(57)【要約】  この発明は、連結器（３６）を介して停止状態と作動状態間を切替可能な機械的に駆動されるチャージャー機器（２０）、特にコンプレッサと、排気ターボチャージャー（１８）と、燃焼機関のシリンダーブロック（１０）の空気入口と接続された吸気マニホールド（３２）と、過給空気冷却器（３４）とが中に配置された吸気用空気通路を備え、機械的に駆動されるチャージャー機器（２０）の圧力出口（３５）が吸気マニホールド（３２）と直接接続され、排気ターボチャージャー（１８）の圧力出口（２４）が機械的に駆動されるチャージャー機器（２０）の吸気口（２８）と接続されている燃焼機関、特に自動車の燃焼機関に関する。この発明では、排気ターボチャージャー（１８）の圧力出口（２４）は、２位置バルブ（２６）を介して機械的に駆動されるチャージャー機器（２０）の吸気口（２８）と接続されるとともに、２位置バルブ（２６）の上流で負荷制御バルブ（３０）を介して吸気マニホールド（３２）と接続されており、過給空気冷却器（３４）が、吸気マニホールド（３２）内で吸気・過給空気冷却器モジュールとして統合されている。
2008528860.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
連結器（３６）を介して停止状態と作動状態間を切替可能な機械的に駆動されるチャージャー機器（２０）、特にコンプレッサと、排気ターボチャージャー（１８）と、燃焼機関のシリンダーブロック（１０）の空気入口と接続された吸気マニホールド（３２）と、過給空気冷却器（３４）とが中に配置された吸気用空気通路を備え、機械的に駆動されるチャージャー機器（２０）の圧力出口（３５）が吸気マニホールド（３２）と直接接続され、排気ターボチャージャー（１８）の圧力出口（２４）が機械的に駆動されるチャージャー機器（２０）の吸気口（２８）と接続されている燃焼機関、特に自動車の燃焼機関において、
排気ターボチャージャー（１８）の圧力出口（２４）は、２位置バルブ（２６）を介して機械的に駆動されるチャージャー機器（２０）の吸気口（２８）と接続されるとともに、２位置バルブ（２６）の上流で負荷制御バルブ（３０）を介して吸気マニホールド（３２）と接続されており、過給空気冷却器（３４）が、吸気マニホールド（３２）内で吸気・過給空気冷却器モジュールとして統合されていることを特徴とする燃焼機関。
【請求項２】
２位置バルブ（２６）は、それが完全に閉じられた状態（７０）において、主に機械的に駆動されるチャージャー機器（２０）に迂回する空気の流れに対して、機械的に駆動されるチャージャー機器（２０）の吸気口（２８）への空気通路を密閉するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃焼機関。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の燃焼機関の動作方法において、
排気ターボチャージャーによって瞬間的なトルク要求を引き出すことが可能な燃焼機関の動作状態では、２位置バルブが、その完全に閉じられた位置に設定され、機械的に駆動されるチャージャー機器が停止されるとともに、負荷制御バルブを用いた負荷制御及び／又はターボチャージャーの調整が行われ、瞬間的なトルク要求が排気ターボチャージャーによって引き出すことが可能な最大トルクを上回る燃焼機関の動作状態では、２位置バルブが、その完全に開かれた位置に設定され、機械的に駆動されるチャージャー機器が作動されるとともに、負荷制御バルブが、当該の瞬間的なトルク要求を達成するのに必要な程度にまで閉じられることを特徴とする方法。
【請求項４】
２位置バルブが、アイドリング時及び低い部分負荷領域では閉じられ、それ以外の全ての動作状態では完全に開かれることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、請求項１の上位概念にもとづく、連結器を介して停止状態と作動状態間を切替可能な機械的に駆動されるチャージャー機器、特にコンプレッサと、排気ターボチャージャーと、燃焼機関のシリンダーブロックの空気入口と接続された吸気マニホールドと、過給空気冷却器とが中に配置された吸気用空気通路を備え、機械的に駆動されるチャージャー機器の圧力出口が吸気マニホールドと直接接続され、排気ターボチャージャーの圧力出口が機械的に駆動されるチャージャー機器の吸気口と接続されている燃焼機関、特に自動車の燃焼機関に関する。更に、この発明は、請求項３の上位概念にもとづく、そのような燃焼機関の動作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、吸気用空気通路内にコンプレッサ、排気ターボチャージャー及びスロットルバルブが配置され、コンプレッサの出口が、排気ターボチャージャーの入口と接続されるとともに、排気ターボチャージャーの下流にスロットルバルブが配置された燃焼機関を開示している。コンプレッサに通じる空気通路内には、専らこのコンプレッサに通じる空気通路を選択的に閉鎖する圧縮用スロットルバルブが配置されている。
【０００３】
同じ分類の特許文献２により、始動時及び低い回転数領域でチャージを行い、排気ターボチャージャーの十分なチャージ圧に到達した時に停止され、その圧力が低下した時に再び作動される、燃焼機関のシャフトにより機械的に駆動される圧縮機と、排気ターボチャージャーとの組み合わせから成る、燃焼機関をチャージするための構成が周知である。機械的な圧縮機の圧力出口は、燃焼機関の吸気マニホールドに直接合流している。有利な実施構成では、排気ターボチャージャーからの過給空気全体が、アイドリング時において過給空気の処理量全体に対して完璧に動作する機械的に駆動される圧縮機に通されている。排気ターボチャージャーが、回転数が低過ぎるために十分な過給空気を送出しない間、即ち、始動時及び低い回転数領域では、燃焼機関は、機械的な圧縮機によってチャージされる。排気ターボチャージャーが、高い回転数領域で十分な出力に到達した場合、機械的な圧縮機は、一緒に空転する、即ち、機械的なチャージャーの出力が低下する回転数領域で動作する。それに代わって、圧縮機用のバイパス配管を備えた構成が提案されており、その場合バイパス配管は、圧縮機の動作時にバルブによって閉鎖される。このバルブは、圧縮機がもはや機械的に駆動されなくなると同時に、即ち、排気ターボチャージャーが十分なチャージ圧を供給することができる、より高い負荷領域において開かれる。
【特許文献１】米国特許第４，９０３，４８８号明細書
【特許文献２】ドイツ特許公開第３２２７４５９号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この発明の課題は、構造、組立及び動作方式に関して、前述した種類の燃焼機関を改善することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この課題は、この発明にもとづき、請求項１の特徴部に挙げた特徴を有する前述した種類の燃焼機関と、請求項３に示した特徴を有する前述した種類の方法によって解決される。この発明の有利な実施形態は、従属請求項に記載されている。
【０００６】
そのために、この発明では、前述した種類の燃焼機関において、排気ターボチャージャーの圧力出口が、２位置バルブを介して機械的に駆動されるチャージャー機器の吸気口と接続されるとともに、２位置バルブの上流で負荷制御バルブを介して吸気マニホールドと接続され、過給空気冷却器が、吸気マニホールド内で吸気・過給空気冷却器モジュールとして統合されるものと規定する。
【０００７】
このことは、吸気マニホールドへの空気通路内におけるチャージャー機器の特別な構成と過給空気冷却器の吸気マニホールド内への組み込みとによって、さもなければ必要であったスロットルバルブを不要とすることができると同時に、機械的に駆動されるチャージャー機器と燃焼室間に非常に小さい容積しか存在せず、その結果動的な挙動が大幅に改善されるという利点を有するものである。
【０００８】
この発明の目的に適うこととして、２位置バルブは、それが完全に閉じられた状態において、主に機械的に駆動されるチャージャー機器に迂回する空気の流れに対して、機械的に駆動されるチャージャー機器の吸気口への空気通路を密閉するように構成される。
【０００９】
この発明にもとづき、前述した種類の方法において、排気ターボチャージャーによって瞬間的なトルク要求を引き出すことが可能な燃焼機関の動作状態では、２位置バルブが、その完全に閉じられた位置に設定され、機械的に駆動されるチャージャー機器が停止されるとともに、負荷制御バルブを用いた負荷制御及び／又はターボチャージャーの調整が行われ、瞬間的なトルク要求が排気ターボチャージャーによって引き出すことが可能な最大トルクを上回る燃焼機関の動作状態では、２位置バルブが、その完全に開かれた位置に設定され、機械的に駆動されるチャージャー機器が作動されるとともに、負荷制御バルブが、当該の瞬間的なトルク要求を達成するのに必要な程度にまで閉じられるものと規定する。
【００１０】
このことは、吸気・過給空気冷却器モジュール内に組み込まれた負荷制御バルブが、二つの機能を果たす、即ち、一方では排気ターボチャージャーが燃焼機関により要求されるトルクを提供することが可能な動作状態における従来のスロットルバルブとしての機能と、他方では排気ターボチャージャーの容量を上回る高い瞬間的なトルク要求の場合における機械的に駆動されるチャージャー機器のバイパス配管用の内気循環フラップとしての機能とを果たし、その結果空気通路内に追加的な出力調整器を不要とすることができるという利点を有する。
【００１１】
この発明の目的に適うこととして、２位置バルブは、アイドリング時及び低い部分負荷領域では閉じられ、それ以外の全ての動作状態では完全に開かれる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下において、図面にもとづき、この発明を詳しく説明する。
【００１３】
この発明による燃焼機関の図１から明らかとなる有利な実施構成は、エンジンブロック１０、排気設備１２及び燃焼用空気又は外気を吸入するための空気通路とを有し、その空気通路内には、エアフィルター１４、排気ターボチャージャー１８の圧縮機１６及び機械的に駆動されるチャージャー機器２０、例えば、コンプレッサなどが配置されている。排気ターボチャージャー１８のタービン２２は、燃焼機関の排気設備１２内に配置されている。排気ターボチャージャー１８の圧力出口２４は、２位置バルブ２６を介して機械的に駆動されるチャージャー機器２０の吸気入口２８と接続されている。２位置バルブ２６の上流では、排気ターボチャージャー１８の圧力出口２４が、負荷制御バルブ３０を介して吸気マニホールド３２と接続されている。更に、吸気マニホールド３２内に統合された過給空気冷却器３４が配備されている。過給空気冷却器３４と吸気マニホールド３２は、一緒になって吸気・過給空気冷却器モジュールを構成している。機械的に駆動されるチャージャー機器２０の圧力出口３５は、直接吸気マニホールド３２と接続されている。そうすることによって、エンジンブロック１０内における機械的に駆動されるチャージャー機器２０と燃焼機関の間に非常に小さい容積が実現され、そのため動的な挙動が明らかに改善される。機械的に駆動されるチャージャー機器２０は、連結器３６を介して燃焼機関のクランクシャフト３８と接続されており、それを介して機械的に駆動される。燃焼機関の動作状態に応じて、機械的に駆動されるチャージャー機器２０とクランクシャフト３８間の機械的な接続は、連結器３６によって結合されたり、解放されたりする。空気通路と吸気マニホールド３２内の圧力を測定するためのエンジン制御用圧力変換器は、符号７８で表示されている。
【００１４】
この場合、「２位置バルブ」という用語は、このバルブが、二つの相異なる位置だけを占める、即ち、完全に開かれるか、完全に閉じられるかのどちらかである（オンオフバルブ）ことを意味する。中間の位置は規定されない。この場合、２位置バルブ２６は、それが完全に閉じられた位置では、機械的に駆動されるチャージャー機器２０の吸気口２８への空気通路をほぼ流れを止める形で閉鎖するように構成され、その結果機械的に駆動されるチャージャー機器２０に迂回する空気の流れが阻止されることとなる。
【００１５】
排気ターボチャージャー１８の圧縮機は、空気フィルター１４から空気を吸入し、排気ターボチャージャー１８のタービン２２に供給されるエネルギーに応じて、負荷制御バルブ３０に空気体積流を送出する。排気ターボチャージャー１８又はタービン２２の出力制御は、ウェストゲートと場合によっては排気ターボチャージャー１８の可変タービンジオメトリーによって行われる。負荷制御バルブ３０は、直接吸気・過給空気冷却器モジュール３２，３４とフランジにより連結されている。
【００１６】
図２は、負荷対回転数のグラフを図示しており、垂直軸４０は瞬間的なトルクＭｄを、水平軸４２はエンジン回転数ｎmot を表している。グラフ４４は、燃焼機関を自然吸気エンジンとして動作させた場合のエンジン回転数ｎmot に従って最大限達成可能なエンジントルク（自然吸気エンジンでの全負荷）を示している。グラフ４６は、ターボチャージャーを備えた燃焼機関を動作させた場合のエンジン回転数に従って最大限達成可能なエンジントルク（ターボチャージャーでの全負荷）を示している。グラフ４８は、ターボチャージャーと機械的に駆動されるチャージャー機器２０とを備えた燃焼機関を動作させた場合のエンジン回転数に従って最大限達成可能なエンジントルク（チャージャー機器又はコンプレッサでの全負荷）を示している。グラフ５０は、エンジンから引き出すことが可能な最大エンジントルク（最大全負荷）を示している。図２の負荷対回転数グラフにおける点０から点９までの連続した線５２は、エンジントルクと回転数の推移の例を図解したものである。
【００１７】
図３は、連続した線５２の点０〜９に対して、負荷制御バルブ３０の完全に閉じられた位置５６と絞られていない位置５８間の角度位置５４、排気ターボチャージャー１８の圧縮機１６後における最小値６２と最大値６４との間の圧力、２位置バルブ２６の「オフ」又は「完全に閉じられた」位置６８と「オン」又は「完全に開かれた」位置７０との間の位置６６、及び連結器３６の「オフ」又は「クランクシャフト３８と機械的に駆動されるチャージャー機器２０間の機械的な接続が結合されている」状態７４と「オン」又は「クランクシャフト３８と機械的に駆動されるチャージャー機器２０間の機械的な接続が解放されている」状態７６との間の状態７２をグラフで図解したものである。
【００１８】
連続した線５２は、エンジントルクＭｄとエンジン回転数ｎmot の推移を図解したものであり、連続した線５２の点０から点１までは、要求されるエンジントルクが増大しており、連続した線５２の点１から点４までは、要求されるエンジントルクＭｄが、自然吸気エンジンでの全負荷４４及びターボチャージャーでの全負荷４６を上回る値にまで飛躍的に上昇している。連続した線５２の点４から点６までは、要求されるエンジントルクは、ターボチャージャーでの全負荷４６を超えて、最大全負荷５０となったままである。点６で、要求されるエンジントルクがターボチャージャーでの全負荷４６を下回り、点８で、要求されるエンジントルクが自然吸気エンジンでの全負荷４４を最終的に下回っている。このような点０〜９に渡る連続した線５２の推移は、この発明による燃焼機関を駆動機構として備えた自動車での典型的な始動プロセスに相当し、要求されるエンジントルクは、運転者により決定される。
【００１９】
図３を参照して直ぐに分かる通り、連続した線５２の点０から点２までは、負荷制御バルブ３０を用いた負荷制御が行われている。この場合、機械的に駆動されるチャージャー機器２０に迂回する空気の流れを阻止するために、２位置バルブ２６は完全に閉じられている。連続した線５２の点２から点３までは、（ウェストゲート、可変タービンジオメトリーなどによる）排気ターボチャージャー１８のタービン２２を用いた負荷制御が行われている。
【００２０】
連続した線５２の点３で、要求されるエンジントルクがターボチャージャーでの全負荷４６を上回った場合、２位置バルブ２６は完全に開かれて、機械的に駆動されるチャージャー機器２０は、連結器３６の結合によって作動され（グラフ７２が「オン」７６から「オフ」７４にジャンプしている）、負荷制御バルブ３０は、点４に到達するまで閉じられている。この領域では、負荷制御バルブ３０は、機械的に駆動されるチャージャー機器２０の内気循環フラップのように動作する。負荷制御バルブ３０が大きく閉じられる程、機械的に駆動されるチャージャー機器２０が作動して、負荷制御バルブ３０が閉じられることにより、負荷制御バルブ３０を介して吸気マニホールド３２に流入する体積流、即ち、チャージ圧の上昇が小さくなる。
【００２１】
点４から点５までは、負荷制御バルブ３０は完全に閉じられ、２位置バルブ２６は開かれ、機械的に駆動されるチャージャー機器２０の連結器３６は結合されている。それによって、ターボチャージャー１８の圧縮機１６により供給される体積流は、機械的に駆動されるチャージャー機器２０によって完全に運ばれこととなり、そのため最大限圧縮される。両方のチャージャー機器は、最大圧縮比で動作する。
【００２２】
点５では、最大限達成可能なエンジントルク（グラフ５０）に到達している。点５から点６に向かっては、負荷制御バルブ３０を開くことによって、吸気マニホールドの圧力が、最大エンジントルクに必要なレベルに設定される。点６では、負荷制御バルブ３０が、完全に開かれ、機械的に駆動されるチャージャー機器２０が、連結器３６の解放と２位置バルブ２６の閉鎖によって停止される。点６から、ターボチャージャー１８は、専らウェストゲート、可変タービンジオメトリーなどによって、最大エンジントルクに必要なチャージ圧を供給することができる。点７からは、要求されるエンジントルクに必要なチャージ圧は、点８で負荷制御バルブ３０が完全に開かれて、最小限のチャージ圧に到達するまで、ウェストゲート、可変タービンジオメトリーなどの調整によって低下される。そして、要求されるエンジントルクを点９まで一層低下させるために、負荷制御バルブ３０は、必要な程度にまで閉じられる。
【００２３】
運転者による瞬間的なトルク要求が小さい場合、２位置バルブ２６は閉じられ、機械的に駆動されるチャージャー機器２０の連結器３６は解放され、排気ターボチャージャー１８は、ウェストゲート、可変タービンジオメトリーなどによって、出来る限り小さいチャージ圧を生成するように調整される。この場合、負荷制御は、自然吸気エンジンの場合と同様に行われ、負荷制御バルブ３０が大きく開かれる程、エンジンに供給される空気体積流が大きくなる。トルク要求が、そのような自然吸気エンジンモードで引き出すことが可能な最大トルクを超えて増大した場合（連続した線５２の点２）、（ウェストゲート、可変タービンジオメトリーなどによる）排気ターボチャージャー１８のタービン２２の調整によって吸気マニホールドの圧力が上昇して、空気体積流が要求されるトルクに設定されることとなる。この場合、負荷制御バルブ３０は開かれたままである。更に大きなトルクが要求された場合（連続した線５２の点３）、機械的に駆動されるチャージャー機器２０の連結器３６が結合されて、２位置バルブ２６が完全に開かれる。負荷制御バルブ３０を閉じることによって、吸気マニホールド３２内のチャージ圧が上昇する。
【００２４】
ツインチャージャーと負荷制御バルブ３０及び２位置バルブ２６の協働による排気ターボチャージャー１８の単独動作との間を切り替えることによって、一方における自然吸気エンジンでの全負荷４４を下回る小さいエンジントルク時のスロットルバルブとしての機能と、他方におけるターボチャージャーでの全負荷４６を上回る動作時の内気循環フラップとしての機能との負荷制御バルブ３０の二重機能により、さもなければ２位置バルブ２６の代わり必要であったスロットルバルブを不要とすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】この発明による燃焼機関の有利な実施構成の模式図
【図２】負荷対回転数の図解グラフ
【図３】この発明による燃焼機関の動作の図解グラフ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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