JPS63162936A - タ−ボコンパウンドエンジン - 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１ この発明は排気ガスのエネルギをタービンの膨張仕事と
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、特に出力が同等の無過給エンジンに対して同等
以上のエンジンブレーキ力を得ようとしたターボコンパ
ウンドエンジンに関する。

［従来の技術］ 一般に過給機を備えたエンジンは、このエンジンより排
気ムの大きい無過給エンジンに比較して■燃費性能が良
い、■出力性能が同等以上である、■エンジンが軽聞コ
ンパクトである、等の優れた長所をもっている。この長
所を更に押し准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ｔｒスをパワータービンの断熱膨張仕事として回収
するようにしたものである。これによってエンジ〉め出
力性能、型費性能、ゲインを総合的に向上させることが
できるシ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張比及び
パワータービンの膨張比を上げて過給圧をざらに高め、
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。これは第６図に示すよう
に、無過給エンジンと高過給エンジンにおけるエンジン
回転数Ｎｃに対してのエンジン出力Ｐｌｃ、エンジンブ
レーキカＰＩＩｌｆとの関係から知ることができる。

同図において実線が出力性能を示し、破線がエンジンブ
レーキ力を示す。

ここで代表回転数としての１００％定格回転数Ｎ１００
％での相対的ブレーキ力（エンジン回転数／エンジン出
力）についてみるとＢＮ　／ＳＮ　＞ＢＴ／Ｓ丁の関係
にあることがわかる。

但し、ＢＮ・・・無過給エンジンのエンジンブレーキ力 ＳＮ・・・無過給エンジンのエンジン出力ＢＴ・・・高
過給エンジンのエンジン ブレーキ力 ＳＴ・・・高過給エンジンのエンジン出力このように、
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
二１）操作を必要とする。エンジンブレーキ力の確保は
４車両の操作性はちとより、車両の安全走行上必要不可
欠な要素（エンジンブレーキ力は定格出力の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７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ｂ１に介設すると
共に、そのタービンａＪ：り上流の排気通路ｂ２にその
タービンａを迂回ザる流体通路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ｂ２ｅ
閏成し、その流体通路Ｃを開成する流路切換手段ｅとを
設【ノてターボコンパウンドエンジンを構成したもので
ある。

［発明が解決しようとする問題点］ 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
によって、流体通路の上流側の排気通路が閉じられ、且
つそのパワータービン直−［流の排気通路と流体通路と
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は
、下流の排気通路から空気を採り込んで流体通路へ圧退
する０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）と排気ブレーキ力が加俸された大きな
エンジンブレーキ力を作り出すことができる。

ところが、排気ブレーキの作動は、エンジンの定格回転
を越える運転がなされているとぎにも行なわれる場合が
あり、このときにパワータービンがオーバーランに至る
問題が生じる可能性が高く解決しようとする問題点とな
っていた。オーバーランはパワータービンの回転部及び
軸受の回転性能を苔しく′低下させ焼付を発生させる要
因になる。

［問題点を解決するための手段］ この発明は上記問題点を解決することを目的としている
。この発明はパワータービンとクランク軸とを、排気ブ
レーキ作動時に連結する電磁クラッチを有し、クランク
軸の回転をパワータービンへ伝達するギヤトレーンで接
続すると共に、該ギヤ１−レーンの歯車比を排気ブレー
キ非作動時にパワータービンの回転力をクランク軸に伝
達するギヤトレーンの歯車比より小さくしてターボコン
パウンドエンジンを構成したものである。

［作　用］ 排気ブレーキ作動時には電磁クラッチが接続されてクラ
ンク軸の回転をパワータービンへ伝達するギヤトレーン
を動作するから、パワータービンｔよりランク軸の回転
が伝達され逆転方向に駆動される。ここで排気ブレーキ
非作動時にパワータービンからクランク軸へ回転を伝達
するギヤトレーンの歯車比に対して、クランク軸からパ
ワータービンへ回転を伝達するギヤトレーンの歯車比は
小さくしであるから、排気ブレーキ時におけるパワータ
ービンにオーバランを起こさせることがない。

［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塁づいて説明する。

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
８１１０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ｎ１０の上流側の排気通路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、この発明の途−ボコンパウンドエンジンは、
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
保することにある。エンジンブレーキ力を増大させるた
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
なわせることが有効であると考えられる。

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なわせる
ように構成される。

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１．
１、これに一端が接続され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が形
成されており、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は流路切換手段３０が設けられる
。

この実施例にあって流路切換手段３０は第１図乃至第３
図に示されるように上記接続部に設けられた排気切換弁
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”勤装置３２とから構成される。ロ
ータリーバルブ３１は第２図、第３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に二つの第１ボートＡ、第２ボ
ートＢを形成して構成される。一方の第１ボートへのポ
ー１〜直径ｄ１は排気通路４ｂの通路直径ｄＯに等しく
、他方の第２ボートＢのボート直径ｄ２は流体通路２５
の通路直径ｄ３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３１Ｇが
開口され−Ｃいる。各第１ボートＡ、第２ボートＢの回
転位置関係は、排気通路４ｂと第１ボート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図に示されるように、ロータ３１ｂ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３
５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、この流体送給通
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″？ｆｉｌｉｌ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
などの直流電源である。

４７は逆転用の電磁クラッチスイッチであり、常開接点
（ａ接点）となってりる。

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ｉ星歯車１７ａ
、１７ｂが噛合すｔ’Ｌ　”Ｃイる。それら遊星歯車１
７ａ、１７ｂは流体継手２１の入カボンブ車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ＴＩ星歯車機構１９によって流体継手
２１に接続され、パワータービン１２からの回転ツノを
流体継手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ｒＪ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。

ところで、クランク軸１５には、電磁クラッチ２２を内
蔵し、その電磁クラッチ２２によって回転が断続される
第１クランク軸歯車２３、及び第２クランク翰歯車２４
が一体に設けられており、第２クランク軸歯車２４はワ
ンウェイクラッチ２６を内蔵する第２中間歯車２７に噛
合される。

第２中間歯車２７は同軸上に接続された第１中間歯車２
８を介して上記入出力歯車２０に連結される。

また、第１中間歯車２８と第１クランク軸歯車２３とは
、逆転用のアイドル１！ヤ２９により連結されており、
電磁クララｊ２２が“入″、即ち上記電磁クラッチスイ
ッチ４７がＯＮのときに、第１クランク軸歯車２３と第
１中聞歯車２８とを接続し、クランク軸１５からの回転
駆動力が上記入出力歯車２０へ伝達されるようになって
いる。このとき第２中間歯車２７と第２クランク軸歯車
２４との間はワンウェイクラッチ２６を設けることによ
って回転力の伝達はな、されず、ワンウェイクラッチ２
６のみフリー回転するようになっている。

ところで、この発明の目的と−Ｊるところは、エンジン
の定格回転数でパワータービン１２にクランク軸１５か
らの駆動力が伝達されたとぎにパワータービン１２のオ
ーバーランを防止することにあるから、エンジン１が定
格回転数のときに、パワータービン１２がオーバーラン
を生じ゛ない回転数に、入出力歯車２０と第２クランク
軸歯車２４との間の歯車比に対し、第１クランク軸歯車
２３と入出力歯車２０との間の歯車比を小ざくするよう
に、各歯車（第１クランク軸歯車２３．アイドルギヤ２
９．第１中間歯車２８．入出力歯車２０）の歯車比が定
められる。

具体的にこの実施例では第１クランク軸歯車２３と第１
中間歯車２８との歯車比が第２クランク軸歯車２４と第
２中間歯車２７との歯車比に対して小さくなるように構
成されている。

ここｒ、第２クランク軸歯車２４．ワンウェイクラッチ
２６．第１中間歯車２８．入出力歯車２０がパワーター
ビン１２からクランク＠１５へ回転を伝達するギヤトレ
ーン５６を、第１クランク軸歯車２３．アイドルギヤ２
９．第１中間歯車２８、入出力歯車２０がクランク軸゛
１５からパワータービン１２へ回転を伝達するギヤトレ
ーン５７を構成する。

次にこの発明のターボコンパウンドエンジンの作用を添
付図面に基づいて説明する。

第１図に示されるように排気ブレーキスイッヂ４３がＯ
［］：のときは、′ｉ８磁弁４０がＯＦＦであるから、
第２図に示すようにパワータービン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４
ｂとが第１ボートＡを介して接続される。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によって排気ガ
スエネルギが回収される。タービン１０ａは同軸上のコ
ンプレッ１す１０ｂを回転駆動するからエンジン１の筒
内に、過給された空気を送り込む。ターボ過給ｆ！Ａ１
０のタービン１０ａを出た排気ガスは、パワータービン
１２に回転駆動力を与える。即ち、このパワータービン
１２にて再び排気ガス１ネルギが回収される。このとき
は電磁クラッチ２２が“切″となっているからパワータ
ービン１２により回収された排気ガスエネルギは、まず
遊星歯車機構１９で減速され、この減速後の回転が入出
力歯１１１２０より第２中間歯車２７．第２クランク軸
歯車２４に伝達される。この結果、クランク軸１５に回
転力が伝達され、回転エネルギとして使用されφ。

次に排気ブレーキ作動時について説明する。

排気ブレーキ作動時はニュートラルセンサスイッチ４１
．クラツチ作動スイッチ４２、そして排気ブレーキスイ
ッチ４３全てがＯＮのときであり、このときは電磁クラ
ッチスイッチ４７が“入゛°であるから、この時に電磁
弁４０ｔｆｉＯＮとなって流体供給装置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。こ
れにより動作、ロッド３３が、レバ部月３５を今して【
コータリーバルブ３１を動作し、排気通路４ｂを閉じＣ
１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ボートＢを介して連通ずる。

したがってパワータービン１２には排気ガスによる回転
力が与えられな（なった状態で逆に、第１クランク軸歯
車２３．アイドルギヤ２９．第１中間歯車２８を介して
クランク軸１５の駆動力が入出力歯車２０及び流体継手
２１に伝達される。即ち、パワータービン１２は第５図
に示すように、逆転されて、パワータービン１２より下
流の排気通路４Ｃから流体通路２５の接続部へ空気を送
る効率の悪いコンプレッサとなる。また第２ボートＢに
よって流体通路２５へ送るガスが絞られるため流速が速
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作動時には
この負の仕事と排気ブレーキによる負の仕事及びエンジ
ンの７リクシ３ンが加えられた大きなエンジンブレーキ
力が作り出される。排気ブレーキとしての構成は排気マ
ニホールド３．下流に設けられた排気ブレーキ弁（図示
せず）の動作によってなされ、このブレーキ弁が仝閉さ
れることによる排気抵抗の増大、即ち、ボンピング仕事
の増大が排気ブレーキ弁によるエンジンブレーキ力とな
る。ここで第２ボートＢの直径はパワータービン１２の
形状によって−ｉ的に決定される。このボート直径ｄ２
もまたパワータービン１２をオーバーランさせないよう
な開口径に設定される。（第４図、第５図参照）ところ
で、この実施例にあっては、パワータービン１２より下
流の排気通路４Ｃと流体通路２５との接続部４ｅの、そ
の排気通路４Ｃ側に三方弁５５を介設することも可能で
あり、このように構成することによって上記排気ブレー
キ作動時に、排気通路４Ｃを閏じて、排気ガスに比較し
て浄化された大気を直接採り込むことができるようにな
る。

尚、この発明の実施例で排気通路４及び流体通路２５の
切換をロータリーバルブ３１で行なうように説明したが
、これに限らず、排気ブレーキ作動時で、パワータービ
ン１２にクランク軸１５／）ｓ／らの逆転方向の駆動力
が伝達された場合には、流体通路２５の接続部より上流
となる排気通路４ｂを全閉にする開開弁と、流体通路２
５の通路径を所定の開度に絞る絞り弁とを連動さぼるよ
うにしてｂよい。さらに予め流体通路２５を所定開度に
絞って形成し、流体通路２５上流の排気通路４ｂを開開
させてもよい。

［発明の効果］ 以上説明したことから明らかなように、この発明のター
ボコンパウンドエンジンによれば、次のごとき優れた効
果を発揮できる。

（１）　　排気ブレーキ時にエンジンのフリクシＥ］ン
。

パワータービンの負の仕事、排気ブレーキ力を加算した
大きなエンジンブレーキ力を発生させることができると
共に、パワータービンのオーバーランを防止できる。

（ｂ　ターボコンパウンドエンジン、の高性能を発揮さ
せるに十分なエンジンブレーキ力が確保できるので、信
頼性を大幅に向上できる。

【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
適一実施例を示す概略図、第２図、第３図は第１図の要
部詳細図、第４図はロータリーバルブの第２ボートＢの
直径とエンジンブレーキ力との関係を示すグラフ、第５
図はパワータービンのガスの流れを示す概略図、第６図
は無過給エンジンと＾過給エンジンとのエンジンブレー
キ力性能の比較を示すグラフ、第７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、２２は電磁クラッチ、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、５６
はパワータービンからクランク軸へ回転を伝１　ｔｌる
ギヤトレーン、５７はクランク軸からパワータービンへ
回転を伝達り゛るギヤ１−レーンである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. パワータービンとクランク軸とを、排気ブレーキ作動時
   に連結する電磁クラッチを有し、クランク軸の回転をパ
   ワータービンへ伝達するギヤトレーンで接続すると共に
   、該ギヤトレーンの歯車比を排気ブレーキ非作動時にパ
   ワータービンの回転力をクランク軸に伝達するギヤトレ
   ーンの歯車比より小さくしたターボコンパウンドエンジ
   ン。