JPH0988622A - ターボコンパウンドエンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ターボコンパウンドエンジンでのクランクシ
ャフトのねじり変位が減速機構により増幅されることに
起因し、排気タービンの出力軸が破損するという問題を
解決する。 【解決手段】 エンジンのクランクシャフト２３と、そ
の先端のフライホイール４８と、同フライホイール近傍
に位置しクランクシャフトに嵌合されたクランクシャフ
トギア４９と、クランクシャフトの駆動力によりエアコ
ンプレッサ３９を駆動する補機駆動用ギア４７と、エン
ジンの排気系に設けられた排気タービン２２と、同排気
タービンの回転力を伝達する回転軸２２３と、同回転軸
の駆動力を補機駆動用ギアに伝達する減速ギア列４２と
を有するので、エアコンプレッサ３９がクランクシャフ
トのねじり変位を抑え吸収する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はエンジンの排ガスの
エネルギーを受けて駆動する動力回収用の排気タービン
を備えたターボコンパウンドエンジンに関する。

【０００２】

【従来の技術】ガソリンエンジンやディーゼルエンジン
の運転性能を向上させる場合、単に高排気量化を図るの
ではなく、吸気系にターボチャージャーや容積型過給機
を配備することが行われている。このようにターボチャ
ージャーや容積型過給機を用いた場合、排気量を代える
こと無く出力アップを図れるが、容積型過給機の場合ク
ランクシャフトより回転出力の一部を消費し、ターボチ
ャージャーの場合、排気抵抗を高め、この点での出力ロ
スを招く。このため、これら出力ロスを考慮する必要の
少ない運転域、たとえば図５に示すような中高負荷運転
域Ａ１でのみ過給優先制御を行なうようにしている。

【０００３】更に、エンジンの排ガスエネルギーを回収
してエンジン出力の向上を図れる動力回収機構を備えた
エンジンが知られている。例えば、図６に示すエンジン
１はその排気系２にターボチャージャー３のタービン３
０１及び動力回収用の排気タービン４を、吸気系５にタ
ーボチャージャー３のコンプレッサ３０２及びインタク
ーラ６を備える。更に、エンジン１はクランクシャフト
７に一体結合されたクランクシャフトギア８を備え、こ
れに第２減速ギア列９、流体継手１０、第１減速ギア列
１１を介し動力回収用の排気タービン４が連結され、更
に、第２減速ギア列９には流体継手１０、Ｖベルト１６
を介し補機であるファン１２及び冷却水ポンプ１３が連
結されている。

【０００４】ここで、ターボチャージャー３は吸気圧を
上昇させて、出力アップを図れ、動力回収用の排気ター
ビン４は排気エネルギーを回転エネルギーに変換し、第
１減速ギア列１１、流体継手１０、第２減速ギア列９を
介し、クランクシャフトギア８に回転力を伝達し、エネ
ルギー回収を行っている。一方、クランクシャフト７よ
りの回転力を受ける第２減速ギア列９及び流体継手１０
は、これより伸びる軸１４に一体のプーリ１５、Ｖベル
ト１６、プーリ１７を介しファン１２及び冷却水ポンプ
１３を駆動する。なお、このような従来装置が特開平１
−２５７７２２号公報に開示される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図６の回転
伝達系では、排気タービン４の回転軸４０１の回転は第
１減速ギア列１１、第２減速ギア列９を用いて４段で減
速を行った上でクランクシャフト７に伝達されるが、逆
に、クランクシャフト７に生じるねじり振動はこれら減
速機構によって増幅されて排気タービン４の回転軸４０
１側に伝達されることとなる。このため、クランクシャ
フト７に生じるねじり振動が排気タービン側に伝わる
と、排気タービンの回転軸４０１はねじり変位を受けて
経時的に劣化し、破損の可能性があり問題と成ってい
る。

【０００６】更に、クランクシャフトギア８には４段の
減速部が連結され、これら減速部９，１１が減速軸間隔
ｈ１を保ってエンジン長手方向側壁より突き出す方向に
配設され、補機としてのファン１２及び冷却水ポンプ１
３も軸間隔ｈ２を保ってエンジン長手方向側壁より突き
出す方向に配設される。このため、装置の大型化を招き
易く、装着性に問題を生じ易い。しかも、第１減速ギア
列１１と第２減速ギア列９とを介して補機がクランクシ
ャフト側に連結される構造のため、クランクシャフト側
のねじり振動を補機により規制する作用を期待すること
も出来ない。本発明の目的は、排気タービンの出力軸側
に達するクランクシャフトのねじり変位を低減し、排気
タービンの出力軸の破損を防止できるターボコンパウン
ドエンジンを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、請求項１の発明はエンジンのクランクシャフト
と、同クランクシャフトの先端に設けられたフライホイ
ールと、同フライホイール近傍に位置し上記クランクシ
ャフトに嵌合されたクランクシャフトギアと、同クラン
クシャフトギアに噛合し上記クランクシャフトの駆動力
により補機を駆動する補機駆動用ギアと、上記エンジン
の排気系に設けられた排気タービンと、同排気タービン
の回転力を伝達する回転軸と、同回転軸の駆動力を上記
補機駆動用ギアに伝達する減速機構とを有することを特
徴とする。

【０００８】請求項２の発明は請求項１記載のターボコ
ンパウンドエンジンにおいて、上記減速機構の上記クラ
ンクシャフト側最終ギアと上記補機駆動用ギアとが同軸
上に設けられていることを特徴とする。

【０００９】請求項３の発明は請求項１又は請求項２記
載のターボコンパウンドエンジンにおいて、上記補機は
エンジンの長手方向側面に配設されていると共に上記最
終ギアは上記補機からの回転軸上に配設されることを特
徴とする。

【００１０】

【実施例】図１には本発明の一実施例としてのターボコ
ンパウンドエンジン２０を示した。このターボコンパウ
ンドエンジン（以後単にエンジンと記す）２０は直列６
気筒４バルブ型エンジンであり、後述の容積型過給機２
１及び排気タービン２２が装備された吸排気系と連動
し、周知の燃料供給系、点火系が駆動することによって
クランク軸２３より出力を発するように構成される。

【００１１】このエンジン２０は、６つのシリンダ２４
を備えた本体２５に吸気多岐管２６及び排気多岐管２７
を結合し、吸気多岐管２６の上流の吸気管２８にはイン
タークーラ２９と容積型過給機２１が連結されている。
容積型過給機２１はその吸入口側がエアクリーナ３０に
連結され、しかも容積型過給機２１はこれを迂回してエ
アクリーナ３０からのエアを吸気多岐管２６側に迂回し
て流すと共に逆流防止弁３１を備えたバイパス管３２が
並列的に連結される。

【００１２】一方、排気多岐管２７の合流筒部には動力
回収機構を成す排気タービン２２が連結され、排気ター
ビン２２の下流口３６はマフラー３７側に連結される。

【００１３】図１に示すように、エンジン長手方向Ｘに
沿ったシリンダブロック２０１の側面３８には補機とし
てのエアコンプレッサ３９、排気タービン２２、容積型
過給機２１が配設されている。容積型過給機２１はブラ
ケット４０を介し側面３８に固定され、その入力プーリ
２１１はＶベルト４１を介しクランクシャフト２３側の
図示しないプーリに連結される。なお、図中、符号３３
は容積型過給機２１に内装され、一端が入力プーリ２１
１に連結された電磁クラッチを示し、同電磁クラッチ３
３は駆動回路３４を介しコントローラ３５に接続され
る。

【００１４】排気タービン２２はタービンロータ２２１
を収容するケーシング２２２を備え、ケーシング２２２
は減速ギア列４２を収容するギアボックス４３側と一体
的に連結され、両者はシリンダブロック２０１の側面３
８に一体的にボルト止めされる。

【００１５】減速ギア列４２は、図３に示すような基本
構成において、タービンロータ２２１側の回転軸２２３
と補機駆動軸５０との間を連結し、高回転側のタービン
ロータ２２１の回転を減速して補機駆動軸５０に伝達す
る。この減速ギア列４２はそのクランクシャフト側最終
ギア４２１が補機駆動軸５０を介し補機駆動用ギア４７
と一体化され、補機駆動用ギア４７がクランクシャフト
ギア４９に噛合するので、補機駆動用ギア４７の回転軸
である補機駆動軸５０とタービンロータ２２１側の回転
軸２２３との軸間距離Ｓを比較的小さく出来、装置の小
型化を促進できる。なお、図１のエンジンの減速ギア列
４２の場合、図２に破線で示すように、減速ギアを２段
に配備しているが、これに限らずその他の減速ギア列を
用いても良い。

【００１６】ここで、回転軸２２３と補機駆動軸５０と
は互いに並列に配設され、しかも、タービンロータ２２
１側の回転力は減速ギア列４２で減速された上で、略平
面視においてコ字状の伝達経路を経て補機駆動軸５０側
に伝達されるという構成を採る。補機駆動軸５０はその
途中に配備されたトルクリミッタ５１及びカップリング
４４を介し２部分に区分され、これにより、クランクシ
ャフト２３より回転軸２２３側に過度な回転力が伝わる
ことを防止している。補機駆動軸５０の右側部分の端部
にはフランジ４５が一体結合され、これにはゴムカップ
リング４６を介しエアコンプレッサ３９内のクランクシ
ャフト３９１が連結される。このエアコンプレッサ３９
内のクランクシャフト３９１の他端は補機駆動用ギア４
７に一体結合される。

【００１７】エンジン側のクランクシャフト２３はその
一端にフライホイール４８を一体結合し、このフライホ
イール側端部にはこれに近接してクランクシャフトギア
４９が一体的に取り付けられ、このギア４９に補機駆動
用ギア４７が噛合する。ここでは、特に、クランクシャ
フトギア４９は補機駆動用ギア４７を介しエアコンプレ
ッサ３９内のクランクシャフト３９１（補機駆動軸５０
の一部を成す）が直結される。このようにクランクシャ
フトギア４９と補機駆動用ギア４７を介しエアコンプレ
ッサ３９が直結されることより、このエアコンプレッサ
３９がクランクシャフトに生じるねじり変位を抑える回
転負荷として効果的に作用でき、ねじり振動を低減でき
る。

【００１８】なお、クランクシャフトに生じるねじり振
動に伴うねじり変位は、クランクシャフトの長手方向に
おいて、特にフライホイール４８側端部で、このフライ
ホイール４８が回転負荷となることより比較的低く成
る。このため、フライホイール側端部のクランクシャフ
トギア４９に補機駆動用ギア４７を介し動力回収用回転
伝達系を連結することは、クランクシャフトに生じるね
じり振動の影響を排除する上で望ましい。コントローラ
３５はマイクロコンピュータで要部が成り、周知のハー
ド構成を採り、特に、ここでの入力ポートには運転状態
検出手段としてのエンジンの駆動を検出し、エンジン回
転数Ｎｅの算出に用いられる回転センサ５２、エンジン
の負荷Ａｃｃ信号を出力する負荷センサ５３等がそれぞ
れ接続される。他方、出力ポートには駆動回路３４を介
して容積型過給機２１の電磁クラッチ３３が接続され
る。このコントローラ３５は、特に、容積型過給機２１
の運転域（図５に示す線図中の運転域）Ａ１を検出する
とクラッチ接信号を出力し、過給を実行出来る。

【００１９】このようなエンジンが駆動すると、低負荷
域ではコントローラ３５は電磁クラッチ３３を非作動と
し、エアは逆流防止弁３１を通過しバイパス管３２を経
て吸気多岐管２６側に吸入される。排気は排気多岐管２
７を経て排気タービン２２の下流口３６よりマフラー３
７側に流下する。このような、低負荷域では排気タービ
ン２２の回収動力は低く、これが減速ギア列４２で減速
された上で補機駆動軸５０より補機駆動用ギア４７及び
クランクシャフトギア４９を経てクランクシャフト２３
に伝達されても、排気タービン２２によるクランクシャ
フトへの排気エネルギーの回収効率は極小さいかゼロに
等しい。

【００２０】一方、エンジンが中高負荷域Ａ１で駆動す
ると、コントローラ３５は電磁クラッチ３３のオン信号
を出力して作動させる。この場合、エアは容積型過給機
２１で過給された上で、インタクーラ２９で冷却され、
吸気多岐管２６側に吸入される。この場合、容積型過給
機２１からの加圧エアは逆流防止弁３１によってバイパ
ス管３２への逆流を阻止さる。排気は排気多岐管２７を
経て排気タービン２２を駆動し、下流口３６側に流下す
る。このような、中高負荷域Ａ１では排気タービン２２
の回収動力は減速ギア列４２を介した上で補機駆動軸５
０より補機駆動用ギア４７及びクランクシャフトギア４
９を経てクランクシャフト２３に伝達され、排気タービ
ン２２によるクランクシャフトへの排気エネルギーの回
収が実行される。特に、図５に２点鎖線で示すような高
回転高負荷域ｅでは回収効率は比較的高くなり、排気エ
ネルギーをエンジン出力の向上に有効に利用できる。

【００２１】このような、エンジン２０においてクラン
クシャフト２３のフライホイール４８近傍のねじり振動
がクランクシャフトギア４９を介し補機駆動用ギア４７
を経てエアコンプレッサ３９内のクランクシャフト３９
１（補機駆動軸５０の一部を成す）に伝えられたとして
も、このエアコンプレッサ３９が回転負荷として働き、
クランクシャフトに生じるねじり変位を抑えるべく、効
果的に作用できる。この結果、動力回収用の回転伝達系
の減速ギア列４２が、本来、クランクシャフト側のねじ
り変動を増幅して排気タービン側に伝える特性を有して
いても、クランクシャフトに生じるねじり変位がエアコ
ンプレッサ３９によって低減されるので、クランクシャ
フトに生じるねじり変位によって排気タービンの回転軸
２２３を破損するという問題は生じなくなる。

【００２２】更に、図１のエンジン２０は、クランクシ
ャフト側最終ギア４２１と補機駆動用ギア４７とが補機
駆動軸５０上に一体的に設けられているので、補機駆動
軸５０に対して軸直角方向Ｙへの減速ギア列４２側の突
出し量ａが比較的低減し、エンジンのコンパクト化を図
り易い。更に、エアコンプレッサ３９（補機）はエンジ
ンの長手方向Ｘの側面３８に取り付けられると共に最終
ギア４２１は補機からの回転軸上に配設されることよ
り、これら回転伝達系が側面３８に対する突出し量ｂを
比較的低減でき、エンジンのコンパクト化をより図り易
い。図１のエンジン２０はその動力回収用の回転伝達系
上の補機駆動軸５０は、その一端にクランクシャフトギ
ア４９に噛合する補機駆動用ギア４７を、他端にクラン
クシャフト側最終ギア４２１を中間に補機としてのエア
コンプレッサ３９を連結するという構成を採っていた
が、場合により、図４に示すような構成のエンジン２
０’としても良い。

【００２３】ここでのエンジン２０’は、クランクシャ
フトギア４９に噛合する補機駆動用ギア４７を補機駆動
軸５０の中間に配備し、一端に減速ギア列４２側のクラ
ンクシャフト側最終ギア４２１を、他端に補機としての
エアコンプレッサ３９を連結する。この場合も図１のエ
ンジンと同様に、クランクシャフト２３に生じるねじり
変位がエアコンプレッサ３９によって低減されるので、
クランクシャフトに生じるねじり変位によって排気ター
ビン側が破損するという問題は生じなくなり、補機駆動
軸５０に対して軸直角方向Ｙへの減速ギア列４２側の突
出し量ａや、動力回収用の回転伝達系の側面３８に対す
る突出し量ｂを比較的低減でき、エンジンのコンパクト
化を図り易く、取付け性を向上できる。

【００２４】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、排気ター
ビンの回転を減速してクランクシャフトに伝達する減速
機構を備える場合において、クランクシャフトのねじり
変位が比較的少ないフライホイール近傍にねじり変位を
抑えるように作用する補機と一体化された補機駆動用ギ
アを噛み合わせたので、この補機がクランクシャフトの
ねじり変位を抑え吸収する。このため、発明によれば、
排気タービンの出力軸側に達するクランクシャフトのね
じり変位は低減し、減速機構がクランクシャフトの生じ
るねじり変動を増幅して排気タービン側に伝えるため排
気タービンの回転軸が破損するという問題を解消するこ
とが出来、出力軸の破損を防止出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例としてのターボコンパウン
ドエンジンの概略構成図である。

【図２】図１のターボコンパウンドエンジンの要部拡大
側面である。

【図３】図１のターボコンパウンドエンジンの動力回収
用回転伝達系の概略構成図である。

【図４】本発明の他の実施例としてのターボコンパウン
ドエンジンの動力回収用回転伝達系の概略構成図であ
る。

【図５】ターボコンパウンドエンジンの過給域線図であ
る。

【図６】従来のターボコンパウンドエンジンの概略全体
構成図である。

【符号の説明】

２０ エンジン ２０１ シリンダブロック ２１ 容積型過給機 ２１１ 入力プーリ ２２ 排気タービン ２２１ タービンロータ ２２２ ケーシング ２２３ 出力軸 ２３ クランク軸 ２５ 本体 ２６ 吸気多岐管 ２７ 排気多岐管 ３８ 側面 ３９ エアコンプレッサ ４２ 減速ギア列 ４２１ クランクシャフト側最終ギア ４３ ギアボックス ４７ 補機駆動用ギア ４９ クランクシャフトギア ５０ 補機駆動軸 ５１ トルクリミッタ ａ 突出し量 ｂ 突出し量 Ｓ 軸間距離 Ｘ エンジン長手方向

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】エンジンのクランクシャフトと、同クラン
   クシャフトの先端に設けられたフライホイールと、同フ
   ライホイール近傍に位置し上記クランクシャフトに嵌合
   されたクランクシャフトギアと、同クランクシャフトギ
   アに噛合し上記クランクシャフトの駆動力により補機を
   駆動する補機駆動用ギアと、上記エンジンの排気系に設
   けられた排気タービンと、同排気タービンの回転力を伝
   達する回転軸と、同回転軸の駆動力を上記補機駆動用ギ
   アに伝達する減速機構とを有するターボコンパウンドエ
   ンジン。
2. 【請求項２】上記減速機構の上記クランクシャフト側最
   終ギアと上記補機駆動用ギアとが同軸上に設けられてい
   ることを特徴とする請求項１記載のターボコンパウンド
   エンジン。
3. 【請求項３】上記補機はエンジンの長手方向側面に配設
   されていると共に上記最終ギアは上記補機からの回転軸
   上に配設されることを特徴とする請求項１又は請求項２
   記載のターボコンパウンドエンジン。