JP2009517584A - ターボチャージャー付エンジンシステムおよび運転方法 - Google Patents

ターボチャージャー付エンジンシステムおよび運転方法 Download PDF

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Abstract

該システムは、吸気マニホルドと排気マニホルドを有する内燃エンジンを含む。該システムはまた、高圧圧縮機に駆動連結された可変容量高圧タービンを有する高圧ターボチャージャーを含んでおり、該可変容量高圧タービンは該排気マニホルドからの排気ガスの第１部分によって駆動され、該高圧圧縮機は吸気を圧縮して、該吸気マニホルドに該圧縮された吸気を供給するように構成されている。該システムはまた、低圧圧縮機に駆動連結された可変容量低圧タービンを有する低圧ターボチャージャーを含んでおり、該可変容量低圧タービンは該排気マニホルドからの該排気ガスの第２部分によって駆動され、該低圧圧縮機は該排気マニホルドからの該排気ガスの第３部分を圧縮して、該吸気マニホルドに該圧縮された第３部分を供給するように構成されており、該排気ガスの該第１部分と第２部分は互いに異なっている。
【選択図】 図１

Description

本発明は概してエンジンシステムに関し、より詳細には、ターボチャージャー付内燃エンジンにおける汚染物質排出、例えば窒素酸化物（ＮＯｘ）排出を削減する技術に関する。
機関車、乗用車およびその他の装置などの車両に動力を供給するために、さまざまな種類の内燃エンジンが使用されている。内燃エンジンは１つ以上のターボチャージャーを含んでおり、吸気（例えば、大気）を圧縮して、エンジン内の１つ以上の燃焼室に供給する。各ターボチャージャーは、エンジンからの排気ガスによって駆動されるタービンと、該タービンによって駆動される圧縮機とを含んでいる。さらに、圧縮機は圧縮すべき大気を受け取って、圧縮された空気を燃焼室に供給する。
一般的に、ターボチャージャー付内燃エンジンは、該エンジン内の吸気マニホルド圧力が排気マニホルド圧力よりも高くなるように作動する。ある従来システムでは、エンジンの運転中に望ましくないＮＯｘ排出を削減するために排気ガス再循環（ＥＧＲ）が採用されているが、残念ながら、吸気マニホルドと排気マニホルドの間の圧力差を十分に克服しつつ、排気ガスの排気ガス再循環を制御することが難しい。さらに、そのような技術は燃料焼消費率（ＳＦＣ）と粒子状物質（ＰＭ）排出に大きく影響し、機関車操作の運転サイクルに適用されたスロットルのノッチ設定と高度の全範囲に関して排気ガス再循環の効率的な制御を行うことができない。
米国特許第6237335号明細書 米国特許第5791146号明細書 米国特許第6651432号明細書 国際公開第2005／098220号公報パンフレット 欧州特許出願公開第0740065号明細書 米国特許第5564275号明細書
したがって、さまざまなエンジン運転条件に関してＮＯｘ排出を大幅に削減しつつ、エンジンの所望の燃料消費率（ＳＦＣ）を達成するターボチャージャー付エンジンシステムを提供する必要性がある。
ある実施形態によれば、本発明の技術にはシステムがある。該システムは、吸気マニホルドと排気マニホルドを有する内燃エンジンを含む。該システムはまた、高圧圧縮機に駆動連結された可変容量高圧タービンを有する高圧ターボチャージャーを含んでおり、該可変容量高圧タービンは該排気マニホルドからの排気ガスの第１部分によって駆動され、該高圧圧縮機は吸気を圧縮して、該圧縮された吸気を該吸気マニホルドに供給するように構成されている。該システムはまた、低圧圧縮機に駆動連結された可変容量低圧タービンを有する低圧ターボチャージャーを含んでおり、該可変容量低圧タービンは該排気マニホルドからの該排気ガスの第２部分によって駆動され、該低圧圧縮機は該排気マニホルドからの該排気ガスの第３部分を圧縮して、該圧縮された第３部分を該吸気マニホルドに供給するように構成され、該排気ガスの該第１部分と第２部分は互いに異なっている。
ある実施形態によれば、本発明の技術にはエンジンシステムの運転方法がある。該方法は、内燃エンジンからの排気ガスの第１部分を送って高圧ターボチャージャーの可変容量高圧タービンを駆動する段階と、該排気ガスの第２部分を送って低圧ターボチャージャーの可変容量低圧タービンを駆動する段階とを含む。該方法はまた、該排気ガスの第３部分を該低圧ターボチャージャーの低圧圧縮機に送って、該内燃エンジンに取り入れるために排気ガスの該第３部分を圧縮する段階を含んでおり、排気ガスの該第１部分と第２部分は互いに異なっている。
ある実施形態によれば、本発明の技術には内燃エンジンにおける汚染物質排出を削減する方法がある。該方法は、高圧圧縮機と可変容量高圧タービンとを有する高圧ターボチャージャーを該内燃エンジンに連結する段階を含む。該方法はまた、低圧圧縮機と可変容量低圧タービンとを有する低圧ターボチャージャーを該高圧ターボチャージャーと略並流構造で連結する段階を含んでおり、該略並流構造は該内燃エンジンから該可変容量高圧タービンまでの排気ガスの第１部分と、該内燃エンジンから該可変容量低圧タービンまでの該排気ガスの第２部分とを含んでいる。
本発明のこれらおよびその他の特徴、側面および利点は、図面を通して同じ符号が同じ部品を表す添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むことによって、よりよく理解できるであろう。
以下に詳細に論じるように、本発明の技術の実施形態は、機関車や車両に採用されるようなターボチャージャー付内燃エンジンシステムにおける排出を削減する機能を果たす。例えば、該内燃エンジンはディーゼルエンジン等の火花点火エンジンや圧縮点火エンジンを含み得る。特に、本発明の技術は、該ターボチャージャー付内燃エンジンシステム内に吸気を用いた選択的な排気ガス再循環を採用して、該システムからの排出、例えばＮＯｘ排出を最小限にする段階を含む。特に、排気ガスと吸気を混合してピーク燃焼温度と断熱火炎温度を下げることによって、該システムからの排出を削減する。
次に、図面に戻って図１を参照すると、例示的な排気ガス再循環機構１２を有するターボチャージャー付内燃エンジンシステム１０が示されている。ターボチャージャー付内燃エンジンシステム１０の例には、車両（例えば、機関車、自動車、航空機、船（船舶）、大型建設機械／車両等）、発電システム、工業用または商業用オートメーションシステム、ポンプなどが含まれる。図示の実施形態では、システム１０は吸気マニホルド１６と排気マニホルド１８を有する内燃エンジン１４を含んでいる。この実施形態では、吸気マニホルド圧力は排気マニホルド圧力よりも大幅に高くなっている。ある実施形態では、内燃エンジン１４はディーゼルエンジン等の圧縮点火エンジンを含む。さらに、システム１０は、軸２６を介して高圧圧縮機２４に駆動連結される可変容量高圧タービン２２を有する高圧ターボチャージャー２０を含む。さらに、システム１０はまた、軸３４を介して低圧圧縮機３２に駆動連結された可変容量低圧タービン３０を有する低圧ターボチャージャー２８を含む。この実施形態では、低圧ターボチャージャー２８は高圧ターボチャージャー２０に略並列構造で連結されている。すなわち、排気マニホルド１８から流れる排気は並列に分裂し、次々にタービンを流れるのではなく、同時にタービン２２および３０に流れる。さらに、可変容量高圧および低圧タービン２２および３０は、システム１０に適用されたスロットルのノッチ設定の全範囲に対して、特に高高度での運転に対して排出の削減を促進する。
運転中、可変容量高圧タービン２２は、以下に論じるように導管３８と他の導管に分裂する導管３７を介して高圧タービン２２に送られる排気マニホルド１８からの排気ガスの第１部分３６によって駆動される。さらに、高圧圧縮機２４は軸２６を介して高圧タービン２２によって駆動され、吸気４０を圧縮するように構成されている。その後、高圧圧縮機２４からの圧縮空気４２は導管４４を介して吸気マニホルド１６に案内される。
同様に、可変容量低圧タービン３０は排気マニホルド１８からの排気ガスの第２部分４６によって駆動される。この実施形態では、排気ガスの第２部分４６は導管３７から分裂した導管４８を介して低圧タービン３０に送られる。また、低圧圧縮機３２は軸３４を介して低圧タービン３０によって駆動され、排気マニホルド１８からの排気ガスの第３部分５０を圧縮するように構成されている。排気マニホルド１８からの排気ガスの第３部分５０は、導管３７から分裂した導管５２を介して低圧圧縮機３２に送られる。圧縮された第３部分５４は、導管５６を介して吸気マニホルド１６に供給される。この実施形態では、第１および第２部分３６および４６は互いに異なっている。さらに、第３部分５０は第１および第２部分３６および４６とは異なっている。すなわち、第１、第２および第３部分３６、４６および５０は同時すなわち並流であり、導管３７を介して排気マニホルド１８から出る全体の排気流の各部分である。第１、第２および第３部分の各割合は適用形式によって左右されることを理解されたい。ある実施形態では、排気ガス再循環（ＥＧＲ）のパーセンテージは約１２％である。
システム１０はまた、低圧圧縮機３２の下流に配置され、吸気マニホルド１６への導入前に排気ガスの第３部分５４を冷却するように構成された中間冷却器（ＩＣ）または冷却器５８を含んでいる。さらに、中間冷却器（ＩＣ）または冷却器６０は高圧圧縮機２４の下流に配置され、高圧圧縮機２４からの圧縮された吸気４２を冷却するように構成されている。この実施形態では、冷却器５８および６０は排出の削減を促進し、システムの燃料消費率（ＳＦＣ）への影響を比較的少なくする。さらに、システム１０はまた、排気ガスの第３部分５０の低圧圧縮機３２までの流れを制御するための排気ガス再循環（ＥＧＲ）弁６２を含んでいる。制御装置６４はＥＧＲ弁６２に連結されて、ノッチ設定、高度、周囲温度等のエンジン運転条件や、高圧タービンノズルリング領域、低圧タービン３０を通る流量、ＥＧＲ冷却器温度等の他の要因、もしくは低圧ターボチャージャー２８の性能、高圧ターボチャージャー２０の性能などに基づいて、ＥＧＲ弁６２を介して流れを制御する。好都合なことに、上述した排気ガスの再循環によってシステム１０からの汚染物質排出が大幅に削減される。ある実施形態では、低圧および高圧タービン３０および２２からの排気ガス６６および６８の一部がシステム１０内で再循環されて、図２を参照して以下に説明するように排出を削減することができる。ある他の実施形態では、粒子フィルタ（図示せず）を採用して排気ガス６６および６８からあらゆる粒子状物質を濾過して取り除くことができる。
図２は、汚染物質排出を削減するための別の例示的な排気ガス再循環機構を有するターボチャージャー付内燃エンジンシステム７０の概略図である。この実施形態では、低圧タービン３０および高圧タービン２２からの排気ガスの一部７２が導管７４を介して低圧圧縮機３２に送られ、低圧圧縮機３２を介して圧縮される。さらに、圧縮されたガス５４は吸気マニホルド１６に案内される。また、ＥＧＲ弁６２を採用して低圧圧縮機３２までの排気ガス７２の流れを制御することができる。図１の実施形態と対照的に、排気ガス７２はタービン２２および３０の上流ではなく下流で得られる。すなわち、排気ガス７２の流れは排気ガス３６および４６の流れと並列ではなく直列である。さらにまた、制御装置６４はＥＧＲ弁６２に連結されて、エンジン運転条件に基づいてＥＧＲ弁６２を通る流れを制御する。図示の実施形態では、システム７０はまた、低圧および高圧タービン３０および２２からの排気ガス６６および６８から粒子状物質を濾過するように構成されている粒子フィルタ７６を含んでいる。さらに、ある実施形態では、システム７０は内燃エンジン１４の選択された運転条件で低圧ターボチャージャー２８を駆動するように構成されているモータ７８を含んでいる。
図３は、エンジン左および右バンク８２および８４に連結された例示的な排気ガス再循環機構を有するターボチャージャー付内燃エンジンシステム８０の概略図である。図示の実施形態では、エンジン１４はエンジン左および右バンク８２および８４に配列された複数の燃焼シリンダ（例えば２つ、３つ、４つ、５つ、６つ、７つ、８つまたはそれ以上）を含んでいる。さらに、エンジン左バンク８２からの排気ガスの一部８６が導管８８を介して低圧タービン３０に送られてタービン３０を駆動し、低圧圧縮機３２も駆動する。さらに、エンジン右バンク８４からの排気ガスの一部９０は、圧縮するために導管９２を介して低圧圧縮機３２に送られる。低圧圧縮機３２からの圧縮されたガス５４は、続いてエンジン１４の吸気マニホルド１６に導入される。また、エンジン左バンク８２からの排気ガス８６の流れは、ＥＧＲ弁６２と制御装置６４を介して制御することができる。さらに、前述のように、高圧タービン２２は排気マニホルド１８からの排気ガス３６によって駆動される。高圧タービン２２は高圧圧縮機２４を駆動して、吸気４０を圧縮し、続いて圧縮された空気を吸気マニホルド１６に導入する。排気ガスは、左および右バンク８２および８４の異なる部分から直列ではなく並列にさまざまなタービンおよび圧縮機を通って流れることを理解されたい。
図４は、エンジン左および右バンク（例えば、燃焼室やピストンシリンダアセンブリの左右の列）に別個の吸気マニホルドと排気マニホルドを備えたエンジン１０２に例示的な排気ガス再循環機構を有するターボチャージャー付内燃エンジンシステム１００の概略図である。図示の実施形態では、エンジン１０２はエンジン左バンク１０４とエンジン右バンク１０６を含んでおり、それぞれＣｙｌＬ１からＣｙｌＬ８およびＣｙｌＲ１からＣｙｌＲ８で表わされるピストンシリンダアセンブリを含んでいる。さらに、エンジン左バンク１０４は吸気マニホルド１０８と排気マニホルド１１０を含んでいる。同様に、エンジン右バンク１０６は吸気マニホルド１１２と排気マニホルド１１４を含んでいる。エンジンシステム１００は、可変容量高圧タービン１１８と高圧圧縮機１２０を有する高圧ターボチャージャー１１６を含む。さらに、システム１００は低圧圧縮機１２４と可変容量低圧タービン１２６を有する高圧ターボチャージャー１２２を含む。図示の実施形態では、低圧ターボチャージャー１２２は高圧ターボチャージャー１１６と略並列構造で配置されている。すなわち、排気ガスはこれらのターボチャージャー１１６および１２２に、１つのターボチャージャーから次へと連続的に通るのではなく、排気マニホルド１１０および１１４の異なる出口から同時に独立して供給される。さらに、高圧タービン１１８は軸１２８を介して高圧圧縮機１２０に駆動連結される。同様に、低圧タービン１２６は軸１３０を介して低圧圧縮機１２４に駆動連結される。
図４に示される実施形態では、エンジン左および右バンク１０４および１０６からの排気ガスはシステム１００内で再循環される。運転中、高圧タービン１１８は、左および右バンク１０４および１０６の排気マニホルド１１０および１１４からの排気ガス１３２および１３４の一部によって駆動される。さらに、高圧圧縮機１２０は高圧タービン１１８を介して駆動され、吸気１３６を圧縮するように構成されている。圧縮された吸気は、参照番号１３８および１４０で表わされるように、続いて左および右バンク１０４および１０６の吸気マニホルド１０８および１１２に案内される。ある実施形態では、中間冷却器１４２および１４４を採用して、吸気マニホルド１０８および１１２への導入の前に圧縮された空気１３８および１４０を冷却することができる。さらに、高圧タービン１１８からの排気ガス１４６は粒子フィルタ１４８を介して濾過することができ、続いて参照番号１５０で表わされるように、大気に排気される。
さらに、低圧タービン１２６は排気マニホルド１１０からの排気ガス１５２の一部によって駆動される。この実施形態では、ＥＧＲ弁１５４を採用して排気ガス１５２の流れを制御する。低圧圧縮機１２４は低圧タービン１２６によって駆動され、エンジン右バンク１０６の排気マニホルド１１４からの排気ガスの一部１５６を受け取る。ある実施形態では、粒子フィルタ１５８を低圧圧縮機１２４の上流に配置して、ガス１５６内のあらゆる粒子状物質を濾過することができる。さらに、圧縮されたガスは、参照番号１６０および１６２で表わされるように、吸気マニホルド１０８および１１２に案内される。ある実施形態では、冷却器１６４を採用して、吸気マニホルド１０８および１１２への導入の前にガス１６０および１６２を冷却することができる。さらにまた、粒子フィルタ（図示せず）を低圧ターボチャージャー１２２の下流に配置して、低圧タービン１２６からの排気ガス内の粒子状物質を濾過することができる。ある他の実施形態では、圧縮機パイパス弁１６６を採用して、圧縮されていない排気ガス１５６の一部を吸気マニホルド１０８および１１２に案内することができる。例えば、圧縮機バイパス弁は低めのノッチ設定で作動して、圧縮されていない排気ガス１５６の一部を吸気マニホルド１０８および１１２に案内することができる。
図５は、共通の吸気マニホルドを有するエンジン左および右バンクを備えたエンジン１７２に例示的な排気ガス再循環機構を有するターボチャージャー付内燃エンジンシステム１７０の概略図である。図示の実施形態では、エンジン１７２は、それぞれＣｙｌＬ１からＣｙｌＬ８およびＣｙｌＲ１からＣｙｌＲ８で表わされるような複数の燃焼シリンダまたはピストンシリンダアセンブリを有するエンジン左および右バンク１７４および１７６を含んでいる。さらに、エンジン１７２は、共通の吸気マニホルド１８０と、エンジン左および右バンク１７４および１７６に連結された排気マニホルド１８２および１８４を含んでいる。図示のように、排気マニホルド１８２および１８４からの排気ガス１３２および１３４の一部を利用して高圧タービン１１８を駆動し、軸１２８を介して高圧圧縮機１２０も駆動する。さらに、吸気１３６が高圧圧縮機１２０に入り、高圧圧縮機１２０からの圧縮された吸気流１３８および１４０がそれぞれ左右の中間冷却器１４２および１４４を通って共通の吸気マニホルド１８０に案内される。また、高圧タービン１１８からの排気ガス１４６は、矢印１５０で示されるように大気に出る前に、粒子フィルタ１４８を通過することができる。同様に、エンジン左バンク１７４の排気マニホルド１８２からの排気ガスの一部１５２が送られて低圧タービン１２６を駆動し、エンジン右バンク１７６の排気マニホルド１８４からの排気ガスの一部が低圧圧縮機１２４に送られて、さらに圧縮されて吸気マニホルド１８０に導入される。好都合なことに、以下に説明するシステム１７０内の排気ガス再循環によって、システム１７０からの排出の大幅な削減が促進される。また、図５の実施形態では、排気ガスは直列ではなく並列でさまざまなタービンや圧縮機を通って流れる。すなわち、排気ガスは圧縮機を次々に、またはタービンを次々に通過するのではなく、さまざまなタービンや圧縮機を同時に独立して通過する。
図６は、エンジン左および右バンクに連結された別個のターボチャージャーを備えたエンジン１７２に例示的な排気ガス再循環機構を有するターボチャージャー付内燃エンジンシステム１９０の概略図である。図示の実施形態では、システム１９０は、エンジンバンク１７４および１７６に連結された第１高圧ターボチャージャー１９２と第２高圧ターボチャージャー１９４を含んでいる。さらに、システム１９０は、第１および第２高圧ターボチャージャー１９２および１９４と非連続的すなわち略並列かつ独立構造で連結された低圧ターボチャージャー１２２を含んでいる。第１高圧ターボチャージャー１９２は、可変容量高圧タービン１９６と高圧圧縮機１９８とを含む。同様に、第２高圧ターボチャージャー１９４は、可変容量高圧タービン２００と高圧圧縮機２０２とを含む。さらにまた、高圧圧縮機１９８は軸２０４を介して高圧タービン１９６に駆動連結される。同様に、高圧圧縮機２０２は軸２０６を介して高圧タービン２００に駆動連結される。本実施形態では、システム１９０は、図５を参照して前述したように、排気マニホルド１８２および１８４と共通の吸気マニホルド１８０を含んでいる。
運転中、高圧タービン１９６は、エンジン左バンク１７４の排気マニホルド１８２からの排気ガス２０８の一部によって駆動される。同様に、高圧タービン２００は、エンジン右バンク１７６の排気マニホルド１８４からの排気ガス２１０の一部によって駆動される。さらに、高圧圧縮機１９８および２０２は、それぞれ高圧タービン１９６および２００によって駆動される。高圧圧縮機１９８および２０２は吸気２１２を受け取り、吸気２１２を圧縮して、吸気マニホルド１８０に後に案内される圧縮された吸気流２１４および２１６を生成するように構成されている。この実施形態では、中間冷却器２１８および２２０は高圧圧縮機１９８および２０２の下流に配置されて、吸気マニホルド１８０への導入の前に圧縮された吸気２１４および２１６を冷却する。さらにまた、図５を参照して前述したように、低圧タービン１２６は排気マニホルド１８２からの排気ガス１５２によって駆動される。さらに、排気マニホルド１８４からの排気ガス１５６は低圧圧縮機１２４に案内され、続いて吸気マニホルド１８０まで再循環される。
図７は、エンジン左および右バンクに共通の中間冷却器を備えたエンジン１７２に例示的な排気ガス再循環機構を有する別のターボチャージャー付内燃エンジンシステムの概略図である。この実施形態の排気ガス再循環の構成は、図５に示される実施形態と同様である。前述のように、排気マニホルド１８２および１８４からの排気ガス１３２および１３４を利用して、高圧ターボチャージャー１１６の高圧タービン１１８を駆動する。さらに、吸気１３６は、高圧タービン１１８によって駆動される高圧圧縮機１２０を介して圧縮される。この実施形態では、共通の中間冷却器２２２は高圧圧縮機１２０の下流に配置されて、高圧圧縮機１２０からの圧縮された吸気２２４を冷却し、続いて参照番号２２６で表わされるように、圧縮された吸気２２４を吸気マニホルド１８０に導入する。
図１〜図７を参照して上述した排気ガス再循環によって、ターボチャージャー付エンジンシステムからの汚染物質排出の大幅な削減が促進される。図８は、図１〜図７のターボチャージャー付内燃エンジンに関する異なるＥＧＲ冷却器温度でのＮＯｘ排出と正味燃料消費率（ＢＳＦＣ）の例示的な結果のグラフ図２３０である。図示の実施形態では、横軸２３２が排気ガス再循環冷却器温度を表し、縦軸２３４が図１〜図７のターボチャージャー付内燃エンジンからのＮＯｘ排出のパーセント変化を表している。さらに、縦軸２３６はターボチャージャー付内燃エンジンシステムのＢＳＦＣのパーセント変化を表している。異なるＥＧＲ冷却器温度でのＮＯｘ排出は形状２３８によって表され、ＢＳＦＣの変化は例示的な形状２４０によって表される。この実施形態では、異なるＥＧＲ冷却器温度はターボチャージャー付内燃エンジンシステムにおける異なるＥＧＲ比率を表している。
図示のように、ＥＧＲ冷却器温度２３２が時間とともに低下するので、システムからのＮＯｘ排出２３８が削減される。したがって、システム内のＥＧＲ比率が増加するので、システムからのＮＯｘ排出２３８が大幅に削減される。さらに、この実施形態では、形状２４０によって表されるように、システムのＢＳＦＣは異なるＥＧＲ冷却器温度でも実質的に変化しない。図示の実施形態では、システムのＥＧＲはＳＦＣが大きく増加することなく、約４２％のＮＯｘ利益をもたらす。
以上に説明した方法のさまざまな側面は、車両、機関車等に採用されたターボチャージャー付内燃エンジンなどのさまざまな用途において有用性がある。上述のように、システム内の選択的な排気ガス再循環により、そのようなシステムから排出、特にＮＯｘ排出の削減が可能になることによって、環境にやさしい方法でエンジンの運転がしやすくなる。さらに、上述の技術は、エンジンの所望の燃料消費率（ＳＦＣ）を達成しつつ、さまざまなエンジン運転条件でのＮＯｘ排出の相当量の削減を促進する。
本明細書では、本発明の特定の特徴のみが例示および説明されたが、当業者には多くの修正および変更が想到されるであろう。したがって、添付の請求項は本発明の真の精神の範囲にあるそのようなすべての修正および変更を含むことを目的としていることを理解されたい。
本発明の技術の実施形態にしたがった、排気ガス再循環を用いたターボチャージャー付内燃エンジンシステムの概略図である。 本発明の技術の実施形態にしたがった、汚染物質排出を削減するための別の例示的な排気ガス再循環機構を有するターボチャージャー付内燃エンジンシステムの概略図である。 本発明の技術の実施形態にしたがった、エンジン左および右バンクに連結された例示的な排気ガス再循環機構を有するターボチャージャー付内燃エンジンシステムの概略図である。 本発明の技術の実施形態にしたがった、エンジン左および右バンクに別個の吸気マニホルドと排気マニホルドを備えたエンジンに例示的な排気ガス再循環機構を有するターボチャージャー付内燃エンジンシステムの概略図である。 本発明の技術の実施形態にしたがった、共通の吸気マニホルドを有するエンジン左および右バンクを備えたエンジンに例示的な排気ガス再循環機構を有するターボチャージャー付内燃エンジンシステムの概略図である。 本発明の技術の実施形態にしたがった、エンジン左および右バンクに連結された別個のターボチャージャーを備えたエンジンに例示的な排気ガス再循環機構を有するターボチャージャー付内燃エンジンシステムの概略図である。 本発明の技術の実施形態にしたがった、エンジン左および右バンクに共通の中間冷却器を備えたエンジンに例示的な排気ガス再循環機構を有する別のターボチャージャー付内燃エンジンシステムの概略図である。 本発明の技術の実施形態にしたがった、図１〜図７のターボチャージャー付内燃エンジンの異なるＥＧＲ冷却器温度におけるＮＯｘ排出と正味燃料消費率（ＢＳＦＣ）のグラフ図である。
符号の説明
１０ ターボチャージャー付エンジンシステム
１２ 排気ガス再循環機構
１４ エンジン
１６ 吸気マニホルド
１８ 排気マニホルド
２０ 高圧ターボチャージャー
２２ 高圧タービン
２４ 高圧圧縮機
２６ 軸
２８ 低圧ターボチャージャー
３０ 低圧タービン
３２ 低圧圧縮機
３４ 軸
３６ 排気ガスの第１部分
３８ 導管
４０ 吸気
４２ 圧縮空気
４４ 導管
４６ 排気ガスの第２部分
４８ 導管
５２ 排気ガスの第３部分
５４ 圧縮空気
５６ 導管
５８〜６０ 冷却器
６２ ＥＧＲ弁
６４ 制御装置
６６〜６８ 排気ガス
７０ ターボチャージャー付エンジンシステム
７２ 排気ガス
７４ 導管
７６ ディーゼル粒子フィルタ
７８ モータ
８０ ターボチャージャー付エンジンシステム
８２ エンジン左バンク
８４ エンジン右バンク
８６ 左バンクからの排気ガス再循環
８８ 導管
９０ 排気ガス
９２ 導管
１００ ターボチャージャー付エンジンシステム
１０２ エンジン
１０４ エンジン左バンク
１０６ エンジン左バンク
１０８ 吸気マニホルド
１１０ 排気マニホルド
１１２ 吸気マニホルド
１１４ 排気マニホルド
１１６ 主ターボチャージャー
１１８ 高圧タービン
１２０ 高圧圧縮機
１２２ 低圧ターボチャージャー
１２４ 低圧圧縮機
１２６ 低圧タービン
１２８〜１３０ 軸
１３２〜１３４ 排気ガス
１３６ 吸気
１３８〜１４０ 圧縮された吸気
１４２〜１４４ 冷却器
１４６ 排気ガス
１４８ フィルタ
１５０ 大気への排気
１５２ 排気ガス
１５４ ＥＧＲ弁
１５６ 排気ガス
１５８ フィルタ
１６０〜１６２ 圧縮されたガス
１６４ 冷却器
１６６ バイパス弁
１７０ ターボチャージャー付内燃エンジン
１７２ エンジン
１７４〜１７６ 左および右バンク
１８０ 吸気マニホルド
１８２〜１８４ 排気マニホルド
１９０ ターボチャージャー付内燃エンジン
１９２ 第１高圧ターボチャージャー
１９４ 第２高圧ターボチャージャー
１９６ 高圧タービン
１９８ 高圧圧縮機
２００ 高圧タービン
２０２ 高圧圧縮機
２０４〜２０６ 軸
２０８〜２１０ 排気ガス
２１２ 吸気
２１４〜２１６ 圧縮された吸気
２２０ ターボチャージャー付内燃エンジン
２２２ 冷却器
２２４ 吸気
２２６ 圧縮された吸気
２３０ ＮＯｘ排出 対 ＥＧＲ冷却器温度
２３２ 横軸
２３４〜２３６ 縦軸
２３８ ＮＯｘ排出
２４０ ＢＳＦＣ

Claims (26)

  1. 吸気マニホルドと排気マニホルドを有する内燃エンジンと、
    高圧圧縮機に駆動連結された可変容量高圧タービンを有する高圧ターボチャージャーであって、該可変容量高圧タービンが該排気マニホルドからの排気ガスの第１部分によって駆動され、該高圧圧縮機が吸気を圧縮して、該吸気マニホルドに該圧縮された吸気を供給するように構成されている該高圧ターボチャージャーと、
    低圧圧縮機に駆動連結された可変容量低圧タービンを有する低圧ターボチャージャーであって、該可変容量低圧タービンが該排気マニホルドからの該排気ガスの第２部分によって駆動され、該低圧圧縮機が該排気マニホルドからの該排気ガスの第３部分を圧縮して、該吸気マニホルドに該圧縮された第３部分を供給するように構成されており、該排気ガスの該第１部分と第２部分が互いに異なっている該低圧ターボチャージャーとからなる、システム。
  2. 該内燃エンジンが圧縮点火エンジンである、請求項１に記載のシステム。
  3. 該圧縮点火エンジンがディーゼルエンジンである、請求項２に記載のシステム。
  4. 該低圧圧縮機の下流に配置され、該吸気マニホルドへの導入の前に排気ガスの該第３部分を冷却するように構成された冷却器をさらに有する、請求項１に記載のシステム。
  5. 該高圧圧縮機の下流に配置され、該高圧圧縮機からの該圧縮された吸気を冷却するように構成された空気冷却器をさらに有する、請求項１に記載のシステム。
  6. 該低圧圧縮機への該排気ガスの該第３部分の流れを制御するように構成された排気ガス再循環（ＥＧＲ）弁をさらに有する、請求項１に記載のシステム。
  7. エンジン運転条件、該低圧ターボチャージャーの性能、該高圧ターボチャージャーの性能、またはそれらの組み合わせに基づいて、該ＥＧＲ弁を介した該流れを制御するように構成された制御装置をさらに有する、請求項６に記載のシステム。
  8. 該低圧圧縮機への該排気ガスの導入の前に、該排気ガスから粒子状物質を濾過するように構成された粒子フィルタをさらに有する、請求項１に記載のシステム。
  9. 該吸気マニホルド圧力が該排気マニホルド圧力よりも大幅に高くなっている、請求項１に記載のシステム。
  10. 該第３部分が該高圧タービンから出力された排気ガスの該第１部分の少なくとも一部である、請求項１に記載のシステム。
  11. 該内燃エンジンの選択された運転条件で該低圧ターボチャージャーを駆動するように構成されたモータをさらに有する、請求項１に記載のシステム。
  12. 該内燃エンジンがエンジン左および右バンクに配列された複数の燃焼シリンダを有する、請求項１に記載のシステム。
  13. 該排気ガスの該第１および第２部分が該エンジン左および右バンクからの排気ガスである、請求項１２に記載のシステム。
  14. 車両、機関車、船舶用途、または工業用途である、請求項１に記載のシステム。
  15. 内燃エンジンからの排気ガスの第１部分を送って、高圧ターボチャージャーの可変容量高圧タービンを駆動する段階と、
    該排気ガスの第２部分を送って、低圧ターボチャージャーの可変容量低圧タービンを駆動する段階と、
    該排気ガスの第３部分を低圧圧縮機に送って、該内燃エンジンに取り入れるために排気ガスの該第３部分を圧縮する段階とからなり、排気ガスの該第１部分と第２部分が互いに異なっている、エンジンシステムの動作方法。
  16. 該高圧タービンを介して該高圧ターボチャージャーの高圧圧縮機を駆動して、該内燃エンジンに圧縮された吸気を供給する段階をさらに有する、請求項１５に記載の方法。
  17. 該高圧圧縮機の下流に配置された空気冷却器を介して該高圧圧縮機からの該圧縮された吸気を冷却する段階をさらに有する、請求項１６に記載の方法。
  18. 該低圧タービンを介して該低圧ターボチャージャーの該低圧圧縮機を駆動する段階をさらに有する、請求項１５に記載の方法。
  19. 該内燃エンジンへの取り入れの前に該低圧圧縮機からの該排気ガスを冷却する段階をさらに有する、請求項１５に記載の方法。
  20. エンジン運転条件、該高圧ターボチャージャーの性能、該低圧ターボチャージャーの性能、またはそれらの組み合わせに基づいて、ＥＧＲ弁を介して該低圧圧縮機への該排気ガスの該第３部分の流れを制御する段階をさらに有する、請求項１５に記載の方法。
  21. 該低圧圧縮機への該排気ガスの導入の前に該排気ガスから粒子状物質を濾過する段階をさらに有する、請求項１５に記載の方法。
  22. 内燃エンジンにおける汚染物質排出を削減する方法であって、
    高圧圧縮機と可変容量高圧タービンとを有する高圧ターボチャージャーを該内燃エンジンに連結する段階と、
    低圧圧縮機と可変容量低圧タービンとを有する低圧ターボチャージャーを該高圧ターボチャージャーと略並流構造で連結する段階とからなり、該略並流構造が該内燃エンジンから該可変容量高圧タービンまでの排気ガスの第１部分と、該内燃エンジンから該可変容量低圧タービンまでの該排気ガスの第２部分とを有する、方法。
  23. 該略並流構造が該内燃エンジンから該低圧圧縮機までの該排気ガスの第３部分を有する、請求項２２に記載の方法。
  24. ＥＧＲ弁を連結して、該低圧圧縮機までの該排気ガスの該第３部分の流れを制御する段階をさらに有する、請求項２３に記載の方法。
  25. 高圧タービンからの該排気ガスの一部を該低圧圧縮機に送り、続いて該圧縮された排気ガスを該内燃エンジンの吸気マニホルドに導入する段階を有する、請求項２２に記載の方法。
  26. 該低圧ターボチャージャーの該低圧圧縮機を駆動するように構成されたモータを連結する段階をさらに有する、請求項２２に記載の方法。
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