(57)【要約】【課題】内燃機関の過給システムにおいて、内燃機関の急加速時（過給器未始動時）などで発生するポンピングロスを抑制するための内燃機関の過給システム及びその制御方法を提供する。【解決手段】エアークリーナ８から、過給器４、５、インタークーラ３、吸気マニホールド、吸気ポートを接続してなる第１の吸気ライン１０を備えた過給システムを有する内燃機関において、前記エアークリーナ８から、弁装置１２を介して、前記吸気マニホールド又は前記吸気ポートに接続してなる第２の吸気ライン１１を備えると共に、前記弁装置１２が、前記吸気ポートに負圧が発生したときは前記第２の吸気ライン１２を連通させ、前記過給器４、５により過給が行われ前記吸気ポートに正圧が発生したときは前記第２の吸気ライン１２を閉塞する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エアークリーナから、過給器、インタークーラ、吸気マニホールド、吸気ポートを接続してなる第１の吸気ラインを備えた過給システムを有する内燃機関において、
前記エアークリーナから、弁装置を介して、前記吸気マニホールド又は前記吸気ポートに接続してなる第２の吸気ラインを備えると共に、前記弁装置が、前記吸気ポートに負圧が発生したときは前記第２の吸気ラインを連通させ、前記過給器により過給が行われ前記吸気ポートに正圧が発生したときは前記第２の吸気ラインを閉塞する機能を有していることを特徴とする内燃機関の過給システム。
【請求項２】
前記弁装置が、スプリングと逆止弁を有しており、逆止弁の前後の圧力が予め定められた圧力の設定値の前後で、前記スプリングの力により自動的に前記逆止弁の開閉を行う構成であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の過給システム。
【請求項３】
前記弁装置が少なくとも内燃機関の吸気ポートに設置された圧力センサの値をもとに、前記第２の吸気ラインの開閉をモータ駆動バルブ又は電磁バルブで行う構成であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の過給システム。
【請求項４】
エアークリーナから、過給器、インタークーラ、吸気マニホールド、吸気ポートを接続してなる第１の吸気ラインと、前記エアークリーナから、弁装置を介して、前記吸気マニホールド又は前記吸気ポートに接続してなる第２の吸気ラインとを備えた過給システムを有する内燃機関の制御方法において、
前記弁装置が、前記吸気ポートに、予め定めた第１の閾値を下回る負圧が発生したときに開弁して第２の吸気ラインを導通させ、予め定めた第２の閾値を上回る正圧が発生したとき閉弁して第２の吸気ラインを閉塞させる制御を行うことを特徴とする内燃機関の過給システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の過給システムにおいて、過給器が未始動の時におけるポンピングロスを抑制する構造及び方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車エンジンの排ガス規制は年々厳しくなっており、そのエンジン評価方法も従来の定常試験モードから激しい発進や加速を繰り返す過渡試験モードへ変更されてきている。具体的な評価方法として、国内ではＪＥ０５モード、ヨーロッパではＥＴＣモードなどである。
【０００３】
排ガス規制には大きくＮＯｘ値とＰＭ（微粒子状物質）値があるが、これらは一方が減少すると他方が増加するというトレードオフの関係にあり両方を同時に低減させることは非常に難しい。この問題を解決する有効な手段の一つとして、高過給システムを用いて大量の空気をエンジンに供給し、更に高効率ＥＧＲシステムによりＮＯｘの低減させる方法がある。現在、ほとんどのディーゼルエンジンではこの高過給システムとしてターボチャージャチャージャ（過給器）を使用しているが、次世代の厳しい排ガス規制に対応するために更に高過給化を狙い、ターボチャージャの小型化や、また最新のディーゼルエンジンに見られる多段過給システム（２ステージターボや３ステージターボなど）の技術が導入されている。
【０００４】
また、エンジン急加速時に、吸気ラインに負圧が発生し、ポンピングロスが増加し、エンジンが十分な吸気ができずに大量のスモークが発生するなど、エンジンの排ガス性能に大きな影響がでる問題も有している。これは、吸気ライン上にあるターボチャージャやインタークーラが、吸気抵抗となり、ポンピングロスの原因となると考えられており、ターボチャージャ及びインタークーラをそれぞれバイパスする吸気ラインを設け、この吸気ラインによりターボチャージャ及びインタークーラにおける吸気抵抗を低減させ、ポンピングロスを低減させる過給器付エンジンの吸気制御装置の発明が提案されている（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
しかしながら、特に、前述の高過給システムにより低排ガス及び低燃費を追求していくとターボチャージャの小型化が進み、例えばターボコンプレッサー出口径をφ６５からφ４５の小型へ変更すると、過給器系の吸気配管などの有効面積が減少することになるため、従来以上に吸気抵抗が増加する。また、前述の多段過給システムを採用した場合には、さらに吸気抵抗が増加する。そのため、エンジンの急加速時やエンジン無負荷時のポンピングロス増加の原因となり、結果としてエンジン性能である燃費や排ガス特性を大きく悪化させることになる問題を有している。
【０００６】
図５にＪＥ０５モードでの試験時における、吸気ラインの吸気マニホールドの圧力変動の様子を示す。図５の左方では定常状態で内燃機関を運転しているため、吸気ラインの圧力は大気圧又は、過給器の働きによる加圧の雰囲気となっている。内燃機関の急加速時（矢印）には、過給器の始動が遅れるため、一度、吸気ラインの圧力が負圧になり、その後、過給器の働きにより加圧雰囲気に変化する。この部分で発生している負圧がポンピングロスとなる。
【０００７】
今日のディーゼルエンジンにおいて厳しい排ガス規制や燃費規制を改善するためには、ターボチャージャの小型化や多段過給システムが必須であり、当面このコンセプトでの方向性には変更は無いものと考えられることから、上記問題の速やかな解決が重要となる。
【特許文献１】特開２００３−３２２０３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関の過給システムにおいて、内燃機関の急加速時（過給器未始動時）などで発生するポンピングロスを抑制するための内燃機関の過給システム及びその制御方法を提供することにある。特に、過給器を小型化した場合、及び多段過給システムを採用した場合の内燃機関におけるポンピングロスを従来技術以上に抑制することができる内燃機関の過給器システム及びその制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するための本発明に係る内燃機関の過給システムは、エアークリーナから、過給器、インタークーラ、吸気マニホールド、吸気ポートを接続してなる第１の吸気ラインを備えた過給システムを有する内燃機関において、前記エアークリーナから、弁装置を介して、前記吸気マニホールド又は前記吸気ポートに接続してなる第２の吸気ラインを備えると共に、前記弁装置が、前記吸気ポートに負圧が発生したときは前記第２の吸気ラインを連通させ、前記過給器により過給が行われ前記吸気ポートに正圧が発生したときは前記第２の吸気ラインを閉塞する機能を有していることを特徴とする。
【００１０】
この構成により、第２の吸気ラインの上流側分岐点をエアークリーナ後として、下流側合流点を吸気マニホールド又は吸気ポートの部分とするため、スロットルバルブ、過給器（ターボチャージャチャージャ）、インタークーラにおける吸気抵抗を排除することができる。この第２の吸気ラインにより、例えば内燃機関の急加速時（ターボチャージャチャージャが立ち上がるまでの時間、即ち、過給器未始動時）に、内燃機関の吸気ライン側で発生する負圧を解消し、ポンピングロスを抑制することができる。
【００１１】
上記の内燃機関の吸気システムにおいて、前記弁装置が、スプリングと逆止弁を有しており、逆止弁の前後の圧力が予め定められた圧力の設定値の前後で、前記スプリングの力により自動的に前記逆止弁の開閉を行う構成であることを特徴とする。
【００１２】
この構成により、弁装置（インテークバイパスバルブ）が自動的に制御されるようになるため、確実にポンピングロスを抑制することができる。また、弁装置の開閉制御のための動力が不要となるため、動力供給の問題、レイアウトの問題等がなくなり、本発明をあらゆる内燃機関に容易に適用することができる。
【００１３】
上記の目的を達成するための本発明に係る内燃機関の過給システムは、前記弁装置が少なくとも内燃機関の吸気ポートに設置された圧力センサの値をもとに、前記第２の吸気ラインの開閉をモータ駆動バルブ又は電磁バルブで行う構成であることを特徴とする。この構成により、弁装置（インテークバイパスバルブ）の機構は複雑となるが、スプリングではできない複雑な制御を行うことができ、これにより内燃機関の吸気ライン側で発生する負圧を解消し、ポンピングロスを抑制することができる。
【００１４】
上記の目的を達成するための本発明に係る内燃機関の過給システムの制御方法は、エアークリーナから、過給器、インタークーラ、吸気マニホールド、吸気ポートを接続してなる第１の吸気ラインと、前記エアークリーナから、弁装置を介して、前記吸気マニホールド又は前記吸気ポートに接続してなる第２の吸気ラインとを備えた過給システムを有する内燃機関の制御方法において、前記弁装置が、前記吸気ポートに、予め定めた第１の閾値を下回る負圧が発生したときに開弁して第２の吸気ラインを導通させ、予め定めた第２の閾値を上回る正圧が発生したとき閉弁して第２の吸気ラインを閉塞させる制御を行うことを特徴とする。この構成により、それぞれの内燃機関や過給システム等の効率が向上する領域において、負圧の発生を効果的に解消することができ、ポンピングロスを抑制することができる。
【００１５】
また、前記過給システムを２段又は３段等の多段過給システムに適用することで、さらに大きな作用効果を得ることができる。つまり、ターボチャージャの数が増えるほど、吸気抵抗が大きくなるため、本発明によるポンピングロスの抑制の作用効果が大きくなる。さらに、容量の小さいターボチャージャチャージャであるほど、吸気抵抗が大きくなるため、本発明の作用効果が向上する。
【００１６】
加えて、第２の吸気ラインを吸気マニホールド又は吸気ポートから、弁装置（インテークバイパスバルブ）を介して第２のエアークリーナに連結することもできる。この構成により、第２の吸気ラインを短くすることができ、第２の吸気ラインで発生する吸気抵抗を低減することができる。そのため、内燃機関の吸気側に発生した負圧を効率的に解消することができるため、ポンピングロスを抑制することができる。また、第２の吸気ラインを短く形成するほかに、管径を太くしても同様の作用効果を得ることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る内燃機関の過給システムによれば、内燃機関の急加速時（過給器未始動時）に負圧の発生した内燃機関の吸気ポート又は吸気マニホールドに、エアークリーナから弁装置を介して直接的に外気を取り込むことで、内燃機関の吸気ポート又は吸気マニホールドに発生した負圧を解消し、ポンピングロスを抑制することが可能となる。
【００１８】
つまり、本発明は現状の内燃機関の吸気ライン上に別系統の吸気ラインを新たに増設し、内燃機関の加速時に発生するポンピングロスを抑制し、内燃機関燃費や排ガス性能の向上を可能とした発明である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関の過給システムについて、図面を参照しながら説明する。図１に、本発明に係る第１の実施の形態の内燃機関の過給システム１Ａの構成を示す。
【００２０】
この内燃機関の過給システム１Ａは、過給容量の小さい高圧段ターボチャージャチャージャ４と、容量の大きい低圧段ターボチャージャチャージャ５などの、エンジン（内燃機関）回転数及びエンジン負荷に応じて使用の異なる複数のターボチャージャチャージャを使用するエンジンの過給システムである。なお、本発明は、ターボチャージャ（過給器）の多段化及び小型化に伴う吸気抵抗増加に起因するポンピングロスを抑制するためのものであり、本発明の作用効果は、過給システムの段数を限定せず、ターボチャージャを有する（１段を含む）内燃機関の全てで得られるものである。
【００２１】
図１の２段過給システムは、エアークリーナ８を通過した吸入空気Ａが、スロットルバルブ９、低圧段ターボチャージャチャージャ５のコンプレッサー側、高圧段ターボチャージャチャージャ４のコンプレッサー側を通過して圧縮空気となり、インタークーラ３で冷却された後に、吸気マニホールド及び吸気ポート（図示しない）を経てエンジン（内燃機関）２の燃焼室に供給されるよう構成されている。このエアークリーナ８から吸気ポートに至る第１の吸気ライン１０を備えている。
【００２２】
また、排気ガスＧは高圧段ターボチャージャチャージャ４及び低圧段ターボチャージャチャージャ５のタービン側を通過し、排気されるよう構成されており、一部の排気ガスＧはＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ  Ｇａｓ  Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）システムのＥＧＲク
ーラ７及びＥＧＲバルブを介して燃焼室に戻されるよう構成されている。
【００２３】
本発明に係る内燃機関の過給システム１Ａは、前述の２段過給システムのエアークリーナ８から吸気ラインを分岐させ、さらに、インテークバイパスバルブ（弁装置）１２を介して、前記吸気マニホールド又は吸気ポートに連通する第２の吸気ライン１１を設けたことを特徴としている。
【００２４】
前記インテークバイパスバルブ１２は、例えば、左右のパイプ接続部の圧力差により自動的に片方向のみに開閉する逆止弁１４を備えて構成する。左右のパイプに圧力差が発生していないときは、スプリング（図示しない）により逆止弁１４は閉められており、エンジン急加速時に吸気ライン（第１の吸気ライン）１０に負圧が発生した場合、この負圧により逆止弁１４が開き、エンジン２はエアークリーナ８から不足している新規空気を導入する。その後、ターボチャージャ４、５が回りブーストが発生し吸気配管１０内に圧力が発生すると、その圧力により逆止弁１４は閉じられ、ターボチャージャ４、５より過給された空気Ａは通常のエンジン吸気ラインである第１の吸気ライン１０を通ってエンジンのシリンダ内へ導入される。
【００２５】
つまり、前記インテークバイパスバルブ１２は、エンジン側に負圧が発生した場合に開放される機能を有していればよく、このバルブ１２が開放されることで、外気がエアークリーナ８を介してエンジン２に直接的に吸気されるため、従来のスロットルバルブ９、ターボチャージャ４、５及びインタークーラ３による吸気抵抗を受けずに、負圧を解消させることができる。特に、第２の吸気ライン１１を、エンジン２の吸気バルブ（図示しない）に近い位置に連結することで、高い作用効果を得ることができる。即ち、吸気抵抗を低減させ、エンジン２の吸気ライン側に発生する負圧を解消する効果が高くなる。
【００２６】
図６に前述の過給システムを実施した場合（逆止弁作動による圧力損失改善ライン）と、従来の過給システムの場合（現状作動ライン）の吸気ラインで発生する圧力変動を示す。現状の第１の吸気ラインはエンジン加速時に負圧になりエンジンポンピングロス損失などによりエンジンの燃費及び排ガス性能を悪化させている（現状作動ライン）。但し、その後はエンジンに取り付けてあるターボチャージャが作動し、エンジンブースト圧力は正圧となる。
【００２７】
本発明は、この負圧により逆止弁を作動させ、前記第２の吸気ラインより空気を吸入することで負圧を低減する作用効果を有している(逆止弁作動による圧力損失改善ライン)。例えば、従来は第１の吸気ラインに−１３Ｐａの負圧が発生する場合、本発明を適用した場合は、負圧の発生は−１Ｐａ以下となり、ほとんど発生しない。またその後は、エンジンに取り付けたターボチャージャの作動により過給され、逆止弁は閉じて第２の吸気ラインは閉鎖され、従来と同様に第１の吸気ラインより過給されるよう構成されている。
【００２８】
図２に、前記インテークバイパスバルブ１２の実施例の１つであるインテークバイパスバルブ１２の断面図を示す。筐体１５内に逆止弁１４を備えており、図２の左方はエアークリーナ８側に連結され、図２の右方はエンジン２側に連結されるよう構成されている。前記逆止弁１４は通常時は、図２に示す様に通路を閉塞する位置にあり、逆止弁１４の左右で差圧が発生した場合には、破線で示すように、上部に跳ね上げられ通路を開放する。このときの差圧とは、エンジン２が急加速をした際に、ターボチャージャ４、５の始動が追いつかずにエンジン側（図２の右方）で発生する負圧と、エアークリーナ８に連通する側（図２の左方）の大気圧との差圧である。
【００２９】
上記の逆止弁１４はスプリング（図示しない）で通路を閉塞する位置に押し付けられており、このスプリングの発生する力を超える差圧が発生した際に、インテークバイパスバ
ルブ１２を開放するため、自動的に逆止弁１４の開閉が行われる。そのため、インテークバイパスバルブ１２を制御するための動力が不要となるため、特に、自動車のエンジンに適用する場合には、狭いエンジンルーム内のレイアウト等の制約を受ける可能性が低減され、既に運転されている自動車を改造して搭載することも容易となる。
【００３０】
図３に、本発明に係る第２の実施の形態の内燃機関の過給システム１Ｂを示しており、第２の吸気ライン１１のエンジン側の接続は変えずに、吸気側を新たな第２のエアークリーナ１７に連通させたことを特徴としている。この構成により、例えば自動車のエンジンに本発明を適用する場合、狭いエンジンルームのレイアウトの関係上、既存のエアークリーナ８と連結するための配管を設置できない等の問題を解決することができる。つまり、第２の吸気ライン１１を独立して設けることができるため、エンジンルーム内で他の機器に制限を受けることなく、自由度の高い配置が可能となる。さらに、第２のエアークリーナ１７を設けるため、従来のエアークリーナ８まで第２の吸気ライン１１の配管を伸ばす必要がないため、前記第２のエアークリーナ１７をエンジン２の近傍に配置し、管長の短い第２の吸気ライン１１とすることができるため、吸気抵抗が極めて少ない吸気ラインとすることができ、ポンピングロスの抑制の効果を向上させることができる。
【００３１】
図４に、本発明に係る第３の実施の形態である内燃機関の過給システム１Ｃを示しており、インテークバイパスバルブ１２Ｂの開閉をモータ又は電磁バルブ等で制御することを特徴としている。前記インテークバイパスバルブ１２Ｂは、例えば吸気マニホールドやスロットルバルブの下流等の各所に設置した圧力センサ１８の出力をエンジン制御装置であるＥＣＵ（Ｅｎｇｉｎｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）に送り、この計測値をもとに、ＥＣＵにより制御することができる。
【００３２】
この構成により、緻密なバルブ１２Ｂの開閉制御を行うことができる。例えば、予め定めた第１の閾値を下回る負圧が第１の吸気ライン１０に発生した場合に、インテークバイパスバルブ１２Ｂを開とし、予め定めた第２の閾値を上回る正圧が発生した場合に、バルブ１２Ｂを閉とする制御を行い、バルブ１２Ｂが開となる第１の吸気ライン１０内の圧力と閉となる圧力を異なる値とすることが可能であり、これにより、特にエンジンの急加速時のポンピングロスを効果的に抑制することができる。
【００３３】
ここで、第１の吸気ライン１０内の圧力とは、図４に示す各所の圧力センサ１８のいずれか１つ（例えばエンジン２とインタークーラ３の間に設置した圧力センサ）を基準として判断することもできるし、複数の圧力センサ１８の値にそれぞれ重み付けを行い、合算や平均したものを使用することもできる。重み付けは、例えば、ポンピングロスに影響の大きいエンジン２に近い圧力センサ１８を最大とし、上流のエアークリーナ８に向かって軽くしていくとよい。
【００３４】
エンジン２の排気量やターボチャージャ４、５の大きさにより数値は異なるが、例えば、第１の閾値としては−６．０〜−０．５ｋｐａ、第２の閾値を−０．５ｋｐａ〜０ｋｐａの範囲から選択し設定するなどが考えられる。この構成により、第１の吸気ライン１０に負圧が発生してからインテークバイパスバルブ１２Ｂが開となるタイミング、及びターボチャージャ（４、５）の始動を開始してからバルブ１２Ｂが閉となるタイミングを制御することができ、過給システム１Ｃにおけるエンジン２やターボチャージャ４、５の構成ごとに最適な閾値を設定することで、エンジンの燃費やエンジン排ガスの性能を向上させることができる。
【００３５】
なお、図４に示す様に、スロットルバルブ９による吸気抵抗は発生するが、第２の吸気ライン１１のエンジン側の接続は変えずに、吸気側をスロットルバルブ９と低圧段ターボチャージャチャージャ５の間の第１の吸気ライン１０に接続させてもよい。
【００３６】
以上より、前述した本発明の内燃機関の過給システムの複数の実施の形態において、吸気ラインの負圧発生を解消し、その際に発生していたエンジンポンピングロスを低減させたことで、エンジン燃費の改良ができ、また同じく、エンジン急加速時に十分な新規吸気量が確保できない問題も解決し、その際に大量に発生していたスモークを低減したことで、エンジン排ガス性能も大きく改善することができた。
【００３７】
従来のシステムでは、従来の排ガス基準等をクリアすることはできたが、ＪＥ０５モード試験のような急発進を繰り返す試験においては、本発明を適用する方が、大きな作用効果を得ることができる。
【００３８】
また、図１，３，４に示した２ステージターボチャージャは本発明を適用したシステムの一例であり、本発明はターボチャージャの数を限定したものではなく、過給器付内燃機関全般について作用効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明に係る第１の実施の形態の内燃機関及びその過給システムの構成を示す図である。
【図２】本発明に係る実施の形態の弁装置の断面を示す概略図である。
【図３】本発明に係る第２の実施の形態の内燃機関及びその過給システムの構成を示す図である。
【図４】本発明に係る第３の実施の形態の内燃機関及びその過給システムの構成を示す図である。
【図５】ＪＥ０５モード試験における吸気マニホールドの圧力変動の様子を示した図である。
【図６】本発明に係る実施の形態による圧力損失改善の状況を示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
１     過給システム
２     内燃機関（エンジン）
３     インタークーラ
４     高圧段ターボチャージャチャージャ
５     低圧段ターボチャージャチャージャ
８     エアークリーナ
９     スロットルバルブ
１０   第１の吸気ライン
１１   第２の吸気ライン
１２   弁装置（インテークバイパスバルブ）
１４   逆止弁
１７   第２のエアークリーナ
Ａ     吸入空気
Ｇ     排気ガス
【図１】
2010138759.tif 000003
【図２】
2010138759.tif 000004
【図３】
2010138759.tif 000005
【図４】
2010138759.tif 000006
【図５】
2010138759.tif 000007
【図６】
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