JP2005180268A

JP2005180268A - エンジンのｅｇｒクーラー

Info

Publication number: JP2005180268A
Application number: JP2003420605A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Sekiyama; 惠夫関山
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2003-12-18
Filing date: 2003-12-18
Publication date: 2005-07-07
Anticipated expiration: 2023-12-18
Also published as: JP4345470B2

Abstract

【課題】排気ガス中の有害成分であるＮＯｘを減少させるため、吸気通路に再循環させるＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラーにおいて、大きさ、重量等を増加させることなく、冷却能力を向上させる。
【解決手段】高温のＥＧＲガスが通過するＥＧＲパイプ（５１）は、端板（６）に固定される両端部の断面形状が円形であり、中間部の断面形状が扁平な長円形であるように形成されている。さらに、ＥＧＲクーラー内では、隣り合う前記ＥＧＲパイプ（５１）は、扁平な長円形断面形状の長軸の延長線が所定の角度を持って交わるように配列されている。ＥＧＲパイプ（５１）の形状が扁平であるため、ＥＧＲガスと冷却水との熱伝達効率が向上し、また、隣り合うＥＧＲパイプ（５１）間の間隙が確保されて冷却水の圧損は少ないので、小型のＥＧＲクーラーでありながら冷却能力を高めることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、主にエンジンの排気ガス中のＮＯｘを除去するため、排気ガスを吸気通路に再循環するエンジンにおいて、再循環する通路に設置され、排気ガス（ＥＧＲガス）を冷却するＥＧＲクーラーに関するものである。

車両用エンジン、特にディーゼルエンジンに対する、特にディーゼルエンジン排気ガスの規制は、近年、逐次強化されるとともに、将来もより厳しい規制が実施される傾向にある。ディーゼルエンジンは、ガソリンエンジンと比べもともと熱効率が高く、ＣＯ_２の排出量はその分少なくなるという特性を有しているものの、パティキュレート（、ＰＭ）及びＮＯｘについては、その低減が強く要請されている。

ＮＯｘを低減させる技術としては、エンジンの排気ガスを吸気通路に再循環してシリンダ内の燃焼を制御する技術、つまりＥＧＲ技術がよく知られており、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジンを問わず、車両用エンジンでは広く実施されている。そして最近では、ＥＧＲによるＮＯｘ低減の効果をさらに高めるべく、ＥＧＲガスを冷却して吸気通路に再循環する、いわゆるクールＥＧＲ方式が注目され、燃焼制御によるＮＯｘ低減の必須技術とも目されている。このクールＥＧＲ方式によると、再循環するＥＧＲガスの体積が減少してシリンダ内へ大量のＥＧＲを行うことができると同時に、冷却されたＥＧＲガスにより、燃焼温度の過度の上昇を抑制する効果も期待できる。

ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラーとしては、一例として特開２００３−２２２４９８号公報に示されるように、通常、多管式熱交換器が用いられる。多管式熱交換器は外周ケース内に複数の管が配置された構造となっており、排気通路から抽出された高温のＥＧＲガスが複数の管を通過し、外周ケース内で複数の管の周りを流れる冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。以下、図８、図9に基づいてこのような従来のＥＧＲクーラーについて説明する。

ＥＧＲクーラー１の両端には、エンジンの排気通路から導かれたＥＧＲガスの入口管２と、吸気通路に向け冷却後のＥＧＲガスを排出する出口管３が接続されている。ＥＧＲクーラーの外周ケース４内には、複数のＥＧＲパイプ５が配列され、ＥＧＲパイプ５の両端は、図8のＣ−Ｃ矢視図である図９から分かるとおり、円形の端板６に設けられた挿入孔に、ろう付け、溶接等で固定される。さらに、外周ケース４には冷却水入口７及び冷却水出口８が取り付けてあり、例えばエンジン冷却水を分岐して冷却水入口７から送り込み、冷却水出口８からエンジン冷却水系統に戻すよう構成されている。なお、特殊なＥＧＲクーラーとして、特開２０００−２６５９０８号公報に記載されているように、円形のＥＧＲパイプの両端を多角形断面に拡管加工し、これを集合して端板に固定し熱交換器部分を組み立てたものも公知である。

エンジン排気通路からの高温のＥＧＲガスは、入口管２を経て複数のＥＧＲパイプ５内に流入する。ＥＧＲパイプ５の周囲には冷却水が対向して流されているので、高温のＥＧＲガスは、ＥＧＲパイプ５内を流れるにつれ次第に冷却される。冷却後のＥＧＲガスは出口管３から排出され、流量を制御するＥＧＲバルブを介してエンジンの吸気通路に再循環される。なお、ＥＧＲバルブは、エンジンの排気通路とＥＧＲクーラーとの間に配置することもできる。
特開２００３−２２２４９８号公報特開２０００−２６５９０８号公報

ＥＧＲクーラーはエンジンの付属品であり、エンジン冷却水を送り込む必要がある関係上、ＥＧＲクーラーを直接エンジンに取り付ける場合が多い。車両用エンジンは、これを搭載するスペースが限られており、付属する部品を含め、極力小型化及び軽量化することが望ましい。したがって、ＥＧＲクーラーとしては、小型でありながら冷却能力の非常に高い熱交換器が要求される。もちろん、コストの面でも経済性の優れたものでなければならない。

冷却能力を向上させるには、ＥＧＲパイプの本数あるいは長さを増加させ、ＥＧＲガスから冷却水への熱伝達面積を増大させること、又は、冷却水の流量を増大させることやその水温を低下させることが考えられる。しかし、ＥＧＲパイプの本数あるいは長さを増加させた場合は、ＥＧＲクーラーの大きさ及び重量が増加し、エンジンの車両への搭載性が悪化するとともに、冷却水通路の圧力損失が増加することになり、冷却水の流量が減少して、ＥＧＲクーラーを大型化した割には冷却能力の向上は少ない。また、冷却水の流量を増加させるには、エンジンのウオータポンプの大型化とその駆動力の強力化が、そして水温の低下にはラジエータの大型化が必要となり、その結果、搭載性の悪化やエンジンの燃費悪化の問題を招く。

上記の課題に鑑み、本発明は、ＥＧＲパイプの形状及びその配列を改善し、ＥＧＲガスと冷却水との熱伝達効率を向上して冷却能力を高めることを特徴とするものである。すなわち、本発明は、
「エンジンの排気ガスを吸気通路に再循環するＥＧＲ通路に設置され、再循環されるＥＧＲガスを冷却媒体によって冷却するＥＧＲクーラーにおいて、
前記ＥＧＲクーラーは、ＥＧＲガスの入口及び出口と、冷却媒体の入口及び出口と、ＥＧＲガスが流れる複数のＥＧＲパイプと、前記ＥＧＲパイプの両端に配設され前記ＥＧＲパイプを固定する端板と、前記ＥＧＲパイプ及び前記端板を収容する外周ケースとを有しており、
前記ＥＧＲパイプは、前期端板に固定される両端部の断面形状が円形であり、中間部の断面形状が扁平な長円形であるように形成され、隣り合う前記ＥＧＲパイプは、扁平な長円形断面形状の長軸の延長線が所定の角度を持って交わるように配列されている」
ことを特徴とするＥＧＲクーラーとなっている。

断面形状が扁平なＥＧＲパイプを簡単に製造するため、請求項２に記載のように、前記ＥＧＲパイプは、断面形状が円形のパイプの中間部を、断面形状が扁平な長円形となるようプレス加工して成型されることが好ましい。

ＥＧＲクーラーの製造、組み立て加工をさらに容易にするため、請求項３に記載のように、前記ＥＧＲパイプには、両端部に多角形のフランジを固定し、前記多角形のフランジを互いに接合することにより前記複数のＥＧＲパイプと前記端板とを製作することができる。

また、請求項４の発明のように、冷却性能の一層の向上を目的として、外周ケースの比較的温度の低いＥＧＲガスの出口側部分を、入口側部分よりも熱伝導率の高い材料で製作することができる。

本発明のＥＧＲパイプは、端板に固定される両端部が円形の断面形状、中間部が扁平な長円形の断面形状となっている。ＥＧＲパイプの長さの大部分を占める中間部は、断面形状が扁平な長円形であるので、そこを流れるＥＧＲガスの、ＥＧＲパイプ内壁面との平均的な距離は、従来の円形断面形状の管よりも短縮される。つまり、熱伝達量が円形断面形状の管より増大し、実質的には伝熱面積が増加したことと等しい。また、円形の端部から扁平な長円形に移行する部分では、ＥＧＲガスの流れに乱れが生じ、その後のＥＧＲガスとＥＧＲパイプ内壁面との間の熱伝達が良好となる。

さらに、ＥＧＲクーラー内では、隣り合うＥＧＲパイプは、扁平な長円形断面形状の長軸の延長線が所定の角度を持って交わるように、いわば互い違いに配列されている。つまり、長軸方向が外周ケース内で重なっていないため、隣り合うＥＧＲパイプの間には、ほぼ均等な間隙が確保され、そこを流れる冷却水の圧力損失が増大することはない。したがって、本発明においては、ＥＧＲクーラーのサイズを増加させることなく、また、ウオータポンプやラジエータの大きさを増大させることなく、ＥＧＲクーラーの冷却能力を向上させることが可能となる。

本発明のＥＧＲパイプは、比較的簡単な断面形状を有しており、請求項２に記載されているように、通常の円形の管をもとにして、その中間部をプレス加工によって押しつぶすように変形させて成形することができる。このように製造されたパイプを採用すると、製造コストは安価なものとなる。

本発明のＥＧＲクーラーでは、隣り合うＥＧＲパイプは、長円形断面形状の長軸の延長線が所定の角度を持って交わるように配列されているが、ＥＧＲパイプの断面の長軸方向を正確に維持しながら、その両端を端板に固定するのは難しい面がある。ＥＧＲクーラーの製造、組み立て加工を容易にするため、請求項３に記載のように、複数のＥＧＲパイプの両端部に、同一形状の多角形のフランジを固定し、この多角形のフランジを互いに接合することにより、ＥＧＲパイプと端板との組立体を製作することができる。これによれば、ＥＧＲパイプと端板とのいわばユニット体を組み合わせることになるので、ＥＧＲパイプの方向を正確に配置するのが容易となる。また、ユニット体の個数を増減させて、異なったサイズのＥＧＲクーラーを簡単に製造することができる。

ＥＧＲクーラーは、高温のＥＧＲガスが通過する関係上、通常は、ステンレス鋼のような耐熱性等の優れた材料で作られる。こうした材料はアルミニュウムなどと比較すると、伝熱性能においては劣るものであるが、請求項４の発明のように、外周ケースの比較的温度の低いＥＧＲガスの出口側部分を、例えばアルミニュウム材のごとく入口側部分よりも熱伝導率の高い材料で製作することによって、外周ケースから大気中あるいは冷却水中への熱伝達が促進され、より一層冷却性能が改善される。

以下、図面に基づいて、本発明のＥＧＲクーラーについて説明する。図１は、本発明にかかるＥＧＲクーラーの縦断面図であり、従来例（図８）のものと同一の部材には同一の番号が付してある。図２は、図１のＡ−Ａ断面を示す。

ＥＧＲクーラーの両端には、ＥＧＲガスの入口管２と出口管３とが接続してあり、外周ケース４には冷却水入口７及び冷却水出口８が設けてある。外周ケース４の両端は、端板６によって閉鎖され、この端板には複数のＥＧＲパイプ５１の端部を固定する挿入孔が設けられている。

本発明のＥＧＲパイプ５１は、端板６に挿入、固定される両端は円形断面であり、端板６との結合部分は図８、図９と同様であるが、中間部は、図２に示すように、扁平な長円形の断面となっている。そして、外周ケース４内において、隣り合うＥＧＲパイプは、長円形断面形状の長軸の延長線が所定の角度を持って交わるように配列されており、この実施例ではその角度は９０度である。すなわち、長円形断面形状のＥＧＲパイプが、横方向と縦方向と交互に、いわば互い違いに配列されている。

エンジンの排気管から分岐されたＥＧＲガスは、入口管２から複数のＥＧＲパイプ５１に流れ込む。ＥＧＲパイプ５１の長さの大部分を占める中間部は、断面形状が扁平な長円形であるので、そこを流れるＥＧＲガスの、ＥＧＲパイプ５１内壁面との平均的な距離は、従来の円形断面形状の管よりも短い。たとえば、中心部を流れるＥＧＲガスとＥＧＥパイプ５１の内面との距離は、長円形断面の短径の長さとなる。距離が短縮された分熱伝達量が大きくなり、実質的には伝熱面積が増加したことと同等の効果を奏する。

また、端板６の直後において（図１のＢ部分）、ＥＧＲパイプ５１の断面は円形から扁平な長円形に変化するが、この移行する部分ではＥＧＲガスの流れに乱れが生じる。この乱れはＥＧＲガスとＥＧＲパイプ内壁面との間の熱伝達を促進し、熱伝達量をさらに増加させてＥＧＲクーラーの冷却能力を高めることとなる。

ＥＧＲクーラー内には冷却水入口７から冷却水が送り込まれ、ＥＧＲパイプ５１の間隙を通過して冷却水出口８へと流れる。隣り合うＥＧＲパイプ５１は、扁平な長円形断面形状の長軸の延長線が９０度の角度を持って交わるように配列されており、長軸方向が外周ケース内で重なっていないため、隣り合うＥＧＲパイプ５１の間には、ほぼ均等な間隙が確保される。このため、冷却水の圧力損失が増大することはない。

本発明のＥＧＲパイプ５１は、扁平な長円の比較的単純な断面形状を有しており、図３に示すように、通常の円形の管をもとにして、その中間部をプレス加工によって押しつぶすように変形させて成形することができる。すなわち、扁平な長円形の形状に対応した型空間を持つ上型９と下型１０の中間に、両端部を残して、ＥＧＲパイプ５１の素材である円管を配置し、上型９を下方に移動させて円管の中間部をプレス加工する。このようにしてＥＧＲパイプ５１を製造することにより、その製造コストは安価なものとなる。

次いで、本発明の別の実施例である実施例２について、図４、図５及び図６によって説明する。この実施例２のＥＧＲクーラーは、実施例１のものと比べ、ＥＧＲパイプ５１と端板との製造、組み立て方法に特徴がある。

実施例２のＥＧＲクーラーにおいては、ＥＧＲパイプ５１の両端部に多角形の小型フランジを取り付ける。図４、図５に示される例では、四角形の小型フランジ１１を取り付けている。小型フランジ１１の中央部には挿入孔が設けてあり、ＥＧＲパイプ５１の円形断面をなす両端部を挿入孔と嵌め合わせ、溶接、ろう付け等によって固定する。このような接合のため、ＥＧＲパイプ５１の前端と小型フランジ１１の前端との間には、軸方向に若干の隙間をもたせるのが望ましい。

ＥＧＲパイプ５１の各々に同一形状の四角形の小型フランジを取り付け、ＥＧＲクーラーにおけるＥＧＲパイプ５１の本数に対応した数のユニット体を作成する。その後、このユニット体を、図５に示すごとく、長円形断面の長軸方向が直角となるよう互い違いに配置し、隣接する小型フランジを溶接等により接合する。互いに接合された小型フランジは端板６を形成することになり、このようにして複数のＥＧＲパイプと端板とを製作することができる。円形の外周ケース４との間には、嵌め合い板１２が置かれているが、場合によっては、ユニット体を縦横同数組み合わせ、外周を正方形として、外周ケースをこれに対応した断面正方形のものとすることも可能である。さらに、図６に示されるように、正三角形の小型フランジ１３を用いることも可能であって、このときは、ＥＧＲパイプ５１の長円形断面の長軸方向が交わる角度は６０度となる。

本発明のＥＧＲクーラーでは、隣り合うＥＧＲパイプ５１は、長円形断面形状の長軸の延長線が所定の角度を持って交わるように配列されているが、ＥＧＲパイプ５１の断面の長軸方向を正確に維持しながら端板６との組み立て加工を行うのは、一般的には困難である。それに対し、実施例２のＥＧＲクーラーでは、ＥＧＲパイプとフランジとのユニット体を組み合わせることになるので、ＥＧＲパイプの方向を正確に配置するのが容易となる。また、ユニット体の個数を増減させて、異なったサイズのＥＧＲクーラーを簡単に製造することができる。

ちなみに、前述の特許文献２には、円形のＥＧＲパイプの両端を多角形断面に拡管加工し、これを集合して端板に固定し熱交換器部分を組み立てたＥＧＲクーラーが開示されている。しかし、この従来例のＥＧＲクーラーでは、ＥＧＲパイプは円形断面であり、本発明のように、長円形断面のパイプの長軸方向を互いに正確に配列するという課題がなく、そのような効果も存在しない。また、両端に小型フランジを取り付けるものと異なり、ＥＧＲパイプ相互の間隙も余り大きくはできず、冷却水の流通量が制限されるという問題点もある。

さらに、外周ケースを改良して冷却能力を一層改善した実施例３を、ＥＧＲクーラーの断面図である図７（ｂ）、左端面図である図７（ａ）に基づいて説明する。ＥＧＲガスは、特にＥＧＲクーラーの入口側では高温であり、腐食性成分が含まれている場合もあるため、ＥＧＲガスと接触するＥＧＲパイプ及び端板、さらには外周ケースも、通常、耐熱性、耐腐食性の優れたステンレス鋼によって製作される。しかし、ステンレス鋼は熱伝導率が低く、伝熱材料としては不利な面がある。

実施例３では、ＥＧＲパイプ５１、端板６及びＥＧＲガスの入口側外周ケース４１は、ステンレス鋼により製作されるとともに、ＥＧＲガス下流の出口側外周ケース４２は、の熱伝導率の高いアルミニュウム材が用いられている。アルミニュウム材の出口側外周ケース４２の両端にはフランジ４３、４４が設けてあり、入口側外周ケース４１と出口側外周ケース４２とは、結合ボルト４５によりフランジ結合されている。ＥＧＲガス下流側の端部には、アルミニュウム材の端部フランジ４６を配置し、出口側外周ケースのフランジ４４とボルトにより結合する。端部フランジ４６には、ＥＧＲパイプ５１に対応した流通孔を設け、また、ステンレス鋼製の下流側の端板６との間には熱伝導率に高い銅製のガスケット４７を介在させて、端部フランジ４６と端板６とをビス４８及びボルト４９により締結する。このようにボルトやビスを用いて外周ケースを組立るのは、ステンレス鋼とアルミニュウム材の溶接が困難なためであるが、特別な溶接法を採用して溶接によって組立ることも可能である。

ＥＧＲガスの保有する熱は、ＥＧＲパイプ５１から下流側の端板６に伝わり、さらに、熱伝導率に高い銅製のガスケット４７及びアルミニュウム材の端部フランジ４６を介して、やはりアルミニュウム材からなる出口側外周ケース４２に伝導される。出口側外周ケース４２の内側には冷却水が流れるとともに、その外側は、車両の走行風又はエンジンの冷却風にさらされているため、出口側外周ケース４２の熱は冷却水及び大気に伝達され、ＥＧＲクーラーにおいて、より一層良好な冷却が行われることとなる。場合によっては、出口側外周ケース４２の外面に放熱用のフィンを設けてもよい。

実施例３のＥＧＲクーラーの外周ケースに使用されるアルミニュウム材は、熱膨張率がステンレス鋼よりも大きく、ステンレス鋼のＥＧＲパイプと組み合わせたときに熱応力を生ずる恐れがある。このため、図７に示すように、ＥＧＲパイプの中間に蛇腹部分Ｄを形成し、熱膨張を吸収することが望ましい。また、この実施例における外周ケースは、ＥＧＲパイプの断面形状が扁平な長円形のものに限らず、従来の円形断面形状のＥＧＲパイプを用いたＥＧＲクーラーに対しても適用できることは明らかである。

以上詳説したとおり、本発明は、ＥＧＲパイプの形状及びその配列を改善しＥＧＲガスと冷却水との熱伝達効率を向上して、ＥＧＲクーラーの大きさあるいは重量を増加することなく、その冷却能力を高めることを特徴とするものである。そして、請求項２又は請求項３の発明によれば、こうしたＥＧＲクーラーを簡易に製造することができ、請求項４のように外周ケースを改良したときは、冷却能力をより増大することができる。

本発明に基づくＥＧＲクーラーの断面図である。図１のＡ-Ａ断面図である。本発明におけるＥＧＲパイプの製造法を示す図である。本発明の実施例２におけるＥＧＲパイプの組立て図である。本発明の実施例２における端板の組立て図である。本発明の実施例２の変形例を示す図ある。本発明の実施例３のＥＧＲクーラーを示す図である。従来のＥＧＲクーラーの断面図である。従来のＥＧＲクーラーの端板等を示す図である。

符号の説明

１ＥＧＲクーラー
２入口管
３出口管
４外周ケース
４１入口側外周ケース
４２出口側外周ケース
４６端部フランジ
５１ＥＧＲパイプ
６端板
７冷却水入口
８冷却水出口
１１小型フランジ（四角形）
１２小型フランジ（三角形）

Claims

エンジンの排気ガスを吸気通路に再循環するＥＧＲ通路に設置され、再循環されるＥＧＲガスを冷却媒体によって冷却するＥＧＲガスクーラー（１）において、
前記ＥＧＲクーラーは、ＥＧＲガスの入口（２）及び出口（３）と、冷却水の入口（７）及び出口（８）と、ＥＧＲガスが流れる複数のＥＧＲパイプ（５１）と、前記ＥＧＲパイプの両端に配設され前記ＥＧＲパイプを固定する端板（６）と、前記ＥＧＲパイプ及び前記端板を収容する外周ケース（４）とを有しており、
前記ＥＧＲパイプ（５１）は、前記端板（６）に固定される両端部の断面形状が円形であり、中間部の断面形状が扁平な長円形であるように形成され、隣り合う前記ＥＧＲパイプ（５１）は、扁平な長円形断面形状の長軸の延長線が所定の角度を持って交わるように配列されていることを特徴とするＥＧＲクーラー。
前記ＥＧＲパイプ（５１）は、断面形状が円形のパイプの中間部を、断面形状が扁平な長円形となるようプレス加工により成形される、請求項１記載のＥＧＲクーラー。
前記ＥＧＲパイプ（５１）には、両端部に多角形のフランジ（１１，１２）が固定され、前記フランジ（１１，１２）を互いに接合することにより前記複数のＥＧＲパイプ（５１）と前記端板（６）とを形成する請求項１又は請求項２に記載のＥＧＲクーラー。
前記外周ケースは、ＥＧＲガスの出口側部分（４２）が入口側部分（４１）よりも熱伝導率の高い材料によって形成されている、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のＥＧＲクーラー。