JP4433209B2 - 吸気部分の圧縮機を有する内燃機関及びこのための方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前段に記載の吸気ラインの圧縮機を有する内燃機関及びこのタイプの内燃機関を作動するための方法に関する。

排気ガスターボチャージャを有するターボチャージ内燃機関が特許文献１から公知であり、この内燃機関は、排気ラインに排気ガスタービンと内燃機関の吸気ラインに圧縮機とを有する。排気ガスタービンのタービンホイールは、高圧の排気ガスによって駆動され、ホイールの回転は圧縮機ホイールにシャフトによって伝達され、大気から得られる燃焼用空気を増加ブースト圧力に圧縮する。圧縮機ホイールは、圧縮機吸気ダクトに回転可能に装着され、このダクトを介して、燃焼用空気が圧縮機ホイールの端側に供給される。圧縮機には、補助ダクトが圧縮機吸気ダクトに対し平行に形成され、この補助ダクトは、ほぼ圧縮機ホイールの高さの圧縮機吸気ダクト内に半径方向に開口し、この補助ダクトを介して、ある動作状態で圧縮機ホイール羽根に対し半径方向に追加の燃焼用空気を供給することが可能である。補助ダクトが圧縮機吸気ダクトに開口する領域に、調整可能なスワール格子が配置され、このスワール格子は、圧縮機ホイールを通して流れかつそれに衝突する追加空気の推進スワールを提供する。供給すべき空気量は、軸方向の圧縮機吸気ダクトの絞り弁によって設定してもよい。

この装置の補助により、圧縮機のいわゆる冷気タービン運転を実施することが可能であり、この運転では、内燃機関の低負荷及び低速度において圧縮機の下流の吸気ラインで負圧が支配し、この負圧が圧縮機ホイールにわたって圧力低下を生じさせ、この圧力低下を圧縮機ホイールを駆動するために利用できる。この運転状態では、燃焼用空気は、半径方向に開口する補助ダクトによって供給され、この場合に発生されるスワールにより、圧縮機ホイールに対する駆動動作の改良が達成される。

独国特許発明第１９９５５５０８Ｃ１号明細書

この従来技術を検討して、本発明は、簡単な措置を用いて、圧縮機を有する内燃機関のエミッションを低減する問題に基づいている。

この問題は、本発明に従って、請求項１の特徴を有する内燃機関により、及び請求項１４の特徴を有する内燃機関を作動するための方法により解決される。適切な発展形態が従属請求項に開示されている。

本発明によれば、ＮＯ_ｘ吸蔵還元触媒コンバータが排気ラインに配置され、この触媒コンバータは排気ガスＮＯ_ｘの吸蔵還元用に用いられる。窒素酸化物を還元するために、空気過剰率（λ＜１）を有するよりリッチな空気燃料混合気が、所定間隔で供給され、これによって、ＮＯ_ｘ吸蔵還元触媒コンバータの窒素酸化物の還元が行われる。燃料が過剰な空燃比は、燃料供給は少なくともほぼ一定に維持しつつ、内燃機関の空気側に対する空気供給を低減することによって設定することが好ましい。燃焼用空気の供給を低減するために、圧縮機のブロック要素が空気供給を低減する位置に設定される。圧縮機吸気ダクトに開口する補助ダクトのスワール装置は、補助ダクトによって供給される燃焼用空気が推進スワールで圧縮機ホイールに作用する位置に同時に設定される。圧縮機ホイールは、同様に圧縮機の冷気タービン運転と称し得るこの作動方法で駆動される。ブロック要素の空気低減位置にもかかわらず、圧縮機速度の低下をこのようにして防止することが可能である。

本発明による内燃機関には、排気ラインに排気ガスタービンを備える排気ガスターボチャージャが特に装備され、この排気ガスタービンは高圧排気ガスによって駆動され、タービンホイールの回転は、シャフトによって圧縮機ホイールに伝達される。吸蔵還元触媒コンバータの窒素酸化物を還元するために、空気過剰率を低下させるという空気供給の低減は、排気ガス背圧の相応した低下と共に排気ガスエミッションの減少をもたらし、その結果、一般的にタービンホイールの回転速度は低下する。この低下は、タービンホイールの何らの落下もないかあるいは僅かな落下のみで済むように、圧縮機ホイールに対するスワール作用によって少なくとも部分的に補償することが可能である。このように構成することにより、引き続く加速が必要な場合に、完全なターボ性能が直ちに利用可能になる。

排気ガスタービンのタービンの有効入口断面を可変に設定できる可変タービンジオメトリーを利用して、空気供給が低減された場合にターボ速度の維持を補助することが可能である。空気供給が低減された場合、可変タービンジオメトリーは、断面を低減する閉塞位置に設定することが可能であり、その結果、排気ガス背圧は増大される。

補助ダクトのスワール装置は、機能的に、圧縮機吸気ダクトのブロック又はスロットル要素に接続してもよい。このことは、一例として、圧縮機吸気ダクトの流動断面が変更されるブロックの調整移動により、スワール装置も調整され、その結果、圧縮機吸気ダクトへの補助ダクトの開口の断面も変更されることによって達成される。ブロック要素とスワール装置との機能的結合のため、両方の構成要素を調整するために１つの共通の作動要素のみを設けることで十分である。

さらなる利点及び適切な実施形態は、他の請求項、図面の説明に開示されている。

図面において、同一の構成要素には、同一の参照符号が付与される。

図１に示した内燃機関１、ディーゼルエンジン又はガソリンエンジンには、排気ライン１８に排気ガスタービン３と吸気ライン１７に圧縮機５とを有する排気ガスターボチャージャ２が割り当てられる。排気ガスタービン３のタービンホイールは、内燃機関１の排気ガスによって駆動される。タービンホイールの回転は、燃焼用の吸気を増加ブースト圧力に圧縮する圧縮機ホイールにシャフト６によって伝達され、この燃焼用空気は、吸気ライン１７によって内燃機関のシリンダに供給される。排気ガスタービン３には、有効なタービン入口断面を可変に設定するために可変タービンジオメトリー４が備えられる。

圧縮機５は、その圧縮機ハウジングに圧縮機吸気ダクト１０５とブロック要素１０９とを有し、これらによって、供給すべき空気量を調整することが可能である。さらに、圧縮機５には、圧縮機吸気ダクト１０５に対しほぼ平行に延在し、かつスワール格子１１７を介して圧縮機ホイールの外周付近で圧縮機吸気ダクト１０５に開口する補助ダクト１１５が装備される。スワール格子１１７は、補助ダクト１１５と圧縮機吸気ダクト１０５との間の開口部の断面の形状及び／又は断面積を変更し得るように、調整可能であるように設計される。

エアフィルタ７及び空気流量計８は、圧縮機５の上流の吸気ライン１７に配置される。圧縮機５の下流で、より高い圧力に圧縮された燃焼用空気がインタークーラー９で最初に冷却され、次に、ブースト圧力下で内燃機関１のシリンダに送られる。

排気ガスタービン３には、排気ガスタービン３を迂回するバイパスライン１０を備えるバイパス、及びバイパスライン１０に配置された調整可能なバイパス弁１１が割り当てられる。

ＮＯ_ｘ吸蔵還元触媒コンバータ１２は、排気ガスタービン３の下流の排気ライン１８に配置され、この触媒コンバータに窒素酸化物が吸蔵され、またリッチな空気過剰率によって一定間隔で還元される。さらに、他の汚染物質、特に微粒子もフィルタ除去されるか、あるいはＮＯ_ｘ吸蔵還元触媒コンバータ１２で低減し得る。

内燃機関１には、再循環ライン１３を備える排気ガス再循環装置が割り当てられ、この再循環ラインは、排気ガスタービン３の上流の排気ライン１８から分岐して、インタークーラー９の下流の吸気ライン１７に開口し、この再循環ラインに、調整可能な再循環調整バルブ１４が配置され、また再循環調整バルブの下流に排気ガス冷却器１５が配置される。

内燃機関又は割り当てられたユニットの調整可能な作動要素は、制御ユニット１６によって設定することができる。特に、内燃機関１のシリンダ内への燃料噴射は、制御ユニット１６からの制御信号によって、さらに、可変タービンジオメトリー４、バイパス弁１１、圧縮機５のブロック要素１０９、及びスワール格子１１７と排気ガス再循環装置の戻り弁１４によって設定可能である。

図２に示した圧縮機５は、圧縮機ハウジングに配置された圧縮機ホイール１０２を備え、この圧縮機ホイールは圧縮機吸気ダクト１０５に回転可能に装着され、シャフト６を介して、割り当てられた排気ガスタービンによって駆動される。圧縮機ハウジングに配置された上流の空気蓄積空間１０６から、入口開口部１０７を介して軸方向の圧縮機吸気ダクト１０５内に移動する燃焼用空気は、回転圧縮機ホイール羽根１０３によって増加ブースト圧力に圧縮され、圧縮機ハウジングのディフューザ１１３内に半径方向に放出され、そこから、圧縮された燃焼用空気はインタークーラーで最初に冷却され、次に、ブースト圧力下で内燃機関のシリンダ内に送られる。圧縮機ホイール１０２の回転軸線は圧縮機軸線１１１と同一であり、この圧縮機軸線も、圧縮機吸気ダクト１０５の長手方向軸線と同一である。上流の空気蓄積空間１０６は、圧縮機軸線１１１に対し半径方向遊びを有する環状空間として設計される。圧縮機吸気ダクト１０５の部分である入口開口部１０７は、半軸方向に位置合わせされ、圧縮機軸線１１１とある角度を形成し、燃焼用空気は、前記入口開口部を介して、空気蓄積空間１０６から矢印１０８の方向に圧縮機吸気ダクト１０５に流入する。

ブロック要素１０９は、矢印方向１１０に軸方向に変位可能に圧縮機吸気ダクト１０５に配置され、ブロック要素の軸方向移動により、図２に示した開位置と、入口開口部１０７が完全にブロックされかつ空気蓄積空間１０６から圧縮機吸気ダクト１０５内への燃焼用空気の移送が防止される閉位置との間の入口開口部１０７の断面が調整される。ブロック要素１０９は、閉位置に達する前に開位置から軸方向調整距離ｓ_１を移動する。ブロック要素１０９は、作動要素１１２の補助により軸方向に変位させられる。

開位置で、入口開口部１０７は、ブロック要素１０９の外部輪郭と、同様に軸方向に変位させられることが可能でありかつ補助ダクト１１５を分離する軸方向プッシャ１１４との間に形成され、前記補助ダクトは、圧縮機吸気ダクトから軸方向に、しかし圧縮機吸気ダクト１０５の半径方向外側に延在している。補助ダクト１１５は、一方の端部で空気蓄積空間１０６と連通し、他方の端部で開口領域１１６を介して圧縮機ホイール１０２の外周付近で圧縮機吸気ダクト１０５に、半径方向に開口する。補助ダクト１１５を介して供給された燃焼用空気は、圧縮機ホイール羽根１０３に対しほぼ半径方向に衝突して、加速性のスワールを圧縮機ホイール羽根に作用させる。スワール効果を高めるために、スワール格子１１７が開口領域１１６に配置され、このスワール格子は、例えば、スワール格子の円周の周りに分布された案内羽根を有し、この案内羽根は、衝突する燃焼用空気の流動分布に干渉する。

軸方向プッシャ１１４及びスワール格子１１７は、共にスワール装置を形成し、この装置によって、開口領域１１６の開口断面が、図２に示した開位置と、開口断面が最小に低減され、適切であれば完全にブロックされる閉塞位置との間で調整される。開口断面は、矢印方向１１８の軸方向プッシャ１１４の軸方向変位によって調整され、軸方向プッシャの開位置と閉塞位置との間を移動するときの軸方向プッシャ１１４の最大可能な調整距離は、図２のｓ_２によって示されている。

軸方向プッシャ１１４は、圧縮機ハウジングに変位可能に装着され、ばね要素１１９によって圧縮機ハウジングの開位置に作用される。図２に示した開位置から閉塞位置に移動するために、軸方向プッシャ１１４は、ばね要素１１９のばね力に対抗して変位させられ、この場合、スワール格子１１７は、軸方向プッシャ１１４の軸方向の受容開口部１２０に押入される。

圧縮機吸気ダクト１０５の入口開口部１０７は、ブロック要素１０９がその閉位置に軸方向に変位させられるときにブロックされる。ブロック要素１０９は、ブロックプランジャとして設計され、ブロック要素の外部輪郭は、入口開口部１０７が閉鎖されるようにブロック位置の軸方向プッシャ１１４の外部輪郭に触れる。ブロック要素１０９が軸方向プッシャ１１４に近づくとき、軸方向プッシャは、最初になおその開位置にあり、その閉塞位置の方向にまだ押圧されていない。この構造では、圧縮機５は冷気タービンの機能を引き受けるが、この理由は、補助ダクト１１５によって供給すべき燃焼用空気の流れが、圧縮機の上流側と下流側との間の圧力低下のため圧縮機ホイール１０２を駆動し、圧縮機ホイール１０２の下流の大気圧未満の圧力に膨張されるからである。

軸方向プッシャ１１４の閉塞位置では、ブロック要素１０９は、開口領域１１６の断面が最小に低減されるかあるいは適切であれば完全にブロックされる軸方向プッシャの閉塞位置に、ブロック要素１０９によって作用される軸方向プッシャ１１４がばね要素１１９の力に対抗して変位させられる程度に、圧縮機ホイール１０２の方向に軸方向に押圧される。閉塞位置では、スワール格子１１７は、軸方向プッシャ１１４の軸方向の受容開口部１２０内にほとんど完全に収容される。比較的小さな空気流量のみが開口領域１１６の残りの間隙を通して流れることができ、この結果、圧縮機ホイール１０２も、相応して小さな角運動量のみを有する。同時に、圧縮機吸気ダクト１０５への入口開口部１０７はブロックされる。

ブロック要素１０９が、圧縮機ホイール１０２から離れて、反対方向に変位させられるとき、軸方向プッシャ１１４は、ばね要素１１９の影響下で、閉塞位置からその開位置に最初に押圧され、圧縮機吸気ダクト１０５への入口開口部１０７はこの段階で閉鎖されたままである。さらなる工程で、入口開口部１０７はまた、圧縮機ホイール１０２から離れるブロック要素１０９のさらなる変位によって、ストッパによって確保できる軸方向プッシャ１１４の開位置に達した後に再び開口される。

ＮＯ_ｘ吸蔵還元触媒コンバータに吸蔵される窒素酸化物を分解するために、内燃機関には、λ＜１の空気過剰率を有する濃い空気燃料混合気が所定間隔で供給される。このことは、内燃機関の空気側に対する空気供給を低減することによって達成することが好ましく、一方、燃料噴射は少なくともほぼ一定に維持される。ブロック要素１０９は、入口開口部１０７が閉鎖されて、燃焼用空気が圧縮機吸気ダクト１０５を介して圧縮機を通過できないように、閉位置に設定される。排気ガスターボチャージャ速度の低下を防止するために、軸方向プッシャ１１４は、スワール格子１１７が配置される開口領域１１６が開口したままであり、補助ダクト１１５を介して燃焼用空気を圧縮機ホイール１０２に送ることができるように、その開位置に留まる。供給された燃焼用空気は、推進スワールで圧縮機ホイールに作用し、その結果、ターボ速度を少なくともほぼ維持することができる。

排気ガスターボチャージャと、排気ガスタービンの下流のＮＯ_ｘ吸蔵還元触媒コンバータとを有する内燃機関の概略図である。 軸方向の圧縮機吸気ダクトと、圧縮機吸気ダクトに開口する並列の補助ダクトとを介して燃焼用空気を圧縮機ホイールに供給でき、開位置の圧縮機吸気ダクトのブロック要素と補助ダクトの同様に開口領域の開位置のスワール装置とで示した、圧縮機ホイールを有する圧縮機の断面図である。

Claims (14)

1. 供給された燃焼用空気を圧縮機ホイールによって増加ブースト圧力に圧縮する、圧縮機吸気ダクト（１０５）に回転可能に装着された圧縮機ホイール（１０２）と、
   前記圧縮機吸気ダクト（１０５）に開口する補助ダクト（１１５）と、
   前記圧縮機ホイール（１０２）の上流の前記圧縮機吸気ダクト（１０５）に配置される調整可能なブロック要素（１０９）と、
   前記圧縮機吸気ダクト（１０５）内への前記補助ダクト（１１５）の前記開口領域（１１６）に配置される調整可能なスワール装置（１１４、１１７）を有する、吸気ラインに圧縮機を備えた内燃機関において、
   ＮＯ_ｘ吸蔵還元触媒コンバータ（１２）が前記排気ラインに配置し、
   相対的な燃料余剰を有する空燃比（λ）を発生するために、前記圧縮機ホイール（１０２）が推進スワールによって作用される位置に前記スワール装置（１１４、１１７）をセットでき、空気供給を低減する位置に前記ブロック要素（１０９）を同時にセットすることができることを特徴とする吸気ラインに圧縮機を備えた内燃機関。
2. 前記圧縮機（５）は、前記排気ライン（１８）に設けられる排気ガスタービン（３）を有する排気ガスターボチャージャ（２）の一部品であり、前記圧縮機ホイール（１０２）が前記タービンホイールに連結されることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記排気ガスタービン（３）が、有効なタービン入口断面を可変に設定するための可変タービンジオメトリー（４）を有することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
4. 前記ＮＯ_ｘ吸蔵還元触媒コンバータ（１２）が、前記排気ガスタービン（３）の下流に配置されることを特徴とする請求項２あるいは３に記載の内燃機関。
5. 前記圧縮機（５）のブロック要素（１０９）が、前記スワール装置（１１４、１１７）に作用することにより、前記スワール装置（１１４、１１７）の変位をもたらすことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関。
6. 前記スワール装置（１１４、１１７）は、その端部位置の一方に保持されるようにばねにて圧力を加えられ、前記ブロック要素（１０９）が、前記ばねによる力方向と逆に前記スワール装置（１１４、１１７）に作用することを特徴とする請求項５に記載の内燃機関。
7. 前記調整移動の第１の移動セグメントで、前記ブロック要素（１０９）のみが変位させられ、また引き続く第２の移動セグメントで、前記スワール装置（１１４、１１７）が変位させられることを特徴とする請求項５あるいは６に記載の内燃機関。
8. 前記ブロック要素（１０９）の調整移動が、前記圧縮機ホイール（１０２）の軸方向に行われることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の内燃機関。
9. 前記スワール装置が、前記補助ダクト（１１５）の開口領域（１１６）において軸方向プッシャ（１１４）とスワール格子（１１７）とを有し、
   前記軸方向プッシャ（１１４）は、前記スワール格子（１１７）をブロック解除する開位置と、前記開口断面を低減する閉塞位置との間で調整可能であることを特徴とする請求項５〜８のいずれか１項に記載の内燃機関。
10. 軸方向の受容開口部（１２０）が、閉塞位置の前記スワール格子（１１７）を受容するために、前記軸方向プッシャ（１１４）に挿入されることを特徴とする請求項９に記載の内燃機関。
11. 前記軸方向プッシャ（１１４）が、ばね要素（１１９）によって前記軸方向プッシャの開位置方向に作用されることを特徴とする請求項９あるいは１０に記載の内燃機関。
12. 前記ブロック要素（１０９）が、前記圧縮機吸気ダクトに軸方向に変位可能なブロックプランジャを備え、前記圧縮機吸気ダクト（１０５）の入口開口部（１０７）の断面が、前記ブロックプランジャによって開位置と閉位置との間で可変に調整可能であることを特徴とする請求項５〜１１のいずれか１項に記載の内燃機関。
13. 前記軸方向プッシャ（１１４）が、前記ブロック要素（１０９）用のストッパを形成し、前記圧縮機吸気ダクト（１０５）への前記入口開口部（１０７）の閉位置に達したときに、前記ブロック要素（１０９）が前記軸方向プッシャ（１１４）と接触することを特徴とする請求項９〜１２のいずれか１項に記載の内燃機関。
14. ＮＯ_ｘ還元を行うために、前記圧縮機ホイール（１０２）への空気供給が低減され、前記圧縮機ホイール（１０２）に推進スワールが引き起こされ、前記燃料供給が少なくともほぼ一定に維持される請求項１〜１３のいずれか１項に記載の内燃機関を運転するための方法。

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