JP2011501043A - ターボチャージャ及びインタクーラを備えた内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】ウェイストゲート用の電気式アクチュエータ及びインタクーラを備えた内燃機関において、燃料消費率及び負荷時の応答特性を改善すること。
【解決手段】吸気装置１６における吸気管３６と、排気装置１２と、ターボチャージャ１４とを備えて成り、ターボチャージャ１４がタービン１８とコンプレッサ２０を備え、タービン１８が、当該タービン１８を通過する排気ガスをバイパスするためのウェイストゲート２２を備え、該ウェイストゲート２２に、当該ウェイストゲート２２を開閉するためのウェイストゲートバルブ２４が設けられ、該ウェイストゲートバルブ２４を操作するための電気式のアクチュエータ２６が設けられ、吸気装置１６におけるコンプレッサ２０の下流側にインタクーラが設けられている内燃機関において、インタクーラを、吸気管３６に取り付けるとともに水冷式の熱交換器を備える構成とした。

Description

本発明は、請求項１の前提部分に記載した、吸気装置における吸気管と、排気装置と、ターボチャージャとを備えて成り、前記吸気管が内燃機関のシリンダヘッドにおける吸気通路に対して開口しており、前記ターボチャージャが、前記排気装置に設けられたタービンと、該タービンにより駆動されつつ前記吸気装置に設けられたコンプレッサとを備え、前記タービンが、当該タービンの羽根車を通過する排気をバイパスするためのウェイストゲートを備え、該ウェイストゲートに、当該ウェイストゲートを開閉するためのウェイストゲートバルブが設けられ、該ウェイストゲートバルブを操作するための電気式のアクチュエータが設けられ、前記吸気装置における前記コンプレッサの下流側にインタクーラが設けられている、特に原動機付き車両である内燃機関に関するものである。

ウェイストゲートを備えたターボチャージャにおいて、空圧式のアクチュエータを介して過給圧の制御を行うことが知られている（例えば特許文献１）。また、過給機を備えたガソリンエンジンにおいては、ディーゼルエンジンに比して排気温度がかなり高くなる結果、ディーゼルエンジンにおいて広く用いられている可変タービンジオメトリはコストが高くなるため、主に、可変でなく固定された翼形状及びウェイストゲートを備えたターボチャージャが用いられている。将来的にも、コストの問題により、過給機を備えたガソリンエンジンにおいては、固定翼形状のターボチャージャ及びウェイストゲートによる制御が用いられると見込まれる。

このようなエンジンにおける開発に対して、大きな低速トルクを得つつ、応答特性を犠牲にしないことがますます要求されている。このような要求に対して、特に低回転域において最適なターボチャージャの設定を考慮する必要がある。このようなターボチャージャは、エンジンの排気量に関連した輸送能力により非常に小さい。そのため、このようなターボチャージャにより、小さな排気流量であっても、スーパーチャージャに比して大きな圧力比を得ることが可能である。なお、高いエンジン回転数及び大きな排気流量の場合には、これに応じて多くの排気をウェイストゲートへ分流させることが必要である。

ウェイストゲートについての要求は、低速トルク駆動及び過渡駆動において、ウェイストゲートが大きな力で閉鎖される必要があるとともに、定格出力領域においては十分な制御制限を備える必要があるということに基づくものである。これにより、定格出力がその大きさにおいて確実に制御され、また、ターボチャージャを過剰な回転数から保護するための制御がなされる。

さらに、排気ガスの背圧は、燃料消費率が良好な最小の過給動作に調整することができるよう部分負荷状態においてできる限り小さく設定される必要がある。しかし、このような二律背反の事項は、ガソリンエンジンにおいて過圧で制御される従来の空圧式のアクチュエータによっては十分に達成できていない。そこで、エンジンにおける圧力とは無関係に操作あるいは制御されることが可能な、ウェイストゲートを操作するための電気式アクチュエータを用いることが解決手段となる。

このようなウェイストゲート用の電気式アクチュエータ及びインタクーラを備えた内燃機関が特許文献２に開示されている。このようなものによれば、ウェイストゲートを流通する排気ガスを、固有の排気ガス流に供給することが可能である。

独国特許出願公開第１９８２４９１３号明細書 独国特許出願公開第１０２００５０５６０１１号明細書

本発明の目的とするところは、上記のような内燃機関において、燃料消費率及び負荷時の応答特性を改善することにある。

上記目的は、請求項１記載の特徴を備えた内燃機関により達成される。なお、好ましい実施形態は、各従属請求項に記載されている。

すなわち、本発明は、インタクーラを吸気管に取り付けるとともに、水冷式の熱交換器を備える構成としたことを特徴としている。これにより、吸気装置におけるコンプレッサの下流側に比較的小さな流量が生じることになり、部分負荷時においてウェイストゲートバルブあるいはウェイストゲートフラップが開弁されている場合でも、内燃機関の迅速な応答が可能である。そのため、部分負荷時にウェイストゲートバルブを開弁することによって燃料消費率を低減しても、応答特性を犠牲にすることがない。

また、本発明の一実施形態は、インタクーラにおける水冷式の熱交換器を冷却水回路に接続したことを特徴としている。

また、本発明の一実施形態は、インタクーラを水冷式のインタクーラとしたことを特徴としている。

また、本発明の一実施形態は、電気式のアクチュエータを電気モータを備える構成とするとともに、該電気モータを、当該電気モータがエンジン制御装置からの出力信号を直接ウェイストゲートバルブの調整動作に変換されるよう形成及び配置したことを特徴としている。

さらに、本発明の一実施形態は、ウェイストゲートバルブをフラップとして形成したことを特徴としている。

本発明によれば、内燃機関の応答特性を犠牲にすることなく燃料消費率の低減を図ることが可能である。

本発明による内燃機関の一実施形態を示す図である。 電気式アクチュエータによるウェイストゲートの制御についての特性曲線である。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１に示す本実施の形態における内燃機関は、エンジンブロック１０、排気装置１２、ターボチャージャ１４及び吸気装置１６を含んで構成されている。また、ターボチャージャ１４は、排気装置１２に設けられたタービン１８と、吸気装置１６に設けられたコンプレッサ２０とを備えている。

さらに、排気装置１２にはウェイストゲートバルブ２４を有するウェイストゲート２２が設けられており、ウェイストゲートバルブ２４を開弁することで排気の一部をウェイストゲート２２へ導入することができるようになっている。また、特にフラップ状に形成されたウェイストゲートバルブ２４は、当該ウェイストゲートバルブを操作するための電気式のアクチュエータ２６を備えている。

なお、排気装置１２におけるタービン１８の下流側には、特に一次触媒又はエンジン近傍のメインキャタライザとしてのキャタライザ２８が配置されている。

しかして、吸気装置１６には、コンプレッサ２０をバイパスし、かつ、バイパスバルブ３２を備えたバイパス通路３０が設けられている。また、この吸気装置１６には更にスロットルバルブ３４及び吸気管３６が設けられており、この吸気管３６には、水冷式の熱交換器を備えたインタクーラが取り付けられている。この水冷式の熱交換器は内燃機関の冷却水回路３８に接続されており、この冷却水回路３８は、ポンプ４０及びラジエタ４２を備える構成となっている。

ところで、図２には、アクチュエータ２６によるウェイストゲートバルブ２４の制御についての特性曲線が示されている。この図２において、横軸４４は単位〔１／ｍｉｎ〕で表したエンジン回転数であり、縦軸４６は「％」で示した相対平均圧力である。ここで、ウェイストゲートバルブ２４は、第１の領域４８においては閉弁されており、第２の領域５０においては開弁されており、第３の領域においては開閉制御されている。

また、アクチュエータ制御は、アクセルペダルの迅速な踏込時に基本的に迅速に閉弁するよう、かつ、運転者が直前にアクセルを踏み込んでいないければ、許容最大チャージ圧に達するまでこの閉弁状態が維持されるよう、アクセルペダルの踏込度合にも応じてなされる。

全負荷運転でない部分負荷運転時におけるウェイストゲートバルブ２４の開弁による加速の利点を、適当な燃料消費率（燃費）についての利点に置き換えるために、本発明においては、インタクーラが、吸気管３６に取り付けられているとともに水冷式の熱交換器を備える構成とされている。これにより、ターボチャージャのコンプレッサの出口と内燃機関の燃焼室の間にわずかな空気量しか存在しないため、部分負荷時に開弁されているウェイストゲートバルブ２４が応答特性について目立った低下を生じさせることがない。そのため、本発明においては、「電気式のアクチュエータ」と「吸気管に取り付けられた水冷式のインタクーラ」を組み合わせて用いている。そして、上記２つのものをこのように組み合わせることによって、初めて電気式のアクチュエータの利点を実際に転用することができる。

吸気管３６に取り付けられたインタクーラに基づく非常にわずかな圧縮空気量によって、ウェイストゲートバルブの開弁時における部分負荷の下においても動特性を犠牲にすることなく、動作点に応じた圧力とは無関係なウェイストゲートバルブ２４の制御が可能であるという電気式のアクチュエータの利点が初めて得られる。なお、この電気式のアクチュエータにおいては、従来の空圧式のアクチュエータに比して大幅に低い圧力レベルとなっている一方、燃料消費率は従来の空圧式アクチュエータに比して１〜２％ほど低くなっている。

また、仮にウェイストゲートバルブ２４が比較的低い部分負荷において閉弁されていると、動特性は少なくとも空圧式アクチュエータのレベルまで改善されるものの、特性曲線の全体にわたって燃料消費率が空圧式アクチュエータのレベルとなってしまう。

一方、電気式のアクチュエータを用いる主な目的が燃料消費率の低減にあることから、ウェイストゲートバルブ２４が比較的低い部分負荷において既に開弁されていれば、電気式のアクチュエータ２６と吸気管３６に取り付けられたインタクーラを組み合わせて用いることで動特性を損なうことなく燃料消費率を低減することができるため、動特性及び燃料消費率を改善することが可能である。これにより、ウェイストゲートバルブ２４をエンジンの基準や熱力学的な基準のみに基づいて調整することが可能である。そして、このようなことから図２の特性曲線が得られる。

この図２に示された電気式アクチュエータ２６の動作により、電気式制御の利点が最大に生かされることになる。また、この図２に示す特性曲線の実施は、吸気管３６に取り付けられたインタクーラの使用が前提となっている。

なお、電気式のアクチュエータ２６とは、エンジン制御装置の出力信号を電気モータを介してウェイストゲートバルブあるいはフラップの調整動作に直接変換するものである。すなわち、このことは、動作点に応じたエンジンの供給圧力とは無関係であることを意味している。

１０ エンジンブロック
１２ 排気装置
１４ ターボチャージャ
１６ 吸気装置
１８ タービン
２０ コンプレッサ
２２ ウェイストゲート
２４ ウェイストゲートバルブ
２６ アクチュエータ
２８ キャタライザ
３０ バイパス通路
３２ バイパスバルブ
３４ スロットルバルブ
３６ 吸気管
３８ 冷却水回路
４０ ポンプ
４２ ラジエタ
４４ 横軸（エンジン回転数）
４６ 縦軸（相対平均圧力）
４８ 第１の領域
５０ 第２の領域
５２ 第３の領域

Claims (5)

1. 吸気装置（１６）における吸気管（３６）と、
   排気装置（１２）と、
   ターボチャージャ（１４）と
   を備えて成り、
   前記吸気管（３６）が内燃機関のシリンダヘッドにおける吸気通路に対して開口しており、
   前記ターボチャージャ（１４）が、前記排気装置（１２）に設けられたタービン（１８）と、該タービン（１８）により駆動されつつ前記吸気装置（１６）に設けられたコンプレッサ（２０）とを備え、
   前記タービン（１８）が、当該タービン（１８）の羽根車を通過する排気ガスをバイパスするためのウェイストゲート（２２）を備え、
   該ウェイストゲート（２２）に、当該ウェイストゲート（２２）を開閉するためのウェイストゲートバルブ（２４）が設けられ、
   該ウェイストゲートバルブ（２４）を操作するための電気式のアクチュエータ（２６）が設けられ、
   前記吸気装置（１６）における前記コンプレッサ（２０）の下流側にインタクーラが設けられている、
   特に原動機付き車両である内燃機関において、
   前記インタクーラを、前記吸気管（３６）に取り付けるとともに水冷式の熱交換器を備える構成としたことを特徴とする内燃機関。
2. 前記インタクーラにおける水冷式の熱交換器を、冷却水回路に接続したことを特徴とする請求項１記載の内燃機関。
3. 前記インタクーラを水冷式のインタクーラとしたことを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関。
4. 電気式の前記アクチュエータ（２６）を電気モータを備える構成とするとともに、該電気モータを、当該電気モータがエンジン制御装置からの出力信号を直接前記ウェイストゲートバルブ（２４）の調整動作に変換されるよう形成及び配置したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関。
5. 前記ウェイストゲートバルブ（２４）をフラップとして形成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関。

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