JP6287148B2

JP6287148B2 - エンジンの過給システム

Info

Publication number: JP6287148B2
Application number: JP2013254883A
Authority: JP
Inventors: 宗篤柿木
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2013-12-10
Filing date: 2013-12-10
Publication date: 2018-03-07
Anticipated expiration: 2033-12-10
Also published as: JP2015113738A; WO2015087753A1

Description

本発明はエンジンの過給システムに関し、更に詳しくは、過給器の応答遅れによるエンジンへの過給量不足をより迅速に補うことができるエンジンの過給システムに関する。

近年、ディーゼルエンジンやガソリンエンジンの気筒内に空気を送り込む過給システムは、構造が複雑化しかつ構成部品の点数が増加する傾向にある。また、過給システムの制御内容も複雑化している。そのため、過給される空気の増減を制御する際に応答遅れが発生し、目標としている制御を行うことができない可能性が高くなっている（例えば、特許文献１を参照）。

このような問題を解決するために、排気ターボ式過給器のタービンを通過する空気量をバルブ機構を開閉させることにより制御することが提案されている（特許文献２を参照）。また、圧力容器に貯留されたエンジンの排ガスを、過渡時において吸気系に放出することが提案されている（特許文献３を参照）。

しかしながら、特許文献２の発明では、バルブの開閉によって制御された空気がエンジン気筒内に到達するまでの時間が、流路の長さや流路内の汚れなどにより左右されるため、目的とする空気量が得られないおそれがある。また、特許文献３の発明では、圧力容器から吸気系に至る配管内を通過する排ガスの制御については考慮されていないため、圧力損失や制御の応答遅れが発生するおそれがある。

特開２００７−２６３０４０号公報特開２００７−１９２１５５号公報特開２０１１−２１５５８号公報

本発明の目的は、過給器の応答遅れによるエンジンへの過給量不足を、従来よりも迅速に補うことができるエンジンの過給システムを提供することにある。

上記の目的を達成する本発明のエンジンの過給システムは、燃焼室を有するエンジンの過給システムであって、前記燃焼室内に圧縮空気を供給する圧縮空気供給手段と、制御手段とを有し、前記圧縮空気供給手段は、一対の蓄圧タンクと、前記燃焼室と前記一対の蓄圧タンクとをそれぞれ接続する一対の供給支管と、前記一対の供給支管にそれぞれ配置された一対の制御弁と、を備え、前記制御手段は、前記一対の蓄圧タンクに互いに異なる組成のガスを圧縮して貯蔵するとともに、前記エンジンへの過給量の不足時に、前記一対の制御弁をそれぞれ開弁することで前記一対の蓄圧タンクに貯蔵された前記ガスを前記一対の供給支管をそれぞれ介して前記燃焼室内へ供給することを特徴とするものである。

本発明のエンジンの過給システムによれば、エンジンへの過給量が不足したときには、吸気管とは別ルートで、燃焼室内へ圧縮空気を直接的に供給するようにしたので、過給器の応答遅れによるエンジンへの過給量不足を従来よりも迅速に補うことができる。

本発明の第１の実施形態からなるエンジンの過給システムの構成図である。本発明の第２の実施形態からなるエンジンの過給システムの構成図である。本発明の第３の実施形態からなるエンジンの過給システムの構成図である。本発明の第４の実施形態からなるエンジンの過給システムの構成図である。本発明の第５の実施形態からなるエンジンの過給システムの構成図である。吹出口が開口する方向を示す燃焼室の径方向の断面図であって、（ａ）は燃焼室の内周壁の接線側の方向に開口する場合を、（ｂ）は燃焼室の中心軸側の方向に開口する場合を、それぞれ示す。本発明の第６の実施形態からなるエンジンの過給システムの構成図の例である。本発明の第７の実施形態からなるエンジンの過給システムの構成図の例である。図８における燃焼室の径方向の断面図である。本発明の第８の実施形態からなるエンジンの過給システムの構成図である。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態からなるエンジンの過給システムを示す。なお、図中の矢印は気体の流れる方向を示している。

このエンジンの過給システム（以下、「過給システム」という。）１Ａにおいては、吸気口２から吸気管３内へ吸入された空気は、インテークマニホールド（図示せず）を経て、ディーゼルエンジン４の複数の気筒５内（この例では４個）にそれぞれ供給される。そして、各気筒５内に形成された燃焼室６内において噴射燃料と混合した後に燃焼して、その燃焼圧力によってピストンを膨張させた後に、エキゾーストマニホールド（図示せず）を経て、排ガスとなって排気管７へ排出されるが、その一部は排気管７から分岐して吸気管３に合流するＥＧＲ通路８にＥＧＲガスとなって分流する。ＥＧＲ通路８には、ＥＧＲクーラー９とＥＧＲ弁１０とが、排気管７側から順に介設されている。ＥＧＲ通路８に分流しなかった排ガスは、排気口１１から外部へ放出される。

そして、この過給システム１Ａには、吸気管３とは別ルートで燃焼室６内へ圧縮空気を供給する圧縮空気供給手段１２が設けられている。この圧縮空気供給手段１２は、空気圧縮装置１３、蓄圧タンク１４及び制御弁１５が順に介設された供給管１６から構成されている。供給管１６の一端は制御弁１５を介して燃焼室６に設けられた吹出口１７へ接続するとともに、他端はエンジン外部へ開口する吸入口１８となっている。この制御弁１５としては、電磁弁やピエゾ素子からなるアクチュエータなどが例示される。これらの空気圧縮装置１３及び各制御弁１５は、信号線（点線で示す）を通じて、制御手段であるＥＣＵ１９にそれぞれ接続している。

この過給システム１ＡにおけるＥＣＵ１９の制御内容は次のようになる。

まず、ＥＣＵ１９は、空気圧縮装置１３を制御して、蓄圧タンク１４に貯留される圧縮空気の圧力が、燃焼室６内の測定圧力又は予め設定された燃焼室６内の最高圧力よりも高くなるようにする。

そして、ディーゼルエンジン４への過給量が不足する場合、例えばディーゼルエンジン４の出力が急激に増加する過渡運転時などになったときには、制御弁１５を個別に開弁して蓄圧タンク１４に貯留された圧縮空気を直接的に燃焼室６内へ供給する。このとき、燃焼室６の直前まで圧縮空気の圧力が維持されるので、圧縮空気が燃焼室６内に到達するまでの時間が流路の長さや流路内の汚れに左右されることはなく、かつ圧力損失や制御の遅れが発生することもない。

従って、このような過給システム１Ａにより、従来よりも迅速にディーゼルエンジン４への過給量不足を補うことができるのである。

図２は、第２の実施形態からなるエンジンの過給システムを示す。なお、これ以降の図面においては、図１と同じ箇所には同一の符号を付し、その説明を省略する。

この過給システム１Ｂは、過給システム１Ａの構成において、吸気口２から吸入する空気の代わりに、各気筒５の燃焼室６内に圧縮空気を直接的に供給するとともに、ＥＧＲ通路８を還流するＥＧＲガスだけを吸気系から供給するようにしたものである。

ＥＣＵ１９は、過給システム１Ａの場合と同様の制御を行うことにより、従来よりも迅速にディーゼルエンジン４への過給量不足を補うことができる。

図３は、本発明の第３の実施形態からなるエンジンの過給システムを示す。

この過給システム１Ｃは、過給システム１Ａの構成に、吸気管３に設置されたコンプレッサ２０と、そのコンプレッサ２０と同軸であって排気管７に設置されたタービン２１とからなる排気ターボ式過給器２２を加えたものである。更に、圧縮空気供給手段１２の供給管１６の他端は、コンプレッサ２０の下流側で吸気管３に接続している。

ＥＣＵ１９は、過渡運転時などで排気ターボ式過給器２２の応答遅れが発生する場合には、制御弁１５を開弁して蓄圧タンク１４に貯留された圧縮空気を直接的に燃焼室６内へ供給する。このとき、燃焼室６の直前まで圧縮空気の圧力が維持されるので、圧縮空気が燃焼室６内に到達するまでの時間が流路の長さや流路内の汚れに左右されることはなく、かつ圧力損失や制御の遅れが発生することもない。

従って、このような過給システム１Ｃにより、従来よりも迅速にディーゼルエンジン４への過給量不足を補うことができるのである。また、圧縮空気供給手段１２において、コンプレッサ２０で圧縮された空気の一部を利用するので、空気圧縮装置１３の負担を軽減してディーゼルエンジン４の燃費を向上することができる。

図４は、本発明の第４の実施形態からなるエンジンの過給システムを示す。

この過給システム１Ｄは、過給システム１Ｃの構成に、タービン２１の上流側の排気管７に設置された小型タービン２３と、その小型タービン２３と同軸であって空気圧縮装置１３の上流側の供給管１６に設置された小型コンプレッサ２４とからなる小型過給器２５を加えたものである。

このように構成することで、圧縮空気供給手段１２において、小型コンプレッサ２４でより高圧に圧縮された空気を利用できるので、空気圧縮装置１３を小型化して、エンジンシステムの質量を低減することができる。

図５は、本発明の第５の実施形態からなるエンジンの過給システムを示す。

この過給システム１Ｅは、過給システム１Ｂの構成に、排気ターボ式過給器２２を加えることで、ＥＧＲ通路８を還流するＥＧＲガスを、コンプレッサ２０で圧縮してから各気筒５の燃焼室６内に直接的に供給するものである。

ＥＣＵ１９は、過給システム１Ｂの場合と同様の制御を行うことにより、従来よりも迅速にディーゼルエンジン４への過給量不足を補うことができる。また、従来の吸気系に係る機器類が不要となる。

上述した過給システム１Ａ〜１Ｅにおいては、供給管１６の吹出口１７が燃焼室６へ開口する方向を、燃焼室６の内周壁２６の接線側の方向（図６（ａ）を参照）から中心軸２７側の方向（図６（ｂ）を参照）までの範囲内で設定することが望ましい。なお、図中の一点鎖線は、気体の流れる方向を示している。

このような構成により、燃焼室６内における空気の分布を制御して、燃焼効率を向上することができる。

図７は、本発明の第６の実施形態からなる過給システムの例を示す。

この過給システム１Ｆは、過給システム１Ａの構成における空気圧縮装置１３と蓄圧タンク１４との間に、空気を含有成分毎に分離する成分分離装置２８を介設したものである。この成分分離装置２８は、信号線を通じてＥＣＵ１９に接続されている。

ＥＣＵ１９は、成分分離装置２８を制御して、蓄圧タンク１４に予め設定された組成の空気が貯留されるようにする。

このようにすることで、燃焼室６内における空気の組成を制御して、燃焼効率を向上することができる。具体的には、例えばＥＣＵ１９は、図２での適用においては、成分分離装置２８を制御して、蓄圧タンク１４に酸素が貯留されるようにすることで、ディーゼルエンジン４における純酸素燃焼が可能となり、燃焼効率を大幅に向上することができる。

なお、過給システム１Ｆは過給システム１Ａを基本構成としているが、この第６の実施形態は、過給システム１Ｂ〜１Ｅのいずれかを基本構成とするものであってもよい。

図８は、本発明の第７の実施形態からなるエンジンの過給システムの例を示す。

この過給システム１Ｇは、過給システム１Ｆの構成を変形したものであり、成分分離装置２８の下流側を、小型蓄圧タンク２９Ａ、２９Ｂ及び小型制御弁３０Ａ、３０Ｂがそれぞれ介設された一対の供給支管３１Ａ、３１Ｂに分岐させたものである。また、一対の供給支管３１Ａ、３１Ｂの吹出口１７Ａ、１７Ｂが燃焼室６へ開口する方向は、図６の場合と同様に、燃焼室６の内周壁２６の接線側の方向から中心軸２７側の方向までの範囲内でそれぞれ設定することが望ましい。

ＥＣＵ１９は、成分分離装置２８を制御して、一対の小型蓄圧タンク２９Ａ、２９Ｂに互いに組成の異なる空気がそれぞれ貯留されるようにする。そして、過給システム１Ａの場合と同様の制御を行う。なお、一対の小型制御弁３０Ａ、３０Ｂ同士は、同時に又は時間差を置いて開弁させる。

このようにすることで、従来よりも迅速にディーゼルエンジン４への過給量不足を補うことができるとともに、燃焼室６内の空気の分布及び組成を制御して、燃焼効率を更に向上することができる。

一対の小型蓄圧タンク２９Ａ、２９Ｂには、酸素と窒素がそれぞれ貯留されるようにすることが望ましい。そして、図９に示すように、酸素が貯留された小型蓄圧タンク２９Ａから延びる供給支管３１Ａの吹出口１７Ａを、燃焼室６の中心軸２７側の方向へ向けて開口させる一方で、窒素が貯留された小型蓄圧タンク２９Ｂから延びる供給支管３１Ｂの吹出口１７Ｂを、燃焼室６の内周壁２６の接線側の方向へ向けて開口させる。

このようにすることで、燃料が噴射される燃焼室６の中心部に高酸素濃度領域が形成される一方で、内周壁２６の近傍には窒素を主成分とする低酸素濃度のガス層が形成されるため、燃焼効率を向上させつつ火炎の接触による燃焼室６の熱負荷を低減することができる。

なお、過給システム１Ｇは過給システム１Ａを基本構成としているが、この第７の実施形態は、過給システム１Ｂ〜１Ｅのいずれかを基本構成とするものであってもよい。

図１０は、本発明の第８の実施形態からなるエンジンの過給システムの例を示す。

この過給システム１Ｈは、過給システム１Ｇの構成において、吸気口２から吸入する空気の代わりにＥＧＲ通路８を還流するＥＧＲガスを、各気筒５の燃焼室６内に直接的に供給するようにしたものである。

ＥＣＵ１９は、過給システム１Ｇの場合と同様の制御を行うことにより、従来よりも迅速にディーゼルエンジン４への過給量不足を補うことができる。

１Ａ〜１Ｈ過給システム
３吸気管
６燃焼室
８ＥＧＲ通路
１２圧縮空気供給手段
１３空気圧縮装置
１４蓄圧タンク
１５制御弁
１６供給管
１９ＥＣＵ
２０コンプレッサ
２１タービン
２３小型タービン
２４小型コンプレッサ
２６内周壁
２７中心軸
２８成分分離装置
２９Ａ、２９Ｂ小型蓄圧タンク
３０Ａ、３０Ｂ小型制御弁
３１Ａ、３１Ｂ供給支管

Claims

燃焼室を有するエンジンの過給システムであって、
前記燃焼室内に圧縮空気を供給する圧縮空気供給手段と、制御手段とを有し、
前記圧縮空気供給手段は、一対の蓄圧タンクと、前記燃焼室と前記一対の蓄圧タンクとをそれぞれ接続する一対の供給支管と、前記一対の供給支管にそれぞれ配置された一対の制御弁と、を備え、
前記制御手段は、前記一対の蓄圧タンクに互いに異なる組成のガスを圧縮して貯蔵するとともに、前記エンジンへの過給量の不足時に、前記一対の制御弁をそれぞれ開弁することで前記一対の蓄圧タンクに貯蔵された前記ガスを前記一対の供給支管をそれぞれ介して前記燃焼室内へ供給することを特徴とするエンジンの過給システム。
前記圧縮空気供給手段は、
前記制御手段によって制御されることで、前記エンジンの外部からの空気、又は該エンジンの吸気系からの空気を圧縮する空気圧縮装置と、
前記制御手段によって制御されることで、前記空気圧縮装置が圧縮した前記空気を含有成分毎に分離し、この分離によって得られた互いに異なる組成のガスを前記一対の蓄圧タンクに貯蔵させる成分分離装置と、を備える請求項１に記載のエンジンの過給システム。
前記空気圧縮装置、前記成分分離装置、及び、前記一対の蓄圧タンクは、下流側の端部が前記一対の蓄圧タンクに接続し且つ上流側の端部が前記エンジンの外部に開口又は該エンジンの吸気系に接続する供給管に、前記上流側の端部の側から順に介設されている請求項２に記載のエンジンの過給システム。
前記一対の蓄圧タンクに貯蔵されるガスが、それぞれ酸素及び窒素であって、前記酸素が貯蔵された蓄圧タンクから延びる前記供給支管が前記燃焼室内へ開口する方向を該燃焼室の中心軸側の方向に設定する一方で、前記窒素が貯蔵された蓄圧タンクから延びる前記供給支管が該燃焼室内へ開口する方向を該燃焼室の内周壁の接線側の方向に設定した請求項１〜３のいずれか１項に記載のエンジンの過給システム。
前記エンジンの排気系に設置されたタービンと、該エンジンの吸気系に設置されたコン
プレッサとからなる過給器を備えた請求項１〜４のいずれか１項に記載のエンジンの過給システム。
前記エンジンの排気系に設置されたタービンと、該エンジンの吸気系に設置されたコンプレッサとからなる過給器を備え、
前記過給器の前記コンプレッサによって圧縮された前記吸気系の空気を、前記空気圧縮装置によってさらに圧縮する請求項２に記載のエンジンの過給システム。
前記エンジンの排気系に設定された第２のタービンと、該エンジンの吸気系に設置された第２のコンプレッサとからなる第２の過給器を備え、
前記過給器の前記コンプレッサによって圧縮された前記吸気系の空気を、前記第２の過給器の前記第２のコンプレッサによって圧縮した後に、前記空気圧縮装置によってさらに圧縮する請求項６に記載のエンジンの過給システム。
前記エンジンの排気系から吸気系へ該エンジンの排ガスの一部を還流するＥＧＲ通路と、前記ＥＧＲ通路に順に介設されたＥＧＲクーラ及びＥＧＲ弁とからなるＥＧＲシステムを備えた請求項１〜７のいずれか１項に記載のエンジンの過給システム。
前記エンジンの吸気系が前記ＥＧＲ通路である請求項８に記載のエンジンの過給システム。