JP2003004389A

JP2003004389A - Ｅｇｒガス冷却装置

Info

Publication number: JP2003004389A
Application number: JP2001191307A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Himi; 大輔氷見
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-06-25
Filing date: 2001-06-25
Publication date: 2003-01-08

Abstract

(57)【要約】【課題】ＥＧＲガス冷却装置において、ＥＧＲガス通路
形状の改善を図ることにより、高い熱交換率を得るとと
もに、ガス中の煤の堆積を抑えて初期の冷却性能を維持
する。【解決手段】ＥＧＲガスの流れる冷却管１１を、ガスの
流れ方向に沿う断面で鋸歯状に屈曲させる。また、冷却
管１１の入口部内径ｒ１に対して出口部内径ｒ２を小さ
く設定して、管全体を実質的にテーパ状に縮径する。こ
のときの縮径比は、入口部及び出口部におけるＥＧＲガ
ス温度に基づいて決定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、エンジンにおいて
排気系統から吸気系統に還流される排気ガス（ＥＧＲガ
ス）を冷却するＥＧＲガス冷却装置に関し、詳細には、
該装置におけるＥＧＲガス通路形状の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、排気ガスの一部を吸気系統に
導入して再循環させることにより、筒内において燃焼温
度を低下させ、ＮＯｘ排出量の低減を図るＥＧＲ（エグ
ゾーストガス・リサーキュレーション；排気還流）が行
われている。このＥＧＲでは、排気系統と吸気系統との
間を接続するＥＧＲ通路に冷却装置を介装し、通路にお
いてＥＧＲガスを冷却した後に吸気系統に導入すること
で、ＥＧＲによるＮＯｘ低減効果が向上される（特開２
００１−７４３８０号公報参照）。

【０００３】また、ＥＧＲガス冷却装置に関し、ＥＧＲ
ガスとの接触面積及び放熱面積を広げて冷却効果を高め
るための構造として、ガスが流れる冷却管を蛇腹状に形
成したものが知られている（特開２００１−７３７４１
号公報参照）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな蛇腹状冷却管においては、次に述べるような問題が
ある。第１に、上記冷却管では、概略半円状の山部と谷
部とがＥＧＲガスの流れに沿って連なる構造となってお
り、山部後流に発生する渦状の流れが谷部全体に及ぶの
で、その渦により谷部内で流れが滞り、谷部全体に渡っ
て煤が堆積することである。このため、熱交換率の著し
い低下を招いてしまう。

【０００５】第２に、通常冷却管内では、出口に近づく
に従ってＥＧＲガス温度が低下し、ガス中の煤の粘度が
上がって管壁に付着し易くなるので、出口付近で煤の堆
積傾向が顕著となることである。これについて、出口付
近においてＥＧＲガスにある程度の流速があれば、堆積
した煤を吹き飛ばすこともできる。しかし、温度が低下
すると、それ応じて体積が減少し、流速も低下する。こ
のため、出口付近では、堆積した煤を吹き飛ばすのに足
りるだけの流速が確保され難い。

【０００６】第３に、このような蛇腹形状によると、谷
部が比較的深く形成されるので、谷部に溜まった排気凝
縮水が排除され難いことである。このため、冷却管に
は、耐腐食性に優れた高価なものが必要となる。このよ
うな実情に鑑み、本発明は、ＥＧＲガス冷却装置におい
て、ＥＧＲガス通路形状の改善を図ることにより、高い
熱交換率を得るとともに、ガス中の煤の堆積を抑えて初
期の冷却性能を維持することを目的とする。

【０００７】また、本発明は、冷却装置出口付近におけ
る煤の堆積を効果的に抑制することを目的とする。ま
た、本発明は、冷却装置内における排気凝縮水の貯留を
簡単に防止することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】このため、請求項１に記
載の発明に係るＥＧＲガス冷却装置は、エンジンの排気
系統から吸気系統に還流されるＥＧＲガスを冷却媒体に
て冷却するものであって、ＥＧＲガスが流れる通路とそ
の冷却媒体が流れる通路とを隔てる通路分割壁を備え
る。この通路分割壁において、その延伸方向に沿う基準
線に対して小さな角度で傾斜する第１壁部が断続的に形
成される。そして、これらの第１壁部の間は、基準線に
対して前記角度と比べて大きな角度で傾斜する第２壁部
を含んで接続される。このようにしてＥＧＲガスの流れ
に沿う断面で概略鋸歯状に屈曲させた通路分割壁に対
し、ＥＧＲガスは、第１壁部に対向して流通させる。

【０００９】このような構成では、通路分割壁において
ＥＧＲガスとの接触面積が拡大される。また、第２壁部
において通路壁面が急に窪むので、そこで渦状の流れが
形成されるが、その下流に隣接する第１壁部は流れに対
して比較的小さな角度で傾斜するので、第１壁部上で
は、広い範囲でＥＧＲガスが滞留せずに流れ去る。この
ように、概略鋸歯状としたことにより発生する渦の形成
域は、上記第１壁部上の流れの上流側の狭い範囲に限ら
れる。

【００１０】請求項２に記載の発明は、ＥＧＲガスの通
路断面積を出口側ほど実質的に縮小したことを特徴とす
る。これにより、ＥＧＲガスが冷却されて、出口に近づ
くに従って温度が低下しても、その流速は高く維持され
る。請求項３に記載の発明は、通路断面積の縮小比を、
入口部及び出口部におけるＥＧＲガス温度に基づいて設
定したことを特徴とする。

【００１１】請求項４に記載の発明は、これらのＥＧＲ
ガス温度を最大ＥＧＲ率運転時のものとしたことを特徴
とする。これにより、上記縮小比は、ＥＧＲガス流速が
最大となる運転状態に対応して設定される。請求項５に
記載の発明は、冷却媒体を、ＥＧＲガスの流れと反対方
向に流通させたことを特徴とする。

【００１２】これにより、冷却媒体が通路分割壁から受
ける抵抗が小さくなる。請求項６に記載の発明は、概略
鋸歯状に屈曲させた通路分割壁をＥＧＲガスに対して鉛
直方向下側に位置させるとともに、出口側を下に傾斜さ
せたことを特徴とする。これにより、通路分割壁（特
に、第１壁部）は、冷却装置を比較的小さく傾斜させる
だけで出口に向けて下る斜面を提供する。よって、壁面
上の排気凝縮水は、貯留せずにこの斜面を流れ落ちる。

【００１３】請求項７に記載の発明は、通路分割壁を管
状としたことを特徴とする。

【００１４】

【発明の効果】請求項１に係る発明によれば、渦の形成
域が狭い範囲に限られ、通路壁面の大部分においてＥＧ
Ｒガスが滞留せずに円滑に流れるので、煤の堆積を抑え
ることができる。また、ＥＧＲガスの流れに対向する第
１壁部上の広い範囲で煤の堆積が抑制されることによ
り、壁面面積を拡大して得られた冷却性能の低下を防ぐ
ことができる。

【００１５】請求項２に係る発明によれば、冷却装置出
口付近でＥＧＲガスの流速が高く維持されるので、煤の
堆積傾向の顕著な個所における煤の堆積を抑えるととも
に、堆積した煤を吹き飛ばして排除することができる。
請求項３に係る発明によれば、入口部及び出口部におけ
るＥＧＲガス温度に基づいて、出口付近における流速を
高く維持するために最適な縮小比を設定することができ
る。

【００１６】請求項４に係る発明によれば、最大ＥＧＲ
率運転時に効率的に煤を排除することができる。請求項
５に係る発明によれば、冷却媒体の循環を円滑にし、冷
却効率を高めることができる。請求項６に係る発明によ
れば、通路分割壁をそれほど傾斜させずとも排気凝縮水
が冷却装置から排除されるので、レイアウト上の問題な
く排気凝縮水による腐食を防ぐことができる。

【００１７】請求項７に係る発明によれば、通路分割壁
を管状としたので、ＥＧＲガスの冷却効果が良好とな
る。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下に、図面を参照して、本発明
の実施の形態について説明する。図１は、本発明の一実
施形態に係るＥＧＲガス冷却装置を備えるエンジン（例
えば、ディーゼルエンジン）１の概略断面を示してい
る。まず、図１を参照して、エンジン１の構成について
説明する。

【００１９】吸気通路２には、導入部にエアフィルタ
（図示せず）が取り付けられており、ここで、吸入空気
中に浮遊する粉塵等が除去される。エアフィルタの下流
には、吸気絞り弁（バタフライ弁）３が設置されてい
る。吸気絞り弁３は、ＥＣＵ３１からの制御信号に基づ
いて作動するステッピングモータ４により駆動されて、
吸気通路２の開度調整を行う。吸気絞り弁３を通過した
吸入空気は、マニホールド部において各気筒に分配され
る。

【００２０】一方、排気通路５には、排気後処理装置６
が取り付けられている。各気筒からの排気ガスは、マニ
ホールド部において合流した後、この処理装置６に送り
込まれ、粒子状物質や炭化水素が除去される。また、排
気通路５には、ＥＧＲのために吸気系統に還流される排
気ガスを流通するＥＧＲ通路７が接続している。

【００２１】ＥＧＲ通路７には、ＥＧＲ制御弁（ポペッ
ト弁）８が設置されている。ＥＧＲ制御弁８は、ＥＣＵ
３１からの制御信号を受けるソレノイド式駆動装置９に
より駆動されて、ＥＧＲ通路７の開度調整を行う。ま
た、ＥＧＲ通路７には、本実施形態に係るＥＧＲガス冷
却装置（以下、クーラ）１０が介装されている。ＥＧＲ
ガスは、クーラ１０において冷却された後、吸気通路２
に導入される。ここで、排気圧力がＥＧＲのために充分
でない運転状態では、吸気絞り弁３が駆動されて吸入空
気の流路面積が縮小され、吸入負圧が形成される。

【００２２】エンジン１において設けられるセンサ類に
は、運転者のアクセル踏込量に相当するアクセル開度を
検出するアクセル開度センサ４１、単位クランク角信号
及び基準クランク角信号を検出するクランク角センサ４
２、エンジンの冷却水温度を検出する水温センサ４３が
含まれる。これらの検出信号は、いずれもＥＣＵ３１に
入力される。

【００２３】ＥＣＵ３１は、各種入力情報に基づいて、
運転状態に応じた最適なＥＧＲ率を得るべくＥＧＲ制御
弁８を制御するとともに、吸気絞り弁３を上記の通り制
御する。図２は、クーラ１０のＥＧＲガスの流れに沿う
断面を示し、図３は、クーラ１０においてＥＧＲガスが
流れる通路を形成する冷却管１１（同方向に沿う部分断
面で表す）を示したものである。次に、図２及び３を参
照して、クーラ１０について説明する。

【００２４】本実施形態において、冷却管１１は、ＥＧ
Ｒガスの流れに沿って管壁が鋸歯状に屈曲して形成され
るとともに、円周方向に環状に形成されて、全体として
ほぼ円筒状の管を構成している。そして、このような冷
却管１１が円筒状のクーラ本体１２の内部に同心に設置
されて、クーラ１０が構成される。このようなクーラ１
０に対し、ＥＧＲガスは、ＥＧＲ通路７より冷却管入口
部１１ｉに導入され、図の左から右へ流れる。

【００２５】一方、クーラ本体１２には、冷却媒体であ
る冷却水の導入口１２ｉが冷却管出口部１１ｅ付近に形
成されている。この導入口１２ｉからクーラ１０に入っ
た冷却水は、本体内壁と冷却管外壁との間をＥＧＲガス
の流れと反対方向に流れる。そして、冷却水は、冷却管
入口部１１ｉ付近に形成された排出口１２ｅから排出さ
れる。

【００２６】冷却水との熱交換により冷却されたＥＧＲ
ガスは、冷却管出口部１１ｅを介してクーラ１０を出
て、更に下流に接続されたＥＧＲ通路７を介して吸気通
路２に導入される。ここで、冷却管１１の構成について
詳細に説明する。図３（ａ）を参照すると、冷却管１１
は、前述の通りＥＧＲガスの流れに沿う断面で鋸歯状に
屈曲されている。

【００２７】このような鋸歯状の管壁は、入口部及び出
口部間で内径がｒ１からｒ２（＜ｒ１）に狭められ、そ
の間で実質的にテーパ状に縮径されている。図には、テ
ーパの状態を示すために、この断面での管壁の延伸方向
を直線Ｌで示す。なお、直線Ｌは、本発明に係る基準線
を与えるものであり、軸心線Ｃとの間に角度θを形成す
る。

【００２８】テーパにおける冷却管１１の縮径比Ｒ１２
（＝ｒ１／ｒ２）は、次のようにして設定される。な
お、縮径比Ｒ１２を二乗したものが、本発明に係るＥＧ
Ｒガスの通路断面積の縮小比に相当する。まず、冷却管
入口部１１ｉにおけるＥＧＲガスの状態量として、圧力
をＰ１、体積をＶ１及び絶対温度をＴ１とする。また、
出口部１１ｅにおける同状態量として、圧力をＰ２、体
積をＶ２及び絶対温度をＴ２とする。

【００２９】このとき、ＥＧＲガスを理想気体とすれ
ば、状態方程式であるＰＶ＝ｎＲＴ（ｎ；モル数，Ｒ；
気体定数））に基づいて次の関係が成り立つ。Ｐ１×Ｖ１／Ｔ１＝Ｐ２×Ｖ２／Ｔ２・・・（１）実験結果から、最大ＥＧＲ率運転時においてＴ１＝７７
３．１５（５００℃）及びＴ２＝５２３．１５（２５０
℃）である。また、Ｐ１とＰ２とが略等しいと近似すれ
ば、（１）より次式が得られる。

【００３０】Ｖ１／Ｖ２＝７７３．１５／５２３．１５＝Ｘ・・・（２）また、ＥＧＲガスの流速を、入口部１１ｉにおいてｖｉ
及び出口部１１ｅにおいてｖｅとすれば、Ｖ１＝ｒ１²
×π×ｖｉ、Ｖ２＝ｒ２²×π×ｖｅであるので、更に
次式が得られる。ｒ１／ｒ２＝√｛Ｘ（ｖｅ／ｖｉ）｝・・・（３）従って、流速を入口部及び出口部間で略一定に保とうと
するならば、ｖｉ≒ｖｅであるから、縮径比Ｒ１２（＝
ｒ１／ｒ２）は、√（７７３．１５／５２３．１５）≒
１．２２とする。

【００３１】また、鋸歯状の管壁において、ＥＧＲガス
の流れに対向する壁面を断続的に形成する壁部（第１壁
部）Ｗ１は、図３（ｂ）に示すように、管壁の延伸方向
に沿う直線Ｌに対して鋭角ａ１で傾斜している。これら
第１壁部Ｗ１のうち隣接するもの同士を接続する壁部
（第２壁部）Ｗ２は、直線Ｌに対して直角に近い角度ａ
２で傾斜している。

【００３２】図４は、冷却管内における壁面上の流れを
拡大図示したものである。次に、同図を参照して、以上
のような冷却管１１を含んでクーラ１０を構成したこと
の作用及び効果を述べる。まず、ＥＧＲガスは、図の左
から右に流れ、冷却水は、逆に右から左に流れるとす
る。

【００３３】ＥＧＲガスは、管路中央付近においては、
ほぼ軸心方向に管内を流れるが、管壁が屈曲しているた
め、壁面付近において流れが大きく乱される。このと
き、ＥＧＲガスの流れに対向して面する第１壁部Ｗ１が
流れに沿って断続的に配置され、各壁部Ｗ１の直ぐ下流
では、壁面が階段状に窪んでいる。このため、各壁部Ｗ
１の後流において流れが渦状に巻き込まれ（矢印ｆ
ｖ）、滞留する。

【００３４】このような渦形成域では、ＥＧＲガス中に
含まれる煤もその領域内に滞留するので、煤が壁面に堆
積し易い（煤が堆積した様子をハッチングを入れた個所
Ｓで示す）。ところが、更にその下流側に隣接する第１
壁部Ｗ１は、直線Ｌ（管壁の延伸方向を示す）に対して
小さな角度ａ１で傾斜するので、上記窪みの深さに対し
て充分長く設けられている。このため、各壁部Ｗ１上の
下流側の大部分（その範囲をｄで示す）において、ＥＧ
Ｒガスは、渦を形成することなく流れ去る（矢印ｆ
ｍ）。

【００３５】従って、渦形成域が狭い範囲に抑えられ、
それ以外の煤の堆積し難い領域が広く設けられる。この
ように、鋸歯状の冷却管１１によれば、壁面面積が拡大
されてＥＧＲガスの持つ熱量が高い効率で交換されるば
かりでなく、管路壁面において煤の堆積し難い領域が広
く設けられる。従って、煤の堆積を抑えて、経時的にも
その高い熱交換率を維持することができる。

【００３６】また、冷却管全体をテーパ状に縮径し、管
路内でＥＧＲガスの流速を略一定に維持したことによ
り、出口付近では、温度が下がって粘度の増した煤を吹
き飛ばすことができる。一方、冷却水の流れは、ＥＧＲ
ガスと反対方向であり、第１壁部Ｗ１に向かう方向であ
る。従って、冷却水が管壁から受ける抵抗を比較的小さ
く抑えることができる。

【００３７】また、冷却管１１がＥＧＲガスの流れ方向
に縮径されたことにより、冷却水の流路も流れに沿って
縮小されることになる。このため、冷却水の流れにおい
て壁面に向かう速度成分が大きくなり、冷却水と管壁と
の接触が促進され、冷却効果が高められる。次に、クー
ラ１０の設置状態を示す図５を参照して、本発明の他の
実施形態について説明する。

【００３８】本実施形態では、冷却管１１（軸心線Ｃ）
を、水平方向（一点鎖線Ｈで表示）に対して出口側を下
に角度αで傾斜させることにより、第１壁部Ｗ１を、水
平とするか又は水平方向Ｈに対して出口側を下に傾斜さ
せている。このような構成によれば、ＥＧＲガス中の水
蒸気が壁面上で凝縮して形成された凝縮水（排気凝縮
水）を、第１壁部Ｗ１の傾斜により冷却管１１から流出
させて排除することができる。このとき、凝縮水の排除
がＥＧＲガスの流れにより促進されることは言うまでも
ない。

【００３９】なお、以上では、ＥＧＲ制御弁８の駆動装
置としてソレノイド式のものを採用した例について説明
した。駆動装置にはこれ以外にステッピングモータ式の
ものもあり、この方式によりＥＧＲ制御弁８を制御し、
ＥＧＲ通路７の開度調整を行うこととしてもよい。ま
た、クーラ１０として、１本の冷却管１１を円筒状のク
ーラ本体１２の内部に同心に設置したものを示した。ク
ーラ本体の形状には、円筒以外のものを採用してよく、
例えば、断面が長方形若しくは正方形の直方体が採用さ
れる。より断面の広いクーラ本体によれば、内部に複数
の冷却管１１を設置することも可能である。本発明によ
れば、冷却管１１をそれほど傾斜させずとも第１壁部Ｗ
１が上記のように傾斜するので、複数の冷却管１１を積
み重ねて使用しても、レイアウト上の問題なく凝縮水を
排除することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係るＥＧＲガス冷却装置
を備えたエンジンの概略断面図

【図２】同上ＥＧＲガス冷却装置の断面図

【図３】冷却管の部分断面図

【図４】管路壁面上のＥＧＲガスの流れの説明図

【図５】本発明の他の実施形態に係るＥＧＲガス冷却装
置の設置状態の説明図

【符号の説明】

１…エンジン２…吸気通路３…吸気絞り弁５…排気通路６…排気後処理装置７…ＥＧＲ通路８…ＥＧＲ制御弁１０…ＥＧＲガス冷却装置１１…冷却管１２…クーラ本体３１…電子制御ユニット

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】エンジンの排気系統から吸気系統に還流さ
れるＥＧＲガスを冷却媒体にて冷却するＥＧＲガス冷却
装置であって、ＥＧＲガスが流れる通路とその冷却媒体が流れる通路と
を隔てる通路分割壁を備え、該通路分割壁を、その延伸方向に沿う基準線に対して小
さな角度で傾斜する第１壁部を断続的に形成するととも
に、これらの第１壁部の間を前記基準線に対して前記角
度と比べて大きな角度で傾斜する第２壁部を含んで接続
して、ＥＧＲガスの流れに沿う断面で概略鋸歯状に屈曲
させ、ＥＧＲガスを前記第１壁部に対向して流通させることを
特徴とするＥＧＲガス冷却装置。
【請求項２】ＥＧＲガスの通路断面積を、出口側ほど実
質的に縮小したことを特徴とする請求項１に記載のＥＧ
Ｒガス冷却装置。
【請求項３】前記通路断面積の縮小比を、入口部及び出
口部におけるＥＧＲガス温度に基づいて設定したことを
特徴とする請求項２に記載のＥＧＲガス冷却装置。
【請求項４】前記各ＥＧＲガス温度を、最大ＥＧＲ率運
転時のものとしたことを特徴とする請求項３に記載のＥ
ＧＲガス冷却装置。
【請求項５】前記冷却媒体を、ＥＧＲガスの流れと反対
方向に流通させることを特徴とする請求項１〜４のいず
れか１つに記載のＥＧＲガス冷却装置。
【請求項６】前記概略鋸歯状に屈曲させた通路分割壁
を、ＥＧＲガスに対して鉛直方向下側に位置させるとと
もに、出口側を下に傾斜させたことを特徴とする請求項
１〜５のいずれか１つに記載のＥＧＲガス冷却装置。
【請求項７】前記通路分割壁を管状としたことを特徴と
する請求項１〜６のいずれか１つに記載のＥＧＲガス冷
却装置。