JP5179568B2 - 排ガスターボチャージャを具えた内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、排ガスターボチャージャを具えた内燃機関、特に自動車の内燃機関に燃焼用空気流を供給し、また内燃機関からの排ガス流を排出するための請求項１の前提部に記載の特徴を備えた構成を具えた内燃機関に関する。

特に自動車における内燃機関の性能、走行挙動、排ガスエミッションはモーター自体だけでなく、燃焼用空気の供給や排ガス流の排出を行う構成にも大きく影響される。性能を向上させるために、外気吸入通路に設置される圧縮機と排ガス通路に設置されるタービンよりなる排ガスターボチャージャが広く用いられている。内燃機関を中出力や高出力にすると排ガスターボチャージャによって燃焼用空気流の給気圧が適度に上がり、それによって出力量も上がる。

部分負荷時は排ガスターボチャージャの圧縮機の吸気に一定の渦流を発生させることが好ましい。このために排ガスターボチャージャの圧縮機上流に渦流発生器を設置して、流入する燃焼用空気流に渦流を発生させる。こうして部分負荷時の排ガスターボチャージャの運転性能が向上する。

前記した問題とは別に、排ガス成分の改善のために従来から様々な対策が講じられている。公知の方法として、部分負荷時には排ガス戻り流を燃焼用空気流に導入するように低圧排ガスの戻し経路を設ける方法がある。この方法によって汚染物質、特にＮＯＸ排出量を減らすことができる。

排ガス戻り流は排ガス戻し通路を通過する間に冷却されて、凝縮液ができる。特に水滴ができ、高速回転する排ガスターボチャージャの圧縮機ベーンに当たって圧縮機を損傷させる可能性がある。このような危険性がないように、排ガス中で生成される凝縮液の少なくとも１部を取り除くために凝縮液分離器が使用されている。尚、この分離器は排ガス戻り流と燃焼用空気流が混ざり合った時に次々に生成される水滴が凝縮して処理されるように、圧縮機の入口と一定の間隔を空けて公知の構成で配置されている。しかし設置が大変で費用も高い。

本発明の目的は内燃機関において燃焼用空気の供給と排ガスの排出を行う構成の内燃機関に更なる改良を加えて排ガスターボチャージャの作動時の安全性を向上させることである。

この目的は請求項１に記載の特徴（特に自動車の内燃機関（１）のシリンダに燃焼用給気空気（２）を供給し、該シリンダで燃焼した排ガス流（３）を前記内燃機関（１）から排出するために、
前記燃焼用給気空気（２）を導入するための外気吸入通路（４）と、前記排ガス流（３）を導入するための排ガス通路（５）と、前記外気吸入通路（４）に配置される圧縮機（７）と前記排ガス通路（５）に配置されるタービン（８）を備えた排ガスターボチャージャ（６）と、燃焼用給気空気流を前記圧縮機（７）の中に導入するために前記圧縮機（７）の直前に設けられる渦流発生器（９）と、前記圧縮機（７）の上流で外気吸入通路（４）に向けて開口して排ガス戻り流（１２）を導入する戻し通路（１１）が設けられる低圧排ガス戻り経路（１０）と、を備えた燃焼用給気空気を供給し排ガス流を排出する構成の内燃機関であって、
前記渦流発生器（９）は排ガス戻り流（１２）で生成される凝縮液又はパーティクルを分離するための遠心分離器（１５）としても使用されることを特徴とする）を備えた構成によって解決される。

内燃機関に燃焼用空気流を供給して排ガス流を排出する構成が提案されており、この構成では部分負荷時の運転効率を高めるための渦流発生器が、排ガス戻り流で生成される凝縮液を分離するための遠心分離器としても使用される。

渦流発生器は必ず遠心力や大きな慣性力を伴うものであるが、その遠心力や慣性力は凝縮液の分離に利用できるので、追加手段を設けずに効果的な分離を行うことができる。別の遠心分離器を設ける手間やコストが必要なくなる。システム要件に関して言えば、渦流発生器は部分負荷時に機能するよう圧縮機の入口直前に配置することによって、混合流が圧縮機まで移動する間に再び液滴が形成される危険性を排除できる。分離器を別途設ける必要がないので、余計な空間が必要になることもない。こうして付属部材も含めた内燃機関をよりコンパクトに設計することができる。

渦流発生器の上流で排ガス戻り流と燃焼用空気流を混合し、その混合流が渦流発生器まで到達した時に渦流が発生すると同時に凝縮液の分離が行われるように構成することが好ましい。更に好ましい実施例としては、排ガス戻り流は渦流発生器の旋回方向に流れるように外気吸入通路に対し略接線方向に導入される。このようにして、燃焼用空気と混合されても混合されなくても、排ガス戻り流はその流速によって渦流になると共に凝縮液の分離が始まる。渦流を発生させるために別のエネルギーを導入する必要はない。渦流発生器に導入される排ガス戻り流には、（渦流発生器への）外気吸入通路の軸方向の流れ成分、即ち渦流発生器への主流方向と鋭角を為す方向の流れ成分が追加的又は代替的に含まれることが好ましい。こうして圧縮機の軸方向吸入速度が上がる。

好ましい実施例では、渦流発生器の円周部材には分離した凝縮液の排出溝が円周部材の内周面から半径方向外周側に向けて形成されている。渦流発生器の中を旋回する旋回流によって半径方向外向きの力を受けた凝縮液は円周部の内側でまとまり、遠心力と旋回方向の力を受けて排出溝へと入る。凝縮液を排出溝に集めることによって分離した凝縮液が再び気体流の中に入ってしまうことを防ぎ、また遠心分離器から排出される凝縮液やパーティクルを制御（混入の防止）することができる。

排出溝は渦流発生器の周方向に少なくとも１８０度、好ましくは２７０度に渡って延びることとする。このように構成することにより、分離した凝縮液やパーティクルをほぼ全て回収して排出することができる。

排出溝は渦流発生器における流体の旋回方向に沿って断面が徐々に拡大するように構成することが好ましい。また、凝縮液の排出路（ノズル）は、排出溝の渦流発生器の旋回方向に対して終端となる部分に、排出溝から離れる方向に向かって形成されていることは好ましい。こうして流体の旋回方向に沿って増量する凝縮液を全て確実に排出溝に回収し、渦流発生器を旋回する流体の動力エネルギーによって回収された凝縮液を凝縮液排出路から排出することができる。

好ましい実施例では、排出溝の少なくとも１方の入口端縁に沿って（on at least one longitudinal edge）リップシールが円周部の半径方向外周側に向けて傾斜するように設けられる。排出溝にこのようなリップシールを設けることによって、分離された凝縮液は排出溝への進入は容易にできても、気体流に戻ることはできなくなる。

他の好ましい実施例では、渦流発生器には、略直線方向に延びる中央メイン空気通路と、接線方向の流れ成分を備えメイン空気通路へと開口する渦流用空気通路とが設けられて、戻し通路が渦流用空気通路と連通している。適当な制御器具によって、内燃機関の運転状態に合せて渦流用空気通路から導入される補助空気流と排ガス戻り流の流量を制御することができる。例えば、全負荷運転時には渦流発生器に導入する補助空気流の量を減少させるかゼロにして排ガス戻し経路を使用しないようにする。部分負荷運転時には補助空気流が導入されることにより、排ガス戻り流は動力エネルギーが高い状態で渦流発生器に導入されて旋回するので、更なる手段を追加しなくても凝縮液の分離効果は高くなる。

戻し通路の渦流発生器上流側に、排ガス戻り流を冷却するための熱交換器を設けることが好ましい。熱交換器で冷却された戻り排ガスを含む低温の燃焼用空気が排ガスターボチャージャ及び内燃機関に供給されることによって、汚染物質の排出量を減少させながら高いエネルギー効率で内燃機関を運転することができる。熱交換器の冷却作用の結果凝縮液が生成されやすくなるが、この点について本発明の構成が効果を持つことは明瞭である。圧縮機の入口付近で分離が効果的に行われれば凝縮液を殆ど含まないガス流が圧縮機に入ることになるので圧縮機運転時の安全性が向上する。

排ガスターボチャージャと、低圧排ガスの戻し通路と、遠心分離器としても使用される渦流発生器と、を備えた部分負荷時でのエンジン運転性能を改善するための内燃機関の全体概略ブロック図である。 図１の渦流発生器が取り付けられた外気吸入通路の一部を側面から見た要部拡大図である。 図２に記載の遠心分離器としても使用される渦流発生器の拡大斜視図である。 図３に記載の渦流発生器を長手方向に切断した断面図であり、気体流の流れる方向とその流れによる排出溝での分離及び凝縮液排出の効果を示している。 図４に記載の排出溝の概略拡大断面図であり、入口の端縁に沿ってリップシールが設けられている。

本発明の１実施例を図面を参照して以下で更に詳細に説明する。

図１は、ディーゼルエンジン、ガソリンエンジン等の内燃機関１を概略ブロック図で示したものである。図の実施例では自動車を駆動するための内燃機関１として説明しているが、地上に固定して使用する固定エンジン等に用いてもよい。本発明の内燃機関１は、燃焼用空気流２を供給して内燃機関の各シリンダ内で燃料を燃焼させて排ガス流３を排出する構成の内燃機関を備えるものである。このような内燃機関の構成には、外気吸入通路４、排ガス通路５、排ガスターボチャージャ６、更に排ガス戻し通路１１を備えた低圧排ガス戻し経路１０が含まれる。

内燃機関１の排ガス流３は排気マニフォールド３１から排ガス通路５へと排出される。内燃機関１の各シリンダ内で燃料を燃焼させるための燃焼用空気流２は外気吸入通路４を通って内燃機関１へと供給される。詳細に説明すると、燃焼用空気流２は入口側で外気吸入通路４の空気フィルタ２８を通過して吸気マニフォールド３０を通り内燃機関１の各シリンダへと供給される。

排ガスターボチャージャ６は外気吸入通路４に設けられる圧縮機７と、排気通路５に設けられるタービン８とを備え、タービン８は排気通路５へと流れ込んだ燃焼後の排気空気流２の力で駆動し、次にタービン８によって圧縮機７が駆動する。圧縮機７によって空気フィルタ２８を通過する燃焼用給気空気流２の給気圧が上がる。燃焼用給気空気流２の上昇した温度を下げるために、給気冷却器２９を圧縮機７と吸気マニフォールド３０の間に設置する。

内燃機関１の一定の運転状態では、特に部分負荷時では、排ガス戻り流１２が排ガス流３から分岐して低圧排ガス戻し経路１０の戻し通路１１を通って、排ガスターボチャージャ６の上流で燃焼用（圧縮機）吸入空気流２に合流する。

同様の運転状態の時に、とりわけ最小限のエンジン負荷とエンジン速度の状態における排ガスターボチャージャの運転性能を向上させるために、圧縮機が吸入する空気を渦流にして内燃機関１を作動させる。このために、外気吸入通路４の圧縮機７上流側入口付近に渦流発生器９を設ける。渦流発生器９は、後で詳細に説明する方法で圧縮機７に吸入される燃焼用給気空気流２に渦流を発生させる。渦流発生器９は、後に詳細に説明するように排ガス戻り流１２でできた凝縮液を分離する遠心分離器１３としても機能する。凝縮液は遠心分離器１３において分離されて、渦流発生器９から矢印４３で示す方向に排出された後、回収されるか、更に何らかの処理をされるか、又はエンジンに戻る。

外気吸入通路４は分岐を設けずに圧縮機７と軸合せしてその中心に連結されていてもよい。この場合、例えば空気ベーンなどの力によって外気吸入通路４を通過する燃焼用給気空気流２に、渦流を発生させて排ガスターボチャージャ６の反応を向上させる。また、上流で合流する排ガス戻り流１２も渦流にして後で説明する凝縮液の分離作用が行われるようにする。
図の実施例では、外気流路４の空気フィルタ２８と圧縮機７の間に分岐点３２があり、該分岐点の下流にはメイン空気通路２１及び渦流用空気通路２２が、流体が連通するように並列に設けられる。メイン空気通路２１と渦流用空気通路２２には図に示すようにそれぞれ制御器具２６、２７が備えられていてもよい。この制御器具２６、２７それぞれによって、メイン空気通路２１を流れるメイン空気流２４と渦流用空気通路２２を流れる補助空気流２５の量を制御できる。渦流用空気通路２２は渦流発生器９に向かって開口し、渦流発生器９では補助空気流２５とメイン空気流２４が圧縮機７の直前で合流することになる。渦流を発生させるのは補助空気流２５であるが（発生方法については以下詳細に説明する。）、補助空気流２５だけでなくメイン空気流２４も渦流による影響を受けるので、渦流を伴った気体流で排ガスターボチャージャ６を運転することができる。このようにして部分負荷時でエンジン速度が遅い時でも排ガスターボチャージャの運転性能を向上させることができる。一定の運転状況下では、制御器具（空気ベーン）２７によって渦流を発生させる補助空気流２５の流量を減らすか、又は完全に遮断することが好ましい。この場合、排ガスターボチャージャ６は渦流が殆ど含まれないメイン空気流２４の燃焼用給気空気が主に供給されることになる。また、メイン空気流２４の流量を制御手段２６によって制御してもよい。

排ガス戻し通路１１は、渦流用空気路２２の制御手段２７よりも下流で渦流発生器９より上流となる位置に開口している。渦流発生器９上流の戻し通路１１には、排ガス戻り流１２を冷却する熱交換器２３が設けられる。制御器具２７（空気ベーン）のベーン位置によって補助空気流２５として排ガス戻り流１２と混合される燃焼用給気空気の量が変わる。補助空気流２５と排ガス戻り流１２の混合流は渦流発生器９で渦流となる。尚、混合流ではなく排ガス戻り流１２のみを渦流にしてもよい。排ガス戻り流１２が冷却されて特に熱交換器の下流で凝縮液が生成され、圧縮機７のすぐ上流に配置された渦流発生器９としても機能する遠心分離器１３で分離されて矢印４３で示す方向に排出される。この結果、凝縮液を殆ど含まない燃焼用給気空気と戻り排ガスの混合気体流を圧縮機７に供給することができる。

図２は、図１の外気吸入通路４におけるメイン空気通路２１、渦流用空気通路２２、渦流発生器９の部分を側面から見た図である。渦流発生器９は概略的に示した圧縮機７の吸気側の端面にフランジで連結されている。メイン空気流２４が通るメイン空気通路２１は圧縮機７の吸込口へ向かってほぼ直線方向に開口している。メイン空気通路２１だけでなく渦流用空気通路２２も外気吸入通路４の一部であり、分岐点３２で燃焼用給気空気流２から補助空気流２５が分岐する。概略図示される戻し通路１１は渦流発生器９の上流に向かって開口している。こうして排ガス戻り流１２は補助空気流２５に合流する。この混合流は軸方向の流れ成分を伴って渦流発生器９へと略接線方向に導入されて、矢印３３で示す方向に旋回する。この渦流はメイン空気流２４にも影響する。補助空気流２５に排ガス戻り流１２を混ぜることによって、排ガス戻り流１２は渦流発生器の空気流と同様に旋回して導入される。

凝縮液分離器と一体型の渦流発生器の更なる詳細については、図２の渦流発生器９を取り出して斜視図で示した図３によって理解できる。同一要素には同一の符号が付されている。渦流発生器９は長手軸３８方向に延びる略シリンダ形状の中央管部３４を備えており、図２も参照すると、この略直線に延びる管部３４が、メイン空気流２４が長手軸３８と平行に矢印３７で示す直線方向に案内されるメイン空気通路２１の一部であることが分かる。渦流用空気通路２２は長手軸３８へと傾斜すると共に管部接線方向に渦流発生器９に向かって開口しており、渦流発生器９で管部接線方向の流れ成分と管部軸方向の流れ成分を伴って渦流用空気通路２２がメイン空気通路２１へと接続されている。このように気体流は管部３４の周囲に延在する旋回部３５に導入されて、管部接線方向の流れ成分と管部軸方向の流れ成分を伴って渦流用空気通路２２を矢印３６の方向に流れる気体流が渦流となる。渦流発生器９の中では矢印３６、３７、３９で示す様々な方向からの気体流が合流して、旋回方向の流れ成分と軸方向の流れ成分を備えた矢印４０方向の気体流となる。

遠心分離器１３を構成するために、渦流発生器９の旋回部３５に円周壁として形成される円周部材１５の径方向外周部には（at the radial outer circumference）内側に開放する分離凝縮液の排出溝１６が一体的に設けられている。気体は矢印３６で示す方向に吸入されるのに対して、排出溝１６は渦流発生器９の周方向に少なくとも１８０度に渡って延在するように形成される。図の実施例では、矢印３９で示すように長手軸３８を中心に約２７０度に渡って延びるように形成されている。渦流発生器９では矢印４０で示す方向に気体流が旋回するが、その旋回方向４０に排出溝１６の終端部２０がある。この終端部２０から排出溝１６とは異なる方向に向けて凝縮液排出路（ノズル）１９が設けられ、図１において矢印４３の方向に分離した凝縮液を排出する。

図４は、図３に記載の渦流発生器９の長手方向断面図である。遠心分離器１３を構成するために設けられた旋回部３５の円周部材１５は、管部３４を長手方向に一部突出させたシリンダ状の内壁４１を取り囲むように形成され、旋回部３５を流れる流体と管部３４を流れる流体が矢印４２の方向に連通可能となっている。矢印４２で示される旋回部３５での流体の旋回方向に沿って、渦流発生器９の軸方向における旋回部３５の断面積が徐々に狭くなるように構成することにより、矢印４２に沿って流れてメイン空気流２４（図２）に合流する気体流の割合が増えるようにする。尚、メイン空気流２４（図２）は図４に矢印１４で示す主流方向に流れる気体流である。図３のように渦流用空気通路２２をメイン空気通路２１の長手軸３８に対して９０度からずらした角度で傾斜させ、また旋回部３５の軸断面積が旋回方向に沿って徐々に狭くなるように構成したことにより、補助空気流２５（図２）と共に渦流発生器９に導入される排ガス戻り流１２は、矢印４２（図３）に示されるように、略接線方向の流れ成分だけでなく渦流発生器９の主流方向１４と平行な軸方向の流れ成分も含まれたものになる。

図４の例では渦流発生器９の旋回方向に形成される排出溝１６の断面が矢印４２方向に従って拡大している。図４に記載の実施例では、排出溝１６はその断面において幅と深さの両方が増大している。

排出溝１６の更に詳細な構成が図５の概略断面図によって理解することができる。円周部１５に一体形成された排出溝１６の開放側には端縁１７（長手方向の端部longitudinal edge）が存在する。端縁１７の両方には、図5の要部概略図で示したリップシール１８が中央に向かって先細になるように取り付けられて、径方向外側、つまり排出溝１６の底部に向かって僅かに傾斜している。このように構成すると、分離された凝縮液は排出溝１６の中に入ることはできるが、旋回部３５に戻ることができなくなる、若しくは戻りにくくなる（図４参照）。

Claims (9)

1. 内燃機関（１）のシリンダに燃焼用給気空気（２）を供給し、該シリンダで燃焼した排ガス流（３）を前記内燃機関（１）から排出するために、
   前記燃焼用給気空気（２）を導入するための外気吸入通路（４）と、前記排ガス流（３）を導入するための排ガス通路（５）と、前記外気吸入通路（４）に配置される圧縮機（７）と前記排ガス通路（５）に配置されるタービン（８）を備えた排ガスターボチャージャ（６）と、燃焼用給気空気流を前記圧縮機（７）の中に導入するために前記圧縮機（７）の直前の前記外気吸入通路（４）に設けられる渦流発生器（９）と、前記圧縮機（７）の上流で外気吸入通路（４）に向けて開口して排ガス戻り流（１２）を導入する戻し通路（１１）が設けられる低圧排ガス戻り経路（１０）と、を備えた排ガスターボチャージャを具えた内燃機関であって、
   前記渦流発生器（９）は排ガス戻り流（１２）で生成される凝縮液又はパーティクルを分離するための遠心分離器（１３）としても使用されるとともに、
   前記排ガス戻り流（１２）は前記渦流発生器（９）の旋回方向に向かって外気吸入通路（４）に対し略接線方向に導入されることを特徴とする排ガスターボチャージャを具えた内燃機関。
2. 前記渦流発生器（９）に導入される前記排ガス戻り流（１２）には、軸方向の流れ成分、すなわち前記渦流発生器（９）への主流方向（１４）と鋭角を為す方向の流れ成分が含まれることを特徴とする請求項１に記載の排ガスターボチャージャを具えた内燃機関。
3. 前記渦流発生器（９）の円周部材（１５）には、分離した凝縮液の排出溝（１６）が前記円周部材の内周面から径方向外側に向かって形成されることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載の排ガスターボチャージャを具えた内燃機関。
4. 前記渦流発生器（９）の排出溝（１６）は、円周方向に少なくとも１８０度以上に渡って延びることを特徴とする請求項３記載の排ガスターボチャージャを具えた内燃機関。
5. 前記排出溝（１６）の断面曲率は前記渦流発生器（９）の旋回方向に沿って拡径させることを特徴とする請求項３又は４に記載の排ガスターボチャージャを具えた内燃機関。
6. 前記排出溝（１６）は、前記渦流発生器（９）の旋回方向における終端部（２０）に、該排出溝から離れる方向に向かって凝縮液排出路（１９）が形成されることを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の排ガスターボチャージャを具えた内燃機関。
7. 前記排出溝（１６）の少なくとも１の端縁（１７）に沿ってリップシールが設けられることを特徴とする請求項３〜６のいずれか１項に記載排ガスターボチャージャを具えた内燃機関。
8. 前記渦流発生器（９）には略直線方向に延びる中央メイン空気通路（２１）と、該メイン空気通路（２１）へと開口するメイン空気通路接線方向の流れ成分を備えた渦流用空気通路（２２）とが設けられて、前記戻し通路（１１）は前記渦流用空気通路（２２）と連通するように設けられることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載排ガスターボチャージャを具えた内燃機関。
9. 前記戻し通路（１１）の前記渦流発生器（９）上流には、前記排ガス戻り流（１２）を冷却する熱交換器（２３）が設けられることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の排ガスターボチャージャを具えた内燃機関。

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