JP2002070658A - 車両用排気ガス再循環装置の排気ガス熱交換器 - Google Patents

車両用排気ガス再循環装置の排気ガス熱交換器

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 排ガス流量の少ない運転領域にあっても、チ
ューブ壁面へのススの付着を軽減し、安定した熱伝達性
能を長期間にわたって確保する。 【解決手段】 熱交換本体２３内に設けられた熱交換用
の複数のチューブ２９内に、チューブ壁面４９に沿って
流れる排気ガスの流れを速くすると共に渦流を作る張り
出しリブ４５を周方向に沿って断続的に設け、排ガス流
量の少ない運転領域でも、渦流によって流速の速い流れ
を作り、チューブ壁面４９に対するススの付着防止を図
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、車両用排気ガス
再循環装置の排気ガス熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、排気ガス再循環装置の概要は、排
気ガスの一部を排気系から取り出し、吸入混合気ととも
に燃焼室へ送り込むことで、燃焼時の最高温度を下げて
窒素酸化物（ＮＯｘ）や粒子状物質（ＰＭ）等を低減す
るようになっている。
【０００３】排気系から取り出される排気ガスの一部
は、排気ガス熱交換器を通過する時に熱交換され冷却さ
れた後、シリンダへ還流される。
【０００４】排気ガス熱交換器の概要は、熱交換本体内
に排気ガスが流れる多数のチューブが設けられ、そのチ
ューブを横切るように冷却水が流れる構造となってい
る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】排気ガス熱交換器は、
チューブ内を流れる排気ガスと外側を流れる冷却水がチ
ューブ壁を介して熱交換が行なわれる所から、熱交換の
効率はチューブ壁の熱伝達性能によって大きく左右され
る。
【０００６】このために、排気ガスに含まれるススがチ
ューブ壁に付着しそれが堆積すると、堆積したススによ
ってチューブ壁の熱伝達性能が著しく低下するようにな
る。発明者の研究の結果、ススの堆積と排ガス流量とは
密接な関係があることが確認された。この結果である従
来型のチューブ内の目詰まり厚さと排気ガス流量との関
係を図１４に示す。図１４は縦軸に目詰まり厚さ、横軸
に排ガス流量をとったもので、この図によれば、排ガス
流量の少ない運転領域ほど堆積しやすい特性があること
がわかる。これは排ガス流量が少ないと、付着したスス
を剥ぎとる十分な流速が得られないためと考えられる。
【０００７】そこで、この発明にあっては排ガス流量の
少ない運転領域でもチューブ壁面にススの堆積が起きな
いようにした車両用排ガス再循環装置の排気ガス熱交換
器を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、この発明の請求項１によれば、熱交換本体内に、排
気ガスが流れる複数のチューブと、前記チューブを横切
るよう冷却水が流れる冷却水取入れ用の取入口及び取出
口とを備え、前記チューブ内に、軸方向に沿って所定の
ピッチ間隔で内側へ張り出す張り出しリブと、チューブ
内に配置され排気ガスを螺旋状に誘導案内するスパイラ
ルプレートとを設け、前記張り出しリブは、周方向に長
い断続した形状となっている。
【０００９】これにより、排気ガスはスパイラルプレー
トによって、チューブ内を螺旋状に流れながらチューブ
壁を介して冷却水との間で熱交換が行なわれ冷却され
る。排気ガスがチューブ内を流れる作動時において、チ
ューブ壁面に沿って流れる排気ガスは、張り出しリブと
張り出しリブの間を通過すると共に、張り出しリブを乗
り越える動作を繰返す。この時、排気ガスは張り出しリ
ブと張り出しリブの間を通過する時に流路が狭まること
で流速が速くなる。また、張り出しリブを乗り越える時
に渦流が作られ、渦流領域の速い流れの組合せによって
ススを剥がす作用が働く結果、排ガス流量が少ない運転
領域にあっても、チューブ壁面にススが堆積するのを軽
減し、長期間にわたって安定した熱伝達性能が得られ
る。
【００１０】また、この発明の請求項２によれば、熱交
換本体内に、排気ガスが流れる複数のチューブと、前記
チューブを横切るよう冷却水が流れる冷却水取入れ用の
取入口及び取出口とを備え、前記チューブ内に、軸方向
に沿って所定のピッチ間隔で内側へ張り出す張り出しリ
ブと、チューブ内に配置され排気ガスを螺旋状に誘導案
内するスパイラルプレートとを設け、前記張り出しリブ
は、軸方向に長く所定の間隔で周方向に沿って配置され
ている。
【００１１】これにより、排気ガスはスパイラルプレー
トによって、チューブ内を螺旋状に流れながらチューブ
壁を介して冷却水との間で熱交換が行なわれ冷却され
る。排気ガスがチューブ内を流れる作動時において、チ
ューブ壁面に沿って流れる排気ガスは張り出しリブと張
り出しリブの間を通過すると共に、張り出しリブを乗り
越える動作を繰返す。この時、排気ガスは、張り出しリ
ブと張り出しリブの間を通過する時に流路が狭まること
で流速が速くなる。また、張り出しリブを乗り越える時
に渦流が作られ、渦流領域の速い流れの組合せによって
ススを剥がす作用が働く結果、排ガス流量が少ない運転
領域にあっても、チューブ壁面にススが堆積するのを軽
減し、長期間にわたって安定した熱伝達性能が得られ
る。
【００１２】また、この発明の請求項３によれば、熱交
換本体内に、排気ガスが流れる複数のチューブと、前記
チューブを横切るよう冷却水が流れる冷却水取入れ用の
取入口及び取出口とを備え、前記チューブ内に、軸方向
に沿って所定のピッチ間隔で内側へ張り出す張り出しリ
ブと、チューブ内に配置され排気ガスを螺旋状に誘導案
内するスパイラルプレートとを設け、前記張り出しリブ
は、所定の間隔で周方向に沿って配置された周方向と軸
方向に長い組合せリブとなっている。
【００１３】これにより、排気ガスはスパイラルプレー
トによって、チューブ内を螺旋状に流れながらチューブ
壁を介して冷却水との間で熱交換が行なわれ冷却され
る。チューブ内を排気ガスが流れる作動時において、チ
ューブ壁面に沿って流れる排気ガスは張り出しリブと張
り出しリブの間を通過すると共に、張り出しリブを乗り
越える動作を順次繰返す。この場合、排ガス流量が少な
い運転領域にあっても、張り出しリブと張り出しリブの
間を通過する時に流路が狭まることで流速が速くなる。
また、周方向と軸方向の組合せリブによって各リブを排
気ガスが乗り越える時に、回転方向の異なる渦流が作ら
れる。この渦流領域では向きの異なる速い流れが得られ
るようになり、速い流速の組合せによってススを剥がす
作用が働く結果、チューブ壁面にススが堆積するのを軽
減し、長期間にわたって安定した熱伝達性能が得られ
る。
【００１４】また、この発明の請求項４によれば、スパ
イラルプレートを、張り出しリブの上に固定支持する。
【００１５】これにより、スパイラルプレートはチュー
ブ壁面との間に隙間が作られた状態となるため、排ガス
が停滞するよどみ部分がなくなり、ススが付着しにくく
なる。
【００１６】
【発明の効果】この発明の車両用排気ガス再循環の排気
ガス熱交換器によれば、チューブ壁面に沿って流れる排
気ガスが張り出しリブと張り出しリブの間を通過する時
に、狭くなる流路幅によって速くなる流速と、張り出し
リブを乗り越える時に作られる渦流領域の速い流速の組
合せによって、排ガス流量が少なくなる運転領域でも、
確実にチューブ壁面に付着するススを剥ぎとるようにな
り、ススが堆積するのを確実に軽減できる。
【００１７】この結果、長期間にわたって安定した熱伝
達性能が得られるようになる。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下、図１乃至図６の図面を参照
しながらこの発明の第１の実施形態について具体的に説
明する。
【００１９】図６は排気ガス再循環装置を示した全体の
システム図を示しており、エンジン１はディーゼルエン
ジンとなっている。エンジン１を構成するピストン３と
シリンダ５とによって形成される燃焼室７には、燃料噴
射ポンプ９によって燃料が、また、ターボチャージャ１
１によりエアクリーナ１３から取入れた空気がインテー
ク・マニホールド１５を介してそれぞれ送り込まれるよ
うになっている。インテーク・マニホールド１５には駆
動手段によって開閉自在に制御される制御弁１７が設け
られ、燃焼空気供給量の制御が可能となっている。
【００２０】燃焼室７で燃焼した排気ガスはエキゾース
ト・マニホールド１９から分岐され一方は、前記ターボ
チャージャ１１を駆動した後、マフラー２１を通り外へ
排出される。他方は排気ガス熱交換器２３を通り、前記
インテーク・マニホールド１５に還流されるようになっ
ている。インテーク・マニホールド１５に還流される排
気ガスの還流量は、図外の駆動手段によって制御される
ＥＧＲバルブ２５の開度量によって制御されるようにな
っている。
【００２１】排気ガス熱交換器２３は、図５に示すよう
に熱交換器本体２５内に前後の隔壁となるエンドプレー
ト２７，２７を貫通し排気ガスが通り抜ける真すぐなチ
ューブ２９が複数配置される一方、前記チューブ２９を
横切るよう冷却水が流れる冷却水取入れ用の取入口３１
と取出口３３とを有している。
【００２２】取入口３１は、エンジン冷却用のウオータ
ジャケット３５を介してウオータポンプ３７の吐出口３
９と、取出口３３は、配管４１を介してウオータポンプ
３７の取込口４３とそれぞれ接続連通し、ウオータポン
プ３７の回転によりウオータジャケット３５、排気ガス
熱交換器２３を通る冷却水の循環した流れが確保される
ようになっている。
【００２３】チューブ２９内には、図２に示すように、
軸方向に沿って所定のピッチ間隔で内側へ張り出す張り
出しリブ４５と、排気ガスを螺旋状に誘導案内するスパ
イラルプレート４７がそれぞれ設けられている。
【００２４】張り出しリブ４５は、周方向に長く所定の
間隔で断続する形状となっている。
【００２５】スパイラルプレート４７は、帯板を１８０
度捩ることで形成されている。ねじりピッチは各張り出
しリブ４５の各位置と対応し、各張り出しリブ４５の上
にロー付け等の手段によって固定支持されている。
【００２６】これにより、図３に示すように張り出しリ
ブ４５とチューブ壁面４９との間に排気ガスの停滞の起
きない所定の隙間ｄが確保される一方、チューブ２９を
展開した時に、図４に示すように中央の張り出しリブ４
５を通る軌跡５１が形成され、矢印方向の排気ガスの流
れに対して張り出しリブ４５が所定角度の迎え角αを備
える構造となっている。
【００２７】この場合、張り出しリブ４５は図７から図
９に示すように軸方向に長く所定の間隔で周方向に沿っ
て配置されると共に排気ガスの流れに対して所定角度の
迎え角βを備える構造であってもよい。
【００２８】このように構成された排気ガス熱交換器２
３によれば、燃焼室７からの排気ガスの一部はエキゾー
スト・マニホールド１９から分岐され、熱交換器本体２
３のチューブ２９内をスパイラルプレート４７のリード
角により螺旋状に流れることで、チューブ壁を介して冷
却水との間で熱交換が行なわれ冷却される。
【００２９】排気ガスがチューブ２９内を流れる作動時
において、図１に示すように、チューブ壁面４９に沿っ
て流れる排気ガスは、張り出しリブ４５と張り出しリブ
４５の間を通過すると共に張り出しリブ４５を乗り越え
る動作を繰り返す。この時、排気ガスは張り出しリブ４
５と張り出しリブ４５を通過する時に流路が狭まること
で流速が速くなる。
【００３０】また、張り出しリブ４５を乗り越える時に
渦流、縦渦が作られる。縦渦は強く速い流れが確保さ
れ、張り出しリブ４５の間を流れる速い流速との組合せ
によってススを剥がす作用が確実に働く結果、排ガス流
量が少ない運転領域にあっても、チューブ壁面４９にス
スが付着し堆積するのを軽減する。同時に、スパイラル
プレート４７とチューブ壁面４９との間に形成される隙
間ｄによって排気ガスが常に流れるようになるため、排
気ガスの停滞がなくなりススの付着を阻止する結果、長
期間にわたって安定した熱伝達性能が得られる。
【００３１】図１０から図１３は、張り出しリブ４５の
第２の実施形態を示したものである。
【００３２】即ち、チューブ２９内に、軸方向に沿って
所定のピッチ間隔で内側へ張り出す張り出しリブ４５を
設ける。張り出しリブ４５は、周方向と軸方向に長い組
合せリブとなっていて、周方向の張り出しリブ４５は、
排気ガスの流れに対して所定角度の迎え角αを備えた形
状となっている。軸方向の張り出しリブ４５は、排気ガ
スの流れに対して所定角度の迎え角βを備えた形状とな
っている。
【００３３】なお、他の構成要件は第１の実施形態と同
一のため、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００３４】したがって、この第２の実施形態によれば
組合せリブは、排気ガスが通過する時に、図１０に示す
ように、回転方向が異なる二つの渦流、縦渦が作られ
る。この縦渦は強く速い流れが確保される結果、その二
つの渦流の相乗作用と、張り出しリブ４５の間を流れる
速い流速との組合せによってススを確実に剥ぎとり、ス
スの堆積を阻止することで、長期間にわたり安定した熱
伝達性能が得られるようになる。
【００３５】なお、この実施形態のスパイラルプレート
４７は一枚の帯板を１８０度捩ることで形成したもので
あるが、断面十字状に形成された帯板を１８０度捩るこ
とで形成する組合せ手段とすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明にかかる排気ガス熱交換器においてス
パイラルプレートを取外したチューブの一部分を示す概
要切断説明図。
【図２】排気ガス熱交換器のチューブの概要切断面図。
【図３】図２のＡ−Ａ線断面図。
【図４】スパイラルプレートを取外したチューブの概要
展開図。
【図５】排気ガス熱交換器の切断面図。
【図６】排気ガス再循環装置のシステム図。
【図７】張り出しリブを軸方向とした別の実施形態を示
す図２と同様の概要切断面図。
【図８】図７のＢ−Ｂ線断面図。
【図９】スパイラルプレートを取外した図７のチューブ
の展開図。
【図１０】張り出しリブの第２の実施形態を示した図１
と同様のチューブの一部分を示す概要切断面図。
【図１１】第２の実施形態のチューブの概要切断面図。
【図１２】図１１のＣ−Ｃ線断面図。
【図１３】スパイラルプレートを取外した図１１のチュ
ーブの展開図。
【図１４】チューブ内のススの目詰まり厚さと排気ガス
流量の関係を示した説明図。
【符号の説明】
２３ 熱交換本体 ２９ チューブ ３１ 取入口 ３３ 取出口 ４５ 張り出しリブ ４７ スパイラルプレート

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 熱交換本体（２３）内に、排気ガスが流
    れる複数のチューブ（２９）と、前記チューブ（２９）
    を横切るよう冷却水が流れる冷却水取入れ用の取入口
    （３１）及び取出口（３３）とを備え、前記チューブ
    （２９）内に、軸方向に沿って所定のピッチ間隔で内側
    へ張り出す張り出しリブ（４５）と、チューブ（２９）
    内に配置され排気ガスを螺旋状に誘導案内するスパイラ
    ルプレート（４７）とを設け、前記張り出しリブ（４
    ５）は、周方向に長い断続した形状となっていることを
    特徴とする車両用排気ガス再循環装置の排気ガス熱交換
    器。
  2. 【請求項２】 熱交換本体（２３）内に、排気ガスが流
    れる複数のチューブ（２９）と、前記チューブ（２９）
    を横切るよう冷却水が流れる冷却水取入れ用の取入口
    （３１）及び取出口（３３）とを備え、前記チューブ
    （２９）内に、軸方向に沿って所定のピッチ間隔で内側
    へ張り出す張り出しリブ（４５）と、チューブ（２９）
    内に配置され排気ガスを螺旋状に誘導案内するスパイラ
    ルプレート（４７）とを設け、前記張り出しリブ（４
    ５）は、軸方向に長く所定の間隔で周方向に沿って配置
    されていることを特徴とする車両用排気ガス再循環装置
    の排気ガス熱交換器。
  3. 【請求項３】 熱交換本体（２３）内に、排気ガスが流
    れる複数のチューブ（２９）と、前記チューブ（２９）
    を横切るよう冷却水が流れる冷却水取入れ用の取入口
    （３１）及び取出口（３３）とを備え、前記チューブ
    （２９）内に、軸方向に沿って所定のピッチ間隔で内側
    へ張り出す張り出しリブ（４５）と、チューブ（２９）
    内に配置され排気ガスを螺旋状に誘導案内するスパイラ
    ルプレート（４７）とを設け、前記張り出しリブ（４
    ５）は、所定の間隔で周方向に沿って配置された周方向
    と軸方向に長い組合せリブとなっていることを特徴とす
    る車両用排気ガス再循環装置の排気ガス熱交換器。
  4. 【請求項４】 スパイラルプレート（４７）は、張り出
    しリブ（４５）の上に固定支持されていることを特徴と
    する請求項１，２，３のいずれかに記載の車両用排気ガ
    ス再循環装置の排気ガス熱交換器。
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