特許第5834505号(P5834505)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】5834505
(24)【登録日】2015年11月13日
(45)【発行日】2015年12月24日
(54)【発明の名称】内燃機関の過給補助方法及び内燃機関
(51)【国際特許分類】
   F02M 25/07 20060101AFI20151203BHJP
   F02B 37/00 20060101ALI20151203BHJP
   F02B 37/04 20060101ALI20151203BHJP
【FI】
   F02M25/07 550C
   F02M25/07 550J
   F02M25/07 570P
   F02B37/00 302F
   F02B37/04 A
【請求項の数】2
【全頁数】16
(21)【出願番号】特願2011-125690(P2011-125690)
(22)【出願日】2011年6月3日
(65)【公開番号】特開2012-251506(P2012-251506A)
(43)【公開日】2012年12月20日
【審査請求日】2014年5月30日
(73)【特許権者】
【識別番号】000000170
【氏名又は名称】いすゞ自動車株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001368
【氏名又は名称】清流国際特許業務法人
(74)【代理人】
【識別番号】100066865
【弁理士】
【氏名又は名称】小川 信一
(74)【代理人】
【識別番号】100066854
【弁理士】
【氏名又は名称】野口 賢照
(74)【代理人】
【識別番号】100129252
【弁理士】
【氏名又は名称】昼間 孝良
(74)【代理人】
【識別番号】100117938
【弁理士】
【氏名又は名称】佐藤 謙二
(74)【代理人】
【識別番号】100138287
【弁理士】
【氏名又は名称】平井 功
(74)【代理人】
【識別番号】100155033
【弁理士】
【氏名又は名称】境澤 正夫
(74)【代理人】
【識別番号】100068685
【弁理士】
【氏名又は名称】斎下 和彦
(72)【発明者】
【氏名】関山 惠夫
【審査官】 佐々木 淳
(56)【参考文献】
【文献】 特開2011−021558(JP,A)
【文献】 特開平08−260991(JP,A)
【文献】 特表2011−512475(JP,A)
【文献】 特開2005−315163(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
F02M 25/07
F02B 37/00
F02B 37/04
(57)【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【0004】
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。
【0005】
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。
【0006】
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。
【0007】
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。
【0008】
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)。
【0009】
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。
【0010】
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。
【0011】
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。
【0012】
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。
【0013】
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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0021】
【特許文献1】特開2011−21558号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0022】
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。
【課題を解決するための手段】
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【発明の効果】
【0027】
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。
【図面の簡単な説明】
【0028】
図1】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。
図2】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。
図3】蓄ガス容器の周辺の構成を示す図である。
図4】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。
図5】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。
図6】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。
図7】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。
図8】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。
図9】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。
図10】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。
図11】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。
図12】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。
図13】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。
図14】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。
図15】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。
図16】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。
図17】車速の変化と瞬時NOx排出量の関係を示す図である。
図18】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。
図19】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。
図20】先行技術の内燃機関の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
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。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
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。
【0044】
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。
【0045】
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。
【0046】
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。
【0047】
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。
【0048】
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。
【0049】
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。
【0050】
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。
【0051】
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。
【0052】
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。
【0053】
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。
【0054】
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。
【産業上の利用可能性】
【0055】
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。
【0056】
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。
【符号の説明】
【0057】
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
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9
図10
図11
図12
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図15
図16
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図19
図20