(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンからの排ガスの一部であるＥＧＲガスを、チューブ（１３）内に流通させ、チューブ（１３）の外側の冷却用流体と熱交換させ、前記ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲガス冷却装置において、
前記チューブ（１３）の流体直径（Ｄ）を、通常使用状態においてチューブ（１３）内の煤が連続的に剥離されチューブ（１３）内への煤の堆積が防止される流体直径（Ｄ）以下の値にするとともに、圧力損失の増大により所定量のＥＧＲガスを流すことが困難にならない流体直径（Ｄ）以上の値にしてなり、
前記流体直径（Ｄ）の値が、νを動粘性係数、γをＥＧＲガスの比重量、ｇを重力加速度、τを剥離限界剪断応力とした時に、
Ｄ＝（０．３１６４×ν0.25×γ×Ｖ1.75／（８×ｇ×τ））(1/0.25)
となる式に、
τ＝０．０２７Ｖ−０．５００(但し、Ｖは少なくとも４０ｍ／ｓから８０ｍ／ｓの間のＥＧＲガスの流速)
の値を代入して求められた値の最小値以下の値とされていることを特徴とするＥＧＲガス冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気系からＥＧＲ管路を介して吸気マニホールドに再循環されるＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲガス冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、自動車のエンジンでは、排ガス中における窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減させるために、排ガスの一部を排気系から取り出し、混合気に加えるＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation：排気再循環）が行われている。このようなＥＧＲを行うためのＥＧＲ装置は、排気系からの排ガスの一部をＥＧＲガスとして燃焼室に吸入される混合気に再循環させるように構成されている。
【０００３】
そして、このようなＥＧＲ装置では、ＥＧＲガスが混合気と共に燃焼室に取り込まれるため、ＥＧＲガスの温度を適度な温度に維持する必要がある。
すなわち、ＥＧＲガスは、本来高温であるが、このＥＧＲガスの温度が高すぎると、混合気が加熱されて熱膨張することにより空気の充填効率が悪くなり、混合気の燃焼率が悪化してエンジンの出力低下を招くおそれがある。
【０００４】
一方、ＥＧＲガスの温度が低すぎると、ＥＧＲガス中のタール等の付着物質の粘度が増加して、付着物質がＥＧＲ通路，ＥＧＲ弁等に付着し易くなり、装置の信頼性を低下させるおそれがある。
【０００５】
従来、このようなＥＧＲガスを冷却するＥＧＲガス冷却装置として、例えば、特開平１１−１０８５７８号公報に開示されるものが知られている。
図７は、この公報に開示されるＥＧＲガス冷却装置を示すもので、この冷却装置では、シェル１の軸長方向に、多数のチューブ２が配置され、チューブ２の両端がエンドプレート３に支持されている。
【０００６】
そして、エンドプレート３とチューブ２によりコア部Ｃが構成されている。
シェル１の外周には、冷却水の入口パイプ４および出口パイプ５が開口されている。
また、シェル１の上端には、ＥＧＲガスが流入される流入側ヘッダー部６が形成され、下端には、ＥＧＲガスが流出される流出側ヘッダー部７が形成されている。
【０００７】
そして、シェル１内に、チューブ２が挿通される支持板８が配置されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来のＥＧＲガス冷却装置では、チューブ２の内面に、ＥＧＲガス中に混入している煤が付着し、徐々に堆積し、伝熱性能の低下および流通抵抗の増大をもたらすという問題があった。
【０００９】
本発明者は、かかる従来の問題を解決すべく鋭意研究した結果、チューブ２の内面に堆積した煤は、流体であるＥＧＲガスから受ける剪断応力がある値（以下剥離限界剪断応力）以上になると剥離し、下流に流れ去る特性を有していることを見出した。
そして、実験により、剥離限界剪断応力は、ＥＧＲガスの流速により決定され、ＥＧＲガスの流速が所定値を越えると、流速に略比例して増大することを見出した。
【００１０】
すなわち、チューブ２の内面には、チューブ２内を流通するＥＧＲガスの流速が大きくなるに従い、剥離しにくい密な状態の煤が形成され、煤の剥離限界剪断応力が増大する。
本発明は、かかる知見に基づいてなされたもので、チューブ内に煤が堆積することを従来より大幅に低減することができるＥＧＲガス冷却装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１のＥＧＲガス冷却装置は、エンジンからの排ガスの一部であるＥＧＲガスを、チューブ（１３）内に流通させ、チューブ（１３）の外側の冷却用流体と熱交換させ、前記ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲガス冷却装置において、前記チューブ（１３）の流体直径（Ｄ）を、通常使用状態においてチューブ（１３）内の煤が連続的に剥離されチューブ（１３）内への煤の堆積が防止される流体直径（Ｄ）以下の値にするとともに、圧力損失の増大により所定量のＥＧＲガスを流すことが困難にならない流体直径（Ｄ）以上の値にしてなり、前記流体直径（Ｄ）の値が、νを動粘性係数、γをＥＧＲガスの比重量、ｇを重力加速度、τを剥離限界剪断応力とした時に、Ｄ＝（０．３１６４×ν0.25×γ×Ｖ1.75／（８×ｇ×τ））(1/0.25)となる式に、τ＝０．０２７Ｖ−０．５００(但し、Ｖは少なくとも４０ｍ／ｓから８０ｍ／ｓの間のＥＧＲガスの流速)の値を代入して求められた値の最小値以下の値とされていることを特徴とする。
【００１２】
（作用）
請求項１のＥＧＲガス冷却装置では、エンジンからの排ガスの一部であるＥＧＲガスを、チューブ内に流通し、チューブの外側の冷却用流体と熱交換させることによりＥＧＲガスが冷却される。
そして、ＥＧＲガスが流通されるチューブの流体直径が、通常使用状態において、チューブ内を流れるＥＧＲガスの流速が変化した場合にも、チューブ内の煤が連続的に剥離され、チューブ内への煤の堆積が防止される流体直径以下の値にされる。
【００１４】
そして、チューブの流体直径が、チューブを流れるＥＧＲガスの流通抵抗が大きくなり、圧力損失の増大により所定量のＥＧＲガスを流すことが困難にならない流体直径以上の値にされる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を図面に示す実施形態について説明する。
図１および図２は、本発明のＥＧＲガス冷却装置の一実施形態を示している。この実施形態のＥＧＲガス冷却装置では、シェル１１の軸長方向に、多数のチューブ１３が配置され、チューブ１３の両端がエンドプレート１５に支持されている。
【００１６】
そして、エンドプレート１５とチューブ１３によりコア部１７が構成されている。
シェル１１の外周には、冷却水の入口パイプ１９および出口パイプ２１が開口されている。
また、シェル１１の一端には、ＥＧＲガスが流入される流入側ヘッダー部２３が形成され、他端には、ＥＧＲガスが流出される流出側ヘッダー部２５が形成されている。
【００１７】
そして、この実施形態では、ＥＧＲガスが流通されるチューブ１３の流体直径Ｄが、３．５ｍｍ以下で１ｍｍ以上とされている。
ここで流体直径Ｄは、チューブ１３の流路断面積をＳ、流路の断面の全内周長であるぬれ縁の長さをＰとすると、
Ｄ＝４Ｓ／Ｐ・・・（１）
で表すことができる。
【００１８】
すなわち、図３の（ａ）に示すように、チューブ１３の横断面の形状が円形である場合には、その内径をＤ0とすると、Ｓがπ（Ｄ0／２）2となり、ＰがπＤ0となるため、Ｄ＝Ｄ0となり、チューブ１３の流体直径Ｄとチューブ１３の内径Ｄ0とが同じになる。
また、図３の（ｂ）に示すように、チューブ１３の横断面の形状が矩形形状である場合には、その一辺の長さをａ，ｂとすると、Ｓがａ×ｂとなり、Ｐが２（ａ＋ｂ）となるため、流体直径Ｄは、Ｄ＝４ａｂ／２（ａ＋ｂ）＝２ａｂ／（ａ＋ｂ）となる。
【００１９】
なお、この実施形態では、チューブ１３の横断面の形状が円形であるため、チューブ１３の流体直径Ｄを、チューブ１３の内径Ｄと記載して説明する。
本発明において、チューブ１３の内径Ｄを３．５ｍｍ以下の寸法にしたのは、以下のような理由による。
すなわち、チューブ１３の内面に堆積した煤は、流体であるＥＧＲガスから受ける剪断応力がある値（剥離限界剪断応力）以上になると剥離し、下流に流れ去る特性を有している。
【００２０】
そして、本発明者の実験によれば、剥離限界剪断応力は、ＥＧＲガスの流速により決定され、ＥＧＲガスの流速が所定値を越えると、流速に略比例して増大する。
すなわち、チューブ１３の内面には、チューブ１３内を流通するＥＧＲガスの流速が大きくなるに従い、剥離しにくい密な状態の煤が形成され、煤の剥離限界剪断応力が増大する。
【００２１】
図４は、本発明者の実験により求められた、チューブ１３内を流通するＥＧＲガスの流速Ｖと、剥離限界剪断応力τｃとの関係を示すもので、ＥＧＲガスの流速Ｖがある所定値を越えると、剥離限界剪断応力τｃが、ＥＧＲガスの流速Ｖに比例して直線状に増大しているのがわかる。
図５の（ａ）および（ｂ）は、この実験に使用された実験装置を示すもので、この実験装置では、銅製の半割ブロック２７の対向面には、半円状の溝２７ａが形成され、半割ブロック２７を接合することにより、ＥＧＲガスを流すための円形状のＥＧＲガス通路２７ｂが形成される。
【００２２】
また、半割ブロック２７には、冷却液を流すための冷却液孔２７ｃが形成されており、この冷却液孔２７ｃの一側に冷却液の入口パイプ２９が開口され、他側に出口パイプ３１が開口されている。
一対の半割ブロック２７の一端には、ＥＧＲガスの流入部３３が配置され、他端には、ＥＧＲガスの流出部３５が配置されている。
【００２３】
流入部３３および流出部３５には、ＥＧＲガスの温度を測定する温度センサ３７、および、圧力を測定する圧力センサ３９が配置されている。
この実験装置を使用しての実験は、入口パイプ２９から所定の温度の冷却液を供給し、一対の半割ブロック２７を冷却しながら、ＥＧＲガスを流入部３３から半割ブロック２７のＥＧＲガス通路２７ｂに流すことにより行われた。
【００２４】
また、ＥＧＲガス通路２７ｂに流れるエンジンからの排ガス量が一定になるように、排ガスのバイパス量を調整しながら所定の時間排ガスを流した後、エンジンを停止し、半割ブロック２７を分割し、半円状の溝２７ａに付着した煤４１の厚さｔを、マイクロスコープにより０．００１ｍｍの単位で計測することにより行われた。
【００２５】
そして、図４に示した剥離限界剪断応力τｃの測定は、ＥＧＲガス通路２７ｂに堆積される排ガスの煤の厚さが増減しない、目詰まりが平衡状態の時の排ガスの通気抵抗を求めることにより行われた。
すなわち、目詰まりが平衡状態の時には、排ガスがＥＧＲガス通路２７ｂの内面に及ぼす壁面剪断応力と、煤を剥離する剥離限界剪断応力τｃとが釣り合っている状態と考えられ、この時の壁面剪断応力を求めることにより剥離限界剪断応力τｃを求めることが可能になる。
【００２６】
そして、この時の壁面剪断応力は、目詰まりが平衡状態の時の排ガスの通気抵抗を求めることにより可能になる。
そして、この通気抵抗の値は、図５に示した実験装置において、流入部３３に配置される圧力センサ３９と、流出部３５に配置される圧力センサ３９との差圧ΔＰを測定することにより可能である。
【００２７】
すなわち、円形状のＥＧＲガス通路２７ｂに堆積した煤が剥離する時の力のバランスを考えると、壁面の煤は、流れる排ガスにより下流方向に引きずられるため、剪断応力τを受けている。
この剪断応力τは、ＥＧＲガスの粘性による摩擦剪断応力であり、剪断応力τと差圧ΔＰがバランスすることから、円形状のチューブ１３の内径をＤ、その全長をＬとすると下記の（２）の式が成立する。
【００２８】
τ×π×Ｄ×Ｌ＝ΔＰ×π×（Ｄ／２）2・・・（２）
この式を整理すると、下記の（３）の式を得ることができる。
τ＝ΔＰ×Ｄ／４Ｌ・・・（３）
従って、目詰まりが平衡状態の時の差圧ΔＰを測定し、この値を式（３）に代入することにより、図４に示した剥離限界剪断応力τｃを求めることができる。
【００２９】
そして、図４に示した直線は、横軸をｘ、縦軸をｙとすると、
ｙ＝０．０２７ｘ−０．５００・・・（４）
のような関数で表すことができる。
このように、目詰まりが平衡状態にある時の剥離限界剪断応力τｃが式（４）のように表されると、目詰まりが平衡状態になるようなＥＧＲガスの流速Ｖとチューブ１３の目詰まり内径Ｄとの関係を求めることができる。
【００３０】
すなわち、剥離限界剪断応力τｃは、式（４）から、
τｃ＝０．０２７Ｖ−０．５００・・・（５）
となる。
一方、ＥＧＲガスによりチューブ１３の内面に作用する壁面剪断応力は、以下のようにして計算で求めることができる。
【００３１】
すなわち、チューブ１３の内面の管摩擦係数をｆ、ＥＧＲガスの比重量をγ、ＥＧＲガスの流速をＶとすると下記の式（６）が成立する。
ΔＰ＝ｆ×（Ｌ／Ｄ）×（γ／２ｇ）×Ｖ2・・・（６）
さらに、乱流では、ブラジウスの式により、レイノルズ数Ｒｅ>２４００で下記の式（７）が成立する
ｆ＝０．３１６４×Ｒｅ-0.25・・・（７）
また、動粘性係数をνとすると、下記の式（８）が成立する。
【００３２】
Ｒｅ＝Ｖ×Ｄ／ν・・・（８）
従って、上記式（２）に、式（６），（７）および（８）を代入して整理すると下記の式（９）が求められる。
τ＝（０．３１６４／８）×（ν0.25×γ×Ｖ1.75）／（Ｄ0.25×ｇ）・・・（９）
この式（９）を変形してチューブ１３の内径Ｄを求めると、以下の式（１０）となる。
【００３３】
Ｄ＝（０．３１６４×ν0.25×γ×Ｖ1.75／（８×ｇ×τ））(1/0.25)・・・（１０）
そして、この式（１０）のτに、式（５）のτｃを代入することにより、目詰まりが平衡状態になるようなＥＧＲガスの流速Ｖとチューブ１３の目詰まり内径Ｄとの関係を求めることができる。
【００３４】
図６は、このようにして求められた、目詰まりが平衡状態になるようなＥＧＲガスの流速Ｖとチューブ１３の目詰まり内径Ｄとの関係を示すグラフであり、横軸には、ＥＧＲガスの流速Ｖが、縦軸には、チューブ１３の目詰まり内径Ｄがとられている。
曲線（ａ）は、流入側ヘッダー部２３におけるＥＧＲガスの温度が２００℃の場合を、曲線（ｂ）は３００℃の場合を、曲線（ｃ）は４００℃の場合を示している。
【００３５】
すなわち、ＥＧＲガスの温度が２００℃の場合には、曲線（ａ）の下側の領域（チューブ１３の目詰まり内径Ｄが小さくなる領域）が、チューブ１３の内面から煤が常に剥離し、煤の堆積の成長が無い領域となる。
同様にして、ＥＧＲガスの温度が３００℃の場合には、曲線（ｂ）の下側の領域が煤の堆積が無い領域となり、ＥＧＲガスの温度が４００℃の場合には、曲線（ｃ）の下側の領域が煤の堆積が無い領域となる。
【００３６】
そして、ＥＧＲガス冷却装置の通常使用状態では、流入側ヘッダー部２３に流入するＥＧＲガスの温度が２００℃程度であるため、図６に直線（ｄ）で示すチューブ１３の内径Ｄが３．５ｍｍ以下の領域では、通常使用状態において煤の堆積の成長が無くなる。
すなわち、チューブ１３の内径Ｄを３．５ｍｍ以下にすることにより、通常使用状態においてチューブ１３内に煤の堆積が成長することが無くなる。
【００３７】
このように、上述したＥＧＲガス冷却装置では、ＥＧＲガスが流通されるチューブ１３の内径Ｄを、３．５ｍｍ以下にしたので、チューブ１３内に煤が堆積することを従来より大幅に低減することができる。
また、チューブ１３の内径Ｄを、１ｍｍ以上にしたので、チューブ１３を流れるＥＧＲガスの流通抵抗が大きくなり、圧力損失が極端に増大することを防止することができる。
【００３８】
なお、上述した実施形態では、断面円形状のチューブ１３に本発明を適用した例について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、例えば、断面楕円形状等のチューブ１３にも適用することができる。
【００３９】
【発明の効果】
以上述べたように、請求項１のＥＧＲガス冷却装置では、チューブ内に煤が堆積することを従来より大幅に低減することができる。
【００４０】
また、チューブを流れるＥＧＲガスの流通抵抗が大きくなり、圧力損失が極端に増大することを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＥＧＲガス冷却装置の一実施形態を縦断面で示す説明図である。
【図２】図１のＥＧＲガス冷却装置を横断面で示す説明図である。
【図３】流体直径を説明するための図である。
【図４】実験により求められたチューブ内を流通するＥＧＲガスの流速と剥離限界剪断応力との関係を示す説明図である。
【図５】図４の実験に使用された実験装置を示す説明図である。
【図６】目詰まりが平衡状態になるようなＥＧＲガスの流速Ｖとチューブの内径Ｄとの関係を示す説明図である。
【図７】従来のＥＧＲガス冷却装置を示す説明図である。
【符号の説明】
１３  チューブ
Ｄ  内径（流体直径）
【図１】
0004268740.tif 000002
【図２】
0004268740.tif 000003
【図３】
0004268740.tif 000004
【図４】
0004268740.tif 000005
【図５】
0004268740.tif 000006
【図６】
0004268740.tif 000007
【図７】
0004268740.tif 000008