本発明は、内燃機関に関し、特に、EGRを備えた内燃機関に関する。

内燃機関においては、一般的に、熱効率を向上させること、すなわち、燃費を向上させることが求められている。熱効率を向上させるために、過給器を内燃機関に設けることや、内燃機関において排気を吸気通路に還流する機構(EGR)を設けることが知られている。

一般的に、EGRにおいては、HPL(High Pressure Loop)やLPL(Low Pressure Loop)が用いられる。HPLでは、排気還流ガス(EGRガス)を排気タービン前から吸気コンプレッサ後に導入する。HPLは、EGRガスの経路を短くできるため、一般的に応答性に優れる。

特許文献1,2には、HPLにて高負荷条件においてもEGRガスを確保するために、EGR過給器を有するエンジンが開示されている。

火花点火式内燃機関において、アトキンソンサイクルエンジンは、一般的にポンプ損が低減するため熱効率が向上する。また、圧縮工程の一部期間でも吸気バルブを開けて吸入空気を戻すバルブ遅閉じの場合、バルブを閉じてから圧縮及び膨張までの期間が短く、また、実圧縮比が低くなる。そのため、高温及び高圧の期間を短くすることが可能となり、ノッキング発生までの時間を稼ぐことが可能となるので、耐ノック性が向上する。

EGRガスを用いて燃料を改質し、そのガスを燃料とする改質ガスエンジンが知られている。EGRガスの熱を利用して燃料を改質するため、排熱回収が可能となり、また、反応のさせ方によって、オクタン価の向上や燃焼速度の向上等が可能となる。

特開平1−116274号公報

特許第3664181号公報

ところで、HPLでは、EGRガスを排気タービン前から吸気コンプレッサ後に導入する。EGRガスの導入経路が短いため、応答性が良好であるが、排気圧よりも吸気圧を低くする必要があるため、ポンプ損が生じる。

本発明の目的は、過給器とEGR機構を備えた内燃機関において、ポンプ損を低減し、熱効率を向上させることにある。

請求項1に係る発明は、吸気通路から供給される空気と燃料との混合気を燃焼して排気通路に排気する気筒を有する内燃機関において、前記気筒からの排気の一部を前記吸気通路に還流する排気還流通路と、前記排気還流通路内における前記気筒からの排気の一部を過給する第1過給器と、前記吸気通路内における空気を過給する第2過給器と、を有し、前記第1過給器は、前記気筒からの残りの排気によって駆動し、前記第2過給器は、前記第1過給器の下流側に設けられ、前記第1過給器の駆動に用いられた前記気筒からの残りの排気によって駆動する、ことを特徴とする内燃機関である。

請求項2に係る発明は、請求項1に記載の内燃機関において、前記第1過給器は、前記排気通路に設けられ、前記気筒からの残りの排気によって駆動する第1タービンと、前記第1タービンに連結されて前記排気還流通路に設けられ、前記第1タービンの駆動力によって駆動する第1コンプレッサと、を有し、前記第2過給器は、前記排気通路において前記第1タービンよりも下流側に設けられ、前記第1タービンを通過した前記気筒からの残りの排気によって駆動する第2タービンと、前記第2タービンに連結されて前記吸気通路に設けられ、前記第2タービンの駆動力によって駆動する第2コンプレッサと、を有する、ことを特徴とする内燃機関である。

請求項3に係る発明は、請求項2に記載の内燃機関において、前記排気還流通路において、前記第1コンプレッサの下流側に設置され、燃料を前記気筒からの排気の一部に混合させるインジェクタと、前記排気還流通路において、前記インジェクタよりも下流側に設けられ、還流される排気と燃料との混合気を改質する改質器と、を更に有する、ことを特徴とする内燃機関である。

請求項4に係る発明は、請求項2又は請求項3に記載の内燃機関において、前記排気通路において、前記第1タービンの上流側と下流側とを連結する第1連通路と、前記第1連通路を開閉する第1ウェストゲートバルブと、前記排気通路において、前記第2タービンの上流側と下流側とを連結する第2連通路と、前記第2連通路を開閉する第2ウェストゲートバルブと、を更に有する、ことを特徴とする内燃機関である。

請求項5に係る発明は、請求項4に記載の内燃機関において、前記第1過給器による過給圧力が負圧となる負荷条件下において、前記第1ウェストゲートバルブを開操作し、前記第2過給器による過給圧力が負圧となる負荷条件下において、前記第2ウェストゲートバルブを開操作する制御手段を更に有する、ことを特徴とする内燃機関である。

請求項6に係る発明は、請求項4に記載の内燃機関において、負荷条件に応じて、前記第1ウェストゲートバルブの開度を制御することで、前記第1過給器を通過する空気の流量を制御し、前記第2ウェストゲートバルブの開度を制御することで、前記第2過給器を通過する空気の流量を制御する制御手段を更に有する、ことを特徴とする内燃機関である。

本発明によると、EGR機構を備えた内燃機関において、ポンプ損を低減することが可能となる。

本発明の第1実施形態に係る内燃機関の概略構成図である。

温度と熱効率との関係を示す図である。

差圧と熱効率との関係を示す図である。

吸気バルブを閉じる時期(IVC)と熱効率との関係を示す図である。

各IVCでの混合気の温度履歴を示す図である。

LW(Livengood-Wu)積分値を示す図である。

本発明の第2実施形態に係る内燃機関の概略構成図である。

[第1実施形態] 以下、図1を参照して、本発明の第1実施形態に係る内燃機関について説明する。図1には、第1実施形態に係る内燃機関の一例が示されている。第1実施形態に係る内燃機関10は、例えば直列4気筒の火花点火式の内燃機関であり、自動車等に搭載される。なお、図1においては、火花点火を行うプラグの図示は省略されている。

内燃機関10は、一例として、第1気筒12、第2気筒14、第3気筒16及び第4気筒18を備えている。もちろん、気筒の数は一例であり、内燃機関10は、4気筒以外の数の気筒を備えていてもよい。第1気筒12、第2気筒14、第3気筒16及び第4気筒18にはそれぞれ、気筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁20,22,24,26が設けられている。燃料噴射弁20,22,24,26は、燃料タンク28に接続されている。

第1気筒12、第2気筒14、第3気筒16及び第4気筒18にはそれぞれ、吸気通路30から分岐する第1吸気通路32、第2吸気通路34、第3吸気通路36及び第4吸気通路38が接続されている。吸気通路30には、スロットル弁40と、吸気通路30内を流れる空気を冷却するインタークーラー42が設けられている。

第1気筒12、第2気筒14、第3気筒16及び第4気筒18にはそれぞれ、これらの気筒内の燃料ガスを排気する第1排気通路44、第2排気通路46、第3排気通路48及び第4排気通路50が接続されている。第1排気通路44、第2排気通路46、第3排気通路48及び第4排気通路50は、下流側で合流して1つの排気通路52を形成する。排気通路52は、下流側にて駆動用通路54と排気還流通路56とに分岐している。排気還流通路56は、第1気筒12、第2気筒14、第3気筒16及び第4気筒18からの排気の一部を吸気通路30に還流するための通路である。

排気通路52の下流側には、EGRガスを加圧する第1過給器58が設けられている。第1過給器58は、第1気筒12、第2気筒14、第3気筒16及び第4気筒18からの排気の一部を過給して、第1気筒12、第2気筒14、第3気筒16及び第4気筒18に供給する。第1過給器58は、排気通路52から分岐した駆動用通路54に設けられた第1タービン60と、排気通路52から分岐した排気還流通路56に設けられた第1コンプレッサ62と、を備えている。第1タービン60と第1コンプレッサ62は、回転軸の同軸上に配置されており、回転軸を介して一体的に構成されている。

第1気筒12、第2気筒14、第3気筒16及び第4気筒18からの排気の一部は、排気還流通路56内を流れて第1コンプレッサ62に供給され、第1気筒12、第2気筒14、第3気筒16及び第4気筒18からの残りの排気(排気の一部)は、駆動用通路54内を流れて第1タービン60に供給される。

第1タービン60は、駆動用通路54内の排気、つまり、第1気筒12、第2気筒14、第3気筒16及び第4気筒18からの残りの排気(排気の一部)によって回転駆動される。第1コンプレッサ62は、第1タービン60の回転駆動力により駆動される。第1タービン60の回転駆動によって、第1コンプレッサ62が回転駆動されて排気還流通路56内の排気(第1気筒12、第2気筒14、第3気筒16及び第4気筒18からの排気の一部)を過給する。

第1コンプレッサ62には、第1コンプレッサ62の下流に繋がる排気還流通路64が接続されている。排気還流通路64は、上記の排気還流通路56とともに、第1気筒12、第2気筒14、第3気筒16及び第4気筒18からの排気の一部を吸気通路30に還流するための通路である。

排気還流通路64には、還流される排気に燃料を噴射する燃料噴射弁66(インジェクタの一例)が設けられている。燃料噴射弁66は燃料タンク28に接続されている。また、排気還流通路64には、燃料噴射弁66の下流側に、還流される排気と燃料との混合気を改質する改質器68が設けられており、改質器68の下流側に、クーラー70が設けられている。

改質器68は、例えば、ロジウム系の触媒が担持されたハニカム構造を有している。排気と燃料との混合気が改質器68を通過する際に、排気熱によって触媒が加熱されて混合気が改質される。

クーラー70は、吸気通路30に還流する排気還流ガス(EGRガス)を冷却する機能を備えている。

第1タービン60には、第1タービン60の下流に繋がる駆動用通路72が接続されている。駆動用通路72は、第1過給器58の駆動に用いられた排気(第1気筒12、第2気筒14、第3気筒16及び第4気筒からの残りの排気(排気の一部))を、第1過給器58の下流側に設けられた第2過給器74に供給するための通路である。

第1過給器58の下流側には、空気を加圧する第2過給器74が設けられている。第2過給器74は、吸気通路30内の空気を過給して、第1気筒12、第2気筒14、第3気筒16及び第4気筒18に供給する。第2過給器74は、駆動用通路72に設けられた第2タービン76と、吸気通路30に設けられた第2コンプレッサ78と、備えている。第2タービン76と第2コンプレッサ78は、回転軸の同軸上に配置されており、回転軸を介して一体的に構成されている。

第1過給器58の駆動に用いられた排気(第1気筒12、第2気筒14、第3気筒16及び第4気筒18からの残りの排気(排気の一部))は、駆動用通路72内を流れて第2タービン76に供給される。

第2タービン76は、駆動用通路72内の排気、つまり、第1過給器58の駆動に用いられた排気(第1気筒12、第2気筒14、第3気筒16及び第4気筒18からの残りの排気(排気の一部))によって回転駆動される。つまり、第2タービン76は、第1タービン60を通過した排気によって回転駆動される。第2タービン76の回転駆動によって、第2コンプレッサ78が回転駆動されて吸気通路30の空気を過給する。

以上のように、第1過給器58は、駆動用通路54内の排気(第1気筒12、第2気筒14、第3気筒16及び第4気筒18からの残りの排気(排気の一部))によって駆動して、排気還流通路56内の排気(第1気筒12、第2気筒14、第3気筒16及び第4気筒18からの排気の一部)を過給する。過給された排気還流ガス(EGRガス)は、第1気筒12、第2気筒14、第3気筒16及び第4気筒18に供給される。また、第2過給器74は、第1過給器58の下流側に設けられており、第1過給器58の駆動に用いられた排気(第1気筒12、第2気筒14、第3気筒16及び第4気筒18からの残りの排気(排気の一部))によって駆動して、吸気通路30内の空気を過給する。

第1タービン60及び第2タービン76は、例えば、排気流量、排気温度、排気圧力等の違いを考慮して、その大きさ等がそれぞれ設定されている。

以下、内燃機関10の動作について説明する。

第1気筒12、第2気筒14、第3気筒16及び第4気筒18において燃焼した燃料ガスはそれぞれ、第1排気通路44、第2排気通路46、第3排気通路48及び第4排気通路50を介して排気通路52に排出される。排気通路52に排出された排気の一部は、排気還流通路56を経由して第1過給器58の第1コンプレッサ62に供給される。また、排気通路52に排出された排気の残りの一部は、駆動用通路54を経由して第1タービン60に供給され、第1タービン60を回転駆動して、その後、駆動用通路72に排出される。第1タービン60の回転駆動によって、第1コンプレッサ62が回転駆動されて排気還流通路56内の排気(第1気筒12、第2気筒14、第3気筒16及び第4気筒18からの排気の一部)を過給する。第1過給器58によって過給された排気は、排気還流通路64に排出されて、改質器68に送られる。改質器68に向かう排気には、燃料噴射弁66から燃料が噴射され、これにより、排気と燃料との混合気が生成される。混合気は改質器68に流入して改質される。改質後の混合気(EGRガス)は、クーラー70によって冷却されて吸気通路30に還流される。

駆動用通路72に排出された排気(第1過給器58の駆動に用いられた排気)は、第2過給器74の第2タービン76に供給され、第2タービン76を回転駆動して、その後、車外に排出される。第2タービン76の回転駆動によって、第2コンプレッサ78が回転駆動されて吸気通路30内の空気を過給する。

上記の構成を有する内燃機関10によると、第1過給器58によって、気筒群(第1気筒12、第2気筒14、第3気筒16及び第4気筒)から排出される排気の圧力を昇圧して気筒群に還流することにより、気筒群から排出される排気の圧力自体が低くて済む。つまり、気筒群の吸気口(図1中の符号80で示す部分)の圧力(吸気圧)を圧力Pinと表現し、気筒群の排気口(図1中の符号82で示す部分)の圧力(排気圧)を圧力Pexと表現した場合、圧力Pin,Pexの関係をPin>Pexとすることが可能となる。そのため、ポンプ損を低減することが可能となる。

ここで、第1コンプレッサ62の排出口(図1中の符号84で示す部分)の圧力を圧力Paと表現する。一例として、気筒群の吸気口の圧力Pinは2.28(bar)である。気筒群から排出される排気の圧力Pexは2.21(bar)であり、第1過給器58によって排気の圧力が昇圧され、第1コンプレッサ62の排出口においては、排気の圧力Paは2.33(bar)となる。このように、圧力Pinが圧力Pexよりも高くなるため(Pin>Pex)、ポンプ損を低減することが可能となる。なお、第2コンプレッサ78に供給される空気の圧力は1.0(bar)であり、第1タービン60の排出口における排気の圧力は1.92(bar)であり、第2タービン76の排出口における排気の圧力は1.08(bar)である。

なお、特許文献1に記載のエンジンは、ポンプ損を低減するためにEGRガスを過給する過給器を備えている。しかし、過給が不要な条件でもEGRガスが過給器を通過する必要があるため、特許文献2に記載されているように、ウェストゲートやバイパスラインが追加され、改良がなされた。しかし、特許文献2に記載の技術では、EGR過給器タービンを通過した排気ガスは、まだエネルギーを有しているものの排気される構成となっている。この構成では、EGR率が多くなるとEGRガスは導入できるものの、新気を過給することができないという問題が生じる。一方、第1実施形態に係る内燃機関10によると、第1過給器58の駆動に用いられた排気は、第2過給器74に供給されて第2過給器74の駆動に用いられる。これにより、第2過給器74によって新気を過給することが可能となるため、上記問題の発生を回避することが可能となる。

また、過給火花点火式アトキンソンサイクルエンジンに内燃機関10を適用すると、通常よりも高い圧力でEGRガスを導入することが可能となる。それ故、吸気バルブを閉じるタイミングを遅らせることができ、効率及び耐ノックの利点が得られる。

また、改質器68を組み合わせることで、以下の利点が得られる。改質ガスエンジンでは、排熱回収量を増加させるためには改質率を高める必要があるが、吸熱反応により温度が急激に低下するため、反応率を上げられず、改質率が低いガスしか得られない。これに対して、第1実施形態に係る内燃機関10によると、第1過給器58によって排気を昇圧しているため、改質器68に高圧のガスを供給することが可能となり、これにより、反応を高圧場で行うことが可能となる。その結果、燃料の分解が促進され、また、平衡上オクタン価の高いメタンが生成され易くなる。仮に第1実施形態に係る内燃機関10を用いない場合、排気の圧力を高める別の手段を用いる必要がある。例えば、排気バルブをより早いタイミングで開けて排気の圧力を高めることが考えられるが、この場合、エンジン効率が低下する。これに対して、第1実施形態に係る内燃機関10によると、このような制御を行う必要がないため、エンジン効率の低下を防止することが可能となる。

図2には、上記の運転条件での最大熱効率が示されている。図2中の「比較例の限界」は、第1過給器58を備えていない比較例に係る内燃機関についての限界値を示している。比較例では、ポンプ損の低減は、Pin=Pexまでが限界であるが、第1実施形態では、Pin>Pexの状況でもEGRガスを導入できるリミットまでは運転可能であり、その分、比較例に比べて高い熱効率を得ることが可能となる。なお、得られるゲイン(増加分)は、ターボの効率に依存する。

一般的なターボを使用した例として、図3に、吸気圧(Pin)と排気圧(Pex)との差圧(Pex−Pin)と熱効率との関係を示し、図4に、吸気バルブを閉じる時期(IVC)と熱効率との関係を示す。第1実施形態と比較例とにおいて、同じ熱効率を得るためには差圧(Pex−Pin)が同じであればよい。同じ差圧(Pex−Pin)を得るためには、第1実施形態ではIVCを遅角できることが分かる。IVCを遅角できるため、図5に示すように、混合気が高温及び高圧にさらされる時間を短くすることが可能となる。

一方、ノッキングは混合気の一部が自着火し、それによって生じる圧力波が気筒内を伝播することによって生じると考えられている。そのため、ノッキング対策の1つとして混合気の自着火を抑制することが考えられている。混合気が自着火するタイミングは混合気組成、温度及び圧力によって決まる着火遅れ時間Tの時間的な和として、Livengood-Wu積分によって記述されることが多い。Livengood-Wu積分は、以下の式によって記述される。

上記の理論は、積分値Flg_kkがある値を超えたタイミングで自着火が発生するという理論である。図6には、第1実施形態と比較例のそれぞれにおける熱効率が48%のときの積分値が示されている。第1実施形態に係る積分値は、比較例に係る積分値よりも小さいことが分かる。つまり、第1実施形態に係る内燃機関10は、比較例に係る内燃機関よりも自着火し難く、耐ノック性が向上する。従来においてノッキングにより点火を遅角せざるを得なかった場合であっても、耐ノック性が向上することで、点火を進角することが可能となり、その結果、熱効率が向上する。

つまり、第1実施形態のように2つの過給器を用いることにより、同じポンピング損失条件であっても、1つの過給器を用いる場合よりも吸気バルブの遅閉じが可能となる。吸気バルブを遅閉じできる分、気筒内の混合気が高温及び高圧にさらされる時間が短くなるため、ノッキングが生じる要因となる混合気の自着火のタイミングを遅らせることができ、耐ノック性が向上し、点火進角により熱効率が向上する。

[第2実施形態] 以下、図7を参照して、本発明の第2実施形態に係る内燃機関について説明する。図7には、第2実施形態に係る内燃機関の一例が示されている。第2実施形態に係る内燃機関10Aは、第1実施形態に係る内燃機関10の構成に加えて、ウェストゲートバルブを含む。以下、第2実施形態に係る内燃機関10Aの構成について詳しく説明する。

排気通路52には、第1タービン60の上流側と下流側とを連結する、すなわち、第1タービン60をバイパスする第1連通路86が設けられている。より詳しく説明すると、第1連通路86は、排気通路52と駆動用通路72とを繋ぐ通路である。第1連通路86には、第1連通路86を開閉する第1ウェストゲートバルブ88が設けられている。

また、駆動用通路72には、第2タービン76の上流側と下流側とを連通する、すなわち、第2タービン76をバイパスする第2連通路90が設けられている。第2連通路90には、第2連通路90を開閉する第2ウェストゲートバルブ92が設けられている。

なお、排気通路52、駆動用通路54及び駆動用通路72は、気筒群から排出された排気が通過するという意味で、排気通路と評価することができる。

第1ウェストゲートバルブ88と第2ウェストゲートバルブ92は、制御部94に電気的に接続されており、制御部94によってその開閉が制御される。

制御部94は、第1ウェストゲートバルブ88と第2ウェストゲートバルブ92の開閉を制御する。例えば、制御部94は、第1過給器58による過給圧力が負圧となる負荷条件下において、第1ウェストゲートバルブ88を開操作する。第1ウェストゲートバルブ88が開状態の場合、気筒群から排出された排気は、第1連通路86によって第1タービン60をバイパスし、第1タービン60に供給されないため、第1タービン60は駆動せず、第1過給器58による過給は行われない。また、制御部94は、第2過給器74による過給能力が負圧となる負荷条件下において、第2ウェストゲートバルブ92を開操作する。第2ウェストゲートバルブ92が開状態の場合、気筒群から排出された排気は、第2連通路90によって第2タービン76をバイパスし、第2タービン76に供給されないため、第2タービン76は駆動せず、第2過給器74による過給は行われない。

一方、制御部94は、第1過給器58による過給圧力が負圧とならない条件下において、第1ウェストゲートバルブ88を閉操作する。第1ウェストゲートバルブ88が閉状態の場合、気筒群から排出された排気は、第1タービン60に供給される。これにより、第1タービン60は回転駆動される。第1タービン60の回転駆動によって、第1コンプレッサ62が回転駆動されて排気還流通路56内の排気が過給される。また、制御部94は、第2過給器74による過給圧力が負圧にならない条件下において、第2ウェストゲートバルブ92を閉操作する。第2ウェストゲートバルブ92が閉状態の場合、気筒群から排出された排気は、第2タービン76に供給される。これにより、第2タービン76は回転駆動される。第2タービン76の回転駆動によって、第2コンプレッサ78が回転駆動されて吸気通路30内の空気が過給される。

なお、内燃機関10A内の各位置(例えば各通路)における圧力は、例えば圧力計によって測定される。制御部94は、圧力計によって測定された圧力に従って、第1ウェストゲートバルブ88と第2ウェストゲートバルブ92の開閉を制御する。

別の例として、制御部94は、第1過給器58における負荷条件(第1過給器58による過給圧力)に応じて、第1ウェストゲートバルブ88の開度を制御することで、第1過給器58を通過する空気の流量(つまり、第1過給器58によって過給される空気の量)を制御し、第2ウェストゲートバルブ92の開度を制御することで、第2過給器74を通過する空気の流量(つまり、第2過給器74によって過給される空気の量)を制御してもよい。

10,10A 内燃機関、58 第1過給器、60 第1タービン、62 第1コンプレッサ、74 第2過給器、76 第2タービン、78 第2コンプレッサ。