JP2008500489A - 過給気内燃機関の排気再循環装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、第１の冷却剤によって第１の冷却系によって冷却される過給気燃焼機関１の排気再循環装置に関する。該装置は、帰還ライン１０を経て排気を再循環させ得るように、燃焼機関に空気を供給するために排気ライン３を入口ライン７に接続する帰還ライン１０を含む。装置は、帰還ライン１０内で再循環する排気が、第１の冷却系内の第１の冷却剤によって第１段階として冷却される第１のＥＧＲ冷却器１２ａを含む。装置は、帰還ライン１０内で再循環する排気が、第２の冷却系内の第２の冷却剤によって第２段階として冷却される第２のＥＧＲ冷却器１２ｂを含み、第２の冷却剤は、それが第２のＥＧＲ冷却器１２ｂ内に導かれるときに、周囲温度と事実上同等の温度であるようになされる。

Description

本発明は、請求項１の前段に記載された過給気燃焼機関の排気再循環装置に関するものである。

ＥＧＲ（排気再循環）として知られている技術は、燃焼機関における燃焼プロセスから出る排気の一部を、帰還ラインを経て、燃焼機関に空気を供給するための入口ラインに戻して導く、既知の方法である。かくして、燃焼が行われるエンジンのシリンダに、入口ラインを経て、空気と排気の混合物が供給される。空気に対する排気の添加は、燃焼温度の低下を引き起こし、とりわけ排気中の窒素酸化物ＮＯ_ｘ量の低下に帰する。この技術は、オットー（Ｏｔｔｏ）機関およびディーゼル機関の両者に適用される。

過給気燃焼機関に供給可能な空気量は、空気圧力によるが、空気温度にもよる。したがって、燃焼機関に対する最大可能量の空気の供給は、燃焼機関に導かれる前の圧縮空気を給気冷却器内で冷却することを伴う。圧縮空気は、給気冷却器を通って流れる周囲空気によって、給気冷却器で冷却される。このように、圧縮空気は、周囲温度よりも僅かに数度高い温度にまで冷却可能である。ＥＧＲ技術を使用する場合には、帰還排気の冷却も必要である。これは、いわゆるＥＧＲ冷却器によって達成される。ＥＧＲ冷却器は、冷却系内で循環する冷却剤によってＥＧＲ冷却器内で排気が冷却されるように、燃焼機関の冷却系に通常接続される。したがって、ＥＧＲ冷却器は、冷却系内の冷却剤温度よりも低い温度に排気が冷却されないという限界を受ける。よって、冷却された排気は、燃焼機関への入口ラインに投入される時、通常、冷却された圧縮空気よりも高温である。したがって、燃焼機関に導かれる排気と空気の混合物は、排気の再循環を行なわない過給気燃焼機関内に導かれる圧縮空気よりも高温である。したがって、ＥＧＲを設けた過給気燃焼機関の性能は、ＥＧＲを設けない過給気燃焼機関の性能よりも多少劣る。

本発明の目的は、排気再循環が、これを行なわない類似燃焼機関の性能よりも劣る燃焼機関性能にならないような、過給気燃焼機関における排気再循環を行う装置を提供することである。

この目的は、前記種類の装置であって、請求項１の特徴部分で示される構成を有する装置によって達成される。かかる装置によって、排気が２段階で冷却される。
排気は、第１段階で、燃焼機関の冷却系内の冷却剤によって冷却される。斯様に、排気は、温度約６００℃〜７００℃から約１００℃までの冷却を行なう主排気冷却を受ける。その後、第２段階で、排気は、約１００℃から周囲温度に近い温度まで、第２の冷却系内の第２の冷却剤によって冷却される。第２段階での温度低下が、第１段階での温度低下よりも著しく小さいので、第２の冷却系は、比較的僅かな冷却効果を与えればよい。したがって、第２の冷却系は、それを、小さなトラック、および、限られた空間の大きなトラックに適用できるように、小さな寸法を与えることができる。第２の冷却剤の入口温度は、それが第２のＥＧＲ冷却器内に導かれる時に、周囲温度と同等であるため、周囲温度を僅かに数度超える温度までの排気の冷却を行なうことができる。このように、ＥＧＲ冷却器内で冷却された後の再循環排気、および、周囲空気で冷却された給気冷却器内で冷却された後の圧縮空気は、事実上同様な温度を与えられる。したがって、再循環する排気は、入口ラインに加えられる時に、圧縮空気に事実上の温度上昇を与えない。このように、排気と圧縮空気の混合物は、排気の再循環を行なわない燃焼機関に供給される圧縮空気の温度と同等の温度が与えられる。したがって、本発明による装置を有する燃焼機関は、ＥＧＲを具備しない燃焼機関の性能と事実上同等の性能を呈することができる。

本発明の好適実施形態によれば、第１のＥＧＲ冷却器および第２のＥＧＲ冷却器は、複合ユニットを構成する。そのような複合ＥＧＲ冷却器ユニットは、より小型に作ることができ、したがって２つの別体ＥＧＲ冷却器よりも少ない空間を占める。そのような場合、排気は、最初に第１の冷却系内の冷却剤によって、その後第２の冷却系内の冷却剤によって、複合ＥＧＲ冷却器ユニット内で冷却される。複合ＥＧＲ冷却器を通過した後、排気は、周囲温度よりも僅かに上の温度に冷却される。第２の冷却系は、それによって冷却剤が冷却系を通って循環される冷却剤ポンプを含むことができる。このように、第２の冷却系における冷却剤が、冷却系内で良好に制御された循環を受けることが保証される。第２の冷却系は、循環する冷却剤を冷却するための放熱エレメントを含むことができ、前記放熱エレメントは、周囲空気が通って流れる領域に配置される。燃焼機関は、車両に動力を与えるために有利に使用される。そのような場合に、放熱エレメントを適切に配置することによって、車両の動作の間に放熱エレメントを通る周囲空気の自然の流れを達成することを可能にする。代わりに、第２の冷却系は、周囲空気を、放熱エレメントを通って流れさせる放熱器ファンを含むことができる。

本発明の別の好適実施形態によれば、装置は、燃焼機関への入口ライン内の圧縮空気を冷却するように構成された給気冷却器を含む。そのような給気冷却器は、普通、燃焼機関を冷却するための冷却剤が冷却される、通常の放熱器の車両前部分に配設される。したがって、給気冷却器内の圧縮空気は、給気冷却器を通って流れる周囲空気によって冷却される。放熱エレメントおよび給気冷却器は、周囲空気が通って流れる別の領域に配置できる。このように第２の冷却系は、放熱エレメントを通って周囲空気を循環させる別体放熱器ファンを含むことができる。代わりに、放熱エレメントおよび給気冷却器は、共通領域に配設できる。そのような場合に、共通の放熱器ファンは、給気冷却器および放熱エレメントの両者を通る周囲空気を循環させるために使用できる。

本発明の別の好適実施形態によれば、放熱エレメントおよび給気冷却器は、それぞれ一平面に主たる広がりを有する平坦な冷却パッケージを実質的に含み、それによって、放熱エレメントおよび給気冷却器は、共通領域における事実上共通の平面に配置される。有利には、放熱エレメントおよび給気冷却器は、空気の流れ方向に事実上的に垂直角である事実上共通の平面に互いに並んで配置される。そのような場合、前記共通領域を通って導かれる空気は、放熱エレメントおよび給気冷却器を通って並列に導かれる。このように、この空気は、放熱エレメントまたは給気冷却器だけを通過する。このように、周囲温度での空気は、放熱エレメントおよび給気冷却器を通って流れることが保証される。このように、給気冷却器内の圧縮空気、およびＥＧＲ冷却器内の排気を冷却することを目的とする放熱エレメント内の冷却剤は、実質的に類似する温度を提供する。第１の冷却系に属する放熱器は、また、空気の流れ方向に放熱エレメントおよび給気冷却器から下流位置で、前記共通領域に配置できる。したがって、車両に存在する放熱器ファンは、給気冷却器および放熱エレメントを通って空気を導くためにも使用されることができる。そのような場合、空気は、第１の冷却系に属する放熱器を通って導かれる前に、放熱エレメントまたは給気冷却器を通ってまず導かれる。しかしながら、それによって冷却器を通って導かれる空気は、周囲より幾分高い温度を得る。それにもかかわらず、燃焼機関を冷却する第１の冷却系内の冷却剤は、許容可能な機能を実行するために、周囲温度に必ずしも冷却される必要はない。

以下、添付の図面を見ながら、例示としての本発明の好適例について説明する。

図１は、過給気燃焼機関の排気再循環装置を示す。この場合、燃焼機関はディーゼル機関１である。そのような再循環は、通常ＥＧＲ（排気再循環）と呼ばれる。燃焼機関のシリンダに導かれる圧縮空気に対する排気の添加は、燃焼温度を低下させ、したがって、燃焼プロセスの間に形成される窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）の量も低下させる。ディーゼル機関１は、重い車両に動力を提供することを目的とすることができる。ディーゼル機関１のシリンダからの排気は、排気マニホールド２を経て排気ライン３に導かれる。大気圧よりも高圧の排気ライン３内の排気がタービン４に導かれる。かくして、接続部を介して圧縮機５に伝達される駆動動力が、タービン４に提供される。圧縮機５は、空気フィルタ６を経て入口ライン７に導かれる空気を圧縮する。給気冷却器８が、入口ライン７に配置される。給気冷却器８の目的は、ディーゼル機関１に導かれる前の圧縮空気を冷却することである。圧縮空気は、放熱器ファン９により給気冷却器８を通って流れる周囲空気によって、給気冷却器８で冷却される。放熱器ファン９は、適切な接続部を介してディーゼル機関１により駆動される。

排気ライン３内の排気の一部を再循環させる装置は、排気ライン３と入口ライン７との間に延在する帰還ライン１０を含む。帰還ライン１０は、ＥＧＲバルブ１１を含み、このＥＧＲバルブ１１により、必要に応じて、帰還ライン１０内の排気流を遮断できる。ＥＧＲバルブ１１は、帰還ライン１０を経て排気ライン３から入口ライン７に導かれる排気の量を制御するためにも使用可能である。ディーゼル機関１の現在の動作状態に関する情報に基づいて、制御ユニット１３がＥＧＲバルブ１１を制御するように構成される。制御ユニット１３は、適切なソフトウエアを付与したコンピュータ・ユニットであってよい。帰還ライン１０は、複合ＥＧＲ冷却器１２も含む。複合ＥＧＲ冷却器は、内壁１２ｃによって分離された第１および第２部分１２ａ，１２ｂを含む。過給気ディーゼル機関１では、或る作動状態における排気ライン３内の排気圧力が、入口ライン７内の圧縮空気の圧力よりも低い。そのような状態で、特別な補助手段なしに、帰還ライン１０内の排気を入口ライン７内の圧縮空気と直接混合することはできない。このために、例えばベンチュリ１４を用いることができる。燃焼機関が、過給気オットー機関であるならば、帰還ライン１０内の排気は、入口ライン７内に直接導くことができる。なぜなら、事実上全ての作動状態におけるオットー機関の排気ライン３中の排気は、入口ライン７中の圧縮空気よりも高い圧力だからである。排気が、入口ライン７中の圧縮空気と混合された時、混合物は、マニホールド１５を経てディーゼル機関１の各シリンダに導かれる。

ディーゼル機関１は、第１の冷却系によって従来の方法で冷却される。複合ＥＧＲ冷却器の第１の部分１２ｂ内の排気は、第１の冷却系によって冷却される。第１の冷却系は、第１の冷却剤ポンプ１６によって循環される冷却剤を有する回路を備える。回路は、サーモスタット１７、および周囲空気が流れる第１の領域Ａに配置される放熱器１８も具備する。放熱器ファン９は、放熱器１８および給気冷却器８を通って第１の領域Ａに周囲空気を導くことを目的とする。複合ＥＧＲ冷却器の第２部分１２ｂ内の排気は、第２の冷却系によって冷却される。第２の冷却系は、同様に循環する冷却剤を有する回路を備える。冷却剤は、第２の冷却剤ポンプ１９によって回路内で循環される。冷却系は、周囲空気が第２の放熱器ファン２１から流れる第２の領域Ｂに配置される放熱エレメント２０も具備する。第２の放熱器ファン２１は、電気モータ２２によって駆動される。

ディーゼル機関１の動作間、排気ライン３内の排気は、それら排気が周囲に外に導かれる前にタービン４を駆動する。このように、タービン４は、圧縮機５を駆動する駆動動力が提供される。圧縮機５は、空気フィルタ６を介して入口ライン７内に導かれる空気を圧縮する。圧縮空気は、給気冷却器８を通して周囲空気を流すことによって、給気冷却器８内で冷却される。このように、給気冷却器８内の圧縮空気は、周囲温度を数度だけ超える温度に冷却される。ディーゼル機関１のほとんどの動作状態において、制御ユニット１３は、排気ライン３内の排気の一部が帰還ライン１０内に導かれるように、ＥＧＲバルブ１１を開放されたままにする。排気ライン３内の排気は、通常、約６００℃〜７００℃の温度である。帰還ライン１０内の排気が、複合ＥＧＲ冷却器の第１の部分１２ａ内に導かれるとき、それら排気は、第１の冷却系による冷却を受ける。ここで、排気は、第１の冷却系内の冷却剤によって冷却される。排気は、ここでそれらの主たる温度低下を受ける。しかしながら、第１の冷却系は、それが、排気を冷却剤の温度に対応する温度に最も良好に冷却することができる制限を受ける。冷却系内の冷却剤の温度は、変更されることができるが、通常の作動状態において、普通８０℃〜１００℃の範囲内である。ディーゼル機関１に供給されることができる圧縮空気および排気の量は、空気および排気の圧力に応じ、空気および排気の温度にも応じる。したがって、再循環する排気のさらなる冷却を提供することが重要である。したがって、排気は、複合ＥＧＲ冷却器１２の第２の部分１２ｂ内に、内壁１２ｃの開口を介して導かれ、排気は、第２の冷却系内の第２の冷却剤によって冷却される。第２の冷却剤は、放熱エレメント２０内の周囲空気によって冷却される。放熱エレメント２０を適切な大きさに設定することによって、そのような場合、第２の冷却剤が、周囲温度と事実上同等の温度まで冷却されることを可能にする。代わりに、第２の冷却系内の冷却剤の流れは、冷却剤が、放熱エレメント２０を通過した後に、周囲温度と事実上同等の温度に冷却されるように調整されることができる。冷却剤のそのような冷却を達成するために、放熱エレメント２０を通る流れは、比較的小さいことを必要とする。このように、第２の冷却剤も、複合ＥＧＲ冷却器１２の第２の部分１２ｂ内の排気を、周囲温度と事実上同等の温度まで冷却できる。

過給気ディーゼル機関１では、或る作動状態において、排気ライン３内の排気圧力が、このように入口ライン７内の圧縮空気の圧力よりも低い。排気が、入口ライン７内に導かれ、かつ、入口ライン７内で圧縮空気と混合され得るように、帰還ライン１０への接続部で局所的に入口ライン７内の空気の静圧を下げるためにベンチュリ１４を用いることができる。排気と圧縮空気の混合物は、その後、マニホールド１５を経てディーゼル機関１の各シリンダに導かれるＥＧＲを具備するディーゼル機関１は、ＥＧＲ冷却器１２内での再循環排気の斯かる冷却によって、給気冷却器８内での冷却後に、再循環する排気に、入口ライン７内の圧縮空気の温度と事実上同等の温度を与えることができる。ディーゼル機関１に導かれる排気と圧縮空気の混合物は、ＥＧＲを具備しないディーゼル機関に導かれる圧縮空気の温度と事実上同等の温度が与えられる。したがって、本発明で、ＥＧＲを設けたディーゼル機関は、ＥＧＲを具備しないディーゼル機関の性能と事実上同等の性能を呈することができる。

図２は、ディーゼル機関１で排気を再循環させる代替装置を示す。この場合、第２冷却系に属する放熱エレメント２０は、給気冷却器８および放熱器１８と同じ、空気流領域Ａ内に位置する。したがって、第１の放熱器ファン９は、放熱エレメント２０を通って空気を導くために使用することもできる。この場合、このように、第２の放熱器ファン２１を使用する必要はない。放熱エレメント２０および給気冷却器８は、一平面に主たる広がりをそれぞれ有する平坦な冷却パッケージを実質的に備える。この場合、放熱エレメント２０および給気冷却器８は、第１の領域Ａにおける空気の流れ方向に事実上直角である事実上共通の平面に互いに並んで配設される。ここで、空気は放熱エレメント２０および給気冷却器８を通って平行に導かれる。このように、周囲温度の空気は、放熱エレメント２０および給気冷却器８の両者を通って流れることが保証される。このように、給気冷却器８内の圧縮空気、および、放熱エレメント２０内の冷却剤は、周囲温度と事実上同等の温度まで冷却を受ける。この場合、第１冷却系に属する放熱器１８は、空気流方向で放熱エレメント２０および給気冷却器８から下流位置に配置される。したがって、空気は、放熱器１８を通って導かれる前に、先ず放熱エレメント２０または給気冷却器８を通って導かれる。このように、放熱器１８に到達する空気は、周囲より幾分高い温度である。しかしながら、放熱器１８内の冷却剤が、周囲温度に必ずしも冷却される必要はない時、この空気は、放熱器１８内の冷却剤を冷却するために、通常、全く十分な温度である。

本発明は、図示例に全く限定されず、特許請求の範囲内で自由に変更可能である。

過給気ディーゼル機関で排気を再循環するための、本発明の第１実施例による装置を示す。 過給気ディーゼル機関で排気を再循環するための、本発明の第２実施例による装置を示す。

Claims (10)

1. 第１の冷却剤によって第１の冷却系で冷却される過給気燃焼機関（１）の排気再循環装置であり、
   前記燃焼機関（１）から出る排気を導くための排気ライン（３）と、
   前記燃焼機関（１）に大気圧よりも高圧の空気を導くための入口ライン（７）と、
   帰還ライン（１０）を介して、前記排気ライン（３）から前記入口ライン（７）に排気を再循環させ得るように、前記排気ライン（３）を前記入口ライン（７）に接続する前記帰還ライン（１０）と、
   前記帰還ライン（１０）内で再循環する前記排気が、前記第１の冷却系内の前記第１の冷却剤によって第１段階として冷却される第１のＥＧＲ冷却器（１２ａ）とを含む前記排気再循環装置において、
   前記排気再循環装置が、前記帰還ライン（１０）内で再循環する前記排気が、第２の冷却系内の第２の冷却剤によって第２段階として冷却される第２のＥＧＲ冷却器（１２ｂ）を含み、第２の冷却剤は、それが前記第２のＥＧＲ冷却器（１２ｂ）に導かれた時に、周囲温度と事実上同等の温度であるようになされていることを特徴とする排気再循環装置。
2. 前記第１のＥＧＲ冷却器（１２ａ）および前記第２のＥＧＲ冷却器（１２ｂ）が、複合ユニットを構成していることを特徴とする請求項１に記載された排気再循環装置。
3. 前記第２の冷却系が、冷却剤ポンプ（１９）を含み、前記冷却剤ポンプ（１９）によって、前記冷却剤が、前記冷却系を通って循環されることを特徴とする請求項２に記載された排気再循環装置。
4. 前記第２の冷却系が、前記循環する冷却剤を冷却するための放熱エレメント（２０）を含み、前記放熱エレメント（２０）が、周囲空気が流れる領域（Ａ、Ｂ）に配置されることを特徴とする請求項２または請求項３に記載された排気再循環装置。
5. 前記第２の冷却系が、放熱器ファン（２１）を含み、前記放熱器ファン（２１）によって、周囲空気を、前記放熱エレメント（２０）を通って流れさせることを特徴とする請求項２から請求項４までのいずれか一項に記載された排気再循環装置。
6. 前記装置が、前記燃焼機関（１）への前記入口ライン（７）内の前記圧縮空気を冷却するように構成される給気冷却器（８）を含むことを特徴とする請求項４または請求項５に記載された排気再循環装置。
7. 前記放熱エレメント（２０）および前記給気冷却器（８）は、周囲空気が流れる別の領域（Ａ、Ｂ）に配置されていることを特徴とする請求項６に記載された排気再循環装置。
8. 前記放熱エレメント（２０）および前記給気冷却器（８）は、周囲空気が流れる共通領域（Ａ）に配置されていることを特徴とする請求項６に記載された排気再循環装置。
9. 前記放熱エレメント（２０）および前記給気冷却器（８）は、一平面に主たる広がりをそれぞれ有する平坦な冷却パッケージを事実上含み、前記放熱エレメント（２０）および前記給気冷却器（８）は、前記共通領域（Ａ）における事実上共通の平面に配置されていることを特徴とする請求項８に記載された排気再循環装置。
10. 前記第１の冷却系に属する放熱器（１８）も、前記空気の流れ方向に前記放熱エレメント（２０）および前記給気冷却器（８）から下流位置で、前記共通領域（Ａ）に配置されていることを特徴とする請求項９に記載された排気再循環装置。

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