JP6213788B2 - 内燃機関用排気ガスシステム - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前文による、内燃機関用排気ガスシステムに関する。

序文に示されたタイプの内燃機関用排気ガスシステムは、特許文献１によって既知である。このシステムは、この特許文献１の図３を参照し、かつ、内燃機関のシリンダ、または、往復ピストン機関との関連で、燃焼プロセス中、内燃機関の燃焼室（点火室）から発生する排気ガスの流体的に分離された排出量のための少なくとも１つの第１の排気ガス接続インターフェースおよび少なくとも１つの第２の排気ガス接続インターフェースと、燃焼プロセス中発生する排気ガスの流体的に分離された供給量のための少なくとも１つの第１の供給接続インターフェースおよび少なくとも１つの第２の供給接続インターフェースを有する少なくとも１つの二重管排気ガスターボチャージャとで構成される。当該システムにおいて、第１の排気ガス接続インターフェースを第１の供給接続インターフェースに流体的に接続するために第１の接続路が設計され、第２の排気ガス接続インターフェースを第２の供給接続インターフェースに流体的に接続するために第２の接続路が設計される。特許文献１の図３による解決法において、４つの燃焼室（シリンダ）が設けられる。ここで、さらに、各燃焼室は、第１の排気ガス接続インターフェースおよび第２の排気ガス接続インターフェースを備える。これら排気ガス接続インターフェースには接続路が隣接している。当該接続路は、排気ガスターボチャージャの第１の供給接続インターフェースおよび第２の供給接続インターフェースに精密に接続される。内燃機関における合計８つの排気ガス接続インターフェースの、排気ガスターボチャージャにおける合計２つの供給接続インターフェースへの接続は、ここで、第１の排気ガス接続インターフェースまたは第２の排気ガス接続インターフェースの４つの接続路それぞれが、第１の供給接続インターフェースまたは第２の供給接続インターフェースに達する前に共にもたらされるように設計される。

独国特許出願公開第１０２００９０５０９５２号 独国特許出願公開第１０２００７０３７５４０号

従って、本発明は、序文において示されたタイプの内燃機関用排気ガスシステム改良の課題に基づく。

この課題は、請求項１の特徴部分において特定された特徴による、序文において示されたタイプの内燃機関用排気ガスシステムによって解決される。

従って、本発明によると、接続路のうちの少なくとも１つが、閉鎖要素によって少なくとも部分的に閉鎖可能であるように設計されるものとする。

換言すると、本発明によると、接続路の開閉によって、排気ガスターボチャージャに対する作動に影響を及ぼすものとする。この基準によって、異なる排気ガス質量流量による、ゆえに、内燃機関または往復ピストン機関の異なる回転速度による少なくとも２つの段階において、排気ガスターボチャージャを動作させることができる。ここで、本発明によると、さらに詳細に説明するように、２つ以上の排気ガス接続インターフェース、接続路、供給接続インターフェースをシリンダごとに設けることができる。例えば、３つの接続路をシリンダごとに設ける場合、排気ガスターボチャージャを、シリンダごとに１つの供給接続インターフェースのみを介して低排気ガス質量流量で（すなわち、低回転速度で）、シリンダごとに２つの供給接続インターフェースを介して中排気ガス質量流量で（すなわち、中回転速度で）、および、シリンダごとに３つの供給接続インターフェースを介して高排気ガス質量流量（すなわち、高回転速度）で作動させることができる。従って、排気ガスターボチャージャに対する作動は、排気ガス質量流量に応じて行われ、ここで、記載した漸次的変化が一層均一になるほど、全体的に、シリンダごとにより多くの接続路が設けられる。内燃機関において、典型的には従来通りの空間条件に適応して、シリンダごとの２つの接続路は、本発明による解決法を実現するために最小とされ、シリンダごとの３つの接続路は合理的手段であり、シリンダごとの４つの接続路は、すでに費用と利益との間の境界エリアにあるのは確実である。

再び簡潔に要約するために、本発明による解決法について、シリンダごとに少なくとも２つの接続路を設ける必要があり、シリンダごとの接続路のうちの少なくとも１つを（少なくとも部分的に）閉鎖可能であるように設計する必要があり、排気ガスターボチャージャは、内燃機関が全体で有するシリンダの少なくとも２倍の供給接続インターフェース（流量とも表される）を有するものとされる。

請求項１において使用される用語「排気ガス接続インターフェース」は、ここでは、少なくとも以下の選択肢を含む。

シリンダごとに１つの出口弁を有する内燃機関において、（例えば、排気ガスシステムに属する）分流器は、この出口弁の下流に配置され、この分流器によって、排気ガス質量流量は少なくとも２つの部分流量に分割される。排気ガス接続インターフェースは、ここで、その分割部位に精密に位置している。

シリンダごとに２つ（以上）の出口弁を有する内燃機関において、排気ガス接続インターフェースは、さらなる分流器は必要でないため、実際的に内燃機関のシリンダヘッドに直接配置され、それによって、排気ガス質量流量を２つ（以上）の排気ガス接続インターフェースに分配する。

実際に、シリンダごとに２つの出口弁が存在するが、同時に、３つの排気ガス接続インターフェースを設けるものとする場合、分流器が再び設けられることとなり、これによって、２つの出口弁に基づき３つの排気ガス接続インターフェースが設けられる。

請求項１の特徴部分において定められる基準である「少なくとも部分的に」は、排気ガスターボチャージャに対する作動を、必要な場合、閉鎖要素によって、個々の段階の間で連続的に増加させるか減少させることもできるという選択を考慮している。

さらに、接続路を閉鎖可能であるという基準は、単に、完全に閉鎖された状態におけるこの接続路を介して、排気ガスを排気ガスターボチャージャに誘導できないことを意味する。この基準は、排気ガスが、例えば、排気ガスターボチャージャを通り越して（飛び越して）、実際の排気管に誘導されることを除外しない。

本発明による解決法には、排気ガスターボチャージャに対する作動が実際の排気ガス質量流量に応じて行われるため、排気ガスの衝撃エネルギーを特に効果的に利用することができるという利点がある。ここで、以下でより精確に説明されるように、排気ガスターボチャージャ内において、（追加の案内羽根などなく）固定入射角が排気ガスのためにランナー上へもたらされる、すなわち、排気ガスターボチャージャの筐体の形状を（以下でより詳細に説明されるように）特に簡易に構成することができる。また、接続路の開閉を、特に好ましくは弁などによって行い、これら弁などは、排気ガスターボチャージャ外に、ゆえに、熱的に最も応力が加えられる領域外に配置される。

本発明による、内燃機関用排気ガスシステムの他の有利なさらなる進展は、従属項において表される。

完全性のために、特許文献２も参照する。この文献の解決法において、変更可能なノズル形状を有する管状ノズルが、（単一）接続線において、内燃機関と排気ガスターボチャージャとの間に配置される。ノズルの調節可能な出口断面によって、排気ガス質量流量が少ない場合、例えば、内燃機関の部分負荷または低回転速度によって、ノズル断面を圧縮することによって、静圧の割合よりも、排気ガスの動圧力の割合を増加させることができるとされるが、逆に、大きい排気ガス質量流量によって、例えば、内燃機関の全負荷運転においてまたは高回転速度によって、出口断面を拡張することによって、ノズルの領域において圧力損失を少なくすることができる。しかしながら、本出願人は、目標とするノズル効果は、流れが排気ガスターボチャージャのランナーに達する前でさえもなくなる、つまり、最終的に、この配置構成はその段階を超えて増加するエントロピーの原因となるだけであると考える。

従属項によるその有利なさらなる進展を含む本発明による内燃機関用排気ガスシステムは、図面による種々の例示の実施形態を示すことで、以下でさらに詳細に説明される。

図によって示す。

（部分的にのみ示された）２つの出口路、１つの接続要素および１つの二重管排気ガスターボチャージャを有する単気筒内燃機関用の、本発明による排気ガスシステムを示す図である。 第１の排気ガス接続インターフェースおよび第２の排気ガス接続インターフェースを構成するために、出口路およびアダプター要素（分流器）を有する単気筒内燃機関を示す図である。 シリンダごとの３つの接続路と、合計８つの閉鎖要素と、１つの１２管排気ガスターボチャージャとを有する４気筒内燃機関用の、本発明による排気ガスシステムを示す図である。

図に示された、内燃機関用排気ガスシステムの実施形態全ては、燃焼プロセス中、内燃機関の燃焼室から発生する排気ガスの流体的に分離された排出量のための少なくとも１つの第１の排気ガス接続インターフェース１．１および少なくとも１つの第２の排気ガス接続インターフェース１．２と、燃焼プロセス中発生する排気ガスの流体的に分離された供給量のための少なくとも１つの第１の供給接続インターフェース３．１および少なくとも１つの第２の供給接続インターフェース３．２を有する少なくとも１つの二重管排気ガスターボチャージャ２とで構成される。当該実施形態において、第１の排気ガス接続インターフェース１．１を第１の供給接続インターフェース３．１に流体的に接続するために第１の接続路４．１が設計され、第２の排気ガス接続インターフェース１．２を第２の供給接続インターフェース３．２に流体的に接続するために第２の接続路４．２が設計される。

ここで、接続路４．１、４．２のうちの少なくとも１つは、閉鎖要素５によって少なくとも部分的に閉鎖可能であるように設計されることは、本発明による排気ガスシステムにとって極めて重要である。高温応力に関して、ここで特に好ましくは、閉鎖要素５が、接続路４．１、４．２に導入可能である滑動部として構成されるものとする。

図１において、最初に本発明の理解を容易にするために、単気筒内燃機関の実施形態が図示される。この実施形態は、例えば、２つの入口弁に加えて２つの出口弁も設けられるため（鍵となる語：シリンダごとの４つの弁）、シリンダヘッドにおいて２つの出口開口部を有する。この場合、排気ガス接続インターフェース１．１、１．２を形成するこれら２つの出口開口部は、合計２つの接続路４．１、４．２に隣接しており、当該接続路４．１、４．２は、さらには、排気ガスターボチャージャ２の２つの供給接続インターフェース３．１、３．２に接続される。排気ガスターボチャージャ２は、この場合、二重管で構成される。２つの接続路４．２のうちの１つは、本発明による閉鎖要素５を備える。閉鎖要素５は、さらには、アクチュエータ７を介して動作可能であるように構成される。（全ての実施形態における）閉鎖要素５は、任意に完全に開閉可能であるが、任意の中間位置に位置付けることもできる。このために、好ましくはアクチュエータ７を備える各閉鎖要素５は、上位制御ユニット（別途図示せず）に接続されるように構成される。

図２において、同様に、単気筒内燃機関が図示されるが、これは、そのシリンダヘッドにおいて１つの出口開口部のみ有する。それにもかかわらず、利用可能な少なくとも２つの排気ガス接続インターフェース１．１、１．２を有するために、すなわち、第１の排気ガス接続インターフェース１．１および第２の排気ガス接続インターフェース１．２が、内燃機関のシリンダヘッドの外部に配置される対応する出口開口部に直接接続されるように構成不可能である時、アダプター要素８を本発明に従って設けることができ、これによって、示された例示の実施形態において、出口開口部は２つの排気ガス接続インターフェース１．１、１．２に接続される。しかしながら、あるいは、（別途図示されないが）アダプター要素８によって、出口開口部を、３つの排気ガス接続インターフェースに接続させることもできるはずである。さらに、アダプター要素８によって、例えば、２つの出口開口部を３つの排気ガス接続インターフェースに接続させることもできる。

図３において、本発明による解決法の実践向け解決法が図示される。この図には、シリンダごとに３つの接続路を有する４気筒内燃機関と、１２管排気ガスターボチャージャ２とが示される。見られるように、燃焼室の３つの接続路のうちの２つはそれぞれ、閉鎖要素５を備える。より一般的に表すと、本発明に従って、燃焼室ごとにｍ個の接続路４．１、４．２に対して、少なくともｍ−１およびｍの最大数の閉鎖要素５が設けられるものとする。ここで、「ｍの最大数」という基準は、所望されかつ適切である場合、各接続路も閉鎖要素５を備えることができることを表す。ここでまた、先述したように、（ここで別途図示されないが、典型的にはさらなる排気ガス接続インターフェースによって）排気ガスは、例えば、排気ガスターボチャージャ２を通り越して（飛び越して）、内燃機関の実際の排気管に誘導されるものとすることができる。

さらに、好ましくは、いくつかの燃焼室によって、それぞれ精確に１つの燃焼室の１つの閉鎖要素５が、他の燃焼室のそれぞれ精確に１つの閉鎖要素５と共に作動可能であるように構成されるものとする。図３を参照すると、これは、接続路４．１が閉鎖要素５を有していないため常に開放されていることを意味する。低出力または低回転速度によって、残りの閉鎖要素５は閉鎖される。ここで回転速度が増加する場合、本発明の目的は、供給接続インターフェースごとの質量流量をできるだけ一定に保つことに存する、すなわち、本発明によると、少なくとも１つのさらなる閉鎖要素５が燃焼室ごとに開放される。全負荷がかけられると、それに応じて全ての閉鎖要素５が開放される、すなわち、排気ガスが、全ての接続路４．１、４．２を介して排気ガスターボチャージャ２へ、分配されるように誘導される。

見られるように、閉鎖要素５が、内燃機関の回転速度に応じて調節可能であるように構成される基準によって、排気ガスターボチャージャ２によって維持され、かつより良く使用可能である排気ガスの衝撃がもたらされ、ここで、同時に、排気ガスターボチャージャ２における、費用がかかり調節可能な羽根を不要にすることができ、このことは以下でさらに論述する。序文で既に説明したように、本発明によると、燃焼室ごとに少なくとも２つの接続路が必要である。図３は、シリンダごとに３つの接続路を有する実施形態を示す。シリンダごとに４つの接続路も容易に考えられ、そして、５個以上の接続路の場合、このような解決法も本発明の範囲内にあるとしても、費用対利益の比率はもはや有利であると考えられない場合がある。

図１および３からさらにわかるように、本発明に従って、接続路４．１、４．２の長さ方向において見られる閉鎖要素５は、供給接続インターフェース３．１、３．２に対してよりも排気ガス接続インターフェース１．１、１．２に対してより近くに配置されるものとする。この基準には、排気ガス流量を分配するための調整構成要素（特に、閉鎖要素５およびアクチュエータ７）が、排気ガスターボチャージャの筐体外に配置されるという利点があり、これによって、費用が低減され、かつ、充電器の寿命が延びる。

さらに、本発明に従って、ｎ個の燃焼室に対して、少なくとも２＊ｎ個の接続路４．１、４．２が設けられるものとする。図３の例示の実施形態に関して、実際面では、４つの燃焼室（ｎ＝４）は、合計１２個（すなわち、３＊ｎ）の接続路に接続されるものとする。

述べたように、できるだけ最適に、排気ガスの衝撃エネルギーを利用可能とするために、さらに、排気ガス接続インターフェース１．１、１．２と供給接続インターフェース３．１、３．２との間の接続路４．１、４．２の貫流断面は、一致するように構成される、すなわち、貫流断面は、接続路の全長において均等サイズのままであるのが好ましい。

また、図からわかるように、排気ガスシステムにおける排気ガス接続インターフェース１．１、１．２の総数は、排気ガスターボチャージャ２における供給接続インターフェース３．１、３．２の総数に精確に対応する。

本発明に従って（および、内燃機関と対照的に）、排気ガスシステムに属し、かつ、（図示された）半径流タービンまたは（図示されない）軸流タービンとして任意に構成可能である排気ガスターボチャージャ２に関して、好ましくは、供給接続インターフェース３．１、３．２と排気ガスターボチャージャ２のランナー２．１との間に配置された流路６によって、ランナー２．１に対する変更不可能な入射角が設定され、ここで、（ランナー２．１の縁端部に位置付けられて接する円との関連で）当該入射角は、好ましくは６５度〜７５度であり、特に好ましくは、示されるように、７０度であるものとする。換言すると、本発明による排気ガスターボチャージャ２は、羽根無しで構成可能であり、ここで、さらに、衝撃エネルギーを維持するように構成可能であり、好ましくは、流路６が接続路４．１、４．２と同じ貫流断面を有するものとする。

最後に、最初に一般論として表したように、好ましくは、ターボチャージャ２に対する均一の作動のために、それぞれ異なる燃焼室に属する接続路４．１、４．２は、排気ガスターボチャージャ２のランナー２．１の回転軸に対して軸方向に対称的に配置される供給接続インターフェース３．１、３．２に接続されるように構成されるものとする。図３による例示の実施形態に関して、この基準は、実際面では、例えば、（上から数えて）第３の燃焼室の接続路は、排気ガスターボチャージャ２における第１の燃焼室の接続路に対して１８０度で相殺されて開放するように構成される。それに応じて、第２および第４の燃焼室の接続路または供給接続インターフェースについても同様であり、ここで、特定的な角度は、内燃機関が燃焼室をいくつ有するのか、および、燃焼室ごとにどれくらいの排気ガス接続インターフェースが設けられるのかに左右されるのは明らかである。

１．１ 排気ガス接続インターフェース
１．２ 排気ガス接続インターフェース
２ 排気ガスターボチャージャ
２．１ ランナー
３．１ 供給接続インターフェース
３．２ 供給接続インターフェース
４．１ 第１の接続路
４．２ 第２の接続路
５ 閉鎖要素
６ 流路
７ アクチュエータ
８ アダプター要素

Claims (9)

1. 内燃機関用排気ガスシステムであって、
   燃焼プロセス中、前記内燃機関の１個の燃焼室から発生する排気ガスの流体的に分離された排出量のための少なくとも１つの第１の排気ガス接続インターフェース（１．１）および少なくとも１つの第２の排気ガス接続インターフェース（１．２）と、前記燃焼プロセス中発生する前記排気ガスの流体的に分離された供給量のための少なくとも１つの第１の供給接続インターフェース（３．１）および少なくとも１つの第２の供給接続インターフェース（３．２）を有する少なくとも１つの二重管排気ガスターボチャージャ（２）と、を含み、前記第１の排気ガス接続インターフェース（１．１）を前記第１の供給接続インターフェース（３．１）に流体的に接続するために第１の接続路（４．１）が設計され、前記第２の排気ガス接続インターフェース（１．２）を前記第２の供給接続インターフェース（３．２）に流体的に接続するために第２の接続路（４．２）が設計され、
   前記接続路（４．１、４．２）のうちの少なくとも１つが、閉鎖要素（５）によって少なくとも部分的に閉鎖可能であるように設計され、
   ｎ個（ｎ≧２）の燃焼室に対して、少なくとも２＊ｎ個の接続路（４．１、４．２）が設けられる、内燃機関用排気ガスシステム。
2. 燃焼室ごとにｍ個の接続路（４．１、４．２）に対して、少なくとも（ｍ−１）およびｍの最大数の閉鎖要素（５）が設けられる、請求項１に記載の内燃機関用排気ガスシステム。
3. いくつかの燃焼室によって、それぞれ精確に１つの燃焼室の１つの閉鎖要素（５）が、他の燃焼室のそれぞれ精確に１つの閉鎖要素（５）と共に作動可能であるように構成される、請求項１または２に記載の内燃機関用排気ガスシステム。
4. 前記閉鎖要素（５）が、前記内燃機関の回転速度に応じて調節可能であるように構成される、請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の内燃機関用排気ガスシステム。
5. 前記接続路（４．１、４．２）の長さ方向において見られる前記閉鎖要素（５）は、前記供給接続インターフェース（３．１、３．２）に対してよりも前記排気ガス接続インターフェース（１．１、１．２）に対してより近くに配置される、請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の内燃機関用排気ガスシステム。
6. 前記排気ガス接続インターフェース（１．１、１．２）と前記供給接続インターフェース（３．１、３．２）との間の前記接続路（４．１、４．２）の貫流断面は、一致するように構成される、請求項１〜５のうちいずれか一項に記載の内燃機関用排気ガスシステム。
7. 前記排気ガスシステムにおける排気ガス接続インターフェース（１．１、１．２）の総数は、前記排気ガスターボチャージャ（２）における供給接続インターフェース（３．１、３．２）の総数に精確に対応する、請求項１〜６のうちいずれか一項に記載の内燃機関用排気ガスシステム。
8. 前記ターボチャージャ（２）に対する均一の作動のために、それぞれ異なる燃焼室に属する接続路（４．１、４．２）は、前記排気ガスターボチャージャ（２）のランナー（２．１）の回転軸に対して軸方向に対称的に配置される供給接続インターフェース（３．１、３．２）に接続されるように構成される、請求項１〜７のうちいずれか一項に記載の内燃機関用排気ガスシステム。
9. 前記供給接続インターフェース（３．１、３．２）と前記排気ガスターボチャージャ（２）のランナー（２．１）との間に配置された流路（６）によって、前記ランナー（２．１）に対する変更不可能な入射角が設定され、ここで、当該入射角は、好ましくは６５度〜７５度であり、具体的には７０度である、請求項１〜８のうちいずれか一項に記載の内燃機関用排気ガスシステム。

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