＢが接続されたときには排気通路4bと第１
ポートＡとの接続を断つようになっている（第４図）。

駆動装置32は、ロータ31bにレバ部材35の一端を接続
し、そのレバ部材35の他端（自由端）にアクチュエータ
34のロッド33を接続し、さらに流体供給装置36とアクチ
ュエータ34の流体室37とを流体通路39で結び、その流体
通路39の途中に、通電時に、上記流体室37と流体通路39
を連通状態に切替える電磁弁40を設けたものであり、電
磁弁40は、エンジン１のニュートラルセンサスイッチ4
1,クラッチ作動スイッチ42および排気ブレーキスイッチ
43の全てのスイッチがONに切替えられたときに、通電さ
れるようになっている。なお、45はバッテリーなどの直
流電源であり、47は逆転切換え用の電磁クラッチスイッ
チ（常開接点（ａ接点））である。

遊星歯車機構19は、遊星歯車17a,17bと、これら遊星
歯車17a,17bがそれぞれ噛み合わせられる内歯車18と、
パワータービン12の軸13の出力端13aに一体に設けられ
上記遊星歯車17a,17bと噛み合わせられる出力歯車（太
陽歯車）16とからなり、遊星歯車機構19の内歯車18に
は、その流体継手21側を閉じるように設けられたフラン
ジ19aの軸芯部に、動力の入出力のために流体継手21側
と連結される第１入出力軸60を有している。なお、本実
施例にあって遊星歯車機構19を採用したのは、遊星歯車
機構19が大きな減速比をもちかつ伝達効率に優れている
ためである。

動力反転装置は、正転用ギヤトレーン56,逆転用ギヤ
トレーン57,電磁クラッチ22及びワンウェイクラッチ26
から成る。パワータービン12からクランク軸15へ回転力
を伝達するための正転用ギヤトレーン56は、入出力歯車
20,第１中間歯車28,ワンウェイクラッチ26,第２中間歯
車27および第２クランク軸歯車24から構成され、クラン
ク軸15からパワータービン12へ回転を逆転させて伝達す
るための逆転用ギヤトレーン57は、第１クランク軸歯車
23,アイドルギヤ29,第１中間歯車28および入出力歯車20
から構成されている。ここで入出力歯車20および第１中
間歯車28は、正転用ギヤトレーン56および逆転用ギヤト
レーン57の兼用部品となっている。

第１クランク軸歯車23は、電磁クラッチ22を介してク
ランク軸15に取り付けられ、第２クランク軸歯車24は、
クランク軸15に一体的に取り付けられている。第２クラ
ンク軸歯車24は、ワンウェイクラッチ26を介して軸支さ
れた第２中間歯車27と噛み合わされ、第２中間歯車27
は、これと同軸的にかつ一体的に回転する第１中間歯車
28を介して入出力歯車20と噛み合わされている。また、
第１クランク軸歯車23と第１中間歯車28とは、逆転用の
アイドルギヤ29を介して連結されている。したがって、
電磁クラッチスイッチ47がONされ電磁クラッチ22がONさ
れたときは、クランク軸15の回転駆動力が入出力歯車20
に逆転されて伝達される。もちろんこのときは、ワンウ
ェイクラッチ26は、フリーに回転するため、第２中間歯
車27と第２クランク軸歯車24との間では回転力の伝達が
なされない。なお、オーバーランの防止のために第１ク
ランク軸歯車23と第１中間歯車28との歯車比は、第２ク
ランク軸歯車24と第２中間歯車27との歯車比に比べて小
さく設定されている。

入出力歯車20と遊星歯車機構19とを連結する流体継手
21は、第２図に示す如く、主として、第１ポンプ車21
a、第２ポンプ車21b、第１入出力軸60および第２入出力
軸65からなる。具体的には、図２に示すように、第１入
出力軸60は、その延出端部がスプライン軸61となってお
り、スプライン軸61には、軸芯部にそのスプライン軸61
と嵌合するスプライン孔62を有した中空軸63が嵌挿され
ている。この中空軸63は、その入出力歯車20側の端部に
フランジ64を一体に有し、そのフランジ64に、リベット
等で第１ポンプ車21aが一体的に固定されている。この
場合、第１ポンプ車21aは、そのチャンバＸが内歯車18
のフランジ19aを向く（臨む）ようにして、フランジ64
に取り付けられている。

第２入出力軸65は、その軸芯部に第１入出力軸60を挿
入し得るように中空軸となっており、その内歯車18側の
端部にフランジ66を一体に有し、他端部に上記入出力歯
車20が固定されるようになっている。そしてそのフラン
ジ66には、第２ポンプ車21bが一体的に取り付けられて
いる。

第２ポンプ車21bは、第１ポンプ車21aの背面をカップ
状に覆い、かつその第１ポンプ車21aの外周部の外側に
て内歯車18側へ向かって筒状に延び、さらにその延出端
において半径方向内方に延びて上記チャンバＸと向き合
わせにチャンバＹを区画するものであり、筒部90は、第
１ポンプ車21aを、そのチャンバＹ寄りの位置から入出
力歯車20側へ離間させることができる長さを有してい
る。ここで筒部90の長さは、ターボコンパウンドエンジ
ンに使用する継手として、チャンバＸとチャンバＹとの
間に作用する過大伝達トルク（第５図により得られる過
大伝達トルク）が発生したときに、流体継手21の容積
（容量）を、その過大伝達トルクを吸収し得る容積（容
量）まで増加させることができるように定められてお
り、もちろん、上記スプライン軸61,スプライン孔62の
長さも、その第１ポンプ車21aと一体の中空軸63の移動
ストロークに合わせて一義的に定められている。そして
第１入出力軸60には、その内部に第１ポンプ車21内と第
２ポンプ車21b内とに作動流体を供給すべく流体供給通
路69が設けられている。流体供給通路69の作動流体は、
第１図に示したように、スプライン軸61,スプライン孔6
2相互のクリアランスを通過して各第1,第２ポンプ車21
a,21b内に供給される。

なお、本実施例にあっては、第２ポンプ車21bの内歯
車18側の端部に、中空軸63の外周面を包囲するように円
筒状の嵌合部67が設けられ、また、第１入出力軸60の外
周面または中空軸63の内周面のいずれか一方に、第２ポ
ンプ車21bに第１ポンプ車21aが近接するように移動され
たときに相互が接することのないようにストッパ68が設
けられ、中空軸63、第1,第２入出力軸60,65および第２
ポンプ車21bを回転支持し得るようにするために、適当
な箇所に軸受69が設けられている。

アクチュエータ手段は、中空軸63の内歯車18側端部に
リング状にボス部70を形成し、そのボス部70に円周方向
に沿った溝71を形成し、溝71に、操作リンク72先端の球
状部73を係合させ、操作リンク72に、リンク部材76を介
してアクチュエータ74のピストンロッド75を接続し、さ
らにアクチュエータ74の流体室77に作動流体を供給する
ために流体通路78を接続し、その流体通路78に、大気開
放ポート（図示せず）を有する電磁切換弁79を介設して
なり、コントローラ80は、第５図に示すテストデータに
基づいて作成された伝達トルク特性のマップにより、ア
クチュエータ74の制御を実行するように構成されてい
る。

すなわち、第５図に示すように、第１、第２入出力軸
60,65において、その入出力の方向が切替えられ、第１
ポンプ車21aと第２ポンプ車21bとの相対回転数が異常に
増加すると予想されるとき、すなわち上記電磁クラッチ
22がOFFからONに切替えられ、このときの伝達トルクの
ピークが第５図の特性Ｉ上にあると予想され判断される
ときには、特性IIもしくは特性IIIに移行するように電
磁切換弁79のON時間を制御し、第１ポンプ車21aを第２
ポンプ車21bから離間させて第１ポンプ車21aと第２ポン
プ車21bとの間の間隔を広げ、そして第１ポンプ車21aと
第２ポンプ車21bとの間の相対回転数が減り、トルクの
伝達に支障がないと予想され判断されるときには、電磁
切換弁79からの大気開放量を制御して第１ポンプ車21a
を復帰させてポンプ車21aと第２ポンプ車21bとの間の間
隔を狭めるように構成されている。

次に実施例の作用を説明する。

（１）動力回収時（通常運転時）第１図に示す如く、排気ブレーキスイッチ43がOFFの
ときは、電磁弁40はOFFとなり、第３図に示すようにパ
ワータービン12の直上流の排気通路4dとロータリーバル
ブ31上流の排気通路4bとは、第１ポートＡを介して接続
される。このため排気ガスは、エンジン１から排気マニ
ホールド3,排気通路4aへと送られ、ターボ過給機10は、
そのタービン10aの回転によってコンプレッサ10bを回転
させてエンジン１の筒内に、過給気を送り込む。ターボ
過給機10のタービン10aを出た排気ガスは、パワーター
ビン12に回転駆動力を与える。このとき、電磁クラッチ
22は、OFFのためパワータービン12によって回収した回
転力は、遊星歯車機構19で減速され、入出力歯車20から
第２中間歯車27,第２クランク軸歯車24に伝達されて、
クランク軸15に伝えられる。もちろんクランク軸15とパ
ワータービン12の回転方向は同じである。

（２）制動時（排気ブレーキ作動時）排気ブレーキ作動時は、ニュートラルセンサスイッチ
41,クラッチ作動スイッチ42、そして排気ブレーキスイ
ッチ43の全てのスイッチがONされ、電磁クラッチスイッ
チ47がONに切替えられる。

このため、電磁弁40がONとなって流体供給装置36から
アクチュエータ34の流体室37へと作動流体が供給され、
ロッド33がレバ部材35を介してロータリーバルブ31を作
動する。このため排気通路4bは閉じられ、ロータリーバ
ルブ31より下流の排気通路4dと流体通路25とが第２ポー
トＢを介して連通される（第４図）。よってパワーター
ビン12には、排気ガスによる回転力が与えられなくなっ
た状態で、逆にクランク軸15からの駆動力が、第１クラ
ンク軸歯車23,アイドルギヤ29,第１中間歯車28、入出力
歯車20、流体継手21を介して逆転されてパワータービン
12へと伝達され、パタータービン12は、正転から逆に回
転し、ポンプ仕事を行い、クランク軸15にその回転を阻
止する抵抗力を加え、エンジン１を制動する。

コントローラ80は、この排気ブレーキ作動時に、上記
マップ（図５参照）に基づいてアクチュエータ74を作動
し、第１ポンプ車21aを第２ポンプ車21bから離間させて
その第１ポンプ車21aと第２ポンプ車21bとの間の間隔を
広げる。このため、パワータービン12の正転から逆転に
切り替わるときの過大伝達トルクが吸収され、流体継手
21の作動流体の発熱は少なくなり、クランク軸15とパワ
ータービン12とを連結する一連の動力伝達系に過負荷が
作用するのを防ぐことができる。

パワータービン12は、逆転により、パワータービン12
より下流の排気通路4cから流体通路25の接続部へ空気を
送る効率の悪いコンプレッサとなる。また第２ポートＢ
によって流体通路25へ送るガスが絞られるため、パワー
タービン12の空気の掻き混ぜ仕事およびコンプレッサ仕
事は、クランク軸15にとって大きな負の仕事となる。

したがって、排気ブレーキ作動時にはこの負の仕事と
排気ブレーキによる負の仕事およびエンジンのフリクシ
ョンが加えられた大きなエンジンブレーキ力が作り出さ
れる。

なお、排気ブレーキは、排気マニホールド３の下流に
設けられた排気ブレーキ弁（図示せず）によって作り出
される。ここで第２ポートＢの直径は、パワータービン
12の形状によって一義的に決定される。このポート直径
d₂もまたパワータービン12をオーバーランさせることが
ない開口径に設定される（第３図，第４図参照）。

なお、排気通路4c側に三方弁55を介設することも可能
であり、このようにすることによって上記排気ブレーキ
作動時に、排気通路4cを閉じて、排気ガスに比較して浄
化された大気を直接採り込むことができる。また、実施
例にあっては、流体通路25の切替えをロータリーバルブ
31で行なうという説明をしたが、流体通路25の接続部よ
り上流となる排気通路4bを全閉にし得る開閉弁と、流体
通路25の通路径を所定の開度に絞る絞り弁とを設け、こ
れらをロータリーバルブ31と同じようにコントローラ80
で制御しても構わない。さらに、予め流体通路25を所定
開度まで絞っておき、流体通路25上流の排気通路4bを開
閉させてもよい。さらにまた、アクチュエータ74として
リンク76を直接動作するステップモータを用い、上記コ
ントローラ80でこのステップモータをパルス制御するよ
うにしても構わない。

［発明の効果］以上要するに、本発明に係るターボコンパウンドエン
ジンによれば、動力反転装置を正転から逆転に切替えて
も、流体継手の作動流体の異常な温度上昇を防止でき、
クランク軸とパワータービンとを接続する駆動力伝達系
に過負荷が作用してしまうことを防ぐことができるとい
う優れた効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係るターボコンパウンドエンジン流
体継手の要部を示す断面図、第２図はこの発明に係るタ
ーボコンパウンドエンジンを示すシステム図、第３図，
第４図は第２図の要部詳細図、第５図はコントローラに
組み込むマップを説明するための図、第６図は従来のタ
ーボコンパウンドエンジンを説明するためのシステム
図、第７図は流体継手の伝達トルクの変化を説明するた
めの図である。図中、１はエンジン、12はパワータービン、15はクラン
ク軸、21は流体継手、21aは第１ポンプ車、21bは第２ポ
ンプ車、74はアクチュエータ、80はコントローラであ
る。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】クランク軸と排気通路のパワータービンと
の間に介設された動力伝達装置であって正転切替え時に
はパワータービンからクランク軸に動力を戻し得るよう
に、逆転切替え時にはクランク軸の回転をパワータービ
ンに逆転させて伝達させ得るように構成された動力反転
装置と、該動力反転装置とパワータービンとの間に介設
された流体継手であって過大伝達トルクの吸収のために
その一方のポンプ車が他方のポンプ車から離間し得るよ
うに軸方向に移動可能に構成された流体継手と、上記一
方のポンプ車にこれを他方のポンプ車に近接・離間させ
るべく設けられたアクチューエータ手段と、上記動力反
転装置が正転から逆転に切替えられたときに上記過大伝
達トルクを吸収すべく上記アクチュエータ手段を離間作
動させるコントローラとを備えたことを特徴とするター
ボコンパウンドエンジン。