(57)【要約】【課題】全ての運転領域から見て好適に燃料消費率を低下させると共に車輌の要求動力性能を達成すること。【解決手段】外部からの空気が流れる第１吸気通路７と、その外部からの空気を圧縮する圧縮機８と、その圧縮された空気を冷却する冷却装置９と、その冷却された空気を膨張させる膨張機１０と、その膨張された空気を燃焼室１Ａ〜１Ｄへ導く吸気導入路（第２吸気通路１１，吸気マニホルド２）と、第１吸気通路７と第２吸気通路１１とを連通させるバイパス通路１３と、圧縮機８又はバイパス通路１３の何れか一方に外部からの空気を導く流路切替弁１４と、低中速回転領域での運転時に圧縮機８へと外部からの空気が導かれるよう流路切替弁１４を切り替える一方、高出力要求時にバイパス通路１３へと外部からの空気が導かれるよう流路切替弁１４を切り替える制御手段１５とを備えること。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部から吸入された空気が流れる第１吸気通路と、該第１吸気通路から流入した空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機で圧縮された空気を冷却する冷却装置と、該冷却装置で冷却された空気を膨張させる膨張機と、該膨張機で膨張された空気を燃焼室へと導く吸気導入路と、前記第１吸気通路と吸気導入路とを連通させるバイパス通路と、前記圧縮機又は前記バイパス通路の何れか一方に前記外部からの吸入空気を導く流路切替弁と、低中速回転領域での運転時に前記圧縮機へと前記外部からの吸入空気が導かれるよう前記流路切替弁を切り替える一方、高出力要求時に前記バイパス通路へと前記外部からの吸入空気が導かれるよう前記流路切替弁を切り替える制御手段と、を備えたことを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記膨張機による膨張後の空気の温度が前記外部からの吸入空気の温度よりも低くなるよう前記圧縮機の圧縮効率，前記冷却装置の冷却効率及び前記膨張機の膨張効率を設定したことを特徴とする請求項１記載の内燃機関。
【請求項３】
前記第１吸気通路における前記流路切替弁の上流側に、前記外部からの吸入空気を圧縮する他の圧縮機と、該他の圧縮機で圧縮された空気を冷却する他の冷却装置と、を新たに設けたことを特徴とする請求項１記載の内燃機関。
【請求項４】
前記膨張機による膨張後の空気の温度が前記外部からの吸入空気の温度よりも低くなるよう前記圧縮機及び他の圧縮機の圧縮効率，前記冷却装置及び他の冷却装置の冷却効率並びに前記膨張機の膨張効率を設定したことを特徴とする請求項３記載の内燃機関。
【請求項５】
前記膨張機として、使用頻度の高い機関回転数で所望の冷却効率となる小さなタービン容量のものを設けたことを特徴とする請求項１，２，３又は４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、圧縮工程，冷却工程及び膨張工程を経ることにより外部からの空気を冷却して燃焼室へと導く内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、外部からの空気をコンプレッサで圧縮し、その圧縮された高温高圧の空気をインタークーラで冷却した後、その低温高圧の空気を膨張タービンで膨張させて更に低温の高圧空気を燃焼室内へと送り込むターボクーラシステムを備えた内燃機関がある。
【０００３】
例えば、そのような内燃機関としては、下記の特許文献１に開示されている。この特許文献１に開示された内燃機関は、排気ガスの排気エネルギを利用して外部からの空気を高温高圧の空気へと圧縮する排気ターボチャージャと、その高温高圧の空気を冷却して低温高圧の空気を第１吸気管へと送出する空気冷却器と、その低温高圧の空気を更に圧縮するコンプレッサと、このコンプレッサから吐出された高温高圧の空気を冷却する中間空気冷却器と、この中間空気冷却器で冷却された低温高圧の空気を膨張させて更に低温の高圧空気（極低温で高圧の空気）にする膨張タービンと、その極低温の高圧空気を吸気マニホルドへと導く第２吸気管とを備えている。
【０００４】
ここで、この特許文献１に記載の内燃機関においては、第１吸気管と第２吸気管とを連通させるバイパス管と、空気冷却器通過後の低温高圧の空気をコンプレッサ又は第２吸気管の何れか一方に導くよう流路を切り替える開閉弁とを更に備えており、内燃機関が低速回転領域又は部分負荷領域で運転している場合に、空気冷却器通過後の低温高圧の空気が第２吸気管へと直接導かれるように開閉弁の流路切り替え動作を行っている。
【０００５】
これにより、この特許文献１に記載の内燃機関においては、内燃機関が低速回転領域で運転している場合に高いトルク特性を得る一方、部分負荷領域で運転している場合に部分負荷性能の低下を抑制している。
【０００６】
尚、下記の特許文献２には排気ターボチャージャからの加圧空気をインタークーラで冷却してノッキングを抑制する技術が開示されており、また、下記の特許文献３には高速高負荷領域においてバイパス弁を制御することで排気ターボチャージャからの加圧空気をインタークーラで冷却し、ノッキングを抑制する技術が開示されている。
【０００７】
【特許文献１】特開昭６１−２３４２２４号公報
【特許文献２】実開昭６０−１１０６２８号公報
【特許文献３】特開平４−１３６４２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記特許文献１に記載の内燃機関は、低速回転領域や部分負荷領域において空気冷却器通過後の低温高圧の空気をコンプレッサ，中間空気冷却器及び膨張タービンを介さずに燃焼室へと導くので、その燃焼室に吸入される空気の冷却効果が低下して、かかる領域でのノッキングや燃料消費率が低減されない、という不都合があった。特に、その低速回転領域や部分負荷領域は一般に多用される運転領域であるので、かかる不都合が顕著なものとして表出してしまい、例えば車輌の実用燃費が大幅に悪化してしまう。
【０００９】
一方、高速高負荷領域において極低温の高圧空気を燃焼室に吸入させることによって上記の如き不都合は回避されるが、その反面、機関出力の低下が生じてしまい、車輌の要求動力性能を達成することができない。ここで、その高速高負荷領域での運転は一般に長時間継続して行われることがなく、これが為、かかる領域で燃料消費率を低下させたとしても車輌の実用燃費への影響は殆ど無いにも拘わらず、車輌の要求動力性能を犠牲にしてまでノッキングや燃料消費率の低減を優先的に求めることは実際上好ましくない。
【００１０】
そこで、本発明は、かかる従来例の有する不都合を改善し、全ての運転領域から見て好適に燃料消費率を低下させると共に車輌の要求動力性能を達成し得る内燃機関を提供することを、その目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成する為、請求項１記載の発明では、外部から吸入された空気が流れる第１吸気通路と、この第１吸気通路から流入した空気を圧縮する圧縮機と、この圧縮機で圧縮された空気を冷却する冷却装置と、この冷却装置で冷却された空気を膨張させる膨張機と、この膨張機で膨張された空気を燃焼室へと導く吸気導入路と、前記第１吸気通路と吸気導入路とを連通させるバイパス通路と、前記圧縮機又は前記バイパス通路の何れか一方に前記外部からの吸入空気を導く流路切替弁と、低中速回転領域での運転時に前記圧縮機へと前記外部からの吸入空気が導かれるよう前記流路切替弁を切り替える一方、高出力要求時に前記バイパス通路へと前記外部からの吸入空気が導かれるよう前記流路切替弁を切り替える制御手段とを備えている。
【００１２】
例えば、この内燃機関においては、請求項２に記載の発明の如く、膨張機による膨張後の空気の温度が外部からの吸入空気の温度よりも低くなるよう圧縮機の圧縮効率，冷却装置の冷却効率及び膨張機の膨張効率を設定することが好ましい。
【００１３】
この請求項１又は２に記載の発明によれば、低中速回転領域で運転している場合には、極低温の空気が燃焼室に吸入されるので、ノッキングの抑制と燃料消費率の低下を図ることができる。一方、高出力が求められている場合には、外部からの吸入空気が燃焼室に直接導かれるので、吸入空気量が増加し、その要求に応じた機関出力を発生させることができる。
【００１４】
また、上記目的を達成する為、請求項３記載の発明では、上述した請求項１記載の内燃機関において、第１吸気通路における流路切替弁の上流側に、外部からの吸入空気を圧縮する他の圧縮機と、この他の圧縮機で圧縮された空気を冷却する他の冷却装置とを新たに設けている。
【００１５】
例えば、この内燃機関においては、請求項４に記載の発明の如く、膨張機による膨張後の空気の温度が外部からの吸入空気の温度よりも低くなるよう圧縮機及び他の圧縮機の圧縮効率，冷却装置及び他の冷却装置の冷却効率並びに膨張機の膨張効率を設定することが好ましい。
【００１６】
この請求項３又は４に記載の発明によれば、低中速回転領域で運転している場合には、更に極低温の高圧空気が燃焼室に吸入されるので、ノッキングの抑制と燃料消費率の低下をより有効に図ることができる。一方、高出力が求められている場合には、他の圧縮機と他の冷却装置を通過した低温高圧の空気が燃焼室に導かれるので、高出力を得ることが可能になり、その要求に応じた機関出力を発生させることができる。
【００１７】
また、上記目的を達成する為、請求項５記載の発明では、上述した請求項１，２，３又は４に記載の内燃機関において、膨張機として、使用頻度の高い機関回転数で所望の冷却効率となる小さなタービン容量のものを設けている。
【００１８】
この請求項５記載の発明によれば、低中速回転領域において燃焼室内へ吸入される空気の温度を更に低下させることができるので、その低中速回転領域でのノッキングの抑制と燃料消費率の低下を効果的に図ることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る内燃機関は、多用される低中速回転領域において燃料消費率を低下させることができるので、全ての運転領域から見て好適な全体での燃料消費率の低下を達成することが可能になる。更に、高出力が求められている場合において要求に応じた機関出力を発生させることができるので、かかる場合における車輌の要求動力性能の確保が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下に、本発明に係る内燃機関の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。尚、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。
【実施例１】
【００２１】
本発明に係る内燃機関の実施例１を図１から図６に基づいて説明する。
【００２２】
図１の符号１は、本実施例１の内燃機関を示す。この内燃機関１は、吸気経路を流れる外部からの空気を夫々の燃焼室１Ａ〜１Ｄに導く吸気マニホルド２と、その夫々の燃焼室１Ａ〜１Ｄにおける燃焼後の排気ガスを集合させて排気経路へと送出する排気マニホルド３とを備えている。
【００２３】
ここで、その排気経路上には、排気マニホルド３からの排気ガスが流入する排気通路４と、その排気ガスを浄化する触媒装置５とが設けられている。
【００２４】
一方、本実施例１の吸気経路上には、外部から吸入された空気中の塵埃を取り除くエアクリーナ６と、その外部からの吸入空気を当該吸入空気よりも低温（以下。「極低温」という。）にするターボクーラシステムとが設けられている。尚、図示しないが、そのエアクリーナ６とターボクーラシステムとの間には、エアフロメータ等の他の機器類も設けられている。
【００２５】
本実施例１のターボクーラシステムは、エアクリーナ６を経た空気が流入する第１吸気通路７と、この第１吸気通路７の空気を高温高圧の空気へと圧縮する圧縮機８と、その高温高圧の空気を冷却する冷却装置（所謂空冷又は水冷のインタークーラ）９と、その冷却された高圧の空気を極低温の空気へと膨張させる膨張機１０と、その極低温の空気を吸気マニホルド２に導く第２吸気通路１１とを備えている。
【００２６】
このように、本実施例１にあっては冷却装置９の下流側に膨張機１０を配備しているが、これは、圧縮機８を経た高温の空気を単に冷却装置９のみで冷却するよりも、その冷却後の空気を膨張機１０で膨張させることによって更なる冷却効果を得られるからであり、冷却装置９のみによる場合よりも冷却効率の向上が図れるからである。
【００２７】
ここで、本実施例１の圧縮機８と膨張機１０は、図１に示す同一の回転軸１２で回転する。即ち、このターボクーラシステムは、コンプレッサたる圧縮機８及び当該圧縮機８と同一軸上の膨張タービンたる膨張機１０からなる空気過給機（空気ターボチャージャ）と、その圧縮機８と膨張機１０の間に介在させた冷却装置９とを備えており、これらを経ることによって外部からの吸入空気を当該吸入空気よりも低温の空気にする。
【００２８】
このようなターボクーラシステムを吸気経路上に介在させることによって、本実施例１の内燃機関１においては、外部から吸入された空気よりも低温の空気を夫々の燃焼室１Ａ〜１Ｄに供給することができる。これが為、その燃焼室１Ａ〜１Ｄ内におけるノッキングの発生を抑制することができ、更に、燃料消費率を低下させることができる。
【００２９】
ところで、このターボクーラシステムの冷却効率ηは、主として、圧縮機８の圧縮効率，冷却装置９の冷却効率や膨張機１０の膨張効率により決められるものであり、ターボクーラシステムにおける図２のＴ−Ｓ線図に示す空気の入口温度Ｔin（ここでは外部からの吸入空気の温度と同一と仮定する）と出口温度Ｔoutとの差分（即ち、温度の低下代）ΔＴにより設定することもあれば、出口温度Ｔoutにより設定することもある。
【００３０】
即ち、このターボクーラシステムは、所望の温度の低下代ΔＴ（例えば外気温が常温の場合に十数℃）又は所望の出口温度Ｔout（例えば外気温が常温の場合に８℃）となるような圧縮機８と冷却装置９と膨張機１０との組み合わせによって構成される。
【００３１】
ここで、内燃機関１の仕様や搭載される車輌毎に燃料消費率の要求低下代は異なるので、所望の温度の低下代ΔＴや出口温度Ｔoutは、その内燃機関１の仕様等毎に異なる。これが為、ターボクーラシステムの冷却効率η（圧縮機８の圧縮効率，冷却装置９の冷却効率や膨張機１０の膨張効率）は、内燃機関１の仕様や搭載される車輌毎に、燃料消費率の要求低下代に応じて最適なものを設定すればよい。
【００３２】
例えば、ターボクーラシステムの冷却効率ηが一定の場合、このターボクーラシステムにより得られる極低温の空気は、外気温によって異なる温度になる。これが為、かかる場合のターボクーラシステムの冷却効率ηは、車輌の仕向地をも考慮した上で設定することが好ましい。
【００３３】
また、仮に一地域でしか使用されなくとも外気温が常に一定であることはなく、ターボクーラシステムの冷却効率ηを一定にすると、そのターボクーラシステムにより得られる極低温の空気の温度にバラツキが生じ、厳密な値で燃料消費率の低下を求める場合には好ましくない。これが為、かかる場合には、その冷却効率ηを任意に可変し得るターボクーラシステムを構成することが好ましい。例えば、膨張機１０のＡ／Ｒ（Ａ：ノズル最狭部断面積、Ｒ：タービン軸中心からノズル最狭部断面中心までの距離）を可変制御し得る所謂可変ターボチャージャを適用し、外気温に応じてターボクーラシステムの冷却効率ηを可変制御する。
【００３４】
ここで、一般に、冷却装置９の冷却効率を良くする（大容量化する）ことでターボクーラシステムの冷却効率ηを簡易に高めることができる。しかしながら、その大容量化に伴って冷却装置９が大型化するので、車輌への搭載性の観点から限界があり好ましくない。
【００３５】
そこで、本実施例１にあっては、膨張機１０のタービン容量Ｑの最適化を図ることによって、所望の冷却効率（以下、「要求冷却効率」という。）ηcoolerのターボクーラシステムを得る。尚、ここでは、一定の冷却効率ηからなるターボクーラシステムについて例示する。
【００３６】
最初に、ターボクーラシステムの冷却効率ηと膨張機１０のタービン容量Ｑとの関係について説明する。
【００３７】
膨張機１０のタービン容量Ｑとは、膨張機１０を流れる空気の流量，即ちタービン等価絞り面積と同意であり、本実施例１の如きターボクーラシステムにおいては吸気絞り量となる。これが為、図３に示す如く、タービン容量Ｑの大小によって、膨張機１０の最大空気流量（換言すれば、燃焼室１Ａ〜１Ｄ内への最大吸入空気量）には差が生じる。即ち、その図３に示す如く、低中速回転領域においては、タービン容量Ｑの小さい膨張機１０の方が燃焼室１Ａ〜１Ｄ内への吸入空気量Ｇａが多くなる。
【００３８】
また、タービン容量Ｑが小さい膨張機１０は、図４に示す如く、タービン容量Ｑの大きなものと比して、低中速回転領域（低空気流量域）でタービン膨張比が稼げるので、空気冷却用の膨張タービンとしての効果が高くなる。
【００３９】
このようなことから、膨張機１０のタービン容量Ｑを小さくすることで、一般的に車輌の燃料消費率を大きく左右する使用頻度の高い常用回転域（例えば、図３及び図４に示す使用頻度の高い機関回転数Ｎｅ１）においてターボクーラシステムの冷却効率ηを高めることができる。即ち、このターボクーラシステムにおいては高い冷却効率ηを得る為に膨張機１０を小型化することが好ましく、これにより低中速回転領域における燃焼室１Ａ〜１Ｄ内への吸入空気の温度を更に低下させることができるので、効果的に低中速回転領域でのノッキングの抑制と燃料消費率の低下を図ることができる。尚、その使用頻度の高い機関回転数Ｎｅ１は、最高出力点の機関回転数Ｎｅ２との間で「Ｎｅ１＝Ｎｅ２／（１．５〜２）」の関係が成り立つが、車輌の減速比や走行モード等によっては多少前後する。
【００４０】
次に、具体的な膨張機１０のタービン容量Ｑの設定方法について説明する。
【００４１】
先ず、内燃機関１の仕様や搭載される車輌に応じてターボクーラシステムの要求冷却効率ηcoolerを設定する。
【００４２】
ここで、このターボクーラシステムの冷却効率ηは、圧縮機８へ流入する空気の入口温度Ｔin，膨張機１０から吐出された空気の出口温度Ｔout及び冷却装置９の冷媒温度ＴICから下記の式１により求めることができる。
【００４３】
η＝（Ｔin−Ｔout）／（Ｔin−ＴIC）    …    （１）
【００４４】
ここでは、例えば、入口温度Ｔinとして車輌が使用される地域又は仕向地の外気温（年間を通しての平均気温や最高気温等）を上記式１に代入する一方、その車輌の内燃機関１を常用回転域で運転している際の冷媒温度ＴICを上記式１に代入する。
【００４５】
また、使用頻度の高い常用回転域において点火時期をＭＢＴ（Ｍｉｎｉｍｕｍ  ａｄｖａｎｃｅ  ｆｏｒ  Ｂｅｓｔ  Ｔｏｒｑｕｅ）付近に進角させた状態で空気の出口温度Ｔoutを試験的に変えていき、ノッキングが解消される出口温度Ｔoutを求めて上記式１に代入する。
【００４６】
そして、これにより得られた冷却効率ηの値をターボクーラシステムの要求冷却効率ηcoolerとして設定する。
【００４７】
一方、上記図４のタービン容量Ｑの相違による機関回転数Ｎｅとターボクーラシステムの冷却効率ηとの関係は、図５に示す如く、機関回転数Ｎｅの相違によるタービン容量Ｑとターボクーラシステムの冷却効率ηとの関係としてグラフ化することができる。
【００４８】
そこで、その図５に示すグラフと設定したターボクーラシステムの要求冷却効率ηcoolerとから使用頻度の高い機関回転数Ｎｅ１において要求冷却効率ηcoolerとなる目標のタービン容量Ｑcoolerを決めて、この目標タービン容量Ｑcoolerの小型の膨張機１０をターボクーラシステムに配備する。ここで、その小型の膨張機１０は、要求冷却効率ηcoolerよりも高い冷却効率ηになる目標タービン容量Ｑcooler以下のタービン容量Ｑにしてもよい。
【００４９】
ところで、このターボクーラシステムは、ノッキングの抑制と燃料消費率の低下という有用な効果を奏することができるが、その一方で膨張機１０により吸気が絞られるので吸気抵抗になってしまう。これが為、高速回転領域やアクセル急開動作時等の高出力要求時においては、夫々の燃焼室１Ａ〜１Ｄへの吸入空気量Ｇａが不足して所望の機関出力を得ることができない。特に、上述したが如く膨張機１０を小型化することによって、その吸入空気量Ｇａの不足による機関出力の低下は顕著に表れる。
【００５０】
そこで、本実施例１にあっては、ターボクーラシステムの吸気の絞りによる機関出力への影響が少なく、むしろノッキングの抑制と燃料消費率の低下という効果が大きい低中速回転領域においてはターボクーラシステムを作動させる一方、高出力要求時においてはターボクーラシステムを作動させないバイパス経路を吸気経路上に設ける。
【００５１】
このバイパス経路は、第１吸気通路７と第２吸気通路１１とを連通させるバイパス通路１３と、その第１吸気通路７とバイパス通路１３との間に設けた流路切替弁１４とにより構成し、その流路切替弁１４の切り替え動作によってターボクーラシステムへの外部からの空気の流入可否を制御する。
【００５２】
ここで、その流路切替弁１４は、低中速回転領域においてターボクーラシステムへとエアクリーナ６を経た空気が流入するよう流路の切り替えを行う一方、高出力要求時においてバイパス通路１３へとエアクリーナ６を経た空気が流入するよう流路の切り替えを行うものであって、その切り替え動作が制御手段たる図１に示す電子制御装置（ＥＣＵ）１５により制御される。
【００５３】
その電子制御装置１５は、クランクシャフト１ａから機関回転数を検出するクランク角センサ１６の出力信号に基づいて低中速回転領域又は高速回転領域の判定を行う。尚、その低中速回転領域と高速回転領域との境界を表す閾値たる機関回転数（例えば図６に示すＮｅ３）は、内燃機関１の仕様や搭載される車輌等に応じて個別に予め設定されている。
【００５４】
また、その電子制御装置１５は、図１に示すアクセル開度センサ１７の出力信号に基づいてアクセル急開動作か否かを判定する。
【００５５】
例えば、電子制御装置１５は、低中速回転領域と判定すると、第１吸気通路７を流れる空気がターボクーラシステムへと流入するように流路切替弁１４を切り替える。
【００５６】
これにより、エアクリーナ６を経た空気（入口温度Ｔin）は、図２のＴ−Ｓ線図に示す如く、圧縮機８で圧縮されて高温高圧（圧縮後温度Ｔcomp）になり、冷却装置９で冷却される。そして、その冷却後の低温高圧の空気（冷却後温度Ｔcool）は、膨張機１０によって膨張させられて外部の空気よりも低温の空気（出口温度Ｔout）になる。
【００５７】
これが為、内燃機関１が低中速回転領域で運転しているときには、その極低温の空気が第２吸気通路１１と吸気マニホルド２を経て各燃焼室１Ａ〜１Ｄに吸入されるので、ノッキングの発生が抑制されると共に燃料消費率が低下する。
【００５８】
また、電子制御装置１５は、高速回転領域と判定すると、第１吸気通路７を流れる空気がバイパス通路１３へと流入するように流路切替弁１４を切り替える。
【００５９】
これにより、エアクリーナ６を経た空気は、バイパス通路１３から第２吸気通路１１に流入し、吸気マニホルド２を介して各燃焼室１Ａ〜１Ｄに吸入される。
【００６０】
これが為、かかる領域においては、図３に示す如く各燃焼室１Ａ〜１Ｄへの吸入空気量Ｇａが増加するので、図６に示す如く、ターボクーラシステムを介した場合（バイパス通路１３を閉じた場合）に対して内燃機関１の出力（軸トルク）を増加させることができる。このように、この内燃機関１は、高速回転領域において出力を高めることができるので、変速機の変速比や最終減速機の最終減速比をも加味した車輌の要求動力性能（例えば最高車速）を確保することができる。
【００６１】
一方、電子制御装置１５は、低中速回転領域であってもアクセル急開動作と判断すると、第１吸気通路７を流れる空気がバイパス通路１３へと流入するように流路切替弁１４を切り替える。
【００６２】
これにより、上述した高速回転領域の場合と同様にエアクリーナ６を経た空気がターボクーラシステムを介さずに各燃焼室１Ａ〜１Ｄへと吸入され、内燃機関１の出力（軸トルク）を増加させることができる。これが為、大きな過渡トルクが必要とされるアクセル急開動作時には、その動作に応じた機関出力を発生させることができ、要求された急加速を行うことができる。
【００６３】
このように、本実施例１の如くターボクーラシステムとバイパス経路を設け、上述した運転条件に応じて外部からの吸入空気の流路を切り替えることによって、低中速回転領域で定常運転を行っている場合にはノッキングの抑制と燃料消費率の低下を図ることができ、また、高出力が求められている場合にはその要求に応じた機関出力を発生させることができる。
【００６４】
また、この内燃機関１においては、高出力要求時に動力性能を優先させて燃料消費率を増加させてしまうが、高速回転領域での運転やアクセル急開動作を長時間継続することは稀であり、一般に低中速回転領域での運転が多用されるので、その低中速回転領域での燃料消費率の低下に伴って全体的な燃料消費率が低下し、実用燃費の向上が図れる。
【００６５】
ここで、上述した電子制御装置１５は、低中速回転領域での運転であっても、高負荷領域で機関出力が不足していれば、第１吸気通路７を流れる空気がバイパス通路１３へと流入するように流路切替弁１４を切り替えてもよく、これによって、かかる場合における車輌の要求動力性能を確保してもよい。
【００６６】
また、その電子制御装置１５は、高速回転領域での運転であっても、低負荷又は中負荷の領域で運転している場合、第１吸気通路７を流れる空気がターボクーラシステムへと流入するように流路切替弁１４を切り替えてもよく、これによって、かかる場合におけるノッキングの抑制と燃料消費率の低下を図ってもよい。
【実施例２】
【００６７】
次に、本発明に係る内燃機関の実施例２を図７及び図８に基づいて説明する。
【００６８】
本実施例２の内燃機関１は、前述した実施例１のターボクーラシステムを二段化したものであって、吸気経路における流路切替弁１４の上流側に図７に示す圧縮機１８と冷却装置（所謂空冷又は水冷のインタークーラ）１９とを低圧段として新たに設けたものである。
【００６９】
ここで、本実施例２にあっては、その低圧段側の圧縮機１８として、クランクシャフト１ａの回転に同期して又は電動モータ等により独立して駆動する過給機（所謂スーパーチャージャー）を用いる。
【００７０】
このように、本実施例２の内燃機関１の吸気経路上には低圧段の過給機（圧縮機１８）及び冷却装置１９，並びに高圧段の過給機（圧縮機８と膨張機１０）及び冷却装置９が設けられており、これによって、外部からの吸入空気を低圧段の圧縮機１８で高圧化し、更に、その高圧空気を高圧段の圧縮機８でより高圧の空気へと圧縮することができる。
【００７１】
即ち、本実施例２のターボクーラシステムは、外部からの吸入空気を極低温で且つ高圧の空気にして各燃焼室１Ａ〜１Ｄへと供給させるものであり、その高圧を維持する為に、実施例１に対して低圧段の過給機（圧縮機１８）を吸気経路上に配備している。
【００７２】
このような本実施例２のターボクーラシステムの冷却効率ηは、前述した実施例１のターボクーラシステムと同様にして設定されるが、本実施例２にあっては、高圧段側の圧縮機８の圧縮効率，冷却装置９の冷却効率や膨張機１０の膨張効率に加えて、低圧段側の圧縮機１８の圧縮効率と冷却装置１９の冷却効率をも加味して決められる。
【００７３】
このように構成された本実施例２の内燃機関１においては、エアクリーナ６を経た空気（入口温度Ｔin）は、図８のＴ−Ｓ線図に示す如く、低圧段側の圧縮機１８で圧縮されて高温高圧（圧縮後温度Ｔcomp１）になり、低圧段側の冷却装置１９で冷却される。そして、その冷却後の低温高圧の空気（冷却後温度Ｔcool１）は、第１吸気通路７へと流入する。
【００７４】
ここで、この本実施例２の内燃機関１にあっても、電子制御装置１５は、低中速回転領域と判定すると、第１吸気通路７を流れる空気が高圧段側の圧縮機８等へと流入するように流路切替弁１４を切り替える。
【００７５】
これにより、第１吸気通路７を流れる低温高圧の空気（冷却後温度Ｔcool１）は、図８のＴ−Ｓ線図に示す如く、高圧段側の圧縮機８で再び圧縮されて更に高圧な高温の空気（圧縮後温度Ｔcomp２）になり、高圧段側の冷却装置９で再び冷却される。そして、その冷却後の低温高圧の空気（冷却後温度Ｔcool２）は、高圧段側の膨張機１０によって膨張させられて外部の空気よりも低温の高圧空気（出口温度Ｔout）になる。
【００７６】
これが為、本実施例２においても、内燃機関１が低中速回転領域で運転しているときには、実施例１と同様に極低温の高圧空気が第２吸気通路１１と吸気マニホルド２を経て各燃焼室１Ａ〜１Ｄに吸入されるので、ノッキングの発生が抑制されると共に燃料消費率が低下する。
【００７７】
また、電子制御装置１５は、高速回転領域と判定すると、第１吸気通路７を流れる空気がバイパス通路１３へと流入するように流路切替弁１４を切り替える。
【００７８】
これにより、第１吸気通路７を流れる低圧段側の圧縮機１８及び冷却装置１９を経た低温高圧の空気（冷却後温度Ｔcool１）は、バイパス通路１３から第２吸気通路１１に流入し、吸気マニホルド２を介して各燃焼室１Ａ〜１Ｄに吸入される。
【００７９】
これが為、本実施例２にあっては、かかる領域において実施例１以上に各燃焼室１Ａ〜１Ｄへの吸入空気量Ｇａが増加し、機関出力の更なる向上が図れるので、実施例１と同様に車輌の要求動力性能（例えば最高車速）を確保し得るだけでなく、その要求動力性能を向上させることができる。
【００８０】
一方、電子制御装置１５は、低中速回転領域であってもアクセル急開動作と判断すると、第１吸気通路７を流れる空気がバイパス通路１３へと流入するように流路切替弁１４を切り替える。
【００８１】
これにより、上述した高速回転領域の場合と同様に低圧段側の圧縮機１８及び冷却装置１９を経た低温高圧の空気が各燃焼室１Ａ〜１Ｄへと吸入されて、機関出力の更なる向上が図れる。これが為、大きな過渡トルクが必要とされるアクセル急開動作時には、実施例１と同様にアクセル急開動作に応じた機関出力を発生させることができ、要求された急加速が可能になると共に、その急加速性能の向上をも図り得る。
【００８２】
このように、本実施例２にあっても、低中速回転領域で定常運転を行っている場合にはノッキングの抑制と燃料消費率の低下を図ることができ、高出力が求められている場合にはその要求に応じた機関出力を発生させることができる。また、全体的な燃料消費率の低下に伴い、実用燃費の向上が図れる。
【００８３】
ここで、例えば高圧段側の冷却効率が実施例１と同等であると仮定した場合、本実施例２にあっては、低圧段側の圧縮機１８及び冷却装置１９の過給及び冷却効果によって出口温度Ｔoutが実施例１よりも低下するので、その実施例１よりも有効にノッキングを抑制し、燃料消費率を低下させることができる。
【００８４】
また、本実施例２にあっては、スーパーチャージャーを低圧段の過給機として用いているので、複雑な制御が不要になる。即ち、所謂排気ターボチャージャを低圧段の過給機として用いると、流路切替弁１４の切り替えによる夫々の燃焼室１Ａ〜１Ｄへの吸入空気量Ｇａの変化に伴って排気ガスの排出量が変化するので、排気エネルギが変動して過給圧変動が起こるが、上記の如き排気エネルギに左右されないスーパーチャージャーであれば過給圧変動が起こらないので、低圧段側の過給圧の制御等を行わずともよく、再現性の高いターボクーラシステムを構築することができる。
【００８５】
ここで、上述した電子制御装置１５は、前述した実施例１と同様に、低中速回転領域での運転であっても高負荷領域で機関出力が不足していれば、第１吸気通路７を流れる低温高圧の空気がバイパス通路１３へと流入するように流路切替弁１４を切り替えてもよく、高速回転領域での運転であっても低負荷又は中負荷の領域で運転している場合、第１吸気通路７を流れる低温高圧の空気がターボクーラシステムへと流入するように流路切替弁１４を切り替えてもよい。
【００８６】
尚、上述した各実施例１，２においては第１吸気通路７と第２吸気通路１１とをバイパス通路１３で連通させているが、そのバイパス通路１３は、第２吸気通路１１以外の各燃焼室１Ａ〜１Ｄへの吸気導入路（例えば吸気マニホルド２）に対して第１吸気通路７と連通させるよう配置してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
以上のように、本発明に係る内燃機関は、ノッキングの抑制と燃料消費率の低下を図る技術として有用である一方、高出力が求められる状況下において機関出力を向上させる技術に適している。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】本発明に係る内燃機関の実施例１の構成を示す図である。
【図２】実施例１におけるターボクーラシステムの冷却効率について説明するＴ−Ｓ線図である。
【図３】タービン容量の相違による機関回転数と吸入空気量との関係について説明する図である。
【図４】タービン容量の相違による機関回転数とターボクーラシステムの冷却効率との関係について説明する図である。
【図５】機関回転数の相違によるタービン容量とターボクーラシステムの冷却効率との関係について説明する図である。
【図６】本発明に係る内燃機関における機関回転数毎の軸トルクについて説明する図である。
【図７】本発明に係る内燃機関の実施例２の構成を示す図である。
【図８】実施例２におけるターボクーラシステムの冷却効率について説明するＴ−Ｓ線図である。
【符号の説明】
【００８９】
１  内燃機関
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ  燃焼室
２  吸気マニホルド
６  エアクリーナ
７  第１吸気通路
８  圧縮機（高圧段側の圧縮機）
９  冷却装置（高圧段側の冷却装置）
１０  膨張機（高圧段側の膨張機）
１１  第２吸気通路
１３  バイパス通路
１４  流路切替弁
１５  電子制御装置
１８  低圧段側の圧縮機（他の圧縮機）
１９  低圧段側の冷却装置（他の冷却装置）
【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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