JP2016075249A - 内燃機関の過給システム - Google Patents

Abstract

【課題】ターボチャージャの応答性が高められる内燃機関の過給システムを提供する。
【解決手段】内燃機関の過給システムＳは、内燃機関に空気を供給する給気通路２と、内燃機関から排出される排気ガス５１の排気通路５と、給気通路２のコンプレッサ３Ｃおよび排気通路５のタービン３Ｔを含み、排気ガスのエネルギーでタービンを駆動させ、タービンと同軸のコンプレッサによって内燃機関に供給する空気を圧縮するターボチャージャ３と、コンプレッサの下流側において給気通路から分岐される蓄圧用通路４４と、蓄圧用通路に接続され、コンプレッサで圧縮される圧縮空気２４の流入によって蓄圧される高圧容器４と、高圧容器と前記給気通路とを接続する高圧供給通路４２と、高圧供給通路に設けられる高圧供給弁４３と、高圧供給弁を制御することで、高圧容器から給気通路へ送出される圧縮空気２４の流量を調整するように構成される弁制御部８と、を備える。
【選択図】図１

Description

本開示は、ターボチャージャを備える内燃機関の過給システムに関する。

従来から、内燃機関（エンジン）の出力向上を目的として、ターボチャージャ（排気タービン過給機）を車両に搭載することが知られている。ターボチャージャは、排気ガスによってタービンホイールを回転駆動させ、このタービンホイールの回転によってコンプレッサを回転させてエンジン燃焼室内への空気を加圧し、給気量を増やすものである。そして、ターボチャージャによって、多くの燃料噴射量を必要とする高出力運転条件でも燃料を燃やすために必要な空気の量（給気量）を確保することができ、小型エンジンであっても高い出力を得ることができる。

しかし、ターボチャージャにはターボラグ（応答遅れ）の問題がある。すなわち、エンジン運転条件が変化し、排気ガスの流量が増えることに伴って排気エネルギーが増加しても、重量等による慣性のためにタービンの回転数はすぐには上昇しない。このため、タービンによって回転駆動されるコンプレッサの回転数の上昇も遅れるので、エンジンが出力アップの指令を受けてから過給圧は遅れて立ち上がることになる。そして、過給圧が遅れて立ち上がることにより燃料室内への給気量もそれまでは十分とはならず、給気量によって燃料噴射量が制限されるため、所望のエンジン出力もすぐには得ることができない。

このようなターボラグの問題を解決するために、特許文献１では、タービンロータの回転駆動を補助する補助手段をエンジンの排気系に設けている。具体的には、電動機やエンジンの出力軸に接続されたエアコンプレッサによりエアタンクに圧縮空気を蓄積しておき、タービンロータに向けられたノズルからこの圧縮空気を噴出させることで、タービンロータの回転駆動を補助している。

特開２００６−１０５０２６号公報

しかしながら、特許文献１が開示する補助手段は、エアコンプレッサを新たに設ける必要があると共に、電動機やエアコンプレッサを駆動するためのエネルギーを余分に確保する必要がある。また、補助手段によるタービンロータの加圧により給気圧に比べて排気圧が高くなり、これによってポンピング損失が悪化し、過渡運転時の出力アップが一時的に妨げられる恐れがある。

上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、ターボチャージャの応答性が高められる内燃機関の過給システムを提供することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る内燃機関の過給システムは、
内燃機関の過給システムであって、
前記内燃機関に空気を供給するための給気通路と、
前記内燃機関から排出される排気ガスを排出するための排気通路と、
前記給気通路に設けられたコンプレッサおよび前記排気通路に設けられたタービンを含み、前記排気通路を流れる排気ガスのエネルギーによって前記タービンを駆動させ、前記タービンと同軸で接続されている前記コンプレッサによって前記内燃機関に供給する空気を圧縮するように構成されるターボチャージャと、
前記コンプレッサの下流側において前記給気通路から分岐される蓄圧用通路と、
前記蓄圧用通路に接続され、前記コンプレッサで圧縮される圧縮空気の流入によって蓄圧される高圧容器と、
前記高圧容器と前記給気通路とを接続する高圧供給通路と、
前記高圧供給通路に設けられる高圧供給弁と、
前記高圧供給弁を制御することで、前記高圧容器から前記給気通路へ送出される前記圧縮空気の流量を調整するように構成される弁制御部と、を備える。

上記（１）の構成によれば、ターボチャージャ（排気タービン過給機）のコンプレッサによってコンプレッサの下流側は高圧となるので、蓄圧用通路によってコンプレッサの下流側に接続される高圧容器は高圧の圧縮空気によって蓄圧される。そして、高圧供給弁が弁制御部により制御されることで、高圧容器から圧縮空気が給気通路に導入するよう制御される。このため、内燃機関の出力アップ時において、圧縮空気を高圧容器から給気通路に供給することで、ターボチャージャのターボラグを是正し、ターボチャージャの応答性を高めることができる。しかも、高圧容器は、排気通路ではなく給気通路に接続されるため、冷えた排気ガスが硫化物ＳＯｘと共に液化することによって、高圧容器が腐食されるおそれを回避することができる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記高圧供給通路は、前記コンプレッサの上流側において前記給気通路に接続される。
上記（２）の構成によれば、高圧供給通路によって高圧容器とコンプレッサの上流側が接続されることで、高圧容器からの圧縮空気はコンプレッサの入口側において給気通路２に供給される。これによって、高圧の圧縮空気によってコンプレッサの回転駆動が加速される。このため、コンプレッサの回転駆動が要求される出力（目標出力）に見合った状態に達するまでの時間を短縮することができ、ターボチャージャのターボラグを是正し、ターボチャージャの応答性を高めることができる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（２）の構成において、
前記コンプレッサの下流側に接続される前記空気を冷却するためのインタークーラと、をさらに備え、
前記蓄圧用通路は、前記インタークーラと前記コンプレッサの間で前記給気通路から分岐される。
上記（３）の構成によれば、蓄圧用通路は、コンプレッサの下流側においてインタークーラの上流から分岐される。これによって、インタークーラによって圧力が低下される前の圧縮空気を高圧容器に導くことができ、高圧容器への蓄圧速度を速めることができる。このため、内燃機関に出力アップが要求される時に高圧容器への蓄圧が不足するような状況を防止し、ターボチャージャの応答性を高めることができる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（３）の構成において、
前記高圧容器の内部圧力を検知する内部圧力検知手段と、をさらに備え、
前記弁制御部は、
前記内燃機関の目標出力に対応する前記コンプレッサの下流側における目標給気圧を取得する目標給気圧取得部と、
前記内部圧力検知手段によって検知される前記内部圧力と前記目標給気圧取得部によって取得される前記目標給気圧とを比較し、前記目標給気圧が前記内部圧力よりも小さい場合には前記高圧供給弁の開度を開側に制御するよう指示し、前記内燃機関の出力が目標出力以上の場合には前記高圧供給弁の開度を閉側に制御するよう指示する弁制御実行部と、を備える。
上記（４）の構成によれば、コンプレッサ下流の目標給気圧と高圧容器の内部圧力の比較結果に従って高圧容器から給気通路に圧縮空気が供給される。すなわち、高圧容器の内部圧力が目標給気圧よりも小さい場合には高圧供給弁は閉じられている。これによって、効果の見込まれる場合に限って高圧容器からの圧縮空気の供給ができるので、蓄圧された圧力を浪費することを防止することができる。また、コンプレッサ下流に圧縮空気が供給される場合には、不要な圧縮空気を内燃機関に供給することが防止され、燃費を向上させることができる。

（５）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（４）の構成において、
前記蓄圧用通路には、前記高圧容器から前記コンプレッサの下流側の給気通路に向けて前記圧縮空気が逆流することを防止するための逆止弁が設けられる。
上記（５）の構成によれば、コンプレッサの下流側の給気通路に圧力変化が生じる場合であっても、逆流制御弁によって高圧容器に十分な圧力を確実に簡易に蓄圧することができる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（４）の構成において、
前記高圧容器の内部圧力を検知する内部圧力検知手段と、
前記コンプレッサの下流側の給気圧を検知する給気圧検知手段と、
前記蓄圧用通路に設けられ、前記蓄圧用通路の開閉可能な電磁弁と、をさらに備え、
前記弁制御部は、前記内部圧力検知手段により検知される前記内部圧力と前記給気圧検知手段により検知される前記給気圧に基づいて、前記電磁弁の開閉を制御する。
上記（６）の構成によれば、蓄圧用通路に設けられる電磁弁の開閉が内部圧力と給気圧の状況に応じて制御されることにより、圧力状態に応じて蓄圧用通路を介した高圧容器と給気通路の圧縮空気の流通状態が制御される。このため、高圧容器の内部圧力やコンプレッサの下流側の給気圧に変化に即して、高圧容器に十分な圧力を確実に蓄圧することができる。

（７）幾つかの実施形態では、上記（６）の構成において、
前記電磁弁は、前記内部圧力が前記給気圧よりも小さい場合には開弁し、前記内部圧力が前記給気圧以上の場合には閉弁するように、前記弁制御部によって制御される。 上記（７）の構成によれば、高圧容器の内部圧力とコンプレッサの下流側の給気圧の比較に応じて電磁弁の開閉が制御される。これによって、高圧容器に十分な圧力を確実に蓄圧することができる。さらに、必要以上の圧縮空気を高圧容器に導くことが防止され、高圧容器に過度の圧力負荷をかけることがなく、高圧容器のコストや高圧容器による重量アップを低減することができる。

（８）幾つかの実施形態では、上記（６）〜（７）の構成において、
前記電磁弁は、前記内部圧力が前記給気圧よりも小さい場合において、前記電磁弁の開弁が禁止される禁止状態にない場合には開弁するように前記弁制御部によって制御される。
上記（８）の構成によれば、高圧容器の内部圧力が給気圧より小さい場合でも、電磁弁の開弁が禁止される禁止状態にない場合に限って、電磁弁は開弁される。禁止状態は、例えば、内燃機関への給気が優先される場合である。このため、コンプレッサからの圧縮空気の全てが内燃機関に給気されることで、ターボラグに対するターボチャージャの応答性を高めることができる。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、ターボチャージャの応答性が高められる内燃機関の過給システムが提供される。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の過給システムの構成を概略的に示す図である。 本発明の一実施形態に係る高圧容器からの圧縮空気による給気圧の時間推移を説明する図である。 本発明の一実施形態に係る高圧容器からの圧縮空気による空気過剰率の時間推移を説明する図である。 本発明の一実施形態に係る高圧容器からの圧縮空気による燃料噴射量の時間推移を説明する図である。 本発明の一実施形態に係る高圧容器からの圧縮空気による出力の時間推移を説明する図である。 本発明の一実施形態に係る出力アップ指令時の弁制御部による高圧供給弁の制御フロー図である。 本発明の一実施形態に係る弁制御部による高圧容器の蓄圧時における蓄圧用通路に設けられる電磁弁の制御フロー図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の過給システムの構成を概略的に示す図である。図１に示されるように、内燃機関の過給システムＳは、ディーゼルエンジンなどの内燃機関であるエンジン１と、給気通路２、コンプレッサ３Ｃとタービン３Ｔを含むターボチャージャ３（排気タービン過給機）、高圧容器４、高圧供給通路４２、高圧供給弁４３、蓄圧用通路４４、排気通路５、弁制御部８を備える。

エンジン１は、内部の燃焼室において燃料を燃焼することにより、発生する熱エネルギーを運動エネルギーに変換している。すなわち、給気通路２を介して車両外部からエンジン１内部のシリンダ内に空気２１を吸入して圧縮し、圧縮工程が終わったところで燃料噴射ノズルからシリンダ内に燃料を噴射して燃焼させている。そして、燃焼によって発生する燃焼ガスは、排気通路５を介して車両外部に排出される。なお、コモンレールシステム１２により燃料噴射を行っても良く、サプライポンプで高圧にされた燃料をレール内に蓄え、電子制御によってタイミングよく適切な燃料噴射量Ｑｆが各シリンダに噴射される。

給気通路２は、エンジン１の各シリンダに空気２１を導く（給気）ための通路であり、シリンダ毎に空気２１を分けるためにエンジン１に接続される吸気マニホールドや給気管などにより構成されている。そして、給気通路２には、インタークーラ２５、スロットルバルブ２６やターボチャージャ３のコンプレッサ３Ｃなどが接続されており、空気２１はこれらを通過しながらエンジン１に給気される。なお、給気通路２におけるターボチャージャ３の上流には、図示しないエアクリーナや空気２１（新気）をエアクリーナボックスに取り込むための吸気ダクトが接続されても良い。

排気通路５は、エンジン１の各シリンダからの燃焼ガス（排気ガス５１）を排出するための通路であり、各シリンダからの排気を束ねる排気マニホールドや、排気管などにより構成されている。また、排気通路５には、ターボチャージャ３のタービン３Ｔが接続されており、排気ガス５１はこれらを通過しながら車両外部に排出される。なお、排気通路５には、ターボチャージャ３の下流において触媒などが接続されても良い。

また、排気通路５にはＥＧＲ通路６が設けられても良く、排気ガス５１を給気通路２へ再循環させることで、燃焼温度を低下させ、ＮＯｘなどの排出量を低減させることができる。図１では、ＥＧＲ通路６は排気通路５から分岐され、給気通路２のスロットルバルブ２６の下流に接続されている。また、ＥＧＲ通路６には、ＥＧＲクーラ６２やＥＧＲ弁６４が設けられており、再循環される排気ガス５１（ＥＧＲガス６１）の冷却やＥＧＲガス６１の環流量が調整可能となっている。なお、図１の例示では、ＥＧＲ通路６はタービン３Ｔの上流とコンプレッサ３Ｃの下流に設けられているが（ＨＰＬ−ＥＧＲ）、ＬＰＬ−ＥＧＲや、その他の態様によってＥＧＲ通路６の接続がなされていても良い。

上述の通り、コンプレッサ３Ｃが給気通路２に接続され、タービン３Ｔが排気通路５に接続されている。すなわち、ターボチャージャ３には、コンプレッサ３Ｃとタービン３Ｔがそれぞれ一本の軸３１の両端に同軸で接続された形態で含まれている。そして、排気ガス５１の流れによるエネルギーによってタービン３Ｔが回転駆動されると、軸３１の他端に接続されたコンプレッサ３Ｃも回転駆動される。このように、コンプレッサ３Ｃが回転駆動されることで、コンプレッサ３Ｃの上流側（コンプレッサ入口通路２２）からコンプレッサ３Ｃに流入する空気２１は圧縮され、この圧縮された圧縮空気２４がコンプレッサ３Ｃの下流側（コンプレッサ出口通路２３）に送出される。

また、給気通路２を構成するコンプレッサ出口通路２３には、給気通路２から分岐（図１の例示では、インタークーラ２５の手前で分岐）する分岐通路である蓄圧用通路４４が設けられている。そして、その分岐先において蓄圧用通路４４は高圧容器４に接続されており、コンプレッサ出口通路２３の側と高圧容器４の側の圧力差により、コンプレッサ３Ｃから送出される圧縮空気２４は蓄圧用通路４４を経て高圧容器４に流入するように構成されている。

このように、高圧容器４の内部は圧縮空気２４が流入することで蓄圧され、コンプレッサ入口通路２２側より高圧となる。その一方で、高圧容器４外部の給気通路２（図１の例示では、コンプレッサ入口通路２２）にその高圧の圧縮空気２４を供給するための高圧供給通路４２も備えている。具体的には、高圧供給通路４２は給気通路２から分岐されており、高圧供給通路４２によって高圧容器４と給気通路２は接続されている。また、高圧供給通路４２には高圧供給弁４３が備えられており、高圧供給通路４２を通過する圧縮空気２４の流量を制御することが可能となっている。そして、高圧容器４の蓄圧の際には高圧供給弁４３は閉じられており、高圧の圧縮空気２４を給気通路２に供給する必要がある場合には高圧供給弁４３は開側に制御される。このような高圧供給弁４３の制御は、弁制御部８によって行われる。

弁制御部８は、高圧供給弁４３の開度を制御することによって、高圧供給通路４２から給気通路２に供給される圧縮空気２４の流量を制御している。具体的には、高圧容器４の蓄圧の際には、高圧供給弁４３は閉じられるよう制御されている。この時、コンプレッサ出口通路２３側はコンプレッサ３Ｃによる圧縮空気２４によって高圧となっており、その下流に接続される高圧容器４は相対的に低圧であるため、高圧容器４には圧縮空気２４が流入し蓄圧されることになる。そして、エンジン１の出力アップ時には、高圧供給弁４３が開かれるように制御されることで高圧容器４内部に蓄圧された圧縮空気２４が給気通路２に供給される。この高圧容器４からの圧縮空気２４は、ターボチャージャ３Ｃによって圧縮されてエンジン１側に流れることになる。

このような弁制御部８による高圧供給弁４３の開度制御によって、出力アップ時などのエンジン運転状況の変化の際に、コンプレッサ３Ｃの回転数（回転速度）が、エンジン１の要求出力（目標出力Ｗｔ）に見合ったものに達するまでの時間間隔（ターボラグ）を、高圧容器４からの圧縮空気２４によって下記の図２Ａ〜Ｄに例示されるように是正される。なお、弁制御部８はＥＣＵ（電子制御ユニット）であっても良い。また、エンジン１を制御するエンジン制御ＥＣＵなどの周知のＥＣＵに設けられても良く、新たなＥＣＵとして設けられても良い。

図２Ａ〜Ｄは、幾つかの実施形態における、給気圧Ｐ（図２Ａ）、空気過剰率λ（図２Ｂ）、燃料噴射量Ｑｆ（図２Ｃ）、出力Ｗ（図２Ｄ）の時間推移を説明する図である。
図２Ａ〜Ｄにおいて、時刻Ｔ０においてエンジン１の出力アップが要求（出力アップ指令）される。出力アップ指令は、運転者などによりアクセルペダル９が踏みこまれることが契機となって、対応する出力指令がエンジン制御ＥＣＵから出されても良く、アクセルペダル９の操作量に応じてスロットルバルブ２６の開度が設定され、これに応じた燃料が、コモンレールシステム１２から燃料噴射装置によりエンジン１内部に噴射される。

そして、時刻Ｔ０における出力アップ指令によって、図２Ｃに示されるように、エンジン１内部に噴射される燃料噴射量Ｑｆが増量されている。これに伴って空気に対する燃料の割合が増えるので、図２Ｂに示されるように、時刻Ｔ０において空気過剰率λ（空燃比）は低下している。ただし、空気過剰率λは、排ガス規制やエンジン性能などから下限値λｌが設定されており、時刻Ｔ０において下限値λｌに到達している。これは、ターボラグによって給気圧Ｐ（給気量）は要求出力（目標出力Ｗｔ）に見合う量（目標給気圧Ｐｔ）までは即座に上昇しないことによる。そして、空気過剰率λが下限値λｌに達するまで燃料噴射量Ｑｆが増量された後は、図２Ｃに示されるように、空気過剰率λの制約の下、燃料噴射量Ｑｆを目標噴射量Ｑｆｔに向けて即座に増量できない状態となっている。また、エンジン１の出力Ｗも、図２Ｄに示されるように、時刻Ｔ０において増量された燃料の分だけ増加するが、目標出力Ｗｔまで達していない。

しかしながら、時刻Ｔ０において、高圧容器４に蓄えられた圧縮空気２４が給気通路２に供給されることにより（圧縮空気あり時）、供給される圧縮空気２４の分だけ給気量は増加されることになる。つまり、図２Ａに示されるように、高圧容器４からの圧縮空気２４の供給がない場合（圧縮空気なし時）に比べて給気圧Ｐは上昇される。このため、燃料噴射量Ｑｆは時刻Ｔ０より後は、図２Ｃに示されるように、圧縮空気あり時の方が圧縮空気なし時に比べてより多くの燃料が増量されており、より早い時間（時刻Ｔ１）において目標噴射量Ｑｆｔに到達している。さらに、給気量の増加に伴って排気ガス５１の流量も増加するため、タービン３Ｔを駆動させる力が増し、コンプレッサ３Ｃの回転駆動が加速されることになる。

こうして、エンジン１の出力Ｗも、図２Ｄに示されるように、Ｔ０より後には、圧縮空気あり時の方が圧縮空気なし時に比べてより大幅に増加し、より早い時刻において目標出力Ｗｔに到達している。具体的には、高圧容器４からの圧縮空気２４の供給があることによって、エンジン１の出力Ｗは時刻Ｔ１において目標出力Ｗｔに到達している。これに対し、圧縮空気なし時には、時刻Ｔ１よりもさらに進んだ時刻Ｔ２にエンジン１の出力Ｗは目標出力Ｗｔに達している。

すなわち、圧縮空気なし時には（Ｔ２−Ｔ０）時間あったターボラグが、圧縮空気あり時には（Ｔ１−Ｔ０）に短縮されており（Ｔ１＜Ｔ２）、（Ｔ２−Ｔ１）時間分のターボラグが是正されている。このように、エンジン１の出力アップ時において、圧縮空気２４を高圧容器４から給気通路２に供給することで、ターボチャージャ３のターボラグを是正し、ターボチャージャ３の応答性を高めることができる。しかも、高圧容器は、排気通路ではなく給気通路に接続されるため、冷えた排気ガスが硫化物ＳＯｘと共に液化することによって、高圧容器が腐食されるおそれを回避することができる。また、高圧容器４内の高圧の圧縮空気２４を使い切っても、ターボチャージャ３は既に回転駆動しているため、出力アップ後も、持続的に燃焼室内に高圧の圧縮空気２４が送ることができる。

図１に示される実施形態では、高圧供給通路４２は、コンプレッサ３Ｃの上流側であるコンプレッサ入口通路２２に接続されおり、高圧容器４からの圧縮空気２４はコンプレッサ３Ｃの入口側において給気通路２に供給される。これによって、高圧の圧縮空気２４によってコンプレッサ３Ｃの回転駆動が加速される。このため、コンプレッサ３Ｃの回転駆動が目標出力に見合った状態に達するまでの時間を短縮することができ、ターボチャージャ３のターボラグを是正し、ターボチャージャ３の応答性を高めることができる。

また、他の幾つかの実施形態では、高圧供給通路４２は、コンプレッサ３Ｃの下流側であるコンプレッサ出口通路２３に接続されており、高圧容器４からの圧縮空気２４はコンプレッサ３Ｃの出口側において給気通路２に供給される。このため、コンプレッサ３Ｃの回転駆動が、エンジン１に要求される出力（目標出力）に見合った状態に達する前であっても圧縮空気２４をエンジン１に供給することができ、ターボチャージャ３のターボラグを是正し、ターボチャージャ３の応答性を高めることができる。

図１に示される実施形態では、蓄圧用通路４４は、インタークーラ２５とコンプレッサ３Ｃの間における給気通路２から分岐されている。空気２１は、コンプレッサ３Ｃによって圧縮されることによって温度が上昇し、膨張しようとするが、膨張によって空気密度が低下し、給気される空気の実質的な量が減ることになる。これを回避するためにインタークーラは通過する空気（圧縮空気２４）を冷却するために設けられている。そこで、蓄圧用通路４４をインタークーラ２５の手前に設けることで、インタークーラ２５によって冷却される前のより高圧の圧縮空気２４を高圧容器４に導くことができる。
これによって、高圧容器４への蓄圧速度を速めることができ、エンジン１に出力アップが要求される時に高圧容器４への蓄圧が不足するような状況を防止し、ターボチャージャ３の応答性を高めることができる。
なお、他の幾つかの実施形態では、蓄圧用通路４４は、インタークーラ２５の下流において給気通路２から分岐されても良い。冷却された後の圧縮空気２４を高圧容器４内に蓄えることができるので、高圧容器４の内部で周囲温度まで冷却されることによる圧力低下を回避することができる。

幾つかの実施形態では、弁制御部８による高圧供給弁４３の制御は、図１に示されるように高圧容器４の内部圧力４６を検知する圧力センサなどの内部圧力検知手段８５に基づいて行われる。すなわち、弁制御部８には、内部圧力検知手段８５により検知される高圧容器４の内部圧力４６が入力されており、図３に例示されるような制御フローが実行される。

図３は、幾つかの実施形態における、出力アップ指令時における弁制御部８の制御フローを示す図である。
ステップＳ３１において、出力アップ指令の有無が弁制御部８によって監視されている。この際には高圧供給弁４３は閉じられている。そして、出力アップ指令が入力されると、ステップＳ３２において、弁制御部８は、目標出力Ｗｔに対応する目標給気圧Ｐｔを取得する（目標給気圧取得部）。なお、アクセルペダル９の操作量に基づいてエンジン１の目標出力Ｗｔが設定されると共に、エンジン１に対する目標給気圧Ｐｔが設定されても良く、他の方法でも良い。また、弁制御部８は、内部圧力検知手段８５により高圧容器４の内部圧力４６も取得する。

ステップＳ３３において、取得された目標給気圧Ｐｔと高圧容器４の内部圧力４６が比較され、比較の結果、内部圧力４６の方が大きい場合には、ステップＳ３４において弁制御部８は高圧供給弁４３を開く。なお、目標給気圧Ｐｔに応じて高圧供給弁４３の開度を決めても良い。これによって、高圧容器４に蓄えられている圧縮空気２４が給気通路２に供給され、上述の通り、ターボラグの是正が行われる。

その後、ステップＳ３５においてエンジン１の出力Ｗが監視されており、監視される出力Ｗが目標出力Ｗｔ以上の場合（出力Ｗが目標出力Ｗｔに到達した場合）には、弁制御部８は高圧供給弁４３を閉じるように制御し、制御フローを終了する。また、ステップＳ３３において、高圧容器４の内部圧力４６が目標給気圧Ｐｔ以下の場合には、上述のステップＳ３４〜Ｓ３７を実行することなく制御フローは終了する。

このような構成によれば、コンプレッサ３Ｃ下流の目標給気圧Ｐｔと高圧容器４の内部圧力４６の比較結果に従って高圧容器４から給気通路２に圧縮空気２４が供給される。すなわち、高圧容器４の内部圧力４６が目標給気圧Ｐｔよりも小さい場合には高圧供給弁４３は閉じられている。これによって、効果の見込まれる場合に限って高圧容器４からの圧縮空気２４の供給ができるので、蓄圧された圧力を浪費することを防止することができる。また、コンプレッサ３Ｃ下流に圧縮空気２４が供給される場合には、不要な圧縮空気２４をエンジン１に供給することが防止され、燃費を向上させることができる。

他の幾つかの実施形態では、蓄圧用通路４４には、図１に示されるように、高圧容器４からコンプレッサ出口通路２３に向けて圧縮空気２４が逆流することを防止するための逆流防止弁４５が設けられている。そして、高圧容器４の内部圧力４６の増加やコンプレッサ出口通路２３側の圧力低下などにより、コンプレッサ出口通路２３側の圧力が高圧容器４側よりも低くなる場合でも、逆流防止弁４５によって、高圧容器４からコンプレッサ出口通路２３に向けて圧縮空気２４の流れは阻害され、高圧容器に十分な圧力を確実に蓄圧することができる。

幾つかの実施形態では、この逆流防止弁４５は、逆止弁で構成されている。これによって、逆流制御弁によって高圧容器に十分な圧力を確実に簡易に蓄圧することができる。

また、他の幾つかの実施形態では、逆流防止弁４５は、開閉可能な電磁弁で構成されている。そして、逆流防止弁４５は、電磁弁である逆流防止弁４５を高圧容器４の内部圧力４６やコンプレッサ出口通路２３側の圧力に基づいて弁制御部８によって制御されている。
すなわち、図１に示されるように、高圧容器４には、その内部圧力４６を検知する圧力センサなどの内部圧力検知手段８５が設けられており、給気通路２には、コンプレッサ出口通路２３での給気圧Ｐを検知する圧力センサなどの給気圧検知手段８６が設けられており、それぞれの検知結果が弁制御部８に入力される。
このような構成によれば、蓄圧用通路４４に設けられる電磁弁の開閉が内部圧力４６と給気圧Ｐの状況に応じて制御されることにより、圧力状態に応じて蓄圧用通路４４を介した高圧容器４と給気通路２の圧縮空気２４の流通状態が制御される。このため、高圧容器４の内部圧力４６やコンプレッサの下流側の給気圧Ｐに変化に即して、高圧容器４に十分な圧力を確実に蓄圧することができる。

さらに、電磁弁である逆流防止弁４５は、幾つかの実施形態では、弁制御部８によって図４に示されるように制御されている。
すなわち、図４は、幾つかの実施形態における、高圧容器４の蓄圧のための弁制御部８の制御フローを示す図である。

ステップＳ４１において、弁制御部８は、コンプレッサ出口通路２３における給気圧Ｐとおよび高圧容器４の内部圧力４６を取得して監視している。この際には、電磁弁である逆流防止弁４５は閉じられている。そして、ステップＳ４２において取得された給気圧Ｐと内部圧力４６を比較し、給気圧Ｐが内部圧力４６よりも大きい場合には、次のステップＳ４３に進む。なお、給気圧Ｐが内部圧力４６以下の場合には、ステップＳ４１での監視が継続される。

ステップＳ４３では、電磁弁である逆流防止弁４５の開弁が禁止状態にあるか判断される。禁止状態は、例えば、エンジン１の出力アップ指令を受けてから目標出力Ｗｔに達するまでの間など、エンジン１への給気が優先される場合である。この場合には、電磁弁である逆流防止弁４５は閉じられることで高圧容器４へ圧縮空気２４が流入することが防止されており、コンプレッサ３Ｃからの圧縮空気２４の全てがエンジン１に給気されることで、ターボラグに対するターボチャージャ３の応答性を高めることができる。そして、ステップＳ４３において、電磁弁である逆流防止弁４５の開弁が禁止状態にないと判断される場合には、ステップＳ４４において弁制御部８は蓄圧用通路４４を開くよう電磁弁である逆流防止弁４５を制御する。逆に、電磁弁である逆流防止弁４５の開弁が禁止状態にあると判断される場合には、ステップＳ４１での監視に戻る。

ステップＳ４４で電磁弁である逆流防止弁４５が開かれた後、弁制御部８は、逆流防止弁４５を閉じるタイミングを把握するために、ステップＳ４５においてコンプレッサ出口通路２３における給気圧Ｐおよび高圧容器４の内部圧力４６を監視する。そして、ステップＳ４６において給気圧Ｐが内部圧力４６以下と判断される場合には、ステップＳ４８において電磁弁である逆流防止弁４５を閉じることで、高圧容器４側からコンプレッサ出口通路２３側への圧縮空気２４の逆流を防止している。

逆に、ステップＳ４６において、コンプレッサ出口通路２３における給気圧Ｐが高圧容器４の内部圧力４６より大きいと判断される場合には、ステップＳ４７において、電磁弁である逆流防止弁４５の開弁が禁止状態にあるか判断される。そして、禁止状態である場合にも、ステップＳ４８において電磁弁である逆流防止弁４５を閉じ、禁止状態でない場合にはステップＳ４５におけるコンプレッサ出口通路２３における給気圧Ｐと高圧容器４の内部圧力４６の監視に戻る。要するに、ステップ４８における電磁弁である逆流防止弁４５を閉じるのは、コンプレッサ出口通路２３における給気圧Ｐが高圧容器４の内部圧力４６以下と判断される場合か（ステップＳ４６）、あるいは、電磁弁である逆流防止弁４５の開弁が禁止状態にある場合（ステップＳ４７）となる。

このように、電磁弁である逆流防止弁４５は、高圧容器４の内部圧力４６とコンプレッサ３Ｃの下流側の給気圧Ｐの比較に応じて開閉が制御される。これによって、高圧容器４に十分な圧力を確実に蓄圧することができる。さらに、必要以上の圧縮空気２４を高圧容器４に導くことが防止され、高圧容器４に過度の圧力負荷をかけることがなく、高圧容器４のコストや高圧容器４による重量アップを低減することができる。

本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
例えば、高圧供給弁４３と蓄圧用通路４４の逆流防止弁４５を有する実施形態を組み合わせても良い。また、内部圧力検知手段８５、給気圧検知手段８６などによって検出される圧力で判断をしているが、これに変えて流量を検出する手段に基づいて制御を行っても良い。また、高圧供給弁４３や逆流防止弁４５、内部圧力検知手段８５、給気圧検知手段８６などと弁制御部８はＣＡＮ通信により接続されても良い。
また、本発明は、ディーゼルエンジンなどの内燃機関全般に適用できると共に、例えば、車両、船舶、発電用エンジンなどに適用できる。

Ｓ 内燃機関の過給システム

１ エンジン
１２ コモンレールシステム
２ 給気通路
２１ 空気（新気）
２２ コンプレッサ入口通路
２３ コンプレッサ出口通路
２４ 圧縮空気
２５ インタークーラ
２６ スロットルバルブ
３ ターボチャージャ
３１ 軸
３Ｃ コンプレッサ
３Ｔ タービン
４ 高圧容器
４２ 高圧供給通路
４３ 高圧供給弁
４４ 蓄圧用通路
４５ 逆流防止弁
４６ 高圧容器の内部圧力
５ 排気通路
５１ 排気ガス５１
６ ＥＧＲ通路
６１ ＥＧＲガス
６２ ＥＧＲクーラ
６４ ＥＧＲ弁
８ 弁制御部
８５ 内部圧力検知手段
８６ 給気圧検知手段
９ アクセルペダル

Ｗ エンジンの出力
Ｗｔ エンジンの目標出力
Ｑｆ 燃料噴射量
Ｑｆｔ 目標噴射量
λ 空気過剰率
λｌ 空気過剰率の下限値
Ｐ 給気圧
Ｐｔ 目標給気圧

Claims (8)

1. 内燃機関の過給システムであって、
   前記内燃機関に空気を供給するための給気通路と、
   前記内燃機関から排出される排気ガスを排出するための排気通路と、
   前記給気通路に設けられたコンプレッサおよび前記排気通路に設けられたタービンを含み、前記排気通路を流れる排気ガスのエネルギーによって前記タービンを駆動させ、前記タービンと同軸で接続されている前記コンプレッサによって前記内燃機関に供給する空気を圧縮するように構成されるターボチャージャと、
   前記コンプレッサの下流側において前記給気通路から分岐される蓄圧用通路と、
   前記蓄圧用通路に接続され、前記コンプレッサで圧縮される圧縮空気の流入によって蓄圧される高圧容器と、
   前記高圧容器と前記給気通路とを接続する高圧供給通路と、
   前記高圧供給通路に設けられる高圧供給弁と、
   前記高圧供給弁を制御することで、前記高圧容器から前記給気通路へ送出される前記圧縮空気の流量を調整するように構成される弁制御部と、を備える内燃機関の過給システム。
2. 前記高圧供給通路は、前記コンプレッサの上流側において前記給気通路に接続されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の過給システム。
3. 前記コンプレッサの下流側に接続される前記空気を冷却するためのインタークーラと、をさらに備え、
   前記蓄圧用通路は、前記インタークーラと前記コンプレッサの間で前記給気通路から分岐されることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の過給システム。
4. 前記高圧容器の内部圧力を検知する内部圧力検知手段と、をさらに備え、
   前記弁制御部は、
   前記内燃機関の目標出力に対応する前記コンプレッサの下流側における目標給気圧を取得する目標給気圧取得部と、
   前記内部圧力検知手段によって検知される前記内部圧力と前記目標給気圧取得部によって取得される前記目標給気圧とを比較し、前記目標給気圧が前記内部圧力よりも小さい場合には前記高圧供給弁の開度を開側に制御するよう指示し、前記内燃機関の出力が目標出力以上の場合には前記高圧供給弁の開度を閉側に制御するよう指示する弁制御実行部と、を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の過給システム。
5. 前記蓄圧用通路には、前記高圧容器から前記コンプレッサの下流側の給気通路に向けて前記圧縮空気が逆流することを防止するための逆止弁が設けられることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の過給システム。
6. 前記高圧容器の内部圧力を検知する内部圧力検知手段と、
   前記コンプレッサの下流側の給気圧を検知する給気圧検知手段と、
   前記蓄圧用通路に設けられ、前記蓄圧用通路の開閉可能な電磁弁と、をさらに備え、
   前記弁制御部は、前記内部圧力検知手段により検知される前記内部圧力と前記給気圧検知手段により検知される前記給気圧に基づいて、前記電磁弁の開閉を制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の過給システム。
7. 前記電磁弁は、前記内部圧力が前記給気圧よりも小さい場合には開弁し、前記内部圧力が前記給気圧以上の場合には閉弁するように、前記弁制御部によって制御されることを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の過給システム。
8. 前記電磁弁は、前記内部圧力が前記給気圧よりも小さい場合において、前記電磁弁の開弁が禁止される禁止状態にない場合には開弁するように前記弁制御部によって制御されることを特徴とする請求項６または７に記載の内燃機関の過給システム。
   

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