JPS639616A

JPS639616A - タ−ボコンパウンドエンジン

Info

Publication number: JPS639616A
Application number: JP61149585A
Authority: JP
Inventors: Hideo Kawamura; 英男河村
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1986-06-27
Filing date: 1986-06-27
Publication date: 1988-01-16
Also published as: JPH0373731B2

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］本発明はターボコンパウンドエンジンに係り、特に、速
度全域で排気ガスエネルギの回収効率を向上し、且つシ
リンダのガス交換率を向上して安定した出力を得ること
のできるターボコンパウンドエンジンに関するものであ
る。

［従来の技術］断熱エンジンの燃焼室をセラミックで形成し、排気マニ
ホールドにターボチャージャーとタービンを接続して、
排気ガスエネルギを効率よく回収しようとするものとし
て、一般にターボコンパウンドエンジンが知られている
。

このターボコンパウンドエンジンは、エンジンの熱発生
期間はできる限り断熱し、排気ガスに移動した熱エネル
ギによりターボチャージャーとタービンを駆動するディ
ーゼルエンジンサイクルとブライトンサイクルにより排
気ガスエネルギの回収を図ろうとするものである。

このようなターボコンパウンドエンジンの先行例として
は、２段過給内燃機関（実開昭５９−１５２１４２号公
報記載）が知られている。

第８図に示すようにこの２段過給内燃機関は、エンジン
Ｅ１の各気筒Ｃに排気弁ｄを２個設け、排気行程で共に
開かれる高圧排気弁ｄ１を高圧排気マニホールドｅに接
続し、その高圧排気マニホールドｅに接続の排気通路ｆ
を第１のターボチャ−ジャーＱのタービンｈを経て、第
２のターボチャージャーｉのタービンｊに接続すると共
に、後から開弁する低圧排気マニホールドｋに接続し、
その低圧排気マニホールドｋに接続の排気通路ｐを第２
のターボチャージャーｉに接続して構成されるものであ
る。

［発明が解決しようとする問題点コ上記の２段過給内燃機関では、高圧段ターボチャージャ
ーが高圧マニホールドからの高い圧力の脈動成分（動圧
）により作動され、また低圧段ターボチャージャーが高
圧段ターボチャージャーを経た後の排気通路と低圧排気
マニホールドに通じる排気通路の合流された排気（静圧
）にて作動されるようになっており、各気筒に１つの排
気弁を設け、その排気弁に通じる排気通路に直列に２台
のターボチャージャーを設けたものに比較して、排気エ
ネルギの有効利用及び機関の低速域でのボンピング損失
の低下を図ったものである。

ところが、上述の２段過給内燃機関のように低圧段と高
圧段のターボチャージャーの間に、低圧排気マニホール
ドを接続する構成は、低圧段ターボチャージャーを作動
するには有効であるが、しかしタービンの抵抗を考えた
場合、シリンダ内に排気ガスが残ってガス交換率に自ず
と限界をもっていた。このガス交換率が悪いと吸気の吸
入効率もまた悪くなって出力低下を来すため問題点とし
て挙げられる。

［問題点を解決するための手段］本発明は上記問題点を解決することを目的としている。

本発明はエンジンの主排気通路に直列にターボチャージ
ャー及び排気ガスエネルギ回収用のタービンを接続し、
タービンより下流側の主排気通路にその主排気通路より
遅れて開放されるｉｌ排気通路を接続してターボコンパ
ウンドエンジンを構成するものである。

［作　用］主排気通路及びこれに遅れて副排気通路が開かれると、
主排気通路及び副排気通路からの排気ガスはターボチャ
ージャー及びタービンへ順次供給されてそれらを良好に
作動し、排気ガスの熱エネルギを回収する。この主排気
通路が開かれた後に副排気通路が開かれると、この副排
気通路はエンジンのシリンダ内圧に対して低圧なので何
如阻害されることなく、シリンダの排気ガスが副排気通
路を介して外部に排出される。したがってエンジンのボ
ンピングロスが少なくなると共に、排気ガス交換率が向
上して吸入効率が向上し、安定した出力を得ることがで
きる。

［第１実施例１以下に本発明のターボコンパウンドエンジンの第１実施
例を添付図面に基づいて説明する。

第１図にターボコンパウンドエンジンの概略断面を示す
。

図において１はシリンダボディ、２はシリンダライナ、
３はピストン、４はシリンダヘッド、７は主排気弁であ
る。

シリンダライナ２は断熱性の高いセラミックにて形成さ
れており、そのシリンダライナ２内には、往復動自在に
ピストン３が収容される。シリンダボディ１上に着座し
て一体的に接合されるシリンダヘッド４と上記シリンダ
ライナ２及びピストン３によりシリンダ室５が区画され
る。このシリンダヘッド４内には、シリンダ室５に連通
する主排気通路６が形成されており、このシリンダ室５
はシリンダヘッド４内に往復動自在に設けられた主排気
弁７によって開閉されるようになっている。

８ａは、その主排気弁７のバルブフェイス７ａが着座す
るバルブシートである。また、シリンダヘッド４内には
、上記主排気通路６に並行な位置に、シリンダ室５に連
通ずる副排気通路９が形成されており、このｎ１排気通
路９は、シリンダヘッド４内に往復動自在に設けられた
副排気弁１０によって開閉されるようになっている。８
ｂはその副排気弁１０のバルブフェイス１０ａが着座す
るバルブシートである。主排気通路６及び副排気通路９
には、それぞれ排気マニホールドが接続されて排気系が
構成される。

第１図、第２図に示すように主排気通路６に接続の排気
マニホールド１１は、一つの集合管としてターボチャー
ジャー１２のタービンスクロール導入部１２ａに接続さ
れ、このターボチャージャー１２の排出部１４に接続の
排気マニホールド１８は、排気ガスエネルギ回収用のタ
ービン１５のタービンスクロール導入部１５ａに接続さ
れている。タービン１５の排出部１６はマフラを備えた
排気マニホールド１７に接続される。したがって、ター
ボチャージｔ−１２及びタービン１５は主排気通路６の
一部となる排気マニホールド１１゜１８．１７に、その
下流方向に順次介設されることになる。この排気ガスエ
ネルギ回収用のタービン１５には、これにより直接また
は間接的に作動されて、排気ガスエネルギを動力または
電力として回収しエネルギを再利用するエネルギ回収装
置３０が接続される。エネルギ回収装Ｗ１３０としては
例えば電力として回収できるオルタネータが採用される
。

一方、副排気通路９は副排気マニホールド１９を介して
排気ガスエネルギ回収用のタービン１５の接続部より下
流側となる排気マニホールド１７に接続されている。

第２図は第１実施例のターボコンパウンドエンジンの全
体図を示すもので、図において２５は吸気通路、２６は
吸気マニホールドである。吸気通路２５は吸気マニホー
ルド２６を介してターボチャージャー１２のコンプレッ
サ２７に接続される。

第３図に主、副排気弁７，１０の開閉時期の一例を示す
。

図示されるように主排気弁７は、下死点（ＢＤＣ）前で
開かれ上死点（ＴＤＣ）を越えた位置で閉じられるよう
になっているのに対して、副排気弁１０は、その主排気
弁７の閉じられる前（例えばピストンの上死点近傍）に
開作動されて閉じられるようになっている。

以下に本発明のターボコンパウンドエンジンの第１実施
例の作用を添付図面に基づいて説明する。

第１図、第２図に示すようにエンジンＥが運転されると
、排気行程時に主排気弁７が開かれることによってシリ
ンダ室５内の排気ガスは主排気通路６から排気マニホー
ルド１１，１８．１７を介して外部へ排出される。追い
で、その主排気弁７に対して遅れて副排気弁１０が開作
動されるため、副排気通路９が開放されて、この副排気
通路９からシリンダ室５内の残留排気ガスが排出される
。

即ち、これら主、副排気弁７，１０の開作動によって、
シリンダ室５内の排気ガスの全組が外部に排出される。

このことは、シリンダ室５が高温化されることを防ぎ、
シリンダ室５内に導入される新気（吸気）が加熱される
ことを阻止できる。ゆえに、吸入効率を安定させると共
に、出力の低下を抑えることができる。

また、シリンダ室５内に排気ガスを残留させることがな
いので、ターボチャージャー１２によって過給された空
気が吸気始めからシリンダ室５内にスムーズに導入され
ることになり、吸入効率を向上させることができる。こ
れはターボチャージャー１２の負担を軽減させることに
なり、またタービン１５の仕事量を実質的に増加させる
ことができる。したがって従来のように高速、高負荷時
にターボチャージャ１２をバイパスするバイパス通路の
ウェストゲート弁〈図示せず）を開作動して排気ガスを
バイパスさせ、排気ガスをリークさせることによる排気
通路の排気ガスの圧力の低下を図る必要がなくなり、排
気ガスエネルギの有効利用を向上できる。

一方タービン１５に連動されるエネルギ回収装置３０は
、タービン１５の回転力を動力または電力として回収す
る。本実施例では、その回収装置３０としてオルタネー
タが採用されることにより、排気ガスエネルギが電力と
して回収される。この回収された排気ガスエネルギは、
再び動力または電力エネルギとして利用される。このよ
うにターボチャージャ−１２及びタービン１５の２つの
タービンによって排気ガスの熱エネルギの回収と、エン
ジンＥへの過給とが良好に行なわれる。

第４図はこの第１実施例のターボコンパウンドエンジン
のｐ−ｖ線図である。

図において、実ｗＡａが本発明の実施例、破線すが従来
例を示す。

このｐ−ｖ線図では、エンジンＥのディーゼルサイクル
［）Ｓと第１．第２のタービンサイクルＴｓとが複合さ
れて表されている。ディーゼルサイクル［）Ｓは■が圧
縮始め、◎が圧縮端、■が熱発生期間、■−■が膨張行
程、■−■がブローダウン期間、■−［Ｆ］が排気行程
、■−■が吸気行程である。

従来例すが示すディーゼルサイクルのように、吸排気行
程時の■−［Ｆ］−■−〇は、過給圧ＰＢを基準とする
場合、エンジンＥにとって大きな負担となる。特に、こ
の従来例すにあっては第４図のＡ部、即ち、排気行程の
後半の終期近くから吸気行程の初期のついて見た場合、
第５図の拡大図にも示されるように、吸気弁が開かれて
いる排気行程の終＠［Ｆ］位置にあってもシリンダ室５
の圧力がスムーズに減圧されず図のようにＪ−１）−Ｑ
の過程をたどり、シリンダ室５の容積がＶｌの位置から
吸気が導入される。これはターボチャージャー１２が排
気抵抗となって負荷となるからであり、この結果シリン
ダ室５内にある程度の排気ガスが残留されることになっ
て、吸気行程初期からの新気導入が困難になる。これに
対して本発明の実施例ａでは第３図に示すように主排気
弁７が閉じられる前、即ちピストン３の上死点（ＴＤＣ
）近傍で副排気弁１０が開かれる。即ち第４図に示すよ
うに排気行程の後半の終期近くのｊ位置で副排気通路９
が開放されて略同時期に若干の遅れをもって吸気弁（図
示せず）が開かれるためシリンダ室５の圧力はターボチ
ャージャー１２のタービン１５の入口圧まで低下する。

即ち、図のｆｌ−ｍ−ｎ−ｏに示すようにスムーズに減
°圧され、この後吸気弁が開かれることによりシリンダ
室５の内圧が過給圧Ｐ８まで上昇する。したがって仕事
としてみた場合、従来例すのｆｆ１−ｐ−ｑ−、Ｎは排
気仕事として負の仕事であるのに対し、本発明の実施例
ａのｎ−ｏ−ｎが形成するＡ１部及び、Ｒ−ｐ−ｑ−Ｊ
ｌｌの面積とｑ−ｍ−ｎ−ｑの面積との差が排気ガスを
シリンダ室５からスムーズに排出し、且つ過給された空
気を吸気行程の始めからシリンダ室５にスムーズに導入
することのできる正の仕事となる。またシリンダ室５の
内圧については、」から０までスムーズに圧力降下され
るため、排気ガスが確実に排出されてガス交換率を向上
できることがわかる。ゆえに、新気の充填効率を安定さ
せ、安定した出力を得ることができる。

［第２実施例］以下に本発明のターボコンパウンドエンジンの第２実施
例を添付図面に基づいて説明する。なお、この実施例は
上記第１実施例にて説明のタービン１５に替えて第２の
ターボチャージャー１５ｂを設けた実施例であるため、
第１実施例同様の構成については同一符号を符し詳細な
説明は省略する。

図において１はシリンダボディ、２はシリンダライナ、
３はピストン、４はシリンダヘッド、５はシリンダ室、
６は主排気通路、７は主排気弁、９は副排気通路、１０
は副排気弁、１２はターボチャージャー、１５ｂは第２
のターボチャージャーである。

シリンダヘッド４内には、シリンダ室５に連通ずる主排
気通路６が形成されており、シリンダヘッド４内に往復
動自在に設けられた主排気弁７によって開閉されるよう
になっている。また、シリンダヘッド４内には、上記主
排気通路６に並行する位置に、シリンダ室５に連通ずる
副排気通路９が形成されており、この副排気通路９は、
シリンダヘッド４内に往復動自在に設けられた副排気弁
１ｏによって開閉されるようになっている。主排気通路
６及び副排気通路９には、それぞれ排気マニホールドが
接続されて排気系が構成される。

第６図、第７図に示すように主排気通路６に接続の排気
マニホールド１１は、一つの集合管としてターボチャー
ジャー１２のタービンスクロール導入部１２ａに接続さ
れ、このターボチャーシレー１２の排出部１４に接続の
排気マニホールド゛１８は、第２のターボチャージャー
１５ｂのタービンスクロール導入部１５ａに接続されて
いる。

第２のターボチャージャー１５ｂの排出部１６はマフラ
を備えた排気マニホールド１７に接続される。したがっ
て、ターボチャージャー１２及び第２のターボチャージ
ャー１５ｂは主排気通路６の一部となる排気マニホール
ド１１，１８．１７に、その下流方向に順次介設される
ことになる。

一方、副排気通路９は副排気マニホールド１９を介して
第２のターボチャージャー１５ｂの接続部より下流側と
なる排気マニホールド１７に接続されている。

第７図において２５は吸気通路、２６は吸気マニホール
ドで、その吸気通路２５は吸気マニホールド２６を介し
てターボチャージｔ−１２及び第２のターボチャージャ
ー１５ｂのコンプレッサ２７に接続される。

主、副排気弁７．１０の開閉時期は第１実施例同様に第
３図に示すように調節される。

図示されるように主排気弁７は、下死点（ＢＤＣ）前で
開かれ上死点（ＴＤＣ）を越えた位置で閉じられるよう
になっているのに対して、副排気弁１０は、その主排気
弁７の閉じられる前（例えばピストンの上死点近傍）に
開作動される。

以下に本発明のターボコンパウンドエンジンの第２実施
例の作用を添付図面に基づいて説明する。

第６図、第７図に示すようにエンジンＥが運転されると
、排気行程時に主排気弁７が間かれることによってシリ
ンダ室５内の排気ガスは主排気通路６から排気マニホー
ルド１１．１８．１７を介して外部へ排出される。追い
で、その主排気弁７に対して遅れて副排気弁１０が開作
動されるため、副排気通路９が開放されて、この副排気
通路９からシリンダ室５内の残留排気ガスが排出される
。

即ち、これら主、副排気弁７，１ｏの開作動によって、
シリンダ室５内の排気ガスの全回が外部に排出される。

このことは、シリンダ室５が高温化されることを防ぎ、
シリンダ室５内に導入される新気（吸気）がシリンダ５
内の熱と排気ガス熱により加熱されることを阻止できる
。ゆえに、吸入効率を安定させると共に、出力の低下を
抑えることができる。

また、シリンダ室５内に排気ガスを残留させることがな
いので、ターボチャージャー１２及び第２のターボチャ
ージャー１５ｂによって順次過給された空気が吸気始め
からシリンダ室５内にスムーズに導入されることになり
、吸入効率を向上させるごとができる。これはターボチ
ャージャー１２及び第２のターボチャージャー１５ｂの
負担を軽減させることになり、また第２のターボチャー
ジｔ−１５ｂの仕事伝を実質的に増加させることができ
る。したがって従来のように高速、高負荷時にターボチ
ャージャーをバイパスするバイパス通路のウェストゲー
ト弁（図示せず）を開作動して排気ガスをバイパスさせ
、排気ガスをリークさせることによる排気通路の排気ガ
スの圧力の低下を図る必要がなくなり、排気ガスエネル
ギの有効利用を図ることができる。

このようにターボチャージｔｐ−１２及び第２のターボ
チャージャー１５ｂの２つのタービンによって排気ガス
の熱エネルギの回収と、エンジンＥへの過給とが良好に
行なわれる。

［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のターボコ
ンパウンドエンジンによれば次の如き優れた効果を発揮
できる。

（１）　　排気行程の終期に開かれる副排気通路をター
ボチャージャーをバイパスして排気通路下流側に接続し
たので、シリンダ内に排気ガスを残留させることなく、
これにより吸入効率を向上させることができる。

（２）　　出力を安定させることができ、且つエンジン
に対する負荷を減少させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のターボコンパウンドエンジンの第１実
施例を示す概略図、第２図は第１図のターボコンパウン
ドエンジンの全体図、第３図は主、副排気弁の開閉時期
を示す図、第４図はディーゼルサイクルとタービンサイ
クルを示すｐ−ｖ線図、第５図は第４図の部分拡大図、
第６図は本発明のターボコンパウンドエンジンの第２実
施例を示す概略図、第７図は第６図のターボコンパウン
ドエンジンの全体図、第８図は従来の２段過給内燃様関
を示す概略図である。図中、６は主排気通路、９は副排気通路、１２はターボ
チャージャー、１５は排気ガスエネルギ回収用のタービ
ン、Ｅはエンジンである。第２図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）エンジンの主排気通路に直列にターボチャージャ
ー及び排気ガスエネルギ回収用のタービンを接続し、タ
ービンより下流側の主排気通路にその主排気通路より遅
れて開放される副排気通路を接続したことを特徴とする
ターボコンパウンドエンジン。
（２）上記副排気通路が排気行程の終期に開放されるよ
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。