JPH03258919A - ターボ過給機の駆動装置 - 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に関し、主
として排気系で発生させた吸引エネルギーによりタービ
ンを駆動するターボ過給機の駆動装置に関するものであ
る。

（従来の技術） 従来のターボ過給機は、排気ガスの運動エネルギーを直
接利用して排気タービンを駆動する方式である。この場
合シリンダ燃焼室から排出される高温、高圧の排気ガス
流によって排気タービンが駆動され、それと結合してい
る過給タービンにより吸気を過給する。

そのため排気タービンは高温、高圧の排気ガス流に耐え
る必要があり、製造上高度の技術を要求されると同時に
、その価格も高価となる問題があった。排気タービンの
高温により過給タービンも加熱され、その結果充填効率
の低下を来すため、ターボ過給機の冷却も必要になり、
機構的にますます複雑化せざるを得ない。

そこで発明者はさきに、排気ガス流が大気放出される前
にこれを加速したときに発生する負圧でターボ過給機を
駆動する技術を開発し、一部は既に出願した（特開平１
−１９５９２５号）。

（技術的課題） 前記発明は排気ガス流のエネルギーの速度に着目し、こ
れを燃焼室直後の排気ガス流の流速近くまで回復させる
ように高速化することで強力な負圧を発生させ、その負
圧の吸引力を利用してターボ過給機を駆動する。つまり
発生した負圧により吸引された外気流で駆動タービンを
回転させる方法をとっている。従っ七駆動タービンは、
従来の排気タービンのように排気ガスに全くさらされず
、高熱の影響も受けないので、過給タービンも冷たいま
まの外気を吸入、圧縮して燃焼室へ送給することができ
、温度上昇による密度低下の悪影響を受けることなく高
い充填効率で過給できる特徴を発揮する。しかし、吸引
される外気には一般にエネルギーがなく、走行で得られ
る流勢も弱いので、この点を改善すればさらに効率を高
められるはずである。

そこで発明者は排気ガス流のエネルギーをさらに利用す
ることに着目し、実験を続けて来た。その結果、駆動タ
ービンを通過する気流に、熱の影響の殆んどない排気ガ
ス流を利用することができれば、外気をそのまま取入れ
る場合よりはエネルギーの利用効率が高まるという知見
を得た。

従って本発明の目的は、負圧を駆動力の主体とするも、
高温の悪影響を受けない排気ガス流の運動エネルギーを
駆動タービンの作動の一部に利用し、それによって負圧
発生装置による吸引エネルギーのみで駆動タービンを作
動させる場合よりもさらに効率を高めることができるタ
ーボ過給機の駆動装置を提供することにある。

（技術的手段） 前記目的は、内燃機関の燃焼室から排出される排気ガス
流を大気放出するための排気系管と、該排気系の排気ガ
ス流を加速し該加速に伴って負圧を発生させるため排気
系管の最下流に設けられた負圧発生装置と、排気系下流
に於て運動エネルギーの減衰した排気ガス流が導入管を
経てタービン人口に導入され、先端がタービン出口に接
続された吸引管を経て、負圧発生装置へ吸引される気流
により駆動される駆動タービン及び該タービンによって
駆動され、空気を前記燃焼室へ過給するための過給ター
ビンを含むターボ過給機の駆動装置により達成される。

上述の構成に於て、過給タービンの入口は排気系に、同
出口は負圧発生装置に夫々通じているが、タービン入口
は運動エネルギーが減衰した下流の排気系管に導入管を
介して接続される必要がある。

運動エネルギーが減衰した下流域では、排気ガス温度も
高温ではなく、タービン羽根等に与える悪影響も排気タ
ービンとの比較上著しく小さくなるからである。このよ
うな下流域は、少なくとも触媒より下流、望ましくは排
気マフラーの直前或いは直後が良い。

この構成のターボ過給機は飽くまで負圧発生装置による
吸引力が主体で作動し、排気ガス流のエネルギーは従で
ある。その割合は一概には言えないが、吸引力対排気ガ
ス流の速度比で、９：１〜６：４程度の割合と思われる
。

（実施例） 以下図面を参照して説明する。

各図に於て、１０は内燃機関、１１．．１１□・・・は
、その燃焼室、１２１　、１２□・・・は排気口直後の
排気管、２０はそれらが集合した排気系管、２１はそこ
に設けられた触媒装置、２２は排気マフラを示す。燃焼
室１１、・・・から排出された排気ガス流は、排出直後
は音速を越える流速を持つが排気系の管２０、触媒装置
２１．排気マフラ２２などの負荷により次第に減速し、
例えば４サイクルガソリンエンジンでは１００〜２００
　ｍ　／　ｓｅｃの流速で安定する。

３０は負圧発生装置で、排気系管２０の最下流に設けら
れており、排気ガス流路を絞ってその管路の通過流速を
早める加速部３１と、その加速により発生した負圧を利
用するため加速部側りに設けられた負圧室３２とを備え
ている。加速部の構造はベンチュリ管、ラバール管の如
きスロートを有する絞り管構造が最良であるが、具体例
は第３図、第４図により後述される。なお２３はテイル
チューブを示す。

４０は駆動側のタービンで、在来型ターボ過給機の排気
タービンに対応するが、本発明の装置では前記負圧発生
装置３０により主として駆動される。

４１は排気系管２０とタービン人口４２とを接続した導
入管、４３は負圧発生装置３０の負圧室３２とタービン
出口４４とを接続した吸引管を示す。前記導入管４１は
排気系管２０に直結されても良いが、実施例の場合補助
加速手段４５を経た例も示されている。即ち第１図が直
結の例であるのに対し、第２図は補助加速の例であり、
第２図の場合排気系管２０への接続位置がマフラ後流で
運動エネルギーが著しく減衰した流れを前もって加速し
たものである。排気マフラ２２の直前又は直後という位
置であるため排気ガス流の運動エネルギーは、排気ター
ビンの場合に利用できる運動エネルギーの、速度比の２
乗分程度まで低下しているが、排気ガス温度も断熱膨張
により著しく低下しているので、タービン４０は耐熱性
を殆んど問題視する必要がない。

５０は前記駆動タービン４０によって駆動される過給タ
ービン、５１ばそのタービン人口５２へ外気を導入する
取付管、５３はそのエアクリーナ、５４はタービン出口
５５からインタークーラ５６を経て（第１図）、或いは
経ずに吸気口５７．　、５７□・・・へ吸気を圧送する
吸気管を示す。本発明の装置では、本来、吸気を冷却す
るインタークーラ５６は不要であるが（第２図）、使用
した場合にはインタークーラの効果が排気タービンの場
合より著しいので充填効率の向上も目覚ましい。

前記各実施例に使用される負圧発生装置は第３図ではマ
フラと一体化され、排気系管２０との接続口６１を有し
、テーバ部６２で小径化された主流路６３を中心に設け
、通気孔６４を周面に開口した中心筒６５の外周の外筒
６６との間に消音材６７を充填したもので、中心筒６５
の最下流端は加速部へ接続し、排気ガス流は消音作用を
受けて主流路出口６８より負圧発生装置３０に到る。

負圧発生装置３０は負荷抵抗の最下流に配置されており
、これは前記出口６８に続く絞り管７１とスロート管７
２及び膨張管７３からなる加速部３１を備え、排気ガス
流を加速し強力な負圧を形成するもので、その負圧によ
り加速部３１の直後に設けた空気導入ロア４に通じる負
圧室３２を負圧にし、これを囲む外筒後部に接続管７５
を通じて空気流を吸引する構成を有している。加速部は
第４図に示されるように２段でも良く、また３段以上設
けても良い。加速部スロート管７２の容積ｖ１は絞り管
７Ｉで排気流速を得るために必要な容積に設定される。

尚第４図に示された多段加速の実施例の場合第２スロー
ト管７２□の容積は第１スロート管７２１の容積Ｖ２に
対してｖｘ　＝ＡＶｌ　　（Ａ富２）となるような関係
で堆積されている。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２３の内径は最終加
速部の内径以上が良く、また各空気導入ロア４．７４．
．７４．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。

前記接続管７５と吸引管４３との間には吸引側マフラ８
０が設けられ、負圧室３２へ吸引、流入する排気ガス流
の消音と流量制御をなす。８１は吸引管４３との接続口
、８２はテーパ部、８３は中心流路、８４は消音孔、８
５は外筒８６と中心筒８７間の消音材、８８は中心筒端
末の制御室で、負圧室３２へ前述の接続管７５を通じて
吸引される排気ガス流量を調整する可動弁８９を有する
。９０は可動弁の小孔、９１は可動弁取付軸、９２は同
軸の支持体を示す。

また前述の補助加速手段は第４図に示すように、排気マ
フラ２２との接続管２４の上流側２０ｕに接続された膨
張管９３と、その内径を再び縮小した絞り管９４と、該
管９４のテーパ絞り部に開口した吸引口９５と、吸引口
９５を含んだ絞り管外周を覆う吸引室９６を形成した加
速室部材９７及び排気系管２０の下流側２０ｄへの接続
手段９８とから成る。タービン排気流を吸引口９５を通
じて外側から吸引するように、導入管４１は加速室部材
９７に接続される。９９はその接続口を示す。吸引口９
５を排気ガス流に対して外側に配置したのは排気ガス流
を効果的に吸引排出させるためである。

（作用） 以上の如く構成された本発明の装置では、内燃機関１０
を始動することによって各燃焼室１１．・・・から高速
で排出される排気ガス流が排気系管２０により、触媒装
置２１．排気マフラ２２、負圧発生装置３０を経て大気
放出される間に、強力な負圧を発生し、そのエネルギー
が駆動タービン４０の駆動に利用される。また排気ガス
流は、排気管１２．・・・を出て前記負荷を通過する間
に著しく運動エネルギーを減衰させるが、同時に温度も
顕著に低下する。

このエネルギーの減衰した排気ガス流は負圧発生装置３
０の加速部３１を通過する間に流速を回復し、高速気流
となり、それに伴って発生する高度の負圧を負圧室３２
に於て利用し得るので、該室３２に吸引管４３により通
じたタービン４０を負圧により吸引、駆動し、かつ上流
の排気ガス流を導入管４１により吸引する。このとき、
タービン人口４２へ導入される排気ガス流は、前述の通
り減衰し、流速の低下した状態にはあるが、しかし静止
乃至静止に近い外気に比較すればなお、利用できる運動
エネルギーを保有しているので、タービン出力はその分
増大するか或いはタービン作動に要する吸引力はその割
合だけ少なくなる。従って排気ガスエネルギーの利用効
率もその分向上する。

かくして駆動タービン４０が作動すると過給タービン５
０がそれによって駆動され、吸気を吸気管５４を通じて
各吸気口５７．・・・へ圧送することとなり、この過給
された吸気は低温であるので過給度合いに応じた充填効
率でシリンダ内に押し込まれる。

（効果） 従って本発明によれば、排気ガス流を加速することによ
り発生させた負圧を利用してタービンを駆動するととも
に、該タービンに、既に減衰してはいるが、未だ運動エ
ネルギーを持つ排気ガス流を導入するようにしたので、
該タービンに大気から静止に近い空気流を導入するより
は効率的にタービンを駆動することができ、しかも排気
系の下流に於て残存エネルギーを利用するので排気直後
の高温の悪影響を受けることがなく、過給される吸気温
度は低温であるから燃焼室へ充填される吸気は密度が犬
であり、充填効率を著しく増大させることができる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明に係る装置を示すもので第１図は第１例の
模式的説明図、第２図は第２例の同様な説明図、第３図
は負圧発生装置の第１例を示す縦断面図、第４図は同じ
く第２例の縦断面図である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）内燃機関の燃焼室から排出される排気ガス流を大
   気放出するための排気系管と、該排気系の排気ガス流を
   加速し該加速に伴って負圧を発生させるため排気系管の
   最下流に設けられた負圧発生装置と、排気系下流に於て
   運動エネルギーの減衰した排気ガス流が導入管を経てタ
   ービン入口に導入され、先端がタービン出口に接続され
   た吸引管を経て、負圧発生装置へ吸引される気流により
   駆動される駆動タービン及び該タービンによって駆動さ
   れ、空気を前記燃焼室へ過給するための過給タービンを
   含むターボ過給機の駆動装置。
2. （２）タービン入口に通じる導入管の排気系管への接続
   位置が、排気マフラーの直前又は直後のいずれかに設定
   された請求項第１項記載のターボ過給機の駆動装置。
3. （３）導入管と排気系管との接続部分に、排気ガス流の
   流速を前もつて加速する補助加速手段が設けられた請求
   項第１項記載のターボ過給機の駆動装置。