JP2008530429A - 内燃機関の再循環ガスの熱制御装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、内燃機関（２）に接続された熱伝導液回路（１）を有し、同回路（１）が、内燃機関（２）に接続された第１ループ（１３）内に位置する、ラジエータなどの熱伝導液／空気に係る第１熱交換手段（３）と、第１ループ（１３）に平行に接続された第２ループ（１４）内に位置する、第１熱交換手段（３）からの熱伝導液を第２熱交換手段（４）に供給できるように構成された熱伝導液／再循環排気ガスに係る第２熱交換手段（４）とを有して構成される、内燃機関の再循環ガスの熱制御装置において、第２ループ（１４）の両端が第１熱交換手段（３）の本体に直接接続されることを特徴とする制御装置に関する。

Description

本発明は、内燃機関の再循環ガスの熱制御装置に関する。

特にＮＯｘガスの排出量の低減を目的として内燃機関のフレッシュ吸気中へ排気ガスの一部を再循環させることをより効果的に実行するために、通常、これらの再循環排気ガスと内燃機関の冷却液との間で熱交換が行われる。この目的のために、サーモスタットの上流側において、内燃機関のハウジング上に水の出口を穿設することにより、内燃機関の出口で再循環ガス／熱伝導液熱交換器に冷却液が供給される。

しかしながら、内燃機関の動作状況によっては、これらの公知のシステムは不充分であり、再循環される排気ガスの温度を良好に制御することができない。特に、内燃機関の温度が上昇すると、冷却液は、窒素酸化物を低減するための排気ガスの再循環による効果にとって有害となる高温に達する。

図１は、内燃機関２に接続された熱伝導液回路１を有して、同回路が、内燃機関２に接続された第１ループ１３内に位置する、ラジエータなどの熱伝導液／空気Ａに係る第１熱交換手段３と、第１ループ１３と平行に接続された第２ループ１４内に位置する、第１熱交換手段３からの熱伝導液を第２熱交換手段４に供給できるように構成された熱伝導液／再循環排気ガスＧＢに係る第２熱交換手段４とを有して構成される、先行技術による内燃機関の再循環ガスの熱制御装置を示す。

主請求項のプリアンブルに記載のそのような構造は、特に文献ＦＲ２７５２４４０Ａ１に記載されている。

第１ループ１３内で循環することを許される熱伝導液の流量は、例えば水出口ハウジング１６内に位置するサーモスタット７によって制御される。

しかしながら、ラジエータを使用するこの種の油圧構造は、各構成要素内での流体の流量が変動するというリスクを有する。

事実、第１ループ内に冷却液を循環させるためにサーモスタット７が全開している際に（図１の矢印２３）、回路１の一部分１４内で流体の循環方向が反転するという動作不良が発生する（図１の矢印２４）。

内燃機関２に接続された、例えば機械式の第１ポンプ１０により、冷却回路１内での流体の流れについての駆動が確保される。内燃機関の回転速度が高いとき、サーモスタット７のレベルで、内燃機関２から出る流体のほぼ全量がラジエータ３内を通過する代りに、その流体の一部分が第２熱交換器４（液体／再循環ガス熱交換器）に入ることがある。この流量反転は、第２熱交換器４のループ１４内に位置する第２ポンプ５がこの反転とは逆の方向に動作するときでさえ発生する。

所定の回路に関して、エンジンの回転速度が例えば３３００ｒｐｍ程度である際には、内燃機関の機械ポンプ１０は、ラジエータ３内で例えば８０００ｌ／ｈ程度の流量を発生させる。このような状況下では、従来のラジエータは３００ｍｂａｒ程度の圧力損を生じる。

流量が０のとき、標準タイプの電気ポンプ５により、第２ループ１４内で約２００ｍｂａｒ、すなわちラジエータ３内の圧力損より低い背圧が確保される。

したがって、動作条件によっては、第２熱交換器４内において流体の循環方向の反転が生じる（この有害な循環方向は図１に矢印２４で示されている）。この循環方向の反転が発生する前には、第２熱交換器４の流量が０またはほぼ０になる動作点がある。この流量０の動作点は、例えば２７００ｒｐｍ程度の回転数で生じ得る。

この種の動作不良により、ラジエータおよび第２熱交換器４の効率が低下する。さらに、第２熱交換器４内の流量が０または微量である場合、この熱交換器内で冷却液が沸騰するリスクがある。

さらに、これらの動作点は、内燃機関または熱制御が極めて重要である他の機構の状態に応答することがある。したがって、第２熱交換器４内を循環する液体の流量を検出するとともに、ポンプ５の制御に関して複雑な制御方式を採用することが必要である。

これらの問題を解決するための１つの方法は、第２ループ１４内に逆止弁１７を配置して、内燃機関の冷却段階におけるこの第２ループ内の流量を低減することである（図１を参照のこと）。この解決方法は有害な流れの反転にとって全体的に満足のいくものであるが、大規模生産の場合には大きなコスト高につながる。さらに、逆止弁を使用すると油圧回路内でさらに圧力損が生じ、熱交換器４内で最小流量を保持するために漏れを測定（ｃａｌｉｂｒｅｒ）する必要がある。

もう１つの解決方法は、第２ループ１４内に配置された電気ポンプ５の出力を増大させることである。この方法は、コストに関して同じ欠点を有し、ポンプ５の制御に関して複雑な制御方式が必要となり、燃料の消費量が増大する。

本発明の目的は、上に挙げた先行技術の欠点のすべてまたは一部を解消することである。

この目的のために、本発明による内燃機関の再循環ガスの熱制御装置であって、さらに上記のプリアンブルに示す総称的な定義に合致する熱制御装置は、基本的に、第２ループの端部が第１熱交換手段の本体に直接接続されることを特徴とする。

また本発明は、以下の特徴のうちの１つまたは複数を含むことができる。
− 第２ループの両端が、第１熱交換手段を内燃機関へ接続するために使用される入口および出口とは異なる第１熱交換手段の入口および出口に接続される。
− 第２ループの両端が、第２熱交換手段の入口および出口を第１熱交換手段のそれぞれ出口および入口に連結するように、第１熱交換手段に接続される。
− 第１熱交換手段が、流体入口ハウジングおよび流体出口ハウジングに接続された少なくとも１つの熱交換機構を有し、第２ループの両端がそれぞれ流体入口ハウジングおよび流体出口ハウジングに直接接続される。
− 第２ループが、ポンプなど、熱伝導液の流れの駆動制御手段を備える。
− 本装置が、第１ループ内を循環することを許される熱伝導液の流量の調節手段を備える。
− 流量調節手段が、サーモスタットなど線形型の弁を有する。
− 流量調節手段が、ポンプを有する。
− 第２ループ内の流れの駆動制御手段と第１ループの流量調節手段が互いに独立しており、その結果、第１ループ内を循環することを許される熱伝導液の流量の如何に関わらず、第２ループ内の流れの駆動制御手段の始動および停止が可能になる。

その他の特徴および長所は、添付の図面を参照して行う以下の説明を読むことにより明らかになろう。

図１に示された先行技術による熱制御装置は、上述した特徴の他に、回路１の第１ループ１３および第２ループ１４と平行に接続された任意の第３ループ１９も備える。第３ループ１９は、例えば車内などの所定の容積に対して熱量を送るためのエアヒータなどの冷却水／空気熱交換器１８を備える。

そのような内燃機関２は、通常、内燃機関２のシリンダ内にフレッシュガスを供給する吸気管路（図示せず）を備える。シリンダ内での燃焼によって生じる燃焼ガスＧＢは排気管路（図示せず）によって回収される。通常、バイパス回路により、吸気レベルにおいて排気ガスの一部分を再循環させることができる。この目的のために、バイパス回路は、再循環排気ガスの流量を調節するように制御される弁を含むことができる。

次に、図２を参照しながら本発明による装置について説明する。説明を簡潔にする目的から、上述した要素と同一の要素には同じ符号を付し、再度詳細に説明することはしない。

本発明による回路１は、熱伝導液／再循環排気ガスＧＢに係る第２熱交換器４を含む第２ループ１４が、第１ループ１３と平行に配置されて第１熱交換手段３の本体上に直接接続される点で、上述した回路と異なる。また、この第２ループ１４は、逆止弁１７なしで済ませることが可能であり、その場合には好ましくは電気式のポンプ５のみを有する。

本発明によれば、先行技術の解決方法と比べて、第２ループ１４の末端における圧力損について非常に大きな減少が確認される。

例えば、第２ループ１４の両端は、熱伝導液／再循環排気ガスに係る熱交換器４の入口１１および出口１２をそれぞれラジエータ３の出口６および入口５０に連結するように、ラジエータ３に直接接続される。

ラジエータ３は、両端がそれぞれ流体入口ハウジング８および流体出口ハウジング９（図３および図４）に接続された少なくとも１つのパイプ／フィン機構７を備える熱交換器を含むことができる。第２ループ１４の管の両端は、それぞれラジエータ３の流体入口ハウジング８および流体出口ハウジング９に直接接続することができる。

このように、第２ループ１４が第１ループ１３の管またはホースに接続される先行技術によるシステムと比べて、本発明により、第２ループ１４の末端、特に流体入口ハウジング８および流体出口ハウジング９における油圧圧力損を最小にすることができる。

このように、本発明により、第２ループ１４内に配置された同じ種類のポンプ５について、（液体／再循環排気ガス熱交換器の第２ループ１４内の流量が０であるか流動方向が反転する）リスク動作点をより高い回転速度に押し上げることが可能となる。本発明による装置により、場合によってはこれらのリスク動作モードをなくすことも可能である。したがって、第２ループ１４上での逆止弁の使用を回避することができる。

図５は、同じグラフ上に、熱伝導液／再循環排気ガスに係る熱交換器４内の冷却流体の流量Ｄ（単位ｌ／分）の変動（縦軸）を、内燃機関の回転数Ｎ（単位ｒｐｍ）（横軸）の関数として示したものである。このグラフは、先行技術による回路から得られる流量（曲線２０）および本発明による改造回路から得られる流量（曲線２１）を示す。

すなわち、（図１に記載の）先行技術による油圧回路では、第２ループ１４内の、したがって液体／再循環排気ガス熱交換器４内の流量は０になり、概ね２７００ｒｐｍから流動方向が反転することが確認される。

一方、同一の回路であるが本発明により第２ループ１４内の接続のみが変更された（図２に記載のようにラジエータ３上に直接出口を穿設した）回路では、第２ループ１４内の流量Ｄは概ね８リットル／分より高いままである。

本発明により、再循環排気ガスと熱交換する液体が熱交換器４内で沸騰するリスクおよびこの熱交換器４の効率が低下するリスクを解消しながら、内燃機関の最適な熱制御（冷却）が可能になる。

図３および図４に示すように、第２ループ１４の両端は、ラジエータ３を内燃機関２へ接続する入口１５および出口１６とは異なるラジエータ３の入口５０および出口６にそれぞれ接続することができる。

特に、本発明による装置により、単純かつ安価な構造で、再循環排気ガスにとって最適な温度を保証することが可能である。

さらに、ポンプ５によって生じる熱交換器３の流量の増加により、内燃機関冷却のためのこの熱交換器の効率の向上を実現することができる。

液体／再循環排気ガスに係る熱交換器４の効果は、内燃機関のきわめて広い（かつ熱交換器について現在規定されている使用点を包含する）動作範囲で維持される。特に、本発明により、熱交換器４が動作しなければならないときに、この熱交換器内で５〜６ｌ／分の最低流量を確保することができる。

他の特徴によれば、第１ループ１３および第２ループ１４内での冷却液の循環は、それぞれ独立に制御することができる。また、第３ループ１９内での熱伝導液の循環も、別のループ１４内での循環から独立している。

内燃機関２が極めて高温である際には、本発明による回路１により、ラジエータ３で冷却された液体を熱伝導液／再循環排気ガスに係る熱交換器４に供給することができる。

ラジエータ３内での熱伝導液の自然循環を制御するサーモスタット７が閉じている際には、熱伝導液／再循環排気ガスに係る熱交換器４内を循環する熱伝導液は周囲温度に近い温度に留まる。このようにして、熱交換器４の効率が改善され、これにより内燃機関からの排気ガス中の汚染物質（特にＮＯｘ）が低減される。

熱伝導液と再循環排気ガスとの間の熱交換を増加させるために、第２ループ１４の電気ポンプ５を始動させることができる。

電気ポンプ５を停止することにより、内燃機関の始動段階で、すなわち触媒システムの始動がまだ開始されていない際に（通常、排気ガス温度が１００℃から２５０℃の間にあるしきい値温度、通常は約１５０℃よりも低い際に）、熱伝導液／再循環排気ガスに係る熱交換器４内での熱伝導液の循環をなくすこともできる。この構成により、特にＣＯおよびＨＣタイプの汚染物質を低減することができ、したがって、熱伝導液または排気ガスについての従来のバイパスをなくすことができる。

この目的のために、排気のレベルで、プローブなど排気ガスの温度の測定手段を設けることができる。

同様に、もし熱交換器４が逆止弁を含む場合、対応する弁によって排気ガスの再循環が遮断されたとき、第２ループ１４内に位置するポンプ５は始動されない。ポンプ５は、再循環のこの停止後、所定の設定時間で停止されることが好ましい。したがって、第２ループ１４内に位置するポンプ５には、排気ガスが再循環され、かつこれらのガスの温度がしきい値に達したとき（触媒が始動されたとき）しか熱伝導液が供給されない。

内燃機関の動作に応じて、内燃機関２と再循環排気ガスとを同時に冷却することが必要な際には、サーモスタット７が開き、第２ループ１４内に位置するポンプ５が始動される。ラジエータ３内で冷却される熱伝導液は、内燃機関２と熱伝導液／再循環排気ガスに係る熱交換器４とによって共用される。同様に、ラジエータ３には、内燃機関２および熱伝導液／再循環排気ガスに係る熱交換器から来る液体の混合物が供給される。

先行技術による内燃機関の冷却回路を示す概略図である。 本発明の実施形態の一例による内燃機関の冷却回路を示す概略図である。 本発明によるラジエータなどの熱交換手段の実施形態の一例を示す正面図である。 図３の熱交換手段のＡ−Ａ線に沿った略横断面図である。 回路の第２ループ１４内の冷却流体の流量を内燃機関の回転数の変化の関数として概略的に示すグラフである。

Claims (9)

1. 内燃機関（２）に接続された熱伝導液回路（１）を備える内燃機関の再循環排気ガスの熱制御装置であって、前記回路（１）が、内燃機関（２）に接続された第１ループ（１３）内に位置する、ラジエータなどの熱伝導液／空気に係る第１熱交換手段（３）と、第１熱交換手段（３）からの熱伝導液を第２熱交換手段（４）に供給できるようにするために、第１ループ（１３）と平行に結合された第２ループ（１４）内に位置する熱伝導液／再循環排気ガスに係る第２熱交換手段（４）とを備える制御装置において、第２ループ（１４）の両端が第１熱交換手段（３）の本体に直接接続されることを特徴とする制御装置。
2. 第２ループ（１４）の両端が、第１熱交換手段（３）を内燃機関（２）へ接続する入口（１５）および出口（１６）とは異なる第１熱交換手段（３）の入口（５０）および出口（６）に接続されることを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
3. 第２ループ（１４）の両端が、第２熱交換手段（４）の入口（１１）および出口（１２）をそれぞれ第１熱交換手段（３）の出口（６）および入口（５０）に連結するように、第１熱交換手段（３）に接続されることを特徴とする請求項１または２に記載の制御装置。
4. 第１熱交換手段（３）が、流体入口ハウジング（８）および流体出口ハウジング（９）に接続された少なくとも１つの熱交換機構（７）を有し、第２ループ（１４）の両端がそれぞれ流体入口ハウジング（８）および流体出口ハウジング（９）に直接接続されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の制御装置。
5. 第２ループ（１４）が、ポンプなど、熱伝導液の流れの駆動制御手段（５）を備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の制御装置。
6. 第１ループ（１３）内を循環することを許される熱伝導液の流量調節手段（７、１０）を備えることを特徴とする請求項２から５のいずれか一項に記載の制御装置。
7. 流量調節手段が、サーモスタットなど線形型の弁（７）を含むことを特徴とする請求項６に記載の制御装置。
8. 流量調節手段が、ポンプ（１０）を含むことを特徴とする請求項６または７に記載の制御装置。
9. 第２ループ（１４）内の流れの駆動制御手段（５）と第１ループ（１３）の流量調節手段（７、１０）とが互いに独立しており、その結果、第１ループ（１３）内を循環することを許される熱伝導液の流量の如何に関わらず、第２ループ（１４）内の流れの駆動制御手段（５）の始動および停止が可能であることを特徴とする請求項６から８のいずれか一項と組み合わせる請求項５に記載の制御装置。

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