WO1998029647A1

WO1998029647A1 - Moteur suralimente hybride

Info

Publication number: WO1998029647A1
Application number: PCT/JP1997/004768
Authority: WO
Inventors: Hiroshi Kanesaka
Original assignee: Kanesaka Gijyutsu Kenkyusho Co., Ltd.
Priority date: 1996-12-27
Filing date: 1997-12-24
Publication date: 1998-07-09
Also published as: DE69734530D1; EP0957247A1; JPH10238354A; DE69734530T2; EP0957247B1; EP0957247A4; US6343473B1

Description

明細書ハイプリッド過給エンジン技術分野

本発明は、エンジンの過給システム、殊に過給機としてターボチヤ一ジャ（以下 T C と称す）を備えたディーゼルエンジン（以下エンジンと称す）に排気ガス以外を動力源とする過給機を T C と直列配置として、エンジンを 2段過給するハイプリッド過給エンジンに関するものでぁリ、また平成 8年特許願第 3 5 8 8 4 7号の改良に関するものである。背景技術

ディーゼルエンジンの出力増大の目的で、 T Cによって過給することは平地の多い欧米ではよく普及しているが、次の理由から山坂の多い我が国では普及していないのが現状である。

即ち、前記 T Cは速度型で図 2 に示す特性をもつが、（ a ) T Cにおける回転速度及び流量に比例して圧力比（以下圧力と称す）を高める特性によって、低速トルクが必要である車輛用エンジンとして搭載したときは、作動線を図 2 の線 a 一 b とすることによリ、無過給時に図 3の線 c 一 dであったトルクを、中速以上において線 a — とトルクを増大することは可能であるが、無過給エンジンと比較して低速トルクは不足し、車輛用エンジンとしては、殊に停止からの発進加速 (以下ゼロ発進と称す）能力が不充分である。

【 0 0 0 3 】

( b ) 上記の T Cの特性にょリ、 T C過給エンジンでは低速だけでなく中速トルクも、高速トルクに比して充分に高くすることは、最大出力を制限する以外には不可能である。

( c ) 上記の（ a ) において、図 2 に示す T Cの作動線 a — b は、最高効率曲線 c 一 d とは、点 r において交わるだけで、図 2の点 r に相当する図 3の点 r の近辺では燃料消費率（以下 B S F Cと称す）は低いものの、それ以外のエンジン作動状態においては、 T Cの効率は低く、低い B S F C とすることはできない。

( d ) 車輛用エンジンとして、エンジンは、図 3の走行抵抗曲線 f 一 bに沿って作動し、最も作動頻度の高い、図 3の gゾーンの B S F Cによって k m/ 1 で現わせる車輛の走行燃费率は大きく影響される。

エンジンの B S F Cは、図 5に示すように、 BME Pの増大とともに鎖線 e — f に示した図示燃料消費率（以下 I S F Cと称す）に近づき、低下することは知られている。

これを図 3 によって説明すると、 T C過給された図 3の線 a— bを迪る車両用過給エンジンは、例えば 1 6 k g / c m² の BME Pにまで性能を高め、そのときの B S F Cは図 5の点 a に示すように、 1 4 0 g / p s — h r とすることができるが、図 3の gゾーンでは、エンジンの負荷は約 1ノ4 となリ、このときの B S F Cは図 5力ら、点 t と Z O O g Z p s _ h r に増大するのである。

従って、更に BME Pを、例えば 3 2 k g Z c m² 図 5の点 j と T C過給ェンジンの 2倍に高めることができれば 1 / 4負荷時の B S F Cを、点 t の 2 0 0 g / p s — h r から点 i の 1 5 5 g / p s — h r とすることが可能である。

現状の T C過給エンジンは更に BME Pを髙めるべきで、これによつて、 B S F Cを下げるばかリカヽ同出力であるならば、更に小型、軽量、安価なエンジンとすることが要望されているが、前述の理由によって不可能である。

( e ) T C過給エンジンの普及を阻げている更なる要因はターボラグである。車輛の停止時にアイドル状態にあるエンジンの T Cの速度は約 5 0 0 0 r p m で、車輛の加速とともに約 5万 r p mにまで T Cが加速されることが要求されるが、ターボラグのため、ゼロ発進加速時に T Cは全く過給の機能を有せず、図 3 の線 c 一 dにて表わされる無過給時の性能のままで車輛はゼロ発進加速を強いられることになるのである。

( ί ) 過給することによってエンジンの圧縮圧力は高まリ、従って、理論上燃焼時の最高圧力はエンジンの許容最高圧力を超えることになるが、 T C過給ェンジンにおいても圧縮比を低下させることによって、このようにならぬよう対処している。

しかしながら、ディーゼルエンジンの圧縮比は、一般に始動性能を考慮して決定されるものであって、圧縮比の低下はエンジンの始動を困難にする。グローブラグ等の始動補助装置はエンジンの始動には役立つが、始動直後のホルムアルデヒドなどの毒性物質を含む白煙の排出の防止には役に立たない。そして T Cにおける始動時の 1 0 0 r p m、始動直後のアイドル回転時の 6 0 0 r p mでは、過給機としての機能を有せず、始動時に圧縮圧力及び圧縮温度を高めることはなく、 T C過給エンジンは始動対策に苦慮しているのが現状である。

本発明は上述の問題点を解決するために案出したものである。

本発明の第 1 の目的は、低速トルクが充分で車両に搭載したときのゼロ発進能力が高く、中速トルクが最大出力を犠牲にせずに得られ、ターボラグが小さく、低燃費で始動性に優れたハイプリッド過給エンジンを提供することにある。本発明の第 2の目的は、低い B S F C とすることができるばかリでなく、 T C 過給エンジンの 2倍以上の B M E P とすることが可能となるハイプリッド過給ェンジンを提供することにある。

本発明の第 3の目的は、低速時には主として S Cによって過給してエンジンへの給気量を増大し、 T Cを加速することによって、ターボラグを発生することなく低速時よリ急加速時においても定常運転時の性能を発揮しうるハイプリッド過給エンジンを提供することにある。

本発明の第 4の目的は、始動時においても S Cが有効に機能し、エンジンの圧縮圧力と温度を高め、低圧縮比とせざるを得ない高比出力エンジンの始動を容易にするハイプリッド過給エンジンを提供することにある。

本発明の第 5の目的は、結果的にエンジンを小型、軽量、安価とすることが可能であるとともに、エンジンの信頼性を犠牲とすることなく、 N O x の排出をも低減する効果を有するハイプリッド過給エンジンを提供することにある。発明の開示

本発明ハイブリツド過給エンジンは、エンジンの最高トルク回転速度よリ高い速度において最大能力となるターボチャージャと、該ターボチヤ一ジャと直列に設置された容積型過給機とを備え、該過給機をエンジン速度にかかわらず給気量一定に保つよう制御しつつ 2段過給を行うことを特徴とする。これによつて、前述の複数の目的を達成できる。

また、本発明は、前記容積型過給機の給気量を、容積型過給機側に設けたバイパス中のバイパス弁及ぴ該弁と併設した給気流量計にょリ、または、容積型過給機側に設けたバイパス中のバイパス弁及び前記過給機に設けた回転速度計にょリ各々調節することを特徴とする。これによリ、前記給気量の調節が正確に行うことができる。

また、本発明は、前記ハイブリッド過給エンジンが、その給気系に設けた給気圧力計及び容積型過給機側に設けたバイパス中のバイパス弁にょリ、エンジンのシリンダ内圧力が当該エンジンの許容最高圧力を超えないように、最高給気圧力を調節することを特徴とする。これによリ、エンジンの許容最高圧力を超えない範囲で最高給気圧力が得られる。

また、本発明は、前記ハイブリッド過給エンジンが、高膨張比の得られるミラ ― · サイクルシステムを備え、該システムによリシリンダ内圧力がエンジンの許容最高圧力を超えないように、圧縮比を下げ且つ低燃料消費率を維持するよう制御することを特徴とする。これによリ、圧縮比を下げてエンジンの許容最高圧力を抑え、且つ低燃料消費率とし得る。

また、本発明は、前記容積型過給機を滑リクラッチを介して駆動するよう構成し、該クラッチを前記給気圧力計及び給気流量計にょリその滑リ率を変えるよう制御して、エンジンへの給気圧力と給気流量を調節することを特徴とする。これによリ、容積型過給機を調節することが容易になる。

また、本発明は、前記容積型過給機を無段変速機を介して駆動するよう構成し、該変速機をエンジンと容積型過給機との回転比を変えるよう制御して、ェンジンへの給気圧力及び同流量を調節することを特徴とする。これによリ、容積型過給機を調節することが容易になる。

また、本発明は、前記容積型過給機を差動歯車機構を介して駆動するよう構成し、該差動歯車機構を前記給気圧力計と流量計と圧力調整弁にょリ制御して、ェンジンへの給気圧力と給気流量を調節することを特徴とする。これによリ、容積型過給機を調節することが容易になる。

また、本発明は、前記容積型過給機を火花点火エンジンによリ駆動するよう構成するとともに、該火花点火エンジンを排気再循環（ E G R ) 制御して N O _x を低減させることを特徴とする。これによリ、容積型過給機を調節することが容易になる。

また、本発明は、前記容積型過給機が速度型過給機であることを特徴とする。これによリ、速度型過給機は容積型過給機と同様に、前述の複数の目的の達成に寄与する。図面の簡単な説明

第 1 図は、本発明エンジンの一例を示す全体構成図、第 2 図は、 T Cの流量一圧力比線図、第 3 図は、エンジン速度とトルク及び給気圧力比線図、第 4 図は、エンジンの負荷と給気圧力比線図、第 5 図は、エンジンの給気圧力比と燃費率関連図、第 6 図は、ミラーサイクルの p — V線図、第 7 図は、エンジンの弁開閉図、第 8 図は、サイクル線図、第 9図は、給気冷却器の略図、第 1 0図は、本発明の第 1 の応用例を示す概略構成図、第 1 1 図は、本発明の第 2応用例を示す概略構成図、第 1 2 図は、本発明の第 3応用例を示す概略構成図である。 . 発明を実施するための最良の形態

本発明の実施の形態を図 1乃至図 1 2 によリ詳細に説明する。

図 1 は本発明ハイプリッド過給エンジンの一例でぁリ、プーリ 3 はエンジン 1 のクランク軸の先端 2 に固定され、ベルト 4 によリ S C 5 の駆動軸 6 に固定されたプーリ 7 と連結されておリ、エンジン 1 によって駆動される S C 5は大気を吸気管 8 によリ吸入し、圧縮して吐出管 9、給気冷却器 1 1 を経て T C 1 0の圧縮機 1 0 a に供給し、 T C 1 0で更に圧縮し、圧力を高めて給気管 1 3及び給気冷却器 1 2 を経てエンジン 1 に給気される。

給気管 1 3 には圧力センサ 2 1 が付設され、給気圧力を電子制御器 1 7 に伝える。なお、 5 a は S C 5の駆動軸 6 に付設された S C回転速度センサで、 S C 5 の回転速度を電子制御器 1 7 に伝達するよう結線されている。

エンジン 1 の排気は排気マ二ホールド 1 4 ょリ T C 1 0のタービン 1 0 b を駆動し、排気管 1 5 ょリ大気側に排出され、タービン 1 O b の動力は軸 1 0 c によリ圧縮機 1 0 a を駆動する。タービン 1 0 b及び圧縮機 1 0 a の回転速度は軸 1 0 c に付設された T C回転速度センサ 1 0 dによリ検出され、電子制御器 1 7 に伝達されるようになっている。

吸気管 8 に流量計 1 6が、エンジン 1 の冷却水中には冷却水温センサ 2 4が、クランク軸の先端 2 にはエンジン速度センサ 2 5が、またエンジン 1 の運転状態を制御するァクセルペダル 2 2 には、運転者の負荷制御量をポジションセンサ 2 3がそれぞれ設けられ、それらにょリ、それぞれの情報を電子制御器 1 7 に伝え、該制御器 1 7 は制御量を決定し、ァクチユエ一タ 1 8 に伝え、該ァクチユエ一タ 1 8 によリ、バイパス 1 9に設けられたバイパス弁 2 0 の開度を制御する。エンジン 1 の冷却水ジャケット内に取リ付けられた冷却水温センサ 2 4 はェンジン 1 の冷却水温度を、また、エンジン速度センサ 2 5はエンジン 1 のクランク軸の先端 2 の回転速度を測定し、それぞれ電子制御器 1 7 に伝え、該制御器 1 7 はァクチユエータ 1 8 に命じてバイパス弁 2 0の開度を調節し、エンジン 1 の始動を容易とするとともに、排出ガスの汚染度を低くしている。

上記の如き構成の本発明ハイプリッド過給エンジンにおいて、エンジン 1 の T C 1 0は、図 2の性能曲線の最高効率線 c 一 dに沿って流量の增大とともに圧力比を高めるように、そしてエンジン 1 の最高速度においては、 T C 1 0の最大能力である点 d になるようにチューニングすることによって、エンジン 1 は、図 3 の線 a — hなる圧力比の給気によって過給され、それに相当するトルク曲線にて示される性能となる。上記の線 a — hなるトルク曲線は、本発明エンジンにおいてはパイパス弁 2 0が全開状態で S C 5が給気量及ぴ圧力比を高めない運転状態を示している。

図 3 の線 a — hで示されるトルク曲線の性能を有するエンジンによリ車輛を駆動する場合は、車輛の走行抵抗曲線もまた線 a — h とほぼ同じになリ、車輛の加速能力はなく、低速トルクを高めない限リ走行不可能であるが、本発明においては、上記の如くチューニングした T C過給エンジンに更に T C と直列に設置された S Cによリ給気圧力比及ぴ給気流量を高めるのである。

即ち、エンジン 1 の最高速度、例えば 2 0 0 O r p mでは、 T C 1 0の流量及ぴ圧力比は図 2の点 d となるが、 T Cではその特性にょリ、点 dの圧力比を保ちながら、流量を增加させようとすれば、点 dは図 2の速度限界線である線 i _ g を超えることになリ、遠心力にょリロータ（図示せず）は破損するおそれがある。また、流量を減少させることは、点 dはサージング限界線 h— f の左側となることを意味し、 T Cはその機能を失ってしまう。

依って、本発明エンジンの全負荷時においては、図 2の点 dを維持するよう S C 5の発生する給気圧力比及ぴ流量を調節しているのである。

例えば、この T C過給エンジンの低速時、例えば 1 0 0 0 r p mにおいては、 T Cの流量は 1 / 2 となリ、 T Cの発生する給気圧力比は図 2の点 i となリ、点 i の給気を吸入したエンジンの発生するトルクは、図 3 の点 i に低下するのである。

もし、このエンジンが 1 0 0 0 r p mにおいても、 T C 1 0に 2 0 0 0 r p m における流量の排気エネルギを与えるとともに、吸気流量とすることができれば、 T C 1 0 は図 2の点 dで作動することになる。従って、本発明の低速全負荷時においては、 1 0 0 0 r p mのときでも 2 0 0 0 r p m時と同流量となるように、流量計 1 6 によリ吸気の流量を測定し、それを電子制御器 1 7 に伝え、該制御器 1 7 はァクチユエ一タ 1 8 に命じてバイパス弁 2 0 を閉じる方向に回動させることによって、 S C 5の給気量を増大させるのである。

エンジン速度が 1 / 2の 1 0 0 0 r p mでも給気量を 2 0 0 0 r p m時と同一とするには、サイクル毎の給気量を 2倍とする必要がぁリ、 S C 5 の吐出管内圧力比を約 2 とすることによって流量計 1 6 を流れる吸気量を一定とすることができる。従って、給気管内圧力比は 3 (T Cにより発生） X 2 ( S Cによリ発生） = 6 の圧力比となリ、エンジン 1 はこの給気を利用することにより、図 3 の点 j のトルクを発生させることができる。

更にエンジン速度が低下した場合でも、エンジン 1 の吸気量が一定となるように、流量計 1 6 、電子制御器 1 7 、ァクチユエ一タ 1 8及びバイパス弁 2 0 によリバイパス量を調節することによリ、 1 0 0 0 r p mょリ低速では S C 5 の発生する圧力比を高め、図 3 の点 kまでトルクを高めて給気管内の圧力比を 6 を超える値とし得るが、これでは、これを吸入したエンジンの燃焼圧力がエンジン 1 の許容最高圧力を超えることになリ、実現不可能である。

従って、図 3の点 j 以下のエンジン速度では、給気管 1 3 内に設けられた圧力センサ 2 1 によリ、給気圧力比が、例えば 6 を超えないように、給気圧力を電子制御器 1 7 に伝え、該制御器 1 7 はァクチユエ一タ 1 8 に命じてバイパス弁 2 0 の開度を調節することによって給気圧力比を一定とし、それによつてエンジン 1 の発生するトルクを図 3 の点 mに相当する値とするのである。

以上は、本発明ハイプリッド過給エンジンの全負荷時の作動について述べたが、部分負荷時の作動の一例は、例えば図 3の 1 0 0 0 r p m時における線 n— i 一 j で示され、無負荷から全負荷にわたる給気圧力を図示すると図 4 となる。即ち図 4 の点 nは無負荷時で、このとき図 1 のアクセルペダル 2 2は実線の位置にぁリ、ポジションセンサ 2 3 は無負荷であることを電子制御器 1 7 に伝え、該制御器 1 7 はァクチユエ一タ 1 8 に命じてバイパス弁 2 0 を全開にさせる。従って、 S C 5 は機能せず、大気は吸気管 8 、バイパス 1 9、吐出管 9、 T C 1 0及ぴ給気管 1 3 を経てエンジン 1 に供給され、この状態では T C 1 0 は給気圧力比を高めることなく、大気圧、即ち圧力比は 1 にとどまる。エンジン 1 の負荷を図 3の点 i のトルクにまで増大させようと、アクセルぺダル 2 2 を少し踏んで点線側に移動させて燃料供給量を少し増大させると、ポジシヨンセンサ 2 3 はその位置を電子制御器 1 7 に伝えるが、該制御器 1 7 は依然としてバイパス弁 2 0 を全開のままにすることをァクチユエータ 1 8 に命ずる。従って、図 4及ぴ図 3 の点 i では T C 1 0のみによって過給することになリ、燃料供給量の増大によって排気温度が上昇することによって、 T C 1 0 は給気圧力比を図 4の点 i まで高め、エンジン 1 はその給気圧力を利用して、図 3 の無過給時の点 P ょリ高いトルク、点 i を発生するのである。

更にアクセルペダル 2 2 を点線の位置の方向に移動して燃料供給量を増大させると、ポジションセンサ 2 3 はその位置を電子制御器 1 7 に伝え、該制御器 1 7 はァクチユエ一タ 1 8 に命じてバイパス弁 2 0 を閉じる方向に回動させることによって、吐出管 9 内の圧力を高め、 T C 1 0 と協働して、燃料供給量に相応する給気量となるように、給気管 1 3 内の圧力比を高めるのである。

また全負荷時においては、アクセルペダル 2 2は図 1 の点線の位置にまで踏み込まれ、燃料供給量は最大となリ、ポジションセンサ 2 3 はそれを電子制御器 1 7 に伝え、 1 7はァクチユエ一タ 1 8 に命じ、バイパス弁 2 0 を更に閉じる方向に回動させ、バイパス弁 2 0 を逆流する流量を減少させることによって吐出管内圧力を高め、丁 C 1 0 と協働して給気管 1 3 内圧力を高めるのである。

このときのエンジン 1 への吸入空気量は流量計 1 6 によって測定され、電子制御器 1 7に伝えられ、該制御器 1 7は空気量が T C 1 0 の限界である図 2 の点 d を超えないようにァクチユエータ 1 8 に命じてバイパス弁 2 0 の開口面積を調節するのである。

従って、 T C 1 0の発生する給気圧力比は、例えば 3 となリ、前述の理由によつて、図 4の点〗の圧力比が 6 になるように、 S C 5 の発生する吐出管内圧力比が 2 となるよう調節される。

この状態のままでエンジン 1 の速度が、例えば 1 0 0 0 r p m以下になると、エンジン速度に比例してエンジン 1 の吸気量は減少し、 T C 1 0の発生する圧力比も、図 2の線 c一 dに沿って低下するから、結果としてエンジン 1の発生するトルクは図 3の線 q— j と変化する。

図 3の線 q— j 一 hにて示される本発明ハイプリッド過給エンジンのトルク曲線は、従来公知の T C過給エンジンのトルク曲線 a — r 一 b に比し数倍の性能を発揮すると言えるが、低速時のトルクを重視する車輛エンジンとしては、ェンジン 1 の許容最高圧力を超えないように、例えば 1 0 0 0 r p m以下のエンジン速度においても、図 4に示される全負荷時の給気圧力比、例えば 6に保つことができれば、線 m— j なる理想的なトルク曲線とすることが可能である。

これに対処して本発明では、給気管 1 3内に圧力センサ 2 1 を付設し、給気管 1 3内圧力を測定し、その圧力を電子制御器 1 7に伝え、該制御器 1 7はァクチユエ一ター 1 8に命じて、図 3の線 q— j を補正して線 m— j になるように、バィパス弁 2 0の開口面積を調節するのである。

次に、本発明ハイプリッド過給システムを使用したエンジンの B S F Cを説明すると、前述の理由にょリ、 B S F Cは図 5に示すように、 BME Pがゼロのときは無限大であるが、 BME P増大とともに、 I S F Cに近づき、 B S F Cは低下する。

本発明のエンジンが図 3の点 j のトルクを発生したときの B S F Cを図 5の点 i に表わすが、このとき T C 1 0は図 2の点 dで作動し、効率は高く、低い B S F Cを指向する。しかし機械駆動される S C 5の駆動力は摩擦平均有効圧力 FM E Pとして加算され、 B S F Cを図 5の点 j から点〗 ' に増大させ、明らかに、最高トルク点における B S F Cの優位性はない。

しかしながら、車輛用エンジンの最も使用頻度の高い負荷率は、図 3の s ゾ一ンで、負荷率で 1 / 4程度でぁリ、このときの B S F Cが車輛の走行燃費率を決定するのである。これを図 5に記入すると s ゾーンとなる。

—方、通常の T Cエンジンの最高トルクは図 3の点 rで、使用頻度の高いゾーンは g となる。これを図 5に記入すると、 B S F Cは gゾーンとなリ、本発明ェンジンの s ゾーンと比較すれば走行燃費率の差は明らかである。さて、例えば圧力比 6 に達する高い給気圧力を給気されたエンジンは、通常の圧縮比 1 4乃至 1 6 では、図 6 の p — V線図の実線 a — b に示す如く、点 b に示される圧縮圧力が高く、更に燃焼圧力は線 b — c — d と高くなリ、線 e — f にて示されるエンジンの許容最高圧力を超えることになる。

これに対処せんとして、圧縮比を下げることは B S F Cを増大させるばかリか、膨張比も低下して、排気温度も高くなリ、エンジンの熱負荷を高めることになる。

そこで本発明エンジンでは、ミラーサイクルを応用して、図 6 に示すように、圧縮行程の途中の点 gで圧縮を開始し、点 hで圧縮行程の終リとすることによつて、線 a — b に比し圧縮比は低く、圧縮圧力も点 h と低く、その後の燃焼によつても、線 h — i — j とその燃焼圧力をエンジンの許容最高圧力、線 e — f ょリも低くすることが可能としたのである。

これによリ、膨張行程も線〗一 k と、圧縮比が高い場合の線 d — mとほぼ同一となリ、圧縮比を下げても膨張比は変わることなく、 B S F Cは変わらないばかリカ高い膨張比によリ排気温度も低下させることができた。

本発明エンジンのミラーサイクルは公知のエンジンの吸気通路にロータリーバルブを設け、その閉じ時期を吸気行程の途中、例えば、図 6 の点 g において閉じる、いわゆる "早閉じ" によっても実現しうるが、公知の "遅閉じ" によっても可能である。

図 7 はその一例を示すもので、通常のエンジンでは、吸気弁（図示せず）は、上死点の少し前の角度 a約 1 0 ° で開き、下死点後約 3 0 ° の角度 bで閉じるが、本発明では角度 a から吸気を開始し、下死点を過ぎて圧縮行程に入っても吸気弁は開き続け、一度吸気行程の下死点にまで吸気されたシリンダー内の空気は、圧縮行程に入って再び吸気通路内に排出され続け、シリンダー內圧力を高めることはないが、例えば、下死点後約 7 0 ° 、角度 c に達すると吸気弁は閉じる。これを図 6 で示すと点 g となリ、ここよリ実質上の圧縮行程となり、前述の如き遅閉じミラーサイクルとすることができるのである。本発明エンジンを、エンジンの最高速度付近において最高の BME Pであることが要求され、低中速においては高い B M E Pが要求されない船舶用エンジンとする場合には、図 3の点 j のエンジン速度をこのエンジンの最高速度、例えば 2 O O O r p mとし、 T Cの最大能力である図 2の点 dが図 3の点 h、例えば 4 0 0 0 r p mとなるようにチューニングすれば、前述の理由によって、エンジンの最高速度において最高の BME Pを発生するのである。

本発明エンジンを、エンジンの最高速度における BME Pに比し、高い低中速 BME P、即ちいわゆる高いトルクライズが要求される建設機械用とする場合には、例えば、 2 0 0 0 r p mで図 2の点 dにて示される T Cの最大能力で運転され、図 3の点 hの性能を発揮しているこのエンジンを T Cの流量を一定のままとして、更にエンジン速度を增加することによって、例えば 2 5 0 O r p mにおいて図 3の点 t の BME P とすることが可能である。

これを説明するのが図 8で、図 3の点 hの給気圧力は図 8の線 a — bに相当し、点 aの吸気行程の上死点からエンジンは吸気を開始し、下死点である点 b附近にて吸気弁は閉じ、点 bから圧縮行程を開始して点 c にて上死点となリ、燃焼して線 c 一 d一 e と圧力を高めた後に膨張して点 f にて排気弁が開くのであるが、このままでエンジン速度を增大すると、 T Cを流れる流量が増大して、 T Cの作動点は図 2の点 dを超えて上昇するので、エンジン速度に反比例してエンジンの吸気量を、例えば、 2 0 0 0 r p mから 2 5 0 0 r p mと 1 . 2 5倍にエンジン速度を高めた時にはエンジンの吸気量を 1 1 . 2 5にして、 T C 1 0の流量を —定とする必要がぁリ、それを可能にするのが前述のミラ一サイクルである。それを説明するのが図 8で、例えば 2 0 0 0 r p mのときには点 aから点まで、エンジンは _{V l} なる空気を吸入するが、 2 5 0 0 r p mになると圧縮行程の途中の点 gまで吸気弁を開き続けることによって、実質的な吸気量は v ₂ と _{V l} の 1ノ 1 . 2 5 となリ、エンジン速度が増大しても T Cの流量を一定とすることが可能となる。

このときの p— V線図は線 g— i ― j - k - m - b となリ、図 8から分かるように、 B M E Pは 2 0 0 0 r p m時の 1 / 1 . 2 5 と低下し、図 3 の点 t となるのである。

一方、このエンジンの速度が低下すると、前述の理由にょリ、給気圧力は高まる。これを図 8 に示すと、給気圧力は線 n — p と高まリ、 p — V線図は線 p — q — r — s — t となリ、最高圧力は線 V — Vにて示されるエンジンの許容最高圧力を超える。

従って、この場合もミラーサイクルを応用して、前述のように、吸気弁を点 w で閉じることによって P — V線図は線 w— c — d — e _ f — p となるのである。髙比出力エンジンの宿命として、本発明エンジンもまた圧縮比を下げざるを得ず、始動性、特に低温時の始動において、新たなる技術によって対処する必要がある。

本発明のエンジンでは、その始動時にはスタータ（図示せず）によリ駆動される速度は約 1 0 0 r p mであるが、この速度をクランク軸の先端 2 に設けられたエンジン速度センサ 2 5 によリ感知して電子制御器 1 7 に伝え、該制御器 1 7 はァクチユエータ一 1 8 に命じてバイパス弁 2 0 を全閉する力ら、これによリ S C 5は吸気を断熱圧縮し、吐出管 9 内空気の圧力と温度を高めるのである。

即ち、給気は給気冷却器 1 1 、圧縮機 1 0 a 、給気冷却器 1 2 を経てエンジンに供給されるが、 T C 1 0はこのような低速においては圧力を高める機能を有せず、圧力を高めない。しかし、例えエンジンの圧縮比が 8 であっても、 S C 5 によれば圧力比を 2 に高めることは可能で、 8 X 2 = 1 6 と圧縮比 1 6 に相当する圧力にまでシリンダ一内圧力を高めることは可能であるが、 S C 5 によって高温となった給気も給気冷却器 1 1及ぴ 1 2 を通過することによって冷却され、給気温度の低下によってエンジンの圧縮温度は低下し、始動は不可能になる。

そこで図 9 に示すように、給気冷却器 1 1及び 1 2の給気入口と出口間にパイパス 2 6 を設け、バイパス 2 6 と吐出管 9 との接合部には切換弁 2 7 を付設し、給気が給気冷却器 1 1及び 1 2 で冷却されないように、吐出管 9の給気冷却器 1 1及ぴ 1 2側への通路を閉じるとともに、バイパス 2 6への通路を開くのである。即ち、始動時におけるエンジンの冷却水温度は低く、その温度を図 1 の冷却水温センサ 2 4 は電子制御器 1 7 に伝え、該制御器 1 7 はァクチユエ一タ 2 9に命じてレバ一 2 8 を押し、吐出管 9 の給気冷却器 1 1及び 1 2側への通路を閉じ、バイパス 2 6側の通路を開くように切換弁 2 7 を作動させるのである。

エンジン始動直後においては、エンジン冷却水温が低いため、圧縮温度は高まらず、燃料は不完全燃焼して、ホルムアルデヒドなどの公害成分を含む白煙を排出する。

これに対処するため本発明エンジンでは、例えアクセルペダル 2 2の位置がァィドルにあるとポジションセンサ 2 3 が電子制御器 1 7 に伝えても、冷却水温センサ 2 4からの低温情報にょリ電子制御器 1 7はァクチユエータ 1 8 に命じてバィパス弁 2 0 を閉じさせ、 S C 5 によリ吐出管 9の圧力及ぴ温度を高めることによって、エンジンの圧縮温度及び圧力を高めるのである。

これによつて、給気は給気冷却器 1 1及び 1 2 によって冷却されることは回避される。

次に、本発明ハイプリッド過給エンジンの原理を応用した他の実施の形態を示す。

( 1 ) 図 1 0 に示す例は、図 1 の例のように給気流量及ぴ給気圧力をバイパス弁 2 0 によって調節する代わリに、プーリ 7が S C 5 を駆動するプーリ 7側の軸 6 a と S C 5側の軸 6 b との間に無段変速機 3 0 (以後 C V Tと称す）を設けたことを特徴とするものであって、全負荷時、即ちアクセルペダル 2 2が点線の位置となることをポジションセンサ 2 3 によリ感知して電子制御器 1 7に伝える全負荷時には、前述の理由によって、トルク曲線は図 3 の線 h — j となリ、線 h— j 間はエンジン 1 の吸気流量は一定となるように、それを流量計 1 6 にて測定し、電子制御器 1 7 に伝え、該制御器 1 7 はァクチユエータ 3 1 に命じて駆動軸 6 a と 6 b間の回転比を C V T 3 0 によって調節しつつ、 S C 5 を駆動するのである。その回転速度と流量が正比例する特性を有する容積型過給機である S C 5は、その回転速度を調節することによつても流量の調節が可能で、駆動軸 6 b に付設された速度計 3 2 によリ S C 5 の回転速度を測定し、電子制御器 1 7 に伝え、 S C 5の回転速度を調節することによつても可能である。

因みに、図 3 の線 h— j のトルクを発生する場合、 S C 5の回転速度は一定となる。

同様にして、図 3 の線 m— j 間においても、前述したように、燃焼圧力がェンジンの許容最高圧力を超えないように、給気管 1 3 内の圧力を圧力計 2 1 によリ測定し、電子制御器 1 7 に伝え、該制御器 1 7はァクチユエータ 3 1 に命じて C V T 3 0 によリ S C 5の速度を調節するのである。

( 2 ) 図 1 0 における C V T 3 0 を公知の流体クラッチ又は滑リクラッチを含むクラッチとしても、駆動軸 6 a と駆動軸 6 b間の速度比をァクチユエ一タ 3 1 によって滑リ率を調節することが可能ならば、前記 C V T 3 0 と同様に本発明の機能を有することになる。

( 3 ) 図 1 1 に示す一例は、差動歯車によって S Cを駆動する公知の差動過給方式を本発明ハイプリッド過給エンジンに応用した一例を示し、図 1 におけるべルト 4 の代リに差動歯車によって S C 5 を駆動する方式である。

図 1 1 によって説明すると、エンジン 1 の出力は出力軸 3 3 に、出力軸 3 3 には差動 *車 3 2の複数の遊星齒車 3 2 b を駆動する複数の軸 3 2 a が固定され、遊星黹車 3 2 b は内歯歯車 3 2 c及ぴ太陽齒車 3 2 d と嚙み合い、内歯歯車 3 2 c は駆動軸 3 4 に固定され、車輛の車輪（図示せず）を駆動する。その反力を遊星齒車 3 2 b は太陽歯車 3 2 d に伝え、太陽歯車 3 2 dに固定された歯車 3 5 は、 S C 5の駆動軸 6 に固定された S C駆動歯車 3 6 を駆動し、 S C 5はエンジン 1 によって、通常はエンジントルクの 1 0 %によって駆動されるのである。差動歯車機構の特徴は、駆動軸 3 4 と太陽歯車 3 2 dに伝わるトルク比が一定であることで、駆動軸 3 4のトルク、即ち、車輛の走行抵抗が大きい時は S C 5 を駆動するトルクも大きく、 S C 5はそのトルクに応じて給気圧力を高めることになリ、その給気圧力によってエンジン 1 は高いトルクを発生する。

これによつて、本発明ハイプリッド過給エンジンの全負荷においては、トルク及ぴ給気圧力は図 3 の線 j 一 h となリ、エンジン速度が変化しても吸気量は一定でなければならず、それを流量計 1 6 によリ測定し、電子制御器 1 7 に伝え、該制御器 1 7 はァクチユエータ 3 8 に命じ、レバー 3 9 に固定された制動弁 3 7の開度を調節し、吐出管上流部 9 a の圧力を変えることによって、 S C 5の駆動トルクと回転速度を調節し、流量を調節するのである。

一例によって理解の一助とすると、制動弁 3 7 を全閉状態とすると、吐出管の上流部 9 a の圧力は高まリ、 S C 5の駆動トルクは、太陽歯車 3 2 dに配分されたトルクよリ高くなリ、太陽歯車 3 2 dの回転は停止し、エンジン出力は専らに出力軸 3 3 から駆動軸 3 4 に伝えられる。

従って、制動弁 3 7の開度を調節することによって、 S C 5の回転速度を調節することが可能で、流量計 1 6 を流れる流量を調節することも可能である。同様にして、給気管 1 3 に付設された圧力計 2 1 の圧力を電子制御器 1 7 に伝え、該制御器 1 7がァクチユエータ一 3 8 に命じて制動弁 3 7の開度を調節することによって、吐出管 9 内の圧力を調節することは可能となリ、図 3 の線 m _ j に表わされるトルクをエンジン 1 に発生させることができるのである。

( 4 ) は、本発明者が平成 5年特許願第 2 0 8 8 8 9号にて出願した発明の改良に関するものである。

硫黄分を含まない燃料を使用し、理論空気燃料比で運転される火花点火ェンジンの排気に三元触媒によって浄化すると、硫酸分も煤も Ν Οχ も含まない排気ガスが得られ、これによつてディーゼルエンジンに E G R (排気再循環）すると、ディーゼルエンジンは煤や硫黄分によって磨耗が促進されることがないばかリか、 N Ox を含まないガスによって E G R されることになリ、排気中の N Ox を低減する効果が大であることは本発明者の論文、例えば S A E P A P E R 9 6 0 8 4 2でも知られている。

本発明においては、図 1 2に示すように、火花点火エンジン 4 0 によって S C 5 を駆動し、吸気管 8 ょリ大気を吸入し、吐出管 9 内の圧力を高める構造であるが、火花点火エンジン 4 0の排気は排気管 4 5の途中に設置された三元触媒 4 6 によリ浄化された後に吸気管 8 内に E G Rガスとして流入し、 S C 5によって圧縮され吐出管 9、 T C 1 0及ぴ給気管 1 3 を経てエンジン 1 に供給されるのである。

前述の理由によって、トルクが図 3の線〗一 hにて示される全負荷時においては、エンジン 1 に供給されるガス量、即ち空気量 + E G Rガス量は、エンジン速度が変化しても一定としなければならず、それを流量計 1 6 にて測定し、電子制御器 1 7 に伝え、該制御器 1 7 はァクチユエータ 4 4 に命じて、火花点火ェンジン 4 0 の吸気管 4 1 内に設置されたスロットルバルブ 4 2 の開度を調節することによって、火花点火エンジン 4 0の出力を調節し、 S C 5 の回転速度を調節して流量を調節するのである。

また、図 3 の線 m— j 間においても、前述の理由によって、エンジン速度が変化しても給気管 1 3 内の給気圧力が一定であることが要求され、給気管 1 3 内圧力を圧力センサ一 2 1 にて測定し、電子制御器 1 7 に伝え、該制御器 1 7 はァクチユエ一タ 4 1 に命じてスロットルバルブ 4 2の開度を調節し、火花点火ェンジン 4 0 の出力を調節することによってエンジン出力を調節し、吐出管 5 内の圧力と流量を調節するのである。

エンジン 1 の負荷に応じて運転者はアクセルペダル 2 2 を操作し、その位置をポジションセンサ 2 3は電子制御器 1 7 に伝え、該制御器 1 7 は負荷に応じた給気量及び圧力となるように、ァクチユエータ 4 4に命じてスロットルバルブを操作し、火花点火エンジン 4 0の出力を調節することによって、 S C 5の速度を調節し、給気流量及び圧力を調節するのである。

( 5 ) 上記の（ 1 ) 、（ 2 ) 、（ 3 ) 及ぴ（ 4 ) においては、エンジン 1 への給気流量及ぴ圧力を S C 5の回転速度を可変にして出力を制御している。

上記において S C 5は容積型過給機であることを前提としているが、速度型過給機である T Cの圧縮機もまた回転速度とともに流量及び圧力を高める圧縮機でぁリ、図 1 0及ぴ図 1 2 において S C 5 として示される過給機は、容積型に限定されることなく、速度型の、例えば遠心式圧縮機（図示せず）であっても機能上何ら差支えないのである。』

なお、前記実施の形態においては、まずエンジンで駆動される S Cが大気を吸入して圧縮し、これを T Cの圧縮機に供給して更に圧縮し、圧力を高めて給気管等を経てエンジンに給気するよう構成されていたが、これを逆にし、まずェンジンの排気で駆動される T Cの圧縮機が大気を吸入して圧縮し、これをエンジン動力でくどうされる S Cに供給して更に圧縮し、圧力を高めて給気管等を経てェンジンに給気するよう構成してもよい。発明者の研究によれば、後者の方が、前者に比し T Cの作動が安定し、かつ S Cが小型化し得る利点があることが判明した

Claims

請求の範囲

1 . エンジンの最高トルク回転速度よリ高い速度において最大能力となるターボチャージャと、該ターボチャージャと直列に設置された容積型過給機とを備え、該過給機をエンジン速度にかかわらず給気量一定に保つよう制御しつつ 2段過給を行うことを特徴とするハイプリッド過給エンジン。

2 . 前記容積型過給機の給気量を、容積型過給機側に設けたバイパス中のバイパス弁及ぴ該弁と併設した給気流量計によリ調節することを特徴とする請求の範囲第 1項記載のハイプリッド過給エンジン。

3 . 前記容積型過給機の給気量を、容積型過給機側に設けたバイパス中のバイパス弁及ぴ前記過給機に設けた回転速度計にょリ調節することを特徴とする請求の範囲第 1項記載のハイプリッド過給エンジン。

4 . 前記ハイブリッド過給エンジンが、その給気系に設けた給気圧力計及び容積型過給機側に設けたバイパス中のバイパス弁によリ、エンジンのシリンダ内圧力が当該エンジンの許容最高圧力を超えないように、最高給気圧力を調節することを特徴とする請求の範囲第 1項記載のハイプリッド過給エンジン。

5 . 前記ハイブリッド過給エンジンが、高膨張比の得られるミラー · サイクルシステムを備え、該システムによリシリンダ内圧力がエンジンの許容最高圧力を超えないように、圧縮比を下げ且つ低燃料消費率を維持するよう制御することを特徴とする請求の範囲第 1項記載のハイプリッド過給エンジン。

6 . 前記容積型過給機を滑リクラッチを介して駆動するよう構成し、該クラッチを前記給気圧力計及ぴ給気流量計によリその滑リ率を変えるよう制御して、ェンジンへの給気圧力と給気流量を調節することを特徴とする請求の範囲第 1項または請求の範囲第 2項または請求の範囲第 3項または請求の範囲第 4項記載のハイプリッド過給エンジン。

7 . 前記容積型過給機を無段変速機を介して駆動するよう構成し、該変速機をェンジンと容積型過給機との回転比を変えるよう制御して、エンジンへの給気圧力及ぴ同流量を調節することを特徴とする請求の範囲第 1項または請求の範囲第 2 項または請求の範囲第 3項または請求の範囲第 4項記載のハイプリッド過給ェンジン。

8 . 前記容積型過給機を差動歯車機構を介して駆動するよう構成し、該差動酋車機構を前記給気圧力計と流量計と圧力調整弁によリ制御して、エンジンへの給気圧力と給気流量を調節することを特徴とする請求の範囲第 1 項または請求の範囲第 2項または請求の範囲第 3項または請求の範囲第 4項記載のハイプリッド過給エンジン。

9 . 前記容積型過給機を火花点火エンジンによリ駆動するよう構成するとともに、該火花点火エンジンを排気再循環（ E G R ) 制御して N O _x を低減させることを特徴とする請求の範囲第 1項または請求の範囲第 2項または請求の範囲第 3項または請求の範囲第 4項記載のハイプリッド過給エンジン。

1 0 . 前記容積型過給機が速度型過給機であることを特徴とする請求の範囲第 6 項又は請求の範囲第 7項又は請求の範囲第 9項記載のハイプリッド過給エンジン