(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多段式過給システムを備えた内燃機関において、
当該内燃機関の過渡運転時に、流路切替装置により、空気吸入通路から、高圧段コンプレッサーよりも下流側の吸気通路に接続している過給補助通路に切り替えて、該過給補助通路から予め圧縮された空気を気筒内に供給する過給補助システムを設けていると共に、
前記多段式過給システムの高圧段コンプレッサーを迂回する高圧段吸気迂回通路に設けた高圧段吸気迂回バルブをその駆動部に供給される圧縮空気の供給の有無により開弁と閉弁を行うように構成しており、
さらに、前記流路切替装置の切替動作の駆動源となる圧縮空気の配管と、前記高圧段吸気迂回バルブの前記駆動部とを連結する配管を設けて構成していることを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
当該内燃機関の制御装置が、
当該内燃機関の運転状態が定常状態の場合において、前記高圧段吸気迂回バルブと、前記多段式過給システムの高圧段タービンを迂回する高圧段排気迂回通路に設けた高圧段排気迂回バルブとを、当該内燃機関のエンジン回転速度と負荷に基づいて開閉弁操作する制御を行うと共に、
当該内燃機関の運転状態が過渡状態の場合において、前記過給補助システムにより過給補助を行う際に、前記流路切替装置を前記圧縮空気を利用して切替駆動して前記過給補助システムにより過給補助を開始すると同時に、前記流路切替装置を切替駆動する前記圧縮空気を利用して前記高圧段吸気迂回バルブを開弁するように構成してい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】
前記多段式過給システムの高圧段タービンのウェストゲートバルブの駆動部又は前記高圧段排気迂回バルブの駆動部と当該内燃機関の吸気マニホールドとを連結する配管を設けて、前記吸気マニホールドの内圧で前記ウェストゲートバルブ又は前記高圧段排気迂回バルブを開弁駆動するように構成していることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関。
【請求項４】
多段式過給システムと、内燃機関の過渡運転時に、流路切替装置により、空気吸入通路から、高圧段コンプレッサーよりも下流側の吸気通路に接続している過給補助通路に切り替えて、該過給補助通路から予め圧縮された空気を気筒内に供給する過給補助システムを有する過給システムを備えた内燃機関の過給方法において、
当該内燃機関の運転状態が定常状態の場合において、前記多段式過給システムの高圧段コンプレッサーを迂回する高圧段吸気迂回通路に設け、かつ、その駆動部に供給される圧縮空気の供給の有無により開弁と閉弁を行うように構成されている高圧段吸気迂回バルブと、前記多段式過給システムの高圧段タービンを迂回する高圧段排気迂回通路に設けた高圧段排気迂回バルブとを、当該内燃機関のエンジン回転速度と負荷に基づいて開閉弁操作すると共に、
当該内燃機関の運転状態が過渡状態の場合において、前記過給補助システムにより過給補助を行う際に、前記流路切替装置を圧縮空気を利用して切替駆動して前記過給補助システムにより過給補助を開始すると同時に、前記流路切替装置を切替駆動する前記圧縮空気を利用して前記高圧段吸気迂回バルブを開弁することを特徴とする内燃機関の過給方法。
【請求項５】
当該内燃機関の吸気マニホールドの内圧で前記高圧段タービンのウェストゲートバルブ又は前記高圧段排気迂回バルブを開弁駆動することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の過給方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多段過給システムと過給補助システムを有する過給システムを備えた内燃機関の過渡運転時に発生するターボラグによる空気量の不足を補うために、予め蓄圧した圧縮空気を吸気通路に導入する内燃機関、及び内燃機関の過給方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等の車両に搭載される内燃機関（エンジン）には、図１４に示すような過給システム１０Ｘが用いられているが、この過給システム１０Ｘは、エンジン本体１１の吸気マニホールド１１ａに接続された吸気通路１２と、排気マニホールド１１ｂに接続された排気通路１３を有して構成され、更に、エアクリーナー１４の下流側でかつインタークーラ１６の上流側の吸気通路１２にターボ式過給器（ターボチャージャ）１５のコンプレッサー１５ａが設けられ、排気通路１３にターボ過給器１５のタービン１５ｂが設けられている。
【０００３】
このターボ過給器１５は高い圧力の空気を筒内に導入できるため、筒内に導入される空気量を多くすることができる。従って、このターボ過給器１５を用いたエンジンでは、より多くの空気を筒内に導入できるため、トルクの向上、排気ガスの低減を図ることができる。
【０００４】
しかしながら、このターボ過給器による過給では、要求される空気量を筒内にターボ過給器が導入できるようになるまでの間に時間差が生じ、いわゆるターボラグが発生するという短所がある。このターボラグは、特に過渡運転時に起きる。
【０００５】
過渡運転時では、図１８に示すように、エンジン回転速度の増加にともない、必要となる空気量ｂも増加するが、このターボラグが発生すると、必要となる空気量ｂを確保できなくなる。このとき、推移するエンジン回転速度および負荷（アクセル開度）に応じて必要となる燃料量Ｂに対して必要な空気量ｂが増加するが、この空気量ｂに対して実際に供給される空気量ｃが斜線部分だけ少なくなってしまう。その結果、空気量ｃが不足することになり燃焼可能な燃料量Ｃが減少して内燃機関の出力が低下し、また、ＥＧＲをかけられないことによりＮＯｘが増加して排気性能が悪化する。
【０００６】
このターボラグによる出力、排気性能の悪化に対する対策として、エンジン回転速度および負荷（アクセル開度）が急激に変化する時に、この変化と同時に、図１５に示すように、スーパーチャージャ又はエアコンプレッサー１７等を用いて予め圧縮空気タンク１８に圧縮空気を蓄圧し、この圧縮空気を、流路切替装置（切替バルブ）２０により空気吸入通路１２ａから過給補助通路１９に切り替えることで、吸気通路１２に導入して過渡運転時の空気量の不足を補う過給補助システムを備えた過給システム１０Ｙがある。
【０００７】
この過給補助システムに関しては、例えば、エンジンブレーキ使用時または制動ブレーキ使用時の少なくとも一方においては、クラッチ機構を接続にして車軸に設けたコンプレッサーを稼働して補助空気タンクに空気を貯蔵し、車両の発進時においては、補助空気タンクから貯蔵された空気を吸入通路に導入して過給補助を行い、車両を制動する際の制動エネルギーを利用して加圧された空気を補助空気貯蔵タンクに貯蔵することができ、また、車両の発進時において、この貯蔵した高圧の空気を用いることで、ターボチャージャのような時間遅れが発生することなく、発進トルクを大きくできて、車両の発進を迅速に行うことができる内燃機関を搭載した車両及びその制御方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
また、内燃機関においては、過給器を使用することで、より多くの空気を内燃機関に導入することにより、燃費、排気ガスをそれぞれ改善することができるが、回転速度、及び負荷等の運転条件により、必要となる空気量（過給圧）が変化する。このような広い範囲を一種類の過給器でカバーすると、過給器の効率が低い条件で内燃機関を運転することになり、燃費が悪化するため、図１６に示すように、低圧段過給器１５と高圧段過給器５等の複数の過給器を使用する多段過給システムを用いた過給システム１０Ｚが採用されている。
【０００９】
この過給システム１０Ｚでは、吸気Ａは吸気通路１２に配置された低圧段過給器１５のコンプレッサーと高圧段過給器５のコンプレッサーを経由して気筒内に送り込み、発生した排気ガスＧを排気通路１３に配置された高圧段過給器５のタービンと低圧段過給器１５のタービンを経由して排出される。また、高圧段過給器５を迂回できるように、高圧段吸気迂回通路５ｃと高圧段吸気迂回バルブ５ｄと、高圧段排気迂回通路５ｅと高圧段排気迂回バルブ５ｆが設けられている。なお、図１６では、ＥＧＲのためのＥＧＲ通路７が排気マニホールド１１ｂと吸気マニホールド１１ａと接続して設けられている。このＥＧＲ通路７には、図示していないが、通常はＥＧＲバルブとＥＧＲクーラーが設けられている。
【００１０】
図１７に示すように、この多段過給システムと過給補助システムの組み合わせを備えた過給システム１０Ｗを考えた場合には、使用する過給器の切替制御が必要となる。多段過給システムでは、複数ある過給器のどれを使用するかは、エンジンの運転条件（回転速度、負荷若しくは燃料量）で制御される。この制御は、図１９に例示するマップデータのように、特に、低回転側では、小型の過給器（図１７では、高圧段過給器５）と大型の過給器（図１７では、低圧段過給器１５）を同時に使用し、高回転側では大型の過給機のみを使用する。
【００１１】
このような切り替えを過渡運転中に行った場合、過給器の切り替えは回転速度、負荷若しくは燃料量をフィードバックして行われるが、制御の際に時間差が生じる。また、多段過給している状態から低圧段側の過給器のみ使用する状態に遷移したとき、低圧段側の過給器が完全なフル駆動状態になって所望の仕事ができるまでに時間がかかるために、内燃機関の気筒に導入される空気量が一時的に減少してしまうので、スモークが排出されたり、燃費が悪化したりするという問題がある。
【００１２】
過給補助装置による補助過給を導入した場合でも、この空気量不足は起こる問題である。つまり、図２０のＤやＥに示すように、エンジンの運転領域が低回転、低負荷の運転領域から高回転、高負荷の運転領域に急速に遷移する際に、過給補助を行うと過給補助の前後での過給システムが多段過給から低圧段過給器のみによる過給になって、異なる過給方法に移動するために空気量不足が発生する。
【００１３】
過給補助には外部に蓄圧した圧縮空気を使用するが、このときの圧縮空気の圧力は過給補助期間、筒内圧の制限値、必要となる空気量等により異なってくるが、過渡運転により回転速度、負荷等が遷移した後に必要となる過給圧よりも高くする必要がある。また、ターボラグの改善も行えるが、過給補助終了時に低圧段過給器のみを使用する状況では、ターボラグの改善効果が減少するので、高圧段過給器に圧縮空気を流す必要はない。そのため、従来の方式で用いられている多段過給システムの制御方法とは別の過給方法を切り替える方法が必要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２０１１−９４５８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
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、多段過給の構成から低圧段過給のみの構成に移行する際に、過給補助システムを用いて予め蓄圧された圧縮空気を気筒内に送り込むことができて、低圧段過給器がフル稼働するまでの間に発生する、気筒内の空気量の一時的減少を、この過給補助により回避でき、これにより、過給システムの切り替え時に発生するスモークを防止して、気筒内の良好な燃焼を維持して燃費の悪化の防止を図ることができる内燃機関、及び内燃機関の過給方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記のような目的を達成するための本発明の内燃機関は、多段式過給システムを備えた内燃機関において、当該内燃機関の過渡運転時に、流路切替装置により、空気吸入通路から、高圧段コンプレッサーよりも下流側の吸気通路に接続している過給補助通路に切り替えて、該過給補助通路から予め圧縮された空気を気筒内に供給する過給補助システムを設けていると共に、前記多段式過給システムの高圧段コンプレッサーを迂回する高圧段吸気迂回通路に設けた高圧段吸気迂回バルブをその駆動部に供給される圧縮空気の供給の有無により開弁と閉弁を行うように構成しており、さらに、前記流路切替装置の切替動作の駆動源となる圧縮空気の配管と、前記高圧段吸気迂回バルブの前記駆動部とを連結する配管を設けて構成している。
【００１７】
この構成によれば、多段過給システムと過給補助システムを有する過給システムを備えた内燃機関において、過渡運転時において、過給補助開始直後に過給システムの構成を迅速に切り替えることができ、つまり、過給補助開始時点では多段過給を行い、過給補助開始直後には低圧段過給のみによる過給を行うように経路を迅速に切り替えることができて、過給補助システムを使用した際でも、過給システムの切り替えの際に発生し易いスモークの排出を抑制することができ、また、気筒内の良好な燃焼を維持して燃費の悪化の防止を図ることができる。
【００１８】
また、流路切替装置を切替駆動する圧縮空気の配管ラインを、高圧段コンプレッサーを迂回する高圧段吸気迂回通路に設けた高圧段吸気迂回バルブの駆動部に連結するという比較的簡単な構成より、エンジンの過渡時に、予め蓄圧した圧縮空気の圧力で、空気吸入通路と過給補助通路の切り替えと同時に、高圧段吸気迂回バルブの開弁駆動を行うことができるので、迅速に高圧段吸気迂回バルブを開弁して、過給補助開始直後には、高圧段コンプレサーを迂回させることができ、多段過給の構成から低圧段コンプレッサーのみで過給する構成に迅速に切り替えることができる。
【００１９】
更に、上記の内燃機関において、当該内燃機関の制御装置が、当該内燃機関の運転状態が定常状態の場合において、前記高圧段吸気迂回バルブと、前記多段式過給システムの高圧段タービンを迂回する高圧段排気迂回通路に設けた高圧段排気迂回バルブとを、当該内燃機関のエンジン回転速度と負荷に基づいて開閉弁操作する制御を行うと共に、当該内燃機関の運転状態が過渡状態の場合において、前記過給補助システムにより過給補助を行う際に、前記流路切替装置を前記圧縮空気を利用して切替駆動して前記過給補助システムにより過給補助を開始すると同時に、前記流路切替装置を切替駆動する前記圧縮空気を利用して前記高圧段吸気迂回バルブを開弁するように構成している。
【００２０】
この構成によれば、多段過給の構成から低圧段過給のみの構成に移行する際に、過給補助システムを用いて予め蓄圧された圧縮空気を気筒内に送り込むことができ、低圧段過給器（低圧段ターボ）がフル稼働するまでの間に発生する、気筒内の空気量の一時的減少をこの過給補助により回避できる。これにより、過給システムの切り替え時に発生するスモークを防止でき、また、気筒内の燃焼を良好に維持できて燃費の悪化も防止できる。
【００２１】
また、上記の内燃機関において、前記多段式過給システムの高圧段タービンのウェストゲートバルブの駆動部又は前記高圧段排気迂回バルブの駆動部と当該内燃機関の吸気マニホールドとを連結する配管を設けて、前記吸気マニホールドの内圧で前記ウェストゲートバルブ又は前記高圧段排気迂回バルブを開弁駆動するように構成していると、高圧段タービンのウェストゲートバルブ又は高圧段排気迂回バルブを吸気マニホールドの内圧で開弁駆動できるので、比較的迅速に高圧段タービンを迂回させて、排気ガスを低圧段タービンのみに流すことができる。その結果、低圧段過給器の迅速な駆動ができるようになり、過給補助開始から低圧段過給器が十分に駆動するまでの期間を短縮できるので過給補助期間を短縮でき、蓄圧された圧縮空気の消費量を少なくすることができる。
【００２２】
そして、上記のような目的を達成するための本発明の内燃機関の過給方法は、多段式過給システムと、内燃機関の過渡運転時に、流路切替装置により、空気吸入通路から、高圧段コンプレッサーよりも下流側の吸気通路に接続している過給補助通路に切り替えて、該過給補助通路から予め圧縮された空気を気筒内に供給する過給補助システムを有する過給システムを備えた内燃機関の過給方法において、当該内燃機関の運転状態が定常状態の場合において、前記多段式過給システムの高圧段コンプレッサーを迂回する高圧段吸気迂回通路に設け、かつ、その駆動部に供給される圧縮空気の供給の有無により開弁と閉弁を行うように構成されている高圧段吸気迂回バルブと、前記多段式過給システムの高圧段タービンを迂回する高圧段排気迂回通路に設けた高圧段排気迂回バルブとを、当該内燃機関のエンジン回転速度と負荷に基づいて開閉弁操作すると共に、当該内燃機関の運転状態が過渡状態の場合において、前記過給補助システムにより過給補助を行う際に、前記流路切替装置を圧縮空気を利用して切替駆動して前記過給補助システムにより過給補助を開始すると同時に、前記流路切替装置を切替駆動する前記圧縮空気を利用して前記高圧段吸気迂回バルブを開弁することを特徴とする方法である。
【００２３】
この方法によれば、多段過給の構成から低圧段過給のみの構成に移行する際に、過給補助システムを用いて予め蓄圧された圧縮空気を気筒内に送り込むことができ、低圧段過給器がフル稼働するまでの間に発生する、気筒内の空気量の一時的減少をこの過給補助により回避できる。
【００２４】
更に、エンジンの過渡時に、予め蓄圧した圧縮空気の圧力で、空気吸入通路と過給補助通路の切り替えと同時に、高圧段吸気迂回バルブの開弁駆動を行うことができるので、迅速に多段過給の構成から低圧段コンプレッサーのみで過給する構成に切り替えることができる。
【００２５】
上記の内燃機関の過給方法において、当該内燃機関の吸気マニホールドの内圧で前記高圧段タービンのウェストゲートバルブ又は前記高圧段排気迂回バルブを開弁駆動すると、高圧段タービンのウェストゲートバルブ又は高圧段排気迂回バルブを吸気マニホールドの内圧で開弁駆動できるので、比較的迅速に高圧段タービンを迂回させて、排気ガスを低圧段タービンのみに流すことができ、過給補助開始から低圧段過給器が十分に駆動するまでの期間を短縮できる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明に係る内燃機関、及び内燃機関の過給方法によれば、多段過給システムと過給補助システムを有する過給システムを備えた内燃機関において、過渡運転時において、過給補助開始直後に過給システムの構成を迅速に切り替えることができ、つまり、過給補助開始時点では多段過給を行い、過給補助開始直後には低圧段過給のみによる過給を行うように吸気経路を迅速に切り替えることができて、過給補助システムを使用した際でも、過給システムの切り替えの際に発生し易いスモークの排出を抑制することができ、また、気筒内の良好な燃焼を維持して燃費の悪化の防止を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施の形態の内燃機関の過給システムの構成を示す図である。
【図２】図１の内燃機関の過給システムで高圧段過給器と低圧段過給器の両方で過給している状態を示す図である。
【図３】図１の内燃機関の過給システムで低圧段過給器のみで過給している状態を示す図である。
【図４】図１の内燃機関の過給システムで過給補助している状態を示す図である。
【図５】高圧段吸気迂回バルブの構成を模式的に示す図である。
【図６】高圧段吸気迂回バルブのアクチュエータの構成を模式的に示す図である。
【図７】第１流路と第３流路が連通し、第２流路と第３流路が遮断している状態の流路切替装置を模式的に示す断面図である。
【図８】第１流路と第３流路を遮断し、第２流路と第３流路が連通している状態の流路切替装置を模式的に示す断面図である。
【図９】流路切替装置の流路切替を行う空気シリンダの構成を示す図である。
【図１０】流路切替装置で第１流路と第３流路が連通している待機状態における空気シリンダの各弁の開閉状態を示す図である。
【図１１】流路切替装置で第１流路と第３流路を遮断し、第２流路と第３流路を連通させる途中における空気シリンダの各弁の開閉状態を示す図である。
【図１２】流路切替装置で第２流路と第３流路が連通している待機状態における空気シリンダの各弁の開閉状態を示す図である。
【図１３】流路切替装置で第２流路と第３流路を遮断し、第１流路と第３流路を連通させる途中における空気シリンダの各弁の開閉状態を示す図である。
【図１４】単段の過給システムを備えた内燃機関の構成を模式的に示す図である。
【図１５】単段の過給システムと過給補助システムを備えた内燃機関の構成を模式的に示す図である。
【図１６】二段過給システムを備えた内燃機関の構成を模式的に示す図である。
【図１７】二段過給システムと過給補助システムを備えた内燃機関の構成を模式的に示す図である。
【図１８】過給システムを備えた内燃機関のエンジン回転数に対する燃料噴射量と空気量を示す図である。
【図１９】二段過給システムにおける高圧段ターボと低圧段ターボの使用領域を模式的に示す図である。
【図２０】二段過給システムと過給補助システムを備えた従来技術の内燃機関における過渡状態におけるエンジン回転速度、燃料噴射量、低圧段コンプレッサーの仕事量、スモーク排出濃度を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関、及び内燃機関の過給方法について、図面を参照しながら説明する。
【００２９】
図１に示すように、本発明の実施の形態の内燃機関（エンジン）１は過給システム１０を備えて構成され、エンジン本体（Ｅ）１１の吸気マニホールド１１ａに接続された吸気通路１２と、排気マニホールド１１ｂに接続された排気通路１３を有して構成される。更に、吸気通路１２では、エアクリーナー（Ａ／Ｃ）１４の下流側でかつインタークーラ（Ｉ／Ｃ）１６の上流側の間に、上流側から順に低圧段過給器（低圧段ターボチャージャ）１５の低圧段コンプレッサー１５ａと、高圧段過給器（高圧段ターボチャージャ）５の高圧段コンプレッサー５ａが設けられる。排気通路１３では、上流側からに順に高圧段過給器５の高圧段タービン５ｂと、低圧段過給器１５の低圧段タービン１５ｂが設けられている。なお、吸気通路１２の流路切替装置２０よりも上流側の部分は空気吸入通路１２ａとしている。
【００３０】
この二段過給システムにおいては、エンジン回転速度が高い場合には、低圧段過給器１５のみで運転できるように、高圧段コンプレッサー５ａを迂回する高圧段吸気迂回通路５ｃが設けられ、この高圧段吸気迂回通路５ｃには高圧段吸気迂回バルブ５ｄが配置されている。また、高圧段タービン５ｂを迂回する高圧段排気迂回通路５ｅが設けられ、この高圧段排気迂回通路５ｅには高圧段排気迂回バルブ５ｆが配置されている。なお、ここでは図示しないが、必要に応じて、ＥＧＲ（排気再循環）を行うためのＥＧＲ通路が設けられる。
【００３１】
この二段過給システムにより、空気吸入通路１２ａからエアクリーナー１４を通過して吸気通路１２に流入した吸入空気Ａは、低圧段コンプレッサー１５ａと必要に応じて高圧段コンプレッサー５ａを通過して圧縮され、インタークーラ１６で冷却された後、吸気マニホールド１１ａに入り、各気筒に入る。各気筒では噴射された燃料が吸入空気Ａにより燃焼し排気ガスＧを発生する。この排気ガスＧは、排気マニホールド１１ｂから排気通路１３に流出し、必要に応じて高圧段タービン５ｂを駆動して通過した後、低圧段タービン１５ｂを駆動して通過し、排気通路１３で、図示しない排気ガス処理装置や消音器等を通過して大気中に放出される。
【００３２】
この高圧段過給器５は比較的小型で、低圧段過給器１５は比較的大型で構成され、エンジン回転速度が低い側では、高圧段過給器５と低圧段過給器１５の両方で過給され、エンジン回転速度が高い側では、低圧段過給器１５のみで過給される。
【００３３】
そして、この過給システム１０では、低回転、低負荷の領域から高回転、高負荷の領域に急速に移行するような過渡運転時に、ターボラグによる空気量不足に対応して圧縮空気Ａｃを吸気通路１２に供給するために、圧縮空気を生成するコンプレッサー１７とこの圧縮空気Ａｃを蓄圧する圧縮空気タンク１８を設けた過給補助通路１９が、吸気通路１２に流路切替装置（切替バルブ）２０を介して接続される過給補助システムを備えている。
【００３４】
この過給補助システムにより、内燃機関の過渡運転時に、流路切替装置２０の切替操作により、吸気通路１２の接続先を空気吸入通路１２ａから過給補助通路１９に切り替えて、この過給補助通路１９から圧縮空気Ａｃを吸気通路１２に供給する過給補助を行う。
【００３５】
この流路切替装置２０としては、ｍｓｅｃオーダーの極めて短時間で流路を切り替える必要があるために、図７及び図８に示すようなシャッター方式の切替バルブを用いる。この流路切替装置２０は、空気吸入通路１２ａに接続される第１流路２１と、過給補助通路１９に接続される第２流路２２と、エンジン本体１１側の吸気通路１２に接続される第３流路２３を有するケース２４と、このケース２４内をＸ１−Ｘ２方向にスライドして、第１流路２１と第３流路２３との間と、第２流路２２と第３流路２３との間を遮断又は連通するシャッター部材２５を備えて構成する。
【００３６】
このシャッター部材２５には、連通用貫通穴２５ａが設けられており、このシャッター部材２５は空気シリンダ（エアシリンダ）３０のロッド３１の伸縮により、Ｘ１−Ｘ２方向に移動する。つまり、このシャッター部材２５を圧縮空気で駆動される空気シリンダ３０によってスライドさせるように構成する。
【００３７】
シャッター部材２５が、図７に示すようにＸ１方向に移動した場合は、第１流路２１と第３流路２３の間が連通し、第２流路２２と第３流路２３の間が遮断される。一方、図８に示すようにＸ２方向に移動した場合は、第１流路２１と第３流路２３の間が遮断され、第２流路２２と第３流路２３の間が連通する。この構成の流路切替装置２０を用いることにより、流路を著しく高速で切り替えることができる。
【００３８】
そして、過給補助システムの流路切替装置２０のシャッター部材２５を移動させる空気シリンダ３０は、図９に示すように構成される。つまり、空気シリンダ３０は、第１空気室３２ａと第２空気室３２ｂの間に、ロッド３１に固定されている受圧部材３３が配置されている。
【００３９】
また、第１空気室３２ａに連通する第１連通路３４ａと圧縮空気タンク４０（通常は、図１〜図４の圧縮空気タンク１８を用いるが、別に設けてもよい。）を連通する第１空気供給通路４１ａとの間に第１空気供給弁３５ａが配置され、第２空気室３２ｂに連通する第２連通路３４ｂと圧縮空気タンク４０を連通する第２空気供給通路４１ｂとの間に第２空気供給弁３５ｂが配置されている。
【００４０】
更に、第１連通路３４ａを大気に開放する第１大気開放弁３６ａが配置され、第２連通路３４ｂを大気に開放する第２大気開放弁３６ｂが配置されている。これらの第１空気供給弁３５ａ、第２空気供給弁３５ｂ、第１大気開放弁３６ａ、及び第２大気開放弁３６ｂは、電磁弁で形成され、開閉制御される。
【００４１】
次に、この空気シリンダ３０による、シャッター部材２５の移動と第１流路２１と第２流路２２との切り替えに関して説明する。流路切替装置２０の流路の切り替えは図１０〜図１３に示すような空気シリンダ３０の弁操作により行われる。
【００４２】
図１０は、第１流路２１と第３流路２３の間が連通し、空気吸入通路１２ａからの空気を吸気通路１２に供給しているときの待機状態である第１ステップ状態を示す。この待機状態では、第１空気供給弁３５ａ、第２空気供給弁３５ｂ、第２大気開放弁３６ｂを閉弁し、第１大気開放弁３６ａのみを開弁している。これにより、第１空気室３２ａの圧縮空気を大気に開放し、第１空気室３２ａの圧力を大気圧にして、切り替え時のロッド３１の切り替え動作を円滑して、過給補助開始時に流路切替装置２０が空気吸入通路１２ａ側の第１流路２１から過給補助通路１９側の第２流路２２に切り替える際の第１切替速度を高める。
【００４３】
図１１は、過給補助の開始に際して、第１流路２１と第３流路２３の間を遮断し、第２流路２２と第３流路２３との間を連通させるためのシャッター部材２５の移動時の空気シリンダ３０の第２ステップ状態を示す。この第２ステップ状態では、第１空気供給弁３５ａ、第２大気開放弁３６ｂを閉弁し、第２空気供給弁３５ｂ、第１大気開放弁３６ａを開弁して、圧縮空気タンク４０の圧縮空気を第２空気室３２ｂに供給して流路切替装置２０のシャッター部材２５を高速の第１切替速度でＸ２方向に移動させる。
【００４４】
図１２は、第１流路２１と第３流路２３の間を遮断し、第２流路２２と第３流路２３との間を連通させた後で、過給補助通路１９から圧縮空気Ａｃを吸気通路１２に供給している状態における空気シリンダ３０の第３ステップ状態を示す。この第３ステップ状態は、流路切替装置２０のシャッター部材２５の高速移動完了の後であるが、次の開始前の状態への切り替えに迅速に対応できるように、第１空気供給弁３５ａ、第２空気供給弁３５ｂ、第１大気開放弁３６ａを閉弁し、第２大気開放弁３６ｂを開弁して、空気シリンダ３０内の第２空気室３２ｂの圧縮空気を大気に開放し、第２空気室３２ｂの圧力を大気圧にしている。
【００４５】
図１３は、過給補助の終了に際して、第２流路２２と第３流路２３の間を遮断し、第１流路２１と第３流路２３との間を連通させるためのシャッター部材２５の移動時の空気シリンダ３０の第４ステップ状態を示す。この第４ステップ状態では、第２空気供給弁３５ｂ、第１大気開放弁３６ａを閉弁し、第１空気供給弁３５ａ、第２大気開放弁３６ｂを開弁して、圧縮空気タンク４０の圧縮空気を第１空気室３２ａに供給して流路切替装置２０のシャッター部材２５を高速の第２切替速度でＸ１方向に移動させる。
【００４６】
そして、図１３の第４ステップ状態により、シャッター部材２５がＸ１方向への移動を完了すると、図１０の第１ステップ状態に戻り、第１流路２１と第３流路２３の間が連通し、空気吸入通路１２ａからの空気を吸気通路１２に供給しているときの空気シリンダ３０の待機状態となる。この図１０〜図１３の一連の空気シリンダ３０のバルブ操作を繰り返すことで、過給補助を繰り返し行うことができる。この図１０〜図１３の一連の空気シリンダ３０のバルブ操作により、迅速にシャッター部材２５をＸ１−Ｘ２方向に移動して、流路切替装置２０の流路を切り替えることができる。
【００４７】
そして、本発明においては、図１に示すように、流路切替装置２０の切替動作の駆動源となる圧縮空気の配管と、高圧段コンプレッサー５ａを迂回する高圧段吸気迂回通路５ｃに設けた高圧段吸気迂回バルブ５ｄの駆動部とを連結する配管６を設けて構成する。
【００４８】
この高圧段吸気迂回バルブ５ｄの駆動部は、図５に示すように、高圧段吸気迂回通路５ｃの間に配置される配管部５１とこの配管部を開閉する弁体５２と弁体５２を駆動するためのアーム５３とロッド５４を備えたアクチュエータ５５を備えて構成される。このアクチュエータ５５には、配管６に接続する第１駆動用配管５６とバキュームポンプ５８に接続する第２駆動用配管５７が接続されている。
【００４９】
また、アクチュエータ５５は、図６に示すように、シリンダケース５５ａ内にロッド５４に固定されている受圧面５５ｂを有するピストンが嵌入され、この受圧面５５ｂにより第１空気室５５ｃと第２空気室５５ｄが区分されている。また、受圧面５５ｂの第１空気室５５ｃ側にはコイルバネ５５ｅが配置され、受圧面５５ｂをロッド５４側に付勢している。
【００５０】
図６に示すように、第１駆動用配管５６に圧縮空気Ａｃが供給されると、圧縮空気Ａｃにより受圧面５５ｂが押されてロッド５４と共に開方向に動くので、アーム５３と弁体５２が回転軸５２ａの周りに回動して開弁する。また、第１駆動用配管５６に圧縮空気Ａｃの供給が停止されると、コイルバネ５５ｅの付勢力により受圧面５５ｂがロッド５４と共に閉方向に動くので、アーム５３と弁体５２が回転軸５２ａの周りに回動して閉弁する。
【００５１】
つまり、空気シリンダ３０の駆動には一定圧の圧縮空気Ａｃを使用しているが、過給補助開始時にこの圧縮空気Ａｃを利用し、高圧段吸気迂回通路５ｃ上に設けた高圧段吸気迂回バルブ５ｄを開弁駆動して、高圧段過給器５の高圧段コンプレッサー５ａを迂回させて、低圧段過給器１５の低圧段コンプレッサー１５ａのみに圧縮空気タンク１８からの圧縮空気Ａｃが流れるようにする。
【００５２】
また、定常運転時においては、内燃機関１のエンジン回転速度と負荷に基づいてマップデータから高圧段吸気迂回バルブ５ｄの開閉状態を読み込んで高圧段吸気迂回バルブ５ｄの開閉を制御するマップ制御を行う。この定常運転時では、アクチュエータ５５は、第２駆動用配管５７によって接続されているバキュームポンプ５８を電気的な制御により作動させることにより、受圧面５５ｂを開方向に移動して開弁し、バキュームポンプ５８の作動を停止させることにより、受圧面５５ｂを閉方向に移動して閉弁する。
【００５３】
更に、図１に示すように、二段過給システムの高圧段タービン５ｂのウェストゲートバルブ５ｇの駆動部又は高圧段排気迂回バルブ５ｆの駆動部（図１ではウェストゲートバルブ５ｇの駆動部）に吸気マニホールド１１ａに連結する配管５ｈを設けて、吸気マニホールド１１ａの内圧でウェストゲートバルブ５ｇ又は高圧段排気迂回バルブ５ｆを開弁駆動するように構成する。つまり、高圧段過給器５の高圧段タービン５ｂに関しては、吸気マニホールド１１ａの内圧で作動するウェストゲートバルブ５ｇを使用することで、低圧段過給器１５の低圧段タービン１５ｂ側のみに排気ガスＧが流れるようにする。
【００５４】
そして、内燃機関１の制御装置（図示しない）が、内燃機関１の運転状態が定常状態の場合においては、高圧段吸気迂回バルブ５ｄと高圧段排気迂回バルブ５ｆは、エンジンの運転条件、例えば、エンジン回転速度と負荷に基づいて開閉弁操作される。この開閉弁操作の制御は、例えば、図１９に示すような、予め実験などで得られたエンジン回転速度と負荷（燃料量で代用）をパラメータとする高圧段過給器（高圧段ターボ）５と低圧段過給器（低圧段ターボ）１５の使用、不使用を示すマップデータを参照して行う。
【００５５】
例えば、内燃機関１の定常状態におけるエンジン運転条件のエンジン回転速度と燃料量が、図１９の「（高圧段ターボ）＋（低圧段ターボ）使用領域」（斜線ハッチングが無い部分）にある場合は、図２に示すように、高圧段吸気迂回バルブ５ｄと高圧段排気迂回バルブ５ｆを閉弁して、高圧段過給器５と低圧段過給器１５の両方を使用して吸入空気Ａの過給を行う。
【００５６】
また、エンジン回転速度と燃料量が、図１９の「低圧段ターボ使用領域」（斜線ハッチング部分）にある場合は、図３に示すように、高圧段吸気迂回バルブ５ｄと高圧段排気迂回バルブ５ｆを開弁して、高圧段過給器５を迂回させて、低圧段過給器１５のみを使用して吸入空気Ａの過給を行う。
【００５７】
そして、内燃機関１の運転状態が、低回転、低負荷の領域から高回転、高負荷の領域に急速に移行するような過渡状態の場合においては、図４に示すように、過給補助システムにより過給補助を行うが、この過給補助を行う際に、流路切替装置２０を圧縮空気Ａｃの圧力（圧縮空気圧）を利用して切替駆動して過給補助を開始すると同時に、流路切替装置２０を駆動する圧縮空気Ａｃを利用して高圧段吸気迂回バルブ５ｄを開弁する制御を行う。
【００５８】
つまり、内燃機関１の制御装置が、アクセル開度や燃料量の急変により、運転状態が過渡状態に入ったと判定した時は、ターボラグによる空気量不足に対応して圧縮空気Ａｃを吸気通路１２に供給するために、流路切替装置２０の状態を図７の状態から図８の状態に切り替える。この切替操作に伴って、図４に示すように、過給補助通路１９が、吸気通路１２に流路切替装置２０を介して接続され、コンプレッサー１７によって圧縮され、圧縮空気タンク１８に蓄圧されている圧縮空気Ａｃを過給補助通路１９から吸気通路１２に供給して過給補助する。
【００５９】
この過給補助で供給される圧縮空気Ａｃの一部が第２空気供給弁３５ｂの開弁に伴って、配管６を通じて高圧段吸気迂回バルブ５ｄの駆動部に供給される。これにより、高圧段吸気迂回バルブ５ｄの駆動部に、流路切替装置２０の空気シリンダ３０を駆動した圧縮空気Ａｃが供給され、即ち、圧縮空気Ａｃの圧力が伝達され、高圧段吸気迂回バルブ５ｄが開弁し、高圧段吸気迂回通路５ｃが開通し、低圧段コンプレッサー１５ａで更に圧縮された圧縮空気Ａｃは、高圧段コンプレッサー５ａを迂回して吸気マニホールド１１ａに供給される。
【００６０】
これにより、吸気マニホールド１１ａ内の吸気圧力が上昇し、この吸気圧力が配管５ｈを通じて、高圧段タービン５ｂのウェストゲートバルブ５ｇを開弁させる。このウェストゲートバルブ５ｇの開弁により、排気ガスＧは高圧段タービン５ｂを迂回して低圧段タービン１５ｂに流入するようになる。
【００６１】
この高圧段吸気迂回バルブ５ｄとウェストゲートバルブ５ｇの開弁操作は、制御装置における判断を経由せずに、配管６と配管５ｈを通じて、圧縮空気Ａｃの圧力を使用して、過給補助システムへの流路切替装置２０の切替操作と同時に行われるので、極めて迅速に行うことができ、過給補助後の低圧段過給器１５の作動を迅速にフル運転状態にすることができる。
【００６２】
従って、この実施の形態の内燃機関１及び内燃機関の過給方法によれば、多段過給の構成から低圧段過給のみの構成に移行する際に、過給補助システムを用いて予め蓄圧された圧縮空気Ａｃを気筒内に送り込むことができて、低圧段過給器１５がフル稼働するまでの間に発生する、気筒内の空気量の一時的減少をこの過給補助により回避できる。
【００６３】
また、過渡運転時において、過給補助開始直後に過給システム１０の構成を迅速に切り替えることができ、つまり、過給補助開始時点では多段過給を行い、過給補助開始直後には低圧段過給のみによる過給を行うように吸気経路を迅速に切り替えることができる。
【００６４】
その結果、過給補助システムを使用した際でも、過給システム１０の切り替えの際に発生し易いスモークの排出を抑制することができ、また、気筒内の良好な燃焼を維持して燃費の悪化の防止を図ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明の内燃機関、及び内燃機関の過給方法によれば、多段過給の構成から低圧段過給のみの構成に移行する際に、過給補助システムを用いて予め蓄圧された圧縮空気を気筒内に送り込むことができて、低圧段過給器がフル稼働するまでの間に発生する、気筒内の空気量の一時的減少をこの過給補助により回避でき、これにより、過給システムの切り替え時に発生するスモークを防止して、気筒内の良好な燃焼を維持して燃費の悪化の防止を図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】
【００６６】
１  内燃機関
５  高圧段過給器
５ａ  高圧段コンプレッサー
５ｂ  高圧段タービン
５ｃ  高圧段吸気迂回通路
５ｄ  高圧段吸気迂回バルブ
５ｅ  高圧段排気迂回通路
５ｆ  高圧段排気迂回バルブ
５ｇ  ウェストゲートバルブ
５ｈ  配管
６  配管
１０  過給システム
１１  エンジン本体
１２  吸気通路
１３  排気通路
１４  エアクリーナー
１５  低圧段過給器
１５ａ  低圧段コンプレッサー
１５ｂ  低圧段タービン
１６  インタークーラ
１７  コンプレッサー（圧縮空気用）
１８  圧縮空気タンク
１９  過給補助通路
２０  流路切替装置（切替バルブ）
２１  第１流路
２２  第２流路
２３  第３流路
２４  ケース
２５  シャッター部材
３０  空気シリンダ（エアシリンダ）
３５ａ  第１空気供給弁
３５ｂ  第２空気供給弁
３６ａ  第１大気開放弁
３６ｂ  第２大気開放弁
４０  圧縮空気タンク
４１ａ  第１空気供給通路
４１ｂ  第２空気供給通路
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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