| 【発明の名称】 |
ＥＧＲクーラ |
| 【発明者】 |
【氏名】夏目 浩司
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| 【要約】 |
【課題】冷却水の沸騰を防止し、クーラの初期性能を維持すると共にガス温度・流量の制限を緩和する。
【解決手段】本発明は、入口側ガス室７のＥＧＲガスを、冷却液室８を通過する冷却管１８に導入して冷却するＥＧＲクーラ１にあって、上記入口側ガス室７のＥＧＲガスを冷却管導入前に予冷するための予冷手段２０を設けたものである。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 入口側ガス室のＥＧＲガスを、冷却液室を通過する冷却管に導入して冷却するＥＧＲクーラにあって、上記入口側ガス室のＥＧＲガスを冷却管導入前に予冷するための予冷手段を設けたことを特徴とするＥＧＲクーラ。
【請求項２】 上記予冷手段が、上記入口側ガス室のガス導入口と対向する位置に設けられる請求項１記載のＥＧＲクーラ。
【請求項３】 上記予冷手段が、冷却液が流通される冷却液配管からなる請求項１又は２記載のＥＧＲクーラ。
【請求項４】 上記冷却液配管が、上記入口側ガス室のガス流れ方向と直交する方向に延出される請求項３記載のＥＧＲクーラ。
【請求項５】 上記冷却液配管が複数並列され、これら冷却液配管に冷却液の導入又は排出を行わせるための冷却液通路が、上記入口側ガス室の外周側に設けられる請求項３又は４記載のＥＧＲクーラ。
【請求項６】 ケーシング内を仕切って入口側ガス室を区画形成し、そのケーシングを入口側ガス室の途中で分割すると共に、それら分割端部の間に入口側ガス室のＥＧＲガスを予冷するための予冷ユニットを介設したことを特徴とするＥＧＲクーラ。
【請求項７】 上記予冷ユニットが、ケーシング横断方向に延出され上記分割ケーシングに合わせ止めされる中間部材と、該中間部材に設けられて上記入口側ガス室を区画する貫通穴と、上記中間部材に形成された冷却水導入路及び冷却水導出路と、これら冷却水導入路及び冷却水導出路同士を結び且つ上記貫通穴を横断する冷却液配管とを備える請求項６記載のＥＧＲクーラ。
【請求項８】 上記冷却液配管が、上記入口側ガス室のガス導入口と対向する位置に設けられる請求項７記載のＥＧＲクーラ。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はＥＧＲクーラに係り、特に、エンジンの排ガスの一部を排気経路から取り出して再びエンジンの吸気経路に戻すＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation:排気再循環）を行う際、途中でＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】ディーゼルエンジン等の排ガス中のNOx を低減するためＥＧＲが有効であることは知られている。即ち、ＥＧＲを行うと、吸気中の酸素濃度が低下して燃焼が緩慢となり、燃焼温度の低下によりNOx の生成が抑制されると考えられるからである。
【０００３】一方、吸気にＥＧＲガスを混入させることでその分新気量が減り、スモークが悪化するという問題がある。これを解決するために、ＥＧＲ通路中にＥＧＲクーラを設け、高温のＥＧＲガスを冷却して体積を減少させることにより、新気量の増大を図り、スモークの発生を防止しようという提案がなされている（特開平6-147028号公報等参照）。
【０００４】図８はＥＧＲクーラが適用されたエンジンの構成図で、ＥＧＲクーラ５１はＥＧＲ通路をなすＥＧＲ配管５２の途中に設けられ、エンジン５３との間で冷却水配管５４を介して冷却水（冷却液）を循環させ、その冷却水を冷媒として内部でＥＧＲガスを冷却するようになっている。ＥＧＲ配管５２は、排気マニホールド５５及び排気管５６からなる排気経路から排ガスの一部（ＥＧＲガス）を取り出し、吸気マニホールド５７及び吸気管５８からなる吸気経路にそれを戻す。ＥＧＲ配管５２の途中にはＥＧＲ量を制御するための流量制御弁５９が設けられる。
【０００５】一般的なＥＧＲクーラの構成は図５、６、７に示す通りである。ＥＧＲクーラ５１は、一方向に延出して両端が絞られた筒状のケーシング６０を有し、ケーシング６０の長手方向両端には入口側フランジ６１及び出口側フランジ６２が一体的に設けられる。入口側フランジ６１及び出口側フランジ６２は、それぞれガス導入口６３及びガス導出口６４を区画して上述のＥＧＲ配管５２にそれぞれ接続される。ケーシング６０内部には長手方向（ガス流れ方向）に離間する一対のエンドプレート、即ち入口側エンドプレート６５及び出口側エンドプレート６６が設けられる。これらエンドプレート６５，６６は、ケーシング６０内部を、両端の入口側ガス室６７、出口側ガス室６８及び中央の水室６９（冷却液室）に仕切るためのものである。水室６９には、その長手方向に離間して冷却水導入口７０及び冷却水導出口７１が設けられる。これらは径方向の対向側に設けられる。
【０００６】両エンドプレート６５，６６を掛け渡して複数の直管状冷却管７２が設けられる。冷却管７２は両エンドプレート６５，６６に挿通固定され、入口側及び出口側ガス室６７，６８を連通すると共に、両エンドプレート６５，６６間で水室６９内を通過するようになっている。
【０００７】こうして、ガス導入口６３から入口側ガス室６７内に導入されたＥＧＲガスは、入口側ガス室６７内で径方向に拡散し、各冷却管７２に分配される。そして各冷却管７２を通過した後、出口側ガス室６８内で再度集合されてガス導出口６４から導出される。特に水室６９内を通過する際、冷却水との間で熱交換されて冷却される。
【０００８】冷却管７２は、冷却効率を高めるべくできるだけ薄肉（ 0.5〜1mm 程度）とされる。またＥＧＲガスが高温で硫黄分を含むことから、高温強度と耐腐食性に優れたステンレス等の材料が採用される。本クーラは複数の部品を接合して作るが、製造の簡便化のため全ての部品が炉内ロー付けにて一度に組み付けられるようになっている。このため、冷却管７２以外の部品も冷却管７２と同種の材料で形成される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】ところで、冷却液としてエンジン冷却水を使用する場合、ガスの温度・流量によっては冷却水の沸騰が生じる場合がある。沸騰が生じると冷却水内の溶解成分が冷却管の表面に付着する。これにより冷却管から冷却水への熱伝達が悪化し、初期の性能が維持できなくなる。逆にいえば、流入するガス温度・流量が沸騰を生じない範囲に制限されてしまうので、特にエンジン高負荷時に十分なＥＧＲ率が得られず、ＮＯｘの低減が十分に行えない。
【００１０】ここで、最初に沸騰が生じるのは、図５に示すように、ガス導入口６３と対向する領域Ｙ或いはその近傍領域にある入口側エンドプレート６５及び冷却管７２からである。なおこの領域Ｙは図６でガス導入口６３から見える部分に等しい。これは当該領域Ｙ及びその近傍が、ガス導入口６３から導入されたガスを最初に衝突させ、最も受熱される部分だからである。よってこの領域からの沸騰を防止することが重要である。
【００１１】また、冷却管７２の入口付近では、高温ガスからの受熱に加え、急激な断面変化の影響によりガスの速度・方向が一定でない乱流となり、活発な放熱が行われる。よってこの部分でも沸騰を生じ易く、対処が必要である。なおこの乱流領域の長さは、エンジンの回転数・負荷及びＥＧＲ率等が運転状態によって変化し、サイクル中も各気筒の排気脈動があるため、一様ではない。
【００１２】一方、冷却水導入口７０が入口側エンドプレート６５の近傍に位置して、そのプレート付近に新規な冷却水を送り、積極的な冷却を行っているものの、冷却水が上記領域Ｙに到達する前に複数の冷却管７２によって流れが阻害され、全体の流れ自体も冷却水導出口７１に向かう方向、つまり入口側エンドプレート６５から離れる方向に向いているため、上記領域Ｙ近傍では流速が遅くなる傾向にある。これも領域Ｙの近傍で沸騰が生じやすい原因の一つとなっている。
【００１３】ちなみに、上述の構造では、冷却管７２の本数を増やしたり、クーラ全長を延長するなどしてクーラ全体の放熱量を増加させても、沸騰の発生箇所即ち領域Ｙ近傍については何等改善策とならない。
【００１４】実開平７−１２７６２号には、高温媒体と低温媒体との温度差の問題を解決するため、熱交換を行う前に温度緩和流体を流通させて、温度差を縮める熱交換器が記載されている。
【００１５】しかし、この熱交換器では、温度緩和室に伝熱管が貫通されているため、温度緩和流体の流通が伝熱管によって妨げられてしまう。従って、温度緩和室の入口側の温度緩和流体の流速に対し、中間部、さらに出口側の流速が低下するため、その部分での熱交換が活発に行われないという問題が起こる。
【００１６】
【課題を解決するための手段】本発明は、入口側ガス室のＥＧＲガスを、冷却液室を通過する冷却管に導入して冷却するＥＧＲクーラにあって、上記入口側ガス室のＥＧＲガスを冷却管導入前に予冷するための予冷手段を設けたものである。
【００１７】これによれば、入口側ガス室のＥＧＲガスを予冷できるので、高温・高流量のガスが入口側ガス室に導入された場合にも沸騰を防止できる。
【００１８】ここで、上記予冷手段が、上記入口側ガス室のガス導入口と対向する位置に設けられるのが好ましい。
【００１９】また、上記予冷手段が、冷却液が流通される冷却液配管からなるのが好ましい。
【００２０】また、上記冷却液配管が、上記入口側ガス室のガス流れ方向と直交する方向に延出されるのが好ましい。
【００２１】また、上記冷却液配管が複数並列され、これら冷却液配管に冷却液の導入又は排出を行わせるための冷却液通路が、上記入口側ガス室の外周側に設けられるのが好ましい。
【００２２】また、本発明に係るＥＧＲクーラは、ケーシング内を仕切って入口側ガス室を区画形成し、そのケーシングを入口側ガス室の途中で分割すると共に、それら分割端部の間に入口側ガス室のＥＧＲガスを予冷するための予冷ユニットを介設したものである。
【００２３】ここで、上記予冷ユニットが、ケーシング横断方向に延出され上記分割ケーシングに合わせ止めされる中間部材と、この中間部材に設けられて上記入口側ガス室を区画する貫通穴と、上記中間部材に形成された冷却水導入路及び冷却水導出路と、これら冷却水導入路及び冷却水導出路同士を結び且つ上記貫通穴を横断する冷却液配管とを備えるのが好ましい。
【００２４】また、上記冷却液配管が、上記入口側ガス室のガス導入口と対向する位置に設けられるのが好ましい。
【００２５】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００２６】［第１実施形態］図１、２は第１実施形態に係るＥＧＲクーラを示す。かかるクーラは従来のクーラ（図５〜７）に対し入口側ガス室周辺の構成のみが異なる。以下、この相違部分を中心に説明を行う。
【００２７】ＥＧＲクーラ１において、そのケーシング２は、所定の一定径に形成された外筒部３と、外筒部３からガス入口側（図中左側）に向けて半球状に絞られた入口側タンク部４とを有する。ただしこの入口側タンク部４は従来より延長される。入口側タンク部４の入口端に、前述のＥＧＲ配管に接続するためのフランジ部５が設けられる。フランジ部５にはガス導入口１５と一対のボルト穴（雌ねじ穴）１７とが設けられる。外筒部３、タンク部４及びフランジ部５は同軸に配置され、ロー付けにて一体に固着される。ガス導入口１５は従来同様円形である（図６参照）。
【００２８】外筒部３とタンク部４との継ぎ目位置に、ケーシング２内を仕切るプレート、即ち入口側エンドプレート９が設けられる。これによりケーシング２内には、入口側エンドプレート９の左側に入口側ガス室７が、入口側エンドプレート９の右側且つ出口側エンドプレート（図５の６６）との間に冷却水（冷却液）を流通させるための水室８（冷却液室）が、それぞれ区画形成される。
【００２９】入口側エンドプレート９は、入口側タンク部４の内周面と外筒部３の先端面とに接合され、一体的にロー付けされている。そしてこの入口側エンドプレート９に多数の冷却管１８がロー付けにより挿通固定されている。冷却管１８は、ステンレス等の耐腐食性金属材料からなる直管であり、その厚さは均一で、しかも比較的薄肉とされる。冷却管１８は従来同様千鳥配列される（図７参照）。
【００３０】このクーラ１においても、ガス導入口１５から導入したＥＧＲガスを、入口側ガス室７で拡散させ、各冷却管１８に分配導入するようになっている。そして冷却管１８に導入されたガスは水室８を通過する際に冷却水との間で熱交換され、冷却される。
【００３１】特にここでは、入口側ガス室７に、ＥＧＲガスを冷却管導入前に予冷するための予冷手段が設けられる。ここでの予冷手段は複数（３本）の冷却水配管２０（冷却液配管）からなる。冷却水配管２０は冷却管１８同様、耐腐食性金属材料からなる比較的薄肉の直管である。冷却水配管２０は、ケーシング軸方向（主としてのガス流れ方向）と直交する平面上に、上下に延出するよう３本が平行に並列され、中間の１本はガス導入口１５に対向する位置、即ちガス導入口１５と上記領域Ｙ（図５参照）との間に設けられる。これら冷却水配管２０は、入口側タンク部４の上下に形成された孔を挿通され、一体的にロー付けされる。そして上下の端部が入口側タンク部４から若干突出される。
【００３２】これら冷却水配管２０にも水室８同様にエンジン冷却水が流通される。そこで入口側ガス室７の外周側には、冷却水配管２０に冷却水の導入又は排出を行わせるための冷却水通路２１（冷却液通路）が設けられる。冷却水通路２１は、ここでは冷却水の導入と排出とをともに行うよう入口側タンク部４の周りを１周されるが、導入又は排出の一方ずつを行わせるよう分割しても構わない。冷却水通路２１は、入口側タンク部４の外周面と、これにロー付けされた断面コ字状且つ円環状の樋状部材２２とから区画形成される。こうして冷却水通路２１が、全ての冷却水配管２０の入口と出口とに連通されるようになる。樋状部材２２の下端に入口管２３が、上端に出口管２４がロー付けされ、これら入口管２３及び出口管２４によって冷却水通路２１の入口２５及び出口２６が形成される。これら入口２５及び出口２６に、二股状の冷却水配管（図示せず）を介して、水室８と一緒に、冷却水の導入及び排出がなされる。なお６が水室８の冷却水導入口で、入口２５は冷却水導入口６の近傍に並列される。
【００３３】この構成においては、入口２５から冷却水が導入されると、その冷却水が冷却水通路２１を通じて各冷却水配管２０に分配導入され、管内では下方から上方に流れる。そして冷却水配管２０の上方の出口から出た後、冷却水通路２１を通じて出口２６から排出される。ここでは冷却水通路２１が１周されるので、冷却水配管２０を通らず入口２５から出口２６にそのまま抜け出る流れも存在する。
【００３４】さて、本クーラ１では、入口側ガス室７に予冷手段たる冷却水配管２０を設けたので、高温・高流量のガスが入口側ガス室７に導入された場合も、ガス温度を低減してから冷却管１８に導入し、或いは入口側エンドプレート９に接触させられる。これにより冷却水の沸騰を防止でき、クーラの初期性能が維持できるようになる。そしてガス温度・流量の制限を緩和でき、常に良好なエンジン性能を得られるようになる。
【００３５】特に、冷却水配管２０をガス導入口１５の対向位置に設けたので、ガス導入口１５から入ってきたガスを、入口側エンドプレート９に当てる前に冷却水配管２０に当てられる。これにより高温ガスの最適冷却が可能となると共に、入口側エンドプレート９への直接衝突を避け、ガスを分散させられるので、領域Ｙ及びその近傍の温度上昇による沸騰を効果的に防止できる。特に複数の冷却水配管２０をガス流れ方向と直交して延出させたので、入口側ガス室７のガスの流れを遮るように分散し、流速、温度分布を平均化できる。これにより局所的な沸騰を防止できる。なおこのような直交配置によりガスの接触が良好となり放熱性も高まる。
【００３６】逆に、冷却水配管２０に導入される冷却水は、その流れを阻害するような衝突部がないため、流速が低下することなく、冷却水配管２０で冷却水が沸騰することもない。
【００３７】さらに、冷却水配管２０の合計通路面積が比較的小さいので、管内の流速を高められ、管内の沸騰も防止できる。ここで冷却水配管２０の放熱面積は、冷却管１８のそれに比べれば小さいが、水温とガス温との温度差が後者の場合よりも大きいため、十分な放熱量を得ることが可能である。即ち、冷却管１８の周りで沸騰が生じない程度に、ガス温を確実に下げることができる。
【００３８】当然、冷却水配管２０の本数を増やせば放熱面積が増えるが、冷却水の流速が低下するので沸騰が生じぬよう注意が必要である。冷却水配管２０はガス流れ方向に直列的に設けることもできるし、厚肉にして伝熱を抑制する代わりに沸騰を防止することもできる。
【００３９】［第２実施形態］図３、４に示す第２実施形態は以下のように構成される。即ち、ここでは予冷手段が分割ケーシング間に挟まれた予冷ユニット３０からなっている。
【００４０】ケーシング２においては、外筒部３と入口側タンク部４とが分割され、これらが互いにボルト等で組み付けられるようになっている。よってこれを可能とすべく、外筒部３と入口側タンク部４との分割端部にはフランジ３１，３２が一体的に設けられる。これらフランジ３１，３２間に、予冷ユニット３０のプレート状中間部材３３が挟まれて合わせ止めされる。フランジ３１，３２及び中間部材３３には合わせ止めに用いるボルト挿通孔４１が４ヶ所設けられる（中間部材３３のもののみ図示）。フランジ３１，３２及び中間部材３３間にはガスケット３４が挟まれる。
【００４１】中間部材３３は、ケーシング横断方向に延出されると共に、その中央部に入口側ガス室７を区画するための貫通穴３５を有する。貫通穴３５は外筒部３及び入口側タンク部４の内径と等しい内径を有する。これによってこれら内周面が面一状となる。また中間部材３３には、その下方に冷却水導入路３６（冷却液通路）が、上方に冷却水導出路３７（冷却液通路）がそれぞれ形成される。これら導入路３６及び導出路３７は中間部材３３をドリル加工してなる穴３８，３９から形成され、その穴３８，３９の入口はプラグ４０によって閉塞されている。
【００４２】前記同様、冷却水導入路３６及び冷却水導出路３７を結ぶ３本の冷却水配管２０が設けられ、これら冷却水配管２０は貫通穴３５を上下に横断する。そして中間の冷却水配管２０がガス導入口１５に対向する位置に設けられる。冷却水導入路３６及び冷却水導出路３７には、入口管２３及び出口管２４からなる入口２５及び出口２６が形成される。
【００４３】また、中間部材３３に冷却水配管２０を取り付けるために、中間部材３３をドリル加工して穴４５，４６を形成し、その穴４５，４６と入口２５（あるいは出口２６）から冷却水配管２０を挿入して取り付ける。取り付け後、穴４５，４６は、プラグ４７によって閉塞される。
【００４４】この構成によっても前記同様の効果を果たせるが、特にここでは予冷手段が別体品としての予冷ユニット３０で、クーラ本体に任意に取り付けられる点が異なる。これによってエンジン機種毎の対応が可能になると共に、不要の場合は取り外し、フランジ３１，３２同士を直接締結して普通のクーラとして使用できる。
【００４５】また、ここでは冷却水導入路３６と冷却水導出路３７とが完全に分離されるので、冷却水配管２０をバイパスするような冷却水の流れはなく、管内の流速を上げることができる。
【００４６】本発明は上記実施形態に限られず種々の実施形態が可能である。例えば予冷手段はタンク状のものや空冷遮流板のような種々のものが考えられる。また冷却液もエンジン冷却水以外のものが可能である。冷却液配管の本数、配置も上記に限定されない。
【００４７】
【発明の効果】以上要するに本発明によれば以下の如き優れた効果が発揮される。
【００４８】（１）ＥＧＲガスを予冷でき、ガス温度を低減して冷却水の沸騰を防止できる。
【００４９】（２）クーラの初期性能を維持できるようになる。
【００５０】（３）ガス温度・流量の制限を緩和でき、良好なエンジン性能を得られる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】００００００１７０
【氏名又は名称】いすゞ自動車株式会社
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| 【出願日】 |
平成１０年（１９９８）３月３１日 |
| 【代理人】 |
【弁理士】
【氏名又は名称】絹谷 信雄
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| 【公開番号】 |
特開平１１−２８０５６４ |
| 【公開日】 |
平成１１年（１９９９）１０月１２日 |
| 【出願番号】 |
特願平１０−８６７６３ |
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