JPS6254969B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は内燃機関の排気ガスを動力源とする排
気タービンで駆動されるコンプレツサで過給用空
気を供給するターボ過給機に関するものである。

特開昭53−99125号公報等で知られるこの種の
ターボ過給機では、内燃機関の回転速度および負
荷の高低によつて上記コンプレツサの出力すなわ
ち過給圧力が左右されるから、速度および負荷の
高い領域では機体の耐圧強度を上回る高圧空気の
過給を供給できる反面、低速低負荷領域では過給
機出力が所要の最低出力に達しないというような
場合が起こりやすい。また低速低負荷領域での過
給出力を高めるため、排気タービンのケース内流
路断面積を小さくして流路内ガス流を加速する手
段をとると、高速高負荷領域での過給出力ないし
タービン出力が内燃機関ないしタービンの耐圧強
度限界を超えてしまうことが多い。

この問題点の対策として、過度の過給圧力を検
知し、この検知出力に応動する制御弁により、タ
ービンに流入する排気ガスの一部を外部へ排出す
るバイパス制御方式が従来行われている。しかし
例えば自動車用内燃機関のように特に負荷範囲の
広い場合には、低速低負荷時に合わせて狭くした
流路断面積では、高速高負荷時の排ガス流に対し
て、上記バイパス制御方式によるバイパス量を十
分にとることができずに過過給状態になりやす
い。また仮に十分にバイパスさせ得たとしても、
この場合のバイパス量は有効に利用し得べき排ガ
ス全量に対する割合が大きく、それだけ排気ガス
の有効エネルギーの回収率を低下させるから、内
燃機関の動力性能や燃費率の悪化にもつながる。

このような高速高負荷時のバイパスによる無駄
を避けるためタービンケース内流路断面積を大き
くすれば、低速低負荷時には断面積過大のためガ
ス流速が低過ぎて、タービン出力の低下によりコ
ンプレツサによる所要空気量の供給が不可能とな
り、機関の動力特性の極端な低下が避けられな
い。

なおまた、前記問題点の他の対策として、ター
ビンケース内の流路を二分し、低速時には一方の
流路にのみガス流を通じ、高速高負荷時には両方
の流路に共にガス流を通ずるという方式も試みら
れている。しかしこの方式では片流路から両流路
への切換時に排気ガス流速の不連続的な急激変化
のため、過給特性の不連続変化により機関の運転
性の不安定化をもたらし運転困難な状態を生じや
すいという難点が大きい。

本発明は従来のターボ過給機の上述のような各
問題点を併せ解決することを目的とし、前掲の特
許請求の範囲に記載した特徴を有するものであ
る。本発明ターボ過給機の一実施例を第１図ない
し第４図に示す。第１図は付属装置の概略系統図
を含むタービンケース側面図、第２図はタービン
ケースの一部切断側面図、第３図はタービンケー
スの第２図とは異なる部分の一部断面を含む装置
系統図、第４図は動作説明用曲線図である。

第１図ないし第３図において、１は排気ガスタ
ービンのケース、２は内燃機関の各シリンダ３か
らの排気ガスを集合管４から供給されるタービン
ケース１のガス入口部、５はタービン羽根車、６
は該羽根車５の前端縁、７は該羽根車前端縁６に
臨むガス流路ノズル部、８はタービンケース１の
ガス流路を内蔵する渦巻室、９は該渦巻室８内の
ガス流路をガス導流方向に沿つて主通路１０およ
び副通路１１に二分する仕切壁、１２はケース１
の外壁の一部に沿つて形成されたバイパス排気部
１３と主通路１０との間を該主通路のガス入口付
近で連通するバイパス孔、１４はバイパス排気部
１３を外気から遮断する蓋、１５はタービン羽根
車５を通過した排気ガスの出口で、上記バイパス
排気室１３は適宜のガス通路（図示せず）を介し
て排気ガス出口１５に連通している。１６は上記
バイパス孔１２のガス通流量を制御するバイパス
弁、１７は該バイパス弁１６の操作リンク、１８
はバイパス弁１６の開度を上記操作リンク１７お
よび連結部１９を介して制御するアクチユエー
タ、２０は上記タービン羽根車５によつて駆動さ
れるコンプレツサ、２１は該コンプレツサ２０か
ら吐出される圧力空気の一部を上記アクチユエー
タ１８に導く導管、２２は上記主、副両通路１
０，１１間連通制御室、３０は該室の蓋板、２３
は上記主副両通路１０および１１間の連通口、２
４は該連通口２３に対する開閉制御弁、２５は該
開閉制御弁２４の開閉操作部、２６は操作リン
ク、２７は該リンク２６および操作部２５を介し
て開閉制御弁２４を作動させるアクチユエータ、
２８はコンプレツサ２０から上記アクチユエータ
２７に導かれる圧力導管２１，２１′間に介在連
結された導流制御弁、２９は該導流制御弁２８に
よる圧力空気通流量を負荷検出装置３１や機関吸
入空気流量計３２あるいは適宜の機関回転数検出
器（図示せず）の各出力信号のいずれかまたは適
宜の組合わせ信号に応じて制御する電気的または
流体的制御装置である。

上記アクチユエータ１８はコンプレツサ２０の
吐出圧力空気の一部により導管２１を介して付勢
され、該空気圧力に応じて上記バイパス弁１６に
よるバイパス孔１２の排出ガス量を制御するが、
この制御動作は、機関が低速低負荷領域で運転さ
れている間は作動せず、該領域を超えた状態にお
いて作動するように、アクチユエータ１８および
上記バイパス弁１６とそれらに関連する部分の作
動条件が設定されている。また上記アクチユエー
タ２７に導管２１および２１′を介して導かれる
上記圧力空気の流量が制御弁２８および制御器２
９に負荷および／または機関吸入空気量に応じて
制御され、これにより前記主副両通路１０，１１
間の連通口２３に対する開閉制御弁２４の開閉動
作が制御される。この制御動作は機関が高速高温
状態に達するまでは作動せず、該状態に達したと
き作動するように、アクチユエータ２７および開
閉制御弁２４とそれらに関連する部分の作動条件
が設定されている。

第４図は上記のターボ過給機を取付けた内燃機
関の回転数を横軸にとり、上記コンプレツサ２０
の吐出する空気圧力比と、上記バイパス弁１６お
よび開閉制御弁２４の各開度とをそれぞれ縦軸に
とつた曲線図である。該図において、ａ−ｂ，
a′−b′およびa″−b″はそれぞれ低速低負荷領域に
おける圧力比、バイパス弁１６の開度、および開
閉制御弁２４の開度を示す。この状態においてタ
ービンケース１に導入された排気ガスは全部が主
通路１０のみを通過してタービン羽根車５に送ら
れるが、この条件下での最適の過給特性が得られ
るように主通路１０の断面積を選定しておくもの
とする。

いま機関回転数ないし負荷の増加に伴なつてコ
ンプレツサ吐出圧力比がｂ点を超えた後も上記連
通口２４およびバイパス孔１２が閉じられたまま
であると仮定すると、吐出圧力比はｃ点にまで増
大して過給能力の限界を超える危険状態に達す
る。

また、従来の一方式のようにｂ点において上記
開閉制御弁２４の開放作動により主副両通路１
０，１１間を連通させた場合には、排気タービン
ケース１内のガス流断面積の急増に伴うガス圧の
急減のため、タービン羽根車５およびコンプレツ
サ２０の回転速度が急低下し、したがつて該コン
プレツサ２０の吐出空気の圧力比が第４図ｂ点か
ら例えばｈ点にまで急落する。その結果、一たん
主通路単流から副通路並流に切換作動させられた
開閉制御弁２４は再び元の不作動状態に戻つて副
通路１１への連通が遮断され、そのため吐出圧力
比が再びｈ点まで急上昇するという急速反転動作
が繰返えされる、いわゆるハンチング現象を生ず
る。このような現象は、例えば連通制御弁２４の
切換作動が第４図ｃ点で行われるように設定した
場合にもｃ−ｄ間において生ずることは明らかで
ある。

これに対して上記本発明実施例では、コンプレ
ツサ２０の吐出圧力比が第４図ｂ点に達したとき
導管２１を通じて送られる空気圧力の上昇によ
り、アクチユエータ１８の作動が開始され、リン
ク１７および連結部１９を介してバイパス孔１２
に対するバイパス弁１６の開弁動作が開始され
る。これにより第４図ｂ点からｆ点までの機関回
転数の上昇に応じて主通路１０内に送られる圧力
上昇した排気ガスの余剰分は、バイパス孔１２を
通じてバイパス排気室１３に放出され、さらにタ
ービンに排気出口に送られて外気に排出される。
これにより主通路１０からタービン羽根車４に送
られる排気ガス流量が一定に制御される結果、コ
ンプレツサ２０の吐出空気圧力も第４図ｂ−ｆで
示されるように一定水準に保たれ、過大な圧力上
昇が避けられる。

機関回転数が第４図ｆ点よりさらに上昇する
と、このままでは主通路１０に供給される排気ガ
スの圧力が一層増大して、バイパス孔１２を通じ
て排出される排気ガス量の急増による利用可能な
エネルギーの無駄が甚だしくなる。これに対して
上記本発明実施例では、機関回転数が第４図ｆ点
で示されるような高速高負荷状態に達したとき、
コンプレツサ２０の吐出圧力の増加と負荷検出装
置３１および／または空気流量計３２の各出力信
号に応ずる制御器２９による導流制御弁２８の作
動とに応じて、アクチユエータ２７が作動し、リ
ンク２６および操作部２５を介して開閉制御弁２
４による主副両通路間の遮断状態a″から連通開放
状態c″−e″に切換えられ、それまで主通路１０に
のみ流れていた排気ガスは副通路１１にも分流し
て両通路１０，１１を並流する。すなわち主通路
１０を流れる排気ガス量は副通路１１への分流の
分だけ減少するから、この減少に応動してバイパ
ス弁１６の開度が第４図c′からd′に減少し、それ
だけバイパス孔１２から無駄に排出される排気ガ
スの有効エネルギーの損失を軽減できる。開閉制
御弁２４の開放状態が第４図c″−e″で示されると
き、バイパス弁１６の開度は回転数に応動して
d′−e′のように変化し、これにより主通路１０内
の排気ガスの圧力上昇に伴う余剰流量はすべてバ
イパス孔１２を通じて排出され主通路１０内の圧
力上昇を抑える。副通路１１内の圧力上昇も間接
的に抑えられるから、結局両通路１０，１１内か
らノズル７を通じてタービン羽根車４に導かれる
合流ガスの圧力はほぼ一定に保たれ、その結果と
してコンプレツサ２０の吐出圧力比も第４図ｆ−
ｇで示すように一定化される。

以上の実施例についての説明から明らかなよう
に、本発明のターボ過給機は、過給機駆動タービ
ンに対する排気ガス導流方式として、それぞれ一
長一短のあるガス流バイパス排気方式とガス流断
面積切換方式とを内燃機関の運転状態の変化との
関連のもとに互いに結びつけたことにより、過給
用タービンに供給される排気ガスの有効エネルギ
ーの損失を最少限度に抑えながら、大きな圧力変
動を伴わない安定な過給動作を可能ならしめた点
に顕著な効果を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図は本発明過給機の一実施例
を示し、第１図は概略側面図、第２図は一部縦断
側面図、第３図は一部断面図を含む概略説明線図
第４図は動作説明用曲線図である。 １……タービンケース、２……タービン入口、
３……機関シリンダ、４……排気集合管、５……
タービン羽根車、６……羽根前端縁、７……ノズ
ル、８……渦巻室、９……仕切壁、１０……主通
路、副通路、１２……バイパス孔、１３……バイ
パス排気部、１４……蓋、１５……排気ガス出
口、１６……バイパス弁、１７……リンク、１８
……アクチユエータ、１９……連結部、２０……
コンプレツサ、２１，２１′……圧力空気導管、
２３……連通口、２４……開閉制御弁、２５……
開閉操作部、２６……リンク、２７……アクチユ
エータ、２８……導流制御弁、２９……制御弁、
３０……蓋、３１……負荷検出装置、３２……空
気流量計。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 内燃機関の排気ガスが排気タービンケース内
   の排気ガス通路を通つてタービン羽根車に導か
   れ、該タービン羽根車によつて機関過給用コンプ
   レツサを駆動する過給方式において、上記排気ガ
   ス通路が導流経路に沿つて主通路および副通路に
   二分され、該主通路に導かれた排気ガスに対する
   バイパス排気部と、該バイパス排気部および上記
   主通路間連通用のバイパス孔と、該バイパス孔の
   通流制御弁およびそのアクチユエータと、上記主
   通路の入口付付における上記副通路との間の連通
   部と、該連通部の開閉制御弁およびそのアクチユ
   エータとが設けられ、上記機関が高速高負荷領域
   に達するまでは上記副通路への連通を遮断し、低
   速低負荷領域の間は上記バイパス孔の連通を遮断
   し、低速低負荷領域を超えたとき該バイパス孔の
   通流制御を開始し、高速高負荷領域に達したとき
   上記主通路および副通路間を連通させるように上
   記各制御弁およびアクチユエータの作動条件をそ
   れぞれ設定したことを特徴とするターボ過給機。 ２ 上記各アクチユエータを上記コンプレツサの
   吐出圧力に応じて駆動するようにしたことを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載のターボ過給
   機。 ３ 上記機関の空気吸入量に応じて上記アクチユ
   エータの作動量を制御する手段を設けたことを特
   徴とする特許請求の範囲第１項または第２項記載
   のターボ過給機。 ４ 上記機関の回転数および負荷に応じて上記ア
   クチユエータの作動量を制御する手段を設けたこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項、第２項ま
   たは第３項記載のターボ過給機。