JPH0612069B2 - Turbo compound engine - Google Patents

Turbo compound engine

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JPH0612069B2
JPH0612069B2 JP15883584A JP15883584A JPH0612069B2 JP H0612069 B2 JPH0612069 B2 JP H0612069B2 JP 15883584 A JP15883584 A JP 15883584A JP 15883584 A JP15883584 A JP 15883584A JP H0612069 B2 JPH0612069 B2 JP H0612069B2
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engine
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順彦 保田
明 沼田
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三菱重工業株式会社
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    • F02B41/02Engines with prolonged expansion
    • F02B41/10Engines with prolonged expansion in exhaust turbines
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    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
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    • Y02T10/16Energy recuperation from low temperature heat sources of the ICE to produce additional power
    • Y02T10/163Turbocompound engines

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、高速高負荷域ではターボコンパウンド機関として運転し、それ以外の中,低速度負荷域ではターボ過給機関として運転する電子制御ターボコンパウンド機関に関する。 DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention [relates] is operated as a turbocompound engine with a high-speed high-load region, among others, the electronic control Turbo at low speed load range of operating as a turbocharged engine on the compound institutions.

〔従来の技術〕 [Prior art]

第5図は従来公知のターボコンパウンド機関の一例を示す。 Figure 5 shows an example of a known turbocompound engine. 本図に示す如く機関1の排気管2よりの排気ガスは排気ターボチャージャのタービン9に導かれ、該タービン9の作動によってコンプレッサ8を駆動し、吸入空気を加圧する。 Exhaust gas from the exhaust pipe 2 of the engine 1 as shown in the figure is directed to an exhaust turbocharger turbine 9, and drives the compressor 8 by the operation of the turbine 9, pressurizing the intake air. 加圧されて温度上昇した給気は給気冷却器(インタークーラ)3により冷却された後、吸気管4を通って機関1に過給される。 After pressurized and temperature increase supply air is cooled by the charge air cooler (intercooler) 3, it is supercharged to the engine 1 through the intake pipe 4. 通常の過給機関では排気ターボチャージャのタービン9を出た排気ガスのエネルギは大気中に廃棄されるが、ターボコンパウンド機関ではタービン後流部に回収タービン7を設け、この回収タービン7を減速ギヤ列6を介して機関1のクランク軸5に機械的に結合する事により、排気ターボチャージャのタービン9出口排気エネルギを回収タービン7により有効に回収して、機関の性能向上、効率向上を計ろうとするものである。 Although the conventional supercharged engine energy of the exhaust gas leaving the exhaust gas turbocharger turbine 9 is discarded into the atmosphere, the recovery turbine 7 to the turbine downstream portion provided in turbocompound engine deceleration the recovery turbine 7 gear by mechanically coupled to the crankshaft 5 of the engine 1 through the row 6, and effectively recovered by the recovery turbine 7 the turbine 9 outlet exhaust energy of an exhaust turbocharger, the performance improvement of the engine, and it Hakaro the efficiency it is intended to.

〔発明が解決しようとする課題〕 [Problems that the Invention is to Solve]

ところが前記従来のものにおいては、回収エネルギ量の多い高速高負荷域での性能向上は期待できるが、回収排気エネルギ量の少ないそれ以外の運転域では、回収タービン7を取り付ける事による機関側のポンピング損失増大などのディメリットが回収タービン7の取付によるメリットを上まわり性能向上が期待できず、機関の広い速度範囲、広い負荷範囲での性能向上が困難である(第6 However the in the prior art, although the performance improvement in many high-speed high-load region of the recovery amount of energy can be expected, in the operation range of the other low recovery exhaust energy amount, the engine side of the pumping by attaching a recovery turbine 7 demerit can not be expected on around performance improvement the benefits of attaching a recovery turbine 7, a wide speed range of the engine, such as a loss increase, it is difficult to improve the performance of a wide load range (sixth
図参照)。 See figure).

本発明の目的は、前記問題点を解消し、前記ターボコンパウンド機関において広い機関回転速度範囲、負荷範囲で使用される車両用機関としても利用できるよう高速高負荷のみならず、中,低速域を含むそれ以外のすべての運転域での性能向上をも図ったターボコンパウンド機関を提供するにある。 An object of the present invention is to solve the above problems, a wide engine speed range in the turbocompound engine, also not only high-speed high-load that can be used as a vehicle engine to be used in load range, in the low speed range including to provide a turbocompound engine which aimed also to improve the performance in all operating ranges otherwise.

〔課題を解決するための手段,作用〕 [Means for Solving the Problems, action!

本発明に係るターボコンパウンド機関は、高速高負荷域におけるターボコンパウンド機関としての高性能特性を有効に活用し、それ以外の運転域での性能低下を防止するため、次のような構成をそなえ、作用となすことを特徴とするものである (1)排気ターボチャージャのタービン入口ノズル面積をコントローラからの制御信号により変更できる可変ノズルとするとともに、排気ターボチャージャのタービン出口と回収タービン入口の間に、コントローラからの制御信号により開閉可能な排気バイパス弁を設けさらに、これら可変ノズルタービン及び排気バイパス弁を前記コントローラからの制御信号により噴射タイミングを変更する噴射タイミング変更駆動回路と組合せた。 Turbocompound engine according to the present invention is to utilize effectively the high performance characteristics of the turbocompound engine in a high-speed high-load region, in order to prevent performance degradation in other operation range of, it includes the following structure, with the variable nozzle can be changed by the control signal is characterized in action and Nasukoto the (1) the turbine inlet nozzle area of ​​the exhaust turbocharger from the controller, between the turbine outlet and recovery turbine inlet of the exhaust turbocharger further provided an openable and closable exhaust bypass valve by a control signal from the controller, in combination with the injection timing changing drive circuit for changing the injection timing by a control signal these variable nozzle turbine and exhaust bypass valve from the controller.

(2)(1)の組合せにより、ターボコンパウンド機関として有利な特性を引き出すことのできる高速高負荷域にいおいては、排気ターボチャージャのタービン出口と回収タービンとの間に設けた排気バイパス弁を閉じてターボコンパウンド機関として運転し、排気ターボチャージャのタービンノズル面積を開きターボコンパウンド機関として最適な開度に可変ノズル面積を設定するとともに燃料噴射タイミングを遅延させ、ターボコンパウンド運転時の最適噴射タイミングを得る。 (2) (1) by a combination of, the at high speed and high load region Nii can be drawn advantageous properties as turbocompound engine, the exhaust bypass valve disposed between the turbine outlet of the exhaust turbocharger and recovery turbine the closed operating as turbocompound engine, it sets a variable nozzle area to the optimum degree as turbocompound engine opens a turbine nozzle area of ​​the exhaust turbocharger delaying the fuel injection timing, the optimum injection timing in turbocompound operating obtained. さらにそれ以外の運転域即ち中,低速域のように、通常の排気タービン過給仕様とした方が、より良い機関性能を期待できる速度負荷範囲において、回収タービンによる背圧を低減するため前記排気バイパス弁を開くとともにタービンの可変ノズルを絞り、その速度、負荷に応じて最適なタービンノズル面積となるように可変ノズル面積を設定し、さらに噴射タイミングを遅延させない状態で運転する。 Further in operation range i.e. the other, like a low-speed range, better to an ordinary turbocharger specification, the speed load range can be expected better engine performance, the exhaust in order to reduce the back pressure caused by recovery turbine squeezing a variable nozzle turbine with opening the bypass valve, its speed, and sets the variable nozzle area for optimum turbine nozzle area according to the load, further operating in a state which does not delay the injection timing.

(3)前記(1)、(2)により、同一機関でも、排気バイパス弁の開閉によりターボコンパウンド機関仕様及び排気タービン過給仕様とに切り換えでき、しかもターボチャージャのタービンノズル面積も可変として噴射タイミング変更駆動回路と組合わせて、それぞれの運転状態に応じ有利な条件になるようコントローラからの制御信号により自動的にそれらの切り換えを行なうことにより、広い機関速度範囲、機関負荷範囲において両仕様の有利な特性を引き出し、広範囲の回転及び負荷条件において性能向上をはかる。 (3) the (1), (2), even in the same engine, by opening and closing the exhaust bypass valve can switched between turbocompound engine specifications and turbocharger design, yet the injection timing as well the variable turbine nozzle area of ​​the turbocharger in combination with changing the driving circuit, by automatically performing their switching by a control signal from the controller so as to be advantageous conditions depending on each operating condition, a wide engine speed range, advantageously both specifications in the engine load range Pull the characteristics, improving the performance in a wide range of rotation and load conditions.

〔実施例〕 〔Example〕

以下第1〜4図を参照して本発明の一実施例について説明する。 Referring first to fourth following drawings illustrating an embodiment of the present invention.

ここにおいて、前記従来装置と同一もしくは均等構成部分には、同一符号を用いて説明する。 Here, wherein the conventional apparatus and the same or equivalent components will be described using the same reference numerals.

第2図は本発明の主要部即ちターボコンパウンド部分の概略構造図を示し、その特徴を成す可変ノズル10が円周上に配置され、この可変ノズル開度を適宜変更させる駆動リング11がリンクを介して前記可変ノズル10と結合されており、駆動リング11を制御信号により駆動する事により可変ノズル10のノズル面積を変更することが出来る。 Figure 2 shows a schematic structural diagram of a main portion, that turbocompound portion of the present invention, the variable nozzle 10 is arranged on the circumference forming its features, drive ring 11 to change the variable nozzle opening suitably has a link through being coupled to the variable nozzle 10 can change the nozzle area of ​​the variable nozzle 10 by driving the control signal to the drive ring 11. 又タービン出口と回収タービン7の入口間には制御信号により開閉可能な排気バイパス弁12が設けられている。 Further Between the inlet of the turbine outlet and the recovery turbine 7 open exhaust bypass valve 12 is provided by the control signal.

その他の構成は第5図と同様で、機関1、排気管2、給気冷却器3、給気管4、クランク軸5、減速ギヤ列6、 Other configurations are the same as in FIG. 5, the engine 1, the exhaust pipe 2, the charge air cooler 3, the air supply pipe 4, the crankshaft 5, the reduction gear train 6,
排気ターボチャージャーのコンプレッサ8等を備えている。 It is equipped with a compressor 8, and the like of the exhaust turbocharger.

第3図は可変ノズル部10の詳細図で、ノズル10の実線はターボコンパウンド仕様時、2点鎖線は排気ターボ過給仕様時のノズル開度を示す。 Figure 3 is a detailed view of the variable nozzle section 10, a solid line when turbocompound specifications of the nozzle 10, the two-dot chain line shows the nozzle opening during the exhaust turbo supercharger specification.

第1図は、本発明に係るターボコンパウンド機関の制御システムのブロック図である。 Figure 1 is a block diagram of a control system of the turbocompound engine according to the present invention. 本図では、燃料噴射ポンプ13を列型噴射ポンプで図示しているが、ユニットインジェクタ型であっても基本構成には変りはない。 In this figure, the fuel injection pump 13 are shown in the column-type injection pump, not changed to be the basic structure a unit injector type. 図において、アクチュエータ駆動回路22には、機関回転速度、コンプレッサ出口給気圧力、燃料噴射量に対する最適なノズル面積の制御信号がコントローラ20により演算されて入力される。 In the figure, the actuator driving circuit 22, the engine speed, compressor outlet air supply pressure, control signal optimum nozzle area for the fuel injection quantity is input is calculated by the controller 20. そして、アクチュエータ駆動回路22は、この最適ノズル面積の制御信号を受けて可変ノズルアクチュエータ15に可変ノズル10の操作信号を送り、可変ノズル10を最適ノズル面積になるように駆動する。 Then, the actuator driving circuit 22 sends an operation signal of the variable nozzle 10 to the variable nozzle actuator 15 receives a control signal of the optimum nozzle area, is driven to the variable nozzle 10 to the optimum nozzle area.

排気バイパス弁12は機関のターボコンパウンド仕様、 Turbo compound specification of the exhaust bypass valve 12 institutions,
排気ターボ過給仕様を切り換える役目を果たすもので、 Those that serve to switch the exhaust turbo supercharger specification,
機関回転数速度、コンプレッサ出口給気圧力、燃料噴射量に対して両仕様の判定がコントローラ20により行われ、排気バイパス弁開閉駆動回路23からの制御信号により電磁弁等により構成される排気バイパス弁開閉アクチュエータ16を介して前記排気バイパス弁12の開閉を行う。 Engine rpm speeds, the compressor outlet air supply pressure, the determination of both specifications to the fuel injection amount performed by the controller 20, the exhaust bypass valve constituted by a solenoid valve or the like by the control signal from the exhaust bypass valve opening and closing circuit 23 for opening and closing of the exhaust bypass valve 12 via an on-off actuator 16.

機関回転速度は機関回転速度センサ18、燃料噴射量は燃料噴射ポンプ13のスロットル開度センサ17により検出されコントローラ20に入力される。 Engine rotational speed is the engine rotational speed sensor 18, the fuel injection quantity is input to the controller 20 detected by the throttle opening sensor 17 of the fuel injection pump 13. コンプレッサ出口給気圧力は圧力センサ19により検出されA/D変換器24を介してコントローラ20に入力される。 Compressor outlet air supply pressure is input to the controller 20 via the by A / D converter 24 detected by the pressure sensor 19.

コントローラ20は予め定められた制御プログラムに従ってソフトウエアによるディジタル演算処理を実行するもので、CPU、ROM、RAM、I/O回路部等を主要部として構成されている。 The controller 20 is intended to perform a digital calculation processing by software in accordance with a predetermined control program, CPU, ROM, RAM, and is configured as a main unit an I / O circuit section and the like.

第1図に示す燃料噴射ポンプ13の噴射タイミング変更アクチュエータ14はターボコンパウンド仕様、排気ターボ過給仕様、それぞれに対して最適な噴射タイミングが得られるように、機関回転速度、コンプレッサ出口給気圧力、燃料噴射量に対してコントローラ20により演算された演算結果に基づく噴射タイミング変更駆動回路21からの制御信号により噴射タイミングを決定する。 Injection timing changing actuator 14 turbocompound specifications of the fuel injection pump 13 shown in FIG. 1, the exhaust turbo supercharger specifications, for optimal injection timing for each to obtain the engine speed, compressor outlet air supply pressure, the control signal from the injection timing changing drive circuit 21 based on the calculated operation result by the controller 20 to the fuel injection amount determining injection timing.
排気ターボ過給仕様からターボコンパウンド仕様へ切り換えた場合噴射は、タイミングを遅延させることにより最適タイミングとする事が出来る。 When switched to the turbocompound specifications from the exhaust turbo supercharger specifications injection, it is possible to optimize timing by delaying the timing.

尚、第1図に図示している例では、燃料噴射ポンプ13 Incidentally, in the embodiment illustrated in FIG. 1, the fuel injection pump 13
は列型噴射ポンプで示している為噴射タイミング変更アクチュエータ14はいわゆる電子タイマに相当するが、 Although the injection timing changing actuator 14 because it is indicated in the column-type injection pump corresponding to a so-called electronic timer,
燃料噴射ポンプ13がユニットインジェクタ型である場合、それに対応する噴射タイミング変更機構であればよく、本図に示す基本構造と変らない。 If the fuel injection pump 13 is a unit injector type may be any injection timing changing mechanism corresponding thereto, unchanged the basic structure shown in the figure.

第4図はターボコンパウンド仕様及び排気ターボ過給仕様を切り換えた場合で、(a)はタービン可変ノズル面積、(b)は噴射ポンプ進角特性、(c)は排気バイパス弁の開閉状態、(d)は出力特性を示す。 In Figure 4 when switching the turbocompound specifications and exhaust turbo supercharger specification, (a) shows the turbine variable nozzle area, (b) the advance angle characteristic injection pump, (c) is open or closed state of the exhaust bypass valve, ( d) represents the output characteristics. 各図において、実線及び一点鎖線は排気ターボ過給仕様を示し、点線はさらに高出力化してターボコンパウンド仕様に切り換えた場合を示す。 In each figure, the chain line solid line and one-dot represents the exhaust turbo supercharger specification, a dotted line shows a case where switching to turbocompound specification further higher output. また第4図(d)において上部の斜線はターボコンパウンド仕様での出力範囲を示す。 The shaded upper in Fig. 4 (d) are shown the output range in the turbocompound specification. ターボコンパウンド仕様への出力特性の切り換えは、図示の如く排気バイパス弁を閉鎖し、噴射ポンプ噴射タイミングを遅延し、タービン可変ノズル面積を開くことによって行われる。 Switching of the output characteristics of the turbocompound specification, closes the exhaust bypass valve as shown, by delaying the injection pump injection timing, it is performed by opening the turbine variable nozzle area.

〔発明の効果〕 〔Effect of the invention〕

前述のとおり、本発明に係るターボコンパウンド機関は、高速高負荷域ではターボコパウンド機関として運転するため、可変のタービンノズルのノズル面積を開くとともに噴射タイミングを遅延させて回収タービンでの排気エネルギの回収増大をはかり、その他の中,低速運転域では排気バイパス弁を開いて、通常の排気タービン仕様とするとともに、可変のタービンノズルを絞りターボチャージャのタービン特性を排気ターボ過給エンジン向きとするとともに噴射タイミングを遅延なしの通常噴射タイミングとし、これらはエンジン回転速度センサ、コンプレッサ出口給気圧力センサ、スロットル開度センサ等、エンジンの運転状態を検出するセンサよりの信号を介して燃料噴射ポンプの最適噴射タイミングとともに自動的に制御できるよ As described above, turbocompound engine according to the present invention, in a high-speed high-load region for operating as a turbo co pound engine, the exhaust energy of the recovery turbine by delaying the injection timing with opening the nozzle area of ​​the variable turbine nozzle weighed recovery enhancing, among other, in the low-speed operational range by opening the exhaust bypass valve, with the conventional exhaust gas turbine specifications, the turbine characteristics of the turbocharger throttle the variable turbine nozzle with a exhaust turbo supercharger engines facing the injection timing and the normal injection timing without delay, these engine speed sensor, a compressor exit air supply pressure sensor, a throttle opening degree sensor, the fuel injection pump via signals from sensors for detecting an operating condition of the engine optimum It can be automatically controlled with injection timing にしたので、広い回転速度範囲、 Since in a wide speed range,
負荷範囲で使用される車両用エンジンとしても適した高性能のターボコンパウンドエンジンを提供することができる。 It is possible to provide a high-performance turbocompound engine also suitable as a vehicle engine to be used in load range.

【図面の簡単な説明】 BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

第1図は本発明のターボコンパウンド機関の制御システム図、第2図は本発明の具体的構成図、第3図は可変ノズルの詳細図、第4図はターボコンパウンド仕様及び排気ターボ過給仕様に切り換えた場合のエンジンrpmに対し(a)はタービンノズル面積、(b)は燃料噴射ポンプ進角特性、(c)は排気バイパス弁の開閉、(d)は4/4出力の変化状況を示す線図である。 Control system diagram of turbocompound engine of FIG. 1 according to the present invention, Figure 2 is a specific configuration diagram of the present invention, FIG. 3 is detailed view of the variable nozzle, Figure 4 is turbocompound specification and the exhaust turbo supercharger Specifications (a) a turbine nozzle area to the engine rpm when switched to, (b) a fuel injection pump advance characteristics, (c) opening and closing of the exhaust bypass valve, (d) is the change status of the 4/4 output it is a diagram showing. 第5〜6図は従来例で、 In the 5-6 FIG conventional example,
第5図は従来のターボコンパウンド機関の構成図、第6 Figure 5 is block diagram of a conventional turbocompound engine, the sixth
図は排気ターボ過給運転とターボコンパウンド運転のトルクの比較線図である。 Figure is a comparative diagram of the torque of the exhaust turbocharger operation and turbocompound operation. 7……回収タービン、9……ターボチャージャのタービン、10……可変ノズル、12……排気バイパス弁、1 7 ...... recovery turbine, 9 ...... turbocharger turbine, 10 ...... variable nozzle, 12 ...... exhaust bypass valve, 1
5……(可変ノズル)アクチュエータ、16……(排気バイパス弁)アクチュエータ、17……スロットル開度センサ、18……回転速度センサ、19……給気圧力センサ、20……コントローラ、21……噴射タイミング変更駆動回路、22……可変ノズルアクチュエータ駆動回路、23……排気バイパス弁アクチュエータ駆動回路。 5 ...... (variable nozzle) actuator, 16 ... (exhaust bypass valve) actuator, 17 ... throttle opening degree sensor, 18 ... rotational speed sensor, 19 ... boost pressure sensor, 20 ... controller, 21 ... injection timing changing drive circuit, 22 ...... variable nozzle actuator driving circuit, 23 ...... exhaust bypass valve actuator drive circuit.

Claims (1)

    【特許請求の範囲】 [The claims]
  1. 【請求項1】排気ターボチャージャのタービン翼の排気ガス入口部に設けられガスの流路面積及び流出角を変更できる可変ノズルと、前記排気ターボチャージャのタービン出口と回収タービンの入口とを接続する排気通路に設けられ、該排気通路を開閉する排気バイパス弁と、アクチュエータを介して前記可変ノズルのノズル面積の変更を行わせる可変ノズルアクチュエータ駆動回路と、アクチュエータを介して前記排気バイパス弁の開閉を行わせる排気バイパス弁アクチュエータ駆動回路と、アクチュエータを介して燃料噴射ポンプの噴射タイミングを調整する噴射タイミング変更駆動回路と、エンジン回転速度センサ、給気圧センサ、スロットル開度センサ等のエンジン運転状態検出センサよりの信号を受けて演算を行い前記可変ノズル 1. A connecting the variable nozzle capable of changing the flow passage area and the outlet angle of the gas provided in an exhaust gas inlet portion of the exhaust turbocharger turbine blade, the inlet of the recovery turbine and the turbine outlet of the exhaust turbocharger provided in an exhaust passage, an exhaust bypass valve for opening and closing the exhaust passage, a variable nozzle actuator driving circuit for causing the change of the nozzle area of ​​the variable nozzle through an actuator, the opening and closing of the exhaust bypass valve via an actuator an exhaust bypass valve actuator drive circuit to perform a injection timing changing drive circuit for adjusting the injection timing of the fuel injection pump via an actuator, an engine rotational speed sensor, boost pressure sensor, engine operating condition detecting sensors such as a throttle opening sensor the variable nozzle performs calculation receive more signals クチュエータ駆動回路、排気バイパス弁アクチュエータ駆動回路及び噴射タイミング変更駆動回路に出力して、機関の運転状態に対し最適な可変ノズル開度及び排気バイパス弁の切り換えを行わせるとともに前記運転状態に対し最適な噴射タイミングを設定するコントローラとを有してなり、高負荷、高速回転時にはタービン可変ノズル面積を開き前記排気バイパス弁を閉じるとともに噴射タイミングを遅延させてターボコンパウンドエンジンとして運転し、前記以外の運転状態時には前記可変ノズルを絞るとともに前記排気バイパス弁を開くとともに前記噴射タイミングの遅延を解除して排気ターボ過給エンジンとして運転するように構成したことを特徴とするターボコンパウンド機関。 Actuator drive circuit, and outputs the exhaust bypass valve actuator drive circuit and the injection timing changing drive circuit, optimal with respect to the operating conditions with to perform switching of the optimal variable nozzle opening and the exhaust bypass valve to the operating state of the engine it has a controller for setting an injection timing, a high load, at the time of high speed rotation by delaying the injection timing is closed the exhaust bypass valve to open the turbine variable nozzle area and operated as a turbocompound engine, the operating state other than the sometimes turbocompound engine, characterized by being configured to operate as a release to exhaust turbo supercharged engine delay of the injection timing is opened the exhaust bypass valve with throttling the variable nozzle.
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