JP4829232B2 - 排気ターボチャージャ及び排気ガス再循環装置を有する内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前段による、排気ターボチャージャと排気ガス再循環装置とを有する内燃機関に関する。

特許文献１には、排気ガス再循環装置を有する過給式内燃機関が記載されている。排気ターボチャージャの排気タービンは、流動横断面の大きさが異なる２つの流路を有し、２つの流路は、互いに隔壁で隔てられ、内燃機関のそれぞれのシリンダーバンクからの排気ガスを、個別の排気ラインを介してそれぞれに供給される。流動横断面が異なることによって、排気タービンの流路に異なる圧力が生じる。この圧力差を利用して、高圧力が優勢である小さな流路の排気ラインから分岐する、吸気マニホールドへの再循環ラインを有することにより、排気ガスの再循環を向上できるので、特に内燃機関の低〜中程度の負荷及びエンジン回転数において、この排気ラインからの排気ガスを、該排気ガスが吸気燃焼用空気と完全に混合される吸気マニホールドに送ることができる。これにより、特に部分負荷運転中のＮＯ_ｘ排出を削減することが可能となる。

内燃機関の２つのシリンダーバンクと排気タービンの流路との間の２つの排気ラインは、ブリッジラインにより互いに接続され、ブリッジラインには、大きな流路の排気ラインから小さな流路の排気ラインに向かう排気ガス流れのみを可能にする逆止弁が設けられる。小さな流路の排気ラインにおける排気背圧を一時的に超える、大きな流路の排気ラインにおける圧力パルスを利用して、排気ガスを小さな流路の排気ラインへ送ることができ、その結果、このラインの圧力レベルも増加でき、ならびに、より広い作動範囲にわたって排気ガスの再循環を行わせることができる。許容できない程度の高圧力を回避するための圧力調整を、バイパスラインにより、実行する。バイパスラインは、排気タービンを迂回するために、小さな流路の排気ラインから分岐し、制御可能な遮断弁により調節される。

独国特許出願公開第１０２ ４５ ３８８ Ａ１号明細書

当技術分野のこの状態から進んで、本発明の目的は、単純な設計手段により広い作動範囲において排気ガスの再循環を促進することである。同時に、点火が行われる通常運転状態と、エンジンブレーキ状態の双方における、特に高負荷及び高エンジン回転数の範囲において、効率的に過負荷を防止することも意図する。

本発明によれば、この目的は請求項１の特徴によって達成できる。従属請求項では適切な発展形態を明記する。

本発明によれば、再循環ライン用の調整弁及びバイパスライン用の弁は、１つの共通の調節要素で実現され、共通の調節要素は、再循環ラインの流れ経路とバイパスラインの流れ経路の両方に位置し、少なくとも３つの異なる設定位置を取ることができる。第１の位置では再循環ラインとバイパスラインの双方を遮断し、特にエンジンブレーキ状態の時に、この位置を取る。第２の位置では再循環ラインを開放し、バイパスラインを遮断する。これは、内燃機関の完全な点火による運転中に、ＮＯ_ｘ低減のために排気ガスの吸気マニホールドへの帰還が望ましい場合であって排気ガス圧力がまだ十分に高いとは予想されないに、この位置を取るのが適切である。第３の位置において、再循環ラインとバイパスラインの双方を開放する。特に高負荷下におけるより高いエンジン回転数の範囲において、調節要素をこの位置に設定し、排気ガスを、ＮＯ_ｘ低減のために直接排気マニホールドから吸気マニホールドへ帰還させると同時に、バイパスラインによって放出させることによって各機器に及ぼす過大な排気ガス圧を回避する働きをする。

さらに、調節要素に、再循環ラインを遮断しバイパスラインを開放する、第４の調節位置を設けることも可能である。この追加の位置は、特に、排気ガスの高い背圧が排気ラインで優勢になる、完全な点火による運転中における高負荷及び高エンジン回転数の際に取られるとよい。しかしながら、このような調節位置は、エンジンブレーキ運転中にも設定することが可能である。

共通の調節要素によって、たった１つの構成要素で排気ガスの再循環率と排気ラインの圧力レベルの両方を調節することが可能となる。これはまた、調節要素を作動するために必要なのは、アクチュエータ１つだけであることを意味する。さらに、当業界で周知の実施形態とは対照的に、遮断弁を省くことができるので、配置をコンパクトにすることもできる。

適切な一実施形態において、排気タービンの上流の２つの排気ライン間にブリッジラインが設けられ、このブリッジラインを介して、特に大きな流路の排気ラインから小さな流路の排気ラインへ圧力を伝達できる。基本的に大きな流路では低圧力レベルが優勢であるが、大きな流路の排気ラインに過渡圧力パルス（ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｐｕｌｓｅ）が発生する可能性があり、それがブリッジラインを介して小さな流路の排気ラインへ伝達されて、そこで圧力レベルの上昇をもたらす可能性がある。

有利な実施形態において、偏向装置を設け、それにより、大きな流路に割り当てられる排気ラインを、ブリッジライン又は大きな流路のどちらかへ選択的に接続することができる。これにより、さらなる自由度又は追加の調節機構が可能になるので、一方で完全な点火よる通常運転状態における排気ガスの再循環の適用範囲を広げることができ、他方でエンジンブレーキの性能を向上できる。偏向装置が、第２のシリンダーバンクからの排気ラインをブリッジラインに接続する位置に切り替えられると、内燃機関の両方のシリンダーバンクからの排気ガスが小さな流路の排気ラインに供給され、それによりこのライン部分の排気ガス背圧が著しく高まる。このより高い排気ガス背圧により、次に、内燃機関の広範な動作又は作動範囲における排気ガスの再循環と、非点火運転中におけるエンジンブレーキ性能の向上とを可能にする。

排気タービンは、内燃機関の状態変数及び運転変数に応じて、効率的なタービンの吸気口の断面を調節する働きをする可変タービンジオメトリを設けてもよい。可変タービンジオメトリは、例えば、ガイドベーンの形態をとり、タービンの吸気口の断面−流路とタービンブレードとの間の移行部−に配置されるか、又はそこに挿入される。ガイドベーンは、軸方向に調節可能な構成要素であっても、又は調節可能な案内翼を備える軸方向に固定された格子であってもよい。

さらなる効果及び適切な実施形態は、他の請求項、図の説明及び図面から明らかに成るであろう。

図面においては、同一の構成要素には同じ参照符号が付されている。

図１おいて、火花点火式又はディーゼル機関である内燃機関１は排気ターボチャージャを備え、排気ターボチャージャ２は、内燃機関１の排気マニホールド４に排気タービン３、及び吸気マニホールド６にコンプレッサー５を備える。排気タービン３には、内燃機関１からの高い圧力の排気ガスによって駆動されるタービンブレード８が、回転自在に取り付けられている。タービンブレード８の回転運動は、シャフト７を介してコンプレッサーホイールに伝達され、大気圧ｐ_１の外気を吸引して高い圧力ｐ_２まで圧縮する。コンプレッサー５の下流にある吸気マニホールド６において、圧縮された圧力ｐ_２の燃焼用空気をインタークーラ９に供給して、冷却する。例示された実施形態において、インタークーラ９の下流には、燃焼用空気の通気を調節する働きをする流量調整装置１０を設ける。次に内燃機関１のシリンダーに給気圧ｐ_２Ｓの燃焼用空気を供給する。

内燃機関１には２つのシリンダーバンク１ａ及び１ｂがあり、各シリンダーバンクからの排気ガスは、排気マニホールド４を共に形成する排気ライン４ａ及び４ｂでそれぞれ収集される。排気ライン４ａ及び４ｂは、シリンダーバンク１ａ及び１ｂのそれぞれを排気タービン３の流路１１ａ及び１１ｂに接続する。排気タービン３の２つの流路１１ａ及び１１ｂは、隔壁１２で隔てられ、これらは流動横断面の大きさが異なり流量が異なる。小さな流路１１ａは、第１の排気ライン４ａにより背圧ｐ_３Ｌの排気ガスを供給される一方で、大きな流路１１ｂは、排気ライン４ｂにより背圧ｐ_３Ｒの排気ガスを供給される。小さな流路１１ａで優勢な圧力ｐ_３Ｌは、大きな流路１１ｂの圧力ｐ_３Ｒを上回る。

さらに、排気タービン３の上流の排気マニホールド４と、インタークーラ９の下流の吸気マニホールドとの間には、排気ガス再循環装置１４が設けられている。排気ガス再循環装置１４は、第１の排気ライン４ａから分岐し、流量調整装置１０を介して吸気マニホールド６に開口する再循環ライン１５を備える。再循環ライン１５には、排気又は排気ガスの再循環率を調節する働きをする調節要素１６が設けられる。調節要素１６の下流の再循環ライン１５には、排気ガス冷却装置１７が設けられる。調節要素１６はロータリーバルブの形態をとり、その構成は、図３及び４で詳細に説明する。

調節要素１６から分岐しているのはバイパスライン１９であり、バイパスライン１９は、第１の排気ライン４ａから、排気マニホールドの排気タービン３を迂回して排気タービンの下流に流れる経路を提供する。第１のシリンダーバンク１ａからの排気ガスを、バイパスライン１９を介して、排気タービン３を迂回するように直接導くことができる位置に、調節要素１６を切り替えることができる。排気タービン３の下流において、排気ガスは、膨張した圧力ｐ_４を有する。

排気タービン３の上流の排気ライン４ａと４ｂとの間にあるのは、ブリッジライン２０であり、ブリッジライン２０には、大きな流路１１ｂに割り当てられる第２の排気ライン４ｂから、小さな流路１１ａに割り当てられる第１の排気ライン４ａへの流れのみを可能にする逆止弁２１が組み込まれている。逆止弁２１は、適切にはフラップバルブ等のパッシブバルブである。しかしながら、一方向の位置に加えてブリッジライン２０を完全に開放する位置又は後者を完全に閉鎖する位置にも設定できるようにアクティブに調節可能な弁も、利用可能である。他の代替的な実施形態によれば、逆止弁２１を省略してもよい。

排気ガス流路１１ｂへの通気路を形成する第１の位置と、ブリッジライン２０へ接続する第２の位置との間で調節できる偏向装置２２が、第２の排気ライン４ｂに組み入れられている。

電子制御ユニット１８が、偏向装置２２、調節要素１６及び流量調整装置１０等の全ての調節可能なユニットを、内燃機関の状態変数及び運転変数に応じて調節する働きをする。必要に応じて、排気タービンの可変タービンジオメトリの調節を行い、逆止弁２１を積極的に調節可能なフローバルブの形態とすれば排気ライン４ａと４ｂとの間のブリッジライン２０のフローバルブの調節も可能である。

内燃機関１の完全な点火運転状況において、ＮＯ_ｘ排出量を削減するために、排気ガスを、排気ガス再循環装置１４を介して排気マニホールドから吸気マニホールドへ導くことができる。このようにするために、再循環ライン１５に開放する位置に調節要素１６を設け、それにより第１のシリンダーバンク１ａからの第１の排気ライン４ａに存在する排気ガスが、調節要素１６及び再循環ライン１５を介して吸気マニホールドまで流れることができる。この負荷及びエンジン回転数の範囲において、調節要素１６は、バイパスライン１９を閉鎖する位置に適切に置かれていているので、調節要素１６の実際の設定により、第１のシリンダーバンク１ａからの排気ガスの所定量が吸気マニホールド６に戻され、排気ガスの残りの量は、小さな流路１１ａにつながる排気ライン４ａを介して排気タービン３へ送られる。

排気ガスの再循環を支援するために、第２の排気ライン４ｂとブリッジライン２０を接続する位置に偏向装置２２を設定できるので、排気ライン４ｂより高圧な場合においては、第２のシリンダーバンク１ｂからの排気ガスは、ブリッジライン２０を介して第１の排気ライン４ａへ導かれ、そこでの排気ガス背圧が高くなる。構成要素の過大応力を回避するために、再循環ライン１５がまだ開放されているが、バイパスライン１９も同時に開放されている位置に調節要素１６を設定するのが適切かもしれず、それにより第１の排気ライン４ａにおける有害なピーク圧力を減少できる。

他の位置にする場合には、再循環ライン１５とバイパスライン１９の双方を遮断するように調節要素１６を設定できる。この場合、排気マニホールドから吸気マニホールドへの排気ガスの再循環は起こらない。その代わりに、排気ガスの全てが排気タービン３へ送られ、偏向装置２２を、第２のシリンダーバンク１ｂからの排気ガスを第２の流路１１ｂへ送る位置へシフトできるか、又は第２のシリンダーバンク１ｂからの排気ガスをブリッジライン２０を介して第１の排気ライン４ａへ送ることができる位置に設定できるかのどちらかに調節するための追加の機構を設ける。

排気タービン３は可変タービンジオメトリを有し、それにより、状態変数及び運転変数に応じて、効率的なタービンの吸気口の断面を調節できる実施形態が実現できる。可変タービンジオメトリにより、効率的なタービンの吸気口の断面を最小のチョーク位置と最大の開放位置との間で調節できる。可変タービンジオメトリは、完全な点火駆動運転中及びエンジンブレーキ運転中の双方において性能を高める働きをしてもよい。

図２に示された実施形態は、先に示された実施形態とは異なり、排気タービン３の上流の２つの排気ライン４ａと４ｂの間にブリッジラインは設けられていない。従って、第２の排気ライン４ｂからの排気ガスを、第１の排気ライン４ａ又は第２の流路１１ｂのどちらかへ選択的に送る働きをする偏向装置もない。

他方で、排気タービン３は可変タービンジオメトリ１３を備え、例示された実施形態において、可変タービンジオメトリは、軸方向に調節可能なガイドベーンの形態で示されており、この構造は、流入口の断面領域に入ったり出たりでき、そして可変タービンジオメトリにより、流路１１ａ及び１１ｂはタービンブレード８と連通する。

他の点では、構成及び作動原理は、先の例示された実施形態の構成及び作動原理に対応する。

図３及び４は調節要素１６を示し、例示された実施形態において、調節要素はロータリーバルブの形態をとり、このロータリーバルブは、バルブを種々の位置に調節するために、そのバルブ本体の長手方向軸２９の周りで回転可能である。調節要素１６は、中空円筒のバルブ本体２４を備え、バルブ本体はバルブハウジング２３内に回転自在に支持され、その外殻には２つの連通開口部２７及び２８が形成され、バルブ本体がバルブ本体の長手方向軸２９の周りで回転することにより、これら連通開口部が流通用開口部２５及び２６に位置する。流通用開口部２５及び２６は、バルブ本体２４の周面に放射状に開き、第１の流通用開口部２５は第１の排気ライン４ａ（括弧で示される）に、第２の流通用開口部２６はバイパスライン１９（同様に括弧で示される）に割り当てられる。バルブ本体２４の周面には凹型バイパス溝３１もはめ込まれ、凹型バイパス溝は、周面にくぼみの形状であり、バルブ本体２４の特定の角度位置において２つの流通用開口部２５及び２６が互いに直接連通して、流通用開口部２５及び他方の流通用開口部２６を介して、矢印３０に従って第１の排気ライン４ａからバイパス１９へ直接通気できる程度まで、軸方向に延在する。調節要素１６のこの位置において、バルブ本体２４の中空円筒の内側と連通する再循環ライン１５（同様に括弧で示される）は、遮断されている。

バルブ本体２４の他の角度位置において、第１の連通開口部２７は、排気ライン４ａの第１の流通用開口部２５に対面する。この位置において、第２の連通開口部２８は、まだ他方の流通用開口部２６との対面がもたらされていない。この角度位置において、第１の排気ライン４ａからの排気ガスは、流通用開口部２５及びそれと対面する連通開口部２７を介して再循環ライン１５へ流れることができ；同時に、バイパスライン１９は遮断されている。

他の角度位置において、連通開口部２７は流通用開口部２５に対面する一方で、第１の連通開口部２７より小さい他方の連通開口部２８も、第２の流通用開口部２６と対面する。バルブ本体２４のこの角度位置において、再循環ライン１５とバイパスライン１９は両方とも開放される。

最後に、バルブ本体２４は、流通用開口部と連通開口部の全てを閉鎖し、再循環ライン１５とバイパスライン１９が両方とも遮断されている位置をも取ることができる。他方でバルブ本体２４の位置全てにおいて、第１の排気ライン４ａは流路１１ａに連通されている。

排気ターボチャージャの排気タービンが２つの流路を備え、２つの流路は、内燃機関のそれぞれのシリンダーバンクからの排気ガスを、排気ラインを介してそれぞれ供給され、ロータリーバルブの形態の調節要素を備え、それにより、１つの排気ラインの排気ガスの再循環率及び排気ガス背圧を調節でき、偏向装置を備え、それにより、第２のシリンダーバンクからの排気ガスを第１のシリンダーバンクからの排気ラインへ送ることができる、排気ガス再循環装置を備える過給式内燃機関の概略図。 図１に相当するが、偏向装置のない過給式内燃機関の概略図。 ロータリーバルブの概略図。 図３の切断線ＩＶ−ＩＶに沿った断面図。

Claims (9)

1. 排気ターボチャージャと排気ガス再循環装置を有し、
   前記排気ターボチャージャの排気タービン（３）には、断面の異なる２つの個別の流路（１１ａ、１１ｂ）がタービンブレード（８）の上流に設けられ、前記流路に該内燃機関（１）からの排気ガスを供給するために、前記流路（１１ａ、１１ｂ）はそれぞれの排気ライン（４ａ、４ｂ）に接続され、
   前記排気ガス再循環装置（１４）の再循環ライン（１５）が、小さな流路（１１ａ）に割り当てられた排気ライン（４ａ）と前記内燃機関（１）の吸気マニホールド（６）を接続し、前記再循環ライン（１５）には調節可能な弁が設けられ、
   小さな流路（１１ａ）に割り当てられた排気ライン（４ａ）は、調節可能な弁を介することによって排気タービン（３）を迂回するためのバイパスライン（１９）に接続される、内燃機関において、
   前記再循環ライン（１５）の前記弁と前記バイパスライン（１９）に設けられる前記弁を共通の調節要素（１６）で構成し、
   当該調節要素は、前記再循環ライン（１５）と前記バイパスライン（１９）双方の流れ経路に位置し、３つの位置、即ち、
   再循環ライン（１５）とバイパスライン（１９）を遮断する位置、
   再循環ライン（１５）を開放及びバイパスライン（１９）を遮断する位置、
   再循環ライン（１５）とバイパスライン（１９）を開放する位置、
   に切り替えることができ、
   前記２つの排気ライン（４ａ、４ｂ）は、前記排気タービン（３）の上流に設けられるブリッジライン（２０）によって互いに接続され、
   前記ブリッジライン（２０）に、前記小さな流路（１１ａ）に割り当てられた排気ライン（４ａ）方向への流れのみを可能にする逆止弁（２１）を設け、
   大きな流路（１１ｂ）に割り当てられた前記排気ライン（４ｂ）に、該排気ライン（４ｂ）を、前記大きな流路（１１ｂ）又は前記ブリッジライン（２０）のどちらかへ選択的に接続する偏向装置（２２）を、設け、
   前記偏向装置（２２）は、前記調節要素（１６）により前記再循環ライン（１５）を開放した状態で、前記大きな流路（１１ｂ）に割り当てられた前記排気ライン（４ｂ）を前記ブリッジライン（２０）へ接続することが可能であり、これにより、前記再循環ライン（１５）を通した排気ガスの再循環を支援するために、前記小さな流路（１１ａ）に割り当てられた前記排気ライン（４ａ）の背圧を高めることが可能であることを特徴とする内燃機関。
2. 前記調節要素（１６）は、前記小さな流路（１１ａ）に割り当てられた前記排気ライン（４ａ）から前記再循環ライン（１５）への分岐点に設けられることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記バイパスライン（１９）は、前記調節要素（１６）から分岐することを特徴とする請求項１あるいは２に記載の内燃機関。
4. 前記調節要素（１６）は、ロータリーバルブを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関。
5. 前記ロータリーバルブは、回転自在に支持される中空円筒のバルブ本体（２４）を有し、
   該バルブ本体の外殻には少なくとも２つの連通開口部（２７、２８）が形成され、
   該バルブ本体（２４）は、少なくとも２つの開放位置と１つの閉鎖位置の間で調節可能であり、
   第１の開放位置において、前記排気ライン（４ａ）に割り当てられる第１の流通用開口部（２５）が、該連通開口部（２７）を通って、前記再循環ライン（１５）と連通する前記バルブ本体内側に接続され、
   第２の開放位置において、該第２の連通開口部（２８）がさらに、前記バイパスライン（１９）に割り当てられる第２の流通用開口部（２６）と連通す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. 前記調節要素（１６）はさらに、前記再循環ライン（１５）を遮断し、前記バイパスライン（１９）を開放する位置に切り替え可能であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の内燃機関。
7. 前記排気タービン（３）には、タービンの吸気口の有効断面を可変調節するために可変タービンジオメトリ（１３）が設けら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. 前記可変タービンジオメトリ（１３）は、前記小さな流路（１１ａ）のタービンの吸気口の断面に設けられることを特徴とする請求項７に記載の内燃機関。
9. 前記可変タービンジオメトリ（１３）は、前記大きな流路（１１ｂ）のタービンの吸気口の断面に設けられることを特徴とする請求項７あるいは８に記載の内燃機関。

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