JPH0579334A

JPH0579334A - 過給エンジン

Info

Publication number: JPH0579334A
Application number: JP583189A
Authority: JP
Inventors: Toshio Aida; 敏男会田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-01-12
Filing date: 1989-01-12
Publication date: 1993-03-30

Abstract

(57)【要約】電子出願以前の出願であるので要約・選択図及び出願人の識別番号は存在しない。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は過給エンジンに関し、詳しくはエンジンの運転状態に応じて過給機で過給された過給空気が膨張タービンで吸気温度が制御される過給エンジンに関する。

（従来の技術）エンジンを過給によって排気量当りのトルクに相当する制動平均有効圧力（ＢＭＥＰ）を高めれば、摩擦損失割合が小さくなって熱効率が向上し、燃費を向上できることが知られている。

直接噴射式ディーゼルエンジンを例に説明すると、無過給ディーゼルエンジンのＢＭＥＰを８kg ／cm²で摩擦平均有効圧力（ＦＭＥＰ）を２kg／ cm²とすると、摩擦損失割合は２／８＝２５％となって出力の約２５％は摩擦によって消費されている訳であるが、これを過給によってＢＭＥＰを２倍の１６kg／cm²まで高めてもＦＭＥＰは変わらないから、無過給エンジンでは約２５％あった摩擦損失割合を２／１６＝約12.5％まで下げられることになる。

このとき、無過給エンジンの図示平均有効圧力（ＩＭＥＰ）を２＋８＝１０kg／cm²としたとき、無過給エンジンの２倍のＢＭＥＰ＝１６kg／cm² にしてもＩＭＥＰは２＋１６＝１８kg／cm²となり、ＩＭＥＰは無過給エンジンの２倍の２０kg／ cm²ではなく、1.8倍のＩＭＥＰで２倍のＢＭＥＰを発生するので、熱効率を向上できるのである。

以上のことから、過給度を高めてパワーを高める割合を高める程、熱効率は理論的には向上し、例えば、過給によってパワーを無過給エンジンの４倍にしたとすると、過給エンジンの排気量は無過給エンジンの１／４となり、過給エンジンの１／４負荷は無過給エンジンの全負荷、また１／８負荷は無過給エンジンの１／２負荷と同じになって図示燃費率に近づき、燃費率を大幅に向上することができるのである。

ところが、過給機で過給された吸気温度は、理論的には圧力の1.4乗に比例して高くなるから、例え、過給空気冷却装置（インタークーラ）で冷却しても外気温以下まで下げられないため、エンジンの圧縮上死点における断熱圧縮温度が高くなってしまう。

このため、過給ガソリンエンジンではノッキングが発生しやすくなるので、無過給エンジンよりも設定圧縮比を低くしなければならないため、実質膨張比が低くなって燃費率を低下させるという問題点がある。

また、ノッキング発生を回避するためには必然的にも過給度は低くなり、空気重量も少なくなるため、ＢＭＥＰは無過給ガソリンエンジンの約1. 3〜1.5倍位が限界となっているのが現状である。

一方、過給ディーゼルエンジンでは、シリンダー内圧力が高くなって圧力が許容最高圧力を越えないようにするためには、過給度を高めるにしたがって設定圧縮比を低くしなければならない。

例えば、圧縮比１１〜１２位では、燃費が良い反面、ＢＭＥＰは無過給ディーゼルエンジンの約 2.5倍位までしか高めることができず、エンジン低温始動時には白煙が発生し、始動も困難になるという問題点がある。

また、圧縮比８位ではＢＭＥＰは約４倍位まで高めることができるが、実質膨張比が小さくなって燃費率は大幅に低下するから、負荷変動の大きい車輌用では問題点がある。

したがって、実用的には圧縮比は約１４位となり、ＢＭＥＰは約２倍位が限界となっているのである。

過給エンジンのＢＭＥＰを高めるには過給度を高めなければならないが、エンジンの排気ガス流量の２乗に比例して圧力を発生する排気ガス駆動ターボ過給機では、いくら過給度を高めても低速トルクは無過給エンジンと変わらず、過給度を高めれば高める程、トルクの立上りは高速側に移り、過渡応答特性が悪化し、いわゆるターボラグが大きくなって運転性を低下するという問題点がある。

（発明が解決しようとする問題点）それ故本発明の課題は、このような問題点がなく次の利点を持つ過給エンジンを提供することである。

その利点とは、エンジン高負荷時、エンジンの圧縮上死点における断熱圧縮温度を低下させて過給ガソリンエンジンにおけるノッキング発生を回避し、または過給ディーゼルエンジンにおけるシリンダー圧力を低下させてそれぞれＢＭＥＰを向上できるようにし、および設定圧縮比も高められるようにして燃費を向上することである。

また、エンジン始動時または低負荷時、過給機を何らかの手段で圧力または吸気温度を高め、圧縮比１１〜１２位の低圧縮比過給ディーゼルエンジンの始動性も容易にし、または運転性を安定させることである。

（問題点を解決するための手段）この課題を解決するため本発明によれば、過給エンジンは、過給機と、膨張タービンと、モータと、過給空気冷却装置とから成る。

過給機と、膨張タービンと、モータとは同軸線上に設けられていることが好ましい。

エンジン低速回転時には、過給機をモータで回転駆動して圧力または吸気温度を高め、初めて低圧縮比過給ディーゼルエンジンの始動性を向上し、または低速トルクを高め、運転性を安定させることができる。

一方、エンジン高負荷時には、過給機で過給した過給空気を過給空気冷却装置で冷却後、膨張タービンで断熱膨張させてエンジンの圧縮上死点における断熱圧縮温度を低下させるため、過給ガソリンエンジンにおけるノッキング発生を回避し、または過給ディーゼルエンジンにおけるシリンダー内圧力を許容最高圧力内にすることができ、初めてＢＭＥＰを高めることが可能となり、また排気ガス駆動ターボ過給機のタービンや、エンジンの排気バルブ等の熱負荷を低下できる。

また、エンジン高負荷時でもエンジンの圧縮上死点における断熱圧縮温度を低くできるから、初めて設定圧縮比を高めることができ、または最適圧縮比に近づけられるから、実質膨張比が高くなり、燃費を向上することができる。

（実施例）図−１は、本発明による排気ガス駆動ターボ過給機付エンジンの好適な一実施例を示している。

エンジン１には、排気ガス駆動ターボ過給機２が設けられている。

過給機２のコンプレッサ２ａ側（図左方）軸線上にはクラッチ３、膨張タービン４、モータ５とがそれぞれ設けられている。

過給機２のコンプレッサ２ａ下流と膨張タービン４との間の吸気通路には、インタークーラ６が設けられている。

７は電動ファン、８は吸気リリーフ弁、９は吸気バイパス通路のそれぞれを示し、弁８、通路９はエンジン低速高負荷、排気ガス駆動ターボ過給機２をモータ５で高速回転して圧力を高めるとき、サージング発生を回避する。

以上の構成を基本として、まず過給ガソリンエンジンについて説明する。

エンジン１が始動すると、エンジン負荷（排気ガス流量）に応じて排気ガス駆動ターボ過給機２は回転駆動される。

また、膨張タービン４もモータ５により基本的にはエンジン負荷（空気量とエンジン回転数）に応じて回転駆動する。

エンジン低速高負荷時では、排気ガス駆動ターボ過給機２はエンジンの排気ガス流量の２乗に比例して圧力を発生する特性上、圧力を高めることができないが、クラッチ３をオンにして排気ガス駆動ターボ過給機２とモータ５とを機械的に接続し、モータ５で排気ガス駆動ターボ過給機２を高速回転させて吸気リリーフ弁８および吸気バイパス通路９から吸気リリーフしながらサージング発生を回避させると、高圧力比を発生させることができる。

このとき、排気ガス駆動ターボ過給機２の最大圧力比を約3.5とすれば、コンプレッサ出口吸気温度は約２００℃以上となるが、これをインタークーラ６で約６０℃まで低下させ、さらに膨張タービン４で約１００℃断熱膨張させてエンジン１へ供給する。

したがって、インタークーラ６出口吸気温度がさらに約１００℃低下できるということは、１００／２７３＝約３７％エンジン１が吸入する空気量が増えたことになり、それだけＢＭＥＰを高めることができる。

一方、エンジン１に供給される吸気温度は６０ −１００＝約マイナス４０℃となり、エンジンの圧縮上死点における断熱圧縮温度が低くなるから、ノッキング発生を回避することができる。

エンジン低速でインタークーラ６が熱交換できない状態では、電動ファン７は回転される。

過給ガソリンエンジンによるエンジン負荷と排気ガス駆動ターボ過給機またはモータとの関係を図−２に示している。

図の実線（太線）で囲まれた部分は、排気ガス駆動ターボ過給機がモータで回転される範囲、また斜線部分はエンジンの排気ガスで排気ガス駆動ターボ過給機が自立運転される範囲のそれぞれを示している。

次に、過給ディーゼルエンジンについて説明する。

過給ディーゼルエンジンでは、吸気バイパス弁１０、バイパス通路１１がインタークーラ６を迂回するように設けられる。

本実施例のエンジン１の圧縮比は、燃費に優れる約１１とする。

エンジン低負荷時または始動時、圧縮比１１ではエンジンの圧縮上死点における断熱圧縮温度が低くすぎて着火せず、エンジンを運転することができない。

すなわち、一般的なディーゼルエンジンの圧縮比は約１６であるが、本実施例の圧縮比１１と圧縮終り温度を比較すると、圧縮始め温度を約２０ ℃としたとき、圧縮比１１では１６よりも約１００ ℃低い。

そこで、エンジン始動または低負荷時では、モータ５で排気ガス駆動ターボ過給機２を回転駆動して圧力比約1.5以上または吸気温度を約１００ ℃以上高め、エンジンを着火できるようにする。

このとき、吸気温度をできるかぎり高くしなければならないため、電動ファン７は回転させないことはもちろん、吸気バイパス弁１０およびバイパス通路１１からインタークーラ６を迂回してエンジン１へ供給する。

エンジン低負荷または始動時、排気ガス駆動ターボ過給機をモータで回転して圧力または吸気温度をどの位にするかは、例えば、水温に応じて設定される。

エンジン高負荷時、排気ガス駆動ターボ過給機２の最大圧力比を約3.5とすれば、コンプレッサ出口吸気温度は約２００℃以上となり、これをインタークーラ６で約６０℃まで低下させ、さらに膨張タービン４で約１００℃断熱膨張させてエンジン１へ供給すると、圧力比約3.5ではＢＭＥＰを無過給エンジンの約３倍の空気量と、これをさらに膨張タービン４で約１００℃低下させると、１００／２７３＝約３７％空気量は増えたことになるから、その結果、３×1.37＝約４倍までＢＭＥＰを高めることができる。

一方、エンジン１に供給される吸気温度はマイナス約４０℃となり、エンジンの上死点における断熱圧縮温度が低くなるから、シリンダー内圧力が低くなり、また排気温度も低くなるからエンジンの排気バルブや、排気ガス駆動ターボ過給機のタービン等の熱負荷を低減できる。

過給ディーゼルエンジンによるエンジン負荷と排気ガス駆動ターボ過給機またはモータとの関係を図−３に示している。

排気ガス駆動ターボ過給機が自立運転またはモータで回転されるかは、図−２と同様である。

図−４は、本発明による他の過給エンジンの実施例を示し、本実施例の特徴は、排気ガス駆動ターボ過給機２のコンプレッサ２ａ図左方軸線上にはクラッチ３、モータ５、クラッチ３Ａの順にそれぞれ設けられている。

また、コンプレッサ２ａ下流の吸気通路にはインタークーラ６、膨張タービン４をそれぞれ迂回するように吸気バイパス弁１０、バイパス通路１１Ａが設けられている。

エンジン始動時または低負荷時、クラッチ３Ａをオフにし、モータ５で排気ガス駆動ターボ過給機２を回転駆動させて過給空気を膨張タービン４を迂回し、吸気バイパス弁１０、バイパス通路１１Ａからエンジン１へ供給すると、低圧縮比過給ディーゼルエンジンの始動性を向上し、または運転性を安定できる。

図−５は、本発明によるさらに他の過給エンジンの実施例を示し、本実施例の特徴は、過給機２Ａと膨張タービン４はモータ５によりエンジンの運転状態（アクセル開度または空気量とエンジン回転数）に応じて回転されるように構成されている。

また、本実施例において、過給機２Ａと膨張タービン４との間にクラッチ３と、過給機２Ａ下流に吸気バイパス弁１０、バイパス通路１１Ａを設け、エンジン始動時または低負荷時、クラッチ３をオフにし、過給機２Ａをモータ５で回転させると低圧縮比過給ディーゼルエンジンの始動性を向上し、または運転性を安定できる。

前記実施例は、本発明の請求の範囲内で幾つかの実施例を示したものにすぎず、したがって、過給機、膨張タービン、モータ等の種類、位置、組合せ等本発明の請求の範囲内において種々実施することができる。

また、本実施例では、過給機または膨張タービンを別々のモータで回転させるできることはもちろん可能であり、また、クラッチは不要である。

さらにまた、過給ディーゼルエンジンにおいて、エンジン始動時または低負荷、過給機のコンプレッサ入口吸気加熱すれば、モータで排気ガス駆動ターボ過給機を回転して圧力または吸気温度を高める範囲を少なくすることができ、また過給ガソリンエンジンでは、エンジン低負荷時、スロットル弁による絞り損失を低減し、燃費を向上することができる。

（発明の効果）以上説明したように本発明によれば、エンジン低速高負荷時、モータで排気ガス駆動ターボ過給機または過給機を回転して圧力を高くするため、低速トルクを高めることができる。

また、エンジン始動時または低負荷時、モータで過給機を回転させて圧力または吸気温度を高めることができるから、圧縮比１１〜１２位の低圧縮比ディーゼルエンジンの始動を容易にし、また運転性を安定できる。

一方、エンジン高負荷時、過給機で過給された過給空気を過給空気冷却装置で冷却後、膨張タービンで断熱膨張させて吸気温度を低くするため、ノッキング発生を回避し、またはシリンダー内圧力を低くできるのでそれぞれＢＭＥＰを高めることができる。

また、設定圧縮比を高めることができるため、実質膨張比が大きくなって燃費を向上することができる。

【図面の簡単な説明】図−１は本発明による過給エンジンの原理的な回路を示し、図−２は過給ガソリンエンジンによるエンジン負荷とモータまたは排気ガス駆動ターボ過給機との関係を説明するための図であり、図 −３は過給ディーゼルエンジンによるエンジン負荷とモータまたは排気ガス駆動ターボ過給機との関係を説明するための図であり、図−４は本発明による他の過給エンジンの原理的な回路を示し、図−５は本発明によるさらに他の過給エンジンの原理的な回路をそれぞれ示している。１…エンジン、２…排気ガス駆動ターボ過給機、２Ａ…過給機、２ｄ…コンプレッサ、３、３Ａ…クラッチ、４…膨張タービン、５…モータ、６…インタークーラ、７…電動ファン、８…吸気リリーフ弁、９、１１、１１Ａ…バイパス通路、１０…吸気バイパス弁。

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【手続補正書】

【提出日】平２．１．２２（１）明細書第１頁５〜６行「、膨張タービンと、過給
空気冷却装置とが設けられ、」を「膨張タービンと、ま
たは過給空気冷却装置とが設けられ、」と訂正する。（２）同書第５頁１行「したがって、」を「このた
め、」と訂正する。（３）同書第６頁１１〜１２行「、膨張タービンと、過
給空気冷却装置とが設けられ、」を「膨張タービンと、
または過給空気冷却装置とが設けられ、」と訂正する。（４）同書第７頁８行「〜ターボ過給機のタービン
や、」を「〜ターボ過給機の排気タービンや、」と訂正
する。（５）同書第７頁２０行〜第８頁１行「過給機２のコン
プレッサ２ａ側（図左方）軸線上にはクラッチ３、」を
「過給機２のコンプレッサ２ａの図左方同軸上にはクラ
ッチ３、」と訂正する。（６）同書第８頁１７行「〜エンジン負荷（空気量とエ
ンジン回転数）に」を「〜エンジン運転状態に」と訂正
する。（７）同書第９頁１５行「したがって、インタークーラ
６出口吸気温度が」を「したがって、エンジン１が吸入
する吸気温度が」と訂正する。（８）同書第９頁１７行「〜エンジン１が吸入する〜」
を削除する。（９）同書第１０頁４行「エンジン低速で〜」を「低車
速で〜」と訂正する。（１０）同書第１１頁１５〜１６行「〜電動ファン７は
回転させないことはもちろん、吸気バイパス弁１０〜」
を「〜電動ファン７は回転させないで吸気バイパス弁１
０〜」と訂正する。（１１）同書第１２頁１８〜１９行「、排気ガス駆動タ
ーボ過給機のタービン等〜」を「、排気ガス駆動ターボ
過給機の排気タービン等〜」と訂正する。（１２）同書第１３頁４行「、図−２と同様である。」
を「、図−２とほゞ同じであるので説明を省略する。」
と訂正する。（１３）同書第１３頁７〜９行「〜コンプレッサ２ａ図
左方軸線上にはクラッチ３、モータ５、クラッチ３Ａの
順にそれぞれ設けられている。」を「〜コンプレッサ２
ｄの図左方同軸上にはクラッチ３、モータ５、クラッチ
３Ａ、膨張タービン４の順にそれぞれが設けられてい
る。」と訂正する。（１４）同書第１３頁１６〜１７行「〜膨張タービン４
を迂回し、吸気バイパス弁１０、」を「〜膨張タービン
４を迂回するように吸気バイパス弁１０、」と訂正す
る。（１５）同書第１４頁４〜５行「運転状態（アクセル開
度または空気量とエンジン回転数）に応じて〜」を「運
転状態（代表的にはアクセル開度）に応じて〜」と訂正
する。（１６）同書第１４頁１３行「〜運転性を安定でき
る。」の次に「本実施例ではスロットル弁なしの過給ガ
ソリンエンジンを提供することも可能である。」の３９
字を加入する。（１７）同書第１４頁２０行〜第１５頁１行「〜もちろ
ん可能であり、また、クラッチは不要である。」を「〜
もちろん可能である。」と訂正する。（１８）同書第１５頁２〜９行「さらにまた、過給ディ
ーゼル〜できる。」を「さらにまた、本実施例において
過給機入口吸気加熱すれば、過給ディーゼルエンジンの
シリンダー内圧力を低下し、また過給ガソリンエンジン
のノッキング発生回避、あるいはスロットル弁による絞
り損失を低減することができる。」と訂正する。（１９）同書第１５頁９行「〜できる。」の次に「さら
にまたは、本実施例において約１、５位の低圧力比で
は、インタークーラを設けなくとも実施することが可能
であり、またエンジンの出力軸と少なくとも吸気弁軸と
の間に吸気開閉時期を可変する制御手段を設け、ノッキ
ングが発生したときまたはシリンダー内圧力が高くなっ
たときなどに吸気弁開閉時期を遅らせると、エンジン出
力を制御することができる。」の１６５字を加入する。（２０）同書第１６頁４行「〜低くできるのでそれぞれ
ＢＭＥＰを〜」を「〜低くできるのでＢＭＥＰを〜」と
訂正する。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】エンジンには過給機と、モータと、膨張
タービンと、過給空気冷却装置とが設けられ、エンジンの運転状態に応じてモータで過給機が回転駆動され、少なくともエンジン高負荷時には過給機で過給された過給空気を過給空気冷却装置で冷却後、膨張タービンで断熱膨張させてエンジンの圧縮上死点における断熱圧縮温度を低下させることを特徴とする過給エンジン。
【請求項２】過給機と、モータと、膨張タービンとは
同軸線上に設けられていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の過給エンジン。