JP4739453B2 - 過給燃焼機関の排ガス循環装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の全文に記載の過給燃焼機関の排ガス循環装置に関する。

過給期間に供給され得る空気の量は、空気の圧力のみならず空気の温度に依存している。燃焼機関に最大限の空気量を供給することは、燃焼機関に導かれる前に給気冷却器で圧縮空気を冷却することを必要とする。圧縮空気は、通常車両の前部に置かれた給気冷却器で、空気を包囲することによって冷却される。圧縮空気は、このようにして、周囲の温度に実質的に相当する温度に冷却され得るのである。

排気ガス循環（ＥＧＲ）としての技術は、燃焼機関からの排ガスの循環部分の公知の方法である。循環排ガスは、燃焼機関のシリンダへ導かれる前に燃焼機関への吸気と混合される。空気に排ガスを加えることは、とりわけ排ガス中の窒素酸化物ＮＯｘの量を減じることにつながる燃焼温度の低下の要因である。この技術は、オットー機関とディーゼル機関の両者に使われる。循環排ガスは、吸気と混合される前に、通常ＥＧＲ冷却器で冷却される。冷却材冷却式のＥＧＲ冷却器が、一般に使われるが、空気冷却式のＥＧＲ冷却器もまた公知である。空気冷却式のＥＧＲ冷却器において、循環排ガスは、圧縮空気の温度にほぼ相当する温度に冷却される。従って、循環排ガスは、混合され燃焼機関に導かれるときに冷却された圧縮空気を暖めることはない。

排ガスは、比較的大量の水蒸気を含んでいる。これら排ガスがその露点より低い温度に冷却されると、水蒸気は、ＥＧＲ冷却器内で液化する。周辺空気の温度が０℃よりも低くなると、液化した水蒸気がＥＧＲ冷却器内で凍結するおそれがある。そのような凍結は、ＥＧＲ冷却器へとつながる排気流路が多少遮断されてしまうおそれへとつながり、排ガスの再循環の中止を引き起こす。

米国特許第６，３６７，２５６号は、排ガスの再循環装置を備えた燃焼機関に関しており、ここで、循環排ガスは、冷却材冷却式のＥＧＲ冷却器で冷却される。ＥＧＲ冷却器を通る冷却材の流れは、大量の排ガスが循環されたとしても、ＥＧＲ冷却器の冷却材の局部沸騰が防止されるように、一定でかつ大量である。少量の排ガスが循環されるか、または、冷却材が低温であると、ＥＧＲ冷却器の十分な冷却材流れが、循環排ガスを、排ガス中の水蒸気が液化するような低温に冷却する。戻ってきた排ガスが低すぎる温度にならないようにするために、循環排ガスが、ＥＧＲ冷却器で冷却される代わりにバイパスラインを通って完全にまたは部分的に導かれる。装置は、排ガス流路に沿ったいくつかの場所に凝縮液分離装置を備えている。この発明の目的は、排ガス流路に沿った凝縮物沈殿を防止あるいは少なくとも減少することである。

米国特許第６，３６７，２５６号

本発明の目的は、冷却空気が非常に低い温度になっても、排ガスが空気冷却式のＥＧＲ冷却器の最低許容温度より低い温度に冷却されることを防止する、過給燃焼機関の排ガス循環装置を提供することである。

この目的は、請求項１の特徴部分に示された構成によって特徴付けられる装置によって解決される。この発明によれば、装置は、バイパスラインと弁装置を有し、これにより、ＥＧＲ冷却器を通過した排ガスがＥＧＲ冷却器の最低許容温度よりも低い温度まで冷却されるおそれがあるときに、当該排ガスを導くことができるのである。循環排ガスが、ＥＧＲ冷却器の最低許容温度より低い温度に冷却されてしまうおそれがあるときに、弁装置は、排ガス流れ全体がＥＧＲ冷却器を通って導かれるように第２位置に設定される。循環排ガスは、このようにして、最低許容温度より低い温度に冷却されることを防止される。排ガスは、水蒸気を含んでいる。排ガスが水蒸気の露点よりも低い温度に冷却されるときには、液状の水がＥＧＲ冷却器内で沈殿する。排ガスが０℃よりも低い温度に冷却されると、沈殿した水はＥＧＲ冷却機内で凍結する。前述の最低許容温度は、主として、冷却機内で凍結する０℃よりも低い温度に冷却されないガス状媒体に言及する。しかしながら、実際には、２，３の温度の安全限界が、ＥＧＲ冷却器のどの部分にも凍結が起きないことを保証するために、適用可能である。この最低許容温度が凍結以外の温度や現象に言及することを排除するものではない、すなわち、ＥＧＲ冷却機内での水蒸気の液化が増えすぎないようにするのが望ましいように設定することも可能である。

本発明の一実施例によれば、装置は、弁装置を前記第１位置または前記第２位置に設定することができる手動設定可能な制御装置を有する。そのような制御装置は、運転者が、弁装置が設定されるべき位置と変更されるべき時を決定できるようにする。運転者は、例えば、周辺空気の温度と平均気象条件を知ることに基づいてそのような決定をすることができる。しかしながら、装置は、ＥＧＲ冷却器での凍結のおそれを決定する少なくとも１つのパラメータに関する情報を受信し、そのようなおそれがあると決定した時に弁装置を第２位置に設定する制御装置を有していることが、有利である。このようにして、制御装置は、燃焼機関の作動中に、適切な位置に弁装置を自動的に設定することができるのである。制御装置は、１つ以上の指針となるパラメータについての情報に基づいて弁装置を設定する位置を決定するためのソフトウェアを備えたコンピュータ装置であってもよい。好ましくは、装置は、周辺空気の温度を検知するための温度センサを有し、制御装置は、ＥＧＲ冷却器での凍結のおそれを決定するのに前記温度センサからの情報を用いるようにされる。簡単な制御過程によって、制御装置は、弁装置を、温度センサが０℃より高い温度を示す時に第１位置に設定し、温度センサが０℃よりも低い温度を示す時に第２位置に設定する。この制御過程は、しかしながら、極めて複雑にすることもできる。より複雑な制御過程では、周辺空気が０℃よりも低くても、空気冷却式のＥＧＲ冷却器を用いるのが適切である状態を検出することができる。

この発明の好適実施例によれば、制御装置は、ＥＧＲ冷却器の凍結のおそれを決定するために戻り経路を通る排ガス流に関連するパラメータの知識を用いるようにされてもよい。多くの排ガス流がＥＧＲ冷却器を通って導入されると、少量の排ガス流が導入される時ほどには、排ガスは冷却されない。０℃よりも幾分低い大気の温度の状態では、制御装置は、大量の排ガスが戻り経路を介して戻される時には弁装置を第１位置に設定し、少量の排ガスが戻り経路を介して戻される時には弁装置を第２位置に設定する。制御装置は、ＥＧＲ冷却器の凍結のおそれを決定するためにＥＧＲ冷却器を通る周辺空気の流速に関連するパラメータの知識を利用するようにされてもよい。周辺空気の流速は、循環排ガスがＥＧＲ冷却器でどれぐらい効率的に冷却されるかを決定するパラメータである。冷却空気がＥＧＲ冷却器を高速で流れるならば、空気が低速で流れる時よりも、循環排ガスの冷却が効率的になる。

この発明の好適実施例によれば、装置は、第２段階で空冷式のＥＧＲ冷却器で冷却される前に第１段階で循環排ガスを冷却するようにされる、冷却材冷却式のＥＧＲ冷却器を含む。排ガスが、あらゆる状況で許容できる冷却を受けることができるように、このように保証される。有利には、燃焼機関の冷却装置の冷却材は、第１段階での循環排ガスの冷却に用いられる。循環排ガスは、このようにして、第１段階での効率的な冷却を提供することができる。ＥＧＲ冷却器は、循環排ガスを受容する第１タンクと、循環排ガスが周辺空気によって冷却中に流れる冷却部と、冷却部で冷却された後に循環排ガスを受容する第２タンクを有している。このようなＥＧＲ冷却器は、有利には、流入する周辺空気の温度での空気を有する車両の前部に適合されてもよい。弁装置は、第１タンクに配置され、前記バイパスラインは、第１タンクと第２タンク間を延びて、バイパスがＥＧＲ冷却器と一体をなし複合ユニットとして互いに嵌められるようにしてもよい。

この発明の好適実施例が、添付の図面を参照して例として以下に示される。
この発明の第１実施例による装置を示す図である。 この発明の第２実施例による装置を示す図である。

図１は、過給燃焼機関２によって駆動される車両１を示している。車両１は、過給ディーゼルエンジンによって駆動される重車両である。燃焼機関２のシリンダからの排ガスは、排気マニホールド３を介して排気管４へと導かれる。排気管４の排ガスは、大気圧よりも高い圧力であり、ターボユニットのタービン５へ導かれる。タービン５は、このようにして、圧縮機６へ連結管を介して伝達される動力を備える。圧縮機６は、エアフィルタ７を介して入口管へ導かれる空気を圧縮する。給気冷却器９が、入口管８に配置されている。給気冷却器９は、車両１の前部の領域Ａに配置されている。給気冷却器９の機能は、燃焼機関２に導入される前の圧縮空気を冷却することである。圧縮空気は、ラジエータファン１０によって給気冷却器９を通過して流れる周辺空気と車両１の前方への動きによる通風によって給気冷却器９で冷却される。ラジエータファン１０は、適切な連結を介して燃焼機関２によって駆動される。

燃焼機関２は、排ガス循環用の排ガス循環（ＥＧＲ）装置を備えている。エンジンシリンダへ導かれる圧縮空気に排ガスを加えることは、燃焼温度を下げ、燃焼過程で生成される窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）の含有量を下げる。排ガス循環用の戻り管１１は、排気管４から入口管８へと延びている。戻り管１１は、戻り管１１での排気流が遮断されるようなＥＧＲ弁１２を有している。ＥＧＲ弁１２は、排気管４から戻り管１１を介して入口管８に導かれる排ガスの量を段階的に制御するために用いられる。制御装置１３は、燃焼機関２の作動状態についての情報に基づいてＥＧＲ弁１２を制御するようにされている。戻り管１１は、排ガスを冷却の第１段階へ導く第１ＥＧＲ冷却器１４と、排ガスを冷却の第２段階へと導く第２ＥＧＲ冷却器１５を有している。過給ディーゼルエンジン２において、ある作動状態では、排気管４の排気ガスの圧力は、入口管８の圧縮空気の圧力よりも低くなっている。そのような状態では、戻り管１１の排気ガスを直接何らの補助手段なく、入口管８の圧縮空気に混合することは不可能である。このために、例えば、ベンチュリ１６を用いることができる。燃焼機関２がオットーエンジンであったなら、オットーエンジンの排気管４の排ガスは、ほぼすべての作動状態において、入口管８の圧縮空気よりも高いので、戻り管１１の排ガスは、入口管８に直接導かれる。排ガスが入口管８の圧縮空気と混合されると、混合物は、燃焼機関２のそれぞれのシリンダへとマニホールド１７を介して導かれる。

燃焼機関２は、循環冷却材を含む冷却装置によって従来の方法で冷却される。冷却材は、冷却材ポンプ１８によって冷却装置内を循環する。冷却装置は、冷却材が冷却が必要な温度に達したときにラジエータ２０に冷却材を導くようにされるサーモスタット１９を有している。ラジエータ２０は、領域Ａでの空気の流れの所望の方向に関して給気冷却器９と第２ＥＧＲ冷却器１５から下流の位置で車両１の前方部分に嵌められている。冷却装置の冷却材は、循環排ガスを第１ＥＧＲ冷却器１４の冷却の第１段階へ導くために用いられる。このために、冷却装置は、循環排ガスを冷却する第１段階のための第１ＥＧＲ冷却器１４に最初に冷却材を導く管２１の形態のマニホールドを有する。第１ＥＧＲ冷却器１４は、燃焼機関２にあるいはそれに接近して嵌められる。循環排ガスは、ここでは、５００℃から６００℃の温度から冷却材の温度に近い温度に冷却され、通常７０℃から９０℃の範囲に冷却される。冷却材が、第１ＥＧＲ冷却材１４を通過する時、燃焼機関２からの暖かい冷却材と混合される管２３へと管２２を介して導かれる。冷却材は、管２３を介してラジエータ２０へと導かれ、燃焼機関２あるいは第１ＥＧＲ冷却器１４の循環排ガスを冷却するために再び用いられる前に冷却される。給気冷却器９の圧縮空気と車両１の前面に嵌められる第２ＥＧＲ冷却器１５の循環排ガスは、そこを通過する周辺の温度の空気を有している。よって、圧縮空気と排ガスを周辺の温度にほぼ相当する温度に冷却することが可能である。空気と排ガスは、より小さな比容積となるように冷却される。圧縮空気と排気ガスを周辺の気温とほぼ同じ温度に冷却することは、ほぼ最適な量の空気と循環排ガスが燃焼機関のシリンダに導かれることを可能とする。

周辺の温度が低いと、排ガスが、排ガス中の水蒸気が第２ＥＧＲ冷却器１５内で液化するような温度に冷却されてしまうというおそれがある。周辺の温度が０℃よりも低いと、液化した水蒸気が、第２ＥＧＲ冷却器１５内で凍結する可能性がある。第２ＥＧＲ冷却器１５の排気管は、このようにして遮断される。排ガスは、従って、０℃より低い温度に冷却されるべきではない。循環排ガスのそのような冷却を防止するために、戻り管１１はバイパス管１１ａを備えている。バイパス管１１ａの範囲は、循環排ガスをＥＧＲ冷却器１５を通過して導くことができるようなものである。戻り管１１は、また、戻り管１１の循環排ガスの全体流れを第２ＥＧＲ冷却器１５を通って導くための第１位置と、戻り管１１の循環排ガスの全体流れをバイパス管１１ａと通って導くための第２位置に設定される三方弁２４の形式の弁装置を有している。制御装置１３は、周辺空気の温度を検出するように位置決めされた温度センサ２５からの情報に基づいて三方弁２４を制御するようになっている。車両１の運転者が、制御装置１３による三方弁２４への自動制御を開放したいならば、連結装置２６が三方弁２４の手動制御のための位置に配置される。そのような手動制御は、例えば、車両の運転室の適切な場所に置かれたボタン装置２７の形態の制御装置によって始められる。

燃焼機関２の作動中には、制御装置１３は、このようにして、周辺空気の温度に関する温度センサ２５からの情報を受け取る。周辺空気の温度が０℃より高温である限り、第２ＥＧＲ１５が凍結するおそれがない。この状態で、制御装置１３は、第１位置に配置される三方弁２４と循環排気ガスが、第１ＥＧＲ冷却器における冷却の第１段階と第２ＥＧＲ冷却器１５における冷却の第２段階の両方を受けさせる。循環排ガスは、このようにして、給気冷却器９の圧縮空気とほぼ同じ温度に冷却される。周辺空気の温度が０℃よりも低いと、制御装置１３は、循環排ガスが排ガスが０℃よりも低い温度に冷却されるおそれなく第２ＥＧＲ冷却器１５を通って導かれ得るかどうかを判断するように、更なるパラメータを考慮する必要がある。そのようなパラメータは、戻り管１１を介して戻される排ガスの量でもよい。ＥＧＲ冷却器１５を通って導かれる大量の排気ガスが、少量の排気ガスの温度ほどには低温に冷却されない。大気が０℃よりも低い状態では、制御装置１３は、三方弁２４を第１位置に配置することができ、これにより、大量の排ガスが戻り管１１を介して戻され、また、三方弁２４を第２位置に配置することができ、これにより、少量の排気ガスが戻り管１１を介して戻される。制御装置１３が考慮する更なるパラメータは、ＥＧＲ冷却器１５を通る周辺空気の流速である。周辺空気は、低速よりも高速でＥＧＲ冷却器１５を通過する時に循環排ガスの効果的な冷却を提供する。空気の流速は、ラジエータファン１０の速度に依存し、燃焼機関２の速度と車両の速度に通常関連している。上記したパラメータの１つ以上に基づいて、制御装置１３は、周辺空気が０℃より低い温度であっても、三方弁２４をある作動及び大気状態における第１位置に配置することができる。周辺空気が０℃よりも低いその他の状態では、制御装置１３は、循環排ガスが第２ＥＧＲ冷却器１５を通って導かれるように、三方弁２４を第２位置に配置する。循環排ガスは、燃焼機関を冷却した冷却材によって第１ＥＧＲ冷却器１４で既に冷却されているので、ほとんどの状況で比較的よいが最適な冷却ではない状態となっている。

図２は、より詳細には、第２空冷式のＥＧＲ冷却器１５を示している。ＥＧＲ冷却器１５は、入口開口１１ｂを介して戻り管１１から循環排ガスを受け取る第１タンク１５ａを有している。ＥＧＲ冷却器１５は、更に、循環排ガスが周辺空気によって冷却される冷却部１５ｂを有している。冷却部１５ｂは、循環排ガスを案内するための複数のほぼ平行な管を従来同様に有している。冷却周辺空気は、管間に存在するダクトに冷却部１５ｂを通って流れるようにされている。ＥＧＲ冷却器１５は、冷却部１５ｂで冷却された循環排ガスを受容する第２タンク１５ｃを有している。循環排ガスは、戻り管１１に連結されている出口開口１１ｃを介して第２タンク１５ｃから離れる。三方弁２４は、入口開口１１ｂに近い第１タンク１５ａに配置されている。三方弁２４は、第１タンク１５ａと第２タンク１５ｂの間を延びるバイパス管１１ａに接近して配置されている。三方弁２４とバイパス管１１ａは、ここでは、ＥＧＲ冷却器１５の一体部をなしている。ＥＧＲ冷却器１５と、三方弁２４とバイパス管１１ａは、従って、合成ユニットとして車両に嵌められている。

凍結のおそれがないときには、三方弁２４は、第１位置に置かれ、戻り管１１の循環排ガスを第１タンク１５ａに導く。第１タンク１５ａから、循環排ガスは、冷却部へ導かれ、そこで、周辺空気によって冷却される。冷却された循環排ガスは、第２タンク１５ｃを介してＥＧＲ冷却器１５から離れる。この状態で、循環排ガスは、２段階冷却をなし、周辺空気の温度にほぼ相当する温度になる。凍結のおそれがあるときには、三方弁２４は、第２位置に置かれる。それは、循環排ガスを入口開口１１ｂからバイパス管１１ａにほぼ直接導く。排ガスは、出口開口１１ｃに近い第２タンク１５ｃの位置にバイパス管１１ａを通って流れる。この場合、排ガスは、ＥＧＲ冷却器の冷却部１５ｂを通ってこのように導かれる。バイパス管１１ａは、そこを通る周辺温度での空気を有する領域Ａ内の限度を有する。循環排ガスは、バイパス管１１ａを通って導かれるときにある冷却を行う。ＥＧＲ冷却器１５での凍結のおそれを減じるために、循環排ガスの冷却は、従って、冷却材冷却式のＥＧＲ冷却器１４でのみ行われる。冷却材冷却式のＥＧＲ冷却器だけでの循環排ガスの冷却は、最適ではないが、時として完全に受け入れ可能なものである。冷却の第２段階は、このようにして、制御装置１３が凍結の明らかなおそれがあると決定するような状態でのみ排除されるのである。特に、周辺空気がちょうど０℃より低いような状態は、例えば、排ガスの十分な循環時期が避けられるときに比較的短い。

この発明は、上記した実施例に限定されるものではなく、請求の範囲内で変更可能なものである。

Claims (7)

1. 過給燃焼機関（２）の排ガスの循環のための装置であって、該装置が、過給燃焼機関（２）からの排ガスを導くための排気管（４）と、空気を該過給燃焼機関（２）に導くための入口管（８）と、該排気管（４）と該入口管（８）に連結された戻り管（１１）であって、該戻り管（１１）を介して排ガスを循環排ガスとして前記排気管（４）から前記入口管（８）に循環することが可能にされた戻り管（１１）と、該戻り管（１１）に接続され、前記循環排ガスの量を制御するＥＧＲ弁（１２）と、前記過給燃焼機関（２）の作動状態についての情報に基づき該ＥＧＲ弁（１２）を制御する制御装置（１３）と、前記循環排ガスを周辺温度の空気によって冷却する、空冷式ＥＧＲ冷却器（１５）と、該空冷式ＥＧＲ冷却器（１５）をバイパスするバイパス管（１１ａ）と、前記循環排ガスが前記空冷式ＥＧＲ冷却器（１５）に通される第１位置と、該排循環ガスが前記バイパス管（１１ａ）に通され該空冷式ＥＧＲ冷却器（１５）をバイパスする第２位置との間で切り替えられる弁装置（２４）とを有しており、前記制御装置（１３）は、前記ＥＧＲ弁（１２）を制御して前記戻り管（１１）を通る前記循環ガスの量を制御すると共に、前記過給燃焼機関（２）の作動状態についての情報が前記空冷式ＥＧＲ冷却器（１５）を凍結させるおそれを示す場合は、前記弁装置（２４）を前記第２の位置に切り替えるようになっている装置において、前記過給燃焼機関（２）の作動状態についての情報が前記空冷式ＥＧＲ冷却器（１５）の凍結のおそれを示すものであっても、前記ＥＧＲ弁（１２）を通る前記循環ガスの量が多い場合には、前記制御手段（１３）は、前記弁装置（２４）を第１の位置に保持させることを特徴とする装置。
2. 前記装置が、周辺空気の温度を検知するための温度センサ（２５）を有し、前記制御装置（１３）が、前記空冷式ＥＧＲ冷却器（１５）での凍結のおそれを決定するのに前記温度センサからの情報を用いるようにされていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記制御装置（１３）は、前記空冷式ＥＧＲ冷却器（１５）を通る周辺空気の流速に関連するパラメータの知識を利用するようにされていることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
4. 前記装置が、前記空冷式ＥＧＲ冷却器（１５）の上流側で前記戻り管（１１）に接続され、前記循環ガスを冷却する、前記過給燃焼機関を循環する冷却材で冷却される冷却材冷却式のＥＧＲ冷却器（１４）を含むことを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の装置。
5. 前記空冷式ＥＧＲ冷却器（１５）が、前記循環排ガスを受容する第１タンク（１５ａ）と、該循環排ガスを通過させ、該循環排ガスを周辺空気によって冷却させる冷却部（１５ｂ）と、該冷却部（１５ｂ）で冷却された後に該循環排ガスを受容する第２タンク（１５ｃ）とを有していることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の装置。
6. 前記弁装置（２４）が、前記第１タンク（１５ａ）に配置され、前記バイパス管（１１ａ）が、前記第１タンク（１５ａ）と前記第２タンク（１５ｃ）間を延びていることを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 前記バイパス管（１１ａ）が、前記ＥＧＲ冷却器（１５）と一体をなしていることを特徴とする請求項６に記載の装置。

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