JP2012524213A

JP2012524213A - 流体混合システム

Info

Publication number: JP2012524213A
Application number: JP2012507318A
Authority: JP
Inventors: スコットエーファルコナー; グレンエムウェジントン; オズワルドバーシュ
Original assignee: インターナショナルエンジンインテレクチュアルプロパティーカンパニーリミテッドライアビリティカンパニー
Priority date: 2009-04-20
Filing date: 2010-04-20
Publication date: 2012-10-11
Also published as: CN102439271A; BRPI1016239A2; EP2422061A1; EP2422061A4; WO2010123905A1

Abstract

流体混合システムが第１の流体導管及び第１の流体導管と流体連通状態にある第２の流体導管を有する。第２の流体導管は、第１の管及び第２の管を有し、第１の管及び第２の管の少なくとも一方は、スワール又はターンブル流を生じさせる。流体混合システムは、吸気導管及びＥＧＲ導管を有するＥＧＲシステムであるのが良く、ＥＧＲ導管は、スワール又はターンブル流を生じさせる。多数種類の流体を導入する方法が導管内に第１の流体流れを用意するステップと、第１の管内に第２の流体流れを用意するステップと、第２の管内に第３の流体流れを用意するステップとを有する。第２の流体流れを導管に対して第１の入射角をなして第１の流体流れに導入する。

Description

１９７０年代以来、多くのガス及びディーゼルエンジンにおけるエミッションを減少させるために排気ガス再循環（ＥＧＲ）システムでは流体混合システムが用いられている。従来型ＥＧＲ流体混合システムでは、エンジンからの排気ガスを再循環させて吸気マニホルド内のガスと組み合わせ又は混合する。排気ガスは、通常、シリンダ内の燃焼行程中、燃料の燃焼温度を窒素酸化物（ＮＯ_X）の生成温度よりも低い温度に下げる。

流体混合システムが提供される。一実施形態では、流体混合システムは、第１の流体導管及び第１の流体導管と流体連通状態にある第２の流体導管を有する。第２の流体導管は、第１の管及び第２の管を有し、第１の管及び第２の管の少なくとも一方は、スワール又はターンブル流を生じさせる。

少なくとも１つの実施形態では、吸気導管及び吸気導管と流体連通状態にあるＥＧＲ導管を有するＥＧＲシステムが提供される。ＥＧＲ導管は、スワール又はターンブル流を生じさせる。

少なくとも１つの実施形態では、多数種類の流体を導入する方法が提供される。この方法は、導管内に第１の流体流れを用意するステップと、第１の管内に第２の流体流れを用意するステップと、第２の管内に第３の流体流れを用意するステップとを有する。この方法は、第２の流体流れを導管に対して第１の入射角をなして第１の流体流れに導入するステップと、第３の流体流れを導管に対して第２の入射角をなして第１の流体流れに導入するステップとを更に有する。第１の管又は第２の管の少なくとも一方は、それぞれの第２の流体流れ又は第３の流体流れをスワールまたはターンブルする。

先行技術のＥＧＲシステムの側面図側斜視図である。先行技術のＥＧＲシステムの平面図側斜視図である。本明細書において説明する例示の実施形態としての流体混合システムの側面図側斜視図である。本明細書において説明する例示の実施形態としての流体混合システムの斜視図である。本明細書において説明する例示の実施形態としての流体混合システムの断面図である。３つの再循環ポートを１つのポートに合体させたＥＧＲシステムのための圧力パルスチャージングを示すグラフ図である。６つの再循環ポートを１つのポートに合体させたＥＧＲシステムのための圧力パルスチャージングを示すグラフ図である。

以下の説明は、流体混合システム、例えばＥＧＲシステムを含む多くの特定の実施形態及び細部を提供することによって実施形態の完全な理解を提供しようとするものである。しかしながら、本発明は、例示に過ぎないこれらの実施形態及び細部には限定されないことはいうまでもない。さらに、当業者であれば、公知の装置、システム及び方法に照らして、任意の数の変形実施形態において本発明の使用をその意図した目的及び利点に関し理解するであろうことはいうまでもない。

従来型ＥＧＲシステムでは、ＥＧＲと取り入れガスとしての空気（以下「新気」という場合がある）の混合は、数種類の方法の１つで達成されている。例えば、単純な設計例は、ＥＧＲ導管と吸気導管は、“Ｔ（ティー）”又はこれに類似した連結部を形成する場合がある。しかしながら、このようなシステムでは、排気ガスと燃焼用ガスの混合具合は、不十分である。

ＥＧＲと新気の混合具合を向上させるために種々の改良策が提案されたが、これら改良策は、ガスを適切に配合することがない。図１及び図２を参照すると、全体を参照符号１００で示された一ＥＧＲ混合設計例では、ＥＧＲガスは、２つの空気流、即ち、第１の空気流１１０と第２の空気流１１２に分割され、これら空気流の各々は、吸気導管１３０の互いに反対側の側部内に注入される。この設計例では、ＥＧＲは、互いに約１８０°の間隔を置いて設けられた２つのポートのところで吸気導管１３０内に注入される場合がある。このようなガスシステム相互間の不適当な混合をもたらすことに加えて、この設計例は、製造するのが非常に困難である。

種々の従来型混合システムでは、結果的に生じた流体混合物は、一様ではなく、排気ガスの高い濃度又は低い濃度のポケット、ゾーン、領域又は層を含む。空気取り入れガス内における排気ガスの分散状態は、排気ガスが吸気流の一方の側部に流入したときに不均一である場合がある。

従来型混合システムと比較して、例示の実施形態のシステムは、向上した流体混合具合をもたらす。一般的にいって、例示の実施形態のシステムは、流体を大径の導管まで運ぶ複数本の管を有する。管の少なくとも１本は、流体流れをスワールさせると共に／或いはターンブルさせ、大径導管内に存在しているときの流体の良好な混合をもたらす。幾つかの例示の実施形態では、流体混合物の均一性を最適化するために流体混合システムが用いられるのが良い。例示の実施形態を本明細書においてＥＧＲシステムと関連して説明するが、かかるシステムは、他の流体混合システムに使用できることは解る。

図３〜図５を参照すると、例示の実施形態では、ＥＧＲシステム２００は、ＥＧＲを空気導管２１０まで運ぶ複数本の平行な管３００を有する。空気導管２１０は、空気入口２１２、空気出口２１４及び空気入口と空気出口との間の通路を有する。平行な管３００は、入口２１２と出口２１４との間で空気導管と交差する。導管２１０は、必要に応じて又は所望ならば任意適当な形状又は断面のものであって良い。導管２１０は、任意適当な材料、例えばアルミニウム、鋳鉄、ステンレス鋼、プラスチック等で構成できる。

例示の実施形態では、管３００の少なくとも１本は、スワール又はねじれ流体流れを提供する。実施形態を本明細書において２本の管３００に関して説明するが、これより多い本数の平行な管を実施形態の範囲内において設けることができることは理解されよう。単一の管３００について以下に詳細に説明する。

複数本の平行な管（例えば、３００Ａ，３００Ｂ）が組み合わせ状態で説明され又は図示されているが、同一の特徴を説明するのに同一の参照符号が用いられている。

種々の実施形態では、平行な管３００は、流体、例えばＥＧＲを吸気導管２１０まで運ぶことができる。幾つかの実施形態では、平行な管３００の１本又は２本以上は、ＥＧＲの代わりに又はこれに加えて他の流体を運ぶことができる。幾つかの実施形態では、管３００の各々は、同種の流体を運ぶのが良い。他の実施形態では、管３００は、互いに異なる流体を導管２１０まで運ぶのが良い。例えば、例示の実施形態では、１本の管３００Ａは、ＥＧＲを運ぶのが良く、第２の管３００Ｂは、低温空気を運ぶのが良い。管３００の１本又は２本以上は、必要に応じて又は所望ならば他の流体、例えばパワーエンハンサ（power enhancer）又は酸化還元化合物を運ぶことができる。

例示の実施形態では、各平行な管３００は、空気入口３０２、空気出口３０４及び空気入口と空気出口との間に延びる本体３０６を有するのが良い。平行管３００の空気出口３０４は、空気導管２１０に通じており、その結果、管３００は、導管２１０と流体連通関係をなしている。管３００は、任意適当な材料、例えばアルミニウム、鋳鉄、ステンレス鋼、プラスチック等で構成できる。種々の実施形態では、管３００は、これらが導管２１０と一体であるように形成されても良い。他の実施形態では、管３００を別々に形成し、次に導管２１０と接合しても良い。例えば、管３００を導管２１０に溶接しても良く、管３００と導管２１０は、互いに締結される対応の切欠き／溝又はフランジ組立体を有しても良く、管３００及び導管２１０を互いに圧力嵌めしても良く、又は接着剤で互いに取り付けても良い。多数本の管３００を一緒に又は別々に形成し、そして導管２１０と一緒に又は別々に接合しても良い。製造及び包装方法を含む幾つかの変数に基づいて管３００と導管２１０を接合する他の方法を必要に応じて又は所望ならば用いることができる。

種々の実施形態では、各管３００は、任意適当な長さを有することができる。例えば、例示の実施形態では、管３００は、空気入口３０２から空気出口３０４まで測定して約２インチ（５．０８ｃｍ）〜約１０インチ（２５．４０ｃｍ）の長さを有することができる。理解されるように、管３００の長さは、鋳造サイズ、エンジン組立体に関する要件等を含む幾つかの変数に基づいて決定されるのが良い。種々の実施形態では、各管３００は、任意適当な直径及び断面形状を有することができる。例えば、直径及び断面は、損失を減少させ、スワール又はターンブルを誘導し、或いは乱流を減少させ又は増大させるよう設定されるのが良い。例示の断面としては、例えば、円形、長円形、砂時計形、Ｊ字形、Ｕ字形等が挙げられると共にこれら断面形状の組み合わせが挙げられる。幾つかの実施形態では、断面は、断面を通って流れる流体を縮小させ又は拡大するよう所望ならば又は必要に応じて長さに沿って増大し又は減少しても良い。

例示の実施形態では、管３００の少なくとも１本は、スワール流を作るよう構成されている。例えば、種々の実施形態では、管３００の少なくとも１本は、スワール流を生じさせるようねじられている。他の種々の実施形態では、管３００の少なくとも１本は、スワール流を生じさせる内部輪郭又は構造、バッフル、ベーン、突起、フィン、施条（rifling ）等を有する。例示の実施形態では、管３００の少なくとも１本は、ターンブル流を生じさせるよう構成されている。例えば、種々の実施形態では、管３００の少なくとも１本は、ターンブル流を生じさせる内部輪郭又は構造、バッフル、ベーン、突起、フィン、施条等を有する。種々の実施形態では、管３００は、管３００内にスワール又はターンブル流を生じさせると共に／或いは流体が空気出口３０４を出た後にスワール且つターンブル流を生じさせるのが良い。例示の実施形態では、管３００の少なくとも１本は、スワール且つターンブル流を生じさせるよう構成されている。一実施形態では、管３００は、下流側の流体混合物の均一性を最適化するようスワール且つ／或いはターンブル流をもたらすよう構成されている。

図３及び図４を参照すると、例示の一実施形態では、管３００は、空気入口３０２と空気出口３０４との間のその長さに沿って設けられ、スワール流を生じさせるねじれを有する。管３００は、スワール流をもたらすよう任意適当なねじれ度を有することができる。管３００のねじれ度は、ＥＧＲシステム２００の混合効率に影響を及ぼす場合がある。種々の実施形態では、ねじれ管３００のねじれは、１インチ（２．５４ｃｍ）当たり約１５°から１インチ当たり約９０°まで或いは１インチ当たり約３０°から約４５°までであるのが良い。幾つかの実施形態では、複数本の管３００Ａ，３００Ｂは、同一のねじれ度を有する。幾つかの実施形態では、複数本の管３００Ａ，３００Ｂは、互いに関してねじられても良い。幾つかの実施形態では、一方の管３００Ａは、他方の管３００Ｂよりも高いねじれ度を有するのが良い。幾つかの実施形態では、一方の管３００Ａは、真っ直ぐであり、第２の管３００Ｂは、ねじられているのが良い。幾つかの実施形態では、管３００Ａ，３３０Ｂの１本又は２本以上は、ガスのスワール、ターンブル又は再循環を変化させることによって流体の混合度に影響を及ぼす１つ又は２つ以上の幾何学的形状、例えば管３００に設けられた曲がり部又は折り曲げ部を有するのが良い。

種々の例示の実施形態では、導管２１０は、導管２１０内の流体のスワール、ターンブル及び／又は再循環を変化させることにより流体の混合度に影響を及ぼす１つ又は２つ以上の構造体又は幾何学的形状を有するよう構成されるのが良い。導管２１０は、管３００に関して本明細書において説明したスワール及び／又はターンブル手段又は装置の任意のものを有することができる。

種々の例示の実施形態では、大径の導管２１０のところで終端し、例えば、空気出口３０４が管３００と導管２１０との間の通路となる。幾つかの実施形態では、管３００の１本又は２本以上は、大径導管２１０の内面のところで終端していても良い。図５を参照すると、幾つかの実施形態では、管３００は、大径導管２１０の内面を越えて終端しても良く、その結果、空気出口３０４は、導管２１０内に延び、それによりＥＧＲが導管２１０のより中心線に向かって注入されるようになる。

種々の実施形態では、各管３００は、小径管３００の内容物を所定の入射角をなして大径導管２１０内に注入するような仕方で大径導管２１０と交差するのが良い。「入射角」は、交差部のところ又は導管２１０が交点のところで湾曲している場合には導管２１０の接線のところにおいて管３００の中心線と大径導管２１０の中心線との間で測定した角度である。例示の実施形態では、管３００の入射角は、適当な角度であって良い。一実施形態では、各ねじれ管３００の入射角は、約９０°から約４５°であるのが良い。幾つかの実施形態では、入射角は、導管２１０内の流体流れ方向と垂直な方向、これと同一方向に向かって又はこれとは逆の方向に向かって差し向け可能である。幾つかの実施形態では、管３００は、導管２１０へのその導入の直前において、管３００内の流れ方向を変化させるよう出口３０４のところ又はその近くに曲がり部を有するのが良い。種々の実施形態では、各管３００Ａ，３００Ｂは、空気を異なる方向に注入するのが良い。幾つかの実施形態では、管３００Ａ，３００Ｂの各々の入射角は、全ての流体の混合度を一段と増大させることができるスワール効果を生じさせるよう他方からオフセットしているのが良い。例えば、一実施形態では、管３００Ａの入射角は、管３００Ｂの入射角とは約３０°だけオフセットしているのが良い。

例示の実施形態では、管３００は、導管２１０に沿う任意適当な箇所で導管と交差するのが良い。幾つかの実施形態では、２本又は３本以上の管３００Ａ，３００Ｂが互いに隣接した箇所で導管２１０と交差するのが良い。他の実施形態では、２本又は３本以上の管３００Ａ，３００Ｂが導管２１０とこの導管の互いに反対側で交差するのが良い。管３００Ａ，３００Ｂ及び導管２１０のそれぞれの交点は、所定の混合プロフィールをもたらすよう設定されるのが良い。例示の一実施形態では、圧縮空気又は他の流体の流れを管３００の１本又は２本以上の交差部のところ又はその近くで導入すると、その箇所における流体混合度に影響を及ぼすことができる。

幾つかの実施形態では、２本又は３本以上の管３００Ａ，３００Ｂは、導管２１０内に流体を供給する単一の中間管の状態に合体可能である。管を中間管に合体させることは、圧力パルスチャージングに影響を及ぼすことができる。例えば、図６は、３つの合体した流れを有するシステムに関する例示の圧力パルスチャージを示している。この実施形態では、平均圧力（グラフ図の水平線）と圧力ピークとの間に差が存在し、それにより、空気流は、下流側のリード弁を開いてこれにチャージすることができる。比較すると、図７は、６つの合体した流れを有するシステムに関する例示の圧力パルスチャージを示している。この実施形態では、平均圧力とピーク圧力との差は、非常に小さく、下流側のリード弁を開放してこれにチャージするには不十分な場合がある。例示の実施形態では、管の合体及び管の長さは、必要に応じて又は所望ならば所定の圧力パルスチャージングをもたらすよう構成される。

例示の実施形態では、管３００及び／又は吸気導管２１０は、必要に応じ又は所望ならば流体を混合し又は流体の混合度を向上させるよう１つ又は２つ以上の追加の装置、例えばノズル、バッフル、フィン等を有するのが良い。

上述の説明において、添付の図面を参照して種々の実施形態を説明した。しかしながら、以下の特許請求の範囲に記載された例示の実施形態に示された本発明の広い範囲から逸脱することなく、これら実施形態の種々の改造例及び変更例を想到できると共に追加の実施形態を具体化できることは明らかであろう。したがって、明細書及び図面の記載は、本発明を限定するものではなく、例示であると見なされるべきである。

Claims

流体混合システムであって、
第１の流体導管と、
前記第１の流体導管と流体連通状態にある第２の流体導管であって、第１の管及び第２の管を有する第２の流体導管とを備え、
前記第１の管及び前記第２の管の少なくとも一方は、スワール又はターンブル流を生じさせる、流体混合システム。
前記第１の管及び前記第２の管の少なくとも一方は、スワール又はターンブル流を生じさせる、請求項１記載の流体混合システム。
前記第１の管は、前記第１の導管の中心線に対して第１の入射角を有し、前記第２の管は、前記第１の導管の中心線に対して第２の入射角を有する、請求項１記載の流体混合システム。
前記第１の入射角は、前記第２の入射角とは異なる、請求項３記載の流体混合システム。
前記第１の入射角は、前記第２の入射角と実質的に同一である、請求項３記載の流体混合システム。
前記第１の入射角又は前記第２の入射角は、約４５°から約９０°までの範囲にある、請求項３記載の流体混合システム。
前記第１の管及び前記第２の管の一方は、スワール流を生じさせるねじれを有する、請求項１記載の流体混合システム。
前記ねじれは、１インチ（２．５４ｃｍ）当たり約３０°から１インチ当たり約４５°までの範囲にある、請求項７記載の流体混合システム。
前記第１の管と前記第２の管の両方は、スワール流を生じさせるねじれを有する、請求項７記載の流体混合システム。
前記第１の管は、前記第２の管とは異なるねじれを有する、請求項９記載の流体混合システム。
前記第１の管及び前記第２の管の一方は、スワール又はターンブル流を生じさせない、請求項１記載の流体混合システム。
前記第１の管及び前記第２の管の少なくとも一方は、吸気導管の内面を越えて延びる空気出口を有する、請求項１記載の流体混合システム。
前記第１の管及び前記第２の管は、同種の流体を運ぶ、請求項１記載の流体混合システム。
前記第１の管と前記第２の管は、互いに異なる流体を運ぶ、請求項１記載の流体混合システム。
前記第１の管又は前記第２の管は、複数種類の流体を運ぶ、請求項１記載の流体混合システム。
前記第１の管及び前記第２の管の少なくとも一方は、曲がり部を有する、請求項１記載の流体混合システム。
前記第１の管及び前記第２の管は、前記第１の導管へのこれら管の導入に先立って単一の結合管の状態に合体している、請求項１記載の流体混合システム。
第３の管を更に有する、請求項１記載の流体混合システム。
前記第３の管は、ねじれを有する、請求項１８記載の流体混合システム。
前記第１の管、前記第２の管及び前記第３の管は、同種の流体を運ぶ、請求項１８記載の流体混合システム。
前記第１の流体導管は、吸気導管であり、前記第２の流体導管は、ＥＧＲ導管である、請求項１記載の流体混合システム。
ＥＧＲシステムであって、
吸気導管と、
ＥＧＲ導管とを有し、
前記ＥＧＲ導管は、前記吸気導管と流体連通状態にあり、
前記ＥＧＲ導管は、スワール又はターンブル流を生じさせる、ＥＧＲシステム。
前記ＥＧＲ導管は、複数本の平行な管を有し、前記平行な管の少なくとも１本は、スワール又はターンブル流を生じさせる、請求項２２記載のＥＧＲシステム。
前記ＥＧＲ導管は、１インチ（２．５４ｃｍ）当たり約３０°から１インチ当たり約４５°までにあるねじれを有する、請求項２２記載のＥＧＲシステム。
前記ＥＧＲ導管は、前記吸気導管の中心線に対して約４５°から約９０°までの範囲にある入射角を有する、請求項２２記載のＥＧＲシステム。
前記ＥＧＲシステムは、前記吸気導管の中心線に対して第１の入射角を呈する第１の管及び前記吸気導管の中心線に対して第２の入射角を呈する第２の管を有する、請求項２３記載のＥＧＲシステム。
前記第１の入射角は、前記第２の入射角とは異なる、請求項２６記載のＥＧＲシステム。
前記第１の入射角は、前記第２の入射角と実質的に同一である、請求項２６記載のＥＧＲシステム。
前記第１の入射角又は前記第２の入射角は、約４５°から約９０°までの範囲にある、請求項２６記載のＥＧＲシステム。
前記ＥＧＲシステムは、複数種類の流体を運ぶ、請求項２２記載のＥＧＲシステム。
前記ＥＧＲシステムは、スワール及びターンブル流を生じさせる、請求項２２記載のＥＧＲシステム。
多数種類の流体を導入する方法であって、
導管内に第１の流体流れを用意するステップと、
第１の管内に第２の流体流れを用意するステップと、
第２の管内に第３の流体流れを用意するステップと、
前記第２の流体流れを前記導管に対して第１の入射角をなして前記第１の流体流れに導入するステップと、
第３の流体流れを前記導管に対して第２の入射角をなして前記第１の流体流れに導入するステップと、を有し、
前記第１の管又は前記第２の管の少なくとも一方により、それぞれの前記第２の流体流れ又は第３の流体流れは、スワールし又はターンブルする、方法。
前記第１の流体流れは、空気から成る、請求項３２記載の方法。
前記第２の流体流れ及び前記第３の流体流れの少なくとも一方は、ＥＧＲから成る、請求項３２記載の方法。
前記第２の流体流れと前記第３の流体流れの両方は、ＥＧＲから成る、請求項３４記載の方法。
前記第２の流体流れ及び前記第３の流体流れの一方は、ＥＧＲとは異なる流体から成る、請求項３４記載の方法。
前記第２の流体流れ及び前記第３の流体流れの一方は、ＥＧＲと別の流体との混合物から成る、請求項３４記載の方法。
第４の流体流れを第３の管内に導入するステップを更に有する、請求項３２記載の方法。
前記第２の流体流れ及び前記第３の流体流れを前記第１の流体流れへのこれら流体流れの導入に先立って、前記第２の流体流れと前記第３の流体流れを合流させて合流状態の流体流れにするステップを有する、請求項３２記載の方法。
前記第１の入射角及び前記第２の入射角の一方は、約４５°から約９０°までの範囲にある、請求項３２記載の方法。
前記第１の入射角は、前記第２の入射角とは異なる、請求項３２記載の方法。
前記第１の管又は前記第２の管の少なくとも一方により、それぞれの前記第２の流体流れ又は第３の流体流れは、スワールと共にターンブルする、請求項３２記載の方法。