JP2009068501A - ４サイクル内燃機関用充填空気システム - Google Patents

Abstract

【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。
【選択図】 図２

Description

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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
。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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５４を更に備えている。

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。

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６４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。

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。

（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。

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。

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。

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６８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。

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。

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５０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４８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。

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。

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８４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。

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。

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５４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２４の充填空気量及びブースト圧を急速に高める。

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。

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。

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。

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。

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。 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。 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。 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。

Claims (20)

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給気（ｃｈａｒｇｅ ａｉｒ：充填空気、以下同じ）システムであって、
   吸入口および排出口を有する小型給気コンプレッサと、
   前記給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、
   前記給気コンプレッサの排出口に連結された第１の給気導管と、
   第２の給気導管と、
   前記第１および第２の給気導管の接合部であって、前記インテークマニホールドに連結されているものである、前記接合部と、
   前記第１および第２の給気導管の接合部、またはその上流側に配置された給気チェックバルブと
   を有する給気システム。
2. 請求項１記載の給気システムにおいて、前記小型給気コンプレッサの吸入口および前記第２の給気導管はエアクリーナーに連結されており、前記給気チェックバルブは、前記給気コンプレッサが作動すると該第２の給気導管を閉じるものである給気システム。
3. 請求項２記載の給気システムにおいて、この給気システムは、さらに、
   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、エア吸入口および圧縮エア排出口を備えた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を有し、
   前記ターボチャージャエアコンプレッサの前記エア吸入口は前記接合部に連結されており、前記圧縮エア排出口は前記インテークマニホールドに連結されているものである給気システム。
4. 請求項３記載の給気システムにおいて、前記ターボチャージャは、前記排気ガス駆動タービンによる前記ターボチャージャコンプレッサの駆動を助長する電気モータを含むものである給気システム。
5. 請求項１記載の給気システムにおいて、この給気システムは、さらに、
   前記電気モータ用のコントローラを有し、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１つに応答して前記電気モータを付勢するものである給気システム。
6. 請求項５記載の給気システムにおいて、前記コントローラは、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の最低速度に維持するものである給気システム。
7. 請求項５記載の給気システムにおいて、前記コントローラは加速度要求信号に応答して、前記電気モータを過付勢するものである給気システム。
8. 請求項５記載の給気システムにおいて、前記電気モータは、低エンジン速度よりも高い速度に減勢されるものである給気システム。
9. 請求項５記載の給気システムにおいて、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１つに応答して、前記排気ガス駆動タービンによる前記ターボチャージャコンプレッサの駆動を助長する電気モータを作動させるものである給気システム。
10. 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給気システムであって、
    吸入口および排出口を有する小型給気コンプレッサと、
    前記給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４サイクルエンジンからの排気と連通する排気ガス駆動タービンと、エア吸入口および圧縮エア排出口を備えた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給気の排出口に連結された吸入口を有するクーラーと、
    前記クーラーの排出口に連結された第１の給気導管と、
    周囲の大気と連通する第２の給気導管と、
    前記第１および第２の給気導管の接合部と、
    前記第１および第２の給気導管の接合部を前記給気コンプレッサの吸入口に連結する第３の給気導管と、
    前記給気コンプレッサが作動すると前記第２の給気導管を開き、前記ターボチャージャが高いエンジン速度で作動すると前記第２の給気導管を閉じるように動作可能な給気チェックバルブと
    を有する給気システム。
11. 請求項１０記載の給気システムにおいて、この給気システムは、さらに、
    前記電気モータ用のコントローラを有し、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要求信号の少なくとも１つに応答して前記電気モータを付勢するものである給気システム。
12. 請求項１１記載の給気システムにおいて、前記コントローラは、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の最低速度に維持するものである給気システム。
13. 請求項１１記載の給気システムにおいて、前記コントローラはエンジン加速要求信号に応答して、前記電気モータを過付勢するものである給気システム。
14. 請求項１１記載の給気システムにおいて、前記電気モータは、低エンジン速度よりも高い速度に減勢されるものである給気システム。
15. 請求項１１記載の給気システムにおいて、前記電気モータは約２０００ｒｐｍ乃至約２５００ｒｐｍの範囲のエンジン速度に減勢されるものである給気システム。
16. 請求項１０記載の給気システムにおいて、前記ターボチャージャは前記排気ガス駆動タービンによる前記ターボチャージャコンプレッサーの駆動を助長する電気モータを含み、
    この給気システムは、さらに、
    エンジン速度信号およびエンジン加速要求信号の少なくとも１つに応答して、前記給気コンプレッサを駆動するように連結された前記電気モータおよび前記排気ガス駆動タービンによる前記ターボチャージャコンプレッサーの駆動を助長する前記電気モータの一方又は両方を付勢するコントローラを含むものである給気システム。
17. 排気ガスマニホールドとエアインテークマニホールドとを有する内燃機関のための２段階式給気システムであって、
    前記内燃機関を最高速度および全負荷で作動させるのに必要な給気の約３分の１未満を供給可能な第１段階の給気コンプレッサであって、エア吸入口および圧縮エア排出口を備えるものである、前記第１段階の給気コンプレッサと、
    前記第１段階の給気コンプレッサを駆動するための電気モータと、
    一方の端部が前記圧縮エア排出口に連結され、且つもう一方の端部が接合部と連結されている第１の給気導管と、
    一方の端部が前記接合部と連結され、且つもう一方の端部が大気に対して開口している第２の給気導管と、
    前記接合部と隣接する、前記第２の給気導管のための圧力作動チェックバルブと、
    前記内燃機関の前記排気ガスマニホールドに連結された排気ガス駆動タービンと該排気ガス駆動タービンにより駆動される第２段階の給気コンプレッサとを有するターボチャージャであって、該ターボチャージャの前記第２段階の給気コンプレッサは、該内燃機関の前記エアインテークマニホールドに連結された給気排出口と前記第１および第２の給気導管の接合部に連結されたエア吸入口とを有するものである、前記ターボチャージャと、
    前記２段階式給気システムのコントローラであって、このコントローラは前記内燃機関の速度センサおよびエンジン加速要求センサに連結され、エンジン加速要求信号が発信されると前記第１段階の電気モータを付勢し、且つ所定のエンジン作動速度よりも高い速度に前記第１段階の電気モータを減勢するための出力を有するものである、前記コントローラと
    を有する２段階式給気システム。
18. 請求項１７記載の２段階式給気システムにおいて、前記ターボチャージャの電気モータは、前記排気ガス駆動タービンが該ターボチャージャの前記第２段階の給気コンプレッサを駆動するのを助長し、前記コントローラは、エンジン加速要求信号が発信されると前記ターボチャージャの電気モータを付勢し、且つ所定のエンジン作動速度よりも高い速度に前記ターボチャージャの電気モータを減勢するための第２の出力を有するものである、２段階式給気システム。
19. 請求項１７記載の２段階式給気システムにおいて、前記圧力作動チェックバルブは、前記第１段階の給気コンプレッサが作動すると前記第２の給気導管を閉じ、前記内燃機関のターボチャージャが高いエンジン速度で作動すると前記第１の給気導管を閉じるものである２段階式給気システム。
20. 請求項１７記載の２段階式給気システムにおいて、前記給気コンプレッサのエア吸入口および前記ターボチャージャコンプレッサのエア吸入口は、エアクリーナーに連結されているものである２段階式給気システム。

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