JP2018059495A - エンジンシステム - Google Patents

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

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。

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。

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。 本発明の実施形態による運転領域を示したグラフである。 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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (7)

1. 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。
   
2. 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。
   
3. 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。
   
4. 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。
   
5. 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。
   
6. 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。
   
7. 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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