JP2006118425A - Ｅｇｒガス冷却装置用ボンネット - Google Patents

Abstract

【課題】 ＥＧＲガス冷却装置のガス入口側に接続されるベント構造のボンネットであって、該ＥＧＲガス冷却装置内へ均一な流速分布を維持しつつ、該ＥＧＲガスを導入することにできるボンネット構造体を提供する。
【解決手段】 ＥＧＲガス冷却装置に接続され、該ＥＧＲガス冷却装置へ高温のＥＧＲガスを導入するためのベント構造のボンネットにおいて、該ベント部の曲率半径大径側の内表面に、ガスの流れを阻害するための表面粗さを付与した粗面部を設けてなるＥＧＲガス冷却装置用ボンネット。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＥＧＲガス冷却装置におけるボンネット構造体に係り、詳しくは熱交換型ＥＧＲガス冷却装置におけるＥＧＲガス導入側に接続され、該ＥＧＲガス冷却装置へ被冷却媒体である高温のＥＧＲガスを、均一な流速分布を以って導入するための、種々の角度のベント構造を有するＥＧＲガス冷却装置用ボンネットに関する。

ディーゼルエンジンの排気系から排気ガスの一部を取り出して再びエンジンの吸気系に戻し、混合気に加える方法は、ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ：排気再循環）と称され、ＮＯｘ（窒素酸化物）の発生を抑制し、ポンプ損失の低減や燃焼ガスの温度低下に伴う冷却液への放熱損失の低減、作動ガス量・組成変化による比熱比の増大と、それに伴うサイクル効率の向上など、多くの効果が得られるところから、ディーゼルエンジンの排気ガスの浄化や、熱効率を改善するための有効な方法として広く採り入れられている。

ところが、ＥＧＲガスの温度が上昇し、ＥＧＲガス量が増大すると、その熱作用によってＥＧＲバルブの耐久性が劣化し、早期に破損する惧れが生ずるため、その防止策として冷却系を設けて水冷構造とする必要に迫られたり、吸気温度の上昇に伴い充填効率が低下して燃費が低下するという現象を招来する。このような事態を回避するためにエンジンの冷却液、カーエアコン用冷媒または冷却風などによってＥＧＲガスを冷却する装置が用いられ、とりわけ、気体であるＥＧＲガスをエンジン冷却水で冷却する気−液熱交換タイプのＥＧＲガス冷却装置が多数提案されている。例えば、ガスを通す内管の外側に液体を通す外管を配設し、ガスと液体間で熱交換を行う交換器において、内管内に金属コルゲート板がフィンとして挿入されている２重管式熱交換器（例えば、特許文献１参照）、内側に被冷却媒体を流通させる内管と、該内管の外周を離間して囲むように設けられた外管と、前記内管の内部に配設された熱応力緩和機能を有する放熱フィンとから構成された２重管式熱交換器（例えば、特許文献２参照）、内側に被冷却媒体を流通させる内管と、該内管の外周を離間して囲むように設けられた外管と、前記内管の内部に配設されたクロスフィンとから構成された２重管式熱交換器（例えば、特許文献３参照）等が提案されている。
特開平１１−２３１８１号公報（第１〜６頁、図１〜２） 特開２０００−１１１２７７号公報（第１〜１２頁、図１〜１２） 特開２００３−２１４７８号公報（第１〜８頁、図１〜７）

上記各従来技術において、特許文献１〜３に開示されている２重管タイプのＥＧＲガス冷却装置の場合は、コルゲートフィンやクロスフィンを内装させることによって、ガスの流れを細流化してフィンに対する接触面積の増大を図る点においては、それなりの成果が期待されるものの、ＥＧＲガス流路を構成するパイプの内面は、長さ方向の全長に渡ってその内周面が平滑となっているものが多く、パイプの中心付近における熱伝達が不十分となり、その上ガス流がＥＧＲガス配管に沿ってストレートに流れるため、ガス流の乱流化が不十分となり、伝熱面の境界層が十分に薄くならず、伝熱性能が若干不足するという問題が残されていた。

ところでディーゼルエンジンの排気再循環（ＥＧＲ）を効率化するためのＥＧＲガス冷却装置は、ディーゼルエンジン搭載の自動車のエンジンルームなど、限定された空間に取付けられるため、クーラー本体へのＥＧＲガスの導入路となるボンネットは、通常ほぼ直角のベント構造を有したものが多用されている。図４はそのＥＧＲガス冷却装置と直角ベント構造を例示したものであり、ＥＧＲガス冷却装置１０の上流側の直角ベント構造のボンネット１２−１、同下流側のボンネット１２−２はそれぞれ当該ＥＧＲガス冷却装置１０の管板１５−１、１５−２に対し、該ＥＧＲガス入口ｇ１および同出口ｇ２が９０°に変化する曲面（ベント部）を以って形成され、その一端がシェル１１に接続され、該シェル１１内に内装されてクーラー本体を構成する伝熱管列群１３の個々の伝熱管１３−１に、高温のＥＧＲガスが導入される構造となっている。なお、ここでは、ボンネット１２−１、１２−２のベント部の曲率半径が大径の部分を曲率半径大径側ベント部と、同ボンネットの曲率半径が小径の部分を曲率半径小径側ベント部と称する。

上記構成のＥＧＲガス冷却装置において、ＥＧＲガス入口ｇ１から導入された高温のＥＧＲガスは、直角のベント部を有するボンネット１２−１内に導入されると同時に、該ボンネット１２−１の曲率半径大径側ベント部１６の内表面に沿って流体の圧力損失を受けずに進行し、早い流速分布を維持したまま伝熱管列群１３等で構成された冷却装置本体１０内に進入して、該伝熱管列群１３に対して直交状態で通流する冷却水に熱交換され、下流側のボンネット１２−２に設けられたＥＧＲガス出口ｇ２から排出されて循環される構造になっている。この際、ＥＧＲガス入口ｇ１から導入された高温のＥＧＲガスは、図５に示すように該ボンネット１２−１における直角のベント部の曲率半径大径側ベント部１６の内表面に沿って流速を早めて進行し、曲率半径小径側ベント部１７の内表面においてはその流速は極端に遅くなる。このようなＥＧＲガスの流速分布の偏りは、その条件に変化がない限り一旦発生するとその慣性によって修正されること無く継続するため、図４におけるＥＧＲ冷却装置においては、曲率半径大径側（図の上方）の伝熱管列群１３には過剰量のＥＧＲガスが通流するため所望の温度域にまで冷却することが不可能となり、一方、曲率半径小径側（図の下方）の伝熱管列群１３においてはＥＧＲガス流量が設計値より少ないため、ＥＧＲガスの冷却は進行するものの所定流量が不足し、結果として交換熱量は減少する。このように種々の角度のベント構造を有するボンネットに起因して、ＥＧＲガス冷却装置に導入される高温のＥＧＲガスの分配が均等にならず、流速に不均一な分布が発生し、熱交換効率が著しく低下するという未解決な課題が残されていた。又、この傾向はベント角が大きくなるほど顕著である。
本発明は斯かる課題を解決することを所期の目的とし、簡略な構造であるにも拘らず、ＥＧＲガス冷却装置にＥＧＲガスを均等に分配して導入することが可能な、種々の角度のベント構造のＥＧＲガス冷却装置用ボンネットを提供するものである。

上記課題を解決するための本発明によるＥＧＲガス冷却装置用ボンネットは、ＥＧＲガス冷却装置に接続され、該ＥＧＲガス冷却装置へ高温のＥＧＲガスを導入するための種々の角度のベント構造のボンネットにおいて、該ベント部の曲率半径大径側の一部又は全体の内表面に、ガスの流れを阻害するための表面粗さを付与した粗面部を設けたことを特徴的構成要件とする、ＥＧＲガス冷却装置用ボンネットを要旨とするものである。

また、本発明による上記ＥＧＲガス冷却装置用ボンネットは、前記ベント部の曲率半径大径側内表面の粗面部は、当該部分に対するプレス加工その他の機械的加工方法若しくは食刻等による化学的加工方法の、いずれかにより施される凹凸で構成したことを特徴とするものである。

さらに、本発明による上記ＥＧＲガス冷却装置用ボンネットは、前記ベント部の曲率半径大径側内表面の粗面部は、当該部分に対する別体のフィン構造体の、内装によって施されたことを好ましい態様とするものである。

上記本発明によるＥＧＲガス冷却装置用ボンネットにおいて、前記フィン構造体は、金属製薄板によるプレート材料からなり、該プレート材料に波形、凹凸を形成して構成したことを好ましい態様とするものである。

本発明に係る上記ＥＧＲガス冷却装置における前記フィン構造体は、金属製薄板からなるプレート板に、多数の突起を設けて構成したことを好ましい態様とするものである。

上記本発明によるＥＧＲガス冷却装置用ボンネットにおいて、前記フィン構造体のベント部の曲率半径大径側内表面への内装手段が貼着、溶接、ろう付けその他の接合手段の中から適宜選択され、一体として接合されることを好ましい態様とするものである。

本発明に係る上記ＥＧＲガス冷却装置用ボンネットによれば、ＥＧＲガス冷却装置のＥＧＲガス入口側に接続される種々の角度を有するベント構造のボンネットにおいて、該ボンネットのベント部おける曲率半径大径側の内表面に、ガスの流れを阻害するための表面粗さ、具体的には凹凸などを有する粗面部を形成することにより、当該部分でガスの流速を減速させることができるので、ベント部における流速分布を均一にすることができる。ＥＧＲガス等の流体は、もとより圧力損失の少ない方向に流れる性質を有し、一旦その流路が定まると、条件に変化がない限り、慣性によって同一の方向に流下する。従ってＥＧＲガス冷却装置においても、図４に示す冷却装置にあっては上方にＥＧＲガスが多量に流れ、設計値に対する過剰量のガスが通流することによって所定の温度域にまで冷却されないまま、系外に排出されるという不都合が生じ、一方、図４に示す冷却装置にあっては下方に高温のＥＧＲガスは少量しか流れないために十分な冷却が進行するが、流体流量が設計値に満たないために交換熱量は大幅に減少する。

このように本発明によるベント構造のボンネットは、圧力分布の偏りと遠心力の作用によって、ガスの流れやすいベント部の曲率半径大径側の内表面に、予め凹凸等の表面粗さを付与した粗面部を設けておくことにより、流体の流れに摩擦抵抗を生起せしめてその流れを阻害し、結果としてＥＧＲガス冷却装置に導入されるＥＧＲガスが、偏り無く分配され、均一な流速分布を維持した状態で冷却装置本体に導入されるため、該ＥＧＲガス冷却装置が有する熱交換性能を最大限に発揮させ、優れた冷却効率を得ることができる。本発明によるＥＧＲ冷却装置用ボンネットは、極めて簡略な加工によって製作可能であり、しかも得られる効果は著しく優れたものであるところから、該ＥＧＲ冷却装置の小型軽量化が低コストで実現され、省エネルギー面においても多大な貢献が期待できる。

以下、本発明の実施の形態について添付した図面に基づいて更に詳細に説明する。
図１は本発明の一実施例に係る直角ベント構造のボンネットと、該ボンネット内を通流するＥＧＲガスの流速分布を模式的に示す側面図、図２は本発明に係る他の実施例において、直角ベント構造のボンネットの曲率半径大径側内表面に内装されるフィン構造体の一部拡大側面図、図３は本発明に係る更に他の実施例において、直角ベント構造のボンネットの曲率半径大径側内表面に内装されるフィン構造体の一部拡大側面図である。
［実施例］

以下本発明を実施例により更に具体的に説明するが、本発明はこれによって拘束されるものではなく、ベント角を含め本発明の主旨の範囲内において自由に設計変更が可能である。

本発明に係る第１実施例による直角ベント構造のボンネット２は、図１に示すように該ベント部において曲率半径Ｒが大きい曲率半径大径側ベント部３の内表面にのみ、プレス加工によって高低差が最大で約２．５ｍｍの凹凸３−１を有する表面粗さの粗面部３−２を形成した。かくのごとくして得られた直角ベント構造のボンネット２を、多管式熱交換器本体に接続して図４に示すようなＥＧＲ冷却装置を構成し、ＥＧＲガス冷却系におけるガス流路に組み込み、冷却性能試験に供した結果、ガス入口Ｇ１から該ボンネット２内に流入した高温のＥＧＲガスは、図1に示すように曲率半径大径側ベント部３の内表面に形成された凹凸３−１を有する粗面部３−２の表面粗さが作用して、通流するガスが該ベント部の曲率半径大径側３の内表面に沿って流れようとする際、摩擦抵抗を生起せしめてその流れを阻害し、結果としてＥＧＲガスの流速と分配が均一化され、クーラー本体１内の多くの伝熱管にほぼ均等に分配にされて通流し、伝熱管外周の冷却ジャケットへの熱交換が効果的に促進され、出口側のボンネットから排出されたＥＧＲガスは、所定の温度域にまでに冷却されていることが確認された。

本実施例による直角ベント構造のボンネット２の製造方法は、特に制限されるものではなく、通常鋼管を素材として特定の金型を用いたドローベント、若しくはコンプレッションベント、液圧バルヂなどによって製造され、上記凹凸３−１による粗面部３−２はプレス加工や液圧バルヂ加工時に同時によって形成される。また、該ボンネット２のクーラー本体との接続は、本例においては溶着を採用したが、ボンネットのクーラー側にフランジを設け、クーラー本体に予め取付けられたフランジとのボルト締めによる接続やろう付けも好ましく採用される。なお、本実施例における上記粗面部３−２は、プレス加工による凹凸面３−１の形成や液圧バルヂを採用したが、該粗面部３−２の形成加工方法としては機械的に切削することも可能であり、さらには所定のマスキングを施した鋼管材料に対する腐食性溶液中での化学的手段による食刻によって形成することも可能である。一方、鋳造製のボンネットの場合は、鋳造時に同時に粗面部を形成することができる。

また、直角ベント構造のボンネットにおける前記図１に示す凹凸面３−１の形成方法としては、図２に示すように金属製薄板によるプレート材料からなる別体の波形フィン３ａ−１を溶接等の手段により取付ける方法を用いることができる。この波形フィン３ａ−１を取着したボンネットを、ＥＧＲガス冷却系におけるガス流路に組込み、実施例１と同様の冷却試験に供した結果、実施例とほぼ同等の冷却効率が得られることが確認された。

更に、直角ベント構造のボンネットにおける曲率半径大径側ベント部３の内表面の粗面部３−２を形成する方法としては、図３に示す方法を採用することができる。この方法は、ボンネットにおける曲率半径大径側ベント部３ｂの内表面に、多数の突起状フィン３ｂ−１を設けた金属製薄板材からなる別体のプレート板３ｂ−２を溶接等の手段により取付ける方法であり、この突起状フィン３ｂ−１が取着されたプレート板３ｂ−２を内装した本例によるボンネットをＥＧＲガス冷却系におけるガス流路に組込み、実施例１と同様の冷却試験に供した結果、実施例１とほぼ同等の冷却効率を得られることが確認された。

上記各実施例からも明らかなように、本発明による種々の角度のベント構造のＥＧＲガス冷却装置用ボンネットは、流れ内部における圧力分布の偏りと、遠心力の作用によりガスが流れやすいベント部の曲率半径大径側の内表面に、予め凹凸等の表面粗さを付与された粗面部を設けておくことにより、ガスの流れに摩擦抵抗を生起させてその流れを阻害し、結果としてＥＧＲガス冷却装置に導入されるＥＧＲガスが、偏り無く分配され、均一な流速分布を維持した状態で冷却装置本体に導入されるため、該ＥＧＲガス冷却装置が有する熱交換性能を最大限に発揮させ、優れた冷却効率を得ることができるので、省エネルギー面においても多大に貢献する。また、本発明によるＥＧＲ冷却装置用ボンネットは、極めて簡略な加工によって作製可能であり、しかも得られる効果は著しく優れたものであるところから、該ＥＧＲ冷却装置の小型軽量化が低コストで実現でき、当該技術分野におけるボンネット構造体として幅広く採用されることが期待される。

本発明の一実施例に係る直角ベント構造のボンネットと、該ボンネット内を通流するＥＧＲガスの流速分布を模式的に示す側面図である。 本発明に係る他の実施例において、直角ベント構造のボンネットの曲率半径大径側内表面に内装されるフィン構造体の一部拡大側面図である。 本発明に係る更に他の実施例において、直角ベント構造のボンネットの曲率半径大径側内表面に内装されるフィン構造体の一部拡大側面図である。 本発明の対象とする従来のＥＧＲガス冷却装置と直角ベント構造の一実施例を示す側面図である。 図４に示すＥＧＲガス冷却装置における直角ベント構造のボンネットと、該ボンネット内を通流するＥＧＲガスの流速分布を模式的に示す側面図である。

符号の説明

１、１０ ＥＧＲガス冷却装置
２、１２−１、１２−２ ボンネット
３、３ａ、３ｂ 曲率半径大径側ベント部
３−１ 凹凸
３−２ 粗面部
３ａ−１ 波形フィン
３ｂ−１ 突起状フィン
３ｂ−２ プレート板
４ 曲率半径小径側ベント部
５、１５−１、１５−２ 管板
６ 溶着部
７ フランジ部
１１ シェル
１３、 伝熱管列群
１３−１ 偏平伝熱管
１６ 外周側ベント部
１７ 内周側ベント部
ｇ１ ＥＧＲガス入口
ｇ２ ＥＧＲガス出口
Ｃ１ 冷却水入口
Ｃ２ 冷却水出口

Claims (6)

1. ＥＧＲガス冷却装置に接続され、該ＥＧＲガス冷却装置へ高温のＥＧＲガスを導入するためのベント構造のボンネットにおいて、該ベント部の曲率半径大径側の一部又は全体の内表面に、ガスの流れを阻害するための表面粗さを付与した粗面部を設けたことを特徴とするＥＧＲガス冷却装置用ボンネット。
2. 前記ベント部の曲率半径大径側内表面の粗面部は、当該部分に対するプレス加工その他の機械的加工方法若しくは食刻等による化学的加工方法のいずれかにより施された凹凸で構成したことを特徴とする請求項1に記載のＥＧＲガス冷却装置用ボンネット。
3. 前記ベント部の曲率半径大径側内表面の粗面部は、当該部分に対する別体のフィン構造体の、内装によって施されたことを特徴とする請求項１に記載のＥＧＲガス冷却装置用ボンネット。
4. 前記フィン構造体は、金属製薄板によるプレート材料からなり、該プレート材料に波形、凹凸を形成して構成したことを特徴とする請求項３に記載のＥＧＲガス冷却装置用ボンネット。
5. 前記フィン構造体は、金属製薄板からなるプレート板に多数の突起を設けて構成したことを特徴とする請求項３に記載のＥＧＲガス冷却装置用ボンネット。
6. 前記フィン構造体のベント部の曲率半径大径側内表面への内装手段が、貼着、溶接、ろう付けその他の接合手段の中から適宜選択され、一体として接合されることを特徴とする請求項３乃至５のいずれか１項に記載のＥＧＲガス冷却装置用ボンネット。
   
   

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