(57)【要約】【課題】気体や液体等の補助物質のタービン上流への供給による排気系通路側の圧力の上昇の影響が、気筒への吸気導入に及ぶのを回避できて、支障なく気筒内に吸気を導入することができる内燃機関を提供する。【解決手段】ターボ式過給器のタービンの回転を促進する補助物質をタービンの上流側に供給する際に、同一気筒にある排気バルブと吸気バルブとが同時に開く両弁開放期間中は、補助物質の供給を停止する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボ式過給システムと、該ターボ式過給システムのターボ式過給器のタービンよりも上流側に該タービンの回転を促進する補助物質を供給する過給補助システムとを備えた内燃機関において、
前記補助物質を前記タービンの上流側に供給する際に、同一気筒にある排気バルブと吸気バルブとを同時に開く両弁開放期間中に、前記補助物質の供給を停止することを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記過給補助システムからの前記両弁開放期間中の前記補助物質の供給を、カムの機械駆動により停止することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記カムが、前記排気バルブ若しくは前記吸気バルブを機械駆動するカムシャフトに設けられていることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記過給機補助システムによる前記タービンの上流側への補助物質の供給を、いずれかの気筒の前記排気バルブが閉弁されるときに開始し、当該気筒の前記排気バルブの開弁に続いて駆動される吸気バルブが開弁されるときに停止することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関。
【請求項５】
前記タービンの上流側への前記補助物質の供給と、該供給の際の前記両弁開放期間中の前記補助物質の供給停止と、を内燃機関の過渡運転時に実施することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターボ式過給システムと補助物質をタービン上流側に供給する過給補助システムを備えた内燃機関に関し、より詳細には、タービンに供給される補助物質による圧力上昇の影響が、気筒内部への吸気導入に及ぶのを回避できて、エンジン性能の悪化を防ぎつつ、ＮＯｘ、Ｓｏｏｔ、未燃炭化水素ガス等の増加を防ぐことができる内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
低速域から加速する場合の加速性能を改善する目的で、液体を過給機のタービンへ噴射し、過給機を増速することにより過給量を増大させて過給効率を増大させるエンジン過給装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】実開昭６１−５５１３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、排気バルブと吸気バルブとの両方が開弁し、気筒内部を介して、吸気通路が排気通路と連通する期間に、タービンの回転を促進する補助物質をタービン上流に供給すると、排気系通路側の圧力が上昇し、排気通路と比較して吸気通路側の圧力が低くなることから吸気通路側に補助物質が流れ込むという課題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を達成するための本発明の内燃機関は、ターボ式過給システムと、該ターボ式過給システムのターボ式過給器のタービンよりも上流側に該タービンの回転を促進する補助物質を供給する過給補助システムとを備えた内燃機関において、前記補助物質を前記タービンの上流側に供給する際に、同一気筒にある排気バルブと吸気バルブとを同時に開く両弁開放期間中に、前記補助物質の供給を停止するように構成される。
【０００６】
この構成によれば、タービンの回転を促進する補助物質を供給する過給補助システム（補助物質供給システム）でタービンの上流側へ補助物質を供給し、この補助物質の供給により、タービンの回転促進に伴うコンプレッサによる過給増加している場合において、排気バルブと吸気バルブの両方が開弁している両弁開放期間中に、補助物質の供給を停止させるので、吸気通路側の圧力よりも排気通路側の圧力が上昇してしまうのを回避することができ、支障なく気筒内部に吸気を導入することができる。
【０００７】
上記の内燃機関において、前記過給補助システムからの前記両弁開放期間中の前記補助物質の供給を、カムの機械駆動により停止するように構成すると、吸気バルブの開弁と排気バルブの閉弁のタイミングに迅速に対応して補助物質の停止と再開を行うことができ、内燃機関を搭載した車両の急加速時などのエンジン回転速度が急速に変化する条件で応答遅れが生じる電子制御と比較して、状況の検出と演算が必要な制御系による時間遅れと制御系からの制御を受けてから駆動する駆動系による時間遅れを回避することができる。
【０００８】
また、上記の内燃機関において、前記カムが、前記排気バルブ若しくは前記吸気バルブを機械駆動するカムシャフトに設けられた構成とすると、このカムシャフトに設けられたカムの動きで生じる駆動力で、タービンの上流側に補助物質を供給する噴射ノズル（噴射装置）における供給停止機構を駆動でき、直接駆動又は比較的簡単なリンク駆動により、確実に補助物質の停止のタイミングを排気バルブと吸気バルブのタイミングに同期させることができ、より的確に排気ガスの圧力上昇による吸気障害を回避できて、気筒内部に吸気を十分に導入することができる。
【０００９】
更に、上記の内燃機関において、前記過給補助システムによる前記タービンの上流側への補助物質の供給を、いずれかの気筒の前記排気バルブが閉弁されるときに開始し、当該気筒の前記排気バルブの開弁に続いて駆動される吸気バルブが開弁されるときに停止するように構成、つまり、内燃機関の全ての気筒において同一気筒の排気バルブと吸気バルブとが同時に開弁しているときを除いて補助物質を供給するように構成すると、気筒への吸気の導入を十分に確保しながら、タービンへ補助物質を供給できる期間を最も長くできるので、タービンの回転を効率よく促進することができる。
【００１０】
また、上記の内燃機関において、前記タービンの上流側への前記補助物質の供給と、該供給の際の前記両弁開放期間中の前記補助物質の供給停止と、を内燃機関の過渡運転時に実施するように構成すると、内燃機関の出力の急激な変化に対応した吸気量が必要な過渡運転時に吸気を十分かつ確実に気筒内部に導入できる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る内燃機関によれば、補助物質の供給による排気系通路側の圧力の上昇の影響が、吸気に及ぶのを回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態の内燃機関の構成を模式的に示す図である。
【図２】本発明の実施の形態の供給停止機構の構成を示す図であり、噴射ノズルの内部噴射通路を補状物質供給通路に連通させている状態を示す図である。
【図３】図２の供給停止機構で噴射ノズルの内部噴射通路を閉鎖している状態を示す図である。
【図４】クランク角度と、第１気筒における排気バルブと吸気バルブの開口有効面積の増減の関係と両弁開放期間を示す図である。
【図５】クランク角度と、第１気筒から第４気筒までの排気バルブと吸気バルブの開口有効面積の増減の関係と、両弁開放期間と供給期間を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関について、図面を参照しながら説明する。この内燃機関は、トラックやバス等の車両に搭載されたディーゼル機関等の内燃機関（エンジン）であり、次のように構成される。なお、この実施の形態では、４気筒４サイクルエンジンを例にして説明するが、本発明では、気筒数はこの例示の４気筒に限定されず、単数でも４気筒以外の複数の気筒数でもよく、また、４サイクルエンジンでも、２サイクルエンジンであってもよい。
【００１４】
図１に示すように、本発明に係る実施の形態の内燃機関（エンジン）１０は、排気ガスＧのエネルギーを利用して吸気Ａを過給するターボ式過給システム１４Ｓと、補助物質Ｃの供給によりタービン１４ｂの回転を促進して、吸気Ａの過給を補助する過給補助システム（補助物質供給システム）２０Ｓと、補助物質Ｃの供給を停止する供給停止機構３０Ｓとを備えて構成される。
【００１５】
この内燃機関１０は、エンジン本体１１の気筒内部（気筒内：シリンダ内：燃焼室）１１ａに接続された吸気通路１２と排気通路１３を有している。この気筒内部１１ａは、シリンダ１１ｂとその中に挿入されたピストン１１ｃとの間に形成され、その頂部には吸気バルブ１１ｄと排気バルブ１１ｅが設けられている。
【００１６】
更に、吸気通路１２には、上流側からエアクリーナー（図示しない）と、ターボ式過給器（ターボチャージャ）１４のコンプレッサ１４ａと、インタークーラ１５と、スロットルバルブ（吸気絞り弁）１６と、が配設され、排気通路１３には、ターボ式過給器１４のタービン１４ｂが設けられ、その下流側には排気ガス処理装置（図示しない）が設けられている。また、排気通路１３のタービン１４ｂの上流側と吸気通路１２のスロットルバルブ１６の下流側とがＥＧＲ通路１７で連結されている。このＥＧＲ通路１７にはＥＧＲクーラ１７ａとＥＧＲバルブ１７ｂが設けられている。
【００１７】
このコンプレッサ１４ａとタービン１４ｂと回転軸１４ｃとを有するターボ式過給器１４と、これらを制御する制御手段（通常はエンジン全般を制御するＥＣＵと呼ばれる制御装置に含まれる）によりターボ式過給システム１４Ｓが構成される。
【００１８】
このターボ式過給システム１４Ｓでは、排気通路１３に排出された排気ガスＧによってタービン１４ｂが回転され、この回転を回転軸１４ｃによりコンプレッサ１４ａに伝達してコンプレッサ１４ａを駆動し、このコンプレッサ１４ａにより、吸気通路１２に吸気された吸気Ａを圧縮して過給する。この圧縮して高温になった吸気Ａはコンプレッサ１４ａの下流に配置されたインタークーラ１５により冷却された後、スロットルバルブ１６によって流量調整されて、吸気バルブ１１ｄから各気筒の気筒内部１１ａに入る。
【００１９】
この気筒内部１１ａに燃料が噴射されて燃焼し、排気ガスＧが排気バルブ１１ｅから排気通路１３に排出される。この排気ガスＧはタービン１４ｂを回転駆動した後、排気ガス浄化装置（図示しない）にて排気ガスＧ中の有害成分が浄化された後、サイレンサー（図示しない）を通過してテールパイプ（図示しない）から大気中に放出される。
【００２０】
また、ＥＧＲを行う際に、排気ガスＧの一部はＥＧＲガスＧｅとして、排気通路１３から分岐されてＥＧＲ通路１７に導入され、ＥＧＲクーラ１７ａで冷却された後、ＥＧＲ弁１７ｂにより流量を調整されて、吸気通路１２に供給される。
【００２１】
そして、過給補助システム２０Ｓは、タービン１４ｂの上流側にタービン１４ｂの回転を促進する補助物資Ｃを外部より適切な量で供給するために設けられる。この補助物質Ｃは、タービン１４ｂの回転を促進できれば、気体、液体、固体の如何なるものでも良く、排気通路１３で熱膨張する水蒸気や圧縮空気等の気体、又は、蒸発により体積が増大する水等の液体を用いることが好ましい。また、この補助物質Ｃは、少ない量で効率良くタービン１４ｂの回転を促進できるように、熱交換器（図示しない）等で補助物資Ｃを加熱して温度上昇させてからタービン１４ｂに供給することが好ましい。
【００２２】
この過給補助システム２０Ｓは、補給通路２１から供給された補助物質Ｃを予め貯蔵するための補助物質貯蔵タンク２２と、開閉弁２３を配設された補助物質供給通路２４と、この補助物質供給通路２４により補助物質貯蔵タンク２２と接続される噴射ノズル（噴射装置）２５を備えて構成する。この噴射ノズル２５は、タービン１４ｂの上流の排気通路１３に補助物質Ｃを噴射できるように設ける。この噴射ノズル２５は、過給補助が必要な場合には、開閉弁２３を開弁することにより、補助物質Ｃを排気通路１３に供給し、過給補助が不必要な場合には、開閉弁２３を閉弁することにより補助物質Ｃの供給を止めるように構成される。
【００２３】
本発明においては、更に、補助物質Ｃをタービン１４ｂの上流側の排気通路１３に供給する際に、図４及び図５に示すように、同一気筒（図４では第１気筒を示す）の気筒内部１１ａにある排気バルブ１１ｅと吸気バルブ１１ｄとを同時に開く両弁開放期間Ｔａ中に、補助物質Ｃの供給を機械駆動により停止する供給停止機構３０Ｓを設けて構成する。
【００２４】
この供給停止機構３０Ｓは、排気バルブ１１ｅ若しくは吸気バルブ１１ｄを駆動するカムシャフト１１ｆに設けた開閉用カム３１の機械駆動を用いて補助物質Ｃの供給停止をするように構成する。この開閉用カム３１は、過給補助が必要と判断されたときのみ駆動可能状態となるように、例えば、カムシャフト１１ｆの軸方向に移動させることで、駆動可能状態と駆動不能状態になるように構成する。
【００２５】
この開閉用カム３１は、排気バルブ１１ｅのカムシャフト１１ｆに、噴射ノズル２５における内部噴射通路２５ａの閉鎖、又は、噴射ノズル２５への補助物質供給通路２４に開閉弁２３とは別に設けられる第２の開閉弁（停止弁：図示しない）の閉弁を機械駆動でするために設けられる。
【００２６】
この開閉用カム３１は、駆動可能状態では、図２及び図３に示すように、開閉用カム３１が、噴射ノズル２５の供給停止弁３２の押圧板３２ａに付勢バネ３２ｂの付勢力により常時当接するように構成される。なお、噴射ノズル２５が開閉用カム３１と離れた位置に配置される場合には、開閉用カム３１を直接押圧板３２ａに当接させないで、間にリンク機構（図示しない）を設けて、開閉用カム３１でリンク機構を機械駆動し、このリンク機構の機械駆動により押圧板３２ａを間接駆動で押圧するように構成する。
【００２７】
そして、この押圧板３２ａに連結され、かつ、噴射ノズル２５の内部噴射通路２５ａの基部に挿入された細い針形状の弁体３２ｃを、押圧板３２ａの移動に伴って移動させ、弁体３２ｃが内部噴射通路２５ａを補助物質供給通路２４に連通させた図２に示すような状態から、この開閉用カム３１の押圧量の変化により押圧板３２ａと弁体３２ｃが移動し、この移動により、内部噴射通路２５ａを弁体３２ｃで塞いだ図３に示すような状態にして、開閉弁２３が開弁中であっても、補助物質Ｃが噴射ノズル２５から排気通路１３内に供給されるのを停止し、そして、開閉用カム３１の更なる回動により、押圧板３２ａへの押圧が減少し、内部噴射通路２５ａを弁体３２ｃで塞いだ図３に示すような状態から、内部噴射通路２５ａを補助物質供給通路２４に連通させた図２に示すような状態に戻るように構成される。
【００２８】
この開閉用カム３１の形状を、図４及び図５に示すように、各気筒における吸気バルブ１１ｄと排気バルブ１１ｅとの両方が開弁している両弁開放期間Ｔａ中に、押圧板３２ａを押圧して弁体３２ｃが内部噴射通路２５ａを塞いで補助物質Ｃが噴射ノズル２５から噴射されるのを停止する形状とする。
【００２９】
図４は第１気筒の場合の排気行程から吸気行程に移る時の、排気バルブ１１ｅの開口有効面積の増減と、吸気バルブ１１ｄの開口有効面積の増減を示す。この吸気バルブ１１ｄの開口開始の時点Ｔｉｏから排気バルブ１１ｅの閉弁完了の時点Ｔｅｃまでが両弁開放期間Ｔａとなる。この両弁開放期間Ｔａは、４サイクル機関では、クランク角度が０°から７２０°の２回転の間に、各気筒に各１回生じる。そのため、４気筒の場合には、図５に示すように、クランク角度が０°から７２０°の２回転の間に、気筒数と同じ４つ（但し、図４では０°と７２０°の両弁開放期間Ｔａは別表示となっているので見掛け上５つとなっている）の両弁開放期間Ｔａが発生することになる。
【００３０】
この構成により、過給補助が必要な場合には、開閉弁２３が開弁されて、図５に示すように、両弁開放期間Ｔａでない供給期間Ｔｂでは、補助物質Ｃが噴射ノズル２５から排気通路１３内に供給されるが、開閉弁２３が開弁中であっても、両弁開放期間Ｔａ中は、補助物質Ｃが噴射ノズル２５から排気通路１３内に供給されるのを停止する。
【００３１】
上記の内燃機関１０によれば、補助物質Ｃの供給により、タービン１４ｂの回転促進に伴うコンプレッサ１４ａによる過給増加中であって、排気バルブ１１ｅと吸気バルブ１１ｄの両方が開弁している両弁開放期間Ｔａ中であるとき、補助物質Ｃの供給を停止するので、タービン１４ｂの上流側の圧力の上昇を回避することができ、両弁開放期間Ｔａ中においても、支障なく気筒内部１１ａに吸気Ａを導入することができる。
【００３２】
更に、両弁開放期間Ｔａ中の補助物質Ｃの供給の停止を、機械駆動により実施するので、吸気バルブ１１ｄの開弁と排気バルブ１１ｅの閉弁のタイミングに迅速に対応して補助物質Ｃの停止と再開を行うことができ、電子制御と比較して、検出と演算が必要な制御系による時間遅れと制御系からの制御を受けてから駆動する駆動系による時間遅れを回避することができる。
【００３３】
また、過給補助システム２０Ｓからの両弁開放期間中の補助物質Ｃの供給を、開閉用カム３１の機械駆動により停止し、排気バルブ１１ｅ若しくは吸気バルブ１１ｄを機械駆動するカムシャフトに設けた開閉用カム３１を用いて実施するので、直接駆動又は比較的簡単なリンク駆動により、確実に、補助物質Ｃの停止のタイミングを排気バルブ１１ｅと吸気バルブ１１ｄのタイミングに同期させることができ、より的確に排気ガスＧの圧力上昇による吸気障害を回避できて、十分に気筒内部１１ａに吸気Ｇを十分に導入することができる。
【００３４】
更に、タービン１４ｂの上流側への補助物質Ｃの供給を、いずれかの気筒の排気バルブ１１ｅが閉弁されるときに開始し、当該気筒の排気バルブ１１ｅの開弁に続いて駆動される吸気バルブ１１ｄが開弁されるときに停止、つまり、内燃機関１０の全ての気筒において同一気筒にある排気バルブ１１ｅと吸気バルブ１１ｄとが同時に開弁しているときを除いて、補助物質Ｃを供給するので、気筒内部１１ａへの吸気Ａの導入を十分に確保しながら、タービン１４ｂへの補助物質Ｃの供給できる期間を最も長くすることができ、タービン１４ｂの回転を効率よく促進することができる。
【００３５】
また、タービン１４ｂの上流側への補助物質Ｃの供給と、この供給の際の両弁開放期間Ｔａ中の補助物質Ｃの供給停止と、を内燃機関１０の過渡運転時に実施するので、内燃機関１０の出力の急激な変化に対応した吸気量が必要な過渡運転時に吸気Ａを十分かつ確実に気筒内部１１ａに導入できる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明の内燃機関によれば、タービン上流に気体や液体等の補助物質を供給して、タービンの回転を促進し、コンプレッサの過給圧を上昇することができると共に、この補助物質の供給による排気系通路側の圧力の上昇の影響が、吸気導入に及ぶのを回避することができるので、数多くの車両に搭載する内燃機関等に利用できる。
【符号の説明】
【００３７】
１０、１０Ｘ，１０Ｙ  内燃機関（エンジン）
１１    エンジン本体
１１ａ  気筒内部（気筒内：シリンダ内：燃焼室）
１１ｂ  シリンダ
１１ｃ  ピストン
１１ｄ  吸気バルブ
１１ｅ  排気バルブ
１１ｆ  カムシャフト
１２    吸気通路
１３    排気通路
１４    ターボ式過給器（ターボチャージャ）
１４ａ  コンプレッサ
１４ｂ  タービン
１４Ｓ  ターボ式過給システム
２０Ｓ  過給補助システム
２１    補給通路
２２    補助物質貯蔵タンク
２３    開閉弁
２４    補助物質供給通路
２５    噴射ノズル
３０Ｓ  供給停止機構
３１    開閉用カム
２５ａ  内部噴射通路
３２    供給停止弁
３２ａ  押圧板
３２ｂ  付勢バネ
３２ｃ  弁体
Ａ      吸気
Ｃ      補助物質
Ｇ      排気ガス
Ｇｅ    ＥＧＲガス
Ｔａ    両弁開放期間
Ｔｂ    供給期間
Ｔｉｏ  吸気バルブの開口開始の時点
Ｔｅｃ  排気バルブの閉弁完了の時点
【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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