(57)【要約】  本発明は、排気ライン（４）と吸気ライン（６）との間に再循環ライン（２１）と、再循環ライン（２１）に配置された設定可能な再循環弁（２２）とが設けられた排気ガス再循環装置（２０）を有する内燃機関（１）に関する。再循環ライン（２１）の出口の上流にある吸気ライン（６）には空気分離装置（１１）が設けられ、前記空気分離装置は、吸気ライン（６）へと案内された燃焼用空気流を低酸素の部分空気流と高酸素の部分空気流とに分離するのに使用される。低酸素の部分空気流は、内燃機関（１）のシリンダに送られる。
2008516131.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ライン（４）と吸気ライン（６）との間に再循環ライン（２１）を設け、前記再循環ライン（２１）には制御可能な遮断弁（２２）を備えた排気ガス再循環装置を有する内燃機関において、
前記再循環ライン（２１）と前記吸気ライン（６）との接続点よりも上流側の前記吸気ライン（６）に設けられ、前記吸気ライン（６）に吸引された燃焼用空気流を、高酸素の部分空気流と、前記内燃機関（１）のシリンダへと送られる低酸素の部分空気流と、に分離する空気分離装置（１１）と、
排気ライン（４）の浄化装置（１８）の下流側で、前記排気ライン（４）から分岐され、前記空気分離装置（１１）へ掃気ガスとして供給するための掃気ガスライン（１６）と、
前記排気ライン（４）からの前記掃気ガスライン（１６）への分岐を制御するため、前記排気ライン（４）の前記分岐の下流に設けられた遮断弁（１９）と、
前記空気分離装置（１１）の掃気空間（１４）に送られた掃気ガスを排出するために設けられた、前記掃気空間（１４）から分岐する出口ライン（１２）と調整可能な遮断弁（１５）と、
前記排気ライン（４）内に排気ガスタービン（３）、前記吸気ライン（６）内にコンプレッサ（５）を有し、タービン入口断面の可変設定用の可変タービンジオメトリー（８）を有する排気ガスターボ過給機（２）と、
前記内燃機関（１）からブローバイガスを吸い込み、これを前記空気分離装置（１１）の下流側の前記排気ライン（４）に送るブローバイポンプ（２５）と、
を有することを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記ブローバイガスが、前記内燃機関（１）のクランク室から発生す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】
前記ブローバイガスが、前記排気ガスターボ過給機（２）のハウジングから発生することを特徴とする請求項１或いは２に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記空気分離装置（１１）の汚染を防止するために、ブローバイライン（２７）が、前記ブローバイポンプ（２５）から分岐し、前記空気分離装置（１１）及び前記排気ガス再循環装置（２０）の下流側の前記吸気ライン（６）へ接続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内燃機関。
【請求項５】
排気ガスが、前記遮断弁（２２）を介して前記低酸素の部分空気流に加えられることを特徴とする請求項１〜４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、請求項１の前段に記載の、排気ガス再循環装置を有する内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
包括的な技術を開示している特許文献１では、排気ガスターボ過給機を有する内燃機関について開示しており、この文献では、前記機関はＮＯｘエミッションを減少させるための空気分離装置を備えており、この空気分離装置は内燃機関の吸気ラインに設けられる。空気分離装置内の選択的浸透性のダイアフラム装置が、燃焼用空気を低酸素の部分空気流と高酸素の部分空気流とに分離する。空気分離装置は、より大きいコンプレッサ作業によって補わなければならない流動抵抗を有する。
【０００３】
特許文献２では、排気ガスターボ過給機を備えた内燃機関について記載しており、この機関においては、排気ガスタービンが排気ライン内に配置され、排気ガスタービンと共に回転するよう連結されたコンプレッサが吸気ライン内に配置され、この排気ガスタービンは内燃機関からの排気ガスの圧力によって駆動され、この回転運動がシャフトを介してコンプレッサに伝達され、ここで、大気圧にある燃焼用空気を吸い込み、これをより大きい吸気圧に圧縮する。ＮＯｘエミッションを減少させるために、内燃機関には、排気ガスタービンの上流にある排気ラインとコンプレッサの下流にある吸気ラインとの間に、遮断弁が設けられた再循環ラインを有する排気ガス再循環装置が設けられる。特に部分負荷の範囲内において、排気ガス再循環ライン内の遮断弁が開放される。即ち、高圧の排気ガスの部分流が、排気ラインから再循環ラインを介して吸気ラインに伝わり、ここで、供給された燃焼用空気と混合される。しかし、排気ガス再循環装置については、排気ガスと接触する構成部品が、汚染されやすく、恐らくは高温で炭化するという課題がある。たとえば、排気ガス再循環ライン内に配置された熱交換機は、この種の汚染又は炭化の危険にさらされている。これに伴って、誤動作又は動作不良が起きるかも知れない。
【０００４】
燃焼用空気内の酸素成分、またこれと共に、部分負荷運転中のＮＯｘエミッションを減少させるために、特許文献３に記載されている代替形態に従って、排気ガス再循環装置の代わりに、吸気ライン内に、供給された燃焼用空気をより少ない酸素を含む第１の部分流と、より大きい酸素成分を含む第２の部分流とに分離することが可能な空気分離装置を設けることが提案される。より少ない酸素含有量又はより大きい窒素成分を含む部分流は、燃焼用空気として内燃機関のシリンダに供給され、より大きい酸素成分を含む部分空気流は、大気中に放出される。燃焼に関与する、より少ない酸素含有量を含む空気により、酸化窒素エミッションが減少する。
【０００５】
空気分離装置は、より大きいコンプレッサ作業によって補わなければならない流動抵抗を有する。排気ガスターボ過給機の大きさを決める際には、このことが考慮されるべきである。
【０００６】
【特許文献１】独国特許出願公開第１９９４３１３２Ａ１号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第１０２４５３８８Ａ１号明細書
【特許文献３】独国特許出願公開第１０２３３１８２Ａ１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明のベースとなる課題は、内燃機関の酸化窒素エミッションを減少させることである。この場合、内燃機関の効率をできる限り損なわないようにすべきである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題は、本発明に従って、請求項１の特徴によって解決される。従属請求項には、好ましい発展形態が記載されている。
【０００９】
本発明による内燃機関は、吸気ライン内に排気ガス再循環装置と空気分離装置との両方を備えており、２つのシステムの利点が組み合わされる。特に、特定の運転状況において、空気分離装置内で排出される燃焼用空気内の酸素成分を減少させることができ、空気分離装置内では、供給された全空気流が２つの部分流に分割され、その１つの部分流はより少ない酸素含有量を有し、他の部分流はより大きい酸素含有量を有する。より少ない酸素含有量を含む又は比較的より大きい窒素成分を含む部分流は、内燃機関のシリンダに送出され、この結果、特に内燃機関の部分負荷時の運転中に、酸化窒素エミッションの減少が達成され得る。濃い酸素を含む第２の部分空気流は、大気内に放出されることが好ましく、適宜、この部分空気流をさらに使用することも考えられる。
【００１０】
遮断弁を備えた排気ガス再循環装置の操作などにおいては、空気分離装置によって、燃焼用空気流内で酸素が減少し又は窒素が濃くすることができ、排気ガスの再循環を防止することも可能になるので、内燃機関のアセンブリの汚染や炭化の影響を低下できる。これにより、これらのアセンブリの使用寿命がかなり増加する。
【００１１】
効率を向上させるためには、排気ガスが排気ラインから吸気ラインへと移動するよう、排気ガス再循環装置を開放することが好ましいであろう。これは、より大きい排気ガスの背圧のために、比較的広い動作特性範囲内で行われ得る。この場合、燃焼用空気は、空気分離装置内で２つの部分流にさらに分離され、より少ない酸素含有量を含む部分流が、再循環された排気ガスと入り混じることが好ましい。排気ガスが空気分離装置の下流にある吸気ライン内に導入されるので、空気分離装置の汚染が確実に防止される。より少ない酸素含有量を含む燃焼用空気と排気ガスとが入り混じるために、先行技術による場合と比べて、再循環に関与し得る排気ガスの質量流量がより少なくて済む。この結果、汚染又は炭化の度合いが減少する。
【００１２】
この上、空気分離装置及び排気ガス再循環装置を別々に設定することにより、酸素の少ない燃焼用空気流に対する再循環される排気ガスの比率を、広い動作範囲内の最適化された種類の操作に適応させることができるというさらなる自由度ができる。したがって、たとえば、空気の分離が行われなくなる状況まで、空気分離装置により燃焼用空気が減少すること、及びこれに対応して再循環される排気ガスの質量流量が増加することも考えられ、したがって、動作点により、排気ガス再循環装置の有無にかかわらず、空気が分離されることなく、燃焼用空気が公知の方法で内燃機関のシリンダに供給される。
【００１３】
空気分離装置には、空気分離装置のハウジング内の掃気空間へと伝わる掃気ガスが供給され、濃い酸素含有量を含む部分空気流が、前記掃気空間内に導入されることがある。空気分離装置は、通常、浸透圧の差により空気の分離が行われる半透過性のダイアフラムを備える。掃気空間内に導入された掃気ガスは、再び掃気空間から放出口又は放出ラインを介して送出されるが、大気より低い酸素濃度を有するため、ダイアフラムの両側に異なる濃度が生じ、ダイアフラムを通って浸透することが可能となる。
【００１４】
使用される掃気ガスは排気ガスであり、排気ライン内の浄化装置の下流で取り出され、掃気ガスラインを介して掃気空間へと供給されることが好ましい。浄化された排気ガスが掃気空間へと伝わるのを助けるために、掃気ガスラインの分岐点の下流の排気ライン内に、再循環を促進する排気ガスの背圧を増加するよう閉位置又は部分閉位置に調整され得る設定可能な遮断弁を設けることが好ましいであろう。
【００１５】
設定可能な遮断弁はまた、掃気空間の出口の領域内に又は掃気空間から分岐する出口ラインの領域内に配置されることもあり、これにより、遮断状態において掃気空間からの放出が防止される。即ち、拡散による空気の分離が事実上行われなくなり、吸気ライン内に導入された全燃焼用空気流が、空気分離装置を通過して、内燃機関のシリンダに至る。つまり、これは、空気分離装置を動作不能にすることである。
【００１６】
さらに、排気ライン内に排気ガスタービンと吸気ライン内にコンプレッサとを備えた排気ガスターボ過給機を設けることが好ましい。排気ガスタービンには、効果的なタービン入口断面の可変設定用の可変タービンジオメトリーが装備されることがあるが、これは、たとえば、流入口断面内に配置され、調整可能な案内ベーンを備えた案内ベーン列により、又は流入口断面へと軸方向に押すことが可能な案内ベーン列により実施可能である。可変タービンジオメトリーは、さらなる設定が可能であり、流入口断面を最小にするよう絞った位置の場合には、排気ガスタービンの上流で排気ガスの背圧が増加し、流入口断面を最大にする開位置の場合には、排気ガスの背圧が減少する。
【００１７】
最後に、内燃機関に、内燃機関から又は内燃機関に割り当てられたアセンブリからブローバイガスを吸い込み、これを空気分離装置の下流にある吸気ラインに送る、ブローバイポンプを割り当てることが好ましいであろう。これらのブローバイガスは、特に内燃機関のクランク室からのガスであるが、排気ガスターボ過給機のハウジングからの油滴で濃縮されたブローバイガスも考えられ得る。これらのブローバイガスが空気分離装置の下流にある吸気ラインへと伝わるので、空気分離装置の汚染が確実に防止される。
【００１８】
さらなる請求項、排気ガス再循環装置と空気分離装置とを備えた過給内燃機関の概略図を示した図面についての記載より、さらなる利点及び好ましい実施形態が明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
ディーゼル内燃機関、又はガソリン機関などの内燃機関１には、排気ライン４内の排気ガスタービン３と吸気ライン６内のコンプレッサ５とを有する排気ガスターボ過給機２が装備され、タービンホイールが、シャフト７を介してコンプレッサホイールを回転させるように連結されている。排気ガスタービン３のタービンホイールは、内燃機関１の高圧な排気ガスによって駆動され、この回転運動が、シャフト７を介してコンプレッサ５のコンプレッサホイールに伝達され、そこで、大気から燃焼用空気を吸い込み、これをより大きい給気圧に圧縮する。
【００２０】
コンプレッサ５は、吸気ライン６6内、エアーフィルタ９の下流側に配置される。コンプレッサ５の下流の吸気ライン６には、圧縮された燃焼用空気を冷却するインタークーラ１０が設けられる。さらに、吸気ライン内のインタークーラ１０の下流には、空気分離装置１１が置かれ、これが、供給された燃焼用空気流を２つの部分空気流、即ち、酸素が濃く、かつ出口ライン１２を介して大気内に放出され得る部分空気流と、吸気ライン６内に至り、最後に内燃機関１のシリンダへと供給される酸素の少ない部分空気流と、に分離する。空気分離装置１１のハウジング内には、半透過性のダイアフラム１３又は複数のこのようなダイアフラムが置かれ、ここで、より少ない酸素含有量を含む部分空気流及び濃い酸素含有量を含む部分空気流へのガスの分離が行われる。濃い酸素含有量を含む部分空気流は、ダイアフラム１３を囲み、出口ライン１２に接続される掃気空間１４内へと伝わる。設定可能な遮断弁１５が、出口ライン１２内に置かれる。
【００２１】
空気分離装置１１には、排気ガス浄化装置１８の下流にある排気ライン４から分岐し、掃気空間１４へとつながる掃気ガスライン１６が接続される。排気ガス浄化装置１８は、ＰＭフィルタ、及びＮｏｘ還元触媒などの触媒装置を含む。排気ガスは、掃気ガス冷却用の熱交換機１７が置かれた掃気ガスライン１６を介して空気分離装置１１に掃気ガスとして排出される。遮断弁１５が開放されると、排気ガスは、掃気空間１４から、より大きい酸素含有量を含む拡散された部分空気流と共に、掃気ガスとして放出される。
【００２２】
排気ライン４内の、掃気ガスライン１６への分岐点の下流側には、調整可能な遮断弁１９が設けられる。遮断弁１９が閉位置になると、遮断弁１９の上流にある排気ラインの圧力が上昇し、この結果、掃気ガスとしての排気ガスの空気分離装置１１への再循環が増長される。
【００２３】
コンプレッサ３には可変タービンジオメトリー８が設けられ、これを介して、効率の良いタービン入口断面が、最小限絞った位置と最大限開放された位置との間で調整され得る。このことは、内燃機関の出力を増加するよう、様々な運転段階において利用され得る。出力の増加は、通常の点火（着火）運転の場合の操作及び非点火（非着火）状態のエンジンブレーキ運転の両方において達成され得る。
【００２４】
この上、排気ラインから吸気ラインへの排気ガスの再循環を助けるために、可変タービンジオメトリー８は、排気ライン４と吸気ライン６との間の圧力降下を設定するよう、遮断位置の方向に調整され得る。排気ガスの再循環は、排気ガスタービン３の上流側の排気ライン４から分岐し、空気分離装置１１の下流側の吸気ライン６に接続される再循環ライン２１を有する排気ガス再循環装置２０によって行われる。設定可能な遮断弁２２及びＥＧＲクーラ２３が、再循環ライン２１内に置かれる。
【００２５】
内燃機関１のすべてのアセンブリは、電子制御ユニット２４を介して、内燃機関１の状態変数及び動作変数に応じて設定され得る。即ち、電子制御ユニットは、可変タービンジオメトリー８、空気分離装置１１からの出口ライン１２に設けられた遮断弁１５、排気ライン４内の排気ガス浄化装置１８の下流にある遮断弁１９、及び排気ガス再循環装置２０内の遮断弁２２について言える。
【００２６】
この上、内燃機関１には、内燃機関１により直接駆動されることが好ましいブローバイポンプ２５が設けられるが、さらに、他の駆動装置を設けることも任意である。ブローバイポンプ２５を介して、内燃機関から又は内燃機関のアセンブリからのブローバイガスが吸い取られ、空気分離装置１１及び排気ガス再循環ライン２１の出口箇所の下流にある吸気ライン６へと導入され、したがって、ブローバイガスは燃焼工程に送られる。ブローバイライン２６ａを介して示されているように、内燃機関１のクランク室に通気孔が設けられる。さらに、排気ガスターボ過給機２の蒸発した油分も吸い取られる。このために、ブローバイライン２６ｂが、過給機のハウジングから分岐している。ブローバイライン２６ａ及び２６ｂは、共通のライン２６ｃへと出て、ここを介して、ガスがブローバイポンプ２５へと送られる。さらなるブローバイライン２７が、ブローバイポンプから分岐し、空気分離装置１１及び排気ガス再循環装置２０の下流側で吸気ライン６へ送られるので、浄化されていないブローバイガスは、内燃機関のシリンダ吸気口の直前に直接排出される。これにより、特に空気分離装置１１の汚染が防止される。
【００２７】
内燃機関の運転中、空気分離装置１１の空気分離能力が、出口ライン１２の遮断弁１５及び排気ライン４の遮断弁１９の位置によって制御され得る。出口ライン１２の遮断弁１５が閉じられると、事実上空気の分離は行われない。遮断弁１５が開放され、適宜、掃気ガスとして空気分離装置１１の掃気空間１４へと排気ガスを移動させるために排気ライン４の遮断弁１９が遮断又は部分開放すると、空気分離装置１１は、その動作を開始し、供給された燃焼用空気流をより少ない酸素含有量を含む部分流と濃い酸素含有量を含む部分流との２つの部分流に分離する。より少ない酸素含有量を含む部分空気流、又は、より大きい窒素分を含む部分空気流が、内燃機関１のシリンダへと送られ、この結果、特に内燃機関の部分負荷運転中に、酸化窒素エミッションの減少が達成される。排気ガス再循環装置２０の遮断弁２２を設定することにより、排気ガスの一部が排気ラインから分岐され、吸気ラインへと移動し、ここで、より大きい窒素分を含む燃焼用空気の部分質量流量と入り混じり得る。しかし、適宜、排気ガスが再循環されないような、遮断弁２２の完全な遮断も考えられる。空気分離装置１１の出口ライン１２の遮断弁１５の、既に述べたような遮断も同様に考えられ、この結果、空気の分離は事実上不可能となり、燃焼用空気流は、すべて空気分離装置１１を通って伝わり、内燃機関１へと送られる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】排気ガス再循環装置と空気分離装置とを有する過給内燃機関の概略図。
【図１】
2008516131.tif 000003
【国際調査報告】
2008516131.tif 000004
2008516131.tif 000005
2008516131.tif 000006
2008516131.tif 000007
2008516131.tif 000008
2008516131.tif 000009