JP2005090509A - Ｅｇｒ流を用いたターボ過給内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、排気ガス再循環（ＥＧＲ）システムを含むターボ過給内燃機関に関する。
【解決手段】 ターボ過給エンジンは、吸気マニホルド圧が、一般には、排気マニホルド圧を超えるように作動される。低圧ターボチャージャ及び高圧ターボチャージャは直列に設けられる。排気ガス再循環（ＥＧＲ）システムは、排気ガスの一部を高圧ターボチャージャの圧縮機入口に受動的に導く。
【選択図】 図１

Description

連邦政府後援による研究又は開発に関する陳述
本発明は、契約番号ＤＥ−ＦＣ０５−００ＯＲ２２８０５号の下で政府の支援によってなされたものである。政府は本発明に対して所定の権利を有する。
本発明は、排気ガス再循環（ＥＧＲ）システムを含むターボ過給内燃機関に関する。

高負荷のエンジン業界は、極めて競争が激しい。より良いエンジン性能、改善された信頼性、及び、より高い耐久性を提供する一方で、より厳しい有害排出物及び騒音に対する必要条件を満たすエンジンを設計し、製造することに対する増加した要求が、エンジン製造者に出されている。より厳しい有害排出物についての必要条件を満たす１つの手法は、排気ガス再循環（ＥＧＲ）システムを利用することである。

通常のターボ過給ディーゼル機関においては、吸気マニホルドは、排気マニホルドより高圧である。この関係は、良好な燃料節約（能動的なポンプ作用による）と、エンジンの吸排気と、ターボチャージャ作動との間での最も良好な妥協をもたらす。問題は、吸気マニホルドが排気マニホルドより高圧であることにより、排気ガスがＥＧＲのために、吸気マニホルド内に流れることができないことである。通常のエンジンにおけるこの問題に対する可能性のある解決法は、排気マニホルド圧が吸気マニホルド圧より高くなるように空気システムを構成するか、又は、ＥＧＲを流すためにポンプを用いることである。排気マニホルド圧を、吸気マニホルド圧より高く設定することは、燃料節約にとって良いことではない。
さらに別の背景情報が、米国特許第５，６１１，２０２号明細書、６，３６０，７３２号明細書、６，４６０，５１９号明細書、及び、６，４１２，２７９号明細書に記載されている。

上記の理由のために、ＥＧＲを流すことを可能にしながら、これらの問題に対処する必要性がある。

したがって、本発明の目的は、２つのターボチャージャシステムが、吸気マニホルド圧を排気マニホルド圧より高い状態で維持するのに利用され、しかもＥＧＲを流すことができるようにする、改善された内燃機関を提供することである。

上述の目的を実行するために、内燃機関が提供される。この内燃機関は、複数のシリンダを有する。この機関は、吸気マニホルド及び排気マニホルドを含む。この機関は、吸気マニホルド圧が、一般に排気マニホルド圧を超えるように作動される。さらに、この機関は、低圧ターボチャージャ、高圧ターボチャージャ、及び、排気ガス再循環（ＥＧＲ）システムを備える。低圧ターボチャージャは、排気ガスにより駆動されるタービンと、新気を受け入れる入口及び低圧充填空気を提供する出口を有する圧縮機とを含む。高圧ターボチャージャは、排気ガスにより駆動されるタービンと、低圧充填空気を入れる入口及び高圧充填空気を吸気マニホルドに提供する出口を有する圧縮機とを含む。ＥＧＲシステムは、排気ガスの一部を高圧ターボチャージャの圧縮機入口に受動的に導く。

ターボチャージャの一方又は両方は、自由浮動型、ウェイストゲート型、又は可変幾何学的設計形状とすることができる。エンジンは、低圧ターボチャージャの圧縮機出口と高圧ターボチャージャの圧縮機入口との間に充填空気クーラを含むことが好ましい。好ましいエンジンはさらに、ＥＧＲシステムに配置された粒子（パーティキュレート）フィルタを含み、排気ガスからの粒子状物質（パーティキュレート：ＰＭ）を、高圧ターボチャージャの圧縮機入口への導入前にフィルタ処理する。好ましいエンジンはさらに、ＥＧＲシステムに、粒子フィルタの下流側に配置されたＥＧＲクーラを含み、排気ガスを、高圧ターボチャージャの圧縮機入口に導入される前に冷却する。その後、排気ガスは、充填空気クーラの下流側の位置で導入される。

好ましい実施形態においては、低圧ターボチャージャの圧縮比は、高圧ターボチャージャの圧縮比より大きい。低圧ターボチャージャの圧縮比は、高圧ターボチャージャの圧縮比の１．５倍だけ大きいことが好ましい。

さらに、本発明を実行するに際して、複数のシリンダをもつ内燃機関（エンジン）を制御する方法が提供される。このエンジンは、吸気マニホルド及び排気マニホルドを含む。このエンジンは、吸気マニホルド圧が、一般には、排気マニホルド圧を超える状態で作動される。このエンジンは、排気ガスにより駆動されるタービンと、新気を受け入れる入口及び低圧充填空気を提供する出口を有する圧縮機とを含む低圧ターボチャージャを含む。さらに、この機関は、排気ガスにより駆動されるタービンと、低圧充填空気を受け入れる入口及び高圧充填空気を吸気マニホルドに提供する出口を有する圧縮機とを含む高圧ターボチャージャを含む。さらに、この方法は、排気ガス再循環を与えるために、排気ガスの一部を、高圧ターボチャージャの圧縮機入口に受動的に導くことを含む。

好ましい方法は、低圧ターボチャージャの圧縮機出口からの低圧充填空気を、高圧ターボチャージャの圧縮機入口より前で冷却する。好ましい方法は、排気ガスを、高圧ターボチャージャの圧縮機入口に導入する前に粒子状物質をフィルタ処理することである。さらに、好ましい方法は、排気ガスを、高圧ターボチャージャの圧縮機入口に導入する前に冷却することである。その後、排気ガスは、冷却された低圧充填空気に導入される。

本発明の実施形態に関連する利点は、非常に多い。例えば、本発明の実施形態は、吸気マニホルド圧を排気マニホルド圧より高く維持するが、排気ガスの一部を、多段ターボ過給機関におけるターボ過給段階の間の位置に受動的に導くことにより、依然として、ＥＧＲを流すことができる。

本発明の上述の目的その他の目的、特徴、及び、利点は、添付図面と関連して考慮すれば、以下の好ましい実施形態の詳細な説明から容易に明らかになる。

内燃機関（エンジン）は、複数のシリンダ１２をもつエンジンブロック１０を含む。図示される機関は、高負荷のディーゼル燃料機関のような圧縮点火内燃機関である。シリンダ１２は、周知の形態により燃料供給源から加圧燃料を受け取る。この機関は、吸気マニホルド１４及び排気マニホルド１６を含む。このエンジンは、ターボ過給エンジンであり、吸気マニホルド圧が、一般に排気マニホルド圧を超えるように作動される。空気システムは、２つのターボチャージャで構成される。低圧ターボチャージャ１８は、排気ガスにより駆動されるタービン２０と、圧縮機２２とを含む。圧縮機２２は、新気を受け入れる入口、及び、低圧充填空気を提供する出口を有する。高圧ターボチャージャ２４は、排気ガスにより駆動されるタービン２６と、圧縮機２８とを含む。圧縮機２８は、低圧ターボチャージャ１８から低圧充填空気を受け入れる入口、及び、高圧充填空気を吸気マニホルド１４に提供する出口を有する。新気が、低圧ターボチャージャの圧縮機２２（すなわち、第１段階の圧縮機）に入る。圧縮機２２は、例えば、２．５：１の圧縮比で圧縮作業のほとんどを行うような大きさにされる。圧縮機２２の出口からの低圧充填空気は、充填空気クーラ（ＣＡＣ）３０を通って流れる。充填空気クーラ３０の後では、エンジンの排気ガスの一部がＥＧＲシステム３２により導入され、新気及び再循環された排気ガスの混合気が高圧圧縮機２８（すなわち、第２段圧縮機）を通って流れる。第２段圧縮機は、例えば、１．４：１のような、相対的に低い圧縮比を有する。したがって、第２段圧縮機における温度上昇は相対的に低く、この空気を第２の充填空気クーラを通して送ることについての必要性は高くない。

ＥＧＲシステム３２は、ＥＧＲ弁３４を含み、選択的に、排気ガスの一部を受動的に導いて、この排気ガスが吸気流の中に導入されるようにする。ＥＧＲ通路は、パーティキュレートフィルタ３６及びＥＧＲクーラ３８を含む。排気ガスは、ターボチャージャの前に、排気マニホルド１６から引き込まれる。ＥＧＲガスは、ＥＧＲ弁３４、パーティキュレートフィルタ３６、及びＥＧＲクーラ３８を通って流れ、その後、充填空気クーラ３０と高圧圧縮機２８との間の吸気流に入る。再循環のために取り込まれない排気空気は、高圧タービン２６を通り、その後、低圧タービン２０を通って流れる。

本発明の実施形態は、多段ターボチャージャを用いることにより、受動的にＥＧＲを流すのに必要とされる圧力低下を発生させる技術を提供する。フィルタ３６は、粒子を除去するディーゼル粒子フィルタ（ＤＰＦ）であるので、それらは圧縮機２８の中には入らない。この除去は、パーティキュレートをＥＧＲ流から除去することによって、圧縮機を保護する。ＤＰＦをＥＧＲクーラ３８の上流側に配置することにより、該ＤＰＦに入る温度は、良好な再生にとって十分に高温になる。ＥＧＲクーラ３８をＤＰＦの上流側に配置することは、煤煙の堆積を防ぐことによって、該クーラの寿命を延ばすものとなる。

本発明の実施形態が図示及び説明されたが、これらの実施形態は、本発明のすべての可能な形態を図示し説明することを意図するものではない。むしろ、明細書の中で用いられる用語は、限定ではなく説明の用語であり、本発明の精神及び範囲から離れることなく種々の変更が可能であることが理解される。

本発明の好ましい実施形態に従って作られた内燃機関の概略図である。

符号の説明

１０：エンジンブロック
１２：シリンダ
１４：吸気マニホルド
１６：排気マニホルド
１８：低圧ターボチャージャ
２０：低圧タービン
２２：低圧圧縮機
２４：高圧ターボチャージャ
２６：高圧タービン
２８：高圧圧縮機
３０：充填空気クーラ
３２：ＥＧＲシステム
３４：ＥＧＲ弁
３６：パーティキュレートフィルタ
３８：ＥＧＲクーラ

Claims (16)

1. 吸気マニホルドと排気マニホルドとを含み、吸気マニホルド圧が、一般に排気マニホルド圧を超える状態で作動される、複数のシリンダを備えた内燃機関であって、
   排気ガスにより駆動されるタービンと、新気を受け入れる入口および低圧充填空気を提供する出口を有する圧縮機とを含む低圧ターボチャージャと、
   排気ガスにより駆動されるタービンと、前記低圧充填空気を受け入れる入口および高圧充填空気を前記吸気マニホルドに提供する出口を有する圧縮機とを含む高圧ターボチャージャと、
   排気ガスの一部を前記高圧ターボチャージャの圧縮機入口に、受動的に導く排気ガス再循環（ＥＧＲ）システムと、をさらに備えている、
   ことを特徴とする内燃機関。
2. 前記低圧ターボチャージャの圧縮機出口と前記高圧ターボチャージャの圧縮機入口との間に、さらに充填空気クーラを備えている、
   請求項１に記載の内燃機関。
3. 排気ガスからの粒子状物質を前記高圧ターボチャージャの圧縮機入口への導入前にフィルタ処理するように、前記ＥＧＲシステムに配置された粒子フィルタを備え、、
   請求項１に記載の内燃機関。
4. 排気ガスを前記高圧ターボチャージャの圧縮機入口への導入前に冷却するように、前記ＥＧＲシステムに配置されたＥＧＲクーラを備えている、
   請求項１に記載の内燃機関。
5. 排気ガスからの粒子状物質が、前記高圧ターボチャージャの圧縮機入口に導入される前にフィルタ処理されるようにする、前記ＥＧＲシステムに配置された粒子フィルタと、
   排気ガスが、前記高圧ターボチャージャの圧縮機入口に導入される前に冷却されるようにする、前記粒子フィルタの下流側において前記ＥＧＲシステムに配置されたＥＧＲクーラと、
   をさらに備えた請求項１に記載の内燃機関。
6. 前記低圧ターボチャージャの圧縮機出口と前記高圧ターボチャージャの圧縮機入口との間に配置された充填空気クーラと、
   排気ガスからの粒子状物質を前記高圧ターボチャージャの圧縮機入口に導入される前にフィルタ処理するように、前記ＥＧＲシステムに配置された粒子フィルタと、
   排気ガスを前記高圧ターボチャージャの圧縮機入口に導入される前に冷却するよう、前記粒子フィルタの下流側において前記ＥＧＲシステムに配置されたＥＧＲクーラと、を備え、
   排気ガスが前記充填空気クーラの下流側の位置で導入される、
   請求項１に記載の内燃機関。
7. 前記低圧ターボチャージャの圧縮比が、前記高圧ターボチャージャの圧縮比より大きい、
   請求項１に記載の内燃機関。
8. 前記低圧ターボチャージャの圧縮比が、前記高圧ターボチャージャの圧縮比より１．５倍だけ大きい、
   請求項１に記載の内燃機関。
9. 吸気マニホルドと排気マニホルドとを含み、吸気マニホルド圧が、一般的に排気マニホルド圧を超える状態で作動され、排気ガスにより駆動されるタービンと新気を受け入れる入口及び低圧充填空気を提供する出口を有する圧縮機とを含む低圧ターボチャージャと、さらに、排気ガスにより駆動されるタービンと前記低圧充填空気を受け入れる入口及び高圧充填空気を前記吸気マニホルドに提供する出口を有する圧縮機とを含む高圧ターボチャージャとを含む、複数のシリンダをもつ内燃機関を制御する方法であって、
   排気ガスの一部を前記高圧ターボチャージャの圧縮機入口に受動的に導いて、排気ガス再循環を提供する工程を備えている、
   ことを特徴とする方法。
10. 前記低圧ターボチャージャの圧縮機出口からの低圧充填空気を、前記高圧ターボチャージャの圧縮機入口より前で冷却する工程を更に備えている、
    請求項９に記載の方法。
11. 排気ガスからの粒子状物質を、前記高圧ターボチャージャの圧縮機入口に導入する前にフィルタ処理する工程をさらに備えている、
    請求項９に記載の方法。
12. 排気ガスを、前記高圧ターボチャージャの圧縮機入口に導入される前に冷却する工程を備えている、
    請求項９に記載の方法。
13. 排気ガスからの粒子状物質を、前記高圧ターボチャージャの圧縮機入口に導入する前にフィルタ処理する工程と、
    該フィルタ処理の後に、排気ガスを、前記高圧ターボチャージャの圧縮機入口に導入する前に冷却する工程と、さらに備えている、
    請求項９に記載の方法。
14. 前記低圧ターボチャージャの圧縮機出口からの低圧充填空気を、前記高圧ターボチャージャの圧縮機入口より前で冷却する工程と、
    排気ガスからの粒子状物質を、前記高圧ターボチャージャの圧縮機入口に導入する前にフィルタ処理する工程と、
    該フィルタ処理の後に、排気ガスを、前記高圧ターボチャージャの圧縮機入口に導入する前に冷却する工程と、をさらに備え、
    排気ガスが、冷却された低圧充填空気に導入される、
    請求項９に記載の方法。
15. 前記低圧ターボチャージャの圧縮比が、前記高圧ターボチャージャの圧縮比より大きい、
    請求項９に記載の方法。
16. 前記低圧ターボチャージャの圧縮比が、前記高圧ターボチャージャの圧縮比より１．５倍だけ大きい、
    請求項９に記載の方法。

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