JPH02102326A - 排気バイパスを有するガス動圧式の圧力波過給器 - 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 本発明は、排ガス放出弁を有する内燃機関に過給するた
めのガス動圧式の圧力波過給器であって、セルロータを
有するロータケーシングと、エアケーシングと、ガスケ
ーシングとを備え、セルロータ内において内燃機関の排
ガスが内燃機関によって要求される燃焼用空気を圧縮し
、エアケーシングを通して大気圧の新気が吸い込まれて
セルロータ内での圧縮後に過給空気として内燃機関へ供
給され、ガスケーシングを介して内燃機関からの排ガス
かセルロータ内へ導入されてセルロータ内での膨張後に
排ガス出口を経て排気マニホルドへ導出され、ガスケー
シング内において媒体によって制御されるフラップを有
する１つの排ガスバイパスが高圧ガス流入通路を低圧ガ
ス流出通路に接続し、フラップは過給器の過程圧の負荷
を受ける１つの制御機構と作用結合する形式のものに関
する。

ピーク圧が制限されていて広い回転数範囲にわたって有
効に働く圧力波過給器によって過給される乗用車用小型
機関の場合、排気バイパスの使用は極めて有利である。

このような排気バイパス付きの機関は圧力特性が機関回
転数全域にわたってフラットであることによってフレキ
シブルなトルクを有するので、排気ターボ過給と比較し
て、排ガスは一面においてわずかな量だけ排気系へ放出
する必要があり、他面においては比較的高い回転数ｌこ
なってはじめて放出する必要がある。その結果として、
排ガス放出を利用しないことに起因する比燃料消費の劣
化は乗用車の場合まれにしかみられない狭い範囲で生ず
る。

従来の技術 冒頭に述べた形式の圧力波過給器において排ガス放出に
よって行なう過給空気圧制御は英国特許第７７５２７１
号明細書によって公知である。排ガス圧力が所定の値を
上回ると、高圧ガス流入通路と低圧ガス流出通路との間
の１つのバイパスにばね負荷されて配置されているフラ
ップが開く。その結果排ガスの一部がバイパスを通って
直接排気系へ、要するに圧力波過程なしに放出される。

この場合しかし、放出された排ガスは本来の排ガス流れ
方向に対して横方向の速度成分を有して流れ、その結果
以下に述べるような難点を生ずることになる。

一般に、圧力波過給器の申し分なく効果的な機能のため
には、膨張した排ガスがその圧縮作業終了後に、空気お
よび排ガスの混合物、すなわち混合区域である空気およ
び排ガスの境界面範囲に生成される混合物と一緒に完全
に排ガス出口へ掃気されねばならない。このような掃気
は、排気口とは反対側でロータのセルへの流入する吸入
空気によって促進され、これによって同時にセルが冷却
される。しかし、十分な圧縮効率を得るためにはロータ
の一層の冷却が必要である。このため圧力波過給器はそ
の圧縮した空気を機関へ供給するよりも多くの量の新気
を吸入しなければならない。この付加的に吸入される空
気はスカベンジング・エア（掃気用空気）と呼ばれ、過
給空気流に対するスカベンジング・エアの比を圧力波過
給器の掃気度と称する。この掃気度は機関回転数の上昇
および機関負荷の減少と共に小さくなる。

圧力波過給器の場合、ウェイストゲートによる排ガス放
出はターボ過給器の場合と同様全作業効率、ひいては比
燃料消費を損ない、ただし掃気度は損なわない。という
のは掃気エネルギは圧縮エネルギにほぼ比例して減少す
るからである。

わずかな放出流の場合排気通路への排ガス流の横方向成
分は排気流、ひいては掃気塵に重大な影響を及ぼすこと
はない。しかし大きな放出流の場合には、大きな横方向
成分によって掃気が著しく劣化し、ひいては圧縮効率も
損なわれる。

加えて、高回転数での全負荷作動点は不十分な低圧掃気
という性格を有する。その原因は低圧口に沿ってセル内
に現存するエネルギの分布が良好でない点にある。速度
分布は２つの流出フィールドを有しており、１つは低圧
開放エツジの範囲における高い流出速度を有するフィー
ルド、１つは低圧閉鎖エツジの範囲における小さな流出
速度を有するフィールドである。このような速度分布は
圧力波過程によってあらかじめきまる。

発明が解決しようとする課題 このような認識のもとに、本発明の課題は冒頭に述べた
形式の圧力波過給器における低圧掃気、ひいては圧縮効
率を向上させることである課題を解決するための手段 この課題を本発明は次のようにして解決した。すなわち
、低圧ガス流出通路内に放出すべき排ガスのためのウェ
イストゲート・エジェクタを配置したのである。

エジェクタが閉鎖エツジの範囲内に設けられていると有
利である。

既に、西独特許出願公開第３１０１１３１号公報によれ
ば、排気ターボ過給器の効率向上の方法として、放出さ
せたバイパス流量をエジェクタノズルを介して膨張させ
、本来の排ガス流中へ導いてタービン背後の背圧を減少
させることが知られている。この場合排気系へのバイパ
ス路の接続口がエジェクタノズルとして構成されていて
、このエジェクタノズルはバイパス流をほぼ平行である
か又は最大約３０度の鋭角をなしてタービンの排ガス流
中へ導入する。

本発明はこのような処置を機関排ガスのエネルギレベル
が有利に上昇し得る排気セクタ内の個所に施すものであ
る。これによって、過給器の低圧範囲における掃気エネ
ルギが上昇し、このことは熱伝達の減少によって圧縮の
所望の効率向上へつながる。

実施例 次に、図面に示す実施例に従って本発明を説明する： 第１図の圧力波過給器において符号ｌでロータケーシン
グが、符号２でガスケーシングが、符号３でエアケーシ
ングがそれぞれ示されている。ガスケーシング２にはそ
の上側に排ガス人口２４が接続されており、黒矢印で示
すように機関からの排ガスが圧力下で流れ込む。ロータ
内で圧縮作業が行なわれた後に、排ガスは排ガス出口２
５を通ってロータ軸線に対して平行に（図中の水平宝幸
の矢印参照）図示していない排気装置へ流出する。エア
ケーシング３は、第２図に示されているように、大気圧
の空気を吸い込む水平な空気入口２６と、鉛直状の過給
空気出口２７とを備えており、この過給空気出口２７か
らロータセル内で圧縮された過給空気が流出して、図示
してない過給空気導管によって機関の吸気側へ供給され
る。空気の流入および流出は自矢印で示されている。流
入については第２図にしか自矢印で示されていないが、
これは第１図においては空気入口が見えてないからであ
る。ガスケーシング２内に設けられている排ガス放出弁
１２が第２図中に簡単に示されている。

圧力波過給器の基体構成および具体的構造はスイス国特
許出願ＣＨ−ＡＬ１０２７８７号又はスイス国特許第３
７８５９５号明細書に示されている。

第３図の圧力波過給器は分り易くするためにサイクルの
ものとして展開図で示されておりガスケーシング２とエ
アケーシング３とがいずれもロータ２１に面する側に高
圧ポートおよび低圧ポートを１つづつしか有していない
。作用を分り易く説明するために、作動媒体の流れ方向
およびロータ２１の回転方向が矢印で示されている。

内燃機関９の高温の排ガスは高圧ガス流入通路４から両
端が開放された軸線方向の多数のセル５を有するロータ
２１内へ入り、ロータ２１内で膨張し、低圧ガス流出通
路６から図示しない排気系へ流出する。反対側では大気
圧の新気が吸い込まれ、低圧空気流入通路７からロータ
２１内へ軸線方向で流れ、ロータ２１内で圧縮され、過
給空気として高圧空気流出通路８から機関９へ流入する
。

本発明の対象ではない極めて複雑なガス動圧による圧力
波の過程については前記のスイス国特許第３７８５９５
号明細書中に詳しいので、本発明の理解に必要な経過に
ついてのみ以下に述べることとする： 多数のセル５から成る図示のセル域はロータ２１の円筒
区分の展開図であって、ロータ２１の回転が矢印方向で
の下向きの移動に置き換えである。圧力波経過はロータ
２１の内部においてカスを充てんされた室と空気を充て
んされた室とが形成されるように作用する。ガスを充て
んされた室において排カスが膨張し、低圧ガス流出通路
６へ逃げ、空気を充てんされた室においては新気の一部
が圧縮されて高圧空気流出通路８へ放出される。残りの
新気はロータ２１内を通って低圧ガス流出通路６を掃気
して排ガスの完全流出を生ぜしめる。この掃気は圧力波
過程にとって重要であり、あらゆる場合にも維持されね
ばならない。いずれにせよ、排ガスがロータ２１内に残
留して後続のサイクルに伴って過給空気と一緒に機関９
へ供給されるようなことを避けねばならない。加えて、
スカベンジング・エアは高温の排ガスによって著しく加
熱されたセル壁を冷却する。高エネルギ内容物の流動媒
体、つまり排ガスから低エネルギ内容物の媒体、つまり
吸入された新気への直接のエネルギ伝達はロータのセル
内においてはじめて開始される非定常の流れ経過に基づ
いて行なわれる゜要するに圧力波効果であって、これが
エネルギ伝達を生ずる。

付加的な処置、すなわち回転数および負荷に合致した圧
力波過程の制御を可能にする処置として、エキスパンシ
ョン・ポケット２２があげられる。このエキスパンショ
ン・ポケット２２は時間経過から見て高圧空気流出通路
８の後に配置されている。このエキスパンション・ポケ
ット２２内では先行の高圧過程の残留エネルギが蓄えら
れ、圧力波を介して低圧区分、つまり掃気エネルギとし
て低圧過程に重要な影響を及ぼす区分へ導かれる。要す
るにこのエキスパンション・ポケット２２は、圧力波過
程が最小負荷の際にも途絶えてしまわないように、逆に
いえば低圧掃気がいかなる運転状態においても維持され
るように保証する。高圧ガス流入通路４と低圧ガス流出
通路６との間の仕切り壁１０内に、媒体によって制御さ
れるフラップから成る放出弁１２を有するバイパス１１
が設けられている（英国特許第７７５２７１号明細書参
照）。このフラップ１２は本発明の場合バイパスｌｌ内
で旋回可能に図示してない旋回点に支承されている。フ
ラップ操作のための制御手段として導管１３を介して高
圧ガスが圧力波過程の上流側で取り出されて１つの圧力
ボックス１４を負荷する。この圧力ボックス１４はダイ
アフラム１５によって２つの室１６．１７に仕切られて
いる。ダイアフラム１５は押しばね１８と協働し、ロッ
ド１９，２０を介してフラップ１２と結合されている。

機関設計および運転条件次第で一定の排ガス量の再循環
も行なわれる。このことは環境汚染に対する処置として
も望ましい。この排ガス還流は、一定の排ガス量を空気
側へ導いて閉鎖エツジ２８の範囲で高圧空気流出通路８
内へ供給することによって行なう。この点については第
３図中に新気と排ガスとの境界面２９によって概略的に
示している。この境界面２９は尖鋭な境界ではなく、既
に述べたように比較的広い混合域である。

図中の低圧ガス流出通路６内には符号３２で流出する排
ガスの速度分布が示されている。２つの明白なフィール
ドとして、開放エツジ３１の範囲の大きな流出速度を有
するフィールドおよび閉鎖エツジ３０の範囲の小さな流
出速度を有するフィールドが示されている。これら２つ
のフィールド間の流出のない区域はエアケーシング３に
おけるエキスパンション・ポケット２２と低圧空気流入
通路７との間のウェブ２３の存在によるもので、避けが
たい無効区域である本発明によれば正にこの、流出のな
い無効スペースがエキスパンション・ポケット２２の作
用の補充として有効に活用される。第４図にロータ部分
の展開図で示されているように、ウェイストゲート・エ
ジェクタ３３の壁部３８の部がこの本発明の新規な処置
に利用される。この場合エジェクタは１つのリングノズ
ルエジェクタである。図中には本来の排ガス放出弁と高
圧ガス流入通路４から集め室３４への接続路とが図示し
てない。リング状の集め室３４からの放出された排ガス
がコンフユーザ３５を通って混合区間３６へ流れ、次い
でデイフユーザ３７へ流れる。これら４つの部分３４．
３５．３６３７はすべて完全にガスケーシング２内に体
に設けられている。

この処置の作用効果は、ロータとガスケーシング２との
間のフランジ平面内で流れ制限壁４０内に低圧が支配す
ることに基づく。過給器の回転数が低い場合に通例であ
る小さなエネルギの膨張した排ガスがエジェクタの影響
範囲において、高圧区域４と低圧ガス流出通路６との差
圧が大きくなることによって、エネルギレベルの上昇を
受ける。この場合重要なことは低圧掃気エネルギが高ま
ることである。第３図の場合と異なって拡大された速度
分布３２′によってこの点が示されている。

第５図に示す別のウェイストゲート・エジェクタの例の
場合、バイパス１１は高圧ガス流入通路４と低圧ガス流
出通路６との間のウェブ１０もしくは仕切り壁のたんな
る開口である。この図示ではリングノズルエジェクタ３
３′が低圧ガス流出通路６の閉鎖範囲に位置することが
できる点を示すことができない。バイパス１１はフラッ
プ１２によって覆われている。このバイパス１１は放出
された排ガスを集め室３４′へ導き、この集め室３４′
から排ガスはコンフユーザ３５′を経て低圧ガス流出通
路６の相応の区分内へ流れ込む。この実施例の場合内側
のノズルリング４１がガスケーシング２の構造部分であ
り、外側のノズルリング４２はガスケーシング２にフラ
ンジ結合された排気系４３の流入部分によって構成され
ている。

第６図に示すさらに別のウェイストゲート・エジェクタ
３３″の場合、フラップ１２によって閉ざされているバ
イパス１１が直接に集め室３４″へ通じている。全体で
１つのエジェクタ３３“を構成する多数のノズル４４を
経て排ガスが低圧ガス流出通路６へ流れる。この実施例
においても通路幅にわたって重ねられた多くの単一ノズ
ルはたんに低圧ガス流出通路６の閉鎖範囲に配置される
。

テストによれば、混合区域３６（第４図）の長さが大き
い場合側々のノズルの横断面を種々異なるように設定す
ると有利であることが判った。また、短かな混合区間の
場合は各ノズルを同じ出口横断面とする。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による圧力波過給器の平面図、第２図は
同じく側面図、第３図はロータおよびその両端に接する
ケーシング部分の展開図、第４図はウェイストゲート・
エジェクタの縦断面図、第５図は別のウェイストゲート
・エジェクタの縦断面図、第６図はさらに別のウェイス
トゲート・エジェクタの縦断面図である。 ■・・・ロータケーシング、２・・・ガスケーシング３
・・・エアケーシング、４・・・高圧ガス流入通路５・
・・セル、６・・・低圧ガス流出通路、７・・・低圧空
気流入通路、８・・・高圧空気流出通路、９・・・内燃
機関、ＩＯ・・・仕切り壁、１１・・・バイパス、１２
・・・排ガス放出弁、１３・・・導管、１４・・・圧力
ボックス、１５・・・ダイアフラム、１６．１７・・・
室１８・・・押しばね、１９．２０・・・ロード、２１
・・・ｌニア−１，２２・・・エキスパンション・ポケ
ット２３・・・ウェブ、２４・・・排ガス入口、２５・
・・排ガス出口、２６・・・空気入口、２７・・・再給
空気出口、２８・・・閉鎖エツジ、２９・・・境界面、
３０・・・閉鎖エツジ、３１・・・開放エツジ、３２・
・・速度分布、３３・・・ウェイストゲート・エジェク
タ、３４・・・集め室、３５・・・コン７ユーザ、３６
・・・混合区間、３７・・・デイフユーザ、３９・・・
フランジ平面、４０・・・流れ制限壁、４１．４２・・
・ノズルリング、４３・・・排気系、４４・・・ノズル
Ｆｉｇ、１ Ｆｉｇ、２

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、排気ガス放出弁を有する内燃機関に過給するための
   ガス動圧式の圧力波過給器であって、セルロータを有す
   るロータケーシング（１）と、エアケーシング（３）と
   、ガスケーシング（２）とを備え、セルロータ内におい
   て内燃機関（９）の排ガスが内燃機関によって要求され
   る燃焼用空気を圧縮し、エアケーシング（３）を通して
   大気圧の新気が吸い込まれてセルロータ内での圧縮後に
   過給空気として内燃機関へ供給され、ガスケーシング（
   ２）を介して内燃機関からの排ガスがセルロータ内へ導
   入されてセルロータ内での膨張後に排ガス出口（２５）
   を経て排気マニホルドへ導出され、ガスケーシング（２
   ）内において媒体によって制御されるフラップ（１２）
   を有する１つの排気バイパス（１１）が高圧ガス流入通
   路（４）を低圧ガス流出通路（６）に接続し、フラップ
   （１２）は過給器の過程圧の負荷を受ける１つの制御機
   構（１３〜２０）と作用結合する形式のものにおいて、
   前記低圧ガス流出通路（６）内に放出すべき排ガスのた
   めの１つのウェイストゲート・エジェクタ（３３、３３
   ′、３３″）が配置されていることを特徴とする、圧力
   波過給器。２、ウェイストゲート・エジェクタが閉鎖エ
   ッジ（３０）の範囲に位置している、請求項１に記載の
   圧力波過給器。 ３、ウェイストゲート・エジェクタがガスケーシング（
   ２）の一体構造部分から成る１つのリングノズルエジェ
   クタ（３３）である、請求項１又は２に記載の圧力波過
   給器。 ４、ウェイストゲート・エジェクタが１つのリングノズ
   ルエジェクタ（３３′）であり、このリングノズルエジ
   ェクタの内側ノズルリング（４１）がガスケーシング（
   ２）の構造部分であって、外側ノズルリング（４２）が
   フランジ結合された排気系（４３）の流入部分によって
   形成されている、請求項３に記載の圧力波過給器。 ５、ウェイストゲート・エジェクタが１つの多重ノズル
   エジェクタ（３３″）である、請求項１又は２に記載の
   圧力波過給器。 ６、ウェイストゲート・エジェクタ（３３、３３′、３
   ３″）とフラップ（１２）との間に集め室（３４、３４
   ′、３４″）が設けられている、請求項１から５までの
   いずれか１項に記載の圧力波過給器。