JP2010502880A - 内燃機関を運転するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、火花点火機関の形態の内燃機関（２）を運転するための方法に関し、以下の方法ステップ、すなわち、内燃機関（２）の燃焼室（１５Ａ〜１５Ｄ）に供給される空気を予圧するステップと、燃料を内燃機関（２）の燃焼室（１５Ａ〜１５Ｄ）に直接噴射するステップと、ガス交換バルブのバルブオーバーラップを内燃機関（２）が動作する負荷域に応じて調整するステップとを有し、以下の方法ステップ、すなわち、可変タービンジオメトリ（ＶＴＧ）を備えるタービン（５）を有する排気ガスターボチャージャの形態の給気装置において予圧を実行するステップを特徴とし、ここでエンジン排気ガスは多流タービンハウジング（１６Ａ；１６Ｂ）の別個の渦巻管（１７Ａ、１８Ａ；１７Ｂ、１８Ｂ）を介してタービン（５）に供給される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、請求項１及び請求項４の前段のとおりの内燃機関を運転するための方法及び装置に関する。

一般的方法及び一般的装置は、独国特許出願公開第１０３ ０３ ７０５ Ｂ４号明細書によって公知である。

公知の方法及び公知の装置では、いわゆるウェイストゲートが設けられた過給装置を利用することにより前記過給装置の出力が制御される。

特に内燃機関が火花点火機関の場合、単流タービン及びウェイストゲートバルブを備えた過給装置又は排気ガスターボチャージャが利用され、これは以前は、火花点火機関の排気ガス温度がより高く、且つ空気処理量範囲がより大きい点で、それらが最も好適であると考えられていたためである。

しかしながら、ウェイストゲートターボチャージャを有する火花点火機関は、燃料消費及び駆動動力に関してなお相当に改良の余地がある。

従って、本発明の目的は、特にトルク生成及び燃料消費に関して効率を向上させることのできる、それぞれ請求項１及び請求項４の前段に対応する一般的なタイプの内燃機関を運転するための方法及び装置を開発することである。

前記目的は、請求項１及び請求項４の特徴によって達成される。

本発明に従えば、請求項１に記載の方法及び請求項４に記載の装置において、可変タービンジオメトリ及び多流タービンハウジングを有する排気ガスターボチャージャが利用され、これは排気ガスエネルギーの脈動利用の大幅な向上、ひいてはより低いエンジン負荷及び速度域での給気圧の上昇をもたらす。ここでは特に双流及び複流タービンハウジングについて考慮される。

双流ハウジングの場合、２本の渦巻管が互いに軸方向に隣接して位置し、隔壁により互いに隔てられている。この設計上、２つの流れの混合がある程度起こり得るようにするため、越流断面を所望どおりに小さく設計することはできない。これは中〜高回転速度域においては、十分な給気圧が利用可能であることから脈動効果がもはや望ましいものではないため、好ましい効果を有する。

複流タービンハウジングは、タービンの周囲に半径方向に個別に案内される渦巻管の形態の２つのタービンストランドを特徴とし、それにより越流断面を可能な限り小さく設計することが可能となり、従って排気ガス流の相互作用が最小限に抑えられる。その結果、中〜高エンジン速度及び負荷域においては、排気ガス圧レベル及び給気圧レベルを低減するため別の手段が有利となる。

タービンの周囲の供給流断面が限られている（１本のタービンストランド当たり１８０°）ことによるタービンの最大処理量の低減を複流構成で補償するため、複流タービンに脈動／ラム切換装置を提供することが有利である。前記切換装置により、中〜高エンジン速度（例えば３０００ｒｐｍ超）で２つのタービンストランドを接続することが可能となる。この目的で提供される切換バルブが開放されると、排気ガスは双方のタービンストランドに分流でき、脈動がさらに低減される。双方の効果によりタービン負荷の低下、ひいては給気圧の所望の制限が生じる。

同時に、脈動／ラム切換バルブを追加的なウェイストゲートとして動作させることが可能であり、このウェイストゲートはタービンの処理量範囲をなお一層増大させ得るという利点を提供する。

従って、本発明に従えば、ガス交換バルブのバルブオーバーラップの調整に関連して、多流タービンハウジングを備えたターボチャージャの流れを最適に分離する潜在能力を最大限に利用することが可能となる。これは、本発明に従えば、より低いエンジン速度域においてより長いバルブオーバーラップを実現し、ひいては前記特性マップ域における掃気率を大幅に増加させることが可能となるためである。

前記手段は、以下の理由から、エンジン性能データに対し非常に好ましい効果を有する：
−残留ガス比率が低下する結果としてのノック感度の低減、
−排気ガスターボチャージャのタービン上流の平均排気ガス温度の低減、従って燃焼空気比が増加する可能性、及び
−排気ガスターボチャージャの圧縮機及びタービンの所要処理量範囲の低減、従って排気ガスターボチャージャを向上したレベルの効率性で運転できる可能性。

従属項は、本発明に係る方法及び本発明に係る装置の有利な改良例を含む。

本発明に関連して実施された試験からは、可変タービンジオメトリ並びに複流タービン及び好ましくは設けられる脈動／ラム切換装置を備えた排気ガスターボチャージャを提供する本発明に係る手段、及び増加したバルブオーバーラップの提供により、１５００ｒｐｍのｎＭの回転速度における定常状態での全負荷トルクが４０％の増加に至り得ることが示されている。同時に、公称馬力点における掃気圧力勾配が単流ウェイストゲートベースのチャージャと比べて約４００ｍｂａｒ改善され得る。

本発明に関連して実施された別の試験からは、動的運転時に、１８００ｒｐｍのｎＭにおける負荷段階を例とすれば、公称トルクの９０％に達するまでにかかる時間を約５０％短縮可能であることが示されている。

本発明のさらなる詳細、利点及び特徴は、添付の図面に基づく以下の例示的実施形態の説明から理解され得る。

直接噴射式火花点火機関の形態の内燃機関を運転するための本発明に係る装置の極めて簡略化されたブロック回路図を概略的に示す。 図１に係る装置の一部であるターボチャージャの双流タービンハウジングの簡略化された図を概略的に示す。 図１に係る装置の一部であるターボチャージャの複流タービンハウジングの簡略化された図を概略的に示す。 双流ハウジングの越流断面の説明図を示す。 単流、双流及び複流タービンハウジングについて比較したエンジン値を示す。 単流、双流及び複流タービンハウジングについて比較したエンジン値を示す。 脈動／ラム切換バルブを備えた複流タービンハウジングの簡略化された図を概略的に示す。 脈動／ラム切換バルブを備えた複流タービンハウジングの簡略化された図を概略的に示す。 脈動／ラム切換の有無で比較したエンジン値を示す。 脈動／ラム切換の有無で比較したエンジン値を示す。 バルブリフト曲線の変位を示す。 バルブオーバーラップのエンジン値に対する影響を示す。

図１は、ブロック回路図として簡略化した形で、直接噴射式火花点火機関として設計された内燃機関２を運転するための装置１を図示する。内燃機関、特に直接噴射式火花点火機関とは、吸気管噴射とは対照的に、燃料が内燃機関の燃焼室に直接高圧で噴射される内燃機関を意味すると理解されるものとする。そのため、集中的な蓄圧器（コモンレール）を備えた噴射装置を用いることが可能であり、蓄圧器では内燃機関の電子制御ユニットにより圧力センサ及び圧力調節装置を介して調節される燃料圧力が高圧ポンプによって分配ストリップ（コモンレール）に蓄圧され、前記圧力は回転速度及び噴射量とは少なくとも実質的に独立している。前記タイプの噴射システムは、図１では火花点火機関２のブロック３によって記号的に示されている。

詳細には、装置１は排気ガスターボチャージャの形態の過給装置を有し、これは従来どおり、内燃機関２の下流の排気管４に配置され、且つ吸気管７に配置された圧縮機６と相互作用するタービン５を有する。タービン５は排気ガスにより駆動されるもので、接続ライン８により表されるとおり圧縮機６を駆動する。本発明に従えば、排気ガスターボチャージャのタービン５には可変タービンジオメトリ（これ以上詳しくは図示されない）が設けられ、これは図１では慣用的な略称ＶＴＧにより表される。或いは、本発明に係る排気ガスターボチャージャは、例えば欧州特許第１ ３９８ ４６３ Ｂ１号明細書に示されるような従来式のＶＴＧを備えた排気ガスターボチャージャとして設計されてもよく、この場合、使用される材料、火花点火機関の温度レベルに関して相応の適応策が自明のこととして行なわれ、これは、可変タービンジオメトリを備えたターボチャージャが既に長年にわたり使用されているディーゼルエンジンの温度レベルと比べて、排気ガス温度レベルがより高いためである。欧州特許第１ ３９８ ４６３ Ｂ１号明細書の開示内容は、本明細書によって参照により本願の開示内容に援用される。

図１に示される特に好ましい実施形態においては、給気冷却器９が圧縮機６の下流に設けられ、その給気冷却器９から圧縮され冷却された吸気が絞りフラップブロック１０を介して火花点火機関２の燃焼室１５Ａ〜１５Ｄへと誘導される。空気フィルタ１１及び空気質量センサ１３が（流れの方向Ｓで見たとき）圧縮機６の上流に従来どおりの方法で配置されるが、この空気フィルタ１１及び空気質量センサ１３は本発明では何ら特別な役割を果たさず、しかし構成要素であるため記載している。

当然ながら他の通常の組立て要素も全て提供されるが、これらの組立て要素は本発明の原理の説明に必要ではないため、以下でこれ以上詳細に記載されることはない。

しかしながら、装置１はまた、内燃機関又は火花点火機関２のガス交換バルブ（図１ではこれ以上詳細には図示されない）のバルブオーバーラップを調整するための装置１４も有し、この装置は図１ではブロック１４により表される。前記装置１４によってバルブオーバーラップを変化させることが可能なため、導入部で説明したとおり、吸気側及び排気側のガス交換バルブの開度を種々のオーバーラップに目標を定めて設定することが可能となり、バルブオーバーラップをより長くすれば新気量が多くなることから残留ガスの掃気を向上させることができ、これは直接噴射式火花点火機関において可能なことであって、なぜなら、上記で説明されたとおり、直接噴射は燃料を燃焼室に直接噴射し、吸気管路を通って流れる吸気には噴射しないためである。

完全を期せば、当然ながら図１に示される装置１に、タービン５の下流で内燃機関２の排気路に配置され得る排気ガス触媒コンバータ１２を設けることもまた可能であることが指摘される。

同様に導入部で既に説明されたとおり、本発明に係る装置１の排気ガスターボチャージャ５のタービン５には、可変タービンジオメトリＶＴＧに加え多流タービンハウジングもまた設けられ、これは図２Ａ、２Ｂでさらに詳細に説明される。

図２Ａは、渦巻流１７Ａ及び１８Ａを有する双流タービンハウジング１６Ａを示す。

図２Ｂは、２本の渦巻管１７Ｂ及び１８Ｂを備える複流タービンハウジング１６Ｂを示し、これらの渦巻管はタービンの周囲に別個に案内されるとともに、越流断面のサイズが極度に減少し、ひいては排気ガス流の相互作用を最小限に抑えることが可能となる。前記タイプのタービンハウジング１６により、エンジン特性マップにおいてカムシャフトを調整するための、ひいてはガス交換バルブのバルブオーバーラップを変更するための調整装置１４に関連して、渦巻管１７及び１８が別個に案内されることからもたらされる流れの分離の潜在能力を最大限に利用することが可能となる。特に上記で説明された比較的長いバルブオーバーラップをより低いエンジン速度域で実現し、ひいては前記特性マップ域における掃気率を大幅に増加させることが可能となる。

図３は、越流断面に基づく双流タービンハウジング１６Ａの２本の渦巻流１７Ａ、１８Ａの相互作用を示す。

図４Ａ、４Ｂは、過給機の種々の型である基本としての「１フロー、ＶＴＧ有り」並びに「２フロー双流、ＶＴＧ有り」及び「２フロー複流、ＶＴＧ有り」を比較した全負荷エンジン値を示す。回転速度域１０００〜２０００ｒｐｍにおいては２フロー型がトルク上昇に関して有利であり、複流ハウジング（脈動／ラム切換無し）は４０００ｒｐｍ超における圧力レベル及び燃料消費に関して不利な結果となることが分かる。

図５Ａ、５Ｂは、複流タービンハウジング１６Ｂに関連した脈動／ラム切換バルブ１９の例示的構成を示す。脈動／ラム切換バルブ１９はタービンハウジング入口フランジ２０の上流に別個のユニットとして配置されてもよく、又はタービンハウジング流入管の側面に一体化されてもよい。ここで、タービンホイールへの排気ガスの質量流出がバルブ１９の上流で起こり得ないことを確実にするため、前記バルブ１９は必ずタービンハウジング舌部２１の上流Ｐに位置しなければならない。

バルブ１９は、リフト量が小さい間は、前記バルブ１９が２つのタービンハウジングストランド１７Ｂ、１８Ｂの隔壁２２から上がり、ストランド間の混合、ひいては圧力平衡が可能となることを特徴とする。弁座２３は、閉止部分２６のリフト量が比較的大きい場合には、バイパス量がバイパス２４を通じてタービンハウジング出口２５の方向にさらに流れ得るように設計され得る。バルブ１９の作動は、従来どおりの方法で、空気圧によるか、電気的にか、又は電磁的に行われ得る。

双流ハウジングにおける脈動／ラム切換バルブ１９の配置は、ハウジング舌部の上流のハウジング外周で半径方向に行われるが、これ以上の詳細は説明されない。

図６Ａ、６Ｂは、バルブオーバーラップの増加及び脈動／ラム切換のエンジン性能値に対する影響を示す。１０００〜２０００ｒｐｍのより低いエンジン速度域でトルクの大幅な上昇を得ることができることが分かる。３０００ｒｐｍを超える回転速度では、脈動／ラムバルブを開放することにより、排気ガス圧レベルの上昇、及びその結果として高くなる燃料消費を回避することが可能となる。

図７は、例として、カムシャフト調整によるバルブリフト曲線の可能な変位を示す。ここでは、スプレッドが、それぞれの曲線の最大値とクランク角の角度による上死点との間の時間を示す。従ってスプレッド値が小さいと、バルブオーバーラップは大きくなる。

図８では、基本バージョン（各々、図の左上にある大きい点）から始まり、バルブオーバーラップを増加させることにより、掃気圧力勾配は変わらず、エンジン平均有効圧力及び空気効率が大幅に増加可能であることが分かる。しかしながら、前記トルク増加には、同様に燃料消費の増加も付随する。

本開示の完全を期して、本明細書により添付の図面にある本発明の概略図が明示的に参照される。

１ 内燃機関を運転するための装置
２ 内燃機関、又は火花点火機関
３ 直接噴射システム
４ 排気管
５ タービン
６ 圧縮機
７ 吸気管
８ 接続ライン
９ 給気冷却器
１０ 絞りフラップブロック
１１ 空気フィルタ
１２ 排気ガス触媒コンバータ
１３ 空気質量センサ
１４ バルブオーバーラップの調整用装置
１５Ａ〜１５Ｄ 火花点火機関２の燃焼室
１６Ａ 双流タービンハウジング
１６Ｂ 複流タービンハウジング
１７Ａ、１８Ａ 渦巻流
１７Ｂ、１８Ｂ 渦巻管
１９ 脈動／ラム切換バルブ
２０ タービンハウジング入口フランジ
２１ タービンハウジング舌部
２２ 隔壁
２３ 弁座
２４ バイパス
２５ タービンハウジング出口
２６ 閉止部分又はバルブプランジャ
Ｐ タービンハウジング入口フランジ２０とタービンハウジング舌部２１との間の脈動／ラム切換バルブ１９の位置

Claims (11)

1. 火花点火機関の形態の内燃機関（２）を運転するための方法であって、
   −前記内燃機関（２）の燃焼室（１５Ａ〜１５Ｄ）に供給される空気を予圧する方法ステップと、
   −燃料を前記内燃機関（２）の前記燃焼室（１５Ａ〜１５Ｄ）に直接噴射する方法ステップと、
   −ガス交換バルブのバルブオーバーラップを前記内燃機関（２）が動作する負荷域に応じて調整する方法ステップと、
   を含み、
   −可変タービンジオメトリ（ＶＴＧ）を備えるタービン（５）を有する排気ガスターボチャージャの形態の過給装置で前記予圧を行い、エンジン排気ガスが多流タービンハウジング（１６Ａ；１６Ｂ）の別個の渦巻管（１７Ａ、１８Ａ；１７Ｂ、１８Ｂ）を介して前記タービン（５）に供給される方法ステップを特徴とする、方法。
2. 複流タービンハウジング（１６Ｂ）が多流タービンハウジングとして使用されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 双流タービンハウジング（１６Ａ）が多流タービンハウジングとして使用されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 中エンジン回転速度及び／又は高エンジン回転速度において切換バルブ（１９）を開放することによって、前記別個の渦巻管（１７Ａ、１８Ａ；１７Ｂ、１８Ｂ）により形成される前記別個のタービンストランドを接続する方法ステップを特徴とする、請求項１に記載の方法。
5. 前記切換バルブ（１９）をウェイストゲートとして動作させる方法ステップを特徴とする、請求項４に記載の方法。
6. −排気ガスターボチャージャ（５、６）の形態の過給装置を有し、
   −燃料直接噴射装置（３）を有し、及び
   −内燃機関（２）のガス交換バルブのバルブオーバーラップを調整するための装置（１４）を有する、
   火花点火機関の形態の内燃機関（２）を運転するための装置であって、
   −前記排気ガスターボチャージャ（５、６）に可変タービンジオメトリ（ＶＴＧ）が設けられ、タービン（５）に２本の別個に案内される渦巻管（１７Ａ、１８Ａ；１７Ｂ、１８Ｂ）を有する多流タービンハウジング（１６Ａ；１６Ｂ）が設けられることを特徴とする、装置。
7. 前記タービンハウジングが双流タービンハウジング（１６Ａ）として設計されることを特徴とする、請求項６に記載の装置。
8. 前記タービンハウジングが複流タービンハウジング（１６Ｂ）として設計されることを特徴とする、請求項６に記載の装置。
9. 前記双流タービンハウジング（１６Ａ）又は前記複流タービンハウジング（１６Ｂ）の前記渦巻管（１７Ａ、１８Ａ；１７Ｂ、１８Ｂ）を接続するための切換バルブ（１９）を特徴とする、請求項６〜８のいずれか一項に記載の装置。
10. 前記タービンハウジング（１６Ａ；１６Ｂ）が、前記切換バルブ（１９）によって開閉できるバイパス管（２４）を有することを特徴とする、請求項６〜９のいずれか一項に記載の装置。
11. 前記タービン（５）の下流で排気路（４）に配置される排気ガス触媒コンバータ（１２）を特徴とする、請求項６〜９のいずれか一項に記載の装置。