JP2005273512A - エンジンのｅｇｒクーラー - Google Patents

Abstract

【課題】エンジン吸気通路に再循環される排気ガス（ＥＧＲガス）を冷却するＥＧＲクーラーにおいて、冷却水入口部における冷却水の流れを改善し、冷却水が円滑にかつ均等に流入できるようにして、ＥＧＲクーラーの冷却性能等を向上する。
【解決手段】ＥＧＲクーラー１は、ＥＧＲガスが流れる複数のＥＧＲパイプ５と、ＥＧＲパイプ５を収容し内部を冷却水が流れる外周ケース４とを有する。外周ケース４は中間部の断面がほぼ円形であって、その両方の端部４１，４２は中間部よりも径が拡大されており、かつ、ＥＧＲガスの入口側の端部４１には冷却水の入口管７１が、また、ＥＧＲガスの出口側の端部４２には出口管８１が外周ケース４に対し接線方向に設けられている。これにより、冷却水入口部分では、流れが均一となり、局部的な過熱個所の発生を防止することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、主にエンジンの排気ガス中の窒素酸化物（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、シリンダ内に供給される空気を圧縮し、高温高圧となった空気中に燃料を噴射して燃焼させるエンジンであって、ガソリンエンジンと比べ一般的に熱効率が高い。したがって、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。その理由を次に略述する。

ディーゼルエンジンのシリンダ内には、空気とＥＧＲガスが混合されて供給される。ＥＧＲガスを多くするとその分空気量が減少し、噴射された燃料が燃焼する領域の空気量は次第に少なくなって、燃焼領域中の空気過剰率：λが小さくなる。そのため、図７に示すように、ＥＧＲ率を増加させるとＮＯｘは減少するものの、ＥＧＲ率が一定値を超えるとＰＭを含む黒煙の排出量が急激に増加する。しかし、クールＥＧＲ方式によると再循環するＥＧＲガスの体積が減少するので、空気過剰率を所定値に保ちながらシリンダ内へより多量のＥＧＲを行うことができる。したがって、空気過剰率の低下に伴う黒煙の増大を防止することが可能で、さらには、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、通常、シェルアンドチューブ式と呼ばれる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５、図６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ガスの入口となるＥＧＲ入口管２と、吸気通路に向け冷却後のＥＧＲガスを排出するＥＧＲ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５のＣ−Ｃ矢視図である図６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。エンジン排気通路からの高温のＥＧＲガスは、ＥＧＲ入口管２を経て複数のＥＧＲパイプ５内に流入し、ＥＧＲ出口管３へと流れる。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ＥＧＲ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。

ＥＧＲパイプ５の周囲に冷却水を流すため、外周ケース４には冷却水の入口管７及び出口管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の入口管７から送り込み、冷却水の出口管８からエンジン冷却水系統に戻すよう構成されている。冷却水の入口管７及び出口管８は、断面円形の外周ケース４に対して法線方向に接続され、ＥＧＲガス入口側と出口側の対向する位置にそれぞれ配置されており、冷却水がＥＧＲパイプ５を横断して流れる形になっている。

ところで、こうしたＥＧＲクーラーにおいてその熱交換性能を向上させるべく、冷却水の入口管を複数個設けることは公知である。例えば特開２０００−２３４５６６号公報には、複数の入口管を外周ケースに接続して冷却水の流れを均一化し、過熱領域をなくする技術が記載されている。そして、この公報には、複数の冷却水入口管が外周ケースに対して接線方向に接続され、ＥＧＲクーラー内で冷却水が旋回流を生じながら流れる実施例が記載されている。
特開２０００−２３４５６６号公報

ＥＧＲクーラーはエンジンの付属品であり、極力小型化及び軽量化することが望ましく、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。冷却能力の向上には、ＥＧＲパイプの本数あるいは長さを増加させて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若しくはその水温を低下させることなどが考えられる。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。また、冷却水の流量を増加には、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。

冷却能力を高める手段としては、ＥＧＲクーラー内の冷却水の流動状態を改善することも有効な手段である。例えば、冷却水の流れが滞り局部的に流速が非常に低下するような状態が発生すると、その個所における熱伝達量が低下する。エンジンの排気ガスは、エンジンの負荷が大きいときには５００℃を超える高温となるから、場合によっては冷却水が沸騰する現象が生じ、沸騰すると熱伝達量は極端に低下するので、ＥＧＲパイプが熱により損傷する事態が生じることになる。このような事態は、高温の排気ガスが流入する、ＥＧＲクーラーのＥＧＲガス入口管側で特に発生しやすい。そのため、ＥＧＲクーラー内の冷却水の滞りを防止し、流れを均一化することは、ＥＧＲクーラーにおける重要な技術的課題となっている。

ちなみに、上記の特許文献１に記載されたＥＧＲクーラーは、冷却水の入口管を複数個設けることにより、殊に冷却水の入口部における流れを円滑化するものであり、冷却水の入口管が外周ケースに対して接線方向となるように取り付ける実施例も示されている。しかし、入口管を複数個設けた場合は、ＥＧＲクーラーの外周ケースの構造が複雑化するばかりでなく、エンジンの冷却水などを各々の入口管に導く配管も複雑となり、コンパクトな構成は非常に困難である。さらに、入口管を外周ケースに対して接線方向に配置したときでも、入口管から入った冷却水は入口管の直近に配置されたＥＧＲパイプに衝突し、そのＥＧＲパイプの背後で淀む傾向があり、局所的な流れの停滞個所の発生を防ぐことは事実上難しい面がある。

上記の課題に鑑み、本発明は、ＥＧＲクーラーの冷却水入口部における冷却水の流れを改善し、冷却水が円滑にかつ均等に流入できるようにして、ＥＧＲクーラーの冷却性能等を向上することを目的とする。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ガスを冷却水によって冷却するＥＧＲクーラーにおいて、
前記ＥＧＲクーラーは、ＥＧＲガスの出入口となるＥＧＲ入口管及びＥＧＲ出口管と、冷却水の入口管及び出口管と、ＥＧＲガスが流れる複数のＥＧＲパイプと、前記ＥＧＲパイプを収容し内部を冷却水が流れる外周ケースとを有し、
前記外周ケースは中間部の断面がほぼ円形であって、その両方の端部は中間部よりも径が拡大されており、かつ、前記両方の端部の各々には、前記冷却水の入口管又は出口管が外周ケースに対し接線方向に設けられている」
ことを特徴とするＥＧＲクーラーとなっている。

請求項２に記載のように、高温のＥＧＲガスが流入する前記ＥＧＲ入口管側の端部には冷却水の入口管を設け、反対側の端部には前記冷却水の出口管を設けることが好ましい。

冷却水の圧力損失を減らすため、請求項３に記載のように、前記冷却水の入口管及び出口管の径をなるべく大とし、前記外周ケースの拡大された端部の軸方向長さにほぼ相当する径を有するようにすることが好ましい。

また、請求項４に記載のように、前記冷却水の入口管が取り付けられた端部においては、外周ケースの断面を周方向に徐々に径が拡大する螺旋形状とし、その最大径の部分に前記冷却水の入口管を設置するように構成することができる。

上述したように、本発明のＥＧＲクーラーでは、その外周ケースは、中間部の断面がほぼ円形であって両方の端部が中間部よりも径が拡大されており、この拡大された端部の各々に、冷却水の入口管又は出口管が外周ケースに対し接線方向に設けられている。つまり、冷却水の入口部分は径が大きくＥＧＲパイプの周囲には冷却水入口室が形成され、その接線方向から冷却水が外周ケース内に流入する。したがって、流入する入口部分で冷却水が直接ＥＧＲパイプに衝突することはなく、ＥＧＲパイプの背後に冷却水の淀みが発生しない。流入した冷却水は、冷却水入口室内においてＥＧＲパイプの周りを旋回流となって流れ、次いで、外周ケースの径の縮小された中間部に流れ込むが、冷却水は入口部分の全周にわたりさまざまな方向から流れ込むこととなる。このため、ＥＧＲパイプ５が多数配置してあるとしても淀みや停滞個所が発生せず、流れが均一となるとともに、局部的な過熱個所の発生がなくなって高温のＥＧＲガスによる沸騰は生じない。

外周ケースの中間部に流れ込んだ冷却水は、ＥＧＲパイプの周りを旋回しながら冷却水出口管に向けて軸方向に流れる。冷却水は旋回流と軸方向流の複合した流れとなるので、乱れの大きな流れとなり、熱伝達量が増大してＥＧＲガスの冷却性能が向上する。

冷却水の入口管及び出口管には、エンジンの冷却水の配管が取り付けられるが、本発明では、冷却水の入口管及び出口管は、ともに外周ケースの径が拡大された端部に接線方向に向けて設置されている。このため、入口管及び出口管が単一のものであっても、設置された位置には関係なくＥＧＲクーラー内は同一の流れ状態となり、冷却水の出入口を任意の位置に設定することが可能となって、ＥＧＲクーラーの装着個所あるいは冷却水の配管等の設計が容易となる。

請求項２に記載のように、高温のＥＧＲガスが流入するＥＧＲガス入口側の端部に冷却水の入口管を設けたときは、温度が低い入口部分の冷却水がＥＧＲクーラーの高温部分に接触することになり、過熱個所の発生をより確実に防止できる。また、本発明の冷却水の出入口部分は外周ケースの径が拡大されているので冷却水の圧力損失はもともと小さいが、請求項３に記載のように、冷却水の入口管及び出口管の径をなるべく大とし、外周ケースの拡大された端部の軸方向長さにほぼ相当するようにして、さらに圧力損失を減少させることができる。

請求項４に記載のように、冷却水の入口管が取り付けられた端部において外周ケースの断面を徐々に径が拡大する螺旋形状とし、その最大径の部分に冷却水の入口管を設置するように構成した場合には、冷却水の入口部分における旋回流の流路面積が、冷却水の軸方向の流れ込みが増加するに従って次第に減少することとなるため、入口部分の冷却水の流速は一層均等なものとなる。

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５）の部材に対応する部材には、同一の番号が付してある。図２には、図１のＡ−Ａ断面矢視図を示す。

ＥＧＲクーラーの両端には、ＥＧＲガスの出入口となるＥＧＲ入口管２とＥＧＲ出口管３とが接続してあり、ＥＧＲ入口管２から流入したＥＧＲガスは、ＥＧＲパイプ5を通過して、この間に冷却されながら、ＥＧＲ出口管３に至る。ＥＧＲガスのこのような流れは、従来例として前述したＥＧＲクーラーと格別異なるものではない。冷却されてＥＧＲ出口管３から排出されたＥＧＲガスは、エンジンの吸気通路に還流され、シリンダ内に再循環される。

冷却水の流入する外周ケース４は断面がほぼ円形の円筒状部材であるが、本発明では、外周ケース４の両端４１、４２は、その径が中間部よりも拡大されており、ＥＧＲ入口管２及びＥＧＲ出口管３はそれぞれこの拡大された部分に嵌め込まれ固定される。そして、径の拡大された両端４１，４２には、冷却水の入口管７１と出口管８１が一体的に設けられている。これらの管は、ここでは外周ケース４と一体的に形成されているけれども、別体として製作し溶接等で外周ケース４に取り付けてもよい。冷却水の入口管７１にはホース等の配管を介してエンジンの冷却水が導かれ、また、ＥＧＲガスを冷却した後の冷却水は、冷却水の出口管８１に接続された配管からエンジンの冷却系統に戻される。

冷却水の入口管７１は、図２に示すとおり、ＥＧＲ入口管２側の拡大された端部において、外周ケース４の円形断面の中心からオフセットされた位置に、接線方向に向けて設置される。したがって、冷却水の入口部分では、ＥＧＲパイプ５の周囲に環状の冷却水入口室７２が形成されている。

冷却水の入口管７１から接線方向に流入した冷却水は、冷却水入口室７２内でＥＧＲパイプ５の周りを旋回流となって流れ、次いで、冷却水は、外周ケース４の径の縮小された中間部に流れ込む。このとき、冷却水入口室７２は外周ケース４の全周にわたり環状に形成されているので、冷却水はさまざまな方向から流れ込むこととなり、ＥＧＲパイプ５が多数配置してあるとしても淀みや停滞個所が発生することがない。冷却水入口室７２が設けられるＥＧＲ入口管２の付近は、高温の排気ガスの流入により冷却水の沸騰が生じやすい個所である。しかし、本発明においては、停滞個所が存在しないため熱伝達が均一に行われ、局部的な過熱個所の発生は防止される。冷却水の入口部は冷却水の温度が最も低い部分であるので冷却効果が大きく、過熱個所あるいは沸騰現象の発生をより確実に防止することができる。

上述のとおり、本発明では、外周ケース４の径を拡大して冷却水入口室７２を形成している。冷却水の入口部は、ＥＧＲパイプ５との衝突や流れの急激な変化に起因して圧力損失が増大する場所であるが、本発明の冷却水入口室７２は比較的広く、冷却水は接線方向から流入するため、ここの圧力損失が減少して同一容量の冷却水ポンプを使用しても冷却水の水量を増大することができる。なお、圧力損失をさらに減少させるには、冷却水の入口管７１の径をなるべく大きくして端部４１の軸方向長さにほぼ相当する径とし、冷却水入口管７１が外周ケース４の拡大部の全幅にわたるようなものとすることが好ましい。

外周ケース４の径の縮小された中間部に流れ込んだ冷却水は、ＥＧＲパイプ５の周りを旋回しながら冷却水の出口管８１に向けて軸方向に移動し、ＥＧＲガスを冷却する。このように、冷却水は旋回流と軸方向流の複合した流れとなるので、ＥＧＲガスパイプの周りの流れは乱れの大きな流れとなり、ＥＧＲガスから冷却水への熱伝達量が増大して冷却性能が向上する。

ＥＧＲ出口管３側に達した冷却水は、径の拡大された外周ケース４の端部４２に流入し、ここに設けられた冷却水の出口管８１（図２の実線）を経てエンジンの冷却水系統に戻される。冷却水の入口管７１及び出口管８１は、ともに外周ケース４の径が拡大された端部に接線方向に向けて設置されているため、設置された位置には関係なくＥＧＲクーラー内で同一の流れ状態を実現できる。したがって、例えば図２において出口管８１について想像線で示すように、冷却水の出入口を任意の位置に設定することが可能となる。この結果、ＥＧＲクーラーの装着個所の自由度が大幅に増大すると同時に、冷却水の配管の取り回し等を簡易化することができる。

図３、図４には、本発明の別の実施例を示す。この例におけるＥＧＲクーラーは、図３のＢ−Ｂ断面を表す図４から明らかなように、外周ケース４のＥＧＲガス入口側の端部４１が断面螺旋形状に拡大されており、その径が最大となる個所に冷却水入口管７１が設けられている。接線方向から流入した冷却水は、冷却水入口室７２内で旋回しながら、円周方向に流れる。この間、冷却水はＥＧＲクーラーの軸方向にも流れ込むが、円周方向の流路面積は拡大部分の螺旋形状に沿って次第に縮小されるから、冷却水の入口管７１から周方向に離れた位置の流速が低下する現象は緩和され、冷却水の流れの一層の均一化が達成されることとなる。

この実施例のＥＧＲクーラーの構成は、冷却水の入口部分を除いては図１、図２に示すＥＧＲクーラーと変わりはない。したがって、冷却水の出口側における外周ケース４の端部４２は、断面円形の形状に拡大されている。しかし、必要に応じて、出口側の端部４２を入口側端部４１と同様な螺旋形状に形成し、そこに冷却水出口管８１を設置するようにしてもよい。

以上詳述したとおり、本発明は、ＥＧＲクーラーの冷却水入口部における冷却水の流れを改善し冷却性能等を向上することを目的として、ほぼ円形断面をなす外周ケースの両端部の径を拡大し、かつ、両端部の各々に、冷却水の入口管又は出口管を外周ケースに対し接線方向に設けたものである。したがって、本発明のＥＧＲクーラーがディーゼルエンジンにもガソリンエンジンにも等しく適用可能であることは明らかである。さらに、外周ケースが円形のＥＧＲクーラーばかりでなく、例えば断面が長円形のＥＧＲクーラーに対しても適用することができる。

本発明に基づくＥＧＲクーラーの断面図である。 図１のＥＧＲクーラーのＡ−Ａ断面図である。 本発明の別の実施例２によるＥＧＲクーラーの断面図である。 図３のＥＧＲクーラーのＢ−Ｂ断面図である。 従来のＥＧＲクーラーの断面図である。 図５のＥＧＲクーラーのＣ−Ｃ断面図である。 ディーゼルエンジンのＥＧＲ率と排気ガス成分の関係を示す図である。

符号の説明

１ ＥＧＲクーラー
２ ＥＧＲ入口管
３ ＥＧＲ出口管
４ 外周ケース
４１、４２ 外周ケースの端部
５ ＥＧＲパイプ
６ 端板
７、７１ 冷却水の入口管
７２ 冷却水入口室
８、８１ 冷却水の出口管

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ガスを冷却水によって冷却するＥＧＲクーラー（１）において、
   前記ＥＧＲクーラーは、ＥＧＲガスの出入口となるＥＧＲ入口管（２）及びＥＧＲ出口管（３）と、冷却水の入口管（７１）及び出口管（８１）と、ＥＧＲガスが流れる複数のＥＧＲパイプ（５）と、前記ＥＧＲパイプ（５）を収容し内部を冷却水が流れる外周ケース（４）とを有し、
   前記外周ケース（４）は中間部の断面がほぼ円形であって、その両方の端部（４１，４２）は中間部よりも径が拡大されており、かつ、前記両方の端部（４１，４２）の各々には、前記冷却水の入口管（７１）又は出口管（８１）が外周ケース（４）に対し接線方向に設けられていることを特徴とするＥＧＲクーラー。
2. 前記外周ケース（４）の前記ＥＧＲ入口管（２）側の端部（４１）には前記冷却水の入口管（７１）が、前記ＥＧＲ出口管（３）側の端部（４２）には前記冷却水の出口管（８１）が設けられている請求項１記載のＥＧＲクーラー。
3. 前記冷却水の入口管（７１）及び出口管（８１）は、前記外周ケース（４）の端部（４１，４２）の軸方向長さにほぼ相当する径を有する請求項１又は請求項２に記載のＥＧＲクーラー。
4. 前記冷却水の入口管（７１）が取り付けられた端部においては、外周ケース（４）の断面が周方向に徐々に径が拡大する螺旋形状をなし、その最大径の部分に前記冷却水の入口管（７１）が設けられている請求項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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