JP2010127170A - Ｅｇｒクーラ - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトな構成で熱交換性能と目詰まり抑制とを両立させることができ、触媒保持部の熱膨張により破損が生じるのを防止することができるＥＧＲクーラの構造を提供する。
【解決手段】排気ガスを流通させる多数のチューブ５を内部に配置した角筒状シェル１ａを有し、この排気ガスとチューブ５の周囲を流れる冷却水との熱交換を行うクーラ本体１と、このクーラ本体１のガス流れの上流側に接合されて、エンジンの排気系から排気ガスをクーラ本体１に供給する入口側ヘッダー３と、上記クーラ本体１のガス流れの下流側に接合されて、クーラ本体１からエンジンの吸気系へ排気ガスを送出する出口側ヘッダー４とからなるＥＧＲクーラであって、角筒状に形成されて、上記排気ガスが内部を通過する際に化学反応で煤の発生を抑制する金属製あるいはセラミック製の触媒７ａを内部に保持する触媒保持部２を、上記入口側ヘッダー３と上記クーラ本体１との間に設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＥＧＲクーラの構造に関する。

排気ガスの一部を還流してエンジンの吸気系に戻すことで窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生を低減させるＥＧＲ装置において、ＥＧＲガスを冷却するために車両に搭載されるＥＧＲクーラはエンジンの排気系と吸気系との間に取り付けられる。

従来のＥＧＲクーラには主としてシェルチューブタイプのＥＧＲクーラやプレートチューブタイプのＥＧＲクーラが用いられており、排気ガス規制や車両のエンジンの特性により両者を使い分けていた。
たとえば、プレートチューブタイプのＥＧＲクーラは、図７に示すように、角筒状のシェル１ａの内部にチューブ５を並列に配置し、シェル１ａ両端をエンドプレート１ｂで塞いだクーラ本体１に、ガス流れの上流側および下流側から入口側ヘッダー３および出口側ヘッダー４をそれぞれ取り付け接合してなる。

このクーラ本体１のシェル１ａの下部と上部には、冷却水パイプ１ｃ、１ｄが連通している。また、剛性を上げるためにクーラ本体１には数箇所で凹部を設けている。
入口側ヘッダー３および出口側ヘッダー４は基端でクーラ本体１と接合され、先端にはフランジ３ａ、４ａを設けたパイプが形成される。
また、チューブ５にはインナーフィン５ａが内装され、排気ガスとチューブ５の周囲を流れる冷却水との熱交換を促進している。

近年では排気ガス規制が厳しくなり、それに伴いＥＧＲ率が増加したため、熱交換性能を重視したＥＧＲクーラが求められるようになってきていた。
シェルチューブタイプではチューブ表面にビードを設けたり、チューブ内にスパイラル状のインナーフィンを設置したりして、放熱性能の向上を図ったりチューブ内を通過する排気ガスの乱流化を促進したりしている。
一方、プレートチューブタイプでは、扁平チューブ内に挿入するインナーフィンの形状の改良やフィン配列の工夫を行い、放熱面積の増加等を行うことにより放熱性能の向上を図っている。

このような従来のＥＧＲクーラでは、熱交換性能を高めることができる一方で、排気ガス中に含まれる煤が構造上チューブ内壁やインナーフィンに付着し目詰まりを起こしやすいといった問題が起こっていた。
このため、シェルチューブタイプでは目詰まりの原因になりやすいインナーフィンを使用したものが減り、チューブ内壁にビードを設けたものが主流になっている。
また、プレートチューブタイプのインナーフィンには、切込みを互い違いに配列した形状のオフセットフィンに代わり、波形状に成形されたウェイビーフィンが採用されている。

しかし、エンジン始動開始直後やエンジンの仕様によっては、排気ガス中に含まれる煤が水分を多く含み付着しやすい状態であることがあり、上記の対策を行っても目詰まりが発生し熱交換性能が低下してしまう問題が生じていた。

ＥＧＲクーラに対し、排気ガスの流れの上流に触媒装置を設置し、排気ガスから詰まりを引き起こす成分を取り除く方法も考えられていたが（特許文献１〜特許文献３）、ＥＧＲクーラとは別体で設ける必要があり、設置のためのスペースが必要であった。また、触媒は活性化する際に高温になるため、触媒の構造や取付け位置によっては、エンジンルームへの熱害が問題となることがあった。特許文献１にはＥＧＲクーラのチューブ内壁に触媒をコーティングする発明が記載されているが、触媒が活性化する際の熱により、ＥＧＲクーラのガス冷却性能が損なわれることがあった。
また、高温となる触媒が熱膨張を起こすため、付近においては、触媒を包んでいる外筒と触媒との接合部に亀裂が生じるなどの問題が発生していた。

特開２０００−０３８９６２号公報 特開平１１−１２５１４８号公報 特開２００６−３４８７９８号公報

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、コンパクトな構成で熱交換性能と目詰まり抑制とを両立させることができ、さらに、触媒保持部の熱膨張により破損が生じるのを防止することができるＥＧＲクーラの構造を提供することをその課題とする。

本発明において、上記課題が解決される手段は以下の通りである。
第１の発明は、排気ガスを流通させる多数のチューブを内部に配置した角筒状あるいは円筒状のシェルを有し、この排気ガスとチューブの周囲を流れる冷却水との熱交換を行うクーラ本体と、このクーラ本体のガス流れの上流側に接合されて、エンジンの排気系から排気ガスをクーラ本体に供給する入口側ヘッダーと、上記クーラ本体のガス流れの下流側に接合されて、クーラ本体からエンジンの吸気系へ排気ガスを送出する出口側ヘッダーとからなるＥＧＲクーラであって、角筒状あるいは円筒状に形成されて、上記排気ガスが内部を通過する際に化学反応で煤の発生を抑制する金属製あるいはセラミック製の触媒を内部に保持する触媒保持部を、上記入口側ヘッダーと上記クーラ本体との間に設けたことを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、上記触媒保持部が、角筒状あるいは円筒状に形成され下流側端部でクーラ本体と接合される外筒と、この外筒より小径の角筒状あるいは円筒状に形成されて上記外筒に内嵌し、内部に触媒を保持する触媒内筒とを、それぞれの上流側端部に設けた接合部のみで接合してなることを特徴とする。

第３の発明は、第２の発明において、触媒保持部の上記接合部を除いて、上記外筒の内壁と上記触媒内筒の外壁との間に間隙を有することを特徴とする。

第４の発明は、第３の発明において、上記間隙を設けた範囲に、上記外筒から内方に突出して上記触媒内筒に当接する突起を設けたことを特徴とする。

第１の発明によれば、角筒状あるいは円筒状に形成されて、上記排気ガスが内部を通過する際に化学反応で煤の発生を抑制する金属製あるいはセラミック製の触媒を内部に保持する触媒保持部を、上記入口側ヘッダーと上記クーラ本体との間に設けたことにより、ＥＧＲクーラへ流入する排気ガスに含まれる煤を捕集し触媒の活性化により燃焼することができるため、ＥＧＲクーラのチューブ内に煤が付着して起こる目詰まりを減少させて、良好な熱交換性能を持続させることができる。
また、触媒保持部がＥＧＲクーラの一部として一体に形成されるため、装置がコンパクトになり、エンジンルーム内の設置場所を容易に得ることができる。

第２の発明によれば、上記触媒保持部が、角筒状あるいは円筒状に形成され下流側端部でクーラ本体と接合される外筒と、この外筒より小径の角筒状あるいは円筒状に形成されて上記外筒に内嵌し、内部に触媒を保持する触媒内筒とを、それぞれの上流側端部に設けた接合部のみで接合してなることにより、触媒保持部の下流側では触媒内筒が外筒に固定されないため、高温になっても触媒内筒の膨張による下流側への伸びを吸収することができ、ＥＧＲクーラの耐久性を向上させることができる。

第３の発明によれば、触媒保持部の上記接合部を除いて、上記外筒の内壁と上記触媒内筒の外壁との間に間隙を有することで、空気層の断熱効果により、排気ガスで高温となった触媒内筒の熱を外筒に伝えにくくすることができ、触媒によるエンジンルームへの熱害を防止することができる。
また、空気層と外筒との断熱効果により、触媒内筒とクーラ本体との間でも熱が伝わりにくくなり、触媒が活性化した際にもＥＧＲクーラの熱交換性能の悪化を防ぐことができる。

第４の発明によれば、上記間隙を設けた範囲に、上記外筒から内方に突出して上記触媒内筒に当接する突起を設けたことにより、車両の振動が大きくなった場合にも、突起により外筒に対する触媒内筒の振動を制限することができ、振動による接合部の破損を防止することができる。

以下、本発明の実施形態に係るＥＧＲクーラについて説明する。
本発明の第１実施形態にかかるＥＧＲクーラは、図１に示すように、ガスの流れの上流側から順に、入口側ヘッダー３と触媒保持部２とクーラ本体１と出口側ヘッダー４とを直列に組み付けてなる。以下、本発明の実施形態ではプレートチューブタイプのＥＧＲクーラを例として説明するが、シェルチューブタイプのＥＧＲクーラに適用してもよい。

入口側ヘッダー３は、下流側の基端部で触媒保持部２に溶接にて取り付けられ、上流側の先端部にはエンジン（図示せず）の排気系に接続するためのフランジ３ａを設けたパイプが形成されている。
出口側ヘッダー４は、上流側の基端部でクーラ本体１に溶接にて取り付けられ、下流側の先端部にはエンジンの吸気系と接続するためのフランジ４ａを設けたパイプが形成されている。

クーラ本体１は、角筒状のシェル１ａの内部に扁平なチューブ５を多数並列させて、シェル１ａの両端をエンドプレート１ｂ、１ｂで塞いでいる。また、シェル１ａの下流側下面には冷却水パイプ１ｃを接続し、上流側上面にも冷却水パイプ１ｄを接続しており、クーラ本体１内部では冷却水がチューブ５の周囲を流れて熱交換を行うようになっている。また、シェル１ａの中央部に凹部を設けることにより、振動や熱膨張への剛性を上げている。
チューブ５は、扁平管に熱交換を促進するためのウェイビーフィンタイプのインナーフィン５ａを内装してなる。

触媒保持部２は、角筒状に形成されたＳＵＳ製の外筒６に、この外筒６より一回り小さな径を有する角筒状に形成されたＳＵＳ製の触媒内筒７を内嵌してなる（図１、図２）。外筒６はクーラ本体１のシェル１ａと略等しい径を有する角筒状に形成され、その下流側端部でクーラ本体１の上流側端部と溶接にて接合される。このため、従来のヘッダーの規格を変更せずに、触媒保持部２を有するＥＧＲクーラに用いることができる。

触媒内筒７の内部には、全域にわたって固形の触媒７ａが詰められている。触媒７ａには金属またはセラミックを用いており、内部を排気ガスが通過する際に化学反応により煤の発生を抑制することができるため、クーラ本体１のチューブ５内に煤が付着して起こる目詰まりを減少させて、良好な熱交換性能を持続させることができる。

図３に示すように、触媒内筒７は外筒６に内嵌されるが、それぞれの上流側端部に設けた接合部２ａのみで溶接にて接合されている。これにより、触媒保持部２の下流側では触媒内筒７が外筒６に固定されないため、高温になっても触媒内筒７の膨張による下流側への伸びを吸収することができ、ＥＧＲクーラの耐久性を向上させることができる。

触媒保持部２とクーラ本体１の長さの比は自由に変更することができるため、煤の量が多く高い捕集・燃焼性能が求められる場合には触媒保持部２を長く設定し、高いガス冷却性能が求められる場合にはクーラ本体１を長く設定することで、さまざまな特性のエンジンに対応することができる。
また、ＥＧＲクーラはエンジンの排気系に接続されるため、触媒保持部をエンジンに近い位置に配置すると高温の排気ガスを得ることができ、触媒による燃焼の活性化を促進することができる。

＜第２実施形態＞
第２実施形態に係るＥＧＲクーラは、触媒保持部２の外筒６と触媒内筒７との間に間隙２ｂを設けていることを特徴とする（図４）。
このＥＧＲクーラでは、図４に示すように、第１実施形態に比べて外筒６の接合部２ａ以外の部分を大径に設定してあるため、外筒６と触媒内筒７との間隙２ｂに空気の層ができる。

これにより、空気層の断熱効果によって排気ガスで高温となった触媒内筒７の熱を外筒６に伝えにくくすることができ、触媒７ａによるエンジンルームへの熱害を防止することができる。
また、空気層と外筒６との断熱効果により、触媒内筒７とクーラ本体１との間でも熱が伝わりにくくなり、触媒７ａが活性化した際にもＥＧＲクーラの熱交換性能の悪化を防ぐことができる。

＜第３実施形態＞
第３実施形態に係るＥＧＲクーラでは、第２実施形態に係るＥＧＲクーラの触媒保持部２の外筒６内面から突起６ａを突設して、触媒内筒７に当接させている。
図５、図６に示すように、この突起６ａは、外筒６をプレス加工して形成され、各面２つずつ、上下面および両側面に計８つ設けられている。突起６ａの形成箇所は、外筒６のやや下流よりに設定する。

これにより、車両の振動が大きくなった場合にも、突起６ａにより外筒６に対する触媒内筒７の振動を制限することができ、接合部２ａに大きな負荷がかかったり金属疲労を生じたりすることがなく、振動による接合部２ａの破損を防止することができる。

本発明の第１実施形態に係るＥＧＲクーラの分解斜視図である。 同ＥＧＲクーラの縦断面図である。 同ＥＧＲクーラの部分拡大縦断面図である。 本発明の第２実施形態に係るＥＧＲクーラの部分拡大縦断面図である。 本発明の第３実施形態に係るＥＧＲクーラの分解斜視図である。 同ＥＧＲクーラの部分拡大縦断面図である。 従来のＥＧＲクーラの分解斜視図である。

符号の説明

１ クーラ本体
１ａ シェル
１ｂ エンドプレート
１ｃ 冷却水パイプ
１ｄ 冷却水パイプ
２ 触媒保持部
２ａ 接合部
２ｂ 間隙
３ 入口側ヘッダー
３ａ フランジ
４ 出口側ヘッダー
４ａ フランジ
５ チューブ
５ａ インナーフィン
６ 外筒
６ａ 突起
７ 触媒内筒
７ａ 触媒

Claims (4)

1. 排気ガスを流通させる多数のチューブを内部に配置した角筒状あるいは円筒状のシェルを有し、この排気ガスとチューブの周囲を流れる冷却水との熱交換を行うクーラ本体と、
   このクーラ本体のガス流れの上流側に接合されて、エンジンの排気系から排気ガスをクーラ本体に供給する入口側ヘッダーと、
   上記クーラ本体のガス流れの下流側に接合されて、クーラ本体からエンジンの吸気系へ排気ガスを送出する出口側ヘッダーとからなるＥＧＲクーラであって、
   角筒状あるいは円筒状に形成されて、上記排気ガスが内部を通過する際に化学反応で煤の発生を抑制する金属製あるいはセラミック製の触媒を内部に保持する触媒保持部を、上記入口側ヘッダーと上記クーラ本体との間に設けたことを特徴とするＥＧＲクーラ。
2. 上記触媒保持部が、角筒状にあるいは円筒状形成され下流側端部でクーラ本体と接合される外筒と、この外筒より小径の角筒状あるいは円筒状に形成されて上記外筒に内嵌し、内部に上記触媒を保持する触媒内筒とを、それぞれの上流側端部に設けた接合部のみで接合してなることを特徴とする請求項１に記載のＥＧＲクーラ。
3. 触媒保持部の上記接合部を除いて、上記外筒の内壁と上記触媒内筒の外壁との間に間隙を有することを特徴とする請求項２に記載のＥＧＲクーラ。
4. 上記間隙を設けた範囲に、上記外筒から内方に突出して上記触媒内筒に当接する突起を設けたことを特徴とする請求項３に記載のＥＧＲクーラ。

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