JP2010270603A - Ｅｇｒクーラ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＥＧＲガスの冷却性能を確保しつつエンジンの補機駆動損失を低減できるＥＧＲクーラ装置を提供する。
【解決手段】ＥＧＲクーラ装置６３を、液体冷媒が充填される冷却水路６３１と、冷却水路の内部に設けられ、略円筒状に形成されてＥＧＲガスが内部に流されるとともに、冷却水路に対して中心軸回りに回転可能に支持された回転筒６３２と、回転筒の内周面から内径側に突き出して形成され、ＥＧＲガスの流れによって回転筒を中心軸回りに回転させる内側スクリュー部６３４と、回転筒の外周面から外径側に突き出して形成され、回転筒の回転時に液体冷媒の流れを発生させる外側スクリュー部６３５とを備える構成とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、ディーゼルエンジン等の排ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気管路に再循環させるＥＧＲ装置に設けられ、このＥＧＲガスを水等の液体冷媒によって冷却するＥＧＲクーラ装置に関するものである。

ディーゼルエンジンにおいては、ＮＯｘ等の有害物質の低減及び燃費向上を目的として、所定の運転条件下で排気ガスの一部を吸気管路に還流するＥＧＲ装置を設けることが一般的となっている。
このようなＥＧＲ装置において、高温の排気ガスをそのまま吸気管路に導入すると、エンジンの吸気温度が高くなり、体積効率の低下による燃費の悪化や、燃焼温度の向上によるＮＯｘ発生量の増加の原因となる。
このため、ＥＧＲ装置には、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラを設けることが一般的である。

一般に、ＥＧＲクーラは、ウォーターポンプによって循環される冷却水がＥＧＲクーラ内の伝熱管の周囲に設けられた水回路を通る際に、高温のＥＧＲガスと熱交換することにより、ＥＧＲガス温度を所定の温度まで低下させる機能を有する。
冷却されたＥＧＲガスは吸入空気と混合されることによって、燃焼温度を下げることができるので、ＮＯｘ排出量を低減できるとともに、燃費の悪化を防止することができる。

このようなＥＧＲクーラに関する従来技術として、例えば特許文献１には、ＥＧＲガスに含まれる煤の伝熱管内壁への付着を防止するため、伝熱管の内部にスパイラル状の突条を形成してＥＧＲガスに旋回流を与えるようにしたものが記載されている。
また、特許文献２には、冷却性能をより向上するため、熱伝導率の高いステンレス素材をプレス成型して形成したＥＧＲクーラが記載されている。

特開平１１−１０８５７８号公報 特開２００２−３３９８１０号公報

上述したようなＥＧＲクーラにエンジン冷却水を供給するためのウォーターポンプは、一般に電動ウォーターポンプ、又は、電磁クラッチを介してエンジンに駆動されるウォーターポンプが用いられる。上述した従来技術によれば、高温のＥＧＲガスを冷却するためにエンジン駆動中は常時ウォーターポンプを駆動する必要があり、エンジンの補機駆動損失が増加して燃料消費率が悪化してしまう。
本発明の課題は、ＥＧＲガスの冷却性能を確保しつつエンジンの補機駆動損失を低減できるＥＧＲクーラ装置を提供することである。

本発明は、以下のような解決手段により、上述した課題を解決する。
請求項１の発明は、エンジンの排ガスの一部をＥＧＲガスとして排気管路から吸気管路に導入するＥＧＲ装置に設けられ、前記ＥＧＲガスを液体冷媒によって冷却するＥＧＲクーラ装置であって、前記液体冷媒が充填される冷却水路と、前記冷却水路の内部に設けられ、略円筒状に形成されて前記ＥＧＲガスが内部に流されるとともに、前記冷却水路に対して中心軸回りに回転可能に支持された回転筒と、前記回転筒の内周面から内径側に突き出して形成され、前記ＥＧＲガスの流れによって前記回転筒を中心軸回りに回転させる内側スクリュー部と、前記回転筒の外周面から外径側に突き出して形成され、前記回転筒の回転時に前記液体冷媒の流れを発生させる外側スクリュー部とを備えることを特徴とするＥＧＲクーラ装置である。

請求項２の発明は、前記内側スクリュー部は、前記回転筒の側面を内径側に凹ませて形成されスパイラル状に延びた溝部であることを特徴とする請求項１に記載のＥＧＲクーラ装置である。

本発明によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）ＥＧＲガスが回転筒内を流れ内側スクリュー部を通過すると回転筒が回転し、このとき、外側スクリュー部によって液体冷媒が攪拌されて流れが発生する。これによって、ウォーターポンプの能力を低減し、あるいはウォーターポンプを停止した場合であっても液体冷媒とＥＧＲガスとの熱交換を行うことができる。さらに、内側スクリュー部及び外側スクリュー部はこの熱交換における伝熱面積を拡大するフィンとして機能する。これによって、エンジンの補機駆動損失を低減しつつＥＧＲガスの冷却性能を確保することができる。
（２）内側スクリュー部は、回転筒の側面を内径側に凹ませて形成されスパイラル状に延びた溝部である構成としたことによって、ＥＧＲクーラ装置の部品点数を低減して簡素な構成とすることができる。また、このような内側スクリュー部は、回転筒を形成する際にプレス加工によって形成することができるため、製造工程も簡素化されかつ回転筒本体と同様の耐食性、熱伝導性を内側スクリュー部にも持たせることができる。

本発明を適用したＥＧＲクーラ装置の実施例を含む車両用ディーゼルエンジンのシステム構成を示す図である。 実施例のＥＧＲクーラ装置の構造を示す模式的断面図である。

本発明は、ＥＧＲガスの冷却性能を確保しつつエンジンの補機駆動損失を低減できるＥＧＲクーラ装置を提供する課題を、冷却水路内に設けられ回転可能に支持され、内部にＥＧＲガスが流される回転筒を備え、回転筒の内部にＥＧＲガスの流れによって回転筒を回転させる内側スクリュー部を設けるとともに、回転筒の外部に冷却水を搬送する外側スクリュー部を設けることによって解決した。

以下、本発明を適用したＥＧＲクーラ装置の実施例について説明する。
図１は、実施例のＥＧＲクーラ装置を含む車両用ディーゼルエンジンのシステム構成を示す図である。
エンジン１０は、ターボチャージャ２０、インテークシステム３０、エキゾーストシステム４０、燃料供給装置５０、ＥＧＲ装置６０、酸化触媒（ＤＯＣ）７０、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）８０、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ１００）等を備えて構成されている。

エンジン１０は、例えば、乗用車等の自動車の走行用動力源として用いられる４ストロークのディーゼルエンジンである。
エンジン１０は、クランクシャフト１１、ピストン１２、シリンダブロック１３、ヘッド１４、燃焼室１５、グロープラグ１６、グローコントローラ１７等を備えて構成されている。
クランクシャフト１１は、エンジン１０の出力軸である。
ピストン１２は、シリンダ内を往復運動し、コンロッドを介して燃焼圧力をクランクシャフト１１に伝達する部材である。
シリンダブロック１３は、ピストン１２が収容されるシリンダ部及びクランクシャフト１１が回転可能に支持されるクランクケース部を一体に形成したものである。
ヘッド１４は、シリンダブロック１３のピストン１２の冠側の端部に設けられ、吸気ポート、排気ポート及びこれらに設けられた吸気バルブ及び排気バルブを開閉する動弁駆動機構等を備えている。
燃焼室１５は、ピストン１２の冠面とヘッド１４のこれに対向する部分との間に形成されている。
グロープラグ１６は、先端部が燃焼室１５内に露出した状態でヘッド１４に設けられた予備加熱装置である。
グローコントローラ１７は、ＥＣＵ１００の制御に応じてグロープラグ１６への通電量を制御するものである。

ターボチャージャ２０は、エンジン１０の排ガス（既燃ガス）のエネルギを用いて、エンジン１０が吸入する燃焼用空気（新気）を圧縮するものである。
ターボチャージャ２０は、コンプレッサ２１、タービン２２、アクチュエータ２３、負圧制御弁２４等を備えている。
コンプレッサ２１は、燃焼用空気を圧縮する遠心型圧縮機である。
タービン２２は、コンプレッサ２１と同軸に設けられ、エンジン１０の排ガスによって駆動されるとともに、コンプレッサ２１を駆動するものである。タービン２２は、タービンホイールの周囲のノズルに設けられる可動式のべーンによってジオメトリを連続的に変更可能な可変ジオメトリ式のものである。
アクチュエータ２３は、タービン２２の可動ベーンを駆動する負圧式のアクチュエータである。
負圧制御弁２４は、図示しない負圧源からの負圧を、ＥＣＵ１００の制御に従ってアクチュエータ２３に導入する電磁弁である。

インテークシステム３０は、エンジン１０に燃焼用空気を導入するものである。
インテークシステム３０は、インテークダクト３１、エアクリーナ３２、エアフローメータ３３、インタークーラ３４、スロットルバルブ３５、アクチュエータ３６、インテークチャンバ３７、吸気圧センサ３８、インテークマニホールド３９等を備えて構成されている。

インテークダクト３１は、大気から燃焼用空気を導入し、ターボチャージャ２０のコンプレッサ２１を経由してエンジン１０に供給する空気流路である。
エアクリーナ３２は、空気を濾過して埃等を除去するフィルタエレメントを備えている。エアクリーナ３２を通過した空気はターボチャージャ２０のコンプレッサ２１に導入され、圧縮される。
エアフローメータ３３は、エアクリーナ３２の出口部に設けられ、空気流量を検出するセンサを備えている。また、エアフローメータ３３には、吸気温度を検出する吸気温度センサが内蔵されている。

インタークーラ３４は、ターボチャージャ２０のコンプレッサ２１を出た空気を、走行風との熱交換によって冷却する熱交換器である。
スロットルバルブ３５は、インタークーラ３４の下流側に設けられ、エンジン１０の吸入空気量を調節するものである。
アクチュエータ３６は、ＥＣＵ１００からの制御信号に応じてスロットルバルブ３５を開閉駆動するものである。
インテークチャンバ３７は、スロットルバルブ３５を通過した空気が導入される空気室であって、インテークマニホールド３９を介してエンジン１０の吸気ポートに接続されている。
吸気圧センサ３８は、インテークチャンバ３７に設けられ、エンジン１０の吸気圧力と実質的に等しいインテークチャンバ３７内の圧力を検出するものである。
インテークマニホールド３９は、インテークチャンバ３７からエンジン１０の各気筒の吸気ポートに空気を導入する分岐管路である。

エキゾーストシステム４０は、エキゾーストマニホールド４１、エキゾーストパイプ４２等を備えて構成されている。
エキゾーストマニホールド４１は、エンジン１０の各気筒の排気ポートから排出される排ガスを集合させてターボチャージャ２０のタービン２２に導入する管路である。
エキゾーストパイプ４２は、タービン２２から出た排気を車外に排出する管路である。エキゾーストパイプ４２には、ＤＯＣ７０、ＤＰＦ８０等の排ガス後処理装置が設けられている。

燃料供給装置５０は、エンジン１０の燃焼室１５内に燃料を供給するものである。燃料供給装置５０は、サプライポンプ５１、吸入調量電磁弁５２、燃料温度センサ５３、コモンレール５４、燃圧センサ５５、インジェクタ５６等を備えたコモンレール式の高圧燃料噴射装置である。

サプライポンプ５１は、例えばインナカム式の圧送系を備え、燃料である軽油を加圧してコモンレール５４に供給するものである。
吸入調量電磁弁５２は、サプライポンプ５１の燃料の吸入量を調整するものであって、ＥＣＵ１００からの制御信号に応じて駆動される。
燃料温度センサ５３は、サプライポンプ５１における燃料の温度を検出するものである。

コモンレール５４は、サプライポンプ５１が吐出した高圧の燃料を貯留する蓄圧器である。
燃圧センサ５５は、コモンレール５４内の燃料の圧力（燃圧）を検出するものである。上述した吸入調量電磁弁５２は、燃圧センサ５５の出力を用いたフィードバック制御により、燃圧が例えばエンジン回転数及び負荷に応じて設定される所定の目標値となるようにその開度を調節される。
インジェクタ５６は、コモンレール５４から供給される燃料を各気筒の燃焼室１５内に噴射するものである。インジェクタ５６は、例えばピエゾ素子やソレノイド等のアクチュエータによって開閉される弁体を有し、ＥＣＵ１００からの噴射パルス信号に応じて開弁される。インジェクタ５６の噴射タイミング及び噴射量はＥＣＵ１００によって制御されている。

ＥＧＲ装置６０は、燃焼温度を抑制してＮＯｘの排出量を低減することを目的とし、エキゾーストマニホールド４１から抽出したエンジン１０の排ガスの一部を、ＥＧＲガスとしてインテークダクト３１内に還流させるものである。
ＥＧＲ装置６０は、ＥＧＲ通路６１、ＥＧＲ制御弁６２、ＥＧＲクーラ６３等を備えて構成されている。
ＥＧＲ通路６１は、エキゾーストマニホールド４１からインテークダクト３１に排ガスを導入する管路である。
ＥＧＲ制御弁６２は、ＥＣＵ１００の制御に応じてＥＧＲ通路６１の排ガス流量（ＥＧＲ量）を調節するものである。
ＥＧＲクーラ６３は、ＥＧＲ通路６１を流れる排ガス（ＥＧＲガス）を、冷却水との熱交換によって冷却するものである。このＥＧＲクーラ６３の詳細な構成については、後に詳しく説明する。
なお、ＥＧＲクーラ６３で用いられる冷却水は、例えばエンジン１０の冷却水と共通の冷却水を用いることができるが、別個の冷却系を用いる構成としてもよく、また水以外の液体冷媒を用いてもよい。

ＤＯＣ７０は、エキゾーストパイプ４２に設けられ、排ガス中の主として炭化水素（ＨＣ）を酸化処理するものである。ＤＯＣ７０は、例えばコーディエライトハニカム構造体等のセラミック製担体の表面に、白金やパラジウム等の貴金属やアルミナ等の金属酸化物を担持させて形成されている。
ＤＯＣ７０には、入口部分の排ガス温度を検出する温度センサ７１が設けられている。

ＤＰＦ８０は、エキゾーストパイプ４２のＤＯＣ７０よりも下流側に設けられ、排ガスを濾過して粒子状物質（ＰＭ）を捕集するフィルタを備えている。ここで、ＰＭには、スート（煤）、有機溶剤可溶性成分（ＳＯＦ）、サルフェート（ＳＯ_４）等が含まれる。
フィルタは、例えば、コーディエライト等の耐熱性セラミックスをハニカム構造に形成し、ガス流路となる多数のセルを、入口側、出口側が互い違いとなるように端面に封をして形成されたいわゆるウォールフロータイプのものである。
ＤＰＦ８０は、入口圧力と出口圧力との間の差圧を検出する差圧センサ８１、及び、出口の排ガス温度を検出する温度センサ８２を備えている。

ＥＣＵ１００は、上述したエンジン１０及びその補機類を統括的に制御するものであって、ＣＰＵ等の情報処理装置、ＲＯＭやＲＡＭ等の記憶装置、入出力インターフェイス、及び、Ａ／Ｄ変換器、タイマ、カウンタ、各種ロジック回路等の周辺回路を備えている。
ＥＣＵ１００には、上述した各種センサのほか、アクセルペダルセンサ１０１、大気圧センサ１０２の出力が入力される。
アクセルペダルセンサ１０１は、ドライバが操作するアクセルペダルのポジションを検出することによって、ドライバ要求トルクを検出する要求トルク検出手段である。
大気圧センサ１０２は、車両の周囲雰囲気における大気圧を検出するものである。
ＥＣＵ１００は、アクセルペダルセンサ１０１の出力に応じて設定される要求トルクに応じて、スロットルバルブ３５の開度、燃料供給装置５０の燃料噴射量及び時期、燃圧等を制御する。

以下、本発明を適用したＥＧＲクーラ装置の実施例であるＥＧＲクーラ６３について、より詳細に説明する。
図２は、ＥＧＲクーラ６３の構造を示す模式的断面図である。
ＥＧＲクーラ６３は、ハウジング６３１、回転筒６３２、メカニカルシール６３３、内側スクリュー部６３４、外側スクリュー部６３５等を備えて構成されている。
ハウジング６３１は、略円筒状の容器として形成され、その軸方向における中間部分は両端部に対して拡径して形成されている。ＥＧＲガスは、ハウジング６３１の一方の開口端から導入され、後述する回転筒６３２内を通過して冷却された後、ハウジング６３１の他方の開口端から排出される。ハウジング６３１の中間部は、エンジン冷却水が充填された冷却水路の一部を構成している。エンジン冷却水は、ウォーターポンプＷによって図示しない循環水路内を循環され、その途中に設けられた図示しないラジエータコアにおいて、走行風との熱交換によって冷却される。ハウジング６３１の外周面部には、その中心軸方向に離間して配置された冷却水入口６３１ａ及び冷却水出口６３１ｂが設けられている。冷却水出口６３１ｂから出た冷却水は、ラジエータコアで冷却された後に冷却水入口６３１ａに戻る。

回転筒６３２は、略円筒状に形成され、ハウジング６３１の内部に略同心に配置されており、その内部にＥＧＲガスが流される。回転筒６３２は、ハウジング６３１に対して、その中心軸回りに回転可能に支持されている。回転筒６３２は、例えば、ステンレス鋼をプレス成型して形成されている。回転筒６３２は、中間部分を両端部に対して拡径して形成されている。回転筒６３２の中間部分における外周面は、ハウジング６３１内において冷却水に直接接している。
メカニカルシール６３３は、回転筒６３２の両端部に設けられ、ハウジング６３１の内周面と回転筒６３２の外周面との間を微小な空隙によってシールし、冷却水のＥＧＲ通路内への漏出を防止するものである。

内側スクリュー部６３４は、回転筒６３２の中間部分の内周面から内径側に突き出して形成されている。内側スクリュー部６３４は、回転筒６３２の側面をビード状に内径側へ凹ませることによって、外径側から見た場合には溝状かつ内径側から見た場合には突条状に形成されている。内側スクリュー部６３４は、スパイラル状に延びて形成され、回転筒６３２の軸方向から見た場合に、中央部に円形開口を有するスクリュー状に形成されている。内側スクリュー部６３４は、回転筒６３２の内部にＥＧＲガスが流された際に、旋回力を発生させて回転筒６３２を中心軸回りに回転させる。

外側スクリュー部６３５は、回転筒６３２の中間部分の外周面から外径側へ突き出して形成されている。外側スクリュー部６３５は、例えば、回転筒６３２の外周面に板金製のフィンを固定することによって形成される。外側スクリュー部６３５は、回転筒６３２の回転時に、冷却水を攪拌するとともに、冷却水入口６３１ａ側から冷却水出口６３１ｂ側へ流れる方向の水流を発生させる。

以上説明した実施例によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）ＥＧＲガスが回転筒６３２内を流れ内側スクリュー部６３４を通過すると、回転筒６３２が回転し、このとき、外側スクリュー部６３５によって冷却水が攪拌されて水流が発生する。このため、ウォーターポンプＷの能力を低減し、あるいはウォーターポンプＷを停止した場合であっても冷却水とＥＧＲガスとの熱交換を行いＥＧＲガスを冷却することができる。さらに、内側スクリュー部６３４及び外側スクリュー部６３５は、この熱交換における伝熱面積を拡大するフィンとして機能する。これによって、エンジン１０の補機駆動損失を低減しつつＥＧＲガスの冷却性能を確保することができる。
（２）内側スクリュー部６３４は、回転筒６３２の側面を内径側に凹ませて形成されスパイラル状に延びた溝部である構成としたことによって、ＥＧＲクーラ６３の部品点数を低減して簡素な構成とすることができる。また、このような内側スクリュー部６３２は、回転筒を形成する際にプレス加工によって形成することができるため、製造工程も簡素化されかつ回転筒６３２本体と同様の耐食性、熱伝導性を内側スクリュー部６３４にも持たせることができる。

（変形例）
本発明は、以上説明した実施例に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の技術的範囲内である。
（１）ＥＧＲクーラ装置の構造や各部材、部位の形状、構造、材質等の詳細な構成は、上述した実施例のものに限定されず、適宜変更することができる。例えば、実施例では内側スクリュー部は回転筒と一体に形成されているが、これに限らず、別部材を装着するようにしてもよい。また、回転筒両端部で液体冷媒をシールする手段もメカニカルシールに限らず、他のシール手段を適用してもよい。
（２）実施例のＥＧＲクーラ装置は、例えばディーゼルエンジンのＥＧＲ装置に設けられているが、適用対象となるエンジンの種類はディーゼルエンジンに限定されず、例えばガソリンエンジン等の他種のエンジンであっても本発明を適用することができる。

１０ エンジン １１ クランクシャフト
１２ ピストン １３ シリンダブロック
１４ ヘッド １５ 燃焼室
１６ グロープラグ １７ グローコントローラ
２０ ターボチャージャ ２１ コンプレッサ
２２ タービン ２３ アクチュエータ
２４ 負圧制御弁
３０ インテークシステム ３１ インテークダクト
３２ エアクリーナ ３３ エアフローメータ
３４ インタークーラ ３５ スロットルバルブ
３６ アクチュエータ ３７ インテークチャンバ
３８ 吸気圧センサ ３９ インテークマニホールド
４０ エキゾーストシステム ４１ エキゾーストマニホールド
４２ エキゾーストパイプ
５０ 燃料供給装置 ５１ サプライポンプ
５２ 吸入調量電磁弁 ５３ 燃料温度センサ
５４ コモンレール ５５ 燃圧センサ
５６ インジェクタ
６０ ＥＧＲ装置 ６１ ＥＧＲ通路
６２ ＥＧＲ制御弁 ６３ ＥＧＲクーラ
７０ 酸化触媒（ＤＯＣ） ７１ 温度センサ
８０ ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）
８１ 差圧センサ ８２ 温度センサ
１００ エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）
１０１ アクセルペダルセンサ １０２ 大気圧センサ
６３１ ハウジング ６３１ａ 冷却水入口
６３１ｂ 冷却水出口 ６３２ 回転筒
６３３ メカニカルシール ６３４ 内側スクリュー部
６３５ 外側スクリュー部

Claims (2)

1. エンジンの排ガスの一部をＥＧＲガスとして排気管路から吸気管路に導入するＥＧＲ装置に設けられ、前記ＥＧＲガスを液体冷媒によって冷却するＥＧＲクーラ装置であって、
   前記液体冷媒が充填される冷却水路と、
   前記冷却水路の内部に設けられ、略円筒状に形成されて前記ＥＧＲガスが内部に流されるとともに、前記冷却水路に対して中心軸回りに回転可能に支持された回転筒と、
   前記回転筒の内周面から内径側に突き出して形成され、前記ＥＧＲガスの流れによって前記回転筒を中心軸回りに回転させる内側スクリュー部と、
   前記回転筒の外周面から外径側に突き出して形成され、前記回転筒の回転時に前記液体冷媒の流れを発生させる外側スクリュー部と
   を備えることを特徴とするＥＧＲクーラ装置。
2. 前記内側スクリュー部は、前記回転筒の側面を内径側に凹ませて形成されスパイラル状に延びた溝部であること
   を特徴とする請求項１に記載のＥＧＲクーラ装置。

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