JPS59194034A - 過給内燃機関 - Google Patents

過給内燃機関

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JPS59194034A
JPS59194034A JP59017622A JP1762284A JPS59194034A JP S59194034 A JPS59194034 A JP S59194034A JP 59017622 A JP59017622 A JP 59017622A JP 1762284 A JP1762284 A JP 1762284A JP S59194034 A JPS59194034 A JP S59194034A
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JP
Japan
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engine
compressor
turbine
internal combustion
exhaust
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JP59017622A
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セルジユ・ブーデイグ
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Ofuisu National Dechiyuudo E D
OFUISU NATIONAL DECHIYUUDO E DO RUSHIERUSHIYU AEROSUPESHIARU
Original Assignee
Ofuisu National Dechiyuudo E D
OFUISU NATIONAL DECHIYUUDO E DO RUSHIERUSHIYU AEROSUPESHIARU
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Publication date
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    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/12Control of the pumps
    • F02B37/24Control of the pumps by using pumps or turbines with adjustable guide vanes
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02B37/00Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/12Control of the pumps
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B1/00Engines characterised by fuel-air mixture compression
    • F02B1/02Engines characterised by fuel-air mixture compression with positive ignition
    • F02B1/04Engines characterised by fuel-air mixture compression with positive ignition with fuel-air mixture admission into cylinder
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
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    • F02B75/12Other methods of operation
    • F02B2075/125Direct injection in the combustion chamber for spark ignition engines, i.e. not in pre-combustion chamber
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
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    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、少くとも1つのターボコンプレッサを含んで
おりこのターボコンプレッサがエンジンの吸気マニホル
ドに接続された出口を有する少くとも1つのコンプレッ
サとエンジンの排気ガスによって駆動され前記コンプレ
ッサを駆動するタービンとを有する型の過給内燃機関に
係る。°゛内燃機関′″なる用語は、可変容積の燃焼室
内で燃焼が生じる全てのエンジンを意味しておυ、自発
着火であるか又は制御点火であか又は往復動エンジンで
あるかロータリーエンジンであるかを問わないものと理
解きれたい。
本発明は、エンジンの定格作動点でエンジンによシ供給
でれる排気ガスのエネルギによって、コンプレッサがエ
ンジン吸気の圧力を高めることができるような全ての場
合に使用され得る。しかし乍ら、本発明の特に重要な用
途は、エンジン内での点火に最小吸気圧を必要としない
という条件で、低速回転時に十分なトルクを有すること
及び同一回転速度に対して供給出力を極めて多様に変更
し得ることが要求されるトラクションエンジンでちる。
勿論この用途に限定はされない。このような用途として
自動車推進のために使用される容積比の高いガソリンエ
ンジン又はディーゼルエンジンがある。
連続流機械たるターボコンプレッサでは圧縮圧力と機械
を通る空気の流量との間に所謂”圧カー流量場′″なる
法則が存在しておシ、圧縮圧力はコンプレッサとタービ
ンとの幾何学形にのみ依存しているうこのようなターボ
コンプレッサを不連続流容積機械たるエンジンに組合せ
るためには適応性に問題があることが従来から知られて
おシ、この問題は現在でもまだ十分に解決てれていない
本発明を開示する前に、トラクションエンジン特に自動
車のトラクションエンジンの場合に特に深刻なこの問題
についてもう一度注意を喚起するのが適当であろう。
前記の如く、コンプレッサの圧縮圧力と該コンプレッサ
を通過する空気流量との間の関係は、往復動エンジンの
作動に関する圧力−流量関係とは違っている。即ち往復
動エンジンは、機械的又は物理化学的な考慮に基いた定
格最大圧力で回転速度に実質的に比例する容積流量を吸
収する。ターボコンプレッサにより供給される過給圧力
がエンジンの許容最大値1ンを決して上回らないように
ターボコンプレッサの寸法が選択はれている場合、エン
ジンの負荷が最大負荷に接近せずまたエンジンの低速回
転時のトルクが極めて小ごく同一排気量の無過給エンジ
ンのトルクに実質的に等しい間は、過給ターボコンプレ
ッサの作用は有効でない。この問題を解決するためにタ
ーボコンプレッサの補足的調整IQラメータを導入する
必要がある。現在使用されている最も有効な解決方法と
しては、コンプレッサの圧力−流量場内で部分負荷を過
ぎると直ちにエンジンの許容最大過給圧に到達するよう
な特性を有するターボコンプレッサを使用し且つ排気マ
ニホルドを大気に開く排気弁をエンジンに配備する方法
がある。このような排気弁は一般に英語で1ウ工ストゲ
ートwaste gate”  と指体される。この方
法の利点は簡単であることである。
しかし乍ら他方では、多くの欠点を有する。即ち、往復
動エンジンが高速回転時の作動を行な、うと、排気圧が
高くなシ従って排気の逆流(contre −bala
yage)が生じるため、出力低下及び単位出力当シの
エンジン消費が増加する。更に、過給エンジンの定格動
作条件でターボコンプレッサは、コンプレッサの圧カー
流量場の一点で作動することになシ効率が低い。
本発明の目的は、従来公知のターボコンプレッサよシも
実用要件に適っておシ、特に上記の欠点を大幅に改善す
ることができ特に出力供給エンジンの全ての回転時に於
いて高い効率を維持し得る少くとも1つのターボコンプ
レッサにょシ過給されるエンジンを提供することである
このために1本発明は特に、少くとも1つのターボコン
プレッサを含んでおシ該ターボコンプレッサがエンジン
の吸気マニホルドに“接続きれた出口を有する少くとも
1つのコンプレッサとエンジンの排気ガスによシ駆動さ
れ前記コンプレッサを駆動するタービンとを有する型の
過給内燃機関であって、コンプレッサの送出空気量の一
部分を排気ガスに誘導するバイパスを含むこと及びター
ビンが可変取付角の分配羽根を有することを特徴とする
内燃機関を提供する。
排気ガスに空気を誘導すると、タービンに吸入されるガ
スの温度を低下させることができ、従って、分配羽根の
方向調整機構を確実に作動させることが可能である。(
1つ以上の)コンプレッサの寸法は、通常、希釈比(パ
イIQ7.空気流量対エンジンを通過する空気流量の比
)が3未満になるようにエンジンに従って選択される。
値が1になると排気ガスの最高温度は約550℃に低下
し、可動アダプタ一手段の存在と児全に適合し得る。
排気ガスが吸気側に逆流するととを阻止するためにバイ
アqスに逆流防止デバイスを配設し得る。
エンジンが駆動トルクを作用させるいかなる条件ニ於い
ても、コンプレッサの圧縮圧力はタービンの吸気圧力よ
シ大きい。このことを利用して、コンプレッサから送出
されノζイノ♀スを通過した圧aPalタービンの上流
側でエンジンの排気吸込管に開口する噴射ノズルによっ
て噴射するのが有利である。
羽根の遊動範囲は、所望効果に大きく影響されるであろ
う。エンジンの供給不足を生じる−10゜のオーダの取
付角からアイドリングを生じる+700の取付角までの
範囲が可能である。しかし乍ら笑際には、エンジンの負
荷回転速度が2000t/分(回転7分)から5500
t/分まで変るときは、例えば20”から60°までの
40°に亘る遊動範囲で十分であろう。羽根の取付角の
変化範囲が前記の如く狭くても、ロータの羽根列に対す
るガスの入射角が数度しか変化しないこと及びコンプレ
ッサ内の定エンタルピと定希釈比とに対して出口での角
度が±10℃を越えないことが十分に達成される。
バイパス空気流の存在は前記に示した好ましい結果に別
の好ましい結果を付加する。このようなパイノ(ス流は
連続的であるから、エンジンの排気流の速度と圧力との
脈動を減衰させる効果があシ、従ってタービンの効率を
向上きせる。希釈は、タービンの消音器を補助する消音
機能を果す。タービンの入口での最高温度が低下するた
め、ロータとステータとの間の遊隙全小ざくすることが
でき、従って、タービンの効率は更に向上し得る。寸だ
、このような温度低下によってターボコンプレッサの回
転角速度が47〒7(λは希釈比)で除算された値に減
少し、そのため平坦域の直線速度に関して有利な結果が
得られ、やはり効率が向上する。
最後に、前記の温度低下によって排気の際の適圧が低下
するのでシリンダのよシ完全な充填全確保する掃気を行
なうことが可能である。
添付図面によって非限定的に与えられた本発明の特定具
体例に関する以下の記載よp本発明が更に十分に理解さ
れよう。
第1図によれば、例えば電気火花による制御点火型内燃
機関と想定されるエンジン10が、コンプレッサ14と
タービン16とを含むターボコンプレッサ12と組合せ
られている。タービン16のロータはシャツ1−18に
よって連結されている。
以下の記載では、コンプレッサ14が一段コンプレツサ
であ夛タービン16がラジアル流タービンであると想定
する。勿論本発明は、軸流タービンにも使用することが
可能である。また、本明細書では唯1つの吸気マニホル
ドを持つエンジン従って唯1つのターボコンプレッサを
有するエンジンを取扱うが、各々がシリンダ装置に給気
する複数個の吸気マニホルドが配設されているときは、
本発明のエンジンは複数個のターボコンプレッサを7 
有し得る。コンプレッサ14の出口とエンジンの吸気マ
ニホルド20との間に(図示しない)空気冷却器を挿入
してもよい。エンジンは、燃焼室内への直接噴射を行な
う型、吸込管内への低圧噴射(多孔(multipai
nt)又は単孔(monopoint) )を行なう型
又は気化器を有する型のいずれでもよい。
気化器型の場合、気化器はコンプレッサ14の下流側に
配置されるであろう。
エンジンの排気マニホルド22はパイプ24によってタ
ービン16の入口に接続されている。後述する如く本発
明を使用するとエンジンの正常動作のための排気弁の存
在は不要であるが、安全保障のために排気弁は依然とし
て備えられている。
このような弁の構成は十分に公知であるから、本文中で
記載する必要はない。
コンプレッサ14から出た空気の一部をタービンの上流
側で排気と混合してタービンに誘導するためのパイ/Q
ス26を配設することが必要である。
第1図の場合パイ/9スは、吸気マニホルド20と排気
マニホルド22の下流側の吸込管との間に備えられてい
る。これによジエンジンの出力を調整し得るガス側流デ
ノζイス(“スロットルノζルブ″)の上流側及び気化
デバイスの上流側で付加的給気が与エラれる。パイ/e
ス26はノズル28で終結している。ノズル28は、排
気ガスよシも高圧で吸入された新鮮空気が排気ガスと共
に移動することができまた掃気を有利に行なうことがで
き同時に排気ガスの運動量を増加するような噴射ノズル
を構成している。パイ/Qス26は、排気ガスが吸気側
に逆流することを阻止するための逆流防止手段を備え得
る。
(以下余白) タービン16は、方向調整自在な羽根30の列(第2図
及び第3図)から成る分配器を備えたステータを含む。
第2図の場合、各羽根は、タービンケーシングを貫通し
ておりロータの回転軸に平行なジャーナル32に装着さ
れている。全部の羽根30を同時に制御するための手段
が備えられている。第2図に於いて該手段は、各々がジ
ャーナル32の1つに固定された歯付ピニオン36と係
合する歯車輪34を有する。
タービンが十分な効率で作動するためには、分配器の出
口での絶対速度V1の方向は、ロータに対する相対速度
W1がロータ38の羽根に実質的に正接するように配向
されなければならない。また、ロータ38の出口での相
対速度W2は、絶対速度V2が実質的にラジアル方向に
なるような方向でなければならない。
前記の結果を得るために必要な羽根30の取付角αは、
タービン内のエンタルピ変化の値ΔHとエンジンの回転
速度Nとの各値毎に決定され得る。
ΔHが式 で示されることは公知である。
式中、Cpは定圧下での気体の比熱、To及びT2とは
タービンの下流及び上流での温度である。
ΔHとNとの値の各組合せ毎に取付角αは、ロータの入
口及び出口での速度W(相対速度)とV(絶対速度)と
U(ロータの接線速度)との三角形の構造によって決定
される。例えば第4図は、ΔH=55000ジュール/
kg (J/kg)でN = 3000t/分の場合の
常用の自動車エンジンの代表的作動状態に於ける速度三
角形を示す。ダッシュ及び点腺で示すベクトルは夫々、
ΔHの値が前記に等しぐ速度が5500及び2000 
t/分の場合の■1の方向を示しておシ従って取付角を
示している。
エンジンの作動範囲全体の検討によって第5A図に示す
ような最適取付角に関する曲線群が得られる。これに対
応するタービンの効率Rは第5B図に示されている。曲
線群の有効部分は、アイドリング速度Noと定格速度N
lとの間の部分である。しかし乍ら実際には、値N2の
近傍の常用速度範囲に対応する取付角αの変化範囲、例
えば第5A図と第5B図との場合30°から70°の範
囲を採用すれば十分である。
、取付角を変化させるために、極めて多様な自動的手段
を使用し得る。特に、制御カムシステムを利用し得る。
また、流体圧サーボモータの使用も可能である。第2図
は電気的制御システムを概略的に示す。このシステムは
製図メモリの付いた計算回路47を含んでおり、回路4
7は、入力信号を受信し、歯車輪34を角移動させる電
気モータ39に方向調整信号を供給する。入力信号は、
速度センサ42(例えば点火配電器)とタービンの直ぐ
上流側で排気吸込管内に配置された温度ゾンデ44とに
よって供給され得る。タービンの下流側での温度を測定
するだめの補助ゾンデを配設してもよい。回路47はデ
ジタル回路でもアナログ回路でもよい。アナログ回路の
場合、モータ39の位置制御を行なうために、モータに
角度センサ例えばポテンショメータ46を配設し得る。
回路47の構成は全〈従来通りであるから本文で説明す
る必要はない。
本発明では多くの変形が可能である。入力パラメータも
極めて多様であシ得る。特に制御点火型自動車エンジン
の場合には、気体のスロットルバルブの位置を利用し得
る。羽根の機械的駆動システムも極めて多様な形状を有
することができ、例えば小ロッドによって各羽根30に
連結された駆動輪を有し得る。
言う迄もなく本特許の範囲は、前記の如き変形を包含し
ておシ、よシ一般的には均等の概念から逸脱しない全て
の他の変形を包含している。
【図面の簡単な説明】
第1図はバイパスとターボコンプレッサトヲ備えた本発
明の過給エンジンの1つの具体例の基本概略図、第2図
は第1図のタービンの羽根の取付角の調整機構の可能な
構成を示す詳細図、第3図は遠心性又は求心性ラジアル
流を想定したときのタービンの回転軸に沿った取付角の
決定に関与するIQラメータを詳細に示す説明図、第4
図は、第3図のノ?ラメータに基いて速度三角形から分
配羽根に与える取付角が決定されることを示す説明図、
第5A囚及び第5Bしjは夫夫、タービン内の種々のエ
ンタル−変化ΔHに対する最適取付角α及びタービンの
効率Rをエンジン速度Nの関数として示すグラフである
。 】0・・・エンジン、12・・・ターボコンプレッサ、
14・・・コンプレッサ、  16・・・タービン、1
8・・・シャフト、20・・・吸気マニホルド、22・
・・排気マニホルド、26・・・バイハス、28・・・
ノズル、30・・・羽根、32・・・ジャーナル、34
・・・歯車輪、36・・・ピニオン、38・・・ロータ
、39・・・モータ、  42・・・速度セフ”)−1
44・・・温度ゾンデ、46・・・ポテンショメータ、
47・・・計算回路。 代理人弁理士今   村    ノじ

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)少くとも1つのターボコンプレッサを含んでおp
    、該ターボコンプレッサがエンジンの吸気マニホルドに
    接続された出口を有する少くとも1つのコンプレッサと
    エンジンの排気ガスによって駆動され前記コンプレッサ
    を駆動するタービンとを含む型の過給内燃機関に於いて
    、エンジンがコンプレッサの送出空気付の一部分を排気
    ガスに誘導するパイ、Qスを含むこと、及び、タービン
    が可変取付角の分配羽根を有することを特徴とする過給
    内燃機関。
  2. (2)羽根の遊動範囲が、約400の幅を有することを
    特徴とする特許請求の範囲第1項に記載の機関。
  3. (3)  ターボコンプレッサとパイ、Qスとが排気ガ
    スの希釈比を3未満に維持するように構成されているこ
    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
    の機関。
  4. (4)バイパスが噴射ノズルによってエンジンの排気吸
    込管に開口していることに%徴とする特許請求の範囲第
    1項乃至第3項のいずれかに記載の機関。
  5. (5)羽根の方位の制御機構を含んでおシ、この機構は
    、エンジンの回転速度及びタービンの吸気ガスの温度を
    示す入力信号を受信す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機関。
JP59017622A 1983-02-03 1984-02-02 過給内燃機関 Pending JPS59194034A (ja)

Applications Claiming Priority (1)

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FR8301705A FR2540557B1 (fr) 1983-02-03 1983-02-03 Moteur a combustion interne suralimente par turbocompresseur

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ID=9285578

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JP59017622A Pending JPS59194034A (ja) 1983-02-03 1984-02-02 過給内燃機関

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US (1) US4622816A (ja)
EP (1) EP0117795B1 (ja)
JP (1) JPS59194034A (ja)
DE (1) DE3463170D1 (ja)
FR (1) FR2540557B1 (ja)

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