JP2005220778A - 排気系冷却用空気流路を有する過給式内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】過給された空気の一部をスロットル弁の上流側から取り出して排気マニホルドを冷却し、該空気をスロットル弁の下流側にて吸気系に戻す構成では、排気マニホルドの温度が最も上昇する機関高負荷時に必要な排気マニホルドの冷却が得られなくなるという問題を克服して排気系の必要な冷却を確保する。
【解決手段】過給式内燃機関に、過給機により付勢された空気の一部を取り出して排気マニホルドを冷却し、その後該空気を吸気に混入することなく大気へ放出する排気系冷却用空気流路を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、過給機により吸気の過給を行う過給式内燃機関に係り、特にその排気系の冷却に関し改良された過給式内燃機関に係る。

過給機により吸気の過給を行う過給式内燃機関は、その容積的大きさに比してより高い出力を発生することができる。そのため過給式内燃機関の出力上限が排気系構造部の温度上昇により制限されるという事態が生ずる。かかる問題に対処して、過給機により付勢された空気の一部をスロットル弁の上流側から取り出し、これを排気マニホルドとの熱交換関係に導き、これによって排気マニホルドに冷却効果を与えた後、該空気をスロットル弁の下流側にて吸気系に戻す構成の排気マニホルド冷却用吸気バイパス通路を設けることが下記の特許文献１に記載されている。
特開昭６３-１９８７１５

しかし、上記の構造では、排気マニホルドの温度が最も上昇する機関高負荷時にスロットル弁の上流側と下流側の間に得られる圧力降下が低下することから、吸気バイパス通路を流れる空気の流量が低下し、必要な排気マニホルドの冷却が得られなくなるという問題がある。

本発明は、そのような問題を生ずることなく、機関の高負荷運転時にも排気系に必要な冷却を確保することのできる過給式内燃機関を提供することを課題としている。

上記の課題を解決するものとして、本発明は、過給機により付勢された空気の一部を取り出して排気マニホルドとの熱交換関係に導き、その後該空気を吸気に混入することなく大気へ放出する排気系冷却用空気流路を有することを特徴とする過給式内燃機関を提案するものである。

前記排気系冷却用空気流路は選択的に開閉されるバイパス弁を有し、前記バイパス弁は内燃機関の排ガス温度が所定の設定値以上であるとき開かれるようになっていてよい。或はまた、かかるバイパス弁は内燃機関の排ガス温度が所定の設定時間にわたって所定の設定値以上であるとき開かれるようになっていてもよい。この場合、内燃機関の排ガス温度が所定の設定時間にわたって所定の設定値以上であるときバイパス弁が開かれるようにするための第二の設定値は、内燃機関の排ガス温度が所定の設定値以上であるときバイパス弁が開かれるようにするときの設定値より低い値とされてよい。

また、内燃機関の排ガス温度が所定の設定値以上のときバイパス弁を開くことについては、所要吸気量に対し過給量に余裕があるときとの条件が付されてよく、かかる条件を付す場合の排ガス温度の設定値は、内燃機関の排ガス温度が所定の設定時間にわたって所定の設定値以上であるときバイパス弁が開かれるように上記第二の設定値よりより低い第三の設定値とされてよい。

また、前記バイパス弁は内燃機関がエンジンブレーキ状態にあるとき開かれるようになっていてよい。

前記バイパス弁はそれを開く条件に応じて変化する設定開度にて開かれるようになっていてよい。

前記排気系冷却用空気流路は過給機により付勢された空気の一部を排気マニホルドとの熱交換関係に導く部分に排気マニホルドを囲むエアジャケットを含み、該排気系冷却用空気流路の前記エアジャケットへの入口は排気マニホルドの排気流方向に沿って見て該エアジャケットの下流側寄りに設けられていてよく、また該排気系冷却用空気流路の前記エアジャケットからの出口は該エアジャケットの内部より液体を重力に従って排出することができるよう該エアジャケットの下部に設けられていてよい。

或はまた、前記の過給機により付勢された空気の一部を排気マニホルドとの熱交換関係に導く部分は該空気を排気マニホルドの外表面に吹き付け、その後該空気をそのまま周囲に放散させる開放構造であってもよい。

更にまた、過給機により付勢された空気の一部を取り出して排気マニホルドとの熱交換関係に導き、その後該空気を吸気に混入することもできる切換弁を含む吸気還流路を有するようになっていてもよい。

過給式内燃機関が、過給機により付勢された空気の一部を取り出して排気マニホルドとの熱交換関係に導き、その後該空気を吸気に混入することなく大気へ放出する排気系冷却用空気流路を有していれば、過給機により付勢された空気の一部を取り出して排気マニホルドを冷却する構造を、スロットル弁の開度に関係なく、即ち、機関が如何なる高負荷運転状態にあっても、必要に応じて有効に作動させることができる。

前記排気系冷却用空気流路が選択的に開閉されるバイパス弁を有し、かかるバイパス弁が内燃機関の排ガス温度が所定の設定値以上であるとき開かれるようになっていれば、排ガス温度が当該設定値以上に上昇しようとすれば、直ちに排気系冷却用空気流路による排気マニホルドの冷却が開始され、またそれと同時に該冷却用空気の分だけ機関の吸気ポートへ供給される吸気が削減され、機関出力は抑制される方向へ向かうので、前記排ガス温度設定値を排気マニホルドについて許容される最高温度との関係に於いて適当に設定しておくことにより、機関に対する運転負荷指令の如何に拘わらず、排気マニホルドの温度が許容最高値を越えて上昇することが確実に回避される。

また、上記のバイパス弁を開くのは、内燃機関の排ガス温度が所定の設定時間にわたって所定の設定値以上であるときとされれば、排気系が持続的に或る所定値以上の高温にさらされることを防止することができる。この場合、特に所定の設定時間にわたって持続する排ガス温度の設定値が、上記の如くパイパス弁を直ちに開く設定値より低い第二の設定値とされれば、排気系がパイパス弁を直ちに開くべき程の温度に上昇する以前であっても、その温度が或る時間を越えて持続的に生じていることに注目して排気マニホルドの冷却を開始することができ、排気系を高温による障害からより確実に保護することができる。

しかし、また、前記バイパス弁を開くのは、内燃機関の排ガス温度が所定の設定値以上であり且つ所要吸気量に対し過給量に余裕があるときとすれば、所望の機関出力を妨げることなく、排気系の過熱を防止する点で有意義である。これは、所望の機関出力が妨げられない限り、過給空気量に余裕があれば、それを利用して排気系を所定の望ましい温度以下には冷えない範囲で予め冷却しておこうとするものである。これは、この場合の排ガス温度の所定設定値として、上記の望ましい温度に対応する第三の設定値を、上記の第二の設定値より低い値にて設定することにより可能である。

前記バイパス弁が内燃機関のエンジンブレーキ時に開かれれば、吸気を割いて排気系の冷却を行うことが機関出力に影響することはないので、そのような機会に排気系の冷却を図っておくのが有効である。ただ、この場合、排気系を所定の望ましい温度以下に冷やさないことへの注意が望まれる。

上記いずれの場合にも、前記バイパス弁がそれを開く条件に応じて変化する設定開度にて開かれるようになっていれば、それぞれの状況に応じて本発明による排気系冷却用空気流路を内燃機関の総合的運転性能の観点から最適制御することができる。

排気系冷却用空気流路が過給機により付勢された空気の一部を排気マニホルドとの熱交換関係に導く部分に排気マニホルドを囲むエアジャケットを含む場合に、該排気系冷却用空気流路の前記エアジャケットへの入口が排気マニホルドの排気流方向に沿って見て該エアジャケットの下流側寄りに設けられていれば、排気マニホルド内を流れる排気流に対しエアジャケット内を流れる冷却用空気流を対向流とすることにより両者間の熱交換率を高めることができ、また排気系冷却用空気流路のエアジャケットからの出口がエアジャケットの内部より液体を重力に従って排出することができるようエアジャケットの下部に設けられていれば、給気として取り入れられる空気中に含まれる湿分によってエアジャケットの閉塞が生ずることを防止することができる。

本発明による排気系の冷却構造は、過給機により付勢された空気の一部を取り出して排気マニホルドとの熱交換関係に導き、その後該空気を吸気に混入することなく大気へ放出するものであるため、該一部空気を排気マニホルドとの熱交換関係に導く部分を、該空気が排気マニホルドの外表面に吹き付けられた後そのまま周囲に放散される開放構造とすることができ、これによって排気系冷却装置の構造をより簡単にすることができる。

更に、上記の如き排気系冷却構造に、過給機により付勢された空気の一部を取り出して排気マニホルドとの熱交換関係に導き、その後該空気を吸気に混入することもできる切換弁を含む吸気還流路が追加されれば、排気系を熱による障害から保護する作用に加えて、これを機関の冷温始動時には排気の熱を吸気により回収し、機関の暖機を促進する手段としても使用することができる。

図１は、過給機により付勢された空気の一部を取り出して排気マニホルドとの熱交換関係に導き、その後該空気を吸気に混入することなく大気へ放出する排気系冷却用空気流路を有するよう構成された本発明による過給式内燃機の一つの実施の形態を、その要部について示す概略図である。

図１に於いて、１０は内燃機関のシリンダブロック、１２はそのシリンダヘッド、１４はそのピストンであり、１６および１８はそれぞれシリンダヘッドに設けられた吸気ポートおよび排気ポートである。２０はターボ過給機であり、そのタービンロータ２２が排気ポート１８より排気マニホルド２４を経て供給される排気ガスにより駆動され、該タービンロータより軸２６を経て駆動されるポンプロータ２８がエアクリーナ３０より吸込み導管３２を経て供給される空気を付勢し、過給導管３４を経て吸気ポート１６へ過給するようになっている。過給導管３４の途中にはインタークーラ３６およびスロットル弁３８が設けられている。

排気マニホルド２４の周りにはエアジャケット４０が設けられ、排気マニホルド２４に対する空気流による冷却手段が形成されている。エアジャケット４０には、過給導管３４の途中のインタークーラ３６より上流側の箇所にて該過給導管よりバイパス導管４２を経て取り出された過給空気の一部が、バイパス制御弁４４による制御の下に、その一端部、好ましくは排気マニホルド内を流れる排気ガスの流れ方向に見て下流側の一端部、に設けられた入口４６より導入されるようになっており、エアジャケット内へ導入された空気は、エアジャケット内をその他端部へ向けて流れ、排気マニホルドに対し冷却作用を及した後、該他端部に設けられた出口４８より大気へ放出されるようになっている。出口４８はエアジャケット４０内の空気流路の下部に位置している。

図２は、本発明による過給式内燃機の他の一つの実施の形態を図１と同様の要領によりその要部について示す概略図である。図２に於いて、図１に示す部分に対応する部分は、図１に於けると同じ符号により示されている。

この実施の形態の於いては、排気マニホルド２４の回りにはエアジャケットは設けられておらず、過給導管３４の途中からパイパス導管４２を経てバイパス制御弁４４による制御の下に取り出された排気マニホルド冷却用の空気は、吹出口５０より排気マニホルドの外表面に直接吹き付けられ、排気マニホルドに対し冷却作用を及ぼした空気はそのまま周囲に発散されようになっている。

図３は、本発明による過給式内燃機関の実施の形態をその作動態様の観点から捉えた一例を示すフローチャートである。

車輌の運転が開始されると、ステップ１００に於いて必要な信号の読み込みが行われ、それに基づきステップ２００にて排気温度Ｔgの測定または推定が行われる。排気温度Ｔgは、図１または２に示す実施の形態で見て、排気ポート１８の出口、吸気マニホルド２４の入口または中央部等の温度であってよく、制御に当たって排気系の温度状態を把握するための温度を捉えるためのものであってよい。

次いで制御はステップ３００へ進み、該温度Ｔgが所定の設定値Ｔgs以上であるか否かが判断される。この場合のＴgsは、Ｔgがそれ以上ならば図１または２に於けるバイパス弁４４を開き、過給気の一部を割いて排気マニホルドの冷却を行うか否かの判断の基準となる温度である。答がイエスであれば、制御はステップ４００へ進み、バイパス弁４４が開かれる。一方、答がノーであれば、制御はステップ５００へ進み、パイパス弁４４が閉じられる。尚、この種のフローチャートによる制御は、マイクロコンピュータにより数１０ミリセカンド〜１００ミリセカンド程度の周期にて繰り返し行われるものであり、従って、制御がステップ４００へ進むのは、パイパス弁が閉から開へ切り換えられる場合もあれば、パイパス弁が開の状態に維持され続ける場合もある。ステップ５００についても同様である。

図４は、本発明による過給式内燃機関の実施の形態をその作動態様の観点から捉えた他の一例を示すフローチャートであり、図１または2に於けるパイパス弁４４を開くか閉じるかの判断にあたって、図３の実施の形態よりは更に詳細な条件の判断を加味するものである。ステップ３００までの制御は図３の場合と同様である。但し、ステップ３００に於ける判断の基準値Ｔgs１は、図３に於けるＴgsとは必ずしも同一でなくてよい。

ステップ３００に於ける答がノーであるときには、制御はステップ３１０へ進み、α秒以上継続してＴgがある所定の基準値Ｔgs２より高いか否かが判断される。この場合のＴgs２は当然Ｔgs１よりは低い値であり、Ｔgがα秒を越えるような時間にわたって継続してＴgs２を越えることは排気系にとって好ましくないような温度の基準値とされる。ステップ３１０の答がイエスであれば、制御はステップ４００へ進み、バイパス弁が開かれる。ステップ３１０の答がノーのときには、制御はステップ３２０へ進む。

ステップ３２０に於いては、車輌が減速中、即ちエンジンブレーキ中であるか否かが判断される。車輌がエンジンブレーキ状態に入れば、少なくとも当初スロットル弁の上流側には給気の余剰が生ずるので、その間に余剰給気を利用して排気系を冷却しておくことができる。そこでステップ３２０に於いては、排気系が冷え過ぎとならないための適当な基準値Ｔg３に対してＴgが比較され、答がイエスであれば、制御はステップ４００へ進み、バイパス弁が開かれる。ステップ３２０の答がノーのときには、制御はステップ３３０へ進む。

ステップ３３０に於いては、Ｔgが或る基準値Ｔgs４以上であるか否かが判断される。この基準値Ｔgs４はＴgs１およびＴgs２よりは低い値であるが、基準値Ｔgs３との対比についは、他の車輌設計条件に応じて両者の値の上下関係は変化してよい。基準値Ｔgs３は車輌の減速時に排気系を冷やし過ぎないための基準値である。これと異なり、基準値Ｔgs４は、車輌運転全体を通じてＴgがそれ以上であるときには本発明による排気系冷却を行っておこうとする基準値である。ＴgがＴgs４以下であり、ステップ３３０の答がノーであるときには、制御はステップ５００へ進み、パイパス弁は閉じられる。これに対し、ステップ３３０の答がイエスであるときには、制御はステップ３４０へ進む。

ステップ３４０に於いては、過給機による供給空気量が計算され、それに基づきステップ３５０に於いて過給量に余裕があるか否かが判断される。過給機による供給空気量が機関の必要とする吸気量よりも大きく、ステップ３５０の答がイエスであれば、制御はステップ３６０へ進み、その給気余剰分だけを排気系の冷却にまわすためのバイパス弁の開度が計算され、その上で制御はステップ４００へ進み、ステップ３６０にて計算された開度にバイパス弁を開くことが行われる。こうして、ステップ３００、３１０、３２０に於ける制御が、排気系の温度が上がり過ぎたとき或いは車輌が減速中であるような、車輌の全運転期間中の一時的な時期にのみ実行される制御であるのに対し、ステップ３３０〜３６０を通る制御は、そのような一時的な制御を除く車輌の全運転期間を通じて行われ、内燃機関の出力性能を阻害することなくその排気系を適度に冷却してそれを熱傷害から保護する制御である。

図５は、図４に示すフローチャートによる制御の一部に更に作動の条件を付加した本発明による過給式内燃機関の更に他の一つの実施の形態を示すフローチャートである。図５のフローチャートに於いて、図４のフローチャートに於けるステップに対応するステップは、図４のフローチャートに於けると同じステップ番号により示されている。

この実施の形態の於いては、ステップ３００、３１０、３２０の答がイエスであるときには、制御はそれぞれステップ３０１、３１１、３２１へ進み、ステップ３００、３１０、３２０の答がイエスであるときに実行する排気系冷却のためのバイパス弁の開度として適当な開度がＢ１、Ｂ２、Ｂ３として計算され、そのような開度に従って、ステップ４００にてバイパス弁が開かれるようにている。このようにバイパス弁がそれを開く条件に応じて変化する設定開度にて開かれるようになっていれば、それぞれの状況に応じてかかる排気系冷却用空気流路による排気系冷却装置を内燃機関の総合的運転性能の観点から最適の作動状態に制御することができる。

図６は、図１に於いて４０として示されたエアジャケットを、吸気中に含まれる湿分や水蒸気の凝縮によってエアジャケット内に生じた水が重力に従ってエアジャケット外へ排出されるよう、その最下部に開口する出口を有するエアジャケット４０−１として構成した一例をその要部のみについて示す概略図である。図６に於いて、図１に対応する部分は、図１於けると同じ符号により示されている。この場合、エアジャケット４０−１はその入口４６が設けられている排気マニホルド内排気流に沿っては下流側寄りの一端よりその出口４８が設けられている他端まで一様に下方へ傾斜しており、吸気中に含まれる湿分や水蒸気の凝縮によってエアジャケット内に水が生じても、それは重力によって自動的に出口４８へ向けて流れ、エアジャケット内に水分による閉塞を生ずることがないようになっている。

図７は、図１に示す実施の形態に、過給機により付勢された空気の一部を取り出して排気マニホルドとの熱交換関係に導いた後、その空気を吸気に混入することもできる切換弁を含む吸気還流路を追加した更に他の一つの実施の形態を示す同様の概略図である。図７に於いても、図１に示す部分に対応する部分は、図１に於けると同じ符号により示されている。この場合、エアジャケット４０の出口４８は、二方向切換弁５２を経て大気へ開放されるか、導管５４を経て過給導管３４のスロットル弁３８より下流側に接続されるか、または閉じられるようになっている。かかる構成によれば、二方向切換弁５２を閉位置と大気への開放位置との間に切り換えることにより、上に説明した各実施の形態による排気系の選択的冷却を実行することができる上に、機関の冷温始動時に、二方向切換弁５２を導管５４へ向けて開くことにより、排気の熱を吸気により回収し、機関の暖機を促進することができる。

以上に於いては本発明をいくつかの実施の形態について詳細に説明したが、これらの実施の形態について本発明の範囲内にて種々の変更が可能であることは当業者にとって明らかであろう。

本発明による過給式内燃機の一つの実施の形態をその要部について示す概略図。 本発明による過給式内燃機の他の一つの実施の形態をその要部について示す概略図。 本発明による過給式内燃機関の実施の形態をその作動態様の観点から捉えた一例を示すフローチャート。 本発明の他の一例を示す図３と同様のフローチャート。 図４に示すフローチャートによる制御の一部に更に他の作動の条件を付加した同様のフローチャート 図１に於いて４０として示されたエアジャケットをその最下部に開口する出口を有するエアジャケット４０−１として構成した一例をその要部のみについて示す概略図。 過給機により付勢された空気の一部を取り出して排気マニホルドとの熱交換関係に導いた後、その空気を吸気に混入することもできる更に他の一つの実施の形態を示す図１と同様の概略図。

符号の説明

１０…シリンダブロック、１２…シリンダヘッド、１４…ピストン、１６…吸気ポート、１８…排気ポート、２０…ターボ過給機、２２…タービンロータ、２４…排気マニホルド、２６…軸、２８…ポンプロータ、３０…エアクリーナ、３２…吸込み導管、３４…過給導管、３６…インタークーラ、３８…スロットル弁、４０，４０−１…エアジャケット、４２…バイパス導管、４４…バイパス制御弁、４６…入口、４８…出口、５０…吹出口、５２…二方向切換弁、５４…導管

Claims (12)

1. 過給機により付勢された空気の一部を取り出して排気マニホルドとの熱交換関係に導き、その後該空気を吸気に混入することなく大気へ放出する排気系冷却用空気流路を有することを特徴とする過給式内燃機関。
2. 前記排気系冷却用空気流路は選択的に開閉されるバイパス弁を有し、前記バイパス弁は内燃機関の排ガス温度が所定の設定値以上であるとき開かれるようになっていることを特徴とする請求項１に記載の過給式内燃機関。
3. 前記排気系冷却用空気流路は選択的に開閉されるバイパス弁を有し、前記バイパス弁は内燃機関の排ガス温度が所定の設定時間にわたって所定の設定値以上であるとき開かれるようになっていることを特徴とする請求項１に記載の過給式内燃機関。
4. 前記バイパス弁は内燃機関の排ガス温度が所定の設定時間にわたって前記設定値より低い第二の設定値以上であるとき開かれるようになっていることを特徴とする請求項２に記載の過給式内燃機関。
5. 前記排気系冷却用空気流路は選択的に開閉されるバイパス弁を有し、前記バイパス弁は内燃機関の排ガス温度が所定の設定値以上であり且つ所要吸気量に対し過給量に余裕があるとき開かれるようになっていることを特徴とする請求項１に記載の過給式内燃機関。
6. 前記バイパス弁は内燃機関の排ガス温度が前記第二の設定値より低い第三の設定値以上であり且つ所要吸気量に対し過給量に余裕があるとき開かれるようになっていることを特徴とする請求項４に記載の過給式内燃機関。
7. 前記排気系冷却用空気流路は選択的に開閉されるバイパス弁を有し、前記バイパス弁は内燃機関がエンジンブレーキ状態にあるとき開かれるようになっていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の過給式内燃機関。
8. 前記バイパス弁はそれを開く条件に応じて変化する設定開度にて開かれるようになっていることを特徴とする請求項２〜７のいずれかに記載の過給式内燃機関。
9. 前記排気系冷却用空気流路は過給機により付勢された空気の一部を排気マニホルドとの熱交換関係に導く部分に排気マニホルドを囲むエアジャケットを含み、前記排気系冷却用空気流路の前記エアジャケットへの入口は排気マニホルドの排気流方向に沿って見て該エアジャケットの下流側寄りに設けられていることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の過給式内燃機関。
10. 前記排気系冷却用空気流路は過給機により付勢された空気の一部を排気マニホルドとの熱交換関係に導く部分に排気マニホルドを囲むエアジャケットを含み、前記排気系冷却用空気流路の前記エアジャケットからの出口は該エアジャケットの内部より液体を重力に従って排出することができるよう該エアジャケットの下部に設けられていることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の過給式内燃機関。
11. 前記の過給機により付勢された空気の一部を排気マニホルドとの熱交換関係に導く部分は該空気を排気マニホルドの外表面に吹き付け、その後該空気をそのまま周囲に放散させる開放構造であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の過給式内燃機関。
12. 過給機により付勢された空気の一部を取り出して排気マニホルドとの熱交換関係に導き、その後該空気を吸気に混入することもできる切換弁を含む吸気還流路を有することを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の過給式内燃機関。
    

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