(57)【要約】【課題】本願発明は、２段過給及び窒素酸化物排出低減を行う、改良された内燃機関を提供する。【解決手段】内燃機関（１０）が、直列に連結された２つの排気ターボチャージャ（２２、２６）を備え、各排気ターボチャージャ（２２、２６）が排気管（３２）内に１つの排気タービン（３４、３６）を備え、且つ吸気管（１８）内に１つのコンプレッサ（２０、２４）を備える。窒素酸化物排出を低減させるために、エンジン付近の排気ターボチャージャ（２６）の排気タービン（３６）の上流で排気管（３２）から分岐し、２つの排気ターボチャージャ（２２、２６）のコンプレッサ（２０、２４）の間で吸気管（１８）に開口する１つの排気再循環パイプ（４０）、及び排気再循環パイプ（４０）を介して吸気管（１８）内に再循環された排気流を冷却・加湿するための装置（２９、４４）が備わる。このシステムは、重油燃料の大型ディーゼルエンジンに好適に適用可能である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列に連結された２つの排気ターボチャージャ（２２、２６）を備える内燃機関であって、該２つの排気ターボチャージャ（２２、２６）のそれぞれが、排気管（３２）内に１つの排気タービン（３４、３６）を有し、及び、吸気管（１８）内に１つのコンプレッサ（２０、２４）を有する、内燃機関において、
エンジン付近の前記排気ターボチャージャ（２６）の前記排気タービン（３６）の上流で前記排気管（３２）から分岐し、前記２つの排気ターボチャージャ（２２、２６）のコンプレッサ（２０、２４）の間で前記吸気管（１８）に開口する１つの排気再循環パイプ（４０）が備わっており、また、該排気再循環パイプ（４０）を介して前記吸気管（１８）内に再循環された排気流を冷却・加湿するための１つの装置（２９、４４）が備わっていることを特徴とする、内燃機関。
【請求項２】
再循環された排気流の冷却・加湿を行う前記装置（２９、４４）が、前記排気再循環パイプ（４０）内に配置された１つの排気洗浄装置（４４）を備えることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
再循環された排気流の冷却・加湿を行う前記装置（２９、４４）が、前記吸気管（１８）内に配置された１つの加湿装置（２９）を備えることを特徴とする、請求項１または２に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記排気再循環パイプ（４０）が前記加湿装置（２９）内に開口していることを特徴とする、請求項３に記載の内燃機関。
【請求項５】
前記加湿装置（２９）が、ＨＡＭ方式またはＳＡＭ方式の加湿装置であることを特徴とする、請求項３または４に記載の内燃機関。
【請求項６】
前記エンジン付近の排気ターボチャージャ（２６）の前記排気タービン（３６）が、可変断面の高圧ガスタービンとして構成されていることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項７】
前記エンジン付近の排気ターボチャージャ（２６）の前記排気タービン（３６）の上流で前記排気管（３２）から分岐し、前記２つの排気ターボチャージャ（２２、２６）の前記排気タービン（３４、３６）の間で再び前記排気管（３２）内に開口する１つのターボチャージャ・バイパス管（３８）が設けられていることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項８】
前記内燃機関（１０）が重油燃料の大型ディーゼルエンジンであることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は直列に連結された２つの排気ターボチャージャ及び排気再循環を備える内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
クールドＥＧＲは、窒素酸化物の排出を低減させるのに非常に効果的な方法である。この方法は、自動車のすべてのディーゼルエンジンにおいて従来技術となっており（たとえば特許文献１参照）、たとえば列車など大型の高速回転エンジンでますます頻繁に使用されている。重油燃料の大型ディーゼルエンジンもクールドＥＧＲを備えることができる。この場合、およそ１０％の排気再循環率で、窒素酸化物排出がおよそ３５〜４５％低減される。
【０００３】
高速運転の自動車エンジンにおいては、ＥＧＲは主に走行サイクルの低負荷状態において導入され、給排気圧差がマイナス、つまり内燃機関のシリンダ後の排気圧力が、内燃機関のシリンダ前の給気圧力より高い状態で作動する。大型ディーゼルエンジンでは、運転サイクルにおける高負荷状態の割合が非常に大きい。しかし高負荷状態においては、重油エンジンにおいて要求される低い部品温度、及び内燃機関におけるプラスの給排気圧差によりＥＧＲが難しくなる。
【０００４】
さらに、重油燃料大型エンジンには、重油燃焼による残渣が生じ、この残渣が、圧縮された給気流に排気流が再循環された後に、該給気をガイドする部品に蓄積する可能性があるという問題がある。この理由から特許文献２では、冷却された排気流をＥＧＲを介して直接内燃機関のシリンダ内に再循環させる内燃機関が提案されている。
【０００５】
ＥＧＲを使うことにより内燃機関のシリンダ内の燃焼のための酸素供給量が低下するため、最終的には窒素酸化物排出低減につながる。給気内の酸素濃度がおよそ２２．５％の場合（参考：空気の酸素濃度はおよそ２３．２％）、窒素酸化物排出はおよそ３０％低減できる。
【０００６】
窒素酸化物排出低減にとって決定的であるのは、燃焼温度の低下である。これは、上記のクールドＥＧＲほかに、たとえば特許文献３に記載されているように給気を加湿することにより行える。いわゆるＨＡＭ（Ｈｕｍｉｄ  Ａｉｒ  Ｍｏｔｏｒ  加湿式エアモータ）方式によりディーゼルエンジンの給気が加湿され、燃料は内燃機関内で湿った空気の中で燃焼する。このようにして窒素酸化物排出は通常の給気と比較して最高でおよそ５０％以上低減されるが、湿った給気は大型ディーゼルエンジンの出力能力にマイナスの影響を及ぼす。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０２００４００９７９４号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第１０２００６０４８２６９号明細書
【特許文献３】欧州特許第１３８６０６９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の課題は、２段過給及び窒素酸化物排出低減を行う、改良された内燃機関を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するために、本発明の内燃機関は請求項１に記載の特徴を備えている。本発明の好適な実施形態及び発展形は従属請求項に記載されている。
【００１０】
本発明の内燃機関には直列に連結された２つの排気ターボチャージャが備わっており、該２つの排気ターボチャージャのそれぞれが排気管内に１つの排気タービンを、及び吸気管内に１つのコンプレッサを備えている。さらに１つの排気再循環パイプが設けられており、該排気再循環パイプはエンジン付近の排気ターボチャージャの排気タービンの上流で該排気管から分岐し、前記２つの排気ターボチャージャのコンプレッサの間において吸気管内に開口しており、さらに、該排気再循環パイプを介して吸気管内に再循環された排気流の冷却・加湿を行うための装置が１つ設けられている。
【００１１】
２段過給を行う本発明の内燃機関には、排気再循環パイプ及び、排気再循環パイプを介して吸気管内に再循環された排気流の冷却・加湿を行うための装置が設けられている。この構造により内燃機関のシリンダ内の燃焼温度は、吸気管内に冷却された排気流が再循環されることによる酸素供給量の減少、及び、該再循環された排気流が加湿されることによる燃焼空気の加湿、という２つの手段で低下させられる。このようにして燃焼温度が明らかに低下する結果、窒素酸化物排出を大幅に低減させることができる。
【００１２】
さらに、前記排気再循環パイプは、排気ターボチャージャの２つのコンプレッサの間において吸気管内に開口しているため、給気は、再循環された排気流と一緒に、エンジン付近の排気ターボチャージャのコンプレッサ内において再度圧縮される。このようにして、非常に良好な過給システム効率を備える大型ディーゼルエンジンにおいても、内燃機関の大きなプラスの給排気圧差をさらに利用することができる。
【００１３】
本発明の１つの実施形態において、再循環された排気流の冷却・加湿を行う装置には、排気再循環パイプ内に配置された排気洗浄装置が備わっている。該配置された排気洗浄装置により、再循環された排気流からほぼすべてのイオウ酸化物及び金属酸化物、及び、燃焼された潤滑油及び燃料の灰の大部分が取り除かれる。それにより、再循環された排気による吸気管内の腐食の危険及び汚染傾向を低下させることができる。同時に、再循環された排気流が排気洗浄装置により冷却されるため、一般的に汚染に敏感なＥＧＲクーラーを排気再循環パイプ内に設けずにすむ。さらに排気洗浄装置は再循環された排気流の加湿も行うため、これが内燃機関の窒素酸化物排出に対して好ましく作用する。
【００１４】
上記の再循環された排気流を冷却・加湿する装置には、吸気管内に配置された加湿装置が代替的または追加的に設けられている。この場合、排気再循環パイプは望ましくはこの加湿装置内に開口する。さらに、この加湿装置はたとえば、ＨＡＭ（Ｈｕｍｉｄ  Ａｉｒ  Ｍｏｔｏｒ  加湿式エアモータ）またはＳＡＭ（Ｓｃａｖｅｎｇｉｎｇ  Ａｉｒ  Ｍｏｉｓｔｅｎｉｎｇ  吸気加湿）方式の加湿装置である。該加湿装置は、再循環された排気流を含む給気流の加湿のほかに、これら２つの流れの冷却及び再循環された排気からのイオウ酸化物の除去も行う。
【００１５】
本発明のさらなる実施形態においては、エンジン付近の排気ターボチャージャの排気タービンは、可変断面を有する高圧タービンとして構成されている。
【００１６】
本発明のさらなる実施形態においては、ターボチャージャ・バイパスパイプが設けられており、該ターボチャージャ・バイパスパイプは、エンジン付近の排気ターボチャージャの排気タービンの上流において排気管から分岐し、２つの排気ターボチャージャの排気タービンの間において排気管内に再び開口している。
【００１７】
本発明は特に、重油燃料の大型ディーゼルエンジンにおいて好適に適用される。
【００１８】
本発明の上記の及びさらなる特徴及び長所は、図面を用いて説明した以下の好適な実施例の説明からより良く理解できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１の実施形態の内燃機関を図式的に表した図である。
【図２】本発明の第２の実施形態の内燃機関を図式的に表した図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００２０】
図１を参照しながら、２段過給を行う本発明の内燃機関の第１の実施の形態について詳細に説明する。
【００２１】
内燃機関１０自体、とりわけ重油燃料の大型ディーゼルエンジンには、既知の方法で、燃料燃焼用の複数のシリンダを有する１つのシリンダバンク１２、燃焼エアを供給するために前記シリンダバンク１２の入口側に設けられた１つの給気マニホールド１４、燃焼時に生じた排気を排出するために前記シリンダバンク１２の出口側に設けられた１つの排気マニホールド１６が備わっている。
【００２２】
給気マニホールド１４に通じる、内燃機関１０の吸気管１８内には、エンジン付近の排気ターボチャージャ２２の第１コンプレッサ２０が配置されており、周囲空気の吸引・圧縮を行う該第１コンプレッサ２０は２段過給の低圧段を形成し、また、エンジン付近の排気ターボチャージャ２６の第２のコンプレッサ２４が配置されており、給気をさらに圧縮する該第２コンプレッサは２段過給の高圧段を形成する。第１コンプレッサ２０の下流には、吸気管１８内に第１給気クーラー２８が配置されており、第２コンプレッサ２４の下流には吸気管１８内に第２給気クーラー３０が配置されている。
【００２３】
排気は、内燃機関１０の排気マニホールド１６から、排気管３２を介して、フィルタ、触媒、及び同等物を備える排気後処理システム（図示されず）に供給される。排気管３２内には、エンジンから遠い排気ターボチャージャ２２の第１の排気タービン（低圧タービン）３４、及び、エンジン付近の排気ターボチャージャ２６の第２の排気タービン（高圧タービン）３６が配置されている。排気流はまず高圧タービン３６内で仕事を行い、既知の方法で、該高圧タービン３６に連結されているコンプレッサ２４を駆動する。低圧タービン３４内において排気流は再度仕事を行い、それにより該低圧タービン３４に連結されている、内燃機関１０の吸気管１８の第１コンプレッサ２０を駆動する。
【００２４】
エンジン付近の排気ターボチャージャ２６の高圧タービン３６は望ましくは可変断面（ＶＴＡ  −  Ｖａｒｉａｂｌｅ  Ｔｕｒｂｉｎｅ  Ａｒｅａ  可変タービンエリア）で構成されている。可変制御可能なバイパス弁３９を備える、１つのターボチャージャ・バイパス管３８が代替的または追加的に設けられている。このバイパス管３８は、エンジン付近の排気ターボチャージャ２６の排気タービン３６の上流で排気管３２から分岐し、２つの排気タービン３４、３６の間で再び排気管３２に開口する。
【００２５】
さらに、図１に図示されているように排気再循環パイプ４０が設けられている。該排気再循環パイプ４０は同様に、エンジン付近の排気ターボチャージャ２６の第２排気タービン３６の上流で排気管３２から分岐し（図１のＢポイント）するが、２つの排気ターボチャージャ２２、２６のコンプレッサ２０、２４の間で、望ましくは第２の給気クーラー２８の下流で、吸気管１８内に開口する（図１のＡポイント）。
【００２６】
排気再循環パイプ４０内には、吸気管１８内への排気再循環率を制御するためのＥＧＲ弁４２及びいわゆる排気洗浄装置４４が配置されている。ＥＧＲ弁４２は排気再循環パイプ４０内において排気洗浄装置４４の上流または下流を選んで配置することができる。
【００２７】
排気洗浄装置４４内においては、たとえば燃料イオウから生じる可能性のある成分などほぼすべての酸性成分が排気流から除去される。排気洗浄装置内ではまた、粒子の大部分も排気から取り除かれる。同時に排気は冷却・加湿された後、吸気管１８内で給気に混合される。排気再循環及び排気再循環パイプ４０内の排気洗浄装置４４により、この二段過給された内燃機関１０の窒素酸化物排出を明らかに低減させることができる。
【００２８】
排気管３２の位置Ｂ、すなわち排気再循環パイプ４０の分岐点における排気圧は、吸気管１８の位置Ａにおける給気圧より高い。これに対して、高圧段２６のコンプレッサ２４の下流にある、吸気管１８の位置Ｃにおける給気圧は、位置Ａにおける排気圧より高いため、内燃機関１０を介して給排気圧差をプラスに設定または保持でき、そのことは重油燃料の大型ディーゼルエンジンにおいては長所である。
【００２９】
エンジン付近の排気ターボチャージャ２６の第２コンプレッサ２４は、適切なコーティング技術を用いて、排気を含む給気エアに対応させるのが望ましい。同様に第２給気クーラー３０は、排気を含む給気エアを効果的に冷却できるよう、及び、同時に長い運転時間を保証するために、望ましくは適切に最適化されている。
【実施例２】
【００３０】
２段過給を備える本発明の内燃機関の第２の実施例を、図２を用いて詳しく説明する。図２では、上述の第１の実施例の場合と同じまたは類似の構成要素及び部品は同じ符号で表わされている。
【００３１】
第２の実施例の内燃機関と、図１に図示した内燃機関との相違点は、吸気管１８内の２つの給気クーラー２８、３０が、給気クーラー２８はエンジンから遠い排気ターボチャージャ２２のコンプレッサ２０の下流において加湿装置２９に、給気クーラー３０はエンジンに近い排気ターボチャージャ２６のコンプレッサ２４の下流において加湿装置３１にそれぞれ置き換えられている点である。該加湿装置２９、３１は、内燃機関１０のシリンダ内の燃焼温度を低下させ、それにより窒素酸化物排出を低減させるために望ましくは、ＨＡＭ（Ｈｕｍｉｄ  Ａｉｒ  Ｍｏｔｏｒ）またはＳＡＭ（Ｓｃａｖｅｎｇｉｎｇ  Ａｉｒ  Ｍｏｉｓｔｅｎｉｎｇ）方式の加湿装置である。加湿装置２９、３１はこのとき、前記実施例１の給気クーラー２８、３０及び排気洗浄装置４４の機能を果たす。
【００３２】
この実施形態のバリエーションにおいては、前記第２の加湿装置３１の代わりに、エンジン付近の排気ターボチャージャ２６のコンプレッサ２４の下流に、図１に図示された第１の実施例におけるような通常の給気クーラー３０を配置することもできる。
【００３３】
図２に示されているように、この実施例においても高圧ガスタービン３６の上流で排気管３２から分岐している排気再循環パイプ４０は、第１の加湿装置２９内に直接開口しているため、排気再循環パイプ４０を介して再循環される排気流も冷却・加湿される。
【００３４】
図２に示すように、この実施例においても前記加湿装置２９に追加的に排気洗浄装置４４を排気再循環パイプ４０内に配置することができる。しかしこの排気洗浄装置４４は、図１の先述の実施例と比較して寸法を小さくすることができる。
【００３５】
この実施例のその他の構成要素、特徴、長所は、図１の第１の実施例のものにそれぞれ対応するため、これらを再度説明することは割愛する。
【符号の説明】
【００３６】
１０  内燃機関
１２  シリンダバンク
１４  給気マニホールド
１６  排気マニホールド
１８  吸気管
２０  ２２のコンプレッサ
２２  エンジンから遠い排気ターボチャージャ
２４  ２６のコンプレッサ
２６  エンジン付近の排気ターボチャージャ
２８  第１給気クーラー
２９  第１加湿装置
３０  第２給気クーラー
３１  第２加湿装置
３２  排気管
３４  ２２の排気タービン
３６  ２６の排気タービン
３８  バイパス管
３９  バイパス弁
４０  排気再循環（ＥＧＲ）
４２  ＥＧＲ弁
４４  排気洗浄装置
【図１】
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【図２】
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