(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一体型ＥＧＲポンプを組み込んだターボ過給機を含む、内燃機関用の排気ガス再循環（ＥＧＲ）システムであって、
排気ガス入口（３８）およびタービン出口（４０）を含むタービン・ハウジング（３４）と、
回転シャフト（２２）に接続され、排気ガス入口を介して受けた排気ガスによって駆動されるタービン（２４）と、
タービン・ハウジングに接続する手段を含む、回転シャフトを受ける軸受アセンブリ（４２、４４、４６、４８）を支持するセンタ・ハウジング（５０）と、
空気入口（５６）および給気出口（６０）を有する圧縮機ハウジング（５４）と、
圧縮機ハウジング入口を通じて空気を受け、圧縮空気を給気出口に吐き出す第１の羽根のセットを有する、回転シャフトに取り付けられた圧縮機ロータ（１８）であり、
そのロータ上で第１の羽根のセットの反対側に一体に取り付けられ、ＥＧＲ入口（６４）から排気ガスを受け、ディフューザ（６６）を介して排気ガス出口（６８）に圧縮した排気ガスを吐き出す第２の羽根のセット（６２）を有し、排気ガス出口および給気出口が別々の流路を含んでいる圧縮機ロータと、
圧縮機ハウジングとＥＧＲポンプ鋳物の間に拘束され、ステップ・シールまたは遠心シールでロータの円周と係合し、ロータの周囲で流路を分離し、排気ガスと給気の流路を分離する手段と、
排気ガス出口をミキサ（３２）に取り付ける手段と、
給気出口をミキサに取り付ける手段と
を含む内燃機関用のＥＧＲシステム。
【請求項２】
出口を有するミキサが、ターボ過給機の下流側にあって排気ガスおよび給気を受ける、ＥＧＲシステムであって、
ターボ過給機中の第２の羽根のセットに再循環させる排気ガスの量を制御するための、排気マニホルドとＥＧＲ入口の中間にある制御弁と、
ミキサ出口をエンジンへの吸気マニホルドに取り付ける手段と
をさらに含む請求項１に記載の内燃機関用のＥＧＲシステム。
【請求項３】
制御弁とターボ過給機へのＥＧＲ入口の中間にＥＧＲ冷却器をさらに含む請求項２に記載の内燃機関用ＥＧＲシステム。
【請求項４】
ターボ過給機の給気出口とミキサの中間に吸気冷却器をさらに含む請求項２に記載の内燃機関用ＥＧＲシステム。
【請求項５】
ＥＧＲ入口および排気ガス出口が、圧縮機ハウジングとタービン・ハウジングの中間に取り付けられた鋳物として組み込まれる請求項２に記載の内燃機関用ＥＧＲシステム。
【発明の詳細な説明】
関連出願の相互参照
本願は、出願日が１９９７年３月３日となっている、Ｅｘｈａｕｓｔ  Ｇａｓ  Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ  Ａ  Ｔｕｒｂｏｃｈａｒｇｅｒ  Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｎｇ  Ａｎ  Ｉｎｔｅｇｒａｌ  Ｐｕｍｐ、Ａ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｖａｌｖｅ  Ａｎｄ  Ａ  Ｍｉｘｅｒという名称の仮出願第６０／０３９２４６号の出願日の特典を請求するものである。
発明の背景
発明の分野：
本発明は一般に、排出を改善するための内燃機関の排気ガス再循環（ＥＧＲ）の分野に関する。さらに詳細には、本発明は、圧縮機のインペラの反対側に取り付けられ、ポンプから出力されるＥＧＲ流に対する別のディフューザ、ボリュート、スクロール入口とともにＥＧＲポンプとして働くインペラの羽根、再循環させる排気ガスを調量する制御弁、ならびに再循環した排気ガスをエンジンへの給気中に混入させるミキサを有するターボ過給機の圧縮機ホイールを提供する。
関連技術の説明：
ＥＧＲは、内燃機関でＮＯＸの排出を減少させる既知の方法である。有効に使用するためには、ＥＧＲシステムは、現在の高効率ディーゼル・エンジンの動作範囲の少なくとも一部で典型的なエンジンの両側での正の圧力勾配によって生じる不利な圧力勾配を克服しなければならない。ＥＧＲを実施する様々な手法は、排気ガスの一部を排気マニホルドから吸気マニホルドにポンピングするものである。ポンピングは、エンジン上にある従来のターボ過給機または過給機の圧縮入口中に排気ガスを導入する、あるいは別法として、排気ガスを受ける別個の圧縮機を設け、エンジンの給気昇圧システムの下流側の給気中に挿入するのに適した圧力まで排気ガスを加圧することによって行われている。これらのシステムでは一般に、燃料消費量の点で幾分不利である。
ＥＧＲでは、性能劣化を回避し、また混合損を最小限に抑えてそれ以上の燃料消費量の不利を回避するために、再循環した排気ガスと流入する新鮮空気の給気を適当に混合する必要もある。さらに、様々な動作条件下でエンジンの吸気マニホルドに供給される混合給気中で適正な比率を保証するために、再循環した排気ガス流を積極的に制御する必要がある。さらに、ＥＧＲシステムの構成要素および機構は、現在のエンジン室中で割り当てることができる限られた容積の制限内に収まらなければならない。
米国特許第５４０６７９６号は、排気ガスを圧縮機から給気ボリュートに直接加える一体式ポンプ・システムをターボ過給機中に備えたＥＧＲの手法を例示している。
したがって、ターボ過給機など既存のエンジン・システムの構成部品と物理的かつ機能的に密接に協働して排気ガスを再循環させるポンピング構成部品を利用する、高度に統合されたＥＧＲシステムを提供することが望ましい。さらに、排気ガス流量の必要な制御、およびエンジンが吸引する給気中への混合を可能にし、シリンダごとの排気ガスの割合の変動を最小限に抑えるように、ＥＧＲ流路を構成し、新しい制御構成部品を提供することが望ましい。
発明の概要
内燃機関用のＥＧＲシステムは、回転シャフトに接続された、排気ガス入口を通じて受けた排気ガスによって駆動されるタービンを格納する、排気ガス入口およびタービン出口を含むタービン・ハウジングを有するターボ過給機からなる。回転シャフトを受ける軸受アセンブリを支持するセンタ・ハウジングは、タービン・ハウジングと、空気入口および給気出口を有する圧縮機ハウジングとに接続される。圧縮機ロータは回転シャフトに取り付けられ、このロータは、圧縮機ハウジング入口を通じて空気を受け、圧縮空気を給気出口に吐き出す第１の羽根のセットを有する。このロータは、ＥＧＲ入口から排気ガスを受け、ディフューザを介して排気ガス出口に圧縮した排気ガスを吐き出す、そのロータ上で第１の羽根のセットの反対側に一体に取り付けられた第２の羽根のセットを有する。排気ガス出口および給気出口は、別々の流路である。ロータの周囲で流路を分離するバッフルは、排気ガスと給気の流路を分離する。
排気ガスおよび給気を受け、混合給気をエンジンの吸気マニホルドに接続された出口を通すミキサはターボ過給機より下流側に位置決めされる。制御弁はエンジンの排気マニホルドとＥＧＲの入口の中間に設けられ、ターボ過給機中にセットされた第２の羽根に再循環させる排気ガスの量を制御する。適当な導管が、排気ガス出口をミキサに接続し、給気出口をミキサに接続する。
【図面の簡単な説明】
本発明の詳細および特徴は、詳細な説明および図面からより明確に理解されるであろう。
第１図は、エンジンと、本発明の組合せおよび構成要素を利用するＥＧＲシステムとを示す概略図である。
第２図は、ターボ過給機と一体化された、本発明の一実施形態で利用されるＥＧＲポンプを示す詳細断面図である。
第３図は、本発明の開示の実施形態に組み込まれる、ＥＧＲポンプからの再循環した排気ガスとターボ過給機の圧縮機からの新鮮な給気のミキサを示す詳細断面図である。
第４図は、図面に示す本発明の実施形態で、再循環させる排気ガスを制御するために使用されるバルブを示す詳細断面図である。
第５図は、第４図のバルブの動作およびエレメントを示す概略図である。
第６図は、第３図のミキサの第２の実施形態を示す詳細断面図である。
発明の詳細な説明
図面を参照すると、第１図には、吸気マニホルド１２および排気マニホルド１４を有する内燃機関１０が示してある。ターボ過給機１６は給気を昇圧するために設けられ、吸気を受けて圧縮機ロータ１８によって圧縮する。この圧縮機ロータが加圧された空気を給気冷却器２０に供給し、その後吸気マニホルド中に導入する。圧縮機ロータは、エンジンの排気マニホルドから排気ガスを受けるタービン２４に接続されたシャフト２２によって駆動される。
再循環する排気ガスは、排気マニホルドを出る流れから、制御弁２６を介してＥＧＲ冷却器２８に分流される。ＥＧＲ冷却器からのガスは、この図に示す実施形態ではタービンによって駆動されることになるターボ過給機のシャフトに取り付けられた圧縮機ロータ３０であるＥＧＲポンプの入口に供給される。ＥＧＲポンプからの加圧された排気ガスはミキサ３２に流れる。このミキサは、再循環した排気流を給気と混合して、吸気マニホルド中に導入するためのほぼ均一な流れを生み出す。
第２図は、本発明による一体型ＥＧＲ圧縮機を利用するターボ過給機の細部を示している。タービンは、図面に示す実施形態では、排気ガスを分岐ボリュート３８に供給するラジアル排気ガス入口３６を組み込んだ鋳物タービン・ハウジング３４中に入っている。タービンを通って流れるガスはタービン出口４０から出る。シャフト２２は、潤滑チャネル５２を組み込んだセンタ・ハウジング５０内に全て支持された、スペーサ４４によって分離されたジャーナル軸受４２と、軸受４８を備えたスラスト・カラー４６とを含む軸受システムによって支持される。給気圧縮機は、圧縮された給気用の空気入口５６、ディフューザ５８、および給気出口であるボリュート６０を構成している鋳物圧縮機ハウジング５４内に入っている。
ＥＧＲポンプは、圧縮機ホイールの裏側にインペラの羽根６２を追加することにより、ターボ過給機の既存のロータ・グループに組み込まれる。スクロール入口６４は再循環する排気ガスを供給し、別のディフューザ６６は加圧された排気ガスをボリュートすなわち排気ガス出口６８に送る。ＥＧＲポンプ入口、ディフューザ、およびボリュートは、ターボ過給機用の従来の圧縮機バック・プレートに取って代わる鋳物７０に組み込まれるので、ロータ・グループおよびターボ過給機の長さは全体でわずかしか増加させる必要がない。圧縮機中の給気流とＥＧＲポンプ中の再循環した排気ガスの分離は、圧縮機ハウジングとＥＧＲポンプ鋳物の間に拘束されたバッフル７２によって維持される。バッフルは、ステップ・シール（ｓｔｅｐ  ｓｅａｌ）または遠心シール（ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ  ｓｅａｌ）でロータの円周と係合する。代替実施形態では、スクロール・シール（ｓｃｒｏｌｌ  ｓｅａｌ）を利用して、ターボ過給機中でＥＧＲ流と給気流を分離する圧力差を生み出し、後にさらに詳細に記述するターボ過給機の下流側にある給気冷却器などの給気流構成要素のファウリングを防止する。ＥＧＲポンプ鋳物は、圧縮機ハウジング中で受けられる止め輪７４およびボルト７６を使用して圧縮機ハウジングに取り付けられる。
ＥＧＲポンプからの加圧された排気ガスと、ターボ過給機の圧縮機および給気冷却器からの加圧された給気とは、第３図に詳細に示すミキサ３２中で混合される。ポンプからの排気ガスはミキサに導入され、入口７８を通ってボリュート８０に入る。ボリュート８０は、給気冷却器から入口８２を通って進入する主新鮮空気流路の周囲に配置されている。ボリュートは、スロット８４を介して、新鮮空気流経路の周囲に均一に排気ガスを導入する。このスロットは、比較的小さな直径の上流側リップ８６と比較的大きな直径の下流側リップ８８を有し、ＥＧＲに３次元的な角度を生み出し、コア流への流入と渦巻きの双方を促進させ、下流側の流れをさらに混合する。
新鮮空気流通路の内壁９０は、新鮮空気の給気速度を高め、流れの静圧を低下させ、新鮮空気の給気中へのＥＧＲの混入を高める収束／発散ノズル効果をもたらすように成形される。混合流は出口９２を通って出る。
末広ノズル・セクション９１を組み込み、ＥＧＲと新鮮空気の給気の混合をさらに改善し、流れの速度合わせを改善する、ミキサの第２の実施形態を第６図に示す。
第１図は、吸気マニホルドの入口の近くに配置された別体の構成要素としてミキサを示している。しかし、代替実施形態ではミキサの配置が異なる。ＥＧＲ冷却器を利用する場合には、ミキサは、エンジンの吸気マニホルドの鋳物または機械加工の一部として、給気冷却器の出口の近くに位置する、またはこれと一体化される。ＥＧＲ冷却器を利用しない適用例では、ミキサは、圧縮機ハウジングの出口または吸気冷却器の入口の近くに位置する、あるいはその一体部分として組み込まれる。
再循環する排気ガスは、制御弁２６を介してＥＧＲポンプに供給される。第４図および第５図は、このバルブの一実施形態の機械の構成および動作を説明している。釣り合い電気ソレノイド９４は、別の排気ガス再循環バルブ９８を通る流れによって発生する差圧の作用を受けるピストンすなわちダイアフラム９７によって対抗する力が与えられる、空気圧式または油圧式の三方弁９６に作用する。この差圧は、ポート１００および１０２を介して感知される。三方弁は、管路１０４からＥＧＲバルブのアクチュエータ１０６に給気を供給したり、通気口１０８を通してアクチュエータの空気を排出する。電気ソレノイドの力がピストンの力と正確に釣り合っているときには、ＥＧＲバルブ・アクチュエータに出入りする流れは発生しない。ピストンの力がソレノイドの力と釣り合うのに不十分であるときには、三方弁はアクチュエータに空気を供給するように開き、それにより一次排気流管路１１０からＥＧＲバルブを通ってＥＧＲ流管路１１２に入るＥＧＲの流れを増加させ、それによりバルブの両側の差圧を増大させ、力の釣合いを回復する。逆に、ピストンの力がソレノイドの力より強いときには、三方弁はＥＧＲバルブ・アクチュエータから空気を排出するように開き、それによりＥＧＲの流れおよびバルブの両側の差圧を減少させ、やはり力の釣合いを回復する。第４図に示すように、ＥＧＲバルブ・アクチュエータは、図面に示す実施形態では、圧力ケース１１８中に格納されたダイアフラム１１４およびばね１１６を利用し、これらは弁座１２４上のバルブ・ポペット１２２を制御してＥＧＲ流を調量するようにシャフト１２０を位置決めする。三方弁は、ソレノイドおよびピストンと係合するシャフト１３０に支持される可動オリフィス１２８とともに供給管路および通気口管路を組み込むマルチ・ポート・ボディ１２６を利用する。心出しばね１３２は、ソレノイドおよび圧力ピストンの反力と釣り合う。
特許法の必要に応じて本発明について詳細に記述したが、当業者なら本明細書に開示した特定の実施形態の修正形態および代用形態を理解するであろう。このような修正形態および代用形態は、以下の特許請求の範囲に定義する本発明の範囲および意図の範囲に含まれる。
【図１】
0004054383.tif 000002
【図２】
0004054383.tif 000003
【図３】
0004054383.tif 000004
【図４】
0004054383.tif 000005
【図５】
0004054383.tif 000006
【図６】
0004054383.tif 000007