(57)【要約】  ターボチャージャ過給型内燃機関であって、排気弁（ａ，ｂ）を開閉させるためのターボチャージャ（１５）アクチュエータと、これらアクチュエータの動作を制御することにより排気弁（ａ，ｂ）の開閉を制御する電子コントローラとを備える。排気弁のうち第１排気弁（ａ）は第１排気ダクト（１４）に、第２排気弁（ｂ）は第２排気ダクト（１６）に連通する。第１排気ダクト（１４）は、それを通る排ガスによってターボチャージャ（１５）が駆動されるようターボチャージャ（１５）につながれ、ターボチャージャ（１５）を迂回する第２排気ダクト（１６）を流れる燃焼済ガスは、ターボチャージャ（１５）を通ることなく排気される。電子コントローラは、第１及び第２排気弁（ａ，ｂ）の開閉を制御することにより、燃焼室から出てくる燃焼済ガスのうちどれだけの割合を第１及び第２排気ダクト（１４，１６）に流すかを制御する。
2007518019.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可変容積の燃焼室と、
燃焼室内に向かう空気流を制御するための吸気弁手段と、
この空気に燃料を送り込んで混合させる燃料供給手段と、
燃焼室に発する燃焼済ガス流を制御するための排気弁手段であって、第１排気ダクトにつながった少なくとも１個の第１排気弁、及び第１排気ダクトとは別体独立の第２排気ダクトにつながった少なくとも１個の第２排気弁を有する排気弁手段と、
燃焼室内への流入に先立ち空気を圧縮するコンプレッサ手段であって、第１排気ダクト内を通る排ガスによって回転駆動できるよう且つ第２排気ダクト内燃焼済ガス流を第１ターボチャージャを通らずに排気させられるよう、第１排気ダクトにつながり且つ第２排気ダクトにより迂回された第１ターボチャージャを有するコンプレッサ手段と、
排気弁手段を開閉させるアクチュエータ手段と、
このアクチュエータ手段の動作を制御することにより排気弁手段の開閉を制御する電子コントローラであって、アクチュエータ手段の動作制御によって第１及び第２排気弁の開閉を制御することにより、燃焼室から出てくる燃焼済ガスのうちどれだけの割合を第１排気ダクト内に流しどれだけの割合を第２排気ダクト内に流すかを制御する電子コントローラと、
を備えるターボチャージャ過給型内燃機関。
【請求項２】
請求項１記載のターボチャージャ過給型内燃機関であって、第１ターボチャージャのタービン部内で膨張した後第１ターボチャージャから出てくる燃焼済ガスと第２排気ダクト内燃焼済ガス流とを接合部にて合流させ、合流後の燃焼済ガス流を第１触媒コンバータを介し外気へと流すターボチャージャ過給型内燃機関。
【請求項３】
請求項２記載のターボチャージャ過給型内燃機関であって、更に、第１ターボチャージャから出て来た燃焼済ガスと第２排気ダクト内燃焼済ガスとが合流する上記接合部より上流に位置することとなるよう、第２排気ダクト内に第２触媒コンバータを設けたターボチャージャ過給型内燃機関。
【請求項４】
請求項３記載のターボチャージャ過給型内燃機関であって、本内燃機関の始動時に、そのシリンダから出てくる燃焼済ガスの全て或いは少なくとも大部分が第２排気ダクトひいては第２触媒コンバータを通るよう、電子コントローラが第１及び第２排気弁の開閉を制御するターボチャージャ過給型内燃機関。
【請求項５】
請求項１乃至４のうち何れか一項記載のターボチャージャ過給型内燃機関であって、更に、第１ターボチャージャからシリンダに向かう圧縮済空気流を冷却するインタクーラを備えるターボチャージャ過給型内燃機関。
【請求項６】
請求項１記載のターボチャージャ過給型内燃機関であって、
コンプレッサ手段が、更に、第１ターボチャージャより低圧の第２ターボチャージャを有し、第１ターボチャージャが、第２ターボチャージャから第１気圧の圧縮済空気を受け取って圧縮しその圧力を第２気圧に高めることができるより高圧のターボチャージャであり、
第１ターボチャージャのタービン部内で膨張した後第１ターボチャージャから出てくる燃焼済ガスと第２排気ダクト内燃焼済ガス流とを合流させ、合流後の燃焼済ガス流により第２ターボチャージャを回転駆動するターボチャージャ過給型内燃機関。
【請求項７】
請求項６記載のターボチャージャ過給型内燃機関であって、第２ターボチャージャから出てくる燃焼済ガスを触媒コンバータに通して外気へと流すターボチャージャ過給型内燃機関。
【請求項８】
請求項６又は７記載のターボチャージャ過給型内燃機関であって、更に第１インタクーラを備え、比較的低圧の第２ターボチャージャにより圧縮された空気がこの第１インタクーラを通ってより高圧の第１ターボチャージャに達するターボチャージャ過給型内燃機関。
【請求項９】
請求項６乃至８のうち何れか一項記載のターボチャージャ過給型内燃機関であって、更に、第２ターボチャージャにて圧縮された空気を第１ターボチャージャを迂回して吸気弁手段へと流すための吸気迂回流路と、吸気迂回流路内圧縮済空気流を制御するための迂回弁手段と、を備えるターボチャージャ過給型内燃機関。
【請求項１０】
請求項１記載のターボチャージャ過給型内燃機関であって、コンプレッサ手段が、更に、吸入空気を第１気圧まで圧縮する第１ターボチャージャより高圧のスーパチャージャを有し、このスーパチャージャが、より低圧の第１ターボチャージャから出てくる圧縮済空気を圧縮してその圧力を第１気圧から第２気圧へと高めるターボチャージャ過給型内燃機関。
【請求項１１】
請求項１０記載のターボチャージャ過給型内燃機関であって、コンプレッサ手段が、更に、第１ターボチャージャにより圧縮された空気をスーパチャージャを迂回して流すための迂回流路と、迂回流路内圧縮済空気流を制御するための迂回弁手段と、を有するターボチャージャ過給型内燃機関。
【請求項１２】
請求項１１記載のターボチャージャ過給型内燃機関であって、迂回弁手段が電子コントローラにより制御される電気制御弁であるターボチャージャ過給型内燃機関。
【請求項１３】
請求項１記載のターボチャージャ過給型内燃機関であって、コンプレッサ手段が、更に、第１ターボチャージャより低圧の電動コンプレッサを有し、電動コンプレッサにより圧縮された空気をより高圧の第１ターボチャージャに送り込み、第１ターボチャージャにてその圧力を更に高めるターボチャージャ過給型内燃機関。
【請求項１４】
請求項１３記載のターボチャージャ過給型内燃機関であって、コンプレッサ手段が、更に、電動コンプレッサを迂回し第１ターボチャージャへと直に空気を流すための迂回流路と、迂回流路内空気流を制御するための迂回弁と、を有するターボチャージャ過給型内燃機関。
【請求項１５】
請求項１４記載のターボチャージャ過給型内燃機関であって、電子コントローラが、本内燃機関を始動させるとき、本内燃機関が低速運転されているとき又はその双方に限って電動コンプレッサが作動し、それ以外の状況では吸入空気が完全に電動コンプレッサを迂回し第１ターボチャージャだけで圧縮されるよう、迂回弁及び電動コンプレッサの動作を制御するターボチャージャ過給型内燃機関。
【請求項１６】
請求項１記載のターボチャージャ過給型内燃機関であって、
コンプレッサ手段が、更に、第１ターボチャージャより低圧の第２ターボチャージャを有し、この第２ターボチャージャにより第１気圧まで圧縮された空気を第１ターボチャージャが更に圧縮してその圧力を第２気圧に高め、
第１排気ダクトを介して送り込む排ガスにより高圧の第１ターボチャージャを、また第２排気ダクトを介し且つ第１ターボチャージャを迂回して送り込む排ガスにより低圧の第２ターボチャージャを、それぞれ回転駆動でき、
電子コントローラが、アクチュエータ手段の動作を制御することにより、燃焼室から出てくる燃焼済ガスのうちどれだけの割合を第１排気ダクト内に流しどれだけの割合を第２排気ダクト内に流すかを制御し、ひいては高圧の第１ターボチャージャ及び低圧の第２ターボチャージャの動作を制御するターボチャージャ過給型内燃機関。
【請求項１７】
請求項１６記載のターボチャージャ過給型内燃機関であって、高圧の第１ターボチャージャから出てくる膨張した排ガスを第２排気ダクト内に送り込み、それを介して低圧の第２ターボチャージャへと送り込むターボチャージャ過給型内燃機関。
【請求項１８】
請求項１６又は１７記載のターボチャージャ過給型内燃機関であって、コンプレッサ手段が、更に、高圧の第１ターボチャージャを迂回して空気を流すための迂回流路と、迂回流路内空気流を制御するための迂回弁と、を有するターボチャージャ過給型内燃機関。
【請求項１９】
請求項１８記載のターボチャージャ過給型内燃機関であって、迂回弁が電子コントローラにより制御されるターボチャージャ過給型内燃機関。
【請求項２０】
請求項１０乃至１９のうち何れか一項記載のターボチャージャ過給型内燃機関であって、コンプレッサ手段が、更に、燃焼室内に送り込むのに先立ちコンプレッサ手段への吸入空気を冷却するインタクーラを有するターボチャージャ過給型内燃機関。
【請求項２１】
請求項６乃至２０のうち何れか一項記載のターボチャージャ過給型内燃機関であって、
更に、電子コントローラにより制御され本内燃機関始動時に第２排気ダクト内排ガス流を阻止可能な始動弁を備え、
第１ターボチャージャから出て来た排ガスを第１排気ダクトを介し始動弁より上流で第２排気ダクト内に送り込み、
燃焼室から出て来た圧縮済ガスが第１排気ダクトを介してその連結先の第１ターボチャージャに送り込まれ、その圧縮済ガスによって第１ターボチャージャが駆動され、更にその圧縮済ガスが第２排気ダクトを介し燃焼室へと戻され再圧縮されるよう、電子コントローラが本内燃機関始動時に始動弁を閉じ且つ排気弁手段を開閉させるターボチャージャ過給型内燃機関。
【請求項２２】
請求項６乃至２０のうち何れか一項記載のターボチャージャ過給型内燃機関であって、更に、貯留タンクと、燃焼室から延び貯留タンクに達する貯留タンク流路と、燃焼室から貯留タンクに至る燃焼済ガス流並びに貯留元の貯留タンクから燃焼室に至る燃焼済ガス流を制御するためのシリンダヘッド貯留タンク弁手段と、を備え、シリンダヘッド貯留タンク弁手段により、燃焼室内で圧縮した燃焼済ガスを貯留タンクに送り込んでその内部に貯留し、その後シリンダに戻してシリンダ内で膨張させることが可能なターボチャージャ過給型内燃機関。
【請求項２３】
請求項１乃至２２のうち何れか一項記載のターボチャージャ過給型内燃機関であって、燃料注入手段による燃焼室内への燃料注入をアップストローク中の十分早い時期に行うことで空気に燃料を混合させそれにより均質混合物を生成して予混合圧縮自己着火により着火させること、或いは、燃料注入手段による燃料注入をアップストローク中のより遅い時期に行い燃焼室内で圧縮自己着火させることが可能なターボチャージャ過給型内燃機関。
【請求項２４】
請求項２３記載のターボチャージャ過給型内燃機関であって、本内燃機関が部分負荷運転状態で予混合圧縮自己着火動作しているときに、電子コントローラが、燃焼室内に燃焼済ガスが捕捉されるようピストンアップストローク中に排気弁手段を閉ざし、この捕捉済燃焼済ガスを燃料混合気内に組み込むことにより本内燃機関における燃料混合気への着火を遅らせるターボチャージャ過給型内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はターボチャージャ過給型内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボチャージャ過給型内燃機関は周知である。
【０００３】
【特許文献１】欧州特許出願公開第０９８９２９７号明細書（Ａ）
【特許文献２】欧州特許出願公開第０３９７３６１号明細書（Ａ）
【特許文献３】特開平３−１９４１１８号公報（Ａ）
【特許文献４】欧州特許出願公開第０５１５３０７号明細書（Ａ）
【特許文献５】特開平１−２４４１１１号公報（Ａ）
【特許文献６】欧州特許出願公開第１２５５０３０号明細書（Ａ）
【特許文献７】米国特許第６１０１９８９号明細書（Ａ）
【特許文献８】特開平８−１７７４９５号公報（Ａ）
【非特許文献１】"Sulzer RT-flex 50 engine leaflet",page 2, column 1, [online] Internet URL: http://www.wartsila.com/english/pdf/Marine/RT#flex50#datasheet.pdf
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ターボチャージャ過給型内燃機関は、その内燃機関（以下単に「エンジン」ともいう）のターボチャージャにより吸入空気にブーストをかける際にターボチャージャ回転速度をどのように制御すれば効果的にブーストを制御できるか、という問題を常に孕んでいる。また、ウエイストゲートが必須であったがこれは弁装置の複雑化につながっていた。更に、あらゆるエンジンを対象とする今日の厳しいエミッション規制を充足させる必要からすると、高圧ターボチャージャを使用することには問題がある。それは、高圧ターボチャージャによって流れが妨げられると排ガスが冷め、触媒コンバータのライトオフが許容できない程遅延することとなりかねないからである。また、二段式ターボチャージャ過給型エンジンにおいては、古くから、それらターボチャージャによりもたらされるブーストをターボチャージャ相互の関係でどのように制御すればエレガントかが、問題とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
ここに、本発明に係るターボチャージャ過給型内燃機関は、
可変容積の燃焼室と、
燃焼室内に向かう空気流を制御するための吸気弁手段と、
この空気に燃料を送り込んで混合させる燃料供給手段と、
燃焼室に発する燃焼済ガス流を制御するための排気弁手段であって、第１排気ダクトにつながった少なくとも１個の第１排気弁、及び第１排気ダクトとは別体独立の第２排気ダクトにつながった少なくとも１個の第２排気弁を有する排気弁手段と、
燃焼室内への流入に先立ち空気を圧縮するコンプレッサ手段であって、第１排気ダクト内を通る排ガスによって回転駆動できるよう且つ第２排気ダクト内燃焼済ガス流を第１ターボチャージャを通らずに排気させられるよう、第１排気ダクトにつながり且つ第２排気ダクトにより迂回された第１ターボチャージャを有するコンプレッサ手段と、
排気弁手段を開閉させるアクチュエータ手段と、
このアクチュエータ手段の動作を制御することにより排気弁手段の開閉を制御する電子コントローラであって、アクチュエータ手段の動作制御によって第１及び第２排気弁の開閉を制御することにより、燃焼室から出てくる燃焼済ガスのうちどれだけの割合を第１排気ダクト内に流しどれだけの割合を第２排気ダクト内に流すかを制御する電子コントローラと、
を備えるものである。
【発明の効果】
【０００６】
このように、電子コントローラにより制御されるアクチュエータ手段を用い排気弁手段の動作を制御することとしたため、第１ターボチャージャに流れる燃焼済ガスの体積及び流速を電子コントローラが制御することができ、ひいては第１ターボチャージャの動作をエレガントに制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の好適な実施形態について別紙図面を参照しつつ説明する。
【０００８】
図１に、４個のシリンダ１０、１１、１２及び１３を有する四気筒エンジンを示す。各シリンダは吸気弁ｉ並びに２個の排気弁ａ及びｂを有している。少なくとも排気弁ａ及びｂには、それらの弁を個別作動させる流体圧アクチュエータが連結されている。各流体圧アクチュエータを制御するのは図示しない電子コントローラであり、これは通常はエンジン管理システムの一部として構成される。各排気弁ａは、同じシリンダの排気弁ｂとは独立に開閉される。
【０００９】
シリンダ１０、１１、１２及び１３に発する燃焼済ガスは排気弁ａを通って第１排気ダクト１４に流れ込み、更にこの第１排気ダクト１４を介してターボチャージャ１５のタービン部１５ａに送り込まれる。
【００１０】
各排気弁ｂは第２排気ダクト１６に連通しており、シリンダ１０、１１、１２及び１３に発する燃焼済ガスは、この排気弁ｂを介しスタータ触媒コンバータ１７に流し込むことができる。
【００１１】
タービン部１５ａ内で膨張した燃焼済ガスは排気ダクト１８を介しターボチャージャ１５から出ていく。排気ダクト１８はジョイント１９にて第２排気ダクト１６に接合されており、このジョイント１９にて、ターボチャージャ１５からの燃焼済ガスが第２排気ダクト１６内を流れる燃焼済ガスと合流する。合流後の流れはもう１個の触媒コンバータ２１を通り抜けて外気に達する。
【００１２】
ターボチャージャ１５内に引き込まれた新鮮な空気は、そのターボチャージャ１５のコンプレッサ部１５ｂによって圧縮された後、吸気流路を介しシリンダ１０、１１、１２及び１３の吸気弁ｉへと送り込まれる。シリンダに行く途中で、圧縮済空気はインタクーラ２０を通り抜ける。
【００１３】
電子コントローラは、アクチュエータ制御を通じて排気弁ａ及びｂの開閉を制御することができ、それによって、各シリンダから流れ来る燃焼済ガス全体のうちどれだけの割合を第１排気ダクト１４に流しどれだけの割合を第２排気ダクト１６に流すのかを制御することができ、ひいてはターボチャージャ１５の動作を制御することができる。例えば、より強いブーストが必要な場合、シリンダ１０、１１、１２及び１３から吐き出される燃焼済ガス全体のうちターボチャージャ１５に送り込む部分の割合を、より大きくする。逆もまた同様である。エンジン始動時には、シリンダ１０、１１、１２及び１３から吐き出される燃焼済ガスの全て（さもなくば大部分）を、スタータ触媒コンバータ１７が早期且つ確実にライトオフするよう、従ってエンジン始動時エミッションが確実に低減されるように、第２排気ダクト１６に通す。
【００１４】
図２に、本発明の第２実施形態に係るエンジンを示す。このエンジンは４個のシリンダ１００、１０１、１０２及び１０３を有しており、各シリンダは吸気弁ｉ、排気弁ａ及び排気弁ｂを有している。そのうち少なくとも排気弁ａ及びｂは、図示しない電子コントローラによる制御の下、流体圧アクチュエータによって作動させる。各排気弁ａは、同じシリンダの排気弁ｂとは独立に作動させることができる。
【００１５】
シリンダ１００、１０１、１０２及び１０３の排気弁ａは、何れも第１排気ダクト１０４に連通している。第１排気ダクト１０４は、燃焼済ガスを高圧ターボチャージャ１０５のタービン部１０５ａへと導き入れる。また、シリンダ１００、１０１、１０２及び１０３の排気弁ｂは、何れも第２排気ダクト１０６に連通している。第２排気ダクト１０６は高圧ターボチャージャ１０５を迂回しており、第２排気ダクト１０６内の燃焼済ガスは低圧ターボチャージャ１０７のタービン部１０７ａへと流れ込む。
【００１６】
膨張した後高圧ターボチャージャ１０５のタービン部１０５ａから出てきた燃焼済ガスは、排気ダクト１０８を通ってジョイント１０９に流れ込み、このジョイント１０９にて、第２排気ダクト１０６沿いにやってくる燃焼済ガス流中に送り込まれる。排気弁ｂから直にやってきた燃焼済ガスと高圧ターボチャージャ１０５から出てきた燃焼済ガスはこうして合流し、低圧ターボチャージャ１０７のタービン部１０７ａへと送り込まれる。
【００１７】
低圧ターボチャージャ１０７のタービン部１０７ａを出た燃焼済ガスは、排気路１１０を通り抜け触媒コンバータ１１１を介して外気に達する。
【００１８】
ターボチャージャ１０７のコンプレッサ部１０７ｂに引き込まれ圧縮された空気は、吸気ダクト１１２を介して吐き出されインタクーラ１１３内を通り抜ける。圧縮された後インタクーラ１１３にて冷却されたこの空気は、高圧ターボチャージャ１０５のコンプレッサ部１０５ｂに通すこともでき、また迂回流路１１４沿いに通して高圧ターボチャージャ１０５を完全に迂回させることもできる。
【００１９】
高圧ターボチャージャ１０５に供給される第１気圧の圧縮済空気は、高圧ターボチャージャ１０５によって加圧されて第２気圧に高められ、そのコンプレッサ部１０５ｂを出てダクト１１５を通り、迂回流路１１４を流れてきた空気と再合流する。合流後の空気流は更にインタクーラ１１６を通り抜け、吸気ダクト１１７を介して吸気弁ｉに達する。
【００２０】
迂回流路１１４内には、電子コントローラによって制御される迂回弁１１８が設けられており、この迂回弁１１８の作動を通じ、電子コントローラは、吸入空気のうちのどれだけの量を高圧ターボチャージャ１０５に通すのかを、制御することができる。
【００２１】
電子コントローラは、排気弁ａ，ｂに連結されているアクチュエータの制御を通じ排気弁ａ及びｂの開閉を制御することによって、シリンダ１００、１０１、１０２及び１０３からの燃焼済ガス流全体のうちどれだけの割合を第１排気ダクト１０４に流しどれだけの割合を第２排気ダクト１０６に流すのかを制御することができ、ひいてはターボチャージャ１０５及び１０７の動作を制御することができる。
【００２２】
状況によっては、高圧ターボチャージャ１０５を完全に（或いは少なくとも大部分）迂回するよう燃焼済ガス流を通すのが望ましいこともある。その場合、排気弁ａを完全に（或いはほとんど）閉止状態に保ちつつ排気弁ｂをサイクル毎に個別に開閉させる一方、電子コントローラにより迂回弁１１８を全開させて圧縮対象空気が高圧ターボチャージャ１０５を通らないようにする。このように高圧ターボチャージャ１０５を（完全に）迂回させるのが望ましいのは、例えばエンジン始動時である。即ち、ターボチャージャ１０５は高圧ターボチャージャであるので、シリンダからの燃焼済ガス流にとっては大きな妨げとなり、流れが妨げられると燃焼済ガスは冷え、燃焼済ガスが冷えると触媒コンバータ１１１のライトオフに要する時間は長くなる。これに対して、ターボチャージャ１０７は低圧ターボチャージャ１０７であり、燃焼済ガス流をさして妨げない。従って、始動時には燃焼済ガスを低圧ターボチャージャ１０７だけに流すようにするのが望ましい。
【００２３】
このように、燃焼済ガスが皆タービン部１０７を通るようにした図２に示したシステムにおいては、その性質上とみに浪費的なウエイストゲートが不要になる。
【００２４】
吸気弁ｉに供給される吸入空気に対するブーストレベルの制御は容易である。即ち、電子コントローラによって排気弁ａ及びｂの開閉タイミングを変化させ、第１排気ダクト１０４を通るガス流を制御することにより、容易に制御することができる。また、電子コントローラによって迂回弁１１８を制御することによっても、ブーストを制御できる。
【００２５】
低圧ターボチャージャ１０７は大型のタービン部１０７ａを有するターボチャージャ、即ち高圧ターボチャージャ１０５に比べそのタービン部１０７ａが大きなターボチャージャであるため、燃焼済ガス流に及ぶ抵抗は、低圧ターボチャージャ１０７の方が高圧ターボチャージャ１０５よりかなり小さくなる。しかしながら、低圧ターボチャージャ１０７のタービン部が大型であるということはスロットル応答上の問題が生じかねないということであり、特にこのエンジンを自動車にて使用する際には面倒なこととなりかねない。この問題を解決するため、本実施形態における電子コントローラはエンジン加速時点を認識し、その時点で燃焼済ガス流の大部分を高圧ターボチャージャ１０５、即ちエンジンスロットルオープンに即応可能なターボチャージャに向かわせる。これを行うときには、勿論、最大限までブーストされた吸入空気が吸気弁ｉに入るよう、迂回弁１１８を閉ざす。
【００２６】
エンジンが高速運転されているとき、電子コントローラによる第１排気ダクト１０４内燃焼済ガス流及び迂回流路１１４内吸入空気流制御が不適切であると、高圧ターボチャージャ１０５が過ブーストになることがあり得る。典型的には、エンジンが全負荷高速状態で定常運転されているときである。そこで、こうした場合には、高圧ターボチャージャ１０５を概ね迂回させると共に、吸入空気の大部分が迂回流路１１４内に流れ燃焼済ガスの大部分が第２排気ダクト１０６を通って流れるようにする。
【００２７】
図３に、本発明の実施形態に係る三気筒圧縮自己着火内燃機関３００を模式的に示す。この内燃機関３００は強制インダクションシステムを備えており、その低圧段にはターボチャージャ３０１が、高圧段にはスーパチャージャ３０２が、それぞれ設けられている。図示されている３個のシリンダ３０３、３０４及び３０５は、それぞれ、流路３０９を介し低圧ターボチャージャ３０１のタービン部に向かう排ガス流を制御するための排気弁ａと、迂回流路３０３ａに向かう排ガス流を制御するための排気弁ｂとを有している。迂回流路３０３ａによって、排ガスを直に即ち低圧ターボチャージャ３０１を迂回して、外気へと流すことができる。
【００２８】
図３に示したエンジンにおいては、運転時に、空気濾過器３０４を介し低圧ターボチャージャ３０１のコンプレッサ部内に空気を引き込んで圧縮し、加圧した空気を流路３０５上へと流して迂回弁３０６や高圧スーパチャージャ３０２のコンプレッサ部へと送る。高圧スーパチャージャ３０２のコンプレッサ部では圧縮済空気を更に圧縮して流路３０７へと流し出す。他方、迂回弁３０６は例えばエンジン管理システムにより制御される弁であり、この制御により、圧縮済空気のうちスーパチャージャ３０２のコンプレッサ部に流れ込む空気の量を制御することができる。また、迂回弁３０６は所定圧力で開く単純な機械式予荷重弁とすることもでき、その予荷重によって、ターボチャージャ吐出空気の圧力がどういった圧力範囲ならスーパチャージャ３０２のコンプレッサ部に流れ込ませるのかを、決めることができる。スーパチャージャ３０２を迂回したターボチャージャ吐出空気とスーパチャージャ３０２から出てくる圧縮済空気は、混合の上インタクーラ３０８に流され、インタクーラ３０８を通り抜けた後吸気弁ｉを介してシリンダ３０３、３０４及び３０５へと送り込まれる。
【００２９】
エンジン管理システムは、各シリンダの排気弁ａ及びｂの開度を制御することによって、高圧排ガスのうち低圧ターボチャージャ３０１のタービン部に流れ込むガスの量を制御する。即ち、排ガスのうち一部をターボチャージャ３０１のタービン部に流入させ、他の一部を迂回流路３０３ａを介し直ちに外気に流出させることができる。
【００３０】
想起できる通り、スーパチャージャ３０２の典型例はルーツブロワ型スーパチャージャであるが、スーパチャージャ３０２をクラッチ付スーパチャージャとし、エンジンがある特定の状態で運転される場合に限り、電子コントローラによる制御の下に作動させるようにしてもよい。
【００３１】
図４に、第４実施形態に係るエンジンを示す。図中のエンジン４００は、それぞれ図１に示したものと同種のシリンダを３個有しており、また各シリンダは４個のシリンダヘッド弁を有している。各シリンダの排気弁ａは第１排気ダクト４０１に、排気弁ｂは第１排気ダクト４０１とは別体の第２排気ダクト４０２に、それぞれ連通している。
【００３２】
図４中のエンジンにおいては、新鮮な空気が濾過器４０４を介して取り込まれ、電動コンプレッサ４０５により圧縮される。この電動コンプレッサ４０５は、エンジン低速運転時、エンジン始動時又はその双方においてのみ作動し、他の場合には作動しないよう、電子コントローラにより制御される。電動コンプレッサ４０５を作動させないときには、導入した（チャージする）空気が通れるよう迂回弁４０６を開くことで低圧の電動コンプレッサ４０５を迂回させる。
【００３３】
低圧の電動コンプレッサ４０５から出てくる空気や迂回弁４０６を通り抜けてきた空気は、次いで高圧ターボチャージャ４０７に流れ込み、この高圧ターボチャージャ４０７にて圧縮された後ダクト４０８を介してインタクーラ４０９へと向かい、更に吸気弁ｉを介してエンジンのシリンダへと向かう。
【００３４】
シリンダ４１０、４１１及び４１２にて燃焼されたガスは、排気弁ａから或いは排気弁ｂから排出される。これらの弁を制御するためのアクチュエータは、エンジン管理システムにより制御されている。即ち、エンジン管理システムは、排気弁ａ及びｂの動作を制御することにより、排ガスのうちどれだけの割合を第１排気ダクト４０１内に流しどれだけの割合を第２排気ダクト４０２内に流すかを制御する。第１排気ダクト４０１内に流し込まれた排ガスは高圧ターボチャージャ４０７のタービン部へと流れていき、第２排気ダクト４０２内に流し込まれた排ガスはターボチャージャ４０７を迂回して直ちに外気へと流れていく。
【００３５】
図５に、図２に示したエンジン中のターボチャージャ過給システムに対し、エンジン始動をアシストできる有益な変形を施した例を示す。なお、エンジン始動以外の動作は前述ものと同様である。このエンジンにて付け加えられている特徴的構成部分はエンジン管理システムによって制御される始動弁５２０であり、電子コントローラは、エンジン始動時に、この始動弁５２０を閉じた状態で排気弁の動作状態を変化させることにより、次のようなサイクルでエンジンを運転する。即ち、各燃焼室内で圧縮されたガスを排気弁ａから吐き出し、吐き出したこのガスにより高圧ターボチャージャ５０２に駆動力を与えてその回転を開始させ、高圧ターボチャージャ５０２のタービン部からガスを吐き出し、吐き出したガスを排気弁ｂを介して燃焼室内へと送り戻し、送り戻されたガスを再び加圧して排気弁ａから吐き出す、というサイクルを繰り返させる。このようにすることによって、エンジンを空気ポンプとして運転することができるため、燃焼室内への燃料注入及びエンジン始動に先立つ高圧ターボチャージャ５０２の回転開始を、迅速化できる。これがとりわけ有益なのは、新鮮な空気を圧縮したものよりも循環している空気の方が熱いためである。また、こうした機能を設けることによって、スーパチャージャや電動コンプレッサを設ける必要がなくなる。なお、この図に示す高速始動モードを用いずに圧縮自己着火エンジンを始動したければ、助力として、スーパチャージャか電動コンプレッサを設ければよい。
【００３６】
また、図５に示した構成は図２に示したエンジンに高速始動システムを付加したものであるが、ターボチャージャ（群）から出てくるガスを排気弁ｂを介して燃焼室内に循環させ更に圧縮する高速始動モードを実行できるよう、他の図に示したエンジンを構成、変形することも可能である。
【００３７】
図６に、本発明の更なる実施形態に係るエンジンを示す。この実施形態においては、各シリンダが別種の排気弁ｃを有している。排気弁ａ及びｂの動作は、エンジンブレーキング時及びエンジン始動時に排気弁ｃが用いられることを除けば、前述同様である。追加された排気弁ｃは、流路６０１、６０２及び６０３を介し、圧縮済ガス貯留用の貯留タンク６０４に連通している。エンジンブレーキング時には、排気弁ｃは、圧縮済ガスがシリンダから貯留タンク６０４へと流れるように制御される。必要が生じたとき（例えばエンジン始動時）には、それ以前に貯留しておいた圧縮済ガスを、排気弁ｃを開いてシリンダへと供給し、例えばシリンダ内で膨張させてピストンを反復駆動することができる。
【００３８】
排気弁ｃは、貯留タンク６０４内の圧力がまだ限界に達していないときだけ圧縮済ガスが貯留タンク６０４に流れ込むよう、また貯留タンク６０４内の圧力が十分なときだけ貯留タンク６０４からシリンダへとガスが流れ込むよう、動作させることができる。
【００３９】
図２及び図５に示した実施形態における低圧ターボチャージャは補助電力併用型ターボチャージャに置き換えることができる。補助電力併用型ターボチャージャは、エンジン低速運転時やエンジン始動時には電力を助力として作動させ、それ以外の場合にはエンジンからの排ガスによって駆動する。エンジン高速運転時には、この補助電力併用型ターボチャージャから電力を回生することもできる。
【００４０】
上述したエンジンは、スパーク着火で運転するタイプとすることも圧縮自己着火で運転するタイプとすることもできる。本発明は、複数個のシリンダを有するピストン往復型エンジン（レシプロエンジン）にも、更にはレシプロエンジン以外の内燃機関（例えばロータリエンジン）にも、適用することができる。
【００４１】
上述した排気弁ａ及びｂは流体圧アクチュエータにより駆動されるポペット弁であったが、ポペット弁の駆動手段を他の適当な種類のアクチュエータ例えば電磁アクチュエータとすることもできるし、更にはポペット弁をスリーブ弁その他、アクチュエータにより制御できる適当な弁装置により置き換えることもできる。
【００４２】
上述した吸気弁ｉは、電子コントローラによる制御の下にアクチュエータにより制御される弁とするのが望ましいが、そうすることは必須ではなく、他の形態で作動する弁、例えば古くからあるカム／タペット式作動弁であってもよい。
【００４３】
上述したターボチャージャは、固定外形型ターボチャージャでもよいし可変外形型ターボチャージャでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の第１実施形態に係り一段過給型システムを採る内燃機関を模式的に示す図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係り二段過給型システムを採るターボチャージャ過給型内燃機関を示す図である。
【図３】本発明の第３実施形態に係りターボチャージャ及びスーパチャージャを有するターボチャージャ過給型内燃機関を示す図である。
【図４】本発明の第４実施形態に係り電動コンプレッサ及びターボチャージャを有するターボチャージャ過給型内燃機関を示す図である。
【図５】本発明の第５実施形態に係り始動時動作調整に使用可能な始動弁を有するターボチャージャ過給型内燃機関を示す図である。
【図６】本発明の第６実施形態に係り圧縮済ガス用の貯留タンクを有するターボチャージャ過給型内燃機関を示す図である。
【図１】
2007518019.tif 000003
【図２】
2007518019.tif 000004
【図３】
2007518019.tif 000005
【図４】
2007518019.tif 000006
【図５】
2007518019.tif 000007
【図６】
2007518019.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成17年11月4日(2005.11.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可変容積の燃焼室と、
燃焼室内に向かう空気流を制御するための吸気弁手段と、
この空気に燃料を送り込んで混合させる燃料供給手段と、
燃焼室に発する燃焼済ガス流を制御するための排気弁手段であって、第１排気ダクトにつながった少なくとも１個の第１排気弁、及び第１排気ダクトとは別体独立の第２排気ダクトにつながった少なくとも１個の第２排気弁を有する排気弁手段と、
燃焼室内への流入に先立ち空気を圧縮するコンプレッサ手段であって、第１排気ダクト内を通る排ガスによって回転駆動できるよう且つ第２排気ダクト内燃焼済ガス流を第１ターボチャージャを通らずに排気させられるよう、第１排気ダクトにつながり且つ第２排気ダクトにより迂回された第１ターボチャージャを有するコンプレッサ手段と、
排気弁手段を開閉させるアクチュエータ手段と、
このアクチュエータ手段の動作を制御することにより排気弁手段の開閉を制御する電子コントローラであって、アクチュエータ手段の動作制御によって第１及び第２排気弁の開閉を制御することにより、燃焼室から出てくる燃焼済ガスのうちどれだけの割合を第１排気ダクト内に流しどれだけの割合を第２排気ダクト内に流すかを制御する電子コントローラと、
を備え、
コンプレッサ手段が、更に、第１ターボチャージャより低圧の第２ターボチャージャを有し、第１ターボチャージャが、第２ターボチャージャから第１気圧の圧縮済空気を受け取って圧縮しその圧力を第２気圧に高めることができるより高圧のターボチャージャであり、
第１ターボチャージャのタービン部内で膨張した後第１ターボチャージャから出てくる燃焼済ガスと第２排気ダクト内燃焼済ガス流とを合流させ、合流後の燃焼済ガス流により第２ターボチャージャを回転駆動するターボチャージャ過給型内燃機関。
【請求項２】
請求項１記載のターボチャージャ過給型内燃機関であって、第２ターボチャージャから出てくる燃焼済ガスを触媒コンバータに通して外気へと流すターボチャージャ過給型内燃機関。
【請求項３】
請求項１又は２記載のターボチャージャ過給型内燃機関であって、更に第１インタクーラを備え、比較的低圧の第２ターボチャージャにより圧縮された空気がこの第１インタクーラを通ってより高圧の第１ターボチャージャに達するターボチャージャ過給型内燃機関。
【請求項４】
請求項１乃至３のうち何れか一項記載のターボチャージャ過給型内燃機関であって、更に、第２ターボチャージャにて圧縮された空気を第１ターボチャージャを迂回して吸気弁手段へと流すための吸気迂回流路と、吸気迂回流路内圧縮済空気流を制御するための迂回弁手段と、を備えるターボチャージャ過給型内燃機関。
【請求項５】
可変容積の燃焼室と、
燃焼室内に向かう空気流を制御するための吸気弁手段と、
この空気に燃料を送り込んで混合させる燃料供給手段と、
燃焼室に発する燃焼済ガス流を制御するための排気弁手段であって、第１排気ダクトにつながった少なくとも１個の第１排気弁、及び第１排気ダクトとは別体独立の第２排気ダクトにつながった少なくとも１個の第２排気弁を有する排気弁手段と、
燃焼室内への流入に先立ち空気を圧縮するコンプレッサ手段であって、第１排気ダクト内を通る排ガスによって回転駆動できるよう且つ第２排気ダクト内燃焼済ガス流を第１ターボチャージャを通らずに排気させられるよう、第１排気ダクトにつながり且つ第２排気ダクトにより迂回された第１ターボチャージャを有するコンプレッサ手段と、
排気弁手段を開閉させるアクチュエータ手段と、
このアクチュエータ手段の動作を制御することにより排気弁手段の開閉を制御する電子コントローラであって、アクチュエータ手段の動作制御によって第１及び第２排気弁の開閉を制御することにより、燃焼室から出てくる燃焼済ガスのうちどれだけの割合を第１排気ダクト内に流しどれだけの割合を第２排気ダクト内に流すかを制御する電子コントローラと、
を備え、
コンプレッサ手段が、更に、吸入空気を第１気圧まで圧縮する第１ターボチャージャより高圧のスーパチャージャを有し、
このスーパチャージャが、より低圧の第１ターボチャージャから出てくる圧縮済空気を圧縮してその圧力を第１気圧から第２気圧へと高め、
コンプレッサ手段が、更に、第１ターボチャージャにより圧縮された空気をスーパチャージャを迂回して流すための迂回流路を有し、
迂回流路内圧縮済空気流を制御するための迂回弁手段が設けられたターボチャージャ過給型内燃機関。
【請求項６】
請求項１１記載のターボチャージャ過給型内燃機関であって、迂回弁手段が電子コントローラにより制御される電気制御弁であるターボチャージャ過給型内燃機関。
【請求項７】
可変容積の燃焼室と、
燃焼室内に向かう空気流を制御するための吸気弁手段と、
この空気に燃料を送り込んで混合させる燃料供給手段と、
燃焼室に発する燃焼済ガス流を制御するための排気弁手段であって、第１排気ダクトにつながった少なくとも１個の第１排気弁、及び第１排気ダクトとは別体独立の第２排気ダクトにつながった少なくとも１個の第２排気弁を有する排気弁手段と、
燃焼室内への流入に先立ち空気を圧縮するコンプレッサ手段であって、第１排気ダクト内を通る排ガスによって回転駆動できるよう且つ第２排気ダクト内燃焼済ガス流を第１ターボチャージャを通らずに排気させられるよう、第１排気ダクトにつながり且つ第２排気ダクトにより迂回された第１ターボチャージャを有するコンプレッサ手段と、
排気弁手段を開閉させるアクチュエータ手段と、
このアクチュエータ手段の動作を制御することにより排気弁手段の開閉を制御する電子コントローラであって、アクチュエータ手段の動作制御によって第１及び第２排気弁の開閉を制御することにより、燃焼室から出てくる燃焼済ガスのうちどれだけの割合を第１排気ダクト内に流しどれだけの割合を第２排気ダクト内に流すかを制御する電子コントローラと、
を備え、
コンプレッサ手段が、更に、第１ターボチャージャより低圧の電動コンプレッサと、電動コンプレッサを迂回し第１ターボチャージャへと直に空気を流すための迂回流路と、を有し、電動コンプレッサにより圧縮された空気をより高圧の第１ターボチャージャに送り込み、第１ターボチャージャにてその圧力を更に高め、
更に、迂回流路内空気流を制御するための電気制御迂回弁が設けられ、
電子コントローラが、本内燃機関を始動させるとき、本内燃機関が低速運転されているとき又はその双方に限って電動コンプレッサが作動し、それ以外の状況では吸入空気が完全に電動コンプレッサを迂回し第１ターボチャージャだけで圧縮されるよう、迂回弁及び電動コンプレッサの動作を制御するターボチャージャ過給型内燃機関。
【請求項８】
可変容積の燃焼室と、
燃焼室内に向かう空気流を制御するための吸気弁手段と、
この空気に燃料を送り込んで混合させる燃料供給手段と、
燃焼室に発する燃焼済ガス流を制御するための排気弁手段であって、第１排気ダクトにつながった少なくとも１個の第１排気弁、及び第１排気ダクトとは別体独立の第２排気ダクトにつながった少なくとも１個の第２排気弁を有する排気弁手段と、
燃焼室内への流入に先立ち空気を圧縮するコンプレッサ手段であって、第１排気ダクト内を通る排ガスによって回転駆動できるよう且つ第２排気ダクト内燃焼済ガス流を第１ターボチャージャを通らずに排気させられるよう、第１排気ダクトにつながり且つ第２排気ダクトにより迂回された第１ターボチャージャを有するコンプレッサ手段と、
排気弁手段を開閉させるアクチュエータ手段と、
このアクチュエータ手段の動作を制御することにより排気弁手段の開閉を制御する電子コントローラであって、アクチュエータ手段の動作制御によって第１及び第２排気弁の開閉を制御することにより、燃焼室から出てくる燃焼済ガスのうちどれだけの割合を第１排気ダクト内に流しどれだけの割合を第２排気ダクト内に流すかを制御する電子コントローラと、
を備え、
コンプレッサ手段が、更に、第１ターボチャージャより低圧の第２ターボチャージャを有し、この第２ターボチャージャにより第１気圧まで圧縮された空気を第１ターボチャージャが更に圧縮してその圧力を第２気圧に高め、
第１排気ダクトを介して送り込む排ガスにより高圧の第１ターボチャージャを、また第２排気ダクトを介し且つ第１ターボチャージャを迂回して送り込む排ガスにより低圧の第２ターボチャージャを、それぞれ回転駆動でき、
電子コントローラが、アクチュエータ手段の動作を制御することにより、燃焼室から出てくる燃焼済ガスのうちどれだけの割合を第１排気ダクト内に流しどれだけの割合を第２排気ダクト内に流すかを制御し、ひいては高圧の第１ターボチャージャ及び低圧の第２ターボチャージャの動作を制御するターボチャージャ過給型内燃機関。
【請求項９】
請求項８記載のターボチャージャ過給型内燃機関であって、高圧の第１ターボチャージャから出てくる膨張した排ガスを第２排気ダクト内に送り込み、それを介して低圧の第２ターボチャージャへと送り込むターボチャージャ過給型内燃機関。
【請求項１０】
請求項８又は９記載のターボチャージャ過給型内燃機関であって、コンプレッサ手段が、更に、高圧の第１ターボチャージャを迂回して空気を流すための迂回流路と、迂回流路内空気流を制御するための迂回弁と、を有するターボチャージャ過給型内燃機関。
【請求項１１】
請求項１０記載のターボチャージャ過給型内燃機関であって、迂回弁が電子コントローラにより制御されるターボチャージャ過給型内燃機関。
【請求項１２】
請求項５乃至１１のうち何れか一項記載のターボチャージャ過給型内燃機関であって、コンプレッサ手段が、更に、燃焼室内に送り込むのに先立ちコンプレッサ手段への吸入空気を冷却するインタクーラを有するターボチャージャ過給型内燃機関。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のうち何れか一項記載のターボチャージャ過給型内燃機関であって、
更に、電子コントローラにより制御され本内燃機関始動時に第２排気ダクト内排ガス流を阻止可能な始動弁を備え、
第１ターボチャージャから出て来た排ガスを第１排気ダクトを介し始動弁より上流で第２排気ダクト内に送り込み、
燃焼室から出て来た圧縮済ガスが第１排気ダクトを介してその連結先の第１ターボチャージャに送り込まれ、その圧縮済ガスによって第１ターボチャージャが駆動され、更にその圧縮済ガスが第２排気ダクトを介し燃焼室へと戻され再圧縮されるよう、電子コントローラが本内燃機関始動時に始動弁を閉じ且つ排気弁手段を開閉させるターボチャージャ過給型内燃機関。
【請求項１４】
請求項１乃至１２のうち何れか一項記載のターボチャージャ過給型内燃機関であって、更に、貯留タンクと、燃焼室から延び貯留タンクに達する貯留タンク流路と、燃焼室から貯留タンクに至る燃焼済ガス流並びに貯留元の貯留タンクから燃焼室に至る燃焼済ガス流を制御するためのシリンダヘッド貯留タンク弁手段と、を備え、シリンダヘッド貯留タンク弁手段により、燃焼室内で圧縮した燃焼済ガスを貯留タンクに送り込んでその内部に貯留し、その後シリンダに戻してシリンダ内で膨張させることが可能なターボチャージャ過給型内燃機関。
【請求項１５】
請求項１乃至１４のうち何れか一項記載のターボチャージャ過給型内燃機関であって、燃料注入手段による燃焼室内への燃料注入をアップストローク中の十分早い時期に行うことで空気に燃料を混合させそれにより均質混合物を生成して予混合圧縮自己着火により着火させること、或いは、燃料注入手段による燃料注入をアップストローク中のより遅い時期に行い燃焼室内で圧縮自己着火させることが可能なターボチャージャ過給型内燃機関。
【請求項１６】
請求項１５記載のターボチャージャ過給型内燃機関であって、本内燃機関が部分負荷運転状態で予混合圧縮自己着火動作しているときに、電子コントローラが、燃焼室内に燃焼済ガスが捕捉されるようピストンアップストローク中に排気弁手段を閉ざし、この捕捉済燃焼済ガスを燃料混合気内に組み込むことにより本内燃機関における燃料混合気への着火を遅らせるターボチャージャ過給型内燃機関。
【国際調査報告】
2007518019.tif 000009
2007518019.tif 000010
2007518019.tif 000011
2007518019.tif 000012