JPH10169457A

JPH10169457A - ターボ過給機付エンジン

Info

Publication number: JPH10169457A
Application number: JP8333275A
Authority: JP
Inventors: Yukihiro Tsuji; 幸浩辻; Nobuhiro Funayama; 悦弘舩山
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 1996-12-13
Filing date: 1996-12-13
Publication date: 1998-06-23

Abstract

(57)【要約】低速域でのエンジン出力を増大でき、黒煙の排出を低減
し、更に低速域での燃費を向上できる。【課題】回転軸２１の一端に固着されたターボ過給機１
７のタービン２２が排気マニホルド１２に接続された排
気管１３に設けられ、排気管を通過する排気のエネルギ
により回転する。回転軸の他端に固着されたコンプレッ
サ２３が吸気マニホルド１４に接続された吸気管１６に
設けられ、吸気管を通過する吸気を圧縮する。一端が排
気管のうち排気マニホルド及びタービン間に位置する上
流側排気管１３ａに接続されたバイパス管２４の他端が
吸気管のうち吸気マニホルド及びコンプレッサ間に位置
する下流側吸気管１６ａに接続される。バイパス管に設
けられたバルブ２６が下流側吸気管内の圧力が上流側排
気管内の圧力より高くかつエンジン回転速度が６００〜
１０００ｒｐｍの範囲内にあるときにのみ開く。【解決手段】

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、エンジンの排気の
エネルギにより吸気を圧縮するターボ過給機を備えたエ
ンジンに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種のターボ過給機付エンジン
として、排気マニホルドに接続された排気管に回転軸の
一端に固着されたタービンが設けられ、吸気マニホルド
に接続された吸気管に上記回転軸の他端に固着されたコ
ンプレッサが設けられ、タービンに排気を導くためのタ
ービンノズルの面積が変更可能に構成されたターボ過給
機付エンジンが知られている。このターボ過給機付エン
ジンでは、動翼を有するタービンがタービンケースに回
転可能に収容され、このケースの排気導入口と排気管と
の接続部に排気を上記動翼に導く複数の可変静翼が所定
の間隔をあけて設けられる。即ち上記タービンノズルは
複数の可変静翼間に形成された複数の空間であり、これ
らの可変静翼を静翼駆動手段を介して回動可能に構成す
ることにより複数のタービンノズルの面積が変更可能に
構成される。

【０００３】このように構成されたターボ過給機付エン
ジンでは、エンジンが低速で回転しているときには、排
気管を通過する排気流量が少ないため、複数の静翼を静
翼駆動手段により複数のタービンノズルを絞る方向に回
転すると、タービンの動翼に吹付けられる排気の流速が
速くなり、タービンを高速で回転できる。この結果、エ
ンジンの吸気量が増大するので、低速域でのエンジン出
力を増大でき、黒煙の排出を低減でき、更に低速域での
燃費を向上できる。またエンジンが高速で回転するとき
には、排気管を通過する排気流量が多いため、複数の静
翼を静翼駆動手段により複数のタービンノズルを広げる
方向に回転すると、排気の流速が遅くなり、タービンが
必要以上に高速回転することを防止できる。この結果、
吸気圧力が過上昇しないので、エンジン性能を低下させ
ないようになっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来のタ
ーボ過給機付エンジンでは、複数の可変静翼を静翼駆動
手段を介して回転駆動しなければならず、ターボ過給機
の構造が複雑になる不具合があった。本発明の目的は、
比較的簡単な構造で、低速域でのエンジン出力を増大で
き、黒煙の排出を低減し、更に低速域での燃費を向上で
きるターボ過給機付エンジンを提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は、
図１に示すように、回転軸２１の一端に固着され排気マ
ニホルド１２に接続された排気管１３に設けられ排気管
１３を通過する排気のエネルギにより回転するタービン
２２と、回転軸２１の他端に固着され吸気マニホルド１
４に接続された吸気管１６に設けられ吸気管１６を通過
する吸気を圧縮するコンプレッサ２３とを備えたターボ
過給機付エンジンの改良である。その特徴ある構成は、
一端が排気管１３のうち排気マニホルド１２及びタービ
ン２２間に位置する上流側排気管１３ａに接続され他端
が吸気管１６のうち吸気マニホルド１４及びコンプレッ
サ２３間に位置する下流側吸気管１６ａに接続されたバ
イパス管２４と、バイパス管２４に設けられ下流側吸気
管１６ａ内の圧力が上流側排気管１３ａ内の圧力より高
くかつエンジン回転速度が６００〜１０００ｒｐｍの範
囲内にあるときにのみ開くバルブ２６とを備えたところ
にある。

【０００６】この請求項１に係るターボ過給機付エンジ
ンでは、下流側吸気管１６ａ内の圧力が上流側排気管１
３ａ内の圧力より大きく、かつエンジン回転速度が所定
の低速域にあるときにバルブ２６を開くと、下流側吸気
管１６ａ内の吸気が上流側排気管１３ａ内に流入し、タ
ービン２２に流入するガス量が増し、タービン２２の効
率が良好な状態となって、バルブ２６を閉じているとき
よりもタービン２２の回転速度が大きくなり、エンジン
１１の吸気量が増大する。

【０００７】請求項２に係る発明は、請求項１に係る発
明であって、更に図１に示すように、バルブ２６が、エ
ンジン回転速度が６００ｒｐｍで全開となり、エンジン
回転速度が６００ｒｐｍから上昇するに従って次第に開
度が小さくなり、エンジン回転速度が１０００ｒｐｍを
越えると全閉となるように構成されたことを特徴とす
る。この請求項２に係るターボ過給機付エンジンでは、
低速域内でもエンジン回転速度が６００ｒｐｍと低いと
きにはタービン２２に流入する排気量は極めて少ない。
このときバルブ２６が全開となるので、比較的多量の吸
気がバイパス管２４を通って上流側排気管１３ａに流入
する。この結果、タービン２２を比較的高速で回転でき
るので、エンジン出力を増大できる。また低速域内でも
エンジン回転速度が次第に上昇して１０００ｒｐｍ近く
になると、タービン２２に流入する排気量は比較的多く
なる。このときバルブ２６が全閉に近づくので、吸気は
殆ど上流側排気管１３ａに流入しない。この結果、ター
ビン２２が必要以上に高速回転することがなく、吸気圧
力が過上昇しないので、エンジン性能を低下させない。

【０００８】請求項３に係る発明は、請求項１又は２に
係る発明であって、更に図２に示すように、燃料噴射ポ
ンプに設けられ燃料噴射量を調整するコントロールラッ
クのラック位置のうち、全く燃料を噴射しないゼロラッ
ク位置を０％としかつ最大量の燃料を噴射するフルラッ
ク位置を１００％としたときに、このラック位置が７０
〜１００％の範囲内にあるときバルブ２６が開くように
構成されたことを特徴とする。この請求項３に係るター
ボ過給機付エンジンでは、コントロールラックのラック
位置が７０〜１００％の範囲内にあるとき、下流側吸気
管１６ａ内の圧力が上流側排気管１３ａ内の圧力より大
きいため、コントロールラックのラック位置とエンジン
回転速度とによりバルブ２６を開く時期を的確に検出で
きる。またコントロールラックのラック位置を上記範囲
に限定したのは、コントロールラックがフルラック位置
の７０％未満になると、下流側吸気管１６ａ内の圧力と
上流側排気管１３ａ内の圧力との差が殆どなくなるため
である。

【０００９】

【発明の実施の形態】次に本発明の第１の実施の形態を
図面に基づいて詳しく説明する。図１に示すように、エ
ンジン１１は車両用のディーゼルエンジンであって、こ
のエンジン１１の排気マニホルド１２には排気管１３が
接続され、吸気マニホルド１４には吸気管１６が接続さ
れる。排気管１３と吸気管１６との間にはターボ過給機
１７が設けられる。ターボ過給機１７は排気管１３の途
中に接続されたタービンハウジング１８と、吸気管１６
の途中に接続されたコンプレッサハウジング１９と、タ
ービンハウジング１８からコンプレッサハウジング１９
にかけて回転可能に挿通された回転軸２１と、回転軸２
１の一端に固着されタービンハウジング１８に収容され
たタービン２２と、回転軸２１の他端に固着されコンプ
レッサハウジング１９に収容されたコンプレッサ２３と
を備える。

【００１０】また排気管１３と吸気管１６とはバイパス
管２４により接続される。このバイパス管２４の一端は
排気管１３のうち排気マニホルド１２及びタービン２２
間に位置する上流側排気管１３ａに接続され、バイパス
管２４の他端は吸気管１６のうち吸気マニホルド１４及
びコンプレッサ２３間に位置する下流側吸気管１６ａに
接続される。バイパス管２４にはこのバイパス管２４の
開度を調整するバルブ２６が設けられる。バルブ２６は
バイパス管２４内にシャフト２６ｂを中心に回動可能に
設けられたバルブ本体２６ａと、このバルブ本体２６ａ
を駆動するアクチュエータ２６ｃとを有する。この実施
の形態ではバルブ本体２６ａはバタフライバルブであ
り、アクチュエータ２６ｃはステッピングモータであ
る。

【００１１】上流側排気管１３ａにはこの排気管１３ａ
内の排気圧力を検出する排気圧力センサ２７が設けら
れ、下流側吸気管１６ａにはこの吸気管１６ａ内の吸気
圧力を検出する吸気圧力センサ２８が設けられる。また
エンジン１１のクランク軸１１ａ近傍にはこのクランク
軸１１ａの回転速度を検出するエンジン回転センサ２９
が設けられる。圧力センサ２７，２８は図示しないが圧
力検出部と、検出圧力を電気信号に変換する変換部とを
有する。圧力検出部としてはダイヤフラムやベロー等が
用いられ、変換部としては力平衡方式、静電容量方式、
ストレインゲージ方式等が用いられる。排気圧力センサ
２７、吸気圧力センサ２８及びエンジン回転センサ２９
の各検出出力はコントローラ３１の制御入力に接続さ
れ、コントローラ３１の制御出力は図示しない駆動回路
を介してアクチュエータ２６ｃに接続される。

【００１２】またコントローラ３１にはメモリ３２が設
けられる。このメモリ３２には上記エンジン回転センサ
２９の検出出力と比較され、バルブ２６を開く条件の一
つとなるエンジン回転速度６００〜１０００ｒｐｍがマ
ップとして記憶される。またメモリ３２にはエンジン回
転速度に対するバルブ２６の開度がマップとして記憶さ
れる。即ちメモリ３２には、エンジン回転速度が６００
ｒｐｍでバルブ２６が全開となり、エンジン回転速度が
６００ｒｐｍから上昇するに従って次第にバルブ２６の
開度が小さくなり、エンジン回転速度が１０００ｒｐｍ
を越えるとバルブ２６が全閉となるように記憶される。
なお、この実施の形態では、エンジンとしてディーゼル
エンジンを挙げたが、ガソリンエンジンであってもよ
い。また、この実施の形態では、バルブ本体としてバタ
フライバルブを挙げ、アクチュエータとしてステッピン
グモータを挙げたが、バルブ本体としてリードバルブや
スライド式バルブ等を用いてもよく、アクチュエータと
してダイヤフラムアクチュエータや電磁ソレノイド等を
用いてもよい。

【００１３】このように構成されたターボ過給機付エン
ジンの動作を説明する。クランク軸１１ａのトルクをシ
リンダ容積で除した値である軸平均有効圧が各エンジン
回転速度で定まる所定値Ｐｍｅを越えると、下流側吸気
管１６ａ内の圧力が上流側排気管１３ａ内の圧力より大
きくなり、その差は軸平均有効圧が大きくなるに従って
大きくなる（図１及び図３）。吸気圧力センサ２８及び
排気圧力センサ２７が下流側吸気管１６ａ内及び上流側
排気管１３ａ内の圧力をそれぞれ検出し、エンジン回転
センサ２９がクランク軸１１ａの回転速度を検出する。
コントローラ３１は圧力センサ２７，２８の各検出出力
に基づいて下流側吸気管１６ａ内の圧力が上流側排気管
１３ａ内の圧力より大きいことを演算し、クランク軸１
１ａの回転速度が低速域の所定の範囲内にあることをメ
モリ３２のマップと比較して演算すると、バルブ２６を
メモリ３２のマップよるエンジン回転速度に対応した開
度で開くので、下流側吸気管１６ａ内の吸気が上流側排
気管１３ａ内に流入し、タービン２２に流入するガス量
が増す。この結果、タービン２２の回転速度が上昇し、
エンジン１１の吸気量が増大するので、低速域でのシリ
ンダ内における燃焼が向上し、低速域でのエンジン出力
が増大する。これにより黒煙の排出を低減でき、低速域
での燃費を向上できる。

【００１４】低速域内でもエンジン回転速度が６００ｒ
ｐｍと低いときには、タービン２２に流入する排気量は
極めて少ないが、コントローラ３１はバルブ２６を全開
にするので、比較的多量の吸気がバイパス管２４を通っ
て上流側排気管１３ａに流入する。この結果、タービン
２２を比較的高速で回転できるので、エンジン出力を増
大できる。また低速域内でもエンジン回転速度が次第に
上昇して１０００ｒｐｍ近くになると、タービン２２に
流入する排気量は比較的多くなるが、コントローラ３１
はバルブ２６を全閉に近づけるので、吸気は殆ど上流側
排気管１３ａに流入しない。この結果、タービン２２が
必要以上に高速回転することがなく、吸気圧力が過上昇
しないので、エンジン性能を低下させない。

【００１５】図２は本発明の第２の実施の形態を示す。
図２において図１と同一符号は同一部品を示す。この実
施の形態では、第１の実施の形態の吸気圧力センサ及び
排気圧力センサに代えて、燃料噴射ポンプ（図示せず）
のコントロールラック（図示せず）近傍にこのラック位
置を検出する負荷センサ５７が設けられ、この負荷セン
サ５７の検出出力がコントローラ３１の制御入力に接続
される。コントロールラックのラック位置のうち、エン
ジン１１に全く燃料を噴射しないゼロラック位置を０％
とし、かつエンジン１１に最大量の燃料を噴射するフル
ラック位置を１００％とする。メモリ３２には上記負荷
センサ５７の検出出力と比較され、バルブ２６を開く条
件の一つとなるコントロールラックのラック位置が７０
〜１００％の範囲内にあることがマップとして記憶され
る。上記以外は第１の実施の形態と略同一に構成され
る。

【００１６】このように構成されたターボ過給機付エン
ジンでは、コントロールラックのラック位置が７０〜１
００％の範囲内にあるときには、エンジン１１は高負荷
域にあるため、軸平均有効圧はエンジン回転速度に拘わ
らず図３のＳで示す範囲内にある、即ち下流側吸気管１
６ａ内の圧力は上流側排気管１３ａ内の圧力より常に大
きい。この結果、圧力センサを用いずに、エンジン回転
センサ２９及び負荷センサ５７の各検出出力だけで、コ
ントローラ３１は的確な時期にかつ的確な開度でバルブ
２６を開くことができる。また負荷センサ５７を用いた
方が圧力センサを用いる場合より応答性が向上するとい
う利点もある。上記以外は第１の実施の形態の動作と略
同様であるので、繰返しの説明を省略する。

【００１７】

【実施例】次に本発明の実施例を比較例とともに詳しく
説明する。＜実施例＞図２に示すように、排気量が１１０００ｃｃ
の６気筒ターボ過給機付ディーゼルエンジン１１の下流
側吸気管１６ａと上流側排気管１３ａとを長さ及び内径
がそれぞれ４００ｍｍ及び４０ｍｍのバイパス管２４に
より接続し、このバイパス管２４にバイパス管２４の開
度を調整するバルブ２６を設けた。またエンジン１１の
クランク軸１１ａ近傍にこのクランク軸１１ａの回転速
度を検出するエンジン回転センサ２９を設け、燃料噴射
ポンプ（図示せず）のコントロールラック（図示せず）
近傍にこのラック位置を検出する負荷センサ５７を設け
た。これらのセンサ２９，５７の各検出出力をコントロ
ーラ３１の制御入力に接続し、コントローラ３１の制御
出力にバルブ２６のアクチュエータ２６ｃを接続した。
コントローラ３１に設けられたメモリ３２には、エンジ
ン回転速度６００〜１０００ｒｐｍと、コントロールラ
ックのラック位置７０〜１００％とをマップとして記憶
した。＜比較例＞図示しないがバイパス管、バルブ、エンジン
回転センサ、負荷センサ及びコントローラがないことを
除いて、上記実施例と同一のエンジンを比較例とした。

【００１８】＜比較試験及び評価＞実施例及び比較例の
エンジンを負荷を一定（コントロールラックのラック位
置を１００％とする。）としてエンジン回転速度を６０
０ｒｐｍから１０００ｒｐｍまで徐々に上昇させたとき
の体積効率を測定した。その結果を図４に示す。図４か
ら明らかなようにエンジン回転速度が６００〜１０００
ｒｐｍの範囲内では実施例の方が比較例より体積効率が
向上することが判った。

【００１９】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、バ
イパス管の一端を排気管のうち排気マニホルド及びター
ビン間に位置する上流側排気管に接続し、バイパス管の
他端を吸気管のうち吸気マニホルド及びコンプレッサ間
に位置する下流側吸気管に接続し、更にバイパス管に設
けられたバルブが下流側吸気管内の圧力が上流側排気管
内の圧力より高くかつエンジン回転速度が６００〜１０
００ｒｐｍの範囲内にあるときにのみ開くように構成し
たので、バルブを開くと、下流側吸気管内の吸気が上流
側排気管内に流入し、タービンに流入するガス量が増
す。この結果、タービンの回転速度が大きくなり、エン
ジンの吸気量が増大するので、低速域でのエンジンのシ
リンダ内における燃料の燃焼が向上し、低速域でのエン
ジン出力が増大する。またこれにより黒煙の排出を低減
でき、低速域での燃費を向上できる。

【００２０】またエンジン回転速度が６００ｒｐｍでバ
ルブが全開となり、エンジン回転速度が６００ｒｐｍか
ら上昇するに従って次第にバルブの開度が小さくなり、
エンジン回転速度が１０００ｒｐｍを越えるとバルブが
全閉となるように構成すれば、低速域内でもエンジン回
転速度が６００ｒｐｍと低いときにはタービンに流入す
る排気量は極めて少ないので、バルブが全開となって比
較的多量の吸気がバイパス管を通って上流側排気管に流
入する。この結果、タービンを比較的高速で回転できる
ので、エンジン出力を増大できる。また低速域内でもエ
ンジン回転速度が次第に上昇して１０００ｒｐｍ近くに
なると、タービンに流入する排気量は比較的多くなる。
このときバルブが全閉に近づくので、吸気は殆ど上流側
排気管に流入しない。この結果、タービンが必要以上に
高速回転することがなく、吸気圧力が過上昇しないの
で、エンジン性能を低下させない。

【００２１】更に燃料噴射量を調整するコントロールラ
ックを燃料噴射ポンプに設け、このラック位置が７０〜
１００％の範囲内にあるときにバルブが開くように構成
すれば、ラック位置が上記範囲内にあるとき、下流側吸
気管内の圧力が上流側排気管内の圧力より大きいため、
コントロールラックのラック位置とエンジン回転速度と
によりバルブを開く時期を的確に検出でき、また圧力セ
ンサより応答性が向上するという利点もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明第１実施形態のターボ過給機付エンジン
の構成図。

【図２】本発明の第２実施形態を示す図１に対応する構
成図。

【図３】軸平均有効圧の変化に対する下流側吸気管内の
圧力Ｐ₂及び上流側排気管内の圧力Ｐ₃の変化を示す図。

【図４】エンジン回転速度の変化に対する実施例及び比
較例のエンジンの体積効率の変化を示す図。

【符号の説明】

１１ディーゼルエンジン（エンジン）１２排気マニホルド１３排気管１３ａ上流側排気管１４吸気マニホルド１６吸気管１６ａ下流側吸気管１７ターボ過給機２１回転軸２２タービン２３コンプレッサ２４バイパス管２６バルブ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転軸(21)の一端に固着され排気マニホ
ルド(12)に接続された排気管(13)に設けられ前記排気管
(13)を通過する排気のエネルギにより回転するタービン
(22)と、前記回転軸(21)の他端に固着され吸気マニホル
ド(14)に接続された吸気管(16)に設けられ前記吸気管(1
6)を通過する吸気を圧縮するコンプレッサ(23)とを備え
たターボ過給機付エンジンにおいて、一端が前記排気管(13)のうち前記排気マニホルド(12)及
び前記タービン(22)間に位置する上流側排気管(13a)に
接続され他端が前記吸気管(16)のうち前記吸気マニホル
ド(14)及び前記コンプレッサ(23)間に位置する下流側吸
気管(16a)に接続されたバイパス管(24)と、前記バイパス管(24)に設けられ前記下流側吸気管(16a)
内の圧力が前記上流側排気管(13a)内の圧力より高くか
つエンジン回転速度が６００〜１０００ｒｐｍの範囲内
にあるときにのみ開くバルブ(26)とを備えたことを特徴
とするターボ過給機付エンジン。
【請求項２】バルブ(26)はエンジン回転速度が６００
ｒｐｍで全開となり、エンジン回転速度が６００ｒｐｍ
から上昇するに従って次第に開度が小さくなり、エンジ
ン回転速度が１０００ｒｐｍを越えると全閉となるよう
に構成された請求項１記載のターボ過給機付エンジン。
【請求項３】燃料噴射ポンプに設けられ燃料噴射量を
調整するコントロールラックのラック位置のうち、全く
燃料を噴射しないゼロラック位置を０％としかつ最大量
の燃料を噴射するフルラック位置を１００％としたとき
に、前記ラック位置が７０〜１００％の範囲内にあると
きバルブ(26)が開くように構成された請求項１又は２記
載のターボ過給機付エンジン。