JP2008500490A - 過給気内燃機関の排気再循環装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、過給気燃焼機関１の排気再循環装置に関する。該装置は、燃焼機関１から出る排気を導くための排気ライン３と、燃焼機関１に対して大気圧よりも高圧の空気を導くための入口ライン７と、帰還ライン１０を介して、排気ライン３から入口ライン７に排気を再循環させ得るように、排気ライン３を入口ライン７に接続する前記帰還ライン１０と、帰還ライン１０内で再循環する排気が、入口ライン７内で空気と混合される前に冷却剤によって冷却されるＥＧＲ冷却器１２とを含む。ＥＧＲ冷却器１２内の排気が、循環する冷却剤によって冷却され、循環する冷却剤は、それがＥＧＲ冷却器１２内に導かれる時に、周囲温度と事実上同等の温度であるようになされる。

Description

本発明は、請求項１の前段に記載された過給気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）として知られている技術は、燃焼機関における燃焼プロセスから出る排気の一部を、帰還ラインを経て、燃焼機関に空気を供給するための入口ラインに戻して導く、既知の方法である。かくして、燃焼が行われるエンジンのシリンダに、入口ラインを経て、空気と排気の混合物が供給される。空気に対する排気の添加は、燃焼温度の低下を引き起こし、とりわけ排気中の窒素酸化物ＮＯ_ｘ量の低下に帰する。この技術は、オットー（Ｏｔｔｏ）機関およびディーゼル機関の両者に適用される。

過給気燃焼機関に供給可能な空気量は、空気圧力によるが、空気温度にもよる。したがって、燃焼機関に対する最大可能量の空気の供給は、燃焼機関に導かれる前の圧縮空気を給気冷却器内で冷却することを伴う。圧縮空気は、給気冷却器を通って流れる周囲空気によって、給気冷却器で冷却される。このように、圧縮空気は、周囲温度よりも僅かに数度高い温度にまで冷却可能である。ＥＧＲ技術を使用する場合には、帰還排気の冷却も必要である。これは、いわゆるＥＧＲ冷却器によって達成される。ＥＧＲ冷却器は、冷却系内で循環する冷却剤によってＥＧＲ冷却器内で排気が冷却されるように、燃焼機関の冷却系に通常接続される。したがって、ＥＧＲ冷却器は、冷却系内の冷却剤温度よりも低い温度に排気が冷却されないという限界を受ける。よって、冷却された排気は、燃焼機関への入口ラインに投入される時、通常、冷却された圧縮空気よりも高温である。したがって、燃焼機関に導かれる排気と空気の混合物は、排気の再循環を行なわない過給気燃焼機関内に導かれる圧縮空気よりも高温である。したがって、ＥＧＲを設けた過給気燃焼機関の性能は、ＥＧＲを設けない過給気燃焼機関の性能よりも多少劣る。

本発明の目的は、排気再循環が、これを行なわない類似燃焼機関の性能よりも劣る燃焼機関性能にならないような、過給気燃焼機関における排気再循環を行う装置を提供することである。

この目的は、前記種類の装置であって、請求項１の特徴部分で示される構成を有する装置によって達成される。これは、事実上、周囲温度と同等の温度である冷却剤によってＥＧＲ冷却器で冷却される排気を伴う。それによって、周囲温度よりも僅かに高い温度に排気を冷却することができる。斯様に、排気を、従来の給気冷却器での冷却した後の圧縮空気の温度と事実上同等の温度にすることができる。この場合、燃焼機関に供給される排気と圧縮空気の混合物は、排気再循環のない類似燃焼機関に供給される圧縮空気よりも高温ではない。したがって、本発明による装置を具備する燃焼機関の性能は、ＥＧＲ冷却器を具備しない燃焼機関の性能と事実上同等である。

本発明の好適実施形態によれば、前記冷却剤が、第１冷却系に対して別体の冷却系を構成する第２冷却系で循環する。従来のＥＧＲ冷却器では、再循環する排気が、燃焼機関を冷却する冷却系の冷却剤で冷却される。このように、ＥＧＲ冷却器は、周囲温度よりも通常かなり上である、冷却系における冷却剤の温度よりも低温に排気を冷却することができないという制限を受ける。適切な大きさの冷却能力を有する斯様な別体第２冷却系を用いることによって、冷却系内で再循環する冷却剤に、その冷却剤がＥＧＲ冷却器内に導かれる時に周囲温度と事実上同等の温度を与えることが可能である。斯様に、再循環する排気は、圧縮空気と混合される前に、周囲温度よりも僅かに高い温度に同様に冷却することができる。第２冷却系は、これを通る冷却剤を循環させる冷却剤ポンプを有してもよい。このように、第２冷却系における冷却剤は、冷却系内で首尾よく制御された循環を受けることが保証される。第２冷却系は、循環する冷却剤を冷却するための放熱エレメントを含んでもよく、該放熱エレメントは、周囲空気が流れる領域に配設される。燃焼機関は、車両に動力を与えるために有利に使用される。そのような場合、放熱エレメントを適切に配置することによって、車両が作動する間に放熱エレメントを通る周囲空気の自然な流れを得ることを可能にする。代替的に、第２冷却系は、放熱エレメントを通して周囲空気を流れさせる放熱器ファンを有することができる。

本発明の別の好適実施形態によれば、過給気内燃機関の排気再循環装置が、燃焼機関への入口ラインの圧縮空気を冷却するように構成された給気冷却器を含む。そのような給気冷却器は、普通、燃焼機関を冷却するための冷却剤を冷却する、車両前部の通常の放熱器に取り付けられる。給気冷却器における圧縮空気は、給気冷却器を通って流れる周囲空気によって冷却される。放熱エレメントおよび給気冷却器は、周囲空気が通って流れる別の領域に配設してもよい。したがって、第２冷却系は、放熱エレメントを通って周囲空気を循環させる別体放熱器ファンを有してもよい。代替的に、放熱エレメントおよび給気冷却器を、共通領域に配設してもよい。そのような場合、給気冷却器および放熱エレメントの両者を通る周囲空気を循環させるために共通放熱器ファンを用いてもよい。

本発明の別の好適実施形態によれば、放熱エレメントおよび給気冷却器は、各々が一つの平面に主たる広がりを有する平坦な冷却パッケージを実質的に含み、それによって、放熱エレメントおよび給気冷却器が、共通領域における事実上共通の平面に配設される。有利には、放熱エレメントおよび給気冷却器が、空気流の方向に事実上直角である共通平面に互いに並んで配設される。そのような場合、共通領域を通って導かれる空気が、放熱エレメントおよび給気冷却器を通って平行に導かれる。斯様に、この空気は、放熱エレメントまたは給気冷却器のみを通過する。かくして、放熱エレメントおよび給気冷却器を通る周囲温度の空気の流れが保証される。このように、給気冷却器内の圧縮空気および放熱エレメント内の冷却剤は、事実上同様な温度への同様な冷却を受ける。また、第１冷却系に属する放熱器は、空気流の方向に放熱エレメントおよび給気冷却器よりも下流位置で、前記共通領域に配設することができる。したがって、車両に存在する放熱器ファンは、給気冷却器および放熱エレメントを通って空気を循環するためにも使用できる。そのような場合、空気は、第１冷却系に属し、かつ、燃焼機関の冷却を意図する放熱器を通って導かれる前に、放熱エレメント、または、給気冷却器を通ってまず導かれる。このように、初めに、空気が冷却エレメントまたは給気冷却器を通過するので、後側に位置する放熱器に空気が到着する時、空気は、周囲よりも多少高温である。それにもかかわらず、燃焼機関を冷却する第１冷却系の冷却剤は、許容可能な機能を実行するために周囲温度まで冷却される必要は必ずしもない。

以下、添付の図面を見ながら、例示としての本発明の好適例について説明する。

図１は、過給気燃焼機関の排気再循環装置を示す。この場合、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。燃焼機関のシリンダに導かれる圧縮空気に対する排気の添加は、燃焼温度を低下させ、したがって、燃焼プロセスの間に形成される窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）の量も低下させる。ディーゼル機関１は、重い車両に動力を提供することを目的とすることができる。ディーゼル機関１のシリンダからの排気は、排気マニホールド２を経て排気ライン３に導かれる。大気圧よりも高圧の排気ライン３内の排気がタービン４に導かれる。かくして、接続部を介して圧縮機５に伝達される駆動動力が、タービン４に提供される。圧縮機５は、空気フィルタ６を経て入口ライン７に導かれる空気を圧縮する。給気冷却器８が、入口ライン７に配置される。給気冷却器８の目的は、ディーゼル機関１に導かれる前の圧縮空気を冷却することである。圧縮空気は、放熱器ファン９により給気冷却器８を通って流れる周囲空気によって、給気冷却器８で冷却される。放熱器ファン９は、適切な接続部を介してディーゼル機関１により駆動される。

排気ライン３内の排気の一部を再循環させる装置は、排気ライン３と入口ライン７との間に延在する帰還ライン１０を含む。帰還ライン１０は、ＥＧＲバルブ１１を含み、このＥＧＲバルブ１１により、必要に応じて、帰還ライン１０内の排気流を遮断できる。ＥＧＲバルブ１１は、帰還ライン１０を経て排気ライン３から入口ライン７に導かれる排気の量を制御するためにも使用可能である。ディーゼル機関１の現在の動作状態に関する情報に基づいて、制御ユニット１３がＥＧＲバルブ１１を制御するように構成される。制御ユニット１３は、適切なソフトウエアを付与したコンピュータ・ユニットであってよい。帰還ライン１０は、排気を冷却するためのＥＧＲ冷却器１２も含む。過給気ディーゼル機関１では、或る作動状態における排気ライン３内の排気圧力が、入口ライン７内の圧縮空気の圧力よりも低い。そのような状態で、特別な補助手段なしに、帰還ライン１０内の排気を入口ライン７内の圧縮空気と直接混合することはできない。このために、例えばベンチュリ１４を用いることができる。燃焼機関が、過給気オットー機関であるならば、帰還ライン１０内の排気は、入口ライン７内に直接導くことができる。なぜなら、事実上全ての作動状態におけるオットー機関の排気ライン３中の排気は、入口ライン７中の圧縮空気よりも高い圧力だからである。排気が、入口ライン７中の圧縮空気と混合された時、混合物は、マニホールド１５を経てディーゼル機関１の各シリンダに導かれる。

ディーゼル機関１は、第１冷却系によって従来方法で冷却される。第１冷却系は、第１の冷却剤ポンプ１６によって循環せしめられる冷却剤を有する回路を含む。回路は、サーモスタット１７、および、周囲空気が流れる第１の領域Ａに配置される放熱器１８も含む。放熱器ファン９は、放熱器１８および給気冷却器８を通って第１の領域Ａに空気の流れを作るためのものである。帰還ライン７内の再循環する排気は、第２冷却系によってＥＧＲ冷却器１２内で冷却される。同様に、第２冷却系は、循環する冷却剤を有する回路を含む。冷却剤は、第２冷却剤ポンプ１９によって回路内で循環せしめられる。冷却系は、周囲空気が第２の放熱器ファン２１から流れる第２の領域Ｂに配置された放熱エレメント２０も含む。第２の放熱器ファン２１は、電気モータ２２によって駆動される。

ディーゼル機関１の作動中、排気ライン３内の排気は、周囲に導出される前にタービン４を駆動する。かくして、タービン４に、圧縮機５を駆動する駆動動力が与えられる。圧縮機５は、空気フィルタ６を経て入口ライン７に導かれる空気を圧縮する。給気冷却器８を通る周囲空気の流れによって、給気冷却器８内で圧縮空気が冷却される。このように、給気冷却器８内の圧縮空気は、周囲温度を僅かに数度超える温度まで冷却される。ディーゼル機関１のほとんどの作動状態で、制御ユニット１３は、排気ライン３内の排気の一部が帰還ライン１０に導かれるように、ＥＧＲバルブ１１を開放状態に保つ。排気ライン３内の排気は、通常、温度約６００℃〜７００℃である。帰還ライン１０内の排気がＥＧＲ冷却器１２に到達すると、それら排気は、第２冷却系による冷却を受ける。第２冷却系は、放熱エレメント２０内で周囲空気によって冷却される循環冷却剤を含む。放熱エレメント２０を適切な大きさに設定することによって、冷却剤を、周囲温度と事実上同等の温度に冷却することができる。代替的に、第２冷却系内の冷却剤の流れは、冷却剤が放熱エレメント２０を通過した後に、周囲温度と事実上同等の温度に冷却されるように調整可能である。そのような冷却剤の冷却を達成するために、放熱エレメント２０を通る冷却剤の流れは、比較的小さいことが必要である。ＥＧＲ冷却器１２の適切な設計によって、冷却剤がＥＧＲ冷却器１２内に導かれた時、そのように周囲温度と事実上同等の温度である冷却剤が、周囲温度を僅かに数度超える温度にＥＧＲ冷却器１２内の排気を冷却することができる。斯様に、帰還ライン１０内の排気は、給気冷却器８内の圧縮空気と事実上同等の温度水準までの冷却を受ける。

過給気ディーゼル機関１では、或る作動状態において、排気ライン３内の排気圧力が、このように入口ライン７内の圧縮空気の圧力よりも低い。排気が、入口ライン７内に導かれ、かつ、入口ライン７内で圧縮空気と混合され得るように、帰還ライン１０への接続部で局所的に入口ライン７内の空気の静圧を下げるためにベンチュリ１４を用いることができる。排気と圧縮空気の混合物は、その後、マニホールド１５を経てディーゼル機関１の各シリンダに導かれるＥＧＲを具備するディーゼル機関１は、ＥＧＲ冷却器１２内での再循環排気の斯かる冷却によって、給気冷却器８内での冷却後に、再循環する排気に、入口ライン７内の圧縮空気の温度と事実上同等の温度を与えることができる。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を具備しないディーゼル機関に導かれる圧縮空気の温度と事実上同等の温度が与えられる。したがって、本発明で、ＥＧＲを設けたディーゼル機関は、ＥＧＲを具備しないディーゼル機関の性能と事実上同等の性能を呈することができる。

図２は、ディーゼル機関１で排気を再循環させる代替装置を示す。この場合、第２冷却系に属する放熱エレメント２０は、給気冷却器８および放熱器１８と同じ、空気流領域Ａ内に位置する。したがって、第１の放熱器ファン９は、放熱エレメント２０を通って空気を導くために使用することもできる。この場合、このように、第２の放熱器ファン２１を使用する必要はない。放熱エレメント２０および給気冷却器８は、一平面に主たる広がりをそれぞれ有する平坦な冷却パッケージを事実上含む。この場合、放熱エレメント２０および給気冷却器８は、第１の領域Ａにおける空気の流れ方向に事実上直角である事実上共通の平面に互いに並んで配設される。ここで、空気は放熱エレメント２０および給気冷却器８を通って平行に導かれる。このように、周囲温度の空気は、放熱エレメント２０および給気冷却器８の両者を通って流れることが保証される。このように、給気冷却器８内の圧縮空気、および、放熱エレメント２０内の冷却剤は、周囲温度と事実上同等の温度まで冷却を受ける。この場合、第１冷却系に属する放熱器１８は、空気流方向で放熱エレメント２０および給気冷却器８から下流位置に配置される。したがって、空気は、放熱器１８を通って導かれる前に、先ず放熱エレメント２０または給気冷却器８を通って導かれる。このように、放熱器１８に到達する空気は、周囲より幾分高い温度である。しなしながら、放熱器１８内の冷却剤が、周囲温度に必ずしも冷却される必要はない時、この空気は、放熱器１８内の冷却剤を冷却するために、通常、全く十分な温度である。

本発明は、図示例に全く限定されず、特許請求の範囲内で自由に変更可能である。

過給気ディーゼル機関で排気を再循環するための、本発明の第１実施例による装置を示す。 過給気ディーゼル機関で排気を再循環するための、本発明の第２実施例による装置を示す。

Claims (10)

1. 第１冷却系によって冷却される過給気燃焼機関（１）の排気を再循環させる装置であり、
   前記燃焼機関（１）から出る排気を導くための排気ライン（３）と、
   前記燃焼機関（１）に大気圧よりも高圧の空気を導くための入口ライン（７）と、
   帰還ライン（１０）を介して、前記排気ライン（３）から前記入口ライン（７）まで排気を再循環させ得るように、前記排気ライン（３）を前記入口ライン（７）に接続する前記帰還ライン（１０）と、
   前記帰還ライン（１０）内で再循環する前記排気が、前記入口ライン（７）内で空気と混合される前に、冷却剤によって冷却されるＥＧＲ冷却器（１２）とを含む、前記過給気内燃機関の排気再循環装置において、
   前記ＥＧＲ冷却器（１２）内の前記排気が、循環する冷却剤によって冷却され、該循環する冷却剤は、それが前記ＥＧＲ冷却器（１２）に導かれる時に、周囲温度と事実上同等の温度であるようになされていることを特徴とする過給気内燃機関の排気再循環装置。
2. 前記冷却剤が、前記第１冷却系に対して別体冷却系を構成する第２冷却系内で循環されることを特徴とする請求項１に記載された過給気内燃機関の排気再循環装置。
3. 前記第２冷却系が、冷却剤ポンプ（１９）を含み、該冷却剤ポンプ（１９）によって、前記冷却系を通って前記冷却剤が循環せしめられることを特徴とする請求項２に記載された過給気内燃機関の排気再循環装置。
4. 前記第２冷却系が、前記循環する冷却剤を冷却するための放熱エレメント（２０）を含み、前記放熱エレメント（２０）が、周囲空気が流れる領域に配置されていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載された過給気内燃機関の排気再循環装置。
5. 前記第２冷却系が、放熱器ファン（２１）を含み、該放熱器ファン（２１）によって、前記放熱エレメント（２０）を通して周囲空気を流すことを特徴とする請求項２から請求項４までのいずれか一項に記載された過給気内燃機関の排気再循環装置。
6. 前記過給気内燃機関の排気再循環装置が、前記燃焼機関（１）への前記入口ライン（７）内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４または請求項５に記載された過給気内燃機関の排気再循環装置。
7. 前記放熱エレメント（２０）および前記給気冷却器（８）は、周囲空気が流れる別の領域（Ａ、Ｂ）に配置されていることを特徴とする請求項６に記載された過給気内燃機関の排気再循環装置。
8. 前記放熱エレメント（２０）および前記給気冷却器（８）は、周囲空気が流れる共通領域（Ａ）に配置されていることを特徴とする請求項６に記載された過給気内燃機関の排気再循環装置。
9. 前記放熱エレメント（２０）および前記給気冷却器（８）は、一平面に主たる広がりをそれぞれ有する平坦な冷却パッケージを事実上含み、前記放熱エレメント（２０）および前記給気冷却器（８）は、前記共通領域（Ａ）における事実上共通の平面に配設されていることを特徴とする請求項８に記載された過給気内燃機関の排気再循環装置。
10. 前記第１冷却系に属する放熱器（１８）も、前記空気流方向で、前記放熱エレメント（２０）および前記給気冷却器（８）から下流位置で、前記共通領域（Ａ）に配置されていることを特徴とする請求項９に記載された過給気内燃機関の排気再循環装置。

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