JP2005291019A - 多気筒内燃機関の過給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明の目的は、気筒休止時におけるさらなる過給効率向上を実現することのできる内燃機関の過給装置を提供することにある。
【解決手段】 本発明は、一部の気筒２における燃焼を停止させることが可能な気筒休止型の多気筒内燃機関１の過給装置であり、非気筒休止側の吸気通路５上に配された非休止側過給機１０ａと、気筒休止側の吸気通路５上に配された休止側過給機１０ｂと、非休止側過給機の過給を促進する電動機１３とを備えている。そして、非気筒休止側吸気通路５及び気筒休止側吸気通路５が、各過給機１０の下流側に一部合流部５ａを有しており、気筒休止側の気筒２での燃焼を停止させ、かつ、電動機１３の駆動によって非気筒休止側の気筒２への過給を促進させるときに、合流部５ａを介した気筒休止側への過給気抜けを防止する過給気抜け防止手段１２（気筒休止側スロットルバルブ）をさらに備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電動機を利用して過給を行うことのできる、内燃機関の過給装置に関する。

過給機を用いてエンジン（内燃機関）の吸入空気量を過給し、高出力を得ようとする（あるいは低燃費を実現する）ことは従来から行われている。このような過給機に電動機を組み込み、軽負荷時の効率改善を図ろうとする技術も知られている（［特許文献１］など）。
特開平６−１７３６９９号公報

上述した［特許文献１］に記載の電動機付過給機を有する多気筒内燃機関は、吸排気系が二つの気筒群に分けられている。そして、各気筒群毎にターボユニット（過給機）が配設されており、各ターボユニットに電動機が内蔵されている。［特許文献１］の内燃機関は、一方の気筒群の燃焼を停止させ、他方の気筒群の燃焼のみで運転することが可能な、いわゆる気筒休止型の内燃機関でもある。なお、ターボユニットは、内蔵した電動機を発電機として利用して発電を行うことも可能である。

しかし、上述したような内燃機関においては、過給機下流側に各気筒群の吸気管が集合されている集合部が存在すると、一方の気筒群を休止させつつ電動機を用いて過給を行ったときに休止側の吸気通路側に過給気が逃げ、過給効率が悪化することが危惧される。このため、さらなる過給効率改善が必要となっていた。従って、本発明の目的は、気筒休止時におけるさらなる過給効率向上を実現することのできる内燃機関の過給装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明は、一部の気筒における燃焼を停止させることが可能な気筒休止型の多気筒内燃機関の過給装置であり、非気筒休止側の吸気通路上に配された非休止側過給機と、気筒休止側の吸気通路上に配された休止側過給機と、非休止側過給機の過給を促進する電動機とを備えている。そして、非気筒休止側吸気通路及び気筒休止側吸気通路が、各過給機の下流側に一部合流部を有しており、気筒休止側の気筒での燃焼を停止させ、かつ、電動機の駆動によって非気筒休止側の気筒への過給を促進させるときに、合流部を介した気筒休止側への過給気抜けを防止する過給気抜け防止手段をさらに備えている。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の多気筒内燃機関の過給装置において、非気筒休止側吸気通路上における非気筒休止側過給機と合流部との間に非気筒休止側スロットルバルブが配されると共に、気筒休止側吸気通路上における気筒休止側過給機と合流部との間に気筒休止側スロットルバルブが配されており、過給気抜け防止手段が気筒休止側スロットルバルブであることを特徴としている。

請求項１に記載の多気筒内燃機関の過給装置によれば、一部の気筒における燃焼を休止させたとき（気筒休止時）に、過給気抜け防止手段によって非気筒休止側吸気通路から気筒休止側吸気通路への過給気の流入を防止することができる。この結果、非気筒休止側吸気通路での過給が確実に行われ、過給効率向上を実現することができる。

請求項２に記載の多気筒内燃機関の過給装置によれば、気筒休止側吸気通路と非気筒休止側吸気通路との双方にスロットルバルブを配置し、気筒休止側のスロットルバルブを過給気抜け防止手段として利用することで、過給気抜け防止のために新たなデバイスを設ける必要がなく、また、応答性よく確実に過給気抜けを防止することができる。

本発明の多気筒内燃機関の過給装置の一実施形態について以下に説明する。本実施形態の過給装置を有するエンジン１を図１に示す。

本実施形態で説明するエンジン１は、車両に搭載された６気筒Ｖ型エンジンである。エンジン１は、三気筒ずつの二つの気筒群によって構成されており、各気筒群が一つのバンクを形成している。図１には、各バンク毎に一つずつ、計二つの気筒（シリンダ２）が断面図として示されている。なお、実際には、この二つのシリンダ２は紙面奥行方向にオフセットした位置にあるが、図１では説明を容易にするため二つのシリンダ２を同一平面上に示してある。エンジン１は、図１中右側の気筒群（バンク）の燃焼を休止することが可能な気筒休止型のエンジンでもある。図１中左側の気筒群（バンク）が非気筒休止側となる。

エンジン１は、インジェクタ３によってシリンダ２内のピストン４の上面に燃料を噴射するいわゆる筒内噴射型のエンジンである。このエンジン１は、均質燃焼だけでなく成層燃焼も可能である。また、このエンジン１は、理論空燃比燃焼（ストイキ燃焼）に加えて希薄燃焼（リーンバーンエンジン）も可能である。後述するターボユニット１０によってより多くの吸入空気を過給してリーンバーンを行うことによって、高出力化だけでなく低燃費化に重点を置いた燃焼をすることも可能である。

エンジン１は、吸気通路５を介してシリンダ２内に吸入した空気をピストン４によって圧縮し、ピストン４の上面に形成された窪みの内部に燃料を噴射して濃い混合気を点火プラグ７近傍に集め、これに点火プラグ７で着火させて燃焼させる。このときの燃焼によってシリンダ２内の圧力は上昇してピストン４が往復運動され、この往復運動がコネクティングロッド８によって回転運動に変換されて出力として取り出される。吸気通路５は、各バンク毎に設けられており、各吸気通路５は、後述するスロットルバルブ１２（１２ａ，１２ｂ）の下流側で一部合流されている（合流部５ａ：サージタンク）。

シリンダ２の内部と吸気通路５との間は、図示されない吸気バルブによって開閉される。燃焼後の排気ガスは排気通路６に排気される。シリンダ２の内部と排気通路６との間は、図示されない排気バルブによって開閉される。各吸気通路５上には、上流側からエアクリーナ９、ターボユニット１０、インタークーラー１１、スロットルバルブ１２などが配置されている。エアクリーナ９は、吸入空気中のゴミや塵などを取り除くフィルタである。ターボユニット１０は、吸気通路５と排気通路６との間に配され、過給を行うものである。

また、非気筒休止側に配設されたターボユニット１０ａには、タービンホイールとコンプレッサホイールとを連結する回転軸が出力軸となるようにモータ（電動機）１３が組み込まれている。モータ１３は、交流モータであり、発電機としても機能し得る。ターボユニット１０は、排気エネルギーによってのみ過給を行う通常の過給機としても機能し得るが、モータ１３によってタービン／コンプレッサを強制的に駆動することでさらなる過給を行うこともできる。さらに、排気エネルギーを利用して、タービン／コンプレッサを介してモータ１３を回転させることで回生発電させ、発電された電力を回収することもできる。図示されていないが、モータ１３は、タービン／コンプレッサの回転軸に固定されたロータと、その周囲に配置されたステータとを主たる構成部分として有している。一方、気筒休止側のターボユニット１０ｂにはモータは内蔵されておらず、気筒休止側のターボユニット１０ｂは、排気エネルギーを利用して過給を行う通常のターボユニットである。

各吸気通路５上の各ターボユニット１０の下流側には、ターボユニット１０による過給で圧力上昇に伴って温度が上昇した吸入空気の温度を下げる空冷式インタークーラー１１が配されている。インタークーラー１１によって吸入空気の温度を下げ、充填効率を向上させる。インタークーラー１１の下流側には、吸入空気量を調節するスロットルバルブ１２が配されている。本実施形態のスロットルバルブ１２は、いわゆる電子制御式スロットルバルブであり、アクセルペダルの操作量をアクセルポジションセンサ（図示せず）で検出し、この検出結果と他の情報量とに基づいてＥＣＵ（電子制御コントロールユニット）１４がスロットルバルブ１２の開度を決定するものである。スロットルバルブ１２は、これに付随して配設されたスロットルモータ１５によって開閉される。また、スロットルバルブ１２に付随して、その開度を検出するスロットルポジションセンサ（図示せず）も配設されている。

スロットルバルブ１２の下流側には、吸気通路５内の圧力（吸気圧：過給圧）を検出する圧力センサ（図示せず）も配設されている。これらのセンサ類はＥＣＵ１４に接続されており、その検出結果をＥＣＵ１４に送出している。ＥＣＵ１４は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等からなる電子制御ユニットである。ＥＣＵ１４には、上述したインジェクタ３、点火プラグ７等も接続されており、これらはＥＣＵ１４からの信号によって制御されている。ＥＣＵ１４には、このほかにも、モータ１３と接続されたコントローラ１６・バッテリ１７なども接続されている。コントローラ１６は、モータ１３の駆動を制御するだけでなく、モータ１３が回生発電した電力の電圧変換を行うインバータとしての機能も有している。回生発電による電力は、コントローラ１６によって電圧変換された後にバッテリ１７に充電される。一方、排気通路６上には、排気ガスを浄化する排気浄化触媒１８がターボユニット１０の下流側に取り付けられている。

次に、気筒休止時の過給機の制御について説明する。上述したように、エンジン１は、気筒休止型エンジンであり、低負荷走行時などに一部の気筒（ここでは図１右側バンクの気筒群）の燃焼を休止することで燃費の向上を図るものである。このとき、ターボユニット１０によって過給を行うことで気筒休止による出力低下分を補うことができる。しかし、非気筒休止側のターボユニット１０ａで過給を行う場合、モータ１３による過給促進を行わないと、加速時などに過給遅れによるトルク不足が発生する（ターボラグ）ため、実用運転領域が狭くなることが懸念される。

そこで、本実施形態では、非気筒休止側のターボユニット１０ａにモータ１３を内蔵させて、加速時などのターボラグを解消すべくモータ１３の駆動による過給促進を行う。しかし、このとき、何も行わないと、ターボユニット１０ａによって過給された過給気は合流部５ａを介して気筒休止側に流入し、吸気通路５を介してエアクリーナ９側に逃げてしまう。このため、本実施形態では、気筒休止時には気筒休止側のスロットルバルブ１２ｂを全閉とし、モータ１３を併用してターボユニット１０ａによって過給した過給気が気筒休止側吸気通路５の上流側に抜けてしまうのを抑止する。このように過給気抜けを抑止することで、良好な過給効率が得られる。

気筒休止は、アクセル開度や車速などに基づいて、ＥＣＵ１４によって実行するか否かが決定される。気筒休止を実行すると決定された場合は、ＥＣＵ１４から気筒休止側のスロットルモータ１５に対して駆動信号が送出され、気筒休止側のスロットルバルブ１２ｂが全閉とされる。同時に、気筒休止側インジェクタへの燃料供給が禁止される。また、必要に応じて気筒休止側点火プラグ７の点火が禁止される（点火プラグ７の温度維持のために点火を禁止しない場合がある）。また、ＥＣＵ１４は、気筒休止運転中には、アクセルペダル操作量（運転者のエンジン１に対する要求トルク）や吸入空気量、バッテリ充電量などに基づいて、モータ１３への供給電力量を決定する。

なお、気筒間の吸気バルブの開いている時間に多少のオーバーラップがあっても、
ターボユニット１０ａによって過給された過給気が、気筒休止側のシリンダ２側に抜ける影響は少ない。ただし、自然吸気エンジンと比較した場合には、オーバーラップ時の過給気抜けの影響は比較的大きいため、可変動弁を用いてオーバーラップ量を低減することが望ましい。

また、モータ１３を気筒休止側のターボユニット１０ｂにも内蔵させ、気筒休止時にターボユニット１０ｂによる過給を行ってターボラグを解消することも考えられる。しかし、この場合、気筒休止側では燃焼が行われないにもかかわらず、気筒休止側ターボユニット１０ｂで過給を行うこととなるため、エネルギーの消費が増えて燃費改善効果が薄れるという問題がある。また、モータ１３を二つ配設することはコスト増に繋がるだけでなく、重量増による燃費悪化も懸念される。さらに、気筒休止時には、気筒休止側ターボユニット１０ｂの過給に排気エネルギーは利用できないため、モータ１３のみでの過給となるため、過給効率が良くない。そこで、本実施形態では、気筒休止側ターボユニット１０ｂをモータを内蔵しない単なるターボユニットとしつつ、気筒休止時に過給気抜けを防止している。

上述したように、非気筒休止側のターボユニット１０ａにのみモータ１３を内蔵させることが好ましいが、非気筒休止側・気筒休止側の双方のターボユニット１０にそれぞれモータ１３を内蔵させても良い。このような場合は、非気筒休止側モータ１３の出力（最大出力：容量：過給促進能力）を気筒休止側モータ１３の出力（最大出力：容量：過給促進能力）よりも大きくしておくと良い。このようにしておけば、使用頻度の多い非気筒休止側の出力（最大出力：容量：過給促進能力）を大きくすることができるため費用対効果が高い。また、気筒休止運転時のエンジントルク及びレスポンスを向上させることができるため、気筒休止運転域を拡大でき、燃費を向上させることができる。この際も、上述した気筒休止側のスロットルバルブ１２ｂなどの過給気抜け手段を用いることで、過給効果を向上させることができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述した実施形態では、非気筒休止側と気筒休止側とにそれぞれスロットルバルブ１２ａ，１２ｂを設けた。しかし、スロットルバルブの上流で吸気通路を合流させ、スロットルバルブの下流側で非気筒休止側吸気通路と気筒休止側吸気通路とに分岐させてもよい。この場合は、過給気抜け防止手段としてスロットルバルブを利用することはできないので、分岐後の気筒休止側吸気通路に吸気通路を遮断する閉鎖弁などを設け、これを過給気抜け防止手段として利用すればよい。

本発明の多気筒内燃機関の過給装置の一実施形態を有するエンジンの構成を示す構成図である。

符号の説明

、１…エンジン（内燃機関）、２…シリンダ（気筒）、３…インジェクタ、４…ピストン、５…吸気通路、５ａ…合流部、６…排気通路、７…点火プラグ、８…コネクティングロッド、９…エアクリーナ、１０…ターボユニット（過給機）、１０ａ…非気筒休止側ターボユニット、１１…インタークーラー、１２…スロットルバルブ、１３…モータ（電動機）、１４…ＥＣＵ、１５…スロットルモータ、１６…コントローラ、１７…バッテリ、１８…排気浄化触媒。

Claims (2)

1. 一部の気筒における燃焼を停止させることが可能な気筒休止型の多気筒内燃機関の過給装置において、
   非気筒休止側の吸気通路上に配された非休止側過給機と、
   気筒休止側の吸気通路上に配された休止側過給機と、
   前記非休止側過給機の過給を促進する電動機とを備えており、
   前記非気筒休止側吸気通路及び前記気筒休止側吸気通路が、前記各過給機の下流側に一部合流部を有しており、
   気筒休止側の気筒での燃焼を停止させ、かつ、前記電動機の駆動によって非気筒休止側の気筒への過給を促進させるときに、前記合流部を介した気筒休止側への過給気抜けを防止する過給気抜け防止手段をさらに備えていることを特徴とする多気筒内燃機関の過給装置。
2. 前記非気筒休止側吸気通路上における前記非気筒休止側過給機と前記合流部との間に非気筒休止側スロットルバルブが配されると共に、前記気筒休止側吸気通路上における前記気筒休止側過給機と前記合流部との間に気筒休止側スロットルバルブが配されており、前記過給気抜け防止手段が前記気筒休止側スロットルバルブであることを特徴とする請求項１に記載の多気筒内燃機関の過給装置。

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