JP5014032B2 - 内燃機関における還流排気ガスの冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は，内燃機関において，その排気ガスの一部を吸気系に還流する場合に，この還流排気ガスを冷却するための装置に関するものである。

最近の内燃機関においては，排気ガスのクリーン化等を図るために，排気ガスの一部を吸気系に還流することが行われているが，この排気ガスの還流（ＥＧＲ）に際しては，吸気系に還流する排気ガスを，冷却して温度を低くすることが好ましい場合がある。

そこで，先行技術としての特許文献１には，以下に述べるように構成した冷却装置を提案している。

この冷却装置は，チャンバーの内部には，縦方向に延びる伝熱管の複数を配設し，前記チャンバーの上面には，前記各伝熱管のうち一部の伝熱管への排気ガスの入口室と前記各伝熱管のうち残りの伝熱管からの排気ガスに対する出口室とを備えた頂部ヘッダーを，前記チャンバーの下面には，前記各伝熱管の全てが開口する下部ヘッダーを各々設けて，内燃機関からの排気ガスを，前記頂部ヘッダーにおける入口室から前記半分の伝熱管を通って下部ヘッダーに導き，次いで，この下部ヘッダーから前記残り半分の伝熱管内を通って頂部ヘッダーにおける出口室を導き，この出口室から吸気系に出て行くように構成し，この排気ガスを，前記チャンバー内のうち前記各伝熱管の外側の部分を流れる冷却水にて冷却するように構成する一方，前記頂部チャンバーのうち前記入口室と出口室との間の部分に，還流制御弁を設けて，この還流制御弁にて，排気ガスを前記各伝熱管にて冷却する場合と冷却しない場合とに選択的に切り換え可能に構成するとともに，吸気系の排気ガス還流量の制御を行うように構成したものであった。
特開２００７−５６７６５号公報

前記先行技術における冷却装置においては，前記チャンバーの下部に冷却水入口を，前記チャンバーの上部に冷却水出口を設けるという構成にしているから，チャンバー内に冷却水と一緒に入った空気は，冷却水出口から冷却水と一緒に排出されるので，前記チャンバー内に対する空気抜きを必要としないという利点を有する。

しかし，その反面，前記チャンバーの下部に冷却水入口を，前記チャンバーの上部に冷却水出口を設けるという構成にした場合は，各伝熱管のうち頂部ヘッダーにおける入口室に隣接する入口側の部分における熱交換，及び，各伝熱管のうち頂部ヘッダーにおける出口室に隣接する出口側の部分における熱交換は，いずれも，冷却水の温度が上昇した状態での熱交換であることにより，排気ガスと冷却水との間の温度差が，入口側及び出口側の両方について低いから，冷却効率が低くて，大型化，重量及び価格のアップを招来するという問題があった。

また，前記先行技術における冷却装置においては，前記頂部チャンバーのうち前記入口室と出口室との間に部分に還流制御弁を設けているから，この還流制御弁には大きな熱負荷を受けて，その耐久性の低下を招来するという問題もあった。

本発明は，これらの問題を解消した冷却装置を提供することを技術的課題とするものである。

この技術的課題を達成するため本発明の請求項１は，
「冷却水入口と冷却水出口を備えたチャンバー内に，縦方向に延びる伝熱管の複数を配設し，前記チャンバーの上面には，前記各伝熱管のうち一部の伝熱管が開口する排気ガス入口室と前記各伝熱管のうち残りの伝熱管が開口する排気ガス出口室とを備えた頂部ヘッダーを，前記チャンバーの下面には，前記各伝熱管の全てが開口する下部ヘッダーを各々設ける一方，前記頂部ヘッダーのうち前記入口室と出口室との間の部分に還流制御弁を設けて成る還流排気ガスの冷却装置において，
前記頂部ヘッダーに，前記還流制御弁に対する冷却水ジャケットを設けて，前記チャンバー内のうち上部における冷却水の一部が前記冷却水ジャケットを経て流出するように構成し，前記チャンバーに対する冷却水入口を当該チャンバーにおける上部に設ける一方，前記チャンバーからの冷却水出口を，当該チャンバーにおける下部に設ける。」
ことを特徴としている。

また，本発明の請求項２は，
「前記請求項１の記載において，前記頂部ヘッダーを前記チャンバーに着脱可能に接合するように構成し，この頂部ヘッダーのチャンバーに対する接合と同時に，前記冷却水ジャケットが前記チャンバー内の上部に連通するように構成した。」
ことを特徴としている。

更にまた，本発明の請求項３は，
「前記請求項１又は２の記載において，前記チャンバーの上部と前記冷却水ジャケットとの連通部に，流量規制手段を設ける。」
ことを特徴としている。

請求項１に記載した構成によると，チャンバー内への冷却水は，最初に，当該チャンバー内における上部に冷却水入口より供給され，下部の冷却水出口より排出される。

また，前記チャンバー内に入った冷却水の一部は，チャンバーの上部から還流制御弁に対する冷却水ジャケットに流入し，この冷却水ジャケットから排出される。

一方，前記還流制御弁を全開にしているとき，内燃機関における排気系からの排気ガスは，頂部ヘッダーの入口室内に入り，各伝熱管内に流れることなく，そのまま還流制御弁を通過して出口室に至り，この出口室から内燃機関に対する吸気系に還流される。

そして，前記還流制御弁を閉じた状態にするとき，頂部ヘッダーの入口室内に入った排気ガスは，各伝熱管のうち一部の伝熱管を通って下部ヘッダーに向かうように流れ，この下部ヘッダーから前記各伝熱管のうち残りの伝熱管を通って頂部ヘッダーの出口室に向かうように流れるとき，チャンバー内の冷却水との熱交換にて冷却され，温度が低くなった状態で出口室から内燃機関に対する吸気系に還流される。

この場合，各伝熱管のうち頂部ヘッダーにおける入口室に隣接する入口側の部分における熱交換，及び，各伝熱管のうち頂部ヘッダーにおける出口室に隣接する出口側の部分における熱交換は，いずれも，冷却水の温度が最も低い状態のときにおいて行われるから，排気ガスと冷却水との間の温度差を，入口側及び出口側の両方について，チャンバーに対する冷却水を，先行技術のように下部から供給して上部より流出するように構成した場合よりも，高くすることができる。

一方，前記チャンバー内に供給された冷却水の一部は，チャンバーの上部から還流制御弁に対する冷却水ジャケットを通り，還流制御弁を冷却したのち排出されるが，前記チャンバー内の上部に溜まる空気は，当該チャンバー内の上部から冷却水ジャケットに流れる冷却水と一緒に冷却水ジャケットに流出したのち排出される。

従って，本発明によると，排気ガスにおける入口側及び出口側と冷却水との間の温度差が高くて冷却効率を向上できるものでありながら，チャンバー内の空気抜きを還流制御弁を水冷却することを利用して確実に実行することができるから，小型化，重量及び価格の低減を達成できるとともに，還流制御弁の耐久性の向上を図ることができる。

また，請求項２に記載した構成によると，チャンバーに対して頂部ヘッダーを接合すると同時に，前記頂部ヘッダーにおける冷却水ジャケットを，前記チャンバーの上部に連通することができるから，その相互間の連通路をチャンバーの外側に設ける場合よりも，組み立て性の容易化を図ることができるとともに，更に小型・軽量を達成できる。

更にまた，請求項３に記載した構成によると，チャンバー内における空気抜きを確実に行いながら，前記還流制御弁の冷却が過度になることを回避できるから，還流排気ガスを的確に冷却できる。

以下，本発明の実施の形態を，図１及び図２に示す実施の形態について説明する。

この図において，符号１は，密閉構造にしたチャンバーを示し，このチャンバー１の内部には，縦方向に延びる伝熱管２の複数本が配設されている。

前記チャンバー１の上面には，頂部ヘッダー３が着脱可能に接合され，この頂部ヘッダー３には，その内部を，前記各伝熱管２のうち半数の伝熱管が開口する入口室４と，前記各伝熱管２のうち残り半数の伝熱管が開口する出口室５とに区画するための隔壁６が設けられている。

前記排気ガス入口室４には，内燃機関における排気系からの排気ガスの入口７が，前記出口室５には，内燃機関における吸気系への排気ガスの出口８が各々設けられている。

また，前記チャンバー１の下面には，下部ヘッダー９を着脱可能に接合して，この下部ヘッダー９の内部に，前記各伝熱管２の全てが開口するように構成している。

前記頂部ヘッダー３における隔壁６には，前記入口室４と出口室５とを連通する通路１１，この通路１１を開閉する板弁体１２及びこの板弁体１２を開閉作動するアクチェータ（図示せず）等で構成される還流制御弁１０が設けられていることに加えて，この還流制御弁１０に対する冷却水ジャケット１３が設けられている。

そして，前記チャンバー１には，その上部に当該チャンバー１内への冷却水入口１４が，その下部に当該チャンバー１内からの冷却水出口１５が各々設けられている。

更に，前記還流制御弁１０における冷却水ジャケット１３の一端部は，前記チャンバー１内の上部に連通され，前記冷却水ジャケット１３の他端部には出口管１６が設けられている。

この構成において，チャンバー１内への冷却水は，最初に，当該チャンバー１内における上部に冷却水入口１４より供給され，チャンバー１内を下向きに流れ，下部の冷却水出口１５より排出される。

また，前記チャンバー１内に入った冷却水の一部は，当該チャンバー１の上部から還流制御弁１０に対する冷却水ジャケット１３に流入し，この冷却水ジャケット１３から排出される。

このとき，前記チャンバー１内の上部に溜まる空気は，当該チャンバー１内の上部から前記冷却水ジャケット１３に流れる冷却水と一緒に前記冷却水ジャケット１３に流出したのち排出される。

前記還流制御弁１０を全開にしているとき，図示しない内燃機関における排気系からの排気ガスは，頂部ヘッダー３の入口室４内に入り，前記各伝熱管２内に流れることなく，そのまま還流制御弁１０を通過して出口室５に至り，この出口室５から内燃機関に対する吸気系に還流される。

前記還流制御弁１０を閉じた状態にするとき，頂部ヘッダー３の入口室４内に入った排気ガスは，各伝熱管２のうち半分（一部）の伝熱管を通って下部ヘッダー９に向かうように流れ，この下部ヘッダー９から前記各伝熱管２のうち残り半分の伝熱管を通って頂部ヘッダー３の出口室５に向かうように流れるとき，チャンバー１内の冷却水との熱交換にて冷却され，出口室５から内燃機関に対する吸気系に還流される一方，前記チャンバー１の下部における冷却水出口１５からは，前記排気ガスの熱交換にて温度が上昇した冷却水が排出される。

前記した各伝熱管２のうち頂部ヘッダー３における入口室４に隣接する入口側の部分における熱交換，及び，各伝熱管２のうち頂部ヘッダー３における出口室５に隣接する出口側の部分における熱交換は，いずれも，冷却水の温度が最も低い状態のときにおいて行われるから，排気ガスと冷却水との間の温度差を，入口側及び出口側の両方について，チャンバー１に対する冷却水を，先行技術のように下部から供給して上部より流出するように構成した場合よりも，高くすることができる。

ところで，前記還流制御弁１０における冷却水ジャケット１３の一端部を前記チャンバー１内の上部に連通するという構成にするには，図２に二点鎖線で示すように，その間をチャンバーの外側に配設した連通路１７を介して接続するという構成にしても良いが，これに代えて，図面に実線で示した構成にすることもできる。

すなわち，前記頂部ヘッダー３における隔壁６に，前記冷却水ジャケット１３の一端部に対する連通路１８を，当該連通路１８が頂部ヘッダー３の下面に開口するように設け，この連通路１８を，前記頂部ヘッダー３をチャンバー１の上面に対して接合するとき同時に，前記チャンバー１の上面に開口した空気抜き孔１９に連通するというように，頂部ヘッダー３のチャンバー１に対する接合と同時に冷却水ジャケット１３が前記チャンバー１内の上部に連通する構成にしたものであり，これにより，連通路をチャンバー１の外側に設ける場合よりも，組み立て性の容易化を図ることができるとともに，更に小型・軽量を達成できる。

更に，前記連通路１７，１８には，図示しないが，前記冷却水ジャケット１３への冷却水の流量を規制するための手段，例えば流量規制用のオリフィス又はバルブが設けられていることはいうまでもなく，また，これらの流量規制手段は，前記空気抜き孔１９（この空気抜き孔１９は，前記チャンバー１と前記冷却水ジャケット１３との連通路の一部を構成している）に設けるか，前記空気抜き孔１９を流量規制用のオリフィスに構成することもできる。

このような流量規制手段を設けることにより，チャンバー１内における空気抜きを確実に行いながら，前記還流制御弁１０の冷却が過度になることを回避できるから，還流排気ガスを的確に冷却できる。

本発明の実施の形態を示す縦断正面図である。 図１のII−II視断面図である。

符号の説明

１ チャンバー
２ 伝熱管
３ 頂部ヘッダー
４ 排気ガス入口室
５ 排気ガス出口室
６ 隔壁
７ 排気ガス入口
８ 排気ガス出口
９ 下部ヘッダー
１０ 還流制御弁
１３ 冷却水ジャケット
１４ 冷却水入口
１５ 冷却水出口
１７，１８ 連通路

Claims (3)

1. 冷却水入口と冷却水出口を備えたチャンバー内に，縦方向に延びる伝熱管の複数を配設し，前記チャンバーの上面には，前記各伝熱管のうち一部の伝熱管が開口する排気ガス入口室と前記各伝熱管のうち残りの伝熱管が開口する排気ガス出口室とを備えた頂部ヘッダーを，前記チャンバーの下面には，前記各伝熱管の全てが開口する下部ヘッダーを各々設ける一方，前記頂部ヘッダーのうち前記入口室と出口室との間の部分に還流制御弁を設けて成る還流排気ガスの冷却装置において，
   前記頂部ヘッダーに，前記還流制御弁に対する冷却水ジャケットを設けて，前記チャンバー内のうち上部における冷却水の一部が前記冷却水ジャケットを経て流出するように構成し，前記チャンバーに対する冷却水入口を当該チャンバーにおける上部に設ける一方，前記チャンバーからの冷却水出口を，当該チャンバーにおける下部に設けることを特徴とする内燃機関における還流排気ガスの冷却装置。
2. 前記請求項１の記載において，前記頂部ヘッダーを前記チャンバーに着脱可能に接合するように構成し，この頂部ヘッダーのチャンバーに対する接合と同時に，前記冷却水ジャケットが前記チャンバー内の上部に連通するように構成したことを特徴とする内燃機関における還流排気ガスの冷却装置。
3. 前記請求項１又は２の記載において，前記チャンバーの上部と前記冷却水ジャケットとの連通部に，流量規制手段を設けることを特徴とする内燃機関における還流排気ガスの冷却装置。

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