(57)【要約】【課題】内燃機関の排気系に排気タービンとそれに関連する発電機、電動機または電動発電機が組み込まれていると、そのタービン部が高温状態にあって機関が停止されると、発電機、電動機または電動発電機の回転子を構成する永久磁石が過熱により消磁される恐れがあることに対処する。【解決手段】内燃機関排気系の排気マニホールドより排気管を経て排気タービンのハウジングに至る部分の少なくとも一部を二重壁とし、発電機、電動機または電動発電機の回転子の冷却を要するときのみ二重壁間の空間に冷却媒体を流す。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気マニホールドと、排気タービンと、前記排気マニホールドより前記排気タービンへ向けて排気を導く排気管とを含み、前記排気タービンに発電機、電動機または電動発電機のいずれかが連結されている内燃機関の排気構造にして、前記排気タービンのハウジングと前記排気管と前記排気マニホールドの少なくとも一部が二重壁を有する構造に作られ、該二重壁間の空間に選択された時期にのみ冷却媒体を供給する冷却媒体供給手段を有することを特徴とする内燃機関の排気構造。
【請求項２】
前記冷却媒体の供給は機関停止に伴って開始されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気構造。
【請求項３】
前記二重壁間の空間は冷却媒体が供給されていないとき大気に開放されていることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の排気構造。
【請求項４】
前記時期の選択条件の一つは前記発電機、電動機または電動発電機の回転子の温度が所定のしきい値以上であることであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の排気構造。
【請求項５】
前記時期の選択条件の一つは前記排気タービンのロータの温度が所定のしきい値以上であることであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の排気構造。
【請求項６】
前記時期の選択条件の一つは前記排気タービンのハウジングの温度が所定のしきい値以上であることであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の排気構造。
【請求項７】
前記時期の選択条件の一つは機関排気の温度が所定のしきい値以上であることであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の排気構造。
【請求項８】
前記冷却媒体の供給は前記選択条件とされた温度が前記しきい値より所定の温度差だけ低下するまで行なわれることを特徴とする請求項４〜７のいずれかに記載の内燃機関の排気構造。
【請求項９】
前記冷却媒体の供給は供給開始時の前記選択条件とされた温度の高さに対応してそれが高いほど長くなるよう定められた所定時間だけ行われることを特徴とする請求項４〜７のいずれかに記載の内燃機関の排気構造。
【請求項１０】
前記選択された時期は内燃機関の冷温始動時であり、前記冷却媒体を機関の暖機を促進する温度にて供給する手段を有することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気構造。
【請求項１１】
前記冷却媒体を機関の暖機を促進する温度にて供給する手段は機関停止時に冷却作動を行なうことにより加熱された冷却媒体を保温貯蔵する手段を含むことを特徴とする請求項１０に記載の内燃機関の排気構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気構造に係り、特に機関排気により駆動される排気タービンと発電機の組合せ、または排気による過給機に電動機或いは電動発電機が組み合わされた電動手段付き過給機と、排気マニホールドと、前記排気マニホールドより前記排気タービンへ向けて排気を導く排気管とを含む内燃機関の排気構造に係る。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の排気によりタービンロータを駆動し、該タービンロータにより発電機を駆動して排気が有するエネルギの一部を更に電気エネルギとして回収すること、或いは排気タービンにより圧縮機インペラを駆動して内燃機関の吸気を圧縮し、内燃機関の出力をその静的排気量に比して増大させる過給は、古くから知られている。また過給を行う排気タービンと吸気圧縮機の組合せに電動機または電動発電機を組み込み、過給機ロータの排気タービンによる駆動を電動により補助することができるようにすることも知られている。かかる電動手段付き過給機は、機関冷温始動時の如く、排気温度が低く、タービンロータにより得られる動力が小さいため排気のみによっては低い過給度しか得られないときにも電動により過給度を高め、内燃機関の冷温始動性を高めることができる。電動手段付き過給機の例は特開昭６４‐４５９２２、特開平６‐２８０７２３等に示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
排気タービンにより駆動される発電機や過給機に組み込まれた電動機或いは発電機の如き電動手段は、その回転子の主要部が永久磁石により構成されている。その場合、回転子がタービンロータに隣接して配置されていると、回転子はタービンロータの温度上昇に伴って軸を通る熱伝導によりタービンロータ側からかなりの熱を受ける。
【０００４】
それでも発電機、電動機或いは電動発電機が回転している間はその回転子の周りに空気流が発生していることにより回転子は冷却効果を受け、その温度上昇はある程度以下に保たれる。しかし機関が停止したとき、特に高負荷運転状態から停止したときには、それと共に回転を停止した回転子はその周りに空気の流れがなくなった状態で尚引き続きタービンロータ側より軸を経て伝わってくる熱により加熱されるので、その温度は更に上昇し、そこに組み込まれた永久磁石の消磁を招く恐れがある。
【０００５】
本発明は、内燃機関の排気タービンにて駆動される発電機や電動手段付き過給機に於ける上記の問題に鑑み、かかる問題に予め対処した内燃機関の排気構造を提供することを課題としている。尚、本発明は、上記の課題を解決する手段により新たに得られる構成を機関冷温始動時の暖機促進に有効に利用することも追加の課題としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するものとして、本発明は、排気マニホールドと、排気タービンと、前記排気マニホールドより前記排気タービンへ向けて排気を導く排気管とを含み、前記排気タービンに発電機、電動機または電動発電機のいずれかが連結されている内燃機関の排気構造にして、前記排気タービンのハウジングと前記排気管と前記排気マニホールドの少なくとも一部が二重壁を有する構造に作られ、該二重壁間の空間に選択された時期にのみ冷却媒体を供給する冷却媒体供給手段を有することを特徴とする内燃機関の排気構造を提供するものである。
【０００７】
上記の如き内燃機関の排気構造に於いて、前記冷却媒体の供給は機関停止に伴って開始されることとされてよい。
【０００８】
また、上記の如き内燃機関の排気構造に於いて、前記二重壁間の空間は冷却媒体が供給されていないときには大気に開放されるようになっていてよい。
【０００９】
更にまた、上記の如き内燃機関の排気構造に於いて、前記時期の選択条件の一つは、前記発電機、電動機または電動発電機の回転子の温度が所定のしきい値以上であること、前記排気タービンのロータの温度が所定のしきい値以上であること、前記排気タービンのハウジングの温度が所定のしきい値以上であること、或は機関排気の温度が所定のしきい値以上であることとされてよい。
【００１０】
また、上記いずれの場合にも、前記冷却媒体の供給は前記選択条件とされた温度が前記しきい値より所定の温度差だけ低下するまで行なわれてよい。
【００１１】
或いはまた、上記いずれの場合にも、前記冷却媒体の供給はそれが開始されたときの前記選択条件とされた温度の高さに対応してそれが高いほど長くなるよう定められた所定時間だけ行なわれてもよい。
【００１２】
更にまた、上記の如き内燃機関の排気構造は、前記選択された時期を内燃機関の冷温始動時とし、前記冷却媒体を機関の暖機を促進する温度にて供給する手段を備えていてもよく、またこの場合、前記冷却媒体を機関の暖機を促進する温度にて供給する手段は機関停止時に冷却作動を行なうことにより加熱された該冷却媒体を保温貯蔵する手段を含んでいてよい。
【００１３】
【発明の作用及び効果】
内燃機関の排気系に排気タービンが発電機、電動機または電動発電機と共に組み込まれることにより、これらの電気装置がタービン側より熱を受け、永久磁石を組み込んだその回転子が加熱により磁性を失う恐れがあるとき、上記の如く排気構造がタービンハウジングと排気管と排気マニホールドの少なくとも一部にて二重壁を有する構造に作られ、該二重壁間の空間に選択された時期にのみ冷却媒体を供給する冷却媒体供給手段が設けられていれば、回転子が過熱状態になる恐れがある時期にのみ二重壁構造部に冷却媒体を供給するようにしておくことにより、タービンを不必要に冷却することによってタービンの作動効率を下げるような不都合を来すことなく、電気装置の回転子が過熱により磁性を失う障害を回避することができる。
【００１４】
排気タービンと発電機、電動機または電動発電機の如き電気装置との組合せを含む内燃機関の排気構造に於いて、電気装置の回転子の永久磁石に消磁が生ずるような回転子の過熱が生ずる恐れのあるのは、電気装置の作動中ではなく、その作動が停止された直後であるので、二重壁間の空間に冷却媒体を供給するのは、機関停止に伴って開始されるようにしておけば、不必要にタービンの冷却が行われることを回避することができる。また、二重壁間の空間は冷却媒体が供給されていないときは大気に開放されるようになっていれば、機関の運転中、該空間を通る自然の通気により過給機に適度の冷却効果を与えることができる。
【００１５】
前記時期の選択条件の一つが電気装置の回転子の温度が所定のしきい値以上であること、タービンロータの温度が所定のしきい値以上であること、タービンハウジングの温度が所定のしきい値以上であること、或は機関排気の温度が所定のしきい値以上であることとされれば、タービンを不要に冷却することによりその効率を下げる結果を招くことなく、電気装置の回転子を過熱より保護するという本発明の目的を的確に達成することができる。
【００１６】
或いはまた、冷却媒体の供給が供給開始時の選択条件とされた温度の高さに対応してそれが高いほど長くなるよう定められた所定時間だけ行われようになっていれば、機関停止時のタービン部の温度状態に応じてそれに適合した時間だけ冷却作業を行わせることができる。
【００１７】
更にまた、上記の如き内燃機関の排気構造は、内燃機関の冷温始動時に冷却媒体を機関の暖機を促進する温度にて供給する手段が追加されることにより、機関冷温始動時に暖機を促進する手段としても利用できる。この場合、冷却媒体を機関の暖機を促進する温度にて供給する手段が機関停止時に冷却作動を行なうことにより加熱された該冷却媒体を保温貯蔵する手段を含んでいれば、機関停止時の冷却に於いて吸収した熱を次の機関冷温始動時の暖機促進に利用することができ、機関の熱効率を更に向上させることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
添付の図１は本発明による内燃機関の排気構造をそこに電動機または電動発電機を備えた過給機を組み込んだ一つの実施例として示す幾分解図的断面図である。図に於いて、１０は図には示されていない内燃機関のシリンダより矢印の方向に排気を受ける排気マニホールドである。このマニホールドにて受けられ集められた排気は、排気管１２により過給機１４のタービン部の蝸牛状入口室１６へ導かれ、タービンロータ１８に吹きつけられ、これに回転力を付勢した後、タービン排気口２０よりタービン排気管２２を経て排出される。
【００１９】
タービンロータ１８は軸２４の一端に担持されている。軸２４は過給機ハウジング２６より一対の軸受２８および３０により回転式に軸受されており、他端にて圧縮機インペラ３２を担持している。圧縮機インペラ３２の周りには過給機１４の圧縮機部の蝸牛状出口室３４が形成されており、圧縮機吸入口３６より吸入した空気を回転する圧縮機インペラ３２により遠心付勢して蝸牛状出口室３４へ送り込むことにより空気を圧縮する作用を行うようになっている。
【００２０】
軸２４は、その両端間の中央部にて、これを電動的に駆動する電動手段の回転部を構成する回転子３８を担持している。回転子３８はその主要部が永久磁石により構成されている。回転子３８の周りにはこれを電磁的に駆動する回転磁界を生成する主として巻線よりなる固定子４０が設けられている。
【００２１】
尚、排気タービンにより発電機を駆動する構造の場合は、図１に示す構造より圧縮機を構成する部分を除去し、回転子３８と固定子４０よりなる電気装置が発電機であると考えられればよいので、かかる実施例について別途図示して説明することは明細書の冗長化を避けるため省略する。
【００２２】
上記の如き内燃機関の排気構造に於いて、更に本発明の図示の実施例では、排気マニホールド１０と、排気管中１２と、過給機のタービン部とは、その周壁が外壁４２、４４、４６、４８を付加されることにより二重壁構造に構成されており、これら二重壁構造により形成された二重壁間の空間には、図には示されていない冷却水供給源より管路５０を経て供給された冷却水が制御弁５２および５４を経て選択的に供給されるようになっている。
【００２３】
図示の実施例に於いては、制御弁５４が冷却水を矢印ａの方向に供給するよう切り換えられたときには、冷却水は排気マニホールド１０と排気管１２とタービン部を冷却した後、排出管路５６を経て排出され、また制御弁５４が冷却水を矢印ｂの方向に供給するよう切り換えられたときには、冷却水は主としてタービン部を冷却した後、排出管路５８および６０を経て排出されるようになっている。また、これらの二重壁間空間内へ供給された冷却水は、制御弁５２が閉じられ、制御弁５４が空気抜きポート６２へ開放されたとき二重壁間空間外へ排出されるようになっている。
【００２４】
以上は排気マニホールドから過給機のタービン部に至る部分であって排気により加熱される部分を管路５０を経て供給される冷却水により冷却する場合であるが、かかる冷却媒体のための冷却通路構造が設けられていれば、機関の冷温始動時には、これを利用して冷却通路に温かい冷却媒体を供給することにより、機関の暖機を促進することができる。更にこの場合、機関停止時に上記の冷却作用を行うことにより暖まった冷却水を保温して貯蔵する手段が設けられれば、こうした暖められた冷却水を次の機関冷温始動時に機関暖機促進用の熱源として利用することができる。
【００２５】
また、図１の実施例の幾分解図的断面表示からも理解される通り、タービンハウジングと排気マニホールドとその間を連結する排気管のそれぞれの壁を二重壁構造とすることについては、排気マニホールド或いはそれと排気管の部分がタービンハウジングの部分に比して加工上より容易である。従って、発明の実施に当たっては、二重壁構造とされるのは、排気マニホールドの部分または排気管の部分或いはこれら両者のみとされてもよいものである。尚、請求項１等に記載の、タービンハウジングと排気管と排気マニホールドの少なくとも一部を二重壁構造にするとは、タービンハウジングと排気管と排気マニホールドの何れか一つを二重壁構造にするとの意味ではなく、タービンハウジングのみの一部、排気管のみの一部、或いは排気マニホールドのみの一部を二重壁にすることも含むものである。
【００２６】
また、冷却媒体としては内燃機関の冷却水が用いられてよいが、内燃機関冷却水とは別の冷却水が用いられてもよく、また冷却媒体としては空気が用いられてもよい。冷却媒体として空気を用いる場合、空気は自然循環とされても或いは適当なファンにより強制循環とされてもよい。
【００２７】
図２は以上の如き内燃機関の排気構造の作動を制御する要領の一例を示すフローチャートである。
【００２８】
このフローチャートによる制御は内燃機関の始動と同時に開始される。制御が開始されると、まずステップ１０にてフラグＦが１であるか否かが判断される。この種のフラグは制御の開始時に０にリセットされるものであり、この場合フラグＦはステップ５０にて１にセットされるようになっているので、制御がステップ５０を通過するまでは０である。従って、それまでステップ１０の答はノーであり、制御はステップ２０へ進み、監視対象温度Ｔｃがしきい値Ｔｃｏ以上であるか否かが判断される。監視対象温度Ｔｃは、上に実施例として挙げたとおり、電動手段の回転子３８の温度、タービンロータ１８の温度、タービンハウジング、即ち過給機ハウジング２６のうちのタービンの部分にあたる適当な箇所の温度、あるいは排気マニホールド１０へ流入する排気の温度の何れかとされてよい。しきい値Ｔｃｏは、監視対象温度の選択に応じて、電動手段の回転子３８の温度の許容限界温度を反映するそれら監視対象温度に於ける限界値されてよい。
【００２９】
また、この実施例に於いては、監視対象温度は一種類とされているが、かかる温度監視ステップを２段或いは３段とすることにより複数の監視対象温度について各々がしきい値を越えるか否かの判断を行い、それらを直列に重ね合わせて判断を行うような制御とされてもよい。
【００３０】
ステップ２０の答がノーである間、制御はステップ１０の前に戻る。しかしステップ２０の答がイエスに転ずると、制御はステップ３０　へ進み、機関が停止されたか否かが判断される。答がノーであれば、制御はやはりステップ１０の前に戻る。これは、監視対象温度が上記のしきい値以上になっても、機関が運転され、過給機ロータが回転中であれば、タービンロータは常に排気中に曝されており、排気流により熱を持ち去られる状態にあるので、タービンロータからの熱伝導により電動手段の回転子３８が異常に加熱される恐れはないからである。
【００３１】
監視対象温度がしきい値以上である状態で機関が停止されることにより、ステップ３０の答がイエスになると、制御はステップ４０へ進み、制御弁５０および５２が切り換えられると同時に、図には示されていない冷却水の源となるポンプが作動され、二重壁構造の空間に冷却水を流してタービンロータ或いは過給機ハウジングのタービン部より回転子３８へ向けて加熱作用が及ぼされることを阻止する冷却作動が開始される。このとき制御はステップ５０へ進み、フラグＦが１にセットされる。そして制御はステップ１０の前に戻る。
【００３２】
これよりステップ１０の答えはイエスとなるので、制御はステップ６０へ進み、上記の監視対象温度Ｔｃが上記のしきい値Ｔｃｏより或る適当な所定の温度差ΔＴｃだけ低い温度以下に下がったか否かが判断される。答がノーである間、制御はステップ１０の前に戻り、これより再度ステップ６０に至る制御の流れが繰り返され、その間冷却水による過給機のタービン部の冷却が行われる。
【００３３】
こうして冷却が続けられると、やがてステップ６０の答はイエスとなるので、それより制御はステップ７０へ進み、冷却水源のポンプは停止され、制御弁５２は再び閉じられて冷却作動は停止され、制御弁５４が開かれて二重壁構造の空間は大気へ開放され、空間内にあった水は重力で排出される。
【００３４】
尚、特に別途に図示はしないが、ステップ６０に代えて、制御がステップ３０をイエスの側に通過した時点に於ける監視対象温度Ｔｃの値に応じてそれが高いほど長くされるような所定時間が定められ、ステップ６０の位置に於いてはそのような所定時間が経過したか否かが判断され、その答がイエスとなったとき冷却作動が停止されるようになっていてもよい。
【００３５】
また、排気マニホールドから過給機のタービン部にかけて設けられた二重壁構造を機関冷温始動時の暖機促進に利用するときには、機関の始動と同時に開始した温かい冷却水の供給を停止する時期は、そのとき得られる冷却水の温度と機関の暖機度との対比によって定められてよく、或いは保温貯蔵された冷却水の温度に基づいて定められた時間の経過後とされてよい。
【００３６】
以上に於いては本発明を一つの実施例について詳細に説明したが、かかる実施例について本発明の範囲内にて種々の修正が可能であることは当業者にとって明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による内燃機関の排気構造の一つの実施例を示す幾分解図的断面図。
【図２】図１に示す如き内燃機関の排気構造に於ける冷却を制御する要領の一例を示すフローチャート。
【符号の説明】
１０…排気マニホールド
１２…排気管
１４…過給機
１６…タービン部の蝸牛状入口室
１８…タービンロータ
２０…タービン排気口
２２…排気管
２４…軸
２６…過給機ハウジング
２８、３０…軸受
３２…圧縮機インペラ
３４…蝸牛状出口室
３６…圧縮機吸入口
３８…電動手段の回転子
４０…電動手段の固定子
４２、４４、４６、４８…外壁
５０…管路
５２、５４…制御弁
５６、８５、６０…排出管路
６２…空気抜きポート
【図１】
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【図２】
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