JPH0715265B2 - 車両用ガスタービン装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はガスタービンを使用して車両を駆動する車両用
ガスタービン装置に関する。

（従来の技術） 燃料を燃焼させた高温、高圧の燃焼ガスをタービンに導
いて回転出力を得るガスタービンは、蒸気タービンや往
復式エンジンに比して機構が簡単で取扱いも容易であ
り、大馬力が可能で低品位燃料が使用でき、さらに故障
や振動が少ないので、発電機や船舶などの原動機として
採用されている。

（発明が解決しようとする課題） この種のガスタービンを自動車の原動機として使用する
と、自動車の場合には負荷変動が多いためガスタービン
の出力制御が複雑になるとともに、低負荷時におけるガ
スタービンの燃焼はその効率が大巾に低下するという欠
点を有している。

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、
その目的は車両に搭載するガスタービンの効率の向上を
計ろうとする車両用ガスタービン装置を提供するもので
ある。

（課題を解決するための手段） 本発明によれば、燃焼器からの燃焼ガスエネルギーによ
りタービンを駆動せしめ、タービン軸に取付けた発電機
の出力を車輪に設けた電動機に供給して車両を走行せし
める車両用ガスタービン装置において、前記タービン軸
に取付けた容量の異なる複数個のタービンと、これらタ
ービンに燃焼ガスを供給するそれぞれのガス通路に設け
た流路開閉手段と、前記の複数個のタービンの排出する
残存エネルギーにより駆動され前記燃焼器に燃焼用空気
を送出する空気圧送手段と、前記燃焼器の燃焼状態を制
御するアクセルペダルと、該アクセルペダルの踏込量を
検出する検出手段と、該検出手段からの信号に応じて前
記流路開閉手段を制御する制御手段とを有する車両用ガ
スタービン装置が提供される。

（作用） 本発明では、大容量と小容量との二種のタービンを同軸
に設けて、該軸上に発電機を取付け、アクセルペダルの
踏込量に応じてガス通路を切換えて、ガス流量の大きい
ときは大容量タービンへ、ガス流量の小さいときは小容
量タービンへ燃焼ガスを送って、ガス流量に応じて効率
のよい方のタービンを作動させる作用がある。

（実施例） つぎに本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明
する。

図面は本発明の一実施例の構成を示す構成ブロック図で
ある。

同図において、１は燃焼器であり、燃料として例えば軽
油を燃焼させて高温・高圧力の燃焼ガスを得るもので、
燃料ポンプ11から供給された燃料を気化プラグにより加
熱して気化し、空気と混合させた混合気を着火プラグに
より点火して生ずる燃焼ガスを、ガス通路12を介してタ
ービンに圧送するものである。そして、ガス通路12の出
口部は流路断面積の大小に異なる大通路13と小通路14と
の２通路に分岐され、大容量と小容量の異なる２種のタ
ービンを有する第１のタービン２に接続されている。15
は大通路シャッタで大通路13の開閉を行うもの、16は小
通路シャッタで小通路14の開閉を行うものであり、大シ
ャッタアクチュエータ17および小シャッタアクチュエー
タ18は大通路シャッタ15および小通路シャッタ16の開閉
制御を行うもので、これらのシャッタアクチュエータへ
の開閉指令は後述するコントローラから発令される。

第１のタービン２は流量の多い燃焼ガスの供給によって
効率よく駆動される大タービン21と、流量の少ない燃焼
ガスにより効率よく駆動される小タービン22とを有し、
これらの２種のタービンは同軸上に取付けられ、さらに
該タービン軸の中間には発電機23が設けられている。そ
して大タービン21はガス通路12の大通路13から燃焼ガス
が供給され、小タービン22は小通路14から燃焼ガスが供
給されて発電機23を駆動して発電作動させるものであ
る。

３は車輪で図示していない車両を走行駆動させるもの
で、車輪３には電動機31が直結されている。そして、上
記の発電機23からの発電出力が電力変換器32を介して供
給されると電動機31の力行により車輪３が駆動され、そ
の回転数は車輪３に設けた回転センサ33により検出され
る。なお、回転センサ33の検出した回転信号はコントロ
ーラ４に送信され、コントローラ４は該回転信号に基づ
いて、電力変換器32に制御指令を送って車輪３を所望す
る回転数となるよう制御するものである。

24は大タービン21の排気管、25は小タービン22の排気管
であり、これらの排気管の出口は一本にまとめられて第
２のタービン５に接続されており、大タービン21または
小タービン22からの排気エネルギーによってタービン翼
51は駆動される。

第２のタービン５はタービン翼51と同一軸に設けられた
電動−発電機となる回転電機52と、空気を圧縮するコン
プレッサ翼53とを有し、第１のタービン２の排気エネル
ギーによりタービン翼51が駆動されると、コンプレッサ
翼53の圧縮作動による圧気は燃焼器１に供給されて、燃
料ポンプ11から供給される燃料と混合されてその燃焼を
良好にするとともに、回転電機52の発電作動による出力
を電力変換器61を介してバッテリ６に供給して充電せし
めるものである。

なお、タービン翼51のスクロールにはバリアブル・ジオ
メトリ・シャッタ・システムによるガイド弁54が取付け
られ、第１のタービン２から供給される排気ガスの流量
に応じてガイド弁54の開度を変化させる弁アクチュエー
タ55が設けられ、供給される排気ガス量に対して効率よ
くタービン翼51が駆動されるよう構成されている。

また、電力変換器61はインバータとコンバータとを備
え、発電作動時の回転電機52からの交流電力が入力され
ると直流を出力してバッテリ６を充電したり、バッテリ
６からの直流電力が電力変換器62に入力されると交流電
力に変換する両方向変換器であり、燃焼器１の始動時に
はバッテリ６からの電力を電力変換器61を介して回転電
機52に送電して電動機作動させることにより、コンプレ
ッサ翼53からの圧気が燃焼器１に供給されて容易に燃焼
器１の始動が行われるよう構成されている。

７はアクセルペダルで運転者の踏込み操作により車両の
走行を制御するものであり、アクセルペダル７の踏込量
はアクセルセンサ71により検出され、検出信号はコント
ローラ４に送信される。

コントローラ４はマイクロコンピュータからなり、演算
処理を行う中央制御装置、演算処理手順や制御手順など
を格納する各種メモリ、入力ポート、出力ポートなどを
備えており、前記のアクセルセンサなどからの信号が入
力されると、所定の演算処理が行われて格納された制御
手順に基づき、燃料ポンプ11、大シャッタアクチュエー
タ17、小シャッタアクチュエータ18、電力変換器32、電
力変換器61などにそれぞれ制御指令が発せられるよう構
成されている。

つぎに、このように構成された本実施例の作動を説明す
る。

燃焼器１の始動時にはコントローラ４の指令によ
り、燃料の所定量が燃料ポンプ11から燃焼器１に送油さ
れるとともに、バッテリ６からの直流電力が電力変換器
61により交流電力に変換され、回転電機52に供給されて
電動機作動によりコンプレッサ翼53を回転駆動して、燃
焼用空気を燃焼器１に送風し、燃焼器内の気化プラグや
着火プラグの所定の作動により供給燃料を燃焼させて、
燃焼器１を始動させる。

アクセルペダル７の踏込量の多い事をアクセルセン
サ71が検出すると、検出信号に応じてコントローラ４は
燃料供給量を大にするよう燃料ポンプ11に指令するとと
もに、ガス通路12の大通路シャッタ15を開、小通路シャ
ッタ16を閉にするよう大および小シャッタアクチュエー
タ17,18に指令を発する。このことにより燃料供給の大
きい燃焼器１の燃焼状態は活発となるため燃焼ガスエネ
ルギーも大となり、大通路13を介して大タービン21を効
率よく回転駆動する。したがって直結された発電機23の
発電出力も大となり、電力変換器32を介して大電力が車
輪３の電動機31に供給され、力強く車輪３を駆動するこ
とになる。なおこの場合、大タービン21に接続された排
気管24からの排出ガスの残存エネルギーも大となるの
で、第２のタービン５のタービン翼51も十分に回転駆動
されて、コンプレッサ翼53の圧気作動により燃焼器１に
十分な燃焼用空気を圧送するとともに、タービン翼51と
同軸上の回転電機52の発電作動による電力を電力変換器
61を介してバッテリ６に供給して、バッテリ６の充電が
行われることになる。

アクセルペダル７の踏込量の少ない事をアクセルセ
ンサ71が検出すると、検出信号に応じた燃料供給量が燃
料ポンプ11から送出される。そしてガス通路12の小通路
シャッタ16が開、大通路シャッタ15が閉になるよう指令
が発せられ、燃焼器１からの弱い燃焼エネルギーは小通
路16を介して小容量の小タービン22に導かれ、弱い燃焼
エネルギーにても効率よく発電機23を駆動する。つい
で、発電機23からの発電出力は電力変換器32を介して電
動機31を駆動し、車輪３を回転させて低負荷時の車両の
運転を行うことになる。一方、排気管25からの排出ガス
は第２のタービン５に導びかれ、ガイド弁54によりター
ビン翼51への流路が絞られて、残存ガスエネルギーは少
ないが効率よくタービン翼51を駆動し、そのトルクによ
りコンプレッサ翼53を回転せしめて燃焼用空気を燃焼器
１に送風することになる。以上、本発明を上述の一実施
例により説明したが、本発明の主旨の範囲内で種々の変
形や応用が可能であり、これらを本発明の範囲から排除
するものではない。

（発明の効果） 本発明によれば、燃焼器からの燃焼ガスの通路を二分岐
して、それぞれの通路にシャッタを設けて容量の異なる
大・小容量のタービンに導き、これらのタービントルク
により発電機を回転させてその出力により車輪の電動機
を駆動して車両を走行させ、アクセルペダルの踏込量に
応じた燃焼器からの燃焼ガス流量の大・小にしたがって
シャッタを切換え、大・小容量のタービンを選択して発
電機を作動させるので、負荷変動の多い車両の原動機と
して用いても、常にガス流量に応じた効率のよい方のタ
ービンが作動することになり、車両用としてのタービン
の効率が向上する効果が得られる。

また本発明によれば、上述の二種のタービンの排出する
ガスの残存エネルギーによって、コンプレッサ翼や回転
電機を備えた第２のタービンを駆動するので、コンプレ
ッサ翼の圧気作動により燃焼器が必要とする燃焼用空気
が送風できるとともに、回転電機の発電作動によりバッ
テリの充電が行える効果もある。

なお、本発明によれば第２のタービンの回転電機にバッ
テリから電力を供給して回転駆動することにより、燃焼
器の始動用の燃焼用空気が得られる効果がある。

さらに本発明によれば、第２のタービンのタービン翼に
ガイド弁を用いたバリアブル・ジオメトリ・シャッタ・
システムを採用したので、大小二種の容量のタービンの
いずれが使用された場合でも、その排出されるガス流量
に応じてガイド弁の開度を制御することにより第２のタ
ービンのタービン翼が効率よく駆動される利点がある。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の一実施例の構成を示す構成ブロック図で
ある。 １…燃焼器、２…第１のタービン、３…車輪、４…コン
トローラ、５…第２のタービン、６…バッテリ、７…ア
クセルペダル、12…ガス通路、15…大通路シャッタ、16
…小通路シャッタ、21…大タービン、22…小タービン、
23…発電機、31…電動機、51…タービン翼、52…回転電
機、53…コンプレッサ翼、54…ガイド弁、71…アクセル
センサ。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃焼器からの燃焼ガスエネルギーによりタ
   ービンを駆動せしめ、タービン軸に取付けた発電機の出
   力を車輪に設けた電動機に供給して車両を走行せしめる
   車両用ガスタービン装置において、前記タービン軸に取
   付けた複数個のタービンと、これらタービンに燃焼ガス
   を供給するそれぞれのガス通路に設けた流路開閉手段
   と、前記の複数個のタービンの排出する残存エネルギー
   により駆動され前記燃焼器に燃焼用空気を送出する空気
   圧送手段を備えたタービンシステムと、前記燃焼器の燃
   焼状態を制御するアクセルペダルと、該アクセルペダル
   の踏込量を検出する検出手段と、該検出手段からの信号
   に応じて前記流路開閉手段を制御する制御手段とを有す
   ることを特徴とする車両用ガスタービン装置。
2. 【請求項２】前記ガスタービン装置は大タービンと小タ
   ービンを持ち、その中間に発動機を持ち、それぞれのタ
   ービンには燃焼器からの燃焼ガスがエンジンの負荷に応
   じて送られることを特徴とする請求項（１）記載の車両
   用ガスタービン装置。
3. 【請求項３】前記タービンシステム空気圧送手段はター
   ビンの排出する残存エネルギーにより駆動されるタービ
   ン翼と、該タービン翼の回転軸に設けたコンプレッサ翼
   と、回転軸に設けた電動−発電機となる回転電機とを備
   えたことを特徴とする請求項（１）記載の車両用ガスタ
   ービン装置。
4. 【請求項４】前記タービンシステムのタービン翼は排気
   ガスの流れ方向とノズル面積を変えるガイド弁を有する
   バリアブル・ジオメトリ・シャッタ・システムを用いて
   駆動されることを特徴とする請求項（３）記載の車両用
   ガスタービン装置。
5. 【請求項５】前記タービンシステムは燃焼器の始動時に
   はバッテリを電源としてタービンシステムに直結された
   回転電機を電動機作動させて燃焼用空気を圧送すること
   を特徴とする請求項（３）記載の車両用ガスタービン装
   置。
6. 【請求項６】前記タービンシステムは排出ガスの残存エ
   ネルギーに余裕のあるとき、回転電機の発電機作動によ
   り残存エネルギーを回収してバッテリを充電することを
   特徴とする請求項（３）記載の車両用ガスタービン装
   置。