JP2008280945A

JP2008280945A - 内燃機関の排気還流装置

Info

Publication number: JP2008280945A
Application number: JP2007126839A
Authority: JP
Inventors: Suekichi Sugiyama; 末吉杉山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-05-11
Filing date: 2007-05-11
Publication date: 2008-11-20

Abstract

【課題】ＥＧＲ通路への逆流を抑えつつ、ＥＧＲ通路内で発生した凝縮水を安定的に排出することができる内燃機関の排気還流装置を提供する。
【解決手段】ターボチャージャー６のタービン６ｂよりも下流の排気通路５とターボチャージャー６のコンプレッサ６ａよりも上流の吸気通路４とを接続するＥＧＲ通路２０を有し、そのＥＧＲ通路２０には、凝縮水を捕集するトラッパ２４と、捕集された凝縮水を貯留するタンク２５とが設けられ、タンク２５は凝縮水を排出するための排出路２７と接続された排気還流装置７において、コンプレッサ６ａの下流の吸気通路４の圧力をタンク２５に導入する圧力導入路２８と、圧力導入路２８を開閉する開閉弁３６と、トラッパ２４とタンク２５との間に配置され、トラッパ２４からタンク２５への流れを許容する一方で、タンク２５からトラッパ２４への流れを阻止する逆止弁３４とを設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＥＧＲ通路内に発生する凝縮水を捕集する機能を備えた内燃機関の排気還流装置に関する。

ＥＧＲ通路内に発生する凝縮水の燃焼室への流入を防止するため、ＥＧＲ通路の内部に凝縮水の貯留部を設け、その貯留部に貯留された凝縮水をドレンバルブから排出する機構を備えた装置が知られている（特許文献１参照）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２〜４が存在する。
特開平７−２６９４１７号公報特開平１０−２５９７６２号公報特開２００３−０９７３６１号公報特許第３６６６５８３号公報

吸気通路にコンプレッサが設けられた内燃機関に適用される排気還流装置として、排気通路と吸気通路のコンプレッサよりも上流の区間とを接続する低圧ＥＧＲ通路を備えた排気還流装置が存在する。この種の排気還流装置では、コンプレッサの上流に生じる負圧を利用してＥＧＲガスが吸気通路に還流される。このため、低圧ＥＧＲ通路に上述した従来の凝縮水の排出機構を適用した場合には、ドレンバルブを開放したときに、負圧の影響で貯留部からＥＧＲ通路内に外気あるいは凝縮水が逆流して凝縮水の排出が円滑に行われないおそれがある。あるいは、貯留部に外気が吸い込まれる影響で、ＥＧＲガス量が低下するおそれがある。

そこで、本発明はＥＧＲ通路への逆流を抑えつつ、ＥＧＲ通路内で発生した凝縮水を安定的に排出することができる内燃機関の排気還流装置を提供することを目的とする。

本発明は、排気通路と吸気通路のコンプレッサよりも上流の区間とを接続するＥＧＲ通路を有し、該ＥＧＲ通路には、凝縮水を捕集する捕集部と、捕集された凝縮水を貯留する貯留部とが設けられ、前記貯留部は凝縮水を排出するための排出路と接続された排気還流装置において、前記吸気通路の前記コンプレッサよりも下流の区間の圧力を前記貯留部に導入する圧力導入路と、前記圧力導入路を開閉する開閉弁と、前記捕集部と前記貯留部との間に、前記捕集部から前記貯留部への流れを許容する一方で、前記貯留部から前記捕集部への流れを阻止するように配置された逆止弁と、前記排出路を開閉する排出弁とを備えたことにより、上記課題を解決する（請求項１）。

本発明の排気還流装置によれば、開閉弁によって圧力導入路を閉じておくことにより、コンプレッサの上流に生じる負圧をＥＧＲ通路に作用させてＥＧＲガスを吸気通路に導入しつつ、そのＥＧＲ通路にて発生する凝縮水を捕集部で捕集し、捕集された凝縮水を逆止弁を介して貯留部へと導くことができる。貯留部に貯留された凝縮水を排出する必要が生じた場合には、開閉弁を開いてコンプレッサよりも下流の吸気圧力を圧力導入路から貯留部へと導入するとともに、排出弁を開いて貯留部を外部に開放する。これにより、コンプレッサにて加圧された吸気圧力を利用して、凝縮水を貯留部から排出路を介して安定的に排出することができる。貯留部と捕集部との間には逆止弁が配置されているので、貯留部から捕集部へ空気、あるいは凝縮水が逆流するおそれはない。また、貯留部に凝縮水を貯める間は排出弁を閉じておくことにより、貯留部を外部から閉鎖することができる。これにより、捕集部から貯留部へのガス成分の漏れを抑えることができる。さらに、貯留部の内圧を低く保持することにより、凝縮水の自重で逆止弁を容易に開放させて凝縮水を捕集部から貯留部へと適時に移動させることができる。

本発明の排気還流装置において、前記ＥＧＲ通路にＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラが設けられている場合、前記捕集部は前記ＥＧＲガスの流れ方向に関して前記ＥＧＲクーラの下流に配置されてもよい（請求項２）。この形態によれば、ＥＧＲクーラの冷却作用によって発生した凝縮水をＥＧＲガスから分離、捕集することができる。

本発明の排気還流装置において、前記コンプレッサにて加圧された吸気を冷却するインタークーラが吸気通路に設けられている場合、前記圧力導入路は、前記コンプレッサと前記インタークーラとの間にて前記吸気通路に接続されてもよい（請求項３）。この形態によれば、コンプレッサとインタークーラとの間に生じる高い圧力を圧力導入路から貯留部に導入して、貯留部から凝縮水を効率よく排出させることができる。

以上に説明したように、本発明の排気還流装置においては、開閉弁にて圧力導入路を閉じた状態では、捕集部にて捕集された凝縮水が逆止弁を介して貯留部に導かれて貯留され、圧力導入路を開いたときにはコンプレッサよりも下流の吸気圧力が圧力導入路から貯留部へと導入され、その圧力で凝縮水が貯留部から排出される一方で貯留部と捕集部との間では逆止弁が閉じられる。よって、ＥＧＲ通路への逆流を抑えつつ、ＥＧＲ通路内で発生した凝縮水を安定的に排出することができる。また、貯留部に凝縮水を貯める間は排出弁を閉じて貯留部を外部から閉鎖することにより、捕集部から貯留部へのガス成分の漏れを抑えるとともに、貯留部の内圧を低く保持することにより、凝縮水の自重で逆止弁を容易に開放させて凝縮水を捕集部から貯留部へと適時に移動させることができる。

図１は、本発明の一形態に係る排気還流装置が適用された内燃機関を示す。内燃機関としてのディーゼルエンジン（以下、エンジンと称することがある。）１は、複数（図１では４つ）の気筒２を有するエンジン本体３と、各気筒２に接続される吸気通路４及び排気通路５と、吸気通路４と排気通路５との間に設けられる過給機としてのターボチャージャー６と、排気の一部をＥＧＲガスとして吸気通路４に導く排気還流装置７とを備えている。ターボチャージャー６は、吸気通路４に設けられるコンプレッサ６ａ及び排気通路５に設けられるタービン６ｂを備えている。コンプレッサ６ａとタービン６ｂとは不図示のタービン軸を介して一体回転可能に連結されている。さらに、吸気通路４には、吸気濾過用のエアクリーナ８と、エアクリーナ８とコンプレッサ６ａとの間にて吸気流量を調整するための第１スロットル弁９と、コンプレッサ６ａにて圧縮された吸気を冷却するためのインタークーラ１０と、インタークーラ１０とインテークマニホールド４ｃとの間にて吸気流量を調整するための第２スロットル弁１１とが設けられている。排気通路５のタービン６ｂよりも下流には、排気を浄化する排気浄化装置１２が設けられている。

排気還流装置７は、排気通路５のタービン６ｂよりも下流の区間、より詳しくは排気浄化装置１２よりもさらに下流の区間５ｂと、吸気通路４のコンプレッサ６ａよりも上流の区間、より詳しくは第１スロットル弁９とコンプレッサ６ａとの間の区間４ａとを接続する低圧ＥＧＲ通路２０と、低圧ＥＧＲ通路２０にて発生する凝縮水を排出するための凝縮水排出機構２１とを備えている。低圧ＥＧＲ通路２０を介して吸気通路４に導入されるＥＧＲガスの流量は、低圧ＥＧＲ弁２３の開度と第１スロットル弁９の開度とに応じて発生する負圧によって定まる。さらに、低圧ＥＧＲ通路２０には、ＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ２２と、ＥＧＲガスの流量を調整するための低圧ＥＧＲ弁２３とが設けられている。

凝縮水排出機構２１は、低圧ＥＧＲ通路２０のＥＧＲクーラ２２に対してＥＧＲガスの流れ方向下流に設けられて、ＥＧＲガスの冷却に伴って発生する凝縮水を捕集する捕集部としてのトラッパ２４と、捕集した凝縮水を貯留する貯留部としてのタンク２５と、トラッパ２４とタンク２５とを連結する連結路２６と、タンク２５に貯留された凝縮水を排出する排出路２７と、吸気通路４のコンプレッサ６ａよりも下流の区間、より詳しくはコンプレッサ６ａとインタークーラ１０との間の区間４ｂとタンク２５とを接続する圧力導入路２８とを備えている。さらに、排気還流装置７は、排気通路５のタービン６ｂよりも上流の区間５ａと、吸気通路４の第２スロットル弁１１よりも下流の区間、すなわちインテークマニホールド４ｃを含む区間とを接続する高圧ＥＧＲ通路２９と、高圧ＥＧＲ通路２９を通過するＥＧＲガスの流量を調整するための高圧ＥＧＲ弁３０とを備えている。

凝縮水排出機構２１の詳細を図２に示す。トラッパ２４は、遠心力を利用してＥＧＲガスから凝縮水を分離する。すなわち、トラッパ２４は、コンプレッサ６ａの入口に接続される中空円筒状の継手管３１と、その継手管３１から側方に突出されるケーシング３２と、ケーシング３２の内部に配置される案内管３３とを備えている。継手管３１の内部は、コンプレッサ６ａの上流側における吸気通路４の区間４ａ（図１参照）の一部を構成する。ケーシング３２は、案内管３３を取り囲むように配置された円筒部３２ａと、その円筒部３２ａの下方に連なる漏斗状の回収部３２ｂとを備えている。円筒部３２ａの外周には、低圧ＥＧＲ弁２３（図１参照）を通過したＥＧＲガスの導入管３２ｃが設けられ、回収部３２ｂの下部には排出管３２ｄが設けられている。排出管３２ｄは連絡路２６を介してタンク２５と接続される。案内管３３は中空円筒状であり、その上端部は継手管３１を貫いて内部の吸気通路４に通じている。導入管３２ｃからケーシング３２の内部に導入されたＥＧＲガスは案内管３３の周囲を旋回する。その際の遠心力でＥＧＲガスに含まれている凝縮水は円筒部３２の内周に付着し、凝縮水よりも分子の質量が小さいガス成分は案内管３３を介して吸気通路４へと流入する。円筒部３２ａの内周に付着した凝縮水は円筒部３２ａから回収部３２ｂへ流れ落ち、排出管３２ｄから連絡路２６へと排出される。

タンク２５の上部には連結路２６及び圧力導入路２８が接続され、下部には排出路２７が接続されている。連結路２６には逆止弁３４が設けられている。その逆止弁３４は、トラッパ２４からタンク２５への流れを許容する一方で、タンク２５からトラッパ２４への流れを阻止するように配置されている。逆止弁３４のクラッキング圧力（開き始める時の圧力）は、トラッパ２４の内部に回収された凝縮水が適度の量まで溜ったとき、その自重によって開くように設定されている。排出路２７には、排出弁としての逆止弁３５が設けられている。逆止弁３５はタンク２５からの凝縮水の排出を許容し、外部からタンク２５への逆流を阻止するように配置されている。逆止弁３５のクラッキング圧力は、タンク２５に貯えられる凝縮水の自重のみで逆止弁３５が開かない範囲に設定されている。圧力導入路２８には、圧力導入路２８を開閉する開閉弁としてのソレノイドバルブ３６が設けられている。低圧ＥＧＲ弁２３の開度、高圧ＥＧＲ弁３０の開度、及びソレノイドバルブ３６の開閉動作は不図示の制御装置によって制御される。その制御装置には、一例として、エンジン１の運転状態を制御するためのコンピュータであるエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）を利用することができが、ＥＣＵとは別のコンピュータユニットを排気還流装置７のための制御装置として設けてもよい。

次に、排気還流装置７の動作を説明する。まず、低圧ＥＧＲ弁２３及び高圧ＥＧＲ弁３０の開度については、エンジン１の運転状態に応じた適切な流量のＥＧＲガスがエンジン１の燃焼室に導入されるように制御される。また、必要とされる吸入空気量及びＥＧＲガス量に応じて第１スロットル弁９及び第２スロットル弁１１の開度も制御される。これらの開度制御は公知の手法でよく、詳細は省略する。

低圧ＥＧＲ通路２０をＥＧＲガスが通過する際に発生する凝縮水は、上述したようにトラッパ２４にて捕集され、連絡路２６を介してタンク２５に貯えられる。このとき、圧力導入路２８のソレノイド弁３６が閉じ、かつ逆止弁３５も閉じているので、タンク２５は外部に対して実質的に閉じている。従って、トラッパ２４にて分離されたＥＧＲガスは、タンク２５へ漏れることなく、案内管３３から吸気通路４へと流れる。

タンク２５に貯えられた凝縮水４０を排出する際には、ソレノイドバルブ３６を開放する。これにより、コンプレッサ６ａにて圧縮された空気の圧力が圧力導入路２８を介してタンク２５に導入されてタンク２５の内圧が上昇する。その圧力上昇に伴って連絡路２６の逆止弁３４が閉じられる。一方、排出路２７の逆止弁３５は、タンク２５の内圧の上昇に伴って開放される。これにより、凝縮水４０が排出路２７を介して排出される。凝縮水の排出時には逆止弁３４が閉じられるので、負圧による凝縮水や空気が低圧ＥＧＲ通路２０に吸い込まれるおそれはない。よって、低圧ＥＧＲ通路２０への凝縮水や空気の逆流を抑えつつ、低圧ＥＧＲ通路２０にて発生した凝縮水をタンク２５から安定期に排出することができる。

凝縮水の排水を終了するには、ソレノイドバルブ３６を閉じてコンプレッサ６ａの下流の圧力の導入を中止する。これにより、タンク２５の内圧が徐々に低下して排出路２７の逆止弁３５が閉じ、かつ連絡路２６の逆止弁３４が開放されて凝縮水のタンク２５への貯留が再開される。

凝縮水の排出を開始する時期及びこれを終了する時期は、センサ等を利用してタンク２５内の液量を検出することによって判断してもよいが、液量の検出に代えて、エンジン１の運転時間に基づいて判断してもよい。例えば、タンク２５内の水量が所定量に達するまでのエンジン１の運転時間と、その所定量の凝縮水を排出するために必要なエンジン１の運転時間との平均値を予め把握しておき、それらの平均値に基づいてソレノイドバルブ３６の開閉を制御してもよい。このように時間に基づいてソレノイドバルブ３６を制御すれば、センサ等の検出手段を利用する場合と比較して、ソレノイドバルブ３６の開閉制御に要するコストを削減することができる。

本形態の排気還流装置７では、トラッパ２４がＥＧＲクーラ２２に対してＥＧＲガスの流れ方向下流側に配置されているので、ＥＧＲクーラ２２によるＥＧＲガスの冷却に伴って発生する凝縮水をＥＧＲガスから確実に分離してタンク２５へと導くことができる。また、圧力導入路２８をコンプレッサ６ａとインタークーラ１０との間にて吸気通路４に接続したため、インタクーラ１０の上流側に生じる高い吸気圧力をタンク２５に導いて凝縮水を効率よく排出することができる。

本発明は、上述した形態に限定されることなく、種々の形態にて実施することができる。例えば、本形態では、凝縮水の捕集部として遠心式のトラッパ２４を設けているが、捕集部はこれに限定されない。例えば、低圧ＥＧＲ通路２０の一部に凹部、蛇行部、邪魔板等を設け、それらの壁面に凝縮水を付着させてこれを捕集してもよい。排出路２７の逆止弁３５は、タンク２５を外部に対して閉じることにより、トラッパ２４からタンク２５へのＥＧＲガスの漏れを防止し、かつ、トラッパ２４からタンク２５へ凝縮水が適時に移動できる程度にタンク２５の内圧を保持するための排出弁として設けられているが、排出弁は逆止弁３５に限らない。凝縮水の貯留時に排出路２７を閉じ、かつ、凝縮水の排出時に排出路２７を開くものであれば排出弁は適宜に変更可能である。例えば、逆止弁３５に代えてソレノイドバルブを設け、その開閉を圧力導入路２８のソレノイドバルブ３６の開閉と同期させてもよい。本発明は、低圧ＥＧＲ通路においてＥＧＲクーラが省略された排気還流装置でも適用可能である。また、圧力導入路は、コンプレッサの下流側の吸気圧力を貯留部に導くことができればよい。例えば、図１において、インタークーラ１０と第２スロットル弁１１との間の吸気圧力をタンク２５に導くようにしてもよい。インタークーラが存在しない場合でも本発明は適用可能である。本発明において、コンプレッサは、ターボチャージャーの一部として設けられるものに限らない。例えば、内燃機関の出力軸によって駆動される機械式過給機のコンプレッサ、あるいは、電動モータを利用して駆動される電動式過給機のコンプレッサが吸気通路に設けられる場合でも、そのコンプレッサの上流側にＥＧＲ通路が接続される限りにおいて本発明を適用することができる。

本発明の一形態に係る排気還流装置が適用された内燃機関を示す図。凝縮水排出機構の詳細図。

符号の説明

１エンジン（内燃機関）
６ターボチャージャー（過給機）
６ａコンプレッサ
６ｂタービン
７排気還流装置
２４トラッパ（捕集部）
２５貯留部
２６連結路
２７排出路
２８圧力導入路
３４逆止弁
３５逆止弁（排出弁）
３６ソレノイドバルブ（開閉弁）

Claims

排気通路と吸気通路のコンプレッサよりも上流の区間とを接続するＥＧＲ通路を有し、該ＥＧＲ通路には、凝縮水を捕集する捕集部と、捕集された凝縮水を貯留する貯留部とが設けられ、前記貯留部は凝縮水を排出するための排出路と接続された排気還流装置において、
前記吸気通路の前記コンプレッサよりも下流の区間の圧力を前記貯留部に導入する圧力導入路と、
前記圧力導入路を開閉する開閉弁と、
前記捕集部と前記貯留部との間に、前記捕集部から前記貯留部への流れを許容する一方で、前記貯留部から前記捕集部への流れを阻止するように配置された逆止弁と、
前記排出路を開閉する排出弁と、
を備えたことを特徴とする内燃機関の排気還流装置。
前記ＥＧＲ通路にはＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラが設けられ、前記捕集部は前記ＥＧＲガスの流れ方向に関して前記ＥＧＲクーラの下流に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の排気還流装置。
前記吸気通路には前記コンプレッサにて加圧された吸気を冷却するインタークーラが設けられ、前記圧力導入路は、前記コンプレッサと前記インタークーラとの間にて前記吸気通路に接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の排気還流装置。