JP2010185413A - 冷却器付き異物捕集装置 - Google Patents

Abstract

【課題】優れた異物捕集能とコンパクト化とを実現する冷却器付き異物捕集装置を提供する。
【解決手段】導入ポート３１と排出ポート３２とが開口されているケーシング３０と、ケーシング３０の底部に形成された異物捕集部Ｐｔと、ケーシングの上面Ｗｔを基端として異物捕集部Ｐｔに向かって延設され、異物捕集部Ｐｔを除くケーシング３０内の領域を導入ポート側通路部Ｐｉと排出ポート側通路部Ｐｅとに区画する隔壁Ｗｐと、導入ポート側通路部Ｐｉに配置された第１冷却器３３と、排出ポート側通路部Ｐｅに配置された第２冷却器３４とを備える。導入ポート側フィン通路ＦＰｉと排出ポート側フィン通路ＦＰｅとは共に重力方向に平行であって、且つ、排出ポート側冷却フィン３４ｂのフィンピッチは導入ポート側冷却フィン３３ｂのフィンピッチに比べて小とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の排気管と吸気管とを接続すると共に排気の一部をＥＧＲガスとして吸気系に還流させるＥＧＲ管に設けられる冷却器付き異物捕集装置に関する。

内燃機関の排気管と吸気管とを接続するＥＧＲ管を備え、内燃機関から排出された排気の一部をＥＧＲガスとしてＥＧＲ管を経由させることにより吸気管に還流（再循環）させる排気還流装置（ＥＧＲ装置）が公知である。このＥＧＲ装置を構成する部材として、ＥＧＲガスを適温まで冷却する冷却器（熱交換器）である所謂ＥＧＲクーラが公知である。

ここで、ＥＧＲ管を流れるＥＧＲガス中に排気系の異物（例えば、排気浄化装置のケース溶接時に発生するスパッタや、触媒の破損片など）が含まれている場合、この異物が該ＥＧＲガスの還流に伴って吸気系に混入し最終的に内燃機関に吸入されると、内燃機関が破損する虞がある。また、ＥＧＲ装置が、排気浄化装置を通過した後の比較的低圧の排気を過給機のコンプレッサよりも上流側の吸気管へと還流させる低圧ＥＧＲ装置である場合、排気系の部品からの異物（上記スパッタや触媒破損片等）が過給機のコンプレッサへ侵入してしまい、これによってコンプレッサが破損する虞がある。

これに対して、特許文献１では、ＥＧＲガスに含まれている異物を捕集（除去）する異物捕集装置に関する技術が提案されており、具体的にはＥＧＲ管に異物捕集装置とＥＧＲクーラとを直列に配置する構成が開示されている。

特開２００８−１５０９５５号公報 特開２００８−０３９３８０号公報 特開２００６−３４８８７３号公報 特開２００４−１６２５５２号公報 特開２０００−２４９００３号公報

しかしながら、特許文献１に開示された構成のように、ＥＧＲ管に異物捕集装置とＥＧＲクーラとを直列に配置すると、ＥＧＲ装置のコンパクト化を図ることが困難になるという課題がある。本発明は上記の従来技術の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、ＥＧＲ管を流れるＥＧＲガスに含まれている異物の捕集能とＥＧＲガスの冷却能とを有した冷却器付き異物捕集装置であって、優れた異物捕集能とコンパクト化とを実現する冷却器付き異物捕集装置を提供することにある。

上記した課題を解決するために、本発明に係る冷却器付き異物捕集装置は、以下の手段を採用した。すなわち、内燃機関の排気管と吸気管とを接続すると共に排気の一部をＥＧＲガスとして吸気系に還流させるＥＧＲ管に設けられ、該ＥＧＲ管を流れるＥＧＲガスに含まれている異物の捕集能と該ＥＧＲガスの冷却能とを有する冷却器付き異物捕集装置であって、ＥＧＲガスを導入する導入ポートとＥＧＲガスを排出する排出ポートとが重力方向における上方の位置に開口されており、該導入ポート及び排出ポートを介してＥＧＲ管に接続されているケーシングと、前記ケーシング内の重力方向における下方の位置に形成
された異物捕集部と、前記ケーシングの上面を基端として前記異物捕集部に向かって延設されており、該異物捕集部を除くケーシング内の領域を前記導入ポート側の領域である導入ポート側通路部と前記排出ポート側の領域である排出ポート側通路部とに区画する隔壁と、前記導入ポート側通路部に配置され、ＥＧＲガスを冷却する冷却用熱媒体が流通する複数の第１冷却用熱媒体配管と、複数の該第１冷却用熱媒体配管のうち隣接する第１冷却用熱媒体配管に当接して設けられる複数の第１冷却フィンとを含んで構成される第１冷却器と、前記排出ポート側通路部に配置され、ＥＧＲガスを冷却する冷却用熱媒体が流通する複数の第２冷却用熱媒体配管と、複数の該第２冷却用熱媒体配管のうち隣接する第２冷却用熱媒体配管に当接して設けられる複数の第２冷却フィンとを含んで構成される第２冷却器と、を備え、前記第１冷却用熱媒体配管及びこれに当接する第１冷却フィンによって形成されるＥＧＲガスの通路（以下、「第１冷却フィン通路」という）と、前記第２冷却用熱媒体配管及びこれに当接する第２冷却フィンによって形成されるＥＧＲガスの通路（以下、「第２冷却フィン通路」という）とは共に重力方向に平行であって、且つ、第２冷却フィンのフィンピッチは第１冷却フィンのフィンピッチに比べて小であることを特徴とする。

上記構成において、ＥＧＲ管を流れるＥＧＲガスが導入ポートからケーシングに導入され、排出ポートから再びＥＧＲ管へと排出されるまでのケーシング内におけるＥＧＲガスの流通経路は、導入ポート→導入ポート側通路部（第１冷却フィン通路）→異物捕集部→排出ポート側通路部（第２冷却フィン通路）→排出ポートの順となる。

そして、第１冷却フィン通路及び第２冷却フィン通路を流れる際に、ＥＧＲガスはＥＧＲガスの冷却用熱媒体（例えば、内燃機関の冷却水）との熱交換によって冷却される。また、第１冷却用熱媒体配管を流れる冷却用熱媒体とＥＧＲガスとの熱交換は第１冷却フィンによって促進され、第２冷却用熱媒体配管を流れる冷却用熱媒体とＥＧＲガスとの熱交換は第２冷却フィンによって促進されることで、ＥＧＲガスの冷却が効率的に行われる。

ケーシング内の重力方向における下方の位置（部位）にはＥＧＲガスに混入されている異物を捕集するための空間である異物捕集部が形成されている。当該ケーシング内における下方の位置とは、ケーシングの底部およびその周辺の部位を含む。このように、ケーシング内における下方の位置に形成された異物捕集部への異物の捕集は、異物に対して常に作用する重力と、ＥＧＲガスの主な流れ（以下、「主流」という）の方向（以下、この主流の方向を「ガス主流方向」という）が変化するときに作用する慣性力（「遠心力」ということもできる）を利用して異物をケーシングの底部に落下させることで行われる。

ここで、ケーシング内におけるＥＧＲガスのガス主流方向に着目すると、導入ポートは重力方向における上方に位置するため、ケーシング内に導入されたＥＧＲガスが隔壁へと衝突すると、ガス主流方向は重力方向における下方（すなわち、異物捕集部に向かう方向）へと変換されることになる。ところで、導入ポート側通路部には第１冷却器が配置されているところ、第１冷却用熱媒体配管及びこれに当接する第１冷却フィンによって形成される第１冷却フィン通路は、重力方向に平行に形成されている。そのため、導入ポートから導入されたＥＧＲガスが上記第１冷却フィン通路に流入することで、ＥＧＲガスのガス主流方向が重力方向における下向き（下方）に確実に整えられる（変換される）。

このようにして、ガス主流方向が重力方向下向きに整えられたＥＧＲガスが異物捕集部へと到達するとそのＥＧＲガスはケーシングの底面に衝突するところ、異物捕集部に関しては水平方向の領域が隔壁によって区画されていないため、上記ＥＧＲガスの水平方向への流れが規制されることはない。このようにして、異物捕集部まで到達したＥＧＲガスはそのガス主流方向が水平方向に変換された上で、排出ポート側通路部に向かって流れてゆく。

このように、ガス主流方向が重力方向下向きから水平方向へと強制的に変換されると、異物に対しては慣性力が重力方向下向きに作用する。ＥＧＲガス中の異物は、ＥＧＲガスを構成する粒子に比してその質量が大きいため、異物捕集部においてガス主流方向が水平方向へと変換されても異物は重力と慣性力との複合力の作用によってケーシングの底部（底面）に向かって進行する。これは、異物の進路がガス主流方向から逸脱することを意味する。ここで、ケーシングの底部はＥＧＲガスの流速が、主流における流速に比べて遅い。そのため、ケーシングの底部まで一旦落下した異物は当該底部に滞留することにより、異物が異物捕集部に捕集される仕組みとなっている。

一方、排出ポート側通路部には、第２冷却器が配置されており、第２冷却用熱媒体配管及びこれに当接する第２冷却フィンによって形成される第２冷却フィン通路は重力方向に平行に形成されている。そのため、異物捕集部を水平方向に流れるＥＧＲガスが第２冷却フィン通路へと流入する際に、ガス主流方向が水平方向から重力方向上向きへと強制的に変換させられる。これに対して、異物に対しては水平方向に大きな慣性力が作用することでケーシングの側面に向かって進行する。このようにしてガス主流方向から逸れたＥＧＲガス中の異物は、その一部がケーシングの側面に衝突した後、重力によってケーシングの底部に向かって落下し、異物捕集部において捕集される。

本発明に係る冷却器付き異物捕集装置によれば、先ず、単一の装置によって異物の捕集能とＥＧＲガスの冷却能を実現する。これは、導入ポート側通路部と排出ポート側通路部という空間を利用して第１冷却器及び第２冷却器を配置することでケーシングの内部空間の有効利用（省スペース化）を図り、以ってＥＧＲ装置のコンパクト化が実現される。

また、本発明によれば、第１冷却フィン通路および第２冷却フィン通路が有するＥＧＲガスの整流作用がガス主流方向の変換に大きく寄与するため、導入ポート側通路部および排出ポート側通路部に第１冷却器および第２冷却器を配置しない場合と比較して、異物捕集率を高めることができる。この異物捕集率とは、ケーシングに導入される異物の導入量に対する、異物捕集部での捕集量の割合（例えば、重量百分率）として定義することができる。したがって、本発明によれば、ケーシング内に第１冷却器および第２冷却器を配置しない場合に比べて、異物捕集率を良好に維持しつつ、導入ポート側通路部及び排出ポート側通路部の上下方向の寸法をより小さくすることができ、より一層コンパクトな冷却器付き異物捕集装置を提供できる。

更に、第２冷却フィンのフィンピッチは第１冷却フィンのフィンピッチに比べて小さく形成されている。ここで、フィンピッチが大きいほど、ＥＧＲガスに含まれている異物が第１冷却フィン通路（或いは、第２冷却フィン通路）を通過し易い。なお、フィンピッチとは、冷却フィンにおける水平方向の断面形状が、凸部を一方側と他方側に交互に位置させて曲折する連続する波形形状に形成されている場合に、一方側と他方側とのうち同一側で隣り合う凸部の中心同士の距離をいう。

このように、第１冷却フィンのフィンピッチを大きくすることで、ＥＧＲガスに含まれている異物を異物捕集部まで確実に到達させることができる。また、この構成によれば、第１冷却器における第１冷却フィン通路の入口（前端面、重力方向においては上端面）に異物が引っ掛かり難くなる。ここで、異物が第１冷却フィンの前端面に引っ掛かってしまうと、内燃機関や車両の振動等の外乱が起こる度に、前端面への異物の浮き上がり・衝突が繰り返されてしまう。このような状態が長期に及ぶと第１冷却フィンに折れ曲がり等の損傷が生じ、ＥＧＲガスの冷却効率の低下や圧力損失の増加などを招く懸念が生じる。これに対して、本発明によれば、ＥＧＲガスに含まれた異物が第１冷却フィンの前端面に引っ掛かることがなく、確実に異物捕集部に導くことができる。したがって、第１冷却フィ
ンが破損することもなく、その結果としてＥＧＲガスの冷却効率を恒常的に良好に維持し、圧力損失が増加することも抑制できる。

また、この構成のように、第２冷却フィンのフィンピッチを小さくすることで、異物捕集部において異物に作用する慣性力の大きさがその異物をガス主流方向から逸脱させるのに不充分であったとしても、第２冷却フィン通路の入口（前端面、重力方向においては下端面）に異物を衝突させて、異物を再び落下させることができる。したがって、ＥＧＲガスに含まれている異物の吸気系への侵入をより確実に抑制し、より優れた異物捕集率を担保することができる。

また、本発明においては、前記ケーシングの底部には、異物を保持する異物保持部材が配置されると良い。この異物保持部材としては、ＥＧＲガス中の異物を引っ掛けて保持する複数の突起部を有する部材を例示できる。このようにケーシングの底部に異物保持部材を配置することで、内燃機関や車両に比較的大きな振動等が生じた場合であっても、ケーシングの底部（異物捕集部）に滞留している異物が上方に浮き上がり、散乱することがない。そのため、第２冷却フィン前端面（下端面）への異物の衝突が繰り返されることに起因して該第２冷却フィンが破損する虞は生じない。

また、前述のスパッタや排気浄化触媒の破損片のように、ＥＧＲガスに含まれている異物の多くは金属製であると想定される。そこで、前記異物保持部材は磁力を有して構成されると良い。これによれば、ケーシング内に導入されてくる可能性の高い金属製の異物を、異物保持部材で確実に保持（吸着）することができる。

なお、本発明における課題を解決するための手段は、可能な限り組み合わせることができる。

本発明によれば、ＥＧＲ管を流れるＥＧＲガスに含まれている異物の捕集能とＥＧＲガスの冷却能とを有する冷却器付き異物捕集装置であって、優れた異物捕集能とコンパクト化とを実現可能な冷却器付き異物捕集装置を提供することができる。

本実施例に係る冷却器付き異物捕集装置が適用されるエンジンとその吸排気系の概略構成を示す図である。 本実施例に係る冷却器付き異物捕集装置の内部構成を示した図である。 図２に示した冷却器付き異物捕集装置のＡ−Ａ矢視方向断面図である。 本実施例における冷却器付き異物捕集装置のケーシング内に導入されたＥＧＲガスのガス主流方向の変化と、排気系異物ＥＭの捕集メカニズムを説明するための説明図である。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を例示的に詳しく説明する。本実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的な縮尺や配置位置等は、特に記載がない限りは、発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

図１は、本実施例に係る冷却器付き異物捕集装置が適用されるエンジンとその吸排気系の概略構成を示す図である。図１において、内燃機関１は４つのシリンダ（気筒）２を有する水冷式の４サイクル・ディーゼルエンジンである。

内燃機関１には、吸気マニホールド３が接続されており、吸気マニホールド３の各枝管は吸気ポートを介して各シリンダ２の燃焼室と連通されている。吸気マニホールド３と吸気管４との接続部近傍には、吸気管４内を流通する吸気の流量を調節可能な吸気絞り弁５が設けられている。また、吸気絞り弁５より上流側の吸気管４には、吸気管４を流れるガスを冷却するインタークーラ６が設けられている。さらに、インタークーラ６より上流側の吸気管４には、排気エネルギを駆動源として作動するターボチャージャ（過給機）７のコンプレッサ７ａが設けられている。また、コンプレッサ７ａよりも上流側の吸気管４には該吸気管４内を流通する空気中の塵や埃を除去するエアクリーナ８が配置されている。また、各シリンダ２には、シリンダ内に燃料を噴射する燃料噴射弁９が配置されている。

このように構成された内燃機関１の吸気系では、吸気管４を流れる吸気がエアクリーナ８によって塵や埃が除去された後、コンプレッサ７ａに内装されたコンプレッサホイールの回転によって圧縮される。そして、圧縮されて高温となった吸気は、インタークーラ６にて冷却された後、吸気絞り弁５によってその流量を調節されてから、各シリンダ２に分配される。

一方、内燃機関１には排気マニホールド１３が接続されており、排気マニホールド１３の各枝管は排気ポートを介して各シリンダ２の燃焼室と接続されている。排気マニホールド１３は排気管１４が接続されており、この排気管１４にはターボチャージャ７のタービン７ｂが配置されている。また、タービン７ｂよりも下流側の排気管１４には排気中の有害物質を浄化するための排気浄化装置１５が配置されており、排気管１４はさらに下流にてマフラー（図示省略）に接続されている。この排気浄化装置１５は、ケース本体１５ａの内部に、上流側から酸化触媒１５ｂ及びＰＭフィルタ１５ｃがこれらの順に配置されている。

このように構成された内燃機関１の排気系では、内燃機関１の各シリンダ２で燃焼された既燃ガスが排気ポートを介して排気マニホールド１３に排出され、次いでターボチャージャ７のタービン７ｂに流入する。タービン７ｂに流入した排気は、その排気エネルギによってタービン７ｂ内に回転自在に支持されたタービンホイールを回転させ、その回転トルクがコンプレッサ７ａのコンプレッサホイールに伝達される。タービン７ｂから排気管１４に流出した排気は、排気浄化装置１５を通過して浄化された後、マフラーを介して大気中に放出される。

さらに、内燃機関１は、排気管１４を流れる排気の一部をＥＧＲガスとして吸気管４に還流（再循環）させるＥＧＲ装置２０を具備する。ＥＧＲ装置２０は、排気浄化装置１５よりも下流側の排気管１４とコンプレッサ７ａより上流側の吸気管４とを接続するＥＧＲ管２１、ＥＧＲ管２１内を流れるＥＧＲガス（還流排気ガス）の流量を調節可能なＥＧＲ弁２２、ＥＧＲ管２１に配置されると共にＥＧＲ弁２２より上流側のＥＧＲ管２１内を流れるＥＧＲガスを冷却する冷却能とＥＧＲガスに含まれている異物の捕集能とを有する冷却器付き異物捕集装置２３により構成されている。

このように構成されたＥＧＲ装置２０は、ＥＧＲ弁２２が開弁されるとＥＧＲ通路２１が導通状態となり、排気浄化装置１５から流出した比較的に低圧の排気の一部をコンプレッサ７ａよりも上流側の吸気管４へと還流させるいわゆる低圧ＥＧＲ装置である。このように吸気管４へと還流されたＥＧＲガスは、吸気管４を上流側から流れてくる空気と合流しつつコンプレッサ７ａに流入し、該コンプレッサ７ａにおいて過給されてから内燃機関１の各シリンダへと吸入される。ＥＧＲガスには、水（Ｈ_２Ｏ）や二酸化炭素（ＣＯ_２）等のように、自らが燃焼することがなく、且つ、熱容量が高い不活性ガス成分が多く含まれている。そのため、このＥＧＲガスが混合気中に含有されると、混合気の燃焼温度が低
くなり、内燃機関１におけるＮＯｘの生成量が低減される。

さらに、内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）１０が併設されている。このＥＣＵ１０は、内燃機関１の運
転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態等を制御する。ＥＣＵ１０には、内燃機関１の運転状態を検出する各種センサ（機関回転数を検出するクランクポジションセンサ、アクセル開度を検出するアクセルポジションセンサ、吸気管を流れる空気量を測定するエアフローメータ等）が電気配線を介して接続され、それらの出力信号がＥＣＵ１０に入力される。一方、ＥＣＵ１０には吸気絞り弁５、燃料噴射弁９、ＥＧＲ弁２２等が電気配線を介して接続されており、ＥＣＵ１０によってこれらが制御される。

次に、ＥＧＲ管２１に配置された冷却器付き異物捕集装置２３の構成について説明する。上述のように、冷却器付き異物捕集装置２３は、ＥＧＲ管２１内を流れるＥＧＲガスを冷却する冷却能とＥＧＲガスに含まれている異物の捕集能とを具備する。本実施例における異物とは、内燃機関１の排気系を構成する部品・部材から発生した異物（以下、「排気系異物ＥＭ」という）を意味する。この排気系異物ＥＭとしては、排気浄化装置１５のケース本体１５ａの溶接時に発生したスパッタや、酸化触媒１５ｂの過昇温に伴った破損片、タービン７ｂに内装されたタービンホイール等の破損片等がその一例として挙げられる。

上記例示した排気系異物ＥＭがＥＧＲ管２１を経由して吸気管４へと混入されてしまうと、この排気系異物ＥＭがコンプレッサ７ａや内燃機関１に流入してしまい、これらが破損する虞がある。そこで、本実施例では、ＥＧＲ管２１を流れるＥＧＲガスに含まれている排気系異物ＥＭを冷却器付き異物捕集装置２３において除去した後、このＥＧＲガスを吸気管４へと還流させることとしている。

図２は、本実施例に係る冷却器付き異物捕集装置の内部構成を示した図である。この図は、冷却器付き異物捕集装置２３を水平方向から見た図であり、同装置の垂直断面を表している。冷却器付き異物捕集装置２３は、ＥＧＲ管２１に接続されたケーシング３０及び、該ケーシング３０内に配置・形成された各要素によって概ね構成されている。

ケーシング３０はその外形が四角柱状に形成されており、ケーシング３０の一の側面Ｗｓ１の重力方向における上方の位置に導入ポート３１が開口し、上記一の側面Ｗｓ１に対向する側面Ｗｓ２の重力方向における上方の位置に排出ポート３２が開口している。導入ポート３１と排出ポート３２とは共にＥＧＲ管２１に接続されている。そのため、導入ポート３１を介してＥＧＲ管２１からケーシング３０内にＥＧＲガスを導入し、排出ポート３２を介して該ケーシング３０からＥＧＲ管２１へとＥＧＲガスを排出することができる。なお、この図では、導入ポート３１及び排出ポート３２へのＥＧＲ管２１の接続方向は略水平となっている。

ケーシング３０内の重力方向における下方の位置には、ケーシング３０内に導入されてくるＥＧＲガスに含まれる排気系異物ＥＭを捕集するための空間である異物捕集部Ｐｔが形成されている。一方、ケーシング３０ケーシングの上面Ｗｔを基端として異物捕集部Ｐｔに向かって（つまり、重力方向下向きに）隔壁Ｗｐが延設されている。この隔壁Ｗｐの他端（基端とは逆側の端部であり、ここでは下端といえる）はケーシング３０の底面Ｗｂまでは到達しておらず、所謂自由端となっている。このように形成された隔壁Ｗｐによれば、隔壁Ｗｐの下端とケーシング３０の底面Ｗｂとの間には隙間が図示のように形成されている。つまり、異物捕集部Ｐｔを除いてケーシング３０内の領域は、その水平方向において、導入ポート３１側の領域である導入ポート側通路部Ｐｉと排出ポート３２側の領域である排出ポート側通路部Ｐｅとに隔壁Ｗｐによって区画されている。なお、隔壁Ｗｐの
側面のうち、導入ポート側通路部Ｐｉ及び排出ポート側通路部Ｐｅ以外の２つの小口面は、共にケーシング３０の側面に隙間が生じることなく接合されている。そのため、導入ポート３１から導入されたＥＧＲガスは、導入ポート側通路部Ｐｉから排出ポート側通路部Ｐｅへと直接流れ込むことはなく、必ず異物捕集部Ｐｔ通過することになる。つまり、隔壁Ｗｐは、ケーシング３０内部におけるＥＧＲガスの流通経路（流路）を延長し、且つ、ＥＧＲガスを導入ポート３１→導入ポート側通路部Ｐｉ→異物捕集部Ｐｔ→排出ポート側通路部Ｐｅ→排出ポート３２の順に通過させるために機能する。

本実施例における冷却器付き異物捕集装置２３は、導入ポート側通路部Ｐｉに配置された第１冷却器３３と、排出ポート側通路部Ｐｅに配置された第２冷却器３４を具備する。図３は、図２に示した冷却器付き異物捕集装置のＡ−Ａ矢視方向断面図である。

第１冷却器３３は、ＥＧＲガスを冷却する冷却用熱媒体としての内燃機関１の冷却水が流通する複数の導入ポート側チューブ３３ａ、複数の導入ポート側チューブ３３ａのうち隣接する導入ポート側チューブ３３ａに当接して設けられる複数の導入ポート側冷却フィン３３ｂ、導入ポート側チューブ３３ａの両端部に接続され且つ冷却水を蓄える中空形状の導入ポート側タンク３３ｃ，３３ｄとから構成されている。導入ポート側チューブ３３ａは扁平形状を有している。また、導入ポート側冷却フィン３３ｂは連続した波形形状を有する金属製板であり、隣接する導入ポート側チューブ３３ａに溶接されている。本実施例においては、導入ポート側チューブ３３ａが本発明における第１冷却用熱媒体配管に相当し、導入ポート側冷却フィン３３ｂが本発明における第１冷却フィンに相当する。

また、第２冷却器３４は、内燃機関１の冷却水が流通する複数の排出ポート側チューブ３４ａ、複数の排出ポート側チューブ３４ａのうち隣接する排出ポート側チューブ３４ａに当接して設けられる複数の排出ポート側冷却フィン３４ｂ、排出ポート側チューブ３４ａの両端部に接続され且つ冷却水を蓄える中空形状の排出ポート側タンク３４ｃ，３４ｄとから構成されている。排出ポート側チューブ３４ａは、導入ポート側チューブ３３ａと同様に扁平形状を有し、排出ポート側冷却フィン３４ｂは、導入ポート側冷却フィン３３ｂと同様に連続した波形形状を有する金属製板であり、隣接する排出ポート側チューブ３４ａに溶接されている。本実施例においては、排出ポート側チューブ３４ａが本発明における第２冷却用熱媒体配管に相当し、排出ポート側冷却フィン３４ｂが本発明における第２冷却フィンに相当する。

導入ポート側冷却フィン３３ｂ及び排出ポート側冷却フィン３４ｂの夫々は、図示のように水平方向の断面（以下、「フィン水平断面」という）の形状が連続する波形形状に形成されている。すなわち、この波形形状とは、フィン水平断面において凸部を一方側と他方側に交互に位置させて曲折する形状である。本実施例では、上記のように一方側と他方側とのうち同一側で隣り合う凸部の中心同士の距離（中心間距離）であるフィンピッチｆｐを、導入ポート側冷却フィン３３ｂと排出ポート側冷却フィン３４ｂとで相違させている。より詳しくは、排出ポート側冷却フィン３４ｂのフィンピッチｆｐ２は、導入ポート側冷却フィン３３ｂのフィンピッチｆｐ１に比べて小さく形成されている。このように、各々のフィンピッチｆｐを相対的に相違させた目的、及びその作用については後述する。なお、図３においては、導入ポート側冷却フィン３３ｂおよび排出ポート側冷却フィン３４ｂの夫々のフィン水平断面は三角波形状であるが、他の形状（例えば正弦波，のこぎり波，方形波，或いはこれらを組み合わせた波型等）であっても構わない。

ここで、導入ポート側冷却フィン３３ｂ及び排出ポート側冷却フィン３４ｂにおいて、各々のフィン水平断面に対する直交軸を「フィン長手軸」と称す。本実施例においては、双方のフィンにおけるフィン長手軸は、共に重力方向に平行である。そのため、導入ポート側チューブ３３ａと、これに当接する導入ポート側冷却フィン３３ｂによって形成され
るＥＧＲガスの通路（以下、「導入ポート側フィン通路」という）ＦＰｉは重力方向に平行な通路として形成されている。同様に、排出ポート側チューブ３４ａと、これに当接する排出ポート側冷却フィン３４ｂによって形成されるＥＧＲガスの通路（以下、「排出ポート側フィン通路」という）ＦＰｅは重力方向に平行な通路として形成されている。本実施例においては導入ポート側フィン通路ＦＰｉが本発明における「第１冷却用熱媒体配管及びこれに当接する第１冷却フィンによって形成されるＥＧＲガスの通路」に相当し、排出ポート側フィン通路ＦＰｅが本発明における「第２冷却用熱媒体配管及びこれに当接する第２冷却フィンによって形成されるＥＧＲガスの通路」に相当する。

以上のように構成された第１冷却器３３では、不図示のラジエータにより冷却された比較的低温の冷却水が、同じく不図示の外部配管を介して一方の導入ポート側タンク３３ｃへと導入された後、各導入ポート側チューブ３３ａに分配される。そして、各導入ポート側チューブ３３ａを流れる冷却水は、導入ポート側フィン通路ＦＰｉを通過するＥＧＲガスと熱交換を行う。その際、導入ポート側チューブ３３ａに当接する導入ポート側冷却フィン３３ｂによって上記熱交換が促進され、ＥＧＲガスの冷却が効率的に行われる。ＥＧＲガスとの熱交換によって加熱された冷却水は、各導入ポート側チューブ３３ａから他方の導入ポート側タンク３３ｄへと流出する。その後、この冷却水は再び外部配管を循環する際にラジエータにおいて冷却され、再び一方の導入ポート側タンク３３ｃへと導入されることでＥＧＲガスの冷却に利用される。

また、第２冷却器３４においても同様に、ラジエータにより冷却された比較的低温の冷却水が外部配管を介して一方の排出ポート側タンク３４ｃへと導入され、各排出ポート側チューブ３４ａに分配される。そして、各排出ポート側チューブ３４ａを流れる冷却水は、排出ポート側フィン通路ＦＰｅを通過するＥＧＲガスと熱交換を行う。その際、排出ポート側チューブ３４ａに当接する排出ポート側冷却フィン３４ｂによって上記熱交換が促進され、ＥＧＲガスの冷却が効率的に行われる。ＥＧＲガスとの熱交換によって加熱された冷却水は、各排出ポート側チューブ３４ａから他方の排出ポート側タンク３４ｄへと流出する。その後、この冷却水は再び外部配管を循環する際にラジエータにおいて冷却され、再び一方の排出ポート側タンク３４ｃへと導入されることでＥＧＲガスの冷却に利用される。

ここで、ＥＧＲ管２１を介してケーシング３０へと流入してくるＥＧＲガスの温度は、通常２００〜３００℃であるところ、第１冷却器３３及び第２冷却器３４において行われる内燃機関１の冷却水との熱交換により、上記ＥＧＲガスがおよそ７０〜８０℃程度まで温度が下降するように、導入ポート側冷却フィン３３ｂ及び排出ポート側チューブ３４ａへの冷却水の通水量（循環量）がＥＣＵ１０によって調節される。ここで、ＥＧＲガスが過度に低温（例えば、４０〜４５℃程度）まで冷却されると凝縮水が生成される可能性が高まる。そのため、本実施例では、上記のように冷却水の通水量を調節することでケーシング３０内において凝縮水が生成されることを抑制する。これにより、ケーシング３０の底部（底面Ｗｂ）に凝縮水が溜まることがないため、該凝縮水によってＥＧＲガスの流路が閉塞されたり、或いは、凝縮水がＥＧＲガスと共に内燃機関１に吸入されて失火やウォータハンマ等の不具合が生じることもない。

次に、異物捕集部Ｐｔでの排気系異物ＥＭの捕集メカニズムについて説明する。本実施例に係る冷却器付き異物捕集装置２３は、排気系異物ＥＭに対して常に作用する重力と、ＥＧＲガスの主な流れ（以下、「主流」という）の方向（以下、この主流の方向を「ガス主流方向」という）が変化する時に作用する慣性力（遠心力）とを利用して異物捕集部Ｐｔに排気系異物ＥＭを捕集する。ここで、図２に示したように、ケーシング３０の底面Ｗｂ（底部）には、底面Ｗｂ近傍まで落下してきた排気系異物ＥＭを引っ掛けて保持するための複数の櫛形に並んだ突起部３６ａを有する異物保持部材３６が配置されている。

図４は、本実施例における冷却器付き異物捕集装置のケーシング内に導入されたＥＧＲガスのガス主流方向の変化と、排気系異物ＥＭの捕集メカニズムを説明するための説明図である。図中の実線矢印はガス主流方向を模式的に表したものである。破線矢印は、排気系異物ＥＭの進行方向がガス主流方向から逸れる場合における当該異物の進行方向を模式的に表したものである。

導入ポート３１からケーシング内３０に対して水平方向に流入してきたＥＧＲガス（及び、これに含まれている排気系異物ＥＭ）は、前方に対向して配置されている隔壁Ｗｐに衝突し、そのガス進行方向が重力方向下向きに変換される。なおかつ、本実施例における導入ポート側通路部Ｐｉには第１冷却器３３が配置され、重力方向に平行な導入ポート側フィン通路ＦＰｉが形成される。したがって、この導入ポート側フィン通路ＦＰｉにＥＧＲガスが流入することによって、ＥＧＲガスのガス主流方向が重力方向下向きに確実に整えられる。

その後、導入ポート側フィン通路ＦＰｉから流出したＥＧＲガスは、異物捕集部Ｐｔへと到達し、その一部が底面Ｗｂと衝突する。隔壁Ｗｐの他端（下端）はケーシング３０の底面Ｗｂに当接しておらず、当該下端と底面Ｗｂとの間にはＥＧＲガスを通過させるのに充分な隙間が形成されている。そのため、異物捕集部Ｐｔまで到達したＥＧＲガスは、そのガス主流方向が重力方向下向きから水平方向に変換され、排出ポート側通路部Ｐｉ側の方向に流れてゆく。

このように、ＥＧＲガスのガス主流方向が重力方向下向きから水平方向へと急激に変換されると、排気系異物ＥＭに慣性力が重力方向下向きに作用する。ＥＧＲガス中の異物は、ＥＧＲガスを構成する粒子に比してその質量が大きい。そのため、異物捕集部Ｐｔにおいてガス進行方向が水平方向へと変換した後も、排気系異物ＥＭの進路は重力と慣性力との複合力の作用によってガス主流方向から逸脱し、ケーシング３０の底面Ｗｂに向かって進行する（破線矢印Ａ）。

ここで、ケーシング３０の底面Ｗｂ近傍におけるＥＧＲガスの流速は、主流における流速に比べて相対的に遅い。したがって、排気系異物ＥＭがケーシング３０の底面Ｗｂ近傍まで一旦落下すると、これに作用する重力と慣性力とに抗して排気系異物ＥＭが排出ポート側通路部Ｐｅ（排出ポート側フィン通路ＦＰｅ）まで運搬され難くなる。その結果、当該排気系異物ＥＭはケーシング３０の底面Ｗｂに滞留した状態に維持され、異物捕集部Ｐｔにて捕集される。

これに加えて、本実施例では、ケーシング３０の底面Ｗｂ（底部）に異物保持部材３６を配置させている。これによれば、導入ポート側フィン通路ＦＰｉからの流出後に重力と慣性力との複合力によって下方に向けて落下してくる排気系異物ＥＭは多数の突起部３６ａに引っ掛かり、異物保持部材３６に保持される。それ故に、ＥＧＲガスに含まれている排気系異物ＥＭは、異物捕集部Ｐｔにおいてより確実に捕集される。

その後、ＥＧＲガス及びこれに残存する排気系異物ＥＭは、第２冷却器３４が配置されている排出ポート側通路部Ｐｅに到達する。ここで、排出ポート側フィン通路ＦＰｅは重力方向に平行に形成されているため、排出ポート側フィン通路ＦＰｅへとＥＧＲガスが流入する際に、そのガス主流方向が水平方向から重力方向上向きへと強制的に変換させられることで、排気系異物ＥＭに対して水平方向に大きな慣性力が作用する。その結果、排気系異物ＥＭの進路がガス主流方向から逸れて、ケーシング３０の側面Ｗｓ２に向かって進行し（破線矢印Ｂ）、一部の排気系異物ＥＭは当該側面Ｗｓ２に衝突する。このようにして、ガス主流方向から進路が逸れた排気系異物ＥＭは、重力によってケーシング３０の底
部（底面Ｗｂ）に向かって落下してゆき、異物保持部材３６に保持されることで捕集される。

以上のように、本実施例に係る冷却器付き異物捕集装置２３は、単一の装置によって排気系異物ＥＭの捕集能とＥＧＲガスの冷却能を実現する。すなわち、導入ポート側通路部Ｐｉに第１冷却器３３を配置し、排出ポート側通路部Ｐｅに第２冷却器３４を配置することで、ケーシング３０の内部空間の有効利用（省スペース化）を図り、以ってＥＧＲ装置２０全体のコンパクト化を実現する。

ここで、図４にて説明したように、異物捕集部Ｐｔにおいて、排気系異物ＥＭに大きな慣性力を作用させて効率的に捕集することができるのは、導入ポート側フィン通路ＦＰｉと排出ポート側フィン通路ＦＰｅとにおけるＥＧＲガスの整流作用がガス主流方向の変換に大きく寄与するからである。ここで、導入ポート側通路部Ｐｉ及び排出ポート側通路部Ｐｅに何も配置せずに単なる中空空間とした異物捕集装置（ここでは、「従来型異物捕集装置」という）を仮に考える。ケーシング３０に導入される排気系異物ＥＭの導入量に対する、異物捕集部Ｐｔで捕集される捕集量の重量百分率として「異物捕集率」を定義した場合、従来型異物捕集装置における異物捕集率を本実施例の冷却器付き異物捕集装置２３と同等にするには、導入ポート側通路部及び排出ポート側通路部の上下寸法を本実施例に比して大きくする必要がある。つまり、本実施例に係る冷却器付き異物捕集装置２３では、導入ポート側フィン通路ＦＰｉと排出ポート側フィン通路ＦＰｅとにおけるＥＧＲガスの整流作用が期待できる分だけ従来型異物捕集装置に比べて異物捕集率が向上し、優れた異物捕集能を実現することができる。つまり、言い換えると、従来型異物捕集装置と同等の異物捕集率を実現する場合であれば、従来型異物捕集装置に比べて装置をよりコンパクトにすることができる。

次に、排出ポート側冷却フィン３４ｂのフィンピッチｆｐ２を、導入ポート側冷却フィン３３ｂのフィンピッチｆｐ１に比べて小さく形成（ｆｐ１＞ｆｐ２）したことの目的について説明する。当該目的のうち第１の目的は、導入ポート３１からケーシング３０内にＥＧＲガスに含まれている排気系異物ＥＭに導入ポート側フィン通路ＦＰｉを円滑に通過させ、当該排気系異物ＥＭを異物捕集部Ｐｔまで確実に到達させることにある。ここで、導入ポート側冷却フィン３３ｂのフィンピッチｆｐ１が大きいほど、導入ポート側フィン通路ＦＰｉを排気系異物ＥＭが通過し易くなる。

本実施例においては、本捕集装置２３において捕集する対象となる排気系異物ＥＭ（前述のスパッタ、触媒破損片など）のうち、ケーシング３０内に導入されてくると想定される異物の最大寸法（以下、「想定最大寸法」という）を予め設定しておき、当該想定最大寸法の排気系異物ＥＭであっても導入ポート側フィン通路ＦＰｉを通過可能なように導入ポート側冷却フィン３３ｂのフィンピッチｆｐ１を決定している。このようにフィンピッチｆｐ１を決定（設定）することで、導入ポート３１からケーシング３０内に導入された排気系異物ＥＭを、確実に異物捕集部Ｐｔまで到達させることができる。このことは、第１冷却器３３における導入ポート側フィン通路ＦＰｉの入口（前端面、上端面）に排気系異物ＥＭが引っ掛かり、円滑な流通が阻害されることを確実に抑制できることを意味する。

ここで、導入ポート側フィン通路ＦＰｉの前端面に引っ掛かってしまうと、例えば内燃機関１や車両の振動等に起因した外乱が起こる度に、当該前端面において排気系異物ＥＭの浮き上がり・衝突が頻繁に繰り返されてしまう。そして、このような状況が長期に及ぶと、導入ポート側冷却フィン３３ｂが折れ曲がる等の破損が生じる要因となる。これに対して、本実施例によれば、導入ポート側冷却フィン３３ｂに破損が生じることがない。それ故に、第１冷却器３３におけるＥＧＲガスの冷却効率の低下や圧力損失の増加などが確
実に抑制される。

また、排出ポート側冷却フィン３４ｂのフィンピッチｆｐ２を、導入ポート側冷却フィン３３ｂのフィンピッチｆｐ１に比べて小さく形成したことの第２の目的は、排気系異物ＥＭに作用する慣性力の大きさが該排気系異物ＥＭをガス主流方向から逸脱させるのに不充分であった場合であっても、排気系異物ＥＭが排出ポート側フィン通路ＦＰｅを通過することを排出ポート側冷却フィン３４ｂに阻止させ、排気系異物ＥＭが吸気管４へ侵入することを確実に抑制することにある。

本実施例では、ＥＧＲ管２１を経由して吸気管４に排気系異物ＥＭが侵入しても、コンプレッサ７ａ、或いは内燃機関１が破損する虞がないほど小さな値として設定される寸法、すなわち吸気管４への混入（侵入）が許容される排気系異物ＥＭのうちで最大寸法（以下、「許容最大寸法」という）を予め設定しておく。この許容最大寸法は、前述の想定最大寸法に比して充分に小さな値である。

そして、排出ポート側冷却フィン３４ｂのフィンピッチｆｐ２は、許容最大寸法を超える寸法の排気系異物ＥＭが排出ポート側フィン通路ＦＰｅを通過することができないように決定されている。排気系異物ＥＭが排出ポート側フィン通路ＦＰｅを通過することができないとは、第２冷却器３４における排出ポート側フィン通路ＦＰｅの入口（前端面、下端面）に排気系異物ＥＭが導かれても、当該排気系異物ＥＭが上記前端面に衝突し、ケーシング３０の底面Ｗｂに向かって再び下方に落下することを意味する。このようにフィンピッチｆｐ２を決定（設定）することで、排出ポート側冷却フィン３４ｂを、許容されない寸法の排気系異物ＥＭが吸気管４へと侵入することを確実に抑制するためのフィルタとして機能させることができ、以ってコンプレッサ７ａや内燃機関１等が破損することを確実に抑制することができる。

なお、本実施例の冷却器付き異物捕集装置２３は、メッシュなどの微細な部材に排気系異物ＥＭを捕集する方式の装置ではないため、耐久性が高く、且つ異物捕集率の経時的な低下が生じることがない点で優れている。また、本実施例の異物保持部材３６は、本発明の適用に必須の部材ではないものの、異物捕集部Ｐｔにおける排気系異物ＥＭを保持することができるので、内燃機関１や車両に大きな振動等が起こった場合においても、この排気系異物ＥＭが異物捕集部Ｐｔ内で浮き上がり、散乱することがない。これにより、異物捕集部Ｐｔにて捕集されている排気系異物ＥＭが排出ポート側冷却フィン３４ｂの下端面へと繰り返し衝突することが抑制されるので、当該排出ポート側冷却フィン３４ｂの破損が確実に抑制される。

また、本実施例に係る冷却器付き異物捕集装置２３が設けられるＥＧＲ管２１は、内燃機関１における排気浄化装置１５より下流側の排気管１３と、コンプレッサ７ａより上流側の吸気管４とを接続するいわゆる低圧ＥＧＲ管である。このように、吸気管４に還流されてくるＥＧＲガスがコンプレッサ７ａへと流入する構成では、コンプレッサ７ａの破損を確実に防ぐ観点から、吸気系への還流前にＥＧＲガスから排気系異物ＥＭをシビアに除去する必要がある。そのため、本実施例における冷却器付き異物捕集装置２３を、排気浄化装置より下流側の比較的低圧の排気の一部を過給機のコンプレッサより上流の吸気管に還流する低圧ＥＧＲ装置に適用することで、その作用効果をより顕著に奏することができる。

ここで、本実施例に係る冷却器付き異物捕集装置２３の他の実施形態について説明する。当該他の実施形態では、異物保持部材３６が磁力を有する材料にて構成される。これによれば、前述したスパッタや触媒破損片の如く、ケーシング３０内に導入されてくる可能性の高い金属製の異物を、異物保持部材３６に対してその磁力により確実に吸着させるこ
とができる。その場合、異物保持部材３６は図２に示したような突起部３６ａを有していなくても良いのは勿論である。例えば、ケーシング３０の底面Ｗｂに磁石を配置し、或いは埋め込んだだけの構成であっても異物捕集部Ｐｔに流入してくる排気系異物ＥＭを当該磁石に吸着させることができる。したがって、かかる場合などには、磁石が配置、或いは埋め込まれたケーシング３０の底面Ｗｂ自体によって異物保持部材を構成することができる。

１ 内燃機関
４ 吸気管
７ ターボチャージャ
７ａ コンプレッサ
７ｂ タービン
１４ 排気管
１５ 排気浄化装置
２０ ＥＧＲ装置
２１ ＥＧＲ管
２３ 冷却器付き異物捕集装置
３０ ケーシング
３１ 導入ポート
３２ 排出ポート
３３ 第１冷却器
３３ａ 導入ポート側チューブ
３３ｂ 導入ポート側冷却フィン
３４ 第２冷却器
３４ａ 排出ポート側チューブ
３４ｂ 排出ポート側冷却フィン
３６ 異物保持部材
３６ａ 突起部
Ｗｐ 隔壁
Ｐｉ 導入ポート側通路部
Ｐｅ 排出ポート側通路部
Ｐｔ 異物捕集部
ＦＰｉ 導入ポート側フィン通路
ＦＰｅ 排出ポート側フィン通路

Claims (3)

1. 内燃機関の排気管と吸気管とを接続すると共に排気の一部をＥＧＲガスとして吸気系に還流させるＥＧＲ管に設けられ、該ＥＧＲ管を流れるＥＧＲガスに含まれている異物の捕集能と該ＥＧＲガスの冷却能とを有する冷却器付き異物捕集装置であって、
   ＥＧＲガスを導入する導入ポートとＥＧＲガスを排出する排出ポートとが重力方向における上方の位置に開口されており、該導入ポート及び排出ポートを介してＥＧＲ管に接続されているケーシングと、
   前記ケーシング内の重力方向における下方の位置に形成された異物捕集部と、
   前記ケーシングの上面を基端として前記異物捕集部に向かって延設されており、該異物捕集部を除くケーシング内の領域を前記導入ポート側の領域である導入ポート側通路部と前記排出ポート側の領域である排出ポート側通路部とに区画する隔壁と、
   前記導入ポート側通路部に配置され、ＥＧＲガスを冷却する冷却用熱媒体が流通する複数の第１冷却用熱媒体配管と、複数の該第１冷却用熱媒体配管のうち隣接する第１冷却用熱媒体配管に当接して設けられる複数の第１冷却フィンとを含んで構成される第１冷却器と、
   前記排出ポート側通路部に配置され、ＥＧＲガスを冷却する冷却用熱媒体が流通する複数の第２冷却用熱媒体配管と、複数の該第２冷却用熱媒体配管のうち隣接する第２冷却用熱媒体配管に当接して設けられる複数の第２冷却フィンとを含んで構成される第２冷却器と、を備え、
   前記第１冷却用熱媒体配管及びこれに当接する第１冷却フィンによって形成されるＥＧＲガスの通路と、前記第２冷却用熱媒体配管及びこれに当接する第２冷却フィンによって形成されるＥＧＲガスの通路とは共に重力方向に平行であって、且つ、第２冷却フィンのフィンピッチは第１冷却フィンのフィンピッチに比べて小であることを特徴とする冷却器付き異物捕集装置。
2. 前記ケーシングの底部には、異物を保持する異物保持部材が配置されることを特徴とする請求項１に記載の冷却器付き異物捕集装置。
3. 前記異物保持部材は磁力を有して構成されることを特徴とする請求項２に記載の冷却器付き異物捕集装置。

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