JP4389739B2

JP4389739B2 - 過給機付き内燃機関

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Publication number: JP4389739B2
Application number: JP2004285472A
Authority: JP
Inventors: 一洋小島; 敏男乾; 英夫中井; 徹夫片岡
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2004-09-29
Filing date: 2004-09-29
Publication date: 2009-12-24
Anticipated expiration: 2024-09-29
Also published as: US7451597B2; DE102005046366A1; DE102005046366B4; JP2006097591A; US20060064981A1

Description

本発明は、２つの過給機を備える内燃機関に関する。

空気の充填率を向上するために、排気タービン過給機を備えるエンジンがある。排気タービン過給機は、排気通路内に設けられるタービンと、吸気通路内に設けられ、タービンと連動して駆動し、吸入した空気を燃焼室内に過給するコンプレッサと、を備えている。

この種のエンジンでは、排気通路内を流動する排気ガスによってタービンが回転駆動する。そして、タービンと連動してコンプレッサが駆動することによって、吸入した空気が燃焼室内へ過給される。これにより、空気の充填率が向上する。

しかし、排気タービン過給機は、エンジンの回転数が所定の回転域のとき、例えば高回転のときに過給できるように設定されている。それゆえ、排気タービン過給機は、エンジンの回転数が有効回転域以外のときには、効果が得られない。

このような排気タービン過給機による不具合を補い、エンジンの回転数が有効回転域以外のときにも充填率を向上するために、排気タービン過給機と電動過給機とを備えるエンジンが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

電動過給機は、吸気通路中に設けられるコンプレッサと、コンプレッサを駆動する電動機とを備えている。このため、電動過給機は、エンジンの回転数に関わらずに吸入した空気を燃焼室内に過給することができる。

この種のエンジンは、エンジンの回転数が低回転のときには、電動過給機によって空気の充填率を向上し、エンジンの回転が高回転のときには、排気タービン過給機によって空気の充填率を向上している。
特開２００４−７６６５９号公報

一方、排気ガスを浄化するために、排気通路内に触媒を設置するエンジンがある。この触媒は、排気ガスによって活性温度まで昇温されると、排気ガスを浄化する。

しかし、エンジンの始動時では、触媒が暖まっておらず、触媒が活性温度に達するまでの間、排気ガスが浄化されずに外部に排出されてしまう。

特に、特許文献１に開示されているエンジンのように、排気通路内に排気タービン過給機のタービンが設置されていると、排気ガスは、タービンも昇温しなければならない。つまり、排気系の熱容量が増大する。このため、触媒が活性温度に達するまでの時間が長くなり、浄化されない排気ガスが多く排出される傾向にある。

このため、排気通路に２次空気を供給し、排気通路内で排気ガス中の未燃燃料を燃焼し、排気系を昇温する２次空気供給システムが提案されている。２次空気供給システムは、排気通路内に圧縮空気を供給するために、別途に圧縮機を備える構成がある。しかし、圧縮機を別途に用意する構成の場合、コストが高くなる。

したがって、本発明の目的は、コストを抑えて排気ガスを効果的に浄化できる過給機付き内燃機関を提供することにある。

本発明の請求項１に係る発明の過給付き内燃機関は、燃焼室を備える内燃機関本体と、前記燃焼室に連通する吸気通路と、前記燃焼室に連通する排気通路と、前記排気通路に設けられ、排気ガスを浄化する触媒と、前記内燃機関本体の運転状態を検出する運転状態検出手段と、駆動用の電動機を備えて前記吸気通路に設けられ、前記内燃機関本体の運転状態に応じて駆動されて吸入した空気を前記燃焼室へ過給する電動過給機と、前記吸気通路において前記電動過給機の下流に設けられ、排気ガスによって駆動されて吸入した空気を前記燃焼室へ過給する排気タービン過給機と、前記吸気通路において、前記電動過給機と前記排気タービン過給機との間の第１の分岐部から分岐して前記排気タービン過給機の下流の第１の合流部に合流する前記排気タービン過給機バイパス通路と、前記排気タービン過給機バイパス通路に設けられ、前記排気タービン過給機バイパス通路を開閉する排気タービン過給機バイパス弁と、前記吸気通路において、前記電動過給機の上流の第２の分岐部から分岐して前記電動過給機と前記第１の分岐部との間の第２の合流部に合流する電動過給機バイパス通路と、前記電動過給機バイパス通路に設けられ、前記電動過給機バイパス通路を開閉する電動過給機バイパス弁と、前記吸気通路において、前記電動過給機と前記排気タービン過給機との間の２次空気供給通路分岐部から分岐し、前記排気通路に合流する２次空気供給通路と、前記２次空気供給通路に設けられ、前記２次空気供給通路を開閉する２次空気弁と、前記内燃機関本体の運転状態に応じて、前記電動過給機の駆動および前記排気タービン過給機バイパス弁と前記電動過給機バイパス弁と前記２次空気弁の開閉を制御する制御部とを備える。前記制御部は、前記内燃機関本体の冷態始動時において、前記触媒の温度が活性温度に昇温するまで、前記排気タービン過給機バイパス弁および前記２次空気弁を開くとともに前記電動過給機バイパス弁を閉じて前記電動過給機を駆動し、前記吸入空気を２次空気として前記排気通路へ供給させるとともに前記排気タービン過給機をバイパスさせて前記燃焼室へ供給させる。

電動過給機は、好ましくは、主に、内燃機関の回転数が低回転から中回転のときに有効に過給するように設定されている。電動過給機は、内燃機関本体の運転状態に依存しない。排気タービン過給機は、好ましくは、主に、内燃機関の回転数が高回転のときに有効に過給するように設定されている。

このように構成される過給機付き内燃機関では、２次空気を排気通路に供給するときに、制御装置は、電動過給機バイパス弁を閉じ、かつ電動過給機を駆動する。これにより、例えば内燃機関の冷態始動時など触媒の温度が低いために排気通路に２次空気を供給するときには、電動過給機によって充分に圧縮された２次空気が２次空気供給通路を通って排気通路に供給されるようになる。供給された２次空気によって、排気ガス中の未燃燃料が燃焼する。

これにより、例えば内燃機関の冷態始動時であっても、電動過給機を利用して２次空気を圧縮することによって排気通路内に充分な燃焼がおこり、触媒が早期に活性温度まで昇温されるようになる。さらに、電動過給機を利用することによって、２次空気を圧縮する圧縮機を別途に用意することがない。

また、このように構成される過給機付き内燃機関では、例えば内燃機関の冷態始動時など、内燃機関の回転数が低いときには、排気タービン過給機バイパス弁を開くことによって、空気は、主に排気タービン過給機バイパス通路を通って燃焼室に供給されるようになる。これにより、排気タービン過給機が流れの抵抗になり、燃焼室に空気が供給されにくくなるということがない。

また、このように構成される過給気付き内燃機関では、電動過給機の非作動時には、電動過給機バイパス弁を開くことによって、空気は、主に電動過給機バイパス通路を通って燃焼室に供給されるようになる。これにより、電動過給機を通ることによって生じる吸気圧損が抑制される。

本願の請求項２に係る発明の過給機付き内燃機関では、請求項１に記載の過給機付き内燃機関において、前記制御部は、前記排気通路に２次空気を供給するときに前記燃焼室に供給される燃料を増量する。

本願の請求項３に記載の過給機付き内燃機関では、請求項１または２に記載の過給機付き内燃機関において、前記運転状態検出手段は、前記触媒の温度を検出する触媒温度センサと、前記内燃機関本体の冷却水の温度を検出する冷却水温度センサと、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルペダル開度センサと、前記内燃機関本体の回転数を検出する回転数センサと、前記制御部とを備える。前記制御部は、前記各センサからの情報に基づいて前記内燃機関本体の運転状態を検出する。

本願の請求項４に記載の過給機付き内燃機関では、請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の過給機付き内燃機関において、前記制御部は、前記内燃機関本体の運転状態が低中回転時で中負荷状態にあるときには、前記排気タービン過給機バイパス弁を開くとともに前記電動過給機バイパス弁と前記２次空気弁を閉じて前記電動過給機を作動させ、前記内燃機関本体の運転状態が高回転時で高負荷状態にあるときには、前記電動過給機バイパス弁を開くとともに前記排気タービン過給機バイパス弁と前記２次空気弁を閉じて前記排気タービン過給機を作動させ、前記内燃機関本体の運転状態が低中回転時で高負荷状態にあるときには、前記排気タービン過給機バイパス弁と前記電動過給機バイパス弁と前記２次空気弁を閉じて前記電動過給機と前記排気タービン過給機の両方を作動させる。

本願発明の請求項５に係る発明の過給機付き内燃機関では、請求項１〜４のうちのいずれか１項に記載の過給機付き内燃機関において、前記吸気通路において前記２次空気供給通路分岐部および前記第１の分岐部の下流であって前記排気タービン過給機の上流に設けられ、前記吸気通路を開閉する進入防止弁を備える。前記制御部は、前記排気通路に２次空気を供給するときおよび前記内燃機関本体の運転状態が低中回転時で中負荷状態にあるときには、前記進入防止弁を閉じる。

これにより、排気通路に２次空気を供給するときには、電動過給機によって圧縮された空気は、排気タービン過給機を通ることなく排気タービン過給機バイパス通路を通って燃焼室に過給されるとともに、２次空気供給通路を通って排気通路に供給されるようになる。これにより、吸気圧損が抑制されるとともに吸気容積が減少する。

本願の請求項６に係る発明の過給機付き内燃機関は、請求項１〜５のうちいずれか１項に記載の過給機付き内燃機関において、吸気通路において前記第１の合流部と前記排気タービン過給機との間に設けられ、前記吸気通路を開閉する逆流防止弁とを備える。前記制御部は、前記排気通路に２次空気を供給するときおよび前記内燃機関本体の運転状態が低中回転時で中負荷状態にあるときには、前記逆流防止弁を閉じる。

このように構成される過給機付き内燃機関では、排気通路に２次空気を供給するときおよび内燃機関本体の低回転時で高負荷時では、逆流防止弁とが閉められることによって、第２の合流部から排気タービン過給機に空気が逆流することが防止される。これにより、吸気圧損が抑制されるとともに吸気容積が減少する。

本発明の過給機付き内燃機関によれば、例えば内燃機関の冷態始動時など、触媒の温度が活性温度に達していないために排気通路に２次空気を供給するときには、電動過給機を利用して排気通路に２次空気が圧縮されて供給される。

それゆえ、例えば内燃機関の始動時など低回転時であっても、排気通路内に充分な２次空気を供給することによって排気通路内で燃焼を発生し、触媒の温度を活性温度まで早期に昇温することができる。このため、排気ガスが効果的に浄化される。

したがって、本発明の過給機付き内燃機関は、電動過給機を利用することによって、コストを抑えて排気ガスを効果的に浄化することができる。

本発明の第１の実施形態に係る過給機付き内燃機関について、自動車用のエンジン１０を一例に図１を参照して説明する。エンジン１０は、例えば水冷式のレシプロエンジンである。

図１は、エンジン１０を模式的に示している。図１に示すように、エンジン１０は、エンジン本体１１と、吸気系２０と、排気系３０と、第一過給機としての電動過給機２４と、第二過給機としての排気タービン過給機４０と、２次空気供給手段５０と、運転状態検出手段と、ＥＣＵ８０とを備えている。

エンジン本体１１は、複数の燃焼室１２を備えている。各燃焼室１２には、例えば一対の吸気弁１３と、一対の排気弁１４と、点火プラグ１５と、が設置されている。

吸気系２０は、吸気通路２１と、電動過給機バイパス部２８と、排気タービン過給機バイパス部２９と、を備えている。吸気通路２１は、外部から各燃焼室１２内へ空気が流動する通路であって、吸気通路２１は、エアクリーナ２２と、電動過給機２４と、インタークーラ２５と、スロットル弁２６と、吸気マニホールド２７などから構成されている。

エアクリーナ２２は、吸気通路２１の上流端に設置されている。電動過給機２４は、電動機２４ａと、第１のコンプレッサ２４ｂとを備えている。第１のコンプレッサ２４ｂは、電動機２４ａによって駆動する。第１のコンプレッサ２４ｂは、ハウジング２４ｃと、ハウジング２４ｃ内に収容される第１のコンプレッサホイール２４ｄとなどから構成されている。第１のコンプレッサ２４ｂは、エアクリーナ２２の下流側に設置されている。

電動過給機２４は、電動機２４ａによって駆動するので、エンジン１０の運転状態に関わらずに吸入した空気を各燃焼室１２内へ過給することができる。電動過給機２４は、低容量過給機であって、エンジン本体１１の回転数が低回転から中回転のときに各燃焼室１２内に有効に過給できるように設定されている。つまり、電動過給機２４は、エンジン１０の始動時など、エンジン１０の回転数が低いときであっても、吸入した空気を各燃焼室１２内へ過給することができる。

このため、電動過給機２４は、大型のものでなくてもよい。要するに、電動過給機２４は、エンジン１０が低から中回転のときでも、充填率を向上させられるだけの容量と機能を有していればよい。したがって、第一過給機を低容量過給機とすることにより、第一過給機の駆動負荷の低減、コンパクト化が図れる。

インタークーラ２５は、第１のコンプレッサ２４ｂの下流側に設置されている。スロットル弁２６は、インタークーラ２５の下流側に設置されている。スロットル弁２６は、図示しないアクセルペダルによって操作され、吸気通路２１を開閉する。

吸気通路２１の下流端には、吸気マニホールド２７が設置されている。吸気マニホールド２７は、燃焼室１２の数に対応した複数の枝管部２７ｂを有している。各枝管部２７ｂは、各燃焼室１２に対応してエンジン本体１１に形成される吸気ポートに連通している。各吸気ポートの近傍には、燃料供給手段として、インジェクタ５が設置されている。

吸気通路２１は、前記した通り、エアクリーナ２２と、第１のコンプレッサ２４ｂと、インタークーラ２５と、スロットル弁２６と、吸気マニホールド２７と、を順に通じて各燃焼室１２内に空気を導いている。

排気系３０は、排気通路３１を備えている。排気通路３１は、排気マニホールド３２と、触媒３３と、を備えている。排気マニホールド３２は、燃焼室１２の数に対応した複数の枝管部３２ｂを備えている。各枝管部３２ｂは、各燃焼室１２に対応してエンジン本体１１に形成される排気ポートに連通している。触媒３３は、排気マニホールド３２の下流側に設置されている。触媒３３は、排気ガス中のＮＯｘや未燃燃料などの有害物質を浄化する。

触媒３３の近傍には、温度検出手段として、例えば、触媒温度センサ６２が設置されている。触媒温度センサ６２は、触媒３３の温度を検出する。排気通路３１は、前記したとおりに、排気マニホールド３２、触媒３３を順に通じて排気ガスを外部へ導いている。

排気タービン過給機４０は、タービン４１と、第２のコンプレッサ４２と、を備えている。タービン４１は、排気通路３１において、例えば触媒３３の上流側に設置されている。タービン４１は、ハウジング４１ａと、ハウジング４１ａ内に収容されるタービンホイール４１ｂと、を備えている。タービンホイール４１ｂは、排気ガスのエネルギで回転する。

第２のコンプレッサ４２は、ハウジング４２ａと、ハウジング４２ａ内に収容される第２のコンプレッサホイール４２ｂと、を備えている。

第２のコンプレッサ４２は、吸気通路２１において、第１のコンプレッサ２４ｂとインタークーラ２５との間に設置されている。第２のコンプレッサホイール４２ｂは、シャフト４３によって、タービンホイール４１ｂの同軸上に設置されている。第２のコンプレッサホイール４２ｂは、タービンホイール４１ｂの回転に連動して回転する。

排気タービン過給機４０は、高容量過給機であって、エンジン１０の回転数が高回転のときに有効に過給するように設定されている。

２次空気供給手段５０は、２次空気供給通路５１と、２次空気弁５２と、を備えている。２次空気供給通路５１は、例えば管部材などから構成されており、吸気通路２１と排気通路３１とに連通している。

具体的に説明すると、２次空気供給通路５１は、吸気通路２１において、第１のコンプレッサ２４ｂと第２のコンプレッサ４２との間の２次空気供給通路分岐部２１ｅから分岐している。そして、排気通路３１において、排気マニホールド３２の下流側の２次空気供給通路合流部３１ａに連通している。

２次空気弁５２は、例えば電磁弁であって、２次空気供給通路５１内に設けられており、２次空気供給通路５１を開閉する。

ここで、吸気系２０の説明に戻る。排気タービン過給機バイパス部２９は、排気タービン過給機バイパス通路２９ａと、排気タービン過給機バイパス弁２９ｂと、を備えている。排気タービン過給機バイパス通路２９ａは、例えば管部材などによって構成されており、第２のコンプレッサ４２をバイパスしている。

具体的に説明すると、排気タービン過給機バイパス通路２９ａは、吸気通路２１において、２次空気供給通路分岐部２１ｅと第２のコンプレッサ４２との間の第１の分岐部２１ｃから分岐している。そして、排気タービン過給機バイパス通路２９ａは、第２のコンプレッサ４２をバイパスし、吸気通路２１において、スロットル弁２６とインタークーラ２５との間の第１の合流部２１ｄに合流している。

排気タービン過給機バイパス弁２９ｂは、例えば電磁弁であって、排気タービン過給機バイパス通路２９ａ内に設けられており、排気タービン過給機バイパス通路２９ａを開閉する。

電動過給機バイパス部２８は、電動過給機バイパス通路２８ａと、電動過給機バイパス弁２８ｂと、を備えている。電動過給機バイパス通路２８ａは、例えば、管部材などによって構成されており、第１のコンプレッサ２４ｂをバイパスしている。

具体的に説明すると、電動過給機バイパス通路２８ａは、吸気通路２１において、エアクリーナ２２と第１のコンプレッサ２４ｂとの間の第２の分岐部２１ａから分岐している。そして、電動過給機バイパス通路２８ａは、第１のコンプレッサ２４ｂをバイパスして、吸気通路２１において、２次空気供給通路分岐部２１ｅと第１の分岐部２１ｃとの間の第２の合流部２１ｂに合流している。

電動過給機バイパス弁２８ｂは、例えば電磁弁であって、電動過給機バイパス通路２８ａ内に設けられている。電動過給機バイパス弁２８ｂは、電動過給機バイパス通路２８ａを開閉する。

運転状態検出手段は、一例として、触媒温度センサ６２と、冷却水温度センサ６３と、アクセルペダル開度センサ６４と、回転数センサ６５とを備えている。

触媒温度センサ６２は、触媒３３の近傍に設けられており、触媒３３の温度を検出する。冷却水温度センサ６３は、エンジン本体１１に設けられており、冷却水の温度を検出する。アクセルペダル開度センサ６４は、アクセルペダルの踏み込み量を検出する。回転数センサ６５は、エンジン本体１１に設けられており、エンジン本体１１の図示しないクランクシャフトの回転数を検出する。

ＥＣＵ８０は、触媒温度センサ６２と、冷却水温度センサ６３と、アクセルペダル開度センサ６４と、回転数センサ６５とに電気的に接続されており、各センサから送られる情報に基づいてエンジン本体１１の運転状態を検出する。

また、ＥＣＵ８０は、電動機２４ａと、各インジェクタ５と、排気タービン過給機バイパス弁２９ｂと、電動過給機バイパス弁２８ｂと、２次空気弁５２とに電気的に接続されている。

ＥＣＵ８０は、エンジン本体１１の運転状態によって、電動機２４ａの駆動を制御する。ＥＣＵ８０は、エンジン１０の運転状態によって、各インジェクタ５から噴霧される燃料の量を調整する。ＥＣＵ８０は、エンジン１０の運転状態によって、排気タービン過給機バイパス弁２９ｂの開閉と、電動過給機バイパス弁２８ｂの開閉と、２次空気弁５２の開閉とを制御する。

つぎに、エンジン１０の動作を説明する。

運転者が乗車してエンジン１０を始動すると、エンジン１０はアイドル運転状態になる。ＥＣＵ８０は、冷却水温度センサ６３と触媒温度センサ６２との情報から冷態時であると判断すると、電動過給機バイパス弁２８ｂを閉じ、排気タービン過給機バイパス弁２９ｂと、２次空気弁５２とを開く。このようにすることによって、電動過給機バイパス通路２８ａは、遮断される。さらに、ＥＣＵ８０は、電動過給機２４を駆動し、各インジェクタ５から噴霧される燃料の量を増量させる。

エアクリーナ２２を通過した空気は、第１のコンプレッサ２４ｂに達する。ついで、第１のコンプレッサ２４ｂに吸入された空気は、圧縮される。この圧縮空気の一部は、排気タービン過給機バイパス通路２９ａを通って、各燃焼室１２内に過給される。

これは、エンジン１０の回転数が低い状態では、排気ガスの排出圧力が充分ではないために、第２のコンプレッサ４２が空気の流れの抵抗になるためである。

言い換えると、排気タービン過給機バイパス弁２９ｂが開くことによって、圧縮空気の一部は、第２のコンプレッサ４２通らずに排気タービン過給機バイパス通路２９ａを通って各燃焼室１２内に過給されるようになる。これにより、各燃焼室１２に過給される圧縮空気が第２のコンプレッサ４２を通ることによって生じる吸気圧力の低減が抑制される。

このように、排気タービン過給機バイパス部２９とＥＣＵ８０とは、電動過給機２４によって圧縮された空気が第２のコンプレッサ４２内に進入することを抑制している。つまり、排気タービン過給機バイパス部２９とＥＣＵ８０とは、本発明で言う、抑制手段の一例を構成している。

各燃焼室１２に供給される燃料は、ＥＣＵ８０の制御によって、増量される。このため、排気ガス中に含まれる未燃燃料の量が増加する。また、第１のコンプレッサ２４ｂで圧縮された空気の一部は、２次空気供給通路５１を通って、排気通路３１に供給される。

これにより、排気通路３１内では、供給された圧縮空気によって、未燃燃料が燃焼される。この燃焼熱によって、排気通路３１が早期に昇温される。つまり、触媒３３が早期に活性温度にまで昇温されるようになる。

エンジン１０の始動後しばらくすると、触媒３３が活性温度にまで昇温される。触媒３３が活性温度にまで昇温されることによって、排気ガス中の未燃燃料やＮＯｘなどの有害物質が触媒３３によって浄化される。

触媒３３の温度が活性温度まで昇温されると、排気通路３１に電動過給機２４を介して２次空気を供給する必要がなくなる。このため、触媒３３の温度が活性温度まで昇温されたことが触媒温度センサ６２によって検出すると、ＥＣＵ８０は、２次空気弁５２を閉じるとともに電動過給機２４の駆動を停止する。これにより、排気通路３１内への圧縮空気の供給が停止される。

また、ＥＣＵ８０は、電動過給機バイパス弁２８ｂを開く。つまり、この状態では、排気タービン過給機バイパス弁２９ｂと、電動過給機バイパス弁２８ｂが開いており、２次空気弁５２が閉じている。エアクリーナ２２を通過した空気は、電動過給機バイパス通路２８ａを通る。これは、駆動が停止された第１のコンプレッサ２４ｂが空気の流れの抵抗になるためである。電動過給機バイパス通路２８ａを通過した空気は、吸気通路２１に合流した後に、排気タービン過給機バイパス通路２９ａを通って、各燃焼室１２内に供給される。

このように、空気は、第１，２のコンプレッサ２４ｂ，４２と、インタークーラ２５とをバイパスする。このため、第１，２のコンプレッサ２４ｂ，４２とインタークーラ２５とに空気が供給されることが抑制されるので、吸気容積が減少するとともに、吸気圧損が抑制される。なお、吸気容積とは、吸気系２０内において、空気が流動する容積である。

ついで、運転者は、発進準備が整うと、自動車を発進させる。この状態では、エンジン１０は、低回転状態である。運転者は、アクセルペダルを踏み込で自動車を加速する。

低から中速状態の自動車を所定の速度まで短時間のうちに加速する場合、つまり、回転数センサ６５とアクセルペダル開度センサ６４との情報によって、エンジン１０が低から中回転で中負荷状態なったことをＥＣＵ８０が検出すると、ＥＣＵ８０は、電動過給機バイパス弁２８ｂと２次空気弁５２とを閉じ、排気タービン過給機バイパス弁２９ｂを開き、かつ電動過給機２４を駆動する。

このようにすることによって、エアクリーナ２２を通過した空気は、電動過給機バイパス通路２８ａを通らずに、第１のコンプレッサ２４ｂに達する。第１のコンプレッサ２４ｂに吸入された空気は、主に、排気タービン過給機バイパス通路２９ａを通って各燃焼室１２内に過給される。

これは、第２のコンプレッサ４２が空気の流れの抵抗になるためである。具体的に説明すると、タービン４１のタービンホイール４１ｂは、エンジン１０が低から中回転状態では有効に回転しない。このため、アクセルペダルを踏み込んだ瞬間から所定時間は、排気ガスの圧力が充分に高まらないのでタービンホイール４１ｂがそれほど回転しない状態となる。

それゆえ、アクセルペダルを踏み込んだ瞬間から所定時間は、第２のコンプレッサホイール４２ｂが空気の流れの抵抗になることによって、圧縮空気が第２のコンプレッサ４２に進入することが抑制される。これにより、吸気抵抗が減少する。

しかし、電動過給機２４は、その駆動がエンジン１０の回転数に依存しないので、アクセルペダルの踏み込みに対して空気を充分に各燃焼室１２内に過給することができる。これにより、排気ガスの圧力が排気タービン過給機４０にとって有効な値になるまでの期間も、自動車がアクセルペダルの踏み込みに対してレスポンスよく加速される。

また、例えば自動車が長い坂道を登る状態など、アクセルペダル開度センサ６４と回転数センサ６５とからの情報によって、エンジン本体１１が低から中回転状態であってかつ高負荷状態であることをＥＣＵ８０が検出すると、ＥＣＵ８０は、排気タービン過給機バイパス弁２９ｂと、電動過給機バイパス弁２８ｂと、２次空気弁５２とを閉めるとともに、電動過給機２４を駆動する。

このようにすることによって、電動過給機バイパス通路２８ａと、排気タービン過給機バイパス通路２９ａと、２次空気供給通路５１とは、遮断される。電動過給機２４で圧縮された空気は、排気ガスの圧力が排気タービン過給機４０にとって有効な値になるまでの期間は、第２のコンプレッサ４２が抵抗になることによって、主に排気タービン過給機バイパス通路２９ａを通って各燃焼室１２内に過給される。

その後、過給されることによってタービンホイール４１ｂが有効に回転するようになると、第２のコンプレッサ４２が流れの抵抗にならなくなるため、電動過給機２４で圧縮された空気は、第２のコンプレッサ４２に吸入されて再び圧縮された後、各燃焼室１２内に過給される。

これにより、エンジン本体１１が低から中回転状態で高負荷時では、空気は、電動過給機２４と排気タービン過給機４０とによって２段階圧縮されて、各燃焼室１２に過給される。このため、エンジン１０は、高出力を得ることができるようになる。

また、例えば自動車が高速道路を走行する場合など、アクセルペダル開度センサ６４と回転数センサ６５とからの情報によって、エンジン本体１１が高速回転状態でかつ高負荷状態であることをＥＣＵ８０が検出すると、ＥＣＵ８０は、電動過給機バイパス弁２８ｂを開き、排気タービン過給機バイパス弁２９ｂと２次空気弁５２とを閉じるとともに、電動過給機２４の駆動を停止する。これは、電動過給機２４は、エンジン１０が低から中回転のときに有効に動作するように設定されており、エンジン１０の高回転時には、空気の流れの抵抗になるためである。

このようにすることによって、エアクリーナ２２を通過した空気は、第１のコンプレッサ２４ｂをバイパスして第２のコンプレッサ４２に達し、第２のコンプレッサ４２によって各燃焼室１２内に過給されるようになる。このため、エンジンは、高回転時であって高負荷時でも、更に高出力を得ることができるようになる。

このように構成されるエンジン１０では、エンジン１０の始動時には、２次空気は、電動過給機２４によって圧縮されて２次空気供給通路５１を通って排気通路３１内に供給される。

つまり、エンジン１０の低中回転用過給機としての電動過給機２４を、２次空気供給のための圧縮機として利用することによって、エンジン１０の始動時など、エンジン本体１１の回転数が低回転であっても、触媒３３の温度を早期に活性温度まで昇温することができる。これにより、エンジン１０の始動時であっても、早期に排気ガスが浄化されるようになる。つまり、排気ガス中の有害物質の流出が抑制される。

さらに、２次空気供給用の圧縮機を別途に設置することがないので、コストの増加を抑えることができる。また、電動過給機２４を大型化することによって排気タービン過給機４０を用いない構成と比べても、電動過給機２４のコストを抑えることができるとともに、電動過給機２４の消費電力も抑えることができるので、全体的にエンジン１０のコストは、抑えられる。つまり、エンジン１０は、コストを抑えて、効果的に排気ガスを浄化することができる。

また、電動過給機２４と排気タービン過給機４０とが直列に配置されている。具体的に説明すると、電動過給機２４の第１のコンプレッサ２４ｂと、排気タービン過給機４０の第２のコンプレッサ４２とが直列に配置されている。このため、第１のコンプレッサ２４ｂと第２のコンプレッサ４２とをそれぞれ配置する通路を並列にすることに起因するエンジン１０の構造の複雑化がないので、エンジン１０の構造を簡単にすることができる。

また、低容量過給機として電動過給機２４を採用することによって、エンジン本体１１の回転数に関係なくエンジン１０の始動時であっても安定して２次空気を排気通路３１内に供給することができるようになるとともに、安定して各燃焼室１２内に過給することができるようになる。

また、排気通路３１に２次空気を供給するときには、排気タービン過給機バイパス弁２９ｂが開かれる。これにより、電動過給機２４によって圧縮された空気は、主に排気タービン過給機バイパス通路２９ａを通り、第２のコンプレッサ４２とインタークーラ２５とに進入することが抑制される。

これにより、第２のコンプレッサ４２とインタークーラ２５とを通ることによって生じる吸気圧力損失が抑制される。つまり、２次空気供給時に、排気通路３１内へ効率よく空気を供給するとともに、各燃焼室１２内へ効率よく過給することができる。

また、エンジン本体１１が低中回転状態であって中負荷状態では、排気タービン過給機バイパス弁２９ｂが開かれることによって、電動過給機２４によって圧縮された空気は、第２のコンプレッサ４２とインタークーラ２５とに進入することが抑制される。

これにより、吸気抵抗が減少するので、電動過給機２４によって圧縮された空気は、アクセルペダルの踏み込みに対してレスポンスよく各燃焼室１２内に過給される。それゆえ、自動車は、アクセルペダルの踏み込みに対してレスポンスよく加速される。

また、電動過給機２４の非作動時には、電動過給機バイパス弁２８ｂを開かれることによって、空気が第１のコンプレッサ２４ｂに進入することが抑制されている。これにより、第１のコンプレッサ２４ｂを通ることによって生じる吸気圧損が抑制されるので、各燃焼室１２内へ空気が効率よく供給される。

つぎに、本発明の第２の実施形態に係る過給機付き内燃機関について、第１の実施形態と同様にエンジン１０を一例に説明する。なお、第１の実施形態と同様な効果を有する構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

第２の実施形態では、エンジン１０は、さらに、進入防止弁７１と、逆流防止弁７２と、を備える。進入防止弁７１は、吸気通路２１において、第１の分岐部２１ｃと第２のコンプレッサ４２との間に設けられている。進入防止弁７１は、例えば電磁弁であって、吸気通路２１を開閉する。進入防止弁７１は、ＥＣＵ８０に電気的に接続されている。

逆流防止弁７２は、吸気通路２１において、第１の合流部２１ｄとインタークーラ２５との間に設けられている。逆流防止弁７２は、例えば電磁弁であって、吸気通路２１を開閉する。逆流防止弁７２は、ＥＣＵ８０に電気的に接続されている。

つぎに、第２の実施形態におけるエンジン１０の動作を説明する。

ＥＣＵ８０は、エンジン１０の始動時に、触媒温度センサ６２と冷却水温度センサ６３とからの情報によってエンジン本体１１が冷態状態であることを検出すると、電動過給機バイパス弁２８ｂと、進入防止弁７１と、逆流防止弁７２とを閉じる。排気タービン過給機バイパス弁２９ｂと、２次空気弁５２とを開く。電動過給機２４を駆動し、各インジェクタ５から噴霧される燃料の量を増量させる。

このようにすることによって、電動過給機バイパス通路２８ａは、遮断される。そして、進入防止弁７１によって、電動過給機２４によって圧縮された空気が第２のコンプレッサ４２に進入することが防止される。さらに、逆流防止弁７２によって、第１の合流部２１ｄを通過した空気がインタークーラ２５に逆流することが防止されるとともに、吸気系容積が減少する。進入防止弁７１と逆流防止弁７２とは、本発明で言う、抑制手段の一例を構成している。

これにより、第１のコンプレッサ２４ｂによって圧縮された空気の一部は、排気タービン過給機バイパス通路２９ａを通って、各燃焼室１２内に効率よく過給される。

これにより、排気通路３１内では、供給された圧縮空気によって、未燃燃料が燃焼される。この燃焼熱によって、排気通路３１が早期に昇温される。つまり、触媒３３が早期に活性温度にまで昇温されるようになる。触媒３３が活性温度まで昇温されることによって、排気ガス中の未燃燃料やＮＯｘなどの有害物質が触媒３３によって浄化される。

触媒３３の温度が活性温度まで昇温されると、排気通路３１に電動過給機２４を介して２次空気を供給する必要がなくなる。このため、触媒温度センサ６２が、触媒３３の温度が活性温度まで昇温されたことを検出すると、ＥＣＵ８０は、２次空気弁５２を閉じるとともに、電動過給機２４の駆動を停止する。これにより、排気通路３１内への圧縮空気の供給が停止される。

また、ＥＣＵ８０は、電動過給機バイパス弁２８ｂと、排気タービン過給機バイパス弁２９ｂと、進入防止弁７１と、逆流防止弁７２とを開く。これにより、エアクリーナ２２を通過した空気は、電動過給機バイパス通路２８ａと、排気タービン過給機バイパス弁２９ｂとを通り、一方、第１，２のコンプレッサ２４ｂ，４２への進入は抑制される。これは、第２のコンプレッサ４２と、駆動が停止された第１のコンプレッサ２４ｂとが空気の流れの抵抗になるためである。この状態では、空気は、第１，２のコンプレッサ２４ｂ，４２ｂと、インタークーラ２５とに進入することが抑制されるので、吸気圧損が抑制される。

なお、進入防止弁７１と逆流防止弁７２とが開かれるのは、タービンホイール４１ｂの回転が減衰することを抑制するためである。具体的に説明すると、タービンホイール４１ｂは、エンジン１０の回転数が低回転時であっても、排気ガスのエネルギを受けて回転している。このタービンホイール４１ｂに連動して、第２のコンプレッサ４２内の第２のコンプレッサホイール４２ｂも回転している。これにより、第２のコンプレッサ４２内の空気は、第２のコンプレッサ４２の下流へ排出される。

このとき、進入防止弁７１が閉じられていると、第２のコンプレッサ４２内に空気が供給されなくなり、第２のコンプレッサ内に負圧が生じる。この負圧は、第２のコンプレッサホイール４２ｂの回転を減衰する作用を有する。それゆえ、第２のコンプレッサホイール４２ｂに連動してタービンホイール４１ｂの回転も減衰することになる。このため、進入防止弁７１と逆流防止弁７２とは、開けられている。

ついで、運転者は、発進準備が整うと、自動車を発進させる。この状態では、エンジン１０は、低回転状態である。運転者は、アクセルペダルを踏み込んで自動車を加速する。

低から中速状態の自動車を所定の速度まで短時間のうちに加速する場合、つまり、回転数センサ６５とアクセルペダル開度センサ６４との情報によって、エンジン１０が低から中回転で中負荷状態なったことをＥＣＵ８０が検出すると、ＥＣＵ８０は、排気タービン過給機バイパス弁２９ｂを開き、電動過給機バイパス弁２８ｂと，進入防止弁７１と、逆流防止弁７２と、２次空気弁５２とを閉じるとともに、電動過給機２４を駆動する。これにより、電動過給機バイパス通路２８ａと２次空気供給通路５１とが遮断される。

このようにすることによって、エアクリーナ２２を通過した空気は、電動過給機バイパス通路２８ａを通らずに、第１のコンプレッサ２４ｂに達する。第１のコンプレッサ２４ｂに吸入された空気は、電動過給機２４によって、排気タービン過給機バイパス通路２９ａを通って各燃焼室１２内に過給される。

このとき、第２のコンプレッサ４２とインタークーラ２５とがバイパスされることによって吸気容積が減少するので、圧縮された空気は、効率よく各燃焼室１２内に過給されるようになる。つまり、自動車は、アクセルペダルの踏み込み量に対してレスポスよく加速される。

また、例えば自動車が坂道を登る状態など、アクセルペダル開度センサ６４と回転数センサ６５とからの情報によって、エンジン本体１１が低から中回転状態であってかつ高負荷状態であることをＥＣＵ８０が検出すると、ＥＣＵ８０は、電動過給機バイパス弁２８ｂと、排気タービン過給機バイパス弁２９ｂと、２次空気弁５２とを閉め、進入防止弁７１と、逆流防止弁７２とを開くとともに、電動過給機２４を駆動する。

これにより、電動過給機バイパス通路２８ａと、排気タービン過給機バイパス通路２９ａと、２次空気供給通路５１とは、遮断される。このため、エアクリーナ２２を通過した空気は、電動過給機２４と、排気タービン過給機４０とによって、２段階圧縮されて各燃焼室１２内に過給される。これにより、エンジン１０は、高い出力を得られるようになる。

また、例えば自動車が高速道路を走行する場合など、アクセルペダル開度センサ６４と回転数センサ６５とからの情報によって、エンジン本体１１が高速回転状態でかつ高負荷状態であることをＥＣＵ８０が検出すると、ＥＣＵ８０は、電動過給機バイパス弁２８ｂと、進入防止弁７１と、逆流防止弁７２とを開き、排気タービン過給機バイパス弁２９ｂと、２次空気弁５２とを閉じるとともに、電動過給機２４の駆動を停止する。

これは、電動過給機２４は、エンジン１０が低から中回転のときに有効に動作するように設定されており、エンジン１０の高回転時には、空気の流れの抵抗になるためである。

このようにすることによって、エアクリーナ２２を通過した空気は、第１のコンプレッサ２４ｂをバイパスして第２のコンプレッサ４２に達し、排気タービン過給機４０によって各燃焼室１２内に過給されるようになる。このため、エンジンは、高回転時であって高負荷時でも、更に高出力を得ることができるようになる。

第２の実施形態のエンジン１０は、さらに、進入防止弁７１を備えている。エンジン１０の冷態始動時など、排気通路３１内に２次空気を供給するときには、進入防止弁７１と閉じられることによって、第２のコンプレッサ４２側に圧縮空気が進入することが防止される。

このようにすることによって、吸気系２０において吸気容積が減少するので、空気が効率よく各燃焼室１２内に過給されるとともに、排気通路３１に圧縮空気が効率よく供給されるようになる。

このため、第１の実施形態の効果に加えて、触媒３３をより早く活性温度まで昇温することができるようになるので、排気ガス中の未燃燃料など有害物質の外部への排出がより一層抑制される。

さらに、自動車の中低速状態での加速時など、エンジン本体１１が低中回転状態で中負荷時では、進入防止弁７１が閉じられることによって、第２のコンプレッサ４２側に圧縮空気が進入することが防止されるので、吸気容積が減少する。このため、圧縮された空気が効率よく各燃焼室１２内に過給されるようになるので、第１の実施形態の効果に加えて、アクセルペダルの踏み込みに対して自動車がより一層レスポンスよく加速されるようになる。

また、第２の実施形態のエンジン１０は、進入防止弁７１と逆流防止弁７２とを備えている。エンジン１０の冷態始動時など、排気通路３１内に２次空気を供給するときには、進入防止弁７１と逆流防止弁７２とが閉じられることによって、第２のコンプレッサ４２側に圧縮空気が逆流することが防止される。

さらに、自動車の中低速状態での加速時など、エンジン本体１１が低中回転状態で中負荷時では、進入防止弁７１と逆流防止弁７２とが閉じられることによって、第２のコンプレッサ４２側に圧縮空気が逆流することが防止されるので、吸気容積が減少する。このため、圧縮された空気が効率よく各燃焼室１２内に過給されるようになるので、第１の実施形態の効果に加えて、アクセルペダルの踏み込みに対して自動車がより一層レスポンスよく加速されるようになる。

また、進入防止弁７１と逆流防止弁７２とが設けられることによって、前記したように進入防止弁７１と逆流防止弁７２とが閉められる状態では、第２のコンプレッサ４２とインタークーラ２５とに空気が進入することが防止されるので、吸気容積が減少する。

なお、第１，２の実施形態では、運転状態検出手段は、一例として触媒温度センサ６２と、冷却水温度センサ６３と、アクセルペダル開度センサ６４と、回転数センサ６５とを備える構成であるが、これに限定されるものではない。要するに、運転状態検出手段は、エンジン１０の運転状態が分かるように構成されていればよい。また、エンジン１０の始動時以外であっても、触媒３３が活性温度に達していないときには、２次空気弁５２を開けて圧縮空気を排気通路３１内に供給するようにしてもよい。

本発明の第１の実施形態に係るエンジンの概略図。本発明の第２の実施形態に係るエンジンの概略図。

符号の説明

１０…エンジン（内燃機関）、１１…エンジン本体（内燃機関本体）、１２…燃焼室、２１…吸気通路、２１ａ…第２の分岐部、２１ｂ…第２の合流部、２１ｃ…第１の分岐部、２１ｄ…第１の合流部、２１ｅ…２次空気供給通路分岐部、２４…電動過給機、２４ａ…電動機、２８ａ…電動過給機バイパス通路、２８ｂ…電動過給機バイパス弁、２９…排気タービン過給機バイパス部（抑制手段）、２９ａ…排気タービン過給機バイパス通路、２９ｂ…排気タービン過給機バイパス弁、３１…排気通路、３３…触媒、４０…排気タービン過給機、５１…２次空気供給通路、５２…２次空気弁、７１…進入防止弁（抑制手段）、７２…逆流防止弁（抑制手段）、８０…ＥＣＵ（抑制手段、制御部）。

Claims

燃焼室を備える内燃機関本体と、
前記燃焼室に連通する吸気通路と、
前記燃焼室に連通する排気通路と、
前記排気通路に設けられ、排気ガスを浄化する触媒と、
前記内燃機関本体の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
駆動用の電動機を備えて前記吸気通路に設けられ、前記内燃機関本体の運転状態に応じて駆動されて吸入した空気を前記燃焼室へ過給する電動過給機と、
前記吸気通路において前記電動過給機の下流に設けられ、排気ガスによって駆動されて吸入した空気を前記燃焼室へ過給する排気タービン過給機と、
前記吸気通路において、前記電動過給機と前記排気タービン過給機との間の第１の分岐部から分岐して前記排気タービン過給機の下流の第１の合流部に合流する前記排気タービン過給機バイパス通路と、
前記排気タービン過給機バイパス通路に設けられ、前記排気タービン過給機バイパス通路を開閉する排気タービン過給機バイパス弁と、
前記吸気通路において、前記電動過給機の上流の第２の分岐部から分岐して前記電動過給機と前記第１の分岐部との間の第２の合流部に合流する電動過給機バイパス通路と、
前記電動過給機バイパス通路に設けられ、前記電動過給機バイパス通路を開閉する電動過給機バイパス弁と、
前記吸気通路において、前記電動過給機と前記排気タービン過給機との間の２次空気供給通路分岐部から分岐し、前記排気通路に合流する２次空気供給通路と、
前記２次空気供給通路に設けられ、前記２次空気供給通路を開閉する２次空気弁と、
前記内燃機関本体の運転状態に応じて、前記電動過給機の駆動および前記排気タービン過給機バイパス弁と前記電動過給機バイパス弁と前記２次空気弁の開閉を制御する制御部と、
を具備し、
前記制御部は、前記内燃機関本体の冷態始動時において、前記触媒の温度が活性温度に昇温するまで、前記排気タービン過給機バイパス弁および前記２次空気弁を開くとともに前記電動過給機バイパス弁を閉じて前記電動過給機を駆動し、前記吸入空気を２次空気として前記排気通路へ供給させるとともに前記排気タービン過給機をバイパスさせて前記燃焼室へ供給させることを特徴とする過給機付き内燃機関。
請求項１において、
前記制御部は、前記排気通路に２次空気を供給するときに前記燃焼室に供給される燃料を増量することを特徴とする過給機付き内燃機関。
請求項１または請求項２において、
前記運転状態検出手段は、前記触媒の温度を検出する触媒温度センサと、前記内燃機関本体の冷却水の温度を検出する冷却水温度センサと、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルペダル開度センサと、前記内燃機関本体の回転数を検出する回転数センサと、前記制御部とを具備し、
前記制御部は、前記各センサからの情報に基づいて前記内燃機関本体の運転状態を検出することを特徴とする過給機付き内燃機関。
請求項１から請求項３のうちのいずれか１項の記載において、
前記制御部は、前記内燃機関本体の運転状態が低中回転時で中負荷状態にあるときには、前記排気タービン過給機バイパス弁を開くとともに前記電動過給機バイパス弁と前記２次空気弁を閉じて前記電動過給機を作動させ、前記内燃機関本体の運転状態が高回転時で高負荷状態にあるときには、前記電動過給機バイパス弁を開くとともに前記排気タービン過給機バイパス弁と前記２次空気弁を閉じて前記排気タービン過給機を作動させ、前記内燃機関本体の運転状態が低中回転時で高負荷状態にあるときには、前記排気タービン過給機バイパス弁と前記電動過給機バイパス弁と前記２次空気弁を閉じて前記電動過給機と前記排気タービン過給機の両方を作動させることを特徴とする過給機付き内燃機関。
請求項１から請求項４のうちのいずれか１項の記載において、
前記吸気通路において前記２次空気供給通路分岐部および前記第１の分岐部の下流であって前記排気タービン過給機の上流に設けられ、前記吸気通路を開閉する進入防止弁を具備し、
前記制御部は、前記排気通路に２次空気を供給するときおよび前記内燃機関本体の運転状態が低中回転時で中負荷状態にあるときには、前記進入防止弁を閉じることを特徴とする過給機付き内燃機関。
請求項１から請求項５のうちのいずれか１項の記載において、
前記吸気通路において前記第１の合流部と前記排気タービン過給機との間に設けられ、前記吸気通路を開閉する逆流防止弁と
を具備し、
前記制御部は、前記排気通路に２次空気を供給するときおよび前記内燃機関本体の運転状態が低中回転時で中負荷状態にあるときには、前記逆流防止弁を閉じることを特徴とする過給機付き内燃機関。