JP2012154341A - 第１と第２のガスの流れを混合する装置 - Google Patents

Abstract

【課題】二種類のガスを混合するときの圧力損失を最小にする装置を提供すること。
【解決手段】第１と第２のガスの流れ、例えばディーゼルエンジンの排ガスの戻り流れと送入ガスの流れとを混合する装置であって、第１の流れのための配管（１６）と、混合を行うべく前記配管（１６）における第２の流れのための入口（７）と、可変ベンチュリ作用を達成し、このようにして可変吸引作用と混合された流れの混合とを行うために前記入口（７）において前記配管（１６）の長手方向に移動するように配置された流線形の体部（８）と、前記体部を前記配管内で前後に移動させる作動手段とを含む混合装置である。絞りの必要性と、それに付随した圧力損失とを最小にするために、流線形の体部（８）と供給部分（２）とは前記体部の位置とは関係なく前記入口（７）の近傍で前記配管（１６）において最大の絞りを達成するように設計されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばディーゼルエンジンにおける入力流れ（ｉｎｐｕｔ ｆｌｏｗ）と排気ガスのリターンフロー（ｒｅｔｕｒｎ ｆｌｏｗ）のような第１と第２のガスの流れを混合する装置であって、第１のガスの流れのための配管と、混合を行うべく第２のガスの流れのための前記配管における入口（ｉｎｌｅｔ）と、可変ベンチュリ作用（ｖａｒｉａｂｌｅ ｖｅｎｔｕｒｉ ｅｆｆｅｃｔ）とそれによる可変吸引作用（ｖａｒｉａｂｌｅ ｓｕｃｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ）を行って混合された流れの混合とを達成するべく、前記入口のところで前記配管の長手方向に移動可能である流線形の体部と、前記体部を前記配管において前後に移動させる作動手段とを含む混合装置に関する。

ディーゼルエンジンからの排ガスにおける酸化窒素（ＮＯｘ）のレベルに関する法令が益々厳しくなると予測される結果、排ガスを清浄にし、ＮＯｘレベルを低下させるシステムを提供しようと多様な場所で広範囲な開発が現在行われている。ガソリンエンジンおよび軽質ディーゼルエンジン（ｌｉｇｈｔｅｒ ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅｓ）に関して良好に機能する方法が本発明の技術によって可能とされる。

排ガス浄化技術に関する状況は、激しい作動条件のターボチャージャー付きのディーゼルエンジンに関する限り断然複雑である。更にこれらのエンジンは検定（ｃｅｒｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）の間、より高い負荷では異なる作動サイクルを有している。更に、複雑で、かつスペースを必要とする構成要素の形態の欠点を内包している（例えば、水の噴射、尿素の添加のような）数種のサブプロセスを含む費用のかかる触媒作用プロセスを含む数々の方法が提案されてきた。乗用車用の軽質ディーゼルエンジンに対して長きに亘って適用されてきたＥＧＲ（排ガス再循環）の概念は、それが費用の観点から利点を有するのみならず、安全な機能性、および簡単でコンパクトな構造を少なからず提供するものと期待されるため関心を集めてきた。

作動時行われる大型ディーゼルエンジンのターボチャ−ジャ過給（ｔｕｒｂｏｃｈａｒｇｉｎｇ）の間、殆どの場合排ガスの圧力は入口圧より低く、従って、例えばベンチュリによる方法、排ガスの絞り、あるいは入口の絞りの形態で排ガスを供給できるようにする手段を講じなければ排ガスを再循環させることはできない。しかしながら、これらの方法は現在まで、例えば燃料消費の増加や煙の発生と併せて高度の圧力損失によるエンジンパワーの低下という形での欠点を伴ってきた。

入口での流れ（ｉｎｌｅｔ ｆｌｏｗ）にベンチュリを位置させることによって、排気通路と入口通路との間の有利な圧力差が達成され、ターボの上流において除去される排ガスをエンジンの入口配管中へ送り込むことができる。その結果燃焼温度が下がるためＮＯｘのレベルが低下する。

カーター（Ｃａｒｔｅｒ）らの特許文献１はＥＧＲ供給の流れの上流側に位置されたコイルの形状の流量弁を開示している。この制御弁は、特にその構成が故に、ターボチャージャ過給エンジンの入口通路においては使用することができない。

カミンズ（Ｃｕｍｍｉｎｓ）らの特許文献２は、しかしながら、ＥＧＲ供給の流れの次に入口通路において位置させているベンチュリ機能を備えた流量調整器を開示している。排ガスを供給するための開口は、新鮮な空気の絞りが最大であり、それが必要以上に厳しい絞りを必要とし、一方、例えば近傍の作動手段から生じる全体の圧力損失が顕著であるようなところには位置されない。

２０００年のＳＡＥ世界大会での刊行物、ＳＡＥ技術論文集（Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒ Ｓｅｒｉｅｓ）２０００−０１−０２２５は軸流ＥＧＲ供給（ａｘｉａｌ ＥＧＲ ｓｕｐｐｌｙ）を備えた可変ベンチュリを開示している。この設計では、新鮮な空気が噴射配管の端部における面積の瞬間的な増大にさらされ、このため圧力損失を伴うので、適正なベンチュリの形状を示していない。軸流供給である結果圧力損失を伴うので、この構成要素にはエルボを装備する必要があり、更に該構成要素の寸法が不必要に嵩高いという事実も考慮する必要がある。このような配置は主として測定目的を意図しており、通常の作動条件には関与していない。

米国特許第５３３３４５６号明細書 米国特許第５６１１２０４号明細書

本発明の一つの目的は二種類のガスを混合するときの圧力損失を最小にする、本明細書の導入部で述べたタイプの装置を提供することである。

この目的は特許請求の範囲に記載の特徴によって達成される。

本発明の一局面によると、流線形の体部と供給部分とは、該体部の位置とは関係なく入口近傍での配管において最大の絞りを達成するように設計されている。換言すれば、それにより流れ方向における前記体部の移動／位置とは関係なく第１の流れの瞬間的な絞り作用が入口に極めて接近したところで常に最大となる。このように、絞りの必要性、およびそれに付随する圧力損失が最小にされる。

ターボチャージャ過給のディーゼルエンジンの入口部分に装着するようにした、可変ベンチュリの形態でのＥＧＲシステム用流量調整器が本発明に基づいて開発された。流量調整器は、半径方向のＥＧＲ供給流れを備えた配管部分と、その中に基本的に自在に懸架された体部とからなる。前記体部は流れの方向に移動することが可能で、前記体部の位置とは関係なく排ガス供給用入口の直ぐ近傍において新鮮な空気の瞬間的な絞りが最大であるように設計されることが好ましい。このように排ガスを供給している間前記体部と配管の壁との間の新鮮な空気の流れ面積が変動する結果、調整の間の絞りが最適に変動するようにされる。このようにして、排ガス汲み出し（ｐｕｍｐｉｎｇ）に対する変動要件は最小の圧力損失で以って満足される。

現在利用可能な特許文献から抽出可能なものに基づいた従来技術による可変ベンチュリの方法に関しては、排ガス供給用開口における新鮮な空気の絞りを最大にすることの重要性は認識されなかったのみならず、本発明により達成される、ポンプ作用の改良も認識されなかった。

ベンチュリ作用は主として流線形体部の設計を通して達成され、特定の場合においては、直径が圧力低下部分（ｄｒｏｐ ｓｅｃｔｉｏｎ）の最大直径よりも大きいか、あるいは小さいかいずれかの固定ベンチュリ部分によって補完することが可能である。出口コーン部（ディフューザ）は必要に応じて配管部分の後部分に組み込むことが可能で、それによって寸法の変動する入口流路に装着することを可能とする。

このように、本発明は特に、排気ガスを半径方向に供給する要素を備えた配管部分と、特許請求の範囲の請求項１に則った作動手段を介して前記配管部分で軸流方向に移動可能で自在に懸架された体部との形態の構造を備えたターボチャージャ過給ディーゼルエンジンの入口通路に位置する流量調整器に関する。

本発明の一好適実施例によると、前記体部は該体部と一体とされているか、あるいは配管の外側に配置されている作動手段によって制御される。第１の流れはそのような作動手段によって阻害されないのみならず、圧力損失も何ら発生しない。更に、そのような構成はかなり頑丈で、コンパクトに作ることができ、外形寸法も最小となる。特許文献２（図９）によると、圧力損失は、色々な作用の中でも、なかんずく近傍にある作動手段と、横断方向の流れの面積を減らすために使用される固定された構成要素とにおける渦巻きの形成によってもたらされる。

前記体部の特性、入口通路におけるその位置、および作動手段によって達成されるべき空気の供給に対する障害を最小とすることが可能で、エンジンの変動する負荷に対する空気の供給を完全に混合することによって極めて良好な調節が達成される。

図面は部分的に長手方向断面で、一部破断して示す。
出口コーンを付属した流量調整器を示す。 流体制御作動手段を組み込んだ流線形体部を示す。 流線形体部に作動手段を組み込んだ一般的な設計を示す。 外側の作動手段を備えた流量調整器を示す。 外側の作動手段を備えた代替的な設計を示す。

本発明の実施例を、ターボチャージャ過給のディーゼルエンジンの排ガス再循環に関わる好適実施例として以下説明する。しかしながら、本発明はこの実施例に限定されるのではなく、二つのガスの流れを混合するような多様な用途においても使用可能である。前記の一実施例は酸素富化、すなわち別のガスに酸素を供給することである。この場合の適用領域は、例えばゴミ燃焼プラントでありうる。

好適な適用において、ＥＧＲ供給の流れは入口通路、すなわち図示していないターボチャージャからの１６で全体的に指示する配管における供給部分２を介して半径方向に導入される。供給部分２は配管１６における一対の配管部分１３および１３′のフランジ１，１′の間に挿入される。供給部分２は以下説明する流線形の体部と共に流量調整器を形成する。流線形体部８と供給部分２との設計に基づいて、前記体部８の位置とは関係なく排気ガスを導入するために、空隙３において常に新鮮な空気の最大の絞りが達成される。図示実施例において、供給部分２はこの目的のために、配管１６での流れ方向において断面積がスリットまで減少するように設計されている。更に、前記供給部分２の断面積のこの減少は配管１６での流れ方向における前記流線形体部８の最大断面積部分の下流における断面積の減少よりも大きい。前記スリット３の下流における能動的なディフューザ領域において、図示実施例における配管１６は一定の断面積を有しており、一方流線形体部８の断面積はこの領域においても減少し続けている。前記流線形体部８の最大の断面積部分が前記スリット３の下流まで決して移動することがないように作動手段２０が配設されている。このように、供給部分２と流線形体部８との間に画成されたリング状の通路は常にスリット３まで流れ方向に集束したコースをとり、スリット３の後は前記体部８の位置とは無関係に拡散したコースをとっている。

供給流れは、この場合２個の部分からなる前記供給部分２を通して、連続した円形スリット３を介して発生することが好ましいが、周囲にある複数の孔あるいはスリット（図示せず）を介して達成することも可能である。

たとえ供給が半径方向に行われたとしても、供給部分２の入口７における供給方向は、２種類のガスを混合するとき所望の流れ状態で、かつ可能な限り最小の流れ損失が達成されうるような角度にするように選択することができる。

本発明により排ガスの入口３における新鮮な空気の絞りを最大化することによって、可能な限り最大のポンプ作用が達成される。すなわちこの方法は極めて少ない圧力損失をもたらす。それ自体ベンチュリ効果を示す、本発明による流線形の体部８の周りで空気が自在に流れるようにした結果、ＥＧＲ供給の良好な調整が得られる一方、エンジンのパワーの低下が同様に排除される。

連続した円筒形の空洞４が空隙３の周りに存在している。供給部分の二つの部分の間にはガスケット６が位置されている。開口３における所望の空隙距離はガスケット６の厚さを選択することによって達成することができる。ＥＧＲ供給流れのための供給配管はエンジンの排ガス出口用のマニフォールドの延長部分から図示していない要領で供給部分２の入口７に装着することができる。

送入された空気は図示していない内部冷却器によって、ターボチャージャの下流側において従来の要領で冷却され、ＥＧＲガスは入口通路中へ供給される前に個別のＥＧＲ冷却器によって同じように冷却される。流量調整器はターボチャージャの下流側の自由に選択した位置に位置させることができる。しかしながら、流量調整器は内部冷却器が煤によって汚されたり、あるいは酸性の排気ガスによって腐食するのを阻止するために内部冷却器の下流側に位置することが好ましい。

前記流線形体部８は該体部８の前縁部から外方に配管部分１６へ延びているホルダ１２によって供給部分２内に自在に懸架されている。供給部分２に対して前記体部８を前後に移動させる作動手段２０は、本発明によれば、前記体部８内に、あるいは配管１６の外部に配置させることができる。

図１および図２に示す実施例において、ホルダ１２は配管部分１３の外壁に取り付けられ、作動手段２０を調節するための送入管１２を含む。作動手段２０は油圧手段（ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｍｅａｎｓ）、あるいはブレーキシステムによって乗用車において利用可能な、加圧された空気が好ましいガス状流体によって調節することができる。作動手段は前記体部８と一体化されており、すなわち該体部の内部に位置されている。前記体部において、シリンダ９が該体部内に配置され、該シリンダ９は、最大の断面積、あるいは最小の断面積である前記体部８の前方部分、好ましくは最大断面積である部分の前方外面での送入管１２に対するシールを介して出て行く。送入管１２は別の小径の送入管１４を含む。図示していないばね要素を前記送入管から最も離れて位置したシリンダ９の壁に対して取り付けることができ、該ばね要素が送入管１２の端に位置したピストン１１に対して作用する。ピストンの方は該ピストン１１の一方の自由端で開口している流路１３を備えている。ピストンと送入管１２に最も近接したシリンダの壁との間に位置された、図示していないばね要素をも含みうる、前記流路部分に沿った周囲孔１０には前記ピストンの第２の端において前記送入管１２への開口１５が設けられている。このようにして、前記シリンダ９に取り付けられた流線形の体部８は、一方では前記送入管１２における流体圧と、他方では小径の送入管１４における流体圧との変動により供給部分２内での空隙３に対して前後に移動することができる。

前述の説明によって示されたように、作動手段を前記体部に組み込むことにより流量調整器の特に簡単で、かつ頑丈な構造が達成される。

図３、図４および図５に示すように、作動手段２０は一般的なタイプのものとしうる。作動手段は、油圧式、あるいは空気式である他に、ホルダ１２におけるケーブル２４（図３）を介する電源と前記体部に組み込まれた電気モータ、あるいはソレノイドを備えた電気機械式なものとしうる。また、それは前記本体８内にある戻りばね（図示せず）の力に抗して外部の作動手段２０を介して前記ホルダ１２の軸線方向部分に沿って前記体部８を前後に移動させるボーデンケーブル（Ｂｏｗｄｅｎ ｃａｂｌｅ）にケーブル２４を置き換えるとすれば純粋に機械式とすることができる。

作動手段が配管１６の外側に位置した二種類の実施例が図４と図５とに示されている。図４によれば、ホルダはある角度で供給部分２の孔１８を通して下流方向に延びている。図５によれば、ホルダは、この場合配管１６におけるベンドに位置している孔１８を通して直線的に延びている。ホルダ１２は前記孔１８内で摺動するようベアリングに装着されたロッドとして実施可能である。ホルダはまた、ねじを切るか、あるいは代替的に前記体部８、あるいは孔１８において対応する内側ねじを有するボールねじとして実施することができる。それにより配管１６の外側から回転運動を与えるだけでよい。

前記配管１６における流れを横切って延びるホルダ１２の部分は、図３に示すように、該配管１６における圧力損失を最小とするために流線形断面が延在するようにしうる。

このように、本発明によれば、組み込まれた作動手段あるいは配管の外側に位置された作動手段により、以前から知られている設計と比較して、例えば流路の内側に位置した作動手段による乱流作用のため生じる配管での圧力損失は低くなる。

特に、移動可能なコイル状の体部と固定されたベンチュリ部分との組み合わせの形態の弁のようなベンチュリによる方法を使用した従来技術とは対照的に、本発明によれば、送入空気の圧力損失を大いに排除することが可能となった。

Claims (8)

1. 第１と第２のガスの流れを混合する、入口の空気の流れと燃焼機関の排ガス再循環ＥＧＲの流れを混合する装置であって、
   前記第１の流れのための配管（１６）と、
   混合を行うための前記配管（１６）における前記第２の流れ用の入口（３）を有する供給部分（２）と、
   可変ベンチュリ作用を行ってそれによる可変吸引作用を行い、混合された流れの混合を達成するために、前記入口（３）のところで前記配管（１６）の長手方向に移動するように配置された流線形の体部（８）と、
   前記配管（１６）において前記体部を前後に移動させる作動手段とを含む混合装置において、
   前記の流線形の体部（８）と供給部分（２）とが、絞りの必要性とそれに付随する圧力損失を最小にするために前記体部の位置とは関係なしに前記入口（３）近傍で前記配管（１６）において最大の絞りを達成するように設計され、
   前記作動手段（２０）が、前記第１の流れを乱して圧力損失を発生させないように、前記体部（８）の内部に配置されていることを特徴とする第１と第２の流れを混合する装置。
2. 吸引作用を最大にしてそれにより圧力損失を最小にするために、前記入口（３）が前記配管（１６）の断面の周りに配置されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記入口が空隙（３）の形態で設計されていることを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 圧力損失を最小にする目的で種々の混合状態に対して流れ領域が最適化されうるように前記空隙（３）の空隙幅が調整可能であることを特徴とする請求項３に記載の装置。
5. 前記の流線形体部（８）が、前記配管（１６）の一方の外面まで延在しているホルダ（１２）によってその前端において懸架されている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１項に記載の装置。
6. 前記ホルダ（１２）が圧力損失を最小にするために断面が流線形とされていることを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 前記作動手段（２０）が前記体部（８）の内側、あるいは前記配管（１６）の外側に配置される場合、前記ホルダ（１２）は前記作動手段（２０）へエネルギを供給する手段（２４）を含むことを特徴とする請求項５または請求項６に記載の装置。
8. 前記作動手段（２０）が該作動手段（２０）を調節するための送入管を含み、前記シリンダ（９）が前記体部（８）内に配置され、前記シリンダ（９）は、前記送入管に対して出て行き、前記送入管は別の小径の送入管（１４）を含み、前記シリンダ（９）に取り付けられた流線形の前記体部（８）は、一方では前記送入管における流体圧と、他方では小径の送入管（１４）における流体圧との変動により前記供給部分（２）内で前後に移動することができることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の装置。

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