JP2005264735A - 過給機付きエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単な構造で、エンジンの回転数に関係なく安定して排気ガスの浄化を図ることができるエンジンを提供する。
【解決手段】 過給機２２によって加圧された空気が吸気通路１１を通って吸気側に供給される過給機付きエンジン１において、吸気通路１１の途中から分岐して延設され制御弁２７を備えた導入通路１２の先端が、排気通路１３に連通し、加圧された空気の一部からなる二次空気が、制御弁２７を介して排気通路１３に供給されることとした。
【選択図】 図２

Description

本発明は、車両や船舶等に用いられる過給機付きエンジンに関し、殊に、排気ガスに二次空気を混合させて排気ガスの浄化を図るような過給機付きエンジンに関するものである。

従来より、特許文献２に示すような船舶や車両等のエンジンにおいて、少ない排気量で大きな出力を得るために、スーパーチャージャー式またはターボチャージャー式の過給機を設けたものが知られている。

また、近年では、排気ガスを浄化するために、排気ガスに空気を混入したり、触媒を用いたりして、排気ガス中に燃え残っている有害物質を酸化させることが行われている。即ち、前者は、排気通路に二次空気を供給し、排気ガスと二次空気とを混合して酸化させるものであり、後者は、排気ガス中の一酸化炭素、炭化水素、窒素酸化物の三種類の有害物質を酸化、還元させて処理することができる三元触媒を、排気通路内に配置するものである。

ところが、触媒のみで排気ガスの浄化を図るためには、大きな触媒を配置しなければならず、エンジン部全体のサイズが大きくなる。また、排気側に二次空気を供給する場合、エンジンの高回転時には排気圧が高くなるため、排気側に二次空気が入りにくくなって、適正な排気ガス浄化が図れない。

そこで、特許文献１に示すように、過給機からの過給空気を一定条件下で加圧ポンプに供給し、加圧された空気を二次空気として排気側に供給するようにして、排気ガスの浄化を図ったものが提案されている。

しかしながら、この発明においては、過給機によって供給される空気を更に加圧ポンプで加圧する構成となっているため、装置全体が大型となり、制御等の機構が複雑なものとなって、コストが高くなる。

また、加圧ポンプで加圧した二次空気を排気側の触媒に送っているため、吸気側でのスロットル制御や燃料噴射制御、或いは点火時期制御によって、触媒の内部で理論空燃比を保つことが困難となり、十分に触媒の効果が得られない場合や、十分な出力を得られない場合があった。
特開平０７−０２６９４６号公報 特開平１１−９９９９２号公報

本発明が解決しようとする問題点は、触媒のみで排気ガスの浄化を行うには、触媒のサイズが大きくなってしまうこと、排気ガスに二次空気を混合させる場合、エンジンの高回転時に十分な二次空気が供給されないこと、過給機に加えて加圧ポンプ等を用いたものは、大型で複雑な構造となってしまうということであり、簡単な構造で、エンジンの回転数に関係なく安定して排気ガスの浄化を図ることができる過給機付きエンジンを提供するものである。

そこで、請求項１の発明は、過給機によって加圧された空気が吸気通路を通って吸気側に供給される過給機付きエンジンにおいて、吸気通路の途中から分岐して延設され制御弁を備えた導入通路の先端が、排気通路に連通し、加圧された空気の一部からなる二次空気が、制御弁を介して排気通路に供給されることとした。

また、請求項２の発明は、エンジンの回転数、スロットル開度、過給圧のいずれかの値に応じて、前記制御弁の開度が制御されることとした。

請求項３の発明は、前記導入通路が排気通路に連通する位置が、排気弁の近傍であることとした。

そして、請求項４の発明は、排気ガスを浄化する触媒が排気通路の途中に配置されるとともに、導入通路が排気通路に連通する位置が、触媒の下流側でその近傍であることとした。

請求項５の発明は、エンジンの回転数の変化が所定の上昇率を超えたとき、または、所定のスロットル開度を超えた状態が一定時間以上継続したときには、制御弁を閉じて排気通路へ二次空気を供給しないようにすることとした。

請求項１の発明によると、過給機によって二次空気を強制的に送り込むため、二次空気を排気通路に安定して供給し、排気ガス中の各種有害物質を酸化処理することができる。また、過給機で加圧された空気をそのまま利用するので、二次空気を供給するための特別な加圧装置を必要とせず、従来の過給機付きエンジンに簡単な改良を加えただけの構造で、大型化することなく、安価に提供することができる。

また、請求項２の発明によると、運転状態に応じて適正に二次空気の量を調整することができる。

そして、請求項３の発明によると、排気ガスが拡散する前に二次空気が供給されるので、排気ガスと二次空気とが効果的に混合される。

また、請求項４の発明によると、排気ガスが触媒を通過した後、更に触媒の下流側で二次空気が供給されるので、触媒で処理しきれなかった未燃焼ガスを二次空気で酸化させて、排気ガスの浄化をより確実に図ることができる。

更に、請求項５の発明によると、エンジンの出力を急激に増大させたい加速時等の場合に、過給機によって加圧された空気を全て吸気側へ供給できるので、吸気側に十分な過給圧空気が導入され、加速時の十分なレスポンスを保って十分な出力を確保することができる。

本発明のエンジンは、スーパーチャージャー式またはターボチャージャー式の過給機を備え、過給機によって加圧された空気が吸気マニホールドに達するまでの通路である吸気通路の途中から、加圧空気を排気側に二次空気として供給するための導入通路が分岐している。

導入通路には、排気通路に連通される手前に制御弁が設けられ、エンジンの回転数やスロットル開度等、運転時の状況や目的に応じて、排気弁から排気通路端部の排気放出口までの通路である排気通路への二次空気の供給量が制御される。

このような機構とすることによって、吸気側に供給される空気の一部が、導入通路を通って排気側へ送られ、排気ガスと混合されて、排気ガス中に残存する有害物質を酸化させることができる。酸化処理された排気ガスは、排気通路を通って、排気放出口から外部へ排出される。

図１は、本発明が適用される水上ジェット推進艇の側面図である。この水上ジェット推進艇１は、船体２が、バスタブ状のハル３とデッキ４を密閉状に接合して中空状態に形成したものである。船体２のほぼ中央部上側にシート６が設けられ、その前方のデッキ４の上面にハンドル５が備わる。また、シート６の左右両側の船体２の側面に足乗せ用のステップ（不図示）が設けられる。運転者は、シート６に跨って足をステップに乗せ、ハンドル５をもって操縦する。

シート６の前側下方の船体２の内部には、エンジン７が搭載され、その前方（船首側）に燃料タンク８が収納されている。ハル３の後部（船尾側）下面は、船体２の幅方向中央部で前後方向に船尾末端まで延びるように、底面から船体内部に向け上方に凹陥している。この凹陥部に水流ダクト１１およびこの水流ダクト１１内で回転するプロペラ（不図示）が備わり、水流ダクト１１の後端にノズル１３が左右揺動可能に設けられる。プロペラはエンジン７の出力軸７ａにカップリング１２を介して連結されたプロペラ軸１０に装着される。

エンジン７は通常複数気筒であり、各気筒の排気管は一個所の排気通路に連通される。そして、以下に説明するように、過給機で圧縮された吸入空気の一部が、吸気通路から分岐された導入通路に進入し、制御弁を介して排気通路へ送られて排気ガスと混合し、排気ガス中に残存する有害物質を酸化させた後に、水中へ放出される。

図２は本発明の過給機付きエンジン７の実施例を示し、クランク軸５１と連動して作動するスーパーチャージャー式の過給機２３が備えられたものである。図中の矢印は、空気および排気ガスの流れを示している。

エンジン７が始動すると、クランク軸５１の回転と連動してギヤ５２，５３を介してスーパーチャージャー式の過給機２３が作動し、吸気取入口２０から空気が導入される。導入された空気は、エアクリーナ２２を通過した後、過給機２３で加圧されて、吸気通路２１へ送られる。

吸気通路２１は途中で分岐していて、その分岐点から、吸気通路２１よりも細い導入通路４１が延設されている。従って、過給機２３で加圧された空気は、吸気通路２１をそのまま進んで吸気マニホールド２６に達するものと、導入通路４１へ進入するものとに分かれる。吸気通路２１をそのまま進む空気は、インタークーラー２４を通過することによって、前記加圧により温度が上昇した空気が冷却されて十分な密度を保ち吸気効率を高めた状態となって、スロットル２５の開度に応じた分量が吸気マニホールド２６へ供給される。水上ジェット推進艇１の場合には、インタークーラー２４の冷却媒体として海水が利用される。

一方、導入通路４１に進入した空気は、制御弁２７を介して排気側へ供給され、排気ガスと混合される。

制御弁２７は、エンジン毎に作成された図５に示すようなマップに基づいて開閉が制御される。即ち、エンジン回転数センサ４４で検出されるエンジンの回転数、スロットルセンサ４３によって検出されるスロットル開度、または過給圧の値に応じて、デューティ比を表すマップが作成され、このマップで演算されたデューティ比に基づいて、ＥＣＵ５５によって制御弁２７の開閉が制御される。このマップは、エンジンの種類や用途に応じて適宜作成され、排気ガスの浄化とエンジン出力のうち、どちらか一方を優先させるように調整することもできる。例えば出力重視の場合には、エンジンの回転数やスロットル開度が大きくなったときには制御弁２７を全閉するように設定される。

また、導入通路４１の下流側先端付近には、リード弁３３が設けられ、排気ガスが導入通路４１に逆流しないようにされる。リード弁３３は設けなくても構わないが、リード弁３３が無いと、導入通路４１から供給される空気の圧力よりも排気ガスの圧力の方が高い場合には、７００℃乃至８００℃程度の高温の排気ガスが導入通路４１へ流入することがあるために、導入通路４１や制御弁２７を耐熱材で構成する必要が生じる。

制御弁２７から排気通路３１へ供給された空気は、排気ガスと混合され、燃え残った有害物質が酸化された後、排気通路３１端部のマフラー（不図示）の後端部の排気放出口３０から外部へ排出される。尚、排気ガスが排気弁３２から排出されて広く拡散する前に空気を供給し、排気ガスと空気とが効果的に混合されるためには、導入通路４１の先端は、なるべく排気弁３２に近い位置とすることが好ましい。図２の例では、導入通路４１は、４気筒エンジンの各気筒の２つの排気弁３２の各々の排気ポート３４と排気マニホールド３５との連結部にリード弁３３を介して接続されている。

尚、過給機２３によって加圧された空気の圧力が必要以上に高くなったときには、ブローオフバルブ４２が開いて余分な圧力を逃し、ブローオフバルブ４２から逃れた空気は、再度過給機２３へ送られる。ブローオフバルブ４２は、スプリングによって機械的に作動する弁でもよいし、ＥＣＵ５５の制御によって開閉する電磁弁でも構わない。電磁弁方式の場合には、過給機２３よりも下流側の吸気通路２１に圧力センサを設け、その圧力センサの検出値に基づいて制御される。

上記の機構においては、各センサの検出値がＥＣＵ５５に送られて、それらの検出値に基づいて、ＥＣＵ５５にプログラムされた手段によって制御弁２７等の電磁弁の開閉が制御される。

尚、図２に示す例では、４気筒全てを１個の制御弁２７で一括して制御することとしたが、例えば各気筒毎に制御弁２７を１個ずつ設置して個々に制御したり、２気筒に対して１個の制御弁２７を設置して制御するようにしても構わない。

このようなスーパーチャージャー式の過給機２３は、クランク軸５１と連結され、低速回転時でも確実に駆動されるため、エンジン７の回転数の大小に関わらず、常に安定して二次空気を排気側に供給することができる。

また、図３は、本発明の異なる実施例であり、ターボチャージャー式の過給機２８が備えられたものである。

ターボチャージャー式の過給機２８を用いた場合には、低速域では排気ガスの圧力が弱いために十分にタービン２９の回転力が得られず、過給機２８による過圧空気が十分に供給されないことがある。高速域では、排気ガスの圧力によって過給機２８が作動し、吸気取入口２０から導入されてエアクリーナ２２を通った空気が過給機２８で加圧され、エンジン吸気側に供給されて十分な出力が得られる。このようなターボチャージャーの特性を考慮して図５のマップが作成され、回転数や負荷等に応じて最適な二次空気量が効率よく供給される。

加圧された空気は、インタークーラー２４を通過し、その後、吸気通路２１をそのまま進んで吸気マニホールド２６に達するものと、吸気通路２１の途中から分岐した導入通路４１に進入するものとに分かれる。導入通路４１に進入した空気が制御弁２７を介して排気側に供給され、排気ガスと混合される機構は、実施例１と同様である。

尚、図２に示す前述の実施例においては、導入通路４１が吸気通路２１から分岐する位置が、インタークーラー２４よりも上流側とし、過給機２３で加圧された空気をそのまま排気側へ供給することとした。その場合には、空気が比較的高温であるため、排気ガスの酸化が行われやすい。一方、図３に示す実施例では、分岐位置をインタークーラー２４よりも下流側としたが、この場合には、冷却されて比較的高密度となった空気が二次空気として排気側へ供給されるために、十分な量の酸素が供給されて、排気ガスを酸化させることができる。

また、ターボチャージャー式過給機２８の場合、スロットルを戻した後にもタービン２９が慣性力によって回り続け、過給圧が高くなり過ぎることがある。それを防止するために、過給機２８の入口にバイパスバルブ３６およびアクチュエータ３７を設置し、例えば吸気マニホールド２６が負圧になるか、或いはスロットルの急激な閉方向の変化が検出されると、アクチュエータ３７を動作させてバイパスバルブ３６を開きタービン２９への排気を逃がし、タービン２９を回さないように制御する。また、図２の場合と同様に、過給機２８の下流側の吸気通路２１の途中にブローオフバルブを設けて、吸気通路２１の圧力が所定の圧力以上になったときに、余分な空気を逃がすようにしてもよい。

このように、本発明は、ターボチャージャー式の過給機２８の場合にも実施することができる。

図４は、スーパーチャージャー式の過給機２３が備えられたエンジンにおいて、触媒３８を併用して排気ガスの浄化を図るものである。

この場合は、排気通路３１の途中に触媒３８が設置され、吸気通路２１から分岐した二次空気の導入通路４１の先端は、触媒３８よりも下流側の排気通路３１内に連通される。

触媒３８は、排気ガス中の一酸化炭素、炭化水素、窒素酸化物の三種類の有害物質を酸化、還元させて処理するための所謂三元触媒が用いられ、触媒３８の浄化性能を最大限に発揮させるために、触媒３８の上流側に酸素センサ４５を設けて、触媒３８に送られる排気ガスが理論空燃比近辺となるように制御する。

酸素センサ４５の検出値に基づいてＥＣＵ５５により理論空燃比となるように空燃比制御された排気ガスは、触媒３８を通過して、排気ガス中の有害物質が無害化処理される。また、過給機２３で加圧された空気の一部は、導入通路４１を通り、排気通路３１の触媒３８よりも下流側に供給され、触媒３８を通過した後の排気ガスと混合される。従って、触媒３８を通過した後に残留している排気ガスの有害物質を、空気と混合させることによって更に酸化処理して、より浄化された排気ガスが排気放出口３０から外部へ排出される。

このように、触媒３８で燃え残った分を二次空気で処理することにより、触媒３８を小型のものとすることができるので、装置全体がコンパクトになり、少ないコストで実施することができる。

本発明の過給機付きエンジンは、図１に示すような水上ジェット推進艇の他、乗用車等の各種車両にも同様に用いることが出来る。

本発明が適用される水上ジェット推進艇の側面図。 本発明の実施例を示す概略図。 本発明の異なる実施例を示す概略図。 本発明の更に異なる実施例を示す概略図。 制御弁の制御基準値を示すグラフ。

符号の説明

１：水上ジェット推進艇、７：エンジン、２０：吸気取入口、２１：吸気通路、
２２：エアクリーナ、２３，２８：過給機、２４：インタークーラー、
２６：吸気マニホールド、２７：制御弁、３０：排気放出口、３１：排気通路、
３２：排気弁、３３：リード弁、３４：排気ポート、３５：排気マニホールド、
４１：導入通路、５１：クランク軸。

Claims (5)

1. 過給機によって加圧された空気が吸気通路を通って吸気側に供給される過給機付きエンジンにおいて、前記吸気通路の途中から分岐して延設され制御弁を備えた導入通路の先端が、排気通路に連通し、前記加圧された空気の一部からなる二次空気が、前記制御弁を介して前記排気通路に供給されることを特徴とする過給機付きエンジン。
2. エンジンの回転数、スロットル開度、過給圧のいずれかの値に応じて、前記制御弁の開度が制御される請求項１記載の過給機付きエンジン。
3. 前記導入通路が前記排気通路に連通する位置が、排気弁の近傍である請求項１または２記載の過給機付きエンジン。
4. 排気ガスを浄化する触媒が前記排気通路の途中に配置されるとともに、前記導入通路が前記排気通路に連通する位置が、前記触媒の下流側でその近傍である請求項１または２記載の過給機付きエンジン。
5. エンジンの回転数の変化が所定の上昇率を超えたとき、または、所定のスロットル開度を超えた状態が一定時間以上継続したときには、前記制御弁を閉じて前記排気通路へ前記二次空気を供給しないようにする請求項１，２，３または４記載の過給機付きエンジン。
   

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