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内燃機関超基礎講座 | 現代エンジンに必須のEGRクーラー。小型化の鍵は「縦渦」
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内燃機関超基礎講座 | 現代エンジンに必須のEGRクーラー。小型化の鍵は「縦渦」

2020/09/28
Motor Fan illustrated編集部

水冷式EGRクーラー。左右にあるパイプが排出ガスの入口と出口。入口では約500°Cにも達する排ガス温度は、出口では90°C程度まで冷やされ、エンジン燃焼室内に還流される。上に備わるパイプは冷却水の入口と出口である。高温のガスが相手ということで、クーラーコアの素材はほぼステンレスに限られているが、熱伝導率が低いという熱交換器として不利な要素がある。そこで注目したのが、ガスの流し方だった。

ガスの流れにはカルマン渦（流れの中に障害物を置いたとき、あるいは流体中で固体を動かした時にその後方に交互にできる渦の列）に代表される横渦と翼端渦（翼の上下面の圧力差でその背後に発生する気流の渦）などの縦渦がある。横渦は流れの上流側への戻りがあるため抵抗になってしまう。縦渦はスクリューのような流れなので、渦の減衰が小さい。そこでカルソニックカンセイは縦渦に注目したが、縦渦の場合は発生させるのが難しいという問題点があった。

カルソニックカンセイは、縦渦発生のメカニズムを世界で初めて発見した。横渦は邪魔板を使えば比較的容易に発生させられる。今回は台形のVG-フィン（Vortex Generator FIN）を使い、2つの流れの干渉で縦渦を発生させることに成功した。台形の上辺を乗り越えることで横渦を生成し、それを斜辺で縦渦に変換するというアイデアだ。

縦渦を発生させるフィン自体は過去にも研究されてきた。四角や三角のフィンを八の字形状に配置することで縦渦を発生させる考えだったが、今回カルソニックカンセイが開発した台形は今まで研究されてこなかった。台形フィンを使うと三角フィンよりも強い縦渦が得られるというメリットがある。

熱交換を効率的に行なう縦渦を活用することで、同一ガス抵抗時の比較で12~36%の性能向上を実現した。また同一性能時の比較では21~29%の軽量化を実現している。サイズでは長手方向で12%の小型化ができた。衝突安全性の確保などで場所の取り合いになっているエンジンルームで、EGRクーラーが小型軽量化できるメリットは大きい。小型車への適用も広がるはずだ。

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