JP2006291954A

JP2006291954A - 排気ガスによって掃気される構成部品、特にエンジンセットの構成部品、およびそのような構成部品をコーティングする方法

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Publication number: JP2006291954A
Application number: JP2006103828A
Authority: JP
Inventors: John Lynch; リンチジョン
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 2005-04-05
Filing date: 2006-04-05
Publication date: 2006-10-26
Also published as: US20060218907A1; US7544419B2; EP1710416A1; FR2883925A1; FR2883925B1

Abstract

【課題】粒子による付着物および／または硫黄および窒素を含む生成物による腐食を防ぐ。
【解決手段】排気ガスによって掃気される構成部品、特に、内燃エンジン１２および／またはエンジンセット１０に属する少なくとも排気ガス循環路１４，１６，１８，２０の構成部品において、少なくとも１つの構成部品の排気ガスと接触する面が、ダイヤモンドに近い局所構造からなるアモルファス炭素を少なくとも部分的に有する保護コーティングを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気ガスと接触する構成部品、特に少なくとも１つの排気ガス循環路を有する内燃エンジンを備えたエンジンセットの構成部品に関する。

一般に、そのようなエンジンは、排出物、より詳しくは窒素酸化物（ＮＯｘ）の削減を向上させるために、そのような再循環を伴って作動する。

広く知られているように、ＮＯｘ排出物を削減するためにエンジンの吸気口に排気ガスの一部を再循環させることは一般的な方法になっている。排気ガスは前のエンジン作動サイクルの燃焼の結果生じた酸素濃度の少ないガスであるので、実際上、排気ガスはその目的に用いられている。そのため、そのような排気ガスを吸気相のシリンダ内に導入することには、燃料と混合する新鮮な空気の量を減らす働きがある。これにより、燃料混合物の燃焼温度を低下させて、この燃焼の結果生じるＮＯｘの生成を減らすことが可能になる。

一般に、この排気ガス再循環は、エンジンの排気マニフォールドをその吸気マニフォールドに連結する管路を有するＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）循環路と呼ばれる循環路によって行われる。その管路はＥＲＧバルブと呼ばれるバルブを備えており、そのバルブは、バルブの完全に閉じた位置と完全に開いた位置との間で、管路内を循環しているガスの流れを調節することが可能である。

排気ガスが吸気マニフォールド内に供給される前に排気ガスの温度を調節する働きがある、ＥＧＲクーラと呼ばれる再循環された排気ガスの熱交換冷却器が備えられていることが有利である。このクーラは、冷却液が循環するチューブ（すなわち、ひだのあるチューブ）からなり、排気ガスによって掃気されて排気ガスの熱量と冷却液と交換する。

エンジンは、受け入れた周囲の空気を圧縮し、かつその空気を圧縮した状態でエンジンの吸気口へ送るターボ過給機のような過給装置を有する、過給気型のエンジンであってもよい。このターボ過給機は、通常は排気管に設けられており、エンジンから排出されてこの排気管内を循環する排気ガスによって回転駆動させられるタービンを有している。タービンは過給機に回転するように連結されており、タービンの回転によって、周囲の空気をエンジンの吸気口に送られる前に圧縮するようになっている。

この過給装置はまた、タービンを通って流れる排気ガスの量を調節することを可能にする排気ガス排出路を有している。したがって、排気管のタービンの上流側から出て排気管のタービンの下流側で終端しているバイパス管が設けられている。より一般的にはウエィストゲートと呼ばれている排出バルブが、タービンの上流側の、バイパス管と排気管との交差部に配置されている。ウエストゲートは、排気ガスの全部がタービンを通るようにバイパス管を閉じる完全に閉じた位置と、バイパス管の入口を開放する完全に開いた位置との間の複数の中間位置を取ることができる。そのためこのウエィストゲートは、タービンの入口で、排気ガスの量、したがって過給機から出る空気の圧力を調節することを可能にしている。

これらの装置は、満足のいく成果をもたらしているが、いくつかの欠点を含んでいる。

特にＥＧＲ循環路の熱交換冷却器のような、エンジンの構成部品の大部分の大きな冷えた面が、未燃焼の炭化水素、硫黄酸化物、窒素酸化物、およびすすの粒子を含む高温の排気ガスと接触する。すすの粒子はこれらの面に付着することがあるのに対し、硫黄および窒素を含む生成物はそれらが凝縮すると腐食性の酸を成すことがあり、その結果として、排気ガスと接触する構成部品に付着物および／または腐食が生じる可能性がある。

すると、熱交換冷却器のチューブ、すなわちひだのあるチューブの外側表面の付着物は熱交換冷却器の冷却液との熱交換性能を低下させることがあり、それにより熱交換冷却器の性能の低下を生じさせる。さらに、この熱交換冷却器の構成部分の酸による腐食は、ＥＧＲ循環路の寿命を短くする。

この付着物はまた、ＥＧＲバルブおよびウエィストゲートが閉じた位置においても完全に密封されなかったり、噴射ノズルの一部がすすの粒子によって部分的に塞がれるというような、エンジンのある構成部品の性能を低下させることに繋がる。

さらに、ＥＧＲ循環路および排出路の管路、および排気管は、粒子による付着物および／または硫黄および窒素を含む生成物による腐食を被ることがある。

本発明は、排気ガスによる付着物が付着しない構成部品によって、上述した欠点を解消することを目的とする。

そのため、本発明は、排気ガスによって掃気される構成部品、特に、内燃エンジンおよび／またはエンジンセットに属する少なくとも排気ガス循環路の構成部品において、少なくとも１つの構成部品の前記排気ガスと接触する面が、ダイヤモンドに近い局所構造からなるアモルファス炭素を少なくとも部分的に有する保護コーティングを備えていることを特徴とする、排気ガスによって掃気される構成部品に関する。

前記コーティングの厚みは概して数μｍから約０．５ｍｍであってもよい。

前記コーティングは水素成分を含んでいることが有利である。

前記水素は少なくとも１つのヘテロエレメントと混合していることが好ましい。

前記ヘテロエレメントはケイ素、フッ素、酸素、窒素の中から選択されてもよい。

前記コーティングは８０％以下の割合の水素を含んでいてもよい。

前記コーティングは２０％以下の割合のヘテロエレメントを含んでいてもよい。

本発明はまた、構成部品の少なくとも一部の排気ガスと接触する面をコーティングする方法に関し、その方法によれば、ダイヤモンドに近い局所構造からなるアモルファス炭素を少なくとも部分的に有する前記保護コーティングを、軽質炭化水素ガスのプラズマ分解によって堆積させてもよい。

ダイヤモンドに近い局所構造からなるアモルファス炭素を少なくとも部分的に有する前記保護コーティングを、炭素ターゲットのアブレーションによって堆積させてもよい。

図１において、エンジンセット１０は、排気ガス再循環路、すなわちＥＧＲ循環路１４を備えた少なくとも１つの排気ガス循環路と組み合わされた内燃エンジン１２と、排出路２０を備えたターボ過給機１８が設けられている排気管１６とを有している。

エンジン１２は、吸気バルブ２６および吸気管２８を備えた少なくとも１つの吸気手段２４を備えた少なくとも１つのシリンダ２２と、排気バルブ３２および排気管３４を備えた少なくとも１つの排気手段３０とを有している。内燃エンジンが火花点火直噴エンジンである場合、各シリンダは、燃料噴射ノズル３６をシリンダ内に備えているとともに、このシリンダ内にある空燃混合物に点火するスパークプラグ３８を備えている。シリンダは、このシリンダ内において直線往復運動するように摺動するピストン（参照番号は省略）を有しており、そのピストンの上面と、吸気手段および排気手段を有する通常はシリンダヘッド（不図示）との間に燃焼室４０を形成している。吸気手段２４の吸気管２８が吸気マニフォールド４２に連結されているのに対し、排気手段３０の排気管３４は排気マニフォールド４４内に終端している。

吸気マニフォールド４２は、管路４６によって、管路５２を通じて外気を受け入れるターボ過給機１８の圧縮段４８の出口に連結されている。排気マニフォールド４４は、エンジンの排気ガスを大気に排出する排気管５４を通常は有している排気管１６に連結されている。ターボ過給機１８の駆動段５６がこの排気管５４に配置されている。この駆動段５６は、広く知られているように排気ガスによって回転駆動させられるタービンを有しており、その排気ガスはタービンを通って流れた後に排気管５４内に戻る。

このターボ過給機１８の排出路２０は、駆動段５６の上流側の排気管５４から出て、この駆動段を迂回し、最終的にはこの駆動段の下流側の排気管５４に開口するバイパス管５８を有している。駆動段５６を通過する排気ガスの流量を調節するウエィストゲート６０が、バイパス管５８と排気管５４との交差部に配置されている。

ＥＧＲ循環路１４は、排気管５４から出て吸気マニフォールド４２の入口に開口しているＥＧＲ管６２を有している。ＥＧＲ管６２は、吸気マニフォールド４２内に再導入される排気ガスの量を調節することを可能にするＥＧＲバルブと呼ばれるバルブ６４を備えている。さらに、このＥＧＲ管６２は排気ガスが通って流れる熱交換冷却器６６を有しており、したがって熱交換冷却器６６は吸気マニフォールド４２の入口における排気ガスの温度を調節することに用いられる。通常はエンジンのクーラントである冷却液が、入口と出口７０との間をこの熱交換冷却器６６を通って流れる。

このようにして、排気ガスはエンジンセット１０の大部分の構成部品を通って流れ、排気ガスの再循環またはターボ過給機１８の駆動もしくは排気ガスの排出が行われる。

より詳しくは、開示した例では、再循環させられた排気ガスが、燃焼室４０、吸気バルブ２６および吸気管２８を備えた吸気手段２４、排気バルブ３２および排気管３４を備えた排気手段３０、吸気マニフォールド４２、排気マニフォールド４４、排気管５４、ターボ過給機１８のタービンを備えた駆動段５６、バイパス管５８およびウエィストゲート６０を備えた排出路２０、およびＥＧＲ管６２、熱交換冷却器６６およびＥＧＲバルブ６４を備えたＥＧＲ循環路１４を掃気する。

これらの構成部品が排気ガスによる付着物および／または腐食が生じるのを防ぐために、これらの構成部品の全部または一部の排気ガスによって掃気される面が、より一般的にはＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）として知られている、ダイヤモンドに近い局所構造からなるアモルファス炭素を有する、有利には薄膜の形態の保護材を備えている。

この種の材料では、炭素原子の一部は、ダイヤモンドの局所構造の特性を示す四面体構造（ｓｐ³結合）を有する原子結合を有している。ｓｐ³結合の割合は、一般的には０．３から０．９の範囲であり、概ね０．５以上である。ダイヤモンドに近い形態のこれらのアモルファス炭素は、硬度が１０ＧＰａ以上、１３０ＧＰａ以下であり、摩擦係数が低い（ｓｐ³結合の割合が０．７５以上の場合で０．１２以下）。

ＤＬＣは、熱交換器装置、特にＥＧＲ循環路１４の熱交換冷却器６６における使用に関して顕著な、有利な特性を有している。ＤＬＣの熱伝導率は高い（７００ｗｍ^-1Ｋ^-1，銅の４００と比較しても高く、アルミニウムの２３５よりも高い）。ＤＬＣはまた、化学的な腐食に対して良好な耐性を示す。

また、ＤＬＣを用いることによって、すすの粒子および未燃焼の炭化水素分子の堆積を大幅に抑えることによってＤＬＣが保護する面上の付着物が著しく減る。

ＤＬＣは、アセチレン、エチレン、メタン等のような軽質炭化水素ガスのプラズマ分解によって堆積されることが好ましい。有利なことに、炭化水素ガスは水素またはアルゴン等の希ガスと混合されていてもよい。

R.L.Mills, J.Sankar, P.Ray, A.Voigt, J.HeおよびB.Dhandapaniによる刊行物"Synthesis of HDLC films from solid carbon"による２００４年５月１５日付の"Journal of Materials Science"に記載されているように、堆積は炭素ターゲットのアブレーションによって行うこともできる。

堆積物の厚みは概ね数μｍ（２〜４μｍ）から約０．５ｍｍの範囲であることが有利である。

ＤＬＣコーティングは、水素または例えばＦ，Ｓｉ，Ｏ，Ｎのような他の元素の成分を有していてもよい。これらの元素は、活性ガス（例えばＣ₂Ｆ₂，Ｓｉ（ＣＨ₃）₄，Ｏ₂またはＮ₂の各々）を堆積物の形成に用いられる炭化水素に添加することで導入される。

したがって、この方法は複雑な金属面上の堆積に適している。

ヘテロエレメント（炭素以外の元素）の含有物によれば、意図した処理条件によって、特性を調節することが可能になる。実際上、付着物防止の堆積手法は、材料の表面を、付着物の原因となる成分を寄せ付けなくするか、引き寄せにくくすることにある。例えば水素を含まない堆積物は、酸素成分の吸収作用が少なく、したがってこれらの成分によって付着物の減少を促進させる。一方、水素を含む堆積物は、炭化水素の吸収作用が少ない。

有利なことに、水素の割合は０％から８０％の範囲であってもよく、ケイ素、フッ素、酸素または窒素の割合は０％から２０％の範囲であってもよい。

本願発明は上記の例に制限されるものではなく、いかなる変形物および均等物をも含む。

上記では、特に、内燃エンジンからの排気ガスによって掃気されるエンジンセットの構成部品について述べた。この構成部品は、排気ガス（ヒューム）がエキスパンダを掃気するガスタービン、およびコジェネタービンの場合には場合によっては熱交換器のような、他の任意の装置の一部であってもよい。

本発明によるエンジンセットを示す図である。

符号の説明

１０エンジンセット
１２内燃エンジン
１４ＥＧＲ循環路
１６排気管
１８ターボ過給機
２０排出路

Claims

排気ガスによって掃気される構成部品、特に、内燃エンジン（１２）および／またはエンジンセット（１０）に属する少なくとも排気ガス循環路（１４，１６，１８，２０）の構成部品において、
少なくとも１つの構成部品の前記排気ガスと接触する面が、ダイヤモンドに近い局所構造からなるアモルファス炭素を少なくとも部分的に有する保護コーティングを備えていることを特徴とする、排気ガスによって掃気される構成部品。
前記コーティングの厚みが概して数μｍから約０．５ｍｍである、請求項１に記載の排気ガスによって掃気される構成部品。
前記コーティングは水素成分を含んでいる、請求項１または２に記載の排気ガスによって掃気される構成部品。
前記水素は少なくとも１つのヘテロエレメントと混合している、請求項３に記載の排気ガスによって掃気される構成部品。
前記ヘテロエレメントはケイ素、フッ素、酸素、窒素の中から選択される、請求項４に記載の排気ガスによって掃気される構成部品。
前記コーティングは８０％以下の割合の水素を含んでいる、請求項１から５のいずれか１項に記載の排気ガスによって掃気される構成部品。
前記コーティングは２０％以下の割合のヘテロエレメントを含んでいる、請求項４に記載の排気ガスによって掃気される構成部品。
請求項１から７のいずれか１項に記載された構成部品の少なくとも一部の排気ガスと接触する面をコーティングする方法であって、
ダイヤモンドに近い局所構造からなるアモルファス炭素を少なくとも部分的に有する前記保護コーティングを、軽質炭化水素ガスのプラズマ分解によって堆積させることを特徴とする、構成部品の少なくとも一部の排気ガスと接触する面をコーティングする方法。
請求項１から７のいずれか１項に記載された構成部品の少なくとも一部の排気ガスと接触する面をコーティングする方法であって、
ダイヤモンドに近い局所構造からなるアモルファス炭素を少なくとも部分的に有する前記保護コーティングを、炭素ターゲットのアブレーションによって堆積させることを特徴とする、構成部品の少なくとも一部の排気ガスと接触する面をコーティングする方法。
内燃エンジン（１２）と、前記エンジン内における排気ガスの再循環を可能にする少なくとも１つの排気ガス循環路とを有するエンジンセット（１０）において、
請求項１から７のいずれか１項に記載された、排気ガスによって掃気される少なくとも１つの構成部品を有することを特徴とするエンジンセット。
内燃エンジン（１２）と、吸気過給装置を制御する少なくとも１つの排気ガス循環路とを有するエンジンセット（１０）において、
請求項１から７のいずれか１項に記載された、排気ガスによって掃気される少なくとも１つの構成部品を有することを特徴とするエンジンセット。
内燃エンジン（１２）と、排気ガスを排出する排気管（１６）とを有するエンジンセット（１０）において、
請求項１から７のいずれか１項に記載された、排気ガスによって掃気される少なくとも１つの構成部品を有することを特徴とするエンジンセット。