JP4481595B2 - 気体力学的圧力波供給機搭載の内燃機関の制御方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気体力学的圧力波供給機を搭載した内燃機関の制御方法に関する。この気体力学的圧力波供給機は、内燃機関の作動工程全体を対象とした調整工程を制御するための回転可能なハウジングと、高圧排気チャネルの口径可変手段又はガス滞留部の可変開口とを有する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関への給気供給を目的とした気体力学的圧力波供給機は、本発明の出願人による特許文献１に示すものによって知られている。特に、この従来例は、内燃機関の作動工程全体を対象とした調整工程を制御する目的で、一対の高圧チャネルのうち、一方のチャネル開口と、他方のチャネル開口とを正確に対向させるための回転可能な空気ハウジングと、高圧排気チャネルの口径可変手段及び追加的に設けた他の特徴について開示している。
【０００３】
さらに、非特許文献１に示すものでは、引用例に基づいて気体力学的圧力波供給機に対して所定の測定を行うことが知られている。
【０００４】
運転状態は、まず２種類の段階に大別することができる。即ち、加速／減速段階と定常段階である。さらに、前者の段階は、２種の局面（フェーズ）に区別される。即ち、スロットルが開くときの正の負荷変化フェーズと、減速したとき、特に、スロットルが閉じるときの負の負荷変化フェーズである。これに対し、後者の段階は、３つの局面（フェーズ）に区別される。即ち、部分負荷フェーズ、無負荷フェーズ及び完全負荷定常フェーズである。
【０００５】
本発明は、特に、スロットルが開くときの正の負荷変化と、スロットルが閉じるとき、特に、その後の部分負荷状態に続く減速時の負の負荷変化とに関するものである。
【０００６】
作動速度やハウジングの回転が適正でないとき、スロットルが閉じたとき、開口が不充分であるとき、または、高圧排気チャネルの口径可変手段やガス滞留部可変開口に不具合があるとき、フレッシュエア部分と排気部分との間にバイパスダクトを設けることで得られるはずの効率向上を適正に反映できないときは、排気が気体力学的圧力波供給機の空気側に達することで、圧力波過給機が損傷してしまうことが試験の結果明らかになっている。したがって、例えば、ロータのベアリングがハウジングと衝突して損傷を受けたり、過剰の排気循環、及び／又は給気圧不足、及び／又は給気温度の過熱傾向によって、機関の作動不良が生じるおそれがある。
【０００７】
【特許文献１】
国際公開第９９／１１９１３号公報
【０００８】
【非特許文献１】
Modeling and Model-based Control of Supercharged SI Engines, Laboratory of Internal Combustion Engines of the Swiss Federal Institute of Technology
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
これらの研究から、上述の局面（フェーズ）に関する種々の作動制御際の際は、所定の工程順序で行うことが有利であることが判明した。したがって、本発明は、気体力学的圧力波供給機の不良作動や損傷を避け、出力増大と低水準消費とを同時に達成することを課題としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、気体力学的圧力波供給機を搭載した内燃機関を制御する際に、作動工程のそれぞれにおいて所定の制御工程を行い、正の負荷変化では、気体力学的圧力波供給機の作動速度とハウジングとを適当な手段により、作動工程に記憶された最適状態に同調させ、高圧排気チャネルの口径可変手段やガス滞留部可変開口により、機関の作動工程に応じた所望の給気圧が得られるようにし、また、負の負荷変化では、気体力学的圧力波供給機の作動速度とハウジングとを適当な手段により、作動工程に記憶された最適状態に同調させ、高圧排気チャネルの口径可変手段やガス滞留部可変開口を可能な限り開いて高圧給気と高圧排気との間の差圧をできるだけ小さく保つものとした。
【００１１】
【発明の実施の形態】
実施形を例示する図面を参照して、本発明を以下に詳細に説明する。内燃機関や気体力学的圧力波供給機の技術的な詳細は本発明の出願人による国際公開第９９／１１９１３号と国際公開第９９／１１９１５号に詳細に述べられており、これらは、参照用に本明細書中にも表記してある。なお、かかる参照に際しては、一対の高圧排気チャネルの調整を行うための気体力学的圧力波供給機のハウジング、特に空気ハウジングの回転や、高圧給気チャネルと高圧排気チャネルとの間の接続ダクト、及び、高圧排気チャネルの可変拡大手段又はガス滞留部の可変開口に関する特徴について、特に注目すると良い。
【００１２】
図１及び図２は、全体的及び実質的な効率向上の観点から種々の改良を行った気体力学的圧力波供給機を示す。圧力波供給機３０は、概念図として示された内燃機関３３に、高圧排気チャネル３１及び高圧給気チャネル３２により接続される。ガスハウジング３４には、さらに低圧排気チャネル３５が設けられ、この図では、２本のチャネル、即ち、高圧排気チャネルと低圧排気チャネルとが扇形開口３６Ａ及び３７Ａを介してロータ側のガスハウジング内に貫入することにより、開口端部３６及び３７がそれぞれ形成される。さらに、図中に示すようにに、セル４１を有するロータ４０がエンベロープ４２内に配置されており、これは、例えばベルトドライブ４３により駆動される。
【００１３】
第一義的には、高圧給気チャネルの開口端に対する高圧排気チャネルの開口端の適正配置を行うことが目的とされており、このためには、低圧状態のロータセル側に高圧排気チャネルが開くときに発生するいわゆる初期圧力波が、高圧給気チャンネルのロータセル側への開放時に正確に空気側に到達するようになることが必要である。これまでは、ハウジングに対して、それぞれ高圧の給排気を導く通孔を備えた回転可能ディスクを設けることにより、このような最適化が行われてきた。
【００１４】
本発明では、高圧給気チャネル３２の開口端、即ち、ロータセルに連なる開口の適正配置は、静止ロータ及びガスハウジングに対する空気ハウジングの回転、或いは、高圧給気チャネルのみの回転により行われる。その結果、給排気の両高圧チャネルの開口端は、内燃機関内の作動工程のそれぞれにおいて互いに対向して配置されるので、初期圧力波が上述の条件を満たすことになる。ハウジングの回転は例えば０〜２５°の範囲で変動して良い。
【００１５】
出力の大幅な増加は、排気チャネルへフレッシュエアを直接導入することにより得られる。図１及び２に示す接続ダクト４６は、高圧給気チャネルから高圧排気チャネルへ延伸して設けられ、内部では、高圧給気チャネルの正圧パルスが高圧排気チャネルに伝達される。接続ダクトは逆止弁４７を備え、可能であれば電子制御を備える逆止弁を用いるのが望ましい。この逆止弁は、高圧排気チャネル内の瞬間圧力よりもエネルギーレベルが高い圧力パルスだけを伝達する規制を行う。このため、主に負圧パルスが増加し、即ち、高圧排気チャネル内部は準負圧条件が増大する。そして、高圧排気チャネル内部と高圧給気チャネル内部との両方から成る圧力レベル全体は、負圧パルスの平坦化により上昇することになる。このことによって、高圧排気チャネル開口より後方に位置するロータの圧力レベルが著しく上昇し、そこから到達するパルス波が減少する。さらに、本発明方法により、高温排気のロータへの流入ロスを減少することができる。これは、工程全体が簡略化されるためである。
【００１６】
図１又は図２によると高圧給気チャネル端部とモータ入口との間で許容されていた連結部の設置位置を、高圧給気チャネルの開口端部の直後位置とすることで、さらなる改善が得られる。ただし、図面の複雑化を避けるため、この好適な実施形態は図１には示していない。
【００１７】
先に説明したように、従来技術の圧力波供給機は、内部の充満度により影響を受けやすい。上述したような圧力パルス波の減少以外に、接続ダクトにより、圧力波供給機の高圧排気側へ給気を復帰させることが可能となり、そのことで圧力波供給機の流量能力が増大し、さらに、充満度も増大することとなり、この結果、圧力が著しく増加する。したがって、規制のための逆止弁により高圧フレッシュエアの循環量をさらに規制することが、給気圧力の規制を可能とすることが内燃機関一般の場合に言え、さらに、火花点火機関の場合は、出力規制をも可能とする。換言すると、内燃機関内の流量が比較的低い場合にも充填圧力の損失を生じることなく、その流量が比較的高い場合の圧縮効率を向上するため、圧力波供給機を多少なりとも大きく作る必要があることを意味する。
【００１８】
このようなことは、例えば、接続チャネルの断面領域を公知の適当な手段によって規制することによっても達成することができる。この目的には、逆止弁による規制や断面領域に追加的に設けた規制手段が有用である。これらは、特に、内燃機関が、それぞれ中程度またはそれ以下の速度、温度、負荷を作動範囲とするときに有効である。このことは、１０００〜３０００ＲＰＭの低速範囲において圧力が不十分な場合に、出力増大のため接続ダクトを用いるシステムでは、圧力波供給機中での排気パルス波及び正の差圧による圧力増大を生じさせる補助手段が必要とすることを意味する。
【００１９】
フレッシュエア部分と排気部分とを接続する接続ダクトを用いることで、公知の圧力波供給機の効率を著しく向上させることができるが、これは上述のような効率向上手段を用いることで特に有効となる。これによる出力の増大は、開閉機能を有するアクチュエータで作動するモータ制御により制御することが可能となる。
【００２０】
図３及び図４は、圧力波供給機に係る本発明の別の実施態様、即ち、高圧排気流による作動について示す。図３及び図４は、高圧排気チャネルに対して、とりわけ拡管作用を行う装置をの概略図である。これらは、セル４１を有するロータ４０の展開図であり、ガスハウジング３４には矢印５０に示す方向に後退可能なスライド弁４９を進退可能とする凹部４８が設けられる。図４では、スライド弁４９は矢印の方向に完全に後退するため、高圧排気チャネルの縁部が欠けて拡大する。圧力波工程で生じる圧力が所望レベルに減少するまでの圧力降下が得られるように、スライド弁を作動させて高圧チャネルを拡大することも可能である。これは、スライド弁を適切に制御することで行うことができ、このような制御は当業者であれば計算可能である。
【００２１】
同様に、高圧排気チャネルの口径拡大以外にも、ガス滞留部への流入量を公知の方法で変化させることができる。ただし、この場合（チャネルの）縁部がすべて残存するためあまり有効ではない。
【００２２】
冒頭で述べたように、内燃機関の作動を妨げたり、気体力学的圧力波供給機に損傷を与えたりする多数の故障原因は既知である。したがって、内燃機関の作動工程のそれぞれにおける圧力波過給機を制御する際は、各工程単位の変更は避けるのが有効である。
【００２３】
このことは、作動工程のそれぞれにおいて、作動部材の配置構成と作動工程とに言及が必要であることを意味する。しかしながら、このことによって、無制限の列挙が続くおそれがあるため、発生する可能性が最も高い２つの場合の対策のみ言及するのが良い。即ち、内燃機関の出力が増大した場合、即ち、簡単に言うとスロットルが開いた場合と、スロットルが閉じた場合、即ち、減速した場合である。
【００２４】
正の負荷変化時の制御例について以下に示す。即ち、スロットルが開いたとき、内燃機関のスロットル又はディーゼルエンジンの制御ロッドはそれぞれ作業者の要望に応じて、より大きな出力を得るために、ケーブル制御手段又は電動アクチュエータによって変位作動、特に、開放作動を行う。
１．負荷変化の初期段階では、圧力波供給機内に大流量を確保するため、図１に示すように圧力波供給機の前方の入口チャネルに配置された掃気フラップ５９を、例えば電動アクチュエータ又はケーブル制御手段などの適切な手段によって、可能な限り開放する。
２．圧力波供給機のハウジング、特に空気ハウジング３９の作動速度や回転を、適切な手段により、実際の作動工程のそれぞれに対応して記憶された最適値に合致させる。
３．高圧排気チャネルの口径可変用またはガス滞留部入口可変用のスライド弁を、作動工程中の記憶された位置へ移動させ、内燃機関の作動工程に必要な圧力を生じさせる。
４．必要な圧力、即ち、好ましくは機関回転数Ｎ_eng＝１０００〜３０００ｒ／ｍｉｎ．範囲の圧力が得られない場合は、高圧給気チャネルと高圧排気チャネルとの間の接続ダクト４６に設けた弁の開度を増大する。
５．高圧排気チャネルの可変口径またはガス滞留部の可変開口を増減させて、作業者の要望に応じた圧力規制機能とする。
【００２５】
ここでは、可能範囲で最大の給気圧の条件を満たす正の負荷変化を経た後の、他の全パラメータや作動部材が各々の最適位置へ既に到達した時点で、接続ダクトの逆止弁を開くだけで良いことに注目されたい。出力増大システムは掃気プロセスを犠牲にして高圧プロセスに集中するため、これが必要になる。
【００２６】
負の負荷変化時、即ち、減速時の圧力波供給機を制御する際は、部分負荷状態に引き続く以下の工程が必要となる。
１． 給気圧の減少を要する負の負荷変化時には、接続ダクトを最初に直ちに閉鎖する。接続ダクトの弁は完全な閉弁状態とする。
２． ハウジングの回転と圧力波供給機の作動速度の調整に関しては、これらのパラメータをモータ試験で得た、作動工程に記憶された最適位置で設定する。
３． ロータの掃気を確保しつつ、圧力波供給機の掃気フラップ５９を可能な限り確実に閉める。このためには、ラムダプローブセンサと圧力波供給機の排気流温度の測定手段とが必要になる。
４． 高圧排気チャネルの口径可変用またはガス滞留部入口可変用のスライド弁を、可能な限り広く開ける。そのことによって高圧給気と高圧排気との差圧が最小になる。
【００２７】
圧力波供給機の制御に際して、上述した順序にしたがうと、低水準の消費で最適な出力が得られることが試験によって示されている。
【００２８】
既に指摘したように、作動工程のそれぞれにおいて、作動部材の配置構成と作動工程とに言及が必要である。しかしながらこのことによって無制限の列挙が続くおそれがあるため、最適の構成配置とこれに続く、例えば、ＰＩＤコントローラによる制御の原理から言及するのが良い。
【００２９】
ハウジングの回転、作動速度、及び高圧排気チャネルの口径可変用またはガス滞留部入口可変用のスライド弁位置は、実際上の要望に応じて可変であり、別の調整手段によっても類似の結果を得るであろう。圧力波供給機を調整しながら内燃機関の出力、特にトルクを最適化することが、良好な結果を得るために必要である。
【００３０】
冒頭部分で述べたように、本願発明は、正及び負の負荷変化時の作動制御について特に述べているが、先に述べた定常運転時の他の３態様においても一定の制御工程を設定することで最適化できると考えられる。そして、これら３態様中の異なる部分に対応して行う制御に、続いて所定順序で設定された残りの制御工程を組み合せて完成することができる。
【００３１】
本発明の方法は、内燃機関と圧力波供給機とから成る上述のシステムに限定されるものではない。本方法は、その基本的な形態として、内燃機関と圧力波供給機とを結合した全てのシステムに有効である。そして、全てのオプションを採用することにより、最高の効率を得ることができる。この方法はまた、触媒の有無や追加加熱システムの有無にかかわらず、火花点火機関やディーゼル機関にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】気体力学的圧力波供給機の実施形態を示す概略部分断面図。
【図２】図１の気体力学的圧力波供給機の斜視図。
【図３】高圧排気チャネルの可変拡大手段を備えた、圧力波供給機のロータセル部分で展開して得られる詳細の概略図。
【図４】高圧排気チャネルの可変拡大手段を備えた、圧力波供給機のロータセル部分で展開して得られる詳細の概略図。
【符号の説明】
３０ 気体力学的圧力波供給機
３１ 高圧排気チャネル
３２ 高圧給気チャネル
３３ 内燃機関
３４ ガスハウジング
３５ 低圧排気チャネル
３６、３７ 開口
３９ 空気ハウジング
４０ ロータ
４１ セル
４２ エンベロープ
４３ ベルトドライブ
４６ 接続ダクト
４７ 逆止弁
４８ 凹部
４９ スライド弁
５９ 掃気フラップ

Claims (7)

1. 気体力学的圧力波供給機を搭載した内燃機関の制御方法において、
   前記気体力学的圧力波供給機は、内燃機関の作動工程全体にわたって調整を行う調整工程のための回転可能なハウジングと、
   高圧排気チャネルの口径可変手段又はガス滞留部の可変開口と、
   を有し、
   前記方法は、正の負荷変化時において、
   気体力学的圧力波供給機の作動速度とハウジングの回転とを適当な手段により、作動工程に記憶された最適状態に同調させ、高圧排気チャネルの口径可変手段やガス滞留部可変開口により、機関の作動工程に応じた所要の給気圧が得られるようにし、
   前記方法は、負の負荷変化時において、
   気体力学的圧力波供給機の作動速度とハウジングの回転とを適当な手段により、作動工程に記憶された最適状態に同調させ、高圧排気チャネルの口径可変手段やガス滞留部可変開口を可能な限り開いて、高圧給気と高圧排気との間の差圧をできるだけ小さく保ち、
   作業者の要望に応じて、より大きな出力を得るために、内燃機関の制御要素を変位して生じさせる正の負荷変化の初期段階で、気体力学的圧力波供給機の給気チャネルの掃気フラップを可能な限り開放し、
   正の負荷変化において、所要の給気圧が得られない場合、高圧給気チャネルと高圧排気チャネルとの間の接続ダクトをさらに開放し、
   正の負荷変化時及び負の負荷変化時において、掃起フラップを作動させることを特徴とする気体力学的圧力波供給機搭載の内燃機関の制御方法。
2. 前記接続ダクトの開放を行うことにより、機関回転数Ｎｅｎｇを、１０００〜３０００ｒ／ｍｉｎ．の範囲とすることを特徴とする請求項１に記載の気体力学的圧力波供給機搭載の内燃機関の制御方法。
3. 正の負荷変化後の、他の全パラメータと作動部材と各々の最適位置へ既に到達した時点でのみ、前記接続ダクトの開放を行うことを特徴とする請求項１に記載の気体力学的圧力波供給機搭載の内燃機関の制御方法。
4. 負の負荷変化では、高圧給気チャネルと高圧排気チャネルとの間に設けられた接続ダクトを完全に閉鎖することを特徴とする請求項１に記載の気体力学的圧力波供給機搭載の内燃機関の制御方法。
5. 前記接続ダクトの弁は、作動部材を介して行う内燃機関の制御により作動することを特徴とする請求項４に記載の気体力学的圧力波供給機搭載の内燃機関の制御方法。
6. 負の負荷変化の初期段階で、ロータの掃気を確保した状態で、掃気フラップを可能な限り確実に閉じることを特徴とする請求項４に記載の気体力学的圧力波供給機搭載の内燃機関の制御方法。
7. 気体力学的圧力波供給機が有する回転可能なハウジングが、空気ハウジングであることを特徴とする請求項１に記載の気体力学的圧力波供給機搭載の内燃機関の制御方法。

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