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技術 ターボ式過給機と機械式過給機を備えた内燃機関及びその制御方法

出願人 いすゞ自動車株式会社
発明者 橋本宗昌
出願日 2009年10月5日 (11年3ヶ月経過) 出願番号 2009-231329
公開日 2011年4月21日 (9年8ヶ月経過) 公開番号 2011-080373
状態 特許登録済
技術分野 過給機
主要キーワード 低速回転速度 設定吐出圧 排気ターボ式過給機 ウェストゲート 過給性能 吸気空気 流路切替弁 逆流防止弁
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2011年4月21日)のものです。
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図面 (2)

課題

内燃機関運転状態エンジン低速回転数領域にある場合において、この内燃機関を搭載した車両を発進するに足る量の燃料噴射できるだけの空気を筒内に導入することができると共に、機械式過給機ターボ式過給機吐出圧に応じて流路切り替えることで、機械式過給機とターボ式過給機を効率よく使用できるターボ式過給機と機械式過給機を備えた内燃機関及びその制御方法を提供する。

解決手段

吸気通路5にターボ式過給機8のコンプレッサ8aと機械式過給機11を並列に設けた内燃機関1において、エンジン回転数低速領域では、機械式過給機11を駆動し、エンジン回転数高速領域では、ターボ式過給機8を駆動すると共に、前記機械式過給機11の吐出圧と前記ターボ式過給機8の吐出圧又は回転数に応じて、前記機械式過給機11と前記ターボ式過給機8への吸入空気Aの流れを切り替える。

概要

背景

従来技術においては、車両搭載内燃機関で所望の出力を確保しながら、排気ガス汚染を防止するためには、車両に必要な出力を確保できるだけの十分な排気量を持った内燃機関に、過給システム排気ガス浄化システム(後処理装置)を備えることで対応していた。

しかしながら、CO2排出量の低減のために、内燃機関の排気量を小さくする小排気量化が考えられているが、この小排気量化を進めると、シリンダ内(筒内)容積が小さくなるため、この内燃機関を搭載した車両においては、過給圧が十分に得られないエンジン低速回転速度域のような状況では、シリンダ内に導入される吸入空気の量が減少し、結果として、十分な燃料噴射できず、大きなエンジン出力が必要な車両の発進が困難となるという問題が生じる。そのため、車両搭載の内燃機関においては、小排気量化が困難であった。

また、これらの問題に対し、小さなターボ式過給機を追加した内燃機関も存在するが、この場合、排気エネルギーを用いて過給を行うため、排気ガスの温度が低下し、排気ガス浄化装置触媒活性化のために、十分に高い温度の排気ガスを得ることが難しくなるという問題がある。

これに関連して、吸気最高過給圧設定値規制するウェストゲート装置を有する排気ターボ式過給機と、エンジンにより駆動される機械式過給機とを備え、この機械式過給機をエンジンの運転状態に応じて作動させるようにしたエンジンの過給装置において、機械式過給機の作動時にウェストゲート装置の設定最高過給圧値を低くすることにより、エンジン出力を所望値に保持しながらエンジンの燃焼効率を高めるエンジンの過給装置が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。

このエンジンの過給装置では、機械式過給機はターボ式過給機のコンプレッサ並列に配置され、常時作動させている機械式過給機から出た過給空気をシリンダ内と排気通路側に選択的に流せる構成としている。また、通常運転時には過給空気を排気通路側に2次空気として流し、排気中の一酸化炭素等を酸化させて排気ガスを浄化している。更に、高回転高負荷領域等の特定運転領域では、過給空気をシリンダ内に供給すると共にターボ式過給機のウェストゲート装置の設定最高過給圧値を低くして、ターボ式過給機の過給分担を減少し、排気の排出をスムーズにし、燃焼室への残留ガス持ち込み亮を減少させてエンジンの燃焼効率を向上させている。しかしながら、この機械式過給機は常時作動であるため、機械式過給機を駆動するための燃料の消費量分だけ燃費が悪化するという問題がある。

概要

内燃機関の運転状態がエンジン低速回転数領域にある場合において、この内燃機関を搭載した車両を発進するに足る量の燃料を噴射できるだけの空気を筒内に導入することができると共に、機械式過給機とターボ式過給機の吐出圧に応じて流路切り替えることで、機械式過給機とターボ式過給機を効率よく使用できるターボ式過給機と機械式過給機を備えた内燃機関及びその制御方法を提供する。吸気通路5にターボ式過給機8のコンプレッサ8aと機械式過給機11を並列に設けた内燃機関1において、エンジン回転数低速領域では、機械式過給機11を駆動し、エンジン回転数高速領域では、ターボ式過給機8を駆動すると共に、前記機械式過給機11の吐出圧と前記ターボ式過給機8の吐出圧又は回転数に応じて、前記機械式過給機11と前記ターボ式過給機8への吸入空気Aの流れを切り替える。

目的

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、内燃機関の運転状態がエンジン低速回転数領域にある場合において、この内燃機関を搭載した車両を発進するに足る量の燃料を噴射できるだけの空気を筒内に導入することができると共に、機械式過給機とターボ式過給機の吐出圧又は回転数に応じて流路を切り替えることで、機械式過給機とターボ式過給機を効率よく使用できるターボ式過給機と機械式過給機を備えた内燃機関及びその制御方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
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請求項1

ターボ式過給機コンプレッサを備えた吸気通路に、前記ターボ式過給機のコンプレッサを迂回する副吸気通路を配置し、この副吸気通路に内燃機関出力軸によって駆動される機械式過給機を設け、該機械式過給機の入力軸と該内燃機関の出力軸との間に断接機を設けると共に、吸入空気の流れを、前記ターボ式過給機のコンプレッサを通過する流れと前記機械式過給機を通過する流れとに切り替え流路切替手段を設けて構成したターボ式過給機と機械式過給機を備えた内燃機関において、前記ターボ式過給機のコンプレッサを通って吸入空気が逆流しないように前記吸気通路に逆流防止弁を設けて構成すると共に、内燃機関の運転状態エンジン回転数低速領域では、前記断接機を接続して前記機械式過給機を駆動し、内燃機関の運転状態がエンジン回転数高速領域では、前記断接機を断絶して前記機械式過給機を停止すると共に前記ターボ式過給機を駆動し、前記機械式過給機の作動時においては、前記ターボ式過給機のコンプレッサの吐出圧が予め設定された設定吐出圧以下の場合には、吸入空気の流れを前記機械式過給機のコンプレッサのみに流入させるように前記流路切替手段により流路を切り替え、前記ターボ式過給機のコンプレッサの吐出圧が、前記設定吐出圧を超えた場合には、前記逆流防止弁を押し開いて、吸入空気を内燃機関の筒内に導入すると共に、前記断接機を断絶して、前記機械式過給機の駆動を停止し、前記機械式過給機の停止時においては、前記ターボ過給機のコンプレッサから吐出される吸入空気が前記機械式過給機を通過して逆流しないように、前記流路切替手段により流路を切り替えて前記副吸気通路を遮断する制御を行う制御装置を備えたことを特徴とするターボ式過給機と機械式過給機を備えた内燃機関。

請求項2

ターボ式過給機のコンプレッサを備えた吸気通路に、前記ターボ式過給機のコンプレッサを迂回する副吸気通路を配置し、この副吸気通路に内燃機関の出力軸によって駆動される機械式過給機を設け、該機械式過給機の入力軸と該内燃機関の出力軸との間に断接機を設けると共に、吸入空気の流れを、前記ターボ式過給機のコンプレッサを通過する流れと機械式過給機を通過する流れとに切り替える流路切替手段を設けて構成したターボ式過給機と機械式過給機を備えた内燃機関の制御方法において、前記ターボ式過給機の軸回転速度、又は、前記ターボ式過給機のコンプレッサの吐出圧が予め設定された設定値以下の場合には、吸入空気の流れを前記機械式過給機のコンプレッサのみに流入させるように前記流路切替手段により流路を切り替え、前記ターボ式過給機の軸回転速度、又は、前記ターボ式過給機のコンプレッサの吐出圧が前記設定値を超えた場合には、前記断接機を断絶して前記機械式過給機を停止し、前記機械式過給機の停止時においては、前記ターボ過給機のコンプレッサから吐出される吸入空気が前記機械式過給機を通過して逆流しないように、前記流路切替手段により流路を切り替えて前記副吸気通路を遮断することを特徴とするターボ式過給機と機械式過給機を備えた内燃機関の制御方法。

技術分野

0001

本発明は、内燃機関運転状態エンジン低速回転数領域にある場合においても、この内燃機関を搭載した車両を発進するに足る燃料量に対応した空気量を筒内に導入することができると共に、ターボ式過給機機械式過給機の両方を効率よく使用できるターボ式過給機と機械式過給機を備えた内燃機関及びその制御方法に関する。

背景技術

0002

従来技術においては、車両搭載の内燃機関で所望の出力を確保しながら、排気ガス汚染を防止するためには、車両に必要な出力を確保できるだけの十分な排気量を持った内燃機関に、過給システム排気ガス浄化システム(後処理装置)を備えることで対応していた。

0003

しかしながら、CO2排出量の低減のために、内燃機関の排気量を小さくする小排気量化が考えられているが、この小排気量化を進めると、シリンダ内(筒内)容積が小さくなるため、この内燃機関を搭載した車両においては、過給圧が十分に得られないエンジン低速回転速度域のような状況では、シリンダ内に導入される吸入空気の量が減少し、結果として、十分な燃料噴射できず、大きなエンジン出力が必要な車両の発進が困難となるという問題が生じる。そのため、車両搭載の内燃機関においては、小排気量化が困難であった。

0004

また、これらの問題に対し、小さなターボ式過給機を追加した内燃機関も存在するが、この場合、排気エネルギーを用いて過給を行うため、排気ガスの温度が低下し、排気ガス浄化装置触媒活性化のために、十分に高い温度の排気ガスを得ることが難しくなるという問題がある。

0005

これに関連して、吸気最高過給圧設定値規制するウェストゲート装置を有する排気ターボ式過給機と、エンジンにより駆動される機械式過給機とを備え、この機械式過給機をエンジンの運転状態に応じて作動させるようにしたエンジンの過給装置において、機械式過給機の作動時にウェストゲート装置の設定最高過給圧値を低くすることにより、エンジン出力を所望値に保持しながらエンジンの燃焼効率を高めるエンジンの過給装置が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。

0006

このエンジンの過給装置では、機械式過給機はターボ式過給機のコンプレッサ並列に配置され、常時作動させている機械式過給機から出た過給空気をシリンダ内と排気通路側に選択的に流せる構成としている。また、通常運転時には過給空気を排気通路側に2次空気として流し、排気中の一酸化炭素等を酸化させて排気ガスを浄化している。更に、高回転高負荷領域等の特定運転領域では、過給空気をシリンダ内に供給すると共にターボ式過給機のウェストゲート装置の設定最高過給圧値を低くして、ターボ式過給機の過給分担を減少し、排気の排出をスムーズにし、燃焼室への残留ガス持ち込み亮を減少させてエンジンの燃焼効率を向上させている。しかしながら、この機械式過給機は常時作動であるため、機械式過給機を駆動するための燃料の消費量分だけ燃費が悪化するという問題がある。

先行技術

0007

特開昭63−18133号公報

発明が解決しようとする課題

0008

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、内燃機関の運転状態がエンジン低速回転数領域にある場合において、この内燃機関を搭載した車両を発進するに足る量の燃料を噴射できるだけの空気を筒内に導入することができると共に、機械式過給機とターボ式過給機の吐出圧又は回転数に応じて流路切り替えることで、機械式過給機とターボ式過給機を効率よく使用できるターボ式過給機と機械式過給機を備えた内燃機関及びその制御方法を提供することにある。

課題を解決するための手段

0009

上記の目的を達成するための本発明のターボ式過給機と機械式過給機を備えた内燃機関は、ターボ式過給機のコンプレッサを備えた吸気通路に、前記ターボ式過給機のコンプレッサを迂回する副吸気通路を配置し、この副吸気通路に内燃機関の出力軸によって駆動される機械式過給機を設け、該機械式過給機の入力軸と該内燃機関の出力軸との間に断接機を設けると共に、吸入空気の流れを、前記ターボ式過給機のコンプレッサを通過する流れと前記機械式過給機を通過する流れとに切り替える流路切替手段を設けて構成したターボ式過給機と機械式過給機を備えた内燃機関において、前記ターボ式過給機のコンプレッサを通って吸入空気が逆流しないように前記吸気通路に逆流防止弁を設けて構成すると共に、内燃機関の運転状態がエンジン回転数低速領域では、前記断接機を接続して前記機械式過給機を駆動し、内燃機関の運転状態がエンジン回転数高速領域では、前記断接機を断絶して前記機械式過給機を停止すると共に前記ターボ式過給機を駆動し、前記機械式過給機の作動時においては、前記ターボ式過給機のコンプレッサの吐出圧が予め設定された設定吐出圧以下の場合には、吸入空気の流れを前記機械式過給機のコンプレッサのみに流入させるように前記流路切替手段により流路を切り替え、前記ターボ式過給機のコンプレッサの吐出圧が、前記設定吐出圧を超えた場合には、前記逆流防止弁を押し開いて、吸入空気を内燃機関の筒内に導入すると共に、前記断接機を断絶して、前記機械式過給機の駆動を停止し、前記機械式過給機の停止時においては、前記ターボ過給機のコンプレッサから吐出される吸入空気が前記機械式過給機を通過して逆流しないように、前記流路切替手段により流路を切り替えて前記副吸気通路を遮断する制御を行う制御装置を備えて構成される。

0010

そして、上記の目的を達成するためのターボ式過給機と機械式過給機を備えた内燃機関の制御方法は、ターボ式過給機のコンプレッサを備えた吸気通路に、前記ターボ式過給機のコンプレッサを迂回する副吸気通路を配置し、この副吸気通路に内燃機関の出力軸によって駆動される機械式過給機を設け、該機械式過給機の入力軸と該内燃機関の出力軸との間に断接機を設けると共に、吸入空気の流れを、前記ターボ式過給機のコンプレッサを通過する流れと機械式過給機を通過する流れとに切り替える流路切替手段を設けて構成したターボ式過給機と機械式過給機を備えた内燃機関の制御方法において、前記ターボ式過給機の軸回転速度、又は、前記ターボ式過給機のコンプレッサの吐出圧が予め設定された設定値以下の場合には、吸入空気の流れを前記機械式過給機のコンプレッサのみに流入させるように前記流路切替手段により流路を切り替え、前記ターボ式過給機の軸回転速度、又は、前記ターボ式過給機のコンプレッサの吐出圧が前記設定値を超えた場合には、前記断接機を断絶して前記機械式過給機を停止し、前記機械式過給機の停止時においては、前記ターボ過給機のコンプレッサから吐出される吸入空気が前記機械式過給機を通過して逆流しないように、前記流路切替手段により流路を切り替えて前記副吸気通路を遮断することを特徴とする方法である。

発明の効果

0011

本発明に係るターボ式過給機と機械式過給機を備えた内燃機関及びその制御方法によれば、内燃機関の運転状態がエンジン回転数低速領域にある場合では、内燃機関を搭載した車両を発進可能にする燃料量を噴射するのに十分な吸入空気をシリンダ内に供給でき、また、内燃機関の運転状態がエンジン回転数高速領域では、機械式過給機の容量よりも大きな容量のターボ式過給機を用いて効率よく吸入空気をシリンダ内に供給することができる。

0012

更に、機械式過給機とターボ式過給機の吐出圧又は回転数に応じて流路を切り替えるので、機械式過給機とターボ式過給機を効率よく使用して過給できる。

0013

従って、小排気量の内燃機関であっても、この内燃機関を搭載した車両に対して十分な発進性能を付与することができる。又、機械式過給機を用いることで、ターボ式過給機による排気エネルギーの消費を抑制し、排気エネルギーを排気ガス浄化装置の触媒等の活性化エネルギーに充てて排気ガス浄化性能を向上させることできる。

図面の簡単な説明

0014

本発明に係る実施の形態のターボ式過給機と機械式過給機を備えた内燃機関の構成を示した図である。

実施例

0015

以下、本発明に係る実施の形態のターボ式過給機と機械式過給機を備えた内燃機関及びその制御方法について、図面を参照しながら説明する。

0016

図1に示すように、本発明に係る実施の形態のターボ式過給機と機械式過給機を備えた内燃機関1(以下エンジンという)は、エンジン本体2に吸気マニホールド3と排気マニホールド4が設けられ、この吸気マニホールド3には、吸入空気Aが流れる吸気通路5が接続されている。また、排気マニホールド4には排気ガスGが流れる排気通路6が接続されている。

0017

吸気通路5には、上流側から、エアクリーナ7、吸気空気量センサ(図示しない)、、ターボチャージャ8のコンプレッサ8a、インタークーラ(図示しない)等が設けられている。また、排気通路6には、上流側からターボチャージャ8のタービン8b、排気ガス処理装置9、消音装置(図示しない)等が設けられている。なお、通常は、排気マニホールド4と、インタークーラ(図示しない)と吸気マニホールド3の間の吸気通路5とを接続するEGR通路が設けられるが、ここでは説明を簡単にするために省略している。

0018

本発明においては、ターボ式過給機8のコンプレッサ8aを備えた吸気通路5に、このコンプレッサ8aを迂回する副吸気通路10を配置する。この副吸気通路10にエンジン1の出力軸によって駆動される機械式過給機11を設け、この機械式過給機11の入力軸とエンジン1の出力軸(クランクシャフト)との間に断接機(クラッチ)12を設ける。この機械式過給機11のコンプレッサ11aは、エンジン1の出力軸の回転を増速させて駆動し、吸入空気Aを過給して筒内(シリンダ内)に導入する。

0019

また、吸気通路5の空気Aの流れを、ターボ式過給機8のコンプレッサ8aを通過する流れと機械式過給機11のコンプレッサ11aを通過する流れに切り替える流路切替弁(流路切替手段)13を設ける。また、流路切替え弁13と断接機12を制御する制御装置をECUと呼ばれるエンジン制御装置(図示しない)内に組み込んで設ける。

0020

この断接機12は、エンジン回転速度に比例して増加する油圧断接機などで形成し、エンジン回転速度が予め設定されたエンジン回転速度になると、コンプレッサ11aと駆動源であるエンジン1の出力軸との接続を解除するように構成される。

0021

本発明では、更に、吸気通路6に逆流防止弁14を設けて構成する。この逆流防止弁14は、機械式過給機11のコンプレッサ11aから吐出された吸入空気Aがターボ式過給機8のコンプレッサ8cを通って逆流しないように、機械式過給機11のコンプレッサ11aの下流側で、且つ、吸気通路5と副吸気通路10の合流点よりも上流側に設けられる。

0022

また、流路切替弁13は、機械式過給機11のコンプレッサ11aとターボ式過給機8のコンプレッサ8aのそれぞれの吐出圧、又は、ターボ式過給機8用の回転数センサ15で検出される回転数の上昇に応じて、吐出圧又は回転数が予め設定した設定吐出圧(設定値)又は設定回転数(設定値)を超えたときに流路を切り替えるように構成する。

0023

つまり、エンジン回転速度が予め設定されたエンジン回転速度以下で、エンジン1の運転状態がエンジン回転数低速領域である場合には、断接機12を接続して機械式過給機11を駆動する。また、エンジン回転速度が予め設定されたエンジン回転速度を超えて、エンジン1の運転状態がエンジン回転数高速領域である場合には、断接機12を断絶して機械式過給機11を停止すると共にターボ式過給機8を駆動する。

0024

あるいは、ターボ式過給機8の軸回転速度、又は、ターボ式過給機8のコンプレッサ8aの吐出圧が予め設定された設定値以下の場合には、吸入空気Aの流れを機械式過給機11のコンプレッサ11aのみに流入させるように流路切替弁13により流路を切り替える。また、ターボ式過給機8の軸回転速度、又は、ターボ式過給機8のコンプレッサ8aの吐出圧が前記の設定値を超えた場合には、断接機12を断絶して機械式過給機13を停止すると共にターボ式過給機8を駆動する。

0025

そして、機械式過給機11が作動しているときには、ターボ式過給機8のコンプレッサ8aの吐出圧が予め設定された設定吐出圧(設定値)以下の場合には、吸入空気Aの流れを機械式過給機11のコンプレッサ11aのみに流入させるように流路切替弁13により流路を切り替える。また、ターボ式過給機8のコンプレッサ8aの吐出圧が、設定吐出圧を超えた場合には、逆流防止弁14を押し開いて、吸入空気Aをエンジン1の筒内(シリンダ内)に導入すると共に、断接機12を断絶して、機械式過給機11の駆動を停止する。

0026

更に、機械式過給機11が停止しているときには、ターボ過給機8のコンプレッサ8aから吐出される吸入空気Aが機械式過給機11を通過して逆流しないように、流路切替弁13により流路を切り替えて副吸気通路10を遮断する。

0027

この流路切替制御によれば、機械式過給機11とターボ式過給機8のそれぞれの過給性能を十分に発揮させることができるので、効率よく過給することができる。

0028

上記のエンジン1及びその制御方法によれば、エンジン1の運転状態がエンジン回転数低速領域にある場合では、エンジン1を搭載した車両を発進可能にする燃料量を噴射するのに十分な吸入空気Aをシリンダ内に供給でき、また、エンジン1の運転状態がエンジン回転数高速領域では、機械式過給機11の容量よりも大きな容量のターボ式過給機8を用いて効率よく吸入空気Aをシリンダ内に供給することができる。

0029

更に、機械式過給機11とターボ式過給機8の吐出圧又は回転数に応じて流路を切り替えるので、機械式過給機11とターボ式過給機8を効率よく使用して過給できる。従って、小排気量のエンジン1であっても、このエンジン1を搭載した車両に対して十分な発進性能を付与することができる。又、機械式過給機11を用いることで、ターボ式過給機8による排気エネルギーの消費を抑制し、排気エネルギーを排気ガス浄化装置9の触媒等の活性化エネルギーに充てて排気ガス浄化性能を向上させることできる。

0030

本発明のターボ式過給機と機械式過給機を備えた内燃機関及びその制御方法によれば、小排気量の内燃機関であっても、この内燃機関を搭載した車両の十分な発進性を有することができ、機械式過給機を用いることで、ターボ式過給機による排気エネルギーの消費を抑制し、排気エネルギーを排気ガス浄化装置の触媒等の活性化エネルギーに充てて排気ガス浄化性能を向上させることができるので、自動車搭載の内燃機関などに利用することができる。

0031

1内燃機関(エンジン)
2 エンジン本体
5吸気通路
6排気通路
7エアクリーナ
8ターボ式過給機
8aコンプレッサ
8bタービン
9排気ガス浄化装置
10副吸気通路
11機械式過給機
11a コンプレッサ
12断続機(クラッチ)
13流路切替弁(流路切替手段)
14逆流防止弁
15 ターボ式過給機用の回転速度センサ
A吸入空気
G 排気ガス

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