(57)【要約】【課題】  ターボラグを抑制することができる内燃機関を提供する。【解決手段】  内燃機関（１００）は、内燃機関（１０）と、内燃機関（１０）の排気ガスが駆動側に供給されることにより駆動し、供給された排気ガスを下流に排出する過給機（４０）と、過給機（４０）の下流に排出された排気ガスの熱により加熱されたアシストガスを過給機（４０）の駆動側に供給することにより過給機（４０）の駆動をアシストするアシスト手段（６０）と、内燃機関（１０）の負荷が増大するか否かを判定する判定手段（７０）と、内燃機関（１０）の負荷が増大すると判定手段（７０）により判定された場合に、過給機（４０）の駆動をアシストするようにアシスト手段（６０）を制御する制御手段（７０）と、を備えることを特徴とするものである。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関と、
前記内燃機関の排気ガスが駆動側に供給されることにより駆動し、前記供給された排気ガスを下流に排出する過給機と、
前記過給機の下流に排出された排気ガスの熱により加熱されたアシストガスを前記過給機の駆動側に供給することにより前記過給機の駆動をアシストするアシスト手段と、
前記内燃機関の負荷が増大するか否かを判定する判定手段と、
前記内燃機関の負荷が増大すると前記判定手段により判定された場合に、前記過給機の駆動をアシストするように前記アシスト手段を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記アシスト手段は、前記アシストガスを貯える貯気タンクを備えることを特徴とする請求項１記載の内燃機関。
【請求項３】
前記アシスト手段は、前記貯気タンク内のアシストガスを前記過給機の下流に排出された排気ガスの熱により加熱する熱交換器をさらに備えることを特徴とする請求項２記載の内燃機関。
【請求項４】
前記過給機の下流に設けられ、前記過給機の下流に排出された排気ガスを浄化する排気ガス浄化触媒をさらに備え、
前記アシスト手段は、前記排気ガス浄化触媒により浄化された排気ガスを前記過給機の駆動側に供給することにより前記過給機の駆動をアシストすることを特徴とする請求項１記載の内燃機関。
【請求項５】
前記アシストガスは空気であることを特徴とする請求項１記載の内燃機関。
【請求項６】
前記アシストガスは水蒸気であり、
前記アシスト手段は、水を前記過給機の下流に排出された排気ガスの熱により前記水蒸気にする熱交換器と前記水蒸気を貯える貯気タンクとを備えることを特徴とする請求項１記載の内燃機関。
【請求項７】
前記水は、前記過給機から排出される排気ガス中に含まれる水蒸気が冷却された凝縮水であることを特徴とする請求項６記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関、特に過給機を有する内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、過給機を有する内燃機関が開発されてきている。かかる過給機付内燃機関に用いられる過給機は、例えば、タービンとコンプレッサとがロータシャフトによって連結されて一体となって回転する構造を有する。そして、内燃機関の燃焼室から排出される排気ガスがタービンに供給されることによりタービンが回転し、タービンの回転がロータシャフトを通じてコンプレッサに伝達されてコンプレッサを回転させる。このコンプレッサの回転により吸気ガスを圧縮させ、この圧縮した吸気ガスを内燃機関の燃焼室へと強制的に送り込んでいる。
【０００３】
このように、過給機は排気ガスの持つエネルギを利用した過給を行って内燃機関の出力を向上させている。そのため過給機は、排気ガスのエネルギが不足する場合には、十分な過給能力を発揮できない。それにより、過給機付内燃機関においては、例えば、運転者がアクセルを踏み込んだ際に、過給機が始動するまでにある程度の時間的な遅れ、すなわち過給遅れ（以下、ターボラグと称する）が発生することがある。
【０００４】
このターボラグの発生を抑制するために、例えば、内燃機関の加速負荷信号を受けた場合に、蓄圧器に蓄圧した圧縮空気を過給機のタービンまたはコンプレッサに供給して過給機の駆動をアシストする技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】実開昭６１−１８６７４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に開示された技術では、過給機のタービンに圧縮空気を供給する場合には、圧縮空気により燃焼室からの排気ガスが冷却されるおそれがある。この場合、排気ガスのエネルギが低下することから、過給機のターボラグ抑制効果が低下する。
【０００７】
本発明は、ターボラグを抑制することができる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】
本発明に係る内燃機関は、内燃機関と、内燃機関の排気ガスが駆動側に供給されることにより駆動し、供給された排気ガスを下流に排出する過給機と、過給機の下流に排出された排気ガスの熱により加熱されたアシストガスを過給機の駆動側に供給することにより過給機の駆動をアシストするアシスト手段と、内燃機関の負荷が増大するか否かを判定する判定手段と、内燃機関の負荷が増大すると判定手段により判定された場合に、過給機の駆動をアシストするようにアシスト手段を制御する制御手段と、を備えることを特徴とするものである。本発明に係る内燃機関によれば、内燃機関の負荷が増大すると判定手段により判定された場合には、制御手段は過給機の駆動をアシストするようにアシスト手段を制御する。それにより、内燃機関のターボラグを抑制することができる。また、アシストガスは、排気ガスの熱により加熱されている。それにより、アシストガスの供給による排気ガスのエネルギ低下が抑制される。
【０００９】
上記構成において、アシスト手段は、アシストガスを貯える貯気タンクを備えていてもよい。上記構成において、アシスト手段は、貯気タンク内のアシストガスを過給機の下流に排出された排気ガスの熱により加熱する熱交換器をさらに備えていてもよい。この構成によれば、貯気タンク内のアシストガスの圧力は、加熱されることにより高くなる。それにより、アシストガスのアシスト効率が高くなる。また、排気ガスの熱量が貯気タンク内のアシストガスにより回収されることから、貯気タンクは排気ガスの排熱回収手段としての機能も有する。この場合、内燃機関の熱効率が高くなり、内燃機関のＣＯ２排出量が低減される。
【００１０】
上記構成において、過給機の下流に設けられ、過給機の下流に排出された排気ガスを浄化する排気ガス浄化触媒をさらに備え、アシスト手段は、排気ガス浄化触媒により浄化された排気ガスを過給機の駆動側に供給することにより過給機の駆動をアシストしてもよい。この構成によれば、過給機からの排気ガス温度は、排気ガス浄化触媒での排気ガス浄化反応により上昇する。それにより、アシストガスのエネルギを増加することができる。
【００１１】
上記構成において、アシストガスは空気であってもよい。上記構成において、アシストガスは水蒸気であり、アシスト手段は、水を過給機の下流に排出された排気ガスの熱により水蒸気にする熱交換器と水蒸気を貯える貯気タンクとを備えていてもよい。アシストガスとして水蒸気を用いた場合には、水の顕熱量および潜熱量は、それぞれ空気の顕熱量および潜熱量に比較して大きいことから、アシストガスとして空気を用いた場合に比較して内燃機関の排熱回収効率が向上する。それにより、内燃機関の熱効率が向上し、内燃機関のＣＯ２排出量が低減する。さらに、水蒸気の定圧比熱は空気の定圧比熱に比較して大きいことから、アシストガスとして空気を用いた場合に比較して、小さい貯気タンクを用いても、同程度の温度およびエネルギ量のアシストガスを得ることができる。
【００１２】
上記構成において、水は、過給機から排出される排気ガス中に含まれる水蒸気が冷却された凝縮水であってもよい。この構成によれば、外部からアシスト手段に水を補給する必要がなくなる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ターボラグを抑制することができる内燃機関を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【実施例１】
【００１５】
図１は、第１実施例に係る内燃機関１００の全体構成を示す模式図である。図１に示すように、内燃機関１００は、内燃機関１０、アクセル２０、検出手段３０、過給機４０、排気ガス浄化触媒５０、アシスト手段６０およびＥＣＵ７０を備える。内燃機関１０は、シリンダ（図示せず）内で空気と混合した燃料を爆発的に燃料させてピストン（図示せず）に往復運動を与える熱機関である。内燃機関１０としては、特に限定されないが例えばガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等を用いることができる。
【００１６】
アクセル２０は、内燃機関１０の回転負荷を調整するための調整ペダルである。アクセル２０は、内燃機関１０のスロットル（図示せず）に接続されている。検出手段３０は、内燃機関１０の負荷が増大するか否かを検出する手段である。検出手段３０としては、内燃機関１０の負荷が増大するか否かを検出することができる手段であれば特に限定されない。本実施例においては、検出手段３０はアクセル２０に接続されており、アクセル開度センサ（図示せず）とアクセル開度速度センサ（図示せず）とを備える。アクセル開度センサは、アクセル２０の開度を検出し、その検出結果をＥＣＵ７０に与える。アクセル開度速度センサはアクセル２０の開度速度を検出し、その検出結果をＥＣＵ７０に与える。
【００１７】
過給機４０は、内燃機関１０を過給するための過給機である。過給機４０は、コンプレッサ４２、タービン４４およびコンプレッサ４２とタービン４４とを連結する回転軸４６を備える。過給機４０は、内燃機関１０から排出される排気ガスが駆動側に供給されることにより駆動する。具体的には、排気ガスがタービン４４に供給されることによりタービン４４が回転する。タービン４４が回転することにより、回転軸４６を介してコンプレッサ４２が回転する。コンプレッサ４２が回転することにより、外部から取り込んだ空気がコンプレッサ４２により圧縮されて、内燃機関１０に供給される。それにより、内燃機関１０を過給することができる。なお、過給機４０のタービン４４に供給された排気ガスは、タービン４４を回転させた後には、過給機４０の下流に排出される。
【００１８】
排気ガス浄化触媒５０は、過給機４０から排出される排気ガスを浄化する触媒である。排気ガス浄化触媒５０は、過給機４０の下流に配置される。排気ガス浄化触媒５０としては、特に限定されないが、例えばプラチナ等を使用した酸化還元触媒等を用いることができる。
【００１９】
アシスト手段６０は、過給機４０の駆動をアシストする手段である。アシスト手段６０は、空気ポンプ６２、貯気タンク６４、熱交換器６６および供給弁６８を備える。空気ポンプ６２は、ＥＣＵ７０からの指示に従って、外部の空気を貯気タンク６４に送風するポンプである。空気ポンプ６２としては、空気を送風することができるポンプであれば、特に限定されない。
【００２０】
貯気タンク６４は、空気ポンプ６２から送風された空気を貯えるタンクである。貯気タンク６４としては、貯気タンク６４内の気体が漏洩しない程度の機密性と耐圧性とを備えるものであれば特に限定されない。熱交換器６６は、排気ガス浄化触媒５０により浄化された排気ガスの熱を利用して貯気タンク６４内の空気を加熱する熱交換器である。熱交換器６６としては、熱交換機能を有するものであれば特に限定されない。本実施例においては、熱交換器６６は貯気タンク６４内に配置されている。
【００２１】
供給弁６８は、ＥＣＵ７０からの指示に従って、貯気タンク６４内の空気を過給機４０の駆動側に供給するための弁である。例えば、供給弁６８は、ＥＣＵ７０からの指示に従って、貯気タンク６４内の空気を過給機４０のタービン４４あるいは回転軸４６に接続された補助タービン（図示せず）に供給する。供給弁６８としては、特に限定されないが、例えば電磁弁等を用いることができる。
【００２２】
ＥＣＵ７０は、図示しないＣＰＵ（中央演算処理装置）、図示しないＲＯＭ（リードオンリメモリ）、図示しないＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）等を備える。ＥＣＵ７０は、検出手段３０からの検出結果に基づいて、アシスト手段６０の動作を制御する。
【００２３】
次に、内燃機関１００の動作について説明する。まず、内燃機関１００が始動すると、内燃機関１００は暖機運転を行う。この際、内燃機関１０は高温の排気ガスを排出する。また、ＥＣＵ７０は、外部の空気が貯気タンク６４に貯気されるように空気ポンプ６２を制御する。この際、供給弁６８は閉じている。
【００２４】
内燃機関１０から排出された排気ガスは、過給機４０の駆動側に供給される。それにより、過給機４０が稼動する。過給機４０の下流に排出された排気ガスは、排気ガス浄化触媒５０で浄化される。なお、排気ガス浄化触媒５０の排気ガス浄化反応により排気ガスはさらに加熱される。排気ガス浄化触媒５０の下流に排出された排気ガスは、アシスト手段６０の貯気タンク６４を通過して、外部へ排気される。排気ガスが貯気タンク６４を通過する際には、排気ガスの熱は、熱交換器６６を介して貯気タンク６４内の空気に伝達される。それにより、貯気タンク６４内の空気は加熱される。
【００２５】
内燃機関１００の暖機運転が終了すると、内燃機関１００は通常運転を開始する。内燃機関１００が通常運転を開始すると、ＥＣＵ７０は過給機４０の駆動のアシストが行われるようにアシスト手段６０を制御する。図２は、ＥＣＵ７０が過給機４０の駆動をアシストする場合におけるフローチャートの一例を示す図である。まず、ＥＣＵ７０は、内燃機関１０の負荷が増大するか否かを判定する（ステップＳ１）。例えば、ＥＣＵ７０は、検出手段３０からアクセル開度センサおよびアクセル速度センサの値を受け取る。アクセル開度が大きくかつアクセル開度速度が大きいとＥＣＵ７０が判定した場合には、ＥＣＵ７０は、内燃機関１０の負荷が増大すると判定する。
【００２６】
ステップＳ１において内燃機関１０の負荷が増大すると判定された場合には、ＥＣＵ７０は、過給機４０の駆動がアシストされるようにアシスト手段６０を制御する（ステップＳ２）。例えば、ＥＣＵ７０は、供給弁６８が開かれるようにアシスト手段６０を制御する。それにより、貯気タンク６４内の加熱された空気が過給機４０の駆動側に供給され、過給機４０の駆動をアシストすることができる。すなわち、貯気タンク６４内の加熱された空気は、過給機４０の駆動をアシストするアシストガスとして機能する。
【００２７】
一方、ステップＳ１において内燃機関１０の負荷が増大すると判定されなかった場合には、ＥＣＵ７０はフローチャートの実行を終了する。
【００２８】
本実施例に係る内燃機関１００によれば、内燃機関１０の負荷が増大すると判定された場合には、ＥＣＵ７０はアシストガスが過給機４０の駆動側に供給されるようにアシスト手段６０を制御する。それにより、内燃機関１０のターボラグを抑制することができる。また、アシストガスは、排気ガスの熱により加熱されている。それにより、アシストガスの供給による排気ガスのエネルギ低下が抑制される。
【００２９】
また、内燃機関１００によれば、貯気タンク６４内のアシストガスの圧力は、排気ガスにより加熱されることにより高くなる。それにより、空気ポンプ６２の出力を大きくすることなしに、アシストガスの噴出速度を大きくすることができる。すなわち、アシストガスのアシスト効率が高くなる。また、内燃機関１０から排出される排気ガスの熱量が貯気タンク６４内のアシストガスにより回収されることから、貯気タンク６４は排気ガスの排熱回収手段としての機能も有する。この場合、内燃機関１０の熱効率が高くなり、内燃機関１０のＣＯ２排出量が低減される。
【００３０】
なお、貯気タンク６４および熱交換器６６は、過給機４０の下流に配置されているのであれば、排気ガス浄化触媒５０の下流に配置されていなくてもよい。しかしながら、過給機４０からの排気ガス温度は、排気ガス浄化触媒５０での排気ガス浄化反応により上昇する。そのため、排気ガス浄化触媒５０の下流に貯気タンク６４および熱交換器６６を配置することによりアシストガスのエネルギをより高めることができる。
【実施例２】
【００３１】
続いて、本発明の第２実施例に係る内燃機関１００ａについて説明する。図３は、第２実施例に係る内燃機関１００ａの全体構成を示す模式図である。図３に示す内燃機関１００ａは、アシスト手段６０の代わりにアシスト手段６０ａを備えている点において、図１に示す内燃機関１００と異なる。図３に示すアシスト手段６０ａは、空気ポンプ６２の代わりに水ポンプ６２ａを備える点および水タンク６９をさらに備える点において、図１のアシスト手段６０と異なる。その他の構成は、図１に示す内燃機関１００と同様のため説明を省略する。
【００３２】
水ポンプ６２ａは、水タンク６９に貯えられた水を貯気タンク６４に送水するポンプである。水ポンプ６２ａとしては、水を送水することができるものであれば特に限定されない。水タンク６９は、外部から供給される水を貯えるタンクである。水タンク６９は、水を貯えることができるものであれば特に限定されない。
【００３３】
次に、内燃機関１００ａの動作について説明する。まず、内燃機関１００ａが始動すると、内燃機関１０は暖機運転を行う。この際、内燃機関１０は高温の排気ガスを排出する。また、ＥＣＵ７０は、水タンク６９内の水が貯気タンク６４に送水されるように水ポンプ６２ａを制御する。この際、供給弁６８は閉じている。
【００３４】
内燃機関１０から排出された排気ガスは、過給機４０を駆動させた後、排気ガス浄化触媒５０で浄化されて貯気タンク６４を通過して、外部へ排気される。排気ガスが貯気タンク６４を通過する際には、排気ガスの熱は、熱交換器６６を介して貯気タンク６４内に送水された水に伝達される。それにより、貯気タンク６４内に送水された水は水蒸気になる。この水蒸気は、貯気タンク６４に貯気される。
【００３５】
暖機運転が終了すると、内燃機関１００ａは通常運転を開始する。内燃機関１００ａが通常運転を開始すると、ＥＣＵ７０は内燃機関１０の負荷が増大するか否かを判定する。例えば、ＥＣＵ７０は、検出手段３０からアクセル開度センサとアクセル速度センサとの値を受け取る。アクセル開度が大きくかつアクセル開度速度が大きいとＥＣＵ７０が判定した場合には、ＥＣＵ７０は内燃機関１０の負荷が増大すると判定する。
【００３６】
ＥＣＵ７０が内燃機関の負荷が増大すると判定した場合には、ＥＣＵ７０は供給弁６８を開くように制御する。それにより、貯気タンク６４内の加熱された水蒸気が過給機４０の駆動側に供給され、過給機４０の駆動をアシストすることができる。すなわち、貯気タンク６４内の加熱された水蒸気は、過給機４０の駆動をアシストするアシストガスとして機能する。
【００３７】
本実施例に係る内燃機関１００ａによれば、内燃機関１０の負荷が増大すると判定された場合には、ＥＣＵ７０はアシストガスが過給機４０の駆動側に供給されるようにアシスト手段６０を制御する。それにより、内燃機関１０のターボラグを抑制することができる。また、アシストガスは、排気ガスの熱により加熱されている。それにより、アシストガスの供給による排気ガスのエネルギ低下が抑制される。
【００３８】
また、水の顕熱量および潜熱量は、それぞれ空気の顕熱量および潜熱量に比較して大きい。それにより、図３に示す内燃機関１００ａの排熱回収効率は、図１に示す内燃機関１００に比較して大きくなる。この場合、内燃機関１０の熱効率が向上し、内燃機関１０のＣＯ２排出量が低減される。さらに、水蒸気の定圧比熱は空気の定圧比熱に比較して大きい。それにより、図３に示す内燃機関１００ａにおいては、図１に示す内燃機関１００の場合に比較して、小さい貯気タンク６４を用いても、同程度の温度およびエネルギ量のアシストガスを得ることができる。また、水ポンプ６２ａは空気ポンプ６２に比較して小型のものを用いることができる。それにより、アシスト手段６０ａの車両搭載性が高くなる。
【００３９】
（変形例１）
また、水タンク６９に貯えられた水としては、排気ガス浄化触媒５０から排出される排気ガス中に含まれる水蒸気が冷却された凝縮水を用いてもよい。図４は、実施例２の変形例１に係る内燃機関１００ｂの全体構成を示す模式図である。図４に示す内燃機関１００ｂは、アシスト手段６０ａの代わりにアシスト手段６０ｂを備えている点において、図３に示す内燃機関１００ａと異なる。図４に示すアシスト手段６０ｂは、水タンク６９の代わりに凝縮水タンク６９ａを備える点において、図３に示すアシスト手段６０ａと異なる。また、図４に示すアシスト手段６０ｂは、排気ガス浄化触媒５０からの排気ガスが凝縮水タンク６９ａ内を通過する点において、図３に示すアシスト手段６０ａと異なる。その他の構成は、図３に示す内燃機関１００ａと同様のため説明を省略する。
【００４０】
凝縮水タンク６９ａは、排気ガス浄化触媒５０からの排気ガス中に含まれる水蒸気を冷却して凝縮する機能と凝縮された凝縮水を貯える機能とを有する。凝縮水タンク６９ａに貯えられた凝縮水は、水ポンプ６２ａにより貯気タンク６４に送水される。貯気タンク６４に送水された凝縮水は、熱交換器６６により加熱されて水蒸気となり、貯気タンク６４内に貯気されて、アシストガスとして利用される。
【００４１】
本変形例に係る内燃機関１００ｂにおいても、内燃機関１０の負荷が増大すると判定された場合には、ＥＣＵ７０はアシストガスが過給機４０の駆動側に供給されるようにアシスト手段６０を制御する。それにより、内燃機関１０のターボラグを抑制することができる。また、アシストガスは、排気ガスの熱により加熱されている。それにより、アシストガスの供給による排気ガスのエネルギ低下が抑制される。
【００４２】
さらに、本変形例に係る内燃機関１００ｂによれば、排気ガス中に含まれる凝縮水をアシストガスに利用している。それにより、図３に示す内燃機関１００ａのように水タンク６９に水を補給する必要がなくなる。
【００４３】
実施例１、実施例２および変形例１において、ＥＣＵ７０が制御手段および判定手段に相当する。
【００４４】
以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の第１実施例に係る内燃機関の全体構成を示す模式図である。
【図２】第１実施例に係る制御手段が過給機の駆動をアシストする場合におけるフローチャートの一例を示す図である。
【図３】第２実施例に係る内燃機関の全体構成を示す模式図である。
【図４】第２実施例に係る変形例１に係る内燃機関の全体構成を示す模式図である。
【符号の説明】
【００４６】
１０  内燃機関
２０  アクセル
３０  検出手段
４０  過給機
５０  排気ガス浄化触媒
６０  アシスト手段
６２  空気ポンプ
６４  貯気タンク
６６  熱交換器
６８  供給弁
６９  水タンク
７０  ＥＣＵ
１００，１００ａ，１００ｂ  内燃機関
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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