JP4648941B2 - ２つの排気ガスターボチャージャを有する内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前段に記載の２つの排気ガスターボチャージャを有する内燃機関に関する。

特許文献１は、高圧段階として具化される第１のターボチャージャと、低圧段階として具化される第２のターボチャージャとの、２つの排気ガスターボチャージャを有する内燃機関を開示する。高圧段階は機関の近くに配置され、低圧段階は、対照的に内燃機関から遠い位置に配置される。２つの排気ガスターボチャージャのコンプレッサは、吸気セクション内で直列接続され、２つのターボチャージャの排気ガスタービンも同様に排気ガスセクション内で前後に並べて配置される。高圧段階のコンプレッサとタービンとの両方は、それぞれ遮断できるバイパスで迂回され、各バイパスは機関状態変数及び機関動作変数の関数として開くか又は閉じることができる。負荷や機関速度が低いと、高圧段階のコンプレッサ又は排気ガスタービン周りのバイパスが閉じられ、高圧段階が始動される。負荷や機関速度が増加すると、高圧段階のコンプレッサ又はタービン周りのバイパスが開かれ、その結果、高圧段階が動作停止にされ、コンプレッサ作業が低圧段階のみで行われる。

２段階式過給のこのような内燃機関は、単一段階の過給と比べて改良される遷移挙動を有する。しかしながら、２段階式過給は、内燃機関の排気ガス挙動へのいかなる直接的な影響もない。

排気ガス挙動を改良するために、特にＮＯｘを低減するために、排気ガスを排気ガスセクションから吸気セクションに再循環させることが基本的に知られている。排気ガスのこのような再循環は、特に内燃機関の部分負荷動作モードで実行され、例えば、特許文献２に記載されている。内燃機関は、そのガスタービンが異なる大きさの２つの異なる排気ガス流を有する排気ガスターボチャージャを装備しており、それを介して排気ガスをタービンホイールに送ることができる。各排気ガス流は、それぞれ１つの排気ラインを経由してそれぞれ内燃機関の１つのシリンダバンクに接続され、それぞれのシリンダバンクの排気ガスが供給される。排気ガス再循環装置の再循環ラインは、小排気ガス流の排気ラインから分岐し、コンプレッサの下流の吸気セクションに至る。小排気ガス流に接続された排気ラインに、それと平行に延びる排気ラインにおけるよりも高い排気ガス背圧があり、その排気ラインを経由してより多くの２つの排気流が排気ガスと共に提供される。この高排気ガス背圧は、吸気セクションへの排気ガスの再循環を支援し、機関の広い動作範囲にわたり排気ガスを再循環できるようにする。

独国特許出願公開第１０１ ４４ ６６３ Ａ１号明細書 独国特許出願公開第１０１ ５２ ８０４ Ａ１号明細書

本発明は、簡単な手段を用いて２段階式過給を有する内燃機関の排気挙動をより改良するという課題に基づいている。

この課題は、請求項１の特徴によって本発明より解消される。従属請求項は好適な実施態様を明確にする。

２つの排気ガスターボチャージャを装備する内燃機関は、２つの排気ラインを有し、それぞれに少なくとも１つの排気ガスタービンが割り当てられる。さらに、排気ガス再循環ライン及びその内部に配置された調整可能なＥＧＲバルブから構成される排気ガス再循環装置が提供され、排気ガス再循環ラインは、２つの排気ラインの一方であって排気ガスタービンの１つの上流部で分岐し、コンプレッサの下流の吸気ラインに至る。

この実施形態は、内燃機関のシリンダの出口と排気ガスタービンとの間のセクション内のそれぞれの２つの排気ライン内の非対称排気ガス背圧を調整する簡単な手段を提供する可能性を有する。排気ガス背圧のこの非対称は、例えば、排気ラインが排気ガスの再循環に関与し、吸気セクション内の給気圧を超える排気ガス背圧が一定の動作状態で設定されて、改良された排気ガス再循環に利用できる一方で、同動作条件において給気圧以下である圧力が第２の排気ライン内で設定される。

この非対称は構造的に簡単な手段でもたらされる。１つの有利な実施形態によれば、２つの排気ガスタービンの一方は２つの独立排気ガス入口を装備しており、それを経由して排気ガスがそれぞれの排気ガスタービンのタービンホイールに供給される。２つの排気ガス流はそれぞれ２つの独立排気ラインの一方に接続される。異なる断面形状及び／又は異なる大きさの２つの排気流を使用して、内燃機関と各排気ガス流への入口との間のそれぞれのラインセクションに異なる排気ガス背圧を発生させることも可能である。

２つの排気ラインのそれぞれは、内燃機関の幾つかのシリンダに都合よく接続されるので、同様にそれぞれのシリンダの排気ガスだけがそれらのそれぞれ割り当てられた排気ラインを経由して放出できる。通常では、内燃機関は、同数のシリンダを備えた２つのシリンダバンクを有し、各シリンダバンクの排気ガスは、それぞれ１本の排気ラインを経由して放出される。しかしながら、シリンダの非対称分布を有することも可能であり、そのような非対称分布で、より多数のシリンダの排気ガスが送られる排気ラインも排気ガスの再循環に都合よく加わる。

２流ガスタービンは、排気ガスセクションの機関の近く又は機関から離して配置できる。排気ガス再循環ラインは、機関に近い、直列に接続された２つの排気ガスタービンの第１の上流で分岐されると良い。

機関に近い排気ガスタービンが２つの排気ガス流を利用する場合、２つの排気ラインはゆえに、機関に近いこの排気ガスタービンに割り当てられ、２つの排気ラインは機関に近いこの第１の排気ガスタービンの排気ガス流入口に至る。排気ガス再循環ラインは、２つの排気ガス流のうち小さい流入口に接続される排気ラインから分岐する。機関から遠い第２の排気ガスタービンは、機関に近い第１の排気ガスタービンと直列に排気ラインセクションを介して接続される。

代替実施形態によれば、機関から遠い第２の排気ガスタービンが、２つの流れを利用する場合、２つの排気ガス流の一方に排気ラインの一方を経由して内燃機関のシリンダによって直接的に排気ガスが供給されるが、第２の排気ガス流は、他方の排気ラインを経由して、機関に近い第１の排気ガスタービンと直列に接続される；この実施形態において、２つの排気ラインは異なる排気ガスタービンに割り当てられる。

２つの排気ラインは、好ましくは、内部に配置した調整弁を備えたバイパスラインを介して互いに接続される。バイパスラインは、内燃機関のある動作状態において比較的高い排気ガス圧力を有する排気ラインから比較的低い排気ガス背圧を有する排気ラインの方向に排気ガスを移動させることができる。この移動過程は内燃機関の動作モードに影響を与える介入の追加的に可能な方法を構成する。

他の利点や好都合な実施形態は、他の請求項、図の説明及び図面に見られる。

図において、同一構成要素には同一参照記号が付されるものとする。

図１及び２に示された内燃機関は火花点火式機関又はディーゼル機関である。

２つのシリンダバンク１ａ及び１ｂを有する、図１に示された、内燃機関１は、それと直列に接続された、２つの排気ガスターボチャージャ２及び３を有し、機関の近くに配置される第１の排気ガスターボチャージャ２は高圧過給機の機能を果たし、機関から遠くに配置される第２の排気ガスターボチャージャ３は、低圧過給機の機能を果たす。高圧過給機は、低圧過給機より小さく、この理由でも、低質量慣性モーメントを有する。機関に近い排気ガスターボチャージャ２は内燃機関の排気ガスセクション内に排気ガスタービン４を有し、そのタービンホイールは、内燃機関の吸気セクション１２内に配置されるコンプレッサ５内のコンプレッサホイールにシャフト６を介して接続される。対応するようにして、機関から遠い、第２の排気ガスターボチャージャ３は、排気ガスセクション内の排気ガスタービン７と、吸気セクション内のコンプレッサ８とを有し、排気ガスタービン７とコンプレッサ８とのロータはシャフト９によって連結される。機関から遠い過給機のコンプレッサ８は、吸気セクション１２において、機関に近い過給機のコンプレッサ５の上流に配置され、機関から遠い過給機の排気ガスタービン７は、排気ガスセクションにおいて、機関に近い過給機の排気ガスタービン４の下流に配置される。インタークーラ１３又は１４は、吸気セクション１２内のコンプレッサ８及び５のそれぞれの下流に割り当てられる。

内燃機関１の各シリンダバンク１ａ、１ｂは１つの排気ライン１０又は１１に割り当てられ、２つの排気ライン１０及び１１は内燃機関の排気ガスセクションの一部である。第１の排気ライン１０は、第１のシリンダバンク１ａから分岐し、機関に近い排気ガスタービン４に至る。タービン４のタービン出口は、第１の排気ライン１０の他のラインセクションを経由して機関から遠い排気ガスタービン７に接続される。第２の排気ライン１１は、第２のシリンダバンク１ｂの排気ガスを収集し、それらを機関から遠い排気ガスタービン７に直接的に送る。

機関から遠い排気ガスタービン７は、２流構造のものであり、２つの排気ガス入口７ａ及び７ｂを有する。機関から遠い排気ガスタービン７の第１の排気ガス入口７ａは、ラインセクション１０を経由して、機関に近い排気ガスタービン４の出口に接続される。第２の排気ガス入口７ｂには第２の排気ライン１１を経由してシリンダバンク１ｂの排気ガスが供給される。排気ガス入口７ａ及び７ｂは、別々に都合よく造られるので排気ガス流間のガスの直接交換が防止される。排気ガス入口７ａ及び７ｂ内の排気ガスは、排気タービン７のタービンホイールに供給される。

機関から遠い排気ガスタービン７は、タービン入口断面を最小背圧断面と最大開口断面との間で可変に調整できるようにする可変ノズル形状２２を備えることもできる。可変ノズル形状２２は、とりわけ、ターボ制動機能が実施されることを可能にする。

さらに、内燃機関１は、排気ガス再循環ライン１６、その内部に配置されたＥＧＲクーラ１７及び調整可能なＥＧＲバルブ１８を有する排気ガス再循環装置１５を備えている。排気ガス再循環ライン１６は、機関に近い第１の排気ガスタービン４の上流の第１の排気ライン１０から分岐し、機関に近いコンプレッサ５に割り当てられる第２のインタークーラ１４の下流の吸気セクション１２に至る。排気ガス再循環装置１５のＥＧＲバルブ１８は、排気ライン１０内の排気ガス背圧が吸気セクション１２内の給気圧を超える動作状態で吸気セクション１２内に排気ガスを移動させるために開口できる。

２つの排気ライン１０及び１１は、機関から遠い排気ガスタービン７の上流の排気ライン１１から分岐し、機関に近い排気ガスタービン４の下流の排気ガスライン１０に至るバイパスライン２１を介して互いに接続される。調節可能な調整弁２０はバイパスライン２１内に配置される。排気ガスは、バイパスライン２１を使用して排気ライン間で移動できる。

さらに、第１の排気ライン１０は、調整弁２０を介して、機関に近い排気ガスタービン４の上流の、バイパスライン２１にラインセクション１９を介して接続される。調整弁２０は、多様な位置を想定できる。調整弁２０の第１の位置において、ラインセクション１９だけが開かれ、排気ライン１１から分岐するバイパスライン２１の上部セクションが遮断され、その結果、機関に近い排気ガスタービン４へのバイパスが第１の排気ライン１０内で実現される。調整弁の第２の位置において、ラインセクション１９は遮断され、排気ライン１１から分岐するバイパスライン２１の上部セクションは開かれるので、ガスの交換が、機関から遠い第２の排気ガスタービン７の上流の第２の排気ライン１１と機関に近い排気ガスタービン４の下流の第１の排気ライン１０との間にもたらされる。第３の位置において、ラインセクション１９及びバイパスライン２１の上部セクションの両方が開かれる。第４の位置において、両方のライン又はラインセクションが遮断される。

図２による例示的な実施形態において、機関から遠い排気ガスタービン７は単一の流れを有し、対照的に、機関に近い排気ガスタービン４は、２つの排気ガス入口４ａ及び４ｂを有する、２流構造のものである。さらに、機関に近い排気ガスタービン４は、有効タービン入口断面を修正する目的の可変ノズル形状２２を有する。それぞれ１つのシリンダバンク１ａ又は１ｂに割り当てられる、２つの排気ライン１０及び１１は、それぞれ、機関に近い排気ガスタービン４の排気ガス入口４ａ又は４ｂに至る。機関に近い排気ガスタービン４の出口は、排気ライン１１の他のセクションを介して、機関から遠い排気ガスタービン７の入口に接続される。

ラインセクション１９は、機関に近い排気ガスタービン４の上流の第１の出口ライン１０から分岐し、機関に近い排気ガスタービン４の上流の第２の排気ラインから分岐するバイパスライン２１に調整弁２０を経由して至り、再びこの排気ガスタービンの下流のバイパスのように排気ラインセクションに至る。前の例示的な実施形態に記載のように、調整弁２０は、バイパスライン２１及び／又はラインセクション１９が任意に遮断又は開かれる、様々な位置を想定できる。

２段階過給付き内燃機関及び排気ガス再循環装置の概略図であり、２つの排気ガスタービンは、直列に接続され、機関から遠い排気ガスタービンは、独立排気ラインを経由して排気ガスが供給される２つの排気ガス入口を有する。 図１に対応する代替実施形態の内燃機関を示す図であり、機関に近い第１の排気ガスタービンが、独立排気ラインを経由して排気ガスが供給される２つの排気ガス入口を備える。

Claims (10)

1. １つの排気ガスタービン（４、７）と、吸気セクションに接続された１つのコンプレッサ（５、８）をそれぞれ有する２つの排気ガスターボチャージャを有し、
   前記２つの排気ライン（１０、１１）のそれぞれが少なくとも１つの排気ガスタービン（４、７）に割り当てられ、
   排気ガス再循環ライン（１６）及び調整可能なＥＧＲバルブ（１８）を有する排気ガス再循環装置（１５）が排気ガスタービン（４）の上流の排気ライン（１０）とコンプレッサ（５）の下流の吸気セクション（１２）との間に配置される内燃機関において、
   前記２つの排気ライン（１０、１１）が、機関の近くにある前記排気ガスタービン（４）の上流で分岐し、その内部に調節可能な調整弁（２０）が配置されるバイパスライン（１９、２１）を介して互いに接続され、
   前記バイパスライン（１９、２１）が前記機関に近い前記排気ガスタービン（４）の上流と、前記機関に近い前記排気ガスタービン（４）の下流であり且つ前記機関から離れた前記排気ガスタービン（７）の上流の地点とを接続し、
   排気ガスタービン（４、７）が２つの独立した排気ガス入口（４ａ、４ｂ；７ａ、７ｂ）を有し、それらを介して排気ガスをそれぞれの前記排気ガスタービン（４、７）のタービンホイールに供給し、それらがそれぞれ前記２つの排気ライン（１０、１１）の１つに接続され、
   少なくとも１つの排気ガスタービン（４、７）が有効タービン入口断面を修正する可変ノズル形状（２２）を備えることを特徴とする内燃機関。
2. 内燃機関（１）のそれぞれ幾つかのシリンダの排気ガスが排気ライン（１０、１１）のいずれかに供給されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記排気ガス再循環ライン（１６）が、前記機関の近くに配置される前記排気ガスタービン（４）の上流の前記排気ガスライン（１０）から分岐することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関。
4. 前記機関から遠くに配置される前記排気ガスタービン（７）が、前記機関に近い前記排気ガスタービン（４）の出口に接続される排気ラインセクション（１１）内に配置されることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関。
5. 前記２流排気ガスタービン（７）が前記機関から離れて配置されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の内燃機関。
6. 前記機関から遠い前記排気ガスタービン（７）の排気ガス入口（７ｂ）が排気ライン（１１）を介して前記内燃機関（１）のシリンダ出口に直接接続され、この排気ガスタービン（７）の他の排気ガス入口（７ａ）が前記機関に近い前記排気ガスタービン（４）の出口に接続されることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関。
7. 前記排気ガスタービン（４、７）が異なる大きさのものであり、より小さい排気ガスタービン（４）が配置される前記排気ライン（１０）が前記排気ガス再循環ライン（１６）を介して前記吸気セクション（１２）に接続されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の内燃機関。
8. 前記機関に近い前記排気ガスタービン（４）の下流で、前記バイパスライン（２１）は、前記機関に近い前記排気ガスタービン（４）の前記出口に接続される前記排気ライン（１１）に接続されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の内燃機関。
9. ２つのコンプレッサ（５、８）が前記吸気セクション（１２）において直列に接続されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の内燃機関。
10. 前記排気ガス再循環ライン（１６）が、前記機関に近い前記コンプレッサ（５）の下流の前記吸気セクション（１２）に接続されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の内燃機関。

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