(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関（１）の排気を前記内燃機関（１）の吸気側（４）へと再循環するための排気再循環装置（２３）を備えた前記内燃機関（１）であって、前記排気再循環装置（２３）は、前記内燃機関（１）の前記吸気側（４）に供給される排気を圧縮するための少なくとも１つの圧縮機（２６）を有し、前記圧縮機（２６）を直接駆動するための蒸気を生成するために、前記排気から採取された熱エネルギーが供給される、前記内燃機関（１）において、
前記熱エネルギーの前記採取のために、熱交換器（３０、３２）が設けられることを特徴とする、内燃機関（１）。
【請求項２】
前記熱交換器（３０、３２）は、液体を蒸発させるための蒸気発生器（３１、３３）に接続され、前記発生した蒸気は、前記圧縮機（２６）と作動的に接続されたタービン（２７）に供給され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】
前記圧縮機（２６）は、少なくとも１つの排気冷却器（３８）の下流又は上流に配置されることを特徴とする、請求項１〜２のいずれか１項に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記熱交換器（３０、３２）は、前記排気冷却器（３８）を少なくとも部分的に形成し、又は、前記排気冷却器（３８）は、蒸気発生器（３１、３３）に接続された更なる別の熱交換器（３０、３２）であ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】
少なくとも１つの一段式過給装置（８）を有すること特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関。
【請求項６】
前記一段式過給装置（８）は、排気ターボ過給機（９）であることを特徴とする、請求項５に記載の内燃機関。
【請求項７】
前記内燃機関（１）に供給される前記排気を採取するための排気採取接続口（２４）が、前記排気ターボ過給機（９）の上流又は下流に配置されることを特徴とする、請求項６に記載の内燃機関。
【請求項８】
多段式排気ターボ過給機（９）の場合には、複数段（１０、１１）の間に排気採取接続口（２４）が設けられることを特徴とする、請求項６〜７のいずれか１項に記載の内燃機関。
【請求項９】
タービン（２７）の下流に、凝縮器（３６）及び／又は液体圧送装置（２９）が設けられることを特徴とする、請求項２〜８のいずれか１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、内燃機関の排気を内燃機関の吸気側へと再循環するための排気再循環装置を備えた内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
冒頭に挙げた形態の内燃機関は従来技術で公知である。内燃機関の開発の際には、燃焼時に内燃機関内で発生する有害物質を削減することが益々重要になっている。一方では、発生した有害物質を、内燃機関からの排出後にフィルタに掛けて排気から除去し、又は、より危険ではない生成物へと変換するために、適切な排気浄化装置又は排気後処理装置、例えば、触媒コンバータを設けることが可能である。しかしながら、他方では、既に有害物質の発生を防止することが目標である。
【０００３】
これらを達成するための１つの選択肢は、排気再循環を設けることである。このような排気再循環では、燃焼時に発生した内燃機関の排気は、直接的に運ばれて周辺環境へと放出されるのではなく、外気及び燃料と共に新たに内燃機関に供給される。この目的のために、排気が内燃機関の吸気側へと送り戻される。このようにして、排気に含まれる窒素酸化物の量が低減されうる。排気再循環によって、まず、内燃機関内の燃焼温度が下げられる。その理由は、排気が燃焼そのものには関与しないが、燃焼の間加熱される必要があることにある。このような燃焼温度の低下によって、結果的に、窒素酸化物（ＮＯｘ）の含有量が減る。同様に、排気再循環によって、燃焼中の酸素含有量が減る。窒素酸化物は好適に過剰空気の際に発生するため、窒素酸化物の量が更に低減される。しかしながらその際に、燃焼中に存在する酸素が少なすぎてはならないことに注意されたい。というのは、その場合には、同様に望まれない炭化水素（ＨＣ）が形成されうるからである。
【０００４】
排気再循環の効果は、送り戻された排気が冷却されることで更に改善されうる。これに関して、例えば、独国特許出願公開第１０２００６０５５８１４号明細書には、ターボチャージャー（過給装置）を有する内燃機関が記載されており、ここでは、内燃機関の排気が排気通路から採取されてその吸気管へと供給されるため、外気が、当該外気と混合された排気と共にターボチャージャーのコンプレッサ部内で圧縮され、入口側の吸気管へと供給される。吸気管には冷却部が組み込まれ、かつ、吸気管は、場合により発生する凝縮液が内燃機関の吸気弁の方向にのみ流れうるため、排気と混合された外気が当該吸気管内で冷却され、その際に吸気管は散気装置に通ずる、ように構成される。従って、排気は、内燃機関の吸気側へとより大きな排気量が運ばれるように、圧縮機タービンの前の低圧レベルへと送り戻され、その後、排気の温度が、外気の温度と共に下げられる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
より大きな排気量を内燃機関の吸気側に送り戻すための更なる別の選択肢は、吸気側又は外気供給管内に絞り弁を設け、当該絞り弁に存在する圧力、特に、吸気管圧力を一時的に下げることである。内燃機関が過給装置を有する場合に、送り戻された排気は外気と共に圧縮される必要がある。このことは、追加的な排気流量が考慮されるため、過給機の出力を明らかに上げる必要があることを意味する。これは、絞り弁を使用する場合にも同様に当てはまる。というのは、過給装置は、スロットルロス（Ｄｒｏｓｓｅｌｖｅｒｌｕｓｔ）を補正する必要があるからである。しかしながら、これに関連して、特に、内燃機関に供給される圧力の低下により吸気負荷が増大するために、燃料消費も上がる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
これに対して、請求項１で挙げた特徴を有する内燃機関は、当該内燃機関の吸気側へと排気を送り戻すことが可能であり、その際に、内燃機関の燃料消費、及び／又は、必要な過給機出力（過給装置が設けられる場合）を上げる必要がないという利点を有する。このことは、本発明に基づいて、排気再循環装置が、内燃機関の吸気側に供給される排気を圧縮するための少なくとも１つの圧縮機を有することで達成される。圧縮機は、排気を圧縮し、即ち、排気の圧力を上げる役割を果たす。その際に、圧縮機は、排気再循環装置に割り当てられ、即ち、圧縮機は、排気が内燃機関の吸気側に達してそこで内燃機関に供給される外気と混合される前に、当該排気を圧縮する。圧縮機は、送り戻された排気のみが存在する排気再循環装置内に直接的に配置される。従って、排気再循環装置は、吸気側から分離されて存在するユニットである。従って、圧縮機は、内燃機関の、場合により設けられる過給装置の圧縮機ではない。むしろ、送り戻される空気は吸気側に達する前に、即ち、外気と一緒にされる前に圧縮される。排気再循環装置の圧縮機によって、過給装置の圧縮機の下流でも排気を吸気側に供給することが可能となる。なぜならば、排気は既に十分に高い圧力レベルにあるからである。圧縮機を用いて排気の圧力が上げられ、これにより、より大きな排気量が吸気側へと運ばれて内燃機関に新たに供給されうる。
【０００７】
本発明の更なる発展形態は、圧縮機の駆動のために、排気から採取された熱エネルギーを供給する。この実施変形例は、特にエネルギー効率の良い圧縮機の駆動を可能とする。熱エネルギーはいずれにせよ排気内に存在し、当該熱エネルギーが圧縮機の駆動のために利用されない場合には、利用されることなく内燃機関の周辺環境へと放出されるであろう。従って、内燃機関の燃料消費を増やすことなく、又は、過給装置のより高い出力を設ける必要もなく、送り戻される排気量を増やすことが可能である。排気から熱エネルギーを採取するために、蒸気サイクルを設けることが可能である。
【０００８】
本発明の発展形態は、熱エネルギーの採取のために熱交換器が設けられることを構想する。従って、熱交換器は、例えば、内燃機関の排気管の構成要素である。熱交換器は排気管に割り当てられ、好適に、場合により存在する過給装置及び／又は排気浄化装置の後ろに配置される。しかしながら、熱交換器は、圧縮機のエネルギー需要に従って、より高い温度の排気が存在する排気管の箇所に、即ち、過給装置及び／又は排気浄化装置の前に配置することが出来る。
【０００９】
本発明の発展形態は、熱交換器が液体を蒸発させるための蒸気発生器に接続され、生成された蒸気が、圧縮機と作動的に接続されたタービンに供給されることを構想する。即ち、熱交換器を用いて排気から熱エネルギーが採取され、続いて、当該熱エネルギーは蒸気発生器内で、液体、例えば水を蒸発させ、従って蒸気を生成するために利用される。この蒸気は、タービンを介して案内され、蒸気内に存在するエネルギーが機械的エネルギーに変換される。その際に、タービンは例えば、共通の回転軸を介して圧縮機と作動的に接続され、即ち、圧縮機の駆動に役立つ。
【００１０】
本発明の発展形態は、圧縮機が少なくとも１つの排気冷却器の下流又は上流に配置されることを構想する。排気冷却器は、圧縮機の前又は圧縮機の後ろで排気の冷却に役立つ。排気の冷却によって、排気再循環装置の効果が高められる。というのは、このようにして、内燃機関内の燃焼温度を更に下げることが出来るからである。圧縮機は好適に、排気冷却器の下流に配置される。なぜならば、このことにより、圧縮機の熱的負荷が下げられ、より冷たい排気のより高い密度により、必要な圧縮機出力がより小さいからである。しかしながら、圧縮された排気のより高い温度によって排気冷却器内の熱の伝達が改善されるため、圧縮機は基本的に、排気冷却器の前にも配置することが可能であり、排気冷却器は従って、より小さく構成されうる。
【００１１】
本発明の発展形態は、熱交換器が排気冷却器を部分的に形成し、又は、排気冷却器が、蒸気発生器に接続された更なる別の熱交換器であることを構想する。排気から熱エネルギーを採取するための熱交換器は、排気又は送り戻された排気を冷却するために使用することが出来る。この目的のために、熱交換器は、少なくとも部分的に排気冷却器を形成する。しかしながら、複数の熱交換器を設けることも同様に可能であり、当該複数の熱交換器のうち少なくとも１つが排気冷却器として使用される。その場合、熱交換器は例えば、蒸気発生器に接続された更なる別の熱交換器である。蒸気発生器を駆動するために、順々に接続された低温熱交換器及び高温熱交換器を設けることも可能である。従って、複数の熱交換器が設けられる場合には、例えば同様に順々に接続された複数の蒸気発生器を設けることも全く可能である。
【００１２】
本発明の発展形態は、少なくとも１つの一段式過給装置、特に、排気ターボ過給機を設ける。過給装置は、内燃機関の吸気側に割り当てられ、内燃機関に供給された外気を圧縮し、従って、外気の圧力を上げる役割を果たす。過給装置は特に、内燃機関の燃料室又は気筒を、より良好に外気で満たすために利用される。過給装置は、好適に排気ターボ過給機として構成され、即ち、内燃機関の排気により駆動される。このために、排気は、排気ターボ過給機の排気タービンを介して流れ、従って、外気の圧力を上げるために排気ターボ過給機の圧縮機を駆動する。
【００１３】
本発明の発展形態は、内燃機関に供給される排気を採取するための排気採取接続口が、排気ターボ過給機の上流又は下流に配置されることを構想する。即ち、排気は、当該排気が排気ターボ過給機を貫流する前に、又は、排気ターボ過給機を貫流した後に初めて、内燃機関の排気管から採取されうる。好ましくは、排気採取接続口は排気ターボ過給機の上流に配置される。この箇所において、排気は比較的高い圧力レベルを有し、これにより、排気再循環装置内での排気の圧縮のために比較的小さな出力が必要となる。さらに、排気の温度は、排気ターボ過給機の後ろよりも高いため、この箇所に配置された熱交換器は、蒸気を発生させるために最適に使用されうる。このようにして、例えば、蒸気は過熱状態に置かれうる。しかしながら代替的に、排気採取接続口は、排気ターボ過給機の下流にも配置されうる。その利点は、排気ターボ過給機の出力が排気の採取によって下がらないことである。
【００１４】
本発明の発展形態は、多段式排気ターボ過給機（ｍｅｈｒｓｔｕｆｉｇｅｒ  Ａｂｇａｓｔｕｒｂｏｌａｄｅｒ）の場合には、排気採取接続口が複数段（Ｓｔｕｆｅｎ）の間に設けられることを構想する。この場合に排気ターボ過給機は例えば、高圧タービン及び高圧圧縮機から成る高圧部と、低圧タービン及び低圧圧縮機から成る低圧部と、を有する。その際に、排気は最初に高圧タービンを介して、続いて低圧タービンを介して流れる。排気採取接続口は複数段の間に、即ち、高圧タービンの下流であって低圧タービンの上流に配置される。
【００１５】
本発明の発展形態は、排気再循環装置のタービンの下流に、凝縮器及び／又は液体圧送装置が設けられることを構想する。タービンを用いて、特に、蒸気発生器により発生した蒸気がタービンを流れることにより、排気再循環装置の圧縮機が駆動される。従って、タービンは、蒸気サイクルの構成要素である。この蒸気サイクル内には、凝縮器及び／又は液体圧送装置も同様に設けられる。凝縮器はタービンの下流で、蒸気を凝縮する役目を果たし、従って、凝縮器の後には再び液体が存在する。通常では凝縮器の下流に設けられる液体圧送装置によって、液体が再び蒸気発生器に供給される。従って、排気再循環装置の圧縮機を駆動可能な、閉じた液体又は蒸気サイクルが存在する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
以下では、本発明が図面に記載された実施例を用いて、本発明を限定することなく、より詳細に解説される。
【図１】内燃機関の概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図は、少なくとも１つの気筒２を備えた内燃機関１を示しており、この少なくとも１つの気筒２には、燃焼を実行するために、空気供給装置３を介して空気を供給することが出来る。ここでは、空気供給装置３は、内燃機関１の吸気側４に設けられる。空気供給装置３は、気筒に空気がそれを介して供給される空気供給支援部５の他に、絞り弁６と、給気冷却器７と、過給装置８と、を有する。過給装置８は、高圧部１０と、低圧部１１と、高圧部１０と低圧部１１との間に配置された中間冷却器１２と、を備えた排気ターボ過給機９を有する。
【００１８】
内燃機関１の駆動中に、空気吸込み口１３によって空気が吸込まれ、低圧部１１の低圧圧縮機１４によって圧縮される。この圧縮によって、圧力がより高くかつ温度がより高い空気となる。空気が続いて高圧部１０の高圧圧縮機１５によって更に圧縮される前に、温度が、低圧圧縮機１４の後ろで、中間冷却器１２を用いて下げられる。高圧圧縮機１５の後ろで、今度は給気冷却器７を用いて、空気が再度冷却される。絞り弁６を介して、空気は空気供給支援部５へと達し、従って、示されない吸気弁を介して気筒２内へと達する。その際に、絞り弁６は、気筒２内に達すべき空気量を調整する役目を果たす。
【００１９】
内燃機関１内での燃焼の後に、燃焼時に発生する排気が排気管１６内へと放出される。この排気管１６はまず、気筒２に接続され又は当該気筒２に割り当てられた排気弁に接続された排気マニフォールド１７及び排気集合管１８を有する。排気マニフォールド１７又は排気集合管１８を用いて、気筒２の排気が集められる。続いて、排気は、排気ターボ過給機９に達する。排気ターボ過給機９では、排気は最初に高圧部１０の高圧タービン１９を通り、続いて、低圧部１１の低圧タービン２０を通る。排気ターボ過給機９は即ち二段式である。高圧タービン１９は高圧圧縮機１５を駆動し、低圧タービン２０は低圧圧縮機１４を駆動する。低圧タービン２０の後で、排気は、絞り弁２１を介して排気後処理又は排気浄化装置２２内に達し、この排気後処理又は排気浄化装置２２は、少なくとも１つの触媒コンバータ及び／又はフィルタを有しうる。
【００２０】
追加的に、内燃機関１は排気再循環装置２３を有する。その際に、排気マニフォールド１７又は排気集合管１８から排気を採取して少なくとも１つの排気供給接続口２５を通じて内燃機関１の吸気側４へと運ぶために、少なくとも１つの排気採取接続口２４が設けられる。示される例では、排気供給接続口２５は絞り弁６の下流に存在するため、必要な場合には、排気供給接続口２５を通じた排気の供給を可能とするために、外気の圧力が絞り弁６によって短時間の間下げられる。このような工程により、通常では、内燃機関１の出力が下げられる。この理由から、圧縮機２６を用いて排気の圧力を上げ、従って、絞り弁６を閉鎖する必要なく、排気を吸気側４へと運びうることが構想される。
【００２１】
圧縮機２６は、排気再循環装置２３の蒸気サイクル２８内に設けられたタービン２７によって駆動される。蒸気サイクル２８は、液体圧送装置２９、特にポンプと、第１の蒸気発生器３１を備えた第１の熱交換器３０と、第２の蒸気発生器３３を備えた第２の熱交換器３２と、を有する。熱交換器３０及び３２を用いて、内燃機関１の排気から熱エネルギーが採取され、この熱エネルギーを用いて、蒸気発生器３１及び３３によって、液体管３４内に含まれる液体が蒸発させられ、その際に発生した蒸気が、蒸気管３５を介してタービン２７へと供給される。タービン２７の下流に、未だに残る蒸気を凝縮する凝縮器３６が配置され、従って、凝縮器３６の後には再び液体が存在し、この液体は液体圧送装置２９によって新たに圧送される。排気採取接続口２４の下流に、しかしながら第２の熱交換器３２の上流に、少なくとも１つの絞り弁３７が存在し、この絞り弁３７によって、内燃機関１の吸気側４へと供給される排気量が調整されうる。
【００２２】
第２の熱交換器３２は、排気冷却器３８を少なくとも領域ごとに形成する。排気冷却器３８は、排気採取接続口２４による排気の採取の後に、排気が排気供給接続口２５を通って内燃機関１の吸気側４へと達する前に、当該排気を冷却する。ここでは、排気冷却器３８は、圧縮機２６の上流に存在する。第２の熱交換器３２は、以前に記載したように、絞り弁３７の下流、従って、排気採取接続口２４のすぐ下流に設けられる。この箇所において、気筒２から今正に排出された排気は高い温度を有するため、第２の熱交換器３２は過熱器とも称することが出来る。これに対して、第１の熱交換器３０は、排気浄化装置２２の後ろの排気管１６内に、即ち、排気が内燃機関１から周辺環境へと放出される直前に設けられる。
【００２３】
このようにして、排気内に未だに含まれる熱エネルギーは、第１の熱交換器３０と動作可能に連結された第１の蒸気発生器３１を用いて、液体管３４で圧送される液体を蒸発させるために利用され、従って、好適に飽和蒸気が生成される。この飽和蒸気は、続いて、飽和蒸気管３９を介して、第２の熱交換器３２と動作可能に連結された第２の蒸気発生器３３へと供給される。従って、第２の蒸気発生器３３内は第１の蒸気発生器３１内よりも温度が高い。従って、飽和蒸気管３９を介して供給される飽和蒸気は、第２の蒸気発生器３３内で過熱の状態に置かれ、従って、続いて過熱蒸気が生成され、この過熱蒸気は、蒸気管３５を介してタービン２７へと供給される。このようにして、排気内に含まれる熱エネルギーが、圧縮機２６を駆動するために利用される。この圧縮機２６によって、内燃機関１の吸気側４へと供給すべき排気が圧縮される。従って、圧力上昇が無い場合よりも大きな排気量が吸気側４へと運ばれ、従って、燃焼時に気筒２内で発生する窒素酸化物の量が低減されうる。その際に、排気は十分に高い圧力を有するため、排気供給接続口２５を通じて排気を供給するために、絞り弁６を用いて吸気側４の圧力を下げる必要はない。
【００２４】
圧縮機２６の駆動のために利用される熱エネルギーは主に排気浄化装置２２の後ろで採取されるため、そうでない場合には熱エネルギーは排気と共に周辺環境へと放出されるであろうが、このようなやり方で、基本的に追加的にエネルギーを使用することなく、内燃機関１内の燃焼効率を明らかに高めることが出来る。ここでは、排気採取接続口２４の配置は、図面に純粋に例示的なものとして示されている。
【００２５】
代替的に、高圧タービン１９と低圧タービン２０との間で、又は、低圧タービン２０の下流で排気を採取することも可能であろう。しかしながら、排気マニフォールド１７又は排気集合管１８からの採取は、排気が未だに高い圧力レベルにあるので、排気の所望の圧力レベルに達するためにより少ない圧縮出力を圧縮機２６によって調達すればよいという利点を有する。第２の熱交換器３２を用いて、第２の蒸気発生器３３を作動するために排気から熱が取り出される。従って、排気が圧縮機２６内に入る前に、当該排気の温度が下げられる。このようにして、一方では、圧縮機２６の熱的負荷が軽減され、他方では、より低い排気温度は有利である。というのは、このようにして、内燃機関１の排気内の窒素酸化物の含有量が低減されうるからであり、かつ、気筒２内の燃焼温度が下げられるからである。その他に、給気冷却器７及び中間冷却器１２が、同じ目的のために役に立つ。
【図１】
0005497900.tif 000002