JP2018513938A

JP2018513938A - ターボ過給対向ピストンエンジン用の外部アシスト過給を有する空気処理システムの構造

Info

Publication number: JP2018513938A
Application number: JP2017552436A
Authority: JP
Inventors: レドン，ファビエン，ジー．; ナイク，スラミア，ディー．
Original assignee: アカーテースパワー，インク．
Priority date: 2015-04-07
Filing date: 2016-03-22
Publication date: 2018-05-31
Also published as: US10941733B2; WO2016164168A1; CN107820535A; US20190264639A1; EP3280878A1; US20180306144A1

Abstract

対向ピストンエンジンの空気処理システムが、電動アシスト圧縮機、電動アシストスーパーチャージャ、または電動アシストターボチャージャなどの外部のアシストによるポンプ要素を備える。【選択図】図３

Description

［関連出願／優先権］
本出願は、２０１５年４月７日に米国特許庁に提出された米国特許出願第６２／１４３，９１７号および２０１５年６月１５日に米国特許庁に提出された米国特許出願第６２／１７１，９１８号の優先権を主張する。本出願は、本出願と所有者が共通する２０１３年７月１１日に米国特許出願公開第２０１３／０１７４５４８号として公開された「スーパーチャージャを持たない２ストロークサイクルエンジン用のＥＧＲ（ＥＧＲＦｏｒＡＴｗｏ−ＳｔｒｏｋｅＣｙｃｌｅＥｎｇｉｎｅＷｉｔｈｏｕｔＡＳｕｐｅｒｃｈａｒｇｅｒ）」についての２０１３年３月１日に提出された米国特許出願第１３／７８２，８０２号の主題に関連する主題を含む。さらに、本出願は、本出願と所有者が共通する２０１４年１１月１３日に米国特許出願公開第２０１４／０３３１６５６号として公開された「対向ピストンエンジン用のターボコンパウンディングを有する空気処理構造（ＡｉｒＨａｎｄｌｉｎｇＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓＷｉｔｈＴｕｒｂｏ−ＣｏｍｐｏｕｎｄｉｎｇＦｏｒＯｐｐｏｓｅｄ−ＰｉｓｔｏｎＥｎｇｉｎｅｓ）」についての２０１３年５月１０日に提出された米国特許出願第１３／８９１，６２２号の主題に関連する主題を含む。

本分野は、２ストロークサイクル内燃機関である。とくには、本分野は、燃焼のための加圧された給気をもたらし、燃焼生成物を運び去る空気処理システムを備えるユニフロー掃気型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、本分野は、燃焼温度を下げるために排気ガスを再循環させて加圧された給気と混合する空気処理システムを備えるユニフロー掃気型対向ピストンエンジンに関する。

２ストロークサイクルエンジンは、クランクシャフトの１回転とクランクシャフトに接続されたピストンの２行程とによって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は、２つのピストンがシリンダのボア内に対向して配置され、反対の方向に往復運動する対向ピストンエンジンである。シリンダは、シリンダのそれぞれの端部の近くに位置する長手方向に間隔を空けて配置された吸気ポートおよび排気ポートを有する。対向するピストンの各々が、ポートのうちの一方を制御し、下死点（ＢＣ）の位置へと移動するときにポートを開き、ＢＣから上死点（ＴＣ）の位置へと移動するときにポートを閉じる。ポートのうちの一方は、ボアからの燃焼生成物の流出をもたらし、他方は、給気をボアへと流入させるように機能し、これらはそれぞれ「排気」ポートおよび「吸気」ポートと呼ばれる。ユニフロー掃気型対向ピストンエンジンにおいては、排気ガスが排気ポートから流出するときに給気が吸気ポートを通ってシリンダに進入する。したがって、ガスは、シリンダから排気ガスを追い出すとともに、シリンダに再び給気を供給する（「掃気」）ために、吸気ポートから排気ポートへとシリンダを通って単一の方向に流れる（「ユニフロー」）。

図１において、２ストロークサイクル内燃機関が、少なくとも１つのポート付きシリンダ５０を有する対向ピストンエンジン１０によって具体化されている。すなわち、エンジンは、１つのポート付きシリンダ、２つのポート付きシリンダ、３つのポート付きシリンダ、または４つ以上のポート付きシリンダを有することができる。各々のシリンダ５０は、ボア５２ならびにシリンダ壁のそれぞれの端部に形成または機械加工された排気ポート５４および吸気ポート５６を有する。排気ポート５４および吸気ポート５６の各々は、隣り同士の開口部をシリンダ壁の中実部分（「ブリッジ」）によって隔ててなる１つ以上の周方向の開口列を含む。いくつかの説明においては、各々の開口部を「ポート」と呼ぶが、このような「ポート」の周方向の配列の構成は、図１に示すポートの構成と何ら変わらない。図示の例において、エンジン１０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、それぞれの端面６１および６３を互いに対向させてボア５２内にスライド可能に配置されている。排気ピストン６０は、クランクシャフト７１に連結され、吸気ピストンは、クランクシャフト７２に連結されている。

シリンダ５０のピストン６０および６２がＴＣの付近にあるとき、燃焼室が、ボア５２内でピストンの端面６１および６３の間に定められる。燃料が、シリンダ５０の側壁を貫く開口に配置された少なくとも１つの燃料噴射ノズル７０を介して燃焼室へと直接噴射される。燃料は、端面の間で圧縮された給気と混ざり合い、圧縮された給気の熱および圧力に応答して点火する。燃焼が続く。

さらに図１を参照すると、エンジン１０は、対向ピストンエンジンの吸気ポートおよび排気ポートに結合しており、エンジン１０へと供給される給気およびエンジン１０が生じさせる排気ガスの輸送を管理する空気処理システム８０を含む。エンジンは、空気処理システムがエンジン１０の呼吸に必要な圧力をもたらすためのターボチャージャ１２０を含む点で、「ターボ過給」されている。ターボチャージャは、互いの回転に関して結合した圧縮機１２２およびタービン１２１を含む。この空気処理システムの構造は、エンジンの吸気ポート（複数可）に給気をもたらすように結合した給気チャネルと、エンジンの排気ポート（複数可）から排気ガスを運び去るように結合した排気チャネルとを含む。給気チャネルは、新鮮な空気の取り入れ口と、圧縮機と、圧縮機に結合し、給気をエンジンの吸気ポートへと運ぶ給気通路と、給気（または、給気を含むガスの混合物）を吸気ポートへともたらされる前に冷却する少なくとも１つの給気冷却器（ＣＡＣ）とを含む。そのような給気冷却器は、空気対液体および／または空気対空気の装置、あるいは他の冷却装置を備えることができる。排気チャネルは、タービンと、エンジンの排気ポートから排気ガスを運ぶ排気通路と、タービンの下流の他の構成要素とを含む。いくつかの場合、給気チャネルは、スーパーチャージャ１１０を含むことができる。

より詳細には、空気処理システム８０は、タービン１２１と圧縮機１２２とを有するターボチャージャ１２０を含む。タービン１２１および圧縮機１２２は、共通のシャフト１２３で回転する。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から直接に排気通路１２４へと流入し、あるいは排気ポート５４を通って排出された排気ガスを集める排気マニホルド１２５から排気通路１２４へと流入する排気ガスから、エネルギを抽出する。この点に関して、タービン１２１は、タービン１２１を通過する排気ガスによって回転させられる。これが、圧縮機１２２を回転させ、給気チャネルの入り口から圧縮機１２２へと流入する新鮮な吸気を圧縮することによって、給気を生じさせる。圧縮機１２２によって生成された給気は、給気通路１２６を通って給気冷却器１２７へと流れる。スーパーチャージャ１１０が追加されていると仮定すると、冷却された給気が、スーパーチャージャ１１０によって吸気ポートへと送り込まれる。スーパーチャージャ１１０によって圧縮された空気を、第２の給気冷却器１２９を介してインテークマニホルド１３０へと出力してもよい。吸気ポート５６は、スーパーチャージャ１１０によって送り込まれる給気を、吸気マニホルド１３０を介して受け取る。好ましくは、多気筒の対向ピストンエンジンにおいて、吸気マニホルド１３０は、エンジン１０の吸気ポート（複数可）５６に連通する吸気プレナムに組み合わせられる。

図１に示す空気処理システムを、排気ガスをエンジンのポート付きシリンダを通って再循環させることにより、燃焼によって生じるＮＯｘを低減するように構成することができる。再循環の排気ガスは、ピーク燃焼温度を下げることによってＮＯｘの排出を減らすために、給気と混合される。このプロセスは、排気ガス再循環（ｅｘｈａｕｓｔｇａｓｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）（「ＥＧＲ」）と呼ばれ、ガスを再循環させるチャネルは、「ＥＧＲループ」と呼ばれる。図示のＥＧＲの構成は、排気ポートから、シリンダの外部のＥＧＲループを介し、給気サブシステムの流入する新鮮な吸気の流れへと運ばれる排気ガスを利用する。

図１に示したＥＧＲループの構成は、高圧構成（「ショートループ」とも呼ばれる）である。この点に関して、高圧ＥＧＲループは、タービンの吸気口よりも上流を出所として得られる排気ガスを、圧縮機の出力の下流の混合点へと循環させる。図１のＥＧＲループにおいては、排気通路１３１およびＥＧＲバルブ１３８が、排気マニホルド１２５からの排気ガスの一部を分岐させ、圧縮機１２２によって給気通路１２６へと出力された給気と混合させる。このループにおいては、再循環の排気ガスが、２つの冷却器１２７および１２９の冷却効果を被る。冷却があまり必要でない場合には、排気ガス部分を、冷却器１２７を避けてスーパーチャージャ１１０の入力へともたらすことができ、この代案においては、排気ガス部分は、給気冷却器１２９のみによる冷却を被る。排気ガスのみを冷却する専用のＥＧＲ冷却器を、排気通路１３１へと、バルブ１３８に直列に、あるいはバルブ１３８の出力ポートおよびスーパーチャージャ１１０への入力に直列に、組み込んでもよい。

低圧ＥＧＲループ（「ロングループ」とも呼ばれる）は、タービンの出口よりも下流を出所として得られる排気ガスを、圧縮機の吸気口の上流の混合点へと循環させる。典型的には、ショートループのＥＧＲの構成は、ポンピングロス、給気チャネルにおける排気生成物の高濃度、およびタービンのラグにおいて不利になるが、応答が高速であり、あまり複雑でなく、耐久性が高い点で有利である。ロングループの構成は、タービンの応答がさらに遅くなり、複雑さが増すという犠牲を伴うが、ポンピングロスの低減、ターボチャージャを通過する質量流量の増加、および冷却能力の向上において有利である。

図２は、図１の空気処理システム８０を、より詳細に示している。この点に関して、新鮮な空気が、取り入れ口１４９から空気フィルタ１５０を介して圧縮機１２２の入口１２２ｉへと供給される。圧縮機１２２がタービン１２１によって回転させられるとき、圧縮された空気が、圧縮機の出口１２２ｏから給気通路１２６を通ってスーパーチャージャ１１０の入口１５１へと流れる。スーパーチャージャ１１０によって送られる給気は、スーパーチャージャの出口１５２を通って吸気マニホルド１３０へと流れる。加圧された給気は、吸気マニホルド１３０からエンジンブロック１６０に支持されたシリンダ５０の吸気ポートへともたらされる。第２の冷却器１２９を、給気チャネルにおいて、スーパーチャージャ１１０の出力と吸気マニホルド１３０との間に直列に設けてもよい。

シリンダ５０の排気ポートからの排気ガスは、排気マニホルド１２５からタービン１２１の入口１２１ｉへと流れ、タービンの出口１２１ｏから排気出口通路１２８へと流れる。ウェイストゲートバルブ１４４を含むタービンバイパスチャネル１４３が、タービン１２１の入口１２１ｉと出口１２１ｏとの間を、タービン１２１に並列に延びている。バルブ１４４は、エンジンからタービン１２１へと流入する排気ガスの量を制御するように動作する。タービン１２１をバイパスするようにバルブ１４４を完全に開くことで、排気エネルギを、タービン１２１および圧縮機１２２を動作させることなく排気出口通路１２８へと運ぶことができる。いくつかの場合、タービン１２１は、排気チャネルにおけるガス流（および、圧力）のさらなる制御をもたらし得る可変ジオメトリタービン（ＶＧＴ）装置を備えることができる。これらの態様において、タービン１２１は、変化するエンジンの速度および負荷に応じて変えることができる有効開口サイズを有する。いくつかの場合には、１つ以上の後処理装置１６２が、排気チャネルにおいて背圧バルブ１７０の下流に設けられる。排気は、ＥＧＲ通路１３１を通ってＥＧＲバルブ１３８の制御のもとで再循環させられる。ＥＧＲ通路１３１は、ＥＧＲミキサ１６３を介して給気チャネルに流体連通している。必ずしも必要ではないが、いくつかの場合においては、ＥＧＲ冷却器（「ＥＧＲ冷却器１６４」）が、ＥＧＲ通路１３１において、ＥＧＲバルブ１３８およびＥＧＲミキサ１６３に直列に設けられる。他の場合には、ＥＧＲ通路１３１に冷却器が存在しなくてもよい。

さらに図２を参照すると、空気処理システムは、給気および排気サブシステム内の別個の制御点においてガス流を制御するように用意されている。給気サブシステムにおいては、給気流およびブースト圧が、スーパーチャージャの出口１５２をスーパーチャージャの入口１５１に結合させる再循環チャネル１６５の動作によって制御される。再循環チャネル１６５は、吸気マニホルド１３０への給気の流れを調節し、したがって吸気マニホルド１３０における圧力を調節するバルブ（「再循環バルブ」）１６６を含む。排気サブシステムからの排気の流れを調節し、したがって排気サブシステムにおける背圧を調節するために、排気出口チャネルにバルブ（「背圧バルブ」）１７０を設けることができる。背圧バルブ１７０が設けられる場合、背圧バルブ１７０は、排気チャネルにおいてタービン１２１の出力１２１ｏと後処理装置１６２との間に配置される。

空気処理システムにスーパーチャージャが存在しない場合、ターボ過給の２ストロークサイクルエンジンは、エンジン速度の突然の上昇の要求に充分に応えることができない。この点に関して、エンジンの始動時、あるいはエンジンが低負荷および／または低速で動作しているとき、要求されたエンジン速度を達成すべく適切なレベルまで給気の流れを増加させる（「ブースト」）ために必要な圧縮機の速度を達成可能にするには、排気の流れが不充分である可能性がある。さらに、タービンの動作は、排気の流れの増加に対して応答が遅れる可能性がある。ターボチャージャに起因する過渡応答時間を短縮するために、機械的に駆動されるスーパーチャージャを、要求された増加に必要なブーストを迅速にもたらすために、圧縮機の出口の下流において、給気チャネルに追加することができる。しかしながら、スーパーチャージャおよび関連の接続機構は、エンジンに重量およびサイズを増大させ、したがって小型化に対する重大な障害を構成する。

さらに、エンジンの動作の効率を向上させるという要求に直面して、速度および負荷の変化に応答してエンジンにおけるガス流（排気および給気）を迅速かつ正確に制御することが、ますます重要になっている。図２に示した空気処理システムの制御の機械化は、ターボ過給の対向ピストンエンジン用の空気処理の制御の現状を表している。理解できるとおり、このようなエンジンのための空気処理の制御は、本質的に、排気および給気流のバルブによって制御された調整に依存する。空気処理の制御における或る程度の漸進的な改善を、ＶＧＴ装置およびスーパーチャージャ用の多段速度の機械式駆動装置の使用によって達成することができる。しかしながら、これらの手段は、有効性が限られ、実用性に疑問が残る。

エンジンの始動時、ならびに低速および軽負荷状態において直面される加速の要求への応答において、エンジンの効率および／または出力密度を犠牲にすることなく、迅速でありながら滑らかに給気の流れを加速させるためのターボ過給対向ピストンエンジンの空気処理システムを備えることが望ましい。これらの目的および目標ならびに他の目的および目標を、空気処理システムの給気チャネルのための外部のアシストによるポンプ要素の使用によって実現することができる。このような外部のアシストによるポンプ要素として、電動アシスト圧縮機、電動アシストスーパーチャージャ、または電動アシストターボチャージャを挙げることができる。

望ましいことに、ターボ過給対向ピストンエンジンにおいて給気の流れを生成するこれらの要素の外部からのアシストは、現時点において利用可能な空気処理の構成において達成できるよりも広い有効範囲にわたって給気の流れをより細かく制御するための基礎をもたらす。

ユニフロー掃気を有する先行技術のターボ過給式対向ピストンエンジンの概略図であり、「先行技術」と適切に標記されている。

図１の対向ピストンエンジン用の先行技術の空気処理システムの詳細を示す概略図であり、「従来技術」と適切に標記されている。

ターボ過給式対向ピストンエンジン用の空気処理システムの実施形態を示す概略図であり、電動アシスト圧縮機が空気処理システムの給気チャネルにおいてターボチャージャの圧縮機の入口の上流に設けられている。ターボ過給式対向ピストンエンジン用の空気処理システムの実施形態を示す概略図であり、電動アシスト圧縮機が空気処理システムの給気チャネルにおいてターボチャージャの圧縮機の入口の上流に設けられている。ターボ過給式対向ピストンエンジン用の空気処理システムの実施形態を示す概略図であり、電動アシスト圧縮機が空気処理システムの給気チャネルにおいてターボチャージャの圧縮機の入口の上流に設けられている。ターボ過給式対向ピストンエンジン用の空気処理システムの実施形態を示す概略図であり、電動アシスト圧縮機が空気処理システムの給気チャネルにおいてターボチャージャの圧縮機の入口の上流に設けられている。ターボ過給式対向ピストンエンジン用の空気処理システムの実施形態を示す概略図であり、電動アシスト圧縮機が空気処理システムの給気チャネルにおいてターボチャージャの圧縮機の入口の上流に設けられている。ターボ過給式対向ピストンエンジン用の空気処理システムの実施形態を示す概略図であり、電動アシスト圧縮機が空気処理システムの給気チャネルにおいてターボチャージャの圧縮機の入口の上流に設けられている。

ターボ過給式対向ピストンエンジン用の空気処理システムの実施形態を示す概略図であり、電動アシスト圧縮機が空気処理システムの給気チャネルにおいてターボチャージャの圧縮機の出口の下流に設けられている。ターボ過給式対向ピストンエンジン用の空気処理システムの実施形態を示す概略図であり、電動アシスト圧縮機が空気処理システムの給気チャネルにおいてターボチャージャの圧縮機の出口の下流に設けられている。ターボ過給式対向ピストンエンジン用の空気処理システムの実施形態を示す概略図であり、電動アシスト圧縮機が空気処理システムの給気チャネルにおいてターボチャージャの圧縮機の出口の下流に設けられている。

ターボ過給式対向ピストンエンジン用の空気処理システムの実施形態を示す概略図であり、電動アシストスーパーチャージャが空気処理システムの給気チャネルにおいてターボチャージャの圧縮機の出口の下流に設けられている。ターボ過給式対向ピストンエンジン用の空気処理システムの実施形態を示す概略図であり、電動アシストスーパーチャージャが空気処理システムの給気チャネルにおいてターボチャージャの圧縮機の出口の下流に設けられている。

ターボ過給式対向ピストンエンジン用の空気処理システムの実施形態を示す概略図であり、電動アシストスーパーチャージャが空気処理システムの給気チャネルにおいてターボチャージャの圧縮機に並列に設けられている。

電動アシストターボチャージャを備えた対向ピストンエンジンの空気処理システムの実施形態を示す概略図である。電動アシストターボチャージャを備えた対向ピストンエンジンの空気処理システムの実施形態を示す概略図である。電動アシストターボチャージャを備えた対向ピストンエンジンの空気処理システムの実施形態を示す概略図である。電動アシストターボチャージャを備えた対向ピストンエンジンの空気処理システムの実施形態を示す概略図である。電動アシストターボチャージャを備えた対向ピストンエンジンの空気処理システムの実施形態を示す概略図である。電動アシストターボチャージャを備えた対向ピストンエンジンの空気処理システムの実施形態を示す概略図である。

本開示は、ターボ過給式対向ピストンエンジンのための空気処理システムの構成および動作の態様に関するが、これらの態様を、燃料噴射、冷却、潤滑、などの他の対向ピストンエンジンのシステムおよび機能と組み合わせてもよいことを、理解すべきである。本開示において、図２によるターボ過給式対向ピストンエンジンのための空気処理システムが、電動アシスト圧縮機、電動アシストスーパーチャージャ、および電動アシストターボチャージャのうちの１つを備えることによって改良される。

電動アシスト圧縮機：電動アシスト圧縮機がエンジンの始動および加速の際にブーストをもたらすターボ過給式対向ピストンエンジンのための空気処理システムが、図３〜図１１に示されるそれぞれの実施形態によって説明される。ブーストが、電動アシスト圧縮機によってもたらされるがゆえに、これらの空気処理システムの実施形態は、スーパーチャージャを含まない。

本開示において、図３〜図１１を参照すると、「電動アシスト圧縮機」は、関連の電気モータによって駆動される遠心圧縮機などの動圧縮装置（ｄｙｎａｍｉｃｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｄｅｖｉｃｅ）を意味する。電動アシスト圧縮機は、関連するタービンを持たない単一の圧縮ユニットとして提供される。好ましくは、必ずしもではないが、圧縮機２００および関連の電気モータ２０１は、単一の一体化された装置として提供される。このような装置は、例えばＢｏｒｇ−Ｗａｒｎｅｒ（登録商標）からｅＢＯＯＳＴＥＲ（登録商標）という商品名で入手可能である。電動アシスト圧縮機を、エンジン制御ユニットの制御下で、回生蓄電装置（バッテリ、アキュムレータ）または他の手段によって動作させることができる。図３〜図８に示す実施形態において、電動アシスト圧縮機２００は、給気チャネルにおいて圧縮機１２２に直列に圧縮機１２２の入口１２２ｉの上流に配置され、図９〜図１２において、電動アシスト圧縮機２００は、給気チャネルにおいて圧縮機１２２に直列に圧縮機の出口１２２ｏの下流に配置される。

図３を参照すると、空気処理システムは、排気チャネルにおいてタービン出口１２１ｏの下流に位置する入力１８１と、給気チャネルにＥＧＲミキサ１６３を介して位置する出口とを有するロングＥＧＲループ１８０を含む。ロングＥＧＲループの構成において、排気の後処理装置１６２は、背圧バルブ１７０が閉じられているときにＥＧＲループを通る継続的な排気流を利用するために、背圧バルブの下流に配置される。電動アシスト圧縮機２００は、給気チャネルにおいて、圧縮機１２２に直列に、圧縮機入口１２２ｉの上流かつＥＧＲミキサ１６３の下流に配置される。この実施形態において、対向ピストンエンジン１０は、本出願と所有者が共通する「対向ピストンエンジンにおける空気処理の構成（ＡｉｒＨａｎｄｌｉｎｇＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓＦｏｒＯｐｐｏｓｅｄ−ＰｉｓｔｏｎＥｎｇｉｎｅｓ）」についての２０１４年５月２１日に提出された米国特許出願第１４／２８４，０５８号に教示されているように、全ての吸気ポートが給気を受け取るように配置された開放吸気チャンバを有するシリンダブロックによって構成されている。吸気チャンバは、エンジンブロックの両側に給気取り入れ口を有する。これらの給気取り入れ口への供給のために、給気チャネルは、圧縮機１２２の下流に第１および第２のブランチ２２０および２２２を含む。第１および第２のブランチ２２０および２２２は、圧縮機１２２の出口１２２ｏに結合した共通の入力２２３を有し、各々のブランチは、共通の入力２２３とそれぞれの給気取り入れ口との間に配置されたそれぞれの給気冷却器２２４および２２６を含む。好ましくは、タービン１２１は、ＶＧＴ装置を備える。

図４を参照すると、空気処理システムは、図３に示した構造と同じ構造を有するが、第３の給気冷却器２３０が追加され、給気チャネルにおいて電動アシスト圧縮機２００と圧縮機１２２との間に配置されている。

図５を参照すると、空気処理システムは、図３によるロングＥＧＲループ１８０を含む。電動アシスト圧縮機２００は、給気チャネルにおいて、圧縮機１２２に直列に、圧縮機入口１２２ｉの上流かつＥＧＲミキサ１６３の下流に配置される。この実施形態において、対向ピストンエンジン１０は、それぞれのマニホルド１２５および１３０によって遇される排気および吸気チャンバを有するシリンダブロックによって構成されている。したがって、給気チャネルは、圧縮機出口１２２ｏを吸気マニホルド１３０に結合させる単一の給気通路２２７を含む。給気通路２２７は、給気チャネルにおいて圧縮機１２２の出力１２２ｏと吸気マニホルド１３０との間に配置された給気冷却器２２９を含む。好ましくは、タービン１２１は、ＶＧＴ装置を備える。図６に示される空気処理システムは、タービン１２１がＶＧＴ装置を備えていない点を除き、図５に示した空気処理システムと同じ構成を有する。

図７および図８を参照すると、空気処理システムは、いずれもＥＧＲループまたは後処理装置を含まない点を除き、図５と同じ構成を有し、いずれの場合も、タービン１２１は、ＶＧＴまたはジオメトリ不変の装置を備えることができる。さらに、図８の空気処理システムは、背圧バルブを含まない。図７に示される空気処理システムは、給気チャネルにおいて新鮮な空気の取り入れ口１４９と電動アシスト圧縮機２００の入口２００ｉとの間に位置する入口２３３と、給気チャネルにおいて電動アシスト圧縮機の出口２００ｏと圧縮機１２２の入口１２２ｉとの間に位置する出口２３５とを有するバルブによって制御されるバイパスループ２３２を含む。バイパスループ２３２は、バイパスバルブ２３６を含む。

図９に示される空気処理システムを参照すると、電動アシスト圧縮機２００は、給気チャネルにおいて、圧縮機１２２に直列に、圧縮機の出口１２２ｏの下流かつエンジン１０の吸気ポートの上流、とくには吸気マニホルド１３０の上流に配置される。吸気冷却器２４０が、給気チャネルにおいて、圧縮機１２２の出口１２２ｏと電動アシスト圧縮機２００の入口２００ｉとの間に位置する。図１０においては、図９の空気処理システムが、給気チャネルにおいて電動アシスト圧縮機２００の出口２００ｏと吸気マニホルド１３０との間に給気冷却器２４２を追加することによって変更されている。図１１においては、図９の空気処理システムが、給気チャネルにおいて給気冷却器２４０の下流にバルブによって制御される逆流防止通路２４２を追加することによって変更されており、通路２４２は、電動アシスト圧縮機２００の入口２００ｉと共通の給気チャネルにおける入口２４３と、給気チャネルにおいて吸気マニホルド１３０の上流に位置する電動アシスト圧縮機２００の出口２００ｏと共通の出口とを有している。通路２４０はバルブ２４３を含む。逆流防止通路の目的は、電動アシスト圧縮機２００が必要とされない場合に主ターボチャージャを制限なく動作させることにある。

電動アシストスーパーチャージャ：電動アシストスーパーチャージャがエンジンの始動および加速の際にブーストをもたらすターボ過給式対向ピストンエンジンのための空気処理システムが、図１２〜図１４に示されるそれぞれの実施形態によって説明される。

本開示において、図１２〜図１４を参照すると、「電動アシストスーパーチャージャ」は、関連の電気モータによって駆動されるルーツ式ブロアなどの容積型の空気圧縮装置を意味する。電動アシストスーパーチャージャは、遠心圧縮機などの動的ガス流圧縮機ではなく、関連するタービンを持たない単一の圧縮ユニットとして提供される。このような装置は、例えば２０１５年２月１９日に公開された米国特許出願公開第２０１５／００４７６１７号に記載されている。好ましくは、必ずしもではないが、スーパーチャージャ２５０および関連の電気モータ２５１は、単一の一体化された装置として提供される。電動アシストスーパーチャージャを、エンジン制御ユニットの制御下で、回生蓄電装置（バッテリ、アキュムレータ）または他の手段によって動作させることができる。図１２および図１３に示される実施形態において、電動アシストスーパーチャージャ２５０は、給気チャネルにおいて、圧縮機１２２に直列に、圧縮機出口１２２ｏの下流に配置される。図１４に示される実施形態において、スーパーチャージャは、給気チャネルにおいて、圧縮機３２２ｂに並列に配置される。

図１２を参照すると、空気処理システムは、スーパーチャージャ１１０が電動アシストスーパーチャージャ２５０および関連のモータ２５１で置き換えられている点を除き、ショートＥＧＲループ１３１を含む図２の空気処理システム８０の構造に一致する。さらに、電動アシストスーパーチャージャによってもたらされる給気の流れの制御の程度に鑑み、空気処理システムは、スーパーチャージャ再循環ループを含まない。

図１３に示される実施形態を参照すると、対向ピストンエンジン１０は、開放排気および吸気チャンバを有するシリンダブロックによって構成されている。本出願と所有者が共通する「対向ピストンエンジンにおける空気処理の構成（ＡｉｒＨａｎｄｌｉｎｇＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓＦｏｒＯｐｐｏｓｅｄ−ＰｉｓｔｏｎＥｎｇｉｎｅｓ）」についての２０１４年５月２１日に提出された米国特許出願第１４／２８４，０５８号に教示されているように、エンジンの全ての排気ポートは、排気ガスの放出のために開放排気チャンバに位置し、全ての吸気ポートは、給気を受け取るために開放吸気チャンバに位置している。排気チャンバは、シリンダブロックの両側に排気出口を有し、吸気チャンバは、エンジンブロックの同じ両側に給気取り入れ口を有する。

排気出口のうちの１つが、マニホルド２６２を介してタービン入口１２２ｉに排気ガスを供給するように結合し、他方の排気出口は、排気マニホルド２６４によってショートＥＧＲループ２６０の入力に結合している。ショートＥＧＲループ２６０の出力は、圧縮機１２２の下流かつ圧縮機出口１２２ｏと給気冷却器２６６との間においてミキサ２６５を介して給気チャネルに配置される。給気冷却器２６６は、ミキサ２６５の下流かつミキサ２６５と電動アシストスーパーチャージャ２５０の入口２５０ｉとの間において給気チャネルに配置される。

給気取り入れ口への供給のために、給気チャネルは、電動アシストスーパーチャージャ２５０の下流に第１および第２のブランチ２７０および２７２を含む。第１および第２のブランチ２７０および２７２は、電動アシストスーパーチャージャ２５０の出口２５０ｏに結合した共通の入力２７３を有し、各々のブランチは、共通の入力２７３とそれぞれの給気取り入れ口との間に配置されたそれぞれの給気冷却器２７４および２７６を含む。タービン１２１は、ＶＧＴ装置を備えてもよい。

図１２および図１３には示されていないが、空気処理システムには、図２において見られる再循環チャネル１６５などの再循環チャネルを備えてもよい。

図１４を参照すると、図示の空気処理システムは、図１３に示して説明した構成よりもはるかに単純な構成を有する。スーパーチャージャ２５０を機械的に駆動して電動アシストスーパーチャージャを実現する電気モータ２５１が、ターボチャージャの圧縮機１２２に並列に配置される。さらに、単一の吸気および排気マニホルド１３０および１２５が、それぞれシリンダブロックの各側に位置する。この構成では、可変速ターボチャージャをもたらすために機械的または電気的にタービンを駆動する複雑さを回避して、通常のターボチャージャを使用することができる。随意により、ロングＥＧＲループ１８０を、タービン１２１の低圧出口側１２１ｏにおいて、スーパーチャージャ２５０の前に追加してもよい。より高いモータ速度は、より高い圧力比で動作するより小型のスーパーチャージャと相性がよい。さらに、この構成は、スーパーチャージャがきわめて少ない空気の流れを供給することができ、ターボチャージャの効率が吸入口から排気口までの圧力差をもたらすために充分に高いときにスーパーチャージャをオフにすることができるため、高効率のターボチャージャにおいてより良好となり得る。圧縮機の出力とスーパーチャージャとの間に配置される制御バルブ２５３が、要求された圧力差の正確なバランスのために、スーパーチャージャおよび圧縮機の出力の間で空気の流れをバランスさせることができる。

電動アシストターボチャージャ：ターボ過給式対向ピストンエンジンのための空気処理システムにおいて、ターボチャージャが、図１５〜図１９に示されるそれぞれの実施形態によって説明されるように、電動アシストターボチャージャを備える。これらの実施形態においては、電気のアシストによって圧縮機へとブーストがもたらされる。

本開示において、図１５〜１９を参照すると、「電動アシストターボチャージャ」は、タービン３２１および圧縮機３２１を共通のシャフト上に互いの回転に関して結合させて備えているターボチャージャ３２０であって、シャフトが、シャフトに結合した関連の電気モータ３２５によって駆動されるターボチャージャ３２０を意味する。好ましくは、必ずしもではないが、ターボチャージャ３２０および関連の電気モータ３２５は、単一の一体化された装置として提供される。このような装置は、例えば２００４年５月２５日に発行された米国特許第６，７３９，８４５号に記載されている。電動アシストターボチャージャを、エンジン制御ユニットの制御下で、回生蓄電装置（バッテリ、アキュムレータ）または他の手段によって動作させることができる。図１４〜図１９に示される実施形態において、電動アシストターボチャージャ３２０は、タービンを排気チャネル内に位置させ、圧縮機を給気チャネル内に位置させて配置される。

図１５〜図１７を参照すると、電動アシストターボチャージャ３２０は、図３のアシストなしのターボチャージャ１２０と同じやり方で空気処理システムに配置されている。図１５〜図１７によれば、空気処理システムは、排気チャネルにおいてタービン出口３２１ｏの下流に位置する入力１８１と、給気チャネルにおいて圧縮機３２２ｉの上流にＥＧＲミキサ１６３を介して位置する出口とを有するロングＥＧＲループ１８０を含む。

図１５に示される実施形態において、対向ピストンエンジン１０は、本出願と所有者が共通する「対向ピストンエンジンにおける空気処理の構成（ＡｉｒＨａｎｄｌｉｎｇＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓＦｏｒＯｐｐｏｓｅｄ−ＰｉｓｔｏｎＥｎｇｉｎｅｓ）」についての２０１４年５月２１日に提出された米国特許出願第１４／２８４，０５８号に教示されているように、全ての吸気ポートが給気を受け取るように配置された開放吸気チャンバを有するシリンダブロックによって構成されている。吸気チャンバは、エンジンブロックの両側に給気取り入れ口を有する。これらの給気取り入れ口への供給のために、給気チャネルは、圧縮機３２２の下流に第１および第２のブランチ２２０および２２２を含む。第１および第２のブランチ２２０および２２２は、圧縮機３２２の出口３２２ｏに結合した共通の入力２２３を有し、各々のブランチは、共通の入力２２３とそれぞれの給気取り入れ口との間に配置されたそれぞれの給気冷却器３２４および３２６を含む。タービン３２１は、ジオメトリ不変の装置またはＶＧＴ装置を備えることができる。

図１６において、対向ピストンエンジン１０は、それぞれのマニホルド１２５および１３０によって遇される排気および吸気チャンバを有するシリンダブロックによって構成されている。したがって、給気チャネルは、圧縮機出口３２２ｏを吸気マニホルド１３０に結合させる単一の給気通路２２７を含む。給気通路２２７は、給気チャネルにおいて圧縮機３２２の出力３２２ｏと吸気マニホルド１３０との間に配置された給気冷却器２２９を含む。好ましくは、タービン３２１は、ＶＧＴ装置を備える。図１７に示される空気処理システムは、タービン３２１がＶＧＴ装置を備えていない点を除き、図１６に示した空気処理システムと同じ構成を有する。図１８に示される空気処理システムは、後処理装置が排気チャネルから取り除かれている点を除き、図１７に示した空気処理システムと同じ構成を有する。

図１９を参照すると、図示の空気処理システムは、システムがＥＧＲループを含まない点を除き、図１８に示した構成と同じ構成を有する。図２０を参照すると、図示の空気処理システムは、システムがＥＧＲループおよび背圧バルブを含まない点を除き、図１８に示した構成と同じ構成を有する。

いくつかの場合には、タービン３２１によって過剰な出力が生み出されるとき、モータ３２５が発電機として働き、使用または貯蔵のための電力をもたらすことができる。

本開示は、ターボ過給対向ピストンエンジンのための外部の補助によるブーストを有する空気処理システムの特定の実施形態を記載しているが、これらの実施形態は、あくまでも本開示の基本原理の単なる例として説明されているにすぎない。したがって、これらの実施形態は、決して限定の意味に解釈されるべきではない。

Claims

ピストンによって制御される排気および吸気ポートを有する少なくとも１つのシリンダを備える対向ピストンエンジンのための空気処理システムであって、
前記対向ピストンエンジンの少なくとも１つの吸気ポートへと給気をもたらすように結合した給気チャネルと、
前記対向ピストンエンジンの少なくとも１つの排気ポートから排気ガスを運び去るように結合した排気チャネルと、
前記排気チャネル内のタービンと、前記給気チャネル内の第１の圧縮機とを有するターボチャージャと、
前記第１の圧縮機の上流かつ前記給気チャネルの新鮮な空気の取り入れ口と前記第１の圧縮機の入口との間の前記給気チャネル内の電動アシスト圧縮機と
を備える空気処理システム。
前記タービンの出口の下流において前記排気チャネルに結合した入口と、前記電動アシスト圧縮機の上流において前記給気チャネルに結合した出口とを含むＥＧＲループをさらに備える、請求項１に記載の空気処理システム。
前記電動アシスト圧縮機の出口と前記第１の圧縮機の入口との間の前記給気チャネル内の給気冷却器をさらに備える、請求項２に記載の空気処理システム。
前記タービンの出口と前記ＥＧＲループの入口との間の前記排気チャネル内の後処理装置をさらに備える、請求項２に記載の空気処理システム。
前記タービンは、可変ジオメトリタービンである、請求項１〜４のいずれか一項に記載の空気処理システム。
前記給気チャネルは、前記第１の圧縮機の下流の第１および第２のブランチを含み、前記第１および第２のブランチは、前記第１の圧縮機の出口に結合した共通の入力を有し、各々のブランチは、それぞれの給気冷却器を含んでいる、請求項１〜４のいずれか一項に記載の空気処理システム。
ＥＧＲループを有さない、請求項１に記載の空気処理システム。
前記新鮮な空気の取り入れ口と前記電動アシスト圧縮機の入口との間の前記給気チャネル内の入口と、前記電動アシスト圧縮機の出口と前記第１の圧縮機の入口との間の前記給気チャネル内の出口とを含むバルブによって制御されるバイパスループと、
前記タービンの下流の前記排気チャネル内の背圧バルブと、をさらに備える、請求項７に記載の空気処理システム。
ピストンによって制御される排気および吸気ポートを有する少なくとも１つのシリンダを備えている対向ピストンエンジンのための空気処理システムであって、
前記対向ピストンエンジンの少なくとも１つの吸気ポートへと給気をもたらすように結合した給気チャネルと、
前記対向ピストンエンジンの少なくとも１つの排気ポートから排気ガスを運び去るように結合した排気チャネルと、
前記排気チャネル内のタービンと、前記給気チャネル内の第１の圧縮機とを有するターボチャージャと、
前記第１の圧縮機の下流かつ前記第１の圧縮機の出口と前記少なくとも１つの吸気ポートとの間の前記給気チャネル内の電動アシスト圧縮機と、を備える空気処理システム。
ＥＧＲループを有さない、請求項９に記載の空気処理システム。
前記第１の圧縮機の下流の前記給気チャネル内の少なくとも１つの給気冷却器をさらに備える、請求項１０に記載の空気処理システム。
前記少なくとも１つの給気冷却器は、前記給気チャネルのうちの前記第１の圧縮機の出口と前記電動アシスト圧縮機の入口との間の部分に位置する、請求項１１に記載の空気処理システム。
前記電動アシスト圧縮機の取り入れ口と共通の前記給気チャネル内の入口と、前記電動アシスト圧縮機の出口と共通の前記給気チャネル内の出口とを含むバルブによって制御される逆流防止ループをさらに備える、請求項１０に記載の空気処理システム。
ピストンによって制御される排気および吸気ポートを有する少なくとも１つのシリンダを備える対向ピストンエンジンのための空気処理システムであって、
前記対向ピストンエンジンの少なくとも１つの吸気ポートへと給気をもたらすように結合した給気チャネルと、
前記対向ピストンエンジンの少なくとも１つの排気ポートから排気ガスを運び去るように結合した排気チャネルと、
前記排気チャネル内のタービンと、前記給気チャネル内の圧縮機とを有するターボチャージャと、
前記圧縮機の下流かつ前記圧縮機の出口と前記少なくとも１つの吸気ポートとの間の前記給気チャネル内の電動アシストスーパーチャージャと、
少なくとも１つの排気ポートに直接に流体連通した排気ポートマニホルドに結合した入口と、前記電動アシストスーパーチャージャの上流の前記給気チャネルに結合した出口とを含むＥＧＲループと、を備える空気処理システム。
前記給気チャネルは、前記電動アシストスーパーチャージャの下流の第１および第２のブランチを含み、前記第１および第２のブランチは、前記電動アシストスーパーチャージャの出口に結合した共通の入力を有し、各々のブランチは、それぞれの給気冷却器を含んでいる、請求項１４に記載の空気処理システム。
スーパーチャージャを有しておらず、ピストンによって制御される排気および吸気ポートを有する少なくとも１つのシリンダを備える対向ピストンエンジンのための空気処理システムであって、
前記対向ピストンエンジンの少なくとも１つの吸気ポートへと給気をもたらすように結合した給気チャネルと、
前記対向ピストンエンジンの少なくとも１つの排気ポートから排気ガスを運び去るように結合した排気チャネルと、
前記排気チャネル内のタービンと、前記給気チャネル内の圧縮機とを有する電動アシストターボチャージャと、
前記圧縮機の下流の前記給気チャネル内の少なくとも１つの給気冷却器と、を備える空気処理システム。
前記タービンの下流の前記排気チャネル内の背圧バルブをさらに備える、請求項１６に記載の空気処理システム。
前記背圧バルブと前記タービンの出口との間において前記排気チャネルに結合した入口と、前記圧縮機の上流において前記給気チャネルに結合した出口とを含むＥＧＲループをさらに備える、請求項１７に記載の空気処理システム。
前記タービンは、可変ジオメトリタービンである、請求項１８に記載の空気処理システム。
前記給気チャネルは、前記圧縮機の下流の第１および第２のブランチを含み、前記第１および第２のブランチは、前記圧縮機の出口に結合した共通の入力を有し、各々のブランチは、それぞれの給気冷却器を含んでいる、請求項１８に記載の空気処理システム。
ＥＧＲループを有しない、請求項１６に記載の空気処理システム。