(57)【要約】【課題】補助駆動手段を有する過給機を備えた内燃機関が頻繁に加減速される車輌の駆動源として使用される場合にも過給機過熱の恐れなく内燃機関の加速性能を高める。【解決手段】排気タービンによる吸気コンプレッサの駆動を適宜補助駆動手段にて補って吸気を加圧する補助駆動手段付き過給機を備えた内燃機関に於いて、吸気コンプレッサに於ける吸気流量に対する圧力比がサージ領域に近づいたとき過給機により加圧された吸気の一部を吸気コンプレッサに還流しないよう吸気より除去する抽気手段を経て逃すことにより過給機のサージ発生を回避する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気タービンによる吸気コンプレッサの駆動を適宜補助駆動手段にて補って吸気を加圧する補助駆動手段付き過給機と、前記過給機により加圧された吸気の一部を前記吸気コンプレッサに還流しないよう吸気より除去する抽気手段とを有し、前記吸気コンプレッサに於ける吸気流量に対する圧力比が前記過給機のサージ領域に近づいたとき前記抽気手段を経て吸気の一部を逃すことにより前記過給機のサージ発生を回避するようになっていることを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記抽気手段は前記吸気コンプレッサの下流側より吸気の一部を抽出してこれを排気系に注入する手段であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記吸気の一部の排気系への注入は前記排気タービンの下流側にて行われることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記抽気手段は可変バルブタイミング制御手段により兼ねられており、吸気弁の開弁期間と排気弁の開弁期間との重なりにより吸気の一部を排気系へ逃すようになっていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項５】
前記過給機の排気タービンは可変ノズルを備え、前記抽気手段を経て吸気の一部が逃されるとき前記可変ノズルが解除されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関に係り、特に補助駆動手段付き過給機を備えた内燃機関に係る。
【０００２】
【従来の技術】
排気タービンにより吸気コンプレッサを駆動して内燃機関の過給を行う過給機に電動または油圧による補助駆動手段を組み込み、排気タービンにて得られる駆動力を補助駆動手段にて補って過給を行うことにより内燃機関の加速性能を高めることは既に公知である。また、その場合、車輌運転に於いてよくあるように、内燃機関が加速後急に減速される（即ちスロットル弁を閉じられる）と、吸気流量は直ちに下がるが、吸気コンプレッサ出口の吸気圧は高い状態に留まるので、吸気コンプレッサに於いてサージが起こりやすいという問題があることに関し、吸気コンプレッサの下流側をその上流側へ逃がす弁付きパイパス通路を設けておき、そのようなときパイパス通路を開いて吸気コンプレッサの下流側より上流側へ吸気の一部を還流させ、吸気コンプレッサを通る空気の流量の急減を避けせてサージの発生を回避することが下記の特許文献１に記載されている。
【特許文献１】
特開平８−６１０７３
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
過給機に於いて吸気コンプレッサの下流側より上流側へ吸気の一部を還流させることは、サージの発生を回避する上では有効であるが、車輌に於いては運転環境に応じて加速後の急減速が頻繁に生ずる可能性があり、その場合、圧縮によって加熱された吸気が再圧縮されることにより過給機の吸気コンプレッサ部分に過熱が生ずる恐れがある。また、過給機が補助駆動手段を備える場合には、補助駆動手段の作動により車輌の発進時や急加速時に於ける内燃機関の加速性を上げ、車輌の運行性能を高めることができるが、内燃機関の回転数の立ち上がりにはどうしても慣性による遅れが伴うので、補助駆動手段を作動させた急加速時にも、過給機はややもするとサージラインを横切ってサージ領域に入る恐れがある。従って、過給機が補助駆動手段を備え、それによって車輌の発進時や急加速時の内燃機関の出力性能を上げる場合、サージ回避のために過給機の吸気コンプレッサ下流側より上流側へ吸気の一部を還流させる構造では、過給機の過熱を生ずる可能性は一層高まる。
【０００４】
本発明は、補助駆動手段を有する過給機を備えた内燃機関を、それが車輌の駆動源として使用される場合にも、過給機に過熱を生ずる恐れなくその加速性能をより一層高めることができるよう改良することを課題としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を達成するものとして、本発明は、排気タービンによる吸気コンプレッサの駆動を適宜補助駆動手段にて補って吸気を加圧する補助駆動手段付き過給機と、前記過給機により加圧された吸気の一部を前記吸気コンプレッサに還流しないよう吸気より除去する抽気手段とを有し、前記吸気コンプレッサに於ける吸気流量に対する圧力比が前記過給機のサージ領域に近づいたとき前記抽気手段を経て吸気の一部を逃すことにより前記過給機のサージ発生を回避するようになっていることを特徴とする内燃機関を提案するものである。
【０００６】
前記抽気手段は前記吸気コンプレッサの下流側より吸気の一部を抽出してこれを排気系に注入する手段であってよく、更にその場合、前記吸気の一部の排気系への注入は前記排気タービンの下流側にて行われるようになっていてよい。
【０００７】
或いはまた、前記抽気手段は可変バルブタイミング制御手段により兼ねられており、吸気弁の開弁期間と排気弁の開弁期間との重なりにより吸気の一部を排気系へ逃すようになっていてもよい。
【０００８】
また、過給機の排気タービンが可変ノズルを備えるときには、抽気手段を経て吸気の一部が逃されるとき、可変ノズルが解除されてよい。
【０００９】
【発明の作用及び効果】
上記の如く、排気タービンによる吸気コンプレッサの駆動を適宜補助駆動手段にて補って吸気を加圧する補助駆動手段付き過給機を有する内燃機関が、過給機により加圧された吸気の一部を吸気コンプレッサに還流しないよう吸気より除去する抽気手段を有し、吸気コンプレッサに於ける吸気流量に対する圧力比が過給機のサージ領域に近づいたときには、そのような抽気手段を経て吸気の一部を逃すことにより過給機のサージ発生を回避するようになっていれば、内燃機関の運転環境に応じて抽気手段の作動頻度がいくら高まっても、過給機に何らの過熱を生ずる恐れなく内燃機関の運転を継続することができる。
【００１０】
この場合、抽気手段が吸気コンプレッサの下流側より吸気の一部を排気系に注入する手段として構成されていれば、圧縮により加熱された空気を排気系内に注入することにより、排気ガスの浄化を促進する効果が得られる。またこの場合、特に吸気の一部の排気系への注入が排気タービンの下流側にて行われるようになっていれば、内燃機関の作動ストローク位置の如何にかかわらず、吸気コンプレッサの下流側より抽出した吸気を常時安定して排気系中へ注入することができる。
【００１１】
また内燃機関が可変バルブタイミング制御手段を備えているときには、これを利用して吸気弁の開弁期間と排気弁の開弁期間との重なりを適当に調節することにより、ソフト的制御構成を追加するだけで上記の抽気手段を得ることができる。
【００１２】
また過給機の排気タービンが可変ノズルを備えているときには、抽気手段を経て吸気の一部が逃されるとき、同時に可変ノズルを解除することが行なわれれば、これによって可変ノズルの制御による排気タービン駆動トルクの増大分をなくし、それだけサージ回避に寄与することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
添付の図１は本発明による補助駆動手段付き過給機を備え且つ過給機のサージを回避する制御手段を備えた内燃機関の一つの実施の形態をその要部の構成について示す概略図である。図に於いて、１０は内燃機関のシリンダ室であり、１２は該シリンダ室内にて往復動するピストンであり、１４はピストンロッドである。シリンダ室１０の頂部には吸気ポート１６および排気ポート１８が設けられており、それぞれ電磁作動式の吸気弁２０および排気弁２２により開閉制御されるようになっている。これらの電磁作動式吸気弁および排気弁は、可変タイミングバルブとして作動することができるようになっていてよい。（但し、後述の抽気通路６４が設けられる場合にも可変タイミングバルブとして作動する必要はない。）２４は燃料噴射弁であり、２６は点火栓である。
【００１４】
排気ポート１８は排気管２８を経て過給機３０の排気タービン部の蝸牛状室３２に連結されている。蝸牛状室３２内へ導入された内燃機関の排気は可変ノズル３４よりタービンロータ３６の周りに吹きつけられ、その放射状ベーン３８の間を通ってタービン出口ポート４０へ流れる間にタービンロータに対し周方向の力を及ぼしてこれを回転駆動するようになっている。排気はこれより途中に触媒コンバータ４２を備えた排気通路４４を経て大気へ排出される。尚、この実施の形態では、可変ノズル３４が用いられているが、排気タービンに於けるノズルは必ず可変式でなければならないものではない。
【００１５】
タービンロータ３６はロータ軸４６により支持されており、ロータ軸４６は図には示されていないに軸受により過給機の枠体より支持されている。ロータ軸４６の他端には過給機の吸気コンプレッサを構成するインペラ４８が担持されている。インペラ４８はタービンロータ３６により駆動されるときエアクリーナ５０を経て吸気管５２内に吸入された空気をコンプレッサ吸入ポート５４より吸い込み、半径方向に付勢してコンプレッサの蝸牛状室５６へ送り込むことにより圧縮し、加圧された吸気として吸気管５８を経て吸気ポート１６へ送り込む。吸気管５８には途中にインタークーラ６０および吸気絞り弁６２が設けられている。吸気管５８には抽気通路６４の一端が接続されており、その他端はタービン出口ポート４０より下流側の排気通路４４に接続されている。抽気通路６４にはその開度を制御する抽気制御弁６６が設けられている。６８は排気ガス再循環通路であり、排気ガス再循環制御弁７０の制御の下に排気管２８の途中から排気の一部を抽出し、これを吸気管５８の途中に注入するようになっている。
【００１６】
過給機３０のロータ軸４６には、この実施の形態では電動発電機として構成された補助駆動手段７２の回転子７４が装着されており、その回りに配置された固定子７６と共働して、ロータ軸４６を電動駆動する電動機としても、またロータ軸４６がタービンロータ３６により駆動されることにより電力を発生する発電機としても作動し得るようになっている。
【００１７】
７８はマイクロコンピュータを組み込んだ電子制御装置（ＥＣＵ）であり、図には示されていない各種センサより機関の運転制御に必要な一連の信号Ｓを与えられると共に、吸気流量センサ８０より吸気管５２内を流れる吸気流量を示す信号を、また吸気圧センサ８２より過給機コンプレッサ出口の吸気圧に関する信号を与えられ、内燃機関の全体的運転を制御すると共に、本発明に係る過給機のサージ回避制御を行うようになっている。
【００１８】
図２は、図１に示す内燃機関の本発明による過給機サージ回避に関する制御の態様を一つの実施の形態について示すフローチャートである。かかるフローチャートによる制御は、電子制御装置７８に於いて内燃機関の運転開始と同時に開始され、数十ミリセカンドの如き所定のサイクルにて繰り返される。また図３は過給機等に使用される回転インペラ式コンプレッサの回転数の大小に伴う流量対圧力比の一般的特性を示す線図である。図中サージラインより左方の影を施された領域がサージを生ずるサージ領域である。
【００１９】
制御が開始されると、ステップ１にて吸気流量センサ８０および吸気圧センサ８２にて検出される吸気管５２を流れる吸気流量Ｑａと過給機コンプレッサ出口の吸気圧Ｐａの読み込みが行われる。次いでステップ２にてフラグＦが１であるか否かが判断される。フラグＦは制御の開始時に０にリセットされ、後述のステップ６にて１にセットされ、その時は更にその後のステップ１０にて再度０にリセットされるものである。従って、制御開始後に制御が初めてこのステップに至ったときには、答はノーであり、制御はステップ３へ進む。
【００２０】
ステップ３に於いては、ＱａとＰａから算出された吸気コンプレッサに於ける吸気流量と圧力比の関係が図３の線図に於ける関数ラインｆ１より左側の領域にあるか否かが判断される。そして答がイエスであれば、制御はステップ４へ進み、抽気弁６６が開かれ、さらに図１に示す実施の形態に於ける如く過給機の排気タービンが可変ノズルを備えているときには、ステップ５にて可変ノズルを解放し、排気タービンの出力を下げる制御行われる。抽気弁６６が開かれ、あるいは更にこれに加えて排気タービンの可変ノズル３４が解放されると、例えば図３の点ａにて関数ラインｆ１をその右方より左方へ向けて横切ろうとする状態にあった過給機は、矢印αにて示す方向にその作動状態が変わり、サージラインに近づくことから引き離される。このとき制御はステップ６にてフラグＦを１にセットする。尚、過給機の作動が関数ラインｆ１を越えてサージ領域に近づかない限りステップ３の答はノーであり、このときには、その回の制御はステップ３にて終了する。
【００２１】
ステップ４および５の実行が開始されると、その後はステップ２の答がイエスとなることによって、制御はステップ７へ進み、過給機の作動状態が図３でみて関数ラインｆ２より図にて左の状態にあるか否かが判断される。答がイエスである間、各回の制御はそのまま終了し、抽気弁６６を開き、可変ノズル３４を解放した状態での過給機の運転が続けられる。かかる運転が続けられると、過給機の作動点は図３で見て矢印α方向に更に変位し、やがて関数ラインｆ２を横切る点ｂの位置に至る。
【００２２】
過給機の作動点が関数ラインｆ２を横切ると、ステップ７に於ける答はイエスからノーに転じ、それより制御はステップ８へ進み、抽気弁６６が閉じられ、更にステップ９にて可変ノズル３４が作動状態に復帰され、過給機対するサージ回避のための特別の制御は終了する。このときステップ１０にてフラグＦが０にリセットされる。こうして過給機の作動点がサージ領域に対し関数ラインｆ２まで戻された後、制御は当初の状態にもどる。
【００２３】
以上に於いては本発明を一つの実施の形態について詳細に説明したが、かかる実施の形態について本発明の範囲内にて種々の変更が可能であることは当業者にとって明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるサージ回避制御手段を備えた過給機付き内燃機関の一つの実施の形態をその要部の構成について示す概略図。
【図２】図１に示す内燃機関の本発明によるサージ回避制御に関する制御態様を一つの実施の形態について示すフローチャート。
【図３】図２のフローチャートによるサージ回避制御を過給機コンプレッサの吸気流量対圧力比の線図上にて示す図。
【符号の説明】
１０…シリンダ室、１２…ピストン、１４…ピストンロッド、１６…吸気ポート、１８…排気ポート、２０…吸気弁、２２…排気弁、２４…燃料噴射弁、２６…点火栓、２８…排気管、３０…過給機、３２…タービン部の蝸牛状室、３４…可変ノズル、３６…タービンロータ、３８…放射状ベーン、４０…タービン出口ポート、４２…触媒コンバータ、４４…排気通路、４６…ロータ軸、４８…インペラ、５０…エアクリーナ、５２…吸気管、５４…コンプレッサ吸入ポート、５６…コンプレッサの蝸牛状室、５８…吸気管、６０…インタークーラ、６２…吸気絞り弁、６４…抽気通路、６６…抽気制御弁、６８…排気ガス再循環通路、７０…排気ガス再循環制御弁、７２…補助駆動手段、７４…回転子、７６…固定子、７８…電子制御装置、８０…吸気流量センサ、８２…吸気圧センサ
【図１】
2004251240.tif 000003
【図２】
2004251240.tif 000004
【図３】
2004251240.tif 000005