JP2008088812A - Ｅｇｒ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃費の悪化を防止しつつNOxを低減するのに有効な手段として高過給かつ大量EGRを行うエンジンにおいても、車両への搭載性を確保すると共にEGRクーラの過不足のない好適な冷却性能が得られるようにする。
【解決手段】エンジンの排気系から吸気系へ排気の一部を環流させるEGR通路と、EGR通路に介装されるEGRクーラと、を備えるEGR装置において、EGRクーラ２２は、EGR通路２１ａ，２１ｂの一部を構成する伝熱管３１と、伝熱管の周囲に画成される蒸発室３２と、蒸発室よりも上方に配置される凝縮器３４と、蒸発室から凝縮器への気相冷媒の往路３５と、凝縮器から蒸発室への液相冷媒の帰路３６と、液相冷媒を加圧するポンプ３７と、ポンプからの液相冷媒を蒸発室に噴射するノズル３８と、往路３５に介装される蒸気タービン５０と、蒸気タービンに駆動される発電機５１および蓄電装置５２と、を備える。
【選択図】図２

Description

この発明は、エンジンのEGR装置に関する。

エンジンのEGR（排気環流：Exhaust Gas Recirculation）システムとして、エンジンの排気系から吸気系へ排気の一部を環流させるEGR通路と、EGR通路に介装されるEGRクーラと、を備えるものがある。特許文献１の場合、EGR通路において、プリEGRクーラと、アフタEGRクーラと、の２つが直列に配置される。

特許文献２においては、エンジン冷却装置であるが、ラジエータ（コンデンサ）の冷却効果を高めるため、ラジエータをキャブの屋根に導風板を設けずに走行風が直接当接するように配置したものが開示される。
特開２００５−２２０７４７号 実公平０４−０２６２５９号

特許文献１の場合、プリEGRクーラは、排気系からの高温EGRガスと高沸点冷媒（フッ素系不活性液体）との熱交換を行うように構成され、アフタEGRクーラは、プリEGRクーラからの中温EGRガスと低沸点冷媒（冷却水）との熱交換を行うように構成される。プリEGRクーラにおいては、冷媒（フッ素系不活性液体）用クーラが配置される。冷媒用クーラは、ラジエータ（コンデンサ）を用いる空冷式または冷却水による水冷式に構成され、アフタEGRクーラにおいても、冷却水が利用されるので、エンジン冷却系のラジエータ（コンデンサ）の容量アップが要求される。

エンジンにおいて、燃費の悪化を防止しつつ、NOxの低減を促進するのに有効な手段として、高過給と大量EGRとの組み合わせが考えられる。その場合、過給気やEGRガスを冷却する冷媒としてエンジンの冷却水を利用すると、ラジエータ（コンデンサ）の大幅な容量アップが必要となり、特許文献２のようなエンジン冷却装置においても、車両への搭載が困難となってしまう。

この発明は、このような課題を解決するための有効な手段の提供を目的とする。

第１の発明は、エンジンの排気系から吸気系へ排気の一部を環流させるEGR通路と、EGR通路に介装されるEGRクーラと、を備えるEGR装置において、EGRクーラは、EGR通路の一部を構成する伝熱管と、伝熱管の周囲に画成される蒸発室と、蒸発室よりも上方に配置される凝縮器と、蒸発室から凝縮器への気相冷媒の往路と、凝縮器から蒸発室への液相冷媒の帰路と、液相冷媒を加圧するポンプと、ポンプからの液相冷媒を蒸発室に噴射するノズルと、を備えることを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明に係るEGR装置において、気相冷媒の熱エネルギを回収する手段として、往路に介装される蒸気タービンと、蒸気タービンに駆動される発電機と、その発生電力を蓄える蓄電装置と、を備えることを特徴とする。

第３の発明は、第１の発明に係るEGR装置において、冷媒は、低沸点のフッ素系不活性液体が用いられることを特徴とする。

第４の発明は、第１の発明に係るEGR装置において、凝縮器は、エンジンが車両のエンジンルームに搭載されるものにあって、エンジンルームの外部に配置されることを特徴とする。

第５の発明は、第４の発明に係るEGR装置において、凝縮器は、キャブの後方上部に配置されることを特徴とする。

第６の発明は、第５の発明に係るEGR装置において、キャブは、その屋根上に設置されるウィンドディフレクタに走行風を取り込み、凝縮器の前面へ走行風を整流する開口部を備えることを特徴とする。

第１の発明においては、蒸発室に噴射される液相冷媒は、EGRガスから気化潜熱を奪って蒸発し、気相冷媒となり、往路を凝縮器へ上昇する。気相冷媒は、凝縮器に至り、放熱作用により凝縮し、液相冷媒となり、帰路を流れ落ち、ポンプにより加圧され、ノズルから蒸発室に噴射される。このサイクルの繰り返しにより、EGRガスが十分に冷却され、高過給と大量EGRとの組み合わせを想定するエンジンにおいて、燃費の悪化を防止しつつ、NOxの低減をさらに促進できる。

EGRクーラの冷媒回路（蒸発室と凝縮器と気相冷媒の往路と液相冷媒の帰路とポンプとノズルとから構成される）は、エンジンの冷却水回路から独立する構成のため、エンジン冷却系のラジエータを大型化（容量アップ）する必要もなく、またラジエータとの関係からレイアウト（配置や配管）が規制されないので、車両への搭載が容易となる。

第２の発明においては、EGRガスを単に冷却するだけでなく、蒸気タービンにより、気相冷媒の熱エネルギ（EGRガスの熱量）が発電機の発生電力として蓄電装置に回収されるため、エンジンの熱効率の向上が得られるのである。

第３の発明においては、冷媒として低沸点（例えば、３０〜９７℃）のフッ素系不活性液体を用いることにより、EGRクーラの過不足なく好適な冷却性能が得られる。

第４の発明においては、エンジンルームのスペースが制約される車両への搭載も可能となる。

第５の発明においては、凝縮器は、キャブ後方上部に配置され、走行風も利用しやく、放熱性の向上が図れる。

第６の発明においては、ウィンドディフレクタにより、走行抵抗も低減が得られる一方、ウィンドディフレクタの前部から走行風が取り入れられ、凝縮器の前面（コア部の正面）へ整流されるため、凝縮器の放熱性も良好に確保される。

図１において、２は多気筒エンジン（６気筒ディーゼルエンジン）１の吸気通路であり、吸気マニホールド３ａ，３ｂと吸気管４とから構成される。吸気マニホールド３ａ，３ｂは、吸気行程が実質的にオーバラップしない気筒群毎（＃１，２，３と＃４，５，６）に分割される。吸気管４は、インタクーラ５の下流側が分岐され、各マニホールド３ａ，３ｂの集合部に接続される。６ａは可変ノズル式ターボチャージャ６のコンプレッサであり、７はエアクリーナである。

８はエンジン１の排気通路であり、排気マニホールド９ａ，９ｂと排気管１０とから構成される。排気マニホールド９ａ，９ｂは、排気行程が実質的にオーバラップしない気筒群（＃１，２，３と＃４，５，６）毎に分割され、これらマニホールド９ａ，９ｂの合流部にターボチャージャ６のタービン６ｂを介して排気管１０が接続される。ターボチャージャ６のコンプレッサ６ａは、タービン６ｂの回転により駆動され、各気筒への吸気を過給する。１１はマフラである。

ターボチャージャ６のタービン６ｂ上流からターボチャージャ６のコンプレッサ６ａ下流へ排気の一部を環流させるEGR装置２０においては、排気マニホールド９ａ，９ｂと吸気マニホールド３ａ，３ｂ（吸気管４の分岐路４ａ，４ｂ）との間を同一の気筒群同士の関係に接続するEGR通路２１ａ，２１ｂが備えられる。EGR通路２１ａ，２１ｂにおいて、EGRガスを冷却するEGRクーラ２２，EGR流量を調整するEGRバルブ２３，EGRガスの逆流を規制する逆止弁２４（リードバルブ）が介装される。EGRクーラ２２は、EGR通路２１ａ，２１ｂの上流側（入口付近）に配置される。逆止弁２４は、EGR通路２１ａ，２１ｂの下流側（出口付近）に配置され、逆止弁２４上流にEGRバルブ２３が配置される。

この実施形態においては、タービン６ａの可変ノズルにより、排気圧が適度に高められる。ターボチャージャ６およびインタークーラ５により、吸気量の増大が促進され、EGRクーラ２２により、EGR量の増大が促進される。分割型の排気マニホールド９ａ，９ｂにより、排気脈動の干渉が防止され、逆止弁２４前後の差圧が拡大される。これらにより、高過給かつ大量EGRが実現され、燃費の悪化を抑えつつ、NOxの低減を促進させることができる。

図２〜図４は、EGRクーラ２２の冷媒回路３０を表すものであり、EGRクーラ２２は、EGR通路２１ａ，２１ｂの一部を構成する伝熱管３１と、伝熱管３１の周囲に蒸発室３２を画成するケーシング３３と、蒸発室３２よりも上方に配置される凝縮器３４と、蒸発室３２から凝縮器３４への気相冷媒を往路３５と、凝縮器３４から蒸発室３２への液相冷媒の帰路３６と、液相冷媒を加圧するポンプ３７と、ポンプ３７からの液相冷媒を蒸発室３２に噴射するノズル３８と、が備えられる。

EGRクーラ２２は、伝熱管３１が起きる姿勢に設置される。蒸発室３２から立ち上がる気相冷媒の往路３５が凝縮器３４の上部（入口側）に接続され、凝縮器３４の下部（出口側）から立ち下がる液相冷媒の帰路３６がポンプ３７の吸入口に接続される。気相冷媒の熱エネルギを回収するため、往路３５に蒸気タービン５０が介装され、蒸気タービン５０に駆動される発電機５１と、発電機５１の発生電力を蓄える蓄電装置５２と、が設けられる。

冷媒回路３０において、蒸発室３２に噴射される液相冷媒は、EGRガスから気化潜熱を奪って蒸発し、気相冷媒となり、往路３５を凝縮器３４へ上昇する。気相冷媒は、凝縮器３４に至り、放熱作用により凝縮し、液相冷媒となり、帰路３６を流れ、ポンプ３７により加圧され、ノズル３８から蒸発室３２に噴射される。このサイクルの繰り返しにより、伝熱管３１を通過するEGRガスを十分に冷却することができる。

冷媒としては、低沸点のフッ素系不活性液体が使用される。例えば、フロリナート（米国のスリーエム社の商品名）の、FC-87（沸点３０℃），FC-72（沸点５６℃），FC-84（沸点８０℃），FC-77（沸点９７℃）、が用いられる。ノズルは、１個に限らず、蒸発室に複数を配置すると良い。

図２において、５３は発電機の交流電力を蓄電装置への直流電力に変換するインバータであり、５５はポンプ３７を駆動する電動機であり、５６は凝縮器３４の冷却ファンであり、５７は冷却ファン５６を駆動する電動機である。

図５は、車両への搭載例を表すものであり、１がエンジンであり、４０はフレームであり、キャブ４１の床下にエンジンルームが備えられる。キャブ４１は、エンジン１の点検整備時などにおいて、前方へ傾転（チルト）可能に支持される。エンジン１は、エンジンルームにおいて、フレーム４０に搭載される。

EGRクーラ２２の冷媒回路３０において、凝縮器３２は、キャブ４１の後方上部に配置される。４３はキャブ４１の屋根上に設置されるウィンドディフレクタであり、凝縮器３４は、ウィンドディフレクタ４３とボックス型の荷台４６との間において、ウィンドディフレクタ４３からの走行風が前面（コア部）を吹き付けやすく、上部が前方へ稍傾斜する姿勢を持って荷台４６側に据え付けられる。ウィンドディフレクタ４３の前部において、走行風の取入口４４が開口され、走行風を凝縮器３４の前面へ整流する案内板４５が設けられる。

このようなEGRクーラ２２により、EGRガスを過不足なく好適に冷却することができる。そのため、高過給かつ大量EGRが促進され、燃費の悪化を抑えつつ、NOxの更なる低減が可能となる。EGRクーラの冷媒回路においては、EGRガスを単に冷却するだけでなく、往路３５の蒸気タービン５０により、気相冷媒の熱エネルギ（EGRガスの熱量）が発電機５１の発生電力として蓄電装置５２に回収されるため、エンジンの熱効率の向上が得られるのである。

EGRクーラ２２の冷媒回路３０は、エンジン１の冷却水回路から独立する構成のため、エンジン冷却系のラジエータを大型化（容量アップ）する必要もなく、またラジエータとの関係からレイアウト（配置や配管）が規制されないので、車両への搭載が容易となる。

凝縮器３４については、キャブ４１の後方上部のため、走行風を利用しやく、放熱性の向上が図れるのである。この実施形態においては、ウィンドディフレクタ４１により、走行抵抗も低減が得られる一方、ウィンドディフレクタ４１の前部から走行風が取り入れられ、凝縮器３４の前面へ整流されるため、凝縮器３４の放熱性も良好に確保される。

エンジンの全体的な概略構成図である。 EGRクーラの冷媒回路を表す構成図である。 EGRクーラの断面図である。 Ａ−Ａ断面図である 車両への搭載状態を例示する説明図である。

符号の説明

１ 多気筒エンジン（６気筒ディーゼルエンジン）
２ 吸気通路
３ａ，３ｂ 吸気マニホールド
５ インタクーラ
６ ターボチャージャ（可変ノズル式ターボチャージャ）
６ａ コンプレッサ
６ｂ タービン
８ 排気通路
９ａ，９ｂ 排気マニホールド
１０ 排気管
２０ EGR装置
２１ａ，２１ｂ EGR通路
２２ EGRクーラ
２３ EGRバルブ
２４ 逆止弁（リードバルブ）
３０ EGRクーラの冷媒回路
３１ 伝熱管
３２ 蒸発室
３３ ケーシング
３４ 凝縮器
３５ 気相冷媒の往路
３６ 液相冷媒の帰路
３７ ポンプ
３８ ノズル
４３ ウィンドディフレクタ
５０ 蒸気タービン
５１ 発電機
５２ 蓄電装置

Claims (6)

1. エンジンの排気系から吸気系へ排気の一部を環流させるEGR通路と、EGR通路に介装されるEGRクーラと、を備えるEGR装置において、EGRクーラは、EGR通路の一部を構成する伝熱管と、伝熱管の周囲に画成される蒸発室と、蒸発室よりも上方に配置される凝縮器と、蒸発室から凝縮器への気相冷媒の往路と、凝縮器から蒸発室への液相冷媒の帰路と、液相冷媒を加圧するポンプと、ポンプからの液相冷媒を蒸発室に噴射するノズルと、を備えることを特徴とするEGR装置。
2. 気相冷媒の熱エネルギを回収する手段として、往路に介装される蒸気タービンと、蒸気タービンに駆動される発電機と、その発生電力を蓄える蓄電装置と、を備えることを特徴とする請求項１に記載のEGR装置。
3. 冷媒は、低沸点のフッ素系不活性液体が用いられることを特徴とする請求項１に記載のEGR装置。
4. エンジンが車両のエンジンルームに搭載されるものにあって、凝縮器は、エンジンルームの外部に配置されることを特徴とする請求項１に記載のEGR装置。
5. 凝縮器は、キャブの後方上部に配置されることを特徴とする請求項４に記載のEGR装置。
6. キャブは、その屋根上に設置されるウィンドディフレクタに走行風を取り込み、凝縮器の前面へ走行風を整流する開口部を備えることを特徴とする請求項５に記載のEGR装置。