JP5270354B2 - 過給機付きエンジンに少なくとも１つの流体を供給するための供給回路、およびそのエンジンに少なくとも１つの流体を供給するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、過給機を備えた内燃エンジン、特にディーゼルエンジンに少なくとも１つのガス状流体を供給するための回路、およびそのエンジンに少なくとも１つのガス状流体を供給するための方法に関する。

このタイプのエンジンでは、上記供給回路は、空気過給回路、および排気ガスをエンジン吸気口に再循環させるための再循環回路によって、空気と再循環排気ガスの混合気か、あるいは空気だけをエンジンのシリンダに供給することができる。

過給回路は、通常、外気圧縮装置をエンジン吸気口に接続する管と、その管上に配置された圧縮空気冷却用ラジエータ、いわゆるインタークーラ（ＲＡＳ）とを有している。一般的には、圧縮装置は、排気流路に配置され、掃気される排気ガスによって回転駆動されるタービンのような駆動段に連結して回転するターボ過給機の圧縮段である。

従来の排気ガス再循環回路では、燃料混合気の燃焼によって発生する排気ガスは、エンジンのシリンダ内に一部再噴射される。この再噴射によって、この排気ガスと混合された燃料混合気の燃焼後には、窒素酸化物などの汚染物質の量が低減された燃焼ガスがエンジンから排出される。この排気ガス再循環は、エンジンの排気口と吸気口をＥＧＲ（排気ガス再循環）管で接続することによって実現される。この管には、エンジンシリンダ内に排気ガスを供給する前にその温度を低下させることができる、再循環排気ガス冷却器が設けられている。また、この管にはＥＧＲ弁と呼ばれる弁も設けられており、それにより、このエンジンのシリンダ内に供給される排気ガスの量を制御することが可能となる。

新車の開発段階では、車両と歩行者の正面衝突に伴って起こりうる負傷のリスクを減らすために、車両前面の規定に特別な注意が払われている。１つの解決策は、この前面の高さを制限することであるが、そのとき問題となるのが、前面や前面付近に配置される装置類の寸法である。その一例として、外気を吹き付けるために前面に設置された大きな熱交換面で構成され、圧縮段からの大量の圧縮空気を冷却する必要があるインタークーラがある。

この熱交換に関連した上記の要請を考慮すると、現時点での解決策は、車両前面の規定とインタークーラの前面寸法との間で妥協点を見いだすことである。このことは、車両と歩行者の間で衝突が起こった場合に負傷のリスクを増加させ、またインタークーラの性能を低下させることにつながる。

排気ガス再循環を備えた過給機付きエンジンに関連した他の問題は、冷却器の汚れに起因したものである。実際、この冷却器内を流れる排気ガスには、冷却器の熱交換壁に付着していた、未燃焼炭化水素（ＨＣ）や粒子が含まれている。これらの付着物は、ガスと冷却液との熱交換にとって不利益となり、特に（４０から５０％程度の）高再循環率で使用するような極端な場合では、排気ガス再循環の流路を詰まらせることになりうる。この場合、冷却器を取り外して、手作業でクリーニングすることが必要となる。このクリーニング作業のためには、車両の走行は停止せざるを得ず、またその作業により、かなりのコストがかかることになる。

本発明は、取り外す必要なく、またこのエンジンの運転に重大な支障をきたすことなく冷却器を清潔な状態にしながら、過給空気の冷却に必要な熱交換を減少させることなくインタークーラのサイズを減少させることができる供給回路によって、前述の欠点を克服することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明は、内燃エンジン、特にディーゼルエンジンに少なくとも１つの流体を供給するための供給回路であって、過給管と、圧縮段を備えた過給装置と、圧縮空気冷却用ラジエータとを有する、エンジン吸気口に空気を過給するための空気過給回路と、排気ガス再循環管および排気ガス冷却器を有する、エンジン吸気口に排気ガスを再循環させるための排気ガス再循環回路と、を備えた供給回路において、該供給回路が、前記空気過給回路と前記排気ガス再循環回路を前記冷却器の上流で接続させる接続管を有することを特徴とする供給回路に関する。

接続管がラジエータの上流を冷却器の上流に接続させることができると有利である。

接続管がラジエータの下流を冷却器の上流に接続させることもできる。

接続管が流量制御弁を備えることができることが好ましい。

空気過給回路が流量制御弁を有することができる。

本発明はまた、外気圧縮装置および圧縮空気冷却用ラジエータを有する空気過給回路と、排気ガス冷却器を有する排気ガス再循環回路とを備えた内燃エンジン、特にディーゼルエンジンに少なくとも１つの流体を供給するための方法において、前記エンジンが半負荷および全負荷運転する場合、圧縮空気の一部を前記ラジエータに通過させると同時に、前記圧縮空気の他の部分を前記冷却器に通過させることを特徴とする方法にも関する。

本発明はまた、外気圧縮装置および圧縮空気冷却用ラジエータを有する空気過給回路と、排気ガス冷却器を有する排気ガス再循環回路とを備えた内燃エンジン、特にディーゼルエンジンに少なくとも１つの流体を供給するための方法において、前記エンジンが半負荷および全負荷運転する場合、圧縮空気を、前記ラジエータを通過させた後に前記冷却器を通過させることを特徴とする方法にも関する。

本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照しながら、非限定的な例によって与えられる以下の説明を読むことで明らかとなろう。

図１において、特にディーゼルエンジンである内燃エンジン１０は、燃料混合気の燃焼が行われる少なくとも１つのシリンダ１２と、吸気マニホールド１４と、排気マニホールド１６とを有している。

吸気マニホールド１４には、空気過給回路２０と排気ガス再循環回路２２とを有する供給回路１８によって、少なくとも１つのガス状流体（再循環排気ガスを含む、または含まない、過給または無過給空気）が供給される。

空気過給回路は、外気吸入口２４から始まり、吸気マニホールド１４が終点となっている。外気吸入口２４は、外気を圧縮することができる圧縮段２６上に開口している。図に示す例では、この圧縮段は、ターボ過給機２８の圧縮機であり、ターボ過給機は、伝達軸（図示せず）によって圧縮機と接続しているタービン３０を備えている。シリンダ内での燃料混合気の燃焼により発生し排気マニホールド１６から流れる排気ガスによって、タービンは回転駆動される。その結果、この排気ガスは、排気マニホールドで始まりタービンで終わる管３２の中を通って循環することになる。タービンを通過後、排気ガスは排出口３４を通じて排気経路へ排出される。圧縮機２６を出た圧縮空気は、空気過給管３６を通じて、吸気マニホールド１４へと送られる。従来は、より一般的にはインタークーラ（ＲＡＳ）と呼ばれる圧縮空気冷却用ラジエータ３８が、吸気マニホールド１４と圧縮機２６をつなぐ管３６上に配置されている。こうして、このラジエータの位置により、空気過給管３６は、圧縮機とラジエータをつなぐ上流空気過給管３６ａと、ラジエータと吸気マニホールドをつなぐ下流管３６ｂとに分けられている。

上流および下流は、考慮される回路における、図に示すような流体の流れ方向に対して当該要素の前および後に配置された構成部分を指す用語である。

排気ガス再循環回路２２は、図１に示すように、排気ガス管３２の分岐部分４２で始まり吸気マニホールド、あるいは下流空気過給管３６ｂの点４４で終わる、（より一般的にはＥＧＲ管と呼ばれる）排気ガス再循環管４０を有している。このＥＧＲ管は、再循環排気ガス冷却器４６と、ＥＧＲ管を循環する排気ガスの量を制御することができる、ＥＧＲ弁と呼ばれる弁４８とを備えている。この弁は、排気マニホールド１６と冷却器４６をつなぐ部分のＥＧＲ管上に配置されている。

図１でより明らかなように、供給回路は、空気過給回路と排気ガス再循環回路をつなぐ接続管５０をさらに有している。より正確には、この接続管によって、上流空気過給管３６ａの点５２と、冷却器４６の上流、かつＥＧＲ弁４８の下流に配置された部分の管４０の合流点５４とを接続させることができる。

こうして、接続管の上記配置によって、インタークーラと再循環排気ガス冷却器を同時に動作させて、圧縮機２６からの圧縮空気の冷却を行うことが可能となる。

冷却器４６内を流れる圧縮空気の流量を制御することができる流量制御弁５６が接続管に設けられていることが好ましい。分岐点５２とインタークーラをつなぐ位置にある上流管３６ａの部分にも、ラジエータ３８内の圧縮空気の通過を制御することができる流量制御弁５８が設けられている。

エンジンが半負荷状態、または全負荷状態で運転する場合、シリンダ１２での燃料混合気の燃焼が、排気部分で排出される汚染物質が大気汚染防止基準を満たすように行われるため、排気ガスをエンジン吸気口に再循環させる必要はない。

この場合、ＥＧＲ弁４８は閉鎖位置にあり、そのためガスの冷却器への通過が防止され、流量制御弁５６および５８は開放位置にある。この構成では、排気マニホールド１６から出て管３２内を循環する排気ガスは、タービン３０を回転駆動し、その後排出口３４から排出される。このタービンが圧縮機２６を駆動して、吸入口２４から流入する外気を圧縮することになる。圧縮されたことで高温となった圧縮空気は、圧縮機を出て、一方では上流管３６ａ内を循環し、他方では接続管５０内、および点５４と冷却器入口をつなぐ部分の管４０内を循環する。したがって、圧縮空気の一部はラジエータ３８によって冷却され、他の部分は排気ガス冷却器４６によって冷却される。その後、冷却された圧縮空気は、ラジエータおよび冷却器をそれぞれ出て、合流点４４で合流し、そして吸気マニホールド１４に送られることになる。このマニホールドから、冷却された圧縮空気はシリンダ１２内へと供給されて、燃料と混合され、燃料混合気の燃焼が行われる。

冷却器４６が圧縮空気の温度を下げるための（５から１０ｋＷ程度の）付加的な冷却能力を有することによって、従来の供給回路で以前に得られていた、最終的な熱交換性能とマニホールド内の圧縮空気の温度とを維持しながら、ラジエータ３８を小型化することが可能となる。それにより、過給空気の冷却に不具合を生じることなく、車両前面の範囲を小さくすることが可能となる。

この構成は、排気ガス冷却器の体系的なクリーニングを実現するために利用されると有利である。上述のように、この冷却器内を流れる圧縮空気は、１５０℃から１８０℃程度の高温である。この温度は、冷却器の熱交換壁に付着している粒子の溶解成分を蒸発させるほどに高いので、それらを分解させることができる。そして、これらの分解した粒子は、冷却器内を循環する圧縮空気が高速であるために、熱交換壁から剥がれ落ち、冷却された圧縮空気によってエンジン吸気口に運ばれ、そこからシリンダ内へと供給されて、燃料混合気の燃焼中に焼却させることになる。

流量制御弁５６および５８を作動させることによってこのクリーニング動作がより迅速に実行できると、より有利である。そのため、弁５８が一時的に中間の閉塞位置となるか、あるいは完全な閉塞位置にまでなるように、そして弁５６が完全開放位置となるように、これらの弁を制御することが可能である。その結果、冷却器を通過する空気の量が増加することになり、このことは、この冷却器の浄化を促進させるばかりである。

エンジンが再循環排気ガスの吸気を必要とする低負荷状態で運転する場合、弁５６は接続管５０の閉塞位置にあり、弁５８は管３６ａの開放位置にあって、ＥＧＲ弁４８の開放動作は、シリンダ１２での燃料混合気の所望の燃焼状態に応じて行われる。

そのような運転状態では、マニホールド１６から流れる排気ガスの一部は、管４０によって、冷却器４６で冷却されてから点４４へと送られる。ラジエータ３８を通過した後にこの点に到達した空気は、（特にエンジンがアイドリング状態で、圧縮機が非作動の場合には）大気圧であるか、または圧縮機によってわずかに圧縮されていてよい。結果として、この点から、空気と排気ガスの混合気が吸気マニホールドに送られることになる。

図２は、図１の変形例を示しており、したがって、２つの図に共通な構成要素については同じ参照番号である。

この変形例は、接続管５０によって冷却器４６をラジエータ３８と直列に作動させて、エンジンが中間負荷状態および高負荷状態で運転する場合に圧縮空気を冷却できるようにする点で、図１と区別される。

そのため、この変形例における供給回路１８の空気過給回路２０は、外気吸入口２４と、ターボ過給機２８の一部である空気圧縮機２６と、空気過給管３６と、管３６を上流管３６ａおよび下流管３６ｂに分割するインタークーラ３８とを有している。

排気ガス再循環回路２２は、排気ガス管３２の分岐部分４２で始まり吸気マニホールド１４で終わる排気ガス再循環管４０と、再循環排気ガス冷却器４６と、ＥＧＲ弁４８とを有している。

図１に関連して上述したように、この変形例の供給回路は、空気過給回路と排気ガス再循環回路をつなぐ接続管５０をさらに有している。

図２でより明らかなように、この接続管によって、下流空気過給管３６ｂと、冷却器４６の上流、かつＥＧＲ弁４８の下流に位置する部分の管４０の合流点５４とを接続させることができる。

図１に関連してすでに説明したように、エンジンが半負荷状態、または全負荷状態で運転する場合、ＥＧＲ弁４８は閉塞位置にあり、ガスの冷却器４６への通過が防止されている。圧縮機２６によって圧縮された空気は、上流管３６ａおよびラジエータ３８内を循環すると、圧縮機出口での温度よりも低い温度となって下流管３６ｂを通過する。その後、こうして冷却された圧縮空気は、接続管５０を通じて合流点５４へと送られ、冷却器４６内を流れてさらに温度が低下することになる。冷却器出口では冷却器４６を通過することで一種「過冷却」された圧縮空気は、吸気マニホールド１４に送られ、そこからシリンダ１２内へと供給されて、燃料と混合され、燃料混合気の燃焼が行われる。

こうして、この「過冷却」によって、シリンダ１２内への供給に必要な水準にまで圧縮空気の温度を低下させるのに必要とされる熱的性能を維持しながら、ラジエータ３８を小型化することが可能となる。

同様に、ラジエータ出口では粒子の溶解成分を蒸発させるほど十分で、それらを熱交換壁から剥がすことができる、圧縮空気の温度と速度の複合作用によって、取り外すことなく冷却器４６を清潔な状態にすることが可能であろう。

エンジンが低負荷状態で運転する場合、ＥＧＲ弁４８が開放されることで、排気ガスの一部は、冷却器４６内を流れてから吸気マニホールド１４へと循環できるようになる。同時に、ラジエータ３８を通過することによって冷却された空気は、点５４で高温の排気ガスと混合される。その後、空気と排気ガスの混合気は、吸気マニホールド１４で必要とされる温度になるまで冷却器４６によって冷却される。

もちろん、当業者には公知のように、ラジエータ３８および冷却器４６にはそれぞれ、絞り手段６４および６６と、適用される熱交換器３８、４６を迂回するための管６８および７０と、を有する短絡回路６０および６２が設けられている。これらの短絡回路は、一般にエンジン冷間始動時に使用されるため、エンジンの半負荷運転、または全負荷運転と相互依存することはない。

本発明は、上記に記載の実施例には限定されず、あらゆる等価物および変形例を含んでいる。

上述の供給回路は、ガソリン式の内燃エンジンに適用してよいことは明白である。

本発明による供給回路を備えた内燃エンジンを模式的に示す図である。 図１の供給回路の変形例を備えた内燃エンジンを示す図である。

Claims (2)

1. 過給管（３６）と、外気圧縮装置（２６）を備えた過給装置（２８）と、圧縮空気冷却用ラジエータ（３８）と、を有する、エンジン吸気口に空気を過給するための空気過給管路（２０）と、排気ガス再循環管（４０）および排気ガス冷却器（４６）を有する、エンジン吸気口にエンジン排気口からの排気ガスを再循環させるための排気ガス再循環管路（２２）と、を備えた内燃エンジン、特にディーゼルエンジンに少なくとも１つの流体を供給するための方法において、
   接続管（５０）で、前記空気過給管路（２０）の、前記圧縮段（２６）より下流と、前記排気ガス再循環管路（２２）の、前記冷却器（４６）の上流とを接続し、
   前記排気ガス再循環管路で、前記排気ガス冷却器の下流と、前記空気過給管路の、前記冷却用ラジエータの下流と接続し、
   前記エンジンが半負荷および全負荷運転する場合、前記外気圧縮装置（２６）からの前記圧縮空気の一部を前記ラジエータ（３８）に通過させて冷却すると同時に、前記圧縮空気の他の部分を、前記接続管を介して前記冷却器（４６）に通過させて冷却することを特徴とする方法。
2. 前記エンジンが低負荷で運転する場合、前記外気圧縮装置（２６）からの圧縮空気を前記ラジエータ（３８）に通過させて冷却すると同時に、前記排気ガスを前記冷却器（４６）に通過させて冷却する、請求項１に記載の方法。

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