JPH0581733B2 - - Google Patents

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JPH0581733B2
JPH0581733B2 JP1342769A JP34276989A JPH0581733B2 JP H0581733 B2 JPH0581733 B2 JP H0581733B2 JP 1342769 A JP1342769 A JP 1342769A JP 34276989 A JP34276989 A JP 34276989A JP H0581733 B2 JPH0581733 B2 JP H0581733B2
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Description

【発明の詳細な説明】
（産業上の利用分野） 本発明は高い効率で内然機関に於てターボ過給
を実施するための装置に関するものである。 （従来の技術） 排気エネルギを利用して排気タービンを回し、
それによつて過給機を駆動し、吸気を予圧するシ
ステム並びに装置は周知であり、特に近年に到つ
て自動車のエンジンに装着される例が多くなつ
た。 この従来のターボ過給機は、通常、遠心型ター
ビンを１段だけ使用し、エンジンの燃焼室から排
出された排気の一部又は全部を排気タービンに通
して、その運動エネルギを回転運動に変え、過給
タービンの動力とするものである。過給タービン
は吸気を予圧し、燃焼室へ密度を気化燃料を高め
て充填する。 （技術的課題） ところが上記した従来の方式では、 １） ターボ効果が現われるまでのタイムラグが
あること、 ２） 押込み圧力のみで駆動されるため、限界が
低く、タービンの能力を十分引き出せないこ
と、 ３） 予圧給気が高温の機器により過熱状態のた
め、密度が低く、充填効率が悪く、 ４） 高温排気ガスのみで駆動されるため機器が
著しく高温になり危険なこと、 ５） エンジンのオーバーヒート率が高いこと、 等の問題が発生する。これらについて検討したと
ころ、１）のタイムラグの問題は、操作当初低速
回転であるため排気ガス圧力（背圧）が不十分で
あることと、排気タービンの起動トルク不足によ
ると考えられる。２）の問題は、タービンへの作
用が排気ガス流の一方向作用だけであることによ
るものと考えられる。排気タービンが排気エネル
ギで駆動される際タービン羽根の精度が影響し、
速度分布の不均一やサージングが起り、タービン
通過後の排気ガスの排出効率は、長大な排気系の
ダクトや触媒、消音装置等によつて著しく低下さ
せられる。３）はまた高温排気ガスによる空気密
度の低下によつて、特にガソリン機関の場合平均
有効圧（Pm）の低下が強く影響し、ブースト効
果が減殺されることになる。この空気密度の低下
に対処するため吸気冷却が必要となる。オーバー
ヒートは、エンジン全体が常時過熱傾向にあると
きに発生するが、排気ガスの環流熱や低い排出効
率による滞熱が影響すると考えられる。 このように検討した結果、発明者は過給機を排
気エネルギで駆動する利点をさらに拡大させるた
め、研究開発を重ねた結果、燃焼室を出た排気ガ
ス流の運動エネルギのみによつて駆動する方式に
問題があるのではないかという結論に達した。そ
の理由は一つには、音速を超すほどの高速の排気
エネルギがそのまま利用できるなら比較的問題は
少ないけれども、実際には後方に多大な負荷抵抗
を抱えているため十分にエネルギを利用できない
ことにあると考えられるからである。つまり触
媒、消音器その他の抵抗がないのと同等の排出効
率が得られればこの問題は解決され、また排出効
率が向上できれば熱の滞留の問題も軽減されるか
ら、熱の問題も解決できることになる。 本発明は前記の知見に基づいてなされたもの
で、その目的は負荷抵抗を殆んど受けていない排
気ガス流によつて排気タービンを正圧駆動すると
同時に、該タービンを通過した排気ガス流をより
低圧の吸引気流によつて吸引し、タービンを同時
に負圧駆動するようにして、排気ガスの排出効率
を著しく高めることができるターボ過給機の駆動
装置を提供することにある。 このため過給機付近では、排気系に負荷抵抗が
ないのと同等若しくはそれ以上の排出効率が得ら
れるようになる。 （技術的手段） 前記目的を達成するため本発明は、内然機関の
燃焼室に通じる上流端と燃焼室から高速で排出さ
れた排気ガス流を大気放出する下流端とを有する
長大な排気系管２を具備し、排気系管２を流れる
排気ガス流によつて正圧駆動される排気タービン
６１と該タービンによつて作動する過給タービン
６２より成るターボ過給機の駆動装置について、 前記排気タービン６１は、排気系管２を流れる
排気ガス流が流入する入口７と排気タービン６１
に作用した排気ガス流が流出する出口８とを有
し、 前記排気系管２は、排気タービン出口８と排気
系管自体の下流端との間でその中を流れる排気ガ
ス流の流速が上流端より著しく低下した下流部分
を有し、 排気系管の再下流領域にて流速が低下した、排
気ガス流を加速し、再び高速気流とし強力な負圧
を形成する負圧発生装置５を設け、 前記負圧発生装置５は、そこを通過する排気ガ
ス流の流速を加速するために流断面積を急減させ
た加速部２４と、加速部２４に連通し、負圧をそ
の中に生じさせるための吸引室２６と、加速され
た排気ガス流を流速を低下させずに大気放出させ
るテイルチユーブ２８とを有し、 前記負圧発生装置５の吸引室２６と該装置５よ
り上流で排気タービン出口８より下流の排気系管
２とを吸引路１０により連通し、 排気タービン６１を通過した排気ガス流を負圧
吸引することにより、排気タービン６１を、燃焼
室から排出された排気ガス流による正圧駆動と同
時に、負圧発生装置で形成された吸引流により負
圧駆動し、かつ排気タービン６１の回転に比例し
た回転により過給タービン６２を駆動し、吸気管
５７を通じて燃焼室へ空気を過給するように構成
したものである。 前記の吸引気流は、排気ガス流を加速し、それ
によつて発生させた負圧を動力とする。電力や軸
回転を利用して負圧を形成することもできるが、
それでは折角増大した機関出力を再び減殺する率
が非常に高いからである。 本発明の装置によれば、ターボ過給機を通過す
る排気の押込み圧力が過大になることがなく、回
転数も飛躍的に高められ、過給タービンを通る取
入空気の流速も著しく高速化する。その結果、高
速のタービン通過ガス流で過給タービンの熱も高
速で運び去られるから過給機及びその周辺温度が
過熱状態となる虞れがなくなり、吸気温度も相対
的に低下する。故に空気密度は高いままであり、
この面からも充填効率を高める手段になつてい
る。また本発明を実施しない状態と比較して、燃
焼室とタービン間は気流の前記高速化によつて相
対的に低圧となる。これは燃焼室の掃気促進につ
ながる。 （実施例） 本発明の全体像を概念的に示すと第１図のよう
になる。ターボ過給機６は排気タービン６１と過
給タービン６２が軸で結合された通常のタイプと
してあらわされており、エンジン排気によつて正
圧駆動され、かつ同時に、排気ガス流の加速で形
成された吸引気流によつて負圧駆動される。 図に於て１はガソリンエンジン、２は排気系
管、３は排気ガス浄化のための触媒装置、４は排
気マフラ、５は負圧発生装置、６はターボ過給機
で、燃焼室直後の排気系管２に配置されたタービ
ン入口７から排気タービン直後のタービン出口８
へ排気ガス流が流れる。９は排気タービン６１を
通過した排気ガス流を吸引する吸引手段で、ター
ビン出口８よりは下流で負圧発生装置５よりは上
流の排気系管２の箇所に１又は２以上設けられ、
該吸引手段９は前記負圧発生装置５の吸引室と吸
引路１０を通じて結ばれる。本発明では吸引路１
０の上流側の接続箇所はターボ過給機６より下流
の排気系管２であればどこにでも設けられるが
（第１図鎖線）、特に負圧発生装置５の上流直前に
も設けられる点に特徴を見出すものである。吸引
路１０が短くて済むという実際上の理由よりも、
下流は速度が大幅に低下しているため再加速吸引
の効果も大きいからである。排気系管２と触媒装
置３及びマフラ４が排気系管２の主な負荷抵抗を
なしているのは明らかである。吸引手段９を触媒
装置３より上流の排気系管２に設けるときは、別
の触媒装置３′を吸引路１０に新設する。 例示の負圧発生装置５は排気ガス流を大気放出
の直前で再加速し、それにより形成された負圧を
吸引エネルギとして利用するものである。マフラ
４は第２図に示すように、排気系管２との接続口
１１を開口し、テーパ部１２で小径化された主流
路１３を中心に設け、通気孔１４を周面に開口し
た中心筒１５の外周の外筒１６との間に消音材１
７を充填したもので、中心筒１５の最下流端は加
速部へ接続し、排気ガス流は消音作用を受けて主
流路出口１８より負圧発生装置５に到る。 負圧発生装置５は負荷抵抗の最下流に配置され
ており、これは前記出口１８に続く絞り管２１と
スロート管２２及び膨張管２３からなる加速部２
４を備え、排気ガス流をさらに多段加速し強力な
負圧を形成するもので、その負圧により加速部２
４の直後に設けた空気導入口２５に通じる吸引室
２６を負圧にし、これを囲む外筒後部に接続管２
７を通じて空気流を吸引する構成を有している。
加速部は２段でも良く、また３段以上設けても良
い。加速部スロート管２２の容積V1は絞り管２
１で排気流速を最小に絞り第１次加速流を得るた
めに必要な容積に設定される。尚第３図に示され
た多段加速の実施例の場合第２スロート管２２2
の容積は第１スロート管２２1の容積V2に対しV2
＝AV1（Ａ≒２）となるような関係で増積されて
いる。勿論この係数Ａは別の任意な数値をとるこ
とができる。テイルチユーブ２８の内径は最終加
速部の内径以上が良く、また各空気導入口２５，
２５1，２５2については前進角θをつけるのが良
く、この角度θは０より大で90度未満、望ましく
は10〜45度の範囲が良い。 このような負圧発生装置５で形成された高度の
負圧により排気タービン６１の出口８側から吸引
路１０を経て排気ガス流を吸引するのであるが、
出口８に於て予め排気ガス流を加速するため該部
分に吸引手段９が後述する吸引側マフラ４０が設
けられる。吸引手段９は第４図に示すように、排
気系管２の上流側２ｕに接続された膨張管３１
と、その内径を再び縮小した絞り管３２と、該管
３２のテーパ絞り部３３に開口した吸引口３４
と、吸引口３４を含んだ絞り管外周を覆う吸引室
３５を形成した吸引室部材３６及び排気系管２の
下流側２ｄへの接続手段３７とから成り、タービ
ン排気流を外側から吸引するように構成されてい
る。前述の吸引路１０は吸引室部材３６に接続さ
れる。３８はその接続口を示す。吸引口３４を排
気ガス流に対して外側に配置したのは、排気ター
ビン６１から排出される排気ガス流を流路壁面に
沿う外側から吸引し、効果的に排出させるためで
ある。 また前述の吸引側マフラ４０は、吸引路１０の
末端部に介在し、吸引室２６へ吸引、流入する排
気ガス流の消音と流量制御をなすもので、４１は
吸引路１０との接続口、４２はテーパ部、４３は
中心流路、４４は消音孔、４５は外筒４６と中心
筒４７間の消音材、４８は中心筒末端の制御室
で、吸引室２６へ前述の接続管２７を通じて吸引
される排気ガス流量を調節する可動弁５０を有す
る。５１は可動弁の小孔、５２は可動弁取付軸、
５３は同軸の支持体を示す。 なお第１図の例に於て、５５は過給タービン６
２に吸引される空気の取入管、５６はそこに設け
られたエアクリーナ、４２は同タービン６２から
吸気口へ吸気を圧送する吸気管、５８は吸気管５
７に設けられたインタクーラで、取入れ空気は図
外の燃料供給手段例えば燃料噴射装置や気化器な
どにより混合気として燃焼室５９1，５９2，５９
３，５９4…へ充填される。 第５図は第２の実施例を示しており、これは例
示された４気筒エンジン１の排気管６５1，６５
２，６５3，６５4を２本ずつ２群に分けて夫々集
合し、各群により２基のターボ過給機６Ａ，６Ｂ
を駆動するようにしたものである。このため排気
系も２系統の管２Ａ，２Ｂに分れ、夫々に吸引手
段９Ａ，９Ｂが設けられており、従つて例えば第
１、第２燃焼室５９1，５９2から排出された排気
ガスは上記第１、第２排気管６５1，６５2より第
１ターボ過給機６Ａを駆動後、第１排気系管２Ａ
を経て第１負圧発生装置５Ａで加速されて大気放
出され、第３、第４燃焼室５９3，５９4から排出
された排気ガスは第３、第４排気管６５3，６５4
より第２ターボ過給機６Ｂを駆動後、第２排気系
管２Ｂを経て第２負圧発生装置５Ｂで加速されて
大気放出される。 さらに第６図に変形例が示されている。これは
ターボ過給機６を負圧駆動するに当つて、吸引手
段９Ａ，９Ｂを触媒装置３Ａ，３Ｂの直後に配置
したものである。尚第３実施例の他の構成は第２
実施例の場合と全く同様で良いので符号を援用し
説明を略す。また燃焼室から排出された排気ガス
はその全部を排気タービン６１へ導入しても良い
し、一部だけを利用するようにしても良く、或い
は全部、一部の切替式とすることもできる。 第１ターボ過給機６Ａのタービン出口８Ａの直
後、また第２ターボ過給機６Ｂのタービン出口８
Ｂの直後に第１、第２の吸引手段９Ａ，９Ｂが配
置され、各吸引手段９Ａ，９Ｂを駆動する負圧は
夫々の系統の負圧発生装置５Ａ，５Ｂによつてい
る。しかし仮に、第１、第２燃焼室５９1，５９2
による排気エネルギと、第３、第４燃焼室５９3，
５９4による排気エネルギに差があり、前者が後
者より大であるとすると、第２ターボ過給機６Ｂ
を駆動する正圧は第１ターボ過給機６Ａに対する
それより小となり、第１負圧発生装置５Ａで生じ
る負圧は大となる。そのような場合は吸引路１０
Ａ，１０Ｂを第６図に鎖線で示したように交叉さ
せて互いに相手のタービンに接続すると、第２タ
ーボ過給機６Ｂはその分大きな負圧で、第１ター
ボ過給機Ａは小さな負圧で夫々、駆動されるから
平均化することができる。 なお、排気管６５1〜６５4の集合の仕方は上記
の例に限られず、第１燃焼室５９1と第４燃焼室
５９4、第２燃焼室５９2と第３燃焼室５９3のよ
うに適当とする組合せを行なうことができ、例え
ば点火順序との兼ね合い等を考慮して設定され
る。各ターボ過給機の過給タービン６２へ通じる
空気取入管５５は１個のエアクリーナ５６に、ま
た過給タービン出口から燃焼室へ通じる吸気管５
７は１個のインタークーラ５８を通るようにまと
められている。しかし、これを２系統に分けて良
いのは勿論である。 上述したターボ過給機の駆動装置について、説
明を整理すると、本発明に於て排気ガスは次のよ
うに流れ或いは作用することが分る。
【表】 （作用） 以上の構成に於て、既に明らかとなつているよ
うに本発明ではターボ過給機６は、排気ガス流の
所謂押し込みにより正圧で駆動され、と同時に負
圧駆動によつて吸引作用を受ける。従つて排気タ
ービン６１は正圧駆動する排気ガス自体が常時に
吸引もされるので、排気系管の排出効率は比類な
き段階まで高められる。換言すれば、負圧発生装
置５で形成された強力な負圧のみによつても駆動
可能な排気タービン６１に、在来の排気ガス流の
押込みが同時作用しているといつても良い。 その結果本発明では排気タービン６１に対し
て、押し込むのと引き出すのと両方向の駆動力が
働くので、従来の単なる押し込み式と比較して回
転数の限界が著しく高められ、特に吸引手段９が
大気放出部近くに設けられるので、低速化の著し
い排気ガス流の流速の再活性化が顕著になる。 また正圧、負圧が１個のタービン６１に対して
同時作用するので起動特性も改善され、立上り曲
線もより直線的関係に近くなる。このような正
圧、負圧同時作用はタービン羽根の精度、性能が
高いものでなくても従来のものより過給圧が高め
られ、かつ起動特性も良くなることを意味する。 このような排気タービン６１の駆動は過給ター
ビン６２の回転特性及びそれによる作用にそのま
ま反映する。つまり、吸気圧力は直線的に高めら
れるから充填効率も目立つて改善される。 高い充填効率で燃焼が進められる結果、排気ガ
ス温度も高まると思われ勝ちであるが、しかし前
述のように、排気ガス流は負圧が作用しているた
め背圧が低下すると同時に燃焼室の掃気がより完
全になるので熱の滞留も起りにくく、エンジン周
辺の温度が顕著に上昇するという結果には到ら
ず、在来ターボの場合よりも却つて低下する。 （効果） 従つて本発明によれば、 １） ターボ効果が現われるタイムラグが非常に
短くなり、 ２） 正圧、負圧の双方向駆動のため回転数の上
限が非常に高められ、タービンの性能を十分に
活用することができる。 ３） 排気流の高速化により、滞熱現象が非常に
少なくなり、吸気温度も低下するため密度が高
まり、充填効率が向上する、 ４） 機器周辺温度が前記滞熱減少分だけ低減さ
れる、 ５） ターボ過給機を正圧と負圧により駆動し、
燃焼室内の掃気が促進されるため燃焼室内の残
留ガス量が著しく減少し、エンジンのオーバー
ヒートの原因が一掃される、 等の効果が期待できる。 以上のように本発明はターボ過給機の性能を非
常に高度に引き出し、過給される吸気温度を低下
させることができるものであるから、充填効率が
著しく高められ、通常給気方式に比較して２倍乃
至それ以上の出力向上が望まれ、同時に達成され
るターボラグの解消、出力上昇の直線性、エンジ
ンに対する負荷の減少等により機関全体の効率に
対する著しい改善が見られる。故に従来型のエン
ジンと同じ出力を得るのならば排気量は半分又は
それ以下で済む。従つて本発明により内然機関に
関する革新的な改善が達成される。即ち、本発明
によりエンジンの小型化が実施でき、従来200馬
力の出力を得るのに３の排気量が必要であつた
とすると本発明によれば1.5の排気量で十分で
あるから、有害排出物の低減、資源の節約に資す
る特徴がある。
【図面の簡単な説明】
図面は本発明の実施例を示すもので、第１図は
駆動装置の第１実施例の全体模式図、第２図は負
圧発生装置の縦断面図、第３図は２段加速式負圧
発生装置の縦断面図、第４図は吸引手段の縦断面
図、第４図は横断面図、第５図は駆動装置の第２
実施例の全体模式図、第６図は第２実施例の変形
例の全体模式図である。 １…エンジン、２…排気系管、５…負圧発生装
置、６…ターボ過給機、９…吸引手段、１０…吸
引路。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 内然機関の燃焼室に通じる上流端と燃焼室か
    ら高速で排出された排気ガス流を大気放出する下
    流端とを有する長大な排気系管２を具備し、排気
    系管２を流れる排気ガス流によつて正圧駆動され
    る排気タービン６１と該タービンによつて作動す
    る過給タービン６２より成るターボ過給機の駆動
    装置であつて、 前記排気タービン６１は、排気系管２を流れる
    排気ガス流が流入する入口７と排気タービン６１
    に作用した排気ガス流が流出する出口８とを有
    し、 前記排気系管２は、排気タービン出口８と排気
    系管自体の下流端との間でその中を流れる排気ガ
    ス流の流速が上流端より著しく低下した下流部分
    を有し、 排気系管の前記下流部分にて流速が低下した、
    排気ガス流を加速し、再び高速気流とし強力な負
    圧を形成する負圧発生装置５を設け、 前記負圧発生装置５は、そこを通過する排気ガ
    ス流の流速を加速するために流断面積を急減させ
    た加速部２４と、加速部２４に連通し、負圧をそ
    の中に生じさせるための吸引室２６と、加速され
    た排気ガス流を流速を低下させずに大気放出させ
    るテイルチユーブ２８とを有し、 前記負圧発生装置５の吸引室２６と該装置５よ
    り上流で排気タービン出口８より下流の排気系管
    ２とを吸引路１０により連通し、 排気タービン６１を通過した排気ガス流を負圧
    吸引することにより、排気タービン６１を、燃焼
    室から排出された排気ガス流による正圧駆動と同
    時に、負圧発生装置で形成された吸引流により負
    圧駆動し、かつ排気タービン６１の回転に比例し
    た回転により過給タービン６２を駆動し、吸気管
    ５７を通じて燃焼室へ空気を過給するようにした
    ことを特徴とするターボ過給機の駆動装置。 ２ 吸引路１０の上流側接続部の排気系管２に、
    該接続部の排気ガス流を加速する、吸引手段９を
    備え、該手段９と負圧発生装置５の吸引室２６と
    の間が吸引路１０で接続されている請求項第１項
    記載のターボ過給機の駆動装置。 ３ 内然機関は複数の燃焼室からの排気ガスを大
    気放出する少なくとも２系統の排気系管２Ａ，２
    Ｂを備え、その夫々の排気系管２Ａ，２Ｂに通じ
    た２以上の排気タービン６Ａ，６Ｂが設けられて
    いる請求項第１項記載のターボ過給機の駆動装
    置。 ４ 複数の排気系管２Ａ，２Ｂは、夫々負圧発生
    装置５Ａ，５Ｂとターボ過給機６Ａ，６Ｂとを備
    えており、負圧発生装置５Ａ，５Ｂと排気系管２
    Ａ，２Ｂを接続する吸引路１０Ａ，１０Ｂが同一
    排気系管２Ａ，２Ｂに設けられた負圧発生装置５
    Ａ，５Ｂとそれより上流の排気系管１０Ａ，１０
    Ｂとを接続するよう交叉的に配管されている請求
    項第３項記載のターボ過給機の駆動装置。
JP1342769A 1989-12-28 1989-12-28 ターボ過給機の駆動装置 Granted JPH03202629A (ja)

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