JP2008527240A - シリンダに配置されたガス圧力容器を有する内燃機関、及びその内燃機関を運転するための方法 - Google Patents

シリンダに配置されたガス圧力容器を有する内燃機関、及びその内燃機関を運転するための方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、調節可能なブレーキ弁によって共通のガス圧力容器にそれぞれ接続される内燃機関のシリンダに関する。前記ガス圧力容器は、流出ラインと流出弁とを介して内燃機関の排気ラインに連通する。また、ガス圧力容器は、再循環ラインを介して、それに配置された逆止弁に接続され、この逆止弁は内燃機関の吸気管に関連付けられる。

Description

本発明は、請求項１の前段に記載の、シリンダに配置されたガス圧力容器を有する内燃機関と、前記種類の内燃機関を運転するための方法とに関する。
特許文献１は、それぞれ１つのブレーキ弁によって内燃機関の各シリンダに接続される筒状圧力容器（ブレーキライン）を有する多気筒往復ピストン内燃機関を開示している。内燃機関のブレーキモードにおいて、ブレーキ弁は、動作サイクル毎に多数回開閉されるので、高圧縮空気がシリンダから圧力容器内を通過して、ブレーキ力が発生される。シリンダの吸気弁が閉じた後、それぞれのブレーキ弁は再び一時的に開かれ、この結果、圧縮された燃焼空気は圧力容器からシリンダの燃焼室内に還流し、結果として、シリンダのピストンは、圧縮空気に抗して圧縮動作を行う必要がある。このことにより、エンジンのブレーキ力がさらに増加する。
ガス圧力容器は、調節可能な流出弁が配置された流出ラインによって内燃機関の排気ラインにも接続されるので、流出弁が開かれたときに、ガス成分はガス圧力容器から排気ラインに流入できる。このようにして、許容できない高い圧力が回避される。
独国特許出願公開第１０１ ４４ ４７１ Ａ１号明細書
本発明は、簡単な手段を用いて、そのシリンダが、それぞれが１つずつ備える調節可能なブレーキ弁によって共通のガス圧力容器に接続される内燃機関を使用するための更なる方法を提供するという課題に基づくものである。
上記課題を解決するために、本発明による内燃機関の場合、逆止弁が配置された再循環ラインが提供され、この再循環ラインによって、ガス圧力容器は、内燃機関の吸気管に接続され、特に、シリンダの上流に直接接続される空気アキュムレーターに接続される。この形態により、従来技術と比較して、追加の調節方法と運転モードとが得られる。例えば、ブレーキ弁が開いた状態で、シリンダからの排気ガスが最初にガス圧力容器に導入され、それに引き続き、再循環ラインの逆止弁を開くことによって、排気ガスがガス圧力容器から吸気管に供給される排気ガス再循環を行うことが可能である。本発明によるこの運転モードは、シリンダ内圧がガス圧力容器内の圧力よりも低い運転段階中に、開いたブレーキ弁を介して排気ガスがガス圧力容器からシリンダ内に直接再循環される内部排気ガス再循環とは対照的に、外部排気ガス再循環と称することができる。内部排気ガス再循環及び外部排気ガス再循環は、排気ガスを再循環させるための代替運転モードである。
本発明による別の運転モードにおいて、窒素酸化物（ＮＯｘ）を還元するために内燃機関の排気ガス後処理システムに必要な、いわゆる、濃縮された混合気を得るために、圧縮行程中にシリンダのブレーキ弁を一時的に開くことができる。燃焼空気は、その後、シリンダからガス圧力容器内に噴出され、この結果、燃焼段階中に、相対的に少ない空気量だけが利用可能であり、それに応じて、燃料比が比較的高い濃縮された混合気が発生される。この結果、排気ガスにおけるＣＯ比が増加し、このＣＯが、窒素酸化物用の還元剤として作用する。
ガス圧力容器から再循環ラインを介して吸気管に再循環される燃焼空気によって、希薄な混合気を発生させることも可能である。
本発明による別の運転モードにおいて、エンジンブレーキモードを実現するために、シリンダのブレーキ弁並びに再循環ラインの逆止弁が開かれるので、１つ又は複数のブレーキ弁は、既知のようにコンスタントスロットルとして機能する。開いた逆止弁により、ガス圧力容器内に噴出されたシリンダ内容物が再循環されて、吸気管内に戻される。この再循環は、別の好ましい実施形態によれば、ガス圧力容器と排気ラインとの間の流出ラインの流出弁の位置を調節制御することによって発生させることもできる。ガス圧力容器内の圧力及び再循環ラインを介した再循環率は、流出弁の開放された断面によって設定される。弁が大きく開いて、再循環率が低減された場合、同一のエンジンブレーキ力に対して、エンジンの処理能力を向上させることができ、シリンダ内のガス温度を低減できる。エンジンブレーキモードの定格回転速度において、内燃機関に割り当てられる排気ガスターボチャージャの最大許容回転速度まで、空気量の増加を行うことができる。
また、再循環ラインの逆止弁によってのみ、エンジンブレーキ力を設定することもできる。この場合、流出弁は、完全に又は少なくとも大部分閉じられたままであることが好都合である。
一方の流出弁と他方の再循環ラインの逆止弁との相互作用によって、エンジンブレーキ力を設定することが可能である。特に、このことにより、エンジンブレーキモードにおいて、一定の車速が、外部の状況、特に現在の勾配に基づいて設定される車両のクルーズコントロール機能を実現することも可能である。
別の好ましい実施形態では、内燃機関には、吸気管にコンプレッサを有しかつ排気ラインに排気ガスタービンを有する排気ガスターボチャージャが備えられ、排気ガスタービンには、効果的なタービン入口断面を可変に調節するための可変タービンジオメトリが適切に備えられる。これにより、排気ガス背圧によって可変タービンジオメトリの位置が別の自由度を構成するので、追加の調節方法が得られ、したがって、例えばタービン出力及びエンジンブレーキ力が変更できる。例えば、可変タービンジオメトリを調節することによって、クルーズコントロール機能を実現することもできる。
シリンダが共通のガス圧力容器に接続されるチャージド内燃機関の別の請求項や、発明の詳細な説明によって、また好ましい一例である実施形態を示す図などによって、更なる効果及び好ましい実施形態が得られる。
多気筒往復ピストン内燃機関１、すなわち、火花点火エンジン又はディーゼルエンジンは、燃焼空気が共通の空気アキュムレーター３を介して供給される複数のシリンダ２を備え、またそれらシリンダ２の排気ガスは、それぞれが１つずつ備える排気マニホールド５を介して排気ライン６に導入される。空気アキュムレーター３は、内燃機関１のシリンダ２の上流に直接接続されるとともに、内燃機関の吸気管４に配置される。
内燃機関１には、吸気管４にコンプレッサ８を備えかつ排気ライン６に排気ガスタービン９を備える排気ガスターボチャージャ７が設けられる。コンプレッサ８のコンプレッサホイール及び排気ガスタービン９のタービンホイールは互いに回転が固定されて連結される。内燃機関１の排気ガスはタービンホイールを駆動し、そのタービンホイールの回転運動は、回転が固定された結合のため、コンプレッサホイールに伝達される。その結果、コンプレッサ８は、周囲から燃焼空気を吸引して、増加した給気圧力まで燃焼空気を圧縮する。排気ガスタービン９には可変タービンジオメトリ１０が備えられ、この可変タービンジオメトリによって、最小閉鎖位置と最大開放位置との間の有効なタービン入口断面を調節できる。可変タービンジオメトリは、例えば、軸方向に調節可能な案内格子として、又は調節可能なガイドブレードを有する固定された案内格子として構成される。
燃焼空気は、最初に、コンプレッサ８の上流に配置される空気フィルタ１１の吸気管４で清浄にされる。吸気管４のコンプレッサ８の下流には、給気冷却器１２が配置され、この給気冷却器において、コンプレッサ８により予め圧縮された空気が最初に冷却される。給気冷却器１２における冷却の後に、燃焼空気は共通の空気アキュムレーター３に導入され、この空気アキュムレーターから、燃焼空気が給気圧力を受けて内燃機関のシリンダ２に供給される。
排気ガス側において、内燃機関で発生する排気ガスは、排気ライン６を介して最初に排気ガスタービン９に導入され、ここで膨張させられる。そして排気ガスタービンの下流のさらなる過程において、排気ガス後処理装置１３に供給され、この排気ガス後処理装置で排気ガスの浄化が行われる。排気ガス後処理装置１３は、特に、触媒コンバータを備え、必要に応じて、排気ガスフィルタを備える。
内燃機関１には、そのすべてのシリンダ２用の共通の高圧ガスラインであるガス圧力容器１４も備えられる。各シリンダ２は、それぞれが１つずつ備えるブレーキ弁１５によってガス圧力容器１４に接続される。ブレーキ弁１５の開放位置において、それぞれのシリンダ２のシリンダ内容物はガス圧力容器に連通し、閉鎖位置においては、シリンダとガス圧力容器１４との間のガス交換が防止される。各シリンダ２には、関連するシリンダの吸気弁及び排気弁に加えて、特に、ブレーキ弁１５が設けられる。
ガス圧力容器１４は、調節可能な流出弁１７が配置される流出ライン１６によって内燃機関の排気ライン６に接続される。流出弁１７が開いたとき、ガス圧力容器１４はそのガス成分によって排気ライン６に流体接続される。
ガス圧力容器１４は、さらに、再循環ライン１８によって空気アキュムレーター３に接続される。再循環ライン１８には、調節可能な逆止弁１９と冷却器２０とが配置される。逆止弁１９の開放位置において、ガス圧力容器１４の内容物は、空気アキュムレーター３に流体接続され、また弁が閉じられたときには、対照的に、流体接続が遮断される。
逆止弁１９と、さらに適切には、流出弁１７も、それぞれの圧力脈動に対して安定するようにそれぞれ設計される。これは、例えば、これらをロータリースライド弁とする実施形態によって達成することができる。
内燃機関１には、さらに、調整及び制御装置２１が設けられ、この調整及び制御装置は、内燃機関１及び内燃機関に設けられる機器の状態変数及び操作変数に基づいて、内燃機関の作動ユニットのすべてを調節及び調整するための作動信号を発生させる。特に、可変タービンジオメトリ１０、ガス圧力容器１４と排気ライン６との間の流出ライン１６の流出弁１７、及びガス圧力容器１４と空気アキュムレーター３との間の再循環ライン１８の逆止弁１９を調節する必要がある。
調整及び制御装置２１は、特に、流出弁１７を手動で調節するために、そしてガス圧力容器内の圧力を調節するために運転者が作動できるブレーキスイッチ２２の状態も測定する。しかし、特に、運転者が介入しない流出弁１７の自動調節も、調整及び制御装置２１によって可能である。
シリンダ２に連通するガス圧力容器１４により、内燃機関の種々の運転モードが可能になる。特に、ガス圧力容器１４に設けられる弁１５、１７及び１９を調節することによって、エンジンブレーキモードと排気ガス再循環運転モードと排気ガス濃縮運転モードとを変更することが可能である。
エンジンブレーキモードにおいて、低いエンジン回転速度範囲のエンジンブレーキと、中間の及び高いエンジン回転速度範囲のエンジンブレーキとを区別できる。低いエンジン回転速度範囲において、可変タービンジオメトリ１０の対応する閉鎖位置により排気ガスタービン７を介して得られる過給度は依然として比較的低い。このことは、排気ガスタービン９の上流の排気ライン６内の比較的低い排気ガス背圧に関連している。この段階でのエンジンブレーキモードは、シリンダ２とガス圧力容器１４との間のブレーキ弁１５が周期的に開閉されることによって生じる。各ブレーキ弁の２つの一時的な開放段階は、エンジン回転数に同期して適切に行われる。ブレーキ弁の第１の開放段階は、圧縮行程の上死点に近づいたときに行われ、その結果、シリンダ内で圧縮される燃焼空気は、開放されたブレーキ弁１５を介してガス圧力容器１４に流入される。第２の開放段階は、シリンダの吸気弁の閉鎖直後に同一の動作サイクルで行われ、その結果、圧縮空気は、圧力勾配により、ガス圧力容器１４からシリンダ２の燃焼室内に還流する。こうして、内燃機関は、増加したシリンダ内圧に抗して圧縮動作を行う必要があり、このことにより、ブレーキ力が増加する。
中間の及び高いエンジン回転速度範囲において、排気ガスターボチャージャの過給度は劇的に増加され、それに応じて、排気ガス背圧は高いレベルになる。ブレーキ弁１５の周期的作動は適宜ほぼ停止され、またブレーキ弁１５は、原則として、コンスタントスロットルの態様で常に開放保持される。流出弁１７も多少開放され、この結果、排気ガスタービン９の上流の排気ライン６と同じ排気ガス背圧がガス圧力容器１４にゆきわたる。圧縮段階において、シリンダ２のピストンは、前記増加した排気ガス背圧に抗して圧縮動作を行う。それと同時に、排気ガスタービン９において、著しく加圧された排気ガスが、可変タービンジオメトリ１０の残存する自由流れ断面を通ってタービンホイールに流れ、タービンホイールに駆動力を付与する。その結果、燃焼空気はコンプレッサ側に吸引されて圧縮され、また前記圧縮空気はシリンダに供給される。このようにして、圧力レベルは空気側でも高くなる。
排気ガスタービン９の可変タービンジオメトリ１０の位置を調節することによって、排気ガス背圧レベルの調整が行われる。ガス圧力容器１４の圧力レベルを調節することにより、流出ライン１６の流出弁１７の現在位置を変更できる。流出弁１７の完全開放位置において、ガス圧力容器１４内の気体圧力と排気ガスタービン９上流の排気ライン６内の排気ガス背圧との間には、圧力平衡が生じる。流出弁１７が閉鎖されるか又は部分的にのみ開放された場合に、ガス圧力容器１４と排気ライン６との間に、圧力勾配を発生させることも可能である。
さらなる調整は、再循環ライン１８の逆止弁１９を調節することにより行なわれる。逆止弁１９を開放すると、ガス圧力容器１４からの空気（必要に応じて排気ガスと混合される）が、再循環ライン１８を介して空気アキュムレーター３に流入でき、この結果、シリンダの空気側の圧力レベルを高くすることができる。この段階では、流出弁１７は完全に閉鎖されるか又は部分的にのみ開放されたままである。このエンジンブレーキ運転段階において、ブレーキ弁１５は、開放位置に常に位置していると有利である。
流出弁１７、及び／又は再循環ライン１８の逆止弁１９を調節することによって、エンジンブレーキ力の調整を行うことができる。例えば、エンジンブレーキを使用して、車両が一定速度で走行するように前記弁を調節し、現在の状態に応じてエンジンブレーキ力を設定することによって、クルーズコントロール機能を実現することが可能である。エンジンブレーキ力の調整にさらに影響を与えるのが、可変タービンジオメトリ１０の位置である。流出弁１７、逆止弁１９及び可変タービンジオメトリ１０をそれぞれ調節することによって、更なる境界条件を満たすことが可能であり、例えば、高いエンジンブレーキ力レベルにおいても、構成要素の機械的負荷及び熱負荷を、許容可能な制限値以内に保持できる。
さらに好適な運転段階において、ガス圧力容器１４により、排気ガス再循環を行うことが可能である。このことは、所定のエンジン運転範囲において、例えば、低い部分負荷において又は高い負荷及び高いエンジン回転速度において、排気ガス再循環の少なくとも１つの部分流が再循環ライン１８を介して内燃機関の空気側に再循環されるように行われる。この目的のために、ブレーキ弁１５は、排気行程中に一時的に開放されるので、排気ガスはシリンダからブレーキ弁１５を介してガス圧力容器１４に流入できる。その後、ブレーキ弁が閉鎖されて、逆止弁１９が開放されるので、排気ガスはガス圧力容器１４から再循環ライン１８を介して空気アキュムレーター３に流入できる。この運転モードは外部排気ガス再循環と称される。必要に応じて、流出弁１７を開放することができ、この結果、排気ガスタービン９の上流の排気ライン６からの排気ガスも同様にガス圧力容器１４に流入させることができる。
いわゆる内部排気ガス再循環としては、逆止弁１９が閉鎖され、また流出弁１７も適切に閉鎖された状態において、排気行程中にブレーキ弁１５を一時的に開放し、この結果、排気ガスがシリンダからガス圧力容器１４に流入し、また吸気行程中に前記ブレーキ弁を再び一時的に開放し、この結果、排気ガスがガス圧力容器１４からシリンダ２内に還流できる方法がある。
別の方法としては、排気ガスを濃縮するために、すなわち、λ＜１の混合気の相対的に過剰な燃料を得るために、圧縮行程中に、シリンダ２のブレーキ弁を一時的に開放することが可能であり、その結果、燃焼空気はシリンダからガス圧力容器１４内に噴出される。次に、燃焼段階では、発生すべきエンジントルクが同一の値である場合に、使用される空気量が相対的に少なくなり、シリンダ内の燃焼は濃縮された混合気によって行われる。結果として、排気ガス中の一酸化炭素の割合は増加し、この一酸化炭素は窒素酸化物用の還元剤として排気ガス後処理装置１３に用いることができる。
ガス圧力容器内に噴出された燃焼空気は、例えば窒素酸化物の還元が行われた後、排気段階中にブレーキ弁１５を開くことによって、ガス圧力容器１４から噴出されてシリンダ内に戻る。代わりに又は合わせて行うことができる別の手段としては、流出弁１７を開くことによって、増加した圧力を受けている空気をガス圧力容器１４から排気ライン６内に放出することが可能である。さらに、逆止弁１９を開くことにより、再循環ライン１８を介して、空気を内燃機関の空気側に供給できる。この方法も、代わりに又は合わせて行うことができる。
チャージド内燃機関のシリンダが共通のガス圧力容器に接続されるチャージド内燃機関の好ましい典型的な実施形態の図面である。

Claims (12)

  1. 内燃機関であって、該内燃機関の複数のシリンダ（２）が、それぞれ１つの調節可能なブレーキ弁（１５）によって共通のガス圧力容器（１４）に接続され、該共通のガス圧力容器が、流出弁（１７）を有する流出ライン（１６）によって前記内燃機関（１）の排気ライン（６）に接続される、内燃機関において、
    前記ガス圧力容器（１４）が、逆止弁（１９）が配置された再循環ライン（１８）によって前記内燃機関（１）の吸気管（４）に接続されることを特徴とする内燃機関。
  2. 冷却器（２０）が前記再循環ライン（１８）に配置されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
  3. 前記再循環ライン（１８）が、前記内燃機関（１）の前記シリンダ（２）の上流に直接接続される空気アキュムレーターに連通することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関。
  4. 前記内燃機関（１）が、コンプレッサ（８）を前記吸気管（４）に備え、排気ガスタービン（９）を前記排気ライン（６）に備える排気ガスターボチャージャ（７）を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関。
  5. 前記排気ガスタービン（９）が、有効なタービン入口断面を可変に調節するための可変タービンジオメトリ（１０）を備えることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関。
  6. 前記逆止弁（１９）がロータリースライド弁として構成されることを特徴とする請求項４または５に記載の内燃機関。
  7. 前記吸気管（４）内に排気ガスを再循環させるために、前記シリンダ（２）の前記ブレーキ弁（１５）が、排気行程中に一時的に開かれ、それに引き続いて、前記ガス圧力容器（１４）と前記吸気管（４）との間の前記再循環ライン（１８）の前記逆止弁（１９）が開かれることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の内燃機関を運転するための方法。
  8. 排気ガスを濃縮するために、前記シリンダ（２）の前記圧力弁が、圧縮行程中に一時的に開かれ、この結果、燃焼空気が前記ガス圧力容器（１４）内に噴出されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の内燃機関を運転するための方法。
  9. エンジンブレーキモードにおいて、前記シリンダ（２）の前記ブレーキ弁（１５）が開かれ、それと同時に、前記再循環ライン（１８）の前記逆止弁（１９）が開かれることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の内燃機関を運転するための方法。
  10. 前記エンジンブレーキモードにおいて、前記ガス圧力容器（１４）と前記排気ライン（６）との間の前記流出ライン（１６）の前記流出弁（１７）が閉鎖位置の方向に移動されることを特徴とする請求項９に記載の方法。
  11. 前記流出弁（１７）の位置が、クルーズコントロール機能を実現するために調整されることを特徴とする請求項９または１０に記載の方法。
  12. 前記可変タービンジオメトリ（１０）が、クルーズコントロール機能を実現するために調整されることを特徴とする請求項９〜１１のいずれか１項に記載の方法。
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