JP5781756B2 - Ｅｇｒクーラ - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関等の燃焼装置からの排気の一部を燃焼室内に還流させて再燃焼させるＥＧＲ（排気再循環）装置において、排気の一部（ＥＧＲガス）を冷却するために利用されるＥＧＲクーラに関する。

内燃機関からの排気を浄化して大気汚染の拡大を抑制することは重要な課題であるが、このためのシステム（装置）の一つとして、内燃機関からの排気の一部を燃焼室内に還流させて再燃焼させることで燃焼温度を下げ、排気中の窒素酸化物（以下、ＮＯｘという）の濃度（排出量）を低減するための所謂ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ：排気再循環）システムが知られている。

かかるＥＧＲシステムにおいては、燃焼室内に還流させるＥＧＲガスを冷却することにより、燃焼温度を低下させることができ、これにより一層効果的にＮＯｘの排出量を低減することができる。

このようなことから、例えば、特許文献１に記載されるＥＧＲシステムでは、ＥＧＲガスを冷却するための熱交換器であるＥＧＲクーラを、ＥＧＲガスを排気通路から内燃機関の吸気通路へ導くＥＧＲ通路に介装することが行われている。

なお、ＥＧＲクーラを備えてＥＧＲガス温度を下げることによって、ＥＧＲガスの膨張も抑制されるため、吸気中に混合されるＥＧＲガス量（排気還流量）を増加させたい、すなわちＥＧＲ率（＝ＥＧＲガス量／（新気量＋ＥＧＲガス量）×１００（％））を一層稼ぎたいといった要求がある場合などにおいても有利となる。

ここで、ＥＧＲシステムにおいて利用される、多数の熱交換パイプを備えた多管式のＥＧＲクーラの構造例としては、例えば、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５に記載されているようなものがある。

特開２００６−１２５３５６号公報 特開平１１−１９３９９２号公報 特開平１１−１９３９９３号公報 特開２００７−１７０２７１号公報 特開２００７−２２５１３７号公報

ところで、多数の熱交換パイプを備えた多管式のＥＧＲクーラの構造においては、図６に示したように、断面が円筒形になるように、熱交換パイプを配設することが望ましい。

しかし、このような多管式のＥＧＲクーラにおいて冷却効率（冷却性能）を高めるために熱交換パイプの本数を増加させると、図７に示すように、サイズ（外径）が大きくなり、エンジン延いては車両への搭載性が悪化することとなるため、熱交換パイプ本数の増加にも限界がある。

なお、熱交換パイプの長手方向に略直交するＥＧＲクーラの断面形状を、図６や図７に示したような円筒形から、図５に示すように、例えば箱形（矩形等の多角形形状）にすると、熱交換パイプ本数の増加と、車両等への搭載性と、の両立を図ることが期待できるが、円筒形断面の場合に比べて、箱形断面の隅部（角部）における冷却水（冷媒）或いはＥＧＲガスの流れに淀みが生じ易いといった現象が確認された。

このような淀みの存在は、箱形断面内において局所的に熱交換効率が低下する部位を生じさせることになるため、同じ熱交換パイプの本数であっても、ＥＧＲクーラ全体として、冷却効率（冷却性能）が円筒形断面のＥＧＲクーラに比べて劣るといったことが想定される。

このため、多数の熱交換パイプを備えた多管式のＥＧＲクーラであって、熱交換パイプの長手方向に略直交する断面が箱形形状等の多角形形状を有するものにおいては、冷却対象（ＥＧＲガス）のＥＧＲクーラへの入口径との関係などを考慮しつつ、角部（隅部）における淀みを解消して、冷却効率（冷却性能）を改善することが望まれる。

なお、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５には、一部の熱交換パイプの径を他の部位の熱交換パイプの径と異ならせたり、長手方向において熱交換パイプ径に変化を持たせることで、冷媒やＥＧＲガスの流れを部分的に変化させるような試みも行われているが、熱交換パイプの長手方向に略直交する断面が箱形形状等の多角形形状を有するＥＧＲクーラの隅部における流れ（淀み）対して十分な配慮がなされていないのが実情である。

本発明は、このような実情に鑑みなされたもので、簡単かつ安価な構成でありながら、複数の熱交換パイプ（伝熱管）を備えた多管式のＥＧＲクーラであって、熱交換パイプの長手方向に略直交する断面が箱形形状等の多角形形状を有するＥＧＲクーラにおける熱交換性能を改善することができるＥＧＲクーラ構造を提供することを目的とする。

このため、本発明に係るＥＧＲクーラは、
排気の一部をＥＧＲガスとしてＥＧＲ通路を介して燃焼室に還流させるＥＧＲ装置のＥＧＲクーラであって、ＥＧＲ通路内のＥＧＲガスを複数並設される伝熱管の内側に導く一方で、伝熱管の外周側に熱媒体を導き、ＥＧＲガスと熱媒体との間で熱交換を行うものにおいて、
伝熱管の長手方向に略直交する方向におけるＥＧＲクーラの断面形状が角部を有し、前記角部付近の伝熱管の内径及び外径が、他の部位の伝熱管の内径及び外径より小さい場合に、角部付近に他の部位に比べて伝熱管が高密度に配置されることを特徴とする。

本発明において、前記角部付近は、伝熱管の長手方向から見たときに、ＥＧＲクーラへのＥＧＲガスの流入口より外側であることを特徴とすることができる。

本発明によれば、簡単かつ安価な構成でありながら、複数の熱交換パイプ（伝熱管）を備えた多管式のＥＧＲクーラであって、熱交換パイプの長手方向に略直交する断面が箱形形状等の多角形形状を有するＥＧＲクーラにおける熱交換性能を改善することができるＥＧＲクーラ構造を提供することができる。

本発明の実施の形態（実施例１）に係るＥＧＲ装置を備えた内燃機関の一構成例を概略的に示す概略全体構成図である。 同上実施の形態（実施例１）に係るＥＧＲ装置に利用されるＥＧＲクーラの構成例を説明するための伝熱管長手方向に沿った断面図である。 同上実施の形態（実施例１）に係るＥＧＲ装置に利用されるＥＧＲクーラの構成例を説明するための図１のＡ−Ａにおける断面図である。 本発明の実施の形態（実施例２）に係るＥＧＲ装置に利用されるＥＧＲクーラの構成例を説明するための図１のＡ−Ａにおける断面図である。 伝熱管長手方向に略直交する断面を箱形形状等の多角形形状としたＥＧＲクーラの隅部（角部）付近における淀みを説明するための断面図である。 従来の伝熱管長手方向に略直交する断面が円筒形であるＥＧＲクーラの構成例を示す断面図である。 従来の円筒形断面を有するＥＧＲクーラにおいて伝熱管の本数を増加させた場合の問題点について説明するための断面図である。

以下、本発明に係る一実施の形態を、添付の図面を参照しつつ説明する。なお、以下で説明する実施の形態により、本発明が限定されるものではない。

図１に示すように、本実施の形態の実施例１に係る内燃機関１においては、図示しないエアクリーナ等を介して外気（新気）が吸入されるが、該新気は吸気通路２を介して過給機３のコンプレッサ（インペラ）３Ａに導かれて所定に圧縮された後、吸気通路２に介装されるインタークーラ４を介して所定に冷却されて、燃焼室（シリンダ）５内に導かれる。

燃焼室５から排出される燃焼後のガスは、燃焼室５に臨んで開口される排気ポート（図示せず）を介して排気通路（排気マニホールド部分）６に導かれ、その後、過給機３の排気タービン３Ｂに回転エネルギを供給した後、排気通路６の下流に配設されている図示しない排気処理装置（酸化触媒、ＮＯｘ低減触媒、ディーゼルパティキュレートフィルタなど）において所定の処理を受けて浄化され、大気中に排出される。

ここで、本実施例では、燃焼後のガス（すなわち、排気）の一部を吸気（新気）と共に燃焼室５に再び導くことで、燃焼温度を低下させてＮＯｘの低減を図るためのＥＧＲ装置１００、２００が設けられている。

本実施例に係るＥＧＲ装置（システム）１００（ＨＰＬ−ＥＧＲ：Ｈｉｇｈ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｌｏｏｐ−ＥＧＲ）は、排気タービン３Ｂの上流側において排気通路（排気マニホールド部分）６に連通されるＥＧＲ通路（排気還流通路）１０１を含んで構成され、該ＥＧＲ通路１０１には当該ＥＧＲ通路１０１を流れる排気（ＥＧＲガス：還流排気）を所定に冷却するためのＥＧＲクーラ１１０が介装されている。

ＥＧＲ通路１０１と、吸気通路２と、の接続部付近には、ＥＧＲバルブ１２０が介装され、所定の運転状態において、所定に開弁されて、排気通路６を流れる排気の一部をＥＧＲガスとして、ＥＧＲクーラ１１０により冷却しつつ、内燃機関１の吸気通路２に導くようになっている。

また、本実施例に係るＥＧＲ装置（システム）２００（ＬＰＬ−ＥＧＲ：Ｌｏｗ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｌｏｏｐ−ＥＧＲ）は、排気タービン３Ｂの下流側において排気通路（排気マニホールド部分）６に連通されるＥＧＲ通路（排気還流通路）２０１を含んで構成され、該ＥＧＲ通路２０１には当該ＥＧＲ通路２０１を流れる排気（ＥＧＲガス：還流排気）を所定に冷却するためのＥＧＲクーラ２１０が介装されている。

ＥＧＲ通路２０１と、吸気通路２と、の接続部付近には、図示しない一方向弁などが介装され、排気通路６を流れる排気の一部をＥＧＲガスとして、ＥＧＲクーラ２１０により冷却しつつ、内燃機関１の吸気通路２（コンプレッサ（インペラ）３Ａの上流側）に、ＬＰＬ−ＥＧＲ用のＥＧＲバルブ２１１を介して導くようになっている。

ここで、本実施例においては、ＥＧＲクーラ１１０及びＥＧＲクーラ２１０は、熱交換器として機能するもので、細い長い管状の伝熱管（熱交換パイプ）１１１が複数並列的に設けられ、これら伝熱管１１１の内側をＥＧＲガスが流れ、伝熱管１１１の外側を例えば内燃機関１の冷却システムの熱媒体（例えば冷却水などの冷却媒体）が流れる構成となっている。

すなわち、図２に示すように、ＥＧＲクーラ１１０の容器１１２に、当該ＥＧＲクーラ１１０に内燃機関１の冷却水を供給するための供給通路１１０Ａと、当該ＥＧＲクーラ１１０から内燃機関１に冷却水をリターンするためのリターン通路１１０Ｂと、が接続され、これらを介して内燃機関１の冷却水が、図示しないウォーターポンプ等により給送されてＥＧＲクーラ１１０の容器１１２の隔壁１１２Ａと隔壁１１２Ｂの間で循環するようになっている。

そして、ＥＧＲクーラ１１０の容器１１２の隔壁１１２Ａと隔壁１１２Ｂとの間には、細い長い管状の伝熱管（熱交換パイプ）１１１が複数並設され、これら複数の伝熱管１１１は隔壁１１２Ａと隔壁１１２Ｂとの間を水密性を有して貫通してＥＧＲ通路１０１に接続されており、例えば、図２中左側からＥＧＲ通路１０１を流れるＥＧＲガスが伝熱管１１１へ流入し、図２中右側からＥＧＲ通路１０１へと流出するようになっている。

これにより、ＥＧＲガスが有する熱が伝熱管１１１に伝達される一方で、伝熱管１１１の外周側に触れている冷却水にその熱が伝達され、以ってＥＧＲガスが所定に冷却されることになる。

ここにおいて、既述したように、本発明者等は、熱交換パイプの長手方向に略直交するＥＧＲクーラの断面形状を、図６や図７に示したような円筒形から、例えば箱形（矩形等の多角形形状）に変更すると、熱交換パイプ本数の増加と、車両等への搭載性と、の両立を図ることが期待できるが、円筒形断面の場合に比べて、箱形断面の隅部（角部）における冷却水（冷媒）或いはＥＧＲガスの流れに淀みが生じ易いといった現象を確認した。

本発明者等は、種々の実験・研究等を行い、その結果、複数の熱交換パイプを備えた多管式のＥＧＲクーラであって、熱交換パイプの長手方向に略直交する断面が箱形形状等の多角形形状を有するものにおける角部（隅部）の淀みを解消することができ、以って冷却効率（冷却性能）を改善することができるＥＧＲクーラの構造を得た。

すなわち、本実施例に係るＥＧＲクーラ１１０では、図３に示したように、容器１１２に内装されている伝熱管（熱交換パイプ）１１１に関し、その長手方向に略直交する断面が箱形形状を有する容器１１２内の隅部（角部）領域（図３においてＥＧＲガスの流入口付近より外側の領域）における伝熱管１１１Ｂが、中央領域の伝熱管１１１Ａより大きな径（内径延いては外径）で形成されている。

これにより、ＥＧＲクーラ１１０の容器１１２内部におけるＥＧＲガス流れに淀みが生じ易い領域（箱形断面形状の隅部（角部）領域：図３においてＥＧＲガスの流入口付近より外側の領域）におけるガス圧力損失が低減されるため、当該領域におけるＥＧＲガス流れの淀みが解消され、隅部の伝熱管１１１における熱交換効率の低下を抑制でき、以って伝熱管１１１の長手方向に略直交する断面が箱形形状等の多角形形状を有するＥＧＲクーラ１１０における熱交換性能を改善することができる。

なお、ＥＧＲクーラ２１０も、上述したＥＧＲクーラ１１０と同様の構成とすることができる。

以上説明したように、本実施例によれば、簡単かつ安価な構成でありながら、複数の熱交換パイプ（伝熱管）を備えた多管式のＥＧＲクーラであって、熱交換パイプの長手方向に略直交する断面が箱形形状等の多角形形状を有するＥＧＲクーラにおける熱交換性能を改善することができるＥＧＲクーラ構造を提供することができる。

本実施の形態の実施例２に係るＥＧＲクーラ１１０では、図４に示したような構成を採用することができる。なお、実施例２は、実施例１と基本的な構成は共通で、ＥＧＲクーラの伝熱管の配置が異なるのみなので、共通の部分については同一符号を付して詳細な説明は省略し、異なる部分について詳述する。

本実施例に係るＥＧＲクーラ１１０は、図４に示したように、容器１１２に内装されている伝熱管（熱交換パイプ）１１１に関し、その長手方向に略直交する断面が箱形形状を有する容器１１２内の隅部（角部）領域（図４においてＥＧＲガスの流入口付近より外側の領域）における伝熱管１１１Ｃが、中央領域の伝熱管１１１Ａより小さな径（内径延いては外径）で形成されていると共に、伝熱管１１１Ｃは伝熱管１１１Ａが配設されている密度より高密度で配設されている。

これにより、ＥＧＲクーラ１１０の容器１１２内部におけるＥＧＲガスや冷却水の流れに淀みが生じ易い領域（箱形断面形状の隅部（角部）領域：図４においてＥＧＲガスの流入口付近より外側の領域）における熱交換面積を拡大することができると共に、伝熱管１１１Ｃの外径が小径化されたことで冷却水流れが改善されるため、当該領域における伝熱管１１１の熱交換効率の低下を補うことができ、以って伝熱管１１１の長手方向に略直交する断面が箱形形状等の多角形形状を有するＥＧＲクーラ１１０における熱交換性能を改善することができる。

なお、本実施例においても、ＥＧＲクーラ２１０を、上述したＥＧＲクーラ１１０と同様の構成とすることができる。

以上説明したように、本実施例においても、簡単かつ安価な構成でありながら、複数の熱交換パイプ（伝熱管）を備えた多管式のＥＧＲクーラであって、熱交換パイプの長手方向に略直交する断面が箱形形状等の多角形形状を有するＥＧＲクーラにおける熱交換性能を改善することができるＥＧＲクーラ構造を提供することができる。

ところで、本実施の形態では、ＥＧＲ装置（システム）１００（ＨＰＬ−ＥＧＲ：Ｈｉｇｈ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｌｏｏｐ−ＥＧＲ）と、ＥＧＲ装置（システム）２００（ＬＰＬ−ＥＧＲ：Ｌｏｗ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｌｏｏｐ−ＥＧＲ）と、の双方を備えて構成した場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、何れか一方を備えた場合にも適用できるものであるし、更に別のＥＧＲ装置（システム）を付加して構成した場合にも適用可能である。

また、本実施の形態では、ＥＧＲクーラ１１０やＥＧＲクーラ２１０内での熱媒体（冷却水等の冷却媒体。ただし、本発明は、場合によっては冷却媒体に代えて加熱媒体とすることもできる）の流れを、図１、図２等に示したように、伝熱管１１１内を流れるＥＧＲガスの流れ方向と同じ方向に流れる順方向流れとした場合を例示しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、ＥＧＲクーラ１１０やＥＧＲクーラ２１０内での熱媒体の流れを、伝熱管１１１内を流れるＥＧＲガスの流れ方向と対向した方向に流れる逆方向流れとして構成することができる。

また、熱交換パイプの長手方向に略直交する断面形状は、矩形や五角形や六角形の他、三角形や、２つの角部と曲線で囲まれるような形状、すなわち、少なくとも１つ以上の角部（淀みが生じ易い部位）を有する断面形状であれば、本発明は適用可能である。

本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々変更を加え得ることは勿論である。

１ 内燃機関
２ 吸気通路
５ 燃焼室
６ 排気通路
１００ ＥＧＲ装置（ＨＰＬ−ＥＧＲ）
１０１ ＥＧＲ通路
１１０ ＥＧＲクーラ
１１１ 伝熱管（熱交換パイプ）
１１１Ａ 伝熱管（熱交換パイプ）（標準サイズ）
１１１Ｂ 伝熱管（熱交換パイプ）（径拡大）
１１１Ｃ 伝熱管（熱交換パイプ）（小径及び高密度化）
１１２ 容器
１１２Ａ 隔壁
１１２Ｂ 隔壁
１２０ ＥＧＲバルブ（ＨＰＬ−ＥＧＲ用）
２００ ＥＧＲ装置（ＬＰＬ−ＥＧＲ）
２０１ ＥＧＲ通路
２１０ ＥＧＲクーラ
２１１ ＥＧＲバルブ（ＬＰＬ−ＥＧＲ用）

Claims (2)

1. 排気の一部をＥＧＲガスとしてＥＧＲ通路を介して燃焼室に還流させるＥＧＲ装置のＥＧＲクーラであって、ＥＧＲ通路内のＥＧＲガスを複数並設される伝熱管の内側に導く一方で、伝熱管の外周側に熱媒体を導き、ＥＧＲガスと熱媒体との間で熱交換を行うものにおいて、
   伝熱管の長手方向に略直交する方向におけるＥＧＲクーラの断面形状が角部を有し、前記角部付近の伝熱管の内径及び外径が、他の部位の伝熱管の内径及び外径より小さい場合に、角部付近に他の部位に比べて伝熱管が高密度に配置されることを特徴とするＥＧＲクーラ。
2. 前記角部付近は、伝熱管の長手方向から見たときに、ＥＧＲクーラへのＥＧＲガスの流入口より外側であることを特徴とする請求項１に記載のＥＧＲクーラ。
   

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