JP2017031929A - エンジンのｅｇｒクーラ - Google Patents

Abstract

【課題】ＥＧＲクーラの内部ガス通路の強度の大幅な低下を抑制しつつ、内部ガス通路の入口部が煤によって閉塞することを抑制することができるエンジンのＥＧＲクーラを提供する。
【解決手段】エンジン１のＥＧＲクーラ３０は、熱交換用のフィン３８を有するとともにＥＧＲガスが通過する複数の内部ガス通路３７を備えるエンジンのＥＧＲクーラにおいて、少なくとも一部の内部ガス通路には、ＥＧＲガスの入口部から下流側にかけて所定距離Ｌの範囲に、フィンの密度が内部ガス通路の所定距離の範囲以外の領域におけるフィンの密度よりも低い低密度領域４０が設けられていることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、エンジンのＥＧＲクーラに関する。

従来、エンジンの排気通路の途中から分岐して吸気通路の途中に接続したＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ：排気還流）通路に配置されて、このＥＧＲ通路を通過するＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラが知られている（例えば特許文献１参照）。

このようなＥＧＲクーラは、ハウジング（特許文献１ではシェルと称されている）の内部に、ＥＧＲガスと冷却水等の冷媒との間で熱交換をさせる熱交換体を備えている。この熱交換体は複数のチューブ状の内部ガス通路を有している。ＥＧＲガスは、この内部ガス通路を通過する際に、内部ガス通路の外側を流れる冷媒との間で熱交換を行っている。

また、特許文献１には、内部ガス通路の内部に設けられた熱交換用のフィンの先端位置を、内部ガス通路の先端部よりも所定距離だけ後退させて配置すること、すなわち、内部ガス通路の先端部から所定距離だけ下流側に、フィンの存在しない領域を設けることも開示されている。

また、近年、上記のようなＥＧＲクーラにおいて、チューブ状の内部ガス通路の代わりに、熱交換プレートによって熱交換用のフィンが挟持された内部ガス通路を有するものも開発されてきている（後述する図３参照）。

特開２００２−２９５９９２号公報

上記のようなＥＧＲクーラの場合、内部ガス通路のＥＧＲガスの入口部で、ＥＧＲガスの流速が低下する可能性がある。内部ガス通路の入口部でＥＧＲガスの流速が低下した場合、内部ガス通路の入口部が煤によって閉塞される可能性がある。

これに関して、特許文献１の技術を参考にして、内部ガス通路の内部に設けられた熱交換用のフィンの先端部を、内部ガス通路の先端部よりも所定距離だけ下流側に後退させることで、内部ガス通路の入口部におけるＥＧＲガスの流速低下を抑制することが考えられる。しかしながら、この技術の場合、内部ガス通路の先端部にフィンが存在しない領域が形成されるため、この先端部の強度が大幅に低下してしまう。

本発明は、上記のことを鑑みてなされたものであり、その目的は、ＥＧＲクーラの内部ガス通路の強度の大幅な低下を抑制しつつ、内部ガス通路の入口部が煤によって閉塞することを抑制することができるエンジンのＥＧＲクーラを提供することである。

上記の目的を達成するための本発明に係るエンジンのＥＧＲクーラは、熱交換用のフィンを有するとともにＥＧＲガスが通過する複数の内部ガス通路を備えるエンジンのＥＧＲクーラにおいて、少なくとも一部の前記内部ガス通路には、ＥＧＲガスの入口部から下流
側にかけて所定距離の範囲に、前記フィンの密度が該内部ガス通路の前記所定距離の範囲以外の領域における前記フィンの密度よりも低い低密度領域が設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、少なくとも一部の内部ガス通路のＥＧＲガスの入口部から下流側にかけて所定距離の範囲に低密度領域が設けられているので、このような低密度領域が設けられていない場合に比較して、内部ガス通路の入口部におけるＥＧＲガスの流速低下を抑制することができる。これにより、内部ガス通路の入口部が煤によって閉塞することを抑制することができる。また、低密度領域の代わりに、フィンが存在しない領域を設ける場合に比較して、内部ガス通路の強度の大幅な低下を抑制することができる。

上記構成において、前記低密度領域において前記フィンの密度は、下流側に向かうに従って連続的に上昇する構成とすることができる。

この構成によれば、低密度領域におけるＥＧＲガスと冷媒との熱交換量を連続的に上昇させることができる。

本発明によれば、ＥＧＲクーラの内部ガス通路の強度の大幅な低下を抑制しつつ、内部ガス通路の入口部が煤によって閉塞することを抑制することができる。

実施形態に係るエンジンのＥＧＲクーラとその周辺の構成を模式的に示す概略図である。 実施形態に係る下流ＥＧＲクーラの内部構造を模式的に示す概略断面図である。 図３（ａ）は比較例に係る下流ＥＧＲクーラのＥＧＲガスの入口側の内部構造を拡大して模式的に示す概略断面図である。図３（ｂ）は比較例に係る下流ＥＧＲクーラに煤が堆積した様子を模式的に示す概略断面図である。 実施形態の変形例に係るＥＧＲクーラの低密度領域におけるフィンの密度変化の一例を示す図である。

以下、本発明の実施形態に係るエンジン１のＥＧＲクーラ３０について図面を参照しつつ説明する。なお、図面に関しては、構成が分かり易いように実際の製品から寸法を変化させており、各部材、各部品の板厚や幅や長さなどの比率も必ずしも実際の製品の比率と一致しているとは限らない。

図１はエンジン１のＥＧＲクーラ３０とその周辺の構成を模式的に示す概略図である。なお、図１において、ＥＧＲクーラ３０の構成を視認し易くするために、ＥＧＲクーラ３０と一部のＥＧＲ通路１０以外の構成は二点鎖線によって模式的に図示されている。エンジン１は車両に搭載されている。車両の種類は特に限定されるものではないが、本実施形態においては一例としてバス、トラック等の大型車両を用いる。

エンジン１は、エンジン本体２、吸気通路３、排気通路４、ＥＧＲ通路１０、ＥＧＲバルブ２０、及びＥＧＲクーラ３０を備えている。エンジン本体２は、気筒（シリンダ）が形成されたシリンダブロックと、シリンダブロックの上部に配置されたシリンダヘッドと、気筒に配置されたピストンとを備えている。エンジン本体２の種類は特に限定されるものではないが、本実施形態においては一例としてディーゼルエンジンを用いる。

吸気通路３はエンジン本体２に吸入される吸気が通過する通路であり、その下流側端部がエンジン本体２のシリンダヘッドに形成された吸気ポートに接続している。排気通路４はエンジン本体２から排出された排気が通過する通路であり、その上流側端部がエンジン本体２のシリンダヘッドに形成された排気ポートに接続している。なお、エンジン本体２の燃料噴射量、燃料噴射時期等は、制御装置（図示せず）としての電子制御装置（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ：すなわちＥＣＵ）によって制御されている。

ＥＧＲ通路１０は、排気通路４の排気の一部を吸気通路３に還流させる通路であり、排気通路４の途中から分岐して吸気通路３の途中に接続している。具体的には本実施形態に係るＥＧＲ通路１０は、排気通路４の排気マニホールドの部分の途中から分岐して吸気通路３の吸気マニホールドの部分の途中に接続している。但し、ＥＧＲ通路１０の排気通路４からの分岐箇所及び吸気通路３への接続箇所はこれに限定されるものではない。これ以降、ＥＧＲ通路１０を通過する排気をＥＧＲガスと称する。

ＥＧＲバルブ２０はＥＧＲ通路１０に配置されている。具体的には本実施形態に係るＥＧＲバルブ２０は、ＥＧＲ通路１０のＥＧＲクーラ３０よりもＥＧＲガスの流動方向で下流側の部分に配置されており、制御装置としての電子制御装置の指示を受けて開閉することで、ＥＧＲガスの流量を制御する。なお、ＥＧＲクーラ３０とＥＧＲバルブ２０の配置順序はこれに限定されるものではなく、例えばＥＧＲクーラ３０がＥＧＲバルブ２０よりも下流側に配置された構成とすることもできる。

ＥＧＲクーラ３０は、ＥＧＲ通路１０を通過するＥＧＲガスを冷媒（例えば冷却水等）との熱交換によって冷却する装置である。本実施形態に係るＥＧＲクーラ３０は、上流ＥＧＲクーラ３１及び下流ＥＧＲクーラ３２を備えている。下流ＥＧＲクーラ３２は、上流ＥＧＲクーラ３１よりもＥＧＲガスの流動方向で下流側に配置されている。

また下流ＥＧＲクーラ３２は、上流ＥＧＲクーラ３１よりも上方側（重力の方向とは反対の方向の側）に位置している。ＥＧＲ通路１０のうち、上流ＥＧＲクーラ３１と下流ＥＧＲクーラ３２との間を接続する部分は、所定角度、屈曲している。したがって、ＥＧＲガスは、上流ＥＧＲクーラ３１の内部を通過した後に、所定角度屈曲して下流ＥＧＲクーラ３２の内部に流入する。但し、本発明が適用されるＥＧＲクーラ３０の構成はこれに限定されるものではなく、本発明は、上流ＥＧＲクーラ３１と下流ＥＧＲクーラ３２とが重力方向で同じ高さに配置されているものや、上流ＥＧＲクーラ３１と下流ＥＧＲクーラ３２との間のＥＧＲ通路１０が屈曲していないもの等に適用することもできる。

上流ＥＧＲクーラ３１及び下流ＥＧＲクーラ３２の筐体部材であるハウジング３３には、それぞれ冷媒導入部３４及び冷媒排出部３５が接続されている。上流ＥＧＲクーラ３１及び下流ＥＧＲクーラ３２において冷媒は、それぞれの冷媒導入部３４から導入され、上流ＥＧＲクーラ３１及び下流ＥＧＲクーラ３２の内部においてＥＧＲガスを冷却した後に、それぞれの冷媒排出部３５から排出される。

続いてＥＧＲクーラ３０の内部構造について説明する。図２はＥＧＲクーラ３０のうち、下流ＥＧＲクーラ３２の内部構造を模式的に示す概略断面図である。なお、上流ＥＧＲクーラ３１の構成は、下流ＥＧＲクーラ３２と同様であるので、上流ＥＧＲクーラ３１の内部構造の図示による詳細な説明は省略する。

ＥＧＲクーラ３０（すなわち下流ＥＧＲクーラ３２及び上流ＥＧＲクーラ３１）のハウジング３３の内部には、ＥＧＲガスと冷媒との間で熱交換をさせる熱交換体３６が配置されている。具体的には熱交換体３６は、熱交換用のフィン３８を有するとともに、ＥＧＲガスが通過する内部ガス通路３７を複数個備えている。

各々の内部ガス通路３７は、ＥＧＲクーラ３０の軸線方向に延在している。また各々の内部ガス通路３７は、熱交換用のフィン３８を挟持する一対の熱交換プレート３７ａを備えている。すなわち、本実施形態に係る内部ガス通路３７は、熱交換プレート３７ａによって熱交換用のフィン３８が挟持された構造を有し、ＥＧＲガスが通過する内部ガス通路である。また本実施形態に係るＥＧＲクーラ３０は、プレート式のＥＧＲクーラである。

また、隣接する内部ガス通路３７のうち、一方の内部ガス通路３７の熱交換プレート３７ａと他方の内部ガス通路３７の熱交換プレート３７ａとの間には、エンドプレート３９が配置されている。具体的にはエンドプレート３９は、複数の内部ガス通路３７の端部を支持するための板部材であり、隣接する一方の内部ガス通路３７と他方の内部ガス通路３７との間の部分のうち、上流側の端部及び下流側の端部に配置されて、複数の内部ガス通路３７を支持している。

また、上流側に配置されているエンドプレート３９の上流側端面は、内部ガス通路３７の上流側端面よりも下流側に位置している。下流側に配置されているエンドプレート３９の下流側端面は、内部ガス通路３７の下流側端面よりも上流側に位置している。これを換言すると、本実施形態に係る内部ガス通路３７の上流側端面は、上流側に配置されているエンドプレート３９の上流側端面よりも上流側に突出しており、内部ガス通路３７の下流側端面は、下流側に配置されているエンドプレート３９の下流側端面よりも下流側に突出している。

また、内部ガス通路３７の外周部には冷媒が通過するための冷媒通路が設けられており、これにより、内部ガス通路３７の熱交換プレート３７ａは冷却されている。内部ガス通路３７のＥＧＲガスの入口部（上流側端部）から流入したＥＧＲガスは、フィン３８の間を通過しながら流動して、内部ガス通路３７のＥＧＲガスの出口部（下流側端部）から排出される。この際、フィン３８によって効果的にＥＧＲガスの熱が放熱される。この放熱された熱は内部ガス通路３７の熱交換プレート３７ａを伝導して、冷媒通路の冷媒によって冷却される。このようにしてＥＧＲクーラ３０はＥＧＲガスを冷却している。

またＥＧＲクーラ３０の複数の内部ガス通路３７のうち、少なくとも一部の内部ガス通路３７には、ＥＧＲガスの入口部から下流側にかけて所定距離（Ｌ）の範囲に、低密度領域４０が設けられている。この低密度領域４０は、フィン３８の密度が内部ガス通路３７の所定距離（Ｌ）の範囲以外の領域におけるフィン３８の密度よりも低い領域である。

具体的には、本実施形態に係るＥＧＲクーラ３０の全ての内部ガス通路３７は、フィン３８の密度が相対的に高い高密度領域４１と、フィン３８の密度が高密度領域４１よりも相対的に低い低密度領域４０とを備えており、この低密度領域４０は内部ガス通路３７のＥＧＲガスの入口部から下流側にかけて所定距離（Ｌ）の範囲に設けられており、高密度領域４１は低密度領域４０よりも下流側の範囲（所定距離よりも下流側の範囲）に設けられている。

なお、本実施形態において、フィン３８の密度とは、単位体積当たりにおけるフィン３８の個数をいう。したがって、フィン３８に密度が低いとは、単位体積当たりにおけるフィン３８の個数が少ないことを意味している。

また、所定距離（Ｌ）の具体的な値は特に限定されるものではないが、例えば次の観点に基づいて設定すればよい。具体的には、所定距離（Ｌ）が長いほど、内部ガス通路３７における低密度領域４０の割合が大きくなるので、ＥＧＲガスがフィン３８を通過することに伴うＥＧＲガスの流速低下をより抑制することができる。一方、所定距離（Ｌ）が短
いほど、内部ガス通路３７における高密度領域４１の割合が大きくなるので、フィン３８による放熱性能を高くすることができるとともに内部ガス通路３７の強度をより高くすることができる。そこで、このような観点を考慮して、適切な所定距離（Ｌ）を設定すればよい。

なお本実施形態においては、所定距離（Ｌ）の一例として、内部ガス通路３７の全長の１／３程度の距離を用いている。この構成によれば、ＥＧＲクーラ３０に要求されるフィン３８による放熱性能を十分に確保し且つ内部ガス通路３７に必要な強度を十分に確保しつつ、ＥＧＲガスの流速低下を効果的に抑制することができる。

また、本実施形態に係る上流ＥＧＲクーラ３１は下流ＥＧＲクーラ３２と同様に、低密度領域４０を備えている。

続いて、ＥＧＲクーラ３０の作用効果について、比較例と比較しつつ説明する。図３（ａ）は比較例に係る下流ＥＧＲクーラ２００のＥＧＲガスの入口側の内部構造を拡大して模式的に示す概略断面図であり、図３（ｂ）は下流ＥＧＲクーラ２００に煤が堆積した様子を模式的に示す概略断面図である。比較例に係る下流ＥＧＲクーラ２００の内部ガス通路２１０は、低密度領域４０を備えておらず、高密度領域４１のみを備えている点において、図２に示す本実施形態に係る下流ＥＧＲクーラ３２と異なっている。

下流ＥＧＲクーラ２００の場合、隣接する内部ガス通路２１０の間に形成された領域５０（具体的にはこの領域５０は隣接する内部ガス通路２１０と上流側に配置されたエンドプレート３９とによって区画された領域である）にＥＧＲガスが流入する。また、内部ガス通路２１０の内部に流入したＥＧＲガスは熱交換用のフィン３８を通過しながら流動するところ、内部ガス通路２１０は高密度領域４１のみを備えているので、内部ガス通路２１０のＥＧＲガスの入口部において、ＥＧＲガスの流速が低下する可能性がある。この場合、領域５０において、ＥＧＲガスが淀んでしまい、その結果、図３（ｂ）に示すように、この領域５０にＥＧＲガスに含まれる煤が堆積する可能性がある。この堆積した煤が成長した場合、内部ガス通路２１０のＥＧＲガスの入口部が煤によって閉塞される可能性がある。

また、下流ＥＧＲクーラ２００の場合、内部ガス通路２１０のＥＧＲガスの入口部において、ＥＧＲガスが急激に冷却される可能性が高い。この場合、ＥＧＲガス中の水分や煤成分の一部が凝結して煤が堆積し易くなる。この点においても、下流ＥＧＲクーラ２００の場合、内部ガス通路２１０の入口部が煤によって閉塞される可能性が高い。

これに対して、本実施形態に係るＥＧＲクーラ３０によれば、少なくとも一部の内部ガス通路３７のＥＧＲガスの入口部から下流側にかけて所定距離（Ｌ）の範囲に低密度領域４０が設けられているので、このような低密度領域４０が設けられていない場合に比較して、内部ガス通路３７の入口部におけるＥＧＲガスの流速低下を抑制することができるので、煤の堆積を抑制することができる。その結果、内部ガス通路３７の入口部が煤によって閉塞することを抑制することができる。また、ＥＧＲクーラ３０によれば、内部ガス通路３７の入口部におけるＥＧＲガスの冷却性能を低下させることもできるので、内部ガス通路３７の入口部においてＥＧＲガスが急激に冷却されることも抑制することができる。これにより、ＥＧＲガス中の水分や煤成分の一部が凝結することによって生じる煤の堆積を抑制することもできる。この点においても、ＥＧＲクーラ３０によれば、内部ガス通路３７の入口部が煤によって閉塞することを効果的に抑制することができる。また、ＥＧＲクーラ３０によれば、低密度領域４０の代わりに、フィン３８が存在しない領域を設ける場合に比較して、内部ガス通路３７の強度の大幅な低下を抑制することができる。

また、ＥＧＲクーラ３０によれば、低密度領域４０においてＥＧＲガスと冷媒との熱交換量が減少するので、この低密度領域４０において冷媒が局部沸騰することも抑制することができる。

なお、本実施形態において、複数の内部ガス通路３７が低密度領域４０を備えているが、この構成に限定されるものではない。例えば、ＥＧＲクーラ３０の１つの内部ガス通路３７のみが低密度領域４０を備える構成とすることもできる。但し、本実施形態のように、複数の内部ガス通路３７が低密度領域４０を備える場合の方が、１つの内部ガス通路３７のみが低密度領域４０を備える場合に比較して、内部ガス通路３７の入口部の煤による閉塞を効果的に抑制できる点で好ましい。

なお、前述したように、本実施形態に係る上流ＥＧＲクーラ３１は図２に示す下流ＥＧＲクーラ３２と同様に、低密度領域４０を備えているが、ＥＧＲクーラ３０の構成はこれに限定されるものではない。例えばＥＧＲクーラ３０は、上流ＥＧＲクーラ３１または下流ＥＧＲクーラ３２のいずれか一方のみが低密度領域４０を備える構成とすることもできる。但し、上流ＥＧＲクーラ３１及び下流ＥＧＲクーラ３２の両方が低密度領域４０を備えている場合の方が、そうでない場合に比較して、内部ガス通路３７の入口部の煤による閉塞をより効果的に抑制できる点で好ましい。

また、本発明が適用されるＥＧＲクーラは、本実施形態のような合計２つのＥＧＲクーラ（上流ＥＧＲクーラ３１及び下流ＥＧＲクーラ３２）を備えるものに限定されない。例えば、本発明は、上流ＥＧＲクーラ３１または下流ＥＧＲクーラ３２のいずれか一方のみを備えるものに適用することもでき、上流ＥＧＲクーラ３１及び下流ＥＧＲクーラ３２の他に第３または第４のＥＧＲクーラ等をさらに備えるものに適用することもできる。

（変形例）
上述した実施形態において、内部ガス通路３７の低密度領域４０におけるフィン３８の密度は、ＥＧＲガスの流動方向で下流側にかけて同じ値となっている。しかしながら、低密度領域４０におけるフィン３８に密度は、この構成に限定されるものではなく、例えば次に説明する変形例の構成とすることもできる。

図４は、本実施形態の変形例に係るＥＧＲクーラ３０の低密度領域４０におけるフィン３８の密度変化の一例を示す図である。具体的には図４の横軸は、内部ガス通路３７のＥＧＲガスの入口部からの距離を示し、縦軸はフィン３８の密度を示している。また、ライン３００は、本変形例に係るＥＧＲクーラ３０の低密度領域４０におけるフィン３８の密度の変化の一例を示している。なお、図４の横軸において、右側はＥＧＲガスの流動方向で下流側に相当する。

図４のライン３００から分かるように、本変形例に係る低密度領域４０におけるフィン３８の密度は、下流側に向かうに従って連続的に上昇している。なお、図４において、ライン３００は下流側に向かうに従って「直線的」に上昇しているが、これに限定されるものではなく、例えば「曲線的」に上昇するものであってもよい。

本変形例に係るＥＧＲクーラ３０によれば、ＥＧＲクーラ３０の内部ガス通路３７の強度の大幅な低下を抑制しつつ、内部ガス通路３７の入口部が煤によって閉塞することを抑制することができるとともに、さらに、低密度領域４０におけるＥＧＲガスと冷媒との熱交換量を連続的に上昇させることもできる。

以上本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、
種々の変形・変更が可能である。

１ エンジン
１０ ＥＧＲ通路
３０ ＥＧＲクーラ
３１ 上流ＥＧＲクーラ
３２ 下流ＥＧＲクーラ
３３ ハウジング
３６ 熱交換体
３７ 内部ガス通路
３７ａ 熱交換プレート
３８ フィン
３９ エンドプレート
４０ 低密度領域
４１ 高密度領域
Ｌ 所定距離

Claims (2)

1. 熱交換用のフィンを有するとともにＥＧＲガスが通過する複数の内部ガス通路を備えるエンジンのＥＧＲクーラにおいて、
   少なくとも一部の前記内部ガス通路には、ＥＧＲガスの入口部から下流側にかけて所定距離の範囲に、前記フィンの密度が該内部ガス通路の前記所定距離の範囲以外の領域における前記フィンの密度よりも低い低密度領域が設けられていることを特徴とするエンジンのＥＧＲクーラ。
2. 前記低密度領域において前記フィンの密度は、下流側に向かうに従って連続的に上昇する請求項１に記載のエンジンのＥＧＲクーラ。

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