JP2012026367A

JP2012026367A - Ｅｇｒ装置

Info

Publication number: JP2012026367A
Application number: JP2010166226A
Authority: JP
Inventors: Nobuhiro Yanagisawa; 伸浩柳沢
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2010-07-23
Filing date: 2010-07-23
Publication date: 2012-02-09
Anticipated expiration: 2030-07-23
Also published as: JP5533391B2

Abstract

【課題】ＥＧＲクーラー内へのＰＭの堆積を抑制することにより、ＥＧＲクーラーの冷却性能の低下を防止する。
【解決手段】ＥＧＲクーラー１３のチューブ１８の内壁面に多孔質層１９を形成することによって、ＥＧＲ管１１から排気ガスが流入する多孔質層１９の内側の内側流路２０と、多孔質層１９の外側の外側流路２１とを形成し、且つ、多孔質層１９によりＰＭを除去した排気ガスを外側流路２１から内側流路２０に供給して多孔質層１９の内面に堆積したＰＭを除去するために、隣接するチューブ１８の外側流路２１同士を連通管２２により連通し、且つ、チューブ１８の上流側に各々、チューブ１８を開閉するバルブ２５ｃ１、２５ｃ２を設け、多孔質層１９の内面に堆積したＰＭを除去すべきチューブ１８の前記バルブを閉じると共に前記バルブで閉塞されたチューブ１８に連通管２２により連通するチューブ１８の前記バルブを開くコントローラー１４を設けた。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関のＮＯｘ排出量を低減するために、排気通路内の排気ガスの一部を吸気通路に還流させるＥＧＲ装置に関する。

ディーゼルエンジンから排出される窒素酸化物（以下、ＮＯｘ）の排出量に関する規制が年々強化されてきており、ＮＯｘ排出量を低減するための対策として、ディーゼルエンジン本体の排気管と吸気管との間に、ＥＧＲバルブを有するＥＧＲ管を配設したＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation；排気再循環）装置が使用されている。このＥＧＲ装置によって排気管内の排気ガスの一部をＥＧＲ管を介して吸気管に還流させてエンジン本体内での燃焼ピーク温度を低下させることにより、ディーゼルエンジンのＮＯｘ排出量の低減を図っている。排気管から吸気管に還流させる排気ガスの冷却のために、ＥＧＲ管の途中にＥＧＲクーラーを配設するクールドＥＧＲ装置も使用されてきている。

特開２００８−８８８１７号公報

ＥＧＲ装置には排気ガスが流れるため、排気ガス中の粒子状物質（以下、ＰＭ）がＥＧＲ装置内（ＥＧＲ管内、ＥＧＲクーラー内、ＥＧＲバルブ内）に堆積することにより、ＥＧＲ流量の低下、ＥＧＲクーラーの冷却性能の低下、ＥＧＲバルブの開閉不良等が発生する虞がある。ＥＧＲ装置内へのＰＭの堆積を抑制するために、ＥＧＲ管形状の平滑化、ＥＧＲクーラー形状及びＥＧＲバルブ形状の最適化が行われているが、その効果は限定的である。

ＰＭが堆積して生成するＥＧＲ堆積物は、堆積後に性状が経時変化し、より強固な堆積物となる場合があることが知られている。また、ＥＧＲ装置の適切な運転にとり、ＥＧＲクーラーの冷却性能の維持は非常に重要であり、長期間にわたってＥＧＲクーラーの冷却性能を維持することが要求されている。

そこで、本発明の目的は、ＥＧＲクーラー内へのＰＭの堆積を抑制することにより、ＥＧＲクーラーの冷却性能の低下を防止することにある。

前記目的を達成するために、本発明は、内燃機関の排気通路と吸気通路とを連通するＥＧＲ通路の途中に配設され、前記排気通路から前記吸気通路に還流させる排気ガスが流れる複数の排気ガス流路を有するＥＧＲクーラーを備えたＥＧＲ装置において、前記排気ガス流路の内壁面に排気ガス中の粒子状物質を捕集するための多孔質層を形成することによって、前記ＥＧＲ通路から排気ガスが流入する前記多孔質層の内側の内側流路と、該内側流路から前記多孔質層を通過した排気ガスが流入する前記多孔質層の外側の外側流路とを形成し、且つ、前記多孔質層により粒子状物質を除去した排気ガスを前記外側流路から前記内側流路に供給して前記多孔質層の内面に堆積した粒子状物質を除去するために、隣接する前記排気ガス流路の前記外側流路同士を連通流路により連通し、且つ、前記排気ガス流路の上流側に各々、前記排気ガス流路を開閉する開閉手段を設け、前記多孔質層の内面に堆積した粒子状物質を除去すべき前記排気ガス流路の前記開閉手段を閉じると共に前記開閉手段で閉塞された前記排気ガス流路に前記連通流路により連通する前記排気ガス流路の前記開閉手段を開く制御手段を設けたものである。

前記多孔質層が、燒結金属或いは多孔質セラミックスから構成されたものであっても良い。

本発明によれば、ＥＧＲクーラー内へのＰＭの堆積を抑制することにより、ＥＧＲクーラーの冷却性能の低下及び流路抵抗の増大を防止することができるという優れた効果を奏する。

図１は、本発明の一実施形態に係るＥＧＲ装置が用いられるエンジンの概略図である。図２（ａ）は、本発明の一実施形態のＥＧＲクーラー（シェル・チューブ型熱交換器）の概略を示す正面断面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。図３は、本発明の他実施形態のＥＧＲクーラー（プレート型熱交換器）の概略を示す正面断面図である。

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に示すように、本実施形態に係るＥＧＲ装置１０が使用される内燃機関（本実施形態では、ディーゼルエンジン）１は、エンジン本体（ディーゼルエンジン本体）１ａと、エンジン本体１ａの排気ポートに連通する排気通路（排気管）２と、エンジン本体１ａの吸気ポートに連通する吸気通路（吸気管）３とを備えている。

ＥＧＲ装置（クールドＥＧＲ装置）１０は、エンジン本体１ａの排気管２と吸気管３との間に配設され、排気管２と吸気管３とを連通するＥＧＲ通路（ＥＧＲ管）１１と、ＥＧＲ管１１の途中に配設され、排気管２から吸気管３に還流させる排気ガスの流量を調節するためのＥＧＲバルブ１２と、ＥＧＲバルブ１２よりも排気ガス上流側のＥＧＲ管１１に配設され、ＥＧＲ管１１を流れる排気ガスを冷却するためのＥＧＲクーラー１３と、ＥＧＲバルブ１２を制御する制御手段としてのコントローラー１４とを備えている。

エンジン本体１ａで生成された排気ガスは排気管２を流れて排出される。他方、ＥＧＲを必要とする場合には、コントローラー１４によってＥＧＲバルブ１２を所定開度に開弁することにより、エンジン本体１ａの吸気管３内に生じる負圧を利用して、排気管２内の排気ガスの一部を、ＥＧＲ管１１、ＥＧＲクーラー１３、ＥＧＲバルブ１２を経由して、吸気管３に還流させる。これにより、エンジン本体１ａ内の混合気中に排気ガスを導入して燃焼ピーク温度を低下させることにより、ＮＯｘの排出量を低減させることができる。

図２に本実施形態のＥＧＲクーラー１３を示す。

図２に示すように、ＥＧＲクーラー１３は、シェル・チューブ型熱交換器から構成されている。ＥＧＲクーラー１３は、略筒状（本実施形態では、略円筒状）のシェル１５と、シェル１５内にシェル１５の長手方向に所定間隔を隔てて配設され、冷却液が流れる冷却液流路１６を区画形成する一対のエンドプレート１７と、一対のエンドプレート１７間に架け渡して設けられ、排気ガス（ＥＧＲガス）が流れる排気ガス流路をなす複数のチューブ１８（本実施形態では、チューブは１８−１〜１８−４までの四本）とから主に構成される。

冷却液は、冷却液入口１３ａからシェル１５内の冷却液流路１６に流入し、チューブ１８内を流れる排気ガスを冷却して冷却液出口１３ｂから排出される。他方、排気ガスは、排気ガス入口１３ｃからシェル１５内のチューブ１８に流入し、冷却液流路１６内を流れる冷却液によって冷却されて排気ガス出口１３ｄから排出される。

本実施形態では、各チューブ１８の内壁面１８ａに排気ガス中のＰＭを捕集するための多孔質層１９を形成することによって、ＥＧＲ管１１から排気ガスが流入する多孔質層１９の内側の内側流路２０と、内側流路２０から多孔質層１９を通過した排気ガスが流入する多孔質層１９の外側の外側流路２１とを形成している。多孔質層１９は、焼結金属或いは多孔質セラミックスから構成される。外側流路２１は、各チューブ１８の長手方向に沿って延び、各チューブ１８の周方向に所定間隔を隔てて複数（本実施形態では、四本）形成される。

また、本実施形態では、多孔質層１９によりＰＭを除去した排気ガスを外側流路２１から内側流路２０に供給して多孔質層１９の内面１９ａに堆積したＰＭを除去するために、隣接するチューブ１８の外側流路２１同士を連通流路（連通管）２２により連通している。本実施形態では、連通管２２によってチューブ１８−１の外側流路２１とチューブ１８−２の外側流路２１とを連通すると共に、連通管２２によってチューブ１８−３の外側流路２１とチューブ１８−４の外側流路２１とを連通している。また、連通管２２は、各チューブ１８の上流側端部及び下流側端部に各々装着されている。

さらに、本実施形態では、排気ガス入口１３ｃと各チューブ１８の上流側端部の間を、仕切り板２４により二分割してチューブ１８を二群に分割し、仕切り板２４により分割した流路にバルブ２５ｃ１とバルブ２５ｃ２を各々設置する。即ち、各チューブ１８の上流側に各々、各チューブ１８を開閉する開閉手段としてのバルブ２５ｃ１、２５ｃ２を設けている。同様に、排気ガス出口１３ｄと各チューブ１８の下流側端部の間も、仕切り板２６により二分割し、仕切り板２６により分割した流路にバルブ２５ｄ１とバルブ２５ｄ２を各々設置する。これらバルブ２５ｃ１、２５ｃ２、２５ｄ１、２５ｄ２は、コントローラー１４によって制御されるものであって、例えば、バタフライバルブからなる。

次に、本実施形態の作用を説明する。

以下、チューブ１８−１及び１８−２に関する動作について説明するが、チューブ１８−３及び１８−４に関する動作も同様に行われるので説明を省略する。

通常の場合、先ず、バルブ２５ｃ１を開けバルブ２５ｃ２を閉じ、同時にバルブ２５ｄ１を閉じバルブ２５ｄ２を開ける。この場合、ＥＧＲガスは排気ガス入口１３ｃからバルブ２５ｃ１を通り、チューブ１８−１の内側流路２０に流入し、多孔質層１９を通過して外側流路２１に流入し、その際にＥＧＲガス中のＰＭが多孔質層１９の内面１９ａに捕集され、その間にＥＧＲガスは冷却液流路１６内を流れる冷却液との熱交換により冷却される。さらに、チューブ１８−１の外側流路２１に流入しＰＭが除去されたＥＧＲガスは、連通管２２を通って隣のチューブ１８−２の外側流路２１に流入し、多孔質層１９を通過して内側流路２０に流入し、その間に冷却液流路１６内を流れる冷却液との熱交換により冷却され、また、多孔質層１９の内面１９ａに堆積していたＰＭを除去する。このことにより、チューブ１８−２の熱交換効率、流路抵抗の回復効果が得られる。チューブ１８−２の内側流路２０に流入したＥＧＲガスは、排気ガス入口１３ｃ側のバルブ２５ｃ２が閉じているため、バルブ２５ｄ２を通り、排気ガス出口１３ｄから排出される。

上記動作（ＥＧＲガスをバルブ２５ｃ１から流入させバルブ２５ｄ２から排出する）を所定期間継続し、ＥＧＲガス中のＰＭをチューブ１８−１の多孔質層１９の内面１９ａに捕集し、チューブ１８−２の多孔質層１９の内面１９ａに捕集されたＰＭを除去した後、バルブ２５ｃ１、２５ｄ２を閉じ、バルブ２５ｃ２、２５ｄ１を開けて、チューブ１８−１、１８−２のＥＧＲガスの流れを逆転させて、チューブ１８−１の多孔質層１９の内面１９ａに堆積したＰＭを除去する。このことにより、チューブ１８−１の熱交換効率、流路抵抗の回復効果が得られる。

これら動作（バルブ２５ｃ１、２５ｃ２、２５ｄ１、２５ｄ２の開閉によるチューブ１８−１とチューブ１８−２の流路の切り替え）を定期的に繰り返すことにより、チューブ１８内への過剰なＰＭの堆積と、それに続く変性により生成するＥＧＲ堆積物の堆積を抑制することが可能となる。

以上要するに、本実施形態によれば、チューブ１８の多孔質層１９の内面１９ａに堆積したＰＭを、隣接するチューブ１８の多孔質層１９によりＰＭを除去した排気ガスをチューブ１８の内壁面１８ａ側（外側流路２１）から定期的に（所定期間毎に）供給して除去することにより、ＥＧＲクーラー１３内へのＰＭの堆積を抑制して、ＥＧＲクーラー１３の冷却性能の低下を防止することが可能になる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態には限定されず他の様々な実施形態を採ることが可能である。

例えば、上記実施形態ではＥＧＲクーラー１３がシェル・チューブ型熱交換器から構成されるとしたが、プレート型熱交換器でも上記実施形態と同様の効果を得ることができる。例えば図３に示すように、プレート型熱交換器から構成されるＥＧＲクーラー３０は、冷却液流路１６を区画形成する天板３１及び底板３２と、排気ガス流路をなすプレート３３−１、３３−２とから主に構成される。

また、上記実施形態ではＥＧＲクーラー１３内のＥＧＲガスの流路を定期的に（所定期間毎に）切り替えるとしたが、これには限定はされない。例えば、排気管２或いはＥＧＲクーラー１３に、ＥＧＲクーラー１３上下流の排気差圧を検出する差圧検出手段（差圧センサー）を設け、差圧検出手段により検出した排気差圧が所定圧力を超えたときに、バルブ２５ｃ１、２５ｃ２、２５ｄ１、２５ｄ２によってＥＧＲクーラー１３内のＥＧＲガスの流路を切り替えるようにしても良い。また、排気管２或いはＥＧＲクーラー１３に、ＥＧＲクーラー１３下流の排気温を検出する温度検出手段（温度センサー）を設け、温度検出手段により検出した排気温が所定温度を超えたときに、バルブ２５ｃ１、２５ｃ２、２５ｄ１、２５ｄ２によってＥＧＲクーラー１３内のＥＧＲガスの流路を切り替えるようにしても良い。

１ディーゼルエンジン（内燃機関）
２排気管（排気通路）
３吸気管（吸気通路）
１０ＥＧＲ装置
１１ＥＧＲ管（ＥＧＲ通路）
１３ＥＧＲクーラー
１４コントローラー（制御手段）
１８チューブ（排気ガス流路）
１９多孔質層
２０内側流路
２１外側流路
２２連通管（連通流路）
２５ｃ１、２５ｃ２バルブ（開閉手段）
３０ＥＧＲクーラー
３３プレート（排気ガス流路）

Claims

内燃機関の排気通路と吸気通路とを連通するＥＧＲ通路の途中に配設され、前記排気通路から前記吸気通路に還流させる排気ガスが流れる複数の排気ガス流路を有するＥＧＲクーラーを備えたＥＧＲ装置において、
前記排気ガス流路の内壁面に排気ガス中の粒子状物質を捕集するための多孔質層を形成することによって、前記ＥＧＲ通路から排気ガスが流入する前記多孔質層の内側の内側流路と、該内側流路から前記多孔質層を通過した排気ガスが流入する前記多孔質層の外側の外側流路とを形成し、且つ、
前記多孔質層により粒子状物質を除去した排気ガスを前記外側流路から前記内側流路に供給して前記多孔質層の内面に堆積した粒子状物質を除去するために、隣接する前記排気ガス流路の前記外側流路同士を連通流路により連通し、且つ、
前記排気ガス流路の上流側に各々、前記排気ガス流路を開閉する開閉手段を設け、前記多孔質層の内面に堆積した粒子状物質を除去すべき前記排気ガス流路の前記開閉手段を閉じると共に前記開閉手段で閉塞された前記排気ガス流路に前記連通流路により連通する前記排気ガス流路の前記開閉手段を開く制御手段を設けた
ことを特徴とするＥＧＲ装置。
前記多孔質層が、燒結金属或いは多孔質セラミックスから構成された請求項１に記載のＥＧＲ装置。