流路切替弁及びそれを備えた内燃機関
【課題】比較的高圧の駆動用ガスを用いて、第１流路と第２流路とを高速で選択的に切り替えて第３流路に連通させることができる流路切替弁及びそれを備えた内燃機関を提供する。
【解決手段】第１流路５１と第２流路５２をケース５４内の一方側に設け、第３流路５３を前記第１流路５１と前記第２流路５２の両方に対向して前記ケース内５４の他方側に設けると共に、前記第１流路５１と前記第３流路５３との間と、前記第２流路５２と前記第３流路５３との間を交互に連通及び閉鎖するようにスライドするシャッター部材５５を設け、該シャッター部材５５を駆動用ガスＡｐで駆動するピストン５６でスライドさせる。
【解決手段】第１流路５１と第２流路５２をケース５４内の一方側に設け、第３流路５３を前記第１流路５１と前記第２流路５２の両方に対向して前記ケース内５４の他方側に設けると共に、前記第１流路５１と前記第３流路５３との間と、前記第２流路５２と前記第３流路５３との間を交互に連通及び閉鎖するようにスライドするシャッター部材５５を設け、該シャッター部材５５を駆動用ガスＡｐで駆動するピストン５６でスライドさせる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、駆動用の高圧ガスを用いて、高圧側ガスの流路と低圧側ガスの流路とを高速で切り替えることができる流路切替弁及びそれを備えた内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジン等の内燃機関の排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）を低減するＥＧＲ（排気再循環）においては、過給システムを備えた内燃機関では、高圧ＥＧＲ方式と低圧ＥＧＲ方式とがある。この高圧ＥＧＲ方式では、例えば、図１６に示すように、高圧ＥＧＲシステムを備えた内燃機関１Ｘでは、ターボ式過給機１４よりもエンジン本体１１側にＥＧＲ通路１７が設けられており、エンジン本体１１の排気マニホールド１１ｂから吸気マニホールド１１ａにＥＧＲ通路１７経由でＥＧＲガスＧｅを還流している。また、低圧ＥＧＲ方式では、例えば、図１７に示すように、低圧ＥＧＲシステムを備えた内燃機関１Ｙでは、ターボ式過給機１４よりもエンジン本体１１とは反対側にＥＧＲ通路１７が設けられており、タービン１４ｂの下流側からコンプレッサ１４ａの上流側にＥＧＲ通路１７経由でＥＧＲガスＧｅを還流している。
【０００３】
これらのいずれのＥＧＲ方式でも、ＥＧＲガス量の制御には、ＭＡＦ制御方式が一般的に使用されている。このＭＡＦ制御方式では、ＥＧＲ無しでエンジンのシリンダ内に吸入される新気量（空気量）をＭｏとし、ＥＧＲを行うことでシリンダ内に吸入される新気量をＭｅとすると、還流されるＥＧＲガス量のＭｅｇｒがＭｅｇｒ＝Ｍｏ−Ｍｅとなるので、これに基づいて、ＥＧＲ弁２１の弁開度により新気量Ｍｅを制御することで、ＥＧＲガス量Ｍｅｇｒを制御している。
【０００４】
つまり、エンジンの回転速度Ｎｅと燃料負荷Ｑをパラメータにして、各エンジンの運転状態に対する新気量Ｍｅを予め設定して作成した新気量Ｍｅのデータマップを基に、実際のエンジン運転時の回転速度Ｎｅと燃料負荷Ｑから目標の新気量Ｍｅｔを算出して、実際の新気量Ｍｅをこの目標の新気量Ｍｅｔになるように制御することで、ＥＧＲガス量Ｍｅｇｒを制御している。
【０００５】
しかしながら、ターボ式過給機を使用する場合には排気ガスのエネルギー（エンタルピ）を用いて過給を行うため、ターボ式過給機の応答遅れ（ターボラグ）を無くすことは不可能であり、このＭＡＦ制御方式では、このターボラグに起因する次のような問題がある。ターボラグにより負荷が急激に増加する過渡運転状態では、過給圧が定常運転時に設定した圧力まで上昇しないため、エンジンの吸入空気量が低下する。つまり、ターボ式過給機付きエンジンでも無過給エンジンと同程度の吸気量となってしまう。
【０００６】
従って、定常運転条件で設定した目標のＥＧＲ量に達成することができず、図１８に示すように、急激な過渡運転を行う際にＮＯｘの排出量が増加する。また、煤の発生量を制限するために、過給圧があるレベルより上がらない場合には燃料の投入量が煤が増加しない領域内に抑えられるというスモークリミット制御が行われる。その結果、図１９及び図２０に示すように、燃料噴射量Ｑと空気量（Ｍｏ、Ｍｅ）が共に点線で示されるように抑えられ、加速時のパワーが抑えられてしまうという問題がある。そのために、加速時等の負荷が急激に増加する過渡運転時には、ＮＯｘ排出量の増加や燃費の悪化が発生する。
【０００７】
一方、エンジンのクランクシャフト等によって、過給機を直接駆動して過給を行う機械式過給装置を使用する場合では、過給の応答遅れをなくす事ができるが、エンジンの回転速度が決まると燃料量の多少に関わらず、過給量が決まるために、また、駆動に要する仕事量が大きいために、燃費が悪化するという問題がある。
【０００８】
この対策として、近年では、図２１に示すような蓄ガス供給システムを備えた内燃機関１Ｚが研究されており、この蓄ガス供給システムでは、内燃機関１Ｚから排出される排気ガスＧの一部Ｇｐを空気Ａａと混合した混合ガスＣを容積型コンプレッサ（排気圧縮器）２５で圧縮して高圧化し、この高圧化した混合ガスＣを蓄ガス容器（圧力容器）２７内に溜め込み、過渡時に放出電磁弁３６を開弁して混合ガスＣを調圧弁２９経由で吸気弁（吸気スロットル）３５の下流の吸気通路１２に放出し、これにより、内燃機関１Ｚのシリンダ内への吸気量を過給機付きエンジン並みに増加させると共に、ＥＧＲの効果によるＮＯｘの低減を図り、ターボラグの問題を解消している過給制御装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００９】
この蓄ガス供給システムを採用した場合は、過渡時に加圧された混合ガスＣをエンジン１Ｚの吸気通路１２内に放出することで過給圧を上げて、シリンダ内への空気量を増加させることができるので燃料量も増やすことができる。その結果、加速性能が向上し、煤の排出も抑えることができる。また、過給圧は排気マニホールド１１ｂの内圧よりも高くなるので、内燃機関１Ｚのポンピング損失が低下し燃費の向上を図ることができる。
【００１０】
この蓄ガス供給システムにおける技術的に最も重要な点の一つに、蓄ガス供給通路側と吸気通路との合流部で、蓄ガス供給通路側と吸気通路の下流側との連通から、吸気通路の上流側と吸気通路の下流側との連通へ、または、逆に、切り替えるための流路切替弁がある。
【００１１】
この流路切替弁では、蓄ガス容器からエンジンのシリンダ内へ蓄圧されたガスを供給する場合には、吸気通路の上流側を確実に閉じる必要があり、蓄ガス供給通路側の弁が開き出したときに吸気通路の上流側の弁が高速で閉まらないと、つまり、二箇所の弁が同時に開いている時間が長い程、蓄圧されたガスが吸気通路の上流側の弁の隙間を通じて大気側に逃げてしまうので、エンジンの吸気通路の下流側の過給圧が上がらなくなってしまう。
【００１２】
また、蓄ガス容器の蓄圧されたガスを用いた過給条件が解除されて、通常の吸気通路の上流側と吸気通路の下流側を連通させた状態に戻る場合には、蓄ガス供給通路側の弁が閉じたときに吸気通路の上流側の弁がまだ全開にならないと、吸気通路の上流側の吸気抵抗が増加してエンジンの吸気量が大幅に低下するので、エンジンのパワー、燃費、排ガス等に関するエンジン性能が悪化する。
【００１３】
流路切替弁でこれらの状態が、車両が他の車線に合流するために加速したときに発生すると、車両の加速性能が低下してしまうので、これを回避する必要がある。このように、蓄ガス供給通路側と吸気通路の上流側のラインを遮断する二箇所の弁の切替を高速で行うことが重要な課題となっている。
【００１４】
なお、三方切替弁として、例えば、一つの駆動手段と複数の三方切替手段の弁体を連結し、駆動手段により複数の弁体を連動して動かす一体式切替弁がある（例えば、特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２０１１−２１５５８号公報
【特許文献２】特開２０００−１９３１２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
一方、本発明者は、次のような知見を得た。つまり、実際の車両に、蓄ガス供給システムを搭載する場合に、流路切替弁の駆動を高速で行うためには、圧縮空気等の比較的高圧のガスを用いることが有効であり、駆動源となるガスとして過給に用いる蓄ガス容器内に蓄圧されたガスを用いることが有効である。
【００１７】
この場合に、蓄ガス供給通路からガスをエンジンのシリンダ内に供給するときには蓄ガス容器内は高圧であるが、このガスの供給を終了するときには蓄ガス容器内のガスがシリンダ内に供給された後であり、相当量のガスが消費されているので、蓄ガス容器内の圧力は降下して比較的低圧になっている。
【００１８】
従って、この低圧のガスでも二箇所の連通と閉鎖を行う切替部材を高速で作動させる必要がある。なお、ここで述べる高速作動とは、二箇所の連通と閉鎖の切替開始から切替完了までの時間が約３０／１０００秒（３０ｍｓ）程度の短時間で完了することをいう。
【００１９】
本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、比較的高圧の駆動用ガスを用いて、第１流路と第２流路とを高速で選択的に切り替えて第３流路に連通させることができ、ガス圧縮装置を用いて、排気ガスの一部と空気とこれらの混合ガスのいずれかのガスを蓄ガス容器に溜め込み、負荷が急激に増加する過渡運転時に前記ガスをシリンダ内に一時的に供給して過渡運転時のＮＯｘの排出を抑制するとともに加速性能を向上させる蓄ガス供給システムを備えた内燃機関等で使用できる流路切替弁及びそれを備えた内燃機関を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記の目的を達成するための本発明の流路切替弁は、第１流路と第２流路を切り替えて、第１流路側のガスと第２流路側のガスのいずれか一方を第３流路に流す流路切替弁において、前記第１流路と前記第２流路をケース内の一方側に設け、前記第３流路を前記第１流路と前記第２流路の両方に対向して前記ケース内の他方側に設けると共に、前記第１流路と前記第３流路との間と、前記第２流路と前記第３流路との間を交互に連通及び閉鎖するようにスライドするシャッター部材を設け、前記シャッター部材を駆動用ガスで駆動するピストンでスライドさせるように構成される。
【００２１】
この構成によれば、駆動ガスで駆動させるピストンの移動でスライドするシャッター部材で、第１流路と第３流路との間の連通と第２流路と第３流路との間の閉鎖、及び、第１流路と第３流路との間の閉鎖と第２流路と第３流路との間の連通を行うので、比較的高圧の駆動用ガスを用いて、第１流路と第２流路とを高速で選択的に切り替えて第３流路に連通させることができる。
【００２２】
しかも、第１流路と第２流路の両方の流路を一つのシャッター部材で交互に開閉するので、高速で且つ両方の開閉が同期した動きを与えることができる。その結果、第１流路と第２流路を切り替える条件下で、この流路切替弁を備えた装置の性能悪化を防止することができる。
【００２３】
従って、ガス圧縮装置を用いて、排気ガスの一部と空気とこれらの混合ガスのいずれかのガスを蓄ガス容器に溜め込み、負荷が急激に増加する過渡運転時に前記ガスをシリンダ内に一時的に供給して過渡運転時のＮＯｘの排出を抑制するとともに加速性能を向上させる蓄ガス供給システムを備えた内燃機関等で使用できる。
【００２４】
上記の流路切替弁において、前記ピストンを収納し、前記ピストンを駆動させるための第１ガス室と第２ガス室を有するシリンダを有すると共に、前記第１流路と前記第３流路との間を連通し、前記第２流路と前記第３流路との間を閉鎖する操作を第１切替操作とし、前記第１流路と前記第３流路との間を閉鎖し、前記第２流路と前記第３流路との間を連通する操作を第２切替操作としたときに、前記第１切替操作時には、第１圧力の駆動用ガスを前記第１ガス室に供給すると共に前記第２ガス室のガスを抜き、前記第２切替操作時には、前記第１圧力より低い第２圧力の駆動用ガスを前記第２ガス室に供給すると共に前記第１ガス室のガスを抜くように構成し、前記第１ガス室のガス抜き通路の最小面積をＢＨ、前記第２ガス室のガス抜き通路の最小面積をＢＬとし、駆動用ガスを前記第１ガス室に供給するガス供給通路の最小面積をＡＨとし、駆動用ガスを前記第２ガス室に供給するガス供給通路の最小面積をＡＬとしたときに、ＢＨ＞ＡＬ、且つ、ＢＬ＞ＡＨ、且つ、ＢＨ＞ＢＬとする。
【００２５】
この構成によれば、第１切替操作時で、第１圧力の駆動用ガスを第１ガス室に供給する場合にこの入口側の最小面積ＡＨよりも第２ガス室のガスの出口側の最小面積ＢＬの方が大きいので、ガスの出入りが円滑に行われ易くなり、また、第２切替操作時で、第２圧力の駆動用ガスを第２ガス室に供給する場合にこの入口側の最小面積ＡＬよりも第１ガス室のガスの出口側の最小面積ＢＨの方が大きいので、ガスの出入りが円滑に行われ易くなる。また、第２ガス室のガスの出口側の最小面積ＢＬより第１ガス室のガスの出口側の最小面積ＢＨの方が大きいので、第２ガス室よりも高圧で第１ガス室に供給されたガスをより円滑に排出できる。
【００２６】
上記の流路切替弁において、前記ピストンを前記第１ガス室側に移動するように付勢する弾性体を設けることにより、第２圧力のガスで第２切替操作をする際に、ピストンの移動を助ける方向の弾性力を付勢しているので、第１圧力のガスで第１切替操作をする際と同様な速度でシャッター部材をスライドさせて、流路を切り替えることができるようになる。
【００２７】
上記の流路切替弁において、前記ピストンの移動を停止するための緩衝部材を設けると、この緩衝部材でピストンの制動のためのエネルギーを吸収して強制停止させることができる。つまり、高速で動くシャッター部材を必要量動かした後では、ピストンとシャッター部材に大きな慣性力がつくので、非駆動側にゴム等の柔らかい衝突部となる緩衝部材を設けて、流路切替弁が破損しないように、ピストンの一部を緩衝部材に衝突させて停止させる。
【００２８】
上記の流路切替弁において、可動する前記シャッター部材と前記ピストンの材料として、ジュラルミン、超ジュラルミン、超超ジュラルミン、窒素ケイ素のいずれか又は幾つかの組み合わせを用いると、シャッター部材を低比重で強度の高い材料で軽量に形成することができるので、小さい駆動力で高速でシャッター部材をスライドさせて、高速で流路を切り替えることができるようになる。
【００２９】
そして、上記の流路切替弁を備えた内燃機関は、内燃機関の排気ガスの一部をシリンダ内に再循環するためのＥＧＲ通路と、内燃機関の排気ガスの一部と空気とこれらの混合ガスのいずれかのガスを圧縮するガス圧縮装置と、該ガス圧縮装置で圧縮された前記ガスを貯蓄する蓄ガス容器と、該蓄ガス容器と吸気系通路を接続する蓄ガス供給通路を備えた内燃機関において、上記の流路切替弁の前記第１流路に前記蓄ガス供給通路を接続し、前記第２流路に前記吸気系通路の上流側を接続し、前記第３流路に前記吸気系通路の下流側を接続して、前記流路切替弁を介して前記吸気系通路と前記蓄ガス供給通路とを接続し、前記流路切替弁を、前記吸気系通路の下流側の通路側に連通する先を、前記蓄ガス供給通路側と前記吸気系通路の上流側の通路側とに選択的に切り替えるように構成される。
【００３０】
この構成によれば、流路切替弁で、比較的高圧の駆動用ガスを用いて、蓄ガス供給通路に接続する第１流路と、上流側の吸気通路に接続する第２流路とを高速で選択的に切り替えて、下流側の吸気通路に接続する第３流路に連通させることができる。
【００３１】
従って、ガス圧縮装置を用いて、排気ガスの一部と空気とこれらの混合ガスのいずれかのガスを蓄ガス容器に溜め込み、負荷が急激に増加する過渡運転時に前記ガスをシリンダ内に一時的に供給して過渡運転時のＮＯｘの排出を抑制するとともに加速性能を向上させることができる。
【００３２】
上記の内燃機関において、前記流路切替弁の前記ピストンの駆動用ガスとして、前記蓄ガス容器の前記ガスを用いるように構成すると、ピストンの駆動用ガスを供給するための装置が不要になり、内燃機関の構造が複雑化するのを防止できる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明に係る流路切替弁によれば、比較的高圧の駆動用ガスを用いて、第１流路と第２流路とを高速で選択的に切り替えて第３流路に連通させることができ、ガス圧縮装置を用いて、排気ガスの一部と空気とこれらの混合ガスのいずれかのガスを蓄ガス容器に溜め込み、負荷が急激に増加する過渡運転時に前記ガスをシリンダ内に一時的に供給して過渡運転時のＮＯｘの排出を抑制するとともに加速性能を向上させる蓄ガス供給システムを備えた内燃機関等で使用できる。
【００３４】
また、本発明に係る流路切替弁を備えた内燃機関によれば、急加速時等の過渡運転において、ターボラグに起因する加速性能の低下を防止することができ、ＰＭ（粒子状物質）とＮＯｘ（窒素酸化物）の排出量の低減が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明に係る実施の形態の流路切替弁の構成を示す図で、第１流路が第３流路に連通している状態を示す図である。
【図２】図１の流路切替弁で、第２流路が第３流路に連通している状態を示す図である。
【図３】図１の流路切替弁のケースの図１のＸ１−Ｘ１断面を示す平断面図である。
【図４】流路切替弁のシャッター部材の構成を示す平面図である。
【図５】流路切替弁のシャッター部材の構成を示す図４のＹ１−Ｙ１断面図である。
【図６】第１流路が連通する場合のシャッター部材とケースの位置関係を示す横断面図である。
【図７】第２流路が連通する場合のシャッター部材とケースの位置関係を示す横断面図である。
【図８】ピストンとシリンダの構成を示す横断面図である。
【図９】緩衝部材の構成を示す図である。
【図１０】ピストンの駆動を説明するための図である。
【図１１】本発明に係る実施の形態の内燃機関の構成を示す図である。
【図１２】蓄ガス用のガス圧縮装置の駆動を説明するための図である。
【図１３】高圧側駆動時のピストンのストロークの経過時間による変化を示す図である。
【図１４】第１ガス室のガス抜き通路の最小面積ＢＨが狭い場合の低圧側駆動時のピストンのストロークの経過時間による変化を示す図である。
【図１５】第１ガス室のガス抜き通路の最小面積ＢＨが広い場合の低圧側駆動時のピストンのストロークの経過時間による変化を示す図である。
【図１６】従来技術の高圧ＥＧＲ方式の内燃機関の構成を示す図である。
【図１７】従来技術の低圧ＥＧＲ方式の内燃機関の構成を示す図である。
【図１８】車速の変化と瞬時ＮＯｘ排出量の関係を示す図である。
【図１９】全負荷における燃料噴射量の特性と過渡時の動きを示す図である。
【図２０】過渡時のターボ式過給機の応答遅れとＥＧＲの関係を示す図である。
【図２１】先行技術の内燃機関の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、本発明に係る実施の形態の流路切替弁及びそれを備えた内燃機関について、図面を参照しながら説明する。
【００３７】
本発明に係る実施の形態の流路切替弁は、図１に示すように、第１流路５１と第２流路５２を切り替えて、第１流路５１側のガスＣと第２流路５２側のガスＡのいずれか一方を第３流路５３に流す流路切替弁５０である。
【００３８】
この第１流路５１と第２流路５２をケース５４内の一方側に設け、第３流路５３を第１流路５１と第２流路５２の両方に対向してケース５４内の他方側に設ける。それと共に、第１流路５１と第３流路５３との間と、第２流路５２と第３流路５３との間を交互に連通及び閉鎖するようにスライドするシャッター部材５５を設ける。このシャッター部材５５を駆動用ガスＡｐで駆動するピストン５６でスライドさせるように構成する。更に、ピストン５６を収納し、ピストン５６を駆動させるための第１ガス室５７ａと第２ガス室５７ｂを有するシリンダ５７を有して、ピストン駆動部を構成する。
【００３９】
そして、図１に示すように、第１圧力の駆動用ガスＡｐを第１ガス室５７ａに供給すると共に第２ガス室５７ｂのガスＡｅを抜くことで、第１流路５１と第３流路５３との間を連通し、第２流路５２と第３流路５３との間を閉鎖する第１切替操作を行うように構成する。また、図２に示すように、第１圧力より低い第２圧力の駆動用ガスＡｐを第２ガス室５７ｂに供給すると共に第１ガス室５７ａのガスＡｅを抜くことで、第１流路５１と第３流路５３との間を閉鎖し、第２流路５２と第３流路５３との間を連通する第２切替操作を行うように構成する。
【００４０】
この流路切替弁５０のケース５４は、図３に示すように、第１流路５１と第３流路５３とを連通するための第１孔５４ａと、第２流路５２と第３流路５３とを連通するための第２孔５４ｂを有している。これらの第１孔５４ａの周囲と第２孔５４ｂの周囲にはＯリング溝５４ｃと必要に応じてグリス溜り５４ｄが設けられ、組み付け時にはそのリング溝５４ｃにＯリング５４ｅを挿入する。この第１孔５４ａと第２孔５４ｂは図３に示すように、偏平に形成し、シャッター部材５５の移動量（ストローク）が少なくても大きな断面積の通路を遮断及び連通できるように構成する。
【００４１】
この流路切替弁５０では、図６及び図７に示すように、このケース５４の間にシャッター部材５５が挿入される。このシャッター部材５５には、貫通孔５５ａが開口され、図６に示すように、シャッター部材５５がスライドした時に、貫通孔５５ａがケース５４の第１孔５４ａと重なりあうように構成する。
【００４２】
ピストン駆動部は、シャッター部材５５の高速移動を行うためのものであり、図８に示すように、ピストン５６、第１ガス室５７ａと第２ガス室５７ｂを有するシリンダ５７を有して構成される。ピストン５６はピストンロッド５６ａと受圧部５６ｂを一体化して形成し、この受圧部５６ｂをシリンダ５７内を摺動可能に構成する。また、第１ガス室５７ａと第２ガス室５７ｂとの間のシールを行うために、受圧部５６ｂにはＯリング溝５６ｃを設け、Ｏリング５６ｄを挿入する。
【００４３】
また、ピストン５６が高速で移動するとピストン５６の移動先のガス室５７ｂ（又は５７ａ）ではガス室５７ｂ（又は５７ａ）内のガスＡｅが圧縮されて、ピストン５６の動きを阻害するので、圧力抜きの経路として、第１ガス室５７ａには第１連通路５７ｃを、第２ガス室５７ｂには第２連通路５７ｄをそれぞれ形成する。
【００４４】
ピストン５６が高速で移動することで大きな慣性力が生じ、ロッド５６ａを必要なストローク動かした後に停止させるためには大きな制動力が必要になり、機械的に止めることは難しくなる。そのため、緩衝部材５７ｅをストッパーとして、第１ガス室５７ａの内側と第２ガス室５７ｂの内側にそれぞれ配設する。この緩衝部材５７ｅにピストン５６の受圧部５６ｂを衝突させることで、ピストン５６の制動に必要なエネルギーを緩衝部材５７ｅで吸収して強制停止させる。
【００４５】
つまり、高速で動くシャッター部材５５を必要量動かした後では、ピストン５６とシャッター部材５５に大きな慣性力が付くので、非駆動側にゴム等の柔らかい衝突部となる緩衝部材５７ｅを設けて、流路切替弁５０が破損しないように、緩衝部材５７ｅに受圧部５６ｂを衝突させて停止させる。
【００４６】
この緩衝部材５７ｅは、ゴム等の軟質材で形成し、図９に示すようにリング形状に形成する。また、この緩衝部材５７ｅには、第１連通路５７ｃ、又は、第２連通路５７ｄに対向する部分に切り欠き５７ｅａを設ける。なお、この緩衝部材５７ｅに使用するゴム等軟質材の厚さは実験的に設定する。
【００４７】
更に、ピストン５６を第１ガス室５７ａ側に移動するように付勢するスプリング（弾性体）５８を設けて、第２切替操作をする際に、ピストン５６の移動を助ける方向に弾性力を付勢する。これにより、比較的低い圧力の駆動用ガスＡｐで第２切替操作をする際に、比較的高い圧力の駆動用ガスＡｐで第１切替操作をする際と同様な速度で、シャッター部材５５をスライドさせて、流路を切り替えることができるようになる。
【００４８】
また、シャッター部材５５とピストン５６等の可動部分に、ジュラルミン、超ジュラルミン、超超ジュラルミン、窒素ケイ素等の低比重で強度の高い材料を用いると、シャッター部材５５を軽量に形成できるので、小さい駆動力で、且つ、高速でシャッター部材５５をスライドさせて、高速で流路を切り替えることができるようになる。
【００４９】
図１０に示すように、このピストン５６を駆動させる駆動システム６０は、駆動用ガスＡｐを貯蔵する蓄ガス容器６１を設けて構成する。更に、第１切替操作時に駆動用ガスＡｐを第１ガス室５７ａに供給するために、第１駆動用ガス供給路６２と第１三方弁６３と第１駆動用ガス供給補助路６２ａと第１大気解放補助路６２ｂを設ける。また、第２切替操作時に駆動用ガスＡｐを第２ガス室５７ｂに供給するために、第２駆動用ガス供給路６４と第２三方弁６５と第２駆動用ガス供給補助路６４ａと第２大気解放補助路６４ｂを設ける。
【００５０】
次に、上記の本発明に係る実施の形態の流路切替弁を備えたエンジン（内燃機関）１について説明する。図１１に示すように、このエンジン１は、エンジン本体１１と吸気マニホールド１１ａに接続する吸気通路１２と排気マニホールド１１ｂに接続する排気通路１３を有して構成する。この吸気マニホールド１１ａと吸気通路１２とで吸気系通路を形成し、排気マニホールド１１ｂと排気通路１３とで排気系通路を形成する。
【００５１】
吸気通路１２には、ターボ式過給機１４のコンプレッサ１４ａを設け、排気通路１３には、ターボ式過給機１４のタービン１４ｂと、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）装置１５とＮＯｘ吸蔵還元型触媒等で形成されるＮＯｘ浄化触媒１６を設ける。
【００５２】
また、タービン１４ｂの上流側の排気通路１３からＥＧＲ通路１７を分岐し、コンプレッサ１４ａの下流側の吸気通路１２にＥＧＲ合流部１８で合流させる。このＥＧＲ通路１７に、上流側から、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）装置１９とＥＧＲクーラ２０とＥＧＲ弁２１を設ける。
【００５３】
更に、ＮＯｘ浄化触媒１６の下流側の排気通路１３から分岐して、排気ガス導入通路２２を設ける。この排気ガス導入通路２２にはＥＧＲクーラ２３と三方弁２４を設け、この排気ガス導入通路２２を機械式の容積型過給機（往復動式が望ましい）等で形成されるガス圧縮装置２５に接続する。このガス圧縮装置２５を、圧縮ガス供給通路２６で圧力容器等で形成される蓄ガス容器２７に接続する。また、この蓄ガス容器２７を蓄ガス供給通路２８で吸気通路１２に接続する。この排気ガス導入通路２２と圧縮ガス供給通路２６と蓄ガス供給通路２８で蓄圧ガス系通路を形成する。
【００５４】
図１２に示すように、このガス圧縮装置２５は、エンジン１を搭載した車両の車軸３１から歯車３２、３３と、電磁クラッチ３４を経由してガス圧縮装置２５の駆動軸に動力を伝達する。この電磁クラッチ３４をＯＮにして接続することにより、ガス圧縮装置２５を駆動して、排気ガスＧの一部Ｇｐと空気Ａａとこれらの混合ガスのいずれかのガスＣを、圧縮して高圧化して蓄ガス容器２７に供給し、貯蔵する。
【００５５】
なお、図１１に示すように、蓄ガス供給通路２８には、調圧弁２９を配置し、流路切替弁５０に供給されるガスＣの圧力を調整する。このとき、三方弁２４で、排気ガスＧの一部Ｇｐの量と空気Ａａの量を調整して、蓄ガス容器２７で貯蔵されるガスＣにおける酸素濃度を略一定に保つことが好ましく、これにより、ＥＧＲを行うときの制御を単純化することができる。
【００５６】
そして、上記の機器類の制御を行うために、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）と呼ばれるエンジン１の運転の全般を制御する制御装置４０を設け、この制御装置４０で蓄ガス容器２７内の圧力Ｐｔやエンジン回転速度Ｎｅやアクセル開度Ａｃ等を検出して、その結果に基づいて電磁クラッチ３４や三方弁２４を制御して、蓄ガス容器２７内のガスＣの量（圧力）と排気ガスＧｐと空気Ａａの混合比率を調整制御する。
【００５７】
なお、図１１に示すように、この蓄ガス容器２７の内部の最大圧を調整する調整弁２７ａを、蓄ガス容器２７に設けて、ガス圧縮装置２５を駆動している時には、常に仕事が発生するように調整弁２７ａを調整する。なお、図１１では、調整弁２７ａを蓄ガス容器２７に設けているが、調整弁２７ａを蓄ガス容器２７とガス圧縮装置２５の間の圧縮ガス供給通路２６に設けてもよい。
【００５８】
つまり、エンジン１は、排気ガスＧの一部Ｇｅをシリンダ内に再循環するためのＥＧＲ通路１７と、エンジン１の排気ガスＧの一部Ｇｐと空気Ａａとこれらの混合ガスのいずれかのガスＣを圧縮するガス圧縮装置２５と、このガス圧縮装置２５で圧縮されたガスＣを貯蓄する蓄ガス容器２７と、この蓄ガス容器２７と吸気通路１２を接続する蓄ガス供給通路２８を備えて構成される。
【００５９】
そして、吸気通路１２と蓄ガス供給通路２８を、上記の実施の形態の流路切替弁５０を介して接続する。この流路切替弁５０では、蓄ガス供給通路２８が第１流路５１に、吸気通路１２の上流側の通路が第２流路５２に、吸気通路１２の下流側の通路側が第３流路５３にそれぞれ接続され、吸気通路１２の下流側の通路側を開放したまま、蓄ガス供給通路２８側と吸気通路１２の上流側の通路側とを切り替えるように構成される。
【００６０】
この流路切替弁５０の図１０に示す蓄ガス容器６１を図１１に示す蓄ガス容器２７で兼用して、第１ガス室５７ａと第２ガス室５７ｂを第１駆動用ガス供給路６２等と第２駆動用ガス供給路６４等で接続する。これにより、蓄ガス容器２７からのガスＣを、駆動用ガスＡｐとして使用する。なお、詳細は図１０のような構成になるが、図１１では、図面が複雑になるのを避けるため、簡略化して示してある。
【００６１】
次に、本発明に係る内燃機関１の過給補助方法について説明する。この過給補助方法は、上記の構成の内燃機関１で実施できる方法である。この過給補助方法は、エンジン（内燃機関）１の排気通路（排気系通路）１３の排気ガスＧの一部Ｇｐと空気Ａａとこれらの混合ガスのいずれかのガスＣを圧縮して貯蓄する。
【００６２】
それと共に、この過給補助方法では、エンジン１の過渡運転でないときには、エンジン１の排気ガスＧの一部Ｇｅを、ＥＧＲ通路１７を経由してシリンダ内に再循環し、過渡運転であるときには、ガスＣを一時的に吸気通路（吸気系通路）１２に供給する。
【００６３】
これらの制御においては制御装置４０で、エンジン回転速度Ｎｅ、エンジン空気量Ｍｏ、エンジン燃料量（燃料噴射量）Ｑ、蓄ガス容器２７の内部の圧力Ｐｔ等の検出値等に基づいて、調圧弁２９とＥＧＲ弁２１と流路切替弁５０を制御する。
【００６４】
この過給補助方法によれば、急加速等の過渡運転時においてターボラグに起因するＥＧＲ不足を解消し、過渡運転時のＮＯｘ排出を低減することができると共に加速性能の向上とＰＭの低減を図ることができる。
【００６５】
次に、上記の実施の形態のエンジン（内燃機関）１で上記の実施の形態の流路切替弁５０を用いる場合の、流路切替弁５０の作動と、この流路切替弁５０の流路の連通状態を、高速（３０／１０００秒程度以内）で切り替えるための、より好ましい形態について説明する。
【００６６】
流路切替弁５０を、上記のエンジン１に用いる場合には、図１０に示すように蓄ガス容器２７と第１駆動用ガス供給路６２等と第２駆動用ガス供給路６４に接続する。 エンジン１が過渡状態ではなく、通常ラインで給気しているとき、即ち、第２流路５２が第３流路５３と連通しているときには、蓄ガス容器２７内のガスＣは消費されていないので、蓄ガス容器２７の内部の圧力は、設定された高圧状態（例えば、設定圧力を６００ｋＰａ．ａｂｓとする。）となっている（以後、この状態を高圧側と称する）。
【００６７】
また、エンジン１を搭載している車両が急加速である等のエンジン１が過渡状態になって、蓄ガス容器２７内の蓄圧されたガスＣがエンジン１のシリンダ内に供給されて消費されると、蓄ガス容器２７の内部の圧力は低下し低圧状態（例えば設定圧力を３００ｋＰａ．ａｂｓ）となる（以後、この状態を低圧側と称する）。この低圧側で駆動する時のピストン５６の動きを補助するために、流路切替弁５０では、図１０に示すように、低圧側でピストン５６を駆動する際に付勢できるようにスプリング５８を第２ガス室５７ｂに配置する。
【００６８】
更に、ピストン５６が動きだした初期に加圧側の第１ガス室５７ａ（又は第２ガス室５７ｂ）の隙間によって生じる容積変化で駆動圧力の低下の変化分を最小にして、最速のピストン平均速度を得るように、ピストン５６の受圧部５６ｂが片側の緩衝部材５７ｅに接触している移動開始前の初期状態においては、図１０に示すように、加圧側の第１ガス室５７ａ（又は第２ガス室５７ｂ）のピストン５６の受圧部５６ｂとは反対側の壁面と、受圧部５６ｂの加圧側の壁面と間にできる隙間Ｓが１０〜１５ｍｍ程度となるように構成する。
【００６９】
更に、第１ガス室５７ａのガスＡｅを抜くために、第１駆動用ガス供給補助路６２ａと第１三方弁６３（連通時）と第１大気解放補助路６２ｂとから形成されるガス抜き通路の最小面積をＢＨとし、第２ガス室５７ｂのガスＡｅを抜くために、第２駆動用ガス供給補助路６４ａと第２三方弁６５（連通時）と第２大気解放補助路６４ｂとから形成されるガス抜き通路の最小面積をＢＬとする。
【００７０】
また、図１０に示すように、駆動用ガスＡｐを第１ガス室５７ａに供給するために、第１駆動用ガス供給路６２と第１三方弁６３（連通時）と第１駆動ガス供給補助路６２ａとから形成されるガス供給通路の最小面積をＡＨとし、駆動用ガスＡｐを第２ガス室５７ｂに供給するために、第２駆動用ガス供給路６４と第２三方弁６５（連通時）と第２駆動ガス供給補助路６４ａとから形成されるガス供給通路の最小面積をＡＬとする。
【００７１】
このとき、ピストンを高速で動かすために、ＢＨはＡＬより大きく（ＢＨ＞ＡＬ）、且つ、ＢＬはＡＨより大きく（ＢＬ＞ＡＨ）なるように形成することが好ましく。また、ＢＨはＢＬより大きく（ＢＨ＞ＢＬ）なるようにすることがより好ましい。
【００７２】
一例として、第１ガス室５７ａに供給される駆動用ガスＡｐ（高圧側）の圧力が５００ｋＰａで、第２ガス室５７ｂに供給される駆動用ガスＡｐ（低圧側）の圧力が３００ｋＰａの場合で、ＢＬを２．２７ｍｍ2（φ１．７ｍｍ）、ＢＨを８．０４ｍｍ2（φ３．２ｍｍ）とし、ＡＬ、ＡＨはいずれも２．２７ｍｍ2（φ１．７ｍｍ）とした時のピストンのストロークの経過時間による変化を図１３に示す。
【００７３】
この図１３は、第２ガス室５７ｂにスプリング５８を設けた場合Ａ（太線）と、スプリング５８を設けない場合Ｂ（細線）とで、第１ガス室５７ａの圧力を５００ｋＰａにして駆動したピストンのストロークの時間的な変化を示す。また、ＢＨの面積の違いによる第２ガス室５７ｂの圧力を３００ｋＰａにして駆動したピストンのストロークの経過時間による変化を図１４と図１５に示す。図１４は、ＢＨが２．２７ｍｍ2（φ１．７ｍｍ）の場合を示し、図１５は、ＢＨが８．０４ｍｍ2（φ３．２ｍｍ）の場合を示す。これによると、ＢＨを大きくすることで、少ない経過時間で大きなピストンのストロークを得ることができることが分かる。
【００７４】
上記の流路切替弁５０によれば、駆動ガスで駆動させるピストン５６の移動でスライドするシャッター部材５５で、第１流路５１と第３流路５３との間の連通と第２流路５２と第３流路５３との間の閉鎖、及び、第１流路５１と第３流路５３との間の閉鎖と第２流路５２と第３流路５３との間の連通を行うので、比較的高圧の駆動用ガスＡｐを用いて、第１流路５１と第２流路５２とを高速で選択的に切り替えて第３流路５３に連通させることができる。
【００７５】
しかも、第１流路５１と第２流路５２の両方の流路を一つのシャッター部材５５で交互に開閉するので、高速で且つ両方の開閉が同期した動きを与えることができる。その結果、第１流路５１と第２流路５２を切り替える条件下で、この流路切替弁５０を備えた装置の性能悪化を防止することができる。
【００７６】
従って、ガス圧縮装置２５を用いて、排気ガスＧの一部Ｇｐと空気Ａａとこれらの混合ガスのいずれかのガスＣを蓄ガス容器２７に溜め込み、負荷が急激に増加する過渡運転時に蓄圧されたガスＣをシリンダ内に一時的に供給して過渡運転時のＮＯｘの排出を抑制するとともに加速性能を向上させる蓄ガス供給システムを備えた内燃機関１で使用できる。
【００７７】
更に、流路の最小面積の関係をＢＨ＞ＡＬ、且つ、ＢＬ＞ＡＨとすることにより、第１切替操作時で、第１圧力の駆動用ガスＡｐを第１ガス室５７ａに供給する場合にこの入口側の最小面積ＡＨよりも第２ガス室５７ｂのガスＡｅの出口側の最小面積ＢＬの方が大きいので、ガスＡｅの出入りが円滑に行われ易くなり、また、第２切替操作時で、第２圧力の駆動用ガスＡｐを第２ガス室５７ｂに供給する場合にこの入口側の最小面積ＡＬよりも第１ガス室５７ａのガスの出口側の最小面積ＢＨの方が大きいので、ガスＡｅの出入りが円滑に行われ易くなる。
【００７８】
また、第２ガス室５７ｂのガスＡｅの出口側の最小面積ＢＬより第１ガス室５７ａのガスＡｅの出口側の最小面積ＢＨの方が大きいので、第２ガス室５７ｂよりも高圧で第１ガス室５７ａに供給されたガスＡｅをより円滑に排出できる。
【００７９】
また、ピストン５６を第１ガス室５７ａ側に移動するように付勢するスプリング（弾性体）５８を設けることにより、第２圧力の駆動用ガスＡｐで第２切替操作をする際に、ピストン５６の移動を助ける方向の弾性力を付勢しているので、第１圧力の駆動用ガスＡｐで第１切替操作をする際と同様な速度でシャッター部材５５をスライドさせて、流路を切り替えることができるようになる。
【００８０】
また、ピストン５６の移動を停止するための緩衝部材５７ｅを設けているので、この緩衝部材５７ｅでピストン５６の制動のためのエネルギーを吸収して強制停止させることができる。
【００８１】
また、可動するシャッター部材５５とピストン５６の材料として、ジュラルミン、超ジュラルミン、超超ジュラルミン、窒素ケイ素のいずれか又は幾つかの組み合わせを用いると、シャッター部材を軽量に形成することができ、小さい駆動力で高速でシャッター部材５５をスライドさせて、高速で流路を切り替えることができる。
【００８２】
そして、上記の内燃機関１によれば、流路切替弁５０で、比較的高圧の駆動用ガスＡｐを用いて、蓄ガス供給通路２８に接続する第１流路５１と、上流側の吸気通路１２に接続する第２流路５２とを高速で選択的に切り替えて、下流側の吸気通路１２に接続する第３流路５４に連通させることができる。
【００８３】
従って、ガス圧縮装置２５を用いて、排気ガスＧの一部Ｇｐと空気Ａａとこれらの混合ガスのいずれかのガスＣを蓄ガス容器２７に溜め込み、負荷が急激に増加する過渡運転時に蓄圧されたガスＣをシリンダ内に一時的に供給して過渡運転時のＮＯｘの排出を抑制するとともに加速性能を向上させることができる。
【００８４】
その結果、いずれの吸気ラインを用いる条件やラインを切り替える条件下での性能悪化を防止することができる。
【００８５】
また、流路切替弁５０のピストン５６の駆動用ガスＡｐとして、蓄ガス容器２７の蓄圧されたガスＣを用いるように構成すると、ピストン５６の駆動用ガスＡｐを供給するための装置が不要になり、エンジン１の構造が複雑化するのを防止できる。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明の流路切替弁は、比較的高圧の駆動用ガスを用いて、第１流路と第２流路とを高速で選択的に切り替えて第３流路に連通させることができ、ガス圧縮装置を用いて、排気ガスの一部と空気とこれらの混合ガスのいずれかのガスを蓄ガス容器に溜め込み、負荷が急激に増加する過渡運転時に前記ガスをシリンダ内に一時的に供給して過渡運転時のＮＯｘの排出を抑制するとともに加速性能を向上させることができるので、ガス圧縮装置を用いて、ガスを蓄ガス容器に溜め込み、負荷が急激に増加する過渡運転時に蓄圧されたガスをシリンダ内に一時的に供給する、トラックやバスや乗用車等に搭載する内燃機関で利用できる。
【００８７】
また、本発明の流路切替弁を備えた内燃機関によれば、急加速時等の過渡運転において、ターボラグに起因する加速性能の低下を防止することができ、ＰＭ（粒子状物質）とＮＯｘ（窒素酸化物）の排出量の低減が可能となるので、トラックやバスや乗用車等に搭載する内燃機関として利用できる。
【符号の説明】
【００８８】
１、１Ａ、１Ｘ、１Ｙ、１Ｚ エンジン（内燃機関）
１１ エンジン本体
１１ａ 吸気マニホールド（吸気系通路）
１１ｂ 排気マニホールド（排気系通路）
１２ 吸気通路（吸気系通路）
１３ 排気通路（排気系通路）
１４ ターボ式過給機
１４ａ コンプレッサ
１４ｂ タービン
１７ ＥＧＲ通路
２１ ＥＧＲ弁
２２ 排気ガス導入通路
２４ 三方弁
２５ ガス圧縮装置
２６ 圧縮ガス供給通路
２７ 蓄ガス容器
２８ 蓄ガス供給通路
４０ 制御装置
５０ 流路切替弁
５１ 第１流路
５２ 第２流路
５３ 第３流路
５４ ケース
５５ シャッター部材
５６ ピストン
５７ シリンダ
５７ａ 第１ガス室
５７ｂ 第２ガス室
５７ｃ 第１連通路
５７ｄ 第２連通路
５７ｅ 緩衝部材
５８ スプリング（弾性体）
６２ 第１駆動用ガス供給路
６２ａ 第１駆動用ガス供給補助路
６２ｂ 第１大気解放補助路
６３ 第１三方弁
６４ 第２駆動用ガス供給路
６４ａ 第２駆動用ガス供給補助路
６４ｂ 第２大気解放補助路
６５ 第２三方弁
Ａ 新気
Ａａ 空気
Ａｅ 抜きガス
Ａｐ 駆動用ガス
ＡＨ 第１ガス室側のガス供給通路の最小面積
ＡＬ 第２ガス室側のガス供給通路の最小面積
ＢＨ 第１ガス室側のガス抜き通路の最小面積
ＢＬ 第２ガス室側のガス抜き通路の最小面積
Ｃ ガス
Ｇ 排気ガス
Ｇｅ ＥＧＲガス
Ｇｐ 排気ガスの一部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、駆動用の高圧ガスを用いて、高圧側ガスの流路と低圧側ガスの流路とを高速で切り替えることができる流路切替弁及びそれを備えた内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジン等の内燃機関の排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）を低減するＥＧＲ（排気再循環）においては、過給システムを備えた内燃機関では、高圧ＥＧＲ方式と低圧ＥＧＲ方式とがある。この高圧ＥＧＲ方式では、例えば、図１６に示すように、高圧ＥＧＲシステムを備えた内燃機関１Ｘでは、ターボ式過給機１４よりもエンジン本体１１側にＥＧＲ通路１７が設けられており、エンジン本体１１の排気マニホールド１１ｂから吸気マニホールド１１ａにＥＧＲ通路１７経由でＥＧＲガスＧｅを還流している。また、低圧ＥＧＲ方式では、例えば、図１７に示すように、低圧ＥＧＲシステムを備えた内燃機関１Ｙでは、ターボ式過給機１４よりもエンジン本体１１とは反対側にＥＧＲ通路１７が設けられており、タービン１４ｂの下流側からコンプレッサ１４ａの上流側にＥＧＲ通路１７経由でＥＧＲガスＧｅを還流している。
【０００３】
これらのいずれのＥＧＲ方式でも、ＥＧＲガス量の制御には、ＭＡＦ制御方式が一般的に使用されている。このＭＡＦ制御方式では、ＥＧＲ無しでエンジンのシリンダ内に吸入される新気量（空気量）をＭｏとし、ＥＧＲを行うことでシリンダ内に吸入される新気量をＭｅとすると、還流されるＥＧＲガス量のＭｅｇｒがＭｅｇｒ＝Ｍｏ−Ｍｅとなるので、これに基づいて、ＥＧＲ弁２１の弁開度により新気量Ｍｅを制御することで、ＥＧＲガス量Ｍｅｇｒを制御している。
【０００４】
つまり、エンジンの回転速度Ｎｅと燃料負荷Ｑをパラメータにして、各エンジンの運転状態に対する新気量Ｍｅを予め設定して作成した新気量Ｍｅのデータマップを基に、実際のエンジン運転時の回転速度Ｎｅと燃料負荷Ｑから目標の新気量Ｍｅｔを算出して、実際の新気量Ｍｅをこの目標の新気量Ｍｅｔになるように制御することで、ＥＧＲガス量Ｍｅｇｒを制御している。
【０００５】
しかしながら、ターボ式過給機を使用する場合には排気ガスのエネルギー（エンタルピ）を用いて過給を行うため、ターボ式過給機の応答遅れ（ターボラグ）を無くすことは不可能であり、このＭＡＦ制御方式では、このターボラグに起因する次のような問題がある。ターボラグにより負荷が急激に増加する過渡運転状態では、過給圧が定常運転時に設定した圧力まで上昇しないため、エンジンの吸入空気量が低下する。つまり、ターボ式過給機付きエンジンでも無過給エンジンと同程度の吸気量となってしまう。
【０００６】
従って、定常運転条件で設定した目標のＥＧＲ量に達成することができず、図１８に示すように、急激な過渡運転を行う際にＮＯｘの排出量が増加する。また、煤の発生量を制限するために、過給圧があるレベルより上がらない場合には燃料の投入量が煤が増加しない領域内に抑えられるというスモークリミット制御が行われる。その結果、図１９及び図２０に示すように、燃料噴射量Ｑと空気量（Ｍｏ、Ｍｅ）が共に点線で示されるように抑えられ、加速時のパワーが抑えられてしまうという問題がある。そのために、加速時等の負荷が急激に増加する過渡運転時には、ＮＯｘ排出量の増加や燃費の悪化が発生する。
【０００７】
一方、エンジンのクランクシャフト等によって、過給機を直接駆動して過給を行う機械式過給装置を使用する場合では、過給の応答遅れをなくす事ができるが、エンジンの回転速度が決まると燃料量の多少に関わらず、過給量が決まるために、また、駆動に要する仕事量が大きいために、燃費が悪化するという問題がある。
【０００８】
この対策として、近年では、図２１に示すような蓄ガス供給システムを備えた内燃機関１Ｚが研究されており、この蓄ガス供給システムでは、内燃機関１Ｚから排出される排気ガスＧの一部Ｇｐを空気Ａａと混合した混合ガスＣを容積型コンプレッサ（排気圧縮器）２５で圧縮して高圧化し、この高圧化した混合ガスＣを蓄ガス容器（圧力容器）２７内に溜め込み、過渡時に放出電磁弁３６を開弁して混合ガスＣを調圧弁２９経由で吸気弁（吸気スロットル）３５の下流の吸気通路１２に放出し、これにより、内燃機関１Ｚのシリンダ内への吸気量を過給機付きエンジン並みに増加させると共に、ＥＧＲの効果によるＮＯｘの低減を図り、ターボラグの問題を解消している過給制御装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００９】
この蓄ガス供給システムを採用した場合は、過渡時に加圧された混合ガスＣをエンジン１Ｚの吸気通路１２内に放出することで過給圧を上げて、シリンダ内への空気量を増加させることができるので燃料量も増やすことができる。その結果、加速性能が向上し、煤の排出も抑えることができる。また、過給圧は排気マニホールド１１ｂの内圧よりも高くなるので、内燃機関１Ｚのポンピング損失が低下し燃費の向上を図ることができる。
【００１０】
この蓄ガス供給システムにおける技術的に最も重要な点の一つに、蓄ガス供給通路側と吸気通路との合流部で、蓄ガス供給通路側と吸気通路の下流側との連通から、吸気通路の上流側と吸気通路の下流側との連通へ、または、逆に、切り替えるための流路切替弁がある。
【００１１】
この流路切替弁では、蓄ガス容器からエンジンのシリンダ内へ蓄圧されたガスを供給する場合には、吸気通路の上流側を確実に閉じる必要があり、蓄ガス供給通路側の弁が開き出したときに吸気通路の上流側の弁が高速で閉まらないと、つまり、二箇所の弁が同時に開いている時間が長い程、蓄圧されたガスが吸気通路の上流側の弁の隙間を通じて大気側に逃げてしまうので、エンジンの吸気通路の下流側の過給圧が上がらなくなってしまう。
【００１２】
また、蓄ガス容器の蓄圧されたガスを用いた過給条件が解除されて、通常の吸気通路の上流側と吸気通路の下流側を連通させた状態に戻る場合には、蓄ガス供給通路側の弁が閉じたときに吸気通路の上流側の弁がまだ全開にならないと、吸気通路の上流側の吸気抵抗が増加してエンジンの吸気量が大幅に低下するので、エンジンのパワー、燃費、排ガス等に関するエンジン性能が悪化する。
【００１３】
流路切替弁でこれらの状態が、車両が他の車線に合流するために加速したときに発生すると、車両の加速性能が低下してしまうので、これを回避する必要がある。このように、蓄ガス供給通路側と吸気通路の上流側のラインを遮断する二箇所の弁の切替を高速で行うことが重要な課題となっている。
【００１４】
なお、三方切替弁として、例えば、一つの駆動手段と複数の三方切替手段の弁体を連結し、駆動手段により複数の弁体を連動して動かす一体式切替弁がある（例えば、特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２０１１−２１５５８号公報
【特許文献２】特開２０００−１９３１２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
一方、本発明者は、次のような知見を得た。つまり、実際の車両に、蓄ガス供給システムを搭載する場合に、流路切替弁の駆動を高速で行うためには、圧縮空気等の比較的高圧のガスを用いることが有効であり、駆動源となるガスとして過給に用いる蓄ガス容器内に蓄圧されたガスを用いることが有効である。
【００１７】
この場合に、蓄ガス供給通路からガスをエンジンのシリンダ内に供給するときには蓄ガス容器内は高圧であるが、このガスの供給を終了するときには蓄ガス容器内のガスがシリンダ内に供給された後であり、相当量のガスが消費されているので、蓄ガス容器内の圧力は降下して比較的低圧になっている。
【００１８】
従って、この低圧のガスでも二箇所の連通と閉鎖を行う切替部材を高速で作動させる必要がある。なお、ここで述べる高速作動とは、二箇所の連通と閉鎖の切替開始から切替完了までの時間が約３０／１０００秒（３０ｍｓ）程度の短時間で完了することをいう。
【００１９】
本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、比較的高圧の駆動用ガスを用いて、第１流路と第２流路とを高速で選択的に切り替えて第３流路に連通させることができ、ガス圧縮装置を用いて、排気ガスの一部と空気とこれらの混合ガスのいずれかのガスを蓄ガス容器に溜め込み、負荷が急激に増加する過渡運転時に前記ガスをシリンダ内に一時的に供給して過渡運転時のＮＯｘの排出を抑制するとともに加速性能を向上させる蓄ガス供給システムを備えた内燃機関等で使用できる流路切替弁及びそれを備えた内燃機関を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記の目的を達成するための本発明の流路切替弁は、第１流路と第２流路を切り替えて、第１流路側のガスと第２流路側のガスのいずれか一方を第３流路に流す流路切替弁において、前記第１流路と前記第２流路をケース内の一方側に設け、前記第３流路を前記第１流路と前記第２流路の両方に対向して前記ケース内の他方側に設けると共に、前記第１流路と前記第３流路との間と、前記第２流路と前記第３流路との間を交互に連通及び閉鎖するようにスライドするシャッター部材を設け、前記シャッター部材を駆動用ガスで駆動するピストンでスライドさせるように構成される。
【００２１】
この構成によれば、駆動ガスで駆動させるピストンの移動でスライドするシャッター部材で、第１流路と第３流路との間の連通と第２流路と第３流路との間の閉鎖、及び、第１流路と第３流路との間の閉鎖と第２流路と第３流路との間の連通を行うので、比較的高圧の駆動用ガスを用いて、第１流路と第２流路とを高速で選択的に切り替えて第３流路に連通させることができる。
【００２２】
しかも、第１流路と第２流路の両方の流路を一つのシャッター部材で交互に開閉するので、高速で且つ両方の開閉が同期した動きを与えることができる。その結果、第１流路と第２流路を切り替える条件下で、この流路切替弁を備えた装置の性能悪化を防止することができる。
【００２３】
従って、ガス圧縮装置を用いて、排気ガスの一部と空気とこれらの混合ガスのいずれかのガスを蓄ガス容器に溜め込み、負荷が急激に増加する過渡運転時に前記ガスをシリンダ内に一時的に供給して過渡運転時のＮＯｘの排出を抑制するとともに加速性能を向上させる蓄ガス供給システムを備えた内燃機関等で使用できる。
【００２４】
上記の流路切替弁において、前記ピストンを収納し、前記ピストンを駆動させるための第１ガス室と第２ガス室を有するシリンダを有すると共に、前記第１流路と前記第３流路との間を連通し、前記第２流路と前記第３流路との間を閉鎖する操作を第１切替操作とし、前記第１流路と前記第３流路との間を閉鎖し、前記第２流路と前記第３流路との間を連通する操作を第２切替操作としたときに、前記第１切替操作時には、第１圧力の駆動用ガスを前記第１ガス室に供給すると共に前記第２ガス室のガスを抜き、前記第２切替操作時には、前記第１圧力より低い第２圧力の駆動用ガスを前記第２ガス室に供給すると共に前記第１ガス室のガスを抜くように構成し、前記第１ガス室のガス抜き通路の最小面積をＢＨ、前記第２ガス室のガス抜き通路の最小面積をＢＬとし、駆動用ガスを前記第１ガス室に供給するガス供給通路の最小面積をＡＨとし、駆動用ガスを前記第２ガス室に供給するガス供給通路の最小面積をＡＬとしたときに、ＢＨ＞ＡＬ、且つ、ＢＬ＞ＡＨ、且つ、ＢＨ＞ＢＬとする。
【００２５】
この構成によれば、第１切替操作時で、第１圧力の駆動用ガスを第１ガス室に供給する場合にこの入口側の最小面積ＡＨよりも第２ガス室のガスの出口側の最小面積ＢＬの方が大きいので、ガスの出入りが円滑に行われ易くなり、また、第２切替操作時で、第２圧力の駆動用ガスを第２ガス室に供給する場合にこの入口側の最小面積ＡＬよりも第１ガス室のガスの出口側の最小面積ＢＨの方が大きいので、ガスの出入りが円滑に行われ易くなる。また、第２ガス室のガスの出口側の最小面積ＢＬより第１ガス室のガスの出口側の最小面積ＢＨの方が大きいので、第２ガス室よりも高圧で第１ガス室に供給されたガスをより円滑に排出できる。
【００２６】
上記の流路切替弁において、前記ピストンを前記第１ガス室側に移動するように付勢する弾性体を設けることにより、第２圧力のガスで第２切替操作をする際に、ピストンの移動を助ける方向の弾性力を付勢しているので、第１圧力のガスで第１切替操作をする際と同様な速度でシャッター部材をスライドさせて、流路を切り替えることができるようになる。
【００２７】
上記の流路切替弁において、前記ピストンの移動を停止するための緩衝部材を設けると、この緩衝部材でピストンの制動のためのエネルギーを吸収して強制停止させることができる。つまり、高速で動くシャッター部材を必要量動かした後では、ピストンとシャッター部材に大きな慣性力がつくので、非駆動側にゴム等の柔らかい衝突部となる緩衝部材を設けて、流路切替弁が破損しないように、ピストンの一部を緩衝部材に衝突させて停止させる。
【００２８】
上記の流路切替弁において、可動する前記シャッター部材と前記ピストンの材料として、ジュラルミン、超ジュラルミン、超超ジュラルミン、窒素ケイ素のいずれか又は幾つかの組み合わせを用いると、シャッター部材を低比重で強度の高い材料で軽量に形成することができるので、小さい駆動力で高速でシャッター部材をスライドさせて、高速で流路を切り替えることができるようになる。
【００２９】
そして、上記の流路切替弁を備えた内燃機関は、内燃機関の排気ガスの一部をシリンダ内に再循環するためのＥＧＲ通路と、内燃機関の排気ガスの一部と空気とこれらの混合ガスのいずれかのガスを圧縮するガス圧縮装置と、該ガス圧縮装置で圧縮された前記ガスを貯蓄する蓄ガス容器と、該蓄ガス容器と吸気系通路を接続する蓄ガス供給通路を備えた内燃機関において、上記の流路切替弁の前記第１流路に前記蓄ガス供給通路を接続し、前記第２流路に前記吸気系通路の上流側を接続し、前記第３流路に前記吸気系通路の下流側を接続して、前記流路切替弁を介して前記吸気系通路と前記蓄ガス供給通路とを接続し、前記流路切替弁を、前記吸気系通路の下流側の通路側に連通する先を、前記蓄ガス供給通路側と前記吸気系通路の上流側の通路側とに選択的に切り替えるように構成される。
【００３０】
この構成によれば、流路切替弁で、比較的高圧の駆動用ガスを用いて、蓄ガス供給通路に接続する第１流路と、上流側の吸気通路に接続する第２流路とを高速で選択的に切り替えて、下流側の吸気通路に接続する第３流路に連通させることができる。
【００３１】
従って、ガス圧縮装置を用いて、排気ガスの一部と空気とこれらの混合ガスのいずれかのガスを蓄ガス容器に溜め込み、負荷が急激に増加する過渡運転時に前記ガスをシリンダ内に一時的に供給して過渡運転時のＮＯｘの排出を抑制するとともに加速性能を向上させることができる。
【００３２】
上記の内燃機関において、前記流路切替弁の前記ピストンの駆動用ガスとして、前記蓄ガス容器の前記ガスを用いるように構成すると、ピストンの駆動用ガスを供給するための装置が不要になり、内燃機関の構造が複雑化するのを防止できる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明に係る流路切替弁によれば、比較的高圧の駆動用ガスを用いて、第１流路と第２流路とを高速で選択的に切り替えて第３流路に連通させることができ、ガス圧縮装置を用いて、排気ガスの一部と空気とこれらの混合ガスのいずれかのガスを蓄ガス容器に溜め込み、負荷が急激に増加する過渡運転時に前記ガスをシリンダ内に一時的に供給して過渡運転時のＮＯｘの排出を抑制するとともに加速性能を向上させる蓄ガス供給システムを備えた内燃機関等で使用できる。
【００３４】
また、本発明に係る流路切替弁を備えた内燃機関によれば、急加速時等の過渡運転において、ターボラグに起因する加速性能の低下を防止することができ、ＰＭ（粒子状物質）とＮＯｘ（窒素酸化物）の排出量の低減が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明に係る実施の形態の流路切替弁の構成を示す図で、第１流路が第３流路に連通している状態を示す図である。
【図２】図１の流路切替弁で、第２流路が第３流路に連通している状態を示す図である。
【図３】図１の流路切替弁のケースの図１のＸ１−Ｘ１断面を示す平断面図である。
【図４】流路切替弁のシャッター部材の構成を示す平面図である。
【図５】流路切替弁のシャッター部材の構成を示す図４のＹ１−Ｙ１断面図である。
【図６】第１流路が連通する場合のシャッター部材とケースの位置関係を示す横断面図である。
【図７】第２流路が連通する場合のシャッター部材とケースの位置関係を示す横断面図である。
【図８】ピストンとシリンダの構成を示す横断面図である。
【図９】緩衝部材の構成を示す図である。
【図１０】ピストンの駆動を説明するための図である。
【図１１】本発明に係る実施の形態の内燃機関の構成を示す図である。
【図１２】蓄ガス用のガス圧縮装置の駆動を説明するための図である。
【図１３】高圧側駆動時のピストンのストロークの経過時間による変化を示す図である。
【図１４】第１ガス室のガス抜き通路の最小面積ＢＨが狭い場合の低圧側駆動時のピストンのストロークの経過時間による変化を示す図である。
【図１５】第１ガス室のガス抜き通路の最小面積ＢＨが広い場合の低圧側駆動時のピストンのストロークの経過時間による変化を示す図である。
【図１６】従来技術の高圧ＥＧＲ方式の内燃機関の構成を示す図である。
【図１７】従来技術の低圧ＥＧＲ方式の内燃機関の構成を示す図である。
【図１８】車速の変化と瞬時ＮＯｘ排出量の関係を示す図である。
【図１９】全負荷における燃料噴射量の特性と過渡時の動きを示す図である。
【図２０】過渡時のターボ式過給機の応答遅れとＥＧＲの関係を示す図である。
【図２１】先行技術の内燃機関の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、本発明に係る実施の形態の流路切替弁及びそれを備えた内燃機関について、図面を参照しながら説明する。
【００３７】
本発明に係る実施の形態の流路切替弁は、図１に示すように、第１流路５１と第２流路５２を切り替えて、第１流路５１側のガスＣと第２流路５２側のガスＡのいずれか一方を第３流路５３に流す流路切替弁５０である。
【００３８】
この第１流路５１と第２流路５２をケース５４内の一方側に設け、第３流路５３を第１流路５１と第２流路５２の両方に対向してケース５４内の他方側に設ける。それと共に、第１流路５１と第３流路５３との間と、第２流路５２と第３流路５３との間を交互に連通及び閉鎖するようにスライドするシャッター部材５５を設ける。このシャッター部材５５を駆動用ガスＡｐで駆動するピストン５６でスライドさせるように構成する。更に、ピストン５６を収納し、ピストン５６を駆動させるための第１ガス室５７ａと第２ガス室５７ｂを有するシリンダ５７を有して、ピストン駆動部を構成する。
【００３９】
そして、図１に示すように、第１圧力の駆動用ガスＡｐを第１ガス室５７ａに供給すると共に第２ガス室５７ｂのガスＡｅを抜くことで、第１流路５１と第３流路５３との間を連通し、第２流路５２と第３流路５３との間を閉鎖する第１切替操作を行うように構成する。また、図２に示すように、第１圧力より低い第２圧力の駆動用ガスＡｐを第２ガス室５７ｂに供給すると共に第１ガス室５７ａのガスＡｅを抜くことで、第１流路５１と第３流路５３との間を閉鎖し、第２流路５２と第３流路５３との間を連通する第２切替操作を行うように構成する。
【００４０】
この流路切替弁５０のケース５４は、図３に示すように、第１流路５１と第３流路５３とを連通するための第１孔５４ａと、第２流路５２と第３流路５３とを連通するための第２孔５４ｂを有している。これらの第１孔５４ａの周囲と第２孔５４ｂの周囲にはＯリング溝５４ｃと必要に応じてグリス溜り５４ｄが設けられ、組み付け時にはそのリング溝５４ｃにＯリング５４ｅを挿入する。この第１孔５４ａと第２孔５４ｂは図３に示すように、偏平に形成し、シャッター部材５５の移動量（ストローク）が少なくても大きな断面積の通路を遮断及び連通できるように構成する。
【００４１】
この流路切替弁５０では、図６及び図７に示すように、このケース５４の間にシャッター部材５５が挿入される。このシャッター部材５５には、貫通孔５５ａが開口され、図６に示すように、シャッター部材５５がスライドした時に、貫通孔５５ａがケース５４の第１孔５４ａと重なりあうように構成する。
【００４２】
ピストン駆動部は、シャッター部材５５の高速移動を行うためのものであり、図８に示すように、ピストン５６、第１ガス室５７ａと第２ガス室５７ｂを有するシリンダ５７を有して構成される。ピストン５６はピストンロッド５６ａと受圧部５６ｂを一体化して形成し、この受圧部５６ｂをシリンダ５７内を摺動可能に構成する。また、第１ガス室５７ａと第２ガス室５７ｂとの間のシールを行うために、受圧部５６ｂにはＯリング溝５６ｃを設け、Ｏリング５６ｄを挿入する。
【００４３】
また、ピストン５６が高速で移動するとピストン５６の移動先のガス室５７ｂ（又は５７ａ）ではガス室５７ｂ（又は５７ａ）内のガスＡｅが圧縮されて、ピストン５６の動きを阻害するので、圧力抜きの経路として、第１ガス室５７ａには第１連通路５７ｃを、第２ガス室５７ｂには第２連通路５７ｄをそれぞれ形成する。
【００４４】
ピストン５６が高速で移動することで大きな慣性力が生じ、ロッド５６ａを必要なストローク動かした後に停止させるためには大きな制動力が必要になり、機械的に止めることは難しくなる。そのため、緩衝部材５７ｅをストッパーとして、第１ガス室５７ａの内側と第２ガス室５７ｂの内側にそれぞれ配設する。この緩衝部材５７ｅにピストン５６の受圧部５６ｂを衝突させることで、ピストン５６の制動に必要なエネルギーを緩衝部材５７ｅで吸収して強制停止させる。
【００４５】
つまり、高速で動くシャッター部材５５を必要量動かした後では、ピストン５６とシャッター部材５５に大きな慣性力が付くので、非駆動側にゴム等の柔らかい衝突部となる緩衝部材５７ｅを設けて、流路切替弁５０が破損しないように、緩衝部材５７ｅに受圧部５６ｂを衝突させて停止させる。
【００４６】
この緩衝部材５７ｅは、ゴム等の軟質材で形成し、図９に示すようにリング形状に形成する。また、この緩衝部材５７ｅには、第１連通路５７ｃ、又は、第２連通路５７ｄに対向する部分に切り欠き５７ｅａを設ける。なお、この緩衝部材５７ｅに使用するゴム等軟質材の厚さは実験的に設定する。
【００４７】
更に、ピストン５６を第１ガス室５７ａ側に移動するように付勢するスプリング（弾性体）５８を設けて、第２切替操作をする際に、ピストン５６の移動を助ける方向に弾性力を付勢する。これにより、比較的低い圧力の駆動用ガスＡｐで第２切替操作をする際に、比較的高い圧力の駆動用ガスＡｐで第１切替操作をする際と同様な速度で、シャッター部材５５をスライドさせて、流路を切り替えることができるようになる。
【００４８】
また、シャッター部材５５とピストン５６等の可動部分に、ジュラルミン、超ジュラルミン、超超ジュラルミン、窒素ケイ素等の低比重で強度の高い材料を用いると、シャッター部材５５を軽量に形成できるので、小さい駆動力で、且つ、高速でシャッター部材５５をスライドさせて、高速で流路を切り替えることができるようになる。
【００４９】
図１０に示すように、このピストン５６を駆動させる駆動システム６０は、駆動用ガスＡｐを貯蔵する蓄ガス容器６１を設けて構成する。更に、第１切替操作時に駆動用ガスＡｐを第１ガス室５７ａに供給するために、第１駆動用ガス供給路６２と第１三方弁６３と第１駆動用ガス供給補助路６２ａと第１大気解放補助路６２ｂを設ける。また、第２切替操作時に駆動用ガスＡｐを第２ガス室５７ｂに供給するために、第２駆動用ガス供給路６４と第２三方弁６５と第２駆動用ガス供給補助路６４ａと第２大気解放補助路６４ｂを設ける。
【００５０】
次に、上記の本発明に係る実施の形態の流路切替弁を備えたエンジン（内燃機関）１について説明する。図１１に示すように、このエンジン１は、エンジン本体１１と吸気マニホールド１１ａに接続する吸気通路１２と排気マニホールド１１ｂに接続する排気通路１３を有して構成する。この吸気マニホールド１１ａと吸気通路１２とで吸気系通路を形成し、排気マニホールド１１ｂと排気通路１３とで排気系通路を形成する。
【００５１】
吸気通路１２には、ターボ式過給機１４のコンプレッサ１４ａを設け、排気通路１３には、ターボ式過給機１４のタービン１４ｂと、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）装置１５とＮＯｘ吸蔵還元型触媒等で形成されるＮＯｘ浄化触媒１６を設ける。
【００５２】
また、タービン１４ｂの上流側の排気通路１３からＥＧＲ通路１７を分岐し、コンプレッサ１４ａの下流側の吸気通路１２にＥＧＲ合流部１８で合流させる。このＥＧＲ通路１７に、上流側から、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）装置１９とＥＧＲクーラ２０とＥＧＲ弁２１を設ける。
【００５３】
更に、ＮＯｘ浄化触媒１６の下流側の排気通路１３から分岐して、排気ガス導入通路２２を設ける。この排気ガス導入通路２２にはＥＧＲクーラ２３と三方弁２４を設け、この排気ガス導入通路２２を機械式の容積型過給機（往復動式が望ましい）等で形成されるガス圧縮装置２５に接続する。このガス圧縮装置２５を、圧縮ガス供給通路２６で圧力容器等で形成される蓄ガス容器２７に接続する。また、この蓄ガス容器２７を蓄ガス供給通路２８で吸気通路１２に接続する。この排気ガス導入通路２２と圧縮ガス供給通路２６と蓄ガス供給通路２８で蓄圧ガス系通路を形成する。
【００５４】
図１２に示すように、このガス圧縮装置２５は、エンジン１を搭載した車両の車軸３１から歯車３２、３３と、電磁クラッチ３４を経由してガス圧縮装置２５の駆動軸に動力を伝達する。この電磁クラッチ３４をＯＮにして接続することにより、ガス圧縮装置２５を駆動して、排気ガスＧの一部Ｇｐと空気Ａａとこれらの混合ガスのいずれかのガスＣを、圧縮して高圧化して蓄ガス容器２７に供給し、貯蔵する。
【００５５】
なお、図１１に示すように、蓄ガス供給通路２８には、調圧弁２９を配置し、流路切替弁５０に供給されるガスＣの圧力を調整する。このとき、三方弁２４で、排気ガスＧの一部Ｇｐの量と空気Ａａの量を調整して、蓄ガス容器２７で貯蔵されるガスＣにおける酸素濃度を略一定に保つことが好ましく、これにより、ＥＧＲを行うときの制御を単純化することができる。
【００５６】
そして、上記の機器類の制御を行うために、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）と呼ばれるエンジン１の運転の全般を制御する制御装置４０を設け、この制御装置４０で蓄ガス容器２７内の圧力Ｐｔやエンジン回転速度Ｎｅやアクセル開度Ａｃ等を検出して、その結果に基づいて電磁クラッチ３４や三方弁２４を制御して、蓄ガス容器２７内のガスＣの量（圧力）と排気ガスＧｐと空気Ａａの混合比率を調整制御する。
【００５７】
なお、図１１に示すように、この蓄ガス容器２７の内部の最大圧を調整する調整弁２７ａを、蓄ガス容器２７に設けて、ガス圧縮装置２５を駆動している時には、常に仕事が発生するように調整弁２７ａを調整する。なお、図１１では、調整弁２７ａを蓄ガス容器２７に設けているが、調整弁２７ａを蓄ガス容器２７とガス圧縮装置２５の間の圧縮ガス供給通路２６に設けてもよい。
【００５８】
つまり、エンジン１は、排気ガスＧの一部Ｇｅをシリンダ内に再循環するためのＥＧＲ通路１７と、エンジン１の排気ガスＧの一部Ｇｐと空気Ａａとこれらの混合ガスのいずれかのガスＣを圧縮するガス圧縮装置２５と、このガス圧縮装置２５で圧縮されたガスＣを貯蓄する蓄ガス容器２７と、この蓄ガス容器２７と吸気通路１２を接続する蓄ガス供給通路２８を備えて構成される。
【００５９】
そして、吸気通路１２と蓄ガス供給通路２８を、上記の実施の形態の流路切替弁５０を介して接続する。この流路切替弁５０では、蓄ガス供給通路２８が第１流路５１に、吸気通路１２の上流側の通路が第２流路５２に、吸気通路１２の下流側の通路側が第３流路５３にそれぞれ接続され、吸気通路１２の下流側の通路側を開放したまま、蓄ガス供給通路２８側と吸気通路１２の上流側の通路側とを切り替えるように構成される。
【００６０】
この流路切替弁５０の図１０に示す蓄ガス容器６１を図１１に示す蓄ガス容器２７で兼用して、第１ガス室５７ａと第２ガス室５７ｂを第１駆動用ガス供給路６２等と第２駆動用ガス供給路６４等で接続する。これにより、蓄ガス容器２７からのガスＣを、駆動用ガスＡｐとして使用する。なお、詳細は図１０のような構成になるが、図１１では、図面が複雑になるのを避けるため、簡略化して示してある。
【００６１】
次に、本発明に係る内燃機関１の過給補助方法について説明する。この過給補助方法は、上記の構成の内燃機関１で実施できる方法である。この過給補助方法は、エンジン（内燃機関）１の排気通路（排気系通路）１３の排気ガスＧの一部Ｇｐと空気Ａａとこれらの混合ガスのいずれかのガスＣを圧縮して貯蓄する。
【００６２】
それと共に、この過給補助方法では、エンジン１の過渡運転でないときには、エンジン１の排気ガスＧの一部Ｇｅを、ＥＧＲ通路１７を経由してシリンダ内に再循環し、過渡運転であるときには、ガスＣを一時的に吸気通路（吸気系通路）１２に供給する。
【００６３】
これらの制御においては制御装置４０で、エンジン回転速度Ｎｅ、エンジン空気量Ｍｏ、エンジン燃料量（燃料噴射量）Ｑ、蓄ガス容器２７の内部の圧力Ｐｔ等の検出値等に基づいて、調圧弁２９とＥＧＲ弁２１と流路切替弁５０を制御する。
【００６４】
この過給補助方法によれば、急加速等の過渡運転時においてターボラグに起因するＥＧＲ不足を解消し、過渡運転時のＮＯｘ排出を低減することができると共に加速性能の向上とＰＭの低減を図ることができる。
【００６５】
次に、上記の実施の形態のエンジン（内燃機関）１で上記の実施の形態の流路切替弁５０を用いる場合の、流路切替弁５０の作動と、この流路切替弁５０の流路の連通状態を、高速（３０／１０００秒程度以内）で切り替えるための、より好ましい形態について説明する。
【００６６】
流路切替弁５０を、上記のエンジン１に用いる場合には、図１０に示すように蓄ガス容器２７と第１駆動用ガス供給路６２等と第２駆動用ガス供給路６４に接続する。 エンジン１が過渡状態ではなく、通常ラインで給気しているとき、即ち、第２流路５２が第３流路５３と連通しているときには、蓄ガス容器２７内のガスＣは消費されていないので、蓄ガス容器２７の内部の圧力は、設定された高圧状態（例えば、設定圧力を６００ｋＰａ．ａｂｓとする。）となっている（以後、この状態を高圧側と称する）。
【００６７】
また、エンジン１を搭載している車両が急加速である等のエンジン１が過渡状態になって、蓄ガス容器２７内の蓄圧されたガスＣがエンジン１のシリンダ内に供給されて消費されると、蓄ガス容器２７の内部の圧力は低下し低圧状態（例えば設定圧力を３００ｋＰａ．ａｂｓ）となる（以後、この状態を低圧側と称する）。この低圧側で駆動する時のピストン５６の動きを補助するために、流路切替弁５０では、図１０に示すように、低圧側でピストン５６を駆動する際に付勢できるようにスプリング５８を第２ガス室５７ｂに配置する。
【００６８】
更に、ピストン５６が動きだした初期に加圧側の第１ガス室５７ａ（又は第２ガス室５７ｂ）の隙間によって生じる容積変化で駆動圧力の低下の変化分を最小にして、最速のピストン平均速度を得るように、ピストン５６の受圧部５６ｂが片側の緩衝部材５７ｅに接触している移動開始前の初期状態においては、図１０に示すように、加圧側の第１ガス室５７ａ（又は第２ガス室５７ｂ）のピストン５６の受圧部５６ｂとは反対側の壁面と、受圧部５６ｂの加圧側の壁面と間にできる隙間Ｓが１０〜１５ｍｍ程度となるように構成する。
【００６９】
更に、第１ガス室５７ａのガスＡｅを抜くために、第１駆動用ガス供給補助路６２ａと第１三方弁６３（連通時）と第１大気解放補助路６２ｂとから形成されるガス抜き通路の最小面積をＢＨとし、第２ガス室５７ｂのガスＡｅを抜くために、第２駆動用ガス供給補助路６４ａと第２三方弁６５（連通時）と第２大気解放補助路６４ｂとから形成されるガス抜き通路の最小面積をＢＬとする。
【００７０】
また、図１０に示すように、駆動用ガスＡｐを第１ガス室５７ａに供給するために、第１駆動用ガス供給路６２と第１三方弁６３（連通時）と第１駆動ガス供給補助路６２ａとから形成されるガス供給通路の最小面積をＡＨとし、駆動用ガスＡｐを第２ガス室５７ｂに供給するために、第２駆動用ガス供給路６４と第２三方弁６５（連通時）と第２駆動ガス供給補助路６４ａとから形成されるガス供給通路の最小面積をＡＬとする。
【００７１】
このとき、ピストンを高速で動かすために、ＢＨはＡＬより大きく（ＢＨ＞ＡＬ）、且つ、ＢＬはＡＨより大きく（ＢＬ＞ＡＨ）なるように形成することが好ましく。また、ＢＨはＢＬより大きく（ＢＨ＞ＢＬ）なるようにすることがより好ましい。
【００７２】
一例として、第１ガス室５７ａに供給される駆動用ガスＡｐ（高圧側）の圧力が５００ｋＰａで、第２ガス室５７ｂに供給される駆動用ガスＡｐ（低圧側）の圧力が３００ｋＰａの場合で、ＢＬを２．２７ｍｍ2（φ１．７ｍｍ）、ＢＨを８．０４ｍｍ2（φ３．２ｍｍ）とし、ＡＬ、ＡＨはいずれも２．２７ｍｍ2（φ１．７ｍｍ）とした時のピストンのストロークの経過時間による変化を図１３に示す。
【００７３】
この図１３は、第２ガス室５７ｂにスプリング５８を設けた場合Ａ（太線）と、スプリング５８を設けない場合Ｂ（細線）とで、第１ガス室５７ａの圧力を５００ｋＰａにして駆動したピストンのストロークの時間的な変化を示す。また、ＢＨの面積の違いによる第２ガス室５７ｂの圧力を３００ｋＰａにして駆動したピストンのストロークの経過時間による変化を図１４と図１５に示す。図１４は、ＢＨが２．２７ｍｍ2（φ１．７ｍｍ）の場合を示し、図１５は、ＢＨが８．０４ｍｍ2（φ３．２ｍｍ）の場合を示す。これによると、ＢＨを大きくすることで、少ない経過時間で大きなピストンのストロークを得ることができることが分かる。
【００７４】
上記の流路切替弁５０によれば、駆動ガスで駆動させるピストン５６の移動でスライドするシャッター部材５５で、第１流路５１と第３流路５３との間の連通と第２流路５２と第３流路５３との間の閉鎖、及び、第１流路５１と第３流路５３との間の閉鎖と第２流路５２と第３流路５３との間の連通を行うので、比較的高圧の駆動用ガスＡｐを用いて、第１流路５１と第２流路５２とを高速で選択的に切り替えて第３流路５３に連通させることができる。
【００７５】
しかも、第１流路５１と第２流路５２の両方の流路を一つのシャッター部材５５で交互に開閉するので、高速で且つ両方の開閉が同期した動きを与えることができる。その結果、第１流路５１と第２流路５２を切り替える条件下で、この流路切替弁５０を備えた装置の性能悪化を防止することができる。
【００７６】
従って、ガス圧縮装置２５を用いて、排気ガスＧの一部Ｇｐと空気Ａａとこれらの混合ガスのいずれかのガスＣを蓄ガス容器２７に溜め込み、負荷が急激に増加する過渡運転時に蓄圧されたガスＣをシリンダ内に一時的に供給して過渡運転時のＮＯｘの排出を抑制するとともに加速性能を向上させる蓄ガス供給システムを備えた内燃機関１で使用できる。
【００７７】
更に、流路の最小面積の関係をＢＨ＞ＡＬ、且つ、ＢＬ＞ＡＨとすることにより、第１切替操作時で、第１圧力の駆動用ガスＡｐを第１ガス室５７ａに供給する場合にこの入口側の最小面積ＡＨよりも第２ガス室５７ｂのガスＡｅの出口側の最小面積ＢＬの方が大きいので、ガスＡｅの出入りが円滑に行われ易くなり、また、第２切替操作時で、第２圧力の駆動用ガスＡｐを第２ガス室５７ｂに供給する場合にこの入口側の最小面積ＡＬよりも第１ガス室５７ａのガスの出口側の最小面積ＢＨの方が大きいので、ガスＡｅの出入りが円滑に行われ易くなる。
【００７８】
また、第２ガス室５７ｂのガスＡｅの出口側の最小面積ＢＬより第１ガス室５７ａのガスＡｅの出口側の最小面積ＢＨの方が大きいので、第２ガス室５７ｂよりも高圧で第１ガス室５７ａに供給されたガスＡｅをより円滑に排出できる。
【００７９】
また、ピストン５６を第１ガス室５７ａ側に移動するように付勢するスプリング（弾性体）５８を設けることにより、第２圧力の駆動用ガスＡｐで第２切替操作をする際に、ピストン５６の移動を助ける方向の弾性力を付勢しているので、第１圧力の駆動用ガスＡｐで第１切替操作をする際と同様な速度でシャッター部材５５をスライドさせて、流路を切り替えることができるようになる。
【００８０】
また、ピストン５６の移動を停止するための緩衝部材５７ｅを設けているので、この緩衝部材５７ｅでピストン５６の制動のためのエネルギーを吸収して強制停止させることができる。
【００８１】
また、可動するシャッター部材５５とピストン５６の材料として、ジュラルミン、超ジュラルミン、超超ジュラルミン、窒素ケイ素のいずれか又は幾つかの組み合わせを用いると、シャッター部材を軽量に形成することができ、小さい駆動力で高速でシャッター部材５５をスライドさせて、高速で流路を切り替えることができる。
【００８２】
そして、上記の内燃機関１によれば、流路切替弁５０で、比較的高圧の駆動用ガスＡｐを用いて、蓄ガス供給通路２８に接続する第１流路５１と、上流側の吸気通路１２に接続する第２流路５２とを高速で選択的に切り替えて、下流側の吸気通路１２に接続する第３流路５４に連通させることができる。
【００８３】
従って、ガス圧縮装置２５を用いて、排気ガスＧの一部Ｇｐと空気Ａａとこれらの混合ガスのいずれかのガスＣを蓄ガス容器２７に溜め込み、負荷が急激に増加する過渡運転時に蓄圧されたガスＣをシリンダ内に一時的に供給して過渡運転時のＮＯｘの排出を抑制するとともに加速性能を向上させることができる。
【００８４】
その結果、いずれの吸気ラインを用いる条件やラインを切り替える条件下での性能悪化を防止することができる。
【００８５】
また、流路切替弁５０のピストン５６の駆動用ガスＡｐとして、蓄ガス容器２７の蓄圧されたガスＣを用いるように構成すると、ピストン５６の駆動用ガスＡｐを供給するための装置が不要になり、エンジン１の構造が複雑化するのを防止できる。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明の流路切替弁は、比較的高圧の駆動用ガスを用いて、第１流路と第２流路とを高速で選択的に切り替えて第３流路に連通させることができ、ガス圧縮装置を用いて、排気ガスの一部と空気とこれらの混合ガスのいずれかのガスを蓄ガス容器に溜め込み、負荷が急激に増加する過渡運転時に前記ガスをシリンダ内に一時的に供給して過渡運転時のＮＯｘの排出を抑制するとともに加速性能を向上させることができるので、ガス圧縮装置を用いて、ガスを蓄ガス容器に溜め込み、負荷が急激に増加する過渡運転時に蓄圧されたガスをシリンダ内に一時的に供給する、トラックやバスや乗用車等に搭載する内燃機関で利用できる。
【００８７】
また、本発明の流路切替弁を備えた内燃機関によれば、急加速時等の過渡運転において、ターボラグに起因する加速性能の低下を防止することができ、ＰＭ（粒子状物質）とＮＯｘ（窒素酸化物）の排出量の低減が可能となるので、トラックやバスや乗用車等に搭載する内燃機関として利用できる。
【符号の説明】
【００８８】
１、１Ａ、１Ｘ、１Ｙ、１Ｚ エンジン（内燃機関）
１１ エンジン本体
１１ａ 吸気マニホールド（吸気系通路）
１１ｂ 排気マニホールド（排気系通路）
１２ 吸気通路（吸気系通路）
１３ 排気通路（排気系通路）
１４ ターボ式過給機
１４ａ コンプレッサ
１４ｂ タービン
１７ ＥＧＲ通路
２１ ＥＧＲ弁
２２ 排気ガス導入通路
２４ 三方弁
２５ ガス圧縮装置
２６ 圧縮ガス供給通路
２７ 蓄ガス容器
２８ 蓄ガス供給通路
４０ 制御装置
５０ 流路切替弁
５１ 第１流路
５２ 第２流路
５３ 第３流路
５４ ケース
５５ シャッター部材
５６ ピストン
５７ シリンダ
５７ａ 第１ガス室
５７ｂ 第２ガス室
５７ｃ 第１連通路
５７ｄ 第２連通路
５７ｅ 緩衝部材
５８ スプリング（弾性体）
６２ 第１駆動用ガス供給路
６２ａ 第１駆動用ガス供給補助路
６２ｂ 第１大気解放補助路
６３ 第１三方弁
６４ 第２駆動用ガス供給路
６４ａ 第２駆動用ガス供給補助路
６４ｂ 第２大気解放補助路
６５ 第２三方弁
Ａ 新気
Ａａ 空気
Ａｅ 抜きガス
Ａｐ 駆動用ガス
ＡＨ 第１ガス室側のガス供給通路の最小面積
ＡＬ 第２ガス室側のガス供給通路の最小面積
ＢＨ 第１ガス室側のガス抜き通路の最小面積
ＢＬ 第２ガス室側のガス抜き通路の最小面積
Ｃ ガス
Ｇ 排気ガス
Ｇｅ ＥＧＲガス
Ｇｐ 排気ガスの一部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１流路と第２流路を切り替えて、第１流路側のガスと第２流路側のガスのいずれか一方を第３流路に流す流路切替弁において、
前記第１流路と前記第２流路をケース内の一方側に設け、前記第３流路を前記第１流路と前記第２流路の両方に対向して前記ケース内の他方側に設けると共に、前記第１流路と前記第３流路との間と、前記第２流路と前記第３流路との間を交互に連通及び閉鎖するようにスライドするシャッター部材を設け、
前記シャッター部材を駆動用ガスで駆動するピストンでスライドさせるように構成したことを特徴とする流路切替弁。
【請求項２】
前記ピストンを収納し、前記ピストンを駆動させるための第１ガス室と第２ガス室を有するシリンダを有すると共に、
前記第１流路と前記第３流路との間を連通し、前記第２流路と前記第３流路との間を閉鎖する操作を第１切替操作とし、前記第１流路と前記第３流路との間を閉鎖し、前記第２流路と前記第３流路との間を連通する操作を第２切替操作としたときに、
前記第１切替操作時には、第１圧力の駆動用ガスを前記第１ガス室に供給すると共に前記第２ガス室のガスを抜き、前記第２切替操作時には、前記第１圧力より低い第２圧力の駆動用ガスを前記第２ガス室に供給すると共に前記第１ガス室のガスを抜くように構成し、
前記第１ガス室のガス抜き通路の最小面積をＢＨ、前記第２ガス室のガス抜き通路の最小面積をＢＬとし、駆動用ガスを前記第１ガス室に供給するガス供給通路の最小面積をＡＨとし、駆動用ガスを前記第２ガス室に供給するガス供給通路の最小面積をＡＬとしたときに、ＢＨ＞ＡＬ、且つ、ＢＬ＞ＡＨ、且つ、ＢＨ＞ＢＬとすることを特徴とする請求項１に記載の流路切替弁。
【請求項３】
前記ピストンを前記第１ガス室側に移動するように付勢する弾性体を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の流路切替弁。
【請求項４】
前記ピストンの移動を停止するための緩衝部材を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の流路切替弁。
【請求項５】
可動する前記シャッター部材と前記ピストンの材料として、ジュラルミン、超ジュラルミン、超超ジュラルミン、窒素ケイ素のいずれか又は幾つかの組み合わせを用いることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の流路切替弁。
【請求項６】
内燃機関の排気ガスの一部をシリンダ内に再循環するためのＥＧＲ通路と、
内燃機関の排気ガスの一部と空気とこれらの混合ガスのいずれかのガスを圧縮するガス圧縮装置と、
該ガス圧縮装置で圧縮された前記ガスを貯蓄する蓄ガス容器と、
該蓄ガス容器と吸気系通路を接続する蓄ガス供給通路を備えた内燃機関において、 請求項１〜５のいずれか１項に記載の流路切替弁の前記第１流路に前記蓄ガス供給通路を接続し、前記第２流路に前記吸気系通路の上流側を接続し、前記第３流路に前記吸気系通路の下流側を接続して、前記流路切替弁を介して前記吸気系通路と前記蓄ガス供給通路とを接続し、
前記流路切替弁を、前記吸気系通路の下流側の通路側に連通する先を、前記蓄ガス供給通路側と前記吸気系通路の上流側の通路側とに選択的に切り替えるように構成したことを特徴とする内燃機関。
【請求項７】
前記流路切替弁の前記ピストンの駆動用ガスとして、前記蓄ガス容器の前記ガスを用いることを特徴とする請求項６記載の内燃機関。
【請求項１】
第１流路と第２流路を切り替えて、第１流路側のガスと第２流路側のガスのいずれか一方を第３流路に流す流路切替弁において、
前記第１流路と前記第２流路をケース内の一方側に設け、前記第３流路を前記第１流路と前記第２流路の両方に対向して前記ケース内の他方側に設けると共に、前記第１流路と前記第３流路との間と、前記第２流路と前記第３流路との間を交互に連通及び閉鎖するようにスライドするシャッター部材を設け、
前記シャッター部材を駆動用ガスで駆動するピストンでスライドさせるように構成したことを特徴とする流路切替弁。
【請求項２】
前記ピストンを収納し、前記ピストンを駆動させるための第１ガス室と第２ガス室を有するシリンダを有すると共に、
前記第１流路と前記第３流路との間を連通し、前記第２流路と前記第３流路との間を閉鎖する操作を第１切替操作とし、前記第１流路と前記第３流路との間を閉鎖し、前記第２流路と前記第３流路との間を連通する操作を第２切替操作としたときに、
前記第１切替操作時には、第１圧力の駆動用ガスを前記第１ガス室に供給すると共に前記第２ガス室のガスを抜き、前記第２切替操作時には、前記第１圧力より低い第２圧力の駆動用ガスを前記第２ガス室に供給すると共に前記第１ガス室のガスを抜くように構成し、
前記第１ガス室のガス抜き通路の最小面積をＢＨ、前記第２ガス室のガス抜き通路の最小面積をＢＬとし、駆動用ガスを前記第１ガス室に供給するガス供給通路の最小面積をＡＨとし、駆動用ガスを前記第２ガス室に供給するガス供給通路の最小面積をＡＬとしたときに、ＢＨ＞ＡＬ、且つ、ＢＬ＞ＡＨ、且つ、ＢＨ＞ＢＬとすることを特徴とする請求項１に記載の流路切替弁。
【請求項３】
前記ピストンを前記第１ガス室側に移動するように付勢する弾性体を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の流路切替弁。
【請求項４】
前記ピストンの移動を停止するための緩衝部材を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の流路切替弁。
【請求項５】
可動する前記シャッター部材と前記ピストンの材料として、ジュラルミン、超ジュラルミン、超超ジュラルミン、窒素ケイ素のいずれか又は幾つかの組み合わせを用いることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の流路切替弁。
【請求項６】
内燃機関の排気ガスの一部をシリンダ内に再循環するためのＥＧＲ通路と、
内燃機関の排気ガスの一部と空気とこれらの混合ガスのいずれかのガスを圧縮するガス圧縮装置と、
該ガス圧縮装置で圧縮された前記ガスを貯蓄する蓄ガス容器と、
該蓄ガス容器と吸気系通路を接続する蓄ガス供給通路を備えた内燃機関において、 請求項１〜５のいずれか１項に記載の流路切替弁の前記第１流路に前記蓄ガス供給通路を接続し、前記第２流路に前記吸気系通路の上流側を接続し、前記第３流路に前記吸気系通路の下流側を接続して、前記流路切替弁を介して前記吸気系通路と前記蓄ガス供給通路とを接続し、
前記流路切替弁を、前記吸気系通路の下流側の通路側に連通する先を、前記蓄ガス供給通路側と前記吸気系通路の上流側の通路側とに選択的に切り替えるように構成したことを特徴とする内燃機関。
【請求項７】
前記流路切替弁の前記ピストンの駆動用ガスとして、前記蓄ガス容器の前記ガスを用いることを特徴とする請求項６記載の内燃機関。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【公開番号】特開２０１２−２５１６２２（Ｐ２０１２−２５１６２２Ａ）
【公開日】平成２４年１２月２０日（２０１２．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１２５６８１（Ｐ２０１１−１２５６８１）
【出願日】平成２３年６月３日（２０１１．６．３）
【出願人】（００００００１７０）いすゞ自動車株式会社 (1,721)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月２０日（２０１２．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月３日（２０１１．６．３）
【出願人】（００００００１７０）いすゞ自動車株式会社 (1,721)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]