JP2000500544A - ４サイクル内燃エンジンのための過給エアシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 この発明は、４サイクル内燃エンジン(54,66,74,90)のためのエアを過給するためのシステムに関し、ここに、エンジン(54,66,74,90)の排気ポート及び吸気ポートに排気ガス駆動式ターボチャージャー(56,156,76,96,196)が連結されている。電動モータ駆動式コンプレッサ(62,68,84,114)の出口は、ターボチャージャー(56,156,76,96,196)のエアコンプレッサ部分の入口又は出口のいずれかに連結されており、並列の連結態様でエアの量を増量し、或いは、直列の連結態様で圧力を増大する。電動モータ駆動式コンプレッサ(62,68,84,114)を使用することで、エンジンの加速性を高め、エンジンの背圧を低下させ及び未燃焼燃料を少なくする。

Description

【発明の詳細な説明】 ４サイクル内燃エンジンのための過給エアシステム 技術分野 この発明は、ターボチャージャーと電動モータ駆動式コンプレッサの両者を含 み、４サイクル内燃エンジンに過給エアを送るための方法及び装置に関する。背景技術 今日、４サイクル内燃エンジンにあっては、パワー出力を高め、燃料消費を減 らすために、ターボチャージャーを使用することが一般的に行われている。スパ ーク点火及びディーゼルの両エンジンはターボチャージャーを使用することが効 果的であり、ディーゼルエンジンの場合には、後冷却を含む過給を行うことによ って、所与のシリンダ排気量のエンジンのパワー出力を簡単に倍増させることが できる。ターボチャージャーは幾十年かの発展を経ているが、ハイスピードのデ ィーゼル及びガソリンエンジンに用いられている最近のターボチャージャーは、 製造コストが安く、効率が良く、また、非常に耐久性のある大量生産品である。 ターボチャージャーは、さもなければ廃棄されるものである排気ガスエネルギ を使用するものであるが、エンジン排気系に排気ガスタービンを組み付けると、 このタービンの前後で十分な圧力降下を発生させてターボチャージャーのコンプ レッサを駆動するのに十分なパワーを発生させるために、エンジンシリンダの平 均背圧を高めることが必要である。この背圧は、シリンダの中に残留する燃焼ガ スを排気バルブを介して外に排出させるときにピストンの上昇動を抑えるように 働くのでエンジンのポンピングロスを大きくしてしまう。比較的高い全体効率の ターボチャージャーを使用しても、４サイクルエンジンでのターボチャージャー による高圧過給によって引き起こされる背圧のレベルは非常に高い。ターボチャ ージャータービンが原因の背圧を小さくすることのできる何らかの手段を採用す ることで、エンジン性能を大幅に改善することができる。例えば、ディーゼルエ ンジンは、所望のエンジンパワー出力を達成するのに大気圧の2.5倍の圧力比を 必要とする場合、単一のターボチャージャーによれば排気系に大気圧の約２倍の 背圧を与えてしまう。 高出力エンジンでは、今日、複数のターボチャージャーを直列に使用するのが 一般的である。２つのコンプレッサを直列に配置すると、過給エアの圧力比は、 個々のコンプレッサの圧力比の積である。先に述べたように、直列のコンプレッ サを使用すると、これらの圧力比を乗算する結果となるので、単一のターボチャ ージャーで発生することのできる過給圧を越えた高い過給圧をエンジンに供給す ることができる。例えば、高出力エンジンが、大量品の単一のターボチャージャ ーの能力を越えている圧力比4.5を必要とする場合、直列のターボチャージャー では、圧力比2.1の低圧ステージと、圧力比2.15の高圧ステージとを必要とし、 その積が全体で圧力比4.51になる。このことは、排気ガスの背圧を相当に上昇さ せる。発明の開示 本発明の理解を助けるために本発明を要約して述べると、本発明は、４サイク ル内燃エンジンのためのターボチャージャー及び電動モータ駆動式コンプレッサ の両者を含む過給エアシステムに関する。このモータ駆動式コンプレッサは、エ ンジンの要請に応じて、タービン駆動コンプレッサの入口に加圧エアを送るか、 これと並列にタービン駆動式コンプレッサの出口に加圧エアを送って、高い圧力 又は高い流量を達成する。 本発明の一つの目的及び効果は、ターボチャージャーコンプレッサと直列にモ ータ駆動式コンプレッサを使用することによって、エンジンの背圧を低めること ができることにある。 本発明の他の目的及び効果は、一方のターボチャージャーをモータ駆動式コン プレッサに置換し、同時に、低い排気背圧によってエンジンの性能を改善するこ とによって、高出力ターボエンジンのコストを下げることのできるモータ駆動式 コンプレッサを提供することある。第２ステージとしてのターボチャージャーコ ンプレッサの圧力比が3.0であれば、モータ駆動式コンプレッサの圧力比は1.5で よい。その圧力比の積は、高出力エンジンの要求圧力比である4.5になる。 他の目的及び利点は、モータ駆動式コンプレッサの使用によって、自然給気４ サイクルエンジンの性能を改善する方法を提供することにある。このコンプレッ サを駆動するのに外部の動力源を用いることによって、ターボチャージャーのよ うに排気系に背圧を与えることなく、エンジンを過給することができる。かくし て、過給エアの密度を高めることで、燃料を効率よく燃焼させることができ、エ ンジン排気の中の、大気に排出する有害物質を少なくするという望ましい効果が ある。 本発明の他の目的及び利点は、瞬時のスロットル開放の際のターボチャージャ ーコンプレッサのタイムラグを補償することにより、また、ターボチャージャー コンプレッサとエンジンとの間のエンジン吸気管に直接的に接続された補助的な 電動コンプレッサを設けることによって、ターボチャージャー４サイクルエンジ ンの性能を改善する方法を提供することにある。 新規であると信じられる本発明の特徴を特に請求の範囲に記載する。この発明 は、その構成及び動作のやり方の両者に関して、本発明の更なる目的及び利点と 共に、以下の説明を参照することによって明確に理解できるであろう。図面の簡単な説明 図１は、４サイクルエンジンの直列のターボ過給に関する従来のシステムの一 つを示す。 図２は、モータ駆動式コンプレッサをターボチャージャーコンプレッサと直列 に配置した４サイクルエンジンに関する本発明の過給エアシステムの第１の好ま しい実施例を概略的に示す。 図２Ａは、モータ駆動式コンプレッサをモータアシスト式ターボチャージャー コンプレッサと直列に配置した４サイクルエンジンのための、本発明の過給エア システムの第２の好ましい実施例を概略的に示す。 図３は、エンジンを過給するのにモータ駆動式コンプレッサを使用した４サイ クルエンジンのための、本発明の過給エアシステムの第３の好ましい実施例を概 略的に示す。 図４は、モータ駆動式コンプレッサをターボチャージャーコンプレッサと並列 に配置した４サイクルエンジンのための、本発明の過給エアシステムの第４の好 ましい実施例を示す。 図５は、モータ駆動式コンプレッサをターボチャージャーコンプレッサと並列 或いは直列のいずれでも使用することのできる４サイクルエンジンのための、本 発明の過給エアシステムの第５の好ましい実施例を示す。 図６は、モータ駆動式コンプレッサをモータアシスト式ターボチャージャーコ ンプレッサと並列或いは直列のいずれでも使用することのできる４サイクルエン ジンのための、本発明の過給エアシステムの第６の好ましい実施例を示す。本発明の実施のためのベストモード 図１に概略的に断面して従来の内燃エンジンを示し、このエンジンの全体を１ ０で示す。エンジン１０は、シリンダブロック１２を有し、このシリンダブロッ ク１２の中にシリンダ１４が設けられている。この場合、シリンダ１４は、直立 した軸線を有する。ピストン１６は、シリンダ１４の中で、クランク１８の制御 によって上下に往復運動する。クランク１８は、クランクシャフトの軸線回りに 回転し、また、連結ロッド２０によってピストン１６に連結されている。クラン クシャフト及び連結ロッド２０はクランクケース２２の中に収容され、このクラ ンクケース２２は、エンジン１０の下側部分を潤滑するためのオイルを収容する 。通常、複数のシリンダ１４がクランクシャフトに沿って設けられる。 シリンダブロック１２のシリンダ１４は、シリンダヘッド２４によって覆われ る。このシリンダヘッド２４は、吸気マニホールド２６を有し、また、吸気バル ブ２８を支持しており、この吸気バルブ２８は、シリンダ１４へのエアの流れ又 はエアと燃料の混合気の流れを制御する。シリンダヘッド２４は、また、各シリ ンダ毎の排気ポート３０を有する。排気ポート３０は、排気バルブ３２によって 制御される。各シリンダ毎の吸気バルブ２８及び排気バルブ３２の開閉は、これ らバルブを制御するカムシャフトとクランクシャフトとの機械的な相互連結によ ってピストン１６の動きに同調される。燃料は、燃料噴射ノズル３４を介して、 適当なタイミングでシリンダ１４の中に導入される。幾つかの場合では、燃料は 、吸気バルブ２８を介してエア及び燃料の混合気としてシリンダ１４の中に投入 される。 シリンダへ導入されるエアの量を多くすることにより、また、これに応じた燃 料の増量によって、エンジン１０の出力パワーを適当に大きくすることができる 。同時に、エンジン効率が良くなり、単位燃料当たりの仕事が増す。付加的なエ アを供給するために、遠心コンプレッサ３６は、吸気ポート２６に連結された出 口管３８を備えている。しかしながら、エンジン１０が大気圧の４.５倍の吸気 マニホールド圧つまり4.5の圧力比を要求する場合に、このような圧力比は、単 一の遠心コンプレッサの能力を超えている。２つの遠心コンプレッサを直列に使 用すればよい。第１の遠心コンプレッサ４０は、第１ステージのコンプレッサで あって適当なエアフィルタを介して大気への入口４２を備えている。コンプレッ サ４０からの出口管４４は、コンプレッサ３６の入口に連結されており、従って 、このコンプレッサ３６は第２ステージのコンプレッサになる。直列のコンプレ ッサを使用することにより、圧力比を倍増することができる。例えば、４.５の 圧力比を要求するエンジンでは、低圧ステージの遠心コンプレッサ２０は２.１ の圧力比で作動し、高圧ステージでは、2.15の圧力比で作動すればよい。これに より、合計で4.51の圧力比を得ることができる。 直列に連結された遠心コンプレッサは、直列に連結された排気ガスタービン４ ６、４８によって駆動される。排気ポート３０は、排気管５０を介して、第１ス テージのタービン４６に連結されている。第１ステージのタービン４６の出口は 、排気管５２によって、第２ステージの排気ガスタービン４８に連結されている 。タービン４８は大気に排気する。この直列に連結された排気ガスタービン４６ は、排気ポートに大きな背圧を与え、この高い背圧によってエンジンのポンピン グロスが増大する。排気ガスタービン４６は、遠心コンプレッサ３６を駆動する ために直接的に連結されている。排気ガスタービン４８は、遠心コンプレッサ４ ０を駆動するために直接的に連結されている。 図２に示す４サイクル内燃エンジン５４は上記のエンジン１０と同一である。 ターボチャージャー５６は排気ガスタービン５８を有し、このタービン５８は、 エンジンからの熱い排気ガスを受け入れるように連結されて排気ガスを膨張させ て大気に排出する。タービン５８は遠心コンプレッサ６０を駆動し、加圧エアを エンジン５４の吸気ポートに送る。この排気ガスタービン５８のロータは、遠心 コンプレッサ６０のロータを駆動するように直接的に連結されている。 本発明にあっては、直列に連結した圧縮システムを作るために、遠心コンプレ ッサ６２の圧縮エアの出口が、遠心コンプレッサ６０の入口に連結されている。 遠心コンプレッサ６２は電動モータ６４によって駆動される。電動モータ６４は 、例えばブースト圧センサ及び／又はスロットルセンサからの入力信号に応じて 動力源６９からの動力を供給するコントローラ６７によって制御される。かくし て、コンプレッサ６０、６２は直列に配置されているが、第１ステージのコンプ レッサ６２が排気ガスタービンによって駆動されないので、排気ガスの背圧を上 昇させない。直列のターボチャージャーの一方をモータ駆動コンプレッサに置換 することで、一つのターボチャージャーだけがエンジンの排気系に配置され、エ ンジンの背圧が実質的に減じられるので、機械的な構成を簡素化することができ る。例えば、ディーゼルエンジンが所望のエンジン出力を得るのに大気圧の２. ５倍の圧力比を必要とする場合には、単一のターボチャージャーでは排気系に大 気圧の約２倍の背圧を与える。しかしながら、ターボチャージャーコンプレッサ に連ねてモータ駆動コンプレッサ６２を使用すれば、モータ駆動コンプレッサ６ ２によって圧力比１.３及びターボチャージャーコンプレッサ６０によって圧力 比1.92を作ることで、２.５の要求圧力比を実現することができる。ターボチャ ージャーコンプレッサ６０の過給圧力比を2.5から1.92に減じることによって、 大気圧の約１.５倍まで排気の背圧を下げることができる。したがって、エンジ ンのポンピングロスが相当に下がり、その結果、燃料消費の低減又は高出力或い はその両者を実現することができる。モータ駆動コンプレッサ６０は、要求信号 、吸気マニホールド圧、エンジン回転数などによって制御され、上述のような効 果を奏するだけでなく、排気ガスを浄化することができる。 図２に示すシステムの作動は、図２Ａに例示するようなモータアシスト式ター ボチャージャーを付加することによって高められる。モータアシスト式ターボチ ャージャー及びその作動は、１９９６年７月１６日に出願された出願番号０８／ ６８０，６７１の米国特許出願に開示されている。 図２Ａに示すターボチャージャー１５６（タービン１５８及び遠心コンプレッ サ１６０を含む）は、その内部に、適当な入力信号に応じて制御手段６７によっ て賦勢されるモータジェネレータ１５６ａを有する。例えば、エンジンが低速低 負荷運転状態にあるとき、制御手段６７に信号を送るのにブースト圧センサを用 いることができる。エンジンに加速を要求されると、ブースト圧センサ又はスロ ットルセンサが入力信号を発生してコントローラ６７に送り、モータ駆動コンプ レッサ及びターボチャージャーの中のモータが共に賦勢されて、加速の間、増量 したエアを供給する。適当なエアを供給するのに十分な速さでターボチャージャ ーが作動すると、両方のモータの賦勢が減じられて外部の力を求める必要性を除 くために、モータアシスト式ターボチャージャー１５６の中のモータ１５６ａか らロータ回転数信号がコントローラ６７に送られる。 加えて、エンジン高回転及び高負荷で最大のパワーが要求されたときには、タ ーボチャージャーの内部モータジェネレータ１５６ａがコントローラ６７によっ てその賦勢が減じられ、その一方で、モータ駆動コンプレッサは賦勢され続ける 。この状態は、先に説明した図２の直列のコンプレッサの構成に対応する。 図３は、エンジン１０と同じ内燃エンジン６６を示す。この実施例では、遠心 コンプレッサ６８が吸気マニホールド７０によって吸気ポートに連結されている 。コンプレッサ６８は、電動モータ７２によって駆動され、エンジンに過給エア を送る。制御系６７は、モータ７２及び電力源６９に接続されており、エンジン の急加速が予測されると、コンプレッサ６８がモータ７２によって駆動される。 エンジンアイドル又は低負荷低回転状態でのエンジン吸気マニホールドの中のブ ースト圧を供給するためには、モータ駆動コンプレッサ６８は所定の最低の回転 数に維持される。したがって、エンジンの加速が要求されたときの付加的な燃料 を噴射する前に、シリンダの中に相当の量のエアを存在させることができる。加 速の開始時の増量したエア充填によって、エンジン高回転に達するまでの過渡時 間を相当に減じることができ、燃料を完全に燃焼させることができ、エンジンの 有害成分の量を実質的に減じることができる。モータ駆動コンプレッサ６８は、 要求信号、吸気マニホールド圧、エンジン回転数などによって制御され、上述の ような効果を奏するだけでなく、排気ガスを浄化することができる。 遠心コンプレッサの直列の連結を図２に示す。エンジン５４をスタートさせ、 或いは、アイドル運転しているときには、タービン５８への排気ガスの流れが全 くないか、加速のために十分なエアを送るには十分な回転数でターボコンプレッ サを動かすことができない最小量の排気ガスしかタービン５８に流入しないとい う問題がある。このようなときのコンプレッサ６２の使用は役立つが、低速で作 動するときのコンプレッサ６０による空気抗力によって、しばしば、エンジンは 急速に加速できない。このため、図４に示す内燃エンジン７４は、ターボコンプ レッサ７６と、これと並列に連結された電動モータ駆動式コンプレッサ８４とを 備えている。ターボコンブレッサ７６は、排気管からの排気ガスの流れを受け入 れ、この排気ガスを膨張させて大気に排出する。これにより遠心コンプレッサを 駆動し、管７８、リードバルブ８０を通じて、加圧エアを吸気マニホールド８２ に送る。これと並列に、遠心コンプレッサ８４は電動モータ８６によって駆動さ れ、リードバルブ８８を介してエアをマニホールド８２に送る。 この並列に連結したターボコンプレッサ７６と電動モータコンプレッサ８４の 構成は、急激なスロットル開動作の際のターボチャージャーコンプレッサ７６の タイムラグを補償することにより、ターボチャージャーコンプレッサ７６とエン ジン７４との間のエンジン吸気管に直結された電動補助コンプレッサ８４を設け ることにより、４サイクルターボ過給ャエンジンの性能を改善する。電動コンプ レッサ８４からターボチャージャー７６を通る加圧エアの逆流は、圧力作動式逆 止弁８０によって防止される。ターボコンプレッサによって十分な回転数が得ら れると、その圧力の出力は、加圧エアをエンジンのマニホールドに入ることを許 容する逆止弁８０に打ち勝つ。ターボコンプレッサ７６から電動コンプレッサ８ ４を通るエアの逆流は、圧力作動式の第２逆止弁８８によって防止される。圧力 センサ、回転数センサ、要求センサを備えた適当なモータコントローラを使用す れば、モータ８６をタイムリーにオン／オフ切り替えさせることができる。 図５に示すエンジン９０は、エンジン１０と同じである。ターボコンプレッサ と直列に連結された電動モータ駆動式コンプレッサと一緒に、エンジン駆動遠心 コンプレッサを駆動する排気ガス駆動式タービンを使用することは、図２に関し て述べたとおりである。並列に連結した電動モータ駆動式コンプレッサと共に排 気ガス駆動式ターボコンプレッサを使用することは、図２に関して述べたとおり である。このことから理解できるように、ある作動条件では直列に連結したエア 系が望ましいが、他の作動条件では、並列の連結が望ましい。図５は、電動モー タ駆動式遠心コンプレッサの出口を、選択的に、排気駆動式ターボコンプレッサ と並列又は直列に連結するように配管を連結する方法を示す。排気管９２は、タ ーボチャージャー９６の排気ガスタービン部分９４に連結されている。ターボチ ャージャーの遠心コンプレッサ９８は、エンジン９０の吸気マニホールド１００ に連結された加圧エア出口を有する。吸気マニホールド１００は、在来の方法で 吸気ポートに連結されている。吸気マニホールド１００には、コンプレッサ９８ からのエアの流れを吸気ポートに向かう下流方向だけ許容するリードバルブ１０ ２が配置されている。このマニホールド１００には、コンプレッサ９８へのエア の流量を決定するための率センサ１０４が配置されている。この率センサ１０４ は、後に説明する制御系の中で使用される。ターボコンプレッサ９８への流入エ アは、２つの源のいずれかから導入される。Ｙ字管１０６がターボコンプレッサ ９８に連結されている。Ｙ字管１０６の一方の枝管は、エアクリーナ１０８から 吸気管１１０を通じてこのＹ字管１０６に連なるように連結されている。吸気管 １１０には、この吸気管１１０を開閉するバタフライバブル１１２が配設されて いる。 遠心コンプレッサ１１４は電動モータ１１６によって駆動される。このコンプ レッサ１１４は、エアクリーナ１０８から吸気管１１８を通じて吸い込みを行う 。この吸気管１１８はＴ字管によって吸気管１１０に連結されている。コンプレ ッサ１１４からの加圧エアは、リードバルブ１２２を備えた出口管１２０に吐出 され、この出口管１２０は、Ｔ字管を介して、リードバルブ１２２の下流の吸気 マニホールド１００に連結されている。したがって、コンプレッサ９８、１１４ は、吸気マニホールド１００に吐出する際に並列に作動することができる。更に 、出口管１２４は、出口管１２０に対してＴ字状に連結されており、また、Ｙ字 管１０６の他方の枝管に連結されている。バタフライバルブ１２６は出口管１２ ４に配設されて、この出口管１２４を選択的に閉じる。この２つのバタフライバ ルブ１１２、１２４は互いに連結されて、同じアクチュエータ１２８によって作 動され、一方のバタフライバルブが閉じられると、他方のバタフライバルブが開 かれる。 制御系１３０は、動力供給源１３２から動力を受け入れ、また、エンジン回転 数、吸気及び排気マニホールド圧、エア流量、要求などを含む信号２５を受け入 れて、モータ１１６の動力を制御し、また、エアアクチュエータ１２８を制御す る。このアクチュエータ１２８及びバタフライバルブ１１２、１２６を図５に示 す位置をとることにより、コンプレッサ９８はエアクリーナ１０８から吸い込み 、２つのコンプレッサは並列に作動する。アクチュエータ１２８を反対位置にし 、バルブ１１２を閉状態にし、バルブ１２６を開状態にすると、コンプレッサ１ １４は、コンプレッサ９８の入口に吐出して、増量した体積流量に比べて高いマ ニホールド圧を作る。したがって、配管およびバルブを追加しても、モータ駆動 式コンプレッサの流路は、ターボチャージャー吐出圧が電動モータコンプレッサ １１４の吐出圧を越えると、ターボチャージャーコンプレッサ９８の入口に差し 向けられる。このようなことから、電動モータ駆動式コンプレッサからの吐出圧 は、電動モータ駆動式コンプレッサからの過給圧の増大を維持するために、短い 時間の間、ターボチャージャー圧と混合するのに用いられる。ある圧力上昇率で 、率センサ１０４はモータコントローラ１３０に信号を送り、エアアクチュエー タ１２８は、同期したバルブ１１２、１２６をセットして、電動モータ駆動式コ ンプレッサへの逆流を阻止し、モータ１１６への動力をオフにすることで、ター ボチャージャーはアシストの無い通常のモードで作動する。このような幾つかの 方法で、電動モータ駆動式コンプレッサ１１４は、しばしばターボコンプレッサ ９６と一緒になって、４サイクル内燃エンジンの運転状態を高める。 有負荷の下でエンジン９０が低回転から高回転への加速を要求されたときの並 列作動モードにおいて、図５に示すシステムを配置するのが望ましい。例えばエ ンジンアイドルのようなエンジン低回転では、ターボチャージャー９６はエンジ ンに十分なブースト圧を与えることができない。したがって、モータ駆動式コン プレッサ１１４は、エンジン低回転又は低いブースト圧信号によりコントローラ １３０によって賦勢され、バルブ１２２を介してエンジン吸気マニホールド１０ ０にブースト圧を与える。ターボチャージャーコンプレッサ９８がエンジンを十 分に過給することが可能になる回転数までエンジン９０が加速すると、このター ボチャージャーコンプレッサ９８の吐出圧によってバルブ１０２を開けて、 高いブースト圧をエンジンに供給する。このとき、センサ１０４からのブースト 圧信号は、コントローラ１３０に、コントローラ１１４を駆動しているモータ１ １６の賦勢を減じるように指示し、このモータ駆動コンプレッサ１１４によるエ アの逆流が逆止弁１２２によって防止される。加速の間、バタフライバルブ１２ ６、１１２は、コンプレッサの並列作動を示す図５の状態を保つ。 エンジンが最大のパワー出力で運転するように要求されると、このシステムを コンプレッサの直列配置に変更するのが望ましい。コントローラ１３０に送られ たエンジン負荷信号によって、バタフライバルブ１２６が開かれ、同時に、バタ フライバルブ１２２が閉じられる。これにより、エンジンの吸気エアの流路は、 エアクリーナ１０８から管１１８を通ってコンプレッサ１１４に至る。コンプレ ッサ１１４からの加圧エアは、管１２０を通り、バタフライバルブ１２６を通っ てターボチャージャーコンプレッサ９８の入口に流入する。また、過剰に加圧さ れたエアは、ターボチャージャーコンプレッサ９８から逆止弁１０２を通って、 エンジンの吸気マニホールドに通じる管１００に流入する。逆止弁１２２は、過 剰に加圧されたエアが逆流して管１２０に流入するのを防止する。 高速高出力運転から低速低負荷状態までエンジンが減速すると、センサ１０４ から低いブースト圧信号がコントローラ１３０に送出され、バタフライバルブ１ ２２、１２６を図５に示す状態に戻し、次のエンジン加速に備えて、コンプレッ サを並列の状態にする。コンプレッサ１１４、９８を並列状態にすることにより 、エンジン９０を、加速の間、ターボチャージャー９６によって提供されるブー スト圧よりも高いブースト圧に増圧させることができる。このことによって、加 速時間を減じ、加速の間のスモークを減じ、有害な排気エミッションを減じるこ とができる。コンプレッサ１１４、９８の直列での運転に切り替えることによる コンプレッサの圧力比の倍増によってエンジンに高いブースト圧を与えることが できる。この吸気エアの直列の加圧によって、高いブースト圧をエンジンに供給 できるので、単一のターボチャージャーによる場合よりも高出力のパワーを発生 させることができる。 図６は、タービン１９４、１９８を備えたターボチャージャー１９６が、コン トローラ１３０により動力源１３２によって作動されてターボチャージャー １９６の作動を高めるるモータジェネレータ１９６ａを備えている点を除いて、 図５のシステムと同じである。例えば、エンジン低回転、低ブーストの間、セン サ１０４からの信号がコントローラ１３０を賦活して、十分な動力を内部モータ ジェネレータ１９６ａに供給し、所定のターボチャージャーの回転数及びブース ト圧を維持する。所定の加速の越えた加速要求を示す入力信号を受け取ると、コ ントローラ１３０は、モータ１９６ａに一層高い動力を供給して、ターボチャー ジャーの回転数及びブーストを高めて、要求加速に応じて内燃エンジン９０を加 速させる。ターボチャージャー１９６が内燃エンジンの排気エネルギにより十分 な加圧エアのブーストを供給すると、モータ１９６ａの賦勢を減じるために、タ ーボチャージャーのロータ回転数信号をモータ１９６ａからコントローラ１３０ に送出してもよい。 上述したように、モータアシスト式ターボチャージャーを設けてこれを作動さ せることにより、マルチコンプレッサつまり図５の直列ー並列のシステムの作動 を高め、更なるフレキシビリテイに貢献することができる。 この発明を、現在考えられるベストモードで説明したが、当業者の能力及び発 明力を要しない範囲で本発明の数多くの変形、態様、実施例が可能であることは 明らかである。したがって、本発明の範囲は、請求の範囲によって限定される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，Ｓ Ｚ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，Ｉ Ｌ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ， ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，Ｒ Ｕ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 マルーフ ラルフ ピー アメリカ合衆国 カリフォルニア州 91302 カラバサス パーク モナコ 4527 (72)発明者 ウーレンウェーバー ウィリアム イー アメリカ合衆国 カリフォルニア州 92009 カールスバド カミノ デル ア ーコ 3169

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．第１の遠心コンプレッサと、 第２の遠心コンプレッサと、 吸気ポートを備えた４サイクル内燃エンジンと、 前記吸気ポートにエアを供給するために、前記第１のコンプレッサと前記第 ２のコンプレッサとが直列に連結されるように、これらを相互に連結する配管と 、 前記コンプレッサの一方を駆動するように連結された電動モータとを有する 、４サイクル内燃エンジンのための過給エアシステム。 ２．前記第１のコンプレッサが前記電動モータによって駆動される、請求の範囲 第１項の４サイクル内燃エンジンのための過給エアシステム。 ３．前記第２のコンプレッサが排気ガスタービンによって駆動される、請求の範 囲第１項の４サイクル内燃エンジンのための過給エアシステム。 ４．前記４サイクル内燃エンジンが排気ポートを備えており、また、前記４サイ クル内燃エンジンからの排気が前記排気ガスタービンを駆動し、該排気ガスター ビンが前記第２のコンプレッサを駆動するように前記排気ポートを前記排気ガス タービンに連結する配管を有する、請求の範囲第３項の４サイクル内燃エンジン のための過給エアシステム。 ５．前記第１コンプレッサが前記電動モータによって駆動される、請求の範囲第 ４項の４サイクル内燃エンジンのための過給エアシステム。 ６．前記エンジンが吸気ポートを備え、また、前記遠心コンプレッサが前記吸気 マニホールドによって前記吸気ポートに連結され、また、前記第１の遠心コンプ レッサが導気管によって前記第２の遠心コンプレッサに連結されている、請求の 範囲第１項の４サイクル内燃エンジンのための過給エアシステム。 ７．前記導気管は、また、前記吸気マニホールドに連結されて、前記第１の遠心 コンプレッサが前記第２の遠心コンプレッサ及び前記吸気マニホールドにエアを 送るように連結されている、請求の範囲第６項の４サイクル内燃エンジンのため の過給エアシステム。 ８．前記吸気マニホールドの中のエアが前記導気管の中に侵入するのを防止する バルブが前記導気管の中に設けられている、請求の範囲第７項の４サイクル内燃 エンジンのための過給エアシステム。 ９．前記バルブが逆止弁である、請求の範囲第８項の４サイクル内燃エンジンの ための過給エアシステム。 10．前記第１の遠心コンプレッサが前記吸気マニホールドにエアを送って前記第 １、第２の遠心コンプレッサを並列に作動するように、前記第１の遠心コンプレ ッサから前記第２の遠心コンプレッサへのエアを選択的に遮断するバルブが前記 第１の遠心コンプレッサと前記第２の遠心コンプレッサとの管の前記導気管の中 に設けられている、請求の範囲第８項の４サイクル内燃エンジンのための過給エ アシステム。 11．前記第１の遠心コンプレッサから前記吸気マニホールドへの前記導気管の中 の前記バルブが逆止弁であり、また、前記第１の遠心コンプレッサと前記第２の 遠心コンプレッサとの間の前記導気管の中の前記バルブが開位置と閉位置との間 で作動可能な作動バルブである、請求の範囲第１０項の４サイクル内燃エンジン のための過給エアシステム。 12．前記第２の遠心コンプレッサは、また、吸気管に連結されており、また、該 吸気管の中に作動バルブが設けられ、前記作動バルブは、一方の作動バルブが開 いたときに他方の作動バルブが閉じて、前記第２の遠心コンプレッサが前記吸気 管や前記第１の遠心コンプレッサからの前記導気管に選択的に連結されるように 、相互に連結されている、請求の範囲第１１項の４サイクル内燃エンジンのため の過給エアシステム。 13．４サイクル内燃エンジンのための過給エアシステムであって、 吸気ポートと排気ポートとを備えた４サイクル内燃エンジンと、 入口と出口とを備え、該入口が大気を受け入れるように連結された第１の遠 心過給エアコンプレッサと、 入口と出口とを備えた第２の遠心過給エアコンプレッサとを有し、 前記第１の遠心コンプレッサの出口が前記第２該入口と吸気マニホールドに 連結され、該吸気マニホールドが前記第２の遠心コンプレッサの出口と前記４サ イクルエンジンの吸気ポートに連結され、また、前記遠心コンプレッサの一 方に電動モータが連結されており、 また、前記過給エアシステムは、 前記遠心コンプレッサの他方を駆動するように連結され、また、前記４サイ クルエンジンの前記排気ポートに連結された排気管に連結された排気ガスタービ ンを有し、 排気ガスが低流量であって、排気ガス駆動過給エアコンプレッサがそれ自身 で急加速には不十分な過給エアを送るときに、前記エンジンの急加速に備えて、 前記４サイクル内燃エンジンに高レベルの過給エアを供給するように前記電動モ ータ駆動式コンプレッサを駆動することができる、ことからなる過給エアシステ ム。 14．前記第１の遠心コンプレッサが電動モータで駆動される、請求の範囲第１３ 項の４サイクル内燃エンジンのための過給エアシステム。 15．前記第２の遠心過給エアコンプレッサが、前記排気ガスタービンによって駆 動されるように該排気ガスタービンに連結されている、請求の範囲第１３項の４ サイクル内燃エンジンのための過給エアシステム。 16．前記第１の遠心コンプレッサが電動モータで駆動される、請求の範囲第１５ 項の４サイクル内燃エンジンのための過給エアシステム。 17．前記電送モータに動力を供給するように連結された制御手段を更に含み、 該制御手段は、前記電動モータを制御し、また、前記電動モータ駆動式過給 エアコンプレッサの出力を制御して、前記排気ガスタービン駆動式遠心コンプレ ッサの出力が不十分などきに前記４サイクル内燃エンジンの急加速に備えて該電 動モータ駆動式コンプレッサが十分な過給エアを供給する、請求の範囲第１３項 の過給エアシステム。 18．前記第１の遠心コンプレッサが電動モータで駆動される、請求の範囲第１７ 項の４サイクル内燃エンジンのための過給エアシステム。 19．前記第２の遠心過給エアコンプレッサが、前記排気ガスタービンによって駆 動されるように該排気ガスタービンに連結されている、請求の範囲第１７項の４ サイクル内燃エンジンのための過給エアシステム。 20．前記第１の遠心コンプレッサが電動モータで駆動される、請求の範囲第１９ 項の４サイクル内燃エンジンのための過給エアシステム。 21．前記第１の遠心過給エアコンプレッサから前記吸気マニホールドに連結され た出口管と、前記第１、第２の過給エアコンプレッサの間に設けられてこれら第 １、第２の過給エアコンプレッサを直列又は並列に選択的に連結するバルブ体と を更に含む、請求の範囲第１３項の４サイクル内燃エンジンのための過給エアシ ステム。 22．前記第１の遠心コンプレッサが電動モータによって駆動される、請求の範囲 第２１項の４サイクル内燃エンジンのための過給エアシステム。 23．前記第２の遠心過給エアコンプレッサが、前記排気ガスタービンによって駆 動されるように該排気ガスタービンに連結されている、請求の範囲第２１項の４ サイクル内燃エンジンのための過給エアシステム。 24．前記バルブ体が、前記第１の遠心コンプレッサの出口と前記第２の遠心コン プレッサの入口との間の配管を選択的に開閉する作動バルブを含む、請求の範囲 第２１項の４サイクル内燃エンジンのための過給エアシステム。 25．４サイクル内燃エンジンのための過給エアシステムであって、 吸気ポートと排気ポートとを備え、該吸気ポートに吸気マニホールドが連結 され、前記排気ポートに排気マニホールドが連結された４サイクル内燃エンジン と、 入口と出口とを備えた第１の遠心過給エアコンプレッサとを有し、 該第１の遠心過給エアコンプレッサの前記出口が前記吸気マニホールドに連 結され、電動モータが前記第１の遠心過給エアコンプレッサを駆動するように連 結されており、 また、前記過給エアシステムは、 入口と、前記吸気マニホールドに連結された出口とを備えた第２の遠心過給 エアコンプレッサと、 前記第２の遠心コンプレッサを駆動するように連結された排気ガスタービン と、 前記第２の遠心コンプレッサを駆動するために前記４サイクル内燃エンジン からの排気ガスを前記排気ガスタービンに供給するように前記排気ポートから 前記排気ガスタービンに連結された排気管とを有し、 前記エンジンが低速から高速への加速が求められたときに、エンジン排気ガ スの中の有害成分のレベルを低下させる目的で大きな過給エア量を供給できるよ うに、前記モータ駆動式の第１の遠心コンプレッサが排気とは切り離して駆動さ れる、ことからなる過給エアシステム。 26．前記第１の遠心コンプレッサが能力を発揮していないときに、該第１の遠心 コンプレッサを通じたエアの逆流を防止するバルブが該第１の遠心コンプレッサ の出口に設けられている、請求の範囲第２５項の４サイクル内燃エンジンのため の過給エアシステム。 27．前記第１の遠心コンプレッサが相対的に高い圧力を提供しているときに、前 記第２の遠心コンプレッサを通じたエアの逆流を防止するバルブが該第２の遠心 コンプレッサの出口に設けられている、請求の範囲第２５項の４サイクル内燃エ ンジンのための過給エアシステム。 28．前記バルブが逆止弁である、請求の範囲第２７項の４サイクル内燃エンジン のための過給エアシステム。 29．前記バルブが逆止弁である、請求の範囲第２６項の４サイクル内燃エンジン のための過給エアシステム。 30．前記コンプレッサの各々の出口にエアの逆流を防止するバルブが設けられて いる、請求の範囲第２５項の４サイクル内燃エンジンのための過給エアシステム 。 31．前記第１の遠心コンプレッサと前記第２の遠心コンプレッサが選択的に直列 に連結可能なように前記第１の遠心コンプレッサの出口から前記第２の遠心コン プレッサの入口との間を連結する配管を更に含む、請求の範囲第２５項の４サイ クル内燃エンジンのための過給エアシステム。 32．前記第１の遠心コンプレッサの出口を前記第２の遠心コンプレッサの入口に 連結する前記配管が、前記第１、第２のコンプレッサを直列に連結させるように 開くことができ、これらのコンプレッサの直列の連結を禁止するように閉じるこ とのできる選択的に作動可能なバルブを含む、請求の範囲第３１項の４サイクル 内燃エンジンのための過給エアシステム。 33．吸気ポートと、排気ポートと、入口と前記吸気ポートに連結された出口とを 備えた遠心過給エアコンプレッサとを備えた４サイクル内燃エンジンと、 前記遠心過給エアコンプレッサを駆動する電動モータと、 エンジンが低速から高速への加速が要求されたときに、エンジンの排気の中 の有害成分のレベルを低下させる目的で高密度の過給エアを供給するように前記 遠心過給エアコンプレッサを駆動させる、前記電動モータに連結された制御手段 とを有する４サイクル内燃エンジンのための過給エアシステム。 34．前記制御手段が、前記電動モータを賦勢するように連結され、該制御手段は エンジンの運転状態に応じた信号を受け取る、請求の範囲第３３項の４サイクル 内燃エンジンのための過給エアシステム。 35．前記遠心エアコンプレッサを駆動する前記電動モータを制御するための前記 制御手段への信号が、吸気マニホールド圧、エンジン回転数及びエンジンの要求 を含む、請求の範囲第３４項の４サイクル内燃エンジンのための過給エアシステ ム。 36．吸気ポートと、排気ポートと、排気ガスの膨張によって駆動されて前記吸気 ポートにエアを供給するために前記吸気ポートと前記排気ポートとに連結された ターボコンプレッサとを備えた４サイクル内燃エンジンと、 エンジンが低速から高速に加速を要求されたときに、エンジンの排気中の有 害成分のレベルを低下させる目的でエンジンの急加速に備えて、エンジンのアイ ドル及び低負荷で前記吸気マニホールドに適当な過給エアを供給すべく前記吸気 ポートに付加的なエアを供給するための付加的な電動駆動式エア供給手段とを有 する４サイクル内燃エンジンのための過給エアシステム。 37．前記付加的な電動エア供給手段が、電動モータ駆動式過給コンプレッサの中 に設けられている、請求の範囲第３６項の４サイクル内燃エンジンのための過給 エアシステム。 38．前記電動モータ駆動式コンプレッサの前記電動モータに制御手段が連結され 、該制御手段は、エンジンの排気の中の有害成分のレベルを低下させる目的で前 記ターボコンプレッサを追加することが求められたときに、前記モータを賦勢す るために信号を受け取って前記コンプレッサを駆動する、請求の範囲第３７ 項の４サイクル内燃エンジンのための過給エアシステム。 39．前記制御手段が、エンジン回転数、吸気マニホールド圧、エンジンの要求を 含むエンジン運転状態の信号を受け取って前記電動モータに動力を供給する、請 求の範囲第３８項の４サイクル内燃エンジンのための過給エアシステム。 40．排気ガス駆動式ターボコンプレッサを４サイクル内燃エンジンの排気ポート と吸気ポートとに連結して過給エアを前記エンジンに供給する工程と、 要求により前記４サイクル内燃エンジンに付加的なエアを供給するように電 動モータ駆動式遠心コンプレッサを連結して、エンジンが低速から高速へ加速を 要求されたときにエンジンの排気中の有害成分のレベルを低下させる工程とを有 する、４サイクル内燃エンジンに過給エアを供給する方法。 41．エンジンが低回転から高回転への加速を求められたときに、エンジンの排気 の中の有害成分のレベルを下げるために増量したエアを送るために、前記電動モ ータ駆動式遠心コンプレッサが排気ガス駆動式ターボコンプレッサと並列に連結 されている、請求の範囲第４０項の４サイクル内燃エンジンのための過給エアシ ステム。 42．エンジンの急加速のために適当なエアを提供し、エンジンが加速を要求され たときにエンジンの排気の中の有害成分のレベルを下げるために、低い排気ガス の流れによって前記ターボコンプレッサが低速で運転しているときに、エンジン の吸気ポートにより高い圧力を供給するように、前記電動モータ駆動式遠心コン プレッサが前記ターボコンプレッサと直列に連結されている、請求の範囲第３６ 項の４サイクル内燃エンジンのための過給エアシステム。 43．前記第２のコンプレッサがモータアシスト式ターボチャージャーの一部であ る、請求の範囲第３項の過給エアシステム。 44．前記他のコンプレッサを駆動しているときに、前記排気ガスタービンをアシ ストするように電動モータが連結されている、請求の範囲第１３項の過給エアシ ステム。 45．前記電動モータが、（ａ）前記他のコンプレッサからの過給エアの所定の最 低レベルを維持しているときに、前記排気ガスタービンをアシストするように連 結されて賦勢され、（ｂ）前記排気ガスタービンが前記内燃エンジンの排気 から過給エアの所定の高いレベルを提供することができるときに、制御されて賦 勢が減じられ、（ｃ）前記内燃エンジンから所定の加速負荷が要求されたときに 、制御されて余剰に賦勢される、請求の範囲第４４項の過給エアシステム。 46．前記エンジンの排気に連結され且つ前記内燃エンジンの前記吸気ポートに過 給エアを供給するために前記遠心過給エアコンプレッサと一緒に動作可能な電動 モータアシスト式ターボチャージャーを更に有し、 該電動モータが、前記制御手段に連結されてこれにより操作されて、エンジ ンの排気のエネルギで、前記吸気ポートに所定の最小限のレベルの過給エアを供 給する、請求の範囲第３３項の過給エアシステム。 47．エンジンが低回転から高回転への加速が要求されたときに、前記電動モータ が余剰に賦勢される、請求の範囲第４６項の過給エアシステム。 48．前記モータアシスト式ターボチャージャーが、前記制御にロータ回転信号を 供給し、また、前記制御手段が、所定の高レベルよりも高いロータの回転数で、 前記電動モータの賦勢を減じる、請求の範囲第４６項の過給エアシステム。 49．前記付加的な電動エア供給手段が、前記ターボコンプレッサの中の電動モー タである、請求の範囲第３６項の過給エアシステム。 50．内燃エンジンに過給エアを供給する際に電動モータを前記排気駆動式ターボ コンプレッサに連結して、該ターボコンプレッサをアシストする工程を更に有す る、請求の範囲第４０項の方法。 51．前記電動モータに電力を供給することによって前記ターボコンプレッサから の過給エアを所定の最低のレベルの維持することを有する、請求の範囲第５０項 の方法。 52．前記電動モータのアシスト無しに前記ターボコンプレッサが所定のレベルの 過給エアを供給することができるときに、前記電動モータの賦勢を減じることを 更に有する、請求の範囲第５１項の方法。 53．前記内燃エンジンから所定レベルの過度の加速が要求されたときに、より高 いレベルの電力を前記電動モータへ供給することを更に有する、請求の範囲第５ ０項の方法。