JP6197984B2 - 内燃機関に対する排ガス再循環のための装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関に対する排ガス再循環のための装置に関する。

内燃機関に関する排ガスの再循環は様々な理由から行われる。例えば、とりわけディーゼルエンジンの場合、燃焼温度が高い際にエンジン内に環境に有害な窒素酸化物が発生する。この窒素酸化物を低減するためには、燃焼温度を低下させねばならない。従って、排ガスの一部分が、部分負荷領域において再循環路を介して燃焼用空気に混合され、そこで、再循環される排ガス量の調整が調整部材を介して行われる。これらの場合の多くでは、燃焼用空気への再循環される排ガスの混合は、吸気管の上流側で行われる。

本発明の課題は、特にコンパクトな構造様式を有する排ガス再循環のための装置を提案することである。

この課題は、冒頭に挙げた装置に関して、本発明において請求項１に記載の特徴によって解決される。

内燃機関のシリンダヘッドに直接設けられたフランジに、再循環される排ガスの流入部を配置することによって、とりわけ、再循環を行う排ガス路の経路を短くする可能性が開かれる。また、前記流入部の位置は、既にシリンダヘッドの温度の故に前記フランジが通例耐熱性の材料からなるという利点を有し、これにより、排ガスの流入部を支障なく組み込むことが可能となっている。

例示としての構成において、前記フランジは、金属、例えばアルミニウム合金のような軽金属からなっている。

本発明の好ましい一実施形態の場合、前記フランジは、吸気管モジュールの一部分として構成されており、この場合、さらに好ましいが必須ではない詳細態様において、給気冷却器が前記吸気管モジュールに組み込まれている。前記吸気管モジュールは、有利であるが必須ではなく、前記フランジと前記フランジに固定可能なモジュール体とを含む。従って、例えば、前記モジュール体に間接的な給気冷却器を組み込んでおくことができる。また、代替的な構成の場合、直接的な給気冷却器および／または別の箇所に間接的な給気冷却器を設けておくことができ、この場合、前記吸気管モジュールは単に中空スペースとしてのみ構成されている。本発明に係る装置の意味におけるフランジは、通過領域が個別の複数の吸気通路に分割されている典型的な吸気マニホルドとして構成しておくことが可能である。好ましくは、前記フランジは、好ましい詳細態様において、横方向に複数のシリンダにわたって延在して全体的に開口した貫通領域を備えたフランジとして構成されている。

特に好ましい詳細態様では、排ガスは、内燃用空気へ流入する前に排ガス冷却器を通過することはなく、この場合、内燃用空気は、好ましいが必須ではなく、圧縮されている。

従って、この配置は非冷却式の高圧排ガス再循環であり、この排ガス再循環は、特に低コストでかつ小型に実現することが可能である。この場合、非常に一般的に、本発明は、通常の運転状態においてかなりの再循環率、特に２０％を超える再循環率を有する排ガス再循環に関する。このような高い再循環率は、好ましくは、内燃機関、特にディーゼルエンジンの有害物質排出に関する現行の要件を満たすために利用される。しかしまた、本発明の代替的な構成の場合、再循環される排ガス用の排ガス冷却器を設けておくことも可能である。

また有利には、排ガスを案内する通路が、前記通過領域の横方向にわたって延在し、この場合、前記通路が、好ましい詳細態様において複数の流出開口部を含む。その際、有利には、前記複数の流出開口部は、それらの通過開口の位置および／または大きさについて所定通りに構成されており、特に好ましくは、相異なる方法で構成されている。これにより、排ガスを前記通過領域の様々なセクタへ所定通りに分配することが実現できる。特に、この場合、排ガス流を基準にして直列に相前後して位置する、内燃機関の複数のシリンダへ分配することが可能であり、その際、例えば前記通過開口部は、流れ方向において前記通路に沿って次第に大きくなり、これにより、再循環される排ガスを前記シリンダに均一に供給することができる。

本発明の特に好ましい一実施形態の場合、排ガスを案内する通路溝が前記フランジの内縁に構成されており、この通路溝は、前記内縁の少なくとも一部分にわたって延在し、この場合、排ガスは、前記通路溝の１つ以上の開口部を通って内燃用空気内へ流入する。このような通路溝は、構造上容易に実現可能であり、例えば、鋳造部品として製造されたフランジに単一材料において組み込んで構成することによって実現することができる。代替的または補完的に、前記通路溝を全体的または部分的に、前記フランジの前記内縁上に載置された金属薄板部品またはその他の成形部品として構成しておくことも可能である。

また好ましくは、前記通路溝の少なくとも１つの開口部が連通部材を有し、この連通部材が、好ましい詳細態様において遮蔽キャップとして、および／または、前記通過領域内へ突出するノズル部材として構成されている。遮蔽キャップとしてのこの構成は、特に、前記通路溝の前記開口部において凝縮液の凍結を防止する働きをすることができ、この働きは、寒い季節や暖機段階に支障なく実現可能である。特殊成形されたノズル部材は、前記通過領域内に突出することが可能であり、これにより、より精密に位置決めされた、および／または、より良好に渦動された排ガスの流入を引き起こすことができる。このようなノズル部材はまた、前記フランジから前記シリンダヘッドのそれぞれの吸気通路内へ突出することができ、これにより、要件に応じて前記流入をさらに最適化することを可能にする。

本発明の代替的または補完的な一実施形態では、排ガスを案内する管路部材が前記フランジに配置されており、この管路部材は、前記通過領域内へ突出し、かつ、少なくとも１つの流出開口部を有する。この場合、好ましい別態様では、前記管路部材は、その全長にわたって分散された複数の流出開口部を有する。このような管路部材は、個別部材として容易にかつ低コストで製造可能であり、この場合、材料の選択、長さおよびその他のパラメータに関して、本発明に係る装置のモジュール構造原理が促進される。

好ましい更なる詳細態様では、前記管路部材が、流体力学的に最適な断面形状、特に好ましくは、円形状、燃焼用空気に沿って整向された楕円形状または翼形状を有する。これにより、燃焼用空気が貫流する通過部における前記管路部材の流体抵抗を要件に応じて低減すること、あるいはまた、望ましい場合、再循環される排ガスをより良好に撹拌するための乱流を発生できるように前記流体抵抗を増大することが可能である。

さらに別の可能な詳細態様の場合、前記管路部材内に摺動部材が配置されており、この場合、再循環される排ガス量の定量は、前記管路部材に対する前記摺動部材の相対的な移動によって調節可能である。特に好ましくは、この移動は回転移動または線形移動である。これにより、再循環される排ガス量を調節するための調整部材は、特に容易にかつ低コストで本発明に係る装置に設けることができる。

一般に好ましくは、前記フランジに排ガス用の流入開口部が配置されており、この場合、再循環される排ガス量を制御するための調整部材が、直接、流入開口部に配置されている。このことは、組み込み式の構造様式に有利に働き、これにより、構造スペースおよびコストが節約される。この場合、有利な別態様では、前記流入開口部は、側方において前記通過領域の横に配置されており、その際、利用可能な構造スペースを最適に利用するために、排ガスはフランジ平面を基準にして一方の側から供給され、かつ、前記調整部材は前記フランジ平面を基準にしてもう一方の側に配置されている。前記調整部材は、それ自体公知の構造様式における調節可能な弁部材であり得る。

本発明のその他の利点および特徴については、以下に説明される実施例および従属請求項によって明らかにされる。

以下において、本発明について、複数の好ましい実施例について説明し、添付した図面を参照しながらさらに詳述する。

本発明に係る装置を示す模式的な全体図である。 本発明に係る装置の第１の実施例を示す立体図である。 図２の実施例のフランジを示す立体図である。 図３のフランジの第１の変更態様を示す立体図である。 図３のフランジの第２の変更態様を示す立体図である。 本発明に係る装置の第２の好ましい実施例のフランジを示す。 図６のフランジの管路部材における様々な好ましい断面を示す。

図１に示された本発明に係る装置の模式的な図にはフランジ１が示されている。このフランジ１は、アルミニウムダイカスト部品として形成されており、フランジ平面２によって内燃機関のシリンダヘッド（図示せず）に直接隣接している。図１に模式的に示された装置の、図２に示す、さらに精密な詳細態様から明らかなように、前記フランジ１は、公知の方法で複数の孔３によって前記シリンダヘッドに螺着可能であり、この場合、シール４が前記フランジ平面２に配置されている．
前記フランジ１は通過領域５を有し、この通過領域は、ここでは例えば横方向に延在する矩形の断面形状を有し、内燃機関の個々のシリンダへ供給するための圧縮された燃焼用空気が貫流できるように機能する。

ここで示された各実施例の内燃機関は、４気筒ディーゼルエンジンである。

燃焼用空気Ｌの流れ方向を基準にして上流側において、前記フランジ１にモジュール体６が接続されており、このモジュール体の中に間接的給気冷却器あるいは液体冷却式給気冷却器７が配置されている。前記給気冷却器７は、ここでは扁平管７ａの積層体を備えた管束熱交換器として構成されている。中に給気冷却器７を備えた前記モジュール体６は、前記フランジ１および燃焼用空気の供給部材８と共に吸気管モジュールを構成する。この吸気管モジュール１、６、７、８は、コンパクトな組み込み式の構造様式を有し、複数の機能、例えば再循環される排ガスの流入と排ガスの調整および圧縮された燃焼用空気の冷却といった機能を含む。

図２のフランジ１は、図３において、構造上少し変更が加えられた形態で詳細に示されている。前記フランジ１には、側方において前記通過領域５の横、より厳密には前記矩形の通過断面の短い端面側の横に排ガス用の流入開口部９が設けられており、この流入開口部は、排ガスを案内する通路１０の中へ延通し、この通路は、前記通過領域５の長手方向側面に沿った縁側の通路溝１１の形態でその内縁に沿って延在する。前記通路溝１０は、前記フランジ平面２の表面に溝状の凹部として形成されており、これは、ダイカスト部品として構成する場合に特に容易に可能である。従って、前記シリンダヘッドの接続フランジの表面は、前記通路溝１１のカバーとなる。しかしまた、代替的な実施形態の場合、付加的なカバーを設けておくことも可能であり、あるいは、前記通路溝１１を他の方法、例えば金属薄板成形部品を載置するという方法で形成しておくことも可能である。

前記通路溝１１は、その全長にわたって複数の流出開口部１２を有し、これらの流出開口部は、ここでは、前記通過領域５の方向において細長い溝状の通路溝１の側壁に矩形の切欠きとして形成されている。前記流出開口部１２は、それらの位置において、シリンダの配置あるいはシリンダの吸気通路の配置に合わせて整向されている。前記通路溝１１の延在部にわたる前記流出開口部１２の大きさは、可変であってもよく、これにより、内燃機関のシリンダの各々に関して排ガスが可能な限り同一形状で流入することを保証することができる。

前記通路溝１１に対向して、前記通過領域５のもう一方の長手方向側面に貫通部１３が設けられており、この貫通部内へ測定センサ、例えば圧力センサおよび／または温度センサを挿入することができる。高温かつ腐食性の排ガスに直接さらされないように、前記センサ用開口部１３を覆って前記通過領域５の内側に保護キャップ１３ａが構成されている。

前記フランジ１における排ガス用の流入開口部９は、排ガス路をシリンダヘッドの側から前記フランジ１に螺着できるように構成されており、この場合、前記流入開口部９は前記フランジ平面２に位置している。前記流入開口部９の対向側面に調節弁の形態における調整部材１４を設置することが可能であり、これにより、再循環される排ガス流の量を調節可能に制御することができる。

ここでは、冷却されていない排ガスの高圧排ガス再循環であり、従って、再循環される排ガス流は、通例、４００℃以上および５００℃にまでも達し得る。しかし、本発明に係る装置について示された前記諸形態は、冷却された排ガスの再循環を決して妨げるわけではない。

図３のフランジ１の図４に示された変更態様の場合、前記流出開口部１２は、それぞれ遮蔽キャップ１３として形成されている。この成形の目的は、例えば、寒冷期中の暖機段階において、前記通路溝１１に発生する凝縮液が前記開口部１２内で凍結してこれらの開口部を塞ぐことがないようにすることである。前記遮蔽キャップ１３は、燃焼用空気の流れ方向に開放されており、これにより、流出する排ガスの量が、逆方向に流れる燃焼用空気によって制限されることがない。再循環される排ガスの圧力状況、燃焼用空気の圧力状況および／またはその他の要件に応じて、前記遮蔽キャップ１３を燃焼用空気の流れ方向とは逆方向に向けておき、これにより、例えば流入する排ガスの渦動を改善することも可能である。

前記流出開口部１２は、遮蔽キャップ１３として形成する代わりに、図示されていない代替的な詳細態様において、ノズル部材として構成しておくこともでき、これらのノズル部材は、特に前記通過領域５内への経路にわたって延在すること、または、前記通路溝１１から直接シリンダヘッドの吸気通路の中へ突出することも可能である。

図５に示された変更態様の場合、図３の実施例とは異なり、前記通路溝１１が前記通過領域５の上方の長手方向側面に配置されており、下方の長手方向側面には配置されていない。このことは、要件に応じて、凝縮液の問題に関して利点を供することができる。

図６は本発明の第２の実施例を示し、この実施例の場合、排ガスを案内する通路１０は管路部材１５として形成されている。前記管路部材１５は、前記通過領域５の長手方向に沿って延在しており、短い横方向（高さ方向）に関してはほぼ半分の高さにある。従って、前記管路部材１５は、燃焼用空気の流れ方向に対して実質的に垂直に整向されている。この管路部材は、位置が個々のシリンダに関連付けられている複数の流出開口部１２を有し、これらの流出開口部は、前述した実施例における前記通路溝１１の流出開口部１２に類似して、それらの大きさまたは分布密度について所定通りに構成されている。

燃焼用空気に関して可能限りの小さな流体抵抗を生じられるように、または、要件に応じて、流入する排ガスの分布を改善するために特に大きな渦動を発生させられるように、前記管路部材１４は、図７に例示されているような所定の管路断面を有することができる。好ましくは、翼形断面（左図）、楕円形断面（中図）または円形断面（右図）であってもよい。

図６の実施例の、図示されていない別態様の場合、摺動部材が、開口部を備えたさらに別の管路部材の形態で前記管路部材１４内に配置されている。前記摺動部材が回転すること、または長手方向に摺動することによって前記開口部の重なりを変更することで、再循環される排ガス量の調整を行うことができる。従って、前記摺動部材が前記管路部材１５と前記摺動部材を移動させるための適切なアクチュエータとに組み合わされることによって全体として、再循環される排ガス量を調整するための調整部材１４が提供されている。

自明ながら、前記さまざまな実施例の個々の特徴は、要件に応じて互いに組み合わせることが可能である。

１ フランジ
２ フランジ平面
３ 孔
４ シール
５ 通過領域
６ モジュール体
７ 給気冷却器
７ａ 扁平管
８ 供給部材
９ 流入開口部
１０ 通路
１１ 通路溝
１２ 流出開口部
１３ 貫通部、開口部、遮蔽キャップ
１３ａ 保護キャップ
１４ 調整部材
１５ 管路部材

Claims (11)

1. 内燃機関に関する排ガス再循環のための装置であって、
   フランジ（１）が、内燃機関のシリンダヘッドに直接設置され、シール（４）が前記フランジ（１）と前記シリンダヘッドとの間に配置されており、
   前記フランジ（１）が通過領域（５）を有し、燃焼用空気（Ｌ）が前記フランジ（１）の通過領域（５）からシリンダの少なくとも１つの吸気通路内へ直接流入し、
   再循環される排ガスのための流入部が前記フランジ（１）に設けられており、
   前記フランジ（１）が給気冷却器（７）と前記シリンダヘッドとの間に配置され、
   吸気管モジュールが前記フランジ（１）に固定し得るモジュール体（６）を有し、
   前記給気冷却器（７）が扁平管（７ａ）の積層体を備えており、前記吸気管モジュールに組み込まれており、
   排ガスを案内する通路（１０）が前記通過領域（５）の横方向にわたって延在し、前記通路（１０）が複数の流出開口部（１２）を含み、
   排ガスを案内する通路溝（１１）が前記フランジ（１）の内縁に構成されており、この通路溝（１１）が、前記内縁の少なくとも一部分にわたって延在し、前記排ガスが、前記通路溝（１１）の１つ以上の開口部（１２）を通って燃焼用空気（Ｌ）内へ流入し、
   排ガスを案内する管路部材（１０、１５）が、前記通過領域（５）内へ突出し、かつ、少なくとも１つの流出開口部（１２）を有し、前記フランジ（１）に配置されていることを特徴とする装置。
2. 前記流出開口部（１２）が、位置および／または大きさについて所定通りに構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記フランジ（１）が、単一材料で前記通路溝（１１）と一体的に構成されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
4. 前記通路溝（１１）の前記少なくとも１つの開口部（１２）が連通部材（１３）を有していることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
5. 前記連通部材（１３）が、遮蔽キャップ（１３）として、および／または、前記通過領域内へ突出するノズル部材として構成されていることを特徴とする、請求項４に記載の装置。
6. 前記管路部材（１０、１５）が、その全長にわたって分散された複数の流出開口部（１２）を有することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
7. 前記管路部材（１０、１５）が、流体力学的に最適な断面形状を有することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置。
8. 前記管路部材（１５）内に摺動部材が配置されており、再循環される排ガス量の定量が、前記管路部材（１５）に対する前記摺動部材の相対的な移動によって調節可能であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置。
9. 前記フランジ（１）に排ガス用の流入開口部（９）が配置されており、再循環される排ガス量を制御するための調整部材（１４）が、直接、流入開口部（９）に配置されていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置。
10. 前記流入開口部（９）が、前記通過領域（５）の側方に配置されており、排ガスがフランジ平面（２）を基準にして一方の側から供給され、かつ、前記調整部材（１４）が前記フランジ平面（２）を基準にしてもう一方の側に配置されていることを特徴とする、請求項９に記載の装置。
11. フランジ（１）が吸気管モジュールの一部として構成されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の装置。

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