JP2008530439A - 排気ターボ過給機付き内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】シリンダ内において混合気が圧縮および燃焼され、その際、排ガスが生じ、排ガスがシリンダから押し出されてタービン内で減圧され、タービンに高圧排ガス再循環路または低圧排ガス再循環路が装備され、腐食の恐れが低減された排気ターボ過給機付き内燃機関を提供する。
【解決手段】排気ターボ過給機付き内燃機関において、少なくとも１つのシリンダを具備し、前記シリンダ内において、特に圧縮機（１０）によって予圧縮された混合気が圧縮および燃焼され、そのとき排ガスが生じ、前記排ガスがシリンダから押し出されてタービン（１９）内で減圧され、その際、シリンダから押し出された排ガスの一部が、タービン（１９）内で減圧される前または減圧された後に高圧再循環路または低圧再循環路を介して再循環され、前記再循環路に排ガス冷却機構が装備されており、前記冷却機構に１つまたは少なくとも２つの冷却回路が含まれ、前記冷却回路が熱交換器ブロック（２６，２７）の中に延設されており、前記熱交換器ブロックが排ガスの流れ方向に前後に接続されている。排ガスの流れ方向の最も下流の位置に設けられた熱交換器ブロック（２７）が直立設置されており、その結果、前記熱交換器ブロック（２７）の中を重力の作用線に対して平行にまたはほぼ平行に下方から上方にまたは上方から下方に排ガスが貫流し、さらに熱交換器ブロックの下端に凝縮水回収機構および／または凝縮水排出機構が備えられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気ターボ過給機付き内燃機関、とくに、少なくとも１つのシリンダを具備し、前記シリンダ内において、特に圧縮機によって予圧縮された混合気が圧縮および燃焼され、そのとき排ガスが生じ、前記排ガスがシリンダから押し出されてタービン内で減圧され、その際、シリンダから押し出された排ガスの一部が、タービン内で減圧される前または減圧された後に高圧再循環路または低圧再循環路を介して再循環され、前記再循環路に排ガス冷却機構が装備されており、前記冷却機構に１つまたは少なくとも２つの冷却回路が含まれ、前記冷却回路が熱交換器ブロックの中に延設されており、前記熱交換器ブロックが排ガスの流れ方向に前後に接続されている排気ターボ過給機付き内燃機関に関する。

いわゆる高圧排ガス再循環路では、シリンダから押し出された排ガスの一部が、タービン内で減圧される前に高圧再循環路を介して再循環され、前記高圧再循環路に排ガス冷却機構を装備することができる。また、いわゆる低圧排ガス再循環路では、シリンダから押し出されてタービン内で減圧された排ガスの一部が、低圧再循環路を介して再循環され、新鮮空気と共に圧縮機内で予圧縮され、さらに給気冷却装置で冷却される。給気冷却装置には冷却回路が含まれており、その冷却回路は少なくとも１つの熱交換器ブロックの中に延設されている。

本発明の課題は、少なくとも１つのシリンダを具備し、前記シリンダ内において混合気が圧縮および燃焼され、その際、排ガスが生じ、前記排ガスがシリンダから押し出されてタービン内で減圧され、前記タービンに高圧排ガス再循環路または低圧排ガス再循環路が装備され、しかも腐食の恐れが低減された排気ターボ過給機付き内燃機関を提供することである。

この課題は、少なくとも１つのシリンダを具備し、前記シリンダ内において混合気が圧縮および燃焼され、そのとき排ガスが生じ、前記排ガスがシリンダから押し出されてタービン内で減圧され、その際、シリンダから押し出された排ガスの一部が、タービン内で減圧される前または減圧された後に高圧再循環路または低圧再循環路を介して再循環され、前記再循環路に排ガス冷却機構が装備されており、前記冷却機構に１つまたは少なくとも２つの冷却回路が含まれ、前記冷却回路が熱交換器ブロックの中に延設されており、前記熱交換器ブロックが排ガスの流れ方向に前後に接続されている排気ターボ過給機付き内燃機関の場合、排ガスの流れ方向の最も下流の位置に設けられた熱交換器ブロックが直立設置され、その結果、前記熱交換器ブロックの中を重力の作用線に対して平行に下方から上方にまたは上方から下方に排ガスが貫流し、熱交換器ブロックの下端に凝縮水回収機構および／または凝縮水排出機構が備えられることによって解決される。状況によっては、熱交換器ブロックを重力の作用線に対してほぼ平行に設置することでも十分である。

発明の実施の形態

高圧再循環は、タービン内でまだ減圧されていない排ガスの再循環を意味する。再循環される排ガスは、圧縮機内で圧縮された新鮮空気と共に導通される。圧縮された新鮮空気は、再循環される排ガスと共に導通される前に給気冷却装置内で冷却される。最も下流に設置された熱交換器ブロックには、低温冷却回路または冷気が通っている。低温冷却によって、再循環される排ガスは状況に応じて凝縮水が生じる程度まで冷却される。最も下流に設置された熱交換器ブロックの本発明に係る配置および構成によって、凝縮水が熱交換器ブロックの内部、特に熱交換器マトリクス内に蓄積するのを防ぐことができる。これにより、熱交換器ブロックに対する腐食負荷を低減することが可能である。また、これによって、熱交換器ブロックの製造に低コストの材料を用いることが可能となる。

この排気ターボ過給機付き内燃機関の好ましい実施例は、最も下流に設けられた熱交換器ブロックの冷却回路において空気が冷媒として用いられることを特徴とする。熱交換器ブロックの中または周囲を外気が流れることが好ましい。

この排気ターボ過給機付き内燃機関のもう１つの好ましい実施例は、最も下流に設けられた熱交換器ブロックの冷却回路において低温冷媒が冷媒として用いられることを特徴とする。低温冷媒は、従来の低温冷媒であることが好ましい。

この排気ターボ過給機付き内燃機関のもう１つの好ましい実施例は、再循環される排ガスが、最も下流に設けられた熱交換器ブロック内で、凝縮水が生じる程度まで冷却されることを特徴とする。

少なくとも１つのシリンダを具備し、前記シリンダ内において混合気が圧縮および燃焼され、そのとき排ガスが生じ、前記排ガスがシリンダから押し出されてタービン内で減圧され、その際、シリンダから押し出されてタービン内で減圧された排ガスの一部が、排ガス冷却装置を装備した低圧再循環路を介して再循環され、新鮮空気と共に圧縮機内で予圧縮され、さらに給気冷却装置内で冷却され、前記給気冷却装置が少なくとも１つの冷却回路を含み、前記冷却回路が少なくとも１つの熱交換器ブロックの中に延設されている排気ターボ過給機付き内燃機関の場合、上述の課題は、熱交換器ブロックが直立設置され、その結果、熱交換器ブロックの中を重力の作用線に対して平行に下方から上方にまたは上方から下方に新鮮空気を含む排ガスが貫流し、熱交換器ブロックの下端に凝縮水回収機構および／または凝縮水排出機構が備えられることによって解決される。状況によっては、熱交換器ブロックを重力の作用線に対してほぼ平行に設置することでも十分である。

低圧再循環は、タービン内で既に減圧された排ガスの再循環を意味する。再循環される排ガスは、新鮮空気と共に導通される。新鮮空気と共に導通される排ガスは、圧縮機内で予圧縮され、給気冷却装置内で冷却される。熱交換器ブロックの本発明に係る配置および構成によって、凝縮水が熱交換器ブロックの内部、特に熱交換器マトリクス内に蓄積することを防ぐことができる。これにより、熱交換器ブロックに対する腐食負荷を低減することが可能である。従ってまた、熱交換器を製造する際に低コストの材料を用いることが可能となる。

この排気ターボ過給機付き内燃機関の好ましい実施例は、再循環され、新鮮空気と共に圧縮機内で予圧縮された排ガスが、凝縮水が生じる程度まで熱交換器ブロック内で冷却されることを特徴とする。この冷却は複数の段階で行うこともできる。すなわち、複数の冷却回路で冷却することも可能であり、これらの冷却回路は、複数の熱交換器ブロックの中に延設され、これらの熱交換器ブロックは新鮮空気と共に導通される排ガスの流れ方向に前後に接続されている。

この排気ターボ過給機付き内燃機関の好ましい実施例は、熱交換器ブロックにおいて空気が冷媒として用いられることを特徴とする。熱交換器ブロックの中または周囲を外気が流れることが好ましい。

この排気ターボ過給機付き内燃機関の好ましい実施例は、熱交換器ブロックの中を重力の方向に上方から下方へ排ガスが貫流することを特徴とする。この配置は、下向き配置とも呼ばれ、本発明において特に有利であることが明らかになっている。

この排気ターボ過給機付き内燃機関のもう１つの好ましい実施例は、凝縮水回収機構および／または凝縮水排出機構に凝縮水を受けるドリップトレイが含まれていることを特徴とする。ドリップトレイは、熱交換器ブロックの下部ガス回収タンク内に設けられていることが好ましい。また、下部ガス回収タンクは、熱交換器マトリクスとは別の材料で形成することも可能である。この実施例では、別個にドリップトレイを設けることが不必要となる。

この排気ターボ過給機付き内燃機関のもう１つの好ましい実施例は、凝縮水用のドリップトレイがステンレス鋼またはプラスチックで形成されていることを特徴とする。これにより、凝縮水による腐食を原因とする磨耗を低減することができる。

この排気ターボ過給機付き内燃機関のもう１つの好ましい実施例は、凝縮水回収機構および／または凝縮水排出機構に凝縮水排出口が含まれており、その排出口が熱交換器ブロック内に設けられていることを特徴とする。凝縮水排出口が凝縮水回収機構の最深部に設けられていることが好ましい。

本発明のその他の効果、特徴および詳細は、以下の説明に記されており、その中で図を参照しながら、２つの実施例について詳細な説明を行う。請求項および明細書の中で言及される各特徴は、単独または任意の組み合わせにおいて本発明にとって重要な要素である。

図１は、いわゆる高圧排ガス再循環路を具備した排気ターボ過給機付き内燃機関１の回路図である。排気ターボ過給機付き内燃機関１にはシリンダブロック４が含まれており、前記シリンダブロック内に６個のピストン５が往復運動可能に収容されている。矢印８は、排気ターボ過給機付き内燃機関１に外界から新鮮空気が供給されることを示している。新鮮空気は圧縮機１０に送給され、その中で圧縮される。圧縮された新鮮空気は管路１１を介して給気冷却器１２に達し、その中で冷却される。圧縮され、冷却された新鮮空気は、管路１４を介してシリンダブロック４に運ばれる。これが、矢印１５によって示されている。

シリンダブロック４の中で新鮮空気は燃焼され、その際、排ガスが生じる。排ガスは、排気管路１８を介してタービン１９に運ばれ、その中で減圧される。矢印２０は、タービン１９内で減圧された排ガスが外気に排出されることを示す。ただし、排ガスの全量がタービン１９内で減圧されるわけではない。少なくとも、排ガスの一部は、高圧再循環路２１によって排気管１８から分岐され、バルブ２２を介して管路１４へ再循環される。これが矢印２４によって示されている。再循環された排ガスは、排ガス冷却装置の第１段２６と第２段２７において冷却される。連結線３０は、圧縮機１０がタービン１９によって駆動されることを示している。

高圧排ガス再循環の場合、エミッションに関して、再循環される排ガスが可能な限りの低い温度に冷却されることが有利である。これを実現するために、図１に示された排気ターボ過給機付き内燃機関１の場合、２段階２６および２７において冷却が行われる。第２段２７の冷媒としては、基本的に空気および低温冷媒が考えられる。第２段２７での低温冷却によって凝縮水の発生が非常に顕著になることが予想される。凝縮液は例えば酸もあるが、大部分は水である。低温冷却によって、エミッションおよび燃料消費量に関して、排ガス再循環の機能を単段システムの場合以上に、より良く利用することが可能となる。本発明では、第２段２７（低温段とも呼ばれる）の熱交換器ブロックの管は、垂直に、すなわち重力の作用線に対して平行に設けられる。この垂直配置（直立配置とも呼ばれる）によって、凝縮水が熱交換機ブロックの熱交換マトリクスに蓄積することが避けられる。従って、冷却器に対する腐食負荷が低減し、より好都合な材料、場合によってはアルミニウムも利用することが可能となる。

熱交換器ブロックは、例えば、鋼製または銅亜鉛合金製またはアルミニウム合金製の円管式冷却器、あるいは円管式熱交換器の管束に類似した熱交換器である。また、熱交換器ブロックは、アルミニウム部材を用いて積層構造に製造することも可能である。

第２段２７の熱交換器ブロックの中を上方から下方へ排ガスが貫流することが好ましい。冷却器の入口と出口において空気室の損傷を防ぐために、凝縮水を特別な容器で受け、冷却器から排出することが効果的である。この容器はプラスチック製またはステンレス鋼製のトレイ、あるいは特殊コーティングされた気体タンクであってもよい。また、気体タンクは、熱交換器マトリクスとは異なった材料で製造することも可能である。

図２は、いわゆる低圧排ガス再循環路を具備した排気ターボ過給機付き内燃機関４１の回路図である。この排気ターボ過給機付き内燃機関４１にはシリンダブロック４４が含まれており、前記シリンダブロック内に６個のピストン４５が往復運動可能に収容されている。矢印４８は、排気ターボ過給機付き内燃機関４１に新鮮空気が送給されることを示している。送給された新鮮空気はエアフィルタ４９と管路５１とを介して圧縮機５３に達し、その中で圧縮される。圧縮された新鮮空気は管路５５を介して給気冷却器５６に導かれ、そこで冷却される。冷却され、圧縮された新鮮空気は、管路５７を介してシリンダブロック４４に運ばれる。これが、矢印５８によって示されている。

シリンダブロック４４において、管路５７を介して運ばれた新鮮空気は混合気の中で燃焼され、その際、排ガスが生じる。排ガスは、排気管路６０を介してタービン６１に運ばれ、その中で減圧される。連結線６２は、タービン６１が圧縮機５３を駆動する働きをすることを示している。

タービン６１内で減圧された排ガスは、粒子フィルタ６５が設けられた管路６４を介して絞り弁６６に達する。絞り弁６６の状態に応じて、排ガスの一部が外気に排出される。それが矢印６７によって示されている。排ガスの他の一部は低圧排ガス再循環路７０を介して排ガス冷却器７２に送給される。排ガス冷却器７２の中で、再循環された排ガスは冷却される。冷却され、再循環された排ガスは、バルブ７４が設けられた管路７３を通り、管路５１の中で、フィルタ４９によって吸入された新鮮空気と混合される、あるいは管路５１の中を新鮮空気と共に導通される。これが矢印７６によって示されている。排ガスと新鮮空気との混合気は、圧縮機５３の中で圧縮され、給気冷却器５６の中で冷却されて、シリンダブロック４４へ運ばれる。

給気冷却器５６は、本発明では下向き冷却器として実施されている。すなわち、新鮮空気と排ガスとの混合気（給気とも呼ばれる）が、上方から下方へ給気冷却器５６の中を貫流する。冷却の際に生じる凝縮水は、流れ方向に冷却器から排出され、出口タンクにおいてステンレス鋼製またはプラスチック製の専用のトレイに回収される。冷却器マトリクスにおける凝縮水腐食性が低減されることによって、あるいは冷却器マトリクスにおける凝縮水の滞留時間が短くなることによって、構成部材に対する腐食負荷が軽減される。これにより、寿命が延びることになる。

高圧排ガス再循環を伴う、本発明に係る排気ターボ過給機付き内燃機関の回路図である。 低圧排ガス再循環を伴う、本発明に係る排気ターボ過給機付き内燃機関の回路図である。

Claims (10)

1. 少なくとも１つのシリンダを具備し、前記シリンダ内において、特に圧縮機（１０）によって予圧縮された混合気が圧縮および燃焼され、そのとき排ガスが生じ、前記排ガスがシリンダから押し出されてタービン（１９）内で減圧され、その際、シリンダから押し出された排ガスの一部が、タービン（１９）内で減圧される前または減圧された後に高圧再循環路または低圧再循環路を介して再循環され、前記再循環路に排ガス冷却機構が装備されており、前記冷却機構に１つまたは少なくとも２つの冷却回路が含まれ、前記冷却回路が熱交換器ブロック（２６，２７）の中に延設されており、前記熱交換器ブロックが排ガスの流れ方向に前後に接続されている排気ターボ過給機付き内燃機関において、
   排ガスの流れ方向の最も下流の位置に設けられた熱交換器ブロック（２７）が直立設置されており、その結果、前記熱交換器ブロック（２７）の中を重力の作用線に対して平行にまたはほぼ平行に下方から上方にまたは上方から下方に排ガスが貫流し、さらに熱交換器ブロックの下端に凝縮水回収機構および／または凝縮水排出機構が備えられていることを特徴とする排気ターボ過給機付き内燃機関。
2. 前記最も下流に設けられた熱交換器ブロック（２７）の冷却回路において空気が冷媒として用いられることを特徴とする、請求項１に記載の排気ターボ過給機付き内燃機関。
3. 前記最も下流に設けられた熱交換器ブロック（２７）の冷却回路において低温冷媒が冷媒として用いられることを特徴とする、請求項１に記載の排気ターボ過給機付き内燃機関。
4. 凝縮水が生じる程度まで、再循環される排ガスが最も下流に設けられた熱交換器ブロック（２７）内で冷却されることを特徴とする、前記請求項１〜３のいずれか１項に記載の排気ターボ過給機付き内燃機関。
5. 少なくとも１つのシリンダを具備し、前記シリンダ内において特に圧縮機（５３）を用いて予圧縮された混合気が圧縮および燃焼され、そのとき排ガスが生じ、前記排ガスがシリンダから押し出されてタービン（６１）内で減圧され、その際、シリンダから押し出されてタービン（６１）内で減圧された排ガスの一部が、排ガス冷却装置（７２）を装備した低圧再循環路を介して再循環され、新鮮空気と共に圧縮機（５３）内で予圧縮され、さらに給気冷却装置（５６）内で冷却され、前記給気冷却装置が少なくとも１つの冷却回路を含み、前記冷却回路が少なくとも１つの熱交換器ブロックの中に延設されている排気ターボ過給機付き内燃機関において、
   熱交換器ブロックが直立設置され、その結果、熱交換器ブロックの中を重力の作用線に対して平行にまたはほぼ平行に下方から上方にまたは上方から下方に新鮮空気を含む排ガスが貫流し、さらに熱交換器ブロックの下端に凝縮水回収機構および／または凝縮水排出機構が備えられていることを特徴とする排気ターボ過給機付き内燃機関。
6. 再循環され、新鮮空気と共に圧縮機（５３）内で予圧縮された排ガスが、凝縮水が生じる程度まで、熱交換器ブロック内で冷却されることを特徴とする、請求項５に記載の排気ターボ過給機付き内燃機関。
7. 熱交換器ブロックの中を重力方向に上方から下方へ排ガスまたは新鮮空気を含む排ガスが貫流することを特徴とする、前記請求項１〜６のいずれか１項に記載の排気ターボ過給機付き内燃機関。
8. 前記凝縮水回収機構および／または凝縮水排出機構が凝縮水のためのドリップトレイを含むことを特徴とする、前記請求項１〜７のいずれか１項に記載の排気ターボ過給機付き内燃機関。
9. 前記凝縮水用ドリップトレイがステンレス鋼またはプラスチックで形成されていることを特徴とする、請求項８に記載の排気ターボ過給機付き内燃機関。
10. 前記凝縮水回収機構および／または凝縮水排出機構が凝縮水排出口を有し、前記凝縮水排出口が熱交換器ブロック内に設けられていることを特徴とする、前記請求項１〜９のいずれか１項に記載の排気ターボ過給機付き内燃機関。

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