JPH053717Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この考案は、ターボコンパウンド機関の改良に
関する。

（従来の技術） ターボコンパウンド機関とは、燃料の有効利用
を図るために内燃機関の排気が保有する熱力学的
エネルギを排気タービンにより回転力に変換して
機関出力軸側に戻すようにしたもので、その一種
として例えば実開昭56−169425号公報に見られる
ようにターボ過給機と組み合わせたものがある。

第４図はその基本的な構成を示したもので、内
燃機関１の吸気通路２の途中に介装されるコンプ
レツサ３Ｃと、同じく排気通路４の途中に介装さ
れるタービン３Ｔと、これらを直結する回転軸３
Ｓなどからなるターボ過給機３の他に、動力取出
用の低圧タービン５がタービン３Ｔの下流側に位
置して排気通路４に介装されている。

低圧タービン５は過給用のタービン３Ｔを通過
してきた排気により駆動され、その回転力は減速
装置６を介して機関出力軸７に伝達される。これ
により、機関排気が保有するエネルギの一部が動
力として機関に返されるので、それだけエンジン
システムとしての効率が向上すると考えられてい
る。

（考案が解決しようとする問題点） しかしながら、このようなターボコンパウンド
システムを使用回転域の広い車両用内燃機関等に
適用すると、運転状態によつてタービン３Ｔを通
過してくる排気の流量または保有エネルギが大き
く変動するため必ずしも効率が向上するとは限ら
ない。特に、排気流量が少ない低速または低負荷
運転状態では低圧タービン５が充分に作動しなく
なるためエネルギ回収の効果が薄く、同時に同じ
理由からターボ過給機３を介しての過給作用も不
充分になるので、この運転状態での機関出力が自
然給気の場合よりもむしろ低下してしまうという
問題を生じる。また、これを解決するためにター
ビン３Ｔと５の容量を小さく設計すると、今度は
機関回転または負荷が上昇して排気流量が増加し
たときにサージやチヨークが起きてタービン効率
が著しく悪化してしまう。

この考案は、こうした従来の問題点を解消する
ことを目的としている。

（問題点を解決するための手段） 上記目的を達成するためにこの考案では、吸気
を圧縮する容積型の圧縮機と、機関回転を無段階
に変速して前記圧縮機に伝達する無段変速装置
と、この無段変速装置と機関出力軸との伝達を断
続するクラツチ装置と、機関の排気エネルギに基
づいて作動する排気タービンと、この排気タービ
ンの回転力を前記クラツチ装置と無段変速装置と
を接続する回転部分に常時伝達する動力伝達装置
と、圧縮機からの加圧空気または大気を選択的に
機関に導入する吸気切換弁と、機関運転状態に応
じて無段変速装置の変速比とクラツチ装置の断続
と吸気切換弁の位置とを制御する制御装置とを設
けた。

（作用） 上記構成において、排気タービンには機関排気
が直接的に供給され、クラツチ装置を接続状態に
するとその回転力は動力伝達装置を介し、クラツ
チ装置と無段変速装置との間の回転部分を経て機
関出力軸側及び圧縮機側に伝達される。これによ
り排気の保有する熱エネルギの一部が確実に機関
出力及び圧縮機駆動力として回収される。

一方、排気タービンと無段変速装置とを接続す
る動力伝達装置は、クラツチ装置と無段変速装置
との間の回転部分に常時回転力を伝達しているの
で、クラツチを接続して圧縮機を駆動開始する際
の過給圧の立上りが速くなると共に、クラツチ接
続時の入出力軸間の回転速度差が小さくなりクラ
ツチの負担が減少する。一方、加速時など要求負
荷が大きいときにクラツチ装置を接続状態にする
と機関回転が無段変速装置を介して容積型圧縮機
に伝達されるため圧縮機を介して空気が加圧され
る。このとき、吸気切換弁を介して圧縮機と機関
とを連通した状態にしておくことにより前記加圧
空気が機関に供給され、この結果高出力が得られ
る。この場合、過給が容積型圧縮機を介してなさ
れることから機関出力の立ち上がりが速やかで、
応答性のよい加速性能が発揮される。また、この
ような高負荷運転状態にあつては、無段変速装置
を介して適宜に圧縮機の速度を制御することによ
り機関回転数によらずに安定した過給効果ないし
出力が得られる。これに対して、部分負荷運転状
態にあつては、クラツチ装置を切離し状態にして
圧縮機の作動を停止するとともに吸気切換弁を切
換駆動して機関の吸気系を大気側に連通すると、
機関が圧縮機の駆動負担から解放されて自然給気
運転状態になるため機関出力及び燃費の悪化が回
避される。

また、排気タービンの回転力は動力伝達装置を
介して常時圧縮機に伝達されるため、クラツチ装
置が切れている間は排気エネルギにより圧縮機は
助走状態に置かれる。このため、クラツチ装置を
接続して機関出力で圧縮機を駆動する際の圧縮機
の回転立上りが速くなり、それだけ過給応答性が
向上する。またこのように圧縮機が予め回転して
いるので接続時のクラツチ装置の入出力軸間の速
度差が小さくなり、したがつてクラツチ装置の耐
久性も向上する。

以下、この考案の実施例を図面に基づいて説明
する。

（実施例） 第１図において、１は内燃機関、２は吸気通
路、４は排気通路、７は内燃機関１の出力軸（こ
の場合クランク軸）、１１は排気通路４の途中に
介装された排気タービン、１２は排気タービン１
１の回転力を機関出力軸７に減速して伝達する動
力伝達装置、１３はその吐出口が加圧空気通路１
４を介して吸気通路２に接続された例えばルーツ
ブロワ等の容積型圧縮機、１５はこの圧縮機１３
に機関出力軸７の回転を無段階に変速して伝達す
る無段変速装置、１６は動力伝達装置１２からの
排気タービン１１の回転力を機関出力軸７に伝達
または遮断すると共に、機関出力軸７の回転力を
無段変速装置１５を介して圧縮機１５に伝達また
は遮断するクラツチ装置、１７は吸気通路２と加
圧空気通路１４との接続部に位置して大気側から
の空気または圧縮機１３からの加圧空気を選択的
に機関１に導入するように構成された吸気切換弁
としての三方電磁弁である。

動力伝達装置１２は、排気タービン１１の回転
軸１１Ｓに固着された比較的小径の出力側プーリ
１２Ａと、機関出力軸７の前端部（図の左方）付
近に固着された比較的大径の入力側プーリ１２Ｂ
と、これらに掛け渡されたベルト１２Ｃとからな
り、排気タービン１１の高速回転を減速しクラツ
チ装置１６を介して機関出力軸７に伝達する。こ
の場合、動力伝達装置１２の入力側プーリ１２Ｂ
を、クラツチ装置１６と無段変速装置１５の出力
側テーパコーン１５Ａとの間の回転部分に取り付
けてある。一方、無段変速装置１５は、機関出力
軸７の前端部に設けられたクラツチ装置１６を介
して回転力の供給をうける出力側のテーパコーン
１５Ａと、圧縮機１３の入力軸１３Ａに固着され
た入力側のテーパコーン１５Ｂと、これらの間に
掛け渡されたベルト１５Ｃと、各テーパコーン１
５Ａ，１５Ｂに対するベルト１５Ｃの軸方向の位
置を調節する調節機構１５Ｄなどからなる。この
場合、出力側のテーパコーン１５Ａはその小径端
を前方にして、また入力側のテーパコーン１５Ｂ
はその大径端を前方にして各々固着されており、
従つて調節機構１５Ｄを介してベルト１５Ｃを図
面上左方向へと移動させるほど減速比が大となつ
て圧縮機１３の速度が低下し、その反対に右方向
へと移動させるほど圧縮機１３は増速される。な
お、図示しないが調節機構１５Ｄは油圧シリンダ
などからなる駆動手段を介して駆動される。

上記構成における作用と制御内容は、基本的に
はこの考案の作用の項で説明したとおりである
が、制御内容については前記説明の内容に限られ
ず、機関の用途や要求特性に応じて種々に設定す
ることが可能である。ここではその一例として、
圧縮機１３の作動を制御するにあたつて機関の要
求負荷のみならず機関回転数をも検出し、これら
のパラメータによつて判別される特定の運転域で
のみ圧縮機１３を作動させるようにした制御装置
について説明する。

第２図は上記運転域を示すための機関の性能曲
線図であり、この制御では基本的には機関回転数
によらずほぼ一定の過給圧を保ち、図中斜線で示
した領域Ａでは圧縮機１３の作動を停止して自然
給気とする。すなわち、前記領域Ａはある過給圧
を保持しようとするときの圧縮機１３の所要駆動
力が排気タービン１１を介して得られる回転力よ
りも大となる運転域であり、従つてこの領域Ａに
て圧縮機１３の駆動を停止することにより駆動損
失による効率の悪化を防止することができる。

このような制御を行う制御装置の回路構成を示
したのが第３図であり、図中２０は単位時間当た
りに機関回転数に比例した数のパレスを出力する
周知の回転センサ（またはクランク角度センサ）、
３０はアクセルペダルの踏み込み量に比例した電
圧信号を供給する例えばポテンシオメータなどか
らなるアクセル位置センサである。

２１は前記回転センサ２０からのパレスを計数
して機関回転数を演算する回転数演算回路、２２
は前記回転数演算結果に基づいて機関１と圧縮機
１３との間の変速比を演算する変速比演算回路、
２３は前記変速比演算結果に基づいて無段変速装
置１５の調節機構１５Ｄを駆動する変速装置駆動
回路である。前記変速比演算回路２２は、機関１
の回転数によらずに圧縮機１３を介してほぼ一定
の過給圧が得られるような変速比を出力するよう
に構成されており、これは例えば機関回転数をパ
ラメータとして所定の変速比を与えるように予め
形成されているメモリーテーブルを検索すること
により行なわれる。なお、容積型の圧縮機１３は
その回転数によつて圧力比と流量が決まるので、
このような変速制御により容易に一定の過給圧が
得られる。

一方、３１はアクセル位置センサ３０の出力を
運転域の判定に適合する要求負荷値（または機関
軸トルク）に換算する要求負荷演算回路、３２は
この要求負荷値と上記回転数演算回路２１からの
回転数値とから機関運転域つまり機関１が領域Ａ
にて運転しているか否かを判定する運転域判定回
路、３３は前記運転域判定結果に応じて三方電磁
弁１７を駆動する電磁弁駆動回路、３４は同じく
運転域判定結果に応じてクラツチ装置１６を駆動
するクラツチ駆動回路である。

いま、運転域判定回路３２を介して機関１が領
域Ａ外の運転域に在ると判定されているとする
と、このとき電磁弁駆動回路３３は大気側を遮断
して圧縮機１３からの加圧空気通路１４と吸気通
路２とを接続する位置に三方電磁弁１７を位置決
めするとともにクラツチ駆動回路３４はクラツチ
装置１６を接続状態に保持している。この状態で
は、圧縮機１３が作動してその加圧空気が機関１
へと供給されることになるが、この運転域では圧
縮機１３の所要駆動力は排気タービン１１の出力
よりも小であるから、圧縮機１３を駆動するため
の機関１の負担がなく、従つて効率のよい運転が
行なわれる。これに対して、前記運転域から機関
１が領域Ａに入ると、これを判定した運転域判定
回路３２からの信号に基づき、電磁弁駆動回路３
３は三方電磁弁１７を大気開放位置に駆動すると
ともにクラツチ駆動回路３４はクラツチ装置１６
を切離し位置に駆動する。従つて、この状態では
圧縮機１３の作動が停止して機関１は自然給気運
転状態となり、排気タービン１１の回転力はすべ
て圧縮機１１を補助的に回転させるために使用さ
れる。

また、この状態から領域Ａ外に運転状態が移行
したときには、クラツチ装置１６が再び繋がれて
機関出力軸７と圧縮機１５及び排気タービン１１
が相互に接続された状態になるが、このとき上述
したように圧縮機１５が常時排気タービン１１の
回転力を受けてある程度回転している状態にある
ので、クラツチ装置１６を接続したときの圧縮機
１５の駆動負担が軽減すると共に圧縮機１５の回
転上昇に要する時間が短縮される。このため圧縮
機１５による過給圧の立上りが速くなり、したが
つて機関の加速応答性が向上する。また、圧縮機
１５が予め回転していることから、クラツチ装置
１６が繋がるときの機関出力軸７と圧縮機１５側
の回転速度差がそれだけ小さくなり、したがつて
クラツチ装置１６の耐久性も向上する。

ところで、デイーゼル機関ではその出力を燃料
供給量で制御しており、ガソリン機関のような吸
気絞りは行わないので、ある回転数で見れば排気
流量は負荷によらずほぼ一定である。このことか
ら、上記実施例のように排気タービン１１に常時
排気を供給する構成は一般にデイーゼル機関に好
適であるといえるが、機関の性質あるいは要求特
性によつては特定の運転域で排気タービン１１の
効率が低下したり排気抵抗となつて機関性能の低
下を招いたりする場合もある。特にガソリン機関
では負荷変動に伴つて排気流量が大幅に変化する
ので排気タービン１１とのマツチングが困難であ
ることが多い。このような場合には、第１図に示
したように排気通路４の途中に第２の三方電磁弁
４０を設け、機関１からの排気を排気タービン１
１またはこれを迂回するバイパス通路４１へと選
択的に導入するようにする。排気タービン１１が
機関排気流量との関係で排気抵抗増加等の不都合
を招来する運転状態にあつては、前記三方電磁弁
４０を切り換えて排気をバイパス通路４１へと逃
がすのである。これにより排気タービン１１での
排気抵抗発生がなくなるので機関１の総合的な効
率の悪化を回避することができる。

（考案の効果） 以上の通り、この考案では内燃機関の排気で直
接的に動力取出し用の排気タービンを駆動するよ
うにしたので排気エネルギを効率よく回収するこ
とができる。また、この排気タービンを主たる動
力源として作動する容積型の過給用圧縮機を設
け、クラツチ装置によりこの圧縮機に随時過給機
能を発揮させうる構成としたので、高負荷運転時
には圧縮機を介しての過給により高出力を確保で
きる一方、部分負荷運転時には圧縮機の作動を停
止させることにより圧縮機駆動損失を解消するこ
とができる。さらに、機関の吸気系を圧縮機側ま
たは大気側に切り換える吸気切換弁を設けたの
で、圧縮機停止時にあつては吸気系を大気側に開
放して機関を自然給気運転状態とすることができ
る。従つて、この考案によれば内燃機関を幅広く
運転域において効率良く運転することができ、あ
るいは燃費を大幅に改善することができるという
効果が得られる。

特に、この考案において排気タービンの回転力
は圧縮機へと無段変速装置を介して回転が変速さ
れて常時伝達されると共に、クラツチ装置接続後
は機関出力軸にも伝達されるため、排気が保有す
る熱エネルギの一部を動力として機関及び圧縮機
に回収することができ、圧縮機を含めたエンジン
システムとしての効率が大幅に向上するのであ
る。さらに、この考案によれば排気タービンの回
転力を常時圧縮機に伝達して、クラツチ装置が切
れている間も排気エネルギにより圧縮機をある程
度回転させるようにしたので、クラツチを接続し
て圧縮機を駆動開始する際の過給圧の立上りを速
くして加速性能の向上を図れると共に、クラツチ
接続時の入出力軸間の回転速度差を小さくしてク
ラツチ装置の耐久性を向上できるという効果も得
られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの考案の第１実施例の概略構成図、
第２図はその制御領域を示すための運転性能曲線
図、第３図は同じく実施例の制御装置の回路構成
図である。第４図は従来例の概略構成図である。 １……内燃機関、２……吸気通路、４……排気
通路、７……機関出力軸、１１……排気タービ
ン、１２……動力伝達装置、１３……圧縮機、１
５……無段変速装置、１６……クラツチ装置、１
７……三方電磁弁、２０……回転センサ、２１…
…回転数演算回路、２２……変速比演算回路、２
３……変速装置駆動回路、３１……要求負荷演算
回路、３２……運転域判定回路、３３……電磁弁
駆動回路、３４……クラツチ駆動回路。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 吸気を圧縮する容積型の圧縮機と、機関回転を
   無段階に変速して前記圧縮機に伝達する無段変速
   装置と、この無段変速装置と機関出力軸との伝達
   を断続するクラツチ装置と、機関の排気エネルギ
   に基づいて作動する排気タービンと、この排気タ
   ービンの回転力を前記クラツチ装置と無段変速装
   置とを接続する回転部分に常時伝達する動力伝達
   装置と、圧縮機からの加圧空気または大気を選択
   的に機関に導入する吸気切換弁と、機関運転状態
   に応じて無段変速装置の変速比とクラツチ装置の
   断続と吸気切換弁の位置とを制御する制御装置と
   を設けたことを特徴とするターボコンパウンド機
   関。