JP5570773B2 - 部分的排気流抽出装置、及び前記装置を備えている内燃エンジン - Google Patents

Description

本発明は、部分的排気ガス流を抽出する装置、及び前記装置を備えている内燃エンジンに関する。特に本発明は、内燃エンジンの排気管から部分的排気流を抽出する装置、及び排気再循環システムを備えている内燃エンジンに関する。

内燃エンジンにおいては、排気ガス再循環は、窒素酸化物排出（ＮＯ_ｘ排出）量を減らすのに使用されている。排気ガス再循環は、内燃エンジンの排気管から部分的排気流を抽出すること、及び内燃エンジンの吸気管路内に前記部分的排気流を再循環させることを含んでいる。内燃エンジンの吸気口に導入された排気ガスは、窒素の窒素酸化物への酸化を減少させる不活性ガスとして作用する。

部分的排気流の流れを得るため、特定の圧力比を提供する必要がある。吸気口位置における部分的排気流の圧力が、吸気管路内の空気流の圧力と少なくとも等しいことが、特に基本的なことである。しかしながら、流体抵抗に打ち勝つため、及び排気再循環制御装置の応答作動を改善するために、部分的排気流の圧力は、吸気管路内で支配的である圧力よりもある程度だけ高くすべきである。

自然吸気エンジンとして参照される内燃エンジンにおいて、吸気管路内で支配的である圧力は、大気圧に比して減少されている。さらに、排気管路における排気ガスの圧力は、大気圧に比して増大されている。

結果的に前記吸気エンジンにおいて、部分的排気流は、連結部を設けるとともに、前記連結部内のバルブを制御することによって、吸気管路内に導入され得る。

さらに吸気管路内の圧力が大気圧に比して増大されている内燃エンジンシステムは、既知とされている。そのような内燃エンジンは、例えば２ストロークエンジン、特に２ストロークディーゼルエンジン、及びターボ過給機又は圧縮機によって過給された全ての内燃エンジンを含んでいる。そのような内燃エンジンにおいては、圧力比は、吸気管路において支配的である圧力と排気管路において支配的である圧力との間において生じ、排気管路から吸気管路への、圧力差に基づいた流れを不可能にする。このため、吸気管路内に部分的排気流を導入するための様々な技術が、従来技術から既知とされている。特に、送風機及び圧縮機が、部分的排気流の圧力を、吸気管路内で支配的である圧力を超えて増大させるために使用されている。

内燃エンジンの排気管からの部分的排気流を抽出する装置を提供することが本発明の目的であり、前記装置によって、部分的排気流は、簡易な手段で内燃エンジンの吸気管路内に導入され得る。特に、排気再循環システムを備えている内燃エンジンを提供することが本発明の目的であり、前記排気再循環システムは、排気管路と吸気管路との間における前述された好ましくない圧力比の問題を簡易な手段で克服するように適合されている。さらに、部分的排気流を抽出する装置を有利に利用する内燃エンジンを提供することが本発明の目的である。

本発明によれば、これら目的は、請求項１に記載の内燃エンジンの排気管からの部分的排気流を抽出する装置によって達成される。さらにその目的は、請求項２７、３０、又は３３に記載の内燃エンジンによって達成される。本発明のさらに有利な発展型は、従属請求項に規定されている。

本発明の第一の特徴によると、排気管に開口している部分的排気管を経由して、内燃エンジンの排気管から部分的排気流を抽出する装置が提供されており、該装置は、部分的排気管の吸気部が実質的に排気流に向かい合って配置され、それによって、排気流の動圧を利用している間、部分的排気流は部分的排気管の開口部に流入し得ることを特徴としている。

本発明の好適な実施形態によると、前記吸気部は排気管の断面部内に配置されており、内燃エンジンの少なくとも予め決定された作動範囲においては、吸気部内の部分的な横断面によって平均化された排気流の流速は、排気管内の全断面によって平均化された全体的な排気流の流速よりも高い。

本発明の好適な実施形態によると、部分的排気管の吸気部は、流れ制御部材の、流れ方向すぐ下流に配置されている。

本発明の好適な実施形態によると、吸気部は、排気管の全断面と関連して排気管の一部に配置されており、流速の最高値は、内燃エンジンの少なくとも予め決められた作動範囲内において流れ制御部材を開口する周期の過程で生じる。

本発明の好適な実施形態によると、部分的排気管内の圧力は、少なくとも予め決められた内燃エンジンの作動範囲内での部分的排気流の抽出を除いて、部分的排気流の抽出に関して排気管内の圧力よりも高い。

本発明の好適な実施形態によると、流れ制御部材は、内燃エンジンの放出バルブである。

本発明の好適な実施形態によると、流れ制御部材は、バルブヘッド及びバルブステムを含んでいるポペットバルブであり、前記バルブステムは部分的排気管の吸気部によって囲まれている。

本発明の好適な実施形態によると、部分的排気管、及び／又は部分的排気管の吸気部は、排気管内において同軸に配置されている。

本発明の好適な実施形態によると、部分的排気管の内部輪郭線が、吸気部の領域内においてディフューザーを形成している。

本発明の好適な実施形態によると、部分的排気管は、吸気部の領域内においてピトー管である。

本発明の好適な実施形態によると、部分的排気管は、部分的排気管内の流れを制御するための流れ制御手段を備えている。

本発明の好適な実施形態によると、部分的排気管内の流れは、排気管内の流れ特性に応じて流れ制御手段によって制御され、及び／又は内燃エンジンの作動条件によって制御されている。

本発明の好適な実施形態によると、流れ制御手段は、部分的排気管内に設けられたバルブであって、部分的排気管と排気管との間の流れを許容及び抑制するように作動するバルブである。

本発明の好適な実施形態によると、流れ制御手段は、カム機構によって作動されるポペットバルブである。

本発明の好適な実施形態によると、流れ制御手段は、放出バルブのバルブステムに配置された回転式滑りバルブである。

本発明の好適な実施形態によると、回転式滑りバルブは、固定式環状要素と、該固定式環状要素に同軸に配置された回転式環状要素を含んでおり、前記環状要素は対応する開口部を有し、固定式環状要素に対して回転式環状要素を捻ることによって、前記開口部を通る流れが許容又は抑制されることを特徴としている。

本発明の好適な実施形態によると、固定式環状要素は部分的排気管の吸気部に付着されており、回転式環状要素はバルブステムに付着されており、それによって、固定式環状要素に対してバルブステムを捻ることによって、回転式環状要素が回転され得る。

本発明の好適な実施形態によると、流れ制御手段は、部分的排気管の吸気部に設けられたバルブシートと、流れ制御部材のバルブステムに対して同軸的に移動可能なバルブ本体とから構成されており、前記バルブ体は、部分的排気管の吸気部を閉口及び／又は開口するように、バルブシートと接触し、及びバルブシートから離昇するように適合されている。

本発明の好適な実施形態によると、バルブ本体は、部分的排気流の流れ方向、部分的排気管の吸気部の下流に配置されている。

本発明の好適な実施形態によると、流れ制御手段は、内燃エンジンが放出バルブ駆動機構によって作動され得る。

本発明の好適な実施形態によると、流れ制御手段は、放出バルブの作動と同期して作動され得る。

本発明の好適な実施形態によると、絞りバルブ作動装置によって調整可能な絞りバルブが排気管内に設けられており、前記絞りバルブによって排気管内における逆圧が調整され得る。

本発明の好適な実施形態によると、絞りバルブ作動装置はカム機構である。

本発明の好適な実施形態によると、絞りバルブ作動装置及び流れ制御手段用に設けられた作動装置は、力学的に連結されている。

本発明の好適な実施形態によると、特に内燃エンジンの速度が最低限以下に落ちている際、流れ制御手段は、内燃エンジンの事前に決定された作動条件において閉ざされた状態に維持されている。

本発明の好適な実施形態によると、逆止バルブは、部分的排気管の吸気部への逆流を防止するために部分的排気管内に設けられている。

本発明の第二の特徴によると、本発明の第一の特徴による装置を備えている内燃エンジンが提供されており、該装置の部分的排気管は、内燃エンジンの少なくとも一つの燃焼室と、直接的又は間接的に連通した排気再循環管を構成している。

本発明の好適な実施形態によると、内燃エンジンは空気清浄送風機を含み、及び／又はターボ過給する２ストロークディーゼルエンジンである。

本発明の好適な実施形態によると、内燃エンジンは、ターボ過給された４ストロークサイクルエンジンである。

本発明の第三の特徴によると、本発明の第一の特徴による装置を備えている内燃エンジンが提供されており、部分的排気管は、ターボ過給機のタービン、及び／又は補助手段のタービンに連結されており、それによって、ターボ過給機及び／又は補助的手段が、部分的排気流によって少なくとも部分的に作動されることを特徴としている。

本発明の好適な実施形態によると、本発明の第三の特徴による内燃エンジンにおいて、補助的な手段は、タービンによって発生した動力を内燃エンジンに選択的に供給し得る。

本発明の好適な実施形態によると、本発明の第三の特徴による内燃エンジンにおいて、タービンは、ギアシステムを通じて内燃エンジンのクランクシャフトに動力を供給し得る。

本発明の第四の特徴によると、本発明の第一の特徴による装置を備えている内燃エンジンが提供されており、該内燃エンジンはさらに、部分的排気流を抽出する装置によって抽出された部分的排気流によって作動され得る圧力操作型作動装置を含んでいる。

本発明は、本発明の異なる実施形態を示している下記の図に基づいた実施形態として図示されている。

内燃エンジン用の排気再循環システムを示す図であり、本発明による部分的排気流を抽出する装置は、前記排気再循環システムに適用され得る。 図１の排気再循環システムに適用可能な第一実施形態による、直接的に連結された環状滑りバルブを含んでいる放出バルブを、僅かに開口した位置で記載した図である。 図１の排気再循環システムに適用可能な第一実施形態による、直接的に連結された環状滑りバルブを含んでいる放出バルブを、完全に開口した位置で記載した図である。 第一実施形態に採用された環状滑りバルブの展開図である。 図１の排気ガス再循環システムに適用可能な本発明の第二実施形態による、排気管路内の絞り手段と、排気ガス再循環のための制御された抽出バルブとを駆動する、放出バルブの結合部を含んでいる放出バルブを記載した図である。 図１の排気ガス再循環システムに適用可能な本発明の第三実施形態による排気管路内に、同軸に配置される抽出バルブを有している放出バルブを示した図である。 図１の内燃エンジンシステムに比して部分的に修正された内燃エンジンシステムを示した図であり、本発明による装置は、前記内燃エンジンシステム内で低圧タービンを動かすために使用される。 図１の内燃エンジンシステムに比して部分的に修正された内燃エンジンシステムを示した図であり、本発明による装置は、前記内燃エンジンシステム内で補助的な手段を動かすために使用される。 図１の内燃エンジンシステムに比して部分的に修正された内燃エンジンシステムを示した図であり、本発明による装置は、前記内燃エンジンシステム内で内燃エンジンのクランクシャフトを駆動するために使用される。 図１の内燃エンジンシステムに比して部分的に修正された内燃エンジンシステムを示した図であり、本発明による装置は、前記内燃エンジンシステム内で圧力操作型作動装置を作動するために使用される。

本発明の実施形態が、図を参照すると共に下記に記載されている。実施形態の記載は、特許請求の範囲で規定された本発明の具体的な構成を説明する働きを意図されていることに注意すべきである。個々の実施形態の特徴は互いに合理的に組み合わせられることができ、特許請求の範囲に記載されている保護を求める範囲内の本発明のさらなる構成は、当業者にとって明らかである。

図１は、内燃エンジン用排気ガス再循環システムを、概略的に表している。図１の排気再循環システムは、一例として、ターボ過給された２ストロークディーゼルエンジンに適用されている。

ここに示された内燃エンジンは、燃焼室３を制限するシリンダー２及びピストン５を備えている。燃焼室３の作動する体積は、シリンダー２内のピストン５の動きによって変動可能である。

ピストン５は、図示されていないピストンロッドを通じて、図示されていないクランクシャフトに連結されている。シリンダー２内のピストン５の動きは、既知の方法でクランクシャフトの回転に変換される。空気‐燃料混合物の燃焼によって発生した機械的な力は、クランクシャフトを通じて伝達される。

シリンダー２の下位部には、内燃エンジンの稼働中に、ピストン５によって掃気させる吸気スリット４が設けられている。このように、シリンダー２の吸気スリット４は、吸気バルブとして制御されている。ピストン５が予め決められた下位部に到達するとすぐに、吸気スリットが開けられ、それによって、空気及び／又は空気‐排気混合物がシリンダー内に導入され得る。

図示されていない噴射バルブがシリンダーに配置されており、それによって、同じ燃料がずっと燃焼室３に導入され得る。代案として、また、同等、若しくは異なる特性又は制御を有している複数の噴射バルブが設けられ得る。

シリンダーの上側には、放出バルブ１が設けられている。前記放出バルブ１はポペットバルブであり、図２〜５に詳細に図示されている。実施形態は一つの放出バルブを示しているが、本発明による構成においては、複数の放出バルブを設けることも可能である。代案として、また、一つ以上の従来型放出バルブが、本発明による一つ以上の放出バルブに加えて設けられ得る。

内燃エンジンは、吸気多岐管８の形をした吸気収集機、及び排気多岐管９の形をした排気収集機をさらに含んでいる。吸気多岐管８は、吸気管路６を通じて吸気スリット４に連結されている。排気多岐管９は、排気管路７を通じて放出バルブ１に連結されており、それによって、燃焼室３は、放出バルブ１が開いている場合に、排気管路７を通じて排気多岐管９と連通する。

ここに図示された実施例においては、排気多岐管９内の排気ガスは、排気管要素２４を通じてターボ過給機２０に供給されている。ターボ過給機２０は既知の方法で作動し、それによって、燃焼エンジンの吸気口において支配的な圧力は、排気エネルギーによって増大され得る。ターボ過給機２０は、タービン２１、圧縮機２２、及びタービン２１と圧縮機２２とを連結しているターボ過給機軸２３を備えている。大気圧以上の特定の圧力を有している排気ガスは、排気管要素２４を通じてタービン２１に供給されている。排気ガスはタービン２１内で放圧され、それによって、包含されたエネルギーがターボ過給機軸２３に伝達されている。放圧された排気ガスは、排気管要素２７を通じて放出される。

ターボ過給機軸２３に供給された力は、圧縮機２２を駆動するのに使用され、前記圧縮機は、吸気管要素２６を通じて導入された吸気を圧縮し、吸気管要素２５を通じて圧縮された吸気を放出する。

過給エア冷却機２８は、加圧された吸気を冷却するために設けられており、前記加圧された吸気の温度は、圧縮操作によって増大される。従って、ある程度改善された内燃エンジンの充填が達成される。冷却された吸気は、吸気管要素２９及び吸気管要素１７によって吸気多岐管８に供給される。

前述されたように、内燃エンジンの吸気口において支配的である圧力は、ターボ過給機２０によって増大される。また、前記圧力は、ターボ過給機２０を使用せずに、電気モーター、又はクランクシャフトに加えられた力によって駆動される図示されていない送風機を使用することによって増大することも可能である。何れの場合でも、前記２ストロークディーゼルエンジンによって、吸気口、特に吸気スリット４において支配的である圧力は大気圧に対して増大されて、高い掃気効率をもたらし、それによって、燃焼された混合体は、新鮮な空気／新鮮なガスに十分に置き換えられ得る。

内燃エンジン用排気ガス再循環システムは、部分的排気管要素１２、１３、１４、及び１６を備えている排気再循環管を含んでいる。放出バルブ１の領域において、部分的排気ガス流は抽出され、排気管要素１２に導入される。部分的排気管要素１２の下流には、再循環多岐管１０が設けられている。部分的排気管要素１３は、前記多岐管から、再循環された排気ガスを冷却するための再循環ガス冷却機１１に通じている。再循環ガスは、部分的排気管要素１４を介して、再循環ガスが放出バルブの方向に逆流することを防止する逆止バルブ１５に移動する。逆止バルブ１５は絶対的に必要なわけではなく、それ無しで済ますことが可能である。

再循環ガスは、逆止バルブ１５から部分的排気管要素１６を介して、吸気管要素１７と吸気管要素２９との間の圧縮された吸気ガスを吸気多岐管８に案内している連結点まで通過している。

逆止バルブ１５に加えて、又はその代替として、逆止バルブ１５ａを、再循環ガス多岐管１０の上流の部分的排気管要素１２に設けることができる。好適には、前記逆止バルブ１５ａは、多シリンダー内燃エンジンに使用され、それによって、一つのシリンダーで抽出された部分的排気流が、再循環多岐管１０を通じて別のシリンダー内に逆流することを防止する。逆止バルブ１５ａは絶対的に必要なわけではなく、又は、特に一シリンダーだけを有している内燃エンジンは別として無くても良い。

さらに、逆止バルブ１５及び２５ａは、能動的に制御されたバルブに置き換えることができ、この能動的に制御されたバルブは、例えば機械的又は電磁的な作動装置によって、最適化されたタイミングで操作され得る。

以下に詳細に記載された本発明による排気抽出装置を利用することによって、吸気管要素１７と吸気管要素２９との間の前述の連結点における部分的排気管要素１６内に導入された排気ガスの圧力は、吸気管要素２９の連結点に案内された吸気ガスの圧力よりも高くなる。したがって、放出バルブ１において抽出された部分的排気ガス流は、内燃エンジンの吸気多岐管８内に導入され得る。

以下に、内燃エンジンの排気管から部分的排気流を抽出する装置を備えている、放出バルブ１の実施形態が示される。部分的排気流を抽出する前記装置の特定の構成は、前述されたように、図１に示されたシステムの吸気多岐管８内に部分的排気流を導入することを可能にする。

部分的排気流を抽出する前記装置は、さらに図７〜１０に示された内燃エンジンシステムに適用可能である。

図２は、図１の排気再循環システムに適用可能である第一実施形態による直接的に結合された環状滑りバルブを有する放出バルブを、少し開口した位置で示している。

放出バルブ１は、バルブヘッド１０１及びバルブ軸１０２を有している、いわゆるポペットバルブである。バルブ軸１０２は、並進及び回転によって、軸受けブッシュ１０３内で枢動する。軸受けブッシュ１０３は、例えば圧力嵌めによってシリンダーヘッド１１１の内筒内に差し込まれている。

円形のバルブヘッド１０１はバルブシート１０４と相互作用し、それによって、バルブヘッド１０１がバルブシート１０４に接触すると、放出バルブ１を通じる流れ、特にバルブヘッド１０１とバルブシート１０４との間の半径方向隙間を通じる流れが抑制され、放出バルブ１は閉ざされる。

放出バルブ１を開けるために、バルブ軸１０２は、例えばタペットを有するカムシャフト、ロッカーアーム、又は液圧的手段のような、ここに示されていない作動機構によって軸方向に駆動され、それによって、バルブヘッド１０１は、例えば空気バネのような、図示されていないバルブバネの付勢に抗してバルブシート１０４から離昇する。しかしながら、放出バルブ１の実機能が保証されている限り、放出バルブ１は、形はどうあれ駆動され得る。したがって燃焼室３に提供された排気ガスは、バルブヘッド１０１とバルブシート１０４との間に、結果として生じる環状隙間を通じて流れ得る。この位置で、放出バルブは開けられている。

バルブシート１０４に隣接して、排気室１０５がシリンダーヘッド１１１内に設けられている。前記排気室１０５は空間を提供し、この空間を通じて、開口した放出バルブ１を通じて流れる排気ガスは移動する。放出室１０５は、図１に示された排気管路７に連結されている。このようにして、放出バルブ１が開かれると、排気ガスは、排気室１０５を通じて排気管路７に流入し得る。

以下に、本発明による部分的排気流の抽出を可能にする、放出バルブ１の特定の構成が記載されている。排気抽出管路１０６は、バルブ軸１０２の周りに同軸構成に設けられている。前記排気抽出管路１０６は、シリンダーヘッド１１１の外側同軸要素１１２と内側同軸要素１１３との間に形成された、環状隙間１２０を含んでいる。内側同軸要素１１３は、バルブ軸１０２用の軸受けブッシュ１０３を支持するように同時に設けられている。要素１１２及び１１３間に形成された環状隙間１２０は、排気抽出管路１０６に続いている。その下端部、特にバルブヘッド１０１と向かい合っている１１２の端部と要素１１３の端部との間に、管１０７が設けられている。前記管１０７は、外側同軸要素１１２に配置されており、それによって、同軸要素１１２の軸方向延在部と、同時に排気抽出管路１０６の吸気部の軸方向延在部とを形成する。管１０７の下端部には回転式滑りバルブ１３０が形成されており、この回転式滑りバルブは、管１０７とバルブ軸１０２の外周との間の隙間を開けたり、閉じたりするように設けられている。以下に、前記回転式滑りバルブ１３０が詳細に記載されている。

管１０７の下端部領域におけるバルブ軸１０２には、拡径部が設けられており、この拡径部は、以下に作動部１０８として記載されている。内側環状隙間スリーブ１１０は、作動部１０８に定置されている。作動部１０８の軸方向外側には、外側環状隙間スリーブ１０９が設けられ、内側同軸要素１１３に付着されている。内側環状隙間スリーブ１１０は、外側環状隙間スリーブ１０９に対してバルブ軸１０２と共に捻ることができる。

図４は、外側環状隙間スリーブ１０９及び内側環状隙間スリーブ１１０の展開平面図及び断面図を示し、それによって、互いに移動可能な重ね合わされたスリットを有するスリーブの設計を明示しており、これらスリーブの機能は以下に詳細に説明されている。

使用は、回転性、及び特にこのために設けられた機構によってバルブ軸１０２をきちんと方向付けして捻ることから成り、前記機構はこのタイプの内燃エンジンに既に設けられていて、バルブシートの慣らし運転を回避するとともに、バルブ軸の潤滑を改善する。

環状隙間スリーブ１１０及び１０９は、相補的なスリット又は開口部を有しており、それらスリット又は開口部は、環状隙間スリーブ１１０及び１０９両方のスリット又は開口部が重ね合わされている場合に、排気ガスの通過を可能にする。環状隙間スリーブ１１０及び１０９が捻られると、前記通過は遮断される。

したがって、管１０７とバルブ軸１０２との間の環状隙間には、バルブ軸１０２を捻って開口及び閉口されるように適合された回転式滑りバルブ１３０が形成されている。

本発明の第一実施形態による放出バルブ１の機能は、図２〜４を参照して詳細に記載されている。

２ストロークディーゼルエンジンの燃焼行程の終局において、放出バルブ１は既知の方法で開かれ、それによって排気ガスは、燃焼室３から排気室１０５及び排気管路７を通って放出され得る。この位置は、図１に示されている。放出バルブ１が開かれる直前に、比較的高い圧力がまだ燃焼室３内において支配的であり、それによって、バルブヘッド１０１をバルブシート１０４から離昇することにより放出バルブ１が僅かに開かれると、排気ガスが結果的に生じる狭い環状隙間を通じて高速で流れる。

図２には、バルブヘッド１０１がバルブシート１０４から離昇した直後の、バルブ１の環状隙間を通じた流れが、概略的に示されている。バルブ１の環状隙間を通る排気ガスの流れが、バルブ軸１０２に向かって半径方向内側に広がっていることが明白である。連続の式を考慮に入れると、流線の集中部分は速い流速を意味している一方で、半径方向外側領域において流速は遅い。

この状況において、すなわち放出バルブ１を開いた直後、又は放出バルブ１がまだ僅かに開いている場合には、排気ガスは放出室１０５内に流入し、バルブ軸と管１０７との間の下部開口部、すなわち排気抽出管路１０６の吸気口部に作用する。環状滑りバルブ１３０は、最適なタイミングで放出バルブ１を捻ることで開かれ、それによって排気ガスは、バルブ軸１０２と管１０７との間の環状隙間に流入し得る。放出バルブ１の小さな開口部の場合の高速性のため、環状滑りバルブ１３０が開かれると排気ガスは容易に環状隙間に流入する。このために、排気ガスの増大された全体的な圧力は、流れが安定した後に排気抽出管路１０６をもたらすように、排気ガスの動圧が利用される。

全圧力の増加は、高流速による排気ガスの動圧を利用することに起因している。部分的な断面によって平均化された排気ガスの流速は、放出室１０５の全断面によって平均化された流速よりも高い、放出室１０５の断面領域内における排気抽出管路１０６の吸気部の特定の構成は、部分的排気流として抽出され得る排気ガスの全圧力の増加をもたらす。

この事情においては、排気抽出管路１０６の吸気部が、動圧を利用した全圧力の増加がとにかく可能である時間間隔においてのみ開かれる場合に、特定の利点がある。放出バルブ１が僅かに開いたとき、すなわち、排気ガスがバルブヘッド１０１とバルブシート１０４との間の環状隙間から流れ始めるとき、放出室１０５の断面領域における前述の平均化された圧力比が、排気抽出管路１０６内の全圧力の増加を可能にする。それゆえ、環状滑りバルブ１３０はこの時間間隔でのみ開かれ、そうでなければ、以下に記載されるように閉ざされた状態となる。

図３において、放出バルブ１は、開かれた位置に示されている。バルブヘッド１０１とバルブシート１０４との間の環状隙間が拡大されており、それによって、概略的に示された流線から明白であるように、一方では環状隙間の大きな断面によって、他方では燃焼室の排気ガスの事前の放出によって、流速が減少される。この場合、排気ガスの動圧は、排気抽出管路で支配的である全圧力を増加させるためには適用されない。それゆえ、この位置において、環状滑りバルブはバルブ軸を捻ることによって閉ざされ、排気ガスの大部分は排気管路７を通じて逃げる。

結果的に、環状隙間の割合、バルブ開口のタイミング、及びバルブ軸１０２を捻ることによる環状隙間の作動を最適化することによって、排気抽出管路１０６内で支配的である全圧力は増加され、それによって、吸気多岐管８内の圧力に対して十分な圧力差が提供されるので、部分的排気流を吸気多岐管８内に導入することが可能である。

図５は放出バルブ１の概略図であり、本発明の第二実施形態に係る、バルブ駆動部の排気管路７内の絞り手段及び排気再循環のために制御された抽出バルブへの結合を示している。

本発明の第二実施形態による放出バルブ１は、バルブヘッド２０１及びバルブ軸２０２を含んでいる。同様に第二実施形態の放出バルブ１は、図５にただ単に概略的に示された管２０７を備えている。バルブ軸２０２の支持体、及びシリンダーヘッド２１１の内側及び外側同軸要素の同軸構成は、第一実施形態と同様の方法で設計されている。

第一実施形態との差異は、排気抽出管路２０６を通じる排気流の制御にある。

部分的排気流は管２０７に流入するバルブ軸２０２と管２０７との間の環状隙間の下流にはポペットバルブ２３０が配置され、このポペットバルブは、排気抽出管路２０６に設けられたバルブヘッド２０９及びバルブシート２１０を含んでいる。バルブヘッド２０９は、バネ２０８ｂによってバルブシート２１０に対して付勢されるように適合されており、それによって排気抽出管路２０６を閉ざす。抽出バルブ２３０のバルブ軸２０９ａに連結されたロッカーアーム２０８ａが設けられている。

したがって、バルブヘッド２０９は、ロッカーアーム２０８ａによってバルブシート２１０から離昇することができ、それによって、排気抽出管路２０６と図１に示された再循環ガス管要素１２との間の連結が確立される。ロッカーアーム２０８ａは、例えばチェーン２０８ｄのような動力伝達要素によって駆動されるカム２０８ｃによって駆動される。前記動力伝達要素は、放出バルブ１を駆動している内燃エンジンのカムシャフト２０８ｅに、直接的に、又はさらなるギア機構を通じて連結されており、それによって、排気抽出バルブ２３０は、カムシャフト２０８ｅの作動と同時に開口及び閉口される。

第二実施形態の放出バルブ１作動方式は、第一実施形態の作動方式と同様である。バルブヘッド２０１とバルブシート２０４との間に小さな環状隙間が設けられるように、放出バルブ１が僅かに開かれると、排気ガスが管２０７内に高速で流入し、この場合、排気抽出バルブ２３０はカムシャフト２０８ｅと連結された作動装置によって開かれる。放出バルブ１がさらに開かれると、排気抽出バルブ２３０は再び閉ざされ、それによって、内燃エンジンの放出周期において放出バルブ１を僅かに開いた際に、増加した動圧を、排気抽出管路２０６内において支配的である全圧力を増加させるのに利用し得る。さらに、部分的排気流の逆流は、排気抽出バルブ２３０を閉じることによって防止されている。

以下に、第二実施形態のさらなる発展型が記載されている。

前記のさらなる発展型に従って、図５に示されている絞りバルブ２１５が設けられている。前記絞りバルブ２１５は、排気管路７内に、又は代わりに排気管の別位置に、回転可能に配置されるフラップバルブである。例えば、チェーン又はベルトのような伝達要素２１６は、カムシャフト２０８ｅに、直接的に又は他の伝達機構を通じて連結されている。

この改良型の作動方式が、図５を参照して記載されている。

放出バルブ１が開くと、排気ガス流が管２０７及び放出室２０５に流入する。この改良型において、放出バルブ１が開いた直後に、絞りバルブ２１５は閉ざされ、それによって、放出室２０５と排気管路７との間の管路は絞られる。このようにして、増加された逆圧が放出室２０５内で発生し、それによって、さらに増加した圧力が、最適化されたタイミングで管２０７内に提供され得る。

放出バルブ１をさらに開くと、絞りバルブ２１５は、伝達要素２１６及びカムシャフト２０８ｅを介する作動装置と関連して再び開けられ、それによって、減少した、すなわち通常の流体抵抗が排気管路内で生じ、それによって十分に新鮮なガス掃気を実施することができる。

本発明の第三実施形態が図６を参照して記載されており、図６は、本発明の第三実施形態による環状隙間に、同軸構成の排気再循環バルブ３３０を含んでいる放出バルブ１を示している。

第三実施形態による放出バルブ１は、バルブヘッド３０１、バルブシート３０４、及びバルブ軸３０２を備えている。この実施形態においても、環状隙間は、外側同軸要素３１２と内側同軸要素３１３との間に設けられている。他の実施形態のように、管３０７は下方向に開いており、その内側に、バルブ部材３０８によって閉ざされるように適合されたバルブシート３０９を示している。バルブ部材３０８が、長手方向に移動可能であるとともに、図示されていない作動機構によって、バルブ軸３０２の動きとは独立して軸方向に移動できるように、バルブ軸３０２に取り付けられており、それによって、バルブ表面３１０はバルブ３３０を閉じるようにバルブシート３０９と接触させ得る。

放出バルブ１が僅かに開くと、すなわち、バルブヘッド３０１をバルブシート３０４から僅かに離昇させることによって、バルブ部材３０８のバルブ表面３１０が、作動機構によってバルブシート３０９から離昇する。放出バルブ１がさらに開かれると、すなわち、バルブヘッド３０１とバルブシート３０４との間の環状隙間が広くなると、バルブ部材３０８はバルブシート３０９に接近する。放出バルブの予め決定された開口度を超えると、予め決定された力学的調整によって、バルブ表面３１０はバルブシート３０９と接触させられる。結果的にこの実施形態において、放出バルブが僅かに開くとき、排気流の、バルブヘッド３０１とバルブシート３０４との間の環状隙間を通じた吸気部内への導入が、簡易な手段で可能になる。放出バルブの開口を増加すると、排気再循環バルブ３３０は、管３０７の内側に設けられたバルブ部材３０８及びバルブシート３０９によって閉ざされ、それによって、排気ガスは専ら排気管路７を通って流れる。

また、第三実施形態の放出バルブ１は、排気抽出バルブ３３０を通じた排気抽出管路の適切な開口タイミングによって、部分的排気流の動圧を増加させることを可能にする。

前述された本発明の記載において、部分的排気ガス流を抽出する装置を備えている放出バルブは、排気再循環及びターボ過給された２ストロークディーゼルエンジンに示されている。この構成において、本発明による部分的排気ガス流を抽出する装置の出願は特に効果的である。しかし、部分的排気流を抽出する装置は、図７〜１０を参照して以下に記載される他の設計に対しても同様に効果的に適用され得る。

図７は、２ストロークディーゼルエンジンの形態の内燃エンジンを示している。内燃エンジンの設計は、図１の構成に比して変化はない。内燃エンジンは、特に、ピストン５、吸気スリット４、シリンダー２、及びシリンダー２内に配置された燃焼室３を備えている。さらに、前述された実施形態に対応して設計された放出バルブ１が設けられている。同様に内燃エンジンは、圧縮機２２及びターボ過給軸２３から成り、且つ図１のシステムに比べて低圧タービン２１ａ及び高圧タービン２１ｂを有しているターボ過給機２０を備えている。

部分的排気流を抽出する装置の本適用例に従って、管要素は依然として排気抽出管路１０６、２０６、３０６に連結されているが、部分的排気流は、排気再循環のため、又は専らターボ過給機２０の高圧タービン２１ｂを駆動するために付加的に使用されている。このために、図１に示された排気ガス冷却機１１は、合理的にそれ無しで済まされている。代替案として、タービンを二層流又は多層流タービンとして設計することが可能であり、そのタービン内に、異なる吸気圧力が設けられている。排気管路７を通過する大部分の排気ガス流は、タービン２１の低圧部分内に導入することができ、部分的排気流を抽出する装置によって抽出され、且つ大部分の排気流に比して増加された圧力を有している部分的排気流は、タービン２１の高圧部分に供給され得る。このシステムは、タービンの効率性、ひいてはシステム全体の効率性を改善することが意図されている。

図８は、本発明による部分的排気流を抽出する装置の、別の適用例を示している。ターボ発電機５０が、電気エネルギーを発生させるために部分的排気流を利用するように適合された、補助手段として設けられている。図８に示された内燃エンジンは、図１に示された内燃エンジンに対応している。具体的には、排気流の主流は排気管路７を通じて放出され、部分的排気流は、図１に示された排気冷却機１１を通過せずに、管要素１３、１４を通じてタービン５１に供給されている。部分的排気流はタービン５１内で放圧に放出され、管路５４を通じて排出される。この実施形態において、発電機５２は軸５３を通じてタービン５１に連結されている。タービン５１に案内された部分的排気流は、図示されていない制御手段によって制御することができ、それによって、夫々の電力が発電機５２に供給（tapped）され得る。

代替案として、タービン５１の機械的な力によって作動されるよう適合された任意の手段が、発電機５２に代わって設けられ得る。

本発明による部分的排気ガス流を抽出する装置の別の適用例が図９に記載されている。部分的排気流を抽出する装置の前記代替的な適用例の設計は、前述した適用例の設計と同様である。しかしながら、前述した適用例においては補助手段がタービン５１によって作動されているが、このさらなる適用例においては、タービン５１によって発生した力は、内燃エンジンの作動を支援するために利用されている。特に、タービン５１の出力軸５３はギアシステム５５を介して内燃エンジンのクランクシャフトに連結されており、従って、クランクシャフトに動力を伝達することができる。さらにこの適用例は、クランクシャフトに動力を伝達するか、又は図８に示されたターボ発電機に動力を供給するかの選択肢を備えている。このために、クランクシャフトへの動力伝達と、発電機５２への動力伝達との間で切り替えることのできる切り替え手段が必要とされている。

本発明による部分的排気ガス流を抽出する装置の別の適用例が図１０に示されている。部分的排気流を抽出する装置のこの代替的な適用例において、排気抽出管路から抽出される部分的排気流は、ガス圧作動型の作動装置６０を作動する為に使用され得る。そのような作動装置６０は例えば、バルブを作動する作動装置、又はターボ過給機の調整機構であり得る。作動装置６０は、ピストンを作動させる、図示されていない制御バルブを備えることができ、前記制御バルブは例えば、内燃エンジン用集中制御によって制御されている。さらに蓄圧器７０を、作動装置６０の上流に挿入することができ、それによって、圧力が安定して入手可能である一方で、他方では圧力変動が減少する。この代替的な適用例は例えば、前に必要とされていた圧縮空気の発生、又は特定の作動装置を作動するための減圧が不要になるという効果によって、内燃エンジンシステムを改善する。全体的に見て、内燃エンジンシステムの全体的な効率が改善される。

本発明は、図に示された実施形態を参照して記載されてきた。第一実施形態においては、再循環バルブ１が、バルブ軸の回転によって捻られる環状隙間スリーブ１０９及び１１０と共に示されている一方で、このシステムは、図５に例示された作動機構によって補足され得る。具体的には、図５において排気抽出バルブ２３０に適用されたように、第一実施形態の放出バルブ１のバルブ軸１０２の回転の力学的結合部が設けられ得る。さらに、全ての記載された実施形態において、図５に既に示されたように、力学的方法でカムシャフトに結合された、又は別体型の作動機構によって操作される絞りバルブは、排気管路７内に設けられ得る。

本発明は、２ストロークディーゼルエンジンに使用されるように記載された放出バルブ１に設けられた装置に関する。しかしながら、本発明の放出バルブ１は、放出バルブを備えているあらゆる内燃エンジンに適用可能である。例えば、前記放出バルブは、４ストローク燃焼エンジンに採用することができる。４ストローク燃焼エンジンに放出バルブ１を採用する利点は、吸気を加圧するためのターボ過給機２０又は圧縮機を使用するときに、特に顕著である。

放出バルブ１は、ディーゼル燃料によって駆動されず、ガス、ガソリン、又はその他燃料によって駆動される２ストローク燃焼エンジンにさらに適用することができる。

放出室１０５、２０５、３０５内、又は排気抽出管路１０６、２０６、３０６内の適切な位置に、個々のバルブ１３０、２３０、３３０を制御するための圧力センサーを設けることができ、それによって、部分的排気流の圧力は最適値に維持することができる。このため少なくともバルブ１３０、２３０、３３０の可変制御が有利であり、これは次いでセンサーによって計測された圧力に基づいて作動される。

前記実施形態において、放出バルブ１は、内燃エンジンのシリンダーヘッドに付着されて示されている。燃焼室３に対して、単一の放出バルブ１が内燃エンジンに示されている。しかし、前述の実施形態の設計を有している複数の放出バルブを、各燃焼室に設けることができる。さらにまた、燃焼室に設けられた複数の放出バルブのうちのたった一つに放出バルブの実施形態による設計を与えることも可能である。さらなる放出バルブが、排気抽出手段を有さない従来型の構造を有してもよい。

前記実施形態において、放出バルブ１の作動装置は特に図５に、カムシャフト２０８ｅを介して示されているが、放出バルブ１は任意の方法で作動され得る。特に、電磁的、液圧的、空気圧的、又はその他型式の作動装置が可能である。

吸気部は実施形態において、放出バルブのバルブ軸周りの同軸構成の形に示されてはいるが、吸気部はバルブ軸に対して並置されることも可能である。これに関連してとても重要なことは、放出バルブ開口部の下流の実際の流れ条件である。例えば、強く湾曲した管路がバルブ軸周りに配置され、それによって、バルブ軸から所定の半径方向距離における排気ガスの流速は、最高値又は高い平均値を示すことが考えられる。本発明において本質的なことは、放出バルブのその他要素に対する構成に関係なく特に高流速を示している領域における吸気部の配置にある。

１ 放出バルブ
２ シリンダー
３ 燃焼室
４ 吸気スリット
５ ピストン
６ 吸気管路
７ 排気管路
８ 吸気多岐管
９ 排気多岐管
１０ 再循環多岐管
１１ 再循環ガス冷却機
１２、１３、１４、１６ 部分的排気管
１５、１５ａ 逆止バルブ
１７、２５、２６、２９ 吸気管要素
２０ ターボ過給機
２１、５１ タービン
２１ａ 低圧タービン
２１ｂ 高圧タービン
２２ 圧縮機
２３ ターボ過給機軸
２４、２７ 排気管要素
２８ 過給エア冷却機
５０ ターボ発電機
５２ 発電機
５３ 軸
５５ ギアシステム
６０ 作動装置
７０ 蓄圧器
１０１、２０１、２０９、３０１ バルブヘッド
１０２、２０２、２０９ａ、３０２ バルブ軸
１０３、３０３ 軸受けブッシュ
１０４、２０４、２１０、３０４、３０９ バルブシート
１０５、２０５、３０５ 排気室
１０６、２０６、３０６ 排気抽出管路
１０７、２０７、３０７ 管
１０８ 作動部
１０９ 外側環状スリーブ
１１０ 内側環状スリーブ
１１１、２１１、３１１ シリンダーヘッド
１１２、３１２ 外側同軸要素
１１３、３１３ 内側同軸要素
１２０ 環状隙間
１３０、２３０、３３０ 回転式滑りバルブ（排気抽出バルブ）
２０８ａ ロッカーアーム
２０８ｂ バネ
２０８ｃ カム
２０８ｄ チェーン
２０８ｅ カムシャフト
２１５ 絞りバルブ
２１６ 伝達要素
３０８ バルブ部材
３１０ バルブ表面

Claims (22)

1. 排気管に開口している部分的排気管を備えている内燃エンジンの前記排気管から、部分的排気流を抽出する装置であって、
   前記部分的排気管の吸気部は実質的に前記排気ガス流に向かい合っており、それによって、前記排気流の動圧を利用している間、前記部分的排気流は前記部分的排気管の前記吸気部に流入することができ、
   前記部分的排気管の吸気部は、前記内燃エンジンの放出バルブである流れ制御部材の流れ方向におけるすぐ下流に配置され、
   前記吸気部は、前記排気管の全断面と関連して前記排気管の一部に配置されており、流速の最高値は、前記流れ制御部材を開口する周期の過程で生じ、
   前記部分的排気管は、前記部分的排気管と前記排気管との間の流れを許容及び抑制するように作動する前記部分的排気管内に設けられ、前記放出バルブのバルブステムに配置された回転式滑りバルブである、前記部分的排気管における流れを制御するための流れ制御手段を備え、
   前記放出バルブが僅かに開き、排気ガスが前記放出バルブのバルブヘッド及びバルブシートの間の環状隙間から流れ始めるとき、前記排気管の全断面と関連して、流速の最高値が前記放出バルブの開口する周期の過程で生じるように、前記流れ制御手段は、この時間間隔でのみ開かれ、そうでなければ閉ざされた状態に保持されるように適合される、
   装置。
2. 前記吸気部は、前記排気管の断面部内に配置されており、前記内燃エンジンの少なくとも予め決められた作動範囲においては、前記吸気部内の前記部分的断面によって平均化された前記排気流の流速は、前記全断面によって平均化された前記全体的な排気流の流速よりも高い、
   請求項１に記載の装置。
3. 前記部分的排気流を抽出するとき、前記部分的排気管内の圧力は、少なくとも予め決められた前記内燃エンジンの作動範囲内において、前記部分的排気流の抽出のない前記排気管内の圧力よりも高い、
   請求項１に記載の装置。
4. 前記部分的排気管、及び／又は前記部分的排気管の前記吸気部は、前記排気管に対して同軸に配置される、
   請求項１に記載の装置。
5. 前記部分的排気管の内部輪郭線が、前記吸気部内のディフューザーを形成する、
   請求項１に記載の装置。
6. 前記部分的排気管が、前記吸気部内のピトー管である、
   請求項１に記載の装置。
7. 前記部分的排気管内の流れは、前記排気管内の流れ特性、及び／又は前記内燃エンジンの作動条件に応じて、前記流れ制御手段によって制御される、
   請求項１に記載の装置。
8. 前記回転式滑りバルブは、対応する開口部を有する、固定環状要素及び該固定環状要素に同軸に配置された回転式環状要素を含み、
   前記固定環状要素に対して前記回転式環状要素を捻ることによって、前記開口部を通る流れが許容又は抑制される、
   請求項１に記載の装置。
9. 前記固定式環状要素は前記部分的排気管の前記吸気部に付着されており、前記回転式環状要素は、前記固定式環状要素に対して前記バルブステムを捻ることによって、前記回転式環状要素が回転され得るように、前記バルブステムに付着される、
   請求項８に記載の装置。
10. 前記流れ制御手段は、前記内燃エンジンの放出バルブ駆動機構によって作動され得る、
    請求項１に記載の装置。
11. 絞りバルブ作動装置によって調整可能な絞りバルブが、前記排気管内の逆圧を調整するために前記排気管内に設けられる、
    請求項１に記載の装置。
12. 前記絞りバルブ作動装置はカム機構である、
    請求項１１に記載の装置。
13. 前記絞りバルブ作動装置、及び前記流れ制御手段に設けられた作動装置は、力学的に連結される、
    請求項１１に記載の装置。
14. 前記流れ制御手段は、前記内燃エンジンの速度が最低限以下に落ちている際、前記内燃エンジンの事前に決定された作動状態において閉じられた状態に維持される、
    請求項１に記載の装置。
15. 逆止バルブが、前記部分的排気管の前記吸気部への逆流を防止するために前記部分的排気管内に設けられる、
    請求項１に記載の装置。
16. 請求項１乃至１５の何れか一項に記載の装置を備えている内燃エンジンであって、
    前記装置の部分的排気管が、前記内燃エンジンの少なくとも一つの燃焼室と、直接的又は間接的に連通した排気再循環管を構成する、
    内燃エンジン。
17. 前記内燃エンジンは、空気清浄送風機を含み、及び／又はターボ過給機によってターボ過給する２ストロークディーゼルエンジンである、
    請求項１６に記載の内燃エンジン。
18. 前記内燃エンジンは、ターボ過給機によってターボ過給することを含む４ストロークエンジンである、
    請求項１６に記載の内燃エンジン。
19. 請求項１乃至１５の何れか一項に記載の装置を備えている内燃エンジンであって、
    前記部分的排気管は、ターボ過給機のタービン、及び／又は補助手段のタービンに連結されており、それによって、前記ターボ過給機及び／又は前記補助手段が、前記部分的排気流によって少なくとも部分的に作動される、
    内燃エンジン。
20. 前記補助手段は、前記タービンによって発生した動力を、前記内燃エンジンに選択的に供給することができる、
    請求項１９に記載の内燃エンジン。
21. 前記タービンは、ギアシステムを通じて前記内燃エンジンの前記クランクシャフトに前記動力を供給することができる、
    請求項２０に記載の内燃エンジン。
22. 請求項１乃至１５の何れか一項に記載の装置を備えている内燃エンジンであって、
    部分的排気流を抽出する装置によって作動され得る圧力操作型作動装置をさらに備える、
    内燃エンジン。

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