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
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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。
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。
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)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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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