JP4339643B2 - 過給式内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、全燃焼室に対する排気マニホルドと吸気マニホルド、内燃機関の出力に関係して段階的にその排気ガスタービンが排気マニホルドに接続・遮断可能な複数の排気駆動式過給機および排気駆動式過給機の圧縮機に前置して直列接続され別個の動力源で駆動される給気送風機を備えた過給式内燃機関に関する。

過給により、小形の内燃機関で、大形の内燃機関でなければ得られない出力が実現できる。過給により、所定の定格出力のエンジンはかなり小形化できる。内燃機関を排気駆動式過給機で過給する際、一方では、過給で定格出力を増大できるが、他方でそのために幾何学的な機械的圧縮比を、所望の定格出力増大に比例して減少させね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比の減少に伴い、過給式内燃機関の出力からトルクが低速回転数範囲で過剰比例的に低下する。その原因は、排気駆動式過給機の固有の定常運転速度線図における出力曲線が非常に尖っていることにある。流体機械は、非常に狭い回転数範囲内でしか、最良の流れ、従って高い出力をもたらさない。これは、陸上車用の内燃機関の場合、牽引力曲線が双曲線となるように努めることと矛盾する。しかし複数の排気駆動式過給機を使用すれば、内燃機関の運転回転数範囲並びに排気駆動式過給機の作動比容積を分割できる。尤も、そのため時間的にずれた排気駆動式過給機の追加接続は、例えば非常に小さな圧力の第２圧縮機から先ずは放出弁を経て外に流れている空気が、既に第１圧縮機の全圧下にある内燃機関の吸気マニホルドに到達しようとした際、過給系統を僅かにポンプ範囲にしてしまい、追加接続された圧縮機の過給空気流を弱めてしまう。即ち、流速が比較的大きく圧力発生容量が小さい流体機械から、流速が比較的小さく発生圧力が比較的大きなピストン機械に移行する必要がある。

内燃機関自体又は別個の動力源で駆動される機械式容積形過給機は、内燃機関の無負荷運転に必要な空気を容易に搬送するが、内燃機関の高負荷・高速範囲では、排気駆動式過給機に勝てない。従って、通常内燃機関では排気駆動式過給機と容積形圧縮機の各利点をその両形式の過給機の直列又は並列接続で結合している。これは、特に内燃機関の発進時、唯一の又は最初の排気駆動式過給機が緩やかに増大する排気ガスのためにゆっくりしか加速しない際に生ずる、所謂ターボラグ（Turboloch）を克服すべく適用される。

冒頭に述べた形式の過給式内燃機関は、既に特許文献１で公知である。この機関では、主エンジンおよび前置送風機に対する別個の動力源として、夫々低圧縮比のロータリピストン形ディーゼルエンジンを用い、前置送風機を駆動すべく、補助的に始動電動機を設けている。その主エンジンと小形の前置送風機エンジンの出力は設計上大きく異なる。主エンジンの出力報知器で、少なくとも１つの２段形排気駆動式過給機が、前置送風機と排気ガスタービンで駆動される給気送風機との直列回路に並列接続される。これに伴い、前置送風機をその給気出力における負担率に応じ小さくできる。唯一の２段形排気駆動式過給機を追加接続する方式なら、前置送風機エンジンの所要の大きさは半分となり、２つの２段形排気駆動式過給機を段階的に追加接続する方式なら、前置送風機エンジンの必要な大きさは３分の１となる。前記特許文献１は、複数の排気駆動式過給機を時間的にずらして追加接続する際の上述した所謂ポンプ問題について言及していない。しかし追加接続した各排気駆動式過給機における過給空気の逆流による吸気マニホルドの範囲からの圧縮空気の損失は防止せねばならない。これは、特に自己発火に対し危険な圧力波を生ずるディーゼルエンジンに当てはまる。
独国特許第４０４０９３９号明細書

本発明の課題は、過給式内燃機関において、出力増大と、発進範囲での改善された加速性能と、部分および全負荷時における非常に低い回転数から部分および全負荷時における高い回転数迄の過渡調和運転スペクトルとを組み合わせて、上述のポンプ効果を生ずることなく、排気駆動式過給機の段階的な接続と遮断を可能にすることにある。

この課題は本発明に基づき、冒頭に述べた形式の過給式内燃機関において、全ての排気駆動式過給機が、その圧縮機の入口側に、夫々弁装置を経て給気送風機の出口への配管接続部を有し、段階的に運転する際に追加すべき各１つの排気駆動式過給機の弁装置を単独で開放すべく必要情報を記憶したコンピュータが設けられ、全ての弁装置が、それに対応した排気駆動式過給機の回転数と吸気マニホルド圧に応じて、大気と、給気送風機で圧縮された給気とを反比例的に制御することで解決される。

本発明では、給気送風機を、内燃機関の発進時の所謂ターボラグを克服し、かつ容積形過給機と流体駆動式過給機との利点を組み合わせるべく利用するばかりか、時間的にずらして追加接続する各排気駆動式過給機の前進流を確保すべく利用する。特に多数の排気駆動式過給機で内燃機関の運転スペクトルを細分化する際、排気駆動式過給機を小形化し、しかも同時に小形の給気送風機で済ませられる。小形給気送風機の別個の動力源として電動機を用い、その駆動エネルギを車載バッテリから受け取れる。かかる動力源は、別個の内燃機関や過給すべき主エンジンとの伝動継手より速く反応する。その結果、給気送風機で圧縮した給気を、各排気駆動式過給機を経て押し出す時間が短縮できる。本発明による利点は、特に内燃機関の運転スペクトルを排気駆動式過給機で分割しているため、自動車を駆動する際に幾つかの変速段を省き、排気駆動式過給機の段階的な運転開始順序を、一様な摩耗が生ずるよう簡単に変更し、かつ或る１つの排気駆動式過給機における故障を、予めプログラムしたその過給機の除外により切り抜けられることにある。

本発明の従属請求項に記載の実施態様に基づく有利な実施例を、図１にブロック図で示す。以下この実施例について詳細に説明する。

図１は、過給空気を供給すべきシリンダ１１の数につき構想上の制約がないことを表すため、内燃機関１０として５気筒エンジンを示す。内燃機関１０の運転スペクトルを分割すべく、象徴的に示した３つの排気駆動式過給機１４、１５、１６の他に、段階的に接続・遮断可能なより多くの排気駆動式過給機が設けられることを、内燃機関１０の排気および吸気マニホルド１２、１３から出ている破線で示す配管で明示している。実際には、通常内燃機関１０の運転スペクトル分割の細かさと内燃機関１０の過給装置に対する構造的経費との妥協を図るべく、６〜１０台の同一構造の排気駆動式過給機に制限される。

内燃機関１０のシリンダ１１の過給空気流を白矢印、排気ガス流を黒矢印で示す。内燃機関１０の排気マニホルド１２と各排気駆動式過給機１４、１５、１６の排気ガスタービン１７との間に、排気ガス弁１８が存在する。これら弁１８は、要求プロフィルを記憶したコンピュータ１９で個々に制御される。図は、その制御配線２０、２１、２２を破線で示す。排気駆動式過給機１４、１５、１６の圧縮機２８の空気入口側にある、大気弁２６と給気弁２７を含む弁装置に、コンピュータ１９の他の制御配線２３、２４、２５が通じている。排気ガス弁１８は、好適には、幅広い調整範囲を持たせるべく、大気弁２６および給気弁２７と同様に、比例弁として形成している。各弁装置の内部で大気弁２６と給気弁２７は、給気弁２７が閉じた時に大気弁２６が開き、逆に給気弁２７が開いた時に大気弁２６が閉じるよう互いに連結し、反比例的な制御を可能としている。全大気弁２６は、空気フィルタ２９から延びる共通の供給管３０を有し、これに対し、全給気弁２７は、給気送風機３１の出口に通ずる配管接続部３２につながっている。

入口側に空気フィルタ３３を備えた給気送風機３１は、比較的小さな電動機３４で駆動される。この電動機３４は車載バッテリ３５から駆動電力を受け取り、制御配線３６を経て、同様にコンピュータ１９により運転・停止される。なお該電動機３４は、常にそれぞれ追加すべき過給機を経た過給空気の逆流が排除される迄一時的にのみ活動するよう考慮すべきである。内燃機関１０が運転中で給気送風機３１が運転休止時に、車載バッテリ３５は、内燃機関１０に接続された発電機で充電される。また、その間に著しく高性能の車載バッテリ３５は、非常に大形の内燃機関１０でも、追加すべき過給機１４、１５、１６の始動過程を、給気送風機３１によって極めて迅速に補助できる。

必要情報を記憶したコンピュータ１９は、信号配線３７を経て吸気マニホルド１３の圧力信号を得、信号配線３８を経て過給機１４、１５、１６の回転数信号を得る。これに伴い、全弁装置２６、２７が、過給機１４、１５、１６の回転数と吸気マニホルド圧に基づき、大気と給気送風機３１で圧縮された給気とを対抗制御すべく調整される。

内燃機関１０の加速走行時の給気送風機３１の運転は、コンピュータ１９により、段階付けて設けられた全排気駆動式過給機１４、１５、１６・・・の系列において各々該当する１つの排気駆動式過給機の始動範囲に限定される。これは、給気送風機３１を保護し、車載バッテリ３５を無負荷にする。また、内燃機関１０の減速走行時、吸気マニホルド１３において努めて望まれる定圧を安定化すべく、給気送風機３１の運転が、コンピュータ１９を経て、段階的に使用される全排気駆動式過給機１４、１５、１６の切換順序に従い各々該当する１つの排気駆動式過給機の始動範囲に相応する範囲に限定される。

上述の過給装置の利点は、内燃機関１０が、圧縮比を約８：１と著しく減少したディーゼルエンジンとして形成された際に特に際立つ。本来の内燃機関１０は、出力が同じなら非常に小形化できる。多数の排気駆動式過給機１４、１５、１６は、比較的大きな不足容量を容易に補充する。その際、機能を拡大すべく過給空気サポートとして使用し且つ容積形圧縮機として作動する給気送風機３１も、同様にかなり小形化できる。

本発明に基づく過給式内燃機関の有利な実施例のブロック図。

符号の説明

１０ 内燃機関、１１ シリンダ、１２ 排気マニホルド、１３ 吸気マニホルド、１４〜１６ 排気駆動式過給機、１７ 排気ガスタービン、１８ 排気ガス弁、１９ コンピュータ、２６ 大気弁、２７ 給気弁、３１ 給気送風機、３４ 電動機、３５ 車載バッテリ

Claims (7)

1. 全ての燃焼室に対する排気マニホルドと吸気マニホルド、内燃機関の出力に関係して段階的にその排気ガスタービンが排気マニホルドに接続および遮断できる複数の排気駆動式過給機および排気駆動式過給機の圧縮機に前置して直列接続され別個の電動機で駆動される給気送風機を備えた過給式内燃機関において、全ての排気駆動式過給機（１４、１５、１６）が、その圧縮機（２８）の入口側に、夫々弁装置（２６、２７）を経て給気送風機（３１）の出口への配管接続部（３２）を有し、段階的に運転する際に追加すべき各１つの排気駆動式過給機の弁装置（２６、２７）を単独で開放すべく必要情報を記憶したコンピュータ（１９）が設けられ、全ての弁装置（２６、２７）が、それに対応した排気駆動式過給機の回転数と吸気マニホルド圧に応じて、大気と給気送風機（３１）で圧縮された給気とを反比例的に制御することを特徴とする過給式内燃機関。
2. 加速走行時の給気送風機（３１）の運転が、コンピュータ（１９）により、段階的に使用される全排気駆動式過給機（１４、１５、１６）の切換順序に従い、各々該当する各１つの排気駆動式過給機の始動範囲に限定されることを特徴とする請求項１記載の内燃機関。
3. 減速走行時の給気送風機（３１）の運転が、コンピュータ（１９）により、段階的に使用される全排気駆動式過給機（１４、１５、１６）の切換順序に従い、各々該当する各１つの排気駆動式過給機の始動範囲に相応する範囲に限定されることを特徴とする請求項２記載の内燃機関。
4. 各排気駆動式過給機（１４、１５、１６）に、それらを個々に独立して運転開始するために、コンピュータ（１９）で制御される排気ガス弁（１８）が付属され、該弁（１８）が、給気弁（２７）および大気弁（２６）と同様に比例弁として形成されたことを特徴とする請求項１から３の１つに記載の内燃機関。
5. 運転範囲を一様に段階づけるために、６〜１０台の同形の排気駆動式過給機（１４、１５、１６）が設けられたことを特徴とする請求項１から４の１つに記載の内燃機関。
6. 給気送風機（３１）の別個の電動機（３４）が、その駆動エネルギを車載バッテリ（３５）から受け取ることを特徴とする請求項１から５の１つに記載の内燃機関。
7. 圧縮比を約８：１に減少したディーゼルエンジンとして形成されたことを特徴とする請求項１から６の１つに記載の内燃機関。
   
   

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