JP2014145294A

JP2014145294A - 内燃機関

Info

Publication number: JP2014145294A
Application number: JP2013013938A
Authority: JP
Inventors: Masato Sawashita; 真人澤下
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2013-01-29
Filing date: 2013-01-29
Publication date: 2014-08-14

Abstract

【課題】吸気通路にエネルギ回収機を設けて吸気流を有効活用するにおいて、エネルギ回収量を増大させると共に、機関出力の安定化も図る。
【解決手段】吸気通路５のうち、排気ターボ過給機９より下流でスロットルバルブ７よりも上流側に真空装置１４の補助タービン室１５を介挿している。真空装置１４は真空ポンプ１６を備えており、真空ポンプ１６がブレーキブースター１８の作動源としての真空室１７に接続されている。吸気通路５のうち排気ターボ過給機９と真空装置１４との間の部位にＥＧＲ通路２１を接続している。真空装置１４の補助タービンはＥＧＲガスによって効率的に駆動される。真空室１７の真空度が限度まで高くなるとスロットルバルブ７が絞られて、補助タービンが空回りすることに起因して吸気量が増大することを防止できる。これにより、出力を安定化できる。
【選択図】図１

Description

本願発明は、車両用又は他の内燃機関に関するものである。

車両用等の内燃機関において、廃棄されているエネルギを有効利用する試みが種々成されており、その代表としての排気ターボ過給機は多くの内燃機関に適用されているが、特許文献１には、吸気通路を流れる吸気流によってタービンを駆動して、タービンの回転によって発生したトルクを機関の回転軸（クランク軸）に付加したり発電機を駆動したりすることが開示されている。

他方、排気ガスの浄化促進や燃費向上等のために排気ガスの一部を吸気通路に還流させるＥＧＲ装置は広く普及している。更に、運転者が足で踏むプレーキペダルを有する車両において、人力のみでは必要な制動力を得難いことから、吸気負圧を使用したブレーキブースターを設けて、ブレーキブースターによってブレーキの制動力を増幅させることも広く行われている。

特開平１１−１１４１２７号公報

さて、特許文献１のように吸気通路の空気流を利用してエネルギを回収すると機関全体としての燃費向上に貢献できるが、単なる吸気流のみではエネルギが小さいため、エネルギ回収量が少ないという問題がある。

また、特許文献１は吸気通路から回収したエネルギの利用手段として機関の回転軸アシストと発電とを挙げているが、車両用内燃機関の場合、車両が停止した状態でかつ発電機が停止している状態では、タービンの回転で内燃機関の回転軸をアシストしても、実質的にはエネルギの回収にならない問題がある。

本願発明はかかる現状に鑑み成されたものであり、吸気流のエネルギを有効利用するにおいて、効率の向上や適切な利用を図らんとするものである。

本願発明は車両用内燃機関に特有の構成と、車両用に限定されない内燃機関の構成とを含んでいる。請求項１の発明は用途が限定されない内燃機関に関するもので、この内燃機関は、機関本体に空気を供給する吸気通路及び機関本体から排気ガスを排出する排気通路とを備えており、前記吸気通路の中途部に前記排気通路から排気ガスを還流させるＥＧＲ通路が接続されている構成であって、前記吸気通路のうちＥＧＲ通路の接続部よりも下流側の部位に、エネルギ回収手段を構成する補助タービンが吸気流で駆動されるようにして介挿されている。

請求項１の発明では、エネルギ回収手段は各種の用途が可能である。例えば、ブレーキブースターの作動源としての真空室を減圧する真空ポンプとして使用したり、オルタネータの駆動に使用したり、エアコンの駆動に使用したり、ウォータポンプ又はオイルポンプの駆動アシストに使用したりすることができる。

請求項２の発明は車両用内燃機関に関するもので、この内燃機関は、中途部にスロットルバルブが介挿された吸気通路と、負圧式機器を作動させるための負圧室とを備えており、前記吸気通路のうち前記スロットルバルブより上流側の部位に、前記負圧室に接続された真空ポンプを駆動する補助タービンが配置されており、かつ、前記負圧室の負圧が設定値以上に真空側に大きくなると前記スロットルバルブの開度が小さくなるように制御される。この請求項２において、負圧式機器は負圧で作動する機器であり、例えばブレーキブースターや、負圧式アクチェータで作動する吸気切り替え弁（制御弁）などが挙げられる。

さて、排気ガスは大気圧より高い正圧であるため、排気ガスがＥＧＲ通路から吸気通路に流入すると吸気通路の圧力は高くなる傾向を呈する。そして、請求項１の発明では補助タービンは吸気通路のうちＥＧＲ通路の接続部より下流側に配置されているため、ＥＧＲガスのエネルギを有効活用して高い効率で駆動される。従って、請求項１の発明によると、吸気通路のエネルギを回収するにおいて回収効率・回収量を向上することができる。

また、ＥＧＲ通路に補助タービンを設けることも提案されているが、この場合は、ＥＧＲ通路を通る排気ガスは高温であるため補助タービンを耐熱性に優れた高価な材料で製造せねばならず、このためコストが嵩むが、本願発明のように補助タービンを吸気通路に設けると、ＥＧＲガスは吸気通路への流入によって大幅に温度が低下するため、補助タービンは必ずしも耐熱性に優れた高価な素材で製造する必要がなくなり、これによってコスト抑制が可能になる利点もある。

更に、ＥＧＲガスが補助タービンを通過する際に膨張して温度が低下することにより、吸気の充填効率を向上できると共にノッキングの抑制にも貢献できる。その結果、燃費の向上に貢献できる。

さて、既述のように車両にはブレーキブースターを搭載しているが、近年の内燃機関は燃費向上等のために混合気の希薄化が進んでいるため吸気負圧が大気圧側に低くなる傾向があり、何等の手段も講じないと、ブレーキブースターを駆動するのに必要な負圧を得難い場合である。特に、ＥＧＲガスは吸気負圧を大気圧側に低くする傾向があるため、ＥＧＲ装置を備えていると負圧低下が顕著に現れやすい。

これに対して請求項２の発明では、真空ポンプの駆動によって真空室に負圧が蓄圧されているため、吸気通路の負圧の変動に影響されることなくブレーキブースター等の負圧式機器を的確に作動させることができる。

また、真空室の真空度が高くなると、真空ポンプはコンプレッサ翼で空気を切るだけの空回り状態になって、負荷が小さくなる。この場合は、吸気流に晒されている補助タービンも流れ抵抗が減少して空回り状態になり、特段の措置を講じないと、吸気流の流速が速くなることで気筒への供給量が増大して出力が上昇してしまうが、本願の請求項２では、真空室の蓄圧量が増えて真空ポンプの負荷が減少するとスロットルバルブの開度が小さくなるため、気筒への吸気量が増大することを防止又は抑制でき、その結果、機関の出力を安定化させることができる。

実施形態の模式図である。

(1).構造の説明
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は車両用の３気筒内燃機関に適用している。内燃機関はシリンダブロック及びシリンダヘッド１を主要要素とする機関本体を備えており、シリンダヘッド１の一側面１ａには吸気マニホールド２が固定されて、シリンダヘッド１の他側面１ｂには排気マニホールド３が固定されている。

吸気マニホールド２には、エアクリーナ４を始端とする吸気通路５が接続されており、吸気通路５のうち吸気マニホールド２に寄った個所にはサージタンク６を設けて、サージタンク部６の上流側にはスロットルバルブ７を設けている。なお、燃料は、スロットルバルブ７の開度に応じてサージタンク６や吸気マニホールド１に噴射されるか又は燃焼室に直接噴射される。

他方、排気マニホールド３には排気通路８が接続されており、排気通路８のうち排気マニホールド３に近接した部位には排気ターボ過給機９のタービン室１０が介挿されており、排気通路８のうち排気ターボ過給機９の下流側には触媒コンバータ１２が介挿されている。なお、排気ターボ過給機９のタービン室１０は排気マニホールド３に固定されることも多い。また、排気ターボ過給機９のタービン室１０には、排気ガスは外周方向から入って軸方向に出ていく。

排気ターボ過給機９のコンプレッサ室１１は、吸気通路５に嵌挿されている。すなわち、コンプレッサ室１１は、吸気が軸方向から入って半径外向きに出ていく態様で吸気通路５に接続されている。吸気通路５のうち排気ターボ過給機９の下流側にはインタークーラ１３を介挿しており、更に、その下流でスロットルバルブ７よりも上流の部位に、真空装置１４の補助タービン室１５を介挿している。補助タービン室１５には、吸気流で回転する補助タービンが内蔵されている。

真空装置１４は真空ポンプ１６を有しており、真空ポンプ１６に、補助タービンで駆動されるコンプレッサ翼が内蔵されている。真空ホンプ１６は排気ターボ過給機９のコンプレッサと同様の遠心ポンプであり、空気は軸方向から吸引されて半径外向きに排出される（大気に放出される。）。

真空装置１４は請求項に記載したエネルギ回収手段の一例であり、真空ポンプ１６の吸引口は管路を介して真空室１７に接続されており、更に、真空室１７は、負圧式機器の一例としてのブレーキブースター１８に接続されている。ブレーキブースター１８は概略しか表示していないが、プレーキペダル１９に連動して往復動するロッド２０に固定されたパワーピストンや制御プランジャ（いずれも図示せず）などを備えており、プレーキペダル１９を踏むと負圧作用でパワーピストンが前進し、これにより、ブレーキ用マスターシリンダにブレーキペダル１９の押圧力が増幅して作用する。

排気通路のうち排気マニホールド３の集合部と吸気通路５のうちインタークーラ１３と真空装置１４との間の部分とは、ＥＧＲ通路２１で接続されている。図示していないが、ＥＧＲ通路２１には流量を調整するためのＥＧＲバルブを設けている。また、ＥＧＲ通路２１は水冷式等のＥＧＲクーラを設けてもよい。

以上の構成において、機関の運転中は吸気通路５には常に空気が流れており、吸気流によって真空装置１４の補助タービン１５が回転駆動されて、これにより、真空ポンプ１６が駆動された真空室１７に負圧が蓄圧される。このため、吸気通路５の負圧の大きさに関係なくブレーキブースター１８を安定的に作動させることができる。

そして、本実施形態のように真空装置１４の補助タービン室１５がＥＧＲ通路２１の接続部よりも下流側に位置しているため、補助タービン室１５には圧力の高い排気ガスが流入しており、これにより、エネルギの回収量を増大して真空ポンプ１６の仕事量を増大できる。

真空室１７には圧力センサ（真空計）２２を設けており、圧力センサ２２からＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユニット）２３に送られた信号に基づき、真空室１７の真空度が設定値以上に真空側に高くなると、スロットルバルブ７の開度を小さくするように制御される。これにより、機関の出力変動を防止できる。

つまり、遠心ポンプでは、流体の吸引が遮断されると一般にコンプレッサ翼は空回り状態になって負荷が急減するため、補助タービンによる流れ抵抗も急減して吸気速度が速くなり、このため、特段の措置を講じないと気筒への吸気の供給量が増えて出力が高くなることが有り得るが、本実施形態では、圧力センサ２２からの信号に基づいてスロットルバルブ７の開度を絞ることで、気筒への吸気量を均一化して出力が安定化するのである。

上記の実施形態において、ＥＧＲ通路２１の始端は、排気マニホールド３の枝部や、排気通路８のうち排気ターボ過給機９と触媒コンバータ１２の間の部分、或いは、触媒コンバータ１２よりも下流の部分に接続してもよい。また、請求項２の具体例としては、ＥＧＲ通路２１の終端を吸気通路５のうち補助タービン室１５よりも下流側に接続して、補助タービン室１５に強い負圧を作用させることも可能である。敢えて述べるまでもないが、本願発明では排気ターボ過給機９やインタークーラ１３は備えていなくてもよい。

また、上記の実施形態では圧力センサ２２からの信号に基づいてスロットルバルブ７の開度を制御したが、真空室１７の圧力によって作動するダイヤフラム式等の切り替え弁を設けて、真空室１７の内圧が設定圧以上に真空側に高くなるとスロットルバルブ７が機械的に閉じ方向に作動するように構成することも可能である。

本願発明は、車両用等の内燃機関に実際に適用できる。従って、産業上利用できる。

１シリンダヘッド
２吸気マニホールド
３排気マニホールド
５吸気通路
７スロットルバルブ
８排気通路
９排気ターボ過給機
１４エネルギ回収手段の一例としての真空装置
１５補助タービン室
１６真空ポンプ
１７真空室
１８負圧式機器の一例としてのブレーキブースター
１９プレーキペダル
２１ＥＧＲ通路
２２圧力センサ
２３ＥＣＵ

Claims

機関本体に空気を供給する吸気通路及び機関本体から排気ガスを排出する排気通路とを備えており、前記吸気通路の中途部に前記排気通路から排気ガスを還流させるＥＧＲ通路が接続されている構成であって、
前記吸気通路のうちＥＧＲ通路の接続部よりも下流側の部位に、エネルギ回収手段を構成する補助タービンが吸気流で駆動されるようにして介挿されている、
内燃機関。
中途部にスロットルバルブが介挿された吸気通路と、負圧式機器を作動させるための負圧室とを備えており、前記吸気通路のうち前記スロットルバルブより上流側の部位に、前記負圧室に接続された真空ポンプを駆動する補助タービンが配置されており、かつ、前記負圧室の負圧が設定値以上に真空側に大きくなると前記スロットルバルブの開度が小さくなるように制御される、
内燃機関。