JP5221541B2 - 過給装置 - Google Patents

Description

本発明は、過給装置に関する。

内燃機関の出力は、内燃機関の個々のシリンダ内での燃焼行程に必要な空気量を増加することによって、高めることが可能である。内燃機関のシリンダに運ばれる空気量の増加は、２つの異なる構想によって実現される。一方では、駆動のために内燃機関の排気に残るエンタルピーを利用する排気ターボチャージャ、を使用することが可能である。他方では、内燃機関のクランクシャフトによって直接駆動されるコンプレッサ、を使用することが可能である。

排気ターボチャージャとしての性質を有する内燃機関のための過給装置は、少なくとも１つの排気タービン部を含んでいる。これは、過給される内燃機関の排気流にさらされ、これを介して駆動される。排気ターボチャージャのタービン部は、シャフトを介して、内燃機関の吸気通路内に配置されているコンプレッサ部と接続されている。タービン部は、内燃機関の排気流によって回転させられ、その結果コンプレッサ部を駆動する。コンプレッサ部は、内燃機関の吸気通路内の圧力を高めるので、内燃機関の吸気通路では、自然吸気エンジンのシリンダ内に達する空気量に比較して、より大きい燃焼のために必要な空気量がシリンダに到達する。従って、この形態で過給される内燃機関の場合、内燃機関のシリンダごとに、適切により大きい燃料量を燃焼するためのより多くの酸素が提供される。従って、一方では、内燃機関のミディアムプレッシャ、及び、内燃機関のトルクが上がる。これは、内燃機関の出力向上を意味する。

代替的なコンセプトの場合、すなわちコンプレッサを使用する場合には、スーパーチャージャーに相当するコンプレッサを駆動するために必要なエネルギーが、機械的エネルギーとして、内燃機関のクランクシャフトによって伝達される。排気ターボチャージャとして構成される過給装置の場合には、排気に含まれるエンタルピーが内燃機関の性能向上のために利用される一方、コンプレッサを利用する場合には、コンプレッサは過給される内燃機関のクランクシャフトによって直接駆動される。すなわち、コンプレッサに対して出力される機械的エネルギーは、車両のドライブトレインのための駆動出力としては、もはや提供されないことを意味する。

排気ターボチャージャとしての性質を有する過給装置の場合、排気通路内の排気カウンタプレッシャーが、過給装置のタービン部によって高められる。排気カウンタプレッシャーの上昇によって、著しいエンジン出力の損失が生じる。代替案、すなわち、コンプレッサの駆動においては、内燃機関から分岐される機械的エネルギーによって、内燃機関の効率、及び、内燃機関により出力される有効出力が悪化する。

「車両エンジンとスポーツ（Auto Motor und Sport）」、第１０巻、２６ページ（２００５）には、論文「性能向上のために廃熱を利用するＢＭＷ４気筒エンジン − タービン付きエンジン（BMW-Vierzylinder nutzt Abwaerme fuer Leistungssteigerung−Moter mit Turbine）」が開示されている。本論文によれば、内燃機関は、燃料に含まれるエネルギーの約３分の２を廃熱に変換する。廃熱は、内燃機関の冷却システムによって取り込まれるか、又は、内燃機関の排気通路を通して排出される。従来では利用されない廃熱が、１５％まで効率を高めるために内燃機関で利用可能である。そのために、１、８Ｌの４気筒エンジンは、１、８Ｌの４気筒エンジンのクランクシャフトに対して作用する、２段に構成された蒸気タービンと接続される。過熱蒸気は、内燃機関の排気ライン内の排気パイプの近傍に収納されている熱交換器によって生成される。水循環によって、内燃機関の冷却サイクルから、冷却液が分岐する。クランクシャフトの駆動によって、出力及びトルクが高められるか、又は、特別な電力消費量が下げられることが可能である。

本発明の目的は、エネルギー消費を削減することが可能な過給装置を提供することにある。

本発明に基づいて、排気ラインに組み込まれた排気熱交換器によって、内燃機関内で発生する排気を導くことが提案される。排気熱交換器は、コンプレッサを駆動する役目を果たす。これに関連して、排気ターボチャージャの場合に使用されるタービン部の代わりに蒸気タービンを含む、内燃機関のための過給装置が創出される。蒸気タービンによって、内燃機関に過給するための過給装置のコンプレッサ・ホイールを駆動することが可能である。そのために必要な蒸気は、内燃機関の排気通路内に配置されている排気熱交換器内で生成される。排気ターボチャージャ等のタービン部が存在しないので、これに対応して排気カウンタプレッシャーが下がる。さらに、本発明に基づき提案された解決によって、少なくとも１つの蒸気タービン部を使用して消費削減が達成される。すなわち、排気カウンタプレッシャーが下がるので、内燃機関のガス交換のために必要な動作又は内燃機関のガス交換のために行なわれる動作が削減されるからである。さらに、有利な方法で、本発明に基づき提案された解決によって、排気ターボチャージャとして構成される過給装置の場合には、従来「ターボラグ」が生じるために行なわれていない内燃機関のより迅速な応答が実現される。さらに、本発明に基づき提案される解決により、車両での発電のためにより小さな発電機を使用することができるか、又は、理想的な場合にはこれを完全に省略することが達成される。

本発明に基づき提案される提案によれば、蒸気は、少なくとも１つの排気熱交換器内で生成され、そこからタービンを通って流れる。タービンでは、蒸気が膨張し、機械的な動作が行なわれ、蒸気の気温が下がる。引き続いて、膨張された蒸気は、熱交換器内で凝縮し、ポンプによって再び排気熱交換器内へと送り返される。このポンプは、タービンによって機械的に駆動される。追加的に、このポンプは、内燃機関の始動時に内燃機関の電池から供給される電気機械と接続されている。これは、システム内で十分な蒸気圧が形成され、その結果閉システム内部で循環が生じるまで、行なわれる。駆動中に、電気機械は、例えば制御可能な発電機として駆動される。制御可能な発電機を介して、過給装置の出力制御が行なわれる。この駆動状態において、ドライブトレイン内も含めて、必要とされるより多くのエネルギーが存在する場合に、電気機械は、車両の電気系統に電力を供給し、内燃機関に設けられている発電機に対する負荷を軽減する。従って、排気ライン内で利用可能ではないエネルギーを、電力として車両の電気系統に供給することが可能である。場合によっては、対応する構成において、従来内燃機関で使用される発電機を完全に省略することが可能である。

内燃機関の、蒸気タービンにより駆動されている過給装置ためのサイクル図を示す。

本発明は、以下、添付の図を用いてより詳細に記載される。
図には、内燃機関１０が示されている。内燃機関１０の吸入（インレット）側は符号４６で示され、内燃機関の排気（アウトレット）側は符号４８で識別される。内燃機関１０のアウトレット側４８から、排気通路１２が延びている。排気通路１２内には、排気マニフォールド１６が配置されている。排気マニフォールド１６を介して、内燃機関１０の大量の排気流が、少なくとも１つの触媒コンバータ、及び、少なくとも１つのマフラーを介して戸外（外部）へと導かれる。内燃機関１０の排気通路１２内には、少なくとも１つの排気熱交換器１８が存在する。

少なくとも１つの排気熱交換器１８は、符号５４で識別される蒸気サイクルの構成要素である。蒸気サイクル５４の構成要素は、図では破線で強調されており、循環している様子が示されている。４気筒エンジンとして図に示される内燃機関１０の吸入側４６には、吸入通路１４が存在する。吸入通路１４内には、過給装置２０のコンプレッサ部２４が配置されている。コンプレッサ部２４の上流にはエアフィルタ２８が接続され、コンプレッサ部２４の下流には吸気冷却器３０が接続されている。吸入空気は、エアフィルタ２８を介して内燃機関１０の吸入通路１４内に達し、コンレッサ部２４によって圧縮され、予備圧縮された吸入空気として吸気冷却器３０に供給される。予備圧縮され吸気冷却器内で冷やされた空気は、そこから、過給される内燃機関１０の個々のシリンダへと導入される。

破線で強調された、水等の作動媒体のサイクル５４は、排気通路１２内に配置されている少なくとも１つの熱交換器１８の他に、タービン部２２を含んでいる。熱交換器１８内で生成された過熱蒸気は、タービン部２２内で減圧される。過給装置２０のタービン部２２の下流に向かって、ラインが水等の作動媒体のサイクル５４内で走っている。サイクル５４内では、凝縮状態において気相５２の状態にある蒸気が、補助冷却器３２へと流入する。補助冷却器３２は、復水器に相当する。水等の循環する作動媒体は、液相５０の状態で復水器を出て、液相５０の状態で、ポンプの形態をした圧送アセンブリ３６へと流入する。ポンプ３６によって、液体の凝縮状態５０にある作動媒体が圧送され、内燃機関の排気通路１２内の少なくとも１つの熱交換器１８へと導入される。排気に内在する熱によって、液相５０の状態で少なくとも１つの排気熱交換器１８に入る作動媒体の気化、及び、気相５２への作動媒体の転換が行なわれる。作動媒体は蒸気として、少なくとも１つの熱交換器１８を出て、既に言及した過給装置２０のタービン部２２へと流れ込む。

図の記載から、過給装置２０がカップリング２６を有することが分かる。カップリング２６は、少なくとも１つのタービン部２２と、過給される内燃機関１０の吸入通路１４内に配置されているコンプレッサ２４と、を機械的に接続する。図で太く記載されたカップリング２６の代わりに、少なくとも１つの排気熱交換器１８内で生成された蒸気が内部で減圧される少なくとも１つのタービン部２２と、過給装置２０のコンプレッサ部２４との間に、１つ又は複数のクラッチを備えるカップリングが設けられてもよい。さらに、過給装置２０のタービン部２２は、駆動軸４２を介して圧送アセンブリ３６と接続されている。作動媒体は、圧送アセンブリ３６を介して圧縮され、少なくとも１つの排気熱交換器１８へと送り込まれる。

さらに、直接的にタービン部２２のタービン軸と接続されるか、又は、間接的に圧送アセンブリ３６を介して駆動されることにより、駆動軸４４が、過給装置２０のタービン部２２から電気機械３８へと延びている。電気機械３８においては、特に、発電機モード及び電動機モードで駆動可能な機械が関わっている。

過給される内燃機関１０の起動時に、電気機械３８は、作動媒体のサイクル５４内で十分な蒸気圧が形成され作動媒体のサイクル５４内部で循環が始まるまで、車両電池等のエネルギー貯蔵部４０を介して供給される。電気機械３８は、制御可能な発電機として駆動される。制御可能な発電機を介して、過給装置２０の圧送出力制御が実現される。電気機械が例えば発電機モードで駆動される場合には、過給装置２０での過給圧が下がる。しかし、電気機械３８が電動機モードで駆動される場合には、過給装置２０では過給圧の上昇が達成される。

作動媒体のサイクル５４の駆動中に、電気機械３８は、車両の電気系統に電力を供給し、従って、内燃機関１０に設けられている発電機の負荷を軽減する。電気機械３８の構成に従って、内燃機関１０に割り当てられた発電機は、基本的により小さい寸法が定められるか又は完全に省略することが可能である。発電機モードで駆動可能な電気機械３８によって、内燃機関１０の排気マニフォールド内では、利用されていない過剰なエネルギーが電力に変換され、車両の電気系統へと供給されることが可能である。

電気機械３８は、圧送アセンブリと相互接続されて駆動軸４４を介して、又は、図示されていない駆動軸を直接的に介して、過給装置２０のタービン部２２によって駆動されており、かつ、過給装置２０の出力制御の役目を果たすので、電気機械３８の対応する構成において、過給される内燃機関１０で本来なら使用される発電機を省略することが可能である。

図の記載から、作動媒体のサイクル５４は、基本的に、少なくとも１つの排気熱交換器１８、過給装置２０のタービン部２２、補助冷却機３２、及び圧送アセンブリ３６を含むことが分かる。さらに、従来技術で公知の解決に比較して、少なくとも１つの排気熱交換器１８により伝達された過熱蒸気が当たりこれを膨張させる過給装置２０のタービン部２２は、過給される内燃機関１０のクランクシャフトに対して直接的に作用する代わりに、内燃機関１４の吸気通路内に収容された単段式又は多段式で構成可能な過給装置２０のコンプレッサ部２４を駆動することが、図の記載から分かる。これに加えて、コンプレッサ部２２の機械的な出力が、圧送アセンブリ３６を駆動するため、及び、発電機駆動モードで電気機械３８を駆動するために分配される。このことは、本来なら排気ターボチャージャの排気通路１２に設けられるタービンの省略により、過給される内燃機関１０のガス交換動作の削減を許容し、従って、排気カウンタプレッシャーを下げることができる。さらに、内燃機関に設けられている発電機の大きさをより小さく定めること、又は、これを省略することを許容する。

図示されている排気熱交換器１８の代わりに、生成される蒸気量を作動媒体のサイクル５４内で増加させるために、提供される設置空間に従って、過給される内燃機関１０の排気通路１２内に、１つ又は複数の更なる別の排気熱交換器１８を収容することが可能である。作動媒体のサイクル５４内に設けられている圧送アセンブリ３６の代わりに、更なる別のポンプの形態による更なる別の圧送アセンブリが設けられることも可能である。図に示される過給装置２０は、コンプレッサ部２４と、過熱蒸気が当たるタービン部２２と、を含んでいる。タービン部２２内では、過熱蒸気が膨張される。図に単段式で示される過給装置２０の代わりに、これは、二段式又は多段式であってもよい。さらに、高圧段が低圧段を制御するか又は低圧段が高圧段を制御するレジスタ過給装置（Register-Aufladeeinrichtung）として、過給装置２０を構成することも可能である。

Claims (7)

1. 内燃機関（１０）の排気通路（１２）内に作動媒体の密閉系内を循環するサイクル（５４）の少なくとも１つの排気熱交換器（１８）が収納され、前記少なくとも１つの排気熱交換器（１８）の上流における前記作動媒体の前記サイクル（５４）内に圧送アセンブリ（３６）が接続されている、内燃機関に過給するための過給装置（２０）において、
   前記作業媒体の前記サイクル（５４）は、少なくとも１つのタービン部（２２）を含み、
   前記少なくとも１つのタービン部（２２）には、前記少なくとも１つの排気熱交換器（１８）により伝達される過熱した作動媒体が当たり当該過熱した作動媒体は膨張し、
   前記内燃機関（１０）の吸気通路（１４）内に配置された少なくとも１つのコンプレッサ部（２４）が、前記少なくとも１つのタービン部（２２）を介して駆動させられ、
   前記過給装置（２０）の前記少なくとも１つのタービン部（２２）は、カップリング（４２、４４）を介して間接的又は直接的に、発電機モード又は電動機モードで駆動可能な少なくとも１つの電気機械（３８）と接続され、前記電動機モードにおいて、前記電気機械（３８）は前記圧送アセンブリ（３６）を駆動させ、前記内燃機関（１０）の前記吸気通路（１４）内の過給圧が、前記電気機械（３８）の駆動によって制御可能であり、前記少なくとも１つのコンプレッサ部（２４）は、前記電気機械（３８）が前記発電機モードで駆動される場合に、前記少なくとも１つのタービン部（２２）のみによって駆動させられ、
   前記過給圧は、前記発電機モードでの前記電気機械（３８）の駆動時に降下させられ、および、前記過給圧は、前記電動機モードでの前記電気機械の駆動時に前記圧送アセンブリ（３６）が駆動されることで上昇させられることを特徴とする、内燃機関（１０）に過給するための過給装置（２０）。
2. 前記過給装置（２０）の前記少なくとも１つのタービン部（２２）は、カップリング（２６）を介して前記少なくとも１つのコンプレッサ部（２４）と接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の過給装置（２０）。
3. 前記過給装置（２０）の前記少なくとも１つのタービン部（２２）は、少なくとも１つの圧送アセンブリ（３６）であるポンプと接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の過給装置（２０）。
4. 前記少なくとも１つのタービン部（２２）の下流における前記作動媒体の前記サイクル（５４）は、蒸気凝縮のための少なくとも１つの補助冷却器（３２）を含むことを特徴とする、請求項１に記載の過給装置（２０）。
5. 前記作動媒体の前記サイクル（５４）の前記少なくとも１つのタービン部（２２）は、クラッチを含むカップリング（２６）を介して、前記内燃機関（１０）の前記吸気通路（１４）内の前記コンプレッサ部（２４）と接続されていることを特徴とする、請求項１〜請求項４のいずれか、又は、請求項１〜請求項４の複数に記載の過給装置（２０）。
6. 前記作動媒体の前記サイクル（５４）内の蒸気の循環の構造に従って、車両の電気系統は、前記過給装置（２０）の前記少なくとも１つのタービン部（２２）と間接的又は直接的に接続された前記電気機械（３８）を介して電力が供給されることを特徴とする、請求項１〜請求項５のいずれか、又は、請求項１〜請求項５の複数に記載の過給装置（２０）。
7. 前記内燃機関（１０）の前記吸気通路（１４）内では、前記過給装置（２０）の前記コンプレッサ部（２４）の下流に、少なくとも１つの熱交換器（３０）が吸気冷却器として配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の過給装置（２０）。
   

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