JP2015519509A - 排気ガス回路におけるエネルギー回収システム - Google Patents

Abstract

本発明は、車両の熱機関（１）の排気ガス回路（３）においてエネルギーを回収するためのシステムであって、熱交換器（１８）を備える排気ガスバイパスダクト（１５）を備えるシステムに関する。本発明によるエネルギー回収システムは、排気回路（３）に接続するためのバイパスダクト（１５）の接続点（１７）の下流に配設される排気回路の一部に、排気回路（３）を少なくとも部分的に閉じることができる弁（１６）が設けられ、バイパスダクト（１５）は、熱交換器（１８）の出口に、吸気回路（２、６）内に伸びる第１のパイプライン（２０）と、弁（１６）の下流の排気回路（３）内に伸びる第２のパイプライン（２１）とを備えるという事実によって主に特徴付けられる。

Description

本発明は、排気ガス回路におけるエネルギー回収システムに関する。本発明を構成するものは、流入ガスが噴射燃料とともに各燃焼室で十分に燃焼された後、この燃焼により生じた排気ガスを浄化した後に大気中に排出することが一般に要求される自動車の熱機関のものである。任意の特定の機能をもたせずに車両から排気ガスを排出させるのではなく、ある一定の温度にもたらされたこれらの排気ガスを、例えば、車両の暖房に寄与させたり、流入ガスに再び向けたり、燃焼室の燃焼条件を高めたりする目的で車両内において排気ガスを再利用できることが分かってきた。本発明は、これらの排気ガスの利用に基づいた最適化されたエネルギー回収システムに関する。

すでに特許付与されている既存のエネルギー回収装置および方法がある。一例として、熱機関における排気ガス再循環に係る装置および方法に関する特許ＦＲ２９２０８３４を引用できる。この種のガス再循環装置は、排気ダクトと吸気ダクトとをつなぐバイパスダクトを使用し、そのダクトは再利用ガスを冷却するための熱交換器を備える。この種の構成によく見られる問題は、再利用ガスが十分な流量でバイパスダクトの熱交換器に到達できるほど、排気ダクトのガスの圧力レベルが高くないということである。この結果、吸気ダクトに再び向けられる排気ガス量はほとんど制御されず、したがって、非常に不規則なものとなり、ガスの再循環が不確実なものとなる。

本発明によるエネルギー回収システムは、排気回路に由来するバイパスダクトにおいて、どのような状況下でも排気ガス循環条件が良好になるように構成され、且つ、例えば、車両の乗員室の再暖房のために使用可能であり、または吸気回路において排気ガスを再び向けることが可能である。

本発明の特徴を明確に理解するために、「上流」、「下流」、「入口」、「出口」という用語は、ガスの伝播方向に対して考慮されるべきものであることを強調する必要がある。同様に、熱機関用のガス吸気回路および排気ガス回路の存在も想定される。

本発明の目的は、熱交換器が取り付けられた排気ガスバイパスダクトを備えた、車両の熱機関の排気ガス回路におけるエネルギー回収システムである。本発明によるエネルギー回収システムの主な特徴は、排気回路におけるバイパスダクトの接続点の下流に位置する排気回路の一部に、排気回路を少なくとも部分的に遮断可能な弁が取り付けられることである。実際、あるエンジン使用段階の過程において、特に、良好な流量条件でバイパスダクトに排気ガスを循環させるには、排気ガスの圧力では不十分である。これらの段階の間、弁は、閉じられるように制御され、すべての排気ガスは、熱交換器が取り付けられたバイパスダクト内に十分な圧力で迂回される。弁を閉じることで、エスケープ回路においてガスの逃げルートがなくなるため、この弁の上流のガス圧が高まり、バイパスダクト内にガスが移動することになる。「弁」という用語は一般的なものであり、ガスダクトを開閉可能なあらゆる種類の物体または装置を表すものでありうる。この弁は、例えば、絞り弁であってもよい。同様にバイパスダクトも一般名称であり、例えば、エンジンの吸気回路の方に排気ガスを向けるようにされたダクトを表すものでありうる。また、熱機関は、ガソリンまたはディーゼルエンジンであってもよい。弁が排気回路を完全または部分的に遮断可能であることは、バイパスダクトにおけるガスの流量を著しく調整し、バイパスダクトの利用範囲が広がる。

好適には、弁は、最大開位置と閉位置との間に位置する任意の中間位置に固定可能な枢動可能に取り付けられたフラップを備える。これにより、排気回路、ひいては、バイパスダクトにおいて使用されるガスの流量をより良好に制御できるようになる。実際、可変開口弁は、上述した流量を、特に、熱機関の使用段階に応じて高精度に制御できる。

好ましくは、排気回路は、その回路におけるバイパスダクトの接続点の上流に位置する粒子フィルタを備える。ほとんどの既存の排気ガス回路において、粒子フィルタは、一般には、その回路におけるバイパスダクトの接続点の上流に挿入される。本発明によるエネルギー回収システム構成の範囲内において、このフィルタは、好適に弁と置き換えられるようにするために、上記接続点の上流に後退されている。

好適には、排気回路は、粒子フィルタの上流に位置する触媒コンバータを備える。

好ましくは、バイパスダクトは、熱交換器の出口において、吸気回路内に開口する第１のチャネルと、弁の下流の排気回路内に開口する第２のチャネルとを備える。言い換えれば、バイパスダクトは、２つの異なる方法、すなわち、排気ガスと流入ガスとを混合するために熱機関である程度冷却された排気ガスを吸気回路内に導入する再利用ダクトとして、又は、車両のある液体を加熱または冷却するために、熱交換器を通るエネルギー回収ダクトとして、使用されてもよい。

好適には、バイパスダクトは、熱交換器の出口において、熱交換器から出るガスが、第１のチャネルまたは第２のチャネルのいずれかを通過できるように制御可能である選択装置を備える。実際、熱交換器の出口にあるガスが、第１のチャネルおよび第２のチャネルを同時に通過できるようにするには、排気ガスの流量は不十分であるため、選択装置は、吸気回路の方へ向けた排気ガスの再利用か、または排気回路における迂回されたガスを再注入したエネルギーの回収に助力することになる。

本発明によるエネルギー回収システムの第１の好ましい実施形態によれば、選択装置は、第１のチャネルを開口し、第２のチャネルを閉じる第１の位置と、第２のチャネルを開き、第１のチャネルを閉じる第２の位置との間に枢動可能に取り付けられた単一のフラップが取り付けられた弁を備える。この弁は、単一の遮断フラップを用いた、単純化された弁機構を伴う小型の構成である。

フラップは、７０°〜９０°の範囲内の値を有する２つの位置間を枢動することが好ましい。この構成は、正確に、確実に且つ良好に制御しやすい構成である。

好適には、熱交換器およびバイパス弁は、一体化されたモジュールを構成する。この種のモジュールにより、熱交換器およびバイパス弁で構成されたアセンブリの小型化が促される。

本発明によるエネルギー回収システムの第２の好ましい実施形態によれば、選択装置は、２つの回転可能な可動フラップが取り付けられた弁を備え、そのうちの１つは第１のチャネルに配置され、他方は第２のチャネルに配置され、これらのフラップの各々は、各フラップが挿入されるチャネルの最大開位置から閉位置に移動するように制御されてもよい。第１のチャネルまたは第２のチャネルの１つのみのガスのルートを二者択一として提示した上記構成に関連して、この弁構成は、２つのチャネルの同時閉鎖および同時開口に相当する２つの追加の可能性を追加する。

好適には、２つのフラップは、互いに独立して制御される。したがって、この構成により、異なるガス通路及びそれらの関連する流量の点で複数の構成が提供される。これにより、本発明によるエネルギー回収システムを使用する柔軟性が高まる。

本発明によるエネルギー回収システムは、追加のエネルギー源によってではなく、別のチャネルを遮断することによってチャネル内のガス圧を高めるという利点を有する。これは、これらのシステムが、意図した目的に対してシステムの性能を維持しながら、小型かつ安価であるということを意味する。さらに、これらのエネルギー回収システムは、動作が良好に制御され高精度である弁を使用し、本発明によるエネルギー回収システムを再現可能かつ高信頼性のものにするという利点を有する。

以下、図１から図３を参照しながら、本発明によるエネルギー回収システムを詳細に記載する。

本発明によるエネルギー回収システムを備えるガス回路が設けられたエンジン構成の概略図。 本発明によるエネルギー回収システムのバイパスダクトに取り付けられた弁の第１の好ましい実施形態の概略図。 本発明によるエネルギー回収システムのバイパスダクトに取り付けられた弁の第２の好ましい実施形態の概略図。

図１を参照すると、熱機関１のガス回路は、熱機関１の上流に位置する吸気回路２と、それの下流に位置する排気回路３とを備える。吸気回路２は、概略的に、吸気マニホールド６を介して圧縮機５に空気を供給する吸気口４を備え、圧縮機５から供給される空気は、供給ダクト８によって熱機関１の燃焼室７の方へ向けられる。より正確に言えば、この供給ダクト８は、熱機関１の燃焼室７のそれぞれに空気を分配可能な吸気分配器（吸気ディストリビューター）９内に開口する。この空気は、燃焼室７の良好な燃焼条件を確保する際に必須のものである。燃焼室７において燃焼した排気ガスは、圧縮機５に接続されたタービン１１の方へ排気ガスを向ける排気分配器（排気ディストリビューター）１０によって流動される。タービン１１から出る排気ガスは、まず触媒コンバータ１２内に流入した後、粒子フィルタ１３に流入することで、排気ガスが清浄される。その後、触媒コンバータ１３からの排気ガスは、排気回路３の終端部１４を通って車外へ直接排出でき、または、粒子フィルタ１３の下流に位置し、排気回路３に由来するバイパスダクト１５を通過させることもできる。排気回路３は、排気回路３においてバイパスダクト１５の接続点１７の下流に位置する弁１６を備え、弁１６は、弁が挿入される排気回路３の部分を開閉するように制御可能である。より正確に言えば、この弁１６は、全開位置から閉位置へ動くように構成された枢動フラップが取り付けられ、この枢動フラップは、これらの２つの極限位置の間に位置する任意の中間位置に固定可能である。バイパスダクト１５は、リンキングマニホールド１９によって、例えば、車両のラジエータに収容可能な熱交換流体に接続される熱交換器１８を備え、熱交換器１８は、バイパスダクト１５を通過する排気ガスを冷却するように作用する。この熱交換器１８の出口において、バイパスダクト１５は、吸気マニホールド６のレベルで吸気回路２内にエスケープガスを向けることで、このガスが熱機関１の燃焼室７内に送り込まれる前に流入空気と混合するようにする再利用チャネル２０の第１のシステムと、弁１６の下流の排気回路３内にエスケープガスを向ける第２のチャネル２１とによって拡張される。本発明によるエネルギー回収システムは、熱交換器１８が取り付けられると共に２つのチャネル２０、２１のシステムによって拡張されたバイパスダクト１５と、排気回路３の弁１６とを備える。

図２を参照すると、本発明によるエネルギー回収システムの好ましい実施形態によれば、バイパスダクト１５は、熱交換器の出口１８に取り付けられ、第１のチャネル２０または第２のチャネル２１のいずれかにガスを選択的に向ける第１の弁２２を有する。この第１の弁２２は、回転軸を中心に枢動可能に取り付けられ、且つ、回転軸の両側に位置する２つの部分２４、２５を備える単一のフラップ２３を備える。第１の位置において、フラップ２３の第１の部分２４は第１のチャネル２０を開き、同時に、第２の部分２５は第２のチャネル２１を遮断する。第１の位置から９０°回転した第２の位置（この実施例の場合）において、フラップ２３の第１の部分２４は第１のチャネル２０を遮断しているのに対して、第２の部分２５は第２のチャネル２１を開く。図２において、フラップ２３は、第２の位置に取り付けられ、２つの矢印で示す方向に９０°枢動でき、第１の位置に戻る。この実施形態の場合、熱交換器１８および第１の弁２２は、これらの要素をそれぞれ小型化でき、従って得られるサイズを縮小可能な、一体化されたモジュールを構成する。同様に、交換器１８および第１の弁２２を同一の単一モジュールにこのようにグループ化すると、取り扱い性が高まり、熱交換器１８および第１の弁２２を、排気回路３に組み付ける前に別々に組み立てることができるようになる。

図３を参照すると、本発明によるエネルギー回収システムの第２の好ましい実施形態によれば、バイパスダクト１５は、第１の弁２２を置き換えたものであり、熱交換器１８の出口に位置付けられた第２の弁２６を有し、第２の弁２６は、第１のチャネル２０または第２のチャネル２１のいずれかにガスを選択的に向ける。この第２の弁２６は、枢動可能に取り付けられた２つのフラップ２７、２８を使用し、第１のフラップ２７は、第１のチャネル２０に位置付けられ、第２のフラップ２８は、第２のチャネル２１に配置される。これらのフラップ２７、２８のそれぞれは、各フラップが挿入されるチャネル２０、２１の全開位置と閉位置との間で互いに独立して制御可能である。各フラップ２７、２８は、これらの２つの極限位置の間に位置するすべての中間位置において固定されてもよい。本発明によるエネルギー回収システムのこの第２の好ましい実施形態により、上述した第１の実施形態に対して２つの追加の構成が実現可能であり、すなわち、１つは、チャネル２０、２１の２つのシステムを同時に閉じるという構成、もう１つは、これらのチャネル２０、２１のシステムを同時に開くという構成である。

したがって、本発明によるエネルギー回収システムは、以下の２つのモードで動作してもよい。

− 弁１６が排気回路３を完全または部分的に閉じるエネルギー回収モード。排気ガスの大部分は、熱交換器１８に入る前に、流量を増大させてバイパスチャネル１５を通過する。ガスが熱交換器１８内を循環する液体を加熱すると、交換器１８の出口に位置する弁２２、２６により、ガスは第２のチャネル２１において、弁１６の下流のエスケープ回路３に向けられる。

− 排気ガス再利用モード。圧力が十分であれば、例えば、全負荷時のエンジンの場合、排気ガスの一部は自然にバイパスダクト１５を通過した後、熱交換器１８の後方に位置する弁２２、２６により、第１のチャネル２０を介して吸気回路２へ排気ガスが向けられる。圧力が十分でなければ、排気回路３の弁１６は、バイパスダクト１５内のガス圧を上げるために、少なくとも部分的に閉じる。

Claims (9)

1. 車両の熱機関（１）の排気ガス回路（３）におけるエネルギー回収システムであって、熱交換器（１８）が取り付けられた排気ガスバイパスダクト（１５）を備え、前記回路（３）における前記バイパスダクト（１５）の接続点（１７）の下流に位置する前記排気回路の一部には、前記排気回路（３）を少なくとも部分的に遮断可能な弁（１６）が取り付けられ、
   前記バイパスダクト（１５）は、前記熱交換器の出口（１８）において、吸気回路（２、６）内に開口する第１のチャネル（２０）と、前記弁（１６）の下流にある前記排気回路（３）内に開口する第２のチャネル（２１）と、を備えるエネルギー回収システム。
2. 前記弁（１６）は、最大開位置と閉位置との間に位置する任意の中間位置に固定可能な枢動可能に取り付けられたフラップを備える、請求項１に記載のエネルギー回収システム。
3. 前記排気回路（３）は、前記回路（３）における前記バイパスダクト（１５）の前記接続点（１７）の上流に位置する粒子フィルタ（１３）を備える、請求項１または２に記載のエネルギー回収システム。
4. 前記バイパスダクト（１５）は、前記熱交換器の出口（１８）において、前記熱交換器（１８）から出るガスが、前記第１のチャネル（２０）または前記第２のチャネル（２１）のいずれかを通過できるように制御可能である選択装置（２２、２６）を備える、請求項１から３のいずれか一項に記載のエネルギー回収システム。
5. 前記選択装置は、前記第１のチャネル（２０）を開くと共に前記第２のチャネル（２１）を閉じる第１の位置と、前記第２のチャネル（２１）を開くと共に前記第１のチャネル（２０）を閉じる第２の位置との間で枢動可能に取り付けられた単一のフラップ（２３）が取り付けられた弁（２２）を備える、請求項４に記載のエネルギー回収システム。
6. 前記フラップ（２３）は、７０°〜９０°の値を有する２つの位置の間を枢動する、請求項５に記載のエネルギー回収システム。
7. 前記バイパスダクト（１５）の前記熱交換器（１８）および前記弁（２２）は、一体化されたモジュールを形成する、請求項５または６に記載のエネルギー回収システム。
8. 前記選択装置は、２つの回転可能な可動フラップ（２７、２８）が取り付けられた弁（２６）を備え、一方（２７）は前記第１のチャネル（２０）に配置され、他方（２８）は前記第２のチャネル（２１）に配置され、前記各フラップ（２７、２８）は、それが挿入される前記チャネル（２０、２１）の最大開位置から閉位置に移動するように制御可能である、請求項１から４のいずれか一項に記載のエネルギー回収システム。
9. 前記２つのフラップ（２７、２８）は、互いに独立して制御される、請求項８に記載のエネルギー回収システム。

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