JP2007519853A - 排気および給気を冷却するための装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】極力少ない製造費において再循環排気と給気との混合ガスの最適な冷却を可能とする。
【解決手段】ターボチャージャを備えた自動車で再循環排気（ＡＧ）および給気（ＬＬ）を冷却するための装置（Ａ）であって、少なくとも各１つの排気流用熱交換器と１つの給気流用熱交換器とを有するものにおいて、少なくともそれぞれ１つの排気流用熱交換器と１つの給気流用熱交換器が１つの共通する低温冷却材回路（ＮＫ）の一部であることを特徴とする装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、ターボチャージャを備えた自動車で再循環排気および給気を冷却するための装置であって、少なくとも各１つの排気流用熱交換器と１つの給気流用熱交換器とを有する装置と、ターボチャージャを備えた自動車で再循環排気および給気を冷却するための装置で排気および給気を冷却するための方法であって、装置が少なくとも各１つの排気流用熱交換器と１つの給気流用熱交換器とを有する方法に関する。
技術の現状によれば、エンジンの出力を高めるためにターボチャージャが空気の圧縮に使用される。しかしその際、以下で給気と称される空気はターボチャージャ内での圧縮の結果、１００℃超の温度に加熱される。このような空気加熱を減らすために使用される空気冷却器は冷却モジュール内の前部に配置され、給気を冷却するのに利用される。給気は熱交換器内を流れ、この熱交換器は周囲空気を流通させ、こうして冷却される。これにより、周囲空気の温度よりも約１５〜５０Ｋ高い温度への給気の冷却が可能である。部分負荷のときほぼ周囲温度にまで冷却が可能であるが、しかし再循環排気は動作点に応じて１５０〜２００℃で排気再循環冷却器から進出する。これにより、特に排気再循環率が高い場合吸気管内に比較的高い混合温度が生じる。その原因は、排気冷却器用中間冷媒として高温のエンジン冷却材が使用されるからであり、そのため、排気冷却器の交換度がきわめて良好である場合でも１００℃以下への排気の冷却が可能でないと考えられる。
後に公表された特許文献１では、他の排気再循環冷却器を使用することによって再循環排気の高い温度を下げることが提案され、この排気再循環冷却器は低温冷却材または周囲空気で冷却しておくことができ、エンジン冷却材で冷却される第１排気冷却器の下流側に接続されている。その際、排気と給気との混合後、再循環排気流の冷却に基づいて温度はエンジン冷却材によって、ディーゼルエンジンの排出および消費量に不利に作用するほどに下げることができない。
排気流用に付加的冷却器が設けられ、これが低温冷却材または周囲空気で冷却される場合、装置の製造費は著しく高まる。
排気と給気との合流後に気体流が冷却器を介して送られると、装置は一層安価になるが、しかしこの変更態様では排気流中の粒子のゆえに汚れ問題が生じ、これは希望する熱交換性能において浄化されていない。
図３には直接給気冷却式の装置、図４には技術の現状による間接給気冷却式の装置が、例示的に示してある。
独国特許出願公開第１０３５１５４６号明細書
本発明の課題は前記装置を改良して、極力少ない製造費において再循環排気と給気との混合ガスの最適な冷却を可能とすることである。
この課題は、少なくともそれぞれ１つの排気流用熱交換器と１つの給気流用熱交換器が１つの共通する低温冷却材回路の一部であることを特徴とする装置によって解決される。
発明の実施の形態
本発明により設けられているのは、ターボチャージャを備えた自動車において再循環排気および給気を冷却するための装置であって、少なくとも各１つの排気流用熱交換器と１つの給気流用熱交換器とを有し、少なくともそれぞれ１つの排気流用熱交換器と１つの給気流用熱交換器が１つの共通する低温冷却材回路の一部である。
主に、両方の熱交換器は低温冷却材回路中で並列に接続されており、冷却材の分配は需要に合せて行われる。すなわち、僅かなエンジン負荷／回転数のとき特に排気冷却器が、そして高いエンジン負荷／回転数のときには特に給気冷却器が、冷却材を流通させる。最大エンジン負荷／回転数のときには好ましくは専ら給気冷却器が流通させる。
冷却材を循環させるために低温冷却材回路中に１つのポンプが配置されており、ポンプは好ましくは切換可能なポンプであり、場合によって調節可能なポンプでもある。
ポンプは好ましくは低温冷却材回路の分岐部の上流側に配置されており、低温冷却材回路の両方の分岐は最適には冷却材の供給を受けることができる。
低温冷却材回路内の冷却材流を調節するために、好ましくは低温冷却材回路の並列に接続された２つの領域のうちの一方に１つの絞り部材、主に１つの絞り弁が配置されている。これは好ましくは冷却材出口で給気冷却器下流側の部分に配置されている。というのも、給気冷却器からの冷却材の出口温度がエンジンの負荷に関連しており、好ましくは膨張要素を介して、簡単な温度依存調節が可能であるからである。
以下、図面を参考に１実施例と変更態様とに基づいて本発明が詳しく説明される。
（排気）ターボチャージャＡＴＬを備えた自動車において排気ＡＧおよび給気ＬＬを冷却するための装置Ａが１つの主冷却材回路ＨＫと副冷却材回路ＮＫとを有し、これらには後の個所で詳しく言及される。
ターボチャージャＡＴＬによって新鮮空気ＦＬが（図１に矢印で示唆したように）周囲から吸入され、圧縮され、給気冷却器ＬＬＫ内で冷却され、エンジンＭに供給される。排気再循環ＡＧＲを介して再循環されかつ排気冷却器ＡＧＫによって冷却された排気ＡＧは、圧縮され冷却された給気ＬＬと一緒にかつ混合されて、エンジンＭに供給され、必要に応じてエンジンＭを進出後に排気流から分岐され、再循環され、給気ＬＬに添加されまたは排出される（図１に矢印で示唆）。
エンジン冷却は主冷却材回路ＨＫ中を循環する冷却材によって行われ、この冷却材は主水ポンプＨＷＰを介して循環させられる。エンジンＭ流通後の温度に応じて冷却材は、サーモスタットＴで調節されて、ファンＬによって支援されて空気冷却された主冷却材冷却器ＨＫＫを通して、またはその脇でエンジンバイパスＭＢを通して、再びポンプＨＷＰへと送られる。
給気ＬＬおよび排気ＡＧの冷却は低温冷却材回路ＮＫ内を循環する冷却材によって行われ、この冷却材は切換可能な補助水ポンプＺＷＰによって循環させられる。ポンプＺＷＰ直後に分岐部が設けられており、１つの経路は排気冷却器ＡＧＫを経由し、第２の経路は給気冷却器ＬＬＫとその下流側に配置されて冷却材分配の調節に役立つ温度制御絞り弁ＤＶとを経由する。両方の冷却材流は引き続き再び合流され、空気流れ方向に見て主冷却材冷却器ＨＫＫの上流側に平行に配置される低温冷却材冷却器ＮＫＫを流通し、再びポンプＺＷＰに達する。
図２から明らかとなるように、給気冷却器ＬＬＫ内の冷却需要、すなわち排出されるべき熱量がエンジン負荷増大に伴って増加する一方、排気冷却器ＡＧＫの冷却需要は中間的エンジン負荷範囲のとき最大であり、エンジン負荷がさらに増大すると再びほぼゼロに低下し、総冷却需要は約５０％のエンジン負荷に至るまで絶えず増加し、近似的に最大値に留まる。
給気冷却器ＬＬＫの冷却材出口の冷却材温度はエンジン負荷に関連しているので、絞り弁ＤＶ、ここで膨張要素は、両方の冷却器ＡＧＫ、ＬＬＫに対する冷却材流の十分に最適な分配を簡単かつ安価に可能とし、低い乃至中間的エンジン負荷および回転数のとき主として排気冷却器ＡＧＫが流通させる一方、全負荷範囲と高い回転数のときには主として給気冷却器ＬＬＫが流通させ、全体として再循環排気ＡＧと給気ＬＬとからなる混合温度は、達成可能な極小に著しく近似する。
選択的実施形態によれば絞り部材は排気再循環ＡＧＲ中に、または給気ガイドの別の個所に配置されている。例えば、排気冷却器ＡＧＫおよび給気冷却器ＬＬＫの出口の冷却材温度はそれぞれセンサによって検出され、絞り部材は相応に定義されたロジックを介して制御される。
さらに、実施例により設けられる切換可能な補助冷却材ポンプＺＫＰの代わりに、調節可能な補助冷却材ポンプを設けておくことができる。このポンプは実際の需要に対する冷却材体積流の一層正確な適合を可能とするが、しかし調節可能なポンプと相応する制御とのための費用は状況によっては、単純なポンプの費用よりも高い。
第３の変更態様として、低温冷却材回路中に熱交換器の直列配置も可能であるが、しかしこれは、下流側に配置される第２熱交換器に流入するとき第１熱交換器の熱負荷によって冷却材が予熱されることをもたらし、これは熱交換器の並列配置に比べて、状況によっては、混合ガスの温度上昇をもたらす。例えば第１熱交換器に、好ましくは絞り部材を介して調節可能な冷却材バイパスを設けておくことができる。
本発明の枠内で排気再循環は、それぞれターボチャージャの方から見て、給気案内系もしくは排気案内系の高圧側または低圧側で行うことができる。
図５に示す本発明の実施例では排気が排気ターボチャージャ１の高圧側で再循環される。新鮮空気２は排気ターボチャージャ１のポンプ５によって吸入され圧縮される。その際に発生する熱は給気冷却器３内で放出され、給気は冷却された状態で給気管路６を介してエンジン４に供給される。エンジン４の排気７は排気管路８を介してエンジン４から排出され、排気ターボチャージャ１のタービン９を駆動する。
エンジン４の少なくとも幾つかの運転状態のとき排気７の一部は排気再循環管路１０を介して給気管路６中の給気に供給される。排気再循環管路１０中に、２段排気再循環冷却用に２つの排気冷却器１１、１２があり、排気冷却器はバイパス管路１３を介して迂回可能である。例えばエンジン４の暖機段階の間は再循環排気の冷却低減が望ましく、その場合、主にバイパスフラップとして構成される弁１４は再循環されるべき排気をバイパス通路１３内に誘導する。好ましい実施形態によれば、弁１４は三方切換弁として構成され、再循環排気量も調節する。
エンジン４冷却用の主冷却回路１５を流通する冷却材は主冷却材ポンプ１６によって循環させられ、主冷却材冷却器１７によって冷却され、主冷却材冷却器１７は主にサーモスタットとして構成される弁１８によってバイパス管路１９を介して迂回可能である。
給気冷却器３冷却用の低温冷却回路２０を流通する冷却材は補助冷却材ポンプ２１によって循環させられ、低温冷却材冷却器２２によって冷却され、低温冷却器２２と主冷却材冷却器１７とを順次流通する冷却空気２３はやはり幾つかの運転状態のときファン２４によって吸入される。
２段排気再循環冷却の第１段を形成する排気冷却器１１はエンジン４と並列に主冷却回路１５に一体化されており、再循環されるべき排気から主冷却回路１５中の冷却材への熱伝達に役立つ。
２段排気再循環冷却の第２段を形成する排気冷却器１２は給気冷却器３と並列に低温冷却回路２０に一体化されており、再循環されるべき排気から低温冷却回路２０中の冷却材への熱伝達に役立つ。こうして再循環されるべき排気の効率的冷却が可能である。
図１におけると同様に、排気冷却器１２の下流側または給気冷却器３の下流側に調節可能な絞り弁を配置しておくことができる。図示実施例において絞り弁は三方切換弁２７として構成されており、この弁は排気冷却器１２からの冷却材のみかまたは給気冷却器３からの冷却材のみのいずれかを透過し、または主に両方の冷却材流の量比を、例えば冷却材温度に依存して、特に膨張要素を利用して無段調節する。そうする代わりにまたは付加的に、別の実施例において両方のうち少なくとも一方の熱交換器の下流側に固定絞りが設けられており、状況によっては、例えば排気冷却器１２を介した冷却材側圧力降下が給気冷却器３を介した冷却材側圧力降下に対して所定の関係にあるとき、この絞りは省かれもする。その場合、上記量比は望ましい値に調整される。
図６に示す本発明の実施例では排気が排気ターボチャージャ１０１の低圧側で再循環される。新鮮空気１０２はエンジン１０４の少なくとも幾つかの運転状態のとき再循環排気と混合され、排気ターボチャージャ１０１のポンプ１０５によって吸入され圧縮される。その際に発生する熱は給気冷却器１０３内で冷却材に対して放出され、給気は冷却された状態で給気管路１０６を介してエンジン１０４に供給される。エンジン１０４の排気１０７は排気管路１０８を介してエンジン１０４から排出され、排気ターボチャージャ１０１のタービン１０９を駆動する。
エンジン１０４の少なくとも幾つかの運転状態のとき排気１０７の一部は排気再循環弁１２５によって排気再循環管路１１０を介して吸入空気１０２に添加される。排気再循環管路１１０中に、２段排気再循環冷却用に２つの排気冷却器１１１、１１２がある。高圧側にはバイパス管路１１３が設けられており、このバイパス管路を介してバイパス弁１２６によって排気の一部は特別に設けられる冷却なしに給気管路１０６に供給可能である。例えばエンジン１０４の暖機段階の間は再循環排気の冷却低減が望ましく、その場合、バイパス弁１２６は再循環されるべき排気を給気管路１０６内に誘導する。エンジン１０４の当該運転状態のとき極力少なく熱が失われるように、排気は高圧側で再循環され、この高圧側では排気温度が低圧側よりも高い。
エンジン１０４冷却用の主冷却回路１１５を流通する冷却材は主冷却材ポンプ１１６によって循環させられ、主冷却材冷却器１１７によって冷却され、主冷却材冷却器１１７は主にサーモスタットとして構成される弁１１８によってバイパス管路１１９を介して迂回可能である。
給気冷却器１０３冷却用の低温冷却回路１２０を流通する冷却材は補助冷却材ポンプ１２１によって循環させられ、低温冷却材冷却器１２２によって冷却され、低温冷却器１２２と主冷却材冷却器１１７とを順次流通する冷却空気１２３はやはり幾つかの運転状態のときファン１２４によって吸入される。
２段排気再循環冷却の第１段を形成する排気冷却器１１１はエンジン１０４と並列に主冷却回路１１５に一体化されており、再循環されるべき排気から主冷却回路１１５中の冷却材への熱伝達に役立つ。
２段排気再循環冷却の第２段を形成する排気冷却器１１２は給気冷却器１０３と並列に低温冷却回路１２０に一体化されており、再循環されるべき排気から低温冷却回路１２０中の冷却材への熱伝達に役立つ。こうして再循環されるべき排気の効率的冷却が可能である。
図１におけると同様に、排気冷却器１１２の下流側または給気冷却器１０３の下流側に調節可能な絞り弁を配置しておくことができる。図示実施例において絞り弁は三方切換弁１２７として構成されており、この弁は排気冷却器１１２からの冷却材のみかまたは給気冷却器１０３からの冷却材のみのいずれかを透過し、または主に両方の冷却材流の量比を、例えば冷却材温度に依存して、特に膨張要素を利用して無段調節する。そうする代わりにまたは付加的に、別の実施例において両方のうち少なくとも一方の熱交換器の下流側に固定絞りが設けられており、状況によっては、例えば排気冷却器１１２を介した冷却材側圧力降下が給気冷却器１０３を介した冷却材側圧力降下に対して所定の関係にあるとき、この絞りは省かれもする。その場合、上記量比は望ましい値に調整される。
自動車において排気および給気を冷却するための本発明に係る装置の実施例の略図である。 給気冷却器および排気冷却器内で排出されるべき熱量とエンジン負荷との関係を示す線図であり、従来の装置における最大冷凍能力が本発明に係る装置と比較される。 技術の現状による直接給気冷却式装置を示す。 技術の現状による間接給気冷却式装置を示す。 本発明の実施例では排気が排気ターボチャージャ１の高圧側で再循環される。 本発明の実施例では排気が排気ターボチャージャ１０１の低圧側で再循環される。
符号の説明
Ａ 再循環排気および給気を冷却するための装置
ＡＧ 排気
ＡＧＫ 排気冷却器
ＡＧＲ 排気再循環
ＡＴＬ 排気ターボチャージャ
ＤＶ 絞り弁
ＦＬ 新鮮空気
ＨＫ 主冷却材回路
ＨＫＫ 主冷却材冷却器
ＨＷＰ 主水ポンプ
Ｌ ファン
ＬＬ 給気
ＬＬＫ 給気冷却器
Ｍ エンジン
ＭＢ エンジンバイパス
ＮＫ 低温冷却材回路
NＫＫ 低温冷却材冷却器
Ｔ サーモスタット
ＺＷＰ 補助冷却材ポンプ

Claims (13)

  1. ターボチャージャを備えた自動車で再循環排気（ＡＧ）および給気（ＬＬ）を冷却するための装置（Ａ）であって、少なくとも各１つの排気流用熱交換器と１つの給気流用熱交換器とを有するものにおいて、少なくともそれぞれ１つの排気流用熱交換器と１つの給気流用熱交換器が１つの共通する低温冷却材回路（ＮＫ）の一部であることを特徴とする装置。
  2. 両方の熱交換器が低温冷却材回路（ＮＫ）中で並列に接続されていることを特徴とする、請求項１記載の装置。
  3. 低温冷却材回路（ＮＫ）中に１つのポンプ（ＺＷＰ）が配置されていることを特徴とする、請求項１または２記載の装置。
  4. ポンプ（ＺＷＰ）が調節可能または切換可能であることを特徴とする、請求項３記載の装置。
  5. ポンプ（ＺＷＰ）が低温冷却材回路（ＮＫ）の分岐部の上流側に配置されていることを特徴とする、請求項３、４のいずれか記載の装置。
  6. 低温冷却材回路（ＮＫ）の一部が空気冷却式低温冷却材冷却器（ＮＫＫ）であることを特徴とする、先行請求項のいずれか１項記載の装置。
  7. 低温冷却材回路（ＮＫ）内の冷却材流を調節するための１つの絞り部材が低温冷却材回路（ＮＫ）の並列に接続された２つの領域のうちの一方に配置されていることを特徴とする、先行請求項のいずれか１項記載の装置。
  8. 絞り部材が調節可能な絞り弁（ＤＶ）であることを特徴とする、請求項７記載の装置。
  9. 絞り部材が１つの膨張要素を有することを特徴とする、請求項７または８記載の装置。
  10. 絞り部材が給気冷却器（ＬＬＫ）の冷却材出口に配置されていることを特徴とする、請求項７〜９のいずれか１項記載の装置。
  11. ターボチャージャを備えた自動車において再循環排気（ＡＧ）および給気（ＬＬ）を冷却するための装置で排気および給気を冷却するための方法であって、装置が少なくとも各１つの排気流用熱交換器と１つの給気流用熱交換器とを有するものにおいて、再循環排気（ＡＧ）および給気（ＬＬ）を冷却するのに、同じ低温冷却材回路（ＮＫ）の冷却材が使用されることを特徴とする方法。
  12. 低いおよび中間的エンジン負荷および回転数のとき５０％超の冷却材が排気冷却器（ＡＧＫ）に供給されることを特徴とする、請求項１１記載の方法。
  13. 高いエンジン負荷および回転数、特に全負荷範囲のとき、５０％超の冷却材が給気冷却器（ＬＬＫ）に供給されることを特徴とする、請求項１１または１２記載の方法。

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