JPS5874814A - 過給ピストン原動機の動作を改良するための方法と装置 - 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】 本発明は、排気ガスによるターボコンプレッサの特性に
対して配分を良好にすることにより、過給ピストン原動
機の動作を改良するための装置と方法に関する。

本改良技術は、特に、自動車用熱機関に関するが、それ
に限定されるものではない。

過給の利点については証明する必要はないと思われる。

自動車業界に於いて、ターボコンプレッサの研究開発が
多（なされていること、及び特定の自動車に搭載されは
じめていることを挙げれば十分理解されよう。更に亦、
本技術は、圧縮点火機関及び駆動点火熱機関にも関する
。

過給には、原動機が超えてはならない応力水準に対応す
る限界があることは言うまでもない。

本発明は１．過給の実際的限界を残し、かつ既存の材料
を使用しつつ、下記の目的を有する。

０　圧縮点火機関に於いて、低定格に於ける空気／燃料
の比率の改良及び高定格に対する該比率１　　の限定。

・　低定格トルクの増大。これは特に、車輌用原動機の
場合に好ましい。

・　最大トルクの定格の低下。

Ｏターボ装置の一般的特性に対して原動機の通気性を相
対的に良好な状態に適合せしめてコンプレッサの作動領
域を低減すること。

Ｏ駆動点火機関に於いて、再循環弁若しくは排出弁の使
用の必要性の排除。

原動機の通気性、すなわち供給は、（１）吸いこみ空気
の比出力と、（２）吸気マニフォルドに於ける密度と、
総排気量と、回転定格の積、との商であることは周知で
ある。

本発明は、排気ガスによるターボコンプレッサ、少くと
も１個により過給されるピストン熱機関に関するもので
、その配分はシリンダ１個に対して少くとも１個の吸気
弁によりなされる。本システムの特徴は、この弁は機械
的閉鎖（弁が弁座に載置している状態の時に生じるンが
行われる瞬間とは異なる瞬間に、空気圧的閉鎖、すなわ
ち吸いこみ空気の流れの遮断を行うための専用の手段を
ｊしていることにある。

この空気圧的閉鎖は、吸気閉鎖リード（ＡＦＡ）でもっ
て、すなわちピストンの下死点の削に行われるものであ
る。

更に本発明の特徴は、吸気弁の空気圧的閉鎖は、クラン
ク軸の回転角で計算して、０°〜６０°の範囲のＡＮＡ
でもって行われることにある。

更に本発明の特徴は、原動機の定格が何であれ、ターボ
コンプレッサを相対的に良好な出力領域にて作動せしめ
つるように適合性を選択することにある。

その結果、特に低定格の場合、シリンダ内に入る空気の
量を増大するというぐとになる。

本発明の手段を実施する装置は、過給圧力を増大するた
め、従来の適合の場合よりも通気性の小さな吸気渦巻を
有するタービンを具備するターボコンプレッサを選択し
、かつ、吸気弁が弁座載置位置、すなわち機械的開口位
置から成る距離を移動した時にのみ吸気導管が開口する
（空気的に開口する）よう゛に吸気弁を装着することを
特徴としている。

更に本発明の特徴は、遮へい部材付き弁、すなわち弁座
付近の吸気フードの孔内を摺動するようζこ構成された
円筒状部分を、自身の頭部と細部の間に有する弁を使用
していることにある。

更に本発明の特徴は、深い弁座を有する弁、すなわち、
弁の頭部が摺動する孔の後部に弁座を配置した弁を使用
していることにある。

更に本発明の特徴は、吸気弁の合計リフトｅ及び、空気
的閉鎖位置から機械的閉鎖位置までを弁が移動する行程
りの比率ｈ／ｌがＯ１１〜０．４の範囲内にあるという
ことにある。

更に本発明の特徴は、シリンダ１個につき少くとも２個
の吸気弁を有する原動機の場合、答弁を前記特徴に基づ
いて形成し、更に、それぞれに異なる特徴を与えること
により、シリンダ内に入る空気の出力曲線を調整しうる
ということにある。

次に、例示のために示した添附図面を参照に本発明の特
徴について更に詳細に説明を行う。

第１図は従来タイプの原動機１を示している。

そのシリンダは、吸気マニフォルド２により空気供給さ
れ、排気マニフォルド３に燃焼ガスを放出する。

従来周知の方法により、原動機１は過給ターボコンプレ
ッサ４を装備しており、該コンプレッサ４は排気ガス回
路に配設したランナ５を有するタービンと、吸いこみ空
気回路に配設したランナ６を有するコンプレッサとを有
している。

ここに選択したターボコンプレッサは、低定格の過給に
良好に適合したコンプレッサと、原動機１のような特性
を示す原動機に通常使用するターボコンプレッサと比較
して通気性の小さなタービンとから成っている。ターボ
コンプレッサのタービンの通気性は、排気ガスが該ター
ビンを貫通する容易度として定義される。相対的に小さ
な通気性を有するタービンを配備するため、例えば、吸
気渦巻７の断面が相対的に小さくなるようなタービンを
選択している（第２図］。ちなみに、７ａは同一タイプ
の原動機に対して通常使用されるターボコンプレッサの
タービンの渦巻の輪郭である。

本発明の別の特徴として、原動機の吸気弁が、上死点の
前後で吸気弁が空ネ圧式に開口しつると同時に、これら
吸気弁の閉鎖が早あ←れるように装着されているという
ことが挙げられる。

このために２つの可能性がある。

第１の可能性は第３〜５図に示すもので、遮へい部材付
き弁を使用することである。この場合、各吸気弁８は頭
部９と軸部１０との間に円筒状部分、すなわち遮へい部
材１１を有し、この痙へい部材１１は、吸気フード１４
の孔部１３内に於いて僅かな間隙１２でもって摺動する
傾向にある。孔部１３は吸気フード１４内の円錐台形状
の弁座１５に近接して形成されている。

そして、第２の可能性は第６〜８図に示すもので、弁座
が深く形成された通常タイプの弁１６を使用することで
ある。この場合、弁１６の各弁座１７は孔１８の後部に
形成され、該孔１８内に於いて、弁１６の頭部１９が最
少値の放射状間隙加でもって摺動するように構成されて
いる。

次に、この弁の動作について説明する。

遮へい部材１１付き弁８が機械的閉鎖位置にある時（第
３図］、その頭部９は弁座１５に当接す名。

そしてフード１４に加圧状態で充満する過給空気は原動
機のシリンダ２１内に入りこむことはできない。

吸入カム（図示せず］が弁８にあたりはじめると、弁８
は弁座１５から離間しはじめて矢印ηの方向に加速度動
作を行う。そのリフト速度は早（なるが、遮へい部材１
１が孔１３内に部分的に係合している限り、遮へい部材
１１は常に閉鎖状態を維持するよう作用し、フード１４
内の気体はシリンダ２１内に入りこむことはできない。

弁８は機械的にはすでに開口しているか、空気圧式には
未だ閉鎖状態にあるのである。

空気圧式開口は第４図に示す位置にきたとき、すなわち
遮へい部材１１の後縁部ｎが固定孔１３から離れた時に
生ずる。従って、この開口は、弁８が高速状態にあって
遮へい部材１１の高さｈに等しい距離をすでに移動した
時に生ずるものである。この瞬間からフード１４の加圧
空気がシリンダ２１内に入ることになる。

第５図に於いて、弁８は完全開口位置にある状態、すな
わち、弁８がリフト行程ｌを完全に移動した時の状態が
示されている。

本発明に於いて、ｈ／ｌの比率は、 ０．１　＜７　＜　０．４ と定められている。

次に、第６〜８図に示す別の実施例に於いて、弁Ｉ６は
遮へい部材を有さない通常タイプのものであるが、その
弁座１７は、深さｈの孔１８の後部のシリンダヘッド内
に形成されている。

機械的閉鎖位置は第６図に示され、この状態に於いて、
弁１６は弁座１７に載置されている。

そして、弁１６が少くともｈに等しい距離を移動しない
限り、すなわち、円筒状頭部１９の後縁部別が孔１８か
ら離れない限り、弁１６は空気圧的には閉鎖位置にある
。

第７図は、弁１６が高速状態にある時に生ずる空気圧的
開口位置を示している。弁１′６が全開位置になるのは
、弁１６がリフト行程ｌをすべて移動した時である。こ
の゛場合も、ｈ／ｌの比率は０．１〜０．４の範囲にあ
る。

第９図に於いて、曲線５は、第３〜８図に示す。

弁に於ける吸気弁のリフトを関数とする吸いこみ空気の
通路に供される断面積の変動を示している。　　　　′
該曲線あは、従来の方法で装着された弁に対する曲線部
を単純に移行させて得られたものである。

か（して、本発明に於いて、従来の曲線がから移行させ
た曲線５を定義しているので、通気性が小さくなるとと
もに開口時間が短かくなる。特に、吸気閉鎖が早められ
ることになり、この値はクランク軸に対する角度で計算
して００〜６０°の範囲である。

しかしながら、揖失を最少にするために、曲線部の点ｎ
に位置する吸気弁の実際の開口（空気的開口］の瞬間を
１中央寄り”にし、これにより吸気弁の開口を原動機の
上死点付近で生ぜしめるようにしている。実際のところ
、コンピュタ−でシミュレーションを行ってみたところ
、空気圧的開口の瞬間を極めて遅らせてそれが上死点の
後に生ずるようにすると、シリンダ内に“表示平均圧力
”として周知のパラメータに対して好ましくない効果を
もたらす吸い込みが生じることが判明している。これに
反し、吸気弁の空気的閉鎖を早めることはなんら支障が
なく、亦、シリンダー内の圧力は吸気弁が開口するまで
吸気導管１４内の圧力と実質的に同一である。カムの変
位量は、３〜４ｍｓ長さの円筒状部分を有する遮へい部
材付き弁の場合（第４図］、あるいは３〜４１１ｕ１１
長さの孔１８を有する深い弁座を有する弁の場合、クラ
ンク軸に対する角度で５°〜１５°の範囲である。

従って、吸気弁８、あるいは１６の空気圧的開口は早（
とも対応するピストンの上死点で生ずることになる。

第３〜８図について説明した実施例は、カムに特別形状
を施す必要性を排除するという利点と、弁は、弁かオリ
フィスから離れ、かつ移動を開始する瞬間にすでに成る
速度を得χいるので、吸気弁の開口及び閉鎖が極めてす
っきり行われるという利点を有している。

尚、このＶｔは下記の２つの条件を前提としている。

すなわち、 （１）直列原動機の小規模な改造を行う。

（２）通常の材質と両立する過給比率を設定する。

現実問題として、上述した配置は、従来の原動機に完全
に適用しつるものである。

実際上、問題は吸気時間を短縮することにある。

種々の解決方法が可能であるが、本発明に係る構成を実
施すれば原動機を大幅に改造することは避けられる。

本発明に係る装置を具備した原動機の動作を第１０図に
示している。尚、第１０図は横軸に気筒の行程容積とと
り、縦軸にシリンダ内の圧力をとっている。原動機の各
時間と曲線の部分との対応は次の通りである。

部分あは吸気に対応している。

′部分器は圧縮に対応している。

部分（９）は燃焼に対応している。

部分３１は排気に対応している。

比較のため、同じ原動機であるが本発明の装置を具備し
ないものについても同様の曲線を得た。

この場合の対応は以下の通りである。

すなわち、部分３２は排気に対応し、部分３３は吸気に
対応している。

本発明に基づく場合、吸気弁が閉鎖している間の圧縮及
び燃焼時間については変化がないことは言うまでもない
。

曲線によって決ｉる各領域は曲線が移行する間の有効な
作用エネルギー若しくは付与された作用エネルギーに対
して比例するということがグラフよりわかっているので
、収得した作用エネルギーの利得を知ることができる。

ここで、作用エネルギーは、時計方向に曲線を走行する
時、有用な仕事であり、反時計方向に走行する時、付与
された作用エネルギーとなる。

原動ｉか過給される場合、排気゛時間と吸気時間によっ
て定まる領域はし−ばしば有効な作用エネルギーに対応
する。従来タイプの過給原動機の場合で、部分３２と３
３との間に形成される領域別は、過−給圧力Ｐ２と排気
圧力ｐｍに対応している。亦、本発明に係る装置を装備
した原動機の場合の領域あをみると、過給圧力ｐｇがＰ
ｚ′に、そして排気圧力Ｐ８がＰ８′に上っていること
がわかる。実際のところ、排気圧力の上昇は、ターボコ
ンプレッサ内の排気ガスにより得られる追加仕事エネル
ギーに対応する。尚、Ｐ８とｐ　ｓＺ間の差はＰ２とＰ
、／間の差よりも小さいということが経験上判明してい
る。その結果、領域あは領域別よりも大きいので有用な
作用エネルギーを収得できることになる。

かくして、本発明に係る方法によれば、空気の吸い込み
時間を短縮していることから、作用エネルギーの基礎と
して使用する原動機の完全な構造体を改造することな（
、かつ原動機内に於ける応力を増大するととなく、上記
結果を得ることができることが理解されよう。そして、
中間定格のシリンダに於いて、空気質量は同一であるの
で、前述したように、部分９、Ｉを有する第１０図の曲
線の上方部は原動機の改造後も不変である。換言すれば
、サイクルの高圧領域は同じ状態であり、低圧領域、に
於いてのみ作用エネルギーを収得できるのである。

第１１図に於いて、コンプレッサの出力状態を、横軸に
空気出力をとり、縦軸に圧力比をとって示している。第
１１図の各曲線の内容は次の通りである。

Ｏ曲Ｊｉ１３６はコンプレッサのポンプ輸送の限界を示
している。

Ｏ曲線３７、あ、３９はコンプレッサのライナの任意の
回転速度に対応するものである。

０　曲線４０．４１はコンプレッサの等出力曲線であり
、曲線４０は最大出力曲線である（図上に於いて］。

・　曲線４２．４３．４４は原動機の等速度曲線である
。

尚、原動機の低定格に対応する曲線４２は本発明に基づ
いて原動機を改造した後も同一である。

曲線４３は改造していない原動機の最大定務に対応する
もので、曲線４４は改造した原動機の最大定格に対応す
るものである。

・　曲線４５は改造していない原動機の全負荷を示す曲
線である。

Ｏ曲線４６は本発明に基づいて改造した原動機の全負荷
を示す曲線である。

第１１図より、等定格曲線４３は４４で示すコンプレッ
サのポンプ輸送の限界線に近接しているが、他方、全負
荷曲線の地点４７．４８はそれぞれ４９．５０を通って
いることがわかる。

結論として、本発明に係る方法は、下記の主要な利点を
有していると言える。

Ｏコンプレッサの選択と吸気期間の短縮により、容積と
圧力を示すグラフ（第１０図）の高圧領域を変えること
な（低圧領域を増大することができる。

Ｏ遮へい部材付き吸気弁及びタービンの渦巻の選択、及
び、コンプレッサの良好な適合により原動機の最大定格
に接近する時に、シリンダの充填物の減少を極めて早く
することができ、他方、最大トルクの定格の場合、充填
物の減少は比較的ゆるやかになる。

Ｏターボコンプレッサを良好に適合させることにより、
かつ遮へい部材付き弁が高定格で充填物を減少するため
、高定格の場合の動作に悪影響を与えることなく、低定
格原動機の空気の出力か増大される。このことは燃焼の
場合にのみ利点となる事柄である。従って、コンプレッ
サを相対的に良好な出力状態となる付近で作動せしめる
ことができる。

０　高定格の場合、空気出力を一定状態に維持するか、
低減するかを選択することが可能である。

０　このようなシステムは最少の動力で原動機の最大ト
ルクを増大することが可能である。

尚、本システムはジーゼル機関にも、駆動点火機関のい
ずれにも使用しうることは言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係□る装置を装備した原動機の概略全
体図、第２図は第１図の■−■線に沿った断面図、第３
図は原動機の吸気弁の第１実施例の断面図であって、機
械的閉鎖位置にあるところを示す図、第４図はその空気
圧式閉鎖位置にある状態を示す図、第５図はその完全開
口位置にある状態を示す図、第６図は吸気弁の第２装着
タイプの断面図、第７図及び第８図は第６図の弁が完全
に開いた状態及び空気圧式に閉鎖した状態を示す図、第
９図は弁の動作を示すグラフ、第１０図は原動機の動作
の特性を示すグラフ、第１１　図は原動機の作動特性と
ターボコンプレッサの作動特性の関係を示すグラフであ
る。 特許出願人　　　　ルノー　ビイクル　インダストリエ
ルフレンチ　ジヨイント　ストック　コ 特開昭５８−　７４８１４（８）

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）少（とも１個の吸気弁を有し、かつ、少（とも１
   個の排気ガスによるターボコンプレッサにより過給ピス
   トン原動機の動作を改良する方法であって、吸気弁の空
   気圧的閉鎖の瞬間を早めるとともに、低定格の場合のみ
   シリンダ内に入る空気の量を増大するようにターボコン
   プレッサのタービンを適合させることを特徴とする方法
   。
2. （２）ピストンが下死点に到達す・る前、若しくはおそ
   （ともその瞬間に、クランク軸の角度０６〜６０°の範
   囲の吸気閉鎖リード（ＡＦＡ）角でもって、吸気弁の空
   気圧的閉鎖を行うことを特徴とする特許請求の範囲第（
   １）項に記載の方法。　　　。
3. （３）原動機の定格が何であれ、相対的に良好な出力領
   域にてターボコンプレッサを作動せしめるように適合性
   を選択することを特徴とする特許請求の範囲第（１）乃
   至ｉ　（２１項いずれかに記載の方法。
4. （４）シリンダ１個に対し配備した少くとも１個の吸気
   弁は、該弁の弁座に近接した固定孔内を、高さｈだけ摺
   動する円筒状遮へい部材を有することを特徴とする装置
   。
5. （５）シリンダ１個に対し配備した少くとも１個の吸気
   弁は、孔の底部に位置する弁座を有し、該孔内を該弁の
   頭部が高さｈだけ摺動することを特徴とする装置。
6. （６）弁は移動リフトの合計行程ｅを有するものであっ
   て、すでに弁が０．１　＜　、　＜　０．４の範囲で、
   値りの行程だけ移動した後に、空気圧的開口が生ずるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第（４）乃至第（５）項
   のいずれかに記載の装置。
7. （７）１個のシリンダに対し少くとも２個の吸気弁を有
   する原動機を使用するものに於いて、答弁は各々異なる
   吸気閉鎖リード（ＡＦＡ）、及び若しくは互特性を有し
   ていることを特徴とする特許請求の範囲第（４）乃至第
   （６）項のいずれかに記載の装置。