JP5427885B2 - 排気駆動式補助空気ポンプおよび製品ならびにその使用方法 - Google Patents

Description

本出願は、２００８年５月２３日に出願された米国仮特許出願第６１／０５５，７３９号明細書の利益を主張する。

本開示が概して関連する分野には、燃焼機関吸排気系、その構成要素、ターボチャージャシステムおよび構成要素ならびにそれらの製造および使用方法が含まれる。

図１は、単段ターボチャージャに使用される最新の吸排気系を含む製品またはシステム１０の概略図である。こうしたシステムは、酸素の存在下で、限定されないがガソリンまたはディーゼル燃料等の燃料を燃焼させるように構成されかつ配置された燃焼機関１２を有することができる。システムは、さらに、吸気側１４および燃焼ガス排気側１６を含む吸排気系を有することができる。吸気側１４は、燃焼機関に接続されて燃焼機関１２のシリンダに空気を供給するマニホルドを有することができる。主吸気管２０を設け、一端を吸気マニホルド１８に接続する（またはその一部とする）ことができ、この主吸気管２０は、空気を引き込む開放端部２４を有することができる。吸気管２０の開放端部２４にまたはその近くに空気フィルタ２６を配置することができる。

燃焼ガス排気側１６は、燃焼機関１２に接続されてそこから燃焼ガスを排気する排気マニホルド２８を有することができる。排気側１６はさらに、排気マニホルド２８に接続された（またはその一部とされた）第１端部３２を有する主排気管３０を有することができ、排気ガスを大気に排出する開放端部３４を有することができる。

こうしたシステムは、さらに、燃焼ガス排気側１６から吸気側１４まで延在する第１排気ガス再循環（ＥＧＲ）アセンブリ４０を有することができる。第１ＥＧＲバルブ４６を、主排気ガス管３０に流体連通するように設け、排気側１６から吸気側１４に、かつ燃焼機関１２に排気ガスを流すように構成しかつ配置することができる。第１ＥＧＲアセンブリ４０はさらに、主排気ガス管３０に接続された第１端部４１と、吸気管２０に接続された第２端部４３とを有する主ＥＧＲライン４２を有することができる。主ＥＧＲライン４２と流体連通してそこに流れる排気ガスを冷却する冷却器４４を設けることができる。

システム１０はさらに、ターボチャージャ４８を有することができ、ターボチャージャ４８は、主排気ガス管３０と流体連通するタービン５０を有し、かつ、主吸気管２０と流体連通して、そこを流れる限定されないが空気等のガスを圧縮するコンプレッサ５２を有する。主吸気管２０のコンプレッサ５２の下流に、給気冷却器（ａｉｒ ｃｈａｒｇｅ ｃｏｏｌｅｒ）５６を設けることができる。主吸気管２０の、コンプレッサ５２の下流、かつ主ＥＧＲライン４２の第２端部４３の主吸気管２０への接続点の上流に、スロットルバルブ５８を設けることができる。

主排気ガス管ライン３０の通常はタービン５０の下流に、複数の排気浄化部品を設けることができる。たとえば、タービン５０の下流に、微粒子フィルタ５４を設けることができる。タービン５０の下流に、限定されないが触媒コンバータ３６およびマフラ３８等の他の排気浄化部品を設けることも可能である。ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒（ｌｅａｎ ＮＯ_Ｘ ｔｒａｐ）等のさらなる排気後処理装置を設けることも可能である。

任意に、第２排気ガス再循環（ＥＧＲ）アセンブリ７０を設けることができ、それは、燃焼排気ガス側１６のタービン５０の下流の位置から吸気側１４まで延在する。第２ＥＧＲアセンブリ７０は第２ＥＧＲライン７１を有することができ、それは、主排気ガス管３０に接続された第１端部７２と、吸気管２０に接続された第２端部７４とを有している。第２ＥＧＲライン７１と流体連通して、そこを流れる排気ガスを冷却する冷却器７８を設けることができる。第２ＥＧＲバルブ７６を設け、第２ＥＧＲライン７１を流れる排気ガスの量を制御するように構成しかつ配置することができる。主排気管３０の、第２ＥＧＲラインの第１端部の主排気ガス管３０への接続点の下流に、排気スロットルバルブ１２０を設けることができる。排気ガススロットルバルブ１２０を利用して、第２ＥＧＲライン７１内に向かう排気ガスの量を制御することができる。

こうしたシステム１０が微粒子フィルタ５４を含む場合、限定されないが煤煙等の粒子状物質が微粒子フィルタ５４で収集される。微粒子フィルタ５４に非常に多くの粒子状物質が堆積する場合、システム１０またはそのさまざまな構成要素の動作に悪影響を与える可能性があり、または排気に悪影響を与える可能性がある。粒子状物質を焼き払うことにより、システム１０の動作に悪影響を及ぼすことなく、より多くの粒子状物質をより効果的に収集するように使用することができるように、微粒子フィルタ５４を再生することができる。

ここで図２を参照すると、図１に示すものに類似するシステム１０において、第２吸気ライン１２２を設けることができ、それは、主排気ガス管３０に接続された第１端部１２４と、大気から空気を引き込む第２開放端部１２６とを有することができる。第２吸気管１２２に、主排気ガス管３０の微粒子フィルタ５４の上流の位置に空気を送り込む送風機１２７を設けることができる。微粒子フィルタ５４の再生を容易にするために、第２吸気ライン１２２を流れる空気を加熱するバーナ１２８を設けることも可能である。こうした送風機１２７は、通常、入口圧力に対する絶対出口圧力の圧力比が１．１以下となるように構成されかつ配置される。

１つの例示的な実施形態は、主排気ガス管の微粒子フィルタの上流の位置に圧縮空気を供給することにより、微粒子フィルタの再生のための酸素を提供するように構成されかつ配置された排気駆動式空気ポンプを有する、吸排気システムを含むことができる。１つの例示的な実施形態では、排気駆動式空気ポンプは、主ターボチャージャより小さくてもよい。排気駆動式空気ポンプは、燃焼機関のシリンダ内に空気を供給するように燃焼機関に接続された主吸気管から、または開放端部を有する第２吸気管から、主排気ガス管に空気を供給することができる。

本発明の他の例示的な実施形態は、以下に提供する詳細な説明から明らかとなろう。詳細な説明および所定の例は、本発明の例示的な実施形態を開示しているが、単に例示を目的とするものであり、本発明の範囲を限定するようには意図されていないことが理解されるべきである。

本発明の例示的な実施形態は、詳細な説明および添付図面からより完全に理解されるであろう。

単段ターボチャージャで使用される最新の吸排気系を含む従来技術によるシステムの概略図である。 単段ターボチャージャに用いられる最新の吸排気系を含む従来技術によるシステムの概略図である。 本発明の１つの例示的な実施形態による排気駆動式空気ポンプを含むシステムの概略図である。 本発明の別の例示的な実施形態による排気駆動式空気ポンプを含むシステムの概略図である。 本発明のさらに別の例示的な実施形態による排気駆動式空気ポンプを含む吸排気系の概略図である。

実施形態の以下の説明は、本質的に単に例示的な（実例となる）ものであり、本発明、その応用または使用を限定するようにはまったく意図されていない。

図３は、図１に示すものといくつかの点において類似し得る実施形態を示す。図３はまた、エンジン吸排気系を含む製品またはシステム１０の概略図でもある。こうしたシステムは、酸素の存在下で、限定されないがガソリンまたはディーゼル燃料等の燃料を燃焼させるように構成されかつ配置された燃焼機関１２を有することができる。本システムはさらに、吸気側１４および燃焼ガス排気側１６を含む吸排気系を有することができる。吸気側１４は、燃焼機関に接続されて燃焼機関１２のシリンダに空気を供給するマニホルドを有することができる。主吸気管２０を設け、一端を吸気マニホルド１８に接続する（またはその一部とする）ことができ、この主吸気管は、空気を引き込む開放端部２４を有することができる。吸気管２０の開放端部２４にまたはその近くに空気フィルタ２６を配置することができる。

燃焼ガス排気側１６は、燃焼機関１２に接続されてそこから燃焼ガスを排気する排気マニホルド２８を有することができる。排気側１６はさらに、排気マニホルド２８に接続され（またはその一部とされた）第１端部３２を有する主排気管３０を有することができ、排気ガスを大気に排出する開放端部３４を有することができる。

こうしたシステム１０は、さらに、燃焼ガス排気側１６から吸気側１４まで延在する第１排気ガス再循環（ＥＧＲ）アセンブリ４０を有することができる。第１ＥＧＲバルブ４６を、主排気ガス管３０に流体連通するように設け、排気側１６から吸気側１４に、かつ燃焼機関１２内に排気ガスを流すように構成しかつ配置することができる。第１ＥＧＲアセンブリ４０はさらに、主排気ガス管３０に接続された第１端部４１と、吸気管２０に接続された第２端部４３とを有する主ＥＧＲライン４２を有することができる。主ＥＧＲライン４２と流体連通してそこに流れる排気ガスを冷却する冷却器４４を設けることができる。

システム１０はさらに、第１すなわち主ターボチャージャ４８を有することができ、それは、主排気ガス管３０と流体連通するタービン５０を有し、かつ、主吸気管２０と流体連通して、限定されないがそこを流れる空気等のガスを圧縮するコンプレッサ５２を有する。第１すなわち主ターボチャージャを、第１コンプレッサ５０が、システム１０の燃焼機関１２が必要とする吸気の少なくとも１００パーセントを供給する能力を有するように寸法を決めることができる。主吸気管２０のコンプレッサ５２の下流に、給気冷却器５６を設けることができる。主吸気管２０のコンプレッサ５２の下流、かつ主ＥＧＲライン４２の第２端部４３の主吸気管２０への接続点の上流に、スロットルバルブ５８を設けることができる。

主排気ガス管ライン３０の通常はタービン５０の下流に、複数の排気浄化部品を設けることができる。たとえば、タービン５０の下流に、微粒子フィルタ５４を設けることができる。タービン５０の下流に、限定されないが触媒コンバータ３６およびマフラ３８等の他の排気浄化部品を設けることも可能である。触媒コンバータ３６の位置は、図３に示すものに限定されず、触媒コンバータ３６を、排気側１６の種々の位置に配置することができる。ＮＯ_Ｘ吸蔵還元触媒等のさらなる排気後処理装置を設けることも可能である。

任意に、第２排気ガス再循環（ＥＧＲ）アセンブリ７０を設けることができ、それは、燃焼排気ガス側１６のタービン５０の下流の位置から吸気側１４まで延在する。第２ＥＧＲアセンブリ７０は第２ＥＧＲライン７１を有することができ、それは、主排気ガス管３０に接続された第１端部７２と、吸気管２０に接続された第２端部７４とを有している。第２ＥＧＲライン７１と流体連通してそこを流れる排気ガスを冷却する冷却器７８を設けることができる。第２ＥＧＲバルブ７６を設け、第２ＥＧＲライン７１を流れる排気ガスの量を制御するように構成しかつ配置することができる。主排気管３０の、第２ＥＧＲラインの第２端部の主排気ガス管３０への接続点の下流に、排気スロットルバルブ１２０を設けることができる。排気ガススロットルバルブ１２０を利用して、第２ＥＧＲライン７１内に向かう排気ガスの量を制御することができる。図３は、システム１０がまた、圧縮空気を排気側１６に直接供給するため利用される第２ターボチャージャ２００を有するという点で図１と異なる。

再び図３を参照すると、１つの例示的な実施形態は、燃焼機関１２に空気を供給するように構成されかつ配置された吸気側１４と、燃焼機関１２によって生成された燃焼ガスを排気するように構成されかつ配置された排気側１６とを含むことができる、製品またはシステム１０を有することができる。任意に、第１ターボチャージャ４８を設けることができ、それは、排気側１６と流体連通するタービン５０と、吸気側１４と流体連通して燃焼機関１２に供給される空気を圧縮するコンプレッサ５２とを有することができる。

排気側１６の第１位置に接続された第１端部２０８と、排気側１６の第２位置に接続された第２端部２１０とを有する、第２排気管２０６を設けることができる。吸気端部または空気受入端部２１４と、微粒子フィルタ５４の上流で排気側１６に接続された第２端部２１６とを有する、第２空気管２１２を設けることができる。第２排気ガス管２０６と流体連通する第２タービン２０２と、第２空気管２１２と流体連通する第２コンプレッサ２０４とを有する、排気駆動式空気ポンプ２００を設けることができ、第２コンプレッサ２０４は、排気側１６の微粒子フィルタ５４の上流に圧縮空気を供給するように構成されかつ配置され、一実施形態ではフィルタの再生を促進するために使用することができる。第２空気管２１２を流れる圧縮空気を加熱するバーナ１２８を設けることができる。バーナ１２８を、限定されないがガソリンまたはディーゼル燃料等の燃料を燃焼させるように構成し配置することができる。一実施形態では、バーナ１２８は、圧縮空気を利用して燃料を燃焼させるように構成されかつ配置される。１つの例示的な実施形態では、第２排気ガス管２０６の第１端部２０８を、排気側１６の排気マニホルド２８の下流、かつ主ＥＧＲライン４２の排気側１６への接続部分の上流の位置に接続することができる。１つの例示的な実施形態では、第２排気ガス管２０６の第２端部２１０を、排気側１６の、主ＥＧＲライン４２の接続部分の下流かつ第１タービン５０の上流の位置に接続することができる。一実施形態では、吸気端部２１４を、吸気側１４の開放端部２４の下流の位置に接続することができる。別法として、または組み合わせて、第２空気管２１２の吸気端部２１４’を大気に開放することができる。

１つの例示的な実施形態では、第２空気管２１２の第２コンプレッサ２０４のいずれかの側に、第２コンプレッサ２０４を通り排気側１６に入る空気の流れを制御する、第１空気バルブ２２０および／または第２空気バルブ２２０’を設けることができる。１つの例示的な実施形態では、第２排気管２０６および第２タービン２０２を通る排気ガスの流れを制御するために、第２排気ガス管２０６の第１端部２０８の排気側１６への接続点に、またはこうした接続点の下流に、第１排気バルブ２１８および／または第２排気バルブ２１８’を設けることができる。１つの例示的な実施形態では、第２排気管２０６の第２端部２１０を、排気側１６の第１ＥＧＲアセンブリ４０の下流かつ第１タービン５０の上流の位置に接続することができる。

一実施形態では、補助空気ポンプのハウジングにバルブ２２０および／または２２０’を設けることができる。補助空気ポンプハウジングは、鋳造材の１つの部品であってもよく、または互いに接続された２つ以上の部品であってもよい。別の実施形態では、補助空気ポンプを、バルブ２２０、２２０’のうちの少なくとも一方またはバーナ１２８とともに収容することができる。

ここで図４を参照すると、別の例示的な実施形態では、第２排気管２０６の第１端部２０８を、燃焼機関１２に接続されている排気側１６の排気ガスマニホルド２８に接続することができる。１つの例示的な実施形態では、第２排気ガス管２０６の第２端部２１０を、排気側１６の、第１タービン５０の下流、かつ第２空気管２１２の第２端部２１６の排気側１６への接続部分の上流の位置に接続することができる。

ここで図５を参照すると、別の例示的な実施形態では、第２排気管２０６の第１端部２０８を、排気側１６の第１タービン５０の下流の位置に接続することができる。第２排気管２０６の第２端部２１０を、排気側の、第１端部２０８の接続部分の下流、かつ微粒子フィルタ５４と第２空気管２１２の第１端部２１６の排気側１６への接続部分との上流の位置に接続することができる。第２排気管２０６を通る排気ガスの流れを制御するために、排気側１６の、第２排気管の第１端部２０８の排気側１６への接続部分と第２端部２１０の排気側１６への接続部分との間に介在する位置に、第１排気バルブ２１８を接続することができる。さらに別の実施形態では、排気側１６を通り第２排気管１６を通る排気の流れを制御するために、バルブ２１８および２２１を、第２排気管２０６の第１端部２０８の排気側１６への接続点に位置する三方弁として結合することができる。

第１ターボチャージャ４８（存在する場合）と排気駆動式補助ポンプ２００との相対的なサイズ関係は異なってもよい。たとえば、例示的な実施形態では、排気駆動式補助ポンプ２００は、第１ターボチャージャ４８とサイズが同じであってもそれより小さくてもよい。第１ターボチャージャ４８を、ターボチャージャの入口圧力に対する絶対出口圧力の圧力比が１．２を超えて約２．５までの範囲であるように構成しかつ配置することができる。第１ターボチャージャ４８を、コンプレッサ５０に対し、燃焼機関１２の吸気要件の少なくとも１００パーセントを提供するのに十分な能力を提供するように構成しかつ配置することができる。１つの例示的な実施形態では、排気駆動式空気補助ポンプ２００を、ポンプの入口圧力に対する絶対出口圧力の圧力比が約１．３〜２．５であるように構成しかつ配置することができる。一実施形態では、排気駆動式空気補助ポンプ２００を、燃焼機関１２が必要とする空気の流量を下回る流量を提供するように構成しかつ配置することができる。一実施形態では、排気駆動式空気補助ポンプ２００を、燃焼機関１２が必要とする空気の流量の１／２以下を提供するように構成されかつ配置することができる。一実施形態では、排気駆動式空気補助ポンプ２００を、燃焼機関１２が必要とする空気の流量の１／３以下を提供するように構成しかつ配置することができる。一実施形態では、排気駆動式補助ポンプ２００は、ターボチャージャ等、燃焼機関の性能を強化するために用いられる部品としてではなく、排気浄化部品として機能するように構成されかつ配置される。さまざまな実施形態において、排気駆動式補助ポンプ２００を、燃焼機関の吸気口に空気を直接または間接的に供給しないように構成することができる。

第１ターボチャージャ４８および排気駆動式空気ポンプ２００の少なくとも一方を、たとえばタービンおよび／またはコンプレッサの能力を変化させるように調整可能ベーンを有する、可変ジオメトリのタービンおよび／またはコンプレッサを有するように構成しかつ配置することができる。

排気駆動式空気ポンプ２００を利用して、バーナ１２８にかつ／または排気側１６の微粒子フィルタ５４の上流に圧縮空気を提供することにより、比較的より短い時間で微粒子フィルタをより効果的に再生するという利点が提供される。排気駆動式空気ポンプ２００からバーナ１２８にまたは微粒子フィルタ５４に供給されている空気の量は、酸素の実質的な部分が消費され燃焼機関１２において燃料が燃焼した後に排気ガスに残っている空気より実質的に多い。さらに、別の例示的な実施形態では、コールドスタート中、触媒コンバータ３６に対して炭化水素および一酸化炭素を燃焼させるために、必要に応じて、酸素が豊富な空気を排気側１６に供給することができる。その結果、排気温度は劇的に上昇し、それにより、触媒コンバータのライトオフ温度により迅速に達し、それによって、コールドスタートの直後にシステムが変化させているＮＯ_Ｘ、炭化水素および一酸化炭素の量が増大する。さらに、さらに別の例示的な実施形態では、通常、高い排気ガス温度に対して非常に影響を受けやすいコーティングを含む、触媒コンバータの温度を制御するために、排気側１６の触媒コンバータ３６の上流に、比較的低温な酸素が豊富な空気を供給することができる。

１つの例示的な実施形態は、排気駆動式空気ポンプ２００を使用して、圧縮空気を排気側１６に直接供給するステップを含む方法を含むことができる。別の例示的な実施形態は、排気駆動式空気ポンプ２００を使用してバーナ１２８に圧縮空気を供給することにより、微粒子フィルタ５４の再生を支援するステップを含むことができる。別の例示的な実施形態は、排気駆動式空気ポンプ２００を使用して排気側１６に圧縮空気を供給することにより、排気側１６の炭化水素／一酸化炭素の燃焼を支援するステップを含むことができる。別の実施形態は、排気ガスを冷却し、特に触媒コンバータ３６を冷却するために、排気駆動式空気ポンプ２００に圧縮空気を供給するステップを含む方法を含むことができる。別の例示的な実施形態では、排気駆動式空気ポンプ２００は、計画された再生方策に応じて、第１ターボチャージャ４８の上流にかつそれに対して並列に、または下流に配置される。１つの例示的な実施形態では、空気を、吸気側１４からまたは周囲の大気から第２コンプレッサ２０４に引き込むことができる。

別の例示的な実施形態では、第２タービン２０２に入る排気ガス流を調整するために、第２タービン２０２の前かまたはその後に第１排気バルブ２１８を配置することができる。このバルブは、再生方策に応じて、オン／オフタイプまたは線形制御タイプのバルブであり得る。別の実施形態では、第２排気バルブ２１８、２２１’を利用して、排気ガス流を強制的に第２タービン２０２に送ることができる。このバルブを、排気側１６の第１タービン５０の上流に配置することができ、または第１タービン５０の一体部品とすることができる。別の実施形態では、第１排気バルブ２１８および第２排気バルブ２２１を結合して１つの構成部品にすることができる。さらに別の実施形態では、第２コンプレッサ２０４を通る空気の流れを調整するために、第２空気バルブ２２０または２２０’を第２コンプレッサ２０４の上流かまたは下流に配置することができる。これらバルブ２２０、２２０’は、再生方策に応じてオン／オフタイプまたは線形制御タイプのバルブであり得る。これらのバルブ２２０、２２０’を、第２コンプレッサ２０４を通る逆流を回避するために利用することも可能である。

本発明の実施形態の上記説明は、本質的に単に例示的なものであり、したがって、その変形は、本発明の精神および範囲から逸脱するものとみなされるべきではない。

Claims (14)

1. 燃焼機関に空気を供給するように構成されかつ配置された吸気側と、前記燃焼機関により生成された燃焼ガスを放出するように構成されかつ配置された排気側とを備える製品であって、
   前記吸気側が第１空気管を備え、前記排気側が第１排気ガス管を備え、
   第１端部が前記排気側に接続され第２端部が前記排気側に接続された第２排気管と、
   空気受入端部と第１排気側に接続された第２端部とを有する第２空気管と、
   前記第２排気管と流体連通する第２タービンと、前記第２空気管と流体連通して前記排気側にのみ圧縮空気を供給する第２コンプレッサとを備える排気駆動式空気ポンプと、
   前記排気側と流体連通する第１タービンと、吸気側と流体連通する第１コンプレッサとを備える第１ターボチャージャと、
   を具備する製品。
2. 燃焼機関をさらに具備し、前記排気駆動式空気ポンプが、前記燃焼機関が必要とする空気の流量の１／２以下を提供するように構成されかつ配置された、請求項１に記載の製品。
3. 前記排気側と流体連通する第１タービンと、吸気側と流体連通する第１コンプレッサとを備える第１ターボチャージャをさらに具備し、前記第１ターボチャージャが、前記燃焼機関を運転するために必要な空気の少なくとも１００パーセントを供給するように構成されかつ配置された、請求項２に記載の製品。
4. 前記第２空気管の前記空気受入端部が前記吸気側に接続された、請求項１に記載の製品。
5. 前記第２空気管の前記空気受入端部が大気に対して開放している、請求項１に記載の製品。
6. 前記第２空気管の前記第２コンプレッサの上流に空気バルブをさらに具備する、請求項１に記載の製品。
7. 第２コンプレッサの下流に空気バルブをさらに具備する、請求項１に記載の製品。
8. 前記第２空気管内を流れる空気を加熱するように構成されかつ配置されたバーナをさらに具備する、請求項１に記載の製品。
9. 前記第２空気管の前記第２端部が、前記排気側の前記第１排気管の触媒コンバータの上流に接続された、請求項１に記載の製品。
10. 前記排気側が、燃焼機関に接続されるように構成されかつ配置された排気ガスマニホルドをさらに備え、前記第２排気ガス管の前記第１端部が、前記排気側の前記排気ガスマニホルドの下流に接続された、請求項１に記載の製品。
11. 前記排気側が、排気ガスマニホルドをさらに備え、前記第２排気管の前記第１端部が、前記排気側の前記排気ガスマニホルドに接続された、請求項１に記載の製品。
12. 前記第２排気管の前記第２端部が、前記排気側の前記第１タービンの上流に接続された、請求項１に記載の製品。
13. 前記第２排気管の前記第２端部が、前記排気側の前記第１タービンの下流に接続された、請求項１に記載の製品。
14. 前記第２排気管の前記第１端部が、前記排気側の前記第１タービンの下流に接続され、前記第２排気管の前記第２端部が、前記排気側の、前記第２排気管の前記第１端部の前記排気側への接続点の下流に接続された、請求項１に記載の製品。
    
    
    
    

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