JPH05256149A - ターボコンパウンドエンジンのタービン構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】複数個のタービンを一軸上に配置して一体に組
み立てるとともに、排気ガスの低下時にも全てのタービ
ンが円滑に動作するようなターボチャージャ付きエンジ
ンを提供すること。 【構成】輹流式タービン軸４に発電機８とコンプレッサ
Ｃを設け、該輹流式タービン軸と同軸上に軸流式タービ
ン１２とこのタービンにより回転される発電機１８を設
けて輹流式タービンから排出されるガスを軸流式タービ
ンに送る。軸流式タービンの入口１３に入口面積を絞る
スライドシャッタ１４を設ける。コンプレッサＣの入口
と出口間には吸気バイパス２６を設け、その入口にはコ
ンプレッサ流路とバイパス流路とを切り替える開閉シャ
ッタ２７を設ける。排気ガス流量が少ないときでもスラ
イドシャッタ１４で入口面積を調節して軸流式タービン
の効率運転を行ない、排気ガスが少ないときは開閉シャ
ッタ２７で入口を塞いでコンプレッサＣの動作を止め、
高効率発電を行なう。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、エンジンに付設するタ
ーボチャージャの構造に関し、特に排気エネルギーを有
効に回収することができるターボチャージャの構造に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の排気ガス中に含まれるエネル
ギーを利用してタービンを駆動し、該タービンに連動す
るコンプレッサにて空気を圧縮し、該圧縮空気をシリン
ダ内に過給して、効率的に燃料を燃焼させるターボチャ
ージャが内燃機関に搭載されて久しい。

【０００３】前記ターボチャージャのタービンから排出
される排気ガスの中には今だ大量のエネルギーが残存し
ていることもよく知られたことである。そこで、タービ
ンとコンプレッサとを連結している回転軸上に回転電機
の回転軸を結合し、排気ガス中のエネルギーが大量に残
存しているときには、コンプレッサにて空気を圧縮する
だけでなく、回転電機を発電機として作用させて、ター
ビンで回収したエネルギーを電気エネルギーとしても回
収できるシステムが特開昭６２ー２６３３３号公報など
に記載されていて公知である。このようなシステムで
も、タービンから排出される排気ガスの中には今だ大量
のエネルギーが残存していることから、タービンの下流
に更にもう１つのタービンを直列に結合し、該タービン
の回転軸に発電機を接続してこの発電機からも排気エネ
ルギーを電気エネルギーに変換して回収するシステムも
開発されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで前記の排気エ
ネルギーを電気エネルギーに変換して回収するシステム
の２個のタービンはラジアルタービン（輹流式タービ
ン）であるため、構造上これらの２つのタービンを一軸
上に結合して一体配列することができない。このため２
つのタービンを内燃機関の側部に２個別々に配置し、こ
れらの間を管で連結するような構成であり、かつタービ
ンの気体の入力方向とその排出方向とが異なるため、２
つのタービンの回転軸を同一方向に揃えようとするとか
なり無理な配管が必要となる。

【０００５】また、前記のようなシステムにおいて、エ
ンジンからの排気圧が低下してくると、排気ガスが上流
側のタービンを回転駆動することはできるが、下流側の
タービンを回転させることができないような事態がしば
しば起こる。

【０００６】本発明は、上述のような従来の欠点を解決
しようとするものであり、その目的は、複数段のタービ
ンを直列に接続したターボチャージャ付きエンジンにお
いて、複数個のタービンを一軸上に配置して一体に組み
立てるとともに、排気ガスの低下時にも全てのタービン
が円滑に動作するようなターボチャージャ付きエンジン
を提供することにある。

【０００７】

【問題を解決するための手段】上述のような発明の目的
を達成するために本発明は、排気ガスで回転するタービ
ンで給気用のコンプレッサを駆動するターボコンパウン
ドエンジンのタービン構造において、輹流式タービンと
これにより回転駆動されるコンプレッサ間を結合する回
転軸に第１の発電機を設けるとともに、輹流式タービン
と同軸線上には前記輹流式タービンの排気ガスで動作す
る軸流式タービンを配置し、軸流式タービンにより駆動
される第２の発電機を具備することを特徴とするターボ
コンパウンドエンジンのタービン構造を提供する。

【０００８】

【作用】排気ガス流量が少ないときでもスライドシャッ
タで入口面積を調節して軸流式タービンの効率運転を行
ない、なお排気ガスが少ないときは開閉シャッタで入口
を塞いでコンプレッサの動作を止め、高効率発電を行な
う。

【０００９】

【実施例】次に、本発明の一実施例を、図面を用いて詳
細に説明する。図１は、本発明にかかるターボチャージ
ャを示す断面図である。同図から明らかなように、本発
明に掛かるターボチャージャは、第１ターボ発電機部Ａ
を中心として、一方端に第２ターボ発電機部Ｂと他方端
にコンプレッサ部Ｃが設けられている。第１ターボ発電
機部Ａは図示しないエンジンの排気管と接続されるター
ビン入口１を持つ。該タービン入口１はタービンハウジ
ング２に連通している。このタービンハウジング２は第
２ターボ発電機部Ｂにまで一体的に伸びており、これの
ハウジングをも兼ねている。タービンハウジング２の内
部にはタービンブレード３が回転自在に軸支されてい
る。第１のタービンブレード３には回転軸４が結合さ
れ、該回転軸４は２つのベアリング５、６に軸承されて
いる。該回転軸４にはスリーブ７を介して永久磁石から
なる発電機の回転子８が固着され、回転軸４とともに回
転する。該回転子８の外周には発電機のステータコイル
９が配置されている。なお、第１ターボ発電機部Ａを構
成するタービンはラジアルタービン（輹流式タービン）
である。

【００１０】第１ターボ発電機部Ａから連なるタービン
ハウジング２内には第２のタービンブレード１０が回転
自在に配置されている。該第２のタービンブレード１０
は空気導入部１１とブレード１２とを持った軸流式ター
ビンである。そして、第１ターボ発電機部Ａからの排気
はインレット部１３を通ってブレード部１２に導かれ
る。ブレード部１２の前面には、ブレード部１２方向へ
流入する空気量を調節するためのスライドシャッタ１４
が設けられているがその詳細は後に述べる。第２のター
ビンブレード１０には回転軸１５が結合され、該回転軸
１５は２個のベアリング１６、１７に軸承されている。
該回転軸１５には永久磁石からなる回転子１８が固着さ
れ、回転軸１５とともに回転する。該回転子１８の外周
には発電機のステータコイル１９が配置されている。２
０は第２ターボ発電機部Ｂのタービンハウジングであ
り、２１は発電機のケーシングである。

【００１１】第１ターボ発電機部Ａの回転軸４の他方端
には、コンプレッサ部Ｃのブレード２２が固着され、回
転軸４の回転とともに回転する。２３はコンプレッサハ
ウジング、２５は圧縮空気の吹出孔でありエンジンのイ
ンレットマニホールドに接続されている。２４はコンプ
レッサの吸気孔である。吸気孔２４と吹出孔２５との間
は吸気バイパス管２６で接続され、その入口部分には開
閉シャッタ２７が設けられている。２８は開閉シャッタ
２７の開閉を行なうアクチエータである。３３は、イン
レット部１３内の空気圧をセンスする圧力センサであ
る。

【００１２】図２は第２ターボ発電機部Ｂの入力口の面
積を替えるスライドシャッタ１４の詳細を示す正面図で
ある。スライドシャッタ１４は軸支ピン２９に回転自在
に軸支されているアーム３０に取付けられており、駆動
部３１に設けられたアクチエータ３２の矢印方向の移動
によりスライドシャッタ１４は実線の位置と点線の位置
との間の所望の位置を取り得、軸流式タービンである第
２のタービンブレード１０に流入する流入面積を調節す
る。

【００１３】次に、本発明実施例の動作について説明す
る。図には示されていないエンジンの排気マニホールド
から排出される排気ガスがタービン入口１から流入する
と、該排気ガスは第１のタービンブレード３に吹き付け
られ、一部膨張をしながら第２のタービンブレード１０
方向に流れる。その間排気ガスが有するエネルギーによ
り第１のタービンブレード３が回転し、第１ターボ発電
機部Ａを動作させて排気ガスエネルギーが電気エネルギ
ーに変換されて発電が行なわれる。この発電エネルギー
は蓄電装置に蓄電される。また、コンプレッサ部Ｃのブ
レード２２も回転されるので、吸気孔２４から吸入され
る空気は圧縮され、圧縮された空気は吹出孔２５からエ
ンジンの吸気マニホールドに給気される。勿論このと
き、開閉シャッタ２７は吸気バイパス管２６の入口を閉
塞している。

【００１４】一方、第１ターボ発電機部Ａから排出され
た排気ガスは、インレット部１３方向に流れ、第２のタ
ービンブレード１０に流入する。圧力センサ３は第１タ
ーボ発電機部Ａから排出される排気ガス圧を検知し、こ
の排気ガス圧に応じて示されてはいない制御装置が駆動
部３１を駆動し、スライドシャッタ１４を適当に移動さ
せて第２のタービンブレード１０への入口面積を所定の
ものに絞る。この結果、部分的に入口が閉鎖され、第２
ターボ発電機部Ｂに流れる排気ガスの流速を所定値に保
持できるので、入口と出口の圧力差も最適な値となっ
て、第２ターボ発電機部Ｂで効率的に発電を行なうこと
ができる。第２ターボ発電部Ｂから排出される排気ガス
は排気孔３４を通って外気方向に排出される。

【００１５】アイドリング等の部分負荷時には開閉シャ
ッタ２７によりコンプレッサ部Ｃの入口を閉塞する。こ
れによりコンプレッサ部Ｃは吸気仕事をせず、第１ター
ボ発電機部Ａがもっぱら発電動作だけを行なう。その
上、第２ターボ発電機部Ｂは部分負荷運転ができるの
で、この部分での発電効率もよい。

【００１６】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明は、
２段目になる軸流式タービンの入口に開閉シャッタを設
けているので、その入口面積を絞れば部分的に入口が閉
鎖され流速が高くなるので、２段目のタービンの圧力差
も大きくなり、ここでの発電が効率よく行なわれる。な
おかつ排気ガス流量が少ないときは開閉シャッタでコン
プレッサの入口を塞いでこれの動作を止めることができ
るので、１段目のタービンの仕事量が軽くなり、その分
だけ高効率発電を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の断面図

【図２】第２ターボ発電機のブレードを示す正面図

【符号の説明】

Ａ・・・第１ターボ発電機部 Ｂ・・・第２ターボ発電機部 Ｃ・・・コンプレッサ部 １・・・タービン入口 ２・・・タービンハウジング ３・・・第１のタービンブレード ４・・・回転軸 ５・・・ベアリング ６・・・ベアリング ７・・・スリーブ ８・・・回転子 ９・・・ステータコイル １０・・第２のタービンブレード １１・・空気導入部 １２・・ブレード部 １３・・インレット部 １４・・スライドシャッタ １５・・回転軸 １６・・ベアリング １７・・ベアリング １８・・回転子 １９・・ステータコイル ２０・・タービンハウジング ２１・・ケーシング ２２・・ブレード ２３・・コンプレッサハウジング ２４・・吸気孔 ２５・・吹出孔 ２６・・吸気バイパス管 ２７・・開閉シャッタ ２８・・アクチエータ ２９・・軸支ピン ３０・・アーム ３１・・駆動部 ３２・・アクチエータ ３３・・圧力センサ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】排気ガスで回転するタービンで給気用のコ
   ンプレッサを駆動するターボコンパウンドエンジンのタ
   ービン構造において、輹流式タービンとこれにより回転
   駆動されるコンプレッサ間を結合する回転軸に第１の発
   電機を設けるとともに、輹流式タービンと同軸線上には
   前記輹流式タービンの排気ガスで動作する軸流式タービ
   ンを配置し、軸流式タービンにより駆動される第２の発
   電機を具備することを特徴とするターボコンパウンドエ
   ンジンのタービン構造。
2. 【請求項２】前記軸流式タービンの入口に、これの入口
   面積を調節するスライドシャッタを設けたことを特徴と
   する請求項（１）記載のターボコンパウンドエンジンの
   タービン構造。
3. 【請求項３】前記コンプレッサの入口と出口間には吸気
   バイパスを設け、その入口にはコンプレッサ流路とバイ
   パス流路とを切り替える開閉シャッタを設けたことを特
   徴とする請求項（１）記載のターボコンパウンドエンジ
   ンのタービン構造。