JP5834505B2 - 内燃機関の過給補助方法及び内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の過渡状態のときに、蓄ガス容器に蓄圧されたガスをシリンダ内に供給してＥＧＲ率を高めることができる内燃機関の過給補助方法及び内燃機関に関する。

ディーゼルエンジン等の内燃機関の排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）を低減するＥＧＲ（排気再循環）においては、過給システムを備えた内燃機関では、高圧ＥＧＲ方式と低圧ＥＧＲ方式とがある。この高圧ＥＧＲ方式では、例えば、図１５に示すように、高圧ＥＧＲシステムを備えた内燃機関１Ｘでは、ターボ式過給機１４よりもエンジン本体１１側にＥＧＲ通路１７が設けられており、エンジン本体１１の排気マニホールド１１ｂから吸気マニホールド１１ａにＥＧＲ通路１７経由でＥＧＲガスＧｅを還流している。また、低圧ＥＧＲ方式では、例えば、図１６に示すように、低圧ＥＧＲシステムを備えた内燃機関１Ｙでは、ターボ式過給機１４よりもエンジン本体１１とは反対側にＥＧＲ通路１７が設けられており、タービン１４ｂの下流側からコンプレッサ１４ａの上流側にＥＧＲ通路１７経由でＥＧＲガスＧｅを還流している。

これらのいずれのＥＧＲ方式でも、ＥＧＲガス量の制御には、ＭＡＦ制御方式が一般的に使用されている。このＭＡＦ制御方式では、ＥＧＲ無しでエンジンのシリンダ内に吸入される新気量（空気量）をＭｏとし、ＥＧＲを行うことでシリンダ内に吸入される新気量をＭｅとすると、還流されるＥＧＲガス量のＭｅｇｒがＭｅｇｒ＝Ｍｏ−Ｍｅとなるので、これに基づいて、ＥＧＲ弁２１の弁開度により新気量Ｍｅを制御することで、ＥＧＲガス量Ｍｅｇｒを制御している。

つまり、エンジンの回転速度Ｎｅと燃料負荷Ｑをパラメータにして、各エンジンの運転状態に対する新気量Ｍｅを予め設定して作成した新気量Ｍｅのデータマップを基に、実際のエンジン運転時の回転速度Ｎｅと燃料負荷Ｑから目標の新気量Ｍｅｔを算出して、実際の新気量Ｍｅをこの目標の新気量Ｍｅｔになるように制御することで、ＥＧＲガス量Ｍｅｇｒを制御している。

しかしながら、ターボ式過給機を使用する場合には排気ガスのエネルギー（エンタルピ）を用いて過給を行うため、ターボ式過給機の応答遅れ（ターボラグ）を無くすことは不可能であり、このＭＡＦ制御方式では、このターボラグに起因する次のような問題がある。ターボラグにより負荷が急激に増加する過渡運転状態では、過給圧が定常運転時に設定した圧力まで上昇しないため、エンジンの吸入空気量が低下する。つまり、ターボ式過給機付きエンジンでも無過給エンジンと同程度の吸気量となってしまう。

従って、定常運転条件で設定した目標のＥＧＲ量に達成することができず、図１７に示すように、急激な過渡運転を行う際にＮＯｘの排出量が増加する。また、煤の発生量を制限するために、過給圧があるレベルより上がらない場合には煤が増加しない領域内に燃料の投入量が抑えられるというスモークリミット制御が行われる。その結果、図１８及び図１９に示すように、燃料噴射量Ｑと空気量（Ｍｏ、Ｍｅ）が共に点線で示されるように抑えられ、加速時のパワーが抑えられてしまうという問題がある。そのために、加速時等の負荷が急激に増加する過渡運転時には、ＮＯｘ排出量の増加や燃費の悪化が発生する。

一方、エンジンのクランクシャフト等によって、過給機を直接駆動して過給を行う機械式過給装置を使用する場合では、過給の応答遅れをなくす事ができるが、エンジンの回転速度が決まると燃料量の多少に関わらず、過給量が決まるために、また、駆動に要する仕事量が大きいために、燃費が悪化するという問題がある。

この対策として、近年では、図２０に示すような蓄ガス供給システムを備えた内燃機関１Ｚが研究されており、この蓄ガス供給システムでは、内燃機関１Ｚから排出される排気ガスＧの一部Ｇｐを空気Ａａと混合した混合ガスＣを容積型コンプレッサ（排気圧縮器）２５で圧縮して高圧化し、この高圧化した混合ガスＣを蓄ガス容器（圧力容器）２７内に溜め込み、過渡時に放出電磁弁３６を開弁して混合ガスＣを調圧弁２９経由で吸気弁（吸気スロットル）３５の下流の吸気通路１２に放出し、これにより、内燃機関１Ｚのシリンダ内への吸気量を過給機付きエンジン並みに増加させると共に、ＥＧＲの効果によるＮＯｘの低減を図り、ターボラグの問題を解消している過給制御装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この蓄ガス供給システムを採用した場合は、過渡時に加圧された混合ガスＣをエンジン１Ｚの吸気通路１２内に放出することで過給圧を上げて、シリンダ内への空気量を増加させることができるので燃料量も増やすことができる。その結果、加速性能が向上し、煤の排出も抑えることができる。また、過給圧は排気マニホールド１１ｂの内圧よりも高くなるので、内燃機関１Ｚのポンピング損失が低下し燃費の向上を図ることができる。

この過給補助を開始した後、蓄ガス容器から吸気マニホールドに蓄圧されたガスが供給され、吸気マニホールド内圧（ブースト圧力）が上がり、エンジンが過給されるが、過給補助を開始した後の吸気マニホールド内圧は、蓄ガス容器から圧送されてくるガスによる吸気マニホールド内圧の立ち上がりとエンジンの吸気マニホールド内のガスの消費速度によって変化する。

そして、蓄ガス容器から吸気マニホールドまでガスが圧送されるまでの間にはある程度の時間を要することと、エンジンの吸気が間欠的に行われていることにより、エンジンのシリンダ内圧はエンジンの回転速度が過給補助開始間際の低速域の場合に大きくなる。つまり、このシリンダ内圧の最大値はエンジンの回転速度が低速域、言い換えれば、過給補助開始の直後で発生する。

この過渡運転開始直後の低速域では投入される燃料量が比較的少なく、また、過給補助により吸気マニホールド内圧（ブースト圧）の立ち上がりが早いので、容易に空気過剰率を比較的高くすることができる。一方、過給補助の後半の燃料量が急速に増加する中速域から高速域に移行する時期では蓄ガス容器の蓄圧されたガスが消費されて空気過剰率が低下してしまう。そのため、空気過剰率が比較的余裕のある過給補助開始直後の低速域では過給補助するガスの放出量を抑えることと、過給補助の後半の中速域以上では過給補助するガスの放出量を増やすことが必要となる。

このことを考慮して、吸気マニホールド内圧を測定して、この測定値に基づいて蓄ガス容器のガスの出口の面積をコントロールして、低速域では出口の面積を小さくして過給補助用に放出されるガスの量を少なめに抑え、中速域以上では出口の面積を開いて過給補助用に放出されるガスの量を多めにすることで、過給補助時の過給圧をコントロールする方式が考えられる。しかしながら、この方式では、制御が複雑となり、コストの増加に繋がるという問題がある。

一方、本発明者は、この蓄ガス供給システムでは、蓄圧されたガスを放出する前の蓄ガス容器内の圧力を一定にしても、蓄ガス容器の容積の大きさによって、ガス放出後の蓄ガス容器内圧（蓄ガス容器の内部に蓄えられているガスの圧力）と放出されるガスの放出量が変化し、その結果、エンジンのシリンダ内の最大燃焼圧力が変化するという知見を得た。

つまり、過給補助において蓄圧されたガスを供給し始めたときの蓄ガス容器内圧を一定としたとき、蓄ガス容器の容積が小さい場合（例えば、４０リットル）に、蓄ガス容器から一定容積の吸気マニホールドにガスが供給されると、蓄ガス容器内圧はガスが減少した分低下するが、この低下量は容積が大きい場合（例えば、８０リットル）に比べて容積が小さい場合の方が大きくなる。

このことに関連して、図６〜図１１にエンジンの回転速度を１０００ｒｐｍから２８００ｒｐｍまで燃料供給量Ｑｆ（ｍｍ³／ｓｔ）の変化と共に２秒で推移させて、蓄ガス容器からガスを供給する過給補助を行った場合の蓄ガス容器の容積と諸量との関係の実験結果を示す。

図６に蓄ガス容器内圧が４．８ｋｇ／ｃｍ²で、蓄ガス容器の容積が４０リットルの場合の吸気マニホールド内圧と蓄ガス容器から放出されるガスの量の時間変化を示す。また、図７に、蓄ガス容器内の圧力が同じく４．８ｋｇ／ｃｍ²で、蓄ガス容器の容積が８０リットルの場合の吸気マニホールド内圧と蓄ガス容器から放出されるガスの量の時間変化を示す。また、図８に蓄ガス容器内圧の推移を、４０リットルの場合を破線で、８０リットルの場合を太線で示す。

いずれの場合も、蓄ガス容器内圧の低下に伴って、吸気マニホールド内圧（ブースト圧）も小さくなるが、蓄ガス容器の容積小の方が容積大よりも供給するガスの圧力低下が大きいので、過給補助による過渡運転状態でのエンジンのシリンダ内圧の最大値も蓄ガス容器の容積が小さい方が容積が大きい方よりも小さくすることができる。図９は蓄ガス容器の容積が４０リットルの場合のＮＯ．１〜ＮＯ．４の各シリンダ内圧（燃焼圧力）の推移を示し、図１０は８０リットルの場合のＮＯ．１〜ＮＯ．４の各シリンダ内圧の推移を示す。図１１にはサイクル毎（エンジン２回転毎）の空気過剰率の推移を、４０リットルの場合を白丸（破線）で、８０リットルの場合を黒丸（太線）で示す。

つまり、蓄ガス容器の容積が小さい場合は過給補助開始後の蓄ガス容器内圧の低下が大きいので、ガスの供給量が低下し、過給補助の中期以降の中速以降では容積が大きい場合に比べて空気過剰率が小さくなる。この過給補助の後半の空気過剰率を上げるために、過給補助のガスの圧力を所定の圧力以上に維持しながらガスを供給できる時間を長くしようとすると、蓄ガス容器内圧を高く設定するか、蓄ガス容器の容積を大きくする必要がある。

しかしながら、これらのいずれの場合も、過給補助に際して、シリンダ内圧の最大値Ｐｍａｘが大きくなるので、この最大値Ｐｍａｘがエンジンの耐久性を保証するために設定されているシリンダ内圧の最大許容値を超える可能性が生じるという問題が生じる。

特開２０１１−２１５５８号公報

本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、ガス圧縮装置を用いて、排気ガスの一部と空気とこれらの混合ガスのいずれかのガスを蓄ガス容器に溜め込み、負荷が急激に増加する過渡状態のときに前記ガスをシリンダ内に一時的に供給して過渡状態におけるＮＯｘの排出を抑制するとともに加速性能を向上させる内燃機関において、蓄ガス容器からガスを供給する過給補助を行う際に、この過給補助開始直後では、蓄ガス容器から供給されるガスの圧力を低くしてシリンダ内圧の最大値を抑制できると共に、過給補助の後半では十分な量のガスをシリンダ内に供給して十分な空気過剰率を確保できる内燃機関の過給補助方法及び内燃機関を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明の内燃機関の過給補助方法は、内燃機関の排気ガスの一部をシリンダ内に再循環するためのＥＧＲ通路と、前記内燃機関の排気ガスの一部と空気とこれらの混合ガスのいずれかのガスを圧縮するガス圧縮装置と、該ガス圧縮装置で圧縮された前記ガスを貯蓄する蓄ガス容器と、該蓄ガス容器と吸気系通路を流路切替装置を介して接続する蓄ガス供給通路を備えた前記内燃機関の過給補助方法において、過給補助時に、前記蓄ガス容器から前記ガスを前記内燃機関の前記シリンダ内に供給する際に、前記蓄ガス容器からの前記ガスの圧力を調整する調圧機の上限設定圧力を、過給開始当初の前記蓄ガス容器の内部の圧力よりも低く、且つ、過給補助時における前記内燃機関の前記シリンダ内の最大圧力が許容圧力以上になることがない上限圧力値に設定し、前記蓄ガス容器からの前記ガスを前記上限圧力値以下の値にして前記内燃機関の前記シリンダ内に供給し、前記過給補助の開始時において、前記調圧機の前記上限設定圧力は前記上限圧力値に設定されており、前記調圧機の前記上限設定圧力は前記過給補助の間変更されないことを特徴とする方法である。

この方法によれば、過給補助開始直後の低速域では、上限圧力値以下でガスによる過給補助を行うことができて、この低速域におけるシリンダ内圧の最大値Ｐｍａｘを抑えることができる。また、蓄ガス容器の内部の圧力が低下する中速以降では、過給補助開始前に上限圧力値よりも高い内圧で蓄ガス容器内に蓄圧しているので、ガスの量が多く、適切なガスの供給量を維持しつつ過給補助を行うことができ、過給補助の後半の期間における空気過剰率の低下を防止することができる。

つまり、過給補助開始直後の低速域では、内燃機関のシリンダ内圧の最大値Ｐｍａｘを抑え、過給補助後半の中速以降では、過給補助による空気過剰率を高く維持することができる。内燃機関の熱サイクルではシリンダ内圧の最大値Ｐｍａｘを上げるほど、また、空気過剰率を上げるほど熱効率が高くなるので、中速以降の熱効率を容積大の蓄ガス容器を用いたのと同等にすることができ、熱効率を向上させることができる。言い換えれば、シリンダ内の最大圧力Ｐｍａｘが許容値を超えないように過給補助のガスの供給圧力を制限すると共に、過給補助用のガスの消費を過渡運転時における内燃機関の使用領域に応じて適切な圧力と供給量に制御でき、燃費を向上させることができる。その結果、同一圧力、同一容積の蓄ガス容器を用いたシステムにおいて過給補助の期間を長くすることができる。

そして、上記の目的を達成するための内燃機関は、上記の内燃機関の過給補助方法を実施できる内燃機関であり、内燃機関の排気ガスの一部をシリンダ内に再循環するためのＥＧＲ通路と、前記内燃機関の排気ガスの一部と空気とこれらの混合ガスのいずれかのガスを圧縮するガス圧縮装置と、該ガス圧縮装置で圧縮された前記ガスを貯蓄する蓄ガス容器と、該蓄ガス容器と吸気系通路を流路切替装置を介して接続する蓄ガス供給通路を備えた
前記内燃機関において、前記蓄ガス容器からの前記ガスを前記内燃機関の前記シリンダ内に供給するための蓄ガス供給通路に、供給する前記ガスの圧力を調整する調圧機を設けると共に、該調圧機の上限設定圧力を、過給開始当初の前記蓄ガス容器の内部の圧力よりも低く、且つ、過給補助時における前記内燃機関の前記シリンダ内の最大圧力が許容圧力以上になることがない上限圧力値に設定し、前記過給補助の開始時において、前記調圧機の前記上限設定圧力は前記上限圧力値に設定されており、前記調圧機の前記上限設定圧力は前記過給補助の間変更されないことを特徴とする。この構成によれば、上記の過給補助方法と同様な作用効果を奏することができる。

本発明に係る内燃機関の過給補助方法及び内燃機関によれば、ガス圧縮装置を用いて、内燃機関の排気ガスの一部と空気とこれらの混合ガスのいずれかのガスを蓄ガス容器に溜め込み、負荷が急激に増加する過渡状態のときに前記ガスをシリンダ内に一時的に供給して過渡状態のＮＯｘの排出を抑制するとともに加速性能を向上させる内燃機関において、蓄ガス容器からガスを供給する過給補助を行う際に、この過給補助開始直後では、蓄ガス容器から供給されるガスの圧力を低くしてシリンダ内圧の最大値を抑制できると共に、過給補助の後半では十分な量のガスをシリンダ内に供給して十分な空気過剰率を確保することができる。

本発明に係る第１の実施の形態の内燃機関の構成を示す図である。 本発明に係る第２の実施の形態の内燃機関の構成を示す図である。 蓄ガス容器の周辺の構成を示す図である。 供給用の調圧機有りで過給補助する場合と供給用の調圧機無しで過給補助する場合の吸気マニホールド内圧の違いを示す図である。 供給用の調圧機有りで過給補助する場合と供給用の調圧機無しで過給補助する場合の空気過剰率の違いを示す図である。 蓄ガス容器の容積が４０リットルの場合の吸気マニホールド内圧と蓄ガス容器から放出されるガス量の時間変化を示す図である。 蓄ガス容器の容積が８０リットルの場合の吸気マニホールド内圧と蓄ガス容器から放出されるガス量の時間変化を示す図である。 蓄ガス容器の容積が４０リットルと８０リットルの場合の蓄ガス容器内圧の推移を示す図である。 蓄ガス容器の容積が４０リットルの場合の、ＮＯ．１〜ＮＯ．４の各シリンダ内圧の推移を示す図である。 蓄ガス容器の容積が８０リットルの場合の、ＮＯ．１〜ＮＯ．４の各シリンダ内圧の推移を示す図である。 蓄ガス容器の容積が４０リットルと８０リットルの場合における、空気過剰率の時間変化を示す図である。 蓄ガス用のガス圧縮装置の駆動を説明するための図である。 三方切替弁で構成された流路切換装置の構造を吸気ラインが連通された状態で示す図である。 三方切替弁で構成された流路切換装置の構造を蓄ガス供給ラインが連通された状態で示す図である。 従来技術の高圧ＥＧＲ方式の内燃機関の構成を示す図である。 従来技術の低圧ＥＧＲ方式の内燃機関の構成を示す図である。 車速の変化と瞬時ＮＯｘ排出量の関係を示す図である。 全負荷における燃料噴射量の特性と過渡時の動きを示す図である。 過渡時のターボ式過給機の応答遅れとＥＧＲの関係を示す図である。 先行技術の内燃機関の構成を示す図である。

以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関の過給補助方法及び内燃機関について、図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、本発明に係る第１の実施の形態のエンジン（内燃機関）１は、エンジン本体１１と吸気マニホールド１１ａに接続する吸気通路１２と排気マニホールド１１ｂに接続する排気通路１３を有して構成される。この吸気マニホールド１１ａと吸気通路１２とで吸気系通路を形成し、排気マニホールド１１ｂと排気通路１３とで排気系通路を形成する。

吸気通路１２には、吸気弁（インテークスロットル）５１とターボ式過給機１４のコンプレッサ１４ａが設けられ、排気通路１３には、ターボ式過給機１４のタービン１４ｂと、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）装置１５とＮＯｘ吸蔵還元型触媒等で形成されるＮＯｘ浄化触媒１６が設けられている。

また、タービン１４ｂの上流側の排気通路１３からＥＧＲ通路１７が分岐され、コンプレッサ１４ａの上流側の吸気通路１２にＥＧＲ合流部１８で合流している。このＥＧＲ通路１７には上流側から、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）装置１９とＥＧＲクーラ２０とＥＧＲ弁２１が設けられている。

更に、ＮＯｘ浄化触媒１６の下流側の排気通路１３から分岐して、排気ガス導入通路２２が設けられている。この排気ガス導入通路２２にはＥＧＲクーラ２３と三方弁２４が設けられ、この排気ガス導入通路２２は機械式の容積型過給機（往復動式が望ましい）等で形成されるガス圧縮装置２５に接続されている。このガス圧縮装置２５は、圧縮ガス供給通路２６により圧力容器等で形成される蓄ガス容器２７に接続されている。また、この蓄ガス容器２７は蓄ガス供給通路２８により吸気通路１２と接続されている。この排気ガス導入通路２２と圧縮ガス供給通路２６と蓄ガス供給通路２８で蓄圧ガス系通路を形成する。

図１２に示すように、このガス圧縮装置２５は、エンジン１を搭載した車両の車軸３１から歯車３２、３３と、電磁クラッチ３４を経由してガス圧縮装置２５の駆動軸に動力を伝達する。この電磁クラッチ３４をＯＮにして接続することにより、ガス圧縮装置２５を駆動して、排気ガス導入通路２２からの排気ガスＧの一部Ｇｐと空気Ａａとこれらの混合ガスのいずれかのガスＣを、圧縮して高圧化して蓄ガス容器２７に供給し、貯蔵する。なお、このとき、三方弁２４で、排気ガスＧの一部Ｇｐの量と空気Ａａの量を調整して、蓄ガス容器２７で貯蔵されるガスＣにおける酸素濃度を略一定に保つことが好ましく、これにより、ＥＧＲを行うときの制御を単純化することができる。

また、図３に示すように、蓄ガス容器２７の直前の圧縮ガス供給通路２６には、蓄圧用の調圧機（レギュレータ）５２が配置され、ガスＣを蓄圧するときの圧力Ｐ１を蓄圧用圧力Ｐ１ｃに調整する。また、蓄ガス容器２７の直後の蓄ガス供給通路２８には、供給用の調圧機５３と電磁弁２９が配置され、調圧機５３により流路切換装置３０に供給されるガスＣの圧力Ｐ２を供給用の上限設定圧力Ｐ２ｕに調整し、電磁弁２９により、ガスＣの供給の有無を制御する。

この供給用の調圧機５３の上限設定圧力Ｐ２ｕを、過給開始当初の蓄ガス容器２７の内部の圧力Ｐ１（＝Ｐ１ｃ）よりも低く、且つ、過給補助時におけるエンジン１のシリンダ内の最大圧力Ｐｍａｘが許容圧力以上になることがない上限圧力値Ｐ２ｕｃに設定する。また、図１及び図３に示すように、この蓄ガス容器２７の内部の最大圧を調整する調整弁（安全弁）２７ａを蓄ガス容器２７に設ける。

この構成により、エンジン１は、排気ガスＧの一部Ｇｅをシリンダ内に再循環するためのＥＧＲ通路１７と、エンジン１の排気ガスＧの一部Ｇｐと空気Ａａとこれらの混合ガスのいずれかのガスＣを圧縮するガス圧縮装置２５と、このガス圧縮装置２５で圧縮されたガスＣを貯蓄する蓄ガス容器２７と、この蓄ガス容器２７と吸気通路１２を接続する蓄ガス供給通路２８を備えて構成される。

そして、図１に示すように、吸気通路１２と蓄ガス供給通路２８は流路切替装置３０を介して接続される。この流路切替装置３０をＥＧＲ通路１７と吸気通路１２との合流部であるＥＧＲ合流部１８よりも下流側に配置する。また、流路切換装置３０は吸気通路１２の下流側の通路側を開放したまま、蓄ガス供給通路２８側と吸気通路１２の上流側の通路側とを切り替えるように構成される。この流路切換装置３０は、図１３及び図１４に示すような三方切替弁で構成することができる。

図１３及び図１４に示す流路切換装置３０では、駆動用ガスＡｐを入れてピストンの背面の空気Ａｅを抜くことで、駆動用高速シリンダ３０ａのロッド３０ｂを移動させることにより、シャッター部３０ｃを移動させて、図１３に示すように、蓄ガス供給通路２８側を閉じて、吸気通路１２の上流側１２ａと下流側１２ｂを連通させ、また、図１４に示すように、吸気通路１２の上流側１２ａ側を閉じて、蓄ガス供給通路２８と吸気通路１２の下流側１２ｂを連通させる。

そして、エンジン１の運転の全般及び上記の機器類の制御を行うために、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）と呼ばれる制御装置４０を設け、この制御装置４０で吸気マニホールド１１ａ内の圧力や蓄ガス容器２７内の圧力Ｐ１やエンジン回転速度Ｎｅやアクセル開度Ａｃ等を検出して、その結果に基づいて電磁クラッチ３４や三方弁２４を制御して、蓄ガス容器２７内のガスＣの量（圧力Ｐ１）と排気ガスＧｐと空気Ａａの混合比率を調整制御する。

次に、本発明に係る第２の実施の形態のエンジン（内燃機関）１Ａについて説明する。図２に示すように、この第２の実施の形態のエンジン１Ａでは、ＥＧＲ通路１７がＮＯｘ浄化触媒１６の下流側の排気通路１３から分岐している点が、ＥＧＲ通路１７がターボ式過給機１４のタービン１４ｂの上流側の排気通路１３から分岐している第１の実施の形態と異なっている。その他の点は、第１の実施の形態と同じである。

つまり、ＥＧＲ通路１７に流入する排気ガスＧｅが、第１の実施の形態のエンジン１では、ターボ式過給機１４のタービン１４ｂを通過する前の排気ガスＧの一部となっているのに対して、この第２の実施の形態のエンジン１Ａでは、ターボ式過給機１４のタービン１４ｂを通過した後の排気ガスＧの一部となっている。言い換えれば、第１の実施の形態のエンジン１では、高圧ＥＧＲ方式が採用されており、第２の実施の形態のエンジン１Ａでは低圧ＥＧＲ方式が採用されている。

次に、エンジン（内燃機関）１、１Ａの制御装置４０で行う、内燃機関の過給補助方法について説明する。この内燃機関の過給補助方法は、上記の構成のエンジン１、１Ａで実施できる方法である。この内燃機関の過給補助方法は、エンジン１、１Ａの排気通路（排気系通路）１３の排気ガスＧの一部Ｇｐと空気Ａａとこれらの混合ガスのいずれかのガスＣを圧縮して貯蓄する。

それと共に、過給補助方法では、エンジン１、１Ａの運転状態が過渡状態でないときには、エンジン１、１Ａの排気ガスＧの一部Ｇｅを、ＥＧＲ通路１７を経由してシリンダ内に再循環し、エンジン１、１Ａが過渡状態であるときには、ガスＣを一時的に吸気通路（吸気系通路）１２に供給する過給補助を行う。つまり、エンジン１、１Ａが過渡状態であるときには、ＥＧＲ通路１７からのＥＧＲガスＧｅと、吸気通路１２からの新気Ａとを流路切換装置３０で遮断して、ガスＣのみを吸気通路１２に供給する。

また、この内燃機関の過給補助方法において、ＥＧＲガスＧｅと新気Ａとの遮断、及びガスＣの供給を、図１３と図１４で示すような三方切替弁で構成した流路切替装置３０で行う。

これらの制御においては制御装置４０で、エンジン回転速度Ｎｅ、エンジン空気量（Ｍｏ、Ｍｅ）、エンジン燃料量（燃料噴射量）Ｑ、蓄ガス容器２７の内部の圧力Ｐ１等の検出値等に基づいて、電磁弁２９とＥＧＲ弁２１と流路切替装置３０を制御する。

次に、本発明における過給補助方法について説明する。この過給補助方法は、上記の第１の実施の形態のエンジン１と第２の実施の形態のエンジン１Ａにおける過給補助方法であり、制御装置４０によって実施される。

この過給補助方法は、ガスＣを蓄圧するときには、蓄圧用の調圧機（レギュレータ）５２により、蓄圧時の圧力Ｐ１を蓄圧用圧力Ｐ１ｃに調整する。そして、過給補助時において、蓄ガス容器２７からガスＣをエンジン１、１Ａのシリンダ内に供給する際に、調圧機５３の上限設定圧力Ｐ２ｕを、過給開始当初の蓄ガス容器２７の内部の圧力Ｐ１ｃよりも低く、且つ、過給補助時におけるエンジン１、１Ａのシリンダ内の最大圧力Ｐｍａｘが許容圧力以上になることがないような値である上限圧力値Ｐ２ｕｃに設定し、この上限圧力値Ｐ２ｕ以下の圧力に、蓄ガス容器２７からのガスＣの供給時の圧力Ｐ２を調整して、エンジン１、１Ａのシリンダ内に供給する。

上記の内燃機関の過給補助方法及びエンジン（内燃機関）１、１Ａによれば、エンジン１、１Ａを搭載した車両の急加速時や発進時等のエンジン１、１Ａの過渡運転時では、ターボ式過給機１４のターボラグに起因する加速性能の低下を最小限に防止し、排気ガスＧ中の粒子状物質（ＰＭ）と窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減を図ることができるガスＣによる過給補助において、過給補助開始直後の低速域では、上限圧力値Ｐ２ｕｃ以下でガスＣによる過給補助を行うことができて、この低速域におけるシリンダ内圧の最大値Ｐｍａｘを抑えることができる。

この過給補助における吸気マニホールド内圧の様子を図４に示す。供給用の調圧機５３を用いて上限圧力値Ｐ２ｕ以下での過給補助を行った場合を実線Ａで示し、供給用の調圧機５３を用いずに、上限圧力値Ｐ２ｕの制限を設けずに過給補助を行った場合を破線Ｂで示す。この図４から、供給用の調圧機５３を用いない場合には吸気マニホールドの内圧がＰ２ｕを越えるが、供給用の調圧機５３を用いた場合には吸気マニホールドの内圧がＰ２ｕ以下になることが分かる。

また、蓄ガス容器２７の内部の圧力Ｐ１が低下する中速以降では、過給補助開始前に上限圧力値Ｐ２ｕｃよりも高い圧力Ｐ１ｃで蓄ガス容器２７内にガスＣを蓄圧しているので、ガスＣの量が多く、適切なガスＣの供給量を維持しつつ過給補助を行うことができ、過給補助の後半の期間における空気過剰率の低下を防止することができる。

この過給補助における空気過剰率の様子を図５に示す。供給用の調圧機５３を用いて上限圧力値Ｐ２ｕ以下での過給補助を行った場合を菱形で示し、供給用の調圧機５３を用いずに、上限圧力値Ｐ２ｕの制限を設けずに過給補助を行った場合を黒丸で示す。この図５から、５サイクル以降は供給用の調圧機５３を用いた場合の方が、供給用の調圧機５３を用いない場合よりも空気過剰率が大きくなっていることが分かる。

つまり、過給補助開始直後の低速域では、エンジン１、１Ａのシリンダ内圧の最大値Ｐｍａｘを抑え、過給補助後半の中速以降では、過給補助による空気過剰率を高く維持することができる。エンジンの熱サイクルではシリンダ内圧の最大値Ｐｍａｘを上げるほど、また、空気過剰率を上げるほど熱効率が高くなるので、中速以降の熱効率を容積大の蓄ガス容器２７を用いたのと同等にすることができ、熱効率を向上させることができる。

言い換えれば、シリンダ内の最大圧力Ｐｍａｘが許容値を超えないように過給補助のガスＣの供給圧力Ｐ２を制限すると共に、過給補助用のガスＣの消費を過渡運転時におけるエンジン１、１Ａの使用領域に応じて適切な圧力と供給量に制御でき、燃費を向上させることができる。その結果、同一圧力、同一容積の蓄ガス容器２７を用いたシステムにおいて過給補助の期間を長くすることができる。

本発明の内燃機関の過給補助方法及び内燃機関は、ガス圧縮装置を用いて、排気ガスの一部と空気とこれらの混合ガスのいずれかのガスを蓄ガス容器に溜め込み、負荷が急激に増加する過渡状態のときに前記ガスをシリンダ内に一時的に供給して過渡状態のＮＯｘの排出を抑制するとともに加速性能を向上させる内燃機関において、蓄ガス容器から蓄圧されたガスを供給する過給補助を行う際に、この過給補助開始直後では、蓄ガス容器から供給されるガスの圧力を低くしてシリンダ内圧の最大値を抑制できると共に、過給補助の後半では十分な量のガスをシリンダ内に供給して十分な空気過剰率を確保することができる。

従って、ガス圧縮装置を用いて、排気ガスの一部と空気とこれらの混合ガスのいずれかのガスを蓄ガス容器に溜め込み、負荷が急激に増加する過渡状態のときに前記ガスをシリンダ内に一時的に供給して過渡状態のＮＯｘの排出を抑制するとともに加速性能を向上させる、トラックやバスや乗用車等に搭載する内燃機関の過給補助方法及び内燃機関で利用できる。

１、１Ａ、１Ｘ，１Ｙ、１Ｚ エンジン（内燃機関）
１１ エンジン本体
１１ａ 吸気マニホールド（吸気系通路）
１２ 吸気通路（吸気系通路）
１３ 排気通路（排気系通路）
１４ ターボ式過給機
１７ ＥＧＲ通路
２１ ＥＧＲ弁
２２ 排気ガス導入通路
２５ ガス圧縮装置
２６ 圧縮ガス供給通路
２７ 蓄ガス容器
２７ａ 調圧弁（安全弁）
２８ 蓄ガス供給通路
２９ 電磁弁
３０ 流路切替装置
４０ 制御装置
５１ 吸気弁
５２ 蓄圧用の調圧機
５３ 供給用の調圧機
Ａ 新気
Ａａ 空気
Ｃ ガス
Ｇ 排気ガス
Ｇｅ ＥＧＲガス
Ｇｐ 排気ガスの一部
Ｐ１ 蓄圧時の圧力
Ｐ１ｃ 蓄圧用圧力
Ｐ２ 供給時の圧力
Ｐ２ｕ 上限設定圧力
Ｐ２ｕｃ 上限圧力値
Ｐｍａｘ シリンダ内の最大圧力

Claims (2)

1. 内燃機関の排気ガスの一部をシリンダ内に再循環するためのＥＧＲ通路と、
   前記内燃機関の排気ガスの一部と空気とこれらの混合ガスのいずれかのガスを圧縮するガス圧縮装置と、
   該ガス圧縮装置で圧縮された前記ガスを貯蓄する蓄ガス容器と、
   該蓄ガス容器と吸気系通路を流路切替装置を介して接続する蓄ガス供給通路を備えた前記内燃機関の過給補助方法において、
   過給補助時に、前記蓄ガス容器から前記ガスを前記内燃機関の前記シリンダ内に供給する際に、前記蓄ガス容器からの前記ガスの圧力を調整する調圧機の上限設定圧力を、過給開始当初の前記蓄ガス容器の内部の圧力よりも低く、且つ、過給補助時における前記内燃機関の前記シリンダ内の最大圧力が許容圧力以上になることがない上限圧力値に設定し、前記蓄ガス容器からの前記ガスを前記上限圧力値以下の値にして前記内燃機関の前記シリンダ内に供給し、
   前記過給補助の開始時において、前記調圧機の前記上限設定圧力は前記上限圧力値に設定されており、前記調圧機の前記上限設定圧力は前記過給補助の間変更されないことを特徴とする内燃機関の過給補助方法。
2. 内燃機関の排気ガスの一部をシリンダ内に再循環するためのＥＧＲ通路と、
   前記内燃機関の排気ガスの一部と空気とこれらの混合ガスのいずれかのガスを圧縮するガス圧縮装置と、
   該ガス圧縮装置で圧縮された前記ガスを貯蓄する蓄ガス容器と、
   該蓄ガス容器と吸気系通路を流路切替装置を介して接続する蓄ガス供給通路を備えた前記内燃機関において、
   前記蓄ガス容器からの前記ガスを前記内燃機関の前記シリンダ内に供給するための蓄ガス供給通路に、供給する前記ガスの圧力を調整する調圧機を設けると共に、該調圧機の上限設定圧力を、過給開始当初の前記蓄ガス容器の内部の圧力よりも低く、且つ、過給補助時における前記内燃機関の前記シリンダ内の最大圧力が許容圧力以上になることがない上限圧力値に設定し、
   前記過給補助の開始時において、前記調圧機の前記上限設定圧力は前記上限圧力値に設定されており、前記調圧機の前記上限設定圧力は前記過給補助の間変更されないことを特
   徴とする内燃機関。

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