JPH01110831A - ター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〕 この発明は、自動車等のターボチャージャゼネレータを
備えたターボコンパウンドエンジンに関する。ここでい
うターボチャージャゼネレータとは、タービンとコンプ
レッサを有すると共に両ブレード間に交流機を設けたも
のであり、ターボチャージャの機能と発電・電動機の機
能を有するものである。

〔従来の技術〕

従来、低速から高速までの広い領域にわたって適量且つ
十分な吸気過給を可能にする内燃機関のターボチャージ
中は、例えば、特開昭６０−１９５３２９号公報に開示
されている。この内燃機関のターボチャージャについて
は、内燃機関の排気ボートに連通ずる排気マニホルドに
ターボチャージャのタービンのスクロールが連通し、内
燃機関の本体に設けた燃料噴射ポンプに燃料噴射回部ち
負荷の大きさを検出する負荷センサーが設けられたもの
であり、特に、内燃機関の排気ガスのエネルギーによっ
て駆動されるタービンと、該タービンの駆動によってシ
リンダ内に吸気過給するコンプレッサとから成り、前記
タービンによって駆動される交流機である電動・発電機
を有し、前記電動・発電機は内燃機関の運転状態に応じ
て電動機又は発電機として作動され、詳しくは前記電動
・発電機は内燃機関の少なくとも低速高負荷の運転領域
では電動機として駆動されるものである。

（発明が解決しようとする問題点〕 しかしながら、上記のような従来の内燃機関のターボチ
ャージ中については、内燃機関の排気ポ−トに連通ずる
排気マニホルドにターボチャージャのタービンのスクロ
ールが連通したものであるが、排気管及びエンジンその
ものの断熱構造を考慮し、排気ガスが有する排気エネル
ギーを有効に回収するということについては開示されて
おらず、また、排気ガス流量とエネルギー回収の最適化
を開示したものではない。

この発明の目的は、上記の問題点を解消することであり
、エンジンの燃焼室壁、及び排気ボート、排気マニホル
ド等の排気管を通じて排気ガスの排気エネルギーが流出
するのを防止し、ターボチャージャゼネレータの交流機
を大出力が発生できるように大容量のものを使用し、有
効エネルギーをほとんど回収するように構成して有効に
回収エネルギーを利用し、例えば、アイドリング時の発
電性を十分に確保するようにタービンノズルを可変機構
に構成して単独のタービンであるにもかかわらず排気ガ
ス流量とエネルギー回収との最適化を図った構造に構成
したターボコンパウンドエンジンを提供することである
。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明は、上記の問題点を解消し、上記の目的を達成
するために、次のように構成されている。

即ち、この発明は、エンジンの燃焼室壁をセラミック材
料等によって断熱構造に構成し、前記エンジンの排気管
にターボチャージャゼネレータのタービンノズルけ、前
記タービンのタービンノズルを可変機構に構成したこと
を特徴とするターボコンパウンドエンジンに関する。

〔作用〕

この発明によるターボコンパウンドエンジンは、以上の
ように構成されており、次のように作用する。即ち、エ
ンジンの燃焼室壁を断熱構造に構成して前記排気管にタ
ーボチャージャゼネレータのタービンを取付けたので、
エンジンの排気ガスが有する排気エネルギーをシリンダ
ヘッド等から流出させることなく下流に設置したエネル
ギー回収装置であるターボチャージャゼネレータに全て
送り込むことができ、またタービンノズルを可変機構に
構成したので、アイドリング時等の排気ガスの流量が少
ない時には、前記タービンノズルのノズル面積を絞り、
排気ガスの流量が少ないにもかかわらず排気ガスの流速
をを速くしてタービンブレードを速く回転させ、交流機
の発電性を十分に確保し、単独のタービンであるにもか
かわらず排気ガス流量とエネルギー回収との最適化を図
ることができる。

〔実施例〕

以下、図面を参照して、この発明によるターボコンパウ
ンドエンジンの一実施例を詳述する。第１図はこの発明
によるターボコンパウンドエンジンの一実施例を示す概
略断面図、第２図は第１図のターボチャージャゼネレー
タの一例を示す概略断面図、第３図は第２図のタービン
を示す断面図、及び第４図は第２図のタービンのタービ
ンノズルを示す説明図である。

第１図において、この発明の一実施例であるターボチャ
ージャゼネレータ２５と断熱エンジン１から成るターボ
コンパウンドエンジンが符号１０によって全体的に示さ
れている。該ターボチャージャゼネレータ２５は、第２
図に示すように、主として、断熱エンジン１の排気ガス
によって駆動されるタービン４、タービン４の駆動によ
りて過給するコンプレッサ２、及びタービン４によって
駆動される交流機３から成る。タービン４については、
タービンハウジング１８内にタービンブレード２２が配
置され、更に、第３図又は第４図に示すように、タービ
ンノズル３２は回転軸３３の回転によってノズル面積が
変更できるように可変機構に構成されたものである。ま
た、コンプレッサ２については、コンプレッサハウジン
グ１７内にコンプレッサインペラ２１が配置されたもの
である。更に、コンプレッサインペラ２１とタービンブ
レード２２とはシャフト２０の両端に固定されている。

また、交流機３については、上記特開昭６０−１９５３
２９号公報等に開示された内燃機関のターボチャージャ
と同様に、電動・発電機として作用できるものである。

この交流機３は、センタハウジング１６内を貫通するシ
ャフト２０の中央部に取付けられた軸方向に伸長する永
久磁石である磁石ロータ２７、ステータコイル２６等か
ら成る。シャフト２０はセンタハウジング１６に固定さ
れたベアリング１９に回転自在に支持されている０図示
していないが、ベアリング１９の配置位置はタービン４
と交流機３との間のみで一対で支持する構造に構成でき
ることは勿論である。

タービンブレード２２はタービンスクロール２８に送込
まれる排気ガスの流れ即ち排気ガスエネルギーを受けて
回転し、排気ガスは矢印Ｃの方向に流れる。また、コン
プレッサインペラ２１は、矢印Ａのように、吸気口から
空気が導入され、該空気を吸気として空気通路２９を通
じて断熱エンジンｌの吸気マニホルド１１に送込む作用
を果たす。

交流機３は、タービン４によって駆動され、ステータコ
イル２６に電流を誘起し、この電流を電源側に戻す機能
を果たすものであり、即ち回生電流をバッテリに充電し
たり又は負荷として利用できるものである。

この発明によるターボコンパウンドエンジン１０におけ
る断熱エンジン１については、エンジンの燃焼室１３を
構成するシリンダヘッド１２の燃焼室壁１５を窒化珪素
、炭化珪素等のセラミック材料で形成すると共に、シリ
ンダヘッド１２との間にチタン酸カリウムウィスカー、
アルミナファイバ等のセラミック材料等から成る断熱材
２３を介在させて断熱構造に構成している。更に、シリ
ンダボディ７には同様にセラミック材料等から成るシリ
ンダライナ８を嵌合することもできる。また、ピストン
９については、断熱構造に構成したものであり、ピスト
ンヘンド３１を同様のセラミック材料で構成して断熱材
を介してピストンスカートに固定している。また、断熱
エンジン１の各シリンダヘッド１２には、各排気ポート
６を介して排気マニホルド５、次いでタービンスクロー
ル２８に連通している。排気ポート６を構成する排気ポ
ートライナ３０は、セラミック材料、断熱材等によって
断熱構造に構成されている。また、排気ポート６には、
同様にセラミック材料等によって断熱構造に構成された
排気マニホルド５がｔｉ続されている。そして、排気マ
ニホルド５からの排気ガスはタービン４に送込まれるよ
うに構成されている。このように構成することによって
、断熱エンジン１のシリンダヘッド１２からタービン４
までの排気通路即ち排気管を完全に断熱構造に構成する
ことができる。このような構成によりて、断熱エンジン
１から排気される排気ガスの排気エネルギーがシリンダ
ヘッド、途中経路等を通じて流出することを防止でき、
排気エネルギーを全て下流に設置したエネルギー回収装
置即ちターボチャージャゼネレータによって回収できる
ようになる。また、各々の吸気マニホルド１１には、デ
ィーゼルエンジンの場合には、燃料噴射ノズルが設けら
れており、燃料噴射ノズルには、燃料ポンプ及びそれら
を制御するコントローラによって燃料が制御して送込ま
れるように構成されている。なお、図中、１４は吸気ポ
ート、２４は排気パルプを示す。

この発明によるターボコンパウンドエンジン１０は、上
記のように構成されており、特に、次のような作動の点
に特徴を有している。ターボチャージャゼネレータ２５
における交流ａ３は、大出力が発生できるように大容量
のものを使用する。

交流機３を大容量に構成することによって、例えば、エ
ンジンの負荷の小さい部分では、エンジンに多量の吸気
を送り込む必要がないので従来のターボチャージ中とし
ての機能は不要になるため、断熱エンジンｌの排気ガス
の排気エネルギーによって回転する回転エネルギーは交
流機３によって電力に変換し回生電流としてバッテリに
蓄電又は他の負荷として使用する。しかしながら、エン
ジンの負荷が大きい部分では、エンジンは多量の吸気を
必要とするので、断熱エンジン１の排気ガスの排気エネ
ルギーによって回転する回転エネルギーの一部分をター
ボチャージャとして機能させるためコンプレッサ２を駆
動するコンプレッサ駆動エネルギーとして消費し、回転
エネルギーの残り部分を交流機３によって発電した電力
を電力エネルギーとして供給するように作動する。また
、ターボチャージャゼネレータ２５のタービン４を多段
にすることなく一列として構成する。もし、り−ビンを
多段に構成すると、タービンにかかる排気圧によってデ
ィーゼルサイクルの排気工程圧力が増加することになり
、エンジンの総合効率が低下するという問題が生じるか
らである。そこで、タービン４を一列にして排気ガスの
膨張比を大きくとり、且つベアリング１９等のフリクシ
ョンが最小になるように構成し、最大の効率が上がるよ
うにする。更に、ターボチャージャゼネレータ２５の出
力は、断熱エンジン１の燃料流量に合ったブースト圧ま
で確保し、残りの出力は、電力出力に変換することによ
って排気ガスの有効エネルギーを全て回収することとす
る。また、単独のタービン４によるエネルギー回収は、
排気ガス流量との最適化ができ難いので、タービンノズ
ル３２を回転軸３３の回転によってノズル面積を変更で
きるように可変機構に構成し、タービン速度とタービン
ノズル３２からの流出ガス速度の最適化を図ることとし
たものである。

（発明の効果） この発明によるターボコンパウンドエンジンは、以上の
ように構成されているので、次のような特有の効果を奏
する。即ち、この発明は、エンジンの燃焼室壁を断熱構
造に構成し、前記排気管にターボチャージャゼネレータ
のタービンを取付け、タービンノズルを可変機構付きに
構成したので、エンジンの排気ガスが有する排気エネル
ギーを下流に設置したエネルギー回収装置であるターボ
チャージャゼネレータのタービンに全て送り込むことが
でき、排気ガス流量にマツチしたエネルギー回収ができ
る０例えば、アイドリング時等の排気ガスの流量が少な
い時には、前記タービンノズルのノズル面積を絞り、排
気ガスの流量が少ないにもかかわらず排気ガスの流速を
を速くしてタービンブレードを速く回転させ、単独のタ
ービンであるにもかかわらず、交流機の発電性を十分に
確保してエンジンからの排気ガス流量と前記ターボチャ
ージャゼネレータでのエネルギー回収との最適化を図る
ことができる。また、ターボチャージャゼネレータの交
流機を大容量に構成することができ、排気エネルギーを
有効に消費できる。即ち、負荷の小さい場合には排気ガ
スによって回転する回転エネルギーを電力に変換し、負
荷の大きい場合にはコンプレッサの駆動エネルギーと電
力エネルギーを供給できる。また、タービンを一列とし
て排気ガスの膨張比を大きくすると、エンジンの総合効
率を向上させることができる。更に、ターボチャージャ
ゼネレータの出力を、断熱エンジンの燃料流量に合った
ブースト圧まで確保し、それ以上は吸気送り込みに消費
せずに残りの出力を電力出力に変換するように作動する
と、排気ガスの有効エネルギーを全て回収することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明によるターボコンパウンドエンジンの
一実施例を示す概略断面図、第２図は第り図のターボチ
ャージャゼネレータの一例を示す概略断面図、第３図は
第２図のタービンを示す断面図、及び第４図は第２図の
タービンのタービンノズルを示す説明図である。 １・−・−・・・断熱エンジン、２・・−・・・コンプ
レッサ、３−・・・・交流機、４−・−・・・・タービ
ン、５−・・・・・・排気マニホルド、６・・・・・・
−排気ボート、８−・−・・シリンダライナ、９−・・
−・−ピストン、ｌＯ−・・・−ターボコンパウンドエ
ンジン、１２・−・・−・シリンダヘッド、１３−・・
・・燃焼室、１５−・・・・−・燃焼室壁、２０・・−
・−シャフト、２２−・・・・・・タービンブレード、
２３−・−・・−断熱材、２５−・・・−・ターボチャ
ージャゼネレータ、３０−・−・−排気ボートライナ、
３１−・・−・ピストンヘッド、３２・−・・−タービ
ンノズル、３３−・−回転軸。 特許出願人　　いすり自動車株式会社 代理人　　　　弁理士　尾　仲　−宗 第　　１　　図 第　　２　　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. エンジンの燃焼室壁をセラミック材料等によって断熱構
   造に構成し、前記エンジンの排気管にターボチャージャ
   ゼネレータのタービンを取付け、タービンノズルを可変
   機構に構成したことを特徴とするターボコンパウンドエ
   ンジン。