(57)【要約】【課題】ＥＧＲガス中に含まれる酸性物質による腐食の問題をコストを上昇することなく解消することのできるＥＧＲクーラーを提供する。【解決手段】内燃機関の排気ガスの一部をＥＧＲガスとして還流する際、前記ＥＧＲガスを冷却媒体との熱交換により所望温度に冷却するＥＧＲクーラー１３５において、少なくとも前記冷却媒体と熱交換する部位におけるＥＧＲガス通路の内壁面に酸性物質を中和する中和剤層Ｍが、少なくともＥＧＲガスの流出側の通路内壁面に形成されている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気ガスの一部をＥＧＲガスとして還流する際、前記ＥＧＲガスを冷却媒体との熱交換により所望温度に冷却するＥＧＲクーラーにおいて、少なくとも前記冷却媒体と熱交換する部位におけるＥＧＲガス通路の内壁面に酸性物質を中和する中和剤層が、少なくともＥＧＲガスの流出側の通路内壁面に形成されていることを特徴とするＥＧＲクーラー。
【請求項２】
前記中和剤層は、前記ＥＧＲガス通路の内壁面において下方側の方が、上方側に比べて、中和剤の量又は形成面積がより大きいことを特徴とする請求項１に記載のＥＧＲクーラー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関のＥＧＲクーラーに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関のＮＯｘ排出量を低減する技術として、排気ガスの一部を吸気系に流入させて内燃機関に戻すＥＧＲ（排気ガス還流）システムが知られている。ＥＧＲシステムは、排気ガスのＮＯｘ（窒素酸化物）の発生抑制のみならず、ポンプ損失の低減、燃焼ガスの温度低下に伴う冷却液の放熱損失の低減、作動ガス量・組成の変化による比熱比の増大とこれに伴うサイクル効率の向上、などの多くの効果が得られることから注目されている。すなわち、ＥＧＲシステムは、前記したように、例えばエンジンの排気ガス中に含有される有害成分のコントロール手段などとして注目されている。ところで、この種のＥＧＲシステムにおいては、ＥＧＲガスの温度が高くなり、かつＥＧＲガス量が増大すると、その熱作用によりＥＧＲバルブの耐熱性が劣化し、早期破損を招来したりする。また、高温のＥＧＲガスによるエンジンの吸気温度の上昇に伴う充填効率の低下により燃費の低下が招来される。このため、ＥＧＲシステムにおいては、エンジンの冷却水などの冷却媒体によりＥＧＲガスの冷却が行なわれ、一般に多管式の熱交換器で構成されるＥＧＲクーラーによりＥＧＲガスが所定温度に冷却されている。
【０００３】
ところが、該ＥＧＲクーラーによって高温のＥＧＲガスが冷却されると凝縮水が生じる。この凝縮水には、燃料に含まれる硫黄分から排気ガス中に生成される亜硫酸（ＳＯ2）ガスに基づく、硫酸（Ｈ2ＳＯ4）、無水硫酸（ＳＯ3）、ＮＯｘに基づく硝酸（ＮＨＯ3）等の酸性物質が含まれており、これがそのまま内燃機関の吸気系に流入されると、シリンダボア内壁面の腐食やオイル劣化を促進するおそれがあることから、これを防止する技術として、特許文献１には、ＥＧＲクーラーによってＥＧＲガスが冷却されることで生じた凝縮水を貯留するタンクをＥＧＲ通路の途中に設けると共に、該タンクから凝縮水を外部へ排出する前に浄化剤を添加する技術が開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、吸気通路内、燃焼室内、又はＥＧＲガス通路内に硫酸を中和するための中和剤を供給する技術が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１５４７９５号公報
【特許文献２】特開平０９−３２４７０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、ＥＧＲクーラーによる凝縮水の発生は回避できないので、シリンダボア内壁面の腐食やオイル劣化を防止するために、上記特許文献１又は２に開示された技術も有効である。しかしながら、これらは、貯留タンクと浄化剤添加装置や中和剤供給装置などの付加的装置を別途必要とし、かかる装置の制御も必要になることに起因して、コストが上昇するという問題がある。また、ＥＧＲクーラー自体には凝縮水が付着した状態で残存する可能性があることから、ＥＧＲクーラーの構造部材そのものが腐食する虞があり、耐久性が劣ることになるという問題もある。
【０００７】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、ＥＧＲガス中に含まれる酸性物質による腐食の問題を、コストを上昇することなく解消することのできるＥＧＲクーラーを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係るＥＧＲクーラーは、内燃機関の排気ガスの一部をＥＧＲガスとして還流する際、前記ＥＧＲガスを冷却媒体との熱交換により所望温度に冷却するＥＧＲクーラーにおいて、少なくとも前記冷却媒体と熱交換する部位におけるＥＧＲガス通路の内壁面に酸性物質を中和する中和剤層が、少なくともＥＧＲガスの流出側の通路内壁面に形成されていることを特徴とする。
【０００９】
ここで、前記中和剤層は、前記ＥＧＲガス通路の内壁面において下方側の方が、上方側に比べて、中和剤の量又は形成面積がより大きいことが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
上記本発明の一形態に係るＥＧＲクーラーの構成によれば、少なくとも冷却媒体と熱交換する部位におけるＥＧＲガス通路の内壁面において、ＥＧＲガスが冷却されて凝縮水が生じ、この凝縮水に酸性物質が含まれていたとしても、この酸性物質はＥＧＲガス通路内壁面に形成されている中和剤層によって中和される。これにより、ＥＧＲガス通路の内壁面の表面のｐＨを中性近傍の値とすることができるので、ＥＧＲクーラーの構造部材そのものの腐食を抑制すると共に、酸性物質を含む凝縮水の吸気系への流入が防しされ、シリンダボア内壁面の腐食やオイル劣化を防止することが可能になる。なお、少なくともＥＧＲガスの流出側の通路内壁面に中和剤層が形成されている構成により、中和効率を低下させることなく中和剤の使用量を低減できる。
【００１１】
また、前記中和剤層は、前記ＥＧＲガス通路の内壁面において下方側の方が、上方側に比べて、中和剤の量又は形成面積がより大きいこととした構成によれば、重力の影響により凝縮水が溜まりやすい下方側において中和剤層に接触する機会が増えるので、中和剤の全使用量を低減しながら中和効率を低下させることなく、酸性物質を中和することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を例示的に詳しく説明する。
【００１３】
図１は、本発明に係るＥＧＲクーラーが適用される内燃機関の排気浄化システムをその吸気系及び排気系の概略構成を含めて模式的に示す図である。ここに示す内燃機関１００は４つの気筒１０２を有する水冷式４サイクルディーゼルエンジンである。
【００１４】
内燃機関１００の気筒１０２には、図示しない吸気ポートを介して吸気マニホールド１１７が連通されている。吸気マニホールド１１７には吸気管１０３が接続されている。吸気マニホールド１１７の上流の吸気管１０３には、吸気管１０３を流れる吸気の量を調節可能なスロットル弁１０９が配置されている。スロットル弁１０９より上流の吸気管１０３には吸気を冷却するインタークーラー１０８が設けられている。インタークーラー１０８より上流の吸気管１０３には、排気のエネルギーを駆動源として作動するターボチャージャ１１３のコンプレッサ１１１が配置されている。
【００１５】
内燃機関１００の気筒１０２には、図示しない排気ポートを介して排気マニホールド１１８が連通されている。排気マニホールド１１８には排気管１０４が接続されている。排気管１０４にはターボチャージャ１１３のタービン１１２が配置されている。このターボチャージャ１１３はタービン１１２の排気流量特性を変更可能な不図示のノズルベーンを備えた可変容量型のターボチャージャである。タービン１１２より下流の排気管１０４には、排気浄化装置１１０が設けられている。排気浄化装置１１０は、排気中の粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタ（以下、フィルタ）と、該フィルタ上に担持され、排気が酸化雰囲気の時には排気中のＮＯｘを吸蔵し、排気が還元雰囲気の時には吸蔵していたＮＯｘを放出し、還元することによって排気中のＮＯｘを浄化する吸蔵還元型ＮＯｘ触媒と、を有して構成される。排気浄化装置１１０より上流の排気管１０４には、排気管１０４を流れる排気の量を調節可能な排気絞り弁１１９が配置されている。
【００１６】
また、内燃機関１００の各気筒１０２にはその燃焼室に臨む形態で燃料噴射弁１２０が配置され、これらの燃料噴射弁１２０は燃料ポンプ１２２に接続されているコモンレール１２４に接続されている。
【００１７】
さらに内燃機関１００には、排気管１０４を流れる排気の一部を吸気管１０３へ導き、気筒１０２に流入させるＥＧＲ装置１３０が備えられている。本実施形態のＥＧＲ装置１３０は、ＥＧＲ通路１３１、ＥＧＲ弁１３２及び後述する酸化触媒１３３付きのＥＧＲクーラー１３５を有して構成されている。ＥＧＲ通路１３１は、タービン１１２より上流の排気管１０４とスロットル弁１０９より下流の吸気管１０３とに接続されている。かくて、ＥＧＲ通路１３１を通過して排気の一部が吸気管１０３に導かれる。本説明では、ＥＧＲ通路１３１を経由して気筒１０２に流入する排気ガスをＥＧＲガスと称する。ＥＧＲクーラー１３５は、後述のようにＥＧＲ通路１３１を通過するＥＧＲガスを冷却する。
【００１８】
ＥＧＲ弁１３２は、ＥＧＲ通路１３１を流れる排気の量を調節可能な流量調節弁である。ＥＧＲガスの調量はＥＧＲ弁１３２の開度を変更することによって行われる。なお、ＥＧＲガスの調量は、スロットル弁１０９の開度を変更してＥＧＲ通路１３１の上流と下流との差圧を変化させることによっても行うことができる。また、ノズルベーンの開度を変更することによってもＥＧＲガスを調量することができる。
【００１９】
なお、内燃機関１００には、機関の制御を行う電子制御装置（ＥＣＵ）２００が併設されている。ＥＣＵ２００は、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、中央演算装置（ＣＰＵ）、入出力ポート、デジタルアナログコンバータ（ＤＡコンバータ）、アナログデジタルコンバータ（ＡＤコンバータ）等を双方向バスで接続した公知の構成を有するマイクロコンピュータとして構成されている。
【００２０】
ＥＣＵ２００は、内燃機関１００の運転状態や運転者による要求に応じて燃料噴射制御等のディーゼルエンジンにおいて既知の諸基本制御を行う。そのために、本実施形態における内燃機関１００には、吸気管１０３に流入する新気の流量を検出するエアフローメータ１０７、内燃機関１００の冷却水温を測定する水温センサ１１３、運転者によるアクセルペダル（図示省略）の踏み込み量（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサ１１４、内燃機関１００のクランクシャフト（図示省略）の回転位相（クランク角度）を検出するクランクポジションセンサ１１５、車速センサ１１６、その他、ディーゼルエンジンが一般的に備えているセンサ類（符号省略）が設けられている。
【００２１】
これらのセンサは途中を省略して示す電気配線を介してＥＣＵ２００に接続され、各センサからの出力信号がＥＣＵ２００に入力されるようになっている（ＥＣＵ２００に向かう黒矢印で示す）。また、ＥＣＵ２００には、スロットル弁１０９、排気絞り弁１１９、ＥＧＲ弁１３２等を駆動するための駆動装置等の機器が同じく途中を省略して示す電気配線を介して接続され、ＥＣＵ２００から出力される制御信号（各機器に向かう黒矢印で示す）に従ってこれらの機器が制御される。
【００２２】
ＥＣＵ２００は、各センサによる検出値に基づいて内燃機関１００の運転状態や運転者の要求を把握する。例えば、ＥＣＵ２００はクランクポジションセンサ１１５から入力されるクランク角度から算出する機関回転数と、アクセル開度センサ１１４から入力されるアクセル開度から算出する機関負荷とに基づいて内燃機関１００の運転状態を検出する。そして、検出した機関運転状態や運転者の要求に基づいて、燃料噴射弁１２０やＥＧＲ弁１３２等を制御し、燃料噴射量やＥＧＲガス量の制御を行う。
【００２３】
ここで、本実施の形態のＥＧＲ装置１３０における酸化触媒１３３付きのＥＧＲクーラー１３５の基本的な構造について、図２及び図３を参照して説明する。図２は酸化触媒１３３付きＥＧＲクーラー１３５の概要を示す斜視図、図３はＥＧＲクーラー１３５の概要を示す断面図である。なお、酸化触媒１３３は排気ガス中に含まれることのある未燃成分を酸化除去するためのものであり、本発明において必須のものではない。
【００２４】
図示されるように本実施形態のアキシャルフロータイプのＥＧＲクーラー１３５は、筒状の胴管１３５Ａ、胴管１３５Ａ内に上流側の支持プレート１３５Ｂu、下流側の支持プレート１３５Ｂdにより所定の間隙を持って支持・固定された複数本（例えば、４０本）の伝熱チューブ１３５Ｃ（図３には、簡明化のために１本のみ示されている）、胴管１３５Ａの上下流側にそれぞれ配設された上流側のキャップ１３５Ｄu、下流側のキャップ１３５Ｄdを備えている。そして、筒状の胴管１３５Ａの外周部には冷却水などの冷却媒体の流入口管１３５Ｅと流出口管１３５Ｆとが接続されている。かくて、上流側のキャップ１３５Ｄuの内部、複数本の伝熱チューブ１３５Ｃの内部、及び下流側のキャップ１３５Ｄdの内部にＥＧＲガス通路が形成され、複数本の伝熱チューブ１３５Ｃの外壁面が冷却水などの冷却媒体に接触し、冷却媒体との熱交換部位となる。
【００２５】
ここで、中和剤層は、好ましくは固体のアルカリ性物質からなり、このアルカリ性物質としては例えば炭酸カルシウム（ＣａＣＯ3）が用いられる。中和剤層は上述のＥＧＲクーラー１３５のＥＧＲガス通路の全内面に設けられてもよいが、部分的に設けられるのが好ましい。中和剤層を設けると、その厚さ分だけＥＧＲガス通路面積が減少するので、その通路面積減少をできるだけ少なくするためと、所望の中和効率を得つつ、コスト低減を可能とするためである。
【００２６】
そこで、本発明のＥＧＲクーラー１３５の第１実施形態では、図４に示されるように、伝熱チューブ１３５Ｃにおける、ＥＧＲガスの流出側の通路内壁面のみ、及び、下流側のキップ１３５Ｄdの内壁面に酸性物質を中和する中和剤層Ｍが形成されている。
【００２７】
また、本発明のＥＧＲクーラー１３５の第２実施形態では、図５に示されるように、伝熱チューブ１３５Ｃにおける、ＥＧＲガス通路の内壁面の下方側のみ、及び、下流側のキップ１３５Ｄｄの内壁面の下方側のみに酸性物質を中和する中和剤層Ｍが形成されている。もちろん、中和剤層Ｍは、伝熱チューブ１３５ＣにおけるＥＧＲガス通路の内壁面において下方側の方が、上方側に比べて、中和剤の量又は形成面積がより大きくなるようにしてもよい。ここで、図４及び図５において、中和剤層Ｍの厚さは理解の容易化を図るべく誇張して示されている。
【００２８】
なお、かかる中和剤層Ｍの形成方法としては例えば次のような方法がある。アルカリ性物質からなる多数の中実又は中空の粒子を対象面に分散配置し、接着剤で結合、固定させる方法がある。これにより中和剤層Ｍは多数の粒子の結合体からなる。或いは、溶液中にアルカリ性物質を分散させておいてこれを発泡状或いはムース状に対象面に塗布し、その後溶液を乾燥させることによりアルカリ性物質を対象面に固着させる方法がある。この場合、中和剤層Ｍは発泡状物質からなることとなり、ＥＧＲガスないしは凝縮水との接触面積が大きくなる。或いは、アルカリ性物質を分散させた溶液を刷毛又はスプレーにより対象面に塗布し、その後溶液を乾燥させることによりアルカリ性物質を対象面に固着させる方法がある。この場合、中和剤層Ｍは実質的に空孔を含まない単一層からなり、比較的容易に形成されることとなる。
【００２９】
上述のＥＧＲクーラー１３５、すなわち、アルカリ性物質などの中和剤層Ｍが形成された多管式のＥＧＲクーラー１３５において、上流側キャップ１３５Ｄuのガス入口より供給されたＥＧＲガスは、複数本の伝熱チューブ１３５Ｃを通過する間に、胴管１３５Ａの上流側に設けられた冷却媒体流入口１３５Ｅより導入された冷却水などの冷却媒体により冷却され、下流側キャップ１３５Ｄdのガス出口よりＥＧＲバルブ１３２に向かって流出する。他方、冷却媒体は胴管１３５Ａの下流側に設けられた冷却媒体流出口１３５Ｆより流出する。この時、伝熱チューブ１３５Ｃを下流側に流れる高温のＥＧＲガスは冷却媒体との熱交換により冷却されて低温となり、伝熱チューブ１３５Ｃの内壁面に酸性物質を含んだ凝縮水が生成される。このとき、酸性物質を含んだ凝縮水はＥＧＲガス通路を構成している伝熱チューブ１３５Ｃの通路内壁面に形成されている中和剤層Ｍにより中和される。したがって、ＥＧＲクーラー１３５の構造部材そのものである伝熱チューブ１３５Ｃの腐食が抑制されると共に、酸性物質を含む凝縮水の吸気系への流入が防止され、シリンダボア内壁面の腐食やオイル劣化を防止することが可能になる。
【００３０】
また、図４に示した、伝熱チューブ１３５Ｃにおける、ＥＧＲガスの流出側の通路内壁面、及び、下流側のキップ１３５Ｄdの内壁面に酸性物質を中和する中和剤層Ｍが形成されている第１実施形態では、凝縮水が生成され易い伝熱チューブ１３５ＣのＥＧＲガス流出側の通路内壁面において酸性物質を含んだ凝縮水が中和され、ここで十分に中和されなかった凝縮水は下流側のキップ１３５Ｄdの内壁面に形成されている中和剤層Ｍにより完全に中和される。この実施形態によれば、中和効率を低下させることなく中和剤の使用量を低減できる。
【００３１】
また、図５に示した、伝熱チューブ１３５Ｃにおける、ＥＧＲガス通路の内壁面の下方側のみ、及び、下流側のキップ１３５Ｄｄの内壁面の下方側のみに酸性物質を中和する中和剤層Ｍが形成されている第２実施形態では、凝縮水が生成されると、重力の影響により凝縮水は下方側に移動してそこに溜まりやすく、伝熱チューブ１３５Ｃの下方側の通路内壁面において酸性物質を含んだ凝縮水が中和され、ここで十分に中和されなかった凝縮水は下流側のキップ１３５Ｄdの内壁面に形成されている中和剤層Ｍにより完全に中和される。この実施形態によれば、中和剤層Ｍに接触する機会が増えるので、中和剤の全使用量を低減しながら中和効率を低下させることなく酸性物質を中和することができる。
【００３２】
なお、上述の第１及び第２の実施形態では、アキシャルフロータイプの熱交換器であるＥＧＲクーラー１３５に本発明を適用した例に付き説明したが、本発明は熱交換器のタイプについては制限されない。例えば、第３実施形態として図６に断面図で示すクロスフロータイプのＥＧＲクーラーであってもよい。このクロスフロータイプのＥＧＲクーラーにあっては、冷却水通路Ａ及びＥＧＲガス通路Ｂを交互に形成する隔壁が所定の間隔をもって積層され、ＥＧＲガス通路Ｂ内に放熱用フィンＦが設けられている。そして、ＥＧＲガス通路Ｂの下方側隔壁内面に中和剤層Ｍが形成されている。このクロスフロータイプのＥＧＲクーラーの場合、ＥＧＲガスは図６の紙面に直交する方向、冷却水などの冷却媒体は紙面に平行な方向に流れる。この実施形態においても同様に、ＥＧＲクーラーで酸性物質を含んだ凝縮水が中和される。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係るＥＧＲクーラーが適用される内燃機関の排気浄化システムを示す模式図である。
【図２】本発明に係るＥＧＲクーラーの概要を示す斜視図である。
【図３】本発明に係るＥＧＲクーラーの概要を示す断面図である。
【図４】本発明に係るＥＧＲクーラーの第１実施形態を示す断面図である。
【図５】本発明に係るＥＧＲクーラーの第２実施形態を示す断面図である。
【図６】本発明に係るＥＧＲクーラーの第３実施形態を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３４】
１００    内燃機関
１３５    ＥＧＲクーラー
１３５Ａ    胴管
１３５Ｂu    上流側の支持プレート
１３５Ｂd    下流側の支持プレート
１３５Ｃ    伝熱チューブ
１３５Ｄu    上流側のキャップ
１３５Ｄd    下流側のキャップ
１３５Ｅ    冷却媒体の流入口管
１３５Ｆ    冷却媒体の流出口管
Ａ    冷却水通路
Ｂ    ＥＧＲガス通路
Ｆ    放熱用フィン
Ｍ    中和剤層
【図１】
2010101239.tif 000003
【図２】
2010101239.tif 000004
【図３】
2010101239.tif 000005
【図４】
2010101239.tif 000006
【図５】
2010101239.tif 000007
【図６】
2010101239.tif 000008