JP5530239B2 - 内燃機関用の排気ガス浄化装置を有する２ステージ過給システムおよびそれを制御する方法 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関用の２ステージ過給システムおよびそれを制御する方法に関する。本発明は特に、この種の機関からの排気ガスの汚染除去処理に関する。

一般に認められているように、内燃機関によって発生する出力は、この機関の燃焼室に送り込まれる空気の量によって決まる。この空気は、燃料と混合され、得られた混合物の燃焼が実現される。

この空気量自体がこの空気の密度に比例するため、高出力が必要な場合、この空気量の増大は圧縮によって実現される。この圧縮は一般に、空気がこの燃焼室に導入される前に行われる。

この工程は、過給と呼ばれ、一般的にはターボチャージャと呼ばれる、機関の排気ガスによって掃気されるタービンによって駆動される圧縮機によって行なわれる。

特許文献１には、この機関の効率を向上させ、かつその燃料消費量を削減しつつ、燃焼室に送り込まれる空気の圧縮をさらに強めるのを可能にする２つの過給ステージを含む内燃機関が記載されている。

より正確に言えば、これらの２つのステージは、互いに対して直列に配置され、かつ２つのターボチャージャ、すなわち、高圧（ＨＰ）ターボチャージャおよび低圧（ＬＰ）ターボチャージャで構成される。ＨＰターボチャージャは特に、低流量に適しており、一方、ＬＰターボチャージャはより高い流量に適している。

これらのターボチャージャはそれぞれ、駆動軸によって圧縮機に連結された膨張タービンで構成される。これらの２つのターボチャージャは、機関の排気管から得られた排気ガスを供給されたＨＰターボチャージャのタービンが、排気ガスをＬＰターボチャージャのタービンに供給し、一方、ＬＰターボチャージャの圧縮機が排気ガスをＨＰターボチャージャの圧縮機に供給するように構成される。

特許文献１に詳しく記載されているように、ＥＧＲ循環路と呼ばれる燃焼ガス再循環路が設けられる。この循環路は基本的に、ＥＧＲ配管と呼ばれ、排気ガスを（一般に排気マニフォルド出口の所にある）、この機関の排気管の分岐連結部からこの機関の吸気口の所の連結点（より正確には吸気分配装置）に導入するのを可能にする配管を有する。

したがって、このＥＧＲ循環路は、排気ガスを燃料混合物に添加するのを可能にし、特に、この混合物の燃焼温度を低下させることによって窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成量を少なくする。

さらに、ＥＧＲ配管の上流側でかつ排気口の下流側に追加的なガス浄化手段が収納される。この浄化手段は、以下では前置触媒と呼ばれ、すべての機関が通常触媒の形で備える主排気ガス浄化装置に付加される。

排気ガスに含まれる汚染物質を効率的に処理することができるように、この主触媒は、最初は周囲温度であり、主触媒が点火するのに十分な温度レベルに達するまで主触媒を通って流れる排気ガスによって加熱する必要がある。

大気への汚染物質の排出量を最小限に抑えるために、前置触媒は、それが排気口のより近くに配置されることを考慮して主触媒より急速にその点火温度に達するようになっている。したがって、この前置触媒は、排気ガスに含まれる汚染物質の一部をより高速に処理するのを可能にする。

特に、この前置触媒は有利なことに、排気ガスに含まれるＨＣ（未燃炭化水素）およびＣＯ（一酸化炭素）を処理するのを可能にする酸化前置触媒である。

ＰＣＴ特許出願公開明細書２００８／１５５２６８号公報

しかし、この前置触媒は、高流量の排気ガスによって横断されると、圧力が著しく低下し、機関の気筒からの排気ガスの排出を阻害する背圧を生じさせるという主な欠点を有する。

これを解消するには、特許文献１に詳しく記載されているように、ＨＰタービンに備えられ、このタービンを高流量のガスから迂回させるのを可能にするバイパス配管の下流側に前置触媒を配置する必要がある。

したがって、ＬＰターボチャージャが単独で使用されるときにはこの前置触媒によって圧力降下が生じることはない。

他の欠点は、循環される排気ガスを吸気口に送り返す前にも浄化するように前置触媒が構成されていないことである。このガスに含まれるＨＣおよびＣＯを除去すれば、一方では、負荷制御が容易になり、他方では、再循環される排気ガスによって掃気される機関の様々な部分の汚染が低減するため、このことはさらに不利である。

本発明の目的は、ＥＧＲ循環路の排気ガスを浄化するのを可能にしつつ過給システムと同じ機能を実現するシステムによって上記の欠点を解消することである。

したがって、本発明は、吸気分配装置および排気マニフォルドを含む少なくとも１本の気筒と、内燃機関の吸気口に排気ガスを再循環させる再循環配管とを有する内燃機関用の２ステージ過給システムであり、圧縮機に連結された膨張タービンを含むターボチャージャを有する高圧過給ステージ、および圧縮機に連結された膨張タービンを含むターボチャージャを有する低圧過給ステージと、排気口と高圧ターボチャージャのタービンとの間に配置された排気ガス浄化手段とを有するシステムにおいて、機関の排気口から始まり低圧ターボチャージャのタービンの所で終わる排気ガスバイパス分岐管を有することを特徴とする、過給システムに関する。

有利なことに、バイパス分岐管はスロットル手段を有していてもよい。

スロットル手段はマルチピストン弁を有していることが好ましい。

バイパス分岐管は、高圧ターボチャージャタービンの出口を低圧ターボチャージャタービンの吸気口に連結する配管の合流点で終わっていてもよい。

排気ガス浄化手段は、排気ガス排気口と排気ガス再循環配管との間に配置することができる。

本発明は、吸気分配装置および排気マニフォルドを含む少なくとも１本の気筒と、内燃機関の吸気口に排気ガスを再循環させる再循環配管とを有する内燃機関用の２ステージ過給システムであり、圧縮機に連結された膨張タービンを含むターボチャージャを有する高圧過給ステージ、および圧縮機に連結された膨張タービンを含むターボチャージャを有する低圧過給ステージと、排気口と高圧ターボチャージャのタービンとの間に配置された排気ガス浄化手段とを有するシステムを制御する方法において、機関運転モードの場合に、排気ガスの一部を排気口から、低圧ターボチャージャのタービンの所で終わるバイパス分岐管に送り、この排気ガスの他の部分を排気口から、ガス再循環配管に連結された配管に送ることを含むことを特徴とする、過給システムを制御する方法にも関する。

この方法は、他の機関運転モードの場合に、排気ガスが排気口からバイパス分岐管の方へ循環するのを防止することと、排気ガスを、ガス再循環配管および高圧ターボチャージャタービンの吸気口に排気ガスを運ぶ配管に送ることとを含んでよい。

この方法は、配管内を循環するガスを排気ガス浄化手段を通して送ることを含んでよい。

本発明の他の特徴および利点は、非制限的な例として与えられる以下の説明を、添付の図面を参照しながら読むことによって明らかになろう。

本発明による内燃機関用の追加的な排気ガス浄化装置を有する２ステージ過給システムを示す図である。 第１の運転構成による図１の機関を示す図である。 第２の運転構成による図１の機関を示す図である。 第３の運転構成による図１の機関を示す図である。

図１では、内燃機関１０、特に直接噴射機関、とりわけディーゼル式の直接噴射機関は、燃料混合物の燃焼が生じる燃焼室１４を含む少なくとも１本の気筒を有する。この機関は、燃焼室１４内で燃料混合物を得るのに必要な流体を供給するのに使用される吸気分配装置１６も有している。ここで流体と呼ばれるものは、過給空気と再循環された排気ガスの混合物である。燃焼室１４に入っている燃料混合物の燃焼によって生じた排気ガスは、排気マニフォルド１８に排出される。

過給システム２０は、ＨＰターボチャージャ２２で構成される第１ステージと、ＬＰターボチャージャ２４で構成される第２ステージとを含む２つのターボ圧縮ステージを有している。

各ターボチャージャは、軸３４、３６によって圧縮機３０、３２を回転駆動するタービン２６、２８を有している。

２つのターボチャージャは、ＨＰターボチャージャ２２の膨張タービン２６（またはＨＰタービン）がＬＰターボチャージャ２４の膨張タービン２８（またはＬＰタービン）に流体を供給することができ、かつＨＰターボチャージャの圧縮機３０（またはＨＰ圧縮機）がＬＰターボチャージャの圧縮機３２（またはＬＰ圧縮機）から流体を供給されることができるように互いに対して配置されている。

図１を見るとよく分かるように、排気ガス循環配管３８は、排気マニフォルド１８の出口管４０を、出口４４が排気ガス循環配管４８によってＬＰタービン２８の吸気口４６に連結されたＨＰタービンの吸気口４２に連結している。ＬＰタービンの出口５０は、あらゆる機関に通常備えられる排気配管５２に連結されている。一般に、この配管は、触媒、特に三元触媒などの主排気ガス浄化手段（不図示）を備えている。

ＬＰ圧縮機３２の吸気口５４は、空気などの外部流体を供給配管５６を通して供給される。ＬＰ圧縮機の出口５８は、空気循環配管６０によってＨＰ空気圧縮機３０の吸気口６２に連結され、かつこの圧縮機の出口６４は、空気循環配管６６によって吸気分配装置１６の入口６８に連結されている。

以下の説明で使用される語「上流側」および「下流側」は、排気マニフォルド１８と排気配管５２との間を排気ガスが循環する方向を指すか、または供給配管５６と吸気分配装置１６との間を流体が循環する方向を指すのに使用される。

排気ガスバイパス分岐管７０は、配管３８とマニフォルドの出口管４０との交差点の所にあるＨＰタービン２６の上流側の分岐連結部７２から始まる。この分岐管７０は、配管４８の、ＨＰタービンの出口４４とＬＰタービンの吸気口４６との合流点７４で終わる。

この分岐管７０は、排気ガスの循環を制御するのを可能にするスロットル手段７６を、分岐連結部７２と合流点７４との間に有している。有利なことに、このスロットル手段７６は、この分岐管７０の完全開位置と完全閉位置との間の多位置弁である。

もちろん、この弁は、この機関の機関計算機の制御の下で、当業者に一般的に知られている任意の手段によって制御される。

ＥＧＲ（排気ガス再循環）配管と呼ばれる配管７８は、機関の排気ガスを機関の吸気口に送り返すのを可能にする。より正確には、この配管は、ＨＰタービン２６の上流側でかつ分岐連結部７２の下流側の、配管３８の連結点８０を、配管６６の他の連結点８２に連結している。

機関吸気口へのこの排気ガス再循環は従来、燃料混合物の燃焼時に排出される窒素酸化物（ＮＯｘ）のようないくつかの汚染物質の排出量を削減するのに使用されている。

もちろん、広く知られているように、このＥＧＲ配管７８は、内部を流れる排気ガスを冷却するのを可能にする熱交換器と、一般にＥＧＲ弁と呼ばれ、このＥＧＲ配管内の排気ガスの循環を制御するのを可能にする弁とを保持することができる。

ＨＰ圧縮ステージは、ＨＰ圧縮機３０の短絡配管８４を有している。この配管８４は、ＨＰ圧縮機３０とＬＰ圧縮機との間の配管６０の上流側点８６から始まり、ＨＰ圧縮機の出口６４とＥＧＲ配管の連結点８２との間の下流側点８８で終わる。この配管８４は、空気の循環を制御するのを可能にするスロットル手段９０を上流側点と下流側点との間に保持している。

追加的な排気ガス浄化手段９２は、以下の説明では前置触媒と呼ばれ、配管３８の、ＥＧＲ配管の連結点８０と分岐管７０を含む分岐連結部７２との間に配置されている。

この前置触媒は通常、排気ガスによって横切られる多孔体であり、排気ガス汚染物質の一部を触媒相自体に反応させる触媒相を有している。

この前置触媒９２は、このガスに含まれる熱から最大限の利益が得られるように排気ガスの排気口４０のできるだけ近くに配置されることが好ましい。したがって、この前置触媒９２は、より急速に温まり、より急速に点火温度に達する。

有利なことに、この前置触媒９２は、特に排気ガスに含まれるＨＣおよびＣＯを処理するようになっている。

機関アイドル相つまり低負荷相のように、排気ガス流量がＨＰターボチャージャ２２の使用に適合している運転モードでは、図２に示されているように、弁７６が分岐管７０の完全閉位置に調節され、したがって、分岐管７０内の排気ガスの循環が防止される。同様に、スロットル手段９０の弁は、閉位置に調節され、短絡配管８４内の空気の循環が防止される。

マニフォルド１８の出口管４０からの排気ガスは、配管３８内を循環し（矢印Ｆ１）、前置触媒９２を通って流れる。この前置触媒９２は、このガスの大部分を除去することによって、ガスに含まれるＨＣおよびＣＯ汚染物質を処理する。

処理済みのガスは次に、連結点８０に達し、そこで２つの流れ、すなわち、ＨＰタービン２６に送られる第１の流れＦ２とＥＧＲ配管７８に送られて排気ガスを機関吸気口に再循環させる第２の流れＦ３とに分割される。

排気ガス流Ｆ２は、ＨＰタービン２６に備えられているロータをガスが回転駆動するような圧力およびエネルギーでＨＰタービン２６の吸気口４２に到達する。このガスは次に、出口４４を通ってタービンから排出され、配管４８内を循環し、配管４８を通ってＬＰタービン２８の吸気口４６に運ばれる。ガスは次に、ＬＰタービンの出口５０を通って排気配管５２内に排出される。

説明を簡略化するために、図２の例では、ＬＰタービン２８を通って流れる排気ガスのエネルギーがこのタービンを回転させることはないものとする。したがって、ＬＰ圧縮機３２は駆動軸３６によって回転駆動しない。

供給配管５６を通ってＬＰ圧縮機３２の吸気口５４に流入した外気は、この圧縮機３２を通って流れ、吸気口の所の圧力（一般に大気圧）に近い圧力で圧縮機３２の出口に到達する。この空気は次に、ＨＰタービン２６に連結された駆動軸３４によってロータが回転駆動されるＨＰ圧縮機３０の吸気口６２に導入される。この回転によって、空気は、圧縮され、圧縮形態で出口６４を通して排出され、そこから連結点８２に到達する。この点８２から、この圧縮空気は、ＥＧＲ配管７８内を循環する排気ガス流Ｆ３と混合する。圧縮空気と排気ガスの混合物は次に、配管６６を通って吸気分配装置１６の吸気口６８に送られ、最終的に、燃焼室１４で燃焼することのできる燃料混合物が得られる。

前置触媒は、その構成および排気口に非常に近いその配置位置のために非常に早い時期に活性化されるので、圧縮空気と混合されかつ吸気口に再循環される排気ガスからなる流れＦ３から大部分の汚染物質が除去される。同様に、排気ガス流Ｆ２は、汚染除去され、浄化されたＬＰタービンの出口５０に到達する。したがって、排気配管５２に配置された主汚染除去手段が動作可能でないにもかかわらず、大気中に排出される排気ガスは、その汚染物質の大部分が除去される。

もちろん、当業者なら、アイドル条件つまり低負荷条件の下で動作する機関からの排気ガスのエネルギーの量に対して完全に有効になるようにＨＰターボチャージャ２２を構成するのに必要なすべての処置を施すことができる。

機関媒体負荷条件の下で運転する場合（図３参照）、構成は、分岐管７０のスロットル手段７６の弁および短絡配管８４のスロットル手段９０の弁が閉位置に維持された図２の構成と同一である。

そのような運転条件の下では、排気ガスの圧力およびエネルギーは図２のモードの圧力およびエネルギーに対して増大する。排気ガス流Ｆ２は、ＨＰタービン２６を通って流れ、このタービンを回転駆動する。このガスは次に、ＨＰタービン２６から排出され、ＬＰタービン２８のロータを回転駆動するのに十分なガス圧力およびエネルギーでＬＰタービン２８に到達する。

したがって、排気ガス流Ｆ２が２つのタービン２６および２８を回転させ、タービン２６および２８が駆動軸３４および３６によって２つの圧縮機３０および３２を回転駆動する。

配管５６を通って流入した外気は、第１のレベル（大気圧より数百ミリバール程度高い圧力）に圧縮されつつＬＰ圧縮機３２を通って流れる。この圧縮空気は次に、ＨＰ圧縮機３０に導入され、ＬＰ圧縮機３２の出口の所より高い圧力の圧縮状態でＨＰ圧縮機３０から出る。

ＨＰ圧縮機３０から出た圧縮空気は、連結点８２に到達し、そこでＥＧＲ配管７８内を循環する排気ガス流Ｆ３と混合する。圧縮空気と排気ガスの混合物は次に、配管６６を通って吸気分配装置１６の入口６８に送られ、最終的に燃焼室１４で燃焼することのできる燃料混合物が得られる。

同様に、上述のように、圧縮空気と混合されかつ吸気口に再循環される排気ガスと、排気配管５２を通って大気中に排出される排気ガスは、それに含まれる汚染物質の大部分が除去される。

図４に示されているようなより高い負荷での運転では、スロットル手段７６の弁はバイパス分岐管７０の完全開位置であり、スロットル手段９０の弁は、ＬＰ圧縮機３２の短絡配管８４内で空気を循環させる位置である。

マニフォルド１８から排出された排気ガスは、浸透性の高い循環路を通って流れることが好ましい。より正確に言えば、このガスはバイパス分岐管７０に流入し、したがって、ＨＰタービン２６を迂回する。したがって、ＬＰタービン２８のみが排気ガスによって回転駆動され、それによって、ＨＰターボチャージャ２２は動作不能になる。同様に、一般にそうであるように、吸気口と排気口との圧力差は、排気口から吸気口へのガス流の広がりを推進し、排気ガスは、配管３８を通って流れ、機関吸気口に再循環される。

したがって、この構成では、排気ガスは、出口４０から容量の異なる２つの流れ、すなわち、前置触媒９２に送られる低容量流Ｆ１とバイパス分岐管７０に送られる高容量流Ｆ４に分割される。

流れＦ４は、ＬＰタービン２８の吸気口４６に到達し、ＬＰタービン２８のロータを回転駆動する。このガスは次に、ＬＰタービン２８の出口５０を通って排気配管５２内に排出される。排気配管５２に配置された主浄化装置がその点火温度に達したため、排気ガスは、大気中に排出される前に処理される。

流れＦ１は、前置触媒９２を通って流れ、連結点８０に到達し、ＥＧＲ配管７８内を他方の連結点８２まで循環する。

したがって、外気は、供給配管５６を通って流入し、かつ外気は、ＬＰ圧縮機３２を通って流れ、そこで圧縮され、高圧で圧縮機３２から出て、その後配管８４の上流側点８６に到達する。この圧縮空気は、配管８４内を循環し、配管６６の下流側点８８に到達する。圧縮空気は次に、連結点８２に到達し、そこでＥＧＲ配管７８内を循環する排気ガス流と混合する。

上述のように、圧縮空気と排気ガスの混合物は次に、配管６６を通して吸気分配装置１６の入口６８に送られ、燃焼室１４内で燃焼する燃料混合物が得られる。

この構成のために、圧縮空気と混合されかつ吸気口に再循環される排気ガスの流れは、機関運転モードにかかわらず、前置触媒９２によってその汚染物質の大部分が除去される。

本発明は、上記の例に制限されず、本発明の対象となるあらゆる変形の実施形態または同等の実施形態を包含する。

Claims (7)

1. 吸気分配装置（１６）および排気マニフォルド（１８）を含む少なくとも１本の気筒（１２）と、内燃機関（１０）の吸気口に排気ガスを再循環させる再循環配管（７８）とを有する内燃機関（１０）用の２ステージ過給システムであって、
   圧縮機（３０）に連結された膨張タービン（２６）を含むターボチャージャを有する高圧過給ステージ（２２）、および圧縮機（３２）に連結された膨張タービン（２８）を含むターボチャージャを有する低圧過給ステージ（２４）と、を有する過給システムにおいて、
   前記排気マニフォルド（１８）の排気口（４０）から始まり低圧ターボチャージャ（２４）のタービン（２８）で終わる排気ガスバイパス分岐管（７０）と、
   前記再循環配管（７８）の分岐点（８０）を有し、前記排気口（４０）と前記膨張タービン（２６）の吸気口（４２）を連結する配管（３８）と、
   前記配管（３８）の、前記排気口（４０）と分岐点（８０）の間に配置された排気ガス浄化手段（９２）と、を有することを特徴とする、過給システム。
2. 前記バイパス分岐管（７０）はスロットル手段（７６）を有する、請求項１に記載の過給システム。
3. 前記スロットル手段（７６）は多位置弁（７６）を有する、請求項２に記載の過給システム。
4. 前記バイパス分岐管（７０）は、高圧ターボチャージャ（２２）のタービンの出口（４４）を低圧ターボチャージャ（２４）のタービン（２８）の吸気口（４６）に連結する配管（４８）の合流点（７４）で終わる、請求項１または２に記載の過給手段システム。
5. 吸気分配装置（１６）および排気マニフォルド（１８）を含む少なくとも１本の気筒（１２）と、内燃機関（１０）の吸気口に排気ガスを再循環させる再循環配管（７８）とを有する前記内燃機関（１０）用の２ステージ過給システムであって、圧縮機（３０）に連結された膨張タービン（２６）を含むターボチャージャを有する高圧過給ステージ（２２）、および圧縮機（３２）に連結された膨張タービン（２８）を含むターボチャージャを有する低圧過給ステージ（２４）と、前記再循環配管（７８）の分岐点（８０）を備え、前記排気マニフォルド（１８）の排気口（４０）と前記膨張タービン（２６）の吸気口（４２）を連結する配管（３８）と、前記配管の、前記排気口（４０）と分岐点（８０）の間に配置された排気ガス浄化手段（９２）と、を有する過給システムを制御する方法であり、
   機関運転モードの場合に、排気ガスの一部（Ｆ４）を前記排気口（４０）から、低圧ターボチャージャ（２４）のタービン（２８）の所で終わるバイパス分岐管（７０）に送り、この排気ガスの他の部分（Ｆ１）を前記排気口（４０）から、前記ガス再循環配管（７８）に連結された配管（３８）に送ることを含むことを特徴とする、過給システムを制御する方法。
6. 他の機関運転モードの場合に、前記排気ガスが排気口（４０）から前記バイパス分岐管（７０）の方へ循環するのを防止することと、前記排気ガスを、前記ガス再循環配管（７８）および高圧ターボチャージャ（２２）のタービン（２６）の吸気口に排気ガスを運ぶ配管（３８）に送ることとを含む、請求項５に記載の過給システムを制御する方法。
7. 配管（３８）内を循環する前記ガスを、排気ガス浄化手段（９２）を通って送ることを含む、請求項５または６に記載の過給システムを制御する方法。

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