(57)【要約】【課題】この発明は、気体燃料に対応した過給機付き内燃機関に関し、気体燃料の使用時にも気体燃料が使用されない場合と同様の吸入空気量を確保することを目的とする。【解決手段】ターボチャージャ３８の下流に水冷式のインタークーラ３４を設ける。液体燃料を噴射する液体噴射弁２６と気体燃料を噴射する気体噴射弁１６を設ける。CNGタンク２２に高圧貯蔵されている気体燃料をレギュレータ２０で減圧して気体噴射弁１６に供給する。レギュレータ２０は冷媒と熱交換するための熱交換室２４を有する。気体噴射弁１６が気体燃料を噴射する状況下では、熱交換室２４を経由する冷媒をインタークーラ３４に供給し、気体噴射弁１６が気体燃料を供給しない状況下では、熱交換室２４を経由する冷媒をインタークーラ３４に供給しない。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸入空気を加圧して内燃機関に供給する過給機と、
前記過給機の下流で吸入空気を冷却する水冷式のインタークーラと、
内燃機関に液体燃料を供給する液体燃料供給装置と、
内燃機関の吸気ポートに気体燃料を供給する気体燃料供給装置と、
高圧貯蔵されている気体燃料を減圧して前記気体燃料供給装置に供給するためのレギュレータと、
前記インタークーラに冷媒を供給するインタークーラ冷却システムと、を備え、
前記インタークーラ冷却システムは、
前記レギュレータと前記冷媒との間で熱交換を行わせる熱交換室を有し、
前記気体燃料供給装置が前記気体燃料を供給する状況下では、前記熱交換室を経由する冷媒を前記インタークーラに供給し、
前記気体燃料供給装置が前記気体燃料を供給しない状況下では、前記熱交換室を経由する冷媒を前記インタークーラに供給しないことを特徴とする気体燃料に対応した過給機付き内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、気体燃料に対応した過給機付き内燃機関に係り、特に、液体燃料と共に圧縮ガスを燃料として使用する過給機付き内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、液体燃料と気体燃料とを適宜切り換えて吸気ポートに供給する内燃機関が開示されている。このような内燃機関によれば、液体燃料を用いることによる利点と気体燃料を用いることによる利点を共に享受することができる。
【０００３】
出願人は、特許文献１を含めて、本願発明に関連する先行技術文献として下記の文献を認識している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−１０５５８３号公報
【特許文献２】特開２０００−３４５９２２号公報
【特許文献３】特開平７−１８９８１３号公報
【特許文献４】特開昭６０−０５２２９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、内燃機関の吸気ポートに気体燃料を供給する際には、吸気ポートの内部で気体燃料により吸入空気の進行が妨げられる事態が生ずる。このため、気体燃料使用時の吸入空気量は、気体燃料が使用されない場合の吸入空気量に比して少量となり易い。
【０００６】
内燃機関は吸入空気量に応じた出力を発する。このため、特許文献１に記載の内燃機関においては、気体燃料が燃料として使用される際の出力が、液体燃料が使用される際の出力に比して小さくなり易い。その結果、例えば気体燃料と液体燃料とが切り替えられる際には、トルクショックが生ずることがある。
【０００７】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、気体燃料の使用時にも気体燃料が使用されない場合と同様の吸入空気量を確保することのできる過給機付き内燃機関を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、気体燃料に対応した過給機付き内燃機関であって、
吸入空気を加圧して内燃機関に供給する過給機と、
前記過給機の下流で吸入空気を冷却する水冷式のインタークーラと、
内燃機関に液体燃料を供給する液体燃料供給装置と、
内燃機関の吸気ポートに気体燃料を供給する気体燃料供給装置と、
高圧貯蔵されている気体燃料を減圧して前記気体燃料供給装置に供給するためのレギュレータと、
前記インタークーラに冷媒を供給するインタークーラ冷却システムと、を備え、
前記インタークーラ冷却システムは、
前記レギュレータと前記冷媒との間で熱交換を行わせる熱交換室を有し、
前記気体燃料供給装置が前記気体燃料を供給する状況下では、前記熱交換室を経由する冷媒を前記インタークーラに供給し、
前記気体燃料供給装置が前記気体燃料を供給しない状況下では、前記熱交換室を経由する冷媒を前記インタークーラに供給しないことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
第１の発明によれば、過給機によって加圧された吸入空気をインタークーラで冷却することにより吸入空気の充填効率を高めることができる。気体燃料供給装置が吸気ポートに気体燃料を供給する際には、レギュレータにおいて気体燃料が減圧される。この際、熱交換室では、気体燃料の膨張に伴う吸熱により冷媒が冷却される。そして、気体燃料使用時には、このようにして生成された冷却冷媒がインタークーラに供給される。他方、気体燃料が使用されない状況下では、インタークーラに冷却冷媒は供給されない。吸入空気の充填効率はインタークーラが低温であるほど高くなる。このため、本発明によれば、気体燃料使用時には、気体燃料が使用されない場合に比して吸入空気の充填効率を高めることができる。その結果、気体燃料使用時にも、気体燃料が使用されない場合と同様の吸入空気量が確保される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１の構成を示す図である。
【図２】気体燃料の使用に伴う課題を説明するための図である。
【図３】本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。
【図４】本発明の実施の形態１のインタークーラ冷却システムを模式的に表した図である。
【図５】インタークーラ冷却システムの第１変形例を模式的に表した図である。
【図６】インタークーラ冷却システムの第２変形例を模式的に表した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は本発明の実施の形態１の構成を説明するための図である。本実施形態のシステムは内燃機関１０を備えている。内燃機関１０は吸気ポート１２と排気ポート１４を備えている。吸気ポート１２には気体噴射弁１６が組み込まれている。
【００１２】
気体噴射弁１６には気体通路１８が連通している。気体通路１８はレギュレータ２０を介してCNGタンク２２に連通している。CNGタンク２２には、高圧の圧縮天然ガス（CNG: Compressed Natural Gas）が貯蔵されている。
【００１３】
レギュレータ２０は、CNGタンク２２から供給される高圧CNGを、予め設定されている噴射圧力に減圧して気体通路１８に供給する機能を有している。レギュレータ２０の内部には、CNGが通過する気体室と、後述する冷媒を流通させるための熱交換室２４とが、互いに独立して設けられている。レギュレータ２０によるCNGの減圧には、CNGの急激な膨張と、その膨張に付随する吸熱が生ずる。レギュレータ２０は、この吸熱を利用して熱交換室２４内の冷媒を冷却することができる。
【００１４】
気体通路１８は、レギュレータ２０によって減圧されたCNGを気体噴射弁１６に供給する。気体噴射弁１６は、このようにして供給されるCNGを内燃機関１０の吸気ポート１２に噴射することができる。
【００１５】
内燃機関１０には、また、燃焼室内に開口するように液体噴射弁２６が組み込まれている。液体噴射弁２６には、燃料タンク２８から液体燃料としてガソリンが供給されている。液体噴射弁２６は、そのガソリンを内燃機関１０の燃焼室内に直接噴射することができる。
【００１６】
内燃機関１０の吸気ポート１２には、吸気通路３０が連通している。吸気通路３０には吸入空気量を制御するためのスロットル弁３２が配置されている。スロットル弁３２の上流には、吸入空気を冷却するための水冷式のインタークーラ３４が配置されている。インタークーラ３４には、吸入空気を通過させるための通路と、この通路を取り巻く冷媒室３６とが互いに独立して設けられている。インタークーラ３４は、冷媒室３６に冷媒を流通させることにより効率的に吸入空気を冷却することができる。
【００１７】
インタークーラ３４の更に上流には、過給機、具体的にはターボチャージャ３８のコンプレッサ４０の吐出口が連通している。コンプレッサ４０の吸入口はエアクリーナ４２に連通している。
【００１８】
内燃機関１０の排気ポート１４には排気通路４３が連通している。排気通路４３には、ターボチャージャ３８のタービン４４が組み込まれている。タービン４４の下流には排気ガスを浄化するための第１触媒４６及び第２触媒４８が配置されている。
【００１９】
内燃機関１０には、図示しないウォータジャケットが設けられている。図１に示すシステムは、このウォータジャケットに冷却水を循環させるための循環装置５０を備えている。循環装置５０には、E/G冷却通路５２，５４が連通している。E/G冷却通路５２，５４は、内燃機関１０によって加熱された冷却水をレギュレータ２０の周囲に循環させることができる。循環装置５０は、内燃機関１０の冷却水がレギュレータ２０の周囲を循環する状態と、その循環が停止した状態とを選択的に実現することができる。
【００２０】
レギュレータ２０の内部には、上記の通り、CNGの減圧に伴う吸熱が生ずる。循環装置５０が内燃機関１０の冷却水をレギュレータ２０の周辺に流通させると、その吸熱によりレギュレータ２０が凍結するのを防ぐことができる。また、循環装置５０が冷却水の循環を止めると、レギュレータ２０による吸熱により熱交換室２４の温度を低温にすることができる。
【００２１】
図１に示すシステムは、また、ターボチャージャ３８の冷却システムを備えている。この冷却システムは、ターボチャージャ３８に冷媒を供給するための冷媒通路５６と、ターボチャージャ３８から流通する冷媒を受けるための冷媒通路５８を備えている。冷媒通路５８は、リザーブタンク６０を介して、インタークーララジエタ６２の第１流入口６４に連通している。インタークーララジエタ６２の流出口６６は、ポンプ６８を介して冷媒通路７０に連通している。冷媒通路７０は、第１逆止弁７２を介して、ターボチャージャ３８に通じる冷媒通路５６に連通している。第１逆止弁７２は、冷媒通路７０側からターボチャージャ３８側へ向かう冷媒の流れだけを許容するように構成されている。
【００２２】
上記の冷却システムにおいて、ポンプ６８は、インタークーララジエタ６２から流出する冷媒を吸い込んで冷媒通路７０に吐出する。吐出された冷媒は第１逆止弁７２を通ってターボチャージャ３８に供給される。ターボチャージャ３８を冷却した冷媒は、冷媒通路５８を通ってインタークーララジエタ６２に戻される。冷媒がこのように循環することによりターボチャージャ３８を適切に冷却し続けることができる。
【００２３】
図１に示すシステムは、更に、インタークーラ冷却システムを備えている。この冷却システムは、上述した第１逆止弁７２の下流で冷媒通路５６から分岐した位置に第２逆止弁７４を備えている。第２逆止弁７４は、冷媒通路５６側に流入口を有する一方向弁である。第２逆止弁７４の流出口は、第１冷媒弁７６を介して冷媒通路７８に連通している。第１冷媒弁７６は開弁状態と閉弁状態を選択的に実現する電磁弁である。冷媒通路７８は、インタークーラ３４の冷媒室３６に通じている。インタークーラ３４の冷媒室３６は、冷媒通路８０にも連通している。この冷媒通路８０は、リザーブタンク６０を介してインタークーララジエタ６２の第２流入口８２に連通している。
【００２４】
インタークーラ３４の冷却システムは、更に、レギュレータ２０の熱交換室２４に連通する冷媒通路８４を備えている。冷媒通路８４には、第２冷媒弁８６が組み込まれている。第２冷媒弁８６も、第１冷媒弁７６と同様の電磁弁である。冷媒通路８４は、第２冷媒弁８６の上流側において冷媒通路７０に連通している。レギュレータ２０の熱交換室２４は、更に冷媒通路８８に連通している。冷媒通路８８は第３逆止弁９０を介して冷媒通路７８に連通している。つまり、冷媒通路８８は、第３逆止弁９０を介してインタークーラ３４に連通している。第３逆止弁９０は、レギュレータ２０側からインタークーラ３４側へ向かう冷媒の流れだけを許容する一方向弁である。
【００２５】
本実施形態におけるインタークーラ３４の冷却システムは、第１冷媒弁７６及び第２冷媒弁８６の状態を切り替えることにより下記の２つのモードを実現する。
（通常モード）
第１冷媒弁：開
第２冷媒弁：閉
（強冷却モード）
第１冷媒弁：閉
第２冷媒弁：開
【００２６】
通常モードでは、ポンプ６８から吐出された冷媒は、第１逆止弁７２及び第２逆止弁７４を通ってインタークーラ３４に流入する。そして、インタークーラ３４を冷却した冷媒は、インタークーララジエタ６２を通ってポンプ６８に循環する。この場合、冷媒の冷却はインタークーララジエタ６２によってのみ行われる。
【００２７】
強冷却モードでは、ポンプ６８から吐出された冷媒は、第２冷媒弁８６を通過してレギュレータ２０の熱交換室２４に流入する。そして、冷媒は、熱交換室２４から流出した後に第３逆止弁９０を通ってインタークーラ３４に流入する。インタークーラ３４から流出した冷媒は、通常モードの場合と同様にインタークーララジエタ６２を通ってポンプ６８に戻される。
【００２８】
冷却システムが強冷却モードとされた際にレギュレータ２０がCNGの減圧処理を行っていれば、その減圧に伴う吸熱により、熱交換室２４を通る冷媒は大きく冷却される。従って、この場合は、インタークーラ３４を流れる冷媒が、インタークーララジエタ６２とレギュレータ２０の双方により冷却される。このため、強冷却モードによれば、通常モードに比して、インタークーラ３４の冷却能力を高めることができる。
【００２９】
［実施の形態１の特徴］
図２は、内燃機関１０において気体燃料を用いる際の課題を説明するための図である。より具体的には、図２中に実線で示す波形９２は、CNGを燃料として用いた場合の内燃機関１０の全開特性を示す。また、図２中に一点鎖線で示す波形９４はガソリンを燃料とした場合の全開特性を示す。但し、これらの波形９２，９４は、何れもインタークーラ３４を通常モードで冷却した場合の特性を表している。
【００３０】
内燃機関１０において、液体燃料であるガソリンは、液体噴射弁２６から内燃機関１０に供給される。吸入空気はガソリンの噴射によって妨げられることはない。他方、液体燃料であるCNGは気体噴射弁１６によって吸気ポート１２に供給される。噴射されたCNGは吸気ポート１２内で吸入空気の進行を妨げる。このため、CNGが噴射される状況下では、ガソリンのみが燃料とされる場合に比して吸入空気量が少量となり易い。特に、この傾向は低回転高負荷の領域で顕著になる。
【００３１】
図２中に破線枠で示す領域９６は、燃料としてCNGが用いられることにより、ガソリンが燃料とされる場合に比して出力が顕著に低下する領域である。本実施形態では、この領域９６でCNGが燃料として使用される場合には、インタークーラ３４の冷却モードを通常モードから強冷却モードに切り替える。強冷却モードによれば、通常モードに比して吸入空気量を大きく冷却して、その充填効率を高めることができる。このため、本実施形態のシステムによれば、領域９６でCNGが用いられる場合においても、ガソリンが用いられる場合と同様の吸入空気量を確保することができる。その結果、このシステムによれば、領域９６におけるCNGの全開特性９２をガソリンの全開特性９４に近づけることができる。
【００３２】
［実施の形態１のルーチン］
図１に示すシステムは、内燃機関１０の制御装置としてECU（Electronic Control Unit）１００を備えている。ECU１００は、第１冷媒弁７６及び第２冷媒弁８６の状態を制御することで、インタークーラ３４の冷却モードを内燃機関１０の状態に応じて適宜切り替えることができる。
【００３３】
図３は、上記の機能を実現するためにECU１００が実行するルーチンのフローチャートを示す。図３に示すルーチンは、内燃機関１０が作動中であり、かつ、CNGが燃料として使用されていることを条件として実行されるものとする。CNGが燃料として使用されない状況下、つまり、ガソリンのみが燃料として使用される状況下では、別のルーチンが起動され、インタークーラ３４は常に通常モードで冷却される。
【００３４】
図３に示すルーチンでは、先ず、インタークーラ３４に関する制御のＯＮ指令が出される（ステップ１０２）。これによりポンプ６８が起動し、インタークーラ冷却システム内を冷媒が循環し始める。
【００３５】
次に、内燃機関１０に搭載されている各種センサの出力信号が読み取られる（ステップ１０４）。具体的には、内燃機関１０の回転速度、スロットル開度、吸気圧、吸気温、冷却水温等のセンサ出力が読み取られる。
【００３６】
次に、読み取った上記のセンサ出力に基づいて、内燃機関１０の負荷率と回転速度が強冷却モードの適用領域９６（図２参照）に属しているか否かが判別される（ステップ１０６）。
【００３７】
その結果、現在の負荷率及び回転速度が適用領域９６に属していないと判別された場合は、インタークーラ３４の冷却システムを通常モードとする処理が行われる。具体的には、先ず、循環装置５０を稼動状態としてレギュレータ２０の内部を冷却水が循環する状態が作り出される（ステップ１０８）。これにより、レギュレータ２０が過剰に低温になるのを防ぐことができる。
【００３８】
次に、第１冷媒弁７６が開状態、第２冷媒弁８６が閉状態とされる（ステップ１１０）。これにより、インタークーラ冷却システム内で、冷媒がレギュレータ２０をバイパスしてインタークーラ３４に流入する状態が形成される。これにより、インタークーラ冷却システムを通常モードで作動させることができる。
【００３９】
上記ステップ１０６で、内燃機関１０の負荷率及び回転速度が、強冷却モードの適用領域９６に属していると判別された場合は、強冷却モードを実現するための処理が行われる。ここでは先ず、循環装置５０を停止させることにより、レギュレータ２０内で冷却水が循環しない状態が作り出される（ステップ１１２）。これにより、CNGの減圧に伴う吸熱の影響が熱交換室２４にダイレクトに反映される状態となる。
【００４０】
次に、第１冷媒弁７６が閉状態、第２冷媒弁８６が開状態とされる（ステップ１１４）。これにより、インタークーラ冷却システム内で、レギュレータ２０を通った冷媒がインタークーラ３４に流入する状態が形成される。これにより、インタークーラ冷却システムを強冷却モードで作動させることができる。
【００４１】
以上の処理が終わると、次に、内燃機関１０のイグニッションがＯＦＦとされたか否かが判別される（ステップ１１６）。何れの条件も成立しない場合は、再び上記ステップ１０４以降の処理が実行される。
【００４２】
他方、イグニッションがＯＦＦとされたと判別された場合は、最早インタークーラ３４を冷却する必要がないため、インタークーラ３４に関する制御がＯＦＦとされる（ステップ１１８）。これによりポンプ６８の作動が停止する。以後、図３に示すルーチンが終了される。
【００４３】
以上説明した通り、本実施形態のシステムは、液体燃料であるガソリンが使用されている状況下ではインタークーラ３４を通常モードで冷却する。他方、気体燃料であるCNGが使用されている場合、特に、適用領域９６においてCNGが使用されている場合には、強冷却モードでインタークーラ３４を冷却することができる。そして、このようにしてインタークーラ３４の冷却モードを代えることにより、内燃機関１０の出力特性が、液体燃料が使用される場合と気体燃料が使用される場合とで大きく変化するのを防ぐことができる。このため、本実施形態のシステムによれば、複数種類の燃料を取り扱う機能を有しつつ、燃料の種類により内燃機関１０の出力特性にばらつきが生ずるのを有効に抑制することができる。
【００４４】
［実施の形態１の変形例］
図４は、上述した実施の形態１におけるインタークーラ冷却システムを模式的に表した図である。図４に示すように、実施の形態１のシステムでは、レギュレータ２０には、インタークーララジエタ６２で冷却された後の冷媒を流入させることとしている。しかしながら、その構成はこれに限定されるものではない。即ち、図４において、冷媒が逆方向に流れる構成、つまり、インタークーラ３４から流出した冷媒がレギュレータ２０に流入する構成を採用することとしてもよい。
【００４５】
また、上述した実施の形態１では、強冷却モードの場合にのみレギュレータ２０で冷媒を冷却することとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。図５は、インタークーラ３４と並列に他の機器を組み込んだ冷却システムの例を示す。本発明では、液体燃料が使用される場合にインタークーラ３４を強冷却モードで冷却できればよい。この条件が満たされる限り、図５に示すように、レギュレータ２０による冷却を他の機器の冷却に利用することとしてもよい。
【００４６】
図６は、インタークーラ冷却システムの更なる変形例の模式図を示す。インタークーラ冷却システムは、図６に示すように、インタークーラ３４と、インタークーララジエタ６２、ポンプ６８、及びレギュレータ２０を直列に接続したものであってもよい。この場合、液体燃料が使用される場合にのみポンプ６８を作動させることにより、燃料の種類による出力特性のばらつきを抑制することができる。
【００４７】
ところで、上述した実施の形態１では、液体燃料であるガソリンは燃焼室内に直接噴射することとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。液体燃料は、ポート噴射することとしてもよい。
【００４８】
また、上述した実施の形態１では、気体燃料であるCNGと、液体燃料であるガソリンとが、選択的に使用されることとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。即ち、気体燃料と液体燃料とは同時に使用してもよい。両者が同時に用いられる場合は、気体燃料の影響が吸入空気に及ぶため、強冷却モードでインタークーラ３４を冷却することが望ましい。
【００４９】
尚、上述した実施の形態1では、液体噴射弁２６が上記第１の発明における「液体燃料供給装置」に、気体噴射弁１６が上記第１の発明における「気体燃料供給装置」に、夫々相当している。
【符号の説明】
【００５０】
１０  内燃機関
１６  気体噴射弁
２０  レギュレータ
２４  熱交換室
２６  液体噴射弁
３４  インタークーラ
３８  ターボチャージャ
１００  ECU
【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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