JPH0647937B2 - タ−ボコンパウンドエンジン - Google Patents

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。

ところでターボコンパウンドエンジンの先行例には第７
図に示す如き「２段過給内燃機関」（実開昭59-152142
号公報）の提案がある。

この提案は、高圧排気弁ａを低圧排気弁ｂより先に開
き、かつ高圧排気弁を低圧排気弁ｂより先に閉じるよう
に構成することによって、高圧マニホールドｃから排出
される高い圧力の脈動によって、先に高圧段ターボチャ
ージャーｄを作動し、次に高圧段ターボチャージャーｄ
を経由した排気ガスと、高圧段ターボチャージャーｄを
迂回して高圧段ターボチャージャーｄの下流でかつ低圧
段ターボチャージャーｅの上流に供給されたエンジンＥ
の排気ガスとの合流した排気ガスの静圧によって、低圧
段ターボチャージャーｅを作動するように構成したもの
であり、排気ガスエネルギを有効に回収しエンジンＥの
ポンピング損失を減少させるというものである。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、提案のように、全ての回転数、負荷において、
高圧排気弁を低圧排気弁より先に開き、かつ高圧排気弁
を低圧排気弁より先に閉じるように構成すると、排気ガ
スの流量が少ないときにあっても、高圧段ターボチャー
ジャー及び低圧段ターボチャージャーに充分な流量の排
気ガスを供給することができなくなり、適正な過給圧を
得ることができなくなってしまうという問題がある。

本発明の目的は、排気流量が少ないときにもターボチャ
ージャーを良好に作動して適正な過給圧が得られるよう
に構成したターボコンパウンドエンジンを提供するにあ
る。

［課題を解決するための手段］ 本発明は上記目的を達成するために、シリンダヘッドに
主排気弁により開閉される主排気通路と副排気弁により
開閉される副排気通路とを設け、その主排気通路にター
ボチャージャーのタービンを設け、かつそのタービンの
下流側に別にタービンを設けたターボコンパウンドエン
ジンにおいて、上記副排気通路の下流端を上記主排気通
路のターボチャージャーのタービンと別のタービンとの
間に連通させて接続し、上記副排気弁の開閉時期を上記
主排気弁より遅れて開弁するように、かつ主排気弁と同
時に閉じるように設定し、上記副排気通路にその副排気
弁の下流側に、エンジンの排気ガス流量に応じて副排気
通路の開度を調節する開閉弁を設けたものである。

［作用］ 開閉弁は、排気ガス流量が充分なとき、たとえば高速高
負荷時に副排気通路を全開にする。このとき主排気弁に
遅れて副排気弁が開かれると、従来筒内に残留されてし
まっていた排気ガスが残留することなく副排気通路から
排出される。このため、筒内の圧力は下がりエンジンの
排気工程時の仕事量は減少し、吸気行程時の仕事量は減
少する。

また開閉弁は、排気ガス流量が少ないときは、副排気通
路を、排気ガス流量に応じた開度に調節する。このた
め、副排気通路から主排気通路への排気ガス供給量は制
限される。よって、排気ガス流量が少ないときもターボ
チャージャーのタービンは良好に回転され、適正な過給
圧が確保される（例えば、エンジンにとって排気ガス流
量が最低量のときは、開閉弁は全閉となり、筒内の排気
ガスは、副排気通路から主排気通路へは供給されず、主
排気通路を通じてターボチャージャーのタービンへ供給
される）。

［実施例］ 以下に本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、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に連通する副排気通路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３０が接続される。エネルギ回
路装置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
排気ガス流量を検出しそのコントローラ２１に検出値を
入力するセンサ（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。このときコントローラ２１は、その排気ガス流量に
応じて開閉弁２０を閉作動するようにアクチュエータ２
２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，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が全閉に作動される。よって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が良好に駆動され、適正な過給圧が得られと共にタ
ービン１５の作動によって排気エネルギが有効に回収さ
れる。

コントローラ２１は、排気ガス流量が充分な高速高負荷
時は、アクチュエータ２２を制御して開閉弁２０を全開
とし、副排気通路９を全開にする。このとき主排気弁７
に遅れて副排気弁１０が開かれると、従来シリンダ室５
内に残留されてしまっていた排気ガスは、残留すること
なく副排気通路９から排出される。このため、シリンダ
室５内の圧力は下がりエンジンの排気行程時の仕事量及
び吸気行程時の仕事量は減少する。

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−ｖ線図である。

図において実線ａが本発明の実施例、破線ｂ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 はイが圧縮始め、ロが圧縮端、
ハが熱発生期間、ニ−ホが膨張行程、ホ−ヘがブローダ
ウン期間、ヘ−トが排気行程、チ−イが吸気行程であ
る。また、ＰB は過給圧を示している。

まず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ｂが示すディーゼルサイクルのように、吸排気行
程時のヘ−ト−チ−イは、過給圧ＰB 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，高負荷時にあっては、コントローラ２１の指
令により、アクチュエータ２２が開閉弁２０を全開にし
て、主排気通路６のみならず副排気通路９に排気ガスが
供給されるようにしているため、シリンダ室５内に排気
ガスが残留してしまうことがない。よってシリンダ室５
の圧力は第４図のリ位置からヌ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ャー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
圧を低くすることができ、吸気行程時に新気をシリンダ
室５内にスムーズに導入させることができる。即ち、第
４図のヌ−ルに示す排気行程は過給圧ＰB よりも低くな
り、吸排気行程時のリ−ト−チ−ヲを仕事として減少さ
せヲ−ヌ−ル−チを正の仕事とすることができる。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，電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１
０を開弁させるリ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ー１２の仕事は膨張行程でタ−レに
示すように低下されて、タービン１５のタービン仕事
が、レ−ソまで増加される。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の仕事量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
気ガス流量の少ない場合について説明する。この場合、
副排気弁１０は、リ位置で開かれることになるが、コン
トローラ２１は、アクチュエータ２２を制御して副排気
通路９を全閉側に作動する。よって主排気弁７より副排
気弁１０が遅れて開かれても、副排気通路９から主排気
通路６へは排気ガスは供給されず、シリンダ室５内の排
気ガスは全て主排気通路６のみに供給される。よって、
排気ガス流量が少ないときあってもターボチャージャー
１２タービンは良好に回転し、適正な過給圧が得られ
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。

なお、第５図及び第６図に示すように、主排気通路６の
ターボチャージャー１２の下流に、タービン１５の代わ
りに第２のターボチャージャー１５ｂを設けてエンジン
を過給するように構成することも当然可能である。

［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。

高速高負荷時の排気行程及び吸気行程の仕事量を減少さ
せることができ、かつ排気ガス流量の少ないときにあっ
ても適正な過給圧を得ることができる。

【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. 【請求項１】シリンダヘッドに主排気弁により開閉され
   る主排気通路と副排気弁により開閉される副排気通路と
   を設け、その主排気通路にターボチャージャーのタービ
   ンを設け、かつそのタービンの下流側に別にタービンを
   設けたターボコンパウンドエンジンにおいて、上記副排
   気通路の下流端を上記主排気通路のターボチャージャー
   のタービンと別のタービンとの間に連通させて接続し、
   上記副排気弁の開閉時期を上記主排気弁より遅れて開弁
   するように、かつ主排気弁と同時に閉じるように設定
   し、上記副排気通路にその副排気弁の下流側に、エンジ
   ンの排気ガス流量に応じて副排気通路の開度を調節する
   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。