JP2014520996A

JP2014520996A - Internal combustion engine and driving method of internal combustion engine

Info

Publication number: JP2014520996A
Application number: JP2014517858A
Authority: JP
Inventors: ベイヤール，マティアス; デルネリ，ディエゴ; ヴァレンテ，リッカルド; オステル，アンデルス
Original assignee: ワルトシラフィンランドオサケユキチュア
Priority date: 2011-07-01
Filing date: 2012-06-27
Publication date: 2014-08-25
Anticipated expiration: 2032-06-27
Also published as: KR20140051918A; RU2014103452A; WO2013004898A1; JP5908075B2; EP2726726A1; FI20115705A0; EP2726726B1; KR101566133B1; CN103890367B; CN103890367A

Abstract

本発明は内燃機関に関し、流入ガス導管システム、及び排ガスシステムと；第１ターボチャージャユニット、第２ターボチャージャユニットを有し、第２ターボチャージャユニットのタービン部が、前記排ガスシステムに接続され、前記タービン部の流入口が前記第１ターボチャージャーユニットの前記タービン部と並列して接続され、コンプレッサ部が、流入口が前記排ガスシステムに接続され、出口が排ガス再循環路システムを介して前記流入ガス導管システムに接続されている。前記第２ターボチャージャユニットのタービン部の流入口は第１制御バルブを介して前記排ガスシステムに接続されている。本発明は、また、内燃機関の駆動方法に関するものである。The present invention relates to an internal combustion engine, comprising an inflow gas conduit system and an exhaust gas system; a first turbocharger unit and a second turbocharger unit, wherein a turbine section of the second turbocharger unit is connected to the exhaust gas system, The inlet of the turbine section is connected in parallel with the turbine section of the first turbocharger unit, the compressor section is connected to the exhaust gas system, and the outlet is connected to the inflow gas via the exhaust gas recirculation system. Connected to the conduit system. The inlet of the turbine section of the second turbocharger unit is connected to the exhaust gas system via a first control valve. The present invention also relates to a method for driving an internal combustion engine.

Description

本発明は、流入ガス導管システム及び排ガスシステムと；
第１ターボチャージャユニットであって、そのタービン部分が前記排ガスシステムに接続して設けられ、酸素含有燃焼ガスを前記エンジンの排ガスのエネルギーを利用して加圧するため、そのコンプレッサ部分が前記流入ガス導管システムに接続して設けられている第1ターボチャージャユニットと、
第２ターボチャージャユニットであって、そのタービン部が前記排ガスシステムに接続され、そのタービン部の流入口が前記第１のターボチャージャユニットのタービン部とコンプレッサ部と並列に接続され、そのコンプレッサ部の流入口は、前記排ガスシステムと接続して設けられ、その出口は前記流入ガス導管システムに排ガス循環路システムを介して接続され、前記コンプレッサ部は、前記エンジンの排ガスエネルギーにより、循環される排ガス部分を加圧するように設けられている第２ターボチャージャユニットを、
備えている内燃機関（エンジン）に関する。 The present invention includes an inflow gas conduit system and an exhaust gas system;
A first turbocharger unit having a turbine portion connected to the exhaust gas system and pressurizing oxygen-containing combustion gas using the energy of the exhaust gas of the engine; A first turbocharger unit connected to the system;
A second turbocharger unit, the turbine part of which is connected to the exhaust gas system, and the inlet of the turbine part is connected in parallel with the turbine part and the compressor part of the first turbocharger unit; An inflow port is provided in connection with the exhaust gas system, an outlet thereof is connected to the inflow gas conduit system via an exhaust gas circulation path system, and the compressor portion is an exhaust gas portion circulated by the exhaust gas energy of the engine A second turbocharger unit provided to pressurize the
The present invention relates to an internal combustion engine (engine).

本発明は、燃焼空気が流入ガス導管を通してエンジンに導入され、前記空気は第１のターボチャージャユニットにより、流入するようにされたエンジンの排ガスのエネルギーと排ガスシステムを利用してスーパーチャージされ、調整可能な排ガスの量が前記流入ガス導管システムに再循環されてエンジンの燃焼プロセスに戻される内燃エンジンの駆動方法に関し、この方法においては、排ガスの再循環は、第２ターボチャージャユニットに支援され、エンジンの排ガスは、二つの部分流に分かれ、第１部分流は第1ターボチャージャユニットのタービン部分に導かれ、第2部分流は第２ターボチャージャユニットのタービン部に導かれる、内燃エンジンの駆動方法に関する。 In the present invention, combustion air is introduced into the engine through an inflow gas conduit, and the air is supercharged and regulated by the first turbocharger unit using the energy and exhaust system of the exhaust gas of the engine that is allowed to enter. A method for driving an internal combustion engine in which a possible amount of exhaust gas is recirculated to the inflow gas conduit system and returned to the combustion process of the engine, in which exhaust gas recirculation is assisted by a second turbocharger unit, The engine exhaust gas is divided into two partial flows, the first partial flow is led to the turbine portion of the first turbocharger unit, and the second partial flow is led to the turbine portion of the second turbocharger unit. Regarding the method.

ターボチャージャは内燃エンジンの吸気口に周囲圧力より高い圧力で空気を供給するものとして良く知られている。 A turbocharger is well known as supplying air to an intake port of an internal combustion engine at a pressure higher than ambient pressure.

通常、ターボチャージャはタービンハウジング内の回転軸上に設けられた排ガス駆動タービンホイールを有している。このタービンホイールの回転はコンプレッサハウジング内の前記軸の他端に設けられたコンプレッサホイールを回転させる。このコンプレッサホイールはエンジンの吸気マニホルドに対して圧縮空気を生成し、これによりエンジンの出力を増加させる。ターボチャージャの運転の制御を容易にするため、タービンは固定形状のタイプとする、或いは、形状が変化するタイプとすることができる。形状が変化するタイプのタービンは、固定形状タイプのものと比べ、変化するエンジンの要求に合うようにタービンの出力を変えることができるように、流入通路のサイズ、即ち、機能をタービンに導入されるガスを制御するために変えることができる点において異なる。 Typically, a turbocharger has an exhaust gas driven turbine wheel provided on a rotating shaft in a turbine housing. The rotation of the turbine wheel rotates the compressor wheel provided at the other end of the shaft in the compressor housing. The compressor wheel generates compressed air for the engine intake manifold, thereby increasing the engine output. In order to facilitate the control of the operation of the turbocharger, the turbine can be of a fixed shape type or a type whose shape changes. The type of turbine that changes shape is introduced to the turbine in size, i.e. function, so that the output of the turbine can be changed to meet changing engine requirements compared to the fixed shape type. The difference is that it can be changed to control the gas to be controlled.

内燃エンジンの運転の間、酸化窒素（NOx）が形成される。NOxはエンジン内の燃焼過程において酸素と窒素の存在の下での高温状態により生成される。排ガスに対する要求に適合するため、排ガス循環システム（EGR）が利用することができ、ここでは、エンジンの排ガスの一部がエンジンの燃焼室に再循環して戻される。これは、典型的には、排気マニホルドからの排ガスの一定量をエンジンの流入マニホルドに向けることにより達成される。これは、通常は外部再循環と呼ばれている。再循環された排ガスは燃焼の間に生成された温度ピークを低くする。NOxの生成は温度ピークの増加と共に増加するため、排ガスの再循環は望ましくないNOxの生成量を減少させる。ターボチャージャは、EGRシステムの一部を形成することができる。 During operation of the internal combustion engine, nitric oxide (NOx) is formed. NOx is produced by high temperature conditions in the presence of oxygen and nitrogen during the combustion process in the engine. In order to meet the requirements for exhaust gas, an exhaust gas circulation system (EGR) can be used, in which part of the engine exhaust gas is recirculated back to the combustion chamber of the engine. This is typically accomplished by directing a certain amount of exhaust gas from the exhaust manifold to the inflow manifold of the engine. This is usually called external recirculation. The recycled exhaust gas lowers the temperature peak generated during combustion. Since NOx production increases with increasing temperature peaks, exhaust gas recirculation reduces undesirable NOx production. The turbocharger can form part of the EGR system.

例えば、US 2010/122530A1にそのようなシステムが開示されている、ターボチャージャを有するエンジンのためのEGRシステムは、主ターボチャージャーに同時に作動する第２ターボチャージャーを有している。ここではEGRターボチャージャーとして参照される第２ターボチャージャーは、エンジンの排気の一部によって駆動されるタービン部分を有している。ターボチャージャのコンプレッサ部分が、排ガスを加圧した後にエンジンの吸気マニホルドにエンジンの排ガスの一部を供給するように設けられる。このように、EGRターボチャージャのタービン部分がEGRターボチャージャのコンプレッサ部分を駆動し、EGRターボチャージャがエンジンの排ガスの一部をエンジンの吸気口に供給する。 For example, an EGR system for an engine having a turbocharger, for which such a system is disclosed in US 2010 / 122530A1, has a second turbocharger that operates simultaneously with the main turbocharger. The second turbocharger, referred to herein as the EGR turbocharger, has a turbine portion that is driven by part of the engine exhaust. A compressor portion of the turbocharger is provided to supply a portion of the engine exhaust gas to the engine intake manifold after pressurizing the exhaust gas. Thus, the turbine portion of the EGR turbocharger drives the compressor portion of the EGR turbocharger, and the EGR turbocharger supplies part of the engine exhaust gas to the engine intake.

EGRターボチャージャ手段による排気ガスの再循環に関する問題は、EGRターボチャージャはエンジンの主ターボチャージャユニットにおいいて全く同一のエネルギー源を使用し、したがって、その運転の制御はエンジンの主ターボチャージャに影響を与えるといことである。 The problem with the exhaust gas recirculation by means of the EGR turbocharger is that the EGR turbocharger uses exactly the same energy source in the main turbocharger unit of the engine, and therefore its control of operation affects the main turbocharger of the engine. It is to give.

本発明の目的は、全体のチャージシステムの有利な運転を与える排ガスリサイクルターボチャージャを有するターボチャージド内燃ピストンエンジンを提供することにある。 It is an object of the present invention to provide a turbocharged internal combustion piston engine having an exhaust gas recycle turbocharger that provides advantageous operation of the overall charge system.

本発明の目的は実質的に以下の内燃エンジン、即ち、
流入ガス導管システムと排ガスシステムと；
第１ターボチャージャユニットであって、そのタービン部が前記排ガスシステムに接続して設けられ、酸素含有燃焼ガスを前記エンジンの排ガスのエネルギーを利用して加圧するため、そのコンプレッサ部が前記流入ガス導管システムに接続して設けられている第1ターボチャージャユニットと、
第２ターボチャージャユニットであって、そのタービン部が前記排ガスシステムに接続され、そのタービン部の流入口が前記第１のターボチャージャユニットのタービン部とコンプレッサ部と並列に接続され、そのコンプレッサ部の流入口は、前記排ガスシステムと接続して設けられ、その出口は前記流入ガス導管システムに排ガス循環路システムを介して接続され、前記コンプレッサ部は、前記エンジンの排ガスエネルギーにより、循環される排ガス部分を加圧するように設けられている第２ターボチャージャユニットを、
備えている内燃エンジンによって達成される。第２ターボチャージャユニットのタービン部の流入口は第1制御バルブを介して排ガスシステムに接続されることが特徴的である。 The object of the present invention is substantially the following internal combustion engine:
An inflow gas conduit system and an exhaust gas system;
A first turbocharger unit, the turbine part of which is connected to the exhaust gas system and pressurizes oxygen-containing combustion gas using the energy of the exhaust gas of the engine; A first turbocharger unit connected to the system;
A second turbocharger unit, the turbine part of which is connected to the exhaust gas system, and the inlet of the turbine part is connected in parallel with the turbine part and the compressor part of the first turbocharger unit; An inflow port is provided in connection with the exhaust gas system, an outlet thereof is connected to the inflow gas conduit system via an exhaust gas circulation path system, and the compressor portion is an exhaust gas portion circulated by the exhaust gas energy of the engine A second turbocharger unit provided to pressurize the
This is achieved by the internal combustion engine provided. It is characteristic that the inlet of the turbine section of the second turbocharger unit is connected to the exhaust gas system via the first control valve.

これにより、排ガスからの第２ターボチャージャへの部分流の流量が制御される。特に、第１ターボチャージャへの排ガスの流れは第１制御バルブを一時的に絞るこにより最大となる。 Thereby, the flow rate of the partial flow from the exhaust gas to the second turbocharger is controlled. In particular, the flow of exhaust gas to the first turbocharger is maximized by temporarily closing the first control valve.

本発明の一実施例によると、排ガス再循環路システムは、コンプレッサの上流から出て第２ターボチャージャユニットへ導かれる制御回路を有し、その制御回路は第２制御バルブを備える。 According to one embodiment of the present invention, the exhaust gas recirculation system has a control circuit that exits upstream of the compressor and is directed to a second turbocharger unit, the control circuit comprising a second control valve.

制御回路により、特に第１制御バルブが締められたときは、第２ターボチャージャユニットが必要とする出力を最小とすることができる。 The output required by the second turbocharger unit can be minimized by the control circuit, particularly when the first control valve is closed.

本発明の一実施例によれば、排ガス再循環路システムは、第２ターボチャージャユニットのコンプレッサ部の出口と流入ガス導管システムとの間に設けられたバルブを備えている。バルブ手段により、再循環は制御され、或いは、完全に遮断することができる。 According to one embodiment of the present invention, the exhaust gas recirculation system includes a valve provided between the outlet of the compressor portion of the second turbocharger unit and the inflow gas conduit system. By means of the valve, the recirculation can be controlled or completely shut off.

本発明の一実施例によれば、排ガス再循環路システムは、コンプレッサ部の上流に設けれた第１ガス冷却器を備えている。 According to one embodiment of the present invention, the exhaust gas recirculation system includes a first gas cooler provided upstream of the compressor section.

本発明の一実施例によれば、制御回路は第２ガス冷却器を備えている。第２ガス冷却器により、制御回路内を流れるガスの温度が制御される。 According to one embodiment of the invention, the control circuit comprises a second gas cooler. The temperature of the gas flowing through the control circuit is controlled by the second gas cooler.

本発明の一実施例によれば、エンジンの制御システムはエンジンの負荷が増加している間は第１制御バルブを絞ることができるように設けられる。 According to one embodiment of the present invention, an engine control system is provided so that the first control valve can be throttled while the engine load is increasing.

本発明の一実施例によれば、第１ターボチャージャユニットにはウェスト-ゲート（廃棄ゲート）が設けられ、また、エンジンには、エンジンの負荷が増加して居る間及びウェストゲートが閉じられているとき、第１制御バルブを絞るように制御システムが設けられている。 According to one embodiment of the present invention, the first turbocharger unit is provided with a waste-gate (waste gate), and the engine is closed while the engine load is increased and the wastegate is closed. A control system is provided to throttle the first control valve when

本発明の一実施例によれば、第１ターボチャージャユニットのタービン部と第２ターボチャージャユニットのタービン部は排ガスシステムに並列に配置される。 According to one embodiment of the present invention, the turbine part of the first turbocharger unit and the turbine part of the second turbocharger unit are arranged in parallel in the exhaust gas system.

本発明の目的は、また、以下の駆動方法、即ち、燃焼空気が流入ガス導管を通してエンジンに導入され、前記空気は第１のターボチャージャユニットにより、流入するようにされたエンジンの排ガスのエネルギーと排ガスシステムを利用してスーパーチャージされ、調整可能な排ガスの量が前記流入ガス導管システムに再循環されてエンジンの燃焼プロセスに戻される内燃エンジンの駆動方法に関し、この方法においては、排ガスの再循環は、第２ターボチャージャユニットによって支援され、エンジンの排ガスは、二つの部分流に分かれ、第１部分流は第1ターボチャージャユニットのタービン部分に導かれ、第2の部分流は第２ターボチャージャユニットのタービン部分に導かれる、内燃エンジンの駆動方法によって達成される。第２ターボチャージャユニットの駆動が、第２ターボチャージャユニットのタービン部の流入口と排ガスシステムとの間に設けられた第１制御バルブの絞り効果を制御することにより第２部分流れの流量を制御することにより制御されることが特徴的である。 The object of the invention is also the following drive method: combustion air is introduced into the engine through an inflow gas conduit, said air being introduced into the engine by the first turbocharger unit A method for driving an internal combustion engine that is supercharged using an exhaust gas system and in which an adjustable amount of exhaust gas is recirculated to the inflow gas conduit system and returned to the combustion process of the engine, wherein the exhaust gas is recirculated. Is supported by a second turbocharger unit, the engine exhaust gas is split into two partial flows, the first partial flow is directed to the turbine portion of the first turbocharger unit, and the second partial flow is the second turbocharger. This is achieved by a method for driving an internal combustion engine, which is led to the turbine part of the unit. The second turbocharger unit drive controls the flow rate of the second partial flow by controlling the throttling effect of the first control valve provided between the inlet of the turbine section of the second turbocharger unit and the exhaust gas system. It is characteristic that it is controlled by doing.

本発明の一実施例によれば、第１ターボチャージャユニットの出力は、第２ターボチャージャユニットのタービン部に入る第２部分流れの流量を一時的に絞ることにより一時的に増加される。 According to one embodiment of the present invention, the output of the first turbocharger unit is temporarily increased by temporarily reducing the flow rate of the second partial flow entering the turbine section of the second turbocharger unit.

本発明の一実施例によれば、第２ターボチャージャのコンプレッサ部の駆動が、圧縮ガスの制御された量を、コンプレッサ部の上流からコンプレッサ部の下流に連絡する制御回路を介して、コンプレッサ部の流入口側に戻すことにより制御される。 According to one embodiment of the present invention, the compressor section of the second turbocharger is driven via a control circuit that communicates a controlled amount of compressed gas from upstream of the compressor section to downstream of the compressor section. It is controlled by returning to the inlet side.

本発明の一実施例によれば、第２ターボチャージャユニットのタービン部に流れる第２部分流の流量が、第２ターボチャージャの回転速度を現在レベルに維持するように制御される。排ガスの再循環は、第２部分流れの流量を絞っている間は一時的に遮断される。 According to one embodiment of the present invention, the flow rate of the second partial flow flowing in the turbine portion of the second turbocharger unit is controlled to maintain the rotational speed of the second turbocharger at the current level. The recirculation of the exhaust gas is temporarily interrupted while the flow rate of the second partial flow is reduced.

本発明は、エンジンの出力が増加しているときの過渡的の運転フェーズに関連するとき特に有利である。 The invention is particularly advantageous when it relates to a transient operating phase when the engine power is increasing.

以下に、本発明は添付の例示的概略図を参照して説明される。 In the following, the present invention will be described with reference to the accompanying exemplary schematic drawings.

本発明の実施例による内燃エンジンを示す図である。1 is a diagram showing an internal combustion engine according to an embodiment of the present invention.

図１は、本発明の一実施例による内燃エンジン１を概略的に示す図である。このエンジンは複数のシリンダー４が整列して設けられている本体２を有している。エンジンは、更に、エンジン１の各シリンダー４の流入チャンネル８に接続される流入ガス導管システム６を有している。流入ガス導管システムは、流入ガス、典型的には空気、をエンジンの燃焼チャンバに移送する。エンジンは、また、排ガスシステム１０と排ガスシステム１０を流入ガス導管システム６に接続する排ガス再循環路１２システムを有している。 FIG. 1 schematically shows an internal combustion engine 1 according to an embodiment of the present invention. The engine has a main body 2 in which a plurality of cylinders 4 are arranged. The engine further has an inflow gas conduit system 6 connected to the inflow channel 8 of each cylinder 4 of the engine 1. The inflow gas conduit system transfers inflow gas, typically air, to the combustion chamber of the engine. The engine also includes an exhaust gas system 10 and an exhaust gas recirculation system 12 that connects the exhaust gas system 10 to the inflow gas conduit system 6.

図１の実施例においては、流入ガス導管システム６は、第１に、そこを通して燃焼プロセスに必要な酸素含有ガスがエンジンの各シリンダーに分配される燃焼ガスマニホルド１４を有する。典型的には、燃焼ガスは空気であるが、本発明によるエンジンの運転は必要とされるいかなる酸素含有ガスによっても実行されることを留意すべきである。各シリンダー４、即ちエンジンには、流入チャンネル２４を有し、燃焼ガスマニホルドをシリンダーに接続している。燃焼ガスマニホルド１４はターボチャージャユニット２０のコンプレッサ部１８の出口１６に接続されており、ここでは、第１ターボチャージャユニットと呼ばれる。また、コンプレッサ部の下流で燃焼ガスマニホルド１４の上流に燃焼ガス冷却器２２が設けられると有利である。図１において、ターボチャージャユニットは１−ステージシステムとして示されているが、ターボチャージャユニット、即ち、タービン部及び/又はコンプレッサ部は複数ステージであってもよい。 In the embodiment of FIG. 1, the inlet gas conduit system 6 first has a combustion gas manifold 14 through which the oxygen-containing gas required for the combustion process is distributed to each cylinder of the engine. Typically, the combustion gas is air, but it should be noted that the operation of the engine according to the invention is carried out with any oxygen-containing gas required. Each cylinder 4, i.e. the engine, has an inflow channel 24 and connects a combustion gas manifold to the cylinder. The combustion gas manifold 14 is connected to the outlet 16 of the compressor section 18 of the turbocharger unit 20 and is referred to herein as the first turbocharger unit. It is also advantageous if a combustion gas cooler 22 is provided downstream of the compressor section and upstream of the combustion gas manifold 14. In FIG. 1, the turbocharger unit is shown as a 1-stage system, but the turbocharger unit, ie, the turbine section and / or the compressor section, may have multiple stages.

排ガスシステム１０は、排気マニホルド２６を有し、そこから、排ガス通路２８がターボチャージャユニット２０のタービン部３２の流入口まで延びる。ターボチャージャのタービン部３２とコンプレッサ部１８は互いに、タービン部によってコンプレッサ部を作動させるような周知の方法により接続されている。
ここでは、タービン部には廃棄ゲート３２’が設けられている。 The exhaust gas system 10 has an exhaust manifold 26, from which an exhaust gas passage 28 extends to the inlet of the turbine section 32 of the turbocharger unit 20. The turbine section 32 and the compressor section 18 of the turbocharger are connected to each other by a known method such that the compressor section is operated by the turbine section.
Here, a disposal gate 32 'is provided in the turbine section.

排ガス再循環路システム１２は、排ガス路システム１０を流入ガス導管システム６に接続し、それにより、エンジンの排ガス流の一部をエンジンに再循環するようにしている。排ガス再循環路システム１２は、排ガス再循環マニホルド３４を有し、排ガス再循環マニホルド３４は、排ガス再循環マニホルドから各流入チャンネル８に延びるようにして設けられた分岐管３６により、エンジンのシリンダーの各チャンネル８に分離して接続される。このようにして、本発明によれば、再循環排ガス流が副流に分割され、それぞれが個々の流入チャンネル８に導入されるようにして、再循環される排ガスと新鮮な燃焼ガスが流入チャンネル８内で最速の状態で混合される。 The exhaust gas recirculation system 12 connects the exhaust gas system 10 to the inflow gas conduit system 6 so that a portion of the engine exhaust gas stream is recirculated to the engine. The exhaust gas recirculation system 12 has an exhaust gas recirculation manifold 34 that is connected to the cylinders of the engine by branch pipes 36 that extend from the exhaust gas recirculation manifold to the respective inflow channels 8. Separately connected to each channel 8. In this way, according to the invention, the recirculated exhaust gas stream is divided into substreams, each being introduced into an individual inflow channel 8 so that the recirculated exhaust gas and fresh combustion gas are in the inflow channel. 8 is mixed in the fastest state.

このように、本発明の実施例による流入ガス導管システムにおいては、シリンダーへの流入チャンネルは、流入ガス導管システム６への第１接続部と排ガスシステム１０への第２接続部を有する。流入チャンネル８には、更に、排ガス再循環路システム１２への第３接続部を有している。 Thus, in the inflow gas conduit system according to an embodiment of the present invention, the inflow channel to the cylinder has a first connection to the inflow gas conduit system 6 and a second connection to the exhaust gas system 10. The inflow channel 8 further has a third connection to the exhaust gas recirculation system 12.

本実施例による分岐管には制御可能な流入部が設けられる。本発明の他の実施例によれば、固定された形状を持つ流入部を有している。 The branch pipe according to the present embodiment is provided with a controllable inflow portion. According to another embodiment of the present invention, the inflow portion has a fixed shape.

オン/オフバルブ３８が排ガス循環路システム１２に設けられ、必要なときにはバルブを閉じて再循環を停止させることができる。 An on / off valve 38 is provided in the exhaust gas circulation system 12 and can be closed to stop recirculation when necessary.

本発明によれば、排ガス循環路システム１２に第２ターボチャージャユニット４０が設けられ、エンジンの排ガスエネルギーを利用して排ガスの再循環部分を加圧するようにしている。このように、排ガスの再循環部分の圧力は、流入チャンネル8内で少なくとも酸素含有燃焼ガスのレベルの圧力となる。本発明の作動においては、燃焼用ガスは流入ガス導管を通してエンジンに導入され、そのガスは、流入するようにしたエンジンの排ガスのエネルギーと排ガスシステムを利用して第１ターボチャージャユニットでスーパーチャージ（過給）され、また、排ガスの制御された量は流入ガス導管システムに再循環されてエンジンの燃焼プロセスに戻される。排ガスの再循環は第２ターボチャージャによって支援される。 According to the present invention, the second turbocharger unit 40 is provided in the exhaust gas circulation path system 12, and pressurizes the exhaust gas recirculation portion using the exhaust gas energy of the engine. Thus, the pressure of the recirculation portion of the exhaust gas becomes a pressure at least at the level of the oxygen-containing combustion gas in the inflow channel 8. In the operation of the present invention, the combustion gas is introduced into the engine through the inflow gas conduit, and the gas is supercharged by the first turbocharger unit using the exhaust gas energy and the exhaust gas system. And a controlled amount of exhaust gas is recycled to the inflow gas conduit system and returned to the combustion process of the engine. The exhaust gas recirculation is supported by the second turbocharger.

第２ターボチャージャユニット４０は、タービン部４２を有し、このタービン部４２は、第１ターボチャージャユニット２０に第1分流が導入されている間、エンジンの排ガスの第２分流により駆動される。したがって、エンジンの排ガスは二つに分流され、その第１分流は第１ターボチャージャユニットのタービンに導かれ、第２分流が第２ターボチャージャユニットのタービン部に導かれる。排ガス路２８には、分岐管２８’が設けられ、この分岐管２８’は排ガスマニホルド２６を第２タービン部４２、即ち、その流入口に接続する。タービン４２を通過したエンジンの排ガスの第２分流は第１ターボチャージャユニット２０のタービン部３２の下流側に戻される。排ガスの一部を専用の出口管を通して排出することも可能である。第２ターボチャージャーユニット４０のタービン部４２を流れる排ガスの第２分流の流量を制御するために設けられる第１制御バルブ４８が存在する。ここでは、バルブ４８は分岐管２８’に対して設けられる。制御は第１制御バルブの絞りを調整することにより実行される。これは第２ターボチャージャユニットの駆動の正確な制御と循環する排ガスの正確な制御を可能にする。このバルブは、タービン部４２を通して流れるガス流の絞り効果を与えるものであれば、当業者において知られているいかなるバルブでもよい。 The second turbocharger unit 40 has a turbine section 42, and the turbine section 42 is driven by the second branch flow of the engine exhaust gas while the first branch flow is introduced into the first turbocharger unit 20. Accordingly, the exhaust gas of the engine is divided into two, the first divided flow is led to the turbine of the first turbocharger unit, and the second divided flow is led to the turbine portion of the second turbocharger unit. A branch pipe 28 ′ is provided in the exhaust gas passage 28, and this branch pipe 28 ′ connects the exhaust gas manifold 26 to the second turbine section 42, that is, the inlet thereof. The second branch flow of the engine exhaust gas that has passed through the turbine 42 is returned to the downstream side of the turbine section 32 of the first turbocharger unit 20. It is also possible to discharge part of the exhaust gas through a dedicated outlet pipe. There is a first control valve 48 provided to control the flow rate of the second branch flow of the exhaust gas flowing through the turbine portion 42 of the second turbocharger unit 40. Here, the valve 48 is provided for the branch pipe 28 '. Control is performed by adjusting the throttle of the first control valve. This enables precise control of the drive of the second turbocharger unit and precise control of the exhaust gas that circulates. This valve may be any valve known in the art as long as it provides a throttling effect for the gas flow flowing through the turbine section 42.

第２ターボチャージャユニット４０のコンプレッサ部４４は、また、エンジンの排ガスを受け入れるエンジンの排気マニホルド２６に接続されている。少なくとも一つのコンプレッサ部４４の出口は、排ガス再循環路システム１２によって流入ガス導管システム６に接続されている。コンプレッサ部の流入口はエンジンの排気マニホルド２６に接続されている。排ガス再循環路システム１２は、高温ガス煤塵物質フィルターのようなガス清浄装置５０を備えることができる。更に、本発明の一実施例によれば、排ガス再循環路システム１２は、図１のガス清浄装置の下流で、ガスの流れ方向におけるコンプレッサ部４４の前に第１冷却ユニット５２を備えることができる。種々の状態におけるガス流の方向は図の矢印により示されている。 The compressor section 44 of the second turbocharger unit 40 is also connected to an engine exhaust manifold 26 that receives engine exhaust gas. The outlet of at least one compressor section 44 is connected to the inflow gas conduit system 6 by the exhaust gas recirculation system 12. The inlet of the compressor section is connected to the exhaust manifold 26 of the engine. The exhaust gas recirculation system 12 can include a gas cleaning device 50 such as a hot gas dust material filter. Furthermore, according to one embodiment of the present invention, the exhaust gas recirculation system 12 includes a first cooling unit 52 downstream of the gas cleaning device of FIG. 1 and before the compressor unit 44 in the gas flow direction. it can. The direction of gas flow in the various states is indicated by the arrows in the figure.

更に、本発明の一実施例によると、排ガス再循環路システム１２は、第２ターボチャージャユニットの上流側からコンプレッサ部４４の下流側に延びる制御回路５６を備えている。この実施例においては、制御回路５６は第１ガス冷却ユニット５２の上流側に接続されている。この制御回路には、制御回路内を循環するようにされたガス流の部分を制御するように第２バルブ４６が設けられている。即ち、制御回路５６は、コンプレッサ部４４への再循環路を形成している。第２ターボチャージャユニットのコンプレッサ部を有する制御回路と第１制御バルブ４８の動作の制御によって、排ガスの再循環が極めて小さいか、或いは完全に遮断される場合にも、第２ターボチャージャユニット回転速度が所望のレベルに維持される。制御回路が開のとき、コンプレッサ部は最小のエネルギーで所望の速度で回転することができる。また、回転速度が保たれているときは、必要な場合は、通常運転状態に迅速に到達させられる。このことは、過渡的な状態においては特に有利である。 Furthermore, according to one embodiment of the present invention, the exhaust gas recirculation system 12 includes a control circuit 56 that extends from the upstream side of the second turbocharger unit to the downstream side of the compressor unit 44. In this embodiment, the control circuit 56 is connected to the upstream side of the first gas cooling unit 52. The control circuit is provided with a second valve 46 to control the portion of the gas flow that is circulated through the control circuit. That is, the control circuit 56 forms a recirculation path to the compressor unit 44. Even when the recirculation of the exhaust gas is extremely small or completely cut off by the control of the control circuit having the compressor section of the second turbocharger unit and the operation of the first control valve 48, the second turbocharger unit rotational speed Is maintained at the desired level. When the control circuit is open, the compressor section can rotate at the desired speed with minimal energy. Further, when the rotation speed is maintained, the normal operation state can be quickly reached if necessary. This is particularly advantageous in transient conditions.

本発明の一実施例によれば、エンジンは過渡領域において、第２ターボチャージャユニット４０のタービン部への第２分流の流量を一時的に絞ることにより、第１ターボチャージャーユニット２０の出力が一時的に増加するようにエンジンが駆動される。したがって、最大の排気ガスの流量と圧力が第１ターボチャージャのタービン部に分配されるようにすることができる。 According to one embodiment of the present invention, in the transition region, the output of the first turbocharger unit 20 is temporarily reduced by temporarily reducing the flow rate of the second branch flow to the turbine portion of the second turbocharger unit 40 in the transition region. The engine is driven so as to increase. Accordingly, the maximum exhaust gas flow rate and pressure can be distributed to the turbine section of the first turbocharger.

本発明の他の実施例によれば、排ガスの再循環が生じないようにバルブ３８を一時的に閉じることにより、第１ターボチャージャユニット２０の出力は増加される。同時に、第２ターボチャージャユニット４０のタービン部への第２分流の流量はバルブ４８によって絞られる。更に、コンプレッサ部４４の上流側とコンプレッサ部４４の下流側とを連通するようにバルブ４６を開とすることができる。したがって、圧縮ガスの制御された流量が制御回路５６を経てコンプレッサ部の流入口部に再循環される。バルブ３８が閉じられている間、第２ターボチャージャユニットの回転速度を所定のレベルに保つように第１バルブ４８は制御される。このように、第２ターボチャージャは必要に応じて容易に利用できる。 According to another embodiment of the present invention, the output of the first turbocharger unit 20 is increased by temporarily closing the valve 38 so that exhaust gas recirculation does not occur. At the same time, the flow rate of the second branch flow to the turbine portion of the second turbocharger unit 40 is throttled by the valve 48. Further, the valve 46 can be opened so that the upstream side of the compressor unit 44 communicates with the downstream side of the compressor unit 44. Therefore, the controlled flow rate of the compressed gas is recirculated through the control circuit 56 to the inlet portion of the compressor unit. While the valve 38 is closed, the first valve 48 is controlled to keep the rotation speed of the second turbocharger unit at a predetermined level. Thus, the second turbocharger can be easily used as needed.

排ガス再循環路システム１２は、更に、コンプレッサ部４４と排ガス再循環マニホルド３４の間にガス冷却ユニット５４を備えている。 The exhaust gas recirculation system 12 further includes a gas cooling unit 54 between the compressor unit 44 and the exhaust gas recirculation manifold 34.

これまで、本発明を現時点において最も好ましいと考えられる実施例と関連して述べてきたが、本発明は記載された実施例に限定されず、その態様の種々の組み合わせや改変、及びクレームに特定される本発明の範囲内に含まれる種々の応用をカバーすることを意図するものであることが理解されるべきである。例えば、本発明は、例えば、オットー又はディーゼルサイクルのような、種々のサイクルで駆動する２ストローク又は４ストロークエンジンに好適に適用できる。エンジンの形態はイン−ラインエンジンからＶエンジンのように種々変化させることができる。前述の全ての実施例に関連して述べられた詳細な事項は、その組み合わせが適用可能であれば他の実施例においても使用できる。 Although the present invention has been described in connection with the presently preferred embodiment, the present invention is not limited to the described embodiment, and various combinations and modifications of its embodiments and claims are identified. It should be understood that the invention is intended to cover various applications that fall within the scope of the present invention. For example, the present invention can be suitably applied to a 2-stroke or 4-stroke engine that is driven in various cycles, such as an Otto or diesel cycle. The form of the engine can be variously changed from an in-line engine to a V engine. The details described in connection with all the previous embodiments can be used in other embodiments as long as the combination is applicable.

【書類名】明細書
【０００１】
【発明の名称】内燃機関及び内燃機関の駆動方法
【技術分野】
【０００２】
本発明は、流入ガス導管システム及び排ガスシステムと；
第１ターボチャージャユニットであって、そのタービン部分が前記排ガスシステムに接続して設けられ、酸素含有燃焼ガスを前記エンジンの排ガスのエネルギーを利用して加圧するため、そのコンプレッサ部分が前記流入ガス導管システムに接続して設けられている第1ターボチャージャユニットと、
第２ターボチャージャユニットであって、そのタービン部が前記排ガスシステムに接続され、そのタービン部の流入口が前記第１のターボチャージャユニットのタービン部とコンプレッサ部と並列に接続され、そのコンプレッサ部の流入口は、前記排ガスシステムと接続して設けられ、その出口は前記流入ガス導管システムに排ガス循環路システムを介して接続され、前記コンプレッサ部は、前記エンジンの排ガスエネルギーにより、循環される排ガス部分を加圧するように設けられている第２ターボチャージャユニットを、
備えている内燃機関（エンジン）に関する。
【０００３】
本発明は、燃焼空気が流入ガス導管を通してエンジンに導入され、前記空気は第１のターボチャージャユニットにより、流入するようにされたエンジンの排ガスのエネルギーと排ガスシステムを利用してスーパーチャージされ、調整可能な排ガスの量が前記流入ガス導管システムに再循環されてエンジンの燃焼プロセスに戻される内燃エンジンの駆動方法に関し、この方法においては、排ガスの再循環は、第２ターボチャージャユニットに支援され、エンジンの排ガスは、二つの部分流に分かれ、第１部分流は第1ターボチャージャユニットのタービン部分に導かれ、第2部分流は第２ターボチャージャユニットのタービン部に導かれる、内燃エンジンの駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００４】
ターボチャージャは内燃エンジンの吸気口に周囲圧力より高い圧力で空気を供給するものとして良く知られている。
【０００５】
通常、ターボチャージャはタービンハウジング内の回転軸上に設けられた排ガス駆動タービンホイールを有している。このタービンホイールの回転はコンプレッサハウジング内の前記軸の他端に設けられたコンプレッサホイールを回転させる。このコンプレッサホイールはエンジンの吸気マニホルドに対して圧縮空気を生成し、これによりエンジンの出力を増加させる。ターボチャージャの運転の制御を容易にするため、タービンは固定形状のタイプとする、或いは、形状が変化するタイプとすることができる。形状が変化するタイプのタービンは、固定形状タイプのものと比べ、変化するエンジンの要求に合うようにタービンの出力を変えることができるように、流入通路のサイズ、即ち、機能をタービンに導入されるガスを制御するために変えることができる点において異なる。
【０００６】
内燃エンジンの運転の間、酸化窒素（NOx）が形成される。NOxはエンジン内の燃焼過程において酸素と窒素の存在の下での高温状態により生成される。排ガスに対する要求に適合するため、排ガス循環システム（EGR）が利用することができ、ここでは、エンジンの排ガスの一部がエンジンの燃焼室に再循環して戻される。これは、典型的には、排気マニホルドからの排ガスの一定量をエンジンの流入マニホルドに向けることにより達成される。これは、通常は外部再循環と呼ばれている。再循環された排ガスは燃焼の間に生成された温度ピークを低くする。NOxの生成は温度ピークの増加と共に増加するため、排ガスの再循環は望ましくないNOxの生成量を減少させる。ターボチャージャは、EGRシステムの一部を形成することができる。
【０００７】
例えば、US 2010/122530A1にそのようなシステムが開示されている、ターボチャージャを有するエンジンのためのEGRシステムは、主ターボチャージャーに同時に作動する第２ターボチャージャーを有している。ここではEGRターボチャージャーとして参照される第２ターボチャージャーは、エンジンの排気の一部によって駆動されるタービン部分を有している。ターボチャージャのコンプレッサ部分が、排ガスを加圧した後にエンジンの吸気マニホルドにエンジンの排ガスの一部を供給するように設けられる。このように、EGRターボチャージャのタービン部分がEGRターボチャージャのコンプレッサ部分を駆動し、EGRターボチャージャがエンジンの排ガスの一部をエンジンの吸気口に供給する。
【０００８】
EP2196659A1, EP2330287A1, EP2330287A1, EP0740065A1 及びEP0620365A1は、EGRターボチャージャを備える装置を開示している。
【０００９】
EGRターボチャージャ手段による排気ガスの再循環に関する問題は、EGRターボチャージャはエンジンの主ターボチャージャユニットにおいいて全く同一のエネルギー源を使用し、したがって、その運転の制御はエンジンの主ターボチャージャに影響を与えるといことである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、全体のチャージシステムの有利な運転を与える排ガスリサイクルターボチャージャを有するターボチャージド内燃ピストンエンジンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の目的は実質的に以下の内燃エンジン、即ち、
流入ガス導管システムと排ガスシステムと；
第１ターボチャージャユニットであって、そのタービン部が前記排ガスシステムに接続して設けられ、酸素含有燃焼ガスを前記エンジンの排ガスのエネルギーを利用して加圧するため、そのコンプレッサ部が前記流入ガス導管システムに接続して設けられている第1ターボチャージャユニットと、
第２ターボチャージャユニットであって、そのタービン部が前記排ガスシステムに接続され、そのタービン部の流入口が前記第１のターボチャージャユニットのタービン部とコンプレッサ部と並列に接続され、そのコンプレッサ部の流入口は、前記排ガスシステムと接続して設けられ、その出口は前記流入ガス導管システムに排ガス循環路システムを介して接続され、前記コンプレッサ部は、前記エンジンの排ガスエネルギーにより、循環される排ガス部分を加圧するように設けられ、前記第２ターボチャージャユニットのタービン部の流入口は第1制御バルブを介して排ガスシステムに接続される、第２ターボチャージャユニットを、
備えている内燃エンジンによって達成される。
【００１２】
排ガス再循環路システムは前記第２ターボチャージャユニットコンプレッサ部の上流側からコンプレッサ部の下流側へ延びる制御回路を有し、その制御回路には第２制御バルブが設けられていることが特徴的である。
【００１３】
これにより、排ガスからの第２ターボチャージャへの部分流の流量が制御される。特に、第１ターボチャージャへの排ガスの流れは第１制御バルブを一時的に絞るこにより最大となる。
【００１４】
制御回路により、特に第１制御バルブが締められたときは、第２ターボチャージャユニットが必要とする出力を最小とすることができる。
【００１５】
本発明の一実施例によれば、排ガス再循環路システムは、第２ターボチャージャユニットのコンプレッサ部の出口と流入ガス導管システムとの間に設けられたバルブを備えている。バルブ手段により、再循環は制御され、或いは、完全に遮断することができる。
【００１６】
本発明の一実施例によれば、排ガス再循環路システムは、コンプレッサ部の上流に設けれた第１ガス冷却器を備えている。
【００１７】
本発明の一実施例によれば、制御回路は第２ガス冷却器を備えている。第２ガス冷却器により、制御回路内を流れるガスの温度が制御される。
【００１８】
本発明の一実施例によれば、エンジンの制御システムはエンジンの負荷が増加している間は第１制御バルブを絞ることができるように設けられる。
【００１９】
本発明の一実施例によれば、第１ターボチャージャユニットにはウェスト-ゲート（廃棄ゲート）が設けられ、また、エンジンには、エンジンの負荷が増加して居る間及びウェストゲートが閉じられているとき、第１制御バルブを絞るように制御システムが設けられている。
【００２０】
本発明の一実施例によれば、第１ターボチャージャユニットのタービン部と第２ターボチャージャユニットのタービン部は排ガスシステムに並列に配置される。
【００２１】
本発明の目的は、また、以下の駆動方法、即ち、燃焼空気が流入ガス導管を通してエンジンに導入され、前記空気は第１のターボチャージャユニットにより、流入するようにされたエンジンの排ガスのエネルギーと排ガスシステムを利用してスーパーチャージされ、調整可能な排ガスの量が前記流入ガス導管システムに再循環されてエンジンの燃焼プロセスに戻される内燃エンジンの駆動方法に関し、この方法においては、排ガスの再循環は、第２ターボチャージャユニットによって支援され、エンジンの排ガスは、二つの部分流に分かれ、第１部分流は第1ターボチャージャユニットのタービン部に導かれ、第2の部分流は第２ターボチャージャユニットのタービン部に導かれ、第２ターボチャージャユニットの駆動が、第２ターボチャージャユニットのタービン部の流入口と排ガスシステムとの間に設けられた第１制御バルブの絞り効果を制御することにより第２部分流れの流量を制御することにより制御される、
内燃エンジンの駆動方法によって達成される。
【００２２】
第２ターボチャージャのコンプレッサ部の駆動が、圧縮ガスの制御された量を、コンプレッサ部の上流からコンプレッサ部の下流に連絡する制御回路を介して、コンプレッサ部の流入口側に戻すことにより制御されることが特徴的である。
【００２３】
本発明の一実施例によれば、第１ターボチャージャユニットの出力は、第２ターボチャージャユニットのタービン部への第２部分流の流量を一時的に絞ることにより、一時的に増加される。
【００２４】
本発明の一実施例によれば、第２ターボチャージャユニットのタービン部に流れる第２部分流の流量が、第２ターボチャージャの回転速度を現在レベルに維持するように制御される。排ガスの再循環は、第２部分流れの流量を絞っている間は一時的に遮断される。
【００２５】
本発明は、エンジンの出力が増加しているときの過渡的の運転フェーズに関連するとき特に有利である。
【００２６】
以下に、本発明は添付の例示的概略図を参照して説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施例による内燃エンジンを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図１は、本発明の一実施例による内燃エンジン１を概略的に示す図である。このエンジンは複数のシリンダー４が整列して設けられている本体２を有している。エンジンは、更に、エンジン１の各シリンダー４の流入チャンネル８に接続される流入ガス導管システム６を有している。流入ガス導管システムは、流入ガス、典型的には空気、をエンジンの燃焼チャンバに移送する。エンジンは、また、排ガスシステム１０と排ガスシステム１０を流入ガス導管システム６に接続する排ガス再循環路１２システムを有している。
【００２９】
図１の実施例においては、流入ガス導管システム６は、第１に、そこを通して燃焼プロセスに必要な酸素含有ガスがエンジンの各シリンダーに分配される燃焼ガスマニホルド１４を有する。典型的には、燃焼ガスは空気であるが、本発明によるエンジンの運転は必要とされるいかなる酸素含有ガスによっても実行されることを留意すべきである。各シリンダー４、即ちエンジンには、流入チャンネル２４を有し、燃焼ガスマニホルドをシリンダーに接続している。燃焼ガスマニホルド１４はターボチャージャユニット２０のコンプレッサ部１８の出口１６に接続されており、ここでは、第１ターボチャージャユニットと呼ばれる。また、コンプレッサ部の下流で燃焼ガスマニホルド１４の上流に燃焼ガス冷却器２２が設けられると有利である。図１において、ターボチャージャユニットは１−ステージシステムとして示されているが、ターボチャージャユニット、即ち、タービン部及び/又はコンプレッサ部は複数ステージであってもよい。
【００３０】
排ガスシステム１０は、排気マニホルド２６を有し、そこから、排ガス通路２８がターボチャージャユニット２０のタービン部３２の流入口まで延びる。ターボチャージャのタービン部３２とコンプレッサ部１８は互いに、タービン部によってコンプレッサ部を作動させるような周知の方法により接続されている。
ここでは、タービン部には廃棄ゲート３２’が設けられている。
【００３１】
排ガス再循環路システム１２は、排ガス路システム１０を流入ガス導管システム６に接続し、それにより、エンジンの排ガス流の一部をエンジンに再循環するようにしている。排ガス再循環路システム１２は、排ガス再循環マニホルド３４を有し、排ガス再循環マニホルド３４は、排ガス再循環マニホルドから各流入チャンネル８に延びるようにして設けられた分岐管３６により、エンジンのシリンダーの各チャンネル８に分離して接続される。このようにして、本発明によれば、再循環排ガス流が副流に分割され、それぞれが個々の流入チャンネル８に導入されるようにして、再循環される排ガスと新鮮な燃焼ガスが流入チャンネル８内で最速の状態で混合される。
【００３２】
このように、本発明の実施例による流入ガス導管システムにおいては、シリンダーへの流入チャンネルは、流入ガス導管システム６への第１接続部と排ガスシステム１０への第２接続部を有する。流入チャンネル８には、更に、排ガス再循環路システム１２への第３接続部を有している。
【００３３】
本実施例による分岐管には制御可能な流入部が設けられる。本発明の他の実施例によれば、固定された形状を持つ流入部を有している。
【００３４】
オン/オフバルブ３８が排ガス循環路システム１２に設けられ、必要なときにはバルブを閉じて再循環を停止させることができる。
【００３５】
本発明によれば、排ガス循環路システム１２に第２ターボチャージャユニット４０が設けられ、エンジンの排ガスエネルギーを利用して排ガスの再循環部分を加圧するようにしている。このように、排ガスの再循環部分の圧力は、流入チャンネル8内で少なくとも酸素含有燃焼ガスのレベルの圧力となる。本発明の作動においては、燃焼用ガスは流入ガス導管を通してエンジンに導入され、そのガスは、流入するようにしたエンジンの排ガスのエネルギーと排ガスシステムを利用して第１ターボチャージャユニットでスーパーチャージ（過給）され、また、排ガスの制御された量は流入ガス導管システムに再循環されてエンジンの燃焼プロセスに戻される。排ガスの再循環は第２ターボチャージャによって支援される。
【００３６】
第２ターボチャージャユニット４０は、タービン部４２を有し、このタービン部４２は、第１ターボチャージャユニット２０に第1分流が導入されている間、エンジンの排ガスの第２分流により駆動される。したがって、エンジンの排ガスは二つに分流され、その第１分流は第１ターボチャージャユニットのタービンに導かれ、第２分流が第２ターボチャージャユニットのタービン部に導かれる。排ガス路２８には、分岐管２８’が設けられ、この分岐管２８’は排ガスマニホルド２６を第２タービン部４２、即ち、その流入口に接続する。タービン４２を通過したエンジンの排ガスの第２分流は第１ターボチャージャユニット２０のタービン部３２の下流側に戻される。排ガスの一部を専用の出口管を通して排出することも可能である。第２ターボチャージャーユニット４０のタービン部４２を流れる排ガスの第２分流の流量を制御するために設けられる第１制御バルブ４８が存在する。ここでは、バルブ４８は分岐管２８’に対して設けられる。制御は第１制御バルブの絞りを調整することにより実行される。これは第２ターボチャージャユニットの駆動の正確な制御と循環する排ガスの正確な制御を可能にする。このバルブは、タービン部４２を通して流れるガス流の絞り効果を与えるものであれば、当業者において知られているいかなるバルブでもよい。
【００３７】
第２ターボチャージャユニット４０のコンプレッサ部４４は、また、エンジンの排ガスを受け入れるエンジンの排気マニホルド２６に接続されている。少なくとも一つのコンプレッサ部４４の出口は、排ガス再循環路システム１２によって流入ガス導管システム６に接続されている。コンプレッサ部の流入口はエンジンの排気マニホルド２６に接続されている。排ガス再循環路システム１２は、高温ガス煤塵物質フィルターのようなガス清浄装置５０を備えることができる。更に、本発明の一実施例によれば、排ガス再循環路システム１２は、図１のガス清浄装置の下流で、ガスの流れ方向におけるコンプレッサ部４４の前に第１冷却ユニット５２を備えることができる。種々の状態におけるガス流の方向は図の矢印により示されている。
【００３８】
更に、本発明の一実施例によると、排ガス再循環路システム１２は、第２ターボチャージャユニットの上流側からコンプレッサ部４４の下流側に延びる制御回路５６を備えている。この実施例においては、制御回路５６は第１ガス冷却ユニット５２の上流側に接続されている。この制御回路には、制御回路内を循環するようにされたガス流の部分を制御するように第２バルブ４６が設けられている。即ち、制御回路５６は、コンプレッサ部４４への再循環路を形成している。第２ターボチャージャユニットのコンプレッサ部を有する制御回路と第１制御バルブ４８の動作の制御によって、排ガスの再循環が極めて小さいか、或いは完全に遮断される場合にも、第２ターボチャージャユニット回転速度が所望のレベルに維持される。制御回路が開のとき、コンプレッサ部は最小のエネルギーで所望の速度で回転することができる。また、回転速度が保たれているときは、必要な場合は、通常運転状態に迅速に到達させられる。このことは、過渡的な状態においては特に有利である。
【００３９】
本発明の一実施例によれば、エンジンは過渡領域において、第２ターボチャージャユニット４０のタービン部への第２分流の流量を一時的に絞ることにより、第１ターボチャージャーユニット２０の出力が一時的に増加するようにエンジンが駆動される。したがって、最大の排気ガスの流量と圧力が第１ターボチャージャのタービン部に分配されるようにすることができる。
【００４０】
本発明の他の実施例によれば、排ガスの再循環が生じないようにバルブ３８を一時的に閉じることにより、第１ターボチャージャユニット２０の出力は増加される。同時に、第２ターボチャージャユニット４０のタービン部への第２分流の流量はバルブ４８によって絞られる。更に、コンプレッサ部４４の上流側とコンプレッサ部４４の下流側とを連通するようにバルブ４６を開とすることができる。したがって、圧縮ガスの制御された流量が制御回路５６を経てコンプレッサ部の流入口部に再循環される。バルブ３８が閉じられている間、第２ターボチャージャユニットの回転速度を所定のレベルに保つように第１バルブ４８は制御される。このように、第２ターボチャージャは必要に応じて容易に利用できる。
【００４１】
排ガス再循環路システム１２は、更に、コンプレッサ部４４と排ガス再循環マニホルド３４の間にガス冷却ユニット５４を備えている。
【００４２】
これまで、本発明を現時点において最も好ましいと考えられる実施例と関連して述べてきたが、本発明は記載された実施例に限定されず、その態様の種々の組み合わせや改変、及びクレームに特定される本発明の範囲内に含まれる種々の応用をカバーすることを意図するものであることが理解されるべきである。例えば、本発明は、例えば、オットー又はディーゼルサイクルのような、種々のサイクルで駆動する２ストローク又は４ストロークエンジンに好適に適用できる。エンジンの形態はイン−ラインエンジンからＶエンジンのように種々変化させることができる。前述の全ての実施例に関連して述べられた詳細な事項は、その組み合わせが適用可能であれば他の実施例においても使用できる。 [Document Name] Description
Patent application title: INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND DRIVE METHOD FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE
[0002]
The present invention includes an inflow gas conduit system and an exhaust gas system;
A first turbocharger unit having a turbine portion connected to the exhaust gas system and pressurizing oxygen-containing combustion gas using the energy of the exhaust gas of the engine; A first turbocharger unit connected to the system;
A second turbocharger unit, the turbine part of which is connected to the exhaust gas system, and the inlet of the turbine part is connected in parallel with the turbine part and the compressor part of the first turbocharger unit; An inflow port is provided in connection with the exhaust gas system, an outlet thereof is connected to the inflow gas conduit system via an exhaust gas circulation path system, and the compressor portion is an exhaust gas portion circulated by the exhaust gas energy of the engine A second turbocharger unit provided to pressurize the
The present invention relates to an internal combustion engine (engine).
[0003]
In the present invention, combustion air is introduced into the engine through an inflow gas conduit, and the air is supercharged and regulated by the first turbocharger unit using the energy and exhaust system of the exhaust gas of the engine that is allowed to enter. A method for driving an internal combustion engine in which a possible amount of exhaust gas is recirculated to the inflow gas conduit system and returned to the combustion process of the engine, in which exhaust gas recirculation is assisted by a second turbocharger unit, The engine exhaust gas is divided into two partial flows, the first partial flow is led to the turbine portion of the first turbocharger unit, and the second partial flow is led to the turbine portion of the second turbocharger unit. Regarding the method.
[Background]
[0004]
A turbocharger is well known as supplying air to an intake port of an internal combustion engine at a pressure higher than ambient pressure.
[0005]
Typically, a turbocharger has an exhaust gas driven turbine wheel provided on a rotating shaft in a turbine housing. The rotation of the turbine wheel rotates the compressor wheel provided at the other end of the shaft in the compressor housing. The compressor wheel generates compressed air for the engine intake manifold, thereby increasing the engine output. In order to facilitate the control of the operation of the turbocharger, the turbine can be of a fixed shape type or a type whose shape changes. The type of turbine that changes shape is introduced to the turbine in size, i.e. function, so that the output of the turbine can be changed to meet changing engine requirements compared to the fixed shape type. The difference is that it can be changed to control the gas to be controlled.
[0006]
During operation of the internal combustion engine, nitric oxide (NOx) is formed. NOx is produced by high temperature conditions in the presence of oxygen and nitrogen during the combustion process in the engine. In order to meet the requirements for exhaust gas, an exhaust gas circulation system (EGR) can be used, in which part of the engine exhaust gas is recirculated back to the combustion chamber of the engine. This is typically accomplished by directing a certain amount of exhaust gas from the exhaust manifold to the inflow manifold of the engine. This is usually called external recirculation. The recycled exhaust gas lowers the temperature peak generated during combustion. Since NOx production increases with increasing temperature peaks, exhaust gas recirculation reduces undesirable NOx production. The turbocharger can form part of the EGR system.
[0007]
For example, an EGR system for an engine having a turbocharger, for which such a system is disclosed in US 2010 / 122530A1, has a second turbocharger that operates simultaneously with the main turbocharger. The second turbocharger, referred to herein as the EGR turbocharger, has a turbine portion that is driven by part of the engine exhaust. A compressor portion of the turbocharger is provided to supply a portion of the engine exhaust gas to the engine intake manifold after pressurizing the exhaust gas. Thus, the turbine portion of the EGR turbocharger drives the compressor portion of the EGR turbocharger, and the EGR turbocharger supplies part of the engine exhaust gas to the engine intake.
[0008]
EP2196659A1, EP2330287A1, EP2330287A1, EP0740065A1 and EP0620365A1 disclose devices comprising an EGR turbocharger.
[0009]
The problem with the exhaust gas recirculation by means of the EGR turbocharger is that the EGR turbocharger uses exactly the same energy source in the main turbocharger unit of the engine, and therefore its control of operation affects the main turbocharger of the engine. It is to give.
SUMMARY OF THE INVENTION
[Problems to be solved by the invention]
[0010]
It is an object of the present invention to provide a turbocharged internal combustion piston engine having an exhaust gas recycle turbocharger that provides advantageous operation of the overall charge system.
[Means for Solving the Problems]
[0011]
The object of the present invention is substantially the following internal combustion engine:
An inflow gas conduit system and an exhaust gas system;
A first turbocharger unit, the turbine part of which is connected to the exhaust gas system and pressurizes oxygen-containing combustion gas using the energy of the exhaust gas of the engine; A first turbocharger unit connected to the system;
A second turbocharger unit, the turbine part of which is connected to the exhaust gas system, and the inlet of the turbine part is connected in parallel with the turbine part and the compressor part of the first turbocharger unit; An inflow port is provided in connection with the exhaust gas system, an outlet thereof is connected to the inflow gas conduit system via an exhaust gas circulation path system, and the compressor portion is an exhaust gas portion circulated by the exhaust gas energy of the engine A second turbocharger unit, wherein the inlet of the turbine section of the second turbocharger unit is connected to the exhaust gas system via a first control valve ,
This is achieved by the internal combustion engine provided.
[0012]
The exhaust gas recirculation system has a control circuit extending from the upstream side of the second turbocharger unit compressor section to the downstream side of the compressor section, and the control circuit is characterized in that a second control valve is provided. is there.
[0013]
Thereby, the flow rate of the partial flow from the exhaust gas to the second turbocharger is controlled. In particular, the flow of exhaust gas to the first turbocharger is maximized by temporarily closing the first control valve.
[0014]
The output required by the second turbocharger unit can be minimized by the control circuit, particularly when the first control valve is closed.
[0015]
According to one embodiment of the present invention, the exhaust gas recirculation system includes a valve provided between the outlet of the compressor portion of the second turbocharger unit and the inflow gas conduit system. By means of the valve, the recirculation can be controlled or completely shut off.
[0016]
According to one embodiment of the present invention, the exhaust gas recirculation system includes a first gas cooler provided upstream of the compressor section.
[0017]
According to one embodiment of the invention, the control circuit comprises a second gas cooler. The temperature of the gas flowing through the control circuit is controlled by the second gas cooler.
[0018]
According to one embodiment of the present invention, an engine control system is provided so that the first control valve can be throttled while the engine load is increasing.
[0019]
According to one embodiment of the present invention, the first turbocharger unit is provided with a waste-gate (waste gate), and the engine is closed while the engine load is increased and the wastegate is closed. A control system is provided to throttle the first control valve when
[0020]
According to one embodiment of the present invention, the turbine part of the first turbocharger unit and the turbine part of the second turbocharger unit are arranged in parallel in the exhaust gas system.
[0021]
The object of the invention is also the following drive method: combustion air is introduced into the engine through an inflow gas conduit, said air being introduced into the engine by the first turbocharger unit A method for driving an internal combustion engine that is supercharged using an exhaust gas system and in which an adjustable amount of exhaust gas is recirculated to the inflow gas conduit system and returned to the combustion process of the engine, wherein the exhaust gas is recirculated. Is supported by the second turbocharger unit, the engine exhaust gas is divided into two partial streams, the first partial stream is directed to the turbine section of the first turbocharger unit, and the second partial stream is the second turbocharger. It is led to the turbine section of the unit, the driving of the second turbocharger unit, second turbocharging Is controlled by controlling the flow rate of the second partial stream by controlling the throttling effect of the first control valve provided between the turbine section of the inlet of the unit and the exhaust system,
This is achieved by a method for driving an internal combustion engine .
[0022]
The driving of the compressor part of the second turbocharger is controlled by returning a controlled amount of compressed gas from the upstream of the compressor part to the downstream of the compressor part to the inlet side of the compressor part. Is characteristic.
[0023]
According to one embodiment of the present invention, the output of the first turbocharger unit is temporarily increased by temporarily reducing the flow rate of the second partial flow to the turbine section of the second turbocharger unit.
[0024]
According to one embodiment of the present invention, the flow rate of the second partial flow flowing in the turbine portion of the second turbocharger unit is controlled to maintain the rotational speed of the second turbocharger at the current level. The recirculation of the exhaust gas is temporarily interrupted while the flow rate of the second partial flow is reduced.
[0025]
The invention is particularly advantageous when it relates to a transient operating phase when the engine power is increasing.
[0026]
In the following, the present invention will be described with reference to the accompanying exemplary schematic drawings.
[Brief description of the drawings]
[0027]
FIG. 1 shows an internal combustion engine according to an embodiment of the present invention.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[0028]
FIG. 1 schematically shows an internal combustion engine 1 according to an embodiment of the present invention. The engine has a main body 2 in which a plurality of cylinders 4 are arranged. The engine further has an inflow gas conduit system 6 connected to the inflow channel 8 of each cylinder 4 of the engine 1. The inflow gas conduit system transfers inflow gas, typically air, to the combustion chamber of the engine. The engine also includes an exhaust gas system 10 and an exhaust gas recirculation system 12 that connects the exhaust gas system 10 to the inflow gas conduit system 6.
[0029]
In the embodiment of FIG. 1, the inlet gas conduit system 6 first has a combustion gas manifold 14 through which the oxygen-containing gas required for the combustion process is distributed to each cylinder of the engine. Typically, the combustion gas is air, but it should be noted that the operation of the engine according to the invention is carried out with any oxygen-containing gas required. Each cylinder 4, i.e. the engine, has an inflow channel 24 and connects a combustion gas manifold to the cylinder. The combustion gas manifold 14 is connected to the outlet 16 of the compressor section 18 of the turbocharger unit 20 and is referred to herein as the first turbocharger unit. It is also advantageous if a combustion gas cooler 22 is provided downstream of the compressor section and upstream of the combustion gas manifold 14. In FIG. 1, the turbocharger unit is shown as a 1-stage system, but the turbocharger unit, ie, the turbine section and / or the compressor section, may have multiple stages.
[0030]
The exhaust gas system 10 has an exhaust manifold 26, from which an exhaust gas passage 28 extends to the inlet of the turbine section 32 of the turbocharger unit 20. The turbine section 32 and the compressor section 18 of the turbocharger are connected to each other by a known method such that the compressor section is operated by the turbine section.
Here, a disposal gate 32 'is provided in the turbine section.
[0031]
The exhaust gas recirculation system 12 connects the exhaust gas system 10 to the inflow gas conduit system 6 so that a portion of the engine exhaust gas stream is recirculated to the engine. The exhaust gas recirculation system 12 has an exhaust gas recirculation manifold 34 that is connected to the cylinders of the engine by branch pipes 36 that extend from the exhaust gas recirculation manifold to the respective inflow channels 8. Separately connected to each channel 8. In this way, according to the invention, the recirculated exhaust gas stream is divided into substreams, each being introduced into an individual inflow channel 8 so that the recirculated exhaust gas and fresh combustion gas are in the inflow channel. 8 is mixed in the fastest state.
[0032]
Thus, in the inflow gas conduit system according to an embodiment of the present invention, the inflow channel to the cylinder has a first connection to the inflow gas conduit system 6 and a second connection to the exhaust gas system 10. The inflow channel 8 further has a third connection to the exhaust gas recirculation system 12.
[0033]
The branch pipe according to the present embodiment is provided with a controllable inflow portion. According to another embodiment of the present invention, the inflow portion has a fixed shape.
[0034]
An on / off valve 38 is provided in the exhaust gas circulation system 12 and can be closed to stop recirculation when necessary.
[0035]
According to the present invention, the second turbocharger unit 40 is provided in the exhaust gas circulation path system 12, and pressurizes the exhaust gas recirculation portion using the exhaust gas energy of the engine. Thus, the pressure of the recirculation portion of the exhaust gas becomes a pressure at least at the level of the oxygen-containing combustion gas in the inflow channel 8. In the operation of the present invention, the combustion gas is introduced into the engine through the inflow gas conduit, and the gas is supercharged by the first turbocharger unit using the exhaust gas energy and the exhaust gas system. And a controlled amount of exhaust gas is recycled to the inflow gas conduit system and returned to the combustion process of the engine. The exhaust gas recirculation is supported by the second turbocharger.
[0036]
The second turbocharger unit 40 has a turbine section 42, and the turbine section 42 is driven by the second branch flow of the engine exhaust gas while the first branch flow is introduced into the first turbocharger unit 20. Accordingly, the exhaust gas of the engine is divided into two, the first divided flow is led to the turbine of the first turbocharger unit, and the second divided flow is led to the turbine portion of the second turbocharger unit. A branch pipe 28 ′ is provided in the exhaust gas passage 28, and the branch pipe 28 ′ connects the exhaust gas manifold 26 to the second turbine portion 42, that is, the inlet thereof. The second branch flow of the engine exhaust gas that has passed through the turbine 42 is returned to the downstream side of the turbine section 32 of the first turbocharger unit 20. It is also possible to discharge part of the exhaust gas through a dedicated outlet pipe. There is a first control valve 48 provided to control the flow rate of the second branch flow of the exhaust gas flowing through the turbine portion 42 of the second turbocharger unit 40. Here, the valve 48 is provided for the branch pipe 28 '. Control is performed by adjusting the throttle of the first control valve. This enables precise control of the drive of the second turbocharger unit and precise control of the exhaust gas that circulates. This valve may be any valve known in the art as long as it provides a throttling effect for the gas flow flowing through the turbine section 42.
[0037]
The compressor section 44 of the second turbocharger unit 40 is also connected to an engine exhaust manifold 26 that receives engine exhaust gas. The outlet of at least one compressor section 44 is connected to the inflow gas conduit system 6 by the exhaust gas recirculation system 12. The inlet of the compressor section is connected to the exhaust manifold 26 of the engine. The exhaust gas recirculation system 12 can include a gas cleaning device 50 such as a hot gas dust material filter. Furthermore, according to one embodiment of the present invention, the exhaust gas recirculation system 12 includes a first cooling unit 52 downstream of the gas cleaning device of FIG. 1 and before the compressor unit 44 in the gas flow direction. it can. The direction of gas flow in the various states is indicated by the arrows in the figure.
[0038]
Furthermore, according to one embodiment of the present invention, the exhaust gas recirculation system 12 includes a control circuit 56 that extends from the upstream side of the second turbocharger unit to the downstream side of the compressor unit 44. In this embodiment, the control circuit 56 is connected to the upstream side of the first gas cooling unit 52. The control circuit is provided with a second valve 46 to control the portion of the gas flow that is circulated through the control circuit. That is, the control circuit 56 forms a recirculation path to the compressor unit 44. Even when the recirculation of the exhaust gas is extremely small or completely cut off by the control of the control circuit having the compressor section of the second turbocharger unit and the operation of the first control valve 48, the second turbocharger unit rotational speed Is maintained at the desired level. When the control circuit is open, the compressor section can rotate at the desired speed with minimal energy. Further, when the rotation speed is maintained, the normal operation state can be quickly reached if necessary. This is particularly advantageous in transient conditions.
[0039]
According to one embodiment of the present invention, in the transition region, the output of the first turbocharger unit 20 is temporarily reduced by temporarily reducing the flow rate of the second branch flow to the turbine portion of the second turbocharger unit 40 in the transition region. The engine is driven so as to increase. Accordingly, the maximum exhaust gas flow rate and pressure can be distributed to the turbine section of the first turbocharger.
[0040]
According to another embodiment of the present invention, the output of the first turbocharger unit 20 is increased by temporarily closing the valve 38 so that exhaust gas recirculation does not occur. At the same time, the flow rate of the second branch flow to the turbine portion of the second turbocharger unit 40 is throttled by the valve 48. Further, the valve 46 can be opened so that the upstream side of the compressor unit 44 communicates with the downstream side of the compressor unit 44. Therefore, the controlled flow rate of the compressed gas is recirculated through the control circuit 56 to the inlet portion of the compressor unit. While the valve 38 is closed, the first valve 48 is controlled to keep the rotation speed of the second turbocharger unit at a predetermined level. Thus, the second turbocharger can be easily used as needed.
[0041]
The exhaust gas recirculation system 12 further includes a gas cooling unit 54 between the compressor unit 44 and the exhaust gas recirculation manifold 34.
[0042]
Although the present invention has been described in connection with the presently preferred embodiment, the present invention is not limited to the described embodiment, and various combinations and modifications of its embodiments and claims are identified. It should be understood that the invention is intended to cover various applications that fall within the scope of the present invention. For example, the present invention can be suitably applied to a 2-stroke or 4-stroke engine that is driven in various cycles, such as an Otto or diesel cycle. The form of the engine can be variously changed from an in-line engine to a V engine. The details described in connection with all the previous embodiments can be used in other embodiments as long as the combination is applicable.

Claims

An inflow gas conduit system and an exhaust gas system;
A first turbocharger unit, wherein a turbine section is connected to the exhaust gas system, and a compressor section is connected to the inflow gas conduit system for pressurizing oxygen-containing combustion gas by utilizing the energy of the exhaust gas of the engine; The first turbocharger unit;
A second turbocharger unit, wherein a turbine section is connected to the exhaust gas system, an inlet of the turbine section is connected in parallel with the turbine section of the first turbocharger unit, and a compressor section is connected to the inlet Is connected to the exhaust gas system, the outlet is connected to the inflow gas conduit system via an exhaust gas recirculation system, and the compressor section is a part of the exhaust gas recirculated using the energy of the engine exhaust gas. A second turbocharger provided to pressurize the part;
Have
The inlet of the turbine section of the second turbocharger unit is connected to the exhaust gas system via a first control valve,
Internal combustion engine.

The exhaust gas recirculation system has a control circuit extending from the upstream side to the downstream side of the compressor section of the second turbocharger unit, and the control circuit is provided with a second control valve. The internal combustion engine according to claim 1.

The exhaust gas circulation system has a valve provided between an outlet of a compressor section of the second turbocharger unit and the inflow gas conduit system. Internal combustion engine.

2. The internal combustion engine according to claim 1, wherein the gas recirculation path system includes a first gas cooling unit provided on an upstream side of the compressor unit.

The internal combustion engine according to claim 4, wherein a second gas cooling unit is provided in the control circuit.

The internal combustion engine according to claim 1, wherein the engine is provided with a control system that throttles the first control valve while the load on the engine increases.

The first turbocharger unit is provided with a disposal gate, and the control system is configured to throttle the first control valve while the engine load increases when the disposal gate is closed. The internal combustion engine according to claim 6, characterized in that

2. The internal combustion engine according to claim 1, wherein the turbine section of the first turbocharger unit and the turbine section of the second turbocharger unit are parallel to the exhaust gas system.

The internal combustion engine according to claim 1, wherein the first control valve is a throttle valve.

Combustion air is introduced into the engine through an inflow gas conduit, and the air is supercharged by the first turbocharger unit using the exhaust gas energy and the exhaust gas system that is adapted to flow into the tunable exhaust gas. A method of driving an internal combustion engine, wherein the amount is recirculated to the inflow gas conduit system and returned to the combustion process of the engine, wherein the exhaust gas recirculation is assisted by a second turbocharger unit, Divided into two partial flows, the first partial flow is led to the turbine part of the first turbocharger unit, the second partial stream is led to the turbine part of the second turbocharger unit,
The second turbocharger unit is driven by controlling a throttling effect of a first control valve provided between an inlet of a turbine section of the second turbocharger unit and the exhaust gas system. Controlled by controlling the flow rate of the flow,
A method for driving an internal combustion engine.

The output of the first turbocharger unit is temporarily increased by temporarily reducing the flow rate of the second partial flow to the turbine section of the second turbocharger unit. A driving method of the internal combustion engine described.

Drive of the compressor section of the second turbocharger unit is controlled by guiding a controlled amount of compressed gas returning to the inlet of the compressor section through a control circuit extending from the upstream side to the downstream side of the compressor section. The method for driving an internal combustion engine according to claim 9 or 10, wherein:

12. The flow rate of the second partial flow to the turbine section of the second turbocharger unit is controlled so as to maintain the rotation speed of the second turbocharger at a predetermined level. A driving method for an internal combustion engine according to claim 1.

The method for driving an internal combustion engine according to claim 9 or 11, wherein the recirculation of the exhaust gas is temporarily interrupted while the flow rate of the second partial flow is reduced.