JP2009511797A - 内燃機関の排ガスを再循環および冷却するための装置 - Google Patents

内燃機関の排ガスを再循環および冷却するための装置 Download PDF

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Abstract

【課題】低圧ＥＧＲシステムを基礎にして、システム全体を簡素化し、製造コストを低減させ、システムの効率を高める、排ガスを再循環し冷却するための装置を提供する。
【解決手段】内燃機関（２）、特に自動車のディーゼルエンジンの排ガスを再循環し、冷却するための装置であって、該内燃機関（２）が、排気タービン（６）を具備する排気管路（３）と、該排気タービン（６）によって駆動される給気圧縮機（８）を具備する吸気管路（４）とを有し、該タービン（６）の下流側に、排気再循環管路（ＥＧＲ管路５）を分岐するための取り出し口（１１）を有し、前記圧縮機（８）の上流側に、ＥＧＲ管路（５）を帰還させるための戻し口（１２）が配置されており、さらに、ＥＧＲ管路（５）に少なくとも１つの排ガス熱交換器（１３）とＥＧＲバルブ（１４）とが配置されている装置において、前記吸気管路（４）に給気絞り（１７）が配置されており、かつ、前記ＥＧＲバルブ（１４）と戻し口（１２）と給気絞り（１７）とが、統合された構成要素（１９）として形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関、特に自動車のディーゼルエンジンの排ガスを再循環し、冷却するための装置であって、該内燃機関が、排気タービンを具備する排気管路と、該排気タービンによって駆動される給気圧縮機を具備する吸気管路とを有し、該タービンの下流側に、排気再循環管路（ＥＧＲ管路）を分岐するための取り出し口を有し、前記圧縮機の上流側に、ＥＧＲ管路を帰還させるための戻し口が配置されており、さらに、ＥＧＲ管路に少なくとも１つの排ガス熱交換器とＥＧＲバルブとが配置されている装置に関する。
排気再循環（略称：ＥＧＲ）、特に冷却排気再循環は、法的規制に基づき、粒子排出、有害物質排出、特に窒素酸化物排出を低減するために今日の車両において用いられている。公知のＥＧＲシステムでは、排ガスが、排気タービンの高圧側または排気タービンの低圧側で取り出される。従って、高圧排気再循環あるいは低圧排気再循環と呼ばれる。本出願人の特許文献１によって、高圧ＥＧＲシステムが公知であり、このシステムでは、再循環すべき排ガスが、エンジンと排気管路の排気タービンとの間で取り出され、エンジンの吸気装置に送給される。その際、得られる排気再循環率は、ＥＧＲバルブと排ガス冷却器とが配置されているＥＧＲ管路における取り出し口と戻し口との差圧に依存する。
本出願人の特許文献２によって、ＥＧＲバルブと排ガス冷却器とが１つのユニットに統合されているＥＧＲシステム用装置が公知である。また、特許文献３によって、高圧ＥＧＲシステム用のバイパスとバイパスバルブとを具備する排ガス冷却器が公知である。
特許文献４によって、内燃機関用、すなわちディーゼルエンジン用の低圧ＥＧＲシステムが公知であり、このシステムの排気配管には排気タービンが備えられている。この排気タービンが給気圧縮機を駆動する。さらに、この排気配管には、排気タービンの下流側に触媒コンバータ／フィルタユニットが配置されており、この領域で、排ガスが取り出され、排ガス冷却器によって冷却され、圧縮機の上流側にあるエンジンの吸気装置に送給される。ＥＧＲ管路には、排ガス冷却器の下流側にＥＧＲバルブが設けられており、このＥＧＲバルブがＥＧＲ管路内の流量を制御する。この公知の低圧ＥＧＲシステムにおける利点は、高圧システムの場合よりも高い排気再循環率を実現できることである。これは、再循環された排ガスが圧縮機によって吸気されるからである。また、この公知のＥＧＲシステムの短所は、各構成部品を別個に製造し、組み立てなければならない点であり、これはＥＲＧシステムのコストを増大させる。
独国特許出願公開第１０２０３００３号明細書 欧州特許第０９１６８３７号明細書 欧州特許第１０３００５０号明細書 欧州特許第１２０３１４８号明細書
本発明の課題は、低圧ＥＧＲシステムを基礎にして、システム全体を簡素化し、製造コストを低減させ、システムの効率を高める、排ガスを再循環し冷却するための装置を提供することである。
この課題は、請求項１に記載の特徴によって解決される。本発明に有利な構成については、従属請求項で述べる。
発明の実施の形態
本発明では、第１の統合解決手段が想定されており、この手段には、ＥＧＲバルブとＥＧＲ戻し口と給気絞りとをエンジンの吸気管路内に統合することが含まれている。これらの３つの構成部品を１つの構成要素に構造上統合することによって、構造スペースを縮小し、組み立てを簡素化し、重量を軽減するという利点が得られる。統合された構成要素を排ガス冷却器の下流側に配置することによって、さらに、熱負荷、特に粒子フィルタの再生段階中の熱負荷を低減するという利点が得られる。また、システムの動特性が、新鮮空気用および排ガス混合用の制御装置を圧縮機の上流側に配置することによって改良される。またこれにより、負荷状態が変わった場合の応答時間が、排ガス冷却器の前に配置した場合に比べて短縮される。最後に、本発明に係るこの統合解決手段によって、ＥＧＲ配管における管路の全長が短縮されるという利点が得られる。これにより、圧力損失が低減し、最大可能ＥＧＲ率が高くなる。
上記構成部品を統合することで生じた構成要素は、２つの入口、すなわち排ガス側の入口と新鮮空気側の入口、ならびに圧縮機吸気側への出口を有する。排ガス側の入口は、排気再循環率を制御し、一方、新鮮空気側の入口は、圧縮機に送給すべき給気を絞る。その際、重要なことは、圧縮機にとっての十分なサージマージンが、吸気側の絞りを制限することによって保証されていることである。吸気側の絞りの制限は、両入口を独立して調整できる場合の方がより簡単である。これにより、ＥＧＲ再循環率の制御が概ね切り離される。従って、１つの有利な構成では２つの選択肢があり、１つは、これらの入口を互いに独立して調整可能である場合であり、もう１つは、互いに依存して調整可能である場合である。このこともまた、コストの低減につながる。両入口（絞り）を独立して調整できる場合の利点は、システム全体の制御範囲が大きくなることである。
別の態様では、吸気管路内に配置された空気フィルタが、前記構成要素にさらに組み込まれており、従って拡張的な統合解決手段の構成部材となっている。これにより、上述の利点、すなわち構造スペースの縮小、組み立ての簡素化、コストおよび重量の削減という利点が一層発揮される。
さらに別の態様では、ＥＧＲ管路内に配置された（排ガス冷却器によって発生する腐食性の凝縮水を取り出すための）凝縮水トラップも、この統合解決手段の構成部材である。これにより、統合の度合がさらに高まり、上記の利点が一層増大する。凝縮水トラップを組み込んだこの統合解決手段は、空気フィルタを組み込んでも、空気フィルタなしでも可能である。
統合の度合をさらに高めた場合、ＥＧＲ管路内の排ガス冷却器も統合解決手段に含まれる。従って、凝縮水トラップを具備する排ガス冷却器、ＥＧＲバルブ、給気絞りおよび／または空気フィルタからなる構成要素も可能となる。
統合のもう１つの態様では、圧縮機を第１の統合解決手段に、特にまた凝縮水トラップと空気フィルタと共に統合できることが想定されている。
本発明の実施例が図面に示されており、これらの実施例について以下で詳述する。
図１には、低圧排気再循環システムが示されており、以降、模式図ではこのシステムを略してＬＰ−ＥＧＲシステム１と呼ぶ。内燃機関２、好ましくはディーゼルエンジン２は、排気管路３、燃焼用空気用あるいは給気用の吸気管路４、および排気管路３と吸気管路４との間に配置された排気再循環路を有する。この排気再循環路は、以降、ＥＧＲ管路５と呼ぶ。排気管路３には排気タービン６が配置されており、この排気タービンが、シャフト７を介して、吸気管路４に配置された給気圧縮機８を駆動する。従って、タービン６、シャフト７および圧縮機８は、排気ターボ過給機ユニットを形成する。給気圧縮機８の背後の流れ方向に給気冷却器９が配置されており、この給気冷却器が、圧縮され、加熱された給気を冷却する。その後、給気は内燃機関２に送給される。タービン６の後の排ガス流れ方向に、粒子フィルタと酸化触媒コンバータ１０とを組み合わせたものが配置されている。酸化触媒コンバータ１０の下流側に分岐口または取り出し口１１が排気管路３に配置されており、そこから、ＥＧＲ管路５が分岐している。同様に吸気管路４には圧縮機８の吸気側に戻し口１２が配置されており、そこから、再循環すべき排ガスが吸気管路４内へ供給される。ＥＧＲ管路５には、排ガス冷却器１３、ＥＧＲバルブ１４および凝縮水トラップ１５が設けられている。排ガス冷却器１３は、空冷式であっても水冷式であってもよい。また、排ガス冷却は、１つの排ガス冷却器において２段で行うことも、２つの排ガス冷却器で行うことも可能である。ＥＧＲバルブ１４は、通過断面を通じて排気再循環率を制御する。一方、凝縮水トラップ１５は、排ガス冷却器１３内に生じる腐食性の凝縮水を回収し、放出する。排気管路３には、取り出し口１１の下流側に排気背圧バルブ１６が配置されており、このバルブによって、排気管路８内の排気背圧を調整することができる。吸気管路４には、戻し口１２の上流側に給気絞り１７および空気フィルタ１８が配置されている。図から分かるように、排気再循環、すなわちタービン６の低圧側での取り出しと、圧縮機８の吸気側での再循環とが行われる。本発明は、この種の低圧ＥＧＲシステムに基づいている。
図２には、図１のＬＰ−ＥＧＲシステムに変更を加えた形態が示されている。そこでも同じ部品には同じ符号が用いられている。図１との相違は、統合された構成要素１９が設けられている点であり、この構成要素には、図１に示された３つの構成部品、すなわちＥＧＲバルブ１４、給気絞り１７および戻し口１２が構造上まとめられている。この３つの構成部品は、文字Ｅ、Ｅ、Ａが付された３つの三角形によって模式的に示されている。なお、Ｅは入口を、Ａは出口を意味する。排ガス側の入口Ｅおよび新鮮空気側の入口Ｅは絞り箇所であり、一方は再循環された排ガスの流量を管理し、もう一方は新鮮空気の流量を管理する。調整は、第１の態様では、共通ないしは互いに依存して行うことができ、また、第２の態様では互いに独立して行うことができる。独立した調整が可能である場合、システム全体の制御範囲をより大きくすることができる。
図３には、図１に示されたＬＰ−ＥＧＲシステムの第２の変更形態が示されており、統合された構成要素２０を具備している。この構成要素は、一方で図２に示された構成要素１９の前記構成部品（ＥＧＲバルブ、給気絞り、戻し口）を有し、さらに空気フィルタ１８’が統合されている。従って、構成要素２０には、４つの構成部品が構造上１つにまとめられている。これにより、組み立てが簡素化され、構造スペースが縮小される。
図４には、ＬＰ−ＥＧＲシステムの第３の変更形態、すなわち統合された構成要素２１を具備した形態が示されている。この構成要素には、図２に示された構成要素１９の前記構成部品に加えて、凝縮水トラップ１５’が統合されている。従って、４つの構成部品が構成要素２１に統合されている。空気フィルタ１８は、この図では別個に配置されている。
図５には、図１に記載されたＬＰ−ＥＧＲシステムの第４の変更形態が示されており、統合された構成要素２２を具備している。この構成要素は、図１に示された構成要素１９に加えて、凝縮水トラップ１５’と空気フィルタ１８’とが統合されている。従って、この統合構成要素２２には、５つの互いに統合された構成部品が含まれている。
図６には、ＬＰ−ＥＧＲシステムの第５の変更形態が示されており、統合された構成要素２３を具備している。この構成要素は、図２に示された構成要素１９に加えて、排ガス冷却器１３’と凝縮水トラップ１５’と空気フィルタ１８’とが統合されている。従って、この統合構成要素２３には、６つの互いに統合された構成部品が含まれている。
図７には、図１に記載されたＬＰ−ＥＧＲシステムの第６の変更形態が示されており、統合された構成要素２４を具備している。この構成要素には、図１に示された統合構成要素１９に加えて、吸気圧縮機８’、凝縮水トラップ１５’および空気フィルタ１８’が統合されている。従って、この統合構成要素２４は、６つの統合された構成部品からなるか、あるいは図５に示された構成要素２２にさらに圧縮機８’が統合されている。これにより、統合の度合高くなり、構造スペースおよびコストの低減につながる。
個別の構成部品を具備する低圧ＥＧＲシステム（ＬＰ−ＥＧＲシステム） 第１の統合ユニットを具備するＬＰ−ＥＧＲシステムを示す。 第２の統合ユニットを具備するＬＰ−ＥＧＲシステムを示す。 第３の統合ユニットを具備するＬＰ−ＥＧＲシステムを示す。 第４の統合ユニットを具備するＬＰ−ＥＧＲシステムを示す。 第５の統合ユニットを具備するＬＰ−ＥＧＲシステムを示す。 第６の統合ユニットを具備するＬＰ−ＥＧＲシステムを示す。

Claims (8)

  1. 内燃機関（２）、特に自動車のディーゼルエンジンの排ガスを再循環し、冷却するための装置であって、該内燃機関（２）が、排気タービン（６）を具備する排気管路（３）と、該排気タービン（６）によって駆動される給気圧縮機（８）を具備する吸気管路（４）とを有し、該タービン（６）の下流側に、排気再循環管路（ＥＧＲ管路５）を分岐するための取り出し口（１１）を有し、前記圧縮機（８）の上流側に、ＥＧＲ管路（５）を帰還させるための戻し口（１２）が配置されており、さらに、ＥＧＲ管路（５）に少なくとも１つの排ガス熱交換器（１３）とＥＧＲバルブ（１４）とが配置されている装置において、
    前記吸気管路（４）に給気絞り（１７）が配置されており、かつ、前記ＥＧＲバルブ（１４）と戻し口（１２）と給気絞り（１７）とが、統合された構成要素（１９）として形成されていることを特徴とする装置。
  2. 前記構成要素（１９）が排ガス側の入口Ｅと新鮮空気側の入口Ｅとを有し、これらの入口の通過断面が調整可能であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
  3. 前記入口Ｅが互いに独立して調整可能であることを特徴とする請求項２に記載の装置。
  4. 前記入口Ｅが互いに依存して調整可能であることを特徴とする請求項２に記載の装置。
  5. 空気フィルタ（１８）が前記吸気管路（４）に配置されていること、および、該空気フィルタ（１８’）がさらに前記構成要素（１９）内へ統合可能であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の装置。
  6. 前記ＥＧＲ管路（５）に凝縮水トラップ（１５）が配置されていること、および、該凝縮水トラップ（１５’）がさらに前記構成要素（１９）内へ統合可能であることを特徴とする請求項１から５の少なくともいずれか１項に記載の装置。
  7. 前記排ガス熱交換器（１３’）がさらに前記構成要素（１９）内へ統合可能であることを特徴とする請求項１から６の少なくともいずれか１項に記載の装置。
  8. 前記圧縮機（８’）がさらに前記構成要素（１９）内へ統合可能であることを特徴とする請求項１から７の少なくともいずれか１項に記載の装置。
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