JPH04353220A - ターボチャージャを持つ4サイクルエンジン - Google Patents

ターボチャージャを持つ4サイクルエンジン

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JPH04353220A
JPH04353220A JP15620991A JP15620991A JPH04353220A JP H04353220 A JPH04353220 A JP H04353220A JP 15620991 A JP15620991 A JP 15620991A JP 15620991 A JP15620991 A JP 15620991A JP H04353220 A JPH04353220 A JP H04353220A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
exhaust
cylinder
turbocharger
engine
stroke
Prior art date
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Pending
Application number
JP15620991A
Other languages
English (en)
Inventor
Hiroshi Matsuoka
寛 松岡
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Isuzu Motors Ltd
Original Assignee
Isuzu Motors Ltd
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Publication date
Application filed by Isuzu Motors Ltd filed Critical Isuzu Motors Ltd
Priority to JP15620991A priority Critical patent/JPH04353220A/ja
Publication of JPH04353220A publication Critical patent/JPH04353220A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00Other engines
    • F02B75/02Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke
    • F02B2075/022Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke having less than six strokes per cycle
    • F02B2075/027Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke having less than six strokes per cycle four

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、エンジンの排気エネ
ルギーによって駆動されるターボチャージャを持つ4サ
イクルエンジンに関する。
【0002】
【従来の技術】一般に、エンジンの作動については、爆
発行程(即ち、膨張行程)、排気行程、吸入行程及び圧
縮行程の作動を順次繰り返して行うものであり、4サイ
クルエンジンと2サイクルエンジンの2つの方式がある
。4サイクルエンジンは、シリンダヘッドに吸排気ポー
トを形成し、該吸排気ポートには吸排気バルブが設けら
れ、ピストンの1ストークで各行程が行われ、排気行程
ではピストンの上昇で排気バルブが開放してシリンダ内
の排気ガスが排出される。また、ターボチャージャ及び
/又はエネルギー回収タービンを持つ4サイクルエンジ
ンでは、排気ポートに連結した排気マニホルド等の排気
管の下流にターボチャージャ、エネルギー回収タービン
等が連結され、エンジンで発生する排気エネルギーをタ
ーボチャージャ、エネルギー回収タービン等で回収し、
コンプレッサを駆動したり、或いは発電・電動機で電気
エネルギーとしてバッテリに蓄電している。
【0003】また、4サイクルエンジンでは、爆発行程
(即ち、膨張行程)、排気行程、吸入行程及び圧縮行程
の作動において、シリンダ内圧力、排気バルブと吸気バ
ルブのリフト量及びバルブタイミングは、図7に示すよ
うな軌跡を示す。図7はエンジンの作動サイクルに対す
る筒内圧力即ちシリンダ内圧力と排気バルブ及び吸気バ
ルブのリフト量とバルブタイミングを説明するグラフで
ある。図7において、縦軸にシリンダ内圧力、排気バル
ブリフト量及び吸気バルブリフト量をとり、横軸に作動
サイクルをとる。この時、排気バルブの開放時期を、例
えば、爆発行程でクランク角125°即ち下死点BDC
手前55°とすると、排気バルブリフト量は符号ELで
示すようになり、また、吸気バルブリフト量は符号IL
で示すようになる。この時、シリンダ内圧力は、点線で
示すように、符号Pの軌跡を描く。マニホルド内に発生
する排気圧は、符号MPで示すようになっている。
【0004】また、図5は、吸気バルブ及び排気バルブ
の順次の作動サイクルに対するガス流通の有効面積を説
明するためのグラフを示している。通常のエンジンにお
いて、例えば、爆発行程のクランク角125°で排気バ
ルブが開放するならば、シリンダ内の排気ガスの排出は
シリンダヘッドに形成した排気ポートを通じてのみであ
り、排気バルブによる排気通路有効面積は、図5で符号
HESで示すようになる。また、吸気バルブによる吸気
通路有効面積は、図5で符号HISで示すようになる。
【0005】また、図6は、吸気バルブ及び排気バルブ
の順次の作動サイクルに対する筒内圧力即ちシリンダ内
圧力を説明するためのグラフを示している。通常のエン
ジンにおいて、例えば、爆発行程のクランク角125°
で排気バルブが開放するならば、シリンダ内圧力Pは、
図6の実線P0 で示すように、爆発行程初期で燃料が
着火して最大になり、ピストンを押し下げて仕事を行っ
てシリンダ内圧力Pは低下し、排気バルブの開放でシリ
ンダ内の排気ガスはシリンダヘッドに形成した排気ポー
トを通じて排気され、シリンダ内圧力Pは急激に低下す
る。次いで、排気行程でピストン上昇で排気ポートを通
じて排気されるが、排気行程の終端で排気マニホルドの
排気圧がターボチャージャ等を配置しているため上昇し
、シリンダ内圧力Pがマニホルドガス圧即ちマニホルド
排気圧MPとの間で圧力差がなくなり、符号PP で示
すように、シリンダ内圧力Pが上昇する。
【0006】また、ターボコンパウンドエンジンとして
は、特開昭63−9617号公報に開示されたものがあ
る。該ターボコンパウンドエンジンは、エンジンの主排
気通路に直列にターボチャージャ及びタービンを接続し
、該ターボチャージャとタービン間の主排気通路に、該
主排気通路より遅れて開放される副排気通路を接続し、
該副排気通路にエンジンの運転状態に基づいて開度調節
される開閉弁を設けたものである。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ターボ
チャージャを持つ4サイクルエンジンでは、ターボチャ
ージャのタービンを回転させるための負荷がかかるため
、排気ポートに連結した排気マニホルド等の排気管内の
排気圧MPは大きくなり、該排気管内に発生する排気ガ
スの吐き出しに対抗する背圧は高くなる。そのため、ピ
ストンの上昇に従ってシリンダ内の燃焼ガス圧Pとマニ
ホルド内の排気圧MPとの圧力差が小さくなり、燃焼ガ
スがシリンダ内からマニホルドへ完全に排気されないと
いう現象が発生する。また、排気行程の上死点近傍にな
ると、排気バルブのリフトも小さくなるため、ピストン
上昇に伴うシリンダ内容積の減少に対し、排気バルブを
通過して排出可能になる燃焼ガス流量の方が小となり、
シリンダ内の圧力Pが、図7で符号HPで示すように、
急激に上昇する。その結果、ピストンは圧縮仕事をエン
ジンの排気圧以上に行うことになり、エンジン効率の低
下、シリンダ内に残留する残留ガスの増加による吸入効
率の低下等が発生する。また、排気ガスの流出スピード
はシリンダ内圧/排気圧の比に比例し、排気圧が高いと
背圧が大きくなり排気ガスの流出スピードは低下するも
のである。特に、断熱エンジン、高出力ディーゼルエン
ジン等のエンジンでは、ブーストを高め、作動ガス量の
大きい場合には、通常の排気バルブを通じて排気ガスの
排出は十分には行われないものとなる。
【0008】前掲特開昭63−9617号公報に開示さ
れたターボコンパウンドエンジンは、エンジンの運転状
態に応じて開閉弁の開度を調節して副排気通路を通じて
排気ガスを排出するが、排気行程の上死点近傍では、上
記と同様に、シリンダ内の圧力が上昇して結果的にピス
トンが圧縮仕事を行うことになり、上記の問題点を解決
することはできない。
【0009】そこで、この発明の目的は、上記の課題を
解決することであり、排気ポートをシリンダヘッドに且
つ排気孔をシリンダ下部に設け、排気通路の有効面積を
増大し、特に、排気行程初期における排気有効面積をシ
リンダ下部に形成した排気孔で増大し、排気行程の上死
点近傍で排気バルブのリフトが小さくなっても、シリン
ダ内の排気ガス圧を低下させ、結果的にピストンの圧縮
仕事を低減させ、エンジン効率の低下を防止すると共に
、シリンダ内に残留する残留ガスを低減して吸入効率を
向上させるターボチャージャを持つ4サイクルエンジン
を提供することである。
【0010】
【課題を解決するための手段】この発明は、上記の目的
を達成するために、次のように構成されている。即ち、
この発明は、シリンダヘッドに形成した吸排気ポート、
該吸排気ポートに配置した吸排気バルブ、前記排気ポー
トに連結した排気マニホルド、該排気マニホルドに連結
したターボチャージャ、ピストン下死点近傍で開口する
シリンダ下部に形成した排気孔、及び該排気孔を前記タ
ーボチャージャの上流側に連通した排気管を有するエン
ジンの排気エネルギーによって駆動されるターボチャー
ジャを持つ4サイクルエンジンに関する。
【0011】
【作用】この発明によるターボチャージャを持つ4サイ
クルエンジンは、上記のように構成されており、次のよ
うに作用する。即ち、このターボチャージャを持つ4サ
イクルエンジンは、シリンダヘッドに形成した排気ポー
トに加えて、ピストン下死点近傍で開口する排気孔をシ
リンダ下部に形成したので、ピストン下死点近傍で排気
孔が開口することで、該排気孔分(図5の符号RES)
だけ排気ガスを排出する排気有効面積(図5の斜線部S
)が増大し、該排気孔を通じてシリンダ内の排気ガスは
ターボチャージャのタービン上流側の排気マニホルドに
排気されると共に、排気バルブを通じて同様に排気マニ
ホルドに排気される。従って、排気行程の初期に相当量
の排気ガスが排出されるので、シリンダ内の排気ガス圧
PXは低下し、ピストンの圧縮行程時には、排気ガス量
が既に低下して燃焼ガス圧は低いので、ピストンの圧縮
仕事が低減する。即ち、シリンダヘッドの排気ポートの
みを設けた4サイクルエンジンに比較して、この発明に
よる4サイクルエンジンは、排気仕事を図6の斜線部W
X だけ低減させることができる。言い換えれば、排気
仕事WX が従来の4サイクルエンジンの増加分である
【0012】
【実施例】以下、図面を参照して、この発明によるター
ボチャージャを持つ4サイクルエンジンの一実施例を説
明する。図1はこの発明によるターボチャージャを持つ
4サイクルエンジンの一実施例を示す概略説明図、図2
は図1の4サイクルエンジンの排気マニホルドを示す平
面図、図3は図1の4サイクルエンジンに設けたターボ
チャージャを示す説明図、及び図4は図1の4サイクル
エンジンに設けたエネルギー回収タービンを示す説明図
である。
【0013】図示するように、このターボチャージャを
持つ4サイクルエンジンは、エンジンの排気エネルギー
によって駆動されるターボチャージャ5及びエネルギー
回収タービン6を有している。この4サイクルエンジン
は、シリンダブロック2、該シリンダブロック2に固定
したシリンダヘッド1、シリンダブロック2に形成した
シリンダ10、該シリンダ10内を往復運動するピスト
ン7、及び該ピストン7の往復運動を回転運動に変換す
るコンロッド27とクランクシャフト18を有している
。シリンダヘッド1には排気ポート11と吸気ポート1
2が形成され、排気ポート11には排気バルブ9が配置
され、また、吸気ポート12には吸気バルブ13が配置
されている。シリンダヘッド1に形成した排気ポート1
1は、マニホルドガスケット19を介在して排気マニホ
ルド3に連結されている。この排気マニホルド3の出口
25は、ターボチャージャ5のタービンスクロール14
に連結されている。また、ターボチャージャ5のタービ
ン20の出口15は排気管17を通じてエネルギー回収
タービン6のタービンスクロール16に連結されている
【0014】このターボチャージャを持つ4サイクルエ
ンジンは、特に、シリンダ10の下部で且つピストン下
死点近傍で開口する排気孔4を形成し、該排気孔4を排
気管8を通じて排気マニホルド3に連結されていること
を特徴としている。従って、ピストン7がシリンダ10
内を下降してピストン下死点近傍(図5では、爆発行程
でクランク角125°)になると、排気孔4が開口し、
シリンダ10内の燃焼ガスは排気孔4から排気管8を通
じて排気マニホルド3に排気される。この時(図5では
、爆発行程でクランク角125°)、排気バルブ9も開
放され、燃焼ガスは排気ポート11から排気マニホルド
3に排気される。従って、排気孔4が開口することで、
該排気孔4を通じてシリンダ10内の排気ガスはターボ
チャージャ5のタービン20の上流側に連結されている
排気マニホルド3に排気されると共に、排気バルブ9の
開放で排気ポート11を通じて排気される。
【0015】即ち、このターボチャージャを持つ4サイ
クルエンジンは、図5に示すように、符号HESで示す
排気ポート11の排気有効面積に加えて、符号RESで
示す排気孔4分の排気有効面積だけ排気有効面積が増大
し、排気ポート11の排気有効面積HESと排気孔4の
排気有効面積RESとの合計の排気有効面積TESとな
り、排気有効面積TESが排気ポート11のみのものに
比較して大幅に増大されることになる。しかも、シリン
ダ10下部に設ける排気孔4は、シリンダの周囲方向に
多数設けることができ、短時間で大量の排気ガス(例え
ば、70%)を排気孔4から排気管8を通じて排気マニ
ホルド3に排気することができる。
【0016】従って、このターボチャージャを持つ4サ
イクルエンジンは、シリンダヘッド1に形成した排気ポ
ート11とシリンダ10の下部に形成した排気孔4を通
じてシリンダ10内の排気ガスを排出することで、図6
の点線PX で示すように、シリンダ10内の燃焼ガス
圧Pは急激に低下し、引き続く排気行程には、既にシリ
ンダ内の燃焼ガス量は大幅に低下しているので、ピスト
ン7の上昇でもシリンダ10内のシリンダ内圧力PX 
は大きくは上昇せず低下した状態となり、排気行程での
ピストン7の圧縮仕事が低減されることになる。即ち、
図6に示すように、排気ポート11のみの開放ではシリ
ンダ内圧力P0 であるのに対して、排気ポート11と
排気孔4の開放では点線で示すシリンダ内圧力PX と
なり、このターボチャージャを持つ4サイクルエンジン
では斜線で示す符号WX だけ、ピストン7の圧縮仕事
が低減されることになる。しかも、排気行程でシリンダ
10内に存在する排気ガスが十分に排出されるので、引
き続く吸入行程では十分な吸入空気が導入され、エンジ
ン出力も向上できる。即ち、サイクルシュミレーション
の結果では、吸入効率は3〜5%の向上が得られ、また
、エンジン出力(図示平均有効圧Pmi)は3〜5%の
向上が得られた。
【0017】更に、このターボチャージャを持つ4サイ
クルエンジンでは、排気孔4を通じてシリンダ10内の
排気ガスはターボチャージャ5のタービン20に送り込
まれるので、排気ガスが有する排気エネルギーはターボ
チャージャ5の発電・電動機21で回収されると共に、
コンプレッサ22を作動して回収される。次いで、排気
ガスは、ターボチャージャ5からエネルギー回収タービ
ン6に送り込まれ、排気ガスはエネルギー回収タービン
6のタービン23を駆動し、排気ガスが有する排気エネ
ルギーは発電・電動機24で電気エネルギーとして十分
に回収されることになる。
【0018】即ち、このターボチャージャを持つ4サイ
クルエンジンにおいて、ターボチャージャ5は、エンジ
ンからの排気ガスを排気マニホルド3を通じてタービン
20に送り込み、該タービン20を回転させることによ
ってシャフト26を回転させ、コンプレッサ22を回転
させて吸入空気をエンジンに過給すると共に、発電・電
動機21を回転させて発電・電動機21を発電機として
働かせてエネルギー回生を行うものである。また、ター
ボチャージャ5の下流側に配置されたエネルギー回収タ
ービン6については、ターボチャージャ5のタービン2
0から排出された排気ガスがタービン23に送り込まれ
、排気ガスによってタービン23が駆動され、タービン
23の回転運動はシャフト33を通じて発電・電動機2
4が作動される。発電・電動機24の作動で排気エネル
ギーは電気エネルギーとして回収される。
【0019】
【発明の効果】この発明によるターボチャージャを持つ
4サイクルエンジンは、上記のように構成されており、
次のような効果を有する。即ち、このターボチャージャ
を持つ4サイクルエンジンは、シリンダヘッドに形成し
た吸排気ポート、前記排気ポートに連結した排気マニホ
ルド、該排気マニホルドに連通したターボチャージャ、
ピストン下死点近傍で開口するシリンダ下部に形成した
排気孔、及び該排気孔を前記ターボチャージャに連通し
た排気管を有するので、ピストン下死点近傍で前記排気
孔が開口することで該排気孔分だけ排気有効面積が増大
し、前記排気孔を通じてシリンダ内の排気ガスはターボ
チャージャのタービン上流側の排気マニホルドに排気さ
れると共に、排気バルブを通じてシリンダヘッドに形成
した排気ポートに排気される。
【0020】従って、このターボチャージャを持つ4サ
イクルエンジンは、シリンダ内の排気ガスは前記排気ポ
ート及び前記排気孔を通じて爆発行程終端及び排気行程
初期において排気ガス絶対量が低下し、排気行程のピス
トンの上昇時には既にシリンダ内の排気ガス量は低下し
ているので、ピストン上昇時のピストンの圧縮仕事が低
減し、特に、排気行程終端でのシリンダ内圧力が低下し
、シリンダ内の排気ガスはほとんど排出されるので、引
き続く吸入行程では十分な吸入空気がシリンダ内に導入
され、吸入効率を向上させることができ、エンジン出力
を向上できる。サイクルシュミレーションの結果、吸入
効率を3〜5%の向上させることができ、また、出力(
図示平均有効圧Pmi)は3〜5%の向上が得られた。
【0021】特に、このターボチャージャを持つ4サイ
クルエンジンが断熱エンジン、或いは高出力のディーゼ
ルエンジン等に適用された場合には、ブーストを高めて
作動ガス量が大きくなっている場合でも、シリンダ内の
排気ガスは良好に排出されて、シリンダ内圧力が低下す
るので、ピストンの圧縮仕事を低減することができ、吸
入効率も向上できる。しかも、シリンダ内から排出され
る排気エネルギーは、排気マニホルドの下流に設けたタ
ーボチャージャ、エネルギー回収タービン等で十分に回
収され、エンジン効率を高め、燃費を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明によるターボチャージャを持つ4サイ
クルエンジンの一実施例を示す概略断面図である。
【図2】図1の4サイクルエンジンの排気マニホルドを
示す平面図である。
【図3】図1の4サイクルエンジンに設けたターボチャ
ージャを示す説明図である。
【図4】図1の4サイクルエンジンに設けたエネルギー
回収タービンを示す説明図である。
【図5】このターボチャージャを持つ4サイクルエンジ
ンの排気有効面積及び吸気有効面積を説明するグラフで
ある。
【図6】このターボチャージャを持つ4サイクルエンジ
ンと従来の4サイクルエンジンのシリンダ内圧力即ち排
気仕事を比較した一例を示すグラフである。
【図7】エンジンの作動サイクルに対する筒内圧力即ち
シリンダ内圧力と排気バルブ及び吸気バルブのリフト量
とバルブタイミングを説明するグラフである。
【符号の説明】
1    シリンダヘッド 2    シリンダブロック 3    排気マニホルド 4    排気孔 5    ターボチャージャ 6    エネルギー回収タービン 7    ピストン 8    排気管 9    排気バルブ 10  シリンダ 11  排気ポート 20  タービン

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  シリンダヘッドに形成した吸排気ポー
    ト、該吸排気ポートに配置した吸排気バルブ、前記排気
    ポートに連結した排気マニホルド、該排気マニホルドに
    連通したターボチャージャ、ピストン下死点近傍で開口
    するシリンダ下部に形成した排気孔、及び該排気孔を前
    記ターボチャージャの上流側に連通した排気管、を有す
    るエンジンの排気エネルギーによって駆動されるターボ
    チャージャを持つ4サイクルエンジン。
JP15620991A 1991-05-31 1991-05-31 ターボチャージャを持つ4サイクルエンジン Pending JPH04353220A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6880500B2 (en) * 2002-10-04 2005-04-19 Honeywell International, Inc. Internal combustion engine system

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6880500B2 (en) * 2002-10-04 2005-04-19 Honeywell International, Inc. Internal combustion engine system

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