JPH01315616A - エンジンの過給補助装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ この発明は、エンジン、特に自動車用エンジンの過給装
置に関するもので、エンジンの排気タービンを動力とす
る空気の供給に加えて、加圧空気タービンにより駆動さ
れるコンプレッサから供給される空気と、加圧空気ター
ビンにおいて仕事を終わり吸気圧近（まで減圧された排
気空気を供給することにより、加速時のエンジンへの過
給を十分に行えるようにして、加速性能を高めた装置で
ある。

［従来の技術］ 従来は、エンジンの排気タービンにより駆動されるコン
プレッサから空気を供給するものが多く、エンジンが高
速回転にならなければ十分な過給が望めなかった。

［発明が解決しようとする課題］ この発明は、従来の排気タービンを使用した過給機に、
加圧空気により駆動される過給補助装置を設けることに
より、いわゆるターボラグが生じることなく、加速を要
する際に直ちに回転数及びトルクが上昇し、しかもエン
ジンの回転数が低い状態であっても、急速な加速を可能
ならしめることを目的とする。

また、十分な過給の為の空気が供給し得るため、特にデ
ィーゼルエンジンにおいて生じることが多い加速時の燃
焼不完全によるエンジン排気の黒煙の排出を防止するこ
とができる。

さらに、登板のように長時間にわたって加圧空気による
補助過給が行われる場合にも、エンジン出力の増大とと
もに排気タービンによる過給の比率を高めることを目的
とする。

加圧空気タービンの温度が上昇した場合にも、加圧空気
の膨張を熱エネルギの供給状態で行うことにより、加圧
空気タービンのエネルギ効率高め、加圧空気の消費量を
減少させる効果もこの発明が解決すべき課題の一つであ
る。

［課題を解決するための手段］ この発明の補助装置は、排気タービンにより駆動される
過給吸気系に加えて、加速時に加圧空気タンクまたは加
圧ポンプから供給される高圧の圧縮空気を加圧空気ター
ビンに加えて回転数を急上昇させ、断熱膨張エネルギに
よって発生する動力を利用してコンプレッサを駆動する
ことにより付加的な過給用の空気を吸気系に供給し、さ
らにコンプレッサの駆動に使われ膨張によって吸気圧近
くまで圧力が低下した加圧空気タービンの排気をも吸気
系に供給することにより、エンジンの加速時に必要十分
な空気の過給を行うことによって目的を達成する。

［作　用コ 従来の排気タービンによるターボチャージャにおいては
、加速しようとしてアクセルを踏んだ場合でも、これに
よってエンジンの回転数が上昇し、排気量が増加して排
気タービンを十分に駆動するまでには、若干の時間を必
要とした。この点は、エンジンの回転数が低い際に特に
顕著である。

この発明においては、アクセルを踏んだことをセンサー
が検知して、加圧空気供給用のバルブを開き、高圧の空
気タンクより加圧空気タービンに高圧空気を供給するか
ら、タービンは急速に回転数が上昇しコンプレッサター
ビンを駆動する。このため、過給空気の供給もまた十分
に且つ迅速に行われる。

このように、加圧空気タービンは急速に回転数が上昇す
るが、インペラーのイナーシャがあるため、立ち上がり
時間はゼロとはならない。しかし、この間に導入された
高圧空気は、十分仕事をしきっていないため、圧力が高
いままタービンを通過し、その排気管からエンジンの吸
入管に突入し、その結果、加圧空気タービンが十分に立
ち上がるまでの間の過給空気の供給を負担する。この間
の加圧空気は、動力の発生に寄与する程度が小さいが、
瞬間的な供給であるから、能率の低下は無視できるし、
空気の急速な供給の効果は大きい。

加圧空気タンクには、加圧ポンプによって空気が補充さ
れるが、その駆動にブレーキ時の回収エネルギを利用す
れば、この発明の過給補助装置の作動に要する実質的な
動力の消費は、相対的に小さくなり、能率はさらに向上
する。

アクセルを踏んだ際、燃料の供給も増加するが、従来の
技術によると、この燃焼に要する空気の供給が追いつか
ないため、特にディーゼルエンジンにおいては、不完全
燃焼による加速時の黒い煙の排出が避けられなかった。

この発明の過給装置においては、上記のように動作し、
十分な空気を供給できるから、完全燃焼が可能であり、
黒い排気ガスの排出を防止できる。

［実施例コ 第１図は、この発明の第１実施例の、並列同軸型と称す
る過給補助装置の構成の概略を示す線図である。

第１図において、運転者１５１の運転操作（アクセル、
ブレーキ、クラッチ、ギアシフト、等）の状態は、セン
サー１５２に依って検知され、制御信号としてコントロ
ーラ１５３に伝達される。

一方、エンジンの動作状態を示すパラメータ（ブースト
圧、エンジン回転数、燃料噴射量、エンジン温度、等）
も、コントローラに印加され、エンジンの制御の為に使
われる。

エンジン１１１から排出された排気は、排気管１２１を
経て排気タービン１３１に導かれ、排気圧に依って動力
を発生する。排気タービンで仕事を終わった排気は、排
気管１２２を経て、排気系に送られる。

排気タービンは、シャフト１１７に結合しており、これ
に発生した動力を伝える。このシャフト１１７は、コン
プレッサタービン１１６及び加圧空気タービン１１９の
シャフトと共通であって同軸に連結される。

加圧空気タンク１４１からバルブ１４３を経て加圧空気
タービン１１９に加圧空気が供給されると、発生した動
力は、シャフト１１７に伝達される。この動力は、排気
タービンの動力と協動してコンプレッサタービン１１６
を駆動し、エアフィルタ１６１から管１６２を経由して
供給される空気を圧縮して、管１６３を経由して、エン
ジン１１１に過給空気を供給する。

加圧空気タービンにおいて仕事を終り吸気圧近くまで圧
力が低下した空気もまた、管１６３に合流され、過給空
気の一部として、利用される。

第２図は、この発明の第１の実施例の過給補助装置の主
要部の具体的構造を示す断面図である。

コンプレッサタービン２１６は、タービンシャフト２１
７を介して排気タービン２１８に連結している。

加圧空気タービン２１９も、タービンシャフト２１７に
同軸に取り付けられている。

コンプレッサタービン２１６は、排気流及び加圧空気流
またはそれらのいずれか一方によってそれぞれのタービ
ン、２１８．２１９を介して駆動される。

エンジンの排気は、排気タービンスクロール２２１に導
かれ、排気タービン２１８にエネルギを与えて、減速、
膨張した後に排気管２２８に排出される。

加圧空気タンク１４１から、加圧空気制御弁１４３を経
て供給される加圧空気は、加圧空気スクロール２２２に
導かれ、加圧空気タービン２１９にエネルギを与えて、
減速、膨張した後、加圧空気タービン排気出口管２２４
に排出される。

吸気管２２７より吸入された吸気は、コンプレッサター
ビン２１６により圧縮され、コンプレッサスクロール２
２０からスクロール出口管２２３に導かれる。

ここで、揺動弁２２５の両面から流れ込んだ吸気と加圧
空気タービン２１９の排気とが合流するが、揺動弁の両
側の気圧に応じて揺動弁の図示の二つの位置の中間の位
置をとる。また、揺動弁は、場合により省略することが
できる。

コンプレッサフレーム２２９は、軸受け、及び潤滑、冷
却などの機能を持った支持枠である。

ノズルリング２３０は、加圧空気の膨張の方法如何によ
って、その要不要が決定されるものであって、この実施
例では採用している。

第３図は、この発明の第２実施例の並列独立型と称する
過給補助装置の概略を示す線図である。

第３図において、エンジン１１１から排出された排気は
、排気管１２１を経て、排気タービン１３１に導かれ、
タービン１３１において動力を発生させた後、排気管１
２２を経て排気系へ送られる。発生した動力は、シャフ
ト３１１によりコンプレッサタービン３０１を駆動する
。この結果エアフィルタ１６１を通って取り入れられた
空気は、管１６２をへて、タービン３０１により圧縮さ
れ、管１６３を経てエンジン１１１に供給される。

コンプレッサタービン３０１と並列になるように補助コ
ンプレッサタービン３０２が連結されており、加圧空気
タービン３３１とシャフト３１２によって連結される。

加圧空気タンク１４１からバルブ１４３を介して加圧空
気が加圧空気タービン３３１に供給され、動力を発生す
る。この動力は、シャフト３１２を介して補助コンプレ
ッサタービン３０２を駆動して、管１６２からの空気を
圧縮し、タービン３３１の排気と共に過給吸気の一部と
してエンジン１１１に供給する。

従って、運転者１５１がアクセルを踏んだ際、センサー
１５２がこれを検知して、コントローラ１５３に信号を
送り、信号線１５４を介してバルブ１４３を開き、加圧
空気が加圧空気タービン３３１を駆動する。これに依っ
て発生した動力は、補助コンプレッサタービン３０２を
駆動して、管１６２がら空気を取り入れ、エンジンの吸
気管１６３に空気の供給を行なう。

この空気の供給は、コンプレッサタービン３０１による
過給吸気とは独立して、加圧空気の供給を制御すること
により行なわれるから、エンジンの回転数が小さく、排
気タービンによる空気の供給が不十分であっても、エン
ジンを急速に回転させることが出来る。

第４図は、この発明の第２実施例の過給補助装置におけ
る主要部の構造の断面を示す図である。

コンプレッサタービン４０１は、タービンシャフト４０
２を介して、図示していないが、通常の排気タービンの
出力軸に接続されている。コンプレッサスクロール４０
３はエンジンの吸気管に接続される。またコンプレッサ
タービンの人力は、吸気管４０４と連結している。補助
コンプレッサ４０６は、補助コンプレッサタービンシャ
フト４０７を介して、加圧空気タービン４０８と連結し
ている。加圧タービンスクロール４１０に、加圧空気タ
ンクから導入した加圧空気を注入すると、加圧空気ター
ビン４０８はトルクを発生して補助タービンシャフト４
０７を介して補助コンプレッサタービン４０６を回転さ
せる。

この結果、タービンは、補助コンプレッサ吸気管４０５
を経て空気を吸い込み、加圧した後補助コンプレッサス
クロール４０９に空気を押し出して、補助コンプレッサ
出口管４１１に出力する。

加圧空気タービン４０８を回転させ仕事を終った加圧空
気は、加圧空気排気管４１２を経て、バランス翼４１３
の端部で、補助コンプレッサ出口管４１１を経た吸気と
合流する。

バランス翼４１３は、翼の両面の空気流速に大きな差が
生じないように揺動して、合流した空気の渦損失を減少
させることを目的として設けられたものであるが、損失
を無視できる場合には、省略することができる。

合流した空気は、揺動弁４１４を押し開いて、コンプレ
ッサ出口継手管４１５に至り、図示していないが、エン
ジンの吸気ポートに送られる。コンプレッサタービン４
０１が動作していない場合は、揺動弁４１４は、空気圧
により４１４ｂの位置に変位して、吸気がコンプレッサ
スクロール４０３の方へ逆流することを防止する。

揺動弁４１４は、コンプレッサタービン４０１と、補助
コンプレッサタービン４０６の、それぞれの吐出空気流
量の比によって、４１４ａと４１４ｂの中間位置に位置
する。合流部分の形状によっては、揺動弁４１４を省略
することもできる。

第５図は、この発明のエンジン過給装置の作用効果を説
明するためのグラフである。横軸はエンジン回転数、館
軸はエンジンのトルクと、吸気圧を示す。曲線５０１は
過給しないエンジンのトルクである。

曲線５０２は通常の排気ターボチャージャを採用した場
合の吸気圧、５０３は、加圧空気による等圧過給をした
場合の吸気圧であって理想的にはエンジンの回転数に関
係なく一定圧に保たれる。

曲線５０４は、エンジン回転数が低い範囲において、回
転数が低くなる程吸気圧を高くするように過給した状態
を示す。

曲線５１２．５１３、及び５１４は、それぞれ、吸気（
過給）状態を示す曲線、５０２．５０３、及び５０４に
対応したエンジンのトルクを示す曲線である。このグラ
フから理解できるように、吸気のブースト圧力を上昇す
ると、トルクもほぼ比例して増大する。

大型の自動車で、手動変速機を使用している場合、クラ
ッチの摩耗を防止するためにエンジン回転数が低い状態
でクラッチをつなぐ必要がある。

しかし、発進や加速の際に、たとえ車速が小さくても、
トルクは十分に大きくなければならない。

しかるに、曲線５１２のようなトルク特性では、所要の
トルクが得られるところでは、回転数が大きく、必然的
にクラッチを滑らせることが要求され、クラッチの寿命
が短くなる欠点がある。回転数が低い範囲では、所要の
トルクに達していないから発進、加速が出来ないことが
ある。

この発明によれば、過給空気圧をエンジンの低速回転時
においても、曲線５０３あるいは５０４のように高め、
空気の供給を必要十分な量にコントロール出来るから、
曲線５１３あるいは５１４に示すトルク特性が得られる
。従って、発進の時のクラッチの負担が小さく、寿命に
悪影響を及ぼすことが無い。

加圧空気タンクの圧力は、通常の場合１０から５０ｋｇ
／ｃＩ！１程度であり、一方過給のための圧力は、２、
５　ｋｇ／ｃｎｆ位で十分である。よってこの圧力差を
利用して加圧空気タービンを回転させ、膨張エネルギを
コンプレッサタービンの駆動に利用することにより過給
のためのエネルギ効率が向上する。

第６図は、手動変速機を使用した自動車が発進して低速
度で走行している状態から、加速しようとする場合の、
通常の排気ターボチャージャとこの発明の過給装置の性
能を示すグラフである。

曲線６０１は、排気ターボチャージャのみの吸気圧の上
昇特性を示し、エンジンの回転数の上昇に従って、吸気
圧も徐々に高くなる。この結果エンジントルクの上昇も
急速には立ち上がらない。

一方、この発明の過給装置に依れば、アクセルを踏み込
んだ直後に加圧空気タンクから、曲線６００で示すよう
な空気の供給が行なわれ、加圧空気タービンの作動によ
り急速な空気の供給と燃料の噴射が行なわれるためエン
ジンのトルクも急速に上昇する。排気エネルギが急速に
上昇するに従い過給空気の供給は、排気ターボ系が負担
するようになる。従って加圧空気の供給は、曲線６００
に示すようにピークの後急速に減少する。そして、エン
ジントルクは、急速に立ち上がり、車速も曲線６１２に
示すように排気ターボチャージャのみの場合と比較して
、短時間に加速できる。

［発明の効果］ この発明の第１実施例においては、タービン軸上におい
て、排気エネルギと、加圧空気の膨張エネルギが加算さ
れて、コンプレッサタービンを駆動するため、１個のコ
ンプレッサタービンにより過給空気を吸気管に供給でき
ることから、ターボチャージャの動的性能が向上しうろ
こと、さらに、シャフト及び軸受アッセンブリが１組で
済むことから、コストを削減できること、等の利点があ
る。

この発明の第２実施例においては、主タービンであるコ
ンプレッサタービン５０１は、排気タービンのみによっ
て駆動されるため、加速時の過給吸気の供給の面で若干
の不利はあるが、補助コンプレッサに対して圧縮空気タ
ンクから高圧空気を供給し、加速初期にブースト圧力相
当分の空気を吸気管に必要量だけ押し込むこととにより
、過給効果を高めることができる。また従来の排気ター
ボチャージャに手を加えることなく、補助コンプレッサ
を付加することができるため、改造するのに有利である
。

上記の２つの実施例においては、いずれも加速時に排気
タービンの動作に関わらず、すなわちエンジンの回転数
及び排気エネルギに関係なく、加圧空気源からの高圧空
気によって加圧空気タービンを駆動することから、急速
にコンプレッサタービンを駆動することができるから、
アクセルを踏んだ後極めて短時間に過給空気をエンジン
に供給することができる。

さらに、コンプレッサタービンのインペラーのイナーシ
ャに起因するタイムラグについては、十分仕事を終わっ
ていない気圧の高い空気がタービンを通過して吸気管に
突入するため、瞬間的に多量の空気を供給することがで
き、加速時の過給が十分に行える。

従来技術では、加速時にアクセルを踏んだ直後から多量
の燃料が供給されても、これに見合った空気の供給が遅
れ、さらにこの状態が継続する場合もあり、燃料の不完
全燃焼による黒い排気ガスの排出が避けられなかった。

この現象は、ディーゼルエンジンにおいて、特に顕著で
あるが、本発明の加給装置によれば、加速時の空気供給
が十分に行われるために、不完全燃焼による黒煙の排出
を防止することができる。

登板のように、長時間にわたって加圧空気による補助過
給が行われ、加圧空気を補給する必要がある場合には、
エンジンの出力の一部を使って加圧ポンプを駆動して加
圧空気を作ることができる。

加圧空気によって補助過給が行われると、エンジンの出
力が増すと同時に排気エネルギも増大して排気タービン
による過給の比率が高まり、加圧空気の消費量は著しく
減少する。

従ってエンジン出力の増大量は、加圧空気の補給のため
に消費されるエネルギより遥かに大きくなり、補助過給
によるエンジン出力増大の効果は大きい。特に排気ター
ビンと同軸に加圧空気タービンを設けた場合には、加圧
空気タービン系及びその周辺の温度が加圧空気より高く
なり、加圧空気の膨張は断熱的より熱エネルギの供給を
受けながら膨張するので、加圧空気タービンのエネルギ
効率は高くなり、それだけ加圧空気の消費量が減少する
効果が期待できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明のエンジンの過給補助装置の第１実
施例を示すブロック図、第２図は、第１実施例の装置の
主要部の構造を示す断面図、第３図は、この発明の第２
実施例を示すブロック図、第４図は、第２実施例の装置
の主要部の構造を示す断面図、第５図は、この発明のエ
ンジン過給補助装置の作用効果を説明するためのグラフ
、第６図は、低速度における走行状態から加速しようと
する場合の、通常の排気ターボチャージャと、この発明
の過給装置の性能を示すグラフである。 １１１：エンジン １１６：コンプレッサタービン １１７：シャフト １１９：加圧空気タービン １２１．１２２：排気管 １３１：排気タービン １４１：加圧空気タンク １４２：加圧ポンプ １４３：バルブ １５１：運転者 １５２：センサー １５３：コントローラ １６１：エアフィルタ １６２、１６３　　二管 ２１６：コンプレッサタービン ２１７：シャフト ２１８：排気タービン ２１９：加圧空気タービン ２２０：コンプレッサスクロール ２２１：排気タービンスクロール ２２２：加圧空気スクロール ２２３ニスクロ一ル出口管 ２２５：揺動弁 ２２７：吸気管 ２２９：コンプレッサフレーム ２３０：ノズルリング ３０１：コンプレッサタービン ３０２：補助コンプレッサタービン ３１１：シャフト ３１２：シャフト ３３１：加圧空気タービン ４０１：コンプレッサタービン ４０２ニシヤフト ４０３：コンプレッサスクロール ４０４二吸気管 ４０５：補助コンプレッサ吸気管 ４０６：補助コンプレッサ ４０７：シャフト ４０８：加圧空気タービン ４０９：補助コンプレッサスクロール ４１０：加圧タービンスクロール ４１１：補助コンプレッサ出口管 ４１２：加圧空気排気管 ４１３：バランス翼 ４１４：揺動弁 ５０１：過給しないエンジンのトルク ５０２：排気ターボチャージャによるブースト圧５０３
：加圧空気による等圧過給吸気圧５０４：低速度で高め
たブースト圧 ５１２：排気ターボのみのトルク ５１３：等圧過給時のエンジントルク

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）エンジンの排気により駆動されるターボチャージ
   ャを有する装置において、加圧空気源から供給される加
   圧空気の膨張エネルギによって駆動され、コンプレッサ
   タービンを回転させる為の加圧空気タービンと、加圧空
   気タービンの排気を上記コンプレッサタービンの出力管
   と合流させて、エンジンの吸気系に過給空気を供給する
   手段とを備え、過給初期の加圧空気タービン及び排気タ
   ービンの回転数が低い期間において、高圧空気の膨張エ
   ネルギが十分に消費されていない気圧の高い空気を吸気
   管に供給することを特徴とするエンジンの過給補助装置
   。
2. （２）エンジンの排気によって駆動される排気タービン
   のシャフトと同軸に、加圧空気タービンと、コンプレッ
   サタービンを設け、過給時に圧力が高い加圧空気を加圧
   空気タービンに加える装置を備え、コンプレッサタービ
   ンの出力管と加圧タービンの排気管を、エンジンの吸気
   管に接続した、エンジンの過給補助装置。
3. （３）エンジンの排気によって駆動される排気タービン
   のシャフトと同軸にコンプレッサタービンを設け、この
   コンプレッサタービンの出力管をエンジンの吸気管に接
   続し、過給時に加圧空気源から供給される加圧空気によ
   って駆動される加圧空気タービンのシャフトと同軸に補
   助コンプレッサタービンを設け、この補助コンプレッサ
   タービンの出力管と加圧空気タービンの排気出力管をそ
   れぞれ上記吸気管に接続したエンジンの過給装置。