JP2001518590A - ４サイクル内燃機関用充填空気システム - Google Patents

４サイクル内燃機関用充填空気システム

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 充填空気システムを提供することである。 【解決手段】 充填空気システムは充填空気を４サイクル内燃機関(１０)に提供するための小型モータ駆動式コンプレッサ(４２)を有し、該小型モータ駆動式コンプレッサが、直列及び並列連結にターボチャージャー充填空気コンプレッサ(６４)を備えたシステムを有する。開示した充填空気システムは、内燃機関に有効な充填空気流経路を提供することができ、高いエンジン作動速度での空気流の制限を回避することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は充填空気を４サイクル内燃機関に供給する方法及び装置に関する。
【０００２】
【背景技術】
４サイクル内燃機関において出力を増大させ、燃料消費を減少させるターボチ
ャージャーの使用は今日普通である。火花点火エンジンとディーゼルエンジンの
両方はターボチャージャーを有効に使用し、ディーゼルエンジンの場合には、一
定なシリンダ容積のエンジンの出力は、ターボチャージャーによる過給と、過給
後冷却の付加によって容易に倍加することができる。ターボチャージャーは数十
年の開発を経てきており、高速ディーゼルエンジン及びガソリンエンジンに使用
される現代のターボチャージャーはコストが比較的低く、効率が高く、そして耐
久性のある商業的製品である。
【０００３】 ターボチャージャーは廃棄される排気ガスエネルギーを利用するけれども、エ
ンジン排気系統における排気ガスタービンの設置は、ターボチャージャーのコン
プレッサーを駆動するのに必要な動力を発生させるのに充分な圧力降下をタービ
ンの前後に発生させるためにエンジンのシリンダに及ぼす平均背圧を上昇させる
ことを必要とする。この背圧は、これが残留燃焼生成物を排気バルブを通してシ
リンダから押し出すときピストンの上昇行程に作用する。４サイクルエンジンの
高圧のターボ過給によって引き起こされる背圧のレベルは、比較的高い全体効率
を有するターボチャージャーの使用でも非常に高い。ターボチャージャータービ
ンによって引き起こされる背圧を下げるのに採用される手段のどれもエンジン性
能を著しく改善することができる。例えば、ディーゼルエンジンが所望な定格エ
ンジン出力に達するのに大気圧力の２．５倍の圧力比を要求するならば、単一の
ターボチャージャーは排気系統に大気圧のほぼ２倍の背圧を負わせる。
【０００４】 直列ターボチャージャーの使用は、高出力の定格を持つエンジンでは今日普通
である。２つのコンプレッサーが直列の組合せで設置されるならば、コンプレッ
サーの圧力比は増加されるので、高い過給圧力を、単一のターボチャージャーが
それ自体で生じさせることができる過給圧力を越えてエンジンに供給することが
できる。例えば、高定格のエンジンが、単一の商業的なターボチャージャーの性
能を越える４．５圧力比を要求するならば、直列ターボチャージャーは2.1圧力 比の低圧力段階(ステージ)及び２．１５圧力比の高圧力段階(ステージ)をもたら
すことができ、その積は全体で４．５１圧力比になる。しかしながら、これは排
気ガスの背圧を著しく上昇させる。発明の開示 本発明は、直列および並列に接続されたターボチャージャ充填空気コンプレッ
サを備えたシステムを含む、充填空気を４サイクル内燃機関に供給するための小
型の電気モータ駆動式コンプレッサを有するのが良い充填空気システムに関する
。本発明の充填空気システムは、小型充填空気コンプレッサの空気の流れの制限
を回避する内燃機関への効果的な充填空気流路を提供することができ、小型充填
空気コンプレッサの連続作動が小型充填空気コンプレッサの制限作用を回避する
必要を満たすことができる。
【０００５】 本発明は、高いエンジン速度においてエンジンへの充填空気の流れを制限する
ことなくアイドルから約２０００〜２５００回転／分(rpm)のエンジン速度で充 填空気を提供する小型モータ駆動式コンプレッサの使用を許容し、ターボチャー
ジャコンプレッサと直列および並列の小型モータ駆動式コンプレッサによりかか
る使用を許容する。本発明で使用される小型モータ駆動式コンプレッサは、高い
、たとえば、約２５００rpmを超えるエンジン速度で作動する内燃機関の要求さ れる充填空気を供給するすることができない空気出力能力を有するコンプレッサ
であり、このような空気出力能力は、これらのコンプレッサの作動がないとかか
るエンジン速度で充填空気の流れに許容できない制限をもたらすようなものであ
る。本発明は、全定格速度で作動する４サイクルエンジンの充填空気要求のわず
か３分の１、あるいはそれ以下しか供給することができない充填空気コンプレッ
サの使用を許容する。
【０００６】 本発明の充填空気システムは、入口および出口を有する小型充填空気コンプレ
ッサと、前記充填空気コンプレッサを駆動するように連結された電気モータと、
前記充填空気コンプレッサの出口に連結された第１の充填空気導管と、第２の充
填空気導管と、前記第１および第２の充填空気導管のための接合部と、を含み、
前記接合部は、前記インテークマニホールドに連結されており、前記充填空気シ
ステムは、前記第１および第２の充填空気導管のための接合部、またはその上流
側に配置された充填空気チェックバルブをさらに含む。本発明の１つの好ましい
充填空気システムでは、小型充填空気コンプレッサの入口および第２の導管は、
好ましくはエアクリーナーを介して、周囲の大気に接続されており、前記充填空
気チェックバルブは、前記充填空気コンプレッサを作動させたときに前記充填空
気導管を閉じる。
【０００７】 本発明のもう１つのかかる充填空気システムは、排気ガス駆動タービンと、該
排気ガス駆動タービンによって駆動されるターボチャージャコンプレッサであっ
て、ターボチャージャコンプレッサのエア入口が、前記接合部に連結されており
、ターボチャージャコンプレッサの出口が、内燃機関のインテークマニホールド
に連結されているターボチャージャによるツーステージ圧縮を提供する。かかる
好ましいツーステージ充填空気システムでは、ターボチャージャは、排気駆動タ
ーボチャジャタービンがターボチャージャコンプレッサを駆動するのを助ける電
気モータを備えるのがよい。
【０００８】 本発明の並列作動充填空気システムは、入口および出口を有する小型充填空気
コンプレッサと、前記充填空気コンプレッサを駆動するように連結された電気モ
ータと、前記充填空気コンプレッサの出口に連結された第１の充填空気導管と、
ターボチャージャと、を含み、該ターボチャージャは、４サイクルエンジンから
の排気ガスに接続された排気ガス駆動式タービンと、エア入口および圧縮エア出
口を有するターボチャージャコンプレッサとを有し、前記充填空気システムは、
前記ターボチャージャコンプレッサの圧縮エア出口に連結された第２の充填空気
導管と、前記第１および第２の充填空気導管の接合部と、をさらに含み、前記接
合部は、前記インテークマニホールドに連結されており、前記充填空気システム
は、前記第１および第２の充填空気導管の一方のための接合部またはその上流側
に配置された充填空気チェックバルブをさらに含む充填空気システムを提供する
。かかる並列作動充填空気システムの好ましい実施形態では、充填空気チェック
バルブは、４サイクルエンジンの低いエンジン速度で前記充填空気コンプレッサ
を作動させたときに前記第２の充填空気導管を閉じ、４サイクルエンジンの高い
エンジン速度で前記充填空気コンプレッサを作動させたときに前記第１の充填空
気導管を閉じる。さらに、かかる好ましい充填空気システムでは、ターボチャー
ジャは、排気駆動ターボチャージャタービンがターボチャージャコンプレッサを
駆動するのを助ける電気モータを含むのがよい。
【０００９】 本発明のさらにもう１つの充填空気システムは、入口および出口を有する小型
充填空気コンプレッサと、前記充填空気コンプレッサを駆動するように連結され
た電気モータと、前記充填空気コンプレッサの出口に連結された第１の充填空気
導管と、４サイクルエンジンからの排気に接続された排気ガス駆動式タービンと
、空気入口および圧縮空気出口を有するターボチャージャコンプレッサとを有す
るターボチャージャと、前記ターボチャージャコンプレッサの圧縮充填空気出口
に連結された入口を有するクーラーと、該クーラーの出口に接続された第１の充
填空気導管と、周囲の大気に接続された第２の充填空気導管と、前記第１および
第２の充填空気導管のための接合部と、前記第１および第２の充填空気導管を充
填空気コンプレッサに連結する第３の充填空気導管と、前記充填空気コンプレッ
サを作動させるときに前記第２の充填空気導管を開き、前記ターボチャージャを
高いエンジン速度で作動させたときに前記第２の充填空気導管を閉じるように作
動される充填空気チェックバルブと、含む。かかるシステムでは、ターボチャー
ジャは、排気駆動式ターボチャージャタービンがターボチャージャコンプレッサ
を駆動するのを助ける電気モータを備えてもよい。
【００１０】 本発明の充填空気システムでは、内燃機関への充填空気の供給を改善するため
に、電気コントローラが前記モーターを作動させ、小型充填空気コンプレッサを
種々のモードで駆動する。小型モータ駆動式コンプレッサは、低いエンジン速度
からの加速時に電気コントローラで付勢され、及び／又は、エンジンインテーク
マニホールドのブースト圧を最小の遅れで与える所定の最小速度で作動され、内
燃機関の応答時間及び有害汚染物質の発生を減少させる。電気コントローラは、
ターボチャージャーコンプレッサを駆動するに当たって排気ガスエネルギーを補
助するように連結された任意の補助又はアシスト用電気モーターも作動させ、上
記のような電気コントローラは、一般的には、上記のようなターボチャージャー
を低いエンジン速度で付勢及びスーパー付勢させる。
【００１１】 本発明はまた、４サイクルエンジンの性能を小型モータ駆動式コンプレッサの
使用により向上させる方法を提供する。小型充填空気コンプレッサを駆動する外
部電源を利用することによって、ターボチャージャーが行うように排気システム
に背圧を課すことなしに、エンジンを(機械式に)過給することができ、充填空気
密度の増加をより迅速に達成することができ、燃料をより効率的に燃焼させ、望
ましくは、エンジンの排気中、大気中に噴出される有害な汚染物質を少なくする
。
【００１２】 本発明はまた、急なスロットル開放時のターボチャージャーコンプレッサのタ
イムラグをなくし、充填空気をエンジンインテークマニホールドに供給するよう
に連結された小型電動充填空気コンプレッサを設けることによって、ターボチャ
ージャー搭載エンジンの性能を向上させる方法を提供する。
【００１３】 本発明の更なる特徴及び利点は、図面、及び以下の本発明の現在もっとも良く
知られているモード及び実施形態のより詳細な説明から明らかであろう。
【００１４】
【発明の実施の形態】
在来の内燃機関が、図１に、概略断面で図示され、参照番号１０で全体的に示
されている。エンジン１０はシリンダーブロック１２を有し、このシリンダーブ
ロック１２の中にはシリンダ１４が設けられている。この場合、シリンダは直立
の軸線を有する。ピストン１６が、クランク１８の制御の下、シリンダ内を上下
に往復動する。クランクは、クランクシャフト軸線を中心に回転し、コネクティ
ングロッド２０によってピストンに連結される。クランクシャフト及びコネクテ
ィングロッドはクランクケース２２に収容され、このクランクケース２２は、エ
ンジンの下方の部品を潤滑するためのオイルを収容する。通常、クランクシャフ
ト軸線に沿って複数のシリンダがある。
【００１５】 シリンダブロック内のこれらのシリンダは、シリンダヘッド２４によってカバ
ーされる。このシリンダヘッドは、充填(チャージ)空気入口を形成するインテー
クマニホールド２６を有し、インテークバルブ２８を支持し、このインテークバ
ルブ２８は、シリンダへの空気、又は、空気及び燃料の混合物の流れを制御する
。シリンダヘッド２４はまた、各シリンダに排気ガス出口３０を有する。排気ガ
ス出口３０は、エグゾーストバルブ３２によって制御される。各シリンダのイン
テークバルブ及びエグゾーストバルブの開閉は、クランクシャフトと、インテー
クバルブ及びエグゾーストバルブを制御するカムシヤフトとの機械的相互連結に
よるピストンの運動と調和される。燃料は適当な時期に燃料噴射ノズル３４から
シリンダに導入される。或る場合には、燃料は燃料及び空気の混合物としてイン
テークバルブを介してシリンダに送給される。シリンダに送給される空気量を増
大させ、空気量の増大に対応して燃料を増大させることによって、エンジン１０
の出力を容易に増大させることができ、更に、燃料単位当たり、より多くの仕事
量をもたらすようにエンジン効率を高めることができる。
【００１６】 図１は、４サイクル内燃機関１０用の、本発明の充填システム４０を図示する
。充填空気システム４０は、入口４３及び出口４４を備えた小型充填空気コンプ
レッサ４２を有する。モータ４５が、充填空気コンプレッサ４２を駆動するよう
に連結されている。第１充填空気導管４６が、充填空気コンプレッサ４２の出口
４４と連結されている。充填空気システム４０はまた、第２充填空気導管４７と
、第１充填空気導管４６と第２充填空気導管４７との接合部４８とを有する。図
１に示すように、接合部４８は、内燃機関１０のインテークマニホールド２６と
連結されている。充填空気システムはまた、接合部４８に(或いは、可能であれ ば、接合部４８の上流に)配置された充填空気チェックバルブ５０を有する。充 填空気チェックバルブは、第１充填空気導管４６、第２充填空気導管４７の一方
を閉じるように作動する。図１に示すように、充填空気チェックバルブ５０は、
充填空気コンプレッサ４２の作動時にこの充填空気コンプレッサ４２によって作
り出される空気圧力によって作動して、第２充填空気導管４７を閉じ、これによ
り、接合部４８からエアークリーナー５２への充填空気の流れ戻りを防止し、高
いエンジン速度では、内燃機関１０によって第２充填空気導管４７の中を引っ張
られる充填空気が、充填空気チェックバルブ５０を作動させて、図１の破線によ
って示されるように第１充填空気導管４６を閉じる。
【００１７】 コントローラ５４が、エンジン速度センサ、及び又は、内燃機関操作者のアク
セルコントロールから受け取られた信号５６に応答して、電力源５５からの電気
エネルギの付加を制御する。本発明の好ましいコントロールシステムでは、小型
モータ駆動式コンプレッサ４２が、約２０００〜３０００回転／分までのエンジ
ン速度ではコントローラ５４によって付勢される。図１の充填空気システム４０
では、エンジンのアクセル又は加速操作が要求されたときに追加の燃料を噴射す
る前に所望量の空気がエンジンシリンダ１４内に存在するように、加速に備えて
、エンジン１０のインテークマニホールド２６に或るブースト圧を提供するよう
にコントローラ５４によってモータ駆動式コンプレッサ４２を所定の最小速度に
維持することができる。更に、エンジンの加速コントローラからの信号を受け取
ったときにモータ４５を付勢又はスーパー付勢し、エンジンの加速が要求された
ときに充填空気及びブースト圧を敏速に増大させることができる。システム４０
は小型コンプレッサを有するから、高い作動速度及び高いブースト圧に達する僅
かな時間を著しく減じ、燃料をより完全に燃焼させることができ、エンジン排気
物中の有害汚染物質の量をかなり減ずることができる。
【００１８】 図１の充填空気システム４０では、第１充填空気導管４６と、周囲の大気をチ
ェックバルブ５０に導く第２充填空気導管４７との組み合せは、かかる組み合わ
せが無ければ、高いエンジン速度、例えば、約２０００〜２５００回転／分を越
える速度において内燃機関１０への充填空気の流れに課せられるやもしれないリ
ストリクション又は制限を回避する、というのは、コンプレッサ４２の寸法が小
さいからである。充填空気システム４０では、小型コンプレッサ４２を消勢する
ことができ、エンジンは、周囲の大気から、例えばエアークリーナー５２を通し
て、第２導管４７によって、充填空気チェックバルブ５０を通り越して、充填空
気要求量を引っ張ることができ、充填空気チェックバルブ５０は、内燃機関によ
って作り出された充填空気の圧力によって第２導管手段４７を開放する(破線で 示された)位置に付勢されることになる。
【００１９】 かくして、本発明の充填空気システム４０は、エンジンの全速度範囲に亘って
、内燃機関１０への充填空気の効果的な流れを可能にし、より高い内燃機関速度
ではエンジン空気流に受け入れ難い制限を加えるであろう、小型モータ駆動式遠
心力コンプレッサ４２の使用を可能にする。
【００２０】 充填空気システム４０は、約２０００乃至２５００回転／分未満の低速度でだ
け、エンジンの充填空気要求(量)に適合するように、充填空気コンプレッサ４２
をより小さな寸法に作ることを可能にし、本発明の充填空気システムは、遠心力
充填空気コンプレッサの寸法がより小さくなるので、先行技術のシステムより経
済的になる。
【００２１】 図２は、４サイクルエンジン１０と共に使用される、本発明の充填空気システ
ムの好ましい第２実施形態を示す。この４サイクルエンジン１０は、図１に示し
、上述したものと同じである。図２の充填空気システム６０は、第１に、ターボ
チャージャ６２を備えている点で、図１の充填空気システムと異なり、このター
ボチャージャは、内燃機関１０の排気ガス出口に連結された排気ガス駆動式ター
ビン６３と、空気入口６５及び圧縮空気出口６６を有するターボチャージャコン
プレッサ６４とを備えている。図２の好ましい充填空気システムでは、ターボチ
ャージャ６２は、さらに、ターボチャージャコンプレッサ６４が駆動していると
きに、排気ガス駆動式タービン６３を助ける電気モータ６７を備えている。図２
の充填空気システムは、更に、入口４３及び出口４４を有する充填空気コンプレ
ッサ４２と、充填空気コンプレッサ４２を駆動するように連結された電気モータ
４５とを備えている。第１充填空気導管４６が、充填空気コンプレッサ４２の出
口４４と連結されている。第２充填空気導管４７が、周囲の大気から、第１充填
空気導管４６と第２充填空気導管との接合部４８まで延びている。図２のシステ
ムでは、接合部４８は、ターボチャージャコンプレッサ６４の空気入口６５と連
結されている。図１の充填空気システムと同様に、図２の充填空気システムは、
第１、第２充填空気導管４６、４７のうちの一方を閉じることができるように接
合部４８又はその上流に配置された、充填空気チェックバルブ５０を備えている
。
【００２２】 図２の充填空気システム６０は、エンジン速度センサ、及び／又は、エンジン
操作者の加速コントローラからの信号のような、内燃機関からの信号５６で作動
し、電力源５５によりモータ４５及びモータ６７を付勢する電気コントローラ５
４を更に備えている。
【００２３】 図２の充填空気システムは、特に、充填空気コンプレッサ４２用のモータ４５
とターボチャージャ６２のモータ６７との両方がコントローラ５４によって付勢
されている低いエンジン速度で、内燃機関１０に対して充填空気のツーステージ
圧縮を提供できる。かかる作動では、図２に示されるように、周囲の空気は、充
填空気コンプレッサ４２の入口４３に引き込まれ、モータ４５によるコンプレッ
サ４２の作動によって圧縮され、第１充填空気導管４６を通して接合部４８に送
られ、この圧縮空気の圧力が、充填空気チェックバルブ５０及び第２充填空気導
管４７を閉じる。充填空気コンプレッサ４２からの圧縮充填空気は、ターボチャ
ージャコンプレッサ６４の入口６５に導かれ、そこで更に圧縮され、ターボチャ
ージャコンプレッサ６６の出口６５から内燃機関１０の空気入口２６まで送給さ
れる。内燃機関の排気ガスエネルギが低い、低いエンジン速度における、ターボ
チャージャ６２の補助電気モータ６７の作動、及び、小型充填空気コンプレッサ
の同期作動は、内燃機関への充填空気のツーステージ圧縮を提供する。
【００２４】 当分野で知られているように、充填空気システム６０のツーステージ作動によ
る圧力ブーストは、充填空気コンプレッサ４２の圧力比とターボチャージャコン
プレッサ６４の圧力比の積である圧力ブーストを可能にする。図２の充填空気シ
ステムでは、遠心力コンプレッサ４２は圧縮空気出口４４を有し、この圧縮空気
出口４４は、直列連結圧縮システムを形成するように、ターボチャージャコンプ
レッサ６４の入口６５と連結されている。第１ステージ遠心力コンプレッサ４２
は、ブースト圧センサ、及び／又は、スロットルセンサからの信号のような入力
信号５６に応答して、低いエンジン速度ではモータにより駆動されるが、第１ス
テージコンプレッサ４２は、排気ガスタービンによって駆動されないので、この
第１ステージコンプレッサは排気ガス背圧を生じさせない。更に、第１ステージ
コンプレッサ４２は小型コンプレッサであり、この小型コンプレッサは、モータ
４５の作動を介して信号５６に応答してブースト圧を上昇させるように素早く応
答することができる。この結果、エンジンへの背圧が小さく、より大きなブース
ト圧を作り出せる、比較的複雑ではないツーステージ充填空気システムが提供さ
れる。例えば、ディーゼルエンジンが、所望の評価された（ｒａｔｅｄ）エンジ
ンパワー出力に達するのに大気圧の２．５倍の圧力比が必要であるなら、単一タ
ーボチャージャは、排気システムに、大気圧の約２倍の背圧を課することになる
。しかしながら、ターボチャージャコンプレッサ６４と直列に配置されたモータ
駆動式コンプレッサ４２を備えた充填空気システム６０では、モータ駆動式コン
プレッサ４２により１．３圧力比を、そして、ターボチャージャコンプレッサ６
４により１．９２圧力比を作り出すことによって、２．５の必要な圧力比が得ら
れ、ターボチャージャコンプレッサ６４の充填圧力比を、２．５から１．９２に
減少させることができ、その結果、排気背圧が大気圧の１．５倍まで減少する。
この著しい減少は、内燃機関１０のポンピングロスを減少させ、この結果、低燃
費、高出力、又は、これらの両方、および、排気ガス汚染の減少が達成される。
【００２５】 更に、図２に示された充填空気システムの作動は、補助又はアシスト電気モー
タ６７及びターボチャージャ６２の付加及び使用によって、向上される。ターボ
チャージャ６２のためのアシスト電気モータ６７は、内燃機関（エンジン）から
の適当な入力信号に応答して制御手段５４によって付勢される。例えば、エンジ
ンが低速低負荷で運転されているとき、電気コントローラ５４に信号を送るため
に、ブースト圧センサを使用することができる。エンジンが加速を要請されたと
きは、ブースト圧センサ及び／又はスロットルセンサが入力信号５６をコントロ
ーラ５６に発生させ、更に、充填空気コンプレッサ４２のモータ４５及びターボ
チャージャコンプレッサ６４の回転をアシストするモータ６７の両方を付勢して
、加速期間中、空気の供給を増大させることができる。内燃機関１０が、ターボ
シャージャーをすばやく作動させるのに十分なエネルギーを持った排気ガスを提
供し、適当な充填空気供給量をエンジンに提供するのに十分であるときには、内
燃機関からのエンジン速度信号は、充填空気コンプレッサ４２のモータ４５及び
ターボチャージャコンプレッサ６４のアシスト電気モータ６７の両方を消勢する
。変形例として、最大出力が要求される高いエンジン速度及び高負荷では、ター
ボチャージャのアシスト電気モータ６７はコントローラ５４によって付勢され、
モータ駆動式コンプレッサ４２は、高ブースト圧を提供するために付勢されたま
まである。
【００２６】 （エンジンが必要とする充填空気量及びブースト圧に到達するように、排気ガ
スのエネルギーがターボチャージャーコンプレッサを駆動するのに十分である）
エンジン高速域において、コントローラ５４が充填空気コンプレッサ４２のモー
タ４５及びターボチャージャ６２のアシスト電気モータ６７の両方を消勢したと
きには、充填空気チェックバルブ５０は、周囲の大気から第２充填空気導管４７
を介してターボチャージャコンプレッサ６４の入口６５までの充填空気の流れに
よって、導管４７を開く。図１の充填空気システム４０におけるように、図２の
充填空気システム６０は、周囲の空気をチェックバルブ５０を介してターボチャ
ージャコンプレッサ６４の入口６５まで制限されない仕方で流させることによっ
て、小さなターボチャージャコンプレッサ４２の(吸気)制限作用を回避する。さ
らに、図１の充填空気システム４０に示されたように、第２充填空気導管及び充
填空気コンプレッサ４２の入口は、充填空気フィルタ５２を通る空気入力を得る
のが好ましい。
【００２７】 補助又はアシスト電気モータ６７及びこのモータ６７の電気コントローラ５４
との接続は、これらが好ましい実施形態の一部を提供するけれども、これらが本
発明の充填空気システム６０に必要ではないことを示すため、図２に破線で示さ
れている。
【００２８】 本発明の充填空気システムの好ましい第３実施形態が図３に示されている。図
３の充填空気システム７０は、揺動弁の仕方で連結された充填空気チェックバル
ブ５０を介して４サイクル内燃機関１０を充填又は過給することができるように
、モータ駆動式コンプレッサ４２及びターボチャージャ６２を並列配置で使用す
る。
【００２９】 図３の充填空気システム７０は、入口４３及び出口４４を有する充填空気コン
プレッサ４２と、この充填空気コンプレッサ４２に接続された電気モータ４５と
、充填空気コンプレッサ４２の充填空気出口４４の出口に結合された第１充填空
気導管４６とを備えている。ターボチャージャ６２は、内燃機関１０の排気ガス
出口３０に結合された排気ガス駆動式タービン６３と、空気入口６５及び第２充
填空気導管６８に結合された圧縮空気出口６６を有するターボチャージャ圧縮機
６４とを備えている。充填空気システム７０は、第１充填空気導管４６と第２充
填空気導管６８とに結合された接合部４８を更に備えている。この接合部４８は
、内燃機関のインテークマニホールド２４の空気入口２６に結合され、充填空気
チェックバルブ５０は、第１及び第２の充填空気導管４６、６８のうちの一方を
閉じるために接合部に配置されている。充填空気システム７０の作動では、充填
空気チェックバルブ５０は、揺動バルブとして作動し、４サイクル内燃機関のエ
ンジン低速域ではインテークコンプレッサ４２が作動すると第２充填空気導管６
８を（破線で示されるように）閉じると共に、４サイクル内燃機関のエンジン高
速域ではターボチャージャ６２が作動すると第１充填空気導管４６を閉じる。
【００３０】 充填空気システム７０の好ましい作動では、アイドル運転時及び加速状態で、
モータ駆動コンプレッサ４２が、電気コントローラ５４及び電気モータ４５によ
り作動し、充填空気コンプレッサ出口４４からの圧縮空気が、充填空気チェック
バルブを図３の破線で示す位置まで揺動させ、第２充填空気導管６８を閉じ、こ
れにより、接合部４８から内燃機関１０の充填空気入口２６までが連通される。
例えば、約２０００乃至２５００回転／分で、内燃機関からターボチャージャに
十分な排気ガスがいったん供給されると、モータ駆動式コンプレッサ４２が消勢
され、ターボチャージャコンプレッサ６４が、充填空気チェックバルブ５０を図
３の実線で示す位置まで移動させる充填空気及びブース圧を供給して第１充填空
気導管４６を閉じ、圧縮充填空気を接合部４８から内燃機関１０の空気入口２６
に供給する。上述した充填空気システムと同様に、コントローラ５４は、低いエ
ンジン速度では、信号１５６による、低いエンジン速度からの加速要求に応答し
て、電気モータ４５を付勢して充填空気コンプレッサ４２を駆動し、信号１５６
は、エンジン速度センサ及び／又は加速要求センサ（図示せず）から取られる。
図３に示すように、充填空気コンプレッサ４２の空気入口４３及びターボチャー
ジャーコンプレッサ６４の空気入口６５はエアクリーナ５２と連結されるのが好
ましい。
【００３１】 図３に示されるような小型モータ駆動式コンプレッサとターボコンプレッサと
の並列連結は、小型充填空気コンプレッサ４２の充填空気出力を提供することに
よって、急なスロットル開放時のターボチャージャーコンプレッサ６４のタイム
ラグを補償することによってターボ過給式４サイクルエンジンの性能を向上させ
ることができ、小型充填空気コンプレッサ４２は、スイングバルブ又は揺動弁５
０を介して内燃機関１０のエアインテーク２６に直接連結されている。接合部４
８から第２導管６８への圧縮空気の逆流は、圧力作動式充填空気チェックバルブ
５０によって防止される。ターボコンプレッサ６４によって十分な速度が得られ
たときには、ターボコンプレッサ６４の圧力出力は、チェックバルブ５０に打ち
勝って、圧縮空気が内燃機関の接合部４８及び入口２６に入ることを可能にし、
接合部４８から第１充填空気導管４６及び小型充填空気コンプレッサ４２を通る
空気の逆流は、揺動弁５０によるこの通路の閉鎖によって防止される。
【００３２】 図４は本発明の充填空気システムの好ましい第４実施形態８０を示し、該シス
テムでは、ターボチャージャーコプレッサ６４の圧縮充填空気出力は、ターボ過
給式内燃機関システムで使用される空気−空気式インタクーラーのようなアフタ
ークーラー８２を介して、充填空気コンプレッサ９２の空気入口９３に搬送され
、内燃機関１０用の、直列構造及び充填空気のツーステージ圧縮を提供する。図
４の充填空気システム８０は、エアクリーナー５２に加えて、補助エアクリーナ
ー８４と、充填空気チェックバルブ５０とを有し、この充填空気チェックバルブ
５０は、付勢されると直ちに、エアクリーナー５２、ターボチャージャーコンプ
レッサ６４、アフタークーラー８２及びこれらに関連する導管によってもたらさ
れるやも知れないリストリクション又は制限なしに、モーター駆動式コンプレッ
サ９２が充填空気を周囲の大気から内燃機関１０に供給することができるように
する。
【００３３】 図４の充填空気システム８０は、空気入口９３及び出口９４を備えた充填空気
コンプレッサ９２と、該充填空気コンプレッサ９２を駆動するように連結された
モーター９５と、内燃機関１０の排気ガス出口３０と連結された排気ガス駆動式
タービン６３を備えたターボチャージャー６２と、ターボチャージャーコンプレ
ッサ６４とを有し、このターボチャージャーコンプレッサ６４は、空気入口６５
と、圧縮充填空気出口６６とを備え、この圧縮充填空気出口６６は充填空気クー
ラー８２の入口に連結されている。更なる充填空気導管８４がクーラー８２の出
口と連結され、第２充填空気導管８６が周囲の大気と連通され、充填空気導管８
４及び第２充填空気導管８６が接合部４８で連結され、接合部４８は、第３充填
空気導管８８によって充填空気コンプレッサ９２の入口９３と連結されている。
充填空気チェックバルブ５０は、充填空気コンプレッサ９２の作動時に作動して
第２充填空気導管８６を開放し、充填空気を周囲の大気から補助エアクリーナー
８４を通して、圧縮のため、充填空気コンプレッサ９２の入口９３に供給し、内
燃機関１０の空気入口２６に送給する。ターボチャージャー６２が、高いエンジ
ン速度で内燃機関によって作動しているときには、充填空気バルブ５０は第２充
填空気導管８６を閉じるように作動する。
【００３４】 しかしながら、図１乃至図３の充填空気システムとは違って、充填空気コンプ
レッサ９２は、ターボチャージャー６４から内燃機関の空気入口２６への充填空
気の流れをリストリクト又は制限するのを避けるように、高いエンジン速度でコ
ントローラによって作動されなければならない。しかしながら、チェックバルブ
５０と周囲空気導管８６との組み合わせにおけるモータ駆動式コンプレッサ９２
の使用は、加速のため、内燃機関に、より迅速なブースト圧の増加を与える。
【００３５】 図４によって示唆されるように、充填空気コンプレッサ９２は、内燃機関のイ
ンテークマニホールド２６に近接して取り付けられ、エアクリーナー５２、ター
ボチャージャーコンプレッサ６４、アフタークーラー８２、及び導管８４、８５
の制限的影響をなくすことができる。充填空気システム８０の作動では、エンジ
ンのアイドリング、及び、低負荷及び低速条件でエンジンインテークマニホール
ドに或るブースト圧を供給するように、遠心コンプレッサ９２をコントローラ５
４に応答して電気モータ４５によって所定の最小速度で駆動する。かくして、か
かる作動では、エンジン運転者によってエンジンの加速が要求されたときに、追
加の燃料が噴射される前に、内燃機関の空気入口２６にはかなりの量の充填空気
及びブースト圧が存在する。更に、加速要求信号５６を受けたときに、過給気コ
ンプレッサ９２はコントローラ５４及び電気モータ４５によってスーパー付勢さ
れ（super-energized）、充填空気コンプレッサ９２は、前記スーパー付勢に急 速に応答して、エンジンの加速が要求されたときに、インテークマニホールド２
４の充填空気量及びブースト圧を急速に高める。
【００３６】 エンジンの加速が要求されたときには、本発明の充填空気システムによってよ
り多くの充填空気が供給されるため、エンジンの加速を向上させることができ、
燃料をより完全に燃焼させることができ、エンジン排気物の有害物質をかなり減
少させることができる。当業者には明らかになるように、本発明の充填空気シス
テムを作動させるための信号５６は、インテークマニホールド圧力、エンジン速
度、加速要求センサ、及び、エンジン負荷及び運転の他の適当なセンサのうちの
任意の１つ、又は、２つ以上から取り出すことができる。
【００３７】 図３及び図４は、ターボチャージャーコンプレッサ６２が補助又はアシスト電
気モータを有することを示していないけれども、所望により、コントローラ５４
によって制御されたアシスト電気モータを充填空気システム７０に設けても良い
。
【００３８】 かくして、本発明の充填空気システムは、小型モータ駆動式コンプレッサの使
用により、充填空気の流れに制限を負わせることなく、内燃機関の充填空気の必
要量をエンジンの加速の要求に応答して急速に供給することができ、充填空気の
流れの制限は、さもなければ、かかる小型空気充填コンプレッサによって充填空
気システムに負わされるかもしれず、そして、本発明は、かかるシステムが、タ
ーボチャージャーコンプレッサ又は大型電気モータ駆動式コンプレッサの追加使
用によってツーステージ充填空気圧縮を利用することを可能にし、小型モータ駆
動式コンプレッサと、ターボチャージャーコンプレッサ又は大型モータ駆動式コ
ンプレッサとの並列作動による充填空気の供給を可能にする。
【００３９】 本発明は幾つかの現在知られた最良の態様で説明されたが、当業者には本発明
が他の態様及び実施形態で具体化できることが明らかであろう。従って、本発明
の範囲は請求の範囲によって定められる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 充填空気を、低いエンジン速度では小型モータ駆動式コンプレッサから、また
、高いエンジン速度では周囲の大気から供給することができる、４サイクルエン
ジン用の、本発明の充填空気システムの好ましい第１実施形態を概略的に示す。
【図２】 ツーステージ充填空気を、低いエンジン速度ではモータアシスト付きターボチ
ャージャーコンプレッサと直列の小型モータ駆動式コンプレッサから、また、高
いエンジン速度ではモータアシスト付きターボチャージャーのみから供給するこ
とができる、４サイクルエンジン用の、本発明の充填空気システムの好ましい第
２実施形態を概略的に示す。
【図３】 小型モータ駆動式コンプレッサがターボチャージャーコンプレッサと並列に設
けられ、充填空気を、低いエンジン速度では小型モータ駆動式コンプレッサから
、また、高いエンジン速度ではターボチャージャーコンプレッサから供給するこ
とができる、４サイクルエンジン用の、本発明の充填空気システムの好ましい第
３実施形態を概略的に示す。
【図４】 ターボチャージャー充填空気コンプレッサと、該ターボチャージャー充填空気
コンプレッサと連結され、小型モータ駆動式コンプレッサと直列連結された充填
空気クーラーとを有し、充填空気を、低いエンジン速度では小型モータ駆動式コ
ンプレッサのみによって供給し、また、高いエンジン速度ではインタークーラー
システムのターボチャージャーコンプレッサ及び小型モータ駆動式コンプレッサ
から供給することができる、本発明の好ましい第５実施形態を概略的に示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ) ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ， ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，Ｄ Ｋ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ， ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，Ｌ Ｖ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ， ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，Ｕ Ｚ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (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 Ｆターム(参考） 3G005 EA04 EA16 EA20 EA23 EA24 FA00 FA04 FA37 GA02 GB05 GB17 GD02 GD07 GD13 GD14 GD17 GD18 HA13 JA01 JA06 JA24 JA39 JB02

Claims (28)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ４サイクルエンジンのインテークマニホールドに連結された
    充填空気システムであって、該充填空気システムは、入口および出口を有する小
    型充填空気コンプレッサと、前記充填空気コンプレッサを駆動するように連結さ
    れた電気モータと、前記充填空気コンプレッサの出口に連結された第１充填空気
    導管と、第２充填空気導管と、前記第１および第２充填空気導管のための接合部
    と、を含み、前記接合部は、前記インテークマニホールドに連結されており、前
    記充填空気システムは、前記第１および第２充填空気導管のための接合部、また
    はその上流側に配置された充填空気チェックバルブをさらに含むことを特徴とす
    る充填空気システム。
  2. 【請求項２】 小型充填空気コンプレッサの入口および第２の導管は、エア
    クリーナーに連結されており、前記充填空気チェックバルブは、前記充填空気コ
    ンプレッサを作動させたときに前記充填空気導管を閉じることを特徴とする請求
    項１に記載の充填空気システム。
  3. 【請求項３】 排気ガス駆動タービンと、該排気ガス駆動タービンによって
    駆動され、エア入口および圧縮エア出口を有するターボチャージャと、をさらに
    含み、前記ターボチャージャエアコンプレッサの前記入口は、前記接合部に連結
    されており、前記圧縮エア出口は、前記インテークマニホールドに連結されてい
    る ことを特徴とする請求項２に記載の充填空気システム。
  4. 【請求項４】 ターボチャージャは、排気駆動ターボチャージャタービンが
    ターボチャージャコンプレッサを駆動するのを助ける電気モータを含むことを特
    徴とする請求項３に記載の充填空気システム。
  5. 【請求項５】 ４サイクルエンジン用インテークマニホールドに連結された
    充填空気システムであって、該充填空気システムは、入口および出口を有する小
    型充填空気コンプレッサと、前記充填空気コンプレッサを駆動するように連結さ
    れた電気モータと、前記充填空気コンプレッサの出口に連結された第１充填空気
    導管と、ターボチャージャと、を含み、該ターボチャージャは、４サイクルエン
    ジンからの排気ガスに接続された排気ガス駆動式タービンと、エア入口および圧
    縮エア出口を有するターボチャージャコンプレッサとを有し、前記充填空気シス
    テムは、前記ターボチャージャコンプレッサの圧縮エア出口に連結された第２充
    填空気導管と、前記第１および第２充填空気導管の接合部と、をさらに含み、前
    記接合部は、前記インテークマニホールドに連結されており、前記充填空気シス
    テムは、前記第１および第２充填空気導管の一方のための接合部またはその上流
    側に配置された充填空気チェックバルブをさらに含むことを特徴とする充填空気
    システム。
  6. 【請求項６】 充填空気チェックバルブは、４サイクルエンジンの低いエン
    ジン速度で前記充填空気コンプレッサを作動させたときに前記第２充填空気導管
    を閉じ、４サイクルエンジンの高いエンジン速度で前記充填空気コンプレッサを
    作動させたときに前記第１充填空気導管を閉じることを特徴とする請求項５に記
    載の充填空気システム。
  7. 【請求項７】 小型充填空気コンプレッサの入口およびターボチャージャコ
    ンプレッサの前記エア入口は、エアクリーナーに連結されていることを特徴とす
    る請求項５に記載の充填空気システム。
  8. 【請求項８】 ターボチャージャは、排気駆動式ターボチャージャタービン
    がターボチャージャコンプレッサを駆動するのを助ける電気モータを含むことを
    特徴とする請求項５に記載の充填空気システム。
  9. 【請求項９】 ４サイクルエンジンのインテークマニホールドに連結された
    充填空気システムであって、入口および出口を有する小型充填空気コンプレッサ
    と、前記充填空気コンプレッサを駆動するように連結された電気モータと、前記
    充填空気コンプレッサの出口に連結された第１充填空気導管と、４サイクルエン
    ジンからの排気に接続された排気ガス駆動式タービンと、エア入口および圧縮エ
    ア出口を有するターボチャージャコンプレッサとを有するターボチャージャと、
    前記ターボチャージャコンプレッサの圧縮充填空気出口に連結された入口を有す
    るクーラーと、該クーラーの出口に接続された第１充填空気導管と、周囲の大気
    に接続された第２充填空気導管と、前記第１および第２充填空気導管のための接
    合部と、前記第１および第２充填空気導管を充填空気コンプレッサに連結する第
    ３の充填空気導管と、前記充填空気コンプレッサを作動させるときに前記第２充
    填空気導管を開き、前記ターボチャージャを高いエンジン速度で作動させたとき
    に前記第２充填空気導管を閉じるように作動される充填空気チェックバルブと、
    含むことを特徴とする充填空気システム。
  10. 【請求項１０】 前記電気モータ用のコントローラをさらに含み、前記コン
    トローラは、エンジン速度信号およびエンジン加速度要求信号の少なくとも一方
    に応答して前記電気モータを付勢することを特徴とする請求項１に記載の充填空
    気システム。
  11. 【請求項１１】 前記コントローラは、内燃機関が始動された後に、前記電
    気モータを所定の最小速度に付勢して維持することを特徴とする請求項１０に記
    載の充填空気システム。
  12. 【請求項１２】 前記コントローラは、加速度要求信号に応答して電気モー
    タを過付勢することを特徴とする請求項１０に記載の充填空気システム。
  13. 【請求項１３】 電気モータは、低いエンジン速度よりも高く助勢されるこ
    とを特徴とする請求項１０に記載の充填空気システム。
  14. 【請求項１４】 電気モータは、約２０００rpmから約２５００rpmの範囲の
    エンジン速度に助勢されることを特徴とする請求項１３に記載の充填空気システ
    ム。
  15. 【請求項１５】 コントローラは、エンジン速度信号およびエンジン加速度
    要求信号の少なくとも１つに応答して、排気ガス駆動式タービンがターボチャー
    ジャコンプレッサを駆動するのを助ける電気モータを作動させることを特徴とす
    る請求項１０に記載の充填空気システム。
  16. 【請求項１６】 コントロールを更に有し、該コントロールはエンジン速度
    信号及びエンジン加速要求信号の少なくとも一方に応答して、小型のコンプレッ
    サーを駆動するように接続されたモータ及びターボチャージャーコンプレッサー
    を駆動するのを補助するモータの一方又は両方を付勢する、請求項４に記載の充
    填空気システム。
  17. 【請求項１７】 前記モータ用のコントロールを更に有し、前記コントロー
    ルはエンジン速度信号及びエンジン加速要求信号の少なくとも一方に応答して前
    記電気モータを付勢する、請求項５に記載の充填空気システム。
  18. 【請求項１８】 前記コントロールは、内燃機関が始動された後、前記電気
    モータを付勢してこれを所定最小速度に維持する、請求項１７に記載の充填空気
    システム。
  19. 【請求項１９】 前記コントロールはモータをエンジン加速要求信号に応答
    してスーパー付勢する、請求項１７に記載の充填空気システム。
  20. 【請求項２０】 モータは低エンジン速度以上で消勢される、請求項１７に
    記載の充填空気システム。
  21. 【請求項２１】 モータは約２０００ｒｐｍ乃至約２５００ｒｐｍの範囲の
    エンジン速度で消勢される、請求項２０に記載の充填空気システム。
  22. 【請求項２２】 コントロールを更に有し、該コントロールはエンジン速度
    信号及びエンジン加速要求信号の少なくとも一方に応答して、小型のコンプレッ
    サーを駆動するように接続されたモータ及び排気ガス駆動式タービンがターボチ
    ャージャーコンプレッサーを駆動するのを補助するモータの一方又は両方を付勢
    する、請求項８に記載の充填空気システム。
  23. 【請求項２３】 前記モータ用のコントロールを更に有し、前記コントロー
    ルはエンジン速度信号及びエンジン加速要求信号の少なくとも一方に応答して前
    記電気モータを付勢する、請求項９に記載の充填空気システム。
  24. 【請求項２４】 前記コントロールは、内燃機関が始動された後、前記電気
    モータを付勢してこれを所定最小速度に維持する、請求項２３に記載の充填空気
    システム。
  25. 【請求項２５】 前記コントロールはモータをエンジン加速要求信号に応答
    して付勢する、請求項２３に記載の充填空気システム。
  26. 【請求項２６】 モータは低エンジン速度以上で消勢される、請求項２３に
    記載の充填空気システム。
  27. 【請求項２７】 モータは約２０００ｒｐｍ乃至約２５００ｒｐｍの範囲の
    エンジン速度で消勢される、請求項２３に記載の充填空気システム。
  28. 【請求項２８】 ターボチャージャーは、排気ガスタービンがターボチャー
    ジャーコンプレッサーを駆動するのを補助するモータを含み、且つエンジン速度
    信号及びエンジン加速要求信号の少なくとも一方に応答して、小型のコンプレッ
    サーを駆動するように接続されたモータ及び排気ガス駆動式タービンがターボチ
    ャージャーコンプレッサーを駆動するのを補助するモータの一方又は両方を付勢
    するコントロールう更に含む、請求項９に記載の充填空気システム。
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