JP4037992B2 - 内燃機関の過給方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、低い外気温度での低温始動からエンジンの高速回転での全負荷運転に至る内燃機関の運転スペクトルの区分によって内燃機関の運転範囲が定義され、前記内燃機関の運転範囲の運転順序に関係する弁装置における複数個の切換弁の切換によって、過給空気流が内燃機関の異なった複数のシリンダに導かれ、第1の排気駆動過給機に排気ガス側の並列配置で追加される少なくとも一つの排気駆動過給機を、前記内燃機関の運転範囲の運転順序に従って追加接続しおよび後でしゃ断することによって過給空気の導入が変更される内燃機関の過給方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
小形の内燃機関が過給の助けによって、かなり大形の内燃機関に相当した出力を発生することができる。定格出力が予め定められている場合その過給に基づいてエンジンを著しく小形化することができる。内燃機関を排気駆動過給機で過給する際、一方では過給によって定格出力が増加でき、他方ではそのために幾何学・機械的圧縮が所望の定格出力上昇に比例して減少せざるを得ないという矛盾が生ずる。その幾何学・機械的圧縮の減少によって、過給式内燃機関の出力ないしトルクが低い回転数範囲において過比例して低下する。これは排気駆動過給機の固有運転回転数特性における非常に尖った性能曲線に起因する。流体機械は非常に狭い回転数範囲内でしか最良の流れ、従って高い出力をもたらさない。これは陸上車における内燃機関において双曲線状牽引力を得ようとすることと矛盾する。しかし複数の排気駆動過給機を採用することによって、内燃機関の運転回転数幅並びに排気駆動過給機の比容積運転量を分割することができる。もっともそれに応じた排気駆動過給機の時間的にずれた追加接続は、例えば第2の圧縮機から非常に低い圧力でまずは放出弁を介して外に流れる空気が既に第1の圧縮機の全圧状態にある内燃機関の過給空気マニホールドに到達しようとするとき、即ち比較的大きな流速および僅かな圧力発生を有する流体機械から比較的小さな流速および比較的大きな圧力発生を有するピストン機械に到達しようとするときに、過給装置を簡単にポンプ運転範囲に引き込み、追加接続された圧縮機における過給空気流を衰弱させてしまう。
【0003】
冒頭に述べた形式の内燃機関の過給方法はドイツ特許第4434777号明細書で知られている。そこでは内燃機関のシリンダの種々の数のシリンダに過給空気流を向けるための、内燃機関の運転範囲の順序に関係して切り換えられる弁装置として、二つ以上の過給空気分離弁が組み込まれた過給空気マニホールドが設けられている。これらの過給空気分離弁は運転範囲に依存して異なる分割割合で過給空気マニホールドを二分するために使われ、その場合過給空気供給装置から分離された各シリンダは、過給空気マニホールドの過給空気が存在しない部分を通って全シリンダに付属した排気マニホールドから排気ガスを供給される。これによって過給式多気筒ディーゼルエンジン用に有利に、非常に低い外気温度の際の低温始動から高いエンジン回転数でかつ非常に高い外気温度の際の全負荷運転までの遷移調和運転スペクトルが得られる。全部で4個の過給空気分離弁を備えている場合、過給空気マニホールドを最も制限する過給空気分離弁は低温始動に、次の過給空気分離弁は暖まったエンジンの始動に、その次の過給空気分離弁は約20°C以下の大気温の際の低い無負荷運転に、過給空気マニホールドを最も少ししか制限しない過給空気分離弁は約20°C以上の大気温の際の高い無負荷運転に割り当てられている。更に最初に接続すべき排気駆動過給機には低い回転数による全負荷運転が、2番目に接続すべき排気駆動過給機には平均回転数による全負荷運転が、3番目に接続すべき排気駆動過給機には高い回転数による全負荷運転が割り当てられている。この切換の際も上述したポンプ作用、即ち過給空気の逆流および過給空気流の衰弱の危険が存在する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、過給式内燃機関において、出力上昇と関連して、燃費および有害物放出を低下させること、低い回転数範囲における加速性能を改善すること、部分負荷および全負荷における非常に低い回転数から部分負荷および全負荷における高い回転数までの遷移調和運転スペクトルを得ること、ポンプ作用なしにあるいは過給空気流の衰弱なしに少なくとも一つの別の排気駆動過給機の支障のない時間的にずれた追加接続および既接続の排気駆動過給機のしゃ断を可能にすることにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
この課題は本発明に基づいて、冒頭に述べた形式の方法において、内燃機関の各シリンダが常に排気駆動過給機の一台だけから過給空気を供給され、前記運転範囲の運転順序に応じて次の排気駆動過給機を追加接続する際に、および、既に接続されていた排気駆動過 給機をしゃ断する際に、少なくとも一つのシリンダの過給空気供給が或る排気駆動過給機の過給空気流から別の排気駆動過給機の過給空気流に切り換えられることによって解決される。
【0006】
本発明に基づく内燃機関の過給方法によれば、個々の排気駆動過給機の過給空気流は従来のように過給空気マニホールドにおいて合流せず、内燃機関のシリンダに存在する入口弁まで常に互いに別々に保たれている。それにもかかわらず、内燃機関のシリンダは良好な低温始動の目的のために過給空気供給装置から除外されない。過給空気流が別々に保たれていることにより、次の排気駆動過給機における新たな過給空気圧は、先に運転している排気駆動過給機の既に確立されている過給空気圧によって害されることなしに生じさせられる。互いに分離された過給空気流を内燃機関に存在するシリンダに分配するための弁装置として、電気制御可能なレジスタ過給空気分配器が適している。その場合、過給空気マニホールドの場合のようにすべての過給空気流は全シリンダに接続されているタンクに流入するが、移動可能なピストン弁あるいは揺動可能なバタフライ弁あるいは他の分離弁によって一つあるいは複数のシリンダがそれぞれ唯一の排気駆動過給機に接続させられる。本発明によって得られる利点は特に、内燃機関の運転スペクトルが遷移調和的に細分化されることにある。そのために本発明の実施態様として、次の排気駆動過給機の追加接続後および既接続の排気駆動過給機のしゃ断前に、内燃機関の別の運転範囲を形成するために、少なくとも一つの別のシリンダの過給空気供給が或る排気駆動過給機の過給空気流から別の排気駆動過給機の過給空気流に切り換えられる。
【0007】
【発明の実施の形態】
以下図に示した実施例を参照して本発明を詳細に説明する。図には従属請求項に記載されている本発明の有利な実施態様が概略的に示されている。
【0008】
図1の中央に、排気ガスが排気マニホールド12内で合流する8個のシリンダ11を備えた内燃機関10が存在している。排気マニホールド12からそれぞれの排気ガス管13が全部で4台の排気駆動過給機A、B、C、Dのタービン14に通じており、詳しくは排気駆動過給機B、C、Dにおいては切換弁15を介して、排気駆動過給機Aではそのような切換弁15を介さずに通じている。4台の各排気駆動過給機A、B、C、Dの圧縮機16はそれぞれの過給空気管17の構造部品であり、これは排気駆動過給機B、C、Dにおいては切換弁18を有し、排気駆動過給機Aにおいてはそのような切換弁18を有していない。
【0009】
排気駆動過給機A、B、C、Dで発生された最大4つの過給空気流を内燃機関10の8個のシリンダ11に、図2における運転範囲a〜iに関係して種々に分割して供給するための弁装置19は電気制御可能なレジスタ過給空気分配器として形成されている。その場合過給空気マニホールドの場合のように全ての過給空気流は全部のシリンダ11に接続されているタンクに流入するが、8個のシリンダ接続口20間に例外箇所を除いて挿入された分離弁21によって、種々異なった数の過給空気流に分割する複数の部分室が形成されている。図2に内燃機関10の全運転範囲a〜iにおける個々の空間分割が表の形でまとめられ、閉鎖した分離弁21は実線で示され、開いた分離弁21は破線で示され、4台の排気駆動過給機A、B、C、Dで互いに別々に得られた過給空気流は異なったハッチングで明らかにされている。図1には内燃機関10の最も複雑な図2における運転範囲hの状態の弁装置19が示されている。
【0010】
6個設けられた分離弁21の各作動装置22はそれぞれ制御線23を介してコンピュータ24に接続されている。このコンピュータ24に導入された測定値が特にデジタル的に記憶された切換プロフィルと比較することによって間接的に弁装置19並びに排気駆動過給機B、C、Dを切り換えるために使用される。その測定値として、排気駆動過給機A、B、C、Dから供給された過給空気圧、排気マニホールド12内における排気ガス圧、内燃機関10の回転数および例えばアクセルペダル位置の形の需要負荷値が種々の組み合わせで利用される。このことを明らかにするために図1においてコンピュータ24には、4本の各過給空気管17におけるマノメータ26からの信号線25、排気マニホールド12に組み込まれたマノメータ28からの信号線27、内燃機関10の軸に接続されている回転数計30の信号線29および内燃機関10のアクセルペダル32における4箇所の位置の信号線31がそれぞれ接続されている。なおまたコンピュータ24から、排気駆動過給機Bの両切換弁15、18に制御線33が、排気駆動過給機Cの両切換弁15、18に制御線34が、排気駆動過給機Dの両切換弁15、18に制御線35が接続されている。
【0011】
ほぼ同じ大きさをした4台の排気駆動過給機A、B、C、Dは、内燃機関10の運転回転数特性に関係して一様に分担され、全負荷時に接続可能に設計されている。それらの単一の運転量はその総数に関連して内燃機関10の全負荷時および最高回転数時における最大排気ガス流量および最大過給空気流量のほぼ4分の1に相当している。従ってほぼ同じ大きさをした4台の排気駆動過給機A、B、C、Dは、切換弁15、18なしに作動する第1の排気駆動過給機Aをできるだけ早期に使用するためないし最高出力点にするために、および更には各排気駆動過給機A、B、C、Dの最高出力点と零点との間隔をほぼ同じ大きさにするために、それぞれ全負荷時における最高回転数の25%、50%、75%、100%の運転回転数特性点において最高出力となるようにされている。
【0012】
電気制御可能なレジスタ過給空気分配器として形成された弁装置19の出発位置および内燃機関10の最低運転範囲aにおいて、6個すべての分離弁21が開かれているので、8個すべてのシリンダ11が排気駆動過給機Aの過給空気流を供給される。第1の排気駆動過給機Aは排気ガス側も過給空気側もしゃ断装置を有しておらず、従って内燃機関10の始動からその全運転回転数幅にわたって運転する。全負荷時において運転回転数幅のほぼ4分の1に到達すると、第6の分離弁21が第8のシリンダ11の前で小室をしゃ断し、この小室は内燃機関10の運転範囲bにおいて排気駆動過給機Bからはじめて過給空気を供給される。この過給空気圧が小さな安全間隔で排気駆動過給機Aのレベルに到達すると、第5の分離弁21が閉じられ、第6の分離弁21が再び開かれ、これによって排気駆動過給機Aは内燃機関10の運転範囲cでは最初の6個のシリンダ11にしか供給せず、排気駆動過給機Bが最後の2個のシリンダ11に供給する。またその排気駆動過給機Bの過給空気圧が切換過程を開始するために排気駆動過給機Aの値にほぼ到達すると、今回は内燃機関10の運転範囲dのために第4の分離弁21が閉じられ、その直後に第5の分離弁21が再び開けられる。このことは第3の分離弁21および第4の分離弁21でも同様に繰り返され、それに従って内燃機関10の運転範囲eにおいて両排気駆動過給機A、Bからそれぞれ4個のシリンダ11に過給空気が供給される。
【0013】
内燃機関10の運転範囲fにおいてはじめて排気駆動過給機Cが使用され、その場合、排気駆動過給機Cについて支障のない高速運転を可能にするために、第3の分離弁21が閉じられたままで、第4の分離弁21が追加的に閉じられる。再び排気駆動過給機Aの過給空気圧レベルに或る間隔をおいて到達した後、今回は内燃機関10の運転範囲gのために第2の分離弁21が閉鎖し、その直後に第3の分離弁21が開けられる。再び同じ圧力に到達したとき、第5の分離弁21が閉じ、第4の分離弁21が開く。更にまた同じ圧力に到達したとき、内燃機関10の運転範囲hのために第3の分離弁21が閉じ、第4のシリンダ11の範囲における排気駆動過給機Dのための第1の室が生ずる。同じ圧力信号に応じて第1の分離弁21が閉じ、内燃機関10の運転範囲iのために第2の分離弁21が開く。いまや4台すべての排気駆動過給機A、B、C、Dが過給過程に関与し、排気駆動過給機Aからの案内圧の所定レベル以下への低下がはじめて運転範囲iから運転範囲aまで下方に向かう戻り切換過程のための信号を与える。エンジン出力の撤回は出力形成の場合よりも非常に速やかにあっさりとしなければならないので、この場合主に始動点ないし始動過程に直接戻される。これは、出力需要の終わりに直ちに中間過程なしに、個々の分離弁21が既に開かれない間に、6個すべての分離弁21が開かれることによって行われる。
【0014】
内燃機関10の最高運転範囲iあるいは他の上方に到達している運転範囲からの段階的な戻りは原理的には接続過程と全く逆の順序で図2において上向きに行われる。即ち運転範囲iから出発して第2の分離弁21が閉じられ、その後で第1の分離弁21が開かれる。それから排気駆動過給機Dがしゃ断され、第3の分離弁21が開かれる。その後、第4の分離弁21が閉じられ、第5の分離弁21が開かれ、これによって運転範囲gが得られる。その後、第3の分離弁21が閉じられ、第2の分離弁21が開かれる。いまや排気駆動過給機Cがしゃ断される。その後、第4の分離弁21が開かれ、これによって運転範囲eが得られる。その後、必要に応じて第4の分離弁21が閉じられ、第3の分離弁21が開かれる。更にその後に第5の分離弁21が閉じられ、第4の分離弁21が開かれる。それから第6の分離弁21が閉じられ、第5の分離弁21が開かれる。最後に排気駆動過給機Bがしゃ断され、その後第6の分離弁21も開けられる。
【0015】
図2によって次のことが明らかに示されている。即ち、内燃機関10の別の運転範囲cあるいはdあるいはeないしはgないしはiを形成するために、次の排気駆動過給機BないしCないしDの追加接続後および既接続の排気駆動過給機のしゃ断前に、別のシリンダ11の過給空気供給が或る排気駆動過給機の過給空気流から別の排気駆動過給機の過給空気流に切り換えられることが明らかに示されている。これを2個以上のシリンダ11に対して同時に行うかどうかは、内燃機関10のシリンダ数の問題および例えば内燃機関10の加速運転および減速運転の差異の問題である。いずれの場合もこの処置によって内燃機関10の運転スペクトルは、別々に保たれる過給空気流の相互干渉なしに多くの運転範囲に一層細かく細分化される。
【0016】
内燃機関10の運転スペクトルの特に有利な細分化は、第3の排気駆動過給機Cの追加接続を始める運転範囲fが、8個のシリンダ11を個数的に半分づつ第1の排気駆動過給機Aと第2の排気駆動過給機Bとに分割している運転範囲eに続いていることにある。これによって、内燃機関10が非常に効果的に運転され高位の排気駆動過給機C、Dがまだ必要とされない運転範囲に良好に段階づけることができる。内燃機関10の運転範囲eにおいて両排気駆動過給機A、Bに対する同じ大きさの過給空気需要は、構造および出力が同じ形式の排気駆動過給機の有用性を助長する。これは特にまた、内燃機関10の最高運転範囲iにおいて全部の排気駆動過給機A、B、C、Dのそれぞれが同数のシリンダ11に過給空気を供給するためにも適用される。従って常に排気駆動過給機の台数と内燃機関10のシリンダ11の個数とを或る整数比にするように努めねばならない。
【0017】
内燃機関10の運転スペクトルの遷移調和的細分化を一層促進するために、全負荷時における内燃機関(10)の最高回転数が、排気駆動過給機の総数に対応した区分数に実質的に一様に分割され、この実質的に一様な分割は、弁装置(19)における複数個の切換弁(21)の配置によってなされる。特に内燃機関10の運転範囲a〜iの順序に対応した、内燃機関10のシリンダ11に前置された弁装置19の種々の位置の順序は、排気駆動過給機A、B、C、Dに付属した過給空気圧計26と全シリンダ11に共通の排気圧計28との測定値の組み合わせによって制御される。これは測定値が調整結果に密接に関係し、単純なマノメータが測定器として十分であるからである。しかしまたその代わりにあるいはそれと組み合わせて、同じ目的のために内燃機関10の軸に接続された回転数計30の測定値および内燃機関10のアクセルペダル32の負荷需要値を利用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に基づく方法を実施するための装置の概略構成図。
【図2】 図1の弁装置の全運転過程における状態の説明図。
【符号の説明】
10 内燃機関
11 シリンダ
19 弁装置
24 コンピュータ
26 過給空気圧計
28 排気ガス圧計
A、B、C、D 排気駆動過給機
Claims (7)
- 低い外気温度での低温始動からエンジンの高速回転での全負荷運転に至る内燃機関の運転スペクトルの区分によって内燃機関の運転範囲( a 、 b 、 c 、 d 、 e 、 f 、 g 、 h および i )が定義され、前記内燃機関の運転範囲の運転順序に関係する弁装置(19)における複数個の切換弁(21)の切換によって、過給空気流が内燃機関の異なった複数のシリンダ(11)に導かれ、第1の排気駆動過給機(A)に排気ガス側の並列配置で追加される少なくとも一つの排気駆動過給機を、前記内燃機関の運転範囲の運転順序に従って追加接続しおよび後でしゃ断することによって過給空気の導入が変更される内燃機関の過給方法において、内燃機関(10)の各シリンダ(11)が常に排気駆動過給機(A、B、C、D)の一台だけから過給空気を供給され、前記運転範囲の運転順序に応じて次の排気駆動過給機を追加接続する際に、および、既に接続されていた排気駆動過給機をしゃ断する際に、少なくとも一つのシリンダ(11)の過給空気供給が或る排気駆動過給機の過給空気流から別の排気駆動過給機の過給空気流に切り換えられることを特徴とする内燃機関の過給方法。
- 内燃機関(10)の別の運転範囲(c、d、e、g、i)を形成するために、次の排気駆動過給機(B、C、D)の追加接続後および既接続の排気駆動過給機のしゃ断前に、少なくとも一つの別のシリンダ(11)の過給空気供給が或る排気駆動過給機の過給空気流から別の排気駆動過給機の過給空気流に切り換えられることを特徴とする請求項1記載の方法。
- 第3の排気駆動過給機(C)の追加接続で始まる運転範囲(f)が、シリンダ(11)を個数的に半分づつ第1の排気駆動過給機(A)と第2の排気駆動過給機(B)とに分割している運転範囲(e)に続いていることを特徴とする請求項2記載の方法。
- 内燃機関(10)の最高運転範囲(i)においてすべての排気駆動過給機のそれぞれが同数のシリンダ(11)に過給空気を供給することを特徴とする請求項2又は3記載の方法。
- 全負荷時における内燃機関(10)の最高回転数が、排気駆動過給機の総数に対応した区分数に実質的に一様に分割され、この実質的に一様な分割は、弁装置(19)における複数個の切換弁(21)の配置によってなされることを特徴とする請求項2ないし4の1つに記載の方法。
- 内燃機関(10)のシリンダ(11)に前置された弁装置(19)の、内燃機関(10)の運転範囲(a〜i)の順序に対応した種々の位置の順序が、排気駆動過給機(A、B、C、D)に付属した過給空気圧計(26)と全シリンダ(11)に共通の排気ガス圧計(28)との測定値の組み合わせによって制御されることを特徴とする請求項1ないし4の1つに記載の方法。
- 全測定値がコンピュータ(24)にデジタル的に記憶された切換プロフィルと比較することによって間接的に弁装置(19)並びに排気駆動過給機(B、C、D)を切り換えるために使用されることを特徴とする請求項5又は6記載の方法。
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