JP4612460B2

JP4612460B2 - ターボコンパウンドエンジン

Info

Publication number: JP4612460B2
Application number: JP2005122364A
Authority: JP
Inventors: 博幸矢野; 裕史堀内
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2005-04-20
Filing date: 2005-04-20
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2025-04-20
Also published as: JP2006299906A

Description

本発明は、ターボコンパウンドエンジンに関するものである。

従来より、排気ガスから動力回収するターボチャージャと、該ターボチャージャのタービンを経た排気ガスから更に動力回収するパワータービンとを備え、ターボチャージャで回収した動力を吸気を加圧するための過給動力として、パワータービンで回収した動力をエンジン駆動力として有効利用し得るようにしたターボコンパウンドエンジンが知られている。

図５は一般的なターボコンパウンドエンジンの一例を示すもので、ここに図示する例においては、エンジン本体１から排出された排気ガス２の持つエネルギーをターボチャージャ３のタービン４で動力として回収し、該タービン４により駆動されるコンプレッサ５でエンジン本体１に入る吸気６を加圧する一方、タービン４を経た排気ガス２からパワータービン７で更にエネルギーを動力として回収し、その回収した動力を第一ギアトレーン８、流体継手９、第二ギアトレーン１０を介してエンジン本体１のクランクシャフト１１に伝達するようにしてある。

ここで、パワータービン７からクランクシャフト１１への動力伝達系に流体継手９が含まれているのは、エンジン本体１のねじり振動やエンスト等の急激な回転変動が伝達されないようにするためである。

また、図５中における１２は第一ギアトレーン８の一要素を成す流体継手９の入力ギア、１３は第二ギアトレーン１０の一要素を成す流体継手９の出力ギア、１４はフライホイールを示す。

尚、この種のターボコンパウンドエンジンに関連する先行技術文献情報としては下記の特許文献１等がある。
特開平９−２２２０２６号公報

しかしながら、斯かる従来のターボコンパウンドエンジンにおいては、低負荷時に排気ガス２のエネルギーが減少してくると、パワータービン７で動力回収できなくなるばかりか、該パワータービン７の方が逆にエンジン本体１側から駆動されるようになってしまい、パワータービン７が寧ろエンジン本体１側から見た負荷となって動力損失が生じるという問題があった。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、低負荷時にパワータービンがエンジン本体側から駆動されることによる動力損失を低減し得るようにしたターボコンパウンドエンジンを提供することを目的とする。

本発明は、排気ガスから動力回収するターボチャージャと、該ターボチャージャのタービンを経た排気ガスから更に動力回収するパワータービンとを備え、該パワータービンで回収した動力を流体継手を介してクランクシャフトに伝達するようにしたターボコンパウンドエンジンにおいて、前記流体継手の出力側から入力側への逆向きの動力伝達の効率を正規の動力伝達の効率よりも低くするワンウェイ伝達手段を備え、流体継手の入力側におけるインペラ翼をその外周側端が回転方向に対し後退するように傾斜配置すると共に、流体継手の出力側におけるタービン翼をその外周側端が回転方向に対し先行するように傾斜配置することにより前記ワンウェイ伝達手段を構成する、若しくは、流体継手の出力側におけるタービン翼の面積が入力側のインペラ翼の面積よりも小さくなるように面積比を設定することで前記ワンウェイ伝達手段を構成することを特徴とするものである。

而して、このようにすれば、排気ガスのエネルギーが大きな中高負荷時において、ターボチャージャのタービンを経た排気ガスからパワータービンにより動力が回収され、その回収された動力が流体継手によりエンジン本体のクランクシャフトに伝達されて有効利用される一方、排気ガスのエネルギーが減少して流体継手の出力側の回転数が入力側より高くなる低負荷時にあっては、ワンウェイ伝達手段により流体継手の出力側から入力側への逆向きの動力伝達の効率が正規の動力伝達の効率よりも低減されるので、エンジン本体側からの動力が流体継手によりパワータービン側へ伝達され難くなり、該パワータービンがエンジン本体側から見てあまり大きな負荷とならずに済んで動力損失が著しく低減されることになる。

より具体的には、ワンウェイ伝達手段を構成するに際し、流体継手の入力側におけるインペラ翼をその外周側端が回転方向に対し後退するように傾斜配置すると共に、流体継手の出力側におけるタービン翼をその外周側端が回転方向に対し先行するように傾斜配置すれば、低負荷時に排気ガスのエネルギーが減少して流体継手の出力側の回転数が入力側より高くなった場合に、出力側のタービン翼の傾きが、遠心力で半径方向外周側へ向かうエンジンオイルの流れを妨げるように機能する一方、入力側のインペラ翼の傾きが、出力側から作用する流体力を受け流すように機能することになる。

即ち、エンジンオイルが出力側から入力側へ流れ込む軸心方向の流れの強さは、出力側で遠心力により半径方向外周側へ向かうエンジンオイルの流れの強さで決まるので、出力側のタービン翼の傾きにより、遠心力で半径方向外周側へ向かうエンジンオイルの流れが妨げられると、出力側から入力側へ流れ込む軸心方向のエンジンオイルの流れが弱まって出力側から入力側へ伝達される流体力が小さくなり、しかも、入力側のインペラ翼では、この出力側から伝達される流体力を傾斜により受け流すようになっているので、流体継手の出力側から入力側への逆向きの動力伝達の効率が正規の動力伝達の効率よりも低減されてエンジン本体側からの動力がパワータービン側へ伝達され難くなる。

更に、ワンウェイ伝達手段を構成するに際し、流体継手の出力側におけるタービン翼の面積が入力側のインペラ翼の面積よりも小さくなるように面積比を設定すれば、出力側のタービン翼で行われるべき仕事が減り、このタービン翼により入力側のインペラ翼に伝達される流体力が小さくなるので、流体継手の出力側から入力側への逆向きの動力伝達の効率が正規の動力伝達の効率よりも低減されてエンジン本体側からの動力がパワータービン側へ伝達され難くなる。

上記した本発明のターボコンパウンドエンジンによれば、低負荷時における流体継手の動力伝達効率を低減してエンジン本体側からパワータービン側への動力伝達を大幅に抑制することができるので、低負荷時にパワータービンがエンジン本体側から駆動されることによる動力損失を著しく低減することができるという優れた効果を奏し得る。

以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図１〜図３は本発明の第一の形態例を示すもので、以下の説明では、図１〜図３に図示されていない全体構成に関し、先に従来技術の説明で用いた図５を参照しながら説明することとする。

本形態例においては、前述した図５と略同様に構成したターボコンパウンドエンジンに関し、流体継手９の出力側から入力側への逆向きの動力伝達の効率が正規の動力伝達の効率よりも低くなるようにワンウェイ伝達手段を備えたところに特徴があるが、このワンウェイ伝達手段に関する詳細な説明に移る前に、図１を用いて流体継手９の全体構造について以下に詳述する。

ここに図示している流体継手９では、多数のタービン翼１５を環状に備えたタービン翼車１６と、多数のインペラ翼１７を環状に備えたインペラ翼車１８とがケーシング１９内で対向配置されており、この対向配置により相互間に画成された空間のタービン翼車１６側にタービン室２０が形成され、インペラ翼車１８側にはインペラ室２１が形成されるようになっている。

前記タービン翼車１６は、第二ギアトレーン１０（図５参照）の一要素を成す出力ギア１３と一体的に回転する出力シャフト２２に取り付けられ、前記インペラ翼車１８は、前記出力シャフト２２の出力ギア１３と反対側の端部に回動自在に外嵌された入力シャフト２３に取り付けられており、この入力シャフト２３には、第一ギアトレーン８（図５参照）の一要素を成す入力ギア１２が一体的に装備されている。

また、前記タービン翼車１６及びインペラ翼車１８の相互間には、供給ライン２４を通して導かれたエンジンオイル２５が、出力シャフト２２の出力ギア１３と反対側の端部に穿設された油通路２６を通して供給されるようになっており、このエンジンオイル２５は、タービン翼車１６を被包するようにインペラ翼車１８の外周部に取り付けられたカバー２７によりエンジン停止時でも半分程度の量が貯溜されるようになっている。

そして、このように構成された流体継手９に関し、本形態例では、図２に示す如く、流体継手９の入力側におけるインペラ翼１７をその外周側端が回転方向（図２中に矢印で示す方向）に対し後退するように傾斜配置すると共に、図５に示す如く、流体継手９の出力側におけるタービン翼１５をその外周側端が回転方向（図２中に矢印で示す方向）に対し先行するように傾斜配置することによりワンウェイ伝達手段を構成している。

即ち、従来におけるタービン翼１５及びインペラ翼１７は、図２及び図３に二点鎖線で夫々示している通り、何れも半径方向に放射状に配置されていて、流体継手９の出力側から入力側への逆向きの動力伝達の効率が正規の動力伝達の効率と同じ構造となっていたが、本形態例にあっては、そのような従来配置を図２及び図３に実線で示す如き傾斜配置に変更することにより、流体継手９の出力側から入力側への逆向きの動力伝達の効率が正規の動力伝達の効率よりも低減されるようにしている。

而して、このような構成を採用すれば、排気ガス２のエネルギーが大きな中高負荷時において、ターボチャージャ３のタービン４を経た排気ガス２からパワータービン７により動力が回収され、その回収された動力が流体継手９によりエンジン本体１のクランクシャフト１１に伝達されて有効利用される一方、排気ガス２のエネルギーが減少して流体継手の出力側の回転数が入力側より高くなる低負荷時にあっては、前述のタービン翼１５及びインペラ翼１７を傾斜配置して成るワンウェイ伝達手段により流体継手９の出力側から入力側への逆向きの動力伝達の効率が正規の動力伝達の効率よりも低減されるので、エンジン本体１側からの動力が流体継手９によりパワータービン７側へ伝達され難くなり、該パワータービン７がエンジン本体１側から見てあまり大きな負荷とならずに済んで動力損失が著しく低減されることになる。

つまり、低負荷時に排気ガス２のエネルギーが減少して流体継手９の出力側の回転数が入力側より高くなった場合、出力側のタービン翼１５の傾きが、遠心力で半径方向外周側へ向かうエンジンオイル２５の流れを妨げるように機能する一方、入力側のインペラ翼１７の傾きが、出力側から作用する流体力を受け流すように機能することになるが、エンジンオイル２５が出力側から入力側へ流れ込む軸心方向の流れの強さは、出力側で遠心力により半径方向外周側へ向かうエンジンオイル２５の流れの強さで決まるので、出力側のタービン翼１５の傾きにより、遠心力で半径方向外周側へ向かうエンジンオイル２５の流れが妨げられると、出力側から入力側へ流れ込む軸心方向のエンジンオイル２５の流れが弱まって出力側から入力側へ伝達される流体力が小さくなり、しかも、入力側のインペラ翼１７では、この出力側から伝達される流体力を傾斜により受け流すようになっているので、流体継手９の出力側から入力側への逆向きの動力伝達の効率が正規の動力伝達の効率よりも低減されてエンジン本体１側からの動力がパワータービン７側へ伝達され難くなる。

従って、上記形態例によれば、低負荷時における流体継手９の動力伝達効率を低減してエンジン本体１側からパワータービン７側への動力伝達を大幅に抑制することができるので、低負荷時にパワータービン７がエンジン本体１側から駆動されることによる動力損失を著しく低減することができる。

また、図４は本発明の第二の形態例を示すもので、ここに図示している例では、ワンウェイ伝達手段を構成するに際し、流体継手９の出力側におけるタービン翼１５の内周側部分を切り欠き、その面積が入力側のインペラ翼１７の面積よりも小さくなるように面積比を設定している（図４中の二点鎖線が従来形状を示す）。

このようにすれば、出力側のタービン翼１５で行われるべき仕事が減り、このタービン翼１５により入力側のインペラ翼１７に伝達される流体力が小さくなるので、流体継手９の出力側から入力側への逆向きの動力伝達の効率が正規の動力伝達の効率よりも低減されてエンジン本体側からの動力がパワータービン７側へ伝達され難くなる。

ここで、図４の第二の形態例において、タービン翼１５の外周側部分を従来形状のままに保持しているのは、この外周側部分が正規の動力伝達時にインペラ翼１７から流体力を受ける主要部位となるため、正規の動力伝達の効率に悪影響ができるだけ及ばないように配慮されているからである。

尚、本発明のターボコンパウンドエンジンは、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、ワンウェイ伝達手段には図示例以外の構成を採用しても良いこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明を実施する形態の一例を示す断面図である。図１のＩＩ−ＩＩ方向から見たインペラ翼の配置状態を示す図である。図１のＩＩＩ−ＩＩＩ方向から見たタービン翼の配置状態を示す図である。本発明の第二の形態例を示す断面図である。従来例を示す概略図である。

１エンジン本体
２排気ガス
３ターボチャージャ
４タービン
７パワータービン
９流体継手
１１クランクシャフト
１５タービン翼
１７インペラ翼
２０タービン室
２１インペラ室
２５エンジンオイル

Claims

排気ガスから動力回収するターボチャージャと、該ターボチャージャのタービンを経た排気ガスから更に動力回収するパワータービンとを備え、該パワータービンで回収した動力を流体継手を介してクランクシャフトに伝達するようにしたターボコンパウンドエンジンにおいて、前記流体継手の出力側から入力側への逆向きの動力伝達の効率を正規の動力伝達の効率よりも低くするワンウェイ伝達手段を備え、流体継手の入力側におけるインペラ翼をその外周側端が回転方向に対し後退するように傾斜配置すると共に、流体継手の出力側におけるタービン翼をその外周側端が回転方向に対し先行するように傾斜配置することにより前記ワンウェイ伝達手段を構成する、若しくは、流体継手の出力側におけるタービン翼の面積が入力側のインペラ翼の面積よりも小さくなるように面積比を設定することで前記ワンウェイ伝達手段を構成することを特徴とするターボコンパウンドエンジン。