JPH10504866A - ターボチャージされる内燃式エンジン装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 内燃式エンジン（４０）用ターボチャージャー（２、３）は、余分のパワーを供給し、補助パワーユニットとして機能できるように、その入口と出口の間に燃焼室（７）を備えている。ターボチャージャーは、始動用モーターとして、また、通常運転時にはジェネレーターとして使用されうるモーター／ジェネレーター（４）に連結されている。他の実施例では、補助ターボチャージャーは出力ポートを補助燃焼室の入力ポートに接続させている。

Description

【発明の詳細な説明】 ターボチャージされる内燃式エンジン装置 この発明は、ターボチャージされる内燃式エンジン装置に関し、特に、ターボ チャージされるディーゼルエンジンに関する。 内燃式エンジンに送り込まれる空気を加圧すると、より多くの燃料充填がされ 、大きなパワーを発生する燃焼がされることが知られている。ターボチャージャ ーによる方法で加圧充填する場合は、シリンダーから出た排気ガスによって駆動 されるタービンによって、圧縮機が駆動される。このようなシステムには、２つ の作用上の問題がある。 ・タービン／圧縮機の回転慣性がエンジン加速時の速度を減少させる。これはタ ーボラグ（turbo lag）として知られている。 ・高いレベルの加圧充填で非常に高い性能が出るようにエンジンが設計されてい る場合は、普段は低い圧縮率になりシリンダーヘッドの圧力と温度を制限する。 このことは、特に冷えた状態で、始動時の困難性を招く。 １９７５年に発行されたＧＢ−Ａ−1396082では、排気ターボチャージャーを 備えた内燃式エンジンが提案されている。このエンジンは、調節可能な電気モー ターを含むさらなる駆動装置を含んでいる。これを使えば、エンジンの速度の作 用の全てに渡ってエンジンと一定の関係でモーターの回転速度が維持される。 この発明の目的の一つは、必要なときに余分の（extra）パワーを提供するの に適した、ターボチャージされる内燃式エンジンを提供することにある。 この発明の一側面に従えば、圧縮機を駆動するために設けられ たタービンを備えたターボチャージャーを有する内燃式エンジン装置が提供され ている。それは補助燃焼室により特徴付けられ、これはターボチャージャーサー キットに含まれる。 好ましくは、この装置はさらにターボチャージャーに結合される回転式動電変 換機（rotary dynamoelectric machine）を備える。 好ましくは、この動電変換機は、ジェネレーターとして作用可能であり、ター ボがクラッチ装置を介して連結される。この方法だと、装置は動電変換機の慣性 から自由になることができ、普通のターボチャージャーとして作用可能である。 クラッチ装置を介してエンジンに接続されジェネレーターとして使われるとき は、ジェネレーターからエネルギーを回収できる。装置のこの形態においては、 回収されるエネルギーのレベルは、圧縮機とタービンとの空気力学的な整合によ り制限され、一般的には燃焼パワーの約１０％が抽出される。 好適な実施例においては、ジェネレーターを駆動するために補助手段（supple mentary means）が設けられる。好ましくは、この補助手段、は、フリータービ ンモードで作用するように設けられたタービンである。フリータービンは、後続 の膨張段階で作用し、それは、膨張率がターボチャージャーの膨張段階の後に排 気システムに残された余分のエネルギーから許容するだけのエネルギーを抽出す る。補助手段がどのような方法ででも電気モーター／ジェネレーターに接続され ると、それはクラッチ装置を介してフリータービンを動電変換機に接続するのに 都合がよい。 この発明のより好適な態様では、電気モーター／ジェネレーターは、タービン により直接駆動されうる、高速で小さな慣性の装置である。このような装置は、 進歩した永久磁石とソリッドステートスイッチングを組み込んでいる。 さらに好ましい実施例では、ジェネレーターとそれが関係し補 助燃焼室を含んだターボチャージャーが、主内燃式エンジンから独立した補助パ ワーユニットとして作用することができる。補助パワーユニットはまた、熱交換 器と結合でき、それ自身と主エンジンの排気システムの双方から熱を抽出し、効 率を改善する。 好ましい実施例の態様では、圧縮機側から出た圧縮空気は、外気熱交換器（am bient air heat exchanger）を通じて冷却された後、外気圧に膨張し、パッセン ジャーコンパートメント（passenger compartment）を冷却または加熱する。こ の態様では、装置の燃焼室から直接的にターボチャージャーに余分のエネルギー を供給することによって、主内燃式エンジンのパワーがかなり増加する。このよ うな態様では、入って来る空気は、補助燃焼室と主内燃式エンジンに分けられな ければならない。 さらに好ましい実施例では、補助パワーユニットは主内燃式エンジンから分離 され、どのような空気力学的な装置も主内燃式エンジンと共用はしない。 さらなる実施例では、ターボチャージされるエンジンへのチャージ圧力を増加 させることが、さらなる特定の目的である。好ましくはそのエンジンはターボチ ャージされるディーゼルエンジンである。 この実施例では、補助ターボチャージャーが、最初に述べたターボチャージャ ーと補助燃焼室装置とを備えるサーキットに含まれている。 好ましくは、内燃式エンジンは、タービンと圧縮機、燃焼室、および、補助タ ーボチャージャーサーキットを備えた主ターボチャージャーサーキットを有して いる。補助サーキットの出力は、主ターボチャージャーの入力側に圧縮空気を供 給するために設けられている。 上記実施例で創り出される余分のパワーは、主内燃式エンジン によって課せられる物理的な制約によってのみ制限される。さらに、その設計は 、一体化した（integrated）設計の場合に比べて、非常に拘束が少ない。多段式 でターボチャージされるエンジンにおいては、内燃式エンジンと第一のターボチ ャージャーとの間の室と、ターボチャージャー間の室への、排気ガスの量を変え ることによって、内燃式エンジンの温度と圧力の状態の決定において非常に柔軟 性が生じることがわかる。 好ましい実施例は、内燃式エンジンの始動に先立ち、その入口マニホールドに プリチャージするのに使うことができ、そうすれば、低圧縮で高性能のエンジン で経験する冷却時始動（cold start）の困難さを克服できる。 内燃式エンジンの入口マニホールドの通常空気の入口を閉じるようにバルブ操 作をすることにより、補助燃焼室からの排気ガスを直接入口マニホールドえ導く ことも可能である。空気燃料比は、ディーゼルエンジンを始動するのに十分なほ どに過剰の酸素を残しているからである。空気はいくつかの目的のために圧縮機 の段階から取り出される。いくつかの環境下において、内燃式エンジンは電気的 な始動を使うことなく始動されうる。 好ましい実施例は、２つのグループに分かれる。すなわち、ターボチャージャ ーサーキットの空気力学的な構成要素を主エンジンと共用しているものと、自立 構造でターボチャージャーのタービンが独立して作用可能なものとである。 この発明をよく理解できるように、添付図面に言及して例証する。ここで、 図１は、この発明に従った、一体化した（integrated）ターボチャージャー装 置の基本的なサーキットを示す。 図２は、この発明に従った、もう一つの一体化したターボチャージャー装置を 示す。 図３Ａから３Ｅは、異なる作用状態における図２のサーキットを示す。 図４は、さらなる実施例であり、ターボチャージャーのタービンが独立して作 用可能な実施例を示す。 図４ｂは、図４の実施例の変形を示す。 図４ｂは、図４の実施例のさらなる変形を示す。 図４ｃは、図４の実施例のさらなる変形を示す。 図４ｄは、図４の実施例のさらなる変形を示す。 図４ｅは、図４の実施例のさらなる変形を示す。 図４ｆは、図４の実施例のさらなる変形を示す。 同一の参照数字は、異なる実施例において同一の部分を示すのに使用されてい る。 図１に示されるサーキットは、接続軸３によりタービン２に接続された圧縮機 １から成るターボチャージャーを備えている。高速で小さな慣性の電気モーター ／ジェネレーター４がクラッチ５によって軸３に接続されている。クラッチ５は モーターを圧縮機１に接続したり、接続を解除したりできる。クラッチ５は一方 向装置であってもよい。 管６は、圧縮空気を燃焼室７に供給する。エンジン空気吸入サーキット８は管 ６に枝別れしており、第一誘導バルブ９の制御の下でポート８ａ（そのうちのひ とつだけを図示している）を介して圧縮された往復式内燃式エンジン４０のシリ ンダーに供給する。第一誘導バルブ９は管６の入口において位置９ａ、９ｂおよ び９ｃの間を動くことができる。 管１０は、燃焼室７の出口とエンジン排気管１１とを接続するが、このエンジ ン排気管１１はエンジン４０のポート１１ａからタービン２へ排気ガスを供給す る。第２の誘導バルブ装置１２は、位置１２ａ、１２ｂおよび１２ｃの間を動く ことができ、管１０ が管１１と接合されるところに設けられている（単純化された装置においては、 これらのバルブは省略できる）。膨張した排気ガスは排気管１３を介して大気に 出る。ノズル１４は燃料タンク（図示せず）から燃焼室７の壁を通じて伸延し、 燃焼室７に燃料を注入し、必要時に余分の（extra）排気ガスのエネルギーを供 給する。 通常は、空気が圧縮機１に供給され、排気ガスがタービン２に供給される。タ ービン２が作用し、クラッチ５がモーター４を軸３に接続すると、電気が発生し 、整流器（図示せず）により整流され、バッテリーに蓄えられる。この方法では 、サーキットを、電力を発生させて蓄えるために使うことができる。エンジンが 回転しているときは、モーター４は補助のパワーを供給するのに使われ、これは 特に、吸入される空気を圧縮するほど十分速くタービンを駆動するほどには排気 ガスに十分なエネルギーが無いような、エンジンが低いパワーで回転する時に、 特に有効である。 モーター／ジェネレーター４は交流機械であり、普通のソリッドステートのス イッチング装置Ｓを設けている。このスイッチング装置Ｓは、整流および電力が 吸収されるか発生されるかを制御するための制御入力４１を備えている。 図２の実施例では、サーキットはさらなるタービン２０を電気モーター／ジェ ネレーター４の端部に備えている。この電気モーター／ジェネレーター４は一方 向クラッチ５を介して圧縮機１に接続される。さらなるタービン２０用の管２１ は、主タービンの出口側に接続されている。クラッチははずれている。誘導バル ブ２２は、管２１と管２２の接合点に設けられており、位置２２ａと２２ｂの間 を動くことができる。 単純化のために、ソリッドステートのスイッチング装置Ｓと内燃式エンジン４ ０とは、図２および残りの図において省略されて いるが、ここに設けられており、その後実施例で説明される。 図３Ａは、図２のサーキットの、通常のターボチャージングの作用の作用様式 を示している。ここでは、クラッチがはずれており、空気が圧縮機に供給され、 排気ガスがタービンに供給されている。 図３Ｂでは、始動時において、空気が、電気を供給されたモーターによって駆 動された圧縮機によって供給されている。（いくつかの場合において、これは、 スターターモーターに頼ることなく内燃式エンジンを始動させる。） 図３Ｃでは、ブーストされた低速電気発生のため、クラッチ５ははずれている 。空気は圧縮機に供給されている。そして、燃料と迂回した（diverted）空気の 注入の遅れバルブのタイミングによって、余分の（extra）エネルギーを排気に 転用することで、余分のエネルギーがタービンに供給される。 図３Ｄでは、余分の（extra）主エンジンのブーストのため、通常、過渡状態 の間、電気的エネルギーがモーター４に供給されて、ターボチャージャーの速度 が上がる。クラッチ５はかみ合っている。 図３Ｅでは、ガスタービン補助パワーユニットとして使用するために、クラッ チ５ははずれている。吸入空気は燃焼室７に迂回される。そして、排気ガスのパ ワーは両タービンに供給される。 図３Ｆは、安定状態の主エンジンのブーストのための複合エンジンとして使用 するため、バルブ９は位置Ｃにあり、入ってくる空気を補助燃焼室７と主内燃式 エンジン４０（図示せず）に分けている。バルブ１２は位置Ｃにあり、主内燃式 エンジン４０と補助燃焼室７の両方からのガスをタービン２に衝突させている。 いくぶん効率を減少させるが、単純化のために、すべの場合において、排気の 進路を変えるバルブ１２ａ、１２ｂおよび２２を 省略してもよい。 この構成と作用様式の利点によって、この発明のエンジンは次の役割をなすこ とができる。 １．主エンジンが作用しないときは、ガスタービン補助パワーユニット、および 、熱とパワーの結合ユニットとして ２．主エンジンを補助または始動するためのプリチャージャー（precharger）と して ３．圧縮機を電気的にスピードアップさせることによる過渡的なブースターとし て ４．主エンジンが低速にある時の余分の（extra）可能出力を使ったジェネレー ターとして ５．圧縮機を電気的に加速することによってターボラグを除去する装置として ６．通常のターボチャージャーとして ７．主往復式エンジンの安定状態のパワーをブーストするための複合エンジンと して 図４の実施例は、主内燃式エンジンのパワー出力を増加させるという主目的の ためのものであり、少なからぬ期間、複合エンジンとして動作する。 図４に示されるサーキットは、タービン１に接続された圧縮機２を備えたター ボチャージャーＴ１を備えている。管１１は圧縮空気をターボチャージャーＴ１ から内燃式エンジン（図示せず）のシリンダーに供給する。エンジンからの排気 ガスは管８を介してターボチャージャーＴ１の圧縮機２へ伝えられる。管８は、 管１３に余分な排気ガスを迂回させるウェイストゲートであるバルブ２５ａを組 み込んだ枝管４２を有している。 この発明に従えば、補助タービンセットＴ２が設けられている。このタービン セットは、圧縮機３０とタービン２０を備えている。 これはクラッチ装置５を介し軸３によりモーターまたは変換器４に接続されてい る。変換器／モーター４は、主エンジンの制御に統合された電子制御ユニットの 指令によって、電力を抽出または供給するように電子的に制御される。この好ま しい実施例では、補助タービンユニットＴ３も設けられている。補助タービンセ ットＴ２の圧縮機２０からの出力は、燃料注入ノズル１４を含んだ燃焼室７に導 かれる。燃焼室の出力は管１０を介して導かれ、調節可能制御バルブ１２ｄを介 して排気入口管８に、また、調節可能制御バルブ２５を介して排気入口管１３に 導かれる。ターボチャージャーＴ３の出口側は、管２８を介してターボチャージ ャーＴ１の入口に接続されている。これにより、ターボチャージャーＴ１のみが 使用されて達成されるよりもかなり高い圧力にまで、主エンジン入口マニホール ド管１１内の圧力を昇圧する。余分の（extra）燃料を主エンジン内で燃焼でき 、これによりクランクシャフトで発生するパワーを非常に増加させる。ウェイス トゲート制御バルブ２６は、入口管１１、２８内の圧力を制御するのに使われる 。エンジンが安定状態近くで駆動されている適用においては、ウェイストゲート ２５、２６は必要ではない。 補助燃焼室７から管８、１３への排気ガスの流れを特別に制御することによっ て、内燃式エンジン４０内の圧力と温度の状態を、最大パワーを達成するのに近 い状態に制御することができ、主エンジンはこの構成により課せられる物理的拘 束から解放されるということが知られている。 変換機／モーター４は、バッテリーから電気を引き出してタービンセットＴ２ の速度を上げることによって、ターボラグを減少させるのに使うことができる。 調節可能バルブ１２ｄ、２５を閉じることによって、タービンセットＴ２と燃 焼室７は、変換機４を独立の補助パワーユニット として使うことができる。 ターボチャージャーＴ１のみが設けられ、燃焼室７からの排気ガスが調節可能 バルブ１２ｄを介して管８に導かれるときは、このシステムは一段式のターボチ ャージャーで動作する。調節可能バルブ２５は省略される。 主エンジンの性能をブーストさせる目的で利用できる最大のパワーは、通常ジ ェネレーター４に吸収されるパワーに等しいが、これは、主エンジンが最大のブ ーストを要求するとき、ほとんど発生されないかまたは全く発生されない。調節 可能バルブ１２ｄ、２５の両方が閉じられ、このシステムが独立した補助パワー ユニットとして作用するときは、どのような中間の段階も、ブーストパワーと電 気的発生の減少との組み合わせを提供することができる。 図４ａの実施例では、システムは、燃焼室７からの排気ガスが予備ターボチャ ージャーのタービン２の方へのみ入るように単純化されている。このようなシス テムは、一段式の装置にも適用される。図４ｃでは、調節可能バルブ１２ｄが閉 じられ、システムは独立した補助パワーユニットとして作用する。 実施例４ｂでは、ターボチャージャーのタービン２、２３の両方が同一の入口 圧力を受け入れ、両方のターボチャージャーが大気へ排気する。このシステムは システムの背圧を低くして効率を改善する。しかし、パワー出力は、図４に記し たシステムのような柔軟性を有しない。図４ｄでは、調製可能バルブ１２ｄは閉 じられており、システムは独立した補助パワーユニットとして作用する。 実施例４ｅでは、燃焼室７からの排気ガスを調節可能バルブ２５を介して管１ ３に導くことによって、システムはさらに単純化されている。このシステムは比 較的に簡単に実在するシステムに 設計できるが、図４に記されたシステムのような柔軟性はない。図４ｆは、独立 した補助パワーユニットとして作用している４ｅのシステムを示している。 全実施例４、４ａ、４ｂ、４ｅは、主エンジンより先に始動されることによっ て、始動に先立ち主エンジンのマニホールドを加圧する。主エンジンはこのよう にして、可能な他の方法によるよりも非常に低い圧縮率で、また、非常に高いパ ワー出力で駆動される。モーター／ジェネレーター７がモーターとして駆動され ているときに、モーター／ジェネレーター７を通じて利用される電力を使用する ことによって、図１から３の実施例におけるようなターボラグの影響を相殺でき る。 この発明のいくつかの実施例では、特に、この発明のさらなる局面においては 補助燃焼室は省くことができ、ここでは、圧縮機とクラッチ装置を介してターボ チャージャーに連結される回転式動電変換器を駆動するためのタービン装置を備 えたターボチャージャーを有する内燃式エンジン装置を提供している。ここで、 回転式動電変換器は、ジェネレーターとして作用可能なものである。 この発明は、ここに開示されたすべての新たな組み合わせまたは副次的な組み 合わせにも拡張される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)， ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，Ｃ Ｈ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ， ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，Ｍ Ｋ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ， ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．圧縮機（１）を駆動するために設けられたタービン（２）を備えたターボチ ャージャーを有する内燃式エンジン装置であって、補助燃焼室（７）によって特 徴付けられ、この補助燃焼室はターボチャージャーサーキット（７、８、１０、 １１）に含まれる、内燃式エンジン装置。 ２．請求項１記載の内燃式エンジン装置であって、さらに、ターボチャージャー （１、２）に連結された回転式動電変換器（４）を備えた、内燃式エンジン装置 。 ３．請求項２記載の内燃式装置であって、動電変換器（４）はジェネレーターと して作用可能であり、ターボチャージャー（１、２）がクラッチ装置（５）を介 して動電変換器に接続される、内燃式装置。 ４．請求項２記載の内燃式エンジン装置であって、動電変換器（４）を駆動する ために補助手段（２０）が設けられた、内燃式エンジン装置。 ５．請求項４記載の内燃式エンジン装置であって、前記補助手段が、フリーター ビンモードにおいて作用するように設けられたさらなるタービン（２０）である 、内燃式エンジン装置。 ６．請求項４又は５記載の内燃式エンジン装置であって、前記補助手段（２０） が、クラッチ装置（５）を介して前記動電変換器 （４）に接続される、内燃式エンジン装置。 ７．請求項５又は６記載の内燃式エンジン装置であって、前記さらなるタービン （２０）の出口管（２１）が、排気ガスからの熱を抽出するために設けられた熱 交換器に熱的に連結されている、内燃式エンジン装置。 ８．請求項２から６のいずれか１項に記載の内燃式エンジン装置であって、前記 動電変換器（４）が、ターボチャージャー（１、２）によってターボチャージャ ーと同様の回転速度で駆動されるように設けられた高速で低慣性の機械である、 内燃式エンジン装置。 ９．請求項１から８のいずれか１項に記載の内燃式エンジン装置であって、前記 動電変換器（４）が交流機械であり、前記電動変換器はジェネレーターの制御の ためにゲートコントロール式半導体スイッチング手段（５）を備えている、内燃 式エンジン装置。 １０．請求項１から９のいずれか１項に記載の内燃式装置であって、補助タービ ンセット（Ｔ３）が、前記最初に述べたターボチャージャー（Ｔ１）および／ま たは 前記補助燃焼室の回路に含まれる、内燃式装置。 １１．請求項１０記載の内燃式エンジン装置であって、前記補助タービンセット （Ｔ３）のサーキットの出力（２８）が、前記最初に述べたターボチャージャー （Ｔ１）の入力側に圧縮空気を供給するように設けられた、内燃式エンジン装置 。 １２．請求項１０又は１１記載の内燃式エンジン装置であって、補助燃焼室（７ ）がさらなるタービンセット（Ｔ２）のサーキットに含まれ、前記第３のタービ ンセットのサーキットが、前記補助タービンセットの入力（１３）に接続されお よび／または前記内燃式エンジンの排気に接続された出力を有する、内燃式エン ジン装置。 １３．請求項１２記載の内燃式エンジン装置であって、バルブ手段（１２ｄ、２ ５）が、前記さらなるタービンセット（Ｔ２）のサーキットの前記出力から前記 主ターボチャージャー（Ｔ１）および補助タービンセット（Ｔ３）の入力への対 応するガスの流れを制御するために設けられた、内燃式エンジン装置。 １４．請求項２に従属する請求項１２又は１３記載の内燃式エンジン装置であっ て、前記動電変換器（４）が、前記さらなるタービンセット（Ｔ２）に連結され た、内燃式エンジン装置。 １５．請求項１０記載の内燃式エンジン装置であって、前記補助燃焼室（７）が さらなるタービンセット（Ｔ２）のサーキットに含まれ、前記さらなるタービン セットのサーキットの出力と、タービンが前記内燃式エンジンの排気に接続され た主ターボチャージャー（Ｔ１）の排気とが、前記補助タービンセット（Ｔ３） の入力（１３）に接続された、内燃式エンジン装置。 １６．請求項１５記載の内燃式エンジン装置であって、バルブ（２５）が、前記 さらなるタービンセット（Ｔ２）のサーキットの前記出力と、前記補助タービン セット（Ｔ３）の前記入力との間に接続された、内燃式エンジン装置。 １７．請求項２に従属する請求項１５又は１６記載の内燃式エンジン装置であっ て、前記動電変換器（４）が前記さらなるタービンセット（Ｔ２）に連結された 、内燃式エンジン装置。