JP5381394B2

JP5381394B2 - 内燃機関のｅｇｒクーラー

Info

Publication number: JP5381394B2
Application number: JP2009151238A
Authority: JP
Inventors: 章飯島
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2009-06-25
Filing date: 2009-06-25
Publication date: 2014-01-08
Anticipated expiration: 2029-06-25
Also published as: JP2011007106A

Description

本発明は、内燃機関のＥＧＲクーラーに関する。

内燃機関では、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯ_X）を低減するために排気ガス（ＥＧＲガス）を吸気通路に再循環させるＥＧＲシステムが採用されている。さらにＮＯ_Xを効率よく低減するために、図７に示すようにＥＧＲガスの温度を下げるＥＧＲクーラー１が排気ガス還流通路２に配設されている。

すなわち、排気通路３と吸気通路４を結ぶ排気ガス還流通路２の途中にＥＧＲクーラー１を配設し、エンジン５から排出される排気通路３中の排気ガスの一部を排気ガス還流通路２を経由させてＥＧＲクーラー１内を流れる冷却水にてＥＧＲガスを冷却し、吸気通路４に還流し、排気ガス中のＮＯ_Xを低減させる。

一般に、ＥＧＲクーラー１は、図５又は図６に示すように、ＥＧＲケース１０の両端にＥＧＲ入口管１２とＥＧＲ出口管１３が接続され、ＥＧＲケース１０内の上流側（ＥＧＲ入口管１２側）及び下流側（ＥＧＲ出口管１３側）にそれぞれ端板１１，１１がＥＧＲケース１０を仕切って設けられ、これら端板１１，１１に複数のＥＧＲパイプ１４が架け渡されている。またＥＧＲケース１０と端板１１，１１とで冷却水室２０が形成され、端板１１，１１の近くのＥＧＲケース１０に冷却水入口２４及び冷却水出口２５が設けられている。

エンジン５の排気通路３から導かれたＥＧＲガスがＥＧＲ入口管１２よりＥＧＲケース１０に流入し、ＥＧＲパイプ１４を通ってＥＧＲ出口管１３に向けて流れ、エンジン冷却水から分岐された冷却水が冷却水入口２４から冷却水室２０内に送り込まれ、ＥＧＲパイプ１４中を流れている高温のＥＧＲガスを冷却し、冷却後のＥＧＲガスを吸気通路４に向け排出すると共に、冷却水を冷却水出口２５からエンジン冷却水系統に戻すよう構成されている（特許文献１，２）。

図５に示すＥＧＲクーラー１は、冷却水入口２４がＥＧＲ入口管１２側に取り付けられ、冷却水の流れとＥＧＲガスの流れが同一方向となるように構成された併流式ＥＧＲクーラーであり（特許文献１の図５、特許文献２の図１）、図６に示すＥＧＲクーラー１は、冷却水入口２４がＥＧＲ出口管１３側に取り付けられ、冷却水の流れとＥＧＲガスの流れが反対方向となるように構成された向流式ＥＧＲクーラーである（特許文献１の図１、特許文献２の図５）。

ＥＧＲクーラー１は、冷却水と排気ガスの間の熱交換器であるため、本来なら併流式ＥＧＲクーラーより熱交換量が多い向流式ＥＧＲクーラーの方が望ましい。

しかしながら、熱交換量が多い向流式ＥＧＲクーラーでは、冷却水出口２５付近の冷却水に沸騰が生じ易く、それによるＥＧＲクーラー１の破損の恐れがあり、併流式ＥＧＲクーラーが用いられることが多い。しかし、前記したように併流式ＥＧＲクーラーは、熱交換量に関してその容量に見合った能力を出し切っていない。

特開２００３−１８４６５９号公報特開２００５−２７３５１２号公報

ところで、ＥＧＲクーラー１はエンジン５の付属品であり、極力小型化及び軽量化することが望ましく、したがって、ＥＧＲクーラー１としては、小型でありながら冷却能力の高い熱交換器が要求される。冷却能力の向上には、ＥＧＲパイプ１４の本数あるいは長さを増加させて熱伝達面積を増大させること、又は、冷却水の流量を増大させること若しくはその水温を低下させることなどが考えられる。しかし、ＥＧＲパイプ１４の本数あるいは長さを増加させた場合は、ＥＧＲクーラー１の大きさ及び重量が増加し、車両への搭載性が悪化する。また、冷却水の流量を増加には、エンジン５のウオータポンプの大型化とその駆動力の強力化が、そして水温の低下にはラジエータの大型化が必要となり、その結果、搭載性の悪化やエンジン５の燃費悪化の問題を招く。

そこで、本発明の目的は、ＥＧＲクーラーの大きさ及び重量を変えることなく、簡単な構造でしかも水温上昇を抑えると同時に熱交換量を増やし、ＥＧＲガスの出口温度を下げるようにした内燃機関のＥＧＲクーラーを提供することにある。

上記課題を解決するために本発明の内燃機関のＥＧＲクーラーは、ＥＧＲガスが通過するＥＧＲケースの上流端及び下流端にそれぞれ接続されたＥＧＲ入口管及びＥＧＲ出口管と、前記ＥＧＲケースの内部の上流側及び下流側にそれぞれＥＧＲケース内を仕切って設けた上流端板及び下流端板と、前記上流端板及び下流端板に架け渡された複数のＥＧＲパイプと、前記上流端板と下流端板とＥＧＲケースとで形成される冷却水室と、を備え、前記上流端板及び下流端板との間のＥＧＲケース内に仕切板を設けて前記冷却水室を上流側冷却水室と下流側冷却水室とに仕切り、前記ＥＧＲケースに、前記仕切板の近傍で前記上流側冷却水室と連通して該上流側冷却水室に冷却水を導くための第１冷却水入口を設けると共に、前記上流端板の近傍で前記上流側冷却水室と連通して該上流側冷却水室内の冷却水を流出するための第１冷却水出口を設け、前記ＥＧＲケースに、前記下流端板の近傍で前記下流側冷却水室と連通して該下流側冷却水室に冷却水を導くための第２冷却水入口を設けると共に、前記仕切板の近傍で前記下流側冷却水室と連通して該下流側冷却水室内の冷却水を流出するための第２冷却水出口を設けた内燃機関のＥＧＲクーラーにおいて、前記仕切板を、前記第１冷却水出口の水温と前記第２冷却水出口の水温とが等しくなる位置に設けたことを特徴とする。

上記構成によれば、冷却水室を上流側冷却水室と下流側冷却水室とに仕切り、前記上流側冷却水室と下流側冷却水室にそれぞれ冷却水入口と冷却水出口を設け、冷却水の流路を短くして水温上昇を抑えるようにしたので、ＥＧＲ入口管側において冷却水の沸騰が生じることがなく、それによるＥＧＲクーラーの破損の恐れがない。

また上流側冷却水室と下流側冷却水室のそれぞれでＥＧＲガスを冷却するので、ＥＧＲガスの出口温度を下げることができ、熱交換量に関してＥＧＲクーラー本来の能力を出すことができる。

また前記仕切板を、前記上流端板と前記下流端板との距離の少なくとも半分より上流側に設けるのが好ましい。

本発明によれば、ＥＧＲクーラーの大きさ及び重量を変えることなく、簡単な構造でしかも水温上昇を抑えると同時に熱交換量を増やし、ＥＧＲガスの出口温度を下げるようにした内燃機関のＥＧＲクーラーを提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係るＥＧＲクーラーを示す図で、（Ａ）は正面断面図で、（Ｂ）は（Ａ）のＡ―Ａ断面図である。図２は、図１の上流端板とＥＧＲパイプの斜視図である。図３は、図１の仕切板の一例を示す図である。図４は、図１のＥＧＲクーラーを組み込んだＥＧＲシステムの一例を示す図である。図５は、従来の併流式ＥＧＲクーラーを示す断面図である。図６は、従来の向流式ＥＧＲクーラーを示す断面図である。図７は、従来のＥＧＲシステムの一例を示す図である。

本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。

なお、図１〜図４の本実施形態において、図５〜図７の従来例で示した部材と同等の機能を有する部材については同一の符号を付して説明する。

ＥＧＲクーラー１は、図４に示すようにエンジン５の排気通路３と吸気通路４を結ぶ排気ガス還流通路２の途中に配設されている。なお、６，７はそれぞれ排気マニホールド、吸気マニホールドで、８ａ，８ｂは冷却水循環管路である。

図１に示すようにＥＧＲクーラー１は、一端から他端に向けてＥＧＲガスが通過する筒体状のＥＧＲケース１０と、このＥＧＲケース１０の上流端に接続されるＥＧＲ入口管１２と、ＥＧＲケース１０の下流端に接続されるＥＧＲ出口管１３を有する。

ＥＧＲ入口管１２は、エンジンの排気通路３から導かれたＥＧＲガスの入口となるものであり、ＥＧＲ出口管１３は、吸気通路４に向け冷却後のＥＧＲガスを排出するものである。

ＥＧＲケース１０の内部の上流側（ＥＧＲ入口管１２側）に、ＥＧＲケース１０を仕切るように断面円形の上流端板１１ａが取り付けられている。同様にＥＧＲケース１０の内部の下流側（ＥＧＲ出口管１３側）に、ＥＧＲケース１０を仕切るように断面円形の下流端板１１ｂが取り付けられている。これらの上流端板１１ａと下流端板１１ｂとＥＧＲケース１０とで内部に冷却水室２０が形成されている。

上流端板１１ａ，下流端板１１ｂには、複数のＥＧＲパイプ１４を挿通するための挿入孔１１ｃが、ＥＧＲパイプ１４の本数分だけ開口されている。これらの挿入孔１１ｃには、複数のＥＧＲパイプ１４の両端が例えばロウ付け、溶接等で固定されており、複数のＥＧＲパイプ１４が上流端板１１ａ，下流端板１１ｂに架け渡された状態で冷却水室２０に配列されている（図２参照）。

このようにＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラー１としては、ＥＧＲケース１０内に複数のＥＧＲパイプ１４が配置された構造の多管式熱交換器が用いられ、排気ガス還流通路２から流出された高温のＥＧＲガスが複数のＥＧＲパイプ１４内を通過し、後述するようにＥＧＲケース１０内でこれらＥＧＲパイプ１４の周りを流れる冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。

ＥＧＲケース１０の内部には、上流端板１１ａと下流端板１１ｂとの距離の少なくとも半分より上流側の位置（好ましくは上流端板１１ａ側から上記距離の略４分の１の位置）に、冷却水室２０内を仕切るようにして仕切板２３が設けられている。仕切板２３は、冷却水室２０を上流側冷却水室２１と下流側冷却水室２２とに仕切るものである。仕切板２３は、上流端板１１ａ，下流端板１１ｂと同じように断面円形に形成され、複数のＥＧＲパイプ１４を挿通するための挿入孔２３ａがＥＧＲパイプ１４の本数分だけ開口されている。

ＥＧＲケース１０には、仕切板２３の近傍で上流側冷却水室２１と連通して、この上流側冷却水室２１に冷却水を導くための第１冷却水入口２４ａが設けられている。またＥＧＲケース１０には、上流端板１１ａの近傍で上流側冷却水室２１と連通して、この上流側冷却水室２１内の冷却水を流出するための第１冷却水出口２５ａが設けられている。

さらにＥＧＲケース１０には、下流端板１１ｂの近傍で下流側冷却水室２２と連通して、この下流側冷却水室２２に冷却水を導くための第２冷却水入口２４ｂが設けられている。またＥＧＲケース１０には、仕切板２３の近傍で下流側冷却水室２２と連通して、この下流側冷却水室２２内の冷却水を流出するための第２冷却水出口２５ｂが設けられている。

図１及び図４に示すように、エンジン冷却水から分岐された冷却水が冷却水循環管路８ａを通って、第１冷却水入口２４ａ及び第２冷却水入口２４ｂよりそれぞれ上流側冷却水室２１、下流側冷却水室２２に送り込まれる。送り込まれた冷却水は、上流側冷却水室２１及び下流側冷却水室２２内に配列されているＥＧＲパイプ１４の周囲をＥＧＲ入口管１２側に向けて流れた後、それぞれ第１冷却水出口２５ａ及び第２冷却水出口２５ｂから流出して、冷却水循環管路８ｂを通ってエンジン冷却水系統に戻される。

かかるＥＧＲクーラー１は、ＥＧＲガスを冷却水により熱交換を行って冷却し、ＥＧＲガスの温度を下げて体積を減少させ、ＥＧＲガス中のＮＯｘを効率良く低減する働きをする。なお、ＥＧＲガスと熱交換されることにより温度上昇した冷却水は、それぞれ第１冷却水出口２５ａ，第２冷却水出口２５ｂから冷却水循環管路８ｂを通ってラジエータ（図示せず）で冷却されてエンジン５に戻される。

以下、本実施形態による内燃機関のＥＧＲクーラー１の作用について説明する。

図１及び図４に示すように、排気マニホールド６を経て排気通路３から排出された高温の排気ガスの一部が、ＥＧＲガスとしてＥＧＲ入口管１２を経てＥＧＲケース１０内に導かれ、複数のＥＧＲパイプ１４内に流入し、ＥＧＲ出口管１３へと流れる。

このとき、冷却水は、冷却水循環管路８ａを通って第１冷却水入口２４ａ及び第２冷却水入口２４ｂより上流側冷却水室２１及び下流側冷却水室２２に流入し、それぞれ上流側冷却水室２１内及び下流側冷却水室２２内をＥＧＲガスの流れの上流側に向けて流れ、第１冷却水出口２５ａ及び第２冷却水出口２５ｂより流出される。すなわち、ＥＧＲパイプ１４の周囲には、冷却水がＥＧＲガスの流れる方向と反対方向に流れることになる。

高温のＥＧＲガスは、先ず上流側冷却水室２１で冷却され、さらに下流側冷却水室２２でも冷却されることになり、ＥＧＲパイプ１４内を流れるにつれ次第に冷却される。冷却後のＥＧＲガスはＥＧＲ出口管１３から排出され、エンジン５の吸気通路４及び吸気マニホールド７に再循環される。

本実施形態によれば、ＥＧＲガスは、ＥＧＲパイプ１４内を通過する際に、上流側冷却水室２１及び下流側冷却水室２２内に導入された冷却水で熱交換されてＥＧＲガス温度が下げられ、例えばＥＧＲ入口管１２側での温度が６００℃であると、出口温度（ＥＧＲ出口管１３側の温度）は１３５℃まで下がる。

また冷却水の温度も、第１冷却水入口２４ａ及び第２冷却水入口２４ｂにおいて９５℃であったのが、第１冷却水出口２５ａ及び第２冷却水出口２５ｂではそれぞれ９８．５℃までしか上昇せず、沸騰することがない。

なお、ＥＧＲガス温度及び冷却水温度は、入口部が実測値で、出口部は計算値である。

図５に示す従来の併流式ＥＧＲクーラーを同様の方法で実施したところ、ＥＧＲガスの出口温度（ＥＧＲ出口管１３側の温度）は１４５℃であり、冷却水の出口温度は９９℃であった。

図６に示す従来の向流式ＥＧＲクーラーを同様の方法で実施したところ、ＥＧＲガスの出口温度（ＥＧＲ出口管１３側の温度）は１４２℃であり、冷却水の出口温度は１０２℃であった。

すなわち、従来の併流式ＥＧＲクーラーでは、冷却水が沸騰することはないが、ＥＧＲガスの出口温度が１４５℃と高く、ＥＧＲクーラーとしての機能を容量に見合って発揮しておらず、また向流式ＥＧＲクーラーは、併流式ＥＧＲクーラーよりＥＧＲガスの出口温度は下がるが、冷却水の出口温度が１００℃を超え、沸騰する。

本発明によれば、ＥＧＲケース１０の上流端板１１ａ側から略４分の１の位置に仕切板２３を設けて冷却水室２０を上流側冷却水室２１と下流側冷却水室２２とに仕切り、上流側冷却水室２１に第１冷却水入口２４ａと第１冷却水出口２５ａを設け、下流側冷却水室２２に第２冷却水入口２４ｂと第２冷却水出口２５ｂを設けたので、入ってくる高温のＥＧＲガスを先ず流路の短い上流側冷却水室２１で冷却するため、第１冷却水出口２５ａの冷却水の出口温度（ＥＧＲ入口管１２側の温度）は９８．５℃と沸騰することがない。また第２冷却水入口２４ｂから導入された冷却水は、下流側冷却水室２２の流路が長くても上流側冷却水室２１で冷却されたＥＧＲガスを冷却するため、第２冷却水出口２５ｂの冷却水の出口温度は９８．５℃と沸騰することがない。また上流側冷却水室２１で冷却されたＥＧＲガスはさらに下流側冷却水室２２でも冷却されるので、ＥＧＲガスの出口温度（ＥＧＲ出口管１３側の温度）は１３５℃と従来装置と比較してＥＧＲガスの温度を１０℃も下げることができるようになった。

本実施形態では、仕切板２３を上流端板１１ａ側から略４分の１の位置に設けると、二つの冷却水出口２５ａ，２５ｂでの冷却水の出口温度が等しくなり、最も好ましい結果となった。

しかしながら本発明はこれに限定されることなく、上流端板１１ａと下流端板１１ｂとの距離の少なくとも半分より上流側に仕切板２３を設けてあればよく、第１冷却水出口２５ａの水温と第２冷却水出口２５ｂの水温が同じになる位置であれば、仕切板２３を上流端板１１ａ側から略４分の１以外の位置に設けてもよい。

このように本発明によれば、冷却水室２０を仕切板２３で上流側冷却水室２１と下流側冷却水室２２に分割し、上流側冷却水室２１と下流側冷却水室２２とで向流式ＥＧＲクーラーを直列配置した構造としたので、同一サイズのＥＧＲクーラーでＥＧＲガスの出口温度をさらに下げることができ、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯ_X）をより低減させることができる。

また、ＥＧＲガスの温度が同一でよいのなら、ＥＧＲクーラーのサイズを小さくすることができ、小型化、軽量化を可能にすると共に、コストダウンが可能になる。

１ＥＧＲクーラー
２排気ガス還流通路
３排気通路
４吸気通路
５エンジン
６排気マニホールド
８ａ，８ｂ冷却水循環管路
１０ＥＧＲケース
１１ａ上流端板
１１ｂ下流端板
１２ＥＧＲ入口管
１３ＥＧＲ出口管
１４ＥＧＲパイプ
２０冷却水室
２１上流側冷却水室
２２下流側冷却水室
２３仕切板
２３ａ挿入孔
２４ａ第１冷却水入口
２４ｂ第２冷却水入口
２５ａ第１冷却水出口
２５ｂ第２冷却水出口

Claims

ＥＧＲガスが通過するＥＧＲケースの上流端及び下流端にそれぞれ接続されたＥＧＲ入口管及びＥＧＲ出口管と、
前記ＥＧＲケースの内部の上流側及び下流側にそれぞれＥＧＲケース内を仕切って設けた上流端板及び下流端板と、
前記上流端板及び下流端板に架け渡された複数のＥＧＲパイプと、
前記上流端板と下流端板とＥＧＲケースとで形成される冷却水室と、を備え、
前記上流端板及び下流端板との間のＥＧＲケース内に仕切板を設けて前記冷却水室を上流側冷却水室と下流側冷却水室とに仕切り、
前記ＥＧＲケースに、前記仕切板の近傍で前記上流側冷却水室と連通して該上流側冷却水室に冷却水を導くための第１冷却水入口を設けると共に、前記上流端板の近傍で前記上流側冷却水室と連通して該上流側冷却水室内の冷却水を流出するための第１冷却水出口を設け、
前記ＥＧＲケースに、前記下流端板の近傍で前記下流側冷却水室と連通して該下流側冷却水室に冷却水を導くための第２冷却水入口を設けると共に、前記仕切板の近傍で前記下流側冷却水室と連通して該下流側冷却水室内の冷却水を流出するための第２冷却水出口を設けた内燃機関のＥＧＲクーラーにおいて、
前記仕切板を、前記第１冷却水出口の水温と前記第２冷却水出口の水温とが等しくなる位置に設けたことを特徴とする内燃機関のＥＧＲクーラー。
前記仕切板を、前記上流端板と前記下流端板との距離の少なくとも半分より上流側に設けた請求項１記載の内燃機関のＥＧＲクーラー。