JPS5911729B2 - 過給される燃焼室形成内燃機関 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、直列接続された２つあるいはそれ以上の排気
ガスタービン過給機を持ち、これら過給機が広い作動特
性領域と低い圧縮比における良好な効率を持っている、
過給される燃焼室形成内燃機関に関する。

単に過給されるだけの内燃機関では、低回転数範囲にお
けるトルクを考慮して、排気ガスタービン過給機を中間
回転数に設計するのが普通である。

この結果、高回転数範囲では、過給圧力が不必要に高く
上昇し、駆動機関および構造部分に高い荷重をかけるこ
とになる。

その対策として、バイパス制御が使用され、排気ガスの
一部がタービンをバイパスされる。

この方策は、燃料消費を多くするので、不経済である。

これらの欠点は、過給度が高くなるにつれて、それだけ
大きくなる。

最初にあげた種類の内燃機関は公知である（エム・チー
・ツエット、１９６４年、４９７ペ一ジル本発明の課題
は、内燃機関の過給度を高め、簡単な子鹿で排気ガスタ
ービン過給機を内燃機関の所望の作動特性領域に一層よ
く適合させることにある。

この課題は、本発明によれば、次のようにすることによ
って解決される。

すなわち低圧段が内燃機関の高い全空気質量流量に設計
され、高圧段が内燃機関の低い回転数で所望のトルク特
性に対応する空気質量流量に設計され、また低圧段が低
い回転数で供給空気側を制御弁により制御可能なバイパ
ス導管によってバイパス可能であり、高圧段が所定の回
転数以上で排気ガス側を一部制御可能にバイパス可能で
ある。

こうして本発明によれば、高圧段と低圧段は大体におい
て交互に使用され、その使用に合わせたそれぞれの段の
設計により、内燃機関の広い回転数範囲および負荷範囲
において、過給機をそれぞれその最適な作動点で動作さ
せることができる。

すなわち本発明によって、高圧段は低回転数および中間
回転数範囲ですでに充分な過給圧力を供給する。

この過給圧力の供給を保証するため、機関の始動および
加速の際低圧段を空気側でバイパスさせることができる
。

また高い回転数では高圧段が排気ガスをバイパスされる
ので、その圧縮比はますます低下し、ついには内燃機関
の定格回転数になると、高圧段は過給圧力をわずかしか
高めないか、全く高めなくなる。

内燃機関の定格回転数では、排気ガスタービン過給機の
低圧段は、過大回転数になることなくその設計点で動作
し、所望の圧縮比を生ずる。

本発明の構成によって、過給全体のピーク効率は低下す
るが、広い作動範囲に対して、内燃機関の良好なトルク
特性と共に良好な平均効率が得られる。

本発明の構成では、低圧段が、内燃機関の定格回転数の
８０ないし１００％で主として１．６ないし２．６の圧
縮比に設計され、高圧段が、内燃機関の定格回転数の４
０ないし６０％でほぼ同じ圧縮比に設計されている。

本発明による構成では、高圧段の制御が次のようにする
ことによって行なわれる。

すなわち高圧段が排気ガス側バイパス通路を持ち、内燃
機関の定格回転数の６５ないし１００％において、この
バイパス通路により排気ガス流量が減少されて、高圧段
を辿る空気流量は妨げられないが、過給圧力は全く高め
られないか、わずかしか高められないようになっている
。

この場合本発明の構成では、高圧段の空気側と排気ガス
側をバイパスすることができる。

制御の他の可能性によれば、各圧縮段に対して、複数の
並列接続された排気ガスタービン過給機が設けられ、主
要な特性量たとえば内燃機関の過給空気圧力、回転数お
よび負荷に関係して個々に接続および切離し可能である
。

その時には、中間回転数で最大トルクの範囲において、
たとえば低圧段でタービン過給機が切離される。

タービン過給機の接続と切離しとの間では、バイパス制
御装置が作用するようにするのがよい。

複数の小さいタービン過給機を使用することによって、
内燃機関の急速な始動が可能になる。

なぜならば、小さい過給機は慣性モーメントが小さいか
らである。

さらに本発明の構成によって、全負荷範囲全体において
ピーク圧力を低くし、部分負荷範囲における排気ガス背
圧を小さくすることができる。

制御過程を内燃機関の所望の作動特性領域へ最適に合わ
せるために、本発明の構成において、電気、液圧あるい
は空気圧開閉素子により、主要な影響量に関係して、作
動特性領域における内燃機関の動作点に応じて、接続過
程および切離し過程を電子制御するのが有利である。

圧力変化の跳躍を回避するため、その都度１つの過給機
だけが接続されあるいは切離されるように、制御装置を
設計する。

本発明を図示された実施例について説明する。

燃焼室を形成する内燃機関、たとえば往復ピストン内燃
機関あるいは回転ピストン内燃機関が１で示されている
。

内燃機関１には、排気ガスタービン３および過給機４を
持つ低圧段２と排気ガスタービン６および過給機７を持
つ高圧段５とからなる過給装置が接続されている。

低圧段４は、たとえば内燃機関の定格回転で、１．６な
いし２．６の圧縮比と、吸入作動の１６０ないし２００
％の空気質量流量に設計されている。

高圧段５の設計点は、内燃機関の定格回転数の４０ない
し６０％で、同じ圧縮比および対応する空気質量流量の
所にある。

内燃機関１の始動の際、制御弁９により制御されるバイ
パス導管８によって低圧段２がバイパスされる。

低圧段２が正圧を供給した時、はじめてバイパス導管８
が閉じられる。

低圧段２と高圧段５との間には中間冷却器１０が設けら
れＪいる。

高圧段５は、制御弁１２により制御されるバイパス導管
１１により、排気ガス側をバイパスすることができる。

それにより高回転数範囲において、低圧タービン３にほ
ぼ全部の排気ガスエネルギーを加えるだけの排気ガスが
分岐されて、低圧段２へ直接導かれる。

今や高圧段５では、過給空気圧力の維持に必要なだけの
排気ガスエネルギーが消費される。

従って高圧段５を通る空気流量は妨げられないが、過給
圧力は全く上昇しないか、わずかしか上昇しないように
する。

この作動範囲では、過給圧力は大体において低圧段２に
よって生ずる。

内燃機関１と高圧段５との間には、排気ガス熱交換器１
３と、これに並列に過給空気冷却器１４とが設けられて
いる。

開閉弁１５は、過給空気温度に関係して、過給空気を多
くあるいは少なく排気ガス熱交換器１３あるいは過給空
気冷却器１４に通すので、内燃機関１の広い作動範囲に
わたって過給空気温度をほぼ一定に保つことができる。

第２図による内燃機関は、それぞれの過給段に複数の並
列接続されたタービン過給機が設けられているという点
で、第１図による構成と相違して・いる。

すなわち低圧段２は４つの並列接続された排気ガスター
ビン３を持っており、これらの排気ガスタービン３は、
自動制御ちょう形弁１６により、作動状態に応じて開閉
される。

同様に４つの過給機４があり、ちょう形弁１７により開
閉可能である。

高圧段５には、それぞれ２つの並列接続された排気ガス
タービン６と過給機７とがある。

各排気ガスタービン６に対して、止め弁１２を持つバイ
パス導管１１がある。

高圧段５から、圧縮された空気が開閉弁１５を通って排
気ガス熱交換器１３あるいは過給空気冷却器１４へ達す
る。

低圧段２と高圧段５との間には中間冷却器１０が設けら
れている。

低回転数および低負荷範囲において排気ガスエネルギー
を高めるために、高圧段５の後で、圧縮された空気の一
部が燃焼室１８へ供給され、この燃焼室の燃焼ガスは低
圧段２の排気ガスタービン３へ加えられる。

燃焼室１８を通る空気流量は制御弁１９により決定され
、内燃機関１の始動の際排気ガスタービン過給機を作動
させることができるように、その大きさを定めることが
できる。

排気ガスの質を改善するために、排気ガス戻し導管２０
および２１が設けられ、排気ガス系を吸入空気系と接続
し、制御弁２２および２３により制御される。

低圧段および高圧段における排気ガス戻し装置は交互に
使用することができ、その際高圧段５において中間冷却
器１０と圧縮器７との間にある排気ガス戻し装置は、中
間冷却器１０が排気ガスによってよごされないという利
点を持っている。

【図面の簡単な説明】

第１図は低圧段および高圧段にそれぞれ１つの排気ガス
タービン過給機を持つ本発明の内燃機関の概略接続図、
第２図は低圧段と高圧段にそれぞれ複数の排気ガスター
ビン過給機を持つ本発明の内燃機関の概略接続図である
。 １・・・・・・内燃機関、２・・・・・・低圧段、３，
６・・・・・・排気ガスタービン、４．７・・・・・・
過給機、５・・・・・・高圧段、８，１１・・・・・・
バイパス導管、９，１２・・・・・・制御弁。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 過給される内燃機関が直列接続された２つあるいは
   それ以上の排気ガスタービン過給機を持ち、これら過給
   機が広い作動特性領域と低い圧縮比における良好な効率
   を持っているものにおいて、低圧段２が内燃機関１の定
   格回転数の約８０ないし１００％で全空気質量流量に設
   計され、高圧段５が内燃機関１の低い回転数で所望のト
   ルク特性に対応する空気質量流量に設計され、また低圧
   段が低い回転数で供給空気側を制御弁９により制御可能
   ナバイパス導管８によってバイパス可能であり、高圧段
   が所定の回転数以上で排気ガス側を一部制御可能にバイ
   パス可能であることを特徴とする、過給される燃焼室形
   成内燃機関。 ２ 高圧段が、定格回転数の約４０ないし６０％で、定
   格回転数の８０ないし１００％における低圧段と同じ圧
   縮比、約１．６ないし２．６を持っ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。 ３ 高圧段５が排気ガス側にバイパス通路１１を持ち、
   内燃機関１の定格回転数の６５ないし１００％において
   、このバイパス通路により排気ガス流量が減少されて、
   高圧段５を通る空気流量は妨げられないが、過給圧力は
   全く高められないか、わずかしか高められないようにな
   っ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。 ４ 内燃機関１の高回転数範囲で高圧段５が空気側をバ
   イパス可能であることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項または第３項に記載の内燃機関。 ５ 各圧縮段に対して、複数の↓列接続された排気ガス
   タービン過給機が設けられ、主要な特性量たとえば内燃
   機関の過給空気圧力、回転数および負荷に関係して個々
   に接続および切離し可能であ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。 ６ 接続過程および切離し過程が、電気、液圧あるいは
   空気圧開閉素子により、主要な影響量に関係して、作動
   特性領域における内燃機関の動作点に応じて電子制御さ
   れ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。