(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気ガスの一部をシリンダ内に再循環するためのＥＧＲ通路と、
内燃機関の排気ガスの一部と空気とこれらの混合ガスのいずれかのガスを圧縮するガス圧縮装置と、
該ガス圧縮装置で圧縮された前記ガスを貯蓄する蓄ガス容器と、
該蓄ガス容器と吸気系通路を流路切替装置を介して接続する蓄ガス供給通路を備えた内燃機関の過給補助方法において、
前記蓄ガス容器の第１室に供給されるガス圧を所定の第１圧力となるように、前記蓄ガス容器の第２室に供給されるガス圧を所定の第２圧力となるように調整しながら、前記ガス圧縮装置から排出されるガスを、前記第１室と前記第２室に供給するとともに、
過給補助開始直後では、前記第１室に前記第１圧力で蓄圧された前記ガスをシリンダ内に供給し、この供給により前記第１室の室内圧力が予め設定された設定圧力値よりも低下したときに、前記第２圧力で前記第２室に蓄圧された前記ガスを前記第１室に供給して過給補助を過給補助終了の判定まで行うことを特徴とする内燃機関の過給補助方法。
【請求項２】
前記第１室の室内圧力が予め設定された設定圧力値よりも低下したときに、前記第１室と前記第２室の連通路に設けた逆止弁を前記第２室の室内圧力と前記第１室の室内圧力との差圧により開弁させて、前記第２室に蓄圧された前記ガスを前記第１室に供給することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の過給補助方法。
【請求項３】
内燃機関の排気ガスの一部をシリンダ内に再循環するためのＥＧＲ通路と、
内燃機関の排気ガスの一部と空気とこれらの混合ガスのいずれかのガスを圧縮するガス圧縮装置と、
該ガス圧縮装置で圧縮された前記ガスを貯蓄する蓄ガス容器と、
該蓄ガス容器と吸気系通路を流路切替装置を介して接続する蓄ガス供給通路を備えた内燃機関において、
前記蓄ガス容器を少なくとも第１室と第２室を含む複数の室で形成し、
前記第１室に前記ガスをシリンダ内に供給するための蓄圧ガス供給通路を接続し、
さらに、前記ガス圧縮装置から排出されるガスを供給する第１通路と、
前記ガス圧縮装置から排出されるガスを、前記第１通路から前記蓄ガス容器の第１室に供給する第２通路と、
前記ガス圧縮装置から排出されるガスを、前記第１通路から前記蓄ガス容器の第２室に供給する第３通路と、
前記第２通路に備えられ、前記第１室に供給されるガス圧を所定の第１圧力となるように調整する第１調整機と、
前記第３通路に備えられ、前記第２室に供給されるガス圧を所定の第２圧力となるように調整する第２調整機とを備えて、
前記ガス圧縮装置からの前記ガスで蓄圧される前記第１室の室内圧力に対して前記ガス圧縮装置からの前記ガスで蓄圧される前記第２室の室内圧力を別々に設定可能に構成すると共に、
前記第２室と前記第１室を逆止弁を介して連通させて、該逆止弁を、前記第１室の室内圧力が予め設定された設定圧力値よりも低下したときに、前記第２室の室内圧力と前記第１室の室内圧力との差圧により開弁させるように構成したことを特徴とする内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の過渡状態のときに、蓄ガス容器に蓄圧されたガスをシリンダ内に供給してＥＧＲ率を高めることができる内燃機関の過給補助方法及び内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジン等の内燃機関の排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）を低減するＥＧＲ（排気再循環）においては、過給システムを備えた内燃機関では、高圧ＥＧＲ方式と低圧ＥＧＲ方式とがある。この高圧ＥＧＲ方式では、例えば、図１７に示すように、高圧ＥＧＲシステムを備えた内燃機関１Ｘでは、ターボ式過給機１４よりもエンジン本体１１側にＥＧＲ通路１７が設けられており、エンジン本体１１の排気マニホールド１１ｂから吸気マニホールド１１ａにＥＧＲ通路１７経由でＥＧＲガスＧｅを還流している。また、低圧ＥＧＲ方式では、例えば、図１８に示すように、低圧ＥＧＲシステムを備えた内燃機関１Ｙでは、ターボ式過給機１４よりもエンジン本体１１とは反対側にＥＧＲ通路１７が設けられており、タービン１４ｂの下流側からコンプレッサ１４ａの上流側にＥＧＲ通路１７経由でＥＧＲガスＧｅを還流している。
【０００３】
これらのいずれのＥＧＲ方式でも、ＥＧＲガス量の制御には、ＭＡＦ制御方式が一般的に使用されている。このＭＡＦ制御方式では、ＥＧＲ無しでエンジンのシリンダ内に吸入される新気量（空気量）をＭｏとし、ＥＧＲを行うことでシリンダ内に吸入される新気量をＭｅとすると、還流されるＥＧＲガス量のＭｅｇｒがＭｅｇｒ＝Ｍｏ−Ｍｅとなるので、これに基づいて、ＥＧＲ弁２１の弁開度により新気量Ｍｅを制御することで、ＥＧＲガス量Ｍｅｇｒを制御している。
【０００４】
つまり、エンジンの回転速度Ｎｅと燃料負荷Ｑをパラメータにして、各エンジンの運転状態に対する新気量Ｍｅを予め設定して作成した新気量Ｍｅのデータマップを基に、実際のエンジン運転時の回転速度Ｎｅと燃料負荷Ｑから目標の新気量Ｍｅｔを算出して、実際の新気量Ｍｅをこの目標の新気量Ｍｅｔになるように制御することで、ＥＧＲガス量Ｍｅｇｒを制御している。
【０００５】
しかしながら、ターボ式過給機を使用する場合には排気ガスのエネルギー（エンタルピ）を用いて過給を行うため、ターボ式過給機の応答遅れ（ターボラグ）を無くすことは不可能であり、このＭＡＦ制御方式では、このターボラグに起因する次のような問題がある。ターボラグにより負荷が急激に増加する過渡運転状態では、過給圧が定常運転時に設定した圧力まで上昇しないため、エンジンの吸入空気量が低下する。つまり、ターボ式過給機付きエンジンでも無過給エンジンと同程度の吸気量となってしまう。
【０００６】
従って、定常運転条件で設定した目標のＥＧＲ量に達成することができず、図１９に示すように、急激な過渡運転を行う際にＮＯｘの排出量が増加する。また、煤の発生量を制限するために、過給圧があるレベルより上がらない場合には煤が増加しない領域内に燃料の投入量が抑えられるというスモークリミット制御が行われる。その結果、図２０及び図２１に示すように、燃料噴射量Ｑと空気量（Ｍｏ、Ｍｅ）が共に点線で示されるように抑えられ、加速時のパワーが抑えられてしまうという問題がある。そのために、加速時等の負荷が急激に増加する過渡運転時には、ＮＯｘ排出量の増加や燃費の悪化が発生する。
【０００７】
一方、エンジンのクランクシャフト等によって、過給機を直接駆動して過給を行う機械式過給装置を使用する場合では、過給の応答遅れをなくす事ができるが、エンジンの回転速度が決まると燃料量の多少に関わらず、過給量が決まるために、また、駆動に要する仕事量が大きいために、燃費が悪化するという問題がある。
【０００８】
この対策として、近年では、図２２に示すような蓄ガス供給システムを備えた内燃機関１Ｚが研究されており、この蓄ガス供給システムでは、内燃機関１Ｚから排出される排気ガスＧの一部Ｇｐを空気Ａａと混合した混合ガスＣを容積型コンプレッサ（排気圧縮器）２５で圧縮して高圧化し、この高圧化した混合ガスＣを蓄ガス容器（圧力容器）２７内に溜め込み、過渡時に放出電磁弁３６を開弁して混合ガスＣを調圧弁２９経由で吸気弁（吸気スロットル）３５の下流の吸気通路１２に放出し、これにより、内燃機関１Ｚのシリンダ内への吸気量を過給機付きエンジン並みに増加させると共に、ＥＧＲの効果によるＮＯｘの低減を図り、ターボラグの問題を解消している過給制御装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００９】
この蓄ガス供給システムを採用した場合は、過渡時に加圧された混合ガスＣをエンジン１Ｚの吸気通路１２内に放出することで過給圧を上げて、シリンダ内への空気量を増加させることができるので燃料量も増やすことができる。その結果、加速性能が向上し、煤の排出も抑えることができる。また、過給圧は排気マニホールド１１ｂの内圧よりも高くなるので、内燃機関１Ｚのポンピング損失が低下し燃費の向上を図ることができる。
【００１０】
この過給補助を開始した後、蓄ガス容器から吸気マニホールドに蓄圧されたガスが供給され、吸気マニホールド内圧（ブースト圧力）が上がり、エンジンが過給されるが、過給補助を開始した後の吸気マニホールド内圧は、蓄ガス容器から圧送されてくるガスによる吸気マニホールド内圧の立ち上がりとエンジンの吸気マニホールド内のガスの消費速度によって変化する。
【００１１】
そして、蓄ガス容器から吸気マニホールドまでガスが圧送されるまでの間にはある程度の時間を要することと、エンジンの吸気が間欠的に行われていることにより、エンジンのシリンダ内圧はエンジンの回転速度が過給補助開始間際の低速域の場合に大きくなる。つまり、このシリンダ内圧の最大値はエンジンの回転速度が低速域、言い換えれば、過給補助開始の直後で発生する。
【００１２】
この過渡運転開始直後の低速域では、投入される燃料量が比較的少なく、また、過給補助により吸気マニホールドの内圧（ブースト圧）の立ち上がりが早いので、容易に空気過剰率を比較的高くすることができる。一方、過給補助の後半の燃料量が急速に増加する中速域から高速域に移行する時期では、蓄ガス容器のガスが消費されるので、空気過剰率が低下してしまう。そのため、空気過剰率が比較的余裕のある過給補助開始直後の低速域では過給補助するガスの供給量を抑えることと、過給補助の後半の中速域以上では過給補助するガスの供給量を増やすことが必要となる。
【００１３】
このことを考慮して、吸気マニホールド内圧を測定して、この測定値に基づいて蓄ガス容器のガスの出口の面積をコントロールして、低速域では出口の面積を小さくして過給補助用に放出されるガスの量を少なめに抑え、中速域以上では出口の面積を開いて過給補助用に放出されるガスの量を多めにすることで、過給補助時の過給圧をコントロールする方式が考えられる。しかしながら、この方式では、制御が複雑となり、コストの増加に繋がるという問題がある。
【００１４】
一方、本発明者は、この蓄ガス供給システムでは、蓄圧されたガスを放出する前の蓄ガス容器内の圧力を一定にしても、蓄ガス容器の容積の大きさによって、ガス放出後の蓄ガス容器内圧（蓄ガス容器の内部に蓄えられているガスの圧力）と蓄ガス容器から放出されるガスの量が変化し、その結果、エンジンのシリンダ内の最大燃焼圧力が変化するという知見を得た。
【００１５】
つまり、過給補助において蓄圧されたガスを供給し始めたときの蓄ガス容器内圧を一定としたとき、蓄ガス容器の容積が小さい場合（例えば、４０リットル）に、蓄ガス容器からガスが一定容積の吸気マニホールドに供給されると、蓄ガス容器内圧はガスが減少した分低下するが、この低下量は容積大（例えば、８０リットル）に比べて容積小の方が大きくなる。
【００１６】
このことに関連して、図８〜図１３にエンジンの回転速度を１０００ｒｐｍから２８００ｒｐｍまで燃料供給量Ｑｆ（ｍｍ3／ｓｔ）の変化と共に２秒で推移させて、蓄ガス容器からガスを供給する過給補助を行った場合の蓄ガス容器の容積と諸量との関係の実験結果を示す。
【００１７】
図８に蓄ガス容器内圧が４．８ｋｇ／ｃｍ2で、蓄ガス容器の容積が４０リットルの場合の吸気マニホールド内圧と蓄ガス容器から放出されるガスの量の時間変化を示す。また、図９に、蓄ガス容器内の圧力が同じく４．８ｋｇ／ｃｍ2で、蓄ガス容器の容積が８０リットルの場合の吸気マニホールド内圧と蓄ガス容器から放出されるガスの量の時間変化を示す。また、図１０に蓄ガス容器内圧の推移を、４０リットルの場合を破線で、８０リットルの場合を太線で示す。
【００１８】
いずれの場合も、蓄ガス容器内圧の低下に伴って、吸気マニホールド内圧（ブースト圧）も小さくなるが、蓄ガス容器の容積が小さい方が容積が大きい方よりもガスの圧力低下量が大きいので、過給補助による過渡運転状態でのエンジンのシリンダ内圧の最大値は、蓄ガス容器の容積が小さい方が容積が大きい方よりも小さくなる。
【００１９】
図１１は蓄ガス容器の容積が４０リットルの場合のＮＯ．１〜ＮＯ．４の各シリンダ内圧（燃焼圧力）の推移を示し、図１２は８０リットルの場合のＮＯ．１〜ＮＯ．４の各シリンダ内圧の推移を示す。図１３にはサイクル毎（エンジン２回転毎）の空気過剰率の推移を、４０リットルの場合を白丸（破線）で、８０リットルの場合を黒丸（太線）で示す。
【００２０】
つまり、蓄ガス容器の容積が小さい場合は過給補助開始後の蓄ガス容器内圧の低下が大きいので、ガスの供給量が低下し、過給補助の中期以降の中速以降では容積が大きい場合に比べて空気過剰率が小さくなる。この過給補助の後半の空気過剰率を上げるために、過給補助のガスの圧力を所定の圧力以上に維持しながらガスを供給できる時間を長くしようとすると、蓄ガス容器内圧を高く設定するか、蓄ガス容器の容積を大きくする必要がある。
【００２１】
しかしながら、これらのいずれの場合も、過給補助に際して、シリンダ内圧の最大値Ｐｍａｘが大きくなるので、この最大値Ｐｍａｘがエンジンの耐久性を保証するために設定されているシリンダ内圧の最大許容値を超える可能性が生じるという問題が生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２２】
【特許文献１】特開２０１１−２１５５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、ガス圧縮装置を用いて、排気ガスの一部と空気とこれらの混合ガスのいずれかのガスを蓄ガス容器に溜め込み、負荷が急激に増加する過渡状態のときに前記ガスをシリンダ内に一時的に供給して過渡状態におけるＮＯｘの排出を抑制するとともに加速性能を向上させる内燃機関において、蓄ガス容器からガスを供給する過給補助を行う際に、この過給補助開始直後では、蓄ガス容器からのガスの圧力を低くしてシリンダ内圧の最大値を抑制できると共に、過給補助の後半では十分な量のガスをシリンダ内に供給して十分な空気過剰率を確保できる内燃機関の過給補助方法及び内燃機関を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
上記の目的を達成するための本発明の内燃機関の過給補助方法は、内燃機関の排気ガスの一部をシリンダ内に再循環するためのＥＧＲ通路と、内燃機関の排気ガスの一部と空気とこれらの混合ガスのいずれかのガスを圧縮するガス圧縮装置と、該ガス圧縮装置で圧縮された前記ガスを貯蓄する蓄ガス容器と、該蓄ガス容器と吸気系通路を流路切替装置を介して接続する蓄ガス供給通路を備えた内燃機関の過給補助方法において、前記蓄ガス容器の第１室に供給されるガス圧を所定の第１圧力となるように、前記蓄ガス容器の第２室に供給されるガス圧を所定の第２圧力となるように調整しながら、前記ガス圧縮装置から排出されるガスを、前記第１室と前記第２室に供給するとともに、過給補助開始直後では、前記第１室に前記第１圧力で蓄圧された前記ガスをシリンダ内に供給し、この供給により前記第１室の室内圧力が予め設定された設定圧力値よりも低下したときに、前記第２圧力で前記第２室に蓄圧された前記ガスを前記第１室に供給して過給補助を過給補助終了の判定まで行うことを特徴とする方法である。
【００２５】
この方法によれば、過給補助開始直後は、室内圧力が余り高くない第１室のみの蓄ガス容器の見かけの容積が小さい状態で過給補助を行うので、低速域におけるシリンダ内圧の最大値Ｐｍａｘを抑えることができ、第１室の室内圧力が低下する中速以降では、第２室のガスが第１室に供給されるので十分なガスの量で過給補助を行うことができ、過給補助の後半の期間における空気過剰率の低下を防止することができる。
【００２６】
つまり、過給補助開始時の低速域では、蓄ガス容器の見かけ容積を小にし、また、室内圧力を余り高くないように設定して、シリンダ内圧の最大値Ｐｍａｘを抑えることができ、過給補助後半の中速以降では、供給できるガスの量を増加し、蓄ガス容器の見かけの容積を大にして、過給補助による空気過剰率を高くすることができる。
【００２７】
上記の内燃機関の過給補助方法において、前記第１室の室内圧力が予め設定された設定圧力値よりも低下したときに、前記第１室と前記第２室の連通路に設けた逆止弁を前記第２室の室内圧力と前記第１室の室内圧力との差圧により開弁させて、前記第２室に蓄圧された前記ガスを前記第１室に供給する方法を採用すると、制御装置などを必要とせずに、逆止弁を設けるという比較的簡単な構成で自動的に２段階の過給補助を行うことができるようになる。
【００２８】
そして、上記の目的を達成するための内燃機関は、上記の内燃機関の過給補助方法を実施できる内燃機関であり、内燃機関の排気ガスの一部をシリンダ内に再循環するためのＥＧＲ通路と、内燃機関の排気ガスの一部と空気とこれらの混合ガスのいずれかのガスを圧縮するガス圧縮装置と、該ガス圧縮装置で圧縮された前記ガスを貯蓄する蓄ガス容器と、該蓄ガス容器と吸気系通路を流路切替装置を介して接続する蓄ガス供給通路を備えた内燃機関において、前記蓄ガス容器を少なくとも第１室と第２室を含む複数の室で形成し、前記第１室に前記ガスをシリンダ内に供給するための蓄圧ガス供給通路を接続し、さらに、前記ガス圧縮装置から排出されるガスを供給する第１通路と、前記ガス圧縮装置から排出されるガスを、前記第１通路から前記蓄ガス容器の第１室に供給する第２通路と、前記ガス圧縮装置から排出されるガスを、前記第１通路から前記蓄ガス容器の第２室に供給する第３通路と、前記第２通路に備えられ、前記第１室に供給されるガス圧を所定の第１圧力となるように調整する第１調整機と、前記第３通路に備えられ、前記第２室に供給されるガス圧を所定の第２圧力となるように調整する第２調整機とを備えて、前記ガス圧縮装置からの前記ガスで蓄圧される前記第１室の室内圧力に対して前記ガス圧縮装置からの前記ガスで蓄圧される前記第２室の室内圧力を別々に設定可能に構成すると共に、前記第２室と前記第１室を逆止弁を介して連通させて、該逆止弁を、前記第１室の室内圧力が予め設定された設定圧力値よりも低下したときに、前記第２室の室内圧力と前記第１室の室内圧力との差圧により開弁させるように構成したことを特徴とする。
【００２９】
この構成によれば、過給補助開始直後は、余り室内圧力が高くない第１室のみの蓄ガス容器の見かけの容積が小さい状態で過給補助を行うことができて、低速域におけるシリンダ内圧の最大値Ｐｍａｘを抑えることができ、第１室の室内圧力が低下する中速以降では、自動的に逆止弁が開いて第１室と第２室が連通するので蓄ガス容器の見かけの容積が大きい状態で過給補助を行うことができ、過給補助の後半の期間における空気過剰率の低下を防止することができる。
【００３０】
つまり、過給補助開始時の低速域では、蓄ガス容器の見かけの容積を小にし、また、室内圧力を余り高くないように設定して、シリンダ内圧の最大値Ｐｍａｘを抑え、過給補助後半の中速以降では、供給できるガスの量を増加し、蓄ガス容器の見かけの容積を大にして、過給補助による空気過剰率を高くすることができる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明に係る内燃機関の過給補助方法及び内燃機関によれば、ガス圧縮装置を用いて、内燃機関の排気ガスの一部と空気とこれらの混合ガスのいずれかのガスを蓄ガス容器に溜め込み、負荷が急激に増加する過渡状態のときに前記ガスをシリンダ内に一時的に供給して過渡状態のＮＯｘの排出を抑制するとともに加速性能を向上させる内燃機関において、蓄ガス容器からガスを供給する過給補助を行う際に、この過給補助開始直後では、蓄ガス容器からのガスの圧力を低くしてシリンダ内圧の最大値を抑制できると共に、過給補助の後半では十分な量のガスをシリンダ内に供給して十分な空気過剰率を確保できる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係る第１の実施の形態の内燃機関の構成を示す図である。
【図２】本発明に係る第２の実施の形態の内燃機関の構成を示す図である。
【図３】蓄ガス容器の構成を示す図である。
【図４】図３の蓄ガス容器において、過給補助開始直後の第１室のみで過給補助を行っている状態を示す図である。
【図５】図３の蓄ガス容器において、過給補助の後半の逆止弁が連通して第１室と第２室で過給補助を行っている状態を示す図である。
【図６】「第１室」と「第１室＋第２室」の２段階過給補助における、ＮＯ．１〜ＮＯ．４の各シリンダ内圧の推移を示す図である。
【図７】「第１室」と「第１室＋第２室」の２段階過給補助の場合と蓄ガス容器の容積が４０リットルと８０リットルの場合における、空気過剰率の時間変化を示す図である。
【図８】蓄ガス容器の容積が４０リットルの場合の吸気マニホールド内圧と蓄ガス容器から放出されるガス量の時間変化を示す図である。
【図９】蓄ガス容器の容積が８０リットルの場合の吸気マニホールド内圧と蓄ガス容器から放出されるガス量の時間変化を示す図である。
【図１０】蓄ガス容器の容積が４０リットルと８０リットルの場合の蓄ガス容器内圧の推移を示す図である。
【図１１】蓄ガス容器の容積が４０リットルの場合の、ＮＯ．１〜ＮＯ．４の各シリンダ内圧の推移を示す図である。
【図１２】蓄ガス容器の容積が８０リットルの場合の、ＮＯ．１〜ＮＯ．４の各シリンダ内圧の推移を示す図である。
【図１３】蓄ガス容器の容積が４０リットルと８０リットルの場合における、空気過剰率の時間変化を示す図である。
【図１４】蓄ガス用のガス圧縮装置の駆動を説明するための図である。
【図１５】三方切替弁で構成された流路切替装置の構造を吸気ラインが連通された状態で示す図である。
【図１６】三方切替弁で構成された流路切替装置の構造を蓄ガス供給ラインが連通された状態で示す図である。
【図１７】従来技術の高圧ＥＧＲ方式の内燃機関の構成を示す図である。
【図１８】従来技術の低圧ＥＧＲ方式の内燃機関の構成を示す図である。
【図１９】車速の変化と瞬時ＮＯｘ排出量の関係を示す図である。
【図２０】全負荷における燃料噴射量の特性と過渡時の動きを示す図である。
【図２１】過渡時のターボ式過給機の応答遅れとＥＧＲの関係を示す図である。
【図２２】先行技術の内燃機関の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関の過給補助方法及び内燃機関について、図面を参照しながら説明する。
【００３４】
図１に示すように、本発明に係る第１の実施の形態のエンジン（内燃機関）１は、エンジン本体１１と吸気マニホールド１１ａに接続する吸気通路１２と排気マニホールド１１ｂに接続する排気通路１３を有して構成される。この吸気マニホールド１１ａと吸気通路１２とで吸気系通路を形成し、排気マニホールド１１ｂと排気通路１３とで排気系通路を形成する。
【００３５】
吸気通路１２には、吸気弁（インテークスロットル）５１とターボ式過給機１４のコンプレッサ１４ａが設けられ、排気通路１３には、ターボ式過給機１４のタービン１４ｂと、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）装置１５とＮＯｘ吸蔵還元型触媒等で形成されるＮＯｘ浄化触媒１６が設けられている。
【００３６】
また、タービン１４ｂの上流側の排気通路１３からＥＧＲ通路１７が分岐され、コンプレッサ１４ａの上流側の吸気通路１２にＥＧＲ合流部１８で合流している。このＥＧＲ通路１７には上流側から、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）装置１９とＥＧＲクーラ２０とＥＧＲ弁２１が設けられている。
【００３７】
更に、ＮＯｘ浄化触媒１６の下流側の排気通路１３から分岐して、排気ガス導入通路２２が設けられている。この排気ガス導入通路２２にはＥＧＲクーラ２３と三方弁２４が設けられ、この排気ガス導入通路２２は機械式の容積型過給機（往復動式が望ましい）等で形成されるガス圧縮装置２５に接続されている。このガス圧縮装置２５は、圧縮ガス供給通路２６により圧力容器等で形成される蓄ガス容器２７に接続されている。また、この蓄ガス容器２７は蓄ガス供給通路２８により吸気通路１２と接続されている。この排気ガス導入通路２２と圧縮ガス供給通路２６と蓄ガス供給通路２８で蓄圧ガス系通路を形成する。
【００３８】
図１４に示すように、このガス圧縮装置２５は、エンジン１を搭載した車両の車軸３１から歯車３２、３３と、電磁クラッチ３４を経由してガス圧縮装置２５の駆動軸に動力を伝達する。この電磁クラッチ３４をＯＮにして接続することにより、ガス圧縮装置２５を駆動して、排気ガス導入通路２２からの排気ガスＧの一部Ｇｐと空気Ａａとこれらの混合ガスのいずれかのガスＣを、圧縮して高圧化して蓄ガス容器２７に供給し、貯蔵する。なお、蓄ガス供給通路２８には、調圧弁２９が配置され、流路切替装置３０に供給されるガスＣの圧力を調整する。このとき、三方弁２４で、排気ガスＧの一部Ｇｐの量と空気Ａａの量を調整して、蓄ガス容器２７で貯蔵されるガスＣにおける酸素濃度を略一定に保つことが好ましく、これにより、ＥＧＲを行うときの制御を単純化することができる。
【００３９】
図３に示すように、この蓄ガス容器２７は、第１室２７ａと第２室２７ｂの複数の室で形成し、この第１室２７ａにガスＣをエンジン１のシリンダ内に供給するための蓄ガス供給通路２８を接続し、ガス圧縮装置２５からの圧縮ガス供給通路２６を分岐して第１室２７ａに接続される第１分岐圧縮ガス供給通路２６ａと第２室２７ｂに接続される第２分岐圧縮ガス供給通路２６ｂを形成する。
【００４０】
この第１分岐圧縮ガス供給通路２６ａには、第１調圧機（レギュレータ）２６ａａを設けて、第１室２７ａのガスＣの圧力（室内圧力）Ｐ１を予め設定された第１圧力Ｐ１ｃで蓄圧できるように構成する。また、第２分岐圧縮ガス供給通路２６ｂには、第２調圧機（レギュレータ）２６ｂａを設けて、第２室２７ｂのガスＣの圧力（室内圧力）Ｐ２を予め設定された第２圧力Ｐ２ｃで蓄圧できるように構成する。
【００４１】
この第１圧力Ｐ１ｃは、ガスＣによる過給補助の開始直後において、シリンダ内の最大圧Ｐｍａｘが許容最大圧力を超えないようにあまり高くない値に設定され、第２圧力Ｐ２ｃは、過給補助の後半に入っても十分にシリンダ内に供給できるだけのガスＣを蓄圧できる値に設定される。
【００４２】
それと共に、第１室２７ａと第２室２７ｂを逆止弁２７ｃを介して連通させて、この逆止弁２７ｃを、第１室２７ａの室内圧力Ｐ１が予め設定された設定圧力値Ｐ１ａよりも低下したときに、第２室２７ｂの室内圧力Ｐ２と第１室２７ａの室内圧力Ｐ１との差圧ΔＰ（＝Ｐ２−Ｐ１）により開弁させるように構成する。この場合、第２室２７ｂの室内圧力Ｐ２は最初は第２圧力Ｐ２ｃとなっているので、逆止弁２７ｃは、差圧ΔＰが開弁用差圧ΔＰｃａ（＝Ｐ２ｃ−Ｐ１ａ）になったときに開弁することになる。
【００４３】
この第１圧力Ｐ１ｃと第２圧力Ｐ２ｃと設定圧力値Ｐ１ａは実験結果などに基づいて設定され、通常は、第２圧力Ｐ２ｃは、できるだけ多くのガスＣを蓄圧するために、逆止弁２７ｃが開弁しない範囲で第１圧力Ｐ１ｃよりも高く設定されるが、エンジンの種類によっては、同じ値に、また、逆に第２圧力Ｐ２ｃが第１圧力Ｐ１ｃよりも低く設定される場合もあり得る。要するに、第１調圧機２６ａａで第１圧力Ｐ１ｃを設定し、第２調圧機２６ｂａで第２圧力Ｐ２ｃを別に設定できるように構成する。
【００４４】
図３の構成では、逆止弁２７ｃの弁体２７ｃａを弁座２７ｃｂにスプリング２７ｃｃで押圧するように構成されている。弁体２７ｃａに作用する差圧ΔＰ＝Ｐ２−Ｐ１が予め設定された開弁用差圧ΔＰｃａより小さい間は（ΔＰ＜ΔＰｃａ）、図４に示すように、弁体２７ｃａが弁座２７ｃｂに着座し、第２室２７ｂのガスＣが第１室２７ａへ供給されるのを阻止する。また、弁体２７ｃａに作用する差圧ΔＰが開弁用差圧ΔＰｃａ以上になったときは（ΔＰ≧ΔＰｃａ）、図５に示すように、スプリング２７ｃａの付勢力よりも差圧ΔＰに基づく力により弁体２７ｃａが弁座２７ｃｂから離れて、第２室２７ｂのガスＣが第１室２７ａへ供給される。
【００４５】
また、蓄ガス容器２７の安全のために、図３に示すように、この蓄ガス容器２７の第１室２７ａの室内圧力Ｐ１の最大圧を調整する調整弁（安全弁）２７ｄを第１室２７ａに設けると共に、第２室２７ｂの室内圧力Ｐ２の最大圧を調整する調整弁（安全弁）２７ｅを第２室２７ｂに設ける。
【００４６】
この構成により、エンジン１は、排気ガスＧの一部Ｇｅをシリンダ内に再循環するためのＥＧＲ通路１７と、エンジン１の排気ガスＧの一部Ｇｐと空気Ａａとこれらの混合ガスのいずれかのガスＣを圧縮するガス圧縮装置２５と、このガス圧縮装置２５で圧縮されたガスＣを貯蓄する蓄ガス容器２７と、この蓄ガス容器２７と吸気通路１２を接続する蓄ガス供給通路２８を備えて構成される。
【００４７】
そして、吸気通路１２と蓄ガス供給通路２８が流路切替装置３０を介して接続される。図１に示すように、この流路切替装置３０をＥＧＲ通路１７と吸気通路１２との合流部であるＥＧＲ合流部１８よりも下流側に配置する。また、流路切替装置３０は吸気通路１２の下流側の通路側を開放したまま、蓄ガス供給通路２８側と吸気通路１２の上流側の通路側とを切り替えるように構成される。この流路切替装置３０は、図１５及び図１６に示すような三方切替弁で構成することができる。
【００４８】
図１５及び図１６に示す流路切替装置３０では、駆動用ガスＡｐを入れてピストンの背面の空気Ａｅを抜くことで、駆動用高速シリンダ３０ａのロッド３０ｂを移動させることにより、シャッター部３０ｃを移動させる。これにより、図１５に示すように、蓄ガス供給通路２８側を閉じて、吸気通路１２の上流側１２ａと下流側１２ｂを連通させる。また、図１６に示すように、吸気通路１２の上流側１２ａ側を閉じて、蓄ガス供給通路２８と吸気通路１２の下流側１２ｂを連通させる。
【００４９】
そして、エンジン１の運転の全般及び上記の機器類の制御を行うために、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）と呼ばれる制御装置４０を設け、この制御装置４０で吸気マニホールド１１ａ内の圧力や蓄ガス容器２７内の各室内圧力Ｐ１、Ｐ２やエンジン回転速度Ｎｅやアクセル開度Ａｃ等を検出して、その結果に基づいて電磁クラッチ３４や三方弁２４を制御して、蓄ガス容器２７内のガスＣの量（圧力Ｐ１、Ｐ２）と排気ガスＧｐと空気Ａａの混合比率を調整制御する。
【００５０】
次に、本発明に係る第２の実施の形態のエンジン（内燃機関）１Ａについて説明する。図２に示すように、この第２の実施の形態のエンジン１Ａでは、ＥＧＲ通路１７がＮＯｘ浄化触媒１６の下流側の排気通路１３から分岐している点が、ＥＧＲ通路１７がターボ式過給機１４のタービン１４ｂの上流側の排気通路１３から分岐している第１の実施の形態と異なっている。その他の点は、第１の実施の形態と同じである。
【００５１】
つまり、ＥＧＲ通路１７に流入する排気ガスＧｅが、第１の実施の形態のエンジン１では、ターボ式過給機１４のタービン１４ｂを通過する前の排気ガスＧの一部となっているのに対して、この第２の実施の形態のエンジン１Ａでは、ターボ式過給機１４のタービン１４ｂを通過した後の排気ガスＧの一部となっている。言い換えれば、第１の実施の形態のエンジン１では、高圧ＥＧＲ方式が採用されており、第２の実施の形態のエンジン１Ａでは低圧ＥＧＲ方式が採用されている。
【００５２】
次に、エンジン（内燃機関）１、１Ａの制御装置４０で行う、内燃機関の過給補助方法について説明する。この内燃機関の過給補助方法は、上記の構成のエンジン１、１Ａで実施できる方法である。この内燃機関の過給補助方法は、エンジン１、１Ａの排気通路（排気系通路）１３の排気ガスＧの一部Ｇｐと空気Ａａとこれらの混合ガスのいずれかのガスＣを圧縮して貯蓄する。
【００５３】
それと共に、過給補助方法では、エンジン１、１Ａの運転状態が過渡状態でないときには、エンジン１、１Ａの排気ガスＧの一部Ｇｅを、ＥＧＲ通路１７を経由してシリンダ内に再循環し、エンジン１、１Ａが過渡状態であるときには、ガスＣを一時的に吸気通路（吸気系通路）１２に供給する過給補助を行う。つまり、エンジン１、１Ａが過渡状態であるときには、ＥＧＲ通路１７からのＥＧＲガスＧｅと、吸気通路１２からの新気Ａとを流路切替装置３０で遮断して、ガスＣのみを、ＥＧＲ通路１７と吸気通路１２との合流部であるＥＧＲ合流部１８よりも下流側に供給する。
【００５４】
また、この内燃機関の過給補助方法において、ＥＧＲガスＧｅと新気Ａとの遮断、及びガスＣの供給を、図１５と図１６で示すような三方切替弁で構成した流路切替装置３０で行う。
【００５５】
これらの制御においては制御装置４０で、エンジン回転速度Ｎｅ、エンジン空気量（Ｍｏ、Ｍｅ）、エンジン燃料量（燃料噴射量）Ｑ、蓄ガス容器２７の内部の室内圧力Ｐ１、Ｐ２等の検出値等に基づいて、調圧弁２９とＥＧＲ弁２１と流路切替装置３０を制御する。
【００５６】
次に、本発明における過給補助方法について説明する。この過給補助方法は、上記の第１の実施の形態のエンジン１と第２の実施の形態のエンジン１Ａにおける過給補助方法であり、制御装置４０によって実施される。
【００５７】
この過給補助方法は、過給補助開始直後では、蓄ガス容器２７の第１室２７ａに予め設定された第１圧力Ｐ１ｃで蓄圧されたガスＣをエンジン１、１Ａのシリンダ内に供給し、この供給により第１室２７ａの室内圧力Ｐ１が予め設定された設定圧力値Ｐ１ａよりも低下したときに、第２室２７ｂの室内圧力Ｐ２（室内圧力Ｐ１とは別に設定される圧力）と第１室２７ａの室内圧力Ｐ１との差圧ΔＰ（＝Ｐ２−Ｐ１）により、第１室２７ａと第２室２７ｂの連通路に設けた逆止弁２７ｃを開弁させて、第２室２７ｂに蓄圧されたガスＣを第１室２７ａに供給して過給補助を過給補助終了の判定まで行う。
【００５８】
上記の内燃機関の過給補助方法及びエンジン（内燃機関）１、１Ａによれば、エンジン１、１Ａを搭載した車両の急加速時や発進時等のエンジン１、１Ａの過渡運転時において、ガスＣを用いた過給補助を開始した直後は、室内圧力Ｐ１が余り高くない第１室２７ａのみの蓄ガス容器２７の見かけの容積が小さい状態で過給補助を行うので、低速域におけるシリンダ内圧の最大値Ｐｍａｘを抑えることができ、第１室２７ａの室内圧力Ｐ１が低下する中速以降では、第２室２７ｂのガスＣが第１室２７ａに供給されるので十分なガスＣの量で過給補助を行うことができ、過給補助の後半の期間における空気過剰率の低下を防止することができる。
【００５９】
つまり、過給補助開始時の低速域では、蓄ガス容器２７の見かけの容積を小にし、また、室内圧力Ｐ１を余り高くないように設定して、シリンダ内圧の最大値Ｐｍａｘを抑えることができ、過給補助後半の中速以降では、供給できるガスＣの量を増加し、蓄ガス容器２７の見かけの容積を大にして、過給補助による空気過剰率を高くすることができる。また、逆止弁を設けるという比較的簡単な構成で自動的に２段階の過給補助を行うことができるようになる。
【００６０】
図６に、この２段階の過給補助を行った場合の各シリンダの内圧の時間変化を示し、図７にサイクル毎の空気過剰率を示す。図６の２段階の過給補助では、図１１の４０リットルの蓄ガス容器２７の場合と、図１２の８０リットルの蓄ガス容器２７の場合との中間にあり、過給補助開始直後の各シリンダの内圧の最大値が図１２に比べて小さくなっていることが分かる。また、図７から、２段階の過給補助による空気過剰率が、４サイクルまでは４０リットルの蓄ガス容器２７を用いた場合と同じであるが、５サイクル以降は、４０リットルの蓄ガス容器２７を用いた場合よりも大きくなっていることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明の内燃機関の過給補助方法及び内燃機関は、ガス圧縮装置を用いて、排気ガスの一部と空気とこれらの混合ガスのいずれかのガスを蓄ガス容器に溜め込み、負荷が急激に増加する過渡状態のときに前記ガスをシリンダ内に一時的に供給して過渡状態のＮＯｘの排出を抑制するとともに加速性能を向上させる内燃機関において、蓄ガス容器から蓄圧されたガスを供給する過給補助を行う際に、この過給補助開始直後では、蓄ガス容器からのガスの圧力を低くしてシリンダ内圧の最大値を抑制できると共に、過給補助の後半では十分な量のガスをシリンダ内に供給して十分な空気過剰率を確保できる。
【００６２】
従って、ガス圧縮装置を用いて、排気ガスの一部と空気とこれらの混合ガスのいずれかのガスを蓄ガス容器に溜め込み、負荷が急激に増加する過渡状態のときに前記ガスをシリンダ内に一時的に供給して過渡状態のＮＯｘの排出を抑制するとともに加速性能を向上させる、トラックやバスや乗用車等に搭載する内燃機関の過給補助方法及び内燃機関で利用できる。
【符号の説明】
【００６３】
１、１Ａ、１Ｘ，１Ｙ、１Ｚ  エンジン（内燃機関）
１１  エンジン本体
１２  吸気通路（吸気系通路）
１３  排気通路（排気系通路）
１４  ターボ式過給機
１７  ＥＧＲ通路
２１  ＥＧＲ弁
２２  排気ガス導入通路
２５  ガス圧縮装置
２６  圧縮ガス供給通路
２７  蓄ガス容器
２７ａ  第１室
２７ｂ  第２室
２７ｃ  逆止弁
２８  蓄ガス供給通路
３０  流路切替装置
４０  制御装置
Ａ  新気
Ａａ  空気
Ａｃ  アクセル開度
Ｃ  ガス
Ｇ  排気ガス
Ｇｅ  ＥＧＲガス
Ｇｐ  排気ガスの一部
Ｐ１  第１室の室内圧力
Ｐ１ａ  設定圧力値
Ｐ１ｃ  第１圧力
Ｐ２  第２室の室内圧力
Ｐ２ｃ  第２圧力
ΔＰ  差圧（＝Ｐ２−Ｐ１）
ΔＰｃａ  開弁用差圧（＝Ｐ２ｃ−Ｐ１ａ）
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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