(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジン（１２）と、前記エンジン（１２）のエンジン入口側（１６）に接続された給気冷却器（１４）と、前記給気冷却器（１４）を迂回する空気バイパス（２０）とを備え、且つ、１つ以上のＥＧＲ管（２４）を介して前記エンジン（１２）のエンジン出口側（１８）とエンジン入口側（１６）の間に接続されたＥＧＲシステム（２２）を備えているエンジン配置（１０）であって、
前記空気バイパス（２０）は、ＥＧＲ管（２４）の空気バイパスポート（２６）において前記ＥＧＲシステム（２２）に入り、前記ＥＧＲシステム（２２）の前記エンジン出口側（１８）で空気（３４）が排気ガス（３２）と混合される、エンジン配置（１０）において、
前記空気バイパス（２０）は、第１のＥＧＲ冷却器（３８ａ）と第２のＥＧＲ冷却器（３８ｂ）の間で前記ＥＧＲシステム（２２）に入り、前記第２のＥＧＲ冷却器（３８ｂ）は、前記第１のＥＧＲ冷却器（３８ａ）の下流に配設され、前記第２のＥＧＲ冷却器（３８ｂ）の出力ガスは、混合ポート（５８）に流入するように構成され、前記排気ガスは、前記給気冷却器（１４）からの空気と混合されるように構成される、エンジン配置。
【請求項２】
空気／排気ガス混合気（３６）内の冷却／非冷却空気（３４）及び／又は冷却／非冷却排気ガス（３２）の比率を制御することによって前記空気／排気ガス混合気（３６）のエンジン入口温度（Ｔ＿ｉｎ）を制御するための制御装置（４０）が設けられる、請求項１に記載のエンジン配置。
【請求項３】
スロットル（４２ａ）が空気管（３０）内に配設される、請求項１または２に記載のエンジン配置。
【請求項４】
スロットルが前記空気管（３０）及び前記空気バイパス（２０）内に配設される、請求項３に記載のエンジン配置。
【請求項５】
前記空気／排気ガス混合気の前記エンジン入口温度（Ｔ＿ｉｎ）は、最低温度（Ｔ＿ｓｃｒ）と最高温度（Ｔ＿ｍａｘ）の間で決定される、請求項２乃至４のいずれかに記載のエンジン配置。
【請求項６】
前記エンジン出口側（１８）及び前記エンジン入口側（１６）はＥＧＲ冷却器（３８）のない直接ＥＧＲ管（２８）を介して接続される、請求項１乃至５のいずれかに記載のエンジン配置。
【請求項７】
前記直接ＥＧＲ管（２８）は、前記ＥＧＲ冷却器（３８ａ、３８ｂ）を迂回するＥＧＲバイパス（４４）である、請求項６に記載のエンジン配置。
【請求項８】
前記ＥＧＲ管（２４）内の前記空気バイパスポート（２６）の下流のＥＧＲ管セグメント（４６）は混合室（４８）として設計される、請求項１乃至７のいずれかに記載のエンジン配置。
【請求項９】
前記給気冷却器（１４）は空冷式装置（７０）である、請求項１乃至８のいずれかに記載のエンジン配置。
【請求項１０】
前記給気冷却器（１４）は冷却液冷却式装置（７０）である、請求項１乃至９のいずれかに記載のエンジン配置。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれかに記載のエンジン配置を備えている車両（５０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＥＧＲシステム及び給気冷却器を備えているエンジンを有するエンジン配置に関する。
【背景技術】
【０００２】
好ましくは、例えばトラック、バス、大型トラック、自動車、ボートなどの車両用のエンジンを有するエンジン配置がＥＧＲシステムを備えていることは、現状技術から知られている。内燃エンジンにおいて、排気ガス再循環（ＥＧＲ）は、ガソリン及びディーゼルエンジンにおいて使用される酸化窒素（ＮＯｘ）排出削減技術を表している。ＮＯｘは、主に、窒素と酸素の混合気が高温にさらされる時に生じる。ＥＧＲは、エンジン排気ガス部分をエンジンシリンダへ再循環させることによって作用する。ガソリンエンジンでは、この不活性排気ガスがシリンダ内の可燃性物の量を変位させる。ディーゼルエンジンでは、排気ガスが予燃焼混合気内の一部の過剰酸素と入れ替わる。ＮＯｘ生成は高温でとても急速に進行するので、ＥＧＲにより、燃焼の結果として生じるＮＯｘの量が削減する。ＥＧＲによる空気の交換がラムダ値を低下させることによって、ＥＧＲにより、燃焼温度が低下し、Ｏ２の濃度が低下する。
【０００３】
ＥＧＲ冷却器は、ＥＧＲ回路内に設置された熱交換器である。ＥＧＲシステムは、ＮＯｘ排出を削減するために排気ガスをエンジンへ再循環させる。冷却器は、エンジンへのガスの再導入の前に排気ガスを単純に冷却する。ガスを冷却することによって、燃焼温度が低下し、それによってＮＯｘがより高い温度で生成される。この冷却プロセスの間、ＥＧＲガスが過剰になる可能性があり、例えばエンジン始動中又は低温始動期間中、各シリンダ内又は排気ガス構成部品内の燃焼効率が悪化する。それ故、ＥＧＲ冷却器を有するＥＧＲシステムは、この場合、ＥＧＲ冷却器の流路を迂回することによって設けられるＥＧＲバイパスにＥＧＲガスを流すように配設される。このＥＧＲ冷却器の使用不使用を切り換えるには、排気ガスの流れを一方向から別の方向又は二方向へ、或いは排気ガスの流れを二方向から一方向へ、又は一方向から別の方向へ変化させるために、流路切換弁が頻繁に使用される。
【０００４】
内燃エンジンにおいてターボ過給機又はターボ圧縮機を使用することもまた、現状技術において知られており、これはエンジンシリンダ内への空気の誘導を高めるガス圧縮機であるか、又は過給機の形態である。ターボ過給機は、エンジンに入る空気の密度を増加させてより多くの動力を生み出す。ターボ過給機は、エンジン自身の排気ガスによって駆動されるタービンによって動力を供給される圧縮機を有する。ターボ過給機内の空気を圧縮することによって空気温度が上昇し、それが多くの問題を引き起こすことになる。過度の給気温度はデトネーション（異常爆発）につながる可能性があり、これはエンジンにとって非常に有害である。ターボ過給機がエンジンに搭載されている場合、エンジンに中間冷却器システム（別名、給気冷却器システム、又はＣＡＣシステム）を取り付けるのが一般的であり、これは過給機内の熱エネルギーを周囲空気に放出する一種の熱交換器である。少なくとも１つのターボ過給機と吸気冷却器を有する圧縮点火エンジンでは、様々な理由で、アイドリング時点又は付近のエンジンの動作を最適化するのが難しい。第一に、低い周囲温度の空気が低い周囲温度の下で吸入給気冷却器を通ってエンジンに流入するという側面のため、吸気マニホルドに入る空気が過冷却される可能性があり、排気ガス再循環（ＥＧＲ）システムが利用されると、ＥＧＲ弁及び吸気センサ上に過度の炭素堆積物が生じる可能性がある。第二に、エンジンのアイドリング状態の吸気温度が低いと、燃料の不完全燃焼によって、圧縮点火エンジンの排気ガスにおいて望ましくない白煙や臭気が生じる可能性がある。従って、例えば飛行機モータにおける火花点火エンジンにおいて、高高度でのＣＡＣ内の氷生成によるモータ故障を防止するために、及び、ガソリン内燃エンジンにおいて、例えば低温始動中の白煙を低減するために、ＣＡＣバイパス弁が知られている。
【０００５】
排出を削減するために、選択的接触還元触媒（ＳＣＲ触媒）が広く使用されており、触媒を用いてＮＯｘを二原子窒素（Ｎ２）、水（Ｈ２Ｏ）に変換する。ガス還元剤（一般的に、無水アンモニア、アンモニア水、又は尿素）が煙道又は排気ガス流に添加され、触媒上に吸収される。ＳＣＲ触媒は、より温かい排気ガスでより効率的に作用する。２０１０年１月１日以降に製造されたディーゼルエンジンに始まって、エンジンは低ＮＯｘ基準を満たすことが義務付けられている。大部分の高馬力エンジン（７〜８等級トラック）製品は、ＮＯｘ排出を効率的に削減するためにそのようなＳＣＲ触媒を利用して、米国の排出基準である、来るべきＥＰＡ基準を満たしている。ＥＵは、２００８年１月１日から実施されたユーロ４、２０１０年１月１日から実施されたユーロ５を導入し、２０１４年１月１日に施行されるユーロ６を導入する予定である。中国、インド、及び日本等のアジア諸国は、同様の規制を続行している。
【０００６】
特許文献１から、ＣＡＣシステム及びＥＧＲシステムを備えているエンジン配置は公知であり、ＣＡＣシステムはＣＡＣバイパスを備えている。ＣＡＣバイパスは、エンジンの低温側でＥＧＲシステムに入る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第７，２５７，９５０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述の排出基準を満たすために、様々なエンジン及び環境条件の下で（特に、低エンジン負荷及び／或いは低エンジン温度又は低外気温度で）、ＳＣＲ触媒が効率的に作用することが可能になるように、排気ガス温度を最適な方法で制御することができるエンジン配置を提供することが、本発明の目的である。
【０００９】
別の目的は、膨大な変更、増設及び再構成を回避することができるように、高充填密度を有する様々な既存のエンジン配置に基づいて排出値が改善されたエンジン配置を提供することである。このようにして、既存のエンジン配置を少しの労力で、改善された排出基準を満たすように変更することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
これらの目的は、独立請求項の特徴によって達成することができる。独立請求項、図面、及び明細書は、本発明の有利な実施形態を開示している。
【００１１】
エンジンと、エンジンのエンジン入口側に接続された給気冷却器と、給気冷却器を迂回する空気バイパスとを備え、且つ、１つ以上のＥＧＲ管を介してエンジンのエンジン出口側とエンジン入口側の間に接続されたＥＧＲシステムを備えているエンジン配置が提供される。空気バイパスは、ＥＧＲ管の空気バイパスポートにおいてＥＧＲシステムに入り、ＥＧＲシステムのエンジン出口側及び／又はＥＧＲ冷却器の上流で空気が排気ガスと混合される。エンジンの高温側であるＥＧＲシステムのエンジン出口側にＣＡＣ空気バイパスを配設するために、給気は、ＥＧＲシステムの高温側、例えば、高温のＥＧＲ冷却器（ＨＴ  ＥＧＲ冷却器）の下流側と低温のＥＧＲ冷却器（ＬＴ  ＥＧＲ冷却器）の上流側の間で給気を排気ガスと混合する。既存のエンジン配置を本発明の配置に変えるために、追加のＣＡＣ空気バイパス管及び空気バイパスポートを、エンジンの高温側でＣＡＣシステム及びＥＧＲシステムに接続して設置することができるが、これは既存のエンジン配置のわずかな変更である。空気バイパス管、流量オリフィス、或いは二値又は比例スロットルの所定の厚さにより、空気バイパスを通ってＥＧＲシステムに流入する給気の量を制御することができる。従って、排気ガス温度が上昇してＳＣＲ触媒がより効率的に作用することが可能になるように、最適化された空気／排気ガス混合気が低周囲温度及び／又は低エンジン負荷で提供される。エンジン配置の既存の構成要素は、変更労力が最小になるように使用することができる。給気と排気ガスを早期に混合することによってＥＧＲシステム内の温度が低下するため、断熱材及び冷却器寸法等のＥＧＲシステムの特定の構成要素が減少して、更なる構造的空間を得ることができる。二段ターボ圧縮機を有するエンジン配置では、空気バイパスを第２の圧縮機の下流に配設しなければならない。
【００１２】
本発明の有利な実施形態によれば、空気／排気ガス混合気内の冷却／非冷却空気及び／又は冷却／非冷却排気ガスの比率を制御することによって空気／排気ガス混合気のエンジン入口温度Ｔ＿ｉｎを制御するための制御装置が設けられる。空気とＥＧＲの比率は同じ状態のままであってもよく、燃焼条件、速度、負荷等のようなエンジンパラメータによって決まってもよい。入口温度Ｔ＿ｉｎは、ＣＡＣバイパス弁又はスロットルを用いて給気を冷却したり冷却しなかったりすることによって制御することができる。更にまた、入口温度Ｔ＿ｉｎは、ＥＧＲ冷却器バイパス弁又はスロットルを用いてＥＧＲを冷却したり冷却しなかったりすることによって制御することができる。冷却／非冷却給気及び冷却／非冷却排気ガスの量の両タイプの制御は、組み合わせて使用することができ、互いに独立して使用することもできる。制御装置は、最適化された排気ガス温度がＳＣＲ触媒に提供されるように上述の比率を制御することができる。一般的に、高温排気ガスは６５０℃〜７００℃の高温であり、低温排気ガス（低負荷又は低温エンジン）は１００℃〜３５０℃の温度である。ターボ給気は、５０℃〜２８０℃の標準温度を有する。エンジン入口温度は、排気ガス排出にとって、またエンジンの潤滑システムにとって重要である。Ｔ＿ｉｎが高過ぎる場合、エンジン油膜が劣化する可能性がある。制御装置は、冷却／非冷却排気ガス及び冷却／非冷却給気の混合気が、エンジン負荷及び温度に関係ない所定の温度（例えば、Ｔ＿ｉｎ＞６０℃〜Ｔ＿ｉｎ＜１２５℃、最適には、１００℃〜１２０℃の範囲のＴ＿ｉｎ）及び比率でエンジン入口側に入るように、比率を制御することができ、そうするとＳＣＲ触媒が効率的に作用することが可能になる。制御装置は、実際のエンジン入口温度を直接的な方法（温度センサ）又は間接的な方法（アクセルペダル角度、クラッチ状態などを考慮したマップを用いた運転状況に基づく方法）で測定又は評価する手段を備えている、コントローラシステムなどであってよい。制御装置は、空気又はガス管を通って流れる空気又はガスの量を制御するために、ＥＧＲシステム管、ＣＡＣシステム管、及び／又は空気バイパス管内に位置する１つ以上の二値又は比例スロットル又は弁に接続してもよい。制御装置は、ＥＧＲ冷却器及び／又はＣＡＣシステムに接続して冷却温度を制御することができ、空気／排気ガス混合気が所定の温度Ｔ＿ｉｎでエンジンに入ることができるように、ＥＧＲ冷却器バイパスを通るガス流及び／又はＣＡＣ空気バイパスを通る空気流を制御することができる。
【００１３】
本発明の第２の態様によれば、エンジン配置は、特に上述したように、エンジンと、空気管を介してエンジンのエンジン入口側に接続された給気冷却器と、給気冷却器を迂回する空気バイパスと、１つ以上のＥＧＲ管を介してエンジンのエンジン出口側とエンジン入口側の間に接続されたＥＧＲシステムとを備えている。冷却／非冷却空気及び／又は冷却／非冷却排気ガスの比率を制御することによって空気／排気ガス混合気のエンジン入口温度Ｔ＿ｉｎを制御するための制御装置が設けられる。制御装置は、ＣＡＣシステムを通る冷却空気の流れ、ＥＧＲシステムを通る冷却排気ガスの流れ、及び／または空気バイパスを通る非冷却空気の流れ、そして任意でＥＧＲ冷却器を通る冷却ＥＧＲ及び／又はＥＧＲ冷却器バイパスを通る非冷却ＥＧＲの流れを制御することができ、ＳＣＲ触媒にとっては十分に高いが臨界温度は十分に下回る排気ガス温度を提供することで、エンジンの損傷を回避することができるようになっている。制御装置は、上記のように配設することができる。
【００１４】
前述のエンジン配置の有利な実施形態によれば、制御装置は、ＥＧＲシステムのエンジン出口側において空気バイパスからの非冷却空気又は給気冷却器からの冷却空気をＥＧＲシステムからの排気ガスと混合することによって、空気／排気ガス混合気のエンジン入口温度Ｔ＿ｉｎを制御することができる。制御装置は、空気バイパスを通って流れる非冷却空気と給気冷却器を通って流れる冷却空気の比率を調整することができるように、少なくとも空気バイパス流路を開閉するスロットル又は弁を制御することができる。空気管内に配置される第１のスロットルと空気バイパス管内に配置される第２のスロットルは、空気の量と、ＥＧＲと混合する冷却／非冷却空気の比率を制御することができる。空気バイパス管は、ＥＧＲ冷却器を備えたＥＧＲ管においてＥＧＲシステムに入ってもよく、ＥＧＲ冷却器バイパス管においてＥＧＲシステムに入ってもよい。
【００１５】
有利な実施形態によれば、制御装置は、ＥＧＲバイパスからの非冷却排気ガス又はＥＧＲ冷却からの冷却排気ガスと給気を混合することによって、空気／排気ガス混合気のエンジン入口温度Ｔ＿ｉｎを制御することができる。制御装置は、ＥＧＲバイパスを通って流れる非冷却排気ガスとＥＧＲ冷却器を通って流れる冷却排気ガスの比率を調整することができるように、少なくともＥＧＲ冷却器バイパス流路を開閉するスロットル又は弁を制御することができる。ＥＧＲバイパス内に配置される第１のスロットルとＥＧＲ冷却器管内に配置される第２のスロットルは、ＥＧＲの量と、給気と混合する冷却／非冷却ＥＧＲの比率を制御することができる。
【００１６】
制御装置は、空気バイパス管及びＥＧＲバイパス管を通る流路を制御して、冷却／非冷却空気と混合される冷却／非冷却ＥＧＲの比率を独立して制御することができ、両方の比率の制御を組み合わせて、ＳＣＲ触媒があらゆる負荷及び温度条件で効率的に作用することができるように排気ガス温度を最適化することもできる。
【００１７】
有利な実施形態によれば、スロットルを空気管内に配設することができる。スロットルは、空気管を開閉する二値スロットル又は弁であってもよく、空気管を通って流れる空気の量を制御することができるように比例スロットル又は弁であってもよい。スロットルを閉じることによって、ＣＡＣシステムをエンジンの高温側のＥＧＲシステムから分離する。スロットルを開くことによって、エンジンの高温側と低温側の間のＥＧＲ管内での空気と排気ガスの混合が可能になる。ＥＧＲ冷却器バイパス管が存在する場合、スロットルをＥＧＲバイパス内に配設することもまた有利である。
【００１８】
有利な実施形態によれば、スロットルを空気管及び空気バイパス内に配設することができる。空気管は、ターボ過給機をＣＡＣシステムと接続する。空気管スロットルを開閉することによって、給気の冷却を作動／停止させる。好ましくは、低負荷のエンジンでは、空気管スロットルは閉じるべきであり、空気バイパススロットルは開くべきである。高負荷では、空気バイパススロットルは閉じるべきである。ＥＧＲ冷却器バイパス管が存在する場合は、スロットルをＥＧＲバイパス内及びＥＧＲ管内に配設することもまた有利である。
【００１９】
有利な実施形態によれば、空気／排気ガス混合気のエンジン入口温度Ｔ＿ｉｎは、最低温度Ｔ＿ｓｃｒと最高温度Ｔ＿ｍａｘの間で決定することができる。最低温度Ｔ＿ｍａｘは、特に低負荷又は低周囲温度で、エンジンの損傷を防止するように選択することができ、好ましくはＴ＿ｍａｘ≦１２５℃であるように選択することができる。最低温度Ｔ＿ｓｃｒは、好ましくはＳＣＲ触媒が効率的に作用することが可能になるように、エンジンの低排出を保証するように選択することができ、Ｔ＿ｓｃｒ≧６０℃であるように設定することができる。Ｔ＿ｓｃｒ及びＴ＿ｍａｘの値は、現在のエンジンの状態や環境及び運転条件によって変化し得る。最低及び最高温度Ｔ＿ｓｃｒ，Ｔ＿ｍａｘは、マップから得られる。
【００２０】
有利な実施形態によれば、エンジン出口側及びエンジン入口側は、ＥＧＲ冷却器のない直接ＥＧＲ管を介して接続することができ、空気バイパスは直接ＥＧＲ管を介してＥＧＲシステムに入ることができる。追加的には、直接ＥＧＲ管は、１つ以上のＥＧＲ冷却器、例えばＨＴ及び／又はＬＴ  ＥＧＲ冷却器を迂回するＥＧＲバイパスであってよい。結果として、直接ＥＧＲ管は、排気ガスの低温状態において１つ以上のＥＧＲ冷却器を迂回するＥＧＲ冷却器バイパス管であってよい。排気ガスは、部分的に又は選択的に、直接ＥＧＲ管を通るか、又は少なくとも１つのＥＧＲ冷却器を備えているＥＧＲ管を通るかして流れることができる。給気は、排気ガスの流れ方向に関係なく直接ＥＧＲ管を取って流れることができる。
【００２１】
有利な実施形態によれば、空気バイパスは、第１のＥＧＲ冷却器と第２のＥＧＲ冷却器の間でＥＧＲシステムに入ることができる。第１のＥＧＲ冷却器はＨＴ  ＥＧＲ冷却器であってよく、第２のＥＧＲ冷却器はＬＴ  ＥＧＲ冷却器であってよい。空気バイパスは、ＨＴ  ＥＧＲ冷却器の下流及びＬＴ  ＥＧＲ冷却器の上流でＥＧＲシステムに入ることができ、空気は予冷された排気ガスと混合される。結果として、混合された空気／排気ガスの温度を更に低下させることができるので、ＬＴ  ＥＧＲ冷却器の寸法とＨＴ  ＥＧＲ冷却器の下流のＥＧＲ管の断熱厚さを減少させることができる。
【００２２】
有利な実施形態によれば、ＥＧＲ管セグメントをＥＧＲ管内の空気バイパスポートの下流に配設することができ、混合室として適応させることができる。空気バイパスは、ＥＧＲ冷却器の上流でＥＧＲシステムに入るか、又は直接ＥＧＲ管に接続してもよい。空気バイパスポートの下流のＥＧＲ管はエンジンの低温側につながり、給気と排気ガスの適切な混合を行うように適応させることができる。従って、ＥＧＲ管セグメントは機能的に混合室の働きをし、空気バイパス侵入点とエンジンのシリンダへの入口の間の流れの中で空気と排気ガスの完全な混合を提供するように、形、幅、及び内部構造において適応させることができる。
【００２３】
有利な実施形態によれば、給気冷却器は空冷式装置であってよく、冷却液冷却式装置であってもよい。更にまた、空冷式及び冷却液冷却式部分を有するハイブリッド冷却式装置を使用することも可能である。冷却液冷却式装置の冷却性能は、ＣＡＣシステムの冷却挙動を制御することによって排気ガス／空気混合気の入口温度の効率的な制御が可能であるように、限られた範囲で制御することができる。ハイブリッド冷却式装置は、エンジンの温度状態に依存する冷却性能を拡大縮小するために使用することができる。
【００２４】
本発明の別の態様によれば、上述の実施形態のいずれかに従ったエンジン配置を備えている車両が提案される。車両のエンジンは、ＣＡＣシステム及びＥＧＲシステムを備えており、エンジンの低温側のエンジンの入口における排気ガス／給気混合気の温度は、車両の排出を好ましくは低負荷状況又は低周囲温度において削減することができるように制御することができる。従来の車両は、ＣＡＣシステムの上流の空気管とエンジンの高温側のＥＧＲ管の間に空気バイパスを設置することによって本発明の実施形態に変えることができる。追加として、来るべき排出基準を満たすために、排気ガス／空気混合気の入口温度を検知する手段と、空気バイパス、ＥＧＲシステム、及び／又はＣＡＣシステム内のガス／空気流を制御する１つ以上のスロットルとを備えている制御装置を設けることができる。
【００２５】
本発明は、上述及びその他の目的及び利点と共に、以下の実施形態の詳細な説明から最も良く理解することができるが、それらの実施形態に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】現状技術のエンジン配置の概略図である。
【図２】本発明によるエンジン配置の第１の実施形態の概略図である。
【図３】本発明によるエンジン配置の第２の実施形態の概略図である。
【図４】本発明によるエンジン配置の第３の実施形態の概略図である。
【図５】本発明によるエンジン配置の第４の実施形態の概略図である。
【図６】第４の実施形態によるＣＡＣバイパス部の拡大図である。
【図７】本発明によるエンジン配置の第５の実施形態の概略図である。
【図８】本発明によるエンジン配置の実施形態を備えている車両を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
図面において、同等又は同様の要素は、同等の参照番号によって参照される。図面は、単なる概略図であって、本発明の特定のパラメータを描写しようとするものではない。更に、図面は、本発明の代表的な実施形態のみを表すことを意図しており、従って、本発明の技術的範囲を制限するものとみなすべきではない。
【００２８】
図１は、エンジン１２と、ＥＧＲシステム２２と、ターボ過給機６０及び給気冷却器配置７０からなる給気冷却器システムとを備えている現状技術のエンジン配置を概略的に示している。ＥＧＲシステム２２は、エンジン１２によって生じた排気ガスを、高温エンジン側であるエンジン出口側１８から、低温エンジン側であるエンジン入口側１６へ再循環させる。エンジン出口側１８から放出されている排気ガスは、通常、１００℃（低負荷）〜７００℃（全負荷）の温度を有する。一般的に、排気ガスのガス圧力は、１．５〜５００ｋＰａ間で変化し得る。排気ガスの少なくとも一部は、ＥＧＲシステムによってエンジン入口側１６へ再循環されることになり、ターボ過給機６０からの給気と混合されてエンジン１２の排出を削減する。排気ガスは、エンジン１２の排気ガス出力ポート６８に近接して取り付けられている高温ＥＧＲ冷却器３８ａと、ＥＧＲ管２４の下流に配設されている低温ＥＧＲ冷却器３８ｂとからなる二段階冷却ＥＧＲ冷却器３８によって冷却される。ターボ過給機６０は、排気管６２に向かって流れている排気ガスによって駆動され、給気が空気管３０を通ってエンジン１２のエンジン入口側１６へ流れることができるように、ターボ過給機の空気取入口６４に入る周囲空気を圧縮する。空気圧縮の過程で、給気の温度は６０℃（低負荷）〜２６０℃（全負荷）まで上昇し得る。エンジン１２の排気特性を効率的に向上及び改善させるために、給気は、冷却装置７０に含まれる給気冷却器１４によって冷却される。冷却装置７０は、車室又はエンジンブロックを冷却するための低温冷却装置７２及び高温冷却装置７４を更に備えている。冷却装置７０の出力側から、冷却された給気は、ＥＧＲ冷却空気混合ポート５８において再循環されたＥＧＲ排気ガスと混合し、ＥＧＲ空気入力ポート５６においてエンジン１２のシリンダに入る。
【００２９】
低負荷又は低エンジン温度等の一定の条件の下では、給気の過剰冷却がエンジン１２にとって有害となり得る。従って、従来の空気バイパス管６６を介して給気冷却器１４を迂回することは周知である。給気冷却器１４によって冷却されている給気と空気バイパス６６を通って迂回されている給気の切り換えは、単一又は二重スロットル（図示せず）によって制御することができる。従来、ＥＧＲ冷却空気混合ポート５８は、排気ガスと給気を完全に混合するための混合室を備えている。また、ＥＧＲ排気ガスは７００℃以上の温度に到達し得るため、エンジンのその他の部分を過熱から保護しなければならないので、ＥＧＲシステム２２が厚く絶縁されたＥＧＲ管２４と、高性能ＥＧＲ冷却器３８ａ及び３８ｂとを備えているのが一般的である。更にまた、多数のＥＧＲ管２４及び給気管３０をエンジン配置１０内に設置しなければならず、それによって構造的空間が大いに制限される。ＥＧＲ／空気入力ポート５６においてエンジン１２に入る空気／排気ガス混合気の最適温度を制御することは、空気及びＥＧＲシステムに蓄積されている空気及びガスが大量なため困難であり、このことが反応時間の遅延につながり、空気／排気ガス温度及び量の制御が難しくなる。好ましくは低負荷状態又は低エンジン温度におけるガス／空気混合気の温度を正確に制御することが有利であり、排気ガス管６２内に設置されたＳＣＲ触媒がより効率的に作用することになる。
【００３０】
図２は、本発明によるエンジン配置の第１の実施形態１０を概略的に示しており、それによって排気ガスと給気の混合がエンジン１２の高温側１８で行われて、一般的な排気ガス／空気混合気がＥＧＲシステム２２を通ってエンジン入口側１６へ流れるようになっている。全体構造は、図１に示すエンジン配置１０の構造と同様である。従来の空気バイパス６６はもう必要とされないため、構造的空間が節約され、ＥＧＲ／ＣＡＣシステムの構造の複雑性が軽減される。エンジン配置１０はＥＧＲシステム２２を備えており、そこではエンジン１２からの排気ガスが第１の高温ＥＧＲ冷却器３８ａに入り、ＥＧＲ管２４を通って第２の低温ＥＧＲ冷却器３８ｂへ流れる。第２のＬＴ  ＥＧＲ冷却器３８ｂの出力ガスはＥＧＲ冷却空気混合ポート５８に流入し、排気ガスはそこで給気冷却器１４からの冷却給気によって混合することができ、ＥＧＲ空気入力ポート５６においてエンジン１２に入る。ＣＡＣバイパスを設けるために、空気バイパス２０は空気バイパス２０によってバイパスポート７６におけるターボ過給機６０の下流の空気管３０を、第１のＨＴ  ＥＧＲ冷却器３８ａと第２のＬＴ  ＥＧＲ冷却器３８ｂの間の空気バイパスポート２６におけるＥＧＲ接続管２４と接続する。給気は空気バイパスポート２６においてＥＧＲシステム２２に入り、そこにおいて排気ガス及び給気を、それらのＥＧＲ管２４内の流動中及び第２のＥＧＲ冷却器３８ｂにおける冷却プロセス中に混合することができる。同じＥＧＲ管２４内で排気ガス及び空気が長い流路を通ることによって完全な混合がもたらされ、敏速な応答時間によって空気／排気ガス温度の効率的な制御を実現することができる。ＥＧＲシステム２２における排気ガス／空気混合気の効率的な温度は、第２のＥＧＲ冷却器３８ｂの断熱材及び冷却能力を削減することができるように下げられる。エンジン配置はよりコンパクトになり、低負荷での排出ガス値を低減することができる。給気冷却器１４は、低温ＥＧＲ冷却器３８ｂを通って迂回される。従来のエンジン配置内に既に存在する構成部品を使用することができるため、構造上の変更は少なくコストも低い。ＥＧＲ冷却空気混合ポート５８における混合室は不必要である。従来、通常動作状態では、ＬＴ  ＥＧＲ冷却器３８ｂを低温放熱器７２からの冷却液によって冷却することができる。この構造では、エンジン１２が低負荷又は低温始動段階で動作している場合、冷却液供給を遮断して空気／排気ガス混合気の冷却を回避してもよく、或いは、ＬＴ  ＥＧＲ冷却器３８ｂを高温冷却装置７４に接続し、排気ガス／空気混合気を高温の冷却液によって加熱してもよい。ＬＴ  ＥＧＲ冷却器３８ｂの追加のバイパスは、今後は必要ない。その結果、給気冷却器１４の単一バイパス並びにＥＧＲ冷却器３８ａ又は３８ｂのバイパスは、給気によって排気ガスを能動的に冷却することによって省略することができる。ターボ過給機６０が二段階ターボエンジンである場合、空気バイパス２０は好ましくは第２のターボ圧縮機段の下流に配設することができる。制御装置（図２には示さず）は、１つ又は複数のスロットル（例えば、空気バイパス２０内及び空気管３０内に配設されるに二重スロットル）を制御して、ＥＧＲシステム２２内及び給気冷却器１４内を流れる給気の量を制御することができる。制御装置は、ＥＧＲ／空気入力ポート５６においてエンジン１２に入る排気ガス／空気混合気が１２５℃以下の温度を有するように混合を制御することができる。１つ又は複数のスロットルは二値スイッチ又は比例スロットルであってよく、制御装置はＰＤ，ＰＩ又はＰＩＤ制御部を備えていてもよい。空気管３０内を流れる空気の速度は、低反応時間を実現することができるように全負荷で最大２０〜２５ｍ／秒であってよい。高速でスロットリングを続けることによって、応答時間を短縮することができる。
【００３１】
図３は、エンジン配置１０の別の実施形態を示しており、その基本構造は基本的に図２の実施形態に基づいているが、エンジン出口側１８の排気ガス出力ポート６８をエンジン入口側１６の入力ポート５６と接続してＥＧＲ冷却器３８を迂回する直接ＥＧＲ管２８を追加的に備えている。ここで、スロットル（図示せず）は冷却されたＥＧＲ管２４又は直接ＥＧＲ管２８を通って流れる排気ガスの方向及び量を制御することができる。図３及び図４に示すように、空気バイパス管２０は、ＥＧＲ冷却器配置３８のＥＧＲ接続管２４においてＥＧＲシステムに入ってもよく、図４に示すように直接ＥＧＲ管２８に入ってもよい。空気バイパス２０を直接ＥＧＲ管２８に接続することにより、「高温」排気ガスの「低温」給気との混合が制御されるため、直接ＥＧＲ管２８の絶縁厚さが減少する。引火の危険及び温度に関連する損傷も減らすことができる。
【００３２】
図５は、エンジン配置１０の別の実施形態を示しており、ＥＧＲシステム２２は直接ＥＧＲ管２８を備えていて、ＥＧＲ冷却器３８は必要なくなっている。低温給気が空気バイパス２０を介して直接ＥＧＲ管２８に噴射されるのを制御することにより、最適に混合されたガスがＥＧＲ／空気入力ポート５６においてエンジン低温側１６に入ることができるような、排気ガス／空気混合気の温度及び混合比を実現することができる。この制御方法は、エンジンのラムダ値を最適化するのに役立つことになる。
【００３３】
図５の細部品Ａの拡大図を図６に示す。空気３４はターボ過給機６０（図示せず）によって給気され、空気管３０を通って給気冷却器１４（同じく図示せず）に向かって流れることになるが、これは第１のスロットル４２ａによって制御することができる。空気管３０はバイパスポート７６においてＥＧＲ管２４に接続され、それによって空気３４が空気バイパスポート２６を通ってＥＧＲ管２４に入ることができ、そのために第２のスロットル４２ｂが空気バイパス２０内に配設されている。両スロットル４２ａ及び４２ｂは、給気冷却器１４に向かって、又は空気バイパス２０を通ってＥＧＲシステム２２へと流れる給気３４の量を短い応答時間で制御することができる。空気バイパスポート２６において、給気が排気ガス３２と混合して空気／排気ガス混合気３６を形成し、これは混合室４８の働きをするＥＧＲ管セグメント４６内を移動する間に完全に混合する。ＥＧＲ管セグメント４６の直径及び内部構造は、排気ガス３２と給気３４の混合を最適化するように適応させることができる。混合されたガス３６は、エンジン１２のエンジン入口側１６のＥＧＲ／空気入力ポート５６に導かれる。一般的に、ＥＧＲシステム内の圧力は最大５００ｋＰａに達する可能性があり、それによって給気システム内の圧力は約１５ｋＰａになる。従って、操作弁、逆止弁、又は能動部品（例えば、追加のタービン又は圧力調整器）等の追加の手段を空気バイパス管２０内に配設して、排気ガス３２と給気３４の混合を向上させることができる。
【００３４】
図７は、図３及び４に示す実施形態と同様であるエンジン配置のより詳細な実施形態を示しており、空気バイパス２０は、直接ＥＧＲ管２８と冷却されたＥＧＲ管２４とに接続されている。制御装置４０は、ＥＧＲ／空気入力ポート５６に配設されており、エンジン１２に入る混合ガスの温度を評価する温度センサ５２を備えている。最小閾値Ｔ＿ｓｃｒと最大閾値Ｔ＿ｍａｘの間で変化し得る所定の温度Ｔ＿ｉｎを維持するために、制御装置４０は、少なくとも直接ＥＧＲ管２８（４２ｂ）に接続された空気バイパス２０内の空気管３０（４２ａ）内及び冷却されたＥＧＲ管２４（４２ｃ）に接続された空気管２０内に配設されているスロットル４２ａ〜４２ｃを制御する。更にまた、スロットル４２ｄはエンジン１２の低温側１６へ再循環されるＥＧＲガスの量を制御することができる。温度センサ５２の直接温度測定はあまりに遅く不正確なので、制御装置４０はエンジン配置１０の電子センサシステムに接続することができ、例えば、ガスアクセルペダルの角度、運転条件、そして更にエンジン関連パラメータを評価することができる。従って、エンジン負荷の間接測定中、敏速な反応時間と、ポート５６に入る空気／排気ガス混合気の温度及び比率のより正確な制御が得られる。一般的に、ＥＧＲ流は、エンジン１２によって放出されている全排気ガスの２０％〜３０％である。
【００３５】
図８は最後に車両１５を示しており、そこにおいてエンジン配置１２は、ＥＧＲ冷却器３８を有するＥＧＲシステム２２と、給気冷却器１４を備えたターボ過給機６０とを備え、それによって給気がＥＧＲシステム２２のＥＧＲ管２４を通って流れることができるように、給気冷却システムをエンジンの高温側１８において空気バイパス２０によって迂回させることができる。エンジン１２のラムダ値は最適化することができ、低負荷又はエンジン始動時の排気ガス温度は、低負荷又はエンジン始動時であってもＳＣＲ触媒５４が効率的に作用することが可能な温度値に到達することができる。
【００３６】
本エンジン配置は、ディーゼルエンジン、更にはガソリンエンジンに使用することができ、車両、或いは燃焼機関によって駆動されるその他の機器及び機械（例えば、発電機、工作機械など）に設置することができる。エンジン配置の最小の構造変更によって、吸気パラメータの改良、構造的空間の追加、及びエンジンの性能の向上を達成することができる。本発明は、新たに組み立てられたエンジンに組み込むことができ、少しの労力で既存のエンジンを改造するのに使用することもできる。
【符号の説明】
【００３７】
１０    エンジン配置
１２    エンジン
１４    給気冷却器
１６    エンジン入口側
１８    エンジン出口側
２０    空気バイパス
２２    ＥＧＲシステム
２４    ＥＧＲ管
２６    空気バイパスポート
２８    直接ＥＧＲ管
３０    空気管
３２    排気ガス
３４    空気
３６    空気／排気ガス混合気
３８    ＥＧＲ冷却器
３８ａ  高温ＥＧＲ冷却器
３８ｂ  低温ＥＧＲ冷却器
４０    制御装置
４２    スロットル
４２ａ  空気管内のスロットル
４２ｂ  直接ＥＧＲ管用の空気バイパス内のスロットル
４２ｃ  冷却されたＥＧＲ管用の空気バイパス内のスロットル
４２ｄ  ＥＧＲ管内のスロットル
４２ｅ  直接ＥＧＲ管内のスロットル
４４    ＥＧＲバイパス
４６    ＥＧＲ管セグメント
４８    混合室
５０    車両
５２    温度センサ
５４    ＳＣＲ触媒
５６    ＥＧＲ／空気入力ポート
５８    ＥＧＲ／冷却空気混合室
６０    ターボ過給機
６２    排気管
６４    空気取入口
６６    従来の空気バイパス
６８    排気ガス出力ポート
７０    冷却装置
７２    低温冷却装置
７４    高温冷却装置
７６    バイパスポート
【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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【図７】
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【図８】
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