(57)【要約】  【課題】過給機が付帯した内燃機関において、気筒に充填される吸気温度の一層の低下やノッキングの発生の抑制を図る。  【解決手段】吸気通路上に設けられ吸気を圧縮する第１のコンプレッサと、吸気通路における前記第１のコンプレッサよりも下流側に設けられ吸気により駆動されて吸気を受けて回転する吸気タービンと、吸気通路における前記第１のコンプレッサよりも上流側に設けられ前記吸気タービンにより駆動されて吸気を圧縮する第２のコンプレッサとを具備する構成を採用する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気通路上に設けられ吸気を圧縮する第１のコンプレッサと、
吸気通路における前記第１のコンプレッサよりも下流側に設けられ吸気により駆動されて吸気を受けて回転する吸気タービンと、
吸気通路における前記第１のコンプレッサよりも上流側に設けられ前記吸気タービンにより駆動されて吸気を圧縮する第２のコンプレッサと
を具備する内燃機関。
【請求項２】
前記吸気タービンと前記第２のコンプレッサとの組が可変ターボとなっている請求項１記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、過給機が付帯した内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、吸気通路上に配したコンプレッサにより吸気を加圧圧縮する過給機を備えた内燃機関が周知である。この種の内燃機関の吸気通路上におけるコンプレッサの下流には、圧縮した空気を冷却するための空冷式又は水冷式のインタークーラが設けられることが通例である（例えば、特許文献１を参照）。
【０００３】
インタークーラは、吸気を冷却してより密度の高い吸気を気筒内に供給する働きをする。しかし、インタークーラによる吸気の冷却は外気又は冷却水を利用して行われることから、吸気を最大限冷却した場合でも吸気の温度は外気温程度であり、吸気をそれ以上冷却することは困難であった。
【０００４】
また、運転領域によっては、ノッキングやプレイグニッションといった異常燃焼が起こりやすくなるため、敢えてスロットルバルブの開度を絞り異常燃焼の発生を抑制している。だが、スロットル開度を縮小することは、過給による仕事を無駄にし、かつポンピングロスの増大を招くことにつながる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−１４０６９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、過給機が付帯した内燃機関において、気筒に充填される吸気温度の一層の低下を図ること、ひいてはノッキングの発生を抑制することを所期の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る内燃機関は、吸気通路上に設けられ吸気を圧縮する第１のコンプレッサと、吸気通路における前記第１のコンプレッサよりも下流側に設けられ吸気により駆動されて吸気を受けて回転する吸気タービンと、吸気通路における前記第１のコンプレッサよりも上流側に設けられ前記吸気タービンにより駆動されて吸気を圧縮する第２のコンプレッサとを具備する。
【０００８】
このようなものであれば、吸気タービンで吸気を膨張させることにより、気筒に供給される吸気の温度の低下を促すことができる。さらに、吸気タービンにより第２のコンプレッサを駆動することで、吸気系としてのエネルギ回収効率を維持できる。
【０００９】
特に、前記吸気タービンと前記第２のコンプレッサとの組が可変ターボとなっているものであれば、可変ノズルの開度を操作することで気筒に供給される吸気の量を調整することも可能となる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、過給機が付帯した内燃機関において、気筒に充填される吸気温度の一層の低下を図ることができ、ひいてはノッキングの発生を抑制することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態における車両用内燃機関の全体構成を示す図。
【図２】同実施形態の吸気タービンの入口を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。本実施形態における内燃機関は、火花点火式の４ストロークエンジンであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。各気筒１の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。点火プラグ１２は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。
【００１３】
吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、第２のコンプレッサ６１、第１のコンプレッサ５１、インタークーラ３５、吸気タービン６２、吸気絞り用のバルブである電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。
【００１４】
排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２、排気タービン５２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。加えて、排気タービン５２を迂回する排気バイパス通路４３、及びこのバイパス通路４３の入口を開閉するバイパス弁であるウェイストゲートバルブ４４を設けてある。
【００１５】
前記排気タービン５２と前記第１のコンプレッサのインペラ５１とは、シャフト５３を介して同軸で連結されて連動するようになっており、これら排気タービン５２と第１のコンプレッサ５１との組が排気ターボ過給機５として機能する。そして、排気タービン５２及び第１のコンプレッサのインペラ５１を排気のエネルギを利用して回転駆動し、その回転力を以て第１のコンプレッサにポンプ作用を営ませることにより、吸入空気を加圧圧縮（過給）して気筒１に送り込む。
【００１６】
一方、前記吸気タービン６２と前記第２のコンプレッサのインペラ６１とは、シャフト６３を介して同軸で連結されて連動するようになっている。そして、吸気タービン６２及び第２のコンプレッサのインペラ６１を吸気のエネルギを利用して回転駆動している。これら吸気タービン６２と第２のコンプレッサ６１との組が、可変ターボ６となっている。具体的には、図２に示すように、タービン６２の周囲に複数個の可変ノズル（ノズルベーン）６４１をそれぞれピン６４２を中心に回動可能に配設してなる容量変更機構６４を備えている。各可変ノズル６４１が同期して回動することにより、各可変ノズル６４１の角度（個々のノズルベーン６４１間の空隙の開度）を増減させることができ、結果、タービン６２に吹き当たる吸気の流速が変化して吸気圧が上下する。可変ノズル６４１の回動はアクチュエータ６４３によって惹起している。このアクチュエータ６４３は、ＥＣＵ０からの制御信号ｍを受ける。前記図２において、符号６５は、タービン６２を収納するタービンハウジングである。
【００１７】
本実施形態の内燃機関の制御装置たるＥＣＵ０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。
【００１８】
入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるクランク角信号ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（いわば、要求負荷）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、ブレーキペダルの踏込量を検出するセンサから出力されるブレーキ踏量信号ｄ、吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧を検出する吸気温・吸気圧センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｅ、内燃機関の冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｆ、吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号ｇ、バッテリの充電状態を示唆する指標（バッテリ電流及び／またはバッテリ電圧）を検出するセンサから出力されるバッテリ状態信号ｈ等が入力される。
【００１９】
出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタに対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ、ウェイストゲートバルブ４４に対して開度操作信号ｌ、容量変更機構６４のアクチュエータ６４３に対して開度操作信号ｍ等を出力する。
【００２０】
ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量等に基づき、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミング、ウェイストゲートバルブ４４の開度、可変ノズルの開度等といった各種運転パラメータを決定する。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌ、ｍを出力インタフェースを介して印加する。
【００２１】
ここで、前記エアクリーナ３１を通過した吸気は、以下のようにして吸気通路３内を流通する。すなわち、吸気が前記エアクリーナ３１を通過すると、第２のコンプレッサ６１及び第１のコンプレッサ５１により圧縮され、温度が上昇する。その後、インタークーラ３５を通過して冷却された後吸気タービン６２に達し、この吸気タービン６２内において膨張することによりさらに温度が低下する。吸気タービン６２内において吸気が膨張することによる仕事により第２のコンプレッサ６１が駆動される。そして、前記吸気タービン６２を通過した吸気は、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を順次通過して気筒１内に導かれる。
【００２２】
本実施形態の構成によれば、以下に述べる効果が得られる。すなわち、排気ターボ過給機５の第１のコンプレッサ５１により圧縮された後インタークーラ３５を通過して外気温程度まで冷却された吸気が、可変ターボ６の吸気タービン６２内で膨張することによりさらに冷却されるので、外気温を下回る温度領域まで吸気温度を低下させることができる。このことから、燃焼室内の温度上昇が抑制され、ノッキング等の異常燃焼が起こりにくくなる。ひいては、スロットルバルブ３２の開度を絞り異常燃焼の発生を抑制する制御を行う回数も減少することから、ポンピングロスの削減による燃費の向上を図ることも可能となる。そして、吸気タービン６２により第２のコンプレッサ６１を駆動することで、吸気系としてのエネルギ回収効率を維持できる。
【００２３】
また、前記吸気タービン６２と前記第２のコンプレッサ６１との組が可変ターボ６となっているので、可変ノズル６４の開度を操作することで気筒１に供給される吸気の量を調整することも可能となる。
【００２４】
なお、本発明は以上に述べた実施形態に限らない。
【００２５】
例えば、上述した実施形態では、第１のコンプレッサは、排気タービンにより駆動され、この排気タービンとの組が排気ターボ過給機となっているが、第１のコンプレッサがクランクシャフトやモータ等により駆動されるスーパーチャージャを含む内燃機関に本発明を適用してもよい。
【００２６】
また、吸気タービンと第２のコンプレッサとの組が可変ターボである必要はない。
【００２７】
さらに、吸気通路におけるインタークーラよりも下流側に吸気タービンを設ける態様でなく、前記インタークーラよりも上流側に吸気タービンを設ける態様を採用してもよい。
【００２８】
その他、本発明の趣旨を損ねない範囲で種々に変更してよい。
【符号の説明】
【００２９】
３…吸気通路
５１…第１のコンプレッサ
６…可変ターボ
６１…第２のコンプレッサ
６２…吸気タービン
【図１】
2017066892.tif 000003
【図２】
2017066892.tif 000004