JP4481753B2 - 可変容積式の排気ガスの排気装置を備えた過給式４ストローク内燃エンジンおよび該エンジンの動作方法 - Google Patents

Description

本発明は、排気ガスを収集するための可変容積式の排気装置を備えた過給式４ストローク内燃エンジンに関する。

４サイクル内燃エンジンは、流体の混合物、通常は空気と燃料との混合物の燃焼が行われる燃焼室を含んでいる複数のシリンダを通常は有している。この燃焼の結果、これらの燃焼室から排出される燃焼ガス、つまり排気ガスが発生する。

そのようなエンジンが発生するトルクは、このエンジンの燃焼室内に供給される空気の量に特に依存しており、この空気の量自体は、この空気の密度に比例している。したがって、高いトルクがこのエンジンに要求される場合には、空気は燃焼室に進入する前に圧縮される。一般的に過給気と呼ばれるこの空気は、ターボ圧縮機や、例えばスクリュ圧縮機のような被駆動型の圧縮機など、任意の公知の手段によって圧縮される。

ターボ圧縮機が使用されている場合、排気ガス中に失われるエネルギーの一部は、排気ガスの流れの中に配置されているタービンによって取り出される。このエネルギーは、吸入空気を実際に圧縮するのに使用され、それにより空気の充填量が増加し、そのためエンジンの性能が向上する。通常、この排気ガスは、シリンダの排気手段に接続されている１つまたは２つ以上の排気マニフォールドから流入する。

当該技術分野では周知のように、燃焼室から流入する排気ガスの流速は、エンジンの低速動作と高速動作との間で、非常に大きく変動する。

エンジンの速度が低い場合に、タービンを駆動するために排気ガスのエネルギーを最大限に取り出すように、特定の排気マニフォールドを使用する必要がある。これは、排気の圧力波を最適に案内し、タービンを駆動するエネルギーを最大限に取り出すように、断面積が狭く容積が小さい排気マニフォールドを使用することにより、概ね達成される。

エンジンの速度が高い場合には、マニフォールドの断面積が狭く容積が小さいことは、シリンダの排気に関して不利であり、ポンプ損失が増加する。したがって、燃焼ガスの排出が遅くなり、燃焼ガスの一部はエンジンの燃焼室から排出されない。この残留している燃焼ガスにより、火花点火式の内燃エンジンでは、その燃焼ガスが高温であるためにエンジンのノッキングが発生し、さらに、エンジンの吸気行程中に燃焼室への新鮮な空気の充填が制限される。

本発明は、簡単な構造で、エンジンの性能に不利に作用することなく排気ガスの量の変動を吸収しながら、あらゆるエンジンの速度に適用可能な燃焼ガスの排出装置を有しているエンジンによって、前述の欠点を解決することを目的としている。

したがって、本発明は、燃焼室を備えた少なくとも２つのシリンダと、遮断手段が組み合わされた管を含んでいる吸気手段と、遮断手段を備えた管を含んでいる排気手段と、管と少なくとも１つのマニフォールドとを有している排気ガス収集手段とを有している４ストローク過給式内燃エンジンにおいて、エンジンの高速での動作中に収集される排気ガスの量を増加させる手段を有していることを特徴とする４ストローク過給式内燃エンジンに関する。

増加させる手段は排気管に選択的に連通させられる容積を有していてもよい。

増加させる手段は少なくとも１つのマニフォールドに選択的に連通させられる容積を有していてもよい。

排気ガス収集手段が第１および第２のマニフォールドを有している場合には、増加させる手段は他方のマニフォールドに選択的に連通させられる一方のマニフォールドからなる容積を有していてもよい。

エンジンは増加させる手段との連通を塞ぐ遮断手段を有していてもよい。

有利なことに、遮断手段は制御手段によって制御されてもよい。

遮断手段は回転式の栓を有していることが好ましい。

あるいは、遮断手段は弁を有していてもよい。

栓はポートを有していることが好ましい。

また、本発明は、燃焼室を備えた少なくとも２つのシリンダと、遮断手段が組み合わされた管を含んでいる吸気手段と、遮断手段を備えた管を含んでいる排気手段と、管と少なくとも１つのマニフォールドとを有している排気ガス収集手段とを有している４ストローク過給式内燃エンジンの動作方法において、エンジンの高速での動作中には、排気ガスが、一方では収集手段に排出され、他方では収集される排気ガスの量を増加させる手段に排出されることと、エンジンの低速での動作中には、排気ガスが収集手段に排出されることとを特徴とする、４ストローク過給式内燃エンジンの動作方法に関する。

エンジンの低速での動作中に、外部の空気が収集される排気ガスの量を増加させる手段内に噴射されてもよい。

本発明のその他の特徴と利点は、添付図面を参照して、非限定的な例により説明される以下の説明を読むことで明らかになるであろう。

図１〜図４は、燃焼室１４を備えた、少なくとも２つの、本例では４つのシリンダ１２と、少なくとの１つの吸気手段１６と、少なくとも１つの排気手段１８とを有している４サイクル内燃エンジン１０を示している。吸気手段１６は通常は吸気管２０と弁などの遮断手段２１とからなり、排気手段１８は弁などの遮断手段２３を備えた排気管２２を有している。排気管２２は、燃焼ガスを燃焼室１４から排出するマニフォールド２４に接続されている。このマニフォールド２４の出口２６は、ターボ圧縮機２８の入口、より具体的には、吸気管２０を介して燃焼室１４内に流入可能な空気を圧縮するように圧縮機３２を駆動しているタービン３０の入口に接続されている。したがって、排気ガス収集手段は排気管２２とマニフォールド２４とからなる。これらの手段は、特定の断面積および容積、通常は狭い断面積と小さい容積とを有しており、排気ガスのエネルギーを最大限に取り出して、タービン３０を駆動し、その結果、吸入空気を圧縮できるように排気の圧力波を案内することを可能にしている。

このエンジン１０は、エンジン１０が高速で動作しているときに使用可能な、エンジン１０の燃焼室１４から収集される排気ガスの量を増加させる手段をさらに有している。

図１〜図４に示されているように、これらの手段は、おおむね管状の円筒形の形状からなり、軸ＸＸを有し、軸方向の両端で閉じている容積３４を有している。この容積３４は、シリンダ１２とマニフォールド２４との間の排気管２２および容積３４の中に設けられている連通路３６を介して、各排気管２２に選択的に連通している。そのため、容積３４は容積３４の周囲の壁上に配置されたオリフィス３８を有しており、排気管２２も、本実施形態では、容積３４のオリフィス３８に対応するオリフィス４０を有している。これらの連通路３６の遮断手段４２は、軸方向の両端が閉じられており、容積３４内に収容されている、容積３４と同軸の中空の栓４４の形態として設けられている。この栓４４は、連通路３６の位置および寸法に実質的に対応している位置および寸法を有しているポート４６を有している。栓４４は、ピン５０によって栓４４に接続されている電気式のマイクロモータ４８などの任意の公知の手段によって、軸ＸＸを中心として回転駆動させられる。このマイクロモータ４８は、エンジン１０の制御部などのエンジン１０の動作を制御する手段を介して指令を受け取る。

エンジン１０が低速で動作している間（約１０００ｒｐｍから約３０００ｒｐｍ）は、図１〜図３に示しているように、マイクロモータ４８は、栓４４を、これらの図に示した位置である、連通路３６が栓４４の周囲の壁により塞がれる位置（図１〜図３）にする指令を与えられる。各燃焼室１４内の燃焼による燃焼ガスは、各排気管２２を介して排出される。この排気ガスは、連通路３６が塞がれているため、容積３４に進入することなくマニフォールド２４に直接送られる。このマニフォールド２４の出口２６では、排気ガスは、圧縮機３２を駆動するタービン３０を回転駆動させることによりターボ圧縮機２８に進入する。

この構成により、タービン３０を最適に駆動するために、容積だけでなく断面積についても、マニフォールド２４の特有の構成を利用することが可能になる。

たとえば３０００ｒｐｍよりも高い回転数での高速動作中は、燃焼室１４から流出する排気ガスの流速が高くなり、その結果、排気ガスの量が多くなる。マイクロモータ４８には、エンジン１０の制御部から、栓４４のポート４６の位置が排気管２２と容積３４との間の連通路３６の位置に一致するように栓４４を回転駆動させる指令が与えられる。この位置では、シリンダ１２の排気行程中に燃焼室１４から排気管２２を介して排出された排気ガスは、マニフォールド２４および容積３４に、より正確には栓４４内に、同時に送られる（図４）。そのため、マニフォールド２４と容積３４は、排気管２２によって運ばれた燃焼ガスで同時に充填される。そのため、排気行程中のシリンダ１２は、排気ガスを収集するために充填に使用可能な容積が増加し、それにより、排気ガスの排出を良好にする。容積３４が燃焼ガスで充填された後、燃焼ガスは、排気行程にないシリンダ１２の排気管２２内に設けられている他の連通路３６を介してマニフォールド２４に排出される。マニフォールド２４から流出する排気ガスは、それから、ターボ圧縮機２８のタービン３０に送られる。

もちろん、本発明の範囲から逸脱することなく、容積３４はマニフォールド２４に直接連通していてもよい。この場合、増加した排気ガスをエンジン１０の高速動作中に確実に収集し、容積３４内に存在している排気ガスをマニフォールド２４に排出するには、この容積３４とこのマニフォールド２４との間の連通路は２つで十分である。

図５は、図１〜図４のエンジン１０と同様で、それらの図と同じ参照番号を実質的に有している、本発明のエンジン１０の他の実施形態を示している。

本実施形態では、図５の左から１番目のシリンダ１２と最後のシリンダ１２の排気管２２が第１のマニフォールド６４に接続されているのに対して、２番目と３番目のシリンダ１２の排気管２２は第２のマニフォールド６６に接続されている。分離マニフォールド構成と呼ばれるこの構成は、ツインスクロール式ターボ圧縮機と呼ばれている、特定のダブルインレットターボ圧縮機７２の技術と併せて用いられている。この種のターボ圧縮機７２は、排気ガスの入口がタービンの高さで２つの部分に分けられており、第１の部分は第１のマニフォールド６４によって一部のシリンダ１２の排気部分に接続され、第２の部分は第２のマニフォールド６６によってそれ以外のシリンダ１２の排気部分に接続されている。したがって、第１のマニフォールド６４の出口６８は第１の部分に接続されているのに対して、第２のマニフォールド６６の出口７０は第２の部分に接続さている。

このエンジン１０は、図１〜図４の容積３４と同様に、各々が各マニフォールド６４，６６に連通している２つの連通路７４を介して第１のマニフォールド６４および第２のマニフォールド６６に選択的に連通し、軸ＸＸを備えている容積３４も有している。この容積３４は、容積３４の内部に収容されていて、同様に中空の栓４４の形態を有している、連通路７４の遮断手段を有している。この栓４４は、図１〜図４に関連して既に説明したように、連通路７４の位置および寸法に位置および寸法が実質的に対応しているポート４６を有している。栓４４は、ピン５０により栓４４に接続されている電気式のマイクロモータ４８などの任意の公知の手段によって、軸ＸＸを中心として回転駆動させられる。

そのようなエンジン１０の動作は、前述のエンジン１０の動作と実質的に同一である。

エンジン１０の低速動作中には、栓４４は、この栓４４の周囲の壁によって連通路７４が塞がれる位置にある。各燃焼室１４内に燃焼の結果として発生した燃焼ガスは、容積３４に進入することなく、各排気管２２を介してそれぞれのマニフォールド６４および６６内に排出される。両マニフォールド６４，６６からそれぞれの出口６８，７０を介して流出する排気ガスは、それから、圧縮機を駆動するタービンを回転駆動させるために、ターボ圧縮機７２の両方の入口部分に送られる。

この構成によっても、タービンを最適に駆動し、排気の波がマニフォールド６４，６６内に戻るのを防止するために、容積だけでなく断面積についても、マニフォールド６４，６６の特有の構成を利用することが可能になる。

エンジン１０の高速動作中は、マイクロモータ４８は、栓４４のポート４６の位置を、マニフォールド６４，６６と容積３４との間の連通路７４の位置に一致させるように、栓４４の回転を制御する。この位置では、シリンダ１２の排気行程中は、例えば第１のシリンダ１２の排気管２２を介して燃焼室１４から排出された燃焼ガスは、第１のマニフォールド６４および容積３４に、より具体的には栓４４内に、同時に送られる。したがって、このマニフォールド６４と容積３４は、排気管２２によって運ばれた燃焼ガスで同時に充填される。したがって、排気行程中のシリンダ１２は、燃焼ガスを収集するために使用可能な容積が増加する。容積３４が燃焼ガスで充填された後、燃焼ガスは、第２の連通路７４を介して第２のマニフォールド６６に排出され、それから出口７０に排出される一方で、第１のマニフォールド６４内に存在している排気ガスは出口６８に送られる。

もちろん、本発明の範囲から逸脱することなく、マニフォールド６４，６６内の連通路７４に代えて、この容積３４をマニフォールド６４および６６の出口管６８および７０に連通路によって接続してもよい。

さらに、容積３４は、図１〜図４に関連して説明した構成と同様の構成における排気管２２に連通路によって接続されていてもよい。

図１〜図５に関連して説明したエンジン１０に使用可能な図６の変形例では、エンジン１０はまた、容積３４の中に空気を噴射する手段５２を有しており、この空気の噴射により、排気ガス中に存在する特定の汚染物質の後処理が促進される。この空気の噴射は、通常はエンジン１０の速度が低いとき、好ましくはエンジン１０のコールドスタート中に行われる。

実際上、排気ガスは、大気への排出を最小限にしなければならない、未燃焼の炭化水素（ＨＣ）を含んでいる。これらのＨＣの処理を可能にするために、内燃エンジンは、エンジンの排気部に接続され、これらのＨＣの大部分を酸化処理することが可能な、触媒等の汚染防止装置を通常は有している。これらの触媒は、排気ガスが所定の温度レベルを超えたときに初めて到達する、ライトオフと呼ばれる特定の開始温度から機能を果たすようになる。当該技術分野で公知のように、そのような機能を果たすようにするには、排気ガスの温度を上昇させるために排気ガスをさらに酸化させるように外部の空気を噴射することによって酸素を排気ガスにさらに供給しなければならない。

この空気噴射手段５２は、例えば、ボール５８を収容しているシート５６を備えたチェックバルブ５４を有している。このチェックバルブ５４は、任意の空気供給手段に接続されている外部の空気の入口６０と、容積３４内に、より具体的には栓４４の内側に開口している出口６２とを備えている。ボール５８は、休止位置では、シート５６上で静止して空気の入口６０を塞いでいる。排気ガスの後処理動作の場合、マイクロモータ４８には、ポート４６の位置が排気管２２と容積３４との間に設けられている連通路３６の位置に一致するまで栓４４を回転駆動させる指令がエンジン１０の制御部から与えられる。その後、外部の新鮮な空気は、この容積３４内に存在している排気ガスの圧力よりも高く、かつボール５８をそのシート５６から押し出すのに十分な圧力で、入口６０を通ってチェックバルブ５４内に供給される。この新鮮な空気は、排気ガス中に存在する酸素の量を増加させながら、栓４４の中空の容積に進入して排気ガスと混合する。この混合気は、マニフォールド２４またはマニフォールド６４，６６内に存在している排気ガスと混合されるように、容積３４からマニフォールド２４またはマニフォールド６４，６６に排出される。その後、この新しい混合気は、ターボ圧縮機の上流側または下流側に配置可能なＨＣ処理装置（不図示）に送られる。空気噴射動作が完了すると、マイクロモータ４８は、栓４４の周囲の壁が連通路３６との連通を塞ぎ、外部の空気の供給を遮断するように、栓４４の回転を制御する。

図５の実施形態と同様であり、そのため同じ参照番号を有している図７の実施形態では、エンジン１０の高速動作中に収集される排気ガスの量を増加させる手段はマニフォールド６４または６６自体からなる。

図６に関して前述したように、このエンジンは、それぞれの出口６８および７０がツインスクロール式のターボ圧縮機７２のタービンの入口に接続されている２つのマニフォールド６４および６６を有している。

エンジンの低速動作と高速動作との間で顕著な、収集されるガスの量の変動を吸収するために、連通路７６が２つのマニフォールド６４および６６の間に両マニフォールドを連通させるように設けられている。この連通路７６は、例えば、制御手段８２によって制御される弁８０の形態の遮断手段７８を備えている。

エンジンが低速の時には、連通路７６は弁８０によって塞がれており、排気ガスは従来のようにマニフォールド６４，６６内に排出される。その後、これらのマニフォールド６４，６６から流れてくる排気ガスは、ターボ圧縮機７２が有しているタービンを回転駆動するようにターボ圧縮機７２の入口に送られる。

エンジンが高速の時には、指令が、連通路７６を開放するためにチェックバルブ８０を作動させるように、エンジンの制御部から制御手段８２に送られる。したがって、シリンダの排気行程中は、燃焼室１４から排気管２２を介して排出された排気ガスは、そのために設けられたマニフォールド内に送られ、それから連通路７６を通って、容積３４として機能している他方のマニフォールド内に送られる。このように、２つのマニフォールド６４，６６に燃焼ガスが充填され、排気行程にあるシリンダは燃焼ガスを収集するための容積が増加し、２つのマニフォールド６４，６６のうちの１つが排気ガスの量の変動を吸収するために使用されている。

本発明は、前述の実施形態には限定されておらず、あらゆる変形例と均等物を含む。

図２のＡＡ線に沿った部分断面を含んでいる、本発明の内燃エンジンの概略図である。 図１のＢＢ線に沿った部分断面を含んでいる、本発明のエンジンの概略図である。 図２のＣＣ線に沿った部分概略断面を含んでいる、本発明のエンジンを示す図である。 作動位置にある本発明のエンジンの概略図である。 部分断面を含んでいる本発明のエンジンの他の実施形態の図である。 図１から図５のエンジンに使用可能な変形例の、部分断面を含んでいる概略図である。 部分断面を含んでいる本発明のエンジンのさらに他の実施形態の図である。

符号の説明

１０ エンジン
１２ シリンダ
１４ 燃焼室
１６ 吸気手段
１８ 排気手段
２０ 吸気管
２１，２３，４２，７８ 遮断手段
２２ 排気管
２４ マニフォールド
２６，６２，６８，７０ 出口
２８，７２ ターボ圧縮機
３０ タービン
３２ 圧縮機
３４ 容積
３６，７４，７６ 連通路
３８，４０ オリフィス
４４ 栓
４６ ポート
４８ マイクロモータ
５０ ピン
５２ 空気噴射手段
５４，８０ チェックバルブ
５６ シート
５８ ボール
６０ 入口
６４ 第１のマニフォールド
６６ 第２のマニフォールド
８２ 制御手段

Claims (7)

1. 燃焼室（１４）を備えた少なくとも２つのシリンダと、遮断手段（２１）が組み合わされた管（２０）を含んでいる吸気手段（１６）と、遮断手段（２３）を備えた排気管（２２）を含んでいる排気手段（１８）と、前記排気管（２２）と少なくとも１つの排気ガス収集器（２４）とを有している排気ガス収集手段と、前記排気ガス収集手段と選択的に連通し、収集される排気ガスの量を増加させる排気ガス量増加手段（３４）と、前記排気ガス収集手段と前記排気ガス量増加手段との連通を遮断する遮断手段（４４）と、を有し、
   前記排気ガス量増加手段は空間（３４）を有し、前記遮断手段は前記空間（３４）の中に収容された回転式の栓（４４）を有している、４ストローク過給式内燃エンジン。
2. 前記空間（３４）は、前記排気管（２２）と選択的に連通する、請求項１に記載の４ストローク過給式内燃エンジン。
3. 前記空間（３４）は、少なくとも１つの前記排気ガス収集器（２４；６４，６６）と選択的に連通する、請求項１に記載の４ストローク過給式内燃エンジン。
4. 前記遮断手段（４４）は制御手段（４８）によって制御される、請求項１に記載の４ストローク過給式内燃エンジン。
5. 前記栓（４４）はポート（４６）を有している、請求項１に記載の４ストローク過給式内燃エンジン。
6. 燃焼室（１４）を備えた少なくとも２つのシリンダと、遮断手段（２１）が組み合わされた管（２０）を含んでいる吸気手段（１６）と、遮断手段（２３）を備えた排気管（２２）を含んでいる排気手段（１８）と、前記排気管（２２）と少なくとも１つの排気ガス収集器（２４）とを有している排気ガス収集手段と、前記排気ガス収集手段と選択的に連通し、収集される排気ガスの量を増加させる排気ガス量増加手段（３４）と、前記排気ガス収集手段と前記排気ガス量増加手段との連通を遮断する遮断手段（４４）と、を有し、前記排気ガス量増加手段は空間（３４）を有し、前記遮断手段は前記空間（３４）の中に収容された回転式の栓（４４）を有している４ストローク過給式内燃エンジンの動作方法であって、
   前記遮断手段（４４）は、前記エンジンの高速での動作中には、排気ガスが、前記排気ガス収集手段（２２，２４，６４，６６）に排出されるとともに前記排気ガス量増加手段（３４）に排出され、前記エンジンの低速での動作中には、排気ガスが前記排気ガス収集手段（２４；６４，６６，２２）に排出されるように制御される、４ストローク過給式内燃エンジンの動作方法。
7. 前記エンジンの低速での動作中に、外部の空気が前記排気ガス量増加手段（３４）内に噴射される、請求項６に記載の動作方法。

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