JP2011080373A - ターボ式過給機と機械式過給機を備えた内燃機関及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の運転状態がエンジン低速回転数領域にある場合において、この内燃機関を搭載した車両を発進するに足る量の燃料を噴射できるだけの空気を筒内に導入することができると共に、機械式過給機とターボ式過給機の吐出圧に応じて流路を切り替えることで、機械式過給機とターボ式過給機を効率よく使用できるターボ式過給機と機械式過給機を備えた内燃機関及びその制御方法を提供する。
【解決手段】吸気通路５にターボ式過給機８のコンプレッサ８ａと機械式過給機１１を並列に設けた内燃機関１において、エンジン回転数低速領域では、機械式過給機１１を駆動し、エンジン回転数高速領域では、ターボ式過給機８を駆動すると共に、前記機械式過給機１１の吐出圧と前記ターボ式過給機８の吐出圧又は回転数に応じて、前記機械式過給機１１と前記ターボ式過給機８への吸入空気Ａの流れを切り替える。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の運転状態がエンジン低速回転数領域にある場合においても、この内燃機関を搭載した車両を発進するに足る燃料量に対応した空気量を筒内に導入することができると共に、ターボ式過給機と機械式過給機の両方を効率よく使用できるターボ式過給機と機械式過給機を備えた内燃機関及びその制御方法に関する。

従来技術においては、車両搭載の内燃機関で所望の出力を確保しながら、排気ガス汚染を防止するためには、車両に必要な出力を確保できるだけの十分な排気量を持った内燃機関に、過給システムと排気ガス浄化システム(後処理装置)を備えることで対応していた。

しかしながら、ＣＯ₂排出量の低減のために、内燃機関の排気量を小さくする小排気量化が考えられているが、この小排気量化を進めると、シリンダ内（筒内）容積が小さくなるため、この内燃機関を搭載した車両においては、過給圧が十分に得られないエンジン低速回転速度域のような状況では、シリンダ内に導入される吸入空気の量が減少し、結果として、十分な燃料を噴射できず、大きなエンジン出力が必要な車両の発進が困難となるという問題が生じる。そのため、車両搭載の内燃機関においては、小排気量化が困難であった。

また、これらの問題に対し、小さなターボ式過給機を追加した内燃機関も存在するが、この場合、排気エネルギーを用いて過給を行うため、排気ガスの温度が低下し、排気ガス浄化装置の触媒の活性化のために、十分に高い温度の排気ガスを得ることが難しくなるという問題がある。

これに関連して、吸気の最高過給圧を設定値に規制するウェストゲート装置を有する排気ターボ式過給機と、エンジンにより駆動される機械式過給機とを備え、この機械式過給機をエンジンの運転状態に応じて作動させるようにしたエンジンの過給装置において、機械式過給機の作動時にウェストゲート装置の設定最高過給圧値を低くすることにより、エンジン出力を所望値に保持しながらエンジンの燃焼効率を高めるエンジンの過給装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

このエンジンの過給装置では、機械式過給機はターボ式過給機のコンプレッサと並列に配置され、常時作動させている機械式過給機から出た過給空気をシリンダ内と排気通路側に選択的に流せる構成としている。また、通常運転時には過給空気を排気通路側に２次空気として流し、排気中の一酸化炭素等を酸化させて排気ガスを浄化している。更に、高回転高負荷領域等の特定運転領域では、過給空気をシリンダ内に供給すると共にターボ式過給機のウェストゲート装置の設定最高過給圧値を低くして、ターボ式過給機の過給分担を減少し、排気の排出をスムーズにし、燃焼室への残留ガスの持ち込み亮を減少させてエンジンの燃焼効率を向上させている。しかしながら、この機械式過給機は常時作動であるため、機械式過給機を駆動するための燃料の消費量分だけ燃費が悪化するという問題がある。

特開昭６３−１８１３３号公報

本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関の運転状態がエンジン低速回転数領域にある場合において、この内燃機関を搭載した車両を発進するに足る量の燃料を噴射できるだけの空気を筒内に導入することができると共に、機械式過給機とターボ式過給機の吐出圧又は回転数に応じて流路を切り替えることで、機械式過給機とターボ式過給機を効率よく使用できるターボ式過給機と機械式過給機を備えた内燃機関及びその制御方法を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明のターボ式過給機と機械式過給機を備えた内燃機関は、ターボ式過給機のコンプレッサを備えた吸気通路に、前記ターボ式過給機のコンプレッサを迂回する副吸気通路を配置し、この副吸気通路に内燃機関の出力軸によって駆動される機械式過給機を設け、該機械式過給機の入力軸と該内燃機関の出力軸との間に断接機を設けると共に、吸入空気の流れを、前記ターボ式過給機のコンプレッサを通過する流れと前記機械式過給機を通過する流れとに切り替える流路切替手段を設けて構成したターボ式過給機と機械式過給機を備えた内燃機関において、前記ターボ式過給機のコンプレッサを通って吸入空気が逆流しないように前記吸気通路に逆流防止弁を設けて構成すると共に、内燃機関の運転状態がエンジン回転数低速領域では、前記断接機を接続して前記機械式過給機を駆動し、内燃機関の運転状態がエンジン回転数高速領域では、前記断接機を断絶して前記機械式過給機を停止すると共に前記ターボ式過給機を駆動し、前記機械式過給機の作動時においては、前記ターボ式過給機のコンプレッサの吐出圧が予め設定された設定吐出圧以下の場合には、吸入空気の流れを前記機械式過給機のコンプレッサのみに流入させるように前記流路切替手段により流路を切り替え、前記ターボ式過給機のコンプレッサの吐出圧が、前記設定吐出圧を超えた場合には、前記逆流防止弁を押し開いて、吸入空気を内燃機関の筒内に導入すると共に、前記断接機を断絶して、前記機械式過給機の駆動を停止し、前記機械式過給機の停止時においては、前記ターボ過給機のコンプレッサから吐出される吸入空気が前記機械式過給機を通過して逆流しないように、前記流路切替手段により流路を切り替えて前記副吸気通路を遮断する制御を行う制御装置を備えて構成される。

そして、上記の目的を達成するためのターボ式過給機と機械式過給機を備えた内燃機関の制御方法は、ターボ式過給機のコンプレッサを備えた吸気通路に、前記ターボ式過給機のコンプレッサを迂回する副吸気通路を配置し、この副吸気通路に内燃機関の出力軸によって駆動される機械式過給機を設け、該機械式過給機の入力軸と該内燃機関の出力軸との間に断接機を設けると共に、吸入空気の流れを、前記ターボ式過給機のコンプレッサを通過する流れと機械式過給機を通過する流れとに切り替える流路切替手段を設けて構成したターボ式過給機と機械式過給機を備えた内燃機関の制御方法において、前記ターボ式過給機の軸回転速度、又は、前記ターボ式過給機のコンプレッサの吐出圧が予め設定された設定値以下の場合には、吸入空気の流れを前記機械式過給機のコンプレッサのみに流入させるように前記流路切替手段により流路を切り替え、前記ターボ式過給機の軸回転速度、又は、前記ターボ式過給機のコンプレッサの吐出圧が前記設定値を超えた場合には、前記断接機を断絶して前記機械式過給機を停止し、前記機械式過給機の停止時においては、前記ターボ過給機のコンプレッサから吐出される吸入空気が前記機械式過給機を通過して逆流しないように、前記流路切替手段により流路を切り替えて前記副吸気通路を遮断することを特徴とする方法である。

本発明に係るターボ式過給機と機械式過給機を備えた内燃機関及びその制御方法によれば、内燃機関の運転状態がエンジン回転数低速領域にある場合では、内燃機関を搭載した車両を発進可能にする燃料量を噴射するのに十分な吸入空気をシリンダ内に供給でき、また、内燃機関の運転状態がエンジン回転数高速領域では、機械式過給機の容量よりも大きな容量のターボ式過給機を用いて効率よく吸入空気をシリンダ内に供給することができる。

更に、機械式過給機とターボ式過給機の吐出圧又は回転数に応じて流路を切り替えるので、機械式過給機とターボ式過給機を効率よく使用して過給できる。

従って、小排気量の内燃機関であっても、この内燃機関を搭載した車両に対して十分な発進性能を付与することができる。又、機械式過給機を用いることで、ターボ式過給機による排気エネルギーの消費を抑制し、排気エネルギーを排気ガス浄化装置の触媒等の活性化エネルギーに充てて排気ガス浄化性能を向上させることできる。

本発明に係る実施の形態のターボ式過給機と機械式過給機を備えた内燃機関の構成を示した図である。

以下、本発明に係る実施の形態のターボ式過給機と機械式過給機を備えた内燃機関及びその制御方法について、図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、本発明に係る実施の形態のターボ式過給機と機械式過給機を備えた内燃機関１（以下エンジンという）は、エンジン本体２に吸気マニホールド３と排気マニホールド４が設けられ、この吸気マニホールド３には、吸入空気Ａが流れる吸気通路５が接続されている。また、排気マニホールド４には排気ガスＧが流れる排気通路６が接続されている。

吸気通路５には、上流側から、エアクリーナ７、吸気空気量センサ（図示しない）、、ターボチャージャ８のコンプレッサ８ａ、インタークーラ（図示しない）等が設けられている。また、排気通路６には、上流側からターボチャージャ８のタービン８ｂ、排気ガス処理装置９、消音装置（図示しない）等が設けられている。なお、通常は、排気マニホールド４と、インタークーラ（図示しない）と吸気マニホールド３の間の吸気通路５とを接続するＥＧＲ通路が設けられるが、ここでは説明を簡単にするために省略している。

本発明においては、ターボ式過給機８のコンプレッサ８ａを備えた吸気通路５に、このコンプレッサ８ａを迂回する副吸気通路１０を配置する。この副吸気通路１０にエンジン１の出力軸によって駆動される機械式過給機１１を設け、この機械式過給機１１の入力軸とエンジン１の出力軸（クランクシャフト）との間に断接機（クラッチ）１２を設ける。この機械式過給機１１のコンプレッサ１１ａは、エンジン１の出力軸の回転を増速させて駆動し、吸入空気Ａを過給して筒内（シリンダ内）に導入する。

また、吸気通路５の空気Ａの流れを、ターボ式過給機８のコンプレッサ８ａを通過する流れと機械式過給機１１のコンプレッサ１１ａを通過する流れに切り替える流路切替弁（流路切替手段）１３を設ける。また、流路切替え弁１３と断接機１２を制御する制御装置をＥＣＵと呼ばれるエンジン制御装置（図示しない）内に組み込んで設ける。

この断接機１２は、エンジン回転速度に比例して増加する油圧断接機などで形成し、エンジン回転速度が予め設定されたエンジン回転速度になると、コンプレッサ１１ａと駆動源であるエンジン１の出力軸との接続を解除するように構成される。

本発明では、更に、吸気通路６に逆流防止弁１４を設けて構成する。この逆流防止弁１４は、機械式過給機１１のコンプレッサ１１ａから吐出された吸入空気Ａがターボ式過給機８のコンプレッサ８ｃを通って逆流しないように、機械式過給機１１のコンプレッサ１１ａの下流側で、且つ、吸気通路５と副吸気通路１０の合流点よりも上流側に設けられる。

また、流路切替弁１３は、機械式過給機１１のコンプレッサ１１ａとターボ式過給機８のコンプレッサ８ａのそれぞれの吐出圧、又は、ターボ式過給機８用の回転数センサ１５で検出される回転数の上昇に応じて、吐出圧又は回転数が予め設定した設定吐出圧（設定値）又は設定回転数（設定値）を超えたときに流路を切り替えるように構成する。

つまり、エンジン回転速度が予め設定されたエンジン回転速度以下で、エンジン１の運転状態がエンジン回転数低速領域である場合には、断接機１２を接続して機械式過給機１１を駆動する。また、エンジン回転速度が予め設定されたエンジン回転速度を超えて、エンジン１の運転状態がエンジン回転数高速領域である場合には、断接機１２を断絶して機械式過給機１１を停止すると共にターボ式過給機８を駆動する。

あるいは、ターボ式過給機８の軸回転速度、又は、ターボ式過給機８のコンプレッサ８ａの吐出圧が予め設定された設定値以下の場合には、吸入空気Ａの流れを機械式過給機１１のコンプレッサ１１ａのみに流入させるように流路切替弁１３により流路を切り替える。また、ターボ式過給機８の軸回転速度、又は、ターボ式過給機８のコンプレッサ８ａの吐出圧が前記の設定値を超えた場合には、断接機１２を断絶して機械式過給機１３を停止すると共にターボ式過給機８を駆動する。

そして、機械式過給機１１が作動しているときには、ターボ式過給機８のコンプレッサ８ａの吐出圧が予め設定された設定吐出圧（設定値）以下の場合には、吸入空気Ａの流れを機械式過給機１１のコンプレッサ１１ａのみに流入させるように流路切替弁１３により流路を切り替える。また、ターボ式過給機８のコンプレッサ８ａの吐出圧が、設定吐出圧を超えた場合には、逆流防止弁１４を押し開いて、吸入空気Ａをエンジン１の筒内（シリンダ内）に導入すると共に、断接機１２を断絶して、機械式過給機１１の駆動を停止する。

更に、機械式過給機１１が停止しているときには、ターボ過給機８のコンプレッサ８ａから吐出される吸入空気Ａが機械式過給機１１を通過して逆流しないように、流路切替弁１３により流路を切り替えて副吸気通路１０を遮断する。

この流路切替制御によれば、機械式過給機１１とターボ式過給機８のそれぞれの過給性能を十分に発揮させることができるので、効率よく過給することができる。

上記のエンジン１及びその制御方法によれば、エンジン１の運転状態がエンジン回転数低速領域にある場合では、エンジン１を搭載した車両を発進可能にする燃料量を噴射するのに十分な吸入空気Ａをシリンダ内に供給でき、また、エンジン１の運転状態がエンジン回転数高速領域では、機械式過給機１１の容量よりも大きな容量のターボ式過給機８を用いて効率よく吸入空気Ａをシリンダ内に供給することができる。

更に、機械式過給機１１とターボ式過給機８の吐出圧又は回転数に応じて流路を切り替えるので、機械式過給機１１とターボ式過給機８を効率よく使用して過給できる。従って、小排気量のエンジン１であっても、このエンジン１を搭載した車両に対して十分な発進性能を付与することができる。又、機械式過給機１１を用いることで、ターボ式過給機８による排気エネルギーの消費を抑制し、排気エネルギーを排気ガス浄化装置９の触媒等の活性化エネルギーに充てて排気ガス浄化性能を向上させることできる。

本発明のターボ式過給機と機械式過給機を備えた内燃機関及びその制御方法によれば、小排気量の内燃機関であっても、この内燃機関を搭載した車両の十分な発進性を有することができ、機械式過給機を用いることで、ターボ式過給機による排気エネルギーの消費を抑制し、排気エネルギーを排気ガス浄化装置の触媒等の活性化エネルギーに充てて排気ガス浄化性能を向上させることができるので、自動車搭載の内燃機関などに利用することができる。

１ 内燃機関（エンジン）
２ エンジン本体
５ 吸気通路
６ 排気通路
７ エアクリーナ
８ ターボ式過給機
８ａ コンプレッサ
８ｂ タービン
９ 排気ガス浄化装置
１０ 副吸気通路
１１ 機械式過給機
１１ａ コンプレッサ
１２ 断続機(クラッチ)
１３ 流路切替弁(流路切替手段)
１４ 逆流防止弁
１５ ターボ式過給機用の回転速度センサ
Ａ 吸入空気
Ｇ 排気ガス

Claims (2)

1. ターボ式過給機のコンプレッサを備えた吸気通路に、前記ターボ式過給機のコンプレッサを迂回する副吸気通路を配置し、この副吸気通路に内燃機関の出力軸によって駆動される機械式過給機を設け、該機械式過給機の入力軸と該内燃機関の出力軸との間に断接機を設けると共に、吸入空気の流れを、前記ターボ式過給機のコンプレッサを通過する流れと前記機械式過給機を通過する流れとに切り替える流路切替手段を設けて構成したターボ式過給機と機械式過給機を備えた内燃機関において、
   前記ターボ式過給機のコンプレッサを通って吸入空気が逆流しないように前記吸気通路に逆流防止弁を設けて構成すると共に、
   内燃機関の運転状態がエンジン回転数低速領域では、前記断接機を接続して前記機械式過給機を駆動し、
   内燃機関の運転状態がエンジン回転数高速領域では、前記断接機を断絶して前記機械式過給機を停止すると共に前記ターボ式過給機を駆動し、
   前記機械式過給機の作動時においては、
   前記ターボ式過給機のコンプレッサの吐出圧が予め設定された設定吐出圧以下の場合には、吸入空気の流れを前記機械式過給機のコンプレッサのみに流入させるように前記流路切替手段により流路を切り替え、
   前記ターボ式過給機のコンプレッサの吐出圧が、前記設定吐出圧を超えた場合には、前記逆流防止弁を押し開いて、吸入空気を内燃機関の筒内に導入すると共に、前記断接機を断絶して、前記機械式過給機の駆動を停止し、
   前記機械式過給機の停止時においては、
   前記ターボ過給機のコンプレッサから吐出される吸入空気が前記機械式過給機を通過して逆流しないように、前記流路切替手段により流路を切り替えて前記副吸気通路を遮断する制御を行う制御装置を備えたことを特徴とするターボ式過給機と機械式過給機を備えた内燃機関。
2. ターボ式過給機のコンプレッサを備えた吸気通路に、前記ターボ式過給機のコンプレッサを迂回する副吸気通路を配置し、この副吸気通路に内燃機関の出力軸によって駆動される機械式過給機を設け、該機械式過給機の入力軸と該内燃機関の出力軸との間に断接機を設けると共に、吸入空気の流れを、前記ターボ式過給機のコンプレッサを通過する流れと機械式過給機を通過する流れとに切り替える流路切替手段を設けて構成したターボ式過給機と機械式過給機を備えた内燃機関の制御方法において、
   前記ターボ式過給機の軸回転速度、又は、前記ターボ式過給機のコンプレッサの吐出圧が予め設定された設定値以下の場合には、吸入空気の流れを前記機械式過給機のコンプレッサのみに流入させるように前記流路切替手段により流路を切り替え、
   前記ターボ式過給機の軸回転速度、又は、前記ターボ式過給機のコンプレッサの吐出圧が前記設定値を超えた場合には、前記断接機を断絶して前記機械式過給機を停止し、
   前記機械式過給機の停止時においては、前記ターボ過給機のコンプレッサから吐出される吸入空気が前記機械式過給機を通過して逆流しないように、前記流路切替手段により流路を切り替えて前記副吸気通路を遮断することを特徴とするターボ式過給機と機械式過給機を備えた内燃機関の制御方法。