JP2012506973A - 燃焼機関内の再循環排気ガスの冷却装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、車両（１）内の燃焼機関（２）の排出ガスを再循環させるための構造に関する。該構造は、排出ガスを燃焼機関（２）から外部へ導くように意図された排気ライン（４）と、排気ライン（４）内の排出ガスの一部を燃焼機関（２）へと再循環させるようになされた戻りライン（５）とを備えている。該構造はまた、意図した作動圧力で少なくとも１５０℃の沸点を有する液体媒体の形態の循環冷却剤を内部に収容している高温度冷却装置（１１）と、前記高温の循環冷却剤によって冷却する第一のステップを戻りライン（５）内の再循環排出ガスに適用するためのＥＧＲクーラ（１０）と、前記高温の冷却剤が空気によって冷却されるように意図されたラジエータ部材（１３）をも備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、特許請求の範囲の請求項１の前段に記載されている燃焼機関の再循環排気ガスを冷却するための装置に関する。

ＥＧＲ（排気ガス再循環）と称されている技術は、燃焼機関の排気ライン内の排気ガスの一部を再循環させる公知の方法である。排気ガスは、戻りライン内を誘導されて燃焼機関への吸入空気と混合された後に、該混合気が燃焼機関のシリンダへと導かれる。該空気に排気ガスを付加することによって比較的低い燃焼温度がもたらされ、この比較的低い燃焼温度はとりわけ排気ガス内の窒素酸化物ＮＯ_Ｘ成分を少なくさせる。この技術は、オットーエンジンとディーゼルエンジンとの両方に対して使用される。

燃焼機関へ供給される排気ガスの量は排気ガスの圧力及び温度に依存する。燃焼機関に対して出来るだけ多量の排気ガスを供給することは、排気ガスが燃焼機関へと導かれる前に効率良く冷却されることを必要とする。公知のやり方は、再循環排気ガスを燃焼機関へ誘導される前に１以上のＥＧＲクーラー内で冷却する方法である。この場合には、再循環排気ガスは、燃焼機関の冷却装置からの冷却剤によって冷却されるＥＧＲクーラー内で第一の冷却ステップを受け且つ低温度冷却装置からの冷却剤によって冷却されるＥＧＲクーラー内で第二の冷却ステップを受ける。このようにして、排気ガスは周囲温度に近い温度まで冷却される。

燃焼機関の作動中、排気ガスは１５０℃〜６００℃の範囲内の温度にある。再循環排気ガスの温度は、燃焼機関に大きな負荷がかかっているときに最も高い。燃焼機関の冷却装置が再循環排気ガスを冷却するために使用される場合には、該冷却装置は、燃焼機関に大きな負荷がかかっているときに高い負荷ピークを受ける。重量車両の場合には、燃焼機関の冷却装置は、一般的に、車両内の他の冷却条件、例えば、油圧式リターダのオイルを冷却するためにも使用される。従って、燃焼機関の冷却装置にかかる負荷を減らすことが望ましい。

本発明は、燃焼機関の再循環排気ガスの効率の良い冷却が第一のステップにおいて達成できる装置を提供することを目的としている。

この目的は、特許請求の範囲の請求項１の特徴部分に示されている特徴を有する請求項１の前段部分に記載された種類の構造によって達成できる。本発明は、燃焼機関を冷却するための従来の冷却装置内で循環される冷却剤よりも極めて高い沸点を有する循環冷却剤を備えた高温度冷却装置を使用している。該高温度冷却装置は、戻りライン内の排気ガスが循環冷却剤によって冷却されるＥＧＲクーラーと、冷却剤が空気によって冷却されるラジエータ部材とを備えている。冷却装置内の冷却剤の沸点を上昇させる一つの方法は、冷却装置内の圧力を上昇させる方法である。より安易な方法は、水よりも明らかに高い沸点を有する冷媒を使用する方法である。再循環排気ガスは６００℃に達する温度である。従って、高温度冷却装置内の冷却剤は、ＥＧＲクーラー内の排気ガスを冷却する際に蒸発しないように比較的高い沸点を有していなければならない。該高温度冷却装置内の冷却剤は、少なくとも１５０℃の沸点好ましくは３００℃を超える沸点を必要とする。高沸点の熱伝導液体は市販によって入手可能である。このような液体は通常は種々のオイルである。このような熱伝導液体の一つの例はＸＣＥＬＴＨＥＲＭ（登録商標）であり、これは大気圧力における沸点が４００℃である。適切な沸点を有するこのような熱伝導液体は、該高温度冷却装置内でＥＧＲクーラー内の再循環排気ガスを冷却するために有利に使用することができる。再循環排気ガスがこのような高い温度にあるので、比較的高温の冷却剤によってさえ良好な冷却を受ける。該高温度冷却装置内の冷却剤は、例えば、ＥＧＲクーラー内へ導かれる際に約１５０℃の温度とすることができる。このような高温度冷却装置は、第一のステップにおいて再循環排気ガスの効率の良い冷却を達成することを可能にする。本発明の好ましい実施例によれば、該高温度冷却装置のラジエータ部材は、燃焼機関を冷却するようになされている冷却装置のラジエータ部材の下流位置で、その中を空気が流れるように意図されている領域に配置される。燃焼機関の冷却装置内の冷却剤は、通常は車両の前方部分のある領域に配置されているラジエータ部材内で冷却され、従って、この場合には、該高温度冷却装置のラジエータ部材は、燃焼機関の冷却装置のラジエータ部材の後方の前方部分に配置されるであろう。従って、該高温度冷却装置のラジエータ部材は、既にその中を通過し且つ燃焼機関の冷却装置のラジエータ部材内で暖められた空気がその中を流れるようにさせる。該高温度冷却装置内の冷却剤は燃焼機関の冷却装置内の冷却剤よりも温度が高いので、この比較的温かい空気は、依然として該高温度冷却装置内の冷却剤の有効な冷却を提供する。該高温度冷却装置のラジエータ部材は、燃焼機関の冷却装置のラジエータ部材と、該ラジエータ部材内を流れる冷却空気の流れが発生されるようにされているラジエータファンとの間の位置に配置されるのが有利である。高温度冷却装置のラジエータ部材のこのような配置によって、その中を流れる十分な空気の流れがもたらされ、この十分な空気の流れは高温度冷却装置内の冷却剤を冷却する。従って、このような場合には、高温度冷却装置内の冷却剤を冷却するために既に存在している空気の流れを使用することが可能である。

本発明の別の実施例によれば、高温度冷却装置は、ラジエータ部材に近接して配置され且つラジエータ部材内を流れる冷却空気の流れを発生するようになされた別個のラジエータファンを備えている。このような別個のラジエータファンは、車両内のあらゆる所望の位置に高温度冷却装置のラジエータ部材を嵌め込むことを可能にする。高温度冷却装置のラジエータ部材は、燃焼機関の近くの車両の内側領域内に配置されるのが有利である。従って、冷却剤が循環せしめられる高温度冷却装置のラインは比較的短い。高温度冷却装置のラジエータ部材は燃焼機関に取り付けることができ、この場合には、高温度冷却装置内の冷却剤を循環させるラインは極めて短い。この場合には、該高温度冷却装置のラジエータ部材は、適当な取り付け部材によって燃焼機関に直接的に又は間接的に取り付けられる。

本発明の別の好ましい実施例によれば、該装置は、少なくとも１つの更に別のＥＧＲクーラーを備えており、該別のＥＧＲクーラーは、再循環排気ガスが燃焼機関へ導かれる前に再循環排気ガスに少なくとも１つの更に別の冷却ステップを受けさせる。比較的高い温度にある冷却剤を有している高温度冷却装置は、通常は、再循環排気ガスを所望の低い温度まで冷却するように動作しない。従って、再循環排気ガスは、これらの排気ガスが燃焼機関へ導かれる前に更に冷却する必要はない。該再循環排気ガスは、更に別のＥＧＲクーラー内で燃焼機関の冷却装置からの冷却剤によって冷却されるように意図されている。通常の作動中においては、燃焼機関の冷却装置内の冷却剤は８０〜１００℃である。燃焼機関の冷却装置内の冷却剤は高温度冷却装置内の冷却剤よりも温度が低い。従って、再循環排気ガスを第二の冷却ステップを受けさせるために、燃焼機関の冷却装置内の冷却剤を使用することができる。該再循環排気ガスは既に高温度冷却装置によって第一の冷却ステップを受けているので、この場合は、燃焼機関の冷却装置上には比較的中程度の負荷が存在するという結果となる。再循環排気ガスは、所望の低い温度を達成するために第三の冷却ステップを受けるのが有利である。この目的のために、再循環排気ガスは更に別のＥＧＲクーラー内で低温度冷却装置からの冷却剤によって冷却される。この低温度冷却装置においては、冷却剤は、燃焼機関の冷却装置内の冷却剤よりも低い温度にあることを意図されている。この低温度冷却装置は、該冷却装置内の冷却剤が周囲温度にある空気によって冷却されるラジエータ部材を備えているので有利である。このようにして、該低温度冷却装置内の冷却剤は周囲温度に近い温度を呈する。このようにして、排気ガスが所望の低い温度まで冷却されることが可能にされている。別の方法として、排気ガスは空冷ＥＧＲクーラーによる冷却ステップを受けることができる。この場合には、再循環排気ガスは周囲温度にある空気によって有利に冷却される。

以下、本発明の好ましい実施例を、添付図面を参照して例示的に説明する。
図１は、本発明の第一の実施例による過給式ディーゼルエンジンの構造を示している図である。 図２は、本発明の第二の実施例による過給式ディーゼルエンジンの構造を示している図である。

図１は、概略的に図示されている車両１に動力を付与するようになされている燃焼機関２のための構造を示している。該燃焼機関は、ここではディーゼルエンジン２として例示されている。ディーゼルエンジン２は大型車両１に動力を付与するように意図されている。ディーゼルエンジン２のシリンダからの排出ガスは、排気マニホルド３を介して排気ライン４に導かれる。該構造は、排気ライン４内の排気ガスの一部の再循環をもたらすための戻りライン５を備えている。戻りライン５は、排気ライン４と燃焼機関２への圧縮された空気のための吸入ライン６との間に亘る長さである。従って、この場合には、ディーゼルエンジン２は過給式である。戻りライン５はＥＧＲ弁７を備えており、該ＥＧＲ弁７によって戻りライン５内の排気の流れを遮断することができる。ＥＧＲ弁７はまた、燃焼機関２へと導かれる排気ガスの量を段階的に制御するために使用することもできる。制御ユニット８は、ディーゼルエンジン２の現在の作動状態に関する情報に基づいてＥＧＲ弁７を制御するようになされている。戻りライン５からの再循環排気ガスは、混合器９によって吸入ライン６内の圧縮された空気と混合される。過給式ディーゼルエンジン２のある種の作動状態においては、排気ライン４内の排気ガスの圧力は、吸入ライン６内の圧縮された空気の圧力よりも低い。このような作動状態においては、特別な補助装置が無しの状態で戻りライン５内の排気ガスを吸入ライン６内の圧縮された空気と直接混合することはできない。この目的のために、例えば、可変の幾何学的構造を有するターボユニットを使用することができる。そうではなく内燃機関２が過給式オットーエンジンである場合には、戻りライン５内の排気ガスは吸入ライン６内へ直接導かれる。なぜならば、オットーエンジンの排気ガス４は、ほぼ全ての作動状態において吸入ライン６内の圧縮された空気よりも高い圧力にあるからである。

当該構造は、冷媒の形態の循環冷却剤を有している高温度冷却装置１１を備えており、前記循環冷却剤は該冷却装置内の意図されている作動圧力において少なくとも１５０℃の沸点を有している。高温度冷却装置１１はＥＧＲクーラー１０を備えており、ＥＧＲクーラー１０内では、戻りライン５内の再循環排気ガスが第一の冷却ステップを受けるように意図されている。ＥＧＲクーラー１０内へ導かれる再循環排気ガスは６００℃に達する温度である。高温度冷却装置内の冷却剤は、該高温度冷却装置がＥＧＲクーラー１０内の再循環排気ガスを冷却するときに該冷却装置内で蒸発し始める危険性が無い程度に高い沸点を有している必要がある。この場合には、３００℃を越える沸点を有している冷却剤が使用されている。高圧装置１１内の冷却剤は、良好な熱伝導特性を有しているオイルである。冷却剤ポンプ１２は高温度冷却装置１１内の冷却剤を循環させている。高温度冷却装置１１は冷却剤を冷却させるためのラジエータ部材１３を備えている。ラジエータ部材１３は、燃焼機関２の作動中に該ラジエータ部材内を通過する冷却空気の流れを有している車両１の領域Ａに配置されている。

内燃機関２は、循環冷却剤を含んでいる冷却装置１４によって一般的なやり方で冷却される。冷却剤ポンプ１５は、燃焼機関の冷却装置１４内で冷却剤を循環させる。冷却剤は、燃焼機関２内を循環した後にサーモスタット１７へのライン１６内に導かれる。冷却剤が通常の作動温度に達している状態においては、サーモスタット１７は、高温度冷却装置１１内のラジエータ部材１３の前方位置の領域Ａ内に嵌め込まれているラジエータ部材１８に冷却剤を導くようになされている。ラジエータファン２８は、燃焼機関２の作動中にラジエータ部材１３，１８内を通る冷却空気の流れを発生させるようになされている。ライン１６内の冷却剤の一部は、ライン１６の一つの位置１６aに設けられているライン回路１９へ導かれる。ライン回路１９内へ導かれた冷却剤は第二のＥＧＲクーラー２０内を誘導され、第二のＥＧＲクーラー２０内で、冷却剤は戻りライン５内の再循環排気ガスに第二の冷却ステップを受けさせる。その後に、冷却剤はライン１６内の冷却剤の流れの意図された方向に関して位置１６aの下流に位置している位置１６ｂにおいてライン１６へと戻るように導かれる。

再循環排気ガスは戻りライン５内を通って第三のＥＧＲクーラー２１へと進み、第三のＥＧＲクーラー２１内では、該再循環排気ガスは低温度冷却装置２２の内の冷却剤によって第三の冷却ステップを受ける。低温度冷却装置２２は循環冷却剤を含んでおり、該循環冷却剤は燃焼機関の冷却装置１４内の冷却剤よりも低い温度にある。冷却剤ポンプ２３は低温度冷却装置２２内の冷却剤を循環させる。低温度冷却装置２２は車両１の周辺領域Ｂに配置されているラジエータ部材２４を備えている。電動モーター２６によって駆動される別個のラジエータファン２５が、領域Ｂ内のラジエータ部材２４内を流れる冷却空気の流れを提供している。循環排気ガスは、３つのＥＧＲクーラー１０，２０，２１内で冷却された後に混合器９へと導かれ、混合器９内で吸入ライン６内の圧縮空気と混合される。その後、空気と排気ガスとの混合物は、マニホルド２７を介してディーゼルエンジン２の各々のシリンダへと導かれる。

ディーゼルエンジン２の作動中、排気ガスは燃焼機関２から流れ出て排気ライン４内へ入る。ディーゼルエンジン２のほとんどの作動状態中、制御ユニット８は、ＥＧＲ弁７を開いた状態に維持して、排気ライン４内の排気ガスの一部分が戻りライン５内へ導かれるようにする。戻りライン５内へ導かれた排気ガスは、通常は燃焼機関の作動状態に応じて１５０℃〜６００℃の範囲内の温度にある。戻りライン５内の循環排気ガスは、高温度冷却装置１１内の冷却剤によるＥＧＲクーラー１０内で第一の冷却ステップを受ける。高温度冷却装置１１内の冷却剤は、ラジエータ部材１３内で熱を放出する。従って、ラジエータ部材１３は、内部を流れる空気の流れに関して燃焼機関の冷却装置１４のラジエータ部材１８の下流の位置にある領域Ａに配置されている。従って、ラジエータ部材１３内の冷却剤はラジエータ部材１８内の冷却剤よりも高い温度の空気によって冷却される。ラジエータ部材１８内を通過する空気は、通常は２０℃〜４０℃の温度上昇を受ける。従って、高温度冷却装置内の冷却剤が燃焼機関の冷却装置１４内の冷却剤と同じ低い温度まで冷却されることはできない。しかしながら、高温度冷却装置１１内の冷却剤を再循環排気ガスに対して有効な第一の冷却ステップを適用できる十分に低い温度まで冷却することは可能である。再循環排気ガスは、ＥＧＲクーラー１０を出て行くときには例えば１５０℃〜２００℃の範囲内の温度にある。該再循環排気ガスはその後ＥＧＲクーラー２０へと導かれ、該ＥＧＲクーラー内で燃焼機関内の冷却装置１４からの冷却剤によって冷却される。ここでは冷却剤は通常８０℃〜１００℃の範囲内の温度にある。従って、再循環排気ガスは、ＥＧＲクーラー２０内では、約１００℃〜１２０℃の温度まで冷却される。再循環排気ガスは、最終的にＥＧＲクーラー２１へと導かれ、該ＥＧＲクーラー内で低温度冷却装置２２からの冷却剤による第三の冷却ステップを受ける。低温度冷却装置２２内のラジエータ部材２４は周囲温度にある空気によって冷却される。この周囲温度にある空気は、別個のラジエータファン２５によってラジエータ部材２４の中を通るように付勢されている。このようにして、該低温度冷却装置内の冷却剤は周囲温度に近い温度まで冷却される。従って、再循環排気ガスは、圧縮空気と混合される前にＥＧＲクーラー２１内で第三の冷却ステップを受けて比較的低い温度となり、混合ガスが燃焼機関２へ導かれる前に、図示されていない給気クーラー内で類似した温度まで冷却されるので有利である。

燃焼機関２が大きな負荷を受ける作動状態においては、良好な冷却が必要とされる。このような状態では、排気ガスもまた高い温度となるであろう。しかしながら、高温度冷却装置１１による再循環排気ガスの最初の冷却によって、これらの排気ガスの温度は、燃焼機関の冷却装置１４による第二の冷却ステップを受ける前にかなり下げられる。従って、燃焼機関の冷却装置１４に対する負荷が実質的に減じられる。高温度冷却装置１１のラジエータ部材１３を領域Ａに配置することは、領域Ａ内に既に存在している冷却空気もまた高温度冷却装置１１内の冷却剤を冷却するために使用することができることを意味している。

図２は該構造の代替的な実施例を示している。この場合には、高温度冷却装置１１のラジエータ部材１３は車両の内部領域Ｃに配置されている。ここでは、ラジエータ部材１３は、適当な取り付け部材によって燃焼機関２に取り付けられている。電動モーター３０によって駆動される別個のファン２９は、ラジエータ部材１３内を流れる冷却空気の流れを発生するようになされている。燃焼機関２の近くの空気は比較的温かいが依然として高温度冷却装置１１内の冷却剤を冷却するために有利に利用することができる。この場合には、ＥＧＲクーラー１０とラジエータ部材１３内との間の距離が短いので循環冷却剤のためのラインは極めて短い。この場合には、低温度冷却装置２２内のラジエータ部材２４は、燃焼機関の冷却装置１４のラジエータ部材１８の上流に位置している領域Ａに配置されている。低温度冷却装置２２内の冷却剤は、ここでは周囲の温度にある空気によっても冷却される。この場合には、ラジエータ部材１８内の冷却剤を冷却する空気は幾分高い温度にある。燃焼機関の冷却装置内の冷却剤は通常は約８０度の温度にあるので、このことはすぐさま不利というわけではない。該装置の実施例においては、再循環排気ガスは、図１の実施例にほぼ類似した方法の第三の冷却ステップを受ける。従って、この場合には、再循環排気ガスの冷却の更なる説明はしない。この実施例においてもまた、高温度冷却装置１１の存在によって燃焼機関の冷却装置１４に対する負荷の減少がもたらされる。

本発明は図面で参照されている実施例に決して限定されず、本発明の範囲内で自由に変更することができる。再循環排気ガスは、必ずしも、３つの冷却ステップを受ける必要はなく、より少ない冷却ステップを受けることも可能である。

１ 車両、
２ 燃焼機関、ディーゼルエンジン、
３ 排気マニホルド、
４ 排気ライン、
５ 戻りライン、
６ 吸入ライン、
７ ＥＧＲ弁、
８ 制御ユニット、
９ 混合器、
１０ ＥＧＲクーラー、
１１ 高温度冷却装置、
１２ 冷却剤ポンプ、
１３ ラジエータ部材、
１４ 冷却装置、
１５ 冷却剤ポンプ、
１６ ライン、
１７ サーモスタット、
１８ ラジエータ部材、
１９ ライン回路、
２０ 第二のＥＧＲクーラー、
２１ 第三のＥＧＲクーラー、
２２ 低温度冷却装置、
２３ 冷却剤ポンプ、
２４ ラジエータ部材、
２５ ラジエータファン、
２６ 電動モーター、
２７ マニホルド、
２８ ラジエータファン、
２９ ファン、
３０ 電動モーター

Claims (10)

1. 車両（１）内の燃焼機関（２）の排気ガスの再循環装置であり、排気ガスを燃焼機関（２）から外部へ導くように意図された排出ライン（４）と、排出ライン（４）内の排気ガスの一部を燃焼機関（２）へと再循環させるようになされた戻りライン（５）とを備えており、意図した作動圧力で少なくとも１５０℃の沸点を有する液体媒体の形態の循環する冷却剤を内部に収容している高温冷却装置（１１）と、前記循環する高温の冷却剤によって冷却される第一の冷却ステップを戻りライン（５）内の再循環する排気ガスに適用するためのＥＧＲクーラ（１０）と、前記高温の冷却剤が空気によって冷却されるように意図されたラジエータ部材（１３）と、を備えていることを特徴とする装置。
2. 前記高温冷却装置（１１）のラジエータ部材（１３）が、燃焼機関（２）を冷却するようになされている冷却装置（１４）のラジエータ部材（１８）の下流位置において内部を空気が流れさせるようになされた領域（Ａ）に配置されている、ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記高温冷却装置（１１）の前記ラジエータ部材（１３）が、前記燃焼機関の冷却装置（１４）の前記ラジエータ部材（１８）と前記ラジエータ部材（１８，２４）内を流れる空気の流れを発生させるようになされたラジエータファン（２８）との間に配置されている、ことを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 前記高温冷却装置（１１）が、前記ラジエータ部材（１３）に近接して配置され且つ該ラジエータ部材（１３）内を流れる冷却空気の流れを発生するようになされている別個のファン（２９）を備えている、ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
5. 前記高温冷却装置（１１）のラジエータ部材（１３）が、前記燃焼機関（２）に近接した車両（１）の内部領域（Ｃ）に配置されている、ことを特徴とする請求項４に記載の装置。
6. 前記高温冷却装置（１１）のラジエータ部材（１３）が前記燃焼機関（２）に取り付けられている、ことを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 前記戻りライン（５）内の再循環排気ガスに、該再循環排気ガスが燃焼機関（２）へと導かれる前に該再循環排気ガスを冷却する少なくとも１つの更に別の冷却ステップを適用するための少なくとも１つの更に別のＥＧＲクーラ（２０，２１）を備えている、請求項１〜６のうちのいずれか一の項に記載の装置。
8. 前記再循環排気ガスが、更に別のＥＧＲクーラー（２０）内で、前記燃焼機関の冷却装置（１４）からの冷却剤によって冷却されるように意図されている、ことを特徴とする請求項７に記載の装置。
9. 前記再循環排気ガスが、更に別のＥＧＲクーラー（２１）内で、低温冷却装置（２２）からの冷却剤によって冷却されるように意図されており、前記低温冷却装置（２２）内の冷却剤は、前記燃焼機関の冷却装置（１４）内の冷却剤よりも低温であるように意図されている、ことを特徴とする請求項７又は８に記載の装置。
10. 前記低温冷却装置（２２）内の冷却剤が、ラジエータ部材（２４）内で、周囲温度にある空気によって冷却されるように意図されている、ことを特徴とする請求項１〜９のうちのいずれか一の項に記載の装置。

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