JPH0637854B2 - タ−ボコンパウンドエンジン - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は排気ガスのエネルギをタービン及びパワータ
ービンの膨脹仕事として回収し、回収エネルギをクラン
ク軸等の駆動軸の回転エネルギとして使用するターボコ
ンパウンドエンジンに係り、特にパワータービンを逆転
させてエンジンブレーキ力が得られるように構成したタ
ーボコンパウンドエンジンに関する。

［従来の技術］ 一般に過給器を備えたエンジンは、このエンジンより排
気量の大きい無過給エンジンに比較し、燃費性能が良
い、出力性能が同等以上である、エンジンが軽量コ
ンパクトである、等の優れた長所をもっている。この長
所を更に押し進めたものにターボコンパウンドエンジン
がある。このターボコンパウンドエンジンは、エンジン
からの排気ガスエネルギをまずターボ過給機の過給仕事
として回収し、次いでそのターボ過給機から排出される
排気ガスをパワータービンの断熱膨脹仕事として回収す
るようにしたものである。これによってエンジンの出力
性能，燃費性能，ゲインを総合的に向上させることがで
きる。ところでターボコンパウンドエンジンの総合性能
を更に向上させるためにはターボ過給機の膨脹比及びパ
ワータービンの膨脹比を上げて過給圧をさらに高め、有
用性を高めることができるが、しかし、出力性能の増加
に見あうエンジンブレーキ力（排気ブレーキ力）の確保
が課題として残されている。

つまり、過給圧値を高めることによって相対的エンジン
ブレーキ力は小さくなり、この分だけ主ブレーキ（フッ
トブレーキ）操作が必要となるからである。エンジンブ
レーキ力の確保は車両の操作性はもとより、車両の安全
走行上必要不可欠な要素（一般的にエンジンブレーキ力
は定格出力の略60％以上を要求される。）であり、ター
ボコンパウンドエンジンの長所を生かすためにも重要な
課題となる。

そこで、本出願人は先に「ターボコンパウンドエンジ
ン」の提案（特願昭 61-228107号）を行っていた。

この提案は第６図に示されるように排気ガスエネルギを
回収するパワータービンａを排気通路に介設すると共
に、このタービンａより上流の排気通路b2にそのタービ
ンａを迂回する液体通路ｃを接続し、排気ブレーキ作動
時で且つ上記タービンａにクランク軸ｄから駆動力が伝
達されたときに流体通路ｃ上流の排気通路b1を閉成し、
その流体通路ｃを開成する流路切換手段ｅとを設けてタ
ーボコンパウンドエンジンを構成していた。

このように構成すると、通常運転時でのパワータービン
はエンジンからの排気ガスエネルギを回収する。この回
収エネルギは機関の駆動エネルギとして再利用される。

排気ブレーキ時でクラッチの接続時には、流路切換手段
ｅによって、流体通路ｃの上流側の排気通路b1が閉じら
れ、且つそのパワータービン直上流の排気通路b2と流体
通路ｃとが絞って開成される。これによって本来エネル
ギ回収用のパワータービンａにクランク軸の回転がギヤ
トレーンにより逆転されて伝達される。このためパワー
タービンａは、これより下流側の排気通路b1から空気を
採り込んで流体通路ｃへ圧送する負の仕事即ちポンプ仕
事を行なう。したがって排気ブレーキ時にはエンジンの
モータフリクション、ポンプ仕事（負の仕事）と排気ブ
レーキが加算された大きなエンジンブレーキ力を作り出
すことができる。

［発明が解決しようとする問題点］ しかし、クラッチでパワータービンを正転から逆転へ、
逆転から正転に切換えることは、このときに発生するエ
ネルギをクラッチの滑りとして吸収できることが条件に
なる。

ところが、クラッチを滑らせることは、クラッチが発熱
してクラッチ板を異常摩耗させて能力を低下させたりす
る他、根本的に回転方向を切換えるときに発生する大き
なエネルギを一度にクラッチで吸収するには限界があ
る。

またクラッチで緩く接続したとしても、 車両のタイヤが一時的にスキッドし、タイヤのスリッ
プを発生させる。

スキッド時の反駆動力が、車両の駆動系に極大な負荷
として加えられる。

タイヤの異常摩耗が発生する。

等の諸問題が起る確率が高く、問題点となっていた。

［問題点を解決するための手段］ この発明の上記問題点を解決することを目的とし、パワ
タービンの回転力をクランク軸に戻すべくクランク軸と
パワタービンとを連結するギヤトレーンと、クランク軸
にそのギヤトレーンのギヤとは別に設けられた伝達歯車
と、上記ギヤトレーンにパワタービンからクランク軸に
回転力が伝わるように介設された歯車機構であって、そ
の内歯歯車外周に上記伝達歯車に無段階変速機を介して
接続される差動歯車を有する差動遊星歯車機構と、上記
無段階変速機を制御して内歯歯車の回転数を調節するコ
ントローラであって通常運転時はパワータービンからク
ランク軸に回転力が伝えられるように内歯歯車の回転数
を調節し、車両制動時にはクランク軸からパワータービ
ンに回転力が伝えられるように内歯歯車の回転数を調節
するコントローラとを備えたものである。

［作用］ パワタービンの回転力がクランク軸に伝えられ動力が回
収される。車両制動時には、クランク軸の回転力がパワ
タービンに伝えられ、エンジンが制動される。

［実施例］ 以下に、この発明のターボコンパウンドエンジンの好適
一実施例を添付図面に基づいて説明する。

第１図に示される１はエンジン、２は吸気マニホール
ド、３は排気マニホールドである。

図示されるように排気マニホールド３には排気通路４ａ
が接続され、吸気マニホールド２には吸気通路５が接続
されている。

この排気通路４ａには、排気通路４ａの途中にターボ過
給機10のタービン10ａが介設され、そのターボ過給機10
のコンプレッサ10ｂは吸気通路５の途中に介設される。
ターボ過給機10の下流側の排気通路４ｂには排気ガスエ
ネルギを回収するパワータービン12が介設される。

ところで、エンジン１の出力性能に応じたエンジンブレ
ーキ力を確保するためにはクランク軸15に直接または間
接的に回転を阻止する抵抗を加え、クランク軸15に大き
な負の仕事を行わせることが有効である。

このため、この発明のターボコンパウンドエンジンでは
排気ブレーキの作動時にパワータービン12を逆転させ
て、パワータービン12に大きな負の仕事を行わせるよう
に構成してある。

第１図に示すように、パワータービン12とターボ過給機
10のタービン10ａとの間の排気通路４ｂには、これに一
端が接続された他端がパワータービン12より下流側の排
気通路４ｃに接続された流体通路25を形成し、この流体
通路25のパワータービン12より上流側の接続部に流路切
換手段30を設けている。

この実施例にあって流路切換手段30は第１図及び第２
図，第３図に示されるように上記接続部に設けられた切
換弁としてのロータリーバルブ31と、このロータリーバ
ルブ31を動作する駆動装置32とから構成される。ロータ
リーバルブ31は第３図，第４図にも示されるようにケー
シング31ａ内に回動自在なロータ31ｂを収容し、このロ
ータ31ｂに２つの第１ポートＡ，第２ポートＢを形成し
て構成される。一方の第１ポートＡのポート直径ｄ_１は
排気通路４ｄの通路直径ｄ_０に等しく、他方の第２ポー
トＢのポート直径ｄ_２は流体通路25の通路直径ｄ_３より
小さく形成される。

一方、ケーシング31ａには、排気通路４ｂの一部となる
通口31ｃが開口されている。各第１ポートＡ，第２ポー
トＢの回転位置関係は、排気通路４ｂと第１ポートＡが
接続されたときには排気通路４ｂと流体通路25との接続
が断たれるような関係に設定される。

このロータリーバルブ31を切換制御する駆動装置32は以
下のように構成される。

第１図，第２図及び第３図に示されるように、ロータ31
ｂにはこれに一端が固定されたレバ部材35が接続されて
おり、この排気通路４ｂの径方向外方へ延出されたレバ
部材35の自由端には、アクチュエータ34の動作ロッド33
が接続される。

第１図に示す36は、流体供給装置で、この流体供給装置
36と上記アクチュエータ34の動作室37とは、流体送給通
路39によって結ばれており、この液体送給通路39の途中
には通電されたときに上記動作室37と流体送給通路39を
連通状態にする電磁弁40が介設される。この電磁弁40は
エンジン１のニュートラルセンサスイッチ41，クラッチ
作動スイッチ42，そして排気ブレーキスイッチ43の全ス
イッチがＯＮ作動時に通電されるようになっている。45
はバッテリーなどの直流電流である。

次に、パワータービン12とクランク軸15とを連結するギ
ヤトレーンについて説明する。

第１図に示されるように、パワータービン12のタービン
軸13の出力端13ａには出力歯車16が一体的に設けられて
おり、この出力歯車16には遊星歯車17ａ，17ｂが噛合さ
れている。それら遊星歯車17ａ，17ｂは流体継手21の入
力ポンプ車21ａと一体になって回転する環状歯車18に噛
合されている。

即ち、出力歯車16は遊星歯車17ａ，17ｂ及び環状歯車18
から成る遊星歯車機構19により流体継手21に接続され、
パワータービン12からの回転力を液体継手21の出力ポン
プ車21ｂに伝達するように構成されている。ここで遊星
歯車機構19を設けたのは、遊星歯車機構19が大きな減速
比をもつこと、伝達効率がよいことからである。出力ポ
ンプ車21ｂには、この出力ポンプ車21ｂと一体になって
回転する入出力歯車20が固着されている。

一方、クランク軸15には、第１クランク軸歯車23、及び
第２クランク軸歯車24が一体に設けられる。

さて、クランク軸15と入出力歯車20とを接続する差動遊
星歯車機構46を第１図に基づいて説明する。

この実施例にあっては差動遊星歯車機構46は伝動軸の一
端に、上記第１クランク軸歯車23にアイドルギヤ26を介
して噛合する第１伝達歯車47を一体に有すると共に、他
端に、その第１伝達歯車47より歯数Ｚの大きい太陽歯車
48を一体に有した太陽歯車軸49と、この太陽歯車48に噛
合する複数の遊星歯車50と、これら遊星歯車50を回転支
持して自転を許すと共に、これら遊星歯車50を太陽歯車
48の回りを公転運動させるキャリア51と、このキャリア
51の軸芯に一端が接続されて他端に上記入出力歯車20に
噛合する第２伝達歯車52を一体に有したキャリア軸53
と、上記太陽歯車48を円周方向に沿って包囲し、且つ上
記複数の遊星歯車50に噛合する内歯54を有する内歯歯車
55と、太陽歯車軸49を包囲してその太陽歯車軸49に回転
支持されると共に、一端が内歯歯車55に固定された差動
歯車軸56と、この差動歯車軸56の他端に、一体的に設け
られた差動歯車57とから構成してある。つまり、差動歯
車57に与える伝達回転数を変化させると、太陽歯車48が
相対的に固定されたり、正転・逆転されたりするように
なる。

この太陽歯車48の制御を行なうために無断階変速機構90
とこの無断階変速機構90を制御するコントローラ62が設
けられる。無断階変速機構90は、相互に対抗する二つの
円錐形の摩擦車91a,91b と、これら摩擦車91a,91b の円
周面に掛け渡される二つの接点を有し、一方から他方の
摩擦車へ回転駆動力を伝達するアイドラ92a,92b と、こ
れらアイドラ92a,92b の摩擦伝動点を移動させ、ピッチ
径（摩擦車に対しての）を無断階に変えるリンク機構93
と、このリンク機構93を動作する駆動装置94と、一方の
摩擦車91ａに固定されて上記差動歯車57に噛合する出力
側の変速歯車95と、他方の摩擦車91ｂに固定されて上記
第２クランク軸歯車24に噛合する入力側の変速歯車96と
から構成してある。

駆動装置94はこの実施例にあってはステップモータを採
用している。

62は、駆動装置94を制御するコントローラで、このコン
トローラ62の入力部にはエンジン回転数、車速、積載
量、排気ブレーキ信号、アクセル信号、クラッチ信号、
経過時間信号等が入力されるように構成してあると共
に、これらの入力値から排気ブレーキ時、通常運転時を
判断すると同時に、これら入力値を演算して上記差動遊
星歯車機構46を最適に駆動するように構成してある。コ
ントローラ62は、第４図に示すように原則的に通常運転
時には、差動遊星歯車機構46の内歯歯車55の回転数をキ
ャリア51の回転数より徐々に遅く制御することで太陽歯
車軸49を正転させてクランク軸15に回収エネルギを戻す
制御を行なう。このときのパワータービン12の回転数は
徐々に且つ連続的に増加する。これに対して排気ブレー
キ時には、内歯歯車55の回転数をキャリア51の回転数に
対して徐々に速くするように制御することで、クランク
軸15の回転をパワータービン12に逆転させて伝達するよ
うにする制御を行なう。このときもパワータービン12の
回転数は徐々に且つ連続的に増加する。ここで、第４図
に示すポイントＸは回転方向を切り換えた後に内歯歯車
55とキャリア51との回転速度が一致するポイントを示
す。即ち、ポイントＸでは、相対的に力の伝達がなくな
り、パワータービン12とクランク軸15との間に起こる切
換え時のショックがなくなり、動力伝達系の損傷や発熱
が抑止されることになる。

ところで、上記経過時間は、摩擦伝動点を適正位置に動
作した直後からの経過時間を示し、計測後再度びコント
ローラ62に入力されるものとする。

以下、コントローラ62の構成及び制御内容について説明
する。

コントローラ62は第１図及び第５図に示すように予め実
験データにより得られた各種の特性をマップ63，64，6
5，66，67として内部に記憶しており、コントローラ62
はこれらマップ63〜67の記憶値と入力値との比較演算を
行った後、得られた値に基づいて、上記駆動装置60を制
御するようになっている。

このコントローラ62の制御内容を第５図に基づいて説明
する。

まず通常運転時について説明する。

コントローラ62は、判断68で排気ブレーキスイッチ43が
ＯＦＦのとき、判断69でクラッチ作動スイッチ42がＯＦ
Ｆのとき、判断70でアクセルスイッチがＯＦＦのとき
に、通常運転制御71を実行する。

即ち、第１図に示してあるように排気ブレーキスイッチ
43がＯＦＦのときは、電磁弁40がＯＦＦであるから、パ
ワータービン12の直上流の排気通路４ｄとロータリーバ
ルブ31の上流側の排気通路４ｄとを第１ポートＡを介し
て接続する。この結果エンジン１から排気ガスが排気マ
ニホールド３，排気通路４ａへと送られ、ターボ過給機
10のタービン10ａによる排気ガスエネルギの回収が行な
われる。このときタービン10ａは同軸上のコンプレッサ
10ｂを回転駆動するから、エンジン１の筒内には過給気
が供給される。

タービン10ａに正の仕事を与えた後の排気ガスは、次い
でパワータービン12に回転駆動力を与える。即ち、パワ
ータービン12によるエネルギ回収がなされる。

パワータービン12の回転駆動力は、遊星歯車機構19で減
速され流体継手21に伝達される。流体継手21は、その回
転駆動力で入出力歯車20を駆動し、第２伝達歯車52を介
してキャリア51を回転させる。このとき、コントローラ
62は、駆動装置94に出力して内歯歯車55の回転速度がキ
ャリア51の回転速度に対して遅くなるように、アイドラ
92a,92b の摩擦伝動点を調整するようになっている。し
たがってアイドルギヤ26を介して第１クランク軸歯車23
に正転方向の駆動力が伝達されることになり、パワータ
ービン12は正の仕事を行なう。

次に排気ブレーキ作動時について説明する。

判断68，69，70が全てＹＥＳである場合は、排気ブレー
キ作動の制御がなされる。

排気ブレーキ作動時はニュートラルセンサスイッチ41，
クラッチ作動スイッチ42，そしてアクセルスイッチ及び
排気ブレーキスイッチ43全てがＯＮのときであるから電
磁弁40がＯＮになる。すると流体供給装置36からアクチ
ュエータ34の動作室37へ作動流体が供給される。即ちス
テップ72が実行されて動作ロッド33が、レバ部材35を介
してロータリーバルブ31を作動し、排気通路4bを閉じ
て、そのロータリーバルブ31より下流の排気通路4dと流
体通路25とを第２ポートＢを介して連通する。この結
果、パワータービン12には排気ガスによる回転が与えら
れなくなるからパワータービン12は、慣性回転する。こ
のときコントローラ62は、電磁弁40のＯＮから排気ブレ
ーキ時を知り、内歯歯車55の回転速度をキャリア51の回
転速度より速くするように制御するから、第１クランク
軸歯車23、アイドルギャ26を介して太陽歯車軸49に駆動
力が伝達される。回転駆動力はキャリア51を逆転方向へ
回転させる。したがってコントローラ62は流体継手21、
遊星歯車機構19を介してパワータービン12が逆転方向に
回転される。すると、パワータービン12はパワータービ
ン12より下流の排気通路4cから液体通路25の接続部へ空
気を送る効率の悪いコンプレッサになる。また第２ポー
トＢによって液体通路25へ送るガスが絞られるため流速
が早められる。このパワータービン12の空気の掻き混ぜ
仕事及びコンプレッサ仕事は、クランク軸15にとって大
きな負の仕事となる。したがって排気ブレーキによる負
の仕事及びエンジンのフリクションが加えられた適正
で、車両の駆動系に負担をかけることのない大きさのエ
ンジンブレーキ力が作り出される。また排気ブレーキと
しては、排気マニホールド３の下流に排気ブレーキ時に
閉じる排気ブレーキ弁（図示せず）が設けられる。

ところで、コントローラ62は車両の車速及び車両の積層
量等から車両の運転条件を知り、この運転条件に応じた
排気ブレーキを得るためにステップ74以下の制御を実行
する。

すなわち、ステップ74で車速の検出を実行し、ステップ
75で検出された車速を、マップ63の記憶値と対照する。
ゆえに車速に対する無段階変速機構90の最適減速比Ｄ_０
が求められる。次に、ステップ76で車両の積載量を検出
し、ステップ77で、その検出した積載量に対する最適減
速比ＤＴをマップ64から求め、判断78でその求めた最適
減速比Ｄ_０，ＤＴに対してどちらを優先させるかを判断
する。つまり判断78では、ＤＴ＜Ｄ_０である場合、即ち
積載量に対する最適減速比が車速に対する最適減速比よ
りも小さい場合は、この時点の最適減速比ＤＴをＤ_０の
値とする。判断78がＤＴ≧Ｄ_０である場合、最適減速比
はＤ_０になりＤＴ＞Ｄ_０である場合も最適減速比はＤ_０
になる。即ち減速比が常に最小側であるようにコントロ
ールされる。

次いで、コントローラ62はステップ79でエンジン回転数
を検出し、ステップ80でその検出したエンジン回転数に
対する最適減速比ＤＥをマップ65から求める。この後、
判断81で直前に求めたＤ_０に対してどちらを優先させる
かを判断する。即ち、ＤＥ＜Ｄ_０である場合は、ＤＥを
Ｄ_０の値とし、ＤＥ≧Ｄ_０である場合はＤ_０を最適減速
比とする。

また、コントローラ62は、ステップ82で、ステップモー
タ60を作動してからの経過時間を求め、ステップ83でそ
の経過時間を基にしてマップ66から最適減速比ＤＭと、
その最適減速比ＤＭを維持させる経過時間を求める。こ
の後、判断84で直前に求めたＤ_０とＤＭに対してどちら
を優先させるかを判定する。即ちＤＭ＜Ｄ_０である場合
はＤＭをＤ_０の値とし、ＤＭ≧Ｄ_０である場合は、Ｄ_０
を判断84の値とする。ここで求めたＤ_０が最終的な最適
減速比となり、Ｄ_０に対するステップモータ60の動作
量、即ちステップモータの動作角に（＝ステップ角）を
ステップ85で決定し、ステップ86で求めた動作角にステ
ップモータを駆動する。

ここで判断78，81，84は車速，積載量，エンジン回転
数、経過時間をパラメータとして、最小の最適減速比Ｄ
_０を求めるようになっており、一度に大きな排気ブレー
キ力をエンジンの駆動系及び車両の駆動系に作用しない
ように優先判定を行わせるものである。この後、車両が
更に排気ブレーキ力が必要とする状態におかれている場
合は、判断87でその有無を確認し、ＹＥＳであれば再び
ステップ74からステップ86までのフローを連続して繰返
させ、車両の運転状態に応じ、且つ減速状態に応じて最
適・最小の大きさの排気ブレーキ力を、サイクリックに
負荷するようにしている。これにより排気ブレーキ時に
於て、車両の駆動系に大きな駆動力を負荷することがな
くまた、タイヤのスキッド、ブレーキライニングの異常
摩耗も防止でき、ドライバに対するショックも緩衝でき
るようになる。

［発明の効果］ 以上説明したことから明らかなように本発明によれば次
の如き優れた効果を発揮する。

(1) 車両を確実に制動することができる。

(2) 信頼性、耐久性を可及的に向上することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明のターボコンパウンドエンジンの好適
一実施例を示すシステム図、第２図及び第３図は第１図
の要部詳細図、第４図は太陽歯車の回転性能図、第５図
はコントローラの制御内容を示すフローチャート、第６
図は従来例を示す概略図である。 図中、１はエンジン、４は排気通路、12はパワータービ
ン、25は流体通路、30は切換弁31と駆動装置32とから成
る流路切換手段、46は差動遊星歯車機構、62はコントロ
ーラ、90は無段階変速機構である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】パワタービンの回転力をクランク軸に戻す
   べくクランク軸とパワタービンとを連結するギヤトレー
   ンと、クランク軸にそのギヤトレーンのギヤとは別に設
   けられた伝達歯車と、上記ギヤトレーンにパワタービン
   からクランク軸に回転力が伝わるように介設された歯車
   機構であって、その内歯歯車外周に上記伝達歯車に無段
   階変速機を介して接続される差動歯車を有する差動遊星
   歯車機構と、上記無段階変速機を制御して内歯歯車の回
   転数を調節するコントローラであって通常運転時はパワ
   ータービンからクランク軸に回転力が伝えられるように
   内歯歯車の回転数を調節し、車両制動時にはクランク軸
   からパワータービンに回転力が伝えられるように内歯歯
   車の回転数を調節するコントローラとを備えたことを特
   徴とするターボコンパウンドエンジン。