(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストン制御式の排気ポートおよび吸気ポート（５４、５６）を有する少なくとも一つのシリンダ（５０）と、エンジンの少なくとも一つの排気ポートへ連結される排気チャネル（１２４）と、エンジンの少なくとも一つの吸気ポートへ連結される給気チャネル（１２６）と、前記排気チャネル（１２４）と前記給気チャネル（１２６）とをガスの通過が可能に連結する導管（１３１）と、を含むユニフロー掃気式２ストロークサイクルの対向ピストンエンジン（４９）であって、前記エンジンはスーパーチャージャを保有せず、かつ、
二つのクランク軸（７１，７２）であって、それぞれの排気ピストン（６０）が第一のクランク軸（７１）に連結されており、且つそれぞれの吸気ピストン（６２）が第二のクランク軸（７２）に連結されていることを特徴とする二つのクランク軸（７１，７２）と、
前記導管（１３１）を備え、且つ前記排気チャネル（１２４）に連結されるループ入力と、前記給気チャネル（１２６）へ連結されるループ出力と、を有する高圧の排気再循環（ＥＧＲ）ループと、
前記ＥＧＲループを通過した排気ガスを前記導管（１３１）の所定の箇所で前記給気チャネル（１２６）へポンピングするための前記ＥＧＲループ内のポンプ（２００）と、
前記ＥＧＲループの前記ループ入力と前記ポンプ（２００）との間の可変バルブ（１３８）であって、当該可変バルブ（１３８）の出力が前記ポンプ（２００）の入力に連接されていることを特徴とする可変バルブ（１３８）と、
前記給気チャネル（１２６）へ連結される給気出力と、前記排気チャネル（１２４）へ連結されるタービン入力と、排気出力（１２８）へ連結されるタービン出力と、を有するターボチャージャ（１２０）と、
前記導管（１３１）内の前記ポンプ（２００）とＥＧＲのループ出力の間の位置に組み込まれているＥＧＲ冷却器（１２９）と、
を備えており、
高圧の前記ＥＧＲループの前記ループ入力が前記ターボチャージャー（１２０）の前記タービン入力の上流側の前記排気チャネル（１２４）へ連結されており、且つ高圧の前記ＥＧＲループの前記ループ出力がターボチャージャーのコンプレッサ出力の下流側へ連結されることを特徴とするユニフロー掃気式２ストロークサイクルの対向ピストンエンジン（４９）。
【請求項２】
前記給気チャネルが少なくとも一つの冷却器（１２７）を含み、前記ループ出力が前記少なくとも一つの冷却器の吸気口に連結されていることを特徴とする請求項１に記載のユニフロー掃気式２ストロークサイクルの対向ピストンエンジン。
【請求項３】
前記ＥＧＲループの前記ポンプ（２００）の入力が、排気ガスのみを受け入れるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のユニフロー掃気式２ストロークサイクルの対向ピストンエンジン。
【請求項４】
前記ポンプが可変容量ポンプであることを特徴とする請求項１に記載のユニフロー掃気式２ストロークサイクルの対向ピストンエンジン。
【請求項５】
前記ターボチャージャがパワーアシストシステムを含むことを特徴とする請求項１に記載のユニフロー掃気式２ストロークサイクルの対向ピストンエンジン。
【請求項６】
ピストン制御式の排気ポートおよび吸気ポート（５４、５６）を有する少なくとも一つのシリンダ（５０）と、エンジンの少なくとも一つの排気ポートへ連結される排気チャネル（１２４）と、エンジンの少なくとも一つの吸気ポートへ連結される給気チャネル（１２６）と、前記排気チャネル（１２４）と前記給気チャネル（１２６）とをガスの通過が可能に連結する導管（１３１）と、を含むユニフロー掃気式対向ピストンエンジン（４９）であって、前記エンジンは、スーパーチャージャを保有せず、かつ、
二つのクランク軸（７１，７２）であって、それぞれの排気ピストン（６０）が第一のクランク軸（７１）に連結されており、且つそれぞれの吸気ピストン（６２）が第二のクランク軸（７２）に連結されていることを特徴とする二つのクランク軸（７１，７２）と、
前記給気チャネル（１２６）へ連結されるコンプレッサ出力と、前記排気チャネル（１２４）へ連結されるタービン入力と、排気出力（１２８）へ連結されるタービン出力と、を有するパワーアシスト式ターボチャージャ（１２０）と、
前記導管（１３１）を備え、且つ前記パワーアシスト式ターボチャージャの前記タービン入力の上流側の前記排気チャネルへ連結されるループ入力と、前記パワーアシスト式ターボチャージャの前記コンプレッサ出力の下流側の前記給気チャネルへ連結されると同時に冷却器（１２７）の吸気口に接続されるループ出力と、を有する排気再循環（ＥＧＲ）ループと、
前記ＥＧＲループ内の、前記ＥＧＲループを通過して排気ガスを前記導管（１３１）の所定の箇所で前記給気チャネル（１２６）内へポンピングするための電気駆動式ポンプ（２００）と、
前記ＥＧＲループ内の、前記ループ入力と前記ポンプとの間の電気制御式可変バルブ（１３８）であって、前記ポンプが、前記パワーアシスト式ターボチャージャの前記コンプレッサ出力からの吸気と混合するために、排気マニホールドから導管（１３１）を通過する排気ガスの一部を分路するように構成されており、前記可変バルブ（１３８）の出力が前記ポンプ（２００）の入力に連接されていることを特徴とする可変バルブ（１３８）と、
前記導管（１３１）内の前記ポンプ（２００）とＥＧＲのループ出力の間の位置に組み込まれているＥＧＲ冷却器（１２９）と、
前記パワーアシスト式ターボチャージャ、前記ポンプおよび前記バルブの制御信号を提供するように連接される制御ユニット（１４９）と、
を備えることを特徴とするユニフロー掃気式対向ピストンエンジン。
【請求項７】
スーパーチャージ式ではない、請求項６に記載のユニフロー掃気式対向ピストンエンジンを作動させる方法であって、給気が、加圧され、次に少なくとも一つの冷却器内で冷却され、かつ高圧の排気再循環（ＥＧＲ）ループ内でエンジン排気ガスを前記少なくとも一つの給気冷却器の入力へポンピングすることにより一つまたは複数のシリンダの各々の吸気ポートへ提供されることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
優先権及び関連出願
本出願は、２０１０年５月１８日に提出された米国仮出願第６１／３９５，８４５号、および２０１０年８月１６日に提出された米国仮出願第６１／４０１，５９８号に対する優先権を主張して２０１１年５月１６日に提出され本発明の譲受人に譲渡された米国特許出願第１３／０６８，６７９号の一部継続出願である。
【０００２】
本出願は、２０１３年２月１９日に提出され本発明の譲受人に譲渡された国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１３／０２６７３７号に関連する主題を含む。
【背景技術】
【０００３】
背景
本技術分野は、２ストロークサイクル内燃機関である。特に、本分野は、排気再循環（ｅｘｈａｕｓｔ  ｇａｓ  ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ、ＥＧＲ，排気ガス再循環）を有する、ポートの設けられた（ｐｏｒｔｅｄ、穴付きの）、ユニフロー掃気式（ｕｎｉｆｌｏｗ−ｓｃａｖｅｎｇｅｄ）２ストロークサイクルエンジンに関する。より具体的には、本技術分野は、燃焼中のＮＯｘ生成を制御するために、排気再循環（ＥＧＲ）構造が先行サイクルにおいてエンジンにより生成された排気ガスの一部を到来する給気と混合するために提供する、１つまたは複数の、ポートシリンダ（ｐｏｒｔｅｄ ｃｙｌｉｎｄｅｒ、ポートが設けられたシリンダ）およびユニフロー掃気を有する２ストロークサイクルエンジンを含む。
【０００４】
２ストロークサイクルエンジンは、クランク軸の完全な一回転と、クランク軸へ連接されるピストンの２サイクル（行程）と、で１つのパワーサイクルを完成させる内燃機関である。２ストロークサイクルエンジンの一例は、反対方向への往復移動動作用に１対のピストンがシリンダボア内で対向して配置される対向ピストンエンジンである。シリンダは、シリンダの各端部の近くへ配置されるように長手方向に離隔される吸気ポートおよび排気ポートを有する。対向するピストンは、これらのポートを制御して、個々のポートをその下心（ＢＣ）位置への移動に伴って開放し、かつその上心（ＴＣ）位置への移動に伴って閉鎖する。これらのポートの一方は、燃焼生成物のボア（ｂｏｒｅ、円筒形の内腔）からの通路を提供し、かつもう一方は、給気をボア内へ入れる働きをし、これらは各々、「排気（ｅｘｈａｕｓｔ）」ポートおよび「吸気（ｉｎｔａｋｅ）」ポートと称される。
【０００５】
図１において、２ストロークサイクル内燃機関４９は、少なくとも１つのポートシリンダ５０を有する対向ピストンエンジンによって具現されている。例えば、このエンジンは、１つのポートシリンダ、２つのポートシリンダ、３つのポートシリンダ、または４またはそれ以上のポートシリンダを有してもよい。各シリンダ５０は、ボア５２と、ボアの個々の端部に形成されているかまたは機械加工されている排気ポート５４および吸気ポート５６と、を有する。排気ポート５４および吸気ポート５６は、各々、隣接する開口同士が中実ブリッジ（ｓｏｌｉｄ  ｂｒｉｄｇｅ、固体のブリッジ構造）によって分離される１つまたは複数の円周方向の開口アレイを含む。記述法によっては、各開口は、「ポート」と称されるが、このような「ポート」の円周方向のアレイ構造（配列構造）は、図１に示されているポートの構造と何ら変わりはない。排気および吸気ピストン６０および６２は、ボア５２内に、対向する各端面６１および６３を有して滑動可能式に配置される。排気ピストン６０は、クランク軸７１へ連結され、かつ吸気ピストンは、クランク軸７２へ連結される。
【０００６】
シリンダ５０のピストン６０および６２がそのＴＣ位置に、またはＴＣ位置の近くに存在するとき、燃焼室は、ボア５２内で両ピストンの端面６１と端面６３との間に画定される。燃料は、シリンダ５０の側壁を通過する開口内に配置される少なくとも１つの燃料噴射器ノズル１００から燃焼室内へ直に噴射される。
【０００７】
図１をさらに参照すると、エンジン４９は、エンジン４９へ提供される給気の輸送およびエンジン４９によって生成される排気の輸送を管理する空気管理システム５１を含む。ある代表的な空気管理システム構造は、給気サブシステムと、排気サブシステムとを含む。空気管理システム５１において、給気サブシステムは、吸気を受け入れて給気へと処理する給気ソース（ｃｈａｒｇｅ  ａｉｒ  ｓｏｕｒｃｅ）と、給気ソースへ連結される、給気をエンジンの少なくとも１つの吸気ポートまで輸送する給気チャネルと、給気（または、給気を含むガス混合体）を受け入れかつこれをエンジンの１つまたは複数の吸気ポートへ送出する前に冷却するように連結される、給気チャネル内の少なくとも１つの空気冷却器と、を含む。このような冷却器は、液冷式および／または空冷式手段、または別の冷却手段を備えることが可能である。排気サブシステムは、排気生成物をエンジンの排気ポートから排気管へ輸送する排気チャネルを含む。
【０００８】
図１を参照すると、空気管理システム５１は、タービン１２１と、共通軸１２３上で回転するコンプレッサとを伴う、ターボチャージャ１２０を含む。タービン１２１は、排気サブシステムへ連結され、かつコンプレッサ１２２は、給気サブシステムへ連結される。ターボチャージャ１２０は、排気ポート５４を出て排気ポート５４から直に、または排気マニホールド１２５から排気チャネル１２４へ流れ込む排気ガスからエネルギーを抽出する。その際、タービン１２１は、タービン１２１を通過する排気ガスによって回転される。これにより、コンプレッサ１２２が回転し、吸気を圧縮して給気を発生させる。例によっては、給気サブシステムは、スーパーチャージャ１１０を含み、これらの例において、コンプレッサ１２２により出力される給気は、給気チャネル１２６を通過して冷却器１２７へと流れ、スーパーチャージャ１１０によって冷却器１２７から吸気ポートへポンピングされる。スーパーチャージャ１１０によって圧縮された空気は、冷却器１２９を通過して吸気マニホールド１３０へ出力されることが可能である。吸気ポート５６は、スーパーチャージャ１１０によりポンピングされる給気を、吸気マニホールド１３０を通過して受け入れる。好ましくは、但し必須ではなく、多筒式の対向ピストンエンジンにおいて、吸気マニホールド１３０は、全てのシリンダ５０の吸気ポート５６と連通する吸気プレナムで構成される。
【０００９】
図１に示されている空気管理構造物は、燃焼により生成されるＮＯｘ排出を、エンジンのポートシリンダを通して排気ガスを再循環させることによって減らすために装備される。再循環された排気ガスは、燃焼ピーク温度を下げるために給気と混合され、これにより、ＮＯｘ排出量が減る。このプロセスは、排気再循環（「ＥＧＲ」）と称される。図１に示されているＥＧＲ構造は、シリンダ外部のＥＧＲループを通過して給気サブシステム内の到来する新鮮な吸気の流れへと輸送される排気ガスを利用する。再循環されるガスは、バルブ１３８の制御下で導管１３１を通過して流れる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ユニフロー掃気式２ストロークサイクル対向ピストンエンジンのＥＧＲ構造は、シリンダをそれらのポートが開の周期中に掃気するために、吸気マニホールドから排気マニホールドへの正圧差を必要とする。したがって、排気ガスがＥＧＲチャネルを通過して給気サブシステムへ流れ込むためには、シリンダの吸気ポート内の圧力が常に排気ポート内より高くなければならない。図１に示されている例では、給気チャネル（Ｃｈａｒｇｅ  ａｉｒ  ｃｈａｎｎｅｌ、ＣＡＣ）内のスーパーチャージャがこの正圧を提供する。しかしながら、ターボチャージ式の対向ピストンエンジンがスーパーチャージャを含まない場合がある他の例も存在する。このような場合、効果的なＥＧＲ動作のために、再循環される排気ガスの正の流れを保証する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
概要
この課題に対する解決策は、ターボ駆動の対向ピストンエンジンのＥＧＲループにＥＧＲループ内ポンプを装備して、再循環される排気生成物の圧力を高めることにある。
【００１２】
ある態様において、ＥＧＲは、シリンダの排気ポートへ連結される入力と、給気チャネルへ連結されるループ出力と、を有するＥＧＲループにより提供される。ＥＧＲループ内のポンプは、排気ポートと給気チャネルとの間に圧力差を発生させ、この圧力差により、排気ガスは、ＥＧＲループを通過して給気チャネルへと流れ、ここで給気と混合する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、ＥＧＲを有する空気管理システムの態様を示す、対向ピストン型の２ストロークサイクルエンジンの略概念図である。
【００１４】
【図２】図２は、スーパーチャージャなしのターボチャージ式２ストロークサイクル対向ピストンエンジンにおけるＥＧＲの構造を示す略概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
詳細な説明
本明細書に記述しているＥＧＲ構造は、一対のピストンが各々の端面を対向させて配置される少なくとも１つのポートシリンダを有するタイプのユニフロー掃気式２ストロークサイクルエンジンを含む、説明文（ｃｏｎｔｅｘｔ）の中に示されている。「ポートが設けられている（ｐｏｒｔｅｄ）」シリンダは、その側壁内に形成または機械加工されている１つまたは複数の吸気ポートおよび排気ポートを含む。この説明文の意図は、ＥＧＲ構造の特有の実施形態を例示によって理解するための原理を提供することにある。
【００１６】
図２を参照すると、図１に示されているエンジンのそれに類似する構造を有する対向ピストンエンジンに、排気ガスを排気サブシステムから給気サブシステムへ導く、但し給気サブシステム内でのスーパーチャージャによる補助なしに導く、ＥＧＲループが装備されている。好ましくは、ＥＧＲループの構造は、高圧の構造である。その際、高圧のＥＧＲループは、排気チャネル１２４から得られる排気ガスを、タービン１２１の上流側（タービン１２１の入力に先行する）のループ入力を通過してコンプレッサ１２２の下流側（コンプレッサ１２２の出力に続く）の混合ポイント（ｍｉｘｉｎｇ  ｐｏｉｎｔ）へと循環させる。このＥＧＲループにおいて、ＥＧＲバルブ１３８は、コンプレッサ１２２により出力される給気と混合されるべき、排気マニホールド１２５から導管１３１を通過する排気ガスの一部を、導管１２６へと分路するように運転される。排気／空気の混合が不要であれば、ＥＧＲバルブ１３８は、完全に閉じられ、排気ガスのない給気がシリンダへ送出される。ＥＧＲバルブ１３８の開放が増大するにつれて、給気と混合される排気ガスの量が増える。このループにより、排気ガスは、冷却器１２７の冷却効果を受ける。導管１３１内へは、専用のＥＧＲ冷却器１２９をバルブ１３８と直列に組み入れることができる。
【００１７】
ポンプを含むＥＧＲループの構造
図２に示されている高圧のＥＧＲループ構造は、ＥＧＲバルブ１３８と直列のＥＧＲポンプ２００を含む。バルブ１３８の出口は、ＥＧＲポンプ２００の入力へ連接され、ＥＧＲポンプ２００の目的は、再循環される排気ガスの圧力を排気マニホールド１２５内のレベルから吸気マニホールド１３０内のレベルまで高めることにある。圧力は、給気サブシステム内のスーパーチャージャによる圧力印加ではなく、ポンプ２００によって導管１３１内の１点から印加される。この圧力により生成される吸気マニホールドと排気マニホールドとの間の圧力差は、排気マニホールド１２５からの排気ガスの一部を導管１２６へポンピングし、この一部は、導管１２６で給気と混合されかつ給気と共に吸気マニホールド１３０内へ再循環される。好ましくは、ポンプ２００は、電気制御式可変速ポンプであるが、他のポンプタイプ（例えば、液圧制御式）も可能である。
【００１８】
パワーアシスト式ターボチャージャ
エンジン４９が動作する間は、マニホールド１２５、１３０間の連続的な正圧差を保証するためにターボチャージャ１２０をアシスト（支援）することが有益である。その際、ターボチャージャ１２０は、パワーアシストシステム２１０を含み、パワーアシストシステム２１０は、アシスト式ではないターボチャージャ動作では不十分である場合に、開始および低負荷状態の間のターボチャージャ動作を高めて給気の流れへのエネルギーを追加する、例えば電気モータ／発電機ユニットを備えることができる。ターボ・パワーアシスト・デバイスの代替例には、液圧式または空気圧式の機構が含まれる。パワーアシストシステムを有するターボチャージャは、「パワーアシスト式ターボチャージャ」と称される。
【００１９】
制御の機械化
図２に示されている構造を利用するＥＧＲシステムのＥＧＲ制御プロセスは、指定されたエンジン動作状態に応答して、電気制御ユニット（ＥＣＵ）１４９により、バルブ１３８、ポンプ２００およびパワーアシストシステム２１０を自動操作することによって実行される。当然ながら、ＥＧＲおよび空気管理制御に使用され得るバルブ、スロットルおよび他の関連する要素の操作には、電気的、空気圧的、機械的および液圧的な作動操作のうちの任意の１つまたはそれ以上が包含されることが可能である。高速で精密な自動操作の場合、ＥＧＲバルブ１３８を含むバルブは、連続的な可変の設定の高速、高分解能のコンピュータ制御による手段であることが好ましい。
【００２０】
好ましくは、ＥＧＲの制御プロセスは、本明細書に記述されかつ例示されているＥＧＲシステムを、再循環される排気ガスに関連する、および再循環される排気ガスおよび給気の混合体に関連する１つまたは複数のパラメータを基礎として自動操作する。パラメータ値は、個々のパラメータ値および１つまたは複数のシリンダ内のＥＧＲと混合体パラメータとの１つまたは複数の割合を管理するように、センサ、計算およびテーブルルックアップのうちの１つまたはそれ以上の組合せによって決定される。
【００２１】
スーパーチャージャのない２ストロークサイクルエンジンのＥＧＲ構造について、２つのクランク軸を有する対向ピストンエンジンを参照して説明したが、このＥＧＲシステムの様々な態様を、１つまたは複数のクランク軸を有する対向ピストンエンジンに適用できることは理解されるべきである。さらに、このＥＧＲ構造の様々な態様は、対向して配置される、および／または１つまたは複数のクランク軸の何れの側面にも配置されるポートシリンダを有する対向ピストンエンジンに適用可能である。したがって、この構造に与えられる保護は、以下の請求項によってのみ限定される。
【図１】
0006404839.tif 000002
【図２】
0006404839.tif 000003