JPH09222019A - ターボ過給式の内燃機関のための排ガス導管機構 - Google Patents

ターボ過給式の内燃機関のための排ガス導管機構

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JPH09222019A
JPH09222019A JP8284364A JP28436496A JPH09222019A JP H09222019 A JPH09222019 A JP H09222019A JP 8284364 A JP8284364 A JP 8284364A JP 28436496 A JP28436496 A JP 28436496A JP H09222019 A JPH09222019 A JP H09222019A
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exhaust gas
conduit
internal combustion
combustion engine
shock wave
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JP8284364A
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Jozef Baets
バエツ ヨーゼフ
Ennio Codan
コーダン エンニオ
Christoph Mathey
マテイ クリストフ
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01N13/00—Exhaust or silencing apparatus characterised by constructional features
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ターボ過給式の内燃機関のための排ガス導管
機構の欠点を取り除き、ターボ過給式の内燃機関にとっ
て運転確実性及び安定性を高められた簡単な排ガス導管
機構を提供して、内燃機関の運転状態に応じて衝撃波過
給の利点もパルス変換法の利点も活用する。 【解決手段】 衝撃波導管６，７のための延長区分１
２，１３を形成して、排ガスタービン５から最も離れた
接続導管８，９の上流側に配置し、各衝撃波導管が対応
する延長区分に接続されており、延長区分間に結合導管
１４が形成されており、結合導管が横断面縮小部を有し
ている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ターボ過給式の内
燃機関のための排ガス導管機構であって、内燃機関の複
数のシリンダによって負荷可能でかつ排ガスターボ過給
機の排ガスタービンに接続された個別の少なくとも２つ
の衝撃波導管、シリンダとそれぞれの衝撃波導管とを接
続する複数の接続導管、及び衝撃波導管間に形成された
少なくとも１つの結合導管から成っている形式のものに
関する。
【０００２】
【従来の技術】過給式の内燃機関の排ガス導管機構は、
内燃機関からの排ガスをターボ過給機の排ガスタービン
に導いて、利用可能な排ガスエネルギをできるだけ良好
に活用するために用いられる。内燃機関を過給するため
の公知の方法は、等圧過給(Gleichdruckaufladung)、及
び衝撃波過給(Stossaufladung)、並びにパルス変換法(P
ulskonverter-Verfahren)である。
【０００３】等圧過給においては機関のすべてのシリン
ダの排ガスが共通の１つの排ガス導管内に導入され、次
いで排ガスタービンに供給される。使用可能な排ガスエ
ネルギは、機関の全負荷運転時に、即ち排ガスタービン
の大きな放圧状態で特に良好に活用される。これに対し
て、内燃機関が減少された荷重若しくは回転数で、即ち
部分負荷範囲で走行させられる場合には、定常運転時の
タービン出力並びに、タービンロータを加速するための
出力過剰は極めて小さい。
【０００４】衝撃波過給においては、１つ若しくは個別
の複数の排ガス導管が配置されており、排ガス導管にそ
れぞれ２つ若しくは複数のシリンダが接続される。この
ようなシリンダは互いに常に接続されており、シリンダ
の出口・開放時間は全く若しくはほとんど重なり合わな
い。シリンダ内の圧力エネルギは圧力波によって排ガス
タービンに伝達され、この場合、わずかな圧力損失しか
生じない。内燃機関の高い急激な負荷受容に際して、内
燃機関で多くの燃料量が燃焼されると直ちに、大きな割
合の圧力エネルギが圧力波によって実質的に遅れなしに
排ガスタービンに伝達される。さらに、圧力エネルギは
排ガス導管の狭いことのために排ガス導管入口に維持さ
れたままであり、従って特に部分負荷時に排ガスタービ
ンのためのエネルギ供給量が増大される。従って内燃機
関の衝撃波過給が、負荷変動の際のダイナミックな特性
若しくは良好な部分負荷特性を必要とする場合に常に有
利である。しかしながら、このような方法では全負荷に
おいて悪い結果が得られることになる。
【０００５】ドイツ連邦共和国特許出願公開第３９４０
９９２号明細書により、衝撃波過給の方法において全負
荷特性を改善する手段が公知である。このために、４サ
イクル・内燃機関の、排ガスタービンに通じる衝撃波導
管が互いに接続されている。結合導管内に閉鎖部材を配
置してあり、閉鎖部材が高い回転数のための開かれた位
置と低い回転数のための閉じられた位置との間で調節可
能である。これによって、排ガス導管機構が部分負荷時
に閉鎖部材を閉じて衝撃波運転で作動する。これに対し
て、閉鎖部材は全負荷時には開かれ、その結果、排ガス
導管機構の特性が等圧過給に変わる。
【０００６】しかしながらこのような手段においては欠
点として、結合導管、ひいては閉鎖部材が排ガスタービ
ンの直前に配置されている。熱負荷の高いこのような領
域に存在するすべての構成部分は著しく摩耗する。従っ
て、特に可動構成部分の安定性が比較的に小さく、従っ
て閉鎖部材がしばしば交換されねばならない。交換がタ
イミングよく行われない場合には、排ガス導管機構がも
はや内燃機関の運転状態に最適に適合させられない。従
って、過給量が減少され、かつ内燃機関が必要な出力を
達成できない。さらに、閉鎖部材と排ガスタービンとの
空間的な近さに基づき、閉鎖部材の一部分がはずれて、
排ガス過給機内に達して排ガスタービンを損傷させてし
てしまうおそれもある。
【０００７】パルス変換器を使用の場合には、２つの若
しくは複数の排ガス導管が排ガスタービンの前でエジェ
クター状にまとめられている。この場合、排ガス導管の
ノズル状の狭まりに基づき、流れが加速され、隣接の導
管内へのそれぞれの圧力波の伝達が阻止される。従っ
て、シリンダも互いに不都合な影響を及ぼすことなし
に、重なり合う出口・開放時間で互いに接続される。こ
れによって、パルス変換器の使用に基づき圧力波過給が
内燃機関の全負荷時にも効果的に行われるものの、部分
負荷特性は等圧過給の特性に近くなる。
【０００８】ドイツ連邦共和国特許Ｃ２-３２００５２
１号明細書により公知の手段においては、衝撃波過給か
らパルス変換法に切り換えることを可能にするようにな
っている。このために、まず並列に延びる両方の排ガス
導管が共通の１つの導管部分に収斂している。この導管
部分内に中間壁が回転可能に配置されている。中間壁が
閉じられると、衝撃波過給が実施される。中間壁を開い
た状態では、内燃機関の過給がパルス変換法で行われ
る。
【０００９】このような手段の欠点は、排ガス導管の、
パルス変換法で必要な縮小部が衝撃波運転に際しても排
ガスの主流内に存在していることである。従って、主流
が絞られ、エネルギ損失が生じる。さらに既に述べた摩
耗の問題が両方の排ガス導管の中間壁にもある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、排ガ
ス導管機構の前述の欠点を取り除き、ターボ過給式の内
燃機関にとって運転確実性及び安定性を高められた簡単
な排ガス導管機構を提供して、内燃機関の運転状態に応
じて衝撃波過給の利点もパルス変換法の利点も活用する
ことである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】前記課題は、冒頭に述べ
た形式の排ガス導管機構において、本発明に基づき衝撃
波導管のための延長区分が形成されていて、かつ排ガス
タービンから最も離れた接続導管の上流側に配置されて
おり、各衝撃波導管が対応する延長区分に接続されてお
り、延長区分間に結合導管が形成されており、結合導管
が有利にはオリフィスとして構成された横断面縮小部を
有している。
【００１２】排ガス導管機構の運転に際して、排ガスの
質量流がエネルギ損失なしに内燃機関のシリンダから衝
撃波導管を介して直接に排ガスタービン内に達する。結
合導管が排ガスタービンから比較的遠くに離して配置さ
れているので、結合導管を介して衝撃波導管間の圧力補
償のみが行われる。結合導管内の横断面縮小部のため
に、シリンダの各圧力衝撃に際して排ガスのわずかな部
分しか隣接の衝撃波導管内に導入されず、従って、そこ
に接続されたシリンダが妨害されることはない。圧力補
償は、１つ若しくは複数のシリンダからちょうど負荷さ
れる衝撃波導管内の圧力を減少させ、別の圧力波導管内
の圧力を高めるように生じる。これによって、衝撃波導
管内の圧力変動が減少され、その結果、タービン効率が
改善される。このようにして、衝撃波過給によっても全
負荷時の良好な結果が達成される。運動可能な構成部材
を用いないので、排ガス導管機構の構造が簡単でかつ耐
用年数が高められる。
【００１３】特に有利には、延長区分から結合導管への
移行部に横断面付加部が形成されており、結合導管が付
加的な容積を有している。このような容量によって、減
衰が生じ、ひいては圧力波の作用の継続が行われ、即ち
圧力波が１つの衝撃波導管から別の衝撃波導管に達する
まで長く作用する。このようにして、圧力変動がさらに
減少され、全負荷時の特性が改善される。
【００１４】有利には、内燃機関の高い回転数のための
開かれた位置と低い回転数のための閉じられた位置との
間で調節可能な閉鎖部材が、結合導管の横断面縮小部に
配置されている。これによって、部分負荷時に閉鎖部材
を閉じた状態で純粋に衝撃波過給が達成される。これに
対して、閉鎖部材は全負荷時には開かれ、その結果、パ
ルス変換・過給が行われる。この場合、閉鎖部材は内燃
機関の接続導管の上流側に配置されている。排ガス導管
機構の、ガスタービンとは逆の側の領域には、接続導管
の開口と排ガスタービンとの間の領域よりも明らかに小
さい熱負荷しか作用しない。従って、閉鎖部材は極めて
長い寿命を有する。閉鎖部材が破損された場合でも、閉
鎖部材の構成部分が排ガスタービンを破壊させるような
ことはなく、それというのは閉鎖部材は遠く離れて配置
してあるからである。さらに、結合導管の横断面縮小部
によって既に、内燃機関の全負荷時の効果的な運転が保
証されており、排ガス導管機構が閉鎖部材の故障の場合
にも引き続き運転され得る。
【００１５】
【発明の実施の形態】図面には本発明の理解にとって重
要な部分のみが示してある。作業媒体の流動方向が矢印
で示してある。
【００１６】図１は、４サイクル機関として構成された
内燃機関の４つのシリンダ１，２，３，４を示してお
り、シリンダは排ガス導管機構(Abgasleitungssystem)
を介して排ガスターボ過給機の排ガスタービン５と協働
するようになっている。排ガス導管機構は２つの衝撃波
導管(Stossleitung)６，７を有しており、衝撃波導管は
それぞれ２つの接続導管８；９を介して対応するシリン
ダ１，２；３，４に接続されている。
【００１７】衝撃波導管６，７は下流側でそれぞれ排ガ
スタービン５の個別のガス入口１０，１１に接続してい
る。各衝撃波導管６，７に対して延長区分１２，１３が
形成されていて、排ガスタービン５から最も離れた接続
導管８，９の上流側に配置されている。衝撃波導管６が
延長区分１２に接続され、かつ衝撃波導管７が延長区分
１３に接続されている。両方の延長区分１２，１３間に
は結合導管１４が形成されている。
【００１８】第１の実施例（図２）においては、結合導
管１４内にオリフィス(Blende)１５として構成された横
断面縮小部が設けられている。今、例えばシリンダ１若
しくは２から排ガスが第１の衝撃波導管６内に導入され
ると、排ガスの大部分は排ガスタービン５のガス入口１
０に導かれる。排ガスの残りのわずかな部分は延長区分
１２、結合導管１４、及び結合導管内に設けられたオリ
フィス１５を介して延長区分１３内に、次いで第２の衝
撃波導管７内に達する。これによって、圧力が第１の衝
撃波導管６内で減少せしめられ、かつ第２の衝撃波導管
７内で増大せしめられ、即ち、ある程度の圧力補償が行
われる。次に、シリンダ３若しくは４から排ガスが第２
の衝撃波導管７内に導入される場合、該衝撃波導管は空
ではなく、それというのは既に第１の衝撃波導管６から
の圧力が存在しているからである。従って、比較的に急
速な圧力形成が行われ、この場合、排ガスの一部分は結
合導管１４を介して第１の衝撃波導管６内に達する。こ
れによって、両方の衝撃波導管６，７間の圧力差が減少
され、その結果、圧力変動が小さくなる。排ガスタービ
ン５の一様な圧力負荷によって排ガスタービンの効率が
高められ、これによって内燃機関の全負荷時の過給が改
善される。適切に構成されたオリフィス１５を用いて、
排ガス導管機構が部分負荷に、若しくは全負荷に適合さ
せられるように構成されてよい。
【００１９】第２の実施例（図３）においては、延長区
分１２，１３から結合導管１４への移行部に横断面付加
部(Querschnittsprung)１６が形成されており、結合導
管１４が付加的な容積１７を有している。このように大
きな容量に基づき、排ガスの圧力波(Druckwelle)が減衰
され、即ち長く作用する。このために排ガスの、結合導
管１４を介して第１の衝撃波導管６から第２の衝撃波導
管７へ、又は逆に第２の衝撃波導管から第１の衝撃波導
管へ達する部分は、長い時間を必要とする。これによっ
て、両方の衝撃波導管６，７間の圧力変動が減少せしめ
られ、かつ排ガスタービン５の効率がさらに高められ
る。
【００２０】図４は第３の実施例を示しており、この場
合、オリフィス１５内にフラップとして形成された公知
の閉鎖部材１８が配置されている。閉鎖部材１８は全負
荷時の開かれた位置と部分負荷時の閉じられた位置との
間で切り換えられる。このために、閉鎖部材は制御機構
（図示せず）に接続されており、制御機構は過給圧力、
機関負荷、及び／又は機関回転数に関連している。この
ような配置に基づき、排ガス導管機構は機関の運転状態
に応じて衝撃波プロセスからパルス変換プロセスに切り
換えられる。
【００２１】第４の実施例（図５）の場合には、オリフ
ィス１５が同じく閉鎖部材１８を備えており、結合導管
１４が同じく付加的な容積１７を有している。従って、
排ガス導管機構のこれまで述べたすべての利点が互いに
結びつけられ、その結果、このような手段は機関の運転
状態に関連した最も大きなバリエーション(Variabi-lit
aet)を可能にする。
【００２２】もちろん、４サイクル機関だけではなく、
特に小型の２サイクル機関も本発明に基づく排ガス導管
機構に接続され得る。本発明は４つのシリンダを備えた
機関、若しくはもっぱら２つの衝撃波導管６，７及び１
つの結合導管１４を備えた構成に限定されるものではな
い。
【図面の簡単な説明】
【図１】排ガス導管機構の第１の実施例の概略図
【図２】図１の排ガス導管機構の結合導管部分の拡大図
【図３】第２の実施例の結合導管部分の拡大図
【図４】第３の実施例の結合導管部分の拡大図
【図５】第４の実施例の結合導管部分の拡大図
【符号の説明】
１，２，３，４ シリンダ、 ５ 排ガスタービン、
６，７ 衝撃波導管、 ８，９ 接続導管、
１０，１１ ガス入口、 １２，１３ 延長区分、
１４ 結合導管、 １５ オリフィス（横断面縮小
部）、 １６横断面付加部、 １７ 容積、 １
８ 閉鎖部材

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ターボ過給式の内燃機関のための排ガス
    導管機構であって、 ａ）内燃機関の複数のシリンダ（１，２，３，４）によ
    って負荷可能でかつ排ガスターボ過給機の排ガスタービ
    ン（５）に接続された個別の少なくとも２つの衝撃波導
    管（６，７）、 ｂ）シリンダ（１，２，３，４）とそれぞれの衝撃波導
    管（６，７）とを接続する複数の接続導管（８，９）、
    及び ｃ）衝撃波導管（６，７）間に形成された少なくとも１
    つの結合導管（１４）から成っている形式のものにおい
    て、 ｄ）衝撃波導管（６，７）のための延長区分（１２，１
    ３）が形成されていて、かつ排ガスタービン（５）から
    最も離れた接続導管（８，９）の上流側に配置されてお
    り、 ｅ）各衝撃波導管（６，７）が対応する延長区分（１
    ２，１３）に接続されており、 ｆ）延長区分（１２，１３）間に結合導管（１４）が形
    成されており、 ｇ）結合導管（１４）が横断面縮小部（１５）を有して
    いることを特徴とする、ターボ過給式の内燃機関のため
    の排ガス導管機構。
  2. 【請求項２】 延長区分（１２，１３）から結合導管
    （１４）への移行部に横断面付加部（１６）が形成され
    ており、結合導管（１４）が付加的な容積（１７）を有
    している請求項１記載の排ガス導管機構。
  3. 【請求項３】 結合導管（１４）の横断面縮小部（１
    ５）内に、内燃機関の高い回転数のための開かれた位置
    と低い回転数のための閉じられた位置との間で切り換え
    可能な閉鎖部材（１８）が配置されている請求項１又は
    ２記載の排ガス導管機構。
  4. 【請求項４】 横断面縮小部（１５）としてオリフィス
    が形成されている請求項１から３のいずれか１項記載の
    排ガス導管機構。
JP8284364A 1995-10-25 1996-10-25 ターボ過給式の内燃機関のための排ガス導管機構 Pending JPH09222019A (ja)

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DE19539572.7 1995-10-25
DE19539572A DE19539572A1 (de) 1995-10-25 1995-10-25 Abgasleitungssystem für eine turboaufgeladene Viertakt-Brennkraftmaschine

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JP8284364A Pending JPH09222019A (ja) 1995-10-25 1996-10-25 ターボ過給式の内燃機関のための排ガス導管機構

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US (1) US5713200A (ja)
EP (1) EP0770769B1 (ja)
JP (1) JPH09222019A (ja)
KR (1) KR100458348B1 (ja)
CN (1) CN1152666A (ja)
AT (1) ATE173053T1 (ja)
CZ (1) CZ290779B6 (ja)
DE (2) DE19539572A1 (ja)
DK (1) DK0770769T3 (ja)
ES (1) ES2126996T3 (ja)
NO (1) NO311104B1 (ja)
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