JPH0622117Y2 - 過給機付エンジンのターボヒータ装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本考案は過給機を具えたターボヒータ装置に関する。

〔従来の技術〕

単一の過給機によって昇圧した加熱空気を、車内に温風
を送り込むための温風通路又は機関シリンダに過給気を
送り込むための吸気通路を選択的に介して、機関始動時
は車内にその後は機関シリンダに供給するようにした過
給・暖房装置が公知である（実開昭58-12010号、実開昭
58-100222号公報参照）。

〔考案が解決しようとする課題〕

しかしながら、単一の過給機を過給用あるいは暖房用と
して兼用するのは実用上以下に述べる如き問題があり、
また実際上いずれか一方の用途にしか使用されていな
い。

すなわち、過給機を暖房用として作動させるべき機関始
動時あるいはアイドル時等に良好な暖房を行うために、
過給機をこの低吸入空気量域で最も効率よく作動して最
大能力を発揮するように設定すると、過給用として作動
させるべき中・高負荷時に過給機がその許容能力を越え
一方、中・高負荷時に過給機が最大過給能力を発揮でき
るようにするとアイドル時等に回転不足から十分な暖房
が行えないという相反する問題があるからである。

そこで本考案においては別の観点から問題の解決を図る
べく、単一の過給機を過給用あるいは暖房用として兼用
することをやめ、過給機及びターボヒータを併設して両
者の利用の調和を図ることにより、機関始動時から高負
荷運転時までの全ての運転状態に応じて機関排気エネル
ギを有効に利用して機関の暖機、車室の暖房、過給のそ
れぞれを効率的に行うことが可能な過給機付エンジンの
ターボヒータ装置を提供することを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために本考案は、第１図の本考案の
全体構成図に示す如く、機関排気通路３に設けられた過
給機タービン８２と、該過給機タービンに駆動される過
給機コンプレッサ８３と、前記過給機タービン８２の上
流側の排気通路３に配置された排気制御弁Ａと、該排気
制御弁をバイパスして該排気制御弁の上流側排気通路と
過給機タービンの上流側の排気通路とを接続するバイパ
ス通路９と、前記バイパス通路に配置されたターボヒー
タタービン７と、該ターボヒータタービンに駆動されて
空気を圧縮するターボヒータブロワ８と、前記ターボヒ
ータブロワの吐出空気を車室内に導く温風通路１３と、
該温風通路に設けられた温風制御弁Ｂと、機関吸気通路
２を前記温風制御弁の上流側の温風通路と前記過給機コ
ンプレッサ吐出側との一方に選択的に連通させる暖機制
御弁Ｃと、前記排気制御弁Ａと前記温風制御弁Ｂと前記
暖機制御弁Ｃとの作動を制御する制御装置７０とを備
え、前記制御装置７０は、機関始動後所定時間前記暖機
制御弁Ｃを、前記機関吸気通路と前記温風通路とを連通
させる位置に切り換えるとともに前記温風制御弁Ｂを閉
弁することにより機関に温風を供給し、前記所定時間経
過後は前記暖機制御弁Ｃを、前記機関吸気通路と前記過
給機コンプレッサとを連通させる位置に切り換えるとと
もに前記温風制御弁Ｂを開弁することにより前記車室に
温風を供給し、更に前記排気制御弁Ａ開度を、前記排気
制御弁Ａを通過する流量に対するバイパス流量の比が高
負荷運転時よりも低負荷運転時に大きくなるように運転
負荷に応じて制御することを特徴とする過給機付エンジ
ンのターボヒータ装置が提供される。

〔作用〕

上記構成より成る本考案においては、温風制御弁Ｂと暖
機制御弁Ｃとの切換え操作により、機関始動時の所定時
間ターボヒータからの高温空気を機関に供給し、上記所
定時間経過後は車室にターボヒータからの高温空気が供
給される。これにより機関の始動直後の暖機と始動後の
車室暖房とが効果的に行われる。さらに機関低負荷運転
時には排気制御弁Ａを通過する排気ガス流量に対するバ
イパス流量の比が高負荷運転時よりも大きく、すなわち
バイパス通路を通って相対的に多量の排気ガスが流れタ
ーボヒータの排気タービンを回転駆動することになる。
これによりブロワから暖い空気が多量に発生せしめられ
温風通路を通って車室に導入される結果、車室内の暖房
が効果的に行われる。

一方、機関高負荷運転時には排気制御弁Ａを通過する排
気ガス流量に対するバイパス流量の比が低負荷運転時よ
りも小さく、すなわちバイパス通路を通って相対的に少
量の排気ガスしか流れず、あるいは全く流れず、このた
め排気ガスが圧力損失を殆ど受けずに直接的に過給機の
タービンを回転駆動することになる。これにより過給機
本来の能力を発揮でき、機関出力性能等の向上が図れ
る。

〔実施例〕

第２図を参照すると、１は機関本体、２は吸気通路、３
は排気通路、４はターボヒータ、８０は過給機を夫々示
し、吸気通路２の入口部にはエアクリーナ５が取付けら
れる。ターボヒータ４は回転軸６を介して互いに連結さ
れた排気タービン７とブロワ８からなる。過給機８０は
回転軸８１を介して互いに連結されたタービン８２とコ
ンプレッサ８３からなり、これらは夫々排気通路３、吸
気通路２に配置される。過給機８０のタービン８２の上
流側の排気通路３内には制御弁Ａ（排気制御弁）が配置
され、排気通路３には制御弁Ａ上流の排気通路３と制御
弁Ａ下流の排気通路３とを連通するバイパス通路９が連
結される。このバイパス通路９内にはターボヒータ４の
排気タービン７が配置され、排気タービン７はバイパス
通路９内を流れる排気ガスによって回転駆動せしめられ
る。一方、ターボヒータ４のブロワ８の空気吸込通路１
０は排気通路３を包囲するように配置された副吸気通路
１１を介してエアクリーナ５に連結され、ブロワ８の吐
出通路１２は温風通路１３を介して車室１４内に連結さ
れる。このターボヒータ４が過給機８０と比較してその
容量がかなり小型であり、機関アイドル時あるいは機関
低速運転時に最も効率よく作動するように設定されてい
る。また、このターボヒータ４は過給よりもむしろ空気
温度を上昇させることを目的としており、従って一般的
な過給用ターボチャージャのインペラよりもコンプレッ
サ効率の低いブロワ８を使用している。

温風通路１３内には制御弁Ｂが（温風制御弁）が配置さ
れ、制御弁Ｂ上流の温風通路１３は連通路１５を介して
吸気通路２に連結される。この連通路１５と吸気通路２
との連結部には制御弁Ｃ（暖機制御弁）が配置される。
この制御弁Ｃは第２図において破線で示すように吸気通
路２を遮断しかつ温風通路１３を制御弁Ｃ下流の吸気通
路２に連通する第１の位置と、第２図において実線で示
すように吸気通路２を開通させかつ温風通路１３と吸気
通路２の連通を遮断する第２の位置とのいずれかの位置
をとるように制御される。各制御弁Ａ，Ｂ，Ｃは夫々対
応する負圧ダイアフラム１６，１７，１８に連結され、
各負圧ダイアフラム装置１６，１７，１８の負圧室１
９，２０，２１は夫々大気に連通可能な電磁切換弁
Ａ_０，Ｂ_０，Ｃ_０を介して負圧タンク２２に連結され
る。

電磁切換弁Ａ_０の切換作用によって負圧室１９が大気に
開放されると制御弁Ａは閉弁し、負圧室１９が負圧タン
ク２２に接続されると制御弁Ａは全開する。同様に電磁
切換弁Ｂ_０の切換作用によって負圧室２０が大気に開放
されると制御弁Ｂは閉弁し、負圧室２０が負圧タンク２
２に接続されると制御弁Ｂは全開する。また、電磁切換
弁Ｃ_０の切換作用によって負圧室２１が大気に開放され
ると制御弁Ｃは実線で示す第２の位置をとり、負圧室２
１が負圧タンク２２に接続されると制御弁Ｃは破線で示
す第１の位置をとる。

また、制御弁Ａ，Ｂ及びＣは各切換弁による単なる弁の
開閉を行うのみならず、次に述べるようにすることによ
り弁の開度を任意に維持できる。すなわち、例えば電磁
切換弁Ａ_０に矩形状の駆動パルス（ここで、（パルス幅
／周期）をデューティ比と呼ぶ）を供給すると電磁切換
弁Ａ_０の切換作用によって負圧室１９は負圧タンク２２
に接続され、駆動パルスの供給が停止すると電磁切換弁
Ａ_０の切換作用によって負圧室１９は大気に開放され
る。

従って駆動パルスの発生している時間が長くなるほど、
即ちデューティ比が大きくなるほど負圧室１９が負圧タ
ンク２２に接続されている時間が長くなるために負圧室
１９内に発生する負圧は大きくなり、従って制御弁Ａの
開度が大きくなる。これに対してデューティ比が小さく
なると負圧室１９が大気に開放されている時間が長くな
るために負圧室１９内の負圧は小さくなり、制御弁Ａの
開度が小さくなる。すなわち、駆動パルスのデューティ
比を適切に選択することで制御弁Ａの開度を所定通り維
持できる。他の制御弁Ｂ，Ｃも全く同様である。

第２図に示されるように車室１４内には機関発熱利用ヒ
ータ２３が配置される。この機関発熱利用ヒータ２３へ
は機関本体１内の昇温冷却水が冷却水供給導管２４を介
して供給され、車室１４内に熱を放出して温度低下した
冷却水は冷却水返戻導管２５を介して機関本体１に返戻
される。

各電磁切換弁Ａ_０，Ｂ_０，Ｃ_０を制御するための電子制
御ユニット３０は、公知のディジタルコンピュータから
なり、その入力ポートには例えば水温センサ（図示せ
ず）や大気圧を検出するための絶対圧センサ（図示せ
ず）等がＡ／Ｄ（コンバータ）を介して接続される。一
方、出力ポートは対応駆動回路を介して各電磁切換弁Ａ
_０，Ｂ_０，Ｃ_０に接続される。

以上の構成から成る本実施例の作動について以下説明す
る。

機関始動時あるいはアイドル時には制御弁Ａを全閉とす
る。これにより機関から排出された排気ガスの全量がバ
イパス通路９内に送り込まれる。その結果、ターボヒー
タ４の排気タービン７が回転駆動せしめられ、ブロワ８
の吐出通路１２にはブロワ８によって昇温された高温の
空気が排出される。このとき制御弁Ｂは開弁しており、
制御弁Ｃは第２図に示す位置（実線で示す第２の位置）
にあるのでブロワ８から吐出された高温の空気は温風通
路１３を通って車室１４内に送り込まれる。従って、例
えば機関コールド始動時などには機関冷却水温が低く機
関発熱利用ヒータ２３による暖房作用が行なわれない
が、ブロワ８から車室１４内に供給されるこの高温空気
によって車室１４内の暖房を速やかに行なうことができ
る。

なお、機関始動後所定時間の間、制御弁Ｂを閉弁し且つ
制御弁Ｃを第２図において破線で示す第１の位置にして
おくことにより、機関シリンダ内に始動後直ちに高温空
気を供給できるため機関の良好な始動を確保でき、また
未然炭化水素の生成・排出を抑制することもできる。そ
して、所定時間経過後に上述の如く制御弁Ｂを開弁し制
御弁Ｃを第２の位置に戻すことで、車室内の暖房を行う
ことができる。

一方、機関運転状態が活発化し高負荷運転状態となり機
関からの排気ガス量が増大するとき、ターボヒータ４が
その作動能力を越えて過回転するのを防止するために制
御弁Ａを開弁する。このとき制御弁Ａを全開してもよい
が、ターボヒータ４の許容回転数の範囲内で機関運転状
態等に応じて前述の如く制御弁Ａの弁開度を徐々にある
いは段階的に大きくして所定運転状態となったときに全
開するようにすればよい。これによりバイパス通路９を
流れる排気ガス量が適切に制限され、ターボヒータ４の
過回転を防止できる。また、ターボヒータ４による車室
１４の暖房作用が減少あるいはなくなるが、その時点に
おいては機関発熱利用ヒータ２３が十分に暖房効果を発
揮しているので何ら支障がない。

機関中・高負荷時には制御弁Ａを全開する。これによ
り、バイパス通路９を通って流れる排気ガスが殆どなく
なり、機関から排出された排気ガスがターボヒータ４駆
動のための圧力損失をこうむることなく直接的に過給機
８０に供給でき、従って排気ガスのエネルギを機関過給
用として有効に利用できる。

なお、バイパス通路９を排気ガスが流れないようにする
ことをより確実にするために、ターボヒータ４の排気タ
ービン７の上流あるいは下流のバイパス通路９内に開閉
弁（図示せず）を設け、機関負荷状態に応じてあるいは
制御弁Ａの開度等に応動してこの開閉弁を全閉とし、積
極的にバイパス通路９を遮断してもよい。このように特
別な機構を付加することなく代わりに、バイパス通路９
入口近傍の排気通路３内の圧力と、同通路９出口近傍の
排気通路３内の圧力との差を出来る限り小さくして、排
気タービン７の回転駆動分だけ流路抵抗の大きいバイパ
ス通路９を排気ガスがより流れにくいようにすればよ
い。これは、例えばバイパス通路９に対応する制御弁Ａ
を内部に有する排気通路部分の管断面積をこれより上流
の排気通路の管断面積より大きくすること、またはこれ
に代えあるいはこれと共にバイパス通路９の管断面積を
前記排気通路部分のものより小さくすることにより実現
できる。

第３図に本考案の他の実施例を示すが、前記実施例と同
一部分は第１図と同一符号を付してあり、その説明を省
略する。

第３図において、制御弁Ｂ下流の温風通路１３は連通路
６５を介して吸気通路２に連結されている。この連通路
６５と吸気通路２との連結部には制御弁Ｄが配置され
る。この制御弁Ｄは第３図において破線で示すように温
風通路１３を遮断しかつ吸気通路２を制御弁Ｄ下流の温
風通路１３に連通する第１の位置と、第３図において実
線で示すように温風通路１３を開通させかつ温風通路１
３と吸気通路２の連通を遮断する第２の位置、とのいず
れかの位置をとるように制御される。制御弁Ｄは対応す
る負圧ダイヤフラム装置６０に連結され、負圧ダイヤフ
ラム装置６０の負圧室６２は大気に連通可能な電磁切換
弁Ｄ_０を介して負圧タンク２２に連結される。

本実施例においては、ターボヒータ４を暖房用として利
用する機関始動時並びにターボヒータ４による暖房を止
めて過給機８０による機関過給が高まる中・高負荷時に
おいても制御弁Ｄを第３図の実線で示す位置（第２の位
置）に保持し、機関に供給する過給圧が設定圧力を越え
たときのみ制御弁Ｄを第３図の破線で示す位置（第１の
位置）に切換える。すなわち、制御弁Ｄのこの切換によ
り過給機８０によって過給された空気のうち余剰の過給
気を排除し機関運転状態と過給状態との調和を保ち機関
に無用の負荷を与えないようにすると供にこの排除した
余剰過給気を温風通路１３を介して車室１４内に導入し
暖房用として無駄なく有効に活用しようとするものであ
る。なお、これは過給機８０のタービン８２側にウエイ
ストゲートバルブ（図示せず）を設けることによっても
過給圧を設定値となるように制御できることは言うまで
もない。

〔考案の効果〕

本考案によれば、機関排気通路に、ターボヒータと過給
機の作動を制御する排気制御弁を設けるとともに、ター
ボヒータの吐出空気を機関吸気通路と車室とに選択的に
供給可能な温風制御弁と暖機制御弁とを設けたことによ
り、機関始動時にはターボヒータを最大能力で作動さ
せ、機関始動直後から高温のターボヒータ吐出空気を機
関に供給して良好な機関始動を得ることができ、機関始
動後には車室内の良好な暖房を確保することが出来る。
また、機関中、高負荷運転時にはターボヒータの過度の
回転を防止するとともに過給機の本来の能力を発揮させ
て出力性能と燃費の向上とを図ることが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の全体構成図、 第２図は本考案の過給機付エンジンのターボヒータ装置
の一実施例の全体図、 第３図は本考案の過給機付エンジンのターボヒータ装置
の他の実施例の全体図である。 １…機関本体、２…吸気通路、 ３…排気通路、４…ターボヒータ、 ７…排気タービン、８…ブロワ、 ９…バイパス通路、１４…車室、 ７０…制御弁駆動制御装置、 ８０…過給機、８２…タービン、 Ａ，Ｂ，Ｃ…制御弁。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)考案者 秋田 浩市 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (56)参考文献 特開 昭61−163072（ＪＰ，Ａ) 特公 昭41−10207（ＪＰ，Ｂ１)

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】機関排気通路に設けられた過給機タービン
   と、該過給機タービンに駆動される過給機コンプレッサ
   と、 前記過給機タービンの上流側の排気通路に配置された排
   気制御弁と、該排気制御弁をバイパスして該排気制御弁
   の上流側排気通路と過給機タービンの上流側の排気通路
   とを接続するバイパス通路と、 前記バイパス通路に配置されたターボヒータタービン
   と、該ターボヒータタービンに駆動されて空気を圧縮す
   るターボヒータブロワと、 前記ターボヒータブロワの吐出空気を車室内に導く温風
   通路と、該温風通路に設けられた温風制御弁と、機関吸
   気通路を前記温風制御弁の上流側の温風通路と前記過給
   機コンプレッサ吐出側との一方に選択的に連通させる暖
   機制御弁と、 前記排気制御弁と前記温風制御弁と前記暖機制御弁との
   作動を制御する制御装置とを備え、 前記制御装置は、機関始動後所定時間前記暖機制御弁
   を、前記機関吸気通路と前記温風通路とを連通させる位
   置に切り換えるとともに前記温風制御弁を閉弁すること
   により機関に温風を供給し、前記所定時間経過後は前記
   暖機制御弁を、前記機関吸気通路と前記過給機コンプレ
   ッサとを連通させる位置に切り換えるとともに前記温風
   制御弁を開弁することにより前記車室に温風を供給し、
   更に前記排気制御弁開度を、前記排気制御弁を通過する
   流量に対するバイパス流量の比が高負荷運転時よりも低
   負荷運転時に大きくなるように運転負荷に応じて制御す
   ることを特徴とする過給機付エンジンのターボヒータ装
   置。