JP2018059495A - エンジンシステム - Google Patents
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Abstract
【課題】排気干渉を最小化できるエンジンシステムを提供する。
【解決手段】本発明によ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と、複数の燃焼室のうち一部の燃焼室に連結される第1排気マニホールドと、複数の燃焼室のうち他の一部の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を含む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を含む電動式スーパーチャージャと、を含んで構成される。
【選択図】図1
【解決手段】本発明によ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と、複数の燃焼室のうち一部の燃焼室に連結される第1排気マニホールドと、複数の燃焼室のうち他の一部の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を含む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を含む電動式スーパーチャージャと、を含んで構成される。
【選択図】図1
Description
本発明はエンジンシステムに係り、より詳細には排気干渉を低減させてエンジンの高圧縮比を実現し、中/高負荷領域で燃費を改善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され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は、燃焼のために外部の空気を十分に供給して所望する出力と燃焼効率を得ている。これのため、エンジンの燃焼効率を高めるために燃焼用空気を過給させる装置としてターボチャージャ(turbocharger)が使用されている。
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、タービンに供給される排気ガス量を調節するウェストゲートバルブ(waste gate valve)が備えられる。ターボチャージャに使用されるウェストゲートバルブの値段は、非常に高価である。
エンジンの駆動で動力を発生させる過程では、燃焼のために外部の空気を十分に供給して所望する出力と燃焼効率を得ている。これのため、エンジンの燃焼効率を高めるために燃焼用空気を過給させる装置としてターボチャージャ(turbocharger)が使用されている。
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、タービンに供給される排気ガス量を調節するウェストゲートバルブ(waste gate valve)が備えられる。ターボチャージャに使用されるウェストゲートバルブの値段は、非常に高価である。
過給装置の他の例としては、モータを使用し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 super charger)が使用されている。電動式スーパーチャージャはバッテリーによって駆動されるためターボラグが殆どなく、主に低速低負荷領域から燃焼室に過給空気を供給する。
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)は、応答性が落ち、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、車両に使用さ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を全て備えた新たな概念のエンジンシステムに対する開発が求められている。また、一般的な4気筒エンジンの場合、各気筒から排出される排気ガスが他の気筒に影響を与える排気干渉が発生する。このような排気干渉によって各気筒の内部に残留排気ガス量が増加し、これにより高圧縮比を実現することができず、車両の燃費を増加させることが難しいという問題がある。
本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、本発明の目的は排気干渉を最小化できるエンジンシステムを提供することにある。また、本発明の他の目的は、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を備えた新たな概念のエンジンシステムを提供することにある。
前記目的を達成するための本発明によ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と、前記複数の燃焼室のうち一部の燃焼室に連結される第1排気マニホールドと、前記複数の燃焼室のうち他の一部の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、前記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を含む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前記モータによって作動する電動式コンプレッサを含む電動式スーパーチャージャと、を含んでなることを特徴とする。
前記タービンは前記第1排気マニホールドから排出される排気ガスが流れる第1排気ラインに装着され、前記第2排気マニホールドから排出される排気ガスが流れる第2排気ラインと前記第1排気ラインが合流する地点に設けられる排気ガス処理装置と、をさらに含むことを特徴とする。
前記燃焼室は、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つ燃焼室を備えた4気筒エンジンであり、前記第2燃焼室と前記第3燃焼室は前記第1排気マニホールドと連結され、前記第1燃焼室と前記第4燃焼室は前記第2排気マニホールドと連結されることを特徴とする。
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され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をさらに含むことを特徴とする。
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ることを特徴とする。
低速および中速領域でエンジントルクは、前記バイパスバルブの開度量、前記電動式スーパーチャージャによる過給空気量、および前記スロットルバルブの開度量によって調節されることを特徴とする。
高速領域でエンジントルクは、前記スロットルバルブの開度量によって調節されることを特徴とする。
本発明の実施形態によ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動作させ、その他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、背圧を減少させることができる。したがって排気干渉を最小化することができ、高圧縮比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動作させ、その他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ウェストゲートバルブに代わる機構にできる。
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動作させ、その他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ウェストゲートバルブに代わる機構にできる。
以下、本発明によるエンジンシステムについて、図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本発明の実施形態によるエンジンシステムの構成を示した概念図である。図1に示すように、本発明の実施形態によ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多数の燃焼室を含むエンジン10、燃焼室に過給空気を供給するターボチャージャ40、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50(electric super charger)、および燃焼室に連結される排気マニホールドを含む。
エンジン10の燃焼室は四つの燃焼室を備えた4気筒エンジンである。多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。排気マニホールドは複数の燃焼室のうち一部の燃焼室に連結される第1排気マニホールド31と複数の燃焼室のうち他の燃焼室に連結される第2排気マニホールド35を含む。第1排気マニホールド31は第2燃焼室12と第3燃焼室13と連結され、第2排気マニホールド35は第1燃焼室11と第4燃焼室14と連結され得る。第1排気マニホールド31は第1排気ライン33と連結され、第2排気マニホールド35は第2排気ライン37と連結される。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で合流する。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あり、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を含む。このとき、タービン41は第1排気ライン33と連結されて第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動作する。
電動式スーパーチャージャ50(electric super charger)は、燃焼室に過給空気を供給するためのものであり、モータ51と電動式コンプレッサ53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より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は外気が流入される吸気ライン60に備えられる。吸気ライン60の入口には流入され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。また、吸気ライン60にはターボチャージャ40によって圧縮された空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を介して流入され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が装着されて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が装着される。バイパスバルブ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。
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は外気が流入される吸気ライン60に備えられる。吸気ライン60の入口には流入され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。また、吸気ライン60にはターボチャージャ40によって圧縮された空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を介して流入され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が装着されて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が装着される。バイパスバルブ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よるエンジンシステムの動作について添付の図面を参照して詳細に説明する。
図2は本発明による運転領域を示したグラフである。図2で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は本発明による運転領域を示したグラフである。図2で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とき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に示すように、エンジンの回転数が相対的に小さい低速領域では第2燃焼室および第3燃焼室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によって燃焼室に供給される過給空気量は多くない。したがってターボチャージャ40によるブースティングは制約的である。したがって、低速領域では電動式スーパーチャージャ50によって燃焼室に過給空気が供給され、エンジン速度に応じたエンジントルクはバイパスバルブ66の開度量、電動式スーパーチャージャ50による過給空気量、およびスロットルバルブ64の開度量により調節される。バイパスバルブ66、スロットルバルブ64と電動式スーパーチャージャ50は車両に備えられた制御器20(例えば、ECU(engine control unit))により制御され得る。
制御器20は、設定されたプログラムによって作動する一つ以上のプロセッサに備えられ、設定されたプログラムは、本発明の実施形態によるエンジンシステムの制御方法の各段階を行う。
また、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。これによって第1燃焼室11と第4燃焼室14の圧縮比を高めることができ、燃費が向上する。
また、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。これによって第1燃焼室11と第4燃焼室14の圧縮比を高めることができ、燃費が向上する。
エンジンの回転数が低速領域より大きい中速領域では、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て、中速領域でのエンジントルクはバイパスバルブ66の開度量、電動式スーパーチャージャ50による過給空気量、およびスロットルバルブの開度量によって調節される。
エンジンの回転数が中速領域より大きい高速領域では、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、高速領域では電動式スーパーチャージャ50によるブースティングは行われず、ターボチャージャ40によるブースティングが行われる。また、高速領域でのエンジントルクはスロットルバルブ64の開度量によって調節される。
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てタービン41が回転許容限度以上に回転するため、タービンホイール42の過負荷問題が発生する。このような問題を解決するため、ウェストゲートバルブを使用してエンジン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た。このとき、エンジン10の燃焼室から排出される排気ガスのほぼ半分はタービン41をバイパスさせる。
しかし、本発明の実施形態によるエンジンシステムは、二つの燃焼室(第2燃焼室12、および第3燃焼室13)から排出される排気ガスのみがターボチャージャ40のタービン41を動作させるため、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に使用されていたウェ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することができる。
また、ウェストゲートバルブを除去しても高速領域でのエンジン出力を確保することができる。そして低速/中速領域では電動式スーパーチャージャの制御によってエンジントルクを調節するためウェストゲートバルブを制御する必要はない。したがって、制御安定性を確保することができできる。
また、ウェストゲートバルブを除去しても高速領域でのエンジン出力を確保することができる。そして低速/中速領域では電動式スーパーチャージャの制御によってエンジントルクを調節するためウェストゲートバルブを制御する必要はない。したがって、制御安定性を確保することができできる。
以下、本発明によるエンジンシステムによって排気干渉を減少させる過程について具体的に説明する。
図3は本発明の実施形態によるエンジンシステムの排気干渉低減原理を説明するための概念図である。
図3は本発明の実施形態によるエンジンシステムの排気干渉低減原理を説明するための概念図である。
図3に示すように、本発明の実施形態によるエンジンシステムは排気マニホールドが第1排気マニホールド31と第2排気マニホールド35に区分される。つまり、第2燃焼室12と第3燃焼室13から排出される排気ガス(以下、「第1排気ガス」という)は第1排気マニホールド31と第1排気ライン33を経てメイン排気ライン30に排出され、第1燃焼室11と第4燃焼室14から排出される排気ガス(以下、「第2排気ガス」という)は第2排気マニホールド35と第2排気ライン37を経てメイン排気ライン30に排出される。
このとき、第1排気ガスの流路(第2排気ライン)と第2排気ガスの流路(第1排気ライン)はタービン41のタービンホイール42によって物理的に分離されるため、第1排気ガスと第2排気ガスが互いに干渉することを防止することができる。
つまり、タービンホイール42によって第2排気ガスがタービンホイール42を逆流して第2燃焼室12と第3燃焼室13に移動するのは非常に難しいため、第2排気ガスが第2燃焼室12と第3燃焼室13に干渉を発生させことを防止することができる。
また、タービンホイールによって第1排気ガスの流路(第2排気ライン)と第2排気ガスの流路(第1排気ライン)が完璧に分離されなくても、第1排気ガスがタービンホイール42と排気ガス処理装置80を介して第1燃焼室11および第4燃焼室14に伝達されるとき、または第2排気ガスがタービンホイール42と排気ガス処理装置80を介して第2燃焼室12と第3燃焼室13に伝達されるとき、排気ガス処理装置80は、一種の共鳴器(resonator)としての役割を果たす。
つまり、第1排気ガスと第2排気ガスは一種のパルス形態に排出されるが、パルス形態の第1排気ガスが排気ガス処理装置80を通過して第1燃焼室11および第4燃焼室14に伝達されるとき、または第2排気ガスがタービンホイール42と排気ガス処理装置80を介して第2燃焼室12と第3燃焼室13に伝達されるとき、排気ガス処理装置80によって第1排気ガスと第2排気ガスの脈動の大きさが減少し、これによって第1排気ガスが第1燃焼室11および第4燃焼室14に及ぼす干渉、または第2排気ガスが第2燃焼室12と第3燃焼室13に及ぼす干渉を最少化することができる。
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ず、多様に実施することが可能である。
このとき、第1排気ガスの流路(第2排気ライン)と第2排気ガスの流路(第1排気ライン)はタービン41のタービンホイール42によって物理的に分離されるため、第1排気ガスと第2排気ガスが互いに干渉することを防止することができる。
つまり、タービンホイール42によって第2排気ガスがタービンホイール42を逆流して第2燃焼室12と第3燃焼室13に移動するのは非常に難しいため、第2排気ガスが第2燃焼室12と第3燃焼室13に干渉を発生させことを防止することができる。
また、タービンホイールによって第1排気ガスの流路(第2排気ライン)と第2排気ガスの流路(第1排気ライン)が完璧に分離されなくても、第1排気ガスがタービンホイール42と排気ガス処理装置80を介して第1燃焼室11および第4燃焼室14に伝達されるとき、または第2排気ガスがタービンホイール42と排気ガス処理装置80を介して第2燃焼室12と第3燃焼室13に伝達されるとき、排気ガス処理装置80は、一種の共鳴器(resonator)としての役割を果たす。
つまり、第1排気ガスと第2排気ガスは一種のパルス形態に排出されるが、パルス形態の第1排気ガスが排気ガス処理装置80を通過して第1燃焼室11および第4燃焼室14に伝達されるとき、または第2排気ガスがタービンホイール42と排気ガス処理装置80を介して第2燃焼室12と第3燃焼室13に伝達されるとき、排気ガス処理装置80によって第1排気ガスと第2排気ガスの脈動の大きさが減少し、これによって第1排気ガスが第1燃焼室11および第4燃焼室14に及ぼす干渉、または第2排気ガスが第2燃焼室12と第3燃焼室13に及ぼす干渉を最少化することができる。
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ず、多様に実施することが可能である。
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 制御器
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
42 タービンホイール
43 コンプレッサ
44 コンプレッサホイール
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
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 制御器
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
42 タービンホイール
43 コンプレッサ
44 コンプレッサホイール
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)
- 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連結される第1排気マニホールドと、
前記複数の燃焼室のうち他の一部の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、および前記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を含む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前記モータによって作動する電動式コンプレッサを含む電動式スーパーチャージャと、
を含んでなることを特徴とするエンジンシステム。
- 前記タービンは、前記第1排気マニホールドから排出される排気ガスが流れる第1排気ラインに装着され、
前記第2排気マニホールドから排出される排気ガスが流れる第2排気ラインと前記第1排気ラインが合流する地点に設けられる排気ガス処理装置と、
をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載のエンジンシステム。
- 前記燃焼室は順次に第1燃焼室、第2燃焼室、第3燃焼室、および第4燃焼室の4つ燃焼室を備える4気筒エンジンであり、
前記第2燃焼室と前記第3燃焼室は前記第1排気マニホールドと連結され、前記第1燃焼室と前記第4燃焼室は、前記第2排気マニホールドと連結され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。
- 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され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をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載のエンジンシステム。
- 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ることを特徴とする請求項4に記載のエンジンシステム。
- 低速および中速領域でエンジントルクは前記バイパスバルブの開度量、前記電動式スーパーチャージャによる過給空気量、および前記スロットルバルブの開度量によって調節されることを特徴とする請求項5に記載のエンジンシステム。
- 高速領域でエンジントルクは前記スロットルバルブの開度量によって調節されることを特徴とする請求項5に記載のエンジンシステム。
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