JPH0612069B2 - ターボコンパウンド機関 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、高速高負荷域ではターボコンパウンド機関と
して運転し、それ以外の中，低速度負荷域ではターボ過
給機関として運転する電子制御ターボコンパウンド機関
に関する。

〔従来の技術〕

第５図は従来公知のターボコンパウンド機関の一例を示
す。本図に示す如く機関１の排気管２よりの排気ガスは
排気ターボチャージャのタービン９に導かれ、該タービ
ン９の作動によってコンプレッサ８を駆動し、吸入空気
を加圧する。加圧されて温度上昇した給気は給気冷却器
（インタークーラ）３により冷却された後、吸気管４を
通って機関１に過給される。通常の過給機関では排気タ
ーボチャージャのタービン９を出た排気ガスのエネルギ
は大気中に廃棄されるが、ターボコンパウンド機関では
タービン後流部に回収タービン７を設け、この回収ター
ビン７を減速ギヤ列６を介して機関１のクランク軸５に
機械的に結合する事により、排気ターボチャージャのタ
ービン９出口排気エネルギを回収タービン７により有効
に回収して、機関の性能向上、効率向上を計ろうとする
ものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが前記従来のものにおいては、回収エネルギ量の
多い高速高負荷域での性能向上は期待できるが、回収排
気エネルギ量の少ないそれ以外の運転域では、回収ター
ビン７を取り付ける事による機関側のポンピング損失増
大などのディメリットが回収タービン７の取付によるメ
リットを上まわり性能向上が期待できず、機関の広い速
度範囲、広い負荷範囲での性能向上が困難である（第６
図参照）。

本発明の目的は、前記問題点を解消し、前記ターボコン
パウンド機関において広い機関回転速度範囲、負荷範囲
で使用される車両用機関としても利用できるよう高速高
負荷のみならず、中，低速域を含むそれ以外のすべての
運転域での性能向上をも図ったターボコンパウンド機関
を提供するにある。

〔課題を解決するための手段，作用〕

本発明に係るターボコンパウンド機関は、高速高負荷域
におけるターボコンパウンド機関としての高性能特性を
有効に活用し、それ以外の運転域での性能低下を防止す
るため、次のような構成をそなえ、作用となすことを特
徴とするものである (1)排気ターボチャージャのタービン入口ノズル面積を
コントローラからの制御信号により変更できる可変ノズ
ルとするとともに、排気ターボチャージャのタービン出
口と回収タービン入口の間に、コントローラからの制御
信号により開閉可能な排気バイパス弁を設けさらに、こ
れら可変ノズルタービン及び排気バイパス弁を前記コン
トローラからの制御信号により噴射タイミングを変更す
る噴射タイミング変更駆動回路と組合せた。

(2)(1)の組合せにより、ターボコンパウンド機関として
有利な特性を引き出すことのできる高速高負荷域にいお
いては、排気ターボチャージャのタービン出口と回収タ
ービンとの間に設けた排気バイパス弁を閉じてターボコ
ンパウンド機関として運転し、排気ターボチャージャの
タービンノズル面積を開きターボコンパウンド機関とし
て最適な開度に可変ノズル面積を設定するとともに燃料
噴射タイミングを遅延させ、ターボコンパウンド運転時
の最適噴射タイミングを得る。さらにそれ以外の運転域
即ち中，低速域のように、通常の排気タービン過給仕様
とした方が、より良い機関性能を期待できる速度負荷範
囲において、回収タービンによる背圧を低減するため前
記排気バイパス弁を開くとともにタービンの可変ノズル
を絞り、その速度、負荷に応じて最適なタービンノズル
面積となるように可変ノズル面積を設定し、さらに噴射
タイミングを遅延させない状態で運転する。

(3)前記(1)、(2)により、同一機関でも、排気バイパス
弁の開閉によりターボコンパウンド機関仕様及び排気タ
ービン過給仕様とに切り換えでき、しかもターボチャー
ジャのタービンノズル面積も可変として噴射タイミング
変更駆動回路と組合わせて、それぞれの運転状態に応じ
有利な条件になるようコントローラからの制御信号によ
り自動的にそれらの切り換えを行なうことにより、広い
機関速度範囲、機関負荷範囲において両仕様の有利な特
性を引き出し、広範囲の回転及び負荷条件において性能
向上をはかる。

〔実施例〕

以下第１〜４図を参照して本発明の一実施例について説
明する。

ここにおいて、前記従来装置と同一もしくは均等構成部
分には、同一符号を用いて説明する。

第２図は本発明の主要部即ちターボコンパウンド部分の
概略構造図を示し、その特徴を成す可変ノズル１０が円
周上に配置され、この可変ノズル開度を適宜変更させる
駆動リング１１がリンクを介して前記可変ノズル１０と
結合されており、駆動リング１１を制御信号により駆動
する事により可変ノズル１０のノズル面積を変更するこ
とが出来る。又タービン出口と回収タービン７の入口間
には制御信号により開閉可能な排気バイパス弁12が設け
られている。

その他の構成は第５図と同様で、機関１、排気管２、給
気冷却器３、給気管４、クランク軸５、減速ギヤ列６、
排気ターボチャージャーのコンプレッサ８等を備えてい
る。

第３図は可変ノズル部１０の詳細図で、ノズル１０の実
線はターボコンパウンド仕様時、２点鎖線は排気ターボ
過給仕様時のノズル開度を示す。

第１図は、本発明に係るターボコンパウンド機関の制御
システムのブロック図である。本図では、燃料噴射ポン
プ１３を列型噴射ポンプで図示しているが、ユニットイ
ンジェクタ型であっても基本構成には変りはない。図に
おいて、アクチュエータ駆動回路２２には、機関回転速
度、コンプレッサ出口給気圧力、燃料噴射量に対する最
適なノズル面積の制御信号がコントローラ２０により演
算されて入力される。そして、アクチュエータ駆動回路
２２は、この最適ノズル面積の制御信号を受けて可変ノ
ズルアクチュエータ１５に可変ノズル10の操作信号を送
り、可変ノズル１０を最適ノズル面積になるように駆動
する。

排気バイパス弁１２は機関のターボコンパウンド仕様、
排気ターボ過給仕様を切り換える役目を果たすもので、
機関回転数速度、コンプレッサ出口給気圧力、燃料噴射
量に対して両仕様の判定がコントローラ２０により行わ
れ、排気バイパス弁開閉駆動回路２３からの制御信号に
より電磁弁等により構成される排気バイパス弁開閉アク
チュエータ１６を介して前記排気バイパス弁１２の開閉
を行う。

機関回転速度は機関回転速度センサ１８、燃料噴射量は
燃料噴射ポンプ１３のスロットル開度センサ１７により
検出されコントローラ２０に入力される。コンプレッサ
出口給気圧力は圧力センサ１９により検出されＡ／Ｄ変
換器２４を介してコントローラ２０に入力される。

コントローラ２０は予め定められた制御プログラムに従
ってソフトウエアによるディジタル演算処理を実行する
もので、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏ回路部等を主
要部として構成されている。

第１図に示す燃料噴射ポンプ１３の噴射タイミング変更
アクチュエータ１４はターボコンパウンド仕様、排気タ
ーボ過給仕様、それぞれに対して最適な噴射タイミング
が得られるように、機関回転速度、コンプレッサ出口給
気圧力、燃料噴射量に対してコントローラ２０により演
算された演算結果に基づく噴射タイミング変更駆動回路
２１からの制御信号により噴射タイミングを決定する。
排気ターボ過給仕様からターボコンパウンド仕様へ切り
換えた場合噴射は、タイミングを遅延させることにより
最適タイミングとする事が出来る。

尚、第１図に図示している例では、燃料噴射ポンプ１３
は列型噴射ポンプで示している為噴射タイミング変更ア
クチュエータ１４はいわゆる電子タイマに相当するが、
燃料噴射ポンプ１３がユニットインジェクタ型である場
合、それに対応する噴射タイミング変更機構であればよ
く、本図に示す基本構造と変らない。

第４図はターボコンパウンド仕様及び排気ターボ過給仕
様を切り換えた場合で、(a)はタービン可変ノズル面
積、(b)は噴射ポンプ進角特性、(c)は排気バイパス弁の
開閉状態、(d)は出力特性を示す。各図において、実線
及び一点鎖線は排気ターボ過給仕様を示し、点線はさら
に高出力化してターボコンパウンド仕様に切り換えた場
合を示す。また第４図(d)において上部の斜線はターボ
コンパウンド仕様での出力範囲を示す。ターボコンパウ
ンド仕様への出力特性の切り換えは、図示の如く排気バ
イパス弁を閉鎖し、噴射ポンプ噴射タイミングを遅延
し、タービン可変ノズル面積を開くことによって行われ
る。

〔発明の効果〕

前述のとおり、本発明に係るターボコンパウンド機関
は、高速高負荷域ではターボコパウンド機関として運転
するため、可変のタービンノズルのノズル面積を開くと
ともに噴射タイミングを遅延させて回収タービンでの排
気エネルギの回収増大をはかり、その他の中，低速運転
域では排気バイパス弁を開いて、通常の排気タービン仕
様とするとともに、可変のタービンノズルを絞りターボ
チャージャのタービン特性を排気ターボ過給エンジン向
きとするとともに噴射タイミングを遅延なしの通常噴射
タイミングとし、これらはエンジン回転速度センサ、コ
ンプレッサ出口給気圧力センサ、スロットル開度センサ
等、エンジンの運転状態を検出するセンサよりの信号を
介して燃料噴射ポンプの最適噴射タイミングとともに自
動的に制御できるようにしたので、広い回転速度範囲、
負荷範囲で使用される車両用エンジンとしても適した高
性能のターボコンパウンドエンジンを提供することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のターボコンパウンド機関の制御システ
ム図、第２図は本発明の具体的構成図、第３図は可変ノ
ズルの詳細図、第４図はターボコンパウンド仕様及び排
気ターボ過給仕様に切り換えた場合のエンジンr.p.m.に
対し(a)はタービンノズル面積、(b)は燃料噴射ポンプ進
角特性、(c)は排気バイパス弁の開閉、(d)は４／４出力
の変化状況を示す線図である。第５〜６図は従来例で、
第５図は従来のターボコンパウンド機関の構成図、第６
図は排気ターボ過給運転とターボコンパウンド運転のト
ルクの比較線図である。 ７……回収タービン、９……ターボチャージャのタービ
ン、１０……可変ノズル、１２……排気バイパス弁、１
５……（可変ノズル）アクチュエータ、１６……（排気
バイパス弁）アクチュエータ、１７……スロットル開度
センサ、１８……回転速度センサ、１９……給気圧力セ
ンサ、２０……コントローラ、２１……噴射タイミング
変更駆動回路、２２……可変ノズルアクチュエータ駆動
回路、２３……排気バイパス弁アクチュエータ駆動回
路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】排気ターボチャージャのタービン翼の排気
   ガス入口部に設けられガスの流路面積及び流出角を変更
   できる可変ノズルと、前記排気ターボチャージャのター
   ビン出口と回収タービンの入口とを接続する排気通路に
   設けられ、該排気通路を開閉する排気バイパス弁と、ア
   クチュエータを介して前記可変ノズルのノズル面積の変
   更を行わせる可変ノズルアクチュエータ駆動回路と、ア
   クチュエータを介して前記排気バイパス弁の開閉を行わ
   せる排気バイパス弁アクチュエータ駆動回路と、アクチ
   ュエータを介して燃料噴射ポンプの噴射タイミングを調
   整する噴射タイミング変更駆動回路と、エンジン回転速
   度センサ、給気圧センサ、スロットル開度センサ等のエ
   ンジン運転状態検出センサよりの信号を受けて演算を行
   い前記可変ノズルアクチュエータ駆動回路、排気バイパ
   ス弁アクチュエータ駆動回路及び噴射タイミング変更駆
   動回路に出力して、機関の運転状態に対し最適な可変ノ
   ズル開度及び排気バイパス弁の切り換えを行わせるとと
   もに前記運転状態に対し最適な噴射タイミングを設定す
   るコントローラとを有してなり、高負荷、高速回転時に
   はタービン可変ノズル面積を開き前記排気バイパス弁を
   閉じるとともに噴射タイミングを遅延させてターボコン
   パウンドエンジンとして運転し、前記以外の運転状態時
   には前記可変ノズルを絞るとともに前記排気バイパス弁
   を開くとともに前記噴射タイミングの遅延を解除して排
   気ターボ過給エンジンとして運転するように構成したこ
   とを特徴とするターボコンパウンド機関。