JP4519176B2 - 車輌の過給式内燃機関の排気ガス再循環構造 - Google Patents

Description

本発明は請求項１の前文に記載された車輌の過給式燃焼機関の排気ガス再循環構造に関するものである。

ＥＧＲ（排気ガス再循環）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分を、戻りラインを経て燃焼機関への空気供給用入口ラインへ再循環させるという周知の方法である。したがって、燃焼が行われる機関のシリンダには入口ラインを経て空気と排気ガスとの混合気が供給される。空気に排気ガスを加えることは低い燃焼温度を生じ、この結果、とりわけ排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯ_x ）の含有量を低下させる。この技術はオットー機関およびディーゼル機関の両方に使用することができる。再循環される排気ガスは、通常、燃焼機関に導かれるよりも前にいわゆるＥＧＲ冷却器にて冷却される。燃焼機関の冷却システムにおける既存の循環される冷媒は、通常、ＥＧＲ冷却器における排気ガスの冷却に使用されている。

過給式燃焼機関に供給できる空気量は、空気圧力だけでなく空気温度にも依存する。したがって燃焼機関に最大可能空気量を供給するために、燃焼機関へ導く前の圧縮空気は冷却される。圧縮空気は、通常、車輌の前部に配置される過給空気冷却器において冷却されるのであり、その過給空気冷却器を通して流れる大気によって冷却される。圧縮空気は周囲空気の温度に実質的に等しい温度にまで冷却される。

排気ガスのそのような再循環を行うには、特にＥＧＲ冷却器を備えた排気ガス用戻しラインを車輌に配置することが必要となる。燃焼機関に圧縮空気を供給するには、車輌に、特に過給空気冷却器を備えた空気用入口ライン配置することが必要となる。取付け状態において、それぞれの構成部材を備えた戻しラインおよび入口ラインは車輌で比較的大きな空間を占める。

本発明の目的は、過給式燃焼機関の排気ガスを再循環させるための戻しラインと、燃焼機関に圧縮空気を供給するための入口ラインとを含み、前記両ラインが短く且つ小型の形状にすることのできる構造を提供することである。

この目的は、請求項１の特徴の記載部分で指摘した内容を特徴とする冒頭に記載した種類の構造によって達成される。ＥＧＲ冷却器および過給空気冷却器を燃焼機関に接近させて取付けることは、入口ラインおよび戻しラインの全体を燃焼機関の近くに配置できることを意味する。したがって、入口ラインおよび戻しラインの両方は燃焼機関の低温側と高温側との間にて実質的に最小限の長さを有することができる。ＥＧＲ冷却器および過給空気冷却器は燃焼機関に対して直接に取付けられるか、例えば、戻しラインまたは入口ラインのチューブ状部分を経て間接的に取付けられる。ＥＧＲ冷却器および過給空気冷却器は有利なこととして細長い形状を有することにより、戻しラインおよび入口ラインのそれぞれの一部を形成することができる。したがって、戻しラインおよび入口ラインのチューブ状部分は短くすることができる。ＥＧＲ冷却器および過給空気冷却器のこのような取付けは、車輌において比較的小さな空間しか占めない小型構造の構造体を提供可能にする。ＥＧＲ冷却器および過給空気冷却器は、燃焼機関の放出する熱がＥＧＲ冷却器における排気ガスおよび過給空気冷却器における空気の冷却に対してかなりの影響を与えないように、ディーゼル機関の低温側に取付けられる。

本発明の好ましい実施例によれば、ＥＧＲ冷却器は分岐した入口パイプよりも低い高さ位置で車輌に配置される。ＥＧＲ冷却器は分岐した入口パイプよりも少なくとも部分的に低い位置に配置される。通常、そこにはＥＧＲ冷却器を取付けるための空間がある。燃焼機関を通る中央に位置する垂直面に近づけてＥＧＲ冷却器を取付けるほど、戻しラインを短く且つ小型にすることができる。ＥＧＲ冷却器は、有利なこととして、再循環する排気ガスの冷却のために内部に液体冷媒が流れるようにされる。液体冷却式ＥＧＲ冷却器は、同じ寸法のガス冷却式ＥＧＲ冷却器よりもかなり高い冷却能力を備えている。したがって、液体冷媒が使用されるＥＧＲ冷却器は小型に構成することができる。ＥＧＲ冷却器は、有利なこととして、排気ガスと冷媒とがＥＧＲ冷却器内部の別個の通路内を反対方向へ流される向流式熱交換器の形態をとる。そのような適当寸法のＥＧＲ冷却器によれば、排気ガスは冷媒の入口温度をわずかに超える程度の出口温度にまで冷却されることができる。

本発明の他の好ましい実施例によれば、過給空気冷却器は分岐した入口パイプよりも低い高さ位置で車輌に配置される。過給空気冷却器は分岐した入口パイプよりも少なくとも部分的に低い位置に配置される。通常、そこには過給空気冷却器を取付けるための空間が同様にある。燃焼機関を通る中央に位置する垂直面に近づけて過給空気冷却器を取付けるほど、入口ラインを短く且つ小型にすることができる。過給空気冷却器は、有利なこととして、再循環する排気ガスを冷却するために内部に液体冷媒が流れるようにされる。液体冷却式過給空気器冷却器は、同じ寸法のガス冷却式過給空気冷却器よりもかなり高い冷却能力を備えている。したがって、液体冷媒が使用されるＥＧＲ冷却器は小型に構成することができる。ＥＧＲ冷却器は、排気ガスと冷媒とがＥＧＲ冷却器内部の別々の通路内を反対方向へ流される向流式熱交換器の形態とされ得る。そのような適当寸法のＥＧＲ冷却器によれば、冷媒の入口温度をわずかに超える程度の出口温度にまで排気ガスを冷却することができる。

本発明の他の好ましい実施例によれば、入口ラインは空気と再循環排気ガスとを入口パイプへ導くチューブ状部分を含み、これによりＥＧＲ冷却器および過給空気冷却器は前記チューブ状部分を通って延在する中心線の反対両側に配置される。通常、入口パイプは燃焼機関の長い低温側の少なくとも一部に沿って延在する長さ部分を有する。そのような場合、チューブ状部分は実質的に垂直上方へ延在し、入口パイプの実質的に中央で終端する。ＥＧＲ冷却器および過給空気冷却器は複合ユニットを構成する。そのような複合ユニットはＥＧＲ冷却器および過給空気冷却器を同時に容易に取付けできるようにする。

本発明の他の好ましい実施例によれば、燃焼機関は前記垂直面を車輌の長手方向に延在させて、また、燃焼機関が実質的に横方向の前部壁面および実質的に横方向の後部壁面を有するようにして車輌に取付けられ、これにより戻しラインは、横方向後部壁面を回って延在するパイプライン部分を経て燃焼機関の第１の側から第２の側へと延在し、また、入口ラインは、横方向前部壁面を回って延在するパイプライン部分を経て燃焼機関の第１の側から第２の側へと延在される。この例では、戻しラインおよび入口ラインは異なる方向にて燃焼機関を回って延在される。これに代わり、戻しラインは燃焼機関の前部壁面を回って延在され、入口ラインは後部壁面を回って延在されることができる。

以下に添付図面を参照して例を挙げて本発明の好ましい実施例が説明される。

図１は過給式燃焼機関の排気ガスを装置循環させる構造を示している。この例の燃焼機関は６気筒２のディーゼル機関１として例示されている。このディーゼル機関１は重車輌とされる概略的に示された車輌３に取付けられている。前面３ａは車輌３に示されている。垂直面４はディーゼル機関１およびそのシリンダ２の実質的に中央を通って延在す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が車輌の長手方向に延在するようにして車輌３に取付けられる。分岐した排気ガスパイプ５は燃焼機関全体の実質的に長手側に沿って延在される。分岐した排気ガスパイプ５の目的は、ディーゼル機関１のシリンダ２内の燃焼行程で生じた排気ガスを排気ライン６へ導くことである。排気ライン６内の排気ガスは正圧状態に会ってタービン７を駆動する。このようにしてタービン７は駆動力を与えられ、その駆動力は連結部を経て圧縮機８に与えられる。圧縮機８は入口９を経て吸入した空気を圧縮する。入口ライン１０はその圧縮された空気を、ディーゼル機関１の低温側にてディーゼル機関１に接近配置されている過給空気冷却器１１へ導く。過給空気冷却器１１内の圧縮空気は、冷媒ポンプ１３により別々の冷却システム１２内を循環される冷媒によって冷却される。冷媒は車輌の前部分３ａに取付けられているラジエータ要素１４内で冷却される。

排気ガスの再循環は、通常、ＥＧＲ（排気ガス再循環）と称される。機関シリンダへ導かれる圧縮空気に排気ガスを加えることは燃焼温度を低下させ、それによりシリンダ２内の燃焼行程で形成される窒素酸化物（ＮＯ_x ）の含有量を減少させる。戻しライン１５は排気ライン６内の排気ガスの一部分を再循環させる。戻しライン１５は排気ライン６から入口ライン１０へ延在している。戻しライン１５はＥＧＲバルブ１６を含み、このＥＧＲバルブ１６によって戻しライン１５内の排気ガスの流れは必要に応じて遮断されることができる。ＥＧＲバルブ１６はまた排気ライン６から戻しライン１５を経て入口ライン１０へ導かれる排気ガス量を制御することにも使用できる。戻しライン１５はまた入口ライン１０内の圧縮空気と混合される前の排気ガスを冷却することを目的とするＥＧＲ冷却器１７をも含んでいる。排気ガスはＥＧＲ冷却器１７内で、ディーゼル機関１を冷却するために車輌の概略的に示された本来の冷却系統１９を循環される液体によって冷却される。その冷媒は冷媒ポンプ２０によって本来の冷却系統１９を循環され、また、車輌の前部分３ａに取付けられているラジエータ要素２１を通して導かれるときに大気によって冷却される。本来の冷却系統１９からの冷媒は、バルブ２２を経て並列冷却回路２３へ導かれることができ、並列冷却回路２３はＥＧＲ冷却器１７を通して冷媒を導く。冷媒がＥＧＲ冷却器１７内を再循環される排気ガスを冷却した後、その冷媒は本来の冷却系統１９へ戻されるように導かれる。

図２および図３はこの構造をさらに詳細に示している。ディーゼル機関１は、それぞれシリンダ２を含む６気筒シリンダ・ヘッド２５を有する直列式機関である。ディーゼル機関１は、前記垂直面４に対して実質的に横方向の前部壁面１ａおよび実質的に横方向の後部壁面１ｂを有するようにして車輌３に取付けられる。排気ガスのための戻しライン１５は排気ライン６とＥＧＲ冷却器１７との間を延在する第１のチューブ状部分１５ａを含んでいる。この第１のチューブ状部分１５ａは適当位置にＥＧＲバルブ１２を含む。第１のチューブ状部分１５ａは、まず排気ライン６から、分岐した入口パイプ５よりも高い位置へと実質的に垂直上方へ延在する。第１のチューブ状部分１５ａはその後、ディーゼル機関１の横方向の後部壁面１ｂを回って延在される前に、ディーゼル機関１の高温側の部分に沿って延在される。第１のチューブ状部分１５ａのこの範囲は、燃焼機関１のシリンダ・ヘッド２５と実質的に一定の高さ位置とされる。その後、第１のチューブ状部分１５ａは下方へ延在されて分岐した入口パイプ２４よりも低い位置とされ、そこでＥＧＲ冷却器１７に連結される。分岐した入口パイプ２４は燃焼機関の低温側に取付けられ、実質的に低温側の全長に沿って延在しており、これにより空気および排気ガスを燃焼機関の直列配置のシリンダ２に導くことができる。したがってＥＧＲ冷却器１７は、分岐した入口パイプ２４よりも部分的に低い位置にてディーゼル機関１の低温側に取付けられる。ＥＧＲ冷却器１７は並列冷却回路２３内を送られる冷媒のための入口２６ａおよび出口２６ｂを有する。

圧縮空気のための入口ライン１０は、ディーゼル機関１の高温側の圧縮機８と、ディーゼル機関１の低温側の過給空気冷却器１１との間を延在する第１のチューブ状部分１０ａを含む。第１のチューブ状部分１０ａは実質的に一定の高さ位置にて燃焼機関１の近くで横方向の前部壁面１ａを回って延在する部分を有する。過給空気冷却器１１は分岐した入口パイプ２４よりも部分的に低い位置でディーゼル機関１の低温側に取付けられる。過給空気冷却器１１は別々の冷却システム１２の冷媒のための入口２７ａおよび出口２７ｂを有する。入口ライン１０の第２のチューブ状部分１０ｂは過給空気冷却器１１から空気を連結部分１０ｃに導き、そこで空気は再循環される排気ガスと混合される。再循環する排気ガスはＥＧＲ冷却器１７と連結部分１０ｃとの間を延在する第２のチューブ状部分１５ｂを経て入口ラインへ導かれる。入口ライン１０はその後に第３のチューブ状部分１０ｄを含み、これは空気と排気ガスとの混合気を分岐した入口パイプ２４へ導く。入口ラインの第３のチューブ状部分１０ｄは分岐した入口パイプ２４の中央部分へ向けて実質的に垂直上方へ延在する。ＥＧＲ冷却器１７および過給空気冷却器１１は入口ラインの第３のチューブ状部分１０ｄを通して延在する中心線２８の反対両側に配置される。

ＥＧＲ冷却器１７は向流式熱交換器であり、熱伝達面で分離された別々の通路内をＥＧＲ冷却器１７内の排気ガス流は一方向へ、冷媒は反対方向へ流される。適当寸法のＥＧＲ冷却器１７によれば、排気ガスは循環する冷媒の温度に実質的に等しい温度にまで冷却することができる。過給空気冷却器１１もまた向流式熱交換器の構造とされ、熱伝達面で分離された別々の通路内を圧縮空気は過給空気冷却器１１内を一方向に流れ、冷媒は反対方向へ流れる。適当寸法の過給空気冷却器１１によれば、排気ガスは循環する冷媒の温度に実質的に等しい温度にまで冷却することができる。過給空気冷却器１１およびＥＧＲ冷却器１７は入口ライン１０および戻しライン１５の一部を構成する長さ部分を有する。したがって、入口ラインのチューブ状部分１０ａ，ｂ，ｃおよび戻しラインのチューブ状部分１５ａ，ｂは長さを短くすることができる。そのような構造の過給空気冷却器１１およびＥＧＲ冷却器１７によれば、ディーゼル機関１から比較的短い距離をおいて高温側から低温側へディーゼル機関１を回って延在する入口ライン１０および戻しライン１５を備えることが可能になる。入口ライン１０および戻しライン１５は、したがって、実質的に最小の長さとされ得る。過給空気冷却器１１およびＥＧＲ冷却器１７を燃焼機関の低温側に配置することも、比較的小さな車輌空間しか占めないような小型の構造形状を容易に可能にする。

ディーゼル機関１の運転時に、排気ライン６内の排気ガスは周囲大気へ排出される前にタービン７を駆動する。タービン７はこれにより圧縮機８を駆動する駆動力を与えられる。圧縮機８は入口９を経て導入された空気を圧縮する。圧縮した空気は入口ライン１０の第１の部分１０ａを経て過給空気冷却器１１へ導かれ、そこで別の冷却システム１２を循環する冷媒によって冷却される。適当寸法の別個の冷却系統によって、過給空気冷却器１１内の圧縮空気は周囲温度を数度越えるだけの温度にまで冷却することができる。ディーゼル機関１のほとんどの運転状態において、ＥＧＲバルブ１６は開かれており、その結果として排気ライン６の排気ガスの一部分は戻しライン１５に導かれる。排気ライン６の排気ガスは通常は約６００〜７００°Ｃの温度である。戻しライン１５内の再循環排気ガスがＥＧＲ冷却器１７に至ると、冷却回路２３の冷媒によって冷却される。排気ガスはＥＧＲ冷却器１７内で本来の冷却系統１９の冷媒の温度に等しい温度にまで冷却されることができる。正常運転時の冷媒温度は８０〜１００°Ｃの範囲である。冷却された排気ガスは、その後、冷却された圧縮空気と混合され、その混合気は引き続き第３のチューブ状部分１０ｄおよび分岐した入口パイプ２４を経てディーゼル機関１のそれぞれのシリンダ２へ導かれる。

図４は代替構造を示しており、過給空気冷却器１１およびＥＧＲ冷却器１７は単一体として取付けることのできる複合ユニットに含まれている。したがって、過給空気冷却器１１およびＥＧＲ冷却器１７は同時に容易に取付けることができる。この複合ユニットは冷却器１１，１７を含むだけでなく、冷却した圧縮空気が冷却した排気ガスと混合されるプール空間２９をも含み、その混合気はその後に戻しラインの第３のチューブ状部分１０ｄを経て分岐した入口パイプ２４へ導かれる。過給式燃焼機関１の或る運転状態では、戻しライン１５内の排気ガスの圧力は入口ライン１０内の圧縮空気の圧力よりも低い。補助手段、例えば、プール空間２９内に配置されるベンチュリが入口ライン１０内の空気の静圧を局部的に低下させ、排気ガスをその圧縮空気内に導入させて混合することができるようにするために使用できる。

本発明は図面を参照して説明した実施例に限定されるものではなく、請求項に記載された範囲で自由に変化させることができる。燃焼機関は何れかの望まれる気筒数の、実質的に何れの望まれる種類のものとすることもできる。戻しラインは２つ以上のＥＧＲ冷却器を含むことができ、入口ラインは２つ以上の過給空気冷却器を含み得る。

本発明の第１の実施例による構造を備えた燃焼機関を模式的に示している。 図１における構造をさらに詳細に示している。 燃焼機関の低温側から見た図２における構造を示している。 本発明の第２の実施例による構造を示している。

符号の説明

１ ディーゼル機関
２ シリンダ
３ 車輌
３ａ 前部分
４ 垂直面
５ 排気ガスパイプ
６ 排気ライン
７ タービン
８ 圧縮機
９ 入口
１０ 入口ライン
１０ａ 第１のチューブ状部分
１０ｂ 第２のチューブ状部分
１０ｃ 連結部分
１０ｄ 第３のチューブ状部分
１１ 過給空気冷却器
１２ 冷却システム
１３ 冷媒ポンプ
１４ ラジエータ要素
１５ 戻しライン
１５ａ 第１のチューブ状部分
１５ｂ 第２のチューブ状部分
１６ ＥＧＲバルブ
１７ ＥＧＲ冷却器
１９ 冷却系統
２０ 冷媒ポンプ
２１ ラジエータ要素
２２ バルブ
２３ 並列冷却回路
２４ 入口パイプ
２５ シリンダ・ヘッド
２６ａ 入口
２６ｂ 出口
２８ 中心線
２９ プール空間

Claims (9)

1. 車輌において過給式燃焼機関（１）の排気ガスを再循環させる構造であり、燃焼機関（１）は、その中央を通して延在する垂直面（４）の第１の側で燃焼機関（１）に取付けられて空気および再循環排気ガスを燃焼機関（１）の少なくとも２つのシリンダに供給するための分岐した入口パイプ（２４）と、前記中央に位置する垂直面（４）の第２の側に取付けられて燃焼機関（１）の少なくとも２つのシリンダから排気ライン（６）へ排気ガスを導くための分岐した排気ガスパイプ（５）とを含んでおり、また、この構造は、圧縮空気を燃焼機関（１）に供給するための入口ライン（１０）を含んでおり、この入口ライン（１０）は空気を冷却するための過給空気冷却器（１１）と、排気ライン（６）を入口ライン（１０）に連結する戻しライン（１５）とを含み、戻しライン（１５）を経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ができるようになされており、戻しライン（１５）は再循環排気ガスを冷却するためのＥＧＲ冷却器（１７）を含み、ＥＧＲ冷却器（１７）および過給空気冷却器（１１）は分岐した入口パイプ（２４）が取付けられている前記中央に位置する面（４）の第１の側において燃焼機関（１）に接近させて配置されている構造において、過給空気冷却器（１１）が分岐した入口パイプ（２４）よりも少なくとも部分的に低い位置に配置されていることを特徴とする構造。
2. ＥＧＲ冷却器（１７）は分岐した入口パイプ（２４）よりも低い高さ位置で車輌に配置されていることを特徴とする請求項１に記載された構造。
3. ＥＧＲ冷却器（１７）は分岐した入口パイプ（２４）よりも少なくとも部分的に低い位置に配置されていることを特徴とする請求項２に記載された構造。
4. 再循環排気ガスを冷却するためにＥＧＲ冷却器（１７）は内部に液体冷媒が流されるようになされたことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載された構造。
5. 過給空気冷却器（１１）は分岐した入口パイプ（２４）よりも低い高さ位置で車輌に配置されてい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された構造。
6. 圧縮空気を冷却するために過給空気冷却器（１１）は内部に液体冷媒を流されるようになされたことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載された構造。
7. 空気および再循環排気ガスを入口パイプ（２４）へ導くチューブ状部分（１０ｄ）を入口ラインが含み、ＥＧＲ冷却器（１７）および過給空気冷却器（１１）は前記チューブ状部分（１０ｄ）の長手方向に延在する中心線（２８）の反対両側に配置されてい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された構造。
8. ＥＧＲ冷却器（１７）および過給空気冷却器（１１）が複合ユニットを構成し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された構造。
9. 燃焼機関（１）は前記垂直面（４）が車輌（３）の長手方向に延在するように車輌に取付けられ、また、燃焼機関（１）は実質的に横方向の前部壁面（１ａ）と、実質的に横方向の後部壁面（１ｂ）とを有し、戻しライン（１５）は第１の側から横方向の後部壁面（１ｂ）を回って第２の側へ延在し、入口ライン（１０）は第１の側から横方向の前部壁面（１ａ）を回って第２の側へ延在す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された構造。

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