JP5475924B2 - 内燃機関へ送られる圧縮空気および／または再循環排気ガスを冷却する装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前文に記載の、内燃機関へ送られる圧縮空気および／または再循環排気ガスを冷却する装置に関するものである。

過給内燃機関の場合、空気は圧縮してから内燃機関へ送られる。このため、多量の空気を内燃機関へ送ることができる。しかし、圧縮の結果、空気温度が上昇することで、空気の比体積が増大する。このため、圧縮空気は、少なくとも１つのチャージエアクーラー（インタークーラー）で冷却してから内燃機関へ送られる。

ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）（排気ガス再循環）と呼ばれる技術は、内燃機関の燃焼過程で生じる排気ガスの戻し部分を、内燃機関への空気供給管路へ戻し管路を介して送入する公知の手法である。したがって、燃焼の行われるエンジン・シリンダへ、空気と排気ガスとの混合気が供給される。空気に排気ガスが加わることによって、燃焼温度が低くなる結果、とりわけ排気ガス内の窒素酸化物含有量が低減される。この技術は、定容（オットー）サイクル機関にも定圧（ディーゼル）サイクル機関にも使用される。しかし、内燃機関の排気ガスは高温になる。したがって、再循環排気ガスは、１つ以上のＥＧＲクーラーで冷却されてから、空気と混合されて機関へ送られる。

公知の手法では、圧縮空気は、チャージエアクーラーで冷却でき、再循環排気ガスは、ＥＧＲクーラーで周囲空気により直接的または間接的に冷却できる。再循環排気ガスと圧縮空気とは、こうして、約１０〜１５°Ｃほど周囲温度を上回る温度まで冷却される。したがって、再循環排気ガスと圧縮空気との冷却温度は、周囲空気に依存する。結果として、周囲が高温の場合には、周囲が低温の場合よりも冷却はかなり不十分になる。

本発明の目的は、内燃機関へ送られる圧縮空気および／または再循環排気ガスを、周囲空気が比較的高温の場合にも比較的簡単かつ経済的に目標低温まで冷却する装置を提供することである。

この目的は、請求項１の特徴部分に記載された構成を有する冒頭に述べた種類の装置により達成される。本発明によれば、圧縮空気および／または再循環排気ガスは、クーラー内で少なくとも１つの段階の冷却処理を受け、この冷却段階は、空気または循環冷却剤によって可能になる。したがって、圧縮空気および／または再循環排気ガスは、相転移冷却剤を有する冷却回路の蒸発器内で最終段階の冷却処理を受ける前に、比較的低温にすることができる。したがって、この冷却回路は、圧縮空気および／または再循環排気ガスに最終段階の冷却処理を施すために必要なだけである。したがって、冷却回路は、媒体を周囲温度と同等またはそれ以下の温度に冷却でき、しかも著しく大きい寸法を必要としない。冷却回路への動力供給には、熱エネルギーが使用される。内燃機関の周囲には多量の余剰な熱が存在する。この存在するエネルギー源を、極めて経済的に冷却回路への動力供給に利用できる。圧縮空気および再循環排気は、各自の蒸発器内で別々に冷却されるか、または互いに混合された後に共同蒸発器内で冷却できる。

本発明の一具体例によれば、この動力供給装置は蒸気発生器であり、この蒸気発生器内で、冷却剤は熱源から受熱して蒸発温度に達するようにされている。蒸気発生器により、冷却剤の蒸発時に比較的多量の熱エネルギーを極めて効率的に熱源から吸収可能になる。動力供給装置は、蒸発器からの気体状冷却剤を、蒸気発生器からの気体状冷却剤と混合するようにされたエジェクタ装置を含むことが好ましい。このエジェクタ装置は、エジェクタポンプまたは、蒸気発生器からの気体状冷却剤を高速で通過させる絞り部分を有するベンチュリ管でよい。この結果、エジェクタ装置内に低静圧が生じることで、蒸発器からの気体状冷却剤が吸い込まれ、蒸気発生器からの冷却剤と混合される。エジェクタ装置により、低圧の蒸発器からの冷却剤を、それよりもかなり高圧の蒸気発生器からの冷却剤と混合することができる。エジェクタ装置が蒸発器からの冷却剤を吸い込み可能であることによって、蒸発器から蒸発器への冷却剤循環が可能になり、蒸発器内での圧縮空気および再循環排気ガスの冷却が可能になる。

本発明の別の好適具体例によれば、冷却回路は、エジェクタ装置からの冷却剤を凝縮温度まで冷却するようにされた凝縮器を含んでいる。冷却閉回路内では、蒸発器内で蒸発する循環冷却剤を凝縮機内で液体状態に戻さねばならない。冷却回路は、凝縮器の下流にマニホールドを含むことができ、このマニホールドが、液状冷却剤を凝縮器から蒸気発生器へ送るポンプを有する第１管路と、液状冷却剤を凝縮器から蒸発器へ送る膨張弁を有する第２管路とを含んでいる。蒸気発生器へ送られる冷却媒体は、冷却回路への動力供給のため熱源から熱吸収するために使用され、蒸発器へ送られる冷却媒体は、蒸発器内での圧縮空気および／または再循環排気の冷却に使用される。

本発明の一好適具体例によれば、本発明による装置は、冷却回路の動作を制御するようにされた制御ユニットを含んでいる。この制御ユニットは、適当なソフトウエアを備えたコンピュータ・ユニットでよい。この制御ユニットは、どのような時に冷却回路を使用する必要があるかを評価できる。一定の作動状況では、クーラー内で圧縮空気および／または再循環排気ガスを十分に冷却できる。冷却回路は、少なくとも、圧縮空気および／または再循環排気ガスが０°Ｃを下回る温度に冷却される虞がある場合には、起動すべきではない。なぜなら、そのような場合には、クーラー内に氷が発生し、内燃機関への流れが阻害される虞があるからである。制御ユニットは、例えばセンサから、クーラーまたは周囲温度により冷却された後の圧縮空気および／または再循環排気ガスの検出温度情報を受け取り、その情報から、冷却回路を起動すべきか否かを評価できる。

本発明の一好適具体例によれば、圧縮空気および／または再循環排気ガスは、周囲温度の空気によって直接または間接にクーラー内で冷却されるようになっている。したがって、クーラーは、流過する周囲温度の空気による空冷か、または周囲温度の空気により自体が冷却される循環冷却剤による液冷にすることができる。このようなクーラーの場合、蒸発器内での最終冷却前に、圧縮空気および／または再循環排気ガスを周囲温度よりも低温に冷却することができる。したがって、冷却回路は極めて小型でよい。

本発明の一具体例によれば、蒸気発生器は、内燃機関の排気管路内の排気ガスから熱吸収する位置に配置される。内燃機関からの排気ガスは、存在するエネルギー源として冷却回路への動力供給に利用できる利点を有している。あるいはまた、蒸気発生器は、クーラーの上流箇所で、圧縮空気および／または前記排気管路内の再循環排気ガスから熱吸収する位置に配置することができる。こうすることによって、圧縮空気および／または再循環排気ガスは、熱エネルギーを蒸気発生器へ引き渡し、それにより第１段階の冷却処理を受けることが可能になる。したがって、下流に位置する通常のラジエータへの負荷が軽減される。さらに別の具体例の場合には、内燃機関の冷却系内を循環する冷却剤から熱吸収する位置に蒸気発生器を配置できる。冷却系内の冷却剤は、一定の高温を有しているから、蒸気発生器内の冷却剤を蒸発させる熱源として使用することが適当である。冷却系の通常のラジエータに対する負荷は、これにより軽減される。

内燃機関へ送られる圧縮空気および再循環排気ガスを冷却する装置を示す図。 図１のエジェクタポンプの詳細図。 内燃機関へ送られる圧縮空気および再循環排気ガスを冷却する別の装置を示す図。

図１には、過給内燃機関２により動力供給される車両１が示されている。車両１は、過給ディーゼル機関により動力供給される大型車両でよい。内燃機関２のシリンダからの排気ガスは、排気マニホールド３を介して排気管路４へ送られる。大気圧よりも高圧の、排気管路４内の排気ガスは、ターボユニットのタービン５へ送られる。したがって、タービン５は駆動力を備えており、この駆動力が、接続部を介して圧縮機６へ送られる。圧縮機６は、空気フィルタ７を介して空気管路８へ送られる空気を圧縮する。チャージエアクーラー９は空気管路８に設けられている。チャージエアクーラー９は、車両前部に配置されている。チャージエアクーラー９の目的は、圧縮空気を、内燃機関２へ送る前に冷却することである。圧縮空気は、ラジエータファン１０がチャージエアクーラー９を流過させる周囲温度の空気によりクーラー９内で冷却される。ラジエータファン１０は、適当な接続部を介して内燃機関２から動力を供給される。

内燃機関２は、排気ガス再循環（ＥＧＲ）システムを備えている。排気ガスをエンジン・シリンダへ送られる圧縮空気と混合することにより燃焼温度が低減され、それによって、燃焼過程で発生する窒素酸化物ＮＯ_ｘの含有量も低減される。排気ガス再循環用の戻し管路１１は、排気管路４から空気管路８まで延びている。戻し管路１１はＥＧＲ弁１２を含み、ＥＧＲ弁１２は戻し管路１１内の排気ガス流を遮断できる。ＥＧＲ弁１２は、排気管路４から戻し管路１１を介して空気管路８へ送られる排気ガス量を無段階的に制御するためにも使用できる。戻し管路１１は、第１ＥＧＲクーラー１４と第２ＥＧＲクーラー１５とを含み、再循環排気ガスを２段階で冷却できる。過給ディーゼル機関２の一定の作動状態では、排気管路４内の排気ガス圧は、空気管路８内の圧縮空気圧よりも低圧になる。そのような状態では、戻し管路１１内の排気ガスは、特別の補助装置なしで直接に空気管路８内の圧縮空気と混合することはできない。混合には、例えば、ベンチュリ管を使用するか、または種々の幾何形状のターボユニットを使用できる。

内燃機関２が過給定容（オットー）サイクル機関の場合には、戻し管路１１内の排気ガスは、直接に吸気管路８内へ送ることができる。なぜなら、定容サイクル機関の排気管路４内の排気ガスは、事実上あらゆる作動状態の場合に、吸気管路８内の圧縮空気よりも高温になるからである。排気ガスは、吸気管路８の符号８ａの箇所で圧縮空気と混合された後、混合気が、蒸発器１６へ送られ、蒸発器内で最終冷却段階を経た後に、マニホールド１７を介してディーゼル機関２の各シリンダへ送られる。

内燃機関２は、循環冷却剤を有する冷却系によって従来の方法で冷却される。冷却剤ポンプ１８は、冷却剤を冷却系内で循環させる。冷却剤ポンプ１８は、冷却剤の主流を内燃機関２を貫流するように循環させる。冷却剤は、内燃機関２を冷却した後、管路２１を通って冷却系内のサーモスタット１９へ送られる。冷却剤が正常な作動温度に達していれば、サーモスタット１９は、冷却剤をラジエータ２０へ送り冷却するようにされている。しかし、冷却系内の冷却剤の一部は、管２２を介して第１ＥＧＲクーラー１４へ送られ、このクーラー内で再循環排気ガスに第１段階の冷却処理を施す。

冷却剤は、第１ＥＧＲクーラー１４内で排気ガスを冷却した後、管路２３を介して管路２１へ戻される。温度上昇した冷却剤はラジエータ２０内で冷却される。ラジエータ２０は、車両１の前部に配置されているが、意図された空気の流れ方向に対してチャージエアクーラー９と空冷式第２ＥＧＲクーラー１５との下流に位置している。第２ＥＧＲクーラー１５とチャージエアクーラー９とをこのように配置することで、再循環排気ガスと圧縮空気とを周囲温度の空気によって冷却することが可能になる。標準的な寸法のこれらのクーラー９，１５の場合、圧縮空気および再循環排気ガスは、周囲温度を１０〜１５°Ｃ程度上回る温度まで冷却される。空気および排気ガスの温度が低ければ、それだけ内燃機関シリンダへ送ることができる空気および再循環排気ガスの量が増加する。

蒸発器１６は、循環冷却剤を有する冷却回路の一構成要素である。この冷却回路は、排気管路４の、タービン５の下流位置に配置された蒸気発生器２４を含んでいる。冷却剤は、蒸発器２４内で排気管路４内の排気ガスから受熱して蒸発温度に達する。蒸発した冷却剤は、エジェクタポンプ２５へ送られる。蒸気発生器２４からの気体状冷却剤は、ここで蒸発器１６からの気体状冷却剤と混合される。この気体状冷却剤は、エジェクタ２５から凝縮器２６へ送られる。この場合、電動モータ２８が駆動するファン２７により、冷却空気流が凝縮器２６を通過するよう強制され、その結果、冷却剤は凝縮温度まで冷却される。冷却回路は、凝縮器２６の下流に配置されたマニホールドを含んでいる。マニホールドは、ポンプ２９を有する第１管路と、絞り弁３０を有する第２管路とを含み、この第１管路は、液状冷却剤を凝縮器２６から蒸気発生器２４へ案内し、この第２管路は、液状冷却剤を凝縮器２６から蒸発器１６へ案内する。制御ユニット３１は、例えばセンサ３２からの情報に基づいて冷却回路の作動を制御するようにされており、このセンサは、吸気管路８内のチャージエアおよび再循環排気ガスの温度を検出する。

内燃機関２の作動中、ＥＧＲ弁１２の開弁時には、高温の排気ガスが戻し管路１１を介して戻される。排気ガスは、第１ＥＧＲクーラー１４への到達時には、５００〜６００°℃の温度となろう。この排気ガスは、第１ＥＧＲクーラー１４内で冷却剤により第１段階の冷却処理を受ける。排気ガスは、第１ＥＧＲクーラー１４内で冷却された後、戻し管路１１を通り第２ＥＧＲクーラー１５へ送られる。排気ガスは、ここで周囲温度の空気によって第２段階の冷却処理を受け、周囲温度よりも１０〜１５°Ｃほど高い温度まで冷却される。圧縮空気は、チャージエアクーラー９内で周囲温度の空気によって冷却される。したがって、圧縮空気も、同じように周囲温度よりも１０〜１５°Ｃ高い温度まで冷却される。冷却された排気ガスは、吸気管路８の符号８ａの箇所で冷却された空気と混合される。

センサ３２は、吸気管路８内の空気と排気ガスとの混合気の温度を検出する。制御ユニット３１は、特にこの情報を利用して、混合気に蒸発器１６内で追加段階の冷却処理を施すか否かを評価する。空気には、特に排気ガスには比較的多量の水蒸気が含有されている。空気および排気ガスが冷却されると、チャージエアクーラー内とＥＧＲクーラー１５内で液状の水に凝結する。この液状の水は、内燃機関２へ侵入することがある。これが制御された形態で行われる場合には、大きな問題にはならない。しかし、空気および排気ガスは、０°Ｃを下回る温度まで冷却すべきではない。なぜなら、０°Ｃを下回れば、凝結水が氷結して、吸気管路８内の流れを阻害するからである。制御ユニット３１が氷生成の危険がないことを検出すれば、冷却回路が起動される。その場合、制御ユニットはポンプ２９を起動させて、蒸気発生器２４へ液状冷却剤を給送する。冷却剤は、蒸気発生器２４内で圧力ｐ_３を与えられる。排気管路４内の高温排気ガスは、冷却剤に放熱するので、冷却剤は支配的な圧力ｐ_３で蒸発する。蒸気発生器２４内に発生した気体状冷却剤はエジェクタポンプ２５へ送られる。

図２は、エジェクタポンプ２５の詳細図である。蒸気発生器２４からの気体状冷却剤は、エジェクタポンプ２５に到達すると、絞り部分２５ａで加速される。このため、蒸気発生器２４からの気体状冷却剤は、エジェクタポンプ２５の絞り部分２５ａから内部空間２５ｂへ流入する際には、きわめて高速になる。その結果、内部空間２５ｂ内は極めて低い静圧ｐ_０となる。エジェクタポンプ２５は、内部空間２５ｂ近くに入口２５ｃを有している。入口２５ｃは、冷却剤を蒸発器１６からエジェクタポンプ２５へ案内する管路に接続されている。内部空間２５ｂ内の低静圧ｐ_０は、蒸発器１６内を支配する圧力ｐ_１よりも低い。その結果、気体状冷却剤は、蒸発器１６からエジェクタポンプ２５の内部空間２５ｂへ吸い込まれる。蒸発器１６からの気体状冷却剤は、ここで蒸気発生器２４からの気体状冷却剤と混合される。エジェクタポンプ２５は、最後部に横断面積の拡張部２５ｄを有し、この拡張部のところで気体状冷却剤が減速する。気体状冷却剤は、エジェクタポンプ２５から凝縮器２６へ送られる際には、圧力ｐ_２となる。圧力ｐ_２は、圧力ｐ_１よりも高いが、圧力ｐ_３よりは低い。これらの圧力ｐ_０，ｐ_１，ｐ_２，ｐ_３の符号に付加した数字は、圧力の大きさの順を表している。

冷却剤は、ファン２７が凝縮器２６を強制通過させる空気で冷却される。冷却剤は、ここで冷却されることにより、凝縮器２６内の支配的圧力ｐ_２で凝縮する。冷却回路は、凝縮器の下流に２管路式のマニホールドを含んでいる。２つの管路のうちの第１管路はポンプ２９を含み、このポンプにより、液状冷却剤の一部が凝縮器２６から蒸気発生器２４へ戻される。この場合、ポンプ２９は、冷却剤に圧力を加えて、冷却剤の圧力をｐ_２からｐ_３に昇圧させる。第２管路は膨張弁３０を含み、この膨張弁により液状冷却剤の残りの部分が蒸発器１６へ送られる。

膨張弁３０は、冷却剤の圧力をｐ_２からｐ_１へ減圧する。液状冷却剤は、圧力ｐ_１では、吸気管路８内の空気および排気ガスよりも低温となる。したがって、冷却剤は、蒸発器１６内で空気および排気ガスから吸熱する。冷却剤は、圧力ｐ_１で蒸発温度となるが、この蒸発温度は周囲温度よりも低温であることが好ましい。空気と排気ガスとの混合気は、蒸発器１６内で周囲温度に等しい温度か、周囲温度よりも低温に冷却できる。したがって、蒸発器１６内で蒸発する冷却剤は、エジェクタポンプ２５内へ吸い込まれ、このポンプ内で蒸気発生器２４からの冷却剤と混合される。

この場合、冷却回路は、圧縮空気および再循環排気ガスを内燃機関２へ送る前に、最終段階の冷却処理を施すために使用される。冷却回路の作動は、事実上、冷却剤が排気管路４の排気ガスから蒸気発生器２４内で吸収する熱エネルギーに基づいて行われる。この熱エネルギーは、最高圧ｐ_３で冷却剤を冷却回路内で蒸発させるために使用される。したがって、相対的に高圧ｐ_３の蒸発冷却剤は、エジェクタポンプ２５を通過する高速の流れを起こさせるために利用される。この結果、極めて低い静圧ｐ_０が得られ、それにより、冷却剤が、圧力ｐ_１の蒸発器１６からエジェクタポンプ２５内へ吸い込まれ、蒸気発生器２４からの冷却剤と混合可能となる。この熱エネルギーのほかに、ポンプ２９の作動のためだけのエネルギーを供給する必要がある。しかし、ポンプ２９の作動に要するエネルギーは、事実上無視できる。したがって、手持ちの熱エネルギーは、冷却回路への動力供給に使用される。

制御ユニット３１は、空気および排気ガスが０°Ｃを下回る温度に冷却される危険を示す情報をセンサ３２から受け取ると、ポンプ２９の作動を、したがって冷却回路の作動を停止させる。その場合には、内燃機関２へ空気および排気ガスの送る前に、蒸発器１６を使用して空気および排気ガスを冷却する作動は行われない。図１には、別の蒸気発生器３５が破線で示されている。この蒸気発生器３５を使用する場合には、内燃機関２を冷却する冷却系内の冷却剤が熱源として利用される。この冷却剤は、内燃機関２を出る際には、約１００°Ｃの温度となろう。その場合、冷却剤は、特別冷却処置を受けることで、通常のラジエータ２０の負担が軽減される。

図３には、内燃機関２に送られる空気および排気ガスを冷却するための別の冷却回路が示されている。この場合、チャージエアクーラーの上流位置で圧縮空気から吸熱する蒸気発生器３３と、ＥＧＲクーラー１５の上流位置で再循環排気ガスから熱エネルギーを吸収する蒸気発生器３４とが使用されている。圧縮空気、および特に再循環排気ガスが共に極めて高温の場合、冷却剤は、蒸気発生器３３，３４内で効率的に受熱して蒸発温度に達することができる。この場合も、吸収された熱エネルギーは、図１の実施例の説明と似た冷却回路に動力供給するために使用される。したがって、冷却回路の機能についてのこれ以上の説明はここでは省略する。この場合、２つの蒸気発生器３３，３４は並列配置されている。

熱エネルギーは圧縮空気と再循環排気ガスとから吸収されるので、これらの圧縮空気および排気ガスは、２つの蒸気発生器３３，３４内で第１段階の冷却処理を受ける。その後で、圧縮空気はチャージエアクーラー９内で冷却され、再循環排気ガスはＥＧＲクーラー１５内で冷却された後、双方が混合される。この混合気は、蒸発器１６内で最終段階の冷却処理を受ける。２つの蒸気発生器３３，３４により第１段階の冷却が施される場合には、圧縮空気と再循環排気ガスとはより効率的に冷却される。

本発明は、図示された実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲の枠内で自由に改変することができる。例えば、既述の形式で、再循環排気ガスのみ、または圧縮空気のみを冷却してもよい。その場合、蒸発器１６は、再循環排気ガスまたは圧縮空気のみを給送する管路に配置されよう。

Claims (3)

1. 内燃機関（２）へ送られる少なくとも１つの媒体を冷却する装置であって、前記媒体が圧縮空気および再循環排気ガスであり、該装置が、
   前記内燃機関（２）へ前記媒体を案内するように適合された管路（８，１１）と、
   空気により又は循環冷媒により、管路（８）内の圧縮空気に第１段階の冷却を行なう第１のクーラー（９）および管路（１１）内の再循環排気ガスに第１段階の冷却を行なう第２のクーラー（１５）と、
   作動中に相転移するように適合した循環冷却剤を有する冷却回路と、
   主に熱源からの熱エネルギーにより前記冷却回路を作動させるのに適した動力装置と、
   前記管路（８，１１）内の前記媒体の流れ方向に対して前記第１のクーラー（９）および第２のクーラー（１５）の下流に位置する管路（８，１１）に配置された蒸発器（１６）であって、前記媒体が前記内燃機関（２）に送られる前に前記蒸発器（１６）内で最終段階の冷却処理を受けるようになっている前記蒸発器（１６）と
   を有し、
   前記動力装置が、
   前記第１のクーラー（９）の上流の圧縮空気から吸熱可能な位置に配置された第１の蒸気発生器（３３）および第２のクーラー（１５）の上流の再循環排気ガスから吸熱可能な位置に配置された第２の蒸気発生器（３４）であって、冷却剤が前記熱源から受熱して蒸発温度に達するようになっている第１および第２の蒸気発生器（３３，３４）と、
   前記蒸発器（１６）からの循環冷却剤を前記第１および第２の蒸気発生器（３３，３４）からの気体状循環冷却剤と混合するように適合されたエジェクタ装置（２５）と
   を含み、
   前記冷却回路が凝縮器（２６）を含み、該凝縮器が、前記エジェクタ装置（２５）からの冷却剤を凝縮温度まで冷却するように適合され、
   前記装置が、前記媒体を前記蒸発器（１６）内で、前記媒体が０℃未満に冷却される虞がない限り周囲温度と同等または周囲温度よりも低い温度まで冷却するように、前記冷却回路の作動を制御するように適合された制御ユニット（３１）を含むことを特徴とする装置。
2. 前記冷却回路が前記凝縮器（２６）の下流に配置されたマニホールドを含み、該マニホールドが、ポンプ（２９）を有する第１管路と、膨張弁（３０）を有する第２管路とを含み、該第１管路が、液状循環冷却剤を前記凝縮器（２６）から前記第１および第２の蒸気発生器（３３，３４）へ案内し、該第２管路が、液状循環冷却剤を前記凝縮器（２６）から前記蒸発器（１６）へ案内することを特徴とする、請求項１に記載された装置。
3. 前記第１および第２のクーラー（９，１５）内で周囲温度の空気により直接または間接的に冷却されるようになっていることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載された装置。

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