JP6738232B2 - エンジンシステム - Google Patents

Description

本発明は、エンジンシステムに係り、より詳しくは、ターボチャージャと電動式スーパーチャージャとを備え、車両の運転領域に応じて気筒休止（ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｄｅａｃｔｉｖａｔｉｏｎ：以下、ＣＤＡと略す）装置によって一部の気筒を休止させるエンジンシステムに関する。

自動車のエンジンは、外部から流入した空気を燃料と適切な比率で混合して燃焼させて動力を発生する。
エンジンの駆動で動力を発生させる過程で、燃焼のために外部の空気を十分に供給してこそ所望の出力と燃焼効率を得ることができる。このために、エンジンの燃焼効率を高めるために燃焼用空気を圧縮して供給する過給装置としてターボチャージャ（ｔｕｒｂｏｃｈａｒｇｅｒ）が用いられている。
一般に、ターボチャージャは、エンジンから排出される排気ガスの圧力を利用してタービンを回した後、その回転力を利用して燃焼室に高圧の空気を供給してエンジンの出力を高める装置である。ターボチャージャは、大部分のディーゼルエンジンに適用されており、最近はガソリンエンジンにも適用されている。

ターボチャージャは、燃焼室から排出されてタービンに供給される排気ガス量を調節するウェイストゲートバルブ（ｗａｓｔｅ ｇａｔｅ ｖａｌｖｅ）が備えられる。このようなターボチャージャに用いられるウェイストゲートバルブは、価格が非常に高価である。
過給装置の他の例としては、モータを用いてコンプレッサを駆動させて外部空気を圧縮させる電動式スーパーチャージャ（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｕｐｅｒｃｈａｒｇｅｒ）が用いられている。電動式スーパーチャージャは、バッテリによって駆動されるため、ターボラグがほとんどなく、主に低速低負荷領域で燃焼室に過給空気を供給する（例えば、特許文献１参照）。
一般に、排気ガスによって作動するターボチャージャ（以下、「機械式ターボチャージャ」ということがある。）は、応答性に劣り、背圧が大きいため、高圧縮比を実現するのに困難があった。

一般に、車両に用いられる電動式スーパーチャージャは、モータの出力が制限されるため、ブースティング領域が低中速領域に限定される。
したがって、機械式ターボチャージャと電動式スーパーチャージャとを全て備えた新しい概念のエンジンシステムに対する開発が要求されている。

特開２０１２−２３７３０７号公報

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、排気ガスによって作動する機械式ターボチャージャとモータによって作動する電動式ターボチャージャとを備えた新しい概念のエンジンシステムを提供することにある。
また、他の目的とするところは、低速領域において、ＣＤＡ装置を介して一部の燃焼室を休止させ、活性化された燃焼室から排出される排気ガスはターボチャージャを経由しないようにすることで、背圧を低減させ、高圧縮比を実現することができるエンジンシステムを提供することにある。
さらに、他の目的とするところは、低速領域で一部の気筒を休止させることで、不必要なポンピング損失を減少させ、燃費を改善することができるエンジンシステムを提供することにある。

上記の目的を達成するためになされた、本発明のエンジンシステムは、燃料の燃焼によって駆動力を発生させる複数の燃焼室を含むエンジンと、複数の燃焼室のうち、一部の燃焼室に装着され、一部の燃焼室を選択的に休止させる気筒休止（ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｄｅａｃｔｉｖａｔｉｏｎ：以下、ＣＤＡと略す）装置と、ＣＤＡ装置が装着された燃焼室に連結される第１排気マニホールドと、ＣＤＡ装置が装着されていない燃焼室に連結される第２排気マニホールドと、第１排気マニホールドを介して排出される排気ガスによって回転するタービンと、タービンと連動して回転して外気を圧縮するコンプレッサとを有するターボチャージャと、燃焼室に過給空気を供給するように、モータと、モータによって作動する電動式コンプレッサとを有する電動式スーパーチャージャとを含むことを特徴とする。

燃焼室は、順次に、第１燃焼室、第２燃焼室、第３燃焼室、および第４燃焼室の４つの燃焼室を備えた４気筒エンジンであり、ＣＤＡ装置は、第２燃焼室および第３燃焼室に装着されることが好ましい。
第１排気マニホールドは、タービンに連結されることがよい。
ターボチャージャのコンプレッサと電動式スーパーチャージャは、外気が流入する吸気ラインに備えられ、吸気ラインには、外気を冷却させるインタークーラをさらに含むことができる。

吸気ラインには、電動式スーパーチャージャに供給される一部の空気をバイパスさせるバイパスラインが備えられ、バイパスラインには、バイパスバルブが装着されることが好ましい。
第２排気マニホールドに連結される第２排気ラインと第１排気マニホールドに連結される第１排気ラインは、メイン排気ラインに合流し、メイン排気ラインには、排気ガス処理装置が備えられることがよい。
ＣＤＡ装置は、低速領域で作動して燃焼室を休止させることができる。

本発明の実施形態に係るエンジンシステムによれば、一部の燃焼室から排出される排気ガスはターボチャージャを作動させ、残りの燃焼室から排出される排気ガスは排気ガス処理装置に直接排出されるため、背圧を低減させることができ、高圧縮比のエンジンを実現することができる。
また、一部の燃焼室から排出される排気ガスはターボチャージャを作動させ、残りの燃焼室から排出される排気ガスは排気ガス処理装置に直接排出されるため、高価なウェイストゲートバルブを削除することができる。
さらに、低速領域において、ＣＤＡ装置を介して一部の燃焼室を休止させ、残りの燃焼室に供給される空気は電動式スーパーチャージャを介して過給されるため、低速領域で高い応答性を実現することができる。

本発明の実施形態に係るエンジンシステムの構成を示す概念図である。 本発明の実施形態に係る運転領域を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態に係るエンジンシステムについて、添付した図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るエンジンシステムの構成を示す概念図である。
図１に示したとおり、本発明の実施形態に係るエンジンシステムは、燃料の燃焼によって駆動力を発生させる複数の燃焼室を含むエンジン１０と、燃焼室に過給空気を供給するターボチャージャ４０と、燃焼室の一部を選択的に休止させる気筒休止（ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｄｅａｃｔｉｖａｔｉｏｎ：ＣＤＡ）装置２０と、燃焼室に過給空気を供給し、モータ５１によって作動する電動式スーパーチャージャ（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｕｐｅｒｃｈａｒｇｅｒ）５０と、燃焼室に連結される排気マニホールド７０とを含む。
エンジン１０の燃焼室は、４つの燃焼室を備えた４気筒エンジンであるとよい。複数の燃焼室は、順次に、第１燃焼室１１、第２燃焼室１２、第３燃焼室１３、および第４燃焼室１４が配置される。
ＣＤＡ（ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｄｅａｃｔｉｖａｔｉｏｎ）装置２０は、全体燃焼室のうち、一部の燃焼室に装着され、一部の燃焼室を選択的に休止（ｄｅａｃｔｉｖａｔｉｏｎ）させる装置である。ＣＤＡ装置２０が作動中には、休止対象となる燃焼室に燃料が供給されず、吸気バルブおよび排気バルブの作動が停止する。ＣＤＡ装置２０は、本発明の属する技術分野における公知の技術で、具体的な説明は省略する。

ＣＤＡ装置２０は、４つの燃焼室のうち、第２燃焼室１２および第３燃焼室１３に装着されることが好ましい。
排気マニホールドは、ＣＤＡ装置２０が装着された燃焼室に連結される第１排気マニホールド３１と、ＣＤＡ装置２０が装着されていない燃焼室に連結される第２排気マニホールド３５とを含む。
第１排気マニホールド３１は、第１排気ライン３３に連結され、第２排気マニホールド３５は、第２排気ライン３７に連結される。第１排気ライン３３と第２排気ライン３７は、メイン排気ライン３０に合流する。第１排気ライン３３と第２排気ライン３７が合流するメイン排気ライン３０には、排気ガスを浄化させる排気ガス処理装置８０が装着される。

ターボチャージャ４０は、燃焼室に過給空気を供給するためのもので、燃焼室から排出される排気ガスによって回転するタービン４１と、タービン４１と連動して回転して外気を圧縮するコンプレッサ４３とを含む。この時、タービン４１は、第１排気ライン３３に連結され、第１排気マニホールド３１を介して排出される排気ガスによって作動する。
電動式スーパーチャージャ（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｕｐｅｒｃｈａｒｇｅｒ）５０は、燃焼室に過給空気を供給するためのもので、モータ５１と、電動式コンプレッサ５３とを含む。電動式コンプレッサ５３は、モータ５１によって作動して、運転条件に応じて外気を圧縮して燃焼室に供給する。

一方、ターボチャージャ４０のコンプレッサ４３と電動式スーパーチャージャ５０は、外気が流入する吸気ライン６０に備えられる。吸気ライン６０の入口には、流入する外気をフィルタリングするためのエアクリーナ６８が装着される。そして、吸気ライン６０には、外部から流入する外気を冷却させるためのインタークーラ６７が装着される。
つまり、ターボチャージャ４０のコンプレッサ４３は、吸気ライン６０の上流側に配置され、電動式スーパーチャージャ５０は、吸気ライン６０の下流側に配置される。吸気ライン６０を介して流入した空気は、吸気マニホールド７０を介して燃焼室に供給される。吸気マニホールド７０には、スロットルバルブ６４が装着され、燃焼室に供給される空気量が調節される。
吸気ライン６０には、電動式スーパーチャージャ５０に供給される一部の空気をバイパスさせるバイパスライン６２が備えられる。バイパスライン６２には、バイパスバルブ６６が装着される。バイパスバルブ６６の調節によって電動式スーパーチャージャ５０の過給量が調節される。

以下、本発明の実施形態に係るエンジンシステムの作動に関して、添付した図面を基にして詳細に説明する。
図２は、本発明の実施形態に係る運転領域を示すグラフである。図２において、横軸は、エンジン回転速度であり、縦軸は、エンジントルクを意味する。
図２において、実線は、エンジンが自然吸気エンジンとして作動する時のトルクラインであり、点線は、電動式スーパーチャージャ５０のブースティングによるトルクラインであり、一点鎖線は、ターボチャージャ４０のブースティングによるトルクラインであり、二点鎖線は、電動式スーパーチャージャ５０とターボチャージャ４０のブースティングによるトルクラインである。

図２に示したとおり、エンジンの回転数が相対的に小さい低速領域では、ＣＤＡ装置２０が作動して第２燃焼室１２と第３燃焼室１３を休止させる。第２燃焼室１２と第３燃焼室１３が休止されるため、第２燃焼室１２および第３燃焼室１３に連結された第１排気マニホールド３１を介しては排気ガスが排出されず、これによって、ターボチャージャ４０は作動しない。
したがって、エンジン１０は２気筒エンジンとして作動し、電動式スーパーチャージャ５０を介して第１燃焼室１１および第４燃焼室１４に過給空気が供給される。
そして、第１燃焼室１１と第４燃焼室１４は、ターボチャージャ４０を経由せず、第２排気マニホールド３５と第２排気ライン３７を介してメイン排気ライン３０に排出されるため、背圧（ｂａｃｋ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）を低減させることができる。これによって、第１燃焼室１１および第４燃焼室１４の圧縮比を高められて燃費が向上する。

電動式スーパーチャージャ５０を介して第１燃焼室１１と第４燃焼室１４に過給空気が供給されるため、低速領域で２気筒エンジンが自然吸気エンジンとして作動する時の運転領域（図２の「Ａ」表示部参照）より、電動式スーパーチャージャ５０のブースティングによる運転領域が拡張されることが分かる（図２の「Ｂ」表示部参照）。
つまり、図２の「Ａ」領域では、エンジンは自然吸気エンジンとして作動する領域であり、この時、エンジントルクは、スロットルバルブの開度量により調節できる。図２の「Ｂ」領域では、エンジンは電動式スーパーチャージャのブースティングによりエンジントルクが調節される領域である。
そして、低速高負荷領域では、ＣＤＡ装置２０が作動しないため、エンジンは４気筒エンジンとして作動する。この時、電動式スーパーチャージャ５０を介して燃焼室に過給空気が供給され、低速での運転領域を拡張させることができる。エンジンが４気筒エンジンとして作動するため、ターボチャージャ４０も作動するが、低速領域では、第１燃焼室１１および第４燃焼室１４から排出される排気ガス量が多くないため、ターボチャージャ４０によるブースティングは限界がある。

エンジンの回転数が低速領域より大きい中速領域では、ＣＤＡが作動せず、エンジン１０は４気筒エンジンとして作動する。
したがって、第１燃焼室１１および第４燃焼室１４から排出される排気ガスによってターボチャージャ４０が作動し、ターボチャージャ４０によって燃焼室に過給空気が供給される。また、電動式スーパーチャージャ５０によっても燃焼室に過給空気が供給される。
つまり、中速領域では、ターボチャージャ４０と電動式スーパーチャージャ５０によってブースティングが行われる。

エンジンの回転数が中速領域より大きい高速領域では、ＣＤＡが作動せず、エンジン１０は４気筒エンジンとして作動する。
したがって、第１燃焼室１１および第４燃焼室１４から排出される排気ガスによってターボチャージャ４０が作動し、ターボチャージャ４０によって燃焼室に過給空気が供給される。
つまり、高速領域では、ターボチャージャ４０によってブースティングが行われる。
従来のターボチャージャ４０の場合、高速領域で排気ガスの流量が増加し、タービン４１が回転許容限度以上に回転するため、タービン４１のホイールの過負荷問題が発生する。この問題を解決するために、ウェイストゲートバルブを用いてエンジン１０の燃焼室から排出される排気ガスの一部をバイパスさせていた。この時、エンジン１０の燃焼室から排出される排気ガスの略半分はタービン４１を経ずにバイパスさせる。
しかし、本発明の実施形態に係るエンジンシステムは、２つの燃焼室（第２燃焼室１２および第３燃焼室１３）だけがターボチャージャ４０のタービン４１に連結されているため、高速領域でもターボチャージャ４０のタービン４１に供給される排気ガスをバイパスさせる必要がない。したがって、従来のターボチャージャ４０に用いられていたウェイストゲートバルブを省略することができ、これによって、車両の製造原価を節減させることができる。

以上説明したとおり本発明の実施形態に係るエンジンシステムは、ＣＤＡ装置２０の作動の有無によって２気筒エンジンまたは４気筒エンジンとして作動する。したがって、低速領域において、エンジンシステムは２気筒エンジンとして作動し、不必要なポンピング損失を減少させて車両の燃費を向上させることができる。
また、低速領域では、ＣＤＡ装置２０によって一部の燃焼室（第２燃焼室１２および第３燃焼室１３）が休止され、活性化された燃焼室（第１燃焼室１１および第４燃焼室１４）から排出される排気ガスはターボチャージャ４０をバイパスするため、背圧を低減させることができ、高圧縮比を実現することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、特許請求の範囲と発明の詳細な説明および添付した図面の範囲内で多様に変形して実施することが可能であり、これも本発明の範囲に属することは自明である。

１０：エンジン
１１：第１燃焼室
１２：第２燃焼室
１３：第３燃焼室
１４：第４燃焼室
２０：気筒休止装置、ＣＤＡ装置
３０：メイン排気ライン
３１：第１排気マニホールド
３３：第１排気ライン
３５：第２排気マニホールド
３７：第２排気ライン
４０：ターボチャージャ
４１：タービン
４３：コンプレッサ
５０：電動式スーパーチャージャ
５１：モータ
５３：電動式コンプレッサ
６０：吸気ライン
６２：バイパスライン
６４：スロットルバルブ
６６：バイパスバルブ
６７：インタークーラ
６８：エアクリーナ
７０：吸気マニホールド
８０：排気ガス処理装置

Claims (7)

1. 燃料の燃焼によって駆動力を発生させる複数の燃焼室を含むエンジンと、
   前記複数の燃焼室のうち、一部の燃焼室に装着され、前記一部の燃焼室を選択的に休止させる気筒休止（ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｄｅａｃｔｉｖａｔｉｏｎ：以下ＣＤＡと略す。）装置と、
   前記ＣＤＡ装置が装着された燃焼室に連結される第１排気マニホールドと、
   前記ＣＤＡ装置が装着されていない燃焼室に連結される第２排気マニホールドと、
   前記第１排気マニホールドを介して排出される排気ガスによって回転するタービンと、該タービンと連動して回転して外気を圧縮するコンプレッサとを有するターボチャージャと、
   前記燃焼室に過給空気を供給するように、モータと、該モータによって作動する電動式コンプレッサとを有する電動式スーパーチャージャとを含み、
   前記タービンが、前記第１排気マニホールドに連結される第１排気ラインだけに連結され、前記第２排気マニホールドに連結される第２排気ラインを介して排出される排気ガスは、排気ガス処理装置に直接排出されることを特徴とするエンジンシステム。
   
2. 前記エンジンは、第１燃焼室、第２燃焼室、第３燃焼室、および第４燃焼室の４つの燃焼室を備えた４気筒エンジンであり、
   前記ＣＤＡ装置は、第２燃焼室および第３燃焼室に装着されたことを特徴とする請求項１に記載のエンジンシステム。
3. 前記第１排気マニホールドは、前記タービンに連結されたことを特徴とする請求項１に記載のエンジンシステム。
4. 前記ターボチャージャの前記コンプレッサと前記電動式スーパーチャージャは、外気が流入する吸気ラインに備えられ、
   前記吸気ラインには、外気を冷却させるインタークーラが備えられたことを特徴とする請求項１に記載のエンジンシステム。
5. 前記吸気ラインには、前記電動式スーパーチャージャに供給される一部の空気をバイパスさせるバイパスラインが備えられ、
   前記バイパスラインには、バイパスバルブが装着されたことを特徴とする請求項４に記載のエンジンシステム。
6. 前記第２排気マニホールドに連結される第２排気ラインと前記第１排気マニホールドに連結される第１排気ラインは、メイン排気ラインに合流し、
   前記メイン排気ラインには、排気ガス処理装置が備えられたことを特徴とする請求項１に記載のエンジンシステム。
7. 前記ＣＤＡ装置は、低速領域で作動して前記燃焼室を休止させることを特徴とする請求項１に記載のエンジンシステム。
   

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