JPH0519016B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は排気ガスのエネルギをタービンの膨
脹仕事として回収し、回収エネルギをクランク軸
等の駆動軸の回転エネルギとして使用するターボ
コンパウンドエンジンに係り、特にエンジンの運
転状態に応じて最適・最小のエンジンブレーキ力
を負荷させるように構成したターボコンパウンド
エンジンに関する。

［従来技術］ 一般に過給器を備えたエンジンは、このエンジ
ンより排気量の大きい無過給エンジンに比較して
燃費性能が良い、出力性能が同等以上であ
る、エンジンが軽量コンパクトである、等の優
れた長所をもつている。この長所を更に押し進め
たものにターボコンパウンドエンジンがある。こ
のターボコンパウンドエンジンは、エンジンから
の排気ガスエネルギをまずターボ過給機の過給仕
事として回収し、次いでそのターボ過給機から排
出される排気ガスをパワータービンの断熱膨脹仕
事として回収するようにしたものである。これに
よつてエンジンの出力性能、燃費性能、ゲインを
総合的に向上させることができる。ところでター
ボコンパウンドエンジンの総合性能を更に向上さ
せるためにはターボ過給機の膨脹比及びパワータ
ービンの膨脹比を上げて過給圧をさらに高め、有
用性を高めることができるが、しかし、出力性能
の増加に見あうエンジンブレーキ力（排気ブレー
キ力）の確保が課題として残されている。

つまり、過給圧値を高めることによつて相対的
エンジンブレーキ力は小さくなり、この分だけ主
ブレーキ（フツトブレーキ）操作が必要となるか
らである。エンジンブレーキ力の確保は車両の操
作性はもとより、車両の安全走行上必要不可欠な
要素（一般的にエンジンブレーキ力は定格出力の
略60％以上を要求される。）であり、ターボコン
パウンドエンジンの長所を生かすためにも重要な
課題となる。

そこで、本出願人は先に「ターボコンパウンド
エンジン」の提案（特願昭61−308776号）を行つ
ていた。

この提案は第６図に示されるようにパワーター
ビンａとクランク軸ｂとを、排気ブレーキ作動時
に連結する電磁クラツチｃを有し、クランク軸の
回転をパワータービンａへ伝達するギヤトレーン
ｄで接続すると共に、このギヤトレーンｄの歯車
比を排気ブレーキ非作動時にパワータービンの回
転力をクランク軸ｂに伝達するギヤトレーンｅの
歯車比より小さくし、ターボコンパウンドエンジ
ンを構成したものである。

［発明が解決しようとする問題点］ 一般に排気ブレーキの作動は、エンジンの定格
回転を越える運転がなされているときにも行われ
る場合があり、このときにパワータービンがオー
バランに至る問題が生じる可能性が高い。

そこで上記提案は排気ブレーキ作動時には電磁
クラツチを接続してクランク軸の回転をパワータ
ービンへ伝達するギヤトレーンを動作し、パワー
タービンを逆転方向に駆動する。このとき排気ブ
レーキ非作動時にパワータービンからクランク軸
へ回転を伝達するギヤトレーンの歯車比に対し、
クランク軸からパワータービンへ回転を伝達する
ギヤトレーンの歯車比は小さくし、排気ブレーキ
時におけるパワータービンのオーバーランを防止
している。

上記提案はパワータービンをコンプレツサとし
て用いるために、第７図に示すようにパワーター
ビンの吸込側の開度を絞り、その開度によるブレ
ーキ力を得るようにしてあるが、しかし一定開度
にすることは、パワータービンの回転数によつて
異なるブレーキ力を有効に利用するものではなか
つた。即ち、第８図に示すようにパワータービン
の回転数が増減することに応じて、ブレーキ力も
増減するからである。したがつて、パワータービ
ンの回転数に応じて適正なブレーキ力を得ること
が望まれる。

また、上記提案のように構成すると、ブレーキ
としてのエネルギ吸収力は適正な絞りでエンジン
出力の1/3以上を確保できるが、しかし反面に吸
収したブレーキ力の全てが一度に走行中に作用す
ると、 車両のタイヤが一時的にスキツドし、タイヤ
のスリツプを発生させる。

スキツド時の反駆動力が、車両の駆動系に極
大な負荷として加えられる。

タイヤ及びブレーキパツドの異常摩耗が発生
する。

等の諸問題が起り解決すべき問題点となつてい
る。

［問題点を解決するための手段］ この発明はパワータービンとクランク軸とを排
気ブレーキ時に連結し、クランク軸の回転をパワ
ータービンへ伝達するギヤトレーンと、該ギヤト
レーンに介設されて上記タービンへの伝達回転数
を可変させる無段階変速機構と、排気ブレーキ時
に車両総重量及び車両の運転状態に応じて、上記
無段階変速機構を動作するコントローラとを備え
てターボコンパウンドエンジンを構成し、問題点
を解決するための手段と成したものである。

［作用］ 排気ブレーキ時には、クランク軸とパワーター
ビンとがギヤトレーンで接続され、パワータービ
ンは回転される。同時に無段階変速機構は、車両
総重量及び車両運転状態に基づいてパワータービ
ンへの伝達回転数を最適・最小にして伝達する。
すると、パワータービンが回転されて行うエンジ
ンに対する負の仕事量が、車両の運転状態及び車
体総重量に応じて調節されることになり、エンジ
ンに対して最適・最小の負の仕事、即ちエンジン
ブレーキ力が負荷される。

即ち、エンジンの駆動系に対して一度に大きな
ブレーキ力を加えることがなくなり、ブレーキラ
イニングの異常摩耗やタイヤのスキツド等を防止
できる。

［実施例］ 以下に、この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図に示される１はエンジン、２は吸気マニ
ホールドである。

図示されるように排気マニホールド３には排気
通路４ａが接続され、吸気マニホールド２には吸
気通路５が接続されている。

この排気通路４ａには、排気通路４ａの途中に
ターボ過給機１０のタービン１０ａが介設され、
そのターボ過給機１０のコンプレツサ１０ｂは吸
気通路５の途中に介設される。ターボ過給機１０
の下流側の排気通路４ｂには排気ガスエネルギを
回収するパワータービン１２が介設される。

ところで、この発明のターボコンパウンドエン
ジンは、エンジン１の出力性能に応じたエンジン
ブレーキ力を確保することにある。エンジンブレ
ーキ力を増大させるためにはクランク軸１５に直
接または間接的に回転を阻止する抵抗を加え、ク
ランク軸１５に大きな負の仕事を行わせることが
有効であると考えられる。

このため、この発明のターボコンパウンドエン
ジンでは排気ブレーキの作動時にパワータービン
１２を逆転させて、パワータービン１２に大きな
負の仕事を行わせるように構成してある。

第１図に示すように、パワータービン１２とタ
ーボ過給機１０のタービン１０ａとの間の排気通
路４ｂには、これに一端が接続され他端がパワー
タービン１２より下流側の排気通路４ｃに接続さ
れた流体通路２５を形成し、この流体通路２５の
パワータービン１２より上流側の接続部に流路切
換手段３０を設けている。

この実施例にあつて流路切換手段３０は第１図
及び第３図、第４図に示されるように上記接続部
に設けられた切換弁としてのロータリーバルブ３
１と、このロータリーバルブ３１を動作する駆動
装置３２とから構成される。ロータリーバルブ３
１は第３図、第４図にも示されるようにケーシン
グ３１ａ内に回動自在なロータ３１ｂを収容し、
このロータ３１ｂに２つの第１ポートＡ、第２ポ
ートＢを形成して構成される。一方の第１ポート
Ａのポート直径d₁は排気通路４ｄの通路直径d₀に
等しく、他方の第２ポートＢのポート直径d₂は流
体通路２５の通路直径d₃より小さく形成される。

一方、ケーシング３１ａには、排気通路４ｂの
一部となる通口３１ｃが開口されている。各第１
ポートＡ、第２ポートＢの回転位置関係は、排気
通路４ｄと第１ポートＡが接続されたときには排
気通路４ｂと流体通路２５との接続が断たれるよ
うな関係に設定される。

このロータリーバルブ３１を切換制御する駆動
装置３２は以下のように構成される。

第１図、第３図及び第４図に示されるように、
ロータ３１ｂにはこれに一端が固定されたレバ部
材３５が接続されており、この排気通路４ｂの径
方向外方へ延出されたレバ部材３５の自由端に
は、アクチユエータ３４の動作ロツド３３が接続
される。

第１図に示す３６は、流体供給装置で、この流
体供給装置３６と上記アクチユエータ３４の動作
室３７とは、流体送給通路３９によつて結ばれて
おり、この流体送給通路３９の途中には通電され
たときに上記動作室３７と流体送給通路３９を連
通状態にする電磁弁４０が介設される。この電磁
弁４０はエンジン１のニユートラルセンサスイツ
チ４１、クラツチ作動スイツチ４２、そして排気
ブレーキスイツチ４３の全スイツチがON作動時
に通電されるようになつている。４５はバツテリ
ーなどの直流電源である。

４７は逆転用の電磁クラツチスイツチであり、
常開接点（Ａ接点）となつている。

次に、パワータービン１２とクランク軸１５と
を連結するギヤトレーンについて説明する。

第１図に示されるように、パワータービン１２
のタービン軸１３の出力端１３ａには出力歯車１
６が一体的に設けられており、この出力歯車１６
には遊星歯車１７ａ，１７ｂが噛合されている。
それら遊星歯車１７ａ，１７ｂは流体継手２１の
入力ポンプ車２１ａと一体になつて回転する環状
歯車１８に噛合されている。

即ち、出力歯車１６は遊星歯車１７ａ，１７ｂ
及び環状歯車１８から成る遊星歯車機構１９によ
り流体継手２１に接続され、パワータービン１２
からの回転力を流体継手２１の出力ポンプ車２１
ｂに伝達するように構成されている。ここで遊星
歯車機構１９を設けたのは、遊星歯車機構１９が
大きな減速比をもつこと、伝達効率がよいことか
らである。出力ポンプ車２１ｂには、この出力ポ
ンプ車２１ｂと一体になつて回転する入出力歯車
２０が固着されている。

ところで、クランク軸１５には、電磁クラツチ
２２を内蔵し、その電磁クラツチ２２によつて回
転が断続される第１クランク軸歯車２３、及び第
２クランク軸歯車２４が一体に設けられており、
第２クランク軸歯車２４は逆転用のアイドルギヤ
２９を介してワンウエイクラツチ２６を内蔵する
第２中間歯車２７に噛合される。第２中間歯車２
７は後述する無段階変速機構９５によつて接続さ
れた同軸上に接続された第１中間歯車２８を介し
て上記入出力歯車２０に連結される。したがつ
て、電磁クラツチ２２が“入”、即ち、上記電磁
クラツチスイツチ４７がONのときに、第１クラ
ンク軸歯車２３と第１中間歯車２８とを接続し、
クランク軸１５からの回転駆動力が上記入出力歯
車２０へ伝達されるようになつている。このとき
第２中間歯車２７とアイドルギヤ２９との間はワ
ンウエイクラツチ２６を設けることによつて回転
力の伝達はなされず、ワンウエイクラツチ２６の
みフリー回転するようになつている。

ところで、入出力歯車２０と第２クランク軸歯
車２４との間の歯車比に対し、第１クランク軸歯
車２３と入出力歯車２０との間の歯車比を小さく
するように、各歯車（第１クランク軸歯車２３、
アイドルギヤ２９、第１中間歯車２８、入出力歯
車２０）の歯車比を定めている。これは、エンジ
ンの定格回転数でパワータービン１２にクランク
軸１５からの駆動力が伝達されたときにパワータ
ービン１２のオーバーランを防止するためであ
り、実施例では第１クランク軸歯車２３と第１中
間歯車２８との歯車比が第２クランク軸歯車２４
と第２中間歯車２７との歯車比に対して小さくな
るように構成されている。

ここで、第１クランク軸歯車２３、第１中間歯
車２８、入出力歯車２０がパワータービン１２か
らクランク軸１５へ回転を伝達するギヤトレーン
５６を、第２クランク軸歯車２４、アイドルギヤ
２９、第２中間歯車２７、ワンウエイクラツチ２
６、入出力歯車２０がクランク軸１５からパワー
タービン１２へ回転を伝達するギヤトレーン５７
を構成する。

さて、この発明の実施例にあつては、第１図、
第２図に示されるように、第２中間歯車２７と第
１中間歯車２８とを同軸上に接続する無段変速機
構９５が設けられる。

実施例にあつては、無段変速機構９５は第２中
間歯車２７及び第１中間歯車２８の接続側端部に
それぞれ一体的に設けた円錐形状の摩擦車６６
ａ，６６ｂと、これら相対する摩擦車６６ａ，６
６ｂの円周面に接点を有し、一方の摩擦車から他
方の摩擦車へ回転駆動力を伝達するアイドラ９
７，９７と、このアイドラ９７，９７の摩擦伝動
点を移動させ、ピツチ径（摩擦車に対しての）を
無段階に変えるリンク機構９２と、リンク機構９
２を後述するコントローラ６２の指示に従つて駆
動する駆動装置とから構成してある。

駆動装置としてはこの実施例ではステツプモー
タ６０を採用しているが、リンク６１のストロー
クを調節しアイドラ９７，９７の摩擦伝動点を変
更できるものであれば何であつても構わない。

以下、コントローラ６２の構成及び制御内容に
ついて説明する。

第１図に示してあるように、コントローラ６２
には、その入力部に車速、エンジン回転数、積載
量、経過時間が入力されるようになつている。経
過時間はステツプモータ６０が無段階変速機構９
５のアイドラ５４を一旦適正な摩擦伝動点位置へ
駆動した直後からの時間を図りコントローラ６２
へ信号として入力するものである。またコントロ
ーラ６２の入力部には、これらの信号の他の排気
ブレーキスイツチ４３のON−OFF信号、電磁ク
ラツチ作動スイツチ４２のON−OFF信号、アク
セルスイツチのON−OFF信号（図示せず）そし
て電磁弁４０のON−OFF信号が入力されるよう
になつている。さらにコントローラ６０は、その
出力部をステツプモータ６０の制御部に接続して
ある。

さて、第１図及び第５図に示すようにコントロ
ーラ６２は、予め実験データにより得られた各種
の特性を、マツプ６３，６４，６５，６６，６７
として内部に記憶しており、コントローラ６２は
これらマツプ６３〜６７の記憶値と入力値との比
較演算を行つた後、得られた値に基づいて、上記
ステツプモータ６０を制御するようになつてい
る。

このコントローラ６２の制御内容を第５図に基
づいて説明する。

まず通常運転時について説明する。

コントローラ６２は、判断６８で排気ブレーキ
スイツチ４３がOFFのとき、判断６９でクラツ
チ作動スイツチ４２がOFFのとき、判断７０で
アクセルスイツチがOFFのときに、通常運転制
御７１を実行する。

即ち、第１図及び第３図に示してあるように排
気ブレーキスイツチ４３がOFFのときは、電磁
弁４０がOFFであるから、パワータービン１２
の直上流の排気通路４ｄとロータリーバルブ３１
の上流側の排気通路４ｄとが第１ポートＡを介し
て接続される。エンジン１から排気ガスが排気マ
ニホールド３、排気通路４ａへと送られターボ過
給機１０のタービン１０ａによつて排気ガスエネ
ルギが回収される。タービン１０ａは同軸上のコ
ンプレツサ１０ｂを回転駆動するからエンジン１
の筒内に、過給された空気を送り込む。ターボ過
給機１０のタービン１０ａを出た排気ガスは、パ
ワータービン１２に回転駆動力を与える。即ち、
このパワータービン１２にて再び排気ガスエネル
ギが回収される。このときは電磁クラツチ２２が
“切”となつているからパワータービン１２によ
り回収された排気ガスエネルギは、まず遊星歯車
機構１９で減速され、この減速後の回転が入出力
歯車２０より第１中間歯車２８、第１クランク軸
歯車２３に伝達される。この結果、クランク軸１
５にパワータービン１２で回収した回転力が伝達
され、回転エネルギとして有効に使用される。

次に排気ブレーキ作動時について説明する。

判断６８，６９，７０が全てYESである場合
は、排気ブレーキ作動の制御がなされる。

排気ブレーキ作動時はニユートラルセンサスイ
ツチ４１、クラツチ作動スイツチ４２、そしてア
クセルスイツチ及び排気ブレーキスイツチ４３全
てがONのときであり、このときはステツプ71で
電磁クラツチスイツチ４７を、“入”にし、電磁
弁４０をONにする。すると流体供給装置３６か
らアクチユエータ３４の動作室３７へ作動流体が
供給される。即ち、ステツプ72が実行されて動作
ロツド３３が、レバ部材３５を介してロータリー
バルブ３１を動作し、排気通路４ｂを閉じて、そ
のロータリーバルブ３１より下流の排気通路４ｄ
と流体通路２５とを第２ポートＢを介して連通す
る。次いでステツプ74で車速の検出を実行する。

したがつて、パワータービン１２には排気ガス
による回転力が与えられなくなつた状態で、逆
に、第２クランク軸歯車２４、アイドルギヤ２
９、第２中間歯車２７を介してクランク軸１５の
駆動力が入出力歯車２０及び流体継手２１に伝達
される。つまりパワータービン１２は第４図に示
すように、逆転されて、パワータービン１２より
下流の排気通路４ｃから流体通路２５の接続部へ
空気を送る効率の悪いコンプレツサとなる。また
第２ポートＢによつて流体通路２５へ送るガスが
絞られるため流速が速められる。このパワーター
ビン１２の空気の掻き混ぜ仕事及びコンプレツサ
仕事は、クランク軸１５にとつて大きな負の仕事
となる。したがつて排気ブレーキ作動時にはこの
負の仕事と排気ブレーキによる負の仕事及びエン
ジンのフリクシヨンが加えられた適正で、車両の
駆動系に負担をかけることのない大きさのエンジ
ンブレーキ力が作り出される。排気ブレーキは排
気マニホールド３の下流に設けられた排気ブレー
キ弁（図示せず）から構成され、この排気ブレー
キ弁の動作によつてなされている。このブレーキ
弁が全閉されることによる排気抵抗の増大、即
ち、ポンピング仕事の増大が排気ブレーキ弁によ
るエンジンブレーキ力となる。但し、第２ポート
Ｂの直径はパワータービン１２の形状によつて一
義的に決定されるが、パワータービン１２をオー
バーランさせることのないポート直径d₂に最適に
設定される。（第３図、第４図参照。）コントロー
ラ６２は次いでステツプ74で車速の検出を実行す
る。ステツプ77で検出された車速は、マツプ６３
の記憶値と対照される。ゆえに車速に対する最適
減速比D₀が求められる。次に、ステツプ76で車
両の積載量を検出し、ステツプ77で、その検出し
た積載量に対する最適減速比DTをマツプ６４か
ら求め、判断７８でその求めた最適減速比D₀，
DTに対してどちらを優先させるかを判断する。
つまり判断７８では、DT＜D₀である場合、即ち
積載量に対する最適減速比が車速に対する最適減
速比よりも小さい場合は、この時点の最適減速比
DTをD₀の値とする。判断７８がDT≧D₀である
場合、最適減速比はD₀になりDT＞D₀である場合
も最適減速比はD₀になる。即ち減速比が常に最
小側であるようにコントロールされる。

次いで、コントローラ６２はステツプ79でエン
ジン回転数を検出し、ステツプ80でその検出した
エンジン回転数に対する最適減速比DEをマツプ
６５から求める。この後、判断８１で直前に求め
たD₀に対してどちらを優先させるかを判断する。
即ち、DE＜D₀である場合は、DEをD₀の値とし、
DE≧D₀である場合はD₀を最適減速比とする。

また、コントローラ６２は、ステツプ82で、ス
テツプモータ６０を作動してからの経過時間を求
め、ステツプ83でその経過時間を基にしてマツプ
６６から最適減速比DMと、その最適減速比DM
を維持させる経過時間を求める。この後、判断８
４で直前に求めたD₀とDMに対してどちらを優先
させるかを判定する。即ちDM＜D₀である場合は
DMをD₀の値とし、DM≧D₀である場合は、D₀を
判断８４の値とする。ここで求めたD₀が最終的
な最適減速比となり、D₀に対するステツプモー
タ６０の動作量、即ちステツプモータ６０の動作
角に（＝ステツプ角）をステツプ85で決定し、ス
テツプ86で求めた動作角にステツプモータ６０を
駆動する。

ここで判断７８，８１，８４は車速、積載量、
エンジン回転数、経過時間をパラメータとして、
最小の最適減速比D₀を求めるようになつており、
一度に大きな排気ブレーキ力をエンジンの駆動系
及び車両の駆動系に作用しないように優先判定を
行わせるものである。この後、車両が更に排気ブ
レーキ力が必要とする状態におかれている場合
は、判断８７でその有無を確認し、YESであれ
ば再びステツプ74からステツプ86までのフローを
繰返えさせ、車両の運転状態に応じて最適・最小
の大きさの排気ブレーキ力を、サイクリツクに負
荷するようにしている。これにより排気ブレーキ
時に於て、車両の駆動系に大きな駆動力を負荷す
ることがなくまた、タイヤのスキツド、ブレーキ
ライニングの異常摩耗も防止でき、ドライバに対
するシヨツクも緩衝できる。

ところで、この実施例にあつては、パワーター
ビン１２より下流の排気通路４ｃと流体通路２５
との接続部４ｅの、その排気通路４ｃ側の三方弁
５５を介設することも可能であり、このように構
成することによつて上記排気ブレーキ作動時に、
排気通路４ｃを閉じて、排気ガスに比較して浄化
された大気を直接採り込むことができるようにな
る。

尚、この発明の実施例で排気通路４及び流体通
路２５の切換をロータリーバルブ３１で行うよう
に説明したが、これに限らず、排気ブレーキ作動
時で、パワータービン１２によつてクランク軸１
５からの逆転方向の駆動力が伝達された場合に
は、流体通路２５の接続部より上流となる排気通
路４ｂを全開にする開閉弁と、流体通路２５の通
路系を所定の開度に絞る絞り弁とを連動させるよ
うにしてもよい。さらに予め流体通路２５を所定
開度に絞つて形成し、流体通路２５上流の排気通
路４ｂを開閉させてもよい。

［発明の効果］ 以上説明したことから明らかなようにこの発明
によれば、排気ブレーキ時に、車両の走行状態及
び車両総重量に応じて適正な大きさの排気ブレー
キ力が負荷されるから、車両の駆動系を損傷させ
るような反駆動力や、タイヤのスキツド等がな
く、信頼性と耐久性とを大幅に向上させることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明のターボコンパウンドエンジ
ンの好適一実施例を示すシステム図、第２図は第
１図は要部詳細図、第３図及び第４図は第１図の
要部詳細図、第５図はコントローラの制御内容を
示すフローチヤート、第６図は従来例を示す概略
図、第７図及び第８図はブレーキ力に対する絞り
量とパワータービンの回転数との関係を示す性能
図である。 図中、１はエンジン、４は排気通路、１２はパ
ワータービン、２２は電磁クラツチ、２５は流体
通路、３０は切換弁３１と駆動装置３２とから成
る流路切換手段、５６はパワータービンからクラ
ンク軸へ回転を伝達するギヤトレーン、５７はク
ランク軸からパワータービンへ回転を伝達するギ
ヤトレーン、６２はコントローラ、９５は無段階
変速機構である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ パワータービンとクランク軸とを排気ブレー
   キ時に連結し、クランク軸の回転をパワータービ
   ンへ伝達するギヤトレーンと、該ギヤトレーンに
   介設されて上記タービンへの伝達回転数を可変さ
   せる無段階変速機構と、排気ブレーキ時に車両総
   重量及び車両の運転状態に応じて、上記無段階変
   速機構を動作するコントローラとを備えたことを
   特徴とするターボコンパウンドエンジン。