JPH03107529A - ターボ過給機の駆動方法及び駆動装置 - 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】 （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
って過給機を駆動し、吸気を予圧するシステム並びに装
置は周知であり、特に近年に到って自動車のエンジンに
装着される例が多（なった。

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
（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って生じ、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
置等によっ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って、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（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って駆動する方式に問
題があるのではないが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った結果
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っ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
吸引気流によっ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） 前記目的は、排気エネルギによっ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、かつまた該タービンを通過した排気ガス流を低圧
の吸引気流により吸引することによって、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によって達
成することができる。

前記の吸引気流は、排気ガス流を加速し、それによって
発生させた負圧を動力として形成することができ、かつ
これを利用するのが最良である。

電力や軸回転を利用して負圧を形成することもできるが
、それでは機関出力を減殺する率が非常に高いからであ
る。

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って正圧駆動される排気
タービン並びに該タービンによっ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ための排気系管と、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って
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っている。

（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れされており
、エンジン排気によって正圧駆動され、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って負圧駆動
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人ロア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１６．１
７を形成し、最外部をカバー１８で覆って形成されてお
り、排気ガス流は消音作用を受けて主流路出口１９、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■１はテーパ管部２１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
＝ＡＶ、（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
。テイルチューブ２８の内径は第２加速部２３の内径以
」二が良く、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Ｏ
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のテーバ絞り部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ばその接続口を示す。吸引口３４を排気
ガス流に対して外側に配置したのは、排気タービン６１
から排出される排気ガス流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６２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４２に設けられたインククーラ
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４４．　、４
４□、　４４３．４４．・・・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ｌの排気管４５．　、４５２．４５、．
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、従って第１、第２燃焼室４４．　、４４２か
ら排出された排気ガスは上記第１、第２排気管４５．　
、４５□より第１ターボ過給機６Ａを駆動後、第１排気
系管２Ａ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４４３．４４．から排出さ
れた排気ガスは第３、第４排気管４５３．４５４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８Ｂ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
によっており、このため吸引路１０Ａ、　ＩＯＢを交差
させている。仮に、第１、第２燃焼室４４．　、４４□
による排気エネルギと、第３、第４燃焼室４４ａ　、　
４４４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５Ａで生じる負圧は大とな
るので第２ターボ過粕機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
圧に差があっ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４
４□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ば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。

さらに第６図に前記第５図の例の変形例が示されている
。ターボ過給機６を負圧駆動するに当って、その負圧吸
引口をタービン出口８近くに設けた方が吸引効率が高い
のは容易に推測することができるが、それにも拘らず吸
引手段９は、より下流の排気系管２に設けることができ
る。第６図の例はそのことを示したもので、吸引手段９
Ａ、９Ｂを触媒装置３Ａ、３Ｂの直後に配置している。

このため排気ガス浄化の割合も低下しない。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、ＩＯＡ、ＩＯＢに触媒３′を設けることが
できる。他の構成は第２実施例の場合と全（同様で良い
ので符号を援用し説明を略す。

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、第６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（、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、　０ 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。

■排気ガス：燃焼室より高速排出 ↓ ■排気タービンを正圧駆動 ↓ ■吸引路　−−−■負圧発生装置 ↓ ■大気放出 （作用） 以上の構成に於て、既に明らかとなっているように本発
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って吸引さ
れる。従って排気タービン６１を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
立って改善される。

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、熱が高速で運
び去られるので熱の滞留も起りに（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） 従って本発明によれば、 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プ
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）エンジンのオーバーヒート率は滞熱減少分だけ低減
される、 ５）タイムラグに基づ（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サイクルガソリン
エンジンの場合排気量１６００ｃｃ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図ば　４ 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、第６図は第２実施例の変形例の全体模式図で
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、１
０・・・吸弓路。 ゴー 句

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）排気エネルギによっ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、
   かつまた該タービンを通過した排気ガス流を低圧の吸引
   気流により吸引することによって、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. （２）吸引気流は、排気タービンを設けた排気系管より
   大気放出される排気ガス流を加速し、それによって発生
   させた負圧を動力としたものである請求項第１項記載の
   ターボ過給機の駆動方法。
3. （３）吸引気流により排気ガス流を吸引する前に、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。
4. （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
   た排気ガス流によって正圧駆動される排気タービン並び
   に該タービンによっ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
   出するための排気系管と、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. （５）排気タービンのタービン出口からその下流で負圧
   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. （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. （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。