JPH09287462A

JPH09287462A - エンジンの高過給システム

Info

Publication number: JPH09287462A
Application number: JP8096438A
Authority: JP
Inventors: Yoshinari Ooyama; 宜成大山; Mamoru Fujieda; 藤枝　　護; Minoru Osuga; 大須賀　　稔; Takuya Shiraishi; 拓也白石; Yoko Nakayama; 容子中山
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-04-18
Filing date: 1996-04-18
Publication date: 1997-11-04

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】エンジンの燃焼用空気圧を高める過給システム
に関し、高膨張比エンジン等での高過給に際する損失を
低減し、かつエンジン効率を向上する装置を提供する。【解決手段】本装置は排気タービン８１駆動圧縮機８２
及びエンジン出力軸駆動機械的圧縮機８６を備え、何れ
も遠心式圧縮機とする。排気管８０下流にタービン及び
前置触媒コンバータ８５を備え、エンジンの始動、暖機
時には、触媒コンバータ８３への排気温が低下するので
切換弁８４により排気タービンへの排気供給を停止し、
前置触媒側に排気を流し排気浄化を促進する。この時機
械的圧縮機を駆動し過給する。始動、暖機時は切換弁を
作動させ排気をタービン側に流し、機械的過給を停止す
る。又機械的圧縮機の動力変換機構として、変速比可変
・遊星歯車装置又は流体駆動装置を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】ガソリンエンジン，ディーゼ
ルエンジン等へ供給される燃焼用空気の圧力を高める過
給システムに利用する。

【０００２】

【従来の技術】FISIIA Technical Papers No.945008
（１９９４年１０月 Beijing）で、ミラーサイクル
エンジン（高膨張比）の過給に、Lysholm 式の圧縮機を
使用した例が開示されている。Roots 式のブロワー等に
比べ、圧力比が高い領域で、７０％程度の断熱効率が得
られる。しかし、内部圧縮による機械損失で、燃費が５
％程度増大する。高膨張比エンジンでは、圧力比を２.
０程度まで高める必要があるが、従来のターボ過給機
では、圧力比は１.８以下である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】高膨張比エンジン等で
の高過給に際する損失を低減するのを目的とする。か
つ、エンジンの効率向上を目的とする。

【０００４】ガソリンエンジンの効率向上は、低温急速
燃焼，高膨張比，小排気量高出力化によって達成され
る。後者に関しては、過給が不可欠である。外部圧縮機
とエンジンで空気の圧縮を分担するにあたり、外部圧縮
機の負担を高めることで、温度低減によるノック抑制効
果が高まる。

【０００５】過給機としては、ターボ過給システムがあ
るが、加速時の応答が遅い。一方、ルーツ式の圧縮機は
高圧力での効率が低い。

【０００６】Lysholm 圧縮機は断熱効率が７０％程度で
あるが、機械的損失が大きい。この際、エンジンに入る
空気の圧力は大気圧の100kPaに対し、200kPa程度まで高
められる通常のターボ過給機の過給圧力は170〜185kPa
程度である。

【０００７】遠心式の圧縮機の場合は、空気量は回転速
度に比例し、圧力は回転速度の２乗に比例して変化す
る。したがって、ガソリンエンジン等の過給のように、
圧力一定で、流量を変化させる場合には、最高効率点か
らずれて運転される場合が多い。回転速度を高めないと
圧力が上らないので、エンジンのクランク軸で動かす場
合には増速する必要がある。低速で１０万回転で運転す
ると、高速では６〜７倍の回転になり、機械的強度が不
利になる。無段変速機を介して、圧縮機を駆動すること
ができるが、機構が複雑になる。簡便な増速可能な無段
変速の採用がその他の目的である。

【０００８】ターボ過給システムでは、排気タービンに
よって、排ガスのエネルギーの一部を回収することがで
きる。しかし、エンジン始動時には排ガスの温度上昇が
遅く、触媒コンバータの暖機の面では不利である。これ
を回避するため、始動，暖機時は、排気タービンを迂回
して排ガスを通す工夫が講じられる。この際、暖機後
は、排ガスを再度排気タービンの方に切換える。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的は、エンジンの
クランク軸を介して出力される回転を入力し、その回転
にほぼ比例した回転を出力する動力変換機構と、前記動
力変換機構の出力側につながれ、かつ、前記エンジンに
吸入される空気を圧縮する圧縮機とを備えたエンジンの
高過給システムによって達成される。

【００１０】また、上記目的は、エンジンのクランク軸
を介して出力される回転を入力し、その回転にほぼ比例
した回転を出力する動力変換機構と、前記動力変換機構
の出力側につながれ、かつ、前記エンジンの吸気通路内
に露出する羽根車を有し、前記羽根車の回転による遠心
力によって前記エンジンに吸入される空気を圧縮する圧
縮機とを備えたエンジンの高過給システムによっても達
成される。

【００１１】

【発明の実施の形態】まず、本発明では、第１に容積型
の圧縮機のかわりに遠心式の圧縮機を簡便で増速可能な
無段変速機を介して駆動する。遠心式圧縮機は、可動部
の機械的損失が小さく、過給に際する損失を低減でき
る。

【００１２】遠心式圧縮機の羽根車に接続した衝動ラン
ナにエンジン駆動のポンプの流体の噴流を衝突させるこ
とによって、高速で回転させる。これにより高い圧力比
を得る。あるいは、羽根車を、増速可能な遊星ローラ，
外周リング，太陽リングからなる機構を介し、エンジン
の動力で高速駆動する。遊星ローラは半径方向に、その
回転軸が移動できるようになっており、これにより、増
速比が変化する。さらに、遠心式圧縮機を多段に配置
し、その１つを、排気タービンで駆動し、排気のエネル
ギーを回収する。前置触媒コンバータと排気タービンを
排気集合部の下流で並列に配置し、エンジンの始動，暖
機時には切換弁によって、前置触媒コンバータの方に排
ガスを流し、暖機後は、切換弁を切換えて、排気タービ
ンの方に排ガスを流す。

【００１３】圧力１００気圧程度の液体の噴流で衝動ラ
ンナを駆動すると、100000rpm 程度の回転速度が得られ
る。これに直結した遠心式圧縮機の羽根車も同じ回転速
度で回転するので、圧力比２.０程度の高過給を、損失
なしに容易に得ることができる。噴流の圧力，流量を加
減し、衝動ランナの回転速度が変化し、圧縮機の空気
量，圧力が制御される。

【００１４】遊星ローラを用いた方式においては、外周
リングのすきまの寸法を変えることによって、遊星ロー
ラの回転中心の半径方向の位置が変化し、増速比が１−
８の間で変化し、圧縮機の羽根車を、エンジンの回転速
度に応じ、高い回転速度で回転させることができ、圧力
比２.０程度の高過給を、損失なしに容易に達成する。

【００１５】低温始動，暖機時は、排ガスは、排気ター
ビンで冷却されることなく、前置触媒コンバータに供給
されるので、排気浄化、特に、低温時に多量に排出され
る、未燃炭化水素の浄化が促進される。一方、暖機後
は、排ガスは、排気タービンの方を流れるので、高温の
排気のエネルギーが回収され、エンジンの効率が向上す
る。

【００１６】次に図を用いて本発明を説明する。

【００１７】図１に本発明の構成を示すブロック図を示
す。エンジン１９の吸入空気は、圧縮機１１，吸気管１
８を介してエンジン１９に供給される。従来の遠心圧縮
機はエンジンの排気で駆動される排気タービンで駆動さ
れていたが本発明では、エンジン１９の動力を動力変換
機構１１０で変換し遠心圧縮機１１を駆動している。図
１１に本発明の実施例を示す。圧縮機１１は羽根車１
２，ケーシング１３から構成され、羽根車１２の軸は軸
受１４を介して、ケーシング１３に取り付けられる。空
気フィルタ１５，空気流量センサ１６，スロットルバル
ブ１７を介して、空気が圧縮機１１に供給される。羽根
車１２で加圧された空気は、中間冷却器１８を介して、
エンジン１９に供給される。羽根車１２の軸には、衝動
ランナ２０が取り付けられ、衝動ランナ２０の周囲に複
数個のバケット２１が固定されている。バケット２１に
対向して、ノズル２２が配置され、ノズル２２から噴流
がバケット２１に衝突するようになっている。ノズル２
２にはニードルバルブ２３が装着され、電気式アクチュ
エータ２４で駆動される。この駆動信号は、クランクプ
ーリー１０２に付けられた回転センサ１０４の信号と吸
気管１８の圧力を検出する圧力センサ１０３の信号より
制御回路１０５で作られる。噴流後の流体は戻り管２５
を通って、タンク２６に戻る。タンク２６の流体はポン
プ２７で加圧され、ノズル２２に供給される。このポン
プ２７の駆動力は、クランクプーリー１０２よりプーリ
ー１０１にベルト等で伝達される。衝動ランナ２０の半
径を０.０２ｍ，回転速度を100000rpm とすると、周速
は２００ｍ／ｓとなる。したがって、噴流の速度が周速
の２倍のとき、効率が最高になる。したがって、噴流の
速度は４００ｍ／ｓとなる。１００気圧で１６０ｍ／
ｓ，６００気圧で400ｍ／ｓとなる。衝動ランナ２０の
半径を０.０１ｍとすると、周速は１００ｍ／ｓとな
り、１００気圧程度の圧力で済む。

【００１８】衝動ランナ２０の動力は、流量×（噴流の
速度)²に比例し、噴流の速度が一定のとき、流量をニー
ドルバルブ２３によって、加減することによって調節で
きる。圧縮機１１の特性は、図２に示すごとく、流量が
増大すると、圧力が低下し、流量が小さくなると、サー
ジングで不安定になる。図１１において、バイパス管２
９を配置し、バイパスバルブ２９を開き、余分の圧力を
カットする。これによって、羽根車１２を最高効率点で
運転することができるが、バイパスバルブ２９によっ
て、余分の空気が流れるので、損失エネルギーとなる。
回転速度に対し、空気流量は図３のごとく変化する。エ
ンジンの回転速度が高くなると、エンジンの吸入空気量
も多くなるので、羽根車１２の回転速度を高めて空気流
量を増す。図４においては、圧縮機の羽根車３０は、エ
ンジン１９に接続されている入力軸３１によって駆動さ
れる。入力軸３１の力は、遊星歯車機構３３を介して、
第２入力軸３２に伝えられる。入力軸３２の力は、ロー
ラ３４を介し、スプライン３５（軸３６といっしょに回
転し、軸方向に移動可能な筒）に伝わり、さらに、スプ
ライン３５から羽根車３０の軸３６に伝えられる。ロー
ラ３４の軸受３９は、ディスク３７の楕円オリフィス３
８内で、半径方向移動可能なように取り付けられる。ロ
ーラ３４は、外周リング４０に接触し、内周で、太陽リ
ング４１に接触している。太陽リング４１はばね４２に
よって、ローラ３４を挾み込んでいる。外周リング４０
は、くさび４３によって、ローラ３４を挾み込んでい
る。くさび４３は、モータ４４によって上下に移動す
る。

【００１９】いま、軸３２，ディスク３７が回転する
と、軸受３９も一緒に回転する。このとき、ローラ３４
は遊星歯車機構と同じように、外周リング４０に沿って
回転し、太陽リング４１を動かす。くさび４３を下方に
移動すると、ローラ３４は、軸中心方向に移動する。こ
れにより羽根車３０の回転速度が増大する。この構成で
は、羽根車３０は１／７まで減速される。羽根車３０を
増速する際は、入力軸３２の側に羽根車３０を取り付け
る。図５において、入力軸５０の力はスプライン５１，
ローラ５２を介して、羽根車５３に伝えられる。モータ
５７でくさび５６を下方に動かすと、ローラ５２が軸中
心方向に移動し、羽根車５３を増速させる。ローラ５２
の軸受５５を支えるディスク５４は、羽根車５３と一体
構造になっている。増速比８程度が得られる。

【００２０】このような、ローラ５２，外周リング４０
の摩擦力によって力を伝達する際は、すべりが生じない
ように、ばね４２で、ローラ５２を押し付ける必要があ
る。この力が弱いとすべりが生じ、ローラ５２，外周リ
ング４０が摩擦熱で焼損する。また、押し付け力が大き
すぎると、ローラ５２，外周リング４０の疲労が加速さ
れ、寿命が短くなる。したがって、羽根車５３の負荷に
応じて、押し付け力を加減するのが望ましい。このた
め、図５において、電磁石６０で、太陽リング４１を押
し、押し付け力を制御している。コントロールユニット
６１にエンジンの回転数，負荷の情報を入力し、これを
基に、電磁石６０の電流を制御し、押し付け力を加減す
る。エンジンの回転数が上昇する際は、羽根車５３の慣
性に打ち勝つため、電磁石６０の押し付け力を増す。ま
たエンジンの負荷が大きいときも、羽根車５３の圧力増
大に打ち勝つため、押し付け力を増す。押し付け力を負
にすると、入力軸５０と羽根車５３は切り離される。こ
れにより、アイドリング運転時等の無駄な羽根車の回転
が回避される。

【００２１】図５において、ローラ５２は、中心軸に対
しても高速で回転するので、遠心力によって、太陽リン
グ４１と外周リング４０に作用する力が異なり、太陽リ
ング４１の力が弱くなり、すべりやすくなる。外周リン
グ４０には余分の力が作用し、疲労しやすくなる。遠心
力を小さくするため、ローラ５２，軸受５３はチタン等
の軽量材で造られる。一方、軸受５３を、オリフィス３
８の中で固定することによっても、遠心力の伝達を防止
できる。

【００２２】図６で、ローラ５２の遠心力は外周リング
４０で支持される。遠心力Ｆを分解すると、Ｆ₁とＦ₂
となり、Ｆ₂が外周リング４０に作用する。したがっ
て、ローラ５２のテーパが小さいときはＦ₂は小さい。

【００２３】図５に示すごとく、オリフィス３８の中
で、軸受５５が、半径方向に移動できるように取り付け
られているとき、軸受５５で遠心力を受けることができ
ない。オリフィス３８を図７に示すようにディスク５４
の半径方向に対して、傾めに設けることによって、遠心
力を支持できる。

【００２４】図８でエンジン１９の排気管８０の下流に
排気タービン８１が取り付けられ、圧縮機８２を駆動す
る。この際、触媒コンバータ８３に入る排ガスの温度が
低下するので、エンジンの始動，暖機時には、切換弁８
４で、タービン８１への排気の供給を停止、前置触媒コ
ンバータ８５の方に排ガスを流し、排気浄化を促進す
る。このとき、圧縮機８６を、エンジン１９で駆動し、
過給する。始動，暖機が完了すると、切換弁８４を作動
させ、排気タービン８１に排ガスを流し、圧縮機８２を
駆動する。これにより、排ガスのエネルギーの一部が回
収され、過給に消費されるエンジンの動力が節約され
る。図９に示すごとく、ターボ過給のみでは、エンジン
回転数が低い領域の空気の圧力が不足するので、これ
を、機械式の過給で支援する。圧縮機８６を出て、エン
ジン１９に入る空気は、熱交換器８７で冷却される。エ
ンジン１９に入る空気量はスロットルバルブ８９によっ
て、調節される。空気量が小さいときは、過給を停止し
て、大気圧の状態でスロットルバルブ８９で空気を絞
る。空気量を多く必要とする運転状態では、圧縮機８６
を動かし、空気の圧力を大気圧以上にする。さらに空気
量を必要とするときは、圧縮機８６を増速して、圧力を
高める。空気を圧縮機の入口側に戻す方法もあるが、動
力の節約にはならない。

【００２５】図８において、エンジン１９に入る空気
は、熱交換器８７によって冷却されており、エンジン１
９が、高膨張比の場合、圧縮終りの空気の温度の上昇が
少なく、耐ノック性が向上する。図８のように、遠心式
圧縮機を多段に配置することによって、充分な過給圧力
が得られる。

【００２６】図１０において、圧縮機１００は、遊星歯
車機構１０１を介して、電動機102、及びエンジン１０
３によって駆動される。キャリヤ１０４がエンジン１０
３のクランク軸に接続されているプーリー１０５によっ
て回動し、その合成された角度で、太陽歯車１０７が動
かされる。太陽歯車１０７には、圧縮機１００が接続さ
れている。この構成において、キャリヤ１０４を図８の
排気タービンで駆動することができる。すなわち、エン
ジン１０３の回転速度が低いとき、あるいは、排気ター
ビン８１の出力が小さい領域のみを、電動機１０２で支
援する。これにより、遠心式の圧縮機でも十分に高い過
給圧力を得ることができる。

【００２７】

【発明の効果】本発明によれば、高膨張比エンジン等で
の高過給に際する損失を、従来の容積型の過給システム
に対し、１／３に低減することができる。さらに、低温
始動，暖機時の排気浄化，排熱回収によるエンジンの効
率向上を達成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の１つを示すブロック図。

【図２】流量特性図。

【図３】流量特性図。

【図４】遊星ローラ式の過給システムの構成図。

【図５】遊星ローラ式の過給システムの構成図。

【図６】その一部分の説明図。

【図７】その一部分の説明図。

【図８】遠心式圧縮機を多段に配置した過給システムの
構成図。

【図９】その特性図。

【図１０】他の実施例の構成図。

【図１１】噴流式の過給システムの構成図。

【符号の説明】

１１…圧縮機、１２…羽根車、１９…エンジン、２０…
衝動ランナ、３４，５２…ローラ、４０…外周リング、
８０…排気管、１１０…動力変換機構。

フロントページの続き (72)発明者白石拓也茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者中山容子茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】エンジンのクランク軸を介して出力される
回転を入力し、その回転にほぼ比例した回転を出力する
動力変換機構と、前記動力変換機構の出力側につながれ、かつ、前記エン
ジンに吸入される空気を圧縮する圧縮機と、を備えたエ
ンジンの高過給システム。
【請求項２】エンジンのクランク軸を介して出力される
回転を入力し、その回転にほぼ比例した回転を出力する
動力変換機構と、前記動力変換機構の出力側につながれ、かつ、前記エン
ジンの吸気通路内に露出する羽根車を有し、前記羽根車
の回転による遠心力によって前記エンジンに吸入される
空気を圧縮する圧縮機と、を備えたエンジンの高過給シ
ステム。
【請求項３】請求項１または２のいずれかにおいて、前記動力変換機構は、前記動力変換機構に入力された前記エンジンの回転によ
って、液体を圧縮するポンプと、前記ポンプによって圧縮された液体の衝突によって回転
し、その回転を前記動力変換機構の外部に出力するラン
ナと、を備えたことを特徴とするエンジンの高過給シス
テム。
【請求項４】請求項１または２のいずれかにおいて、前記動力変換器と前記圧縮機との間に、前記遠心圧縮機
に伝達する回転の回転数を変える変速機を備えたことを
特徴とするエンジンの高過給システム。
【請求項５】請求項４において、前記変速機は、前記動力変換機構から回転を入力する入力軸と、前記圧縮機に回転を出力する出力軸と、前記入力軸と前記出力軸との間を介し、前記入力軸また
は前記出力軸のいずれかの外周方向に可変に設けたロー
ラ（３４，５２）と、を備えたことを特徴とするエンジ
ンの高過給システム。
【請求項６】請求項５において、前記ローラは、菱形断面形状部を有し、前記変速機は、前記ローラを圧迫することにより、前記
ローラの外周方向の位置を調節する外周リング（４０）
を備えたことを特徴とするエンジンの高過給システム。
【請求項７】エンジンと、前記エンジンに吸入される空気の量を測定する吸気流量
計と、請求項１から６のいずれか記載のエンジンの高過給シス
テムと、を備えた高過給エンジンシステム。