(57)【要約】      （修正有）【課題】排気タービンに特別な構成を付加することなく、タービン軸の機軸方向に発生するスラスト力を低減する排気タービン発電装置を提供する。【解決手段】タービン20,30は、周方向に備えられたタービン入口21,31から排気を導入して、排気によって羽根24,34が立設されたタービン翼車23,33を回転させ、回転軸11の機軸方向に備えられたタービン出口22,32へ排気を排出するラジアル型のタービンとする。回転軸には、少なくとも二つのタービンと発電機40が配設され、前記少なくとも二つのタービンは、タービン出口が一の機軸方向に向けられた少なくとも一つのタービンと、タービン出口が一の機軸方向に背向する他の機軸方向に向けられた少なくとも一つのタービンと、で構成されており、タービン入口は、前記少なくとも二つのタービンが同一方向に回転するように、排気がそれぞれのタービンの羽根を付勢するよう配置させて構成する。【選択図】図２
2010163951.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気によってタービンを回転させて発電を行う排気タービン発電装置であって、
前記タービンは、周方向に備えられたタービン入口から前記排気を導入して、前記排気によって羽根が立設されたタービン翼車を回転させ、回転軸の機軸方向に備えられたタービン出口へ前記排気を排出するラジアル型のタービンであり、
前記回転軸には、少なくとも二つの前記タービンと発電機が配設され、
前記少なくとも二つのタービンは、前記タービン出口が一の機軸方向に向けられた少なくとも一つの前記タービンと、前記タービン出口が前記一の機軸方向に背向する他の機軸方向に向けられた少なくとも一つの前記タービンと、で構成されており、
前記タービン入口は、前記少なくとも二つのタービンが同一方向に回転するように、前記排気がそれぞれのタービンの前記羽根を付勢するよう配置されていることを特徴とする排気タービン発電装置。
【請求項２】
前記回転軸には、一のタービンと、発電機と、他のタービンとが順に配設されていることを特徴とする請求項１に記載の排気タービン発電装置。
【請求項３】
前記内燃機関の排気系は２系統に分割されており、一の系統は前記一のタービンへ排気を導入し、他の系統は前記他のタービンへ排気を導入することを特徴とする請求項２に記載の排気タービン発電装置。
【請求項４】
前記タービンは、前記タービン入口へ排気を導入する２系統以上の流路を備えたツインスクロール型であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の排気タービン発電装置。
【請求項５】
前記タービンは容量可変式タービンであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の排気タービン発電装置。
【請求項６】
前記容量可変式タービンは、少なくとも前記タービン入口に可変フラップを備えたジェットターボ型タービン、前記ツインスクロール型の各流路に開閉可能な弁機構が設けられたタービン、前記タービン翼車の周囲に角度可変な複数のベーンを備えた可変ベーン型タービンのいずれかであることを特徴とする請求項５に記載の排気タービン発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車（以下、単に車両と記す）に搭載された内燃機関の排気によって発電を行う排気タービン発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両に搭載された内燃機関において燃料が燃焼した後に排出される排気をエネルギとして有効に利用する方法が提案されている。例えば、内燃機関の排気管に排気タービンを備え、この排気タービンに排気を導き、排気タービンを回転させ、タービン軸に連結された発電装置によって、排気のエネルギを電気エネルギとして有効に利用する方法が提案されている（特許文献１参照）。さらに、この排気タービンの効率を高めるために、排気タービンに導入される排気の流体抵抗を減少させるスクロール型タービンや、運転状態によって変化する排気の流量を適宜制御する可変容量型タービンが提案されている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】実開平６−６７８０２号公報
【特許文献２】特開２００２−１９５０４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
車両に搭載される排気タービン発電装置のタービンは、設置スペースが限られていることから、小型のラジアル型のタービンが多く適用されている。図１０に特許文献１で開示されている小型ラジアル型タービンを適用した排気タービン発電装置の一例の断面説明図を示す。ラジアル型のタービンは図１０に示すように、周方向のタービン入口（タービンスクロール）７０１から排気ＥＧを導入する。そして、この排気ＥＧはタービン翼車７０３に立設された羽根７０４を付勢して、タービン翼車７０３を回転させる。その後、排気ＥＧは、タービン翼車７０３の子午面７０５に沿ってタービン軸７０６の機軸方向に備えられたタービン出口７０２から排出される構成となっている。ラジアル型のタービンを使用した場合、図１０に示すようにタービン翼車７０３の背面（子午面７０５の裏面）に圧力の高い排気ＥＧが流入してＰ２の圧力でタービン翼車７０３をタービン出口７０２方向へ押圧する。一方、タービンから排出された排気ＥＧは膨張し圧力Ｐ２よりも小さな圧力Ｐ１となり、タービン翼車７０３をタービン出口７０２と反対の方向へ押圧する。圧力Ｐ２と圧力Ｐ１との差は正となり、タービン翼車７０３をタービン出口７０２方向に押し出すスラスト力となる。従って、スラストベアリングが必要となり、その機械損失によるタービン効率の低下や、スラストベアリングの摩耗等の問題が生ずる。
【０００５】
前記した問題を解決するため、特許文献１において開示された技術は、タービン翼車の背面にフィンを設け、遠心力により排気をラジアル方向に移動させて排気の流入を防ぎ、スラスト力を低減する。しかしながら、フィンがタービンハウジングに近接して配設されており、タービン翼車の軸方向のわずかな揺動によって接触するおそれがある。この接触を確実に防止するためにはスラストベアリングと同様にタービン翼車の軸方向の移動を規制するベアリングを使用する必要があった。また、タービン翼車の背面に新たにフィンを立設させることは、タービン効率低下、製造や組み付けにおいても煩雑な作業となり、性能、生産性を低下させるおそれがあった。
【０００６】
本発明は前記課題を鑑みてなされたもので、排気タービンに特別な構成を付加することなく、タービン軸の機軸方向に発生するスラスト力を低減し、タービン効率を低下させることなく、エンジン負荷の低いときも十分に作動する排気タービン発電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、内燃機関の排気によってタービンを回転させて発電を行う排気タービン発電装置に関する発明である。前記タービンは、周方向に備えられたタービン入口から前記排気を導入して、前記排気によって羽根が立設されたタービン翼車を回転させ、回転軸の機軸方向に備えられたタービン出口へ前記排気を排出するラジアル型のタービンとしている。前記回転軸には、少なくとも二つの前記タービンと発電機が配設され、前記少なくとも二つのタービンは、前記タービン出口が一の機軸方向に向けられた少なくとも一つの前記タービンと、前記タービン出口が前記一の機軸方向に背向する他の機軸方向に向けられた少なくとも一つの前記タービンと、で構成されている。前記タービン入口は、前記少なくとも二つのタービンが同一方向に回転するように、排気がそれぞれのタービンの前記羽根を付勢するよう配置されている。
【０００８】
かかる構成は、タービン出口が互いに背向した関係にある少なくとも二つのタービンが同一の回転軸に備えられるため、タービン内へ導入されタービン出口から排出される排気によってそれぞれのタービンが生じさせるスラスト力を互いに打ち消しあうことができる。
【０００９】
前記構成において、前記回転軸には、一のタービンと、発電機と、他のタービンとが順に配設するように構成することができる。また、前記内燃機関の排気系を２系統に分割して、一の系統は前記一のタービンへ排気を導入し、他の系統は前記他のタービンへ排気を導入するように構成することができる。
【００１０】
前記構成において、前記タービンは、前記タービン入口へ排気を導入する２系統以上の流路を備えたツインスクロール型とすることが好ましい。さらに、前記タービンは容量可変式タービンであって、前記タービン入口に可変フラップを備えたジェットターボ型タービン、前記ツインスクロール型の各流路に開閉可能な弁機構が設けられたタービン、前記タービン翼車の周囲に角度可変な複数のベーンを備えた可変ベーン型タービンのいずれかを選択して排気タービン発電装置を構成することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、排気タービンに特別な構成を付加することなく、タービン軸の機軸方向の一方に発生するスラスト力を低減し、タービン効率を低下させることなく、エンジン負荷の低いときも十分に作動する排気タービン発電装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】排気タービン発電装置の配置図であり、６気筒のエンジンに排気タービン発電装置を備えた実施例を示している。
【図２】排気タービン発電装置の構造を表す断面図である。
【図３】図２の矢視Ｘから見たタービンの断面図であって、スクロール型タービンを説明するものである。
【図４】図２の矢視Ｘから見たタービンの断面図であって、ツインスクロール型タービンを説明するものである。
【図５】図２の矢視Ｘから見たタービンの断面図であって、可変容量型タービンの一例としてジェットターボ型タービンを説明するものである。
【図６】図２の矢視Ｘから見たタービンの断面図であって、可変容量型タービンの一例として可変ツインスクロール型タービンを説明するものである。
【図７】図２の矢視Ｘから見たタービンの断面図であって、可変容量型タービンの一例として可変ベーン型タービンを説明するものである。
【図８】本発明の一変形例にかかる説明図である。
【図９】本発明の一変形例にかかる説明図である。
【図１０】従来技術にかかる小型ラジアル型タービンを適用した排気タービン発電装置の一例の断面説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明にかかる車両に搭載された内燃機関の排気によって発電を行う排気タービン発電装置を車両に適用した一実施形態について図面を参照して説明する。図１は、排気タービン発電装置の配置図であり、６気筒の内燃機関（エンジン）に排気タービン発電装置を備えた実施例を示している。図２は、排気タービン発電装置の構造を表す断面図である。図３は、図２の矢視Ｘから見たタービンの断面図であって、スクロール型タービンを説明するものである。
【００１４】
図１を参照すると、吸気管５３から導入された吸気ＩＧは、６系統に分割され、内燃機関５０に備えられた各気筒（図示せず）の吸気ポートへ流入される。燃料と混合された吸気は気筒内で燃焼し、排気ＥＧを排気管へ排出する。排気管は、３気筒づつ一つの排気管５１，５２に集約された２系統に分割される。排気管５１は排気ＥＧを排気タービン発電装置１０の一のタービン２０へ送り、排気管５２は排気ＥＧを排気タービン発電装置１０の他のタービン３０へ送る。
【００１５】
タービン２０，３０は、いわゆるラジアル型タービンである。車両用の排気タービン発電装置としては、小型化、低コスト化のために製造が容易なラジアル型タービンが広く適用されている。排気ＥＧは、それぞれのタービン２０，３０の周方向に配設されたタービン入口２１，３１から導入される。図２も併せて参照すると、排気ＥＧは、羽根２４，３４が立設されたタービン翼車２３，３３を回転させ、回転軸１１の機軸方向に備えられたタービン出口２２，３２へ排出する。なお、タービン入口２１，３１は、それぞれのタービン２０，３０が同一方向に回転するように、排気ＥＧがそれぞれのタービン翼車２３，３３に立設された羽根２４，３４を付勢するよう配置されている。それぞれのタービン２０，３０の間には、発電機４０が配設されている。
【００１６】
図２を参照すると、発電機４０は発電機ハウジング４１に収容され、発電機４０の回転子４２は、回転軸１１に直結している。この回転子４２に対応する固定子４３は、発電機ハウジング４１の内周面に固定されている。かかる構成は、タービン２０，３０が排気によって回転することで、回転子４２を回転させて、電力を発生させることができる。発生された電力は、排気が有するエネルギを回収するものであり、例えばバッテリの充電を行ったり、エンジンの駆動系に備えられた電動機に供給したりすることができる。
【００１７】
タービン２０，３０は、タービンハウジング２６，３６に収容されている。タービンハウジング２６，３６と発電機ハウジング４１との間には回転軸１１を軸支するベアリング機構６０，６０が備えられる。そして、タービンハウジング２６，３６から発電機４０へ排気ＥＧが漏洩することを防止するためにシールリング６１が、回転軸１１の周囲を蔽うように、ベアリング機構６０とタービン２０，３０との間のタービンハウジング２６，３６と、ベアリング機構６０と発電機４０との間の発電機ハウジング４１に設けられている。
【００１８】
図３を参照すると、図２の矢視Ｘから見たタービン２０，３０は、排気ＥＧが同じ方向からタービン入口２１，３１に導入されるように構成されている。排気ＥＧはタービン入口２１，３１から徐々に絞られ、吹き出し口２５，３５からタービン翼車２３，３３に立設された羽根２４，３４（図２参照）へ吹き出される。排気ＥＧは吹き出し口２５，３５から、矢印に示すようにタービン翼車２３，３３の周囲を回るように羽根２４，３４（図２参照）へ導入される。排気ＥＧが通過する流路は断面積が徐々に絞られるスクロールＳＣとしており、流体抵抗を少なくしてタービン２０，３０の効率を向上させている。かかる構成によって、回転軸１１に直結されたタービン２０，３０は、同一方向に回転させることができる。
【００１９】
作動中のタービン２０，３０には、図１０に示した圧力Ｐ２と圧力Ｐ１との差によって生ずるタービン翼車７０３をタービン出口７０２方向に押し出すスラスト力と同様なスラスト力が発生する。しかしながら、タービン２０には図１の左方向のスラスト力が発生し、タービン３０には図１の右方向のスラスト力が発生するため、両者は打ち消しあう。このように本実施形態は、特別な構成を付加することなく、簡便な構成でスラスト力を効果的に低減することができる。
【００２０】
次に図を参照して本実施形態の変形例を説明する。図４は、図２の矢視Ｘから見たタービンの断面図であって、ツインスクロール型タービンを説明するものである。図５は、図２の矢視Ｘから見たタービンの断面図であって、可変容量型タービンの一例としてジェットターボ型タービンを説明するものである。図６は、図２の矢視Ｘから見たタービンの断面図であって、可変容量型タービンの一例として可変ツインスクロール型タービンを説明するものである。図７は、図２の矢視Ｘから見たタービンの断面図であって、可変容量型タービンの一例として可変ベーン型タービンを説明するものである。なお、ここで説明する変形例は、タービンの形態が異なるものであり、図１もしくは図２に示した排気タービン発電装置の基本的な構成を変えるものではない。
【００２１】
図４を参照すると、ツインスクロール型タービン１２０はタービン入口１２１と吹き出し口１２５との間の排気ＥＧの流路を２系統に分割している。車両の内燃機関５０（図１参照）はレシプロ機関であり排気ＥＧは間歇（パルス）的に排出されるとともに各気筒によって排出のタイミングが異なる。このため、排気管５１（図１参照）内で排気を集合することにより排気ＥＧ同士が干渉し、タービンの効率を下げる問題が発生する。ツインスクロール型タービン１２０は、流路長が異なる２系統のスクロールＳＣ１，ＳＣ２を備えることにより、排気がタービン翼車２４に到達する時間を調整し、スクロールＳＣ１を通過する排気ＥＧ１とスクロールＳＣ２を通過する排気ＥＧ２のパルス効果を有効に活用する。かかる構成によって、タービンの効率低下を防止することができる。
【００２２】
次に、可変容量型タービンを本実施形態に適用した変形例を説明する。可変容量型タービンは排気されるガス量に応じて、タービンへ送る排気の流路断面積を変えるものである。図５を参照すると、可変容量型タービンの一つであるジェットターボ型タービン２２０は吹き出し口２２５に可動フラップＶＦを設けている。図５（ａ）に示すように、排気ＥＧのガス量が少ないときには、可動フラップＶＦを吹き出し口２２５が絞られる方向に可動させる。そして、図５（ｂ）に示すように、排気ＥＧのガス量が多いときには、可動フラップＶＦを吹き出し口２２５が広げられる方向に可動させる。ジェットターボ型タービン２２０は、かかる可動フラップＶＦの可動によって、ガス量が少ないときには流路断面積を小さくして排気ＥＧの流速を上昇させ、ガス量が多いときには流路断面積を大きくして排気ＥＧの流速が過大にならないように調整して、適正な排気ＥＧをタービン翼車２４に導入するように構成されている。
【００２３】
図６を参照すると、可変容量型タービンの一つである可変ツインスクロール型タービン３２０は、図４で説明したツインスクロール型タービン１２０の流路長が異なる２系統のスクロールＳＣ１，ＳＣ２のそれぞれに流路を開閉するように可動する弁ＳＣＶ１，ＳＣＶ２が設けられている。可変ツインスクロール型タービン３２０は、図６（ａ）（ｂ）に示すように、これらの弁ＳＣＶ１，ＳＣＶ２の開閉によって、前記したジェットターボ型タービン２２０と同様に流路断面積を調整し、適正な排気ＥＧをタービン翼車２４に導入するように構成されている。
【００２４】
図７を参照すると、可変容量型タービンの一つである可変ベーン型タービン４２０は、翼車２４の周囲に可動する羽根である可変ベーンＶＶが配設されている。図７（ａ）に示すように、排気ＥＧのガス量が少ないときには、可動ベーンＶＶが排気ＥＧの流路断面積を狭めるように可動させる。そして、図７（ｂ）に示すように、排気ＥＧのガス量が多いときには、可動ベーンＶＶが排気ＥＧの流路断面積を広げるように可動させる。可変ベーン型タービン４２０は、かかる可動ベーンＶＶの可動によって、ガス量が少ないときには流路断面積を小さくして排気ＥＧの流速を上昇させ、ガス量が多いときには流路断面積を大きくして排気ＥＧの流速が過大にならないように調整して、適正な排気ＥＧをタービン翼車２４に導入するように構成されている。
【００２５】
本実施形態にかかる排気タービン発電装置に前記したスクロール型タービンおよび可変容量型タービンを適用することによって、内燃機関の回転数が低く、排気のガス量が少ないときでも確実に排気タービン発電装置を可動させることができる。さらに、可変容量型タービンは、図１に示す左右のタービン２０，３０に導入される排気のガス量を調整することにより、それぞれのタービン２０，２１が発生させるスラスト力のバランスをとってスラスト力が打ち消しあうように調整することもできる。
【００２６】
以上本発明の実施形態で説明したように、本発明は、排気タービンに特別な構成を付加することなく、タービン軸の機軸方向に発生するスラスト力を効果的に低減することができる。本実施形態では６気筒の内燃機関について説明したが、４気筒や８気筒の内燃機関に本発明が適用できることは言うまでもない。これで、具体的実施形態の説明を終えるが、本発明の態様は上記実施形態に限られるものではない。例えば、図８の本発明の変形例５００にかかる説明図に示すように、一のタービン５２０、他のタービン５３０、発電機５４０の順で回転軸５１１に配設する構成とすることもできる。かかる構成によって、発電機５４０に排気が漏洩することを防止するシールリングは、他のタービン５３０と発電機５４０との間に設ければ良い。変形例５００においても、一のタービン５２０と他のタービン５３０が発生させるスラスト力は相殺することができる。
【００２７】
また、図９の本発明の変形例６００にかかる説明図に示すように、発電機６４０の左右に複数のタービン６２０，６２１，６３０，６３１を回転軸６１１に配設する構成とすることできる。このとき、図９の左側に配設されたタービン６２０，６２１の排気の排出口は矢印Ｌ方向とし、右側に配設されたタービン６３０，６３１の排気の排出口は矢印Ｒ方向とすることによって、左右のタービンが発生させるスラスト力を相殺することができる。
【符号の説明】
【００２８】
１０    排気タービン発電装置
１１    回転軸
２０，３０  タービン
２１，３１  タービン入口
２２，３２  タービン出口
２３，３３  タービン翼車
２４，３４  羽根
２５，３５  吹き出し口
２６，３６  タービンハウジング
４０    発電機
４１    発電機ハウジング
４２    回転子
４３    固定子
５０    内燃機関
５１，５２  排気管
５３    吸気管
６０    ベアリング機構
６１    シールリング
【図１】
2010163951.tif 000003
【図２】
2010163951.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2010163951.tif 000010
【図９】
2010163951.tif 000011
【図１０】
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