JP3783395B2

JP3783395B2 - Ｅｇｒクーラ

Info

Publication number: JP3783395B2
Application number: JP08676498A
Authority: JP
Inventors: 浩司夏目
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1998-03-31
Filing date: 1998-03-31
Publication date: 2006-06-07
Anticipated expiration: 2018-03-31
Also published as: JPH11287571A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＥＧＲクーラに係り、特に、エンジンの排ガスの一部を排気経路から取り出して再びエンジンの吸気経路に戻すＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation:排気再循環）を行う際、途中でＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジン等の排ガス中のNOx を低減するためＥＧＲが有効であることは知られている。即ち、ＥＧＲを行うと、吸気中の酸素濃度が低下して燃焼が緩慢となり、燃焼温度の低下によりNOx の生成が抑制されると考えられるからである。
【０００３】
一方、吸気にＥＧＲガスを混入させることでその分新気量が減り、スモークが悪化するという問題がある。これを解決するために、ＥＧＲ通路中にＥＧＲクーラを設け、高温のＥＧＲガスを冷却して体積を減少させることにより、新気量の増大を図り、スモークの発生を防止しようという提案がなされている（特開平6-147028号公報等参照）。
【０００４】
図２２はＥＧＲクーラが適用されたエンジンの構成図で、ＥＧＲクーラ５１はＥＧＲ通路をなすＥＧＲ配管５２の途中に設けられ、エンジン５３との間で冷却水配管５４を介して冷却水（冷却液）を循環させ、その冷却水を冷媒として内部でＥＧＲガスを冷却するようになっている。ＥＧＲ配管５２は、排気マニホールド５５及び排気管５６からなる排気経路から排ガスの一部（ＥＧＲガス）を取り出し、吸気マニホールド５７及び吸気管５８からなる吸気経路にそれを戻す。ＥＧＲ配管５２の途中にはＥＧＲ量を制御するための流量制御弁５９が設けられる。
【０００５】
一般的なＥＧＲクーラの構成は図１９、２０、２１に示す通りである。ＥＧＲクーラ５１は、一方向に延出して両端が絞られた筒状のケーシング６０を有し、ケーシング６０の長手方向両端には入口側フランジ６１及び出口側フランジ６２が一体的に設けられる。入口側フランジ６１及び出口側フランジ６２は、それぞれガス導入口６３及びガス導出口６４を区画して上述のＥＧＲ配管５２にそれぞれ接続される。ケーシング６０内部には長手方向（ガス流れ方向）に離間する一対のエンドプレート、即ち入口側エンドプレート６５及び出口側エンドプレート６６が設けられる。これらエンドプレート６５，６６は、ケーシング６０内部を、両端の入口側ガス室６７、出口側ガス室６８及び中央の水室６９（冷却液室）とに仕切るためのものである。水室６９には、その長手方向に離間して冷却水導入口７０及び冷却水導出口７１が設けられる。これらは径方向の対向側に設けられる。
【０００６】
両エンドプレート６５，６６を掛け渡して複数の直管状冷却管７２が設けられる。冷却管７２は両エンドプレート６５，６６に挿通固定され、入口側及び出口側ガス室６７，６８を連通すると共に、両エンドプレート６５，６６間で水室６９内を通過するようになっている。
【０００７】
こうして、ガス導入口６３から入口側ガス室６７内に導入されたＥＧＲガスは、入口側ガス室６７内で径方向に拡散し、各冷却管７２に分配される。そして各冷却管７２を通過した後、出口側ガス室６８内で再度集合されてガス導出口６４から導出される。特に水室６９内を通過する際、冷却水との間で熱交換されて冷却される。
【０００８】
冷却管７２は、冷却効率を高めるべくできるだけ薄肉（ 0.5〜1mm 程度）とされる。またＥＧＲガスが高温で硫黄分を含むことから、高温強度と耐腐食性に優れたステンレス等の材料が採用される。本クーラは複数の部品を接合して作るが、製造の簡便化のため全ての部品が炉内ロー付けにて一度に組み付けられるようになっている。このため、冷却管７２以外の部品も冷却管７２と同種の材料で形成される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＥＧＲガスは、入口側ガス室６７から冷却管７２に流入した直後は、急激な断面変化の影響を受けて速度・方向が一定でない乱流となる。この乱流領域ではガスから冷却管７２へ活発な放熱が行われる。
【００１０】
一方、この乱流領域を過ぎると、ガスの流れは冷却管７２の軸方向に流れる層流となる。このため、ガスの流速が軸心側ほど速く、冷却管７２内壁部近傍では遅くなり、放熱が活発に行われなくなる。
【００１１】
この対策として、冷却管７２内部に薄肉のフィンを設けて放熱面積を増やしたり、冷却管７２内部に凹凸を設けて層流部の境界層を乱す方法があるが、ＥＧＲガスに含まれたすすがフィン等に付着し、そこでＥＧＲガス中に含まれる硫黄分と水分とで硫酸が形成されるため、耐久性の面で問題が生じる。
【００１２】
なお、ＥＧＲガス流量（ＥＧＲ率）がエンジン回転数、エンジン負荷等のエンジン運転状態に応じて変化すること、及び各気筒の排気脈動によりＥＧＲガスも脈動を伴うことから、前述の乱流領域の範囲ないし長さは一定でない。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ケーシング内を仕切って入口側ガス室、出口側ガス室及び冷却液室を区画し、上記冷却液室内に中間ガス室を区画形成すると共に、上記入口側ガス室と上記中間ガス室、上記中間ガス室と上記出口側ガス室をそれぞれ冷却管で連絡したＥＧＲクーラであって、上記中間ガス室が上記冷却液室を分割し、これら分割された冷却液室同士が連絡通路で連絡され、該連絡通路が上記中間ガス室内を通過する連絡管で形成され、該連絡管が上記冷却管と交差する方向に延出されたものである。
【００１４】
これによれば、入口側ガス室から冷却管に導入したＥＧＲガスを中間ガス室に放出し、再度冷却管内に導入できる。よって乱流領域を増大でき、放熱を活発化できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００２０】
［第１参考形態］
図１、２、３は本実施形態の前提となる第１参考形態に係るＥＧＲクーラを示す。従来同様、ＥＧＲクーラ１は、一方向（図の左右方向）に長い円筒状のケーシング２を有している。ケーシング２は、所定の一定径に形成された外筒部３と、外筒部３からガス入口側（図中左側）及び出口側（図中右側）に向けて半球状に絞られた入口側タンク部４及び出口側タンク部１３とからなる。入口側タンク部４の入口端及び出口側タンク部１３の出口端には、前述のＥＧＲ配管に接続するためのフランジ部５，１４が設けられる。これらフランジ部５，１４には、それぞれガス導入口１５及びガス導出口１６と一対のボルト穴（雌ねじ穴）１７とが設けられる。これら外筒部３、タンク部４，１３及びフランジ部５，１４は同軸に配置される。
【００２１】
外筒部３とタンク部４，１３との継ぎ目位置には、ケーシング２内を入口側と出口側とで仕切る一対のエンドプレート、即ち入口側エンドプレート９と出口側エンドプレート１８とが設けられる。これによりケーシング２内には、入口側エンドプレート９の左側に入口側ガス室７が、両エンドプレート９，１８間に冷却水（冷却液）を通過させるための水室８（冷却液室）が、出口側エンドプレート１８の右側に出口側ガス室１９が、それぞれ区画形成される。
【００２２】
ただし、この水室８内には２つの中間ガス室２０，２１が区画形成され、これら中間ガス室２０，２１により水室８は３つに分割されている。
【００２３】
即ち、両エンドプレート９，１８間に４枚の中間プレート２２，２３，２４，２５が設けられ、これら中間プレート２２…が外筒部３内を仕切ることにより、ガス流れ方向上流側から順に第１水室２６、第２水室２７、第３水室２８が区画形成され、これら水室２６…間に第１中間ガス室２０、第２中間ガス室２１が区画形成される。
【００２４】
このように、本クーラ１ではガス室と水室とがガス流れ方向に沿って交互直列的に設けられる。
【００２５】
各エンドプレート９…及び中間プレート２２…はケーシング長手方向に対し垂直に配置される。また各水室２６…同士、或いは各中間ガス室２０…同士は、ケーシング長手方向の長さがそれぞれ等しくされる。さらに各水室２６…は放熱面積を確保するため各中間ガス室２０…より長くされる。
【００２６】
入口側ガス室７と第１中間ガス室２０、第１中間ガス室２０と第２中間ガス室２１、第２中間ガス室２１と出口側ガス室１９は、それぞれ複数且つ同数ずつの第１冷却管２９、第２冷却管３０、第３冷却管３１で連絡されている。これら冷却管２９…は各プレート９…に挿通固定され、各室同士を連通するようになっている。
【００２７】
同様に、第１水室２６と第２水室２７、第２水室２７と第３水室２８が、それぞれ連絡通路をなす第１連絡管３２、第２連絡管３３で連絡され、互いに連通されている。第１連絡管３２は第１中間ガス室２０内を、第２連絡管３３は第２中間ガス室２１内をそれぞれ通過される。これら連絡管３２…は直管で、各冷却管２９…と同方向に延出される。第１水室２６の下部に冷却水導入口１２が、第３水室２８の上部に冷却水導出口１０が設けられる。これによって冷却水導入口１２から第１水室２６に導入された冷却水が、第１連絡管３２、第２水室２７、第２連絡管３３、第３水室２８を順に通じて冷却水導出口１０から導出されるようになる。
【００２８】
これら冷却管２９…と連絡管３２…とは、図３に示すように、互いに同一径とされると共に、合わせてケーシング２内全体に広がる千鳥配列とされる。ただし第１及び第２連絡管３２，３３は、図中ハッチングで示すように、最外周に 120°間隔で３本設けられるに過ぎず、図２に示すように、この位置の分は冷却管２９…が除かれている。このように連絡管３２…の数が少なく、連絡管３２…の総断面積が冷却管２９…の総断面積に比べ小さいのは、冷却水の体積流量がＥＧＲガスの体積流量より少なくて済むからである。第１乃至第３冷却管２９…或いは第１乃至第２連絡管３２…は、ケーシング長手方向に沿ってそれぞれ直線的に配置される。
【００２９】
さて、この構成においては、ガス導入口１５から導入されたＥＧＲガスが、入口側ガス室７内で拡散して各第１冷却管２９内に分配導入された後、各第１冷却管２９内を流通する。そして第１水室２６内を通過する際に最初の冷却がなされ、この後第１中間ガス室２０内に放出、拡散される。そしてここで集合された後、さらに次の各第２冷却管３０内に分配導入される。次も同様に第２水室２７内での２回目の冷却、第２中間ガス室２１内への放出、第３水室２８内での３回目の冷却、出口側ガス室１９への放出という行程を経た後、ガス導出口１６から導出される。
【００３０】
このように、本クーラでは、中間ガス室を設けて冷却管へのガス分配導入を再度行うようにしたので、断面変化の場所を増やして乱流領域の増大を図り、ガスからの放熱を活発化させ、クーラの冷却効率を向上することができる。特に本参考形態では複数の中間ガス室を設けたので、冷却管へのガス導入を複数回行え、冷却効率をさらに向上できる。
【００３１】
また、中間プレート２２…や連絡管３２…が冷却水に接触して冷却されるので、各中間ガス室２０…内においてもガスの冷却が行える。
【００３２】
なお、ここでは図を分かり易くするため、ケーシング寸法や冷却管の配置を変えず連絡管３２…を追加しており、この分冷却管の本数が従来（図１９〜２１）より減少し、ガスの通路面積も減少している。しかし、これにより圧力損失、放熱量増加等の問題が生じた場合は、冷却管の本数や径の見直しにより対処可能である。ただし、これでも解消されないときはケーシング拡大、冷却管数増大等の対処が必要である。
【００３３】
［第２参考形態］
図４、５、６、７は第２参考形態に係るＥＧＲクーラを示す。なお後述の参考形態及び実施形態も同様だが、同一構成の部分については説明を省略する。本参考形態は第１参考形態に比べ、各冷却管２９…の本数と連絡管３２…の配置を変えた点が異なる。
【００３４】
即ち、図１に示すように、第１参考形態では、第１及び第２連絡管３２，３３が直線的に配置されているため、第２水室２７内で冷却水の軸方向成分が強くなり、各第２冷却管３０への当たりが弱くなる可能性がある。また、第２連絡管３３の中の１本が冷却水導出口１０の近傍に開口するため、第３水室２８内でも第３冷却管３１への当たりが弱くなる可能性がある。
【００３５】
本参考形態では、図４、６、７に示すように、第１及び第２連絡管３２，３３を同数としながらも、３本まとめて互いに反対側となるよう配置している。即ち、第１連絡管３２は、ケーシング２内の上方且つ最外周に３本並列され、第２連絡管３３は、ケーシング２内の下方且つ最外周に３本並列されている。これによりこれら連絡管３２…と冷却水導入口１２、冷却水導出口１０とがそれぞれ交互に反対側に配置されるようになり、各水室２６…内において、冷却水の流れを各冷却管２９…に直交する流れとし、冷却管２９…に冷却水を十分当てることができるようになる。これによってガスの放熱を一層活発化でき、冷却効率も向上できるようになる。
【００３６】
ただし、本参考形態では、図５に示すように、第１及び第２連絡管３２，３３がある位置の各冷却管２９…が除かれ、冷却管２９…の本数はさらに減少されている。これによりガスの通路面積が減少し、圧力損失等の問題が助長される可能性がある。
【００３７】
よって、これを解決し得るのが次に示す第３参考形態である。
【００３８】
［第３参考形態］
図８、９、１０、１１に示す第３参考形態は以下のように構成される。即ち、第１水室２６及び第３水室２８の上部にそれぞれ冷却水導入口１２及び冷却水導出口１０が設けられ、第１及び第２連絡管３２，３３がそれぞれケーシング２内の下方のみに３本並列状態で配設されている。これら連絡管３２，３３のある位置を除き、ケーシング２内全体に第１乃至第３冷却管２９，３０，３１が千鳥配列される。そして第２水室２７内に中間プレート３４が追加される。中間プレート３４は第２水室２７をそのケーシング軸方向中間位置で仕切るよう配置されるが、その上部には開口部３５が設けられ、ここから冷却水の流通を許容するようになっている。開口部３５はここでは中間プレート３４の一部を直線的に切り欠いて形成されるが、他の方法、例えば穴の穿設によって形成しても構わない。
【００３９】
これによると、第１参考形態と同数の冷却管２９…の本数が確保され、ガスの通路面積減少の問題は防げる。そして中間プレート３４によって、第１連絡管３２から出てきた冷却水を直接第２連絡管３３に向かわせず、第２冷却管３０と直交する方向に蛇行させることができ、冷却管３０に冷却水を十分当てることができる。勿論、第１水室２６と第３水室２８においても冷却水の入口と出口とが反対側に形成され、各冷却管２９，３１と直交する流れにできる。なお第１水室２６又は第３水室２８に中間プレートを設ければ、冷却水導入口１２又は導出口１０の位置ないし向きを変えられ、これら向きを異なる方向とすることも可能である。
【００４０】
ただし、この参考形態では中間プレートの数が増え部品点数が増加する欠点がある。
【００４１】
［本実施形態］
本実施形態を図１２、１３、１４、１５に示す。本実施形態では第２参考形態（図４〜７）同様に第１乃至第３冷却管２９…が配置され、各水室２６…には上部及び下部に３本分の空きスペースがある。よって上流側の上部の空きスペースから下流側の下部の空きスペースを連絡するように、クランク状の第１及び第２連絡管３２，３３が各３本ずつ配設されている。
【００４２】
本実施形態では、第１及び第２中間ガス室２０，２１内で、第１及び第２連絡管３２，３３がガス流れ方向と直交する方向に延出される。よってこれらガス室２０，２１内におけるガスからの放熱が促進され、冷却性能が向上する。
【００４３】
また第２参考形態と同数の部品点数であるので、その形態に対する部品点数の増加はない。
【００４８】
以上の説明から分かるように、本発明によれば、ＥＧＲガスの乱流領域を増大して放熱量を増し、クーラ冷却効率を向上できる。そしてＥＧＲガス温度を低減して吸気温度低下によるＮＯｘ低減を達成できると共に、ＥＧＲガスの体積減少分新気量を増し、スモーク低減も図れる。
【００４９】
また、本発明は冷却管を長手方向に分割した格好となるので、それぞれに対し好ましい特性を与え、放熱性向上に大いに貢献できる。例えば、入口側エンドプレート９の近傍では流入ガスが高温、高流量のとき冷却水の沸騰が発生し、熱伝達が悪化する場合がある。よってこの場合はガス入口側の冷却管を厚肉化したりして、放熱を制限し、沸騰の未然防止を図ることができる。逆にこれより下流側の冷却管は、薄肉化により高い放熱性を確保できる。こうしてＥＧＲガスの流量、温度制限が緩和され、良好なエンジン性能を確保できるようになる。
【００５０】
なお、上記実施形態では入口側エンドプレート９、出口側エンドプレート１８、各中間プレート２２…、冷却水導入口１２及び導出口１０、連絡管３２…並びに開口部３５…が、本発明の案内手段を構成する。
【００５１】
本発明は上記実施形態に限られず種々の実施形態が可能である。例えば中間ガス室や水室の数、長さ、配置等を変更したり、冷却水流れ方向と冷却管の交差角を90°（直交）以外としても構わない。これは連絡管と冷却管の関係についても同様のことがいえる。また、水室内にバッフルプレートを追加して冷却水をさらに蛇行させたり、エンジン冷却水以外の液体を冷却液に用いることも可能である。
【００５２】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば以下の如き優れた効果が発揮される。
【００５３】
（１）ＥＧＲガスの乱流領域を増大して放熱量を増し、クーラ冷却効率を向上できる。
【００５４】
（２）中間ガス室内でもガスの冷却が好適に行え、放熱量を増大できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１参考形態に係るＥＧＲクーラの縦断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ断面図である。
【図４】第２参考形態に係るＥＧＲクーラの縦断面図である。
【図５】図４のＣ−Ｃ断面図である。
【図６】図４のＤ−Ｄ断面図である。
【図７】図４のＥ−Ｅ断面図である。
【図８】第３参考形態に係るＥＧＲクーラの縦断面図である。
【図９】図８のＦ−Ｆ断面図である。
【図１０】図８のＧ−Ｇ断面図である。
【図１１】図８のＨ−Ｈ断面図である。
【図１２】本実施形態に係るＥＧＲクーラの縦断面図である。
【図１３】図１２のＩ−Ｉ断面図である。
【図１４】図１２のＪ−Ｊ断面図である。
【図１５】図１２のＫ−Ｋ断面図である。
【図１６】従来のＥＧＲクーラを示す縦断面図である。
【図１７】図１９の右側面図である。
【図１８】図１９のＸ−Ｘ断面図である。
【図１９】ＥＧＲクーラが適用されたエンジンの構成図である。
【符号の説明】
１ＥＧＲクーラ
２ケーシング
７入口側ガス室
８水室
９入口側エンドプレート
１０冷却水導出口
１２冷却水導入口
１８出口側エンドプレート
１９出口側ガス室
２０第１中間ガス室
２１第２中間ガス室
２２，２３，２４，２５中間プレート
２６第１水室
２７第２水室
２８第３水室
２９第１冷却管
３０第２冷却管
３１第３冷却管
３２第１連絡管
３３第２連絡管
３５，３８，３９開口部
３６，３７筒状プレート
４０第１連絡通路
４１第２連絡通路

Claims

ケーシング内を仕切って入口側ガス室、出口側ガス室及び冷却液室を区画し、上記冷却液室内に中間ガス室を区画形成すると共に、上記入口側ガス室と上記中間ガス室、上記中間ガス室と上記出口側ガス室をそれぞれ冷却管で連絡したＥＧＲクーラであって、
上記中間ガス室が上記冷却液室を分割し、これら分割された冷却液室同士が連絡通路で連絡され、該連絡通路が上記中間ガス室内を通過する連絡管で形成され、該連絡管が上記冷却管と交差する方向に延出されたことを特徴とするＥＧＲクーラ。