JP2000192821A - 内燃機関の過給装置 - Google Patents

内燃機関の過給装置

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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 過給式内燃機関において出力増大と共に、燃
費および有害物質発生を減少させ、低い回転数範囲にお
ける加速特性を向上させ、部分負荷運転および全負荷運
転時の非常に低い回転数から部分負荷運転および全負荷
運転時の高い回転数までの過渡調和運転スペクトルを得
て、且つ多数の排気駆動過給機を支障のあるポンプ作用
を生ずることなしに段階的に投入および遮断を可能にす
る。 【解決手段】 タービンが並列接続され圧縮機が直列接
続されたエンジン側小形排気駆動過給機と大形排気駆動
過給機から出発して、内燃機関１１への過給空気の供給
を細かく段階づけるために、同じ対配置の別の２つの排
気駆動過給機Ａ２、Ｂ２が過給空気分配器２５の過給空
気分割弁２４によって仕切れる過給空気分配器部分に付
設されている。過給空気分割弁２８によって仕切れる第
２の過給空気分配器２９が内燃機関のシリンダ１０の特
別な第２の入口弁３１に接続されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の排気マ
ニフォールドに並列接続されたタービンによって段階づ
けて投入接続できる大小２つの排気駆動過給機の圧縮機
が、内燃機関の全シリンダに共通の過給空気分配器に直
列接続され、過給空気需要が少ない場合に単独で駆動さ
れる第１の排気駆動過給機の圧縮機が、過給空気分配器
と独立に搬送可能な質量空気量を多く設定された第２の
排気駆動過給機の圧縮機との間に配置されている内燃機
関の過給装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】小形内燃機関において過給方式を採用す
ることによって、かなり大きな内燃機関でなければ得ら
れない出力を発生することができる。所定の定格出力に
おいて過給方式を採用することによって、エンジンをか
なり小形化することができる。内燃機関に排気駆動過給
機で過給する場合、一方ではその過給によって定格出力
を増大することができるが、他方ではそのために、幾何
学的・機械的圧縮を所望の定格出力増大に比例して低下
しなければならないという矛盾が生ずる。その幾何学的
・機械的圧縮の低下によって、過給式内燃機関の出力な
いしトルクは下側回転数範囲では過剰比例して下がり、
これは排気駆動過給機の場合その固有運転回転数線図に
おける極めて尖った出力特性に起因している。流体機械
は極めて狭い回転数範囲内でしか良好な流れが、従って
高い出力が得られない。その逆に、陸上車両における内
燃機関の場合、引張力双曲線特性を得ることが望まれ
る。複数の排気駆動過給機を採用することによって、内
燃機関の運転回転数幅並びに排気駆動過給機の特殊な容
積的運転量を区分けできる。しかし、それに従って時間
的にずれた排気駆動過給機の追加投入は、例えば第２の
圧縮機から非常に低い圧力でまず放出弁を介して外へ流
れる空気が、既に第１の圧縮機の全圧状態にある内燃機
関の過給空気集合器に到達しなければならないとき、即
ち比較的大きな流速と僅かな圧力形成能力の流体機械か
ら、比較的小さな流速と比較的大きな圧力形成能力のピ
ストン機械に到達しなければならないとき、過給系統を
微かにポンプ範囲にしてしまい、追加投入された圧縮機
における過給空気流を崩壊してしまう。
【０００３】ドイツ実用新案登録第２９７２３４２１号
明細書で既に公知の冒頭に述べた形式の装置は、大形排
気駆動過給機の圧縮機に、そのタービンが固有のバイパ
ス弁を介して第１のタービンに対して並列して排気マニ
フォールドに接続され独立に搬送可能な質量空気量を両
排気駆動過給機の大きい方の排気駆動過給機より多く設
定された第３の排気駆動過給機の圧縮機が直列接続で前
置されているという特色を有している。これによって、
内燃機関において出力増大と共に燃費および有害物質発
生の低下が図られ、低い回転数範囲における加速特性が
改善され、部分負荷運転および全負荷運転時の非常に低
い回転数から部分負荷運転および全負荷運転時の高い回
転数までの過渡調和運転スペクトルが得られる。直列接
続された３台の圧縮機のうち、最小圧縮機だけが連続的
に供給されて運転される。圧力は最終的に、エンジンか
ら遠く離れた２台の大形圧縮機において、内燃機関の高
速運転範囲で必要な追加的な過給空気が、既に全負荷運
転されているエンジン側の最小圧縮機の狭い横断面開口
を通して支障なしに押し込まれるようにするために、高
められる。最小圧縮機の通過後にこの最小圧縮機だけで
与えられる圧力状態まで圧力が降下し、この圧力降下は
かなりの温度低下を生じさせ、これは、内燃機関のシリ
ンダにおける幾何学的・機械的圧縮を有利に高める効果
を生ずる。実際には、排気駆動過給機の種々の大きさの
ために、直列配置圧縮機装置に第４の排気駆動過給機の
圧縮機を追加接続することはあまり意味がない。支障の
あるポンプ作用を生ずることなしに、３台より多くの排
気駆動過給機を段階づけて運転することによって内燃機
関の運転スペクトルを細かく区分けするために、別の処
置を講ずる必要がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、過給
式内燃機関において出力増大と共に、燃費および有害物
質発生を減少させること、低い回転数範囲における加速
特性を向上させること、部分負荷運転および全負荷運転
時の非常に低い回転数から部分負荷運転および全負荷運
転時の高い回転数までの過渡調和運転スペクトルを得る
こと、および多数の排気駆動過給機を支障のあるポンプ
作用を生ずることなしに段階的に投入および遮断するこ
とを可能にすることにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】この課題は本発明に基づ
いて、冒頭に述べた形式の装置において、内燃機関への
過給空気の供給を細かく段階づけるために、同じ対配置
の別の２つの排気駆動過給機が、過給空気分配器の過給
空気分割弁によって仕切れる過給空気分配器部分に付設
されることによって解決される。
【０００６】この場合、２つの排気駆動過給機の一対の
対配置過給機装置からそのような二対の対配置過給機装
置への移行によって、２つより多くも少なくもない過給
空気流が設けられ、これらの過給空気流は過給空気分配
器で合流せず、内燃機関のシリンダに存在する入口弁ま
で互いに別々にされている。それにもかかわらず、例え
ば内燃機関の低温始動性を改善する目的で、そのシリン
ダへの過給空気の供給は止められていない。過給空気流
が別々にされていることにより、追加投入された２台の
排気駆動過給機から成る別の１つの対配置過給機装置に
おける過給空気圧は、前もって駆動されている対配置過
給機装置の既に確立された過給空気圧によって、支障な
しに生じさせられる。２台の排気駆動過給機から成るそ
れぞれの対配置過給機装置の内部において、排気駆動過
給機の時間的にずれた追加投入および再遮断の際におけ
るポンプ作用あるいは過給空気流の崩壊は、最初単独で
運転しているエンジンに近い小形圧縮機が、直列接続さ
れた大形圧縮機を通して空気を吸引し、この大形圧縮機
が運転開始した際に追加過給空気を小形圧縮機を通して
圧送することによって、防止される。これによって、ど
うして２つの排気駆動過給機から成る上述の価値ある公
知の対配置過給機装置が本発明に基づく方式に関与され
ているかが理解できる。本発明によって得られる利点は
特に、有害なポンプ作用なしに段階的に運転される３台
より多くの排気駆動過給機が、内燃機関の運転スペクト
ルの細かな区分けに対して関与されるということにもあ
り、これは、搬送される過給空気量と内燃機関の回転数
との特性曲線を平坦化し、車両エンジンの自動変速機に
おける切換急激変化を減少させる。この意味において、
本発明に基づく過給装置は特に、４台の排気駆動過給機
から６台の排気駆動過給機に拡大することを可能にし、
その場合、それぞれの直列配置圧縮機装置において大形
排気駆動過給機の圧縮機に、両排気駆動過給機のタービ
ンに並列接続され独立に搬送可能な空気質量流量を両排
気駆動過給機の大きい方の排気駆動過給機より多く設定
された第３の排気駆動過給機の圧縮機が前置されてい
る。
【０００７】本発明に基づく過給装置を４台の排気駆動
過給機から８台の排気駆動過給機に拡大する方式は、内
燃機関への過給空気の供給をもっと細かく段階づけるた
めに、同じ四つ組配置の４台の補助排気駆動過給機に接
続され過給空気分割弁によって仕切れる第２の過給空気
分配器が、内燃機関のシリンダの第１の過給空気分配器
用の入口弁とは別の第２の入口弁に接続されていること
にある。この場合、内燃機関の入口弁まで互いに別々に
されている過給空気流の数は２つから４つに倍増され
る。内燃機関の個々のシリンダを通しての場合によって
存在する少量の過給空気損失は、排気駆動過給機の切換
サイクルに関連づけられた作動装置を備えた第２の入口
弁に付設されたパイロット弁によって、あるいはそれに
応じて形成された入口弁によって防止される。好適に
は、内燃機関への過給空気の供給を段階づけるために設
けられた制御装置は、排気発生量が増大した場合第１の
四つ組配置過給機装置の最後の排気駆動過給機の排気止
め弁の開放よりも後に第２の過給空気分配器を開放させ
る。これによって、内燃機関の運転スペクトルは既に８
つの互いに連続する運転範囲に問題なしに区分けされ、
これは、種々の大きさの圧縮機の直列配置において生ず
る利点を利用した状態で、内燃機関のシリンダにおける
幾何学的・機械的圧縮をかなり高める。
【０００８】
【発明の実施の形態】以下において図に示した実施例を
参照して本発明を詳細に説明する。図１には従属請求項
に記載の実施態様に基づく本発明の有利な実施例が示さ
れている。
【０００９】図１には、４気筒形エンジンとして形成さ
れた内燃機関と組み合わされた過給装置の実施例が示さ
れている。この内燃機関１１の４個のシリンダ１０か
ら、太線矢印で示されている排気が、まず排気マニフォ
ールド１２に到達し、そこから内燃機関１１の最大出力
運転範囲において、全部で１２台存在する排気駆動過給
機Ａ１〜Ａ４、Ｂ１〜Ｂ４、Ｃ１〜Ｃ４の排気マニフォ
ールド１２に並列接続された１２台のタービン１３に到
達する。排気駆動過給機Ａ１のタービン１３は常に排気
マニフォールド１２に接続されているが、他の排気駆動
過給機Ａ２〜Ａ４、Ｂ１〜Ｂ４、Ｃ１〜Ｃ４におけるタ
ービン１３はそれぞれ１つの排気止め弁１４を介して排
気マニフォールド１２に接続されている。
【００１０】各排気止め弁１４から、内燃機関１１への
過給空気の供給を段階づけるための制御装置１５に、信
号配線が導かれている（この信号配線は図では分かり易
くするために省かれている）。内燃機関１１への過給空
気の供給を段階づけるために設けられた制御装置１５
は、排気圧及び／又は過給空気圧及び／又は内燃機関１
１の回転数及び／又は内燃機関１１の負荷要求の測定値
を、デジタル式に記憶された切換プロフィルと比較する
コンピュータを有している。このように制御装置１５が
コンピュータを有していることによって、切換信号を発
生するために、手軽な圧力値が回転数値および負荷要求
値と組み合わせられ、要求に適った切換信号が、２つ以
上のパラメータの結合によって得られる。また制御装置
１５に存在するコンピュータによって２つ以上の異なっ
た切換プロフィルセットがデジタル式に記憶されている
ので、内燃機関１１の運転スペクトルの２つ以上の種々
の区分けを都合良く選択することができる。内燃機関１
１の制御装置１５に測定値を供給するために、排気マニ
フォールド１２は排気圧計１６を、互いに独立した４本
の過給空気ライン１７、１８、１９、２０はそれぞれ過
給空気圧計２１を、内燃機関１１は回転数計２２を、内
燃機関１１のアクセルペダルは踏込み距離計２３をそれ
ぞれ有している。
【００１１】図１には特に、内燃機関１１への過給空気
の供給を細かく段階づけるために、排気駆動過給機Ａ
１、Ｂ１と同じ対配置の別の２つの排気駆動過給機Ａ
２、Ｂ２が、過給空気分配器２５の過給空気分割弁２４
で仕切れる過給空気分配器部分に付設されている、過給
装置の基本構想が示されている。過給装置のこの最も小
さな構成段階において、内燃機関１１への過給空気の供
給を段階づけるために設けられた制御装置１５は、排気
発生量が増大した場合第１の対配置過給機装置Ａ１＋Ｂ
１の第２の排気駆動過給機Ｂ１の排気止め弁１４の開放
よりも後に過給空気分割弁２４を閉鎖させる。制御装置
１５から過給空気分割弁２４の作動装置２６に発せられ
る閉鎖信号に関連して、第２の小形排気駆動過給機Ａ２
の排気止め弁１４および第２の過給空気ライン１８にお
ける過給空気止め弁２７にそれぞれ開放信号が発せられ
る。
【００１２】内燃機関１１への過給空気の供給をもっと
細かく段階づけるために、同じ四つ組配置の４台の補助
排気駆動過給機Ａ３、Ｂ３、Ａ４、Ｂ４に接続され過給
空気分割弁２８によって仕切れる第２の過給空気分配器
２９が、内燃機関１１のシリンダ１０の第１の過給空気
分配器２５用の入口弁３０とは別の第２の入口弁３１に
接続されている。これによって互いに別々の全部で４本
の過給空気ライン１７、１８、１９、２０が生じてい
る。過給装置のこの構成段階において、内燃機関１１へ
の過給空気の供給を段階づけるために設けられた制御装
置１５は、排気発生量が増大した場合第１の四つ組配置
Ａ１＋Ｂ１＋Ａ2 ＋Ｂ２の最後の排気駆動過給機Ｂ２の
排気止め弁１４の開放よりも後に第２の過給空気分配器
２９を開放させる。制御装置１５から第２の過給空気分
配器２９の過給空気分割弁２８の作動装置３２に発せら
れる閉鎖信号に関連して、第４の小形排気駆動過給機Ａ
４の排気止め弁１４および第４の過給空気ライン２０に
おける過給空気止め弁２７に開放信号が発せられる。
【００１３】第２の過給空気分配器２９の最初の開放
は、制御装置１５から第３の過給空気ライン１９におけ
る過給空気止め弁２７に発せられる開放信号によって、
第３の小形排気駆動過給機Ａ３の排気止め弁１４におけ
る開放信号と連携して行われる。
【００１４】更にこの場合、第２の過給空気分配器２９
と内燃機関１１の４個のシリンダ１０の第２の入口弁３
１との間に挿入された４個のパイロット弁３４に対する
共通の操作装置３３に、切換信号が発せられる。入口弁
３０、３１は好適にはカム軸のサイクルで開閉する一方
で、パイロット弁３４は排気駆動過給機Ａ３の切換サイ
クルに関連づけられている。これによって、第１の入口
弁３０から第２の入口弁３１を介する過給空気の大きな
損失が防止される。
【００１５】最終的に図１には、それぞれの直列配置過
給機装置３５＋３６において、大形排気駆動過給機Ｂの
圧縮機３６に、両排気駆動過給機Ａ、Ｂのタービン１３
に並列接続され独立に搬送可能な空気質量流量を両排気
駆動過給機Ａ、Ｂの大きい方の排気駆動過給機より多く
設定された第３の排気駆動過給機Ｃの圧縮機３７が前置
されているような過給装置の構成段階が示されている。
この場合好適には、内燃機関１１への過給空気の供給を
段階づけるために設けられた制御装置１５は、排気発生
量が増大した場合第１、第２あるいは第３の三つ組配置
過給機装置の第３の排気駆動過給機の排気止め弁の開放
よりも後に次の三つ組配置過給機装置の最小の排気駆動
過給機の排気止め弁を開放させる。これによって、内燃
機関１１への過給空気の供給をステップ的に増加させる
際、その都度次の過給空気ライン１８あるいは１９ある
いは２０が採用される前に、各過給空気ライン１８、１
９、２０が全負荷にされる。内燃機関１１への過給空気
の供給を低下させる際、上述とは逆の順序で制御され
る。排気駆動過給機Ａ、Ｂから成る四つ組配置過給機装
置から、エンジンの方向に小さく設計された排気駆動過
給機Ｃ、Ｂ、Ａから成る４組の三つ組配置過給機装置に
移行することは、図１から明らかに理解でき、この移行
は、排気駆動過給機の台数を増大するため、従って内燃
機関１１の運転スペクトルを種々の過給空気供給量の一
連の運転範囲に細かく区分けするために、互いに組み合
わされた３つの処置を利用できることを意味する。エン
ジンの方向に小さく設計された排気駆動過給機Ｃ、Ｂ、
Ａの三つ組配置によって、内燃機関１１のシリンダ１０
における幾何学的・機械的圧縮の比較的高いことによる
利点をさらに大きく利用することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づいて構成された内燃機関の過給装
置の配管系統図。
【符号の説明】
１０ シリンダ １１ 内燃機関 １２ 排気マニフォールド １３ タービン １４ 排気止め弁 １５ 制御装置

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 内燃機関の排気マニフォールドに並列接
    続されたタービンによって段階づけて投入接続できる２
    つの排気駆動過給機の圧縮機が、内燃機関の全シリンダ
    に共通の過給空気分配器に直列接続され、過給空気需要
    が少ない場合に単独で駆動される第１の排気駆動過給機
    の圧縮機が、過給空気分配器と独立に搬送可能な質量空
    気量を多く設定された第２の排気駆動過給機の圧縮機と
    の間に配置されている内燃機関の過給装置において、内
    燃機関（１１）への過給空気の供給を細かく段階づける
    ために、同じ対配置の別の２つの排気駆動過給機（Ａ
    ２、Ｂ２）が、過給空気分配器（２５）の過給空気分割
    弁（２４）によって仕切れる過給空気分配器部分に付設
    されていることを特徴とする内燃機関の過給装置。
  2. 【請求項２】 内燃機関（１１）への過給空気の供給を
    段階づけるために設けられた制御装置（１５）が、排気
    発生量が増大した場合第１の対配置過給機装置（Ａ１＋
    Ｂ１）の第２の排気駆動過給機（Ｂ１）の排気止め弁
    （１４）の開放よりも後に過給空気分割弁（２４）を閉
    鎖させることを特徴とする請求項１記載の装置。
  3. 【請求項３】 内燃機関（１１）への過給空気の供給を
    もっと細かく段階づけるために、同じ四つ組配置の４台
    の補助排気駆動過給機（Ａ３、Ｂ３、Ａ４、Ｂ４）に接
    続され過給空気分割弁（２８）によって仕切れる第２の
    過給空気分配器（２９）が、内燃機関（１１）のシリン
    ダ（１０）の第１の過給空気分配器（２５）用の入口弁
    （３０）とは別の第２の入口弁（３１）に接続されてい
    ることを特徴とする請求項１記載の装置。
  4. 【請求項４】 内燃機関（１１）への過給空気の供給を
    段階づけるために設けられた制御装置（１５）が、排気
    発生量が増大した場合第１の四つ組配置過給機装置（Ａ
    １＋Ｂ１＋Ａ2 ＋Ｂ２）の最後の排気駆動過給機（Ｂ
    ２）の排気止め弁（１４）の開放よりも後に第２の過給
    空気分配器（２９）を開放させることを特徴とする請求
    項３記載の装置。
  5. 【請求項５】 それぞれの直列配置圧縮機装置（３５＋
    ３６）において、その大形排気駆動過給機（Ｂ）の圧縮
    機（３６）に、その両排気駆動過給機（Ａ、Ｂ）のター
    ビン（１３）に並列接続され独立に搬送可能な空気質量
    流量を両排気駆動過給機（Ａ、Ｂ）の大きい方の排気駆
    動過給機より多く設定された第３の排気駆動過給機
    （Ｃ）の圧縮機（３７）が前置されていることを特徴と
    する請求項１又は３記載の装置。
  6. 【請求項６】 内燃機関（１１）への過給空気の供給を
    段階づけるために設けられた制御装置（１５）が、排気
    発生量が増大した場合第１、第２あるいは第３の三つ組
    配置過給機装置（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）の第３の排気駆動過給機
    （Ｃ）の排気止め弁（１４）の開放よりも後に次の三つ
    組配置過給機装置（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）の最小の排気駆動過給
    機（Ａ）の排気止め弁（１４）を開放させることを特徴
    とする請求項５記載の装置。
  7. 【請求項７】 内燃機関（１１）への過給空気の供給を
    段階づけるために設けられた制御装置（１５）が、排気
    圧及び／又は過給空気圧及び／又は内燃機関（１１）の
    回転数及び／又は内燃機関（１１）の負荷要求の測定値
    を、デジタル式に記憶された切換プロフィルと比較する
    コンピュータを有していることを特徴とする請求の範囲
    第１項ないし第６項のいずれか１つに記載の装置。
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