JP2013529275A - 対向ピストンエンジンのためのｅｇｒ構造 - Google Patents

Abstract

１つ以上のポーテッドシリンダ（ｃ）およびユニフロー掃気を用いた２ストローク対向ピストンエンジン（４９）は、給気との混合物のためにエンジン（４９）によって生じる排気ガスの一部を提供し、燃焼中のＮＯｘの生成を制御する、排気ガス再循環（ＥＧＲ）構造（１３１）を含む。

Description

当分野は、内燃エンジンである。特に、当分野は、排気ガスの再循環を用いるポーテッドのユニフロー掃気対向ピストンエンジン（Ｐｏｒｔｅｄ，ｕｎｉｆｌｏｗ−ｓｃａｖｅｎｇｅｄ，ｏｐｐｏｓｅｄ−ｐｉｓｔｏｎ ｅｎｇｉｎｅ）に関する。より詳細には、当分野は、１つ以上のポーテッドシリンダおよびユニフロー掃気を用いる２ストロークの対向ピストンエンジンを含み、ここで排気ガス再循環（ＥＧＲ）構造により、エンジンにより生じる排気ガスの一部を給気との混合物に提供し、燃焼中のＮＯｘの生成を制御する。

図１に見られるように、内燃エンジンは、ボア１２を備えた少なくとも１つのシリンダ１０、ならびにそこに機械加工または形成された、長手方向に変位する排気ポート１４および吸気ポート１６を含む対向ピストンエンジンによって例示される。燃料噴出器ノズル１７は、シリンダの側部を通して、シリンダの長手方向の中心にあるまたは中心付近にて開いた噴出器ポートにまたは噴出器ポートに隣接して位置する。２つのピストン２０、２２は、それらの末端部表面２０ｅ、２２ｅが互いに対向するようにボア１２に配置される。便宜上、ピストン２０は、排気ポート１４に近接するので、「排気」ピストンと称される；排気ポートが形成されるシリンダの末端部は、「排気末端部」と称される。同様に、ピストン２２は、吸気ポート１６に近接するので、「吸気」ピストンと称され、シリンダの対応する末端部は「吸気末端部」である。

１つ以上のシリンダ、例えばシリンダ１０を備えた対向ピストンエンジンの操作は、十分理解されている。この点において、図２を参照すると、末端部表面２０ｅ、２２ｅ間で生じる燃焼に応答して、対向ピストンが、シリンダ中で互いに最も近い位置にあるそれぞれの上死点（ＴＤＣ）位置から離れるように移動する。ＴＤＣから移動しながら、ピストンは、互いに最も遠く離れたそれぞれの下死点（ＢＤＣ）位置に到達するまで、それらの関連するポートを閉じたままにする。ピストンは、排気ポート１４および吸気ポート１６が一斉に開閉するように、同位相で移動してもよい。あるいは、吸気および排気ポートが異なる開放および閉鎖時間を有する場合のように、一方のピストンが他方のピストンを同位相で先導してもよい。

多くの対向ピストン構造において、位相オフセットは、ピストン運動に導入される。図１に示されるように、例えば排気ピストンは、吸気ピストンを先導し、位相オフセットにより、ピストンがＢＤＣ位置付近に移動し、順に排気ピストン２０がＢＤＣを通って移動するときに排気ポート１４が開くが、吸気ポート１６は閉じたままであるので、燃焼ガスは排気ポート１４から流れ始める。ピストンが互いに離れるように移動し続けるとき、吸気ポート１６は開くが、排気ポート１４も開いたままであり、加圧空気の充填（「給気」）が強制的にシリンダ１０に向かい、排気ガスは排気ポート１４から出る。排気ガスがシリンダから排気ポートを通って変位し、給気を吸気ポートに通すことを「掃気」と称する。シリンダに入る給気は、排気ガスの流出と同じ方向に（排気ポートに向かって）流れるので、掃気プロセスは、「ユニフロー掃気」と称される。

ピストンがそれらのＢＤＣ位置を通って移動し、方向転換するとき、排気ポート１４は、排気ピストン２０によって閉じられ、掃気が停止する。吸気ポート１６は開いたままの状態で、吸気ピストン２２はＢＤＣから離れるように移動し続ける。ピストンがＴＤＣに向かって移動し続けるとき（図２）、吸気ポート１６は閉じ、シリンダ中の給気は、末端部表面２０ｅおよび２２ｅとの間で圧縮される。通常、給気は、ポートが開いた状態で、吸気ポート１６を通って移動するときに旋回し、良好な掃気を促進し、ポートが閉じた後に、噴出された燃料と空気が混合される。通常、燃料はディーゼルであり、高圧噴出器によって、シリンダに噴出される。例として図１を参照すると、旋回する空気（または単に「旋回」）３０は、一般に螺旋形運動を有し、ボア中に渦を形成し、シリンダの長手方向軸の周りに循環する。図２から最もよくわかるように、ピストンが、シリンダボアのそれぞれのＴＤＣ位置に向かって進むときに、燃料４０はノズル１７を通って直接、ボア１２中のピストンの末端部表面２０ｅ、２２ｅとの間の旋回する給気３０に噴出される。給気および燃料の旋回する混合物は、ピストン２０および２２がそれぞれのＴＤＣ位置付近にある場合に末端部表面２０ｅと２２ｅとの間に画定される燃焼チャンバ３２において圧縮される。混合物が点火温度に到達する場合、燃料は燃焼チャンバ中で点火し、ピストンをそれぞれのＢＤＣ位置に向かって離れさせる。

図２に例示されるように、燃料は、シリンダの側部を通してシリンダボアに直接噴出され（「ダイレクトサイド噴出」）、燃料の移動は、ボア中の給気の残りの旋回運動と相互作用する。エンジンの操作レベルが増大し、燃焼熱が上昇するにつれて、生じる酸化窒素（ＮＯｘ）の量が増大する。しかし、ますます厳しくなるエミッション要件は、ＮＯｘを大幅に低減する必要があることを示している。１つの技術によれば、排気ガス再循環（「ＥＧＲ」）によってＮＯｘエミッションを低減する。ＥＧＲは、火花点火４ストロークエンジン構造および各シリンダにて単一ピストンを操作する２ストローク圧縮点火エンジンに組み込まれている。
しかし、こうしたＥＧＲ構造は、排気ガスを対向ピストンエンジン中の流入空気ストリームにポンプ輸送するような圧力差を生じさせる必要があるので、ユニフロー掃気を用いた２ストロークの対向ピストンエンジンに直ちに適用可能ではない。故に、ユニフロー掃気を用いた２ストロークの対向ピストンエンジンの設計および操作に適合される有効なＥＧＲ構造が必要とされている。

問題の解決策は、ユニフロー掃気を用いた２ストロークの対向ピストンエンジンのＮＯｘエミッションを、エンジンの１つ以上のポーテッドシリンダを通る排気ガス再循環により低減することである。エンジンは、ピストン制御された排気および吸気ポートを備えた少なくとも１つのシリンダ、およびエンジンの少なくとも１つの吸気ポートに給気を提供するための給気チャネルを含む。

１つの態様において、ＥＧＲは、シリンダの排気ポートに結合された入力および給気チャネルに結合されたループ出力を有するＥＧＲループによって提供される。排気ガスと給気チャネルとの間に提供される圧力差は、排気ガスを、ＥＧＲループを通って給気チャネルに流し、ここで排気ガスおよび空気が混合され、少なくとも１つの吸気ポートに提供される。

別の態様において、ＥＧＲは、掃気が停止した場合に、ポーテッドシリンダの残留排気ガスを保持することによって提供される。

対向ピストンがそれぞれの下死点位置付近にある従来技術の対向ピストンエンジンのシリンダの部分的な概略側断面図であり、「従来技術」と適切に標識されている。 ピストンの末端部表面が燃焼チャンバを画定するように対向ピストンがそれぞれの上死点位置付近にある、図１のシリンダの部分的な概略側断面図であり、「従来技術」として適切に標識されている。 ＥＧＲを備えた空気管理システムの態様を例示した、対向ピストンタイプの内燃エンジンの概念的な概略図である。 図３のポーテッドのユニフロー掃気内燃エンジンにおけるＥＧＲのための好ましい構造を例示する概念的な概略図である。 図３のポーテッドのユニフロー掃気内燃エンジンのための好ましいＥＧＲ構造の概略図である。 ターボチャージャーを備えていないポーテッドのユニフロー掃気対向ピストンエンジンのための代替ＥＧＲ構造の概略図である。

本明細書に記載されるＥＧＲ構造は、少なくとも１つのシリンダを有するポーテッドのユニフロー掃気内燃エンジンを含み、ここで１対のピストンはそれらの末端部表面が対向して配置されている説明のための文脈において提示される。「ポーテッド」シリンダは、それらの側壁に形成または機械加工された１つ以上の吸気および排気ポートを含む。この説明のための文脈は、説明のための例によって種々のＥＧＲ構造の実施形態を理解するための基礎を提供することを意図する。

図３において、内燃エンジン４９は、少なくとも１つのポーテッドシリンダ５０を有する対向ピストンエンジンによって具現化される。例えば、エンジンは、１つのポーテッドシリンダ、２つのポーテッドシリンダ、３つのポーテッドシリンダ、または４つまたはそれ以上のポーテッドシリンダを有していてもよい。例示の目的のために、例示および記載されるべき例において、エンジンは、複数のポーテッドシリンダを有することを前提とした対向ピストンタイプのエンジンである。この点において、各シリンダ５０は、ボア５２、ならびにそれぞれの末端部に形成または機械加工された排気ポート５４および吸気ポート５６を有する。排気および吸気ポート５４および５６はそれぞれ、開口部の１つ以上の周方向アレイを含み、隣接開口部が中実ブリッジによって分離されている。（一部の説明において、各開口部は、「ポート」と称されるが；こうした「ポート」の周方向アレイの構造は、図３に示されるポート構造と違いはない。）排気ピストン６０および吸気ピストン６２は、それらの末端部表面６１および６３が互いに対向するように、ボア５２にスライド可能に配置される。排気ピストン６０はクランクシャフト７１と結合し、吸気ピストンはクランクシャフト７２と結合する。

シリンダ５０のピストン６０および６２は、それらのＴＤＣ位置にまたはＴＤＣ位置付近にある場合、燃焼チャンバは、ボア５２においてピストンの末端部表面６１および６３との間に画定される。燃料は、シリンダ５０の側壁を通して開口部に位置付けられた少なくとも１つの燃料噴出器ノズル１００を通して燃焼チャンバに直接噴出される。

図３をさらに参照して、エンジン４９は、エンジン４９に提供される給気およびエンジン４９によって生成される排気ガスの輸送を管理する空気管理システム５１を含む。代表的な空気管理システム構造は、給気サブシステムおよび排気サブシステムを含む。空気管理システム５１において、給気サブシステムは、吸気空気を受容し、それを給気に加工処理する給気源、給気がエンジンの少なくとも１つの吸気ポートに輸送される、給気源と結合した給気チャネル、およびエンジンの吸気ポートに送達される前に給気（または給気を含むガスの混合物）の受容および冷却のために結合された給気チャネル中の少なくとも１つの空気冷却器を含む。こうした冷却器は、液冷式および／または空冷式デバイス、または別の冷却デバイスを含むことができる。以降、こうした冷却器は、「給気冷却器」として示される。給気サブシステムはまた、エンジンの吸気ポートに給気チャネル中の給気をポンプ輸送するスーパーチャージャーを含む。排気サブシステムは、エンジンの排気ポートから排気パイプへ排気生成物を輸送する排気チャネルを含む。

図３を参照すれば、好ましい給気サブシステムは、スーパーチャージャー１１０を含み、これは電気モーターによって、またはクランクシャフトに結合されたギア、チェーン、もしくはベルト装置によって駆動できる。例えばこれらに限定されないが、図４、５および６において、スーパーチャージャー１１０は、ベルト連携によってクランクシャフト７２に結合され、それによって駆動される。スーパーチャージャー１１０は、単段速度または多段速度のデバイス、または完全可変速度デバイスであってよい。必ずしも必要ではないが好ましくは、空気管理システム５１は、タービン１２１を備えたターボチャージャー１２０および共通のシャフト１２３において回転するコンプレッサを含む。タービン１２１は、排気サブシステムに結合され、コンプレッサ１２２は給気サブシステムに結合される。タービン１２１は、固定された幾何学形状または可変幾何学形状デバイスであってよい。ターボチャージャー１２０は、排気ポート５４を出る排気ガスからエネルギーを抽出し、排気ポート５４から直接または排気マニフォールド１２５から排気チャネル１２４に流す。この点において、タービン１２１は、それを通過する排気ガスによって回転される。これがコンプレッサ１２２を回転させ、吸気空気を圧縮することによって給気を生じさせる。コンプレッサ１２２による給気出力が、導管１２６を通って給気冷却器１２７に流れ、その場所でスーパーチャージャー１１０によって吸気ポートにポンプ輸送される。スーパーチャージャー１１０によって圧縮される空気は、スーパーチャージャーから、給気冷却器１２９を通って吸気マニフォールド１３０に至る出力である。吸気ポート５６は、吸気マニフォールド１３０を通ってスーパーチャージャー１１０によってポンプ輸送される給気を受容する。必ずしも必要ではないが好ましくは、マルチシリンダ対向ピストンエンジンにおいて、吸気マニフォールド１３０は、すべてのシリンダ５０の吸気ポート５６と連通する吸気プレナムから構成される。

排気ガス管理：燃焼により生じるＮＯｘエミッションを低減するために、ポーテッドシリンダタイプの内燃エンジンのための空気管理構造を改質または適合するのが望ましい。対向ピストンエンジンのポーテッドシリンダを通る排気ガスの再循環によりこうしたエミッションを制御するのが特に望ましい。再循環された排気ガスは、ピーク燃焼温度を低下させるために給気と混合され、ＮＯｘエミッションを低下させる。このプロセスは、排気ガス再循環（「ＥＧＲ」）と称される。ＥＧＲ構造は、図３において、バルブ制御された再循環チャネル１３１により、シリンダ外部のＥＧＲチャネルに輸送された排気ガスを新鮮な吸気空気の到着ストリームに利用できる。あるいはまたは加えて、ＥＧＲプロセスは、掃気が停止した場合に、シリンダ５０に保持された残留排気ガスを利用できる。外部ＥＧＲの場合、排気ガスは、空気の流入ストリームにポンプ輸送される。ＥＧＲチャネルと連通した圧力源は、圧力差を生じ、それにより排気ガスは、ＥＧＲチャネルを通って給気サブシステムに流れる。一部の態様において、再循環されるべき排気ガスが、給気の吸気ストリームに供給される点よりも高圧であることが保証されている供給源から得られる場合に、仮想ポンプが存在する。他の態様において、アクティブポンプ、例えばスーパーチャージャー１１０は、スーパーチャージャーが吸気ポートにポンプ輸送している給気に、再循環されるべき排気ガスをポンプ輸送するために使用される。これらの態様において、スーパーチャージャーの使用は、対向ピストンエンジンにおいてＥＧＲ操作を制御するための追加の可変部を提供する。一部の態様において、再循環された排気ガスは、１つ以上のＥＧＲ冷却器によって冷却され、この冷却器は、液冷式および／または空冷式デバイスを含むことができる。他の態様において、再循環された排気ガスは、１つ以上の給気冷却器によって単独で、または１つ以上のＥＧＲ冷却器と組み合わせて冷却される。

第１のＥＧＲループ構造：一部の態様において、図３に見られるような内燃エンジンは、第１のＥＧＲループ構造を含む。図４を参照して、ユニフロー掃気のポーテッド対向ピストン適用のための第１のＥＧＲループ構造は、１つ以上のシリンダから出るいずれかの排気ガス源からの排気ガスを循環させる。例えば、他の排気ガス源を排除するわけではないが、第１のＥＧＲループ構造は、排気ポート５４の内側に位置付けられたＥＧＲポート５５を含む；すなわち、ＥＧＲポート５５は、排気ポート５４とシリンダ５０の長手方向の中点との間に位置付けられる。ＥＧＲポート構造は、いずれかの特定の設計によって必要に応じて、１つ以上のポート開口部を含む。燃焼に応答して、ＢＤＣに向かって移動する間、排気ピストン６０は、ＥＧＲポート５５を通過し、ＥＧＲポートをシリンダボア圧力にまで開き、この圧力は、吸気マニフォールド１３０の圧力より高いことが保証されている。この圧力差は、ＥＧＲポート５５からプレナムまたはマニフォールド（図示せず）を通して、一方向チェックバルブ１３４によって制御された導管１３３に、次いで吸気マニフォールド１３０に排気ガスの一部をポンプ輸送し、そこで給気と混合され、シリンダボアに再循環される。必ずしも必要ではないが、好ましくは排気ガスは、給気冷却器１２９の入口の前にスーパーチャージャー１１０によって給気出力に入る。ＥＧＲポートが開く場合（「ＥＧＲ開放」）のシリンダ圧力と、吸気マニフォールド圧力との比は、この値を超えると一方向チェックバルブ１３４においてチョーク流れ条件が生じ得る閾値を超えないことが望ましい。この圧力比は、ＥＧＲポートのサイズおよびシリンダの長手方向中心に関する位置（中心により近くなるにつれ、圧力はより高くなる）、ならびに給気システムの状態（ブースト、タービンバック圧力など）によって影響を受ける。

図４をさらに参照すると、第１のループＥＧＲ構造の変形例において、導管１３３中を流れる排気ガスは、例えばベンチュリとして構成されることができるミキサ１３５を通して、スーパーチャージャー１１０によって、給気出力と混合される。排気ガスは、バルブ１３６を通してミキサ１３５へ入力し；スーパーチャージャー１１０により加圧された給気出力は、ミキサ１３５の混合入力に提供される。加圧された給気およびミキサ１３５によって生成された排気ガスの混合物は、給気冷却器２９の入力に（または、別の方法として給気冷却器１２７の入力に）提供される。バルブ１３６は、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）１４９によるシグナル出力によって操作される。

一部の態様において、排気ガスの流れの変動を低下させるのが望ましい。こうした場合、図４を参照して、アキュムレータ１４５は、ＥＧＲポート５５とバルブ１３６への入力との間において直列に第１のループに提供される。一部の他の態様において、給気と混合する前に、排気ガスを冷却するのが望ましい。こうした場合、ＥＧＲ冷却器１４６は、チェックバルブ１３４とバルブ１３６への入力との間に、直列にて第１のループに提供される。あるいは、ループ構造は、１３４、１３６、１４６であってよい。ＥＧＲアキュムレータ１４５および冷却器１４６の両方が使用される場合、ＥＧＲ冷却器１４６は、ＥＧＲアキュムレータ１４５の出力と、バルブ１３６の入力との間に、直列に位置づけられるのが好ましいが必須ではない。

第２のＥＧＲループ構造：一部の態様において、図３に見られるように内燃エンジン４９は、別のＥＧＲループ構造を含むことができる。図３および４を参照して、第２のＥＧＲループ構造は、導管１３１およびバルブ１３８を含み、排気ガスの一部を排気マニフォールド５４から給気冷却器の入力に切り替え、その一部を冷却させる。最適な排気ガス／給気混合を促進するために、排気ガスおよび給気が共に流れて混合されるデバイスを加えるのが望ましい。排気ガスを吸気マニフォールド５６から遠く離れた位置にある給気に導入するのが望ましい場合、排気ガスの一部は、給気冷却器１２７の入力に切り替える。このループにより、排気ガスが２つの給気冷却器（１２７および１２９）の冷却作用に供される。あまり冷却しないことが妥当である場合、バルブ１３８は、３方向バルブ（図４に最もよく見られるように）として構成されることができ、排気ガスの一部は、冷却器１２７の付近からスーパーチャージャー１１０の入力に切り替えることができる。この代替例は、排気ガスの一部を給気冷却器１２９によってのみ冷却させる。排気ガスのみを冷却する専用のＥＧＲ冷却器は、必要に応じて第２のループに組み込むことができる。例えば、ＥＧＲ冷却器は、バルブ１３８と直列にまたはバルブ１３８の出力ポート、およびスーパーチャージャー１１０の入力と直列に、導管１３１において配置することができる。一部の態様において、バルブ１３８は、単一３方向デバイスとして構成される。あるいは、バルブ１３８は、一対のバルブとして構成され、それぞれが導管１３１からのＹ結合のそれぞれのブランチにあり、ここで一方のバルブは、冷却器１２７の入力に排気ガスを提供するように制御し、他方はスーパーチャージャー１１０の入力に排気ガスを提供するように制御する。

保持された排気ガスを用いるＥＧＲ：ユニフローまたはループ掃気内燃エンジンにおいて、掃気が停止した後、シリンダ中の残留量の排気ガスを捕捉または保持するのが望ましい場合がある。残留排気ガスは、ＮＯｘエミッションを低減するのに有利な点に燃焼の初期条件を調節するために使用できる。ターボ機械類の構成に依存して、低および中程度の速度および負荷において、ユニフロー掃気エンジンは、不完全な掃気を示す場合がある。シリンダ内の残留排気ガスが熱いので、新しい給気の得られた温度が、実質的に上昇する場合があり、故にこの方法は、一部のエンジン負荷条件下で、ＮＯｘを低減するために最も適している。

それぞれのサイクルにおいてシリンダに供給される給気の量は、シリンダ中に残る残留排気ガスの量を変更するために使用できる。この点において、いずれかの所与の操作サイクルにおいてシリンダに供給される給気の量を調節することは、次の燃焼発生のためにシリンダに保持される排気ガスの量を「調整」するために使用できる。図４に見られる保持された排気ガスＥＧＲの１つの態様において、バルブ１３９を含むバイパス導管ループ１４８は、スーパーチャージャー１１０と平行に置かれる。バルブ１３９は、スーパーチャージャー１１０によってエンジンにポンプ輸送された給気の量を制御するために操作される。ポンプ輸送された給気の量を設定することにより、掃気された排気ガスの量を制御でき、結果として掃気後のいずれかのシリンダ中に保持された排気ガスの量を制御できる。この点において、高いマニフォールド圧力が所望される場合（高いエンジン負荷条件に関して示されるように）、バルブ１３９を、完全に閉め、給気は高い割合でエンジンに送達される。バルブ１３９の開放が大きくなるにつれて、スーパーチャージャー１１０によってポンプ輸送される給気の量のうち、スーパーチャージャーの入口に戻る量が増え、比例してエンジンに送達される給気の量が低減する。故に、給気／燃料比が低下し、いずれかのシリンダ中に保持される排気ガスの量が増大する。保持される排気ガスＥＧＲのこの態様によって実現される利益の１つは、ＮＯｘの低減およびスーパーチャージャー１１０による、エンジンに課されるポンプ輸送負荷の低減である。

タービンに流れる排気ガスにより感知される圧力（「バック圧力」）の増大も、シリンダ中に残る残留排気ガスの量を変更するために使用できる。この点において操作のいずれかの所与のサイクルにおけるバック圧力の量を調節することは、次の燃焼発生のための残留排気ガスの量を「調整する」ために使用できる。故に、図４に見られるように、保持される排気ガスＥＧＲの別の態様において、可変バルブ１４０は、排気ガス出力と直列に配置される。バルブ１４０の設定は、バルブ上流にて感知されるバック圧力に直接影響を及ぼし、結果として掃気後のいずれかのシリンダに保持される排気ガスの量に影響を及ぼす。図４において、バルブ１４０は、タービン１２１の出力と直列に配置される。この場合、バルブの設定から得られるいずれかのバック圧力は、エンジンのすべてのシリンダにわたって分配される。代替の態様において、等価なバルブ１４０ａは、タービン１２１への入力と１つ以上のシリンダの排気出力を収集する排気マニフォールドとの間に直列に配置できる。さらに別の代替態様において、等価なバルブ１４０ａは、複数のシリンダそれぞれの排気マニフォールドまたは排気ポートと直列に配置できる。

タービンバイパス構造：図４を再び参照すると、バルブ１４４を含むバイパス導管ループ１４３は、タービン１２１と平行に配置される。バルブ１４４は、タービン１２１にエンジンから流れる排気ガスの量を制御するように操作される。タービン１２１をバイパスするようにバルブ１４４を設定して、タービン１２１およびコンプレッサ１２２を操作することなく、排気エネルギーを、排気パイプ１２８に放出できる。これにより、高温レベルにて排気ガスを維持し、例えばコールドスタートからの一部のエンジン負荷条件中にエンジンウォームアップにて、処理後の転換効率（例えば粒状フィルタおよび触媒デバイスに関して）を増大させる。さらに、一部のエンジン負荷条件下でのエンジン操作中にバルブ１４４を設定してタービン１２１をバイパスさせることにより、ターボチャージャー操作を低減し、より多くの排気ガスをスーパーチャージャー１１０に対して駆動させ（例えばバルブ１３８を介して）、同時にまたより高温の排気ガスを排気パイプ１２８に送達し、処理後の転換効率を増大できる。エンジンからタービン１２１に流れる排気ガスの量を変更するための別の構造は、バルブ１４４の上流において、排気導管１２４中の圧力を制御するための可変幾何学形状構造を備えたタービンを含む。固定された幾何学形状のタービンの代わりに可変幾何学形状タービン（ＶＧＴ）を用いることは、例えばバルブ１４４のようなタービンバイパスバルブの必要性を必ずしも排除しない。ＶＧＴは、許容可能な効率で作用する制限されたマスフロー範囲だけを有する。この範囲外において、タービンバイパスバルブは、マスフローおよびエンジン４９の吸気圧力を制御するために使用できる。

好ましいＥＧＲ実施形態：ポーテッド対向ピストンエンジンのための、ユニフロー掃気を備えた好ましいＥＧＲ構造を図５に示す。好ましい構造において、排気ガスはエンジンの排気ポート５４から、導管１２４を通ってタービン１２１に流れ、このとき処理後の転換を経て（図示せず）、排気パイプ１２８から流れる。タービン１２１への入力に先立って、排気ガスの一部を１３１を介して導管１２４から、およびバルブ１３８’を通して導管１２４から、給気冷却器１２７の入力に切り替え、そこで新鮮な空気の流入ストリームと混合する。排気ガスおよび空気を混合し、給気冷却器１２７にて冷却し、冷却されたガス／空気混合物をスーパーチャージャー１１０に入力する。スーパーチャージャー１１０は、ガス／空気混合物を圧縮し、圧縮された混合物を給気冷却器１２９に入力する。冷却された圧縮混合物を、次いで吸気ポート５６を介してシリンダ５０に入れる。場合により、吸気スロットルバルブ１４１およびタービンバイパスバルブ１４４が、再循環された排気ガスと新鮮な空気との比の高度に正確な制御のために含まれる。

排気構成および制御：図４および図５に例示されるＥＧＲおよびタービンバイパス構造は、ユニフロー掃気タイプのポーテッドエンジンにおいて、特定の設計のために必要に応じて、単一に、または２つ以上の構造の組み合わせにて、またはそれらの一部において実施されることができる。１つの例は、掃気後のシリンダに保持される冷却されていない排気ガスは、シリンダに提供される給気で冷却および混合される再循環された排気ガスと組み合わせるまたは混合するＥＧＲ構造である。保持されたおよび再循環された排気ガスの相対量は、ＥＧＲ割合および温度を正確に制御するために変動してもよい。吸気スロットルバルブ１４１は、再循環された排気ガスと新鮮な空気との比をより正確に制御するために、コンプレッサ１２２に流れる新鮮な空気のストリームに配置できる。シリンダ基準あたりに実施される場合、高速の個々のＥＧＲおよび給気／燃料トリムは、流動力学および／または製造許容範囲によって生じるシリンダ間変動を補正するために提供される。

図４および５に例示される１つ以上の構造を利用するＥＧＲシステムのためのＥＧＲ制御プロセスまたはいずれかのそれらの組み合わせは、多段速度または可変速度デバイスが使用される場合、いずれかの１つ以上のバルブ１３６、１３８、１３９、１４０、１４０ａおよび１４４、吸気スロットルバルブ１４１、およびスーパーチャージャー１１０、ならびに可変幾何学形状デバイスが使用される場合、ターボチャージャー１２０を自動的に操作することによって特定のエンジン操作条件に応答してＥＣＵ１４９によって実行される。もちろん、ＥＧＲのために使用されるバルブ、スロットル、および関連する要素の操作は、いずれか１つ以上の電気、空気式、機械的、および水圧の作動操作を含むことができる。素早く、正確に自動的な操作のために、連続的に可変性の設定を用いてバルブは、高速で、コンピュータ制御されたデバイスであるのが好ましい。各バルブは、ガスが流れることができるように開いた第１の状態（ＥＣＵ１４９によって制御された一部の設定に対して）、およびガスが流れるのをブロックするために閉じた第２の状態を有する。

好ましくは、ＥＧＲ制御プロセスは、自動的に、再循環された排気ガスならびに再循環された排気ガスおよび給気の混合物に関して１つ以上のパラメータに基づいて本明細書に記載され、例示された１つ以上の構造を組み込んだＥＧＲシステムを操作する。パラメータ値は、個々のパラメータの値およびＥＧＲの１つ以上の比、および１つ以上のシリンダにおける混合物パラメータを管理するために、１つ以上のセンサ、計算、および表検索の組み合わせによって決定される。

代替ＥＧＲ実施形態：スーパーチャージャーだけが掃気圧力を提供するポーテッドシリンダおよびユニフロー掃気を用いた２ストローク対向ピストンエンジンにおける代替ＥＧＲ構造を図６に示す。ＣＯおよび炭化水素を減らすためにディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）を含むエミッション制御デバイス、すすエミッションを低減するためにディーゼル粒状フィルタ（ＤＰＦ）、およびＮＯｘエミッションを低減するために選択的触媒還元デバイスによって、処理後の転換が実施されることを前提とする。これらデバイスのすべては、操作のために熱を添加することを必要とし、ターボチャージャーが存在しないことにより、排気ガスから誘導される熱の争奪を減らすと同時に、エンジンの電力密度を低下させる。さらに、ＤＰＦおよびＤＯＣはここで、排気マニフォールドにて緊密に結合されることができ、ここでターボチャージャーが通常載置される。さらに、ターボチャージャーおよびその必要とされるダクティングの削減により、対向ピストンエンジンのサイズを縮小し、またターボチャージャーのハウジングおよびダクティングからの対流によって排気熱の損失を低減する。必ずしも必要ではないが、好ましくは再循環のための排気ガスは、ＤＰＦの出口から抽出され、ここでは粒状物を含まず、冷却されることができ、スーパーチャージャーの入口にポンプ輸送できる。ＤＰＦ後排気ガスはより冷却されているが、ＥＧＲ冷却器によってさらに冷却できる。

２ストロークのポーテッドユニフロー掃気対向ピストンエンジンのための代替ＥＧＲ実施形態を図６に例示する。好ましくは、エンジンはターボチャージャーを含まない。排気ガスは、排気マニフォールド１２５から、導管１２４を通して、ＤＯＣ１５０およびＤＰＦ１５１を通して、流れ、次いでバルブ１４０を通って、排気パイプ１２８から出る。一部の排気ガスは、バルブ１４０をＥＧＲ冷却器１４２の入力に設定することによって決定される圧力変化によって迂回させる。ＥＧＲ冷却器１４２により冷却された排気ガス出力は、バルブ１４７を通して空気ストリームに計量され、スーパーチャージャー１１０に入る。吸気スロットルバルブ１４１は、再循環される排気ガスと空気との比をわずかな真空を創出することによってより正確に制御するために、バルブ１４７の出力の上流にあるスーパーチャージャーに流れる空気ストリームに配置できる。代替ＥＧＲループがスーパーチャージャー１１０を通して出るので、給気冷却器１２９からの排気ガスを空にするのに必要とされる時間は、大幅に短縮されるので、過渡応答を改善する。スーパーチャージャー１１０はエンジンから直接駆動される場合、エンジンと共に高いフローおよび高速を達成する。スーパーチャージャー容量により、必要とされる排気ガスを、必要に応じて速いエンジン速度および厳しいエミッション要件を満たすために必要とされるような負荷でポンプ輸送可能にする。スーパーチャージャーのバイパスバルブ１３９は、スーパーチャージャーによって生じる圧力を連続的に変動させる。

ＥＧＲ構造が２つのクランクシャフトを備えたポーテッド対向エンジン構造を参照して記載されたが、これらの構造の種々の態様が１つ以上のクランクシャフトを備えた対向ピストンエンジンに適用できることを理解すべきである。さらに、これらのＥＧＲ構造の種々の態様は、１つ以上のクランクシャフトの反対側、および／または両側に配設されたポーテッドシリンダを備えた対向ピストンエンジンに適用できる。従って、これらの構造にて得られる保護は、以下の特許請求の範囲によってのみ限定される。

Claims (28)

1. ポーテッドのユニフロー掃気対向ピストンエンジン（４９）であって、ピストン制御された排気および吸気ポート（５４、５６）を備えた少なくとも１つのシリンダ（５０）と、前記エンジンの少なくとも１つの吸気ポートに給気を提供するための給気チャネルとを含み、排気ガス再循環（ＥＧＲ）ループが、前記シリンダの排気ポート（５４）に結合したループ入力（１２４）および前記給気チャネルに結合したループ出力を有し、前記エンジンが、前記ＥＧＲループに連通するポンプを含み、排気ガスを前記ＥＧＲループを通して前記給気チャネルにポンプ輸送することを特徴とするエンジン。
2. 前記給気チャネルが、少なくとも１つの給気冷却器（１２７、１２９）を含み、前記ループ出力が少なくとも１つの給気冷却器と直列に結合されることを特徴とする請求項１に記載のポーテッドのユニフロー掃気対向ピストンエンジン。
3. 前記ＥＧＲループが、第１の状態または第２の状態に設定可能な可変バルブ（１３８）を含み、ここでこの第１の状態が、前記ループ出力を前記少なくとも１つの給気冷却器（１２７）の給気入力に結合させ、前記第２の状態が、前記ループ出力を少なくとも１つの給気冷却器の給気出力に結合させることを特徴とする請求項２に記載のポーテッドのユニフロー掃気対向ピストンエンジン。
4. 前記ポンプが、スーパーチャージャー（１１００を含み、前記少なくとも１つの給気冷却器が、ターボチャージャー（１２０）のコンプレッサ出力に結合した入力および前記スーパーチャージャーの入力に結合した出力を有する給気冷却器（１２７）を含み、前記第１の状態が、前記ループ出力を前記給気冷却器（１２７）の入力に結合させ、前記第２の状態が、前記ループ出力を前記スーパーチャージャー（１１０）の入力に結合させることを特徴とする請求項３に記載のポーテッドのユニフロー掃気対向ピストンエンジン。
5. 前記少なくとも１つの給気冷却器（１２９）の入力に結合した給気出力を有する給気源（１２２）をさらに含み、ここで前記ループ出力が、第１の状態または第２の状態に設定可能なバルブ（１３６）、および排気ガス入力、給気入力、および少なくとも１つの給気冷却器（１２９）の入力に結合したミキサ出力を有するミキサ（１３５）を含み、ここで前記バルブの第１の状態が、前記ループ出力を前記ミキサの排気ガス入力に結合し、前記バルブの第２の状態が、前記ループ出力を前記ミキサの排気ガス入力から切断することを特徴とする請求項２に記載のポーテッドのユニフロー掃気対向ピストンエンジン。
6. スーパーチャージャー入力および前記少なくとも１つの給気冷却器（１２９）の給気入力に結合した給気出力を有するスーパーチャージャー（１１０）、および前記スーパーチャージャーと平行にあるバルブ（１３９）をさらに含み、ここで前記バルブが、前記スーパーチャージャー入力が、前記バルブを通って前記スーパーチャージャーの給気出力に結合される第１の状態、および前記スーパーチャージャー入力が、前記バルブを通って前記スーパーチャージャーの給気出力から切断する第２の状態に設定可能であることを特徴とする請求項２に記載のポーテッドのユニフロー掃気対向ピストンエンジン。
7. 前記給気チャネルに結合した給気出力、前記排気ポート（５４）に結合したタービン入力、およびこのタービン入力と前記排気ポートとの間に直列にあるバック圧力バルブ（１４０ａ）を有するターボチャージャー（１２０）をさらに含み、ここでこのバック圧力バルブが、前記排気ポートに作用するバック圧力を生じさせる状態に設定可能であることを特徴とする請求項１に記載のポーテッドのユニフロー掃気対向ピストンエンジン。
8. 前記ターボチャージャーが、可変幾何学形状タービン（１２１）を含むことを特徴とする請求項７に記載のポーテッドのユニフロー掃気対向ピストンエンジン。
9. 給気チャネルに結合した給気出力、前記排気ポート（５４）に結合したタービン入力、排気出力（１２８）に結合したタービン出力、および前記タービン出力と前記排気出力との間に直列にあるバック圧力バルブ（１４０）を有するターボチャージャー（１２０）をさらに含み、ここで前記バック圧力バルブが、前記排気ポートに作用するバック圧力を生じさせる状態に設定可能であることを特徴とする請求項１に記載のポーテッドのユニフロー掃気対向ピストンエンジン。
10. 前記ターボチャージャーが、可変幾何学形状タービン（１２１）を含むことを特徴とする請求項９に記載のポーテッドのユニフロー掃気対向ピストンエンジン。
11. 給気チャネルに結合した給気出力、および前記排気ポート（５４）に結合した入力を有するタービン（１２１）、および前記タービンと平行にあるタービンバイパスバルブ（１４４）を有するターボチャージャー（１２０）をさらに含み、ここで前記タービンバイパスバルブが、タービン入力が前記バルブを通ってタービン出力に結合される第１の状態、および前記タービン入力が、前記バルブを通って前記タービン出力から切断する第２の状態に設定可能であることを特徴とする請求項１に記載のポーテッドのユニフロー掃気対向ピストンエンジン。
12. 前記タービン（１２１）が可変幾何学形状のタービンであることを特徴とする請求項１１に記載のポーテッドのユニフロー掃気対向ピストンエンジン。
13. ピストン制御された排気および吸気ポート（５４、５６）およびエンジンの少なくとも１つの吸気ポート９５６）に結合された給気チャネルを有する少なくとも１つのシリンダ（５０）を含み、ここで排気ガス再循環（ＥＧＲ）ループが、前記排気ポート９５４）と当該シリンダの長手方向中心との間に位置するシリンダのＥＧＲポート（５５）に結合したループ入力、および前記給気チャネルに結合したループ出力を有することを特徴とするポーテッドのユニフロー掃気対向ピストンエンジン（４９）。
14. 前記ＥＧＲループが、前記ループ入力に結合された入力、および前記給気チャネルにおけるミキサ（１３５）に結合した出力を有するバルブ（１３６）を含む、請求項１３に記載のポーテッドのユニフロー掃気対向ピストンエンジン。
15. 前記ＥＧＲループがさらに、前記バルブと直列にあるＥＧＲ冷却器（１４６）を含むことを特徴とする請求項１４に記載のポーテッドのユニフロー掃気対向ピストンエンジン。
16. １つ以上のシリンダ（５０）を有するポーテッドのユニフロー掃気対向ピストンエンジン（４９）を操作する方法であって、ここで給気が加圧され、次いで少なくとも１つの給気冷却器（１２７、１２９）において冷却され、エンジン排気ガスを排気ガス再循環（ＥＧＲ）ループを通って、少なくとも１つの給気冷却器（１２７、１２９）の入力に提供することによって、前記１つ以上のシリンダのそれぞれの吸気ポート（５６）に提供されることを特徴とする方法。
17. 低エンジン負荷条件中、前記１つ以上のシリンダ（５０）に排気ガスを保持することをさらに含むことを特徴とする請求項１６に記載のポーテッドのユニフロー掃気対向ピストンエンジンを操作する方法。
18. 給気圧力を低下させることによって、排気ガスを、前記１つ以上のシリンダに保持することを特徴とする請求項１７に記載のポーテッドのユニフロー掃気対向ピストンエンジンを操作する方法。
19. 排気ガスバック圧力を増大させることによって、排気ガスを前記１つ以上のシリンダに保持することを特徴とする請求項１７に記載のポーテッドのユニフロー掃気対向ピストンエンジンを操作する方法。
20. 排気ガスがさらに、排気ガスバック圧力を増大させ、給気圧力を低下させる組み合わせによって、前記１つ以上のシリンダに保持されることを特徴とする請求項１７に記載のポーテッドのユニフロー掃気対向ピストンエンジンを操作する方法。
21. ピストン制御された排気および吸気ポート（５４および５６）を有する少なくとも１つのシリンダ（５０）、および給気をエンジンの少なくとも１つの吸気ポート（５６）に提供する給気チャネルを含み、ここでこの給気チャネルが、出力および空気源に結合された入力を有するスーパーチャージャー（１１０）、このスーパーチャージャー出力に結合された入力および少なくとも１つの吸気ポート（５６）に結合された出力を有する給気冷却器（１２９）を含み、排気チャネルが、少なくとも１つの排気ポート（５４）に結合された入力および出力を有する少なくとも１つの熱発動される排気処理デバイス（１５０、１５１）、およびこの少なくとも１つの熱発動される排気処理デバイスの出力に結合されたループ入力および前記スーパーチャージャーの入力に結合されたループ出力を有する排気ガス再循環（ＥＧＲ）ループを含むことを特徴とするポーテッドのユニフロー掃気対向ピストンエンジン（４９）。
22. 前記ＥＧＲループが、前記少なくとも１つの熱発動される排気処理デバイス（１５０、１５１）の出力に結合された入力および出力を有するＥＧＲ冷却器（１４２）、および第１の状態または第２の状態に設定可能な可変バルブ（１４７）を含み、この第１の状態が、ループ出力をスーパーチャージャー入力から切断し、この第２の状態が、前記ループ出力を前記スーパーチャージャー入力に結合させることを特徴とする請求項２１に記載のポーテッドのユニフロー掃気対向ピストンエンジン。
23. 前記空気源が、ＥＧＲループによって提供される再循環された排気ガスと、空気源によって提供される空気との比を制御するための吸気スロットルバルブ（１４１）を含むことを特徴とする請求項２２に記載のポーテッドのユニフロー掃気対向ピストンエンジン。
24. ターボチャージャーを含まないことを特徴とする請求項２３に記載のポーテッドのユニフロー掃気対向ピストンエンジン。
25. 冷却され、過給された空気を少なくとも１つの吸気ポート（５６）に提供し、排気ガス出力を熱操作される排気処理デバイス（１５０、１５１）から再循環させ、この再循環された排気ガスを冷却し、この冷却され、再循環された排気ガスを吸気空気ストリームに導入し、冷却され、再循環された排気ガスと、新鮮な空気源によって提供される新鮮な空気との比を制御することによって、吸気空気ストリームが、過給され（１１０）、次いで給気冷却器（１２９）によって冷却されることを特徴とする１つ以上のシリンダ（５０）を有するポーテッドのユニフロー掃気対向ピストンエンジン（４９）の操作方法。
26. 比を制御することが、新鮮な空気ストリーム中の新鮮な空気の量を自動的にスロットルで調整することを含むことを特徴とする請求項２５に記載の方法。
27. ターボチャージャーを有さず、１つ以上のポーテッドシリンダ（５０）を有するユニフロー掃気対向ピストンエンジン（４９）において、以下により特徴付けられる排気ガス再循環ループ：
    熱操作される排気処理デバイス（１５１）の出力に結合した入力を有する第１の冷却器（１４２）；
    吸気空気源に結合した入力および出力を有するスーパーチャージャー（１１０）；
    スーパーチャージャーの出力に結合した入力、および少なくとも１つの吸気ポート（５６）に結合した出力を有する第２の冷却器（１２９）；および
    前記第１の冷却器（１４２）の出力と、前記スーパーチャージャー（１１０）の入力との間に結合されるバルブ（１４７）。
28. 吸気空気源に結合した入力およびスーパーチャージャー（１１０）の入力に結合した出力を有するスロットルバルブ（１４１）をさらに含み、ここで前記バルブ（１４７）が、前記第１の冷却器（１４２）の出力に結合した入力、および前記スロットルバルブ（１４１）の出力およびスーパーチャージャー（１１０）の入力と共通して結合された出力を有することを特徴とする請求項２７の排気ガス再循環ループ。

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