JPH0579811B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、一般車両用、荷役運搬機械用、建設
機械用、特車用、舶用等に使用される２サイクル
または４サイクル内燃機関に広く利用することが
できるターボコンパウンド機関に関する。

従来の技術 従来のターボコンパウンド機関は、第５図に示
したように、機関１の排気管２からの排気ガスを
排気ターボ過給機９のタービン２９へ導いてこれ
を回転駆動し、これによりこのタービン２９と同
軸上に装着されたコンプレツサ１０を駆動して機
関１への吸入空気を加圧する。加圧することによ
り昇温された吸入空気は給気冷却器３により冷却
された後、給気管４を通つて機関に過給される。
排気ターボ過給機９のタービン２９を出た排気ガ
スはタービン後流部に設けられた低圧回収タービ
ン２８に導入される。低圧回収タービン２８は減
速ギヤ列６を介して機関１のクランク軸５に機械
的に連結され、これによりタービン２９を出た排
気ガスのエネルギは有効に回収されることにな
り、機関の性能向上が計られている。

発明が解決しようとする問題点 しかしながら、上記構成のターボコンパウンド
機関には以下のような欠点がある。

(1) 回収排気エネルギ量が多い高負荷域での性能
向上は可能であるが、回収排気エネルギ量の少
ない低速域や中低負荷域では低圧回収タービン
２８を取り付けたことによる機関ポンピング損
失の増大があるなど、デメリツトが上回る性能
向上が期待できず、機関の広い速度、負荷範囲
での性能向上が困難である。

(2) 排気ガスのエネルギを低圧回収タービンで回
収するようにした従来の方法では、回収タービ
ンが低圧型のためにタービン外形が大きくな
り、しかも排気ターボ過給機と回収タービンと
の間の配管など、機関本体を計量コンパクトに
まとめることができない。

本発明は上記事情を考慮してなされたもので、
その目的は、ターボコンパウンド機関の特性を有
効に活用しながら低速域や中低負荷域の性能向上
を計り、機関本体も計量コンパクトにまとめるこ
とのできるターボコンパウンド機関を提供するこ
とにある。

問題点を解決するための手段 本発明によれば、低圧回収タービンを取り付け
ないで排気ターボ過給機を減速ギア列を介して機
関のクランク軸へ結合するようにし、減速ギア列
には、機関回転速度、負荷に応じて、機械的、電
気的、油圧的などにより断続可能なクラツチと、
排気ターボ過給機側から駆動された場合のみ接続
可能なワンウエイクラツチとを直列に挿入されて
おり、排気ターボ過給機は可変ノズル式とし、機
関回転速度、排気ターボ過給機のタービン入口排
気温度およびコプレツサ出口給気圧力、スロツト
ル開度に応じて排気ターボ過給機の可変ノズルの
調整、クラツチの断続、燃料噴射ポンプの噴射タ
イミングの制御を行ない、広い機関回転速度、負
荷範囲において、排気ターボ過給状態およびター
ボコンパウンド状態の有利な特性を引出してい
る。

実施例 第１図は本発明によるターボコンパウンド機関
の実施例を示すもので、同図において、参照符号
１は機関、２は排気管、３は給気冷却器、４は吸
気管、５は機関クランク軸、６は減速ギア列、７
はクラツチ、８はワンウエイクラツチ、９は排気
ターボ過給機、１０はコンプレツサ、１１はター
ビン動翼、１２は可変ノズル（可変静翼）、１３
は駆動リングをそれぞれ示している。

排気ターボ過給機９は機関１の排気管２の通路
内に配設されたタービン動翼１１と機関１の給気
管４への通路内に配設されたタービン動翼１１と
同軸上に装着されたコンプレツサ１０とから構成
されており、給気通路内にはコンプレツサ１０に
より加圧されて昇温された空気を冷却する給気冷
却器３が挿入されている。

排気ターボ過給機９のタービン部は、その詳細
を第２図に示したようにタービン動翼１１の外側
に可変静翼である可変ノズル１２が円周上に配置
され、この可変ノズル１２にはリンクを介して駆
動リング１３が結合され、この駆動リング１３を
制御することにより可変ノズル１２の開度を変更
させてノズル面積を変更することができる。この
ため機関回転数の低い場合にノズル面積を絞つて
排気ガスの流速を高め、排気ターボ過給機９の応
答性を向上させることができる。

排気ターボ過給機９はまた、減速ギア列６を介
して機関クランク軸５に結合されており、その減
速ギア列６には機関回転速度、負荷信号により、
機械的、電気的、油圧的などにより断続可能なク
ラツチ７が挿入されており、さらに減速ギア列６
にはクラツチ７と直列に、排気ターボ過給機９側
から駆動される場合でクラツチ７が接続されてい
る時、クランク軸５に力が伝達され、逆にクラン
ク軸５から駆動される場合にはクラツチ７が接続
されていても排気ターボ過給機９には力が伝達さ
れないというワンウエイクラツチ８が挿入されて
いる。

第３図は本発明による機関の制御系統を示す。
ここで、参照符号１４はたとえば列型噴射ポンプ
で例示した燃料噴射ポンプ、１５は噴射タイミン
グ変更アクチユエータ、１６は駆動リング駆動用
アクチユエータ、１７はクラツチ断続用アクチユ
エータ、１８はスロツトル開度センサ、１９は機
関回転速度センサ、２０はコンプレツサ出口吸気
圧力センサ、２１はタービン入口排気温度セン
サ、２２はマイクロコンピユータ、２３はクラツ
チ断続駆動回路、２４は駆動リング用アクチユエ
ータ駆動回路、２５は噴射タイミング変更アクチ
ユエータ駆動回路、２６および２７はＡ／Ｄ（ア
ナログ・デイジタル）変換器をそれぞれ示してい
る。

可変ノズル１２を駆動する駆動リング１３はリ
ンクを介してアクチユエータ１６に接続されてお
り、機関回転速度、コンプレツサ出口給気圧力、
燃料噴射量、タービン入口排気温度等に対して最
適なノズル面積が得られるよう電子制御装置であ
るマイクロコンピユータ２２により演算されて駆
動リング用アクチユエータ駆動回路２４からの制
御信号によりアクチユエータ１６が制御され、可
変ノズル開度が決定される。

排気ターボ過給機９とクランク軸５との間を結
合する減速ギア列６に挿入されたクラツチ７は、
機関１の排気ターボ過給状態とターボコンパウン
ド状態とを切換える役目を果すもので、その切換
えの判定は、機関回転速度、燃料噴射量、コンプ
レツサ出口給気圧力等に対してマイクロコンピユ
ータ２２により行なわれ、クラツチ断続駆動回路
２３からの制御信号により、クラツチ断続用アク
チユエータ１７の作用で、クラツチ７の断続が行
なわれる。なお、クラツチ７の断続を機関回転数
のみにより制御する場合は、機械的に断続が行な
える遠心式クラツチ、または機関潤滑油圧により
断続が行なえる油圧式クラツチを使用することも
できる。

機関回転速度は機関回転速度センサ１９、燃料
噴射量は燃料噴射ポンプ１４のスロツトル開度セ
ンサ１８により検出され、マイクロコンピユータ
２２に入力される。また、コンプレツサ出口給気
圧力は圧力センサ２０、タービン入口排気温度は
温度センサ２１により検出され、それぞれＡ／Ｄ
変換器２６，２７を介してマイクロコンピユータ
２２に入力される。マイクロコンピユータ２２は
予め定めた制御プログラムに従つて、ソフトウエ
アによるデイジタル演算処理を実行するもので、
中央処理装置（CPU）、ランダムアクセスメモリ
（RAM）、リードオンリーメモリ（ROM）、入出
力インターフエース回路を主要部として構成され
る。

燃料噴射ポンプ１４の噴射タイミング変更アク
チユエータ１５は機関１のターボコンパウンド状
態または排気ターボ過給状態における噴射タイミ
ングを決定するもので、それぞれの状態に対する
最適な噴射タイミングは、機関回転速度、コンプ
レツサ出口給気圧力、タービン入口排気温度、お
よび燃料噴射量を基にマイクロコンピユータ２２
により演算され、噴射タイミング変更駆動回路２
５からの制御信号により得られる。図示の例で
は、燃料噴射ポンプ１４を列型噴射ポンプで示し
ているため、噴射タイミング変更アクチユエータ
１５は、いわゆる電子式タイマに相当する。もち
ろん、燃料噴射ポンプ１４がユニツトインジエク
タ型またはユニツトポンプ型など、他の形式の場
合は、それらに相応する噴射タイミング機構が噴
射タイミング変更アクチユエータとなる。

第４図は、出力ａをターボコンパウンド状態と
排気ターボ過給状態とに切換えた場合のｂクラツ
チ、ｃワンウエイクラツチ、ｄタービン可変ノズ
ル面積、ｅ噴射ポンプ進角特性の状態を示す。

第４図において、出力特性ａの実線は排気ター
ボ過給状態での出力範囲を示し、点鎖線は高出力
化してターボコンパウンド状態に切換えた場合の
４／４負荷特性で、斜線部はターボコンパウンド状
態での出力範囲を示す。この両状態の出力特性の
切換えは、図示の如く、クラツチの接続、タービ
ン可変ノズル面積の変更、および燃料噴射ポンプ
の噴射タイミング変更を自動的に行なうことによ
り、行なわれる。

発明の効果 本発明によれば、排気ターボ過給機に可変ノズ
ル式のものを採用しかつ減速ギヤ列にクラツチお
よびワンウエイクラツチを挿入したことにより、
回収排気エネルギ量の少ない低速域や中低負荷域
で排気ターボ過給機とクランク軸との結合を解除
することに加えて排気ガスのタービン動翼への流
速を高めることでその低速域、中低負荷域での性
能向上が可能となる。しかも、低圧回収タービン
が不要なため、排気系の配管が簡素化されて機関
本体を軽量コンパクトにすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるターボコンパウンド機関
の構成を示す概要図、第２図は排気ターボ過給機
のタービン部を示す一部省略拡大図、第３図は本
発明機関の制御系統図、第４図は機関回転速度に
対する出力特性および要部の制御状態を示す図、
第５図は従来のターボコンパウンド機関の構成を
示す図である。 １……機関、２……排気管、３……給気冷却
器、４……給気管、５……クランク軸、６……減
速ギア列、７……クラツチ、８……ワンウエイク
ラツチ、９……排気ターボ過給機、１０……コン
プレツサ、１１……タービン動翼、１２……可変
ノズル、１３……駆動リング、１４……燃料噴射
ポンプ、１５……噴射タイミング変更アクチユエ
ータ、１６……駆動リング駆動用アクチユエー
タ、１７……クラツチ断続用アクチユエータ、１
８……スロツトル開度センサ、１９……機関回転
速度センサ、２０……圧力センサ、２１……温度
センサ、２２……マイクロコンピユータ、２３，
２４，２５……駆動回路、２６，２７……Ａ／Ｄ
変換器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 内燃機関の排気エネルギを給気の過給に利用
   すると共に機械的に回収するよう構成したターボ
   コンパウンド機関において、排ガス導入口のター
   ビンノズル面積を可変できる可変ノズル式排気タ
   ーボ過給機と、この排気ターボ過給機の回転軸を
   機関のクランク軸へ連結する減速ギア列と、この
   減速ギア列に介装されて前記クランク軸への動力
   伝達を断続させるクラツチと、このクラツチと直
   列に接続されて前記クランク軸への動力伝達のみ
   が可能なワンウエイクラツチと、燃料噴射ポンプ
   と、機関回転速度、排気ターボ過給機のタービン
   入口排気温度およびコンプレツサ出口給気圧力、
   およびスロツトル開度を検出して前記排気ターボ
   過給機の可変ノズル、前記クラツチ、および前記
   燃料噴射ポンプの噴射タイミングを制御する制御
   装置とを具備してなるターボコンパウンド機関。