JP2005180268A - エンジンのegrクーラー - Google Patents

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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
1 EGR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
51 EGR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 (4)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
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