JP2012518115A - ターボ過給機付き往復動エンジンの排気マニホールド - Google Patents
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Abstract
２から６の範囲の任意の数の気筒を備えると共に排気再循環（ＥＧＲ）システムを装備したターボ過給機付き往復動エンジンの排気マニホールドであって、ａ）前記エンジンのシリンダヘッド（１３）及びタービン（１５）への接続をそれぞれ成すためのフランジ部（２３，２５）とＥＧＲ出口ダクト（２７）への開口部とを備えた外側ケーシング（２１）、並びに、低い熱慣性を有し、粒子フィルタ（４５）を通過した後に、前記内側壁部（３１）に配置された複数のオリフィス（３５）を通って流入した排気ガスのための調整チャンバ（３５）を形成する内側壁部（３１）と；ｂ）前記排気管（１７）の反対側に位置設定された、排気ガスの入口としての内部の分岐管（４１）と；ｃ）前記内側壁部（３１）の延長部分として設計された、排気ガスをタービン（１５）内へ輸送するための出口ダクト（５９）と、を備えている排気マニホールド。
Description
この発明は、２から６の範囲の任意の数の気筒を備えると共に粒子フィルタ及び排気再循環（ＥＧＲ：Exhaust Gas Recirculation）を備えたターボ過給機付き往復動エンジンの排気多岐管（排気マニホールド：exhaust manifold）に関する。
ターボ過給機付きディーゼルエンジンからの排気ガスによって浮き彫りにされた様々な問題の中で、炭素粒子の浄化，エンジン吸気側への再循環に関連した問題、及びそのエネルギーの利用に関係した問題が、本発明の目的として、強調されるべきである。
従来技術においては、炭素と炭化水素とを含む汚染粒子の除去と窒素酸化物の含有量の低減の両方に関連して、ディーゼルエンジンの排気ガスを大気中に排出する前に浄化するための数々の提案が知られている。
汚染粒子の除去に関しては、異なるタイプのフィルタを用いる異なる提案が知られている。その一方は粒子フィルタを用いる特許文献１に記載され、他方は、特に、網の目（メッシュ：mesh）の穴部が粒子よりも大きいサイズを有し、メッシュの壁部に衝突する粒子だけを捕捉する、「衝突による収集（collection by shock）」タイプのフィルタを用いる特許文献２に記載されている。
窒素酸化物の含有量の低減に関しては、排気ガスの少なくともほんの一部をエンジンの吸気ダクトの方に向かって再循環させる、一般に頭文字ＥＧＲで参照される技術が良く知られており、再循環ループ（loop）の設計と再循環させられるガス流の調整および制御の両方に関連する、数々の具体的な提案が知られている。
最後に、過給機付きエンジンのタービン発電機における排気ガスのエネルギーを利用するための、様々な提案も知られている。
先行技術は、上述の個々の問題の各々に対して有効な解決法を与えているけれども、自動車産業は、排気ガスを浄化するあらゆる過程（プロセス：process）で不可避的に生じるエネルギー損失と、タービン発電機内へのエネルギーの利用の望ましい程度と、の適切な均衡（バランス：balance）を全体的に求める中で、特定の問題についての有効な解決法を絶えず要求している。本発明は、かかる要求に適合することを目指すものである。
本発明の目的は、高度の排気ガス浄化の達成と高度の排気ガスエネルギー利用の達成とに対し同時に貢献する、ＥＧＲシステムを装備した、２から６の範囲の任意の数の気筒を備える、ターボ過給機付き内燃機関ディーゼルエンジンの排気マニホールドである。
本発明の今一つの目的は、排気ガスをタービン内に送るときの熱慣性と流体動的現象とを順に低減し、ターボ過給機付きエンジンの過度応答性を向上させる、ＥＧＲシステムを装備した、２から６の範囲の任意の数の気筒を備える、ターボ過給機付き内燃機関ディーゼルエンジンの排気マニホールドである。
これらの目的および他の目的は、排気ガス中に含まれる粒子を保持するための少なくとも１つの粒子フィルタを含む排気マニホールドであって、以下を備えた排気マニホールドを提供することによって達成される：
ａ）エンジンのシリンダヘッド及びタービンへの接続をそれぞれ成すためのフランジ部とＥＧＲ出口ダクトへの開口部とを備えた外側ケーシング、並びに、前記両フランジ部間に位置する外側ケーシングの領域と実質的に平行で、前記外側ケーシングよりも低い熱慣性を有し、前記少なくとも１つの粒子フィルタの下流側で前記内側壁部に配置された複数のオリフィスを通って流入した排気ガスのための調整チャンバを形成する内側壁部と、
ｂ）前記排気管の反対側に位置設定された、排気ガスの入口としての内部の分岐管と、
ｃ）前記内側壁部の延長部分として設計された、排気ガスをタービン内へ輸送するための出口ダクトと、
を備えた排気マニホールド。
ａ）エンジンのシリンダヘッド及びタービンへの接続をそれぞれ成すためのフランジ部とＥＧＲ出口ダクトへの開口部とを備えた外側ケーシング、並びに、前記両フランジ部間に位置する外側ケーシングの領域と実質的に平行で、前記外側ケーシングよりも低い熱慣性を有し、前記少なくとも１つの粒子フィルタの下流側で前記内側壁部に配置された複数のオリフィスを通って流入した排気ガスのための調整チャンバを形成する内側壁部と、
ｂ）前記排気管の反対側に位置設定された、排気ガスの入口としての内部の分岐管と、
ｃ）前記内側壁部の延長部分として設計された、排気ガスをタービン内へ輸送するための出口ダクトと、
を備えた排気マニホールド。
本発明の好ましい実施形態においては、内部の分岐管の入口部分に、様々の小型の粒子フィルタが組み込まれている。このことは、外部との熱伝達表面を最小限に止めると共に、排気ガスが到達したときに排気ガスが膨張する容積を最小限に止める、コンパクトなマニホールドを用いて達成される。両事象は、排気ガスの熱損失および運動エネルギーの損失をそれぞれ低減する。
本発明の別の好ましい実施形態においては、エンジンの気筒の容量に対して標準的なサイズの単一の粒子フィルタが、出口ダクトの前で当該マニホールドの端末部に設定された濾過通路（チャンネル）内に組み込まれている。このことは、より大容量で熱伝達表面も広いが、粒子フィルタの入口部を、排気ガスの流れの温度および均一性が最大となるマニホールドのポイントにする。従って、そのことは、粒子フィルタの自己再生を促進する。更に、必要とされる粒子フィルタのサイズは市販で入手可能なものとなり、このことが、また、システムの製造コストを低減することになる。
本発明のまた別の好ましい実施形態においては、前記粒子フィルタの材質はセラミック材料である。このことは、内部の粒子を清掃する際に排気ガスの過渡的な熱損失を効果的に最小化し、これにより、加速期間中のエンジンの過渡応答性を向上させる、マニホールドを可能にする。
本発明のまた別の好ましい実施形態においては、同じ材料、例えばステンレス鋼、に対して、外側ケーシングと内側壁部との肉厚の差は少なくとも１．５ｍｍである。このことは、内側壁部の熱慣性が小さく、再循環されるガス（ＥＧＲ）の温度とタービンに送られるガスの温度との間で好適なバランスをもたらす、マニホールドを可能にする。
本発明の別のまた好ましい実施形態においては、マニホールドは、エンジンのシリンダヘッドへの接続を成すための前記フランジ部に取り付けられた管であって、排気ガスが前記シリンダヘッドに触れることを防止するために、エンジンの排気管内に導入されている管を更に備えている。このことは、排気ガスがより高温であるマニホールド、また、粒子フィルタが内部の分岐管の入口部分に組み込まれている場合に、排気ガスから汚染物質粒子を清掃する上で、粒子フィルタの有用な表面の利用に対する高度な効率を備えたマニホールドを可能にする。
本発明の他の特徴および利点は、以下の説明的な実施形態の詳細な記載、及び、何ら限定するものではないが、添付図面に関連したその目的から、明らかになることであろう。
本発明が言及する、２から６の範囲の任意の数の気筒を備えたターボ過給機付きディーゼルエンジンは、周知のように、エンジンの気筒に空気（エアー）を供給する吸気ダクトと、燃焼の結果として生じる排気ガス用のダクト若しくは多岐管（マニホールド）であって、前記排気ガスをタービン発電機のタービンに向かって送るダクト若しくはマニホールドと、を有している。更に、排気ガスの或るごく少量（ＥＧＲ）は、ＮＯｘ（窒素酸化物）排出量を低減するために、通常、冷却プロセスを経た後、排気マニホールドから吸気管へ再循環される。
図１は、前述のトポロジー（topology）を備えた４気筒ディーゼルエンジンのシリンダヘッド１３とタービン１５との間に配設されている、本発明の第１の好ましい実施形態に係る排気マニホールド１１の概略的な説明図である。
好ましい実施形態に記載された排気マニホールド１１の設計の基本的な要素は、以下の通りである：
−鋳鉄またはステンレス鋼で製作された厚さ２．５ｍｍの外側ケーシング（casing）２１であって、エンジンのシリンダヘッド１３及びタービン１５に対する接続をそれぞれもたらすフランジ部２３−２５、並びに、ＥＧＲバルブ２９によって制御される（ＥＧＲ）再循環が企図された排気ガスの出口ダクト２７方に向かう開口部を、含む外側ケーシング２１。
−鋳鉄またはステンレス鋼で製作された厚さ２．５ｍｍの外側ケーシング（casing）２１であって、エンジンのシリンダヘッド１３及びタービン１５に対する接続をそれぞれもたらすフランジ部２３−２５、並びに、ＥＧＲバルブ２９によって制御される（ＥＧＲ）再循環が企図された排気ガスの出口ダクト２７方に向かう開口部を、含む外側ケーシング２１。
−鋳鉄またはステンレス鋼で製作された厚さ１ｍｍの内側壁部３１であって、前記外側ケーシング２１の前記フランジ部２３，２５どうしの間に位置する領域と実質的に平行で、少なくとも内側壁部３１の複数のオリフィス孔３５を通って導かれるＥＧＲ調整室（チャンバ：chamber）３３を形成する、内側壁部３１。
本発明の重要な特徴は、内側壁部３１の熱慣性（熱慣性は、物質の密度とその比熱の積として定義付けられる）が、できるだけ小さくなければならず、また、材料の完全性と符合すべきであり、如何なる場合でも、外側ケーシング２１の熱慣性よりも小さくなければならない、ことである。材料の均等性（equality）は、外側ケーシング２１と内側壁部３１との厚さの差は、少なくとも１．５ｍｍでなければならないことを、意味している。
本発明の重要な特徴は、内側壁部３１の熱慣性（熱慣性は、物質の密度とその比熱の積として定義付けられる）が、できるだけ小さくなければならず、また、材料の完全性と符合すべきであり、如何なる場合でも、外側ケーシング２１の熱慣性よりも小さくなければならない、ことである。材料の均等性（equality）は、外側ケーシング２１と内側壁部３１との厚さの差は、少なくとも１．５ｍｍでなければならないことを、意味している。
−肉厚が薄く熱慣性が小さい材料で構成された、マニホールド１１への排気ガスの入口としての４本の分岐管４１であって、エンジンの４本の排気管１７に対向して位置し、その冒頭部分に組み込まれた粒子フィルタ４５を備えた、分岐管４１。粒子フィルタ４５は、熱慣性が小さい材料、好ましくはセラミック（ceramic）材料のものである。
−内側壁部３１の延長部として設計された、タービン１５に向かって排気ガスを送るための出口ダクト５９。
−エンジンの４本の排気管１７の真っ直ぐな部分に挿入された４本の管５５。
−エンジンの４本の排気管１７の真っ直ぐな部分に挿入された４本の管５５。
この構造は、一体化された粒子フィルタ４５を備えたコンパクトなマニホールド１１を提供し、また、外部に向かって熱を伝える表面が小さく、そのことが、タービン１５に到達するまで排気ガスの温度を維持するのに役立つ、コンパクトなマニホールド１１を提供し、更に、内容積が小さく、そのことが、タービン１５に向かって送られるときに排気ガスの流体慣性現象を低減し、エンジン負荷が増大している期間中のタービン発電機の加速過渡の低減により、ターボ過給機付きエンジンの過度応答性を向上させる、コンパクトなマニホールド１１を提供する。
その極めて優れた技術的な特徴および利点の中でも、以下の事項が強調されるべきである：
その極めて優れた技術的な特徴および利点の中でも、以下の事項が強調されるべきである：
ａ）入口分岐管４１内に組み込まれた粒子フィルタ４５は、エンジンのシリンダヘッド１３内の気筒鋳造体の排出ダクトである排気管１７のまさに出口にある、マニホールド１１の入口部に位置しており、従って、タービン１５の上流側に位置する粒子フィルタを備えたマニホールドも知られているけれども、従来技術においては標準的であると考えられる位置であるタービン１５の下流側の位置とは反対に、タービン１５の上流側に位置している。
４本の分岐管４１内での粒子フィルタ４５の配置は、各フィルタ４５の正面部分が各排気管１７の幾何学的切断面に近付くことができるようにし、それにより、フィルタ４５の濾過領域の効率向上を達成できるようにしている。
次に、粒子フィルタ４５が熱慣性の非常に小さい材料で製作されているという事実は、その平衡状態までの熱過渡（thermal transient）を時間内に非常に限られたものとし、タービン発電機における、従って、エンジン負荷が増大している期間中のタービン発電機の過渡応答性における、有効エネルギーに対する制限を表すものではない。
また、同様に、エンジンの排気管１７の出口部での排気ガスの高い温度に起因する、フィルタ４５に捕捉された炭素および炭化水素の粒子の自己酸化によって、粒子フィルタ４５の自己再生を許容する。自己再生は、燃料添加剤の使用をなくし、メインテナンス・コストを低下せしめ、また、エンジンを簡素化する。また、自己再生は、フィルタを再生するための燃料注入をなくし、そのことは、エンジンの平均的性能を向上させる。
次に、粒子フィルタ４５が熱慣性の非常に小さい材料で製作されているという事実は、その平衡状態までの熱過渡（thermal transient）を時間内に非常に限られたものとし、タービン発電機における、従って、エンジン負荷が増大している期間中のタービン発電機の過渡応答性における、有効エネルギーに対する制限を表すものではない。
また、同様に、エンジンの排気管１７の出口部での排気ガスの高い温度に起因する、フィルタ４５に捕捉された炭素および炭化水素の粒子の自己酸化によって、粒子フィルタ４５の自己再生を許容する。自己再生は、燃料添加剤の使用をなくし、メインテナンス・コストを低下せしめ、また、エンジンを簡素化する。また、自己再生は、フィルタを再生するための燃料注入をなくし、そのことは、エンジンの平均的性能を向上させる。
次に、タービン１５の上流側でエンジンの排気管１７に近接した粒子フィルタ４５の位置は、排気バルブの排出期間中における気筒の背圧（バックプレッシャ：back pressure）を上昇させる。このことは、排気バルブでの圧力降下を低減し、従って、これらのバルブ内で音速状態（sonic condition）が生じる期間を短くする。音速状態の期間の低減は、次に、音速状態の期間中に生じるエネルギーを積層する重要な過程（process）を低減せしめる。従って、過給グループ（supercharging group）のタービン１５によって用いられる、排気ガス中の有用なエネルギーは増加する。
このことは、一方では、エンジン内の負荷が増大する期間中のタービン発電機の過渡応答性の向上をもたらす。また、他方では、タービンが「逃がしゲート（waste-gate）」（当該タービンを通ることなくタービン下流側へ直接に排気ガスを導出するバルブ）によって制御される場合、或いは、（実際には現今の全ての過給機付きエンジンがそうであるように）タービンが多様な幾何学形状を有している場合には、タービン（若しくは「逃がしゲート」）がより多く開位置にて働くことが達成され、エンジンの総合的な効率の向上をもたらす。
このことは、一方では、エンジン内の負荷が増大する期間中のタービン発電機の過渡応答性の向上をもたらす。また、他方では、タービンが「逃がしゲート（waste-gate）」（当該タービンを通ることなくタービン下流側へ直接に排気ガスを導出するバルブ）によって制御される場合、或いは、（実際には現今の全ての過給機付きエンジンがそうであるように）タービンが多様な幾何学形状を有している場合には、タービン（若しくは「逃がしゲート」）がより多く開位置にて働くことが達成され、エンジンの総合的な効率の向上をもたらす。
次に、タービン１５の上流側への粒子フィルタ４５の配置は、エンジン背圧を低下させ、タービン１５内でのエンタルピーの急騰（enthalpy jump）を増加させ、従って、タービン１５が再生し得るエネルギーも増大させる。タービンが「逃がしゲート」によって制御される場合あるいはタービンが多様な幾何学形状を有している場合には、このことは、また、エンジンの総合的な性能の向上をもたらす。
その理由は、粒子フィルタ４５内で創り出されるガス流の積み重なり（lamination）は、タービン１５の上流側の圧力を低下させるが、この位置での排気ガスの密度が高いことにより、フィルタがタービンの下流側にある場合よりは低下度合が小さいことによる。更に、フィルタ内でのガスの積み重なりは、排気ガスのエンタルピーを維持する。従って、これらがタービン１５内で膨張するときには、殆ど大気圧にまで膨張することができる。というのは、粒子フィルタ４５が、従来慣習的な位置であるタービン下流側から配置を換えられているからである。
その理由は、粒子フィルタ４５内で創り出されるガス流の積み重なり（lamination）は、タービン１５の上流側の圧力を低下させるが、この位置での排気ガスの密度が高いことにより、フィルタがタービンの下流側にある場合よりは低下度合が小さいことによる。更に、フィルタ内でのガスの積み重なりは、排気ガスのエンタルピーを維持する。従って、これらがタービン１５内で膨張するときには、殆ど大気圧にまで膨張することができる。というのは、粒子フィルタ４５が、従来慣習的な位置であるタービン下流側から配置を換えられているからである。
更に、粒子フィルタを再生するプロセス中は、タービン１５の上流側のより高温の排気ガスが得られ、従って、より多くのエネルギーが利用可能であり、このことは、エンジンの効率および過渡応答性の向上をもたらすことになる。排気ガスがより高温であることは、また、フィルタ４５を再生させる段階（フェーズ：phase）中の（タービン１５の下流側に位置する触媒において生じる）触媒現象においても役立つ。
ｂ）従来の外側ケーシング２１と熱慣性が小さい内側壁部３１とでもたらされる二重壁構造は、調整チャンバ３３を通る排気ガスの再循環を許容する。ＥＧＲは、内側壁部３１に形成されたオリフィス３５を通って流出し、内側壁部３１と外側ケーシング２１との間に在るチャンバ３３を満たす。ＥＧＲは、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）によって制御され、マニホールド１１の出口ダクト２７に結合されたソレノイド（solenoid）２９を通って、前記チャンバ３３から排出されることになる。
オリフィス３５と出口ダクト２７とは、マニホールド１１の反対側の端部に位置しており、前者は、フランジ部２５に近接しマニホールドの分岐管の結合部（図１において符号５１で示されている）の背部に位置しており、そこでは、排気ガスはより高い温度を有している。また、後者はフランジ部２３に近接した位置にあり、ＥＧＲの流れは、内壁部３１と外側ケーシング２１との間のチャンバ３３全体を満たしている。この充満させることの目的は２つあり、チャンバ３３内のＥＧＲを冷却する第１の温度を達成する一方、第２に、壁部３１によって形成された収集チャンバ内部の排気ガスを加熱することである。
オリフィス３５と出口ダクト２７とは、マニホールド１１の反対側の端部に位置しており、前者は、フランジ部２５に近接しマニホールドの分岐管の結合部（図１において符号５１で示されている）の背部に位置しており、そこでは、排気ガスはより高い温度を有している。また、後者はフランジ部２３に近接した位置にあり、ＥＧＲの流れは、内壁部３１と外側ケーシング２１との間のチャンバ３３全体を満たしている。この充満させることの目的は２つあり、チャンバ３３内のＥＧＲを冷却する第１の温度を達成する一方、第２に、壁部３１によって形成された収集チャンバ内部の排気ガスを加熱することである。
ＥＧＲは、粒子フィルタ４５の下流側でタービン１５の上流側の位置から再循環させられるので、高圧で粒子を含まないＥＧＲが得られる。次に、ＥＧＲは、外側ケーシング２１と内側壁部３１との間に位置するチャンバ３３を通過させることにより、部分的に冷却される。このことは、遠心圧縮機の下流側のポイントで、ＥＧＲを吸気回路（インテーク・サーキット：intake circuit）内に導入することを可能にする。ＥＧＲライン（line）を高圧ゾーン（zone）と別の低圧のゾーンとの間に接続する可能性は、将来のエンジンによって求められることになるであろう、非常に高いＥＧＲ速度（EGR rate）を生み出すことを許容する。
その上、マニホールド１１の内側壁部３１での熱慣性の低減、及び、外側ケーシング２１と内側壁部３１とによってもたらされる二重壁による断熱性の高まりは、エンジンの過渡期（transition phase）および定常期（stationary phase）の両方において、タービン１５の入口部での排気ガスの有用なエネルギーを増大させるのに役立つ。このことは、一方では、タービン発電機の、従って過度期間中のエンジンの、動的応答性の向上をもたらし、他方では、タービンが多様な幾何学形状を有している場合あるいは「逃がしゲート」を備えている場合には、エンジンの総合的な性能の向上をもたらし、この向上は、多かれ少なかれタービン１５の制御が向上するときのものである。
次に、ＥＧＲバルブ２９が開いており、マニホールド１１の内側壁部３１と外側ケーシング２１との間にＥＧＲ流が創成されている、エンジンの作動状態下（主として、低負荷程度の状態下）で、マニホールド１１の内側壁部３１を加熱することは、過渡応答性およびエンジン性能に対して同様の恩恵をもたらす。
次に、ＥＧＲバルブ２９が開いており、マニホールド１１の内側壁部３１と外側ケーシング２１との間にＥＧＲ流が創成されている、エンジンの作動状態下（主として、低負荷程度の状態下）で、マニホールド１１の内側壁部３１を加熱することは、過渡応答性およびエンジン性能に対して同様の恩恵をもたらす。
ｃ）排気管１７の端末部に挿入された４本の管５５は、粒子フィルタ４５の正面部分を横切って排気ガスを振り分けるために、フランジ部２３に取り付けるための領域において分岐する円錐形状を有しており、濾過効率の向上を達成している。
ｄ）内側壁部３１の延長部としての出口ダクト５９の設計は、タービン１５内で二重壁が延びることができるようにし、従って、ＥＧＲ出口ダクト２７内へのガスの環流を困難にする排出（エジェクタ：ejector）効果を達成することを許容する。
図２は、本発明の第２の好ましい実施形態を示しており、この実施形態の今説明したばかりの実施形態との主な違いは、粒子フィルタ４５が、内側分岐管４１に組み込まれた幾つかの部分に分割されているのではなく、マニホールド１１の後側で出口ダクト５９の前側に設定された濾過通路（チャンネル：channel）６１内に組み込まれる組立体（アッセンブリ：assembly）のままに留まっている点である。
この点を除いて、この好ましい実施形態における排気マニホールド１１の設計の基本的な要素は、先に説明したものと同一である。
この設計は、マニホールド１１の符号５１の箇所で一体化された粒子フィルタ４５を、当該マニホールド１１に与えており、前記符号５１の箇所では、排気ガスがマニホールド１１内部で最高温度に達し、その流れがより一様になり、そのことが、フィルタの自己再生を促進する。しかしながら、図１に示した設計が有しているコンパクト性は失われることになるので、エンジン負荷が増大している期間中のタービン発電機の加速過渡の低減により、ターボ過給機付きエンジンの過度応答性を維持または向上させるために、マニホールド１１は、チャンバ３３によってもたらされる断熱性を有し、内側壁部３１とフィルタ４５のセラミック材料の低い熱慣性を備えている。
従って、その注目に値する技術的な特徴および利点の中でも、以下の事項が強調されるべきである：
ａ）粒子フィルタ４５は、出口ダクト５９の前でマニホールド１１の後側に形成された濾過チャンネル６１内に、従って、タービン１５の上流側に位置する粒子フィルタを備えたマニホールドも知られているけれども、従来技術においては標準的であると考えられる位置であるタービン１５の下流側の位置とは反対に、タービン１５の上流側に組み込まれている。
単一で濾過チャンネル６１内に組み込まれた粒子フィルタ４５の配置は、広範に市販されている標準的なセラミック製の粒子フィルタを使用できるようにし、そのこことは、システムを構築するコストを低減する。
次に、粒子フィルタ４５が非常に熱慣性の低い物体であるという事実は、その平衡状態までの熱過渡を時間内に非常に限られたものとし、タービン発電機における、従って、エンジン負荷が増大している期間中のタービン発電機の過渡応答性における、有効エネルギーに対する制限を表すものではない。
また、同様に、マニホールドの符号５１の箇所での排気ガスの高い温度に起因する、フィルタ４５に捕捉された炭素および炭化水素の粒子の自己酸化によって、粒子フィルタ４５の自己再生を許容する。自己再生は、燃料添加剤の使用をなくし、メインテナンス・コストを低下せしめ、また、エンジンを簡素化する。また、自己再生は、フィルタを再生するための燃料注入をなくし、そのことは、エンジンの平均的性能を向上させる。
また、同様に、マニホールドの符号５１の箇所での排気ガスの高い温度に起因する、フィルタ４５に捕捉された炭素および炭化水素の粒子の自己酸化によって、粒子フィルタ４５の自己再生を許容する。自己再生は、燃料添加剤の使用をなくし、メインテナンス・コストを低下せしめ、また、エンジンを簡素化する。また、自己再生は、フィルタを再生するための燃料注入をなくし、そのことは、エンジンの平均的性能を向上させる。
次に、タービン１５の上流側への粒子フィルタ４５の配置は、エンジン背圧を低下させ、タービン１５内でのエンタルピーの急騰（enthalpy jump）を増加させ、従って、タービン１５が再生し得るエネルギーも増大させる。タービンが「逃がしゲート」によって制御される場合あるいはタービンが多様な幾何学形状を有している場合には、このことは、また、エンジンの総合的な性能の向上をもたらす。
その理由は、粒子フィルタ４５内で創り出されるガス流の積み重なり（lamination）は、タービン１５の上流側の圧力を低下させるが、この位置での排気ガスの密度が高いことにより、フィルタがタービンの下流側にある場合よりは低下度合が小さいことによる。更に、フィルタ内でのガスの積み重なりは、排気ガスのエンタルピーを維持する。従って、これらがタービン１５内で膨張するときには、殆ど大気圧にまで膨張することができる。というのは、粒子フィルタ４５が、従来慣習的な位置であるタービン下流側から配置を換えられているからである。
その理由は、粒子フィルタ４５内で創り出されるガス流の積み重なり（lamination）は、タービン１５の上流側の圧力を低下させるが、この位置での排気ガスの密度が高いことにより、フィルタがタービンの下流側にある場合よりは低下度合が小さいことによる。更に、フィルタ内でのガスの積み重なりは、排気ガスのエンタルピーを維持する。従って、これらがタービン１５内で膨張するときには、殆ど大気圧にまで膨張することができる。というのは、粒子フィルタ４５が、従来慣習的な位置であるタービン下流側から配置を換えられているからである。
更に、粒子フィルタを再生するプロセス中は、タービン１５の上流側のより高温の排気ガスが得られ、従って、より多くのエネルギーが利用可能であり、このことは、エンジンの効率および過渡応答性の向上をもたらすことになる。排気ガスがより高温であることは、また、フィルタ４５を再生させる段階（フェーズ：phase）中の（タービン１５の下流側に位置する触媒において生じる）触媒現象においても役立つ。
ｂ）従来の外側ケーシング２１と熱慣性が小さい内側壁部３１とでもたらされる二重壁構造は、調整チャンバ３３を通る排気ガスの再循環を許容する。ＥＧＲは、内側壁部３１に形成されたオリフィス３５を通って流出し、内側壁部３１と外側ケーシング２１との間に在るチャンバ３３を満たす。ＥＧＲは、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）によって制御され、マニホールド１１の出口ダクト２７に結合されたソレノイド（solenoid）２９を通って、前記チャンバ３３から排出されることになる。
オリフィス３５と出口ダクト２７とは、マニホールド１１の反対側の端部に位置しており、前者は、フランジ部２５に近接し粒子フィルタ４５の背部に位置しており、また、後者はフランジ部２３に近接した位置にあり、ＥＧＲの流れは、内壁部３１と外側ケーシング２１との間のチャンバ３３全体を満たしている。この充満させることの目的は２つあり、チャンバ３３内のＥＧＲを冷却する第１の温度を達成する一方、第２に、フィルタ４５の内部と、壁部３１によって形成された収集チャンバ内部の、排気ガスを加熱することである。
オリフィス３５と出口ダクト２７とは、マニホールド１１の反対側の端部に位置しており、前者は、フランジ部２５に近接し粒子フィルタ４５の背部に位置しており、また、後者はフランジ部２３に近接した位置にあり、ＥＧＲの流れは、内壁部３１と外側ケーシング２１との間のチャンバ３３全体を満たしている。この充満させることの目的は２つあり、チャンバ３３内のＥＧＲを冷却する第１の温度を達成する一方、第２に、フィルタ４５の内部と、壁部３１によって形成された収集チャンバ内部の、排気ガスを加熱することである。
ＥＧＲは、粒子フィルタ４５の下流側でタービン１５の上流側の位置から再循環させられるので、高圧で粒子を含まないＥＧＲが得られる。次に、ＥＧＲは、外側ケーシング２１と内側壁部３１との間に位置するチャンバ３３を通過させることにより、部分的に冷却される。このことは、遠心圧縮機の下流側のポイントで、ＥＧＲを吸気回路（インテーク・サーキット：intake circuit）内に導入することを可能にする。ＥＧＲライン（line）を高圧ゾーン（zone）と別の低圧のゾーンとの間に接続する可能性は、将来のエンジンによって求められることになるであろう、非常に高いＥＧＲ速度（EGR rate）を生み出すことを許容する。
その上、マニホールド１１の内側壁部３１での熱慣性の低減、及び、外側ケーシング２１と内側壁部３１とによってもたらされる二重壁による断熱性の高まりは、エンジンの過渡期および定常期の両方において、タービン１５の入口部での排気ガスの有用なエネルギーを維持または増大させるのに役立つ。このことは、一方では、タービン発電機の、従って過度期間中のエンジンの、動的応答性の維持または向上をもたらし、他方では、タービンが多様な幾何学形状を有している場合あるいは「逃がしゲート」を備えている場合には、エンジンの総合的な性能の向上をもたらし、この向上は、多かれ少なかれタービン１５の制御が向上するときのものである。
次に、ＥＧＲバルブ２９が開いており、マニホールド１１の内側壁部３１と外側ケーシング２１との間にＥＧＲ流が創成されている、エンジンの作動状態下（主として、低負荷程度の状態下）で、マニホールド１１の内側壁部３１を加熱することは、過渡応答性およびエンジン性能に対して同様の恩恵をもたらす。
次に、ＥＧＲバルブ２９が開いており、マニホールド１１の内側壁部３１と外側ケーシング２１との間にＥＧＲ流が創成されている、エンジンの作動状態下（主として、低負荷程度の状態下）で、マニホールド１１の内側壁部３１を加熱することは、過渡応答性およびエンジン性能に対して同様の恩恵をもたらす。
ｃ）排気管１７の端末に挿入された４本の管５５は、それらと排気管１７の壁部との間に行き止まりの小部屋（ブラインド・チャンバ：blind chamber）を形成することにより、シリンダヘッド１３の壁部に触れるときに、排気ガスが冷却することを防止し、マニホールド１１内の排気ガス温度を上昇させるのに貢献する。前記４本の管５５は、管５５から分岐管４１へ通過する場合に、断面が変化する間に被る流れにおける負荷の損失を低減するために、フランジ部２３への取付の領域において枝分かれした円錐形を有している。
ｄ）内側壁部３１の延長部としての出口ダクト５９の設計は、タービン１５内で二重壁が延びることができるようにし、それにより、ＥＧＲ出口ダクト２７内へのガスの環流を困難にする排出（エジェクタ）効果を達成することを許容する。
要するに、本発明のマニホールド体（manifold object）は、以下の相乗効果を達成することができるようにする：
−タービン１５の上流側への（複数の）粒子フィルタ４５の配置、及び、排気ガスの粘弾性現象のより上手な利用により、エンジンの特別な燃料消費についての改良を伴う、排気ガスからタービンへのエネルギーのより上手な利用（エンジンに対するより低い正味背圧、及びタービン内での排気ガスのより大きな膨張性）。
−本発明の第１の実施形態でのマニホールド１１の内部の分岐管４１内か、或いは、第２の実施形態での濾過チャンネル６１内への、（複数の）粒子フィルタ４５の組み込み位置は、外側ケーシング２１と内側壁部３１との間のチャンバ３３の存在と一緒になって、一方では粒子からは清浄化され、他方では或る程度冷却された、ＥＧＲの流れがマニホールド１１から出力されることができるようにする。
−外側ケーシング２１と内側壁部３１との間のチャンバ３３は排気ガスに対して高度の断熱をもたらし、このことは、粒子フィルタ４５を通り過ぎた後タービン１５に到達する排気ガスの温度損失を最小にし、粒子フィルタの再生とタービン１５内での再生エネルギー量の両方において、改良をもたらす。
本発明の説明された実施形態については、添付のクレームによって規定された範囲内において変更されることが可能である。
Claims (8)
- ２から６の範囲の任意の数の気筒を備えると共に排気再循環（ＥＧＲ）システムを装備したターボ過給機付きディーゼルエンジンの排気マニホールドであって、排気ガス中に含まれる粒子を保持する少なくとも１つの粒子フィルタ（４５）を備えた排気マニホールドにおいて、
ａ）前記エンジンのシリンダヘッド（１３）及びタービン（１５）への接続をそれぞれ成すためのフランジ部（２３，２５）とＥＧＲ出口ダクト（２７）への開口部とを備えた外側ケーシング（２１）、並びに、前記両フランジ部（２３，２５）間に位置する外側ケーシング（２１）の領域と実質的に平行で、前記外側ケーシング（２１）よりも低い熱慣性を有し、前記少なくとも１つの粒子フィルタ（４５）の下流側で前記内側壁部（３１）に配置された複数のオリフィス（３５）を通って流入した排気ガスのための調整チャンバ（３５）を形成する内側壁部（３１）と、
ｂ）前記排気管（１７）の反対側に位置設定された、排気ガスの入口としての内部の分岐管（４１）と、
ｃ）前記内側壁部（３１）の延長部分として設計された、排気ガスをタービン（１５）内へ輸送するための出口ダクト（５９）と、
を備えた、ことを特徴とする排気マニホールド（１１）。 - 内部の分岐管（４１）の各々の入口部分に組み込まれた粒子フィルタ（４５）を備えている、ことを特徴とする請求項１に記載の排気マニホールド（１１）。
- 出口ダクト（５９）の前で当該マニホールド（１１）の端末部に設定された濾過チャンネル（６１）内に組み込まれた粒子フィルタ（４５）を備えている、ことを特徴とする請求項１に記載の排気マニホールド（１１）。
- 前記粒子フィルタ（４５）の材質はセラミック材料である、ことを特徴とする請求項１から３の何れか一に記載の排気マニホールド（１１）。
- 同じ材料に対して、前記ケーシング（２１）と前記内側壁部（３１）との肉厚の差は、少なくとも１．５ｍｍである、ことを特徴とする請求項１から４の何れか一に記載の排気マニホールド（１１）。
- 前記フランジ部（２３）に取り付けられた管（５５）であって、排気ガスが前記シリンダヘッド（１３）に触れることを防止し、排気ガスのマニホールド（１１）内への流入を容易にするために、前記排気管（１７）内に導入されている管を、更に備えている、ことを特徴とする請求項１から５の何れか一に記載の排気マニホールド（１１）。
- 前記オリフィス（３５）は、前記タービン（１５）への接続をもたらす前記フランジ部（２５）の付近に位置している、ことを特徴とする請求項１から６の何れか一に記載の排気マニホールド（１１）。
- 前記ＥＧＲ出口ダクト（２７）は、前記シリンダヘッド（１３）への接続をもたらす前記フランジ部（２３）の付近に位置している、ことを特徴とする請求項１から７の何れか一に記載の排気マニホールド（１１）。
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