JP2010133270A

JP2010133270A - 蓄圧アシスト付過給エンジン

Info

Publication number: JP2010133270A
Application number: JP2008307574A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Yoshimura; 裕史吉村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-12-02
Filing date: 2008-12-02
Publication date: 2010-06-17

Abstract

【課題】蓄圧タンク内に貯留されている凝縮水を容易に排除することのできる蓄圧アシスト付過給エンジンを提供する。
【解決手段】排気エネルギーを蓄圧する蓄圧タンク４１と、一端が排気通路３２に連通され、他端が蓄圧タンク４１に連通された連通路４２と、連通路４２に配設された制御弁４３とを含む蓄圧アシスト機構４０を備える蓄圧アシスト付過給エンジンにおいて、蓄圧アシスト機構４０により蓄圧タンク４１に蓄圧された排気エネルギーを供給する際に、蓄圧タンク４１に貯留された凝縮水を排出する排出手段を備える。この排出手段は、一端が蓄圧タンク４１内の下方に開口されて、他端が連通路４２内にガスの排出方向に沿って開口されて配設された排出パイプ４４又は他端が連通路４２に形成されたベンチュリー４２Ａの縮径部４２Ｂに開口されて配設された排出パイプ４５であってもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、過給エンジン、特に、ターボチャージャと、タービンの上流に蓄圧されたガスを供給する蓄圧アシスト機構とを備える蓄圧アシスト付過給エンジンに関する。

一般に、ターボチャージャ等の過給器を備え出力の向上を図るようにしたエンジンは広く知られている。また、かかるターボチャージャにおいては、特に、その加速初期におけるいわゆるターボラグを改善する目的で、タービンの上流に蓄圧された排気ガスや空気などを供給する蓄圧アシスト機構を設けるようにした提案が、種々、なされている。

この蓄圧アシスト機構では、エンジンのある所定の運転状態において排気ガスが有する圧力エネルギー（排気エネルギー）を回収して蓄圧タンクなどに蓄えるようにしている。

ところで、排気ガス中には、燃料に含まれる硫黄分の燃焼により生成される亜硫酸（ＳＯ₂）ガスに基づく、硫酸（Ｈ₂ＳＯ₄）、無水硫酸（ＳＯ₃）等の酸性物質が含まれており、高温の排気ガスが冷却されると、これらの酸性物質を含む凝縮水が生じることがある。すなわち、高温・高圧の状態で蓄圧タンクに回収された排気ガスの温度が低下すると、そこで凝縮し、酸性物質を含む凝縮水が蓄圧タンクの下部に溜まることになる。この凝縮水の貯留は、蓄圧タンクの内容積を減少させて蓄圧効率を低下させたり、蓄圧タンク内壁面の腐食、最悪の場合には破損を引起すおそれがあることから、これらを防止することが求められている。

かかる凝縮水を排除する技術として、特許文献１には、ＥＧＲ通路を介して排気エネルギーを回収するシステムであって、ＥＧＲ弁を開くことにより、ＥＧＲ通路及び回収通路の凝縮水を排除する技術が開示されている。

特開２００７−７１０３４号公報

ところで、特許文献１に開示された技術では、ＥＧＲ通路及び回収通路の凝縮水を排除することは可能であるが、蓄圧タンク内に貯留されている凝縮水を排除することに関しては考慮されておらず、実際には不可能である。

そこで、本発明の目的は、かかる従来の問題を解消し、蓄圧タンク内に貯留されている凝縮水を容易に排除することのできる蓄圧アシスト付過給エンジンを提供することにある。

上記目的を達成する本発明の一形態に係る蓄圧アシスト付過給エンジンは、排気エネルギーを蓄圧する蓄圧タンクと、一端が排気通路に連通され、他端が前記蓄圧タンクに連通された連通路と、該連通路に配設された制御弁とを含む蓄圧アシスト機構を備える蓄圧アシスト付過給エンジンにおいて、前記蓄圧アシスト機構により前記蓄圧タンクに蓄圧された排気エネルギーを供給する際に、前記蓄圧タンクに貯留された凝縮水を排出する排出手段を備えることを特徴とする。

この一形態によれば、蓄圧アシスト機構により蓄圧タンクに蓄圧された排気エネルギーを供給する際に、排出手段によって蓄圧タンクに貯留された凝縮水が排出される。したがって、蓄圧タンク内に凝縮水が長期間に亘り貯留することがないので、蓄圧効率の低下や、蓄圧タンク内壁面の腐食を防止することができる。

ここで、前記排出手段は、一端が前記蓄圧タンク内の下方に開口され、他端が前記連通路内にガスの排出方向に沿って開口されて配設された排出パイプであってもよい。

また、前記排出手段は、一端が前記蓄圧タンク内の下方に開口され、他端が前記連通路に形成されたベンチュリーの縮径部に開口されて配設された排出パイプであってもよい。

かかる排出パイプを配設する形態によれば、外部からの駆動エネルギーを必要とすることなく、蓄圧タンクに蓄圧された排気エネルギーの供給の際に自らのエネルギーにより蓄圧タンクに貯留された凝縮水が排出される。

以下添付図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明が適用された蓄圧アシスト付過給エンジンの概要を示すシステム図であり、１０はエンジン本体である。

このエンジン１０の吸気系としては、上流端にエアクリーナ１１が設けられた吸気通路１２、この吸気通路１２に連通されたサージタンクと一体の吸気マニフォルド１３を備え、この吸気マニフォルド１３のそれぞれの枝管が吸気ポートに連通されている。そして、吸気マニフォルド１３の上流の吸気通路１２に吸気絞り弁１４が設けられ、該吸気絞り弁１４の上流の吸気通路１２には、インタークーラ１５及びターボチャージャ２０のコンプレッサ２０Ｃが配設されている。なお、コンプレッサ２０Ｃ下流の吸気通路１２を、以下、吸気管とも称す。さらに、各気筒の吸気ポートの直上流には、不図示の燃料噴射弁が配設され、また、シリンダヘッドの気筒毎に不図示の点火プラグが配設されている。

一方、エンジン１０の排気系としては、排気ポートにそれぞれの枝管が連通する排気マニフォルド３１により排気が合流され、排気マニフォルド３１に排気通路３２が接続されている。そして、排気通路３２にはターボチャージャ２０のタービン２０Ｔが配設され、その下流に、三元触媒などを内蔵する触媒コンバータ３３及び排気絞り弁３４が配設されている。

ここで、排気絞り弁３４は、本実施の形態では、タービン２０Ｔの下流側の触媒コンバータ３３の下流側に設けられているが、排気通路３２の他の箇所に設けられてもよい。なお、本実施の形態では、排気絞り弁３４はバタフライ弁であり、例えば、電動モータである不図示のアクチュエータにより駆動される。排気絞り弁３４は、その閉弁時には排気通路３２を流れる排気ガスすなわち燃焼ガスや空気である流体を効果的にせき止め、排気絞り弁３４よりも下流側へのそのような流体の流れを概ね遮断する遮断弁として機能する。なお、排気絞り弁３４は、閉弁時に、排気通路の流路断面積を５０％程度減少させるような構成を有する弁であってもよく、あるいは、閉弁時に、排気通路３２を完全に閉塞するような構成を有する弁であってもよい。

ターボチャージャ２０は、タービン２０Ｔに導入される排気ガスのエネルギーによりタービン２０Ｔが回転駆動され、延いてはこれに回転軸で連結されているコンプレッサ２０Ｃが回転駆動され、空気を吸入、加圧して過給するものである。

さらに、本実施の形態における蓄圧アシスト機構４０は、蓄圧タンク４１と、一端が排気通路３２に連通され他端が蓄圧タンク４１の上方空間に連通された連通路４２と、連通路４２に配設されたアシスト制御弁４３とを含んで構成されている。このアシスト制御弁４３は、本実施の形態では、ポペット弁であり、例えば、電動モータからなる不図示のアクチュエータにより不図示の電子制御ユニット（ＥＣＵ）の指令により駆動される。

ここで、排気通路３２の圧力（排気エネルギー）は、アシスト制御弁４３を開くことにより、連通路４２を介してアシストガス（排気ガス又は空気）の移動を伴いつつ蓄圧タンク４１内に回収される。他方、蓄圧タンク４１内に蓄えられた圧力は、アシスト制御弁４３を閉じられた状態から開くことにより、連通路４２を介して排気通路３２にアシストガスが放出されて利用に供される。すなわち、本実施の形態では、蓄圧タンク４１内への圧力回収及びそこからの圧力放出が、排気通路３２への開口が一つであり一つのアシスト制御弁４３が設けられた一つの連通路４２を用いて行われる。

次に、上述した蓄圧アシスト機構４０の第１の実施形態につき、図２を参照して説明する。この第１の実施形態に係る蓄圧アシスト機構４０では、蓄圧タンク４１に蓄圧された排気エネルギーを連通路４２に供給する際に、蓄圧タンク４１に貯留された凝縮水を排出する排出手段として、一端が蓄圧タンク４１内の下方に開口され、他端が連通路４２内にガスの排出方向（矢印Ｄで示す）に沿って開口された排出パイプ４４が蓄圧タンク４１内に配設されている。より詳しくは、蓄圧タンク４１の頂壁４１Ａに連結されて蓄圧タンク４１の上方空間に連通された所定の断面積Ａを有する連通路４２に対し、この断面積Ａよりも小さい断面積Ｂを有する排出パイプ４４が用いられている。そして、この排出パイプ４４の一端は蓄圧タンク４１内でその底壁４１Ｂ近傍の下方に開口され、その他端は折り曲げられて連通路４２内のガスの排出方向Ｄに沿って開口されている。

また、上述した蓄圧アシスト機構４０の第２の実施形態を図３に示す。この第２の実施形態に係る蓄圧アシスト機構４０では、蓄圧タンク４１に貯留された凝縮水を排出する排出手段の構成が変更されている。すなわち、この第２の実施形態における排出手段では、一端が蓄圧タンク４１内の下方に開口され、他端が連通路４２に形成されたベンチュリー４２Ａの縮径部４２Ｂに開口された排出パイプ４５が蓄圧タンク４１の外側に配設されている。より詳しくは、蓄圧タンク４１の頂壁４１Ａに連結されて蓄圧タンク４１の上方空間に連通された所定の断面積Ａを有する連通路４２にベンチュリー４２Ａが形成され、この断面積Ａよりも小さい断面積Ｂを有する排出パイプ４５の一端は蓄圧タンク４１の側壁４１Ｃにおいて底壁４１Ｂ近傍の下方に開口され、その他端はベンチュリー４２Ａの縮径部４２Ｂに開口されている。

ところで、エンジン１０には、エンジン１０の回転数を求めるためのクランクポジションセンサ、要求負荷を検出するためのアクセルペダルの踏み込み量に比例した信号を出力するアクセル開度センサが設けられている。さらに、エンジン１０の冷却水温を検出する水温センサや過給圧を制御するのに用いられる吸気圧センサ、吸気絞り弁１４の開度を検出するスロットル開度センサ、蓄圧タンク４１内の圧力を検出する蓄圧タンク圧力センサ、排気通路３２の排気ガスすなわち燃焼ガスや空気である流体の背圧を検出するための背圧センサ、及び吸入空気量を検出するためのエアフローメーターなど（いずれも不図示）が設けられ、上述のセンサと共に、これらの各種センサの出力がＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を含むマイクロコンピュータや、Ａ／Ｄ変換器、入力インタフェース、出力インタフェース等で構成される不図示の電子制御ユニット（ＥＣＵ）に送られるようになっている。

ＥＣＵは、各センサから送られてきた出力値に応じて、燃料噴射量、点火時期、過給圧等を制御する。なお、燃料噴射量、点火時期、過給圧等の制御のために使用される制御値は、例えば縦軸にエンジンの負荷をとり、横軸にエンジン回転数をとったエンジン１０の運転状態を表すマップに、エンジン１０の要求特性等に合わせて実験的に求めた最適値が制御値として設定されており、これらのマップはＥＣＵのテーブルに保存されている。

ここで、上述の構成になる蓄圧アシスト付過給エンジン１０では、所定の運転状態（例えば、車両の減速ないしは航続走行のときのフュエルカット状態）で蓄圧タンク４１内へ排気エネルギーを蓄圧するための圧力回収制御が実行される。すなわち、例えば、吸気絞り弁１４が開弁制御されて排気絞り弁３４が閉弁制御されると共に、アシスト制御弁４３が開弁制御されて、排気通路３２の高められた圧力が、連通路４２を介した排気ガスの移動を伴いつつ、蓄圧タンク４１内に回収される。一方、所定の運転状態（例えば、車両の加速要求が生じたとき）に蓄圧アシスト制御が実行される。すなわち、アシスト制御弁４３が開弁制御されて、蓄圧タンク４１内に蓄圧されていた排気エネルギーが連通路４２を介して排気通路３２に放出されて、タービン２０Ｔの速やかな回転上昇などの利用に供される。

そこで、上述の第１の実施形態では、蓄圧タンク４１に蓄圧された排気エネルギーが連通路４２を介して排気通路３２に放出される際に、ガスは高速で連通路４２を流出するので、排出パイプ４４の他端が開口されている部位の圧力は、一端が開口されている蓄圧タンク４１内の下方部位の圧力よりもエジェクター作用により低くなり、蓄圧タンク４１に貯留された凝縮水が吸い出されて排出される。

また、上述の第２の実施形態でも同様に、蓄圧タンク４１に蓄圧された排気エネルギーが連通路４２を介して排気通路３２に放出される際に、ガスはベンチュリー４２Ａの縮径部４２Ｂでさらに高速で連通路４２を流出するので、排出パイプ４５の他端が開口されている縮径部４２Ｂ部位の圧力は、一端が開口されている蓄圧タンク４１内の下方部位の圧力よりもさらに低くなり、蓄圧タンク４１に貯留された凝縮水が効率よく吸い出されて排出される。

このように、上述の第１及び第２の実施形態によれば、共に、外部からの駆動エネルギーを必要とすることなく、蓄圧タンク４１に蓄圧された排気エネルギーの放出の際に自らのエネルギーにより蓄圧タンク４１に貯留された凝縮水を排出することができ、他の駆動装置が不要であるから、コストの上昇を避けることができる。

また、上記実施形態では、フュエルカット実行中に蓄圧タンクに回収された排気ガスすなわち空気をターボチャージャのタービンの上流に供給するようにしたが、蓄圧タンクに蓄えられるのは、このようなガスに限定されない。例えば、フュエルカット実行中以外のとき、例えば、排気ブレーキ時に排気通路から排気ガスの排気エネルギーが蓄圧タンクに回収されて蓄えられ、それがターボチャージャに供給されてもよい。この場合が、本発明により得られる効果は大きい。

本発明が適用された蓄圧アシスト付過給エンジンの概要を示すシステム図である。本発明に係る蓄圧アシスト機構における排出手段の第１の実施形態を示す断面模式図である。本発明に係る蓄圧アシスト機構における排出手段の第２の実施形態を示す断面模式図である。

符号の説明

１０エンジン
１２吸気通路
１４吸気絞り弁
２０ターボチャージャ
２０Ｃコンプレッサ
２０Ｔタービン
３２排気通路
３４排気絞り弁
４０蓄圧アシスト機構
４１蓄圧タンク
４２連通路
４２Ａベンチュリー
４２Ｂ縮径部
４３アシスト制御弁
４４、４５排出パイプ

Claims

排気エネルギーを蓄圧する蓄圧タンクと、一端が排気通路に連通され、他端が前記蓄圧タンクに連通された連通路と、該連通路に配設された制御弁とを含む蓄圧アシスト機構を備える蓄圧アシスト付過給エンジンにおいて、
前記蓄圧アシスト機構により前記蓄圧タンクに蓄圧された排気エネルギーを供給する際に、前記蓄圧タンクに貯留された凝縮水を排出する排出手段を備えることを特徴とする蓄圧アシスト付過給エンジン。
前記排出手段は、一端が前記蓄圧タンク内の下方に開口され、他端が前記連通路内にガスの排出方向に沿って開口されて配設された排出パイプであることを特徴とする請求項１に記載の蓄圧アシスト付過給エンジン。
前記排出手段は、一端が前記蓄圧タンク内の下方に開口され、他端が前記連通路に形成されたベンチュリーの縮径部に開口されて配設された排出パイプであることを特徴とする請求項１に記載の蓄圧アシスト付過給エンジン。