JP5101633B2 - 内燃機関システム - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関システムに係り、特に、自動車の内燃機関システムに関する。

従来、内燃機関システムは、ディーゼルエンジンやガソリンエンジンのような内燃機関と、内燃機関に新気ガスを供給する新気ガスシステムと、内燃機関から排気ガスを排出する排気ガスシステムと、取出点で排気ガスシステムから排気ガスを取り出すと共に、その取り出した排気ガスを導入点で新気ガスシステムに導入する排気ガス再循環システムとを備えている。排気ガスを再循環させることにより、内燃機関における汚染物質の排出量及び燃料消費量を低減させることができる。

排気ガスの再循環を実現するためには、取出点と導入点との間で圧力を低下させる必要がある。特に、過給内燃機関において、十分に圧力を低下させることが、問題となる場合がある。

本発明の課題は、上記タイプの内燃機関に対して、改良された排気ガス再循環システムを備えたことを特徴とする改良された実施形態を提供することにある。

この課題は、本発明によると、独立請求項の発明主題によって解決される。有利な実施形態は、従属請求項の発明主題となっている。

本発明は、排気ガスシステムの流路の断面を制御可能なように設計される排気ガスバルブを、排気ガスシステムにおける取出点の下流に配設するという概念に基づいている。この設計により、前記排気ガスバルブの応答制御によって、前記排気ガスバルブの上流における排気ガスの圧力を目標圧力まで増加させることができる。この作用により、取出点と導入点との間における圧力低下量を増加させることができ、排気ガスの再循環が改良される。

有利な展開によると、排気ガスバルブは、動的に制御可能なように設計してもよい。例えば、応答バルブ制御によって、排気ガスバルブの切り替え状態が設定され、又は、内燃機関の操作状態の関数として設定されれば、動的に制御可能な又は制御される排気ガスバルブが提供される。例えば、内燃機関の運転状態によって変化する再循環排気ガスの必要量の変化に応じて、取り出し箇所における排気ガス圧力を動的に調整するために、排気ガスバルブは、内燃機関の負荷及び／又はエンジン速度の関数として、動的に操作されてもよい。

さらに、排気ガスバルブは、高速切り替えバルブとして設計されてもよい。高速切り替えバルブは、比較的短時間で、二つの極端な制御位置を調整することができるバルブである。例えば、この種の高速切り替えバルブは、流路が最大に開放された断面となる制御位置と、最小に開放された又は閉じられた断面となる制御位置と、の切り替え時間が５０ミリ秒よりも又は、２０ミリ秒よりも又は、１０ミリ秒よりも又は、５ミリ秒よりも短くなるように調整されてもよい。この種の高速切り替えバルブは、流動効果によって内燃機関のインパルス的な給気をもたらすため、新気ガスシステム内でこのような目的に使用されるエアインパルスバルブとして、一般的に知られている。

さらに有利な実施形態では、予め決められた排気ガス再循環率を達成するために、排気ガスバルブは、衝撃のような圧力衝撃を発生させるように設計され、排気ガス再循環システムにおいて、予め決められた周期で制御可能にされている。圧力衝撃の発生によって、再循環排気ガスの圧力曲線が比較的高い振れ幅となる。これらの圧力の振れ幅を有する取出点と導入点との間の領域において、比較的大きい圧力低下が発生する。このことにより、排気ガスの再循環が促進される。断面の短時間の変化は、流動効果によって所望の衝撃を形成させるため、衝撃のような圧力衝撃は、特に、排気ガスシステムの流路の断面を高速に開閉することによって実現することができる。

本発明のさらなる重要な特徴及び利点は、独立請求項、図面、及び図に関する説明中に記載されている。

上記の特徴及び以下に記載された特徴は、明細書中で示された組み合わせだけでなく、本発明の範囲から離れない範囲で、他の組み合わせ又は別々に用いられてもよい。

本発明の好ましい実施形態は、図中に示されていると共に、以下の記載中にさらに詳細に記載されている。ここで、同一の又は、機能的に同一又は同様の構成要素には、同一の参照番号が付されている。

図は、概略図である。

図１は、実施形態に係る内燃機関システムの概略図であり、回路図のように非常に簡略化されている。 図２は、別の実施形態に係る内燃機関システムの概略図であり、回路図のように非常に簡略化されている。 図３は、さらに別の実施形態に係る内燃機関システムの概略図であり、回路図のように非常に簡略化されている。

特に自動車に配設される内燃機関システム１は、図１ないし３に示すように、内燃機関２と、新気ガスシステム３と、排気ガスシステム４と、排気ガス再循環システム５とを備えている。内燃機関は、ディーゼルエンジン、ガソリンエンジン、又は、それらと同様のものにすればよい。内燃機関２は、自然吸気エンジンとして設計されてもよく、又は、この場合のように、過給エンジンとして設計されてもよい。過給の一例として、内燃機関システム１は、例えば、排気ガスシステム４に配設されるタービン７及び新気ガスシステム３に配設されるコンプレッサ８を含む排気ガスターボチャージャ６を追加的に備えている。

新気ガスシステム３は、新しいガス、特に空気を、内燃機関２に供給する。この目的のため、新気ガスシステム３は、内燃機関２に接続されると共に、本ケースでは、コンプレッサ８に配設される新気ガスライン９を有している。

排気ガスシステム４は、内燃機関２から排気ガスを排出する。この目的のため、排気ガスシステム４は、内燃機関２に接続されると共に、本ケースでは、タービン７を含んでいる排気ガスライン１０を備えている。

排気ガス再循環システム５は、取出点１１で排気ガスシステム４から排気ガスを取り出すように設計されていると共に、この取り除いた排気ガスを導入点１２で新気ガスシステム３に導入するように設計されている。この目的のため、排気ガス再循環システム５は、一方で取出点１１で排気ガスライン１０に接続されており、他方で導入点１２で新気ガスライン９に接続されている排気ガス再循環ライン１３を有している。

排気ガスの再循環を改善するために、排気ガスバルブ１４は、排気ガスシステム４又は、排気ガスライン１０における取出点１１の下流に配設されて提供される。排気ガスバルブ１４は、排気ガスシステム４又は排気ガスライン１０の流路の断面を制御できるように設計されている。排気ガスシステム４の流路の断面を減少させることによって、排気ガスバルブ１４の上流における排気ガス圧力を増加させることができる。このことにより、取出点１１と導入点１２との圧力差が大きくなる。この圧力差が、排気ガスを新気ガスシステム３の方に進ませて再循環させる。排気ガスバルブ１４によって、その排気ガスバルブ１４の上流に目標ラム圧を発生させることにより、再循環される排気ガス量を増加させることができる。このことにより、全体の排気ガスの再循環を改善することができる。

特に有利な実施形態では、排気ガスバルブ１４は、動的に制御可能に設計される。このような設計は、排気ガスバルブ１４を、内燃機関２の動的に変化する運転状態の関数として操作することを可能とする。特に、取出点１１における排気ガス圧力を動的に制御することによって、排気ガス再循環率又は排気ガス再循環量を、動的に変化する要求値に調整する。従って、特に、排気ガスバルブ１４は、内燃機関２のエンジン速度及び／又は負荷の関数として動的に操作されてもよい。バルブコントローラ１５は、排気ガスバルブ１４を操作又は制御するために提供され、このバルブコントローラは、例えば、適切な方法で排気ガスバルブ１４に接続されると共に、さらにエンジン制御システムに接続され又はそこに統合される。

排気ガスバルブ１４は、好ましくは、排気ガスシステム４の流路の断面を、相対的に短い切り替え時間又は制御時間で所望の状態に変化させることを実現する高速切り替えバルブとして設計される。例えば、排気ガスバルブ１４は、閉じた位置又は最小限のガスだけを流すことができるような断面となる位置と、開いた位置又は最大に開放された断面となる位置とを、ミリ秒単位で切り替えるようにしてもよい。さらに詳しくは、高速切り替え排気ガスバルブ１４は、内燃機関２の給気変化プロセスの進行と同一の周期で切り替えることができる。この方法では、排気ガスバルブ１４の同期化により、排気ガスの圧力変動を調整することができる。ここで、変動は、排気ガスシステム４の給気変化プロセスに基づいて、どのようにでも起こる。例えば、脈動する排気ガス流の圧力の振れ幅は、目標となるように増加される。

排気ガスバルブ１４は、不連続操作バルブとして設計されてもよい。ここで、反対方向に動くバタフライバルブのようなバルブ部材は、少なくとも２つの予め決められた制御位置間を切り替えられる。一般性を制限することなく、この種の不連続操作排気ガスバルブ１４は、例えば、回転軸周りに軸回転することができると共に、閉じられた位置と開放位置とを切り替えることができるバルブ部材としてのフラップを有していてもよい。この方法では、バルブ部材は、回転方向の一方向に回転させると閉じる一方、回転方向の他方向に回転させると開く。さらに、不連続操作バルブの特徴は、そのバルブ部材が、一時的に静止し、高速に切り替え操作が起こる間のみ動作するような方法により、各バルブ部材が、各々の設定制御位置に所定の時間とどまることである。

代替例として、排気ガスバルブ１４は、連続操作バルブにしてもよく、そのバルブ部材は、同一方向への移動に伴って、少なくとも２つの異なった制御位置を通って動く。一般性を制限することなく、この種の連続操作排気ガスバルブ１４は、例えば、フラップ又は回転軸周りに回転駆動するバルブ部材としてのロータリバルブを有してもよい。連続操作排気ガスバルブ１４の特徴は、バルブの操作中に、各バルブ部材が常に同じ回転方向に回転し、これにより、例えば、予め決められた回転速度で、閉じているときの角度域を通って開放しているときの角度域に達する。この種の連続操作排気ガスバルブ１４によって、極端に短い切り替え時間を達成することができるが、断面の変化が常に起こると共に、各バルブ部材が常に動作することになる。回転速度を変えることによって、この種の連続操作排気ガスバルブ１４の切り替え時間を設定してもよい。

特に有利な実施形態では、排気ガス再循環システム５に対して、予め決められた周期で衝撃のような圧力衝撃を発生させるように、排気ガスバルブ１４を制御してもよい。これらの圧力衝撃は、予め決められた排気ガス再循環率が実現できるような目標状態に設定される。例えば、比較的短い切り替え時間が達成された排気ガスバルブ１４、換言すれば、特に、高速切り替え排気ガスバルブ１４による流動効果によって、この種の圧力衝撃を発生させればよい。さらに、所望の圧力衝撃を発生させるために、排気ガスバルブ１４の応答使用及びその同期制御によって、排気ガス流の何れかで生じている、給気変化プロセスで発生した圧力変動を増加させてもよい。

内燃機関システム１では、ここのように、排気ガスターボチャージャを備えており、新気ガスクーラ１６が、新気ガスシステム３に追加的に配設されていてもよい。その新気ガスクーラは、一般的に、過給気クーラとして設計される。新気ガスクーラ１６は、新気ガスライン９のコンプレッサ８の下流に配設されている。導入点１２は、有利なことに、新気ガスクーラ１６の上流に配設されている。再循環排気ガスは、この方法により、追加的に冷却される。さらに、新しいガスと再循環排気ガスとの混合ガスは、新気ガスクーラ１６を通らなければならないので、その混合を改善することもできる。

ここに示す実施形態のように、導入点１２の上流の排気ガス再循環システム５における流路の断面を制御するために、適宜、再循環バルブ１７を排気ガス再循環システム５又は排気ガス再循環ライン１３に配設してもよい。簡単なケースでは、この再循環バルブ１７は、新気ガスが排気ガス再循環システム５を通って排気ガスシステム４に流れ込む不具合を防止する逆流防止バルブとしてもよい。この種の逆流防止バルブは、受動的に操作してもよい。特別な実施形態では、再循環バルブ１７は、例えば、バルブコントローラ１５によって制御されてもよい。制御可能な再循環バルブ１７は、特に、排気ガスバルブ１４によって発生する圧力衝撃を増加させるため又は、排気ガスバルブ１４が圧力衝撃を発生するように制御されていないときにこの種の衝撃を発生させるために使用されるようにしてもよい。制御可能な再循環バルブ１７も同様に、新気ガスが排気ガス再循環システム５を通って排気ガスシステム４に流れ込む不具合を防止するように制御されてもよい。さらに、特に、排気ガスバルブ１４によって発生した圧力衝撃を制御するための、制御可能な、換言すれば能動的な再循環バルブ１７は、例えば、全体的に又は部分的にだけに圧力衝撃の通過を可能にするために操作されてもよい。逆流防止バルブを受動的に操作することとは対照的に、制御可能な再循環バルブ１７は、非常に大きな流路の断面を制御することができ、それによって、同時に流れ抵抗を低減させることができる。

追加的に又は代替的に、新気ガスバルブ１８が、新気ガスシステム３に配設されてもよい。この新気ガスバルブは、新気ガスライン９の導入点１２の上流に配設されると共に、有利なことに、新気ガスシステム３の流路の断面を制御することができるように設計される。この種の新気ガスバルブ１８により、流路の断面を減少させることによって、新気ガスバルブ１８の下流における新しいガスの圧力を低下させることができる。このことは、取出点１１と導入点１２との圧力差を増加させる。さらに、排気ガスの再循環を改善するために、一般的に、この種の新気ガスバルブ１８によって、目標となるように、新しいガスの圧力変動を増加させることができる。ここで、変動は、新気ガスシステム３の給気変化プロセスによって、すでに生じている。新気ガスバルブ１８もまた、有利なことに、バルブコントローラ１５によって、操作することができる。

高い動的性を実現する、上記操作モードを有する再循環バルブ１７又は新気ガスバルブ１８の制御又は操作を可能とするために、再循環バルブ１７及び／又は新気ガスバルブ１８は、動的に制御可能に設計されてもよく、及び／又は、高速切り替えバルブのように切り替えられてもよい。さらに、再循環バルブ１７及び／又は新気ガスバルブ１８は、不連続操作バルブ又は連続操作バルブとして設計されてもよい。

排気ガス再循環システム５は、従来どおり、排気ガス再循環ラインにおける再循環バルブ１７の上流に配設される排気ガス再循環クーラ１９を含んでもよい。まさしく、新気ガスクーラ１６と同様に、排気ガス再循環クーラ１９は、一般的に内燃機関２の冷却回路である冷却回路２０に組み込まれていてもよい。

排気ガスシステム４では、取出点１１の上流にダンピングボリュームを配設することができる。例えば、このとき、排気ガスライン１０は、取出点１１の上流に設計されるダンピングボリューム２１を含んでいる。追加的に又は代替的に、排気ガスシステム４は、排気ガスバルブ１４の下流のダンピングボリューム２３を有していてもよい。ダンピングボリューム２３は、例えば、排気ガスライン１０における排気ガスバルブ１４の下流に配設されるダンピングチャンバ２４に設計すればよい。追加的に又は代替的に、ダンピングボリューム２５が、例えば、新気ガスシステム３における新気ガスバルブ１８の上流又は導入点１２の上流に配設されてもよい。ダンピングボリューム２５は、例えば、新気ガスライン９における導入点１２の上流又は新気ガスバルブ１８の上流に設計されるダンピングチャンバ２６に配設させればよい。追加的に又は代替的に、ダンピングボリューム２７が、新気ガスシステム３における導入点１２の下流に配設されてもよい。このダンピングボリューム２７は、例えば、新気ガスライン９における導入点１２の下流に設計されるダンピングチャンバ２８に配設させればよい。ダンピングボリューム２１，２３，２５，２７は、主として、排気ガス再循環システム５の動的な圧力変化を、排気ガスシステム４及び／又は新気ガスシステム３から切り離すように割り当てられる。ここで、圧力変化は、排気ガスバルブ１４の、及び、実在し得る限りでは、再循環バルブ１７又は新気ガスバルブ１８の、切り替えプロセスによって発生する。例えば、排気ガス再循環システム５で発生した圧力衝撃が内燃機関２又は排気ガスターボチャージャ６に達しないように、圧力衝撃を各ダンピングチャンバ２２，２４，２６，２８で弱めてもよい。同時に、ダンピングボリューム２１，２３，２５，２７によって、適宜、圧力衝撃に伴う騒音が、新気ガスシステム３又は排気ガスシステム４を通じて内燃機関システム１の周囲へ拡がることを防止してもよい。

図３に示された実施形態では、少なくとも１つの追加構成要素２９が、排気ガスシステム４に追加的に配設されており、この構成要素は、一般的に、図１及び２の実施形態にもあってもよい。この構成要素２９は、例えば、微粒子フィルタ、酸化触媒コンバータ、ＮＯｘ蓄積触媒コンバータ、アドブルーシステム又は、公知の構成要素を任意に組み合わせたものとすればよい。特に、興味深い実施形態では、微粒子フィルタが、排気ガスシステム４における取出点１１の上流に配設されている。この配設により、再循環排気ガスを比較的きれいなものとすることができる。このことにより、新気ガスシステム３における導入点１２の下流にあたる箇所が、再循環排気ガスとの接触により汚染する可能性が低減する。

図１に示された実施形態では、取出点１１は、排気ガスシステム４のタービン７の上流に配置されており、導入点１２は、新気ガスシステム３のコンプレッサ８の下流に配置されている。従って、この実施形態では、排気ガスの再循環は、それぞれ高圧領域の、排気ガス端及び新気ガス端において起きる。つまり、この事例に関するシステムは、高圧排気ガス再循環システムである。この実施形態は、再循環排気ガスでコンプレッサ８が汚れる危険性がかなり低減するという利点がある。

図２に示された実施形態では、取出点１１は、排気ガスシステム４のタービン７の下流に配置されており、導入点１２は、新気ガスシステム３のコンプレッサ８の下流に配置されている。従って、この実施形態では、取出点１１は、低圧領域に位置している一方、導入点１２は高圧領域に配置されている。つまり、この事例に関するシステムは、低圧／高圧排気ガス再循環システムである。タービン７の下流に取出点１１を配置することにより、再循環排気ガスの温度低下が起きる。このため、特に、低下した温度に対応すればよいため、排気ガスバルブ１４をさらに経済的に設計することができる。

図２に示された実施形態に鑑みると、排気ガスバルブ１４によって、原則として、排気ガスを排気ガスシステム４の低圧側から新気ガスシステム３の高圧側に再循環することが可能となる。このことは、特に、排気ガスバルブ１４によって実現される圧力衝撃による排気ガスの再循環によって可能にされる。

図３に示された実施形態では、取出点１１は、排気ガスシステム４のタービン７の下流に配置されており、導入点１２は、新気ガスシステムにおけるコンプレッサ８の上流に配置されている。従って、この実施形態では、取出点１１と導入点１２の両方ともが低圧領域に位置している。つまり、このシステムは、低圧排気ガス再循環システムである。この実施形態では、コンプレッサ８の上流は、かなり圧力が低下しているので、排気ガスの再循環は、図２に示された実施形態と比較して容易なものとなる。

Claims (11)

1. 内燃機関（２）と、
   前記内燃機関（２）に新しいガスを供給する新気ガスシステム（３）と、
   前記内燃機関（２）から排気ガスを取り除く排気ガスシステム（４）と、
   取出点（１１）で、排気ガスシステム（４）から排気ガスを取り除くと共に、その取り除いた排気ガスを導入点（１２）で前記新気ガスシステム（３）に投入する排気ガス再循環システム（５）と、を備えた、特に自動車の内燃機関システム（１）であって、
   前記排気ガスシステム（４）は、前記取出点（１１）の下流に配設されると共に、当該排気ガスシステム（４）の流路の断面を制御する排気ガスバルブ（１４）を有し、
   前記排気ガスバルブ（１４）は、高速切り替えバルブとして設計され、
   前記排気ガスバルブ（１４）は、予め決められた排気ガス再循環率を達成するために、衝撃のような圧力衝撃を発生させるよう、前記内燃機関（２）の排気ガスの流動に同期して動的に制御されることを特徴とする内燃機関システム（１）。
2. 請求項１に記載の内燃機関システム（１）において、
   前記排気ガスバルブ（１４）は、不連続操作バルブとして設計され、そのバルブ部材が、反対方向に移動することによって、少なくとも２つの予め決められた制御位置間を切り替えることができる、又は、連続操作バルブとして設計され、そのバルブ部材が、同一方向に移動することによって、少なくとも２つの異なった制御位置を通って動くことを特徴とする内燃機関システム（１）。
3. 請求項１又は請求項２に記載の内燃機関システム（１）において、
   前記排気ガスバルブ（１４）は、前記排気ガス再循環システム（５）において、予め決められた周期で制御可能にされていることを特徴とする内燃機関システム（１）。
4. 請求項１ないし３の何れか１項に記載の内燃機関システム（１）において、
   前記取出点（１１）は、前記排気ガスシステム（４）に配設された排気ガスターボチャージャ（６）のタービン（７）の上流に配置されており、
   前記導入点（１２）は、前記新気ガスシステム（３）に配設された排気ガスターボチャージャ（６）のコンプレッサ（８）の下流に配置されていることを特徴とする内燃機関システム（１）。
5. 請求項１ないし３の何れか１項に記載の内燃機関システム（１）において、
   前記取出点（１１）は、前記排気ガスシステム（４）に配設された排気ガスターボチャージャ（６）のタービン（７）の下流に配置されており、
   前記導入点（１２）は、前記新気ガスシステム（３）に配設された排気ガスターボチャージャ（６）のコンプレッサ（８）の下流に配置されていることを特徴とする内燃機関システム（１）。
6. 請求項１ないし３の何れか１項に記載の内燃機関システム（１）において、
   前記取出点（１１）は、前記排気ガスシステム（４）に配設された排気ガスターボチャージャ（６）のタービン（７）の下流に配置されており、
   前記導入点（１２）は、前記新気ガスシステム（３）の排気ガスターボチャージャ（６）のコンプレッサ（８）の上流に配置されていることを特徴とする内燃機関システム（１）。
7. 請求項１ないし６の何れか１項に記載の内燃機関システム（１）において、
   前記導入点（１２）は、前記新気ガスシステム（３）に配設された新気ガスクーラ（１６）の上流に配置されていることを特徴とする内燃機関システム（１）。
8. 請求項１ないし７の何れか１項に記載の内燃機関システム（１）において、
   前記排気ガス再循環システム（５）の流路の断面を制御する再循環バルブ（１７）は、前記排気ガス再循環システム（５）における前記導入点（１２）の上流に配設されていることを特徴とする内燃機関システム（１）。
9. 請求項１ないし８の何れか１項に記載の内燃機関システム（１）において、
   前記新気ガスシステム（３）の流路の断面を制御する新気ガスバルブ（１８）は、前記新気ガスシステム（３）における前記導入点（１２）の上流に配設されていることを特徴とする内燃機関システム（１）。
10. 請求項１ないし請求項９の何れか１項に記載の内燃機関システム（１）において、
    前記排気ガスシステム（４）において、ダンピングボリューム（２１）は、前記取出点（１１）の上流に配設されており、及び／又は、
    前記排気ガスシステム（４）において、ダンピングボリューム（２３）は、前記排気ガスバルブ（１４）の下流に配設されており、及び／又は、
    前記新気ガスシステム（３）において、ダンピングボリューム（２５）は、前記導入点（１２）の上流又は新気ガスバルブ（１８）の上流に配設されており、及び／又は、
    前記新気ガスシステム（３）において、ダンピングボリューム（２７）は、前記導入点（１２）の下流に配設されていることを特徴とする内燃機関システム（１）。
11. 請求項１ないし請求項１０の何れか１項に記載の内燃機関システム（１）において、
    前記排気ガスバルブ（１４）は、５０ミリ秒よりも短い時間で、その開閉が切り替えられることを特徴とする内燃機関システム（１）。

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