(57)【要約】【課題】本発明は、往復動内燃機関、特に、大型ディーゼルエンジンの作動方法を、更にこの方法によって作動される往復動内燃機関を提供する。【解決手段】方法は、長手方向掃気式の往復動内燃機関（１）、特に、大型ディーゼルエンジンの作動のために提供される。往復動内燃機関は、出口弁（３）と掃気スロット（４）の形態で設計される掃気開口を有するシリンダであって、ピストン（５）が下死点（ＵＴ）と上死点（ＯＴ）の間の走行面（６）に沿って往復されるようになった当該シリンダ（２）と、空気（１１）の圧縮のために、シリンダの燃焼室（２２）からの排気ガス（８）によって駆動されるタービン（９）を備える過給機群（７）とを有しており、圧縮空気が、掃気（１２）として、掃気スロットを通ってシリンダの燃焼室に供給される構成を有する。低負荷作動領域での往復動内燃機関の作動時、燃焼段階に引き続き出口弁（３）を開放して排気ガス（８）を過給機群（７）に導入する。【選択図】図２ａ
2011064201.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
往復動内燃機関（１）の作動方法にして、該往復動内燃機関が、出口弁(３)を有するシリンダ（２）を含み、該シリンダ（２）は、その内部にピストン(５)を有し、該ピストン(５)と協働して燃焼室（２２）を画成し、該ピストン（５）が下死点（ＵＴ）と上死点（ＯＴ）との間で往復移動可能に配置され、かつ該シリンダ（２）には、該下死点（ＵＴ）近くでかつその上方に掃気開口（４）が設けられており、さらに該往復動内燃機関は、タービン（９）を有する過給機系統を含み、該過給機系統は、前記シリンダ（２）内の燃焼室（２２）からの排気ガス（８）で該タービン（９）が回転させられることにより駆動され、前記ピストン（５）が前記掃気開口（４）を開放した際に、圧縮空気を掃気として燃焼室（２２）内に該掃気開口（４）通して送り込むようになっている、往復動内燃機関（１）を作動させる方法において、
前記過給機系統（７）が充分に機能を発揮できなくなる第１速度限界から、該第１速度限界より高い第２速度限界までの低負荷作動領域内の速度で前記往復動内燃機関が作動されている時、前記シリンダ（２）の噴射燃の燃焼段階後で前記ピストン（５）が前記掃気開口（４）を開放するまでの期間内で掃気前段階（Ｖ）を定義し、該掃気前段階（Ｖ）の開始時前記出口弁（３）を開放して排気ガス（８）が前記燃焼室（２２）から前記過給機系統（７）へ導入し、かつ前記燃焼室（２２）と前記過給機系統の間の排気ガスの圧力差がほぼ零となった時に前記出口弁（３）を閉止することを特徴とする、前記往復動内燃機関（１）の作動方法。
【請求項２】
前記シリンダ（２）は、２行程方式で作動されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記シリンダ（２）は、４行程方式で作動されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
掃気段階が、前記掃気前段階に引き続いて行われることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記掃気段階において、前記出口弁（３）が開放され、次いで閉鎖されることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記掃気前段階（Ｖ）中、前記出口弁（３）が、前記燃焼段階に引き続き開放された後に閉鎖され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方法。
【請求項７】
出口弁（３）の作動およびシリンダ（２）の燃焼室（２２）への燃料の噴射時期が、往復動内燃機関（１）の回転速度および／またはクランク角度（Ｋｗ）および／またはシリンダ（２）の燃焼室（２２）のガス圧および／またはシリンダ（２）の燃焼室（２２）の温度および／または過給機系統（７）の回転速度および／または過給機系統（７）のガス圧および／または過給機系統（７）の温度および／または往復動内燃機関（１）のその他の作動パラメータに依存して、プログラム可能な制御装置によって、制御および／または調整されることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
出口弁（３）が、前記ピストン（５）が前記下死点位置(ＵＴ)近傍に位置する時点で開放され、次いで該ピストン（５）が掃気段階の開位置の近傍にある時点で閉鎖されることを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、往復動内燃機関の作動方法および、この方法によって作動される往復動内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
船の大型ディーゼルエンジンや、発電所などの往復動内燃機関の出力を増加するためには、燃焼サイクルの終了後に、一般に、排気ターボ過給機を含む過給機系統によって、加圧状態で新鮮な空気が導入される。燃焼サイクルの終了後にシリンダの燃焼室から吐出する排気ガスの熱エネルギの一部が利用されるようになっている。この目的のために、出口弁を開くことによって、シリンダの燃焼室から、過給機に、高温排気ガスが供給される。この過給機系統は、実質的に、圧力下で過給機に入る高温排気ガスによって駆動されるタービンを有する。次いで、タービンは、ロータを駆動し、これにより新鮮な空気が吸入され、かつ圧縮される。ディフューザ、ウォータセパレータを備えた給気冷却器およびインレットレシーバは、圧縮機としてのロータを備えたタービンの下流に配置されている。このような過給機系統は、単にターボ過給機と呼ばれることもある。ターボ過給機から給気あるいは掃気として知られている圧縮新鮮空気（圧縮された吸気）が、大型ディーゼルエンジンのシリンダの個々の燃焼室に送られるのである。新鮮な空気の供給は、このようにして増加され、燃焼室の燃焼過程の効率は、過給機系統の使用によって向上されるのである。大型ディーゼルエンジンのタイプに依存して、シリンダの空気が供給される位置が異なる。例えば、縦方向に掃気される２ストロークエンジンでは、シリンダの底部領域にあるピストン走行面に配置されている掃気スロットを介してシリンダの燃焼室に導入される。４ストロークエンジンでは、給気は、一般に、シリンダヘッドに配置される１つ以上の入口弁を介してシリンダの燃焼室に導入され、２ストロークエンジンでは、シリンダの底部領域にある掃気スロットでなくシリンダヘッドに装着された入口弁から導入されるものとして通常知られている。
【０００３】
過給機系統のタービンは、シリンダの燃焼室からの高温排気ガスのみで駆動されているので、特に、発車直後や、所定の回転速度限度よりも低い速度時、大型ディーゼルエンジン用の公知の過給機系統は、低効率で作動する。すなわち、前回の燃焼過程で発生しシリンダの燃焼室から吐出した排気ガスの量が不十分であり、結果として、シリンダの燃焼室に掃気サイクルの間に新鮮な空気が十分に供給されず、新鮮な空気が、以降の燃焼サイクルで充分な量で利用できないこととなる。したがって、過給機系統は、通常、回転速度限度よりも低い速度時にも、往復動内燃機関がより効率的に作動されるように、対応するトルク増加を達成するために、１つ以上の追加の機械的あるいは電気的な補助過給機によって多々補助されている。補助過給機は、給気冷却器の下流に配置された第１室と第２室の二つの室を有し、その第１室から空気を吸気して第２室に導入する。空気は、この第２室から掃気スロットを介してシリンダの燃焼室に流れることができる。第１室への空気の逆流は、フラップなどの逆流防止手段によって阻止される。そのような補助過給機は、電気送風機として設計されており、これら電気送風機は、それぞれ、２００キロワットの電力を有している。また、これら補助過給機は、大型ディーゼルエンジンの最大出力のおよそ１０％から５０％、特に３０％から３５％の出力で典型的に達成される回転速度限度より低い回転速度では、排気ガスターボ過給機を補助しあるいはその代わりをする。回転速度限界がより大きくなると、一般には、補助過給機が不要となる。すなわち、補助過給機は、止められ、エンジンは、排気ガスターボ過給機によってのみ給気されるようになる。この作動状態では、すなわち、補助過給機の動作を停止後では、上記したフラップが開かれ、そしてこれにより、給気冷却器の下流に配置された第１室から第２室へ給気が直接流入し、この第２室から空気は掃気スロットに供給されるのである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、シリンダ掃気は、低負荷作動での排気ガスターボ過給機を補助する補助過給機により改良されるのであるが、それにもかかわらず低負荷作動における公知の２ストローク過程でのシリンダの燃焼室の掃気は、不充分である。その結果、引き続く燃焼サイクルにおいて新鮮な空気が不充分であったり、低回転速度で燃焼室に多量の新鮮な空気が供給されたりする。すなわち、供給される空気量が、往復動内燃機関の作動の公知の工程で制御あるいは調整され得ないこととなる。
【０００５】
更には、低負荷作動における排気ガスターボ過給機の補助用の追加的な補助過給機の使用は、実質的な欠点をもたらす。補助過給機の入手費用に加えて、追加的な機器を、その制御および／または調整のために備えなければならない。インレットレシーバの設計は、補助過給機の動作時の逆流防止のために不可避のフラップがあるために比較的複雑になる。追加的な機器は、作動媒体や、予備部品や人員などが要因となる追加費用を伴なう、追加的な修理および点検整備のための作業が当然必要となる。更に、補助過給機と、フラップによって第１室と第２室に分離したインレットレシーバにより、余計な空間を必要とし、この空間は通常短く、その結果重量が追加されることになる。更に、例えば、電気的な補助過給機の作動のための電気エネルギを使用しなければならないので、補助過給機の作動は、消費エネルギの観点からも好ましくない。すなわち、補助過給機の作動また追加の重量のため、燃料消費の増加に帰結することとなる。
【０００６】
したがって、本発明の目的は、往復動内燃機関、特に、大型ディーゼルエンジンの作動方法を提供することであり、これによれば、機械的、電気的その他の補助過給機を必要とすることなく、所定の回転速度限度より低い負荷領域における往復動内燃機関の効率的な作動を可能とする。更に、本発明の目的は、この方法によって作動される往復動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】
【０００７】
上記目的を達成する本発明の方法および装置は、本願の特許請求の範囲の独立請求項に記載された構成によって特徴付けられる。
各従属請求項の記載は、本発明の特別の有利な実施例に関している。
【０００８】
本発明によれば、単流掃気式の往復動内燃機関、特に、大型ディーゼルエンジンの作動方法が提供される。単流掃気式往復動内燃機関は、出口弁と掃気スロット形式の掃気開口を有するシリンダ、該シリンダ内で下死点と上死点の間でピストンが走行面に沿って往復するようになっており、およびシリンダの燃焼室からの排気ガスによって駆動され、空気を圧縮するタービンを備える過給機系統とを有しており、圧縮空気が、掃気スロットを通ってシリンダの燃焼室に掃気として供給され、単流掃気式の往復動内燃機関の少なくとも１つのシリンダが、４行程方で第１の所定回転速度限界以下の速度で少なくとも作動するようになっている。
【０００９】
本発明の方法は、好ましくは、出口弁の作動および燃料噴射時間が、第１の所定回転速度限界よりも低い底負荷領域、例えば、大型ディーゼルエンジンの起動後に連携して制御および／または調整されるような、大型ディーゼルエンジン、特に、クロスヘッド大型ディーゼルエンジンの作動において用いられる。底負荷領域は、例えば、往復動内燃機関が最大限到達できるフルパワーの略１０パーセントまでの負荷領域を含むことが出来るが、このフルパワーの１０パーセントの負荷領域に限定すべきものでない。エンジンのシリンダの燃焼室から排出される高温排気ガスによって駆動されるターボ過給機は、第１回転速度限界よりも少なくとも低い速度では要求出力を提供し得ず、よって通常は電気的に作動され、補助過給機として設計された追加的な送風機によって補助されていた。第１回転速度限界よりも低い底負荷作動において排気ガスターボ過給機の補助のために補助過給機を使用することによって、シリンダ掃気が改良されることは明白である。しかし、公知の２行程方式におけるシリンダの燃焼室に、低負荷作動時の低速で引き続く燃焼サイクルにおいて新鮮な空気が充分な量で供給されないか、過大な量で燃焼室に供給される。すなわち、供給される空気の量が、往復動内燃機関の作動のための公知の方法では制御および／または調整しえないこととなる。本発明による方法によれば、補助過給機としての追加の送風機が不要となり、またシリンダの燃焼室への新鮮な空気の供給が制御および／または調整され、その結果、往復動内燃機関は、より効率的に作動され得るのである。
【００１０】
以下に記載する、本発明の方法の好ましい変形態様においては、往復動内燃機関は、４行程方式で第１の所定回転速度限界より低い速度での往復動内燃機関運転時、掃気が、シリンダ壁に形成された掃気開口（掃気スロット）を通して、シリンダの燃焼室に供給される。すなわち、例えば、大型ディーゼルエンジンとして設計される往復動内燃機関で単流掃気が行われている。
【００１１】
本発明による方法の変形態様においては、少なくとも第１の回転速度限界以下の速度では燃焼サイクルが以下のごとくの掃気前段階を含み、すなわち、燃料噴射に引き続く燃焼後に、しかして掃気が燃焼室へ入る前に、出口弁が、掃気前段階に際して、まず開かれ、次いで閉鎖される。
【００１２】
引き続いて燃焼が行われる圧縮サイクルの後で、作動圧力の高温燃焼ガスが、往復動内燃機関のシリンダの燃焼室において利用可能となり、これにより、ピストンが、膨張サイクルでクランク角１８０度に相当する下死点の方向に公知の方法で移動させられる。通常、シリンダ、シリンダヘッドおよびピストンによって画成される燃焼室が最大容量となる、ピストンの下死点は、クランク角１８０度と一致する。一方、燃焼室が最小容積となる、上死点は、クランク各０度または３６０度と一致する。４ストローク行程においては、通常、公知の通り、下死点位置が、クランク角度１８０度または５４０度と一致し、上死点位置が、クランク角度０度、３６０度または７２０度と一致する。出口弁は、燃焼過程の直後には、最初は閉じられたままである。燃焼に引き続く掃気前段階では、燃焼の後に最初にピストンが掃気スロットを開放する前に、出口弁が掃気前段階の開始を画定する第１の所定クランク角度で開放される。この第１の所定クランク角度、すなわち、掃気前段階の開始は、出口弁が開放される時にシリンダの燃焼室と排気ガススタックとの間で、この燃焼室から過給機群に燃焼ガスを供給するのに適した圧力差が存在するように、そして高温排気ガスがその圧力差によって排気ガススタックを通ってターボ過給機に入り込み、タービンを回転してロータを駆動するように選択される。これにより、圧縮空気が、その掃気スロットがピストンによって開放される時シリンダの燃焼室に導入され、掃気として利用可能である。よって、排気ガスの熱エネルギの一部が、掃気スロットの開放前、すなわち、掃気がシリンダの燃焼室に流入する前に出口弁を開放することによって公知の方法でターボ過給機のタービンを駆動することになる。
【００１３】
燃焼室と排気ガススタックの間の圧力差が、実質的にゼロならば、出口弁は、掃気前段階以内に、第２のクランク角で再び閉じられる。燃焼室の密閉容積は、下死点位置方向へのシリンダのピストンの更なる移動によって拡大される。出口弁は閉じられているので、燃焼室の圧力は、インレットレシーバの圧力値よりも低くなり、ピストンが掃気スロット開放した際、このインレットレシーバを介して掃気がシリンダの燃焼室に流入することができる。第３クランク角度では、ピストンが掃気スロットを少なくとも部分的に開放し、インレットレシーバから燃焼室に掃気が流れる。この時、出口弁は閉鎖されたままである。掃気は、燃焼室における掃気前段階の間に生ずるインレットレシーバに対して低圧の圧力によって燃焼室内に吸引される。このことは、所定の圧力でシリンダの燃焼室内にインレットレシーバを介して掃気をもたらすターボ過給機が、掃気前段階におけるピストンの膨張動作の間に燃焼室で生ずる低圧によって、その機能を補助されているということを意味している。燃焼室とインレットレシーバとの間の最大圧力差は、出口弁が掃気前段階で再び閉鎖されるクランク角度に依存しているので、掃気スロットの開放後に掃気前段階で燃焼室に導入される新鮮な空気の量は、出口弁が掃気前段階で閉鎖されるクランク角を所定値に設定することにより制御および／または調整することができる。
【００１４】
シリンダの燃焼室における次の燃焼過程まで利用可能な新鮮な空気の量を特定の値に設定することが当然可能であり、出口弁が、掃気前段階の開始時に開放され、掃気スロットの開放の前に閉じられることがないようにすることができる。
【００１５】
掃気前段階が起こったか否か、あるいは、出口弁が掃気前段階で再び閉鎖されたか否かに依存する、クランク角１８０度に相当する下死点に近づくと、出口弁は、再度開けられ、あるいは、開放を維持され、クランク角１８０度と３６０度を含む主掃気段階が開始される、以降の圧縮ストロークにおいて、排気ガスの一部が、排気ガススタックを介して出口弁を通って過給機系統に供給される。出口弁は、好ましくは、ピストンが圧縮ストロークの過程で掃気スロットを再び閉鎖し、所定の第４クランク角における主掃気段階の開始時に閉鎖されるまで少なくとも、排気の一部を排出するために開放を維持するようにすることもできる。出口弁の作動は、往復動内燃機関の回転速度および／またはクランク角および／またはシリンダの燃焼室のガス圧および／またはシリンダの燃焼室の温度および／または過給機の回転速度および／または過給機のガス圧および／または過給機の温度および／または往復動内燃機関のその他の作動パラメータに依存して、自在にプログラム可能な制御ユニットによって、好ましくは制御および／または調整される。
【００１６】
これに関連して、本発明の方法の好ましい変形態様においては、主掃気段階が開始するクランク角を、ほぼ２７０度としてある。出口弁は、クランク角の異なる値で閉鎖されることもでき、これにより、主掃気段階は、クランク角の異なる値で開始する。主掃気段階は、３６０度より大きなクランク角でも開始することができる。
【００１７】
シリンダの燃焼室における次の燃焼過程までの合計で利用可能にされる新鮮な空気の量を特定の値に設定することは可能であり、出口弁は、ピストンによる掃気スロットが再度開放されるまで閉鎖され、この場合、主掃気段階は、省略できる。
【００１８】
これに関連して、少なくとも１８０度から５４０度の間のクランク角において、特に主掃気段階内では、燃料噴射は行わない。この主掃気段階で、燃焼室内に密封される掃気と未だ排出されていない排気ガスの混合物は、ピストンがクランク角３６０度に相当する上死点位置に到達するまで、上死点位置の方向にピストンの更なる圧縮動作によって圧縮される。出口弁は閉鎖されたままでクランク角５４０度の下死点位置の方向へのピストンの膨張運動によって、シリンダの燃焼室の圧力は、再び低下する。１８０度と３６０度の間の圧縮行程における掃気スロットの閉鎖後に出口弁を閉鎖した状態でのピストンの経路は、３６０度の上死点位置と再度の掃気スロットの開放との間の引き続く膨張行程におけるピストンの経路よりも小さくなるので、インレットレシーバに対して低圧の圧力がシリンダの燃焼室に発生する。インレットレシーバと燃焼室の間の圧力差の最大値が、主掃気段階が開始するときのクランク角の値に依存することとなる。掃気前段階と同様にして、ピストンは最終的に掃気スロットを再度部分的に開放し、その結果、インレットレシーバからの掃気が燃焼室に流入することができ、この時、出口弁は閉鎖されたままである。掃気は、主掃気段階の間にインレットレシーバに対して作られる低圧の圧力により燃焼室に吸引される。すなわち、所定の圧力でシリンダの燃焼室にインレットレシーバを介して掃気を導入するターボ過給機が、主掃気段階においてピストンの膨張動作の間に燃焼空間に導入される低圧によって、その機能を補助されることを意味している。燃焼室とインレットレシーバとの間の最大圧力差は、主掃気段階の開始点に依存するので、掃気スロットの開放後の主掃気段階の間の燃焼室へ導入される新鮮な空気の量は、主掃気段階の開始を予め決めることによって、制御されおよび／または調整され得る。
【００１９】
対照的に、シリンダの燃焼室に導入される掃気の量の設定のために、主掃気段階を行わないならば、すなわち、少なくとも１８０度と、掃気スロットが開放する３６０度より大きいクランク角との間のクランク角領域において出口弁が閉鎖されていなければ、往復動内燃機関のシリンダの燃焼室には、当然ながら、クランク角３６０度から掃気スロットの開放までの間のピストンの膨張動作時低圧の圧力がほとんど生じない。
【００２０】
５４０度のクランク角の下死点位置に近接して、出口弁は、まだ閉鎖されていれば、再度開放され、その結果、次の圧縮行程において、残りの排気ガスが、出口弁からガススタックを介して過給機に供給され、圧縮サイクル、燃料噴射ならびに燃焼が順次行われる。
【００２１】
単流掃気式の往復動内燃機関は、少なくとも所定の第１回転速度限界よりも低い速度で低負荷領域において、４行程方式で以上のようにして作動され、この４行程方式では、供給される新鮮な空気の量を制御しおよび／または調節することができる。このために、少なくとも１つのシリンダの出口弁が、燃料噴射以降の燃焼後で且つ、シリンダの燃焼室への掃気の引き続く導入の前に、少なくとも第１の回転速度限界より低い速度領域での掃気前段階において、まず開放され、次に閉鎖されることができ、そして、主掃気段階において、少なくとも１つのシリンダの出口弁が、少なくとも第１の回転速度限よりも低い速度時、まず開放され、そして閉鎖させることができるようになる。
【００２２】
第１の回転速度限界よりも高く、第２の回転速度限界よりも低い速度の時には、単流掃気式の往復動内燃機関は、低負荷領域で作動する。低負荷領域は、例えば、最大となる往復動内燃機関の全負荷能力の１０％から３５％の負荷領域を含む。しかし、この低負荷領域は、最大となる全負荷能力の１０％から３５％の負荷領域に限られるわけではない。
【００２３】
往復動内燃機関は、好ましくは、低負荷領域での２行程方式によっても作動される。この低負荷領域において使用される２行程方式は、本発明の方法の好ましい変形態様によれば、４行程方式の場合で詳細に説明した掃気前段階を有する燃焼段階を含む。シリンダの燃焼室で次の燃焼行程で総量で使用すべき新鮮な空気の特定の量の設定のため出口弁が、掃気前段階の開始で開放され、掃気スロットの開放まで閉鎖されない２行程方式においても往復動内燃機関は、当然ながら、低負荷領域で作動されるようになっている。
【００２４】
所定の第２回転速度限よりも高い速度で、単流掃気式の往復動内燃機関は、高負荷領域で作動する。高負荷領域は、例えば、最大となる往復動内燃機関の全負荷能力の３５％よりも大きな負荷領域を含むことができる。しかし、この高負荷領域は、最大となる全負荷能力の３５％より大きい負荷領域に限られるわけではない。
【００２５】
往復動内燃機関は、好ましくは、高負荷領域で２行程過程によって作動される。特に高負荷領域で使用される２行程方式は、本発明の方法の好ましい変形態様によれば、掃気段階を有する燃焼段階を含み、すなわち、シリンダの燃焼室における次の燃焼過程で総量で必要な新鮮な空気の特定の量の設定のために、出口弁が、掃気前段階の開始で開放され、掃気スロットの開放まで閉鎖されないような燃焼行程を含んでいる。他の変形態様においては、掃気前段階の無い２行程過程が、高負荷作動において使用される。
【００２６】
必要により、往復動内燃機関は、最低負荷領域と低負荷領域において、上述の４行程方式の各方法で当然ながら作動され、かつ上記の２行程方式のいずれか一つの方法で高負荷領域において作動され得る。
【００２７】
ある場合には、上記した４行程方式の方法の一つで回転速度領域内のいずれの速度でも往復動内燃機関を作動することが可能である。例えば、往復動内燃機関の到達可能の最大能力が要求されなければ、これにより燃料は節約させることもできる。
【００２８】
特別な作動状態を達成するためには、往復動内燃機関は、３つの上述した回転速度限界のそれぞれで、すなわち、上記した２行程方式あるいは上記した４行程方式のいずれかに依り、第１の所定回転速度限界よりも低い領域、第１回所定回転速度限界と第２の所定回転速度限界との間の領域ならびに第２移転速度限界より高い領域で作動される。しかしながら、４工程方式の方法は、本発明による３つの領域のうちの少なくとも１つで使用される。
【００２９】
最後に、本発明による方法の実施例あるいは変形態様のすべてにおいて、上記した実施例あるいは変形例の１つにより往復動内燃機関のすべてのシリンダを作動することもでき、あるいは、その往復動内燃機関のシリンダのいくつかを作動することができる。例えば、往復動内燃機関の最大達成可能能力を使用する必要がない時および／または、例えば燃料が節約されるべきである時には、同一の往復動内燃機関の異なるシリンダが、本発明による方法の異なる変形態様において同時に作動されることが可能である。
【００３０】
本発明の方法により作動される、本発明による縦方向掃気式の往復動内燃機関、特に、大型ディーゼル機関は、出口弁と、掃気スロットである掃気開口を有するシリンダと、該シリンダ内で下死点と上死点の間の走行面に沿って往復されるピストンと、空気圧縮のためにシリンダの燃焼室からの排気ガスによって駆動されるタービンを備える過給機系統とを有しており、過給機系統により圧縮空気が、掃気スロットを通ってシリンダの燃焼室に掃気として供給される。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】過給機系統を備えた、大型ディーゼルエンジンの主要部分を示す概略図である。
【図２ａ】掃気前段階および主掃気段階を備えた４行程方式の方法を示す概略図である。
【図２ｂ】掃気前段階で、出口弁が閉鎖されていない、図２ａと同様の図である。
【図３ａ】掃気前段階および主掃気段階を備えた別の４行程方式の方法を示す概略図である。
【図３ｂ】掃気前段階で、出口弁が閉鎖されていない、図３ａと同様の図である。
【図４】掃気前段階を備えた２行程方法を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
本発明は、図面を参照して、以下に詳細に説明される。
図１は、長手方向掃気を備えた大型ディーゼルエンジンとして形成され、以下で参照番号１によって全体を示される、過給機系統７付きの大型ディーゼルエンジンの主要部分の概略図を示す。
【００３３】
以下で参照番号１で総称して説明する大型ディーゼルエンジンは、通常シリンダヘッド２１と、そのシリンダヘッド内に出口弁３を備えた複数のシリンダ２を有しており、シリンダ２には、ピストン５が、下死点ＵＴと上死点ＯＴ間で、走行面６に沿って往復動するように配置されており、ピストン５の上死点ＯＴは、通常、エンジンが２行程方法あるいは４行程方法の何れで作動されているかによって、クランク角Ｋｗ０度、３６０度あるいは７２０度に定められており、ピストン５の下死点ＵＴは、クランク角Ｋｗ１８０度あるいは５４０度に定められている。シリンダ２のシリンダヘッド２１と、ピストン５とは、公知の方法で燃焼室２２を画成する。シリンダ２の下方領域には、複数の掃気開口すなわち掃気スロット４が設けられている。ピストン５の位置に依存して、掃気スロット４は、ピストンによって覆われまたは開放される。掃気１２すなわち圧縮された吸気は、掃気スロット４を通ってシリンダ２の燃焼室２２に流入することができる。燃焼で生ずる排気ガス８は、出口弁３に隣接した排気ガススタック１３を通ってシリンダヘッド２１に設けた出口弁３から過給機系統７に流入する。過給機系統７は、周知のごとく主要な要素として、空気１１の圧縮のためのロータ１０と、軸９１によってタービン９に物理的に連結されたロータ１０を駆動するタービン９を有している。タービン９とロータ１０は、ハウジングに配置され、ターボ過給機１４を形成している。タービン９は、シリンダ２の燃焼室２２から流入する高温排気ガス８によって駆動される。シリンダ２の燃焼室２２に掃気１２を供給するために、空気１１が、ロータ１０によって給気スタック１５を介して吸入され、ターボ過給機１４で圧縮される。圧縮空気は、ターボ過給機１４から、圧力経路１８を介して下流ディフューザ１６および給気冷却器１７を通って、インレットレシーバ１９に流入し、当該インレットレシーバ１９から、増圧した圧縮空気が、掃気スロット４すなわち掃気開口を通って掃気１２としてシリンダ２の燃焼室２２に、最終的に流入するのである。
【００３４】
概略図２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂは、本発明の方法による往復動内燃機関の特定の回転速度領域における４行程方式の方法の１つの実施例を示し、図２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂに示した方法は、要求に応じて、第１の回転速度限よりも低い領域、および／または第１の回転速度限界と第２の回転速度限界との間の領域、および／または第２の回転速度限界よりも高い領域で使用可能である。これに関連して、図３ａと図３ｂの変形例は、図２ａと図２ｂの実施例とは、出口弁３が、主掃気段階Ｈの開始時の３６０度以上のクランク角Ｋ６で閉鎖されている点で異なっており、しかして、図２ａと図２ｂのクランク角は、３６０度より低い値となっている。以下に詳細に説明するように、図３ａと図３ｂの主掃気段階Ｈは、３６０度より大きなクランク角Ｋ６で開始をすることができる。
【００３５】
図２ａおよび図２ｂに示す４行程方式の過程の変形例は、図２ａの主掃気段階が３６０度より小さいクランク角で開始し、図３ａの場合は３６０度よりも大きなクランク角度で開始する点でのみ実質的に異なり、これら２つの変形例は、以下に詳細に説明する。またそれらの相違点も、以下で説明される。
【００３６】
図２ａおよび図３ａに示す本発明の方法による４行程方式の過程の変形例においては、以下に説明するように、出口弁３が、少なくとも燃料噴射に引き続く燃焼後で、掃気１２がシリンダ２の燃焼室２２へ導入される前の掃気前段階Ｖにおいて開放され次いで閉鎖される。圧縮サイクルに引き続く燃焼後に、作動圧力下で、往復動内燃機関１のシリンダ２の燃焼室２２で、高温燃焼ガスが利用可能となり、これにより、ピストン５が、クランク角１８０度に相当する下死点ＵＴの方向に周知のように膨張サイクルで移動されるのである。本発明の概念に含まれる２行程方式の過程においては、シリンダ２とシリンダヘッド２１とピストン５によって画成される燃焼室２２が最大容積となる、ピストン５の下死点ＵＴは、クランク角１８０度であり、一方、燃焼室２２が最小容積となる上死点ＯＴは、クランク角０度あるいは３６０に相当する。４行程方式の過程においては、周知のように、下死点ＵＴは、クランク角１８０度あるいは５４０度に相当し、上死点ＯＴは、クランク角０度、３６０度あるいは７２０度に相当している。出口弁３は、クランク角Ｋ１での燃焼過程の直後には、始めのうちは閉鎖されたままである。燃焼に続く掃気前段階Ｖにおいては、燃焼後の初期にピストン５が掃気スロット４を開放する前に、出口弁３は、所定のクランク角Ｋ２で開放される。クランク角Ｋ２は、掃気前段階Ｖの開始を定義し、クランク角Ｋ１は、出口弁３の開放時にシリンダ２の燃焼室２から排気ガス８を過給機系統７に供給するのに適した圧力差が、燃焼室２２と排気ガススタック１３との間に存在するように選択され、圧力差によって、高温排気ガス８の一部が、排気ガススタック１３を通って、ターボ過給機１４に導入され、そしてタービン９およびロータ１０を駆動するようになっている。このようにして、圧縮空気は、シリンダ２内のピストン５によって掃気スロット４が開放された時シリンダ２の燃焼室２２に、掃気１２として導入されるようになるのである。
【００３７】
燃焼室２２と排気ガススタック１３の間の圧力差が、実質的に零となると、出口弁３は、掃気前段階Ｖの間の所定のクランク角Ｋ３で、再び閉鎖される。燃焼室２２の容積は、１８０度のクランク角Ｋｗの下死点ＵＴに向けた方向に、シリンダ２内でピストン５の更なる移動によって拡大される。出口弁３は閉鎖されているので、圧力室２２の圧力は、掃気スロット４がピストン５によって開放される時に、シリンダ２の燃焼室２２に掃気１２が導入されるときに通るインレットレシーバ１９の圧力の値よりも小さくなる。クランク角Ｋ４では、ピストン５は、少なくとも部分的に掃気スロット４を開放し、掃気１２がインレットレシーバ１９から燃焼室２２に流れる。この時、出口弁３は閉鎖されたままである。掃気前段階Ｖの間に、燃焼室２２に生じた圧力は、インレットレシーバ１９より低圧となるので、掃気が燃焼室２２に吸入される。すなわち、所定の圧力下で掃気１２をインレットレシーバ１９を介して燃焼室２２に導入するターボ過給機１４が、掃気前段階Ｖにおけるピストン５の膨張動作の間に燃焼室２２で作られる低圧の圧力によって、その機能を補助されることとなる。燃焼室２２とインレットレシーバ１９の間の最大圧力差は、出口弁３が掃気前段階Ｖで再度閉鎖される、クランク角Ｋ３に依存するので、掃気スロット４の開放後に掃気前段階Ｖの間に燃焼室２２に導入される新鮮な空気の量は、出口弁３が掃気前段階Ｖで閉鎖されるこのクランク角Ｋ３の設定によって制御されおよび／または調整されることができる。
【００３８】
１８０度のクランク角Ｋｗに相当する下死点ＵＴに接近すると、出口弁３は、クランク角Ｋ５で再び開放され、クランク角が１８０度から３６０度の範囲の圧縮行程において、排気ガス８の一部が、排気ガススタック１３を介して出口弁３から過給機系統７に供給されるように、出口弁３は、好ましくは、ピストン５が圧縮行程の間で掃気スロット４を再び閉鎖するまで、少なくとも開放を維持され、次いで所定のクランク角Ｋ６で閉鎖される。出口弁３の閉鎖するクランク角Ｋ６は、主掃気段階Ｈの開始を定義する。出口弁３は、好ましくは、往復動内燃機関１の回転速度および／またはクランク角Ｋｗおよび／またはシリンダ２の燃焼室２２のガス圧力および／またはシリンダ２の燃焼室２２の温度および／または過給機系統７の回転速度および／または過給機系統７のガス圧および／または過給機系統７の温度および／または往復動内燃機関１のその他の作動パラメータに依存するプログラム自在な制御装置（図示せず）によって、制御されおよび／または調節される。
【００３９】
これに関連して、本発明の方法の好ましい変形態様においては、クランク角Ｋ６は、ほぼ２７０度である。出口弁３は、クランク角Ｋ６の異なる値で閉鎖されることができ、これにより、主掃気段階Ｈは、クランク角Ｋ６の異なる値で開始する。主掃気段階Ｈは、このようにして、図３ａに示すように、３６０度より大きなクランク角Ｋ６でも開始することができる。
【００４０】
主掃気段階Ｈ中は少なくとも、燃料噴射は起こらない。燃焼室２２内に密封される掃気１２と今だ排出されていない排気ガス８の混合物は、ピストン５が３６０度のクランク角Ｋｗに相当する上死点位置ＯＴに到達するまで、３６０度のクランク角Ｋｗに相当する上死点位置ＯＴの方向に、ピストン５の更なる圧縮動作によって圧縮される。出口弁３は、閉鎖されたままであるのでシリンダ２の燃焼室２２の圧力は、クランク角５４０度の下死点位置ＵＴの方向へのピストン５の膨張運動によって再び低下する。出口弁３は、３６０度よりも大きなクランク角Ｋ７で掃気スロット４が再度開放される前は閉鎖されたままである。１８０度と３６０度の間の圧縮行程において掃気スロット４の閉鎖の後に出口弁３が閉鎖される場合のピストン５の圧縮経路は、３６０度のクランク角Ｋｗでの上死点ＯＴと掃気スロット４の再度開放時との間の膨張行程におけるピストン５の経路よりも小さくなるので、インレットレシーバ１９に対して低圧の圧力がシリンダ２の燃焼室２２に生じ、インレットレシーバ１９と燃焼室２２の間の圧力差の最大値が、主掃気段階Ｈが開始するときのクランク角Ｋ６の値に依存することとなる。掃気前段階Ｖと同様にして、ピストン５は、掃気１２が燃焼室２２内にインレットレシーバ１９から流入することができるように、クランク角Ｋ８で、掃気スロット４を再度少なくとも部分的に開放し、掃気１２が燃焼室２２内にインレットレシーバ１９から流入することが可能となる。このとき、出口弁３は閉鎖されたままである。掃気１２は、燃焼室２２の主掃気段階Ｈの間に、インレットレシーバ１９に対して低圧の圧力によって燃焼室２２に吸引される。すなわち、所定の圧力でシリンダ２の燃焼室２２にインレットレシーバ１９を介して掃気１２を導入する、ターボ過給機１４が、主掃気段階Ｈにおいてピストン５の膨張動作の間に燃焼室２２で作られる低圧によって、その機能を補助されることとなる。燃焼室２２とインレットレシーバ１９の間の最大圧力差は、主掃気段階Ｈの開始点のクランク角Ｋ６に依存するので、掃気スロット４の開放後の主掃気段階Ｈの間に燃焼室２２へ導入される掃気１２の量は、クランク角Ｋ６を設定することによって、制御されおよび／または調整され得る。
【００４１】
５４０度のクランク角Ｋｗに相当する下死点位置ＵＴに近接して、出口弁３は、所定のクランク角Ｋ９で再び開放され、以下の圧縮行程において、残りの排気ガス８が、排気ガススタック１３を介して出口弁３を通って過給機系統７に供給されるように、燃料噴射とそれに続く燃焼を伴なう圧縮サイクルが、主掃気段階の終期を定める所定のクランク角Ｋ１０において、周知のように開始されるのである。
【００４２】
図２ｂおよび図３ｂは、本発明方法の構造内で好適に使われるような、４行程過程の２つの変形例を示しており、図２および図３ｂに示す４行程過程の変形例は、図２ｂの主掃気段階が３６０度より小さいクランク角で開始し、図３ａでは、３６０度よりも大きなクランク角度で開始する点でのみ相違する。これら２つの変形例は、以下に一緒に詳述し、これらの相違点は、同時に詳述する。
【００４３】
図２ｂおよび図３ｂに示す４行程方式の過程の実施例は、出口弁３が掃気前段階Ｖにおいて閉鎖されない点において、図２ａおよび図３ａに記載した実施例と異なっている。燃料噴射に引き続く燃焼後に、掃気１２のシリンダ２の燃焼室２２への引き続く導入の前に、出口弁３が、クランク角Ｋ２で、掃気前段階Ｖにおいて開放される。クランク角Ｋ２は、当然ながら掃気前段階Ｖの開始を定義している。出口弁３は、クランク角Ｋ１での燃焼過程の直後には最初閉鎖されている。燃焼に続く掃気前段階Ｖにおいて、燃焼後ピストンが最初に掃気スロット４を開放する前に、出口弁３は、所定のクランク角Ｋ２で開放される。このクランク角Ｋ２は、シリンダ２の燃焼室２から排気ガス８を過給機系統７に供給するのに適するように燃焼室２２と排気ガススタック１３の間に圧力差が存在するように出口弁３を開放するように選択され、この圧力差によって、高温排気ガス８の一部が、排気ガススタック１３を通って、ターボ過給機１４に導入され、そしてタービン９およびロータ１０を駆動するようになっている。このようにして、圧縮空気は、ピストン５によって掃気スロット４が開放されたシリンダ２の燃焼室２２に、掃気１２として導入されるようになるのである。
【００４４】
燃焼室２２と排気ガススタック１３の間で圧力差は、実質的に零にされる。出口弁３は、（図２ｂおよび図３ｂに示されているように）掃気前段階Ｖの間で、燃焼室２２と排気ガススタック１３の間で圧力バランスが生じた後で閉鎖されず、燃焼室２２の圧力が、１８０度のクランク角Ｋｗの下死点ＵＴ方向へシリンダ２内でのピストン５の更なる移動によっても実質的に低下することはない。クランク角Ｋ４での掃気スロットの開放後にインレットレシーバ１９から燃焼室２２に流入する吸気の量は、図２ａおよび図３ａにおける変形例と比べて、減少させることができる。クランク角Ｋ４での掃気スロット４の開放の後で、ピストン５は、下死点ＵＴに向けた方向に、更に移動し、既に図２ａおよび図２ｂで詳細に記載したように、主掃気段階Ｈが生じ、引き続き燃料噴射および燃焼が起こる。これに関連して、本発明の方法の好ましい変形例においては、クランク角Ｋ６は、ほぼ２７０度である。出口弁３は、また、クランク角Ｋ６の異なる値でも閉鎖され、主掃気段階Ｈはそれ故に、クランク角Ｋ６の異なる値で開始され得る。このようにして、主掃気段階Ｈは、図３ｂに示すように、３６０度よりも大きなクランク角Ｋ６でも開始することができる。すなわち、図２ｂに示した４行程方式の過程は、図２ｂの主掃気段階Ｈが３６０度よりも小さなクランク角Ｋｗで開始し、一方、図３ｂに示した４行程方式の過程ではクランク角Ｋ６は３６０度以上であるという点でのみ異なっている。
【００４５】
本発明による方法の特に好適な実施例では、往復動内燃機関１は、掃気前段階Ｖを含む燃焼段階を備えた２行程方式の過程での所定の第１回転速度限界よりも高回転で作動される。
【００４６】
図４では、対応する２行程方式の過程が、大型ディーゼルエンジン１用として概略示されている。重要な工程の説明のために、２行程方式動作が、図４に示される。シリンダ２内のピストン５の位置は、完全な２行程サイクル内の選択された８つのクランク角Ｋｗについて示されており、クランク角Ｋｗ０度は、上死点ＯＴに対応し、クランク角Ｋｗ１８０度は、ピストン５の下死点ＵＴに対応している。この方法は、２行程方式過程であるので、０度のクランク角Ｋｗは、３６０度のクランク角Ｋｗと一致する。
【００４７】
クランク角度Ｋ１では、シリンダ２の燃焼室２２における燃焼が、先行する圧縮サイクルの後に実質的に生じ、高温燃焼ガスが燃焼室２２の作動圧力下で利用可能となり、シリンダ２内でピストン５が、クランク角Ｋ１から始まりクランク角Ｋｗ１８０度に相当する下死点ＵＴの方向への膨張サイクルにおいて移動される。出口弁３は、クランク角Ｋ１では閉じられている。燃料噴射に引き続く燃焼後で、シリンダ２の燃焼室２２への掃気１２の引き続く導入前すなわちピストン５が燃焼サイクル後最初にクランク角Ｋ２で掃気スロット４を開放する前に開始される掃気前段階Ｖでは、出口弁３は、掃気前段階Ｖの開始、すなわち所定のクランク角Ｋ２で開放される。この所定クランク角Ｋ２は、シリンダ２の燃焼室２２の圧力が、排気ガススタック１３の圧力よりも明らかに大きくなっているように選択される。燃焼室２２と排気ガススタック１３の間の圧力差によって、高温排気ガス８は、排気ガススタック１３を通ってターボ過給機１４に流入し、タービン９とロータ１０を駆動し、これにより、上述したように、圧縮ガスが、掃気スロット４がピストン５によって開放されたシリンダ２の燃焼室２２へ導入され、掃気１２として利用可能となるのである。すなわち、排気ガス８の熱エネルギの一部が、掃気スロット４１の開放の前、すなわち、掃気１２のシリンダの燃焼室２２への流入の前に出口弁３を開放することによってターボ過給機１４のタービン９を駆動するのに利用されていることとなる。
【００４８】
クランク角Ｋ２よりもやや大きなクランク角Ｋ３では、燃焼室２２と排気ガススタック１３との間の圧力差は、実質的に零となり、出口弁３は、掃気前段階Ｖ以内のクランク角Ｋ３で再び閉鎖される。燃焼室２２とインレットレシーバ１９との間の最大圧力差は、出口弁３が掃気前段階Ｖで再び閉鎖されるクランク角Ｋｗに依存するので、掃気スロット４の開放後の掃気前段階Ｖの間に燃焼室２２に導入される吸気の量は、往復動内燃機関１の回転速度、クランク角Ｋｗおよび／またはシリンダ２の燃焼室２２のガス圧力および／またはシリンダ２の燃焼室２２の温度および／または過給機系統７の速度および／または過給機系統７のガス圧力および／または過給機系統７の温度および／または往復動内燃機関１のその他の作動パラメータに依存する出口弁３が掃気前段階Ｖで閉鎖される所定のクランク角Ｋ３によって、制御および／または調整される。燃焼室２２の密閉容積は、下死点位置ＵＴ方向へのシリンダ２のピストン５の更なる移動によって拡大され、出口弁が閉じられているため、これにより、燃焼室２２の圧力は、インレットレシーバ１９の圧力よりも低くなる。掃気前段階Ｖの終了となるクランク角度Ｋ４では、ピストン５は、少なくとも部分的に掃気スロット４を開放し、掃気１２がインレットレシーバ１９から燃焼室２２に流れることができるようになる。この時、出口弁３は閉鎖されたままである。掃気１２は、掃気前段階Ｖにおいて燃焼室２２に作られる低圧によって燃焼室内に吸引される。すなわち、所定の圧力でシリンダ２の燃焼室２２内にインレットレシーバ１９を介して掃気１２を導入するターボ過給機１４が、掃気前段階Ｖにおけるピストン５の膨張動作の間に燃焼室２２で作られる低圧によって、その機能を補助されることとなる。
【００４９】
ピストン５が下死点位置ＵＴに近づくと、クランク角Ｋ５で、そして、ピストン５が下死点ＵＴに到達する前で、出口弁３は、開放され、以降の圧縮サイクルにおいて、排気ガス８が、排気ガススタック１３を介して出口弁３を通って過給機群７に供給できるようになる。クランク角１８０度では、出口弁３は、開放されたままであり、圧縮サイクルが開始される。このとき、ピストン５がクランク角Ｋ６１に到達し、掃気スロット４が閉じられる。これに関連して、圧縮サイクルの間のクランク角Ｋ６１に到達する以前あるいはピストン５が下死点位置ＵＴを通過した後のクランク角Ｋ６１に到達した以降の所定の時間、出口弁３は、要求にしたがって、閉鎖される。
【００５０】
本発明の別の変形例においては、出口弁３は、ピストン５が下死点位置ＵＴに到達する前に掃気開口４の開放後、再び閉鎖されるようにしても構わない。上死点位置ＯＴの方向へのピストン５の更なる移動によって、燃焼室２２に密閉された空気は圧縮され、燃料が、噴射ノズル（図示せず）によって、それ自体公知の方法で所定時間燃焼室２２に導入され、燃焼室２２の燃料・空気混合物の燃焼が行われる。
【００５１】
出口弁３の作動は、これに関連して、往復動内燃機関１の回転速度、クランク角度Ｋｗおよび／またはシリンダ２の燃焼室２２のガス圧および／またはシリンダ２の燃焼室２２の温度および／または過給機系統７の速度および／または過給機系統７のガス圧および／または過給機系統７の温度および／または往復動内燃機関１のその他の作動パラメータに依存して、プログラム可能な制御装置（図示せず）によって、制御および／または調整される。
【００５２】
単流掃気式の往復動内燃機関、特に、大型ディーゼルエンジンの作動のための本発明の方法の使用によって、シリンダ掃気の改良が、低負荷領域、すなわち所定の第１回転速度限より低いときに達成され、供給される掃気の量が、関連する作動パラメータ、特に、往復動内燃機関の回転速度や過給機系統の回転速度に依存する出口弁の作動により制御および／または調整されるのである。
【００５３】
本発明による方法を利用することによって、低負荷作動において排気ガスターボ過給機の補助のための追加的な補助過給機の使用と関連する欠点が解消される。このようにして、補助過給機およびその制御のために必要な装置の調達および据え付けのための労力が解消される。フラップなどの逆流防止装置が、不要とされ得るので、インレットレシーバの設計は、更に簡単なものとなる。作動資源のための追加費用と、予備部品と修理およぴ点検サービスに対する人的労力も解消される。特に、実質的なスペースと重量は、本発明による方法の使用によって削減される。更に、補助過給機の作動のための電気動力がもはや必要なく、余分な費用を削減できるので、補助過給機無しの往復動内燃機関の作動は、エネルギの観点からも好ましいものとなる。本発明による方法の使用は、特に、往復動内燃機関の燃料消費を減じることに帰結する。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４】
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