(57)【要約】  本発明は、排気ガスターボチャージャ及びパワータービン（１２）のほか、パワータービン（１２）の下流に配置された排気ガス後処理ユニット（１８）を有する内燃機関（１）の作動方法に関する。本発明の方法によれば、排気ガスの圧力が上昇すると、圧力調整装置（１３、１７）が、圧力を減少するためにその開放位置の方向へ調整される。
2008525690.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気管（４）にコンプレッサー（８）と、排気系（６）に排気ガスタービン（９）とを備える排気ターボチャージャを有し、前記排気ガスタービン（９）の下流の前記排気系（６）に配置され、かつ内燃機関（１）の排気ガスによって駆動されるパワータービン（１２）を有し、前記排気ガスタービン（９）と前記パワータービン（１２）との間の排気背圧（ｐ４）を設定する圧力調整装置（１３、１７）を有し、及び前記パワータービン（１２）の下流の前記排気系（６）に配置された排気ガス後処理ユニット（１８）を有する内燃機関の作動方法であって、
排気ガス後処理ユニット（１８）が塞がれた結果、前記排気ガスタービン（９）の下流の部分において排気圧（ｐ４、ｐ５）が上昇している場合に、該排気圧を減少するために前記圧力調整装置（１３、１７）がその開放位置の方向へ調整される方法。
【請求項２】
エンジンブレーキモードにおいて、要求されたエンジンブレーキトルクを設定するように前記圧力調整装置（１３、１７）が調整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】
点火駆動運転モードにおいて、前記圧力調整装置（１３、１７）が、前記排気系（６）から前記吸気管（４）への排気ガスフロー再循環を設定するように動作することを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記排気ガスタービン（９）の可変タービンジオメトリ（１０）が、排気背圧（ｐ３）を設定するために調整されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記吸気管（４）にコンプレッサー（８）と前記排気系（６）に排気ガスタービン（９）とを備える排気ターボチャージャ（７）を有し、前記排気ガスタービン（９）の下流の前記排気系（６）に配置され、かつ前記内燃機関（１）の排気ガスによって駆動されるパワータービン（１２）を有し、前記排気ガスタービン（９）と前記パワータービン（１２）との間の排気圧（ｐ４）を設定する圧力調整装置（１３、１７）を有し、前記パワータービン（１２）の下流の前記排気系（６）に配置された排気ガス後処理ユニット（１８）を有し、及び前記排気ガス後処理ユニット（１８）の上流の排気圧（ｐ４、ｐ５）に応じて前記圧力調整装置（１３、１７）を調整するための作動信号を生成する閉ループ・開ループ制御ユニット（２４）を有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法を実行するための内燃機関。
【請求項６】
前記排気ガス後処理ユニット（１８）が微粒子フィルタを備え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】
前記圧力調整装置が、前記パワータービン（１２）を迂回し、かつ作動バルブ（１７）がその中に配置されたバイパス（１６）を備えることを特徴とする請求項５または６に記載の内燃機関。
【請求項８】
前記圧力調整装置が、前記パワータービン（１２）において有効タービン入口断面を可変的に調整するために可変パワータービンジオメトリ（１３）として構成されることを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項９】
前記排気ガスタービン（９）が、有効タービン入口断面を可変的に調整するために可変タービンジオメトリ（１０）を備えることを特徴とする請求項５〜８のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項１０】
前記内燃機関（１）の前記排気系（６）と前記吸気管（４）との間に再循環ライン（２０）を有し、かつ前記再循環ライン（２０）に配置された調整可能なチェックバルブ（２１）を有する排気ガス再循環装置（１９）を備えることを特徴とする請求項５〜９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、排気ターボチャージャとパワータービンとを有する内燃機関の作動方法、及び内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、排気ターボチャージャのほかに、排気系において複合（ｃｏｍｐｏｕｎｄ）パワータービンを含み、その複合パワータービンは、伝動装置によってエンジンのクランクシャフトに結合される過給機付き内燃機関が開示されている。複合パワータービンによって、排気ガスが排気ガスタービンを通過した後にも有する残留エネルギーを利用して、前記エネルギーを駆動トルクとしてエンジンのクランクシャフトへ伝達することが可能となる。排気ガスタービンと複合パワータービンの直列接続によって、内燃機関の全体的効率が改善される。
【０００３】
内燃機関には、排気ガスタービンの上流の排気系と、給気冷却器の下流に配置された吸気管との間に延びる再循環ラインと、調整可能なチェックバルブとから構成される排気ガス再循環装置が装備される。内燃機関の低い負荷及びエンジン回転数の範囲においては、排気ガスが排気系から吸気管へ流れて内燃機関のシリンダに供給されるように、再循環ラインのチェックバルブは開放可能である。窒素酸化物エミッションの減少は、このように得ることができる。
【０００４】
対照的に、高い負荷及びエンジン回転数においては、排気ガスがまず排気ガスタービンを、次に複合パワータービンを通って流れるように排気ガス再循環装置のチェックバルブは閉鎖される。このように、排気ガスのエクセルギーを、可能な限りの最も効果的な方法で利用できる。
【０００５】
高負荷であるが低エンジン回転数においては、排気ガスタービン下流の圧力が降下し、対応して高圧力勾配が排気ガスタービンに生成され、その圧力勾配をターボチャージャの駆動に利用できるように、排気ガス再循環が同様に封鎖され、同時に複合パワータービンを迂回するためのバイパスが開放されるのが有利である。ダイナミックな作動範囲においては、圧力上昇を速くすることが可能である。
【０００６】
特に現代のディーゼル内燃機関においては、今日、排気ガスフロー中のすす粒子を濾過することを含めて、効率的な排気ガス浄化への要求がある。前記すす粒子は排気系の微粒子フィルタによって除去される。そのような微粒子フィルタにおいては、原理上フィルタの孔が時間と共に塞がれるようになり、それにより排気ガスの背圧が上昇し、排気ガスタービンの圧力勾配が減少する結果、効率が下がることに注意しなければならない。除去されたすす粒子を取り除くために、微粒子フィルタが定期的に自由燃焼される必要があり、そのため内燃機関に供給される空気と燃料の混合気が過剰となり、すなわち内燃機関における酸素の供給不足が起こる。
【０００７】
【特許文献１】特開平８−２４０１５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前記従来技術から、本発明は、排気ターボチャージャと、下流に接続されたパワータービンと、排気ガス後処理ユニットとを装備した内燃機関の効率を改善するという目的に基づくものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的は、請求項１の特徴を有する内燃機関の作動方法、及び請求項５の特徴を有する内燃機関によって達成される。従属請求項は好適な改良形態を特定する。
【００１０】
本発明による方法においては、排気ガス後処理ユニットが次第に塞がれてくる結果、パワータービンの下流に生成された排気背圧が上昇する場合に、排気ガスタービンとパワータービンとの間の排気背圧を設定するために設けられた圧力調整装置が、その開放位置の方向へ調整される。これにより、排気ガスタービンの下流のライン部分における排気背圧を減少し、排気ガスタービンの圧力勾配を上昇させるので、排気ガスタービンがよりパワーを供給することができ、かつ吸気管の対応するコンプレッサーがチャージ圧力をより高くできるようになる。排気ガス後処理ユニットが次第に塞がれてくる結果の、排気ガスタービンと排気ガス後処理ユニットとの間のライン部分における排気背圧の上昇を、圧力調整装置を開放することによって少なくとも部分的に補償できる。これは特に、圧力調整装置が、初期に部分的に閉鎖又は部分的に開放位置にある場合、及び微粒子フィルタが次第に塞がれてくるための圧力の上昇が排気ガスタービンの下流で検出され得るや否や、前記中央位置からさらに開放される場合に有利である。このようにして、フィルタが塞がれてくるにも関わらず排気ガスタービンの所望の圧力勾配を維持することが可能である。
【００１１】
本方法を実行するのに適した本発明による内燃機関においては、排気ガス後処理ユニットの上流の排気背圧に応じて閉ループ・開ループ制御ユニットにおいて作動信号が生成され、その作動信号は、パワータービンに関連付けられた圧力調整装置を調整するために組み込まれる。作動信号によって圧力調整装置が開放されて、少なくとも部分的に排気ガスフローをバイパスへ導いてパワータービンを迂回させるか、又はパワータービンのタービン入口断面に配置された調製可能な可変パワータービンジオメトリを開放位置の方向へ移動させるようになる。いずれの場合も、排気ガスタービンの下流の排気背圧が減少して、排気ガスタービンの圧力比が増大する。
【００１２】
圧力調整装置は、パワータービンの先のバイパスとして、又はパワータービンの有効タービン入口断面を可変的に調整するための可変パワータービンジオメトリとして構成される。双方の実施形態で圧力調整を行うことが可能である。２つの実施形態を互いに組み合わせることもできる。
【００１３】
内燃機関に割り当てられる排気ターボチャージャの構成部品である排気ガスタービンは可変タービンジオメトリを装備し、それにより排気ガスタービンの圧力比をさらなる自由度を持って設定すると好都合である。排気ガスタービンの可変タービンジオメトリは、有効タービン入口断面を最小限にする閉鎖位置と最大開放位置との間で調整でき、その最大開放位置は特に高負荷及びエンジン回転数において設定される一方で、閉鎖位置は、低めの負荷及びエンジン回転数範囲において設定されるのが好ましい。閉鎖位置においては、排気ガスタービンの上流の排気背圧が上昇して、可変タービンジオメトリの残された開放断面間において流速が高くなり、その高い流速で、排気ガスがタービンホイールに衝突する。このようにして、低負荷及びエンジン回転数においても早い圧力上昇を得ることが可能である。
【００１４】
さらに、エンジンブレーキモードにおいて排気ガスタービンの可変タービンジオメトリと可変パワータービンジオメトリの両方を調整することも可能である。このようにして、可変ジオメトリを調整することにより排気ガスタービンの上流の排気背圧を上昇させ、シリンダのピストンが前記上昇した排気背圧に反して排出作業を行わなければならないようにする。
【００１５】
さらなる利点及び好適な改良形態は、特許請求の範囲、図面の説明及び排気ターボチャージャと複合パワータービンとを有する内燃機関を概略的に示す図面に示される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
特にディーゼル内燃機関としているが、適切な場合にはスパークイグニッションエンジンでも適合される、図に示す内燃機関１が、直列の６気筒エンジンとして供され、そのシリンダ２には共通の空気アキュムレータ３によって燃焼空気が供給される。シリンダ２の排気ガスは、排気系６の構成部品であり排気系の排気ラインに開口している共通の排気ガス収集ライン５に排出される。空気アキュムレータ３は吸気管４の一部であり、吸気管の吸気ラインによって燃焼空気が供給される。
【００１７】
内燃機関１には、吸気管４にコンプレッサー８と、排気系６に排気ガスタービン９とを備える排気ターボチャージャ７が割り当てられる。排気ガスタービン９には、有効タービン入口断面を可変的に調整するための可変タービンジオメトリ１０が装備され、それによりタービン入口断面を、最小の閉鎖位置と最大の開放位置との間で調整できる。可変タービンジオメトリ１０は、例えば軸方向に調整可能なガイド格子としてか、又は調整可能な案内翼を備える固定ガイド格子として供される。排気ガスタービン９のタービンホイールの回転運動は、シャフト１１によってコンプレッサー８のコンプレッサーホイールへ伝達される。
【００１８】
排気系６の排気ガスタービン９の下流に配置されるのは、排気ガスが横切ることによって駆動される複合パワータービン１２である。複合パワータービン１２は、複合パワータービン１２において生成される駆動トルクや制動トルクをエンジンのクランクシャフトへ伝達するように、そのシャフト１４と伝動装置１５によってエンジンのクランクシャフトへ接続される。排気ガスタービンのように、パワータービン１２には可変パワータービンジオメトリ１３が装備され、それによりパワータービン１２における有効タービン入口断面を最小の閉鎖位置と最大の開放位置との間で調整できる。例えば軸方向に調整可能なガイド格子や調整可能な案内翼を備える固定ガイド格子として前記可変パワータービンジオメトリ１３を構成することもできる。
【００１９】
パワータービン１２には、作動バルブ１７が配置されたバイパス１６が割り当てられる。バイパス１６はチェックバルブ１７の開放時にパワータービン１２を迂回し、排気ガス全てか、少なくとも大部分の排気ガスが、パワータービン１２を迂回するためにバイパス１６を経由して導かれる。
【００２０】
排気系６のパワータービン１２の下流に配置されるのは、特にすす微粒子フィルタを備える排気ガス後処理ユニット１８である。さらに、排気ガス後処理ユニット１８には、例えば触媒コンバーターなどの浄化装置をさらに割り当てることもできる。
【００２１】
空気の側から見ると、圧力ｐ１の燃焼空気がコンプレッサー８によって吸入され、加圧ｐ２まで圧縮され、そこで燃焼空気が、コンプレッサー８の下流に接続される給気冷却器２３へ供給される。給気冷却器２３における冷却後、チャージ圧力ｐ２Ｓにおける圧縮された燃焼空気が空気アキュムレータ３に流入し、そこから内燃機関１のシリンダ２に流入する。
【００２２】
シリンダ２から排出された排気ガスが、排気ガス収集ライン５を経由して、隣接する排気系６の排気ラインへ導かれ、シリンダー出口と排気ガスタービン９との間の排気ライン部分においては、排気ガスは、排気背圧ｐ３である。排気背圧ｐ３において、排気ガスが排気ガスタービン９へ供給され、排気ガスタービン９において排気圧ｐ４まで膨張し、そこで排気ガスは複合パワータービン１２の入口に導かれる。複合パワータービン１２の下流では、排気ガスは排気圧ｐ５であり、そこで排気ガスは排気ガス後処理ユニット１８へ供給される。
【００２３】
内燃機関１にはさらに、閉ループ制御可能チェックバルブ２１が配置された再循環ライン２０と排気ガス冷却器２２とを含む排気ガス再循環装置１９が備えられる。再循環ライン２０は、排気ガスタービン９の上流の排気ライン部分から分岐し、コンプレッサー８と給気冷却器２３との間にある吸気管４に開口する。
【００２４】
内燃機関１には閉ループ・開ループ制御ユニット２４が割り当てられ、そこでは内燃機関１及び該内燃機関に関連付けられる組立体を調整制御するための作動信号が生成される。作動信号は、内燃機関又は組立体の動作状態を特徴付ける状態及び運転変数に応じて生成される。調整される構成要素としては、とりわけシリンダ２のバルブ、排気ガス再循環装置１９のチェックバルブ２１、排気ガスタービン９の可変タービンジオメトリ１０、パワータービン１２を迂回するバイパス１６の作動バルブ１７、及びパワータービン１２の可変パワータービンジオメトリ１３が挙げられる。
【００２５】
排気ガス側においては、具体的には排気ガス再循環装置１９のチェックバルブ２１、可変タービンジオメトリ１０、可変パワータービンジオメトリ１３及びバイパス１６の作動バルブ１７の、排気背圧を制御するための４つの調整が可能である。特に可変パワータービンジオメトリ１３及びバイパス１６の作動バルブ１７を制御することによって、排気ガスタービン９の下流の上昇する排気圧ｐ４又はｐ５と、微粒子フィルタが塞がれてくることに起因する排気ガスタービンにおける対応する圧力勾配の減少を少なくとも部分的に補償することが可能である。排気ガス後処理ユニット１８の微粒子フィルタが一度塞がれてくると、まずパワータービン１２と排気ガス後処理ユニット１８との間のライン部分における排気圧ｐ５が上昇し、その結果パワータービン１２の圧力勾配ｐ４／ｐ５も減少する。しかしながら、圧力勾配の減少によってパワータービン１２の消費電力も減少する。
【００２６】
排気ガス後処理ユニットの微粒子フィルタが塞がれてくることによって排気ガスタービン９の下流の全体的に上昇する排気背圧ｐ４又はｐ５を補償するために、パワータービン１２に関連付けられた圧力調整装置−すなわち可変パワータービンジオメトリ１３及び／又は作動バルブ１７を有するバイパス１６−を閉鎖位置又は部分的な開放位置からさらなる開放位置の方向へ調整する事ができる。その結果、排気ガスタービン９とパワータービン１２との間にあるライン部分の排気圧ｐ４が減少して、排気ガス後処理ユニット１８のすぐ上流のライン部分の排気圧ｐ５に接近する。排気ガスタービン９のすぐ下流のライン部分における前記圧力減少は、パワータービン１２の起動停止に関連するが、その圧力減少は排気ガスタービン９の圧力勾配ｐ３／ｐ４を増大させ、その結果、排気ガスタービン９の消費電力が増大する。この接近によって、排気ガス後処理ユニット１８の微粒子フィルタが塞がれてくるにもかかわらず、微粒子フィルタに蓄積したすす粒子が燃焼されて、これにより微粒子フィルタの流れ抵抗が減少されるまで、排気ガスタービン９の消費電力を補償することが可能である。
【００２７】
排気ガスタービン下流の排気圧ｐ４の減少を利用して、点火駆動運転モードにおける内燃機関のダイナミックな作動を改善することもできる。特に低い排気背圧ｐ３のみがシリンダー出口とタービン入口との間で優勢である低エンジン回転数における加速状態においては、タービン９の下流の排気圧ｐ４を低下させることによって、タービンの圧力降下を増大させ、それによって急速な電力消費と迅速なチャージ圧力上昇とが可能となる。
【００２８】
圧力調整装置が割り当てられたパワータービンを有する実施形態は、排気ガス再循環の作動における利点も提供する。排気ガス後処理ユニット１８の微粒子フィルタが次第に塞がれてくるにもかかわらず、排気ガスタービンの高い圧力降下と同時に排気ガスタービン９の上流の排気ガス再循環を促進する高い排気背圧ｐ３を生成することも可能である。
【００２９】
エンジンブレーキモードにおける作動動作を改善することも可能である。エンジンブレーキ力のレベルは、内燃機関のシリンダー入口とシリンダー出口における圧力状況によって決められる。高いチャージ圧力が、対応してシリンダにおける高い圧力レベルを生成し、そのためシリンダのピストンが高い排気背圧に反して排出作業を行うことが必要になる。可変タービンジオメトリ１０の閉鎖位置への調整によって高い排気背圧が得られる。同時に排気ガスは、可変タービンジオメトリ１０の残りの自由な断面を通ってタービンホイールへ流入して前記タービンホイールに駆動推進力を与え、その結果ターボチャージャは、ある回転速度になるかまたはその回転速度に保持され、コンプレッサー側において高いチャージ圧力を生成できる。ターボチャージャのパワーに必要な排気ガスタービンの圧力降下は、パワータービン１２の圧力調整装置によって、すなわち可変パワータービンジオメトリ１３及び／又はバイパス１６の作動バルブ１７を調整することによって生成される。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】排気ターボチャージャと複合パワータービンとを有する内燃機関の概略図である。
【図１】
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【国際調査報告】
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