JP2021050684A - 吸気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成によって内燃機関に排気ガスを確実に再循環させると共に内燃機関に対する吸入空気の過給を促進すること。【解決手段】内燃機関の吸気装置は、前記内燃機関からの排気ガスを前記内燃機関に再循環させる電動ポンプを備える排気再循環装置と、前記内燃機関からの排気ガスによって回転するタービンと前記タービンが回転することにより吸入空気を圧縮する第１のコンプレッサと前記第１のコンプレッサにより圧縮された前記吸入空気を更に圧縮する第２のコンプレッサとを備え、前記吸入空気を前記内燃機関に過給する過給機と、前記電動ポンプと前記第２のコンプレッサとを駆動する共用の電気モータとを有する。【選択図】図１

Description

本開示は、内燃機関の吸気装置に関する。

従来、内燃機関からの排気ガスを吸気管に供給して内燃機関に再循環させる排気再循環装置と、内燃機関からの排気ガスによって駆動して吸入空気を内燃機関に過給する過給機と、を有するものが知られている。従来の排気再循環装置としては、ＥＧＲポンプ（EGR：Exhaust Gas Recirculation）によって内燃機関に対する排気ガスの供給を促進するものがある（例えば、特許文献１）。また、従来の過給機としては、電気モータによって内燃機関に対する吸入空気の過給を促進する電動過給機がある。

通常、排気再循環装置における内燃機関への排気ガスの還流は、吸気側と排気側との圧力差（排気側の圧力が吸気側の圧力よりも高い）によって行われる。しかしながら、過給機の効率が高い場合又は電動コンプレッサによって過給を行う場合には、吸気側の圧力よりも排気側の圧力の方が低くなり、ＮＯｘを低下させたいとの要求に対して、内燃機関へ排気ガスを還流できない場合が考えられる。このような場合において、排気ガスを強制的に吸気側に還流させるためにＥＧＲポンプを用いる。

このような状況において、特許文献２は、ＥＧＲポンプを備えた排気再循環装置と電動過給機とを有するエンジンを開示している。特許文献２は、ＥＧＲバルブと直列の電気制御式可変速ポンプ（ＥＧＲポンプ）によって、再循環される排気ガスの圧力を排気マニホールド内のレベルから吸気マニホールド内のレベルまで高める構成を有する。また、特許文献２は、電気モータ等のパワーアシストシステムによって、始動開始および低負荷状態の間のターボチャージャ動作を高めて給気の流れへのエネルギーを追加する構成を開示している。

特開２０１６−５６７７８号公報 特表２０１６−５１２２９２号公報

しかしながら、従来の排気再循環装置及び電動過給機を有する内燃機関に用いられる吸気装置においては、ＥＧＲポンプを駆動する駆動部と、電動過給機の電気モータを駆動する駆動部と、を個別に設けるため、それぞれの駆動部に制御装置やインバータが必要となり、システム構成が複雑化するという課題を有する。

本開示の目的は、簡易な構成によって内燃機関に排気ガスを確実に再循環させることができると共に内燃機関に対する吸入空気の過給を促進することができる吸気装置を提供することである。

本開示に係る吸気装置は、内燃機関の吸気装置であって、前記内燃機関からの排気ガスを前記内燃機関に再循環させる電動ポンプを備える排気再循環装置と、前記内燃機関からの排気ガスによって回転するタービンと前記タービンが回転することにより吸入空気を圧縮する第１のコンプレッサと前記第１のコンプレッサにより圧縮された前記吸入空気を更に圧縮する第２のコンプレッサとを備え、前記吸入空気を前記内燃機関に過給する過給機と、前記電動ポンプと前記第２のコンプレッサとを駆動する共用の電気モータと、を有する。

本開示によれば、簡易な構成によって内燃機関に排気ガスを確実に再循環させることができると共に内燃機関に対する吸入空気の過給を促進することができる。

本開示の実施の形態に係る吸気装置の構成を示す模式図である。 本開示の実施の形態に係る吸気装置における内燃機関の回転速度とトルクとの関係を示す図である。

以下、図面を適宜参照して、本開示の実施の形態につき、詳細に説明する。

＜吸気装置の構成＞
本開示の実施の形態に係る吸気装置１の構成につき、図１を参照しながら、以下に詳細に説明する。

本実施の形態に係る吸気装置１は、例えば、内燃機関２と、排気再循環装置３と、過給機４と、を有する車両に搭載されている。ここで、内燃機関２は、吸気と燃料との混合気を図示しない気筒の燃焼室に供給するインテークマニホールド２１と、気筒の燃焼室から排気ガスを排出するエキゾーストマニホールド２２と、を備えている。

具体的には、吸気装置１は、排気再循環装置３と、過給機４と、電気モータ５と、制御装置６と、インバータ７と、を有している。

排気再循環装置３は、内燃機関２からの排気ガスを内燃機関２に再循環させる。排気再循環装置３は、バルブ３１と、電動ＥＧＲポンプ３２と、ＥＧＲクーラー３３と、を備えている。

バルブ３１は、排気ガスの流路の電動ＥＧＲポンプ３２よりも上流側に設けられている。バルブ３１は、後述の制御装置６の制御によって動作して、エキゾーストマニホールド２２から供給される排気ガスを、電動ＥＧＲポンプ３２に供給する流路と、電動ＥＧＲポンプ３２を迂回してＥＧＲクーラーに直接供給する流路とを切り替える。

バルブ３１を、電動ＥＧＲポンプ３２を迂回する流路に切り替えた場合、エキゾーストマニホールド２２から供給される排気ガスは、排気ガス自身のもつ圧力により、ＥＧＲクーラー３３を経てインテークマニホールド２１へ供給される。

一方、排気ガスを電動ＥＧＲポンプ３２に供給する流路が選択された場合には、電動ＥＧＲポンプ３２は、電気モータ５により駆動され、エキゾーストマニホールド２２からバルブ３１を介して供給される排気ガスの流量を増加させて圧力を上昇させる。

電動ＥＧＲポンプ３２は、圧力を上昇させた排気ガスをＥＧＲクーラー３３に供給する。電動ＥＧＲポンプ３２は、電動コンプレッサ４４によって吸入空気の吸気圧を高くする場合に、吸気圧の高い吸入空気に混合させる排気ガスの圧力も高くする必要があるために設けられている。

ＥＧＲクーラー３３は、電動ＥＧＲポンプ３２から供給される排気ガスを冷却してインテークマニホールド２１に供給する。

過給機４は、内燃機関２からの排気ガスによって駆動して吸入空気を内燃機関２に過給する。過給機４は、タービン４１と、コンプレッサ４２と、バルブ４３と、電動コンプレッサ４４と、インタークーラー４５と、を備えている。

タービン４１は、エキゾーストマニホールド２２から供給される排気ガスの排気エネルギーによって回転して、コンプレッサ４２を駆動させる。

コンプレッサ４２は、タービン４１が回転することにより駆動して、吸入空気を圧縮してバルブ４３に供給する。バルブ４３は、吸入空気の流路の電動コンプレッサ４４よりも上流側に設けられている。

バルブ４３は、制御装置６の制御によって動作して、コンプレッサ４２から供給される吸入空気を、電動コンプレッサ４４に供給する流路又は電動コンプレッサ４４を迂回してインタークーラー４５に直接供給する流路に切り替える。

電動コンプレッサ４４に供給する流路が選択された場合、電動コンプレッサ４４は、コンプレッサ４２からバルブ４３を介して供給される吸入空気を更に圧縮してインタークーラー４５に供給する。インタークーラー４５は、電動コンプレッサ４４から供給される吸入空気を冷却してインテークマニホールド２１に供給する。

これに対して、電動コンプレッサ４４を迂回してインタークーラー４５に直接供給する流路が選択された場合は、コンプレッサ４２で圧縮された吸入空気は、その状態でバルブ４３を介してインタークーラー４５に供給される。

電気モータ５は、インバータ７から電力の供給を受けて駆動することにより、電動ＥＧＲポンプ３２と電動コンプレッサ４４とを駆動させる。電気モータ５は、電動ＥＧＲポンプ３２を駆動させるモータと、電動コンプレッサ４４を駆動させるモータと、を兼用する共用モータである。

制御装置６は、吸気装置１を含む車両に搭載されている電子デバイス等の動作を制御する。制御装置６は、インバータ７における電気モータ５に対する電力の供給を制御する。制御装置６は、例えばＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）等の電子制御装置である。インバータ７は、制御装置６の制御によって車載バッテリ１００から供給された電源電流を直流から交流に変換して電気モータ５に供給する。

＜吸気装置の動作＞
本開示の実施の形態に係る吸気装置１の動作につき、図１及び図２を参照しながら、以下に詳細に説明する。

図２において、図２（ａ）は、電動コンプレッサ４４を駆動させずにコンプレッサ４２のみによって吸入空気を内燃機関２に過給する通常運転（コンベンショナルでの運転）時に得られる内燃機関のトルクを、黒塗りの領域で示している。また、図２（ｂ）は、コンプレッサ４２に加えて電動コンプレッサ４４を駆動することによって吸入空気を内燃機関２に過給することで得られる内燃機関のトルクを、黒塗りの領域で示している。

最初に、通常運転時における吸気装置１の動作について説明する。

まず、制御装置６は、バルブ３１の動作を制御して電動ＥＧＲポンプ３２を迂回する流路を設定すると共に、バルブ４３の動作を制御して電動コンプレッサ４４を迂回する流路を設定する。

この状態において、内燃機関２は、車両の図示しない駆動輪等に対して駆動力を与えるために駆動されることにより、エキゾーストマニホールド２２から排気ガスを排出する。エキゾーストマニホールド２２から排出された排気ガスは、過給機４のタービン４１を回転させることによりコンプレッサ４２を駆動させる。

コンプレッサ４２は、吸入空気を圧縮すると共に、圧縮した吸入空気をバルブ４３により電動コンプレッサ４４を迂回させてインタークーラー４５に供給する。インタークーラー４５に供給された吸入空気は、インタークーラー４５によって冷却される。

また、エキゾーストマニホールド２２からバルブ３１を介して供給される排気ガスは、電動ＥＧＲポンプを迂回した流路を経てＥＧＲクーラー３３に供給される。ＥＧＲクーラー３３に供給された排気ガスは、ＥＧＲクーラー３３によって冷却される。そして、インタークーラー４５によって冷却された吸入空気は、ＥＧＲクーラー３３によって冷却された排気ガスと混合されて、インテークマニホールド２１から内燃機関２に供給される。

これにより、図２（ａ）に黒塗りで示す内燃機関が通常運転可能な範囲において内燃機関のトルクを得ることができる。ここで、吸入空気の重量Ａを燃料の重量Ｆで除算（Ａ／Ｆ）することにより空燃比を求めることができる。また、実際の空燃比を理論空燃比で除算することにより空気過剰率λを求めることができる。空気過剰率λは、おおよそ１．３以上であることが好ましい。

これより、図２（ａ）の通常運転可能な範囲は、空気過剰率λが１．３以上となる範囲である。なお、空気過剰率λが１．３未満の場合には、燃料と混合される酸素の量が低下して煤が発生する等の不都合を生じる。

続いて、内燃機関の低回転域且つ高負荷運転時における吸気装置１の動作について説明する。ここで、低回転域且つ高負荷運転時とは、例えば車両の登坂路の走行時や車両の重量が大きい状態での走行時である。

まず、制御装置６は、バルブ３１の動作を制御して電動ＥＧＲポンプ３２を経由する流路を設定すると共に、バルブ４３の動作を制御して電動コンプレッサ４４を経由する流路を設定する。

この状態において、内燃機関２は、車両の図示しない駆動輪等に対して駆動力を与えるために駆動されることにより、エキゾーストマニホールド２２から排気ガスを排出する。エキゾーストマニホールド２２から排出された排気ガスは、過給機４のタービン４１を回転させることによりコンプレッサ４２を駆動させる。

コンプレッサ４２は、吸入空気を圧縮すると共に、圧縮した吸入空気をバルブ４３により電動コンプレッサ４４に供給する。電動コンプレッサ４４は、制御装置６の制御によってインバータ７より電流の供給を受けて駆動される電気モータ５によって駆動され、コンプレッサ４２からバルブ４３を介して供給される吸入空気を更に圧縮して、圧縮した吸入空気をインタークーラー４５に供給する。インタークーラー４５に供給された吸入空気は、インタークーラー４５によって冷却される。

また、電動ＥＧＲポンプ３２は、制御装置６の制御によってインバータ７より電流の供給を受けて駆動される電気モータ５によって駆動され、エキゾーストマニホールド２２からバルブ３１を介して供給される排気ガスの流量を増加させて圧力を上昇させ、圧力を上昇させた排気ガスをＥＧＲクーラー３３に供給する。

ＥＧＲクーラー３３に供給された排気ガスは、ＥＧＲクーラー３３によって冷却される。そして、インタークーラー４５によって冷却された吸入空気は、ＥＧＲクーラー３３によって冷却された排気ガスと混合されて、インテークマニホールド２１から内燃機関２に供給される。

これにより、図２（ａ）に黒塗りで示す通常運転可能な範囲の内燃機関のトルクに加えて、図２（ｂ）に黒塗りで示す範囲の内燃機関のトルクを得ることができるため、低回転域の運転時に内燃機関の負荷が高いことにより空気過剰率λが低い場合であっても、内燃機関の高トルクを得ることができる。

上記の動作において、制御装置６は、適切な空気過剰率λとなるように、必要に応じてバルブ３１の動作を制御して排気ガスの流路を切り替える。例えば、制御装置６は、登坂路を走行する場合のように、燃料の量に対する空気の量が不足して空気過剰率λが適切な値の限界（空気過剰率の制約による運転限界）を下回りそうな場合に、バルブ３１を制御して電動ＥＧＲポンプ３２を迂回する流路に切り替えると共に、電気モータ５を駆動させて電動コンプレッサ４４を駆動させる。

これにより、エキゾーストマニホールド２２から供給される排気ガスのインテークマニホールド２１への供給を停止すると共に、電動コンプレッサ４４によって更に過給することにより、吸入空気の量を増大させることができるため、空気過剰率λを適切な値にすることができる。

このように、本実施の形態によれば、排気再循環装置３の電動ＥＧＲポンプ３２と過給機４の電動コンプレッサ４４の両者を駆動する共用の電気モータ５を設けることにより、簡易な構成によって電動で内燃機関に排気ガスを確実に再循環させることができると共に内燃機関に対する吸入空気の過給を促進することができる。

また、本実施の形態によれば、電気モータ５は、内燃機関が高トルクを必要とする際に電動コンプレッサ４４を駆動することにより、燃費を向上させることができる。

また、本実施の形態によれば、排気再循環装置３の電動ＥＧＲポンプ３２と過給機４の電動コンプレッサ４４とを駆動する電気モータ５を兼用することにより、電気モータ５を駆動及び制御する制御装置６及びインバータ７を１つ設ければよいので、簡易な構成にすることができる。

また、上記実施の形態においては、車両に搭載される内燃機関を例に取り説明を行ったが、本開示はこれに限定されるものではなく、本開示の吸気装置は、船舶用に内燃機関、定置されて使用される各種内燃機関、その他産業用機器に使用される各種内燃機関に広く適用することができる。

本開示は、部材の種類、配置、個数等は前述の実施の形態に限定されるものではなく、その構成要素を同等の作用効果を奏するものに適宜置換する等、発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であることはもちろんである。

本開示は、内燃機関の吸気装置に好適である。

１ 吸気装置
２ 内燃機関
３ 排気再循環装置
４ 過給機
５ 電気モータ
６ 制御装置
７ インバータ
２１ インテークマニホールド
２２ エキゾーストマニホールド
３１ バルブ
３２ 電動ＥＧＲポンプ
３３ ＥＧＲクーラー
４１ タービン
４２ コンプレッサ
４３ バルブ
４４ 電動コンプレッサ
４５ インタークーラー
１００ 車載バッテリ

Claims (3)

1. 内燃機関の吸気装置であって、
   前記内燃機関からの排気ガスを前記内燃機関に再循環させる電動ポンプを備える排気再循環装置と、
   前記内燃機関からの排気ガスによって回転するタービンと前記タービンが回転することにより吸入空気を圧縮する第１のコンプレッサと前記第１のコンプレッサにより圧縮された前記吸入空気を更に圧縮する第２のコンプレッサとを備え、前記吸入空気を前記内燃機関に過給する過給機と、
   前記電動ポンプと前記第２のコンプレッサとを駆動する共用の電気モータと、
   を有する、
   吸気装置。
2. 前記排気再循環装置は、前記排気ガスを前記電動ポンプに供給する流路と前記排気ガスが前記電動ポンプを迂回して流れる流路とを切り替えるバルブを有する、
   請求項１に記載の吸気装置。
3. 前記電気モータは、
   前記車両が高トルクを必要とする際に前記第２のコンプレッサを駆動する、
   請求項１又は請求項２記載の吸気装置。

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