JP4454679B2 - 冷却器装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前段部分による冷却器装置に関する。

過給式燃焼機関に供給することができる空気の量は空気の圧力に依存し、しかしまた空気の温度にも依存する。したがって燃焼機関に最大可能量の空気を供給することは、圧縮空気が燃焼機関に導かれる前に、圧縮空気を給気冷却器内で冷却することを必要とする。圧縮空気は通常、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。それゆえ、圧縮空気は周囲環境の温度に実質的に対応する温度まで冷却することができる。

ＥＧＲ（排気ガス再循環）として知られている技法は、燃焼機関内の燃焼プロセスからの排気ガスの一部を、戻りラインを通して、燃焼機関への空気の供給のための入口ラインに戻す既知の方法である。それゆえ、空気と排気ガスとの混合体が入口ラインを通して機関のシリンダに供給され、そのシリンダ内で燃焼が行われる。空気への排気ガスの添加が、より低い燃焼温度をもたらし、とりわけ排気ガス中の酸化窒素ＮＯ_ｘの含有量の減少をもたらす。この技法は、オットー機関とディーゼル機関との両方に関して使用される。知られている実施法は、第１のＥＧＲ冷却器内で車両の冷却システムのクーラントによって、さらに第２のＥＧＲ冷却器内で周囲空気によって、戻される排気ガスを冷却することである。それゆえ、排気ガスも同様に、環境の温度に実質的に対応する温度まで冷却することができる。さらなる知られている実施法は、車両の前部で、車両の通常のラジエータの前に、給気冷却器と第２のＥＧＲ冷却器とを互いに近接して配置することである。それゆえ、冷却された排気ガスと冷却された圧縮ガスとを、実質的に冷却直後に、互いに混合することができる。

燃焼機関の負荷が低く、それと同時に低い周囲温度が存在する動作状況では、ＥＧＲ冷却器内での冷却中に、排気ガス中の腐食性物質が凝縮し得るような低い温度まで排気ガスが冷却される恐れがある。ＥＧＲ冷却器は通常ステンレス鋼など耐食材料から形成され、したがって少なくとも短期間はＥＧＲ冷却器内でのそのような凝縮物の生成によって問題は発生しない。しかし、給気冷却器は通常アルミニウムなどの材料から形成され、この材料は良好な熱伝導特性を有し、しかしあまり良好な耐食特性を有さない。この場合には給気冷却器とＥＧＲ冷却器とが互いに近接して位置しているので、排気ガス、または排気ガスからの凝縮物が、十分な耐食性を有する材料から形成されていない給気冷却器内に進入して給気冷却器内に蓄積する恐れがある。

本発明の目的は、互いに近接して取り付けられた、戻される排気ガスの冷却のためのＥＧＲ冷却器と、圧縮空気の冷却のための給気冷却器とを有する冷却器装置であって、ＥＧＲ冷却器からの冷却された排気ガス、または排気ガスからの凝縮物が給気冷却器内に進入して給気冷却器内に蓄積するのを効果的に防止する冷却器装置を提供することである。

この目的は、導入部で言及した種類の冷却器デバイスであって、請求項１の特徴部分に示した構成によって特徴付けられた冷却器デバイスによって実現される。そのような管状要素によって、冷却された排気ガスを、冷却された空気がタンク内に導かれる点の下流位置で、給気冷却器のタンク内に導くことができる。それゆえ、タンク内に存在する空気流は、排気ガスが逆方向に進んで給気冷却器のパイプライン内に進入すること、または給気冷却器のタンクの上流部分に蓄積することを効果的に防止する。それゆえ排気ガスは、給気冷却器内に蓄積するのを防止され、したがってＥＧＲ冷却器よりも耐食性の低い材料から給気冷却器を形成することが可能である。戻される排気ガスと圧縮空気とは、それゆえ給気冷却器のタンクの下流部分において予め混合される。したがって燃焼機関への入口ラインは、いくぶん短くすることができる。

本発明の好ましい実施例によれば、管状要素は、給気冷却器のタンク内部に延びる部分を有する。それゆえ、冷却された排気ガスをＥＧＲ冷却器のタンクから給気冷却器のタンクに導くために、何らかの外部ラインは必要ない。別法として、管状要素は、給気冷却器のタンクの外部に少なくとも部分的に延びる部分を有していてもよい。有利には、管状要素は第１のタンクの内部に、実質的に直線状に延びる部分を有する。それゆえ、管状要素の長さを最小にすることができる。管状要素は、好ましくは、実質的に剛性の材料から形成される。これは、給気冷却器のタンク内部で正確な位置に管状要素を取り付けることを容易にする。管状要素は、第１のタンク内部で、実質的に中央に延びる部分を有していてもよい。その結果、管状要素およびその出口アパーチャの周りで実質的に一様な空気の流れが生じる。それゆえ、出口アパーチャからの排気ガスが少しでも逆方向に導かれる恐れがなくなる。給気冷却器のタンク内での管状要素の出口アパーチャの中央の位置決めが、排気ガスと圧縮空気との効果的な混合をもたらす。

本発明の好ましい実施例によれば、給気冷却器のタンクは、少なくとも１つの湾曲部分を有し、管状要素の出口アパーチャは、前記湾曲部分内に配置される。湾曲部分では、通常、直線部分におけるよりも大きな渦流が存在する。その結果、排気ガスが管状要素から出たとき、排気ガスは、湾曲部分内で出発しつつ、周りの圧縮空気と効果的に混合される。管状要素の出口アパーチャは、湾曲部分内の端面の半径方向最外部が端面の半径方向最内部の下流に位置付けられるように角度を付けられた端面によって画定されてもよい。それゆえ、管状要素は、湾曲部分を通る排気ガスの流れを容易にするように向きを定められた出口アパーチャを備えている。前記端面は、傾斜した平面に沿って広がっていてもよい。

本発明の好ましい実施例によれば、給気冷却器のタンクは、ＥＧＲ冷却器のタンクの上に取り付けられる。これは、ＥＧＲ冷却器のタンクの上部から、給気冷却器のタンクの下部にあるアパーチャを通して、実質的に直接的に給気冷却器のタンク内に延びる部分を有する管状要素を構成することを可能にする。そのような場合、管状要素は、実質的に垂直に延びる部分となるであろう。それゆえ、管状要素の内壁表面上に沈殿する冷却された排気ガスからの任意の凝縮物は下に進み、ＥＧＲ冷却器のタンク内に蓄積する。

本発明の好ましい実施例によれば、管状要素はステンレス鋼から形成される。冷却された排気ガスからの凝縮物が管状要素内側に沈殿する恐れがあるので、管状要素は耐食材料から形成する必要がある。ステンレス鋼は非常に耐食性の高い材料であり、それと同時に、比較的良好な伝熱特性を有する。また、ＥＧＲ冷却器も、好ましくは主にステンレス鋼から形成される。ＥＧＲ冷却器では、例えば周囲空気が低い温度で、且つ機関が低い負荷にあるとき、冷却された排気ガスからの凝縮物が沈殿する恐れが常にある。ステンレス鋼は上に示した特性を有するので、ＥＧＲ冷却器がこの材料から形成されることが有利である。有利には、給気冷却器は、主にアルミニウムから形成される。圧縮空気は、排気ガスと同じ腐食性物質を含まない。したがって第１の冷却器要素は、有利にはアルミニウムから形成することができる。アルミニウムは、非常に高い伝熱特性を有し、ステンレス鋼よりも高価でない材料である。

本発明の好ましい実施例を、添付図面を参照して、例示として以下に説明する。

図１は、過給式燃焼機関の排気ガスの再循環のための装置構成を概略的に示す。燃焼機関１は、オットー機関またはディーゼル機関であってよい。排気ガスのそのような再循環は、ＥＧＲ（排気ガス再循環）と呼ばれる。機関のシリンダに導かれる圧縮空気に排気ガスを添加することが燃焼温度を低下させ、それゆえ燃焼プロセス中に生成される酸化窒素（ＮＯ_ｘ）の含有量も低下させる。燃焼機関１は、例えば大型車両に動力供給するように意図されることがある。燃焼機関１のシリンダからの排気ガスは、排気マニホルド２を通って排気ライン３に導かれる。大気圧よりも高い圧力にある排気ライン３内の排気ガスが、タービン４に導かれる。それゆえ、タービン４は駆動力を供給され、この駆動力が、接続を介して圧縮機５に伝達される。圧縮機５が空気を圧縮し、この空気が、入口ライン６を通って燃焼機関１に導かれる。給気冷却器７が入口ライン６内に配置され、圧縮空気が燃焼機関１に導かれる前に、圧縮空気を冷却する。圧縮空気は、給気冷却器７内で、周囲環境の温度にある空気流によって冷却される。

戻りライン８は、排気ライン３からの排気ガスの一部の再循環を行うように意図されている。戻りライン８は、ＥＧＲ弁９を備え、そのＥＧＲ弁９によって、必要に応じて、戻りライン８内の排気ガス流を遮断することができる。ＥＧＲ弁９は、戻りライン８を通って入口ライン６に導かれる排気ガスの量を制御するために使用されることもある。制御ユニット１０は、燃焼機関１の現行動作状態に関する情報に基づいてＥＧＲ弁９を制御するように意図されている。制御ユニット１０は、適切なソフトウェアを設けられたコンピュータ・ユニットであってよい。戻りライン８は、第１のＥＧＲ冷却器１１を有し、そのＥＧＲ冷却器１１内で、第１のステップとして、燃焼機関の冷却システムのクーラントによって排気ガスが冷却される。また、戻りライン８は、第２のステップとして排気ガスを冷却するための第２のＥＧＲ冷却器１２も有する。排気ガスは、第２のＥＧＲ冷却器１２内では、周囲空気によって冷却される。それゆえ、排気ガスは、環境の温度よりもわずか数度だけ高い温度まで冷却することができる。

給気冷却器７と第２のＥＧＲ冷却器１２とは、互いに近接して取り付けられる。それらは、有利には、車両の前部で、燃焼機関１を冷却するための、車両の図示されていない通常のラジエータの前に取り付けられる。給気冷却器７からの冷却された圧縮空気と、第２のＥＧＲ冷却器１２からの冷却された排気ガスとが混合され、入口アパーチャ６内に導かれる。排気ガスと空気との混合体は、マニホルド１３を通って、燃焼機関１のそれぞれのシリンダに導かれる。

燃焼機関１の動作中、排気ライン３内の排気ガスが、タービン４を駆動する。それゆえ、タービン４は駆動力を提供され、この駆動力が、圧縮機５を駆動する。それゆえ、圧縮機５は、入口ライン６内に空気を引き込み、空気を圧縮する。燃焼機関１のほとんどの動作状態において、制御ユニット１０は、ＥＧＲ弁９を開いたままに保ち、それにより、排気ライン３内の排気ガスの一部が、戻りライン８内に導かれる。この段階で、排気ガスは、約６００〜７００℃の温度である。戻りライン８内の排気ガスがＥＧＲ冷却器１１に達すると、排気ガスは、第１のステップとして、燃焼機関１を冷却する冷却システムのクーラントによって冷却を受ける。排気ガスは、ここで、それらの主要な温度低下を受ける。しかし、ＥＧＲ冷却器１１は、最大でも、クーラントの温度に実質的に対応する温度までしか排気ガスを冷却することができないという制限を受ける。冷却システム内のクーラントの温度は、様々であってよいが、通常動作では通常８０〜１００℃の範囲内である。ディーゼル機関１に供給することができる圧縮空気および排気ガスの量は、空気および排気ガスの圧力に依存し、しかしまたそれらの温度にも依存する。したがって再循環する排気ガスの実質的に最適な冷却を提供することが重要である。したがって排気ガスは、第２のＥＧＲ冷却器１２内に導かれ、そのＥＧＲ冷却器１２内で周囲空気によって冷却される。冷却媒体として周囲空気を使用することは、排気ガスを周囲空気の温度に近い温度まで冷却することを可能にする。それゆえ、排気ガスは、第２のＥＧＲ冷却器１２内で、給気冷却器７内の圧縮空気と実質的に同じ温度まで冷却することができる。

図２は、このようにして互いに近接して取り付けられた給気冷却器７と第２のＥＧＲ冷却器１２との一部の断面を示す。給気冷却器７は、圧縮空気を案内するように意図された複数の平行なパイプライン１４を有する。冷却フランジ１５が、パイプライン１４間のギャップ内に配置される。周囲環境の温度での空気が、パイプライン１４間のギャップを通って循環するように適合され、それにより、パイプライン１４内部の圧縮空気は、周囲空気により冷却される。パイプライン１４と冷却フランジ１５とが一体となって、給気冷却器７の実質的にプラットフォーム状の冷却器部分を構成する。パイプライン１４は出口アパーチャ１４ａを有し、出口アパーチャ１４ａは、様々な高さで、プラットフォーム状の冷却器部分の端部に固定された給気冷却器のタンク１７につながっている。タンク１７の機能は、冷却された圧縮空気をパイプライン１４から受け取ることである。タンク１７は、パイプラインの出口アパーチャ１４ａから圧縮空気を受け取るためのベース部分１７ａを有する。タンク１７は、ベース部分１７ａの上端部に第１の湾曲部分１７ｂを有する。第１の湾曲部分１７ｂに続いて、比較的短い実質的に水平な部分１７ｃと、第２の湾曲部分１７ｄとがある。給気冷却器のタンク１７は、入口ライン６をタンク１７に接続するための接続部分１７ｅで終端する。給気冷却器７のパイプライン１４と、冷却フランジ１５と、タンク１７とが、有利には、非常に良好な熱伝導特性を有する材料、例えばアルミニウムから形成される。

第２のＥＧＲ冷却器１２は、実質的に給気冷却器７の垂直方向下に取り付けられる。第２のＥＧＲ冷却器１２は、複数の平行なパイプライン１８を有し、それらのパイプライン１８は、戻される排気ガスを案内するように意図されている。冷却フランジ１９が、パイプライン１８間の空間内に構成される。周囲環境の温度での空気が、パイプライン１８間のギャップ内を循環するように適合され、それによりパイプライン１８内の排気ガスが冷却される。パイプライン１８と冷却フランジ１９とが、一体となって、第２のＥＧＲ冷却器１２の実質的にプラットフォーム状の冷却器部分を構成する。パイプライン１８は、冷却された排気ガスを受け取るように適合された第２のＥＧＲ冷却器１２のタンク２０内に様々な高さでつながる出口アパーチャ１８ａを有する。パイプライン１８およびタンク２０は、有利には、非常に耐食性の高い材料、例えばステンレス鋼から形成される。また、材料は比較的良好な熱伝導特性を有するべきである。しかし、冷却フランジ１９は、腐食性排気ガスと直接接触しないので、様々な材料から形成することができる。

取り付けられた状態において、給気冷却器のタンク１７と第２のＥＧＲ冷却器のタンク２０とは互いに接続されている。第２のＥＧＲ冷却器のタンク２０は、上部に管状要素２１を有し、管状要素２１は、給気冷却器のタンク１７内に実質的に垂直に延びている。管状要素２１の機能は、排気ガスを第２のタンク２０から第１のタンク１７内の適切な位置に導くことである。管状要素２１は、第１のタンク１７内部の実質的に中央の位置で、直線状に上方向に延びている。管状要素２１は、第１のタンクの第１の湾曲部分１７ｂに近接して位置する出口アパーチャ２１ａを有する。出口アパーチャ２１ａは、パイプラインの出口アパーチャ１４ａよりも高くに位置付けられる。出口アパーチャ１４ａから出た空気は、タンクのベース部分１７ａ内で、タンクの第１の湾曲部分１７ｂに向かって上方向に流れる。それゆえ、管状要素の出口アパーチャ２１ａは、空気の流れの主方向に関して、パイプラインの出口アパーチャ１４ａの下流の位置に位置される。管状要素２１は、出口アパーチャ２１ａを画定する上縁面２１ｂを有する。上縁面２１ｂは、タンクの水平部分１７ｃに向かって傾斜した平面２２内に位置付けられる。それゆえ、湾曲部分１７ｂ内の半径方向外側位置にある縁面の部分２１ｂ’は、湾曲部分１７ｂ内の半径方向内側位置に位置される縁面の部分２１ｂ’’よりも高い位置に位置している。出口アパーチャ２１ａのそのような方向は、第１の湾曲部分１７ｂを通る排気ガスの流れを容易にし、またタンクの水平部分１７ｃ内での圧縮空気との排気ガスの混合を容易にする。

管状要素２１の目的は、排気ガスからの腐食性物質が給気冷却器７内に蓄積するのを防止することである。これは、給気冷却器７の構成要素が、通常は腐食性物質に対して十分な耐性を有さない材料から形成されるからである。したがって、管状要素の出口アパーチャ２１ａは、タンク１７内の出口アパーチャ１４ａよりも確実に高い位置で流出する。それゆえ、管状要素の出口アパーチャ２１ａから出る排気ガスは、周囲空気の流れによって、周囲空気の流れ方向に同伴される。それゆえ、給気冷却器の管状要素１４およびタンク１７内に排気ガスが蓄積する恐れがなくなる。例えば燃焼機関の負荷が低く、それと同時に低い周囲温度が存在するとき、排気ガス中の腐食性物質が凝縮することがあるような低い温度まで排気ガスが冷却される恐れがある。凝縮物が生じるような温度まで排気ガスが冷却されると、凝縮物は通常、第２のＥＧＲ冷却器の管状要素１８内、またはタンク２０内に発生する。垂直管状要素２１内部で凝縮物が生じる場合、凝縮物は下方向に進み、タンク２０の底部に蓄積する。第２のＥＧＲ冷却器のタンク２０および管状要素２１が、ステンレス鋼など非常に耐食性の高い材料から形成されるので、少なくとも短期間は、腐食性物質がタンク２０内に蓄積するという腐食の観点からの恐れはほとんどない。

本発明は、説明した実施例には決して限定されず、添付した特許請求の範囲内で自由に変形することができる。

過給式燃焼機関の排気ガスの再循環のためのシステムを概略的に示す図である。 本発明による冷却器装置を示す図である。

Claims (10)

1. 冷却中に圧縮空気を案内するための少なくとも１つのパイプライン（１４）、および前記冷却された圧縮空気を前記第１のパイプライン（１４）から出口アパーチャ（１４ａ）を通して受け取るようになされたタンク（１７）をそれ自体が有する給気冷却器（７）と、
   冷却中に排気ガスを案内するための少なくとも１つの第２パイプライン（１８）、および前記冷却された排気ガスを前記第２パイプライン（１８）の出口アパーチャ（１８ａ）から受け取るようになされたタンク（２０）を有するＥＧＲ冷却器（１２）と
   を有する冷却器装置であって、
   前記冷却器装置が、前記ＥＧＲ冷却器のタンク（２０）から前記給気冷却器のタンク（１７）に延びる管状要素（２１）を有すること、および前記管状要素（２１）が前記排気ガスのための出口アパーチャ（２１ａ）を有し、該出口アパーチャ（２１ａ）が、前記タンク（１７）内の空気の流れの主方向に関して、前記給気冷却器のタンク（１７）内で最も下流の出口アパーチャ（１４ａ）より下流に位置することを特徴とする冷却器装置。
2. 前記管状要素（２１）が、前記給気冷却器のタンク（１７）内部に延びる部分を有していることを特徴とする請求項１に記載の冷却器装置。
3. 前記管状要素（２１）が、前記給気冷却器のタンク（１７）内部に、実質的に直線状に延びる部分を有していることを特徴とする請求項１に記載の冷却器装置。
4. 前記管状要素（２１）が、前記給気冷却器のタンク（１７）内部に、実質的に中央に延びる部分を有していることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の冷却器装置。
5. 前記給気冷却器のタンク（１７）が湾曲部分（１７ｂ）を有すること、および前記管状要素の出口アパーチャ（２１ａ）が前記湾曲部分（１７ｂ）内に配置されることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の冷却器装置。
6. 前記管状要素の出口アパーチャ（２１ａ）が、端面（２１ｂ）によって画定されており、該端部（２１ｂ）は、前記湾曲部分（１７ｂ）内にある該端面の半径方向最外部分（２１ｂ’）が該端面の半径方向最内部分（２１ｂ’’）に対して下流に位置するように傾斜されていることを特徴とする請求項４に記載の冷却器装置。
7. 前記給気冷却器のタンク（１７）が、前記ＥＧＲ冷却器のタンク（２０）の上に取り付けられることを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の冷却器装置。
8. 前記管状要素（２１）がステンレス鋼から作られ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冷却器装置。
9. 前記ＥＧＲ冷却器（１２）が主にステンレス鋼から作ら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冷却器装置。
10. 前記給気冷却器（７）が主にアルミニウムから作られ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冷却器装置。

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