JP2010285874A - 内燃機関の圧縮空気供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単かつ安価な構成でありながら、蓄圧タンクに貯留されている圧縮空気を内燃機関の吸気通路延いては燃焼室に効率良く供給することができる内燃機関の圧縮空気供給装置を提供する。
【解決手段】 本発明は、蓄圧タンク５に貯留された圧縮空気を、所定の運転状態において内燃機関１の吸気通路４に供給する圧縮空気供給装置であって、当該圧縮空気を内燃機関１の吸気通路４に供給する際に、吸気通路４への圧縮空気の供給部１３より吸気上流側と内燃機関の燃焼室側とを遮断する遮断弁１１を備えると共に、当該遮断弁１１の開閉動作の駆動源として、圧縮空気の高圧を利用したことを特徴とする。特に、前記遮断弁１１がバタフライバルブである場合に、当該バタフライバルブ１１に向けて圧縮空気を噴射した際の噴射圧力により該バタフライバルブ１１を開閉動作させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関に関し、より詳しくは内燃機関の圧縮空気供給装置に関する。

従来、内燃機関の搭載された車両において、例えば発進時等の過渡時におけるエンジン性能の悪化を改善するために、例えば特許文献１では、圧縮空気を蓄圧タンクに貯留し、この貯留した高圧の圧縮空気をターボ過給機のタービンに供給することによって、タービンの駆動をアシストするようにしている。

また、クノールブレムゼ社においては、ＰＢＳ（Ｐｎｅｕｍａｔｉｃ Ｂｏｏｓｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）と称するシステムが提案されており、このものは、車両に備えられる蓄圧タンクに貯留される高圧の圧縮空気を、ターボ過給機の過給を期待することができない極低速域などにおいてエンジンの吸気系に導入して過給を補うことでトルクを増大させ、車両の発進性、加速性などを改善しようとするものである。

これらの技術は、車両の燃費改善と軽量化を実現するためのエンジンダウンサイジングによる低速トルク不足を解消するための技術である。

特開２００２−１６１７５１号公報

ところで、上述したＰＢＳは、高圧の圧縮空気をエンジンの燃焼室に直接的に供給することができる構成であるため、比較的効率良く過給を補うことができる技術として期待されるものであるが、圧縮空気を効率良く内燃機関の燃焼室まで導くことが必要とされる関係上、圧縮空気の供給部（供給ノズル）から内燃機関の燃焼室までの経路以外の吸気通路への圧縮空気の漏洩を抑制するための（デッドボリュームを縮小するための）バタフライバルブ等が備えられると共に、図１０に示したように、かかるバタフライバルブを駆動するための電動式アクチュエータ等が備えられ、比較的構成が複雑化すると共にコストが嵩むといった実情がある。
なお、このような電動式の駆動アクチュエータ等に関する実情は、特許文献１に記載の技術においても同様に存在する。

本発明は、かかる実情に鑑みなされたもので、簡単かつ安価な構成でありながら、蓄圧タンクに貯留されている高圧の圧縮空気を内燃機関の吸気通路延いては燃焼室に効率良く供給することができる内燃機関の圧縮空気供給装置を提供することを目的とする。

このため、本発明に係る内燃機関の圧縮空気供給装置は、
蓄圧タンクに貯留された圧縮空気を、所定の運転状態において内燃機関の吸気通路に供給する圧縮空気供給装置であって、
当該圧縮空気を内燃機関の吸気通路に供給する際に、吸気通路への圧縮空気の供給部より吸気上流側と、内燃機関の燃焼室側と、を遮断する遮断弁を備えると共に、
当該遮断弁の開閉動作の駆動源として、圧縮空気の高圧を利用したことを特徴とする。

本発明において、前記遮断弁がバタフライバルブである場合に、当該バタフライバルブに向けて圧縮空気を噴射した際の噴射圧力により該バタフライバルブを開閉動作させることを特徴とすることができる。

本発明において、圧縮空気の噴射を停止した際に、前記バタフライバルブが原位置方向に回動するように、前記バタフライバルブの回動軸が、吸気通路の中心に対してオフセットされていることを特徴とすることができる。

本発明において、圧縮空気の噴射ノズルの噴射開口面が、吸入空気の流れ方向上流側を臨まないように調整されたことを特徴とすることができる。

本発明において、前記バタフライバルブの回動軸廻りに、前記バタフライバルブとは別に、噴射された圧縮空気の噴射圧力の作用を受ける少なくとも１つの翼が配設されたことを特徴とすることができる。

本発明によれば、簡単かつ安価な構成でありながら、蓄圧タンクに貯留されている圧縮空気を内燃機関の吸気通路延いては燃焼室に効率良く供給することができる内燃機関の圧縮空気供給装置を提供することができる。

本発明の一実施の形態に係る内燃機関の全体構成を概略的に示した図である。 実施例１の圧縮空気導入部の構造を説明する図である（作動前：バタフライバルブの開弁時を示している）。 実施例１の圧縮空気導入部の構造を説明する図である（作動中：圧縮空気噴射供給開始によりバタフライバルブが閉弁状態へ移行する様子を示している）。 実施例１の圧縮空気導入部の構造を説明する図である（作動後：圧縮空気噴射供給停止によりバタフライバルブが開弁状態に復帰する様子を示している）。 実施例２のバタフライバルブの回動軸の軸受部の構造を説明するための図である。 実施例３の圧縮空気導入部の構造を説明する図である（作動前：バタフライバルブの開弁時を示している）。 実施例３の圧縮空気導入部の構造を説明する図である（作動中：圧縮空気噴射供給開始によりバタフライバルブが閉弁状態へ移行する様子を示している）。 実施例３の圧縮空気導入部の構造を説明する図である（作動後：圧縮空気噴射供給停止によりバタフライバルブが開弁状態に復帰する様子を示している）。 （Ａ）は実施例４のエアシリンダを用いてバタフライバルブを開閉動作する構成の一例を示した図（吸気下流側から見た図）であり、（Ｂ）は（Ａ）の側面図である。 従来の電気モータドライブによるバタフライバルブの構造の一例を示す図（吸気下流側から見た図）である。

以下、本発明の実施の形態に係る内燃機関の圧縮空気供給装置について、添付の図面に従って説明する。

本実施の形態では、内燃機関の一例として、例えばディーゼル燃焼機関とすることができるが、これに限定されるものではなく、ガソリンその他の物質を燃料とする内燃機関とすることができる。

図１に示すように、内燃機関１の排気通路２にはターボ過給機３が介装され、排気通路２に臨んで配設される排気タービン（図示せず）を排気エネルギにより回転駆動することにより、吸気通路４に臨んで配設されているコンプレッサインペラ（図示せず）を回転駆動して過給を行うようになっている。

また、本実施の形態では、所定に昇圧された圧縮空気を蓄圧タンク５に貯留しておくことができるシステムが備えられている。例えば、エアブレーキ、エアサスペンション等に用いられる圧縮空気の蓄圧システムを利用することができる。

そして、本実施の形態に係る内燃機関１の吸気通路４に介装されるインタークーラー６の下流側には、蓄圧タンク５からの圧縮空気供給通路５Ａが接続される圧縮空気導入部１０が介装されている。なお、圧縮空気供給通路５Ａには、例えば、開閉弁５Ｂが備えられており、当該開閉弁５Ｂは所定の運転状態においてＥＣＵ（図示せず）により開閉制御されるようになっている。

ここで、圧縮空気導入部１０は、図２に示すように、回動軸１２廻りを回動可能に構成され吸気通路４を開閉可能なバタフライバルブ１１が備えられている。なお、図２はバタフライバルブ１１の開弁位置（吸気通路４が開放されている状態）を示している。

また、圧縮空気導入部１０には、図２に示すように、前記圧縮空気供給通路５Ａに接続される圧縮空気供給ノズル（圧縮空気供給部）１３が、吸気通路４の内壁から突出して配設されている。この圧縮空気供給ノズル１３は、当該圧縮空気供給ノズル１３から噴射される圧縮空気が、バタフライバルブ１１の開閉方向に沿って流れる成分を有するように配設されている。

そして、所定の運転状態（例えば、発進加速時など）においてＥＣＵからの制御信号に従って前記開閉弁５Ｂが開弁されると、蓄圧タンク５に貯留されている圧縮空気が圧縮空気供給通路５Ａを介して圧縮空気供給ノズル１３へ供給され、圧縮空気供給ノズル１３から圧縮空気が前記バタフライバルブ１１を開弁させる方向に噴射される。

これにより、バタフライバルブ１１は閉弁位置へ回動され、図３に示すように、圧縮空気供給ノズル１３からの圧縮空気が作用している間、閉弁位置に付勢されるようになっている。

かかる閉弁状態では、バタフライバルブ１１の吸気上流側と、バタフライバルブ１１の吸気下流側と、の連通が遮断されるため、圧縮空気供給ノズル１３から噴射供給される圧縮空気が、バタフライバルブ１１の吸気上流側（インタークーラー６側）へ流出することを確実に防止して、効率良く内燃機関１の燃焼室へと導くことができる。

これにより、例えば、ターボ過給機３の過給を期待することができない極低速域などにおいて吸入空気量を補うことができ、以って内燃機関１のトルクを増大させ、車両の発進性、加速性などを改善することができる。

なお、運転状態が変化してＥＣＵからの制御信号に従って前記開閉弁５Ｂが閉弁されると、蓄圧タンク５からの圧縮空気の供給が停止されるようになる。

これにより、圧縮空気供給ノズル１３から噴射された圧縮空気によるバタフライバルブ１１への閉弁方向への付勢が消滅するため、図４に示すように、バタフライバルブ１１は開弁位置（原位置）へ復帰される。

すなわち、本実施の形態では、例えば、回動軸１２が中心線より下側にオフセットして配設されているため、圧縮空気供給ノズル１３から圧縮空気が供給されなくなると、バタフライバルブ１１の上流と下流の圧力差により回動軸１２廻りにモーメント差を生じ、自動的に、図２及び図４の開弁位置（原位置）へ復帰され、当該開弁位置に保持されることになる。

ところで、場合によっては、回動軸１２のオフセットは省略することができるし、リターンスプリング等を設けて開弁方向へ付勢する構成を採用することもできる。

このように、本実施例によれば、圧縮空気供給ノズル１３から噴射される圧縮空気を利用してバタフライバルブ１１を開閉可能な構成としたので、従来のようなバタフライバルブを開閉駆動するための高価な電気式アクチュエータを不要とすることができるので、構成の簡略化及び低コスト化を図ることができる。

なお、圧縮空気供給ノズル１３の噴射開口面１３Ａは、図２〜図４に示した本実施例のように、圧縮空気供給ノズル１３の噴射開口面１３Ａが、吸入空気の流れ方向上流側を臨まないように調整されることができる。

かかる構成とすれば、このような調整をせず圧縮空気供給ノズル１３の開口面１３Ａが、吸入空気の流れ方向上流側を臨むように配設された場合と比較して、吸入空気が圧縮空気供給ノズル１３内に流入して吸気通路４の通気抵抗が増大するのを抑制することができるため、吸気通路４に圧縮空気供給ノズル１３を設けても内燃機関１の性能を高く維持することができる。

実施例２は、ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ：排気還流）システムが採用された内燃機関に適用した場合に、ＥＧＲガス（排気成分）によるバタフライバルブ１１の回動軸１２の軸受部の汚染・腐食等の悪影響を抑制するために、図５に示すような構成を採用している。

すなわち、実施例２は、実施例１と同様の構成を有すると共に、図５に示すように、バタフライバルブ１１の回動軸１２の軸受部へ、蓄圧タンク５に貯留されている圧縮空気を、圧縮空気供給ノズル１３に接続される供給通路１４を介して供給し、当該軸受部を清掃するための構成を備えている。
なお、清掃の用に供された圧縮空気の一部或いは全部は、内燃機関１の燃焼室へと導かれる。

かかる構成とすれば、より一層耐久性や信頼性の向上を図りつつ、実施例１と同様の作用効果を奏することができる。

実施例３は、実施例１で説明したバタフライバルブ１１に対して後述するような変更がなされている。

すなわち、実施例３では、図６に示すように、バタフライバルブ１１の回動軸１２の廻りに、圧縮空気供給ノズル１３から噴射された圧縮空気を受けてバタフライバルブ１１を閉弁方向に順次付勢する複数の翼１５が取り付けられている。

より詳細に説明すると、バタフライバルブ１１の閉弁度合いが大きくなるに連れて、圧縮空気供給ノズル１３の先端とバタフライバルブ１１の圧縮空気受け部との距離が大きくなるため、圧縮空気供給ノズル１３から噴射された圧縮空気の噴射圧力によるバタフライバルブ１１への直接の閉弁方向への付勢力は、各部のサイズや圧縮空気圧などによっては所定以上に弱まる場合があることも想定される。

かかる場合には、バタフライバルブ１１が所定に閉弁されるまで、圧縮空気供給ノズル１３から噴射された圧縮空気が、適切にバタフライバルブ１１を閉弁方向に付勢することができるようにすることが必要とされる。

このため、実施例３では、図６に示したように、圧縮空気供給ノズル１３から噴射された圧縮空気を受け、バタフライバルブ１１を閉弁方向に付勢する複数の翼１５を、バタフライバルブ１１の回動軸１２の廻りに所定角度毎に配設する構成とした。

かかる構成とすれば、バタフライバルブ１１の閉弁度合いが進み、圧縮空気供給ノズル１３から噴射された圧縮空気によるバタフライバルブ１１への直接の閉弁付勢力が小さくなると、圧縮空気供給ノズル１３から噴射された圧縮空気の進路に次に到来してくる翼１５Ａに対して圧縮空気が閉弁方向に付勢するようになり、更にバタフライバルブ１１の閉弁度合いが進み、この翼１５Ａへの閉弁付勢力が小さくなると、次に圧縮空気の進路に到来してくる翼１５Ｂに対して圧縮空気が閉弁方向に付勢するような動作が順次繰り返されるようになっている（図６、図７参照）。

本実施例では、翼１５Ａから翼１５Ｃまで備えられ、図７に示すように、翼１５Ｃに対して圧縮空気が作用することでバタフライバルブ１１が完全に閉弁されると共に閉弁状態に維持されるようになっている。

但し、翼１５の数は限定されるものではなく、各部のサイズや圧縮空気圧などの仕様によって適宜に変更されるものである。

なお、実施例１と同様に、運転状態が変化してＥＣＵからの制御信号に従って前記開閉弁５Ｂが閉弁されると、圧縮空気供給ノズル１３から噴射された圧縮空気によるバタフライバルブ１１への閉弁方向への付勢が消滅するため、図８に示すように、バタフライバルブ１１は開弁位置（原位置）へ復帰される。

すなわち、実施例３においても、図８に示したように、回動軸１２が中心線より下側にオフセットして配設されているため、圧縮空気供給ノズル１３から圧縮空気が供給されなくなると、バタフライバルブ１１の上流と下流の圧力差により回動軸１２廻りにモーメント差を生じ、自動的に、図８の開弁位置（原位置）へ復帰され、当該開弁位置に保持されることになる。

なお、圧縮空気供給ノズル１３の開口面１３Ａは、図２〜図４に示した実施例１と同様に、圧縮空気供給ノズル１３の開口面１３Ａが、吸入空気の流れ方向上流側を臨まないように調整されることができる。

しかしながら、実施例３では、翼１５が存在しており、この翼１５が、吸入空気が圧縮空気供給ノズル１３内に流入して吸気通路４の通気抵抗が増大することを抑制することに寄与するため、圧縮空気供給ノズル１３の開口面１３Ａは、図６〜図８に示したように、吸入空気の流れ方向上流側を臨むように調整しても、内燃機関１の性能を高く維持することができるものである。

実施例４は、実施例１から実施例３で説明したような、圧縮空気供給ノズル１３から噴射供給される圧縮空気を直接的にバタフライバルブ１１等に衝突させることでバタフライバルブ１１を開閉駆動するシステムに代えて、エアシリンダ１６を利用してバタフライバルブ１１を開閉駆動するように構成されている。

すなわち、実施例４では、図９に示すように、実施例１と同様、バタフライバルブ１１が備えられていると共に、吸気通路４に圧縮空気を噴射供給するための圧縮空気供給ノズル１３が、吸気通路４の内壁から突出して配設されている。

そして、実施例４では、バタフライバルブ１１の開閉駆動は、図９に示したように、エアシリンダ１６を介して行われる。

エアシリンダ１６には、当該エアシリンダ１６の駆動用の圧縮空気として、蓄圧タンク５に貯留されている圧縮空気が、圧縮空気供給ノズル１３に接続される供給通路１８を介して供給されるようになっている。

従って、実施例４では、前記開閉弁５Ｂが運転状態に応じてＥＣＵにより開閉制御されると、これに伴って、当該エアシリンダ１６への圧縮空気の供給・停止が行われ、リンク機構１７を介してバタフライバルブ１１が開閉駆動されることになる。

具体的には、圧縮空気を内燃機関１に供給する場合には、エアシリンダ１６を介してバタフライバルブ１１が閉弁されると共に圧縮空気供給ノズル１３から圧縮空気が内燃機関１の吸気通路４に供給され、圧縮空気を内燃機関１に供給しない場合には、エアシリンダ１６を介してバタフライバルブ１１が開弁されると共に圧縮空気供給ノズル１３からの圧縮空気の供給が停止されるようになっている。

かかる実施例４の構成によっても、従来のようなバタフライバルブを開閉駆動するための高価な電動式のアクチュエータを不要とすることができるので、構成の簡略化及び低コスト化を図ることができる。

その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々変更を加え得ることは可能である。

１ 内燃機関
２ 排気通路
４ 吸気通路
５ 蓄圧タンク
５Ａ 圧縮空気供給通路
１０ 圧縮空気導入部
１１ バタフライバルブ
１３ 圧縮空気供給ノズル（圧縮空気供給部）
１５ 複数の翼
１５Ａ〜１５Ｃ 翼
１６ エアシリンダ

Claims (5)

1. 蓄圧タンクに貯留された圧縮空気を、所定の運転状態において内燃機関の吸気通路に供給する圧縮空気供給装置であって、
   当該圧縮空気を内燃機関の吸気通路に供給する際に、吸気通路への圧縮空気の供給部より吸気上流側と、内燃機関の燃焼室側と、を遮断する遮断弁を備えると共に、
   当該遮断弁の開閉動作の駆動源として、圧縮空気の高圧を利用したことを特徴とする内燃機関の圧縮空気供給装置。
2. 前記遮断弁がバタフライバルブである場合に、当該バタフライバルブに向けて圧縮空気を噴射した際の噴射圧力により該バタフライバルブを開閉動作させることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の圧縮空気供給装置。
3. 圧縮空気の噴射を停止した際に、前記バタフライバルブが原位置方向に回動するように、前記バタフライバルブの回動軸が、吸気通路の中心に対してオフセットされていることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の圧縮空気供給装置。
4. 圧縮空気の噴射ノズルの噴射開口面が、吸入空気の流れ方向上流側を臨まないように調整されたことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の内燃機関の圧縮空気供給装置。
5. 前記バタフライバルブの回動軸廻りに、前記バタフライバルブとは別に、噴射された圧縮空気の噴射圧力の作用を受ける少なくとも１つの翼が配設されたことを特徴とする請求項２〜請求項４の何れか１つに記載の内燃機関の圧縮空気供給装置。

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