JPS639617A - 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］ 本発明はターボコンパウンドエンジンに係り、特に、速
度全域でシリンダ内の排気ガスエネルギの回収効率を向
上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７図に示すようにこの２段過給内燃鏝関は、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のターボチャージャー９のタービンｈを経て、第
２のターボチャージャー１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ｊ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１ 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段過給内燃機関では、低回転、低負
荷時などのように高圧側ターボチャージャーへ供給する
排気流量が不足しがちなとぎに、この高圧側ターボチャ
ージャーがエンジンにとって逆に負荷となって、排熱回
収、エンジンの出力の面で問題点となっている。

ｃ問題点を解決するための手段１ 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
ャー及びタービンを接続し、それらターボチャージャー
と排気ガスエネルギ回収用のタービン間の主排気通路に
その主排気通路より遅れて開放される副排気通路の一端
を接続すると共に他端をエンジンに接続し、その副排気
通路にエンジンの負荷等の諸値に応じて開度調節される
開閉弁を設け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、
主排気通路からの排気ガスはターボチャージャーと排気
ガスエネルギ回収用のタービンへ順次供給され、副排気
通路からの排気ガスは排気ガスエネルギ回収用のタービ
ンへ供給される。このとき、エンジンから排出される排
気ガス流１の少ないときには、開閉弁がその排気ガス流
ルに応じて開度調節される。すなわち、排気ガス流通の
少ないときには開閉弁を閉方向に作動して副排気通路の
流路面積を小さくして主排気通路へ流れる流ｍを増加さ
せる。これにより、速度全域でターボチャージャーと排
気ガスエネルギ回収用のタービンを作動することができ
、排気ガスの熱エネルギを効率良く回収できる。

［第１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．上記シリンダ
ライナ２．ピストン３とによりシリンダｖ５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
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。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１０によって開閉され
るようになっている。８ｂ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−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Ｙ回収用のタ
ービン１５のタービンスクロール導入部１６に接続され
ている。タービン１５の排出部１５ａ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．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。

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再
利用できるエネルギとして回収するエネルギ回収装置３
ｏが接続される。エネルギ回収装置３０としては例えば
電力として排気ガスエネルギを回収するオルタネータが
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
上記ターボチャージャー１２．タービン１５の接続部間
の排気マニホールド１８に接続されており、この副排気
通路９には、エンジンＥの排気ガス流Ｍに応じて開度が
調節される開閉弁手段が設けられている。この開閉弁手
段は開閉弁２０と、この開閉弁２０の開度を調節するコ
ントローラ２１及びそのコントローラ２１の命令により
開閉弁２０を動作するアクチュエータ２２．エンジンの
排気ガス流ｍを検出しそのコントローラ２１に検出値を
入力して上記開閉弁２０を作動するセンサ（図示せず）
から構成される。センサとしてはエンジンの排気ガス流
ｍを検出できるものであれば良く、具体的には負荷セン
サ、回転数センサまたは過給圧センサ等が設けられる。

第２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
てターボチャージャー１２及びタービン１５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の開閉時期を示す。

図示されるように主排気弁アは、下死点（ＢＤＣ）前で
開かれ上死点（ＴＤＣ）を越えた位碇で閉じられるよう
になっているのに対して、副排気弁１０は、その主排気
弁７の最大リフト時に開作動されて主排気弁７と同時期
に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が始動されて
回転数、負荷が小さいときには、排気ガス流量が少ない
。図示しないセンサ（負荷センサ。

回転数センサ等）による検出値をコントローラ２１が読
み取り、その結果排気ガス流量が少ないと判断できる場
合には、その排気ガス流ａに応じて開閉弁２０を閉作動
するようにアクチュエータ２２の動作良を調節する。し
たがって０１排気通路９の開度が小さくなるため、主排
気通路６へ排気ガスのほとんどが流れることになり、こ
の排気ガスがターボチャージャー１２．タービン１５を
順次作動する。勿論排気ガス流量がエンジンＥにとって
最低量であるときには、開閉弁２０が全開に作動される
。排気ガス流ｍが最大値を越えてターボチャージャー１
２を過回転させるような余裕のある場合には、このター
ボチャージャー１２はエンジンＥにとって負荷となる。

従来にあってこのような場合には、ターボチャージャー
１２をバイパスするバイパス通路を形成し、この通路を
開閉するウェストゲート弁を開作動させて排気ガスを排
出し、ターボチャージャー１２の過回転を防止すると同
時に排気抵抗による負荷を減少させていたが、しかし排
気ガスエネルギの有効利用という点で好ましくない。こ
れに対して本実施例では開閉弁２０が開作動されている
ときに、副排気弁１０が開作動されるために、ターボチ
ャーシレー１２、タービン１５へ順次排気ガスが供給さ
れる　。

第１の排気系と、副排気通路９からタービン１５へ排気
ガスが供給される第２の排気系とが同時に機能される。

ゆえに、排気ガス流量が不足しがちな低回転。

低負荷時にあっても、ターボチャージャー１２゜タービ
ン１５を良好に作動でき、排気ガスのもつ排気エネルギ
を回収することができる。

第４図は本発明の実施例のターボコンパウンドエンジン
と、従来のターボコンパウンドエンジンとの比較を示す
ｐ−ｖＰＡ図である。

図において実線ａ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、エンジンのディーゼルサイクルＤ
Ｓとターボチャージャー１２．タービン１５のタービン
サイクルＴｓとが複合されて表されている。図において
ディーゼルサイクルＤＳは■が圧縮始め、◎が圧縮端、
Ｏが熱発生期間、■−のが膨張行程、■−〇がブローダ
ウン期間、■−［Ｆ］が排気行程、■−■が吸気行程で
ある。また、ＰＢｏは過給圧を示している。

まず、開閉弁２０が全開にされるような高速高負荷時の
ように排気ガスエネルギが充分である場合について説明
する。

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ＰＲを基準とした
場合にエンジンにとって負の仕事となり大きな負担とな
る。これに対し本発明の実施例ａでは排気ガスエネルギ
が充分な高速、高負荷時では、開閉弁２０を全開にし、
副排気弁１０が開かれることによってシリンダ室５内の
排気ガスが主排気通路６及び副排気通路９を介してそれ
ぞれの通路のターボチャージャー１２．タービン１５へ
送られる。このためシリンダ室５内の排気ガスのほとん
どが排出されることになる。本実施例では第４図に示す
ように、ターボチャージャー１２を良好に駆動できる排
気流量が得られる排気行程の■位置で、副排気弁１０が
開弁されるようになっており、この副排気弁１０が開か
れることによって、シリンダ室５内の排気ガスが副排気
通路９より排出される。このため、シリンダ室５の圧力
は第４図の■位置から■位置まで降下される。この状態
で排気行程を終了しても主排気通路６からの排気ガスに
ターボチャージｔ−１２を駆動できる充分な排気ガスエ
ネルギがある場合には、過給圧がＰＢに保持される。し
たがって、排気行程時においてシリンダ室５の内圧を吸
気管（図示せず）の内圧よりも低くすることができ、こ
の結果、第４図に示すように吸気行程時に過給された新
気をシリンダ室５内にスムーズに導入させることができ
る。即ち、第４図の■−のに示す排気行程は過給圧ＰＢ
よりも低くなり、吸排気行程時の■−［Ｆ］−■−〇を
仕事として減少させ■−■−の一■を正の仕事とするこ
とができる。ゆえに、高速、高負荷時において、ターボ
チャージャー１２を良好に駆動し且つタービン１５を良
好に駆動できる。

タービン１５を駆動する排気ガスエネルギはエネルギ回
収装置３０により回収されるため、この回収エネルギが
再び動力、゛心力エネルギとして有効利用される。また
排気ガスをシリンダ室５内に残さずに排出できることは
シリンダ室５内の高温化を防ぎ、吸気を熱することを抑
えることになるため、吸気の吸入効率を安定させて出力
の低下を抑えることができる。なお実施例にあって副排
気弁１０を開弁させる■位置は排気ガスエネルギ、エン
ジンのフリクションを考慮して排気行程の途中の適正な
位置に設定される。

これらの結果は、ディーゼルサイクル及びタービンサイ
クル（＝ブライトンサイクル）にも好影響を与える。即
ちターボチャージャ−１２の仕事は膨張行程で■−■に
示すように低下されて、タービン１５のタービン仕事が
、Ｏ−〇まで増加される。これはタービン仕事量を増加
できることを示し、排気ガスエネルギ回収効率を向上で
きることを示す。このことは、エネルギ回収装置３０を
駆動するタービン１５の仕事ωが増えることになって、
この増加に伴って再利用できる回収エネルギが増加する
ことを示す。本実施例では、エネルギ回収装置３０とし
てのオルタネータが駆動され、タービン仕事の増加に応
じた電力を得ることができる。ここで得られた電力は再
び動力などに再利用される。

次に低速、低負荷時のように排気ガスエネルギ、即ち排
気ガス流間の少ない場合について説明する。

この場合、副排気弁１０は、■位置で開かれることにな
るが、開閉弁２０がセンサ、コントローラ２１の命令に
よってアクチュエータ２２を全開となる方向へ作動する
。このため、例えば一点鎖線Ｘにて示すように排気ガス
流量に応じた［Ｆ］−〇−■−■の仕事８となるが、開
閉弁２０の開度に応じて実施例が示すサイクルと相似の
サイクルが得られる。

したがって、ターボコンパウンドエンジンのように排気
ガスのエネルギを２つのタービンで有効に利用すること
ができ、回転機のように風量の変化が二次関数的に増加
する高速高負荷時に於けるエネルギ回収と、低速低負荷
時に於けるエネルギ回収とを両立させることができる。

［第２実施例コ 次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。

第５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ｖ５に連通する主排
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。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ｖ５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Ｄ１排気弁１０
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５図、第６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、第２のターボチャージャー１
５ｂのタービンスクロール導入部１６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１５ａ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．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
上記ターボチャージャー１２．第２のターボチャージャ
ー１５１）の接続部間の排気マニホールド１８に接続さ
れており、この副排気通路９には、エンジンＥの排気ガ
ス流量に応じて開度が調節される開閉弁手段が設けられ
ている。この開閉弁手段は開閉弁２０と、この開閉弁２
０の開度を調節するコントローラ２１及びそのコントロ
ーラ２１の命令により開閉弁２０を動作するアクチュエ
ータ２２．エンジンの排気ガス流山を検出しそのコント
ローラ２１に検出値を入力して上記開閉弁２０を作動す
るセンサ（図示せず）から構成される。センサとしては
エンジンの排気ガス流量を検出できるものであれば良く
、具体的には負荷センサ、回転数センサまたは過給圧セ
ンサ等が設けられる。

第６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
てターボチャージャー１２．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図に示されるように調整される。

図示されるように主排気弁７は、不死点（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の最大リフト時に開作動されて主排気弁７と同時期
に閉じられるようになっている。

以下にこの第２実施例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５図、第６図に示すように、エンジンＥが始動されて
回転数、負荷が小さいときには、゛排気ガス流量が少な
い。図示しないセンサ（負荷センサ。

回転数センサ等）による検出値をコントローラ２１が読
み取り、その結果排気ガス流量が少ないと判断できる場
合には、そのときの排気ガス流ｍに応じて開閉弁２ｏを
閉作動するようにアクチュエータ２２の動作量を調節す
る。したがって副排気通路９の開度が小さくなるため、
主排気通路６へ排気ガスのほとんどが流れることになり
、この排気ガスがターボチャージャー１２．第２のター
ボチャージャー１５ｂを順次駆動する。勿論排気ガス流
聞がエンジンＥにとって最低岱であるときには、開閉弁
２０が全開に作動される。ここで、ターボチャージャー
１２は高圧段のターボチャージャーとなり、第２のター
ボチャージャー１５ｂは低圧段のターボチャージャーと
なる。排気ガス流量がターボチャージャー１２を過回転
させるような余裕のある場合には、このターボチャージ
ャー１２はエンジンＥにとって負荷となる。このため第
１実施例同様に、この実施例にあっても開閉弁２０が開
作動されているときに、副排気弁１０が開作動されるた
めに排気系がターボチャージャー１２及び第２のターボ
チャージｐ−１５ｂへ排気ガスが順次流れる第１の排気
系と、副排気通路９から第２のターボチャージャー１５
ｂへ排気ガスが流れる第２の排気系とが同時に２つ作ら
れる。

ゆえに、排気ガス流量が不足しがちな低回転。

低負荷時にあっても、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を良好に作動でき、排気ガ
スのもつ排気エネルギを回収して過給を行なわせること
ができる。

次にこの実施例の作用を説明する。

まず、開閉弁２０が全開にされるような高速高負荷時の
ように排気ガスエネルギが充分である場合について説明
する。

排気ガスエネルギが充分な高速、高負荷時では、主排気
通路６からターボチャージャー１２へ排気ガスが送られ
ると同時に、このときは開閉弁２０が開かれているから
遅れて開放される副排気弁１０の開作動によってシリン
ダ室５内の排気ガスが０１排気通路９を介して第２のタ
ーボチャージャー１５ｂへ送られる。これによりシリン
ダ室５内の排気ガスのほとんどを排出することができ、
この結果シリンダ室５内の圧力を低下させて、吸入行程
時に上記２つのターボチャージャー１２゜１５ｂにより
過給された空気を吸気弁（図示せず）の開放と同時にス
ムーズに供給できる。また排気ガスをシリンダ室５に残
さずに排出できることは、シリンダ室５内が排気ガス熱
によって高温化されることを防ぎ、吸気を加熱すること
がないので、吸気の吸入効率を安定させて出力の低下を
抑えることができる。実施例では第３図に示すように排
気ガスエネルギ、エンジンのフリクションを考慮してタ
ーボチャージャーを充分に駆動できる排気ガスエネルギ
をもつ排気行程の途中の適正な位置で副排気弁１０が開
作動され、所定の過給圧Ｐ８を保持することができる。

次に低速、低負荷時のように排気ガスエネルギ、即ち排
気ガス流量の少ない場合について説明する。

この場合、開閉弁２０がセンサ、コントローラ２１の命
令によって全開となるようにアクチュエータ２２によっ
て作動される。したがって、ｎ１排気通路９は閉じられ
、排気ガスは主排気通路６へと送られる。この送られた
排気ガス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を良好に作動し、適正な過給が行なわ
れる。

［発明の効果１ 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。

タービンにかかる負荷を減少させて２つのタービンを速
度全域で使用できるようにしたので、エンジンの負荷を
低減すると共に排気ガスエネルギを有効に利用できる。

【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６図は第
５図のターボコンパウンドエンジンの全体図、第７図は
従来の２段過給内燃機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、２０は開閉弁、Ｅはエンジンである。

Claims (1)

【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
   タービンを接続し、それらターボチャージャーとタービ
   ン間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、該副排気通路にエンジンの運転
   状態に基づいて開度調節される開閉弁を設けたことを特
   徴とするターボコンパウンドエンジン。