JP3965292B2 - 内燃機関における排気ガス再循環システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関において使用されるための排気ガス再循環システムに関するものであり、更に特定すれば、多数のターボチャージャーを有する内燃機関において使用されるための排気ガス再循環システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関には、燃焼シリンダー内の１またはそれ以上の燃焼チャンバに対応して１またはそれ以上のターボチャージャーを備えているものがある。各ターボチャージャーは、通常はエンジンの排気ガスにより駆動されるタービンとタービンにより駆動される圧縮機を備えている。圧縮機は、圧縮されるべき流体を受け取り、圧縮された流体を燃焼チャンバに供給する。圧縮機によって圧縮された流体は、燃焼用空気または燃料と空気の混合物の形態である。
【０００３】
内燃機関におけるターボチャージャーシステムに多数のターボチャージャーを備えることは既知である。例えば、アメリカ合衆国特許第３２５００６８号（Ｖｕｌｌｉａｍｙ）は、２つのターボチャージャーを備えた内燃機関を開示している。第１ターボチャージャーは、内燃機関上の単一の排気マニホルドによって駆動されるタービンを備える。第１ターボチャージャーのタービンからの使用後の排気ガスは、続いて第２ターボチャージャーのタービンの入口へ送られる。そして使用後の排気ガスは、第２ターボチャージャーのタービンから周囲の環境へと排出される。第２ターボチャージャーの圧縮機は大気からの燃焼用空気を圧縮し、圧縮された燃焼用空気を続いて第１ターボチャージャーの圧縮機に供給し、今度は圧縮された燃焼用空気をエンジンの吸気マニホルドに送る。
【０００４】
排気ガス再循環（ＥＧＲ）システムは、内燃機関の作動における望ましくない汚染ガスと微粒状物質の発生を制御するために用いられる。そのようなシステムは、乗用車、小積載量のトラック、その他の道路上の動力付き設備のような動力車に用いられる内燃機関において特に有用であることを証明している。ＥＧＲシステムは、主として内燃機関の吸入空気に排気ガス副産物を再循環させる。エンジンシリンダーに再導入される排気ガスは、その中の酸素濃度を低下させ、次にシリンダーの中の最高燃焼温度を下げ、燃焼過程の化学反応を遅らせ、窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生を減少させる。更には、排気ガスは通常は未燃焼の炭化水素を含んでおり、これがエンジンシリンダーに再導入されて燃焼され、内燃機関から望ましくない汚染物質として放出されるはずの排気ガス副産物の排出をさらに削減する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述のＥＧＲシステムにおいて、燃焼用空気と混合されて吸気マニホルドに導入される排気ガスの量を制御することは周知である。通常は、ベンチュリ型混合機などの混合機が、燃焼用空気と混合する排気ガスの量を制御するのに使用される。しかしながら、混合機のみを使用して、燃焼用空気と混合する排気ガスの量を制御することは、燃焼用空気と排気ガスの混合比に微調整を与えるのには充分ではない場合がある。
【０００６】
本発明は、上述の問題の１またはそれ以上を解決することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の１つの態様において、内燃機関には複数の燃焼シリンダー、少なくとも１つの排気マニホルド、そして少なくとも１つの吸気マニホルドが備えられている。各排気マニホルドは、複数の燃焼シリンダーと連結し、各吸気マニホルドは、複数の燃焼シリンダーと連結している。第１ターボチャージャーは、少なくとも１つの入口と出口を有する第１タービンと、入口と出口を有する第１圧縮機とを備えている。少なくとも１つの第１タービン入口は、対応する排気マニホルドと流体的に連結している。第２ターボチャージャーは、少なくとも１つの入口と１つの出口を有する第２タービンと、１つの入口と１つの出口を有する第２圧縮機とを備えている。少なくとも１つの第２タービンの入口は、対応する排気マニホルドと流体的に連結している。バルブ組立体は１つの入口、第１出口及び第２出口を備えている。バルブ入口は、対応する第１タービン入口と流体的に連結し、バルブ第１出口は、第２タービン入口と流体的に連結し、そしてバルブ第２出口は、少なくとも１つの吸気マニホルドと流体的に連結している。
【０００８】
本発明の別の態様においては、内燃機関の排気ガス再循環システムにおける排気ガスを再循環する方法は、少なくとも1つの入口と出口を有し該入口が対応する排気マニホルドと流体的に連結された第１タービンと、１つの入口と１つの出口を有する第１圧縮機とを備えた第１ターボチャージャー設け、少なくとも１つの入口と出口を有し該入口が対応する排気マニホルドと流体的に連結された第２タービンと、１つの入口と１つの出口を有する第２圧縮機とを備えた第２ターボチャージャーを設け、対応する排気マニホルド及び第１タービン入口と流体的に連結された１つの入口と、第２タービン入口に流体的に連結された第１出口と、第１出口に関連させられた第１バルブと、少なくとも１つの吸気マニホルドに流体的に連結された第２出口と、第２出口に関連させられた第２バルブとを有するバルブ組立体を設け、バルブ第１出口とバルブ第２出口を選択的に開閉する工程を含む。
【０００９】
【発明の実施の形態】
ここで、図において特に図１を参照すると、本発明の実施の形態である排気ガス再循環システム１２を含む内燃機関１０の実施の形態が示されている。
【００１０】
内燃機関１０は、図１に示されている６個の燃焼シリンダー１４のような、複数の燃焼シリンダー１４を備えている。ディーゼル油のような燃料は、各燃焼シリンダー１４へ噴射され、その中で既知の方法によって燃焼される。
【００１１】
内燃機関１０はまた、少なくとも１つの吸気マニホルド１６を備えており、各吸気マニホルドは複数の燃焼シリンダー１４と流体で連通するように配置されている。図示されている実施の形態においては、内燃機関１０は、６個の各燃焼シリンダー１４と流体で連通するように配置された単一の吸気マニホルド１６を備えている。吸気マニホルド１６は、後述されるように、空気混合物を各燃焼シリンダー１４に供給する。
【００１２】
内燃機関１０はまた、少なくとも１つの排気マニホルドを備えており、各排気マニホルドは複数の燃焼シリンダー１４と流体的に連結されている。図示されている実施の形態では、内燃機関１０は、第１排気マニホルド１８と第２排気マニホルド２０を備えており、各排気マニホルド１８、２０は６個の燃焼シリンダー１４のうちの３個と流体的に連結されている。
【００１３】
ＥＧＲシステム１２は、ターボチャージャーシステム２２、アフタークーラー２４、混合機２６、ＥＧＲクーラー２８及びバルブ組立体３０を備えている。
【００１４】
ターボチャージャーシステム２２は、第１ターボチャージャー３２と第２ターボチャージャー３４を備えている。第１ターボチャージャー３２は、少なくとも１つの入口３８と出口４０を有する第１タービン３６を備えている。入口３８は、第１排気マニホルド１８と流体的に連結し、第１タービン３６の中に配置されているタービンホイール（図示せず）を回転駆動するために排気ガスを受け取る。入口３８は、具体的用途に応じて、固定幾何学的形状の入口または可変ノズル入口の形状とすることができる。
【００１５】
第１ターボチャージャー３２はまた、シャフト４４を通じて第１タービン３６の中でタービンホイールと機械的に連結し、該タービンホイールによって駆動されている圧縮機ホイール（図示せず）を有する第１圧縮機４２を備える。第１圧縮機４２は、入口４６と出口４８を備えている。第１圧縮機４２は、入口４６で燃焼用空気を受け取り、圧縮された燃焼用空気を出口４８に供給する。
【００１６】
第２ターボチャージャー３４は、少なくとも１つの入口５２と出口５４を有する第２タービン５０を備える。入口５２は、各第２排気マニホルド２０及び第１タービン出口４０と流体的に連結されている。従って、第２タービン５０は、第２排気マニホルドから直接排気ガスを受け取り、第１タービン３６を通して第１排気マニホルドから間接的に排気ガスを受け取る。図示されている実施の形態において、第２タービン５０は、各第２排気マニホルド２０及び第１タービン出口４０から排気ガスを受け取る単一の入口５２を備える。しかしながら、並列的に、第２排気マニホルド２０及び第１タービン出口４０から排気ガスを受け取る別の入口を備える第２タービン５０を形成することも可能である。各入口は、特定の用途に応じて、固定された幾何学的形状の入口または可変の幾何学的形状のノズルの形状にすることができる。第２タービン出口５４は、排出システム（図示せず）を通じて、使用後の排気ガスを周囲の環境に排出する。
【００１７】
第２ターボチャージャー３４はまた、入口５８と出口６０を有する第２圧縮機５６を備える。第２圧縮機５６は、シャフト６２を通して第２タービン５０の中でタービンホイールによって機械的に連結し、タービンホイールによって駆動される圧縮機ホイール（図示せず）を備えている。第２圧縮機５６は、入口５８で周囲の環境から燃焼用空気を受け取り、出口６０で圧縮された燃焼用空気を排出する。出口６０は、次に第１圧縮機入口４６と流体的に連結された。従って、第２圧縮機５６と第１圧縮機４２は、周囲の燃焼用空気を圧縮するために２段階の圧縮機を構成する。
【００１８】
本発明の一態様によると、ＥＧＲシステム１２のバルブ組立体３０は、吸気マニホルド１６に送られる燃焼用空気と混合される排気ガス流量を調整するとともに、排気ガスを第２タービン５０に供給する。吸気マニホルド１６に送られる排気ガス量を制御または調整することは、内燃機関１０における効率的な排気ガス再循環システムをもたらす。更に、第２タービン５０への排気ガスの流量を制御することは、第２タービン５０を駆動するために吸気マニホルド１６に送られろことがない排気ガスからのエネルギーを利用するものとなる。
【００１９】
更に詳しく言えば、図２を参照すると、バルブ組立体３０は長手方向軸６８をもった長手方向の軸穴６６を有する本体６４を備える。本体６４は、入口７０、第１出口７２、第２出口７４を備える。入口７０は、軸穴６６の長手方向軸６８に対してほぼ直角に延び、第１排気マニホルド１８と第１タービン入口３８を相互接続する流体ライン７６と流体的に連結された。バルブ入口７０は従って、並列流方式で、第１排気マニホルド１８から排気ガスを受け取る。
【００２０】
バルブ第１出口７２は、軸穴６６の長手方向軸６８とほぼ同軸に位置決めされ、第２排気マニホルド２０と第２タービン入口５２を相互接続する流体ライン７８と流体的に連結された。バルブ第２出口７４は、軸穴６６の長手方向軸６８にほぼ直角に位置決めされ、吸気マニホルド１６と流体的に連結されている。
【００２１】
シャフト８０は、穴６６の中に摺動自在に配置される。第１バルブ８２は、第１バルブ出口７２に関連するようにシャフト８０に支持され、第２バルブ８４は、バルブ第２出口に関連するようにシャフト８０に支持される。図示されている実施の形態では、第１バルブ８２と第２バルブ８４は、シャフト８０と単一体に形成されるが、また別々に形成され、シャフト８０に支持されるようにしてもよい。第１バルブ８２と第２バルブ８４はそれぞれ、第１バルブ出口７２と第２バルブ出口７４を選択的に開閉し、同時に第１バルブ７２及びもしくは第２バルブ７４から流れる排気ガスに好ましい流体流量特性を与える所定の形状を有する。図示の実施の形態では、第１バルブ８２は、ほぼ円錐台形の形状であり、第２バルブ８４はほぼディスク状の形状である。
【００２２】
第１バルブ８２は、第１バルブ出口７２を構成するインサート８６に対して可動である。インサート８６は、第１出口７２に所定の内方形状を与えるために本体６４に着脱自在に装着される。図示の実施の形態では、インサート８６は、第１出口７２の排出側でガス膨張と圧力上昇を生じさせる拡がった表面８８を備える。第１バルブ８２のほぼ円錐台形の形状は、インサート８６の中でベンチュリを構成する補助になる。従って、排気ガスフローは、第１バルブ８２越しの低下した圧力の下で加速し、インサート８６の排出側で高くなる圧力の下で膨張する。
【００２３】
第２バルブ８４は、該第２バルブ８４が排気ガスを第２バルブ出口７４へ流れるように位置決めされるときに、本体６４に対して環状開口部を構成するほぼディスク状の形状を持つ。本体６４の軸穴６６は、インサート８６のスロート領域内の直径９２よりも長い直径９０によって形成される。直径９０と直径９２の比は、バルブ第１出口とバルブ第２出口７４それぞれからの望ましい容積流量を供給するために選択することができる。直径９０と直径９２の値は、用途により異なる場合があり、比較的容易に経験値によって求めることができる。
【００２４】
バルブガイド９４は、本体６４の軸穴６６の中に支持され、軸穴６６の中のシャフト８０を摺動自在に支持する。バルブガイド９４は、水入口９８と水出口１００と流体的に連通する流体経路を構成する円周溝を備える。バルブ組立体３０は、従って、その中を通って流れる排気ガスによって発生する熱を除去するために冷却された水である。
【００２５】
コレット１０２は、バルブガイド９４から離れてシャフト８０に固定される。圧縮ばね１０４は、バルブガイド９４とコレット１０２それぞれに対して反対方向の軸力を及ぼし、それによって、図２に示されているように、第２バルブ８４をバルブ第２出口７４を閉める位置に付勢する。
【００２６】
アクチュエーター１０６はシャフト８０に連結され、第１バルブ８２がバルブ第１出口７２を閉める第１位置と、第２バルブ８４がバルブ第２出口７４を閉める第２位置（図２）、もしくはそれら位置の間の選択された位置に選択的にシャフト８０を移動させる。アクチュエーター１０６は、例えば圧力差に基づいて選択された位置にシャフト８０を移動させる機械的アクチュエーターの形状とすることができ、或いは、ソレノイドのような電気アクチュエーターの形状とすることもできる。図示の実施の形態では、アクチュエーター１０６は、バルブ第１出口７２を閉める第１位置と、バルブ第２出口７４を閉める第２位置に、またはそれらの間の位置にシャフト８０を移動する電気アクチュエーターの形状である。
【００２７】
アフタークーラー２４は、第１圧縮機出口４８から排出する圧縮された燃焼用空気を冷却し、ＥＧＲクーラー２８は、バルブ３０の第２出口７４から流れる排気ガスを冷却する。混合機２６は、排気ガスを燃焼用空気と混合する。アフタークーラー２４、混合機２６、そしてＥＧＲクーラー２８は、それぞれ従来の設計であり、従ってこれ以上の説明はしない。
【００２８】
使用中、ディーゼル油のような燃料が各燃焼シリンダー１４に噴射され、その中で燃焼される。排気ガスは、第１タービン３６を回転駆動するために、第１排気マニホルド１８から第１タービン３６へと流れる。同時に、第１排気マニホルド１８からの排気ガスは、バルブ組立体３０の入口７０へ並列的に流れる。第１タービン３６からの使用後の排気ガスは、第２排気マニホルド２０からの排気ガスと混合され、第２タービン５０を回転駆動するために第２タービン５０に供給される。第２タービン５０からの使用後の排気ガスは、周囲の環境へと排出される。第１圧縮機４２と第２圧縮機５６は、それぞれ第１タービン３６と第２タービン５０によって回転駆動される。周囲の燃焼用空気は、第２圧縮機５６へと流れ、その中で圧縮される。圧縮された燃焼用空気は、燃焼用空気の２段階燃焼を行うために、続いて第２圧縮機５６から第１圧縮機４２へと排出される。そして圧縮された燃焼用空気はアフタークーラー２４の中で冷却され、混合機２６へ送られる。
【００２９】
バルブ３０は、バルブ第１出口７２及びまたはもしくはバルブ第２出口７４からの排出ガスの流量を制御するために選択的に作動する。バルブ第１出口７２から流れる排気ガスは、第２排気マニホルド２０からの排気ガスと混合し、第２タービン入口５２へと流れる。バルブ第２出口７４からの排気ガスは、ＥＧＲクーラー２８の中で冷却され、そして燃焼用空気と混合するために混合機２６へと送られる。燃焼用空気と排気ガスの混合物は、それから吸気マニホルド１６へと送られる。
【００３０】
本発明は、第１ターボチャージャー３２と第２ターボチャージャー３４とを有するターボチャージャーシステムとともに利用されるＥＧＲシステム１２を与える。バルブ第１出口７２及び／またはバルブ第２出口７４から送られる排気ガスの量は、軸穴６６及び／またはバルブ８２、８４に選択されたサイズ及び／または形状を与えることによって制御可能である。バルブは、機械的あるいは電気アクチュエーターを使用し、それによってＥＧＲシステム１２の実行のために融通性を与えて選択的、部分的、あるいは完全に開閉される。穴６６とバルブ８２、８４の特定のサイズと形状は、具体的用途によって選択され、経験によってある用途から別の用途へ容易に定められうる。
【００３１】
本発明の他の特徴、目的、及び利点は、図面、以上の説明及び特許請求の範囲の記載を検討することにより理解できるるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる排気ガス再循環システムの実施の形態を備えた内燃機関を示す図である。
【図２】図１に示されているバルブ組立体の側面断面図である。
【符号の説明】
１０ 内燃機関
１２ ＥＧＲシステム
１４ 燃焼シリンダー
１６ 吸気マニホルド
１８ 第１排気マニホルド
２０ 第２排気マニホルド
２２ ターボチャージャーシステム
２４ アフタークーラー
２６ 混合機
２８ ＥＧＲクーラー
３０ バルブ組立体
３２ 第１ターボチャージャー
３４ 第２ターボチャージャー
３６ 第１タービン
４２ 第１圧縮機
５０ 第２タービン
５６ 第２圧縮機
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関において使用されるための排気ガス再循環システムに関するものであり、更に特定すれば、多数のターボチャージャーを有する内燃機関において使用されるための排気ガス再循環システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関には、燃焼シリンダー内の１またはそれ以上の燃焼チャンバに対応して１またはそれ以上のターボチャージャーを備えているものがある。各ターボチャージャーは、通常はエンジンの排気ガスにより駆動されるタービンとタービンにより駆動される圧縮機を備えている。圧縮機は、圧縮されるべき流体を受け取り、圧縮された流体を燃焼チャンバに供給する。圧縮機によって圧縮された流体は、燃焼用空気または燃料と空気の混合物の形態である。
【０００３】
内燃機関におけるターボチャージャーシステムに多数のターボチャージャーを備えることは既知である。例えば、アメリカ合衆国特許第３２５００６８号（Ｖｕｌｌｉａｍｙ）は、２つのターボチャージャーを備えた内燃機関を開示している。第１ターボチャージャーは、内燃機関上の単一の排気マニホルドによって駆動されるタービンを備える。第１ターボチャージャーのタービンからの使用後の排気ガスは、続いて第２ターボチャージャーのタービンの入口へ送られる。そして使用後の排気ガスは、第２ターボチャージャーのタービンから周囲の環境へと排出される。第２ターボチャージャーの圧縮機は大気からの燃焼用空気を圧縮し、圧縮された燃焼用空気を続いて第１ターボチャージャーの圧縮機に供給し、今度は圧縮された燃焼用空気をエンジンの吸気マニホルドに送る。
【０００４】
排気ガス再循環（ＥＧＲ）システムは、内燃機関の作動における望ましくない汚染ガスと微粒状物質の発生を制御するために用いられる。そのようなシステムは、乗用車、小積載量のトラック、その他の道路上の動力付き設備のような動力車に用いられる内燃機関において特に有用であることを証明している。ＥＧＲシステムは、主として内燃機関の吸入空気に排気ガス副産物を再循環させる。エンジンシリンダーに再導入される排気ガスは、その中の酸素濃度を低下させ、次にシリンダーの中の最高燃焼温度を下げ、燃焼過程の化学反応を遅らせ、窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生を減少させる。更には、排気ガスは通常は未燃焼の炭化水素を含んでおり、これがエンジンシリンダーに再導入されて燃焼され、内燃機関から望ましくない汚染物質として放出されるはずの排気ガス副産物の排出をさらに削減する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述のＥＧＲシステムにおいて、燃焼用空気と混合されて吸気マニホルドに導入される排気ガスの量を制御することは周知である。通常は、ベンチュリ型混合機などの混合機が、燃焼用空気と混合する排気ガスの量を制御するのに使用される。しかしながら、混合機のみを使用して、燃焼用空気と混合する排気ガスの量を制御することは、燃焼用空気と排気ガスの混合比に微調整を与えるのには充分ではない場合がある。
【０００６】
本発明は、上述の問題の１またはそれ以上を解決することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の１つの態様において、内燃機関には複数の燃焼シリンダー、少なくとも１つの排気マニホルド、そして少なくとも１つの吸気マニホルドが備えられている。各排気マニホルドは、複数の燃焼シリンダーと連結し、各吸気マニホルドは、複数の燃焼シリンダーと連結している。第１ターボチャージャーは、少なくとも１つの入口と出口を有する第１タービンと、入口と出口を有する第１圧縮機とを備えている。少なくとも１つの第１タービン入口は、対応する排気マニホルドと流体的に連結している。第２ターボチャージャーは、少なくとも１つの入口と１つの出口を有する第２タービンと、１つの入口と１つの出口を有する第２圧縮機とを備えている。少なくとも１つの第２タービンの入口は、対応する排気マニホルドと流体的に連結している。バルブ組立体は１つの入口、第１出口及び第２出口を備えている。バルブ入口は、対応する第１タービン入口と流体的に連結し、バルブ第１出口は、第２タービン入口と流体的に連結し、そしてバルブ第２出口は、少なくとも１つの吸気マニホルドと流体的に連結している。
【０００８】
本発明の別の態様においては、内燃機関の排気ガス再循環システムにおける排気ガスを再循環する方法は、少なくとも1つの入口と出口を有し該入口が対応する排気マニホルドと流体的に連結された第１タービンと、１つの入口と１つの出口を有する第１圧縮機とを備えた第１ターボチャージャー設け、少なくとも１つの入口と出口を有し該入口が対応する排気マニホルドと流体的に連結された第２タービンと、１つの入口と１つの出口を有する第２圧縮機とを備えた第２ターボチャージャーを設け、対応する排気マニホルド及び第１タービン入口と流体的に連結された１つの入口と、第２タービン入口に流体的に連結された第１出口と、第１出口に関連させられた第１バルブと、少なくとも１つの吸気マニホルドに流体的に連結された第２出口と、第２出口に関連させられた第２バルブとを有するバルブ組立体を設け、バルブ第１出口とバルブ第２出口を選択的に開閉する工程を含む。
【０００９】
【発明の実施の形態】
ここで、図において特に図１を参照すると、本発明の実施の形態である排気ガス再循環システム１２を含む内燃機関１０の実施の形態が示されている。
【００１０】
内燃機関１０は、図１に示されている６個の燃焼シリンダー１４のような、複数の燃焼シリンダー１４を備えている。ディーゼル油のような燃料は、各燃焼シリンダー１４へ噴射され、その中で既知の方法によって燃焼される。
【００１１】
内燃機関１０はまた、少なくとも１つの吸気マニホルド１６を備えており、各吸気マニホルドは複数の燃焼シリンダー１４と流体で連通するように配置されている。図示されている実施の形態においては、内燃機関１０は、６個の各燃焼シリンダー１４と流体で連通するように配置された単一の吸気マニホルド１６を備えている。吸気マニホルド１６は、後述されるように、空気混合物を各燃焼シリンダー１４に供給する。
【００１２】
内燃機関１０はまた、少なくとも１つの排気マニホルドを備えており、各排気マニホルドは複数の燃焼シリンダー１４と流体的に連結されている。図示されている実施の形態では、内燃機関１０は、第１排気マニホルド１８と第２排気マニホルド２０を備えており、各排気マニホルド１８、２０は６個の燃焼シリンダー１４のうちの３個と流体的に連結されている。
【００１３】
ＥＧＲシステム１２は、ターボチャージャーシステム２２、アフタークーラー２４、混合機２６、ＥＧＲクーラー２８及びバルブ組立体３０を備えている。
【００１４】
ターボチャージャーシステム２２は、第１ターボチャージャー３２と第２ターボチャージャー３４を備えている。第１ターボチャージャー３２は、少なくとも１つの入口３８と出口４０を有する第１タービン３６を備えている。入口３８は、第１排気マニホルド１８と流体的に連結し、第１タービン３６の中に配置されているタービンホイール（図示せず）を回転駆動するために排気ガスを受け取る。入口３８は、具体的用途に応じて、固定幾何学的形状の入口または可変ノズル入口の形状とすることができる。
【００１５】
第１ターボチャージャー３２はまた、シャフト４４を通じて第１タービン３６の中でタービンホイールと機械的に連結し、該タービンホイールによって駆動されている圧縮機ホイール（図示せず）を有する第１圧縮機４２を備える。第１圧縮機４２は、入口４６と出口４８を備えている。第１圧縮機４２は、入口４６で燃焼用空気を受け取り、圧縮された燃焼用空気を出口４８に供給する。
【００１６】
第２ターボチャージャー３４は、少なくとも１つの入口５２と出口５４を有する第２タービン５０を備える。入口５２は、各第２排気マニホルド２０及び第１タービン出口４０と流体的に連結されている。従って、第２タービン５０は、第２排気マニホルドから直接排気ガスを受け取り、第１タービン３６を通して第１排気マニホルドから間接的に排気ガスを受け取る。図示されている実施の形態において、第２タービン５０は、各第２排気マニホルド２０及び第１タービン出口４０から排気ガスを受け取る単一の入口５２を備える。しかしながら、並列的に、第２排気マニホルド２０及び第１タービン出口４０から排気ガスを受け取る別の入口を備える第２タービン５０を形成することも可能である。各入口は、特定の用途に応じて、固定された幾何学的形状の入口または可変の幾何学的形状のノズルの形状にすることができる。第２タービン出口５４は、排出システム（図示せず）を通じて、使用後の排気ガスを周囲の環境に排出する。
【００１７】
第２ターボチャージャー３４はまた、入口５８と出口６０を有する第２圧縮機５６を備える。第２圧縮機５６は、シャフト６２を通して第２タービン５０の中でタービンホイールによって機械的に連結し、タービンホイールによって駆動される圧縮機ホイール（図示せず）を備えている。第２圧縮機５６は、入口５８で周囲の環境から燃焼用空気を受け取り、出口６０で圧縮された燃焼用空気を排出する。出口６０は、次に第１圧縮機入口４６と流体的に連結された。従って、第２圧縮機５６と第１圧縮機４２は、周囲の燃焼用空気を圧縮するために２段階の圧縮機を構成する。
【００１８】
本発明の一態様によると、ＥＧＲシステム１２のバルブ組立体３０は、吸気マニホルド１６に送られる燃焼用空気と混合される排気ガス流量を調整するとともに、排気ガスを第２タービン５０に供給する。吸気マニホルド１６に送られる排気ガス量を制御または調整することは、内燃機関１０における効率的な排気ガス再循環システムをもたらす。更に、第２タービン５０への排気ガスの流量を制御することは、第２タービン５０を駆動するために吸気マニホルド１６に送られろことがない排気ガスからのエネルギーを利用するものとなる。
【００１９】
更に詳しく言えば、図２を参照すると、バルブ組立体３０は長手方向軸６８をもった長手方向の軸穴６６を有する本体６４を備える。本体６４は、入口７０、第１出口７２、第２出口７４を備える。入口７０は、軸穴６６の長手方向軸６８に対してほぼ直角に延び、第１排気マニホルド１８と第１タービン入口３８を相互接続する流体ライン７６と流体的に連結された。バルブ入口７０は従って、並列流方式で、第１排気マニホルド１８から排気ガスを受け取る。
【００２０】
バルブ第１出口７２は、軸穴６６の長手方向軸６８とほぼ同軸に位置決めされ、第２排気マニホルド２０と第２タービン入口５２を相互接続する流体ライン７８と流体的に連結された。バルブ第２出口７４は、軸穴６６の長手方向軸６８にほぼ直角に位置決めされ、吸気マニホルド１６と流体的に連結されている。
【００２１】
シャフト８０は、穴６６の中に摺動自在に配置される。第１バルブ８２は、第１バルブ出口７２に関連するようにシャフト８０に支持され、第２バルブ８４は、バルブ第２出口に関連するようにシャフト８０に支持される。図示されている実施の形態では、第１バルブ８２と第２バルブ８４は、シャフト８０と単一体に形成されるが、また別々に形成され、シャフト８０に支持されるようにしてもよい。第１バルブ８２と第２バルブ８４はそれぞれ、第１バルブ出口７２と第２バルブ出口７４を選択的に開閉し、同時に第１バルブ７２及びもしくは第２バルブ７４から流れる排気ガスに好ましい流体流量特性を与える所定の形状を有する。図示の実施の形態では、第１バルブ８２は、ほぼ円錐台形の形状であり、第２バルブ８４はほぼディスク状の形状である。
【００２２】
第１バルブ８２は、第１バルブ出口７２を構成するインサート８６に対して可動である。インサート８６は、第１出口７２に所定の内方形状を与えるために本体６４に着脱自在に装着される。図示の実施の形態では、インサート８６は、第１出口７２の排出側でガス膨張と圧力上昇を生じさせる拡がった表面８８を備える。第１バルブ８２のほぼ円錐台形の形状は、インサート８６の中でベンチュリを構成する補助になる。従って、排気ガスフローは、第１バルブ８２越しの低下した圧力の下で加速し、インサート８６の排出側で高くなる圧力の下で膨張する。
【００２３】
第２バルブ８４は、該第２バルブ８４が排気ガスを第２バルブ出口７４へ流れるように位置決めされるときに、本体６４に対して環状開口部を構成するほぼディスク状の形状を持つ。本体６４の軸穴６６は、インサート８６のスロート領域内の直径９２よりも長い直径９０によって形成される。直径９０と直径９２の比は、バルブ第１出口とバルブ第２出口７４それぞれからの望ましい容積流量を供給するために選択することができる。直径９０と直径９２の値は、用途により異なる場合があり、比較的容易に経験値によって求めることができる。
【００２４】
バルブガイド９４は、本体６４の軸穴６６の中に支持され、軸穴６６の中のシャフト８０を摺動自在に支持する。バルブガイド９４は、水入口９８と水出口１００と流体的に連通する流体経路を構成する円周溝を備える。バルブ組立体３０は、従って、その中を通って流れる排気ガスによって発生する熱を除去するために冷却された水である。
【００２５】
コレット１０２は、バルブガイド９４から離れてシャフト８０に固定される。圧縮ばね１０４は、バルブガイド９４とコレット１０２それぞれに対して反対方向の軸力を及ぼし、それによって、図２に示されているように、第２バルブ８４をバルブ第２出口７４を閉める位置に付勢する。
【００２６】
アクチュエーター１０６はシャフト８０に連結され、第１バルブ８２がバルブ第１出口７２を閉める第１位置と、第２バルブ８４がバルブ第２出口７４を閉める第２位置（図２）、もしくはそれら位置の間の選択された位置に選択的にシャフト８０を移動させる。アクチュエーター１０６は、例えば圧力差に基づいて選択された位置にシャフト８０を移動させる機械的アクチュエーターの形状とすることができ、或いは、ソレノイドのような電気アクチュエーターの形状とすることもできる。図示の実施の形態では、アクチュエーター１０６は、バルブ第１出口７２を閉める第１位置と、バルブ第２出口７４を閉める第２位置に、またはそれらの間の位置にシャフト８０を移動する電気アクチュエーターの形状である。
【００２７】
アフタークーラー２４は、第１圧縮機出口４８から排出する圧縮された燃焼用空気を冷却し、ＥＧＲクーラー２８は、バルブ３０の第２出口７４から流れる排気ガスを冷却する。混合機２６は、排気ガスを燃焼用空気と混合する。アフタークーラー２４、混合機２６、そしてＥＧＲクーラー２８は、それぞれ従来の設計であり、従ってこれ以上の説明はしない。
【００２８】
使用中、ディーゼル油のような燃料が各燃焼シリンダー１４に噴射され、その中で燃焼される。排気ガスは、第１タービン３６を回転駆動するために、第１排気マニホルド１８から第１タービン３６へと流れる。同時に、第１排気マニホルド１８からの排気ガスは、バルブ組立体３０の入口７０へ並列的に流れる。第１タービン３６からの使用後の排気ガスは、第２排気マニホルド２０からの排気ガスと混合され、第２タービン５０を回転駆動するために第２タービン５０に供給される。第２タービン５０からの使用後の排気ガスは、周囲の環境へと排出される。第１圧縮機４２と第２圧縮機５６は、それぞれ第１タービン３６と第２タービン５０によって回転駆動される。周囲の燃焼用空気は、第２圧縮機５６へと流れ、その中で圧縮される。圧縮された燃焼用空気は、燃焼用空気の２段階燃焼を行うために、続いて第２圧縮機５６から第１圧縮機４２へと排出される。そして圧縮された燃焼用空気はアフタークーラー２４の中で冷却され、混合機２６へ送られる。
【００２９】
バルブ３０は、バルブ第１出口７２及びまたはもしくはバルブ第２出口７４からの排出ガスの流量を制御するために選択的に作動する。バルブ第１出口７２から流れる排気ガスは、第２排気マニホルド２０からの排気ガスと混合し、第２タービン入口５２へと流れる。バルブ第２出口７４からの排気ガスは、ＥＧＲクーラー２８の中で冷却され、そして燃焼用空気と混合するために混合機２６へと送られる。燃焼用空気と排気ガスの混合物は、それから吸気マニホルド１６へと送られる。
【００３０】
本発明は、第１ターボチャージャー３２と第２ターボチャージャー３４とを有するターボチャージャーシステムとともに利用されるＥＧＲシステム１２を与える。バルブ第１出口７２及び／またはバルブ第２出口７４から送られる排気ガスの量は、軸穴６６及び／またはバルブ８２、８４に選択されたサイズ及び／または形状を与えることによって制御可能である。バルブは、機械的あるいは電気アクチュエーターを使用し、それによってＥＧＲシステム１２の実行のために融通性を与えて選択的、部分的、あるいは完全に開閉される。穴６６とバルブ８２、８４の特定のサイズと形状は、具体的用途によって選択され、経験によってある用途から別の用途へ容易に定められうる。
【００３１】
本発明の他の特徴、目的、及び利点は、図面、以上の説明及び特許請求の範囲の記載を検討することにより理解できるるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる排気ガス再循環システムの実施の形態を備えた内燃機関を示す図である。
【図２】図１に示されているバルブ組立体の側面断面図である。
【符号の説明】
１０ 内燃機関
１２ ＥＧＲシステム
１４ 燃焼シリンダー
１６ 吸気マニホルド
１８ 第１排気マニホルド
２０ 第２排気マニホルド
２２ ターボチャージャーシステム
２４ アフタークーラー
２６ 混合機
２８ ＥＧＲクーラー
３０ バルブ組立体
３２ 第１ターボチャージャー
３４ 第２ターボチャージャー
３６ 第１タービン
４２ 第１圧縮機
５０ 第２タービン
５６ 第２圧縮機
Claims (24)
- 複数の燃焼シリンダーと、
複数の前記燃焼シリンダーと連結された少なくとも1つの排気マニホルドと、
複数の前記燃焼シリンダーと連結された少なくとも1つの吸気マニホルドと、
少なくとも1つの入口及び出口を有し前記入口が対応する前記排気マニホルドと流体的に連結された第１タービンと、入口及び出口を有する第１圧縮機とを備えた第１ターボチャージャーと、
少なくとも１つの入口及び出口を有し前記入口が対応する前記排気マニホルドと流体的に連結された第２タービンと、入口と出口を有する第２圧縮機とを備えた第２ターボチャージャーと、
対応する前記第１タービン入口と流体的に連結された入口、前記第２タービン入口と流体的に連結された第１出口、及び少なくとも１つの前記吸気マニホルドと流体的に連結された第２出口を有するバルブ組立体と、
を備えることを特徴とする内燃機関。 - 前記バルブが長手方向の軸穴を持つ本体と、前記軸穴内に配置されたシャフトと、前記バルブ第１出口と関連するように前記シャフトに支持された第１バルブと、前記バルブ第２出口と関連するように前記シャフトに支持された第２バルブを備えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
- 前記シャフトが前記第１バルブと前記第２バルブと共に単一体であることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
- 前記バルブ第１出口がほぼ円錐形の形状を持ち、前記バルブ第２出口がほぼディスク状の形状を持つことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
- 前記第１バルブが前記バルブ第１出口を閉める第１位置と前記第２バルブが前記バルブ第２出口を閉める第２位置、及びそれら位置の間に前記シャフトを選択的に移動するためのアクチュエーターを備えていることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
- 前記アクチュエーターが機械式アクチュエーター及び電気アクチュエーターの一つであることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関。
- 前記第２バルブが前記バルブ第２出口を閉める第１位置に向けて前記シャフトを付勢するばねを備えることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
- 前記軸穴が前記バルブ第１出口に隣接する第１直径と前記バルブ第２出口に隣接する第２直径を備えており、前記第２直径は前記第１直径よりも大きいことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
- 前記バルブ第１出口が拡がった表面を有することを特徴とする請求項８に記載の内燃機関。
- 前記バルブが、前記拡がった表面を定める前記第１出口にインサートを有することを特徴とする請求項９に記載の内燃機関。
- 前記バルブ入口と前記バルブ第２出口が前記軸穴の長手方向軸に対してほぼ直角に延び、前記バルブ第１出口が前記軸穴の前記長手方向軸に対してほぼ同軸に延びることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
- 複数の燃焼シリンダー、少なくとも１つの排気マニホルド、及び少なくとも１つの吸気マニホルドを備える内燃機関における排気ガス再循環システムであって、
少なくとも1つの入口及び出口を有し前記入口が対応する前記排気マニホルドと流体的に連結された第１タービンと、入口及び出口を有する第１圧縮機を備えた第１ターボチャージャーと、
少なくとも１つの入口及び出口を有し前記入口が対応する前記排気マニホルドと流体的に連結された第２タービンと、入口と出口を有する第２圧縮機を備えた第２ターボチャージャーと、
対応する前記第１タービン入口と流体的に連結された入口、前記第２タービン入口と流体的に連結された第１出口、及び少なくとも１つの前記吸気マニホルドと流体的に連結している第２出口を有するバルブ組立体と、
を備えることを特徴とする排気ガス再循環システム。 - 前記バルブが長手方向の軸穴を持つ本体と、前記軸穴に位置決めされたシャフトと、前記バルブ第１出口と関連するように前記シャフトに支持される第１バルブと、前記バルブ第２出口と関連するように前記シャフトに支持される第２バルブを備えることを特徴とする請求項１２に記載の排気ガス再循環システム。
- 前記シャフトが前記第１バルブと前記第２バルブと共に単一体であることを特徴とする請求項１３に記載の排気ガス再循環システム。
- 前記バルブ第１出口がほぼ円錐形の形状を持ち、前記バルブ第２出口がほぼディスク状の形状を持つことを特徴とする請求項１３に記載の排気ガス再循環システム。
- 前記第１バルブが前記バルブ第１出口を閉める第１位置と前記第２バルブが前記バルブ第２出口を閉める第２位置、及びそれら位置の間に前記シャフトを選択的に移動するためのアクチュエーターを備えることを特徴とする請求項１３に記載の排気ガス再循環システム。
- 前記アクチュエーターが機械式アクチュエーター及び電気アクチュエーターの一つであることを特徴とする請求項１６に記載の排気ガス再循環システム。
- 前記第２バルブが前記バルブ第２出口を閉めるところの第１位置へ前記シャフトを付勢するばねを備えることを特徴とする請求項１３に記載の排気ガス再循環システム。
- 前記軸穴が前記バルブ第１出口に隣接する第１直径と前記バルブ第２出口に隣接する第２直径を備え、前記第２直径は前記第１直径よりも大きいことを特徴とする請求項１３に記載の排気ガス再循環システム。
- 前記バルブ第１出口が拡がった表面を有することを特徴とする請求項１９に記載の排気ガス再循環システム。
- 前記バルブが、前記拡がった表面を定める前記第１出口にインサートを有することを特徴とする請求項２０に記載の排気ガス再循環システム。
- 前記バルブ入口、前記バルブ第１出口及び前記バルブ第２出口が前記軸穴の長手方向軸に対してほぼ直角に延びることを特徴とする請求項１３に記載の排気ガス再循環システム。
- 少なくとも1つの入口及び出口を有し前記入口が対応する前記排気マニホルドに流体的に連結された第１タービンと、入口及び出口を有する第１圧縮機とを備えた第１ターボチャージャーを設け、
少なくとも１つの入口及び出口を有し前記入口が対応する前記排気マニホルドと流体的に連結された第２タービンと、入口と出口を有する第２圧縮機とを備えた第２ターボチャージャーを設け、
対応する前記第１タービン入口と流体的に連結された入口、前記第２タービン入口と流体的に連結された第１出口、及び少なくとも１つの前記吸気マニホルドと流体的に連結された第２出口を有するバルブ組立体を設け、
前記バルブ第１出口と前記バルブ第２出口を選択的に開閉する、
工程を含む、内燃機関の排気ガス再循環システムにおける排気ガスを再循環する方法。 - 前記バルブが、長手方向の軸穴を持つ本体と、前記軸穴に配置されたシャフトと、前記バルブ第１出口と関連するように前記シャフトに支持される第１バルブと、前記バルブ第２出口と関連するように前記シャフトに支持される第２バルブとを備え、
前記第１バルブが前記バルブ第１出口を閉める第１位置と前記第２バルブが前記バルブ第２出口を閉める第２位置、及びそれら位置の間に前記シャフトを選択的に移動させるための工程を備えることを特徴とする請求項２３に記載の方法。
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