JP4609243B2 - 排気ガス再循環装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関の排気ガスの一部を吸気ガスに再循環させることで排気ガス中のＮＯｘを低減させるものに用いて好適な排気ガス再循環装置に関するものである。
従来、内燃機関（特にディーゼルエンジン）の排気ガス中に含まれるＮＯｘを低減する手段として、例えば図８に示すような排気ガス再循環装置が知られている。
この排気ガス再循環装置１ａにおいては、吸気ガスがターボチャージャー２０で加圧（過給）され、インタークーラ３０で冷却されて内燃機関１０に流入される。そして、内燃機関１０から流出される排気ガスは後処理装置４０を経て大気に排出されるが、その一部が吸気ガスに再循環されるようにしている。ここでは、排気ガスの一部をターボチャージャー２０の上流側（低圧側）から流入させることで、排気ガスの加圧（加圧手段によるエネルギー使用）を不要として、内燃機関１０の燃費の悪化を防止するようにしている。
しかしながら、上記排気ガス再循環装置１ａにおいては、排気ガス中に含まれるＮＯｘやＳＯｘの凝縮によって硝酸や硫酸が生成されるため、インタークーラ３０やターボチャージャー２０に対する腐食が懸念される。
本発明の目的は、上記問題に鑑み、排気ガス中に含まれるＮＯｘやＳＯｘの凝縮によって生成される酸による関係機器の腐食防止を可能とする排気ガス再循環装置を提供することにある。
本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。
請求項１に記載の発明では、加圧手段（２０）によって加圧された吸気ガスを冷却用熱交換器（３０）で冷却した後に内燃機関（１０）に吸入させて、内燃機関（１０）から排出される排気ガスの一部を加圧手段（２０）の低圧側から吸気ガスに流入させる排気ガス再循環装置において、
排気ガスが吸入ガスに流入される流入部に配設されると共に、吸気ガスと排気ガスとの間で熱交換して、吸気ガスによって前記排気ガスを冷却する排気熱交換器（１００）が設けられ、
排気熱交換器（１００）に流入する排気ガスを予め冷却するために、排気熱交換器（１００）の上流に排気ガス冷却用熱交換器（５０）が設けられたことを特徴としている。
これにより、排気熱交換器（１００）において、排気ガス中に含まれるＮＯｘやＳＯｘを硝酸や硫酸として凝縮させることができるので、この排気熱交換器（１００）よりも下流側となる加圧手段（２０）や冷却用熱交換器（３０）の腐食を防止することができる。
また、排気ガス冷却用熱交換器（５０）により、排気ガスが予め冷却され、吸気ガスの温度上昇を抑えることができるので、加圧手段（２０）における加圧効率を高めることができる。
請求項２に記載の発明では、排気ガス冷却用熱交換器（５０）は、排気ガスを予め冷却することで排気ガスが吸気ガスと混合された時に吸気ガスの温度上昇を抑制することを特徴としている。これにより、排気ガスが吸気ガスと混合された時にも、吸気ガスの温度上昇を抑えることができるので、混合されたガスの密度低下を防止して、加圧手段（２０）における加圧効率を高めることができる。
請求項３に記載の発明では、排気熱交換器（１００）は、吸気ガスが流通する吸気管（１１）内に配設されたことを特徴としている。
これにより、吸気ガスと排気ガスとの熱交換面積を充分に確保できるので、排気熱交換器（１００）における熱交換性能を向上させることができる。
請求項４に記載の発明では、排気熱交換器（１００）の排気ガスが流通する流路（１００ａ）の下端から下方に向けて外部に繋がる排出流路（１５０）を備えることを特徴としている。
これにより、排気ガスの冷却により生成された凝縮液（硝酸や硫酸）を、自重によって排気熱交換器（１００）の外部に排出することができ、排気熱交換器（１００）自身が腐食するのを防止できる。
請求項５に記載の発明では、排出流路（１５０）の下端には、排気ガスの冷却に伴って凝縮される凝縮液の自重に応じて開閉される開閉弁（１６０）が設けられたことを特徴としている。
これにより、排気ガスの冷却により生成された凝縮液（硝酸や硫酸）が排出流路（１５０）に所定量溜まる毎に、この凝縮液を自動的に排出流路（１５０）から外部に排出させることができる。つまり、ユーザによる凝縮液回収（処理）の手間を省くことができる。
請求項６に記載の発明では、排出流路（１５０）の下端には、排気ガスの冷却に伴って凝縮される凝縮液を溜める溜め部（１７０）が設けられたことを特徴としている。
これにより、乗員によって定期的に溜め部（１５０）から、排気ガスの冷却により生成された凝縮液（硝酸や硫酸）を取出すことができるので、所定の処置が可能となる。
尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
（第１実施形態）
以下、本発明の排気熱交換器１００を排気ガス再循環装置１に適用した場合の実施形態について、図１、図２を用いて説明する。尚、図１は排気ガス再循環装置１全体を示す模式図、図２は排気熱交換器１００を示す外観図である。
排気ガス再循環装置１は、図１に示すように、車両の走行用駆動源となるエンジン（ここでは例えばディーゼルエンジンであり、本発明における内燃機関に対応）１０の吸気管１１および排気管１２に、以下説明する各種機器２０、３０、４０、１００が設けられて形成されている。
吸気管１１はエンジン１０のシリンダ内に吸気ガスを吸入させる配管であり、また、排気管１２は、シリンダ内で吸気ガスが燃焼された後の排気ガスを排出させる配管である。
吸気管１１には、排気ガスの圧力エネルギーによって内部のタービンが回転作動されて、タービンに直結されて連動するコンプレッサ部で吸気ガスを加圧（過給）するターボチャージャー（本発明における加圧手段に対応）２０が設けられている。更に、吸気管１１において、ターボチャージャー２０とエンジン１０との間には、加圧された吸気ガスを冷却するインタークーラ（本発明における冷却用熱交換器に対応）３０が設けられている。
尚、インタークーラ３０は、例えばアルミニウム製のものであって、熱交換部は複数積層される断面扁平状のチューブと、複数のチューブの間に介在される波形のフィンとを有している。吸気ガスはインタークーラ３０のチューブ内を流通し、またチューブおよびフィンの外部を車両前方から導入される外気が流通し、外気によって吸気ガスが冷却されるようになっている。
一方、排気管１２には、例えば排気ガス中の粒子状汚染物質ＰＭ（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）を除去するための後処理装置４０が設けられている。後処理装置４０の下流側となる排気管１２は大気側に開口する大気側排気管１２ａと、ターボチャージャー２０における吸気ガスの吸入側に合流する合流用排気管１２ｂとに分かれており、排気ガスの一部は例えばエンジン１０の回転数や負荷に応じて吸気管１１内に流入されて、吸気ガスに混合されるようになっている。
そして、この排気ガスが吸気ガスに流入される部位（本発明における流入部に対応）に、排気熱交換器１００が配設されるようにしている。
排気熱交換器１００は、ここでは耐食性に優れるステンレス材から成る二重管式の熱交換器としている。排気熱交換器１００の本体部は、図２に示すように、外筒１１０の内側に内筒１２０が挿入され、外筒１１０と内筒１２０との間に排気ガス流通用の内外間流路１００ａが形成されるようにして、両筒１１０、１２０の長手方向両端部が互いに接合されることで形成されている。そして、外筒１１０の長手方向の一端側に、内外間流路１００ａに連通する流入パイプ１３０が接合され、また、外筒１１０の長手方向の他端側に、内外間流路１００ａに連通する流出パイプ１４０が接合されている。
また、上記外筒１１０の長手方向において、流入パイプ１３０の反対側で下端となる位置には、内外間流路１００ａと連通して下方に延びる排出パイプ（本発明における排出流路に対応）１５０が設けられている。排出パイプ１５０は、下端側が拡管された管としており、この排出パイプ１５０の下端開口部には、バルブ（本発明における開閉弁に対応）１６０が設けられている。
バルブ１６０は、排出パイプ１５０の下端開口部を開閉する弁であり、バルブ１６０の下側に設けられたバネ１６１の付勢力（図２中の上側に作用する力）によって、通常は排出パイプ１６０の下端開口部を閉じるようにしている。また、後述するように排気ガスの冷却に伴って生成（凝縮）される凝縮液が排出パイプ１５０内に所定量溜まると、その凝縮液の自重がバネ１６１の付勢力に打ち勝って、バルブ１６０は押し下げられて、排出パイプ１５０の下端開口部が開かれるようにしている。
上記排気熱交換器１００の両筒１１０、１２０から成る本体部は、その長手方向が吸気管１１の長手方向に沿うように、吸気管１１内に配設されている。流入パイプ１３０は、その先端側が吸気管１１の外部に取出されて、合流用排気管１２ｂに接続されている。また、流出パイプ１４０は、その先端が吸気管１１内で開口するようにしている。更に、排出パイプ１５０の下端開口部側、およびバルブ１６０が吸気管１１の外部に取出されている。
尚、排気熱交換器１００の内外間流路１００ａには、排気ガス側の熱伝達率を向上させるインナーフィンを介在させるようにしても良い。
次に、上記構成に基づく排気ガス再循環装置１、排気熱交換器１００の作動およびその作用効果について説明する。
吸気管１１から供給される吸気ガス（後述するように排気ガスの一部が混合される混合ガス）は、ターボチャージャー２０によって加圧（過給）され、更にインタークーラ３０で冷却され、エンジン１０のシリンダ内に吸入されて、燃焼室で燃焼される。
この時、ターボチャージャー２０によって吸気ガス（混合ガス）が加圧（過給）されることで、吸気ガス量（混合ガス量）が増加され、エンジン１０の出力が増大されることになる。また、上記のようにターボチャージャー２０で吸気ガス（混合ガス）が加圧（過給）されることによって吸気ガス（混合ガス）の温度が上昇して密度低下するが、インタークーラ３０によって吸気ガス（混合ガス）が冷却されることで、エンジン１０の出力低下が防止される。
そして、燃焼室で吸気ガス（混合ガス）が燃焼した後の排気ガスは、排気管１２を流通して、後処理装置４０によって浄化（ＰＭ除去）されて、大半の排気ガスは大気側排気管１２ａから大気に排出される。また、後処理装置４０によって浄化された後の一部の排気ガスは、エンジン１０の回転数や負荷に応じてその流量が調整されて、合流用排気管１２ｂから排気熱交換器１００に流入し、排気熱交換器１００を流通した後に吸気管１１内の吸気ガスと混合される。
即ち、一部の排気ガスは、流入パイプ１３０から内外間流路１００ａを流通して、流出パイプ１４０から吸気管１１内に流れ込み、吸気ガスと混合され、混合ガスとして上記のようにエンジン１０に吸入されていく。排気ガスが吸気ガスに混合されることで、エンジン１０の燃焼室での燃焼温度が低下され、ＮＯｘの生成量が低減される（排気ガス再循環装置１のＮＯｘ低減作用）。
排気熱交換器１００においては、吸気管１１内の吸気ガスが排気熱交換器１００の外筒１１０の外側および内筒１２０の内側を流通し、この吸気ガスと、内外間流路１００ａを流通する排気ガスとの間で熱交換がなされ、吸気ガスよりも温度の高い排気ガスは、吸気ガスによって冷却されることになる。
そして、排気ガスが冷却されることにより、排気ガス内に含まれるＮＯｘやＳＯｘは凝縮して、凝縮液として硝酸や硫酸を生成する。凝縮液（硝酸、硫酸）は、排気熱交換器１００の下端に設けられた排出パイプ１５０から下側の拡管部に溜まり、所定量溜まると、その自重によりバルブ１６０が開かれ、凝縮液は大気に排出される。
以上のように、排気ガス再循環装置１において、排気熱交換器１００を排気ガスが吸入ガスに流入される流入部に配設するようにしているので、吸気ガスによって排気ガスを冷却して、排気ガス中に含まれるＮＯｘやＳＯｘを硝酸や硫酸として凝縮させることができ、この排気熱交換器１００よりも下流側となるターボチャージャー２０やインタークーラ３０の腐食を防止することができる。
また、排気熱交換器１００を吸気管１１の内部に配設するようにしているので、吸気ガスと排気ガスとの熱交換面積を充分に確保でき、排気熱交換器１００における熱交換性能を向上させることができる。
また、排気熱交換器１００に排出パイプ１５０を設けるようにしているので、排気ガスの冷却により生成された凝縮液（硝酸や硫酸）を、自重によって排気熱交換器１００の外部に排出することができ、排気熱交換器１００自身が腐食するのを防止できる。
また、排出パイプ１５０にバルブ１６０を設けるようにしているので、排気ガスの冷却により生成された凝縮液（硝酸や硫酸）が排出パイプ１５０に所定量溜まる毎に、この凝縮液を自動的に排出パイプ１５０から外部に排出させることができる。つまり、乗員による凝縮液回収（処理）の手間を省くことができる。
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図３に示す。第２実施形態は、上記第１実施形態のバルブ１６０に代えて、排気熱交換器１００の排出パイプ１５０の下端側に、所定容量を有する容器体としての溜め部１７０を設けたものである。尚、排出パイプ１５０は下端側に拡管部を有さないストレートの管としている。
これにより、乗員によって定期的に溜め部１５０から、排気ガスの冷却により生成された凝縮液（硝酸や硫酸）を取出すことができるので、所定の処置が可能となる。
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態を図４に示す。第３実施形態は、上記第１実施形態に対して、排気熱交換器１００の排気ガス流入側となる合流用排気管１２ｂに、排気ガスを予め冷却するＥＧＲガスクーラ（本発明における排気ガス冷却用熱交換器に対応）５０を設けたものである。
ＥＧＲガスクーラ５０は、例えばステンレス材から成るシェルアンドチューブ型の熱交換器で、外筒（シェル）内に複数の排気ガス流通用のチューブを配設して、外筒内で複数のチューブの外部をエンジン１０冷却用の冷却水が流通するようにしたものである。尚、ＥＧＲガスクーラ５０は、上記シェルアンドチューブ型のものに限らず、インタークーラ３０のような空冷式のものとしても良い。
これにより、排気熱交換器１００の上流側で予め排気ガスを冷却することができ、排気ガスが吸気ガスと混合された時にも、吸気ガスの温度上昇を抑えることができるので、混合されたガスの密度低下を防止して、ターボチャージャー２０における加圧効率を高めることができる。
（第４実施形態）
本発明の第４実施形態を図５に示す。第４実施形態は、上記第１実施形態に対して、排気熱交換器１００Ａの本体部の構成を変更したものである。即ち、排気熱交換器１００Ａの本体部としては、二重管構造のものに代えて、単管から成り螺旋状に形成された排気ガス流路１１１として形成しても良い。ここでは排気ガス流路１１１の一端側が排気ガスの流入パイプ（１３０）に対応し、また、排気ガス流路１１１の他端側が排気ガスの流出パイプ（１４０）に対応する。これにより、安価な排気熱交換器１００Ａとすることができる。
尚、排気熱交換器１００としては、その他にも図６、図７に示すものとしても良い。即ち、図６に示す排気熱交換器１００Ｂは、本体部が直管となる排気ガス流路１１１ａの外周部に複数の薄肉円盤状のフィン１１２を設けたものである。
また、図７に示す排気熱交換器１００Ｃは、吸気管１１の一部を流用して、その内部に筒部１１３を配設し、筒部１１３の長手方向の両端部側で、吸気管１１と筒部１１３との間を塞ぐ閉塞部１１４を設けて形成したものである。尚、流出パイプ１４０は、筒部１１３の内側の空間に開口するように形成している。この排気熱交換器１００Ｃでは、筒部１１３の内側を吸気ガスが流通し、吸気管１１と筒部１１３との間を排気ガスが流通して、両ガスの間で熱交換が行われる。
（その他の実施形態）
上記各実施形態においては、排気熱交換器１００（１００Ａ〜１００Ｃ）を吸気管１１の内部に配設するものとして説明したが、これに限らず、吸気管１１の外表面に当接するように、あるいは近接するように配設しても良い。
また、排出パイプ１５０の下端側にバルブ１６０、あるいは溜め部１７０を設けるものとして説明したが、これらを廃止して、大気中に開口する単純な排出パイプ１５０のみの構成としても良い。この場合は、排気ガスの冷却によって生成される凝縮液は随時、排出パイプ１５０から排出されることになる。
排気ガス再循環装置全体を示す模式図である。 第１実施形態における排気熱交換器を示す外観図である。 第２実施形態における排気熱交換器を示す外観図である。 第３実施形態における排気ガス再循環装置に追加されたＥＧＲガスクーラを示す模式図である。 第４実施形態における排気熱交換器を示す外観図である。 第４実施形態における排気熱交換器の変形例１を示す外観図である。 第４実施形態における排気熱交換器の変形例２を示す外観図である。 従来技術における排気ガス再循環装置全体を示す模式図である。
符号の説明
１ 排気ガス再循環装置
１０ エンジン（内燃機関）
１１ 吸気管
１２ｂ 合流用排気管（排気ガス流入側）
２０ ターボチャージャー（加圧手段）
３０ インタークーラ（冷却用熱交換器）
５０ ＥＧＲガスクーラ（排気ガス冷却用熱交換器）
１００ 排気熱交換器
１００ａ 内外間流路（排気ガスが流通する流路）
１５０ 排出パイプ（排出流路）
１６０ バルブ（開閉弁）
１７０ 溜め部

Claims (6)

  1. 加圧手段（２０）によって加圧された吸気ガスを冷却用熱交換器（３０）で冷却した後に内燃機関（１０）に吸入させて、前記内燃機関（１０）から排出される排気ガスの一部を前記加圧手段（２０）の低圧側から前記吸気ガスに流入させる排気ガス再循環装置において、
    前記排気ガスが前記吸入ガスに流入される流入部に配設されると共に、前記吸気ガスと前記排気ガスとの間で熱交換して、前記吸気ガスによって前記排気ガスを冷却する排気熱交換器（１００）が設けられ、
    前記排気熱交換器（１００）に流入する前記排気ガスを予め冷却するために、前記排気熱交換器（１００）の上流に排気ガス冷却用熱交換器（５０）が設けられたことを特徴とする排気ガス再循環装置。
  2. 前記排気ガス冷却用熱交換器（５０）は、前記排気ガスを予め冷却することで前記排気ガスが前記吸気ガスと混合された時に前記吸気ガスの温度上昇を抑制することを特徴とする請求項１に記載の排気ガス再循環装置。
  3. 前記排気熱交換器（１００）は、前記吸気ガスが流通する吸気管（１１）内に配設されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の排気ガス再循環装置。
  4. 前記排気熱交換器（１００）の前記排気ガスが流通する流路（１００ａ）の下端から下方に向けて外部に繋がる排出流路（１５０）を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の排気ガス再循環装置。
  5. 前記排出流路（１５０）の下端には、前記排気ガスの冷却に伴って凝縮される凝縮液の自重に応じて開閉される開閉弁（１６０）が設けられたことを特徴とする請求項４に記載の排気ガス再循環装置。
  6. 前記排出流路（１５０）の下端には、前記排気ガスの冷却に伴って凝縮される凝縮液を溜める溜め部（１７０）が設けられたことを特徴とする請求項４に記載の排気ガス再循環装置。
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