JP2004028105A - 排気ガス再循環を用いたターボ過給機付エンジンの作動流体回路 - Google Patents

Abstract

【課題】多数のクーラを付加することなく、再循環されるガスおよび給気の両方を冷却できるエンジン作動流体回路を提供することにある。
【解決手段】本発明の作動流体回路（１０）は、内燃機関（１２）からの加圧された排気ガスが流れる排気ガス通路（１４）と、給気通路（１６）と、ターボ過給機（１８）とを有している。排気ガス通路（１４）と給気通路（１６）との間には、ターボ過給機（１８）を迂回させる排気ガス再循環通路（２０）が延びており、該通路（２０）は、排気ガスと給気とが一緒にされるように、所定量の排気ガスを給気通路（１６）に再循環させる通路を形成する。吸気通路（２２）は内燃機関（１２）に吸気を供給する。給気通路（１６）と吸気通路（２２）とを相互連結しかつこれらの両通路（１６、２２）を流体連通させる単一給気クーラ（２４）を更に有する。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、広くは内燃機関（エンジン）の作動流体回路に関し、より詳しくは、排気ガス再循環を用いたターボ過給機付内燃機関の流体回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の作動中に発生する窒素酸化物（ＮＯＸ）の発生を制御する手段として、一般に、排気ガス再循環が内燃機関と組合せて使用されている。排気ガス再循環は、一般に排気マニホルドから取出されてエンジンの吸気サプライ内に導入される排気ガス副生物の再循環を意味する。このようにしてエンジンシリンダ内に再導入される排気ガスは、燃料／空気混合気中の酸素濃度を低下させる。燃料／空気混合気中の酸素が減少すると、最高燃焼温度の低下をもたらしかつ燃焼プロセスの化学反応を遅延させる。これにより、エンジンから排出される窒素酸化物（ＮＯＸ）の形成が低減される。また、排気ガスは、しばしば、燃焼されないで残される未燃焼炭化水素の一部を含有しており、該未燃焼炭化水素は、所与のあらゆる内燃機関の作動中に発生される排気エミッションの一部を形成する。しかしながら、未燃焼炭化水素が再循環されて燃焼室に戻されると、未燃焼炭化水素は燃焼室で燃焼され、エンジンからの好ましくない排気ガス副生物のエミッションが更に低減される。この技術を用いることにより得られる利益を考慮すると、排気ガス再循環は、一般に、火花点火エンジンおよび圧縮点火エンジン（ディーゼルエンジン）の両方に関係している。排気ガス再循環は、特に、例えば乗用車、小型トラックおよび他の自動車機器に使用される内燃機関に関連して使用される。
【０００３】
また、ターボ過給機は、給気をエンジン作動流体回路に供給するのに当業界で使用されていることも知られている。より詳しくは、エンジンがターボ過給機付エンジンである場合には、加圧された排気ガスがタービンに作用し、該タービンがコンプレッサを駆動する。コンプレッサは、内燃機関用吸気を圧縮して、該吸気を一層濃厚にする。濃厚吸気は燃焼を改善し、エンジンからの出力を増大させる。この目的で、ターボ過給機は、火花点火エンジンおよび圧縮点火エンジン（ディーゼルエンジン）の両方に関連して使用されている。
【０００４】
当業界では、排気ガス再循環以外に、吸気マニホルド温度の低下により、燃焼生成物として発生される窒素酸化物の形成も低減されることが知られている。しかしながら、再循環に利用できる排気ガスは一般に非常に高温であり、場合によっては５５０℃を超えることがある。かくして、当業界では、排気ガス再循環を使用する場合には、吸気温度を低下させてＮＯＸの発生を更に低減させるべく、再循環排気ガスを冷却することが知られている。また、燃焼室内に導入される前にターボ過給機により供給される給気を冷却することも知られている。ＥＧＲインタークーラおよび給気クーラは、これらの２つのエンジン作動流体を冷却するのに使用されている別々の熱交換器である。本件出願人の所有する２０００年９月１２日付米国特許第６，１１６，０２６号には、インタークーラ形排気ガス再循環装置を備えたターボ過給機付内燃機関の一例が開示されている。この米国特許の開示は本願に援用する。
【０００５】
ターボ過給機付内燃機関では、再循環させるべき排気ガスは、一般にタービンの上流側から取出され、インタークーラに通され、次に、コンプレッサおよび給気クーラの下流側の吸気流内に再導入される。この形式の排気ガスインタークーラは、しばしば、冷却媒体としてのエンジンクーラントを使用している。これらのクーラは、これまで、これらの意図する目的のために一般的に作動している。より詳しくは、冷却媒体としてエンジンクーラントを使用すると、エンジン冷却システムの熱負荷が増大し、このため大型の車両ラジエータが必要になる。従来技術では、多数すなわち多段クーラの使用も示唆されているが、これは、エンジンの嵩を増大させるに過ぎず、エンジン冷却システムを過度に複雑化させることになる。また、排気ガスとインタークーラ内のクーラントとの間に存在する極端な温度差により、苛酷な作動環境が生じる。排気ガス中に見られる或る燃焼生成物は、高度の腐食性を有しインタークーラ内の或る作動温度で凝縮する。これらの苛酷な作動環境および腐食性凝縮物は、空気インタークーラへの液体の経時漏洩を引起こす。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従って、当業界では、多数のクーラを付加することなく、再循環されるガスおよび給気の両方を冷却できるエンジン作動流体回路が要望されている。また、当業界では、液体／空気冷却界面での漏洩に付随する欠点なくして、再循環される排気ガスおよび給気を冷却できるエンジン作動流体回路が要望されている。最後に、当業界では、全体的により簡単な冷却ストラテジーを用いており、余分な部品を省略でき、かつシステム全体の信頼性を改善できるエンジン作動流体回路が要望されている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、排気ガス再循環を用いたターボ過給機付内燃機関の作動流体回路の従来技術の欠点を解消する。本発明の作動流体回路は、内燃機関からの加圧された排気ガスが流れる排気ガス通路と、給気通路と、ターボ過給機とを有している。ターボ過給機は、内燃機関から流出する排気ガスにより駆動されかつ加圧された空気を給気通路に供給すべく作用する。エンジン作動流体回路は更に、排気ガス通路と給気通路との間に延びておりかつターボ過給機を迂回する排気ガス再循環通路を有している。これにより、排気ガス再循環通路は、排気ガスと給気とが一緒に混合されるように所定量の排気ガスを給気通路に再循環させて排気ガスと給気とを付加混合させる経路を形成する。作動流体回路は更に、内燃機関に吸気を供給するための吸気通路と、単一給気クーラとを有している。単一給気クーラは、給気通路と吸気通路とを相互連結しかつこれらの両通路を流体連通させる。また、単一給気クーラは、混合された給気および再循環排気ガスが吸気通路を通って内燃機関に導入される前に、前記混合された給気および再循環排気ガスを冷却すべく作用する。
【０００８】
本発明による作動流体回路の１つの長所は、多数のクーラを付加することなく、再循環排気ガスおよび給気の両方を冷却できることである。本発明の他の長所は、液体／空気冷却界面を用いる熱交換器に生じ易い漏洩に付随する欠点なくして、再循環排気ガスおよび給気を冷却できることである。本発明の他の長所は、非常に高温の排気ガスと給気クーラの上流側の非常に低温の給気とを混合することにより、クーラに流入するガス温度が大幅に低下し（５５０℃以上が３００℃になる）、これにより、別体のＥＧＲガス／液体クーラに見られる熱疲労応力クラッキングの問題が回避される。本発明の他の長所は、再循環排気ガスが給気クーラの上流側に導入されることにより、給気とより完全に混合されることである。また、本発明の作動流体回路は、全体的により簡単な冷却ストラテジーを用い、余分な部品を省略し、かつシステム全体の信頼性を改善できるものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の他の長所は、添付図面に関連して以下に述べる詳細な説明により容易に理解されよう。
ここで図面を参照すると、図１には、排気ガス再循環を用いたターボ過給機付内燃機関の作動流体回路の全体が参照番号１０で示されている。尚、全図面を通して、同一構造物には同じ参照番号が使用されている。内燃機関はその全体が参照番号１２で示されており、内燃機関１２は、例えば直列配置またはＶ形配置等の任意の慣用形態に配置された１つ以上の燃焼室を有している。かくして、本発明によるエンジン作動流体回路１０は、直列４気筒、直列６気筒、Ｖ形６気筒、Ｖ形８気筒、Ｖ形１２気筒等のシリンダ配置を有する内燃機関に関連して使用できる。また、当業者ならば、内燃機関の燃焼室の数および特定配置が本発明のいかなる部分をも構成しないことが理解されよう。内燃機関１２は、火花点火エンジンまたは圧縮点火エンジン（ディーゼルエンジン）のいずれでもよい。しかしながら、本発明者が考える好ましい実施形態では、本発明の作動流体回路１０は、ディーゼルエンジンに使用するのに特に適している。
【００１０】
作動流体回路１０は、全体を参照番号１４で示す排気ガス通路を有している。排気ガス通路１４は、内燃機関１２の燃焼室に流体連通している。従って、圧力が加えられた排気ガスは、内燃機関１２から排気ガス通路１４を通って流れる。作動流体回路１０はまた、全体を参照番号１６で示す給気通路と、内燃機関１２からの排気ガス流により駆動される、全体を参照番号１８で示すターボ過給機とを有する。以下に詳述するように、ターボ過給機１８は、加圧空気を給気通路１６に供給するように作用する。
【００１１】
排気ガス通路１４と給気通路１６との間には、全体を参照番号２０で示す排気ガス再循環通路が延びている。また、排気ガス再循環通路２０はターボ過給機１８を迂回して所定量の排気ガスを給気通路１６に再循環させ、排気ガスと給気とを付加混合するための経路を形成する。本発明の作動流体回路１０はまた、吸気を内燃機関１２に供給する吸気通路２２を有している。また、作動流体回路１０は、全体を参照番号２４で示す単一給気クーラを有している。単一給気クーラ２４は、給気通路１６と吸気通路２２との間に相互連結されておりかつこれらの両通路１６、２２の間の流体連通を形成する。単一給気クーラ２４は、以下に詳述するように、混合された給気および再循環排気ガスが、吸気通路２２を通って内燃機関１２内に導入される前に、この混合された給気および再循環排気ガスを冷却するように作用する。
【００１２】
好ましい実施形態では、排気ガス通路１４は排気マニホルド２６を有している。排気マニホルド２６は、エンジン１２の燃焼室（単一または複数）とターボ過給機１８とを流体連通により連結している。ターボ過給機１８は、当業界で一般に知られているようにタービン１９とコンプレッサ２１とを有している。加圧された排気ガスはタービン１９に作用し、該タービン１９は次にコンプレッサ２１を駆動する。コンプレッサ２１は、ターボ過給機１８に供給された吸気を、例えば参照番号２９で示す位置で加圧して、加圧された給気を作る。前述のように、給気は、次に、給気通路１６に供給される。参照番号２８で示すように、タービン１９の駆動に使用される高圧排気ガスは、大気中に通気される。
【００１３】
排気ガス再循環通路２０には、排気ガス再循環（ｅｘｈａｕｓｔ　ｇａｓ　ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ：ＥＧＲ）弁３０を配置できる。ＥＧＲ弁３０は、ターボ過給機１８を迂回して排気マニホルド２６から給気通路１６に流れる排気ガスの流れを制御する。ＥＧＲ弁３０は、次に、所定のエンジン作動パラメータに応答して、中央エンジンコントローラ（図示せず）により制御される。
【００１４】
排気ガス再循環を促進するため、タービン出口には、時々、背圧が加えられる。この目的のため、可変ノズルタービン（ｖａｒｉａｂｌｅ　ｎｏｚｚｌｅ　ｔｕｒｂｉｎｅ：ＶＮＴ）を使用できる。この場合には、エンジン制御モジュールからの指令に応答して、ノズルまたはベーンが閉じられる。排気ガス再循環を促進させるのに、全体を参照番号３２で示すベンチュリを使用することもできる。ベンチュリ３２は、給気通路１６と排気ガス再循環通路２０との流体連結部に設けられている。ベンチュリ３２は、流れを、排気ガス再循環通路２０から給気通路１６へと吸引する補助をする。また、ＥＧＲ弁３０と給気通路１６との間には、排気ガス再循環通路２０を通る排気ガスの流れを検出するための流れ測定センサ３４が配置されている。流れ測定センサ３４は、任意の適当な形式、例えば（１）ベンチュリおよび圧力センサを用いた差圧測定形式、または（２）空気流を測定するホットワイヤ風速計で構成できる。
【００１５】
好ましい実施形態では、給気通路１６を通って流れる再循環排気ガスに対する給気の質量空気／流れ比（ｍａｓｓ　ａｉｒ／ｆｌｏｗ　ｒａｔｉｏ）は、所定値とすることができる。かくして、非制限的な１つの例では、ターボ過給機１８のコンプレッサ２１から供給される吸気は、２５１℃で３５ｋｇ／分の質量空気／流れにすることができ、一方、再循環排気ガスの質量空気／流れは、５９４℃で５．８ｋｇ／分にすることができる。再循環排気ガスと給気とが混合すると、内燃機関１２の吸気マニホルド２２を通って燃焼室に流れる吸気の温度が上昇される。かくして、この代表的な例では、混合された給気および再循環排気ガスは、単一給気クーラ２４より前の給気通路１６の位置（図１に参照番号３７で示す位置）において、３１２℃で４０．８ｋｇ／分の質量空気／流れにすることができる。従って、この混合された給気および再循環排気ガスは、単一給気クーラ２４に通して冷却しなければならない。
【００１６】
このため、単一給気クーラ２４は、給気通路１６に流体連通態様で連結された入口３６と、内燃機関１２の吸気通路２２に流体連通態様で連結された出口３８とを有している。図２に最も良く示すように、入口３６は、入口マニホルド４０に設けられている。同様に、出口３８は出口マニホルド４２に形成されている。単一給気クーラ２４の入口３６と出口３８との間には、複数の冷却通路４４が延びている。より詳しくは、これらの冷却通路４４は、入口マニホルド４０と出口マニホルド４２との間に延びている。冷却通路４４は互いに間隔を隔てて配置されており、これにより、図１に矢印「Ｒ」で概略的に示すラムエアが、これらの通路４４および冷却フィン４５を通って流れることができる。このラムエアに加え、内燃機関１２により駆動されるファン４６を設け、冷却通路４４を通して空気を吸引させることができる。このようにして、冷却通路４４は、混合された給気および再循環排気ガスを給気クーラ２４に通して該給気および再循環排気ガスを冷却させる通路を形成する。
【００１７】
単一給気クーラ２４は更に、入口３６と出口３８との間で延びている少なくとも１つのバイパス通路４８を有している。単一給気クーラ２４内にはバイパス弁５０が支持されている。該バイパス弁５０は、実線で示す開位置と、破線で示す閉位置との間で移動して、入口３６と出口３８との間での、混合された給気および再循環排気ガスの流れを制御して冷却通路４４を迂回させる。このバイパスさせることの特徴は、混合された給気および再循環排気ガスの温度が、単一給気クーラ２４内で凝縮を生じさせる範囲内に低下する点で有利である。前述のように、排気ガスの腐食性含有物により、このような凝縮液は、凝縮が生じるクーラ内に腐食を引起こす。かくして、バイパス弁５０は、所定の作動条件に関連して中央エンジンコントローラ（図示せず）により制御される。それにもかかわらず凝縮が生じることがある場合には、代表的な実施形態における本発明の単一給気クーラ２４の下部に参照番号５２で示す凝縮センサを設けることができる。凝縮センサ５２は、クーラ２４内での凝縮の発生を検出できる。
【００１８】
凝縮状態での代表例では、約３１２℃で単一給気クーラ２４に流入する混合された給気および再循環排気ガスは、出口３８からクーラ２４を出て、約８０℃で吸気マニホルド２２に沿って流れる。この温度では、空気は、エンジン作動流体回路内のこの位置で、約３３２ｋＰａに加圧される。しかしながら、当業者ならば、本願で説明した代表的な温度、質量空気流れ、および圧力は単なる例示であって、本発明にいかなる作動上の制限を与えるものではないことが理解されよう。
【００１９】
このようにして、本発明による作動流体回路は、多数のクーラを付加することなく再循環排気ガスおよび給気の両方を冷却できる。また、本発明による作動流体回路は、液体／空気冷却界面を用いた熱交換器で生じる漏洩に付随する欠点なくして、再循環排気ガスおよび給気を冷却できる。現在では、給気クーラは、しばしばアルミニウムで製造されている。当業者ならば理解されようが、今日の一般的なアルミニウムの給気クーラは、アルミニウムの熱疲労限界温度（２５０℃）で作動している。しかしながら、アルミニウムは、排気ガス中に存在することが知られている酸に対して充分な耐久性を有していない。これらの理由から、混合された給気および再循環排気ガスを冷却する本発明の単一給気クーラの材料として、ステンレス鋼が選択される。ステンレス鋼は、アルミニウムに比べて熱伝導性が非常に低く（それぞれ、２１Ｗ／ｍ・Ｋ対１７３Ｗ／ｍ・Ｋ）、かつ重量が大きい。かくしてステンレス鋼は、特に自動車用の熱交換器の材料として選択されることがしばしば拒絶されている。しかしながら、今日のトラックには、大型給気クーラの装着に利用できるスペースがある。なぜならば、給気クーラはエンジンのクーラントラジエータの上流側に配置するのが一般的であり、かつクーラントラジエータは、一般にアルミニウムの給気クーラよりも大きい正面面積を有するからである。本発明の給気クーラの正面面積を、一般的なラジエータの正面面積と同じになるように拡大することにより、混合された給気および再循環排気ガスを流すステンレス鋼の単一給気クーラにより、今日の一般的なアルミニウムの給気クーラと同等の熱交換性能が達成される。このことは、図３Ａ−図３Ｂ、図４Ａ−図４Ｂおよび図５Ａ−図５Ｂに記した比較分析に示されている。図３Ａ−図３Ｂには、本発明の単一給気クーラを用いたエンジン作動流体回路について行なわれた試験データが示されている。図４Ａ−図４Ｂには、現在市場で利用されている標準形給気クーラを用いた同様な試験中に得たデータを示す表である。同様に、図５Ａ−図５Ｂには、現在市場で利用されている他の給気クーラを用いたエンジン作動流体回路について行なわれた試験データが示されている。図３Ａ−図３Ｂの表中の矩形囲みに示された情報は、本発明の単一給気クーラへの出口温度が、図４Ａ−図４Ｂおよび図５Ａ−図５Ｂの表中に示されたような、現在市場で利用されている給気クーラへの出口温度とほぼ同等であることを強調している。より詳しくは、図３Ａ−図３Ｂの表には、本発明のステンレス鋼の給気クーラを通る、ＥＧＲ／給気結合流により、今日の一般的なアルミニウムの給気クーラ（図４Ａ−図４Ｂおよび図５Ａ−図５Ｂの表）と同様な給気出口温度が達成されることが示されている。別体のＥＧＲガス／液体クーラおよび配管の重量（１２ｋｇ）を加えた今日のアルミニウムの給気クーラの重量（１０ｋｇ）と比較して、本発明によるステンレス鋼の大型給気クーラの重量（２６ｋｇ）の増加は約４ｋｇに過ぎない。本発明の給気クーラは、クロスフロー・ラムエアを用いて、クーラを通るシングルパスの混合された再循環排気ガスおよび給気を冷却する。従って、本発明の作動流体回路は、全体的により簡単な冷却ストラテジーを用い、余分な部品を省略し、かつシステム全体の信頼性を改善できるものである。
【００２０】
以上、本発明を例示した態様で説明した。本願に使用した用語は、本来の記述用語であって、発明を制限するものではないことを理解されたい。本願の教示によれば、本発明について多くの変更が可能である。従って、本発明は、特許請求の範囲内で、特に説明した形態以外の形態で実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による作動流体回路を示す概略図である。
【図２】本発明による単一給気クーラを示す概略側断面図である。
【図３Ａ】本発明による単一給気クーラを用いたエンジン作動流体回路について行なった試験から得たデータを示す表である。
【図３Ｂ】本発明による単一給気クーラを用いたエンジン作動流体回路について行なった試験から得たデータを示す表である。
【図４Ａ】現在市場で利用されている標準形給気クーラを用いたエンジン作動流体回路について行なった試験から得たデータを示す表である。
【図４Ｂ】現在市場で利用されている標準形給気クーラを用いたエンジン作動流体回路について行なった試験から得たデータを示す表である。
【図５Ａ】現在市場で利用されている他の標準形給気クーラを用いたエンジン作動流体回路について行なった試験から得たデータを示す表である。
【図５Ｂ】現在市場で利用されている他の標準形給気クーラを用いたエンジン作動流体回路について行なった試験から得たデータを示す表である。
【符号の説明】
１０　作動流体回路
１２　内燃機関
２４　単一給気クーラ
４４　冷却通路
４６　ファン
５２　凝縮センサ

Claims (7)

1. 排気ガス再循環を用いたターボ過給機付内燃機関（１２）のエンジン作動流体回路（１０）において、
   内燃機関（１２）からの加圧された排気ガスが流れる排気ガス通路（１４）と、給気通路（１６）と、内燃機関（１２）から流出する排気ガスにより駆動されかつ加圧された空気を給気通路（１６）に供給すべく作用するターボ過給機（１８）とを有し、
   前記排気ガス通路（１４）と給気通路（１６）との間に延びている排気ガス再循環通路（２０）であって、ターボ過給機（１８）を迂回し、かつ所定量の排気ガスを給気通路（１６）に再循環させて排気ガスと給気とを付加混合させる経路を形成する排気ガス再循環通路（２０）と、
   内燃機関（１２）に吸気を供給するための吸気通路（２２）と、
   前記給気通路（１６）と吸気通路（２２）とを相互連結しかつこれらの両通路（１６、２２）を流体連通させる単一給気クーラ（２４）とを更に有し、該単一給気クーラ（２４）は、混合された給気および再循環排気ガスが吸気通路（２２）を通って内燃機関（１２）に導入される前に、前記混合された給気および再循環排気ガスを冷却すべく作用することを特徴とする、排気ガス再循環を用いたターボ過給機付内燃機関のエンジン作動流体回路。
2. 前記単一給気クーラ（２４）は、給気通路（１６）に流体連通態様で連結される入口（３６）と、吸気通路（２２）に流体連通態様で連結される出口（３８）と、複数の冷却通路（４４）とを有し、該冷却通路（４４）は、該冷却通路（４４）上をラムエアが流れることができるように、互いに間隔を隔てて配置されかつ入口（３６）と出口（３８）との間に延びており、冷却通路（４４）は、混合された給気および再循環排気ガスのための冷却経路を形成することを特徴とする請求項１記載のエンジン作動流体回路。
3. 前記単一給気クーラ（２４）は、入口（３６）と出口（３８）との間に延びている少なくとも１つのバイパス通路（４８）と、開位置と閉位置との間で移動できるバイパス弁（５０）とを有し、該バイパス弁（５０）は、入口（３６）と出口（３８）との間での混合された給気および再循環排気ガスの流れを制御して冷却通路（４４）を迂回させることを特徴とする請求項２記載のエンジン作動流体回路。
4. 前記単一給気クーラ（２４）は、該クーラ（２４）内での凝縮の発生を検出できる凝縮センサ（５２）を有していることを特徴とする請求項１記載のエンジン作動流体回路。
5. 前記排気ガス再循環通路（２０）に配置された排気ガス再循環弁（３０）を更に有し、該排気ガス再循環弁（３０）は、排気ガス通路（２０）から給気通路（１６）への排気ガスの流れを制御すべく作用することを特徴とする請求項１記載のエンジン作動流体回路。
6. 前記給気通路（１６）と排気ガス再循環通路（２０）との流体連結部に設けられたベンチュリ（３２）を更に有し、該ベンチュリ（３２）は、排気ガス再循環通路（２０）から給気通路（１６）に流れを吸引する補助をすることを特徴とする請求項５記載のエンジン作動流体回路。
7. 前記排気ガス再循環弁（３０）とベンチュリ（３２）との間に配置された圧力センサ（３４）を更に有し、該圧力センサ（３４）は排気ガス再循環通路（２０）を通る排気ガスの流れを検出できることを特徴とする請求項６記載のエンジン作動流体回路。

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