JP2007285221A - 過給機及び過給機の排気接続管 - Google Patents

Abstract

【課題】
過給機の排気管部でのエネルギ損失を低減し、タービンの駆動効率を向上することで、内燃機関の過給効率を向上し、更に内燃機関の熱効率の向上を図る。
【解決手段】
過給機本体の排気ガス流出口に接続される排気管部２１が、排気流れを偏向する湾曲流路部１６、該湾曲流路部に連続する平行直進流路部２２、該平行直進流路部に連続し、流路断面が漸次増大する拡大流路部１７、該拡大流路部に連続し、該拡大流路部で増大された流路を有する低速導路部１８を具備した。
【選択図】 図１

Description

本発明は内燃機関の排気ガスエネルギを利用してタービンを駆動し、内燃機関に圧縮空気を供給する過給機及び過給機の排気接続管に関するものである。

内燃機関の熱効率を向上させる為過給機が設けられ、排気ガスエネルギで過給機を駆動し、内燃機関に過給している。

図９により、従来の過給機１について説明する。

図９は、一例として船舶の内燃機関に設けられた過給機１を示しており、該過給機１は、主に過給機本体２と該過給機本体２の排気ガス流出口３に接続された排気管部４によって構成され、該排気管部４は船舶内に設けられた排気ダクト（図示せず）に接続されている。

先ず、前記過給機本体２について略述する。

軸支持部５には回転軸６が回転自在に支持され、該回転軸６の給気側端部にはコンプレッサ翼車７が軸着され、前記軸支持部５の排気側端部にはタービン翼車８が軸着されている。前記コンプレッサ翼車７は前記軸支持部５の給気側端に設けられたコンプレッサハウジング９に収納され、前記タービン翼車８は前記軸支持部５の排気側端に設けられたタービンハウジング１０に収納されている。

又、前記排気管部４は、前記排気ガス流出口３に接続され、排気ガスの流れ方向を直角方向に偏向する排気接続管１２と該排気接続管１２を図示しない排気ダクトに接続する排気導管１３により構成されている。

内燃機関（図示せず）からの排気ガスは、前記タービンハウジング１０の排気ガス流入口１４から流入し、前記タービン翼車８を回転させ、前記排気接続管１２、前記排気導管１３を経由して排気される。前記回転軸６を介して前記タービン翼車８と一体に前記コンプレッサ翼車７が回転し、吸入口１５より吸入した空気を圧縮して内燃機関（図示せず）に過給している。

上記過給機１に供給される排気ガスが持つエネルギを有効に使用するには、前記排気ガス流出口３から流出した排気ガスの流れ損失を少なくして、流速を圧力に変換することが望まれる。

特に、上記した従来の過給機の様に、排気ガスが９０°偏向される場合では、偏向による流れ損失が大きくなる。従って、従来の過給機でも、前記排気接続管１２により曲面により湾曲として円滑に流れ方向を偏向すると共に漸次流路断面を増大させ、前記排気導管１３に接続する様にして、流路損失を小さくしている。

図１０は上記排気管部４の模式図であり、図１１は、従来の過給機、特に前記排気管部４部分での流れの様子を解析したものである。

図１０に示される様に、前記排気管部４の流路は、流れ方向を９０°偏向する湾曲流路部１６、流路断面が拡大する拡大流路部１７、一定した大流路断面を有する低速導路部１８によって構成され、前記過給機本体２から流出した排気ガスは、前記湾曲流路部１６で方向が偏向され、前記拡大流路部１７を経て前記低速導路部１８から流通することで、排気ガスの流速が低下し、流速が圧力に変換される様になっている。

図１１は流路中を流れる排気ガスの流速分布を示しており、速度分布を等高線で示している。図１１の流路断面での速度分布の変化を見ると、前記湾曲流路部１６を通過し、前記拡大流路部１７で流路の拡大している部分で、大きな速度分布が発生し、前記湾曲流路部１６の外周に連続する部分の流速が大きく、内周に連続する部分が小さく、特に前記拡大流路部１７の内周側について、逆流部、流れの剥離部（渦、淀み）１９が発生しており、大きな流れ損失となっている。更に、発生した前記剥離部１９は下流側の前記低速導路部１８にも大きく影響している。

この為、前記排気管部４部分で流れ損失が発生し、排気ガスの流速が有効に圧力に変換されず、排気ガスのエネルギによるタービンの駆動効率の向上を妨げる要因となっていた。

尚、過給機の排気管部に関する先行技術としては特許文献１に示されるものがある。

特開２０００−１６１０１２号公報

本発明は斯かる実情に鑑み、過給機の排気管部でのエネルギ損失を低減し、タービンの駆動効率を向上することで、内燃機関の過給効率を向上し、更に内燃機関の熱効率の向上を図るものである。

本発明は、過給機本体の排気ガス流出口に接続される排気管部が、排気流れを偏向する湾曲流路部、該湾曲流路部に連続する平行直進流路部、該平行直進流路部に連続し、流路断面が漸次増大する拡大流路部、該拡大流路部に連続し、該拡大流路部で増大された流路を有する低速導路部を具備した過給機に係るものである。

又本発明は、前記低速導路部は、前記平行直進流路部に対して前記湾曲流路部の外周側に偏心された過給機に係り、又前記拡大流路部は、開き角θで流路が拡大し、該開き角θは５°〜２０°の範囲である過給機に係り、又前記平行直進流路部の長さは、流路長Ｌと前記平行直進流路部の直径Ｄの比（Ｌ／Ｄ）が、０．７５Ｄ〜２Ｄの範囲である過給機に係るものである。

又本発明は、過給機本体の排気ガス流出口に接続される排気管部が、排気流れを偏向する湾曲流路部、該湾曲流路部に連続する傾斜流路部、該傾斜流路部に連続する低速導路部とを具備し、前記傾斜流路部は下流側に向って傾斜した過給機に係るものである。

更に又本発明は、過給機本体の排気ガス流出口に接続され、少なくとも排気流れを偏向する湾曲流路部、該湾曲流路部に連続する平行直進流路部を形成する排気接続管に係るものである。

本発明によれば、過給機本体の排気ガス流出口に接続される排気管部が、排気流れを偏向する湾曲流路部、該湾曲流路部に連続する平行直進流路部、該平行直進流路部に連続し、流路断面が漸次増大する拡大流路部、該拡大流路部に連続し、該拡大流路部で増大された流路を有する低速導路部を具備したので、排気系に於ける圧力回復係数が改善される。

又本発明によれば、前記低速導路部は、前記平行直進流路部に対して前記湾曲流路部の外周側に偏心されたので、排気系に於ける圧力回復係数が改善される。

又本発明によれば、過給機本体の排気ガス流出口に接続される排気管部が、排気流れを偏向する湾曲流路部、該湾曲流路部に連続する傾斜流路部、該傾斜流路部に連続する低速導路部とを具備し、前記傾斜流路部は下流側に向って傾斜したので、排気系に於ける圧力回復係数が改善される。

更に又本発明によれば、過給機本体の排気ガス流出口に接続され、少なくとも排気流れを偏向する湾曲流路部、該湾曲流路部に連続する平行直進流路部を形成するので、排気管部での流路損失が低減され、排気系に於ける圧力回復係数が改善される等の優れた効果を発揮する。

以下、図面を参照しつつ本発明を実施する為の最良の形態を説明する。

本発明では、過給機の排気エネルギの損失が、排気部での排気ガス流の偏向によるものであることに着目し、排気部の改良を行って偏向によるガス流れ損失を低減した。

尚、排気管部２１が接続される過給機本体２について、図９で示したものと同様であるので、以下説明を省略する。

本発明に係る排気管部２１を図１に示し、該排気管部２１の模式図を図２に示し、該排気管部２１に於ける排気ガスの流れ状態の解析結果を図３に示す。

前記排気管部２１は湾曲し、過給機１の排気ガス流出口３と排気ダクト（図示せず）とを連通する流路を有し、該流路は、流れを所要角度（図１の場合は９０°）偏向する湾曲流路部１６、該湾曲流路部１６に連続する平行直進流路部２２、該平行直進流路部２２に連続し、流路断面が漸次増大する拡大流路部１７、該拡大流路部１７に連続し、流路断面が変化しない低速導路部１８から構成されている。

又、前記排気管部２１は、排気接続管２３と排気導管２４によって構成され、前記排気接続管２３と前記排気導管２４によって前記湾曲流路部１６、前記平行直進流路部２２、前記拡大流路部１７、前記低速導路部１８が形成される。図示では、前記排気接続管２３は、前記湾曲流路部１６と前記平行直進流路部２２と、前記拡大流路部１７とを形成し、前記排気導管２４は前記低速導路部１８を形成している。

尚、前記排気接続管２３によって、前記湾曲流路部１６と前記平行直進流路部２２が形成され、前記排気導管２４によって前記拡大流路部１７と前記低速導路部１８とが形成される様にしてもよい。或は、前記湾曲流路部１６、前記平行直進流路部２２、前記拡大流路部１７、前記低速導路部１８はそれぞれ分割された管によって形成される様にしてもよい。

前記排気接続管２３は上流端に前記排気ガス流出口３と連結可能なフランジ２６を有し、前記湾曲流路部１６を形成する曲管部２７、前記平行直進流路部２２を形成する直管部２８、前記拡大流路部１７を形成する拡大管部２９、該拡大管部２９の下流端に形成され、前記排気導管２４に連結可能なフランジ３１から構成されている。

又、前記排気導管２４は上流端に設けられたフランジ３２、配管３３によって構成され、前記フランジ３２は前記排気接続管２３の前記フランジ３１に連結可能であり、前記配管３３は前記拡大管部２９の下流端と等しい流路断面となっている。

尚、前記排気接続管２３は、前記フランジ３１を介して前記排気導管２４に着脱可能であるので、既設の過給機に対して前記排気接続管２３を交換し、排気効率を改善する改良工事が可能である。

前記排気管部２１を模式化したものが、図２に示されている。図２に示される様に、前記平行直進流路部２２の直径をＤ、該平行直進流路部２２の流路長をＬとし、前記拡大流路部１７の開き角をθ（θは合計の角度を示し、図２の様に対称的に設けられた場合は、片側でθ／２となる）、又、前記排気管部２１が形成する流路での排気ガスの流れを解析した結果が図３に示されている。

前記湾曲流路部１６を通過して、前記平行直進流路部２２に流入し、該平行直進流路部２２を通過する時点で、大きな速度分布は発生してなく、前記拡大流路部１７から前記低速導路部１８に移行する過程で、剥離部１９が発生している。然し、該剥離部１９が発生している領域は少なく、該剥離部１９が発生している流路断面での速度分布を見ると外周部での流速が減少している。更に、前記低速導路部１８の上流部分では、速度は平均化されている。従って、前記平行直進流路部２２から前記低速導路部１８に移行する過程で、流速が圧力に円滑に変換されていることを示している。

上記現象は、前記平行直進流路部２２が整流効果を有し、流路断面が増大した場合の速度分布の発生を抑制していることによると考えられる。

図４は第２の実施の形態を示している。第２の実施の形態では平行直進流路部２２と低速導路部１８とを偏心させて配置し、拡大流路部１７は前記低速導路部１８の偏心させた方向に広がる様に形成したものであり、第２の実施の形態では前記拡大流路部１７は偏心した方向にだけ開き角θを有している。

第２の実施の形態では、剥離部１９が殆ど生じていなく、上記実施の形態より効果的に流速から圧力への圧力変換が行われた結果を得ている。これは、前記平行直進流路部２２を通過するガスの流速が外周側で大きく、又前記拡大流路部１７では外周側で流路が拡大していることから流速の低下が円滑に行われることによると考えられる。

図５は第３の実施の形態を示しており、第３の実施の形態では、湾曲流路部１６と低速導路部１８とを傾斜流路部３５によって接続したものであり、該傾斜流路部３５は垂直線に対して倒れ角ψとなる様に下流側に倒して傾斜させた場合であり、前記湾曲流路部１６の屈曲角度は９０°より小さくなっている。前記傾斜流路部３５の流路断面は前記湾曲流路部１６の下流端面積から前記低速導路部１８上流端面積に向って徐々に拡大している。

第３の実施の形態でも、流速から圧力への圧力変換が効果的に行われた結果を得ている。

上記した第１の実施の形態、第２の実施の形態に於いて、直管の軸長（流路長）Ｌと直管の直径Ｄとの比（Ｌ／Ｄ）、開き角θをパラメータとした場合の、圧力回復係数Ｃｐとの関係についての解析結果を図６、図７に示す。

尚、圧力回復係数Ｃｐとは、
Ｃｐ＝（出口静圧−入口静圧）／（入口全圧−入口静圧）で定義されるものである。

図６中、破線で示される線図が図２で示される前記平行直進流路部２２と前記低速導路部１８とが同心の同心型の場合であり、又実線で示される線図が図４で示される偏心型の場合である。更に、◆、◇でプロットされたものが直管無し、■、□でプロットされたものが直管長さ（Ｌ／Ｄ）１Ｄ、▲、△でプロットされたものが直管長さ（Ｌ／Ｄ）２Ｄとなっている。

図６より、流路に前記平行直進流路部２２を形成する前記直管部２８を設けた場合が、直管が無い場合よりも圧力回復係数Ｃｐが大きく改善されており、更に、同心型よりも偏心型の方が圧力回復係数Ｃｐが高いことが分る。

又、いずれの場合も、開き角θの０°近傍を除き、傾向として開き角θは増大する程、圧力回復係数Ｃｐは低下しているので、開き角θは５°〜２０°とすることが目安とされる。

図７は開き角θを２０°とした場合に、直管長さ（Ｌ／Ｄ）を変化させた場合の、圧力回復係数Ｃｐとの関係を示している。尚、図中、破線で示すものが図１０で示した従来の排気管部４の圧力回復係数Ｃｐである。図７で分る様に、同心型、偏心型共に、直管長さ（Ｌ／Ｄ）が０．５Ｄを越えたところから急激に圧力回復係数Ｃｐが増大し、直管長さ（Ｌ／Ｄ）が１Ｄでピーク値を示し、その後緩やかに減少する傾向を示している。

従って、直管長さ（Ｌ／Ｄ）は、１Ｄを含む近傍、例えば０．７５Ｄ〜２Ｄが好ましいとされる。

図８は、第３の実施の形態に於ける倒れ角ψと圧力回復係数Ｃｐとの関係を示している。

図８に示される様に、倒れ角ψが増大する程、圧力回復係数Ｃｐは増大し、４０°でピーク値を示す。従って、倒れ角ψは、４０°を含む、３０°〜５０°程度が好ましい。

本発明の実施の形態の要部を示す断面図である。 該要部の模式図である。 排気管部のガス流れを解析した結果を示す説明図である。 第２の実施の形態の要部の模式図である。 第３の実施の形態の要部の模式図である。 排気管部の開き角と圧力回復係数との関係を示す線図である。 本発明に於ける直管長さと圧力回復係数との関係を示す線図である。 本発明に於ける倒れ角と圧力回復係数との関係を示す線図である。 従来の過給機を示す断面図である。 従来の排気管部の模式図である。 従来の排気管部のガス流れを解析した結果を示す説明図である。

符号の説明

１ 過給機
２ 過給機本体
３ 排気ガス流出口
１６ 湾曲流路部
１７ 拡大流路部
１８ 低速導路部
２１ 排気管部
２２ 平行直進流路部
２３ 排気接続管
２４ 排気導管
２７ 曲管部
２８ 直管部
２９ 拡大管部
３３ 配管

Claims (6)

1. 過給機本体の排気ガス流出口に接続される排気管部が、排気流れを偏向する湾曲流路部、該湾曲流路部に連続する平行直進流路部、該平行直進流路部に連続し、流路断面が漸次増大する拡大流路部、該拡大流路部に連続し、該拡大流路部で増大された流路を有する低速導路部を具備したことを特徴とする過給機。
2. 前記低速導路部は、前記平行直進流路部に対して前記湾曲流路部の外周側に偏心された請求項１の過給機。
3. 前記拡大流路部は、開き角θで流路が拡大し、該開き角θは５°〜２０°の範囲である請求項１又は請求項２の過給機。
4. 前記平行直進流路部の長さは、流路長Ｌと前記平行直進流路部の直径Ｄの比（Ｌ／Ｄ）が、０．７５Ｄ〜２Ｄの範囲である請求項１又は請求項２の過給機。
5. 過給機本体の排気ガス流出口に接続される排気管部が、排気流れを偏向する湾曲流路部、該湾曲流路部に連続する傾斜流路部、該傾斜流路部に連続する低速導路部とを具備し、前記傾斜流路部は下流側に向って傾斜したことを特徴とする過給機。
6. 過給機本体の排気ガス流出口に接続され、少なくとも排気流れを偏向する湾曲流路部、該湾曲流路部に連続する平行直進流路部を形成することを特徴とする排気接続管。

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