JP2015021460A - 容積型過給機、それを備える内燃機関、及び気体駆動式容積型圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】容積型の内燃機関と容易にマッチングし、内燃機関の運転領域の全域で燃費を向上することができる容積型過給機と、それを備える内燃機関を提供し、さらに、その容積型過給機の原理を応用した気体駆動式容積型圧縮機を提供する。【解決手段】スクリュー過給機１のケーシング１０内に、エンジン本体３から排出される排ガスと、エンジン本体３に供給される給気の両方を通過させ、ケーシング１０内を通過する過程で排ガスを膨張させて、給気を圧縮するように構成される。【選択図】図２

Description

本発明は、排ガスにより駆動する容積型過給機と、それを備える内燃機関に関する。また、蒸気などの気体により駆動する気体駆動式容積型圧縮機に関する。

内燃機関へ供給される給気の給気量を増加するために、現状では、排ガスにより駆動する過給機として、速度型の過給機であるターボチャージャを用いていた。そのため、容積型の内燃機関と、速度型の過給機の両者のマッチングには困難が伴うという問題がある。

これに関して、排ガスの排気エネルギーによって駆動する容積型の過給機であるスクリューコンプレッサが提案されている（例えば、特許文献１参照）が、このスクリューコンプレッサも排気タービンで駆動されるため、速度型の過給機と同様に容積型の内燃機関とマッチングさせることは難しい。

特開平８−３３４０２８号公報

速度型の過給機では、内燃機関が低速回転の場合は、排ガス量が少なく、内燃機関の低速回転時にマッチングさせるには過給機を小型にする必要がある。一方、内燃機関が高速回転の場合は、排ガス量が多く、内燃機関の高速回転時にマッチングさせるには過給機を大型にする必要がある。

そこで、内燃機関の低速回転時と高速回転時の両方に対応させるために、可変ノズルのターボチャージャも提案されているが、内燃機関の全ての運転領域をカバー仕切れていない。また、給気に関しても、内燃機関の低速回転時と高速回転時では、流れる給気量が異なり、特に過給圧を上げたい場合に、内燃機関の運転領域の全範囲を一つのコンプレッサインペラでは賄い切れない場合がある。

本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、その課題は、容積型の内燃機関と容易にマッチングし、内燃機関の運転領域の全域で燃費を向上することができる容積型過給機と、それを備える内燃機関を提供することである。

また、その容積型過給機の原理を応用した気体駆動式容積型圧縮機を提供することである。

上記の課題を解決するための本発明の容積型過給機は、内燃機関から排出される排ガスと、該内燃機関に供給される給気の両方を通過させることが可能な筐体内で、前記排ガスを膨張させて、前記給気を圧縮するように構成される。

なお、ここでいう容積型過給機とは、排ガスの膨張により駆動する膨張機の役割と、給気の容積を減じて、給気を圧縮する過給機の役割を、一つの装置で行えるように構成されたものであり、例えば、スクリューエキスパンダ（リショルムエキスパンダ）の役割とスクリューコンプレッサ（リショルムコンプレッサともいう）の役割とを一つの装置で行え
るように構成されたものである。

この容積型過給機は、まず、高圧域から排ガスを導入し、低圧域から排ガスを排出することにより、その差圧によって駆動力を発生する。その駆動力により、排ガスが通過する空間の容積が増大し、それに伴って、排ガスを膨張させる。そして、その駆動力によって、給気が通過する空間の容積が減少し、それに伴って給気を圧縮する。結果として、この容積型過給機は、排ガスを膨張させて、給気を圧縮することができる。

この構成によれば、一つの筐体内に内燃機関から排出される排ガスと、内燃機関に供給される給気の両方を通過させ、筐体内を通過させる過程で排ガスを膨張させて、給気を圧縮するので、排ガスの排出量に応じて給気量を可変することができる。これにより、速度型の過給機では実現不可能であった容積型の内燃機関とのマッチングが容易になり、内燃機関の運転状態に適した過給を行うことができ、内燃機関の運転領域の全域で燃費を向上することができる。

例えば、上記の容積型過給機では、排ガス量の少ない低速回転時と、排ガス量の多い高速回転時のそれぞれに対応した給気量の給気を内燃機関に供給できる。また、低速回転時の少量の排ガスから駆動力を取り出すことが可能で、排ガス量の少ない低回転時でも充分に過給することが可能となり、過度応答性も良好となる。

また、一つの装置内で、排ガスの膨張と、給気の圧縮を行うことができるので、タービンやコンプッサの少なくとも二つの装置を備える必要がある速度型の過給機と比べて、装置を小型にすることができ、車載への搭載性を向上することができると共に、部品点数を低減することができる。

また、上記の容積型過給機において、前記筐体内に設けられた互いに咬合する雌雄一対のスクリューロータを境にして、前記筐体内に、前記排ガスが膨張する膨張空間と、前記給気が圧縮する圧縮空間とが形成されると、一つの装置で排ガスの膨張と、給気の圧縮を同時に行うことができる。

通常のスクリュー圧縮機では、雌雄一対のスクリューロータの一方の軸を駆動させることで気体を圧縮している。一方、スクリュー膨張機では、雌雄一対のスクリューロータで高温、且つ高圧の気体を膨張させて回転力を得ている。そのため、スクリュー圧縮機では膨張空間が、スクリュー膨張機では圧縮空間がそれぞれ無駄になっている。

そこで、上記の装置では、筐体内の膨張空間と圧縮空間の両方を無駄なく使用することで、一つの装置で、排ガスの膨張による駆動力を得て、その駆動力によって給気を圧縮することができる。

また、スクリュー圧縮機では、圧縮空間の気体が大気圧又は負圧の膨張空間と接することになり、膨張空間と圧縮空間との間の差圧が大きく、圧縮空間から膨張空間に気体が漏れることがある。しかし、本発明では、排ガスを膨張空間に取り込むので、膨張空間が正圧となり、膨張空間と圧縮空間との間の差圧が小さくなるので、圧縮空間から膨張空間への漏れを低減することができる。

加えて、雌雄一対のスクリューロータが、常に接触しながら回転する接触式のスクリューロータで構成されることが望ましく、接触式のスクリューロータの接触する部分が排ガスと給気との間のシールとなり、二つの気体が混じることを抑制することができる。

上記の課題を解決するための本発明の内燃機関は、上記の容積型過給機を備えて構成さ
れる。この構成によれば、内燃機関の運転領域の全域で最適な過給を行うことができるので、燃費を向上することができる。

また、上記の内燃機関において、前記容積型過給機の排ガスの出口側と給気の入口側とを連絡する連絡通路と、該連絡通路の通路面積を調節する調節弁とを設け、前記容積型過給機を通過後の低温の排ガスを再循環するように構成されると、調節弁で通路面積を調節することで、ＥＧＲ（排気再循環）を行うことができる。

また、上記の容積型過給機を通過した後の排ガスは、容積型過給機の内部で膨張することで、圧力が低下すると共に温度が低下しており、ＥＧＲクーラーなどで冷却する必要がない。そのため、安価でＥＧＲを行うことができる。

上記の課題を解決するための本発明の気体駆動式容積型圧縮機は、複数の気体を通過させることが可能な筐体内で、一方の気体を膨張させて、他方の気体を圧縮するように構成される。この構成によれば、一つの筐体内に複数の気体を通過させ、その通過過程で、一方の気体を膨張させて、他方の気体を圧縮することができる。

例えば、この気体駆動式容積型圧縮機は、ボイラーや給湯器などに接続され、ボイラーや給湯器で生じた蒸気を膨張させて、空気を圧縮するエアコンプレッサとして使用することができる。この気体駆動式容積型圧縮機は、従来の蒸気駆動式圧縮機よりも小型で、部品点数も少なくて済むため、コストを大幅に削減することができる。

本発明によれば、内燃機関から排出される排ガスと、内燃機関に供給される給気の両方を一つの筐体内で通過させ、その通過過程で排ガスを膨張させて、給気を圧縮するので、排ガスの排出量に応じて給気量を可変することができる。これにより、容積型の内燃機関とのマッチングが容易になり、内燃機関の運転状態に適した過給を行って、内燃機関の運転領域の全域で燃費を向上することができる。

また、一つの装置内で、排ガスの膨張と、給気の圧縮を行うことができるので、タービンやコンプッサの少なくとも二つの装置を備える必要がある速度型の過給機と比べて、装置を小型にすることができ、車載への搭載性を向上することができると共に、部品点数を低減することができる。

本発明に係る実施の形態の容積型過給機を備える第一の実施の形態の内燃機関を示す構成図である。 図１の容積型過給機の作動原理を示した模式図である。 図１のＩＩＩで示した断面図である。 図１のＩＶで示した断面図であり、（ａ）〜（ｄ）にスクリューロータが回転する様子を順に示す。 本発明に係る実施の形態の容積型過給機を備える第二の実施の形態の内燃機関を示す構成図である。

以下、本発明に係る実施の形態の容積型過給機、それを備えた内燃機関、及び気体駆動式容積型圧縮機について、図面を参照しながら説明する。

まず、図１〜図４を参照しながら、本発明に係る実施の形態のスクリュー過給機（容積型過給機）１とそれを備えた第一の実施の形態のエンジン（内燃機関）２について説明す
る。

図１に示すように、本発明のスクリュー過給機１は、エンジン本体３から排出される排ガスが通過する排気通路４の途中で、且つエンジン本体３に供給される給気が通過する吸気通路５の途中に配置される。

このスクリュー過給機１は、排ガス入口６及び排ガス出口７が排気通路４に接続され、給気入口８及び給気出口９が吸気通路５に接続される。そして、図２及び図３に示すように、排ガスと給気のそれぞれが通過可能に構成されたケーシング１０と、そのケーシング１０内に設けられた互いに咬合する雌雄一対のスクリューロータ１１とを備え、スクリューロータ１１を境にして、ケーシング１０内に、排ガスが膨張する膨張空間Ａと、給気が圧縮する圧縮空間Ｂとが形成されて構成される。

ケーシング１０は、図３及び図４に示すように、円筒状に形成された雄用ハウジング１２と、雄用ハウジング１２よりも小さい円筒状に形成された雌用ハウジング１３を備え、その雄用ハウジング１２と雌用ハウジング１３は内部が連通するように形成される。

雄用ハウジング１２内には、ケーシング１０にベアリングを介して回転可能に支持された雄用ロータ軸１４と、その雄用ロータ軸１４に固定された雄用スクリューロータ１５を備える。雌用ハウジング１３内には、ケーシング１０にベアリングを介して回転可能に支持された雌用ロータ軸１６と、その雌用ロータ軸１６に固定された雌用スクリューロータ１７を備える。

図４の（ａ）〜（ｄ）に示すように、雄用スクリューロータ１５と雌用スクリューロータ１７は互いの捻じられた歯が咬合するように構成される。また、雄用スクリューロータ１５の歯溝と雄用ハウジング１２との間の空間は密閉され、雌用スクリューロータ１７の歯溝と雌用ハウジング１３との間の空間も密閉される。

加えて、排ガスと給気の二種類の気体がケーシング１０内で混じらないように、雄用スクリューロータ１５と雌用スクリューロータ１７が接触しながら回転し、常にその接触する部分がシールＳ１〜Ｓ４を形成するように構成される。

膨張空間Ａは、スクリューロータ１１を境にして、図中のケーシング１０の上側に形成される空間であり、雄用スクリューロータ１５が右回りに回転し、雌用スクリューロータ１７が左回りに回転したときに、互いの捻じられた歯が離れる側に形成される空間である。

詳しくは、この膨張空間Ａは、排ガス入口６から排ガス出口７に向かって圧力が低下するように構成されている。そして、高圧域の排ガス入口６から低圧域の排ガス出口７へ排ガスが通過すると、その差圧によってスクリューロータ１１の回転力が発生する。

この差圧の回転力により、雄用スクリューロータ１５と雌用スクリューロータ１７を互いに反対方向へ回転する。この回転により、雄用スクリューロータ１５と雌用スクリューロータ１７との歯溝内の密閉空間の容積が増大することで、排ガスが膨張する。

この膨張空間Ａで行われていることは、所謂スクリューエキスパンダ（スクリュー膨張機）と同様であり、結果的に、この膨張空間Ａは、通過する排ガスを膨張させることで、スクリューロータ１１の回転力を発生させている空間と言える。

圧縮空間Ｂは、スクリューロータ１１を境にして、図中のケーシング１０の下側に形成
される空間であり、雄用スクリューロータ１５が右回りに回転し、雌用スクリューロータ１７が左回りに回転したときに、互いの捻じられた歯が近づく側に形成される空間である。膨張空間Ａを排ガスが通過して、スクリューロータ１１が回転した状態で、この圧縮空間Ｂを給気が通過すると、雄用スクリューロータ１５と雌用スクリューロータ１７との歯溝内の密閉空間で、給気が圧縮される。

この圧縮空間Ｂで行われていることは、所謂スクリューコンプレッサ（スクリュー圧縮機）と同様である。

次に、このスクリュー過給機１の動作について説明する。このスクリュー過給機１の動作原理は、図２に示すように、ケーシング１０内のスクリューロータ１１を境にして形成される膨張空間Ａに排ガスを通過させ、排ガスが膨張空間Ａを通過する過程で、排ガスが膨張する。この排ガスの膨張により、スクリューロータ１１が回転する。

スクリューロータ１１が回転すると、膨張空間Ａの反対側に形成された圧縮空間Ｂに給気を通過させ、給気が圧縮空間Ｂを通過する過程で、給気が圧縮される。

詳しい動作については、図４の（ａ）〜（ｄ）に示す。図の裏側の高圧域の排ガス入口６から、図の表側の低圧域の排ガス出口７に排ガスが通過すると、その差圧によってスクリューロータ１１が回転する。スクリューロータ１１が回転すると、膨張空間Ａの容積が大きくなっていく。これにより、排ガスが膨張する。そして、図の裏側から表側に給気が流れると、スクリューロータ１１の回転により、圧縮空間Ｂの容積が小さくなっていく。これにより、給気が圧縮される。

このスクリュー過給機１によれば、エンジン本体３から排出される排ガスと、エンジン本体３に供給される給気の両方を一つのケーシング１０内を通過させて、その通過過程でケーシング１０内で排ガスを膨張させて、給気を圧縮するので、排ガスの排出量に応じて給気量を可変することができる。これにより、容積型のエンジン２とのマッチングが容易になり、エンジン２の運転状態に適した過給を行うことができ、エンジン２の運転領域の全域で燃費を向上することができる。

また、スクリュー過給機１は容積型の過給機のため、排ガス量の少ない低速回転時や、排ガス量の多い高速回転時のそれぞれに対応した給気量の給気をエンジン２に供給できる。また、低速回転時の少量の排ガスから駆動力を取り出すことが可能で、排ガス量の少ない低回転時でも充分に過給することが可能となり、過度応答性も良好となる。

加えて、一つのケーシング１０内で、排ガスの膨張と、給気の圧縮を行って、排ガスによる駆動と、給気の圧縮を一つのスクリュー過給機１で行うので、速度型の過給機と比較して、装置を小型にすることができ、車載への搭載性を向上することができると共に、部品点数を低減することができる。

さらに、スクリューロータ１１が回転しても、雄用スクリューロータ１５と雌用スクリューロータ１７は常にどこかで接触しており、その接触した部分にシールＳ１〜Ｓ４が形成されるので、排ガスと給気が混じることを防ぐことができる。

その上、排ガスを膨張空間Ａに取り込むので、膨張空間Ａが正圧となり、膨張空間Ａと圧縮空間Ｂとの間の差圧が小さくなるので、圧縮空間Ｂから膨張空間Ａへの漏れを低減することができる。

なお、雄用ハウジング１２と雌用ハウジング１３の形状や大きさについては、特に限定
されるものではない。また、雄用スクリューロータ１５と雌用スクリューロータ１７の歯の形状は歯の数についても、特に限定するものではない。

また、この実施の形態のように、雄用スクリューロータ１５と雌用スクリューロータ１７が常に接触しながら回転する接触式のスクリューロータ１１を用いる場合は、スクリューロータ１１の回転を円滑にするために、スクリューロータ１１に潤滑油を給油するとよい。

加えて、雄用スクリューロータ１５と雌用スクリューロータ１７が接触しないで回転する非接触式のスクリューロータを用いることもできる。

次に、上記のスクリュー過給機１を備えるエンジン２について説明する。このエンジン２は、のエンジン本体３は、シリンダ１８内を往復するピストン１９を備えた容積型である。

排気通路４には、スクリュー過給機１を通過した排ガス内のＰＭなどを捕集する捕集装置２０を備える。この他、この排気通路４に排ガス中のＮＯｘを浄化する装置などを備えてもよい。

吸気通路５には、エアクリーナー２１と、スクリュー過給機１を通過した圧縮された給気を冷却するインタークーラー２２と、給気量を調節する給気スロットル２３を備える。

また、排気通路４のスクリュー過給機１の上流側と吸気通路５とを連絡する高圧ＥＧＲ通路２４を備え、その高圧ＥＧＲ通路２４には、高圧ＥＧＲクーラー２５と高圧ＥＧＲバルブ２６とを備えて、高圧ＥＧＲシステム２７を構成する。

このエンジン２は、上記のスクリュー過給機１を備え、そのスクリュー過給機１で排ガスを膨張させて、給気を圧縮することができるので、エンジン２の運転領域の全域で最適な過給を行うことができるので、燃費を向上することができる。

次に、本発明に係る第二の実施の形態のエンジン３０について、図５を参照しながら説明する。このエンジン３０は、第一の実施の形態の構成に加えて、スクリュー過給機１の排ガス出口７から排出された排ガスを、スクリュー過給機１の給気入口８に導く、つまりスクリュー過給機１の排ガスの出口側と給気の入口側とを連絡する低圧ＥＧＲ通路（連絡通路）３１と、その低圧ＥＧＲ通路３１の通路面積を調節する低圧ＥＧＲバルブ（調節弁）３２とを備える低圧ＥＧＲシステム３３を設けて構成される。

この構成によれば、前述の効果に加えて、低圧ＥＧＲバルブ３２で低圧ＥＧＲ通路３１の通路面積を調節することで、低圧ＥＧＲを行うことができる。

また、スクリュー過給機１を通過した後の排ガスは、スクリュー過給機１の内部で膨張することで、圧力が低下すると共に温度が低下しており、ＥＧＲクーラーなどで冷却する必要がないので、安価でＥＧＲを行うことができる。

なお、第一及び第二の実施の形態のエンジン２及び３０の構成については、上記の構成に限定されずに、周知の記述のエンジンを用いることができ、そのエンジンの過給機の代わりに本発明のスクリュー過給機１を設けることで、その効果を得ることができる。

上記のスクリュー過給機１は、排ガスを膨張させて、給気を圧縮するように構成されるが、排ガスの代わりに蒸気を用いて、送風される空気を圧縮する蒸気駆動式エアコンプレ
ッサ（気体駆動式容積型圧縮機）として用いることもできる。

高温、且つ高圧の蒸気が膨張空間Ａを通過し、膨張することにより、スクリューロータ１１を回転させる。そして、空気が圧縮空間Ｂを通過し、圧縮される。その圧縮した空気を送風する。

これにより、蒸気で空気を圧縮することができるので、省エネルギーなエアコンプレッサを実現することができる。また、一つの装置で、蒸気を膨張させて、スクリューロータ１１を駆動して、空気を圧縮することができるので、装置を小型化することができる。

この蒸気駆動式エアコンプレッサは、ボイラーや給湯システムと組み合わせて使用することができる。

本発明の容積型過給機は、内燃機関から排出される排ガスと、内燃機関に供給される給気の両方を一つの筐体内に取り込み、筐体内で排ガスを膨張させて、給気を圧縮するので、排ガスの排出量に応じて給気量を可変する。これにより、容積型の内燃機関とのマッチングが容易になり、内燃機関の運転状態に適した過給を行うことができ、内燃機関の運転領域の全域で燃費を向上することができるので、特にディーゼルエンジンに利用することができる。

１ スクリュー過給機（容積型過給機）
２ エンジン（内燃機関）
３ エンジン本体
４ 排気通路
５ 吸気通路
１０ ケーシング（筐体）
１１ スクリューロータ（雌雄一対のスクリューロータ）
Ａ 膨張空間
Ｂ 圧縮空間

Claims (5)

1. 内燃機関から排出される排ガスと、該内燃機関に供給される給気の両方を通過させることが可能な筐体内で、前記排ガスを膨張させて、前記給気を圧縮するように構成されることを特徴とする容積型過給機。
2. 前記筐体内に設けられた互いに咬合する雌雄一対のスクリューロータを境にして、前記筐体内に、前記排ガスが膨張する膨張空間と、前記給気が圧縮する圧縮空間とが形成されることを特徴とする請求項１に記載の容積型過給機。
3. 請求項１又は２に記載の容積型過給機を備えることを特徴とする内燃機関。
4. 前記容積型過給機の排ガスの出口側と給気の入口側とを連絡する連絡通路と、該連絡通路の通路面積を調節する調節弁とを設け、前記容積型過給機を通過後の低温の排ガスを再循環するように構成されることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関。
5. 複数の気体を通過させることが可能な筐体内で、一方の気体を膨張させて、他方の気体を圧縮するように構成されることを特徴とする気体駆動式容積型圧縮機。

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