JP5908075B2

JP5908075B2 - 内燃機関及び内燃機関の駆動方法

Info

Publication number: JP5908075B2
Application number: JP2014517858A
Authority: JP
Inventors: ベイヤール，マティアス; デルネリ，ディエゴ; ヴァレンテ，リッカルド; オステル，アンデルス
Original assignee: ワルトシラフィンランドオサケユキチュア
Priority date: 2011-07-01
Filing date: 2012-06-27
Publication date: 2016-05-11
Anticipated expiration: 2032-06-27
Also published as: FI20115705A0; EP2726726B1; KR20140051918A; KR101566133B1; CN103890367A; CN103890367B; JP2014520996A; RU2014103452A; EP2726726A1; WO2013004898A1

Description

【０００１】
【技術分野】
【０００２】
本発明は、流入ガス導管システム及び排ガスシステムと；
第１ターボチャージャユニットであって、そのタービン部分が前記排ガスシステムに接続して設けられ、酸素含有燃焼ガスを前記エンジンの排ガスのエネルギーを利用して加圧するため、そのコンプレッサ部分が前記流入ガス導管システムに接続して設けられている第1ターボチャージャユニットと、
第２ターボチャージャユニットであって、そのタービン部が前記排ガスシステムに接続され、そのタービン部の流入口が前記第１のターボチャージャユニットのタービン部とコンプレッサ部と並列に接続され、そのコンプレッサ部の流入口は、前記排ガスシステムと接続して設けられ、その出口は前記流入ガス導管システムに排ガス循環路システムを介して接続され、前記コンプレッサ部は、前記エンジンの排ガスエネルギーにより、循環される排ガス部分を加圧するように設けられている第２ターボチャージャユニットを、
備えている内燃機関（エンジン）に関する。
【０００３】
本発明は、燃焼空気が流入ガス導管を通してエンジンに導入され、前記空気は第１のターボチャージャユニットにより、流入するようにされたエンジンの排ガスのエネルギーと排ガスシステムを利用してスーパーチャージされ、調整可能な排ガスの量が前記流入ガス導管システムに再循環されてエンジンの燃焼プロセスに戻される内燃エンジンの駆動方法に関し、この方法においては、排ガスの再循環は、第２ターボチャージャユニットに支援され、エンジンの排ガスは、二つの部分流に分かれ、第１部分流は第1ターボチャージャユニットのタービン部分に導かれ、第2部分流は第２ターボチャージャユニットのタービン部に導かれる、内燃エンジンの駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００４】
ターボチャージャは内燃エンジンの吸気口に周囲圧力より高い圧力で空気を供給するものとして良く知られている。
【０００５】
通常、ターボチャージャはタービンハウジング内の回転軸上に設けられた排ガス駆動タービンホイールを有している。このタービンホイールの回転はコンプレッサハウジング内の前記軸の他端に設けられたコンプレッサホイールを回転させる。このコンプレッサホイールはエンジンの吸気マニホルドに対して圧縮空気を生成し、これによりエンジンの出力を増加させる。ターボチャージャの運転の制御を容易にするため、タービンは固定形状のタイプとする、或いは、形状が変化するタイプとすることができる。形状が変化するタイプのタービンは、固定形状タイプのものと比べ、変化するエンジンの要求に合うようにタービンの出力を変えることができるように、流入通路のサイズ、即ち、機能をタービンに導入されるガスを制御するために変えることができる点において異なる。
【０００６】
内燃エンジンの運転の間、酸化窒素（NOx）が形成される。NOxはエンジン内の燃焼過程において酸素と窒素の存在の下での高温状態により生成される。排ガスに対する要求に適合するため、排ガス循環システム（EGR）が利用することができ、ここでは、エンジンの排ガスの一部がエンジンの燃焼室に再循環して戻される。これは、典型的には、排気マニホルドからの排ガスの一定量をエンジンの流入マニホルドに向けることにより達成される。これは、通常は外部再循環と呼ばれている。再循環された排ガスは燃焼の間に生成された温度ピークを低くする。NOxの生成は温度ピークの増加と共に増加するため、排ガスの再循環は望ましくないNOxの生成量を減少させる。ターボチャージャは、EGRシステムの一部を形成することができる。
【０００７】
例えば、US 2010/122530A1にそのようなシステムが開示されている、ターボチャージャを有するエンジンのためのEGRシステムは、主ターボチャージャーに同時に作動する第２ターボチャージャーを有している。ここではEGRターボチャージャーとして参照される第２ターボチャージャーは、エンジンの排気の一部によって駆動されるタービン部分を有している。ターボチャージャのコンプレッサ部分が、排ガスを加圧した後にエンジンの吸気マニホルドにエンジンの排ガスの一部を供給するように設けられる。このように、EGRターボチャージャのタービン部分がEGRターボチャージャのコンプレッサ部分を駆動し、EGRターボチャージャがエンジンの排ガスの一部をエンジンの吸気口に供給する。
【０００８】
EP2196659A1, EP2330287A1, EP2330287A1, EP0740065A1 及びEP0620365A1は、EGRターボチャージャを備える装置を開示している。
【０００９】
EGRターボチャージャ手段による排気ガスの再循環に関する問題は、EGRターボチャージャはエンジンの主ターボチャージャユニットにおいいて全く同一のエネルギー源を使用し、したがって、その運転の制御はエンジンの主ターボチャージャに影響を与えるといことである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、全体のチャージシステムの有利な運転を与える排ガスリサイクルターボチャージャを有するターボチャージド内燃ピストンエンジンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の目的は実質的に以下の内燃エンジン、即ち、
流入ガス導管システムと排ガスシステムと；
第１ターボチャージャユニットであって、そのタービン部が前記排ガスシステムに接続して設けられ、酸素含有燃焼ガスを前記エンジンの排ガスのエネルギーを利用して加圧するため、そのコンプレッサ部が前記流入ガス導管システムに接続して設けられている第1ターボチャージャユニットと、
第２ターボチャージャユニットであって、そのタービン部が前記排ガスシステムに接続され、そのタービン部の流入口が前記第１のターボチャージャユニットのタービン部とコンプレッサ部と並列に接続され、そのコンプレッサ部の流入口は、前記排ガスシステムと接続して設けられ、その出口は前記流入ガス導管システムに排ガス循環路システムを介して接続され、前記コンプレッサ部は、前記エンジンの排ガスエネルギーにより、循環される排ガス部分を加圧するように設けられ、前記第２ターボチャージャユニットのタービン部の流入口は第1制御バルブを介して排ガスシステムに接続される、第２ターボチャージャユニットを、
備えている内燃エンジンによって達成される。
【００１２】
排ガス再循環路システムは前記第２ターボチャージャユニットコンプレッサ部の上流側からコンプレッサ部の下流側へ延びる制御回路を有し、その制御回路には第２制御バルブが設けられていることが特徴的である。
【００１３】
これにより、排ガスからの第２ターボチャージャへの部分流の流量が制御される。特に、第１ターボチャージャへの排ガスの流れは第１制御バルブを一時的に絞るこにより最大となる。
【００１４】
制御回路により、特に第１制御バルブが締められたときは、第２ターボチャージャユニットが必要とする出力を最小とすることができる。
【００１５】
本発明の一実施例によれば、排ガス再循環路システムは、第２ターボチャージャユニットのコンプレッサ部の出口と流入ガス導管システムとの間に設けられたバルブを備えている。バルブ手段により、再循環は制御され、或いは、完全に遮断することができる。
【００１６】
本発明の一実施例によれば、排ガス再循環路システムは、コンプレッサ部の上流に設けれた第１ガス冷却器を備えている。
【００１７】
本発明の一実施例によれば、制御回路は第２ガス冷却器を備えている。第２ガス冷却器により、制御回路内を流れるガスの温度が制御される。
【００１８】
本発明の一実施例によれば、エンジンの制御システムはエンジンの負荷が増加している間は第１制御バルブを絞ることができるように設けられる。
【００１９】
本発明の一実施例によれば、第１ターボチャージャユニットにはウェスト-ゲート（廃棄ゲート）が設けられ、また、エンジンには、エンジンの負荷が増加して居る間及びウェストゲートが閉じられているとき、第１制御バルブを絞るように制御システムが設けられている。
【００２０】
本発明の一実施例によれば、第１ターボチャージャユニットのタービン部と第２ターボチャージャユニットのタービン部は排ガスシステムに並列に配置される。
【００２１】
本発明の目的は、また、以下の駆動方法、即ち、燃焼空気が流入ガス導管を通してエンジンに導入され、前記空気は第１のターボチャージャユニットにより、流入するようにされたエンジンの排ガスのエネルギーと排ガスシステムを利用してスーパーチャージされ、調整可能な排ガスの量が前記流入ガス導管システムに再循環されてエンジンの燃焼プロセスに戻される内燃エンジンの駆動方法に関し、この方法においては、排ガスの再循環は、第２ターボチャージャユニットによって支援され、エンジンの排ガスは、二つの部分流に分かれ、第１部分流は第1ターボチャージャユニットのタービン部に導かれ、第2の部分流は第２ターボチャージャユニットのタービン部に導かれ、第２ターボチャージャユニットの駆動が、第２ターボチャージャユニットのタービン部の流入口と排ガスシステムとの間に設けられた第１制御バルブの絞り効果を制御することにより第２部分流れの流量を制御することにより制御される、
内燃エンジンの駆動方法によって達成される。
【００２２】
第２ターボチャージャのコンプレッサ部の駆動が、圧縮ガスの制御された量を、コンプレッサ部の上流からコンプレッサ部の下流に連絡する制御回路を介して、コンプレッサ部の流入口側に戻すことにより制御されることが特徴的である。
【００２３】
本発明の一実施例によれば、第１ターボチャージャユニットの出力は、第２ターボチャージャユニットのタービン部への第２部分流の流量を一時的に絞ることにより、一時的に増加される。
【００２４】
本発明の一実施例によれば、第２ターボチャージャユニットのタービン部に流れる第２部分流の流量が、第２ターボチャージャの回転速度を現在レベルに維持するように制御される。排ガスの再循環は、第２部分流れの流量を絞っている間は一時的に遮断される。
【００２５】
本発明は、エンジンの出力が増加しているときの過渡的の運転フェーズに関連するとき特に有利である。
【００２６】
以下に、本発明は添付の例示的概略図を参照して説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施例による内燃エンジンを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図１は、本発明の一実施例による内燃エンジン１を概略的に示す図である。このエンジンは複数のシリンダー４が整列して設けられている本体２を有している。エンジンは、更に、エンジン１の各シリンダー４の流入チャンネル８に接続される流入ガス導管システム６を有している。流入ガス導管システムは、流入ガス、典型的には空気、をエンジンの燃焼チャンバに移送する。エンジンは、また、排ガスシステム１０と排ガスシステム１０を流入ガス導管システム６に接続する排ガス再循環路１２システムを有している。
【００２９】
図１の実施例においては、流入ガス導管システム６は、第１に、そこを通して燃焼プロセスに必要な酸素含有ガスがエンジンの各シリンダーに分配される燃焼ガスマニホルド１４を有する。典型的には、燃焼ガスは空気であるが、本発明によるエンジンの運転は必要とされるいかなる酸素含有ガスによっても実行されることを留意すべきである。各シリンダー４、即ちエンジンには、流入チャンネル２４を有し、燃焼ガスマニホルドをシリンダーに接続している。燃焼ガスマニホルド１４はターボチャージャユニット２０のコンプレッサ部１８の出口１６に接続されており、ここでは、第１ターボチャージャユニットと呼ばれる。また、コンプレッサ部の下流で燃焼ガスマニホルド１４の上流に燃焼ガス冷却器２２が設けられると有利である。図１において、ターボチャージャユニットは１−ステージシステムとして示されているが、ターボチャージャユニット、即ち、タービン部及び/又はコンプレッサ部は複数ステージであってもよい。
【００３０】
排ガスシステム１０は、排気マニホルド２６を有し、そこから、排ガス通路２８がターボチャージャユニット２０のタービン部３２の流入口まで延びる。ターボチャージャのタービン部３２とコンプレッサ部１８は互いに、タービン部によってコンプレッサ部を作動させるような周知の方法により接続されている。
ここでは、タービン部には廃棄ゲート３２’が設けられている。
【００３１】
排ガス再循環路システム１２は、排ガス路システム１０を流入ガス導管システム６に接続し、それにより、エンジンの排ガス流の一部をエンジンに再循環するようにしている。排ガス再循環路システム１２は、排ガス再循環マニホルド３４を有し、排ガス再循環マニホルド３４は、排ガス再循環マニホルドから各流入チャンネル８に延びるようにして設けられた分岐管３６により、エンジンのシリンダーの各チャンネル８に分離して接続される。このようにして、本発明によれば、再循環排ガス流が副流に分割され、それぞれが個々の流入チャンネル８に導入されるようにして、再循環される排ガスと新鮮な燃焼ガスが流入チャンネル８内で最速の状態で混合される。
【００３２】
このように、本発明の実施例による流入ガス導管システムにおいては、シリンダーへの流入チャンネルは、流入ガス導管システム６への第１接続部と排ガスシステム１０への第２接続部を有する。流入チャンネル８には、更に、排ガス再循環路システム１２への第３接続部を有している。
【００３３】
本実施例による分岐管には制御可能な流入部が設けられる。本発明の他の実施例によれば、固定された形状を持つ流入部を有している。
【００３４】
オン/オフバルブ３８が排ガス循環路システム１２に設けられ、必要なときにはバルブを閉じて再循環を停止させることができる。
【００３５】
本発明によれば、排ガス循環路システム１２に第２ターボチャージャユニット４０が設けられ、エンジンの排ガスエネルギーを利用して排ガスの再循環部分を加圧するようにしている。このように、排ガスの再循環部分の圧力は、流入チャンネル8内で少なくとも酸素含有燃焼ガスのレベルの圧力となる。本発明の作動においては、燃焼用ガスは流入ガス導管を通してエンジンに導入され、そのガスは、流入するようにしたエンジンの排ガスのエネルギーと排ガスシステムを利用して第１ターボチャージャユニットでスーパーチャージ（過給）され、また、排ガスの制御された量は流入ガス導管システムに再循環されてエンジンの燃焼プロセスに戻される。排ガスの再循環は第２ターボチャージャによって支援される。
【００３６】
第２ターボチャージャユニット４０は、タービン部４２を有し、このタービン部４２は、第１ターボチャージャユニット２０に第1分流が導入されている間、エンジンの排ガスの第２分流により駆動される。したがって、エンジンの排ガスは二つに分流され、その第１分流は第１ターボチャージャユニットのタービンに導かれ、第２分流が第２ターボチャージャユニットのタービン部に導かれる。排ガス路２８には、分岐管２８’が設けられ、この分岐管２８’は排ガスマニホルド２６を第２タービン部４２、即ち、その流入口に接続する。タービン４２を通過したエンジンの排ガスの第２分流は第１ターボチャージャユニット２０のタービン部３２の下流側に戻される。排ガスの一部を専用の出口管を通して排出することも可能である。第２ターボチャージャーユニット４０のタービン部４２を流れる排ガスの第２分流の流量を制御するために設けられる第１制御バルブ４８が存在する。ここでは、バルブ４８は分岐管２８’に対して設けられる。制御は第１制御バルブの絞りを調整することにより実行される。これは第２ターボチャージャユニットの駆動の正確な制御と循環する排ガスの正確な制御を可能にする。このバルブは、タービン部４２を通して流れるガス流の絞り効果を与えるものであれば、当業者において知られているいかなるバルブでもよい。
【００３７】
第２ターボチャージャユニット４０のコンプレッサ部４４は、また、エンジンの排ガスを受け入れるエンジンの排気マニホルド２６に接続されている。少なくとも一つのコンプレッサ部４４の出口は、排ガス再循環路システム１２によって流入ガス導管システム６に接続されている。コンプレッサ部の流入口はエンジンの排気マニホルド２６に接続されている。排ガス再循環路システム１２は、高温ガス煤塵物質フィルターのようなガス清浄装置５０を備えることができる。更に、本発明の一実施例によれば、排ガス再循環路システム１２は、図１のガス清浄装置の下流で、ガスの流れ方向におけるコンプレッサ部４４の前に第１冷却ユニット５２を備えることができる。種々の状態におけるガス流の方向は図の矢印により示されている。
【００３８】
更に、本発明の一実施例によると、排ガス再循環路システム１２は、第２ターボチャージャユニットの上流側からコンプレッサ部４４の下流側に延びる制御回路５６を備えている。この実施例においては、制御回路５６は第１ガス冷却ユニット５２の上流側に接続されている。この制御回路には、制御回路内を循環するようにされたガス流の部分を制御するように第２バルブ４６が設けられている。即ち、制御回路５６は、コンプレッサ部４４への再循環路を形成している。第２ターボチャージャユニットのコンプレッサ部を有する制御回路と第１制御バルブ４８の動作の制御によって、排ガスの再循環が極めて小さいか、或いは完全に遮断される場合にも、第２ターボチャージャユニット回転速度が所望のレベルに維持される。制御回路が開のとき、コンプレッサ部は最小のエネルギーで所望の速度で回転することができる。また、回転速度が保たれているときは、必要な場合は、通常運転状態に迅速に到達させられる。このことは、過渡的な状態においては特に有利である。
【００３９】
本発明の一実施例によれば、エンジンは過渡領域において、第２ターボチャージャユニット４０のタービン部への第２分流の流量を一時的に絞ることにより、第１ターボチャージャーユニット２０の出力が一時的に増加するようにエンジンが駆動される。したがって、最大の排気ガスの流量と圧力が第１ターボチャージャのタービン部に分配されるようにすることができる。
【００４０】
本発明の他の実施例によれば、排ガスの再循環が生じないようにバルブ３８を一時的に閉じることにより、第１ターボチャージャユニット２０の出力は増加される。同時に、第２ターボチャージャユニット４０のタービン部への第２分流の流量はバルブ４８によって絞られる。更に、コンプレッサ部４４の上流側とコンプレッサ部４４の下流側とを連通するようにバルブ４６を開とすることができる。したがって、圧縮ガスの制御された流量が制御回路５６を経てコンプレッサ部の流入口部に再循環される。バルブ３８が閉じられている間、第２ターボチャージャユニットの回転速度を所定のレベルに保つように第１バルブ４８は制御される。このように、第２ターボチャージャは必要に応じて容易に利用できる。
【００４１】
排ガス再循環路システム１２は、更に、コンプレッサ部４４と排ガス再循環マニホルド３４の間にガス冷却ユニット５４を備えている。
【００４２】
これまで、本発明を現時点において最も好ましいと考えられる実施例と関連して述べてきたが、本発明は記載された実施例に限定されず、その態様の種々の組み合わせや改変、及びクレームに特定される本発明の範囲内に含まれる種々の応用をカバーすることを意図するものであることが理解されるべきである。例えば、本発明は、例えば、オットー又はディーゼルサイクルのような、種々のサイクルで駆動する２ストローク又は４ストロークエンジンに好適に適用できる。エンジンの形態はイン−ラインエンジンからＶエンジンのように種々変化させることができる。前述の全ての実施例に関連して述べられた詳細な事項は、その組み合わせが適用可能であれば他の実施例においても使用できる。

Claims

流入ガス導管システム、及び排ガスシステムと；
第１ターボチャージャユニットであって、タービン部が前記排ガスシステムに接続され、コンプレッサ部がエンジンの排ガスのエネルギーを利用することにより酸素含有燃焼ガスを加圧するために前記流入ガス導管システムに接続されている、第１ターボチャージャユニットと；
第２ターボチャージャユニットであって、タービン部が、前記排ガスシステムに接続され、前記タービン部の流入口が前記第１ターボチャージャユニットの前記タービン部と並列して接続され、コンプレッサ部が、流入口が前記排ガスシステムに接続され、出口が排ガス再循環路システムを介して前記流入ガス導管システムに接続されており、前記コンプレッサ部が、エンジンの排ガスのエネルギーを利用して再循環される排ガスの一部を加圧するように設けられ、前記第２ターボチャージャユニットのタービン部の流入口は第１制御バルブを介して前記排ガスシステムに接続されている、第２ターボチャージャと；
を有し、
前記排ガス再循環路システムは、前記第２ターボチャージャユニットのコンプレッサ部の上流側から前記コンプレッサ部の下流側に延びる制御回路を有し、前記制御回路は第２制御バルブが設けられ、前記制御回路を経て前記コンプレッサ部の下流側から前記コンプレッサ部の上流側に圧縮ガスの制御された流量が再循環される、
ことを特徴とする、
内燃機関。
前記排ガス再循環路システムは、前記第２ターボチャージャユニットのコンプレッサ部の出口と前記流入ガス導管システムとの間に設けられたバルブを有していることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。
前記排ガス再循環路システムは、前記コンプレッサ部の上流側に設けられた第１ガス冷却ユニットを有していることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。
前記制御回路に第２ガス冷却ユニットが設けられていることを特徴とする、請求項３に記載の内燃機関。
前記エンジンは、前記エンジンの負荷が増大する間、前記第１制御バルブを絞るようにした制御システムが設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。
前記第１ターボチャージャユニットは、廃棄ゲートが設けられ、前記制御システムは、前記廃棄ゲートが閉じられている時、エンジンの負荷が増大する間は、前記第１制御バルブを絞るようにしたことを特徴とする、請求項５に記載の内燃機関。
前記第１ターボチャージャユニットのタービン部と前記第２ターボチャージャユニットのタービン部は前記排ガスシステムに対して並列していることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。
前記第１制御バルブは絞り弁であることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。
燃焼空気が流入ガス導管を通してエンジンに導入され、前記空気は第１のターボチャージャユニットにより、流入するようにされたエンジンの排ガスのエネルギーと排ガスシステムを利用してスーパーチャージされ、調整可能な排ガスの量が前記流入ガス導管に再循環されてエンジンの燃焼プロセスに戻される内燃機関の駆動方法であって、前記排ガスの再循環は、第２ターボチャージャユニットに支援され、前記エンジンの排ガスは、二つの部分流に分かれ、第１部分流は第1ターボチャージャユニットのタービン部分に導かれ、第2部分流は第２ターボチャージャユニットのタービン部分に導かれ、
前記第２ターボチャージャユニットの駆動は、前記第２ターボチャージャユニットのタービン部の流入口と前記排ガスシステムの間に設けられた第１制御バルブの絞り効果を制御することにより、前記第２部分流の流量を制御することにより制御され、
前記第２ターボチャージャユニットのコンプレッサ部の駆動は、前記コンプレッサ部の上流側から下流側へ延びる制御回路を介して、前記コンプレッサ部の流入口に戻る制御された量の圧縮ガスを導くことにより制御されることを特徴とする、
内燃機関の駆動方法。
前記第１ターボチャージャユニットの出力は、前記第２ターボチャージャユニットのタービン部への第２部分流の流量を一時的に絞ることにより一時的に増加されることを特徴とする、請求項９に記載の内燃機関の駆動方法。
前記第２ターボチャージャユニットのタービン部への前記第２部分流の流量は、前記第２ターボチャージャユニットの回転速度を所定レベルに維持するように制御される、請求項９又は１０に記載の内燃機関の駆動方法。
前記排ガスの再循環は、前記第２部分流の流量を絞る間、一時的に遮断されることを特徴とする、請求項９又は１０に記載の内燃機関の駆動方法。