(57)【要約】【課題】車両の発進時及び加速時に、減速時に蓄積した圧縮空気を用いて、過給補助することができて、発進時や加速時の空気不足に起因する燃焼状態の悪化によるエンジン燃費や出力性能及び排気ガス性能の悪化を防止でき、燃費の改善と排気ガス成分の低減を図ることができる、内燃機関、及び内燃機関の過給方法を提供する。【解決手段】本発明は、車両が減速状態のときに空気圧縮機２１を駆動して圧縮空気Ａｐをエアタンク２２に貯蔵する圧縮空気貯蔵システムと共に、過給補助用過給機２４をターボチャージャ１６のコンプレッサ１６ａが配置された吸気通路１２に設けられ、かつ、この過給補助用過給機２４はシャフト連結のエアモータ２３がエアタンク２２からの圧縮空気Ａｐで駆動され、更に過給補助用過給機２４をバイパスする迂回路２５と、吸気の流れを過給補助用過給機２４か迂回路２５に切り替える通路開閉弁２６を有する過給補助システムを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボ式過給システムを有する内燃機関において、空気圧縮機を備えて減速状態のときに該空気圧縮機を駆動して圧縮空気をエアタンクに貯蔵する圧縮空気貯蔵システムと過給補助用過給システムを備え、その過給補助用過給システムの過給補助用過給機はターボ式過給システムのコンプレッサが配置された吸気通路に設けられ、かつ、前記エアタンクからの圧縮空気で駆動されるエアモータと、前記過給補助用過給機をバイパスする迂回路と、吸気の流れを前記過給補助用過給機へ通す流れと前記迂回路を通す流れに切り替える流路切り替え機構とを有する過給補助システムを備えたことを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記過給補助用過給機と前記迂回路と前記流路切り替え機構を、前記コンプレッサの下流側に設けた請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
当該内燃機関を制御する制御装置が、当該内燃機関の運転状態が減速状態にあると判定したきには、前記空気圧縮機を作動させて圧縮空気を前記エアタンクに蓄圧し、当該内燃機関を搭載した車両が発進若しくは加速すると判定したときには、前記エアタンクに蓄圧されている圧縮空気で前記過給補助用過給機を駆動し、予め設定したエンジン負荷やエンジン回転数の閾値を超えた加速判定時において、かつ、予め設定した目標エンジンブーストに対して下回った状態が離脱したとき、若しくは、前記エアタンク内の圧縮空気の圧力が予め設定した下限圧力以下になったときに、圧縮空気による前記過給補助用過給機の駆動を停止する制御を行うように構成された請求項１又は２に記載の内燃機関。
【請求項４】
ターボ式過給システムを有する内燃機関の過給方法において、減速状態で空気圧縮機を作動させて圧縮空気をエアタンクに蓄積すると共に、当該内燃機関を搭載した車両の発進若しくは加速のときに、前記ターボ式過給システムのコンプレッサと直列に吸気通路に配設された過給補助用過給機を前記エアタンクからの圧縮空気で駆動して、過給補助することを特徴とする内燃機関の過給方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はターボ式過給システムを有する内燃機関を搭載した車両において、当該ターボと直列に追加配置した過給補助装置を車両減速時に製造した圧縮空気を有効に使用して作動させることで燃費と排ガスの改善に寄与させる、内燃機関及び内燃機関の過給方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、トラックやバス等の車両に搭載されるディーゼルエンジン等の内燃機関に対する排ガス規制は年々厳しくなっている。これに対応するために、ターボ式過給システムの装備や、内燃機関の小排気量化等による小型化の技術が採用されてきている。
【０００３】
このターボ式過給システムでは、一つ又は二つ以上のターボ式過給機を取り付けて、内燃機関の排気ガスのエネルギーを利用して、このターボ式過給機のタービンを回転駆動し、このタービンに駆動されるコンプレッサで、吸気を圧縮して、気筒内に供給される空気量を増加させている。これにより、エンジン性能を改善している。また、内燃機関の小排気量化による高出力化では、単位出力あたりのフリクションを低減することで燃費の改善を図っている。
【０００４】
しかしながら、内燃機関の排気ガス性能の評価方法は、従来の定常試験モードから、急速な発進や加速を繰り返す過渡試験モードに変更されてきており、過渡時における排気ガス性能が重要になってきている。また、一方で、エンジン高出力・小排気量化の内燃機関において、過渡排ガス性能試験時や発進時などで、ターボの応答遅れ等により十分な排気ガス性能やエンジン性能を発揮できずに、エンジンの目標性能を達成できない場合が生じるという問題がある。
【０００５】
これに関連して、ブレーキ時の質量的慣性エネルギーをフライホイルの慣性回転に蓄えるか、あるいは、ブレーキ時の制動力をターボ式過給機とは別の圧縮機を用いて圧縮空気を発生させてエアタンクに蓄え、車両の発進加速時や低速からの加速時におけるターボ過給機の作動遅れを改善するために、圧縮空気で補助タービン翼に噴射してターボの回転を補助する・蓄えた圧縮空気を吸気管内に噴出加圧する・などによりターボ過給機の急速な回転上昇を得る回生ブレーキが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
しかしながら、この回生ブレーキの構成では、減速時の慣性力でコンプレッサを稼働しているが、減速比が非常に大きく構造上の成立が困難であるという問題があり、またターボに補助タービンを取り付けて改善を図る狙いに対しては、補助タービンを取り付けたことで補助タービンを使用していない通常のターボ効率が大幅に低下し、こちらも性能及び構造として成立は困難である。
【０００７】
また、吸気通路を分岐して、ターボ式過給機の主インペラ（コンプレッサ）を備えた主空気流路と、エアモータによって駆動される副インペラ（コンプレッサ）を備えた副空気流路を並列に配置し、合流後の吸気通路にエアチャジクーラを配置し、エアモータを蒸気圧縮式冷凍機のコンプレッサから吐出される高圧の冷媒ガスで駆動する自動車エンジン用過給装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００８】
しかしながらこの自動車エンジン用過給装置では、主空気流路と副空気流路のいずれかを選択して使用するので、エンジンが低速で回転する排気の量が少ないときに副空気流路が選択されてエアモータが作動するとき、流路を切り替えるために合流部に配置されたダンパ（切り替えバルブ）が作動すると、主インペラ（コンプレッサ）の出口側が完全に閉じられるためにターボ式過給機がサージ状態に入りターボ式過給機が破損するという問題がある。またターボとエアモータが並列回路のため、直列に配置した場合に対しエアモータの駆動力は大きくなり、有効な燃費改善効果が得られにくい問題点がある。更に、このコンプレッサ作動も減速時などを有効に利用して作動しないため、これにかかる駆動損失量によっては燃費改善にならないことも予想される。
【０００９】
一方、本発明者は内燃機関のシリンダ内に噴射される実燃料噴射量を求めており、該実燃料噴射量が増加しているときにはエンジン加速状態にあると判定、一定であるときにはエンジン定常状態にあると判定、減少またはゼロであるときはエンジン減速状態にあると判定すると共に、これらの３つのエンジン状態とエアタンク内の圧力の状態との組み合わせによりエアコンプレッサによる圧縮空気の製造と製造停止を制御する内燃機関のエアコンプレッサ制御の最適化を提案している（例えば、特許文献３参照）。この内燃機関では、エアコンプレッサの作動を主に減速時に作動させることにより高効率で高圧空気を蓄圧しており、圧縮空気の蓄積に電力やエンジンの動力を使用しないため、内燃機関に対して燃費悪化の影響を全く及ぼしていない。
【００１０】
さらに本発明者は、ターボ過給システムに加えて、クラッチを介して内燃機関の動力で駆動される機械式過給機を給気通路に設け、吸気マニホールド側への空気の流れを許容する逆止弁を有して機械式過給機を迂回するバイパス通路を設けた内燃機関において、過給圧と吸入空気量において内燃機関のエンジン回転数と燃料噴射量に基づいて算出した各目標値よりも小さい時に各計測値が各目標値になるように、クラッチを接続して機械的過給機による過給を行う内燃機関を提案している（例えば、特許文献４参照）。この内燃機関では、発進時や加速時にエンジン過給量不足や各状態を検出するシステムと、効率よく機械式過給機を作動するシステム構造を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平０８−１７５２１６号公報
【特許文献２】実開昭６３−１１２２２８号公報
【特許文献３】特開２０１２−１０３２号公報
【特許文献４】特開２０１１−１１１９２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
近年、燃費改善を狙いエンジンの小型化（小排気量化）で高出力化を行うことで、単位出力あたりのフリクションを低減し、燃費の改善を狙う技術を採用する傾向にある。しかし同時に激しい発進時や加速時にエンジン排気量の低下により燃費や排ガスの悪化が見られ、これを対策するためターボを用いた過給システムの採用が流行であるが、ターボの応答遅れなどにより問題が残っている。
【００１３】
本発明者は上記のことを鑑みて、少なくとも一つ以上のターボ式過給機を有するターボ式過給システムを備えた内燃機関に対し、電力やエンジンの動力を使用しない圧縮空気貯蔵システムと、発進時や加速時にエンジン過給量不足や各状態を検出するシステムと、吸気ライン上でターボ式過給機のコンプレッサと直列になるように設けたエアモータ駆動の過給機とを組み合わせて、内燃機関を搭載した車両の発進時や加速時に、圧縮空気蓄積システムからの圧縮空気で過給機を駆動して過給補助、即ち、過給アシストすることにより、発進時や加速時における空気不足に起因する燃焼悪化で出力性能や排気ガス性能が劣化することを防止でき、排気ガス成分の低減や燃費の改善を図ることができるとの知見を得た。
【００１４】
本発明の目的は、ターボ式過給システムを有する内燃機関を搭載した車両の発進時及び加速時に、減速時に蓄積した圧縮空気を用いて作動する補助過給機をターボ式過給機のコンプレッサと直列に配置し作動させることで当該エンジンに過給の補助をすることで、車両の発進時や加速時における空気不足に起因する燃焼状態の悪化によるエンジン出力性能の悪化や排気ガス性能の劣化防止が可能となり、燃費の改善及び排気ガス成分の低減を図ることができる内燃機関及び内燃機関の過給方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の目的を達成するための本発明の内燃機関は、ターボ式過給システムを有する内燃機関において、空気圧縮機を備えて減速状態のときに該空気圧縮機を駆動して圧縮空気をエアタンクに貯蔵する圧縮空気貯蔵システムと過給補助用過給システムを備え、その過給補助用過給システムの過給補助用過給機はターボ式過給システムのコンプレッサが配置された吸気通路に設けられ、かつ、前記エアタンクからの圧縮空気で駆動されるエアモータと、前記過給補助用過給機をバイパスする迂回路と、吸気の流れを前記過給補助用過給機へ通す流れと前記迂回路を通す流れに切り替える流路切り替え機構を有する過給補助システムを備えて構成される。
【００１６】
この構成によれば、ターボ式過給システムでターボラグが発生する可能性があるときに、圧縮空気で駆動される過給補助用過給機で過給補助することができるので、ターボラグを回避でき、この内燃機関を搭載した車両の発進時や加速時における空気不足に起因する燃焼状態の悪化によるエンジン出力性能の悪化防止や、燃費改善及び排気ガス成分の低減を図ることができる。
【００１７】
更に、過給補助用過給機は減速時にチャージ作動により得た圧縮空気を利用して回転するエアモータで駆動するため、電力や燃料を消費せず燃費に悪影響を及ぼすことなく過給補助することができる。この過給補助は、ターボラグ回避のためのごく短時間、例えば０秒〜３秒程度の間の過給補助であり圧縮空気の消費流量は非常に小さく、車両運転時における圧縮空気消費収支も成立している。
【００１８】
本提案システムには流路切り替え機構を配置した迂回路を備えている。過給補助用過給機を作動させない通常運転時ターボから過給する空気は過給補助用過給機を通過せずに迂回路を通ることで圧力損失による燃費悪化を防止している。一方、過給補助用過給機が作動した状態では過給補助用過給機で過給された吸気がこの迂回路を経由して過給補助用過給機の上流側に逆流することを防止するため、途中に切り替え機構（逆止バルブ）を備えてある。
【００１９】
迂回路は二種類の配置方法を提案している。過給補助用過給機と切り替え機構を備えた迂回路を過給補助用過給機のコンプレッサの下流側に設けて構成すると過給補助用過給機で過給された吸気はダイレクトにエンジン気筒内に入り良好な過給応答性を確保できる。一方、過給補助用過給機を過給補助用過給機と切り替え機構を備えた迂回路を過給補助用過給機のコンプレッサの上流側に設けた場合は、前者配置に対し若干の過給応答性に遅れが生じるが、過給アシストの効果は得られるので、両システムを提案するものである。
【００２０】
尚、圧縮空気を得るために使用される空気圧縮機（エアコンプレッサ）は、一般的には内燃機関の出力軸からギヤやベルト等により取り出した駆動力により作動させるが、その他の方法で作動させてもよいが、既報（特許文献３参照）で示した減速時チャージシステムが必要である。
【００２１】
制御システムのアルゴリズムとして、当該内燃機関を制御する制御装置が当該内燃機関の運転状態が減速状態にあると判定したときには積極的に前記空気圧縮機を作動させて圧縮空気を前記エアタンクに蓄圧し、逆に当該内燃機関を搭載した車両が発進若しくは加速すると判定したときには、前記エアタンクに蓄圧されている圧縮空気で前記過給補助用過給機を駆動し、予め設定した供給時間、または実験データより構築した制御プログラムシステム（特許文献４参照）により発信される制御停止指示により前記過給補助用過給機の駆動を停止させ、燃費改善に有効な効果を得ている。
【００２２】
つまり、減速状態にあるときに内燃機関の回生エネルギーで圧縮空気をエアタンクに貯蔵することにより、電力や燃料を使用することなく過給補助することができる。従って、燃費に悪影響を及ぼすことなく過給補助することができる。また、ターボ式過給システムでターボラグが発生する可能性があるときに、この過給補助により、ターボラグを回避でき、空気不足に起因する燃焼状態の悪化でエンジン出力性能の悪化や排気ガス性能の劣化を防止できる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の内燃機関及び内燃機関の過給方法によれば、この内燃機関を搭載した車両の減速時に蓄積した圧縮空気を用いて作動させる過給補助用過給システムを、車両の発進時及び加速時にターボ式過給機のコンプレッサと直列に過給補助用過給機を配置し作動させることで当該内燃機関の過給補助を行い、発進時や加速時における空気不足に起因する燃焼状態の悪化によるエンジン出力性能の悪化や排気ガス性能の劣化を防止し、排気ガス成分の低減や燃費の改善を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【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。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関及び内燃機関の過給方法について、図１を用いて示す。尚、図１と図２は本提案の過給補助システムの配置を当該内燃機関に備わっているターボの上流側か下流側に配置させた内容である。
【００２６】
本発明の第１実施の内燃機関１０Ａは、エンジン本体１１と吸気通路１２と排気通路１３とＥＧＲ通路１４を備えている。
【００２７】
このエンジン本体１１の吸気マニホールド１１ａに接続する吸気通路１２には、上流側より順に、エアクリーナ１５、ターボチャージャ１６のコンプレッサ１６ａ、エアチャジクーラ１７が設けられる。また、エンジン本体１１の排気マニホールド１１ｂに接続する排気通路１３には、上流側より順に、ターボチャージャ１６のタービン１６ｂが設けられる。また、ＥＧＲ通路１４は、吸気マニホールド１１ａと排気マニホールド１１ｂを接続して設けられ、このＥＧＲ通路１４には、上流側より順にＥＧＲクーラ１８とＥＧＲバルブ１９とが設けられている。尚、この順番は逆になる、上流側より順にＥＧＲバルブ１９、ＥＧＲクーラ１８でも可能である。
【００２８】
そして、本発明においては、内燃機関１０Ａで駆動される空気圧縮機（エアコンプレッサ）２１とこの空気圧縮機２１で圧縮された圧縮空気Ａｐを貯蔵するエアタンク２２を有する圧縮空気貯蔵システムを備えて構成される。この空気圧縮機２１は、内燃機関１０Ａの運転状態が減速状態であるときに優先して駆動される。つまり、減速状態のときに、第１開閉弁２２ａを開弁し、第２開閉弁２２ｂを閉弁して、この空気圧縮機２１を駆動して圧縮空気Ａｐをエアタンク２２に貯蔵する。尚、空気圧縮機（エアコンプレッサ）２１は大型商用車両に一般に取り付けられている既存技術の内容である。
【００２９】
更に本発明においては、このエアタンク２２からの圧縮空気Ａｐで駆動されるエアモータ２３と、このエアモータ２３で駆動される過給補助用過給機２４と、通路開閉弁２６を配設した迂回路２５を有する過給補助システムを備えて構成される。このエアモータ２３と過給補助用過給機２４はシャフトで連結されており、またエアモータ２３は内部に複数の羽を有したエアで回転するモータで今日幅広い範囲で量産されている既存の技術のモノである。この通路開閉弁２６は、吸気通路１２の吸気の流れを、補助過給機２４を通す流れと、迂回路２５を通す流れに切り替える流路切り替え機構として機能し、電動で制御する機構でも、また特別な制御を持たない差圧により作動するバタフライ式でも成立が可能である。後者の場合、過給補助用過給機２４が作動しない場合はエンジン１１及びターボチャージャ１６のコンプレッサ１６ａからの負圧により通路開閉弁２６は自動的に開き、逆に過給補助用過給機２４が作動した状態では過給補助用過給機２４の出口圧力と、迂回路２５の圧力差によりメカニカル的に閉鎖されるシステムとして機能する。
【００３０】
この内燃機関１０Ａが搭載された車両の発進時や加速時、即ち、内燃機関１０Ａのエンジン負荷若しくはエンジン回転数の急激な上昇を伴う過渡状態で過給補助が必要な状態と判断されたときに、第１開閉弁２２ａは閉弁された状態で、第２開閉弁２２ｂを開弁して、エアタンク２２から圧縮空気Ａｐを供給してエアモータ２３を駆動し、このエアモータ２３で過給補助用過給機２４を駆動して過給補助(過給アシスト)を行う。
【００３１】
なお、第１の実施の形態の内燃機関１０Ａでは、図１に示すように、過給補助用過給機２４及び、通路開閉弁２６を有する迂回路２５は、コンプレッサ１６ａの下流側に設けられ、第２の実施の形態の内燃機関１０Ｂでは、図２に示すように、補助用過給機２４と通路開閉弁２６を有する迂回路２５は、コンプレッサ１６ａの上流側に設けられる。
【００３２】
この構成により、第１の実施の形態の内燃機関１０Ａでは、過給補助用過給機２４で過給された吸気は、コンプレッサ１６ａを通過することなく、気筒内に入るので、迅速に過給された吸気をエンジン気筒内に供給することができる。一方、第２の実施の形態の内燃機関１０Ｂでは、過給補助用過給機２４で過給された吸気は、コンプレッサ１６ａを通過してからエンジン気筒内に入るので、過給応答性では前者が優位ではあるが本発明の効果は両者とも確保が可能なシステムである。
【００３３】
この内燃機関１０Ａ、１０Ｂを制御する制御装置４０は、吸気通路１２に配設された吸気量センサ（ＭＡＦ）３１、過給圧センサ３２、エンジン回転数センサ３３、タンク空気圧センサ３４、燃料噴射ノズル(制御フィードバック付き)３５、などからの入力を基にして、燃料噴射ノズルの制御を始め、ターボ式過給機１６、ＥＧＲ弁１９、空気圧縮機２１、第１開閉弁２２ａ、第２開閉弁２２ｂ、エアモータ２３、過給補助用過給機２４、通路開閉弁２６等を制御する。
【００３４】
本発明においては、この制御装置４０は、内燃機関１０Ａ、１０Ｂを搭載した車両が減速状態にあると判定したときには、空気圧縮機２１を作動させて圧縮空気Ａｐをエアタンク２２に蓄圧し、内燃機関１０Ａ、１０Ｂを搭載した車両が発進若しくは加速すると判定したときには、エアタンク２２に蓄圧されている圧縮空気Ａｐで過給補助用過給機２４を駆動し、予め作動状態をプログラムした状態（予め設定したエンジン負荷やエンジン回転数の閾値を超えた加速判定時において、かつ、予め試験結果より設定した目標エンジンブーストに対して下回った状態）から離脱したとき、若しくは、圧縮空気Ａｐの圧力が予め設定した下限圧力以下になったときに、圧縮空気Ａｐによる過給補助用過給機２４の駆動を停止する制御を行うように構成される。
【００３５】
そして、本発明に係る実施の形態の内燃機関の過給方法は、ターボ式過給システムを有する内燃機関の過給方法であり、減速状態で空気圧縮機２１を作動させて圧縮空気Ａｐをエアタンク２２に蓄積すると共に、内燃機関１０Ａ、１０Ｂを搭載した車両の発進若しくは加速のときに、ターボ式過給システムのコンプレッサ１６ａと直列に吸気通路１２に配設された過給補助用過給機２４をエアタンク２２からの圧縮空気Ａｐで駆動して、過給補助する方法である。
【００３６】
上記の構成の内燃機関１０Ａ、１０Ｂ及び内燃機関の過給方法によれば、ターボ式過給システムでターボラグが発生する可能性があるときに、圧縮空気Ａｐで駆動される過給補助用過給機２４で過給補助することができるので、この過給補助によりターボラグを回避でき、この内燃機関を搭載した車両の発進時や加速時における空気不足に起因する燃焼悪化によるエンジン出力性能の悪化や排気ガス性能の劣化を防止でき、燃費の改善及び排気ガス成分の低減を図ることができる。
【００３７】
更に、過給補助用過給機２４は圧縮空気Ａｐを使用してエアモータ２３で駆動するので、電力や燃料を使用することなく過給補助することができ、燃費に悪影響を及ぼすことなく過給補助することができる。この過給補助は、ターボラグ回避のためのごく短時間、例えば０秒〜３秒程度の間の過給補助であり圧縮空気の消費流量は非常に小さく、車両運転時における圧縮空気消費収支も成立している。
【００３８】
なお、この迂回路２５と通路開閉弁２６により、過給補助を行わないときには、吸気の流れを迂回路２５へ通す流れにして、過給補助用過給機２４を迂回することで過給補助用過給機２４による流通抵抗の増加を防止できる。また、過給補助を行うときには、通路開閉弁２６を閉じられることで迂回路２５が閉鎖され、過給補助用過給機２４で過給された吸気がこの迂回路２５を経由して過給補助用過給機２４の上流側に逆流することを防止できる。
【００３９】
また、減速状態にあるときに、内燃機関１０Ａ、１０Ｂの回生エネルギーで圧縮空気Ａｐをエアタンク２２に貯蔵することで、電力や燃料を使用することなく過給補助することができ、燃費に悪影響を及ぼすことなく過給補助することができる。
【符号の説明】
【００４０】
１０Ａ、１０Ｂ  エンジン（内燃機関）
１１  エンジン本体
１１ａ  吸気マニホールド
１１ｂ  排気マニホールド
１２  吸気通路
１３  排気通路
１４  ＥＧＲ通路
１５  エアクリーナ
１６  ターボチャージャ
１６ａ  コンプレッサ
１６ｂ  タービン
１７  エアチャジクーラ
１８  ＥＧＲクーラ
１９  ＥＧＲバルブ
２１  空気圧縮機
２２  エアタンク
２２ａ  第１開閉弁
２２ｂ  第２開閉弁
２３  エアモータ
２４  過給補助用過給機
２５  迂回路
２６  通路開閉弁
３１  吸気量センサ（ＭＡＦ）
３２  過給圧センサ
３３  エンジン回転数センサ
３４  タンク空気圧センサ
３５  燃料噴射ノズル(制御フィードバック付き)
４０  制御装置
Ａｐ  圧縮空気
【図１】
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【図２】
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