JP2008528877A

JP2008528877A - 車両における内燃機関の排気ガス再循環用装置

Info

Publication number: JP2008528877A
Application number: JP2007554047A
Authority: JP
Inventors: カルドス、ゾルタン; アルステルダル、トマス; オーケソン、ヨハン
Original assignee: スカニアシーブイアクチボラグ（パブル）
Priority date: 2005-02-02
Filing date: 2006-01-25
Publication date: 2008-07-31
Anticipated expiration: 2026-01-25
Also published as: EP1846651A4; SE0500243L; JP4571678B2; WO2006083211A1; BRPI0606295A2; EP1846651B1; EP1846651A1; SE528123C2; US20070245716A1; CN101111671B; CN101111671A

Abstract

本発明は、燃焼機関１の排気ガス再循環用装置に関する。装置は、排気ライン６を入口ライン１０に接続して排気ガスを排気ライン６から入口ライン１０へ再循環させることを可能にする戻りライン１３、および戻りライン１３内の再循環排気ガスを冷却するための少なくとも１つのＥＧＲクーラ１５、１６を有している。ＥＧＲクーラ１５、１６は、再循環排気ガス用のＥＧＲクーラの入口部分１５ａ、１６ａと出口部分１５ｂ、１６ｂとの間を実質的に中央に延びる垂直面２３、２５が燃焼機関１を通る前記垂直面４と実質的に平行になるように、燃焼機関１の近くに取り付けられている。

Description

本発明は、特許請求の範囲の請求項１の前段部分による、車両における燃焼機関の排気ガス再循環用装置に関する。

ＥＧＲ（排気ガス再循環）と呼ばれる技術は、燃焼機関における燃焼工程からの排気ガスの一部を、戻りラインを介して、燃焼機関に空気を供給するための入口ラインへと再循環させる周知の手段である。したがって空気と排気ガスの混合物が機関のシリンダに供給され、このシリンダ内で燃焼が起こる。排気ガスを空気に加えると燃焼温度が下がり、それによって、特に排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）の含有量が低下する。この技術は、オットー機関とディーゼル機関の両方に用いられる。再循環排気ガスは通常、燃焼機関へ導かれる前に、いわゆるＥＧＲクーラで冷却される。ＥＧＲクーラで排気ガスを冷却するために、通常は燃焼機関の冷却システムに既存の循環冷媒が用いられる。

そうした排気ガスの再循環を設けると、車両の機関空間内に戻りラインを配置することが必要になる。そうした戻りラインの目的は、排気ガスを、燃焼機関の高温側に配置された排気ラインから、燃焼機関の低温側に配置された空気用の入口ラインへ導くことである。戻りラインは、戻りラインを通る排気の流れを制御するためのＥＧＲ弁、再循環排気ガスを冷却するためのＥＧＲクーラ、排気ガスを高温側から低温側へ導くための管路部分など、いくつかの構成要素を有している。車両におけるＥＧＲクーラの位置では通常、戻りラインが必要以上に長くなり、場所をとる。

本発明の目的は、戻りラインを実質的に最小限の長さのものとし、全体として装置をコンパクトで、より場所をとらないものとすることができる、燃焼機関の排気ガスの再循環を実施する装置を提供することである。

この目的は、特許請求の範囲の請求項１の特徴部分に示す構成によって特徴付けられた、冒頭で言及した種類の装置を用いて達成される。ＥＧＲクーラを燃焼機関の近くに取り付けると、低温の第１の側と高温の第２の側との間の戻りラインの全範囲を燃焼機関の近くに配置することが可能になる。したがって戻りラインを実質的に最小限の長さのものとすることができる。燃焼機関の近くに位置するＥＧＲクーラを、燃焼機関に直接取り付けること、あるいは、例えば戻りラインの管状部分を介して燃焼機関に間接的に取り付けることができる。ＥＧＲクーラは、入口部分と出口部分の間に直線の範囲を有する細長い熱交換器の形とすることができる。そうしたＥＧＲクーラが戻りラインのかなりの部分を占めていてもよい。したがって排気ガスを運ぶ戻りラインの管状部分をかなり短くすることができる。このように配置されたＥＧＲクーラは、燃焼機関の周りを第１の側から第２の側へ延び、最小限の数の曲線部分を備えた戻りラインを有することも可能にする。実質的に最小限の長さおよび最小限の数の曲線部分を備えた戻りラインは、車両の中で比較的小さい空間を占めるようなコンパクトな形を有することができる。

本発明の好ましい実施例によれば、ＥＧＲクーラは、前記垂直面に対して、分岐排気管と同じ側に配置される。この場合、ＥＧＲクーラは燃焼機関の高温側に配置される。したがって再循環排気ガスを、排気ラインとＥＧＲクーラの間に延びるより短い管路部分を介して分岐排気管を出た実質的にその直後に、ＥＧＲクーラへ導くことができる。有利には、ＥＧＲクーラは、内部で排気ガスと冷却媒体がＥＧＲクーラ内の別個の流路を反対方向に流れる向流式熱交換器の形である。適切に寸法決めされたそうしたＥＧＲクーラでは、排気ガスを、冷却媒体の入口温度をわずかに上回るだけの出口温度まで冷却することができる。ＥＧＲクーラは、分岐排気管より高い位置に配置することが好ましい。燃焼機関の高温側に近い車両の機関空間のこの最高位置には、通常、ＥＧＲクーラを取り付けるための空間が存在している。ＥＧＲクーラを、少なくとも部分的に分岐排気管より上に配置してもよい。ＥＧＲクーラを、燃焼機関を通り中央に位置する垂直面の近くに取り付けるほど、戻りラインを短くコンパクトにすることができる。

本発明の他の好ましい実施例によれば、ＥＧＲクーラは前記垂直面の分岐排気管と同じ側に配置される。この場合、ＥＧＲクーラは燃焼機関の低温側に配置される。したがってＥＧＲクーラは、燃焼機関の低温側の少なくとも一部に沿った範囲を有することができる。有利には、ＥＧＲクーラは細長い形を有する向流式熱交換器の形である。ＥＧＲクーラは、分岐排気管より高い位置に配置することが好ましい。燃焼機関の低温側に近い車両のこの高さには、通常、ＥＧＲクーラを取り付けるための既存の空間が存在している。ＥＧＲクーラを、少なくとも部分的に分岐排気管より上に配置してもよい。有利には、ＥＧＲクーラは分岐排気管の実質的に鉛直方向上方に取り付けられる。これによって、短くコンパクトな戻りラインの可能性が生じる。ＥＧＲクーラは、それを通って流れる液体の冷却媒体を有するようになっていることが好ましい。液冷式ＥＧＲクーラは、同等の大きさのガス冷却式ＥＧＲクーラよりかなり高い冷却能力を提供する。したがって液体の冷却媒体を用いたＥＧＲクーラはコンパクトな形状のものとなり得る。

本発明の他の好ましい実施例によれば、装置は複数のＥＧＲクーラを有し、少なくとも１つのＥＧＲクーラが前記垂直面の分岐排気管と同じ側に配置され、それによって少なくとも１つのＥＧＲクーラが前記垂直面の分岐排気管と同じ側に配置される。したがって排気ガスを２つのステップで冷却することができる。これらのＥＧＲクーラは、異なる冷却システムからの冷媒を循環させることによって冷却され得る。燃焼機関を冷却する冷却システム内の冷媒を、機関の高温側に配置されたＥＧＲクーラ内の排気ガスを冷却するために用い、別の冷却システムの冷媒を、機関の低温側に配置されたＥＧＲクーラ内の排気ガスを冷却するために用いることができる。それゆえ、第２のステップとして、適切な構成の別の冷却システムを用いて排気ガスを周囲の温度に近い温度まで冷却することが可能になる。

本発明の他の好ましい実施例によれば、燃焼機関は、燃焼機関を通る前記垂直面が車両の長手方向に延びるように車両に配置され、燃焼機関は前方の壁面および後方の壁面を有し、戻りラインは、燃焼機関の後方の壁面周囲の範囲（伸張部分）を有するライン部分を介して第１の側から第２の側へ延びている。通常は燃焼機関の後方の壁面からの方が、前方の面からよりも、戻りラインを取り付ける何もない空間へのアクセスに適している。それでも、燃焼機関の前方の壁面周囲の範囲を有するライン部分を有することが可能である。

本発明の好ましい実施例を、添付図面を参照して例として以下に記載する。

図１は、この場合には６つのシリンダ２を備えたディーゼル機関１である過給燃焼機関の排気ガス再循環用装置を示している。ディーゼル機関１は概略的に示した車両３に取り付けられており、車両３は大型車両であってもよい。車両の前面３ａが示されている。垂直面４が、ディーゼル機関１およびそのシリンダ２を通って実質的に中央に延びるように示されている。ディーゼル機関１は、前記垂直面４が車両の長手方向に延びるように車両３に取り付けられている。ディーゼル機関１のシリンダ２における燃焼工程からの排気ガスは、分岐排気管５を介して排気ライン６へ導かれる。排気ライン６における排気ガスは正圧であり、タービン７を駆動する。したがってタービン７は、接続部を介してコンプレッサ８へ伝えられる駆動力を備えている。コンプレッサ８は、入口９を介して吸い込まれた空気を圧縮する。入口ライン１０の第１の部分１０ａは、圧縮空気を車両の前方部分３ａに位置する給気用クーラ１１へ導く。圧縮空気は、給気用クーラ１１内で周囲空気によって冷却された後、さらに入口ラインの第２の部分１０ｂを介して導かれる。

排気ガスの再循環は通常、ＥＧＲ（ＥｘｈａｕｓｔＧａｓＲｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ、排気ガス再循環）と呼ばれる。機関のシリンダへ導かれる圧縮空気に排気ガスを加えると、燃焼温度が低下し、したがって、シリンダ２における燃焼工程中に形成される窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）の含有量も低下する。排気ライン６内の排気ガスの一部の再循環をもたらすための装置は、排気ライン６と入口ラインの第２の部分１０ｂとの間に延びる戻りライン１３を有している。戻りライン１３は、戻りライン１３内の排気流を必要に応じて遮断することができるＥＧＲ弁１２を有している。ＥＧＲ弁１２を、排気ライン６から戻りライン１３を介して入口ラインの第２の部分１０ｂへ導かれる排気ガスの量を制御するために用いることもできる。戻りライン１３は、再循環排気ガスを冷却するための第１のＥＧＲクーラ１５および第２のＥＧＲクーラ１６を有している。排気ガスは、第１のＥＧＲクーラ１５において、主に車両の動作中にディーゼル機関１を冷却するためのものである通常の冷却システムの循環冷媒によって冷却される。冷媒は、通常の冷却システム中を冷媒ポンプ１７によって循環される。冷媒は、車両の前方部分３ａに取り付けられたラジエータ要素１８を通して導かれるとき、周囲空気によって冷却される。弁１９を用いて、第１のＥＧＲクーラ１５を通る冷媒を導く並列の冷却回路内に、調整可能な冷媒の流れを提供することができる。第１のＥＧＲクーラ１５を通過した後、冷媒は通常の冷却システムへ戻される。排気ガスは、第２のＥＧＲクーラ１６において、車両の別の冷却システムの冷媒を循環させることよって冷却される。冷媒は、別の冷却システム中を冷媒ポンプ２０によって循環される。冷媒は、車両の前方部分３ａに取り付けられたラジエータ要素２１を通して導かれるとき、周囲空気によって冷却される。第１のＥＧＲクーラ１５および第２のＥＧＲクーラ１６における冷却後、排気ガスは入口ラインの点１０ｃで圧縮空気と混合される。

図２および図３は、排気ガス再循環用装置をさらに詳しく示している。ディーゼル機関１は、それぞれがシリンダ２を含む６つのシリンダ・ヘッド２２を備えた直列形機関である。排気ガス用の戻りライン１３は、排気ライン６と第１のＥＧＲクーラ１５との間に延びる第１の管状部分１３ａを有している。戻りラインの第１の管状部分１３ａは、適切な点にＥＧＲ弁１２を有している。第１の管状部分１３ａは、第１のＥＧＲクーラ１５が分岐排気管５より高い位置となるように、排気ライン６から実質的に上方に延びている。第１のＥＧＲクーラ１５は、ディーゼル機関１の高温側に、一部分は分岐排気管５より上に、通常は車両の他の構成要素によって使用されない空間に取り付けられる。第１のＥＧＲクーラ１５は、再循環排気ガス用の入口部分１５ａおよび出口部分１５ｂを有している。第１のＥＧＲクーラ１５は、ディーゼル機関１に対して、ＥＧＲクーラの長手方向に入口部分１５ａと出口部分１５ｂの間を中央に延びる垂直面２３が、ディーゼル機関１を通る前記垂直面４と実質的に平行になるように取り付けられる。第１のＥＧＲクーラ１５は、通常の冷却システムに接続された並列回路の冷媒用の入口２４ａおよび出口２４ｂを有している。

排気ガス用の戻りライン１３は、第１のＥＧＲクーラ１５と第２のＥＧＲクーラ１６との間に延びる第２の管状部分１３ｂを有している。ディーゼル機関１は、前記垂直面４に対して実質的に横向きの前方の壁面１ａおよび実質的に横向きの後方の壁面１ｂを有するように車両３に取り付けられる。戻りラインの第２の管状部分１３ｂは、横向きの後方の壁面１ｂの周りに、ディーゼル機関１の高温側からディーゼル機関１の低温側に至る横向きの範囲を有している。後方の壁面１ｂでは通常、ディーゼル機関の前方の壁面１ａより大きい空間が利用可能である。第２の管状部分１３ｂは実質的に水平な範囲を有し、その結果、第２のＥＧＲクーラ１６が第１のＥＧＲクーラ１５に対応する最も高い位置に配置される。第２のＥＧＲクーラ１６は、ディーゼル機関１の低温側の分岐入口管１４より上に取り付けられる。そこには、通常は車両の他の構成要素によって使用されない空間が存在している。第２のＥＧＲクーラ１６は、再循環排気ガス用の入口部分１６ａおよび出口部分１６ｂを有している。第２のＥＧＲクーラ１６は、ディーゼル機関１に対して、ＥＧＲクーラの長手方向に入口部分１６ａと出口部分１６ｂの間を中央に延びる垂直面２５が、ディーゼル機関１を通る前記垂直面４と実質的に平行になるように取り付けられる。第２のＥＧＲクーラ１６は、別の冷却システムの循環冷媒用の入口２６ａおよび出口２６ｂを有している。

最後に、排気ガス用の戻りライン１３は、第２のＥＧＲクーラ１６と入口ラインの点１０ｃとの間に延びる第３の管状部分１３ｃを有している。戻りラインの第３の管状部分１３ｃは、図３に見られるように、実質的に鉛直下方に第２のＥＧＲクーラ１６から入口ラインの第２の部分１０ｂへ延びている。入口ライン１０は、空気と排気ガスの混合物を分岐入口管１４へ導く第３の管状部分１０ｄで終わっている。入口ラインの第３の管状部分１０ｄは、分岐入口管１４の中央部分に接続された鉛直上方に延びた部分で終わっている。圧縮空気と再循環排気ガスの混合物は、分岐入口管１４を介して燃焼機関の各シリンダ２へ導かれる。

ＥＧＲクーラ１５、１６はそれぞれ、向流式熱交換器の構造のものであり、そのため、熱伝達面によって分離された別個の流路内で、ＥＧＲクーラ１５、１６内の排気ガスは一方の方向に、冷媒は反対の方向に流れる。十分細長いＥＧＲクーラ１５、１６では、排気ガスを実質的に循環冷媒の温度に相当する温度まで冷却することができる。ＥＧＲクーラ１５、１６は、ディーゼル機関１の両側で戻りライン１３の実質的に直線の部分を構成する。したがって戻りラインの管状部分１３ａ、ｂ、ｃを短い範囲とすることができる。そうしたＥＧＲクーラ１５、１６の装置では、燃焼機関の周りを第１の側から第２の側へ延び、実質的に最小限の長さおよび最小限の数の曲線部分を備えた戻りライン１３を有することが可能になる。そうした戻りライン１３はコンパクトな形状のものとなり、したがって、車両の機関空間において比較的小さい空間を占める。

ディーゼル機関１の動作中、排気ライン６内の排気ガスは、周囲へ導き出される前にタービン７を駆動する。したがってタービン７はコンプレッサ８に動力を供給する駆動力を備えている。コンプレッサ８は、入口９を介して導入された空気を圧縮する。圧縮空気は戻りラインの第１の部分１０ａを介して給気用クーラ１１へ導かれ、その中で周囲空気によって冷却される。給気用クーラ１１内の圧縮空気は、周囲の温度を数度だけ上回る温度まで冷却することができる。ディーゼル機関１のほとんどの動作状態においてＥＧＲ弁は開いており、その結果、排気ライン６内の排気ガスの一部が戻りライン１３へ導入される。排気ライン６内の排気ガスは通常、約６００〜７００℃の温度である。戻りライン１３内の排気ガスが第１のＥＧＲクーラ１５に達すると、第１のステップとして冷却される。しかし、第１のＥＧＲクーラ１５は、排気ガスを通常の冷却システム内の冷媒の温度に相当する温度まで冷却することができるだけである。正常動作の間、通常の冷却システム内の冷媒の温度は、８０〜１００℃の範囲内である。したがって、第１のＥＧＲクーラ１５の中では、排気ガスをこの温度まで冷却することができるだけである。第１のＥＧＲクーラ１５での冷却後、排気ガスは第２のＥＧＲクーラ１６へ導かれ、そこで別のステップとして、別の冷却システムの冷媒によって冷却される。別の冷却システム内の冷媒の流れを、冷媒がラジエータ要素２１で実質的に周囲の温度に相当する温度まで冷却されるように調節することができる。そのような冷媒の冷却を実施するためには、ラジエータ要素２１を通る流れは比較的少なくされる必要がある。そうした別の冷却システムの構成では、冷媒が第２のＥＧＲクーラ１６内の排気ガスを、周囲の温度を数度だけ上回る温度まで冷却することができる。したがって、第２のＥＧＲクーラ１３内の排気ガスは、給気用クーラ１１内の圧縮空気と実質的に同じ温度レベルまで冷却される。冷却された排気ガスは、入口ラインの点１０ｃで圧縮空気と混合され、次いで混合物は燃焼機関１へ導かれる。過給ディーゼル機関１のある動作状態では、戻りライン１３内の排気ガスの圧力が、入口ライン１０ｂ内の圧縮空気の圧力より低い。ベンチュリなどの補助手段を用いて、戻りライン１３への接続部１０ｃで入口ライン１０内の空気の静圧を局所的に下げることが可能であり、その結果、排気ガスを入口ラインに導入し、その中の圧縮空気と混合することが可能になる。

本発明は決して、図面を参照して記載した実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内で自由に変更することができる。燃焼機関を実質的に任意の所望の種類のものとすることができる。戻りラインは、ただ１つのＥＧＲクーラ１５、１６を有するだけでもよい。これは、より小型の燃焼機関を用いる場合、またはより少量の再循環排気ガスを冷却することだけが必要な場合にあり得る。ＥＧＲクーラ１５、１６および管状部分１３ａ、ｂ、ｃを、ある特定の大きさおよび長さのモジュールとして製造することができる。いくつかのそうしたモジュールを用いて、戻りラインを様々な大きさおよびタイプの燃焼機関に取り付けることができる。

過給燃焼機関の排気ガス再循環用装置を概略的に示す図である。図１の装置をより詳細に示す図である。燃焼機関の低温側から見た図２の装置を示す図である。

Claims

車両における燃焼機関（１）の排気ガス再循環用装置であって、前記燃焼機関が、前記燃焼機関（１）の少なくとも２つのシリンダ（２）へ空気を供給し且つ排気ガスを再循環させるための分岐入口管（１４）であって、前記燃焼機関（１）を通って中央に延びる垂直面（４）の第１の側で前記燃焼機関（１）に取り付けられた分岐入口管（１４）と、前記排気ガスを前記燃焼機関（１）の少なくとも２つのシリンダ（２）から排気ライン（６）へ導くための分岐排気管（５）であって、前記中央に位置する垂直面（４）の第２の側で前記燃焼機関（１）に取り付けられた分岐排気管（５）とを有し、また前記装置が、前記燃焼機関（１）へ空気を供給するための入口ライン（１０）に前記排気ライン（６）を接続する戻りライン（１３）であって、それによって排気ガスを前記排気ライン（６）から前記入口ライン（１０）へ再循環させることを可能にする戻りライン（１３）と、前記戻りライン（１３）内の再循環排気ガスを冷却するための少なくとも１つのＥＧＲクーラ（１５、１６）とを有している排気ガス再循環用装置において、
前記ＥＧＲクーラ（１５、１６）は、前記ＥＧＲクーラの排気ガスを再循環させるための入口部分（１５ａ、１６ａ）と出口部分（１５ｂ、１６ｂ）との間で実質的に中央に延びる垂直面（２３、２５）が、前記燃焼機関（１）を通る前記垂直面（４）と実質的に平行になるような位置で、前記燃焼機関（１）に近接して取り付けられていることを特徴とする排気ガス再循環用装置。
前記ＥＧＲクーラ（１５）が、前記分岐排気管（５）と同じ前記垂直面（４）の側に配置されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
前記ＥＧＲクーラ（１５）が、前記分岐排気管（５）より高い位置に配置されることを特徴とする請求項２に記載の装置。
前記ＥＧＲクーラ（１５）が、少なくとも部分的に前記分岐排気管（５）より上に位置する場所に配置されることを特徴とする請求項３に記載の装置。
前記ＥＧＲクーラ（１６）が、前記分岐排気管（１４）と同じ前記垂直面（４）の側に配置されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
前記ＥＧＲクーラ（１６）が、前記分岐排気管（１４）より高い位置にある場所に配置されることを特徴とする請求項５に記載の装置。
前記ＥＧＲクーラ（１６）が、少なくとも部分的に前記分岐排気管（１４）より上に位置する場所に配置されることを特徴とする請求項６に記載の装置。
前記ＥＧＲクーラ（１５、１６）が、前記排気ガスを冷却するために、該ＥＧＲクーラ（１５、１６）を通して流れる液体冷却媒体を有するようになっていることを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の装置。
前記装置が複数のＥＧＲクーラを有し、少なくとも１つのＥＧＲクーラ（１５）が前記分岐排気管（５）と同じ前記垂直面（４）の側に配置され、少なくとも１つのＥＧＲクーラ（１６）が前記分岐入口管（１４）と同じ前記垂直面（４）の側に配置されることを特徴とする請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載の装置。
前記燃焼機関（１）は、該燃焼機関（１）を通る前記垂直面（４）が前記車両の長手方向に延びるように前記車両（３）に配置され、前記燃焼機関（１）は、前記垂直面（４）に対して実質的に垂直な前方の壁面（１ａ）および後方の壁面（１ｂ）を有し、前記戻りライン（１３）は、前記燃焼機関の前記後方の壁面（１ｂ）を取り囲む範囲を有するライン部分（１３ｂ）を介して前記第１の側と前記第２の側との間に延びることを特徴とする請求項１から請求項９までのいずれか一項に記載の装置。