JP2008208721A - 内燃機関の排気還流装置 - Google Patents

Abstract

【課題】触媒などの配置上の制約により、ＥＧＲ配管が水平構造となって垂れ下がり部ができてしまう場合でも、その部分に凝縮水が溜まることを防止する。
【解決手段】排気通路にＤＰＦ、ＮＯｘ吸蔵還元触媒などの排気浄化装置が設けられ、その下流側位置から内燃機関の吸気側へ排気を還流するＥＧＲ配管が設けられる。このような排気浄化装置の下流側から排気を取り出す構造のＥＧＲ配管は、経路が長いため、外気温などの影響により凝縮水が溜まりやすい。ＥＧＲ配管の最下部近傍には排気通路と連通する連通路が設けられており、ＥＧＲ配管中の凝縮水は連通路を通じて排気通路に排出される。一方で、排気通路側の圧力が高まったときには、連通路が開状態にあると、排気通路からＥＧＲ配管へ排気ガスが流入してＥＧＲ制御が不安定になるなどの不具合が生じうるので、連通路に連通路バルブを設け、必要に応じて連通路を遮断する。
【選択図】図２

Description

本発明は、触媒下流位置から吸気側へ排気ガスを還流させる排気還流通路内に発生する凝縮水の排出方法に関する。

内燃機関から排気通路に排出される排気ガスの一部を吸気側に還流させることにより燃焼温度を低下させ、ＮＯｘの生成を抑制する排気還流（ＥＧＲ）装置が知られている。また、そのようなＥＧＲ装置として、排気通路の触媒より下流側の位置から排気ガスを吸気側に還流させるＥＧＲ装置を備える排気浄化システムが知られている。

上記のように、触媒下流から排気ガスを取り出すＥＧＲ装置においては、ＥＧＲ配管が長くなるため、ＥＧＲガスが外気温の影響によって凝縮、液化し、ＥＧＲ配管内に凝縮水が溜まるという問題がある。ＥＧＲ配管内に溜まった凝縮水は、配管を腐食させたり、氷結して配管を閉塞させたりするなどの不具合を生じさせる恐れがある。

特許文献１では、触媒の下流にＥＧＲガスの取り出し口を有するＥＧＲ装置において、ＥＧＲ配管をＥＧＲガスの取り出し口へ向けて下り勾配となるように設けることにより、ＥＧＲ配管内で発生する凝縮水を排出している。特許文献２では、ＥＧＲ配管を傾斜させて配置するとともに、その途中に凝縮水タンクを設けて凝縮水を排出している。なお、特許文献３には、触媒下流に設けられたＥＧＲガスの取り出し口の下流に排気絞り弁を設けた構造が記載されている。

特開２００１−２００７２０号公報 特開平８−２４６９６４号公報 特開２００４−１５６５７２号公報

触媒を車両の床下に配置する床下搭載型触媒においては、その構造上、ＥＧＲ配管が水平となり、部分的に垂れ下がり部ができることが避けられない場合がある。この場合、ＥＧＲ配管の垂れ下がり部に凝縮水が溜まってしまう。その対策として、例えばＥＧＲ配管を下り勾配としたり、凝縮水が発生する条件でＥＧＲを停止させたりした場合でも、排気の脈動などにより、やはり凝縮水がＥＧＲ配管内に溜まってしまう。

本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであり、触媒などの配置上の制約により、ＥＧＲ配管が水平構造となって垂れ下がり部ができてしまう場合でも、その部分に凝縮水が溜まることを防止することを目的とする。

本発明の１つの観点では、内燃機関の排気還流装置は、前記内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化装置と、前記排気通路における前記排気浄化装置の下流側位置から前記内燃機関の吸気側へ排気を還流させるＥＧＲ配管と、前記ＥＧＲ配管の最下部近傍と前記排気通路とを連通する連通路と、前記連通路上に設けられた連通路バルブと、を備える。

上記の排気還流装置では、排気通路にＤＰＦ、ＮＯｘ吸蔵還元触媒などの排気浄化装置が設けられ、その下流側位置から内燃機関の吸気側へ排気を還流するＥＧＲ配管が設けられる。このような排気浄化装置の下流側から排気を取り出す構造のＥＧＲ配管は、経路が長いために外気温などの影響により凝縮水が溜まりやすい。ＥＧＲ配管の最下部近傍には排気通路と連通する連通路が設けられており、ＥＧＲ配管中の凝縮水は連通路を通じて排気通路に排出される。一方で、排気通路側の圧力が高まったときには、連通路が開状態にあると、排気通路からＥＧＲ配管へ排気ガスが流入してＥＧＲ制御が不安定になるなどの不具合が生じうる。そこで、連通路に連通路バルブを設け、必要に応じて連通路を遮断する。

ここで、「排気通路」は、排気通路自体及びその一部を構成する構造体を含む概念である。例えば、排気通路上に触媒、ＤＰＦなどが設けられている場合に連通路をそれらのケースなどに接続する形態も本発明の範囲内である。また、「排気通路の最下部近傍」とは、基本的には排気通路の最下部を示すが、構造上の何かの障害物があるなどして厳密な最下部に連通管を設けることができない場合に、その障害物をよけて厳密な最下部のすぐ近くに連通管を接続する場合などを含むものとする。

上記の内燃機関の排気還流装置の一態様は、前記排気通路における前記排気浄化装置の下流側位置に設けられた排気絞り弁を備え、前記連通路バルブは、前記排気絞り弁が閉じ側に制御されたときに閉じられる。排気絞り弁が閉じ側に制御されると、排気通路内の圧力が高まるため、排気通路内の排気ガスが連通路を通じてＥＧＲ配管に流入する。よって、排気絞り弁が閉じ側に制御されたときには、連通路バルブを閉じて、排気ガスの流入を防止する。

上記の内燃機関の排気還流装置の他の一態様では、前記連通路は、前記ＥＧＲ配管との接続位置が、前記排気通路との接続位置よりも高い位置にある。これにより、連通路バルブが開いている状態では、高低差によりＥＧＲ配管内の凝縮水が円滑に排気通路側へ排出される。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。

［基本構成］
図１は、本発明の実施形態に係る内燃機関の排気還流装置の概略構成を示すブロック図である。なお、図１において実線の矢印は吸気及び排気の流れを示す。

図１において、内燃機関の排気還流装置１００は、第１〜第４（＃１〜＃４）気筒を有する直列４気筒の内燃機関（以下、「エンジン」と呼ぶ。）１０を備える。エンジン１０の各気筒は、吸気マニホールド１１及び排気マニホールド１２に接続されている。エンジン１０は、各気筒に設けられた燃料噴射弁１５と、各燃料噴射弁１５に対して高圧の燃料を供給するコモンレール１４とを備え、コモンレール１４には不図示の燃料ポンプにより燃料が高圧状態で供給される。

吸気マニホールド１１に接続された吸気通路２０には、エンジン１０への流入空気量を計測するエアフローメータ２１と、スロットル弁２２と、ターボチャージャ２３のコンプレッサ２３ａと、吸気を冷却するインタークーラ２４とが設けられている。

排気マニホールド１２に接続された排気通路２５には、ターボチャージャ２３のタービン２３ｂが設けられている。排気通路２５のタービン２３ｂの上流位置と、吸気通路２０のインタークーラ２４より下流位置とは、ＥＧＲ配管３１により接続されている。ＥＧＲ配管３１には、ＥＧＲ量を制御するためのＥＧＲ弁３３が設けられている。ＥＧＲ弁３３の開度は、図示しないＥＣＵにより制御される。なお、このようにＥＧＲガスの取り出し口がターボチャージャのタービンの上流側にあるＥＧＲ装置を「高圧ループ（ＨＰＬ）ＥＧＲ装置」と呼ぶ。

排気通路２５のタービン２３ｂより下流位置には、上流側から順に、酸化触媒５１、ＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）５２、酸化触媒５３が設けられている。酸化触媒５１は、ＤＰＦ５２の暖機を促進するための前段触媒であり、酸化触媒５３はＤＰＦ５２をすり抜けた炭化水素（ＨＣ）などを酸化するための後段触媒である。

排気通路２５の酸化触媒５３より下流位置には排気絞り弁４１が設けられている。排気絞り弁４１の開度は、図示しないＥＣＵにより制御される。

排気通路２５の排気絞り弁４１より下流側の位置と、吸気通路２０のコンプレッサ２３ａより上流側の位置とを接続するＥＧＲ配管３５が設けられている。即ち、ＥＧＲ配管３５は、排気通路２５に設けられた酸化触媒５３より下流側の位置から排気ガス（ＥＧＲガス）を取り出すように構成されている。ＥＧＲ配管３５にはＥＧＲガス量を制御するためのＥＧＲ弁３７と、ＥＧＲクーラ３９とが設けられており、ＥＧＲ弁３７の開度はＥＣＵにより制御される。なお、このようにＥＧＲガスの取り出し口がターボチャージャのタービンの下流側にあるＥＧＲ装置を「低圧ループ（ＬＰＬ）ＥＧＲ装置」と呼ぶ。

排気マニホールド１２には、気筒毎に設けられた燃料噴射弁１５とは別に、未燃燃料を噴射する燃料添加弁１７が設けられている。燃料添加弁１７は、主として排気通路に設けられるＤＰＦ５２などの再生処理のために排気中に燃料を添加する。

また、ＥＧＲ配管３５は、その最下部近傍において、連通路６０により排気通路２５又は排気通路２５の一部を構成する構造体と接続されている。連通路６０はＥＧＲ配管３５よりも細い配管により構成され、その途中に連通路バルブ６５が設けられている。

次に、連通路６０及び連通路バルブ６５について詳しく説明する。図２（Ａ）は、排気通路２５及びＥＧＲ配管３５の位置関係を示す側面図である。図示のように、排気通路２５には、酸化触媒５１、ＤＰＦ５２、酸化触媒５３、及び、排気絞り弁４１が上流側から下流側へこの順に設けられている。また、排気絞り弁４１の下流側位置にＥＧＲ配管３５の排気取り出し口３５ａが設けられている。排気取り出し口３５ａから取り出された排気は、ＥＧＲ配管３５を通って、エンジン１０の吸気側へ送られる。排気取り出し口３５ａは、排気通路２５内の凝縮水がＥＧＲ配管３５に入り込まないように、排気通路２５の上側へ分岐するように形成されている。

図示のように、ＥＧＲ配管３５は、構造上の制約により、排気取り出し口３５ａの位置より一度下方へ下がってから、上方向（エンジン１０方向）へ延びていくように形成されている。なお、構造上の制約とは、例えばＤＰＦを車両の床下に搭載するため、車両のフレームなどとの位置関係により、ＥＧＲ配管３５の経路が制限される場合などを指す。

具体的には、ＥＧＲ配管３５を図中の右方向から左方向へ追いかけると、ＥＧＲ配管３５は、酸化触媒５３の左側あたりから斜め左方向へ下降し、ＤＰＦ５２及び酸化触媒５１の上下方向における真ん中よりやや下方をほぼ水平に通過した後、左上方へ上昇していく。よって、ＥＧＲ配管３５は、ＤＰＦ５２及び酸化触媒５１の横にほぼ水平に配置された部分が垂れ下がったような形状の部分３５ｂとなっており（以下、「垂れ下がり部」とも呼ぶ。）、この部分がＥＧＲ配管３５の最下部となっている。垂れ下がり部３５ｂはＥＧＲ配管３５の最下部であり、かつ、図示のようにほぼ水平になっているため、凝縮水が溜まりやすい。

そこで、ＥＧＲ配管３５の最下部である垂れ下がり部３５ｂと、排気通路２５又は排気通路に設けられた触媒やＤＰＦなどを連通する連通路６０が設けられている。

図２（Ｂ）は、図２（Ａ）におけるＸ１−Ｘ２断面における構造を簡略化して示した断面図である。この例では、ＥＧＲ配管３５の垂れ下がり部３５ｂと、ＤＰＦ５２のコーン部５２ａとの間に連通路６０が設けられている。ここで、連通路６０は、ＥＧＲ配管３５との接続部の方が、ＤＰＦ５２のコーン部５２ａとの接続部よりも上下方向の高い位置あるように形成される。これにより、ＥＧＲ配管３５の垂れ下がり部３５ｂに溜まった凝縮水は、高低差により連通路６０を通じて下方にあるＤＰＦ５２のコーン部５２ａへ流れるので、凝縮水をＥＧＲ配管３５から排出することができる。

なお、図２（Ａ）、２（Ｂ）に示す例では、連通路６０をＥＧＲ配管３５の垂れ下がり部３５ｂと、ＤＰＦ５２のコーン部５２ａとの間に設けているが、本発明の適用はこの態様には限定されない。即ち、基本的には、排気通路２５がＥＧＲ配管３５の垂れ下がり部３５ｂとほぼ平行に走っている領域内において、ＥＧＲ配管３５の垂れ下がり部３５ｂと、排気通路２５又は排気通路２５の一部を構成する構造体との間に連通路を設ければよい。但し、前述のように、連通路は、垂れ下がり部３５ｂとの接続位置が、排気通路２５又はその一部を構成する構造体との接続位置より高くなるように設ける必要がある。図２は、排気通路２５の一部を構成する構造体としてＤＰＦ５２のコーン部５２を利用した例である。なお、ＥＧＲ配管３５の垂れ下がり部３５ｂが長い場合には、連通路を複数個設けることとしてもかまわない。

連通路６０の途中には、連通路バルブ６５が設けられている。連通路バルブ６５は、基本的に排気通路２５に設けられた排気絞り弁４１と連動して開閉される。連通路バルブ６５の開閉により、ＥＧＲ配管３５からＤＰＦ５２のコーン部５２ｂ（即ち、排気通路２５）へのＥＧＲガス及び凝縮水の流れが許容／遮断される。より詳細には、排気通路２５の排気絞り弁４１が開状態である場合、排気通路２５内の圧力は高くない。よって、連通路バルブ６５を開状態とすれば、ＥＧＲ配管３５から連通路６０を通じて凝縮水が排気通路２５（ＤＰＦ５２のコーン部５２ａ）に排出される。一方、排気絞り弁４１が閉じ側に制御されると、排気通路２５内の圧力が上昇する。この場合、仮に連通路バルブ６５が開いていると、排気通路２５側からＥＧＲ配管３５側へ排気ガスが流入し、ＥＧＲ制御が不安定となる。そこで、排気絞り弁４１を閉じ側に制御したとき（完全に閉状態とする場合、及び、開度を閉じ側に変更する場合の双方を含む）には、連通路バルブ６５を閉じる。これにより、排気通路からＥＧＲ配管への排気の流入を防止する。このように、連通路バルブ６５を排気絞り弁４１と連動させることにより、ＥＧＲ制御に悪影響を与えることなく、ＥＧＲ配管内の凝縮水を排気通路側へ排出することができる。

次に、連通路６０に設けられる連通路バルブ６５の具体的な実施例について説明する。

（第１実施例）
第１実施例は、連通路バルブ６５としてワンウェイバルブを使用するものである。第１実施例の連通路バルブの例を図３に示す。なお、図３は、図２に示す連通路及び連通路バルブ付近を上方から見た概略構造を示している。

図示のように、ＥＧＲ配管３５とＤＰＦ５２のコーン部５２ａとは連通路６０により接続されており、その途中に連通路バルブ６５が設けられている。連通路バルブ６５は、排気通路２５側、即ちＤＰＦ５２のコーン部５２ａ側の圧力が所定値より高くなると閉鎖するように構成されている。

排気絞り弁４１が開状態のときは排気通路２５側の圧力は所定値より低く、連通路バルブ６５は開状態となる。よって、ＥＧＲ配管３５から排気通路２５へ凝縮水が排出される。一方、排気絞り弁４１が閉じ側に制御されると、排気通路２５の排気絞り弁４１の上流側の圧力が高まっていき、所定値を超えたときに連通路バルブ６５が閉じる。これにより、排気通路２５からＥＧＲ配管３５への排気ガスの流入が防止される。

（第２実施例）
第２実施例は、排気絞り弁４１の動作による排気通路２５内の圧力変化に応答して連通路バルブ６５を制御する例である。第２実施例の連通路バルブの制御構造を図４に示す。なお、図４も、図２に示す連通路及び連通路バルブ付近を上方から見た概略構造を示している。

排気通路２５には、排気絞り弁４１の位置にバイパス通路２５ｂが形成されており、バイパス通路２５ｂと排気通路２５との下流側の接続位置にはバイパスバルブ７５が設けられている。バイパス通路２５ｂのバイパスバルブ７５は、アクチュエータ７１により開閉が制御される。アクチュエータ７１は、バイパス通路の上流位置における排気通路２５の圧力に応じて作動する。具体的には、排気通路２５の圧力が所定値以下のときにはバイパス通路を閉じておき、排気通路２５の圧力が所定値を超えるとバイパス通路２５ｂを開く。

この構造では、排気通路２５の排気流量が小さいときに排気絞り弁４１及びバイパスバルブ７５を閉じて排気通路２５を早く高圧状態とし、その後排気流量が増加したときにバイパスバルブ７５を徐々に開く。こうして、排気流量が小さいときから早く高圧状態を作り、その後、排気流量が上昇しても同じ圧力を維持するという制御を行う。

一方、連通路バルブ６５はアクチュエータ７３により開閉が制御される。アクチュエータ７３は、バイパス通路２５ｂのバイパスバルブ７５を作動するアクチュエータ７１と同時に作動し、排気通路２５の圧力が所定値を超えると連通路バルブ６５を閉じる。

なお、一例としては、バイパス通路２５ｂのバルブ７５及び連通路バルブ６５を電磁弁とし、排気通路２５に設けられた圧力センサ７７が検出した圧力に応じてアクチュエータ７１、７３が作動して電気的にバイパスバルブ７５及び連通路バルブ６５を開閉するように構成することができる。

排気絞り弁４１はアクチュエータ７２により開閉される。このアクチュエータ７２は、ＥＧＲ制御を実行するＥＣＵにより制御される。

さて、排気絞り弁４１が開状態にある場合、排気通路２５の圧力は所定値より低く、バイパスバルブ７５は閉状態、連通路バルブ６５は開状態にある。よって、ＥＧＲ配管３５内の凝縮水が連通路６０を通って排気通路２５に排出される。一方、排気絞り弁４１がＥＣＵにより閉じ側に制御されると、排気絞り弁４１の上流側の圧力が上昇していく。そして、所定値を超えるとアクチュエータ７１及び７３が作動し、連通路バルブ６５を閉じるとともにバイパスバルブ７５を開く。これにより、排気通路２５からＥＧＲ配管３５への排気ガスの流入が防止される。

（第３実施例）
第３実施例は、連通路バルブ６５を排気絞り弁４１とともに制御する例である。第３実施例の連通路バルブの制御構造を図５に示す。排気絞り弁４１を開閉するアクチュエータ７２と連通路バルブ６５を開閉するアクチュエータ７３は、ともにＶＳＶ（Ｖａｃｃｕｍ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｖａｌｖｅ）６７からの負圧により作動する。これにより、排気絞り弁４１が開状態では連通路バルブ６５も開状態となり、ＥＧＲ配管３５内の凝縮水が排気通路２５へ排出される。一方、排気絞り弁４１が閉状態となると、連通路バルブ６５も同様に閉状態となるため、排気通路２５からＥＧＲ配管３５への排気ガスの逆流が防止される。

実施形態による内燃機関の排気還流装置の概略ブロック図である。 排気通路の詳細構成を示す。 第１実施例による連通路バルブの構成を示す。 第２実施例による連通路バルブの構成を示す。 第３実施例による連通路バルブの構成を示す。

符号の説明

７ ＥＣＵ
１０ エンジン
１５ 燃料噴射弁
１７ 燃料添加弁
２０ 吸気通路
２３ ターボチャージャ
２５ 排気通路
３１、３５ ＥＧＲ配管
３３、３７ ＥＧＲ弁
５１、５３ 酸化触媒
５２ ＤＰＦ

Claims (3)

1. 内燃機関の排気還流装置であって、
   前記内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化装置と、
   前記排気通路における前記排気浄化装置の下流側位置から前記内燃機関の吸気側へ排気を還流させるＥＧＲ配管と、
   前記ＥＧＲ配管の最下部近傍と前記排気通路とを連通する連通路と、
   前記連通路上に設けられた連通路バルブと、を備えることを特徴とする内燃機関の排気還流装置。
2. 前記排気通路における前記排気浄化装置の下流側位置に設けられた排気絞り弁を備え、
   前記連通路バルブは、前記排気絞り弁が閉じ側に制御されたときに閉じられることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気還流装置。
3. 前記連通路は、前記ＥＧＲ配管との接続位置が、前記排気通路との接続位置よりも高い位置にあることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気還流装置。

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