JP2009524774A - 低圧ｅｇｒ凝縮液をコンプレッサの中に混合するユニット - Google Patents

Abstract

本発明は、エンジン（１４）からの排気ガス内に発生する凝縮液をターボチャージャ（１８）のコンプレッサ（３６）の中に再導入する排気ガス再循環システム（１０）である。このシステムは、タービン（２０）及びコンプレッサ（３６）を有するターボチャージャユニット（１８）と、コンプレッサ（３６）の内部に配置されるコンプレッサホイール（４２）とを含む。本発明は、さらに、吸気管（４４）の内部に配置される混合管（５２）であってＥＧＲ管（４６）から液滴を伴った排気ガス（５４）を受け入れるための混合管（５２）をも含む。この場合、ＥＧＲ管（４６）は液滴を伴った排気ガス（５４）を混合管（５２）に供給して、空気（４１）及び液滴を伴った排気ガス（５４）を混合して液滴（５０）を含む混合物（６４）を形成し、その混合物（６４）及び液滴（５０）を周速度が低い領域においてコンプレッサホイール（４２）上に導入して、コンプレッサホイール（４２）の損傷を防止する。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２００６年１月２７日に出願された米国仮特許出願第６０／７６２，６６４号明細書の利益を主張する。

本発明は、ターボチャージャユニットと共に用いる排気ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｔｕｒｎ：ＥＧＲ）のバルブ組立体に関し、さらに具体的には、ターボチャージャユニットのコンプレッサホイールの前部における吸気管へのＥＧＲ凝縮液の再導入に関する。

ターボ過給ユニットは、従来型の内燃機関及びディーゼルエンジンの双方においてエンジンの出力を増大させるために一般的に用いられる方法である。ターボチャージャはタービン及びコンプレッサから構成される。タービンは、エンジンの排気マニホールドから排気ガスを受け入れ、タービン内部に配置されるタービンホイールが回転してコンプレッサ内部のコンプレッサホイールに動力を供給する。コンプレッサはエンジンの吸気マニホールドに高圧空気を強制的に送り込み、出力を増大させる。

環境に関する関心の高まりによって、内燃機関及びディーゼルエンジン双方の排出物質の低減が強調されてきた。排出物質低減に用いられてきた１つの方法は、排気ガスをエンジンの吸気マニホールドの中に再導入することであった。これによって大気中に放出される排気ガスの量を低減させる。これは、通常排気ガス再循環（ＥＧＲ）装置を用いて行われる。

欧州、米国及びほとんどの外国市場におけるディーゼルエンジンに対する現在及び今後の排出物質規制は、車両のきわめて低い負荷／速度において高いＥＧＲ流量を供給し得るエンジン構想を必要とするであろう。このようなＥＧＲ流量を提供する１つの方法は、低圧ＥＧＲを用いることによるものである。しかし、排気ガスは、空気の湿気とエンジンの燃焼室内で燃焼する燃料の量とによる大量の水分を含む可能性がある。ＥＧＲ径路とも呼称される排気ガスの流通径路は、ターボチャージャ、パティキュレートフィルタ、排気管、ＥＧＲ径路、低圧ＥＧＲ径路、及び低圧ＥＧＲ冷却器から構成される。

ＥＧＲ径路を通過する水分が存在し得る間、寒冷な大気温度又はエンジンの低負荷のような特定の運転条件においては、凝縮が生じ、水分の液滴が形成される。異なる空気力学的半径を有するこれらの液滴は、ＥＧＲ径路、低圧ＥＧＲ径路、低圧ＥＧＲ冷却器を通過し、混合領域とも呼称される回転するコンプレッサホイール前部の吸気管に流入する。

液滴がコンプレッサホイールと接触することになる場合の１つの主要な問題点は、コンプレッサホイールに対する液滴浸食である。危険領域において液滴がコンプレッサホイールを衝打しないようにする１つの方法は、あらゆる運転条件において、コンプレッサホイールに流入する質量流から液滴を恒常的に除去することである。コンプレッサの下流側の領域においてシステムから液滴を恒常的に除去することは、大気圧への負の圧力低下（ポンプ作用が必要であろう）のために非常に難しい。また、吸気中の湿分は、シリンダ内のＮＯｘ低減に対してプラス側に作用するパラメータである。

液滴のコンプレッサホイール領域に対する衝打を防止するもう１つの方法は、排気ガスの流れから凝縮液を一時的に分離して、続いて、液滴を、コンプレッサホイール上のブレードの腐食を避ける領域において排気ガスの中に再導入する方式である。これは、液滴の分散によってコンプレッサホイールのブレードに対する損傷が生じる可能性があるので困難である。

本発明は、エンジンからの排気ガス内に発生する凝縮液をターボチャージャのコンプレッサの中に再導入するＥＧＲシステムである。このシステムは、タービン及びコンプレッサを有するターボチャージャユニットと、タービンからの下流側及びコンプレッサからの上流側に配置される低圧ＥＧＲループと、コンプレッサの内部に配置されるコンプレッサホイールとを含む。また、コンプレッサに接続された吸気管で、コンプレッサに空気を導入するための大気への開口を有する吸気管と、第１端部が低圧ＥＧＲループに接続され、第２端部が吸気管に接続されるＥＧＲ管とがある。本発明は、さらに、吸気管の内部に配置される混合管であってＥＧＲ管から液滴を伴った排気ガスを受け入れるための混合管をも含む。この場合、ＥＧＲ管は液滴を伴った排気ガスを低圧ＥＧＲループから混合管に供給して、空気及び液滴を伴った排気ガスを混合して液滴を含む混合物を形成し、その混合物及び液滴を周速度が低い領域においてコンプレッサホイール上に導入して、コンプレッサホイールの損傷を防止する。

本発明のさらなる適用分野は以下の詳細な説明から明らかになるであろう。以下の詳細な説明及び特定の例は、本発明の好ましい実施形態を示しているが、あくまで例示の目的として考えられており、本発明の範囲を限定するものでないことが理解されるべきである。

本発明は、以下の詳細な説明及び添付の図面からさらに完全に理解されるであろう。

好ましい実施形態に関する以下の説明は、本質的に単なる例示であり、本発明、その適用又は使用を限定するものではない。

図１は、本発明を組み込んだ従来型のディーゼルエンジンの吸排気システムの概略図を示す。以下に記載するように、システム１０は低圧ＥＧＲループ１２を有する。排気ガスはエンジン１４によって生成され、排気マニホールド１６を通って流出する。排気マニホールド１６からの排気ガスはタービン２０を通過し、続いてディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）２２に導入され、そこで、すす材料を取り除かれる。ＤＰＦ２２を通過した後、排気ガスは続いてＥＧＲバルブモジュール２４に流れ、そこで、排気ガスは、排気ガスが車両から出ることになる排気管２６に流入する部分と、又は、低圧ＥＧＲループ１２の一部であるＥＧＲ径路２８に流入する部分との間に分割される。低圧ＥＧＲループ１２において、排気ガスは、燃焼用としてエンジン１４の中に再導入されるであろう。

ＥＧＲ径路２８に流入する排気ガスは、再燃焼の前に排気ガスの温度を冷却する低圧ＥＧＲ冷却器３２を通過する筈である。排気ガスは、低圧ＥＧＲ冷却器３２から流出し、第１流路すなわちＥＧＲ管４６を通過し、混合領域３４において空気と混合し、エンジン１４に導入するために排気ガス及び外部空気の両者を加圧するコンプレッサ３６に導入される。その後、混合された吸気ガスは給気冷却器３８を通ってエンジン１４の吸気マニホールド４０に流入する。

本発明の第１の実施形態が図２に示される。吸気４１は、第２流路すなわち吸気管４４を通ってコンプレッサホイール４２に向かって流れる。吸気管４４はコンプレッサホイールハウジング６８に接続される。コンプレッサホイール４２は、コンプレッサハウジング６８内に配置されて、コンプレッサホイール軸を形成するコンプレッサホイールシャフト６６上で回転する。ＥＧＲ管４６は吸気管４４に接続される。また、第３の流路すなわち混合管５２が、ＥＧＲ管４６に接続されて、吸気管４４の内部に配置される。混合管５２は、その直径が吸気管４４の直径よりも小さく、吸気４１の一部が混合管５２を通って流れると共に残りの吸気４１が混合管５２の周りを流れるように、吸気管４４の内部に配置される。混合管５２は、全体として５４で示す液滴を伴った全排気ガスが直接混合管５２の中に流入し得るような形で、ＥＧＲ管４６に接続される。

エンジン１４から放出される、凝縮液を含む排気ガス、すなわち液滴を伴った排気ガス５４は、低圧ＥＧＲループ１２（図１に示す）を通って流れ、ＥＧＲ管４６から流出する。液滴を伴った排気ガス５４は、コンプレッサホイール４２に達する前に吸気４１と混合されることになる液滴又は液体凝縮物５０を含む。液滴を伴った排気ガス５４は、ＥＧＲ管４６を通って流れ、そこから流出して混合管５２に流入する。液滴を伴った排気ガス５４は、吸気管４４の中央部に導かれ、ＥＧＲの最大量を導入するのに適した直径の混合管５２の中に導かれる。そこで、液滴を伴った排気ガス５４は、混合管５２に流入する吸気４１の一部と混合される。吸気４１及び液滴を伴った排気ガス５４は一緒に混合して、全体として６４で示される排気ガス及び空気の混合物を、全体として４８で示される混合点において生成する。混合物６４は、混合管５２内にあるときまだ液滴５０を含んでいる。

吸気４１の残りの部分は、混合管５２の周りを流れてコンプレッサホイール４２の上に達する。混合管５２はコンプレッサホイール４２に十分に近づけて配置されるので、混合物６４及び液滴５０は、混合管５２と同一線上にあるコンプレッサホイール４２の領域の近傍でコンプレッサホイール４２の上に流れ込む。この箇所はコンプレッサホイール４２の周速度が十分に低いので、混合物６４内に存在するいかなる液滴５０もコンプレッサホイール４２を損傷する可能性はなく、あるいは、液滴５０が、コンプレッサホイール４２を損傷することはあり得ない液膜６０に変化する。コンプレッサホイール４２に近い混合管５２及びコンプレッサホイール４２の中心領域の対応形状の実際の幾何学的形状は本出願の主題ではなく、低圧ＥＧＲをこのような方式で導入するという原理そのものが本出願の主題である。

混合管５２は、コンプレッサハウジング６８又は吸気管４４のいずれかに結合することによって支持されるので、混合管５２はコンプレッサホイールシャフト６６と完全に同一線上に固定される。ガイド用フィン６２として図に示されるこの支持部品は、コンプレッサホイール４２の前部の流れを所要の形態に変化させるように設計しなければならない。

本発明のもう１つの実施形態は、図３に示されており、技術論文、横村仁志、纐纈晋、森康時、「過給ディーゼルエンジンのＥＧＲについて―ベンチュリによるＥＧＲ領域拡大―」、ＭＦＴＢＣ開発本部、エンジン研究部（Ｅｎｇｉｎｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｄｅｖ．Ｏｆｆｉｃｅ ＭＦＴＢＣ）に記載されている。

図３に示すシステムは図２に示すシステムと類似しているが、混合管５２にベンチュリ７６が組み込まれている点が異なる。ベンチュリ７６は、混合管５２の縮小された直径の領域から構成される。この場合、ベンチュリ７６のために、液滴を伴った排気ガス５４は混合管５２の最小断面積の部分において導入される。混合管５２の最小断面積の部分における圧力が低いために、ＥＧＲ管４６全域における圧力低下が増大し、従ってＥＧＲ導入が促進される。ベンチュリ７６は、ベンチュリ７６を流れる吸気４１の圧力低下が最小限に抑えられるように設計される。

ＬＰ−ＥＧＲループ１２の全域にわたる圧力低下を増大させて低圧ＥＧＲの供給を高めるためにコンプレッサホイール４２の前部にベンチュリ７６を設けることは、ベンチュリ７６を混合管５２に組み込むことに限定されない。ベンチュリ７６を吸気管４４そのものに組み込んでもよい。ベンチュリ７６を吸気管４４に組み込むと、吸気４１の全量がベンチュリ７６を通過することになるであろう。しかし、ベンチュリ７６を吸気管４４に組み込んで使用すると、より大きなベンチュリ７６を用いる必要があることに留意しなければならない。

以上の本発明に関する説明は本質的に単なる例示であり、従って、本発明の趣旨から逸脱しない変形態様は本発明の範囲内であることが意図されている。このような変形態様は、本発明の趣旨及び範囲から逸脱したものとみなされるべきではない。

本発明によるターボ過給ユニットを有するエンジンの構成図である。 本発明の第１実施形態による組立体の側面図である。 本発明の代替的実施形態による組立体の側面図である。

Claims (16)

1. エンジンからの排気ガス内に発生する凝縮液をターボチャージャのコンプレッサの中に再導入する排気ガス再循環装置であり、
   コンプレッサホイールと、
   排気ガスを前記コンプレッサホイールに供給する第１流路と、
   空気を大気から前記コンプレッサに導入するために前記コンプレッサに接続される第２流路と、
   前記第１流路から液滴を伴った排気ガスを受け入れるための、前記第２流路の内部に配置される第３流路と
   を含む排気ガス再循環装置であって、前記第１流路が前記液滴を伴った排気ガスを前記第３流路に供給し、前記空気及び前記液滴を伴った排気ガスを混合して液滴を含む混合物を形成し、前記混合物及び前記液滴を周速度が低い領域において前記コンプレッサホイール上に導入して、前記コンプレッサホイールの損傷を防止する排気ガス再循環装置。
2. 前記第３流路の直径が前記第２流路の直径よりも小さい、請求項１に記載の排気ガス再循環装置。
3. 前記混合物及び前記液滴が前記コンプレッサホイール上に流れ込むように、前記第３流路が前記コンプレッサホイール軸に近接して配置される、請求項１に記載の排気ガス再循環装置。
4. 前記第３流路が一定の直径を有し、前記第２流路が一定の直径を有する、請求項１に記載の排気ガス再循環装置。
5. 前記第３流路が、前記第１流路に近接して配置されるベンチュリを有する、請求項１に記載の排気ガス再循環装置。
6. 前記ベンチュリが前記第１流路全域における圧力低下を惹起して、前記液滴を伴った排気ガスの前記第３流路への導入を促進する、請求項５に記載の排気ガス再循環装置。
7. 前記第２流路が、前記第１流路に近接して配置されるベンチュリを有し、前記空気及び前記液滴を伴った排気ガスが前記ベンチュリの近接領域に導入される、請求項１に記載の排気ガス再循環装置。
8. 前記ベンチュリが前記第１流路全域における圧力低下を惹起して、前記液滴を伴った排気ガスの前記第３流路への導入を促進する、請求項７に記載の排気ガス再循環装置。
9. 水分を有する排気ガスを、エンジンからの排出後にターボチャージャのコンプレッサの中に再導入する装置であり、
   コンプレッサホイール軸を有するコンプレッサホイールであって、前記コンプレッサホイールがその軸回りに回転するコンプレッサホイールと、
   排気ガスを前記コンプレッサホイールに供給する排気ガス再循環管と、
   空気を大気から前記コンプレッサホイールに導入するために前記コンプレッサホイールに動作可能に接続されかつ前記排気ガス再循環管に動作可能に接続される吸気管と、
   前記コンプレッサホイール軸に近接して配置される混合管と
   を含む排気ガスの再導入装置であって、前記排気ガス再循環管が前記エンジンから排出される液滴を伴った排気ガスを前記混合管に導入し、前記液滴を伴った排気ガスが、前記混合管内において前記空気と混合して混合物を形成し、前記コンプレッサホイール軸の近接領域において前記コンプレッサホイールの上に流れ込む排気ガスの再導入装置。
10. 前記混合管が、前記空気の少なくとも一部が前記混合管の周りを流れ、前記空気の一部は前記混合管を通って流れて、前記液滴を伴った排気ガスと混合して前記混合物を形成するように、前記吸気管の内部に配置される、請求項９に記載の排気ガスの再導入装置。
11. 前記吸気管が一定の直径を有し、前記混合管がベンチュリを含み、前記ベンチュリは前記混合管の直径を縮小した領域から構成される、請求項１０に記載の排気ガスの再導入装置。
12. 前記吸気管がベンチュリを含み、前記ベンチュリが前記排気ガス再循環管全域における圧力低下を惹起して、前記液滴を伴った排気ガスの前記混合管への導入を促進する、請求項９に記載の装置。
13. エンジンから排出される液滴を伴った排気をターボチャージャユニットのコンプレッサに流入する空気の中に再導入する装置であり、
    タービン及びコンプレッサを有するターボチャージャと、
    前記コンプレッサの内部に配置されるコンプレッサホイールであり、コンプレッサホイール軸の回りに回転可能なコンプレッサホイールと、
    大気から空気を受け入れて、前記空気を前記コンプレッサホイールに供給する吸気管と、
    前記タービンから排気ガスを受け入れる排気ガス再循環管であり、前記吸気管に接続される排気ガス再循環管と、
    前記吸気管の内部に配置されて、前記排気ガス再循環管に接続される混合管と
    を含む排気の再導入装置であって、前記エンジンから排出される前記液滴を伴った排気ガスが前記排気ガス再循環管を通って前記混合管に導かれるときに、前記液滴を伴った排気ガスが前記空気の少なくとも一部と混合されて、前記液滴を、前記コンプレッサホイール軸の近接領域において前記コンプレッサホイール上に分布させる排気の再導入装置。
14. 前記液滴を伴った排気ガスのすべてが前記排気ガス再循環管から前記混合管に供給される、請求項１３に記載の装置。
15. 前記混合管が一定の直径を特徴とし、前記吸気管が一定の直径を特徴とする、請求項１３に記載の装置。
16. さらに、前記吸気管が一定の直径を有し、前記混合管が、前記混合管の直径を縮小した領域から構成されるベンチュリをさらに含む、請求項１３に記載の装置。

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