JP5671907B2

JP5671907B2 - Ｅｇｒガス冷却装置

Info

Publication number: JP5671907B2
Application number: JP2010212309A
Authority: JP
Inventors: 崇原
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2010-09-22
Filing date: 2010-09-22
Publication date: 2015-02-18
Anticipated expiration: 2030-09-22
Also published as: JP2012067656A

Description

本発明は、エンジンに再循環されるＥＧＲガスを冷却するＥＧＲガス冷却装置に係り、燃費に悪影響を与えることなくＥＧＲガスを冷却することができるＥＧＲガス冷却装置に関する。

従来より、ディーゼルエンジンには排気ガスをエンジンに循環させるＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）システムが搭載される。ＥＧＲシステムでは、排気マニホールドからＥＧＲ管に取り込まれた温度が高いＥＧＲガスがＥＧＲクーラにて冷却され、その冷却されたＥＧＲガスが新気と混合されてエンジンに吸気される。

ＥＧＲクーラでは、ＥＧＲガスが冷却水により冷却される。その冷却水は、ラジエータにて放熱される。このようにして、ＥＧＲガスの熱は、ＥＧＲクーラにて冷却損失として失われる。一方、冷却水を放熱させるためにラジエータにおいてエンジンあるいはモータで冷却ファンが駆動される。これらのようにＥＧＲガスの熱が冷却損失となること、及び冷却ファンを駆動することは、ディーゼルエンジンの熱効率低下の要因となっている。

エンジンの排気ガスの熱を再利用するために、排気ガスを熱源として熱音響機関を駆動して吸入空気又はＥＧＲガスを冷却する冷却装置が特許文献１，２に開示されている。

ここで、熱音響機関について簡単に説明する。

図３に示されるように、高温熱源との熱交換を行う熱交換器である加熱器１０１と、低温熱源との熱交換を行う熱交換器である冷却器１０２と、これら加熱器１０１と冷却器１０２との間で温度勾配を保持する再生器１０３とが、閉じたループ管１０４に並べて配置される。ループ管１０４内には、作動流体（ガス）が封入される。この構成により、ループ管１０４内の気柱が局部的に加熱及び冷却されると、熱エネルギの一部が力学エネルギに変換され、気柱が自励振動を起こす。ループ管１０４の長さと封入したガスにより、共振周波数が決まる。この作用から、加熱器１０１、冷却器１０２、再生器１０３は、力学的には原動機１０５と見なすことができる。ループ管１０４内のガスが加熱、冷却、膨張、圧縮といった熱力学過程を経験することで、力学的サイクル（スターリングサイクル）が形成される。このように、原動機１０５は、熱源からの熱をループ管１０４内の音響に変換する機能を有する。

図４に示されるように、原動機１０５を備えたループ管１０４に、ループ管１０４内の気柱の振動（音響）を仕事に変換する受動機として、冷凍機１０６が配置される。冷凍機１０６は、原動機１０５と同様に再生器１０７の両端に熱交換器が設けられたものである。冷凍機１０６では、一方の熱交換器が冷却器１０８として冷却されるとき、他方の熱交換器は冷凍器１０９となり温度が低下する。このように、冷凍機１０６は、ループ管１０４内の音響を冷熱に変換して取り出す機能を有する。

特開２００５−２３３４８５号公報特開２００６−２７８３号公報

特許文献２の冷却装置では、原動機の加熱器が触媒装置より下流の排気管を流れる排気ガスを熱源としている。しかし、この構成では、原動機それ自体にはＥＧＲガスを冷却する効果はない。さらに、触媒装置の下流では、排気ガス温度がエンジンの排気マニホールドから出てきたばかりの排気ガスの温度に比べて相当に低いため、原動機において加熱器と冷却器との間の温度差が小さく、ループ管に生じる音響が小さい。このため、この音響で冷凍機を駆動してＥＧＲガスを冷却しようとしても、冷却が不十分となる。

なお、これとは逆に、触媒装置の上流の排気管を流れる排気ガスを熱源とすると、加熱器において排気ガスの熱が奪われるため、触媒装置における排気ガスの温度が低下して触媒の活性化が阻害される。

特許文献１には、原動機の加熱器がＥＧＲ管のＥＧＲ弁より下流のＥＧＲガスを熱源とする冷却装置と、原動機の加熱器がターボチャージャのタービンより上流の排気管を流れる排気ガスを熱源とする冷却装置とが開示されている。

しかし、タービンより上流の排気管を流れる排気ガスを熱源とする冷却装置では、加熱器において排気ガスの熱が奪われるため、タービンを回転させる排気ガスの圧力が低下し、吸入空気量が減少するという弊害がある。また、この構成では、原動機それ自体にはＥＧＲガスを冷却する効果はない。

ＥＧＲガスを熱源とする冷却装置では、触媒装置やターボチャージャに対する悪影響はない。また、ＥＧＲガスを原動機の熱源としたことで、原動機においてＥＧＲガスが冷却される。しかし、ＥＧＲ弁の下流では、排気ガス温度が排気マニホールドから出てきたばかりの排気ガスの温度に比べて低いため、原動機において加熱器と冷却器との間の温度差が小さく、ループ管に生じる音響が小さい。このため、この音響で冷凍機を駆動してＥＧＲガスを冷却しようとしても、冷却が不十分となる。

また、特許文献１，２の冷却装置は、原動機、冷凍機のすべての冷却器の熱源にエンジン冷却水が使用される。しかし、この構成では、冷却器においてエンジン冷却水が熱を受け取ることになる。エンジン冷却水が熱を受け取ると、ラジエータの冷却ファンがそれだけ多く駆動されなければならず、燃料が消費され、燃費に悪影響が及んでしまう。

また、エンジン冷却水の温度は、車両が定常的に走行しているとき、８０℃程度である。熱音響機関では、原動機において加熱器と冷却器との間の温度差が小さいと、自励振動に不利であり、ループ管に生じる音響が小さい。よって、冷却器の温度は、エンジン冷却水の温度より低い方が望ましい。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、燃費に悪影響を与えることなくＥＧＲガスを冷却することができるＥＧＲガス冷却装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、エンジンに、排気マニホールドから吸気マニホールドへＥＧＲガスを導入するＥＧＲ管が設けられ、前記ＥＧＲ管の途中にＥＧＲクーラが設けられるとともにその下流側にＥＧＲバルブが設けられ、前記吸気マニホールドに接続される吸気管にインタークーラが設けられ、前記ＥＧＲ管によって導かれるＥＧＲガスを熱音響機関により冷却するＥＧＲガス冷却装置であって、作動ガスが封入されたループ管に、前記ＥＧＲクーラより上流の前記排気マニホールド直近で前記ＥＧＲ管を流れるＥＧＲガスと作動ガスとの間で熱交換する加熱器が設置され、前記ループ管に、作動ガスと大気との間で熱交換する第一冷却器が設置され、前記ループ管の前記第一冷却器と前記加熱器との間に再生器が設置されることでＥＧＲガスの熱を前記ループ管内の音響に変換する原動機が構成され、前記ループ管に、前記吸気管の前記インタークーラと前記吸気マニホールドとの間で、作動ガスと前記エンジンの前記吸気管を流れる吸入空気との間で熱交換する冷凍器が設置され、前記ループ管に、作動ガスと大気との間で熱交換する第二冷却器が設置され、前記ループ管の前記冷凍器と前記第二冷却器との間に第二再生器が設置されることで前記ループ管内の音響を冷熱に変換して吸入空気を冷却する冷凍機が構成されたものである。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）燃費に悪影響を与えることなくＥＧＲガスを冷却することができる。

本発明の一実施形態を示すＥＧＲガス冷却装置に用いる熱音響機関の構成図である。本発明の一実施形態を示すＥＧＲガス冷却装置を搭載したエンジンシステムの構成図である。原動機を備えた熱音響機関の構成図である。原動機と冷凍機を備えた熱音響機関の構成図である。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

本発明に係るＥＧＲガス冷却装置は、エンジンの排気マニホールドから吸気マニホールドへＥＧＲ管によって導かれるＥＧＲガスを熱音響機関により冷却するＥＧＲガス冷却装置である。

図１に示されるように、本発明に係るＥＧＲガス冷却装置１は、作動ガスが封入されたループ管２に、排気マニホールド直近でＥＧＲ管３を流れるＥＧＲガスと作動ガスとの間で熱交換する加熱器４が設置される。ループ管２には、作動ガスと大気との間で熱交換する冷却器（以下、第一冷却器という）５が設置される。ループ管２の第一冷却器５と加熱器４との間に再生器（以下、第一再生器という）６が設置される。このようにして、加熱器４、第一再生器６、第一冷却器５が並べて配置されることにより、ＥＧＲガスの熱をループ管２内の音響に変換する原動機７が構成される。

本実施形態では、さらに、ループ管２に作動ガスとエンジンの吸気管８を流れる吸入空気との間で熱交換する冷凍器９が設置される。さらに、ループ管２に作動ガスと大気との間で熱交換する第二冷却器１０が設置される。ループ管２の冷凍器９と第二冷却器１０との間に第二再生器１１が設置される。このようにして、冷凍器９、第二再生器１１、第二冷却器１０が並べて配置されることにより、ループ管２内の音響を冷熱に変換して吸入空気を冷却する冷凍機１２が構成される。

ループ管２に封入される作動ガスとしては、空気、ヘリウム、窒素、アルゴンなどがある。

加熱器４では、ループ管２の内外にフィン（図示せず）が設けられる。ここでは、例えば、ループ管２の外側のフィンを含むループ管２の外周全体を覆うようにＥＧＲ管３が設けられる。これらのフィンを介してＥＧＲガスと作動ガスとの間で熱交換することができる。

冷凍器９では、ループ管２の内外にフィン（図示せず）が設けられる。ここでも、例えば、ループ管２の外側のフィンを含むループ管２の外周全体を覆うように吸気管８が設けられる。これらのフィンを介して作動ガスと吸入空気との間で熱交換することができる。

第一冷却器５、第二冷却器１０では、ループ管２の内外にフィン（図示せず）が設けられる。これら冷却器５，１０のフィンを介して作動ガスと大気との間で熱交換することができる。外側のフィンに臨ませて空冷ファン１３が設置されてもよい。

第一再生器６、第二再生器１１は、金網、複数の細管の集合、多孔質セラミックなどで構成される。

なお、加熱器４、冷凍器９、第一冷却器５、第二冷却器１０、第一再生器６、第二再生器１１は、公知のものを使用することができるので、詳細な構造の説明は省略する。ループ管２の断面形状、太さ、長さ、ループ形状は、ここでは特に限定しない。

図２に示されるように、本発明のＥＧＲガス冷却装置１を搭載したエンジンシステム２１では、エンジン２２の排気マニホールド２３からＥＧＲ管３が分岐され、そのＥＧＲ管３の最下流が吸気マニホールド２４に接続される。ＥＧＲ管３の途中には、ＥＧＲクーラ２５とＥＧＲバルブ２６が設けられる。加熱器４の位置は、ＥＧＲクーラ２５とＥＧＲバルブ２６よりも上流であり、排気マニホールド２３の直近（できる限り近い位置）である。

排気マニホールド２３から排気管２７が分岐され、排気管２７の最下流は大気に開放される。排気管２７の途中には、ターボチャージャ２８のタービン２９が設けられ、タービン２９の下流には、ＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst）、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）等の排気ガス浄化装置３０が設けられる。

吸気マニホールド２４には、ターボチャージャ２８のコンプレッサ３１の出口からの吸気管８が接続される。吸気管８の途中には吸気スロットル（図示せず）とインタークーラ３２が設けられる。コンプレッサ３１の入口には、大気からの吸気管８が接続される。冷凍器９の位置は、インタークーラ３２から吸気マニホールド２４までの間が望ましい。

以下、ＥＧＲガス冷却装置１の動作を図１と図２を参照しつつ説明する。

エンジン２２の排気ガスは、排気マニホールド２３からＥＧＲ管３と排気管２７に流れ込む。ＥＧＲ管３を流れるＥＧＲガスは、加熱器４を通過し、ＥＧＲクーラ２５とＥＧＲバルブ２６を経て吸気マニホールド２４に流れ込む。このとき、加熱器４では、ＥＧＲガスとループ管２内の作動ガスとの熱交換が行われる。一方、第一冷却器５では、大気とループ管２内の作動ガスとの熱交換が行われる。これにより、加熱器４と第一冷却器５との間の第一再生器６に温度勾配が形成され、ループ管２内の気柱が自励振動を起こし、音響が発生する。

ＥＧＲ管３を流れるＥＧＲガスは、加熱器４で熱交換したことにより、冷却される。この冷却により、吸気マニホールド２４に流れ込むＥＧＲガスの密度が高まるので、エンジン２２が行う膨張仕事が増大し、エンジン２２の熱効率が増大する。

排気管２７に流れ込んだ排気ガスは、タービン２９を駆動した後、排気管２７の下流の排気ガス浄化装置３０で浄化され、大気へ放出される。

大気から吸気管８に取り込まれた吸入空気は、コンプレッサ３１で圧縮され、インタークーラ３２で冷却され、冷凍器９を通過し、吸気マニホールド２４に流れ込む。このとき、第二冷却器１０では、大気とループ管２内の作動ガスとの熱交換が行われる。これにより、第二冷却器１０における作動ガスの温度が大気温度となるので、第二冷却器１０と冷凍器９との間の第二再生器１１の温度勾配により、冷凍器９における作動ガスの温度が大気温度より低くなる。このため、吸気管８を流れる吸入空気は冷却され、吸気マニホールド２４に流れ込む吸入空気の密度が高まるので、エンジン２２が行う膨張仕事が増大し、エンジン２２の熱効率が増大する。

本発明のＥＧＲガス冷却装置１によれば、ＥＧＲガスの熱をループ管２内の音響に変換する原動機７を構成したので、ＥＧＲガスが冷却され、ＥＧＲクーラ２５の冷却水を冷却するラジエータにおける冷却ファンの駆動の仕事が軽減され、エンジン２２の熱効率が向上する。

本発明のＥＧＲガス冷却装置１によれば、原動機７の加熱器４において排気マニホールド２３直近を流れるＥＧＲガスと作動ガスとの間で熱交換するようにしたので、排気マニホールド２３から出てきたばかりの高温のＥＧＲガスが熱源となる。これにより、原動機７において加熱器４と第一冷却器５との間の温度差が大きくなり、ループ管２に生じる音響が大きくなるので、加熱器４においてＥＧＲガスの熱が大きく奪われＥＧＲガスがよく冷却される。

本発明のＥＧＲガス冷却装置１によれば、冷却器５，１０の熱源にエンジン冷却水を使用しないので、エンジン冷却水への入熱が少なく、ラジエータの冷却ファンの駆動要求が緩和される。このため、燃料の消費が抑制され、燃費が向上する。

本発明のＥＧＲガス冷却装置１によれば、冷却器５，１０のフィンを大気で冷却するようにしたので、特別な冷熱源が必要ない。また、車両走行中のエンジン冷却水温度が８０℃くらいであるのに対し、大気の温度はそれより低いので、原動機７において加熱器４と第一冷却器５との間の温度差が大きくなる。これにより、自励振動が容易となり、ループ管２に生じる音響が大きくなる。

なお、冷却器５，１０のフィンに臨ませて冷却ファン１３を設けてもよいが、車両走行中のエンジンルーム内はフィンを通過する空気流があるので、フィンのみでも十分な冷却効果が得られる。したがって、冷却ファン１３は車両停止時のように空冷効果が乏しいときに駆動するだけでよく、燃費に悪影響しない。

本発明のＥＧＲガス冷却装置１によれば、ＥＧＲガスの熱をループ管２内の音響に変換する原動機７に加えて、ループ管２内の音響を冷熱に変換して吸入空気を冷却する冷凍機１２を構成したので、ＥＧＲガスを冷却するだけでなく、その奪った熱で仕事をさせて吸入空気を冷却することができる。

特に、近年要請されているエンジン２２やその周辺の部材を小型化するダウンサイジングにおいては、ＥＧＲガス温度や吸気温度がダウンサイジング前より高くなる。その一方で、ラジエータの冷却ファンは、エンジン冷却水を冷却することに能力の大半を使用するので、ＥＧＲクーラ２５やインタークーラ３２を冷却する余力がなくなる。したがって、本発明のように熱音響機関によってＥＧＲガスの冷却や吸入空気の冷却ができることは、ダウンサイジングでは大変有用である。

本実施形態では、冷凍機１２で吸入空気を冷却するようにしたが、冷凍機１２の冷凍器９で作動ガスと加熱器４の設置箇所より下流を流れるＥＧＲガスとの間で熱交換するように構成し、冷凍機１２でＥＧＲガスを冷却するようにしてもよい。また、ループ管２内の音響から仕事を取り出す原動機は、冷凍機１２に限定されない。

１ＥＧＲガス冷却装置
２ループ管
３ＥＧＲ管
４加熱器
５冷却器（第一冷却器）
６再生器（第一再生器）
７原動機
８吸気管
９冷凍器
１０第二冷却器
１１第二再生器
１２冷凍機

Claims

エンジンに、排気マニホールドから吸気マニホールドへＥＧＲガスを導入するＥＧＲ管が設けられ、前記ＥＧＲ管の途中にＥＧＲクーラが設けられるとともにその下流側にＥＧＲバルブが設けられ、前記吸気マニホールドに接続される吸気管にインタークーラが設けられ、前記ＥＧＲ管によって導かれるＥＧＲガスを熱音響機関により冷却するＥＧＲガス冷却装置であって、
作動ガスが封入されたループ管に、前記ＥＧＲクーラより上流の前記排気マニホールド直近で前記ＥＧＲ管を流れるＥＧＲガスと作動ガスとの間で熱交換する加熱器が設置され、
前記ループ管に、作動ガスと大気との間で熱交換する第一冷却器が設置され、
前記ループ管の前記第一冷却器と前記加熱器との間に再生器が設置されることでＥＧＲガスの熱を前記ループ管内の音響に変換する原動機が構成され、
前記ループ管に、前記吸気管の前記インタークーラと前記吸気マニホールドとの間で、作動ガスと前記エンジンの前記吸気管を流れる吸入空気との間で熱交換する冷凍器が設置され、
前記ループ管に、作動ガスと大気との間で熱交換する第二冷却器が設置され、
前記ループ管の前記冷凍器と前記第二冷却器との間に第二再生器が設置されることで前記ループ管内の音響を冷熱に変換して吸入空気を冷却する冷凍機が構成されたことを特徴とするＥＧＲガス冷却装置。