CN101389850A - 排出气体再循环装置 - Google Patents

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CN101389850A CNA2007800063988A CN200780006398A CN101389850A CN 101389850 A CN101389850 A CN 101389850A CN A2007800063988 A CNA2007800063988 A CN A2007800063988A CN 200780006398 A CN200780006398 A CN 200780006398A CN 101389850 A CN101389850 A CN 101389850A
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Abstract

本发明涉及一种排出气体再循环装置，其具有：与发动机(1)的排气岐管(41)连接的排气路径(4)、与发动机(1)的进气岐管(31)连接的进气路径(3)、将排气路径(4)及进气路径(3)短路的EGR路径(7)，经由EGR路径(7)将从排气路径(4)排出的排出气体的一部分供给到进气路径(3)而使其在发动机(1)中再循环，在进气路径(3)的、EGR路径(7)的连接位置的下游侧，设置具有由耐腐蚀性部件构成的热交换器(82)的液冷式冷却装置(8)。

Description

排出气体再循环装置
技术领域
本发明涉及一种排出气体再循环装置，其具有：与发动机的排气岐管连接的排气路径、与所述发动机的进气岐管连接的进气路径、将所述排气路径及所述进气路径短路的EGR路径，经由所述EGR路径将从所述排气路径排出的排出气体的一部分供给到所述进气路径而使其在发动机中再循环。
背景技术
以往，为了降低柴油发动机的燃烧温度而抑制NOx的产生，已知有将从发动机排出的排出气体的一部分供给到进气路径的排出气体再循环装置、即所谓的EGR(Exhaust-Gas Recirculation：排出气体再循环)系统。
该EGR系统利用EGR路径将与发动机的排气岐管连接的排气路径和与进气岐管连接的进气路径连接，经由EGR路径将从发动机排出的排出气体的一部分供给到进气路径中，使其与供给到进气路径中的空气混合并从进气岐管供给到发动机中。
在此，如上所述EGR系统中的NOx降低效果由供给到进气岐管中的混合气体的温度决定，若混合气体的温度高，则不能充分地获得NOx降低效果。
为此，已知有如下技术，即，在EGR路径中设置EGR冷却器，利用该EGR冷却器冷却排出气体后，使其与从进气路径供给的空气混合并供给到进气岐管中(例如，参照专利文献1)。
专利文献1：(日本)特表平09-508691号公报(图1)
另外，近年来，由于对NOx的限制变得更加严格，故需要使更多的排出气体返回到进气侧(通过提高EGR率)而提高NOx降低效果。
提高EGR率指的是排出气体量增大、供给到进气岐管中的混合气体的温度增高，若利用前述专利文献1中记载的技术来解决上述情况，则需要大幅提高EGR冷却器的功率，而存在导致EGR冷却器大型化的问题。
另一方面，由于通常在进气路径设有空冷式后冷却器，故可考虑将从进气路径供给的空气与EGR气体混合后，由空冷式后冷却器进行冷却，从而一下子冷却供给到进气岐管中的混合气体。
但是，为了谋求空冷式后冷却器的轻量化，通常由铝等材料制成空冷式后冷却器，因此很可能因EGR气体中含有的硫磺成分而腐蚀，导致不能利用空冷式后冷却器冷却混合气体。
发明内容
本发明的目的在于提供一种排出气体再循环装置，该排出气体再循环装置不会导致冷却装置的大型化，且即便增加EGR率也不会有损NOx降低效果。
本发明的排出气体再循环装置具有：与发动机的排气岐管连接的排气路径、与所述发动机的进气岐管连接的进气路径、将所述排气路径及所述进气路径短路的EGR路径，经由所述EGR路径将从所述排气路径排出的排出气体的一部分供给到所述进气路径而使其在发动机中再循环，其特征在于，在所述进气路径中的、与所述EGR路径连接的连接位置的下游侧，设有由耐腐蚀性部件构成的液冷式热交换器。
在此，构成液冷式热交换器的耐腐蚀性部件为不会被包含在排出气体中的含有硫磺成分的凝结水腐蚀的部件即可，例如，可采用不锈钢部件、对钢部件外表面进行镀铬等表面处理的部件。
根据如上所述的本发明，在进气路径的、EGR路径的连接位置的下游侧，设有液冷式冷却装置，从而可利用液冷式热交换器将来自进气路径的空气与来自EGR路径的EGR气体的混合气体有效冷却，故可增加EGR率而不会使EGR路径中的EGR冷却器大型化，且不会有损NOx降低效果。
另外，由于液冷式热交换器由耐腐蚀性部件构成，故即便利用液冷式冷却装置直接冷却混合气体，冷却机构本身也不会被腐蚀。
在本发明中，优选在所述EGR路径设有冷却来自所述排气路径的排出气体的EGR冷却机构。
根据如上所述的本发明，在EGR路径设有EGR冷却机构，从而可强制冷却EGR气体并将其供给到进气路径中，故可与液冷式冷却装置一并降低供给到进气岐管中的混合气体的温度，维持NOx降低效果，并进一步提高EGR率。
在本发明中，优选所述液冷式热交换器与所述发动机冷却用的制冷剂循环路径连接。
根据如上所述的本发明，液冷式热交换器与发动机冷却用的制冷剂循环路径连接，从而可实现同时进行发动机的冷却和向进气岐管流动的混合气体的冷却，故不会导致装置大型化。
在本发明中，也可为如下结构：即，将冷却用制冷剂的热量向外部散热的散热器经由制冷剂循环路径连接在所述液冷式热交换器上，该制冷剂循环路径在该热交换器及所述散热器之间进行制冷剂的传递，在所述制冷剂循环路径上设有循环泵。
根据如上所述的本发明，由于在液冷式热交换器内流动的制冷剂利用与发动机的散热器独立设置的散热器被冷却，故不受因冷却发动机而导致的制冷剂温度上升的影响，可进行混合气体的冷却，并可通过液冷式热交换器谋求冷却效率的提高。
在本发明中，优选在所述进气路径设有增压机，所述EGR路径与所述进气路径的所述增压机的下游侧连接。
根据如上所述的本发明，EGR路径连接在设于进气路径的增压机的下游侧，从而可利用增压机将空气强制供给到进气岐管中，故即便增加EGR气体，混合气体中包含氧气的空气的供给量也不会减少，可防止发动机中的燃烧效率的降低，抑制PM等的产生。
附图说明
图1是表示本发明第一实施方式的柴油发动机的EGR系统的示意图；
图2是表示本实施方式的EGR冷却器结构的示意剖面图；
图3是表示本实施方式中构成液冷式冷却装置的热交换器结构的立体图；
图4是表示本发明第二实施方式的柴油发动机的EGR系统的示意图；
图5是表示本实施方式中构成液冷式冷却装置的热交换器结构的立体图；
图6是表示本发明第三实施方式的柴油发动机的EGR系统的示意图；
图7是表示本发明第四实施方式的柴油发动机的EGR系统的示意图；
图8是表示本发明第五实施方式的柴油发动机的EGR系统的示意图。
附图标记说明
1 柴油发动机    3 进气路径    4 排气路径
6 排气涡轮增压机     7 EGR路径   31 进气岐管
8、18、18A 液冷式冷却装置   41 排气岐管   71 EGR冷却器
82、181、1811 热交换器    83、182 配管路径  51、84 泵
具体实施方式
下面，参照附图说明本发明的实施方式。
(第一实施方式)
1.整体结构
图1为表示本发明第一实施方式的柴油发动机(内燃机)1的EGR系统的示意图。
柴油发动机1其结构具有：直列四气缸发动机本体2、向燃烧室供给进气的进气路径3、向燃烧室外部排出排出气体的排气路径4、用于冷却柴油发动机1的发动机冷却用制冷剂循环路径5，在进气路径3的上游侧及排气路径4的下游侧，以横跨在两者之间的方式设有排气涡轮增压机6。另外，这些器件由通过操作者的操作来输出控制信号的发动机控制器进行动作控制，在图1中，省略该发动机控制器的图示。
在进气路径3和发动机本体2之间，安装有进气岐管31以使来自进气路径3的进气分配到各燃烧室内。另外，在发动机本体2和排气路径4之间，安装有排气岐管41以使来自各燃烧室的排出气体一起流入排气路径4中。
发动机冷却用制冷剂循环路径5，虽然未具体图示，但具有：利用收纳于发动机本体2内的曲轴(未图示)等驱动的泵51、使作为制冷剂的冷却水循环的配管路径52、以及散热器53，由泵51加压输送的冷却水冷却柴油发动机1的发动机本体2、排气涡轮增压机6、未图示的油冷却器等的需要冷却的部位之后，利用设于发动机冷却用制冷剂循环路径5的散热器53，并利用由发动机本体2的曲轴旋转驱动的风扇54来促进冷却作用。
排气涡轮增压机6具有设于进气路径3中途的压缩机61和设于排气路径4中途的排气涡轮62，压缩机61及排气涡轮62由旋转轴63连结。另外，如果从排气路径4排出排出气体，则排气涡轮62旋转，经由旋转轴63，压缩机61随之旋转，由此，供给到进气路径3的空气被压缩并供给到进气岐管31中，供给到发动机本体2内的空气增加，从而提高发动机的输出。
2.EGR路径7的结构
在如上所述的发动机1的结构中，进气路径3中的排气涡轮增压机6的下游侧及排气路径4中的排气涡轮增压机6的上游侧，由EGR7路径被短路，在该EGR路径7的路径中途设有EGR冷却器71及EGR阀72。
如图2所示，EGR冷却器71具有：筒状本体711、闭塞本体711两侧开口部的一对端板712、配置于本体711内且两端通过焊接等与端板712接合的多根热交换管713、通过焊接等与端板712的端缘接合以包覆各端板712的一对端部件(ヘツドピ—ス)714。
在本体711长度方向的一端侧，设有使冷却水流入本体711内部的冷却水入口711A，在另一端侧，设有使冷却水从本体711内部流出的冷却水出口711B。这些冷却水入口711A、出口711B在径向位于相对的位置。
在该冷却水入口711A、出口711B，设有用于安装配管的安装用凸缘711C、711D，该配管使该冷却水入口711A、出口711B与未图示的发动机侧连通。作为冷却水例如可使用发动机冷却用的冷却水。
另外，本体711中间的部分形成为直径比两端侧小的小径部711E，从一端侧的冷却水入口711A流入的冷却水在小径部711E顺畅地流入热交换管713之间的间隙中。
在该一端侧，在与冷却水入口711A在径向相对的位置，形成有省略图示的、将滞留于内部的空气抽出的空气抽出孔。
在端板712的圆形安装面712A上设置有多个圆孔712B，热交换管713嵌入这些圆孔712B中，圆孔712B的周边和热交换管713的端部通过激光焊接等接合。
在端板712的外周侧，在圆周方向连续地设有与本体711端部的内周面抵接的抵接凸缘，端板712通过该凸缘部分，利用激光焊接或Tig焊接与本体711接合固定。
热交换管713通过在其内部流过排出气体，从而在该排出气体和冷却水之间进行热交换，在本实施方式中，热交换管713由直线状的圆管构成。
端部件714在本体711的一端侧即设有冷却水入口711A的一侧，形成将排出气体分配到各热交换管713的入口侧气体室IN，在另一端侧即设有冷却水出口711B的一侧，形成使排出气体聚集的出口侧气体室OUT。
在该端部件714的、相对于与本体711接合的接合部分而位于相反侧的部分，在构成入口侧气体室IN的部分，设有安装来自EGR路径7的排气侧的配管部件的安装用凸缘715，在构成出口侧气体室OUT的部分，设有安装向进气侧延伸的配管部件的安装用凸缘716。
在这些安装用凸缘715、716的大致中央，形成有孔715A、716A，流过EGR路径7的排出气体从入口侧气体室IN中的孔715A供给到EGR冷却器71中，在内部进行热交换而冷却后，从出口侧气体室OUT中的孔716A排出，供给到进气路径3。
在EGR冷却器71的下游侧设有EGR阀72。该EGR阀72作为根据来自前述控制器的电信号而进行开闭的电磁阀构成。此时，来自EGR路径7的排出气体以从设于该EGR路径7与进气路径3的连接部的节气门(絞リ)32抽出的方式返回，并与供给到进气路径3中的空气混合。
3.液冷式冷却装置8的结构
在与前述进气路径3连接的进气岐管31上，相对于发动机1的发动机冷却用制冷剂循环路径5，独立地设有液冷式冷却装置8。该液冷式冷却装置8是具有散热器81、热交换器82、配管路径83及泵84的冷却装置。
散热器81与构成冷却发动机1的发动机冷却用制冷剂循环路径5的散热器53具有大致相同的结构，配置于散热器53的前方，并利用风扇54来促进冷却。
热交换器82设于进气路径3和进气岐管31之间，配置于进气岐管31内部，冷却供给到进气岐管31中的混合气体。具体地说，如图3所示，该热交换器82由多片散热片部件822和流过冷却水的多个管部件821构成，该散热片部件822由多个板状体构成，在板状体形成有多个用于让各管部件821穿过的孔。管部件821及散热片部件822由SUS304等耐腐蚀性材料构成，管部件821及散热片部件822之间通过Tig焊接等接合。另外，该热交换器82的长度优选为，与从配置于发动机本体2一侧端部的气缸端部至配置于另一端部的气缸端部的长度大致相同。
若冷却水向管部件821循环，则管部件821及多片散热片部件822被冷却。在该状态下，若从进气路径3供给混合气体，则混合气体供给到形成于各散热片部件822之间的间隙部分，在此进行与散热片部件822之间的热交换，混合气体被冷却后供给到进气岐管中。
作为制冷剂循环路径的配管路径83以两条路径连接在散热器81及热交换器82之间，通过一条路径83，将利用热交换器82进行热交换而升温的冷却水供给到散热器81中，通过另一条路径83，将利用散热器81被冷却的冷却水再次供给到热交换器82中。
作为制冷剂循环泵的泵84设于由两条路径构成的配管路径83的中途，为使配管路径83内的冷却水在散热器81及热交换器82之间强制循环而设置。
从泵84排出的冷却水供给到热交换器82中，在管部件821内部流动并经由散热片与外部进行热交换而升温后，供给到散热器81中，被冷却后再次供给到泵84的吸入侧。
4.实施方式的作用及效果
接着，说明前述结构的柴油发动机1的EGR系统的作用。
在柴油发动机1的驱动中，由于从排气岐管41排出的排出气体，排气涡轮增压机6的排气涡轮62因排出气体而旋转，经由旋转轴63，压缩机61随之旋转，从空气过滤器进入的空气被压缩并供给到进气路径3中。
另一方面，在EGR阀72打开的状态下，从排气岐管41排出的排出气体的一部分从EGR路径7供给到EGR冷却器71中，利用EGR冷却器71被冷却后，在设于进气路径3的节气门32部分，与从空气过滤器供给的空气混合。
混合气体进一步被供给到热交换器82的多片散热片部件822的间隙部分，在各散热片部件822之间进行热交换，被冷却后从进气岐管31进入柴油发动机1的燃烧室并在那里燃烧。
因此，由于液冷式冷却装置8的热交换器82由SUS304等耐腐蚀性材料构成，故即便来自排出气体的硫磺成分被供给到热交换器82中，也不会发生腐蚀，在使供给到柴油发动机1燃烧室的混合气体的温度充分降低的状态下可使其燃烧，可增加EGR率而不会有损NOx降低效果。
另外，作为液冷式冷却装置8，通过采用相对于柴油发动机1的发动机冷却用制冷剂循环路径5独立的冷却水循环结构，不但可以自由控制冷却效率并有效冷却混合气体，也可不必过度增大EGR冷却器71的大小。
并且，液冷式冷却装置8通过采用水等液体作为制冷剂，在使柴油发动机1停止时，由于在管部件821中残留有热容量比空冷式的制冷剂即空气的热容量大的冷却水，即便热交换器82内残留有混合气体，混合气体也不会直接结露而成为含有硫磺成分的腐蚀性水，可进一步提高热交换器82的耐久性。
(第二实施方式)
接着，说明本发明的第二实施方式。另外，在以下的说明中，对与已经说明的部分相同的部分标注相同附图标记，省略其说明。
在前述第一实施方式中，液冷式冷却装置8采用相对于柴油发动机1的发动机冷却用制冷剂循环路径5独立的冷却水循环结构。
与此相对，如图4所示，第二实施方式的液冷式冷却装置18的不同之处在于，在使柴油发动机1的发动机冷却用制冷剂循环路径5中的冷却水循环的配管路径52的一部分设有分支配管路径182，利用泵51将冷却水供给到热交换器181中。
在本实施方式中，由于构成为将发动机冷却用制冷剂循环路径5的冷却水的一部分供给到热交换器181中，故分支配管路径182的管径及泵51的容量比构成发动机冷却用制冷剂循环路径5的配管路径52的管径及泵51的容量小。
另外，在前述第一实施方式中，构成液冷式冷却装置8的热交换器82采用散热片和管方式的器件。
与此相对，如图5所示，构成第二实施方式的液冷式冷却装置18的热交换器181的不同之处在于，采用散热片和板方式的器件。
即，热交换器181构成为具有：由延伸方向一致的多个肋板构成的冷却水供给部181A、在与该冷却水供给部181A的肋板延伸方向正交的方向延伸形成有多个肋板的气体供给部181B，冷却水供给部181A及气体供给部181B交替层积配置而构成。
另外，冷却水供给部181A及气体供给部181B之间由传热板181C分隔，流过冷却水供给部181A的冷却水和流过气体供给部181B的EGR气体经由该传热板181C进行热交换。冷却水供给部181A、气体供给部181B及传热板181C的材料，与第一实施方式同样地，为SUS304等耐腐蚀性材料，通过焊接等接合而成为一体。
根据如上所述的第二实施方式，不但具有第一实施方式所述的基本效果，由于存在不同点，故还具有如下的特有效果。
即，由于液冷式冷却装置18构成为从柴油发动机1的发动机冷却用制冷剂循环路径5的配管路径52使分支配管路径182分支并将冷却水供给到热交换器181中，故可将液冷式冷却装置18的散热器兼用作柴油发动机1的发动机冷却用制冷剂循环路径5的散热器53，在设于车体且被隔壁大致密封的柴油发动机1的收纳空间内，液冷式冷却装置18不会过度地大型化。
另外，作为热交换器181，通过采用散热片和板方式的器件，可经由整个传热板181C进行冷却水和EGR气体之间的热交换，故可有效进行热交换并提高冷却效率。
(第三实施方式)
接着，说明本发明的第三实施方式。
在前述第一实施方式中，在柴油发动机1中安装有一台排气涡轮增压机6。
与此相对，如图6所示，在第三实施方式中，不同之处在于，采用在柴油发动机1中搭载有两台排气涡轮增压机6的双涡轮式。
另外，不同之处还在于，在进气路径3侧，在两台排气涡轮增压机6之间设有空冷式ATAAC(Air To Air After Cooler：空对空后冷却器)33。
根据如上所述的第三实施方式，不但具有第一实施方式所述的基本效果，利用两台排气涡轮增压机6，还可谋求提高燃烧率，该燃烧率因供给到进气岐管31中的气体的压缩率的增加而提高，并且可谋求促进进气路径3的冷却，该冷却是由设于两台排气涡轮增压机6之间的ATAAC33进行的，故可进一步降低供给到进气岐管31中的混合气体的温度，可切实地增加EGR率而不会有损NOx降低效果。
(第四实施方式)
接着，说明本发明的第四实施方式。
在所述第一实施方式中，在EGR路径7设有EGR冷却器71，该EGR冷却器71用于冷却在该EGR路径7中从排气路径4侧向进气路径3侧流通的EGR气体。
与此相对，如图7所示，在第四实施方式中，不同之处在于，在EGR路径7中未设置EGR冷却器。
即，从进气路径3供给的空气和从EGR路径7供给的排出气体的混合气体被设于进气岐管31部分的热交换器181冷却。作为该热交换器181，采用与第二实施方式的图5所示的散热片和板方式的结构相同的器件，相比第一实施方式的情况，可提高其与供给到进气岐管31内的混合气体的热交换效率。
根据如上所述的第四实施方式，不但具有第一实施方式所述的基本效果，由于可省略EGR冷却器71，故还可以简化EGR路径7的结构，可谋求EGR系统的小型化。
(第五实施方式)
接着，说明本发明的第五实施方式。
在前述第一实施方式及第二实施方式中，构成液冷式冷却装置的热交换器安装于柴油发动机1的进气岐管31内部。
与此相对，如图8所示，在第五实施方式中，不同之处在于，构成液冷式冷却装置18A的热交换器1811安装于进气路径3的中途。
该热交换器1811设于将从EGR路径7供给的EGR气体和从进气路径3供给的空气混合的节气门32的下游侧，在进气路径3中流动的混合气体在进气路径3中被冷却后，供给到进气岐管31中。另外，热交换器1811本身同样地具有由与第二实施方式相同的SUS304等材料构成的散热片和板方式的结构。
根据如上所述的第五实施方式，同样地不但具有第二实施方式所述的基本效果，由于不需要将热交换器1811与进气岐管31一体设置，故还可以提高热交换器1811的配置自由度。
(实施方式的变形)
另外，本发明并不限于上述实施方式，也包含如下所示的变形。
在前述各实施方式中，热交换器82、181、1811由耐腐蚀性高的SUS304等材料构成，但并不限于此，也可由对钢材进行镀铬等处理而提高了耐腐蚀性的材料制作热交换器。
另外，在前述各实施方式中，在排气路径4中没有明示特别的处理装置，但在排气路径的后部分，特别是在排气涡轮增压机6的后部分，也可设置DPF(Diesel Particulate Filter：柴油机颗粒过滤器)等处理装置，作为除去排出气体中的PM(Particulate Matter：粒状物质)的系统。
并且，在前述第一实施方式及第三实施方式中，作为液冷式热交换器，采用散热片和管方式的器件，但并不限于此，在这些实施方式中，也可采用散热片和板方式的热交换器。与此相反，在第二实施方式及第四实施方式中，作为液冷式热交换器，采用散热片和板方式的器件，但并不限于此，在这些实施方式中，也可采用散热片和管方式的热交换器。
另外，在前述第二实施方式及第五实施方式中，从泵51排出的冷却水在供给到发动机本体2内部之前，经由从配管路径52分支的分支配管路径182分别供给到热交换器181、1811中，但本发明并不限于此。即，也可设为如下的直列式配管结构：将从泵排出的冷却水供给到热交换器中并进行热交换之后，供给到发动机本体中。
此外，本发明实施时的具体结构及形状等在可实现本发明目的的范围内，也可设为其它结构等。
工业实用性
本发明可用于推土机或液压挖土机等建筑机械所使用的柴油发动机系统中，此外也可用于自卸卡车等运送车辆所使用的柴油发动机系统中。

Claims (5)

1.一种排出气体再循环装置，其具有：与发动机的排气岐管连接的排气路径、与所述发动机的进气岐管连接的进气路径、将所述排气路径及所述进气路径短路的EGR路径，经由所述EGR路径将从所述排气路径排出的排出气体的一部分供给到所述进气路径而使其在发动机中再循环，其特征在于，
在所述进气路径的、所述EGR路径的连接位置的下游侧，设有由耐腐蚀性部件构成的液冷式热交换器。
2.如权利要求1所述的排出气体再循环装置，其特征在于，在所述EGR路径，设有冷却来自所述排气路径的排出气体的EGR冷却机构。
3.如权利要求1或2所述的排出气体再循环装置，其特征在于，所述液冷式热交换器与所述发动机冷却用的制冷剂循环路径连接。
4.如权利要求1或2所述的排出气体再循环装置，其特征在于，将冷却用制冷剂的热量向外部散热的散热器经由制冷剂循环路径连接在所述液冷式热交换器，该制冷剂循环路径在该热交换器及所述散热器之间进行制冷剂的传递，在所述制冷剂循环路径设有循环泵。
5.如权利要求1～4中任一项所述的排出气体再循环装置，其特征在于，在所述进气路径设有增压机，所述EGR路径连接在所述进气路径的所述增压机的下游侧。
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Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Open date: 20090318