JP2018044537A - Ｅｇｒクーラ - Google Patents

Abstract

【課題】ＥＧＲクーラにおいて、熱歪み増大による損傷を避けながら、必要な排気ガスの冷却効果を得る。【解決手段】シェル１５の内部をＥＧＲガスが進む方向に区切る一対のエンドプレート１７，１８に形成された複数のチューブ用開口１９を接続するように水室１６に複数のチューブ２０を配列し、上流側エンドプレート１７の近傍に水室１６に冷却水を流通させる冷却水導入口１３を連結し、他方のエンドプレート１８の近傍に水室１６を流通した冷却水を排出する冷却水排出口１４を連結したＥＧＲクーラ１０において、上流側エンドプレート１７における冷却水導入口１３と反対側の端部を冷却水導入口１３側の端部よりも冷却水の下流側へ傾斜させる。【選択図】図１

Description

本発明は、ＥＧＲ（Ｅxhaust Gas Recirculation：排気ガス再循環）クーラに関する。

従来より、自動車等の排気ガス対策として、排気ガスの一部を抜き出して吸気側に再循環させることにより、大気よりも酸素濃度が低い状態での燃焼を行い、そのピーク燃焼温度を抑えてＮＯx（窒素酸化物）の生成量を抑制するとともに、再循環ガスを冷却して一層のＮＯｘ低減効果を図るＥＧＲ装置が用いられており、油圧ショベル等の建設機械においてもＥＧＲ装置の導入が進んできている。

このようにエンジンの排気ガスの一部をエンジンの冷却水で冷却してエンジン吸気に環流させるＥＧＲクーラは、排気ガスが通過する高温のチューブを冷却水で冷やす必要があり、ＥＧＲクーラの水室に澱みが生じたり、流れが滑らかでない場合には、チューブの冷却に必要な冷却水量が不足して冷却水の温度が沸点に至って冷却水が沸騰するおそれがある。そうなると、必要な排気ガスの冷却効果が得られず、排気ガス成分が悪化したり、ＥＧＲクーラの熱歪みの増大により損傷したりする懸念がある。

そこで、特許文献１のＥＧＲクーラのように、ＥＧＲガス入口側のエンドプレートの近傍に、水室に開口する冷却水導入口を設け、この水室に、エンドプレートに対向させて、冷却水導入口から導入された冷却水をエンドプレートに沿って案内するバッフルプレートを設けたり、ＥＧＲガス入口側のエンドプレートの近傍に、水室に開口する冷却水導出口を設け、水室に、エンドプレートに対向させて、冷却水導出口に向かう冷却水をエンドプレートに沿って案内するバッフルプレートを設けたりするものが知られている。

また、特許文献２のようなシェルの内側面に、シェルの軸線方向に沿って配置されかつシェルの径方向で冷却水出口側に位置するバイパス配管を備えたＥＧＲクーラが知られている。このバイパス配管は、冷却水入口に対してシェルの径方向で対峙する位置にバイパス入口を形成すると共に、シェルの軸方向に沿うバイパス本体から屈曲部を介して冷却水出口の内部まで延在してバイパス出口を冷却水出口の内部に配置し、シェル内の冷却水を誘導してシェル内で生じる冷却水の澱みを解消するように構成されている。

特開平１１−１３５４９号公報 特開２００４−１２４８０９号公報

しかしながら、上記特許文献１のようなＥＧＲクーラでは、エンドプレートとバッフルプレートとの間で冷却効果を高めることができるものの、バッフルプレートの裏面及びその下流側の冷却水の流れを滑らかにする効果が十分ではない、という問題がある。

また、特許文献２のようなものでは、シェル内で生じる冷却水の澱みを解消するために冷却水を誘導するバイパス配管によるバイパス通路をシェル内に設けなければならず、シェルの大きさを大きくしないためには排気ガス通路であるチューブの数を減らさなければならない、という問題がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、熱歪み増大による損傷を避けながら、必要な排気ガスの冷却効果を得ることにある。

上記の目的を達成するために、この発明では、一方のエンドプレートにおける、冷却水導入口に対して反対側の端部を冷却水導入口側の端部と比べて冷却水の下流側へ傾斜させた。

具体的には、第１の発明では、一端にＥＧＲガスが導入されるガス導入口を有すると共に、他端にＥＧＲガスが排出されるガス排出口を有する筒状のシェルと、
上記シェルの内部を冷却水が流通する水室を形成するように上記ＥＧＲガスが進む方向に区切ると共にＥＧＲガスを流通させる複数のチューブ用開口を有する一対のエンドプレートと、
上記一対のエンドプレートに形成された上記複数のチューブ用開口を接続するように上記水室に配列される複数のチューブと、
一方の上記エンドプレートの近傍に形成され、上記水室に冷却水を流通させる冷却水導入口と、
他方の上記エンドプレートの近傍に形成され、上記水室を流通した冷却水を排出する冷却水排出口とを備えたＥＧＲクーラを対象とする。

そして、上記ＥＧＲクーラは、
上記一方のエンドプレートは、上記冷却水導入口と反対側の端部が該冷却水導入口側の端部よりも上記冷却水の下流側へ傾斜している。

上記の構成によると、一方のエンドプレートをシェルの軸方向に垂直に設ける場合に比べ、水室内での冷却水がエンドプレートに沿って流れてエンドプレートの冷却水導入口と反対側の端部とシェル内面とで形成される隅角部に滞留しないので、冷却水の流れが滑らかになり、澱みを減少させてチューブの冷却に必要な冷却水量を確保することができる。またエンドプレートのみで冷却水の流れをコントロールでき、別部品を設けてバイパス通路を構成する必要がなく、そのためのスペースが不要なのでチューブの本数を減らす必要もない。

第２の発明では、第１の発明において、
上記他方のエンドプレートは、上記冷却水排出口と反対側の端部が該冷却水排出口側の端部よりも上記冷却水の上流側へ傾斜している。

上記の構成によると、冷却水排出口側においても、エンドプレートの上記冷却水排出口と反対側端部とシェル内面との隅角部で冷却水が滞留しにくくなり、冷却水の流れがさらに滑らかになって冷却室全体で澱みが発生しにくい。

第３の発明では、第１又は第２の発明において、
上記冷却水導入口に接続される冷却水導入管は、
上記筒状のシェルの軸方向に垂直な方向かつ該冷却水導入口の軸方向に沿う断面における幅が下流側よりも上流側で狭くなり、
上記筒状のシェルの軸方向かつ該冷却水導入口の軸方向に沿う断面における幅が下流側よりも上流側で広くなっている。

上記の構成によると、冷却水導入口から水室内に導入された冷却水が、エンドプレートに沿って冷却水導入口と反対側に進む成分の流速が優先して速くなり、エンドプレートの冷却水導入口と反対側の端部とシェル内面との隅角部での澱みが効果的に防止される。

第４の発明では、第１から第３のいずれか１つの発明において、
上記一対のエンドプレートは、上記水室と反対側が膨出するように湾曲している。

上記の構成によると、水室と反対側が膨出するように湾曲させることで、シェル内面との隅角部での冷却水の流れがより滑らかになって澱み防止効果がさらに向上する。

以上説明したように、本発明によれば、一方のエンドプレートにおいて、冷却水導入口と反対側の端部を冷却水導入口側の端部よりも冷却水の下流側へ傾斜させたことにより、隅角部で冷却水が滞留しにくくなり、冷却水の流れがさらに滑らかになって冷却室全体で澱みが発生しにくくなるので、熱歪み増大による損傷を避けながら、必要な排気ガスの冷却効果を得ることができる。

本発明の実施形態に係るＥＧＲクーラを示す断面図である。 ＥＧＲクーラが設けられたディーゼルエンジンを示す概要平面図である。 図１のIII−III線断面図である。 実施形態の変形例１に係る図４ＢのIVA−IVA線断面図である。 実施形態の変形例１に係る図１相当断面図である。 実施形態の変形例２に係る図４Ａ相当断面図である。 実施形態の変形例３に係る図１相当断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図２は本発明の実施形態１のＥＧＲクーラ１０が設けられたディーゼルエンジン１を示す概要図であり、このディーゼルエンジン１は、吸気管２と排気管３とを備えている。

図１にも示すように、ＥＧＲクーラ１０は、一端にＥＧＲガス（高温の排気ガスの一部）が導入されるガス導入口１１を有すると共に、他端にＥＧＲガスが排出されるガス排出口１２を有する筒状のシェル１５を備えている。シェル１５の断面は、図３に示すように、円形でもよいが、後述する図４Ｃのように断面矩形状でもよい。吸気管２の一部は、ＥＧＲ弁４を介してＥＧＲクーラ１０のガス排出口１２に接続され、このＥＧＲクーラ１０のガス導入口１１が排気管３の一部に接続されている。ＥＧＲ弁４は、例えば図示しないＥＣＵ（(Engine Control Unit）の信号を受け、還流させる排出ガスの流量を調節する役割を果たす。また、図１及び図２に示すように、ディーゼルエンジン１から延びる冷却水導入管５がＥＧＲクーラ１０の冷却水導入口１３に接続され、冷却水排出管６がＥＧＲクーラ１０の冷却水排出口１４に接続されている。

図１に示すように、ＥＧＲクーラ１０は、シェル１５の内部を冷却水が流通する水室１６を形成するように区切る一対のエンドプレート１７，１８を備えている。一対のエンドプレート１７，１８は、シェル１５の内部をＥＧＲガスが進む方向、つまり、シェル１５の長手方向に３つの空間に区切り、その中間が水室１６となっている。図３にも示すように、一対のエンドプレート１７，１８は、それぞれＥＧＲガスを流通させるために、同じ数の複数のチューブ用開口１９が開口されている。

そして、これら一対のエンドプレート１７，１８に形成された複数のチューブ用開口１９を接続するように複数のチューブ２０が水室１６にシェル１５の長手方向に沿って配列されている。水室１６は、シェル１５内で外気及び複数のチューブ２０の内部に対して密閉されている。チューブ２０の内径や本数は、ディーゼルエンジン１の排気量や出力で異なる。

シェル１５の一方の上流側エンドプレート１７の近傍に水室１６に冷却水を流通させる冷却水導入口１３が形成されており、この冷却水導入口１３に冷却水導入管５が接続されている。シェル１５の他方の下流側エンドプレート１８の近傍に水室１６を流通した冷却水を排出する冷却水排出口１４が形成されており、冷却水排出口１４に冷却水排出管６が接続されている。なお、冷却水導入口１３と冷却水排出口１４とは、径方向で対向する位置に形成されている。

そして、ＥＧＲクーラ１０の内部において、上流側エンドプレート１７は、冷却水導入口１３と反対側の端部（図１の上端部）が冷却水導入口１３側の端部（図１の下端部）よりも冷却水の下流側（図１の右側）へ傾斜している。すなわち、冷却水導入管５の中心線５ａから上流側エンドプレート１７下端のガス導入口１１側の面までの距離はＬ１であり、上端のガス導入口１１側の面までの距離はＬ２となっている。このため、図１の正面から見ると、上流側エンドプレート１７は、下方から上方に向かってガス導入口１１側からガス排出口１２側（図１の左側から右側）へ傾斜している。そして、図１の正面から見て上流側エンドプレート１７上端とシェル１５の内面との間の隅角部の角度αは、９０°よりも大きくなっている（α＞９０°）。

他方の下流側エンドプレート１８は、冷却水排出口１４と反対側の端部（すなわち、下端部）が冷却水排出口１４側の端部（上端部）よりも冷却水の上流側へ傾斜している。そして、図１の正面から見て下流側エンドプレート１８の下端とシェル１５の内面との間の隅角部の角度βは、９０°よりも大きくなっている（β＞９０°）。すなわち、下流側エンドプレート１８も上流側エンドプレート１７と同様に傾斜している（α＝β）が、いずれかの角度が大きくてもよい。

なお、上記実施形態では、エンドプレート１７，１８を平坦な板状としているが、例えば、冷却水導入管５側や冷却水排出管６側は垂直とし、途中から隅角部の角度α及びβが大きくなるように傾斜させてもよい。

次に、本実施形態に係るＥＧＲクーラ１０の作動について説明する。

まず、ディーゼルエンジン１を駆動すると、図１に黒塗り矢印で示すように、冷却水が冷却水導入管５から水室１６内に取り込まれ、冷却水排出管６から排出される。

そして、図２にハッチング入りの矢印で示すように、ディーゼルエンジン１の排気管３から高温の排気ガスが排出される。そして、ＥＣＵがＥＧＲ弁４を制御して適宜開くと、排気ガスの一部がガス導入口１１からシェル１５内に導入される。排気ガスの温度は、例えば５００℃であり、流速は０．２ｋｍ／ｈ程度で、複数のチューブ２０内を通るうちに冷却水によって冷やされてガス排出口１２から排出されるときには、温度がある程度低下する。図２に白抜き矢印で示すように、その低下したＥＧＲガスがＥＧＲ弁４を通って吸気管２に戻される。ＥＧＲガス内の酸素は、外気の酸素よりも少なく、このため、吸気エアの酸素割合が低下し、ディーゼルエンジン１におけるピーク燃焼温度が低下する。

本実施形態では、従来のように単純に上流側エンドプレート１７をシェル１５の軸方向に垂直に設ける場合に比べ、水室１６内での冷却水が上流側エンドプレート１７に沿って流れて隅角部に滞留しないので、冷却水の流れが滑らかになり、澱みを減少させてチューブの冷却に必要な冷却水量を確保することができる。

しかも、冷却水排出口１４側においても下流側エンドプレート１８とシェル１５内面の隅角部で冷却水が滞留しにくくなり、冷却水の流れがさらに滑らかになって冷却室１６全体で澱みが発生しにくい。

またエンドプレート１７，１８のみで冷却水の流れをコントロールでき、別部品を設けてバイパス通路を構成する必要がなく、そのためのスペースが不要なのでチューブの本数を減らす必要もなく、シェル１５の大きさを大きくする必要がない。

したがって、本実施形態に係るＥＧＲクーラ１０によると、隅角部で冷却水が滞留しにくくなり、冷却水の流れがさらに滑らかになって冷却室１６全体で澱みが発生しにくくなるので、熱歪み増大による損傷を避けながら、必要な排気ガスの冷却効果を得ることができる。

−変形例１−
図４Ａ及び図４Ｂは本発明の実施形態の変形例１に係るＥＧＲクーラ１０’を示し、冷却水導入管５’の形状が異なる点で実施形態と異なる。なお、以下の各変形例では、図１〜図３と同じ部分については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。

図４Ａに示すように、冷却水導入管５’は、筒状のシェル１５の軸方向に垂直な方向かつ冷却水導入口１３の軸方向に沿う断面における下流側幅ａ２が上流側の幅ａ１よりも広くなっている（ａ２＞ａ１）。

また図４Ｂに示すように、冷却水導入管５’は、筒状のシェル１５’の軸方向かつ冷却水導入口１３’の軸方向に沿う断面における下流側の幅ｂ１よりも上流側の幅ｂ２が狭くなっている（ｂ２＜ｂ１）。

本実施形態では、冷却水導入口１３’から水室１６内に導入された冷却水が、図４Ｂに黒塗り矢印で示すように、上流側エンドプレート１７に沿って冷却水導入口１３’と反対側（図４Ｂの上側）に進む成分の流速が優先して速くなり、上流側エンドプレート１７とシェル１５’内面の隅角部での澱みが効果的に防止される。

−変形例２−
図４Ｃは本発明の実施形態の変形例２に係るＥＧＲクーラ１０’’を示し、シェル１５’’の断面形状が異なる点で実施形態の変形例１と異なる。

すなわち、本変形例のシェル１５’’は、断面が円形ではなく矩形状となっている。そして、冷却水導入管５’’の形状は、上記変形例１と同様に、筒状のシェル１５’’の軸方向に垂直な方向かつ冷却水導入口１３’’の軸方向に沿う断面における下流側幅ａ２が上流側の幅ａ１よりも広くなっている（ａ２＞ａ１）。この場合も図示しないが、上記実施形態と同様に、冷却水導入口１３’’は、筒状のシェル１５’’の軸方向かつ冷却水導入口１３’’の軸方向に沿う断面における下流側の幅ｂ１よりも上流側の幅ｂ２が狭くなっている（ｂ２＜ｂ１）。

本実施形態では、冷却水導入口１３’’から水室１６内に導入された冷却水が、上流側エンドプレート１７に沿って冷却水導入口１３と反対側に進む成分の流速が優先して速くなり、上流側エンドプレート１７とシェル１５’’内面の隅角部での澱みが効果的に防止される。

−変形例３−
図４Ｄは本発明の実施形態の変形例３に係るＥＧＲクーラ１０’’’を示し、一対のエンドプレート１７’’’，１８’’’の形状が異なる点で実施形態と異なる。

すなわち、本変形例では、一対のエンドプレート１７’’’，１８’’’は、水室１６と反対側が膨出するようにそれぞれ湾曲している。具体的には、上流側エンドプレート１７’’’は、ガス導入口１１側に膨出し、下流側エンドプレート１８’’’は、ガス排出口１２側に膨出している。このように構成することで、図４Ｄの正面から見て上流側エンドプレート１７上端とシェル１５の内面との間の隅角部の角度α’’’は、９０°よりも大きく、上記実施形態のαよりも大きくなっている（α’’’＞α＞９０°）。図４Ｄの正面から見て下流側エンドプレート１８下端とシェル１５の内面との間の隅角部の角度β’’’は、９０°よりも大きく、上記実施形態のβよりも大きくなっている（β’’’＞β＞９０°）。

このように、一対のエンドプレート１７’’’，１８’’’を水室１６と反対側が膨出するように湾曲させることで、シェル１５内面との隅角部α’’’及び隅角部β’’’での冷却水の流れがより滑らかになって澱み防止効果が向上する。

（その他の実施形態）
本発明は、実施形態について、以下のような構成としてもよい。

すなわち、実施形態では、チューブ２０は、断面円形の管としているが、扁平な管としてもよい。その場合には、図１で上下方向に扁平なチューブ２０の断面の長手方向が向くように配列するとよい。

上記実施形態では、図１の正面から見たときに上流側エンドプレート１７及び下流側エンドプレート１８のいずれも筒状のシェル１５の垂直方向よりも下流側へ傾斜させているが、上流側エンドプレート１７のみを傾斜させてもよい。但し、いずれも同じ角度（α＝β）で傾斜するようにすれば、チューブ２０の長さを統一できて組付が容易となる。

上記実施形態では、冷却水導入口１３と冷却水排出口１４とを径方向で対向する位置に形成したが、径方向で同じ位置例えば、いずれも図１の下側に設けたり、上側に設けたりしてもよい。この場合でも、冷却水導入口１３の反対側の隅角部の角度α及び冷却水排出口１４の反対側の隅角部の角度βが９０°よりも大きくなるようにするとよい。

なお、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物や用途の範囲を制限することを意図するものではない。

１ ディーゼルエンジン
２ 吸気管
３ 排気管
４ ＥＧＲ弁
５ 冷却水導入管
６ 冷却水排出管
１０，１０’，１０’，１０’’’ ＥＧＲクーラ
１１ ガス導入口
１２ ガス排出口
１３，１３’，１３’’，１３’’’ 冷却水導入口
１４ 冷却水排出口
１５，１５’，１５’’，１５’’’ シェル
１６ 水室
１７，１７’’’ 上流側エンドプレート
１８，１８’’’ 下流側エンドプレート
１９ チューブ用開口
２０ チューブ

Claims (4)

1. 一端にＥＧＲガスが導入されるガス導入口を有すると共に、他端にＥＧＲガスが排出されるガス排出口を有する筒状のシェルと、
   上記シェルの内部を冷却水が流通する水室を形成するように上記ＥＧＲガスが進む方向に区切ると共にＥＧＲガスを流通させる複数のチューブ用開口を有する一対のエンドプレートと、
   上記一対のエンドプレートに形成された上記複数のチューブ用開口を接続するように上記水室に配列される複数のチューブと、
   一方の上記エンドプレートの近傍に形成され、上記水室に冷却水を流通させる冷却水導入口と、
   他方の上記エンドプレートの近傍に形成され、上記水室を流通した冷却水を排出する冷却水排出口とを備えたＥＧＲクーラであって、
   上記一方のエンドプレートは、上記冷却水導入口と反対側の端部が該冷却水導入口側の端部よりも上記冷却水の下流側へ傾斜している
   ことを特徴とするＥＧＲクーラ。
2. 請求項１に記載のＥＧＲクーラにおいて、
   上記他方のエンドプレートは、上記冷却水排出口と反対側の端部が該冷却水排出口側の端部よりも上記冷却水の上流側へ傾斜している
   ことを特徴とするＥＧＲクーラ。
3. 請求項１又は２に記載のＥＧＲクーラにおいて、
   上記冷却水導入口に接続される冷却水導入管は、
   上記筒状のシェルの軸方向に垂直な方向かつ該冷却水導入口の軸方向に沿う断面における幅が下流側よりも上流側で狭くなり、
   上記筒状のシェルの軸方向かつ該冷却水導入口の軸方向に沿う断面における幅が下流側よりも上流側で広くなっている
   ことを特徴とするＥＧＲクーラ。
4. 請求項１から３のいずれか１つに記載のＥＧＲクーラにおいて、
   上記一対のエンドプレートは、上記水室と反対側が膨出するように湾曲している
   ことを特徴とするＥＧＲクーラ。

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