JP2004003451A - ガス・ダイナミック圧力波過給機 - Google Patents

Abstract

【課題】部分負荷領域における出力の増大を可能にするガス・ダイナミック圧力波過給機を提供する。
【解決手段】ガス・ダイナミック圧力波過給機の高圧排気管３１から低圧排気管３５に至るダクト５４が設けられ、該ダクトは、常に排気流の一部を最初に高圧排気管３１から拡大部まで誘導してから、ダクトを介して高圧排気管から低圧排気管までさらに排気を行う形で圧力波プロセスを維持する適切な手段によって調整される。これらの方策によって、内燃エンジンの性能領域全体にわたって、特に部分負荷領域において燃料消費値の向上を実現する。
【選択図】　　　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、給気を内燃エンジンに供給するガス・ダイナミック圧力波過給機に関し、この圧力波過給機は、複数のセルを有するロータ、低圧新鮮空気入口管、内燃エンジンに通じる高圧給気管、内燃エンジンからくる高圧排気管、および低圧排気管とを備え、高圧排気管および低圧排気管をガス囲壁中に封入し、かつ低圧新鮮空気入口管および高圧給気管を空気囲壁中に封入し、さらに高圧排気管がロータ側に拡大部を備える。
【０００２】
【従来の技術】
この種の圧力波過給機が、本発明の出願人に付与されかつ本発明が参照するＷＯ９９／１１９１４で詳細に説明されている。
【０００３】
４つの配管によって動作しかつポケットという形態で追加的な制御装置を有していない過給内燃エンジン用のガス・ダイナミック圧力波過給機では、そのプロセスを内燃エンジンの単一動作点のみのために調節する。これは、圧力波過給機の設計点と呼ばれている。囲壁壁部中のいわゆるポケットを使用することによって、圧力波過給機のあまり調節に敏感でない設計が可能になり、さらにその負荷、速度および容積の大幅な拡大が可能になる。この方法の欠点は、ガスの流入と流出およびポケットによる圧力波と膨張波の発生などの、ポケット内における二次的なプロセスによって生じる損失の増加である。
【０００４】
いわゆる予備プロセスから主プロセス、すなわち、調節プロセスへの過渡期が、圧力波プロセスの乱れを引き起こし、これが掃気を妨ぎ、次いで、多様な範囲の給気中への排気ガスの再循環の増加を招く。これらの範囲での、また始動時での再循環の増加を防ぐためにミル加工したシルの形態または、例えばスイス特許第ＣＨ−Ａ−６８１７３８号によれば、制御口という形態でガス・ポケットへの入口を設けねばならない。
【０００５】
例えば、ヨーロッパ特許ＥＰ−Ｂ−８８５３５２号が、いわゆるウェイストゲート・フラップを備える標準的な圧力波過給機において、例えば、内燃エンジンの部分負荷領域において過剰高圧排気を高圧排気管から低圧排気管へ分流し、したがって圧力波過給機の上流側の圧力を低減できる方法を開示する。これは圧力波過給機の下流側の圧力も低減することになり、したがって内燃エンジンの吸気管内の圧力を低減させる。しかし、ガス・ポケットへの入口の欠如によって、ウェイストゲートの開口が、過剰高圧排気の噴出を招くばかりでなく、圧力波過給機のロータの掃気不能を招くことになる。最悪の場合、このために排気が内燃エンジンの吸気管中へ再循環することを引き起こす恐れもあり、いずれにしても圧力波過給機の圧縮効率を著しく悪化させる。
【０００６】
例えば、前述の応用例の特許第ＣＨ−Ａ−６８１７３８号と、ヨーロッパ特許第ＥＰ−Ａ−０２１０３２８号が１つの方法を開示するが、それによれば、内燃エンジンが排出する排気によって、圧力波過給機のガス・ポケットにつながるバイパスを介して、過剰高圧ガスをガス・ポケット中に噴出することが可能であり、それによってロータの掃気が向上することにより圧縮効率を改善する。
【０００７】
導入部で述べたＷＯ９９／１１９１４は、ガス・ポケットの常時使用およびその結果生じる損失を回避し、かつその入口の開放時に圧力波過給機のプロセスを乱す、排気管とガス・ポケットの間の隆起と、ガス・ポケットへの入口の形状によって生じる流れおよび温度の損失という形態のエネルギー損失と、さらにその他の配管における設計上の制約を排除する。
【０００８】
しかし、これらすべての方法の欠点は、内燃エンジンの部分負荷領域において、過剰高圧排気をガス・ポケット中に噴出することによっても、あるいは高圧排気管を拡大することによっても、高圧排気管内の圧力は依然として過剰のままであること、すなわち、圧力波過給機への高圧排気供給に対する、得られる圧力波過給機の給気出力の負圧差によって内燃エンジンの排出損失の増加が生じ、したがって内燃エンジンの部分負荷領域での燃料効率を悪化させる。しかし同時に、圧力波プロセスにおける排気圧力の減少が不十分なために、望ましくない給気圧力が圧力波過給機の下流側に残存する。さらには、スロットルによって負荷制御する電気点火エンジンでは、スロットルを部分的に閉じることによって、吸気におけるこのような圧力増加を追加的に抑制しなければならず、それによって調整損失という形態で追加的な損失が生じる。
【０００９】
スイス特許第ＣＨ−Ａ−６８１７３８号、ヨーロッパ特許第ＥＰ−Ａ−０２１０３２８号およびＷＯ９９／１１９１４による過剰高圧ガスの噴出方法が有する欠点は、噴出が、内燃エンジンの広い性能特性領域では、主として内燃エンジンの部分負荷領域であるが、不十分であること、すなわち、圧力波過給機の上流側の圧力が、圧力波過給機の下流側の圧力よりも高い水準にあることである。その結果、内燃エンジンにも負圧差が生じることによって、内燃エンジンのピストンに要する排出力が増大することになる。電気点火エンジンでは、混合気の調整のために、エンジンの吸気における過剰な圧力を下げるようにスロットルを部分的に閉じる必要があり、それによって調整損失という形態で追加的な損失が生じる。これらの損失要因は両方とも部分負荷での内燃エンジンの燃料消費に対してマイナス効果を及ぼす。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
説明した従来技術の背景に基づき、本発明の目的は、燃料消費特性の改善および内燃エンジンの特性図全体にわたる、より具体的には部分負荷領域における出力の増大を可能にするガス・ダイナミック圧力波過給機を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
これを高圧排気管から低圧排気管につながるダクトを備えるガス・ダイナミック圧力波過給機によって達成するが、このダクトは、それを介して追加的な排気を高圧排気管から低圧排気管まで行う前に、常に排気流量の一部を最初に高圧排気管から拡大部中に導入する態様で、圧力波プロセスを維持する適切な手段によって調整される。
【００１２】
他の利点および実施形態については、従属請求項において記載する。
【００１３】
以降に例示的な実施形態の図面を参照して、本発明をさらに詳細に説明する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
単純明快にするために、単一の圧力波サイクルを展開図で提示して説明する。しかし、本発明は圧力波サイクルの数に左右されることはなく、したがって単一サイクルあるいは複数のサイクルを有する圧力波過給機に応用可能である。
【００１５】
図１は、内燃エンジン１、高圧排気管３ならびに掃気Ｓを含む低圧排気管４、個別のセル１８を有するロータ６、新鮮空気入口８あるいは低圧新鮮空気入口管１４、および末端が給気管１１でありかつ内燃エンジン１に通じる高圧給気管１０を有するガス・ダイナミック圧力波過給機２のロータを示す展開図である。
【００１６】
既に導入部で述べたように、追加的な調整装置をどれも備えずに４つの配管を使用する場合は、プロセスを内燃エンジンの単一運転点のみに調節するだけでよい。この意味で、これを圧力波過給機の設計点と呼ぶ。囲壁壁部中のポケットを使用することによって、調整敏感性がより低い圧力波過給機の設計が可能になり、したがってその負荷、速度および容積領域の重要な拡大が可能になる。長年にわたるこのような圧力波過給機の開発過程で、様々なポケットが囲壁壁部２４中にミル加工されてきたが、例えば、圧縮ポケット１９、拡張ポケット２０、および隆起２１Ａを含むガス・ポケット２１などの応用例が当業者によく知られている。このようなポケットの応用例の欠点は、調節していない特性図領域では、圧力波プロセスが、最適効率を生み出すことができない二次的なプロセスに切り替わることである。
【００１７】
圧力波過給機は、ポケットを設けずに、あるいは１つ、２つもしくは３つすべてのポケットを使用して、特性曲線法および設計計算などの知られた方法を用いて、内燃エンジンの製造者によって特定された点に関して、普通はモータの公称速度で、最適となるように設計されているのが通常である。
【００１８】
図２は、図１と同様に、高圧排気流に対して作用する手段を備えない高圧排気管３を示す。セル１８を有するロータ６が展開図で示されており、さらにガス囲壁２４、高圧排気管３および低圧排気管４を例示する。
【００１９】
それに加えて、図２は、例えば、導入部で説明したスイス特許第ＣＨ−Ａ−６８１７３８号が備えるようなガス・ポケット２１を示す。このようなガス・ポケットが、高圧排気管とこのガス・ポケットの間に必然的に存在する、主として隆起２１Ａと共に、特に、通常では噴出の必要がない低中域の速度、温度および流量の場合に追加的な損失を生む。
【００２０】
参照によって明示的に包含するＷＯ９９／１１９１４の図４、４Ａおよび５、５Ａでは、高圧排気管が摺動体によって作用を受けるのを模式的に示す。
【００２１】
本発明の図３から６はまた、高圧排気流に及ぼす作用にも注目する。本発明の図３は、セル４１を有するロータ４０の展開図を示し、さらに図２のガス・ポケット２１の代わりに、矢印５０が示すように摺動体４９によって変更可能な凹部４８を、ガス・ポケットの役目を果たすものとしてガス囲壁３４中に設ける。図３（Ｂ）では、摺動体４９が完全にこの矢印の方向で係合し、隆起を作らずに高圧排気管を拡大する。この摺動体を適切に制御することによって、それは当業者には計算可能であるが、圧力波プロセスで生成する給気圧が所望の水準に減少するまで圧力が降下する程度に高圧排気管を拡大するように摺動体を変位させることができる。
【００２２】
図４は、枢動要素５１の形態にある摺動体の代替実施形態を示すが、この要素を関節５２上に枢設しかつ上記と同じように電子制御によって駆動して、高圧排気管の拡大部５３を形成することができる。
【００２３】
ＷＯ９９／１１９１４が提示するように、凹部４８または拡張部分５３による高圧排気管の拡大部は、このような高圧排気部分内の圧力水準を周囲圧力に近い所望の水準に達する程度まで減圧するには不十分なので、追加的な減圧手段が必要である。
【００２４】
このような減圧手段は、追加的な通路５４〜５７を含む。図３では、それが凹部４８と高圧排気管３５の間にダクトを構成する連結管５４である。図３（А）では、摺動体４９を閉じ、したがって凹部と連結管５４を閉じる。図３（Ｂ）では、凹部と連結管５４が両方とも開いている。
【００２５】
ダクト５４を開くと、次に、実質的に周囲圧力を下回る低圧排気管３５中にさらなる量の排気を直接噴出することができる。それによって高圧排気管３１内の圧力が所望の低い水準まで下がる。この自由で追加的な連結管５４を開放するのは、最初に高圧排気管３１の拡大部を介して十分な量の排気をロータ中へ直接噴出したときのみであることが重要であり、そうしなかったら圧力波プロセスが乱れ、そのためにロータの掃気が妨害されかつ望ましくない排気がエンジンに運ばれることになるからである。
【００２６】
図３と同様に、図４は、ガス・ポケットの役目を果たす拡大部５３と低圧排気管３５の間の通路となる連結管５５を例示するが、拡大部５３および連結管５５を枢動部５１によって開閉する。
【００２７】
図３による実施形態の変形として、図５は、例えばスイス特許第ＣＨ−Ａ−６８１７３８号で使用するように、ガス・ポケット流入量を制御するための弁５８を模式的に例示する。ここでも同様に、最初にロータの掃気を維持するための十分な量の高圧排気３１を凹部４８中に分流させるように、弁５８を確実に変位させるように制御する。次いで弁５８をさらに開放してダクト５６を全開にする。適切な連結管によってダクト５６を低圧排気管３５に連結する。次いで、このダクト５６を介して、実質的に周囲圧力を下回る低圧排気管３５中に追加的な量の排気を直接噴出することができる。それによって高圧排気管３１内の圧力が所望の水準まで低下する。
【００２８】
図６は、ガス・ポケット流入量を制御するために、ヨーロッパ特許第ＥＰ−Ａ−０２１０３２８号と同様の形態で使用するようなバレル５９を模式的に例示する。ここでも同様に、最初にロータの掃気を維持するために十分な量の高圧排気３１を拡大部５３中に分流させるようにバレル５９を駆動する。
【００２９】
次いでバレル５９をさらに回転させて連結管５７を全開にする。連結管５７は低圧排気管３５につながっている。次いで、このダクトを介して、実質的に周囲圧力を下回る低圧排気管３５中に追加的な量の排気を直接噴出する。それによって高圧排気管３１内の圧力が所望の水準まで下がる。
【００３０】
ガス・ポケットへの高圧排気の流入量を調整するための他の方法を使用する場合も、同じ方策が適用可能であることを理解されたい。前述のようなまたは従来技術のガス・ポケットを使用する場合などのあらゆる種類の応用例に関して、本発明の別の実施形態では、高圧排気管３１から低圧排気管３５に直接導入する追加的な排気流量を、例えばマイクロプロセッサ制御の追加的なアクチュエータによって制御することができる。
【００３１】
この意味では、このような追加的なアクチュエータが、高圧排気管３１から低圧排気管３５中へ追加的に噴出するために、フラップ、弁、シリンダまたは同様な調整部材を含むかどうかは無関係である。しかしながら、適用する制御技法は、このような追加的な調整部材によって高圧排気管３１から低圧排気管３５に至る追加的な直接通路を開く前に、図４（Ｂ）および図５（Ｂ）に例示するような高圧排気管３１の拡大部を介するか、または排気流を部分的に分流することによって、確実に排気流を最初に高圧排気管からガス・ポケット中に案内するものでなければならない。このような制御手順はロータの掃気を維持するために必要である。
【００３２】
高圧排気管から低圧排気管に至るダクトが、ガス・ポケット、すなわち、凹部または拡大部から始まることは１つの利点であるが条件ではない。
【００３３】
以上の説明から、ガス・ダイナミック圧力波過給機の効率改善によって、ピストン・エンジンの部分負荷での燃料消費を低減する方法を提供することになる。この方法を他の方法と併用することもできるし、あるいは特許請求の範囲による圧力波過給機の熱力学的な改善を通じて個別に用いることもできる。
【００３４】
さらには、高圧排気管内の圧力、したがって給気圧力および過給機両端の負圧差も大幅に低減することになる。それによって内燃エンジンの負圧差も同様に低減するので、この方法によって部分負荷における内燃エンジンの燃料消費も低減することができる。その上、電気点火エンジンでは、排気圧力のほぼ完全な減圧により、給気圧力がほぼ周囲圧力に対応するので、スロットルによる調整が部分負荷領域でほとんど不要になる。その結果、部分負荷運転での燃料消費がさらに低減する。
【００３５】
本発明の圧力波過給機によって、内燃エンジンの全性能領域にわたり、負圧差したがって内燃エンジンに要する排出力の増加を可能な限り低い水準に維持することが可能になり、かつ部分負荷領域において内燃エンジンのスロットルを部分的に閉じる必要がないように、給気管内の圧力も同様に低減できる水準に高圧排気管内の圧力を低減できる程度まで噴出を増加させることが可能になる。
【００３６】
本発明は、最初に高圧排気管３１の拡大部あるいはガス・ポケットを介して、確実に十分な量の排気をロータ中に直接噴出するときに特に効果的であるが、これはそうしなかったら圧力波プロセスを乱し、そのためにロータの掃気が妨害されかつ望ましくない排気をエンジンに運ぶことになるからである。これを本発明で用いる制御技法を適切に設計することによって実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術による圧力波過給機のロータ・セルの円筒形断面を示す概略展開図である。
【図２】図１におけるロータ・セルの円筒形断面の細部を示す概略展開図である。
【図３】摺動体がそれぞれ閉位置および開位置にある、本発明によるロータ・セルの円筒形断面の細部を示す概略展開図である。
【図４】図３の実施形態の変形を示す図である。
【図５】図３の実施形態の変形を示す図である。
【図６】図４の実施形態の変形を示す図である。
【符号の説明】
１　内燃エンジン
２　ガス・ダイナミック圧力波過給機
３、３１　高圧排気管
４、３５　低圧排気管
６、４０　ロータ
８　新鮮空気入口
１０　高圧給気管
１１　給気管
１４　低圧新鮮空気入口管
１８、４１　セル
１９　圧縮ポケット
２０　拡張ポケット
２１　ガス・ポケット
２１Ａ　隆起
２４　囲壁壁部
３４　ガス囲壁
４８　凹部
５０　矢印
５１　枢動要素
５２　関節
５３　拡大部
５４　通路
５５、５７　連結管
５６　ダクト
５８　弁
５９　バレル
Ｓ　掃気

Claims (8)

1. 複数のセル（１８、４１）を有するロータ（６、４０）と、低圧新鮮空気入口管（１４）と、内燃エンジン（１）に通じる高圧給気管（１０）と、内燃エンジンからくる高圧排気管（３、３１）と、低圧排気管（４、３５）とを備え、高圧排気管（３、３１）および低圧排気管（４、３５）がガス囲壁（２４、３４）中に封入され、かつ低圧新鮮空気入口管（１４）および高圧給気管（１０）が空気囲壁（１５、３９）中に封入され、さらに高圧排気管（３、３１）がロータ側に拡大部（２１；４８、５３）を備える内燃エンジンへの給気を供給するガス・ダイナミック圧力波過給機であって、高圧排気管（３；３１）から低圧排気管（４；３５）に至るダクト（５４〜５７）が設けられ、該ダクトは、常に排気流の一部を最初に高圧排気管（３、３１）から拡大部まで誘導してから、ダクトを介して高圧排気管から低圧排気管までさらに排気を行う形で圧力波プロセスを維持する適切な手段によって調整されることを特徴とするガス・ダイナミック圧力波過給機。
2. 拡大部が、隆起を形成しないで拡大部を変更する手段（４９、５１、５８、５９）を備える、ロータ側の凹部（４８）または拡張部分（５３）から成ることを特徴とする、請求項１に記載のガス・ダイナミック圧力波過給機。
3. 高圧排気管（３１）の拡大部を変更する手段がダクト（５４〜５７）の開口も変更するようになされていることを特徴とする、請求項２に記載のガス・ダイナミック圧力波過給機。
4. ダクト（５４〜５７）の開口がアクチュエータによって変更可能であることを特徴とする、請求項２に記載のガス・ダイナミック圧力波過給機。
5. アクチュエータがマイクロプロセッサによって調整されることを特徴とする、請求項４に記載のガス・ダイナミック圧力波過給機。
6. 凹部（４８）を変更する手段およびダクト（５６）の開口が弁（５８）を備え弁の第１変位において十分な排気流量の部分を凹部（４８）へ誘導し、さらに弁をさらに変位させると低圧排気管につながるダクト（５６）を全開することを特徴とする、請求項２に記載のガス・ダイナミック圧力波過給機。
7. 高圧排気管の拡張部分（５３）を変更する手段およびダクト（５７）の開口がシリンダ（５９）であって、最初に十分な排気流量の部分を拡張部分（５３）中へ誘導し、かつそのシリンダをさらに回転すると低圧排気管につながるダクト（５７）を全開する態様で制御されるシリンダを備えることを特徴とする、請求項２に記載のガス・ダイナミック圧力波過給機。
8. 高圧排気管から拡大部あるいはガス・ポケット管まで達するバイパスを制御する装置を備えることを特徴とする、請求項１に記載のガス・ダイナミック圧力波過給機。

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