JP5324408B2 - Ｅｇｒクーラ - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関等の燃焼装置からの排気の一部を燃焼室内に還流させて再燃焼させるＥＧＲ（排気再循環）装置において、排気の一部（ＥＧＲガス）を冷却するために利用されるＥＧＲクーラに関する。

内燃機関からの排気を浄化して大気汚染の拡大を抑制することは重要な課題であるが、このためのシステム（装置）の一つとして、内燃機関からの排気の一部を燃焼室内に還流させて再燃焼させることで燃焼温度を下げ、排気中の窒素酸化物（以下、ＮＯｘという）の濃度（排出量）を低減するための所謂ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ：排気再循環）システムが知られている。

かかるＥＧＲシステムにおいては、燃焼室内に還流させるＥＧＲガスを冷却することにより、燃焼温度を低下させることができ、これにより一層効果的にＮＯｘの排出量を低減することができる。

このようなことから、例えば、特許文献１に記載されるＥＧＲシステムでは、ＥＧＲガスを冷却するための熱交換器であるＥＧＲクーラを、ＥＧＲガスを排気通路から内燃機関の吸気通路へ導くＥＧＲ通路に介装することが行われている。

なお、ＥＧＲクーラを備えてＥＧＲガス温度を下げることによって、ＥＧＲガスの膨張も抑制されるため、吸気中に混合されるＥＧＲガス量（排気還流量）を増加させたい、すなわちＥＧＲ率（＝ＥＧＲガス量／（新気量＋ＥＧＲガス量）×１００（％））を一層稼ぎたいといった要求がある場合などにおいても有利となる。

特開２００６−１２５３５６号公報

ところで、本発明者等は、ＥＧＲシステムを搭載した内燃機関の性能試験等を行っているうちに、試験条件を合わせるためにＥＧＲクーラの冷却水温度を所定温度に維持していても、運転時間の経過と共に熱交換性能が低下する現象があることを確認した。

本発明者等は、このような現象を解析するために、種々の検討や調査を行うと共に、ＥＧＲクーラの熱交換部分（例えば内側をＥＧＲガスが流れる伝熱管の冷却水と接する外周部分）を目視等により観察することを行った。

その結果、ＥＧＲクーラの冷却水中に発生した気泡が、運転時間の経過と共にＥＧＲクーラの熱交換部分に付着し始め、それに伴ってＥＧＲシステムによるＮＯｘの排出量の低減効果が低下する傾向があるといった現象を確認することに成功した。

ＥＧＲクーラの冷却水中の気泡が、ＥＧＲクーラの熱交換部分（伝熱管の冷却水と接する外周部分）に付着してしまうと、冷却水が熱交換部分（伝熱管の冷却水と接する外周部分）と接する面積が減少することとなり、ＥＧＲクーラの熱交換性能の低下を招くものと考えられる。

そして、このようなＥＧＲクーラの冷却水中の気泡の熱交換部分への付着に起因する熱交換性能の低下は、燃焼室へ導かれるＥＧＲガスの冷却を不十分なものとし、延いてはＥＧＲシステムによるＮＯｘの排出量の低減効果に悪影響を及ぼすものと考えられる。

本発明は、このような実情に鑑みなされたもので、簡単かつ安価な構成でありながら、冷却水等の熱媒体中の気泡の熱交換部分への付着を抑制することで、熱交換性能の低下を抑制することができるＥＧＲクーラを提供することを目的とする。

このため、本発明に係るＥＧＲクーラは、
排気の一部をＥＧＲガスとしてＥＧＲ通路を介して燃焼室に還流させるＥＧＲ装置のＥＧＲクーラであって、ＥＧＲ通路内のＥＧＲガスを複数の伝熱管の内側に導く一方で、伝熱管の外周側に熱媒体を導き、ＥＧＲガスと熱媒体との間で熱交換を行うものにおいて、
少なくとも一部の伝熱管の近傍に気泡を捕捉する気泡捕捉手段を設けたことを特徴とする。

本発明において、前記気泡捕捉手段は、複数の開口を有するメッシュ状要素であることを特徴とすることができる。

本発明において、前記気泡捕捉手段は、伝熱管の外周にて生じる気泡を付着して捕捉すると共に、該気泡捕捉手段から離脱した気泡が伝熱管の外周に再付着しないサイズに成長するまで気泡を捕捉維持することを特徴とすることができる。

本発明において、少なくとも一部の伝熱管の外周に溝を形成したことを特徴とすることができる。

本発明によれば、簡単かつ安価な構成でありながら、冷却水等の熱媒体中の気泡の熱交換部分への付着を抑制することで、熱交換性能の低下を抑制することができるＥＧＲクーラを提供することを目的とする。

本発明の一実施の形態に係るＥＧＲ装置を備えた内燃機関の一構成例を概略的に示す概略全体構成図である。 同上実施の形態に係るＥＧＲ装置に利用されるＥＧＲクーラの構成例を説明するための図である。 同上実施の形態に係る気泡捕捉手段の一例であるメッシュ状要素の構成例を示す図である。 伝熱管の外周から発生する気泡がメッシュ状要素に捕捉される様子を模式的に表した図である。 本発明に係るＥＧＲクーラを搭載した内燃機関の排気性能と、従来のＥＧＲクーラを搭載した内燃機関の排気性能と、を比較した実験結果を示す図である。 同上実施の形態に係る気泡捕捉手段の他の一例であるパンチングメタルの構成例を示す図である。 伝熱管の外周に設けた溝と、溝のない部位と、について、気泡の付着し易さを説明するための図である。 気泡が溝内に集中して付着することを説明するための図である。 同上実施の形態に係るＥＧＲクーラの他の構成例を説明するための図である。

以下、本発明に係る一実施の形態を、添付の図面を参照しつつ説明する。なお、以下で説明する実施の形態により、本発明が限定されるものではない。

図１に示すように、本実施の形態に係る内燃機関１においては、図示しないエアクリーナ等を介して外気（新気）が吸入されるが、該新気は吸気通路２を介して過給機３のコンプレッサ（インペラ）３Ａに導かれて所定に圧縮された後、吸気通路２に介装されるインタークーラ４を介して所定に冷却されて、燃焼室（シリンダ）５内に導かれる。

燃焼室５から排出される燃焼後のガスは、燃焼室５に臨んで開口される排気ポート（図示せず）を介して排気通路（排気マニホールド部分）６に導かれ、その後、過給機３の排気タービン３Ｂに回転エネルギを供給した後、排気通路６の下流に配設されている図示しない排気処理装置（酸化触媒、ＮＯｘ低減触媒、ディーゼルパティキュレートフィルタなど）において所定の処理を受けて浄化され、大気中に排出される。

ここで、本実施の形態では、燃焼後のガス（すなわち、排気）の一部を吸気（新気）と共に燃焼室５に再び導くことで、燃焼温度を低下させてＮＯｘの低減を図るためのＥＧＲ装置１００が設けられている。

本実施の形態に係るＥＧＲ装置（システム）１００は、排気通路（排気マニホールド部分）６に連通されるＥＧＲ通路（排気還流通路）１０１を含んで構成され、該ＥＧＲ通路１０１には当該ＥＧＲ通路１０１を流れる排気（ＥＧＲガス：還流排気）を所定に冷却するためのＥＧＲクーラ１１０が介装されている。

ＥＧＲ通路１０１と、吸気通路２と、の接続部付近には、ＥＧＲバルブ１２０が介装され、所定の運転状態において、所定に開弁されて、排気通路６を流れる排気の一部をＥＧＲガスとして、ＥＧＲクーラ１１０により冷却しつつ、内燃機関１の吸気通路２に導くようになっている。

ここで、本実施の形態においては、ＥＧＲクーラ１１０は、図２に示すように、熱交換器として機能するもので、細い長い管状の伝熱管１１１が複数並列的に設けられ、これら伝熱管１１１の内側をＥＧＲガスが流れ、伝熱管１１１の外側を例えば内燃機関１の冷却システムの熱媒体（例えば冷却水などの冷却媒体）が流れる構成となっている。

すなわち、ＥＧＲクーラ１１０の容器１１２に、当該ＥＧＲクーラ１１０に内燃機関１の冷却水を供給するための供給通路１１０Ａと、当該ＥＧＲクーラ１１０から内燃機関１に冷却水をリターンするためのリターン通路１１０Ｂと、が接続され、これらを介して内燃機関１の冷却水が、図示しないウォーターポンプ等により給送されてＥＧＲクーラ１１０の容器１１２内を循環するようになっている。

そして、ＥＧＲクーラ１１０の容器１１２には、細い長い管状の伝熱管１１１が複数並列的に図２中左右方向にＥＧＲクーラ１１０の容器１１２を水密性を有して貫通してＥＧＲ通路１０１に接続されており、例えば、図２中左側からＥＧＲ通路１０１を流れるＥＧＲガスが伝熱管１１１へ流入し、図２中右側からＥＧＲ通路１０１へと流出するようになっている。

これにより、ＥＧＲガスが有する熱が伝熱管１１１に伝達される一方で、伝熱管１１１の外周側に触れている冷却水にその熱が伝達され、以ってＥＧＲガスが所定に冷却されることになる。

しかし、既述したように、本発明者等は、ＥＧＲクーラ１１０内の冷却水中に気泡が発生し、この気泡が冷却水流れによって外部へと持ち去られずに熱交換部分（伝熱管１１１の外周）に付着してしまう現象を確認し、この付着現象が原因となって伝熱管１１１の外周と冷却水との接触面積が減ってＥＧＲクーラ１１０の熱交換性能が低下し、以って燃焼室５へ導かれるＥＧＲガスの冷却が不十分になり、延いてはＥＧＲ装置１００によるＮＯｘの排出量の低減効果に悪影響を及ぼす惧れがあることを確認した。

このため、本発明者等は、種々の研究実験を行い、冷却水が高温になるに従い、その発生量が多くなる冷却水中の気泡が、熱交換部分（伝熱管１１１の外周）に付着し難いようにしてＥＧＲクーラ１１０の熱交換性能が低下を抑制することができる手法を見い出すに至った。

ＥＧＲクーラ１１０の容器１１２内の気泡は、ＥＧＲクーラ１１０以外のところで発生し供給通路１１０Ａを介して内部に運び込まれたり、伝熱管１１１の外周部分の一部から沸騰により発生したりするが、温度上昇と伴にその量は増える傾向にある。

伝熱管１１１の外周で発生し伝熱管１１１に付着する細かい気泡は、内燃機関１の振動も激しいことから、所定時間経過後ある大きさに成長すると、気泡の表面張力、浮力、伝熱管１１１の外周の曲率などの関係によって伝熱管１１１の外周から離脱し易くなるが、本発明者等は、その付近に所定サイズのメッシュを配設しておくと、気泡は、離脱の際に、その表面張力によってメッシュに付着して捕捉される特性があることを実験等により確認した（図４等参照）。

本発明では、この特性を利用して、伝熱管１１１の外周で発生した気泡が、外周から離脱した際には、メッシュによってこれを捕まえることとし、離脱した気泡が他の伝熱管１１１の外周に付着してしまうことによって、伝熱管１１１の外周に多量の気泡が付着し伝熱管１１１の外周と冷却水との接触面積が減ってＥＧＲクーラ１１０の熱交換性能が低下するといった現象の発生を抑制する。

このため、本実施の形態では、図２に示すように、複数の伝熱管１１１のうちの一部或いは全部の近傍に、ステンレス製やアルミ合金製などのワイヤーなどを編んで（或いは編むのではなく交差部を溶接等して）形成したメッシュ状要素１１３（図３参照）を配設する。
このメッシュ状要素１１３が、本発明に係る気泡捕捉手段の一例に相当する。

メッシュ状要素１１３は、伝熱管１１１に沿って円筒形状（複数の伝熱管１１１の全部或いは幾つかをまとめて包囲するような形状でもよい）に形成することもできるし、平板状のものとすることもできる。すなわち、伝熱管１１１の間隙に配設されるものであれば、その形状は制限されない。
なお、気泡の捕捉効率を向上させるためには、メッシュ状要素１１３は伝熱管１１１の長手方向全長に亘って延在されることが好ましい。

また、メッシュ状要素１１３のメッシュサイズは、例えば、約０．３〜３ｍｍスクエア程度のサイズとすることができる。
なお、メッシュ状要素１１３により捕捉された気泡はその大きさがある程度まで成長するとメッシュ状要素１１３から離脱する傾向があるが、その離脱した気泡が近傍の伝熱管１１１の外周には再び付着しない程度の比較的大きなサイズに成長するまで気泡を捕捉維持することができるようなサイズに、メッシュサイズが設定されることが望ましい。

すなわち、本実施の形態に係るメッシュ状要素１１３のメッシュサイズは、図４に模式的に示すように、伝熱管１１１の外周にて発生しそこから離脱する気泡を付着して捕捉することができるサイズであり、かつ、伝熱管１１１に付着しない程度のサイズに成長するまで気泡を捕捉維持することができるサイズに設定される。

このように、本実施の形態では、気泡捕捉手段であるメッシュ状要素１１３を伝熱管１１１の近傍に配設し、伝熱管１１１の外周で発生した気泡が外周から離脱した際に、メッシュ状要素１１３によって捕まえることができるようにしたので、離脱した気泡が他の伝熱管１１１の外周に付着してしまうことによって伝熱管１１１の外周に多量の気泡が付着して伝熱管１１１の外周と冷却水との接触面積が減ってＥＧＲクーラ１１０の熱交換性能が低下するといった惧れを抑制することができ、延いてはＥＧＲ装置１００によるＮＯｘの排出量の低減効果を高く維持することができる。

ここで、図５に、気泡捕捉手段であるメッシュ状要素１１３を伝熱管１１１の近傍に配設し、ＥＧＲクーラ１１０の熱交換性能の低下を抑制した本実施の形態に係るＥＧＲ装置１００を備えた内燃機関１の排気性能と、従来のＥＧＲ装置を備えた内燃機関の排気性能と、を比較した実験結果を示す。

図５から、本実施の形態に係るＥＧＲ装置１００を備えた内燃機関１は、ＥＧＲクーラ１１０の熱交換性能（ＥＧＲクーラ効率）の低下が抑制され（図５（Ｃ））、それに従い、ＮＯｘ排出量の低減効果を高いレベルで維持可能であることが理解される（図５（Ｃ）、図５（Ｄ））。また、ＥＧＲクーラ１１０の熱交換性能（ＥＧＲクーラ効率）の低下が抑制可能な本実施の形態によれば、同じＮＯｘ排出量でも、黒煙濃度（図５（Ａ））や燃料消費率（図５（Ｂ））を改善できることが理解される。

ところで、本発明に係る気泡捕捉手段は、金属製のワイヤーを編んだ（或いは編むのではなく交差部を溶接等した）メッシュ状要素１１３に限定されず、所定サイズのメッシュに形成可能であれば他の素材のワイヤーなどを利用することもできる。

更に、本発明に係る気泡捕捉手段として、例えば、図６に示したようなパンチングメタル１５０（金属製の薄板状要素１５１に所定サイズ（例えば、φ約０．３〜３ｍｍ程度）の開口部１５２を開口したもの）を採用することができる。開口部１５２の形状は、円形状、楕円形状、三角や四角等の多角形形状の穴とすることができる。

ところで、図７に示すように、伝熱管１１１の外周に溝１１１Ａを設けると、溝のない部位と比較して、溝１１１Ａのある部位の方が気泡との接触面積が大きくなる（気泡が伝熱管１１１の外周に付着する力が強い）ため、気泡は溝１１１Ａに付着し易いといった傾向がある。

特に、図８に示すように溝１１１Ａを配設した場合、気泡は凸部に付着するより、溝１１１Ａの内側（凹部）に付着し易いため、気泡は溝１１１Ａ内に集中して付着することになる。すなわち、気泡（１）のように付着し、気泡（２）のようには付着し難い。

この一方、液体で濡れている面に溝を設置すると、毛細管現象により液体が溝内に入り込んで進むことが知られている。

このため、図９に示すように、溝１１１Ａを冷却水の流れ方向（伝熱管１１１の長手方向）に沿って刻設しておくと、冷却水は溝１１１Ａに入り込みながら進行することになる。すると、溝１１１Ａ内に存在する気泡が、溝１１１Ａに入り込み進行する冷却水によって、溝１１１Ａから効率良く離脱されることになる。

よって、溝１１１Ａ内に効率良く集中された気泡を効率良く離脱させ、この効率良く離脱される気泡を、メッシュ状要素１１３やパンチングメタル１５０により効率良く捕捉させることにより、伝熱管１１１への再付着等をより一層効果的に抑制することができ、延いてはＥＧＲクーラ１１０の熱交換性能の低下をより一層効果的に抑制することが期待できる。

このため、本実施の形態では、伝熱管１１１の外周に長手方向に沿って溝１１１Ａを形成する。但し、溝１１１Ａは、長手方向に沿った溝に限定されるものではなく、例えば、環状や螺旋状、或いは斜め方向など、冷却水の流れ方向に対応して適宜の方向に延在される溝とすることができる。

なお、溝１１１Ａは、複数の伝熱管１１１のうちの一部或いは全部に形成することができるものである。また、１つの伝熱管１１１の外周に対して、溝１１１Ａを一条或いは複数条形成することができる。

このように、伝熱管１１１の外周に長手方向に沿って溝１１１Ａが形成された本実施の形態よれば、溝１１１Ａ内に効率良く集中された気泡を効率良く離脱させ、この効率良く離脱される気泡を、メッシュ状要素１１３やパンチングメタル１５０により効率良く捕捉させることができるので、伝熱管１１１への再付着等をより一層効果的に抑制することができ、以ってＥＧＲクーラ１１０の熱交換性能の低下をより一層効果的に抑制することができ、延いてはＥＧＲ装置１００によるＮＯｘの排出量の低減効果を高く維持することができる。
ここでは、溝１１１Ａと気泡捕捉手段とを組み合わせた場合を例示したが、溝１１１Ａ単独でも、溝１１１Ａ内に効率良く集中して気泡を発生させて、これを効率良く離脱させることができるので、ＥＧＲクーラ１１０の熱交換性能の低下を抑制することができ、延いてはＥＧＲ装置１００によるＮＯｘの排出量の低減効果を高く維持することができる。

なお、例えば、図２や図９においては、ＥＧＲガスと冷却水の流れ方向が相互に対向するように配列した場合を例に説明したが、ＥＧＲガスと冷却水の流れ方向はこれに限定されるものではなく、例えばＥＧＲガスと冷却水の流れ方向が同一方向となるように配列する場合の他、他の態様でＥＧＲガスと冷却水の流れを配列した場合においても本発明は適用可能である。

本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々変更を加え得ることは勿論である。

１ 内燃機関
２ 吸気通路
５ 燃焼室
６ 排気通路
１００ ＥＧＲ装置
１０１ ＥＧＲ通路
１１０ ＥＧＲクーラ
１１１ 伝熱管
１１１Ａ 長手方向溝
１１３ メッシュ状要素（気泡捕捉手段）
１２０ ＥＧＲバルブ
１５０ パンチングメタル（気泡捕捉手段）

Claims (4)

1. 排気の一部をＥＧＲガスとしてＥＧＲ通路を介して燃焼室に還流させるＥＧＲ装置のＥＧＲクーラであって、ＥＧＲ通路内のＥＧＲガスを複数の伝熱管の内側に導く一方で、伝熱管の外周側に熱媒体を導き、ＥＧＲガスと熱媒体との間で熱交換を行うものにおいて、
   少なくとも一部の伝熱管の近傍に気泡を捕捉する気泡捕捉手段を設けたことを特徴とするＥＧＲクーラ。
2. 前記気泡捕捉手段は、複数の開口を有するメッシュ状要素であることを特徴とする請求項１に記載のＥＧＲクーラ。
3. 前記気泡捕捉手段は、伝熱管の外周にて生じる気泡を付着して捕捉すると共に、該気泡捕捉手段から離脱した気泡が伝熱管の外周に再付着しないサイズに成長するまで気泡を捕捉維持することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＥＧＲクーラ。
4. 少なくとも一部の伝熱管の外周に溝を形成したことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１つに記載のＥＧＲクーラ。

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