JP2018515716A - 過給式内燃エンジンの吸気口に供給される空気の量を制御し、排気口を冷却する装置、及び、このような装置の使用方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも１つのシリンダ（１２1、１２2、１２3、１２4）から成る群の排気マニホルド（３０、３４）にそれぞれ接続された２つの排気口（３２、３６）を備えている過給式内燃エンジンの、吸気口に供給される空気の量を制御する装置であって、前記排気口に接続された二重吸気口（５０、５２）型のタービン（４０）及び外気圧縮機（４４）を有するターボチャージャーを含む過給装置（３８）と、前記圧縮機から２つの前記タービンの吸気口に圧縮空気を部分的に移送するための少なくとも１つのダクトとを備えている装置に関する。本発明によれば、部分的な移送のための前記ダクトは、排気弁においてシリンダヘッド内に開口し、このダクト内の前記圧縮空気の流れを制御する絞り手段（７４、７６）を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、過給式内燃エンジン、特に定置式エンジン又は自動車用若しくは産業用車両エンジンの吸気口に供給される空気の量を制御する装置、及び、そのようなエンジン、特に圧縮空気の部分的移送ダクトがエンジンシリンダヘッドを介して排気弁に通じる場合に、空気の量を制御する方法に関する。

広く知られているように、内燃エンジンによって供給される動力は燃焼室に供給される燃料の量、それ自体はこのエンジンの燃焼室に供給される空気の量、に依存し、この空気の量は、また、この空気の密度に比例する。
したがって、通常、外気が燃焼室に入る前に圧縮してこの空気量を増加させる。過給として知られているこの操作は、遠心圧縮機又は容積式圧縮機とすることができる、ターボチャージャー又は駆動圧縮機のような任意の手段を用いて行われる。
ターボチャージャーを用いて過給する場合、後者はシャフトによって回転式圧縮機に接続された回転式単流型又は複流型タービンを備える。エンジンからの排気ガスはタービンを通って流れ、タービンはその後回転される。その後、この回転は圧縮機に伝達され、圧縮機はその回転によって外気が燃焼室に供給される前に外気を圧縮する。

特許文献１によりよく説明されているように、エンジンの圧縮室内の圧縮空気の量を著しく増加させることができるように、圧縮機による外気の圧縮をさらに増加することが意図されている。
これは、特に、タービンの回転速度を上昇すること、したがって圧縮機の回転速度を上昇することによって達成される。
したがって、圧縮機を出る圧縮空気の一部は、排気ガスと混合しながらタービンの吸気口に直接流入するために迂回される。このタービンは、より大量の流体（圧縮空気と排気ガスとの混合物）によって通過され、タービンの回転速度それ故に圧縮機の回転速度を上昇させる。このようにして、この圧縮機の速度の増加は、エンジンの燃焼室に供給される前にこの圧縮機で圧縮される外気の圧力を上昇させることを可能にする。
したがって、圧縮空気の密度が高くなり、これによって燃焼室に収容される空気の量を増加させることができる。

仏国特許出願公開第２，４７８，７３６号公報

しかしながら、このタイプの過給式エンジンは、満足な点もあるが、些細とは言えないいくつかの欠点を含んでいる。
実際に、タービンの吸気口に流入する圧縮空気の流れは正しく制御されず、これによって機能不全のエンジンになる可能性がある。
したがって、例として、タービンの吸気口に迂回される圧縮空気の量が多すぎる場合、タービンに流入する排気ガスはこの空気によって大幅に冷却され、これによって全体の過給効率の低下を引き起こす。

本発明は、すべてのエンジンパワーの要求を満たすことを可能にする、過給内燃エンジンの吸気口に供給される空気の量を制御するための装置を用いて、前述の欠点を克服することを目的とする。さらに、本発明の実施形態は、圧縮空気の部分移送ダクトが排気弁の近傍で終端するようにエンジンシリンダヘッドを改変すること、これによりそれ自体を冷却することを意図している。従来の圧縮空気のループは、変更されていない。
また、ここで開示される本発明は、吸気口での圧縮空気の平均圧力が排気口でのガスの平均圧力よりも低い場合であっても、吸気口から排気口への圧縮空気の移送を可能にする。エンジン運転サイクルにおいて吸気口での圧力が排気口での圧力よりも高い段階が存在することが必要とされる。

したがって、本発明は、少なくとも１つのシリンダから成る群の排気マニホルドにそれぞれ接続された２つの排気口を備えている過給式内燃エンジンの、吸気口に供給される空気の量を制御する装置とされ、前記排気口に接続された二重吸気口型のタービン及び外気圧縮機を有するターボチャージャーを含む過給装置と、前記圧縮機から前記タービンの吸気口に圧縮空気を部分的に移送するための少なくとも１つのダクトと、を備えている装置において、部分的移送ダクトは、前記タービンの吸気口に接続された排気弁において前記エンジンのシリンダヘッド内に通じており、移送された前記圧縮空気の流れを制御する絞り手段を有することを特徴とする装置に関する。

前記部分的移送ダクトは、逆止弁（８０、８２）を備えることができる。

前記装置は、各ピストンの前記排気弁に通じる部分的移送ダクトを備えることができる。

前記部分的移送ダクトは、圧縮機の前記排気口で前記圧縮空気の一部を分流する接続ラインに連通することができる。

前記接続ラインは、前記部分的移送ダクトに接続された２つの分岐路を備えることができる。

前記絞り手段は、複数の比例弁を備えることができる。

前記装置は、前記複数の比例弁を制御する手段を備えることができる。

前記接続ラインは、冷却部の下流で吸気ラインへ分岐するバイアスラインと、三方弁とを備えることができる。

また、本発明は、少なくとも１つのシリンダから成る群の排気マニホルドにそれぞれ接続された２つの排気口を備えている過給式内燃エンジンの、吸気口に供給される空気の量を制御する方法とされ、前記装置が、前記排気口に接続された二重吸気口型のタービン及び外気圧縮機を有するターボチャージャーを含む過給装置と、前記圧縮機から前記タービンの吸気口に圧縮空気を部分的に移送するための少なくとも１つのダクトとを備えている、方法において、
前記タービンの吸気口に接続された排気弁において前記エンジンのシリンダヘッド内に前記ダクトを導き、前記圧縮機からタービンの排気口へ前記圧縮空気の一部を前記ダクトを介して供給することを特徴とする方法に関する。

本方法は、ピストンの弁に移送ダクトを配置し、絞り手段を用いて各ダクト内で前記圧縮空気の流れを制御することができる。

本方法は、バイパスライン及び三方弁を用いて、分岐した空気流の温度を制御することができる。

本発明による過給装置の原理の概略を備えた内燃エンジンを示す。 排気弁に直接通じる過給装置を備えた内燃エンジンの実施形態をより正確に示す。 エンジンシリンダヘッドに設けられた機械の実施例を示す。

本発明の他の特徴及び利点は、添付の図面を参照して、非限定的な例として与えられる、以下の説明を読むことにより明らかになるであろう。

図１において、内燃エンジン１０は、少なくとも２つのシリンダ、ここでは図の左側から参照番号１２₁〜１２₄を有する４つのシリンダを備えている。

このエンジンは、好ましくは、直噴型の内燃エンジン、特にディーゼル型であるが、他のタイプの内燃エンジンを排除するものではない。

各シリンダは、少なくとも１つの吸気弁１６を有する吸気手段１４を備え、ここでは、２つの吸気弁が各吸気パイプ１８を制御する。吸気パイプ１８は、供給ライン２２を介して圧縮空気のような吸入空気が供給される吸気マニホルド２０に通じている。

また、このシリンダは、少なくとも１つの排気弁２６、ここではまたそれぞれが各排気パイプ２８を制御する２つの弁を有する燃焼ガス排気手段２４を備えている。

示される前記の例において、エンジンは、点火順序１−３−４−２で作動するように設定されている。この点火順序を考慮して、少なくとも１つのシリンダから成る第１のグループを構成する第１のシリンダ１２₁及び第２のシリンダ１２₄の排気パイプは、第１の排気ガス排気口３２を有する第１の排気マニホルド３０に接続されている。少なくとも１つのシリンダから成る第２のグループを構成する第３及び第４のシリンダ１２₂、１２₃の排気パイプは、第２の排気ガス排気口３６を備える第２の排気マニホルド３４に接続されている。

２つの排気ガス排気口は、空気の圧縮のためにターボチャージャー３８内に、より詳細にはこのターボチャージャーの膨張タービン４０内に開口している。

図１に示されるように、ターボチャージャーは、ツインスクロールターボチャージャーである。

このタイプのターボチャージャーは、排気ガスによって掃気され、シャフト４２によって圧縮機４４と回転接続される膨張タービン４０を備えている。

タービンにおいて、排気ガス吸気口は、２つの部分、すなわち、第１のマニホルド３０の第１の排気ガス排気口３２に接続された第１の吸気口部分４６と、第２の排気マニホルド３４の第２の排気ガス排気口３６に接続された第２の吸気口部分４８とに分割されている。

タービン４０のガス排気口５０は、従来どおり、エンジンの排気ライン５２に接続されている。

ターボチャージャー３８の圧縮機４４は、供給ライン５６によって供給される外気吸気口５４を備えている。この圧縮機の圧縮空気排気口５８は、ダクト６０によって吸気マニホルド２０の供給ライン２２に接続されている。

圧縮機とライン２２との間でダクト６０に圧縮空気の冷却ラジエーター６２が設けられることは有利である。

図１によりよく示されるように、移送ダクト６４は、圧縮機４４からの圧縮空気の一部をタービン吸気口４６、４８に向かって循環させる。

図１に示されるこの構成は、様々な圧縮空気回路を明瞭に記載することにより、本発明の原理をよりよく理解することを可能にする。しかしながら、本発明は、部分的な移送又は「掃気」ダクトがエンジンシリンダヘッド内の排気弁に繋がっている、図２に従って実施されることが好ましい。

図１では、部分的移送ダクトは圧縮機と冷却ラジエーター６２との間の交点６６においてダクト６０で分岐し、それは分岐点６８で２つの分岐路７０、７２に分割されている。分岐路７０は第１の排気ガス排気口３２との接続部を介してタービン吸気口４６に通じ、分岐路７２は排気ガス排気口３６との接続部を介してこのタービンの他の吸気口４８に通じている。

各分枝路は制御手段７８によって制御される、比例弁のような絞り手段７４、７６を保持し、制御手段７８は前記２つの絞り手段により共有され得る。このようにして、この弁は、分岐路内の圧縮空気の流れを制御することを可能にする。

また、各分枝路は、エンジンサイクルごとに数回開閉することができるように高速であるという利点をもたらす逆止弁８０、８２を備えていることが有利である。この弁は、分岐路から圧縮機への圧縮空気の流れを防止しながら、２つの分岐路の間の連通を防止する。

このように、この構成は、エンジンの運転中及びエンジンサイクルスケールにおいて、タービンに圧縮空気を供給するために、ひいてはこのタービンの流量の増加、それ故に圧縮機の流量の増加のために、排気マニホルド内で一時的に存在する排気低圧ゾーンを利用することを可能にする。これはまた、低エンジン速度でより効率的な過給を達成することを可能にする。

運転中に大量の空気がシリンダ内に必要とされる場合、圧縮機４４から圧縮空気をタービン４０に供給するように、弁７４、７６の開放が制御される。

圧縮機４４を出る圧縮空気は、ダクト６４内を循環し、次いでタービン４０の排気ガス吸気口４６、４８に到達するまで分岐路７０、７２を循環し、このようにしてこのタービンに余剰の流体を供給する。

したがって、タービンに、排気ガス排気口３２、３６からの排気ガスだけでなく、これらのガスに加えられる圧縮空気も通る。したがって、タービンの回転が増加すると、圧縮機の回転の増加を引き起こし、その結果、この圧縮機から出る圧縮空気の圧力の増加を引き起こす。

もちろん、弁７４、７６は、タービンへの圧縮空気の量がエンジンの過給条件を満たすように、制御手段７８によって制御される。

図２は、本発明による実施形態を例として説明する。

ここで、エンジン吸気口側の圧縮空気のループは、圧縮機３８の排気ガス排気口と吸気パイプ１８との間では変更されていない。また、排気ループ、特にタービン４０を供給する部品は変更されていない。

本発明の実施形態は、エンジンシリンダヘッドの本体内に開口する圧縮空気の部分的移送ダクトが排気弁においてあることに関する。したがって、各ピストン１２₁、１２₂、１２₃、１２₄において、部分的移送ダクト１３０、１３１、１３２、１３３が排気弁においてシリンダヘッド内で開口する。

シリンダヘッドの機械加工によりバルブに垂直に配置された圧縮空気の吸気口は、排気ダクト全体、特にバルブロッドの冷却を有利に作用する。

さらに、タービンの吸気口におけるガスは、より良好に均質化され、したがって顕著な温度勾配を防止する。

最終的に、排気ダクト全体及びマニホルドの熱損失は、このようにして、排気ダクトの温度を弁から低下させることによって制限される。

部分的移送ダクト上では、空気流制御弁７６、７４及び逆止弁が吸気口への排気ガスの還流を防ぐ。この逆止弁は、制御弁の上流若しくは下流に配置することができ、又は弁７６、７４に一体化することもできる。

同じマニホルド３０又は３４に接続された弁に通じる圧縮空気の部分的移送ダクトは、圧縮機４４よりも下流のバイパス接続ライン６４の２つの分岐路を形成するパイプ１７０、１７２に合流する。絞り手段は、２つの分岐路１７０、１７２にそれぞれ配置された２つの弁７４、７６、特に比例弁で構成することができる。両方の分岐路には、排気ガスが吸気口に戻るのを防止する逆止弁８０、８２が設けられている。

変形例では、接続ライン６４上に配置された単一の弁１８０、特に比例弁が、部分的移送ダクト内を流れる圧縮空気の流れを制御することを可能にする。

別の変形例では、バイパスライン１６４は、接続ライン６４上の三方弁１６６によって制御された圧縮空気流を送ること又は引き出すことを可能にする。このバイパスラインは、過給空気冷却器６２の上流及び下流の空気混合物によって掃気圧縮空気の温度を制御することを可能にする。

図３は、エンジンのシリンダヘッド１００の概略断面図を示す。

参照番号１０１及び１０２は、それぞれ、吸気弁１０３及び排気弁１０４に通じる吸気パイプ及び排気パイプを表す。

矢印１０５は、排気弁における部分的移送ダクトの吸気口の機械加工を概略的に示す。シリンダヘッドのタイプに応じて、この機械加工は穿孔で行うことができ又はシリンダヘッドを鋳造により供給することができる。

この図は、工業用エンジンで一般的に見られる弁の配置を示す。したがって、前述したように、吸気口を容易に一体化することが可能である。

実施形態は、図２に例として記載された態様に限定されず、特に、シリンダヘッド又はエンジンタイプに応じて、シリンダヘッド内での移送ダクトの他の同等の配置が考慮される。

特に、特定の機械加工又は配管を介してダクトの内側に向かう空気案内路を用いてシリンダヘッドの排気口でシリンダヘッドに隣接して位置するソールに、迂回した空気流のための吸気口を設けることができる。

Claims (11)

1. 少なくとも１つのシリンダ（１２₁、１２₂、１２₃、１２₄）から成る群の排気マニホルド（３０、３４）にそれぞれ接続された２つの排気口（３２、３６）を備えている過給式内燃エンジンの、吸気口に供給される空気の量を制御する装置とされ、
   前記排気口に接続された二重吸気口（５０、５２）型のタービン（４０）及び外気圧縮機（４４）を有するターボチャージャーを含む過給装置（３８）と、
   前記圧縮機から前記タービンの吸気口に圧縮空気を部分的に移送するための少なくとも１つのダクトと、
   を備えている装置において、
   部分的移送ダクト（１３０、１３１、１３２、１３３）は、前記タービンの吸気口に接続された排気弁において前記エンジンのシリンダヘッド内に通じており、移送された前記圧縮空気の流れを制御する絞り手段（７４、７６）を有する、
   ことを特徴とする装置。
2. 前記部分的移送ダクトは、逆止弁（８０、８２）を備えている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記装置は、各ピストン（１２₁、１２₂、１２₃、１２₄）の前記排気弁に通じる部分的移送ダクト（１３０、１３１、１３２、１３３）を備えている、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記部分的移送ダクトは、圧縮機（４４）の前記排気口で前記圧縮空気の一部を分流する接続ライン（６４）と連通している、
   ことを特徴とする請求項３に記載の装置。
5. 前記接続ラインは、前記部分的移送ダクト（１３０、１３１、１３２、１３３）に接続された２つの分岐路（１７０、１７２）を備えている、
   ことを特徴とする請求項４に記載の装置。
6. 前記絞り手段は、複数の比例弁（７４、７６）を備えている、
   ことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の装置。
7. 前記装置は、前記複数の比例弁を制御する手段（７８）を備えている、
   ことを特徴とする請求項６に記載の装置。
8. 前記接続ライン（６４）は、冷却部（６２）の下流で吸気ライン（２２）へ分岐するバイアスライン（１６４）と、三方弁（１６６）とを備えている、
   ことを特徴とする請求項４〜７の何れか１項に記載の装置。
9. 少なくとも１つのシリンダ（１２₁、１２₂、１２₃、１２₄）から成る群の排気マニホルド（３０、３４）にそれぞれ接続された２つの排気口（３２、３６）を備えている過給式内燃エンジンの、吸気口に供給される空気の量を制御する方法とされ、
   前記装置が、前記排気口に接続された二重吸気口（５０、５２）型のタービン（４０）及び外気圧縮機（４４）を有するターボチャージャーを含む過給装置（３８）と、前記圧縮機から前記タービンの吸気口に圧縮空気を部分的に移送するための少なくとも１つのダクトとを備えている、
   方法において、
   前記タービンの吸気口に接続された排気弁において前記エンジンのシリンダヘッド内に前記ダクトを導き、前記圧縮機からタービン（４０）の排気口（４６、４８）へ前記圧縮空気の一部を前記ダクトを介して供給する、
   ことを特徴とする方法。
10. 各ピストン（１２₁、１２₂、１２₃、１２₄）の前記弁に移送ダクト（１３０、１３１、１３２、１３３）を配置し、絞り手段（７４、７６）を用いて各ダクト内で前記圧縮空気の流れを制御する、
    ことを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. バイパスライン（１６４）及び三方弁（１６６）を用いて、分岐した空気流の温度を制御する、
    ことを特徴とする請求項９に記載の方法。

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