JP2016521330A - 対向ピストンエンジンのためのターボコンパウンドを有する空気処理構造 - Google Patents

Abstract

対向ピストンエンジンは、タービン内に流れる排気の流れに応じて回転出力を生成するためのパワータービンを含むターボコンパウンドシステムを備える空気処理システムを有する。回転出力は、排気エネルギーの一部を、クランクシャフトに供給される機械エネルギーに変換するための対向ピストンエンジンのクランクシャフトまたは他の回転要素に接続される。【選択図】図２

Description

関連出願の相互参照
本出願は、以下の本発明の譲受人に譲渡された出願、すなわち、２０１１年５月１６日に出願された米国特許出願第１３／０６８，６７９号、２０１３年２月１９日に出願されたＰＣＴ出願米国特許第２０１３／０２６７３７号、および２０１３年３月１日に出願された米国特許出願第１３／７８２，８０２号に関連する主題を含む。

本発明は、２ストロークサイクル内燃機関（２ストロークサイクルエンジン）に関する。特に、燃焼のために圧縮された空燃混合気（ｃｈａｒｇｅａｉｒ，給気）をもたらし、燃焼生成物を処理する空気処理システムを有するユニフロー掃気式の対向ピストンエンジンに関する。いくつかの態様において、そのような空気処理システムは、排気を、再循環させて圧縮された空燃混合気と混合し、燃焼温度を下げる。

２ストロークサイクルエンジンは、クランクシャフトが完全に１回転し、およびクランクシャフトに接続されたピストンが２ストロークするパワーサイクルを完了する内燃機関である。２ストロークサイクルエンジンの一例には、２つのピストンが、対向方向に往復運動するためにシリンダのボア内に対向して配置される、対向ピストンエンジンがある。シリンダは、シリンダの各端付近に配置された、長手方向に間隔を空けて配置された吸気ポートと排気ポートとを有する。対向ピストンのそれぞれは、ポートの１つを制御し、ボトムセンタ（ＢＣ）位置に移動する場合にはポートを開き、ＢＣからトップセンタ（ＴＣ）位置に移動する場合にはポートを閉じる。ポートの一方は、ボアからの燃焼生成物の流路をもたらし、他方は、ボア内に空燃混合気を通すようにし、これらはそれぞれ、「排気」ポートおよび「吸気」ポートと称する。

図１Ａにおいて、２ストロークサイクル内燃機関は、少なくとも一つのポートシリンダ５０を有する対向ピストンエンジン４９によって実現される。例えば、本エンジンは、１つのポートシリンダ、２つのポートシリンダ、３つのポートシリンダ、または４つ以上のポートシリンダを有することができる。各シリンダ５０は、ボア５２、およびシリンダ壁の各端に形成されるか、または機械加工される、排気ポート５４ならびに吸気ポート５６を有する。排気ポート５４および吸気ポート５６のそれぞれは、隣接する開口が固体ブリッジによって分けられる１つまたは複数の周方向に並んだ開口を含む。一部の記述では、各開口は、「ポート」と称されるが、周方向に並んだそのような「ポート」の構造は、図１Ａに示したポート構造と何ら違いはない。示した例において、エンジン４９は、２つのクランクシャフト７１および７２をさらに含む。排気ピストン６０および吸気ピストン６２は、互いに対向するそれぞれの端面６１および６３でボア５２に摺動可能に配置される。排気ピストン６０は、クランクシャフト７１に結合され、吸気ピストンはクランクシャフト７２に結合される。

シリンダ５０のピストン６０および６２がＴＣ付近にある場合、燃焼室は、ピストンの端面６１および６３の間のボア５２内に規定される。燃料は、シリンダ５０の側壁を貫通する開口内に位置づけられた少なくとも一つの燃料噴射器ノズル１００を通じて燃焼室内に直接注入される。

図１Ａをさらに参照すると、エンジン４９は、エンジン４９にもたらされる空燃混合気およびエンジン４９によって生成される排気の搬送を管理する空気処理システム５１を含む。代表的な空気処理システム構造は、空燃混合気サブシステムおよび排気サブシステムを含む。空気処理システム５１では、空燃混合気サブシステムは、吸気を受け取り、それを空燃混合気に加工する空燃混合気源と、空燃混合気をエンジンの少なくとも一つの吸気ポートに搬送する空燃混合気源に結合される空燃混合気チャネルと、エンジンの１つまたは複数の吸気ポートに送達する前に、空燃混合気（または、空燃混合気を含むガスの混合物）を受け取り、冷却するために結合される空燃混合気チャネル内の少なくとも一つの空気冷却器とを含む。そのような冷却器は、空気対液体および／または空気対空気装置、または別の冷却装置を備えることができる。排気サブシステムは、他の排気部品に送達するために、エンジンの排気ポートから排気生成物を搬送する排気チャネルを含む。

図１Ａをさらに参照すると、空気処理システム５１は、タービン１２１を有するターボチャージャ１２０と、共通シャフト１２３を中心に回転するコンプレッサ１２２とを含む。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、空燃混合気サブシステムに結合される。ターボチャージャ１２０は、排気ポート５４を出て、排気ポート５４から直接排気チャネル１２４に流れる排気から、または排気ポート５４を通って排出される排気を集める排気マニホールド１２５から、エネルギーを抽出する。この点に関して、タービン１２１は、そこを通過する排気によって回転する。これにより、コンプレッサ１２２が回転し、吸気を圧縮することによって、空燃混合気を生成する。空燃混合気サブシステムは、スーパーチャージャ１１０を含む。コンプレッサ１２２によって排出された空燃混合気は、空燃混合気チャネル１２６を通り、冷却器１２７に流れ、スーパーチャージャ１１０によって吸気ポートに送り出される。スーパーチャージャ１１０によって圧縮された空気は、冷却器１２９を通って、吸気マニホールド１３０に排出することができる。吸気ポート５６は、スーパーチャージャ１１０によって送り出された空燃混合気を、吸気マニホールド１３０を通じて受け取る。マルチシリンダ対向ピストンエンジンでは、吸気マニホールド１３０は、全てのシリンダ５０の吸気ポート５６と通じている吸気プレナムで構成されることが好ましい。

図１Ａで示す空気処理システムは、エンジンのポートシリンダを通る排気を再循環することによって、燃焼によって生成されたＮＯｘ放出を低減するよう構成される。再循環された排気は、空燃混合気と混合され、ピーク燃焼温度が下がり、それにより、ＮＯｘ放出が低減する。この処理は、排気再循環（「ＥＧＲ」）と称される。示したＥＧＲ構造は、空燃混合気サブシステム内の新規吸気の進入流に、シリンダの外部のＥＧＰループを介して搬送される排気を使用する。再循環ガスは、バルブ１３８（このバルブは、「ＥＧＲバルブ」とも称される場合がある）の制御のもとで、導管１３１を通って流れる。

具体的なＥＧＲループ構造の一例（限定することを意図していない）には、図１Ｂで図示した高圧構成がある。この点に関して、高圧ＥＧＲループは、タービン１２１への入力の上流にあるソースから得た排気を、コンプレッサ１２２の出力の下流にある混合点に循環する。このＥＧＲループでは、導管１３１およびＥＧＲバルブ１３８は、排気マニホールド１２５からの排気の一部を分流して、コンプレッサ１２２によって導管１２６に排出された空燃混合気と混合させる。排気／空気を混合する必要が無い場合、バルブ１３８は、完全に閉じられ、何らの排気も伴わない空燃混合気が、シリンダに届けられる。バルブ１３８が次第に開かれると、ますます多量の排気が、空燃混合気に混合される。逆に、開状態から、バルブ１３８が次第に閉じられると、空燃混合気に混合される排気の量は徐々に減少する。このループにより、再循環された排気は、２つの冷却器１２７および１２９の冷却効果を受ける。冷却が少ない方が有利である場合、排気部分は、スーパーチャージャ１１０の吸入部に冷却器１２７で分流することができ、この代替案により、排気部分は、空燃混合気冷却器１２９のみにより冷却される。排気のみを冷却する専用ＥＧＲ冷却器を、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１１０への入力と直列に、導管１３１に組み込むことができる。

図１Ｂのように、２ストロークサイクル対向ピストンエンジンの空気処理システムを動作させる制御機構は、ＥＣＵ１４９を含む。ＥＣＵは、バルブ１３８および１３９（他のバルブも可能である）を、多速度または可変速装置を使用する場合にスーパーチャージャ１１０を、および可変静翼装置を使用する場合にターボチャージャ１２０を、自動的に動作させることにより、指定されたエンジンの動作条件に応じて、圧縮された空燃混合気と混合される排気の量を制御する。当然、ＥＧＲのために使用されるバルブおよび関連要素の動作は、電気的、空圧式、機械的、および油圧式作動動作の任意の１つまたは複数を含むことができる。高速で精密な自動動作のために、バルブは、連続的な可変設定を伴う、高速で、コンピュータ制御された装置であることが好ましい。各バルブは、（ＥＣＵ１４９によって制御された何らかの設定のために）ガスがバルブを通って流れることを可能にするために開放された状態、およびガスがバルブを通って流れることを遮断するために閉じられた状態を有する。

図１Ａおよび図１Ｂに図示したような２ストロークサイクル対向ピストンでは、スーパーチャージャを使用して、エンジン全体で正の圧力差を作り出し、気流およびＥＧＲ流を流す。スーパーチャージャに加えて、ターボチャージャを使用して、吸気側でコンプレッサを駆動するために排気エネルギー熱の一部を抽出し、スーパーチャージャに入る空気の密度を高め、したがって、スーパーチャージャを通る体積流量および圧力比を低減する。２ストロークサイクル対向ピストンエンジンのためのこれらの空気処理構造について、空燃混合気の管理ならびに効果的な送達および／または燃焼させるためにもたらされた空燃混合気内の排気の搬送ならびに混合の制御などの、正の目的を強調した。

しかしながら、対向ピストンエンジンの設計が、現代の搬送システムにおける用途のために発展を続けると、それらのエンジンのための空気処理システムは、性能の改善により一層寄与しなければならない。したがって、燃料消費を低減し、動作条件が変化した場合の過渡応答ならびに制御性を改善し、エンジン上の機械的負荷を増加することなく、外部ＥＧＲ駆動能力を改善する、改善された空気処理構造を有する対向ピストンエンジンを備えることが望ましい。

２ストロークサイクル対向ピストンエンジンは、ターボコンパウンドシステムを備える空気処理システムを有する。この点に関して、ターボコンパウンドシステムは、タービン内を流れる排気の流れに応じた回転の機械的出力（ｒｏｔａｒｙ−ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｏｕｔｐｕｔ）を生成するブローダウンタービン（「ブローダウンパワータービン」とも呼ばれる）を含む。回転の機械的出力は、エンジンの回転要素に結合される。ターボコンパウンドシステムは、排気からエネルギーを回収し、回収されたエネルギーをエンジンに戻し、それにより、エンジンの具体的な燃料消費を低減する。

いくつかの態様では、回転の機械的出力は、エンジンの連結クランクシャフトシステム（ｉｎｔｅｒｌｉｎｋｅｄ ｃｒａｎｋｓｈａｆｔ ｓｙｓｔｅｍ）に結合され、他の態様では、回転の機械的出力は、エンジンのクランクシャフトに結合され、さらに他の態様では、回転の機械的出力は、エンジンの電気コンバータに結合される。

いくつかの態様では、空気処理システムは、ターボチャージャとスーパーチャージャとの両方を含み、排気は、ターボチャージャ入力と並列のブローダウンタービンにもたらされる。他のいくつかの態様では、ブローダウンタービンは、ターボチャージャのタービン出力と直列に接続される。

いくつかの態様では、空気処理システムは、スーパーチャージャを含むが、ターボチャージャは含まない。これらの場合では、ブローダウンタービンは、ＥＧＲループと並行して排気の流れを受け取る。

さらなるいくつかの態様では、空気処理システムは、スーパーチャージャを含むが、ターボチャージャおよびＥＧＲループは含まない。これらの場合では、パワータービンは、排気の流れ全体を受け取る。

ＥＧＲを有する空気処理システムを備える対向ピストンエンジンの図であり、「先行技術」と適切に記される。

対向ピストンエンジンにおける空気処理システムを調節するための制御機構を示す概略図である。

ターボコンパウンドシステムの第一の配置を含む第一の空気処理システム構造を有する対向ピストンエンジンを示す概略図である。

ターボコンパウンドシステムの第二の配置を含む第一の空気処理システム構造を有する対向ピストンエンジンを示す概略図である。

ターボコンパウンドシステムの第三の配置を含む第一の空気処理システム構造を有する対向ピストンエンジンを示す概略図である。

ターボコンパウンドシステムの第四の配置を含む第一の空気処理システム構造を有する対向ピストンエンジンを示す概略図である。

ターボコンパウンドシステムの第五の配置を含む第一の空気処理システム構造を有する対向ピストンを示す概略図である。

ターボコンパウンドシステムの第六の配置を含む第一の空気処理システム構造を有する対向ピストンエンジンを示す概略図である。

ターボコンパウンドシステムの第一の配置を含む第二の空気処理システム構造を有する対向ピストンエンジンを示す概略図である。

ターボコンパウンドシステムの第二の配置を含む第二の空気処理システム構造を有する対向ピストンエンジンを示す概略図である。

ターボコンパウンドシステムを含む第三の空気処理システム構造を有する対向ピストンエンジンを示す概略図である。

ターボコンパウンドシステムを備える対向ピストンエンジンにおける、シリンダ、ピストン、およびクランクシャフトの配置を示す側面図である。

２ストロークサイクル対向ピストンエンジンのためのさまざまな異なる空気処理システム構造が説明され、その全てが、スーパーチャージャと組み合わせたターボコンパウンドシステムを使用する。例えば、図１Ｂでは、２ストロークサイクル対向ピストンエンジンの空気処理システムは、スーパーチャージャ１１０と、導管１２４内を流れる排気の一部を受け取り、回転の機械的出力を生成するブローダウンタービン２１０とを備える。いくつかの態様において、そのような空気処理システム構造は、ターボチャージャを含むことができる。あらゆる場合において、ターボコンパウンドシステムは、エネルギーを、エンジンの回転部品に戻るように結合された回転の機械的な力（力学的な力）に変換し、したがって、所望のエンジン出力を生成するのに要する燃料を削減する。

いくつかの態様において、動作条件および構成要素の選択により、ターボチャージャ／スーパーチャージャの組み合わせを有するターボコンパウンドシステムの総合効率は、ターボチャージャ／スーパーチャージャの組み合わせのみを有する空気処理システムの効率より高くなる可能性を有している。

ターボコンパウンドシステムは、エンジンの排気圧を制御するのに有用な、重要な制御パラメータである、ブローダウンタービンを通る排気の流れを調節するバイパスバルブを備えることが好ましい。そのような調節はまた、エンジンを通る質量流か、またはエンジン全体の圧力降下を、したがって、ターボチャージャタービンの速度を制御するのに有用である。ブローダウンタービンを通る排気の流れを調節することにより排気圧を高めるための能力はまた、外部ＥＧＲ駆動圧力差を高める補助をすることができ、したがってエンジン排出のよりよい制御ができる。詳細に説明する空気処理構造では、バイパスバルブは、空気管理入力およびエンジン動作条件に応じて、図１Ｂと関連して上記のように空気処理システム構成要素を制御するよう動作可能な空気処理システム制御機構に接続されたコンピュータ制御装置である。

ターボチャージャおよびスーパーチャージャを含むそれらの空気処理構造では、ブローダウンタービンは、ターボチャージャタービンと直列、または並列な排気チャネルに位置が定められる。いくつかの態様において、ブローダウンタービンによって生成される回転の機械的出力は、エンジンのギヤトレーン（歯車列）、スーパーチャージャの駆動ギヤ、または電気エネルギー装置に結合される。

図２、図３、および図４を参照すると、図１Ａおよび図１Ｂで図示したような空気処理システムは、タービン入力２１１、タービン出力２１２、および回転の機械的出力２１３を有するブローダウンタービン２１０を含むターボコンパウンドシステム２００を備える。ブローダウンタービン２１０は、軸流または半径流装置とすることができる。タービン入力２１１は、タービン１２１の出力に結合される。タービン出力２１２は、排気出力チャネル２１５に結合される。排気出力チャネル２１５は、排気がエンジンから流れ出る１つまたは複数の後処理（ＡＴ）装置を含むことが好ましい。ブローダウンタービンは、タービン入力２１１およびタービン出力２１２の間に接続されたバイパスバルブ２２０によって分流される。スーパーチャージャ１１０は、ギヤ２５１を介して連結クランクシャフトシステム２５０によって駆動される。

図２のように、ブローダウンタービン２１０の回転の機械的出力２１３は、流体結合部２１４を介して、エンジン４９の回転要素に結合される。いくつかの態様において、回転要素は、クランクシャフト７１および７２が結合される連結クランクシャフトシステム２５０の要素である。回転要素は、クランクシャフト７１および７２の１つであることが好ましい。

図３を参照すると、空気処理システムは、ブローダウンタービン２１０の回転の機械的出力２１３が、スーパーチャージャ１１０を駆動するギヤ２５１に、ギヤ２５２によって直接結合されることを除いて、図２と同じ方法で構成される。

図４を参照すると、空気処理システムは、ブローダウンタービン２１０の回転の機械的出力２１３が、ジェネレータ２６０と、バッテリ２６２と、電気モータ２６３とを含む電気駆動システムによって直接結合され、スーパーチャージャ１１０を直接駆動することを除いて、図２と同じ方法で構成される。

図５、図６、および図７を参照すると、図１Ａおよび図１Ｂで図示したような空気処理システムは、タービン入力２１１、タービン出力２１２、および回転の機械的出力２１３を有するブローダウンタービン２１０を含むターボコンパウンドシステム２００を備える。ブローダウンタービン２１０は、軸流または半径流装置とすることができる。タービン入力２１１は、タービン１２１の入力と共通の排気チャネル１２４に結合される。タービン出力２１２は、タービン１２１の出力と共通の排気出力チャネル２１５に結合される。したがって、ブローダウンタービン２１０は、タービン１２１と並列に排気チャネルに結合される。バイパスバルブ２２０は、タービン入力２１１と直列に結合される。スーパーチャージャ１１０は、ギヤ２５１を介して連結クランクシャフトシステム２５０によって駆動される。

図５、図６、および図７では、ブローダウンタービンの回転出力２１３は、ぞれぞれ、図２、図３、および図４と同じ方法で、エンジン４９の回転要素に結合される。

図８、図９、および図１０を参照すると、ターボチャージャを有さない空気処理システムは、タービン入力２１１、タービン出力２１２、および回転の機械的出力２１３を有するブローダウンタービン２１０を含むターボコンパウンドシステム２００を備える。ブローダウンタービン２１０は、軸流または半径流装置とすることができる。タービン入力２１１は、排気チャネル１２４に結合される。タービン出力２１２は、排気出力チャネル２１５に結合される。スーパーチャージャ１１０は、ギヤ２５１を介して連結クランクシャフトシステム２５０に回転自在に結合される無段変速機（ＣＶＴ）によって駆動される。図８、図９、および図１０では、タービン出力２１３は、ギヤ２５６によって、クランクシャフトシステム２５０に結合される。図９では、バイパスバルブ２２０が、ブローダウンタービンの入力２１１を、排気出力チャネル２１５に分流する。図１０では、空気処理システムは、ＥＧＲループを伴わない。

スーパーチャージャを有するターボコンパウンドシステム：図２、図３、図５、および図６の空気処理システム構造では、スーパーチャージャの動作は、図１Ａおよび図１Ｂに示した空気処理システムよりも大きいが、全体的なシステム効率を向上させる可能性がある。このことは、流体結合部２１４または直接機械結合部２５１の効率が、コンプレッサの効率より良好であり、タービンパワーのより良好な利用をもたらし、スーパーチャージャの効率が、同量の質量流に対して（２１４または２５１によって可能にされる）圧力比要求の増加ために良好であるということのためである。ブローダウンタービンの回転の機械的出力が、スーパーチャージャを駆動するギヤに直接結合されるそれらの場合、スーパーチャージャをエンジンクランクシャフトに接続するギヤでの機械的負荷の低減をもたらし、したがって、ギヤトレーンの重量が減る。

図４および図７の空気処理システム構造では、排気力は、ブローダウンタービン２１０から引き込まれ、ブローダウンタービンによって生成される機械エネルギーを、スーパーチャージャを駆動するために使用される電気エネルギーに変換することによって、スーパーチャージャ１１０にもたらされる。これらの場合では、スーパーチャージャ１１０は、電気的に駆動され、クランクシャフトシステム２５０に直接接続されない。ターボコンパウンドシステム２００は、ジェネレータ２６０を駆動して、スーパーチャージャモータ２６３のために、電源２６２を充電する。

ターボチャージャおよびスーパーチャージャを有するターボコンパウンドシステム
直列構成：図２、図３、および図４の空気処理システム構造は、ターボチャージャタービン１２１と直列にターボコンパウンドシステム２００を配置し、後処理装置に入る前に、排気から追加エネルギーを取得する。図２および図３の構造では、追加エネルギーは、クランクシャフトシステム２５０に付加される。図４の構造では、追加エネルギーは、スーパーチャージャ１１０を駆動するために直接印加される。スーパーチャージャ動作要件は、図１Ａで図示した従来の場合においてよりも、これらの空気処理構造においてより大きくなり、それは、タービン１２１およびコンプレッサ１２２からの動作がより低くなるためであるが、追加のスーパーチャージャ動作は、ブローダウンタービン２１０によって生成された追加力より小さく、そのため、全体的なシステム効率が向上する。ブローダウンタービンをターボチャージャタービンと直列に接続することによって、ブローダウンタービン２１０がコンプレッサ圧力比をより高く保つようバイパスされる場合にターボチャージャタービンを通る排気の質量流が減少しないため、過渡事象の間、より高い力が要求される場合、（コンプレッサ圧力比が低く、質量流が高い場合）コンプレッサチョーキングの可能性を減らす。

図１Ｂの空気処理システム制御機構の制御下で、ブローダウンタービン２１０のバイパスバルブ２２０を閉じることで、排気がブローダウンタービン２１０を通り、それにより、排気圧が増加し、ＥＧＲ駆動圧力差が増加し、および／または質量流および圧力比が高い場合にタービン１２１が速度超過することを防ぐことができる。バイパスバルブ２２０を開くことはまた、排気圧を低減することを可能にし、エンジン４９全体の圧力差を高め、シリンダ内の掃気効率を改善し、シリンダ内でより多くのせき止められた外気により、より多くの力を生成することを可能にする。バイパスバルブ２２０はまた、掃気効率を改善することによって過熱した場合のピストン温度を下げるために開くことができる。さらに、バイパスバルブ２２０は、後処理に入る排気の温度を高めるために開くことができ、後処理装置の効率を改善する。

並列構成：図５、図６、および図７の空気処理システム構造では、ターボチャージャタービン１２１と並列にターボコンパウンドシステム２００を配置する。ＥＧＲのために進路変更されなかった排気の部分（「エンジン外排気」）は、タービン１２１およびブローダウンタービン２１０の間に割り当てられる。図５および図６を参照すると、ブローダウンタービン２１０は、排気エネルギーを機械的動力に変換するが、コンプレッサ１２２を駆動する代わりに、この動力を、２５１または２５２を通じてクランクシャフトシステム２５０に伝える。図７の構造では、追加エネルギーは、スーパーチャージャ１１０を駆動するために直接印加される。スーパーチャージャ動作要件は、図１Ａで見られた従来の場合においてよりも、この空気処理アーキテクチャでより大きくなり、それは、タービン１２１およびコンプレッサ１２２からの動作がより低くなるためであるが、追加のスーパーチャージャ動作は、ブローダウンタービン２１０によって生成された追加力より小さく、そのため、全体的なシステム効率が向上する。排気の流れを制御するバイパスバルブ２２０は、ブローダウンタービン２１０の前または後に配置することができ、どちらの場合でも、バイパスバルブ／ブローダウンタービンの直列組み合わせは、タービン１２１に並列である。しかしながら、ブローダウンタービン２１０の後にバイパスバルブ２２０を配置することによって、ブローダウンタービンによる温度降下のため、バイパスに入る排気の温度が下がり、バルブの耐久性をより高めるという利点となる。また、より高温の排気をブローダウンタービン２１０にもたらすことで、機械仕事に変換するためにブローダウンタービンに利用可能な排気エネルギーがより多くなる。

図１Ｂの空気処理システム制御機構の制御下で、ブローダウンタービン２１０のバイパスバルブ２２０を閉じることで、ブローダウンタービン２１０によって生成された動力を低減し、排気をタービン１２１に通すことによって排気圧を高め、および／または高圧ＥＧＲ回路の場合におけるＥＧＲ駆動圧力差を高めることができる。同じバルブ２２０を開くことで、ブローダウンタービン２１０を通る流れを増やすことにより排気圧を下げ、シリンダ内の掃気効率を改善するエンジン全体の圧力差を高め、シリンダ内のより多くのせき止められた外気によりさらに多くの動力を生成することを可能にし、掃気効率を改善することにより、過熱した場合にピストン温度を下げ、タービン１２１がその全体の質量流および圧力差を低減することによって速度超過することを防ぎ、および／または後処理装置の効率を改善するために重要な要件である後処理に入る外気の温度を高めることができる。

ターボチャージャを有さない空気処理システム構造：図８、図９、図１０の空気処理システム構造は、ターボチャージャを含まない。代わりに、クランクシャフト駆動スーパーチャージャ１１０が、空燃混合気の流れを駆動し排気を再循環させるために必要な、エンジン４９全体の正の圧力差を生成する。排気エネルギーから回転の機械的動作への変換は、ブローダウンタービン２１０によって排他的に実行される。ターボチャージャが無いことにより、スーパーチャージャ１１０のポンピング動作が著しく増加し、したがって、ブローダウンタービン２１０の追加は、スーパーチャージャ１００の動作中に費やされるエネルギーを望ましく埋め合わせる。バイパスバルブ２２０（図９）の追加により、図１Ｂの空気処理システム制御機構の制御下で、排気温度および圧力を調節するための機会をもたらす。本用途が可変背圧を必要とする場合、または１つの固定ブローダウンタービンがエンジンの動作範囲全体にわたる性能要件を満たさない場合、可変静翼ブローダウンタービンを使用することができる。あるいは、排気スロットルを固定形状ブローダウンタービンと共に使用して、ＥＧＲ流のための背圧要件を満たすことができる。

後処理の考察：図２から図１０を参照すると、特定の用途に基づいて、上記の空気処理構造を有する特定の後処理構造を有することが可能である。排気マニホールドから出る排気の温度は、従来の４ストロークディーゼルエンジンと比較して、２ストロークサイクル対向ピストンエンジンでは、より低くなることが予期される。ベースライン配置が図８から図１０に示され、ディーゼル用酸化触媒装置（ＤＯＣ）、選択的触媒還元装置（ＳＣＲ）、およびディーゼル微粒子フィルタ装置（ＤＦＲ）が、ブローダウンタービン２１０の出力に続いて一続きに配置される。いくつかの態様において、ＳＣＲの性能は、ＤＯＣおよびＤＰＦの間に配置された場合に向上する可能性があるが、これはＤＯＣおよびＤＰＦが、ＳＣＲ触媒のより早い着火を助けるためである。ＤＯＣはＳＣＲの前（上流）に位置づけられ、ＳＣＲ性能をより良好にするために、ＮＯの一部をＮＯ２に酸化する。この構成は、ウエストゲートを有する固定形状ターボチャージャまたはターボチャージャを有さないブローダウンタービンに続く後処理に特に良好に適合する。他の構成では、ＤＯＣ−ＳＣＲシステムが、エンジン４９とターボ機械装置との間に設置され、ＤＯＣ−ＤＰＦ構成を含む粒子状物質低減システムが、ターボ機械装置の後に設置される。ターボ機械装置の前にＤＯＣ−ＤＰＦシステムを設置することも可能である。ＮＯｘを制御するための別の手法は、非尿素ＳＣＲと共にリーンＮＯｘトラップ（ＬＮＴ）を使用することである。後処理構成要素（ＤＯＣ、ＤＰＦ、ＳＣＲ、ＬＮＴ、および、可能であれば、その他）は、ターボチャージャならびにターボコンパウンドシステムを伴うさまざまな異なる方法および組み合わせで配置することができることにも留意すべきである。これらの装置の一部または全ては、タービン１２１と直列なターボコンパウンドシステムの場合において、タービン１２１とブローダウンタービン２１０との間に設置することができる。しかしながら、並列の場合（図５、図６、および図７）、後処理構成要素は、２つの分岐における排気質量流の分割の前か、またはこれらの分岐が再び結合した後に、取り付けられる必要があり、排気質量流の全てに化学処理をもたらす。

結合している実施形態：ブローダウンタービンの回転出力を、対向ピストンエンジンの回転要素に結合する場合の一実施形態をここで説明する。この実施形態は、単に例示のためのものであり、限定することを意図していない。

図１１は、ブローダウンタービンを備える対向ピストンエンジンにおける、シリンダ、ピストン、およびクランクシャフトの配置を示す部分概要図である。本図は３シリンダ配置を示すが、これには限定する意図はなく、実際に、ブローダウンタービンは、より少ないまたはより多いシリンダを伴う対向ピストンエンジンの空気処理システムに適用される。図１Ａの例のように、対向ピストンエンジンは、シリンダ５０（またはスリーブまたはライナ）を含み、それぞれが、排気ポート５４および吸気ポート５６を含む。シリンダは、エンジンフレームまたはブロック（図示せず）に固定して取り付けられることが好ましい。このエンジン構造では、一対のピストン（この図では不可視）が、各シリンダ５０のボア内の対向相反運動のために配置される。各対の一方のピストンは、接続ロッドアセンブリ５７によってクランクシャフト７１の各クランクジャーナル７３に結合され、他方のピストンは、接続ロッドアセンブリ５９によってクランクシャフト７２の各クランクジャーナル７５に結合される。

図１１に対応する対向ピストンエンジンは、平行で互いに離間した構成で配置される２つの回転自在設置クランクシャフト７１および７２と、クランクシャフトにリンクして出力シャフト（図示せず）に結合するギヤトレーンアセンブリ２５０とを含む連結クランクシャフトシステムを含む。逆回転構成をギヤトレーンアセンブリ２５０から１つのギヤを除去することによって（または、別のギヤを追加することによって）もたらすことができるが、クランクシャフトは共回転することが好ましい。図１１は、ブローダウンタービン２１０に、クランクシャフト７１およびスーパーチャージャ１１０を、ギヤ２５２、２５１、２７０（ベルトを使用することもできる）を通じて結合するための例示的な実施形態を示す。この実施形態（限定することを意図していない）において、ブローダウンタービン２１０は、スーパーチャージャ１１０に、ギヤ２５２および２５１によって、直接結合される。この結合では、高速タービン２１０と低速クランクシャフト７２との間のギヤ比は、間にある中速スーパーチャージャ１１０を有することによってより良好に管理することができる。例えば、エンジン速度を２０００ｒｐｍとすることができ、スーパーチャージャ速度を５×２０００＝１００００ｒｐｍとすることができ、複合タービン速度を８×１００００＝８０００００ｒｐｍとすることができる。このことは、そのような速度の高い比を管理するために、エンジンと複合タービンとの間に１つのアイドルギヤを必要とし、間のスーパーチャージャ１１０が、アイドルギヤとして機能する。パワートランスミッションの機械的損失は、スーパーチャージャ１１０がパワー消費装置であり、ブローダウンタービン２１０がパワー生成装置であるため、より低くすることができる。したがって、パワー生成ブローダウンタービンによって補うことができない追加のスーパーチャージャ動作のみが、エンジン、クランクシャフト７１、およびスーパーチャージャ１１０の間で伝達されなければならない。これは、クランクシャフトとスーパーチャージャとの間の厚さが薄いギヤ２５１および２７０（または、低強度材料を使用すること）を意味する。ブローダウンタービン２１０が、スーパーチャージャ１１０が必要とするものよりも大きな動力を生成する場合では、この追加の動力は、クランクシャフトに、これらのギヤを通じて、戻される。

空気処理構造について、２つのクランクシャフトを有する対向エンジンに関して説明してきたが、これらの構造は、１つまたは複数のクランクシャフトを有する対向ピストンエンジンに適用することができることを理解すべきである。さらに、これらの構造のさまざまな態様は、対向して配置されるポートシリンダを有する対向ピストンエンジンに、および／または、１つまたは複数のクランクシャフトのいずれかの側に適用することができる。したがって、これらの構造に与えられる保護は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。

Claims (28)

1. 対向ピストンエンジンであって、排気ポートおよび吸気ポートを有する少なくとも一つのシリンダと、少なくとも一つの吸気ポートに空燃混合気をもたらすための空燃混合気チャネルと、少なくとも一つの排気ポートから排気を受け取るための排気チャネルと、前記空燃混合気チャネル内で空燃混合気を送り出すよう動作可能なスーパーチャージャとを備えており、
   前記エンジンが、前記排気チャネルから排気を受け取るよう結合される第一のタービン入力と前記エンジンの回転要素に駆動結合される回転出力とを有するブローダウンタービンとをさらに備えていることを特徴とする対向ピストンエンジン。
2. 前記エンジンが、前記排気チャネルに結合されるループ入力および前記空燃混合気チャネルに結合されるループ出力を有する排気再循環（ＥＧＲ）ループを備えていることを特徴とする請求項１に記載の対向ピストンエンジン。
3. 前記回転要素が、ギヤトレーンおよび電気コンバータのうちの一つであることを特徴とする請求項２に記載の対向ピストンエンジン。
4. 前記エンジンがギヤトレーンによって結合される２つのクランクシャフトを備えており、前記回転要素が前記クランクシャフトの１つであることを特徴とする請求項２に記載の対向ピストンエンジン。
5. 前記エンジンが、前記空燃混合気チャネルに結合される空燃混合気出力と、前記排気チャネルに結合される第二のタービン入力と、タービン出力とを有するターボチャージャを備えており、前記第一のタービン入力が前記タービン出力に結合されることを特徴とする請求項２に記載の対向ピストンエンジン。
6. 前記回転要素が、ギヤトレーンおよび電気コンバータのうちの一つであることを特徴とする請求項５に記載の対向ピストンエンジン。
7. 前記エンジンが、ギヤトレーンによって結合される２つのクランクシャフトを備えており、前記回転要素が、前記クランクシャフトの一つであることを特徴とする請求項２に記載の対向ピストンエンジン。
8. 前記エンジンが、前記空燃混合気チャネルに結合される空燃混合気出力と、前記排気チャネルに結合される第二のタービン入力と、タービン出力とを有するターボチャージャとを備えており、前記第一のタービン入力が、前記第二のタービン入力と共に前記排気チャネルに結合されることを特徴とする請求項２に記載の対向ピストンエンジン。
9. 前記回転要素が、ギヤトレーンおよび電気コンバータのうちの一つであることを特徴とする請求項８に記載の対向ピストンエンジン。
10. 前記エンジンが、ギヤトレーンによって結合される２つのクランクシャフトを備えており、前記回転要素が、前記クランクシャフトの一つであることを特徴とする請求項８に記載の対向ピストンエンジン。
11. 前記エンジンがターボチャージャを備えていないことを特徴とする請求項２に記載の対向ピストンエンジン。
12. 前記エンジンがターボチャージャを備えていないことを特徴とする請求項１に記載の対向ピストンエンジン。
13. 前記エンジンが、排気再循環（ＥＧＲ）ループを備えていないことを特徴とする請求項１２に記載の対向ピストンエンジン。
14. 前記エンジンが、前記ブローダウンタービンのタービン出力に続いて一続きに配置される、ディーゼル用酸化触媒装置、選択的触媒還元装置、およびディーゼル微粒子フィルタ装置からなる群から選択される一つまたは複数を含む後処理配置をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の対向ピストンエンジン。
15. 前記エンジンが、前記ブローダウンタービンを通る排気の流れを調節するように動作可能な前記排気チャネル内のバイパスバルブと、
    空気管理入力およびエンジン動作条件に応じて前記バイパスバルブを制御するように動作可能な制御機構とをさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の対向ピストンエンジン。
16. 前記エンジンが、前記排気チャネルに結合されるループ入力および前記空燃混合気チャネルに結合されるループ出力を有する排気再循環（ＥＧＲ）ループをさらに備えており、前記制御機構が、エンジン動作条件に応じて、前記スーパーチャージャ、前記ＥＧＲループ、および前記バイパスバルブを制御するよう動作可能であることを特徴とする請求項１５に記載の対向ピストンエンジン。
17. 前記回転要素が、ギヤトレーンおよび電気コンバータの一つであることを特徴とする請求項１６に記載の対向ピストンエンジン。
18. 前記エンジンが、ギヤトレーンによって結合される二つのクランクシャフトを備えており、前記回転要素が、前記クランクシャフトの一つであることを特徴とする請求項１６に記載の対向ピストンエンジン。
19. 前記エンジンが、前記空燃混合気チャネルに結合される空燃混合気出力と、前記排気チャネルに結合される第二のタービン入力と、タービン出力と、を有するターボチャージャを備えており、前記第一のタービン入力が前記タービン出力に結合されていることを特徴とする請求項１６に記載の対向ピストンエンジン。
20. 前記回転要素が、ギヤトレーンおよび電気コンバータのうちの一つであることを特徴とする請求項１９に記載の対向ピストンエンジン。
21. 前記エンジンがギヤトレーンによって結合される２つのクランクシャフトを備えており、前記回転要素が前記クランクシャフトの１つであることを特徴とする請求項１６に記載の対向ピストンエンジン。
22. 前記エンジンが、前記空燃混合気チャネルに結合される空燃混合気出力と、前記排気チャネルに結合される第二のタービン入力と、タービン出力とを有するターボチャージャを備えており、前記第一のタービン入力が、前記第二のタービン入力と並列に前記排気チャネルに結合されていることを特徴とする請求項１６に記載の対向ピストンエンジン。
23. 前記回転要素が、ギヤトレーンおよび電気コンバータのうちの一つであることを特徴とする請求項２２に記載の対向ピストンエンジン。
24. 前記エンジンがギヤトレーンによって結合される２つのクランクシャフトを備えており、前記回転要素が前記クランクシャフトの１つであることを特徴とする請求項２２に記載の対向ピストンエンジン。
25. 前記エンジンが、前記ブローダウンタービンのタービン出力に続いて一続きに配置されるディーゼル用酸化触媒装置、選択的触媒還元装置、およびディーゼル微粒子フィルタ装置のうちの一つまたは複数を含む後処理配置をさらに備える、請求項１５に記載の対向ピストンエンジン。
26. 請求項１から２５のいずれか一項に記載の対向ピストンエンジンを動作させる方法であって、
    前記エンジンの少なくとも一つのポートシリンダ内で排気を生成することと、
    前記ポートシリンダの排気ポートから排気チャネルを通じて排気を搬送することと、
    前記排気チャネルから前記排気の一部を再循環することと、
    外気を圧縮することと、
    再循環排気と前記圧縮外気とを混合して空燃混合気を形成することと、
    前記空燃混合気を圧縮することと、
    前記ポートシリンダの吸気ポートを通じて前記空燃混合気をもたらすことと、
    ブローダウンタービンにおいて前記排気の一部分を回転の機械的動作に変換することと、
    前記ブローダウンタービンの前記回転の機械的動作を前記エンジンの回転要素に繋げることと、
    を備えていることを特徴とする方法。
27. さらに、エンジンの空気管理条件およびエンジンの動作条件に応じて、回転動作に変換する前記排気の一部分を調節することによって、エンジンの排気圧を制御することを備えることを特徴とする請求項２６に記載の方法。
28. さらに、エンジンの空気管理条件およびエンジンの動作条件に応じて、回転動作に変換する前記排気の一部分を調節することによって、質量流および圧力降下のうちの一つを制御することを備えることを特徴とする請求項２６に記載の方法。

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