JP3692037B2 - Ｅｇｒ付きツイン・ターボ・チャージャ内燃機関及びその駆動方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＥＧＲを有し、２個の排気ガス・ターボ・チャージャを用いて過給を行う内燃機関及びその駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＤＥ ３６ ３３ ４０５ Ａ１ はシリンダが２列に配置されているディーゼル内燃機関を開示している。ここでは前記各シリンダ列の排気ガスが排気ガス・ターボ・チャージャを駆動する。ここで前記公知内燃機関において前記排気ガス・ターボ・チャージャは、自身が属するシリンダ列の各シリンダを過給する役割のみを担う。
【０００３】
ＤＥ ４４ １６ ５７２ Ｃ１ は２個の並行して接続された排気ガス・ターボ・チャージャの援用によりシリンダにエアが過給される内燃機関を開示している。ここでは前記排気ガス・ターボ・チャージャは前記各シリンダの排気ガスにより駆動される。さらには前記公知内燃機関はＥＧＲを有しており、ここでは前記排気ガスの一部は前記排気ガス・ターボ・チャージャのタービンの吸入口に入る前に分流され、前記排気ガス・ターボ・チャージャのコンプレッサより前の位置で吸入エアに混入される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、冒頭に挙げた種の内燃機関の出力挙動に関する問題の改善を課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この問題は請求の範囲第１項に記載の特徴を持つ内燃機関により解決される。
本発明に従った前記内燃機関の前記ＥＧＲは、前記排気ガスを、前記タービン吸入口の上流を支配する圧力レベルから前記コンプレッサ排出口の下流（場合によりインタクーラの下流）を支配する圧力レベルにまで戻すという原理に基づくものである。ここで分割されている前記各シリンダ列ないしシリンダ・バンクには、排気ガス再循環のためにそれぞれに独立した各排気ガス排出ラインが分担配置されており、これらが前記ＥＧＲ用の１本の共通の再循環ラインに合流している。このため両シリンダ・バンクからの再循環すべき排気ガス量の各分量は、これらが前記ＥＧＲを通過してエア吸入口へ供給される、ないしはブースト・エアへ混入されるより前の位置で相互に混合される。この配置による長所は以下のとおりである。
【０００６】
前記ブースト・エアのためには、中にブースト圧力センサを１個だけ配置した共通の空気室いわゆる「エア・ボックス」が必要となるだけである。この他に必要となるのはターボ・チャージャ制御回路だけであり、これは必要に応じて前記両ターボ・チャージャに対して補正制御を実行する。前記ＥＧＲが必要とするのはＥＧＲ制御回路のみであり、これは適切なバルブ手段を用いて、適宜必要とされるＥＧＲ率を制御ないしは調整する。さらには本発明に従ったこの配置においては１個の共通のインタークーラを使用することができ、これには適宜に共通のスロットル・バルブを備えて前記ＥＧＲへ供給量を増加させることができる。さらには前記の共通の再循環ライン内にＥＧＲ熱交換器を配置するだけで前記の再循環された排気ガスを冷却できる。
【０００７】
それぞれのシリンダ・バンクに分担配置されている各排気ガス排出ラインが１本の共通の再循環ラインへ合流しているため、前記の両排気ガス排出ラインの間には連結部が形成されている。前記の共通の再循環ラインは特に、完全に同一に作動するわけではない前記の各排気ガス・ターボ・チャージャ間の圧力を均衡化するために必要である。本発明に従った前記内燃機関は、基本的な特徴として遮断手段を有しており、遮断手段は、前記両排気ガス排出ラインと再循環ラインとの連結部に設けられ、前記両排気ガス排出ライン間の遮断、及び前記両排気ガス排出ラインと前記再循環ラインとの間の遮断を単一のバルブで行うものであり、これを用いて前記の両排気ガス排出ライン間に形成されている連結部を遮断することができる。
【０００８】
この方法は、前記内燃機関の回転数域が比較的低い場合においては前記各シリンダ・バンクに圧力脈動が発生し、これが前記の各排気ガス排出ライン間の連結部のために質量の振動を発生ないしは誘発するという認識に基づいている。この質量の振動により排気ガス全体のエネルギーの衝突エネルギーの一部が、前記の相互結合された各排気ガス排出ライン内で壁面熱損失および摩擦損失の形で失われてゆく。このことが、上述の比較的低い回転数域においては比較的わずかなブースト圧力しか形成できずに、そのため比較的低いトルクしか供出できないという結果をもたらす。このことは同様に、前記内燃機関の出力性能の低下につながる。
【０００９】
基本的に上述の低い回転数域ではいわゆるパルス・チャージングが起こっているが、回転数が高くなるにつれて、上述の質量振動およびそれに伴う現象が発生しなくなり、いわゆるラム・チャージングのみとなる。前記内燃機関を加速させると、パルス・チャージングから完全なラム・チャージングに移行する際に、望ましくない出力の急変化がはっきりと認められる。
【００１０】
本発明に従い提案された遮断手段を用いると、単一のバルブで、前記の各排気ガス排出ライン間の前記連結部を効果的に中断ないし遮断することができ、このために前記圧力脈動による質量振動が発生しなくなるため、これに起因する前記諸損失が発生しなくなる。この結果として前記の本発明に従った内燃機関では上述の低い回転数域で出力ないしトルクが顕著に増加する。
【００１１】
前記内燃機関の本発明に従った実施形態を用いると、前記内燃機関が比較的低い限界回転数で作動している場合には前記各排気ガス排出ラインを相互に分離して前記排気ガス・ターボ・チャージャが相互で完全に独立して過給を行なえる。従って、前記内燃機関の出力上昇を最大にすることができる。また他方で回転数が限界域でない場合には、前記ＥＧＲ用に前記の共通の単純な制御回路の長所を有効利用することができる。
【００１２】
さらにはＥＧＲバルブの働きをする前記バルブ手段を(場合によっては前記再循環ライン内に配置されうる)排気ガス熱交換器の上流に配置する場合では、前記遮断手段が非作動時には確実に前記バルブ手段を介して高温の排気ガスのみが貫流するようにして、前記排気ガス熱交換器内に生成した堆積物がバルブ手段に詰まる問題、つまり前記バルブ手段の固着を防止することができる。
【００１３】
本発明に従った内燃機関では、特殊な方法において、前記内燃機関の回転数域が比較的低い場合には、前記各遮断手段を用いて前記各排気ガス排出ライン間の連結部を遮断し、特にこれにより前記ＥＧＲもまた遮断することにより出力性能を向上させることができる。この方法を援用して、低い回転数域で前記各排気ガス排出ラインが遮断されている場合には、前記内燃機関は前述の出力上昇を得られる。ここでこれを行っている間、排気ガス浄化の役割を担う前記ＥＧＲが働かない場合があることは無視してよい。これは出力性能が上昇しているため、ないしは供出されているエンジン・トルクが向上しているために、加速能力が増加し、このエンジンの作動状態は急速に終息する可能性があるためである。前記の限界回転域を脱出した直後に前記各遮断手段は、前記各排気ガス排出ラインを再び相互に接続し、これにより必要に応じて遮断されていたＥＧＲを再び活性化することができ、その結果、前記内燃機関は最適な排気ガス浄化を行なうことのできるエンジン作動域内で作動するようになる。
【００１４】
本発明のその他の重要な諸特徴および長所は、下位の請求の範囲、図面および図面を用いてのその形態説明から明らかになる。
【００１５】
前述の、または以下にさらに詳細に述べる諸特徴は、それぞれにおいて申立てられた組合わせにおいてのみならず、本発明の範囲から逸脱しなければ、その他の組合わせにおいてもまた単独でも使用可能であることは言うまでもない。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の好適な実施形態例を図面に開示し、以下に詳細記述する。
各図面において、第１図は本発明の内燃機関の実施形態を示す構成図、第２図は本発明の内燃機関の参考例を示す構成図である。
【００１７】
第１図の通り、本発明に従った内燃機関は例えばシリンダ１を８筒有し、これらがそれぞれ４筒のシリンダ１ごとに２つのシリンダ列２および３に分割されている。前記内燃機関の前記の２つのシリンダ列２および３はＶ型に配置することが好ましく、このため前記各実施形態例において描写されている前記内燃機関はそれぞれが８気筒Ｖ型エンジンである。Ｖ型エンジンにおいては前記シリンダ列２および３は通常、シリンダ・バンクと称される。
【００１８】
各シリンダ列ないしシリンダ・バンク２および３にはそれぞれに独立した排気ガス・ターボ・チャージャ４ないし５が装備されており、一方のシリンダ・バンク２の排気ガスが排気ガス・ターボ・チャージャ４を駆動し、また他方のシリンダ・バンク３の排気ガスが排気ガス・ターボ・チャージャ５を駆動する役割を担うように分担配置されている。
【００１９】
前記排気ガス・ターボ・チャージャ４および５は、それぞれ新気吸入ライン６ないし７を介して新気を吸入し、ここでその新気はそれぞれ、前記排気ガス・ターボ・チャージャ４ないし５のそれぞれコンプレッサ８ないし９内でブースト・エアに圧縮される。過給されたブースト・エアは前記各コンプレッサ８および９の下流で、中に１個のインタークーラ１１を配置した１本の共通ブースト・エア・ライン１０に供給される。このようなインタークーラ１１は、コンプレッサによる過給時に加熱されたブースト・エアの冷却を行なう。これによりブースト・エアの流量は著しく増加する。
【００２０】
前記ブースト・エア・ライン（インタークーラ）１１から送られる冷却された前記ブースト・エアは前記内燃機関エア吸入口１２に到達して空気室１３に合流する。ここで前記ブースト・エアは両シリンダ・バンク２および３の各シリンダ１に分配される。
【００２１】
各シリンダ１内での燃焼後、排気ガスはシリンダ・バンク２ないし３にそれぞれ分担配置されている２本の排気ガス回収ライン１４ないし１５を介して、前記各排気ガス・ターボ・チャージャ４ないし５のそれぞれのタービン１６ないし１７に到達し、これを駆動してこれに連結した前記各コンプレッサ８ないし９を駆動する。前記各タービン１６ないし１７の下流で、圧力から開放された排気ガスは、それぞれ１個の、または共通した排気ガス浄化装置、および消音装置に供給される。
【００２２】
両排気ガス回収ライン１４および１５はそれぞれ同じＥＧＲの両部分である、排気ガス排出ライン１８ないし１９に接続されている。前記の両排気ガス排出ライン１８ないし１９は１本の共通の再循環ライン２０に合流しており、この中には高温の燃焼排気ガスから熱エネルギーを奪取するＥＧＲ熱交換器が配置されている。前記再循環ライン２０は前記内燃機関のエア吸入口１２に合流しているため、過給された新気の燃焼排気ガスは前記空気室１３へ流入するより前の位置で混入することができる。
【００２３】
前記ＥＧＲはさらにバルブ手段２１を有し、これを用いて再循環された排気ガス量を調整ないし制御することができる。
【００２４】
従来の諸内燃機関においてはこのバルブ手段２１は前記再循環ライン２０が前記エア吸入口１２に連通されている部分に配置されているのに対し、本発明に従った内燃機関の諸実施形態で上述のバルブ手段２１は、前記各排気ガス排出ライン１８および１９と前記再循環ライン２０に連通する部分に配置されている。
【００２５】
第１図に描写されている実施形態の通り前記バルブ手段２１は１個の遮断手段２５を備えており、これにより一つには前記各排気ガス排出ライン１８および１９ないし前記再循環ライン２０の遮断、また他方では前記各排気ガス排出ライン１８および１９から前記再循環ライン２０への排気ガス流入量の調整、またこれによりＥＧＲ率の調整ができるように配置されている。ここでは前記バルブ手段２１は前記遮断手段２５と合わせてＥＧＲバルブとして機能する。
【００２６】
上記とは異なり、第２図で描写されている参考例においては前記バルブ手段２２および２３は第一および第二の遮断手段としてそれぞれ２６および２７を備えており、これらはそれぞれ前記各排気ガス排出ライン１８および１９に配置されており、これらの働きで前記再循環ライン２０への流入口より前の位置で遮断することができる。さらには前記各遮断手段２６および２７は、これらを用いて前記各排気ガス排出ライン１８および１９を通過する排気ガスの貫流量を、好ましくは並行して、調整できるようにして、ここでもまた前記各遮断手段２６および２７を備えた前記各バルブ手段２２および２３がＥＧＲバルブとして機能し、これを用いて前記ＥＧＲ率が調整可能であるように設計されている。
【００２７】
前記各バルブ手段２１（第１図）ないし２２および２３（第２図）を用いて、前記各排気ガス排出ライン１８および１９間にあり前記の共通の再循環ライン２０に連通する連結部を遮断ないし中断し、これにより前記シリンダ・バンク２および３は排気ガス側で相互の連結を完全に分離することができる。本発明に従った内燃機関と本発明に従って提案された駆動方法では、これが、前記シリンダ・バンク２および３の排気ガス側の相互作用により、前記内燃機関の回転数域が比較的低い場合に発生するラム・チャージングを防止するのに利用される。上記で既に詳しく言及した通り、回転数が低い場合のこの相互作用とは主に、両シリンダ・バンク２および３の間に前記各排気ガス排出ライン１８および１９内の質量振動を誘発する圧力脈動が形成されることである。この質量振動は摩擦損失および熱損失を増加するため、このエネルギー損失は結局、得られるブースト圧力を減少させることになる。
【００２８】
前記各シリンダ・バンク２および３が排気ガス側で、バルブ手段ないし遮断手段２１ないし２５（第１図）および２２、２３ないし２６、２７（第２図）の提案されている配置に従って相互に連結が分離されている場合では、さらにブースト圧力が高くなる。
【００２９】
発明に従った前記内燃機関はそのため、排気ガス側での前記各シリンダ・バンク２および３間の結合が、上述のパルス・チャージングが起る回転数では遮断されるように駆動される。基本的に純粋なラム・チャージングとなる回転数域になって初めて、排気ガス側での前記各シリンダ・バンク２および３間の結合が再開される。本発明に従った内燃機関を搭載した車両では、このような方法により、例えば発進域で高いエンジン出力を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の内燃機関の実施形態を示す構成図である。
【図２】 本発明の内燃機関の参考例を示す構成図である。
【符号の説明】
１ シリンダ
２，３ シリンダ・バンク
４，５ 排気ガスターボ・チャージャ
１２ エア吸入口
１８，１９ 排気ガス排出ライン
２０ 再循環ライン
２１ バルブ手段
２５ 遮断手段

Claims (13)

1. ２列のシリンダ・バンク（２、３）にそれぞれ複数のシリンダ（１）を配置し、シリンダ・バンク（２、３）のシリンダ（１）の排気ガスによりそれぞれ駆動される２個の排気ガス・ターボ・チャージャ（４、５）、２本に分枝した排気ガス排出ライン（１８、１９）を含むＥＧＲを有する内燃機関であって、これがそれぞれ１列のシリンダ・バンク（２、３）のシリンダ（１）の再循環すべき排気ガスの一部をそれぞれの排気ガス・ターボ・チャージャ（４、５）の上流で分流して共通の再循環ライン（２０）に供給し、これにより再循環すべき排気ガスは前記排気ガス・ターボ・チャージャ（４、５）下流の１個のエア吸入口(１２)に供給され、ここでＥＧＲバルブとして機能するバルブ手段（２１）が再循環した排気ガスの量を調整することができ、バルブ手段（２１）は遮断手段（２５）を備え、
   遮断手段（２５）は、前記両排気ガス排出ライン（１８、１９）と再循環ライン（２０）との連結部に設けられ、前記両排気ガス排出ライン（１８、１９）間の遮断、及び前記両排気ガス排出ライン（１８、１９）と前記再循環ライン（２０）との間の遮断を単一のバルブで行うことを特徴とする内燃機関。
2. 前記各バルブ手段（２１）が共通の結合箇所の部分に配置され、この箇所で前記各排気ガス排出ライン（１８、１９）が前記再循環ライン（２０）と接続されて相互に連通することを特徴とする請求項１記載の内燃機関。
3. 前記各バルブ手段（２１）は、前記結合箇所に配置されているバルブ構成要素を有しており、バルブ構成要素は、前記各遮断手段（２５）を備えていてＥＧＲバルブとして機能することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
4. 前記各バルブ手段（２１）が、前記各排気ガス排出ライン（１８、１９）のうちのそれぞれ１本の中で前記再循環ライン（２０）の該当する流入口の前の位置に配置されている２個のバルブ構成要素を有し、またそれぞれ前記各遮断手段（２５）を備え、ＥＧＲバルブとして機能していることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関。
5. 前記再循環ライン（２０）内の前記エア吸入口（１２）への流入口より前の位置にＥＧＲ熱交換器（２４）が配置されており、これの中で再循環された排気ガスが冷却されることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の内燃機関。
6. 各シリンダ（１）より上流位置の前記エア吸入口（１２）内に空気室（１３）が配置されており、ここから前記各シリンダ（１）から過給されたブースト・エアが供給されることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の内燃機関。
7. 前記排気ガス・ターボ・チャージャ（４、５）の下流に１個のインタークーラ（１１）が配置されており、この中で前記各シリンダ（１）に供給された前記ブースト・エアが冷却されることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の内燃機関。
8. 前記再循環ライン（２０）が前記インタークーラ（１１）の下流で前記エア吸入口（１２）に合流することを特徴とする請求項７に記載の内燃機関。
9. 前記再循環ライン（２０）の流入口の上流の前記エア吸入口（１２）内にスロットル・バルブが配置されていることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の内燃機関。
10. 請求項１〜９の何れか１項に記載の内燃機関において、前記内燃機関の回転数域が０〜２０００rpmの回転数の場合には、前記各遮断手段（２５）を用いて前記各排気ガス排出ライン（１８、１９）間の連結部が遮断される一方で、それ以外の回転数域で前記連結部は開通していることを特徴とする内燃機関の駆動方法。
11. 請求項１〜９の何れか１項に記載の内燃機関において、前記内燃機関の回転数域が８００〜２０００rpmの回転数の場合には、前記各遮断手段（２５）を用いて前記各排気ガス排出ライン（１８、１９）間の連結部が遮断される一方で、それ以外の回転数域で前記連結部は開通していることを特徴とする内燃機関の駆動方法。
12. 請求項１〜９の何れか１項に記載の内燃機関において、前記内燃機関の回転数域が１２００〜１８００rpmの回転数の場合には、前記各遮断手段（２５）を用いて前記各排気ガス排出ライン（１８、１９）間の連結部が遮断される一方で、それ以外の回転数域で前記連結部は開通していることを特徴とする内燃機関の駆動方法。
13. 前記各排気ガス排出ライン（１８、１９）間の連結部が遮断されている場合に、排気ガスもまた前記エア吸入口（１２）へは再循環されないことを特徴とする請求項１０〜１２の何れか１項に記載の内燃機関の駆動方法。

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