JPH0581732B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

（産業上の利用分野） 本発明は内燃機関に使用されるターボ過給機の
駆動方法とそれを実施するための装置に関するも
のである。 （従来の技術） 排気エネルギを利用して排気タービンを回し、
それによつて過給機を駆動し、吸気を予圧するシ
ステム並びに装置は周知であり、特に近年に到つ
て自動車のエネルギに装着される例が多くなつ
た。 この従来のターボ過給機は、通常、遠心型ター
ビンを１段だけ使用し、エンジンの燃焼室から排
出された排気の一部又は全部を排気タービンに通
して、その運動エネルギを回転運動に変え、過給
タービンの動力を得るものである。過給タービン
は吸気を予圧し、気化燃料と共に燃焼室へ密度を
高めて充填する。 （技術的課題） ところが上記した従来の方式では、 (1) ターボ効果が現われるまでのタイムラグがあ
ること、 (2) ターボ効果により出力に急激な変化が生じる
こと、 (3) ブースト圧力又はエンジン回転数の頭打ち現
象が早く現われること、 (4) エンジンのオーバーヒート率が高いこと、 (5) 燃料消費率が悪化し易いこと、 等の問題が発生する。これらについて検討したと
ころ、タイムラグの問題は、操作当初低速回転で
あるため排気ガス圧力（背圧）が不十分であるこ
とと、排気タービンの起動トルクによると考えら
れる。出力の急激な変化は、背圧が急上昇するこ
とと、回転の慣性によるものと考えられる。 (3)）の頭打ち現象は、排気タービンが排気エネ
ルギを十分吸収しきれなくなることによつて生
じ、これにはタービン羽根に対する速度分布の不
均一やサージング、タービン通過後の排気ガスの
排出効率が悪いことなどが影響していると考えら
れる。ガス排出効率は、長大な排気系のダクトや
触媒、消音装置等によつて著しく低下させられて
いる。また高温排気ガスによる空気密度の低下に
よつて、特にガソリン機関の場合平均有効圧
（Pm）の低下が強く影響し、ブースト効果の一
部が減殺されることになる。この空気密度の低下
に対処するため吸気冷却が必要となる。オーバー
ヒートは、エンジン全体が常時過熱傾向にあると
きに発生し易くなり、排気ガスの環流熱や低い排
出効率による滞熱が影響すると考えられる。なお
燃料消費率は、ターボ効果を引き出すため過度に
操作を繰返す結果、特に悪化すると考えられる。 このように検討した結果、発明者は過給機を排
気エネルギで駆動する利点は十分認めながらも、
燃焼室を出た排気ガス流の運動エネルギのみによ
つて駆動する方式に問題があるのではないかとい
う結論に達した。その理由は一つには、音速を超
すほどの高速の排気エネルギがそのまま利用でき
るなら問題はないけれども、実際には後方に多大
な負荷抵抗を抱えているため十分にエネルギを利
用できないことにあると考えられるからである。
故に触媒、消音器その他の抵抗がないのと同等の
排出効率が得られればこの問題は解決されるであ
ろうとの見通しが得られた。また排出効率が向上
できれば熱の滞留の問題も軽減されるから、熱の
問題の解決にも寄与し得ることになる。 本発明は前記の知見に基づいて研究開発を行な
つた結果なされたもので、その目的は負荷抵抗を
殆んど受けていない排気ガス流によつて排気ター
ビンを正圧駆動すると同時に、該タービンを通過
した排気ガス流をより低圧の吸引気流によつて負
圧駆動するようにして、排気ガスの排出効率を著
しく高めることができるターボ過給機の駆動方法
及び駆動装置を提供することにある。 このため過給機付近では、排気系に負荷抵抗が
ないのと同等若しくはそれ以上の排出効率が得ら
れるようにすることが目標となる。 （技術的手段） 前記目的を達成するため本発明は、排気エネル
ギによつて排気タービンを駆動し、該タービンに
より過給タービンを作動させ、吸気を予圧するタ
ーボ過給機に於て、排気タービンのタービン入口
に排気ガス流を通して排気タービンを正圧により
駆動し、かつまた排気タービンを設けた長い排気
系管より大気放出される直前にて排気ガス流を加
速し、それによつて発生させた高度の負圧を動力
とした吸引気流により排気タービンを通過した排
気ガス流を吸引することによつて、排気タービン
を同時に負圧により駆動するという手段を講じた
ものである。 前記の吸引気流は、排気ガス流を加速し、それ
によつて発生させた負圧を動力として形成するの
で機関出力を減殺する率が極小で済む。 また前記の方法は、内燃機関の燃焼室から高速
で排出される排気ガス流が導入されるタービン入
口を有し、該入口から流入した排気ガス流によつ
て正圧駆動される排気タービン並びに該タービン
によつて作動する過給タービンより成るターボ過
給機と、排気タービンを通過した排気ガス流が導
出されるタービン出口に接続され、排気ガス流を
大気放出するまでの間に排気ガス流に通気抵抗を
及ぼしかつマフラーその他の負荷抵抗を途中に有
する長大な排気系管と、大気放出される直前に於
る排気系管に設けられ、排気ガス流を加速して再
び高速気流とし強力な負圧を形成する負圧発生装
置と、該負圧発生装置で形成された負圧により、
排気タービンを負圧駆動するため、該装置とター
ビン出口側を連通した吸引路とを備えたターボ過
給機の駆動装置によつて実施することが望まし
い。 本発明の方法及び装置によれば、ターボ過給機
を通過する排気が受ける抵抗は極限まで低下し、
回転数も飛躍的に高まるので過給タービンを通る
取入空気の流速も著しく高速化する。その結果、
過給タービンの熱も高速で運び去られるから過給
機温度が過熱される虞れがなくなり、吸気温度も
相対的に低下するので、空気密度が上昇し、この
面からも充填効率を高める手段になつている。 （実施例） 本発明の全体像を概念的に示すと第１図のよう
になる。ターボ過給機６は排気タービン６１と過
給タービン６２が軸で結合された通常のタイプと
してあらわされており、エンジン排気によつて正
圧駆動され、かつ同時に、排気ガス流の加速で形
成された吸引気流によつて負圧駆動される。 図に於て１はガソリンエンジン、２は排気系
管、３は排気ガス浄化のための触媒装置、４は排
気マフラ、５は負圧発生装置、６はターボ過給機
で、燃焼室直後の排気系管２に配置されたタービ
ン入口７から排気タービン直後のタービン出口８
へ排気ガス流が流れる。９は排気タービン６１を
通過した排気ガス流を吸引する吸引手段で、ター
ビン出口８の下流の排気系管２に設けられてお
り、該吸引手段９は前記負圧発生装置５と吸引管
１０を通じて結ばれている。排気系管２と触媒装
置３及びマフラ４が主な負荷抵抗をなしている。 例示の負圧発生装置５は排気ガス流を大気放出
の直前で再加速し、それによる形成された負圧を
吸引エネルギとして利用するものである。マフラ
４は排気系管２との接続口１１を前部に開口し、
テーパ部１２で小径化された主流路１３を中心に
設け、多数の通気孔１４を周面に開口した中心筒
１５の外周に２重のバイパス流路１６，１７を形
成し、最外部をカバー１８で覆つて形成されてお
り、排気ガス流は消音作用を受けて主流路出口１
９、バイパス路出口２０より負圧発生装置５に到
る。 負圧発生装置５は負荷抵抗の最下流に配置され
ており、これはテーパ管部２１と第１、第２の加
速部２２，２３により排気ガス流をさらに多段加
速し強力な負圧を形成するもので、その負圧によ
り両加速部２２，２３の直後に設けた第１、第２
空気導入口２４，２５に通じる吸引室２６を負圧
にし、これを囲むケーシング２７に接続した吸引
管１０を介して空気流を吸引する構成を有してい
る。加速部は単段でも良く、また３段以上設けて
も良い。 前記第１加速部２２の容積V₁はテーパ管部２
１で排気流速を最小に絞り第１次加速流を得るた
めに必要な容積に設定される。尚実施例の第２加
速部２３の容積はV₂＝AV₁（Ａ＝２）となるよう
な関係で増積されている。勿論この係数Ａは別の
任意な数値をとることができる。テイルチユーブ
２８の内径は第２加速部２３の内径以上が良く、
また第１、第２の各空気導入口２４，２５につい
ては前進角θをつけるのが良く、この角度θは０
より大で90度未満、望ましくは10〜45度の範囲が
良い。 このような負圧発生装置５で形成された高度の
負圧により排気タービン６１の出口８側から排気
ガス流を吸引するのであるが、出口８に於て予め
排気ガス流を加速するため該部分に吸引手段９が
設けられる。該吸引手段９は第３図に示すよう
に、排気タービン出口８に接続された膨張管３１
と、その内径を再び縮小した絞り管３２と、該管
３２のテーパ絞り部３３に開口した吸引口３４
と、吸引口３４を含んだ絞り管外周を覆う吸引室
３５を形成した吸引室部材３６及び排気系管２と
の接続手段３７とから成り、タービン排気流を外
側から吸引するように構成されている。前述の吸
引路１０は吸引室部材３６に接続される。３８は
その接続口を示す。吸引口３４を排気ガス流の流
断面の外側に設けたのは、排気タービン６１から
排出される排気ガス流の管壁に沿う流れを効果的
に吸引排出させるためである。 また第１図の例に於て、４０は過給タービン６
２に吸引される空気の取入管、４１はそこに設け
られたエアクリーナ、４２は同タービン６２から
吸気口へ吸気を圧送する吸気管、４３は吸気管４
２に設けられたインタクーラで、取入れ空気は図
外の燃料供給手段例えば燃料噴射装置や気化器な
どにより混合気として燃焼室４４₁，４４₂，４４
_３，４４₄…へ充填される。 第５図は第２の実施例を示しており、これは例
示された４気筒エンジン１の排気管４５₁，４５
_２，４５₃，４５₄を２本ずつ２群に分けて夫々集
合し、各群により２基のターボ過給機６Ａ，６Ｂ
を駆動するようにしたものである。このため排気
系も２系統の管２Ａ，２Ｂに分れており、従つて
第１、第２燃焼室４４₁，４４₂から排出された排
気ガスは上記第１、第２排気管４５₁，４５₂より
第１ターボ過給機６Ａを駆動後、第１排気系管２
Ａを経て第１負圧発生装置５Ａで加速されて大気
放出され、第３、第４燃焼室４４₃，４４₄から排
出された排気ガスは第３、第４排気管４５₃，４
５₄より第２ターボ過給機６Ｂを駆動後、第２排
気系管２Ｂを経て第２負圧発生装置５Ｂで加速さ
れて大気放出される。 第１ターボ過給機６Ａのタービン出口８Ａの直
後、また第２ターボ過給機６Ｂのタービン出口８
Ｂの直後に第１、第２の吸引手段９Ａ，９Ｂが配
置されているのは第１実施例の場合と同様である
が、各吸引手段９Ａ，９Ｂを駆動する負圧は互い
に相手側の負圧発生装置５Ｂ，５Ａによつてお
り、このため吸引路１０Ａ，１０Ｂを交差させて
いる。仮に、第１、第２燃焼室４４₁，４４₂によ
る排気エネルギと、第３、第４燃焼室４４₃，４
４₄による排気エネルギに差があり、前者が後者
より大であるとすると、第２ターボ過給機６Ｂを
駆動する正圧は第１ターボ過給機６Ａに対するそ
れより小となる筈であるが、第１負圧発生装置５
Ａで生じる負圧は大となるので第２ターボ過給機
６Ｂはその分大きな負圧で駆動されることにな
る。 第２実施例のようにすると、各系統で発生する
正圧、負圧に差があつても相互補完的な作用によ
りターボ過給機の出力を平均化することができ
る。なお、排気管４４の集合の仕方は上記の例に
限られず、第１燃焼室４４₁と第４燃焼室４４₄、
第２燃焼室４４₂と第３燃焼室４４₃のように適当
とする組合せを行なうことができ、例えば点火順
序との兼ね合い等を考慮して設定される。各ター
ボ過給機の過給タービン６２へ通じる空気取入管
４０は１個のエアクリーナ４１に、また過給ター
ビン出口から燃焼室へ通じる吸気管４２は１個の
インタークーラ４３を通るようにまとめられてい
る。しかし、これを２系統に分けて良いのは勿論
である。 この排気ガス浄化の見地から、第１図、第５図
の実施例の装置では吸引管１０，１０Ａ，１０Ｂ
に触媒３′を設けることができる。複数気筒から
なるエンジンに複数の排気系を設け、夫々にター
ボ過給機を取付けてそれらを正圧、負圧で同時駆
動する場合、必らず第５図のように交差的に吸引
作用させなければならないものではなく、各系統
で独立作用させる構成も当然採ることができる。
また燃焼室から排出された排気ガスはその全部を
排気タービン６１へ導入しても良いし、一部だけ
を利用するようにしても良く、或いは全部、一部
の切替式とすることもできる。 上述したターボ過給機の駆動装置を参照して、
本発明方法を整理すると、本発明に於て排気ガス
は次のように流れ或いは作用することが分る。

【表】 （作用） 以上の構成に於て、既に明らかとなつているよ
うに本発明ではターボ過給機６は、排気ガス流の
所謂押し込みにより正圧で駆動され、これと同時
に負圧によつて吸引される。従つて排気タービン
６１は正圧駆動する排気ガスは常に同時に吸引も
されるので、排気系管の排出効率は比類なき段階
まで高められており、負圧発生装置５で形成され
た強力な負圧により排気タービン６１内の排気ガ
ス流を積極的に出口方向へ吸引する作用が得られ
る。その結果本発明では排気タービン６１に対し
て、押し込むのと引き出すのと両方向の駆動力が
働くので、従来の単なる押し込み式と比較して回
転数の限界が著しく高められる。 しかも正圧、負圧が１個のタービン６１に対し
て同時作用するので起動特性も改善され、立上り
曲線もより直線的関係に近くなる。 このような排気タービン６１の作動は過給ター
ビン６２の回転特性及びそれによる作用にそのま
ま反映する。つまり、吸気圧力は直線的に高めら
れるから充填効率も目立つて改善される。 高い充填効率で燃焼が進めば排気ガス温度も高
まると思われ勝ちであるが、しかし前述のよう
に、排気ガス流は流速が早められ、取入空気流も
高速化し、背圧の著しい低下により熱が高速で運
び去られるので熱の滞留も起りにくく、エンジン
周辺の温度が顕著に上昇するという結果にはなら
ない。 （効果） 従つて本発明によれば、 (1) ターボ効果が現われるタイムラグが非常に短
くなり、 (2) ターボ効果による出力上昇は非常に顕著であ
るが、操作量と直線的に比例するので、むしろ
コントローラブルである、 (3) ブースト圧力限界点が高くなり、エンジン回
転数の伸び悩みが解消される、 (4) 背圧が低下し、燃焼室から排出される排気ガ
ス流の流速が早まり、燃焼室の掃気がより完全
になるので燃焼室周囲に熱溜りが出来にくく、
その分だけオーバーヒートのおそれが低下す
る、 (5) タイムラグに基づく不必要な操作が減る分だ
け燃料消費率も改善される、 等の効果が期待できる。 以上のように本発明はターボ過給機の性能を非
常に高度に引き出すものであるから、例えば４サ
イクルカソリンエンジンの場合排気量1600c.c.で
200馬力程度の出力は容易に達成することができ
る。故に従来型と比較すれば同一排気量なら飛躍
的な出力向上が図られ、逆に同じ出力を得るのな
らば排気量は半分又はそれ以下で済むから、エン
ジン等の小型化に寄与し、有害排出物の低減、資
源の節約にも資する特徴がある。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を示すもので、第１図は
駆動装置の第１実施例の全体模式図、第２図は負
圧発生装置の一部断面側面図、第３図は吸引手段
の縦断面図、第４図は横断面図、第５図は駆動装
置の第２実施例の全体模式図である。 １…エンジン、２…排気系管、５…負圧発生装
置、６…ターボ過給機、９…吸引手段、１０…吸
引路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 排気エネルギによつて排気タービンを駆動
   し、該タービンにより過給タービンを作動させ、
   吸気を予圧するターボ過給機に於て、排気タービ
   ンのタービン入口に排気ガス流を通して排気ター
   ビンを正圧により駆動し、かつまた排気タービン
   を設けた長い排気系管より大気放出される直前に
   て排気ガス流を加速し、それによつて発生させた
   高度の負圧を動力とした吸引気流により排気ター
   ビンを通過した排気ガス流を吸引することによつ
   て、排気タービンを同時に負圧により駆動する過
   程を含むことを特徴とするターボ過給機の駆動方
   法。 ２ 吸引気流により排気ガス流を吸引し排気ター
   ビンを負圧駆動する前に、当該吸引気流を加速す
   る構成を有する請求項第１項記載のターボ過給機
   の駆動方法。 ３ 吸引気流により排気ガス流を吸引する方法と
   して、排気ガス流の流断面の外側から排気ガス流
   を吸引するようにした請求項第２項記載のターボ
   過給機の駆動方法。 ４ 内燃機関の燃焼室から高速で排出される排気
   ガス流が導入されるタービン入口を有し、該入口
   から流入した排気ガス流によつて正圧駆動される
   排気タービン並びに該タービンによつて作動する
   過給タービンより成るターボ過給機と、排気ター
   ビンを通過した排気ガス流が導出されるタービン
   出口に接続され、排気ガス流を大気放出するまで
   の間に排気ガス流に通気抵抗を及ぼしかつマフラ
   ーその他の負荷抵抗を途中に有する長大な排気系
   管と、大気放出される直前に於る排気系管に設け
   られ、排気ガス流を加速して再び高速気流とし強
   力な負圧を形成する負圧発生装置と、該負圧発生
   装置で形成された負圧により、排気タービンを負
   圧駆動するため、該装置とタービン出口側を連通
   した吸引路とを備えたターボ過給機の駆動装置。 ５ 排気タービンのタービン出口又はその下流で
   負圧発生装置よりは上流の範囲に設けられた、吸
   引手段を備え、該手段と負圧発生装置との間が吸
   引路で連通されている請求項第４項記載のターボ
   過給機の駆動装置。 ６ 内燃機関は複数の燃焼室からの排気ガスを大
   気放出する少なくとも２系統の排気系管を備え、
   その夫々の排気系管に通じた２以上の排気タービ
   ンが設けられている請求項第４項記載のターボ過
   給機の駆動装置。 ７ 複数の排気系管は、夫々負圧発生装置とター
   ボ過給機とを備えており、両者を連通する吸引路
   が互いに異なる系統の負圧発生装置とターボ過給
   機とを連通するように配管されている請求項第６
   項記載のターボ過給機の駆動装置。