JP2001027157A - Ｅｇｒクーラの構造 - Google Patents

Ｅｇｒクーラの構造

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JP2001027157A
JP2001027157A JP11198279A JP19827999A JP2001027157A JP 2001027157 A JP2001027157 A JP 2001027157A JP 11198279 A JP11198279 A JP 11198279A JP 19827999 A JP19827999 A JP 19827999A JP 2001027157 A JP2001027157 A JP 2001027157A
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Tokuaki Ono
徳昭 小野
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガス管路の断面積を適切に設定することで、
最大ＥＧＲ量が制限される事態を防止して的確なＥＧＲ
制御を実現すると共に、高い温度効率を確保して十分な
排ガスの冷却作用を奏することができるＥＧＲクーラの
構造を提供する。 【解決手段】 ＥＧＲクーラ９のケース９ａに開口する
ガス導入口２３の開口面積をガス導出口２４の開口面積
に比して大きく設定すると共に、ケース９ａ内における
ガス管路２５，２６の通路断面積をガス導入側Ｓ１から
ガス導出側Ｓ２にかけて漸減させることにより、ガス導
入側Ｓ１では十分な通路断面積を確保して管路抵抗を低
減し、ガス導出側Ｓ２では通路断面積の縮小によって流
速を確保して淀みの発生を防止する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、エンジン冷却水を
利用してＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラの構造に関
するものである。
【０００２】
【関連する背景技術】周知のように、エミッション低減
装置の一つであるＥＧＲ（排ガス再循環）装置は、排ガ
スの一部を吸気側に再循環させることで、燃焼温度を低
下させてＮＯｘの低減を達成している。ＥＧＲ量を増加
させることによりＮＯｘ低減効果を向上させることがで
きるが、吸入空気中の排気ガスの占める割合が増加する
と、酸素不足によってスモーク増大を引き起こすことか
ら限界がある。そこで、ＥＧＲ通路に設けたＥＧＲクー
ラによりエンジン冷却水を利用して排ガスを冷却し、充
填効率の向上により酸素不足を解消して、ＮＯｘ低減と
スモーク抑制との両立を図ったＥＧＲ装置が実施されて
いる。
【０００３】このようなＥＧＲクーラは、排ガスやエン
ジン冷却水を流すための管路構造の相違によって、プレ
ート式と多管式とに大別される。プレート式のＥＧＲク
ーラは、金属プレートを規則的に折曲して多数の管路を
備えたフィンを形成し、ガス用のフィンと水用のフィン
とを隔壁を挟んで交互に重ね合わせて構成され、ガス用
のフィンの管路内には排ガスを、水用のフィンの管路内
にはエンジン冷却水を流通させて、排ガス側から冷却水
側に隔壁を介して熱交換を行わせることで、排ガスの冷
却作用を得ている。
【０００４】又、多管式のＥＧＲクーラは、多数のパイ
プを略平行に配置してその内部をガス用の管路として利
用すると共に、パイプの外部をエンジン冷却水用の流管
として利用し、各パイプ内を流れる排ガスからパイプ外
の冷却水へと熱交換を行わせて冷却作用を得ている。そ
して、プレート式と多管式の何れのＥＧＲクーラにおい
ても、排ガスが流通する管路はガス導入側からガス導出
側の全域で略同一に設定されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところで、ガス導入側
からガス導出側まで管路内を流通するときの排ガスは、
エンジン冷却水との熱交換に伴って次第に温度低下し、
例えばガス導入側で温度４００℃、圧力２６０mmHgであ
ったものが、ガス導出側で温度１００℃、圧力２４５mm
Hgまで低下したときには、体積では０．５９倍程度まで
減少することになる。その結果、最も排ガスの体積が大
きなガス導入側で大きな管路抵抗が生じ、ＥＧＲバルブ
を最大リフトにしても十分なＥＧＲ量に達しない場合が
あった。又、ガス導出側では排ガスの体積減少に伴って
流速が低くなることから、流れが乱流から層流に変化し
境界層が厚くなり淀みが生じて熱交換が妨げられ、ＥＧ
Ｒクーラの温度効率（冷却能力）が十分に得られない場
合があった。
【０００６】そこで、従来はこの２つの相反する要件を
大きく損なわない妥協点を見い出してガス管路の断面積
を決定していたが、上記した最大ＥＧＲ量の制限やＥＧ
Ｒクーラの効率低下は避けられなかった。従って、最大
ＥＧＲ量が制限されることによって、的確なＥＧＲ制御
を実現できない事態が生じたり、或いはＥＧＲクーラの
効率低下に伴って排ガスの冷却作用が十分に得られず
に、結果として上記したＮＯｘ低減とスモーク抑制との
両立を達成できないという不具合が発生した。
【０００７】本発明の目的は、ガス管路の断面積を適切
に設定することで、最大ＥＧＲ量が制限される事態を防
止して的確なＥＧＲ制御を実現すると共に、高い温度効
率を確保して十分な排ガスの冷却作用を奏することがで
きるＥＧＲクーラの構造を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１の発明では、ＥＧＲガスとエンジン冷却水
とを熱交換させるＥＧＲクーラにおいて、ＥＧＲクーラ
のケースに開口するガス導入口及びガス導出口の開口面
積をガス導入側がガス導出側に比して大きく設定される
と共に、ケース内におけるガス管路の通路断面積をガス
導入側からガス導出側にかけて漸減させた。従って、ガ
ス導入側では十分な通路断面積が確保されることから、
管路抵抗によりＥＧＲ量が制限される事態が未然に防止
され、又、ガス導出側では通路断面積の縮小によって十
分な流速が確保されることから、流れが層流に変化した
ときの淀みによる熱交換の低下が未然に回避される。
【０００９】又、請求項２の発明では、クーラケースの
一方側に偏らせてガス導入口とガス導出口とを形成する
と共に、ケース内におけるガス管路を導入口から入った
排気ガスがＵターンして導出口に導かれるように構成し
た。従って、ガス導出側の通路断面積を縮小することに
より発生する無駄容積部を有効利用することができ、従
来と同容積のＥＧＲクーラに対して冷却効率が向上する
のでクーラ自体の小型化が可能となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】［第１実施形態］以下、本発明を
プレート式ＥＧＲクーラの構造として具体化した第１実
施形態を説明する。図１の全体構成図に示すように、エ
ンジン１の吸気通路２には上流側から、エアクリーナ
３、ターボチャージャ４のコンプレッサ４ａ、及びイン
タークーラ５が設けられており、エアクリーナ３を介し
て吸気通路２内に吸入された吸入空気は、コンプレッサ
４ａにて過給された後にインタクーラ５により冷却され
てエンジン１の燃焼室内に導入される。又、エンジン１
の排気通路６には上流側から、前記コンプレッサ４ａと
同軸に連結されたタービン４ｂ、図示しない触媒装置、
及び消音器等が設けられており、燃焼後の排気ガスは燃
焼室から排気通路６内に排出されてタービン４ｂを回転
駆動した後に、触媒装置と消音器を経て大気中に排出さ
れる。
【００１１】前記排気通路６と吸気通路２とはエンジン
１を迂回するＥＧＲ通路７を介して連結され、そのＥＧ
Ｒ通路７と吸気通路２との連結個所には、ＥＧＲ通路７
の開度を可変可能なＥＧＲバルブ８が設けられている。
ＥＧＲ通路７にはＥＧＲクーラ９が設けられ、このＥＧ
Ｒクーラ９はエンジン１からの冷却水路１０とも接続さ
れている。
【００１２】次に、上記したプレート式ＥＧＲクーラ９
の内部構造を詳述する。図２は第１実施形態のＥＧＲク
ーラの排ガス通路用フィンを示す断面図、図３は同じく
ＥＧＲクーラの冷却水通路用フィンを示す断面図であ
る。これらの図に示すように、排ガスやエンジン冷却水
が流通するフィン１１，１２は、ステンレス板を図の上
下方向に規則的に折曲して形成され、左右方向に貫通す
る断面四角状の多数の管路１７，１８，２５，２６が上
下に整列している。尚、本実施形態では、排ガス用フィ
ン１１については管路２５，２６が波型状に形成された
所謂ウエーブフィンとして構成され、冷却水用フィン１
２については管路１７，１８が直線状に形成された所謂
ストレートフィンとして構成されているが、エンジンの
仕様やＥＧＲクーラ９に要求される温度効率等に応じて
管路形状を変更してもよい。
【００１３】排ガス用フィン１１と冷却水用フィン１２
とは、平坦なステンレス板からなる図示しない隔壁を挟
んで交互に重ね合わせて配置されている。図３に示すよ
うに、冷却水用フィン１２の右側にはステンレス板にて
製作された導入路１３と導出路１４が上下に配設され、
導入路１３の内部は、ＥＧＲクーラ９のケース９ａに形
成された導入口１５を介して供給側の冷却水路１０と連
通し、導出路１４の内部は、同じくケース９ａに形成さ
れた導出口１６を介して排出側の冷却水路１０と連通し
ている。各冷却水用フィン１２の下側約半分の管路（以
下、第１の水管路という）１７の右側開口部は導入路１
３の内部と連通し、各冷却水用フィン１２の上側約半分
の管路（以下、第２の水管路という）１８の右側開口部
は導出路１４の内部と連通している。又、冷却水用フィ
ン１２の左側にはステンレス板にて製作された折返し路
１９が配設され、第１の水管路１７及び第２の水管路１
８の左側開口部は折返し路１９の内部と連通している。
【００１４】従って、一方の冷却水路１０から供給され
たエンジン冷却水は、導入口１５、導入路１３、第１の
水管路１７、折返し路１９、第２の水管路１８、導出路
１４、導出口１６を経て他方の冷却水路１０側に排出さ
れる。一方、図２に示すように、排ガス用フィン１１の
左側にはステンレス板にて製作された導入路２１と導出
路２２が上下に配設され、導入路２１の内部は、ケース
９ａに形成された導入口２３を介して排気側のＥＧＲ通
路７と連通し、導出路２２の内部は、同じくケース９ａ
に形成された導出口２４を介して吸気側のＥＧＲ通路７
と連通している。各排ガス用フィン１１の上側約半分の
管路（以下、第１のガス管路という）２５の左側開口部
（以下、導入側開口部Ｓ１という）は導入路２１の内部
と連通し、各排ガス用フィン１１の下側約半分の管路
（以下、第２のガス管路という）２６の左側の開口部
（以下、導出側開口部Ｓ２という）は導出路２２の内部
と連通している。又、排ガス用フィン１１の右側にはス
テンレス板にて製作された折返し路２７が配設され、第
１のガス管路２５及び第２のガス管路２６の右側開口部
（以下、折返し側開口部Ｓ３という）は折返し路２７の
内部と連通している。
【００１５】従って、排気通路６内を流れる排ガスの一
部はＥＧＲ通路７側に分岐して、導入口２３、導入路２
１、第１のガス管路２５、折返し路２７、第２のガス管
路２６、導出路２２、導出口２４、ＥＧＲ通路７を経て
吸気通路２側に再循環される。第１のガス管路２５及び
第２のガス管路２６内を流通する際に、排ガスは隔壁を
介して前記冷却水用フィン１２の第１の水管路１７及び
第２の水管路１８内の冷却水との間で熱交換を行って冷
却される。
【００１６】そして、本実施形態のＥＧＲクーラ９で
は、第１のガス管路２５及び第２のガス管路２６の通路
断面積が、導入側から導出側にかけて漸減するように設
定されている。以下に詳述すると、第1のガス管路２５
の導入側開口部Ｓ１の通路断面積は最大に設定され、第
２のガス管路２６の導出側開口部Ｓ２の通路断面積は最
小に設定され、第１のガス管路２５及び第２のガス管路
２６を連続した通路に見立てると、その断面積は導入側
から導出側にかけて一定の比率で漸減している。
【００１７】又、第1のガス管路２５へのガス導入を妨
げないように、導入口２３の開口面積は、第1のガス管
路２５の導入側開口部Ｓ１の総和とほぼ等しく設定さ
れ、同様に、第２のガス管路２６からのガス導出を妨げ
ないように、導出口２４の開口面積は、第２のガス管路
２６の導出側開口部Ｓ２の総和とほぼ等しく設定されて
いる。よって、導入口２３の開口面積は導出口２４の開
口面積より十分に大きく設定されている。尚，導入路２
１と導出路２２の内容積も同様にガス流量に応じた比率
に設定されている。
【００１８】次に、以上のように構成されたプレート式
ＥＧＲクーラ９の作動状況を説明する。エンジン１の運
転中において、ＥＧＲバルブ８の開度は図示しないコン
トローラによりエンジン負荷や回転速度に応じて調整さ
れ、その開度に応じてＥＧＲ通路７を経て吸気通路２側
に流される排気ガスの流量（ＥＧＲ量）が制御される。
ＥＧＲ通路７内を流通する排ガスは、一旦ＥＧＲクーラ
９内に取り込まれて第１のガス管路２５及び第２のガス
管路２６内を流通し、その際に隔壁を介して第１の水管
路１７及び第２の水管路１８内の冷却水との間で熱交換
を行って冷却される。
【００１９】冷却作用が奏されるのは第1のガス管路２
５の導入側から第２のガス管路２６の導出側までの区間
であり、この区間において排ガスの体積は急激に減少す
る。よって、排ガスの体積が大きい第1のガス管路２５
の導入側では、主に管路抵抗の増大が問題となり、排ガ
スの体積が小さい第２のガス管路２６の導出側では、主
に流速低下により層流に変化したときの淀みの発生が問
題となる。
【００２０】ここで、本実施形態のＥＧＲクーラ９で
は、第1のガス管路２５の導入側から第２のガス管路２
６の導出側にかけて通路断面積を漸減させていることか
ら、第1のガス管路２５の導入側では十分な通路断面積
が確保されて、管路抵抗によりＥＧＲバルブ８を最大リ
フトとしたときの最大ＥＧＲ量が制限される事態を未然
に防止して、的確なＥＧＲ制御を実現することができ
る。又、第２のガス管路２６の導出側では通路断面積の
縮小によって十分な流速が確保されていることから、乱
流から層流への変化を防止して淀みによる熱交換の低下
を未然に回避でき、その結果、高い温度効率で十分な排
ガスの冷却作用を奏して、ＥＧＲクーラ９の本来の目的
であるＮＯｘ低減とスモーク抑制との両立を十分に達成
することができる。
【００２１】又、上記のように排ガス用フィン１１の導
入口２３と導出口２４をケース９ａの左側に偏らせて配
置して、導入口２３から導入した排ガスを第１のガス管
路２５で右方に導いた後に、折返し路２７でＵターンさ
せて第２のガス管路２６で左方に導いて導出口２４から
導出している。そして、このような管路レイアウトを採
用したため、図２のように、第1のガス管路２５及び第
２のガス管路２６は上下に互い違いに配置されている。
従って、上述したように導出側管路抵抗及び導出側の流
速を考慮して通路断面積を漸減した場合に形成される空
間を有効利用することができ、従来の同容積のＥＧＲク
ーラに比べて冷却効率が向上する。尚、一般に排ガスを
Ｕターンさせる管路レイアウトは、十分な管路長を確保
して冷却能力を向上させるために実施されるが、導入側
と導出側とが等しい大きさに設定されるので、十分にＥ
ＧＲガスを導入しようとするとケース全体を大きくする
必要があるが、本実施形態においてはその必要がなく、
比較的小さなケースで達成できる。
【００２２】更に、内部に排ガスを流通させるこの種の
ＥＧＲクーラでは、カーボンの堆積により管路の通路断
面積が次第に縮小されて、温度効率が低下する事態が引
き起こされる。この現象は、排ガスの体積減少により流
速が低下するガス導出側で特に顕著となるが、本実施形
態では、第２のガス管路２６の導出側で十分な流速が確
保されることからカーボンの堆積が効果的に抑制され
て、長期に亘って高い温度効率を維持することができ
る。
【００２３】［第２実施形態］以下、本発明を多管式Ｅ
ＧＲクーラの構造として具体化した第２実施形態を説明
する。本実施形態のＥＧＲクーラのエンジンへの搭載状
態は、図１に示した第１実施形態と同様である。従っ
て、内部構造を重点的に説明する。図４は第２実施形態
のＥＧＲクーラを示す断面図、図５は同じくガス管路の
配列状態を示す図４のＶ−Ｖ線断面図である。これらの
図に示すように、ＥＧＲクーラ３１のケース３１ａはス
テンレス板にて製作されて円筒状をなし、その内部は左
右に所定間隔をおいた一対の縦隔壁３２によって３分割
されると共に、分割された左側の空間は横隔壁３３によ
って上下に区画されている。ここで、左側の空間の横隔
壁３３より上側を導入路３４、横隔壁３３より下側を導
出路３５とし、中央の空間を水路３６、左側の空間を折
返し路３７とする。ケース３１ａの外周には、エンジン
の冷却水路１０と接続されたパイプ状の導入口３８及び
導出口３９が固定され、これらの導入口３８と導出口３
９は水路３６内の最も離れた位置に開口している。水路
３６内には一対の案内板４０が所定間隔をおいて配設さ
れ、導入口３８から水路３８内に導入されたエンジン冷
却水は、案内板４０により流れ方向を変更されながら導
出口３９へと案内されて導出される。
【００２４】水路３６内には左右方向に延びるパイプ状
をなす多数の管路４１，４２が配設され、各管路４１，
４２の左端は左側の縦隔壁３２を介して前記導入路３４
や導出路３５内に開口し、各管路４１，４２の右端は右
側の縦隔壁３２を介して前記折返し路３７内に開口して
いる。以下、導入路３４内に開口する管路を第１のガス
管路４１とし、導出路３５内に開口する管路を第２のガ
ス管路４２とする。導入路３４の内部は、ケース３１ａ
に形成された導入口４３を介して排気側のＥＧＲ通路７
と連通し、導出路３５の内部は、同じくケース３１ａに
形成された導出口４４を介して吸気側のＥＧＲ通路７と
連通している。
【００２５】従って、排気通路からの排ガスはＥＧＲ通
路７から導入口４３、導入路３４、第１のガス管路４
１、折返し路３７、第２のガス管路４２、導出路３５、
導出口４４、ＥＧＲ通路７を経て吸気通路に再循環さ
れ、第１のガス管路４１及び第２のガス管路４２内を流
通する際に、排ガスは水路３６内の冷却水との間で熱交
換を行って冷却される。
【００２６】そして、本実施形態のＥＧＲクーラ３１も
第１実施形態と同様に、第１のガス管路４１及び第２の
ガス管路４２の通路断面積（具体的には、内径）が導入
側から導出側にかけて一定比率で漸減し、第1のガス管
路４１の導入側開口部Ｓ１の通路断面積が最大に、第２
のガス管路４２の導出側開口部Ｓ２の通路断面積が最小
に設定され、第１のガス管路４１及び第２のガス管路４
２の折返し側開口部Ｓ３の通路断面積は同一に設定され
ている。尚、これらのガス管路４１，４２は、若干テー
パをなすパイプ状の素材を２分割して、太い側を第１の
ガス管路４１に、細い側を第２のガス管路４２に使用し
ている。
【００２７】又、第１実施形態と同様に、導入口４３の
開口面積は導出口４４の開口面積より十分に大きく設定
されている。尚、図５に示すように横隔壁３３を湾曲形
成することにより、導入路３４と導出路３５の内容積も
ガス流量に応じた比率に設定されている。次に、以上の
ように構成された多管式ＥＧＲクーラ３１の作動状況を
説明する。
【００２８】本実施形態においても第１実施形態と同様
に、排ガスの冷却に伴う体積減少に応じて、第1のガス
管路４１の導入側から第２のガス管路４２の導出側にか
けて通路断面積を漸減させている。従って、第1のガス
管路４１の導入側では十分な通路断面積が確保され、管
路抵抗により最大ＥＧＲ量が制限される事態を未然に防
止して、的確なＥＧＲ制御を実現することができ、又、
第２のガス管路４２の導出側では通路断面積の縮小によ
って十分な流速が確保されていることから、流れの淀み
による熱交換の低下を未然に回避して、高い温度効率で
十分な排ガスの冷却作用を奏することができる。加え
て、第２のガス管路４２の導出側で高い流速が確保され
ることから、カーボンの堆積を抑制して高い温度効率を
長期に亘って維持することができる。
【００２９】又、排ガスをＵターンさせる管路レイアウ
トを採用しているため、第１実施形態と同様に、比較的
小さい容量で良好な熱交換が実現できる。 ［第３実施形態］以下、本発明を別の多管式ＥＧＲクー
ラの構造として具体化した第３実施形態を説明する。本
実施形態のＥＧＲクーラは、第２実施形態の第１のガス
管路４１と第２のガス管路４２の形状を変更しており、
その他の構造は第２実施形態と同様である。従って、ガ
ス管路の形状について重点的に説明する。
【００３０】図６は第３実施形態のＥＧＲクーラを示す
断面図である。この図に示すように、本実施形態のＥＧ
Ｒクーラ５１では、水路５２内で第１のガス管路５３及
び第２のガス管路５４を軸線Ｌを中心とした螺旋状に湾
曲形成しており、その結果、導入路５５や導出路５６内
の開口位置に対して、折返し路５７内の開口位置は軸線
Ｌを中心として１８０度位相がずれている。尚、各ガス
管路５３，５４の通路断面積等の設定は、第２実施形態
と全く同様である。
【００３１】従って、本実施形態のＥＧＲクーラ５１で
は、上記各実施形態で述べた種々の作用効果に加えて、
水路５２内で熱交換に寄与するガス管路５３，５４の長
さが第２実施形態のものと比較して格段に増加するた
め、その温度効率を一層向上させることができる。以上
で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこれらの
各実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実
施形態ではターボチャージャ４を備えたエンジン１に適
用したＥＧＲクーラ９，３１，５１として具体化した
が、これ以外にも種々の仕様のエンジンに用いることが
できる。又、上記各実施例では、排ガスをＵターンさせ
る管路レイアウトを採用したが、Ｕターンさせずに一方
から他方に排ガスを導くようにガス管路を設定してもよ
い。
【００３２】
【発明の効果】以上説明したように請求項１の発明のＥ
ＧＲクーラの構造によれば、ガス管路の断面積を適切に
設定することで、最大ＥＧＲ量が制限される事態を防止
して的確なＥＧＲ量の制御を実現すると共に、高い温度
効率を確保して十分な排ガスの冷却作用を奏することが
できる。
【００３３】又、請求項２の発明のＥＧＲクーラの構造
によれば請求項１の発明に加えて、ガス管路の占有面積
を縮小化し、ひいてはＥＧＲクーラ全体のコンパクト化
を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態のＥＧＲクーラの構造を示す全体
構成図である。
【図２】ＥＧＲクーラの排ガス用フィンを示す断面図で
ある。
【図３】ＥＧＲクーラの冷却水用フィンを示す断面図で
ある。
【図４】第２実施形態のＥＧＲクーラを示す断面図であ
る。
【図５】ガス管路の配列状態を示す図４のＶ−Ｖ線断面
図である。
【図６】第３実施形態のＥＧＲクーラを示す断面図であ
る
【符号の説明】
１ エンジン ７ ＥＧＲ通路 ９，３１，５１ ＥＧＲクーラ ９ａ，３１ａ，５１ａ ケース ２３，４３ 導入口 ２４，４４ 導出口 ２５，４１，５３ 第１のガス管路 ２６，４２，５４ 第２のガス管路 Ｓ１ 導入側開口部 Ｓ２ 導出側開口部

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 エンジンのＥＧＲ通路に介装され、エン
    ジン冷却水を循環させてＥＧＲガスとエンジン冷却水と
    を熱交換させるＥＧＲクーラにおいて、 該ＥＧＲクーラのケースに開口するガス導入口及びガス
    導出口の開口面積をガス導入側がガス導出側に比して大
    きく設定されると共に、該クーラケース内におけるガス
    管路の通路断面積をガス導入側からガス導出側にかけて
    漸減させたことを特徴とするＥＧＲクーラの構造。
  2. 【請求項２】 クーラケースの一方側に偏らせてガス導
    入口とガス導出口とを形成すると共に、ケース内におけ
    るガス管路を導入口から入った排気ガスがＵターンして
    導出口に導かれるように構成したことを特徴とする請求
    項１に記載のＥＧＲクーラの構造。
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