JP4053717B2 - 車両用排気ガス再循環装置の排気ガス熱交換器 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、車両用排気ガス再循環装置の排気ガス熱交換器に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、排気ガス再循環装置の概要は、排気ガスの一部を排気系から取り出し、吸入混合気とともに燃焼室へ送り込むことで、燃焼時の最高温度を下げて窒素酸化物(NOx)や粒子状物質(PM)等を低減するようになっている。
【0003】
排気系から取り出される排気ガスの一部は、排気ガス熱交換器を通過する時に熱交換され冷却された後、シリンダへ還流される。
【0004】
排気ガス熱交換器の概要は、熱交換本体内に排気ガスが流れる多数のチューブが設けられ、そのチューブを横切るように冷却水が流れる構造となっている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
排気ガス熱交換器は、チューブ内を流れる排気ガスと外側を流れる冷却水がチューブ壁を介して熱交換が行なわれる所から、熱交換の効率はチューブ壁の熱伝達性能によって大きく左右される。
【0006】
このために、排気ガスに含まれるススがチューブ壁に付着しそれが堆積すると、堆積したススによってチューブ壁の熱伝達性能が著しく低下するようになる。発明者の研究の結果、ススの堆積と排ガス流量とは密接な関係があることが確認された。この結果である従来型のチューブ内の目詰まり厚さと排気ガス流量との関係を図14に示す。図14は縦軸に目詰まり厚さ、横軸に排ガス流量をとったもので、この図によれば、排ガス流量の少ない運転領域ほど堆積しやすい特性があることがわかる。これは排ガス流量が少ないと、付着したススを剥ぎとる十分な流速が得られないためと考えられる。
【0007】
そこで、この発明にあっては排ガス流量の少ない運転領域でもチューブ壁面にススの堆積が起きないようにした車両用排ガス再循環装置の排気ガス熱交換器を提供することを目的としている。
【0008】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、この発明の請求項1によれば、熱交換本体(23)内に、排気ガスが流れる複数のチューブ(29)と、前記チューブ(29)を横切るよう冷却水が流れる冷却水取入れ用の取入口(31)及び取出口(33)とを備え、前記チューブ(29)内に、帯板を捩ることで軸方向に沿って作られる所定のねじりピッチによって排気ガスを螺旋状に誘導案内するスパイラルプレート(47)を前記チューブ壁面(49)の内側とスパイラルプレート外周縁との間に隙間(d)を有して配置すると共に、前記チューブ壁面(49)から内側へ向けて張り出し前記各所定のねじりピッチの位置に配置された張り出しリブ(45)を設け、前記張り出しリブ(45)は、前記チューブ壁面(49)に沿って流れる排気ガスが前記所定のねじりピッチの位置で乗り越え可能で、かつ、周方向に沿って所定間隔幅の流路を作る周方向に長い断続した形状となっていることを特徴とする。
【0009】
これにより、排気ガスはスパイラルプレートによって、チューブ内を螺旋状に流れながらチューブ壁面を介して冷却水との間で熱交換が行なわれ冷却される。一方、排気ガスがチューブ内を流れる作動時において、チューブ壁面に沿って流れる排気ガスは、所定のねじりピッチに対応して設けられた張り出しリブを通過する動作を繰返す。この時、張り出しリブと張り出しリブの間では狭くなる流路幅によって流速が速くなる。また、張り出しリブの領域ではそのリブを乗り越える時に渦流が作られ、渦流領域の速い流れとリブの間の速い流れの組合せによってススを剥がす作用が全周領域にわたって働く結果、排ガス流量が少ない運転領域にあっても、チューブ壁面にススが堆積するのを軽減し、長期間にわたって安定した熱伝達性能が得られる。
【0010】
また、この発明の請求項2によれば、熱交換本体(23)内に、排気ガスが流れる複数のチューブ(29)と、前記チューブ(29)を横切るよう冷却水が流れる冷却水取入れ用の取入口(31)及び取出口(33)とを備え、前記チューブ(29)内に、帯板を捩ることで軸方向に沿って作られる所定のねじりピッチによって排気ガスを螺旋状に誘導案内するスパイラルプレート(47)を前記チューブ壁面(49)の内側とスパイラルプレート外周縁との間に隙間(d)を有して配置すると共に、前記チューブ壁面(49)から内側へ向けて張り出し前記各所定のねじりピッチの位置に配置された張り出しリブ(45)を設け、前記張り出しリブ(45)は、前記チューブ壁面(49)に沿って流れる排気ガスが前記所定のねじりピッチの位置で乗り越え可能で、かつ、周方向に沿って所定間隔幅の流路を作る軸方向に長く所定の間隔で配置された形状となっていることを特徴とする。
【0011】
これにより、排気ガスはスパイラルプレートによって、チューブ内を螺旋状に流れながらチューブ壁面を介して冷却水との間で熱交換が行なわれ冷却される。一方、排気ガスがチューブ内を流れる作動時において、チューブ壁面に沿って流れる排気ガスは、所定のねじりピッチに対応して設けられた張り出しリブを通過する動作を繰返す。この時、張り出しリブと張り出しリブの間では狭くなる流路幅によって流速が速くなる。また、張り出しリブの領域ではそのリブを乗り越える時に渦流が作られ、渦流領域の速い流れとリブの間の速い流れの組合せによってススを剥がす作用が全周領域にわたって働く結果、排ガス流量が少ない運転領域にあっても、チューブ壁面にススが堆積するのを軽減し、長期間にわたって安定した熱伝達性能が得られる。
【0012】
また、この発明の請求項3によれば、熱交換本体(23)内に、排気ガスが流れる複数のチューブ(29)と、前記チューブ(29)を横切るよう冷却水が流れる冷却水取入れ用の取入口(31)及び取出口(33)とを備え、前記チューブ(29)内に、帯板を捩ることで軸方向に沿って作られる所定のねじりピッチによって排気ガスを螺旋状に誘導案内するスパイラルプレート(47)を前記チューブ壁面(49)の内側とスパイラルプレート外周縁との間に隙間(d)を有して配置すると共に、前記チューブ壁面(49)から内側へ向けて張り出し前記各所定のねじりピッチの位置に配置された張り出しリブ(45)を設け、前記張り出しリブ(45)は、前記チューブ壁面(49)に沿って流れる排気ガスが前記所定のねじりピッチの位置で乗り越え可能で、かつ、周方向に沿って所定間隔幅の流路を作る周方向と軸方向に長い組合せリブの形状となっていることを特徴とする。
【0013】
これにより、排気ガスはスパイラルプレートによって、チューブ内を螺旋状に流れながらチューブ壁面を介して冷却水との間で熱交換が行なわれ冷却される。一方、チューブ内を排気ガスが流れる作動時において、チューブ壁面に沿って流れる排気ガスは所定のねじりピッチに対応して設けられた張り出しリブを通過する動作を順次繰返す。この時、張り出しリブと張り出しリブの間では、狭くなる流路幅によって流速が速くなる。また、周方向と軸方向の組合せリブの領域では各リブを排気ガスが乗り越える時に、回転方向の異なる渦流が作られる。この渦流領域では向きの異なる速い流れが得られるようになり、速い渦流の流れと、リブとリブの間の速い流れの組合せによってススを剥がす作用が全周領域にわたって働く結果、排ガス流量が少ない運転領域にあってもチューブ壁面にススが堆積するのを軽減し、長期間にわたって安定した熱伝達性能が得られる。
【0014】
また、この発明の請求項4によれば、スパイラルプレートと、張り出しリブはロー付けにより固着する。
【0015】
これにより、スパイラルプレートは安定した支持状態が得られると共に、チューブ壁面との間に作られる隙間によって、排ガスが停滞するよどみ部分をなくし、ススの付着をしにくくする。
【0016】
【発明の効果】
この発明の車両用排気ガス再循環の排気ガス熱交換器によれば、所定のねじりピッチに対応して設けられた張り出しリブによってチューブ壁面に沿って流れる排気ガスが張り出しリブを通過する時に、張り出しリブと張り出しリブの間では狭くなる流路幅によって流速が速くなり、張り出しリブ領域では張り出しリブを乗り越える時に作られる渦流によって流速が速くなり、リブとリブの間の速い流速と渦流による速い流速の組合せによって、排ガス流量が少なくなる運転領域でも、確実にチューブ壁面に付着するススを剥ぎとるようになり、全周領域にわたってススが堆積するのを確実に軽減できる。
【0017】
この結果、長期間にわたって安定した熱伝達性能が得られるようになる。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、図1乃至図6の図面を参照しながらこの発明の第1の実施形態について具体的に説明する。
【0019】
図6は排気ガス再循環装置を示した全体のシステム図を示しており、エンジン1はディーゼルエンジンとなっている。エンジン1を構成するピストン3とシリンダ5とによって形成される燃焼室7には、燃料噴射ポンプ9によって燃料が、また、ターボチャージャ11によりエアクリーナ13から取入れた空気がインテーク・マニホールド15を介してそれぞれ送り込まれるようになっている。インテーク・マニホールド15には駆動手段によって開閉自在に制御される制御弁17が設けられ、燃焼空気供給量の制御が可能となっている。
【0020】
燃焼室7で燃焼した排気ガスはエキゾースト・マニホールド19から分岐され一方は、前記ターボチャージャ11を駆動した後、マフラー21を通り外へ排出される。他方は排気ガス熱交換器23を通り、前記インテーク・マニホールド15に還流されるようになっている。インテーク・マニホールド15に還流される排気ガスの還流量は、図外の駆動手段によって制御されるEGRバルブ25の開度量によって制御されるようになっている。
【0021】
排気ガス熱交換器23は、図5に示すように熱交換器本体25内に前後の隔壁となるエンドプレート27,27を貫通し排気ガスが通り抜ける真すぐなチューブ29が複数配置される一方、前記チューブ29を横切るよう冷却水が流れる冷却水取入れ用の取入口31と取出口33とを有している。
【0022】
取入口31は、エンジン冷却用のウオータジャケット35を介してウオータポンプ37の吐出口39と、取出口33は、配管41を介してウオータポンプ37の取込口43とそれぞれ接続連通し、ウオータポンプ37の回転によりウオータジャケット35、排気ガス熱交換器23を通る冷却水の循環した流れが確保されるようになっている。
【0023】
チューブ29内には、図2に示すように、軸方向に沿って所定のピッチ間隔で内側へ張り出す張り出しリブ45と、排気ガスを螺旋状に誘導案内するスパイラルプレート47がそれぞれ設けられている。
【0024】
張り出しリブ45は、周方向に長く所定の間隔で断続する形状となっている。
【0025】
スパイラルプレート47は、帯板を180度捩ることで形成されている。ねじりピッチは各張り出しリブ45の各位置と対応し、各張り出しリブ45の上にロー付け等の手段によって固定支持されている。
【0026】
これにより、図3に示すように張り出しリブ45とチューブ壁面49との間に排気ガスの停滞の起きない所定の隙間dが確保される一方、チューブ29を展開した時に、図4に示すように中央の張り出しリブ45を通る軌跡51が形成され、矢印方向の排気ガスの流れに対して張り出しリブ45が所定角度の迎え角αを備える構造となっている。
【0027】
この場合、張り出しリブ45は図7から図9に示すように軸方向に長く所定の間隔で周方向に沿って配置されると共に排気ガスの流れに対して所定角度の迎え角βを備える構造であってもよい。
【0028】
このように構成された排気ガス熱交換器23によれば、燃焼室7からの排気ガスの一部はエキゾースト・マニホールド19から分岐され、熱交換器本体23のチューブ29内をスパイラルプレート47のリード角により螺旋状に流れることで、チューブ壁を介して冷却水との間で熱交換が行なわれ冷却される。
【0029】
排気ガスがチューブ29内を流れる作動時において、図1に示すように、チューブ壁面49に沿って流れる排気ガスは、所定のねじりピッチに設けられた張り出しリブ45を通過する。この時、張り出しリブ45と張り出しリブ45の間では狭くなる流路幅によって流速が速くなる。また、張り出しリブ領域では張り出しリブ45を乗り越える時に渦流による速い流れを作り、渦流による速い流速と、張り出しリブ45とリブ45の間を流れる速い流速との組合せによってススを剥がす作用が全周領域にわたって確実に働く結果、排ガス流量が少ない運転領域にあっても、チューブ壁面49にススが付着し堆積するのを軽減し、長期間にわたって安定した熱伝達性能が得られる。
【0031】
図10から図13は、張り出しリブ45の第2の実施形態を示したものである。
【0032】
即ち、チューブ29内に、軸方向に沿って所定のピッチ間隔で内側へ張り出す張り出しリブ45を設ける。張り出しリブ45は、周方向と軸方向に長い組合せリブとなっていて、周方向の張り出しリブ45は、排気ガスの流れに対して所定角度の迎え角αを備えた形状となっている。軸方向の張り出しリブ45は、排気ガスの流れに対して所定角度の迎え角βを備えた形状となっている。
【0033】
なお、他の構成要件は第1の実施形態と同一のため、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【0034】
したがって、この第2の実施形態によれば組合せリブは、排気ガスが通過する時に、図10に示すように、回転方向が異なる二つの渦流、縦渦が作られる。この縦渦は強く速い流れが確保される結果、その二つの渦流の相乗作用と、張り出しリブ45の間を流れる速い流速との組合せによってススを確実に剥ぎとり、ススの堆積を阻止することで、長期間にわたり安定した熱伝達性能が得られるようになる。
【0035】
なお、この実施形態のスパイラルプレート47は一枚の帯板を180度捩ることで形成したものであるが、断面十字状に形成された帯板を180度捩ることで形成する組合せ手段とすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明にかかる排気ガス熱交換器においてスパイラルプレートを取外したチューブの一部分を示す概要切断説明図。
【図2】排気ガス熱交換器のチューブの概要切断面図。
【図3】図2のA−A線断面図。
【図4】スパイラルプレートを取外したチューブの概要展開図。
【図5】排気ガス熱交換器の切断面図。
【図6】排気ガス再循環装置のシステム図。
【図7】張り出しリブを軸方向とした別の実施形態を示す図2と同様の概要切断面図。
【図8】図7のB−B線断面図。
【図9】スパイラルプレートを取外した図7のチューブの展開図。
【図10】張り出しリブの第2の実施形態を示した図1と同様のチューブの一部分を示す概要切断面図。
【図11】第2の実施形態のチューブの概要切断面図。
【図12】図11のC−C線断面図。
【図13】スパイラルプレートを取外した図11のチューブの展開図。
【図14】チューブ内のススの目詰まり厚さと排気ガス流量の関係を示した説明図。
【符号の説明】
23 熱交換本体
29 チューブ
31 取入口
33 取出口
45 張り出しリブ
47 スパイラルプレート
Claims (4)
- 熱交換本体(23)内に、排気ガスが流れる複数のチューブ(29)と、前記チューブ(29)を横切るよう冷却水が流れる冷却水取入れ用の取入口(31)及び取出口(33)とを備え、前記チューブ(29)内に、帯板を捩ることで軸方向に沿って作られる所定のねじりピッチによって排気ガスを螺旋状に誘導案内するスパイラルプレート(47)を前記チューブ壁面(49)の内側とスパイラルプレート外周縁との間に隙間(d)を有して配置すると共に、前記チューブ壁面(49)から内側へ向けて張り出し前記各所定のねじりピッチの位置に配置された張り出しリブ(45)を設け、前記張り出しリブ(45)は、前記チューブ壁面(49)に沿って流れる排気ガスが前記所定のねじりピッチの位置で乗り越え可能で、かつ、周方向に沿って所定間隔幅の流路を作る周方向に長い断続した形状となっていることを特徴とする車両用排気ガス再循環装置の排気ガス熱交換器。
- 熱交換本体(23)内に、排気ガスが流れる複数のチューブ(29)と、前記チューブ(29)を横切るよう冷却水が流れる冷却水取入れ用の取入口(31)及び取出口(33)とを備え、前記チューブ(29)内に、帯板を捩ることで軸方向に沿って作られる所定のねじりピッチによって排気ガスを螺旋状に誘導案内するスパイラルプレート(47)を前記チューブ壁面(49)の内側とスパイラルプレート外周縁との間に隙間(d)を有して配置すると共に、前記チューブ壁面(49)から内側へ向けて張り出し前記各所定のねじりピッチの位置に配置された張り出しリブ(45)を設け、前記張り出しリブ(45)は、前記チューブ壁面(49)に沿って流れる排気ガスが前記所定のねじりピッチの位置で乗り越え可能で、かつ、周方向に沿って所定間隔幅の流路を作る軸方向に長く所定の間隔で配置された形状となっていることを特徴とする車両用排気ガス再循環装置の排気ガス熱交換器。
- 熱交換本体(23)内に、排気ガスが流れる複数のチューブ(29)と、前記チューブ(29)を横切るよう冷却水が流れる冷却水取入れ用の取入口(31)及び取出口(33)とを備え、前記チューブ(29)内に、帯板を捩ることで軸方向に沿って作られる所定のねじりピッチによって排気ガスを螺旋状に誘導案内するスパイラルプレート(47)を前記チューブ壁面(49)の内側とスパイラルプレート外周縁との間に隙間(d)を有して配置すると共に、前記チューブ壁面(49)から内側へ向けて張り出し前記各所定のねじりピッチの位置に配置された張り出しリブ(45)を設け、前記張り出しリブ(45)は、前記チューブ壁面(49)に沿って流れる排気ガスが前記所定のねじりピッチの位置で乗り越え可能で、かつ、周方向に沿って所定間隔幅の流路を作る周方向と軸方向に長い組合せリブの形状となっていることを特徴とする車両用排気ガス再循環装置の排気ガス熱交換器。
- スパイラルプレート(47)と、張り出しリブ(45)はロー付けにより一体に固着されていることを特徴とする請求項1,2,3のいずれかに記載の車両用排気ガス再循環装置の排気ガス熱交換器。
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