JP4524323B2 - 過給内燃機関の排気再循環装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前段に記載した過給燃焼機関の排気再循環装置に関するものである。

ＥＧＲ（排気再循環）として知られる技術は、排気の一部を、燃焼機関の燃焼プロセスから帰還ラインを経て、燃焼機関に空気を供給するための吸気ラインに戻す、既知の手段である。それによると、空気と排気の混合物が、吸気ラインを経て、燃焼の行われる機関のシリンダに供給される。排気を空気に加えることにより、燃焼温度が低くなり、それによって、とりわけ排気中の窒素酸化物ＮＯ_Ｘの含有量率が減少する。この技術は、オットー機関とディーゼル機関の両方で用いられる。

斯かる排気再循環を行なうには、帰還ラインを車両の機関空間に配置することになる。斯かる帰還ラインの目的は、燃焼機関の高温側に配置された排気ラインから燃焼機関の低温側に配置された吸気ラインに排気を導くことである。帰還ラインは、これを通る排気流を制御するためのＥＧＲバルブ、再循環排気を冷却するＥＧＲ冷却器、および、高温側から低温側に排気を導くためのパイプライン部分等の複数の構成部品を具備する。車両におけるＥＧＲ冷却器の配置では、通常、帰還ラインが不必要に長く、空間効率がよくない。

過給燃焼機関に供給できる空気の量は、空気圧に依存するが、空気の温度にも依存する。燃焼機関に可能な限り多量の空気を供給するために、燃焼機関に導かれる前に、圧縮空気が給気冷却器内で冷却される。圧縮空気は、給気冷却器を通して導かれる周囲空気によって給気冷却器で冷却される。したがって、圧縮空気は、わずかに数度だけ周囲温度を超える温度に冷却できる。戻り排気は、通常、冷却媒体として燃焼機関の冷却系の冷却剤を用いるＥＧＲ冷却器で冷却される。したがって、そのようなＥＧＲ冷却器は、冷却剤の温度よりも低温に排気を冷却できないという制約を受ける。したがって、冷却された排気は、吸気ラインで、冷却された圧縮空気と混合される時、該圧縮空気よりも高い温度にあるのが普通である。したがって、燃焼機関に導かれる排気と空気の混合物は、排気の再循環なしに同じ過給燃焼機関に導かれる圧縮空気よりも高温である。したがって、ＥＧＲを具備する過給燃焼機関の性能は、ＥＧＲを具備しない過給燃焼機関の性能よりも若干劣るであろう。

本発明の目的は、帰還ラインが事実上最小長さで、装置全体を小型にして、ほとんど空間を占有しないように作ることのできる、燃焼機関の排気再循環装置を提供することである。
別の目的は、排気再循環の故に、燃焼機関の性能が、排気の再循環のない同じ燃焼機関の性能よりも劣ることのない、過給燃焼機関の排気再循環装置を提供することである。

これらの目的は、請求項１の特徴部分で規定される内容で特徴づけられる前段部に記載された種類の装置によって可能になされる。吸気ライン内の圧縮空気は、燃焼機関の近傍に位置する既存冷却媒体供給源を成す。したがって、この冷却媒体供給源を用いるＥＧＲ冷却器は、燃焼機関の直近に置くか、または、燃焼機関に装着できる。したがって、そのようなＥＧＲ冷却器を具備する帰還ラインは、排気が帰還ラインを通過する時に、僅かな圧力低下しか受けないように、短く、かつ小型にすることができる。帰還ラインの圧力低下が僅かなことは、燃料消費を低くすることを可能にし、排気が問題なく吸気ラインに導かれ、圧縮空気との混合を保証にするために必要である。圧縮器が既に吸気ラインに空気を取り込み、運び込んでいるので、ＥＧＲ冷却器を経た空気流を供給するために、通常、これ以上の流れ装置を吸気ラインに設ける必要がない。したがって、帰還ライン内の排気を冷却するために、圧縮器の上流側の吸気ライン内の既存空気流を用いる斯かるＥＧＲ冷却器を、燃焼機関の近くに配置することは比較的複雑ではない。吸気ライン内の圧縮空気は、最高温度２９０℃になるだろう。しかしながら、圧縮空気の温度は、約６００〜７００℃になるであろう排気の温度よりもかなり低い。したがって、排気に第１段階の冷却を行なうためにＥＧＲ冷却器で、吸気ラインの圧縮空気を使用できる。

本発明の好適形態によれば、装置は、帰還ライン内の再循環する排気が第１ＥＧＲ冷却器内で冷却された後に、その排気に第２段階の冷却をもたらすようになされた第２ＥＧＲ冷却器を備える。当然のことながら、第１ＥＧＲの排気がそうした高温にある場合、それを圧縮空気によって単に冷却するだけでは十分でない。再循環する排気は、有利に、圧縮空気は周囲の温度にある媒体によって第２ＥＧＲ冷却器内で冷却されるようになされる。したがって、適切な寸法にされたＥＧＲ冷却器を使用して、排気を周囲の温度に近い温度に冷却することが可能である。

本発明の別の好適形態によれば、帰還ライン内の再循環する排気は、圧縮器の上流側に位置する吸気ラインの部分内の空気によって第２ＥＧＲ冷却器内で冷却されるようになされる。したがって、第２ＥＧＲ冷却器は、燃焼機関の直近、または燃焼機関にも装着できる。したがって、そのような２つのＥＧＲ冷却器を備える帰還ラインは、排気が帰還ラインを通過するときにほんのわずかな圧力低下しか受けないように、非常に短く且つコンパクトにすることができる。有利なことに、吸気ラインに引き込まれた空気は周囲空気である。したがって、周囲の温度に実質的に相当する温度にある空気が、第２ＥＧＲ冷却器内の排気を冷却するために使用される。

本発明の別の好適形態によれば、装置は、燃焼機関への吸気ライン内の圧縮空気を冷却するようになされた給気冷却器を備える。圧縮空気は圧縮後に比較的高い温度になるだろう。この圧縮空気が排気を冷却するために使用されたものであれば、空気はさらに高温になるだろう。過給燃焼機関に供給できる空気の量は、空気の圧力および温度に依存する。燃焼機関に可能な限り多くの量の空気を供給するために、圧縮空気は、燃焼機関内に導かれる前に給気冷却器内で効果的な冷却を受ける必要がある。利点を伴って、圧縮空気は周囲の温度にある媒体によって給気冷却器内で冷却されるようになされる。したがって、圧縮空気は、周囲の温度のわずかに数度だけ上の温度に冷却できる。前記媒体は好ましくは周囲空気である。周囲空気は、常に利用可能であり給気冷却器を通って容易に流れさせることができるのでこの目的に適している。

本発明の別の好適形態によれば、燃焼機関の冷却システム用の給気冷却器およびラジエターは、周囲空気がそこを通って流れる共通の領域に装着される。そのような領域は、前記燃焼機関によって動力を与えられる車両の前部にあることができる。ここでは、共通のラジエター・ファンが給気冷却器およびラジエターの両方を通して周囲空気を循環させるのに使用できる。給気冷却器は、空気の流れの方向に対して前記共通の領域内のラジエターの上流側に装着されることが好ましい。したがって周囲空気は、ラジエターを通って流れる前に給気冷却器を通って流れる。したがって、圧縮空気が周囲の温度にある空気によって冷却されることが確実になり、それによって圧縮空気を周囲空気の温度の近くに冷却することが可能になる。したがって、ラジエターを通って流れる周囲空気は、いくぶん高い温度を得るが、この温度は冷却剤がラジエターで効果的な冷却を受けるのに十分である。

以下、添付図面を見ながら本発明の好適例について説明する。

図１は、過給燃焼機関の排気の再循環用の装置を示す。この場合の燃焼機関はディーゼル機関１である。そのような再循環は通常、ＥＧＲ（排気再循環）と呼ばれる。排気を機関のシリンダに導かれる圧縮空気に加えることにより、燃焼温度が低下し、したがって燃焼プロセス中に形成される窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）の含有率も低下する。ディーゼル機関１は、重量のある車両に動力を与えることが意図できる。ディーゼル機関１のシリンダからの排気は、排気マニホルド２を介して排気ライン３に導かれる。大気圧の上の排気ライン３内の排気は、タービン４に導かれる。したがって、タービン４は、圧縮器５に連結部を介して伝達される駆動力を供給される。空気フィルタ６を介して、圧縮器５は吸気ライン７の第１部分７ａに周囲空気を引き込む。空気は圧縮器５によって圧縮され、それによって空気は大気圧の上および比較的高い温度に達する。圧縮器５の下流側に、吸気ラインの第２部分７ｂを通って圧縮空気が導かれる。給気冷却器８が、圧縮器空気を冷却するために、吸気ライン７ｂの第２部分に配置される。圧縮空気は、ラジエター・ファン９によって給気冷却器８を通って流れるようにされた周囲空気によって給気冷却器８内で冷却される。ラジエター・ファン９は、適切な連結部を介してディーゼル機関１によって駆動される。

排気ライン３内の排気の一部分の再循環を行うための装置は、排気ライン３と吸気ライン７の第３の部分７ｃとの間に延出する帰還ライン１０を備える。帰還ライン１０はＥＧＲバルブ１１を備え、それによって帰還ライン１０の排気の流れが必要に応じて遮断できる。ＥＧＲバルブ１１は、排気ライン３から導かれ帰還ライン１０を介して吸気ラインの第３の部分７ｃに達する排気の量を制御するためにも使用できる。制御ユニット１２は、ディーゼル機関１の現在の動作状態についての情報を基にしてＥＧＲバルブ１１を制御するようになされる。制御ユニット１２は、適切なソフトウェアを搭載したコンピュータ・ユニットであってもよい。帰還ライン１０は、排気が第１段階の冷却を受ける第１ＥＧＲ冷却器１３ａ、および排気が第２段階の冷却を受ける第２ＥＧＲ冷却器１３ｂを備える。或る動作状態では、過給燃焼機関の排気ライン３内の排気圧力は、吸気ラインの第２部分７ｂ内の圧縮空気圧力よりも低い。そのような動作状態では、特別な補助手段なしに帰還ライン１０内の排気を吸気ラインの第２部分７ｂからの圧縮空気と直接的に混合することは不可能である。例えばベンチュリ１４をこの目的に使用することができる。しかし、実質的に全ての動作状態にあるオットー機関の排気ライン３内の排気は、吸気ラインの第２部分７ｂ内の圧縮空気よりも高い圧力にあるので、燃焼機関が過給オットー機関である場合には、帰還ライン１０内の排気は、通常吸気ラインの第２部分７ｂ内からの空気と直接的に混合することができる。排気が吸気ラインの第２部分７ｂからの圧縮空気と混合されたとき、混合物は吸気ラインの第３の部分７ｃおよびマニホルド１５を介してディーゼル機関１のそれぞれのシリンダに導かれる。

ディーゼル機関１は、冷却剤ポンプ１６によって循環される冷却剤を備える冷却システムによって従来の様式で冷却される。冷却システムは、サーモスタット１７およびラジエター１８も備えることができる。ラジエター１８は、第１領域Ａの給気冷却器８の後ろに位置し、第１領域Ａはそこを通って流れる周囲空気を有する。ディーゼル機関１の動作中に、排気ライン３内の排気は環境に送り出される前にタービン４を駆動する。したがって、タービン４は、圧縮器５を駆動する駆動力を供給される。したがって、圧縮器５は、吸気ラインの第１部分７ａ内の周囲空気を圧縮する。吸気ラインの第２部分７ｂ内の圧縮空気は、給気冷却器８を通って流れる周囲空気によって冷却される。したがって、給気冷却器８内の圧縮空気は、わずかに数度だけ周囲温度を超える温度に冷却される。

ディーゼル機関１のほとんどの動作状態では、排気ライン３内の排気の一部分が帰還ライン１０内に導かれるように、制御ユニット１２はＥＧＲバルブ１１を開放して保つ。排気ライン３内の排気は、約６００〜７００℃の温度にある。帰還ライン１０内の排気は、第１ＥＧＲ冷却器１３ａ内に導かれると、吸気ラインの第２部分７ｂ内の空気による冷却を受ける。しかしながら、第１ＥＧＲ冷却器１３ａは、最大限でも排気を圧縮空気の温度にしか冷却することができないという制約を受ける。圧縮空気の温度は、最高２９０℃になるだろう。それでも、排気は、第１ＥＧＲ冷却器１３ａを出るとき約３００℃の温度であるように、第１ＥＧＲ冷却器１３ａで比較的大きな温度低下を受けるという利点がある。ディーゼル機関１に供給できる圧縮空気および排気の量は、空気および排気の圧力および温度に依存する。したがって、再循環する排気のさらなる冷却をもたらすことが重要である。したがって、排気は圧縮器５によって圧縮される前に吸気ラインの第１部分７ａ内の空気によって第２段階の冷却を第２ＥＧＲ冷却器１３ｂ内で受ける。吸気ラインの第１部分７ａ内の空気は、実質的に周囲の温度にある。第２ＥＧＲ冷却器１３ｂを適切な寸法にすることによって、排気は、周囲の温度のわずか数度上の温度への第２段階の冷却を受ける。吸気ライン内を流れる空気は、燃焼機関１の近傍に位置する既存冷却媒体の供給源になる。したがって、第１ＥＧＲ冷却器１３ａおよび第２ＥＧＲ冷却器１３ｂは、燃焼機関１の直近、または燃焼機関１に装着可能である。したがって、帰還ライン１０は、排気が帰還ライン１０内でわずかな圧力低下しか受けないように、非常に短く且つコンパクトにすることができる。帰還ライン１０の圧力低下がわずかなことは、燃料消費を低くすることを可能にし、排気が問題なく帰還ライン１０内に導かれ、吸気ラインの第２部分７ｂからの圧縮空気と混合できることを確かにするのに必要である。

したがって、給気冷却器８および冷却システムのラジエター１８は、周囲空気がそこを通って流れる共通の領域Ａに位置する。領域Ａは、燃焼機関１によって動力を与えられる車両の前部にある領域であることができる。給気冷却器８は、周囲の温度にある空気がそれを通って流れそれを冷却することを確かにするようにラジエター１８の正面に装着される。給気冷却器８を適切な寸法にすることによって、給気冷却器８内の空気は、周囲の温度に近い温度に冷却できる。したがって、ラジエター１８内の冷却剤を冷却する空気は周囲よりもいくぶん高い温度を得るが、ラジエター１８内の冷却剤が周囲の温度と等しい温度に冷却される必要は全くないので、通常はラジエター１８内の冷却剤を冷却するのに十分である。したがって、吸気ライン内の空気は、第１ＥＧＲ冷却器１３ａおよび第２ＥＧＲ冷却器１３ｂ内で排気を冷却するために使用される。したがって、吸気ライン内の空気は、それが給気冷却器に到達する前に温度の上昇を得る。したがって、給気冷却器８は、この余分な熱を冷却除去できるように若干大きな能力が必要である。

したがって、過給燃焼機関１のある動作状態では、排気ライン３内の排気の圧力は、吸気ラインの第２部分７ｂからの圧縮空気の圧力よりも低い。例えば、排気を吸気ラインの第３の部分７ｃ内の圧縮空気に導き、その圧縮空気と混合できるように、前記ベンチュリ１４によって、帰還ライン１０への連結部で吸気ラインの第２部分７ｂからの静圧を局所的に低下させることが可能である。排気と圧縮空気の混合物は、その後、マニホルド１５を介してディーゼル機関１のそれぞれのシリンダに導かれる。したがって、ＥＧＲ冷却器１３ａ、ｂ内でのそのような２つの段階の冷却により、ＥＧＲを装備したディーゼル機関１は、圧縮空気が給気冷却器８で冷却された後に圧縮空気の温度に実質的に相当する温度で再循環する排気を供給されることが可能になる。したがって、ディーゼル機関１に導かれる排気と圧縮空気の混合物は、ＥＧＲなしのディーゼル機関に導かれる圧縮空気の温度に実質的に相当する温度にあることができる。したがって、本発明はＥＧＲを装備したディーゼル機関がＥＧＲを装備していないディーゼル機関の性能に実質的に相当する性能を示すことができるようにする。

本発明は図面を参照して説明された実施例に全く限定されることはなく、特許請求の範囲内で自由に変更できる。

過給燃焼機関の排気再循環装置を示す図。

Claims (8)

1. 過給燃焼機関（１）の排気再循環装置であって、該排気再循環装置が、
   前記燃焼機関（１）から外部に排気を導くための排気ライン（３）と、
   前記燃焼機関（１）に空気を導くための吸気ライン（７）と、
   前記吸気ライン（７）内の空気を大気圧よりも高く圧縮するようになされた圧縮器（５）と、
   前記排気ライン（３）を前記吸気ライン（７）に連結する帰還ライン（１０）であって、前記排気ライン（３）からの排気を、前記帰還ライン（１０）を通して前記吸気ライン（７）に再循環させることができる前記帰還ライン（１０）と、
   第１ＥＧＲ冷却器（１３ａ）であって、該第１ＥＧＲ冷却器（１３ａ）で、前記帰還ライン（１０）内の再循環排気が、前記吸気ライン（７）内の空気流の方向に対して前記圧縮器（５）の下流側に位置する前記吸気ライン（７）の一部分（７ｂ）における空気によって冷却される第１ＥＧＲ冷却器（１３ａ）と、
   前記帰還ライン（１０）内の再循環排気が前記第１ＥＧＲ冷却器（１３ａ）内で冷却を受けた後に、第２段階の冷却を受けるようになされた第２ＥＧＲ冷却器（１３ｂ）とを含む排気再循環装置において、
   前記再循環排気が、周囲温度の媒体によって前記第２ＥＧＲ冷却器（１３ｂ）で冷却されるように構成されていることを特徴とする、排気再循環装置。
2. 前記帰還ライン（１０）内の再循環排気が、前記吸気ライン（７）の空気流の方向に対して前記圧縮器（５）の上流側に位置する前記吸気ライン（７）の一部（７ａ）における空気によって前記第２ＥＧＲ冷却器（１３ｂ）で冷却されるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載された排気再循環装置。
3. 前記吸気ライン（７）に取り込まれる空気が周囲空気であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載された排気再循環装置。
4. 前記吸気ライン内（７）の前記圧縮空気を冷却するようになされた給気冷却器（８）を含むことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載された排気再循環装置。
5. 前記吸気ライン内（７）の前記圧縮空気が、周囲温度の媒体によって前記給気冷却器（８）で冷却されるように構成されていることを特徴とする請求項４に記載された排気再循環装置。
6. 前記媒体が周囲空気であることを特徴とする請求項５に記載された排気再循環装置。
7. 前記燃焼機関の冷却系用の前記給気冷却器（８）とラジエター（１８）が、周囲空気が通過して流れる共通領域（Ａ）に装着されていることを特徴とする請求項６に記載された排気再循環装置。
8. 前記給気冷却器（８）が、周囲空気流の方向に対して前記共通領域（Ａ）で、前記ラジエター（１８）の上流側に装着されることを特徴とする請求項７に記載された排気再循環装置。

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