JP2019519719A - 過給内燃機関の吸気口において空気と排気ガスの噴射を制御するための装置及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、ターボ過給システムを備えるターボ過給内燃機関であって、ターボ過給システムは、機関の少なくとも１つの排気ガス出口に接続されたタービン（８）と外部空気の圧縮機（１０）とを備えるターボ過給機（７）と、圧縮機からタービンの入口まで延びる圧縮空気の部分移送配管（１５，１８）と、排気ガス出口と圧縮空気の吸気配管（４）との間のＥＧＲ配管（１８，２１）と、を含むターボ過給内燃機関の吸気口に供給される空気の量を制御する装置に関する。本装置は、部分移送配管とＥＧＲ配管が、少なくとも１つの共通部分（１８）を共有していることを特徴とする。

Description

本発明は、ターボ過給内燃機関、特に定置機関または自動車用若しくは産業車両用の機関の吸気口にある量の空気を供給する装置を制御するための構造及び装置に関する。特に本発明は、排気ガスの再循環回路が装備されている機関、特にディーゼル機関に適している。

広く知られているように、内燃機関によって伝達される力はこの機関の燃焼室に供給される空気量に依存し、この空気量自体は空気の密度に比例する。従って、空気が燃焼室に導入される前に外部空気を圧縮することにより、この空気量を増加させるのが通常である。ターボ過給として知られるこの操作は、ターボ過給機、被駆動圧縮機などの任意の手段を使用して行うことができる。被駆動圧縮機は遠心圧縮機または容積式圧縮機であってよい。ターボ過給に使用されるターボ過給機は、シャフトにより回転式圧縮機に接続された単流または双流の回転式タービンを備えている。機関からの排気ガスはタービンを流れ、タービンが回転される。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り、外部空気を燃焼室に供給される前に圧縮する。

仏国特許出願公開第２４７８７３６号明細書によりよく説明されているように、機関の圧縮室内の圧縮空気量を大きく増やすことを可能とするために、圧縮機によって外部空気の圧縮をさらに強めることが意図されている。これは、より具体的には、タービンの回転速度、従って圧縮機の回転速度を増加させることによって実現される。そこで、ブースト回路と呼ばれる流体増幅回路が使用され、この流体増幅回路により、圧縮機から出る圧縮空気の一部が、排気ガスと混合しながらタービン入口に直接導入されるように迂回させられる。そして、より大量の流体（圧縮空気と排気ガスの混合物）がこのタービンを通過し、それによって、タービンの回転速度、従って圧縮機の回転速度を増加させることが可能になる。従って、この圧縮機の速度の増加は、この圧縮機内で圧縮される外部空気の圧力を、外部空気が機関の燃焼室に供給される前に上昇させる。これにより、圧縮空気は、より高い密度を有し、それにより、燃焼室に収容される空気の量を増やすことが可能となる。

このタイプのターボ過給機関は満足のいくものではあるが、小さいとは言えないいくつかの欠点を含んでいる。実際には、タービン入口に導入される圧縮空気の流れが正確に制御されず、それにより、機関が正常に機能しなくなる場合がある。従って、例えばあまりにも大量の圧縮空気がタービン入口へ迂回させられた場合、タービンに入る排気ガスがこの空気によって過度に冷却され、そのことが全体的なターボ過給効率の低下をもたらす。

さらに、ブースト回路を含む現在のターボ過給概念における主な難点の一つは、排気ガス再循環との融和性にある。実際、ほとんどのディーゼル機関は、ＮＯｘの排出を発生源で制限するために、ＥＧＲ回路と呼ばれる排気ガス再循環回路を備えている。排気ガス再循環は、一般に、タービンの上流で排気ガスを取り込みその排気ガスを空気圧縮機の下流に送るＨＰＥＧＲ（高圧排気ガス再循環）回路によって実現される。再循環される排気ガスが、ブースト回路から迂回させられる空気とは完全に反対方向に循環することで、互いを無効にする作用により２つの回路が競合する可能性がある。従って、ブースト回路とＨＰＥＧＲ回路の両立を図ることを可能にする特定の空気ループ構造を画定することが必要である。文献ＥＰ１１３８９２８には、あらゆる点で独特なＥＧＲ回路とブースト回路が記載されているが、これは、複雑な構成と制御を必要とする。

これに対し、本発明は、各ループ及び制御機器があまりに複雑化することを避けながら、ＨＰＥＧＲまたはブースト回路の一つの機関での使用を可能にする、空気ループと排気ガス再循環の最適化された構造に関する。

従って、本発明は、ターボ過給システムを備えるターボ過給内燃機関であって、ターボ過給システムは、機関の少なくとも１つの排気ガス出口に接続されたタービンと外部空気の圧縮機とを備えるターボ過給機と、圧縮機からタービンの入口まで延びる圧縮空気の部分移送配管と、排気ガス出口と圧縮空気の吸気配管との間の排気ガス再循環配管と、を含むターボ過給内燃機関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、部分移送配管と排気ガス再循環配管が、少なくとも１つの共通部分を共有していることを特徴とする装置に関する。

本装置は、排気ガス再循環またはタービン（８）への圧縮空気の部分的な移送を制御するために、圧縮空気の部分的な移送回路とＥＧＲ回路に、制御された絞りシステムを備えていてよい。

絞りシステムが、排気ガス再循環回路ＥＧＲ上の少なくとも１つの弁と、部分移送配管上の弁とを含んでいてもよい。

部分移送配管は熱交換器の上流または下流で、圧縮空気配管に接続されていてもよい。

絞りシステムは少なくとも１つの三方弁を有していてもよい。

部分移送配管は排気ガス再循環のための熱交換器を有していてもよい。

本発明はまた、ターボ過給システムを備えるターボ過給内燃機関であって、ターボ過給システムは、機関の少なくとも１つの排気ガス出口に接続されたタービンを備えるターボ過給機と、外部空気の圧縮機と、圧縮機からタービンの入口まで延びる圧縮空気の部分移送配管と、排気ガス出口と圧縮空気の吸気配管との間の排気ガス再循環配管と、を含むターボ過給内燃機関の吸気口に供給される空気の量を制御する方法であって、部分移送配管と排気ガス再循環配管に対して共有の配管部分が使用されることを特徴とする方法に関する。

排気ガス再循環または圧縮空気の部分的な移送のいずれかを実現するように、絞りシステムが制御されてもよい。

本発明の他の特徴及び利点は、非限定的な例として挙げられた以下の説明を添付の図面を参照しながら読むことにより明らかになるであろう。

ターボ過給装置とＨＰＥＧＲ回路とを含む、本発明に従って使用される内燃機関を示す図である。 本発明による内燃機関の変形形態を示す図である。 本発明による内燃機関の他の変形形態を示す図である。 本発明による内燃機関の他の変形形態を示す図である。

図１において、内燃機関１は少なくとも２つのシリンダ、ここでは図の左から１２１〜１２４の参照番号が付された４つのシリンダを備えている。この機関は、直接噴射式内燃機関、特にディーゼルタイプであることが好ましいが、他のタイプの内燃機関を除外するものではない。

各シリンダは、吸気管２を制御する少なくとも１つの吸気弁を含む吸気手段を備えている。吸気管は、供給配管４を通して圧縮空気などの吸気が供給される吸気マニホルド３につながっている。このシリンダはまた、排気マニホルド６につながる排気管５を制御する少なくとも１つの排気弁を含む、燃焼したガスの排気手段を備えている。排気マニホルド６は、空気圧縮に使用されるターボ過給機７につながっており、より具体的には、このターボ過給機の膨張タービン８につながっている。

図１に示すように、ターボ過給機はシングルスクロールターボ過給機である。本発明は、シングルスクロールターボ過給機に限定されるものではなく、ツインスクロールターボ過給機、さらにはｎ個（ｎは２以上）の入口を含むターボ過給機にも適用可能である。タービン８のガス排出口９は従来と同様、機関の排気ラインに接続されている。ターボ過給機７の圧縮機１０は、供給配管から給気される外部空気吸気口１１を備えている。この圧縮機の圧縮空気出口は、配管１２によって吸気マニホルド３の供給配管４に接続されている。配管４と配管１２との接合点は１３で示されている。圧縮空気冷却用熱交換器１４が、圧縮機１０と配管４との間の配管１２上に設けられるのが有利である。

図１でよりよく分かるように、移送配管１５が、圧縮空気の一部が圧縮機１０を出てタービン８の入口に向けて循環することを可能にしている。より正確には、この部分移送配管は、配管１２の、圧縮機と冷却用熱交換器１４との間の接合点１６を起点とし、分岐点１７で分岐管１８に接続している。分岐管１８は、排気ガス出口６との接合点、すなわち点１９を通ってタービン入口につながっている。

配管２１が分岐管１８を吸気配管４に接続している。配管２１は、排気ガスを冷却するのに適した熱交換器２２を通って延びていることが好ましい。配管１５，２１はそれぞれ、好ましくは比例弁である弁２３，２４を備えている。分岐管１５はさらに、分岐管１８及び／または２１から圧縮機１０への流体の流れを防ぐ逆止弁２０を備えている。

従って、この構成は機関の動作中に、排気マニホルド内に一時的に存在する排気低圧帯を利用することを可能とし、それによって、圧縮空気をタービンに供給し、従ってこのタービンの流量、ひいては圧縮機の流量を増大させることができる。この構成はまた、低い機関回転速度でより効率的なターボ過給を実現すること、また特に、比例弁のための適切な制御方式を用いて遷移フェーズを管理することを可能にする。

動作中、シリンダ内に大量の空気が必要とされる場合、圧縮機１０からタービン８に圧縮空気を供給するように弁２３の開放が制御され、それと同時に弁２４の閉止が制御される。圧縮機１０を出る圧縮空気は配管１５を流れ、次いでタービン８の排気ガス入口に達する前に分岐管１８を流れ、こうして、このタービンに余分の流体を供給する。従って、タービンは、マニホルド５からの排気ガスだけが流通するだけでなく、このガスに付加される圧縮空気も流通する。従って、タービンの回転が増加し、それによって、圧縮機の回転の増加がもたらされ、その結果、この圧縮機から出る圧縮空気の圧力の上昇がもたらされる。この構成では、配管１５の圧縮空気は熱交換器１４を通らない。また、弁２４が閉じられているため、機関はＥＧＲなしで作動する。

燃焼温度を制限し、従ってＮＯｘ排出を制限する目的で排気ガス再循環ＥＧＲとともに動作させるためには、弁２３が閉じられ、弁２４が開かれる。排気ガスの一部が分岐管１８，２１を通り、熱交換器２２を通過した後に吸気配管４に供給される。これは、排気における平均圧力が吸気における平均圧力より大きいときに機能する。

弁２３，２４は様々な流れを制御する上で機能が同等である三方弁に置き換えられることに留意すべきである。さらに、弁２４（ＥＧＲ弁と呼ばれる）を熱交換器２２の上流（図１）または下流に（図示せず）配置できることは、明らかである。

このように、本発明では、一方ではタービン８の入口と連通し、他方では圧縮空気の供給部と連通する配管の少なくとも一部が使用される。この配管の一部は、ＥＧＲ弁２４が開かれ弁２３が閉じられているときに、排気ガスの通過を可能にする。また、この配管の一部は、弁２３が開きＥＧＲ弁２４が閉じられているときに、圧縮空気の通過を可能にする。従って、配管に関して最適化された構造が得られる。

図２の変形形態は、２つの接合点１７，２５の間で接続配管１５ａが配管２１とともに設けられている点で図１と異なる。この接続配管は、比例弁などの絞り手段２３と、逆止弁２０とを備えている。この変形形態によれば、ブースト回路の圧縮空気は熱交換器１４を流れ、次いで、ＥＧＲ回路の熱交換器２２を流れ、接続配管１５ａ及び分岐管１８を流れる。この変形形態の利点の一つは、ブースト回路の空気がＥＧＲ回路の熱交換器２２を反対方向に流れることで、熱交換器２２の洗浄及び／または詰まり除去が可能になることにある。

基本的に図１と同じ要素を含む図３及び４は、ボール弁タイプの絞り要素３０を使用する、本発明による構成の変形形態を示している。絞り要素３０は、ＥＧＲモードにおいてもブーストモードにおいても種々の循環機能を実現させる弁箱を含んでいる。当業者であれば、適切な構成要素を選択することが可能であろう。より正確には、図３において、例えば三方ボール弁である弁３０が、ＥＧＲ配管２１上のＥＧＲ熱交換器２２の下流に追加されている。この弁３０を制御することにより、排気ガスが接合点１３を通って圧縮空気の吸気配管４に向かって流れることが可能になる。そして、弁３０を分岐管１８に接続している配管１５ｂは閉じられる。弁３０の別のポジションに切り替えることで、タービン８を加速させるために圧縮空気の一部が配管１５ｂを通って分岐管１８へ向かうことが可能となる。つまり、ブースト空気流は熱交換器１４を流れ、ＥＧＲ熱交換器２２は通過しない。

図３に点線の配管１５ｃによって示される変形形態は、弁３０が圧縮空気の熱交換器１４の上流の接合点１６に接続されていることを示している。ここでは、弁３０は、接合点１３に接続されていない。ここでは、ブースト回路の空気は、タービン８に直接送られる。一方、ＥＧＲ回路の排気ガスは、熱交換器２２，１４を通るとともに、圧縮空気配管の接合点１６に合流している。

図４では、弁３０を流れる流体を圧縮空気吸気配管４に導くために弁３０が接合点１３に接続された、別の変形形態を示している。この三方弁には、熱交換器１４の上流の接合点１６に接続された配管を通してブースト回路から空気が供給され、また、分岐管１８を通じてＥＧＲ排気ガスが供給される。従って、ＥＧＲとブーストに共通する配管は、分岐管１８とＥＧＲ熱交換器とを備えている。参照番号２２ａで示されるように、ＥＧＲ熱交換器は弁３０の下流且つ接合点１３の手前に配置してもよいことに留意されたい。ＥＧＲ回路が作動しているときに排気ガスを遮断するため、逆止弁３２を熱交換器１４の下流に設けてもよい。

図１から４の例によって説明された本発明によれば、通常は排気マニホルドに組み込まれるがシリンダヘッドに組み込まれてもよいＥＧＲ配管の少なくとも一部は、圧縮空気の一部をタービン入口に送りブースト回路を得るために使用される。

Claims (9)

1. ターボ過給システムを備えるターボ過給内燃機関であって、前記ターボ過給システムは、前記機関の少なくとも１つの排気ガス出口に接続されたタービン（８）と外部空気の圧縮機（１０）とを備えるターボ過給機（７）と、前記圧縮機から前記タービンの入口まで延びる圧縮空気の部分移送配管（１５，１８）と、排気ガス出口と圧縮空気の吸気配管（４）との間の排気ガス再循環配管（１８，２１）と、を含むターボ過給内燃機関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、
   前記部分移送配管と前記排気ガス再循環配管が、少なくとも１つの共通部分（１８）を共有していることを特徴とする、装置。
2. 排気ガス再循環または前記タービン（８）への圧縮空気の部分的な移送を制御するために、圧縮空気の部分的な移送回路とＥＧＲ回路に、制御された絞りシステムを備えている、請求項１に記載の装置。
3. 前記絞りシステムが、排気ガス再循環回路ＥＧＲ（２４）上の少なくとも１つの弁と、前記部分移送配管上の弁（２３）とを含んでいる、請求項１または２に記載の装置。
4. 前記部分移送配管は熱交換器（１４）の上流または下流で、圧縮空気配管に接続されている、請求項３に記載の装置。
5. 前記絞りシステムは少なくとも１つの三方弁（３０）を有している、請求項２から４のいずれか１項に記載の装置。
6. 前記部分移送配管は排気ガス再循環のための熱交換器（２２）を有している、請求項１から５のいずれか１項に記載の装置。
7. ターボ過給システムを備えるターボ過給内燃機関であって、前記ターボ過給システムは、前記機関の少なくとも１つの排気ガス出口に接続されたタービン（８）と外部空気の圧縮機（１０）とを備えるターボ過給機（７）と、前記圧縮機から前記タービンの入口まで延びる圧縮空気の部分移送配管（１５，１８）と、排気ガス出口と圧縮空気の吸気配管（４）との間の排気ガス再循環配管（１８，２１）と、を含むターボ過給内燃機関の吸気口に供給される空気の量を制御する方法であって、
   前記部分移送配管と前記排気ガス再循環配管に対して共有の配管部分が使用されることを特徴とする、方法。
8. 排気ガス再循環または圧縮空気の部分的な移送のいずれかを実現するように、絞りシステムが制御される、請求項７に記載の方法。
9. 請求項１から６のいずれか１項に記載の装置と、請求項７または８に記載の方法と、をディーゼル機関に適用すること。

Images