JP5582022B2 - 排気熱交換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、EGR(排気再循環装置)用の排気を冷却する排気熱交換装置に関するものである。
従来の排気熱交換装置として、例えば特許文献1(EGRガス冷却制御装置)に示されるものが知られている。即ち、特許文献1の排気熱交換装置では、エンジンの排気を吸気に還流させるEGR配管に、EGRクーラが配設されており、EGRクーラにおいて排気とエンジン冷却水との間で熱交換が行われ、排気が冷却されるようになっている。
EGRクーラは、排気が流通する複数のEGRガス通路(チューブ)と、これらEGRガス通路を内部に収容する水通路(シェル)とから形成された、いわゆるシェルアンドチューブタイプの熱交換器となっている。水通路には、長手方向の一方側と他方側とで対角の位置となるようにエンジンの冷却水配管が接続されて、冷却水入口部および冷却水出口部が形成されており、水通路内部における複数のEGRガス通路の外側をエンジン冷却水が流通するようになっている。
また、冷却水配管の途中には冷却水バルブが設けられており、バルブの開度を調節することによって、EGRクーラの水通路内を流通するエンジン冷却水の流量が調整され、EGRクーラとしての冷却能力が制御されるようになっている。
特許文献1では、アクセル開度とエンジン回転速度とに基づいて冷却水バルブの目標開度が設定され、EGRクーラに要求される冷却能力に応じた冷却水量が設定され、EGRガスが適切に冷却されて、過冷却に至ることを防止している。
更に、エンジンの運転状態が通常の走行運転状態からアイドル運転状態に移行されたときに、所定時間を経過するまでは、EGRクーラの冷却能力をアイドル運転状態時において必要とされる目標冷却能力よりも大きくなるように調整している。これにより、通常の走行運転状態時の冷却水量に対して、アイドル運転状態時にEGRクーラへの冷却水量が急激に減少されることがなくなり、エンジン冷却水の沸騰を防止することができるようにしている。尚、特許文献1では、エンジン回転速度、アクセル開度に応じてエンジンの運転状態を把握するようにしており、新たなセンサなどを設けることなく、低コストでエンジン冷却水の沸騰を防止するようにしている。
特開2005−344591号公報
しかしながら、特許文献1のEGRクーラにおいては、冷却水入口部と冷却水出口部とが水通路に対して対角の位置に配置されているので、入口部から流入した冷却水は、対角方向の出口部側に流れ易く、水通路内において入口部と対向する位置には死水域が形成され易く、この死水域での局部的な冷却水の沸騰が起き易くなる。
本発明の目的は、上記問題に鑑み、排気に対する過冷却を防止しつつ、死水域による冷却水の沸騰を抑制する排気熱交換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、排気熱交換装置において、
内燃機関(10)から排出される排気を流通させる排気通路(110)と、
排気通路(110)を覆うようにして設けられ、自身の内壁と排気通路(110)の外壁との間に冷却用の冷却媒体を流通させる冷却媒体通路(121)を形成するケーシング(120)と、
排気通路(110)に沿うケーシング(120)の一端側に設けられて、冷却媒体を冷却媒体通路(121)に流入させる流入部(130)と、
排気通路(110)に沿うケーシング(120)の他端側に設けられて、冷却媒体通路(121)から冷却媒体を流出させる第1流出部(140)と、
排気通路(110)に沿うケーシング(120)の一端側で、且つ流入部(130)と対向する位置に設けられて、冷却媒体通路(121)から冷却媒体を流出させると共に、自身の下流側が第1流出部(140)の下流側に合流する第2流出部(150)と、
第1流出部(140)および第2流出部(150)からの冷却媒体の流出を常時許容すると共に、内燃機関(10)の運転状態に応じて、第1流出部(140)および第2流出部(150)から流出される冷却媒体の流量比率を調節する流量調節部(170A、170B、170C)とを備えることを特徴としている。
この発明によれば、内燃機関(10)の運転状態に応じて、第1流出部(140)および第2流出部(150)から流出される冷却媒体の流量比率が、流量調節部(170A、170B、170C)によって調節される。例えば、第1流出部(140)を流通する冷却媒体の流量比率を減らせば、冷却媒体通路(121)において、流入部(130)から第1流出部(140)に向けて流れる冷却媒体の流量を減らすことができる。よって、排気と冷却媒体との熱交換量を意図的に減らすことができ、内燃機関(10)の運転負荷が低いような場合であれば、熱交換量を減らすことで、排気の過冷却を防止することができる。
また、流入部(130)と対向する位置に第2流出部(150)を設けるようにしているので、第2流出部(150)を流通する冷却媒体の流量比率を増やせば、流入部(130)から直接的に第2流出部(150)へ抜けていく冷却媒体流量を増加させることができ、従来技術における死水域が形成されることを防止できるので、局部的な冷却媒体の沸騰を防止することができる。
また、流量調節部(170A、170B、170C)は、第1流出部(140)および第2流出部(150)からの冷却媒体の流出を常時許容するようにしているので、主に第1流出部(140)から冷却媒体を流出させつつも、一部を第2流出部(150)から流出させることで、局部的な冷却媒体の沸騰を確実に防止できる。また、主に第2流出部(150)から冷却媒体を流出させつつも、一部を第1流出部(140)から流出させることで、冷却媒体による排気の基本的な冷却機能を確保することができる。
請求項2に記載の発明では、内燃機関(10)の運転状態によって、排気の熱量が所定熱量より大きいとき、流量調節部(170A、170B、170C)は、第2流出部(150)よりも第1流出部(140)から流出される冷却媒体の流量を多くし、
一方、排気の熱量が所定熱量より小さいとき、流量調節部(170A、170B、170C)は、第1流出部(140)よりも第2流出部(150)から流出される冷却媒体の流量を多くすることを特徴としている。
この発明によれば、排気の熱量が所定熱量より大きいときに、流量調節部(170A、170B、170C)によって、第2流出部(150)よりも第1流出部(140)から流出される冷却媒体の流量が多くなるように調節される。よって、冷却媒体通路(121)において、流入部(130)から第1流出部(140)に向けて流れる冷却媒体の流量を排気の熱量に応じて増加させることができるので、排気と冷却媒体との熱交換を確実に行うことができ、排気の温度を適切に低下させることができる。
一方、排気の熱量が所定熱量より小さいときに、流量調節部(170A、170B、170C)によって、第1流出部(140)よりも第2流出部(150)から流出される冷却媒体の流量が多くなるように調節される。よって、冷却媒体通路(121)において、流入部(130)から第1流出部(140)に向けて流れる冷却媒体の流量を減少させることができるので、排気と冷却媒体との熱交換を抑えて、排気の過冷却を防止できる。また、流入部(130)から直接的に第2流出部(150)へ抜けていく冷却媒体の流量を増加させることができるので、従来技術における死水域が形成されることを防止でき、局部的な冷却媒体の沸騰を防止することができる。
請求項3に記載の発明では、流量調節部(170A、170B、170C)は、排気の熱量に対応して変動する冷却媒体の温度に応じて、第1流出部(140)の下流側および第2流出部(150)の下流側の少なくも一方に設けられた弁体(173、174)の開度が調節されるサーモスタット(170A)であることを特徴としている。
この発明によれば、冷却媒体の温度に応じてサーモスタット(170A)の弁体の開度が自動的に調節されるので、専用の制御器を必要とせずに、安価かつ容易に流量調節が可能となる。
請求項4に記載の発明では、サーモスタット(170A)は、第2流出部(150)を流通する冷却媒体の温度に応じて弁体(173、174)の開度が調節されることを特徴としている。
この発明によれば、冷却媒体通路(121)において排気と熱交換された冷却媒体は、第1流出部(140)よりも第2流出部(150)の方に先に流出されるので、第2流出部(150)を流通する冷却媒体の温度に応じて弁体の開度が調節されるようにすることで、レスポンスの良い流量調節が可能となる。
請求項5に記載の発明では、流量調節部(170A、170B、170C)は、排気の熱量に対応して変動する排気の温度および冷却媒体の温度の少なくとも一方に対応する外部電気信号によって、第1流出部(140)および第2流出部(150)の少なくとも一方を開閉する電気式の弁(170C)であることを特徴としている。
この発明によれば、排気の温度および冷却媒体の温度の少なくとも一方に対応する正確な流量調節が可能となる。
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施形態におけるEGRガス冷却装置を用いたEGR(排気再循環装置)を示す模式図である。 EGRガス冷却装置を示す断面図である。 サーモスタットの開弁状態1を示す断面図である。 図3におけるEGRガス冷却装置内の冷却水の流れを示す断面図である。 サーモスタットの開弁状態2を示す断面図である。 図5におけるEGRガス冷却装置内の冷却水の流れを示す断面図である。 第2実施形態におけるサーモスタットの開弁状態1を示す断面図である。 第2実施形態におけるサーモスタットの開弁状態2を示す断面図である。 第3実施形態におけるEGRガス冷却装置を示す断面図である。 図9における電磁弁の制御要領を示すフローチャートである。 第4実施形態におけるEGRガス冷却装置を示す断面図である。 第5実施形態におけるEGRガス冷却装置を示す断面図である。 第6実施形態におけるEGRガス冷却装置を示す断面図である。
以下に、図面を参照しながら本発明を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を適用することができる。各実施形態で具体的に組み合わせが可能であることを明示している部分同士の組み合わせばかりではなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示していなくても実施形態同士を部分的に組み合せることも可能である。
(第1実施形態)
本実施形態は、本発明に係る排気熱交換装置をディーゼル式のエンジン10用のEGRガス冷却装置100に適用したものである。図1は本実施形態におけるEGRガス冷却装置100を用いたEGR(排気再循環装置)を示す模式図、図2はEGRガス冷却装置100を示す断面図、図3はサーモスタット170Aの開弁状態1を示す断面図、図4は図3におけるEGRガス冷却装置100内の冷却水の流れを示す断面図、図5はサーモスタット170Aの開弁状態2を示す断面図、図6は図5におけるEGRガス冷却装置100内の冷却水の流れを示す断面図である。
図1に示すように、EGRは、車両の内燃機関としてのエンジン10に設けられ、排気中の窒素酸化物を低減するための装置であり、排気再循環管13、EGRバルブ14、EGR冷却水回路20、およびEGRガス冷却装置100を備えている。排気再循環管13は、エンジン10の吸気管11の途中部位と排気管12の途中部位とを接続する配管であり、エンジン10から排出されて排気管12を流通する排気の一部をエンジン10の吸気管11に還流させるようになっている。EGRバルブ14は、排気再循環管13の排気流れ途中部位に配設されて、エンジン10の稼働状態に応じて排気再循環管13を流通する排気(以下、EGRガスと呼ぶ)の量を調節するものである。
EGR冷却水回路20は、後述するラジエータ回路30において、ウォータポンプ34の冷却水流れの下流側から分岐して、再びサーモスタット33の上流側に合流するように形成された回路であり、ウォータポンプ34によってラジエータ回路30を循環するエンジン10の冷却水の一部が、図1中の矢印の方向に流通するようになっている。エンジン10の冷却水は、本発明の冷却媒体に対応する。
そして、EGRガス冷却装置100は、EGRガス(排気)とエンジン10の冷却水との間で熱交換を行うことによってEGRガスを冷却する排気熱交換装置である。EGRガス冷却装置100は、排気再循環管13において、排気管12とEGRバルブ14との間に配設されている。EGRガス冷却装置100には、排気再循環管13を流通するEGRガスと、EGR冷却水回路20を流通する冷却水とが供給されるようになっている。
尚、エンジン10には、エンジン10の内部と外部との間を冷却水が循環するラジエータ回路30が設けられており、ラジエータ回路30の途中部位には、冷却水を冷却するためのラジエータ31が設けられている。また、ラジエータ回路30には、ラジエータ31に対して並列接続されて、冷却水がラジエータ31をバイパスするバイパス流路32が設けられている。ラジエータ回路30からバイパス流路32が分岐する分岐部には、サーモスタット33が設けられている。そして、冷却水の温度に応じて、サーモスタット33により、ラジエータ31を流通する冷却水流量と、バイパス流路32を流通する冷却水流量とが調整されるようになっている。ラジエータ回路30内の冷却水は、ウォータポンプ34によって、図1中の矢印の方向に循環されるようになっている。
次に、EGRガス冷却装置100の構造について、図2を用いて説明する。
図2に示すように、EGRガス冷却装置100は、EGRガスクーラ100A、およびサーモスタット170Aを備えている。更に、EGRガスクーラ100Aは、チューブ110、ケーシング120、冷却水入口部130、第1冷却水出口部140、および第2冷却水出口部150等を備えている。EGRガスクーラ100Aを形成する各部材は、例えば耐熱性および耐腐食性に優れるステンレス材から形成されており、各部材の当接部が互いにろう付けによって接合されている。
チューブ110は、EGRガスクーラ100Aにおいて、排気再循環管13から送られるEGRガスが流通するための排気通路を形成する管部材である。チューブ110は、例えば長手方向に直交する断面形状が矩形扁平状に形成されている。チューブ110は、例えば断面が浅いコの字状にプレス成形された2枚のチューブプレートのコの字状開口側端部を互いに接合することにより形成されている。チューブ110は、扁平状断面の長辺側の面(以下、対向面と呼ぶ)が互いに対向するように複数積層されている。
チューブ110の長手方向両端部における対向面には凸部が形成されている。凸部は、チューブ110の長手方向両端部における扁平状断面の長辺に沿うように延びている。複数積層されたチューブ110は、上記凸部同士が当接するように接合されており、チューブ110の長手方向の中間部においては、隣り合うチューブ110の間に隙間が形成されている。
チューブ110の内部には、インナーフィンが配設されている。インナーフィンは、EGRガスと冷却水との熱交換を促進する伝熱部材である。インナーフィンは、例えばEGRガスの流通方向から見た断面形状が、矩形波状となるように形成された波形フィンが使用される。
ケーシング120は、複数積層されたチューブ110を覆うように設けられると共に、チューブ110の長手方向に沿うように延びた断面矩形状の筒部材である。ケーシング120の内側の空間部に、複数積層されたチューブ110が収容され、ケーシング120の長手方向両端部の内周面と、複数積層されたチューブ110の長手方向両端部の外周面(凸部の形成された領域)とが、互いに接合されている。よって、ケーシング120とチューブ110とが互いに接合された部位を除いて、ケーシング120の内壁と各チューブ110の外壁との間、および隣り合う各チューブ110の間には空間が形成され、この空間が冷却水通路121となっている。冷却水通路121は、本発明の冷却媒体通路に対応する。冷却水通路121には、EGR冷却水回路20から送られる冷却水が流通するようになっている。
そして、チューブ110の長手方向の一端側の開口端部は、冷却水通路121とは連通することなくチューブ110およびケーシング120の外部に連通しており、チューブ110の長手方向の一端側には、EGRガスがチューブ110内に流入する排気流入部122が形成されている。また同様に、チューブ110の長手方向の他端側の開口端部は、冷却水通路121とは連通することなくチューブ110およびケーシング120の外部に連通しており、チューブ110の長手方向の他端側には、EGRガスがチューブ110内から流出する排気流出部123が形成されている。
冷却水入口部130は、EGR冷却水回路20の冷却水を冷却水通路121に流入させる流入部であり、管部材によって形成されている。ケーシング120の長手方向の一端側には、長手方向に対して直交して外方へ張出す張出し部124が形成されている。張出し部124の張出し方向と、冷却水入口部130の軸方向とが一致するように、張出し部124に冷却水入口部130が接続されている。冷却水入口部130は、張出し部124を介してケーシング120内の冷却水通路121と連通している。
第1冷却水出口部140は、冷却水通路121内の冷却水を外部へ流出させる第1流出部であり、管部材によって形成されている。ケーシング120の長手方向の他端側には、長手方向に対して直交して、更に張出し部124とは反対側となる外方へ張出す張出し部125が形成されている。張出し部125の張出し方向と、第1冷却水出口部140の軸方向とが一致するように、張出し部125に第1冷却水出口部140が接続されている。第1冷却水出口部140は、ケーシング120において、冷却水入口部130に対して対角の位置に配置されて、張出し部125を介してケーシング120内の冷却水通路121と連通している。
第1冷却水出口部140の先端には、第1出口配管141が接続されている。第1出口配管141は、第1冷却水出口部140の下流側となる流路であり、第1冷却水出口部140から、ケーシング120の長手方向の中心側を向くように延設されている。第1出口配管141は、チューブ110、ケーシング120、第1冷却水出口部140と同様に、ステンレス材によって形成される金属配管とするようにしても良いし、あるいは、ゴム材から形成されるゴムホースとしても良い。
第2冷却水出口部150は、冷却水通路121内の冷却水を外部へ流出させる第2流出部であり、管部材によって形成されている。ケーシング120の長手方向の一端側には、長手方向に対して直交して、更に張出し部124とは反対側となる外方へ張出す張出し部126が形成されている。張出し部126の張出し方向と、第2冷却水出口部150の軸方向とが一致するように、張出し部126に第2冷却水出口部150が接続されている。第2冷却水出口部150は、ケーシング120において、冷却水入口部130に対して対向する位置に配置されて、張出し部126を介してケーシング120内の冷却水通路121と連通している。
第2冷却水出口部150の先端には、第2出口配管151が接続されている。第2出口配管151は、第2冷却水出口部150の下流側となる流路であり、第2冷却水出口部150から、ケーシング120の長手方向の中心側を向くように延設されている。第2出口配管151は、チューブ110、ケーシング120、第2冷却水出口部150と同様に、ステンレス材によって形成される金属配管とするようにしても良いし、あるいは、ゴム材から形成されるゴムホースとしても良い。
第1出口配管141の先端部と、第2出口配管151の先端部は、互いに接続されて、第1出口配管141と第2出口配管151は、合流して合流部160を形成している。第1出口配管141の合流部160に開口する部位は開口部141aとなっており、また、第2出口配管151の合流部160に開口する部位は開口部151aとなっている(図3、図5)。
サーモスタット170Aは、第1冷却水流出部140、および第2冷却水流出部150からそれぞれ流出される冷却水の流量比率を調節する流量調節部である。サーモスタット170Aは、合流部160内に収容されており、本体部171、感温部172、第1バルブ173、第2バルブ174、ピストン175、および支持部176等を備えている。
本体部171は、筒状を成して軸線方向の両端部、および内部に上記各部材が接続された基部である。本体部171は、合流部160内において第1出口配管141側に配置されると共に、軸線の一端側が第1出口配管141側を向き、軸線の他端側が第2出口配管151側を向くように配置されている。
感温部172は、筒状を成して本体部171の軸線方向の第2出口配管151側に接続されており、内部には、第2冷却水出口部150から第2出口配管151を流通する冷却水の温度によって、膨張あるいは収縮するワックスが内蔵されている。
第1バルブ173は、本体部171の軸線方向の第1出口配管141側端部に設けられた円板状の弁体であり、合流部160における第1出口配管141の開口部141aを開閉するようになっている。第1バルブ173は、EGRガス冷却装置100が停止中あるいは第2出口配管151側の冷却水の温度が所定温度よりも低いときに、開口部141aを完全に閉じた位置に維持される。また、第1バルブ173には、第1出口配管141内と合流部160内とを連通させる図示しない連通孔が少なくとも1つ設けられており、第1バルブ173が開口部141aを完全に閉じた位置にあっても、EGRガス冷却装置100の作動中において、常時、ある程度の冷却水は、第1出口配管141(第1冷却水出口部140)から合流部160に流通するようになっている。
第2バルブ174は、感温部172の軸線方向の第2出口配管151側端部に設けられた円板状の弁体であり、合流部160における第2出口配管151の開口部151aを開閉するようになっている。第2バルブ174は、図示しないバネ等の弾性体によって、感温部172側に付勢されており、EGRガス冷却装置100が停止中あるいは第2出口配管151側の冷却水の温度が所定温度よりも低いときに、感温部172内のワックスが収縮していることにより、開口部151aから完全に離れた(開口部151aを完全に開いた)位置に維持される。また、第2バルブ174には、第1バルブ173と同様に、第2出口配管151内と合流部160内とを連通させる図示しない連通孔が少なくとも1つ設けられており、第2バルブ174が開口部151aを完全に閉じた位置にあっても、EGRガス冷却装置100の作動中において、常時、ある程度の冷却水は、第2出口配管151(第2冷却水出口部150)から合流部160に流通するようになっている。
ピストン175は、細長の棒状部材であって、一端側が第1バルブ173を貫通して第1出口配管141内に突出しており、他端側が本体部171および感温部172内に収容されている。ピストン175の一端側は、第1出口配管141内に設けられた支持部176に固定されている。ピストン175の他端側は、感温部172内のワックスと接続されており、第2出口配管151側の冷却水の温度が所定温度以上となってワックスが膨張すると、感温部172から本体部171側に押し出される形となる。ここで、ピストン175の一端側は支持部176に固定されているので、ワックスが膨張すると、本体部171および感温部172が、第2出口配管151側に移動することになる。このとき、第1バルブ173は開口部141aを開く側に移動し、また、第2バルブ174は図示しない弾性体の付勢力に抗して開口部151aを閉じる側に移動するようになっている。
次に、上記構成に基づくEGRガス冷却装置100の作動および作用効果について、図3〜図6を加えて説明する。
本実施形態のEGRガス冷却装置100においては、EGRバルブ14が開かれると、排気管12における排気の一部がEGRガスとして排気再循環管13を通り、排気流入部122から複数のチューブ110内を流通する。そして、複数のチューブ110内を通過したEGRガスは、排気流出部123から流出され、EGRバルブ14を通りエンジン10の吸気管11に供給される。
一方、エンジン10の冷却水は、冷却水入口部130からケーシング120内に流入する。ケーシング120内に流入した冷却水は、図2に示すように、大きく以下の2つの流れを形成して流れる。つまり、1つ目の流れは、主に冷却水通路121を長手方向に通過して、冷却水入口部130に対して対角上に位置する第1冷却水出口部140、更には第1出口配管141を経て合流部160に至る流れである。また、2つ目の流れは、主に冷却水通路121の長手方向に対して交差するようにして、冷却水入口部130に対向するように位置する第2冷却水出口部150、更には第2出口配管151を経て合流部160に至る流れである。合流部160にて合流された冷却水は、ラジエータ回路30側に流れていく。
この時、複数のチューブ110内を流通するEGRガスと、冷却水通路121を流通する冷却水との間で熱交換が行なわれて、EGRガスは冷却される。エンジン10の吸気管11に上記のように冷却されたEGRガスが供給されることで、エンジン10の燃焼時の最高温度が低減されて、窒素酸化物の生成量が低減される。
本実施形態では、合流部160にサーモスタット170Aを設け、このサーモスタット170Aによって、第1冷却水出口部140(第1出口配管141)、および第2冷却水出口部150(第2出口配管151)から流出される冷却水の流量比率を調節するようにしている。
具体的には、エンジン10の運転状態によって、EGRガスの熱量が所定熱量より大きいとき、サーモスタット170Aは、第2冷却水出口部150よりも第1冷却水出口部140から流出される冷却水の流量を多くし、一方、EGRガスの熱量が所定熱量より小さいとき、サーモスタット170Aは、第1冷却水出口部140よりも第2冷却水出口部150から流出される冷却水の流量を多くするようにしている。
EGRガスの熱量が所定熱量より大きい場合とは、例えば高速走行や登坂走行等のようにエンジン10の負荷が高く、より多くのEGRガスをEGRガス冷却装置100によって冷却する必要がある場合である。逆に、EGRガスの熱量が所定熱量より小さい場合とは、例えば低速走行やアイドリング等のようにエンジン10の負荷が低く、EGRガスの冷却をさほど必要としない場合である。
EGRガスの熱量が大きいほど、EGRガスクーラ100AにおいてEGRガスと冷却水との熱交換量が増大して、冷却水の温度上昇は大きくなる。逆に、EGRガスの熱量が小さいほど、EGRガスクーラ100AにおいてEGRガスと冷却水との熱交換量が減少して、冷却水の温度上昇は小さくなる。このようにEGRガスの熱量と冷却水の温度は相関する。サーモスタット170Aは、冷却水の温度が高いほど、第2冷却水出口部150よりも第1冷却水出口部140から流出される冷却水の流量を多くし、一方、冷却水の温度が低いほど、第1冷却水出口部140よりも第2冷却水出口部150から流出される冷却水の流量を多くする。ここでは、冷却水の温度は、第2冷却水出口部150から流出される冷却水の温度を用いている。
更に詳述すると、サーモスタット170Aにおいては、第2冷却水出口部150から流出される冷却水の温度に応じて感温部172内のワックスが膨張収縮する。図3に示すように、冷却水の温度が所定温度より低い場合であると、ワックスは収縮しており、図示しない弾性体によって第2バルブ174は、感温部172側に付勢されて、開口部151aを完全に開いた位置に維持されている。同時に第1バルブ173は、開口部141aを完全に閉じた位置に維持されている。よって、図4に示すように、冷却水入口部130から流入した冷却水は、大半が第2冷却水出口部150から第2出口配管151、開口部151aを介して合流部160に至り、少量の冷却水が、冷却水通路121内を長手方向に流れ、第1冷却水出口部140から第1出口配管141、第1バルブ173の図示しない連通孔を介して合流部160に至る。
このように、冷却水の温度が所定温度より低い場合であると、サーモスタット170Aによって、冷却水通路121において冷却水入口部130から第1冷却水出口部140に向けて流れる冷却水の流量を減少させることができるので、EGRガスと冷却水との熱交換を抑えて、EGRガスの過冷却を防止することができる。また、冷却水入口部130から直接的に第2冷却水出口部150へ抜けていく冷却水の流量を増加させることができるので、従来技術における死水域が形成されることを防止でき、局部的な冷却媒体の沸騰を防止することができる。
次に、図5に示すように、冷却水の温度が所定温度より高い場合であると、感温部172内のワックスは膨張していき、図示しない弾性体の付勢力に抗して、第2バルブ174は、開口部151a側に移動されて、開口部151aを閉じていく。つまり第2バルブ174は冷却水の温度上昇と共に開口部151aに対する弁開度を小さくしていく。同時に第1バルブ173は、第2バルブ174と共に移動されて、開口部141aを開いていく。つまり第1バルブ173は冷却水の温度上昇と共に開口部141aに対する弁開度を大きくしていく。よって、図6に示すように、冷却水入口部130から流入した冷却水は、大半が冷却水通路121内を長手方向に流れ、第1冷却水出口部140から第1出口配管141、開口部141aを介して合流部160に至るようになり、少量の冷却水が第2冷却水出口部150から第2出口配管151、第2バルブ174の図示しない連通孔を介して合流部160に至るようになる。
このように、冷却水の温度が所定温度より高い場合であると、サーモスタット170Aによって、冷却水通路121において第2冷却水出口部150よりも第1冷却水出口部140から流出される冷却水の流量が多くなるように調節することができる。よって、冷却水通路121において、冷却水入口部130から第1冷却水出口部140に向けて流れる冷却水の流量を冷却水の温度に応じて増加させることができるので、EGRガスと冷却水との熱交換を確実に行うことができ、EGRガスの温度を適切に低下させることができる。
また、サーモスタット170Aは、各バルブ173、174に設けられた図示しない連通孔によって、第1冷却水出口部140および第2冷却水出口部150からの冷却水の流出を、常時許容するようにしているので、主に第1冷却水出口部140から冷却水を流出させつつも、一部を第2冷却水出口部150から流出させることで、局部的な冷却媒体の沸騰を確実に防止できる。また、主に第2冷却水出口部150から冷却水を流出させつつも、一部を第1冷却水出口部140から流出させることで、冷却水によるEGRガスの基本的な冷却機能を確保することができる。
また、サーモスタット170Aは、第2冷却水出口部150から流出された冷却水の温度に応じて、各バルブ173、174の開度が調整されるようになっている。これにより、冷却水通路121においてEGRガスと熱交換された冷却水は、第1冷却水出口部140よりも第2冷却水出口部150の方に先に流出されるので、第2冷却水出口部150を流通する冷却水の温度に応じて各バルブ173、174の開度が調節されるようにすることで、レスポンスの良い流量調節が可能となる。
尚、サーモスタット170Aは、第1冷却水出口部140および第2冷却水出口部150から流出される冷却水の流量比率を調節するようにしているので、冷却水入口部130から流入して冷却水通路121を流通する冷却水のトータル流量を大きく変動させることがなく、他の通水系、即ちラジエータ回路30等への悪影響を及ぼすことはない。
(第2実施形態)
図7、図8に第2実施形態における流量調節部、即ちサーモスタット170Bを示す。第2実施形態のサーモスタット170Bは、上記第1実施形態のサーモスタット170Aに対して、第1冷却水出口部140から流出される冷却水の温度に応じて第1バルブ173、および第2バルブ174が作動されるようにしている。
サーモスタット170Bの本体部171、および感温部172の全部あるいは一部が第1出口配管141内に配設されている。第1バルブ173は感温部172の本体部171とは反対側に設けられており、合流部160における第1出口配管141の開口部141aを開閉するようになっている。第1バルブ173は、EGRガス冷却装置100が停止中あるいは第1出口配管141側の冷却水の温度が所定温度よりも低いときに、開口部141aを完全に閉じた位置に維持される。また、第1バルブ173には、第1出口配管141内と合流部160内とを連通させる図示しない連通孔が少なくとも1つ設けられており、第1バルブ173が開口部141aを完全に閉じた位置にあっても、EGRガス冷却装置100の作動中において、常時、ある程度の冷却水は、第1出口配管141(第1冷却水出口部140)から合流部160に流通するようになっている。
第2バルブ174は、棒状の接続部177によって第1バルブ173と接続されており、合流部160における第2出口配管151の開口部151aを開閉するようになっている。第2バルブ174は、バネ等の弾性体178によって、開口部151aから第1バルブ173側に付勢されており、EGRガス冷却装置100が停止中あるいは第1出口配管141側の冷却水の温度が所定温度よりも低いときに、感温部172内のワックスが収縮していることにより、開口部151aから完全に離れた(開口部151aを完全に開いた)位置に維持される。また、第2バルブ174には、第1バルブ173と同様に、第2出口配管151内と合流部160内とを連通させる図示しない連通孔が少なくとも1つ設けられており、第2バルブ174が開口部151aを完全に閉じた位置にあっても、EGRガス冷却装置100の作動中において、常時、ある程度の冷却水は、第2出口配管151(第2冷却水出口部150)から合流部160に流通するようになっている。
サーモスタット170Bにおいては、第1冷却水出口部140から流出される冷却水の温度に応じて感温部172内のワックスが膨張収縮する。図7に示すように、冷却水の温度が所定温度より低い場合であると、ワックスは収縮しており、弾性体178によって第2バルブ174は、感温部172側に付勢されて、開口部151aを完全に開いた位置に維持されている。同時に第1バルブ173は、開口部141aを完全に閉じた位置に維持されている。よって、冷却水入口部130から流入した冷却水は、大半が第2冷却水出口部150から第2出口配管151、開口部151aを介して合流部160に至り、少量の冷却水が、冷却水通路121内を長手方向に流れ、第1冷却水出口部140から第1出口配管141、第1バルブ173の図示しない連通孔を介して合流部160に至る。
また、図8に示すように、冷却水の温度が所定温度より高い場合であると、ワックスは膨張していき、弾性体178の付勢力に抗して、第2バルブ174は、開口部151a側に移動されて、開口部151aを閉じていく。つまり第2バルブ174は冷却水の温度上昇と共に開口部151aに対する弁開度を小さくしていく。同時に第1バルブ173は、第2バルブ174と共に移動されて、開口部141aを開いていく。つまり第1バルブ173は冷却水の温度上昇と共に開口部141aに対する弁開度を大きくしていく。よって、冷却水入口部130から流入した冷却水は、大半が冷却水通路121内を長手方向に流れ、第1冷却水出口部140から第1出口配管141、開口部141aを介して合流部160に至るようになり、少量の冷却水が第2冷却水出口部150から第2出口配管151、第2バルブ174の図示しない連通孔を介して合流部160に至るようになる。
このように冷却水の温度に対する各バルブ173、174の開閉作動は上記第1実勢形態と同一であり、第2実施形態においても第1実施形態と同様の効果が得られる。尚、冷却水通路121においてEGRガスと熱交換された冷却水は、第2冷却水出口部150よりも第1冷却水出口部140の方が後に流出されることになるので、冷却水の温度に応じた弁開度調節のレスポンスは、第1実施形態よりも多少劣ることなる。
(第3実施形態)
図9、図10に第3実施形態におけるEGRガス冷却装置101および電磁弁170C制御用のフローチャートを示す。第3実施形態のEGRガス冷却装置101は、上記第1実施形態のEGRガス冷却装置100に対して、サーモスタット170Aを電磁弁170Cに変更すると共に、制御部179a、排気温度センサ179b、および温度センサ179cを設けたものである。
電磁弁170Cは、外部、即ち制御部179aからの電気信号によって合流部160における第1出口配管141の開口部141a、および第2出口配管151の開口部151aの開度を調節する電気式の弁である。電磁弁170Cは、開口部141aの開度をほぼ0%から100%の間で調節すると共に、開口部151aの開度を100%からほぼ0%に調節する。即ち、電磁弁170Cは、一方の開口部141a(151a)の開度を大きくすると、他方151a(141a)の開度を小さくするようにそれぞれの開度を調節する。尚、上記でほぼ0%の開度というのは、電磁弁170Cは、各開口部141a、151aを完全に閉じることはなく、上記第1、第2実施形態と同様に、常時、開口部141a、151aにおける多少の冷却水の流通を許容するようになっていることを意味している。
排気温度センサ179bは、冷却水によって冷却されたEGRガスの温度を検出する排気温度検出手段であり、例えばEGRクーラ100Aのチューブ110内のEGRガス流れの下流側(排気流出部123近傍)に設けられている。排気温度センサ179bによって検出されたEGRガスの温度信号は、制御部179aに出力されるようになっている。
冷却水温度センサ179cは、冷却水通路121を長手方向に流通して、EGRガスによって温度上昇された冷却水の温度を検出する冷却水温度検出手段であり、例えばEGRクーラ100Aの第1冷却水出口部140内に設けられている。冷却水温度センサ179cによって検出された冷却水の温度信号は、制御部179aに出力されるようになっている。
本実施形態では、排気温度センサ179b、および冷却水温度センサ179cの両者を設けるものとしているが、いずれか一方のみを備えるものとしても良い。以下で説明する図10のフローチャートのステップS100では、EGRガス温度および冷却水温度に対して「And」条件、あるいは「Or」条件にて温度信号の読み込みをする表示をしているが、各温度センサの設定に応じて、「And」条件、あるいは「Or」条件を選べば良い。尚、EGRガス温度と冷却水温度とでは、当然のことながら冷却水温度の方が低いことから、冷却水温度を用いて、以下のステップS110での結露判定をすれば、結露に対しては安全側の判定が得られる(EGEガスの結露状態を確実に把握できる)。
以下、図10に示す制御フローに基づいて、制御部179aによる電磁弁170Cの開度制御の要領を説明する。まず、ステップS100で、制御部179aは、排気温度センサ179bによって得られたEGRガスの温度信号、および冷却水温度センサ179cによって得られた冷却水温度信号を読み込む(温度センサがいずれか一方の場合は、EGRガスの温度信号、あるいは冷却水温度信号のいずれか一方の温度信号を読み込む)。
次に、ステップS110で、制御部179aは、ステップS100で読み込んだ温度信号がEGRガスの露点温度以下であるか否かを判定する。尚、読み込んだ温度信号がEGRガスの露点温度以下であると、EGRガスの温度は低い状態にあり、EGRガスの熱量が所定熱量よりも小さい場合に対応する。逆に読み込んだ温度信号がEGRガスの露点温度より高いと、EGRガスの温度は高い状態にあり、EGRガスの熱量が所定熱量よりも大きい場合に対応する。
ステップS110で肯定判定すると、ステップS120で、制御部179aは、合流部160における第1出口配管141の開口部141aを閉じる側となるように開度を小さくし、一方、合流部160における第2出口配管151の開口部151aを開く側となるように開度を大きくする。これにより、冷却水入口部130から流入した冷却水は、大半が第2冷却水出口部150から第2出口配管151、開口部151aを介して合流部160に至り、少量の冷却水が、冷却水通路121内を長手方向に流れ、第1冷却水出口部140から第1出口配管141、開口部141aを介して合流部160に至る。
よって、EGRガスクーラ100AにおけるEGRガスと冷却水との熱交換を抑えることができるので、EGRガス温度および冷却水温度は、EGRガスの露点温度に近づくように、あるいはEGRガスの露点温度以上となるように制御され、EGRガスの過冷却による凝縮を抑制することができる。
一方、ステップS110で否定判定すると、ステップS130で、制御部179aは、合流部160における第1出口配管141の開口部141aを開く側となるように開度を大きくし、一方、合流部160における第2出口配管151の開口部151aを閉じる側となるように開度を小さくする。これにより、冷却水入口部130から流入した冷却水は、大半が冷却水通路121内を長手方向に流れ、第1冷却水出口部140から第1出口配管141、開口部141aを介して合流部160に至り、少量の冷却水が、第2冷却水出口部150から第2出口配管151、開口部151aを介して合流部160に至る。
よって、EGRガスは冷却水によって確実に冷却されるので、EGRガスの温度を適切に低下させることができる。
(第4実施形態)
図11に第4実施形態におけるEGRガス冷却装置102を示す。第4実施形態のEGRガス冷却装置102は、上記第1実施形態のEGRガス冷却装置100に対して、流量調節部としてのサーモスタット170Dを第1出口配管141の途中に設けるようにしたものである。
サーモスタット170Dは、冷却水の温度に応じて第1出口配管141における流路を開閉するようにバルブが設けられており、第1出口配管141の流路をほぼ0%から100%の間で開閉するようになっている。尚、上記でほぼ0%というのは、サーモスタット170Dは、第1出口配管141の流路を完全に閉じることはなく、上記第1〜第3実施形態と同様に、常時、第1出口配管141(第1冷却水出口部140)における多少の冷却水の流通を許容するようになっていることを意味している。
サーモスタット170Dは、冷却水の温度が所定温度より低い場合であると(EGRガスの熱量が所定熱量より小さいとき)、第1出口配管141の流路を閉じる方向に作動する。逆に、サーモスタット170Dは、冷却水の温度が所定温度より高い場合であると(EGRガスの熱量が所定熱量より大きいとき)、第1出口配管141の流路を開く方向に作動する。
冷却水の温度が所定温度より低い場合であると、サーモスタット170Dは、第1出口配管141において、ある程度の冷却水が流れる程度にバルブを閉じる。よって、冷却水入口部130から流入した冷却水は、大半が第2冷却水出口部150から第2出口配管151を介して合流部160に至り、少量の冷却水が、冷却水通路121内を長手方向に流れ、第1冷却水出口部140から第1出口配管141、サーモスタット170Dを介して合流部160に至る。
また、冷却水の温度が所定温度より高い場合であると、サーモスタット170Dは、第1出口配管141において、バルブの開度を大きくしていく。よって、冷却水入口部130から流入した冷却水は、第2冷却水出口部150から第2出口配管151を介して合流部160に至ると共に、冷却水通路121内を長手方向に流れ、第1冷却水出口部140から第1出口配管141、サーモスタット170Dを介して合流部160に至るようになる。
このように、本実施形態においては冷却水の温度に応じて、サーモスタット170Dによって、第1冷却水出口部140、あるいは第2冷却水出口部150から流出される冷却水量を調節することができるので、上記第1実勢形態〜第3実施形態と同様の効果を得ることができる。尚、冷却水通路121においてEGRガスと熱交換された冷却水は、第2冷却水出口部150よりも第1冷却水出口部140の方が後に流出されることになるので、冷却水の温度に応じた弁開度調節のレスポンスは、第2実施形態と同様に、第1実施形態よりも多少劣ることなる。
(第5実施形態)
図12に第5実施形態におけるEGRガス冷却装置103を示す。第5実施形態のEGRガス冷却装置103は、上記第1実施形態のEGRガス冷却装置100に対して、流量調節部としてのサーモスタット170Eを第2出口配管151の途中に設けるようにしたものである。
サーモスタット170Eは、冷却水の温度に応じて第2出口配管151における流路を開閉するようにバルブが設けられており、第2出口配管151の流路をほぼ0%から100%の間で開閉するようになっている。尚、上記でほぼ0%というのは、サーモスタット170Eは、第2出口配管151の流路を完全に閉じることはなく、上記第1〜第4実施形態と同様に、常時、第2出口配管151(第2冷却水出口部150)における多少の冷却水の流通を許容するようになっていることを意味している。
サーモスタット170Eは、冷却水の温度が所定温度より低い場合であると(EGRガスの熱量が所定熱量より小さいとき)、第2出口配管151の流路を開く方向に作動する。逆に、サーモスタット170Eは、冷却水の温度が所定温度より高い場合であると(EGRガスの熱量が所定熱量より大きいとき)、第2出口配管151の流路を閉じる方向に作動する。
冷却水の温度が所定温度より低い場合であると、サーモスタット170Eは、第2出口配管151において、冷却水が流れるようにバルブを開く。よって、冷却水入口部130から流入した冷却水は、大半が第2冷却水出口部150から第2出口配管151、サーモスタット170Eを介して合流部160に至り、少量の冷却水が、冷却水通路121内を長手方向に流れ、第1冷却水出口部140から第1出口配管141を介して合流部160に至る。
また、冷却水の温度が所定温度より高い場合であると、サーモスタット170Eは、第2出口配管151において、バルブの開度を小さくしていく。よって、冷却水入口部130から流入した冷却水は、一部が第2冷却水出口部150から第2出口配管151、サーモスタット170Eを介して合流部160に至ると共に、大半が冷却水通路121内を長手方向に流れ、第1冷却水出口部140から第1出口配管141を介して合流部160に至るようになる。
このように、本実施形態においては冷却水の温度に応じて、サーモスタット170Eによって、第1冷却水出口部140、あるいは第2冷却水出口部150から流出される冷却水量を調節することができるので、上記第1実勢形態〜第4実施形態と同様の効果を得ることができる。
(第6実施形態)
図13に第6実施形態におけるEGRガス冷却装置104を示す。第6実施形態のEGRガス冷却装置104は、上記第1実施形態のEGRガス冷却装置100に対して、EGRガスクーラ100Bにおける第1冷却水出口部140の設定位置を変更したものである。
ケーシング120の長手方向の他端側には、長手方向に対して直交して、更に張出し部124と同一側となる外方へ張出す張出し部125が形成されている。第1冷却水出口部140は、張出し部125の張出し方向と、第1冷却水出口部140の軸方向とが一致するように、張出し部125に接続されている。第1冷却水出口部140の先端には、第1出口配管141が接続されている。
一方、第2出口配管151の先端部は、第1出口配管141に接続されて合流しており、合流部160を形成している。合流部160には、第1実施形態と同様のサーモスタット170Aが設けられている。サーモスタット170Aは、第2出口配管151を流通する冷却水の温度に応じて、第1実施形態と同様に第1出口配管141側の開度、あるいは第2出口配管151側の開度を調節するようになっている。
よって、第1冷却水出口部140が、ケーシング120において冷却水入口部130と同一方向を向くように設定されたEGRガスクーラ100Bとするものにおいても、冷却水の温度に応じて、サーモスタット170Aによって、第1冷却水出口部140、あるいは第2冷却水出口部150から流出される冷却水量を調節することができるので、上記第1実勢形態〜第5実施形態と同様の効果を得ることができる。
(その他の実施形態)
上記各実施形態では、EGRガスクーラ100A、100Bとして、チューブ110の長手方向両端部における対向面に凸部が形成され、チューブ110が複数積層されたときに上記凸部同士が当接するように接合されて、ケーシング120の長手方向両端部の内周面と、複数積層されたチューブ110の長手方向両端部の外周面(凸部の形成された領域)とが互いに接合されるようにした。しかしながら、これに限らず、プレート材に複数のチューブ110の両端部を貫通接合させて、プレート材の外周とケーシング120の内周面とを接合した、いわゆるシェルアンドチューブ式のEGRガスクーラとしても良い。
また、EGR(排気再循環装置)における対象エンジンをディーゼル用エンジンとして説明したが、ガソリン用エンジンとしても良い。
また、EGRガスクーラ100A、100Bの冷却媒体としてエンジン10の冷却水を活用するものとして説明したが、これに限らず、エンジン10とは独立して形成される専用冷却水回路の冷却水を活用するものとしても良い。専用冷却水回路としては、例えばサブラジエータおよび専用ポンプを備える回路が挙げられる。
10 エンジン(内燃機関)
100〜104 EGRガス冷却装置(排気熱交換装置)
100A、100B EGRガスクーラ
110 チューブ(排気通路)
120 ケーシング
121 冷却水通路(冷却媒体通路)
130 冷却水入口部(流入部)
140 第1冷却水出口部(第1流出部)
150 第2冷却水出口部(第2流出部)
170A、170B、170D、170E サーモスタット(流量調節部)
170C 電磁弁(流量調節部)

Claims (5)

  1. 内燃機関(10)から排出される排気を流通させる排気通路(110)と、
    前記排気通路(110)を覆うようにして設けられ、自身の内壁と前記排気通路(110)の外壁との間に冷却用の冷却媒体を流通させる冷却媒体通路(121)を形成するケーシング(120)と、
    前記排気通路(110)に沿う前記ケーシング(120)の一端側に設けられて、前記冷却媒体を前記冷却媒体通路(121)に流入させる流入部(130)と、
    前記排気通路(110)に沿う前記ケーシング(120)の他端側に設けられて、前記冷却媒体通路(121)から前記冷却媒体を流出させる第1流出部(140)と、
    前記排気通路(110)に沿う前記ケーシング(120)の前記一端側で、且つ前記流入部(130)と対向する位置に設けられて、前記冷却媒体通路(121)から前記冷却媒体を流出させると共に、自身の下流側が前記第1流出部(140)の下流側に合流する第2流出部(150)と、
    前記第1流出部(140)および前記第2流出部(150)からの前記冷却媒体の流出を常時許容すると共に、前記内燃機関(10)の運転状態に応じて、前記第1流出部(140)および前記第2流出部(150)から流出される前記冷却媒体の流量比率を調節する流量調節部(170A、170B、170C)とを備えることを特徴とする排気熱交換装置。
  2. 前記内燃機関(10)の運転状態によって、前記排気の熱量が所定熱量より大きいとき、前記流量調節部(170A、170B、170C)は、前記第2流出部(150)よりも前記第1流出部(140)から流出される前記冷却媒体の流量を多くし、
    一方、前記排気の熱量が前記所定熱量より小さいとき、前記流量調節部(170A、170B、170C)は、前記第1流出部(140)よりも前記第2流出部(150)から流出される前記冷却媒体の流量を多くすることを特徴とする請求項1に記載の排気熱交換装置。
  3. 前記流量調節部(170A、170B、170C)は、前記排気の熱量に対応して変動する前記冷却媒体の温度に応じて、前記第1流出部(140)の下流側および前記第2流出部(150)の下流側の少なくも一方に設けられた弁体(173、174)の開度が調節されるサーモスタット(170A)であることを特徴とする請求項2に記載の排気熱交換装置。
  4. 前記サーモスタット(170A)は、前記第2流出部(150)を流通する前記冷却媒体の温度に応じて前記弁体(173、174)の開度が調節されることを特徴とする請求項3に記載の排気熱交換装置。
  5. 前記流量調節部(170A、170B、170C)は、前記排気の熱量に対応して変動する排気の温度および前記冷却媒体の温度の少なくとも一方に対応する外部電気信号によって、前記第1流出部(140)および前記第2流出部(150)の少なくとも一方を開閉する電気式の弁(170C)であることを特徴とする請求項2に記載の排気熱交換装置。
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