JP6654227B2 - 排気ガス冷却器および排気ガス冷却器を備えた排気ガス再循環システム - Google Patents
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Description
本発明は排気ガス冷却器及び排気ガス冷却器を備えた排気ガス再循環システムに係り、より詳しくは、安定状態が継続し、経済的な排気ガス冷却器および排気ガス冷却器を備えた排気ガス再循環システムに関する。
内燃機関の分野においては、燃料の消費を低減し、排気ガスを減少させるため、排気ガスをある程度新鮮な空気の方に再循環させるのが一般的なことである。再循環された排気ガスは少なくとも特定の作動状態において冷却されなければならない。
これに関し、例えば、ＪＰ５９４１８７８Ｂ２号においては、排気ガスをハウジング内に収容された排気ガス管を通じて案内することが示されており、その結果としてハウジングと前記排気ガス管の間、または前記の排気管同志の間では、例えば、液体の状態での冷却剤、特に水（ｗａｔｅｒ）／グリコール（ｇｌｙｃｏｌ）を含む流れが生じる。
これに関し、例えば、ＪＰ５９４１８７８Ｂ２号においては、排気ガスをハウジング内に収容された排気ガス管を通じて案内することが示されており、その結果としてハウジングと前記排気ガス管の間、または前記の排気管同志の間では、例えば、液体の状態での冷却剤、特に水（ｗａｔｅｒ）／グリコール（ｇｌｙｃｏｌ）を含む流れが生じる。
しかし、この場合、特にガス流入側で冷却器が過熱される、冷却器が追加の進行コースよりさらに高い温度を持たせる。これは冷却器の材料内で不均一な温度分布を招き、これと同時に応力を起こす。特に、内燃機関の不安定な作動動作（例えば、低温始動（ｃｏｌｄ ｓｔａｒｔ）、負荷変動（ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｌｏａｄ）、排気ガスの再循環率（ＥＧＲ−ｒａｔｅ）等）により発生するガスだけでなく、冷却剤の温度変化は材料厚が異なり、これと共に温度変化の速度が相違する場合、上述した応力を起こせる温度分布内でさらなる不均一を招く。
ガス流入口の領域において、前記のような不均一性は非常に臨界的な形で発生するが、その理由は一方では厚さが少ない、排気ガス管の前方エッジが冷却されない高温の排気ガスの質量の流れと会い、浅い壁の厚さにより導入された熱が単に徐々に冷却水として排出されかねないことによる。２番目では、排気ガス管がこのような場合、一般的に側面からハウジングと連結されており、この際、ハウジングは遥かに厚い壁の厚さを有し、従って、慣性が高くなるほど前記のハウジングの温度が変わるか、または、ハウジングの壁が高温の排気ガスの質量の流れに直接露出されない。多数の適用例において、ハウジングの外部に厚い壁からなるフランジが位置し、このようなフランジは状況をさらに悪化させる。ハウジング及び／又はフランジの温度が類似した膨張を誘導するに十分なレベルにまだ変化していないため、過熱された、流入口の領域の排気ガス管が膨張し、このような互いに異なる膨張は応力を起こす。
前記のような応力は厚さが少ない部品、すなわち、圧縮されるかそして／又はウェーブが形成された排気ガス管のエッジにおいて焼成変形（ｐｌａｓｔｉｃ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ）を起こす。冷却の際には、比較的に厚さが薄い薄板がさらに速く冷却されるか、又は言及した全ての部品が同時に冷却されるが圧縮された薄板は再び出発位置に戻り膨張し、このような膨張は排気ガス管の前方の位置から引張応力を形成する。このような交番応力及び焼成変形は排気ガス管の材料の破壊につながる。また、これに関連して考慮すべき点は、排気ガスの冷却器が使用寿命の間、上述した交番応力を数十万回以上耐えなければならないことである。
本発明の目的とするところは、安定状態が継続し、経済的な排気ガス冷却器および排気ガス冷却器を備えた排気ガス再循環システムを提供することである。
本発明による排気ガス冷却器は、冷却される排気ガス用に１つ以上の排気ガス管（１２）を備えた排気ガスの冷却器（ｅｘｈａｕｓｔ ｇａｓ ｃｏｏｌｅｒ）（１０）において、１つ以上の排気ガス管（１２）がハウジング（２６）及びフランジ（２２）により囲まれており、１つ以上の排気ガス管（１２）の流入口（１４）で、前記ハウジング（２６）及びフランジ（２２）と前記排気ガス管（１２）の壁（２０）の間に１つ以上の隙（１６）が設けられており、前記ハウジング（２６）上にある前記排気ガス管（１２）の固定位置（２８）は、前記隙（１６）より排気ガスの流動方向で前記フランジ（２２）より下流側に位置されることを特徴とする。
前記１つ以上の隙（１６）が排気ガスの流動方向に少なくとも５ｍｍ及び／又は最大２ｃｍ延長されることを特徴とする。
前記１つ以上の隙（１６）が排気ガスの流動方向に垂直な方向に少なくとも１ｍｍ及び／又は最大５ｍｍ延長されることを特徴とする。
１つ以上の前記排気ガス管（１２）がその内部にリブ（ｒｉｂ）（１８）を備えることを特徴とする。
１つ以上の前記排気ガス管（１２）の厚さが０．３ｍｍ乃至０．５ｍｍである１つ以上の壁（２０）を備えることを特徴とする。
前記ハウジング（２６）が厚さ１ｍｍ乃至１．５ｍｍである１つ以上の壁及び／又は厚さが５ｍｍ乃至８ｍｍである１つ以上のフランジ（２２）を有することを特徴とする。
流動方向に前記固定位置（２８）より下流側で、前記排気ガス管（１２）の側面に隙（２４）が設けられていることを特徴とする。
前記排気ガス冷却器（１０）が排気ガス再循環冷却器であることを特徴とする。
また、本発明は、段落０００８から段落００１７に記載の１つ以上の排気ガス冷却器を備えることを特徴とする。
本発明によれば、安定状態が継続し、経済的な排気ガス冷却器および排気ガス冷却器を備えた排気ガス再循環システムが提供できる。
図１に示すように、本発明による排気ガス冷却器（１０）の例において、基本的に長方形の断面積と長方形の延長部（図１の左上方）を有する。排気ガス冷却器はフランジ（２２）により、排気ガス（再循環）ライン（図示されていない）に連結できるか、又は、バルブハウジング、特にＥＧＲバルブ（又はＥＧＲモジュール）と連結できる。フランジは、例えば、鋳造することができ、そして下記に説明する排気ガス管の壁、このような排気ガス管の内部に提供されたリブ及びハウジングは相応して曲げられた薄板材料（ｃｕｒｖｅｄ ｓｈｅｅｔ ｍａｔｅｒｉａｌ）に形成することができる。排気ガス冷却器の内部には多数の排気ガス管（１２）が存在し、これらの排気ガス管は金属、比較的平らな側面壁、そして、それぞれ前記の壁の間に配置されたリブ又はフィン（１８）からなる、基本的に互いに平行に方向設定されたプレート（２０）により形成され、この場合、前記リブ又はフィンは図２の切断平面図においてより識別しやすい。
従って、プレート（２０）は平たい管として形成された排気ガス管の壁を形成し、この際、前記の排気ガス管は比較的厚さが少なく、また、厚さが少ないため上述したように膨張及び収縮により損傷しかねない。
図２によると、フランジ（２２）と排気ガス管（１２）との間にハウジング（２６）が提供されており、この際、ハウジングは多数の排気ガス管（１２）を囲んでおり、その結果として排気ガス管を通じて循環する排気ガスを冷却させるため側面密閉されている排気ガス管は液状冷却剤、例えば、水により循環できる。
図２によると、フランジ（２２）と排気ガス管（１２）との間にハウジング（２６）が提供されており、この際、ハウジングは多数の排気ガス管（１２）を囲んでおり、その結果として排気ガス管を通じて循環する排気ガスを冷却させるため側面密閉されている排気ガス管は液状冷却剤、例えば、水により循環できる。
前記のハウジング（２６）はそれぞれ外部で固定フランジ（ｓｏｌｉｄ ｆｌａｎｇｅ）（２２）と連結されているが、本発明によると個別の排気ガス管の流入口（１４）において、そして、図２の左側及び右側においては、前記の排気ガス管の側面に、好ましくは高温の排気ガスによる灌流の結果として加熱の際、排気ガス管の膨張を可能にする隙（１６）が位置する。側面の延長部、言い換えれば、流動方向（図２では下方から上方に）に垂直である側面の延長部は図２で左側及び右側で識別できる。流動方向にハウジング（２６）上にある排気ガス管の固定位置（２８）まで隙（１６）の延長部は図２においても同様に下方から上方に進み、その寸法は好ましくは５ｍｍから最大２ｃｍに及ぶ。ハウジング（２６）と排気ガス管（１２）との連結部の追加の進行コースには追加の隙（２４）が提供されている。
図２の実施形態ではまた流動方向に進むリブのウェーブの形状を示す。
固定位置（２８）は図示した実施例の場合、流動方向に少なくとも数ミリ、例えば、５ｍｍ及び／又は最大２ｃｍまで延長される。従って、次のようなことが分かる。前記のような実施例で、固定位置（２８）が流れ方向に上流にある壁（２０）の端部にそしてまた流入口に提供される場合、固定位置（２８）の延長部により流動方向に、冷却剤を供給することが不可能である。従って、本発明による隙（１６）により解決される上述した問題が発生し、この際、前記の隙は固定位置（２８）を流動方向にある程度下方に移動させる。
固定位置（２８）は図示した実施例の場合、流動方向に少なくとも数ミリ、例えば、５ｍｍ及び／又は最大２ｃｍまで延長される。従って、次のようなことが分かる。前記のような実施例で、固定位置（２８）が流れ方向に上流にある壁（２０）の端部にそしてまた流入口に提供される場合、固定位置（２８）の延長部により流動方向に、冷却剤を供給することが不可能である。従って、本発明による隙（１６）により解決される上述した問題が発生し、この際、前記の隙は固定位置（２８）を流動方向にある程度下方に移動させる。
図示した実施例において、フランジ（２２）は流動方向に測定された厚さを有し、このような厚さは全体的に安定した設計を達成するため隙（１６）の長さより長い。
前記実施例によると、排気ガス冷却器は互いに並んでいる２つの流入口と、このような流入口に連結されている「重なった（ｓｔａｃｋｅｄ）」排気ガス管のグループを備えるが、本発明による排気ガス冷却器は単一の流入口と、このような流入口に連結されている排気ガス管のグループ、そして２つ以上の流入口と、これに相応するように提供される排気ガス管を備える。
前記実施例によると、排気ガス冷却器は互いに並んでいる２つの流入口と、このような流入口に連結されている「重なった（ｓｔａｃｋｅｄ）」排気ガス管のグループを備えるが、本発明による排気ガス冷却器は単一の流入口と、このような流入口に連結されている排気ガス管のグループ、そして２つ以上の流入口と、これに相応するように提供される排気ガス管を備える。
本発明は、１つ以上の排気ガス管の流入口に、側面に並ぶ部品の１つ以上の隙を提供している。すなわち、１つ以上の排気ガス管が流動の方向に垂直であるその延長方向に、例えば、ハウジング及び／又はフランジのような周りを囲む部品により固定されておらず、前記管の１つ以上の壁に側面に並び、すなわち１つ以上の側面に、好ましくは、全体の壁に隣接して固定されており、隙が存在することにより、前記管は過熱の際、流動の方向に垂直に自在に膨張できる。従って、前記のような膨張の際、上述した損傷を招く応力と焼成変形は発生しない。排気ガス管とハウジングとの連結はガスの流れ方向から、すなわち下方から、均一な温度分布の予想される位置で起こる。さらに、冷却剤の案内は好ましくは、部品の上部の位置と接触して、前記のような連結部を優秀に冷却させる方法に設計できる。
それぞれ並んでいる排気ガス管の壁が薄いプレートに見なされかねないが、この場合、前記のプレートは一方では流動の方向に、他方では流動の方向に垂直に延長される。さらに、プレートの厚さ方向（ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）も流動の方向に垂直に延長されるが、本発明によると、隙が厚さ方向に、すなわち、壁の方向の設定が水平になると壁より長くそして／又は壁より短く提供せず、かえって流動の方向に垂直である前記の延長の方向に、前記の壁に側面に、すなわち、前記の壁の「傍」に提供されることが重要である。先行技術とは違って、このような場合、１つ以上の側面に、好ましくは、両側面に隙が提供される場合、本発明による効果を奏することができる。
続いて、本発明による排気ガス冷却器が好ましくは、平たい管を備え、これら平たい管は好ましくは前記のような平たい管の長方形の断面の長さの長い側面が同時にこのような側面に隣接する前記排気ガス管の境界を形成する方法で重ねることができる。前記のような長さの長い側面の場合、好ましくは本発明による隙が提供される。
望ましい改善例は請求項に記述されている。
排気ガスの流動方向に前記の隙の寸法に関しては、最小の長さが５ｍｍであり、そして／又は最大の延長部が２ｃｍの場合、優秀な結果が期待できる。
このような結果は、流動の方向に垂直に寸法が最小１ｍｍ及び／又は最大５ｍｍである場合にも同様に適用される。
望ましい改善例は請求項に記述されている。
排気ガスの流動方向に前記の隙の寸法に関しては、最小の長さが５ｍｍであり、そして／又は最大の延長部が２ｃｍの場合、優秀な結果が期待できる。
このような結果は、流動の方向に垂直に寸法が最小１ｍｍ及び／又は最大５ｍｍである場合にも同様に適用される。
排気ガスから排気ガスを循環する冷却剤への大規模な熱伝達のためには、１つ以上の排気ガス管の内部に流動の方向にウェーブの形に形成できるリブ（ｒｉｂ）又はフィン（ｆｉｎｎ）を有することが望ましい。
本発明による長所は特に、１つ以上の排気ガス管を備える排気ガス冷却器において用いることができ、この際、前記の排気ガス管は．３ｍｍ乃至０．５ｍｍの厚さを有する１つ以上の壁を持つ。前記のような管は比較的厚さが少なく、従って「軽量に」形成され、本発明による措置で同時に流入口での損傷を防止できる。
本発明による長所は特に、１つ以上の排気ガス管を備える排気ガス冷却器において用いることができ、この際、前記の排気ガス管は．３ｍｍ乃至０．５ｍｍの厚さを有する１つ以上の壁を持つ。前記のような管は比較的厚さが少なく、従って「軽量に」形成され、本発明による措置で同時に流入口での損傷を防止できる。
通常、排気ガス管は好ましくは厚さが１．０ｍｍ乃至１．５ｍｍそして／又は５ｍｍ乃至８ｍｍである１つ以上の壁を有するハウジング及び／又はフランジにより囲まれている。従って、前記ハウジング及び／又はフランジは排気ガス管より遥かに厚く安定しており、従って排気ガス冷却器に全体的に有効な安定性を与える。同時に前記のハウジング及び／又はフランジは本発明による措置により、排気ガス管の流入口の領域を固定しないことで、結果として上述した問題を防止できる。
好ましくは流動の方向に１つ以上の排気ガス管の進行コースに沿って、このような管の側面に隙が提供されていることにより、この場合、冷却剤による循環が可能ではなく、同時に前記の隙の間の決まった位置で、例えば、周りを囲むハウジング上で排気ガス管の定義された固定が達成できる。
本発明による排気ガスの冷却器が排気ガスの再循環の冷却器として用いられる場合、前記本発明による排気ガスの冷却器は特殊な長所を示す。
従って、本出願書は前記のような１つ以上の冷却器を備える排気ガスの再循環システムも対象にする。
本発明による排気ガスの冷却器が排気ガスの再循環の冷却器として用いられる場合、前記本発明による排気ガスの冷却器は特殊な長所を示す。
従って、本出願書は前記のような１つ以上の冷却器を備える排気ガスの再循環システムも対象にする。
１０ 冷却器
１２ 排気ガス管
１４ 流入口
１６ 隙
１８ リブ
２０ 壁、プレート
２２ フランジ
２４ 隙
２６ ハウジング
２８ 固定位置
１２ 排気ガス管
１４ 流入口
１６ 隙
１８ リブ
２０ 壁、プレート
２２ フランジ
２４ 隙
２６ ハウジング
２８ 固定位置
Claims (9)
- 冷却される排気ガス用に１つ以上の排気ガス管（１２）を備えた排気ガスの冷却器（ｅｘｈａｕｓｔ ｇａｓ ｃｏｏｌｅｒ）（１０）において、
１つ以上の排気ガス管（１２）がハウジング（２６）及びフランジ（２２）により囲まれており、
１つ以上の排気ガス管（１２）の流入口（１４）で、前記ハウジング（２６）及びフランジ（２２）と前記排気ガス管（１２）の壁（２０）の間に１つ以上の隙（１６）が設けられており、
前記ハウジング（２６）上にある前記排気ガス管（１２）の固定位置（２８）は、前記隙（１６）より排気ガスの流動方向で前記フランジ（２２）より下流側に位置されることを特徴とする排気ガス冷却器。 - 前記１つ以上の隙（１６）が排気ガスの流動方向に少なくとも５ｍｍ及び／又は最大２ｃｍ延長されることを特徴とする請求項１記載の排気ガス冷却器。
- 前記１つ以上の隙（１６）が排気ガスの流動方向に垂直な方向に少なくとも１ｍｍ及び／又は最大５ｍｍ延長されることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の排気ガス冷却器。
- 前記１つ以上の排気ガス管（１２）がその内部にリブ（ｒｉｂ）（１８）を備えることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の排気ガス冷却器。
- 前記１つ以上の排気ガス管（１２）の厚さが０．３ｍｍ乃至０．５ｍｍである１つ以上の壁（２０）を備えることを特徴とする請求項１乃至４のうちの何れか１項に記載の排気ガス冷却器。
- 前記ハウジング（２６）が厚さ１ｍｍ乃至１．５ｍｍである１つ以上の壁及び／又は厚さが５ｍｍ乃至８ｍｍである１つ以上のフランジ（２２）を有することを特徴とする請求項１に記載の排気ガス冷却器。
- 流動方向に前記固定位置（２８）より下流側で、前記排気ガス管（１２）の側面に隙（２４）が設けられていることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の排気ガス冷却器。
- 前記排気ガス冷却器（１０）が排気ガス再循環冷却器であることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の排気ガス冷却器。
- 請求項８に記載の１つ以上の排気ガス冷却器を備えることを特徴とする排気ガス再循環システム。
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