JPS5840645B2 - 内燃機関用過給気装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は過給気装置に関し、該装置はディーゼルエンジ
ンのような内燃機関用のコンプレッサーを備えており、
かつその目的はコンプレッサーによりエンジンに供給さ
れる過給気の温度を制御する手段を提供することにある
。

過給されたディーゼルエンジンでは、点火時期と良好な
燃焼の満足すべき制御を得るためには、運転状態がどう
であれコンプレッサーにより供給される空気の温度がほ
とんど変化しなければ好都合であるということが知られ
ている。

このため全出力で作動すると、コンプレッサー出口の空
気温度が高くても高過ぎる温度とならないようにするた
めコンプレッサー出口とエンジンの空気入口との間の過
給気回路に熱交換装置を取付けることが提案されている
。

このような熱交換装置は２つの熱交換器を備えることが
できる。

あるエンジンでは、これら２つの熱交換器は並行に取付
けられている。

別のエンジンでは２つの熱交換器は直列に取付けられて
おり、２番目の熱交換器は最初の熱交換器を通過する熱
交換用流体より冷い熱交換用流体（例えば外部支給源か
ら送られる水、あるいは外気）の供給部に接続されてい
る。

最初の熱交換器には熱交換用流体としてエンジン自身の
冷却装置の中を循環する液を入れておけばよい。

本発明は特に、しかもこれだけに限らないが、この第２
の形の装置、即ち２つの熱交換器を直列に連結した装置
に関するものであって、最初の熱交換器は比較的高い温
度の熱交換器であり、又第２の熱交換器は比較的低い温
度の熱交換器である。

以前提案されたこの形の装置は、定格出力で作動する時
に、高すぎる温度で過給気をエンジンに送ることを避け
るいくつかの方法を用いている。

しかし、高い外気温度により熱供給が過剰になりやすい
のに対して、一方では外気温度が低いと通常の圧縮比の
エンジンの場合汚れの原因となり、又、圧縮比を下げた
エンジンの場合は作動を阻害する原因となる不完全燃焼
につながることが分っている。

空気温度を調節するために、２つの熱交換器の熱を伝達
する流体の供給あるいは温度を調節することが提案され
ているが、この場合装置は負荷に応じて過給気を冷却又
は加熱するように作動することができるが、しかしこれ
は熱交換器を充分利用していることにならず装置を複雑
にするだけであり、従って作動に信頼性がないことにな
る。

さらに、熱伝達流体の供給を調節することは重大なヒス
テリシス要素を残すことになり、エンジンが急速に変化
する負荷状態で作動するときはこれが一つの欠点となり
うる。

本発明の目的はエンジンに供給される過給気の温度の調
節を改良した内燃機関用過給気装置を提供することにあ
る。

本発明によると、内燃機関用の過給気装置が提供され、
本装置はコンプレッサー、第１の温度の熱交換用流体を
受入れるように配設された第１の熱交換器、第１の温度
より低い第２の温度の熱交換用流体を受入れるように配
設された第２の熱交換器を備えており、第１と第２の熱
交換器は互いに直列にコンプレッサーに接続されている
ので、過給気はコンプレッサーから連続的に出て第１と
第２の熱交換器を通ってエンジンに達するものであって
、過給気が第２の熱交換器をバイパスできるようにした
バイパスダクトを備えていることを特徴とする。

調節手段は、バイパスダクトを通過する過給気の比率を
調節するように設けられるのが好ましい。

調節手段はバイパスダクト又は第２の熱交換器と連動す
るシャッターを備えることができ、サーボ機構がシャッ
ターを作動させるために備えられている。

サーボ機構は過給気圧力に感応するセンサー及び／又は
少なくとも次のパラメータ（即ち外気温度、エンジンの
温度、エンジンの負荷、エンジンのスピード）の１つに
感応するセンサーによって制御される。

前記第一の温度は最高外気温度より上で、かつエンジン
が定格負荷で作動している時にコンプレッサーにより排
出される過給気の温度より低いのが好ましい。

本発明は又過給された内燃機関を作動する方法を提供し
、該内燃機関はコンプレッサーから過給気を出し、熱交
換器及びそのバイパスを含むダクトを通ってエンジンに
達することから戊る。

本発明は通常の圧縮比のディーセルエンジンに応用でき
るが、さらに特殊な場合圧縮比を下げたエンジン、即ち
圧縮比が約１２対１より小さいエンジンにも応用できる
。

本発明の実施例はディーゼルエンジンとその過給気装置
を系統図的に表わす添付図を参照して以下例として詳述
する。

ディーゼルエンジンＭは過給気装置を備え、該装置はエ
ンジンの排気マニホールド６から出る排気ガスによって
駆動され、かつ軸８によりコンプレッサー１０に接続さ
れた少なくとも１つのタービン４を有するターボチャー
ジ阜−２から威る。

一般に、過給気装置には２つの段階があり、図を簡単に
するため一つの段階だけを示した。

コンプレッサー１０は入口ダクト１２の所で外気を吸引
し、その過給気を出口ダクト１４を介してエンジンＭに
与える。

出口ダクト１４はエンジンＭの吸入マニホールド１６に
過給気用の温度調節装置１８を介して接続されている。

温度調節装置１８は２つの熱交換器Ｒ１とＲ２から成り
、これらは互いに直列に連結されかつダク）２０．２２
及び２３によりエンジンＭの吸入マニホールド１６に接
続されてイル。

第１の熱交換器Ｒ１は回路２４を有し、比較的熱い熱交
換用流体がこの中を循環している。

例えは、回路２４はエンジンＭの液冷却装置（図示省略
）から高温の液を供給することができる。

第２の熱交換器Ｒ２は回路２６を有し、この中を第１の
熱交換器の流体より冷たい熱交換用流体が循環する。

例えば、この流体は外気であってもよい。

もしエンジンＭが舶用ディーゼルエンジンであれば、第
２の熱交換器の回路２６はその中に海水を通してもよい
。

固定エンジンの場合は、回路２６はローカルの水供給装
置に接続することができる。

本発明によると、過給気用バイパスダクト２８は第２の
熱交換器Ｒ２に対して設けられている。

バイパスダクト２８の入口は熱交換器Ｒ１とＲ２とＱつ
間でダクト２０に接続され、ダクト２８の出口は熱交換
器Ｒ２の下流側、即ちＲ２の出口とエンジンＭの吸入マ
ニホールドとの間でダクト２２に接続されている。

過給気の流れ制御手段は、シャッター３０の形でダクト
２２に取付けられており、過給気圧、外気温度及びエン
ジン自身の温度又は負荷のようなエンジンの作動パラメ
ータを感知する１つ以上のセンサー３４．３４’３４“
により作動するサーボ機構３２によって制御される。

ある応用例では、過給気の流れを制（３）」する手段を
シャッター３６の形でバイパスダクト２８に設けるのが
有利であり、このシャッターはセンサー３４．３４’及
び３４“に接続されたサーボ機構３８により制御できる
。

エンジンの色々な作動状態での過給気装置の作動をこれ
から述べる。

まず最初に、エンジンＭの冷却液（摂氏８０°から１０
００）が通過する高温熱交換器Ｒ１は低負荷及び中負荷
状態で過給気を加熱するよう作動し、又負荷が増大する
につれて、コンプレッサー１０より出た圧縮空気の温度
が高温熱交換器Ｒ１を通過する熱交換用流体の温度に等
しくなると過給気を冷却するように作動する。

ダクト２２と２８にシャッター３０と３６がなければ、
これらダクト間の過給気の分配はその流れ抵抗の関数と
なる。

熱交換器Ｒ１の熱交換エレメントはバイパスダクト２８
に熱交換器Ｒ１より低い流れ抵抗を与える。

もしバイパスダクト２８の抵抗が小さい（大口径）場合
は、そこを流れて得た流れは合計空気流の３／４及びそ
れ以上となり、そのため低負荷又は中負荷では２つの熱
交換器の加熱効果が重要となる。

もつとも全空気がバイパスダクトを流れる時に得られる
加熱効果に達することはないであろう。

もしシャッターが低い抵抗のバイパスダクト（シャッタ
ー３６）中のみに設けられていれば、力［゛熱効果はシ
ャッターを開放しても最高にはならない。

なぜならば空気のいくらかはＲ２を通過するからである
が、しかし冷却効果は、最大負荷でシャッターが閉鎖さ
れると最大となる。

この構成は特に通常の圧縮比のエンジンに適しており、
そのためには部分負荷で過給気のある加熱レベルを得る
のが望ましいが、高負荷では前記過給気の最高の冷却を
得るのが望ましい。

もしバイパスダクト２８が比較的高い抵抗（小口径）を
有するならば、そこを通過する全空気量の割合は減少し
く例えば２０％）、そしてダクト２２と２８を完全に開
放すると、得られる過給気温度は２つの熱交換器を通過
する全空気量で得られる最小空気温度に近づく。

一方、高負荷状態で熱交換器Ｒ１とＲ２の全冷却能力を
利用したければ、第２のシャッター３６をバイパスダク
ト２８に設けるのが望ましく、そうするとシャッター３
６は閉じられ、シャッター３０は開放されて、全過給気
流れは２つの熱交換器Ｒ１とＲ２を直列となって流れる
。

コンプレッサー１０の出口での過給気の温度は、与えら
れた外気温度に対してコンプレッサーにより与えられる
圧縮にのみ依存するということを思い出さねばならない
。

これは、シャッター３０と３６の制御がサーボ機構３２
と３８を制御するセンサー３４によってというように圧
縮に対して直接間接に関連するのが好ましいということ
につながる。

２つのシャッターの各々の開度はお互いのシャッターの
開度に関係する。

バイパスダクト２８のシャッター３６の場合、シャッタ
ーはスタートした時と、ゼロか又は低い負荷の状態で走
行する時は完全に開放されている。

エンジン負荷（外気の温度の影響で集積した）の関数と
して得るのが望ましい空気温度に依存する過給気圧から
、シャッターは１／２負荷と３／４の負荷との間の状態
で完全に閉じるように除々に閉じられる。

しかし、エンジンが非常に低い外気温度で作動しなけれ
ばならない時は、あまり低い温度で空気を入口マニホー
ルド１６へ供給することから生ずる不利を避けるために
たとえ最大負荷であってもシャッターは完全に閉じると
いうような修正がなされる。

低温熱交換器Ｒ２の下流に設けられたシャッター３０の
場合、シャッター３０はスタートした時とゼロ及び低負
荷の状態では完全に閉じている。

過給気の成る圧力から、シャッターは１／２負荷と３／
４の負荷との間の状態で全開となるように除々に開口す
る。

シャッター３６の場合のように、外気温度の効果はエン
ジンが非常に低い温度条件で運転されている時の定格負
荷でシャッター３０を部分的に閉止することである。

この装置で、そして上に論じた定格負荷状態とは逆に、
ゼロが低負荷の状態での過給気の加熱度は実際外気温と
は独立のものであることに留意されたい。

熱交換器Ｒ１の温度は実際には一定であり、これはエン
ジンＭの冷却流体により制御されるからであり、又加熱
すべき過給気の質量が熱交換器Ｒ１の熱容量に関して比
較的小さいからである。

２つのシャッター３０と３６が共に備えられている第３
の状態では前の例を少し発展させたものから構成されて
いる。

例えば１／２負荷の範囲でシャッター３０が全開位置に
達すると、バイパスのシャッター３６は、例えば３／４
の負荷と定格負荷との間で完全閉鎖に達するために閉鎖
を開始する。

もちろん、２つのシャッター３０と３６が共に使用され
ている場合には、この２つのシャッターは熱交換器Ｒ２
とバイパスダクト２８との間で過給気の流れを分割する
三方空気弁に置きかえることもできるし、又例えばダク
ト２０の２つの熱交換器の間に置くこともできる。

以上の説明から、本発明の上記実施例は、普通のディー
ゼルエンジンや、特に圧縮比を下げて熱交換器の能力を
充分に利用したディーゼルエンジンのような内燃機関の
吸入マニホールドに供給される過給気の温度を満足に制
御することを遠戚するための手段を備えていることが分
るであろう。

この新しい構成によって、高温熱交換器は高負荷状態で
は冷却手段として作用し、高過給状態では除去するのが
望ましい熱量の半分以上を除去することができるのであ
って、低温熱交換器は除去するのが望ましい全熱量のほ
んの一部を除去すればよく、比較的小さな寸法のものと
なる。

本発明により得られる重要な利点は、エンジン負荷が急
速に変化する場合の温度制御に対する急速な応答速度で
ある。

実施例では、低圧縮比のエンジンの作動を考えているが
、この場合入口空気温度は７０°Ｃ程度であり、この温
度で定格負荷のターボチャージャーは圧縮比４で作動す
る。

コンプレッサーの出口では外気温度近くの温度、例えば
２５℃、が低負荷の状態で得られ、定格負荷では２２０
℃位いの温度である。

与えられた外気温度に対してこの温度はコンプレッサー
により与えられる圧縮にのみ左右され、圧力レベルでの
遅れなしにほぼ遠戚される。

エンジンは定格負荷から負荷ゼロまで１秒の何分の１か
以内に変化することができるため、流れ又は熱交換用流
体の温度を制御することによって作動する今次に提案さ
れた制御手段では常に入口空気温度を装置のヒステリシ
スに関連する７０’Ｃ近くの温度に保つことはできない
。

他方、本発明による過給装置は空気が熱交換器を通過す
る際に空気それ自体の流れに作用し、かつ装置の望まし
い形状によって、シャッターの位置は過給気の圧力に直
接関連し、これによって急速な負荷の変動にもか＼わら
ず満足すべき温度制御を確保しつ＼非常に急速な応答速
度が達成される。

シャッターの調節がエンジンの作動パラメータに従う場
合には、これらパラメータはシャッターの位置を修正す
るたみの調節ファクターとしてのみ用いられ、そのため
応答の遅れは回避され、シャッターの基本的な位置は過
給気の圧力によって決まる。

本発明は上に説明し、明らかにした実施例に限定される
ものではなく、本発明の基本的範囲からはずれることな
く当業者にとって明らかな多くの変形することができる
。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の実施例を系統図的に示す。 Ｍ・・・・・・ディーゼルエンジン、Ｒ１，Ｒ２・・・
・・・熱交換器、４・・・・・・タービン、６・・・・
・・排気マニホールド、１０・・・・・・コンプレッサ
ー、１２・・・・・・入口ダクト、１４・・・・・・出
口ダクト、１６・・・・・・吸入マニホールド、１８・
・・・・・温度調節装置、２０，２２．２３・・・・・
・ダク）、２４．２６・・・・・・回路、２８・・・・
・・バイパスダクト、３０，３６・・・・・・シャッタ
ー、３２，３８・・・サーボ機構、３４ 、３４’、
３４“・・・・・・センサー。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ コンプレッサー１０、第１の温度の熱交換用流体を
   受入れるように配設された第１の熱交換器Ｒ１、最初の
   温度より低い第２の温度の熱交換用流体を受入れるよう
   に配設された第２の熱交換器Ｒ２とを備え、第１と第２
   の熱交換器は過給気がコンプレッサーから連続的に出て
   、第１と第２の熱交換器を通ってエンジンに達するよう
   に互いに直列にコンプレッサーに接続されている内燃機
   関用過給気装置において第２の熱交換器のみをバイパス
   するバイパスダクト２８と、バイパスダクトを通過する
   過給気の割合を制御する制（財）手段（３０〜３６）と
   を備え、前記第１の温度は最高外気温度より高く、エン
   ジンが定格負荷で作動する時にコンプレッサーにより排
   出される過給気の温度より低いことを特徴とする内燃機
   関用過給気装置。 ２ 前記第１の熱交換器は、熱交換用流体を受入れるた
   めにエンジンの冷却装置に接続されていることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項に記載の内燃機関用過給気装
   置。 ３ ＠記載２の熱交換器は過給気と外気との間で熱交換
   するように取付けられていることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項又は第２項に記載の内燃機関用過給気装置
   。 ４ 第２の熱交換器は過給気とエンジン外部の水源から
   来る冷却水との間で熱交換するように取付けられている
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項に記
   載の内燃機関用過給気装置。 ５ 前記流れ制御手段はバイパス又は第２の熱交換器と
   連動するシャッターから成り、サーボ機構はこのシャッ
   ターを作動させるよう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項乃至第４項のいずれかに記載の
   内燃機関用過給気装置。 ６ 前記サーボ機構は過給気の圧力に感応するセンサー
   により制御されることを特徴とする特許請求の範囲第５
   項に記載の内燃機関用過給気装置。 ７ ＠記す−ボ機構は次のパラメータ、即ち外気温度、
   エンジンの温度、エンジンの負荷、エンジンのスピード
   のうちの少なくとも１つに感応するセンサーによって制
   御されることを特徴とする特許請求の範囲第５項に記載
   の内燃機関用過給気装置。 ８ 前記流れ制御手段はバイパスと第２の熱交換器との
   間で過給気を分割する空気弁を備えていることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項乃至第７項のいずれかに記載
   の内燃機関用過給気装置。