JP2016148332A - 内燃機関及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】新規な内燃機関を提供する。
【解決手段】複数のシリンダー（１１）及び少なくとも一つの排気ターボチャージャー（１４）を備える内燃機関（１０）において、特定の又は各排気ターボチャージャー（１４）のタービン（１３）内において、シリンダー（１１）を出た排気が膨張可能であり、その際に得られたエネルギーが、それぞれの排気ターボチャージャー（１４）のコンプレッサー（１６）内で、シリンダー（１１）に供給すべきチャージエアを圧縮するために利用可能であり、また、それぞれの排気ターボチャージャー（１４）のコンプレッサー（１６）内でチャージエアが圧縮された後にこれを冷却するために、それぞれの排気ターボチャージャー（１４）のコンプレッサー（１６）の下流にはチャージエアクーラー（１９）が配置されており、また、それぞれのチャージエアクーラー（１９）内でチャージエア冷却の際に発生する凝縮物（２１）が排気内に供給可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１のおいて書きに記載の内燃機関に関する。本発明はまた、請求項７に記載の、内燃機関運転方法に関する。

排気過給式内燃機関は、以前から実地より知られている。排気過給式内燃機関は、少なくとも一つの排気ターボチャージャーを有しており、内燃機関のシリンダーから出た排気は、特定の又はそれぞれの排気ターボチャージャーのタービン内で膨張することができる。排気の膨張の際に得られるエネルギーはそれぞれの排気ターボチャージャーのコンプレッサー内で、内燃機関のシリンダーに供給すべき燃焼空気を圧縮するために利用される。このとき代表的には、それぞれの排気ターボチャージャーのそれぞれのコンプレッサーにチャージエアクーラーが後置されており、それぞれのコンプレッサー内で圧縮されたチャージエアはそれぞれのエアクーラーの領域内で冷却される。

圧縮されたチャージエアをそれぞれのチャージエアクーラーの領域において冷却する際、凝縮物が発生することがあり、これは、チャージエアの冷却の際に、水に関してチャージエアの受容力が低下するためである。実地より知られる内燃機関においては、この凝縮物は内燃機関から排出されて処分される。

これに鑑みて、本発明の課題は、新規の内燃機関及びその運転方法を提供することである。

この課題は、請求項１に記載の内燃機関により解決される。本発明においては、チャージエア冷却の際にそれぞれのチャージエアクーラー内で発生する凝縮物は排気内に供給可能である。

本発明の内燃機関においては、チャージエア冷却の際にそれぞれのチャージエアクーラーの領域内で発生する凝縮物は、内燃機関から排出されて処分されるのではなく、排気内に供給される。それにより、それぞれの排気ターボチャージャーのそれぞれのタービンの上流で排気を冷却することができる。このことは、内燃機関の排気温度限界値付近における内燃機関のいわゆる熱帯運転モードにおいて長所となる。また、凝縮物を処分する必要もなくなる。

第１の好適な発展形によると、内燃機関はただ一つの排気ターボチャージャーを有しており、排気ターボチャージャーのコンプレッサーのチャージエアクーラー内においてチャージエア冷却の際に発生する凝縮物は、排気ターボチャージャーのタービンの上流で排気内に供給可能である。代替的な第２の好適な発展形によると内燃機関は、高圧タービン及び高圧コンプレッサーを持つ第１排気ターボチャージャー、及び、低圧タービン及び低圧コンプレッサーを持つ第２排気ターボチャージャーを有しており、第１排気ターボチャージャーの高圧コンプレッサーのーチャージエアクーラー内でチャージエア冷却の際に発生する凝縮物は、第１排気ターボチャージャーの高圧タービンの上流において排気内に供給可能である。第２排気ターボチャージャーの低圧コンプレッサーのチャージエアクーラー内においてチャージエア冷却の際に発生する凝縮物は、第１排気ターボチャージャーの高圧タービンの上流において、及び／又は、第２排気ターボチャージャーの低圧タービンの上流において、排気内に供給可能である。本発明の第１の好適な発展形、及び、本発明の第２の好適な発展形のいずれを用いても、チャージエアクーラーの領域内で発生する凝縮物を定義通りに排気内に供給することができる。

望ましくは凝縮物は、チャージエアライン又はそれぞれのチャージエアクーラーから出発して排気ラインの方向に向かうパイプラインを介して、排気内に供給可能である。この実施形態は構造的に単純である。

本発明の内燃機関運転方法は請求項７に定義されている。

本発明の望ましい発展形は従属請求項及び以下の説明から理解できる。本発明の実施例について図を用いて説明するが、これに限定されるわけではない。

本発明による第１の内燃機関の図式図である。 本発明による第２の内燃機関の図式図である。 本発明による第３の内燃機関の図式図である。 本発明によるさらなる内燃機関の図式図である。

本発明は、内燃機関、及び、そのような内燃機関の運転方法に関する。

図１には、複数のシリンダー１１を有する本発明の内燃機関１０の第１の実施例が図示されており、内燃機関１０のシリンダー１１内で燃料が燃焼される。図１では、内燃機関のシリンダー１１から出た排気１２は排気ラインを介して、排気ターボチャージャー１４のタービン１３に供給可能であり、排気１２はタービン１３内で膨張し、膨張した排気１５としてタービン１３から出る。

排気１２が排気ターボチャージャー１４のタービン１３内で膨張する際に得られるエネルギーは、排気ターボチャージャーのコンプレッサー１６内で使用され、それにより燃焼空気１７が圧縮されて、圧縮されたチャージエア１８として内燃機関１０に、つまり、内燃機関１０のシリンダー１１に、チャージエアライン２４を介して提供される。このとき、排気ターボチャージャー１４のコンプレッサー１６にはチャージエアクーラー１９が割り当てられており、チャージエアクーラー１９の領域において、コンプレッサー１６内で圧縮されたチャージエア１８を冷却することができ、それにより、冷却されたチャージエア２０が内燃機関１０のシリンダー１１に供給される。

本発明の内燃機関１０において、チャージエアクーラー１９内でチャージエア１８が冷却される際に発生する凝縮物２１は排気内に、つまり、内燃機関１０のシリンダー１１から出た排気１２内に供給可能である。

ここで凝縮物２１は、排気ターボチャージャー１４のタービン１３の領域においてすべての凝縮物２１が蒸発するよう、凝縮物２１にとって十分な蒸発区間が提供される距離をもって、排気ターボチャージャー１４のタービン１３の上流において排気１２内に供給される。本発明により、手間のかかる凝縮物処分を行わずに済ますことができる。排気１２内の凝縮物２１が蒸発することにより排気１２の温度を下げることができ、これは、いわゆる熱帯運転モードにおいてタービン１３がその温度限界値付近で運転されるときにとりわけ好適である。

図２には、２段式排気チャージを行う内燃機関１０が図示されており、内燃機関１０のシリンダー１１から出た排気１２は、排気ライン２３を介してまず、第１排気ターボチャージャー１４ａの高圧タービン１３ａを介して、次に、第２排気ターボチャージャー１４ｂの低圧タービン１３ｂを介して導かれる。両方のタービン１３ａ、１３ｂ内で膨張した排気１２は、膨張した排気１５として内燃機関から出る。

タービン１３ａ、１３ｂ内で得られたエネルギーは、燃焼空気１７を段階的に圧縮するために、排気ターボチャージャー１４ａ、１４ｂのコンプレッサー１６ａ、１６ｂ内で使用される。このとき、それぞれのコンプレッサー１４ａ、１４ｂから出た圧縮済みチャージエア１８ａ、１８ｂを冷却するために、各コンプレッサー１６ａ、１６ｂにはそれぞれチャージエアクーラー１９ａ、１９ｂが割り当てられている。そのため、第２排気ターボチャージャー１４ｂの低圧コンプレッサー１６ｂを出たチャージエア１８ｂは、チャージエアクーラー１９ｂの領域内で冷却される。第１排気ターボチャージャー１４ａの高圧コンプレッサー１６ａから出たチャージエア１８ａは、チャージエアクーラー１９ａの領域内で冷却される。チャージエアクーラー１９ａの領域内で冷却されたチャージエア２０は、チャージエアライン２４を介して内燃機関１０のシリンダー１１に供給される。

図２の実施例において高圧コンプレッサー１６ａのチャージエアクーラー１９ａ内においてチャージエア１８ａ冷却の際に発生する凝縮物２１ａは、排気１２に、つまり高圧タービン１３ａの上流に供給され、低圧コンプレッサー１６ｂのチャージエアクーラー１９ｂの領域で発生する凝縮物２１ｂは、低圧タービン１３ｂの上流で排気に供給される。このときそれぞれの凝縮物２１ａもしくは２１ｂはそれぞれ、それぞれのタービン１３ａもしくは１３ｂの領域においてすべての凝縮物が蒸発するよう、凝縮物２１ａもしくは２１ｂの蒸発のために十分な蒸発区間が提供されるように、それぞれのタービン１３ａもしくは１３ｂの上流で排気に供給される。

多段式の排気チャージの場合には図３の変形例が望ましい。図３の変形例では、低圧コンプレッサー１６ｂのチャージエアクーラー１９ｂの領域で発生する凝縮物２１ｂは、高圧コンプレッサー１６ａのチャージエアクーラー１９ａの領域で発生する凝縮物２１ａと同様、第１排気ターボチャージャー１４ａの高圧タービン１３ａの上流で、シリンダー１１から出た排気１２に供給され、その際やはり、高圧タービン１３ａの上流において排気１２内の凝縮物２１ａ、２１ｂが蒸発するために十分な蒸発区間が提供されるようにされる。

低圧コンプレッサー１６ｂのチャージエアクーラー１９ｂの領域で発生する凝縮物２１ｂを高圧タービン１３ａの上流で排気１２に供給するために、図３ではポンプ２２が設けられており、このポンプ２２を用いて、排気チャージの低圧領域と高圧領域との間の圧力差を克服することができる。

図４に図示された本発明の変形例では、低圧コンプレッサー１６ｂのチャージエアクーラー１９ｂの領域で発生する凝縮物２１ｂが部分的に、ポンプ２２を介して、高圧コンプレッサー１６ａのチャージエアクーラー１９ａの領域で発生する凝縮物２１ａと一緒に、高圧タービン１３ａの上流で排気１２に供給され、これに対して凝縮物２１ｂのその他の部分は、低圧タービン１３ｂの上流で排気内に戻される。

したがって本発明においては、チャージエアクーラー内においてチャージエアが冷却される際に発生する凝縮物を内燃機関から排出して処分するのではなく、この凝縮物を排気に戻し、排気内の凝縮物を蒸発させることにより排気温度を下げるようにする。

それぞれのチャージエアクーラー１９、１９ａ、１９ｂの領域で発生する凝縮物２１、２１ａ、２１ｂは、それぞれのチャージエアクーラー１９、１９ａ、１９ｂの領域において、いわゆる凝縮物分離装置（図示されず）を介して、チャージエアから分離することができる。

凝縮物を排気に混合するために、凝縮物２１、２１ａ、２１ｂは、それぞれのチャージエアクーラー１９、１９ａ、１９ｂもしくはチャージエアライン２４から出発してパイプライン２５を介して排気ライン２３に向かって導くことができる。

１０ 内燃機関
１１ シリンダー
１２ 排気
１３ タービン
１３ａ 高圧タービン
１３ｂ 低圧タービン
１４ 排気ターボチャージャー
１４ａ 排気ターボチャージャー
１４ｂ 排気ターボチャージャー
１５ 排気
１６ コンプレッサー
１６ａ 高圧コンプレッサー
１６ｂ 低圧コンプレッサー
１７ 燃焼空気
１８ チャージエア
１８ａ チャージエア
１８ｂ チャージエア
１９ チャージエアクーラー
１９ａ チャージエアクーラー
１９ｂ チャージエアクーラー
２０ チャージエア
２１ 凝縮物
２１ａ 凝縮物
２１ｂ 凝縮物
２２ ポンプ
２３ 排気ライン
２４ チャージエアライン
２５ パイプライン

Claims (10)

1. 複数のシリンダー（１１）及び少なくとも一つの排気ターボチャージャー（１４、１４ａ、１４ｂ）を有する内燃機関（１０）であって、特定の又は各排気ターボチャージャー（１４、１４ａ、１４ｂ）のタービン（１３、１３ａ、１３ｂ）内で、前記シリンダー（１１）を出た排気が膨張可能であり、その際得られたエネルギーが、前記それぞれの排気ターボチャージャー（１４、１４ａ、１４ｂ）のコンプレッサー（１６、１６ａ、１６ｂ）内で、前記シリンダー（１１）に供給すべきチャージエアを圧縮するために利用可能であり、また、前記それぞれの排気ターボチャージャー（１４、１４ａ、１４ｂ）の前記コンプレッサー（１６、１６ａ、１６ｂ）の下流には、前記それぞれの排気ターボチャージャー（１４、１４ａ、１４ｂ）のコンプレッサー（１６、１６ａ、１６ｂ）内でチャージエアが圧縮された後に該チャージエアを冷却するために、チャージエアクーラー（１９、１９ａ、１９ｂ）が配置されている、内燃機関において、それぞれのチャージエアクーラー（１９、１９ａ、１９ｂ）内でチャージエアが冷却される際に発生する凝縮物（２１、２１ａ、２１ｂ）が、排気内に供給可能であることを特徴とする、内燃機関。
2. 前記内燃機関がただ一つの排気ターボチャージャー（１４）を有しており、前記排気ターボチャージャー（１４）の前記コンプレッサー（１６）の前記チャージエアクーラー（１９）内でチャージエア冷却の際に発生する凝縮物（２１）が、前記排気ターボチャージャー（１４）の前記タービン（１３）の上流で排気内に供給可能であることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記内燃機関が、高圧タービン（１３ａ）及び高圧コンプレッサー（１６ａ）を備える第１排気ターボチャージャー（１４ａ）、及び、低圧タービン（１３ｂ）及び低圧コンプレッサー（１６ｂ）を備える第２排気ターボチャージャー（１４ｂ）を有しており、前記第１排気ターボチャージャー（１４ａ）の前記高圧コンプレッサー（１６ａ）の前記チャージエアクーラー（１９ａ）内でのチャージエア冷却の際に発生する凝縮物（２１ａ）は、前記第１排気ターボチャージャー（１４ａ）の前記高圧タービン（１３ａ）の上流で排気内に供給可能であることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。
4. 前記第２排気ターボチャージャー（１４ｂ）の前記低圧コンプレッサー（１６ｂ）の前記チャージエアクーラー（１９ｂ）内でチャージエア冷却の際に発生する凝縮物（２１ｂ）が、前記第１排気ターボチャージャー（１４ａ）の前記高圧タービン（１３ａ）の上流で排気内に供給可能であることを特徴とする、請求項３に記載の内燃機関。
5. 前記第２排気ターボチャージャー（１４ｂ）の前記低圧コンプレッサー（１６ｂ）の前記チャージエアクーラー（１９ｂ）内でチャージエア冷却の際に発生する凝縮物（２１ｂ）が、前記第２排気ターボチャージャー（１４ｂ）の前記低圧タービン（１３ｂ）の上流で排気内に供給可能であることを特徴とする、請求項３又は４に記載の内燃機関。
6. 前記凝縮物（２１、２１ａ、２１ｂ）が、チャージエアライン（２４）又は前記それぞれのチャージエアクーラー（１９、１９ａ、１９ｂ）から出発して排気ライン（２３）に向かうパイプライン（２５）を介して、排気内に供給可能であることことを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の内燃機関。
7. 複数のシリンダー及び少なくとも一つの排気ターボチャージャーを備える内燃機関の運転方法であって、特定の又は各排気ターボチャージャーのタービン内で、シリンダーを出た排気が膨張し、それにより得られたエネルギーが、前記それぞれの排気ターボチャージャーのコンプレッサー内で、前記シリンダーに供給すべきチャージエアを圧縮するために利用され、また、前記それぞれの排気ターボチャージャーのコンプレッサーの下流でチャージエアがチャージエアクーラー内で冷却される方法において、前記それぞれの排気ターボチャージャーのコンプレッサー内でチャージエア冷却の際に発生する凝縮物が、排気内に供給されることを特徴とする、運転方法。
8. 第１排気ターボチャージャーの高圧コンプレッサーのチャージエアクーラー内でチャージエア冷却の際に発生する凝縮物が、前記第１排気ターボチャージャーの高圧タービンの上流において排気内に供給されることを特徴とする、請求項７に記載の運転方法。
9. 第２排気ターボチャージャーの低圧コンプレッサーのチャージエアクーラー内でチャージエア冷却の際に発生する凝縮物が、前記第１排気ターボチャージャーの前記高圧タービンの上流において排気内に供給されることを特徴とする、請求項８に記載の運転方法。
10. 第２排気ターボチャージャーの低圧コンプレッサーのチャージエアクーラー内でチャージエア冷却の際に発生する凝縮物が、前記第２排気ターボチャージャーの低圧タービンの上流において排気内に供給されることを特徴とする、請求項８又は９に記載の運転方法。

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