JP2009509097A - 過給気内燃機関の排気の再循環のための装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、過給気燃焼機関２の排気の再循環のための装置に関する。この装置は、冷却空気流れの形態の冷媒により帰還ライン１１内の再循環排気を冷却する第１のステップをもたらすための第１のＥＧＲ冷却器１４、１４’と、実質的に周囲の温度の冷媒により帰還ライン１１内の再循環排気を冷却する第２のステップをもたらすための第２のＥＧＲ冷却器１５、１５’とを含む。前記第１のＥＧＲ冷却器１４、１４’は、車両１の内部領域Ｂ、Ｂ’に取り付けられ、燃焼機関２の作動中に上記冷却空気流れにそこを通させるように適合される。

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再循環排気装置に関する。

ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）（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、燃焼が行われる機関のシリンダに、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、排気中の窒素酸化物ＮＯｘ量の低下に帰する。この技術は、オットー（Ｏｔｔｏ）機関及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、空気圧力のみならず空気温度にも依存する。燃焼機関に対して最大可能量の空気を供給するために、圧縮空気が、燃焼機関に導かれる前に給気冷却器内で冷却される。圧縮空気は、周囲空気により給気冷却器で冷却される。その場合、圧縮空気は、周囲温度よりも僅かに数度高い温度まで冷却されることができる。ＥＧＲ技術を使用する場合には、再循環排気は、いわゆるＥＧＲ冷却器により冷却される。従来のＥＧＲ冷却器は、燃焼機関を冷却するための車両の通常の冷却系内で冷媒として冷却液を使用する。したがって、従来のＥＧＲ冷却器は、排気が冷却系内の冷却液温度よりも低い温度まで冷却されることができないという制限を受け、これは、正常な作動の間では７０〜９０℃程度である。冷却された排気は、燃焼機関への入口ラインで混合する時、通常、冷却された圧縮空気よりも確実に高温である。したがって、燃焼機関に導かれる排気と空気との混合物は、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を設けない場合の、相当する過給気燃焼機関の性能よりも多少劣る。

本発明の目的は、再循環排気が、燃焼機関に導かれる空気とほぼ同じ温度にまで冷却されるような、簡潔かつ効率的な再循環廃排気の冷却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。入口ライン内の圧縮空気は、通常、周囲の温度である空気流れにより給気冷却器内で冷却される。給気冷却器は、通常、車両内でその車両の通常のラジエータの前方の周囲位置に位置され、給気は周囲の温度である空気によって冷却できる。車両内は、空間がかなり限られている。したがって、通常、１つのステップで再循環排気を約６００℃の温度から実質的に周囲の温度まで冷却することができる大型のＥＧＲ冷却器のため十分な空間は車両内にない。本発明によると、この問題は、排気を冷却する第１のステップをもたらす第１のＥＧＲ冷却器及び排気を冷却する第２のステップをもたらす第２のＥＧＲ冷却器を使用することに解決される。その場合、周囲よりも高い温度の空気は、排気を冷却する第１のステップをもたらすために使用される。したがって、第１のＥＧＲ冷却器は、車両内の周囲位置にある必要はなく、さらに、周囲温度の空気に接触する必要もない。有利なことに、排気は、このように内部に取り付けられる第１のＥＧＲ冷却器内で主たる温度低下を受ける。したがって、第２のＥＧＲ冷却器は、比較的小型でよい。通常、車両内の周囲位置にそのような小型の第２のＥＧＲ冷却器を取り付けるための空間があり、周囲温度の空気がそこを流れる。第１のＥＧＲ冷却器が排気を効果的に冷却するのを可能にするために、第１のＥＧＲ冷却器は、空気が流れる車両の内部領域に取り付けられる。車両の内部領域の空気は、通常、周囲より確実に高い温度であるが、排気を冷却する効果的な第１のステップに間違いなく有用である。

本発明の好適な実施例によると、第１のＥＧＲ冷却器は、車両内の通常の空冷式ラジエータより下流側に位置される車両の内部領域に、通常のラジエータを通る空気流れの所期の方向すなわち意図された方向を基準にして取り付けられる。通常のラジエータは、燃焼機関を冷却するための冷却系の一部を形成してよく、その場合、通常のラジエータを通る空気がその後に第１のＥＧＲ冷却器を通ることなる。通常のラジエータを通った後、空気は約７０℃の温度になることができる。したがって、第１のステップとして、ちょうどこの温度を超える温度まで排気を冷却することが可能である。有利なことに、第１のＥＧＲ冷却器は、通常のラジエータとラジエータ・ファンとの間に位置する領域に取り付けられる。ラジエータ・ファンの機能は、空気が通常のラジエータを通るようにすることである。第１のＥＧＲ冷却器のこのような位置決めは、排気を冷却する第１のステップをもたらすための十分な空気流れを確実なものにする。

本発明の別の実施例によると、装置は、第１のＥＧＲ冷却器に近接して位置されてさらに第１のＥＧＲ冷却器を通る空気流れを引き起こす機能を有する分離したラジエータ・ファンを含む。この分離したラジエータ・ファンを用いると、車両内の実質的に任意の所望内部位置に第１のＥＧＲ冷却器を取り付けることが可能になる。有利なことに、第１のＥＧＲ冷却器は、燃料機関に近接する領域に位置され、それにより、排気の帰還ラインを比較的短くすることが可能になる。第１のＥＧＲ冷却器は燃焼機関に取り付けられることができ、それにより、帰還ラインをかなり短くすることが可能になり、その場合、第１のＥＧＲ冷却器は、直接的に或いは適当な接続要素を介して間接的に燃焼機関に固定されることができる。

本発明の別の好適な実施例によると、第２のＥＧＲ冷却器は、車両の周囲領域に配置され、そこでは、第２のＥＧＲ冷却器は周囲の温度の空気により冷却される。比較的大型の第１のＥＧＲ冷却器を用いると、第２のＥＧＲ冷却器はかなり小型になることができ、ほとんど空間を占有しない。この第２のＥＧＲ冷却器は、車両の任意の所望周囲位置に取り付けられることができ、そこでは、第２のＥＧＲ冷却器は周囲空気に接触する。第２のＥＧＲ冷却器は、通常のラジエータより上流側の領域に、通常のラジエータを通る空気流れの所期の方向を基準にして取り付けられ、その場合、第２の冷却器は、通常のラジエータの前方の給気冷却器に隣接して位置されることができる。

本発明の別の実施例によると、第２のＥＧＲ冷却器は、車両の内部領域に取り付けられ、循環する液体冷媒を用いた分離した冷却系統の一部を形成する。この場合、第１のＥＧＲ冷却器及び第２のＥＧＲ冷却器は両方とも、燃焼機関に近接して取り付けられることができ、それにより、帰還ラインを実質的に最小限度にすることができる。有利なことに、分離した冷却系統は、車両の周囲領域に位置される放熱エレメントを含み、そこでは、分離した冷却系統が周囲空気によって冷却される。液体冷媒が中で冷却される放熱エレメントは、気体冷媒が中で冷却される放熱エレメントより小型の設計になることができる。この放熱エレメントは、ほんのわずかな空間のみを占有することから、ほぼ常に、その放熱エレメントが取り付けられることができる使用可能な周囲空間が車両内にある。

本発明の好適な実施例を、添付の図面を参照しながら例として以下で説明する。

図１に、車両１内の過給気燃焼機関の排気の再循環のための装置を示す。この場合の燃焼機関をディーゼル２として例示する。この再循環は、通常、ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）と呼ばれる。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（ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｏｘｉｄｅｓ（ＮＯｘ））の含有量も減少させる。ディーゼル機関２は、重い車両１に動力を供給するためのものであってよい。ディーゼル機関２のシリンダからの排気は、排気マニホルド３を介して排気ライン４に導かれる。大気圧を越える排気ライン４内の排気は、タービン５へ導かれる。次に、タービン５に動力が供給され、その動力は、接続部を介して圧縮機６に伝達される。次に、圧縮機６は、空気フィルタ７を介して入口ライン８に導かれる空気を圧縮する。給気冷却器９が、入口ライン８に配置される。給気冷却器９は、この場合は、車両１の前部分である車両１の周囲領域Ａに配置される。給気冷却器９の機能は、ディーゼル機関２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１０により給気冷却器９を通って流れる周囲空気によって給気冷却器９で冷却される。放熱器ファン１０は、適切な接続部を介してディーゼル機関２により駆動される。

排気ライン４内の排気の一部を再循環させる装置は、排気ライン４と入口ライン８との間に延在する帰還ライン１１を含む。帰還ライン１１は、ＥＧＲバルブ１２を含み、このＥＧＲバルブ１２により帰還ライン１１内の排気流を遮断できる。ＥＧＲバルブ１２は、帰還ライン１１を経て排気ライン４から入口ライン８へ導かれる排気の量を連続的に制御するためにも使用可能である。ディーゼル機関２の優勢な作動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１２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１１は、排気を冷却する第１のステップをもたらすための第１のＥＧＲ冷却器１４、及び、排気を冷却する第２のステップをもたらすための第２のＥＧＲ冷却器１５を含む。過給気ディーゼル機関２における特定の作動状態では、排気ライン４内の排気圧力が、入口ライン８内の圧縮空気の圧力よりも低い。そのような作動状態では、特別な補助手段なしに、帰還ライン１１内の排気を入口ライン８内の圧縮空気と直接混合することができない。この目的のために例えばベンチュリ１６を使用することができる。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１１内の排気は、入口ライン８内に直接導くことができる。何故ならば、事実上全ての作動状態においてオットー機関の排気ライン４中の排気は、入口ライン８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８中の圧縮空気と混合された時、混合物は、マニホルド１７を介してディーゼル機関２の各シリンダに導かれる。ディーゼル機関２は、循環冷却剤を含む冷却系によって従来方式で冷却される。冷却剤は、冷却剤ポンプ１８により冷却系内を循環させられる。また、冷却系は、サーモスタット１９と、車両１の前方部分で給気冷却器９の後側に取り付けられるラジエータ２０とを含む。

ディーゼル機関２の作動中、排気ライン４内の排気はタービン５を駆動し、その後周囲へと導出される。タービン５に駆動動力が供給され、それにより圧縮機６が駆動される。圧縮機６は空気を圧縮し、その空気は、空気フィルタ７を介して入口ライン８内に導かれる。圧縮空気は、車両１の前方部分の周囲領域Ａに位置される給気冷却気内で冷却される。圧縮空気は、周囲の温度の空気によって給気冷却器９内で冷却される。この場合、圧縮空気は、周囲温度をわずかに数度だけ超える温度まで冷却されることができる。ディーゼル機関２のほとんどの作動状態において制御ユニット１３は、排気ライン４内の排気の一部が帰還ライン１１内に導かれるように、ＥＧＲバルブ１２を開放状態に維持する。第１のＥＧＲ冷却器１４に到達した時点で、排気ライン４内の排気は、通常、約５００℃〜６００℃の温度である。第１のＥＧＲ冷却器１４は、ラジエータ２０とラジエータ・ファン１０との間の車両の内部領域Ｂに取り付けられる。ラジエータ・ファン１０の存在によって、第１のＥＧＲ冷却器１４を通る十分な空気流れを引き起こす。しかし、第１のＥＧＲ冷却器１４を通過する空気は、給気冷却器９及びラジエータ２０を通過する間に加熱を受けることから、周囲空気より温度が高い。車両の通常の作動中において、この空気流れが第１のＥＧＲ冷却器１４に到達する時点で、その温度は７０〜１００℃の範囲内にある。しかし、有利なことに、この空気流れは、再循環排気を冷却する第１のステップをもたらすために使用されることができる。というのは、この空気の温度は排気の温度よりかなり低いからである。その場合、再循環排気は、この空気の温度に近い温度まで冷却する第１のステップを施されることができる。その後、排気は、給器冷却器９に隣接する車両の周囲領域Ａに位置される第２のＥＧＲ冷却器１５に導かれる。その結果、第２のＥＧＲ冷却器１５を通る空気流が確実に周囲の温度となる。適切な寸法形状の第２のＥＧＲ冷却器１５を用いると、再循環排気は、空気の流れにより周囲の温度に実質的に対応する温度まで冷却されることができる。その後、帰還ライン１１内の排気は、給気冷却器９内の圧縮空気と実質的に同じ温度までの冷却を施されることができる。

過給気ディーゼル機関２における特定の作動状態では、排気ライン４内の排気の圧力は、入口ライン８の圧縮空気の圧力より低い。ベンチュリ１６により、入口ライン８内の静圧を帰還ラインとの接続部において局所的に低下させることが可能になり、それにより、排気が入口ライン８内に導かれてその中の圧縮空気と混合されるようにすることができる。排気と圧縮空気の混合物は、その後、マニホルド１７を介してディーゼル機関２のそれぞれのシリンダまで導かれる。この２つのＥＧＲ冷却器１４、１５は、給気冷却器９内での冷却後に圧縮空気の温度と実質的に同等の温度まで再循環排気を冷却する２つのステップをもたらす。その結果、ディーゼル機関２へ導かれる排気と圧縮空気との混合物は、ＥＧＲを具備しないディーゼル機関へ導かれる圧縮空気と実質的に同等の温度になる。それにより、本発明で、ＥＧＲを装備するディーゼル機関の性能を、ＥＧＲを具備しないディーゼル機関の性能と実質的に同等にすることが可能になる。

図２に、ディーゼル機関２の排気の再循環のための代替装置を示す。この場合、排気の再循環のための帰還ライン１１は、車両１の内部領域Ｂ’内でディーゼル機関２に近接して位置される第１のＥＧＲ冷却器１４’を含む。第１のＥＧＲ冷却器１４’は、直接又は間接的にディーゼル機関２に取り付けられることができる。電気モータ２２によって駆動される分離ファン２１は、分離ファン２１が第１のＥＧＲ冷却器１４’を通る空気流れを引き起こすことができるような位置に配置される。燃焼機関２に近接する車両の機関空間内の空気は、通常、周囲空気より高くなる。しかしながら、機関空間内の空気は、再循環排気を冷却する第１のステップをもたらすのに使用されることができる。というのは、この空気の温度は、排気の温度よりかなり低いためである。第１のＥＧＲ冷却器１４’の能力に依存して、排気は、機関空間内の空気の温度に程度の差はあるが同等の温度まで冷却する第１のステップを施されることができる。

その後、排気は、車両１の内部領域Ｂ”にやはり取り付けられる第２のＥＧＲ冷却器１５’に導かれる。第２のＥＧＲ冷却器１５’は、冷却剤ポンプ２３によって循環させられる冷却剤を用いた、分離した冷却系の構成要素である。分離した冷却系は、車両１の周囲領域Ａ’に取り付けられる放熱エレメント２４も含む。この場合、周囲領域Ａ’は、車両１の前方部分に位置される。ラジエータ・ファン２５は、放熱エレメント２４を通る空気流れを引き起こすように適合される。ラジエータ・ファン２５は、電気モータ２６によって駆動される。冷却剤は、放熱エレメント２４内で周囲の温度の空気によって冷却される。したがって、冷却剤を周囲の温度まで冷却することが可能である。再循環排気は、第２のＥＧＲ冷却器内で実質的に周囲の温度である冷却剤によって冷却される。その場合、排気は、第２のＥＧＲ冷却器１５’内で実質的に周囲の温度と同等の温度まで冷却する第２のステップを施されることができる。したがって、帰還ライン１１内の排気は、ここで再度、給器冷却器９内の圧縮空気と実質的に同じ温度まで冷却されることができる。

本発明は、図面を参照しながら説明した実施例に限定されることなく、特許請求の範囲内で自由に変更可能である。図１に示す第１のＥＧＲ冷却器１４のタイプを図２の示すタイプの第２の冷却器１５’と組み合わせることができる。図２の示す第１のＥＧＲ冷却器１４’を図１に示すタイプの第２のＥＧＲ冷却器１５と組み合わせることも可能である。

本発明の第１の実施例による、過給気ディーゼル機関の排気の再循環のための装置の図である。 本発明の第２の実施例による、過給気ディーゼル機関の排気の再循環のための装置の図である。

Claims (10)

1. 燃焼機関（２）から出る排気を導くように意図された排気ライン（４）と、前記燃焼機関（２）へ大気圧を超える空気を導くように意図された入口ライン（８）と、帰還ライン（１１）を介して排気ライン（４）から入口ライン（８）へ排気を再循環させることを可能にするために前記排気ライン（４）と前記入口ライン（８）とを接続する帰還ライン（１１）とを有する、車両（１）内で、過給気燃焼機関（２）の排気を再循環するための装置であって、前記装置が、冷却空気流れの形態の冷媒を用いて前記帰還ライン（１１）内の再循環排気を冷却する第１のステップをもたらすための第１のＥＧＲ冷却器（１４、１４’）と、実質的に周囲の温度の冷媒を用いて前記帰還ライン（１１）内の再循環排気を冷却する第２のステップをもたらすための第２のＥＧＲ冷却器（１５、１５’）とを含み、前記第１のＥＧＲ冷却器（１４、１４’）が、前記車両（１）の内部領域（Ｂ、Ｂ’）に取り付けられ、前記燃焼機関（２）の作動中に前記冷却空気流れに該第１のＥＧＲ冷却器を通させるように適合されることを特徴とする装置。
2. 前記第１のＥＧＲ冷却器（１４）が、前記車両（１）の内部領域（Ｂ、Ｂ’）に取り付けられ、通常の空冷式ラジエータ（２０）を通る空気流れの所期の方向を基準として前記車両（１）内の前記通常の空冷式ラジエータ（２０）より下流側に位置されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記第１のＥＧＲ冷却器（１４）が、前記車両（１）の内部領域（Ｂ）に取り付けられ、通常のラジエータ（２０）と、前記通常のラジエータ（２０）を通る空気流れを引き起こす機能を有するラジエータ・ファン（１０）との間に位置されることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
4. 前記装置が、前記第１のＥＧＲ冷却器（１４’）に近接して配置され、前記第１のＥＧＲ冷却器（１４’）を通る冷却空気流れを引き起こす機能を有する分離したラジエータ・ファン（２１）を含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
5. 前記第１のＥＧＲ冷却器（１４’）が、前記車両（１）の内部領域（Ｂ’）に取り付けられ、前記燃焼機関（２）に近接して位置されることを特徴とする、請求項４に記載の装置。
6. 前記第１のＥＧＲ冷却器（１４’）が前記燃焼機関（２）に取り付けられることを特徴とする、請求項５に記載の装置。
7. 前記第２のＥＧＲ冷却器（１５）が、前記車両（１）の周囲領域（Ａ）に取り付けられ、周囲温度の空気がそこを流れることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか一項に記載の装置。
8. 前記第２のＥＧＲ冷却器（１５）が、前記車両（１）の周囲領域（Ａ）に取り付けられ、前記通常の空冷式ラジエータを通る空気流れの所期の方向を基準として前記通常の空冷式ラジエータ（２０）より上流側に位置されることを特徴とする、請求項２又は７に記載の装置。
9. 前記第２のＥＧＲ冷却器（１５’）が、前記車両（１）の内部領域（Ｂ”）に取り付けられ、循環する液体冷媒を用いた分離した冷却系統の一部を形成することを特徴とする、請求項１から６までのいずれか一項に記載の装置。
10. 前記分離した冷却系統が、前記車両（１）の周囲領域（Ａ’）に位置される放熱エレメント（２４）を含み、その放熱エレメント（２４）において、前記循環する冷媒が周囲の温度の空気によって冷却されることを特徴とする、請求項９に記載の装置。
    

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