JP2002515961A - 内燃機関過給装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は内燃機関の過給装置に関するもので、より詳細には内燃機関の出力密度(出力／重量、power density)と効率を向上させるために吸入される空気量を増大させる過給機(チャージャー、charger)に関するもので、内燃機関過給装置において、供給される空気を圧縮させて高温／高圧状態に排出させる圧縮機（１０）と、前記の圧縮機（１０）により圧縮された高温／高圧の空気を低温／高圧状態に変換させる熱交換機（１２）と、前記の熱交換機（１２）により低温／高圧状態に変換された空気を膨張させて外部に仕事をすることにより、空気の温度をさらに下げて内燃機関（１７）に供給するタービン（１４）とから構成される。

Description

【発明の詳細な説明】 内燃機関過給装置 技術分野 本発明は、内燃機関過給装置に関するもので、より詳細には内燃機関の出力密 度(出力／重量、power density)と効率とを向上させるために、吸入される空気 量を増大させる過給機(チャージャー、charger)に関する。 背景技術 一般的に内燃機関には、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン、ロータリエ ンジン、ジェットエンジン等があり、この中で車輌の駆動力発生装置としてよく 利用されるガソリンエンジンは、空気とガソリンとを混合した混合気をエンジン のシリンダーに供給し、吸入→圧縮→爆発→排気の行程を経て動力を生産する。 ディーゼルエンジンも一般的に空気の吸入→空気圧縮→燃料噴射→爆発→排気行 程を経て動力を生産している。 この時、エンジンの出力を最大限に引き出すためには、シリンダー内に吸入さ れる混合気量を最大限に維持するようにしなければならない。 このような機能を有するものがターボチャージャー(過絵機、turbo chargers) であり、このようなターボチャージャーは、エンジンに供給する空気量を最大限 に増大させ、この空気に混合する燃料量を増加させてエンジンの出力を向上させ ている。この時、供給する空気量を増大させるために利用する方式には、排気ガ スの力により回転するタービン(turbine)を設けて、該タービンにより生成され る動力により圧縮機(compressor)を回転させて空気を圧縮するターボチャージャ ー(turbo chargers)方式と、エンジンの出力軸に圧縮機を直接に装着して空気を 圧縮して供給するスーパーチャージャー(super chargers)方式とがある。 このようなチャージャーは、出力密度を高くして全体システムの効率を上げる ことに効果があり、特にディーゼル機関では、出力増強と排気ガスの汚染物質を 減らすために多く使用されているが、現在使用されている内燃機関に利用される チャージャーは、空気を圧縮して圧力を上げると温度も同時に上がるようになる ので、チャージャーの出口温度が上昇しノッキング(knocking)現象を起して、エ ンジンの圧縮比が減少し、さらにはシリンダへ注入する燃料が過多となり、これ により点火時期の遅延を招いていた。これらはエンジン効率に悪影響を与え、圧 縮比が低くなることにより、過給圧が低い時は出力が不足になる現象があった(I nternal Combustion Engine Fundamentals，John B．Heywood，第８７０頁乃至 第８７１頁)。そして、燃焼室温度を必要以上に上昇させることで高温燃焼状態 で多く発生する酸化窒素（ＮＯ₂）が発生するという問題点があった。 このような弊害を防止するために、従来はチャージャーの後端にインタークー ラー(inter-cooler)を設けて、チャージャーにより圧縮された空気の温度を降下 させて供給することにより、空気の温度が上昇することを防止しているが、この ような従来のインタークーラー方式のような水冷または空冷方式により空気を冷 却しても空気の温度が６０℃以下に下がらないので、エンジンの出力密度と効率 の向上が不十分であるという問題点があった。 一方、本発明と関連がある従来の特許は、米国特許第５１１９７９５号：Inta ke System with Mechanical Supercharger for Internal Combustion Engine、 米国特許第４９９３２２８号：Internal Combustion Engine with Turbosuperch arger、米国特許第５２６９１４３号：Diesel Engine Turbo-expander、米国特 許第４７７４８１２号：Turbocharged Engine、米国特許第４６７４２８３号：T urbocharging System for an Internal Combustion Engine等があり、この中で 米国特許第４９９３２２８号は、圧縮機とタービンとを用いて、冷媒を使用する 閉鎖型の冷却システムを構成して、過給されたディーセルエンジンの吸気温度を 下げてＮＯ₂を減らす方法に関するもので、残りは既存のターボチャージャーと スーパーチャージャーの調節方法に関する。両方とも、ディーゼルエンジンのみ を対象としており、実際に米国特許第４９９３２２８号は具現し難くなっている 。 発明の開示 本発明は前記のような従来の技術の問題点を解決するためのもので、内燃機関 の出力密度及び効率を改善し、酸化窒素のような環境に有害な排気ガスの排出量 を減少させる内燃機関過給装置を提供することにその目的がある。 本発明は前記の目的を達成するために、供給する空気を圧縮して高温／高圧状 態で排出する圧縮機と、前記の圧縮機により圧縮された高温／高圧の空気を低温 ／高圧状態に変換させる熱交換機と、前記の熱交換機により低温／高圧状態に変 換された空気を膨張させて外部に仕事をすることにより、空気の温度を更に下げ て内燃機関に供給するタービンを含むことを特徴とする内燃機関の過給装置を提 供する。 前記の通り構成される本発明による内燃機関過給装置は、内燃機関の吸入空気 量を増加させてエンジンの出力密度を向上させ、吸入空気の温度を下げて高圧縮 比を使用可能にし、熱伝達による損失を減らすことで、エンジンの効率を高めて 、排出ガスの中で環境に有害な酸化窒素の排出量を減少させる効果を提供する。 図面の簡単な説明 第１図は、本発明による内燃機関過給装置の第１実施例を示した構成図である 。 第２図は、本発明による内燃機関過給装置の第２実施例を示した構成図である 。 第３図は、過給温度と過給圧との関係を示したグラフ図である。 第４図は、圧縮比と過給圧との関係を示したグラフ図である。 第５図は、点火時期の繰り上げ角と過給圧との関係を示したグラフ図である。 第６ａ図，第６ｂ図，第６ｃ図，第６ｄ図は、本発明による過給装置において 、タービンの可変面積ノズルの可変形態を示した状態図である。 第７図は、本発明による内燃機関過給装置の第３実施例を示した構成図である 。 第８図は、本発明による内燃機関過給装置の第４実施例を示した構成図である 。 発明を実施するための最良の形態 本発明による内燃機関過給装置の構成及び作用を本発明による実施例を通して 詳細に説明する。 第１図は、本発明による内燃機関過給装置の第１実施例を示した構成図であり 、第２図は、本発明による内燃機関過給装置の第２実施例を示した構成図である 。そして、第６図は、本発明による過給装置において、タービンの可変面積ノズ ルの可変形態を示した状態図であり、第７図は、本発明による内燃機関過給装置 の第３実施例を示した構成図であり、第８図は、本発明による内燃機関過給装置 の第４実施例を示した構成図である（各図面においてＩＮ／Ｇは、エンジンに吸 入される空気の流れを示しており、ＥＸ／Ｇはエンジンから排出される排気ガス の流れを示している）。 本発明による内燃機関過給装置の大略的な構成は第１図の図示の通り、大気中 の空気を吸入して高温／高圧に圧縮させる圧縮機（Ｃ、１０）と、前記の圧縮機 （１０）により圧縮された高温／高圧の空気を低温／高圧状態に変換する熱交換 機（Ｈ／Ｘ、１２）と、前記の熱交換機により低温／高圧状態に変換された空気 を膨張させることにより、その温度を更に下げてエンジン（Ｅ／Ｇ、１７）に供 給するタービン（Ｔ、１４）と、前記エンジン（１７）の駆動力を、前記の圧縮 機（１０）に伝達する動力伝達装置（１６）とからなる。 ここにおいて、前記の熱交換機（１２）は、空冷式または水冷式冷却機からな り、圧縮空気を膨張させてその温度を下げるタービン（１４）は、前記の熱交換 機（１２）により低温／高圧状態に変換された空気が供絵されて、この空気の膨 張によりこの空気の温度を下げて駆動力を発生させ、該駆動力は圧縮機（１０） を駆動させるか、エンジン（１７）に供給されて、エネルギー損失を減少させる 。 前記タービン（１４）の作用に対してより詳細に説明すると下記の通りである 。 熱力学第１法則は下記の通り記述することができる。 ところが、エンジン吸入空気は約３０ｍ／ｓｅｃ乃至４０ｍ／ｓｅｃ程度の速 度を有して移動するので、外部からの熱伝達は無視してもよい程度に小さいと言 うにおける。 体の温度が減少するようになる。即ち、熱交換機を通過した高圧の空気がタービ ンに供給されて膨張しながら外部に仕事を行うようになると、これに相当する量 の内部エネルギーが減少し、気体の温度が下がる。 このように構成された本発明による内燃機関過給装置は、下記の通り作用する 。 エンジン（１７）から動力伝達装置（１６）が通して動力が伝達されて駆動す る圧縮機（１０）は、大気中の空気を吸入し空気を圧縮して熱交換機（１２）に 供給する。この時、空気は圧縮されると温度が上昇するので、圧縮機（１０）か ら排出される空気の状態は高温／高圧状態となる。高温／高圧の空気は、熱交換 機（１２）により低温／高圧状態に変換されてタービン（１４）に供給される。 低温／高圧の空気が供給されたタービン（１４）は、空気を膨張させてエンジ ン（１７）に供給するようになる。この時、高圧の空気が膨張しながら、外部で 仕事を行い、仕事を行ったほど温度が低くなるので、エンジン吸気温度は更に低 くなる。 従って、エンジン（１７）に供給される空気は、その量が増大すると同時に、 その温度が適正温度もしくはそれ以下に低くなるので、高い圧縮比、最低空燃比 そして最適点火時期でノッキング(knocking)なくエンジンが動作できるようにな り、効率向上と出力増加の効果を同時に得るようになる。 前記のようになる本発明による内燃機関過給装置の具体的な構成及び作用を各 実施例別に調べると下記の通りである。 先ず、第１実施例は圧縮機（１０）の駆動に必要な駆動力を、エンジン（１７ ）から動力伝達装置（１６）を通して直接に伝達受けるスーパーチャージャー方 式で、第１図の図示の通りである。ここにおいて、エンジンの軸動力を直接使用 する圧縮機（１０）は、その動力（Ｗ₁）をエンジンから供給されるのでエンジ ン（１７）の出力を減少させるが、タービン（１４）に同一軸に連結されている ので、タービン（１４）により圧縮された空気が膨張しながら発生する膨張力（ Ｗ₂）が作用して、エンジンの実際損失は（Ｗ₁）−（Ｗ₂）ほど発生する。しか し、吸入空気の増加によりエンジン自体の出力が向上して全体的な出力は増加 する。 また、第２実施例は、第２図の図示の通り、圧縮機（２０）をモーター（２６ ）を用いて駆動させる例を示したもので、圧縮機（２０）により圧縮した空気は 、熱交換機（２２）により冷却されタービン（２４）に供給されて膨張しながら その温度が更に低くなってエンジン（２７）に供給される。 前記において説明した本発明による内燃機関過給装置による内燃機関の出力向 上に対し、より具体的な例を示すと下記の通りである。 表１ 理論上のチャージャーの性能例（第１実施例） （ただし、２０００ＣＣ、１０９Ｋｗエンジンの場合、圧縮機効率０．８、ター ビン効率０．９、熱交換機効率０．７５） 前記の表１の通り、０．５気圧過給（１．５気圧）で（２０１乃至１０９）／ １０９＝８４％の出力向上を期待することができ、特に吸気温度が０℃（２７３ °Ｋ）となることが分かる。一般的な過給方式（従来のターボチャージャー方式 ）では中間冷却（インタークーリング）した時、過給圧を０．４気圧程度まで上 げることができ、この時４０％程度出力が向上する。 一方、既存の過給方法を改善したミラーサイクル(Miller Cycle)に対して補充 説明をすると下記の通りである。 ミラーサイクルは、吸気途中に吸気バルブを先に閉めて一部を膨張させて圧縮 行程中の圧縮比を調節する方法であり、該方法は基本的に可変圧縮比エンジンを 具現するためのもので、エンジンの圧縮比のみを減らしてサイクル効率を増加さ せることを目的とし、吸入過程中で吸入バルブを閉めることにより、実質的に圧 縮行程の圧縮比を低くする。その反面、膨張行程は膨張比がそのまま維持される ことにより、‘純粋仕事＝膨張仕事−圧縮仕事’から出力が増加するようになる 。これは吸入途中で閉めることにより十分に空気を吸入することができなくなり 、体積効率(volumetric efficiency)を低下させるという短所があるが、過給圧 が高まることにより補充が可能である。 例えば、ノッキング(knocking)を防止するために圧縮比を半分に減らす場合、 通常の燃料を使用する場合、中間冷却を行ってもノッキング(knocking)限界によ り過給圧を絶対圧１．８気圧以上使用することができない。従って、かえって吸 入される空気量が減少して過給の効果はなくなる。従って、ミラーサイクルをガ ソリンエンジンに適用するためにはまた、点火時期遅延(ignition timing retar d)、空燃比(air-fuel ratio)増加、高級燃料の使用等を避けることができなくな る（実際にマツダ株式会社(Mazda)では、高級(premium)燃料の使用を要求してい る）。結局、原理上は吸入過程を遮断して圧縮比を低くしてノッキングを遅延さ せても、最適の状態で動作できなくなる。そして、吸入過程を遮断し体積効率の 減少を招来して過給の効果が低下するようになる（実際にマツダのMillennium Ｓは、一般エンジンに比して約２４％ほどしか出力が増加しない）。 即ち、ミラーサイクルは吸入行程が終了する前、吸入バルブを閉じると、膨張 比はそのままにして、圧縮比のみを減らして圧縮行程中のノッキングを防止し、 圧縮行程中の消耗仕事を減らして出力を増加させる効果がある。 そして、参考としてガソリンエンジンでターボ過給する時のノッキング現象に 対する追加的な説明は下記の通りである(第３図、第４図、第５図：“Internal Combustion Engine Fundamentals ”第８７１頁、John B.Heywood、McGraw-Hill) 。 第３図は、過給温度と過給圧との間の関係を示したグラフ図であり、第４図は 圧縮比と過給圧との関係を示したグラフ図であり、第５図は点火時期の繰り上げ 角と過給圧との間の関係を示したグラフ図である（第３図乃至第５図でＲＯＮは オクタン価、φは空燃比、ｒ_cは圧縮比、Ｗｉｔｈ ＣＡＣ(charge air cooling )は中間冷却過給、Ｗｉｔｈｏｕｔ ＣＡＣは非中間冷却過給、ｂｍｅｐはｂｒ ａｋｅ ｍｅａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ、Ｐ_iは吸気の圧力 である）。 第３図は、エンジンの圧縮比(compression ratio)が７の場合、燃料のオクタ ン価と燃料注入量、そして充填空気の温度により過給圧力が制限されることを示 すもので、吸入温度を低くすると過給圧を上げることができることが分かる。即 ち、過給しようとすれば、エンジンの圧縮比を７付近に低くして、圧縮行程の時 に最大温度を低くするとノッキングが発生しない。しかし、このように圧縮比を 低くするとエンジンの効率が急激に減少するようになっている。理想的なエンジ ンの場合、圧縮比が１０の場合、そのエンジンの効率は０．６０２、圧縮比が７ の場合は０．５４である。即ち、圧縮比を高く維持しつつ過給すると、既存の過 給エンジンより１１％ほど効率が向上する。 そして、このグラフから分かるように、オタタン価（ＲＯＮ）を上げると過給 圧を上げることができるし、燃料を最適空燃比（φ＝１）より多量に注入すると （＝１．１）過給圧を高くすることができるが（燃料を用いた冷却効果）、燃料 を少量注入すると（φ＝０．９）低い過給圧でもノッキング現象が発生する。ま た、過給機を通過した後、エンジンの入口で空気の温度が高ければ過給圧を上げ ることができない。 第４図は、中間冷却機を用いてエンジン入口の温度を下げる場合(With CAC)と 、過給機出口の空気を中間冷却させずそのまま流入させる場合(Without CAC)と を比較したもので、該グラフは実際に使用可能な場合に対する実験であるので、 圧縮比が低く燃料量が最適値より多く燃料のオクタン価が高い場合に関する例で ある。 該グラフは中間冷却を行う場合が、過給圧を更に上げることができることが分 かり、圧縮比が９程度となると中間冷却、最大オクタン価、燃料追加注入等にも 拘わらず、過給自体が不可能であるということが分かる。この結果はいままで生 産されたターボチャージャーガソリンエンジンが高い圧縮比を使用していないと いうことを意味している。 第５図は、点火時期の繰り上げ角(spark advance)と過給圧との関係を示した もので、過給圧が高ければ少量の繰り上げ角をしなければならないし、繰り上げ 角が小さければ燃料のエネルギーを伝達する十分な時間が与えられないので損失 がある。しかし、中間冷却を行う場合は、更に多い時間的な余裕を有するように なるので効率がよくなる。 従って、本発明による内燃機関過給装置を用いると、エンジンの圧縮比が更に 高くなり、既存のエンジンよりもっと高い効率を提供することができる（既存の エンジンで高い圧縮比を使用しなかったことは、またノッキングによる限界のた めであり、ガソリンエンジンがディーゼルエンジンより効率が低いことも圧縮比 が低いからである）。 そして、吸入空気の温度が低ければ圧縮行程中にのエネルギー消耗が小さいの で出力が向上するという効果を招来し、過給圧をあまりにも高くすると、圧縮行 程が終了した時点で圧力が高すぎて機械的な限界にぶつかるが、本発明は過給圧 の一部を温度の降下に変えて上げることにより、低い過給圧でも空気の密度を十 分に高めて供給することができるので、出力増強により効果的である。 一方、前記の実施例では、エンジンに供給される混合気または空気量を調節す るバタフライバルブ形態のスロットルバルブ(throttle valve)が装着された正常 的な場合を説明したが、本発明で適用されているタービンに可変面積ノズルを用 いてスロットルバルブの役割の代わりをすることができるようになる。 より詳細に説明すると、スロットルバルブは通過しない空気の圧力損失を発生 させて吸入空気量を調節するもので、該機能をタービンのノズル面積を可変させ て代替するとよい。 その例を第６図に示し、このように可変面積ノズルを有するタービンを採用す ると、部分負荷即ち、スロットルバルブが完全にオープンしなかった場合と同様 な場合は、タービンの可変ノズルを小さくして空気を加速させ、これをタービン 回転翼でエネルギーを吸収することにより、圧力エネルギーを軸エネルギーに還 元して圧力を減らして流量を減らし、同時に空気の温度が下がるようになる。 このようにして、ガソリンエンジンの比効率的な原因であった部分負荷時の損 失として作用していた既存のスロットルバルブにおける圧力損失を、吸入温度を 下げる有用なエネルギーとして活用できることである。即ち、温度を下げてもエ ンジンの圧縮比が高くなってノッキングが発生しないようにすることにより、高 い圧縮比の適用を可能にし、燃焼過程の温度を下げて熱伝達による損失を減らし てエンジンの効率を上昇させる。 これを表２に示す。 表２ 第１図に示した実施例に可変ノズルを適用した場合の 部分負荷時に各部分における圧力及び温度 表２から分かるように、部分負荷時に過給圧力が低い場合もスロットルバルブ を除去し、タービンの可変ノズル面積を減らしてタービンの出口圧力を０．５気 圧に減らす場合、エンジンに供給される空気の温度が約−３５°となる。 これは結果的に見ると、可変面積ノズルを採用したタービンでスロットルバル ブを代用できるだけでなく、より効果的であることを示す。 一方、第７図に本発明の第３実施例の構成を示したが、可変面積ノズルを使用 する場合に対して説明すると下記の通りである。 エンジンに供給される空気は、エンジン（Ｅ／Ｇ、７７）の排気ガスを利用し て動力を発生させる第１タービン（Ｔ、７５）から駆動力を伝達受けて回転する 第１圧縮機（Ｃ、７０）により圧縮され、第１熱交換機（Ｈ／Ｘ、７２）に供給 されて温度が降下され、更に第２圧縮機（Ｃ、７１）に供給される。 そして、第２熱交換機（Ｈ／Ｘ、７３）により温度が更に降下し、第２タービ ン（７４）内の可変面積ノズルにより加速されてから、タービンローターで仕事 をしながら温度が更に降下してエンジン（７７）に供給される。この時の可変面 積ノズルは、空気量を制御するスロットルバルブの役割とタービンの効率を上げ る役割を同時に遂行することにより、エンジンに部分負荷がかかる時の圧力損失 を温度降下に変えて第２タービン（７４）から発生する駆動力は、第２圧縮機（ ７１）を回転させる動力源として利用される。 第３実施例のように過給装置を構成すると、圧縮機とタービンの駆動をより容 易にマッチングさせることができるのでより効率的に作動し、使用される圧縮機 の大きさを小さくすることができるし、各構成要素を連結する連結管を短くする ことができるという利点がある。第３実施例に対して内燃機関の効率計算を行っ た結果は表３の通りである。 表３ エンジン効率比較 また、第８図は第３実施例の第１圧縮機をエンジンの軸動力で駆動させる場合 の構成で、このような構成は排気ガスを使用しないので、効率の減少があるが応 答性が優れる長所がある。 産業上の利用可能性 前記のように構成される本発明による内燃機関過給装置は、高い圧縮比、最適 点火時期、最適空燃比を維持した状態で、ノッキングなくエンジン駆動を可能に するので、エンジン効率向上（２０％）と出力向上（１００％）とが同時に可能 であり、既に生産されたガソリンエンジンにそのまま適用可能であり、強い構造 を必要とせず、既存のターボチャージャーエンジンに比してその重さが減少する し、単位重さ当たり高い出力を出すことができて機関の効率が高くなり、エンジ ンの内部温度を下げてエンジンの耐久性がよくなり、燃焼最高温度を下げてＮＯ_x の発生量を減少させる効果を提供する。 従って、本過給技術が適用された車輌の価格は４０万ウォン程度の原価上昇要 因があるが、出力と経済性とを考えた車輌の価値は、単純に排気量を増加させた 車輌とは比較できず、輸出の場合莫大な高付加価値を創出できるものと期待され る。 これまで本発明による好ましい実施例を挙げて図示、説明したが、本発明は前 記の実施例に限定されず、本発明の精神から外れない範囲内で本発明が属する技 術分野において通常の知識を有する者により多様な変更と修正が可能である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．内燃機関に供給される空気を過給し、内燃機関の出力を向上させる過給装 置に置いて、 供給される空気を圧縮させて高温／高圧状態に排出させる圧縮機と、前記の圧 縮機により圧縮された高温／高圧の空気を低温／高圧状態に変換させる熱交換機 と、前記の熱交換機により低温／高圧状態に変換された空気を膨張させて外部に 仕事をすることにより、空気の温度をさらに下げて内燃機関に供絵するタービン を含むことを特徴とする内燃機関の出力効率向上のための過給装置。 ２．前記の圧縮機とタービンが機械的に連結されておらず、圧縮機の駆動に必 要な駆動力を伝達させることができる動力伝達装置を更に含むことを特徴とする 請求の範囲第１項記載の内燃機関過給装置。 ３．前記のタービンはそのノズル面積を可変にして、スロットルバルブの役割 を行うことができることを特徴とする請求の範囲第１項記載の内燃機関過給装置 。 ４．前記の圧縮機とタービンは機械的に連結されており、追加の圧縮機を更に 含むことを特徴とする請求の範囲第１項記載の内燃機関過給装置。