(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
自然吸気通路に該通路を開閉する制御弁が配設されていると共に、該制御弁の上、下流側を連通する過給通路が設けられ、かつ、該過給通路上に、空気を下流側通路内に旋回状態で吐出する遠心式過給機が配設され、所定の運転領域で前記制御弁を閉じた状態で該過給機を作動させるエンジンの過給装置であって、
前記過給通路の自然吸気通路に接続される下流端部が、過給機から吐出される空気の旋回流が自然吸気通路の下流側を指向するように、その軸線を自然吸気通路の軸線に対してオフセットさせて接続されていることを特徴とするエンジンの過給装置。
【請求項２】
前記請求項１に記載のエンジンの過給装置において、
軸線をオフセットさせて過給通路の下流端部を自然吸気通路に接続することにより生じる両通路のオーバラップ部分に両通路を連通させる連通口を設けると共に、該連通口の開口面積が過給通路の通路断面積とほぼ等しくなるように、前記オフセット量が設定されていることを特徴とするエンジンの過給装置。
【請求項３】
前記請求項１または請求項２に記載のエンジンの過給装置において、
過給通路の下流端部の端面に、該通路の上流側を指向させて燃料噴射弁が設置されていることを特徴とするエンジンの過給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気を旋回状態で吐出する遠心式過給機を有するエンジンの過給装置に関し、エンジンの吸気システムの技術分野に属する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、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やエンジン自体の回転により、或いは電動機によって駆動されて、吸気を燃焼室に過給する過給機を備えた吸気システムがある。例えば、特許文献１には、自然吸気通路に該通路を開閉する制御弁を配設すると共に、該制御弁の上、下流側を連通する過給通路を設けて、該過給通路上に過給機を配設し、所定の運転領域で前記制御弁を閉じた状態で該過給機を作動させるように構成した吸気システムが開示されている。
【０００３】
ところで、この種の過給機として、空気を下流側通路内に旋回状態で吐出する遠心式過給機が用いられることがある。図１２に示すように、この遠心式過給機２００は、略円錐形のブロア２０１と、該ブロア２０１に対向させて中央に空気入口２０２ａが設けられていると共にブロア２０１の外周面を取り巻くように吐出通路２０２ｂを形成するハウジング２０２とを有している。該ハウジング２０２の空気入口２０２ａは過給通路の上流側に連通し、前記ブロア２０１が回転することにより該過給通路から吸い込まれた空気Ａ１が前記吐出通路２０２ｂの接線方向に送られる。このとき、ブロア２０１側から吐出通路２０２ｂには、該吐出通路内に旋回流Ａ２を形成しつつ円滑に空気が導入されることになる。そして、吐出通路２０２ｂは過給通路の下流側に連通し、吐出通路２０２ｂ内の空気の旋回流Ａ２が過給通路の下流側に旋回状態を維持しながら送出される。
【特許文献１】特開２００４−３４６９１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、このような遠心式過給機を用いた場合、図１３、１４に示すように、自然吸気通路２１０に対して過給通路２２０が直角方向から接続するように構成されているときに、接続部の通気抵抗が問題になる。即ち、旋回流が過給通路２２０から自然吸気通路２１０に導入した直後に、両通路の接続部近傍において乱流アや自然吸気通路２１０の上流側を指向する空気流イなどが生じて円滑な導入が図れず、この結果、旋回流の運動エネルギが自然吸気通路２１０の下流側方向への空気流の運動エネルギに変換される際に損失が生じ、過給効率が低下する。
【０００５】
これに対して、過給通路の遠心式過給機下流側の通路長を増大させ、旋回流が十分に減衰してから自然吸気通路に導入させるように構成することが考えられるが、通路長の増大は過給応答性の低下や、吸気システムの大型化を招く。
【０００６】
そこで、本発明は、遠心式過給機を備えたエンジンの過給装置において、過給の応答性を確保し、吸気システムの大型化を回避しながら、通気抵抗を低減させ、過給効率を向上させることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するため、本発明は次のように構成したことを特徴とする。
【０００８】
まず、本願の請求項１に記載の発明は、自然吸気通路に該通路を開閉する制御弁が配設されていると共に、該制御弁の上、下流側を連通する過給通路が設けられ、かつ、該過給通路上に、空気を下流側通路内に旋回状態で吐出する遠心式過給機が配設され、所定の運転領域で前記制御弁を閉じた状態で該過給機を作動させるエンジンの過給装置であって、前記過給通路の自然吸気通路に接続される下流端部が、過給機から吐出される空気の旋回流が自然吸気通路の下流側を指向するように、その軸線を自然吸気通路の軸線に対してオフセットさせて接続されていることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明は、前記請求項１に記載のエンジンの過給装置において、軸線をオフセットさせて過給通路の下流端部を自然吸気通路に接続することにより生じる両通路のオーバラップ部分に両通路を連通させる連通口を設けると共に、該連通口の開口面積が過給通路の通路断面積とほぼ等しくなるように、前記オフセット量が設定されていることを特徴とする。
【００１０】
そして、請求項３に記載の発明は、前記請求項１または請求項２に記載のエンジンの過給装置において、過給通路の下流端部の端面に、該通路の上流側を指向させて燃料噴射弁が設置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
まず、請求項１に記載の発明によれば、所定の運転領域において、制御弁を閉じた状態で遠心式過給機が作動すると、該過給機により吐出された空気の旋回流が過給通路の下流端部で自然吸気通路に導入される。このとき、過給通路の自然吸気通路に接続される下流端部が、過給機から吐出された空気の旋回流が自然吸気通路の下流側を指向するように、その軸線を自然吸気通路の軸線に対してオフセットさせて接続されているので、空気の旋回流は接続部近傍において乱流を生じることなく円滑に自然吸気通路に導入される。この結果、過給通路の通路長を短く設定して過給応答性の確保及び吸気システムの小型化を図ることができると共に、通気抵抗が低減され、過給効率を向上させることができる。
【００１２】
一方、過給通路の軸線に対して自然吸気通路の軸線をオフセットさせると、両通路の側部同士が重なり合うオーバーラップ部分が生じ、このオーバーラップ部分に連通口が設けられるのであるが、オフセット量に応じて連通口の開口面積は変化する。即ち、オフセット量が大きくなるに従って、連通口の開口面積は減少するが、この開口面積の減少は絞りとなって、過給通路から自然吸気通路へ十分に空気が導入されないことになる。また、逆にオフセット量が小さくなるに従って、前記開口面積は大きくなるが、過給機から吐出された空気の旋回流の指向方向が自然吸気通路の下流側方向からずれることになって、前記請求項１に記載の発明による作用効果が得られない。
【００１３】
このような問題に対し、請求項２に記載の発明によれば、連通口の開口面積が過給通路の通路断面積とほぼ等しくなるようにオフセット量が設定されているので、絞りによる通気抵抗の発生が防止されると共に、前記請求項１の発明における過給機から吐出された空気の旋回流が自然吸気通路の下流側を指向することによる通気抵抗の低減作用が確保され、過給効率を効果的に向上させることができる。
【００１４】
請求項３に記載の発明によれば、前述のように自然吸気通路と過給通路との軸線がオフセットされているので、過給通路の下流端部の端面に容易に燃料噴射弁を取り付けることができる。そして、遠心式過給機から吐出された空気の旋回流は、壁面に近い部分ほど空気流速が速いので、旋回流の中に噴射された燃料が空気とよく混合して管壁面に付着し難くなる。また、燃料噴射弁は、過給通路の上流側を指向させて設置されているので、噴射された燃料と旋回流との速度差が大きくなって、燃料と空気の混合がより促進される。これらの結果、燃料が早期に気化すると共に、過給空気が効果的に冷却され、燃焼室に対する充填効率が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００１６】
図１に、本実施の形態に係るエンジンの吸気システム１を示す。この吸気システム１は、新気が導入される自然吸気通路１０を有し、該自然吸気通路１０には、上流側からエアクリーナ１１、該通路１０を開閉する制御弁１２、スロットル弁１３、サージタンク１４が設けられ、該サージタンク１４から各気筒＃１〜＃４に連通する複数の独立吸気通路１５…１５が分岐されている。該独立吸気通路１５…１５には、燃料を噴射する下流インジェクタ１６…１６が備えられている。また、自然吸気通路１０における前記制御弁１２の上流、下流を連通する過給通路２０が設けられ、該過給通路２０には遠心式過給機３０が配設されている。
【００１７】
図２に示すように、前記過給通路２０は、自然吸気通路１０の制御弁１２の上流側から分岐して伸びる上流部２１と、下流端部２２ａで自然吸気通路１０の制御弁１２の下流側に連通する下流部２２とを有している。そして、前記上流部２１と下流部２２との間には前記遠心式過給機３０が配置されている。
【００１８】
前記遠心式過給機３０は、略円錐形のブロア３１と、該ブロア３１に対向させて中央に空気入口３２ａが設けられていると共にブロア３１の外周面を取り巻くように吐出通路が形成されたハウジング３２と、前記ブロア３１の回転軸３１ａを回転させる駆動源３３とを有している。前記空気入口３２ａは、過給通路２０の上流部２１の下流端に接続され、吐出通路の下流端部に設けられた吐出口３２ｂは、下流部２２の上流端に接続されている。
【００１９】
前記過給通路２０の下流部２２は、下流端部２２ａにおいて自然吸気通路１０に対して、両通路１０，２２の軸線ｘ、ｙがほぼ直角方向になる状態で、溶接により接続されている。ここで、図３に示すように、過給通路２０の下流部２２は、その軸線ｙが自然吸気通路１０の軸線ｘに対してオフセットして接続されている。つまり、両通路１０，２２の軸線ｘ、ｙは、平行に配置された２つの平面上にそれぞれ位置することになり、この結果、両通路１０，２２の側部同士が重なり合うオーバーラップ部分が生じる。このオーバーラップ部分に対応して両通路１０，２２の壁には開口が設けられ、これらの開口によって両通路１０，２２の連通口２３が形成されている。
【００２０】
一方、両通路１０，２２のオフセット量ｚに応じて連通口２３の開口面積Ｓ１は変化することになる。即ち、オフセット量ｚが大きいほど開口面積Ｓ１は小さくなり、オフセット量ｚが小さいほど開口面積Ｓ１は大きくなる。ここでは、開口面積Ｓ１が過給通路２０の下流部２２の通路断面積Ｓ２と略同一になるようにオフセット量ｚが設定されている。
【００２１】
また、このように両通路１０，２２の軸線ｘ、ｙがオフセットして接続されている結果、過給通路２０の下流部２２の下流端部２２ａに端面２２ｂが形成されることになる。この端面２２ｂは、比較的厚みが大きく形成されていると共に、噴射口が下流部２２の上流側を指向するように上流インジェクタ１７が取り付けられている。
【００２２】
ところで、図１に示すように、エンジン全体を制御するエンジンコントロールユニット１００に、エンジン負荷を検出するものとしてアクセル４０ａの踏込み量を検出するアクセル開度センサ４０からの信号、エンジン回転数を検出するエンジン回転数センサ４１からの信号等が入力されるようになっている。
【００２３】
そして、エンジンコントロールユニット１００は、これらの入力信号に基いて、スロットル弁１３を開閉駆動するスロットルアクチュエータ４２、下流インジェクタ１６…１６、上流インジェクタ１７、吸気システムコントローラ１０１などに各種の制御信号を出力する。吸気システムコントローラ１０１は、エンジンコントロールユニット１００から入力された制御信号に応じて吸気システム１の各機器を制御するようになっている。
【００２４】
即ち、吸気システムコントローラ１０１は、制御弁１２を開閉駆動する制御弁アクチュエータ４３、過給機コントローラ１０２などに制御信号を出力する。該過給機コントローラ１０２は、前記遠心式過給機３０の駆動源３３を制御することによりブロア３１の回転数を制御する。また、過給機コントローラ１０２に電力を供給するバッテリ５０とエンジン駆動により発電を行うオルタネータ５１とが備えられ、バッテリ５０はオルタネータ５１で発電した電力を蓄電するようになっている。
【００２５】
ところで、図４に示すように、前記エンジンコントロールユニット１００には、各運転領域が設定された制御マップが記憶されている。このマップには、高回転側及び低負荷低回転側に自然吸気領域が設定され、高負荷低回転側に過給領域が設定されている。
【００２６】
自然吸気領域では、エンジンコントロールユニット１００は、吸気システムコントローラ１０１を介して制御弁１２を開くための信号と、下流インジェクタ１６…１６に燃料噴射させるための信号とを出力する。
【００２７】
過給領域では、エンジンコントロールユニット１００は、吸気システムコントローラ１０１を介して制御弁１２を開くための信号と、該吸気システムコントローラ１０１及び電動過給機コントローラ１０２を介して遠心式過給機３０に電力供給を行わせるための信号と、下流インジェクタ１６…１６及び上流インジェクタ１７に燃料噴射させるための信号とを出力する。
【００２８】
以上のような構成の吸気システム１によれば、自然吸気領域では、エンジンコントロールユニット１００から制御弁１２を開く信号が出力されているので、制御弁１２が開かれ、自然吸気通路１０に導入された空気がスロットル弁１３の開度に応じて各気筒＃１〜＃４の燃焼室に供給される。このとき、図５に示すように、自然吸気のみによって、高回転で大きなエンジントルクを出力する出力特性が得られる。
【００２９】
また、過給領域では、エンジンコントロールユニット１００から制御弁１２を閉じる信号が出力されているので、制御弁１２が閉じ、自然吸気通路１２に導入された空気が過給通路２０の上流部２１に導入される。また、遠心式過給機３０を作動させる信号が出力されているので、上流部２１に導入された空気はブロア３１の回転により空気入口３２ａを介してハウジング３２内の吐出通路に吸入されることになる。そして、この吐出通路においては、ブロア３１側から接線方向に空気が圧送されるようになっており、該吐出通路内で空気の旋回流が形成される。次に、この吐出通路内の空気の旋回流が吐出口３２ｂを介して下流部２２に送出される。下流部２２に導入された空気の旋回流は、旋回状態を維持しながら下流端部２２ａに至り、連通口２３を介して自然吸気通路１０の制御弁１２の下流側に導入され、各気筒＃１〜＃４の燃焼室に供給される。このとき、図５に示すように、中、低回転において、過給によるエンジントルクの増大作用が得られ、自然吸気のみによる低回転側のトルクが補われることになる。
【００３０】
そして、過給時において、過給通路２０の下流部２２から自然吸気通路１０に空気の旋回流が導入される際の空気の流れ方について図６、７を用いて説明する。
【００３１】
前述のように、両通路１０，２２の軸線ｘ、ｙがオフセットして接続されているので、遠心式過給機３０から吐出されて下流部２２の下流端部２２ａにある空気の旋回流Ａ２は、連通口２３から自然吸気通路１０の下流側を指向した状態で導入されることになる。この結果、自然吸気通路１０への導入直後に該通路１０の下流側に流れる空気流ウが形成されることになって、旋回流のエネルギから自然吸気通路１０の下流側方向へ流れる空気流のエネルギへの変換の際の損失がなくなり、円滑な導入が実現される。このとき、過給通路２０の下流部２２から自然吸気通路１０への空気の導入の際の乱流の発生が防止され、通気抵抗が低減することにより過給効率の向上が実現される。しかも、空気の旋回流を減衰させる必要がないので、過給通路２０の下流部２２の通路長を短く設定することができ、過給応答性の確保及び吸気システム１の小型化を図ることができる。
【００３２】
ところで、過給通路２０の下流部２２の軸線ｙに対する自然吸気通路１０の軸線ｘのオフセット量ｚが大きくなるに従って、両通路１０，２２のオーバーラップ部分に設けられた連通口２３の開口面積Ｓ１は減少することになるが、この開口面積Ｓ１の減少は絞り、つまり通気抵抗となって、下流部２２から自然吸気通路１０へ十分に空気が導入されないことになる。逆にオフセット量ｚが小さくなるに従って、前記開口面積Ｓ１は大きくなるが、遠心式過給機３０から吐出された空気の旋回流の指向方向が自然吸気通路１０の下流側方向からずれることになって、両通路１０，２２の接続部近傍における乱流等による通気抵抗が問題になる。
【００３３】
これに対して、連通口２３の開口面積Ｓ１が過給通路２０の通路断面積Ｓ２とほぼ等しくなるようにオフセット量ｚが設定されているので、絞りによる通気抵抗の発生が防止されると共に、前述のように過給機２１から吐出された空気の旋回流が自然吸気通路１０に導入した際に該通路１０の下流側を指向することによる通気抵抗の低減作用が確保され、過給効率が一層向上することになる。なお、前記開口面積Ｓ１と通路断面積Ｓ２とは、状況に応じて必ずしも同一でなくてもよい。
【００３４】
一方、過給時には、エンジンコントロールユニット１００は、下流インジェクタ１６…１６及び上流インジェクタ１７に燃料噴射させる信号を出力するようになっている。このとき、上流インジェクタ１７により噴射された燃料が各気筒＃１〜＃４に分散供給されることになるが、各気筒＃１〜＃４に供給される燃料の量にはばらつきがあり、これを補正するために下流インジェクタ１６から適宜燃料噴射されるようになっている。
【００３５】
このように上流インジェクタ１７により燃料噴射を行うことにより、過給された空気の温度を低下させることができる。しかも、遠心式過給機３０から吐出された空気の旋回流は、壁面に近い部分ほど空気流速が速いので、旋回流の中に噴射された燃料が空気とよく混合して下流部２２の壁面に付着し難い。また、上流インジェクタ１７は、下流部２２の上流側を指向させて設置されているので、噴射された燃料と旋回流との速度差が大きくなって、燃料と空気の混合がより促進される。これらの結果、燃料を早期に気化させることができると共に、過給された空気を効果的に冷却することができ、燃焼室に対する充填効率が向上する。また、上流インジェクタ１７は、過給通路２０の下流部２２の端面２２ｂに容易に取り付けることができる。
【００３６】
さらに、従来、自然吸気通路１０にインタークーラを設け、過給された空気を冷却することが行われているが、自然吸気通路１０にこのような容積の大きなものが設けられている場合、過給応答性の低下が問題になる。これに対して、前述のように燃料を過給通路２０の下流部２２に噴射し、過給機３０から吐出された空気の熱を燃料の気化熱として作用させることによって、過給の応答性を低下させることなく過給された空気の温度を低下させることができる。
【００３７】
ここで、管内を所定方向に進行する空気の旋回流に対して、該旋回流の進行方向に対向するようにインジェクタから燃料噴射が行われた場合（逆方向噴射）と、旋回流の進行方向と同方向にインジェクタから燃料噴射が行われた場合（正方向噴射）とを比較した実験について説明する。
【００３８】
まず、図８（ａ）に示すように、逆方向噴射では、燃料噴射直後はインジェクタの噴射口付近で液滴が密集している。そして、図８（ｂ）に示すように、所定時間経過後、液滴は旋回流によって通路の径方向に分散すると共に通路の長手方向に幅Ｌ１で分散する。
【００３９】
一方、図９（ａ）に示すように、正方向噴射では、燃料噴射直後は逆方向噴射と同様にインジェクタの噴射口付近で液滴が密集している。そして、図９（ｂ）に示すように、所定時間経過後、液滴は通路の径方向に分散すると共に、通路の長手方向に、前記逆方向噴射のときの幅Ｌ１よりも小さな幅Ｌ２で分散する。
【００４０】
このような逆方向噴射と正方向噴射において、時間経過に対する液適量、即ち蒸発しないまま残留する燃料の液適量を比較したグラフを図１０に示す。これによると、時間ゼロにおいて燃料噴射が開始され、逆方向、正方向噴射共に燃料噴射が終了するまで液適量が増加し、噴射終了後に液適量が減少することが示されている。ここで、逆方向噴射においては燃料噴射終了時に正方向噴射に比べて液適量の最大値が小さくなっており、より多くの燃料が燃料噴射中に既に蒸発していることがわかる。また、燃料噴射後、逆方向噴射は正方向噴射に比べての液適量の減少率が大きく、燃料が早期に蒸発していることがわかる。
【００４１】
また、逆方向噴射と正方向噴射とで、時間経過に対する吸気温度を比較したグラフを図１１に示す。これによると、逆方向噴射は正方向噴射に比べて空気の温度を早期に下降させることが示されている。逆方向噴射においては、過給された空気の熱が燃料の蒸発のためにより多く消費されるので、空気の温度を早期に下降させることができるのである。
【００４２】
なお、本実施の形態で示した遠心式過給機３０は電気的にブロア３１が回転する構造の過給機であるが、これに限らず、排気通路に配置されたタービンの動力でブロアが回転するターボチャージャや、クランク軸の動力でブロアが回転するスーパーチャージャであってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、空気を旋回状態で吐出する遠心式過給機を有するエンジンの過給装置に関し、自動車産業に広く好適である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施の形態に係る吸気システムの全体図である。
【図２】同吸気システムの正面図である。
【図３】図２の矢印Ａ−Ａ線による断面図である。
【図４】エンジンの運転領域を示すマップである。
【図５】エンジンの出力特性の説明図である。
【図６】空気の旋回流が自然吸気通路に導入されるときの空気の流れ方の説明図である。
【図７】図６の矢印Ｂ−Ｂ線による断面図である。
【図８】逆方向噴射の説明図である。
【図９】正方向噴射の説明図である。
【図１０】逆方向噴射及び正方向噴射の時間に対する液適量のグラフである。
【図１１】同時間に対する吸気温度のグラフである。
【図１２】遠心式過給機の説明図である。
【図１３】従来の問題点の説明図である。
【図１４】図１３の矢印Ｃ−Ｃ線による断面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１          吸気システム
１０        自然吸気通路
１２        制御弁
１７        上流インジェクタ
２０        過給通路
２２ａ      下流端部
２２ｂ      端面
２３        連通口
３０        遠心式過給機
Ｓ１        開口面積
Ｓ２        通路断面積
ｘ、ｙ      軸線
ｚ          オフセット量
【図１】
0004524653.tif 000002
【図２】
0004524653.tif 000003
【図３】
0004524653.tif 000004
【図４】
0004524653.tif 000005
【図５】
0004524653.tif 000006
【図６】
0004524653.tif 000007
【図７】
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【図８】
0004524653.tif 000009
【図９】
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【図１０】
0004524653.tif 000011
【図１１】
0004524653.tif 000012
【図１２】
0004524653.tif 000013
【図１３】
0004524653.tif 000014
【図１４】
0004524653.tif 000015