JP2014098353A - 内燃機関及び内燃機関の補助物質供給方法 - Google Patents

Abstract

【課題】過渡運転時において、タービン上流に水蒸気等のガスまたは液体の物質を外部より適切な量で供給することにより、タービンの仕事量を増加させ、一時的にコンプレッサの過給圧を回復させることにより、ＮＯｘ、Ｓｏｏｔ、未燃炭化水素等の増加を防ぐことができる内燃機関及び内燃機関の補助物質供給方法を提供する。
【解決手段】内燃機関１、１Ａ、１Ｂの排気通路１３に配置されたターボ過給器１５のタービン１５ａに対して過渡運転時にガス状又は液状のタービン回転促進用の補助物質Ｍを供給する内燃機関１、１Ａ、１Ｂにおいて、前記補助物質Ｍを貯蔵タンク３１から補助物質供給通路３２を通じて補助物質供給装置３６に供給すると共に、前記補助物質供給通路３２に前記補助物質Ｍを加熱する補助物質加熱装置３４を設け、該補助物質加熱装置３４を熱媒体にエンジン冷却水又はエンジンオイルを用いた熱交換器で構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の過渡運転時における、ターボ式過給器の応答性を向上できて、排気ガス中のＮＯｘ、Ｓｏｏｔ、未燃炭化水素の低減を図ることができる内燃機関及び内燃機関の補助物質供給方法に関する。

車両搭載用等の内燃機関に用いられるターボ式過給器（ターボチャージャ）は、排気通路に配置されたタービンによって排気エネルギーを回収し、タービンとコンプレッサを連結するシャフトにより動力を伝達されたコンプレッサによって、吸気通路の吸気を圧縮して、吸気過給圧（ブースト圧）を上昇させるのに使用されている。

特に、ディーゼル機関においては、このターボ式過給器を用いることで、吸気量を増加して筒内（シリンダ内）の酸素過剰率を上げることができるので、これによる燃焼温度の低減に伴うＮＯｘ低減効果を奏することができると共に、酸素不足で生じる煤の生成及び酸化不足の改善が可能となる。

また、ターボ式過給器において、可変ノズル機構を有したタービンは、コンプレッサの作動点を意図的に変更できることから、内燃機関の広い運転領域で吸気過給圧が適切な圧力となるように制御することができ、燃費及び排気ガス中の有害物資の低減に有効な手段となっている。

一方、近年では、内燃機関の排気ガス規制は、従来の定常試験だけではなく、定められた過渡運転試験条件における測定法が各国で定められてきており、内燃機関の内部を移動する排気ガスの圧縮性及び慣性力による応答性等も考慮した、より正確な内燃機関の制御が求められてきている。

図４に、一般的なターボ式過給器を備えたディーゼル機関１Ｘの構成例を示す。ターボ式過給器１５は、排気通路１３の排気ガスＧのエネルギーを回収するタービン１５ａと、吸入空気Ａを加圧して筒内（シリンダ内）１１ａに供給するコンプレッサ１５ｂを有し、両者はシャフト１５ｃにより接続されている。コンプレッサ１５ｂで加圧された吸入空気Ａは、吸気通路１２に取り付けられたインタークーラー１６で冷却されて空気密度を上げることにより、より多くの吸入空気Ａが筒内１１ａに導入されるようにしている。また、筒内１１ａの燃焼温度を下げてＮＯｘを低減させる目的で、不活性ガスを多く含む排気ガスＧｅを吸気通路１２へ再導入するＥＧＲ（排気再循環）通路１４が構成されている。ＥＧＲガスＧｅの量は、ＥＧＲバルブ２０及び吸気バルブ１７によって制御される。

しかしながら、内燃機関が過渡運転を行った際には、定常運転時では発生しない、ターボ式過給器の応答遅れ、内燃機関の配管内を流れる空気及び排気ガスの運動による遅れ、可変ターボやＥＧＲバルブ等のアクチュエータの作動遅れ、機関制御装置の応答遅れ等が発生する。

図５は、過渡運転を行った際のエンジン回転速度（機関回転速度）、エンジントルク（機関発生トルク）、ＮＯｘ（窒素酸化物）、及びＳｏｏｔ（煤）の変化量を時系列で示している。この図３によれば、上記の遅れ、主にターボ式過給器の応答遅れが主な原因となって、適切な運転制御ができていないため、一時的なＮＯｘ、あるいはＳｏｏｔの多量排出を招いていることが分かる。

またディーゼル機関において、このような過渡運転での排気ガスの性状悪化を抑制するためには、現在のアクセル開度に対する燃料噴射量の過渡変化を抑制することで対応できるが、この対応をした場合には、自動車等の用途に使用されている内燃機関においては、トルクの応答性が悪くなり、ドライバビリティ（乗り心地性）が低下したり、一時的なトルク低下により車速が低下したりするという問題が生じる。

このターボラグと呼ばれるターボ式過給器の応答遅れの対策の一つとして、排気マニホールド内に排ガス熱交換器を設けて排ガスにより水を加熱し、この加熱された水及び蒸気を、低速域から加速する場合などにノズルにより過給機のタービン内に噴出して、水が蒸発する際の体積膨張を利用して過給機を増速することにより、過給量を増大させたエンジン過給装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、内燃機関の負荷が増大すると判定された場合に、過給機の下流に排出された排気ガスの熱により加熱されたアシストガス（空気、水蒸気）を、過給機の駆動側に供給することにより、過給機の駆動をアシストする内燃機関も提案されている（例えば、特許文献２参照）。

また、更に、ターボ下流に設置した貯蔵装置からＥＧＲクーラーの上流に設置した蒸発器を通し、タービン上流に水蒸気を供給することによる廃熱回収装置が提案されている（例えば、特許文献３参照）。

しかし、この廃熱回収装置では、過渡運転時における積極的な利用については記載がない。ここで、記載されている媒体は水であるため、常に水蒸気を供給し続けると多量の水が必要となるばかりでなく、排気管内で水が結露することにより、下流に設けられた後処理装置等の装置の性能が十分に発揮できなくなったり、加えて各装置の耐久性能を低下させたりするという問題がある。また、この廃熱回収装置では配置についての記載があるが、その制御手法についての明確な記載はない。

実開昭６１−５５１３２号公報 特開２００８−２８６０９３号公報 国際公開２０１１/０８０５２７号

本発明者は、上記の状況を鑑みて、圧縮空気や水蒸気などのガスや水等の補助物質を供給する際に、排気ガス温度よりも低い温度の補助物質を供給することは、タービンに供給される排気エネルギーを低減させ、タービンの仕事量を低下させることになるので、タービン上流に供給する補助物質の温度は、より高いほど、過渡運転時におけるターボ式過給器の回転速度を上昇させる効果がより大きくなり易く、タンク等に貯蔵された補助物質を供給する供給ラインの途中で、熱交換器やヒーター等を設置することが非常に有効な手段であるとの知見を得た。また、供給する補助物質が液体であり、沸点が各部の温度よりも高い場合には、熱交換器ではなく蒸発器であってもよいとの知見も得た。

本発明は、この知見を基になされたものであり、その目的は、過渡運転時において、タービン上流に外部より水蒸気等のガスまたは液体の補助物質を適切な量で供給することにより、タービンの仕事量を増加させ、一時的にコンプレッサの過給圧を回復させることにより、排気ガス中におけるＮＯｘ、Ｓｏｏｔ、未燃炭化水素等の増加を防ぐことができる内燃機関及び内燃機関の補助物質供給方法を提供することにある。

上記のような目的を達成するための本発明の内燃機関は、内燃機関の排気通路に配置されたターボ過給器のタービンに対してガス状又は液状のタービン回転促進用の補助物質を供給可能に構成した内燃機関において、前記補助物質を貯蔵タンクから補助物質供給通路を通じて補助物質供給装置に供給すると共に、前記補助物質供給通路に前記補助物質を加熱する補助物質加熱装置を設けると共に、前記補助物質加熱装置を熱媒体にエンジン冷却水又はエンジンオイルを用いた熱交換器で構成する。なお、この補助物質供給装置は、例えば、タービンの上流側の排気通路、排気マニホールド、排気ポート等に設けた噴射装置や、筒内（シリンダ内）燃焼噴射装置で構成することができる。

この構成によれば、補助物質過熱装置でタービン回転促進用の補助物質を昇温して補助物質供給装置からタービンに供給するので、タービンに入るエネルギー量を増加でき、タービンの回転速度を上昇する効果を大きくすることができる。更に、熱交換器の熱媒体にエンジン冷却水又はエンジンオイルを用いることにより、エンジン冷却水やエンジンオイルは、液体であるので熱交換器における熱移動効率がガスに比べて高いので、熱交換器を小型化することができる。

また、エンジン冷却水やエンジンオイルは、エンジン始動において早期に温度が上昇し易いので、早期に補助物質を昇温して、タービンに供給する補助物質のエネルギーを早期に大きくすることができる。つまり、内燃機関が大気温度である状態から始動する冷間始動時には、熱容量を有する各部を昇温するのに多くの熱量が必要であり、各部の昇温までに時間が掛かることから、温度上昇し易い液体のエンジン冷却水およびエンジンオイルを、補助物質の温度上昇のための熱交換器の媒体として用いることは効果が大きい。

上記の内燃機関において、前記熱交換器をインタークーラーの上流側又は下流側の吸気通路に設けて構成すると、インタークーラーでは、コンプレッサにより圧縮されて昇温した吸入空気を冷却する必要があるので、その熱を熱交換器で熱交換して補助物質を昇温できる。

一般的な内燃機関には、空気密度を下げ、筒内に導入する空気量を増加させる目的で、コンプレッサ下流にインタークーラーを、ＥＧＲ供給ラインにＥＧＲクーラーを、更に、冷却水を冷却するためのラジエター、オイルを冷却水で冷却するためのオイルクーラーが設置される。これらの熱交換器に加えて、タービンに供給する補助物質を温めるための熱交換器をインタークーラー上流あるいは下流に設置することにより、効率的に補助物質の温度を上昇することが可能である。

また、補助物質をインタークーラーの冷却媒体として用いることもでき、インタークーラー自体を補助物質用の熱交換器に代替すること、即ち、高温の吸入空気を補助物質で冷却して補助物質を昇温するインタークーラーとしてもよい。

あるいは、上記の内燃機関において、前記熱交換器を前記タービンの上流側の前記排気通路の排気管壁面に設けて構成すると、タービンの上流側の排気通路では、高い温度の排気ガスが通過するので、熱交換の効率が高く、効率良く補助物質を昇温できる。また、高温の排気ガスに触れて高温になり易い排気管壁面を冷却でき、この部分の熱負荷を減少できる。

このタービン上流は、内燃機関において、よりガス温度が高い箇所であり、排気ガスを導く排気マニホールドやタービン入口配管は熱負荷を受け易い部分である。そのため、タービン上流に供給する補助物質を温めるのに加えて、排気管壁面を冷却する目的で、排気管壁面に熱交換器を備える。

なお、上記の内燃機関において、熱交換器をタービン下流に設置する場合には、タービンを通過することにより、排気ガスのエネルギーはコンプレッサへ供給されるため、タービン上流のガス温度に対して、下流のガス温度は低下する。この低下したガス温度は大気温度よりも十分に高いため、タービン下流に何も設置されていない場合は、このエネルギーを捨てることになる。よって、タービン下流に熱交換器を設置して、エネルギーを回収することにより、内燃機関の全体の効率を高めることができる。このように、タービン出口配管途中に排気ガスを浄化する目的で、後処理装置（排気ガス浄化装置）を設置する場合は、この後処理装置の下流に設置することが望ましい。加えて、自動車において、排出するガス温度を下げることは、環境に及ぼす影響度合いが少なくなる。

あるいは、上記の内燃機関において、前記熱交換器を内燃機関本体の筒内壁面近傍、又は、排気ポート近傍、又は、エンジンオイルの循環部分、又は、オイルパンに設けて構成すると、この部分には、高温の燃焼ガスや高温の排気ガスが通過したり、高温のエンジンオイルが溜まったりするので、補助物資への熱交換効率が高く、容易に補助物資を昇温できる。

内燃機関本体は、通常金属で構成されることから、熱容量が大きく、安定して熱を補助物質に与えることが可能である。また、筒内壁面近傍や排気ポート近傍は、燃焼ガスが通過することから、構成材質の温度が高くなり易い。加えて、機関内の潤滑するエンジンオイルも同様に高い温度となることから、エンジンオイルが通過する部分も温度が高くなり易い。また、潤滑するエンジンオイルを貯蔵するオイルパンにおいても熱容量が大きい。よって、これらの箇所に熱交換器を設置すると効果が大きい。

上記の内燃機関において、前記補助物質として、液化ガスを用いると、コンプレッサでガスが加圧されてタンクに蓄えられている圧縮空気等と同様に、液化ガスの貯蔵タンクのタンク内圧力が十分に高い場合には、補助物質用の供給ポンプが不要となり、また、燃料に液化ガスを使用した機関である場合には、補助物質用の貯蔵タンクを燃料タンクで兼用することができるので、新たな補助物質用の貯蔵タンクが不要になる。

上記の内燃機関において、前記補助物質として、排気ガス浄化装置用の還元剤を用いると、タービン上流の排気ガス温度は高く、排気ガス成分と還元剤とが反応し、浄化し易い状況であるので、白金、パラジウム等の貴金属、あるいはその他の触媒成分を、排気管あるいはタービンハウジング内面、タービン翼等の排気ガスが接触する部分にコーティングする等により、排気ガスの浄化を促進することが出来るようになる。また、タービン翼の回転運動により、還元剤の排気ガスとの混合を促進出来る。

前記補助物質を筒内噴射により供給するように構成すると、内燃機関では、燃料は、吸気ポート又は筒内（シリンダ内）に直接噴射したり、あるいはその両方に噴射したりして、筒内で燃焼した後に排出される。そして、リーンＮＯｘ触媒（ＬＮＴ）等の触媒を使用する際は、還元剤として燃料等の炭化水素を使用するが、この供給方法には、還元剤として使用する燃料をシリンダ内燃料噴射で通常噴射するよりも遅く噴射し、未燃炭化水素として供給する第１の方法と、還元剤として使用する燃料を排気管途中より噴射して供給する第２の方法とがある。この第１の方法を補助物質の供給方法として用いる。

また、筒内に噴射される燃料に水を混入するあるいは筒内に噴射することにより燃焼温度が低下することが一般に知られているが、これと同様に、内燃機関の過渡運転時に筒内に補助物質を一時的に噴射することで、過渡運転時にタービンの回転速度を一時的に上昇させる効果を得ることができる。

そして、上記のような目的を達成するための本発明の内燃機関の補助物質供給方法は、内燃機関の排気通路に配置されたターボ過給器のタービンに対して過渡運転時にガス状又は液状のタービン回転促進用の補助物質を供給する内燃機関の補助物質供給方法において、貯蔵タンクから補助物質供給通路を通じて前記排気通路に設けた補助物質供給装置に供給すると共に、前記補助物質を、前記補助物質供給通路に設けられた熱交換器で、エンジン冷却水又はエンジンオイルを用いて熱交換して昇温した後に、前記タービンに供給することを特徴とする方法である。

この方法によれば、補助物質過熱装置でタービン回転促進用の補助物質を昇温して補助物質供給装置からタービンに供給するので、タービンに入るエネルギー量を増加でき、タービンの回転速度を上昇する効果を大きくすることができる。更に、熱交換器の熱媒体にエンジン冷却水又はエンジンオイルを用いることにより、エンジン冷却水やエンジンオイルは、液体であるので熱交換器における熱移動効率がガスに比べて高いので、熱交換器を小型化することができる。

また、エンジン冷却水やエンジンオイルは、エンジン始動において早期に温度が上昇し易いので、早期に補助物質を昇温して、タービンに供給する補助物質のエネルギーを早期に大きくすることができる。つまり、内燃機関が大気温度である状態から始動する冷間始動時には、熱容量を有する各部を昇温するのに多くの熱量が必要であり、各部の昇温までに時間が掛かることから、温度上昇し易い液体のエンジン冷却水およびエンジンオイルを、補助物質の温度上昇のための熱交換器の媒体として用いることは効果が大きい。

本発明に係る内燃機関及び内燃機関の補助物質供給方法によれば、過渡運転時において、タービン上流に外部より水蒸気等のガスまたは液体の物質を適切な量で供給することにより、タービンの仕事量を増加させ、一時的にコンプレッサの過給圧を回復させることにより、過渡応答性を向上させて、ＮＯｘ、Ｓｏｏt、及び未燃炭化水素の排出量を低減できる。

本発明の第１の実施の形態の内燃機関の構成を模式的に示す図である。 本発明の第２の実施の形態の内燃機関の構成を模式的に示す図である。 本発明の第３の実施の形態の内燃機関の構成を模式的に示す図である。 従来技術の内燃機関の構成を模式的に示す図である。 従来技術におけるエンジン速度とエンジントルクとＮＯｘ排出量とＳｏｏｔ排出量の例を時系列で示す図である。

以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関（エンジン）及び内燃機関の補助物質供給方法について、図面を参照しながら説明する。図１〜図３に示す第１〜第３の実施の形態の内燃機関１、１Ａ、１Ｂは、エンジン本体（内燃機関本体）１１に吸気通路１２と排気通路１３が接続されると共に、排気通路１３と吸気通路１２を接続するＥＧＲ通路１４が設けられている。

また、ターボ式過給器（ターボチャージャ）１５が設けられる。このターボ式過給器１５のタービン１５ａを排気通路１３に，コンプレッサ１５ｂを吸気通路１２にそれぞれ設けて、タービン１５ａとコンプレッサ１５ｂを連結するシャフト１５ｃで、排気ガスＧの排気エネルギーで回転するタービン１５ａの回転をコンプレッサ１５ｂに伝達して、このコンプレッサ１５ｂにより吸入空気Ａを圧縮する。

吸入空気Ａが通過する吸気通路１２には、コンプレッサ１５ｂとインタークーラー１６と吸気弁１７が設けられ、吸入空気Ａは、コンプレッサ１５ｂで圧縮され、インタークーラー１６で冷却されて空気密度を上昇し、吸気弁１７で流量調整されて、筒内（シリンダ内）１１ａに導入される。

また、燃料が燃焼して発生した排気ガスＧが通過する排気通路１３には、タービン１５ａと、酸化触媒、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒、触媒付きＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）、ＳＣＲ(Selective Catalytic Reduction）触媒等で構成される排気ガス浄化装置（後処理装置）１８が設けられる。この排気ガスＧは、必要に応じて一部がＥＧＲガスＧｅとしてＥＧＲ通路１４に導入され、残りは、タービン１５ａを駆動した後、排気ガス浄化装置１８で浄化されて大気中に放出される。

また、ＥＧＲガスＧｅが通過するＥＧＲ通路１４には、ＥＧＲガスＧｅを冷却するＥＧＲクーラー１９とＥＧＲガスＧｅの流量を調整するＥＧＲ弁２０が設けられ、ＥＧＲガスＧｅは、排気通路１３から分岐された後、ＥＧＲクーラー１９で冷却され、ＥＧＲ弁２０で流量を調整されて、吸気通路１２に再循環される。

更に、エンジンコントロールユニットと呼ばれる制御装置２１が設けられ、燃料噴射装置１１ｂ、ターボ式過給器１５のタービン１５ａ、吸気弁１７、ＥＧＲ弁１９等を制御するように構成される。

本発明においては、補助物質供給システム３０を設けて、エンジン１、１Ａ、１Ｂの排気通路１３に配置されたターボ過給器１５のタービン１５ａに対してガス状又は液状のタービン回転促進用の補助物質Ｍを供給可能に構成し、更に、この補助物質Ｍを貯蔵タンク３１に貯蔵し、この貯蔵タンク３１から供給ライン（補助物質供給通路）３２を通じて排気通路１３に設けた噴射装置（補助物質供給装置）３６に供給するように構成する。

更に、供給ライン３２路に補助物質Ｍを加熱する補助物質加熱装置３４を設ける。この補助物質加熱装置３４を熱媒体にエンジン冷却水又はエンジンオイルを用いた熱交換器で構成する。

図１〜図３の構成では、供給ライン３２に設けた供給ポンプ３３により、熱交換器３４とヒーター３５を経て、タービン１５ａの上流側に設けた噴射装置３６から排気通路１３に供給するように構成されている。この構成では、ヒーター３５も補助物質加熱装置となっている。

更に、噴射装置３６の上流側の供給ライン３２に補助物質用温度センサ３７を設け、噴射装置３６の上流側の排気通路１３に排気ガス用温度センサ３８を設けて、これらの検出値を制御装置２１に入力し、噴射装置３６から供給される物質Ｍの流量を調整するように構成する。

このガス状の補助物質Ｍとしては、圧縮空気、水蒸気、液化ガスがガス化したもの、炭化水素ガス、排気ガス浄化装置１８用の還元剤等を用いることができ、液状の補助物質Ｍとしては、水、液化ガス、炭化水素（燃料）、排気ガス浄化装置１８用の還元剤等を用いることができる。

この補助物質Ｍとして、燃料として使用する液化ガスを用いると、液化ガスの燃料タンクのタンク内圧力が十分に高い場合には、補助物質Ｍの貯蔵タンク３１を燃料タンクで兼用することができるので、新たな補助物質用の貯蔵タンクを設ける必要がなくなる。また、車両等に搭載された圧縮空気タンクの圧縮空気を用いても、補助物質Ｍの貯蔵タンク３１をこの圧縮空気タンクで兼用することができるので、新たな補助物質Ｍ用の貯蔵タンク３１を設ける必要がなくなる。つまり、圧縮空気等のガスが加圧されてタンクに蓄えられている場合や液化ガスでタンク内圧力が十分に高い場合には、貯蔵タンク３１が不要となる。

また、この補助物質Ｍとして、排気通路１３に設けられた排気ガス浄化装置１８にリーンＮＯｘ触媒（ＬＮＴ）等の触媒を使用する際は、還元剤として燃料等の炭化水素を使用するので、この排気ガス浄化装置１８用の還元剤を用いると、タービン１５ａ上流の排気ガスＧの温度は高く、排気ガスＧの成分と還元剤とが反応し、浄化し易い状況であるので、白金、パラジウム等の貴金属、あるいはその他の触媒成分を、排気通路１３の排気管あるいはタービン１５ａのタービンハウジング内面、タービン翼等の排気ガスＧが接触する部分にコーティングする等により、排気ガスＧの浄化を促進できるようになる。

また、排気通路１３に設けた噴射装置３６の代りに、排気マニホールド、排気ポート等に設けた噴射装置（図示しない）でも構成してもよく、また、筒内（シリンダ内）燃焼噴射装置を用いて、補助物質Ｍを筒内噴射により供給するように構成してもよい。この筒内燃料噴射装置を用いると、排気通路１３に噴射装置３６を設ける必要が無くなる。

そして、図１に示す、第１の実施の形態のエンジン（内燃機関）１においては、タービン１５ａに供給する補助物質Ｍを昇温するための熱交換器３４をインタークーラー１６の上流側又は下流側（図１の構成では下流側）の吸気通路１２に設けて構成する。この構成にすると、インタークーラー１６では、コンプレッサ１５ｂにより圧縮されて昇温した吸入空気Ａを冷却する必要があるので、その熱を熱交換器３４で熱交換して効率的に補助物質Ｍの温度を上昇することが可能となる。

また、補助物質Ｍをインタークーラー１６の冷却媒体として用いることもでき、インタークーラー１６自体を補助物質Ｍ用の熱交換器に代替すること、即ち、高温の吸入空気Ａを補助物質Ｍで冷却して補助物質Ｍを昇温するインタークーラー１６として構成してもよい。この構成とすることで、インタークーラー１６と、補助物質Ｍ用の熱交換器３４を兼用にすることができ、これらを別々に設ける必要がなくなる。

次に、図２に示す第２の実施の形態のエンジン１Ａにおいては、熱交換器３４をタービン１５ａの上流側の排気通路１３の排気管壁面に設けて構成する。この構成すると、タービン１５ａの上流側の排気通路１３では、高い温度の排気ガスＧが通過するので、熱交換の効率が高く、効率良く補助物質Ｍを昇温できる。また、この高温の排気ガスＧを導く排気マニホールドやタービン入口配管は、高温の排気ガスＧに触れて高温になり易く、熱負荷を受け易い部分であるが、この熱交換により排気通路１３の排気管壁面を冷却できるので、この部分の熱負荷を減少できる。

更に、図３に示す第３の実施の形態のエンジン１Ｂにおいては、交換器３４をエンジン本体（内燃機関本体）１１の筒内壁面近傍、又は、排気ポート近傍、又は、エンジンオイルの循環部分、又は、オイルパン（図３の構成では筒内壁面近傍）に設けて構成する。この筒内壁面近傍や排気ポート近傍の部分には、高温の燃焼ガスや高温の排気ガスＧが通過し、エンジンオイルの循環部分には、高温のエンジンオイルが通過し、オイルパンには高温のエンジンオイルが溜まるので、補助物資Ｍへの熱交換効率が高く、容易に補助物資Ｍを昇温できる。

特に、エンジン本体１１は、通常金属で構成されることから、熱容量が大きく、安定して熱を補助物質Ｍに与えることが可能である。また、筒内壁面近傍や排気ポート近傍は、燃焼ガスや排気ガスＧが通過することから、構成材質の温度が高くなり易い。加えて、機関内の潤滑するエンジンオイルも同様に高い温度となることから、エンジンオイルが通過する部分も温度が高くなり易い。また、潤滑するエンジンオイルを貯蔵するオイルパンにおいても熱容量が大きい。よって、これらの箇所に熱交換器３４を設置すると効果が大きい。

そして、上記の構成のエンジン１、１Ａ、１Ｂにおける内燃機関の補助物質供給方法では、エンジン（内燃機関）１の排気通路１３に配置されたターボ過給器１５のタービン１５ａに対して過渡運転時にガス状又は液状のタービン回転促進用の補助物質Ｍを供給する際に、貯蔵タンク３１から供給ライン（補助物質供給通路）３２を通じて噴射装置（補助物質供給装置）３６に供給すると共に、補助物質Ｍを、供給ライン３２に設けられた熱交換器３４で、エンジン冷却水又はエンジンオイルを用いて熱交換して昇温した後に、タービン１５ａに供給する。

上記の構成のエンジン１、１Ａ、１Ｂ及び内燃機関の補助物質供給方法よれば、熱交換器３４及びヒーター３５の補助物質過熱装置でタービン回転促進用の補助物質Ｍを昇温してからタービン１５ａに供給するので、タービン１５ａに入るエネルギー量を増加でき、タービン１５ａの回転速度を上昇する効果を大きくすることができる。更に、熱交換器３４の熱媒体にエンジン冷却水又はエンジンオイルを用いることにより、エンジン冷却水やエンジンオイルは、液体であるので熱交換器３４における熱移動効率がガスに比べて高いので、熱交換器３４を小型化することができる。

また、エンジン冷却水やエンジンオイルは、エンジン始動において早期に温度が上昇し易いので、早期に補助物質Ｍを昇温して、タービン１５ａに供給する補助物質Ｍのエネルギーを早期に大きくすることができる。つまり、エンジン１、１Ａ、１Ｂが大気温度である状態から始動する冷間始動時には、熱容量を有する各部を昇温するのに多くの熱量が必要であり、各部の昇温までに時間が掛かることから、温度上昇し易い液体のエンジン冷却水およびエンジンオイルを、補助物質Ｍの温度上昇のための熱交換器３４の媒体として用いることは効果が大きい。

本発明の内燃機関及び内燃機関の補助物質供給方法によれば、過渡運転時において、タービン上流に外部より水蒸気等のガス状又は液状の補助物質を適切な量で供給することにより、タービンの仕事量を増加させ、一時的にコンプレッサの過給圧を回復させることにより、過渡応答性を向上させて、排気ガス中におけるＮＯｘ、Ｓｏｏｔ、及び未燃炭化水素の排出量を低減できるので、車両に搭載するような多くの内燃機関及び内燃機関の補助物質供給方法として利用できる。

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｘ エンジン（内燃機関）
１１ エンジン本体（内燃機関本体）
１１ａ 筒内（シリンダ内）
１２ 吸気通路
１３ 排気通路
１４ ＥＧＲ通路
１５ ターボ式過給器（ターボチャージャ）
１６ インタークーラー
１７ 吸気弁
１８ 排気ガス浄化装置（後処理装置）
１９ ＥＧＲクーラー
２０ ＥＧＲ弁
２１ 制御装置
３０ 補助物質供給システム
３１ タンク
３２ 供給ライン（補助物質供給通路）
３３ 供給ポンプ
３４ 熱交換器（補助物質加熱装置）
３５ ヒーター（補助物質加熱装置）
３６ 噴射装置（補助物質供給装置）
３７ 補助物質用温度センサ
３８ 排気ガス用温度センサ

Claims (8)

1. 内燃機関の排気通路に配置されたターボ過給器のタービンに対して過渡運転時にガス状又は液状のタービン回転促進用の補助物質を供給する内燃機関において、
   前記補助物質を貯蔵タンクから補助物質供給通路を通じて補助物質供給装置に供給すると共に、
   前記補助物質供給通路に前記補助物質を加熱する補助物質加熱装置を設けると共に、前記補助物質加熱装置を熱媒体にエンジン冷却水又はエンジンオイルを用いた熱交換器で構成したことを特徴とする内燃機関。
2. 前記熱交換器をインタークーラーの上流側又は下流側の吸気通路に設けたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記熱交換器を前記タービンの上流側の前記排気通路の排気管壁面に設けたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
4. 前記熱交換器を内燃機関本体の筒内壁面近傍、又は、排気ポート近傍、又は、エンジンオイルの循環部分、又は、オイルパンに設けたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
5. 前記補助物質として、液化ガスを用いる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。
6. 前記補助物質として、排気ガス浄化装置用の還元剤を用いる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。
7. 前記補助物質を筒内噴射により供給することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の内燃機関。
8. 内燃機関の排気通路に配置されたターボ過給器のタービンに対して過渡運転時にガス状又は液状のタービン回転促進用の補助物質を供給する内燃機関の補助物質供給方法において、
   貯蔵タンクから補助物質供給通路を通じて補助物質供給装置に供給すると共に、
   前記補助物質を、前記補助物質供給通路に設けられた熱交換器で、エンジン冷却水又はエンジンオイルを用いて熱交換して昇温した後に、前記タービンに供給することを特徴とする内燃機関の補助物質供給方法。

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