JP2008537044A - 排気ガス熱交換器、特に、自動車の排気ガス還流のための排気ガス冷却器 - Google Patents

排気ガス熱交換器、特に、自動車の排気ガス還流のための排気ガス冷却器 Download PDF

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Abstract

【課題】必要スペースの小さい排気ガス熱交換器、特に自動車の排気ガス還流のための排気ガス冷却器を提供する。
【解決手段】排気ガスが通るクーラントに囲まれた熱交換流路を備え、この熱交換流路が排気ガス入口面１５０と排気ガス出口面１６０とを備える気流調整装置１４０を有する分配室１３０および／または収集室につながり、複数の排気ガス流路１７０が排気ガス入口面１５０と排気ガス出口面１６０との間に延びてお互いに傾いている排気ガス熱交換器１１０、特に自動車の排気ガス還流のための排気ガス冷却器。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気ガス熱交換器、特に、請求項１の前提部分で述べられているとおり、自動車の排気ガス還流に必要な排気ガス冷却器に関する。
排気ガス熱交換器はクーラント（冷却媒体）を加熱する目的に使われる一方、自動車の排気ガス還流に必要な排気ガス冷却器として、排気ガスを冷却する目的にも使われる。知られている通り、ＥＧＲと呼ばれる排気ガス還流は燃費を良くし、さらに排出物を削減する。ＥＧＲは、例えば特許文献１により知られている。このような排気ガス熱交換器の問題、特に排気ガス冷却器における問題の一つとして、排気ガス冷却器の排気ガスダクトにおけるディーゼル排気ガスの煤の堆積があげられる。そこで、特許文献２や特許文献３に、排気ガスの流れ内の煤の堆積を妨げる乱流発生装置を排気管内に設けたものが提案されている。この目的のために、細片または突起を入れることで排気ガスダクトの内側に、Ｖ字型のいわゆるウィングレットを作り、排気ガスの流れに特定の渦を発生させるようにしている。その代わりにリブを使用しても、この目的が達成される。ところが、これらの手段では、排気ガス熱交換器の性能が低下しないように煤の堆積を防ぐには不十分であり、結果として、排気ガス冷却器を大きくすることが必要となる。
他の知られた形態の排気ガス熱交換器においては、排気ガス熱交換器の前方に触媒コンバータが設置されており、その内部の排気ガスの流路はいずれも互いに平行に並んでいる。通常、この触媒コンバータは円筒形であり、円筒形の排気管の中に設置されている。この触媒コンバータにはそれ自体の対称軸の方向に真っ直ぐ排気ガスが流れ込んでくるので、触媒コンバータが設けられた排気管もその方向に延びることになる。そのため触媒コンバータを持つ排気ガス熱交換器は、触媒コンバータを持たない排気ガス熱交換器に比べると、より大きなスペースが必要となる。
ＤＯＣという略称で知られるディーゼル酸化触媒が自動車の排気系において公知である。この触媒は金属製またはセラミック製のハニカム構造を持ち、それには多数の細い排気ガス通路が形成されている。これらの通路は触媒でコーティングされており、その触媒には例えば白金のような貴金属が使用される。この触媒の存在下で、排気ガスに余剰の酸素が含まれている場合に、炭化水素が酸化され、二酸化炭素と水が発生する。このような触媒の構造, 例えば特殊鋼のマトリックスは特許文献４や特許文献５に記載されている。その金属担体は、例えば１枚の平板と、この平板にらせん状に巻きつけられた後にはんだ付け、もしくは溶接された１枚の波板とから成る。ついで、このハニカム体は公知の技術をもちいて触媒のコーティングを施される。
独国特許発明第199 06 401号明細書 欧州特許出願公開第 677 715号明細書 独国特許出願公開第195 40 683号明細書 独国特許出願公開第29 24 592号明細書 独国特許出願公開第35 43 011号明細書
本発明の目的は、小さい排気ガス熱交換器を提供することにある。
この目的は請求項１に記載された特徴を持つ排気ガス熱交換器によって達成される。
本発明の基本思想は、気流調整装置によって排気ガスの流の方向、流量、流路断面積、流量分布および／またはその他のパラメータが調整できるという観点から気流調整装置を排気ガス熱交換器に組み込むことである。その結果、省スペースで、例えば排気ガスの流れの迂回および／または拡大が可能となる。
本発明の好ましい実施形態において、排気ガス流路は連通しており、例えば排気ガス流路が分離している部分で互いの開口を通ることによって各々の流路を同じ圧力にすることができ、流量分布が流路全体にわたって変動がなくなる。
本発明の好ましい実施形態において、熱交換流路は、排気ガス入口面または排気ガス出口面と向かい合った面における端面に配置され、特に好ましくは、排気ガス入口面または排気ガス出口面によって包み込まれている。その結果、排気ガスの流れは気流調整装置によって熱交換流路に直接送り込まれるか、または熱交換流路から排気ガス流路へと送り込まれる。
特に好ましくは、排気ガス流路と熱交換流路が同じ流量分布を等しく受けるように、気流調整装置と熱交換流路との距離が十分に短く形成されている。
好ましい実施形態によれば、気流調整装置は角のない丸味のある形状の排気ガス入口面から始まり、四角形の排気ガス出口面で終わる。それにより、角のない丸味のある形状の断面から角を持った形状へ移行することができる。また、逆の移行も可能である。この場合、さらに角を取って丸くしてもよい。
好ましい実施形態によれば、排気ガス熱交換器の熱交換流路はどのような形態であってもよく、例えばディスク状のものや排気管をまとめたチューブの束などである。また、排気ガス熱交換器は排気ガスバルブを有するバイパス通路を備えてもよい。
好ましくは、気流調整装置は排気ガス熱交換器に組み込まれている。すなわち、排気ガス熱交換器の一部を形成している。したがって、この排気ガス熱交換器の組込みユニットを先に組み立て、それから排気管につなぎ込み、組立を容易にしている。好ましくは、気流調整装置は入口接続要素の内部に配置され、排気ガス熱交換器の中の既にあるスペースに収められるので、極めて短い長さにできる利点を有している。
気流調整装置は
さらに好ましい本発明の実施形態によれば、排気ガス熱交換器は、排気タービンの前方または後方でエンジンの排気管へとつながるＥＧＲ（排気ガス還流）パイプの中間に配置される。ＥＧＲパイプが排気タービンの前方または後方のどちらに位置するかによって、排気ガス熱交換器に入る排気ガスの温度が異なる。
断面における排気ガス流路の密度は、例えば１平方インチあたり１００〜６００個、好ましくは１５０〜３００個である。排気ガス流路の長さは、例えば１５〜１００ｍｍ、好ましくは１５〜８０ｍｍ、特に好ましくは３０〜４０ｍｍである。好ましくは、排気ガス流路は白金でコーティングされ、1立方フィートあたり２０〜３２０グラム、特に好ましくは、４０〜２００グラムまたは４０〜２５０グラムである。
好ましくは、排気ガス出口面は熱交換流路によって形成された熱交換器ブロックの断面積の３０〜１５０％であり、特に好ましくは８０〜１１０％である。気流調整装置の圧力損失は、好ましくは、排気ガス熱交換器全体における圧力損失の１００％未満、特に好ましくは５０％未満、さらに好ましくは３０％未満、最も好ましくは５〜２０％である。
好ましい実施形態によれば、特に、液体のクーラントが熱交換流路の周りを回る。好ましくは、排気ガス熱交換器がクーラントを流すためのジャケットを備え、好ましくはジャケットがクーラントのための注入接続要素を有している。
好ましい変形例によれば、熱交換流路は気体のクーラント、特に冷却空気で冷却してもよい。
本発明の実施形態を図面に示し、以下により詳しく説明する。
図１に、熱交換器ブロック１２０、例えばパイプの束に組み合わされた熱交換流路（詳細に示されていない）を有する排気ガス熱交換器１１０を示す。熱交換流路は流入側から始まって分配室１３０につながり、分配室１３０には、平面状の排気ガス入口面１５０と、排気ガス入口面１５０に平行な平面状の排気ガス出口面１６０とを有する気流調整装置１４０が設けられている。分配室１３０は、例えば熱交換器ブロック１２０に溶接または、はんだ付けされている。
複数の排気ガス流路１７０が排気ガス入口面１５０から排気ガス出口面１６０に延びている。複数の排気ガス流路１７０は、図１の左側から排気ガス熱交換器１１０に入ってくる排気ガスの断面積が気流調整装置１４０によって増大するように、それぞれ互いに傾いており、これによって、排気ガスの流れがさらに都合よく均等化されて速度変動がなくなる。
排気ガス入口面１５０と排気ガス出口面１６０は角のない丸味のある形状である。熱交換器ブロック１２０の断面が角を持った形状であるとき、分配室１３０に角のない丸味のある形状の断面から角を持った形状の断面への移行領域１８０が必要となるので、排気ガス出口面１６０と熱交換器ブロック１２０の間には最低限の距離が必要となる。
図２に、熱交換器ブロック２２０、例えばパイプの束に組み合わせられた熱交換流路（詳細に示されていない）を有する排気ガス熱交換器２１０を示す。熱交換流路は流入側から始まって分配室２３０につながり、分配室２３０には、平面状の排気ガス入口面２５０と、排気ガス入口面２５０に平行な平面状の排気ガス出口面２６０とを有する気流調整装置２４０が設けられている。分配室２３０は、例えばその下流の熱交換器ブロック２２０に溶接または、はんだ付けされている。
複数の排気ガス流路２７０が排気ガス入口面２５０から排気ガス出口面２６０に延びている。複数の排気ガス流路２７０は部分的に曲線や直線形状であり、図２の左側から排気ガス熱交換器２１０に入ってくる排気ガスの断面積が気流調整装置２４０によって増大するように、それぞれ互いに傾いており、これによって、排気ガスの流れがさらに都合よく均等化されて速度変動がなくなる。
排気ガス入口面２５０は角のない丸味のある形状であり、排気ガス出口面２６０は熱交換器ブロック２２０の断面、つまり熱交換流路の断面を包み込むために、例えば、角を持った形状である。そのため、気流調整装置は角のない丸味のある形状の断面から角を持った形状の断面へと移行するので、排気ガス出口面２６０と熱交換器ブロック２２０との距離は極めて短くすることができる。
図３に、熱交換器ブロック３２０、例えばパイプの束に組み合わせられた熱交換流路（詳細は示されていない）を有する排気ガス熱交換器３１０を示す。熱交換流路は流入側から始まって分配室３３０につながり、分配室３３０には、平面状の排気ガス入口面３５０と、排気ガス入口面３５０に対して傾いた平面状の排気ガス出口面３６０とを有する気流調整装置３４０が設けられている。分配室３３０は、例えば熱交換器ブロック３２０に溶接または、はんだ付けされている。
複数の排気ガス流路３７０が排気ガス入口面３５０から排気ガス出口面３６０に延びている。排気ガス流路３７０は曲線形状であり、図３の下方から排気ガス熱交換器３１０に入ってきた排気ガスの流れの断面積が気流調整装置３４０によって増大され、排気ガスの流れはさらに都合よく均等化されて速度変動がなくなる。その上に、気流調整装置３４０は排気ガスの流れを偏向させる。
図４に、熱交換器ブロック４２０、例えばパイプの束に組み合わせられた熱交換流路（詳細に示されていない）を有する排気ガス熱交換器４１０を示す。熱交換流路は流入側から始まって分配室４３０につながり、分配室４３０には、平面状の排気ガス入口面４５０と、排気ガス入口面４５０に対して傾いた平面状の排気ガス出口面４６０とを有する気流調整装置４４０が設けられている。分配室４３０は、例えば熱交換器ブロック４２０に溶接または、はんだ付けされている。
複数の排気ガス流路４７０が排気ガス入口面４５０から排気ガス出口面４６０に延びている。排気ガス流路４７０は、互いに平行であるが、排気ガス入口面４５０と排気ガス出口面４６０とに直交する面に対し傾いているので、図４の下方から排気ガス熱交換器４１０に入る排気ガスの流れに直交する通路面積が気流調整装置４４０によって偏向され、その際に、排気ガス入口面４５０に傾いて入ってくる排気ガスの流れに直交する通路面積が、排気ガス出口面４６０に向かって増大するので、排気ガスの流れが都合よく均等化されて速度変動がなくなる。
図５に、熱交換器ブロック５２０、例えばパイプの束に組み合わされた熱交換流路（詳細に示されていない）を有する排気ガス熱交換器５１０を示す。熱交換流路は流入側から始まって分配室５３０につながり、分配室５３０には、円筒形の排気ガス入口面５５０と、円筒形の排気ガス入口面５５０と同心の円筒形排気ガス出口面５６０とを有する気流調整装置５４０が設けられている。
複数の排気ガス流路５７０が排気ガス入口面５５０から排気ガス出口面５６０に向かって径方向内側へ延びている。このため、排気ガス流路５７０は、互いに傾いているが、排気ガス入口面５５０と排気ガス出口面５６０とに直交する面に対して平行である。つまり、排気ガス流路５７０は排気ガス入口面５５０および排気ガス出口面５６０に対して垂直になっている。排気ガスが排気ガス入口面５５０でできるだけ変動を起こさないように、図５の下方から排気ガス熱交換器５１０に入ってきた排気ガスを気流調整装置５４０に送る環状の通路５９０が排気ガス入口面５５０を囲んでいる。気流調整装置５４０の内部、つまり排気ガス出口面５６０によって形成された円筒の内部では、排気ガスが収集されて熱交換器ブロック５２０の熱交換流路に送られる。
図６に、熱交換器ブロック６２０、例えばパイプの束に組み合わせられた熱交換流路（詳細に示されていない）を有する排気ガス熱交換器６１０を示す。熱交換流路は流入側から始まって分配室６３０につながり、分配室６３０には、円筒形の排気ガス入口面６５０と、この円筒形の排気ガス入口面６５０と同心の円筒形の排気ガス出口面６６０とを有する気流調整装置６４０が設けられている。
複数の排気ガス流路６７０が排気ガス入口面６５０から排気ガス出口面６６０に星状の形で延びている。このため、排気ガス流路６７０は互いに傾いており、さらに排気ガス入口面６５０と排気ガス出口面６６０とに直交する面に対しても傾いている。排気ガスが排気ガス入口面６５０でできるだけ変動しないように、図６の下方から排気ガス熱交換器６１０に入ってきた排気ガスの流れを気流調整装置６４０に送る環状の通路６９０が排気ガス入口面６５０を囲んでいる。気流調整装置６４０の内部、つまり排気ガス出口面６６０によって形成された円筒の内部では、排気ガスが収集されて熱交換器ブロック６２０の熱交換流路へと送られる。さらに、排気ガス流路６７０が排気ガス入口面６５０と排気ガス出口面６６０とに直交する面に対して傾いているので、排気ガスの流れの偏向が達成され、それによって、一定の状況で圧力損失の低減も達成される。
本明細書に記載されていない本発明の実施形態において、分配室はフランジ継ぎ手によって熱交換器ブロックに取り付けられる。
図７に、吸気管２２と排気管２３が組み合わせられたディーゼルエンジン２１を有する排気ガス還流システム２０の概略図を示す。吸気管２２に、排気タービン２４で駆動されるターボチャージャー２５が設けられ、吸入空気を圧縮して、ブーストインタークーラー２６に送り込む。排気タービン２４は排気管２３に設けられ、ディーゼルエンジン２１の排気ガスが送り込まれる。排気ガス還流管２８は排気ガス還流バルブ２９と排気ガス熱交換器３０を備え、分岐点２７で排気管２３につながり、接続点３１で吸気管２２とつながる。このようにして、排気ガスは冷却されて戻る。分岐点２７における排気ガスの回収は排気タービン２４よりも上流側の流路で行われる。
図７の破線で示されている排気ガス還流管３２が設けられた変形例によれば、排気ガスは排気タービン２４よりも下流側の分岐点３３から回収される。この場合の排気ガス熱交換器３０は前記の実施形態の排気熱ガス熱交換器と同じものである。さらに、排気ガス熱交換器３０は独国特許出願公開第102 03 003号明細書に記載のバイパス通路と排気ガスバイパス弁を有する排気熱ガス交換器として形成してもよい。
本発明の第１の実施形態の概略図である。 第２の実施形態の概略図である。 第３の実施形態の細部の概略図である。 第４の実施形態の細部の概略図である。 第５の実施形態の概略断面図である。 第６の実施形態の概略断面図である。 排気ガス還流システムの概略図である。
符号の説明
２３ 排気管
２８ ３２ 排気ガス還流管
３０ １１０ ２１０ ３１０ ４１０ ５１０ ６１０ 排気ガス熱交換器
１２０ ２２０ ３２０ ４２０ ５２０ ６２０ 熱交換ブロック
１３０ ２３０ ３３０ ４３０ ５３０ ６３０ 分配室
１４０ ２４０ ３４０ ４４０ ５４０ ６４０ 気流調整装置
１５０ ２５０ ３５０ ４５０ ５５０ ６５０ 排気ガス入口面
１６０ ２６０ ３６０ ４６０ ５６０ ６６０ 排気ガス出口面
１７０ ２７０ ３７０ ４７０ ５７０ ６７０ 排気ガス流路
５９０ ６９０ 環状の通路

Claims (19)

  1. 排気ガスが流れ込み、分配室および／または収集室へとつながる熱交換流路を有し、前記分配室および／または前記収集室に気流調整装置を有し、その気流調整装置は排気ガス入口面と排気ガス出口面および前記排気ガス入口面から前記排気ガス出口面へと延びる複数の排気ガス流路を備えた自動車の排気ガス還流のための排気ガス熱交換器において、
    （１）前記複数の排気ガス流路は互いに傾き、（２）前記排気ガス流路は前記排気ガス入口面および／または前記排気ガス出口面と直交する面に対して傾き、（３）前記排気ガス入口面と直交する面と前記排気ガス出口面とが互いに傾いている、以上３つの条件（１） 〜（３）の少なくとも一つを備えていることを特徴とする排気ガス熱交換器。
  2. 請求項１において、前記気流調整装置が触媒コンバータ、特に酸化触媒またはディーゼル酸化触媒であることを特徴とする排気ガス熱交換器。
  3. 請求項１または２において、前記排気ガス流路、前記排気ガス入口面と直交する面および／または前記排気ガス出口面と直交する面は、前記熱交換流路のガスの主な流れの方向に対して傾いていることを特徴とする排気ガス熱交換器。
  4. 請求項１〜３のいずれか一項において、前記熱交換流路が、互いに完全に分離していることを特徴とする排気ガス熱交換器。
  5. 請求項１〜４のいずれか一項において、前記排気ガス流路が互いの開口で連通していることを特徴とする排気ガス熱交換器。
  6. 請求項１〜５のいずれか一項において、前記排気ガス出口面が前記排気ガス入口面と同じ大きさであることを特徴とする排気ガス熱交換器。
  7. 請求項１〜６のいずれか一項において、前記排気ガス出口面が前記排気ガス入口面よりも小さい、または大きいことを特徴とする排気ガス熱交換器。
  8. 請求項１〜７のいずれか一項において、前記排気ガス出口面または前記排気ガス入口面が、前記熱交換流路に対向しており、特に、出口側または入口側の全ての熱交換流路を包み込んでいることを特徴とする排気ガス熱交換器。
  9. 請求項１〜８のいずれか一項において、前記排気ガス入口面または前記排気ガス出口面と、前記熱交換流路との間の距離が１５ｍｍ未満、好ましくは１０ｍｍ未満、特に好ましくは５ｍｍ未満であることを特徴とする排気ガス熱交換器。
  10. 請求項１〜９のいずれか一項において、前記排気ガス流路が直線形状であることを特徴とする排気熱ガス交換器。
  11. 請求項１〜１０のいずれか一項において、前記排気ガス流路が曲線形状であることを特徴とする排気熱ガス交換器。
  12. 請求項１〜１１のいずれか一項において、前記排気ガス入口面および／または前記排気ガス出口面は角のない丸みのある形状、特に円形であることを特徴とする排気ガス熱交換器。
  13. 請求項１〜１１のいずれか一項において、前記排気ガス入口面および／または前記排気ガス出口面が角を持った形状であり、特に四角形または長方形であることを特徴とする排気ガス熱交換器。
  14. 請求項１〜１１のいずれか一項において、前記排気ガス入口面および／または前記排気ガス出口面が曲線形状、特に円筒形であることを特徴とする排気ガス熱交換器。
  15. 請求項１〜１４のいずれか一項において、前記排気ガス入口面または前記排気ガス出口面は排気ガスのための環状の通路に囲まれていることを特徴とする排気ガス熱交換器。
  16. 請求項１〜１５のいずれか一項において、前記分配室および／または前記収集室がディフューザーとして形成され、特に前記ディフューザーの断面を前記気流調整装置が占めていることを特徴とする排気ガス熱交換器。
  17. 請求項１〜１６のいずれか一項において、前記熱交換流路が複数のディスクによって形成されていることを特徴とする排気ガス熱交換器。
  18. 請求項１〜１７のいずれか一項において、前記熱交換流路は管底の先端を束ねた管で形成され、クーラントが流れるハウジングに囲まれていることを特徴とする排気ガス熱交換器。
  19. 請求項１〜１８のいずれか一項において、前記分配室および／または前記収集室は、排気管、特に排気ガス還流管に接続するためのフランジを備えていることを特徴とする排気ガス熱交換器。
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