JP2018053895A - 排気ガスからエネルギを回生するシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ブローダウン排気およびエクスパルジョン排気を各排気バルブの適当なタイミングで分離して、タービンまたは適当なタービンのジオメトリを有するタービンの一部に案内することができるようにする。
【解決手段】内燃エンジン２０は、排気行程のブローダウンおよびエクスパルジョンを実質的に分離することができるように、各燃焼室に対して２つの排気バルブ２４，２５を有する。２つの独立した排気ガスの流れが、最も効率的に利用されるように、排気ターボチャージャ３０の異なる幾何学的形状に案内される。排気バルブ可変タイミングシステムおよび排気ガスの流れのためのバイパス経路４３が用いられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気ターボチャージャ（排気ターボ過給機）に関し、とりわけ、これに限定するものではないが、ガソリンエンジンに連動して設けられた排気ターボチャージャに関する。本発明の態様は、組み合わせ、装置、車両、および方法に関する。

排気ターボチャージャは、排気ガスの流れ（ストリーム）により駆動されるタービンと、タービンにより駆動されてエンジンへの吸気量を増大させるコンプレッサとを有する。より多量の燃料を各燃焼行程で燃焼させることができるので、出力パワーを増大させることができる。こうした排気ターボチャージャは、内燃エンジンの知られた特徴である。

単純なターボチャージャは、タービンに対する固定アスペクト比で特徴付けられる。このアスペクト比は、特定のエンジン速度および負荷にのみ最適化することができるので、エンジン速度が小さく、排気ガスの流速が小さいときには出力パワーの増大が得られず、エンジン速度が大きく、排気ガスの流速が大きいときには出力パワーの増大があまりにも大きくなり、前者と後者の間で妥協点を見出す必要がある。後者の場合、過剰なパワー増大は、ウェイストゲートバルブを介して解消することができるが、無駄になった排気ガスの流れからエネルギを抽出することはできない。

タービン渦形状がエンジン速度に応じて変化するように、可変ジオメトリ（幾何学的形状）排気ターボチャージャが提案されてきた。こうした構造により、エンジン速度の全体的な領域で多少とも幾何学的形状を最適化することができ、低速エンジン回転および高速エンジン回転の両方でターボチャージャを効率的に動作させることができる。

可変ジオメトリターボチャージャは、たとえばエンジン速度に基づいて、ガスを１つのタービンから別のタービンに順次導入して、特定のエンジン速度領域で各ターボチャージャを最適化することができる２ステージまたは３ステージターボチャージャに比して、空間をより十分に利用することができる。

典型的には、可変ジオメトリターボチャージャは、排気ガスの流れをタービンに案内するノズル装置を採用し、排気ガスの流れの導入角がエンジン速度に基づいて調整される。たとえば真空アクチュエータまたは電気的なステッピングモータを用いて、ノズル装置が起動される。

導入角は、低速エンジン回転ではタービンブレードに対してより直角に近い角度にして、高速エンジン回転ではより直角に遠い角度にする。しかし、エンジン回転が小さく、導入角が最適化されたとき、排気行程におけるエンジンからの排気ガスの効率的な排気を阻害するのに実質的に十分な背圧がタービンの上流側に発生する場合がある。これは、ガソリンエンジンのノッキングマージンを低減する場合がある。選択肢として、タービンの上流側の背圧を下げることができるが、排気ガスの流れからの回収エネルギを低減させることになる。

排気ターボチャージャを備えたガソリンエンジンの別の問題は、マルチシリンダ・レシプロピストンエンジンの排気ガスの拍動を分離しなければならない点にある。これは、各排ガスバルブが開いたときの圧力波の干渉を回避するために必要であり、排気行程におけるシリンダ掃気に悪影響を与える場合がある。この問題を解決するための１つの手段は、（点火順序に応じて）干渉する可能性のあるシリンダの排気導管を分離するパルス分離マニホールドを用いて、異なるターボチャージャ・タービンの異なる入力チャンネルに２つの排気導管を案内することであり、ツインスクロール・ターボチャージャと呼ばれる。

内燃エンジンにおいて、排気行程は２つの連続する段階を含むと考えることができる。第１には、排気バルブが開いたとき高圧パルスが発生し、燃焼室圧力が急速に下がり、この段階は、「ブローダウン」ともいい、短い期間を有する。

その後、排気ガスは、排気行程において、低圧状態でシリンダ／燃焼室から排出され、この段階を「エクスパルジョン（排除）」ともいい、比較的に長い期間を有する。従来式の可変ジオメトリターボチャージャの排ガスタービンは、エクスパルジョン排気に悪影響を与える傾向がある。

英国特許出願公開第2423797号（ロータス）には、各シリンダに２つの排ガスバルブを有するマルチシリンダ内燃エンジンが記載され、各排ガスバルブは、それぞれの排気ターボチャージャおよび排気ターボコンパウンドに接続された排気導管を有する。

英国特許出願公開第2423797号明細書

本発明に係る１つの態様によれば、内燃エンジンおよび排気ターボチャージャが提供される。内燃エンジンは、２つの排気ポートを有し、各排気ポートは、その中の流れを制御する排気バルブを有し、それぞれの排気管を介して排気ターボチャージャのタービン入口に接続され、各排気管に付随するタービンの幾何学的形状が異なる。

各燃焼室に対して２つの独立した燃焼管を設けることにより、ブローダウン排気およびエクスパルジョン排気を各排気バルブの適当なタイミングで分離して、タービンまたは適当なタービンのジオメトリ（幾何学的形状）を有するタービンの一部に案内することができる。すなわちブローダウン排気は、マスフロー（質量流量）および圧力において、より大きな拍動振幅を有する傾向があり、これを最大活用するように設計されたタービン幾何学的形状に案内される。エクスパルジョン排気は、マスフロー（質量流量）および圧力において、より小さな拍動振幅を有する傾向があり、これを最大活用するように設計されたタービン幾何学的形状に案内される。

レシプロピストンエンジンにおいて、各排気バルブのバルブタイミングは（クランク角に対する）開口タイミングおよび開口期間中の開口面積（ポペットバルブのバルブ上昇位置）に応じて変えてもよい。こうしたファクタは、典型的には、ポペットバルブのカムシャフトのカムの幾何学的形状によって決まる。択一的には、可変バルブタイミングシステムを採用し、たとえば電子エンジン制御システムの出力に基づいて、バルブタイミングのパラメータのうちのいくつかまたはすべてを変えてもよい。

本発明は、とりわけガソリンエンジンに適したものであるが、ディーゼルエンジンにも応用することができる。

本発明に係る実施形態では、可変バルブタイミングシステムは、排気バルブのそれぞれに対して設けてもよい。

典型的には、本発明は、マルチシリンダエンジンに適用され、２つの排気バルブが各燃焼室に対して設けられ、それぞれに燃焼管が設けられる。すなわち排気バルブは、２つのグループに分類され、各グループの排気バルブは共通のタイミングを有し、エンジンの各シリンダは定常状態で同一の動作を行う。

いくつかの手法により、各燃焼管に付随する異なるタービンの幾何学的形状を与えてもよい。

１つの実施形態では、単一のタービンホイールが直線的な（一定角度の）ベーンを有するが、ターボチャージャの複数の入口経路は、異なる角度で排気ガスをベーンに案内する。択一的には、タービン入口ガイドを湾曲させてもよく、入口経路は実質的に平行に並んで配置してもよい。別の実施形態では、これらの特徴の組み合わせを提供して、入口経路は平行でなく、タービンベーンが湾曲する。

望ましい排気ガス衝突角は、各排気管に関連するタービン渦を用いて実現することができる。

別の実施形態では、異なるタービンホイールを並べて共通のタービンシャフトに設けて、異なるタービン幾何学的形状を提供するように、各タービンを異なる排気管に接続してもよい。この構成において、タービンは、真っ直ぐの、または湾曲したブレードを有してもよく、排気ガスのための入口経路（ノズル角）は平行であってもよいし、平行でなくてもよい。

一般的に言えば、たとえばアスペクト比、タービン渦形状（ゼロポイントからの長さ、断面等）、ノズル角、およびブレード外形形状の中から選択された任意の適当な変数を用いて、各タービン幾何学的形状を選択してもよい。

本発明に係る１つの実施形態によれば、一方または両方のタービン幾何学的形状を変更することができる。すなわち従来の手段を用いて、たとえばエンジン速度、トルク要求、または同一の他の関連するファクタに基づいて、電子エンジン制御システムにより制御されて、タービン幾何学的形状を変えることができる。

たとえばタービンブレードに対する排気ガスの衝突角を変更すること、排気ガスノズルを遮蔽すること、または指向性タービン入口バルブもしくは指向性タービン入口ノズルを移動させることにより、タービンの幾何学的形状を変えることができる。

本発明に係る別の実施形態によれば、任意の請求項に記載された内燃エンジンと排気ターボチャージャの組み合わせを動作させる方法が提供され、この方法は、排気行程のブローダウン排気行程およびエクスパルジョン排気行程を実質的に分離するステップと、ブローダウン排気行程およびエクスパルジョン排気行程において、排気ターボチャージャのタービンホイールに異なる幾何学的形状を与えるステップとを有する。

本願の範疇において、上記段落、クレーム、および／または以下の明細書および図面に記載された、さまざまな態様、実施形態、実施例、および択一例、特に個々の特徴物は、独立してまたは組み合わせて採用することができる。たとえば１つの実施形態に関連して説明された特徴物は、その特徴物が矛盾するものでなければ、すべての実施形態に適用することができる。

本発明に係る他の特徴は、添付図面に単なる具体例として示すいくつかの実施形態に関する説明から明らかとなる。
本発明に係る第１の実施形態の概略図である。 本発明に係る第２の実施形態の概略図である。 本発明に係る第３の実施形態の概略図である。

本発明に係る第１の実施形態は、図１に示すように、４つの同一のシリンダ２１を含む４シリンダ直列レシプロピストン内燃エンジン２０を備え、各シリンダは、吸気マニホールド２３に接続された１つの吸気バルブ２２と、排気マニホールド２６，２７にそれぞれ接続された２つの排気バルブ２４，２５と有する。吸気バルブ２２は、本発明においては重要ではなく、必要ならばより数多くの吸気バルブを設けてもよい。排気ガスの流れが各シリンダのすぐ下流で分割されるように、排気マニホールド２６，２７は独立した排気管を有する。このバルブは、従来式のばね付勢式のポペットバルブであり、適当なカムシャフト装置を用いて開閉されるものである。

この実施形態では、排気バルブの一方または両方は、エンジン出力部品（通常、クランク軸）に対してバルブ開閉のタイミングを調整し、および／または開口期間を調整し、および／または開口期間中に排気バルブにより形成される開口部の大きさを調整することができるタイプの１つまたはそれ以上の可変デバイスで制御される。すなわちポペットバルブに対して、多量または少量の排気ガスの流れを絞る（調整する）ようにバルブリフト（バルブ昇降機構）を制御することにより、より速くまたはより遅くシリンダから排気ガスを排気することができる。

バルブは、たとえばカムシャフトを用いて調和して動作させることができる。バルブは、独立したアクチュエータを用いて動作させることができ、この場合、独立したアクチュエータの各組は、調和して動作させることができる。本発明は、上述の可変バルブに関するものではない。

１つの実施形態において、各排気マニホールドに付随する排気バルブは、協働して動作し、すなわち同一のタイミング特性、同一の開口期間、および同一の開口部の大きさを有する。しかし、２組の排気バルブは、典型的には、互いに異なる動作特性を有する。たとえばブローダウン段階にある１つの組の排気バルブを、エクスパルジョン段階にある別の組の排気バルブより早期に開閉させることにより、各燃焼室のバルブがともに開口している重複期間がある。

排気ターボチャージャ３０は、排気マニホールド２６，２７の下流側であって、共通のハウジング３１内に配置され、通常の排気タービンホイール３２が、シャフト３４を介して通常の吸気タービンホイール３３に接続されている。本発明は、上述の排気ターボチャージャに関するものではないので、一般的なデザインに関するさらに詳細な説明を省略する。

タービンの出口は、車両排気管３５に連通する。圧縮ホイール３３は、新鮮な空気を受容するための入口３６と、従来式のインタークーラ（給気冷却器）３８を介して吸気マニホールドに接続されている。圧縮ホイール３３は、バイパスバルブ４０の作動により開閉するバイパス経路（迂回経路）３９を有する。バイパス経路３９は、一般的なものであり、自然吸気（加圧されない吸気）を改善するために圧縮ホイールが止まっているとき、取り込んだ空気に圧縮ホイールを迂回させるものであり、バイパスバルブ４０は、従来式のブローオフバルブすなわちサージバルブを提供して、圧縮ホイールの下流側における過剰な圧力吸気を吸気側または大気中にベント（排気）することができる。

排気側において、各排気マニホールド２６，２７は、バイパスバルブ４１，４２にそれぞれ接続されて、排気ガスの流れは、タービン３２へ、またはバイパス経路４３，４４を介して車両排気管３５へ案内される。後述するように、排気バイパス経路４３，４４は、それぞれの排気ガスの流れがタービン３２に対してより大きい、またはより小さい効果を与えるようにすることができる。

典型的には、バイパスバルブ４１，４２および可変バルブタイミング装置６１，６２の動作は、従来式のエンジン制御システムによる電子制御ユニット（ＥＣＵ）６０により制御され、エンジン速度および負荷に応じて、動作マップが動作パラメータを決定する。

すなわち使用時、エンジン２０は、典型的には、最小速度のアイドリング出力から最高速度の最大出力の動作範囲全体で動作することができる。典型的には、エンジンのさまざまな動作パラメータを調整して、とりわけバルブタイミング、点火タイミング、および燃料注入を調整して、燃料消費および不必要な排ガスを極力抑えながら、適当な動作特性を実現する。こうした調整は、通常、車両ドライバにとって明らかなものではない。

本発明に係る実施形態の動作について以下説明する。

エンジン速度が小さいか、負荷が小さいとき、排気ガスの流れから可能な限り大きなエネルギを抽出して、圧縮ホイール３３を介して、最大許容吸気圧力を提供することが好ましい。排気マニホールド２６，２７を介した排気ガスの２つの流れがあり、エネルギ抽出の可能性は増大する。

ブローダウン段階では、短期間の高圧パルスが利用可能であり、最も高い効果が得られる活動的なタービン幾何学的形状（タービンジオメトリ）に案内することができる。この高圧パルスは、たとえば排気バルブ２４、マニホールド２６、およびバイパスバルブ４１を介して案内される。ブローダウン段階の終了時、排気バルブ２４が閉口されるため、排気ガスの流れは活動的なタービン幾何学的形状にもはや供給されない。

しかしながら、排気バルブ２４が閉口する一方、排気バルブ２５が開口したままであるので、より長期間のエクスパルジョン段階において、排気ガスの比較的に安定した流れを、マニホールド２７およびバルブ４２を介してあまり活動的でないタービン幾何学的形状に供給することができる。

このような手段を用いて、燃焼室に対する過剰な背圧を回避しながら、エネルギ抽出を最大化することができる。これとは対照的に、活動的なタービン幾何学的形状を用いることにより、エネルギ変換を効率的に行うことができるが、エクスパルジョン段階で過剰な背圧が生じる。他方、穏やかなタービン幾何学的形状は、エクスパルジョン段階において有効であるが、ブローダウン段階では、たとえば従来式のウェイストゲートバルブを介して、過剰な背圧をベント（排気）することができる。後者の場合、エネルギは車両排気管に排気されて損失し、ウェイストゲートバルブでの圧力降下が大きくなるので、さらなる内燃チャンバに対する背圧は大きくなる。

可変バルブタイミング装置６１，６２は、所定の動作手法に基づいて、バルブタイミングおよび重複のパラメータを決定し、たとえばエンジンベンチテストにより実験的に決定し、従来の慣例に従い、エンジン制御システム内で保持することができる。すなわち１つの組の排気バルブの閉口と、別の組の排気バルブの閉口とを重複させることにより、排気ガスの流れから最大のエネルギ量を抽出することができる。

特定の実施例では、たとえば内燃エンジンに対する背圧を低減し、または冷間始動時の通常の触媒コンバータを直ちに「着火」させるために、タービンホイールを全体的または部分的に迂回させることが好ましい。

エンジン速度および負荷が大きいとき、排気ガスの流れからの抽出エネルギ量を最適化するために、排気バルブのタイミングおよびバイパスバルブ４１，４２の動作に基づいて、それぞれのタービン幾何学的形状に案内される排気ガスの比率を変更してもよい。

図１に示す実施形態において、単一のタービンハウジングおよび単一のタービンホイールが想定されている。タービンホイールの入口に至るまで、排気ガスを分けるように、タービンハウジングが分割されている。

１つのシリンダの排気行程が別のシリンダの排気行程に影響を与えることを回避するために用いられるパルス分割マニホールドおよびツインスクロールタービンと比較すると、本発明は、排気行程のブローダウン段階およびエクスパルジョン段階に対して独立した経路を提供することにより、こうした干渉を未然に回避することができる。その結果、シリンダ間の相互連通を回避することができるので、排気バルブのパルス（拍動）発生が重複することができる。

上述のように、アスペクト比、ノズル出口の寸法および方向等の１つまたはそれ以上のパラメータにより、異なるタービン幾何学的形状に変更することができる。

１つの改良された実施形態では、アスペクト比、ノズル出口の寸法および方向等の１つまたはそれ以上のパラメータを変更するために、ＥＣＵ６０で制御されたアクチュエータを用いて、一方または両方のタービン幾何学的形状自体が調整可能であってもよい。

理解されるように、任意の群（グループ）のシリンダに対して、ブローダウン段階およびエクスパルジョン段階の許容可能な長さは、次式で決定される。
（ブローダウン段階の最大長さ）
＝７２０／（排気マニホールドに接続されるシリンダの数）
（エクスパルジョン段階の最大長さ）
＝７２０／（排気マニホールドに接続されるシリンダの数）

図２は、択一的な実施形態を示し、対応するバイパス経路４４に沿って配置されていたバイパスバルブ４２が省略されている。たとえばエクスパルジョン段階での迂回（バイパス）が必要とされない場合、この簡略化した構成は適当なものである。こうした構成は、より安価であり、エンジンコンパートメント（エンジンルーム）内の多くの空間を占めることはない。

図３は、図２と同様の別の実施形態を示し、単一のバイパスバルブ４１ａがタービンホイールへの枝分かれ部分より下流側に配置されている。この手段により、すべての排気ガスの流れがタービンホイールへ案内されるか、またはほとんどの排気ガスの流れがバイパス経路を介して車両排気管へ案内され得る。

バイパスバルブ４１，４２は、典型的には、比例バルブであり、２つの出口の間において任意の比率で排気ガスの流れの分割することができる。こうしたバルブは、たとえば真空アクチュエータまたは電磁アクチュエータを用いて制御することができる。バイパスバルブ４１ａは、同様のものであり、ターボチャージャに案内される比率は予測可能な結果である。

本発明に係る特定の態様が、以下の番号付けされた段落に記載される。

態様１：
内燃エンジンと排気ターボチャージャの組み合わせであって、
内燃エンジンは、２つの排気ポートを有し、
各排気ポートは、その中の流れを制御する排気バルブを有し、それぞれの排気管を介して排気ターボチャージャのタービン入口に接続され、
各排気管に付随するタービン幾何学的形状が異なることを特徴とする組み合わせ。

態様２：
排気ターボチャージャは、単一のタービンホイールを有する、態様１に記載の組み合わせ。

態様３：
タービンホイールのベーン（羽根）がアーチ形状を有する、態様１または２に記載の組み合わせ。

態様４：
タービン入口は、ノズルを有する、態様１に記載の組み合わせ。

態様５：
複数のタービン入口は、それぞれのノズルを有する、態様４に記載の組み合わせ。

態様６：
ノズルの出口方向は、平行でない、態様５に記載の組み合わせ。

態様７：
ノズルは、その出口方向を変える手段を有する、態様４に記載の組み合わせ。

態様８：
タービン入口は、排気ガスの流れを案内するための１つまたはそれ以上のベーンを含むステータを有する、態様１に記載の組み合わせ。

態様９：
複数のタービン入口は、それぞれのステータを有する、態様８に記載の組み合わせ。

態様１０：
ステータは、排気ガスの流れの方向を変えるように移動可能である、態様８に記載の組み合わせ。

態様１１：
エンジンは、排気バルブ可変タイミングシステムを有し、
１つまたはそれ以上の排気バルブの開口期間が変更可能である、態様１に記載の組み合わせ。

態様１２：
エンジンは、排気バルブ可変タイミングシステムを有し、
１つまたはそれ以上の排気バルブの開口面積が変更可能である、態様１に記載の組み合わせ。

態様１３：
エンジンは、排気バルブ可変タイミングシステムを有し、
１つまたはそれ以上の排気バルブの開閉タイミングが、エンジンの出力部品の回転に対して変更可能である、態様１に記載の組み合わせ。

態様１４：
２つの排気管の一方の排気管が、迂回バルブを有し、
迂回バルブは、エンジンからの入口、およびターボチャージャの下流排気側に接続される出口を有する、態様１に記載の組み合わせ。

態様１５：
迂回バルブは、エンジンからの入口、ターボチャージャへの第１の入口、およびターボチャージャの迂回経路に接続される第２の入口を有する、態様１４に記載の組み合わせ。

態様１６：
２つの排気管の両方が、迂回バルブを有する、態様１５に記載の組み合わせ。

態様１７：
エンジンは、複数のシリンダを有する、態様１に記載の組み合わせ。

態様１８：
エンジンは、直列に配置された４つのシリンダを有する、態様１７に記載の組み合わせ。

態様１９：
態様１に記載のエンジンおよびターボチャージャの組み合わせを備えた車両。

態様２０：
前記態様に係る内燃エンジンと排気ターボチャージャの組み合わせを動作させる方法であって、
排気行程のブローダウン排気段階およびエクスパルジョン排気段階を実質的に分離するステップと、
ブローダウン排気段階およびエクスパルジョン排気段階において、排気ターボチャージャのタービンホイールに異なる幾何学的形状を与えるステップとを有する、方法。

態様２１：
エンジン速度および負荷に基づいて排気バルブのタイミングを変えるステップを有する、態様２０に記載の方法。

態様２２：
ブローダウン排気行程およびエクスパルジョン排気行程の一方または両方における排ガスの一部を、排気ターボチャージャの下流排気側に迂回させるステップを有する、態様２１に記載の方法。

２０…内燃エンジン、２１…シリンダ、２２…吸気バルブ、２３…吸気マニホールド、２６，２７…排気マニホールド、３２…タービン、３３…圧縮ホイール、３５…車両排気管、３６…入口、３８…インタークーラ（給気冷却器）、３９…バイパス経路（迂回経路）、４１，４１ａ，４２…バイパスバルブ、４３，４４…排気バイパス経路、６１，６２…可変バルブタイミング装置、６０…電子制御ユニット（ＥＣＵ）。

本発明は、排気ターボチャージャ（排気ターボ過給機）に関し、とりわけ、これに限定するものではないが、ガソリンエンジンに連動して設けられた排気ターボチャージャに関する。本発明の態様は、組み合わせ、装置、車両、および方法に関する。

排気ターボチャージャは、排気ガスの流れ（ストリーム）により駆動されるタービンと、タービンにより駆動されてエンジンへの吸気量を増大させるコンプレッサとを有する。より多量の燃料を各燃焼行程で燃焼させることができるので、出力パワーを増大させることができる。こうした排気ターボチャージャは、内燃エンジンの知られた特徴である。

単純なターボチャージャは、タービンに対する固定アスペクト比で特徴付けられる。このアスペクト比は、特定のエンジン速度および負荷にのみ最適化することができるので、エンジン速度が小さく、排気ガスの流速が小さいときには出力パワーの増大が得られず、エンジン速度が大きく、排気ガスの流速が大きいときには出力パワーの増大があまりにも大きくなり、前者と後者の間で妥協点を見出す必要がある。後者の場合、過剰なパワー増大は、ウェイストゲートバルブを介して解消することができるが、無駄になった排気ガスの流れからエネルギを抽出することはできない。

タービン渦形状がエンジン速度に応じて変化するように、可変ジオメトリ（幾何学的形状）排気ターボチャージャが提案されてきた。こうした構造により、エンジン速度の全体的な領域で多少とも幾何学的形状を最適化することができ、低速エンジン回転および高速エンジン回転の両方でターボチャージャを効率的に動作させることができる。

可変ジオメトリターボチャージャは、たとえばエンジン速度に基づいて、ガスを１つのタービンから別のタービンに順次導入して、特定のエンジン速度領域で各ターボチャージャを最適化することができる２ステージまたは３ステージターボチャージャに比して、空間をより十分に利用することができる。

典型的には、可変ジオメトリターボチャージャは、排気ガスの流れをタービンに案内するノズル装置を採用し、排気ガスの流れの導入角がエンジン速度に基づいて調整される。たとえば真空アクチュエータまたは電気的なステッピングモータを用いて、ノズル装置が起動される。

導入角は、低速エンジン回転ではタービンブレードに対してより直角に近い角度にして、高速エンジン回転ではより直角に遠い角度にする。しかし、エンジン回転が小さく、導入角が最適化されたとき、排気行程におけるエンジンからの排気ガスの効率的な排気を阻害するのに実質的に十分な背圧がタービンの上流側に発生する場合がある。これは、ガソリンエンジンのノッキングマージンを低減する場合がある。選択肢として、タービンの上流側の背圧を下げることができるが、排気ガスの流れからの回収エネルギを低減させることになる。

排気ターボチャージャを備えたガソリンエンジンの別の問題は、マルチシリンダ・レシプロピストンエンジンの排気ガスの拍動を分離しなければならない点にある。これは、各排ガスバルブが開いたときの圧力波の干渉を回避するために必要であり、排気行程におけるシリンダ掃気に悪影響を与える場合がある。この問題を解決するための１つの手段は、（点火順序に応じて）干渉する可能性のあるシリンダの排気導管を分離するパルス分離マニホールドを用いて、異なるターボチャージャ・タービンの異なる入力チャンネルに２つの排気導管を案内することであり、ツインスクロール・ターボチャージャと呼ばれる。

内燃エンジンにおいて、排気行程は２つの連続する段階を含むと考えることができる。第１には、排気バルブが開いたとき高圧パルスが発生し、燃焼室圧力が急速に下がり、この段階は、「ブローダウン」ともいい、短い期間を有する。

その後、排気ガスは、排気行程において、低圧状態でシリンダ／燃焼室から排出され、この段階を「エクスパルジョン（排除）」ともいい、比較的に長い期間を有する。従来式の可変ジオメトリターボチャージャの排ガスタービンは、エクスパルジョン排気に悪影響を与える傾向がある。

英国特許出願公開第2423797号（ロータス）には、各シリンダに２つの排ガスバルブを有するマルチシリンダ内燃エンジンが記載され、各排ガスバルブは、それぞれの排気ターボチャージャおよび排気ターボコンパウンダに接続された排気導管を有する。

英国特許出願公開第2423797号明細書

本発明に係る１つの態様によれば、内燃エンジンの排気ガスからエネルギを回生するシステムが提供される。内燃エンジンは、第１および第２の排気ポートを有し、第１の排気ポートは、その中の排気ガスの流れを制御する第１の排気バルブを有し、第２の排気ポートは、その中の排気ガスの流れを制御する第２の排気バルブを有し、第１および第２の排気ポートは、それぞれ第１および第２の排気管を介して排気ターボチャージャの第１および第２のタービン入口に接続され、第１および第２の排気管に付随するタービン幾何学的形状が異なる。第１および第２の排気バルブが、排気行程のブローダウン排気段階およびエクスパルジョン排気段階を実質的に分離することにより、ブローダウン排気段階で排気される排気ガスが第１の排気ポートを介して第１のタービン入口に案内され、エクスパルジョン排気段階で排気される排気ガスが第２の排気ポートを介して第２のタービン入口に案内される。

各燃焼室に対して２つの独立した燃焼管を設けることにより、ブローダウン排気およびエクスパルジョン排気を各排気バルブの適当なタイミングで分離して、タービンまたは適当なタービンのジオメトリ（幾何学的形状）を有するタービンの一部に案内することができる。すなわちブローダウン排気は、マスフロー（質量流量）および圧力において、より大きな拍動振幅を有する傾向があり、これを最大活用するように設計されたタービン幾何学的形状に案内される。エクスパルジョン排気は、マスフロー（質量流量）および圧力において、より小さな拍動振幅を有する傾向があり、これを最大活用するように設計されたタービン幾何学的形状に案内される。

レシプロピストンエンジンにおいて、各排気バルブのバルブタイミングは（クランク角に対する）開口タイミングおよび開口期間中の開口面積（ポペットバルブのバルブ上昇位置）に応じて変えてもよい。こうしたファクタは、典型的には、ポペットバルブのカムシャフトのカムの幾何学的形状によって決まる。択一的には、可変バルブタイミングシステムを採用し、たとえば電子エンジン制御システムの出力に基づいて、バルブタイミングのパラメータのうちのいくつかまたはすべてを変えてもよい。

本発明は、とりわけガソリンエンジンに適したものであるが、ディーゼルエンジンにも応用することができる。

本発明に係る実施形態では、可変バルブタイミングシステムは、排気バルブのそれぞれに対して設けてもよい。

典型的には、本発明は、マルチシリンダエンジンに適用され、２つの排気バルブが各燃焼室に対して設けられ、それぞれに燃焼管が設けられる。すなわち排気バルブは、２つのグループに分類され、各グループの排気バルブは共通のタイミングを有し、エンジンの各シリンダは定常状態で同一の動作を行う。

いくつかの手法により、各燃焼管に付随する異なるタービンの幾何学的形状を与えてもよい。

１つの実施形態では、単一のタービンホイールが直線的な（一定角度の）ベーンを有するが、ターボチャージャの複数の入口経路は、異なる角度で排気ガスをベーンに案内する。択一的には、タービン入口ガイドを湾曲させてもよく、入口経路は実質的に平行に並んで配置してもよい。別の実施形態では、これらの特徴の組み合わせを提供して、入口経路は平行でなく、タービンベーンが湾曲する。

望ましい排気ガス衝突角は、各排気管に関連するタービン渦を用いて実現することができる。

別の実施形態では、異なるタービンホイールを並べて共通のタービンシャフトに設けて、異なるタービン幾何学的形状を提供するように、各タービンを異なる排気管に接続してもよい。この構成において、タービンは、真っ直ぐの、または湾曲したブレードを有してもよく、第１および第２の排気管からの排気ガスのための入口経路（ノズル角）は平行であってもよいし、平行でなくてもよい。

一般的に言えば、たとえばアスペクト比、タービン渦形状（ゼロポイントからの長さ、断面等）、ノズル角、およびブレード外形形状の中から選択された任意の適当な変数を用いて、各タービン幾何学的形状を選択してもよい。

本発明に係る１つの実施形態によれば、一方または両方のタービン幾何学的形状を変更することができる。すなわち従来の手段を用いて、たとえばエンジン速度、トルク要求、または同一の他の関連するファクタに基づいて、電子エンジン制御システムにより制御されて、タービン幾何学的形状を変えることができる。

たとえばタービンブレードに対する排気ガスの衝突角を変更すること、排気ガスノズルを遮蔽すること、または指向性タービン入口バルブもしくは指向性タービン入口ノズルを移動させることにより、タービンの幾何学的形状を変えることができる。

本発明に係る別の実施形態によれば、上記説明した内燃エンジンと排気ターボチャージャの組み合わせを動作させる方法が提供され、この方法は、排気行程のブローダウン排気行程およびエクスパルジョン排気行程を実質的に分離するステップと、ブローダウン排気行程およびエクスパルジョン排気行程において、排気ターボチャージャのタービンホイールに異なる幾何学的形状を与えるステップとを有する。

本願の範疇において、上記段落、クレーム、および／または以下の明細書および図面に記載された、さまざまな態様、実施形態、実施例、および択一例、特に個々の特徴物は、独立してまたは組み合わせて採用することができる。たとえば１つの実施形態に関連して説明された特徴物は、その特徴物が矛盾するものでなければ、すべての実施形態に適用することができる。

本発明に係る他の特徴は、添付図面に単なる具体例として示すいくつかの実施形態に関する説明から明らかとなる。
本発明に係る第１の実施形態の概略図である。 本発明に係る第２の実施形態の概略図である。 本発明に係る第３の実施形態の概略図である。

本発明に係る第１の実施形態は、図１に示すように、４つの同一のシリンダ２１を含む４シリンダ直列レシプロピストン内燃エンジン２０を備え、各シリンダは、吸気マニホールド２３に接続された１つの吸気バルブ２２と、排気マニホールド２６，２７にそれぞれ接続された２つの排気バルブ２４，２５と有する。吸気バルブ２２は、本発明においては重要ではなく、必要ならばより数多くの吸気バルブを設けてもよい。排気ガスの流れが各シリンダのすぐ下流で分割されるように、排気マニホールド２６，２７は独立した排気管を有する。このバルブは、従来式のばね付勢式のポペットバルブであり、適当なカムシャフト装置を用いて開閉されるものである。

この実施形態では、排気バルブの一方または両方は、エンジン出力部品（通常、クランク軸）に対してバルブ開閉のタイミングを調整し、および／または開口期間を調整し、および／または開口期間中に排気バルブにより形成される開口部の大きさを調整することができるタイプの１つまたはそれ以上の可変デバイスで制御される。すなわちポペットバルブに対して、多量または少量の排気ガスの流れを絞る（調整する）ようにバルブリフト（バルブ昇降機構）を制御することにより、より速くまたはより遅くシリンダから排気ガスを排気することができる。

バルブは、たとえばカムシャフトを用いて調和して動作させることができる。バルブは、独立したアクチュエータを用いて動作させることができ、この場合、独立したアクチュエータの各組は、調和して動作させることができる。本発明は、上述の可変バルブに関するものではない。

１つの実施形態において、各排気マニホールドに付随する排気バルブは、協働して動作し、すなわち同一のタイミング特性、同一の開口期間、および同一の開口部の大きさを有する。しかし、２組の排気バルブは、典型的には、互いに異なる動作特性を有する。たとえばブローダウン段階にある１つの組の排気バルブを、エクスパルジョン段階にある別の組の排気バルブより早期に開閉させることにより、各燃焼室のバルブがともに開口している重複期間がある。

排気ターボチャージャ３０は、排気マニホールド２６，２７の下流側であって、共通のハウジング３１内に配置され、通常の排気タービンホイール３２が、シャフト３４を介して通常の吸気タービンホイール３３に接続されている。本発明は、上述の排気ターボチャージャに関するものではないので、一般的なデザインに関するさらに詳細な説明を省略する。

タービンの出口は、車両排気管３５に連通する。圧縮ホイール３３は、新鮮な空気を受容するための入口３６と、従来式のインタークーラ（給気冷却器）３８を介して吸気マニホールドに接続されている。圧縮ホイール３３は、バイパスバルブ４０の作動により開閉するバイパス経路（迂回経路）３９を有する。バイパス経路３９は、一般的なものであり、自然吸気（加圧されない吸気）を改善するために圧縮ホイールが止まっているとき、取り込んだ空気に圧縮ホイールを迂回させるものであり、バイパスバルブ４０は、従来式のブローオフバルブすなわちサージバルブを提供して、圧縮ホイールの下流側における過剰な圧力吸気を吸気側または大気中にベント（排気）することができる。

排気側において、各排気マニホールド２６，２７は、バイパスバルブ４１，４２にそれぞれ接続されて、排気ガスの流れは、タービン３２へ、またはバイパス経路４３，４４を介して車両排気管３５へ案内される。後述するように、排気バイパス経路４３，４４は、それぞれの排気ガスの流れがタービン３２に対してより大きい、またはより小さい効果を与えるようにすることができる。

典型的には、バイパスバルブ４１，４２および可変バルブタイミング装置６１，６２の動作は、従来式のエンジン制御システムによる電子制御ユニット（ＥＣＵ）６０により制御され、エンジン速度および負荷に応じて、動作マップが動作パラメータを決定する。

すなわち使用時、エンジン２０は、典型的には、最小速度のアイドリング出力から最高速度の最大出力の動作範囲全体で動作することができる。典型的には、エンジンのさまざまな動作パラメータを調整して、とりわけバルブタイミング、点火タイミング、および燃料注入を調整して、燃料消費および不必要な排ガスを極力抑えながら、適当な動作特性を実現する。こうした調整は、通常、車両ドライバにとって明らかなものではない。

本発明に係る実施形態の動作について以下説明する。

エンジン速度が小さいか、負荷が小さいとき、排気ガスの流れから可能な限り大きなエネルギを抽出して、圧縮ホイール３３を介して、最大許容吸気圧力を提供することが好ましい。排気マニホールド２６，２７を介した排気ガスの２つの流れがあり、エネルギ抽出の可能性は増大する。

ブローダウン段階では、短期間の高圧パルスが利用可能であり、最も高い効果が得られる活動的なタービン幾何学的形状（タービンジオメトリ）に案内することができる。この高圧パルスは、たとえば排気バルブ２４、マニホールド２６、およびバイパスバルブ４１を介して案内される。ブローダウン段階の終了時、排気バルブ２４が閉口されるため、排気ガスの流れは活動的なタービン幾何学的形状にもはや供給されない。

しかしながら、排気バルブ２４が閉口する一方、排気バルブ２５が開口したままであるので、より長期間のエクスパルジョン段階において、排気ガスの比較的に安定した流れを、マニホールド２７およびバルブ４２を介してあまり活動的でないタービン幾何学的形状に供給することができる。

このような手段を用いて、燃焼室に対する過剰な背圧を回避しながら、エネルギ抽出を最大化することができる。これとは対照的に、活動的なタービン幾何学的形状を用いることにより、エネルギ変換を効率的に行うことができるが、エクスパルジョン段階で過剰な背圧が生じる。他方、穏やかなタービン幾何学的形状は、エクスパルジョン段階において有効であるが、ブローダウン段階では、たとえば従来式のウェイストゲートバルブを介して、過剰な背圧をベント（排気）することができる。後者の場合、エネルギは車両排気管に排気されて損失し、ウェイストゲートバルブでの圧力降下が大きくなるので、さらなる内燃チャンバに対する背圧は大きくなる。

可変バルブタイミング装置６１，６２は、所定の動作手法に基づいて、バルブタイミングおよび重複のパラメータを決定し、たとえばエンジンベンチテストにより実験的に決定し、従来の慣例に従い、エンジン制御システム内で保持することができる。すなわち１つの組の排気バルブの閉口と、別の組の排気バルブの閉口とを重複させることにより、排気ガスの流れから最大のエネルギ量を抽出することができる。

特定の実施例では、たとえば内燃エンジンに対する背圧を低減し、または冷間始動時の通常の触媒コンバータを直ちに「着火」させるために、タービンホイールを全体的または部分的に迂回させることが好ましい。

エンジン速度および負荷が大きいとき、排気ガスの流れからの抽出エネルギ量を最適化するために、排気バルブのタイミングおよびバイパスバルブ４１，４２の動作に基づいて、それぞれのタービン幾何学的形状に案内される排気ガスの比率を変更してもよい。

図１に示す実施形態において、単一のタービンハウジングおよび単一のタービンホイールが想定されている。タービンホイールの入口に至るまで、排気ガスを分けるように、タービンハウジングが分割されている。

１つのシリンダの排気行程が別のシリンダの排気行程に影響を与えることを回避するために用いられるパルス分割マニホールドおよびツインスクロールタービンと比較すると、本発明は、排気行程のブローダウン段階およびエクスパルジョン段階に対して独立した経路を提供することにより、こうした干渉を未然に回避することができる。その結果、シリンダ間の相互連通を回避することができるので、排気バルブのパルス（拍動）発生が重複することができる。

上述のように、アスペクト比、ノズル出口の寸法および方向等の１つまたはそれ以上のパラメータにより、異なるタービン幾何学的形状に変更することができる。

１つの改良された実施形態では、アスペクト比、ノズル出口の寸法および方向等の１つまたはそれ以上のパラメータを変更するために、ＥＣＵ６０で制御されたアクチュエータを用いて、一方または両方のタービン幾何学的形状自体が調整可能であってもよい。

理解されるように、任意の群（グループ）のシリンダに対して、ブローダウン段階およびエクスパルジョン段階の許容可能な長さは、次式で決定される。
（ブローダウン段階の最大長さ）
＝７２０／（排気マニホールドに接続されるシリンダの数）
（エクスパルジョン段階の最大長さ）
＝７２０／（排気マニホールドに接続されるシリンダの数）

図２は、択一的な実施形態を示し、対応するバイパス経路４４に沿って配置されていたバイパスバルブ４２が省略されている。たとえばエクスパルジョン段階での迂回（バイパス）が必要とされない場合、この簡略化した構成は適当なものである。こうした構成は、より安価であり、エンジンコンパートメント（エンジンルーム）内の多くの空間を占めることはない。

図３は、図２と同様の別の実施形態を示し、単一のバイパスバルブ４１ａがタービンホイールへの枝分かれ部分より下流側に配置されている。この手段により、すべての排気ガスの流れがタービンホイールへ案内されるか、またはほとんどの排気ガスの流れがバイパス経路を介して車両排気管へ案内され得る。

バイパスバルブ４１，４２は、典型的には、比例バルブであり、２つの出口の間において任意の比率で排気ガスの流れの分割することができる。こうしたバルブは、たとえば真空アクチュエータまたは電磁アクチュエータを用いて制御することができる。バイパスバルブ４１ａは、同様のものであり、ターボチャージャに案内される比率は予測可能な結果である。

２０…内燃エンジン、２１…シリンダ、２２…吸気バルブ、２３…吸気マニホールド、２６，２７…排気マニホールド、３２…タービン、３３…圧縮ホイール、３５…車両排気管、３６…入口、３８…インタークーラ（給気冷却器）、３９…バイパス経路（迂回経路）、４１，４１ａ，４２…バイパスバルブ、４３，４４…排気バイパス経路、６１，６２…可変バルブタイミング装置、６０…電子制御ユニット（ＥＣＵ）。

Claims (25)

1. 内燃エンジンと排気ターボチャージャの組み合わせであって、
   内燃エンジンは、２つの排気ポートを有し、
   各排気ポートは、その中の流れを制御する排気バルブを有し、それぞれの排気管を介して排気ターボチャージャのタービン入口に接続され、
   各排気管に付随するタービン幾何学的形状が異なることを特徴とする組み合わせ。
2. 内燃エンジンのためのターボチャージャ装置であって、
   内燃エンジンの排気口から排気管を介して流体連通させるように構成された少なくとも第１および第２のタービン入口とを有し、
   各タービン入口および／または各排気管に付随するタービン幾何学的形状が異なることを特徴とするターボチャージャ装置。
3. 排気ターボチャージャは、単一のタービンホイールを有することを特徴とする請求項１に記載の組み合わせまたは請求項２に記載のターボチャージャ装置。
4. タービンホイールのベーンがアーチ形状を有することを特徴とする請求項１に記載の組み合わせまたは請求項２に記載のターボチャージャ装置。
5. タービン入口は、ノズルを有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１に記載の組み合わせまたはターボチャージャ装置。
6. 複数のタービン入口は、それぞれのノズルを有することを特徴とする請求項５に記載の組み合わせまたはターボチャージャ装置。
7. ノズルの出口方向は、平行でないことを特徴とする請求項６に記載の組み合わせまたはターボチャージャ装置。
8. ノズルは、その出口方向を変える手段を有することを特徴とする請求項５〜７のいずれか１に記載の組み合わせまたはターボチャージャ装置。
9. タービン入口は、排気ガスの流れを案内するための１つまたはそれ以上のベーンを含むステータを有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１に記載の組み合わせまたはターボチャージャ装置。
10. 複数のタービン入口は、それぞれのステータを有することを特徴とする請求項９に記載の組み合わせまたはターボチャージャ装置。
11. ステータは、排気ガスの流れの方向を変えるように移動可能であることを特徴とする請求項９または１０に記載の組み合わせまたはターボチャージャ装置。
12. エンジンは、排気バルブ可変タイミングシステムを有し、
    １つまたはそれ以上の排気バルブの開口期間が変更可能であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１に記載の組み合わせまたはターボチャージャ装置。
13. エンジンは、排気バルブ可変タイミングシステムを有し、
    １つまたはそれ以上の排気バルブの開口面積が変更可能であることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１に記載の組み合わせまたはターボチャージャ装置。
14. エンジンは、排気バルブ可変タイミングシステムを有し、
    １つまたはそれ以上の排気バルブの開閉タイミングが、エンジンの出力部品の回転に対して変更可能であることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１に記載の組み合わせまたはターボチャージャ装置。
15. ２つの排気管の一方の排気管が、迂回バルブを有し、
    迂回バルブは、エンジンからの入口、およびターボチャージャの下流排気側に接続される出口を有することを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１に記載の組み合わせまたはターボチャージャ装置。
16. 迂回バルブは、エンジンからの入口、ターボチャージャへの第１の入口、およびターボチャージャの迂回経路に接続される第２の入口を有することを特徴とする請求項１５に記載の組み合わせまたはターボチャージャ装置。
17. ２つの排気管の両方が、迂回バルブを有することを特徴とする請求項１６に記載の組み合わせまたはターボチャージャ装置。
18. エンジンは、複数のシリンダを有することを特徴とする請求項１〜１７のいずれか１に記載の組み合わせまたはターボチャージャ装置。
19. エンジンは、直列に配置された４つのシリンダを有することを特徴とする請求項１８に記載の組み合わせまたはターボチャージャ装置。
20. 請求項１〜１９のいずれか１に記載の組み合わせまたはターボチャージャ装置を備えた車両。
21. 請求項１〜２０のいずれか１に記載の内燃エンジンと排気ターボチャージャの組み合わせを動作させる方法であって、
    排気行程のブローダウン排気段階およびエクスパルジョン排気段階を実質的に分離するステップと、
    ブローダウン排気段階およびエクスパルジョン排気段階において、排気ターボチャージャのタービンホイールに異なる幾何学的形状を与えるステップとを有することを特徴とする方法。
22. エンジン速度および負荷に基づいて排気バルブのタイミングを変えるステップを有することを特徴とする請求項２１に記載の方法。
23. ブローダウン排気行程およびエクスパルジョン排気行程の一方または両方における排ガスの一部を、排気ターボチャージャの下流排気側に迂回させるステップを有することを特徴とする請求項２２に記載の方法。
24. 添付図面の図１、図２、または図３を参照して実質的に上記説明した内燃エンジンと排気ターボチャージャの組み合わせ。
25. 添付図面を参照して実質的に上記説明した内燃エンジンと排気ターボチャージャの組み合わせを動作させる方法。

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