(57)【要約】【課題】耐ノッキング性能を高め、高いトルクを得ること。【解決手段】コンプレッサ２３とインタークーラ２６との間を、排気通路１５のタービン２１の上流に連通するリリーフ通路１２４を設ける。このリリーフ通路１２４を開閉するリリーフ弁１２５を設ける。排気ターボ過給機２０のインターセプトポイントよりも低速の運転領域にて、リリーフ通路１２４が連通するようにリリーフ弁１２５を制御する制御手段５０を設ける。好ましくは、この制御手段５０は、エンジンの運転負荷が低いほど、リリーフ通路１２４の流量が減少するように設定される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気通路に配置されたタービンおよび吸気通路に配置されたコンプレッサを有する排気ターボ過給機と、
前記吸気通路中の前記コンプレッサ下流に配置されたインタークーラと
を備えた過給機付きエンジンであって、
前記コンプレッサとインタークーラとの間を、前記排気通路の当該タービンの上流に連通するリリーフ通路と、
このリリーフ通路を開閉するリリーフ弁と、
前記排気ターボ過給機のインターセプトポイントよりも低速の運転領域にて前記リリーフ通路が連通するように前記リリーフ弁を制御する制御手段と
を備えていることを特徴とする過給機付きエンジン。
【請求項２】
請求項１記載の過給機付きエンジンにおいて、
多気筒のエンジン本体と、前記エンジン本体に互いに隣接して配置され、且つ点火時期が連続しない気筒に接続される排気通路をグループ化した第１の排気系と、この第１の排気系よりも容積が大きく設定され、残余の気筒に接続される排気通路をグループ化した第２の排気系とを設け、
前記排気ターボ過給機のタービンは、排気系毎に設けられた２つのスクロール部を有し、
前記リリーフ通路は、前記第２の排気系に接続されている
ことを特徴とする請求項１記載の過給機付きエンジン。
【請求項３】
請求項１または２記載の過給機付きエンジンにおいて、
前記制御手段は、エンジンの負荷が低いほど、前記リリーフ通路の流量が減少するように前記リリーフ弁の開弁量を制御するものである
ことを特徴とする過給機付きエンジン。
【請求項４】
請求項１から３の何れか１項において、
前記制御手段により制御されることにより、排気弁の開弁時期を変更可能にするバルブタイミング可変装置を設け、
上記制御手段は、少なくとも前記インターセプトポイントよりも低速の運転領域では、前記排気弁の閉タイミングを圧縮上死点よりも遅角させるものである
ことを特徴とする過給機付きエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気ターボ過給機を備えた過給機付きエンジンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、エンジントルクの増大を図る手段として、排気ガスのエネルギーを利用して吸気を過給する排気ターボ過給機が知られている。この排気ターボ過給機を備えたエンジンとして、例えば特許文献１には、排気ターボ過給機のコンプレッサ下流側をタービンの下流側に接続するリリーフ通路を設け、サージング領域では、コンプレッサによる吸気の一部をタービンの下流側にリリーフする技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００４−２５１２４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、エンジンの低速運転領域では、排気弁の閉弁タイミングを圧縮上死点よりも遅角させ、掃気を図ることが、ノッキング防止や充填効率向上の点から好ましい。
【０００４】
しかし、排気ターボ過給機を併用している場合、新気による掃気が促進されると、排気温度が低下し、過給圧が低減するという問題が生じる。
【０００５】
また、特許文献１の技術では、コンプレッサによる吸気の一部がタービンの下流側にリリーフされるので、低速運転領域では、タービンの過給圧向上には何等寄与することができないという問題がある。
【０００６】
本発明は上記不具合に鑑みてなされたものであり、エンジンの低速運転領域において、耐ノッキング性能を高め、高いトルクを得ることのできる過給機付きエンジンを提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために本発明は、排気通路に配置されたタービンおよび吸気通路に配置されたコンプレッサを有する排気ターボ過給機と、前記吸気通路中の前記コンプレッサ下流に配置されたインタークーラとを備えた過給機付きエンジンであって、前記コンプレッサとインタークーラとの間を、前記排気通路の当該タービンの上流に連通するリリーフ通路と、このリリーフ通路を開閉するリリーフ弁と、前記排気ターボ過給機のインターセプトポイントよりも低速の運転領域にて前記リリーフ通路が連通するように前記リリーフ弁を制御する制御手段とを備えていることを特徴とする過給機付きエンジンである。この態様では、排気ターボ過給機のインターセプトポイントよりも低速の運転領域において、リリーフ通路が連通し、インタークーラを通過する前の比較的暖かい新気がタービンに供給される結果、タービンを駆動する力が高まり、過給圧が向上する。しかも、インタークーラを通過する空気量が低減するため、インタークーラを通過した新気が冷えて密度が高くなり、充填効率が向上するとともに、耐ノッキング性能も高まる。また、インターセプトポイントよりも低速の運転領域においてリリーフ通路を連通させることにより、圧力比が低い場合でも、充分な流量を確保することが可能になるので、排気ターボ過給機を安定した効率の高い運転領域で運転することができる。
【０００８】
別の態様において、多気筒のエンジン本体と、前記エンジン本体に互いに隣接して配置され、且つ点火時期が連続しない気筒に接続される排気通路をグループ化した第１の排気系と、この第１の排気系よりも容積が大きく設定され、残余の気筒に接続される排気通路をグループ化した第２の排気系とを設け、前記排気ターボ過給機のタービンは、排気系毎に設けられた２つのスクロール部を有し、前記リリーフ通路は、前記第２の排気系に接続されている。この態様では、スクロール部までの排気通路容積が大きいほど、排気ガスの流速低下（エネルギーダウン）が大きいため、この流速低下が生じやすい第２の排気系にリリーフ通路からの新気を導入し、インターセプトポイントよりも低速の運転領域において、過給圧を高めることが可能になる。
【０００９】
好ましい態様において、前記制御手段は、エンジンの負荷が低いほど、前記リリーフ通路の流量が減少するように前記リリーフ弁の開弁量を制御するものである。この態様では、エンジンの負荷に応じてリリーフ通路からタービンに供給される空気の流量が制御され、負荷が低い時は、高い時に対して流量が減少するので、低負荷時において、リリーフされた吸気により排気ガス温度が低下しすぎるのを防止し、必要充分な流量を維持することが可能になる。
【００１０】
好ましい態様において、前記制御手段により制御されることにより、排気弁の開弁時期を変更可能にするバルブタイミング可変装置を設け、上記制御手段は、少なくとも前記インターセプトポイントよりも低速の運転領域では、前記排気弁の閉タイミングを圧縮上死点よりも遅角させるものである。この態様では、少なくともインターセプトポイントよりも低速の運転領域では（可能であれば中速運転領域までは）、新気による掃気が行われ、筒内温度が下がるとともに充填効率が向上するので、トルクが上昇し、しかも耐ノッキング性能が向上する。また、新気が排気通路に流れることによって排気温度が低減し、排気圧力は幾分低下するが、インターセプトポイントよりも低速の運転領域では、リリーフ通路が開いているので、インタークーラを通過する前の比較的暖かい空気が導入される結果、新気による温度低下が緩和されるとともに、流量が一層高くなって、より高い過給圧を得ることが可能になる。
【発明の効果】
【００１１】
以上説明したように、本発明は、インターセプトポイントよりも低速の運転領域では、リリーフ通路からの比較的暖かい新気によってタービンの駆動力を増加させることができるので、耐ノッキング性能を高め、高いトルクを得ることができるという顕著な効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照しながら本発明の好ましい実施の形態について説明する。
【００１３】
図１は、本発明の実施の一形態による過給機付きエンジンの全体構成を示す概略図である。
【００１４】
図１を参照して、同図に示すエンジンはガソリンエンジンであり、そのエンジン本体１には複数の気筒（図示の例では４気筒）１ａ〜１ｄが設けられている。各気筒１ａ〜１ｄには、燃焼室２が形成されている。各燃焼室２には、吸気ポート及び排気ポートが開口し、これらのポートに吸気弁３および排気弁４が設けられている。さらに各燃焼室２に対して点火プラグ５及び燃料噴射弁６が装備されている。本実施形態において、各気筒１ａ〜１ｄを仮に１番気筒１ａ〜４番気筒１ｄと定義すると、その燃焼順序は、１番気筒１ａ、３番気筒１ｃ、４番気筒１ｄ、２番気筒１ｂの順となっている。
【００１５】
上記エンジン本体１には、各気筒１ａ〜１ｄに新気を供給する吸気通路１０と、各気筒１ａ〜１ｄからの排気ガスを導出する排気通路１５とが接続されている。
【００１６】
吸気通路１０は、各気筒１ａ〜１ｄの吸気ポートに接続される気筒別の吸気通路１１を有する吸気マニホールド１２と、その上流の共通吸気通路１３とを備えている。この共通吸気通路１３には、吸入空気量を調節するスロットル弁１４が設けられている。また、排気通路１５は、各気筒１ａ〜１ｄの排気ポートに接続される気筒別の排気通路１６ａ〜１６ｄを有する排気マニホールド１７と、その下流の共通排気通路１８とを備えている。
【００１７】
排気ターボ過給機２０は、排気ガスのエネルギーで駆動されて回転するタービン２１と、このタービン２１にシャフト２２を介して連結されたコンプレッサ２３とを備え、タービン２１の回転に連動したコンプレッサ２３の回転により吸気を過給するようになっている。
【００１８】
上記タービン２１は共通排気通路１８に介設されている。なお、２４はタービン２１をバイパスするウェイストゲート通路、２５はこの通路２４に設けられたウェイストゲートバルブである。
【００１９】
上記コンプレッサ２３は、共通吸気通路１３に介設されている。共通吸気通路１３におけるコンプレッサ２３より下流には、過給された空気を冷却するためのインタークーラ２６が設けられている。
【００２０】
ここで、本実施形態においては、共通吸気通路１３のコンプレッサ２３とインタークーラ２６の間にリリーフ通路１２４が設けられ、このリリーフ通路１２４が排気マニホールド１７に接続されている。リリーフ通路１２４には、開弁量を調整可能なリリーフ弁１２５が配置され、後述する制御手段としてのエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）５０によって制御されるようになっている。
【００２１】
次に、エンジン本体１には、排気ターボ過給機２０の過給性能が低下する運転領域でタービンに供給する排気エネルギーを高めることが可能な排気エネルギー調節手段が設けられている。本実施形態では排気エネルギー調節手段として、排気弁４の開弁時期を変更可能にするバルブタイミング可変装置４８が設けられている。
【００２２】
図２は、本実施形態に係るバルブタイミング可変装置４８の動作を示すタイミングチャートである。
【００２３】
図２を参照して、バルブタイミング可変装置４８は、本実施形態では位相式のバルブタイミング可変機構により構成され、エンジンのクランク軸（エンジン出力軸）に対する排気弁駆動用のカム軸の位相を変更し得るようになっている。このバルブタイミング可変機構の構造は従来から種々知られているため具体的構造の図示及び説明は省略するが、例えばタイミングベルトを介してクランク軸の回転が伝動されるカムプーリとカム軸との間に、両者を相対回転可能とする位相変更用部材が組み込まれ、この部材が油圧もしくは電動で駆動されるようになっている。
【００２４】
そして、このようなバルブタイミング可変装置４８により、排気弁開時期ＥＯ１が下死点（ＢＤＣ）よりも所定クランク角だけ早くて排気弁閉時期ＥＣ１が上死点（ＴＤＣ）付近となる通常タイミングＥＶＴ１（実線）と、この通常タイミングＥＶＴ１よりも遅く、排気弁開時期ＥＯ２が下死点（ＢＤＣ）付近とされる排気エネルギー上昇用のタイミングＥＶＴ２（破線）とに、排気弁開閉タイミングが変更可能とされる。なお、排気エネルギー上昇用のタイミングＥＶＴ２とされたときは、排気弁閉時期ＥＣ２が上死点（ＴＤＣ）よりも遅くなり、排気弁と吸気弁の開弁オーバラップ期間が長くなる。また、本実施形態では、位相式のバルブタイミング可変機構（バルブタイミング可変装置４８）が排気弁４に対して設けられているが、図１中に二点鎖線で示すように吸気弁３に対しても位相式のバルブタイミング可変機構４９を設けてもよい。この場合、中速域では、上記のように排気弁４の開閉タイミングを遅角させることに加え、吸気弁３の開閉タイミングを進角させるようにすれば、吸気弁３、排気弁４の開弁オーバラップ期間をより大きくして掃気性を高めるとともに、吸気弁３の閉時期が下死点に近づくことで吸気の吹き返しが抑制され、これらの作用で新気の充填効率がさらに高められる。
【００２５】
図１に戻って、エンジンにはＥＣＵ５０が装備されている。このＥＣＵ５０は、ＣＰＵ、メモリ、入出力装置などを有しており、スロットル弁の開度を検出するスロットル開度センサ５１及びエンジン回転数を検出する回転数センサ５２等からの検出信号を受け、これらの検出信号によって調べられる運転状態に応じ、バルブタイミング可変装置４８やリリーフ弁１２５等を制御するようになっている。
【００２６】
図３は、本実施形態に係るＥＣＵ５０の制御によるエンジンの運転領域と過給の状態との関係を示す図である。
【００２７】
図３において、Ａ１は、ＥＣＵ５０が低速運転領域でリリーフ通路１２４に設けたリリーフ弁１２５を開く運転領域であり、Ａ２は、ＥＣＵ５０が高速運転領域において、所定の減速条件（例えば、アクセル開度が０でブレーキが踏み込まれた状態であるとき等）を満たす場合にリリーフ弁１２５を開く運転領域である。
【００２８】
Ａ１において、仮想線は、リリーフ通路１２４を閉じた場合の運転特性であり、後述する理由により、リリーフ通路１２４を開いて流量を増やすことにより、低速側での運転領域は、大幅に向上する。また、少なくともこの運転領域から中速運転領域では、排気弁開弁時期が遅角されるようにバルブタイミング可変装置４８が制御される。
【００２９】
次に、Ａ２は、高速運転時において、例えばカーブを曲がる前にブレーキが踏まれた際、過給圧を維持することによって、ターボラグを防ぐためにリリーフ通路１２４が連通する運転領域である。
【００３０】
なお、ＥＣＵ５０のメモリには、ウェイストゲートバルブ２５のインターセプトポイントＩＰが制御マップとして記憶されている。
【００３１】
次に、ＥＣＵ５０による制御の具体例を、図４のフローチャートによって説明する。
【００３２】
図４に示すフローチャートに示す処理がスタートすると、ＥＣＵ５０は先ず各種信号を読み込み（ステップＳ２０）、その信号に基づいて運転状態を調べ、運転状態が、インターセプトポイントＩＰよりも低速であるか否かを判定する（ステップＳ２１）。仮にインターセプトポイントＩＰよりもエンジンの回転速度が低い場合、ＥＣＵ５０は、バルブタイミング可変装置４８を制御して、排気弁の動作タイミングを排気エネルギー上昇用のタイミングＥＶＴ２に設定し、掃気を実行する（ステップＳ２２）。この制御により、圧縮上死点の前後で排気弁と吸気弁とが同時に開き、インタークーラ２６を通過した冷たい新気によって既燃ガスが排気通路１５に掃気される。この結果、筒内温度が下がり、耐ノッキング性能が向上するとともに、充填効率も高くなる。
【００３３】
次いで、ＥＣＵ５０は、リリーフ弁１２５をエンジンの負荷に応じて開弁する（ステップＳ２３）。これにより、エンジン負荷に応じてインタークーラ２６の上流側から比較的暖かい空気がタービン２１に供給され、タービン２１が強い駆動力で駆動される。この結果、タービン２１の過給圧が高まり、トルクが飛躍的に向上する。また、インタークーラ２６の上流側で新気がリリーフされることにより、インタークーラ２６を通過する空気量が低減する結果、インタークーラ２６による新気の冷却効率も向上する。これにより、充填効率がさらに高まり、耐ノッキング性能も一層向上する。エンジンの負荷に応じて、リリーフ弁１２５の開弁量を制御する技術的手段としては、予め開弁量とエンジン負荷の制御マップＭ１を実験等で作成してＥＣＵ５０のメモリに記憶しておき、ステップＳ２０で読み取った各種の信号に基づく運転負荷状態に対応させて、リリーフ弁１２５の開弁量を決定すればよい。
【００３４】
他方、ステップＳ２１において、エンジンの回転速度ＮｅがインターセプトポイントＩＰ以上である場合、ＥＣＵ５０は、排気弁開弁タイミングを通常タイミングＥＶＴ１に戻し（ステップＳ２４）、掃気を中止する。次いで、回転速度Ｎｅが所定の高速（速度Ｎｓ）であるか否かを判定する（ステップＳ２５）。仮に、回転速度Ｎｅが速度Ｎｓに達していない場合、ＥＣＵ５０は、リリーフ弁１２５を閉じて、ステップＳ２０に制御を戻す（ステップＳ２６）。他方、エンジンの回転速度Ｎｅが速度Ｎｓに達している場合であって、減速条件（ブレーキの踏み込みがあった場合等）を満たしているか否かを判定する（ステップＳ２７）。仮に減速条件を満たしている場合、ＥＣＵ５０は、ステップＳ２３に移行して、リリーフ弁１２５を開く。これにより、ターボラグを防止することが可能となる。他方、減速条件を満たしていない場合には、ステップＳ２６に移行し、リリーフ弁１２５を閉じてステップＳ２０に制御を復帰させる。
【００３５】
図５は本実施形態の効果を示すコンプレッサパフォーマンス図である。
【００３６】
図５を参照して、エンジンの運転領域が、Ｐで示すように、いわゆるサージラインよりも流量の少ないサージング領域（特に低速高負荷時）にある場合、インターセプトポイントＩＰよりもエンジンの回転速度が低い領域でリリーフ弁１２５を開くことにより、流量を増加させ、サージラインよりも流量の多い安定運転領域で排気ターボ過給機２０を運転することが可能となる。
【００３７】
以上説明したように本実施形態では、排気ターボ過給機２０のインターセプトポイントＩＰよりも低速の運転領域において、リリーフ通路１２４が連通し、インタークーラ２６を通過する前の比較的暖かい新気がタービン２１に供給される結果、タービン２１を駆動する力が高まり、過給圧が向上する。しかも、インタークーラ２６を通過する空気量が低減するため、インタークーラ２６を通過した新気が冷えて密度が高くなり、充填効率が向上するとともに、耐ノッキング性能も高まる。また、インターセプトポイントＩＰよりも低速の運転領域においてリリーフ通路１２４を連通させることにより、圧力比が低い場合でも、充分な流量を確保することが可能になるので、排気ターボ過給機２０を安定した効率の高い運転領域で運転することができる。
【００３８】
また本実施形態では、ＥＣＵ５０は、エンジンの負荷が低いほど、リリーフ通路１２４の流量が減少するようにリリーフ弁１２５の開弁量を制御するものである。このため本実施形態では、エンジンの負荷に応じてリリーフ通路１２４からタービン２１に供給される空気の流量が制御され、負荷が低い時は、高い時に対して流量が減少するので、低負荷時において、リリーフされた吸気により排気ガス温度が低下しすぎるのを防止し、必要充分な流量を維持することが可能になる。
【００３９】
また本実施形態では、ＥＣＵ５０により制御されることにより、排気弁の開弁時期を変更可能にするバルブタイミング可変装置４８を設け、上記ＥＣＵ５０は、少なくともインターセプトポイントＩＰよりも低速の運転領域では、排気弁４の閉タイミングを圧縮上死点よりも遅角させるものである。このため本実施形態では、少なくともインターセプトポイントＩＰよりも低速の運転領域では（可能であれば中速運転領域までは）、新気による掃気が行われ、筒内温度が下がるとともに充填効率が向上するので、トルクが上昇し、しかも耐ノッキング性能が向上する。また、新気が排気通路１５に流れることによって排気温度が低減し、排気圧力は幾分低下するが、インターセプトポイントＩＰよりも低速の運転領域では、リリーフ通路１２４が開いているので、インタークーラ２６を通過する前の比較的暖かい空気が導入される結果、新気による温度低下が緩和されるとともに、流量が一層高くなって、より高い過給圧を得ることが可能になる。
【００４０】
以上説明したように、本実施形態においては、インターセプトポイントＩＰよりも低速の運転領域では、リリーフ通路１２４からの比較的暖かい新気によってタービン２１の駆動力を増加させることができるので、耐ノッキング性能を高め、高いトルクを得ることができるという顕著な効果を奏する。
【００４１】
上述した実施形態は本発明の好ましい具体例に過ぎず、本発明は上述した実施形態に限定されない。
【００４２】
図６は、本発明の別の実施形態に係る概略構成図である。
【００４３】
図６を参照して、同図に示す排気ターボ過給機６０は、そのタービン６１が第１、第２のスクロール部６１ａ，６１ｂを有している。これに対してエンジンの排気マニホールド１７には、互いに隣接して配置され、点火時期が連続しない気筒（図示の例では２番気筒１ｂと３番気筒１ｃ）に接続される排気通路１６ｂ、１６ｃをグループ化した第１の排気系６５１と、この第１の排気系６５１よりも容積が大きく設定され、残余の気筒に（図示の例では１番気筒１ａと４番気筒１ｄ）接続される排気通路１６ａ、１６ｄをグループ化した第２の排気系６５２とが形成されている。
【００４４】
各排気系６５１、１６２は、レイアウト上、第１の排気系６５１の経路長の方が第２の排気系６５２の経路長よりも短くなっており、これに伴って、第１の排気系６５１の容積の方が第２の排気系６５２の容積よりも小さくなっている。
【００４５】
そして、図示の実施形態では、第１の排気系６５１が第１のスクロール部６１ａに接続され、第２の排気系６５２が第２のスクロール部６１ｂに接続されている。
【００４６】
さらに、リリーフ通路１２４は、第２の排気系６５２に接続されている。
【００４７】
また、ウェイストゲート通路２４は、第１の排気系６５１に接続されている。
【００４８】
エンジンのその他の構造は、図１に示した第１実施形態と同様である。
【００４９】
スクロール部６１ａ、６１ｂまでの排気通路容積が大きいほど、排気ガスの流速低下（エネルギーダウン）が大きいため、図６に示す実施形態では、この流速低下が生じやすい第２の排気系６５２にリリーフ通路１２４からの新気を導入し、インターセプトポイントＩＰよりも低速の運転領域において、過給圧を高めることが可能になる。
【００５０】
その他、本発明の特許請求の範囲内で種々の変更が可能であることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施の一形態による過給機付きエンジンの全体構成を示す概略図である。
【図２】本実施形態に係るバルブタイミング可変装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図３】本実施形態に係るエンジン制御ユニットの制御によるエンジンの運転領域と過給の状態との関係を示す図である。
【図４】同エンジン制御ユニットによる制御の具体例を示すフローチャートである。
【図５】本実施形態の効果を示すコンプレッサパフォーマンス図である。
【図６】本発明の別の実施形態に係る概略構成図である。
【符号の説明】
【００５２】
１  エンジン本体
１ａ  １番気筒
１ｂ  ２番気筒
１ｃ  ３番気筒
１ｄ  ４番気筒
１０  吸気通路
１１  吸気通路
１２  吸気マニホールド
１３  共通吸気通路
１５  排気通路
１６ａ  排気通路
１６ｂ  排気通路
１７  排気マニホールド
１８  共通排気通路
２０  排気ターボ過給機
２１  タービン
２３  コンプレッサ
２４  ウェイストゲート通路
２６  インタークーラ
４８  バルブタイミング可変装置
５０  エンジン制御ユニット（制御手段の一例）
５１  スロットル開度センサ
５２  回転数センサ
６０  排気ターボ過給機
６１ａ，６１ｂ  スクロール部
１２４  リリーフ通路
１２５  リリーフ弁
６５１  第１の排気系
６５２  第２の排気系
【図１】
2008038606.tif 000003
【図２】
2008038606.tif 000004
【図３】
2008038606.tif 000005
【図４】
2008038606.tif 000006
【図５】
2008038606.tif 000007
【図６】
2008038606.tif 000008