JP6612640B2 - 内燃機関、該内燃機関を作動するための方法および該方法を実施するための制御デバイス - Google Patents

Description

本発明は特許請求の範囲の請求項１のプリアンブルに基づく内燃機関に関するものである。本発明はさらに特許請求の範囲の請求項７のプリアンブルに基づく内燃機関を作動するための方法および該方法を実施するための制御デバイスに関するものである。

多段式の排ガス過給機を備える内燃機関は慣習的に従来公知となっている。そのため多段式排ガス過給機を備える内燃機関は複数のシリンダと複数の排ガスターボチャージャとを有しており、排ガスターボチャージャのタービンでは内燃機関を離れた排ガスが膨張され、かつ排ガスターボチャージャのタービンで抽出されたエネルギーは、内燃機関のシリンダに供給される給気を圧縮するために、排ガスターボチャージャの圧縮に使用される。内燃機関が高圧排ガスターボチャージャと低圧排ガスターボチャージャとを備える場合、内燃機関を離れた排ガスはまず高圧排ガスターボチャージャの高圧タービンで膨張され、続いてさらなる膨張のために低圧排ガスターボチャージャの低圧タービンを介して誘導される。低圧ターボチャージャの低圧タービンで抽出されたエネルギーは、まず低圧排ガスターボチャージャの低圧タービンにおいて内燃機関のシリンダに供給される給気を圧縮するために使用される。すでに圧縮された給気は、低圧コンプレッサを離れ、高圧排ガスターボチャージャの高圧コンプレッサでさらに圧縮される、つまり高圧排ガスターボチャージャの高圧タービンでそのエネルギーが使用される。この場合、いわゆる給気冷却器の各々は、低圧コンプレッサの下流および高圧コンプレッサの上流に、各給気冷却器をそれぞれに位置決め可能なように配置できる。

慣習的に、高圧排ガスターボチャージャの高圧タービンと低圧排ガスターボチャージャの低圧タービンとの間において過給される内燃機関にＳＣＲ触媒コンバータを配置することがさらに従来公知となっている。高圧排ガスターボチャージャの高圧タービンで膨張された排ガスは初めにＳＣＲ触媒コンバータを介して誘導され、続いて低圧排ガスターボチャージャの低圧タービンを介してのみ誘導される。高圧タービンの下流および低圧タービンの上流の温度および圧力は、ＳＣＲ触媒コンバータでの排ガスの後処理に関して特に有利となる。

そうしたＳＣＲ触媒コンバータは、特に内燃機関の始動後または内燃機関の負荷ジャンプ中にＳＣＲ触媒コンバータの加熱のために排ガスの相対的に大きい熱エネルギーが失われるように、相対的に高い熱容量を有する。そのためＳＣＲ触媒コンバータによって、より大きな排ガスの温度勾配が発生する。これによって、最終的には内燃機関のシリンダに所望量の給気を供給するために低圧排ガスターボチャージャの低圧コンプレッサに必要な適切な量のエネルギーを提供するように低圧排ガスターボチャージャの低圧タービンをもはや使用できないという結果がもたらされ得る。このため、特に内燃機関の冷間始動中または負荷ジャンプ中のいわゆる内燃機関の衝撃負荷能力が制限される。

したがって、内燃機関の負荷衝撃能力を向上できる内燃機関、該内燃機関の作動方法および該方法を実施するための制御デバイスが必要とされている。これを起点として、本発明は、新式の内燃機関、該内燃機関を作動するための方法および該方法を実施するための制御デバイスを創造することを目的とする。

この目的は特許請求の範囲の請求項１に基づく内燃機関によって達成される。本発明によれば、低圧コンプレッサは、パワーテイクインに割り当てられており、特にＳＣＲ触媒コンバータにおける相対的に大きな排ガスの温度降下の結果として内燃機関のシリンダに所望量の給気を供給するために必要な適切な量のエネルギーを低圧タービンを介して提供できない場合に、該パワーテイクインを介して低圧コンプレッサを駆動できる。低圧コンプレッサにおけるパワーテイクインを用いて、特にＳＣＲ触媒コンバータでの過度な排ガスの温度降下の結果として低圧コンプレッサを駆動するのに必要な適切な量のエネルギーをもはや低圧タービンで抽出できない場合に、低圧タービンにおけるエネルギー損失を相殺できる。ＳＣＲ触媒コンバータを介した過度な排ガスの温度降下の結果として低圧タービンで抽出可能なエネルギーが非常に低くなる場合に、最終的には内燃機関のシリンダに所望量の給気を供給できる様式で、低圧コンプレッサをパワーテイクインを介して駆動できる。この理由から、特に内燃機関の冷間始動中および負荷ジャンプ中に良好な負荷衝撃能力を保証できる。

有利なさらなる展開例によれば、第１の温度センサが高圧タービンの下流かつＳＣＲ触媒コンバータの上流に配置されており、第２の温度センサがＳＣＲ触媒コンバータの下流かつ低圧タービンの上流に配置されており、第１の温度センサで測定される排ガス温度と第２の温度センサで測定される排ガス温度との間の温度差に応じて、制御デバイスが、低圧コンプレッサを駆動するためにパワーテイクインで提供されるエネルギーの量を自動的に特定して自動的に調節する。こうした有利なさらなる展開例によって、パワーテイクインを介して低圧タービンではもはや抽出できないエネルギーにおける損失を自動的に埋め合わせるためのパワーテイクインの自動オペレーションが可能となる。

有利なさらなる展開例によれば、高圧タービンはパワーテイクアウトを割り当てられており、パワーテイクアウトを介して低圧コンプレッサを駆動するためのエネルギーを高圧タービンから抽出でき、パワーテイクインを介して高圧タービンで抽出されたこのエネルギーは、パワーテイクインひいては低圧コンプレッサを駆動するために使用できる。それによって内燃機関の特に経済的なオペレーションが可能となる。このように高圧タービンで抽出されるエネルギーのうち高圧コンプレッサの作動に必要ではない超過エネルギーをパワーテイクインの作動のためにひいては低圧コンプレッサの作動のために利用できる。

本発明に基づく内燃機関を作動するための方法は特許請求の範囲の請求項７で規定される。この方法を実施するための制御デバイスは特許請求の範囲の請求項１０で規定される。

本発明の好ましいさらなる展開例が従属請求項および以下の説明から得られる。本発明の例示的な実施形態について図面を参照して詳細に説明するが、本発明はこれに限定されない。

本発明に基づく第１の内燃機関の概略図である。 本発明に基づく第２の内燃機関の概略図である。 本発明に基づく第３の内燃機関の概略図である。

本発明は、内燃機関、そうした内燃機関を作動するための方法、およびこの方法を実施するための制御デバイスに関するものである。

図１には、複数のシリンダ１１を備える本発明に基づく第１の内燃機関１０の概略図を示す。内燃機関１０は特に重油燃料で作動する海洋ディーゼルエンジンである。

内燃機関のシリンダ１１から出た排ガス１２は、高圧タービン１３ａ内での排ガス１２の膨張中にエネルギーを抽出するために、初めに第１の排ガスターボチャージャ１４ａの高圧タービン１３ａを通るよう誘導される。抽出されたエネルギーは、第１の排ガスターボチャージャ１４ａの高圧コンプレッサ１６ａを駆動するために使用される。

高圧タービン１３ａで膨張された排ガス１２は、低圧タービン１３ｂでさらに膨張されるべくかつ第２の排ガスターボチャージャ１４ｂの低圧コンプレッサ１６ｂを駆動するための工程で抽出されたエネルギーを使用するために、第２の排ガスターボチャージャ１４ｂの低圧タービン１３ｂを経て高圧タービン１３ａの上流に誘導される。

そのため内燃機関１０のシリンダ１１に供給すべき給気１５は、初めに第２の排ガスターボチャージャ１４ｂの低圧コンプレッサ１６ｂで圧縮され、後に内燃機関１０のシリンダ１１に給気１５を供給するために、続いて第１の排ガスターボチャージャ１４ａの高圧タービン１６ａで圧縮される。図示しないが、給気冷却器の各々を低圧コンプレッサ１６ｂの下流および高圧コンプレッサ１６ａの上流の両方に配置することも可能である。

高圧タービン１３ａの下流および低圧タービン１３ｂの上流にはＳＣＲ触媒コンバータ１７が配置される。高圧タービン１３ａで膨張される排ガスは、低圧タービン１３ｂでの膨張の前に、ＳＣＲ触媒コンバータ１７で排ガスクリーニングされる。高圧タービン１３ａの下流および低圧タービン１３ｂの上流の温度および圧力は、ＳＣＲ触媒コンバータ１７内の排ガス後処理に特に有利となる。

ＳＣＲ触媒コンバータ１７は相対的に高い熱容量を有する。この理由から、ＳＣＲ触媒コンバータ１７を加熱するための排ガス１２の熱エネルギーは、低圧タービン１３ｂの領域ではもはや利用できず、また低圧コンプレッサ１６ｂを駆動するためにも利用できない。ゆえに、ＳＣＲ触媒コンバータ１７を介した過度の温度降下の結果、内燃機関１０のシリンダ１１に十分な給気を供給するために実際に低圧コンプレッサ１６ｂに必要な適切な量のエネルギーを低圧コンプレッサ１６ｂではもはや抽出できないという従来技術における問題が発生することがある。

本発明によれば低圧コンプレッサ１６ｂはパワーテイクイン（ＰＴＩ）２１を割り当てられる。特にＳＣＲ触媒コンバータ１７での比較的大きな排ガスの温度降下の結果として、所望量の給気を内燃機関のシリンダ１１に供給するために必要な適切な量のエネルギーを低圧タービン１３ｂを介してもはや提供できない場合に、低圧コンプレッサ１６ｂをパワーテイクイン２１を用いて駆動できる。このように低圧コンプレッサ１６ｂはパワーテイクイン２１を介して駆動されるため、低圧タービン１３ｂでの動力損失はパワーテイクイン２１を介して相殺つまり埋め合わせることができる。

本発明のとりわけ有利な態様として、高圧タービン１３ａの下流かつＳＣＲ触媒コンバータ１７の上流には第１の温度センサ１８が配置され、かつＳＣＲ触媒コンバータ１７の下流かつ低圧タービン１３ｂの上流には第２の温度センサ１９が配置され、制御デバイス２０が、温度センサ１８，１９を介して検出された排ガス温度の温度差に応じて、低圧コンプレッサ１６ｂを駆動するためにパワーテイクイン２１に提供すべきエネルギーの量を自動的に特定し、該パワーテイクイン２１が低圧コンプレッサ１６ｂに特定された量のエネルギーを自動的に提供する様式でパワーテイクイン２１を作動させることが挙げられる。

この場合、ＳＣＲ触媒コンバータ１７を経た排ガスの温度の降下によって引き起こされる低圧タービン１３ｂでの動力損失は、自動的にパワーテイクイン２１を介して相殺できる。

図１のパワーテイクイン２１はすでに説明したように例えば電気モータとすることができ、該電気モータは、ＳＣＲ触媒コンバータ１７を介した温度降下に応じて制御デバイス２０により自動的に駆動されかつ作動される。

加えて図１には、高圧タービン１３ａへのバイパス２３に配置されたウェイストゲートバルブ２２を示す。特に内燃機関が全負荷状態で作動される場合、このウェイストゲートバルブ２２を介して、例えば排ガスを高圧タービン１３ａを通り越すよう誘導できる。そうしたウェイストゲートバルブは従来公知である。

図１の例示的な実施形態のさらなる展開例が図２に示される。図２では高圧タービン１３ａはパワーテイクアウト（ＰＴＯ）２４を割り当てられる。パワーテイクアウト２４を用いて、低圧コンプレッサ１６ｂを駆動するためにパワーテイクイン２１の領域で利用されるエネルギーを高圧タービン１３ａから抽出できる。これは、特に例えば全負荷稼働中に、高圧コンプレッサ１６ａの駆動に必要なエネルギーよりも多くのエネルギーが高圧タービン１３ａで発生するように内燃機関１０の排ガス量が非常に大きい場合に可能となる。この場合ウェイストゲートバルブ２２は、排ガスをバイパス２３を介して高圧タービン１３ａを通り越すように誘導するために、従来通りに開放される。なお、この過剰なエネルギーは、パワーテイクアウト２４を介して抽出でき、低圧コンプレッサ１６ｂに割り当てられたパワーテイクイン２１を駆動するために利用できる。

工程中、高圧タービン１６ａの領域でパワーテイクアウト２４で抽出されたエネルギーは、低圧コンプレッサ１６ｂを駆動するためにパワーテイクイン２１の領域で直接利用される。そのためパワーテイクアウト２４は、特にＳＣＲ触媒コンバータ１７を介した温度降下に応じて、発電モードで電気エネルギーを発生する発電機とすることができる。このとき電気エネルギーは、低圧コンプレッサ１６ｂを駆動するために電気モータとして設計されたパワーテイクイン２１の領域で直接利用される。

例えば静止作動モードでは、ＳＣＲ触媒コンバータ１７はすでに加熱されておりかつ低圧コンプレッサ１６ｂを駆動するために適切な量のエネルギーを抽出でき、さらに発電モードでは、高圧タービン１３ａに割り当てられたパワーテイクアウト２４は電気エネルギーを発生でき、この電気エネルギーは、パワーテイクイン２１ひいては低圧コンプレッサ１６ｂを駆動するべく電気エネルギーを利用するために電気エネルギー蓄積ユニット２５（図３参照）を充電するよう利用される。

ここでパワーテイクアウト２４はパワーテイクイン２１に機械的に連結できることに留意されたい。

この場合、例えば高圧タービン１３ａのパワーテイクアウト２４と低圧コンプレッサ１６ｂのパワーテイクイン２１との間には、着脱可能なクラッチが備えられたシャフトが延在いる。クラッチは、ＳＣＲ触媒コンバータ１７を介した温度降下に応じて、パワーテイクイン２１を駆動するためひいては低圧コンプレッサ１６ｂを駆動するためのエネルギーが高圧タービン１３ａの領域におけるパワーテイクアウト２４を介して抽出されるかどうかを決定するための制御デバイス２０によって自動的に開閉可能である。

特に高圧タービン１３ａがパワーテイクアウト２４を割り当てられた場合、図３から明らかなようにウェイストゲートバルブ２２を備えるバイパスを完全に省略できる。つまり、特に高圧タービン１３ａの領域で高圧コンプレッサ１６ａの領域で必要なエネルギーより多くのエネルギーが発生した場合、そのエネルギーは、例えば電気エネルギー蓄積ユニット２５を充電するためにパワーテイクアウト２４を介して連続的に抽出される。

そのため本発明の目的は、低圧コンプレッサ１６ｂにパワーテイクイン２１を割り当てることである。特に排ガスエネルギーが不十分であるがゆえに低圧コンプレッサ１６ｂを適切に駆動するための適切な量のエネルギーを低圧タービン１３ｂの領域で抽出できなかった場合、このエネルギーの不足は、低圧コンプレッサ１６ｂを適切な回転速度まで加速させて最終的には内燃機関１０のシリンダ１１に適切な給気を供給するために、パワーテイクイン２１を介して相殺つまり埋め合わせることができる。このため、いわゆる内燃機関１０の衝撃負荷能力が向上される。

パワーテイクイン２１の動作は、特にＳＣＲ触媒コンバータ１７に沿って生じる排ガスの温度降下に応じて自動で制御されるか調整されることが好ましい。そのため温度センサ１８，１９の各々が、ＳＣＲ触媒コンバータ１７の上流およびＳＣＲ触媒コンバータ１７の下流に配置される。これらセンサの助けによって最終的にはＳＣＲ触媒コンバータ１７に沿った温度降下を検出できる。この温度降下に応じて、パワーテイクイン２１は、ＳＣＲ触媒コンバータ１７に沿った排ガスのエネルギー損失を相殺するよう低圧コンプレッサを作動させるべく、自動的に制御される。内燃機関１０のシリンダ１１に適切な量の給気を供給するために、ＳＣＲ触媒コンバータ１７に沿った温度降下ひいてはエネルギー損失が大きくなればなるほど、より大きなエネルギーがパワーテイクイン２１ひいては低圧コンプレッサ１６ｂに供給される。

とりわけ静止作動モードにおいてＳＣＲ触媒コンバータ１７に沿って顕著な排ガスの温度降下がこれ以上生じない場合、低圧コンプレッサ１６ｂを駆動するために適切な量のエネルギーが低圧タービン１３ｂの領域で抽出できるため、パワーテイクイン２１は制御デバイス２０を介して自動的に停止可能である。

本発明はさらに、内燃機関を作動させるための上述の方法を実施するための制御デバイス２０に関するものである。該制御デバイス２０はこの方法を実施するための手段を備える。これら手段は特にソフトウェア手段およびハードウェア手段である。ハードウェア手段は、本発明に基づく方法を実施するのに必要なアセンブリを用いてデータを交換するためのインターフェースを含む。さらにハードウェア手段は、データ処理のためのプロセッサおよびデータ格納のための格納ユニットである。ソフトウェア手段は、本発明の方法を実施するためのプログラムモジュールである。

上述の実施形態では主にＳＣＲ触媒コンバータについて説明したが、この方法はこれに限定されない。例えば粒子フィルタ、ＣＯ酸化、ＣＨ_２Ｏ酸化、またはＣＨ_４酸化触媒コンバータなどの他の構成要素を備えることもできる。

１０ 内燃機関
１１ シリンダ
１２ 排ガス
１３ａ 高圧タービン
１３ｂ 低圧タービン
１４ａ 排ガスターボチャージャ
１４ｂ 排ガスターボチャージャ
１５ 給気
１６ａ 高圧コンプレッサ
１６ｂ 低圧コンプレッサ
１７ ＳＣＲ触媒コンバータ
１８ 温度センサ
１９ 温度センサ
２０ 制御デバイス
２１ パワーテイクイン
２２ ウェイストゲート
２３ バイパス
２４ パワーテイクアウト
２５ エネルギー蓄積ユニット

Claims (8)

1. 複数のシリンダ（１１）と、
   高圧タービン（１３ａ）と高圧コンプレッサ（１６ａ）とを備える第１の排ガスターボチャージャ（１４ａ）と、
   低圧タービン（１３ｂ）と低圧コンプレッサ（１６ｂ）とを備える第２の排ガスターボチャージャ（１４ｂ）と、
   例えば粒子フィルタ、ＣＯ酸化、ＣＨ２Ｏ酸化またはＣＨ４酸化触媒コンバータあるいはＳＣＲ触媒コンバータ（１７）などの、前記高圧タービン（１３ａ）と前記低圧タービン（１３ｂ）との間に配置された排ガス後処理のための少なくとも１つのデバイスと、
   を備える内燃機関（１０）であって、
   前記高圧タービン（１３ａ）を離れた排ガスは、前記少なくとも１つのデバイスを介して前記低圧タービン（１３ｂ）の上流に導入され、
   前記低圧コンプレッサ（１６ｂ）はパワーテイクイン（２１）を割り当てられており、
   前記ＳＣＲ触媒コンバータ（１７）における相対的に大きな排ガス温度降下の結果として、所望量の給気を前記内燃機関の前記シリンダ（１１）に供給するために必要な適切な量のエネルギーを前記低圧タービン（１３ｂ）を介して提供できない場合に、前記低圧コンプレッサ（１６ｂ）は前記パワーテイクイン（２１）を介して駆動可能であり、かつ
   前記高圧タービン（１３ａ）はパワーテイクアウト（２４）を割り当てられており、前記パワーテイクアウト（２４）を介して、前記低圧コンプレッサ（１６ｂ）を駆動するために前記高圧タービン（１３ａ）でエネルギーを抽出できることを特徴とする内燃機関。
2. 前記高圧タービン（１３ａ）の下流かつ例えば粒子フィルタ、ＣＯ酸化、ＣＨ２Ｏ酸化またはＣＨ４酸化触媒コンバータあるいは前記ＳＣＲ触媒コンバータ（１７）などの前記排ガス後処理のための前記デバイスの上流には、第１の温度センサ（１８）が配置され、
   前記ＳＣＲ触媒コンバータ（１７）の下流かつ前記低圧タービン（１３ｂ）の上流には第２の温度センサ（１９）が配置され、
   制御デバイス（２０）が、前記第１の温度センサ（１８）で測定された排ガス温度と前記第２の温度センサ（１９）で測定された排ガス温度との間の温度差に応じて、前記低圧コンプレッサ（１６ｂ）を駆動するために前記パワーテイクイン（２１）に提供すべきエネルギーの量を自動で特定しかつ自動で調節することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記パワーテイクイン（２１）は電気モータによって提供されていることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関。
4. 前記パワーテイクアウト（２４）は、特に前記高圧タービン（１３ａ）が前記高圧コンプレッサ（１６ａ）の作動に必要なエネルギーよりも大きなエネルギーを提供する場合に発電モードで過剰なエネルギーを電気エネルギーに変換する発電機によって提供され、
   前記電気エネルギーは、特に前記内燃機関の前記シリンダ（１１）に所望量の給気を供給するために前記低圧タービン（１３ｂ）を介して適切な量のエネルギーを提供できない場合に、前記パワーテイクイン（２１）ひいては前記低圧コンプレッサ（１６ｂ）を駆動するために直接利用でき、かつ、
   前記電気エネルギーは、特に前記低圧タービン（１３ｂ）を介して前記内燃機関の前記シリンダ（１１）に所望量の給気を供給するために適切な量のエネルギーを提供できる場合には、電気エネルギー蓄積ユニットを充電するためかつ後で前記パワーテイクイン（２１）ひいては前記低圧コンプレッサ（１６ｂ）を駆動するために利用でき、かつ／または前記パワーテイクインに割り当てられていない別の消費要素を作動させるために使用されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の内燃機関。
5. 前記パワーテイクアウト（２４）は前記パワーテイクイン（２１）に機械的に連結されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の内燃機関。
6. 複数のシリンダ（１１）と、
   高圧タービン（１３ａ）と高圧コンプレッサ（１６ａ）とを備える第１の排ガスターボチャージャ（１４ａ）と、
   低圧タービン（１３ｂ）と低圧コンプレッサ（１６ｂ）とを備える第２の排ガスターボチャージャ（１４ｂ）と、
   例えば粒子フィルタ、ＣＯ酸化、ＣＨ２Ｏ酸化またはＣＨ４酸化触媒コンバータあるいはＳＣＲ触媒コンバータ（１７）などの、前記高圧タービン（１３ａ）と前記低圧タービン（１３ｂ）との間に配置された排ガス後処理のためのデバイスであって、前記高圧タービン（１３ａ）を離れた排ガスは前記デバイスを介して前記低圧タービン（１３ｂ）の上流に導入される、デバイスと、
   を備える内燃機関（１０）を作動するための方法であって、
   前記低圧コンプレッサ（１６ｂ）はパワーテイクイン（２１）を割り当てられており、
   特に前記ＳＣＲ触媒コンバータ（１７）における相対的に大きな排ガス温度降下の結果として、所望量の給気を前記内燃機関の前記シリンダ（１１）に供給するために必要な適切な量のエネルギーを前記低圧タービン（１３ｂ）を介して提供できない場合、前記低圧コンプレッサ（１６ｂ）は前記パワーテイクイン（２１）を介して駆動され、かつ
   前記高圧タービン（１３ａ）において、前記パワーテイクイン（２１）を駆動するためのエネルギーがパワーテイクアウト（２４）を介して抽出されることを特徴とする方法。
7. 前記高圧タービン（１３ａ）の下流かつ前記排ガス後処理のためのデバイス（１７）の上流に配置された第１の温度センサ（１８）と、前記ＳＣＲ触媒コンバータ（１７）の下流かつ前記低圧タービン（１３ｂ）の上流に配置された第２の温度センサ（１９）と、を用いて排ガス温度が特定され、かつ、
   前記第１の温度センサ（１８）における排ガス温度と前記第２の温度センサ（１９）における排ガス温度との間の温度差に応じて、前記低圧コンプレッサ（１６ｂ）を駆動するために前記パワーテイクイン（２１）に提供すべきエネルギー量を自動で特定しかつ自動で調整することを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 請求項６または７に記載の方法を実施するための手段によって特徴付けられる、内燃機関（１０）の制御デバイス（２０）。

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