JPS6385222A - 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】 ［産業上の利用分野コ この発明は高過給エンジンとしての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
気量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、■エンジンが軽石コ
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が高過給エンジン、ターボコン
パウンドエンジンである。ターボコンパウンドエンジン
は、第８図に示すようにエンジンｂからの排気ガスをま
ずターボ過給機Ｃの過給仕事として回収し、次いでその
ターボ過給機Ｃから排出される排気ガスをパワータービ
ンｄの動力仕事として回収するようにしＩζものである
。これによってエンジンｂ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。ここでターボコ
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Ｃの膨張比及びパワータービンｄの膨張
比を上げる必要が生じる。即ち、過給圧をさらに高める
程ターボコンパウンドエンジンの有用性を高めることが
できる。

この種の先行する従来例としでは実開昭６０−１５７９
４１号公報記載の内燃機関がある。

この内燃機関は第９図に示されるようにターボ過給機Ｃ
１とパワータービン６１間の排気通路ｅに、そのパワー
タービンｄ１を迂回するバイパス通路ｔを接続し、その
排気通路ｅとバイパス通路ｔとの接続部９に、エンジン
（図示せず）を操作するアクセルペダルの踏み込み岳に
応じて排気通路ｅを閉じてバイパス通路ｆを聞く切換弁
りを設けて構成される。

［発明が解決しようとする問題点］ 上記の内燃機関は排ガスの流伍が少なく排気ガスエネル
ギが小さいことをアクセルペダルの踏込昌の大きさから
知り、排気ガスエネルギが小さいときに排気ガスをバイ
パス通路ｔヘバイパスさせることによってターボ過給機
Ｃ１のタービンに作用する背圧を上げて出力性能の低下
を防止しようとしたものである。

しかし、上記の内燃機関を一車両に採用するにあたって
、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
７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Ｎｅに対してのエンモノ出力ｐｍ
ｅ１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／ＳＴ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ブレーキ力は小
さくなる。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。

［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
。この発明は排気ガスエネルギを回収するパワータービ
ンを排気通路に介設すると共に、該タービンより上流の
排気通路にそのタービンを迂回する流体通路を接続し、
排気ブレーキ作動時で且つ上記タービンにクランク軸か
ら駆動力が伝達されたときに流体通路上流の排気通路を
閉成し、その流体通路を閉成する流路切換手段とからタ
ーボコンパウンドエンジンを構成するものである。

［作　用］ 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上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、
これより下流の排気通路から空気を採り込んで流体通路
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）と排気ブレーキ力が加算された
大きなエンジンブレーキ力を作り出すことができる。

［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４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４には、排気通路４の途中にターボ過給機
１０のタービン１０ａが介設されζ□そのターボ過給機
１０のコンプレッサ１０ｔｌ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４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、この発明のターボコンパウンドエンジンの目
的とするところは、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
。

まずパワータービン１２を正転、逆転させるための構成
を説明する。

第１図に示すように、パワータービン１２の出力軸１３
は複数列の正転用ギヤトレーン１９を介してエンジン１
のクランク軸１５に連結されており、この正転用ギヤト
レーン１９のパワータービン１２側の一列には流体継手
２１が設けられている。流体継手２１を有するギヤ列２
２とクランク軸１５の列との間のギヤ列２３には正転用
電磁クラッチ２４ａが介設される。ゆえに正転用電磁ク
ラッチ２４ａが“入”のときは、パワータービン１２か
らクランク軸１５へ回転が伝達されることになる。

さらに上記パワータービン１２の出力軸１３は、上記正
転用ギヤトレーン１９に並行に設けられた逆転用ギヤト
レーン２０によってクランク軸１５に連結されており、
この逆転用ギヤトレーン２゜は正転用ギヤトレーン１９
に対して逆転用のギヤ列２６が設けられている。この逆
転用のギヤ列２６とクランク軸１５の列の間には逆転用
電磁クラッチ２４ｂが介設されている。逆転用電磁クラ
ッチ２４ｂが“入”のときはクランク軸１５からパワー
タービン１２へ回転が伝達されるようになっている。こ
こで、正転用電磁クラッチ２４ａが゛入″のときは、逆
転用電磁クラッチ２４ｂが″切″となるように構成され
、一方のギヤトレーンが連結されたときに他方のギヤト
レーンは断たれるように構成される。

各ギヤトレーン１９．２０のパワータービン１２側のギ
ヤ列にはそれぞれ流体継手２１が介設されており、この
流体継手２１は入力側（パワータービン側）のポンプ車
２１ａと出力側（クランク軸側）のポンプ！！２１ｂと
の間に作動油を行ききするようにし、入出力側いずれか
のポンプ車２１ａ、２１ｂが作動されたときに他方のポ
ンプ車２１ａ、２１ｂに作動油を供給して回転出力を伝
達するようになっている。

ここで、一般的にはパワータービン１２の羽根車の形状
は、正転方向で効率よく仕事をするように設計されてお
り、このパワータービン１２を逆転したときに、クラン
ク軸１５に対して大きな抵抗を与えるために、この実施
例では以下のごとき構成される。

第２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４には、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４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、第２図
に示されるように上記接続部に設けられたロータリーバ
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ポートへのポート直径ｄ１は排気通路４の通
路直径ｄＤに等しく、他方の第２ポートＢのポート直径
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４の一部と
なる通口３１ｃが開口されてる。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４と第１ポートＡ
が接続されたときには排気通路４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４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３・６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
流体供給通路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
流電源である。

４６は正転用電磁クラッチスイッチで、４７は逆転用電
磁クラッチスイッチである。正転用電磁クラッチスイッ
チ４６の接点は、常閉接点（ｂ接点）、逆転用′ＷｉＩ
ｎクラッチスイッチ４７は常開接点（ａ接点）となって
いる。

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チ４３がＯ
ＦＦのときは、電磁弁４０がＯＦＦであるから、第２図
に示ずようにパワータービン１２の直上流の排気通路４
とロータリーバルブ３１の上流側の排気通路４とが第１
ポート八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４へと送られターボ過
給機１０のタービン１０ａによって１非気ガスエネルギ
が回収される。タービン１０ａは同軸上のコンプレッサ
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。ターボ過給機１０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
スエネルギが回収される。ここで、このときは正転用電
磁クラッチ４６が゛入″であ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、正転用ギヤトレ
ーン１９、流体継手２１を介してクランク軸１５に伝達
され、回転エネルギとして使用される。

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
、クラッチ作動スイッチ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、このときは逆転用電
磁クラッヂスイッチ４７が゛入″であるから、この時に
電磁弁４ｏがＯＮ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、レバ部材３５を介してロー
タリーバルブ３１を動作し、排気通路４を閉じて、その
ロータリーバルブ３１より下流の排気通路４と流体通路
２５とを第２ポート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
なくなった状態で逆に、逆転用ギヤトレーン２０．流体
部子２１を介してクランク軸１５の回転力がパワーター
ビン１２へ伝達される。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４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ポート已に
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
ンのフリクショ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、このブレーキ弁が全閉さ
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ポートＢの直径はパワータービン１２の
形状によって一義的に決定されるが、ポート直径ｄ２と
エンジンブレーキ力ｐｍｆ、つまり負の仕事との間には
第４図に示す関係が確認されている。即ち、パワーター
ビン１２によってエンジンブレーキ力が最大となるポー
ト直径ｄｚ　　（第５図参照）を得ることができる。

第６図にはターボ過給１１１０及びパワータービン１２
をもたないベースエンジンと、それらを装備したターボ
コンパウンドエンジンのエンジンブレーキ力性能が示さ
れている。

図示されるように、（イ）はベースエンジンのモータフ
リクション、（ハ）はターボコンパウンドエンジンのモ
ータフリクションを示している。

（ロ）はターボコンパウンドエンジンで、ターボ過給機
１０とパワータービン１２間、またはパワータービン１
２より下流の排気通路４を閉じたときのエンジンブレー
キ力性能を示し、（ニ）はベースエンジンで排気ブレー
キ作動時のエンジブレーキ性能を示す。（ホ）はターボ
コンパウンドエンジンで排気ブレーキ作動時のエンジン
ブレーキ力性能を示す。

これらからエンジンブレーキ力性能は（ホ）が優れてい
ることがわかるが、出力性能が高いターボコンパウンド
エンジンにとってはエンジンブレーキ力が小さい。そこ
でターボコンパウンドエンジンでターボ過給機１０とパ
ワータービン１２間の排気通路４を閉じ且つパワーター
ビン１２に空気の掻き雑ぜ仕事を正転方向に行なわせた
（へ）のエンジンブレーキ力性能は、（ホ）に対して向
上することがわかる。（ト）は（ホ）、においてパワー
タービン１２に正転方向のコンプレッション仕事を行な
わせた場合を示し、大きなエンジンブレーキ力が得られ
ることがわかる。これらに対し、この発明のターボコン
パウンドエンジンのエンジンブレーキ力性能を示す（チ
）は立ち上り（応答性）が良く更に大きなエンジンブレ
ーキ力を得ることができることがわかる。

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か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４を全問にする開開弁と、流体通路２５の通路
径を所定の開度に絞る絞り弁とをｊ１動させるこように
してもよい。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４を開口１させ
てもよい。

［Ｒ明の効果１ 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］　　排ガスにより正転されてガスのエネルギを回
収するパワータービンを排気通路に介設すると共に、該
タービンより上流の排気通路にそのタービンを迂回する
流体通路を接続し、排気ブレ１．−手作動時で且つ上記
タービンに逆転方向の駆動力がクランク軸から伝ｊ工さ
れたときに流体通路上流の排気通路を開成し、その流体
通路を開成する流路切換手段とからターボコンパウンド
エンジンを構成したので、排気ブレーキ時にエンジンの
フリクション、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。

（２）　　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ポート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
エンジンブレーキ力性能を示すグラフ、第７図は無過給
エンジンと高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８図、第９図は従来例を示ず概
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３
２とから成る流路切換手段である。 特許出願人　　いすず自動車株式会社 代理人弁理士　絹　　谷　　信　　雄 第３　図 第４図 第６図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）排気ガスエネルギを回収するパワータービンを排
   気通路に介設すると共に、該タービンより上流の排気通
   路にそのタービンを迂回する流体通路を接続し、排気ブ
   レーキ作動時で且つ上記タービンにクランク軸から駆動
   力が伝達されたときに流体通路上流の排気通路を閉成し
   、その流体通路を開成する流路切換手段を設けたことを
   特徴とするターボコンパウンドエンジン。
2. （２）上記流路切換手段が、排気ブレーキ作動時で且つ
   上記タービンにクランク軸からの駆動力が伝達されたと
   きに、上記流体通路より上流の排気通路を閉成し、その
   流体通路を所定の開度に開成する切換弁と、この切換弁
   を駆動する駆動装置とから構成された上記特許請求の範
   囲第１項記載のターボコンパウンドエンジン。
3. （３）上記切換弁が排気通路直径と同一の第１ポートと
   流体通路より小さな第２ポートを有するロータリーバル
   ブから成り、排気ブレーキ作動時で且つ上記タービンに
   クランク軸からの駆動力が伝達されたときに、上記駆動
   装置により切換えられて第２ポートと流体通路とを接続
   し、第１ポートと排気通路との接続を断つように構成さ
   れた上記特許請求の範囲第１項または第２項記載のター
   ボコンパウンドエンジン。
4. （４）上記パワータービンがクランク軸にギヤトレーン
   を介して正転・逆転自在に連結され、クラッチにより正
   転・逆転が切換えられるように構成された上記特許請求
   の範囲第１項記載のターボコンパウンドエンジン。