JPH01116239A - ターボコンパウンドエンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、排気エネルギを回収して機関を駆動し、また
機関側から逆転駆動されることによりポンプ仕事を行っ
て機関を制動させるタービンを有すると共に、このター
ビンから排気を迂回させるバイパス路及びこのバイパス
路の開度を調節するバイパス弁から構成されてタービン
運転、機関運転を制御する排気バイパス機構を有するタ
ーボコンパウンドエンジンに関する。

［従来の技術］ 一般にターボコンパウンドエンジンは第８図に示すよう
に、排気ターボ過給１ｍｌを備えた機関２において、過
給機１により吸気過給に利用した排気エネルギを、過給
１１１よりも下流側の排気通路３に介設したタービン４
によって更に回収し、このタービン４によって取り出し
な軸回転力を機関２のクランク軸５に供給して機関２の
高出力化を達成するようになっている。他面、このよう
に吸気過給に加えてタービン４により機関２へ回転駆動
力を付加させるようにしたエンジンシステムでは、相当
の制動能力が要求される。

近年、上述の排気エネルギ回収用のタービン４を反対に
機関２側から駆動させ、且つその回転を逆転させてポン
プ仕事を行うブロアとして機能させることにより、従来
のフットブレーキ、排気ブレーキに加えて機関制動力を
付加させるエンジンシステムが懸案されている０図示す
るものはその一例であり、タービン４とクランク軸５と
の間に、タービン４を正逆転させるための反転装置６、
並びにタービン４の正逆回転切換時の回転慣性（スベリ
）を吸収しまた回転数調整を施す減速ギヤと流体継手と
から成るカップリング機構７を介設することにより、タ
ービン４の正逆回転並びにクランク軸５とタービン４と
の間の駆動力の相互伝達を達成させるようになっている
。尚、８．９は夫々、反転装置６を制御する油圧系及び
正逆転切換時のスベリ等による発熱を冷却する冷却用の
油圧系である。

またこのエンジンシステムには、タービン４を正転駆動
して機関２を駆動させるためにタービン４へ排気を供給
する（図中、矢印Ａ）通常の排気通路３に加えて、機関
２側から駆動されてブロアとして機能するタービン４の
ポンプ仕事に吸気を利用させるために、吸気通路１０か
らタービン４の出口側に吸気を導入する（図中、矢印Ｂ
）吸気導入路１１が設けられている。この導入路１１は
、これに介設された開閉弁１２によって開閉制御され、
機関制動時（タービン逆転時）のみ吸気をタービン４へ
供給するようになっている。また排気通路３には、ター
ビン逆転時にこれを閉じて排気の逆流を規制する逆止弁
１３が設けられている。更に過給機１とタービン４との
間には、排気ブレーキ作動に際し排気通路３を閉じるた
めの排気ブレーキ弁１４が設けられている。

更に本システムには、排気をタービン４から迂回させる
（図中、矢印Ｃ）バイパス路１５と、このバイパス路１
５を開度制御するバイパス弁１６とから成る排気バイパ
ス機ｌ１１７が備えられている。この排気バイパス機′
＃４１７は、機関２の低負荷時において排気をタービン
４へ供給することが却って排気通路３内の背圧を徒らに
高め、過給機１、延いては機関２に無用な動力損失を生
じさせることを考慮して、このような運転状態の場合に
は排気をタービン４から迂回させるようになっている。

このバイパス弁１６は第９図に示すように、機関負荷に
対応する、例えばガバナのラック位置が設定負荷範囲内
であって、且つ機関回転数が設定回転数範囲内であると
き（タービンによる機関駆動域Ｄ）に閉じられて排気バ
イパスを中断し、タービン４に排気を供給してタービン
４により機関２を駆動させると共に、他方このような範
囲以外であるとき（排気バイパス域Ｅ）には開かれて排
気をバイパスさせるようになっている。この関係をグラ
フとして示すと第１０図のように、機関２の通常運転域
り、Ｅ（タービンによる機関制動域Ｆ以外）において、
設定された機関回転数と機関負荷とで囲まれる領域の内
外（機関駆動域りと排気バイパス域Ｅ）で排気バイパス
が切り替えられることになる。

そしてこのようなエンジンシステムでは第１１図に示す
ように、キースイッチ３１、アクセルスイッチ１８、ク
ラッチスイッチ１９、排気ブレーキスイッチ２０、ター
ビンブレーキスイッチ２１並びにラックセンサ２２、機
関回転数センサ２３からの各検出信号が夫々コントロー
ルユニット２４の入力回路２５、Ａ／Ｄ変換器２６、波
形整形器２７を経てＣＰＵ２８に入力され、ここでＲＯ
Ｍ　２９に記憶された第１０図に示すマツプ等を下に演
算処理されて出力回路３０から反転装２６や多弁１２〜
１４．１６に制御信号が出力されるようになっている。

殊に、上述の排気バイパス制御に関しては、ラックセン
サ２２、機関回転数センサ２３及びタービンブレーキス
イッチ２１が関与し、タービンブレーキスイッチ２１の
切換えを条件として、タービンによる機関制動域Ｆと機
関の通常運転域り、Ｅとが切り換えられ、またラックセ
ンサ２２と機関回転数センサ２３からの検出値により排
気バイパス制御Ｄ、Ｅが切り換えられるようになってい
る。

［発明が解決しようとする問題点］ ところで従来における多弁１２〜１４，１６　、特に排
気バイパス機構１７のバイパス弁１６の制御は次のよう
なフローに従って行われていた（第１２図、第１３図参
照）。

コントロールユニット２４に初期値をセットするイニシ
ャライズ後の機関運転状態においては、コントロールユ
ニット２４では各種検出信号を入力リードし計算を行う
ことになる。

先ず、通常運転域においてクラッチスイッチ１９により
クラッチが接続されていることが検出されたならば、機
関負荷並びに機関回転数に基づいて排気バイパス制御が
行われる。この際には、開閉弁１２は常閉、排気ブレー
キ弁１４は常開とされ、タービン４が正転駆動状態（領
域Ｄ）にあるときには排気通路３が開かれ（逆止弁１３
、開）バイパス路１５が閉じられて（バイパス弁１６、
閉）排気がタービンに供給されると共に、他方排気バイ
パス状態（領域Ｅ）にあるときには排気通路３が閉じら
れる傾向にあり（逆止弁１３、閉又は開）バイパス路１
５が開かれて（バイパス弁１６、開）、排気はタービン
４を迂回して流されるようになっている。

次いで、タービンブレーキスイッチ２１がＯＮ作動され
ると、タービン４は逆転されて機関２の制動制御（領域
Ｆ）に移行する。この際の多弁１２〜１４、１６の制御
は、吸気導入路１１の開閉弁１２とバイパス路１５のバ
イパス弁１６が開かれてタービン４がプロアとして駆動
されると共に、排気通路３の逆止弁１３が閉じられるこ
とになる。また排気ブレーキ弁１４は排気ブレーキスイ
ッチ２０の作動の下に開閉されることになる。

その後タービンブレーキスイッチ２１がＯＦＦ作動され
ると、再び上述した通常の排気バイパス制御に戻される
ことになる。

ここに、タービンによる機関制動域Ｆからタービンによ
る機関駆動域りへの移行に際しては第１０図に示すよう
に、機関制動域Ｆから通常運転域の排気バイパス制御に
おける排気バイパス域Ｅを経過してタービンによる機関
駆動域りへ移るように制御が設定されていた（図中、Ｈ
で示す）。

しかしながら、このような制御では、次のような問題が
あった。即ち、機関制動状態から機関２を瞬時に加速さ
せたい場合、この要求は機関負荷並びに機関回転数の瞬
間的な上昇がラックセンサ２２及び機関回転数センサ２
３によって検出されて認識される（第１０図中、Ｊで示
す）が、バイパス弁１６の制御に関しては従来第１３図
に示すように、排気、バイパス域Ｅの存在のためにバイ
パス弁１６が開かれたままでバイパス路１５が相当の時
間開放状態に維持され、第３図に示すように排気バイパ
ス域Ｅの最終段階ではバイパス弁１６も閉じられる方向
にあって排気通路３の圧力も上昇してタービン回転数も
上昇してくるが、それまでの間（図中、Ｇで示す）機関
２の加速に対応して機関に多量の燃料が供給され排気通
路３内の圧力が上昇してもその上昇圧力がバイパス路１
５を介して解放されてしまい、排気通路３内の圧力上昇
を十分に得ることができずタービン４の回転上昇に“息
つき”を生じて、出力応答性に段差が生じて応答性が良
くないという問題があった。即ち、機関制動の解除から
通常運転域の機関制御に移る際、必ず排気バイパス域Ｅ
におけるバイパス弁１６の開制御を経てタービン運転が
制御されるため、排ガス温度、排ガス圧力の上昇に応じ
たタービンのスムーズな回転上昇を得ることができなか
った。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、排気エネルギを回収して機関を駆動し逆転さ
れて機関を制動させるタービンから排気を迂回させるバ
イパス路を開度制御して機関運転を制御するバイパス弁
を、機関制動から機関駆動へ移る際にラック移動速度が
設定速度を超えたとき設定時間閉じる制御手段を備えて
構成される。

［作用］ 本発明の作用について述べると、タービンの逆転による
機関制動状態から機関の通常運転状態へ移行する際に、
機関負荷の大きな変動に対応してラックの移動速度が設
定速度を超えたときに強制的に設定時間だけバイパス弁
を閉じるように制御することにより、タービンへ排気を
供給する排気通路内の圧力上昇を適正に確保して瞬間的
な機関の加速制御に対して滑らかな出力上昇を得るよう
になっている。

［実施例］ 以下に本発明の好適実施例を添付図面に従って詳述する
。

エンジンシステム自体の構成は、上記従来例で説明した
ものと同様である（第８図〜第１１図参照）１本発明の
特長とするところは、制御手段たるコントロールユニッ
ト２４におけるタービン４逆転時（機関制動域Ｆ）から
機関２を加速してタービン４による機関駆動域りに機関
運転が移行するに際しての排気バイパス制御、殊にバイ
パス弁１６の制御にあり、この制御内容はＣＰＵ２８に
おける制御フローとして設定される。

（第１実施例） 以下、第１図〜第３図を参照して制御フローに従って説
明する。基本的な制御フローは従来と同様である。

コントロールユニット２４に初期値をセットするイニシ
ャライズ後の機関運転状態においては、コントロールユ
ニット２４では各種検出信号を入力リードし計算を行う
ことになる。

先ず、通常運転域り、Ｅにおいてクラッチスイッチ１９
によりクラッチが接続されていることが検出されたなら
ば、機関負荷並びに機関回転数に基づいて排気バイパス
制御が行われる。この際には；開閉弁１２は常閉、排気
ブレーキ弁１４は常開とされ、タービン４が正転駆動状
態（領域Ｄ）にあるときには排気通路３が開かれ（逆止
弁１３、開）バイパス路１５が閉じられて（バイパス弁
１６、閉）排気がタービン４に供給されると共に、他方
排気バイパス状態（領域Ｅ）にあるときには排気通路３
が閉じられる傾向にあり（逆止弁１３、閉又は開）バイ
パス路１５が開かれて（バイパス弁１６、開）排気はタ
ービン４を迂回して流されるようになっている。

次いで、タービンブレーキスイッチ２１がＯＮ作動され
ると、タービン４は逆転されて機関２の制動制御（領域
Ｆ）に移行する。この際の多弁１２〜１４．１６の制御
は、吸気導入路１１の開閉弁１２とバイパス路１５のバ
イパス弁１６が開かれてタービン４がブロアとして駆動
されると共に、排気通路３の逆止弁１３が閉じられるこ
とになる。また排気ブレーキ弁１４は排気ブレーキスイ
ッチ２０の作動の下に開閉されることになる０以上は従
来と同様である。

その後タービンブレーキスイッチ２１がＯＦＦ作動され
ると、タービンの逆転駆動による機関の制動状態が解除
されることになる。

ここに本発明にあっては、タービンブレーキスイッチ２
１のＯＦＦＦＦブラック動速度ｄＬ／ｄｔ　　（Ｌはラ
ックの移動Ｊｉ）が設定速度αを超えた場合には、機関
２が相当の加速状態にあると判定して、排気バイパス域
Ｅで設定時間バイパス弁１６を強制的に閉じる制御が実
行される（第２図参照）、具体的には、タービンブレー
キスイッチ２１のＯＦＦ後ＣＰＵ２８内のタイマが起動
される（ＩＮＣＦＬＧ　ｔａ）と共に、新たな機関制御
に対応するラック移動量りがラックセンサ２２から入力
リードされ、ラックの移動速度ｄＬ／ｄｔの計算が行わ
れる。この計算は、第４図に示すように、微小時間ｄｔ
（０，１秒程度）毎にラック移動量ｄ［が検出されて行
われる。そして基本的には、ラックの移動速度ｄＬ／ｄ
ｔが設定速度αを超えたことが判定されると、時間加算
中再びタービンブレーキスイッチ２１がＯＮ動作されな
い限り、設定時間ｔａに達するまで（ＦＬＧ　ｔａ＝Ｎ
）バイパス弁１６は閉じられた状態に維持されることに
なる。尚本実施例では、併せてラックの移動量りが設定
移動量ＬＳを超えたか否かも判定され、ラックの移動速
度ｄＬ／ｄｔが設定速度α以下であってもラックの移動
量りが設定移動量Ｌｓを超えたときには、相当の機関加
速状態であると判定してバイパス弁１６を閉じるように
なっている。他方、ラックの移動速度ｄｌ／ｄｔ及び移
動量りがいずれも設定量α、ＬＳ以下である場合には、
通常のバイパス弁１６の制御による機関運転制御に移行
させるようになっている。これをロジックで示すと、第
５図のようにｄＬ／ｄｔ　＞αまたはＬ＞Ｌｓが満たさ
れたときにバイパス弁１６が強制的に閉じられることに
なる。尚、設定時間ｔａはその後クリアされる（ＣＬＲ
ＦＬＧ　ｔａ）、ここに設定時間ｔａとは、機関性能や
一般的な機関の加速制御においてタービンブレーキスイ
ッチ２１のＯＦＦからタービン４による機関駆動に移行
するまでに必要とされる時間（排気通路３内の排気圧力
、排気温度等の上昇率を考慮した時間）として与えられ
、例えば３〜５秒程度に設定される。

このように機関制動状態から機関駆動状態に移行する際
に排気バイパス制御を強制的にカットすることにより、
従来この移行制御中に介在していたバイパス弁１６の開
放による排気通路３内の圧力上昇の妨げでタービン４の
回転上昇が遅れ、そのために出力応答性が十分でなかっ
たのを解消して、第３図に実線で示すように適正な圧力
上昇を確保して滑らかな出力上昇を確保することができ
る。

（第２実施例） 第６図及び第７図には、第２実施例に関する制御フロー
及びその特性が示されている。

タービンブレーキスイッチ２１のＯＦＦ後、直ちにバイ
パス弁１６が閉じられると共にＣＰＵ２８内のタイマが
起動されて（ＩＮＣＦＬＧ　ｔｂ）所定時間ｔｂその状
態が維持される。そしてこの時間ｔｂにおいて各微小時
間ｄｔにおけるラック移動速度ｄＬ／ｄｉが設定速度α
を何回超えたか（ＩＮＣＦＬＧ　ＯＮ）を判定し、超え
た回数が設定回数Ｎａを上回ったこと（ＦＬＧ　ＯＮ≧
Ｎａ）に応じて機関２が加速状態であると判定してバイ
パス弁１６を閉じるようになっている。そして所定時間
ｔｂ経過後バイパス弁１６が閉じられた後には、再びタ
ービンブレーキスイッチ２１がＯＮ作動されたり、ラッ
クの移動量りが設定量ＬＳを下回らない限り、別途設定
された設定時間ｔｃ内でバイパス弁１６は強制的に閉じ
られるようになっている。この設定時間ｔｃは上述と同
様である。

本実施例にあっても、上記実施例と同様な効果を奏する
ことはもちろんである。

［発明の効果］ 以上要するに本発明によれば次のような優れた効果を発
揮する。

排気エネルギを回収して機関を駆動し逆転されて機関を
制動させるタービンから排気を迂回させるバイパス路を
開度制御して機関運転を制御するバイパス弁を、機関制
動から機関駆動へ移る際にラックの移動速度が設定速度
を超えたことに応じて制御手段により設定時間閉じるよ
うにしたので、ラックにより機関加速状態を判定して機
関制動直後に機関を加速する際であってもタービンへ排
気を供給する排気通路内の圧力上昇を適正に確保でき、
通常の機関低負荷に対応する排気バイパス制御に支障を
与えることなく、機関加速に応じた滑らかな出力上昇を
得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例を示すターボコンパウンド
エンジンの制御に採用されるフローチャート、第２図は
答弁の開閉状態を説明するための図、第３図は機関出力
と制御時間との関係を示すグラフ、第４図はラック移動
速度の検出内容を説明する図、第５図はバイパス弁の制
御ロジックを示す回路図、第６図は本発明の第２実施例
を示すターボコンパウンドエンジンの制御に採用される
フローチャート、第７図は機関出力と制御時間との関係
を示すグラフ、第８図は本発明が採用されるターボコン
パウンドエンジンの一例を示す系統図、第９図はバイパ
ス弁の制御ロジックを示す回路図、第１０図はバイパス
弁の制御マツプを示す図、第１１図はターボコンパウン
ドエンジンの制御系を示す回路図、第１２図は従来の制
御フローを示すフローチャート、第１３図は従来の答弁
の開閉状態を説明するための図である。 図中、２は機関、４はタービン、１５はバイパス路、１
６はバイパス弁、２４は制御手段たるコントロールユニ
ットである。 特許出願人　　　いすず自動車株式会社代理人弁理士　
　　絹　　谷　　信　　雄ａ１１％１１リラ式−５４プ
ｑ＄ｊシｌ帥すテ自シ１も畔コ第２図 第７図 第４図 第１３図 第１２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 排気エネルギを回収して機関を駆動し逆転されて機関を
   制動させるタービンから排気を迂回させるバイパス路を
   開度制御して機関運転を制御するバイパス弁を、機関制
   動から機関駆動へ移る際にラック移動速度が設定速度を
   超えたとき設定時間閉じる制御手段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。