JP2016017521A - 燃焼機関用強制導入装置、燃焼機関及び燃焼機関の動作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼機関用強制導入装置、燃焼機関及び燃焼機関の動作方法を提供する。
【解決手段】第１の排気ターボ過給機７と第２の排気ターボ過給機１７を有する燃焼機関用強制導入装置に関する。燃焼機関２のシリンダ３の第１の排気ポート５から出る排気が、第１の排気ターボ過給機のみを通って流れることが可能であり、且つ第２の排気ポート６から出る排気が、第２の排気ターボ過給機のみを通って流れることが可能である。第１のターボ過給機のタービン９の下流及び第２の排気ターボ過給機のタービン１９の上流に連絡管２８が形成され、第１の分岐３０で第１のバイパス管２９に接続され、第２のタービンをバイパスし、下流の排気管ライン３２に第１の流入口３１で合流する。この第１のバイパス管は、第２の調節弁４４を有する。第１のタービンを通って排気が第２のタービンに入ることを回避するため、第１の連絡管を遮断又は開放する第１の調節弁４３を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、特許請求項１の前提部に記載の燃焼機関用強制導入装置に関する。本発明はさらに、特許請求項８の前提部の特徴を有する燃焼機関及び特許請求項１３の特徴を有する燃焼機関の動作方法に関する。

基本的に、排気ターボ過給においては、排気ターボ過給機によって十分に高速な応答を達成する必要がある。過度に小型の排気ターボ過給機では、高速な応答が確保されるが、高速及び／又は高負荷範囲では燃焼機関に対して限られた程度にのみ新気又は燃焼空気が供給され得る。十分な燃焼空気を供給することができる大型の排気ターボ過給機は、そのロータアセンブリの高い質量慣性モーメントに起因して応答が鈍い。

従って、燃焼機関の構造においては、当面のところ２つの排気ターボ過給機の組み合わせが用いられている。排気ターボ過給機の互いに対する様々な配置構造と、２つの排気ターボ過給機を互いに流体接続する管系統の種々の分岐及び流入口における様々な制御要素の位置決めとが形成される。詳細には、２つの従来の強制導入方法、即ちシーケンシャル過給及び二段過給を、燃焼機関の所望の動作挙動が実現され得るような方法で組み合わせることが目標である。

従って、（特許文献１）、（特許文献２）及び（特許文献３）並びに欧州特許（特許文献４）では、直列に配置された２つの排気ターボ過給機を有する強制導入装置を開示している。これらの排気ターボ過給機のタービンは燃焼機関の排気ラインに、及び排気ターボ過給機のコンプレッサは燃焼機関の吸気セクションに、燃焼機関の異なる動作範囲で２つの排気ターボ過給機の単独、並列又は直列動作が実行されるように配置される。排気ラインは単一の排気マニホルドを有する。この排気マニホルドは燃焼機関に流体接続される。この流体接続は、燃焼機関の全ての排気ポートが貫流可能に排気マニホルドに接続されるようになされる。これは換言すれば、個々のシリンダヘッド又は個々の排気ポートからの排気がまず初めにこの単一の排気マニホルドを通って流れた後、バルブ構成に従いタービンを通って排気ラインに流れ込むことを意味する。

（特許文献５）では、２つの排気ターボ過給機、即ち第１の排気ターボ過給機と第２の排気ターボ過給機とを有する燃焼機関を開示している。燃焼機関の各シリンダヘッドにつき少なくとも２つの排気ポート、即ちシリンダヘッドの第１の排気ポート及び第２の排気ポートが形成される。第１の排気ターボ過給機は貫流可能に第１の排気ポートに接続され、且つ第２の排気ターボ過給機は貫流可能に第２の排気ポートに接続される。切換弁を用いて、第２の排気ポートを通って流れる排気を第１の排気ターボ過給機に入れることもまた可能である。さらに、可変バルブタイミングシステムが設けられる。この可変バルブタイミングシステムを用いて、この可変バルブタイミングシステムを伴い構成された排気バルブのタイミングを切り換えることにより、対応するタービンへの対応する給気時間を変更することが可能である。排気ターボ過給機の一方がバイパスされると、もはやそこを通る流れはなく、その排気ターボ過給機のロータアセンブリが止まり、従って静止時にそこに排気を入れる場合、その質量慣性モーメントを打ち消す必要がある。これは応答の遅延につながる。

欧州特許（特許文献６）では、燃焼機関用強制導入装置を開示している。ここでもまた、シリンダヘッドの少なくとも２つの排気ポート、即ち第１の排気ポート及び第２の排気ポートが形成される。第１の排気ターボ過給機は貫流可能に第１の排気ポートに接続され、且つ第２の排気ターボ過給機は貫流可能に第２の排気ポートに接続される。排気バルブを閉止するバルブタイミングシステムが設けられる。前記システムは第２の排気ターボ過給機に流体接続されている。しかしながら、この強制導入装置によっては、シーケンシャル過給モードにおいて２つの排気ターボ過給機を互いに独立して動作させることができない。従って、ここでは２つの排気ターボ過給機を効率的に使用することができない。

独国特許出願公開第１０ ２０１１ ００８ ５６６ Ａ１号明細書 独国特許出願公開第１０ ２０１１ １０７ １２０ Ａ１号明細書 欧州特許出願公開第２ ４０２ ５７６ Ａ１号明細書 欧州特許第１ ５１９ ０１７ Ｂ１号明細書 独国特許第１０ ２００８ ０３６ ３０８ Ｂ４号明細書 欧州特許出願公開第１ ４００ ６６７ Ａ１号明細書

本発明の目的は、効率的に動作させることができる強制導入装置を提供することである。加えて、本発明の目的は、応答が向上すると同時に高出力を備える燃焼機関を開発することである。また本発明の目的は、燃焼機関の効率的な動作方法を特定することである。

本発明によれば、上記の目的は、特許請求項１の特徴を有する強制導入装置により達成される。さらに、特許請求項８の特徴を有する燃焼機関が特定される。加えて、特許請求項１３の特徴を有する燃焼機関の動作方法が特定される。本発明の好都合且つ重要な発展形態を含む有利な実施形態が、それぞれの従属請求項において特定される。

燃焼機関用の本発明に係る強制導入装置は、第１の排気ターボ過給機と第２の排気ターボ過給機とを備える。第１の排気ラインが形成され、第１の排気ラインに第１の排気ターボ過給機の第１のタービンが貫流可能に取り付けられる。第１の排気ライン（燃焼機関のシリンダヘッドの第１の排気ポートに接続され得る第１の排気マニホルドを第１のタービンの上流に有する）を用いて、第１の排気ポートから出る排気のみを第１のタービンに供給することが可能である。第２の排気ターボ過給機は第２の排気ラインに取り付けられる。第２の排気ラインは第１の排気ラインと独立して形成され、燃焼機関の第２の排気ポートに接続され得る第２の排気マニホルドを第２のタービンの上流に有する。第１のタービンの下流及び第２のタービンの上流に、貫流可能な第１の連絡管が、第１のタービンから出る排気を第２のタービンに供給するように形成される。第１の分岐において、この第１の連絡管は第１のバイパス管を有する。第１のバイパス管は貫流可能に連絡管に接続され、第１のバイパス管を用いて第２のタービンをバイパスすることが可能である。上記の目的上、第１のバイパス管は第１の流入口で、第２のタービンの下流に形成される排気管ラインに合流する。この第１のバイパス管には、第１のバイパス管を遮断又は開放するための第２の調節弁が配置される。第２のタービンをバイパスすることができるようにするため、即ち第１のタービンを通って流れる排気が第２のタービンを通って流れることができないようにするため、第１の連絡管が第１の調節弁を有し、第１の調節弁が第１の連絡管を遮断又は開放し得る。

本発明に係る強制導入装置の本質的な利点は、第２の排気バルブが閉じられている低負荷及び／又は低速範囲において、燃焼機関から流れ出る排気を全て第１のタービンに送ることができ、且つ第１の調節弁によって第１の連絡管が閉鎖されると、この排気は第２のタービンに入ることができるため、第２の排気ターボ過給機のロータアセンブリがこの動作範囲で既に回転運動を実施していて、その質量慣性モーメントが打ち消され得ることが確実になる点である。対照的に、全負荷範囲では、第１の調節弁によって第１の連絡管が開放されており、第２のタービンに第２の排気ポートからの排気のみを供給し、従って第１のタービンを通って流れる排気と独立して第２のタービンのチョーク限界に至るまで動作させることが可能である。結果として、第１のタービン及び第２のタービンの両方共に完全最大出力を達成することが可能である。両方のタービンがその最大出力で動作しているとき、それらのコンプレッサもまた最大出力で動作し得るため、従って燃焼機関に送り込まれ得る新気において極めて高いブースト圧を実現することが可能となる。

これは換言すれば、低速及び／又は低負荷範囲で第１の排気ターボ過給機をその固有全出力で動作させ得るとともに、全負荷範囲で両方の排気ターボ過給機を同様にそれらの固有全出力で動作させ得ることを意味する。従って、低速及び／又は低負荷範囲で第１の排気ターボ過給機の最大出力を完全に達成することができ、同じく全負荷範囲及び／又は高速で両方の排気ターボ過給機の最大出力を完全に達成することができ、従って本強制導入装置は効率的に動作するように設計される。

第２のタービンのタービン仕事によって生じる第２の排気ターボ過給機の第２のコンプレッサのコンプレッサ出力を燃焼機関の低速及び／又は低負荷範囲においても使用することができるように、本強制導入装置は吸気管を有する。この吸気管は新気を供給するため燃焼機関に連結され得る。第１の排気ターボ過給機の第１のコンプレッサは、第２のコンプレッサの下流で吸気管に配置される。これはつまり、第１のコンプレッサにより引き込まれた新気が第２のコンプレッサを通って流れると同時に、第２のタービンによって駆動されることによる第２のコンプレッサの回転に起因して、この新気が予圧されることを意味する。

中速及び／又は中負荷範囲では、新気を送るのが主として第２の排気ターボ過給機であれば十分である。このようにして送られる新気の流れ損失がないことを確実にするため、この新気の少なくとも一部が第３のバイパス管を用いて第１のコンプレッサを通らないように迂回される。この第３のバイパス管は、第１のコンプレッサの上流及び第２のコンプレッサの下流で吸気管から分かれ、第１のコンプレッサの下流で吸気管に合流するように形成される。第１のコンプレッサと第２のコンプレッサとの間に形成される吸気管の流路を開放しておくことで、第１のタービンによって回転されることによる減圧が存在せず第１のコンプレッサが動作することが可能になる。第１のコンプレッサの任意の利用可能なコンプレッサ出力が用いられ、第１のコンプレッサで圧縮された新気量が、第３の調節弁の下流において、第１のコンプレッサの下流に形成された吸気管に送られる。

両方のコンプレッサを互いに独立して並列に動作させることを可能にするため（これは特に燃焼機関の全負荷範囲及び／又は高速で効率的である）、第２のコンプレッサを部分的にバイパスするように第２のバイパス管が形成される。第２のバイパス管は、第１のコンプレッサの上流の第２の分岐で分岐吸気管から分かれ、第２のコンプレッサの下流、第３の流入口の下流及び第１のコンプレッサの上流の第２の流入口で吸気管に合流するように設計される。上記の目的上、第２のコンプレッサの下流及び第２の流入口の上流で吸気管に第３の調節弁を形成し、且つ第２のバイパス管に第５の調節弁（詳細には絞り逆止弁の形態である）を配置して起こり得る減圧を回避する場合に有利である。

原則的に、本発明に係る強制導入装置では、２つの排気ターボ過給機を用いて三段過給を実現することが可能である。３段の各々で排気ターボ過給機の少なくとも一方が、サージ限界にまで達し得る最大出力を生じる。加えて、全動作範囲にわたり排気ターボ過給機のロータアセンブリが回転することで、排気ターボ過給機の応答が著しく向上する。その理由は、前記過給機の質量慣性モーメントが少なくともほぼ大部分打ち消され、且つそれぞれのロータアセンブリに対応する軸受アセンブリが有利には、燃焼機関の動作開始時から回転し続けることに起因して実質的に混合摩擦又は流体摩擦の状態にある（但し、従来通り支持には平面軸受が使用されるものとする）ためである。

本発明に係る燃焼機関はシリンダヘッドを備える。このシリンダヘッドは、シリンダ１つにつき１つの吸気ポートと、第１の排気ポート及び第２の排気ポートとを有する。第１の排気ポートは第１の排気バルブを用いて開閉することができ、且つ第２の排気ポートは第２の排気バルブを用いて開閉することができる。燃焼機関のエンジン制御ユニットを用いて、バルブのバルブタイミングを変更し且つ第２の排気バルブを閉止するための、燃焼機関に配設される可変バルブタイミングシステムが形成される。燃焼機関には、請求項１〜７のうちの１つに従い設計される強制導入装置が配設される。

本発明に係る燃焼機関の利点は、効率的な動作である。従って、例えば、高負荷との比較で排気流量が少量に過ぎない低負荷範囲では、最大出力での第１の排気ターボ過給機の動作がもたらされるはずである。この動作範囲では燃焼機関に十分な給気量を供給することが可能であると同時に、第２のタービンを通る流れのため、第２のターボ過給機のロータアセンブリによって少なくとも部分的にその質量慣性モーメントを打ち消すことができ、従って負荷及び／又は速度を変更する間の「ターボラグ」を解消し又は少なくとも低減し得る。

以下の好ましい例示的な実施形態の説明から、及び図面を参照することで、本発明のさらなる利点、特徴及び詳細が明らかとなるであろう。説明中の上述の特徴及び特徴の組み合わせ並びに以下で図の説明において言及されるか又は図中にのみ示される特徴及び特徴の組み合わせを、それぞれ示される組み合わせのみならず、他の組み合わせでも、又は独立しても、本発明の範囲を逸脱することなく使用することができる。同じ又は機能的に同一の要素には同一の参照符号が割り当てられる。明確にするため、それらの参照符号が全ての図で要素に割り当てられるわけではないが、それによって要素がその関連性を失うものではない。

第１の動作間隔にある本発明に係る強制導入装置を有する本発明に係る燃焼機関を、概略図で示す。 第２の動作間隔にある本発明に係る強制導入装置を有する本発明に係る燃焼機関を、概略図で示す。 第３の動作間隔にある本発明に係る強制導入装置を有する本発明に係る燃焼機関を、概略図で示す。

図１は、自動車、詳細には乗用車のディーゼルエンジン又は火花点火エンジンなどの燃焼機関２用の本発明に係る強制導入装置１を概略図で示す。例として、燃焼機関２は三気筒エンジンの形態である。即ち、燃焼機関２は同様に異なる気筒数を有し得る。

燃焼機関２の１つのシリンダ３が、吸気バルブ（特に図示せず）を各々備える２つの吸気ポート４と、排気バルブ（特に図示せず）を各々備える２つの排気ポート、即ち第１の排気ポート５及び第２の排気ポート６とを有する。以下に記載する種類の個々の排気ポートの区別及び排気ラインとの関係が明確になるように、図において各シリンダ３の排気ポート５、６をさらにＩ又はＩＩと表示する。

燃焼機関２には、さらにエンジン制御ユニット（特に図示せず）及び可変バルブタイミングシステム（特に図示せず）が配設される。エンジン制御ユニットを用いて、例えば点火時間及び噴射量が制御される。可変バルブタイミングシステムも同様にエンジン制御ユニットを用いて制御され得る。即ち、エンジン回転数又は燃料噴射量などの種々のパラメータに応じて、バルブに割り当てられる開時間及び／又は閉時間が変更され得る。バルブの全閉もまた実施され得る。バルブが閉止される場合、バルブに配設されたポートが燃焼機関２における給気交換と無関係に閉鎖される。

強制導入装置１は、燃焼機関２の第１の排気ライン８に配置された第１のタービン９と、燃焼機関２の吸気セクション１０に配置された第１のコンプレッサ１１とを有する第１の排気ターボ過給機７を備える。第１のタービン９は、貫流可能な第１のタービンケーシング１２を備え、この第１のタービンケーシング１２に、第１の排気ターボ過給機７の第１のシャフト１３と共回転するように連結された第１のタービンホイール１４が回転自在に取り付けられる。

第１のコンプレッサ１１は、貫流可能な第１のコンプレッサケーシング１５を備え、この第１のコンプレッサケーシング１５に、同様に第１のシャフト１３と共回転するように連結された第１のコンプレッサホイール１６が回転自在に取り付けられる。第１のコンプレッサ１１を使用して燃焼機関２に圧縮空気が送り込まれる。

強制導入装置１は、さらに第２の排気ターボ過給機１７を備える。第２の排気ターボ過給機１７は、燃焼機関２の第２の排気ライン１８に配置された第２のタービン１９を有する。第２のタービン１９もまた、貫流可能な第２のタービンケーシング２０を備え、この第２のタービンケーシング２０に、第２の排気ターボ過給機１７の第２のシャフト２１と共回転するように連結された第２のタービンホイール２２が回転自在に取り付けられる。第２の排気ターボ過給機１７はまた第２のコンプレッサ２３も有する。第２のコンプレッサ２３は、貫流可能な第２のコンプレッサケーシング２４を有し、この第２のコンプレッサケーシング２４に、第２のシャフト２１と共回転するように連結された第２のコンプレッサホイール２５が回転自在に取り付けられる。第２のコンプレッサ２３によってもまた、燃焼機関に圧縮空気が送り込まれ得る。第１のコンプレッサ１１と同じく、第２のコンプレッサ２３も同様に吸気セクション１０に配置される。

第１の排気ポート５は第１の排気ライン８の第１の排気マニホルド２６に流体接続されており、換言すれば、貫流可能に接続されている。第１の排気マニホルド２６は燃焼機関２から排気を受け取り（第１の排気ポートが開放しているとき前記排気は流れ出る）、前記排気を第１のタービン９に運ぶように設計される。

第２の排気ポート６は第２の排気ライン１８の第２の排気マニホルド２７に流体接続されており、換言すれば貫流可能に接続されている。第２の排気マニホルド２７も同様に、燃焼機関２から排気を受け取り（第２の排気ポートが開放しているとき前記排気は流れ出る）、前記排気を第２のタービン１９に運ぶように設計される。

第１のタービン９の下流及び第２のタービン１９の上流で、第１の排気ライン８と第２の排気ライン１８とが第１の連絡管２８を用いて貫流可能に接続される。この連絡管２８により、第１のタービンケーシング１２の第１の排気ポート（特に図示せず）を第２のタービンケーシング２０の第２の吸気ポート（特に図示せず）に連結することで、第１のタービン９に送り込まれる排気の少なくとも一部が第２のタービン１９を通って流れることが可能となる。

第１のタービン９から流れ出る膨張した排気が第２のタービン１９を通って流れることを部分的又は完全に阻止できるように、第１のタービンケーシング１２の下流及び第２のタービンケーシング２０の上流の第１の分岐３０で第１の連絡管２８から第１のバイパス管２９が分かれるように設計される。この第１のバイパス管２９は、第２のタービンケーシング２０の下流及び排気管ライン３２に配置された排気後処理ユニット３３の上流の第１の流入口３１で燃焼機関２の排気管ライン３２に合流する。

吸気セクション１０は２つのコンプレッサ１１、２３を有する。第２のコンプレッサ２３は、吸気セクション１０の吸気管３４において第１のコンプレッサ１１の上流に配置される。第１のコンプレッサ１１が新気（これは第２のコンプレッサ２３の上流で吸気管３４に配置されたエアフィルタ３５を用いてろ過される）を第２のコンプレッサ２３と無関係に引き込むことができるように、エアフィルタ３５の下流及び第２のコンプレッサ２３の上流に、第２の分岐３７で吸気管３４から分かれる第２のバイパス管３６が形成される。第２のバイパス管３６は、第１のコンプレッサケーシング１５の上流及び第２のコンプレッサケーシング２４の下流で吸気管３４に形成される第２の流入口３８で合流する。

吸気管３４は第１のコンプレッサ１１の下流で燃焼機関２の給気冷却器３９に接続する。給気冷却器３９は、圧縮された吸気を冷却するため吸気ポート４の上流に配置される。従って、吸気バルブが開放しているとき、圧縮冷却空気が吸気ポート４から燃焼機関２に燃焼のため送り込まれる。第３の流入口の下流及び給気冷却器３９の上流に、特定の新気量を設定するためのスロットルバルブ４８が形成される。

第２のコンプレッサ２３によって圧縮及び送気される新気が第１のコンプレッサ１１を通らず迂回することができるように、第２の流入口３８の上流及び第２のコンプレッサケーシング２４の下流に第３のバイパス管４０が形成される。第３のバイパス管４０は、第３の分岐４１で吸気管３４から分かれ、第１のコンプレッサケーシング１５の下流の第３の流入口４２で吸気管３４に合流する。

強制導入装置１の異なる動作状態を実現するため、様々な調節弁が使用される。第１の調節弁４３は第１の分岐３０に位置決めされる。この第１の調節弁４３を用いて、第１の連絡管２８を開閉することができる。第２の調節弁４４も同様に第１の流入口３１に形成される。この第２の調節弁４４を用いて、排気がバイパス管２９から出て排気管ライン３２に入り込むことを可能にしたり、又はそれを阻止したりすることができる。

第２の流入口３８に形成される第３の調節弁４５は、第１のコンプレッサ１１による第２のバイパス管３６からの新気導入を遮断したり、又は可能にしたりすることができる。さらに、第３の分岐４１に配置された第４の調節弁４６を用いて、第２のコンプレッサ２３によって送られる新気流量を第３のバイパス管４０に直接流すことができる。或いは、第３のバイパス管４０が第３の分岐４１で第４の調節弁４６によって閉鎖される場合、第２のコンプレッサ２３によって送られる新気量は第１のコンプレッサ１１を通って流れ、第１のコンプレッサ１１で新気量は前記コンプレッサの圧縮比に従いさらに圧縮される。

第１のコンプレッサ１１及び第２のコンプレッサ２３は、それぞれ対応する第１のタービン９及び第２のタービン１９によって駆動され得る。第１のタービン９及び第２のタービン１９は燃焼機関２からの排気によって駆動され、この排気はそれらのタービンを通って流れる。タービンホイール１４、２２に排気が供給され、ひいては回転が生じ、その結果、それぞれ第１のシャフト１３及び第２のシャフト２１によってコンプレッサホイール１６及び２５が駆動される。

調節弁４３、４４、４５、４６により、必要に応じてそれらの弁に対応する管及び導管を２つの極限位置、即ち全閉位置と全開との間で開放することができる。設定を行う目的で、調節弁４３、４４、４５、４６は燃焼機関２の開ループ及び閉ループ制御装置（特に図示せず）に接続される。

さらに自動調整絞り逆止弁４７が第２の分岐３７の下流及び第２の流入口３８の上流で第２のバイパス管３６に配置される。

燃焼機関２に可変バルブタイミングシステム（特に図示せず）が配設される。この可変バルブタイミングシステムを用いて、強制導入装置１の特定の動作状態で第２の排気ポート６を閉鎖したまま保つことができる。

本発明に係る強制導入装置で実現することができる燃焼機関２の３つの異なる動作状態を、以下に図１〜図３を用いて記載する。図示される動作状態に関して、管であって、それぞれの動作状態でそこを通る流れが存在する管は、対応する流れの方向を指し示す矢印を有する旨の説明が適用される。管であって、そこを通る流れが存在しないか又は閉鎖されている管は、矢印なしに図示される。

強制導入装置１の第１の動作状態を図１に示す。この動作状態では、第２の排気ポート６が可変バルブタイミングシステムを用いて完全に閉鎖されている。即ち、排気ポート６は燃焼機関２の排気行程においても開放されず、全ての排気が第１の排気ポート５からのみ流れ出る。従って、排気は第１のタービン９に運ばれる。これには、第１のタービンホイール１４に回転が生じ、且つ第１のコンプレッサホイール１６にも同様に、第１のタービンホイール１４及び第１のコンプレッサホイール１６と共回転するように連結された第１のシャフト１３を介して回転が生じて、新気を引き込むことができるという効果がある。

第１の調節弁４３により第１の連絡管２８を開放すると同時に第２の調節弁４４により第１のバイパス管２９を遮断し、その結果、第１のタービン９から流れ出る全ての排気が第２のタービン１９に送り込まれて第２のタービン１９に作用し、その結果、第２のタービンホイール２２にも同様に回転が生じる。

しかしながら、この第１の動作範囲では、排気量及びこの排気量に適用される排気圧は、第１のタービン９を対応する送気速度に至らせるのにちょうど足りる程度である。従って、第２のタービンホイール２２には第１のタービン９を通って既に膨張した排気量が作用する。その排気量は、第２のタービンホイール２２に回転を生じさせるのにちょうど足りる程度である。第２のタービンホイール２２及び第２のコンプレッサホイール２５と共回転するように連結された第２のシャフト２１を介して第２のコンプレッサホイール２２にも同様に回転が生じる。その結果、第２のコンプレッサ２３を通って流れる新気量において、第１のコンプレッサ１１でさらなる圧力上昇を起こす以前に、少なくとも若干の圧力上昇が生じる。しかしながら、第２の排気ターボ過給機１７のロータアセンブリに回転が生じるため、その質量慣性モーメントが少なくとも部分的に打ち消されることが確実となる。

ここで、排気ターボ過給機の質量慣性モーメントはそのロータアセンブリの重量によって決まることに言及することができる。ロータアセンブリは、コンプレッサホイールと、タービンホイールと、２つのホイールを共回転するように連結するシャフトとで構成される。

吸気セクション１０では、第１のコンプレッサ１１が、第１のコンプレッサ１１の下流に形成された吸気管３４の一部から新気を送る。逆止弁４７によって第２のバイパス管３６が閉鎖され、その結果、第１のコンプレッサ１１によって送られる全ての新気量が第２のコンプレッサ２３を介して流れ得る。第２のコンプレッサ２３による新気の予圧は僅かである。第３のバイパス管４０は閉鎖され、その結果、引き込まれた全ての新気は第１のコンプレッサ１１で完全に圧縮することができ、給気冷却器３９と第３の流入口との間に形成された吸気管３４の一部に部分的に直接入ることがない。第２のコンプレッサ２３により生じる新気のブースト圧は僅かである。

例として、上記の動作状態は、燃焼機関２が低負荷及び／又は低速範囲、例えば約１２００〜２２００ｒｐｍのときに確立され得る。

図２は、強制導入装置１の第２の動作状態を概略的に示す。この動作状態は、好ましくは、燃焼機関２が中負荷及び／又は中速範囲、例えば約２２００〜４５００ｒｐｍのときに確立される。以下でさらに詳細に説明する調節弁の位置は、第１のタービン９がそのサージ限界に達したときに設定されるべきである。これはつまり、排気流量が増加しても第１の排気ターボ過給機７の出力は増加し得ないことを意味する。逆に、サージ限界を超える排気ターボ過給機には、タービンを通る排気流量が過剰であることに起因して出力損失がある。

上記の動作状態では、第２の排気ポート６は可変バルブタイミングシステムを用いて完全に開放している。即ち、第１の排気ポート５を流れ出る排気が第１のタービン９に作用し、且つ第２の排気ポート６を通って流れる排気が第２のタービン１９に作用する。従って、第１のタービンホイール１４及び第２のタービンホイール２２の両方が排気の流れを受け取る。この排気は、この第２の動作範囲で生じる特定の排気背圧を有する。この排気背圧は、第１の動作範囲における排気背圧より高い。

第１の調節弁４３により第１の連絡管２８を開放すると同時に第２の調節弁４４により第１のバイパス管２９を遮断し、その結果、第１のタービン９から流れ出る全ての排気が第２のタービン１９に送り込まれ続け、第２の排気マニホルド２７から流れ出る排気に加えて第２のタービン１９に作用する。

吸気セクション１０では、第１のコンプレッサ１１が、第１のコンプレッサ１１の下流に形成された吸気管３４の一部から新気を送り続ける。第２のバイパス管３６にある逆止弁４７が閉鎖される一方、第４の調節弁４６はここでは第３のバイパス管４０を開放する。第３の調節弁４５は同様に、第１のコンプレッサ１１と第２のコンプレッサ２３との間に形成される吸気管３４の区間を開放するように設定され続ける。つまり、ここでは、第２のコンプレッサ２３により引き込まれて圧縮された給気の一部のみが第１のコンプレッサ１１を経由することを意味し、従って第１の排気ターボ過給機７のロータアセンブリが回転運動をし続け得ることが確実となる。

この第２の動作状態では、第２のコンプレッサ２３により、燃焼機関２に供給されるべき必要な新気量を送気する。従ってこの低負荷及び／又は低速範囲では、第２の排気ポート６は閉止され、第１の排気ターボ過給機７からの膨張した排気は第２の排気ターボ過給機１７を通って流れる。

第２の動作状態を特徴付けるこの中負荷及び／又は中速範囲においても、同様に第１の排気ターボ過給機７からの膨張した排気の流れが存在し、加えて第２の排気ポート６から流れ出て第２の排気ターボ過給機１７を通る排気の流れが存在する。

強制導入装置１の第３の動作状態を図３に示す。この動作状態は、全負荷及び／又は高速、例えば約４５００〜７０００ｒｐｍでの燃焼機関２の動作に対応する。以下でさらに詳細に説明する調節弁の位置は、同様に第２のタービン１９がそのサージ限界に達したときに設定されるべきである。

この動作状態でも、同様に第２の排気ポート６は可変バルブタイミングシステムを用いて開放されている。第１の動作状態及び第２の動作状態とは対照的に、第１の分岐３０にある第１の調節弁４３は、ここでは第１の連絡管２８を通って第２のタービン１９に至る排気の流路を遮断する。しかしながら、第２の調節弁４４は第１のバイパス管２９を開放するように設定される。その結果、第１のタービン９を通って流れる排気が第２のタービン１９を通らず迂回し、第２のタービン１９の下流及び排気後処理ユニット３３の上流で排気管ライン３２に入る。この動作状態では、ブースト圧制御は第１の調節弁４３を用いて行われ得る。

つまり、ここで、第１の排気ライン８と第２の排気ライン１８とが排気管ライン３２においてのみ互いに流体接続されることを意味する。排気の流れ全体が、両排気ターボ過給機７、１７に分割される。

第３の調節弁４５は閉鎖され、その結果、第１のコンプレッサ１１と第２のコンプレッサ２３との間の流路が遮断される。逆止弁４７は開放され、従って第１のコンプレッサ１１が第２のコンプレッサ２３とは独立して新気を引き込み圧縮することが可能である。

両方の排気ターボ過給機７、１７が互いに完全に独立して作用を受け、且つ互いに完全に独立して動作するため、この回路構成はシーケンシャル過給に相当する。従って、全負荷及び／又は高速範囲を示す第３の動作範囲では、第２の排気ポート６から流れ出る排気のみが第２の排気ターボ過給機１７を通って流れる。

１ 強制導入装置
２ 燃焼機関
３ シリンダ
４ 吸気ポート
５ 第１の排気ポート
６ 第２の排気ポート
７ 第１の排気ターボ過給機
８ 第１の排気ライン
９ 第１のタービン
１０ 吸気セクション
１１ 第１のコンプレッサ
１２ 第１のタービンケーシング
１３ 第１のシャフト
１４ 第１のタービンホイール
１５ 第１のコンプレッサケーシング
１６ 第１のコンプレッサホイール
１７ 第２の排気ターボ過給機
１８ 第２の排気ライン
１９ 第２のタービン
２０ 第２のタービンケーシング
２１ 第２のシャフト
２２ 第２のタービンホイール
２３ 第２のコンプレッサ
２４ 第２のコンプレッサケーシング
２５ 第２のコンプレッサホイール
２６ 第１の排気マニホルド
２７ 第２の排気マニホルド
２８ 第１の連絡管
２９ 第１のバイパス管
３０ 第１の分岐
３１ 第１の流入口
３２ 排気管ライン
３３ 排気後処理ユニット
３４ 吸気管
３５ エアフィルタ
３６ 第２のバイパス管
３７ 第２の分岐
３８ 第２の流入口
３９ 給気冷却器
４０ 第３のバイパス管
４１ 第３の分岐
４２ 第３の流入口
４３ 第１の調節弁
４４ 第２の調節弁
４５ 第３の調節弁
４６ 第４の調節弁
４７ 自動調整絞り逆止弁
４８ スロットルバルブ

Claims (14)

1. 第１の排気ターボ過給機（７）と第２の排気ターボ過給機（１７）とを有する燃焼機関用強制導入装置であって、前記燃焼機関（２）のシリンダ（３）の第１の排気ポート（５）から出る前記燃焼機関（２）からの排気が前記第１の排気ターボ過給機（７）のみを通って流れることが可能であり、且つ前記シリンダ（３）の第２の排気ポート（６）から出る前記燃焼機関（２）からの排気が前記第２の排気ターボ過給機（１７）のみを通って流れることが可能であり、及び前記第１のターボ過給機（７）の第１のタービン（９）の下流及び前記第２の排気ターボ過給機（１７）の第２のタービン（１９）の上流に、前記第１のタービン（９）から出る排気を前記第２のタービン（１９）に供給するための、貫流可能な第１の連絡管（２８）が形成され、及び前記第１の連絡管（２８）が貫流可能に第１の分岐（３０）で第１のバイパス管（２９）に接続され、前記第１のバイパス管（２９）が、前記第２のタービン（１９）をバイパスするため、前記第２のタービン（１９）の下流に形成される排気管ライン（３２）に第１の流入口（３１）で合流し、且つ前記第１のバイパス管（２９）が、前記第１のバイパス管（２９）を遮断又は開放するための第２の調節弁（４４）を有する、強制導入装置において、前記第１のタービン（９）を通って流れる排気が前記第２のタービン（１９）に入ることを回避するため、前記第１の連絡管（２８）が、前記第１の連絡管（２８）を遮断又は開放することができる第１の調節弁（４３）を有することを特徴とする、強制導入装置。
2. 前記強制導入装置（１）が、前記燃焼機関（２）に新気を供給するための、前記燃焼機関（２）に連結することができる吸気管（３４）を有し、前記第１の排気ターボ過給機（７）の第１のコンプレッサ（１１）が前記第２の排気ターボ過給機（１７）の第２のコンプレッサ（２３）の下流で前記吸気管（３４）に配置され、且つ前記吸気管（３４）が前記第２のコンプレッサ（２３）の上流及び前記第１のコンプレッサ（１１）の下流に形成されることを特徴とする、請求項１に記載の強制導入装置。
3. 前記第２のコンプレッサ（２３）を用いて圧縮された前記新気の一部が前記第１のコンプレッサ（１１）を通らず迂回するように、前記第１のコンプレッサ（１１）の上流及び前記第２のコンプレッサ（２３）の下流で前記吸気管（３４）から分かれて前記第１のコンプレッサ（１１）の下流で前記吸気管（３４）に合流する第３のバイパス管（４０）が形成されることを特徴とする、請求項２に記載の強制導入装置。
4. 前記第２のコンプレッサ（２３）を部分的にバイパスするため第２のバイパス管（３６）が形成され、前記第２のバイパス管（３６）が、前記第１のコンプレッサ（１１）の上流の第２の分岐（３７）で前記吸気管（３４）から分かれて前記第２のコンプレッサ（２３）の下流及び前記第１のコンプレッサ（１１）の上流の第２の流入口（３８）で前記吸気管（３４）に合流するように設計されることを特徴とする、請求項２又は３に記載の強制導入装置。
5. 前記第１のコンプレッサ（１１）のバイパスを、前記第３のバイパス管（４０）に形成される第４の調節弁（４６）を用いて閉止し得ることを特徴とする、請求項３又は４に記載の強制導入装置。
6. 前記第２のコンプレッサ（２３）の下流及び前記第２の流入口（３８）の上流で前記吸気管（３４）に形成される第３の調節弁（４５）を用いるとともに、前記第２のバイパス管（３６）に形成される第５の調節弁（４７）を用いて、前記２つのコンプレッサ（１１、２３）を通る流れを互いに独立して実現し得ることを特徴とする、請求項４又は５に記載の強制導入装置。
7. 前記第１の排気ターボ過給機（７）が前記第２の排気ターボ過給機（１７）より小型の設計であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の強制導入装置。
8. シリンダ（３）を有する燃焼機関であって、前記シリンダは吸気ポート（４）と第１の排気ポート（５）と第２の排気ポート（６）とを有し、前記第１の排気ポート（５）は第１の排気バルブを用いて開閉することができ、且つ前記第２の排気ポート（６）は第２の排気バルブを用いて開閉することができ、及び前記バルブのバルブタイミングを変更し且つ前記第２の排気バルブを閉止するための可調整可変バルブタイミングシステムが形成され、及び前記燃焼機関（２）に強制導入装置（１）が配設される、燃焼機関において、前記強制導入装置（１）が請求項１〜６のいずれか一項に従い設計されることを特徴とする、燃焼機関。
9. 前記燃焼機関（２）の低速及び／又は低負荷範囲において前記第２の排気ポート（６）が前記排気バルブを用いて閉鎖されることを特徴とする、請求項７に記載の燃焼機関。
10. 前記燃焼機関（２）の中速及び／又は中負荷範囲において並びに全負荷及び／又は高速のとき前記第２の排気ポート（６）が前記排気バルブを用いて開放されることを特徴とする、請求項７又は８に記載の燃焼機関。
11. 要求される負荷に従い前記第１の排気バルブのバルブタイミングがより低速の範囲に適合されることを特徴とする、請求項７〜９のいずれか一項に記載の燃焼機関。
12. バルブタイミングを調整し及び／又は排気バルブを閉止するため、前記可変バルブタイミングシステムが前記燃焼機関の閉ループ及び開ループ制御システムとの通信を可能にするように設計されることを特徴とする、請求項７〜１０のいずれか一項に記載の燃焼機関。
13. 燃焼機関の動作方法であって、前記燃焼機関（２）が、第１の排気ターボ過給機（７）と第２の排気ターボ過給機（１７）とを有する強制導入装置（１）を有し、及び前記燃焼機関（２）が、第１の排気ポート（５）と第２の排気ポート（６）とを有する少なくとも１つのシリンダ（３）を備え、前記燃焼機関（２）に可変バルブタイミングシステムが配設されることにより、前記第２の排気ポート（６）を開閉する排気バルブの少なくとも閉止が可能であり、
    ａ）低負荷及び／又は低速範囲では、前記第２の排気ポート（６）が閉止され、前記第１の排気ターボ過給機（７）からの膨張した排気が前記第２の排気ターボ過給機（１７）を通って流れ、
    ｂ）中負荷及び／又は中速範囲では、前記第１の排気ターボ過給機（７）からの膨張した排気と、加えて前記第２の排気ポート（６）から流れ出る排気が前記第２の排気ターボ過給機（１７）を通って流れ、
    ｃ）全負荷及び／又は高速範囲では、前記第２の排気ポート（６）から流れ出る排気のみが前記第２の排気ターボ過給機（１７）を通って流れる、方法。
14. 前記第１の調節弁（４３）がブースト圧制御に使用されることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。

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