JP4143468B2 - 燃焼機関の空気および燃料供給システム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼機関、より詳しくは、内燃機関で使用する空気および燃料供給システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
内燃機関は、1本以上の燃焼シリンダ内の対応する燃焼室に供給される流体を圧縮するための1つ以上のターボチャージャを包含できる。各ターボチャージャは、典型的に内燃機関の排気ガスで駆動されるタービンおよびそのタービンで駆動されるコンプレッサを含む。コンプレッサは、圧縮する流体を受け、圧縮した流体を燃焼室に送る。コンプレッサで圧縮した流体は、燃焼空気すなわち空気/燃料混合物の形状であっても良い。
【0003】
内燃機関は、エンジンのターボチャージャコンプレッサと直列に配置したスーパーチャージャを包含できる。特許文献1は、エンジンのターボチャージャコンプレッサに流れる空気圧を増すためにコンプレッサを駆動するタービンを有するスーパーチャージャを開示する。ある状況では、吸気弁を早期に閉じることで給気温度を大気温度以下に低減できる。
【0004】
【特許文献1】
米国特許第6,273,076号(Beckら、2001年8月14日発行)明細書
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
「ミラーサイクル」と呼ばれる吸気弁を早閉じまたは遅閉じする方法は、シリンダの有効圧縮比を低減でき、次に圧縮温度も低下させ、しかも高膨張比を維持することができる。その結果、ミラーサイクル機関は、熱効率の改善や、排出物(例えば窒素酸化物(NOx))の低減をもたらす。NOx排出物の低減は望ましい。従来のミラーサイクル機関では、吸気弁の閉じ動作のタイミングは典型的に、典型的なオットーサイクル機関のタイミングから僅かに前方または後方にずれる。例えば、ミラーサイクル機関では、吸気弁は、圧縮行程の開始まで開状態のままである。
【0006】
ターボチャージャは、内燃機関の排気からのエネルギーの一部を利用するが、直列スーパーチャージャ/ターボチャージャ配列は、ターボチャージャの排気からのエネルギーを利用しない。さらに、スーパーチャージャは補助エネルギー源が必要である。
【0007】
本発明は、1つ以上の上述の問題を克服することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明の典型的な態様によれば、内燃機関であって、少なくとも1本のシリンダを定めるエンジンブロックと、吸気ポートおよび排気ポートを含む、前記エンジンブロックと連結されたヘッドと、各シリンダ内で摺動可能なピストンと、前記ヘッド、前記ピストン、および前記シリンダによって定められた燃焼室と、前記吸気ポートを開閉するための、その移動の制御が可能な吸気弁と、前記吸気ポートに流体連結された少なくとも1つのターボチャージャを含み、前記吸気ポートに加圧空気を供給するように構成された空気供給システムと、選択されたタイミングで前記燃焼室内に制御可能に燃料を噴射するよう動作可能な燃料供給システムと、前記吸気弁を開け、前記吸気弁の開状態を保持し、並びに前記吸気弁を閉じるように周期的に動作可能な回転カムと、前記回転カムの周期的な動作を選択的に中止し、前記回転カムの動作とは独立に前記吸気弁を開状態に保持し並びに前記吸気弁を閉じるように構成された、流体圧で動作する可変吸気弁閉じ機構と、を備え、前記燃料供給システムのタイミングは、前記可変吸気弁閉じ機構が前記吸気弁を閉じた後に前記燃焼室内に直接燃料を噴射するように遅延させられることを特徴とする。
【0009】
本発明の他の典型的な態様によれば、少なくとも1本のシリンダとそのシリンダ内で摺動可能なピストンとを含む内燃機関を動作させる方法であって、前記シリンダの排気ポートから流れる排気で、第1ターボチャージャの第1タービンと第1コンプレッサに回転運動を与え、前記第1ターボチャージャの排気ダクトから流れる排気で、第2ターボチャージャの第2タービンと第2コンプレッサに回転運動を与え、前記第2のコンプレッサで大気から吸い込まれた空気を圧縮し、前記第1のコンプレッサで前記第2のコンプレッサから受けた空気を圧縮し、前記第1のコンプレッサから吸気マニホールドを介して前記シリンダ内の前記燃焼室の吸気ポートに加圧空気を供給し、燃料供給システムを動作させて前記燃焼室内に直接燃料を噴射し、選択的に吸気弁を動作させて前記吸気ポートを開け、前記ピストンの圧縮行程の一部で、加圧空気が前記燃焼室と前記吸気マニホールドとの間を流れることができるようにする、工程を有し、前記吸気弁を選択的に動作させる工程は、可変吸気弁閉じ機構を選択的に作動させて、前記吸気弁を開け、前記吸気弁の開状態を保持し、並びに前記吸気弁を閉じるための回転カムの周期的な動作を中止し、前記回転カムの動作とは独立に前記吸気弁を開状態に保持し並びに前記吸気弁を閉じる工程を含み、前記燃料供給システムを動作させる工程は、前記燃料供給システムのタイミングを、前記可変吸気弁閉じ機構が前記吸気弁を閉じた後に前記燃料供給システムが燃焼室内に直接燃料を噴射するように遅延させる工程を含むことを特徴とする。
【0012】
前述の概要および以下の説明の両方は、例示および説明のみを目的としており、本発明を限定するものではないことは理解されよう。
【0013】
本明細書に組み込まれ、その一部を成す添付図面は、本発明の典型的実施形態の数例を例示し、本発明の原理を説明する役目を荷う。
【0014】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を詳細に参照するため、実施例は添付図で例示されている。全ての図を通して同一または類似部分には同一参照番号を可能な限り付すものとする。
【0015】
図1を参照するに、内燃機関110(例えば4ストロークディーゼルエンジン)用の典型的空気供給システム100が提供される。内燃機関110は、複数の燃焼シリンダ112を定めるエンジンブロック111を含み、その燃焼シリンダ数は特定の用途により多様である。例えば、4気筒エンジンは4本の燃焼シリンダを包含し、6気筒エンジンの場合は6本の燃焼シリンダを包含するであろう。図1の典型的実施形態では、6本の燃焼シリンダ112が示される。内燃機関110は、他の任意のタイプの内燃機関(例えばガソリンまたは天然ガスエンジン)であっても良いことは理解されよう。
【0016】
内燃機関110は、吸気マニホールド114および排気マニホールド116をも含む。吸気マニホールド114は、流体(例えば、空気または燃料/空気混合物)を燃焼シリンダ112に提供する。排気マニホールド116は、燃焼シリンダ112からの排気流体(例えば排気ガス)を受け入れる。吸気マニホールド114と排気マニホールド116とは、図中で分かり易くするために単一部分構造として示している。但し、吸気マニホールド114および/または排気マニホールド116は、特定の用途に応じて、多数部分構造マニホールドとして構成できることは理解されよう。
【0017】
空気供給システム100は第1のターボチャージャ120を含み、第2のターボチャージャ140をも包含できる。第1および第2のターボチャージャ120,140は、第2のターボチャージャ140が第1の段階の加圧を提供し、第1のターボチャージャ120が第2の段階の加圧を提供できるように互いに直列に配置できる。例えば、第2のターボチャージャ140は低圧ターボチャージャであり、第1のターボチャージャ120は高圧ターボチャージャであっても良い。第1のターボチャージャ120はタービン122とコンプレッサ124とを含む。タービン122は、排気ダクト126を介して排気マニホールド116に流体連結される。タービン122は、シャフト130で軸支されたタービンホイール128を含み、それは順にハウジング132、例えば単一または多数部分構造ハウジングによって回動可能に支持されても良い。排気マニホールド116からタービン122への流体経路は、可変ノズル(図示せず)またはタービンホイール128に衝突する排気流体の速度を制御するように適合された他の可変形態構造を包含できる。
【0018】
コンプレッサ124はシャフト130で軸支されたコンプレッサホイール134を含む。従って、タービンホイール128によるシャフト130の回転は、順にコンプレッサホイール134を回転させる。
【0019】
第1のターボチャージャ120は、第2のターボチャージャ140からの圧縮空気を受ける圧縮空気ダクト138と、コンプレッサ124からの圧縮空気を受け、圧縮空気を内燃機関110の吸気マニホールド114に供給する空気出口ライン152とを含む。第1のターボチャージャ120は、タービン122からの排気流体を受け、排気流体を第2のターボチャージャ140に供給する排気ダクト139をも含む。
【0020】
第2のターボチャージャ140は、タービン142とコンプレッサ144とを包含できる。タービン142は、排気ダクト139に流体連結できる。タービン142は、シャフト148で軸支されたタービンホイール146を含み、それは順にハウジング132によって回動可能に支持されても良い。コンプレッサ144は、シャフト148で軸支されたコンプレッサホイール150を包含できる。従って、タービンホイール146によるシャフト148の回転は、順にコンプレッサホイール150を回転させる。
【0021】
第2のターボチャージャ140は、大気とコンプレッサ144の間に流体連通を提供する吸気ライン136を包含できる。第2のターボチャージャ140はまた、圧縮空気を圧縮空気ダクト138を介して第1のターボチャージャ120に供給できる。第2のターボチャージャ140は、タービン142からの排気流体を受け、大気との流体連通を提供する排気出口154を包含できる。一実施形態において、第1のターボチャージャ120および第2のターボチャージャ140は、実質的に近似の圧縮比を提供するようなサイズにできる。例えば、第1のターボチャージャ120および第2のターボチャージャ140は、両方とも2対1および3対1の間の圧縮比を提供し、大気圧に対して少なくとも4対1のシステム圧縮比となるようにしても良い。あるいは、第2のターボチャージャ140が3対1の圧縮比を提供し、第1のターボチャージャ120が1.5対1の圧縮比を提供し、大気圧に対して4.5対1のシステム圧縮比となるようにしても良い。
【0022】
空気供給システム100は、コンプレッサ124と吸気マニホールド114の間に、空気冷却器156、例えば後部冷却器を包含できる。空気冷却器156は、空気から熱を抽出して吸気マニホールド温度を低下させ、空気密度を増加できる。任意で、空気供給システム100は、第2のターボチャージャ140のコンプレッサ144と第1のターボチャージャ120のコンプレッサ124の間に補助空気冷却器158、例えば中間冷却器を包含できる。あるいは、空気供給システム100は、任意で、空気冷却器156と吸気マニホールド114の間に補助空気冷却器(図示せず)を包含しても良い。任意での補助空気冷却器は、吸気マニホールド温度をさらに低下させる。
【0023】
図2を参照するに、シリンダヘッド211は、エンジンブロック111と連結できる。シリンダヘッド211内の各シリンダ112は燃料供給システム202を備えている。燃料供給システム202は、シリンダ112内の燃焼室206に開口する燃料ポート204を包含できる。燃料供給システム202は、燃料、例えば、ディーゼル燃料を燃焼室206内に直接噴射できる。
【0024】
シリンダ112は、シリンダ内で摺動可能なピストン212を包含できる。クランクシャフト213は、エンジンブロック111内に回動可能に配備できる。連接ロッド215は、ピストン212をクランクシャフト213に連結するので、シリンダ112内でのピストン212の摺動運動がクランクシャフト213を回転させることになる。同様に、クランクシャフト213の回転もピストン212の摺動運動となる。例えば、シリンダ112内のピストン212の最上位置は、クランクシャフト213の上死点位置に相当し、シリンダ112内のピストン212の最下位置はクランクシャフト213の下死点位置に相当する。
【0025】
当業者には公知であるように、従来の4ストロークエンジンサイクルは、燃焼(すなわち膨張)行程、排気行程、および吸入行程、および圧縮行程中に最上位置と最下位置の間を往復運動する。但し、クランクシャフト213は、燃焼行程中に上死点位置から下死点位置に、排気行程中に下死点位置から上死点位置に、吸入行程中に上死点位置から下死点位置に、および圧縮行程中に下死点位置から上死点位置に回転する。次に再び4ストロークサイクルが開始する。各ピストン行程は、約180゜のクランク回転、すなわちクランク角と相関する。ゆえに、燃焼行程のクランク角は約0゜で、排気行程は約180゜、吸入行程は約360゜、および圧縮行程は約540゜で開始する。
【0026】
シリンダ112は、それぞれが燃焼室206に開口する少なくとも1つの吸気ポート208と少なくとも1つの排気ポート210とを包含できる。吸気ポート208は、吸気弁アセンブリ214で開閉し、排気ポート210は、排気弁アセンブリ216で開閉できる。吸気弁アセンブリ214は、例えば、吸気ポート208を選択的に閉じるようなサイズに取り、配置されるヘッド220を第1の端部222に有する吸気弁218を包含できる。吸気弁218の第2の端部224は、ロッカーアーム226または任意の他の従来型弁作動機構に連結できる。吸気弁218は、吸気マニホールド114から燃焼シリンダ112への流入を許可する第1の位置と、吸気マニホールド114から燃料シリンダ112への流入を実質的に阻止する第2の位置の間を移動可能であっても良い。バネ228は、吸気弁218を第2の閉位置に付勢するために吸気弁218の周りに配置できる。
【0027】
1つ以上のローブ236を備えたカム234を搭載するカムシャフト232は、所望の吸気弁タイミングを達成するカム234、ローブ236の構造、およびカムシャフト232の回転に基づいて周期的に吸気弁アセンブリ214を作動させるように配置できる。排気弁アセンブリ216は、吸気弁アセンブリ214と同じように構成でき、カム234のローブ236のうちの1つで作動されても良い。一実施形態において、吸気ローブ236は、従来型のオットーまたはディーゼルサイクルで吸気弁218を作動させるように構成でき、それにより、吸気弁218は、吸入行程の下死点前約10゜と圧縮行程の下死点後約10゜の間から第2の位置へ移動する。あるいは、吸気弁アセンブリ214および/または排気弁アセンブリ216は、液圧、空圧、電子式に、または機械、液圧、空圧、および/または電子技術の任意の組合せによって作動させても良い。
【0028】
吸気弁アセンブリ214は、選択的に吸気弁218の周期運動を中止し、吸気弁218の閉じタイミングを延長するように構成され、配置された可変吸気弁閉じ機構238を包含できる。可変吸気弁閉じ機構238は、液圧、空圧、電子、機械的に、またはそれらの任意の組合せで作動できる。例えば、可変吸気弁閉じ機構238は、バネ228のバイアスによる吸気弁218の閉口に抗するように、低圧または高圧で、例えば、作動液を供給するために選択的に作動できる。すなわち、吸気弁218が、カム234によって、持ち上げられる、すなわち、開かれた後、カム234が吸気弁218の開状態を、もはや保持しないとき、作動液が吸気弁218の開状態を所望期間保持できる。所望期間は、内燃機関の所望性能により様々であっても良い。ゆえに、可変吸気弁閉じ機構238は、内燃機関110を従来のオットーまたはディーゼルサイクル、または可変遅閉じミラーサイクルでも動作できるようにする。
【0029】
図4に示されるように、吸気弁218は、約360゜のクランク角で、つまり、クランクシャフト213が吸入行程406の上死点位置または近くにあるとき、開き始めても良い。吸気弁218の閉口は、約540゜のクランク角、つまりクランクシャフトが圧縮行程407の下死点位置または近くにあるときから、約650゜のクランク角、つまり燃焼行程508の上死点前約70゜まで選択的に変更できる。ゆえに、吸気弁218は、圧縮行程407の大部分、つまり、圧縮行程407の前半部と、圧縮行程407の後半部の一部を開状態に保持できる。
【0030】
燃料供給システム202は、燃料コモンレール242と流体連通した燃料噴射アセンブリ240、例えば、機械作動型電子制御ユニット噴射器を包含できる。あるいは、燃料噴射器240は、任意のコモンレールタイプの噴射器であっても良く、液圧、機械、電気、圧電式に、またはそれらの組合せで作動、および/または操作されても良い。燃料コモンレール242は、各シリンダ112に関連した燃料噴射器アセンブリ240に燃料を提供する。燃料噴射器アセンブリ240は、所望のタイミングに従って燃料ポート240を経てシリンダ112内に燃料を噴射、あるいは噴霧できる。
【0031】
制御装置244は、可変吸気弁閉じ機構238および/または燃料噴射器アセンブリ240に電気的に接続できる。制御装置244は、所望のエンジン性能を達成するために1つ以上のエンジン条件、例えば、エンジン速度、負荷、圧力、および/または温度に基づいて可変吸気弁閉じ機構238および/または燃料噴射器アセンブリ240の動作を制御するように構成できる。制御装置244の機能は、単一または複数の制御装置によって実行できることは理解されよう。同様に、天然ガスエンジンの点火タイミングは、圧縮点火エンジンの燃料噴射タイミングと同様の機能を提供できる。
【0032】
さて、図3を参照するに、各燃料噴射器アセンブリ240は、ロッカーシャフト252に枢支連結した噴射器ロッカーアーム250と関連付けることができる。各燃料噴射器アセンブリ240は、噴射体254、ソレノイド256、プランジャアセンブリ258、および噴射器先端アセンブリ260を包含できる。噴射器ロッカーアーム250の第1の端部262は、プランジャアセンブリ258に動作可能に連結できる。プランジャアセンブリ258は、矢印296の略方向に噴射器ロッカーアーム250の第1の端部262に向かってバネ259によって付勢できる。
【0033】
噴射器ロッカーアーム250の第2の端部264は、カムシャフト266に動作可能に連結できる。より詳しくは、カムシャフト266は、第1の隆起268および第2の隆起270を有するカムローブ267を包含できる。カムシャフト232,266およびそれらのそれぞれのローブ236,267は、必要に応じて単一カムシャフト(図示せず)に組み合わせることができる。隆起268,270は、カムシャフト266の回転中に噴射ロッカーアーム250の第2の端部264と接触、および非接触状態で移動できる。隆起268,270は、第1の隆起268が燃料の主噴射を提供する前に第2の隆起270が所定のクランク角で燃料のパイロット噴射を提供するように構成され、配備されても良い。カムローブ267は、1サイクル当たりの全燃料を噴射するたった1つの第1の隆起268を有しても良いことは理解されよう。
【0034】
隆起268,270の1つが噴射器ロッカーアーム250と接触して回転すると、噴射器ロッカーアーム250の第2の端部264が矢印296の略方向に付勢される。第2の端部264が矢印296の略方向に付勢されると、ロッカーアーム250はロッカーシャフト252の回りで旋回し、それによって第1の端部262が矢印298の略方向に付勢される。隆起268,270によって第2の端部264に加わる力は、バネ259によって発生されるバイアスよりも大きく、それによってプランジャアセンブリ258も矢印298の略方向に同じように付勢される。カムシャフト266は隆起268,270の最大高さを越えて回転すると、バネ259のバイアスがプランジャアセンブリ258を矢印296の略方向に付勢する。プランジャアセンブリ258が矢印296の略方向に付勢されると、噴射器ロッカーアーム250の第1の端部262も同様に矢印296の略方向に付勢され、噴射器ロッカーアーム250をロッカーシャフト252の回りで旋回させ、それによって第2の端部264を矢印298の略方向に付勢する。
【0035】
噴射体254は燃料ポート272を定める。ディーゼル燃料のような燃料は、プランジャアセンブリ258が矢印296の略方向に移動されると燃料コモンレール242から燃料ポート272内に引き込まれても、あるいは吸入されても良い。燃料ポート272は、第1の燃料チャネル276を経て燃料弁274と流体連通している。燃料弁274は、順に第2の燃料チャネル280を経てプランジャ室278と流体連通している。
【0036】
ソレノイド256は、制御装置244に電気的に連結され、燃料弁274に機械的に連結されても良い。制御装置244からの信号によるソレノイド256の作動によって、燃料弁274を開位置から閉位置に切り換えることができる。燃料弁274がその開位置に位置決めされると、燃料は燃料ポート272からプランジャ室278に、またはその逆に進む。但し、燃料弁274がその閉位置に位置決めされると、燃料ポート272はプランジャ室278から隔絶される。
【0037】
噴射器先端アセンブリ260はチェック弁アセンブリ282を包含できる。燃料は、プランジャ室278から入口オリフィス284、第3の燃料チャネル286、出口オリフィス288を経て、内燃機関110のシリンダ112内に進むことができる。
【0038】
したがって、隆起268,270の1つが噴射器ロッカーアーム16と接触していないとき、プランジャアセンブリ258はバネ259によって矢印296の略方向に付勢され、それによって燃料が燃料ポート272内に引き込まれ、次にプランジャ室278を燃料で満たすことは理解されよう。カムシャフト266がさらに回転すると、隆起268,270の1つがロッカーアーム250と接触して移動し、それによってプランジャアセンブリ258が矢印298の略方向に付勢される。制御装置244が噴射信号を発生しない場合、燃料弁274はその開位置を維持し、それによってプランジャ室278内にある燃料が燃料ポート272を経てプランジャアセンブリ258によって移動する。但し、制御装置244が噴射信号を発生する場合、燃料弁274はその閉位置に位置決めされ、それによってプランジャ室278を燃料ポート272から隔絶させる。プランジャアセンブリ258がカムシャフト266によって矢印298の略方向に付勢され続けるので、燃料噴射器アセンブリ240内の流体圧力が増加する。所定圧力の大きさで、例えば、約550psi(38MPa)で、燃料がシリンダ112内に噴射される。燃料は、制御装置244がソレノイド256に信号を送って燃料弁274をその開位置に戻すまでシリンダ112内に噴射し続ける。
【0039】
図5の例示的グラフに示されるように、燃料のパイロット噴射は、クランクシャフト213が約675゜のクランク角で、つまり圧縮行程407の上死点前約45゜であるときに開始できる。燃料の主噴射は、クランクシャフト213が約710゜のクランク角で、つまり圧縮行程407の上死点前約10゜、およびパイロット噴射の開始後約45゜であるときに起こっても良い。一般に、パイロット噴射は、クランクシャフト213が、圧縮行程407の上死点前約40〜50゜にあるときに開始し、クランクシャフトが約10〜15゜回転する間続く。主噴射は、クランクシャフト213が圧縮行程407の上死点前約10゜と圧縮行程508の上死点後約12゜の間にあるときに開始できる。主噴射は、クランクシャフトが約20〜45゜回転する間続く。
【0040】
図6は、内燃機関110用の第2の典型的空気供給システム300の組合せ概略線図である。空気供給システム300は、ターボチャージャ320、例えば、大気圧に対して少なくとも約4対1の圧縮比を生成できる高効率ターボチャージャを包含できる。ターボチャージャ320は、タービン322およびコンプレッサ324を包含できる。タービン322は、排気ダクト326を介して排気マニホールド116に流体連結できる。タービン322は、シャフト330で軸支されたタービンホイール328を包含し、それは順にハウジング332、例えば、単一構造または複数構造ハウジングで回動可能に支持されても良い。排気マニホールド116からタービン322への流体経路は、タービンホイール328に衝突する排気流体の速度を制御する可変ノズル(図示せず)を包含できる。
【0041】
コンプレッサ324は、シャフト330で軸支されたコンプレッサホイール334を包含できる。従って、次にタービンホイール328によるシャフト330の回転が、コンプレッサホイール334の回転を起こすことができる。ターボチャージャ320は、大気とコンプレッサ324の間の流体連通を提供する空気入口336、および圧縮空気を内燃機関110の吸気マニホールド114に供給するための空気出口352を包含できる。ターボチャージャ320はまた、タービン322からの排気流体を受け、大気との流体連通を提供する排気出口354を包含できる。
【0042】
空気供給システム300は、コンプレッサ324と吸気マニホールド114の間に空気冷却器356を包含できる。任意で、空気供給システム300は、空気冷却器356と吸気マニホールド114の間に補助空気冷却器(図示せず)を包含できる。
【0043】
図7は、内燃機関110用の第3の典型的空気供給システム400の組合せ概略線図である。空気供給システム400は、ターボチャージャ420、例えば、タービン422および2つのコンプレッサ424,444を有するターボチャージャ420を包含できる。タービン422は、入口ダクト426を介して排気マニホールド116に流体連結できる。タービン422は、シャフト430で軸支されたタービンホイール428を包含し、それは順にハウジング432、例えば、単一構造または複数構造ハウジングによって回動可能に支持されても良い。排気マニホールド116からタービン422への流体経路は、タービンホイール428に衝突する排気流体の速度を制御する可変ノズル(図示せず)を包含できる。
【0044】
第1のコンプレッサ424は、シャフト430で軸支されたコンプレッサホイール434を包含し、第2のコンプレッサ444はシャフト430で軸支されたコンプレッサホイール450を包含できる。従って、タービンホイール428によってシャフト430が回転すると、順に第1および第2のコンプレッサホイール434,450を回転させる。第1および第2のコンプレッサ424,444が、加圧の第1および第2の段階をそれぞれ提供できる。
【0045】
ターボチャージャ420は、大気と第1のコンプレッサ424の間の流体連通を提供する吸気ライン436、および第1のコンプレッサ424から圧縮空気を受け、圧縮空気を第2のコンプレッサ444に供給する圧縮空気ダクト438を包含できる。ターボチャージャ420は、第2のコンプレッサ444から内燃機関110の吸気マニホールド114に供給する空気出口ライン452を包含できる。ターボチャージャ420は、タービン422からの排気流体を受け、大気との流体連通を提供する排気出口454を包含できる。
【0046】
例えば、第1のコンプレッサ424および第2のコンプレッサ444は両方とも、大気圧に対して少なくとも4対1のシステム圧縮比となる2対1および3対1の間の圧縮比を提供できる。あるいは、第2のコンプレッサ444は、3対1の圧縮比を提供し、第1のコンプレッサ424は1.5対1の圧縮比を提供して、大気圧に対して4.5対1のシステム圧縮比となるようにできる。
【0047】
空気供給システム400は、コンプレッサ424と吸気マニホールド114の間に空気冷却器456を包含できる。任意で、空気供給システム400は、ターボチャージャ420の第1のコンプレッサ424と第2のコンプレッサ444の間に補助空気冷却器458を包含しても良い。あるいは、空気供給システム400は、任意で空気冷却器456と吸気マニホールド114の間に補助空気冷却器(図示せず)を包含しても良い。
【0048】
【実施例】
使用時、内燃機関110は、例えば、ディーゼルの動作原理を利用する公知の方法で動作する。図1で示された典型的空気供給システムを参照するに、内燃機関110からの排気ガスは、排気マニホールド116から入口ダクト126を経て送られ、タービンホイール128に衝突し、タービンホイール128を回転させる。タービンホイール128は、シャフト130と連結され、このシャフトは次にコンプレッサホイール134を軸支する。コンプレッサホイール134の回転速度は、ゆえにシャフト130の回転速度に相当する。
【0049】
図2で示された典型的燃料供給システム200およびシリンダ112は、典型的空気供給システム100、300、400のそれぞれと共に使用できる。圧縮空気は、吸気ポート208を経て燃焼室206に供給され、排気空気は、排気ポート210を経て燃焼室206を出て行く。吸気弁アセンブリ214および排気弁アセンブリ216は、気流を燃焼室206に流入、および気流を燃焼室から流出させるように制御可能に作動できる。
【0050】
従来型のオットーまたはディーゼルサイクルモードでは、吸気弁218は、循環式に第2の位置から第1の位置へ移動して、図4で示されるように、圧縮空気を、吸入行程406の上死点近く(約360゜のクランク角)でシリンダ112の燃焼室206に流入させる。圧縮行程の下死点近く(約540゜のクランク角)では、吸気弁218は、第1の位置から第2の位置に移動して余分な空気が燃焼室206に流入するのを阻止する。燃料は、次に、圧縮行程の上死点近く(約720゜のクランク角)で燃料噴射アセンブリ240から噴射できる。
【0051】
従来型のミラーサイクル機関では、従来型のオットーまたはディーゼルサイクルは、吸入行程406の下死点前(すなわち540゜のクランク角前)の所定時間または圧縮行程407の下死点後(すなわち540゜のクランク角後)の所定時間に吸気弁218を第1の位置から第2の位置に移動させることによって改造される。従来型の遅閉じミラーサイクルでは、吸気弁218は、圧縮行程407の前半部分の第1の期間中に第1の位置から第2の位置に移動される。
【0052】
可変吸気弁閉じ機構238は、内燃機関110を遅閉じミラーサイクルと従来型のオットーまたはディーゼルサイクルとの両方で動作できるようにする。図5で示されるように、さらに、燃焼行程508の上死点後に燃料の実質的部分を噴射することによって、NOx排出物を低減し、排気流体の形状で排気マニホールド116に廃棄されるエネルギー量を増加させることができる。高効率ターボチャージャ320,420または直列ターボチャージャ120,140の使用によって、排気から廃棄されるエネルギーの少なくとも一部を回収できるようにしても良い。廃棄エネルギーは、吸気マニホールド114に送られる増加空気圧に変換され、この空気圧はクランクシャフト213に対しピストン212を押すエネルギーを増加させて有効仕事量を生成できる。加えて、第1の位置から第2の位置への吸気弁218の遅延運動は、燃焼室206内の圧縮温度を低下させる。圧縮温度の低下はさらにNOx排出物を低減する。
【0053】
制御装置244は、1つ以上のエンジン条件、例えば、エンジン速度、エンジン負荷、エンジン温度、ブースト、および/またはマニホールド吸気温度に基づいて可変吸気弁閉じ機構238を作動させ、吸気弁アセンブリ214のタイミングを変えて所望のエンジン性能を達成できる。可変吸気弁閉じ機構238は、空燃比のより正確な制御をも可能にする。吸気弁アセンブリ214の遅閉じ動作によって、制御装置244は、ピストン212の圧縮行程中のシリンダ圧を制御できる。例えば、吸気弁の遅閉じ動作は、ピストン212がシリンダ圧を損なうことなく実行しなければならない圧縮仕事量を低減し、しかも標準膨張比および適当な空燃比をも維持する。
【0054】
典型的空気供給システム100、300、400によって提供される高圧は、ピストン212の吸入行程時に付加ブーストを提供できる。高圧は、従来型ミラーサイクルエンジンにおけるよりも遅く、吸気弁アセンブリ214を閉じるようにできる。本発明では、吸気弁アセンブリ214は、ピストン212の圧縮行程の後半部分、例えば、上死点前(BTDC)約80゜〜70゜程度まで可能な限り遅延させて、開状態のままであっても良い。吸気弁アセンブリ214が開状態にある間に、空気は燃焼室206と吸気マニホールド114の間を流れることができる。ゆえに、シリンダ112では、ピストン212の圧縮行程中の燃焼室内206での温度上昇が少ない。
【0055】
吸気弁アセンブリ214の閉じ動作を遅延できるので、燃料供給システムのタイミングも遅延できる。例えば、制御装置244は、吸気弁アセンブリ214が閉じた後、燃焼室206に燃料を供給するために燃料噴射器アセンブリ240を制御可能に作動できる。例えば、燃料噴射器アセンブリ240は、吸気弁アセンブリ214が閉じると同時にまたは直後にパイロット噴射の燃料を供給し、燃焼室206内で燃焼温度に達すると同時にまたは直前に主噴射の燃料を供給するように制御できる。その結果、排気エネルギーから余分な仕事量を効率的に取り出す空気供給システム100、300、400による再循環にかなりの量の排気エネルギーが利用可能となる。
【0056】
図1の典型的空気供給システム100を参照するに、第2のターボチャージャ140は、第1のターボチャージャ120のコンプレッサホイール134と直列であり、第2のターボチャージャ140の圧縮ホイール150を回転させるために第1のターボチャージャ120の排気流から、さもなければ廃棄されるエネルギーを取り出しても良い。第2のターボチャージャ140の追加により生じる排気路内の余分な制限は、ピストン212への背圧を上昇させる。但し、第2のターボチャージャ140を通じて行われるエネルギーの回収は、より高い背圧によって消費される仕事量を相殺する。例えば、直列ターボチャージャ120、140によって達成される付加圧力は、燃焼サイクルの吸入行程中のピストン212に作用する。さらに、第2のターボチャージャ140から生じるシリンダへの付加圧力は、吸気弁遅閉じ動作を利用することによって制御および/または解放できる。従って、直列ターボチャージャ120、140は、空気供給システム100を介して燃費効率を提供し、単により大きなパワーを提供するだけではない。
【0057】
吸気マニホールド114より前置の空気冷却器156、356、456は、空気から熱を取り出して入口マニホールド温度を低下させ、しかも加圧空気の濃度を維持することは理解されよう。コンプレッサ間、または空気冷却器156、356、456の後置の任意での補助空気冷却器は、入口マニホールド温度をさらに低減するが、加圧空気の仕事ポテンシャルも低下させる。入口温度が低下するとNOx排出物も減少する。
【0058】
本発明の典型的実施形態による内燃機関の空気および燃料供給システムは、内燃機関の排気から余分な仕事量を取り出す。このシステムは、燃費効率およびNOx排出物の低減をも達成すると同時に、仕事ポテンシャルを維持し、システムの信頼性が操作者の予測と確実に一致するようにする。
【0059】
本発明の趣旨および範囲を逸脱することなく、様々な改造や変形が内燃機関の開示された空気および燃料供給システムに行われ得ることは当業者には明らかであろう。本発明の他の実施形態は、本明細書で開示された本発明の明細書や実施例の検討から当業者には明らかであろう。明細書や実施例はあくまでも例として考えられるべきものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による内燃機関用の典型的空気供給システムの組合せ概略線図である。
【図2】本発明による典型的エンジンシリンダの組合せ概略線図である。
【図3】図2の典型的エンジンシリンダの断面線図である。
【図4】本発明によるエンジンクランク角度の関数としての典型的吸気弁作動を例示するグラフである。
【図5】本発明によるエンジンクランク角度の関数としての典型的燃料噴射を例示するグラフである。
【図6】本発明による内燃機関用の他の典型的空気供給システムの組合せ概略線図である。
【図7】本発明による内燃機関用の他の典型的空気供給システムの組合せ概略線図である。
【符号の説明】
100 空気供給システム
110 内燃機関
111 エンジンブロック
112 燃焼シリンダ
114 吸気マニホールド
116 排気マニホールド
120 第1のターボチャージャ
122 タービン
124 コンプレッサ
126 入口ダクト(排気ダクト)
128 タービンホイール
130 シャフト
132 ハウジング
134 コンプレッサホイール
136 吸気ライン
138 圧縮空気ダクト
139 排気ダクト
140 第2のターボチャージャ
142 タービン
144 コンプレッサ
146 タービンホイール
148 シャフト
150 コンプレッサホイール
152 空気出口ライン
154 排気出口
156 空気冷却器
158 補助空気冷却器
Claims (4)
- 内燃機関であって、
少なくとも1本のシリンダを定めるエンジンブロックと、
吸気ポートおよび排気ポートを含む、前記エンジンブロックと連結されたヘッドと、
各シリンダ内で摺動可能なピストンと、
前記ヘッド、前記ピストン、および前記シリンダによって定められた燃焼室と、
前記吸気ポートを開閉するための、その移動の制御が可能な吸気弁と、
前記吸気ポートに流体連結された少なくとも1つのターボチャージャを含み、前記吸気ポートに加圧空気を供給するように構成された空気供給システムと、
選択されたタイミングで前記燃焼室内に制御可能に燃料を噴射するよう動作可能な燃料供給システムと、
前記吸気弁を開け、前記吸気弁の開状態を保持し、並びに前記吸気弁を閉じるように周期的に動作可能な回転カムと、
前記回転カムの周期的な動作を選択的に中止し、前記回転カムの動作とは独立に前記吸気弁を開状態に保持し並びに前記吸気弁を閉じるように構成された、流体圧で動作する可変吸気弁閉じ機構と、を備え、
前記燃料供給システムのタイミングは、前記可変吸気弁閉じ機構が前記吸気弁を閉じた後に前記燃焼室内に直接燃料を噴射するように遅延させられることを特徴とする内燃機関。 - 少なくとも1本のシリンダとそのシリンダ内で摺動可能なピストンとを含む内燃機関を動作させる方法であって、
前記シリンダの排気ポートから流れる排気で、第1ターボチャージャの第1タービンと第1コンプレッサに回転運動を与え、
前記第1ターボチャージャの排気ダクトから流れる排気で、第2ターボチャージャの第2タービンと第2コンプレッサに回転運動を与え、
前記第2のコンプレッサで大気から吸い込まれた空気を圧縮し、
前記第1のコンプレッサで前記第2のコンプレッサから受けた空気を圧縮し、
前記第1のコンプレッサから吸気マニホールドを介して前記シリンダ内の前記燃焼室の吸気ポートに加圧空気を供給し、
燃料供給システムを動作させて前記燃焼室内に直接燃料を噴射し、
選択的に吸気弁を動作させて前記吸気ポートを開け、前記ピストンの圧縮行程の一部で、加圧空気が前記燃焼室と前記吸気マニホールドとの間を流れることができるようにする、
工程を有し、
前記吸気弁を選択的に動作させる工程は、可変吸気弁閉じ機構を選択的に作動させて、前記吸気弁を開け、前記吸気弁の開状態を保持し、並びに前記吸気弁を閉じるための回転カムの周期的な動作を中止し、前記回転カムの動作とは独立に前記吸気弁を開状態に保持し並びに前記吸気弁を閉じる工程を含み、
前記燃料供給システムを動作させる工程は、前記燃料供給システムのタイミングを、前記可変吸気弁閉じ機構が前記吸気弁を閉じた後に前記燃料供給システムが燃焼室内に直接燃料を噴射するように遅延させる工程を含むことを特徴とする方法。 - 前記可変吸気弁閉じ機構は前記ピストンの圧縮工程で前記吸気弁を閉じることを特徴とする請求項1に記載の内燃機関。
- 前記燃料供給システムを動作させる工程は、燃料のパイロット噴射、および前記圧縮工程における前記パイロット噴射の後の燃料の主噴射の工程を含むことを特徴とする請求項2に記載の方法。
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