JP6876621B2 - 排気再循環装置 - Google Patents

Description

この発明は、請求項１前段に記載の特にディーゼルエンジンの排気再循環（ＥＧＲ）装置に関する。

本発明はさらに、請求項１１に記載の特にディーゼルエンジンの排気再循環（ＥＧＲ）方法に関する。

公知の排気再循環（ＥＧＲ）の実施形態において、ＥＧＲ経路内でエンジンの排気側で分岐した排気管が再循環のためにエンジンの外気吸気路に通じる。これには、エンジンの冷却システムに接続した排気／冷媒熱交換器としての冷却装置と、ＥＧＲバルブが含まれ、そのバルブの目的は循環される排気量をエンジンの特性図データに合わせて調節することである。

それに関して例えばドイツ国特許出願公開第１０２０１００１４８４５号（Ａ１）明細書を引用することができる。

一方で、ディーゼルエンジンにおいて排気再循環（ＥＧＲ）をＮＯｘ削減のために利用することが知られている。その際、前記の目的のためプロセス温度を可能な限り低く抑制するために、エンジンの外気側に可能な限り低温の排気ガスを供給すべきである。その際周知の実施形態においてＥＧＲバルブが熱交換器の低温側に配置されるが、それによって排気ガスの露点未満の窩洞状態においてＥＧＲバルブが煤汚染される傾向が生じる難点を伴う。

別の周知の実施形態においてはＥＧＲバルブが熱交換器の高温側に配置され、それによって当然熱的に高い負荷がかかり、従って摩耗部品と同様に限定的な寿命しか達成し得ない。

そのため別の問題として表面沈着によるいわゆる熱交換器のクーラー老化（ファウリング）が生じ、それによって冷却路の熱伝導の劣化につながり、それがＥＧＲ管路の効率に悪影響を与える。

従って本発明の目的は、前述した問題点を克服し、特に寿命を延長するためにＥＧＲバルブの熱負荷を軽減して頑丈かつ長寿命の産業用ディーゼルエンジン用の高効率ＥＧＲ循環の要求を満たすように、改善された冒頭に述べた種類の装置を提供することにある。

前記の目的は、本発明に従って請求項１およびその他の構成に係る装置と、請求項１１およびその他の特徴に係る方法によって解決される。

本発明提案によれば冷却装置が排気予冷却器とその後に結合された排気主冷却器に分割されるため、排気予冷却器と排気主冷却器の間にＥＧＲバルブを配置する可能性が達成され、その際その位置にＥＧＲバルブを収容するためのバルブハウジングが設けられる。

その際排気予冷却器への冷媒接続がＥＧＲバルブのバルブハウジングに設置されるため、ＥＧＲバルブが収容されるバルブハウジングの冷却とＥＧＲバルブの内部冷却の両方とも問題が無くなる。この方式によって冷却されたバルブハウジングを介してＥＧＲバルブの外面冷却が達成されるが、それの電気内蔵部品はさらに独立した内部冷却機構に結合することができる。

加えて、バルブハウジングの冷媒接続を介して排気予冷却器に冷媒を供給することができる。

分流された排気がまず排気予冷却器内で、ＥＧＲバルブを通過した後に排気主冷却器内で冷却され、従ってエンジンの外気側におけるＮＯｘを低減する混合温度が達成される。排気主冷却器がＥＧＲバルブの後に接続されることによって、再循環される排気の低い温度によるＥＧＲバルブの煤汚染の危険が無くなる。

本発明に係る排気予冷却器と排気主冷却器の直列接続によって、排気予冷却器の冷却作用の余剰分が後置された排気主冷却器によって補償されるため、不要なクーラー老化の影響も防止される。排気予冷却器の側の入力温度差が拡大している場合排気主冷却器の側の入力温度差もより大きくなり、それによって排気予冷却器の冷却作用の余剰分が殆ど補償される。エンジンの外気側の混合温度を維持することによって不要なファウリング問題が排除され、すなわち排気予冷却器内においてクーラー老化によって一定の熱伝達の劣化が見込まれるとしても排気冷却システム内の沈着による排気主冷却器の後の排気温度の上昇が一定の限度まで排除される。

排気予冷却器も排気主冷却器も鋳造部品として好適に形成することができ、一部品型あるいは複数部品型の形態にすることができる。

その際本発明に従って、排気予冷却器とバルブハウジングを一体型の構成部材として形成することができる。

排気予冷却器および／または排気主冷却器がそれぞれ複数部品型のハウジングを備えるという別の方式によって製造の単純化が達成される。それによって、冷却器ハウジング内にそれぞれ予加工された熱交換器インサート部材を内蔵し得ることと、その結果排気予冷却器と排気主冷却器が同じ熱交換器インサート部材を備え得るという好適な可能性が伴われる。排気ガス用の熱交換器インサート部材としては市販の管束熱交換器が好適に使用される。

この点に関して、いずれもバルブハウジングに接続する予冷却器および／または主冷却器のハウジング部材がバルブハウジングと一体的に形成される形態が好適であり；それによって２個の独立した構成部材を設けることを省略しまたネジ付け部材を備えた密封フランジを省略することができる。

第１の実施形態によれば、エンジン冷却水をＥＧＲシステムのためにエンジン冷却水循環系から取り出してまずバルブハウジングに好適に供給することができる。その中で複数の冷却水経路に分割される。そのうち１本が排気予冷却器とその後排気主冷却器を連通し；別の１本はバルブハウジングを連通してその際にＥＧＲバルブを外から冷却し、その後エンジン冷却システムに供給され；さらに別の冷却水経路はＥＧＲバルブの内部を連通してそれの電気構成部品を冷却する。

最後に全ての冷却水経路が再び管路を介してエンジンのエンジン冷却水に合流する。部分流が例えばオイルクーラーを介して誘導されその後エンジン冷却器に戻ることができる。

周知の管束熱交換器要素と並んで、排気流を誘導するための鋳造された洞室を備えた熱交換器も原則的に適合するが、その際洞室の外側を冷却水が還流するようにされる。その際、熱交換器の鋳造表面の内部が片側あるいは両側で比較的粗目に形成されそれによって気体ならびに液体側に乱流が発生するようにすることによって、簡便な方式で熱伝導の改善を達成することができる。

さらに別の実施形態によれば、第１の冷却水経路が排気予冷却器に誘導されてそこから直接排気主冷却器に到達し；バルブハウジングに対して独立した冷却水経路によってＥＧＲバルブのハウジング冷却および内部冷却が提供される。

本発明によれば上述した実施形態を具現するために、冷媒接続がバルブハウジングへの冷媒供給を構成し、排気予冷却器がバルブハウジングに接続されまた排気主冷却器への冷媒排出が設けられる。

さらに、バルブハウジングにエンジン冷却システムおよび／またはその他のエンジン側熱交換器への別の冷媒排出を設けることも提案される。

さらに、排気ガスを逆流方向において冷却するために排気予冷却器の長手方向に延在する、冷媒を誘導するための独立した冷却管を排気予冷却器が備えることも提案される。

別の実施形態によれば、冷媒接続が排気予冷却器への冷媒供給を形成し、その排気予冷却器の冷媒排出が直接排気主冷却器と結合され、その排気主冷却器の冷媒排出が再びエンジン冷却システムと結合される。

特にディーゼルエンジンエンジンにおいて有効な排気再循環方法によれば、エンジンの排気管から分岐した排気ガスがＥＧＲ経路内でまず排気予冷却器を介し、その後ＥＧＲバルブによって排気再循環率を測定して分配され、さらに排気主冷却器を介するように連続的に搬送される。

冷媒はいずれもエンジンの冷却システムから分流され；その際分流した冷却水がまず排気予冷却器を介してその後排気主冷却器を介するように連続的に誘導される。分流した冷却水の少なくとも一部分がＥＧＲバルブを収容するバルブハウジングおよび／またはＥＧＲバルブの内部を介して誘導され、必要に応じてＥＧＲ経路の外部に存在するエンジン側の熱交換器に分流される。

排気予冷却器を通じて誘導される冷却水はそこで排気ガスの露点を顕著に上回る温度まで冷却される。従って排気ガスは温度的に過負荷にならずあるいは凝結の危険を伴うことなくＥＧＲバルブを介して誘導される。その際５５０ないし６００℃でエンジンの排気マニホルドから分流された排気ガスが排気予冷却器内で約２００ないし２５０℃冷却される。排気主冷却器内で冷却された排気ガスが約１００℃を超えない排出温度でＥＧＲ経路から流出する。

本発明に係る排気予冷却器と排気主冷却器の直列接続と両方の冷却器の間のＥＧＲバルブの配置によって一方でそのＥＧＲバルブが熱的に負荷軽減されるが；他方で排気温度がＥＧＲバルブ内においてなお顕著に排気ガスの凝結温度を上回り、従って入力側に配置されたＥＧＲバルブを有する周知のＥＧＲ経路において観察されるような煤汚染がＥＧＲバルブ内に生じることがない。

次に、本発明の実施例につき添付図面を参照しながら説明する。

それぞれ一部品型に形成された排気予冷却器と排気主冷却器を有するＥＧＲ経路を示した概略構成図である。 図１の実施形態の外面を透視的に示した立体図である。 図２の実施形態を示した部分断面図である。 いずれも分割式に形成された排気予冷却器と排気主冷却器を有するＥＧＲ経路を示した概略構成図である。 図４の実施形態の外面を透視的に示した立体図である。 図４の実施形態の変更例を示した概略構成図である。

図１には排気マニホルド１の後のＥＧＲ経路が概略的に示されており、その排気マニホルドからエンジン排気ガスが（図示されていない）排気システムを介して外側方向に誘導される。排気マニホルド１は分岐２を有し、それを介して排気ガス流７ａが排気予冷却器３に供給され、その後ＥＧＲバルブハウジング４内で９０°曲折して後置接続された排気主冷却器５を介して冷却された排気ガス流７ｂとして（図示されていない）エンジンの吸気マニホルドに供給される。

排気予冷却器３は一部品型の鋳造部材としてＥＧＲバルブハウジング４と共に形成され、フランジ接続４ｂを介して同様に鋳造部材として形成された排気主冷却器５と気密に結合される。排気主冷却器５も同様に一部品型に形成され；その排気主冷却器が図示されていないエンジンの吸気マニホルドと結合するためにフランジ５ｂをもって終止している。

黒塗り矢印によって多様な冷却路が示されており、それらは全てエンジンの冷却システムから供給されるが、その際（図示されていない）エンジンオイルクーラーの出力温度が前記の多様な冷却路の入力温度に略相当する。

図１によれば、第１の冷却路８が冷媒接続１８を介してバルブハウジング４の内部に到達する。そこで冷却路８から一番目の冷却路８ａが分割されてそれが予冷却器３を通過してその冷却器の冷媒出力１１を介して排気主冷却器５に通じる。予冷却器３内で暖められた冷却水は、排気主冷却器５の冷媒入力１２を介し、さらに冷媒出力１３を介して矢印８ｂに従って再びエンジンの冷却システムに還流する。

分岐した排気ガス流７ａの予冷却器３内への入力温度は約５５０ないし６００℃であるが排気予冷却器３内で約２５０ないし３００℃冷却され、そのためエンジンの吸気マニホルドに供給される前に１００℃以下の温度を有する排気ガス流７ｂとして排気主冷却器５から排出される。

ＥＧＲバルブハウジング４の内部で冷却路８から部分流８ｃが分岐し、それがバルブハウジング４を冷却するように作用する。そのバルブハウジングの内部には、ＥＧＲバルブ６のバルブ体を収容するシートブラケット２３を冷却するための冷却ジャケット２２が存在する（図３参照）。冷媒出力１９を介して冷却水部分流８ｃが再びエンジンの冷却システムに還流する。

さらに、バルブハウジング４の内部で別の部分流８ｄが分岐し、それがＥＧＲバルブ６内に存在する電気構成部品を冷却するためにそのＥＧＲバルブの内部を通流するとともに冷媒出力２０を介してエンジンの冷却システムと結合される。

図２には、図１の原理に係る実施形態が概略的な立体図で示されている。その際図１の構成要素と同じ構成要素は同一の参照符号によって示される。追加的に、排気予冷却器３と排気主冷却器５の間のパイプ結合２１が図示されている。両方の排気冷却器３，５は、図１に示されているように、互いに９０°の角度をもって接続するが、その角度成分はバルブハウジング４によって形成される。排気予冷却器３は角度成分を形成するバルブハウジング４と一体的に結合され、好適には一体的な鋳造部品として形成される。

図３には図２の詳細が示されており、すなわち前述したＥＧＲバルブ６のバルブ体２４が収容されたシートブラケット２３の冷却のために作用するバルブハウジング４の冷却ジャケット２２が示されている。

バルブ体２４内の孔部２６を介してＥＧＲバルブ６の内部に存在する電気構成部品を冷却するために冷媒がＥＧＲバルブの内部に結合される。その電気構成部品はバルブタペット２５を付勢するために作用し、そのタペットは図３においてバルブシート３に対する接合位置で示されていて開口状況に応じてガス流７ａを制御する。

図４には、排気予冷却器３と排気主冷却器５が分割式に構成されまたバルブハウジング４が独立して構成される実施形態が概略的な平面図で示されている。排気予冷却器３が２個のハウジング片部材３ａおよび３ｂに分割して構成され排気主冷却器５が２個のハウジング片部材５ａおよび５ｂに分割して構成される点の他、図４の実施形態は図１の実施形態に対してエンジン冷却システムから分岐した冷媒路９が排気予冷却器３のハウジング部材３ａの冷媒接続部１０に直接的に接続する点によって異なる。冷媒路９が排気予冷却器３を通流してその際に熱交換器インサート１４を冷却し、そのインサートは排気部分流７ａを通流させるように例えば予加工された管システムによって形成される。排気主冷却器も同様な管システム１５を備えており、それを介して排気ガス部分流７ａが通流し、排気主冷却器５から排気ガス部分流７ｂとしてエンジンの外気マニホルド内へ誘導するために排出される。その他は、図４に示された図１と同一の構成要素は同じ参照符号によって示される。そのことは図４と同じ実施形態を示した図５の立体図にも該当する。

図５には、図４の実施形態が概略的な立体図に示されている。その際図４の実施形態と同じ構成要素は同一の参照符号によって示される。追加的に、鋳入孔３０が示されており、それがパイプ結合の接続部として設けられるかまたは遮蔽蓋材によって閉鎖される。鋳造された固定口２８，２９が別の構成部品の固定点として設けられる。

図６には、図４の実施形態の変更例が示されており、その際ハウジング部材３ｂと５ａがコスト上の理由からＥＧＲバルブハウジング４と共に一体的に鋳造され、それによって２個の個別鋳造部材と２個のフランジシーリングが削減される。

Claims (9)

1. エンジンの冷却システムに接続される冷却装置が排気（ＥＧ）／冷媒熱交換器として排気再循環（ＥＧＲ）経路内に設けられ、ＥＧＲバルブ（６）が該排気再循環の割合を調和させるために該装置と結合される、排気管からエンジンの外気経路内への排気再循環（ＥＧＲ）装置であって、
   該冷却装置は、排気予冷却器（３）とその予冷却器に接続される排気主冷却器（５）を備えてなり、
   該ＥＧＲバルブ（６）は、該排気予冷却器と該排気主冷却器との間に配置されるバルブハウジング（４）内に設置され、
   該バルブハウジング（４）は、該ＥＧＲバルブ（６）の外部冷却のために独立した冷却路（８ｃ）に接続され、さらに
   更なる冷却路（８ｄ）が、該ＥＧＲバルブ（６）の内部の電気構成要素を冷却するために備えられる、
   装置。
2. 前記排気予冷却器（３）と前記バルブハウジング（４）が一部品型の構成部材として形成されることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 前記排気予冷却器（３）および／または前記排気主冷却器（５）が、それぞれ複数部品型のハウジング部材（３ａ，３ｂ；５ａ，５ｂ）を備えることを特徴とする請求項１記載の装置。
4. 前記バルブハウジング（４）に接続する前記排気予冷却器（３）および／または前記排気主冷却器（５）のハウジング部材（３ｂ；５ａ）が、各場合において、該バルブハウジング（４）と一部品として形成されることを特徴とする請求項３記載の装置。
5. 排気管束（１４，１５）の形式の熱交換器インサートが、各場合において、前記ハウジング部材（３ａ，３ｂ；５ａ，５ｂ）に内蔵されることを特徴とする請求項４記載の装置。
6. 冷媒接続（１８）が前記バルブハウジング（４）への冷媒供給を形成し、前記排気予冷却器（３）が前記バルブハウジング（４）に接続されるとともに前記排気主冷却器（５）への冷媒排出（１１）を備えることを特徴とする請求項１記載の装置。
7. 前記バルブハウジング（４）が、前記エンジンの冷却システムおよび／または前記エンジン側の別の熱交換器への冷媒排出（１９）を更に備えることを特徴とする請求項６記載の装置。
8. 前記排気予冷却器（３）が、冷媒を誘導し、排ガスを冷却するための独立した冷却管を有し、その管が該排気予冷却器（３）の長手方向に延在することを特徴とする請求項７記載の装置。
9. 冷媒接続（１０）が前記排気予冷却器（３）への冷媒供給を形成し、その接続の冷媒排出（１１）が前記排気主冷却器（５）と直接結合され、引き続き、その接続の冷媒排出（１３）が前記エンジンの冷却システムと結合されることを特徴とする請求項１記載の装置。

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