JPH0519017B2 - - 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パワータービ
ンの膨張仕事として回収し、回収エネルギをクラ
ンク軸等の駆動軸にギヤトレーンで伝達すると共
に、排気ブレーキ時に、そのパワータービンを逆
転させてエンジンブレーキ力を得るようにしたタ
ーボコンパウンドエンジンに係り、特に逆転時に
発生する大負荷をギヤトレーンのクラツチで吸収
するようにしたターボコンパウンドエンジンに関
する。

［従来の技術］ 近来、エンジンからの排気ガスエネルギをター
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
ビンの断熱膨張仕事として回収するようにしたタ
ーボコンパウンドエンジンが開発されている。

このようなターボコンパウンドエンジンでは、
ターボ過給機の膨張比及びパワータービンの膨張
比を上げて過給圧をさらに高めることで、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反面に、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
保を課題としていた。

つまり、過給圧値を高めることによつて相対的
に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）操作が必要になる
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（エンジンブレーキ力はエンジンの定格出
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。

このような問題点を解決しようとした提案に本
出願人が先に提案した「ターボコンパウンドエン
ジン」（特願昭61−228107号）がある。

この提案は第３図に示されるように排気ガスエ
ネルギを回収するパワータービンａを排気通路ｂ
１に介設すると共に、そのタービンａより上流の
排気通路ｂ２にそのタービンａを迂回する流体通
路ｃを接続し、排気ブレーキ作動時で且つ上記タ
ービンａにクランクシ軸ｄから駆動力が伝達され
たときに流体通路ｃ上流の排気通路ｂ２を閉成
し、その流体通路ｃを開成する流路切換手段ｅを
設けて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］ 通常運転時でのパワータービンはエンジンから
の排気エガスネルギを回収する。この回収エネル
ギは機関の駆動エネルギとして再利用される。

排気ブレーキ時でのクラツチの接続時には、流
路切換手段によつて、流体通路の上流側の排気通
路が閉じられ、且つそのパワータービン直上流の
排気通路と流体通路とが絞つて開成される。これ
によつて本来エネルギ回収用のパワータービンに
クランク軸の回転がギヤトレーンにより逆転され
て伝達される。このためパワータービンは、下流
の排気通路から空気を採り込んで流体通路へ圧送
する負の仕事即ちポンプ仕事を行う。したがつて
排気ブレーキ時にはエンジンのモータフリクシヨ
ン、ポンプ仕事（負の仕事）と排気ブレーキ力が
加算された大きなエンジンブレーキ力を作り出す
ことができる。

しかし、排気ブレーキ非作動時に於けるパワー
タービンの回転数は８〜10万rpmであり、このと
きの回転エネルギは、通常のエンジンのフライホ
ールの慣性モーメント（極慣性二次モーメント）
に略匹敵するから、パワータービンを正転から逆
転に切り変えるときに、クランク軸とパワーター
ビン間で大負荷が発生する問題がある。

そこでこの負荷の大きさを検討したところ、正
転から逆転させ、且つフル回転に至るまでの所用
時間が短時間（２〜3sec）のときが最大であるこ
とがわかり、このときの最大負荷を上記クランク
軸とパワータービン間で吸収できるような提案が
望まれていた。

即ち、パワータービン回転方向を切換えたとき
の発生するエネルギを吸収できないとすると、
（パワータービンとクランク軸間の強度が充分で
あるとした場合）下記の問題も誘発するからであ
る。

(1) 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。

(2) 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。

(3) タイヤ及びブレーキパツドの異常摩耗が発生
する。

(4) 車両の乗り心地が悪化する。

［問題点を解決するための手段］ この発明は、クランク軸とパワータービンを連
結するギヤトレーンに、油圧クラツチの接続時に
上記クランク軸からパワータービンへ回転方向を
逆転する遊星歯車機構を介設し、上記油圧クラツ
チを固定系に一体的にかつ遊星歯車機構のキヤリ
アと一体のクラツチ部に係脱可能に設けてターボ
コンパウンドエンジンを構成し、問題点を解決す
るための手段としたものである。

［作用］ 排気ブレーキ時には、油圧クラツチが入り遊星
歯車機構がパワータービンを逆転させるように接
続する。すると、油圧クラツチが滑り、パワータ
ービンの回転方向を切換えたときに、クランク軸
とパワータービン間で発生する負荷が吸収されつ
つパワータービンが正転から逆転され、クランク
軸に対して大きな負の仕事を行なう。

［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、３は排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。

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。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が形成されてお
り、流体通路２５のパワータービン１２より上流
側の接続部にはこの流体通路２５を全閉にすると
共に、その流体通路２５の接続部の開度を所定開
度に絞る少なくとも２位置切換可能な切換弁３０
が設けられる。また、流体通路２５とパワーター
ビン１２の排気口６とを接続する排気通路４ｃに
は、大気または浄化された空気を採り込む大気導
入通路７が接続され、この接続部にも一方の排気
通路４ｃを閉じたときに、他方の空気導入通路７
を開く切換弁３１が設けられる。さらに、上記切
換弁３０の上流でタービン１０ａの下流となる排
気通路４ｂには排気ブレーキ弁３２が設けられ
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はロツクアツ
プ機構２１ａを備えた流体継手２１の入力ポンプ
車２１ｂと一体になつて回転する環状歯車１８に
噛合される。即ち、出力歯車１６は遊星歯車１７
ａ，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から回転力を流体継手２１の出力ポン
プ車２１ｃ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２１ｃには、こ
の出力ポンプ車２１ｃ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、クランク軸歯
車２３が一体に設けられる。

次にクランク軸２３と入出力歯車２０とを連結
し、パワータービン１２を正転・逆転させる遊星
歯車機構４０を説明する。

遊星歯車機構４０は、大別して太陽歯車４１を
一体に有した太陽歯車軸４２と、この太陽歯車４
１に円周方向に等間隔をおいて噛合う複数の遊星
歯車４３と太陽歯車４１を円周方向に沿つて包囲
し、上記遊星歯車４３に噛合する内歯を有した環
状歯車４４と、上記遊星歯車４３の太陽歯車４１
に対する円周方向の相対位置を一定に保ち、その
太陽歯車４１周りに遊星歯車４３を自転させつつ
公転させるキヤリア４５とから成る。

以下、遊星歯車機構４０の各部を具体的に説明
する。

太陽歯車軸４２は、他端にクランク軸歯車２３
と噛合する第１伝達歯車４６を一体に有すると共
に、太陽歯車４１よりパワータービン１２側で上
記キヤリア４５をベアリング４７で回転支持する
ようになつている。一方、環状歯車４４には、上
記第１伝達歯車４６側に入出力歯車２０に噛合す
る第２伝達歯車４８を一体に有して形成される。
この第２伝達歯車４８は、その一側部に、第２伝
達歯車４８と第１伝達歯車４６間の太陽歯車軸４
２に、その太陽歯車軸４２に対して回転支持され
る中空軸４９を一体に設けてあり、この中空軸４
９の外周面には、上記中空軸４９を回転支持する
ワンウエイクラツチ５０が設けてある。ワンウエ
イクラツチ５０は、第１伝達歯車４６がクランク
軸１５に動力を戻すときのみ駆動力を伝達するよ
うに設けられる。

他方、キヤリア４５には、このキヤリア４５の
パワータービン１２側の半径方向外方の円周方向
に沿つた部分を、パワータービン１２側へ円筒状
に延出し、その延出端を再び半径方向外方へフラ
ンジ状に延出してクラツチ部５１を形成してい
る。

次に、上記遊星歯車機構４０の回転方向を制御
する油圧クラツチ手段５５について説明する。

クラツチ手段５５は、この実施例にあつては、
上記クラツチ部５１に断続自在で、接続時にキヤ
リア４５の回転を止める油圧クラツチ５６と、こ
の油圧クラツチ５６に作動油を供給するポンプ５
７と、ポンプ５７と油圧クラツチ５６とを結ぶ作
動油通路５８に介設された開閉弁５９と、この開
閉弁５９を制御するコントローラ６０とから成
る。

実施例にあつてコントローラ６０は、その入力
部にエンジン１のクラツチスイツチ６２のON−
OFF信号、アクセルスイツチ６３のON−OFF信
号及びエンジン１の回転数センサ６１からの回転
数信号、そしてブレーキコントロールスイツチ６
４からのブレーキコントロール信号が入力される
ように構成されると共に出力部に上記切換弁３
０，３１、排気ブレーキ弁３２、遊星歯車機構１
９及び開閉弁５９に制御信号を出力するように構
成される。このブレーキコントロールスイツチ６
４は、図示されるように、ブレーキのOFFポジ
シヨン、１ポジシヨン、２ポジシヨンを有し、コ
ントローラ６０は１ポジシヨンで排気ブレーキ弁
３１のみを全閉にする制御信号を出力し、２ポジ
シヨンで排気ブレーキ弁３１に全閉信号を出力す
ると共に流体通路２５の切換弁３０にこの流体通
路２５の上流部を所定開度に絞る制御信号を、パ
ワータービン１２の排出口６より下流に設けた切
換弁３１に、その排気通路４ｃを閉じて大気導入
通路７を開く制御信号を出力し、さらに油圧クラ
ツチ５９を制御する開閉弁５９を全閉にする制御
信号を、ロツクアツプ機構２１ａにロツク解除信
号を出力するように構成される。また、ブレーキ
コントロールスイツチ６４が、コントローラ６０
にOFFポジシヨンの信号を出力したときは、コ
ントローラ６０は、切換弁３０に流体通路２５を
全閉する制御信号を、切換弁３１に大気導入通路
７を全閉する信号を、ロツクアツプ機構２１ａに
ロツクフツプ信号を、そして開閉弁５９を全閉に
して油圧クラツチ５９をクラツチ部５１から離脱
させる制御信号を出力するように構成される。

次に、コントローラ６０の排気ブレーキ時の制
御内容を第２図に基づいて説明する。

通常運転の途中で、ブレーキコントロールスイ
ツチ６４のセレクトがなされると、コントローラ
６０は、まず、判断７０でアクセルスイツチ６３
がOFFか、判断７１でクラツチスイツチ６２が
OFFか、判断７２でエンジン回転数が700rpm以
上かを判定する。これら判断７０，７１，７２の
全てがYESである場合、コントローラ６０は、
排気ブレーキ時であるとして以下のステツプを実
行する。まずステツプ７３で排気ブレーキ弁３２
を全閉にして排気圧力を上昇させ、次いで判断７
４でブレーキコントロールスイツチ６４のセレク
トポジシヨンが１ポジシヨンか２ポジシヨンであ
るかを確認し、１ポジシヨンであるときには、判
断７０にリターンし、判断７０から判断７２まで
のフローを繰り返す。この間でこれら判断７０，
７１，７２のうちいずれか１つがNOである場合
には、１ポジシヨンに相当する排気ブレーキ指令
が解除されたとして通常運転制御８２へジヤンプ
する。判断７４が２ポジシヨンであることをコン
トローラ６０が確認すると、コントローラ６０
は、まずステツプ75で流体クラツチ２１のロツク
アツプ機構２１ａにロツク解除の制御信号を出力
し、ステツプ76で切換弁３１に排気通路４ｃを閉
じて大気導入通路７を開く制御信号を出力する。
次いでコントローラ６０は、ステツプ77で切換弁
３０に流体通路２５の上流を適正開度まで絞り込
む位置へ動作する制御信号を出力し、ステツプ78
で開閉弁５９を全開にする制御信号を出力してク
ラツチ部５１と油圧クラツチ５６を接続する。す
ると、クランク軸１５の駆動力は、クランク軸歯
車２３から第１伝達歯車４６及び遊星歯車４３を
介して太陽歯車４１に、逆転されて伝達され、太
陽歯車４１は、その回転方向を再び逆転させて入
出力歯車２０に伝達する。入出力歯車２０は流体
継手２１を介して駆動力を遊星歯車機構１９に伝
達する。遊星歯車機構１９は再び回転方向を逆転
してその回転をパワータービン１２に伝達するか
ら、パワータービン１２は通常運転の排気ガスエ
ネルギの回収方向とは逆の方向に回転し、大気導
入通路７から空気を採り込んで切換弁３０側へ空
気を送る効率の悪いコンプレツサ仕事を行なう。
このコンプレツサ仕事が排気ブレーキ弁３２が作
り出す排気ブレーキ力に加算されてエンジン１に
大きなエンジンブレーキ力が負荷される。ここ
で、油圧クラツチ５６はクラツチ部５１との間で
充分な滑りをもたせることによつて、クランク軸
１５とパワータービン１２間での切換時の負荷が
吸収させることが可能になる。

判断７９では、油圧クラツチ５６の接続が３秒
経過したかを判定し、NOであればステツプ75か
らステツプ78間の制御を継続するようにしてい
る。これは、油圧クラツチ５６のクラツチ容量に
対する発熱を制御し、且つ大きなエンジンブレー
キ力がエンジン１に対して急激に負荷されないよ
うにするためである。判断７９がYESである場
合には、上記ロツクアツプ機構２１ａにロツクア
ツプ信号を出力し、この後、判断８１でブレーキ
コントロールスイツチ６４がONか（１または２
ポジシヨンか）を判定し、YESであれば、判断
７０にリターンして排気ブレーキ制御を継続させ
る。この継続によつて、エンジン回転数が次第に
低下することになるから、油圧クラツチ５６の負
荷も小さくなる。判断８１がNOである場合は、
通常運転制御８２がなされる。即ち、油圧クラツ
チ５６をOFFにして、流体通路２５及び大気導
入通路７を閉じるように、切換弁３０，３１、開
閉弁５９に制御信号を出力する。すると、パワー
タービン１２は、排気ガスによつて正転方向に回
転され、排気ガスエネルギを回収して、遊星歯車
機構１９、入出力歯車２０、第２伝達歯車４８、
第１伝達歯車４６、クランク軸歯車２３を介して
クランク軸１５には正転方向の駆動力が伝達され
る。これによつて回収エネルギがクランク軸１５
に戻される。

［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、パワータービンの回転方向を逆転させ
る排気ブレーキ時に、油圧クラツチで過大な負荷
を吸収できるから、車両の駆動系を損傷させるよ
うなことや、タイヤのスキツド等がなく、信頼性
と耐久性と及びドライバビリテイを大幅に向上さ
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図はこ
の発明のターボコンパウンドエンジンの制御内容
を示すフローチヤート、第３図は従来例を示す概
略図である。 図中、１はエンジン、４は排気通路、１２はパ
ワータービン、２５は流体通路、４０は遊星歯車
機構、５６は油圧クラツチである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ クランク軸とパワータービンとを連結するギ
   ヤトレーンに、油圧クラツチの接続時に上記クラ
   ンク軸からパワータービンへ回転方向を逆転させ
   て伝達する遊星歯車機構を介設し、上記油圧クラ
   ツチを固定系に一体的にかつ遊星歯車機構のキヤ
   リアと一体のクラツチ部に係脱可能に設けたこと
   を特徴とするターボコンパウンドエンジン。