JPS6189129A - 複合機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発ＢＡはディーゼル機関の高出力化、低燃費化を計る
一環として、その排気エネルギーを排気タービンに吸収
させ無段変速機を駆動させ、その動力をディーゼル機関
出力軸（以下出力軸という）に還元する複合機関を提供
するに関する。

従来の技術 ディーゼル機関（以下エンジンともいう）の高出力化の
一手段として２段過給方式が採用され吸気を２段に加圧
冷却し高密度の空気をシリ・ンダ内に導く方法があるが
この場合燃焼最大圧力が高くなり構成部品を強化しなけ
ればならないため機：″Ａ型重量増大は避けられない。

一方低燃費化、省工ネルギ一対策としてセラミックによ
る断熱エンジンが脚光浴びている。

併しこの場合燃焼室を完全に断熱できたと仮定しても有
効仕事は期待した程増加せず大部分冷却構分が排気損失
分にシフトするに過ぎない。

発明が解決しようとする問題点 第３図はターボチャージャ（以下排気ダーポ過給機）に
よる２段過給方式を示すもので、エンジンｌ（この場合
は４シリンダ機関）の各シリンダ３より排出される排気
ガスは排気多岐管４より第１段タービン５に導かれ、更
に排気連結管７を介して第２段タービン８に導かれる。

一方吸気は第２段タービン８と軸３１で連結される第１
段過給機９により加圧された後、第１次空気冷却器４０
により冷却され第１段タービン５と軸３２に連結される
第２段過給機６より更に加圧され、圧力を高めた後、第
２次空気冷却器１５により冷却され吸気多岐管１４を介
して各シリンダ３に吸入される。

このように２段に加圧、冷却された密度の高められた空
気をシリンダ３内に導くことによって従来より多量の燃
料を燃焼させることにより平均有効圧力を大巾に増加で
きディーゼル機関の高出力化が達成できるが、しかしそ
の反面燃焼最大圧力が高くなりディーゼル機関の構成部
品をそれに耐えられる構造にしなければならないためデ
ィーゼル機関の重量の増大はさけられない。この対策と
して圧縮比を低くおさえる必要があるが、このようにす
ると始動時の着火が困難になり始動性が悪くなる。

この対策としては吸気を予熱したり、シリンダを２群に
わけ、第１群のシリンダヘッドにコントロールバルブ３
３を設け、第２群のシリンダヘッドにチェックバルブ３
４を取り付け、始動時のみこのコントロールバルブ３３
を作動させ圧縮行程によって圧縮された第１群シリンダ
の空気をチェックバルブ３４を介して第２群のシリンダ
内に導き吸気圧力の予圧を行うことにより起動を容易に
するなどの手段がとられているが機構的にも複雑となる
。

一方低燃費化、省エネルギ一対策としてはセラミック材
使用による断熱されたディーゼル機関が開発されている
が燃焼室を完全に断熱できたとしても低燃費化を計る為
には、この増加した排気エネルギーを排気タービンなど
で吸収し有効仕事に変換する必要がある。

即ち第４図においてエンジンｌはプロペラナトノ負荷２
を連結し各シリンダ３はセラミック材で断熱されている
。したがってシリンダ３より排出される排気温度は第３
図の場合より高くなるが、これを排気多岐管４より第１
段タービン５に導き更に排気導管７を通して第２段ター
ビン８（以下出力タービンともいう）に導く。

一方吸気は第１段タービン５と軸３２で連結される過給
機６により加圧された後、空気冷却器１５により冷却さ
れ吸気多岐管１４を介して各シリンダに吸入される。第
２段タービン８は断熱エンジンのため、第３図の第２段
ターピノ８より入口排気ガス温度が高いからタービン出
力は第３図よりも高くなる。

このタービン出力を第１段減速機３５．流体継手３６、
第２減速機３７を介してエンジン出力軸歯車１２と連結
させることにより増量力が達成される。

この増量力は排気損失エネルギーより還元されたもので
あるからそれ実燃料消費率は改善される。

流体継手３６を動力伝達系に挿入する理由はエンジン側
の捩れ撮動などがタービン側に伝達゛されるのを防止す
るためきタービン回転数とエンジン回転数のマツチング
を流体接手３６のスリップによりとるためであるが流体
接手３６はスリップ率に比例して伝達効率が低下するか
ら折角排気エネルギーを出力タービンで機械エネルギー
に変換してもクランク軸にエネルギーを伝達する過程で
大きな伝達効率の低下を生じ装置が複雑な割にはクラン
ク軸側に有効仕事として還元されるエネルギーは少い。

特に発電用機関の場合９機関回転°数は負荷に関係なく
一定であるが、タービン回転数は負荷に比例して上昇す
る。

したがって高負荷に適したタービンとクランク軸との回
転数比に伝達系の速度比を設定した場合。

部分負荷においてはタービンが逆にクランク軸側から駆
動される状態となる。また部分負荷時に適した速度比に
設定した場合には、それ以上の負荷状態ではクランク軸
側に動力は還元されるが設定値より離れるにしたがって
流体継手３６のスリップ率は増加し、動力伝達率は低下
する。このように動力伝達系に流体接手３６を挿入した
場合、設定値以外の負荷状態では効率のよい動力伝達が
行われないことになる。

問題点を解決するための手段 以上記述した排気タービンとエンジンからなる複合機関
は種々の問題点を有するが、現在長足の進歩をしている
マイクロコンピュータ応用技術ならびに信頼性の高いセ
ンサおよび既に一部自動車の動力伝達系に実用化されつ
−ある無段変速装置などの統合的な利用技術を背景とし
て前記問題点を克服し、熱効率の良い複合機関を提供す
るもので、その構成は第１図よりエンジンｌはプロペラ
などの負荷２で各シリンダ３はセラミック材によって断
熱エンジン である。したがって各シリンダ３より排出される排気ガ
ス温度は極めて高く、この排気ガスを排気多岐管４より
第１段のタービン５に導く。このグービンは過給機６を
駆動する従来からのターボチャージャーとして働くが流
入する排気ガス温度が高いためセラミックタービンなど
が適している。

タービン５を出た排気ガスは排気導管７を介して出力タ
ービン８に導かれる。このタービン８は残存排気エネル
ギーを充分吸収できるよう膨張比を極めて大きく取っで
ある。この出力タービン８の一端には過給機９が他端に
は遊星歯車装置１０を介して無段変速装置１１が取りつ
けられている。

本実施例ではスチールベルトを使用したトランスマチッ
ク方式の無段変速機は更に減速機１２を介してエンジン
側より出力軸１３に連結されている一吸入空気は第１段
過給機９により圧縮された後。

第１次、空気冷却器１４により冷却され更に第２段過給
機６によって圧縮加圧され第２次空気冷却器１５によっ
て冷却された後、エンジンシリンダ■内に吸入される２
段過給方式となっている。第１および第２段過給機出口
には運動する切換弁１６が設けられ始動時には吸気は第
２段過給機には流入しないようになっている。２ケのタ
ービン５゜８の入口には温度センサ１７，１８が、吸気
多岐管には圧力上ンサ１９が、出力タービンおよびエン
ジンには速度センサＣ回転数検出）２０．２１が取りつ
けられ、これらの情報はマイクロコンピュータ−を内蔵
した制御器２２に入力される。

これらの入力は制御器２２内のマイクロコンピュータ−
によって解析され、その結果にもとづき。

アクチェエータ−２３に指令を発し調圧弁２４を制御す
る。この調圧弁にはポンプ２５より供給される作動油が
こ＼で調圧され無段変速機１１の油圧シリンダ２６゜２
７内の圧力をコントロールして可変ブーＩＪ−２８，２
９を自動制御し変速比を最適値に調整出来る様に構成さ
れている。

作用および実施例 本機関は２段過給エンジンとしての特性も有するから、
エンジンの圧縮比はあらかじめ低く設定されているので
始動が困難であるから、始動に際しエンジン側から逆に
出力タービンを駆動し、同軸上に設けられている過給機
９を機械駆動方式の過給機として作動させシリンダ３に
入る空気圧力および温度を高めることによって始動性を
改善している。

この場合には制御器２２内に始動指令を与えると先づ切
換え弁１６をＡ側に切換えると共に無段変速機１１の変
速化を始動最適値にする。

このようにしてエンジンを始動させると過給機９はクラ
ンク軸側より機械駆動され始動可能な加圧空気をシリン
ダ内に送り込み始動性を改善させる。

この場合空気は切換弁１６のＡ側を通るので、空気冷却
器１４第２段排気タービン過給機６を通らず直接空気冷
却器１５を通ってシリンダ３に送られる。エンジンの起
動確認は速度センサ２０によって行なわれ、規定速度に
達すると切換弁１６はＡ側より元の位置即ちＢ側運転状
態にもどされる。

この場合、吸入空気は第１段過給機９より第１次空気冷
却器１４を通り第２段過給機６で２段過給された後第２
次空気冷却器１５で再冷却された後シリンダ内に導かれ
、２段過給が行われる。タービン出力はタービン入口温
度及び膨張比（またはタービン出入口温度差）によって
きまる。第２図に制御のための入出力の概要を示す。

出力タービンについてはあらかじめ檗体試験によりター
ビン出入口温度、タービン回転数、タービン効率および
タービン出力の関係について試験を行いその結果を制御
器内のコンピューターに入力しておく。エンジンについ
ても同様に本機を２段過給機関として運転した場合の諸
元（エンジン速度−回転数タービン出入口温度１回転数
、過給空気圧力など〕を特性試験により確認しこれらも
同じく制御器内にコンピューターに入力しておく。

さらにこれらの諸数値から計算および試験によって各負
荷状態における最適速度比（タービンとエンジンとの）
を求め、その結果も制御器内のコンピューターに入力し
ておき、運転中は常時者センサより送信される情報を解
析しあらかじめ入力されているテスト結果を比較演算し
て、その結果により最適速度比を割り出しアクチェター
２３に指令を与える。このようにして常時センサより送
られて来る運転状態を監視し、その情報にもとづき最適
のタービン／エンジン速度比を制御器内のコンピュータ
ーによって解析演算しアクチュエータ−２３を介して無
段変速機１１の変速比を常時雇適値に調整することがで
きる。

発明の効果 第３図の如く２段過給機を使用し、高出力化を達成する
にしても機関重量の増大を伴う。また第４図の如くセラ
ミック材を使用した断熱エンジンにおいて第１段ターボ
チャージャで過給しつ５゜第２段タービンの出力を流体
継手を介してエンジン側出力軸に還元する手段もあるが
、運転全領域に渉って最適状態を維持できず成る設定値
を離れるにしたがって効率の悪い動力伝達となる。

本発明によれば２段ターボチャージャでシリンダを過給
するき共に第２段タービン出力軸ζこ遊星歯車装置無段
変速装置減速機を介してエンジン側出力軸に連結してお
り、この第２段タービンよりのエンジン側出力軸えの出
力の還元はマイクロコンピュータ−の使用によりエンジ
ンの始動時および運転時、エンジン各部に装備された温
度センサ。

圧力センサ。速度センサにより検出された情報が制御器
に伝送され、またエンジン、タービンの特性試験による
データの入力値および各負荷状態における最適速度比の
入力値等と前述の伝送された検出情報が比較解析され演
算しアクチェーター２３を介して無段変速機１１の変速
比を常時最適値に調整しているので従来の流体継手を使
用した第４図の出力還元方法に較べ始動時より運転時の
全領域で格段にすぐれた出力タービンからのエネルギー
還元率か得られエネルギー効率を飛躍的に高めた複合機
関が達成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の複合機関の説明図 第２図は制御の方法の説明図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ディーゼル機関と排気タービンとからなる複合機関
   において排気エネルギーをタービンにより吸収し、ディ
   ーゼル機関側に動力還元する動力伝達系に無段変速機を
   介在させた複合機関においてマイクロコンピューター内
   蔵の制御器に温度センサ、圧力センサ、速度センサによ
   り検出された温度、圧力、速度情報を入力し、あらかじ
   め運転試験のタービン、ディーゼル機関の運転特性と比
   較演算し、出力タービンとディーゼル機関の最適速度比
   を割り出しその結果にもとづきアクチエータを作動させ
   無段変速機の速度比を常に最適に調整するようにした複
   合機関。 ２、特許請求の範囲１において出力タービン側にも過給
   機を設け始動時または低負荷時にディーゼル機関側より
   この過給機を機械駆動することによつて始動特性および
   低負荷特性を改善する複合機関。 ３、特許請求の範囲１において機械駆動過給機と排気タ
   ービン過給機とからなる２段過給ディーゼル機関におい
   て始動時、切換弁を始動側に切換えることにより機械駆
   動過給機のみを働かせて始動特性を改善した複合機関。