JP6215848B2 - 対向ピストン式2ストロークエンジンのための排気管理戦略 - Google Patents
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Description
空気管理構造は、対向ピストンエンジンの一つ以上のポート付きシリンダを介して排気を再循環させることによりNOx(窒素酸化物)の排出規制を可能にする。再循環された排気ガスが給気に混合されると、ピーク燃焼温度が下がるため、NOx排出量が減少する。この処理は排気再循環(「EGR」)と呼ばれる。EGR構造は、シリンダ外部のEGR流路に輸送される排気ガスを利用して、図3のバルブ制御再循環流路131によって、次に来るストリームを新鮮な吸気に変えることができる。これに代えてまたはこれに加えて、排気と吸気の両方のポートが閉口し、掃気が終わった際、EGR処理は、シリンダ50にトラップ(捕捉)された(または保持された)残留排気を利用することができる。外部に配置されたEGRの場合、排気ガスは流入ストリームの空気へポンプ注入される。EGR流路に連通している圧力源は差圧を生成し、この差圧により、EGR流路を介して、排気ガスを給気サブシステムへ流入させる。一部の態様によれば、再循環されようとする排気ガスが、給気の吸気ストリームへ供給されるポイントよりも高圧が保証される源から得られる場合は、仮想ポンプが存在する。他の態様によれば、スーパーチャージャー110などの活動中のポンプを使用して、再循環されようとする排気ガスを、スーパーチャージャーが吸気ポートにポンプ注入している最中の給気へ、ポンプ注入する方法もある。これらの態様において、スーパーチャージャーの使用は、対向ピストンエンジンにおいてEGR動作を制御するために、更なる変数を提供する。一部の態様において、再循環された排気ガスは空気‐液体間および/または空気‐空気間を冷却する装置を含む一つ以上の冷却器によって冷却される。他の態様において、再循環された排気ガスは一つ以上の給気冷却器のみによって、または、一つ以上のEGR冷却器と組み合わせることによって、冷却される。
図3に示した対向ピストンエンジン49は、排気サブシステムからの排気ガスを給気サブシステムへ引き込むEGRループを具備している。(これに限定しないが)具体的なEGRループ構造の例は、図4に示した高圧構造である。その際、高圧EGRループは、タービン121の上流のソースから得られた排気ガスをコンプレッサ122の下流の混合点へ循環させる。このEGRループでは、導管131とEGRバルブ138は、排気マニホルド125からの排気ガスの一部がコンプレッサ122による給気出力に混合されるように経路を導管126へ向ける。排気/空気の混合が必要とされない場合、バルブ138は完全に閉じられ排気ガスを全然含まない給気がシリンダへ送出される。バルブ138が開くにつれて、増量した排気ガスが給気に混合される。ループは排気ガスに二つの冷却器127および129の冷却効果を受けさせる。より少ない冷却で効果を奏した場合、排気ガス部分は冷却器127の周りでスーパーチャージャー110の入力として入れ替わる。この入れ替えが給気冷却器129だけで排気ガス部分を冷却するようにする。排気ガスだけを冷却する専用のEGR冷却器は、バルブ138に、またはバルブ138の出力ポートとスーパーチャージャー110の入力に、直列に組み込まれる。
排気ガスを給気と混合する別の方法は、排気および吸気ポートが閉じて掃気が終わった後にシリンダにおける排気ガスの残量を捕捉(または保持)することにより、ユニフロー掃気型の対向ピストンエンジン49において提供される。残留排気ガスは、NOx排出量を削減するために有利なポイントになるまで、燃焼初期条件を調整するために使用することができる。ターボ機械の構造にもよるが、低位または中間のエンジン速度および負荷の場合、ユニフロー掃気型の対向ピストンエンジンは不完全な掃気を展開する可能性がある。シリンダ内部の残留排気ガスが高温であるので、新しい給気から得られた温度は実質的に上昇する可能性がある。よって、この方法は部分的なエンジン負荷条件下でNOxを削減するために非常に適している。更に、燃焼発生時において、高くなった給気温度によって上昇した排気ガス温度が生じ、このことは、処理後の触媒の発火やディーゼル微粒子捕集フィルタ材料の再生に有用である。
特許文献1の図4に示されているように、バルブ144を含むバイパス導管ループ143はタービン121と並列に配置することができる。バルブ144はエンジンからタービン121へ流れる排気ガスの量を制御するように動作させることができる。タービン121をバイパスするバルブ144を設定することは、タービン121とコンプレッサ122を動作させずに、排気エネルギーを排気管128へ排気可能にする。これにより、排気ガスはより高い温度レベルに保たれ、部分的なエンジン負荷条件、例えば、冷間始動時などのエンジンウォームアップの際、(触媒装置および微粒子捕集フィルタに対する)後処理変換効率を高めることができる。更に、部分的エンジン負荷条件下でのエンジン運転時にタービン121をバイパスするためにバルブ144を設定することは、ターボチャージャー動作量を削減し、より多くの排気ガスをスーパーチャージャー110(例えば、バルブ138を介して)に対して駆動可能にし、より高温で排気ガスを送出することで後処理変換効率を向上させる。エンジンからタービン121へ流れる排気ガスの量を変えるための別の構造は、バルブ144の上流で、排気導管124において圧力を制御するために可変容量構造を有するタービンを含む。固定容量タービンではなく可変容量タービン(VGT)を使用によって、必ずしも、バルブ144などのタービンバイパスバルブの必要性がなくならない。VGTは受容可能な効率で作業している際はその質量流れの範囲は制限される。この範囲を外れると、タービンバイパスバルブは、エンジン49の質量流れと吸気圧を制御するために使用することができる。
図4に示されたEGR構造は、ポート閉口の前にシリンダ内で未冷却排気ガスを捕捉(保持)するために本明細書中に説明され例示されている対向ピストンエンジンの空気管理システムで結合されるが、排気ガスはポート閉口前には冷却されシリンダへ提供された再循環排気ガスを含む給気に結合または混合される。EGR比と温度を正確に制御するために、保持された排気ガスと再循環された排気ガスの相対的な量を変えることができる。これによって、対向ピストンエンジンの空気管理システムの動作により、相当量の熱が排気サブシステムへ放出されるのを可能にする。その際、修正空気送出比Λ*=m送出/P送出V捕捉は、送出された空気m送出(シリンダに送出された新鮮な空気と外部EGR)の質量を、捕捉された給気P送出V捕捉の質量(ポート閉口時に捕捉された容積を乗算した送出給気の密度)で、除算した比率である。図5は、燃焼室の冷却された新鮮な給気の量(青)を高温の残留給気の量(赤)と比較したものである。修正された空気送出比が増加すると、シリンダにおいて捕捉された新鮮な給気の割合は大きくなるが、直前のサイクルの残留給気の量は減少する。
図4を参照すると、ターボチャージャーコンプレッサ122とスーパーチャージャー110の組み合わせは、低い空気/燃料比で安定した燃焼を生成するのに十分な空気を提供する必要がある。同時に、上昇した背圧を排気サブシステムに印加する必要がある。高い吸気マニホルドブースト圧および排気背圧の結果は、低エンジンデルタ圧力(差圧)と燃焼用シリンダに捕捉された相当量の残留ガスによって十分な空気/燃料比のレベルを生じさせる。
スーパーチャージャー110は給気流れとEGR流れを駆動するために対向ピストンエンジン49を横切って正圧差を生成するために使用される。吸気マニホルドと排気マニホルドの間の圧力差を制限するために必要に応じて再循環バルブ139によってスーパーチャージャー110を動作させる際、スーパーチャージャーの出口からの再循環流れの温度は、スーパーチャージャー入口への新鮮な給気流れの温度より高くなる。その後、より高温のガスが入口給気流れに混じって、スーパーチャージャーへの空気の流れの温度を上昇させる。いくつかの態様では、このバイパスフローは、スーパーチャージャーがいくつかの所望の条件によるそのハードウェア制限より高い温度に曝されないように冷却される。その際、再循環ループ148は、スーパーチャージャー110の下流の給気流路に接続された入口、スーパーチャージャー110の上流の給気流路に接続された出口、および入口と出口の間の可変バルブ139を有する構造を有している。バルブ139に直列に接続されている入口と出口の間に配設された空気冷却器は、スーパーチャージャーの出口から入口まで再循環する給気を冷却する。例えば、図7Aにおいて、再循環ループ148の出力は、冷却器127の上流の給気流内へ送られる。図7Bにおいて、バルブ139への入力は、冷却器129の下流の給気流から送られる。図7Cにおいて、バルブ139への入力は、冷却器129の下流の給気流から送られ、再循環ループ148の出力は冷却器127の上流の給気流へ送られる。図7Dにおいて、バルブ139専用の冷却器150は、バルブ139の上流または下流の再循環ループ148内に配置される。
図4のEGR構造は、高圧EGRループを含む。或いは、同じ効果を得るために低圧EGRループを使用することができる。その際、低圧EGRループはタービン121の下流の供給源から得られた排気ガスをコンプレッサ122の上流の混合点へ向けて循環させる。更に、後処理コンポーネントの様々な構成は、上述の方法で運転される対向ピストン2ストロークエンジンに対する高圧および低圧EGRループ構造に組み合わせることができる。後処理コンポーネントは、ディーゼル酸化触媒方式(DOC)、選択触媒還元方式(SCR)、およびディーゼル微粒子捕集方式(DFR)の装置を含む。
Claims (2)
- 2ストロークの対向ピストンエンジンを運転する方法であって、
前記2ストロークの対向ピストンエンジンは、排気および吸気ポートを有する少なくとも一つのシリンダと、前記エンジンの少なくとも一つの吸気ポートへ給気を提供するための給気流路と、前記エンジンの少なくとも一つの排気ポートから排気を受け取るための排気流路とを含み、
前記2ストロークの対向ピストンエンジンは、
前記排気流路に連結されたループ入力、及び、前記給気流路に連結されたループ出力を有する排気再循環(EGR)ループと、
前記給気流路内で給気をポンプ押出しするように動作可能なスーパーチャージャーと、
前記給気流路に連結された給気出力、前記排気流路に連結されたタービン入力、及び、排気出力に連結されたタービン出力を有するターボチャージャーと、
前記タービン出力と前記排気出力との間に直列に連結され、前記排気流路に作用する背圧を生じる状態に設定可能である背圧バルブと、をさらに備え、
前記方法は、
前記エンジンの少なくとも一つのポート付きシリンダにおいて排気ガスを生成するステップと、
前記排気流路を介して前記ポート付きシリンダの排気ポートから排気ガスを輸送するステップと、
前記排気流路から前記EGRループを通して前記排気ガスの一部を再循環させるステップと、
前記給気流路内で再循環排気ガスを新鮮な空気と混合して給気を生成するステップと、
前記スーパーチャージャーで前記給気流路内の給気をポンプ押出しするステップと、
前記ポート付きシリンダの吸気ポートを介してポンプ注入された前記給気を提供するステップと、
前記背圧バルブで前記排気流路へ背圧を印加するステップと、
空気送出比(Λ*)が0.4≦Λ*≦1.0の範囲の値を有するように、前記吸気および排気ポートの閉口に応答して、前記シリンダにおいて給気と排気ガスを捕捉するステップであって、ここで、Λ*=m送出/P送出V捕捉であり、m送出が前記吸気ポートを介して提供された加圧給気(送出された給気)の総質量であり、P送出V捕捉が前記排気および吸気ポートの閉口時に捕捉された容積を乗算した送出給気の密度である、ステップと、
捕捉された給気及び排気ガスで前記排気流路において後処理触媒を着火するステップと、
を含む、方法。 - 前記エンジンの冷間始動時が0.4≦Λ*≦0.5である請求項1に記載の対向ピストン2サイクルエンジン運転方法。
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