JPS63124831A - 過給機付内燃機関 - 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】 本発明は機関の出力■へ連結する容積型過給機と排ガス
エネルギーによる昇圧作用を有する過給機（排気ターボ
過給機、コンプレックス過給機）とを備えた過給機付内
燃機関に係わり、更に詳しくは前記排ガスエネルギーに
よる昇圧作用を有する過給機が発生する過給圧を有効に
利用して機関の燃費を改善したものに関する。

本発明を理解する為に、先ず前記容積型過給機について
説明する。

第１図においてローター１、２は各々基準円筒面３と、
前記基準円筒面３から陥没した部分を有しながら羽根４
の羽根外周部５まで連絡する羽根嵌り込み部６と、前記
羽根嵌り込み部６に隣接しながら基準円筒面３から突出
した羽根４とを有し、互いに非接触状態で（０．１〜０
．２ｍｍ程度の微小な間隙を保って）図示しない同期歯
車によって同期的に互いに反対方向へ回転し合う様にな
っている。

ローター１は固定された固定中空体８の周囲に密接して
回転し、各々のローターの基準円筒面３は互いに密接（
０．１〜０．２ｍｍ程度の微小な間隙を保って）する様
に構成されている。

ローター１の線Ｃ１（実際には面であるが、断面を考え
ている）はローター２の線Ｃ４の先端部（点又は小さな
丸みとする）によって創成された、ローター１の線Ｃ２
とローター２の線Ｃ６との内でいずれか一方の線は他方
の線によって創成され、更にローター１の線Ｃ３とロー
ター２の線Ｃ５とに注目すると、いずれか一方の線は他
方の線によって創成される様になっている。

又、ローター１の線Ｃ１の先端部とローター２の線Ｃ４
との間には、最も接近した状態でも２〜３ｍｍ程度の流
体が自由に出入りできる十分な間隙を残しておく様にす
る。

７はローター１をしっかりと固定・支持するローター支
持体である。

次に容積型過給機Ｓの作用を説明する。

即ち、各々のローターの羽根４によって挟まれた作動室
１０に注目し、同作動室１０内に一杯に吸入された給気
は同作動室１０の容積の縮小によって密閉的に圧縮され
、固定中空体８内の圧力にほぼ等しくなった時点でロー
ター１の羽根嵌り込み部６及び固定中空体８に形成され
た吐出口９を介して固定中空体８内へ吐出される様にな
っている。

同作動室１０のＰ−Ｖ線図（圧力−容積線図）を第２図
に示すが、極めて高い効率（全断熱効率）を有するもの
である。

本発明に関する容積型過給機の他の形式を第３図に示す
。

即ち第３図において、羽根４は羽根支持体１９にしっか
りと固定・支持され、回転中空体１７の周囲に密接して
固定される如く備えられた固定中空体８の周囲に密接し
ながら回転中空体１７と一体的に回転する。

ローター２はローターケーシング内周面に密接するロー
ター外周部２０及びこのローター外周部から陥没しなが
ら羽根４が嵌り込む羽根嵌り込み部６とを有し、ロータ
ー１（羽根４、羽根支持体１９から成るローター）とロ
ーター２とは互いに非接触状態で同期歯車によって同期
的に互いに反対方向へ回転し合う様になっている。

ローター外周部２０は固定中空体８に密接する様に構成
され、望ましくは図示の如く固定中空体８にローター外
周部２０が密接する欠円部２１を形成し、両者を面状に
密接させる様にするのが良い。

次に、羽根４の線ｌ１はローター２の線ｌ４の先端部（
点又は小さな丸みとする）によって創成され、羽根４の
線ｌ２とローター２の線ｌ３との内でいずれか一方の線
は他方の線によって創成される様になっている。

羽根４の線ｌ１の先端部（点又は小さな丸み）とロータ
ー２の線ｌ４（但し、先端部は除く）との間には、給気
が自由に出入りできる十分な間隙（通常で３ｍｍ程度）
を残しておく様にする。

ローター２の線ｌ５は羽根４の羽根外周部５が密接する
円弧である。

作用については第１図の容積型過給機と同様に説明され
、かくして羽根４とローター２とによって挟まれた作動
室１０のＰ−Ｖ線図は第２図の如く描かれ、極めて高い
全断熱効率を有するものである。

この場合、作動室１０内の給気は吐出口９と回転中空体
１７に形成された開閉口１８とが連通する事によって固
定中空体８内（回転中空体１７内）へ吐出される様にな
っている。

羽根４が吐出口９を通過する時、吐出口９を介して同羽
根４の前後の作動空間が互いに連通する事を防ぐには吐
出口９の中心角をθ１、羽根４の固定中空体８の周囲に
密接する部分の中心角をθ２として、θ１≦θ２とすれ
ば良い。

第１図に戻って、機関の出力軸へ連結する容積型過給機
Ｓの上流側には、排ガスエネルギーによる昇圧作用を有
する過給機Ｔ（排気ターボ過給機、コンプレックス過給
機−図では前者）が備えられ、過給機Ｔにより加圧され
た給気を容積型過給機Ｓにより更に加圧して機関に過給
を行う様になっている。

１３、１４は給気冷却器である。

さて以上の様に構成された過給機付内燃機関では、機関
の高負荷域において最大燃焼圧力を制御する為、容積型
過給機Ｓの上流側の圧力（容積型過給機Ｓと過給機Ｔと
の間の給気通路１１内の圧力）が過度に上昇しない様に
する必要があるが、この目的の為には一般にウェイスト
ゲート弁１５が使用される。

このウェイストゲート弁１５は機関の低速トルクの確保
や機関の応答性向上の為には必要不可欠なもので、現在
全てのものに備えられている。

しかしながら容積型過給機Ｓの上流側の過給圧（過給機
Ｔによる過給圧）が規定値を超えたらウェイストゲート
弁１５を開いて排ガスをここからバイパスさせる事は、
本来利用すべき排ガスエネルギーを無駄に捨てる事にな
り、この分機関の燃費は確実に悪化を余儀なくされる。

即ち、ウェイストゲート弁１５を開かず排ガスエネルギ
ーの全てを使い尽くして過給機Ｔにより高過給圧を発生
せしめ、この高過給圧により機関の吸気行程において正
の仕事を与えてやれば燃費は大幅に向上するはずである
が、前述の様に最大燃焼圧力が過度に上昇する為、ウェ
イストゲート弁１５を開いて排ガスエネルギーを無駄に
捨てざるを得ないのである。

この場合、ウェイストゲート弁１５を開かず過給機Ｔに
よる過給圧が容積型過給機Ｓの下流側の圧力（給気通路
１２内の圧力）にほぼ等しくなった時点で容積型過給機
Ｓをバイパスさえて過給機Ｔのみにより機関に過給圧を
供給し、容積型過給機Ｓの給気圧縮仕事損失をなくす事
も考えられるが、２つの過給機Ｓ、Ｔによる過給圧を過
給機Ｔのみで発生させ得るのは機関の高負荷・高速域の
みであって、通常の運転域では不可能であるから、この
様な方法は採用する事ができない。

本発明はこの様な欠点を解消し、排ガスエネルギーによ
る昇圧作用を有する過給機Ｔが発生する過給圧を最も有
効に利用して機関の燃費を改善しようとしたもので、以
下図面に従って説明する。

第４、５、６図は本発明よる過給機付内燃機関の容積型
過給機を示し、同容積型過給機の側面図は第６図に示さ
れており、第６図のＡ−Ａ′線断面図は第４図に、Ｂ−
Ｂ′線断面図は第５図に示されている（従って、本発明
による過給機付内燃機関は第１図において容積型過給機
Ｓを第４、５、６図の容積型過給機で替えたものによっ
て示される）。

以下、本発明を第１、４、５、６図によって説明する。

固定中空体８は分離壁３３により低圧固定中空体８ｂと
高圧固定中空体８ａとに区分され、これにより固定中空
体８内は容積型過給機の吸入側（給気通路１１内）へ通
ずる低圧空間３５と吐出側（給気通路１２内）へ通ずる
高圧空間３４とに区分される。

３６は給入側（給気通路１１内）へ通ずる連通路である
。

更に低圧固定中空体８ｂの内周面に密接又は接触して回
動体２６が回動自在に備えられ、高圧固定中空体８ａの
内周面に密接又は接触して高圧回動体２２が回動自在に
備えられている。

低圧固定中空体８ｂに形成された逃し口３０には、低圧
固定中空体８ｂの周囲と同一円筒面状に位置する密接面
２８を有する密接片２９が備えられ、この密接片２９は
回動体２６に一体的に固定されている。

更に高圧固定中空体８ａに形成された吐出口９には、高
圧固定中空体８ａの周囲と同一円筒面状に位置する吐出
密接面２４を有する吐出密接片２５が備えられ、この吐
出密接片２５は高圧回動体２２に一体的に固定されてい
る。

高圧回動体２２は特に必要不可欠なものではないが、こ
れを備える事により後述する如く作動室１０と高圧空間
３４内との連通開始時期を可変にして、全断熱効率を向
上させる事ができる。

高圧回動体２２はリンク・カム装置、更には歯車等を介
して回動体２６に連動しており、回動体２６の回動位置
に対応した制御位置まで回動される様になっている。

回動体２６は図示しないアクセルペダルに連動している
。

この場合、回動体２６をアクセルペダルに連動させる事
は特に必要不可欠なものではないが、オットー機関では
言うまでもなくディーゼル機関でも部分負荷域では作動
室１０内へ一杯に吸入された給気を所定量だけ逃し口３
０、制御口２７を介して低圧空間３５内へ逃し、容積型
過給機の給気圧縮仕事損失を減少させた方が好ましい為
、アクセルペダルにより回動体２６を回動させて、容積
型過給機の容量を制御する様にしているのである。

回動体２６をアクセルペダルにより回動させる実施例を
第７図に示す。

即ちアクセルペダルに連動するレバー３８はバネ３９に
よりロッド接触部３７′に強く押圧されており、これに
より回動体２６はレバー３８の動きに追従して回動する
様になっている。

今、アクセルペダル（図示せず）が一杯に踏み込まれ、
容積型過給機の上流側の圧力（過給機Ｔによる給気通路
１１内の過給圧）が上昇して規定値Ｐｓを越えると、こ
れを感知してダイアフラム装置４０が内部に備えられた
バネ及びバネ３９に抗してロッド３７を移動させ（この
時、レバー３８は動かない）、回動体２６を逃し口３０
を全閉させた位置から第５図に示す位置まで回動せしめ
る。

従って、作動室１０内に一杯に吸入された給気は逃し口
３０、制御口２７を介して低圧空間３５内へ逃され、更
に連通路３６を経て吸入側（給気通路１１内）へ戻され
るのである。（容積型過給機の上流側の圧力が規定値Ｐ
ｓに達していない時は、アクセルペダルが一杯に踏み込
まれても逃し口３０は回動体２６により閉鎖されている
。） 作動室１０と制御口２７、即ち低圧空間３５内との連通
が遮断された後は、同作動室１０内に残留した給気は同
作動室１０の容積の縮小によって密閉的に圧縮され、ほ
ぼ高圧空間３４内の圧力に等しくなった時点で（その様
な状態となる位置に高圧回動体２２が回動せしめられて
いる−これは作動室１０内での圧縮不足・過圧縮を防止
して全断熱効率を向上させるためである）吐出口９、高
圧回動体２２に形成された高圧制御口２３を介して高圧
空間３４内へ吐出され、更に給気通路１２を経て機関へ
供給される様になっている。

この場合、作動室１０内の給気を所定量だけ吸入側へ戻
して容積型過給機の容量を制御しているわけであるが、
容量型過給機の上流側の圧力（過給機Ｔによる過給圧）
は既に規定値Ｐｓを越えているから、機関のシリンダー
内へ充填される給気重量そのものは不変である。

作動室１０のＰ−Ｖ線図を第８図に示すが、図からも明
らかな様に斜線の部分に相当する仕事、即ち動力だけ容
積型過給機の給気圧縮仕事損失は減少し、換言すれば作
動室１０内の給気を圧縮しないでそのまま低圧空間３５
内へ逃したものに相当する分だけ容積型過給機の駆動々
力は減少するのである（Ｐ■は低圧空間３５内へ給気を
逃している時の作動室１０内の圧力、Ｐｈは高圧空間３
４内の圧力を示す）。

容積型過給機の上流側の圧力（過給機Ｔによる過給圧）
が更に高まれば回動体２６は更に容積型過給機の容量を
制御する方向に回動せしめられ、第８図における斜線の
部分の面積は一層大となり、容積型過給機の給気圧縮仕
事損失を一段と減少させるのである。

この様に本発明によれば、最大燃焼圧力を過度に上昇さ
える事はなく（給気通路１２内の過給圧をほぼ一定に保
ちながら）ウェイストゲート弁１５を開かずに容積型過
給機の上流側の圧力（過給機Ｔによる過給圧）を思い切
り高め、これにより容積型過給機の給気圧縮仕事損失を
大幅に減少させているので、排ガスエネルギーの全てを
使い尽くす事が可能となり、機関の燃焼を大幅に向上さ
せる事ができる。

機関の高負荷・高速域においては過給機Ｔの過回転及び
排圧の上昇を回避する為、ウェイストゲート弁１５を開
く様にする。（この様な事から、本発明における過給機
Ｔはタービンノズル断面積が可変となる機構を有するも
のが望ましい）３１は開閉弁で、回動体２６が逃し口３
０をかなり開いた時に開閉弁３１を開かせ、作動室１０
内の給気をバイパス通路３２をも介して吸入側へ（給気
通路１１内へ）戻し、結果として逃し口３０の長さを縮
小してこの分吐出口９の長さを拡大し（第６図参照）、
吐出口９の断面積を増加させる事ができる。

開閉弁３１は円錐状となっており、その接触する接触面
にバネ等によって強く押圧されているから、バイパス通
路３２を閉鎖した時の密閉性は良好である。

尚、ダイアフラム装置４０はカムを介してロッド３７を
押す様に構成しても良い。

第５図において密接片２９を回動体２６から切り離し、
この密接片２９を低圧固定中空体８ｂの所定位置に固定
する様にした実施例を、第９図に示す（但し、第９図に
おいては密接片２９は３個備えてある）。

これにより逃し口３０は複数に分割（図では４分割）さ
れる事になる。

以上は第４図の吐出密接片２５についても同様である。

第１０図はニューマチックガバナー付ディーゼル機関に
おいて回動体２６を駆動する方法を示したもので、過給
機Ｔの上流側の給気通路１６に備えられた小ベンチェリ
４２で発生した負圧により作動する駆動装置４３（ダイ
アフラム装置）によって回動体２６を駆動する様にした
ものである。

４１はアクセルペダルに連動する絞弁であって、小ベン
チェリ４２で発生した負圧はニューマチックガバナーへ
導入されているから、駆動装置４３は燃料噴射量に応じ
た制御位置に回動体２６を回動せしめる事になる。

アクセルペダルが一杯に踏み込まれ、容積型過給機の上
流側の圧力（過給機Ｔによる過給圧）が規定値Ｐｓを越
えると、これを感知するダイアフラム装置４０によりロ
ッド３７が引き戻され、回動体２６を容積型過給機の容
量を制御する方向に回動させる事は前述の通りである。

回動体２６を回動させる方法としては、この他コンピュ
ーターにより制御されるステッピングモーターによる方
法がある。

即ち、アクセルペダルの開度、機関の回転速度、更には
容積型過給機の上流側の圧力等を電気信号としてコンピ
ュータに入力すると、コンピューターはこれらの入力値
に相応する演算結果を出力し、このコンピューターから
の出力信号によりステッピングモーターを作動させて回
動体２６を最適制御位置に回動せしめる様にするのであ
る。

かくして本発明の目的を達成するのである。

第３図に示す容積型過給機を本発明による過給機付内燃
機関に適合する様にした容積型過給機を第１１、１２、
１３図に示し、同容積型過給機の側面図は第１３図に示
されており、第１３図のＣ−Ｃ′線断面図は第１２図に
示され、Ｄ−Ｄ′線断面図は第１１図に示されている（
従って本発明による過給機付内燃機関は、第１図におい
て容積型過給機Ｓを第１１、１２、１３図の容積型過給
機で替えたものによって示される）。

即ち、回転中空体１７は分離壁３３によって低圧回転中
空体１７ｄと高圧回転中空体１７ｃとに区分され、これ
により固定中空体８内は（回転中空体１７内は）吸入側
（給気通路１１内）へ通ずる低圧空間３５と吐出側（給
気通路１２内）へ通ずる高圧空間３４とに区分される。

更に低圧回転中空体１７ｄ、高圧回転中空体１７ｃの各
々の内周面に密接して回動体２６、高圧回動体２２が各
々回動自在に備えれられている。

回動体２６を図示の位置から所定の位置まで回動せしめ
ると、作動室１０内に一杯に吸入された給気は逃し口３
０、連絡口４４、制御口２７を介して同作動室１０の最
大容積状態から所定の容積状態まで低圧空間３５内へ逃
され（吸入側へ戻され）ると共に、同作動室１０内に残
留した給気は同作動室１０の容積の縮小によって密閉的
に圧縮され、ほぼ高圧空間３４内の圧力に等しくなった
時点で吐出口９、開閉口１８、高圧制御口２３を介して
高圧空間３４内へ吐出される様になっている。

回動体２６、高圧回動体２２については、第４，５，６
図で説明した通りであり、かくしてアクセルペダルが一
杯に踏み込まれ容積型過給機の上流側の圧力が上昇して
規定値Ｐｓを越えると、前述した通り容積型過給機の容
量を制御すると共に給気圧縮仕事損失が大幅に低減され
、排ガスのエネルギーの全てを使い尽し、機関の燃費を
大幅に向上させる事ができる。

かくして本発明の目的を達成する。

回動体２６、高圧回動体２２を固定中空体８と回転中空
体１７との間に回動自在に備える様にした実施例を第１
４、１５図に示す。

作用・効果は同様に説明される。

次に第４、５、６図に示す本発明における容積型過給機
において、分離壁３３を使用しないで本発明の目的を達
成する他の方法を第１６、１７図に示す（第１７図は第
１６図の側面図であり、従って本発明による過給機付内
燃機関は第１図の容積型過給機Ｓを第１６、１７図の容
積型過給機で替えたものによって示される）。

即ち第１６図において、ローター２は固定された吸入中
空体４５の周囲に密接して回転し、吸入中空体４５に形
成された吸入口４６には吸入中空体４５の周囲と同一円
筒面上に位置する吸入密接面４８を有する吸入密接片４
９が備えられ、この吸入密接片４９は回動体４７に一体
的に固定されている。

（もちろん吸入密接片４９を回動体４７から切り離し、
第９図で述べた如く吸入中空体４５に一体的に固定し、
吸入口４６を複数に分割する様にしても良い）。

従って、作動室１０内へは羽根嵌り込み部６と吸入口４
６と制御口５０とが同時的に互いに連通している期間の
み、吸入中空体４５内の給気が吸入されるのである。

作動室１０内へ一杯に吸入された給気は吐出口９、高圧
制御口２３を介して固定中空体８内へ吐出され、固定中
空体８の一端部又は両端部（図では前者）から流出する
様になっている。

回動体４７は既に述べたようにアクセルペダル、駆動装
置４３（第１０図）、ステッピングモーター等によって
回動せしめられるのである。

かくして、アクセルペダルが一杯に踏み込まれ容積型過
給機の上流側の圧力（過給機Ｔによる給気通路１１内の
過給圧）が上昇して規定値Ｐｓを越えると、回動体４７
は例えば第７図のダイアフラム装置４０によって図示の
位置から容積型過給機の容量を制御する方向に回動せし
められ、吸入中空体４５内の給気は作動室１０の最小容
積状態から所定の容積状態まで同作動室１０内へ吸入さ
れ（最大容積状態までは吸入されない）、同作動室１０
の最大容積状態を過ぎてからは同作動室１０の容積の縮
小によって密閉的に圧縮され、ほぼ固定中空体８内の圧
力に等しくなった時点で吐出口９、高圧制御口２３を介
して固定中空体８内へ吐出される様になっている（第１
図の給気通路１１は吸入中空体４５に接続している）。

同作動室１０のＰ−Ｖ線図を第１８図に示すが、図から
も明らかな様に斜線の部分に相当する仕事、即ち動力だ
け容積型過給機の給気圧縮仕事損失を減少させているの
である。

かくして本発明の目的を達成する。

本発明は以上の如く構成されているので、排ガスエネル
ギーによる昇圧作用を有する過給機が発生する過給圧を
有効に利用して排ガスエネルギーの全てを使い尽す事が
でき、機関の燃費を大幅に向上させる事ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は過給機付内燃機関の図、第２・８・１８図はＰ
−Ｖ線図、第３図は容積型過給機の図、第４・５・６・
１１・１２・１３・１６・１７図は本発明による過給機
付内燃機関における容積型過給機の図、第９図は低圧固
定中空体の図、第７・１０図は回動体を駆動する装置の
図、第１４・１５図は回動体、高圧回動体の位置を示す
図である。 １・２はローター、３は基準円筒面、４は羽根、５は羽
根外周部、６は羽根嵌り込み部、７はロ−ター支持体、
８は固定中空体、９は吐出口、１０は作動室、１１・１
２・１６は給気通路、１３・１４は給気冷却器、１５は
ウェイスゲート弁、１７は回転中空体、１８は開閉口、
１９は羽根支持体、２０はローター外周部、２１は欠円
部、２２は高圧回動体、２３は高圧制御口、２４は吐出
密接面、２５は吐出密接片、２６・４７は回動体、２７
・５０は制御口、２８は密接面、２９は密接片、３０は
逃し口、３１は開閉弁、３２はバイパス通路、３３は分
離壁、３４は高圧空間、３５は低圧空間、３６は連通路
、３７はロッド、３８はレバー、３９はバネ、４０はダ
イアフラム装置、４１は絞弁、４２は小ベンチェリ、４
３は駆動装置、４４は連絡口、４５は吸入中空体、４６
は吸入口、４８は吸入密接面、４９は吸入密接片、８ａ
は高圧固定中空体、８ｂは低圧固定中空体、１７ｃは高
圧回転中空体、１７ｄは低圧回転中空体、３７′はロッ
ド接触部、Ｓは容積型過給機、Ｔは排ガスエネルギーに
よる昇圧作用を有する過給機である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）固定された固定中空体の周囲に密接しながら回転
   するローターと、前記ローターの羽根が嵌り込む羽根嵌
   り込み部を有するローターとが互いに非接触状態で同期
   的に互いに反対方向へ回転し合い、各々のローターとケ
   ーシングとによって形成された作動室に注目し、同作動
   室内の給気が同作動室の容積の縮小によって密閉的に圧
   縮された後に前記固定中空体に形成された吐出口を介し
   て前記固定中空体内へ吐出される様にし、以上の如く構
   成された機関の出力軸へ連結する容積型過給機の上流側
   に機関の排ガスエネルギーによる昇圧作用を有する過給
   機を備えた過給機付内燃機関において、前記固定中空体
   内を容積型過給機の吸入側へ通ずる低圧空間と吐出側へ
   通ずる高圧空間とに区分すると共に前記低圧空間側の固
   定中空体内に回動体を回動自在に備え、前記容積型過給
   機の上流側の圧力が規定値を超えたら前記回動体を前記
   容積型過給機の容量を制御する方向に回動させる事によ
   り前記作動室内の給気を前記作動室の最大容積状態から
   所定の容積状態まで前記固定中空体に形成された逃し口
   及び前記回動体に形成された制御口を介して前記低圧空
   間内へ逃すと共に前記作動室内に残留した給気を密閉的
   に前記吐出口を介して前記高圧空間内へ吐出する様にし
   た事を特徴とする過給機付内燃機関。