JPS61185621A - ４サイクル機関の過給装置 - Google Patents

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】 （産業上の利用分野） 本発明は４サイクル機関の過給装置に関する。

（従来の技術） 内燃機関の出力向上をはかるため、ターボチャージャに
より吸気を過給することは、既に従来から広く社なわれ
ている。

ターボチャージャは機関の排気エネルギで駆動される排
気タービンと、この排気タービンにより回転させられ吸
気を過給する吸気コンプレッサから構成される。

排気タービンは機関の排気流量が増大すると高速回転し
て、効率よく吸気コンプレッサを駆動することができる
が、排気流量の少ない機関低負荷運転域などでは、過給
効率が低下するのは避けられない。

そこで、排気タービンの入口部に排気流速を制御する制
御弁を設け、機関の運転状態に応じて制御弁の開度を増
減、つまり排気流量の少ない低負荷域で制御弁の開度を
絞って排気流速を高めることにより、排気タービンの回
転数が低下するのを防止し、比較的機関負荷の小さい領
域まで、効率よく過給することのできるようにした装置
が、例えば、米国特許明細書第２９４４７８６号などに
て提案された。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、このような過給圧制御装置にあっては、
過給圧を十分なものにするため、大容量のターボチャー
ジャを採用している。すなわち、排気タービンや吸気コ
ンプレッサが大きな直径を有し、自重が増大している。

このため、機関低負荷からの加速時には、自重に比例し
て大きくなる慣性質量により作動に応答遅れを生じ、こ
のため低負荷からの加速性能が悪い。

また、自重の大きなターボチャージャを機関の排気マニ
ホールドに装着すると、排気マニホールドが折損したり
、亀裂が生じるという問題がある。

一方、こうした大型化による不都合を解消するためには
ターボチャージャを小型化すればよいのであるが、この
場合にはターボチャージャを装備させる目的である過給
が十分できなくなる。さらに小型化により通気抵抗が増
大して排圧（背圧）を上昇させると同時に、残留ガスが
排出されにくいことにより燃焼温度を上昇させるため、
機関の７フキングが発生し耐久性に影響しかねない。

本発明は排気タービンの入口部に設けられタービン流入
排気の流速を制御する制御弁を備えるターボチャージャ
にあって、１気筒当たりのタービン及びコンプレッサの
直径をシリンダボア径に対し所定値とすることにより、
機関とターボチャージャの適合性、すなわち機関低負荷
からの加速性とターボチャージャの小型軽量化を同時に
図ることを目的とする。

（問題点を解決するための手段） この発明は、機関の排気エネルギにより回転駆動される
排気タービンと該タービンと直結して回転し吸気を過給
する吸気コンプレッサとからなるターボチャージャを備
えた４サイクル内燃機関を前提とする。

こうした機関において、機関１気筒当たりの吸気コンプ
レッサの直径ＤＣ及び排気タービンの直径Ｄｒを機関の
シリンダボア径ＤＢのａＫ倍（ただし、α＝０゜１０〜
０．１２．４気筒の場合に＝１．３．６気筒の場合に＝
１．０とする）に設定する。

（作用〕 例えば、ＤＣ及びＤｒがａＫ倍を越えて太き（なると、
慣性重量の増大により機関低負荷からの加速性能が急激
に悪化し、逆にＤＢ及びＤＴがａＫ倍よりも小さくなる
と、高出力運転時の通気抵抗が急激に増大して排圧を上
昇させノッキングの発生を招く。

これに対しＤＣ及びＤＴがａＫ倍であれば、慣性質量が
それほど大きくならず、機関低負荷からの加速性能を良
好に確保することができると同時に、高出力時の通気抵
抗も増大することがなく、このため排圧を低下させて７
ツキングの発生を防止することができる。

（実施例） この発明が適用される装置の大略を先に説明する。第１
図はこの発明の一実施例の概略構成図、第２図は同じく
排気タービン部の拡大断面図である。同図において、１
は機関本体、ＩＡはシリング、ＩＢはピストン、２は吸
気通路、３は吸気を過給するためのターボチャージャで
、吸気コンプレッサ４と排気タービン１５が回転軸２９
を介して同軸上に連結され、排気タービン１５の回転に
より吸気コンプレッサ４を駆動する。

吸気コンプレッサ４の入口部４Ａに接続する上流側吸気
通路２Ａには、エアクリーナ５と吸入空気量を測定する
エア７０−メータ６が介装される。

また吸気コンプレッサ４の出口部４Ｂに接続する下流側
吸気通路２Ｂは、吸気絞弁８を介して吸気マニホールド
２Ｃに接続する。

なお、機関の燃焼室１０には点火栓７が取付はラレルと
共に、吸気弁９を介して吸気マニホールド２Ｃからの混
合気が吸入される。絞弁８を通過した吸入空気には、燃
料噴射弁１１から噴射される燃料が混合し、所定の空燃
比の混合気が機関に供給されるのである。

１２は排気通路で、排気マニホールド１２Ａに排気ター
ビン１５の入口部１５Ａが接続されると共に、排気ター
ビン１５の入口部１５Ａと出口部１５Ｂとが、バイパス
通路１６で連通している。

バイパス通路１６には排気バイパス弁１７が介装され、
この排気バイパス弁１７の駆動機構として、グイヤ７ラ
ム装置１７ａが設けられる。

ダイヤフラム装置１７ａは、ダイヤフラム１７ｂで仕切
られた圧力室１７ｃに信号通路１８を介して、前記絞弁
８の上流で吸気コンプレッサ４の下流の過給圧が導かれ
、過給圧が所定値以上に上昇するとリターンスプリング
１７ｄに抗してダイヤフラム１７ｂが移動し、リンケー
ク１７ｅを介して弁体１７ｆが前記バイパス通路１６を
開くようになっており、このようにして排気バイパス弁
１７を開閉することにより、過給圧の最大値が所定値を
越えないように制御する。

排気タービン１５の入口部１５Ａには、排気ガスのター
ビン流入速度を制御するための制御弁２０が備えられる
。

制御弁２０の開度を制御する駆動機端として、ダイヤフ
ラム装置２０ａが備えられ、このダイヤ７２ム装置２０
ａはダイヤフラム２０ｂで仕切られた圧力室２０ｃと大
気室２０ｄを有する。

圧力室２０ｃには信号通路１９により電磁弁２４を介し
て過給圧（正圧）が導かれる。ダイヤフラム２０ｂにロ
ッド２０ｈを介して連結した制御ベーン２Ｏｆは、圧力
室２０ｃに導入される正圧が低いときは、ダイヤフラム
２０ｂがリターンスプリング２０ｅに押し戻されるので
、図面の実線位置にあり、排気流を絞って流速を高める
ようにしているが、導入される正圧が上昇したときに、
ダイヤフラム２０ｂが変位して制御ベーン２Ｏｆを開く
ようになっている。

このダイヤフラム装置２０ａに供給する過給圧を運転状
態に応じて制御するため、電磁弁２４を駆動する制御手
段２３が設けられる。

制御手段２３には前記エアフローメータ６、絞弁開度セ
ンサ２７、機関回転数センサ２５、吸気通路２Ｂの過給
圧センサ２６、機関冷却水温を検出する水温センサ２８
の検出信号が入力し、これらに基づいて機関運転状態に
応じた所定の過給圧が得られるように、前記電磁弁２４
の作動を制御する。

ダイヤプラム装置２０ａに導入する圧力信号を制御する
電磁弁２４は所定の周波数でオンオフし、そのオンオフ
時間比率などを変化させることにより、通路２４ａを介
して過給圧を大気で希釈する割合が増減され、圧力室２
０ｃに導入する正圧を♂り御する。

制御手段２３は第３図に示すように、制御弁２０の開度
をフィードバック制御する領域（Ｂ）を判別すると、吸
入空気量（Ｐｙｉ関負荷）、機関回転数、過給圧の検出
値に基づき、過給圧が予め運転状態に応じて設定された
目標値になるように、電磁弁２４を開閉して圧力室２０
ｃに導入する圧力を制御する。つまり、過給圧が目標値
よりも低くなれば、制御弁２０の開度を小さくして排気
流速を高め、排気タービン１５の回転数を上昇させて過
給圧を上げるし、逆に高くなれば制御弁２０を全開して
排気流速を下げ、過給圧を低下させるように修正する。

ただし、第３図の領域（Ａ）のように、排気流量がそれ
ほど多くなく、過給圧が目標値に達しない運伝状態では
、制御手段２３は制御弁２０の開度を最小開度に保持し
、低速域での過給圧ができるＮ１＋窯　ど　た　入　ト
　占　Ｌ−す　スこれに対して領域（Ｃ）として示す機
関の高速高負荷域などでは、制御手段２３は制御弁２０
を全開状態に保持する。

なお、排気流量の絶対量が増大したときは、排気タービ
ン１５の回転数が落ちずに、過給圧は上限値に到達して
しまうが、この場合は、過給圧の上昇を検出して例えば
４００ｗｍＨｇ以上になると排気バイパス弁１７が開き
、排気がスを排気タービン１５をバイパスして下流に導
くため、排気タービン１５に供給される排気エネルギが
減少Ｉ７て、タービン回転数が低下し、過給圧が過大に
なるのを回避でき、機関の損傷などを未然に防止するこ
とができる。

次に、この発明の詳細な説明する。第１図において、機
関１気筒当たりの吸気コンプレッサ４の直径ＤＣ及び排
気タービン〕５の直径ＤＴを機関のシリングＩＡのボア
径ＤｓのａＫ倍（ただし、α、には定数で、α＝０．１
０〜０．１２．４気筒の場合に＝１．３．６気筒の場合
に＝１．０である）とする。すなわち ＤＣ及びＤｔ＝ｆｆＸＫＸＤｓ（ａ＋ｍ）である。した
がって、Ｎ気筒（Ｎ＝４．６）であれば吸気コンプレッ
サ４及び排気タービン１５の直径はそれぞれＮＸＤｃ及
びＮＸＤｒとなる。

一般に、要求されるターボチャージャ３の大きさは機関
排気量に応じて変わり、その排気量はシリンダボア径と
ビストンストロークの積で定まるが、ビストンストロー
クはほぼシリンダボア径ＤＢに等しいため、機関排気量
は実質的にＤｏの関数となる。

したがって、ＤＣ及びＤＴをＤＢに対して所定値に設定
すればよいことになる。

ここで、ＫＸＤ　ｓを横軸に取り縦紬に加速時間、ター
ボチャージャ３の重量、通気抵抗をとったものが第４図
である。なお、同図での特性曲線はターボチャージャ３
を相似形として求めている。ここにＫの値が４気筒と６
気筒で相違するのは、４気筒のほうが６気筒に比べて脈
動数、排出間隔が大きいため、その分Ｄｃ及ＶＤｒを増
加させているからである。

同図に示すように、機関低負荷からの加速性能、すなわ
ち平坦路車速から過給圧が所定値に到達するまでの時間
（加速時間）は、曲線Ａのように、ＤＣ及ＶＤｒが０，
１２　ＫＤ　ａよりも大きくなると、制御ベーン２Ｏｆ
等の慣性重量が増大するため、急激に長くなる。慣性重
量が大きいと、制御ベーン２Ｏｆ等の作動に応答遅れを
生じ、加速に応じて過給圧を上昇させることができず、
加速時間が長くなるのである。逆にＤｃ及びＤｒを小さ
くすると、加速時間の短縮は図れるものの、ターボチャ
ージャ３の容量が小さなものとなり、ターボチャージャ
３を装備する目的である過給が十分にできなくなってし
まう。

また、ターボチャージャ自体の重量は、曲線Ｂで示すよ
うに、ＤＣ及びＤＴが０．１２　ＫＤ　ａよりも大き（
なると、ターボチャージャ３を形成する外壁なども厚く
なり急激に増大する。したがって、自重が大きいと、排
気マニホールド１２Ａに装着した場合には、排気マニホ
ールド１２Ａに過大な応力が作用し、折損や亀裂等が発
生する。こうしだ折損や亀裂等を回避するには支持装置
を付加せざるを得ず、そうするとコスト高を招く。

一方、機関の高出力運転時における制御弁２０の全開時
の通気抵抗は、曲線Ｃで示すように、ＤＣ及びＤＴが０
．１０　ＫＤ　ａよりも小さくなると、急激に増大する
。この大きな通気抵抗により排圧が上昇すると、残留ガ
スが排出されに（いこともあり、機関温度、燃焼圧力等
が異常に高（なってノンキングの発生を招く。

これに対し、この発明では、ＤＣ及びＤＴを０゜１０Ｋ
ＤＢ以上０．１２　ＫＤ日以下の範囲に設定しているの
で、この範囲にあれば、通気抵抗を増大することなく、
慣性重量の低減による加速時間の短縮とターボチャージ
ャの自重を低減することができる。すなわち、高出力運
転時の通気抵抗を増大することなく、機関低負荷からの
加速性能を向上し、かつターボチャージャの小型軽量化
を図ることができるのである。

なお、吸気コンプレッサ４と排気タービン１５とは必ず
しも同径である必要はなく、排気タービン直径ＤＴを吸
気コンプレッサ直径ＤＣよりも相対的に小さくすること
により、さらにターボチャージャ３の小型軽量化を図る
ことができる。

（発明の効果） 以上のように本発明によれば、機関１気筒当たりの吸気
コンプレッサの直径Ｄｃ及び排気タービンの直径Ｄｒを
機関のシリンダボア径ＤＢのａＫ倍（ただし、Ｑ＝０．
１０、〜０．１２．４気筒の場合に＝１．３．６気筒の
場合に＝１．Ｏとする）としたので、機関高出力時の通
気抵抗を増大させることなく、機関低負荷からの加速性
能の向上とターボチャーツヤの小型軽量化とを同時に満
足することができる。

図は同じく排気タービン部の拡大断面図、第３図はフィ
ードバック制御領域を示す説明図、第４図はこの実施例
の作用を説明する特性図である。

１・・・Ｉ１１関本体、２・・・吸気通路、３・・・タ
ーボチャージャ、４・・・吸気コンプレッサ、６・・・
エア７０−メータ、８・・・吸気絞弁、１０・・・燃焼
室、１２・・・排気通路、１５・・・排気タービン、１
５Ａ・・・入口部、１６・・・バイパスａｍ、１７・・
・バイパス弁、２０・・・制御弁、２０ａ・・・ダイヤ
フラム装置、２３・・・制御手段、２４・・・電磁弁、
２５・・・回献数センサ、２６・・・過給圧センサ、２
７・・・絞弁開度センサ、２８・・・冷却水温センサ。

第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 機関の排気エネルギにより回転駆動される排気タービン
   と、該タービンと直結して回転し吸気を過給する吸気コ
   ンプレッサを備えた４サイクル内燃機関において、機関
   １気筒当たりの吸気コンプレッサの直径Ｄ＿Ｃ及び排気
   タービンの直径Ｄ＿Ｔを機関のシリンダボア径Ｄ＿Ｂの
   ａＫ倍（ただし、ａ＝０．１０〜０．１２、４気筒の場
   合Ｋ＝１．３、６気筒の場合Ｋ＝１．０とする）とした
   ことを特徴とする４サイクル機関の過給装置。