(57)【要約】【課題】排気エネルギによって過給動作を行うターボチャージャを備えた、過給内燃機関システムにおいて、気体燃料による運転中における過給効果を従来よりも良好に向上させること。【解決手段】本発明の過給内燃機関システム（１０）は、内燃機関（１１）と、ターボチャージャ（１４）と、気体燃料噴射弁（１６８）と、を備えている。気体燃料噴射弁は、ターボチャージャのコンプレッサホイール（１４２）に向けて気体燃料を噴射するように、吸気通路（１２１，１２２）に設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に気筒（１１２）を有し、当該気筒内に導入される吸入空気が通流する吸気通路（１２１，１２２）及び当該気筒から排出される排気が通流する排気通路（１３１，１３２）に接続された、内燃機関（１１）と、
前記排気通路を通流する排気のエネルギによって回転駆動されるように前記排気通路に設けられたタービンホイール（１４１）と、当該タービンホイールの回転に伴って回転駆動されるように当該タービンホイールと連結されているとともに回転駆動されることで吸入空気を加圧するように前記吸気通路に設けられたコンプレッサホイール（１４２）と、を備えた、ターボチャージャ（１４）と、
前記コンプレッサホイールに向けて気体燃料を噴射するように、前記吸気通路に設けられた、気体燃料噴射弁（１６８）と、
を備えたことを特徴とする、過給内燃機関システム（１０）。
【請求項２】
請求項１に記載の過給内燃機関システムにおいて、
前記吸気通路内又は前記内燃機関内にて液体燃料を噴射することで、前記気筒内に前記液体燃料を供給するように設けられた、液体燃料噴射弁（１５）をさらに備えたことを特徴とする、過給内燃機関システム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の過給内燃機関システムであって、
前記気体燃料噴射弁は、前記コンプレッサホイールに向かって流入する吸入空気の流れに沿って前記気体燃料を噴射するように設けられたことを特徴とする、過給内燃機関システム。
【請求項４】
請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載の過給内燃機関システムであって、
前記気体燃料噴射弁における前記気体燃料を噴射する先端部（１６８ａ）と前記コンプレッサホイールとの、前記気体燃料が噴射される方向における最短距離が、５０ｍｍ以下となるように、前記気体燃料噴射弁が設けられたことを特徴とする、過給内燃機関システム。
【請求項５】
請求項１〜４のうちのいずれか１項に記載の過給内燃機関システムにおいて、
前記気体燃料噴射弁によって噴射される前の前記気体燃料を、前記内燃機関の運転によって発生した熱によって加熱するように設けられた、気体燃料加熱部（１６７）をさらに備えたことを特徴とする、過給内燃機関システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気エネルギによって過給動作を行うターボチャージャを備えた、過給内燃機関システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、排気中の有害成分を低減する等の観点から、内燃機関用燃料として、圧縮天然ガス（Compressed  Natural  Gas：以下「ＣＮＧ」と略称する）等の気体燃料が注目されている。そこで、この種のシステムとして、気体燃料を利用可能なものが従来種々提案されている（例えば、特開２００６−３２９１６５号公報等参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−３２９１６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、ガソリン等の液体燃料と比較すると、ＣＮＧ等の気体燃料においては、燃焼温度が低く、このため排気エネルギもまた低くなる。よって、従来のこの種のシステムにおいては、気体燃料による運転中には、過給効果が低かった。本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の過給内燃機関システムは、内燃機関と、ターボチャージャと、を備えている。前記内燃機関は、内部に気筒を有している。この内燃機関には、前記気筒内に導入される吸入空気が通流する吸気通路が接続されているとともに、前記気筒から排出される排気が通流する排気通路が接続されている。前記ターボチャージャは、タービンホイールと、コンプレッサホイールと、を備えている。前記タービンホイールは、前記排気通路を通流する排気のエネルギによって回転駆動されるように、前記排気通路に設けられている。前記コンプレッサホイールは、前記タービンホイールの回転に伴って回転駆動されるように、当該タービンホイールと連結されている。また、前記コンプレッサホイールは、前記タービンホイールの回転に伴って回転駆動されることで吸入空気を加圧するように、前記吸気通路に設けられている。
【０００６】
本発明の特徴は、前記過給内燃機関システムが、前記コンプレッサホイールに向けて気体燃料を噴射するように前記吸気通路に設けられた、気体燃料噴射弁を備えたことにある。具体的には、この気体燃料噴射弁は、噴射された前記気体燃料の噴流が前記コンプレッサホイールに衝突するように設けられている。なお、本明細書において、気体燃料とは、常温常圧にて気体状態の燃料をいう（ＣＮＧ、液化天然ガス、液化石油ガス、水素、等。）。一方、常温常圧にて液体状態の燃料は、液体燃料という（ガソリン、軽油、ジメチルエーテル、アルコール、等。）。
【発明の効果】
【０００７】
かかる構成を有する、本発明の過給内燃機関システムにおいては、前記気体燃料が前記コンプレッサホイールに向けて噴射される。これにより、吸入空気中への前記気体燃料の供給が行われると同時に、前記コンプレッサホイールの回転がアシストされる。したがって、本発明によれば、前記気体燃料による運転中における過給効果を従来よりも良好に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態に係る過給内燃機関システムの概略構成図。
【図２】図１におけるコンプレッサホイール近傍の拡大図。
【図３】図１に示されたコンプレッサホイールと気体燃料噴射弁との距離についての説明のためのグラフ。
【図４】図２に示されたコンプレッサホイール近傍の構成の一変形例を示す図。
【図５】図１に示された過給内燃機関システムの一変形例を示す概略構成図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明を具体化した一実施形態を、図面を参照しつつ説明する。なお、変形例は、当該実施形態の説明中に挿入されると首尾一貫した一実施形態の説明の理解が妨げられるので、末尾にまとめて記載されている。
【００１０】
＜実施形態の装置構成＞
図１を参照すると、本実施形態に係る過給内燃機関システム１０は、内燃機関１１と、吸気系統１２と、排気系統１３と、ターボチャージャ１４と、液体燃料噴射弁１５と、気体燃料供給部１６と、を備えている。本実施形態においては、過給内燃機関システム１０は、液体燃料としてのガソリンと、気体燃料としてのＣＮＧとを利用可能に構成されている。すなわち、本実施形態の過給内燃機関システム１０は、いわゆる「バイフューエル」エンジンシステムとして構築されている。
【００１１】
内燃機関１１の本体部分を構成するエンジンブロック１１１の内部には、気筒１１２が設けられている。気筒１１２内には、ピストン１１３が、気筒１１２の中心軸線に沿って（すなわち図１における上下方向に）往復移動可能に収容されている。また、エンジンブロック１１１の内部であって、気筒１１２の周囲には、冷却水の通路であるウォータージャケット１１４が形成されている。
【００１２】
エンジンブロック１１１には、吸気ポート１１５及び排気ポート１１６が形成されている。吸気ポート１１５には、吸気系統１２が接続されている。排気ポート１１６には、排気系統１３が接続されている。また、エンジンブロック１１１には、吸気ポート１１５を開閉する吸気弁１１７と、排気ポート１１６を開閉する排気弁１１８とが設けられている。
【００１３】
以下、吸気系統１２の構成について説明する。吸気管１２１は、吸気ポート１１５を介して気筒１１２に吸入空気を供給するように、吸気マニホールド１２２を介して内燃機関１１に接続されている。すなわち、吸気管１２１及び吸気マニホールド１２２によって、気筒１１２内に導入される吸入空気が通流する本発明の「吸気通路」が構成されている。吸気管１２１の吸気通流方向における下流側の位置には、気筒１１２内に導入される吸入空気量を調整するためのスロットル弁１２３が装着されている。吸気管１２１における、ターボチャージャ１４とスロットル弁１２３との間の位置には、ターボチャージャ１４によって過給された吸入空気を冷却するためのインタークーラ１２４が装着されている。また、吸気マニホールド１２２には、液体燃料噴射弁１５が装着されている。液体燃料噴射弁１５は、その先端の燃料噴射口が吸気マニホールド１２２内に露出することで、吸気ポート１１５に向けて液体燃料を噴射するように設けられている。
【００１４】
以下、排気系統１３の構成について説明する。排気管１３１の、排気通流方向における上流側の端部は、排気マニホールド１３２を介して排気ポート１１６に接続されている。すなわち、排気管１３１及び排気マニホールド１３２によって、気筒１１２から排出される排気が通流する本発明の「排気通路」が構成されている。
【００１５】
以下、ターボチャージャ１４の構成について説明する。ターボチャージャ１４は、排気管１３１を通流する排気のエネルギによって、吸気管１２１を通流する吸入空気を加圧するように構成されている。具体的には、ターボチャージャ１４は、タービンホイール１４１と、コンプレッサホイール１４２と、を備えている。タービンホイール１４１は、排気管１３１を通流する排気のエネルギによって回転駆動されるように、排気管１３１側に設けられている。コンプレッサホイール１４２は、タービンホイール１４１の回転に伴って回転駆動されるように、連結シャフト１４３を介してタービンホイール１４１と連結されている。また、コンプレッサホイール１４２は、タービンホイール１４１の回転に伴って回転駆動されることで吸入空気を加圧するように、吸気管１２１側に設けられている。
【００１６】
以下、気体燃料供給部１６の構成について説明する。気体燃料タンク１６１には、気体燃料としてのＣＮＧが、圧縮状態（例えば約２０ＭＰａ）で貯留されている。気体燃料タンク１６１と第一気体燃料配管１６２との接続部には、第一開閉弁１６３が装着されている。気体燃料の通流方向における下流側の、第一気体燃料配管１６２の端部は、レギュレータ１６４に接続されている。第一気体燃料配管１６２とレギュレータ１６４との接続部には、第二開閉弁１６５が装着されている。レギュレータ１６４は、気体燃料タンク１６１から供給された高圧の気体燃料を、所定圧力（例えば０．４ＭＰａ）まで減圧して、第二気体燃料配管１６６に供給するようになっている。第一開閉弁１６３及び第二開閉弁１６５は、気体燃料タンク１６１からレギュレータ１６４への気体燃料の供給状態を調整可能に設けられている。
【００１７】
気体燃料の通流方向における上流側の、第二気体燃料配管１６６の端部は、レギュレータ１６４に接続されている。第二気体燃料配管１６６には、気体燃料加熱部１６７が設けられている。気体燃料加熱部１６７は、レギュレータ１６４から気体燃料噴射弁１６８に向けて供給される気体燃料を、内燃機関１１の運転によって発生した廃熱によって加熱するように構成されている。具体的には、気体燃料加熱部１６７は、気体燃料と冷却水あるいは排気との熱交換を行うように、ウォータージャケット１１４と接続された冷却水流路、あるいは、排気管１３１等の排気系統１３に装着されている。
【００１８】
気体燃料噴射弁１６８は、コンプレッサホイール１４２に向けて気体燃料を噴射することで、噴射された気体燃料の噴流のエネルギによってコンプレッサホイール１４２の回転がアシストされるように、吸気管１２１の吸気通流方向におけるコンプレッサホイール１４２よりも上流側に装着されている。すなわち、気体燃料噴射弁１６８は、噴射した気体燃料の噴流が充分な貫徹力を有するうちにコンプレッサホイール１４２に衝突するように設けられている。
【００１９】
具体的には、図２を参照すると、気体燃料噴射弁１６８は、コンプレッサホイール１４２に向かって流入する吸入空気の流れ（図中白抜きの矢印参照）に沿って気体燃料を噴射するように設けられている（噴射された気体燃料の噴流の様子は黒塗り矢印で示されている）。また、気体燃料噴射弁１６８は、当該気体燃料噴射弁１６８における気体燃料を噴射する先端部１６８ａとコンプレッサホイール１４２との、気体燃料が噴射される方向（図中一点鎖線参照）における最短距離Ｄが、５０ｍｍ以下となるように設けられている。
【００２０】
＜動作説明＞
以下、上述の構成を有する本実施形態の過給内燃機関システム１０の動作について、その作用・効果とともに、図面を適宜参照しつつ説明する。
【００２１】
本実施形態の過給内燃機関システム１０においては、運転状態に応じて、気筒１１２に対する燃料供給モードが、液体燃料を供給する液体燃料供給モード、及び気体燃料を供給する気体燃料供給モード、の中から選択（決定）されるとともに、状況に応じて両者の間の切り替えが行われる。
【００２２】
ここで、気体燃料供給モードにおいては、液体燃料供給モードに比べて、排気エネルギが低くなる。このため、ターボチャージャ１４を排気エネルギのみで駆動したのでは、気体燃料供給モードにおいては、過給圧が充分には上がらず、過給効果（過給による出力向上効果）が充分には得られない、という懸念が生じる。
【００２３】
この点、本実施形態の構成においては、気体燃料噴射弁１６８がコンプレッサホイール１４２に向けて気体燃料を噴射することで、噴射された気体燃料の噴流のエネルギによってコンプレッサホイール１４２の回転がアシストされる。これにより、気体燃料供給モードにおいても、過給効果が良好に得られるようになる。なお、本発明者は、気体燃料噴射弁１６８がターボチャージャ１４よりも吸気通流方向における下流側の吸気管１２１に装着されている場合に比べて、本実施形態の構成によれば、充填効率が最大５％向上するとともに軸トルクが最大５％向上するという効果が得られたことを、実験により確認済みである。
【００２４】
ところで、空気噴射による過給アシストの例（実開昭６１−１８６７４２号公報や特開２００８−２８６０９３号公報等参照）が従来知られている。しかしながら、かかる従来例においては、アシスト用の空気を蓄圧器に所定量蓄積するために所定時間を要していた。このため、かかる従来例においては、蓄圧器内のアシスト用の空気の量に不足が生じることで、必要な時期に過給アシストを行うことができず過給効果も得られなくなる場合が生じる、という問題があった。これに対し、本実施形態の構成においては、内燃機関１１の運転（気筒１１２内での燃焼行程）のために用いられるものであって気体燃料タンク１６１に多量に貯留されている気体燃料を用いて、過給アシストが行われる。したがって、本実施形態によれば、必要な時期に過給アシストを良好に行うことができる。すなわち、良好なレスポンスで過給アシストを行うことができる。
【００２５】
また、本実施形態においては、気体燃料噴射弁１６８によって噴射された気体燃料の噴流が、充分な貫徹力（エネルギ）を有するうちに、コンプレッサホイール１４２に衝突する。具体的には、本実施形態においては、図２に示されているように、コンプレッサホイール１４２に向かって流入する吸入空気の流れに沿って、気体燃料が噴射されている。また、気体燃料噴射弁１６８の先端部１６８ａとコンプレッサホイール１４２との、気体燃料が噴射される方向における最短距離Ｄが、５０ｍｍ以下に設定されている。したがって、噴射された気体燃料の噴流のエネルギによる、コンプレッサホイール１４２の回転アシストが、極めて良好に行われる。
【００２６】
図３は、ある条件下で燃圧（気体燃料噴射弁１６８に供給された気体燃料の圧力）を変化させたときの、有効貫徹距離（気体燃料の噴流の貫徹力が減衰を開始する位置と噴孔との間の距離）の変化を示すグラフである。なお、この図３に示されているグラフを得るための実験は、以下のようにして行ったものである：市販の気体燃料用インジェクタと、気体燃料としての都市ガス１３Ａとを用い、常温常圧の空気雰囲気（２８℃，０．１ＭＰａ，平均流速６．８ｍ／ｓ）下で、空気流（流束）の方向に対してガス噴流の方向が４５度の角度をなすようにガス噴射を行った。噴射されたガス噴流の流速が噴孔直後の位置における値の９０％となった位置と噴孔との間の距離を、有効貫徹距離として求めた。図中の菱形で示されたプロットが、実験点である。
【００２７】
図３に示されているように、燃圧をある一定値と仮定すると、図２における最短距離Ｄが、当該燃圧によって定まる所定値（図中の実線のグラフ上の点に相当する値）以下であれば、吸入空気の流れの影響によって貫徹力が大きく減衰されてしまう前に、気体燃料の噴流をコンプレッサホイール１４２に衝突させることができる。この点、本実施形態の構成においては、レギュレータ１６４が設けられているため、このように燃圧を一定に制御することは一応可能である。ここで、実験結果をもとに、燃圧対有効貫徹距離のグラフを、燃圧０の位置まで外挿すると、燃圧０における有効貫徹距離の値は概ね５０ｍｍとなる。なお、この傾向は、実験条件を変えても同様である。したがって、図２における最短距離Ｄを５０ｍｍ以下とすることで、仮に気体燃料供給モードによる運転が可能な範囲内で燃圧が変動しても、過給アシストのために充分な貫徹力を有する気体燃料の噴流を、コンプレッサホイール１４２に衝突させることができることになる。
【００２８】
さらに、本実施形態においては、気体燃料噴射弁１６８に向けて供給される気体燃料が、気体燃料加熱部１６７にて、内燃機関１１の運転によって生じる廃熱を有効利用することで加熱される。これにより、コンプレッサホイール１４２に向けて噴射される気体燃料の噴流速度が良好に向上し、以て過給アシスト効果がよりいっそう向上する。
【００２９】
＜変形例＞
以下、代表的な変形例について、幾つか例示する。以下の変形例の説明において、上述の実施形態にて説明されているものと同様の構成及び機能を有する部分に対しては、上述の実施形態と同様の符号が用いられ得るものとする。そして、かかる部分の説明については、技術的に矛盾しない範囲内において、上述の実施形態における説明が適宜援用され得るものとする。もっとも、言うまでもなく、変形例とて、以下に列挙されたものに限定されるものではない。また、上述の実施形態の一部、及び、複数の変形例の全部又は一部が、技術的に矛盾しない範囲内において、適宜、複合的に適用され得る。
【００３０】
液体燃料噴射弁１５は、設けられていなくてもよい。すなわち、本発明の適用対象は、いわゆる「バイフューエル」エンジンシステムに限定されない。また、気体燃料噴射弁１６８は、ターボチャージャ１４よりも吸気通流方向における下流側にも設けられていてもよい。
【００３１】
上述のように、最短距離Ｄが５０ｍｍ以上であっても、かかる最短距離Ｄの延長に応じて燃圧を上昇させることによって、良好な過給アシスト効果が得られる。したがって、最短距離Ｄは、燃圧によって定まる所定値（図３参照）以下であればよい。
【００３２】
過給アシストのための気体燃料噴射弁１６８の設置数は、図１や図２に示されているように１つでもよいし、図４に示されているように複数であってもよい。図４に示されているように、気体燃料噴射弁１６８が複数設けられることで、過給アシスト効果がよりいっそう向上するとともに、気体燃料供給モードでの、より精密な空燃比制御が可能になる。
【００３３】
本発明がいわゆる「バイフューエル」エンジンシステムである場合の適用対象は、図１に示されているような、いわゆる「ポート噴射」のガソリン機関に限定されない。すなわち、例えば、図５に示されているように、気筒１１２内に液体燃料を直接噴射可能な内燃機関１１（ディーゼル機関を含む）に対しても、本発明は良好に適用可能である。
【符号の説明】
【００３４】
１０…過給内燃機関システム、１１…内燃機関、１４…ターボチャージャ、１４１…タービンホイール、１４２…コンプレッサホイール。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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