JP2000054850A - エンジンの過給システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ターボ過給エンジンの低速トルクと加速レスポ
ンス向上を図る。 【解決手段】低比速度で高い圧力係数が得られる、即ち
小風量，高風圧の特徴がある渦流送風機に用いられる羽
根車と基本的には同様の形態の羽根車をタービン及びブ
ロワに用いて第二の過給機を構成し、これを第一の過給
機であるターボチャージャーの補助過給機として用い
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はターボチャージャー
を用いてエンジンの排気エネルギーを回収して吸気を昇
圧してエンジンに供給，エンジンの比出力を増大させる
過給システムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】自動車用エンジンの過給機としては、排
気タービンと遠心形圧縮機からなるターボチャージャー
やスーパーチャージャーと呼ばれるルーツ形，リショル
ム式（スクリュー形），スクロール形（スパイラル形）
等の容積型圧縮機が良く知られている。また、排気の圧
力波を利用して吸気を圧縮する方式の圧力波式過給機と
かコンプレックス装置と呼ばれる過給機も知られてい
る。

【０００３】ターボチャージャーは、排気ガス圧力でタ
ービンを回転させ、同軸にマウントされた遠心式羽根車
を回転させて吸気を圧縮するもので、排気ガスが持つエ
ネルギーの回収が可能だが、排気ガス流量の少ないエン
ジンの低回転域では十分な過給は得られない。ターボ過
給エンジンの問題は低速トルクの欠如と加速レスポンス
の悪さである。

【０００４】一方、容積型圧縮機を用いるスーパーチャ
ージャーや圧力波式過給機は低回転域でも十分な過給が
可能だが、エンジンにベルト掛け等で駆動されるため、
エンジン動力の一部を消費し、中高速回転での比出力向
上には向かない。そのため最近、例えば、日本ガスター
ビン学会誌Ｖol.２４，Ｎo.９６(Mar.１９９７ ターボ
チャージャー特集）ｐ１９から２０，ｐ２６からｐ２８
等で紹介されている可変ノズルターボチャージャーが開
発されている。

【０００５】これはタービンの排気ガス流入側に設けら
れる翼列ノズルの角度を可変にしたターボチャージャー
で、ＶＴあるいはＶＧターボと呼ばれている。ノズルの
角度を可変にして、低流量でのタービンの特性を改善し
たもので、確かに従来のターボチャージャーよりエンジ
ントルクが回転数の全域で向上している（ｐ２０の図１
４）。しかし、低回転域でのトルクの急低下は解消され
てはいない。

【０００６】また、同誌ｐ２４等で紹介されている様な
ターボチャージャーとスーパーチャージャーを併用した
「機械式過給ターボコンパウンドシステム(ｐ２４の図
１３)」とか「ハイブリッド過給システム」と呼ばれる
ものも開発されている。これにより、広い回転数範囲で
フラットな出力特性を有するエンジンを実現している
が、低回転域でエンジン動力を消費することには変わり
はない。

【０００７】また、特許第2723681号（特開平4−25552
6）公報には副流タービンを用いるターボチャージャー
と軸流タービンを用いるターボチャージャーを併用し
て、広い回転数範囲でフラットな出力特性を有するエン
ジンを実現しているが、このシステムは低回転域でもタ
ーボチャージャーがある程度機能するような相当大容量
のエンジンへの適用に限って有効となり、小形エンジン
にも適用可能な一般的な過給システムではないという欠
点がある。

【０００８】次に本発明に用いられる渦流過給機につい
て述べる。渦流過給機は例えば「機械工学便覧」応用編
・流体機械（日本機会学会編・１９８６・凸版印刷
［株］）のｐ１５３−１５４、あるいは日本機会学会論
文集４０巻３３６号(昭４９−８)ｐ２１９７−２２０８
等に紹介された渦流送風機(vortex blower，regenerati
veblower）の名称で呼ばれる流体機械に用いられる羽根
車と基本的には同様の形態の羽根車をタービン及びブロ
ワに用いる過給機である。

【０００９】即ち、円板状の基体の外周部に、基本的に
は放射状に形成された複数の羽根を備えた羽根車で、円
板外周の片面だけに羽根が設けられたものと両面に設け
られたものがある。送風機では羽根車の羽根の周囲にリ
ング状の流体通路を形成するケーシング内に収納され、
流体通路には流体の入口と出口を分離する１個の隔壁が
羽根車の回転を阻害しない形状に設けられている。

【００１０】羽根車はモータやエンジンにより回転させ
られ、隔壁の一方の側に設けられた流体入口より流体を
吸引，複数の羽根により数回の遠心圧縮作用を与えて昇
圧し、隔壁の他方の側に設けられた流体出口より吐出す
る。低比速度で高い圧力係数が得られる即ち小風量，高
風圧の特徴があり、従ってエンジン回転数の低い流量の
少ない状態でも良好な過給が可能となる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、ター
ボ過給エンジンの出力特性を広い回転数範囲でフラット
なものとし、低速トルクと加速レスポンスの向上を図
り、かつエンジンの比出力、即ち経済性向上を達成する
過給システムを提供する。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題は、低比速度で
高い圧力係数が得られる、即ち小風量，高風圧の特徴が
ある渦流送風機に用いられる羽根車と基本的には、同様
の形態の羽根車をタービン及びブロワに用いて第二の過
給機を構成し、これを第一の過給機であるターボチャー
ジャーの補助過給機として用いることにより達成され
る。

【００１３】また、渦流形流体機械形式の羽根車を用い
た第二の過給機で加圧された空気を、主吸気通路の下流
に向かって配置されたエジェクタノズルを介して放出さ
せるよう構成することで、広い回転数範囲で過給がより
効果的に達成される。

【００１４】また、渦流形流体機械形式の羽根車を用い
た第二の過給機を吸排気系とも第一の過給機であるター
ボチャージャーと直列になるよう設けることにより、過
給がより効果的に達成される。

【００１５】また、一個のケーシング内に二個の隔壁を
設けて二個の流体通路を形成して、一枚の渦流形流体機
械形式の羽根車をタービンとブロワの両方に用いて第二
の過給機を構成することでよりコンパクトにシステムが
実現する。

【００１６】また、エンジンの中高回転，中高負荷の運
転状態において、吸排気系に設けられた流量調整弁を各
々中間の角度に制御し、吸排気とも第二の過給機である
渦流チャージャーにバイパスすることにより、広い回転
数範囲で過給がより効果的に達成される。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明の第一の実施例を図１〜図
４を用いて説明する。図１は第一の実施例を示すエンジ
ン吸排気系のシステム構成図である。尚本図に示す気体
の流れ(矢印)，弁（バルブ）９，１０の状態は、このシ
ステムにおいてエンジンが低回転で高負荷の運転状態に
ある場合を示している。図２は図１に示した渦流チャー
ジャー７の縦断面図、図３は図２に示した構成のＸ−Ｘ
断面矢視図、図４は図２に示した構成のXI−XI断面矢視
図である。

【００１８】エンジン１の排気ガスは排気マニホールド
２から排気管１２を通り、従来形ターボチャージャー５
のタービン５ｂに導かれ、タービン５ｂを回転させ、軸
５ｃを介して遠心羽根圧縮機５ａを回転させる。しか
し、この状態では、エンジンが低回転であるため排気流
量が少なく、タービン５ｂの回転数も低いためターボチ
ャージャとしての昇圧機能は不十分である。

【００１９】そこで、タービン５ｂから排出された排気
ガスを配管１６を介して、渦流チャージャー７の入口７
ｉへ導きこれを動作させる。尚この時、バルブ９は全閉
とされている。渦流タービン羽根車７ｂの外周部には図
２に示すケーシング７ｅ，７ｆと図４に示す隔壁７ｑに
より、排気流路７ｎ，７ｏが形成されており、ここを排
気ガスが旋回流となって流れ、渦流タービン羽根車７ｂ
を回転させる。尚、二つの流路は入口部分と出口部分で
は連通されている。

【００２０】渦流タービン羽根車７ｂを回転させた排気
ガスは出口７ｊから配管１８へ流出した後、触媒１９，
マフラー２０を通り大気に放出される。一方、吸気は吸
気ダクト１１よりエアクリーナ４を介して吸気管１３に
取り込まれ、ターボチャージャー５の遠心羽根圧縮機５
ａに流入する。

【００２１】しかし、すでに述べた様に吐出吸気の昇圧
は不十分であるため、配管１４に設けられたバルブ１０
を閉じて、その上流に設けられたバイパス配管１５を介
して渦流チャージャー７のブロワ入口７ｇに吸気を導
き、渦流ブロワ羽根車７ａにより更なる昇圧を与えるよ
うシステムは構成されている。

【００２２】渦流ブロワ羽根車７ａの外周部には図２に
示すケーシング７ｃ，７ｄと図３に示す隔壁７ｐにより
吸気流路７ｌ，７ｍが形成されており，吸気はブロワ入
口７ｇからブロワ出口７ｈに至るまでに羽根車７ａによ
り、数度の遠心力を受け昇圧される。

【００２３】この時、空気の流れは羽根車７ａの羽根と
羽根の間の溝部分と楕円形断面の通路７ｌ，７ｍの間で
旋回する流れ（渦流）となる故、渦流ブロワと呼ばれ
る。昇圧されかつ加熱されてしまった吸気は、ブロワ出
口７ｈより配管１７とそれに接続されたエジェクタノズ
ル３０を介して、主吸気通路２１に放出され、クーラー
６で冷却された後、吸気マニホールド３よりエンジン１
へ供給される。

【００２４】本発明の第二の実施例を図５，図６を用い
て説明する。図５はエンジン吸排気系のシステム構成図
で、図６は本実施例における渦流チャージャー８の構成
を示す断面図である。図５の気体の流れ、バルブ９，１
０の状態は、図１と同様、エンジンが低回転で高負荷の
運転状態である。第一の実施例との相違は渦流チャージ
ャー８の構造だけである。第一の実施例の渦流チャージ
ャー７はタービンとブロワの羽根車を各々独立した二枚
の羽根車で構成したものだが、本実施例の渦流チャージ
ャー８は一枚の羽根車８ａをタービンとブロワの両方に
用いる構成である。

【００２５】即ち、一つのケーシング８ｃの内部に第一
の隔壁８ｐと第二の隔壁８ｑを設け、約半周を排気ガス
通路８ｎとし約半周を吸気通路８ｌとして構成してい
る。従って、羽根車８ａの回転方向で言えば、第一の隔
壁８ｐの手前側にタービン出口８ｊがあり反対側にブロ
ワ入口８ｇが、第二の隔壁８ｑの手前側にブロワ出口８
ｈがあり反対側にタービン入口８ｉが設けられている。

【００２６】第一の隔壁８ｐと第二の隔壁８ｑをはさん
で高圧の排気圧と低圧の吸気圧が接することになり、隔
壁８ｐと８ｑの作り方によっては、圧力波の利用による
更なる昇圧作用も見込まれる。

【００２７】図７は図５で示したシステムにおいて、特
に過給を必要としない低回転，低負荷のエンジン状態を
示すもので、バルブ９，１０は全開されている。この時
は渦流チャージャー８はほとんど動作しない。

【００２８】図８は図５で示したシステムにおいて、特
に過給を必要とする中高回転，中高負荷のエンジン状態
を示すもので、バルブ９，１０の開度は中間に設定さ
れ、まずはターボチャージャー５が有効に作動する条件
を与える。この時、ターボチャージャー５より排出され
る排気ガスはまだ残余のエネルギーを有しており、バル
ブの開度を適度に設定することで、渦流チャージャー８
に排気の一部がバイパスされてこれが動作する。

【００２９】この時、渦流チャージャー８からエジェク
タノズル３０を介して、主吸気通路２１に放出される吸
気は吸気全体に誘引作用を与え、渦流チャージャー８を
動作させない場合に比べて絶対流量を増大させることが
できる。図７，図８に示した状態設定は、図１に示した
第一の実施例の場合でも同様である。

【００３０】図９は本発明の第一の実施例の過給システ
ム付きエンジンと従来形ターボチャージャー付きエンジ
ンの回転数と出力トルクの関係を比較した図である。本
発明のシステムを適用することで、回転数の全域で出力
トルクが向上しているのが分かる。特に１０００から１
５００rpm の範囲で出力トルクが約２０％向上してお
り、これは可変ノズルターボでも約１０％であり（日本
ガスタービン学会誌Vol.２４ Ｎo.９６（Mar.１９９７
ターボチャージャー特集）ｐ２０の図１４）、この領
域では本発明のシステムの方が可変ノズルターボに比べ
ても優れている。

【００３１】尚、配管がやや複雑になりコンパクトな過
給システムという点では不利なので、具体的な構成図は
示さないが、本発明の渦流過給機を従来のターボチャー
ジャーと並列に用いるシステムとして構成することも考
えられる。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、従来のターボ過給エン
ジンの出力特性を広い回転数範囲でフラットなものに改
善でき、特に低速トルクと加速レスポンスの向上が図ら
れ、かつエンジンの比出力，経済性向上を達成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例を示すエンジン吸排気系
のシステム構成図。

【図２】図１に示した渦流チャージャー７の縦断面図。

【図３】図２に示した構成のＸ−Ｘ断面矢視図。

【図４】図２に示した構成のXI−XI断面矢視図。

【図５】本発明の第二の実施例を示すエンジン吸排気系
のシステム構成図。

【図６】第二の実施例の渦流チャージャー８の構成を示
す断面図。

【図７】第二の実施例の低回転，低負荷の状態を示す
図。

【図８】第二の実施例の中高回転，中高負荷の状態を示
す図。

【図９】本発明の第一の実施例と従来ターボチャージャ
ー付きエンジンとの出力特性比較図。

【符号の説明】

１…エンジン、５…ターボチャージャー、７，８…渦流
チャージャー、７ａ…渦流ブロワ羽根車、７ｂ…渦流タ
ービン羽根車、７ｐ，７ｑ…隔壁、８ａ…渦流タービン
ブロワ羽根車、８ｐ…第一の隔壁、８ｑ…第二の隔壁、
９，１０…バルブ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】遠心形羽根車を用いるターボチャージャー
   を第一の過給機として、第二の過給機を備えて補助過給
   を行わせるエンジンの過給システムにおいて、第二の過
   給機が渦流形流体機械形式の羽根車を用いた過給機であ
   ることを特徴とするエンジンの過給システム。