(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃エンジン(1)の排出ライン(30)のターボチャージャ(30)と触媒コンバータ(34)との間における一体片式の剛性継手(50)であって、
取入軸心(A1)に沿い延在する既燃ガス取入管(51)と、
上記取入軸心(A1)に対して実質的に直交する吐出軸心(A3)に沿い延在する既燃ガス吐出管(53)を備える継手(50)において、
上記取入軸心(A1)および吐出軸心(A3)は、別体的であるが実質的に平行である２つの平面内に載置され、
前記取入軸心(A1)および前記吐出軸心(A3)は、前記取入管(51)の直径(D2)の１〜３倍の距離(D1)だけ相互から離間され、
前記取入管(51)と前記吐出管(53)とを結合する中間管(52)であって、前記取入軸心(A1)および吐出軸心(A3)に対して実質的に直交する中間軸心(A2)に沿い延在するという中間管(52)を備え、
前記取入管(51)と前記中間管(52)との間の接合部は、該取入管(51)の前記直径(D2)の0.4倍未満の曲率(R1)を有する内弧(54A)を備えて成る第1屈曲部(54)を形成し、
前記中間管(52)と前記吐出管(53)との間の接合部は、曲率(R2)が前記取入管(51)の前記直径(D2)の0.8倍未満である中線(C1)を有する第2屈曲部(55)を形成し、
前記取入管(51)と前記中間管(52)との間において外弧(54B)を有する第1屈曲部(54)を形成する前記接合部により、上記外弧(54B)上には還元剤インジェクタ(37)を保持する手段(38)が配備されることを特徴とする、一体片式の剛性継手(50)。
【請求項２】
前記取入管(51)および前記吐出管(53)は鋳造により一体片として作成される、請求項１に記載の継手(50)。
【請求項３】
前記取入管(51)および前記吐出管(53)は鋼管を屈曲することにより一体片として作成される、請求項１に記載の継手(50)。
【請求項４】
エンジン・ブロック(10)のシリンダ(11)内へと開口する新鮮ガス取入ライン(20)と、上記シリンダ(11)に端を発する既燃ガス排出ライン(30)であって、タービン(32)と、還元剤を噴射する手段(35、36、37)と、触媒コンバータ(34)とを備えて成るという既燃ガス排出ライン(30)とを備えて成る内燃エンジン(1)において、
上記排出ライン(30)は上記タービン(32)と上記触媒コンバータ(34)との間に、上記還元剤の噴射手段(35、36、37)が内部に開口する請求項１乃至３のいずれか一項に記載の継手(50)を備えて成る、内燃エンジン(1)。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概略的に、内燃エンジンの排出ラインに沿い流れる既燃ガスから汚染を除去する方法に関する。
【０００２】
より詳細には本発明は、内燃エンジンの排出ラインの酸化手段に対してターボチャージャを結合し得る一体片式の剛性継手であって、取入軸心に沿い延在する既燃ガス取入管と、上記取入軸心に対して実質的に直交する吐出軸心に沿い延在する既燃ガス吐出管とを備えるという一体片式の剛性継手に関する。
【０００３】
本発明はまた、エンジン・ブロックの各シリンダ内へと開口する新鮮ガス取入ラインと、上記各シリンダから始まる既燃ガス排出ラインであって、タービンと、還元剤注入手段と、既燃ガス酸化手段とを備えるという既燃ガス排出ラインとを備える内燃エンジンにも関する。
【０００４】
本発明は特に、ディーゼルエンジン、および、希薄燃焼火花点火エンジンの製造に適用される。
【背景技術】
【０００５】
内燃エンジンからの既燃ガスは、これらの既燃ガスが大気中へと放出される前に処理もしくは濾過される必要がある多数の汚染物質を含んでいる。特に今日における課題は、一酸化炭素および未燃焼炭化水素の放出だけでなく、汚染物質煤煙(汚染物質粒子)および窒素酸化物の放出も低減することである。
【０００６】
この目的のためにエンジンの排出ラインは、酸化触媒コンバータを備えると共に、既燃ガスが流れる方向には粒子フィルタが追随する。
【０００７】
上記酸化触媒コンバータは、窒素酸化物を蓄積することが意図された触媒材料であって、酸素の存在下では一酸化炭素および未燃焼炭化水素の酸化を許容するという触媒材料により被覆される。該触媒材料上に窒素酸化物が蓄積すると、上記酸化触媒コンバータの効率が低下する。
【０００８】
上記粒子フィルタは、その役割のために、汚染粒子を濾過して蓄積すべく設計される。上記フィルタ内に粒子が蓄積すると既燃ガスの移動が阻害され、内燃エンジンの動作に対して不都合である既燃ガスの圧力増大が引き起こされる。
【０００９】
上記触媒コンバータ内および上記フィルタ内に捕捉された汚染物質粒子および窒素酸化物を処理する従来公知の２種類の技術がある。
【００１０】
第1の技術はフィルタ再生段階の間において排出ライン内へと燃料を噴射することであり、これは、酸化触媒コンバータ内における燃料の高度に発熱的な反応に繋がる。故に既燃ガスは、上記酸化触媒コンバータを(650℃程度の)高温にて離脱して上記粒子フィルタに入り、該フィルタを満たしている汚染物質粒子を焼き尽くす。
【００１１】
第2の技術は、通常的なエンジン動作の間に継続的に窒素酸化物を処理することである。これを行うために、排出ライン上に位置されたインジェクタを用い、酸化触媒コンバータの上流にてこの排出ライン中へと尿素の水溶液が噴射される。この尿素の水溶液は、既燃ガスとの接触時に、上記触媒コンバータ内で窒素酸化物と反応するアンモニアへと変換される。
【００１２】
いずれの技術が使用されるかに関わらず、還元剤(燃料もしくは尿素)のインジェクタが還元剤を既燃ガス内へと均一に散布する如き様式で、該インジェクタを排出ラインの管路の中央に位置させることは公知の実用的手法である。しかし、インジェクタの熱的完全性に伴う理由の故に、該インジェクタを製造するためには強固で高価な材料を使用する必要がある。
【００１３】
別の公知の解決策は、排出ラインの屈曲部にて還元剤を噴射することである。インジェクタの先端のみが管内に開口し、このことは、インジェクタの本体が過剰に高い温度に委ねられないことを意味する。
【００１４】
しかし斯かるデバイスにおいては、管の直径は概略的に小寸であることから、還元剤の幾分かはこの管の壁部上へと吹き付けられる。還元剤のこの割合部分は次に、上記管に沿い流れ、酸化触媒コンバータに進入する前に部分的に蒸発する。故に、既燃ガスと還元剤との混合気は均質でなく；対照的に、蒸発した還元剤の殆どは、上記管の壁部の近傍に沿い流れる既燃ガスと混合される。結果として酸化反応は、主として上記酸化触媒コンバータの壁部の近傍にて生ずる。故に既燃ガスの温度は、触媒コンバータの中央にては中程度に高く、且つ、その壁部に沿っては極めて高いことから、この触媒コンバータの性能を損ない且つ尚早に低下させる虞れがある。この問題は粒子フィルタにおいても等しく生じることから、亀裂の虞れが伴う。更に、上記触媒コンバータおよび上記フィルタの中央部にて捕捉された窒素酸化物および粒子は、処理も除去もされない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
故に、触媒コンバータおよび粒子フィルタにおいて生ずる酸化反応および燃焼反応を最適化するために既燃ガス中で還元剤の均質化を制御することは困難である。
【００１６】
国際公開公報ＷＯ２００６／００９０５６号明細書は、インジェクタの上流において、既燃ガスを管内で旋回させて均質化させる静的な螺旋部材を備えるデバイスを開示している。しかし、この侵襲的な構成要素は、エンジンの効率に対して不都合な圧力低下に繋がる。斯かる構成要素の設計および製造も困難である、と言うのも、上記螺旋部材は温度および振動に耐える非常に良好な機能を有すべきだからである。この様な螺旋部材は、該螺旋部材を所定位置に保持することが意図されたフランジを同様に備えるべき排出ラインのコストを相当程度まで増大させる。これらのフランジは、上記管を更に高重量として振動に対して更に感応的とするだけでなく、熱損失による問題も引き起こす。最後に、この様な螺旋部材は排出ラインの直線状部分内に設置される必要があることから、該排出ラインにより占有されるスペースの量が相当に増大する。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
先行技術の上述の不都合を解消するために、本発明は、侵襲的な構成要素の付加を伴わずに既燃ガスを還元剤と効率的に均質化させる排出ライン継手を提案する。
【００１８】
より詳細には、本発明は、導入部において定義された継手であって、別体的であるが実質的に平行である２つの平面内に取入軸心および吐出軸心が載置されるという継手を提案する。
【００１９】
上記取入管および吐出管の接合部は、２つの順次的な屈曲部により作成される。
【００２０】
ターボチャージャのタービンを離脱する既燃ガスの流束は、上記管の断面全体に亙り実質的に均一な速度にて、上記継手の上記取入管に進入する。本発明に依れば、既燃ガスが上記第1屈曲部に進入するとき、該ガスはこの第1屈曲部の外弧に向けて進路変更される。次に、該ガスが上記第2屈曲部に進入するとき、当該渦巻き運動の軸心が上記吐出管の軸心と一致する渦巻き運動を該ガスが呈する様に、該ガスはもう一度進路変更される。この渦巻き運動は、“旋回”という英語名で一般的に知られている。故に上記継手は、自身を貫通通過するガスの流れを均質化する旋回生成器の様に挙動する。
【発明の効果】
【００２１】
既燃ガスおよび還元剤は今や正しく均質化されることから、上記触媒コンバータにおいて必要とされる(高価な)触媒材料の量が減少される。更に、当該時的間隔の後にフィルタが再生されるべきであるという時的間隔の長さは延長される。最後に、従来の排出ラインと比較して、上記渦巻き生成するために付加的な構成要素は使用されず、このことは、上記排出ラインの信頼性が同一のままであることを意味する。
【００２２】
本発明に係る継手の他の利点および非限定的な特徴は以下の如くである：
上記取入軸心および吐出軸心は、上記取入管の直径の１〜３倍の距離だけ相互から離間され；
上記取入管と上記吐出管とを結合する中間管であって、上記取入軸心および吐出軸心に対して実質的に直交する中間軸心に沿い延在するという中間管が在り；
上記取入管と上記中間管との間の接合部は、該取入管の上記直径の0.4倍未満の曲率を有する内弧を備えて成る第1屈曲部を形成し；
上記中間管と上記吐出管との間の接合部は、曲率が上記取入管の上記直径の0.8倍未満である中線を有する第2屈曲部を形成し；
上記取入管と上記中間管との間において外弧を有する第1屈曲部を形成する上記接合部により、上記外弧上には還元剤インジェクタを保持する手段が配備され；
上記取入管上には還元剤インジェクタを保持する手段が配備され；
上記取入管および上記吐出管は鋳造により一体片として作成され；且つ、
上記取入管および上記吐出管は鋼管を屈曲することにより一体片として作成される。
【００２３】
本発明はまた、導入部において定義された内燃エンジンであって、タービンと酸化手段との間に、還元剤を噴射する手段が開口する如き継手を備えて成るという内燃エンジンにも関する。
【００２４】
添付図面を参照して非限定的な例として与えられる以下の説明によれば、本発明の特徴、および、本発明が如何にして具現され得るかが容易に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】排出ライン上に本発明に係る継手のひとつの好適実施例を備える本発明に係る内燃エンジンの概略図である。
【図２】２つの異なる角度から描かれた図１の領域IIの詳細図である。
【図３】２つの異なる角度から描かれた図１の領域IIの詳細図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
説明においては、大気から新鮮ガスが取り込まれる箇所から、触媒コンバータ34を通る既燃ガスの出口までガスが流れる方向に関し、“上流”および“下流”という語句が用いられる。
【００２７】
図１は、此処では４個のシリンダ11を備えたエンジン・ブロック10を備えて成るディーゼル型の内燃エンジン1を概略的に示している。
【００２８】
従来様式にて内燃エンジン1は、その種々の構成要素を制御するための(不図示の)電子的デバイスを備えて成る。
【００２９】
各シリンダ11の上流にて内燃エンジン1は、大気から取り込まれた新鮮ガスを濾過する空気フィルタ21を備えて成る取入ライン20を備えて成る。この取入ライン20はまた、空気フィルタ21により濾過された新鮮ガスを圧縮する圧縮機22、および、圧縮された新鮮ガスを冷却する給気冷却器23も備えて成る。取入ライン20は、新鮮ガスをエンジン・ブロック10のシリンダ11の各々へと搬送する空気分割器24内へと開口する。
【００３０】
シリンダ11からの吐出口にて内燃エンジン1は、この場合には触媒コンバータ34により形成される既燃ガスの酸化手段まで延在する排出ライン30に対して接続された既燃ガスのための排気マニフォルド31を備えて成る。この触媒コンバータ34は酸化触媒コンバータから成り、既燃ガスが流れる方向において、特定のフィルタが追随する。変形例として上記触媒コンバータは、触媒粒子フィルタ、すなわち内部的に触媒材料により被覆された粒子フィルタから成り得る。
【００３１】
排出ライン30はまた排気マニフォルド31の下流にて、圧縮機22を駆動するタービン32も備えて成る。該排出ラインはまた、タービン32の吐出口を貫通する継手50であって、触媒コンバータ34に進入する可撓ホース33まで延在するという継手50も備えて成る。
【００３２】
排出ライン30は更に、継手50内へと還元剤を噴射する手段を備えて成る。該噴射手段は、還元剤のリザーバ35と、該リザーバ35から還元剤を圧送するポンプ36と、圧力下で還元剤を継手50内へと噴射し得るインジェクタ37とを備えて成る。
【００３３】
此処で使用される上記還元剤は、燃料である。変形例としてそれは、既燃ガスとの接触時にアンモニアへと変化することで、既燃ガス内に含まれる窒素酸化物を還元する尿素の水溶液から成り得る。
【００３４】
いずれにしても内燃エンジン1は、既燃ガスを再循環させるEGRライン40も備えて成り、これは再循環ガスとして知られる。このEGRライン40は、再循環ガスを冷却すべく設計されたEGR冷却器41、および、再循環ガスの流れを調整するEGRバルブ42とを収容する。EGRライン40は、排気マニフォルド31とタービン32への取入口との間において排出ライン30に端を発すると共に、給気冷却器23と空気分割器24との間において取入ライン20内へと開口する。
【００３５】
上記電子的なエンジン制御デバイスは更に、上記粒子フィルタの取入口および吐出口に載置された(不図示の)２個の圧力センサと共に、上記触媒コンバータと上記粒子フィルタとに対する夫々の取入口に載置された(不図示の)２個の温度センサを備えて成る。
【００３６】
図２および図３に示される如く、継手50は、たとえば接続フランジによりタービン32の吐出口に対して結合された取入管51と、触媒コンバータ34の可撓取入ホース33内へと押し込まれた吐出管53とを備えて成る。
【００３７】
継手50の本質的特徴に依れば、取入管51および吐出管53の軸心A1、A3は、別体的であるが実質的に平行である２つの平面内に載置される。それらは、取入管51の直径D2の１〜３倍の距離D1だけ、相互から離間される。
【００３８】
取入管51の取入軸心A1は、タービン32からの吐出口の軸心に沿い延在する。此処で取入管51は、50ミリメートルの直径を有する実質的に円形の断面を有する。代替例とし、もし上記排出ラインが上記タービンを短絡させるデバイスであってバイパス管を備えて成るという(“ウエストゲート”デバイスとして一般的に知られる)デバイスを備えるならば、上記取入管は、このバイパス管が当該側方開口内へと出現するという側方開口を有し得る。
【００３９】
好適には、中間管52が吐出管53に対して取入管51を接続する。
【００４０】
中間管52は、上記取入軸心A1に対して実質的に直交する中間軸心A2に沿い延在する。実質的に直交するという表現により此処で意味されるのは、取入軸心A1および中間軸心A2は協働して75〜105°の角度B1を形成するということである。故に、この中間管52と取入管51との間の接合部は第1屈曲部54を形成する。
【００４１】
吐出管53の吐出軸心A3はその役割のために、上記取入軸心A1および中間軸心A2に対して実質的に直交して、触媒コンバータ34の可撓取入ホース33の軸心に沿い延在する。“実質的に直交して”という表現により此処で意味されるのは、中間軸心A2および吐出軸心A3は75〜105°の角度B2を形成するということである。故に、この吐出管53と中間管52との間の接合部は第2屈曲部55を形成する。
【００４２】
結果として取入軸心A1および吐出軸心A3は、別体的な２つの平面であって、中間軸心A2において80ミリメートルの距離D1だけ相互から離間された実質的に平行な２つの平面内に載置される。
【００４３】
各屈曲部54、55は、円弧である中線と、内弧54A、55Aと、外弧54B、55Bとを有する。継手50の内側面の部分であって、上記屈曲部の内側部分上に載置され且つ凸状であるという部分が、所謂る内弧である。上記外弧は、継手50の内側面の部分であって、上記屈曲部の外側部分上に載置され且つ凹状であるという部分である。継手50の上記内側面は、連続的であり、且つ、既燃ガスの流束を阻害する障害物を有さない。
【００４４】
取入管51は、インジェクタ37を保持する手段38を備えて成る。該保持手段は、第1屈曲部54の外弧54Bに形成された開口と、中間軸心A2に対して自身の軸心が実質的に平行なリングであって、該開口を境界付けるというリングとを備えて成る。故にインジェクタ37は、中間軸心A2に対して軸心が実質的に平行な噴射円錐の形態の還元剤の流束を噴射する如き様式で、このリングに嵌合され得る。
【００４５】
変形例として、上記保持手段は取入管51内に載置され得る。この変形例において上記インジェクタは、上記取入管の中央部に載置された屈曲端部であって、上記取入軸心に対して平行であるという屈曲端部を有する噴射先端を備えて成る。結果として、この変形例において上記インジェクタは、上記取入軸心に対して軸心が一致する噴射円錐の形態の還元剤の流束を噴射し得る。
【００４６】
取入管51は、(図２に点線で描かれた)温度もしくは圧力もしくは濃度のプローブを保持する手段を備えても良く、その先端60は上記取入管内に開口する。
【００４７】
好適には、第1屈曲部54の内弧54Aは、20ミリメートル未満の(この場合には18ミリメートルである)曲率R1を有する。
【００４８】
選択肢として、特に取入管51内へと温度もしくは圧力プローブが開口するなら、第2屈曲部55の中線C1は40ミリメートル未満の(此処では35ミリメートルの)曲率R2を有する。
【００４９】
継手50は、一体片であり且つ堅固である。それは、鋳造により、または、此処では50ミリメートルに等しい内径を有する鋼管を屈曲させることにより、一体片として作成される。
【００５０】
上記エンジンが動作しているとき、シリンダ11内における新鮮ガスと燃料との燃焼から帰着する既燃ガスは、大気中への放出の前に触媒コンバータ34で処理されるべく排出ライン30へと流入する。
【００５１】
連続的に又は規則的な時的間隔のいずれかにて、上記電子的なエンジン制御手段は、継手50内への還元剤の噴射を命令する。この噴射は特に、上記粒子フィルタの取入口と吐出口との間で測定された圧力の差が第1の所定スレッショルド値を超え、該フィルタが目詰りして再生が必要であることを意味するときに開始され得る。
【００５２】
タービン32を離脱する既燃ガスは次に、継手50の取入管51内へと突入する。この段階において上記ガスは、この管の各区画において実質的に均質な速度を有する。
【００５３】
既燃ガスが第1屈曲部54に到達したとき、この第1屈曲部54の内弧54Aの小さな曲率半径によれば、該既燃ガスはこの屈曲部の外弧54Bに向けて急激に分離される。取入管51内にプローブが在るなら、この取入管において既燃ガスの速度は増大し、この分離が後時に行われ得ることを意味する。いずれにしても、中間管52に流入する既燃ガスは、もはや均質な速度を有さない。対照的に上記ガスは、第1屈曲部54の外弧54Bに続く側において、この第1屈曲部の内弧54Aに続く側におけるよりも大きな速度を有する。
【００５４】
上記既燃ガスが第1屈曲部54を通過するにつれ、該ガスはインジェクタ37により噴射された燃料と混合するが、混合気は完全に均質とはならない。
【００５５】
中間管52の短い長さは、既燃ガスの流束に対し、第1屈曲部54の内弧54Aに続く側から戻る時間を与えない。結果として、既燃ガスと燃料との混合気は、吐出管53の接線において第2屈曲部55に到達する。この接線的な到達によれば、吐出軸心A3の回りにおいて吐出管53内で既燃ガスの渦巻き運動が引き起こされ、この運動は“旋回”の英語名で知られる。上記第2屈曲部の小さな曲率半径の故に、既燃ガスのこの回転は、上記第1屈曲部における流束の分離が後時的であるとしても、有効である。上記渦巻き運動はまた、当該混合気が触媒コンバータ34に進入するときに完全に均質である様に、吐出管53および可撓取入ホース33における混合気の均質化も促進する。
【００５６】
上記混合気内における高レベルの燃料の存在は、上記酸化触媒コンバータの全体に亙る燃料の高度に発熱的な酸化反応に繋がる。故に既燃ガスは、高温にて上記酸化触媒コンバータを離脱すると共に上記粒子フィルタに進入し、後者を満たしている汚染物質粒子の全てを焼き尽くす。故に、上記粒子フィルタは効率的に再生される。
【００５７】
最後に、上記粒子フィルタの取入口と吐出口との間で測定された圧力差が第2の所定スレッショルド値より低く低下したとき、継手50内への燃料の噴射は中断される。
【００５８】
本発明は記述かつ図示された上記実施例に限定されるものでなく、当業者であれば、本発明の精神に従い任意の様式で上記実施例を変更し得よう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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