JPS60204924A - Power-turbine power transmission mechanism and turbo- compound system - Google Patents

Power-turbine power transmission mechanism and turbo- compound system

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JPS60204924A
JPS60204924A JP59059654A JP5965484A JPS60204924A JP S60204924 A JPS60204924 A JP S60204924A JP 59059654 A JP59059654 A JP 59059654A JP 5965484 A JP5965484 A JP 5965484A JP S60204924 A JPS60204924 A JP S60204924A
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JP
Japan
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turbine
power
pump
shaft
secondary pump
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Application number
JP59059654A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Isamu Nemoto
勇 根本
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Individual
Original Assignee
Individual
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Publication date
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Publication of JPS60204924A publication Critical patent/JPS60204924A/en
Pending legal-status Critical Current

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B41/00Engines characterised by special means for improving conversion of heat or pressure energy into mechanical power
    • F02B41/02Engines with prolonged expansion
    • F02B41/10Engines with prolonged expansion in exhaust turbines
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies

Abstract

PURPOSE:To allow a secondary pump to run idly and prevent the consumption of the shaft output of a base engine by combining said secondary pump which transmits the power of an exhaust turbine to a driven shaft, with a final gear of a reduction gear train in a power turbine transmission mechanism, through a one-way clutch. CONSTITUTION:A primary pump 1 is combined with a driving shaft 5 which is connected to the crank shaft of a base engine and a turbine runner 2 is combined with a driven shaft 6. A starter 3 is fixed to a transmission case through a one-way clutch 7. A secondary pump 4 is connected to a final gear 9 from an exhaust turbine 10 through a one-way clutch 8. At the same time the exhaust gas of the engine operates a turbocharger, the exhaust turbine 10 also rotates the crank shaft by means of the exhaust gas. When the rotation of the crank shaft is higher than that of the turbine 10, the transmission of the rotation is prevented by the one-way clutch 8.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

「発明の目的」 本発明は、パワータービン動力伝達機構の伝達効率向上
の為の技術に関するものと、その技術を利用したターボ
フンパウンドエンジンのシステムに関するものの2つK
より成り立っている。 そして発明の目的は、パワータービン動力伝達機構に於
いては、排気タービン動力回収の高効率範囲を拡大し、
同時に機構の簡素化を図る事にあり、ターボフンパウン
ド・システムに於いては、加速応答性劣化を改善する事
にある。 「本発明パワータービン動力伝達機構の改良骨子」2つ
の発明の元になる本構想の核心は、ペースエンンンの動
力を出力軸に伝達する為の自動変速機のトルクフンバー
タ内に、排気タービンの動力も入れてしまおおと云う単
純な発惣にある。 因って初めにパワータービン動力伝達機構から説明する
事にする。 既知のパワータービン伝動機構は、高速ギヤ、流体継手
、低速ギヤを経て、排気タービン動力をエンジンシャフ
トに回収するメカニズムになっているが、トルクコンバ
ータを利用する本発明パワータービン伝動機構によって
改善される諸点は、次の如くである。 1)排気タービン動力をトルクコンバータ内に導入する
事により、パワータービン駆動系専用の流体継手を削除
し、機構の簡素化を図れる。 If) 流体継手とは、l対lのトルク伝達を行う流体
変速機であり、その効率ηは速度比そのものであって、
すべりに比例して低下する。従って高効率範囲は極めて
狭い。 これに対しトルクコンバータは、ステータがトルクを受
け持つので、トルク変換を伴う変速が行われ、その効率
曲線は一般に高速度比側に寄った放物線状となり、高効
率範囲が広がる。 その上トルクコンバータ賭手ではカプリング範囲での効
率も改善される。因って排気タービン動力の回収効率を
広い範囲で高める事が可能となる。 111)既知のパワータービンは、低速、低負荷では排
熱回収量より、ギヤトレーン等回収システムのフリクシ
ョンロスの方が大きくなり、ベースエンジンの軸出力を
消費してしまう欠点が指摘されている。 本発明パワータービン伝動機構では、ドルクコ/バー2
回路内で排気タービン動力な被動軸に伝達する2次ポン
プと、パワータービン伝動機*に於ける減速歯車列の最
終歯車を、一方向クラッチを介して結合する事により、
パワータービン出力非発生領域に於いては、2次ポンプ
を空転させてベースエンジン軸出力の消費を防ぐ事がで
きる。 「機構説明」 では次に、第1図に基づい
``Object of the Invention'' The present invention relates to a technology for improving the transmission efficiency of a power turbine power transmission mechanism, and a system for a turbocharged engine using the technology.
It is more established. The purpose of the invention is to expand the high efficiency range of exhaust turbine power recovery in a power turbine power transmission mechanism,
At the same time, the purpose is to simplify the mechanism, and in the case of turbo pump pound systems, to improve the deterioration of acceleration response. ``Summary of Improvements in the Power Turbine Power Transmission Mechanism of the Present Invention'' The core of this concept, which is the basis for the two inventions, is that the power of the exhaust turbine is installed in the torque converter of the automatic transmission for transmitting the power of the pace engine to the output shaft. It lies in the simple idea of putting it in. Therefore, I will first explain the power turbine power transmission mechanism. The known power turbine transmission mechanism recovers exhaust turbine power to the engine shaft via a high speed gear, a fluid coupling, and a low speed gear, but this is improved by the power turbine transmission mechanism of the present invention that utilizes a torque converter. The points are as follows. 1) By introducing the exhaust turbine power into the torque converter, it is possible to eliminate the fluid coupling dedicated to the power turbine drive system and simplify the mechanism. If) A fluid coupling is a fluid transmission that performs l:l torque transmission, and its efficiency η is the speed ratio itself,
It decreases in proportion to the slip. Therefore, the high efficiency range is extremely narrow. On the other hand, in a torque converter, since the stator takes charge of the torque, the speed change is performed accompanied by torque conversion, and the efficiency curve thereof generally takes a parabolic shape closer to the high speed ratio side, and the high efficiency range is widened. Moreover, efficiency in the coupling range is also improved in torque converter bets. Therefore, it becomes possible to increase the recovery efficiency of exhaust turbine power over a wide range. 111) It has been pointed out that known power turbines have the disadvantage that at low speeds and low loads, the friction loss of the recovery system such as the gear train is greater than the amount of exhaust heat recovered, which consumes the shaft output of the base engine. In the power turbine transmission mechanism of the present invention, the dorkko/bar 2
By connecting the secondary pump that transmits exhaust turbine power to the driven shaft in the circuit and the final gear of the reduction gear train in the power turbine transmission* through a one-way clutch,
In the region where the power turbine output is not generated, the secondary pump can be idled to prevent consumption of the base engine shaft output. ``Mechanism explanation'' Next, based on Figure 1,

【、本発明パワータービン動
力伝達機構の機構説明を行う。先ずトルクコンバータ側
から説明を進メル。 1は1次ポンプであり、2はタービンランナである。3
はステータであり、4は2次ポンプである。図示する如
く、本発明に於いてポンプインペラは、1次ポンプ1と
、2次ポンプ4に分割されている。5はベースエンジン
(図示せず)のクランク軸に連結されたトルクコンバー
タの原動軸であり、1次ポンプ】と原動軸5は結合され
ている。 よってエンンン動力は1次ポンプ1の駆動力となる。、
6は被動軸であり、タービンランナ2に結合され
[The mechanism of the power turbine power transmission mechanism of the present invention will be explained.] First, let me explain from the torque converter side. 1 is a primary pump, and 2 is a turbine runner. 3
is a stator, and 4 is a secondary pump. As shown in the figure, in the present invention, the pump impeller is divided into a primary pump 1 and a secondary pump 4. 5 is a driving shaft of a torque converter connected to the crankshaft of a base engine (not shown), and the driving shaft 5 is connected to the primary pump. Therefore, the engine power becomes the driving force of the primary pump 1. ,
6 is a driven shaft, which is connected to the turbine runner 2.

【いる
。7はタービンランナ2と同方向に回転する一方向クラ
ッチであり、ステータ3は一方向クラッチ7を介してト
ランスミッションケース(図示せず)に固定されている
。8は1次ポンプ1と同方向に回転する一方向クラッチ
であり、9は減速歯車列の最終歯車である。2次ポンプ
4と最終歯車9は一方向りランチ8を介して結合されて
いる。また最゛終歯車9はステータ3の軸、及び被動軸
6に対して回転自在である。 次に排気タービン(パワータービン)側から説明を進め
る。10は排気タービンであり、11は排気タービンl
Oの軸である。破線で囲んだ12は遊星歯車装置であり
、軸11は遊星歯車装置v112の入力軸となる。12
に於いて、Sは該入力軸11に固定されたサンギヤ、P
はビニオン、Cはg亥ビニオンPを文士るプラネットキ
ャリヤーRはリングギヤである一すングギヤRは固定、
されており回転しない。13は遊星歯車装置12の出力
軸であり、プラネットキャリヤCK固定されている。出
力軸13の他端は歯車14に固定されている。】5は中
間歯車であり、 15は歯車14、及び9と噛み合って
いる。因って排気タービン10の駆動力は2次ポンプ4
に伝達される事になる。 「歯車減速機構の変速比」 今ベースエンジンの回転速度力5.OOOrpm f)
時、排気タービン10の回転速度が120.00Orp
mであると仮定すると、減速歯車列に要求される変速比
は24、従って減速比は約0.0417である。 今仮りに本伝動機構に於げる歯車列の内、歯車14 、
15 、9の歯数比を1.2.4とすれば、歯車14.
9間の変速比は4であり、遊星歯車装置12に要求され
る変速比は6となる。 サンギヤSを駆動、プラネットキャリヤCを被動、リン
グギヤRを固定とする場合の遊星歯車装置の変速比iは
、l=1+1/γで表わされる。 ココk r = ZS/ZR,ZEI: f 7キー?
 17)歯数、ZR: !I 7グギャの歯数である。 よってZS:ZR=1 : 5とすれば、遊星歯車装置
12の変速比は6となり、歯車減速機構全体の変速比は
Uとなる。 しかし実際には、ベースエンジン出力と排気タービン出
力とでは、エンジン回転速度で微分した値が異なる。そ
の為変速比は可変でなければならない事になる。この可
変変速比装置、並びに緩衝機構としての役割を果たすの
がトルクコソバータである。 [トルクコンバータ回路内の動力伝達と、伝達効率」 1)トルク トルクコンバータ内の流体は回路を環流して初めの状態
にもどるから、回路内で各羽根車から流、体に与えられ
るトルクTの総和はOとなる。即ちΣT−=Oであるか
ら、1次ポンプ1、タービンランナ2、ステータ3.2
次ポンプ4に於けるトル、をそれぞれ、T、 、T!、
T、 、T、とすれば、T、= T、 + T、+ T
、 tl)となり、本発明では、従来の3要素1段型ト
ルクコンバータより、2次ポンプ40トルクT4だけ、
被動軸6のトルクT、が大ぎくなる。 i)単位時間当りの仕孕に 次Knfi素のトルクフンバータについて、+(1目の
羽根車が流体に与える単位時間当りの仕事は、次式で表
わされる。 7’l ωl = (r−Q )Δ(’t’u)l (
2)? ことICに羽根番号、ω;羽根車回転角速度、U二羽根
車回転周速=rωIr:回転軸からの半径、υ1:流体
の総体速度の回転成分、γ:流体の比重量、2:M力の
加速度、Q:循環流値である。 基準として1次ポンプ1をとり、これを1=1とし、流
れの方向に番号を付すと第】図の記号と同じKなる。本
発明に於いて2つのポンプインペラにより流体に与えら
れる単位時間当りの仕事は(2)式より、 γ T+ ”I + 7’4 ”< =(、Q)tl(sa
、4)、+Δ($11.)d (31となる。(3)式
から、2次ポンプ4の回転周速u、 == r、ω4 
が増す程、エンジン出力に加えられる排気タービン10
の動力が増大する事が判る。 111)本発明によるトルクフンバータの伝達効率、ペ
ースエンンン軸出力のエンジン回転速度に対する便化率
よりも、排気タービン出力のエンジン回転速度に対する
変化率の方が大ぎいので、本発明Kit・て、1次ポン
プlの回転に対し、2次ポンプ40回転をどのようにマ
ツチさせるべきか、つまりパワータービン歯車減速機構
の減速比を、トルクコンバータ速度比のどの位置で設定
するべきなのか、その点を定性的にではあっても解明し
ておく必要がある。そこで本発明によるトルクコンバー
タの伝達効率を数式化して示す事にする。 その為に次の如ぎ無次元量を導入する。 速度比el=ωI/ω、。 無次元循環流速β=C/r、、1帖。 m次元) ルクfi =7’l/7ar1.2’cl 
。 半径比ρl 、l = ri、1/ r+、t 、ρi
+1 = ”I−*/ ”1.t。 無次元流路面積a=A/r、、2”。 羽根角度数に1.1−tanα1.+ 、に、、2=t
anα1.2ここにC−循環流速の子午面成分、A:流
路断面積、α:羽根が回転軸を含む平面にrJ して珀
く角、前部添字I:羽根番号、後部添字】;羽根入口、
後部添字2:羽根出口である。 次に東京大学 石原智男教授の流体変速機fllill
放論式を見習い、第2図に示す本発明トルクコンバータ
回路内面に於いて、相隣る羽根車間の自由流路は極めて
小さいと仮定し、成る羽根車の出口半径と次の羽根車の
入口半径は一応等し℃・ものとして、一般的記号を簡単
化して嬉1表の如くする。内筒2Mに於いて下部の鎖線
は回転軸中心である。 第 1 表 ここで、2次ポンプ4は排気タービン10の動力により
駆動され、動力を発生するが、原動軸5に直接結合され
てはいないので、その速度比e4は1次ポンプlを基準
にe4=ω4/ω、とする。 1番目の羽根車が流体に与える角運動量の変化、即ちそ
の羽根車が流体に与える軸まわりの回転のトルクT1 
を無次元化すると、 丁l−β((ρト*eI−βに1.、)ρトヨ−(ρl
−+ 、*ei−+−β’ト+、*MJ−1.、)+4
1の如く表わされる。(4)弐に於いてl−1では、1
−1−0となるが、この九どの1−1番目の羽根車はn
番目の羽根車つまり2次ポンプ4となる。 各羽根準の無次元トルクは、(4)式より、1次ポンプ
 τ、=β((1−βq、t)−(ρl”4−βに4.
、)A1)タービン τ、=β((ρ、e−βへ、りρ
、−(1−βIC1,り1ステータ τ、=β(−鳥、
!^−(Ae−β〜、t)A12次ポンプ で4−ハ(
A1へ−βへ5.)ρ1+β〜、、A)2次ポンプ4は
原動軸5に結合されていない事に注意して、 原動軸トルク τ=τ1−β(l−ρl′鳴−β(に+
−t A’4−1)l (sl被動軸トルク T’=−
f、=β(1−7)、”8−βCIc1−t −1’s
’x、を月 (6)e−0〜1を実用運転範囲とすれば
、本発明に於いては、eは小さく、e4は大きい程、ト
ルク比tが大きくなる事が(7)式より判る0つまbタ
ービンランナ20回転自速度ω2は小さく、1次ポンプ
1及び2次ポンプ4の回転角速度ω1.ω4が大きい時
、トルク比tは太きくなる。 効率 η= t X e (8) (7) I (8)式より、定性的には% e及びe4
ともに大きい程、本発明によるトルクコンバータの伝達
効率は高くなる事が読み取れる0つまり性hヒ曲線に於
いて、ηm&工は高速度比側による事になる。 次にトルクコンバータ継手では、トルク比tが1よりも
小さくなる範囲(eの大きい範囲)で、ステータ3が自
動的に空転できる為T′s、0となる〇従って(1)式
から となるから、e−1の近傍に於いては(8)式よシη〉
lとなる。 1v)2次ポンプ4の伝達効率 +71.+81式により検討したトルク比t、並びに効
率ηは、2つのポンプインペラからなる本発明のトルク
コンバータに於ける主軸(1次ポンプ1)に視点を置い
て数式化したものである。 流体継手を仲介とl、た既知のノくワータービン伝動機
構と、排気タービン動力をトルクコンノ(−タ内に入れ
る本発明との効率上の差異をより明確にする為には、2
つのポンプインペラの内、排気タービン10の動力な被
動軸6に伝達する2次ポンプ4を取り出し、これに視点
を置いて、その伝達効率について考察する必要があると
考える。 その為に今度は2次ポンプ4を原動羽根車と考えI=1
とし、第3図に示す如く流れの方向に各羽根車の番号を
付は直す。 そし【一般的記号を簡単化して第2表の如くにする。 第 2 機 2次ポンプ及びタービンランナの無次元]ルクは、(4
)式より、 2次ポンプ τ1−β((1−βに3.、)+βに4.
、ρ、)タービン τ、=β((ρ、e−βに8.ハρ
4−(ρ1e2−βに2.りρ、)したがって。 原動軸トルク τ=τ、−β(1−β(に1.、−ρ、
に4.、)l t91被’1m軸トルy r’= イ、
=β(J’52at−ρ=2e−βくρs’t−t (
’<に3.2)+(10)2次ポンプを原動羽根車とし
た場合のトルク比をt′とすれば、(91,(10・)
式より、12.2比、・=7・/□=本−八′へ−β(
pm’!・・−′・5・・・)(11)1−β(’I 
、t−ρ1’a・t )1式よりt′は、elが大きく
、eが小さい時、大きくなる事が判る。即ち2次ポンプ
(1=1)K対する1次ポンプ(1=2)の回転角速度
の比ω。 /ω、は大きく、2次ポンプに対するタービンランナ(
1−3)の回転角速度の比ω、/ω1が小さい時。 t′は大きくなるのである。 2次ポンプの効率をη′とすれば、(8)式より、い時
、効率η′はよ(なり、2次ポンプのηmaxは高速度
比側圧寄る。従って2次ポンプの効率曲線も高速度比側
に寄った放物線状になる事が考察される。ここでもドル
クコ/メータ継手ではカプリング範囲の性能は向上する
。 ■)効率解析のまとめ 今迄の、本発明によるトルクコンバータの効率に関する
考察を総合すると、 イ)タービンランナ2の回転角速度/1次ポンプ1の回
転角速度→大きい時。 口)2次ポンプ4の回転角速度/1次ポンプlの回転角
速度→大ぎい時。 ハ)タービンランナ2の回転角速度/2次ポンプ40回
転角速度→大きい時。 二)1次ポンプ1の回転角速度72次ポンプ40回転角
速度→太ぎい時。 以上の条件が揃った時、効率は最高になる。従って1次
ポンプ1を基準として(1=1として)上記の事項をま
とめると、イ)口)ではe及びe4が大きい程効率がよ
くなるが、ハ)二)はe4=ω4/ω1が1を超えると
寧ろ小さくなる。因っ【歯車減速機構の減速比を設定す
る上で基準となるe4=1の点は、8=1と同じ点にす
るべきであると云って、はぼ間違いないであろう。 又以上の探累から本発明は、その効率がη−eで表わさ
れる流体継手を用いた従来のパワータービン伝動機構よ
り、排気タービン動力の回収効率を広い範囲にわたりて
高め得る事が理解されよう。 「パワータービン出力非発生領域の問題Jでは次K、従
来のパワータービンでは、低速、低負荷に於いて、排熱
回収量より、回収システムの摩擦損失の方が太き(なり
、軸出力を消費してしまう点を、本発明に於いてどのよ
うに解決しているかKついて述べる。 本発明に於ける歯車減速機構の最終歯車9は、一方向ク
ラッチ8を介して、2次ポンプ4に結合されている。も
し2次ポンプ4が最終歯車9に固定されているとすると
、パワータービン出力非発生領域に於いて2次ポンプ4
のトルクは7’、(oとなってしまう。そこで2次ポン
プ4と最終歯車90間K、一方向のみに自由な回転を許
す一方向クラッチ8を備え、2次ポンプ4が空転するよ
うKすると、T4−〇となり、ベースエンジンの軸出力
を消費せずにすむのである。 そして寧ろ、2次ポンプ4が空転する事により、ステー
タ3の出口と1次ポンプ10入口の間に、自由流路が形
成される事岐なり、1次ポンプ]の入口に於ける急激な
方向変換から生じる衝突損失が減少し、トルクコンバー
タの伝達効率が向上するのである。 以上が本発明パワータービン動力伝達機構に関する詳細
な説明である。 [ターボコンパウンド・システム」 次にもう1つの発明である本パワータービン伝動機構を
利用したターボフンバウドエンンンのシステムについて
説明する。 パワータービンでは、タービン出力が最大になる時点で
、機関軸出力の約7.3チの排気エネルギーが回収され
る。これをターボコンパウンド・システムKまで進める
と、定格点で定格出力の約12チの排気エネルギーが軸
出力として回収され、燃料発熱量に対する軸出力エネル
ギー割合が増加する。 成句のターボコンバウンl゛エンジンのシステムは、エ
ンジンの排気ガスでターボチャージャを作動させ過給を
行うと同時に、ターボチャージャ通過後の排気ガスによ
って、更に下流の出方タービンを駆動し、高速ギヤ、流
体継手及び低速ギヤを介して出力軸に駆動力を伝達する
ものである。その特徴は、出力タービン(パワータービ
ン)の駆動力が出力軸に伝達される為、出力が向上し、
燃費が改善される。しかし速度型エキスパンダが二重に
組み合わされる為、加速時の遅れが増加する。 本発明パワータービン動力伝達機構の特長のひとつは、
パワータービン出力非発生領域に於いても、機関の軸出
力を消費しない点である。この特長をより発展的に生か
せば、ターボコンパウンド・システムの組み合わせ方に
変革をもたらし、加速応答性劣化を改善できる。 では第4図に基づいて、本発明ターボコンパウンドエン
ジンのシステムを説明する。 Eはベースエンジンであり、TCはターボチャージャで
あって、lOは排気タービン(パワータービン)である
。破線で囲んだGは、遊星歯車装置12、歯車14 、
15 、9よりなる歯車減速機構であり、HTCはトル
クコンバータである。前述の如く本発明パワータービン
伝動機構は、歯車減速機構の最終歯車9がトルクコンバ
ータHTCの回路内に設けられた2次ポンプに一方向ク
ラッチを介して結合されている。 本発明ターボコンパウンド・システムに於いて排気ター
ビン10はターボチャージャTCO下fiK配置される
のではなく、並列K11fかれる。 第5図は吸排系統図である。図に於いてWvはウェスト
ゲート弁であり、Wvはアクチュエータ(図示せず)K
より作動する。排気タービン10へは排気バイパスされ
た排気ガスのみが導かれる。 ターボフンバウンドエンジンをこのような構成にすると
、自動車用エンジンの使用頻度の高い低速域に於いてタ
ーボチャージャTCの効果を発揮するようマツチングを
行う事が可能となる。つまり排気タービン10がターボ
チャージャTCの下流に設置され【いるのではない為、
排気を全部ターボチャージャに入れる必要はなくなる。 従って、TCの回転体の慣性力を小さくする、タービン
スフルールのA/R値を小さくする→により、少ない排
ガス葉でフンプレッサを駆動し、低回転でインタセプト
点に達するよう、ターボ過給の出力マツチングを図る事
ができる。因って低回転トルクアップ、加速レスポンス
の向上を図る事が可能となるのである。 本発明では何故このような配置にできるのかと云えば、
ウェストゲート閉鎖領域に於いて、排気ガスが排気ター
ビン10に供給されず、排気タービン10が稼動しない
時でも、前述の一方向クラッチ8の介在により2次ポン
プが空転する為、機関の軸出力を消費しないからである
。因って従来のターボチャーシトエンジンでは、排気バ
イパスにより無為に捨てていた排気エネルギを有効に利
用して、パワータービンを駆動すればよい事になる。 そして過給により排熱回収効果も高まる事は前述したと
おりである。 以上の如く本発明は排熱回収技術の実用化を容易にし、
世に省エネルギ・エンジンを提供するものである。
[There is. 7 is a one-way clutch that rotates in the same direction as the turbine runner 2, and the stator 3 is fixed to a transmission case (not shown) via the one-way clutch 7. 8 is a one-way clutch that rotates in the same direction as the primary pump 1, and 9 is the final gear of the reduction gear train. The secondary pump 4 and the final gear 9 are connected via a one-way launch 8. Further, the final gear 9 is rotatable with respect to the shaft of the stator 3 and the driven shaft 6. Next, the explanation will proceed from the exhaust turbine (power turbine) side. 10 is an exhaust turbine; 11 is an exhaust turbine l
This is the axis of O. 12 surrounded by a broken line is a planetary gear device, and the shaft 11 is an input shaft of the planetary gear device v112. 12
, S is a sun gear fixed to the input shaft 11, and P is a sun gear fixed to the input shaft 11.
is the pinion, C is the pinion P, the planet carrier R is the ring gear, and the ring gear R is fixed.
and does not rotate. 13 is an output shaft of the planetary gear device 12, which is fixed to the planet carrier CK. The other end of the output shaft 13 is fixed to a gear 14. ] 5 is an intermediate gear, and 15 meshes with gears 14 and 9. Therefore, the driving force of the exhaust turbine 10 is the secondary pump 4.
It will be transmitted to "Transmission ratio of gear reduction mechanism" Rotational speed of the current base engine 5. OOOrpm f)
When the rotational speed of the exhaust turbine 10 is 120.00Orp
Assuming that m, the required speed ratio of the reduction gear train is 24, so the reduction ratio is approximately 0.0417. For now, among the gear trains in this transmission mechanism, gear 14,
If the ratio of the number of teeth of gears 15 and 9 is 1.2.4, then gear 14.
The gear ratio between 9 and 9 is 4, and the gear ratio required for the planetary gear device 12 is 6. The speed ratio i of the planetary gear device when the sun gear S is driven, the planet carrier C is driven, and the ring gear R is fixed is expressed as l=1+1/γ. Here k r = ZS/ZR, ZEI: f 7 key?
17) Number of teeth, ZR: ! I is the number of teeth of 7 Gugya. Therefore, if ZS:ZR=1:5, the speed ratio of the planetary gear device 12 will be 6, and the speed ratio of the entire gear reduction mechanism will be U. However, in reality, the base engine output and the exhaust turbine output have different values differentiated with respect to the engine rotation speed. Therefore, the gear ratio must be variable. A torque cosverter plays the role of this variable speed ratio device and a buffer mechanism. [Power transmission in the torque converter circuit and transmission efficiency] 1) The fluid in the torque converter circulates through the circuit and returns to its initial state, so the torque T applied to the body from each impeller in the circuit is The total sum is O. That is, since ΣT-=O, the primary pump 1, turbine runner 2, stator 3.2
Next, the torque at pump 4 is T, ,T! ,
If T, , T, then T, = T, + T, + T
, tl), and in the present invention, compared to the conventional three-element single-stage torque converter, the secondary pump torque is only 40 T4,
The torque T of the driven shaft 6 becomes large. i) For a torque converter with a load per unit time of Q ) Δ('t'u)l (
2)? IC is the blade number, ω: impeller rotation angular velocity, U two-impeller rotation circumferential speed = rωIr: radius from the rotation axis, υ1: rotational component of the overall fluid velocity, γ: specific weight of the fluid, 2: M force. acceleration, Q: circulation flow value. Taking the primary pump 1 as a reference, setting it to 1=1, and assigning a number to the direction of flow, it becomes K, which is the same as the symbol in the figure. In the present invention, the work per unit time given to the fluid by the two pump impellers is calculated from equation (2) as follows: γ T+ ``I + 7'4''<=(,Q)tl(sa
, 4), +Δ($11.)d (31) From equation (3), the rotational circumferential speed of the secondary pump 4 u, == r, ω4
The more the exhaust turbine 10 is added to the engine output, the more
It can be seen that the power of 111) Regarding the transmission efficiency of the torque converter according to the present invention, the rate of change of the exhaust turbine output with respect to the engine rotational speed is greater than the rate of change of the pace engine shaft output with respect to the engine rotational speed. How should the 40 rotations of the secondary pump be matched to the rotation of the secondary pump l, that is, at what position in the torque converter speed ratio should the reduction ratio of the power turbine gear reduction mechanism be set? It is necessary to clarify this, even if only qualitatively. Therefore, the transmission efficiency of the torque converter according to the present invention will be expressed mathematically. For this purpose, we introduce the following dimensionless quantity. Speed ratio el=ωI/ω. Dimensionless circulation flow rate β=C/r, 1 liter. m dimension) Luk fi =7'l/7ar1.2'cl
. Radius ratio ρl, l = ri, 1/ r+, t, ρi
+1 = “I-*/”1. t. Dimensionless flow path area a=A/r,, 2". 1.1-tanα1.+ for the number of blade angles, , 2=t
anα1.2 where C - meridional component of circulation flow velocity, A: cross-sectional area of flow path, α: angle rJ of the blade to the plane containing the rotation axis, front subscript I: blade number, rear subscript]; blade inlet,
Rear subscript 2: Blade outlet. Next, Professor Tomoo Ishihara of the University of Tokyo's fluid transmission flilli
Emulating the free-flow formula, it is assumed that the free flow path between adjacent impellers is extremely small in the inner surface of the torque converter circuit of the present invention shown in Fig. 2, and the exit radius of one impeller and the inlet of the next impeller are Assuming that the radii are equal to ℃, the general symbols are simplified as shown in Table 1. In the inner cylinder 2M, the chain line at the bottom is the center of the rotation axis. Table 1 Here, the secondary pump 4 is driven by the power of the exhaust turbine 10 and generates power, but since it is not directly coupled to the driving shaft 5, its speed ratio e4 is based on the primary pump l. Let e4=ω4/ω. Change in the angular momentum that the first impeller imparts to the fluid, that is, the torque T1 of rotation around the axis that the impeller imparts to the fluid
When we make it dimensionless, we get dingl−β((ρto*eI−β1.,)ρtoyo−(ρl
-+, *ei-+-β'to+, *MJ-1. ,)+4
It is expressed as 1. (4) In 2, in l-1, 1
-1-0, but the 1-1st impeller in this nine is n
This is the second impeller, that is, the secondary pump 4. The dimensionless torque of each vane is calculated from equation (4) as follows: 4.
, )A1) Turbine τ,=β((ρ, e−β to riρ
,-(1-βIC1,ri1stator τ,=β(-bird,
! ^-(Ae-β~,t)A12nd pump 4-ha(
To A1-to β5. )ρ1+β~,,A) Note that the secondary pump 4 is not connected to the driving shaft 5, and the driving shaft torque τ=τ1-β(l-ρl'sound-β(to +
-t A'4-1)l (sl driven shaft torque T'=-
f,=β(1-7),"8-βCIc1-t-1's
'x, is month (6) If e-0 to 1 is the practical operating range, then in the present invention, the smaller e and the larger e4, the larger the torque ratio t becomes from equation (7). It can be seen that the rotational speed ω2 of the turbine runner 20 is small, and the rotational angular speed ω1 of the primary pump 1 and the secondary pump 4 is small. When ω4 is large, the torque ratio t becomes large. Efficiency η= t X e (8) (7) I From formula (8), qualitatively % e and e4
It can be seen that the larger both of them are, the higher the transmission efficiency of the torque converter according to the present invention becomes. Next, in the torque converter joint, in the range where the torque ratio t is smaller than 1 (range where e is large), the stator 3 can automatically idle, so T's becomes 0. Therefore, from equation (1), Therefore, in the vicinity of e-1, equation (8) shows that η〉
It becomes l. 1v) Transfer efficiency of secondary pump 4 +71. The torque ratio t and the efficiency η studied using the +81 equation are expressed mathematically with a view to the main shaft (primary pump 1) in the torque converter of the present invention, which is composed of two pump impellers. In order to clarify the difference in efficiency between the known power turbine transmission mechanism using a fluid coupling as an intermediary, and the present invention in which exhaust turbine power is transferred into a torque converter,
Of the two pump impellers, it is necessary to take out the secondary pump 4 that transmits power to the driven shaft 6 of the exhaust turbine 10 and consider its transmission efficiency by focusing on this. For that purpose, consider the secondary pump 4 as a driving impeller and I = 1
Then, renumber each impeller in the direction of flow as shown in Figure 3. [The general symbols are simplified as shown in Table 2.] The dimensionless] Luk of the second machine secondary pump and turbine runner is (4
), the secondary pump τ1-β((1-β is 3.,)+β is 4.
, ρ, ) Turbine τ, = β ((ρ, e − β to 8. ρ
4-(ρ1e2-β2.riρ,) Therefore. Driving shaft torque τ=τ, -β(1-β(ni1.,-ρ,
4. , )l t91 covered '1m axis torque y r' = i,
=β(J'52at-ρ=2e-βkuρs't-t (
'< 3.2) + (10) If the torque ratio when the secondary pump is a driving impeller is t', then (91, (10・)
From the formula, 12.2 ratio, ・=7・/□=this−8′−β(
pm'!・・・-'・5...) (11) 1-β('I
, t-ρ1'a・t) From equation 1, it can be seen that t' becomes large when el is large and e is small. That is, the ratio ω of the rotational angular velocity of the primary pump (1=2) to the secondary pump (1=1) K. /ω is large, and the turbine runner (
1-3) When the rotational angular velocity ratio ω, /ω1 is small. t' becomes larger. If the efficiency of the secondary pump is η', then from equation (8), when It is considered that the shape becomes a parabola closer to the speed ratio side. Here too, the performance in the coupling range is improved with the Dorkuco/Meter joint. ■) Summary of efficiency analysis Consideration on the efficiency of the torque converter according to the present invention so far. Putting everything together, a) Rotational angular velocity of turbine runner 2/rotational angular velocity of primary pump 1 → When large. (Example) Rotation angular velocity of secondary pump 4/rotation angular velocity of primary pump l → When the rotation angular velocity is too large. c) Rotation angular velocity of turbine runner 2/secondary pump 40 rotation angular velocity → when large. 2) When the rotational angular velocity of the primary pump 1 is 7 and the rotational angular velocity of the secondary pump 40 is too large. Efficiency is highest when all of the above conditions are met. Therefore, if we summarize the above matters using the primary pump 1 as a reference (assuming 1 = 1), in (a) the larger e and e4 are, the better the efficiency is, but in (c) 2), e4 = ω4/ω1 is 1. If you exceed it, it will become smaller. Therefore, it is absolutely certain that the point e4=1, which is the standard for setting the reduction ratio of the gear reduction mechanism, should be the same point as 8=1. Furthermore, from the above research, it will be understood that the present invention can improve the recovery efficiency of exhaust turbine power over a wide range compared to the conventional power turbine transmission mechanism using a fluid coupling whose efficiency is expressed as η-e. . ``Problem J in the power turbine output non-generation area'': In conventional power turbines, at low speeds and low loads, the friction loss of the recovery system is greater than the amount of exhaust heat recovered (and the shaft output is reduced). We will now discuss how the present invention solves the problem of consumption.The final gear 9 of the gear reduction mechanism in the present invention is connected to the secondary pump 4 via the one-way clutch 8. If the secondary pump 4 is fixed to the final gear 9, the secondary pump 4
The torque becomes 7', (o.Therefore, a one-way clutch 8 is provided between the secondary pump 4 and the final gear 90, which allows free rotation in only one direction, and the torque is set so that the secondary pump 4 idles. Then, T4-〇 becomes T4-〇, and the shaft output of the base engine is not consumed.In fact, by idling the secondary pump 4, a free flow is created between the outlet of the stator 3 and the inlet of the primary pump 10. As a result, the collision loss caused by the sudden direction change at the inlet of the primary pump is reduced, and the transmission efficiency of the torque converter is improved. [Turbo Compound System] Next, we will explain another invention, a turbo compound system using the present power turbine transmission mechanism. In the power turbine, the turbine output is maximized. At this point, exhaust energy of about 7.3 inches of engine shaft output is recovered.If this is advanced to turbo compound system K, exhaust energy of about 12 inches of rated output is recovered as shaft output at the rated point. The ratio of shaft output energy to the fuel calorific value increases.The well-known turbo-combined engine system operates the turbocharger using engine exhaust gas to perform supercharging, and at the same time, the exhaust gas after passing through the turbocharger generates further It drives the downstream output turbine and transmits the driving force to the output shaft via a high-speed gear, a fluid coupling, and a low-speed gear.The feature is that the driving force of the output turbine (power turbine) is transmitted to the output shaft. output is improved,
Fuel efficiency is improved. However, since the speed type expander is double-combined, the delay during acceleration increases. One of the features of the power turbine power transmission mechanism of the present invention is that
The point is that the shaft output of the engine is not consumed even in the region where the power turbine output is not generated. If this feature is utilized in a more advanced manner, it will be possible to revolutionize the way turbo compound systems are combined and improve acceleration response deterioration. Now, based on FIG. 4, the system of the turbo compound engine of the present invention will be explained. E is the base engine, TC is the turbocharger, and IO is the exhaust turbine (power turbine). G surrounded by a broken line indicates the planetary gear device 12, the gear 14,
15, 9, and HTC is a torque converter. As described above, in the power turbine transmission mechanism of the present invention, the final gear 9 of the gear reduction mechanism is coupled to the secondary pump provided in the circuit of the torque converter HTC via a one-way clutch. In the turbo compound system of the present invention, the exhaust turbine 10 is not disposed below the turbocharger TCO, but in parallel K11f. Figure 5 is a suction and exhaust system diagram. In the figure, Wv is the wastegate valve, and Wv is the actuator (not shown) K.
It works better. Only exhaust gas that has been bypassed is guided to the exhaust turbine 10. By configuring the turbocharger TC in this manner, it becomes possible to perform matching so that the effect of the turbocharger TC is exhibited in the low speed range where automobile engines are frequently used. In other words, since the exhaust turbine 10 is installed downstream of the turbocharger TC,
It is no longer necessary to put all the exhaust gas into the turbocharger. Therefore, by reducing the inertia of the TC rotating body and reducing the A/R value of the turbine fleur, the turbocharger output is driven with less exhaust gas and reaches the intercept point at low rotation speeds. Matching can be achieved. Therefore, it is possible to increase low-rpm torque and improve acceleration response. The reason why such an arrangement is possible in the present invention is as follows.
In the wastegate closed region, even when exhaust gas is not supplied to the exhaust turbine 10 and the exhaust turbine 10 is not operating, the secondary pump idles due to the intervention of the one-way clutch 8, so the shaft output of the engine is reduced. This is because it is not consumed. Therefore, in conventional turbocharged engines, the exhaust energy that was wasted by exhaust bypass can be effectively used to drive the power turbine. As mentioned above, supercharging also increases the exhaust heat recovery effect. As described above, the present invention facilitates the practical application of waste heat recovery technology,
It provides the world with an energy-saving engine.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明パワータービン動力伝達機構の機@説明
図。第2図、第3図は本発明によるトルクコンバータを
その回転軸中心を含む平面で切った断面の上半分を表わ
した模型図であって、第2図は1次ポンプを基準(1−
1)としたもの、第3図は2次ポンプを基準(1−1)
としたものである。第4図は本発明ターボコンパウンド
・システムの系統図。第5図はその吸排系統図である。 第1図、第4図、第5図に於いて1:1次ポンプ、2:
タービンランナ、3:ステータ、4:2次ポンプ、5:
原動軸、6:被動軸、7及び8ニ一方向クラツチ、9:
減速歯車列の4M歯車、10:排気タービン、11 :
 10の軸、12:遊星歯車装置、13 : 12の出
力軸、+4:@13に固定された歯車、15:中間歯車
、Cニブラネノドキャリヤ、P:ビニオン、R:リング
ギヤ、S:サンギヤ、E:ベースエンジン、TC:ター
ボチャージャ、G:歯車減速機構、HTC: )ルクフ
ンバータ、Wv:ウェストゲート弁。 手続補正書(自発) 昭和賃年5月1y日 特許庁長官 若杉和夫 殿 1、 事件の表示 昭和59年特許願第59654号 2、発明の名称 パワータービン65pgg 、6 、J 、 、7びに
ターボコンパウンド・システム 3、補正をする者 事件との関係 特許出願人 5、 補正により増加する発明の数 なし6、 補正の
対象 願書の標題部、及び特許請求の範囲忙記載された
発明の数
FIG. 1 is an explanatory diagram of the power turbine power transmission mechanism of the present invention. 2 and 3 are model diagrams showing the upper half of a cross section of the torque converter according to the present invention taken along a plane including the center of its rotation axis, and FIG.
1), Figure 3 is based on the secondary pump (1-1)
That is. FIG. 4 is a system diagram of the turbo compound system of the present invention. FIG. 5 is a diagram of the suction/exhaust system. In Figures 1, 4, and 5, 1: primary pump, 2:
Turbine runner, 3: Stator, 4: Secondary pump, 5:
Driving shaft, 6: Driven shaft, 7 and 8 one-way clutch, 9:
4M gear of reduction gear train, 10: Exhaust turbine, 11:
10 shaft, 12: planetary gear system, 13: 12 output shaft, +4: gear fixed at @13, 15: intermediate gear, C nibraneno carrier, P: binion, R: ring gear, S: sun gear, E: base engine, TC: turbocharger, G: gear reduction mechanism, HTC: ) Lukhumverter, Wv: wastegate valve. Procedural amendment (voluntary) May 1, 1989 Director-General of the Japan Patent Office Kazuo Wakasugi1, Indication of the case Patent Application No. 59654 of 19822, Name of invention Power turbine 65pgg, 6, J, , 7 and turbo compound・System 3, Relationship with the case of the person making the amendment Patent applicant 5, Number of inventions increased by amendment None 6, Target of amendment Number of inventions described in the title section of the application and the scope of claims

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、)ルクコンバータ回路内に、エンジン動力を伝達す
る為の1次ポンプとは別に2次ポンプを設け、排気ター
ビン減速歯車列の最終歯車をトルクコンバータ被動軸上
に回転自在に備えて、該2次ポンプと、該最終歯車を一
方向クラッチを介して結合する事によりなる、パワータ
ービン動力伝達機構。 2、 ターボフンパウンドエンジンに於いて、ターボチ
ャージャのタービン入口前に1ウエストゲート弁を設け
、特許請求の範囲IK記載のパワータービン動力伝達機
構を有する排気タービンの入口を、該ウェストゲート弁
出口と結ぶ事によりなる、ターボコンパウンド・システ
ム。
[Claims] 1.) A secondary pump is provided in the torque converter circuit in addition to the primary pump for transmitting engine power, and the final gear of the exhaust turbine reduction gear train is rotated on the torque converter driven shaft. A power turbine power transmission mechanism in which the secondary pump and the final gear are freely coupled via a one-way clutch. 2. In a turbo pump engine, a wastegate valve is provided in front of the turbine inlet of the turbocharger, and the inlet of the exhaust turbine having the power turbine power transmission mechanism according to claim IK is connected to the outlet of the wastegate valve. Turbo compound system made by tying.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6293431A (en) * 1985-10-21 1987-04-28 Isuzu Motors Ltd Turbo compound internal combustion engine

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5741427A (en) * 1980-07-22 1982-03-08 Sausu Uesutaan Ind Research Lt Differential compound engine

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