JPS6353364B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は石油などの燃料を使用するエンジンに
おける過給装置に関するものである。

従来、エンジンからの排気ガスを駆動エネルギ
として使用した排気タービン駆動式過給機（以下
これを「ターボチヤージヤ」と呼ぶ）が一般に知
られている。該ターボチヤージヤにおいては、中
速以上のエンジン回転数でのエンジン出力の増加
あるいは低燃費等を目的として排気エネルギの回
収を排気タービンにより行なわせ、その排気ター
ビンと同軸上に設けられたコンプレツサを駆動さ
せることによりエンジン過給を行なつていた。し
かし、そのような過給機では、定常状態（中速以
上）での出力の増加は得られるとしても、ある過
渡的な場合、例えば一定エンジン回転からのスロ
ツトル全開又は急激なスロツトル開放運転に移つ
た場合には排気タービンの回転数の上昇に遅れが
生じ、必要過給圧を与えるまでにある程度時間が
かかりしたがつてエンジンの増加出力トルクに出
遅れ現象を起こしてしまう。その原因はスロツト
ル全開等の直後にはスロツトル開度の変位に比
べ、エンジン出力の変化が少ない為、エンジン出
力増加に伴なう排気ガス量の増加もわずかに過ぎ
ず、したがつて排気タービンの回転数の上昇速度
もにぶくなることにある。これが、いわゆるター
ボラグと呼ばれるものである。

さらに、エンジン低速回転時においては排気ガ
ス量が少ないために排気タービンの回転数が低く
必要過給圧を与えることができず、その結果、
中，高速エンジン回転域に比べてエンジンの出力
トルク不足を招いてしまうという問題もある。

それ故に本発明の目的はエンジン急加速時にも
過給圧の応答をすばやく、かつ適切に行ない、エ
ンジン低速回転時にも必要過給圧を与えることを
可能としたエンジン用複合過給装置の提供にあ
る。

本発明は、エンジンの回転力等で駆動される機
械駆動式過給機（以下これを便宜上「スーパーチ
ヤージヤ」と呼ぶ）をターボチヤージヤに組み合
わせて使用したことに基いている。

以下図面を参照しながら実施例を用いて説明す
る。

第１図は本発明によるエンジン用複合過給装置
の一実施例をエンジン１に組み合わせた状態で示
している。この過給システムはターボチヤージヤ
２とスーパーチヤージヤ３を含み、ターボチヤー
ジヤ２は排気タービン２ａとターボチヤージヤ２
の排気タービン回転力にて駆動されるコンプレツ
サ２ｂとを有したものである。タービン２ａはエ
ンジン１のエグゾーストマニホールド４からの排
気管５に連接され、排気ガスエネルギにより回転
駆動される。コンプレツサ２ｂはエンジン１のイ
ンテークマニホールド６とエアクリーナ７との間
の流入管８に組み込まれている。一方、スーパー
チヤージヤ３はエンジン１の回転力によりコンプ
レツサ３ａを駆動（エンジン回転の他にエンジン
油圧等他の駆動源を使用しても同様である）さ
れ、しかもこのコンプレツサ３ａへの動力伝達を
電磁クラツチ３ｂにて掛け外しできるようにされ
たものである。（又、上記伝達力の掛け外しをエ
ンジン油圧等で行なうことが可能なのは言うまで
もない。） さらに、ターボチヤージヤ２のコンプレツサ２
ｂの吐出管部分９とスーパーチヤージヤ３のコン
プレツサ３ａの吸入管部分１１とを互に連接させ
た連通管１２を設けてある。この連通管１２と前
記コンプレツサ２ｂの吐出管部分９との接続部分
に三方弁１３を具備し、又連通管１２と、前記コ
ンプレツサ３ａの吸入管部分１１との間には、前
記コンプレツサ２ｂ及び吐出管９の吸気経路とは
別に、エアクリーナ７と上記連通管１２及び上記
吸入管部分１１とを直接連通する吸気管路１５を
具備し、該吸気管路１５の接続部分には圧力応動
ダンパ１４を備えている。三方弁１３は吐出管部
分９をインテークマニホールド６に直接に接続す
るか連通管１２に接続するかを切換えることがで
きるものである。ここで連通管１２とターボチヤ
ージヤ２のコンプレツサ２ｂの吐出管部分９とが
三方弁１３により連通状態にある場合には前記圧
力応動ダンパ１４は連通管１２内圧力（上記吐出
管部分９内圧力に等しい）と前記吸気管路１５内
圧力との差圧で、駆動されて開度を変化するもの
である。一方連通管１２と上記吐出管部９とが三
方弁１３によつて閉じられると、上記圧力応動ダ
ンパ１４は該コンプレツサ３ａの吸気管部分１１
内圧力と前記吸気管路１５内圧力との差圧により
該吸気管路１５を上記吸気管部１１に全面開放す
るよう動作するものである。こうしてターボチヤ
ージヤ２のコンプレツサ２ｂとスーパーチヤージ
ヤ３のコンプレツサ３ａとを三方弁１３の切換え
により互いに並列及び直列に接続させることが可
能となるよう構成されているものである。

なおここではスーパーチヤージヤ３のコンプレ
ツサ３ａの吸気管部分１１と吸気管路１５とは合
わせて吸気路とも呼ばれる。またターボチヤージ
ヤ２のコンプレツサ２ｂの吐出部分９はスーパー
チヤージヤ３のコンプレツサ３ａの吐出管部分１
６と接続されるまでのびており、そしてここでは
吐出路とも呼ばれる。

ここで上記構成にてなる装置における動作例を
述べる。前記両方のコンプレツサ２ｂと３ａが直
列に接続されている状態において例えばエンジン
１の低速運転時にコンプレツサ２ｂの吐出能力は
スーパーチヤージヤ３の吸入能力に比して劣つて
いる為に該コンプレツサ２ｂはスーパーチヤージ
ヤ３にとつてかえつて吸気の抵抗となりうるよう
な場合がある。そのような場合には、圧力応動ダ
ンパ１４は上部吸気管路１５の開口面積を広げる
ように開度を変化し前記コンプレツサ３ａにとつ
てコンプレツサ２ｂが吸気抵抗となるのを防止す
る。又、スーパーチヤージヤ３は吸入空気量より
コンプレツサ２ｂ、吐出空気量が、多い場合つま
り吐出管部分９内が正圧状態となつた場合には吸
気管路１５内圧力により、連通管路１２内圧力が
高くなり圧力応動ダンパ１４は吸気管路１５を閉
じるよう作動する。

上記動作によりコンプレツサ２ｂからの吐出空
気とエアクリーナ７からの吸気空気の割合を選択
しスーパーチヤージヤ３の必要吸入空気量が最適
状態で得られることとなる。尚、圧力応動ダンパ
１４は第２図に示すように上流吸気管部分１５に
スプリング１４ａと組み合わされて備えられ、こ
の上流部吸気管１５内圧力とスーパーチヤージヤ
吸気管部分１１内圧力の圧力差に応じて開閉する
ものであつてもよい。

さらにスーパーチヤージヤ３のコンプレツサ３
ａの吸入管部分１１と吐出管部分１６とを直接に
接続したバイパス管１７を設けると共に、インテ
ークマニホールド６の圧力で作動するアクチユエ
ータ１８によつてそのバイパス管１７を開閉でき
るようにしてある。尚インテークマニホールド６
の圧力のアクチユエータ１８への伝達は三方弁１
９により制御される。

又排気管５にもターボチヤージヤ２のタービン
２ａをバイパスするバイパス管２１を設けこのバ
イパス管２１もインテークマニホールド６の圧力
で作動するアクチユエータ２２によつて開閉でき
るようにしてある。このアクチユエータ２２への
圧力伝達も上述の三方弁１９により制御されるよ
う構成されている。

その上吐出管部分９の圧力を検出する圧力セン
サ２３とエンジン１の回転数を検出するエンジン
回転数センサ２４とを設けこれらのセンサ２３，
２４からの信号に基き、制御装置２５によつてス
ーパーチヤージヤ３の電磁クラツチ３ｂと二つの
三方弁１３，１９を制御する。

次にエンジン１の運転状態に制御装置２５によ
る制御例を作用とともに説明する。

先ず中速以上の定常運転時には、排気ガス量が
多いためターボチヤージヤ２の駆動エネルギが十
分あり、したがつてターボチヤージヤ２のみによ
つて必要過給圧及び空気流量を得ることが可能で
ある。この場合スーパーチヤージヤ３を運転させ
ていたのでは不必要な駆動エネルギを使用してい
るに過ぎずなんのメリツトも得られない。

そこで、圧力センサ２３及びエンジン回転数セ
ンサ４等からの信号により、制御装置２５がター
ボチヤージヤ２の単独運転で必要過給圧が得られ
ているか否かを判断し必要過給圧が得られる場合
には制御装置２５からの信号によりスーパーチヤ
ージヤ３の電磁クラツク３ｂをオフする等により
スーパーチヤージヤ３の運転を停止させ、同時に
三方弁１３の切り替えにより連通管１２を閉じ
る。こうしてコンプレツサ２ｂからの吐出空気が
すべて流入管８に送り込まれるよう制御する。

このときのエンジン回転数は、ターボチヤージ
ヤ２の単独運転での過給圧とエンジン回転数との
関係に基きターボチヤージヤ２の性能特性により
ターボチヤージヤ２の単独運転に決定されるもの
であり、吐出管部分９内の圧力については直列、
並列時のエンジン過過圧とターボチヤージヤ２の
吐出側圧力（吐出管部分９内圧力）との関係より
決定可能といえる。

この場合、過給圧コントロールは、バイパス管
２１に設けたアクチユエータ２２により行なわれ
るわけであるが、その際、流入管８の空気圧は三
方弁１９の切り替えによりアクチユエータ２２に
のみ作用するよう制御され、それにより必要過給
圧以上に流入管８内圧力が上昇した場合、アクチ
ユエータ２２が作動してバイパス管２１を開く。
これによりタービン２ａを回転させる排気量が減
少し、同時にタービン２ａの回転も低下し、結果
として過給圧が低下することとなる。

一方、低速運転時には排気ガス量が少ないため
ターボチヤージヤ２の排気タービン２ａの回転数
が低くその為、過給圧は非常に低いかもしくはイ
ンテークマニホールド６内は負圧状態となつてし
まう。そこで電磁クラツチ３ｂの制御によりスー
パーチヤージヤ３を駆動するとともに三方弁１３
をり換えることにより直列もしくは並列運転を行
なわせるものである。

この状態においては、ターボチヤージヤ２のコ
ンプレツサ２ｂとスーパーチヤージヤ３のコンプ
レツサ３ａとが直列もしくは並列に接続されて駆
動されることにより、過給圧が高められ、その結
果必要過給圧を得ることが可能となる。

この場合の過給圧コントロールは、前記バイパ
ス管１７内に設けられたアクチユエータ１８によ
り行なわれるものでアクチユエータ１８を制御す
る流入管８内圧力は三方弁１９の切り換えにより
アクチユエータ１８にのみ作動するよう制御され
る。為に必要過給圧以上に管路８内圧力が上がつ
た場合、アクチユエータ１８が動作してバイパス
管路１７を開き、一定過給圧を保つこととなる。
上記方式により排気タービン２ａと、該排気ター
ビン吐出管２６を連通するバイパス管路２１に設
けられたアクチユエータ２２は作動せずバイパス
管路２１は閉じられている。それにより排気エネ
ルギ回収用の排気タービン２ａの回収エネルギ
（コンプレツサ２ｂ駆動エネルギ）を減らすこと
なく利用し過給空気をバイパス回路１７をバイパ
スさせスーパーチヤージヤ３のコンプレツサ３ａ
に再吸入させることでスーパーチヤージヤ３の負
荷も軽減することとなる。

次にある過渡的な場合、たとえば急加速時等の
動作について述べる。

ターボチヤージヤ２の単独運転により必要過給
圧が得られているエンジン中，高速回転数のスロ
ツトル一定開度の状態よりスロツトル全開又は、
急激なスロツトル開度差が生じた場合、流入管８
内圧力は急激に低下する。その為エンジン回転数
センサ２４からの信号では、ターボチヤージヤ２
の単独運転で必要過給圧が得られていることを制
御装置２５に伝えたとしてもそれは、スロツトル
全開以後の必要空気流量を満しているか否かの判
断を行なつているわけではない。しかし吐出管部
分９に設けられた圧力センサ２３により過給圧の
低下を知らせる信号が制御装置２５に送られるこ
とにより、複合過給の必要性を検知し、制御装置
２５よりの信号で電磁クラツチ３ｂをオンさせ、
複合過給を行なわせる。

上述の動作により、急激に過給圧不足を招くよ
うなスロツトル全開等の急加速時においても、排
出ガス量によりその過給圧が左右されるターボチ
ヤージヤ２とは別に、機械的に駆動されるスーパ
ーチヤージヤ３を、過給圧の不足を検知すると同
時に稼動させてやることで、すみやかに必要過給
圧が得られるわけであるから、ターボラグ等の応
答遅れもなく、エンジン過給が行なえることとな
る。

以上述べてきた複合過給装置において、その特
性を第３図，第４図および第５図に示してある。
なおSCはスーパーチヤージヤ単独運転時の特性
曲線、TCはターボチヤージヤ単独運転時の特性
曲線である。

第３図は、あるエンジン回転数におけるスーパ
ーチヤージヤとターボチヤージヤのＰ−Ｑ特性を
示す。破線は直列運転時の特性曲線であり、並列
運転では必要空気量Q〓は得られても、必要過給
圧P〓が得られないが、直列にするとP〓，Q〓どち
らも満足される場合のものである。

第４図は、並列運転により必要空気量Q〓及び
必要過給圧P〓が得られる場合の、あるエンジン
回転数におけるスーパーチヤージヤとターボチヤ
ージヤのＰ−Ｑ特性を示す。ここで破線は並列運
転時の特性曲線である。

第５図は、直・並列どちらでも必要空気量Q〓
及び必要過給圧P〓が得られる場合のあるエンジ
ン回転数におけるスーパーチヤージヤとターボチ
ヤージヤのＰ−Ｑ特性を示す。ここで破線は直列
運転時の特性曲線、一点鎖線は並列運転時の特性
曲線である。

この場合、直列運転で複合過給を行なわせた場
合、必要空気量Q〓ではS₁で示す点の複合過給が
得られ、並列運転で必要空気量Q〓の場合にはS₂
に示す点の複合過給圧が得られることを表わして
いる。しかし、前述した過給圧コントロールによ
り、直・並列運転どちらの動作点も０点にあるわ
けであり、しかも過給圧コントロールはスーパー
チヤージヤのバイパスにより行うため、スーパー
チヤージヤの直列運転時の動作点はS₃であり、並
列運転時の動作点はS₄であるといえる。即ち、直
列の場合のスーパーチヤージヤの動作点S₃は必要
空気量Q〓上の、０点（必要過給圧P〓）からター
ボチヤージヤの動作圧を差引いた圧力Δpが圧縮
圧力となる点となり、並列運転の場合のスーパー
チヤージヤの動作点S₄は、必要過給圧P〓上の、
０点からターボチヤージヤの動作風量を差引いた
風量Δqが所要風量となる点となる。このように
直列・並列、どちらの運転も可能なエンジン運転
状態では、スーパーチヤージヤの動作圧力は、直
列の場合の方がはるかに低くてすむこととなる。

ここで第６図に過給圧に対するスーパーチヤー
ジヤの消費馬力を示してあるが、過給圧が高まる
と一般に容積式のスーパーチヤージヤでは消費馬
力も増加することを示しておりこの結果より直
列・並列どちらでも運転可能な運転状態において
は直列運転による複合過給が望ましいと言え、本
発明においては直列・並列どちらでも必要過給可
能な領域においては、より少ない消費馬力でスー
パーチヤージヤを運転可能となるよう直列運転に
切り替えるよう制御することが可能となるもので
ある。

以上説明したように、本発明のエンジン用複合
過給装置によれば、ターボチヤージヤ特有の欠点
であるエンジン低速回転時の出力不足を補ない、
急加速運転時の応答性の向上がはかれ、かつ中・
高速回転時には、ターボチヤージヤのもつメリツ
トを全面的に利用して過給を行なわせることが可
能なばかりか、従来の複合過給装置にみられる、
直列運転の際にターボチヤージヤおよびスーパー
チヤージヤにかかる負荷を軽減し、又、直・並列
の切り替えにより消費馬力の少ない運転となるよ
う選択されることで、エンジンにかかる負荷も軽
減されるだけでなく、必要過給圧以上で過給が行
なわれないよう制御されていることで、エンジン
の機械的損失を伴うことなく適正な過給が行え
る。その上、ダンパがそれ自体よりも上流側と下
流側との圧力差により駆動されて開度を変化する
ものであるため、第二の過給機の必要空気量が最
適状態で得られることになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成説明図、
第２図は同じく変形実施例を示す要部のみの構成
説明図、第３図は直列運転時のＰ−Ｑ特性曲線
図、第４図は並列運転時のＰ−Ｑ特性曲線図、第
５図は直列運転と並列運転とがどちらでも可能な
場合のＰ−Ｑ特性曲線図、第６図は過給圧に対す
るスーパーチヤージヤの消費馬力を示す図であ
る。 １……エンジン、２……排気タービン駆動式過
給機、３……機械駆動式過給機、５……排気管、
６……インテークマニホールド、７……エアクリ
ーナ、１２……連通管、１３……三方弁、１４…
…圧力応動ダンパ、１７……バイパス管、１８…
…アクチユエータ、１９……三方弁、２１……バ
イパス管、２２……アクチユエータ、２３……圧
力センサ、２４……エンジン回転数センサ、２５
……制御装置、２６……マフラー連通管。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ エアクリーナとエンジンインテークマニホー
   ルドとの間にエンジン排気エネルギで駆動される
   第一の過給機のコンプレツサとエンジン駆動力等
   で駆動される第二の過給機のコンプレツサとを並
   列に具備し、該第一の過給機のコンプレツサの吐
   出路の途中部分と該第二の過給機のコンプレツサ
   の吸入路に連通させた連通部を設け、かつ該両方
   のコンプレツサの接続を直列及び並列間で切り換
   えることのできる流路切換え装置を設けたエンジ
   ン用複合過給装置において、上記連通部は上記吐
   出路と上記吸入路との間に接続された連通管を有
   し、上記流路切換え装置は、上記吐出路と上記連
   通管との接続部に備えられ、上記吐出路の上記連
   通管よりも下流部分を閉じる状態と上記連通管を
   閉じる状態との間で切り換え可能な三方弁と、上
   記吸入路の上記連通管よりも上流部分を開閉でき
   るダンパとを含み、上記ダンパはそれ自体よりも
   上流側と下流側との圧力差により駆動されて開度
   を変化するものであることを特徴とするエンジン
   用複合過給装置。 ２ 特許請求の範囲第１項記載のエンジン用複合
   過給装置において、上記三方弁は、上記吐出路の
   上記連通管よりも上流部分の圧力及びエンジン回
   転数信号に基いて駆動制御されるようになつてい
   ることを特徴とするエンジン用複合過給装置。 ３ 特許請求の範囲第１項記載のエンジン用複合
   過給装置において、上記吸入路の上記連通管より
   も下流部分を上記第二の過給機のコンプレツサの
   吐出管に短絡させた第一のバイパス路と、上記第
   一の過給機の排気駆動タービン部分のエンジン排
   気流入管を該第一の過給機の排気駆動タービン排
   気流出管に短絡させた第二のバイパス路と、該第
   一及び第二のバイパス路を上記エンジンインテー
   クマニホールドの圧力に基いて開閉する過給圧制
   御装置とを設けたことを特徴とするエンジン用複
   合過給装置。 ４ 特許請求の範囲第３項記載のエンジン用複合
   過給装置において、上記過給圧制御装置は、上記
   第一のバイパス路に配設された第一の圧力応動弁
   及び、上記第二のバイパス路に配設された第二の
   圧力応動弁と、さらに上記エンジンインテークマ
   ニホールドを該第一及び第二の圧力応動弁に選択
   的に切換え接続可能な三方弁を有していることを
   特徴とするエンジン用複合過給装置。 ５ 特許請求の範囲第１項乃至第４項のいずれか
   に記載のエンジン用複合過給装置において、直
   列、並列の複合過給と上記第一の過給機単独運転
   との切換えを、該第一の過給機のコンプレツサ吐
   出ポートと上記三方弁とを連通する管路内圧力信
   号及びエンジン回転数信号により上記第二の過給
   機のコンプレツサの運転を停止することにより行
   なわせることを特徴としたエンジン用複合過給装
   置。 ６ 特許請求の範囲第５項記載の複合過給装置に
   おいて、上記第一の過給機単独運転時には上記第
   二のバイパス路に配設された圧力応動弁の動作に
   より過給圧を制御し、又直列、並列の複合過給時
   には上記第一のバイパス路に配設された圧力応動
   弁を作動させることにより、過給圧の制御を行な
   うことを特徴としたエンジン用複合過給装置。