(57)【要約】  本発明は、タービン（２０）と、軸（６６）上に回転するコンプレッサホイール（４２）を有するコンプレッサ（３６）とを含むターボチャージャユニット（１８）を備えた、自動車用の排気ガス再循環システムである。また、凝縮液分離装置（５８）と操作上関連付けられる分散装置（５６）もある。凝縮液分離装置（５８）は、タービン（２０）から流れてくる排気ガスから水分を分離し、分散装置（５６）は、コンプレッサホイール軸（６６）の近接領域において水分をコンプレッサ（３６）の中に再導入して、コンプレッサホイール（４２）の浸食を防止する。
2009524775.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの吸気口への空気流れを加圧するコンプレッサホイールと、
前記コンプレッサホイールに排気ガスを供給する排気ガス再循環管と、
空気、又は、空気及び排気ガスの流体混合物を前記コンプレッサホイールに導入する吸気管と、
前記コンプレッサホイール及び前記排気ガス再循環管と作動的に関連付けられる混合装置と、
を含む自動車用の排気ガス再循環装置であって、前記混合装置が、前記排気ガスから液滴を分離して、前記液滴を、前記コンプレッサホイールの浸食が防止されるように、前記コンプレッサホイールの上に再導入する自動車用排気ガス再循環装置。
【請求項２】
前記混合装置が、前記排気ガス再循環管の中に配置され、前記液滴を前記コンプレッサホイールに供給する移送管に接続可能である、請求項１に記載の自動車用排気ガス再循環装置。
【請求項３】
前記混合装置が分散装置及び凝縮液分離装置を含み、前記分散装置は前記凝縮液分離装置と流体連通して配置され、前記液滴は前記凝縮液分離装置から前記分散装置に供給され、前記分散装置は、前記液滴を、前記コンプレッサホイールの浸食が防止されるように、前記コンプレッサホイールの上に分散させる、請求項１に記載の自動車用排気ガス再循環装置。
【請求項４】
前記分散装置が、回転して凝縮液を分散させるネジ付きナット又はネジ付き円錐体である、請求項３に記載の自動車用排気ガス再循環装置。
【請求項５】
前記分散装置が、前記コンプレッサホイールの周速度が低い領域において、前記コンプレッサホイールと整合するように配置される、請求項３に記載の自動車用排気ガス再循環装置。
【請求項６】
前記分散装置が前記コンプレッサホイールハウジングに取り付けられる、請求項３に記載の自動車用排気ガス再循環装置。
【請求項７】
前記混合装置が部分的に前記吸気管の中に配置される、請求項１に記載の自動車用排気ガス再循環装置。
【請求項８】
前記凝縮液分離装置が、リング捕集器、分離器又は遠心溝を含む群から選択されるものである、請求項３に記載の自動車用排気ガス再循環装置。
【請求項９】
エンジンからの排気ガス内に発生する凝縮液をターボチャージャのコンプレッサに再導入する排気ガス再循環装置であり、
タービン及びコンプレッサを有するターボチャージャユニットと、
前記コンプレッサ内に位置するコンプレッサホイール軸と、
低圧排気ガス再循環径路から前記コンプレッサに排気ガスを供給する第１流路と、
前記排気ガスから凝縮液を除去する凝縮液分離装置と、
前記凝縮液を分散装置に移送するために前記凝縮液分離装置に接続される第２流路と、
前記コンプレッサへの吸気用として大気に対する末端開口を有する第３流路であり、前記第１流路に接続される第３流路と、
を含む排気ガス再循環装置であって、前記凝縮液分離装置が、前記排気ガスから前記凝縮液を分離して、前記凝縮液を前記分散装置に供給し、前記分散装置は前記凝縮液を前記コンプレッサホイールの上に分散させる排気ガス再循環装置。
【請求項１０】
前記凝縮液分離装置が、前記第３流路内に配置され、前記凝縮液が、前記凝縮液分離装置から、前記第２流路を通り、前記コンプレッサホイールハウジングを通り、前記コンプレッサホイールの周りにおいて、前記コンプレッサホイールのバックプレートの領域に移送されて、前記コンプレッサホイールの浸食を防止する、請求項９に記載の排気ガス再循環装置。
【請求項１１】
前記凝縮液分離装置が前記第１流路内に配置され、前記分散装置が、前記コンプレッサホイールの前記回転軸に取り付けられて、前記コンプレッサホイールの浸食を回避するように、前記凝縮液を前記コンプレッサホイールの上に移す、請求項９に記載の排気ガス再循環装置。
【請求項１２】
前記凝縮液分離装置が前記第１流路内に配置され、前記分散装置が、前記コンプレッサホイール軸に近接して前記第３流路内に取り付けられて、前記コンプレッサホイールの浸食を回避するように、前記凝縮液を前記コンプレッサホイールの上に移す、請求項９に記載の排気ガス再循環装置。
【請求項１３】
前記凝縮液分離装置が前記第１流路内に配置され、前記分散装置が、前記コンプレッサホイール軸に近接して前記コンプレッサホイールハウジング上に取り付けられて、前記コンプレッサホイールの浸食を回避するように、前記凝縮液を前記コンプレッサホイールの上に移す、請求項９に記載の排気ガス再循環装置。
【請求項１４】
前記凝縮液分離装置が前記第１流路内に配置され、前記分散装置が、前記コンプレッサホイール軸に近接して前記コンプレッサホイールハウジング上に取り付けられ、前記凝縮液を前記コンプレッサホイールハウジングの周囲領域に導くように用いられて、前記コンプレッサホイールの浸食を回避する、請求項９に記載の排気ガス再循環装置。
【請求項１５】
前記分散装置が、前記コンプレッサホイールの周速度が低い領域において前記コンプレッサホイールと整合するように配置される、請求項９に記載の排気ガス再循環装置。
【請求項１６】
前記凝縮液分離装置が前記第３流路内に配置され、前記分散装置が、前記コンプレッサホイール軸に近接して前記第３流路内に取り付けられて、前記コンプレッサホイールの浸食を回避するように、前記凝縮液を前記コンプレッサホイールの上に移す、請求項９に記載の排気ガス再循環装置。
【請求項１７】
前記凝縮液分離装置が前記第３流路内に配置され、前記分散装置が、前記コンプレッサホイール軸に近接して前記コンプレッサホイールハウジング上に取り付けられて、前記コンプレッサホイールの浸食を回避するように、前記凝縮液を前記コンプレッサホイールの上に移す、請求項９に記載の排気ガス再循環装置。
【請求項１８】
前記凝縮液分離装置が前記第３流路内に配置され、前記分散装置が、前記コンプレッサホイール軸に近接して前記コンプレッサホイールハウジング上に取り付けられ、前記凝縮液を前記コンプレッサホイールハウジングの周囲領域に導くように用いられて、前記コンプレッサホイールの浸食を回避する、請求項９に記載の排気ガス再循環装置システム。
【請求項１９】
前記コンプレッサが、前記コンプレッサホイールを閉囲するコンプレッサホイールハウジングと、前記コンプレッサホイールハウジング内に配備されるバックプレート領域とをさらに含む、請求項１８に記載の排気ガス再循環装置。
【請求項２０】
前記凝縮液が、前記凝縮液分離装置から、前記第２流路を通り、前記コンプレッサホイールハウジングを通り、前記コンプレッサホイールの周りにおいて、前記コンプレッサホイールの前記バックプレートの領域に導かれて、前記コンプレッサホイールの浸食を防止する、請求項１９に記載の排気ガス再循環装置。
【請求項２１】
前記凝縮液分離装置が、リング捕集器、分離器又は遠心溝を含む群から選択されるものである、請求項９に記載の排気ガス再循環装置。
【請求項２２】
前記分散装置が、ネジ付きナット又はネジ付き円錐体を含む群から選択されるものである、請求項９に記載の排気ガス再循環装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２００６年１月２７日に出願された米国仮特許出願第６０／７６２，６２３号明細書の利益を主張する。
【０００２】
本発明は、ターボチャージャユニットと共に用いる排気ガス再循環（ｅｘｈａｕｓｔ  ｇａｓ  ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ：ＥＧＲ）のバルブ組立体に関し、さらに具体的には、液滴がターボチャージャユニットのコンプレッサホイールを損傷することのないような、再循環された排気ガスへのＥＧＲ凝縮液の再導入に関する。
【背景技術】
【０００３】
ターボ過給ユニットは、従来型の内燃機関及びディーゼルエンジンの双方においてエンジンの出力を増大させるために一般的に用いられる方法である。ターボチャージャはタービン及びコンプレッサから構成される。タービンは、エンジンの排気マニホールドから排気ガスを受け入れ、タービン内部に配置されるタービンホイールが回転してコンプレッサ内部のコンプレッサホイールに動力を供給する。コンプレッサはエンジンの吸気マニホールドに高圧空気を強制的に送り込み、出力を増大させる。
【０００４】
環境に関する関心の高まりによって、内燃機関及びディーゼルエンジン双方の排気ガス排出物質の量の低減が強調されてきた。排気ガス排出物質低減に用いられてきた１つの方法は、排気ガスをエンジンの吸気マニホールドの中に再導入することであった。これによって大気中に放出される排気ガスの量を低減させる。これは、通常ＥＧＲバルブを用いて行われる。
【０００５】
欧州、米国及びほとんどの外国市場におけるディーゼルエンジンに対する現在及び今後の排出物質規制は、車両のきわめて低い負荷／速度において高いＥＧＲ率を供給し得るエンジン構想を必要とする。このようなＥＧＲ率を提供する１つの方法は、低圧ＥＧＲを用いることによるものである。しかし、排気ガスは、空気の湿気とエンジンの燃焼室内で燃焼する燃料の量とによる大量の水蒸気を含む可能性がある。ＥＧＲ径路とも呼称される排気ガスの流通径路は、ターボチャージャ、パティキュレートフィルタ、排気管、ＥＧＲバルブを備えたＥＧＲ径路、低圧ＥＧＲバルブを備えた低圧ＥＧＲ径路、及び低圧ＥＧＲ冷却器から構成される。水蒸気がＥＧＲ径路を通過する間、寒冷な大気温度又はエンジンの低負荷、従って低温始動後の排気温度が低い場合のような特定の運転条件においては、水蒸気がその露点温度未満に冷却され、液滴が形成される。異なる空気力学的半径を有するこれらの液滴は、ＥＧＲ径路、低圧ＥＧＲ径路、低圧ＥＧＲ冷却器を通過し、混合領域とも呼称される回転するコンプレッサホイール前部の吸気管に流入する。
【０００６】
液滴がコンプレッサホイールと接触することによって惹起される１つの主要な問題点は、形成されるこれらの液滴がコンプレッサホイール上に重大な液滴浸食を発生させ得る点である。危険領域において液滴がコンプレッサホイールを衝打しないようにする１つの方法は、あらゆる運転条件において、コンプレッサホイールに流入する排気ガスの流れから液滴を恒常的に除去することである。吸気側から凝縮液を恒常的に除去することは、大気圧への負の圧力低下（ポンプ作用が必要であろう）のために非常に難しい。また、吸気中の湿分は、シリンダ内のＮＯｘ低減に対してプラス側に作用するパラメータである。
【０００７】
液滴のコンプレッサホイール領域に対する衝打を防止するもう１つの方法は、ガスの流れから凝縮液を一時的に分離して、続いて、液体凝縮液を、コンプレッサホイール上のブレードの腐食を避ける領域において排気ガスの中に再導入する方式である。これは、液体凝縮液の分散によってコンプレッサホイールのブレードに対する損傷が生じる可能性があるので困難である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従って、本発明の目的は、コンプレッサホイールの浸食を防止するために、エンジンの排気ガスからの水蒸気又は凝縮液をブレード速度が低い領域においてコンプレッサホイールに近づけて接触させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
液滴によるコンプレッサホイールに対する浸食を回避する１つの方法は、混合領域において流入管の全断面積上に液滴を分散させることである。液滴の分散は、速度及び装入点並びに排気ガスの質量流量に依存する。液滴は、管内部においてある速度でコンプレッサホイールの中に移動する。
【００１０】
また、液滴は渦巻きによって管の外周の方に動かされる可能性がある。この場合、液滴は全断面積にわたってコンプレッサホイールを衝打する可能性がある。コンプレッサホイールの衝撃力（この場合ホイールの衝撃力はホイールの速度と共に増大する）と組み合わされた液滴の衝撃力は、コンプレッサホイールの表面に重大な損傷を惹起する可能性がある。この問題は、通常、コンプレッサホイールのブレードの外端部近傍の高い衝撃速度の領域、つまりコンプレッサホイールの最大直径の箇所に見られるが、必ずしもその箇所のみではない。
【００１１】
本発明は、タービンと、軸上に回転するコンプレッサホイールを有するコンプレッサとを含むターボチャージャユニットを備えた自動車用のＥＧＲシステムである。また、凝縮液分離装置と操作上関連付けられる分散装置もある。凝縮液分離装置は、タービンから流れてくる排気ガスから水分を分離し、分散装置は、コンプレッサホイール軸の近接領域において水分をコンプレッサの中に再導入して、コンプレッサホイールの浸食を防止する。
【００１２】
本発明のさらなる適用分野は以下の詳細な説明から明らかになるであろう。以下の詳細な説明及び特定の例は、本発明の好ましい実施形態を示しているが、あくまで例示の目的として考えられており、本発明の範囲を限定するものでないことが理解されるべきである。
【００１３】
本発明は、以下の詳細な説明及び添付の図面からさらに完全に理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
好ましい実施形態に関する以下の説明は、本質的に単なる例示であり、本発明、その適用又は使用を限定するものではない。
【００１５】
図１は、全体として１０で示される、本発明を組み込んだディーゼルエンジンの吸排気システムの概略図を示す。以下に記載するように、かかるシステムは低圧ＥＧＲループ１２を有する。排気ガスはエンジン１４によって生成され、排気マニホールド１６を通って流出する。排気マニホールド１６からの排気ガスはタービン２０を通過し、続いてディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）２２に導入され、そこで、すす材料を取り除かれる。ＤＰＦ２２を通過した後、排気ガスは続いてＥＧＲバルブモジュール２４に流れ、そこで、排気ガスは、排気ガスが車両から出ることになる排気管２６に流入する部分と、又は、低圧ＥＧＲループ１２に流入する部分との間に分割される。低圧ＥＧＲループ１２において、排気ガスは、燃焼用としてエンジン１４の中に戻って再導入されるであろう。
【００１６】
低圧ＥＧＲループ１２に流入する排気ガスは、ＥＧＲ経路２８に流入し、そして再燃焼の前に排気ガスの温度を冷却する低圧ＥＧＲ冷却器３２を通過するであろう。排気ガスは、低圧ＥＧＲ冷却器３２から流出し、第１流路すなわち低圧ＥＧＲ管４６を通過し、混合領域において空気と混合し、エンジン１４に導入するために排気ガス及び外部空気の両者を加圧するコンプレッサ３６に導入される。混合領域は、排気ガスから凝縮液を除去し、その凝縮液をコンプレッサ３８の特定箇所において再導入する混合装置３４を有する。その後、混合された吸気ガスは給気冷却器３８を通って吸気マニホールド４０に流入し、吸気マニホールド４０は続いて混合された吸気ガスをエンジン１４に供給する。
【００１７】
図２に示す本発明の第１の実施形態において混合装置３４の詳細を示す。混合装置３４は、凝縮液分離装置５８と、移送管５２と、分散装置５６とを含むがこれに限定されるわけではない。混合装置３４は以下に記載するような多くの形態を有することができる。
【００１８】
ＥＧＲ管４６の内部には、第２流路すなわち移送管５２に接続される凝縮液分離装置５８が配備される。凝縮液分離装置５８は、リング捕集器、分離器又は遠心溝とすることができる。ＥＧＲ管４６は、第３流路すなわち吸気管４４に接続され、図１に示す同じＥＧＲ管４６である。吸気管４４はコンプレッサハウジング６８に接続され、コンプレッサハウジング６８の内部にはコンプレッサホイール４２があって、コンプレッサホイール軸を形成するコンプレッサホイールシャフト６６上に回転するように取り付けられる。移送管５２は分散装置５６に接続され、この分散装置５６は、コンプレッサホイール４２の前部に装着され、吸気管４４又はコンプレッサハウジング６８のいずれかに連結される。
【００１９】
運転中は、液滴を伴った排気ガス５４は、ＥＧＲ管４６及び凝縮液分離装置５８を通って流れる。大気からの空気は、吸気管４４を通ってコンプレッサホイール４２に向かって流れる。凝縮液分離装置５８は、液滴を伴った排気ガス５４から液滴又は液体凝縮物５０を除去し、全体として４８で示される混合領域において、全体として６４で示される排気ガス及び空気の混合物が形成される。凝縮液５０は、凝縮液分離装置５８から移送管５２を通って分散装置５６に移送される。凝縮液５０が分散装置５６に達すると、凝縮液５０は、コンプレッサホイールシャフト６６と同一線上に配置される分散装置５６によって、周速度が低い領域内に分散される。
【００２０】
分散装置５６は、凝縮液５０を、凝縮液５０の質量流の中に大きな液滴が再生成されないようにブレード７０の上に送り込み、排気ガス及び空気の混合物６４をコンプレッサホイール４２の上に送り込む目的を有する。凝縮液５０は、また、分散装置５６の使用なしに、移送管５２を通って流れ、周速度が低い領域においてコンプレッサホイール４２の上に圧力なしで雫を形成し得ることにも留意しなければならない。
【００２１】
凝縮液５０がコンプレッサホイール４２に達すると、凝縮液５０はコンプレッサホイール４２上で加速されて液膜６０に変化する。
【００２２】
液膜６０はホイール４２上で加速されるので、ホイール４２を衝打する凝縮液５０の衝撃はなくされないまでも大幅に低減されることになり、液滴浸食は防止される。移送管５２は、コンプレッサホイール４２の前部における流れを乱さないように空気力学的に設計される。コンプレッサホイール４２と正確に同一線上に配置するには、移送管５２をコンプレッサホイール４２に近づけて連結取り付けすることが必要になる。これは、コンプレッサホイール４２の直前のフィン６２を用いて、移送管５２を、コンプレッサホイール４８の前部において吸気管４４に接続するか、あるいは、コンプレッサホイール４２の前部においてコンプレッサハウジング６８に接続することによって実現できる。
【００２３】
分散装置５６及び凝縮液分離装置５８を他の領域に取り付けて、コンプレッサホイール４２の内部において排気ガス及び空気の混合物６４の質量流の中に液滴が再形成されないようにしながら、凝縮液５０をブレード７０に分散させる同等の効果を有するようにすることも可能である。凝縮液分離装置５８は、リング捕集器、分離器又は遠心分離器の形態を取ることができる。
【００２４】
別の実施形態を図３に示す。この実施形態においては、凝縮液分離装置５８が吸気管４４の中に取り付けられる。凝縮液分離装置５８は、吸気管４４内に装着される場合、あるいは、上記のようにＥＧＲ管４６内に装着される場合、コンプレッサホイール４２に流入する混合物６４から凝縮液５０を除去するという同じ機能を遂行する。凝縮液分離装置５８は、管４４の内部から凝縮液５０を捕集するために吸気管内部に配置することができる。この実施形態においては、分散装置５６は、まだコンプレッサホイールシャフト６６と同一線上に置かれており、図２において記載したのと同様に作用する。
【００２５】
本発明のさらに別の実施形態を図４に示す。この実施形態においては、凝縮液分離装置５８が吸気管４４内に配置され、分散装置５６がコンプレッサハウジング６８に取り付けられる。分散装置５６を用いて凝縮液５０をコンプレッサハウジング６８の周囲領域に導くことによって、液滴が、危険領域においてコンプレッサホイール４２を衝打しないようにすることができる。この再導入方式の原理は、凝縮液５０がブレード７０を衝打せずに、コンプレッサホイール４２の中に引き込まれる薄い壁面膜７２となるように、凝縮液５０を破砕し、続いて凝縮液５０をコンプレッサホイール４２の近傍で混合物６４と混合することにある。この原理は、凝縮液分離装置５８とは独立に用いることができる。
【００２６】
本発明のさらに別の実施形態を図５に示す。この実施形態においては、凝縮液分離装置５８が吸気管４４内に配置され、分散装置５６は取り除かれている。図５に開示する実施形態は、如何にして、凝縮液５０が危険領域においてコンプレッサホイール４２を衝打しないようにするかを示している。この方式は、移送管５２を用いて凝縮液５０をコンプレッサホイール４２のバックプレート領域に導き、凝縮液５０を、コンプレッサハウジング６８を通ってコンプレッサホイール４２の周りに通すことによって実施される。凝縮液５０はそこに導入され、ブレード７０を損傷することはあり得ない。
【００２７】
分散装置５６は、図６に示すネジ付きナット７２、又はネジ付き円錐体の形態を取ることができる。ネジ付きナット７２は、凝縮液５０を配分するための、延長部７６上に配置される一連の開口７４を有する。凝縮液５０が移送管５２を通ってネジ付きナット７２に移動するにつれて、ネジ付きナット７２内部に圧力が形成され、凝縮液５０を、一連の開口７４のそれぞれを通して強制的に押し出す。ネジ付きナット７２は、コンプレッサホイールシャフト６６に回転可能に結合できる。ネジ付きナット７２が回転することは、ネジ付きナット７２から外方への凝縮液５０の流れを促進する。ネジ付きナット７２は、凝縮液をどのように分散させるかに関する単なる一例である。他の多くの変形態を用いることが可能である。分散装置を、凝縮液が接触することになる回転粗表面とすることが可能である。本明細書に記載した分散装置をコンプレッサホイールと連結しないことも可能である。
【００２８】
以上の本発明に関する説明は本質的に単なる例示であり、従って、本発明の趣旨から逸脱しない変形態様は本発明の範囲内であることが意図されている。このような変形態様は、本発明の趣旨及び範囲から逸脱したものとみなされるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明によるターボ過給ユニットを有するエンジンの構成図である。
【図２】本発明の第１実施形態による組立体の側面図である。
【図３】本発明の第２実施形態による組立体の側面図である。
【図４】本発明の第３実施形態による組立体の側面図である。
【図５】本発明の第４実施形態による組立体の側面図である。
【図６】分散装置の斜視図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
2009524775.tif 000009
2009524775.tif 000010