JP2019105271A - 排気ガス冷却器及び排気ガス冷却器を備えた排気ガス再循環システム - Google Patents

排気ガス冷却器及び排気ガス冷却器を備えた排気ガス再循環システム Download PDF

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Abstract

【課題】持続して安定した、少ない費用で製造可能な排気ガス冷却器を提供する。【解決手段】排気ガスが流動する排気ダクト（１６）の境界が一つ以上の壁により決まり、壁が排気ガスの流入口（１２）で排気ガスの流動方向に垂直である一つ以上の端を有し、一つ以上の排気ダクト（１６）を備えた排気ガス冷却器（１０）として、一つ以上の端がシールド（２２）により覆われて、該シールドは前記端の方向にエアーギャップの境界を決めることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、排気ガス冷却器及び排気ガス冷却器を備えた排気ガス再循環システムに関する。
内燃機関分野では、燃料消費を減らし排気ガスの排出を減少させるために排気ガスの一部を新鮮空気側に再循環させることが一般的である。再循環された排気ガスは少なくとも特定の作動状態で冷却しなければならない。
これと関連して、例えば、特許文献１には、排気ガスをハウジング内に収容された多数の排気ダクト（ｅｘｈａｕｓｔ ｄｕｃｔ）を通じて再循環することが公開されているが、この時、排気ダクトの前方の端（ｆｒｏｎｔ ｅｄｇｅ）はベースプレートと半田付けされて、結果的にハウジングと排気ダクトの間、または排気ダクトの間では、例えば、液体状態の冷却剤、特に水（ｗａｔｅｒ）／グリコール（ｇｌｙｃｏｌ）が含まれた冷却剤が流動する。
しかし、この場合、冷却器は特にガス流入側が加熱される。このような加熱は、排気ガスの進行経路より冷却器のガス流入側がはるかに高い温度を有する。これは冷却器の材料で不均一な温度分布、そしてこれと同時に応力を引き起こす。特に、内燃機関の非正常的な作動挙動により発生する（例えば、低温起動（ｃｏｌｄ ｓｔａｒｔ）、負荷変動（ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｌｏａｄ）、排気ガス再循環率（ＥＧＲ ｒａｔｅ）など）ガスだけではなく、冷却剤の温度変化は材料の厚さが相異し、これに伴い温度変化の速度も相異する場合、上記の応力を引き起こし、温度分布の不均一性を引き起こす。
ガス流入口の領域で上記のような不均一性は非常に臨界的な形態で発生するが、その理由は厚さの薄い、排気ダクトの前方の端が冷却されない高温の排気ガス質量の流れに会い、厚さの薄い壁により伝導された熱が冷却水に届いて排出されるまで時間がかかるためである。第２には、排気ダクトがこのような場合、一般的に側面ではるかに厚い壁の厚さを有するハウジングと連結されて、このため慣性が大きくなることに伴い、ハウジングの温度が変わるか、またはハウジング壁が高温の排気ガスの質量と流れ速度に直接対応しない。これは、多数の適用例をみれば、ハウジングの外部に壁が厚いフランジが位置して、このようなフランジは状況をさらに悪化させる。ハウジング及び／またはフランジの温度が同様の水準の膨脹を引き起こすのに充分な水準にまで変動されず、流入口の領域の加熱した排気ダクトが膨脹し、このような膨脹が応力を引き起こす。
上記のような応力は相対的に厚さの薄い部品で顕著であり、厚さの薄い部品は、圧縮されるか、またはウェーブが形成され、排気ダクトの前方の端で塑性変形（ｐｌａｓｔｉｃ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ）を引き起こす。冷却時には比較的厚さの薄い薄板がさらに速く冷却されるか、または部品全体が同時に冷却される。圧縮された薄板は、また元の位置に戻って膨脹される。これは排気ダクトの前方の端で引張応力を発生させる。このような交番応力及び塑性変形は排気ダクト材料の破壊につながる。また、これと関連して考慮しなければならない点は、排気ガス冷却器が使用寿命までの間、この交番応力を数十万回以上耐えなければならないということである。
さらに、流入口の領域で上記で説明した高温の熱の伝導は、このような領域での冷却剤沸騰（ｂｏｉｌｉｎｇ）を招く虞がある。
米国特許ＵＳ ８ ００２ ０２２ Ｂ２号 独国特許出願ＤＥ １０ ２０１７ ２１６ ８１９．６
上記の問題を解決するためになされた本発明の目的とするところは、持続して安定的した、少ない費用で製造可能な排気ガス冷却器を提供することにある。
上記の課題は請求項１に記述された排気ガス冷却器により解決される。
本発明の排気ガス冷却器は、排気ガスが流動する排気ダクト（ｅｘｈａｕｓｔ ｄｕｃｔ）の境界が一つ以上の壁により決まり、壁が排気ガスの流入口で流動方向に垂直である一つ以上の端を有し、一つ以上の排気ダクトを備えた排気ガス冷却器（ｅｘｈａｕｓｔ ｇａｓ ｃｏｏｌｅｒ）として、一つ以上の端がシールド（ｓｈｉｅｌｄ）により覆われて、シールドは端の方向にエアーギャップ（ａｉｒ ｇａｐ）の境界を決めることを特徴とする。
一つ以上の端を覆うシールドが排気ガスの流動方向に垂直である一つ以上の最大延長部を有し、該最大延長部は、流動方向に垂直である壁の幅、及び／又は流動方向に垂直である２つの排気ダクトの間の間隔に相応することが好ましい。
一つ以上のシールドが排気ダクトの２つの隣り合う壁にそれぞれ固定されていることがよい。
排気ガスの流れ方向に沿って設定された、一つ以上のシールドの端部がラウンド（ｒｏｕｎｄｅｄ）形態に設定されていることができる。
一つ以上のシールドが排気ガスの流動方向にその進行経路上に一つ以上の斜面及び／または階段を有することが好ましい。
一つ以上のシールドが金属（ｍｅｔａｌ）、特に鋼板（ｓｔｅｅｌ ｓｈｅｅｔ）で製造されていることがよい。
一つ以上のシールドが、一つ以上の固定ラグ（ｆａｓｔｅｎｉｎｇ ｌｕｇ）を有することがよい。
一つ以上のシールドが排気ダクトの２つの隣り合う壁にハンダ付けされているか、又は、溶接されていることができる。
本発明の排気ガス再循環システムは、上記に記載の排気ガス冷却器のいずれか一つ以上の排気ガス冷却器を備えたことを特徴とする。
本発明の排気ガス冷却器は、流入口にある一つ以上の排気ダクトの一つ以上の壁の一つ以上の端がシールド（ｓｈｉｅｌｄ）により覆われることにより、冷却剤用流動ダクトの端が高温の排気ガス流れに露出せず、これにより交番応力の発生を防止し、塑性変形及び冷却剤沸騰（ｂｏｉｌｉｎｇ）等を回避できる効果を有する。
この出願の発明は、特許文献２記載の発明で、２０１７年９月２２日に本発明の出願人が提出したドイツ特許に記載された全特徴及び様相と結合されることができる。したがって、本出願書と出願書に記載された全特徴の組合が本発明の実施形態として見なされることができる。
以下では下記の図面を基にして、本発明の実施形態についてさらに詳しく説明する。
本発明による排気ガス冷却器の部分を示した斜視図である。 本発明による排気ガス冷却器の流入口の断面図である。
本発明の排気ガス冷却器１０は、排気ガスの流入口１２にある一つ以上の排気ダクト１６の一つ以上の壁の一つ以上の端がシールド（ｓｈｉｅｌｄ）２２により覆われることで、端方向にエアーギャップ（ａｉｒ ｇａｐ）の境界が決まる。このエアーギャップは非常に小さく形成されるが、流入口方向から排気ガス冷却器１０を観察する時、端の全体幅及び／または高さにかけて延びる必要はない。かえって重要なのは、本発明によるシールド２２により、端が排気ガス冷却器１０の全体延長部にかけて高温の排気ガスの流れの中に露出せず、これにより塑性変形及び冷却剤沸騰（ｂｏｉｌｉｎｇ）を回避できる。シールド２２は蓋（ふた）または偏向装置とも呼ばれるものである。また、排気ダクト１６は排気管とも呼ばれる。
シールド２２が端を覆うことにより、排気ガスの流入口１２にある排気ダクト１６の壁の端はほとんど加熱されない。すなわち、交番応力の発生、塑性変形や冷却剤沸騰の問題が防止できる。このため、壁の端がシールド２２のない場合のように大きく膨脹せず、冷却剤も沸騰するほどには加熱されない。したがって、全体的にこのような排気ガス冷却器１０の使用寿命を延ばすことができる。
本発明の排気ダクト１６の壁にはリーブまたはピンが広範囲に提供される、これにより、排気ガス流入口１２にある排気ダクト１６の端の保護と共に、高い熱伝逹率と低い圧力損失が求められる排気ガス冷却器１０の要求特性を満たすことができる。
本発明の排気ガス冷却器１０は、一つ以上のシールド２２が設置され、シールド２２は少なくとも排気ガスの流動方向に垂直の方向に最大延長部を有し、この最大延長部は排気ダクト１６の壁の幅にまたは一般的に垂直方向に測定した時、２つの排気ダクト１６の間の間隔に相応することがよい。
２つの延長方向が設計された場合、端が完全に覆われることが好ましいが、特に幅方向に端の個別領域は露出した状態で残り得る点に留意しなければならない。
本発明によるシールド２２の装着においては、２つの排気ダクト１６の隣り合う壁に固定できることが望ましい。
圧力損失を望ましい低い水準に維持するためには、排気ガスの流れ方向に設定された一つ以上のシールドの端部がラウンド形態に設定されることが望ましい。
同様の理由から一つ以上のシールド２２は流動方向にその進行経路で少なくとも一つの斜面及び／または階段を有することがよい。
シールド２２には任意の適切な材料が使われることが好ましく、シールド２２は一つ以上の金属シールドを使用することがよい。金属はスチールが望ましく、特に材料としては比較的薄い鋼板であれば充分である。
２つの隣接した排気ダクト１６の間にある隣接した２つの壁を固定するためには、一つ以上のシールド２２が一つ以上の固定ラグ（ｆａｓｔｅｎｉｎｇ ｌｕｇ）２４で固定されることが望ましい。
特に堅固な固定は、一つ以上のシールド２２が典型的に排気ダクト１６の２つの隣り合う壁に半田付けされるか、溶接されることにより固定されることがよい。
図１は、本発明による排気ガス冷却器の部分を示した斜視図である。
実施例として図１に示した本発明の排気ガス冷却器１０は、排気ガスの流入口１２に提供されたフランジ１４を通じて装着される排気ガスの流動方向に（図１で下方に）多数の排気ダクト１６を有し、排気ダクト１６は、より良い熱伝逹のために多数の排気ダクト１６はリーブまたはピンが埋め込まれた構造である。排気ダクト１６は、流動方向に概一定の横断面を有し、壁により区切られるが、この時、壁は冷却剤用流動ダクト２０の区切りでもある。まず隣り合う壁の場合に流入口から数ミリメートルまたは数センチメートルの位置に互いに長く延びる階段１８を有する。したがって、図１の上部に示した排気ダクト１６の壁の端は排気ガスの流動方向に向かう場所に位置し、流入する高温の排気ガスにより非常に熱くなる。本発明によれば、壁の端を保護するために、複数のシールド２２が設置されるが、図１にはその中で一つだけを図示した。しかし、望ましくは全ての端がこのようなシールド２２を有することがよい。図１には排気ガスの流動方向に設置されたシールド２２の端部に固定ラグ２４が設けられた図を示した。このような固定ラグ２４の２つ以上がシールド２２各側面に提供されることが好ましい。図１の場合に左側と右側に提供され、シールドを固定する。また、図１のとおりシールド２２が排気ダクト１６の流入口側にある端を含む平面に対して左右対称に形成されている。
図２は、本発明による排気ガス冷却器の流入口の断面図である。
図２には平面に対して対称のシールド２２を示した。平面は（図２の右側から左側に）流動方向と排気ダクトの端の延長部（図２の図面作成投影面に垂直に）を含む。また、図２には流動ガスの流入口１２付近に位置するシールド２２のラウンド型の端部を示した。シールド２２側面の排気ガスの進行経路の約半分にかけて、シールド２２の進行経路は僅かな水準の斜面、すなわち、シールド２２の２つの側面が互いに対して鋭角を有する。このような斜面には全般的に流動方向に平行するセクションが連結される。その次に階段１８が形成され、そして流動方向に概略平行するように排気ダクト１６が形成される。排気ダクト１６の壁で区分された領域は液体状態の冷却剤が流動する冷却剤用流動ダクト２０であり、異なる２つの隣接排気ダクト１６の壁に固定される。シールド２２内部に、そしてそれぞれの排気ダクトの壁方向にエアーギャップが形成されているが、このようなエアーギャップは断熱を保障する。望ましくシールド２２は（場合によって固定ラグを除いて）その延長部にかけて排気ダクト１６の端に沿って、すなわち、図２で図面作成図面層に垂直に一定のプロファイルを有する。
１０：排気ガス冷却器
１２：流入口
１４：フランジ
１６：排気ダクト、排気管
１８：階段
２０：冷却剤用流動ダクト
２２：シールド、蓋
２４：固定ラグ

Claims (9)

  1. 排気ガスが流動する排気ダクト（ｅｘｈａｕｓｔ ｄｕｃｔ：１６）の境界が一つ以上の壁により決まり、
    前記壁が排気ガスの流入口（１２）で排気ガスの流動方向に垂直である一つ以上の端を有し、
    一つ以上の排気ダクト（１６）を備えた排気ガス冷却器（ｅｘｈａｕｓｔ ｇａｓ ｃｏｏｌｅｒ：１０）として、
    一つ以上の端がシールド（ｓｈｉｅｌｄ：２２）により覆われて、該シールドは前記端の方向にエアーギャップ（ａｉｒ ｇａｐ）の境界を決めることを特徴とする排気ガス冷却器（１０）。
  2. 前記一つ以上の端を覆うシールド（２２）が排気ガスの流動方向に垂直である一つ以上の最大延長部を有し、該最大延長部は、流動方向に垂直である前記壁の幅、及び／又は流動方向に垂直である２つの排気ダクトの間の間隔に相応することを特徴とする請求項１に記載の排気ガス冷却器（１０）。
  3. 前記一つ以上のシールド（２２）が前記排気ダクト（１６）の２つの隣り合う壁にそれぞれ固定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の排気ガス冷却器（１０）。
  4. 廃棄が背の流れ方向に沿って設定された、前記一つ以上のシールド（２２）の端部がラウンド（ｒｏｕｎｄｅｄ）形態に設定されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の排気ガス冷却器（１０）。
  5. 前記一つ以上のシールド（２２）が排気ガスの流動方向にその進行経路上に一つ以上の斜面及び／または階段を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の排気ガス冷却器（１０）。
  6. 前記一つ以上のシールド（２２）が金属（ｍｅｔａｌ）、特に鋼板（ｓｔｅｅｌ ｓｈｅｅｔ）で製造されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の排気ガス冷却器（１０）。
  7. 前記一つ以上のシールド（２２）が、一つ以上の固定ラグ（ｆａｓｔｅｎｉｎｇ ｌｕｇ：２４）を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の排気ガス冷却器（１０）。
  8. 前記一つ以上のシールド（２２）が排気ダクト（１６）の２つの隣り合う壁にハンダ付けされているか、又は、溶接されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の排気ガス冷却器（１０）。
  9. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載の排気ガス冷却器の一つ以上の排気ガス冷却器を備えたことを特徴とする排気ガス再循環システム。
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