JPH01116236A - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、排気エネルギを回収して機関を駆動するター
ビンを有すると共に、このタービンから排気を迂回させ
るバイパス路及びこのバイパス路の開度を開閉制御する
バイパス弁から構成されてタービン運転、機関運転を制
御する排気バイパス機構を有するターボコンパウンドエ
ンジンに関する。

［従来の技術］ 一般にターボコンパウンドエンジンは第７図に示すよう
に、排気ターボ過給機１を備えた機関２において、過給
機ｌにより吸気過給に利用した排気エネルギを、過給機
１よりも下流側の排気通路３に介設したタービン４によ
って更に回収し、このタービン４によって取り出した軸
回転力を機関２のクランク軸５に供給して機関２の高出
力化を達成するようになっている。

このエンジンシステムには、タービン４を正転駆動して
機ｒｆＩＪ２を駆動させるためにタービン４へ排気を供
給する（図中、矢印Ａ）通常の排気通路３に加えて、排
気をタービン４から迂回させる（図中、矢印Ｃ）バイパ
ス路１５と、このバイパス路１５を開度制御するバイパ
ス弁１６とから成る排気バイパス機４１１１７が備えら
れている。この排気バイパス機構１７は、機関２の低負
荷時において排気をタービン４へ供給することが却って
排気通路３内の背圧を徒らに高め、過給Ｉｉ１、延いて
は機関２に無用な動力損失、燃費の悪化を生じさせるこ
とを考慮して、このような運転状態の場合には排気をタ
ービン４から迂回させるようになっている。

このバイパス弁１６は第８図に示すように、機関負荷に
対応する、例えばガバナのラック位置が設定負荷範囲内
であって、且つ機関回転数が設定回転数範囲内であると
きくタービンによる機関駆動域Ｄ）に閉じられて排気バ
イパスを中断し、タービン４に排気を供給してタービン
４により機関２を駆動させると共に、他方このような範
囲以外であるとき（排気バイパス域Ｅ）には開かれて排
気をバイパスさせるようになっている。この関係をグラ
フとして示すと第９図のように、機関２の通常運転域り
、Ｈにおいて、設定された機関回転数と機関負荷とで囲
まれる領域の内外（Ｉｌｌ［駆動域りと排気バイパス域
Ｅ）で排気バイパスが切り替えられることになる。

そしてこのようなエンジンシステムでは第１０図に示す
ように、キースイッチ３１、アクセルスイッチ１８、ク
ラッチスイッチ１９、排気ブレーキスイッチ２Ｇ、ター
ビンブレーキスイッチ２１並びにラックセンサ２２、機
関回転数センサ２３からの各検出信号が夫々コントロー
ルユニット２４の入力回路２５、Ａ／Ｄ変換器２ｅ、波
形整形器２７を＆ｌてＣＰＵ２Ｂ＆：：入力され、ここ
でＲＯＭ　２９に記憶された第９図に示すマツプ等を下
に演算処理されて出力回路３０から制御信号が出力され
るようになっている。殊に、上述の排気バイパス制御に
関しては、ラックセンサ２２及び機関回転数センサ２３
が関与し、これらからの検出値により排気バイパス制御
り、Ｅが切り換えられるようになっている。

尚、第７図に示したエンジンシステムには、吸気過給に
加えてタービン４により機関２へ回転駆動力を付加させ
るようにしたエンジンシステムでは相当の制動能力が要
求されることから、上述の排気エネルギ回収用のタービ
ン４を反対に機関２側から駆動させ、且つその回転を逆
転させてポンプ仕事を行うブロアとして機能させること
により、従来のフットブレーキ、排気ブレーキに加えて
機関制動力を増強させる構成が採用されている。タービ
ン４とクランク軸５との間に、タービン４を正逆転させ
るための反転装置１１Ｆ６、並びにタービン４の正逆回
転切換時の回転慣性（スベリ）を吸収しまた回転数調整
を施す減速ギヤと流体継手とから成るカップリング機構
７を介設することにより、タービン４の正逆回転並びに
クランク軸５とタービン４との間の駆動力の相互伝達を
達成させるようになっている。尚、８．９は夫々、反転
装置６を制御する油圧系及び正逆転切換時のスベリ等に
よる発熱を冷却する冷却用の油圧系である。また排気通
路３には、機関２側から駆動されてブロアとして機能す
るタービン４のポンプ仕事に吸気を利用させるために、
吸気通路１０からタービン４の出口側に吸気を導入する
（図中、矢印Ｂ）吸気導入路１１が設けられている。こ
の導入路１１は、これに介設された開閉弁１２によって
開閉制御され、機関制動時（タービン逆転時）のみ吸気
をタービン４へ供給するようになっている。また排気通
路３には、タービン逆転時にこれを閉じて排気の逆流を
規制する逆止弁１３が設けられている。更に過給４１１
１とタービン４との間には、排気ブレーキ作動に際し排
気通路３を閉じるための排気ブレーキ弁１４が設けられ
ている。

［発明が解決しようとする問題点］ ところで上述のエンジンシステムにおける答弁１２〜１
４．１６　、特に排気バイパス機ｌ１１１１７のバイパ
ス弁１６の開閉制御は次のように行われていた。

通常運転域り、Ｈにおいてクラッチスイッチ１９により
クラッチが接続されていることが検出されたならば、機
関負荷並びに機関回転数に基づいて排気バイパス制御が
行われる。この際には、開閉弁１２は常閉、排気ブレー
キ弁１４は常開とされ、タービン４が正転駆動状態（Ｉ
ｓ間駆動域Ｄ）にあるときには排気通路３が開かれ（逆
止弁１３、開）バイパス路１５が閉じられて（バイパス
弁１６、閉）排気がタービン４に供給されると共に、他
方排気バイパス状Ｂ（排気バイパス域Ｅ）にあるときに
は排気通路３が閉じられる傾向にあり（逆止弁１３、閉
又は開）バイパス路１５が開かれて（バイパス弁１６、
開）、排気はタービン４を迂回して流されるようになっ
ている。

ここに、排気バイパス域Ｅからタービンによる機関駆動
域りへの移行に際しては、機関２の急加速制御等の機関
運転状態の如何に拘らず、各スイッチやセンサ、殊にラ
ックセンサ２２や機関回転数センサ２３からの検出信号
に対する演算時間やバイパス弁１６開閉作動時間等相当
の弁制御時間経過後にバイパス弁１６が開閉作動される
こととなっていた。

しかしながら、このような制御では次のような問題があ
った。即ち、機関２を低負荷状Ｂ（排気バイパス域Ｅ）
から瞬時に加速させない場合、この要求は機関負荷並び
に機関回転数の瞬間的な上昇がラックセンサ２２及び機
関回転数センサ２３によって検出されて認識される（第
９図中、Ｊで示す）が、バイパス弁１６は相当の制御時
間経過後に閉作動されるため、機関運転状態が排気バイ
パス域Ｅから機関駆動域りに瞬間的に移行してもバイパ
ス弁１６が閉じられるまでにバイパス路１５が相当の時
間開放状態に維持されることとなり、第２図に示すよう
に排気バイパス域Ｅの最終段階ではバイパス弁１６も閉
じられる方向にあって排気通路３の圧力も上昇してター
ビン回転数も上昇してくるが、それまでの間（図中、Ｇ
で示す）機関２の加速に対応してｒＲｒＩＩＩに多量の
燃料が供給され排気通路３内の圧力が上昇してもその上
昇圧力がバイパス路１５を介して解放されてしまい、排
気通路３内の圧力上昇を十分に得ることができずタービ
ン４の回転上昇に“息つき”を生じて、出力応答性に段
差が生じて応答性が良くないという問題があった。

即ち、機関低負荷状態から高負荷状態への機関制御に郡
る際、必ず排気バイパス域Ｅにおけるバイパス弁１６の
相当時間の開放状態を経てタービン運転が制御されるた
め、排ガス温度、排ガス圧力の上昇に応じたタービンの
スムーズな回転上昇を得ることができなかった。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、排気エネルギを回収して機関を駆動するター
ビンと、タービンから排気を迂回させるバイパス路を開
閉制御してタービン運転を制御するバイパス弁と、機関
加速時ラック移動速度が設定速度を超えたことに応じて
バイパス弁を閉じる制御手段とを備えて構成される。

［作用］ 本発明の作用について述べると、機関が低負荷状Ｂ（排
気バイパス域）から高負荷状態（機関駆動域）へ移行す
る機関加速時に、機関負荷の大きな変動に対応してラッ
クの移動速度が設定速度を超えたことに応じて強制的に
バイパス弁を閉じるように制御することにより、タービ
ンへ排気を供給する排気通路内の圧力上昇を適正に確保
して瞬間的な機関の加速制御に対して滑らかな出力上昇
を得るようになっている。

［実施例］ 以下に本発明の好適実施例を添付図面に従って詳述する
。

エンジンシステム自体の構成は、上記従来例で説明した
ものと同様である（第７図〜第１０図参照）０本発明の
特長とするところは、制御手段たるコントロールユニッ
ト２４における排気バイパス域Ｅから機関２を加速して
タービン４による機関駆動域りに機関運転が移行するに
際しての排気バイパス制御、殊にバイパス弁１６の制御
にあり、この制御内容はＣＰＵ２８における制御フロー
として設定される。

（第１実施例） 以下、−第１図〜第４図を参照して制御フローに従って
説明する。

先ず、コントロールユニット２４では各種検出信号を入
力リードし計算を行うことになる。

通常の排気バイパス制御Ｈは、クラッチスイッチ１９に
よりクラッチが接続されていることが検出されたならば
、機関負荷並びに機関回転数に基づいて排気バイパス制
御が行われる。この際には、開閉弁１２は常閉、排気ブ
レーキ弁１４は常開とされ、タービン４が正転駆動状態
（機関駆動域Ｄ）にあるときには排気通路３が開かれ（
逆止弁１３、開）バイパス路１５が閉じられて（バイパ
ス弁１６、閉）排気がタービン４に供給されると共に、
他方排気バイパス状！’ＩＳ（排気バイパス域Ｅ）にあ
るときには排気通路３が閉じられる傾向にあり（逆止弁
１３、閉又は開）バイパス路１５が開かれて（バイパス
弁１６、開）排気はタービン４を迂回して流されるよう
になっている。

ここに本発明にあっては、機関２が排気バイパス域Ｅに
ある場合においてラックの祁動速度ｄＬ／ｄｔ　　（Ｌ
はラックの移動量）が設定速度αを超えた場合には、機
関２が相当の加速状態にあると判定して、排気バイパス
域Ｅでバイパス弁１６を強制的に閉じる制御が実行され
る。具体的には、新たな機関制御に対応するラック移動
量りがラックセンサ２２から入力リードされ、ラックの
移動速度ｄＬ／ｄｔの計算が行われる。この計算は第３
図に示すように、微小時間ｄｔ（０，１秒程度）毎にラ
ック移動量ｄ［が検出されて行われる。そして基本的に
は、ラックの移動速度ｄＬ／ｄｔが設定速度αを超えた
ことが判定されると、バイパス弁１６は排気バイパス域
Ｅで予め開放状態から強制的に閉じられることになる。

更に本実施例では第４図に示すように、機関２が排気バ
イパス制御の切換境界凡の近傍において運転されている
際に機関２が加速される（図中、Ｋで示す）と排気バイ
パス域Ｅから機関駆動域りに移行する場合が多いことを
考慮して、ラック位置りが切換境界Ｒに近いか否か（Ｌ
ｅ＜Ｌ＜ＬＳ　：　Ｌｅは切換境界Ｒ近傍の設定ラック
位置、ＬＳは切換境界Ｒラック位置）、並びに機関回転
数Ｎが切換境界Ｒ近傍の設定回転数Ｎｅ以上であるか否
か（Ｎ＞Ｎｅ　）も判定され、これら全てが満たされて
機関２が排気バイパス域Ｅから機関駆動域りに移行し易
い状態にあるときにバイパス弁１６を閉じるようになっ
ている。換言すれば、これら判定条件を満たさない場合
には、機関２が機関駆動域りに移行する可能性は少ない
としてバイパス弁１６の閉作動は行わず、低負荷状態に
おいてバイパス弁１６を閉じることの弊害が生じないよ
うに設定されている。またこのラック位１ｆＬと機関回
転数Ｎに基づく制御を行うことにより、機関低負荷域で
瞬間的にラック移動速度ｄＬ／ｄｔが設定速度αを超え
ただけではバイパス弁１６が閉じられることはなく、突
然の加速感が生ずるのを防止できる。

そして以後、ラック移動速度ｄＬ／ｄｔが設定速度αを
下回ったことが判定されると、通常の排気バイパス制御
に戻されるようになっている。

他方、ラックの移動速度ｄＬ／ｄｔが設定速度α以下で
ある場合には、通常の制御時間をかけて排気バイパス域
Ｅから機関駆動域りに移行させるようになっている。

ここに設定速度αは、機関性能や一般的な機関の加速制
御において排気通路３内の排気圧力、排気温度等の上昇
率を考慮して与えられる。

このように機関２の加速時排気バイパス域Ｅから機関駆
動域りに移行する際に予めバイパス弁１６を強制的に閉
じることにより、従来この移行制御中に介在していたバ
イパス弁１６の開放による排気通路３内の圧力上昇の妨
げでタービン４の回転上昇が遅れ、そのために出力応答
性が十分でなかったのを解消して、第２図に実線で示す
ように適正な圧力上昇を確保して滑らかな出力上昇を確
保することができる。

尚、ラックを検出することに替えて、アクセルペダルの
踏込量等を検出対象としても良いことはもちろんである
。

（第２実施例） 第５図及び第６図には、第２実施例に関する制御フロー
及びその制御マツプが示されている。

本実施例にあっても第１実施例と同様に微小時間ｄｔに
おけるラック移動速度ｄＬ／ｄｔが設定速度αを超えた
ことを判定する。また本実施例では、機関回転数Ｎが機
関駆動域りに移行し易い切換境界Ｒ近傍の回転数範囲に
存在するか否か（Ｎａ　＜Ｎ＜Ｎｂ　）をも併せて判定
し、これらが満たされたことに応じて機関２が急加速状
態にあるとしてバイパス弁１６を閉じ、予め機関駆動域
りの制御に移行させるようになっている。ここに、Ｎａ
は切換境界Ｒ近傍下限回転数、Ｎｂは切換境界Ｒ３！ｘ
傍上限回転数である。そして以後、ラック移動速度ｄ［
／ｄｔが設定速度αを下回ったことが判定されると、通
常の排気バイパス制御に戻されるようになっている。

本実施例にあっても、上記実施例と同様な効果を奏する
ことはもちろんである。

［発明の効果］ 以上要するに本発明によれば次のような優れた効果を発
揮する。

排気エネルギを回収して機関を駆動するタービンから排
気を迂回させるバイパス路を開度制御して機関運転を制
御するバイパス弁を、機関加速時ラックの移動速度が設
定速度を超えたことに応じて制御手段により予め閉じる
ようにしたので、ラックにより機関加速状態を判定して
排気バイパス域であってもタービンへ排気を供給する排
気通路内の圧力上昇を適正に確保でき、通常の機関低負
荷に対応する排気バイパス制御に支障を与えることなく
、機関加速に応じた滑らかな出力上昇を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例を示すターボコンパウンド
エンジンの制御に採用されるフローチャート、第２図は
機関出力と制御時間との関係を示すグラフ、第３図はラ
ック移動速度の検出内容を説明する図、第４図はバイパ
ス弁の制御マツプを示す図、第５図は本発明の第２実施
例を示すターボコンパウンドエンジンの制御に採用され
るフローチャート、第６図は第２実施例のバイパス弁の
制御マツプを示す図、第７図は本発明が採用されるター
ボコンパウンドエンジンの一例を示す系統図、第８図は
バイパス弁の制御ロジックを示す回路図、第９図はバイ
パス弁の制御マツプを示す図、第１０図はターボコンパ
ウンドエンジンの制御系を示す回路図である。 図中、２は機関、４はタービン、１５はバイパス路、１
６はバイパス弁、２４は制御手段たるコントロールユニ
ットである。 特許出願人　　　いすず自動車株式会社代理人弁理士　
　　絹　　谷　　信　　雄２！磯崗 ４：　ターじ°ン ２４・“１ｐ１卸チ役 （コシトロールユニ・シト） 第５図 第６図 吋向 第４図 一一一時内 第３図 第９図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 排気エネルギを回収して機関を駆動するタービンと、該
   タービンから排気を迂回させるバイパス路を開閉制御し
   てタービン運転を制御するバイパス弁と、機関加速時ラ
   ック移動速度が設定速度を超えたことに応じて上記バイ
   パス弁を閉じる制御手段とを備えたことを特徴とするタ
   ーボコンパウンドエンジン。