(57)【要約】スーパーターボチャージャーから得られる出力量及びエンジンの燃料効率を増加させるシステム及び方法を開示する。システムは、触媒コンバーターを利用してタービンに対する熱緩衝を提供して熱過渡条件からタービンを保護する。触媒コンバーターは発熱性があるため、コンプレッサーによって生成される圧縮空気の一部分は、フィードバック弁を介してタービンにフィードバックされ、排気温度を減少させ、タービンに提供される質量流量を増加させる。フィードバック弁を使用して、前記エンジンの低ｒｐｍで高負荷条件中のコンプレッサーサージを低減することができる。コンプレッサーフィードバック空気の量は、エンジン排気ガスと圧縮空気の混合物の最適タービン動作温度を維持することができるように、過剰な熱エネルギーの量に制限される。タービンによって生成された過剰な出力は、その後、エンジンクランクシャフトを駆動するために使用される。【選択図】図１
2013500422.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高効率を有するエンジンシステムであって、
エンジンと、
推進機構との間で回転機械エネルギーを伝達するように前記エンジンに結合されたスーパーターボチャージャーと、
前記スーパーターボチャージャーからの圧縮空気の流れを調節する弁と、
を備え、
該圧縮空気は、前記エンジンからの排気ガスが前記スーパーターボチャージャーに入る前に、該排気ガスと混合され、それにより、前記圧縮空気は、前記排気ガスを所定の最高温度より低い温度にまで冷却して、前記スーパーターボチャージャーに対する損傷を防止するエンジンシステム。
【請求項２】
前記エンジンに接続され、前記エンジンからの前記排気ガスが前記スーパーターボチャージャーに入る前に、前記排気ガスを受取る触媒コンバーターを更に備える請求項１に記載のエンジンシステム。
【請求項３】
前記スーパーターボチャージャーは、
機械式動力伝達装置であって、前記スーパーターボチャージャーからのスーパーターボチャージャー回転機械エネルギーを推進機構へ伝達して、前記エンジンシステムの前記効率を増加させ、前記スーパーターボチャージャーから過剰のエネルギーを取り出して前記スーパーターボチャージャーに対する損傷を防止し、また、前記推進機構からの推進機構回転機械エネルギーを前記スーパーターボチャージャーへ伝達してターボラグを低減する機械式動力伝達装置を更に備える請求項２に記載のエンジンシステム。
【請求項４】
前記弁は、また、前記スーパーターボチャージャー内のサージを低減するために、前記スーパーターボチャージャーを通る空気の流れを維持する請求項３に記載のエンジンシステム。
【請求項５】
前記エンジンの動作パラメーターを受信し、前記弁の動作を制御する制御信号を生成する制御装置を更に備える請求項４に記載のエンジンシステム。
【請求項６】
前記圧縮空気の前記流れを受取る圧縮空気導管に動作可能に結合された排気導管を更に備える請求項５に記載のエンジンシステム。
【請求項７】
エンジンシステムの効率を改善する方法であって、
スーパーターボチャージャーをエンジンに結合することと、
前記エンジンからの排気ガスが前記スーパーターボチャージャーに入る前に、前記スーパーターボチャージャーからの圧縮空気の流れを前記排気ガスへ提供し、それにより、前記圧縮空気は、前記排気ガスを所定の最高温度よりも低い温度まで冷却して前記スーパーターボチャージャーに対する損傷を防止し、また、前記スーパーターボチャージャーに入る前記排気ガスに更なる質量を提供することと、
を含む方法。
【請求項８】
前記エンジンと前記スーパーターボチャージャーとの間に触媒コンバーターを接続し、それにより、前記エンジンからの前記排気ガスは、前記スーパーターボチャージャーに入る前に前記触媒コンバーターを通って流れることを更に含む請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記スーパーターボチャージャーからのスーパーターボチャージャー回転機械エネルギーを推進機構へ結合して、前記エンジンの効率を増加させ、前記スーパーターボチャージャーに対する損傷を防止することを更に含む請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
推進機構からの推進機構回転機械エネルギーを前記スーパーターボチャージャーへ伝達することによって、前記スーパーターボチャージャーのターボラグを減少させることを更に含む請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
コンプレッサーサージが起こらないように、前記エンジンの運転段階中に前記スーパーターボチャージャーを通して空気の流れを維持し、前記スーパーターボチャージャーのサージを低減することを更に含む請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
高効率を有するスーパーターボチャージャー付きエンジンシステムであって、
エンジンと、
スーパーターボチャージャーと、
を備え、
前記スーパーターボチャージャーは、
タービンであって、該タービンを通して流れるガス混合物からタービン回転機械エネルギーを生成するタービンと、
前記タービンに機械結合され、空気源を圧縮し、圧縮空気の供給を前記エンジンの吸気マニホールドへ提供するコンプレッサーと、
前記タービン及び前記コンプレッサーに機械的に結合され、前記タービンからの前記タービン回転機械エネルギーを推進機構へ伝達してエンジン出力を増加させるとともに前記スーパーターボチャージャーに対する損傷を防止し、また、前記推進機構からの推進機構回転機械エネルギーを前記コンプレッサーへ伝達して前記エンジンのターボラグを低減する動力伝達装置と、
前記排気ガスと混合される前記圧縮空気の一部を供給して前記ガス混合物を生成し、前記圧縮空気の前記一部は、前記排気ガスを所定の最高温度未満に冷却して前記タービンに対する損傷を防止するのに十分であると共に、前記タービンに更なる回転エネルギーを付加する前記空気の更なる質量を前記排気ガスへ提供するフィードバック弁と、
を備えるエンジンシステム。
【請求項１３】
前記弁は、コンプレッサーサージが起こらないように、前記エンジンの運転段階中に前記コンプレッサーを通して前記空気の流れを更に維持する請求項１２に記載のエンジンシステム。
【請求項１４】
前記エンジンから前記排気ガスを受取るように配設された触媒コンバーターであって、前記タービンに供給されて前記タービンを駆動する前記排気ガスに熱を付加する発熱反応を生成する触媒コンバーターを更に備える請求項１３に記載のエンジンシステム。
【請求項１５】
前記触媒コンバーターの入力に前記圧縮空気の一部分を提供して、前記排気ガスに、前記触媒コンバーターが発熱反応を開始するのを助ける酸素を付加する低温始動制御弁を更に備える請求項１４に記載のエンジンシステム。
【請求項１６】
前記エンジンの動作パラメーターに応答して、前記フィードバック弁及び前記低温始動弁を動作させる制御装置を更に備える請求項１５に記載のエンジンシステム。
【請求項１７】
スーパーターボチャージャー付きエンジンシステムの効率を改善する方法であって、
スーパーターボチャージャーのコンプレッサーから圧縮空気を提供することと、
前記圧縮空気の一部分を前記エンジンからの排気ガスに混合し、所定の最高温度を超えない温度を有するガス混合物を生成して前記スーパーターボチャージャーのタービンに対する損傷を防止することと、
前記ガス混合物により前記タービンを駆動することと、
前記コンプレッサーに損傷をもたらす速度で前記タービンを回転させないように、前記タービンからの過剰のタービン回転機械エネルギーを推進機構へ伝達することと、
を含む方法。
【請求項１８】
前記推進機構からの推進機構回転機械エネルギーを前記コンプレッサーへ伝達してターボラグを低減することを更に含む請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
サージが起こらないように、前記エンジンの運転段階中に、前記圧縮空気の前記一部を前記排気ガスに混合することによって、前記コンプレッサーを通して前記空気源の十分な流れを維持することを更に含む請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記排気ガスを受取り、該排気ガスに熱を付加する発熱反応を生成する触媒コンバーターを設けることと、
前記触媒コンバーターの出力から前記タービンへ前記排気ガスを供給することと、
を更に含む請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
低温始動条件中に前記触媒コンバーターの入力に前記圧縮空気の一部分を提供し、前記触媒コンバーターが前記発熱反応を開始するのを助ける酸素を付加することを更に含む請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
スーパーターボチャージャー付きエンジンシステムの効率を改善する方法であって、
エンジンを設けることと、
前記エンジンに近接した排気出口に接続された触媒コンバーターを設け、該触媒コンバーターは、前記エンジンからのエンジン排気ガスを受取り、前記エンジン排気ガスは、該触媒コンバーターにおける発熱反応を活性化し、前記発熱反応は、前記エンジン排気ガスに更なるエネルギーを付加し、前記触媒コンバーターの出力において前記エンジン排気ガスより熱い触媒コンバーター排気ガスを生成することと、
コンプレッサーを使用して、前記エンジンの吸気口に圧縮空気の流れを提供することと、
前記触媒コンバーターの下流にある混合室内で前記圧縮空気の一部分を前記触媒コンバーター排気ガスに混合して前記触媒コンバーター排気ガスと前記圧縮空気のガス混合物を生成することと、
制御弁を使用して前記混合室内への前記圧縮空気の前記流れを調節し、前記ガス混合物を最高温度未満に維持し、前記コンプレッサー内のサージが起こらないように、前記エンジンの運転段階中に前記コンプレッサーを通して前記圧縮空気の流れを維持することと、
前記ガス混合物の流れに応答してタービン回転機械エネルギーを生成するタービンへ前記ガス混合物を供給することと、
前記タービンからの前記タービン回転機械エネルギーを前記コンプレッサーへ伝達し、前記コンプレッサーは、前記タービンを通る前記ガス混合物の前記流れが前記コンプレッサーを駆動するのに十分であるときに、前記タービン回転機械エネルギーを使用して空気源を圧縮し、前記圧縮空気を生成することと、
前記タービンからの前記タービン回転機械エネルギーの少なくとも一部分を取り出して、該タービンからの該タービン回転機械エネルギーの前記一部分が前記コンプレッサーを運転するために必要とされないとき、前記タービン回転機械エネルギーの前記一部分を推進機構へ付与することと、
前記推進機構からの推進機構回転機械エネルギーを前記コンプレッサーへ提供し、前記タービンを通る前記ガス混合物の前記流れが前記コンプレッサーを駆動するのに十分でないときに、ターボラグを防止することと、
を含む方法。
【請求項２３】
前記ガス混合物の前記最高温度は、前記ガス混合物が前記タービンに対する損傷をもたらすことになる温度よりも低い請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記ガス混合物の前記最高温度は、約９５０℃よりも低い請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記エンジンの前記効率は、前記ガス混合物の過剰なガスを排出するためのウェイストゲートを使用しないことによって改善される請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
前記タービンからの過剰なタービン回転機械エネルギーを取り出して、前記推進機構からの推進機構回転機械エネルギーを前記コンプレッサーへ提供する工程は、
前記タービンと前記コンプレッサーとを接続する軸と前記推進機構との間で前記過剰なタービン回転機械エネルギーと前記推進機構回転機械エネルギーとを結合する動力伝達装置を使用することを含む請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記エンジンの運転段階中に前記圧縮空気の流れを維持する工程は、
前記エンジンが低速で動作し高いトルクを必要とするときに、前記フィードバック弁を開口してサージを低減することによって、前記コンプレッサーを通して前記圧縮空気の流れを維持することを含む請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
混合室内で前記圧縮空気を前記熱い排気ガスに混合する工程は、
排気導管内に少なくとも１つの開口を設け、該排気導管は、圧縮空気導管に接続され、それによって、前記圧縮空気は、前記少なくとも１つの開口を通して流れ、該排気導管内で前記熱い排気ガスと混合することを含む請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記エンジンの低温始動中に、前記触媒コンバーターの上流で前記圧縮空気の一部分を前記排気ガスに混合し、該触媒コンバーターが前記発熱反応を開始するのを助ける酸素を前記触媒コンバーターへ提供することを更に含む請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
スーパーターボチャージャー付きエンジンシステムであって、
エンジンと、
前記エンジンの排気出口に近接した排気導管に接続された触媒コンバーターであって、前記エンジンからの熱い排気ガスは、前記触媒コンバーター内で発熱反応を活性化して、該熱い排気ガスにエネルギーを付加し、より熱い排気ガスを生成する触媒コンバーターと、
前記排気ガスの圧力レベルより大きな圧力を有する圧縮空気を提供する空気源に接続されたコンプレッサーと、
前記圧縮空気の少なくとも一部分が前記より熱い排気ガスに混合されてガス混合物を生成するように、前記より熱い排気ガスに前記圧縮空気を供給する導管と、
前記コンプレッサーに機械的に結合され、前記ガス混合物からタービン回転機械エネルギーを生成するタービンと、
前記導管を通る前記圧縮空気の前記一部分の流れを調節する弁であって、前記ガス混合物を所定の最高温度より低く維持し、前記コンプレッサー内のサージが起こらないように、前記エンジンの運転段階中に、前記コンプレッサーを通る前記空気源からの空気の流れを維持する弁と、
前記タービンを通る前記排気ガスの前記流れが、前記コンプレッサーを所望の過給圧レベルまで駆動するのに十分でないとき、推進機構からの推進機構回転機械エネルギーを前記コンプレッサーへ提供してターボラグを低減し、また、前記タービンからの過剰なタービン回転機械エネルギーを取り出して、前記コンプレッサーの回転速度を、該コンプレッサーに損傷がもたらされることになる所定の最大回転速度よりも低く維持する動力伝達装置と、
を備えるエンジンシステム。
【請求項３１】
前記ガス混合物の温度レベル、エンジン回転速度、前記圧縮空気の圧力レベル、及びエンジン負荷を検出し、前記弁の前記動作及び前記動力伝達装置の伝達率を制御する制御装置を更に備える請求項３０に記載のエンジンシステム。
【請求項３２】
前記触媒コンバーターの上流で前記排気導管へ前記圧縮空気の別の一部分を提供して、前記排気ガスに酸素を付加して低温始動中の発熱反応を開始する際に前記触媒コンバーターを助ける低温始動制御弁を更に備える請求項３１に記載のエンジンシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スーパーターボチャージャーを使用したピストンエンジンのための燃料効率の改善に関する。
【背景技術】
【０００２】
出力及び燃料効率の増加は、旅客車両及び商用車にとって特に重要である。エンジンから入手可能な出力を増加させるために利用される１つの方法は、エンジンのシリンダーに供給することができる空気の量を増加させるためにターボチャージャーを利用することである。空気の量の増加によって、各燃焼事象中に利用される燃料の量が増加し、それにより、エンジンによって生成される出力を増加させることができる。
【発明の概要】
【０００３】
したがって、本発明の一実施の形態は、高効率を有するエンジンシステムを含み、前記エンジンシステムは、
エンジンと、
前記エンジンに結合されたスーパーターボチャージャーであって、推進機構と該スーパーターボチャージャーとの間で回転機械エネルギーを伝達する、スーパーターボチャージャーと、
前記スーパーターボチャージャーからの圧縮空気の流れを調節する弁であって、該前記圧縮空気は、前記エンジンからの排気ガスが前記スーパーターボチャージャーに入る前に、該排気ガスと混合され、それにより、前記圧縮空気が所定の最高温度より低い温度まで前記排気ガスを冷却して、前記スーパーターボチャージャーに対する損傷を防止する、弁と、
を備える。
【０００４】
したがって、本発明の一実施の形態は、エンジンシステムの効率を改善する方法を含み、前記方法は、
スーパーターボチャージャーをエンジンに結合することと、
前記エンジンからの排気ガスが前記スーパーターボチャージャーに入る前に、前記スーパーターボチャージャーからの圧縮空気の流れを、前記排気ガスに提供し、それにより、前記圧縮空気が所定の最高温度未満の温度まで前記排気ガスを冷却して、前記スーパーターボチャージャーに対する損傷を防止し、また、前記スーパーターボチャージャーに入る前記排気ガスに更なる質量を提供することと、
を含む。
【０００５】
したがって、本発明の一実施の形態は、高効率を有するスーパーターボチャージャー付きエンジンシステムを含み、前記エンジンシステムは、
エンジンと、
スーパーターボチャージャーと、
を備え、
前記スーパーターボチャージャーは、
タービンであって、該タービンを通して流れるガス混合物から回転機械エネルギーを生成する、タービンと、
前記タービンに機械結合されたコンプレッサーであって、空気源を圧縮し、圧縮空気の供給を前記エンジンの吸気マニホールドに提供する、コンプレッサーと、
前記タービン及び前記コンプレッサーに機械結合された動力伝達装置であって、前記タービンから推進機構に前記タービンの回転機械エネルギーを伝達して、エンジン出力を増加させ、前記スーパーターボチャージャーに対する損傷を防止し、また、前記推進機構から前記コンプレッサーに前記推進機構の回転機械エネルギーを伝達して前記エンジンのターボラグを低減する、動力伝達装置と、
前記排気ガスと混合される前記圧縮空気の一部を調整して前記ガス混合物を生成するフィードバック弁であって、前記圧縮空気の前記一部は、前記排気ガスを所定の最高温度未満に冷却して前記タービンに対する損傷を防止するのに十分であると共に、前記タービンに更なる回転エネルギーを付加する前記空気の更なる質量を前記排気ガスに提供する、フィードバック弁と、
を備える。
【０００６】
したがって、本発明の一実施の形態は、スーパーターボチャージャー付きエンジンシステムの効率を改善する方法をさらに含み、前記方法は、
スーパーターボチャージャーのコンプレッサーから圧縮空気を提供することと、
前記圧縮空気の一部分を前記エンジンからの排気ガスと混合し、所定の最高温度を超えない温度を有するガス混合物を生成し、前記スーパーターボチャージャーのタービンに対する損傷を防止することと、
前記ガス混合物を用いて前記タービンを駆動することと、
前記コンプレッサーに損傷をもたらす速度で前記タービンを回転させないように、過剰のタービン回転機械エネルギーを、前記タービンから推進機構へ伝達することと、
を含む。
【０００７】
したがって、本発明の一実施の形態は、スーパーターボチャージャー付きエンジンシステムの効率を改善する方法をさらに含み、前記方法は、
エンジンを設けることと、
前記エンジンに近接して排気部に接続される触媒コンバーターを設け、該触媒コンバーターは、該触媒コンバーターにおける発熱反応を活性化する、前記エンジンからのエンジン排気ガスを受取り、前記発熱反応は、前記エンジン排気ガスに更なるエネルギーを付加し、前記エンジン排気ガスより熱い触媒コンバーター排気ガスを該触媒コンバーターの出力に生成することと、
コンプレッサーを使用して、前記エンジンの吸気口に圧縮空気の流れを提供すること、
前記触媒コンバーターから下流にある混合室内で前記圧縮空気の一部分を前記触媒コンバーター排気ガスと混合し、前記触媒コンバーター排気ガスと前記圧縮空気のガス混合物を生成することと、
制御弁を使用して前記混合室内への前記圧縮空気の前記流れを調節し、前記ガス混合物を最高温度未満に維持し、前記コンプレッサー内のサージが起こらないように、前記エンジンの運転段階中に前記コンプレッサーを通して前記圧縮空気の流れを維持することと、
前記ガス混合物の流れに応答してタービン回転機械エネルギーを生成するタービンに前記ガス混合物を供給することと、
前記タービンから前記コンプレッサーに前記タービン回転機械エネルギーを送信し、前記コンプレッサーは、前記タービンを通る前記ガス混合物の前記流れが前記コンプレッサーを駆動するのに十分であるとき、前記回転エネルギーを使用して空気源を圧縮し、前記圧縮空気を生成することと、
前記タービンから前記タービン回転機械エネルギーの少なくとも一部分を取り出して、該タービンからの該タービン回転機械エネルギーの該部分が前記コンプレッサーを運転するために必要とされないとき、該タービン回転機械エネルギーの該部分を推進機構に適用することと、
前記推進機構から前記コンプレッサーに推進機構回転機械エネルギーを提供し、前記タービンを通る前記ガス混合物の前記流れが前記コンプレッサーを駆動するのに十分でないとき、ターボラグを防止することと、
を含む。
【０００８】
したがって、本発明の一実施の形態は、スーパーターボチャージャー付きエンジンシステムであって、
エンジンと、
触媒コンバーターであって、前記エンジンの排気部に近接して排気導管に接続され、それにより、前記エンジンからの熱い排気ガスが、該熱い排気ガスにエネルギーを付加し、より熱い排気ガスを生成する発熱反応を該触媒コンバーター内で活性化する、触媒コンバーターと、
前記排気ガスの圧力レベルより大きな圧力を有する圧縮空気を提供する空気源に接続されたコンプレッサーと、
導管であって、前記より熱い排気ガスに前記圧縮空気を供給し、それにより、該圧縮空気の少なくとも一部分が前記より熱い排気ガスと混合されて、ガス混合物が生成される、導管と、
前記導管を通る前記圧縮空気の前記一部分の流れを調節する弁であって、前記ガス混合物を所定の最高温度未満に維持し、前記コンプレッサー内のサージが起こらないように、前記エンジンの運転段階中に、前記コンプレッサーを通る前記空気源からの空気の流れを維持する、弁と、
前記タービンを通る前記排気ガスの前記流れが、前記コンプレッサーを所望の過給圧レベルまで駆動するのに十分でないとき、推進機構から前記コンプレッサーに推進機構回転機械エネルギーを提供してターボラグを低減し、前記タービンから過剰なタービン回転機械エネルギーを取り出して、前記コンプレッサーの回転速度を、該コンプレッサーに損傷がもたらされることになる所定の最大回転速度未満に維持する、動力伝達装置と、
を備える、スーパーターボチャージャー付きエンジンシステムを更に含むことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の教示によるスーパーターボチャージャーエンジンの一実施形態の簡略化した単線システム結線図である。
【図２】図１の実施形態の一実施態様の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、本発明の教示に従って構築された高効率スーパーターボチャージャー付きエンジンシステム１００の一実施形態の簡略化した単線形態図である。以下の説明から当業者に明らかになるように、こうしたスーパーターボチャージャー付きエンジンシステム１００は、旅客車両及び商用車で使用される火花点火ガソリンエンジンにおいて特定の適用性を見出し、したがって、本明細書で論じる例証的な例は、本発明の理解を補助するためにこうした環境を利用する。しかし、本発明のシステム１００の実施形態が、例えば地上発電エンジン及び他の地上エンジン等の他の動作環境に対する適用性を有することを認識して、こうした例は、制限としてではなく、例証として考えられるべきである。
【００１１】
図１から見てとることができるように、システム１００は、エンジン１０２の性能を向上させるためにスーパーターボチャージャー１０４を利用するエンジン１０２を備える。一般に、スーパーターボチャージャーは、ターボ軸と共に結合されたコンプレッサー及びタービンを備える。コンプレッサー及びタービンを共に結合する他の方法が使用されてきた。さらに、スーパーターボチャージャーは、車両の伝動機構すなわち駆動系（推進機構）とターボ軸との間で動力を伝達する動力伝達装置を備える。例えば、動力伝達装置は、エンジンのクランクシャフト、車両の動力伝達装置、又は駆動系若しくは伝動機構の他の部分に機械結合されてもよい。これらは、総称的に、車両の推進機構と呼ばれる。動力伝達装置は、伝導装置を使用する機械式動力伝達装置、油圧式動力伝達装置、空気圧式動力伝達装置、摩擦駆動式動力伝達装置、又は電気式動力伝達装置とすることができる。電動機／発電機は、ターボ軸に結合することができ、ターボ軸を駆動するか、又は、ターボ軸によって駆動され、電気エネルギーを発生するために使用することができる。電動機／発電機によって生成された電気エネルギーを使用して、電池を充電するか、車両を駆動するために使用される電動機／発電機を駆動するか、又は、ハイブリッド自動車において車両に電力供給するのを補助することができる。それに関して、スーパーターボチャージャー付きエンジンシステム１００は、電気自動車システムにおいて電気を発生するために寸法決定され使用されてもよく、又は、ハイブリッド車両システム等において、エネルギーを生成すると共に、機械エネルギーで車両に電力供給するのを補助するために使用されてもよい。
【００１２】
図１に示すように、スーパーターボチャージャー１０４は、タービン１０６、コンプレッサー１０８、及びエンジン１０２のクランクシャフト１１２すなわち推進機構の他の部分に結合された動力伝達装置１１０を備える。全ての実施形態で要求されないが、図１の示す実施形態はまた、エンジン１０２から入手可能な出力を更に増加させるために、コンプレッサー１０８からエンジン１０２に供給される空気の密度を増加させる中間冷却器１１４も備える。
【００１３】
スーパーターボチャージャーは、ターボチャージャーの利点を有する。ターボチャージャーは、エンジンの排気によって駆動されるタービンを利用する。このタービンは、エンジンのシリンダーに給送される吸気を圧縮するコンプレッサーに結合される。ターボチャージャー内のタービンは、エンジンからの排気によって駆動される。したがって、エンジンは、十分な過給圧を生成するために、タービンに機械結合されているコンプレッサーに動力を供給するため、タービンの回転を上げるために十分に熱い排気になるまで最初に加速されるときに、過給圧遅れを経験する。遅れを最小にするために、より小さい及び／又はより軽量のターボチャージャーが、通常利用される。軽量ターボチャージャーの低い慣性は、該ターボチャージャーが非常に迅速に回転上昇することを可能にし、それにより、性能上で遅れを最小にする。
【００１４】
残念ながら、こうしたより小さいかつ／又はより軽量のターボチャージャーは、大部分の排気流及び温度が生成されるエンジン高速動作中に速度超過する可能性がある。こうした速度超過の発生を防止するために、通常のターボチャージャーは、タービンの上流の排気パイプ内に設置されるウェイストゲート弁（waste gate valve：排気逃し弁）を含む。ウェイストゲート弁は、コンプレッサーの出力圧が所定の限界を超えると、タービンの周りに一部の排気ガスを迂回させる圧力作動式弁である。この限界は、ターボチャージャーが速度超過しそうであることを示す圧力に設定される。残念ながら、この結果、エンジンの排気ガスから入手可能なエネルギーの一部分が浪費されることになる。
【００１５】
従来のターボチャージャーが、上限出力のために下限性能を犠牲にすることを認識して、スーパーターボチャージャーとして知られる装置が開発された。１つのこうしたスーパーターボチャージャーは、２００９年２月１７日に発行され、本出願の譲受人に譲渡される「スーパーターボチャージャー」という名称の米国特許第７，４９０，５９４号に記載されている。この出願は、開示し教示する全てについて、参照により本明細書に特に援用される。
【００１６】
上記参照用途で論じるように、スーパーターボチャージャーでは、十分に加熱されたエンジン排気ガスがタービンを駆動するために入手可能でないエンジン低速動作中に、コンプレッサーは、エンジンに結合された動力伝達装置を介してエンジンクランクシャフトによって駆動される。コンプレッサーに対してエンジンによって供給される機械エネルギーは、従来のターボチャージャーが受けるターボラグ問題を軽減し、より大きい又はより効率的なタービン及びコンプレッサーが使用されることを可能にする。
【００１７】
図１に示すスーパーターボチャージャー１０４は、下限において従来のチャージャーのターボラグ問題を被ることなく、又は上限においてタービン１０６に供給されるエンジン排気ガス熱から入手可能なエネルギーを浪費することなく、コンプレッサー１０８からエンジン１０２に圧縮空気を供給するように動作する。これらの利点は、エンジン１０２の種々の動作モード中に、それぞれコンプレッサー１０８を駆動すると共にタービン１０６に負荷印加するために、エンジンクランクシャフト１１２から動力を取り出すことができると共に、エンジンクランクシャフト１１２に動力を供給することができる、動力伝達装置１１０を備えることによって提供される。
【００１８】
タービンを駆動するためのエンジン排気熱からの十分な出力の欠如のために、従来のターボチャージャーが遅れを被る始動中に、スーパーターボチャージャー１０４は、過給動作を提供し、それにより、出力が、動力伝達装置１１０を介してクランクシャフト１１２から取り出されて、エンジン１０２に十分な過給圧を提供するようにコンプレッサー１０８が駆動される。エンジンが所定の速度に達し、エンジン排気熱から入手可能な出力の量がタービン１０６を駆動するのに十分になるにつれて、動力伝達装置１１０によってクランクシャフト１１２から取り出される出力の量が減少する。その後、タービン１０６は、エンジン１０２が使用するための吸気を圧縮するためにコンプレッサー１０８に出力を供給し続ける。
【００１９】
エンジン速度が増加するにつれて、エンジン排気熱から入手可能な出力の量が、タービン１０６が従来のターボチャージャーにおいて速度超過する点まで増加する。しかし、スーパーターボチャージャー１０４によって、エンジン排気熱によりタービン１０６に提供される過剰のエネルギーは、エンジン１０２に理想的な過給圧を供給するのに適切な速度にコンプレッサー１０８を維持しながら、動力伝達装置１１０を通してエンジンクランクシャフト１１２に引き込まれる。エンジン１０２の排気ガス熱から入手可能な出力が大きくなればなるほど、コンプレッサー１０８から入手可能な最適過給圧を維持しながら、動力伝達装置１１０を通してクランクシャフト１１２に引き込まれる、タービン１０６によって生成される出力が大きくなる。動力伝達装置１１０によるタービン１０６のこの負荷印加は、タービン１０６が速度超過することを防止し、エンジン排気熱から取り出される出力の効率を最大にする。したがって、従来のウェイストゲートは必要とされない。
【００２０】
タービン１０６を駆動するために入手可能な出力の量は、従来のスーパーターボチャージャー付き用途において、エンジン排気から入手可能な出力の量に厳密に制限されるが、タービンブレードに供給される熱エネルギー及び質量流量を完全に利用することができ、かつ／又は増加することができる場合、タービン１０６は、かなり多くの出力を生成することが可能である。しかし、タービン１０６は、損傷なしで一定の温度を超えて動作できず、質量流量は、慣例的に、エンジン１０２から出る排気ガスに限定される。
【００２１】
これを認識して、システム１００の実施形態は、タービン１０６の上流に触媒コンバーター１１６を再配置することによって、タービン１０６を高温過渡条件から保護する。一実施形態では、触媒コンバーターは、排気マニホールドの近くでタービンから上流に設置され、エンジンの持続した高速又は高負荷動作中に排気ガス温度の上昇をもたらす発熱反応を可能にする。タービンに達する前に、排気ガスを冷却するために、コンプレッサーによって生成される圧縮空気の一部分は、制御可能弁を介してタービンから上流の排気に直接給送され、触媒コンバーターを出るエンジン排気ガスに付加される。より冷たい吸気は、膨張し排気ガスを冷却し、排気ガス流に更なる質量を付加し、それが、以下により詳細に述べるように、スーパーターボチャージャーのタービンに更なる出力を付加する。タービンへの結合流の温度を最適温度に維持するために、より多くのより冷たい空気が熱い排気ガスに提供されるため、タービンブレードに送出されるエネルギー及び質量流量もまた増加する。これは、エンジンクランクシャフトを駆動するために、タービンによって供給される出力を大幅に増加させる。
【００２２】
触媒コンバーター内での化学量論的反応と相互作用しないように、コンプレッサーフィードバック空気が、触媒コンバーターの下流で付加される。こうした実施形態では、エンジン排気ガスは、触媒コンバーターを通過し、排気ガスの温度は、発熱反応によって上昇する。コンプレッサーフィードバック空気が、その後、付加され、タービンに供給される総質量流量が増加するように膨張する。本発明の実施形態は、排気ガスを冷却し、タービンを駆動するために供給される圧縮フィードバック空気の量を制御して、より冷たいコンプレッサーフィードバック空気とエンジン排気ガスの結合体が、タービンブレード動作用の最適温度でタービンに送出されることを保証する。
【００２３】
図１に示す触媒コンバーター１１６は、大きな熱質量をもつため、最初に熱ダンパーとして動作し、高温熱スパイクがタービン１０６に達するのを防止する。しかし、触媒コンバーター１１６における反応は、本質的に発熱性であるため、触媒コンバーター１１６を出る排気ガスの温度は、最終的には、触媒コンバーター１１６に入る排気ガスの温度よりも高くなる。タービンに入る排気ガスの温度が、タービン１０６の最大動作温度より低いままである限り、問題は存在しない。
【００２４】
しかし、エンジン１０２の持続した高速及び高負荷動作中、触媒コンバーター１１６からの変換済み排気ガスの出口温度は、タービン１０６の最大動作温度を超える可能性がある。上記で述べたように、触媒コンバーター１１６を出る排気ガスの温度は、フィードバック弁１１８を介してコンプレッサー１０８から圧縮空気の一部分を供給し、触媒コンバーター１１６を出る排気ガスと混合することによって低減される。大幅に改善された燃料節約は、こうした状況下で燃料を冷却材として使用すること（従来システムでは行われる）がないことによって達成される。さらに、動力伝達装置の動作は、フィードバック弁１１８を介して、エンジン１０２に最適過給圧を提供し、タービン１０６に圧縮フィードバック空気を提供するのに十分な量の圧縮空気を、コンプレッサー１０８が供給することを可能にするように制御される。タービンを通る圧縮空気の質量流量の増加に起因する、タービン１０６によって生成される過剰な出力は、動力伝達装置１１０を介してクランクシャフト１１２に引き込まれ、なおさらに、燃料効率を上げる。
【００２５】
コンプレッサー１０８からの圧縮空気の出力温度は、通常約２００℃と３００℃との間である。従来のタービンは、歪み又は考えられる故障なしで、約９５０℃であるがそれを超えない温度のガスから出力を取り出すように最適に動作できる。タービンブレードの材料制限のために、最適出力は約９５０℃で達成される。材料が排気ガス温度を約９５０℃に制限するため、タービンの前後の質量流量を増加させるためにより多くの空気を、温度限界、例えば９５０℃で供給することは、タービンの性能を向上させる。
【００２６】
２００℃〜３００℃の圧縮フィードバック空気のこうした流れは、触媒コンバーター１１６から出る排気ガスの温度を低減するのに役立つが、温度及び質量流量が、タービン１０６の熱限界内で最大になるときに、タービン１０６から最大出力を供給できることが認識される。したがって、一実施形態では、タービンに送出される出力の量が最大になるか又は大幅に増加するよう、排気ガスとフィードバック空気の結合体がタービン最大動作温度に又はその近くに維持されるように、フィードバック空気の量が制御される。エンジン１０２に最適過給圧を供給し、フィードバック弁１１８を介してコンプレッサーフィードバック空気を供給するために、この過剰な出力の全てが、通常コンプレッサー１０８によって要求されないため、過剰な出力を、動力伝達装置１１０によってエンジン１０２のクランクシャフト１１２に伝達し、それにより、エンジン１０２の総合効率又は出力を増加させることができる。
【００２７】
上記で論じたように、一実施形態では、フィードバック弁１１８を介したコンプレッサーフィードバック空気の接続は、エンジン１０２とタービン１０６との間の熱バッファーとして触媒コンバーター１１６を使用する。したがって、コンプレッサーからの空気の供給は、触媒コンバーター１１６内での化学量論的反応を乱さないように、触媒コンバーター１１６の下流に設けられる。すなわち、触媒コンバーター１１６を利用する実施形態では、触媒コンバーター１１６の上流でコンプレッサーフィードバック空気を供給することにより、結果として過剰な酸素が触媒コンバーター１１６に供給されることになり、それにより、触媒コンバーター１１６が、適切な動作に必要とされる化学量論的反応を生成することを妨げる。
【００２８】
タービン１０６による発電の最適効率は、タービンブレード上でのコンプレッサーフィードバック空気と排気ガスのガス混合物の温度が（タービン自体の材料制限内で）最大になるときに達成されるため、フィードバック弁１１８によって許容されるコンプレッサーフィードバック空気の量は、その温度を、こうした最適温度より著しく低く低下させないように制限される。触媒コンバーター１１６が、発熱反応によってより多くの熱エネルギーを生成し、触媒コンバーター１１６からの変換済み排気ガスの温度が、タービン１０６の最大動作温度を超えた温度まで上昇するため、より多くのコンプレッサーフィードバック空気を、フィードバック弁１１８を介して供給することができ、それにより、タービン１０６に供給される質量流量及びエネルギーが増加する。触媒コンバーター１１６によって生成される熱エネルギーの量が減少するにつれて、フィードバック弁１１８によって供給されるコンプレッサーフィードバック空気の量もまた、必要以上の空気を供給することを回避するために減少することができ、結果として最適動作条件におけるガス混合物の温度が維持される。
【００２９】
別の実施形態では、システムは、コンプレッサーのサージングを回避するために、低速で高負荷の動作条件で、タービンの前方でより冷たいコンプレッサー空気を排気ガス内にフィードバックするためのフィードバック弁１１８を利用する。コンプレッサーサージは、コンプレッサー圧力が高くなると起こるが、エンジン内に許容される質量流量は、エンジンが、低ｒｐｍで回転し、多くの吸気流を必要としないことの結果として低い。コンプレッサーブレードの前後の低い空気流量に起因するコンプレッサーのサージング（又は、空力失速は、コンプレッサーの効率を非常に急速に低下させる。通常のターボチャージャーの場合、十分なサージは、タービンの回転を停止することができる。スーパーターボチャージャーの場合、コンプレッサーをサージ状態にするために、エンジンクランクシャフトからの出力を使用することが可能である。フィードバック弁１１８を開口することは、圧縮空気の一部分がエンジンの周りにフィードバックすることを可能にする。このフィードバック流は、コンプレッサーをサージから抜け出させ、より高い過給圧がエンジン１０２に達することを可能にし、それにより、エンジン１０２が、低いエンジン速度で通常可能であるよりも多くの出力を生成することを可能にする。タービンの前方で圧縮空気を排気ガス内に注入することによって、コンプレッサーを通る総質量流量が、全ての流量がタービンに達するように保存され、それにより、高い過給圧レベルまで過給を行うためにエンジンから必要とされる出力が最小になる。
【００３０】
別の実施形態では、更なる低温始動制御弁１２０が、過濃なエンジン低温始動中の動作のために含まれてもよい。こうしたエンジン低温始動中に、エンジン１０２からの排気ガスは、通常、過剰の未燃焼燃料を含む。この過濃混合気が化学量論的でないため、触媒コンバーター１１６は、排気ガス内の未燃焼炭化水素（ＵＨＣ）を完全に分解することができない。こうした期間中に、低温始動制御弁１２０は、触媒コンバーター１１６の入力部にコンプレッサーフィードバック空気を提供するように開口して、過濃混合気を化学量論的レベルまで引き下げるのに必要な余分の酸素を供給することができる。これは、触媒コンバーター１１６が、低温始動事象中により迅速に点火し、より効率的にエミッションを低減することを可能にする。エンジンがアイドリング状態である場合、通常のターボチャージャーは、フィードバック空気を供給できる過給圧を持たないであろう。しかし、動力伝達装置１１０の伝達率は、空気が弁１２０を通して流れるために必要とされる圧力を生成するのに十分な速度をコンプレッサーに与えるように調整することができる。その点に関し、制御信号１２４を使用して動力伝達装置１１０の伝達率を調整することができ、それにより、アイドリング状態中に、特に低温始動中にエンジン駆動軸１１２からコンプレッサー１０８に十分な回転速度を提供して、低温始動弁１２０を通って流れるのに十分な空気を圧縮し、触媒コンバーター１１６を十分な量の酸素で点火することができる。
【００３１】
更なる酸素に対する要求は、通常、低温始動事象において制限され、３０秒〜４０秒間続くことが多い。多くの車両は、現在のところ、低温始動事象中にこの酸素を供給する別個の空気ポンプを含み、別個の空気ポンプは、こうした空気ポンプが動作することを要求される制限された時間量と比較して、かなりのコスト及び重量である。別個の空気ポンプを単一低温始動制御弁１２０と置換することによって、かなりのコスト、重量、及び複雑さの節減が実現される。スーパーターボチャージャー１０４が、動力伝達装置１１０を介してコンプレッサー１０８の速度を制御できるため、低温始動制御弁１２０は、単純なオンオフ弁を備えてもよい。このとき、低温始動事象中に供給される空気の量は、制御信号１２４の作用下で動力伝達装置１１０を介してコンプレッサー１０８の速度を制御することによって制御することができる。
【００３２】
低温始動制御弁１２０はまた、燃料効率に悪影響があっても、燃料が、エンジン内の、及び／又は、触媒コンバーター１１６用の冷却材として使用される場合、極端に高い温度の動作期間中に使用されてもよい。こうした状況では、低温始動制御弁１２０は、触媒コンバーター１１６が、排気ガス内の未燃焼炭化水素エミッションを適切に低減することを可能にする化学量論的レベルまで、過濃な排気ガスを引き戻すのに必要な余分の酸素を供給できることになる。これは、従来のシステムよりも、環境に対して著しい利点を提供する。
【００３３】
低温始動制御弁１２０がオン／オフ弁である実施形態では、システムは、低温始動制御弁１２０を調節して、供給される圧縮空気の量を変え、それにより、排気ガスを化学量論的レベルまで引き下げることができる。他のタイプの可変流量制御弁がまた、この同じ機能を達成するために使用されてもよい。
【００３４】
図１はまた、制御装置１４０を開示する。制御装置１４０は、フィードバック弁１１８及び低温始動弁１２０の動作を制御する。制御装置１４０は、異なる条件についてフィードバック弁１１８を通る空気流の量を最適にするように動作する。フィードバック弁１１８を通って流れる空気の量は、上述した特定の所望の条件を得るために必要である空気流の最小量である。制御装置１４０がフィードバック弁１１８を動作させる２つの特定の条件が存在し、２つの特定の条件は、１）低ｒｐｍで高負荷のエンジンにおいて、所与の過給圧要求についてのコンプレッサーのサージ限界が近づいている、及び、２）高ｒｐｍで高負荷の条件において、所定温度のガス混合物がタービン１０６に入ろうとしている、である。
【００３５】
図１に示すように、制御装置１４０は、温度センサー１３８からガス混合物温度信号を受信し、温度センサー１３８は、触媒コンバーター１１６によって生成される熱い排気ガスと混合されるコンプレッサー１０８から供給される冷却用空気のガス混合物の温度を検出する。さらに、制御装置１４０は、コンプレッサー１０８から供給される圧縮空気の導管内に配設される圧力センサー１３６によって生成される圧縮空気吸気圧信号１３２を検出する。さらに、エンジン１０２又はスロットルから供給されるエンジン速度信号１２６及びエンジン負荷信号１２８は、制御装置１４０に給送される。
【００３６】
高速で高負荷の条件でタービン１０６に供給されるガス混合物の温度の制御に関して、制御装置１４０は、タービン１０６の機構に損傷を与えるほど高くならない状態で、タービン１０６の動作を最大にする温度までガス混合物の温度を制限する。一実施形態では、約９２５℃の温度が、ガス混合物がタービン１０６を動作させるための最適温度である。タービン１０６に給送されるガス混合物の温度が９００℃を超え始めると、フィードバック弁１１８が開口して、タービン１０６内に流れる前に、触媒コンバーター１１６からの熱い排気ガスを、コンプレッサー１０８からの圧縮空気が冷却することを可能にする。制御装置１４０は、９５０℃の上限及び９００℃の下限を持った状態で、約９２５℃の温度を目標とするように設計することができる。９５０℃の限界は、タービン１０６に対する損傷が従来の材料を使用して起こる場合がある限界である。もちろん、制御装置は、タービン１０６で使用される特定のタイプのコンポーネント及び材料に応じて、他の温度のために設計することができる。制御装置１４０において従来の比例積分微分（ＰＩＤ）制御ロジックデバイスを使用して、これらの制御された結果を生成することができる。
【００３７】
タービン１０６に入るガス混合物の温度を制御する利点は、ガス混合物のタービン入口温度を制限するための排ガス内での燃料の使用がなくなることである。触媒コンバーター１１６からの熱い排気ガスを冷却するためにより冷たい圧縮空気の流れを使用することは、ガス混合物の所望のより冷たい温度を達成するための大きな容積を含む大量の空気を必要とする。触媒コンバーター１１６からの熱い排気ガスを冷却するために必要とされる空気量は大きい。その理由は、コンプレッサー１０８からのより冷たい圧縮空気が、特に排気ガス内に導入される液体燃料と比較すると、よい冷却材ではないからである。触媒コンバーター１１６の出力からの熱い排気ガスは、コンプレッサー１０８からのより冷たい圧縮ガスを、膨張させ、ガス混合物を生成させる。コンプレッサー１０８からの大きな質量のより冷たい圧縮空気が、触媒コンバーター１１６からの熱い排気ガスの温度を下げるために必要とされるため、ガス混合物の大きな質量流量が、タービン１０６の前後で流れ、タービン１０６の出力を大幅に増加させる。タービン出力は、質量流量から、フィードバック弁１１８を通って流れる圧縮空気を圧縮するために必要とされる仕事を引いた差によって生成される出力の差だけ増加する。温度センサー１３８からガス混合物温度信号１３０を取得し、フィードバック弁１１８による圧縮空気の付加を制御することによって、最高温度を超えることがない。
【００３８】
制御装置１４０はまた、コンプレッサー１０８内のサージを制限するためにフィードバック弁１１８を制御する。サージ限界は、過給圧、コンプレッサーを通る空気の流量、及びコンプレッサー１０８の設計の関数として変化する境界である。通常ターボチャージャー内で使用されるコンプレッサー１０８等のコンプレッサーは、吸気１２２の流量が低く、吸気１２２と圧縮空気との比が高いとき、サージ限界を超える。従来のスーパーターボチャージャーでは、吸気１２２の流量は、エンジン速度（ｒｐｍ）１２６が低いときに低い。低ｒｐｍでは、圧縮空気が、エンジン１０２によって大容積で使用されないとき、吸気１２２の質量流量は低く、回転するコンプレッサー１０８が、吸気１２２の適度の流量なしで、空気を高圧導管内に押出すことができないため、サージが起こる。フィードバック弁１１８は、圧縮空気導管１０９を通した流れを可能にし、コンプレッサー１０８内のサージを防止するか又は低減する。コンプレッサー１０８内のサージが起こると、圧縮空気導管１０９内の圧力を維持することができない。したがって、エンジン１０２の低ｒｐｍで高負荷の動作条件において、圧縮空気導管１０９内の圧縮空気の圧力は、所望のレベル未満に低下する可能性がある。フィードバック弁１１８を開口することによって、コンプレッサー１０８を通る吸気１２２の流量が、特にエンジンの低ｒｐｍで高負荷の動作条件で増加し、それにより、所望のレベルの過給圧を圧縮空気導管１０９内で達成することが可能になる。フィードバック弁１１８は、圧縮空気導管１０９内の所望の圧力に達するまで、単に開口することができる。しかし、圧縮空気導管１０９内の過給圧を単に検出することによって、コンプレッサー１０８をサージ状況でなくすためにフィードバック弁１１８が開口する前に、サージが起こることになる。
【００３９】
しかし、サージ限界を確定し、サージ状況の発生前に、前もってフィードバック弁１１８を開口させることが好ましい。所与のｒｐｍ及び所望の過給圧レベルについて、サージ限界を確定することができる。フィードバック弁１１８は、コンプレッサー１０８が、計算されたサージ限界に達する前に開口し始めることができる。早期に弁を開口させることによって、コンプレッサーがコンプレッサー動作パラメーターの高効率点のより近くに留まるため、コンプレッサーが、高い過給圧までより迅速に取込むことが可能になる。その後、低ｒｐｍにおける迅速な過給圧上昇を達成することができる。サージが起こる前に弁を開口することによって、より安定した制御システムも達成することができる。
【００４０】
エンジン１０２の応答性を改善するようにフィードバック弁１１８を開口することは、エンジン１０２が低ｒｐｍにあるときに、エンジン１０２がより迅速に高い過給圧になることを可能にすることによって達成される。コンプレッサー１０８もまた、より効率的であり、結果として動力伝達装置１１０が過給を達成するための仕事を少なくする。サージ限界制御は、ＭＡＴＬＡＢ等の標準的なモデルベース制御シミュレーションコード内でモデル化することができる。こうしてモデル化することによって、制御装置１４０のシミュレーション及び制御装置１４０用のアルゴリズムの自動コーディングが可能になる。
【００４１】
上述したようなモデルベース制御システムは、タービン１０６及びコンプレッサー１０８の回転を制御するための動力伝達装置１１０の利用が、ターボラグなしで過給圧を生成する点で独自性がある。換言すれば、動力伝達装置１１０は、コンプレッサー１０８を駆動する回転エネルギーをクランクシャフト１１２から取り出して、非常に迅速に、また、コンプレッサー１０８をこうした所望のレベルで駆動するのに十分な機械的エネルギーをタービン１０６が生成する前に、圧縮空気導管１０９内で所望の過給圧を達成できる。こうして、遅れを低減するための従来のターボチャージャーにおける制御が低減されるか又はなくなる。制御装置１４０用のモデルベース制御は、コンプレッサー１０８の動作パラメーター内でコンプレッサー１０８の最適効率を維持するように設計されるべきである。
【００４２】
制御装置１４０の制御モデルはまた、所与の目標速度及び負荷についてエンジンによって許容される質量流量に対してマッピングされた、圧力動作パラメーターに関して注意深くモデル化されるべきであり、そのエンジンでは、目標速度及び負荷は、車両のスロットルの位置に対して規定することができる。図１に示すように、エンジン速度信号１２６は、エンジン１０２から取得し、制御装置１４０に印加することができる。同様に、エンジン負荷信号１２８は、エンジン１０２から取得し、制御装置１４０に印加することができる。代替的に、これらのパラメーターは、エンジンスロットル（図示せず）上に配置されるセンサーから取得することができる。フィードバック弁１１８は、その後、制御装置１４０によって生成される制御信号１４２に応答して動作することができる。圧力センサー１３６は、制御装置１４０に印加される圧縮空気吸気圧信号１３２を生成し、制御装置１４０は、エンジン速度信号１２６、エンジン負荷信号１２８、及び圧縮空気吸気圧信号１３２に応答して制御信号１４２を計算する。
【００４３】
コンプレッサー１０８がサージ限界に近づかず、また、ガス混合物の所定の温度（温度センサー１３８によって検出される）に達しないエンジン１０２の動作条件中に、フィードバック弁１１８は閉鎖し、それにより、システムは、従来のスーパーターボチャージャー付きシステムとして働く。これは、エンジン１０２の大多数の動作パラメーターに対して起こる。エンジン１０２の高負荷でかつ低ｒｐｍ条件が起こると、フィードバック弁１１８は、サージを防止するために開口する。同様に、エンジン１０２の高ｒｐｍで高負荷の動作条件において、触媒コンバーター１１６の出力の排気ガス内に高温が生じ、それにより、フィードバック弁１１８は、タービン１０６に加えられるガス混合物の温度を、タービン１０６に損傷をもたらす温度未満に減少させるために開口しなければならない。
【００４４】
図２は、図１に示す高効率スーパーターボチャージャー付きエンジンシステムの実施形態の詳細図である。図２に示すように、エンジン１０２は、従来のスーパーターボチャージャー付きエンジンより高い総合効率を提供すると共に、低ｒｐｍで高負荷の動作条件で高い最適効率を、また、高ｒｐｍで高負荷の動作条件で高い最適効率を提供するために、図１に関して上述したように修正されたスーパーターボチャージャーを含む。スーパーターボチャージャーは、軸によってコンプレッサー１０８に機械接続されるタービン１０６を含む。コンプレッサー１０８は、吸気１２２を圧縮し、圧縮済み吸気を導管２０４に供給する。導管２０４は、フィードバック弁１１８及び中間冷却器１１４に接続される。上記で開示されるように、中間冷却器１１４は、圧縮プロセス中に加熱される圧縮空気を冷却するように機能する。中間冷却器１１４は、圧縮空気導管２２６に接続され、圧縮空気導管２２６は、次に、エンジン１０２の吸気マニホールド（図示せず）に接続される。圧力センサー１３６が圧縮空気導管２０４に接続され、圧力を検出し、制御装置１４０に印加される圧縮空気吸気圧信号１３２を介して圧力の読みを供給する。フィードバック弁１１８は、上記で開示したように、制御装置１４０によって生成される制御装置フィードバック弁制御信号１４２によって制御される。或る動作条件下では、フィードバック弁１１８は、圧縮空気導管２０４から混合室２０６に圧縮空気を供給するために開口する。
【００４５】
図２の実施形態に示すように、混合室２０６は、触媒コンバーター出力導管２０８内に一連の開口２０２を単に備え、開口２０２は、圧縮空気導管２０４によって囲まれ、それにより、圧縮空気導管２０４から供給される圧縮空気が、開口２０２を通過して、触媒コンバーター出力導管２０８内の排気ガスと混合する。任意の所望のタイプの混合室が使用してより冷たい圧縮空気を排気ガスと混合し、排気ガスの温度を下げることができる。温度センサー１３８は、触媒コンバーター出力導管２０８内に位置して、触媒コンバーター出力導管２０８内の排気ガスの温度を測定する。温度センサー１３８は、ガス混合物温度信号１３０を制御装置１４０に供給し、制御装置１４０は、フィードバック弁１１８を制御して、触媒コンバーター出力導管２０８内の排気ガスの温度が、タービン１０６に損傷を与えることになる最高温度を超えないことを保証する。触媒コンバーター１１６は、触媒コンバーター入口導管２１４によって排気マニホールド２１０に接続される。触媒コンバーター１１６を排気マニホールド２１０に近接して配置することによって、エンジンからの熱い排気ガスは、触媒コンバーター１１６内に直接流れ、触媒コンバーター１１６を活性化するのを補助する。換言すれば、エンジン排気ガスの出口の近くへの触媒コンバーター１１６の近接配置は、排気ガスが、実質的に触媒コンバーター１１６に入る前に冷却されることを可能にせず、触媒コンバーター１１６の性能を向上させる。排気ガスが触媒コンバーター１１６を通過するにつれて、触媒コンバーター１１６は、排気ガスに更なる熱を付加する。触媒コンバーター１１６の出力におけるこれらの非常に熱い排気ガスは、触媒コンバーター出力導管２０８に供給され、混合室２０６において、圧縮空気導管２０４からの圧縮吸気によって冷却される。触媒コンバーター１１６の出力で生成される非常に熱い排気ガスの温度（エンジン１０２の動作条件に応じて変わる）に応じて、異なる量の圧縮吸気が、高速で高負荷の条件中に排気ガスに付加されることになる。低いエンジン速度で、高いエンジン負荷の条件中に、フィードバック弁１１８はまた、サージを回避するために吸気がコンプレッサーを通って流れることを可能にするように機能する。サージは、コンプレッサーブレードの空力失速に類似し、低いエンジン速度条件中のコンプレッサーを通る低流量条件の結果として起こる。サージが起こると、コンプレッサー１０８が吸気を圧縮できないため、吸気マニホールド（図示せず）内の圧力が落ちる。フィードバック弁１１８が開口する結果として、空気がコンプレッサー１０８を通って流れることを可能にすることによって、圧力を、吸気マニホールド内で維持することができ、それにより、低いエンジン速度において高いトルクが必要とされるときに、高い吸気マニホールド圧に起因して高いトルクを達成することができる。
【００４６】
上記で開示したように、エンジンが高速で高負荷の条件下で動作すると、触媒コンバーター１１６は、大量の熱が、触媒コンバーター出力導管２０８に供給される排気ガス内で生成されるようにする。圧縮済みのより冷たい吸気を触媒コンバーター出力導管２０８に供給することによって、高速で高負荷の条件下の熱い排気ガスが冷却される。エンジンの負荷及び速度が増加するにつれて、より熱いガスが生成され、導管２０４からのより多くの圧縮空気が必要とされる。低速で高負荷の条件等の下で、コンプレッサーを駆動するのに十分な回転エネルギーをタービン１０６が提供しない場合、エンジンクランクシャフト１１２は、駆動ベルト２２２、駆動プーリー２１８、軸２２４、無段変速機２１６、及び動力伝達装置２２８を介してコンプレッサー１０８に回転エネルギーを供給できる。ここでも、推進機構の任意の部分を、コンプレッサー１０８に回転エネルギーを供給するために使用することができ、図２は、１つの開示される実施形態による１つの実施態様を開示する。
【００４７】
図２に同様に示すように、低温始動弁１２０はまた、圧縮空気導管２０４に接続され、圧縮空気導管２０４は、次に、低温始動導管２１２に接続される。低温始動導管２１２は、触媒コンバーター１１６から上流にある触媒コンバーター入口導管２１４に接続される。低温始動弁の目的は、上記で開示したように、始動条件中に触媒コンバーター１１６の入力に圧縮済み吸気を提供することである。始動条件下で、触媒コンバーター１１６が完全動作温度に達する前に、触媒プロセスを始動させるために、低温始動導管２１２を介して更なる酸素が提供される。低温始動導管２１２を介して提供される更なる酸素は、触媒プロセスの始動を補助する。制御装置１４０は、エンジン速度信号１２６、エンジン負荷信号１２８、及びガス混合物温度信号１３０に応答して、制御装置低温始動弁制御信号１４４を介して低温始動弁１２０を制御する。
【００４８】
したがって、高効率火花点火スーパーターボチャージャー付きエンジン１００は、フィードバック弁１１８がコンプレッサーからタービンの入力に圧縮空気の一部分を供給することを除いて、２つの理由でスーパーターボチャージャーと同様な方法で動作する。一方の理由は、高速で高負荷の条件下で、排気ガスの全エネルギーを利用することができ、また、ウェイストゲートが必要とされないように、タービンに入る前に排気ガスを冷却することである。他方の理由は、低ｒｐｍで高負荷の条件におけるサージを防止するためにコンプレッサーを通る空気の流れを提供することである。加えて、触媒コンバーターは、触媒コンバーター１１６によって生成される熱を、タービン１０６を駆動し、触媒コンバーター１１６からの熱いガスと混合される圧縮済み吸気を膨張させるときに使用することができるように、排気ガスがタービンに達する前に排気ストリーム内で接続することができ、これによってシステムの効率が大幅に増加する。さらに、低温始動弁１２０を使用して、始動条件中に排気ガスに酸素を提供することによって、触媒コンバーター１１６内での触媒プロセスを始動させることができる。
【００４９】
本発明の上記の説明は、例証及び説明のために提示された。本発明の上記の説明は、網羅的であるように意図されるものでもなければ、開示される厳密な形態に本発明を限定するように意図されるものでもなく、上記教示に照らして、他の変更及び変形が可能であってよい。実施形態は、本発明の原理及びその実用的な用途を最もよく説明し、それにより、当業者が、想定される特定の使用に適した種々の実施形態及び種々の変更形態において本発明を最良に利用することを可能にするために、選択され述べられた。添付特許請求の範囲は、従来技術によって制限される場合を除いて、本発明の他の代替の実施形態を含むと考えられることが意図される。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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