JP2017505398A - 内燃機関のための排気ライン、及び、かかる排気ラインを備える内燃機関 - Google Patents

Abstract

内燃機関（４）のための既燃ガス排気ラインは、ターボコンプレッサ（９）のタービン（１１）と、排気ライン内のターボコンプレッサ（９）のタービン（１１）よりも下流に配設されたターボ回収システム（１）のタービン（２２）と、ターボコンプレッサ（９）のタービン（１１）とターボ回収システム（１）のタービン（２２）との間に配設され、既燃ガス再循環ラインを接続させるための接合要素（２４）とを備え、排気ラインは、ターボコンプレッサ（９）のタービン（１１）と接合要素（２４）との間に挿入された、後処理デバイス（１４）も備える。かかる排気ラインを備える内燃機関も、記述される。【選択図】図１

Description

本発明は概して、例えば自動車両についての、汚染排出物の削減、及び、内燃機関の効率の改善に関する。

より具体的には、本発明は、ターボコンプレッサのタービンと、排気ライン内のターボコンプレッサのタービンの下流側に配置されたターボ回収システムのタービンと、ターボコンプレッサのタービンとターボ回収システムのタービンとの間に配置され、既燃ガス再循環ラインの接続を可能にする接合要素とを含む、内燃機関のための既燃ガス排気ラインに関する。

本発明は、特に既燃ガス排気ラインを含む内燃機関にも関する。

日本特許第 ２００５−０６９ ０９２号公報では、上記で定義されたような排気ラインが記述されている。この文献は更に、エンジンの始動時の酸化効率を改善するために、後処理デバイス（この事例では酸化触媒コンバータ）を、エンジンの出力口に接するように、従ってターボコンプレッサのタービンの上流側に、配置することを提案している。

しかし、この設計によれば、後処理デバイス内でのガスの膨張により、エンジンの出力口に存在するエネルギーの大部分は失われ、従って過給のために使用できない。

このことに照らして、本発明により、後処理デバイスがターボコンプレッサのタービンと接合要素との間に配置される、上記導入部で定義した排気ラインを提案する。

様々な要素をこのように配置することによって、ターボコンプレッサのタービン内では（それが後処理デバイスの上流側に位置付けられるからこそ）圧力が高く保たれるが、それにもかかわらず、後処理デバイスは再循環パイプの上流側にあるままである。このことによって、より低温（後処理デバイス内でガスが膨張するため）かつ密度の高いガスを再循環することが可能になり、ひいては、再循環の改善がもたらされる。

再循環パイプを後処理デバイスの下流側に配置することで必要になる背圧については、例えば電気エネルギーの形態でのエネルギーの回収を可能にする、ターボ回収システムのタービンによって生成される。

効率の向上、及び、汚染排出物の削減が実現される。

本発明による、排気ラインのその他のオプションの（従って非限定的な）特徴及び利点は、
−ターボ回収システムが、電気エネルギーの形態で排気ガスの圧力の幾分かを回収することを可能にする、ターボ発電システムであることと、
−ターボ発電システムが、ターボ発電システムによって供給された電気エネルギーを蓄えるよう設計された、蓄電手段に接続されていることと、
−電気機械の少なくとも１つの作動モードにおいて車両の推進に寄与するよう設計された電気機械に、ターボ発電システムによって生成された電気エネルギーが供給されることと、
−電動コンプレッサに、ターボ発電システムによって生成された電気エネルギーが供給されることと、
−バルブを含む枝路が、ターボ回収システムのタービンに並列接続されていることと、
−ターボ回収システムが可逆的な電気機械を含むことと、である。

本発明は、
−少なくとも１つの燃焼室を画定するエンジンブロックと、
−各燃焼室への冷気の吸気のための吸入ラインと、
−吸入ライン又は各燃焼室への燃料の注入のための経路と、
−上記で提案されているように各燃焼室から既燃ガスを排気するためのラインと、
−一方の側で前記接合要素に、他方の側で吸入ラインに接続された再循環ラインとを含む、内燃機関も提案する。

吸入ラインは次いで、ターボコンプレッサのコンプレッサを含みうる。

エンジンは更に、電動デバイスであって、その作動モードの少なくとも１つにおいて、ターボ発電システムによって生成された電気エネルギーが供給されうる、電動デバイスを含みうる。

本発明の教示に合致する既燃ガス排気ラインを含む内燃機関の図である。

付随する図面を参照しつつ、非限定的な例を通じて提示される下記の記述は、発明が何において成立し、発明がどのように実施されうるかを、説明するものである。

付随する図面の単一の図は、本発明の教示に合致する既燃ガス排気ラインを含む内燃機関の図である。

本明細書において、「上流」及び「下流」という用語は、冷気が大気から引き込まれる点から、既燃ガスが大気中に放出される点への、ガスの流れの方向に従って使用されるものである。

図１では、クランクシャフトと、燃焼室を形成する４つのシリンダ（図式的に示す）内に収容された４つのピストン（図示せず）とを包含するエンジンブロックを含む、自動車両の内燃機関４が図で表されている。本書のこのエンジンは、圧縮点火（ディーゼル）エンジンである。それは同様に、火花点火（ガソリン）エンジンである可能性もある。

内燃機関４は、シリンダの上流側に吸入ラインを含み、吸入ラインは冷気を、大気から引き込み、４つのシリンダの各々に空気を分配するよう適合した空気分配器２５内へと放出する。

本書のこの吸入ラインは、冷気の流れの方向に、大気から引き込まれた冷気をフィルタリングする空気フィルタ２０、入来冷気の流量を測定する流量計２１、空気フィルタ２０でフィルタリングされた冷気を圧縮する、ターボコンプレッサ９のコンプレッサ１３、この圧縮された冷気を冷却する給気冷却器６、及び、冷気の流れを調節することを可能にする空気分配器２５内へと通じる、吸入バルブ５を含む。

吸入ラインは、流量計２１とコンプレッサ１３との間に、一部の既燃ガスを吸入ラインへと再導入することを目的とする、低圧排気ガス再循環（ＥＧＲ）バルブ１９も含む（後述する）。

内燃機関は、シリンダからの出口に、排気マニホールド２６（シリンダ内で先行して燃焼したガスがその中へと放出される）から、既燃ガスが大気に排出される前にそれを膨張させることを可能にする排気消音器１７へと延びる、排気ラインを含む。排気ラインは通常、少なくとも１つのガス汚染除去デバイス（図中には示していない）を含む。

排気ラインは、既燃ガスの流れの方向に、ターボコンプレッサ９のタービン１１、後処理デバイス１４、及び、ターボ発電システム１のタービン２２（しばしば電動「ターボコンパウンド」システムとも称される）を含む。

後処理デバイス１４は、既燃ガス中に存在する様々な汚染物質を、保健衛生的観点から見て無特性な物質に分解するよう、かつ／又は、それらのガス中に包含されるすすを、その周期的燃焼を目的として蓄えるよう、設計される。後処理デバイスは、例えば、酸化触媒コンバータ及び／又は粒子フィルタ及び／又は窒素酸化物トラップ（すなわちＮＯ_ｘトラップ）及び／又は、ＳＣＲ（ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｃａｔａｌｙｔｉｃ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ：選択的触媒還元）触媒コンバータとしても既知である、窒素酸化物の選択的還元のための触媒コンバータを含む。

ターボコンプレッサ９のタービン１１は、排気マニホールド２６から出る既燃ガスの流れによって回転駆動され、変速シャフトのような機械的連結手段により、既述したコンプレッサ１３を回転駆動することを可能にする。

同様に、ターボ発電システム１のタービン２２は、既燃ガスの流れによって回転駆動され、本書ではターボ発電システム１の（場合によっては可逆的な）発電機である、電気機械２３を駆動する。

（ターボ発電システム１のタービン２２に駆動され、発電機として使用される）電気機械２３の回転によって生成された電気エネルギーは、電気エネルギー蓄電システム１６、例えば電池又は超コンデンサデバイスの中に蓄えられる。

可能な一実施形態により、ターボ発電システムのタービン２２は、（例えば、作動については後述する制御モジュール又は計算機１２から受信されたコマンドに応じて）配置が変動可能なフィンなどの、変動可能な形状寸法を有しうる。従って、タービン２２によって生成される背圧を調整すること、及び、電気機械２３によって回収される電気エネルギーの量を加減することが可能である。

想定されうる一変形例により、排気ラインは更に、ターボ発電システム１のタービン２２に並列に延び、かつ、ターボ発電システム１のタービン２２に進入する既燃ガスの割合を調節することを可能にする分岐バルブ３を含む、ターボ発電システム１の枝路２を含みうる。

更に、２本の既燃ガス再循環経路が提供され、
−第１再循環経路は、排気マニホールド２６から空気分配器２５へと延び、この方向に、高圧再循環空気冷却器８、及び、高圧排気ガス再循環バルブ（すなわちＥＧＲバルブ）７を含み、
−第２再循環経路は、後処理デバイス１４とターボ発電システム１のタービン２２との間に位置付けられた排気ラインの接合要素２４から、上述の低圧排気ガス再循環バルブ１９へ延びる。

蓄電システム１６内に蓄えられた電気エネルギーは、駆動トレインの作動に役立つ電気デバイス（電気機械など）を駆動して、例えば、自動車両の推進を支援するために、使用されうる。

例えば、図で視認可能であるように、駆動トレインの中で、可逆的な電気機械３０は内燃機関４に関連付けられうる。

電気機械３０（例えば、内燃機関４のフライホイールとは別個のオルタネータ−スタータモータ）と、内燃機関４の回転シャフト３６（例えばクランクシャフト）に変速手段３４を介して連結されている回転シャフト３２とは、コンピュータ又は制御モジュール１２の監視下で、「ドライブ」モード、又は「発電」モードにおいて機能することが可能である。

「発電」モードでは、電気機械３０はオルタネータであり、そのオルタネータによって、抵抗電動トルクＣ_ｅは蓄電システム１６内に蓄えられることが意図される電流を生成する。「ドライブ」モードでは反対に、電気機械３０に蓄電システム１６内に先行して蓄えられていた電流が供給され、電気機械３０は駆動電動トルクＣ_ｅを生成し、駆動電動トルクＣ_ｅは、内燃機関４によって生成され、かつ車両の車輪に伝達されることになるトルクＣ_ｔに付加される。

この種の駆動トレインの作動モードは、次のようなものである。運転者による車両のアクセルペダル（図示せず）の押圧が、コンピュータ（図示せず）によって、車両の車輪に伝達されるトルクについての設定点Ｃに転換される。トルクＣは次いで、熱トルクＣ_ｔの形態か、電動トルクＣ_ｅの形態か、それら２つの組み合わせの形態のいずれかで、取得されうる。全ての場合において、トルクＣの値は、熱トルクＣ_ｔと電動トルクＣ_ｅの値の代数和に等しくなり、後者は、電気機械３０の「ドライブ」モードでは正の値をとり、「発電」モードでは負の値をとる。車両及び／又は駆動トレインの様々なパラメータに応じての分配は、本書では電気機械３０を制御するために使用される（ただし、後述するように他の目的にも使用される）、制御モジュール１２によって達成される。

制御モジュール１２は、蓄電システム１６の充電Ｃ_Ｂをモニタするための手段を含む。充電Ｃ_Ｂのレベルが不十分、すなわち、最低充電閾値Ｃ_Ｂｍｉｎ（例えば蓄電システムの充電の残量が１５％）を下回っている場合、制御モジュール１２は、電気機械３０の「ドライブ」モードでの使用を止める。実際には、蓄電システム１６は、この最低充電閾値Ｃ_Ｂｍｉｎを下回ると、電気機械３０のトルクを補給する機能を果たすことがもはやできなくなり、蓄電システム１６の構成要素が早期摩耗するおそれがある。反対に、充電レベルＣ_Ｂが最大である、すなわち、最大充電閾値Ｃ_Ｂｍａｘに等しい場合、制御モジュール１２は、電気機械の「発電」モードでの使用を止める。

あるいは、蓄えられた電気エネルギー、特にターボ発電システム１によって回収されたものは、推進に寄与するために別様に使用される可能性もある。例えば、蓄電システム１６内に蓄えられた電気エネルギーは、内燃機関４のクランクシャフトに回転式に連結された電動モータにエネルギーを供給するために、使用される可能性がある。

電動モータ又は電気機械が（内燃機関４に加えて）駆動トレイン内でも使用される、上で言及した状況においては、自動車両は通常、ハイブリッド車両と記述される。

上記では、ターボ発電システム１の電気機械２３によって生成された電気エネルギーが、使用される前に蓄えられる手法を記述してきた。あるいは、電気機械２３によって生成された電気エネルギーは、その生成時に使用されて、例えば、上述のように自動車両の推進に寄与する可能性もある。

蓄電システム１６内に蓄えられた電気エネルギーは、好ましくは過給が再始動される移行フェーズにおいて、内燃機関に給気を供給するための電動コンプレッサにエネルギーを供給するためにも、使用されうる。電動コンプレッサは、例えば、空気吸入ライン内の、空気フィルタ２０とエンジン４の吸入バルブとの間に取り付けられ、タービン１１が始動するフェーズにおいて起動される。

あるいは、電気機械２３が可逆性である場合には、過給を再始動するという同じ目的で、電気機械２３がターボ発電システム１のタービン２２を駆動させ（これは上述の作動と逆の作動である）て、ターボコンプレッサ９のタービン１１の下流側へと向かうガスの吸引をもたらすタービン２２の回転を加速するために、蓄電システム１６内に蓄えられた電気エネルギーは、電気機械２３にエネルギーを供給することに再使用されうる。

このことにより、とりわけ一部の移行フェーズにおいて、ターボコンプレッサ９の回転の始動を加速することが可能になる。ターボ発電システム１の枝路２が使用される変形例に照らすと、分岐バルブ３が更に、既述の移行フェーズ中に、最大加速効果を得るために、枝路２を完全に閉鎖する位置に配置されうる。

内燃機関４は更に、燃料をシリンダに注入するためのラインを含む。この注入ラインは、４つの注入器を介してシリンダ内に燃料を放出する分配レール内へと、圧力をかけて燃料を送り込むために、タンクから燃料を取り込むよう適合した注入ポンプを含む。

図１に示すように、上述の制御モジュールは、内燃機関４の様々な部材を制御するために使用される。制御モジュール１２は、プロセッサ（ＣＰＵ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読取専用メモリ（ＲＯＭ）、アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器、及び入出力インターフェースを含む。

制御モジュール１２は、その入力インターフェースにより、様々なセンサからエンジンの作動に関する入力信号を受信するよう適合している。

それらのセンサは特に、枝路２内の分岐バルブ３の下流側の、音圧のためのセンサを含む。

制御モジュール１２は、この音圧センサ、及び他の様々なセンサによって、そのランダムアクセスメモリ内に、
−内燃機関４の瞬時負荷Ｃと、
−内燃機関４の瞬時速度Ｒと、
−排気ラインのノイズのレベルとを、継続的に保存する。

負荷Ｃ（エンジン負荷とも称される）は、所与の速度においてエンジンが創出可能な最大仕事量に対する、エンジンによって与えられた仕事量の比率に対応する。それは通常、平均有効圧力（ＭＥＰ）と呼ばれる変数を用いて概算される。その値はとりわけ、運転者によるアクセルペダルの押圧に依拠する。

速度Ｒは、毎分回転数で表される、クランクシャフトの回転速度に対応する。

制御モジュール１２は、試験台で生成され、その読取専用メモリ（ＲＯＭ）に保存された既定のマップによって、（上述のセンサにより決定された）エンジンの各作動条件のための出力信号を発生させるよう適合している。

最後に、制御モジュール１２は、その出力インターフェースによって、既述の出力信号をエンジンの様々な部材、特に分岐バルブ３に伝送するよう適合している。

従って第１作動モードでは、例えば、音圧センサによって測定されたノイズが、制御モジュール１２に保存された設定点に実際的に準拠するように、排気ライン内のノイズを制御するために、制御モジュール１２は分岐バルブ３を制御しうる。分岐バルブ３が閉じるほど、ガスが引き起こすタービン２２の回転は速くなり、かつ、ライン１７の排気ループにおける排気ガスの音響波動は大きく減衰する。あるいは、特に音圧センサを伴わないシステムにおいては、例えば、上述の負荷Ｃ及び速度Ｒのような内燃機関の様々な作動パラメータに応じて分岐バルブ３の内部フラップの位置を規定する、制御モジュール１２に保存されたマップに応じて、分岐バルブの開きを制御することが可能である。

排気ノイズの制御を可能にする、かかる作動モードによって、排気ライン内で使用される膨張ポットのサイズを低減することが可能である。

想定されうる第２作動モードにより、ターボ発電システム１のタービン２２が排気ライン内に高背圧を発生させ、そのことが、より多くの熱が排気に放出される高負荷点で内燃機関を機能させるように、制御モジュール１２は、エンジンの始動時に、例えば既定のエンジン温度閾値に達するまで、枝路２を閉鎖する位置になるよう分岐バルブ３を制御する。

このことにより、後処理システムの温度の上昇が加速する。始動フェーズでは少量の過剰消費が必要とされるが、ターボ発電システムのタービン２２によって背圧が生成されることから、この過剰消費は電気エネルギーの形態で回収されることに、留意されたい。

この始動フェーズが終了すると、例えば温度閾値に達した時に、後処理システムは正常に機能し、制御モジュール１２は、排気ライン内の背圧を減少させるために、分岐バルブ３を少なくとも部分的に開くことを命令する。更に、制御モジュール１２は次いで、より良好な効率を供する燃料注入設定を選択しうる。

この第２作動モードは、第１作動モードと組み合わされうることに、留意されたい。例えば、この場合、分岐バルブ３は、音圧センサによって測定されたノイズが、第１作動モードにより決められた設定点を超過していない場合には第２作動モードにより制御され、超過している場合には、分岐バルブ３は第１作動モードにより制御される。

Claims (10)

1. 内燃機関（４）のための既燃ガス排気ラインであって、
   −ターボコンプレッサ（９）のタービン（１１）と、
   −前記排気ライン内の前記ターボコンプレッサ（９）の前記タービン（１１）の下流側に配置されたターボ回収システム（１）のタービン（２２）と、
   −前記ターボコンプレッサ（９）の前記タービン（１１）と前記ターボ回収システム（１）の前記タービン（２２）との間に配置され、既燃ガス再循環ラインの接続を可能にする接合要素（２４）とを含み、
   前記ターボコンプレッサ（９）の前記タービン（１１）と前記接合要素（２４）との間に配置された、後処理デバイス（１４）を含むことを特徴とする、排気ライン。
2. 前記ターボ回収システムはターボ発電システム（１）である、請求項１に記載の排気ライン。
3. 前記ターボ発電システム（１）は、前記ターボ発電システム（１）によって供給された電気エネルギーを蓄えるよう設計された蓄電手段（１６）に接続されている、請求項２に記載の排気ライン。
4. 電気機械（３０）の少なくとも１つの作動モードにおいて、車両の推進に寄与するよう設計された電気機械（３０）に、前記ターボ発電システム（１）によって生成された前記電気エネルギーが供給される、請求項２又は３に記載の排気ライン。
5. 電動コンプレッサに、前記ターボ発電システムによって生成された前記電気エネルギーが供給される、請求項２又は３に記載の排気ライン。
6. バルブ（３）を含む枝路（２）が、前記ターボ回収システム（１）の前記タービン（２２）に並列接続されている、請求項１から５のいずれか一項に記載の排気ライン。
7. 前記ターボ回収システム（１）は可逆的な電気機械（２３）を含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の排気ライン。
8. −少なくとも１つの燃焼室を画定するエンジンブロック（４）と、
   −各燃焼室への冷気の吸気のための吸入ラインと、
   −前記吸入ライン又は各燃焼室への燃料の注入のための経路とを含む、内燃機関であって、
   更に、各燃焼室から既燃ガスを排気するための、請求項１から７のいずれか一項に記載のラインと、一方の側で前記接合要素に、他方の側で前記吸入ラインに接続された、再循環ラインとを含むことを特徴とする、内燃機関。
9. 前記吸入ラインは、前記ターボコンプレッサ（９）のコンプレッサ（１３）を含む、請求項８に記載の内燃機関。
10. 少なくとも１つの作動モードにおいて、前記ターボ発電システム（１）によって生成された前記電気エネルギーが供給される、電子デバイスを含む、請求項８が請求項２に従属している、請求項８又は９に記載の内燃機関。

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