JP2010144731A - 排気ターボチャージャを備えた内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】排気エネルギの利用を改良することである。
【解決手段】排気ターボチャージャ（４）から流出する排気を、短絡管路（６）を迂回させた後にパワータービン（９）へと迂回させるように、第１の弁（８）が排気ターボチャージャ（４）の下流側の排気管路区分（７）に配置されているようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関であって、排気マニホールドを備えており、排気管路を備えており、内燃機関のための燃焼用空気の過給のために設けられているコンプレッサを駆動する排気ターボチャージャを備えており、排気管路から分岐した、パワータービンが配置されているバイパス管路を備えており、バイパス管路から短絡管路は分岐して、排気ターボチャージャの下流側の排気管路区分に開口している内燃機関に関する。

現代の外部点火式の内燃機関におけるエンジンダウンサイジングは、特にターボ過給によって達成される。これにより燃料消費は特に部分負荷運転サイクルにおいて減じることができる。この種のコンセプトにおいてはターボチャージャの遅いレスポンス挙動、いわゆるターボラグが欠点である。遅いレスポンス挙動の場合には負荷要求時のトルク上昇は遅れてもたらされる。ＤＥ３７２９１１７Ｃ１号明細書には、排気ターボチャージャとパワータービンとを備えた内燃機関が記載されており、パワータービンはバイパス管路内に配置されている。バイパス管路と排気ターボチャージャの下流の排気管路区分との間に短絡管路が配置されており、短絡管路内には絞りが設けられている。さらに、ＷＯ２００８／０７５１３０Ａ１号明細書において、排気管路内に２つのターボチャージャが設けられている内燃機関が公知になっている。第１の排気ターボチャージャによってコンプレッサは運転され、第２の排気ターボチャージャによって電気機械が駆動される。内燃機関の運転状態に応じて電気機械はモータとして運転される。さらに、ＤＥ３８０７３７２Ａ１号明細書には二段式の排気ターボチャージャを備えた内燃機関が記載されている。分岐された排気管路内にはパワータービンが設けられており、パワータービンにジェネレータが接続されている。全排気流は全負荷運転状態においては、第１の排気ターボチャージャを通った後、パワータービンを通り第２の排気ターボチャージャに案内される。

ＤＥ３７２９１１７Ｃ１ ＷＯ２００８／０７５１３０Ａ１ ＤＥ３８０７３７２Ａ１

本発明の目的は、冒頭で述べた形式の内燃機関を改良して、排気エネルギの利用を改良することである。

上記目的は、排気ターボチャージャから流出する排気が短絡管路内に迂回させられた後、パワータービンへと迂回させられるように、第１の弁が排気ターボチャージャの下流側の排気管路区分に配置されていることにより達成される。

好ましくは、パワータービンは電気機械に接続されている。

好ましくは、電気機械は内燃機関の運転点に応じてジェネレータとして又はモータとして運転される。

好ましくは、排気管路及び／又はバイパス管路内には、少なくとも１つの第２の弁が配置されており、第２の弁によってバイパス管路を通じて迂回させられる排気量が調節可能である。

好ましくは、排気ターボチャージャから流出する排気の短絡管路への迂回時に、排気管路とバイパス管路との接続は第２の弁により閉鎖される。

好ましくは、排気ターボチャージャから流出する排気の短絡管路への迂回は、低回転数及び中回転数の場合に行われる。

好ましくは、排気ターボチャージャから流出する排気の短絡管路への迂回時に、電気機械は電気モータとして運転される。

本発明に係る内燃機関は、排気ターボチャージャの下流側の排気管路区分において、排気ターボチャージャから流出する排気を部分的に又は完全に短絡管路へと迂回させ、次いでパワータービン（Ｎｕｔｚｔｕｒｂｉｎｅ）へと迂回させるように第１の弁が配置されていることを特徴とする。有利には、第１の弁は制御可能な遮断弁として、例えばフラップ又は３方向制御弁の形式において構成されている。有利には、弁は短絡管路の端部において、全排気量を短絡管路に迂回させることができるように配置されている。有利には、パワータービンは電気機械に接続されている。電気機械は内燃機関の運転点に応じて又は排気貫流量に応じてジェネレータとして又はモータとして運転可能である。

本発明に係る回路により、排気ターボチャージャから流出する排気流の、短絡管路に次いでパワータービンへの迂回が可能になる。このような運転状態において、排気ターボチャージャの下流側の排気管路区分において負圧を形成するために、パワータービンは電気機械により駆動される。これによりターボラグの発生は防がれる。したがって、排気ターボチャージャのレスポンス挙動は、低回転数の場合でも明らかに改良される。

本発明の別の構成によれば、排気管路内及び／又はバイパス管路内に、少なくとも１つの第２の弁が配置されている。第２の弁によってバイパス管路を通って迂回させられる排気量を調節可能である。有利には、第２の弁は制御可能な弁として、例えばフラップ弁又は３方向制御弁として構成されている。第２の弁の配置により、例えば全負荷時に排気量の一部をパワータービンに迂回することができる。したがって、電気機械は電流形成のためにパワータービンにより駆動される。ここで得られた電流はバッテリに貯えることができ、且つ／又は電気的な補機への供給のために使用することができる。

本発明のさらに別の構成によれば、排気ターボチャージャから流れる排気の短絡管路への迂回時には、排気管路とバイパス管路との間の接続は第２の弁により閉鎖される。排気ターボチャージャから流出する排気の短絡管路への完全な迂回は、本発明によれば低回転数及び中回転数の場合に行われる。この場合に有利には、電気機械は電気モータとして運転される。これにより、排気ターボチャージャのレスポンス挙動は排気ターボチャージャの下流側の排気管路区分において形成された負圧に基づき改良される。

上記特徴及び以下で説明される特徴は、それぞれ記載の組合せにおいてのみ使用可能なのではなく、本発明の範囲を越えることなく別の組合せにおいて又は単独でも使用可能である。

別の特徴及び特徴の組合せは以下の記載から明らかになる。

排気ターボチャージャとパワータービンとを備えた内燃機関の概略構成図である。 全負荷状態における図１に記載の内燃機関を示した図である。 暖機運転中の図１に記載の内燃機関を示した図である。

本発明の具体的な実施の形態を図面に略示して、以下詳細に説明する。

図１において、シリンダヘッド１７に排気マニホールド２が配置されている内燃機関１を概略的に示す。排気マニホールド２において各燃焼室１９からの排気が集められ排気管路３に案内される。排気管路３内には排気ターボチャージャ４が配置されている。排気ターボチャージャ４は軸２０によりコンプレッサ１２に結合されている。本発明は、外部点火式の内燃機関にも圧縮点火式の内燃機関にも適している。排気ターボチャージャ４は内燃機関の運転中に規定の排気流によって力が加えられる。これにより駆動軸２０、ひいてはコンプレッサ１２も駆動される。コンプレッサ１２によって燃焼用空気は吸気管路１４を通じて吸引され、圧縮され、過給空気管路１５を通じて内燃機関１に送られる。吸気管路１４と過給空気管路１５との間に介在管路１６が設けられている。介在管路１６内には、有利には再循環空気フラップ１３の形式において制御可能な遮断手段が配置されている。再循環空気フラップ１３は主に過給空気を絞るために、特に内燃機関１の部分負荷中に働き、再循環空気フラップ１３が開放された状態にある場合にはコンプレッサ１２を循環するバイパスが存在する。これにより内燃機関１に必要とされない大量の燃焼用空気流を再び吸気管路１４に案内することができる。

本発明によれば、排気マニホールド２と排気ターボチャージャ４との間の排気管路区分にはバイパス管路５が設けられている。バイパス管路５により排気は排気ターボチャージャ４を迂回することができる。バイパス管路５内には、電気機械１０に接続されているパワータービン９が配置されている。電気機械１０は運転状態に応じて若しくは必要に応じて、ジェネレータとして又は電気モータとして運転することができる。さらに、バイパス管路５から短絡管路６が分岐している。短絡管路６は排気ターボチャージャ４の下流側において排気管路区分７に開口している。開口区分には、有利には制御可能なフラップとして形成されている弁８が配置されている。弁８を択一的には複数の切換えフラップから形成することができる。これらの切換えフラップは、排気ターボチャージャ４から流出する排気流を部分的に又は完全に短絡管路６を通じて迂回させ、次いでバイパス管路５ひいてはパワータービン９を通るように迂回させるために働く。

さらに、排気管路３とバイパス管路５との間の分岐区分には、有利には制御可能なフラップとして形成されている他のフラップ１１が配置されている。フラップ１１によって、排気マニホールド２から流出する排気流を、部分的に又は完全にバイパス管路５へと迂回させることができる。したがって、弁１１はウエストゲートフラップの機能を担う。ウエストゲートフラップは、図２に記載されている特に高負荷及び高回転数の場合、排気の一部を、排気ターボチャージャ４を迂回するようにバイパス管路５内に分けて案内する。このような運転状態、つまり高負荷及び高回転数の場合において、排気の一部はバイパス管路５を通過してパワータービン９にまで流れる。弁８は図２に示したように短絡管路６を閉鎖する。排気エネルギはパワータービン９により直接に電気エネルギに変換され、有利にはバッテリ（図示せず）に貯えられる。択一的にはハイブリッド駆動装置における内燃機関１の使用時において発電運転させられる電気機械１０によって得られた電流は、ハイブリッドバッテリの充電に使用される。ジェネレータ１０において得られた電流は、ハイブリッド駆動装置における電気的な補機の駆動のために使用することができる、ということも考慮可能である。

図１に記載の部分負荷領域においては、排気ターボチャージャから流出する排気を完全に短絡管路６に迂回させ、次いでパワータービン９に迂回するように弁８は調節される。この運転状態においては弁１１によってバイパス管路５は閉鎖され、その結果、全排気流は排気ターボチャージャ４に圧送される。この状態において電気機械１０はモータ式に運転される。これにより、排気ターボチャージャ４の下流側の排気管路区分７に負圧が形成される。したがって、排気ターボチャージャ４のレスポンス挙動は改善される。通常、ターボエンジンにおける遅いトルク形成の理由は、排気ターボチャージャ４の緩慢なレスポンスである。トルク形成のために排気ターボチャージャ４の回転数を促進する必要があり、コンプレッサ１２は必要な過給圧をコンプレッサ側において形成する。排気エネルギの主成分は、慣性の克服のために、ターボチャージャの立ち上がりのために使用される。したがって、ターボチャージャの立ち上がり時における慣性の克服に対する要望は極めて高い。過給圧の形成に必要な熱力学的な排気エネルギは、ターボチャージャの立ち上がり後に減じられる。電気機械１０のモータ式の運転によって、排気管路区分７には負圧が形成されるので、慣性に基づく排気ターボチャージャ４の抵抗は減じられる。ターボチャージャ４の抵抗のさらなる減少を達成するために、コンプレッサ側においてフラップ弁１３が開放される。

さらに、本発明に係る内燃機関１には二次空気通路１８が設けられている。二次空気通路１８を通って排気マニホールド２へと、触媒（図示せず）を加熱（Ａｕｆｈｅｉｚｅｎ）するために二次空気が内燃機関１のコールドスタートの段階においてもたらされる。本発明によれば図３に記載されているように、内燃機関１のコールドスタートの段階において、全排気量が排気ターボチャージャ４を迂回してバイパス管路５を通って案内される。この運転状態において電気機械１０は電気モータとして運転され、排気マニホールド２内に負圧が形成される。これにより、触媒の加熱のために所望の後反応を調節するために、二次空気通路１８を介して二次空気を排気マニホールド２内に吸引することができる。

本発明によれば、各弁８，１１，１３の状態は制御ユニット（図示せず）によって制御されるか若しくは調節される。弁８，１１，１３の各状態及び電気機械１０の運転は、内燃機関１の運転パラメータに基づいて制御される。

１ 内燃機関、 ２ 排気マニホールド、 ３ 排気管路、 ４ 排気ターボチャージャ、 ５ バイパス管路、 ６ 短絡管路、 ７ 排気管路区分、 ８ 弁、 ９ パワータービン、 １０ 電気機械、 １１ 弁、 １２ コンプレッサ、 １３ 再循環空気フラップ、 １４ 吸気管路、 １５ 過給空気管路、 １６ 介在管路、 １７ シリンダヘッド、 １８ 二次空気通路、 １９ 燃焼室、 ２０ 軸

Claims (7)

1. 内燃機関（１）であって、排気マニホールド（２）と、排気管路（３）と、内燃機関（１）のための燃焼用空気の過給のために設けられているコンプレッサを駆動する排気ターボチャージャ（４）と、排気管路（３）から分岐した、パワータービン（９）が配置されているバイパス管路（５）とを備えており、短絡管路（６）がバイパス管路（５）から分岐して、排気ターボチャージャ（４）の下流側の排気管路区分（７）に開口している内燃機関において、
   排気ターボチャージャ（４）から流出する排気を、短絡管路（６）内に迂回させた後にパワータービン（９）へと迂回させるように、第１の弁（８）が排気ターボチャージャ（４）の下流側の排気管路区分（７）に配置されていることを特徴とする、内燃機関。
2. パワータービン（９）は電気機械（１０）に接続されていることを特徴とする、請求項１記載の内燃機関。
3. 電気機械（１０）は内燃機関（１）の運転点に応じてジェネレータとして又はモータとして運転されることを特徴とする、請求項１又は２記載の内燃機関。
4. 排気管路（３）及び／又はバイパス管路（５）内には、少なくとも１つの第２の弁（１１）が配置されており、該第２の弁（１１）によってバイパス管路（５）を通じて迂回させられる排気量が調節可能であることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか一項記載の内燃機関。
5. 排気ターボチャージャ（４）から流出する排気の短絡管路（６）への迂回時に、排気管路（３）とバイパス管路（５）との接続は第２の弁（１１）により閉鎖されることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか一項記載の内燃機関。
6. 排気ターボチャージャ（４）から流出する排気の短絡管路（６）への迂回は、低回転数及び中回転数の場合に行われることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか一項記載の内燃機関。
7. 排気ターボチャージャ（４）から流出する排気の短絡管路（６）への迂回時に、電気機械（１０）は電気モータとして運転されることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか一項記載の内燃機関。