JPH1136995A - 排気ガス冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】エンジンのＥＧＲ装置に使用する排気ガス冷却
装置において、各伝熱管内の還流排気ガスの流速又は流
量をほぼ略均一化して、伝熱管内の閉塞を防止しながら
排気ガス冷却装置全体の通過抵抗を減少でき、各伝熱管
の伝熱効率を良好に保つことができて、効率よく還流排
気ガスを冷却できる排気ガス冷却装置を提供する。 【解決手段】内燃機関の排気通路と吸気通路とを接続す
る排気ガス還流通路に設けられ、還流排気ガスが複数の
伝熱管路を流れ、冷却媒体が前記伝熱管路の外部を還流
する多管式の排気ガス冷却装置において、前記伝熱管路
の通路抵抗を、還流排気ガスの流入路の中心部を最大
に、外周側を最小にして、その間は漸減するように構成
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、エンジンの排気ガ
ス還流（ＥＧＲ）において、還流排気ガス（ＥＧＲガ
ス）の温度を下げて空気の吸入効率を向上させて、エン
ジンの燃焼を良好に保つと共に、燃焼温度を下げて排気
ガス中のＮＯｘを低減するための排気ガス冷却装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】ディーゼルエンジンなどの排気ガス対策
において、排気ガス中のＮＯｘの排出量を低減するため
に、排気ガスの一部を吸気に還流することで、燃焼温度
を低く抑えて、ＮＯｘの生成を抑制させる排気ガス還流
（ＥＧＲ）が有効であることが知られ、広く実用化され
ている。

【０００３】このＥＧＲ装置においては、図８に示すよ
うに、エンジン１の排気通路２から排気ガスＧｒを分流
する排気ガス還流通路４を吸気通路３側に接続して、排
気ガス還流通路４に設けたＥＧＲ弁５で還流排気ガス
（ＥＧＲガス）Ｇｒの流量を調整しながら排気ガス還流
を行っている。しかし、高温の還流排気ガスＧｒをその
まま吸気側に循環させると、高温で膨張した還流排気ガ
スＧｒが吸気マニホールド３に供給されるので、吸気時
のシリンダー内で還流排気ガスＧｒが占める割合が多く
なり、シリンダー内に入る空気量が低減してしまうとい
う問題がある。

【０００４】そのため、排気ガス還流通路４の途中に例
えば水冷式の排気ガス冷却装置（ＥＧＲクーラー）60を
設けて、エンジン冷却水等の冷却媒体Ｗを冷却水通路７
を通じて循環して、この冷却媒体Ｗにより還流排気ガス
Ｇｒを冷却してその体積を減少してから、吸気マニホー
ルド３に供給することによって、シリンダー内に供給さ
れる空気量を確保し、燃費の悪化を防止している。

【０００５】この排気ガス冷却装置60は、図９、１０に
示すように、円筒容器20の内部に多数の伝熱管（チュー
ブ）10を、その両端部を伝熱管固定板（管板）11に固定
して設け、この伝熱管10の両端にそれぞれ入口側ヘッダ
ー12と出口側ヘッダー13を設けており、ボルト穴18を有
するフランジ17によって排気ガス還流通路４に接続され
る。

【０００６】そして、還流排気ガスＧｒを、この入口ヘ
ッダー12、伝熱管10、出口ヘッダー13を順に通過させる
と共に、この伝熱管10の外側の胴部14に冷却媒体である
冷却水Ｗを冷却水入口15から胴部14を通して冷却水出口
16へと流して、伝熱管10を介して還流排気ガスＧｒを冷
却している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
排気ガス冷却装置６において、同じ径の同じ長さの伝熱
管10が、平面形状の伝熱管固定板11に固定して設けられ
ており、しかも、この排気ガス冷却装置６に接続される
排気ガス還流通路（ＥＧＲ管）４の断面積が入口側ヘッ
ダー12の流通断面積より一般的に小さく、入口側ヘッダ
ー12は、拡開され肩部22を持つように形成されるため
に、各伝熱管10内に流れる還流排気ガスＧｒの流量が異
なってしまうという問題がある。

【０００８】つまり、還流排気ガスＧｒは入口の中心部
Ａから外周側Ｂへ向う方向の流速が小さく、ほぼ直進す
るので中央部Ａに流れが集中し、外周側Ｂに向かって流
れ難くなっていくので、外周側Ｂへの解散が不十分にな
って、外周側Ｂの伝熱管10内へ流入する還流排気ガスＧ
ｒの流量が少なくなり、外周側Ｂに向かうに従って各伝
熱管10内のガス流速Ｖが漸減する。

【０００９】その結果、各伝熱管10内のガス流速Ｖが不
均一になり、図１１の右に図示するように中央部Ａの管
内ガス流速Ｖａが大きく、外周側Ｂの管内ガス流速Ｖｂ
が小さい分布となる。そのため、管内流速Ｖが低い外周
側Ｂの伝熱管10では、ガス流速Ｖが低くなった分だけ伝
熱管10の伝熱効率が悪くなる上に、還流排気ガスＧｒ中
のカーボンなどが沈着して伝熱管10内の汚損が進み、管
摩擦抵抗が増加して、更に、管内流速Ｖ及び流量が低下
するという悪循環が生じ、更には、伝熱管10内がカーボ
ン等で詰まり、やがて閉塞し、還流排気ガスＧｒの冷却
機能を喪失するという問題がある。

【００１０】また、外周側Ｂの伝熱管10のガス流量が少
なくなるのに伴って、中央部Ａ付近の伝熱管10の流量が
増加し、管内流速Ｖが増加するので、この中心部Ａも管
摩擦抵抗が増加する。そのため、排気ガス冷却装置60全
体の通過抵抗が増加して、還流排気ガスＧｒの冷却性能
の低下を招くという問題がある。また，この冷却性能の
劣化を見込んで装置を設計すると装置の大型化を招き、
設置スペースの問題やコストアップの問題が発生する。

【００１１】その上、管内流速Ｖの遅い伝熱管10内で
は、冬季やエンジンスタート直後のように排気ガス冷却
装置60の冷却水温度や気温の低い時に、伝熱管10内に滞
留した水蒸気分の多い還流排気ガスＧｒが露点以下にま
で冷却されて結露し、還流排気ガスＧｒ中の硫黄酸化物
と反応して硫酸を発生し、伝熱管10を腐食するという問
題がある。

【００１２】本発明は、上述の問題を解決するためにな
されたもので、その目的は、エンジンの排気ガス還流装
置に使用する排気ガス冷却装置において、各伝熱管内の
還流排気ガスの流速又は流量をほぼ略均一化して、伝熱
管内の閉塞を防止しながら排気ガス冷却装置全体の通過
抵抗を減少でき、各伝熱管の伝熱効率を良好に保つこと
ができて、効率よく還流排気ガスを冷却できる排気ガス
冷却装置を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】以上のような目的を達成
するための排気ガス冷却装置は、内燃機関の排気通路と
吸気通路とを接続する排気ガス還流通路に設けられ、還
流排気ガスが複数の伝熱管路を流れ、冷却媒体が前記伝
熱管路の外部を還流する多管式の排気ガス冷却装置にお
いて、前記伝熱管路の通路抵抗を、還流排気ガスの流入
路の中心部を最大に、外周側を最小にして、その間は漸
減するように構成したものであり、排気ガス冷却装置の
各伝熱管内のガス流速Ｖを略均一化して、各伝熱管の伝
熱効率を向上し、また、伝熱管の閉塞を防止して、排気
ガス冷却装置の冷却性能を良好に保つことができる。

【００１４】そして、前記伝熱管路の通路抵抗の減少
を、前記伝熱管路の通路断面積を大きくすることによっ
て、または、前記伝熱管路の長さを短くすることによっ
て、容易に行うことができる。さらに、内燃機関の排気
通路と吸気通路とを接続する排気ガス還流通路に設けら
れ、還流排気ガスが複数の伝熱管路を流れ、冷却媒体が
前記伝熱管路の外部を還流し、更に、還流排気ガスの通
路断面積を拡開して肩部を形成した多管式の排気ガス冷
却装置において、前記伝熱管路の入口側端面を、還流排
気ガスの流入路の上流側中心部に向けて凸形状になるよ
うに配置して構成し、各伝熱管への還流排気ガスの分散
を効率よく行い、各伝熱管に入る排気ガス量を均等化す
る。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて、本発明の実
施の形態を説明する。図８は、排気ガス冷却装置（ＥＧ
Ｒクーラー）６を使用したエンジンの排気及び吸気の系
統を示している。このエンジン１においては、排気通路
２と吸気通路３とを、ＥＧＲ弁５と排気ガス冷却装置６
を設けた排気ガス還流通路（ＥＧＲ通路）４で連結し
て、還流排気ガス（ＥＧＲガス）ＧｒをＥＧＲ弁５で流
量調整し、また、排気ガス冷却装置６で冷却しながら吸
気通路３に供給して、排気ガスの一部を還流している。

【００１６】この排気ガス冷却装置６は、図９、１０に
示すように、円筒容器20の内部に多数の伝熱管路（以
下、伝熱管という）10の両端部を伝熱管固定板（管板）
11の固定して設け、この伝熱管10の両端にそれぞれ入口
側ヘッダー12と出口側ヘッダー13を設けた、多管式の熱
交換器で構成される。そして、本発明に係わる第１の実
施形態の排気ガス冷却装置６は、伝熱管10の通路抵抗
を、還流排気ガスＧｒの流入路21の中心部Ａを最大に、
外周側Ｂを最小にして、その間は漸減するように構成す
る。

【００１７】この伝熱管10の通路抵抗を変化する手段
は、図１に示すように、還流排気ガスＧｒの流入路21の
中心部Ａから遠ざかり、その外周側Ｂに向かうに従っ
て、伝熱管路10の通路断面積を大きくすることによって
行われる。この各伝熱管路10の通路断面積は、円管であ
ればその内径を変化させ、中心部Ａ部分の伝熱管路10と
外周側Ｂの伝熱管路10の還流排気ガスＧｒの流速Ｖが略
同じになるように構成する。

【００１８】または、この通路抵抗の変化は、図２に示
すように、還流排気ガスの流入路21の中心Ａから遠ざか
り、その外周側Ｂに向かうに従って、伝熱管路10の長さ
を短くすることによって行われる。この各伝熱管路10の
長さは、中心部Ａの伝熱管路10と外周側Ｂの伝熱管路10
の還流排気ガスＧｒの流速Ｖが略同じになるように構成
する。

【００１９】この場合には、入口側と出口側の両方で、
凸形状に伝熱管10を配置してもよく、また、各伝熱管の
入口側の端部を揃えて、出口側だけを凸形状配置にして
もよく、また、入口側のみを凸形状配置にして、出口側
を揃えてもよいが、流入してくる還流排気ガスＧｒの分
散を考慮して配置するのが好ましい。或いは、この通路
抵抗の変化は、図３に示すように、同じ径、同じ長さで
形成された各伝熱管10の入口部に、伝熱管10の内径より
小径ｄで、かつ、還流排気ガスＧｒの流入路21の中心部
Ａから遠ざかり、その外周側Ｂに向かうに従って、次第
に大きくなるように形成された開口部31ａを持つリング
体31を螺合したり、外周側Ｂに向かうに従ってその内径
Ｄが漸増する絞り部材32を嵌合したりすることによって
行うこともできる。

【００２０】これらのリング体32や絞り部材32は、伝熱
管10の入口部に限ることなく、出口部に設けてもよく、
両方に設けることもできる。また、絞り部材32は鍔部32
ａを有しない短管を伝熱管10内に嵌入してもよい。ま
た、本発明に係わる第２の実施形態の排気ガス冷却装置
６は、図２、図４に示すように、還流排気ガスＧｒの通
路断面積を拡開して肩部22を形成した多管式の排気ガス
冷却装置６において、伝熱管10の入口側端面10ｂを、還
流排気ガスＧｒの流入路21の上流側中心部Ａに向けて凸
形状になるように配置して構成する。

【００２１】この構成により、外周側Ｂへの還流排気ガ
スＧｒの分散を容易にして、外周側Ｂの各伝熱管10に流
入する還流排気ガスＧｒの量を増加して、各伝熱管の流
量又は流速を均等化する。更に、伝熱管固定板11の形状
も、伝熱管10の入口側端面10ｂと同じ凸形状に形成する
ことにより、還流排気ガスＧｒの澱み部を少なくして、
流れを更にスムーズに分流すると共に、冷却水Ｗに曝さ
れる伝熱管10の部分を大きくして、特に中心側の伝熱管
10の冷却効果を増加する。

【００２２】また、好ましくは、各伝熱管10の入口側の
端部10ａを図５（ａ）に示す通路断面積の等しい形状か
ら、図５（ｂ）に示すようにな朝顔型の入口側端面10ｂ
側が拡径したテーパー形状に形成して、還流排気ガスＧ
ｒが各伝熱管10内に流入し易く構成する。これらの伝熱
管10内の流速Ｖと伝熱管10の管径や長さとの関係は、実
験や計測や計算等から得たデータを基にして決定するこ
とができる。

【００２３】そして、還流排気ガスＧｒをこの入口ヘッ
ダー12、伝熱管10、出口ヘッダー13に通過させると共
に、この伝熱管10の外側の胴部14に冷却媒体である冷却
水Ｗを冷却水入口15から胴部14を通して冷却水出口16へ
と流して還流排気ガスＧｒを冷却する。以上のような構
成により、図６に示すように、排気ガス冷却装置６の各
伝熱管10内の還流排気ガスＧｒの流速Ｖ又は流量を略均
一化して、各伝熱管10の伝熱効率を良好に保つことがで
きる。

【００２４】その結果、図７に示すように、本発明の排
気ガス冷却装置は実線で示すように、点線で示す従来技
術の排気ガス冷却装置60に比較して、排気ガス冷却装置
６のガス流量に対するガスの出口温度を低くすることが
できる。従って、排気ガス冷却装置６の各伝熱管10内の
還流排気ガスＧｒの流速Ｖ又は流量を略均一化して、低
速部分を無くしているので、還流排気ガスＧｒ中のスス
が堆積されることを防止して、伝熱管10内の閉塞を防止
できる。

【００２５】また、排気ガス冷却装置６全体の通過抵抗
を減少でき、各伝熱管10の管内流速Ｖ又は管内流量を略
一定に保って、各伝熱管10の伝熱効率を良好に保つこと
ができるので、効率よく還流排気ガスＧｒを冷却でき
る。その上、低流速の澱み部の発生を防止出来るので、
この低流速の部分で、冬季やエンジンスタート直後のよ
うに排気ガス冷却装置６の冷却水温度や気温の低い時
に、澱み部分の還流排気ガスＧｒ中の水蒸気分が露点以
下にまで冷却されて結露して、還流排気ガスＧｒ中の硫
黄酸化物と反応して硫酸を発生し、伝熱管10を腐食する
ことを防止できる。

【００２６】また、伝熱管10の性能劣化を防止できるの
で、予め、劣化分を見込んだ伝熱管を配置する必要が無
くなるので、排気ガス冷却装置を軽量・小型化できる。
更に、伝熱管路10の入口端10ｂを、排気ガスＧｒの流入
路21の中心から遠ざかるに従って、排気ガス還流通路４
の接続部、即ち接続フランジ17より遠く配置して、側面
視で断面形状が凸形状になるように形成することによ
り、各伝熱管10への還流排気ガスＧｒの分流がスムーズ
になって、各伝熱管10の流れが均一化し、また、冷却水
Ｗに曝される伝熱管10の部分も大きくなるので、冷却効
果を増加することができる。

【００２７】

【発明の効果】本発明によれば、排気ガス冷却装置の各
伝熱管内の還流排気ガスの流速又は流量を略均一化し
て、伝熱管内の閉塞を防止しながら排気ガス冷却装置全
体の通過抵抗を減少できる。そのため、各伝熱管の伝熱
効率を良好に保つことができて、効率よく還流排気ガス
を冷却できる。

【００２８】また、伝熱管の冷却性能の劣化を防止で
き、予め、劣化分を見込んだ設計が不要になるので、排
気ガス冷却装置を軽量・小型化できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る排気ガス冷却装置の入口部分を示
す部分側断面図である。

【図２】本発明に係る他の排気ガス冷却装置の入口部分
を示す部分側断面図である。

【図３】伝熱管の通路抵抗を変化させる手段を示す図で
あり、（ａ）はリング体を、（ｂ）は絞り部材を示す。

【図４】本発明に係る他の排気ガス冷却装置の入口部分
の変形を示す部分側断面図である。

【図５】排気ガス冷却装置の伝熱管の端部を示す部分図
であり、（ａ）は断面積一定の形状の端部を、（ｂ）は
朝顔型のテーパー形状の端部を示す。

【図６】排気ガス冷却装置の各伝熱管の管内流速を示す
模式図である。

【図７】排気ガス冷却装置の性能を示すための説明図で
ある。

【図８】排気ガス冷却装置の使用状況を示すＥＧＲ装置
の系統図である。

【図９】排気ガス冷却装置の部分側断面図である。

【図１０】排気ガス冷却装置の断面を示す図であり、図
９のＸ−Ｘ断面図である。

【図１１】従来技術の排気ガス冷却装置の伝熱管の入口
部分を示す部分側断面図と、管内流速の分布を示す模式
図である。

【符号の説明】

１ エンジン ２ 排気通路（排
気マニホールド） ３ 吸気通路（吸気マニホールド） ４ 排気ガス還流
通路（ＥＧＲ管） ５ ＥＧＲ弁 ６、60 排気ガス
冷却装置 ７ 冷却水路 10 伝熱管（伝熱
管路） 10ａ 入口の端部 10ｂ 入口側端面 11 伝熱管固定板（管板） 12 入口ヘッダー 13 出口ヘッダー 14 胴部 15 冷却水入口 16 冷却水出口 17 接続フランジ 18 ボルト穴 19 水抜き管 20 流入路 21 流入路 22 肩部 31 リング体 32 絞り部材

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内燃機関の排気通路と吸気通路とを接続
   する排気ガス還流通路に設けられ、還流排気ガスが複数
   の伝熱管路を流れ、冷却媒体が前記伝熱管路の外部を還
   流する多管式の排気ガス冷却装置において、前記伝熱管
   路の通路抵抗を、還流排気ガスの流入路の中心部を最大
   に、外周側を最小にして、その間は漸減するように構成
   した排気ガス冷却装置。
2. 【請求項２】 前記伝熱管路の通路抵抗の減少を、前記
   伝熱管路の通路断面積を大きくすることによって行う請
   求項１に記載の排気ガス冷却装置。
3. 【請求項３】 前記伝熱管路の通路抵抗の減少を、前記
   伝熱管路の長さを短くすることによって行う請求項１又
   は２に記載の排気ガス冷却装置。
4. 【請求項４】 内燃機関の排気通路と吸気通路とを接続
   する排気ガス還流通路に設けられ、還流排気ガスが複数
   の伝熱管路を流れ、冷却媒体が前記伝熱管路の外部を還
   流し、更に、還流排気ガスの通路断面積を拡開して肩部
   を形成した多管式の排気ガス冷却装置において、前記伝
   熱管路の入口側端面を、還流排気ガスの流入路の上流側
   中心部に向けて凸形状になるように配置して構成した排
   気ガス冷却装置。