JP2009108716A - 内燃機関の異物除去装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】EGRガスなどの吸気通路に導入される導入ガスの流速を比較的簡素な構成で高めることができ、この導入ガスから遠心力を利用して凝縮水などの異物を十分に分離、除去することが可能な内燃機関の異物除去装置を提供する。
【解決手段】吸気と混合されて気筒に吸入されるEGRガスを吸気通路4に導入するためのEGR通路11に設けられ、かつ内部に導かれたEGRガスに遠心力を利用した異物分離作用を与え、得られた異物を排出管24の入口24aから排出し、残余のEGRガスを気体排出管22の入口22aから吸気通路4に排出するサイクロンセパレータ20を備えた内燃機関1の異物除去装置14において、サイクロンセパレータ20の内部に導かれたEGRガスの流速が高められるように吸気通路4からサイクロンセパレータ20の内部に吸気を方向付けて導入する吸気導入通路15を備える。
【選択図】図1

Description

本発明は、排気通路から還流される排気及びブローバイガスなど吸気と混合されて気筒に吸入されるガスから異物を分離、除去する内燃機関の異物除去装置に関する。
内燃機関においては、排気通路から排気の一部を吸気通路に還流させる排気再循環(EGR)を行うものが知られている。排気通路から還流される排気(以下、EGRガスと称することがある。)には凝縮水が含まれており、この凝縮水がEGRガスとともに多量に吸気通路に導入されると内燃機関の運転状態に不安定になったり、吸気系に設けられた機器、例えばターボ過給機のコンプレッサやインタークーラなどの腐食が進行したりするおそれがある。そこで、EGRガスの導入位置よりも下流の吸気通路に円弧状に曲げられた円弧形状部を形成し、その円弧形状部において遠心力を利用して吸気から凝縮水を分離する内燃機関が知られている(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2005−256679号公報 特開2001−132555号公報 特開2003−97361号公報 特開平11−264312号公報
特許文献1の内燃機関では、EGRガスが混合された後の吸気である混合ガスに遠心力を作用させて凝縮水を分離するため、混合ガスの流量が少なくなる運転状態においては円弧状形状部において混合ガスの流速が高くならず、混合ガスに十分な遠心力を作用させることができないおそれがある。そのため、混合ガスから十分に凝縮水が分離できないおそれがある。
そこで、本発明は、EGRガスなどの吸気通路に導入される導入ガスの流速を比較的簡素な構成で高めることができ、この導入ガスから遠心力を利用して凝縮水などの異物を十分に分離、除去することが可能な内燃機関の異物除去装置を提供することを目的とする。
本発明の内燃機関の異物除去装置は、吸気と混合されて気筒に吸入される導入ガスを吸気通路に導入するためのガス通路に設けられ、かつ内部に導かれた導入ガスに遠心力を利用した異物分離作用を与え、得られた異物を異物排出口から排出し、残余の導入ガスをガス排出口から前記吸気通路に排出する分離手段を備えた内燃機関の異物除去装置において、前記分離手段の内部に導かれた導入ガスの流速が高められるように前記吸気通路から前記分離手段の内部に吸気を方向付けて導入する吸気導入通路を備えることにより、上述した課題を解決する(請求項1)。
本発明の異物除去装置によれば、吸気導入通路を介して分離手段の内部に導入した吸気によって分離手段の内部における導入ガスの流速を高めることができる。そのため、例えば導入ガスの流量が少ない場合においても分離手段の内部に導入した吸気によって導入ガスの流速を高め、この導入ガスから遠心力を利用して異物を十分に分離、除去することができる。また、本発明の異物除去装置では、吸気導入通路にて分離手段の内部に吸気を導くので、比較的簡素な構成で導入ガスの流速を高めることができる。
本発明の異物除去装置の一形態においては、前記吸気導入通路にて前記分離手段の内部に導かれる吸気の流量を調整する流量調整手段と、前記分離手段の内部における導入ガスの流速が所定流速以上になるように前記流量調整手段の動作を制御する制御手段と、をさらに備えてもよい(請求項2)。この場合、分離手段の内部における導入ガスの流速を所定流速以上に維持できるので、所定流速を適正に設定することにより、分離手段において導入ガスから異物をより確実に分離、除去することができる。そのため、分離手段における異物の分離効率を改善することができる。
この形態において、前記制御手段は、前記分離手段の内部に導かれる導入ガスの流量に基づいて前記流量調整手段の動作を制御してもよい(請求項3)。分離手段の内部における導入ガスの流速は、分離手段の内部に導かれる導入ガスの流量及び吸気の流量にて決まる。そのため、このように流量調整手段の動作を制御することにより、分離手段の内部に適切な流量の吸気を導くことができる。分離手段に導入される導入ガスの流量が減少すると分離手段の内部における導入ガスの流速が低下する。そこで、前記制御手段は、前記分離手段の内部に導かれる導入ガスの流量が減少するほど前記分離手段の内部に導かれる吸気の流量が増加するように前記流量調整手段の動作を制御してもよい(請求項4)。
制御手段を備える異物除去装置の一形態においては、前記所定流速として、前記分離手段の内部に導かれた導入ガスから異物が分離する流速範囲の下限値以上の流速が設定されてもよい(請求項5)。このように所定流速を設定することにより、分離手段にて導入ガスから確実に異物を分離、除去することができる。
本発明の異物除去装置の一形態においては、前記分離手段として、円筒状に形成された分離室の壁面に沿って導入ガスを旋回させることによりその導入ガスに異物分離作用を与えるサイクロンセパレータが設けられ、前記サイクロンセパレータには、前記分離室内の外周側に導入ガスが導入されるように前記ガス通路が接続されるとともに、前記分離室内の内周側に吸気が導入されるように前記吸気導入通路が接続されてもよい(請求項6)。このように外周側に導入ガスを導入することにより、導入ガスを分離室の壁面の近くに集め、異物を外周側に移動させることを促進できる。また、このように異物の外周側への移動を促進させることにより、異物が壁面に捕集され易くなるので、異物の分離効率を向上させることができる。
本発明の異物除去装置の一形態においては、前記吸気通路に吸気の流量を調整するスロットルバルブが設けられ、前記吸気導入通路は、前記スロットルバルブより上流の吸気通路から吸気を取り出して前記分離手段の内部に導入するように設けられ、前記分離手段は、前記ガス排出口から前記スロットルバルブより下流の吸気通路に残余の導入ガスが排出されるように前記吸気通路と接続されてもよい(請求項7)。周知のように内燃機関の運転中におけるスロットルバルブより下流の吸気通路の圧力は、スロットルバルブより上流の吸気通路の圧力より低い。この形態では、スロットルバルブより上流の吸気通路から吸気を取り出し、スロットルバルブより下流の吸気通路に残余の導入ガスを排出するので、これらの吸気通路の圧力差によって吸気を分離手段の内部に導入することができる。
この形態において、前記内燃機関はターボ過給機を備え、前記分離手段は、前記スロットルバルブより下流、かつ前記ターボ過給機のコンプレッサよりも上流の吸気通路に前記ガス排出口から残余の導入ガスが排出されるように前記吸気通路と接続されてもよい(請求項8)。コンプレッサの下流においては吸気通路の圧力が高くなるので、このような位置に残余の導入ガスが排出されるように分離手段を設けることにより、吸気通路の圧力差を利用して吸気を分離手段の内部に導入できる。
また、前記吸気導入通路の流路断面積は、前記スロットルバルブが設けられるスロットルボディの吸気が通過する通路の流路断面積よりも小さくてもよい(請求項9)。このように吸気導入通路の流路断面積を設定することにより、スロットルバルブを閉じた際にスロットルバルブより下流の吸気通路の圧力を低下させることができる。
本発明の異物除去装置の一形態において、前記ガス通路は、前記内燃機関の排気通路と前記吸気通路とを連通するEGR通路であり、前記導入ガスは、前記排気通路から前記吸気通路に還流される排気であってもよい(請求項10)。EGRガスには、凝縮水の他に粒子状物質(PM)などが異物として含まれている。そのため、分離手段をEGR通路に設けることにより、これらの異物が吸気通路に導入されることを抑制できる。
本発明の異物除去装置の一形態において、前記ガス通路は、前記内燃機関のクランク室と前記吸気通路とを連通するブローバイガス通路であり、前記導入ガスは、ブローバイガスであってもよい(請求項11)。ブローバイガスにはオイルなどが異物として含まれているので、分離手段をブローバイガス通路に設けることにより、オイルが吸気通路に導入されることを抑制できる。
このように本発明の導入ガスには、EGRガス及びブローバイガスなど吸気と混合されて気筒に吸入される種々のガスが含まれる。また、本発明の異物には、これらのガスに含まれている凝縮水、PM、及びオイルなどが含まれる。
以上に説明したように、本発明の異物除去装置によれば、吸気導入通路を介して分離手段の内部に導入した吸気によって導入ガスの流速を高めることができる。そのため、比較的簡素な構成で分離手段の内部における導入ガスの流速を高めることができる。また、このように導入ガスの流速を高めることにより、この導入ガスから遠心力を利用して凝縮水などの異物を十分に分離、除去することができる。
(第1の形態)
図1は、本発明の第1の形態に係る異物除去装置が組み込まれた内燃機関の概略を示している。図1の内燃機関(以下、エンジンと称することがある。)1は、車両に走行用動力源として搭載されるものであり、複数(図1では4つ)の気筒2を有する機関本体3と、各気筒2に接続される吸気通路4及び排気通路5とを備えている。吸気通路4には、吸気濾過用のエアクリーナ6、吸入空気量を調整するためのスロットルバルブ7、ターボ過給機8のコンプレッサ8a、及び吸気を冷却するためのインタークーラ9が設けられている。排気通路5には、ターボ過給機8のタービン8b及びタービン8bに導かれる排気の流量を調整するためのウェイストゲートバルブ10が設けられている。ターボ過給機8は、タービン8bのタービンホイールとコンプレッサ8aのコンプレッサホイールとをセンタハウジング8cに設けられた軸受にて支持された回転軸8dにて連結させた周知のものである。
吸気通路4と排気通路5とは、排気の一部をEGRガスとして吸気通路4に還流させるためのEGR通路11にて接続されている。図1に示したようにEGR通路11は、スロットルバルブ7よりも下流かつコンプレッサ8aよりも上流の吸気通路4とタービン8bよりも下流の排気通路5とを接続している。そのため、EGRガスは、スロットルバルブ7とコンプレッサ8aとの間の吸気通路3に還流される。EGR通路11には、EGRガスを冷却するためのEGRクーラ12、EGRガスの流量を調整するためのEGRバルブ13、及び異物除去装置14が設けられている。異物除去装置14は、EGRガスから凝縮水及びPMなどの異物を分離する分離手段としてのサイクロンセパレータ20と、スロットルバルブ7よりも上流の吸気通路4からサイクロンセパレータ20の内部に吸気を導くための吸気導入通路15とを備えている。なお、この吸気導入通路15は、その流路断面積がスロットルバルブ7が設けられるスロットルボディ7aの吸気が通過する通路(不図示)の流路断面積よりも小さくなるように設けられる。このようにEGR通路11にサイクロンセパレータ20が設けられるため、EGR通路11が本発明のガス通路に相当し、EGRガスが本発明の導入ガスに相当する。
図2及び図3を参照してサイクロンセパレータ20について説明する。図2は、サイクロンセパレータ20を拡大して示す図であり、図3は、図2のIII−III線におけるサイクロンセパレータ20の断面を示す図である。サイクロンセパレータ20は、ケーシング21と、ケーシング21の中央にケーシング21内に突出するように設けられる中空円筒状の気体排出管22とを備えている。気体排出管22は、EGR通路11の一部を形成するガス導入通路11a(図1参照)を介してスロットルバルブ7よりも下流かつコンプレッサ8aよりも上流の吸気通路4に接続される。ケーシング21は、気体排出管22を取り囲むように配置された円筒状の円筒部21aと、その円筒部21aの下方に連なる漏斗状の回収部21bとを備えている。ケーシング21の内部には円筒部21aによって円筒状の分離室23が形成される。回収部21bの下部には異物を排出するための排出管24が設けられ、この排出管24は異物を貯留するためのタンク(不図示)と接続されている。
図2及び図3に示したようにケーシング21の円筒部21aには、EGR通路11の一部を形成するとともに分離室23にEGRガスを導入するためのEGRガス導入管25と、吸気導入通路15の一部を形成するとともに分離室23に吸気を導入するための吸気導入管26とが接続されている。EGRガス導入管25は、図2及び図3に矢印F1で示したようにEGRガスが円筒部21aの接線方向から流入するように円筒部21aに接続されている。このようにEGRガス導入管25を接続することにより、分離室23に導入したEGRガスを分離室23の壁面23aに沿って旋回させることができる。一方、吸気導入管26は、図3に矢印F2で示したようにEGRガスが導入される位置よりも内周側、すなわち円筒部21aの中心線C寄りに吸気が流入するように円筒部21aに接続される。すなわち、EGRガス導入管25はEGRガスが分離室23の外周側に導入されるように円筒部21aに接続され、吸気導入管26は吸気が分離室23の内周側に導入されるように円筒部21aに接続される。また、吸気導入管26は、分離室23の壁面23aに沿って旋回しているEGRガスの流れに沿ってこのEGRガスの流れと同じ方向に向かって吸気が流入するように円筒部21aに接続されている。このように吸気導入管26を接続することにより、分離室23の壁面23aに沿って旋回しているEGRガスの流速を高めることができる。
サイクロンセパレータ20による異物の分離、除去方法について説明する。EGRガス導入管25から分離室23に流入したEGRガスは、分離室23の壁面23aに沿って旋回し、図2及び図3に示したように旋回流Sを形成する。吸気導入管26からは、この旋回流Sに沿って旋回流Sの流れ方向と同じ方向に向かって吸気が導入されるので、旋回流Sの速度が高められる。EGRガスにてこのように旋回流Sが形成されることにより、遠心力を利用してEGRガスに含まれている凝縮水及びPMなどの異物を分離室23の壁面23aに付着させ、異物をEGRガスから分離、除去することができる。EGRガスから分離された異物は、排出管24を介して不図示のタンクに排出される。そのため、分離室23に開口する排出管24の入口24aが本発明の異物排出口に相当する。なお、タンク内の異物は、例えばエンジン1の排気通路5に設けられる排気浄化触媒の上流に導入して浄化してもよいし、エンジン1のメンテナンス時に廃棄されてもよい。一方、残余のEGRガスは、分離室23に導入された吸気とともに図2に矢印F3で示したように気体排出管22を介して吸気通路4に導入される。これにより、吸気通路4への異物の流入が抑制できる。そのため、エンジン1の運転状態が不安定になることを抑制したり、コンプレッサ8aやインタークーラ9などの吸気通路4に設けられた機器の腐食を抑制したりすることができる。このように残余のEGRガスが排出されることにより、分離室23に開口する気体排出管22の入口22aが本発明のガス排出口に相当する。
第1の形態の異物除去装置14によれば、サイクロンセパレータ20の分離室23に吸気を導入し、この吸気によって分離室23におけるEGRガスの流速を高めることができる。そのため、EGRガスの流量が少なくなる運転状態でエンジン1が運転される場合においても、サイクロンセパレータ20においてEGRガスから異物を十分に分離、除去することができる。また、この異物除去装置14では、吸気導入通路15にて吸気を分離室23に導くので、比較的簡素な構成で分離室23におけるEGRガスの流速を高めることができる。
分離室23には、外周側にEGRガスが、内周側に吸気がそれぞれ導入されるので、吸気によってEGRガスの流速を高めつつEGRガスを分離室23の壁面23aの近くに集めて異物が外周側に移動することを促進できる。また、このように異物の移動を促進させることにより、異物が壁面23aに捕集され易くなる。そのため、異物の分離効率を向上させることができる。
吸気導入通路15がスロットルバルブ7より上流の吸気通路4に接続され、気体排出管22がスロットルバルブ7より下流の吸気通路4に接続されるので、スロットルバルブ7の上流と下流の圧力差によって吸気を分離室23に導入することができる。吸気導入通路15の流路断面積をスロットルボディ7aの吸気が通過する通路の流路断面積よりも小さく設定したので、スロットルバルブ7を閉じた際に吸気導入通路15を介して吸気がスロットルバルブ7より下流の吸気通路14に導かれることを抑制できる。そのため、スロットルバルブ7を閉じることにより、スロットルバルブ7より下流の吸気通路4の圧力を低下させることができる。
(第2の形態)
図4は、本発明の第2の形態に係る異物除去装置が組み込まれた内燃機関の概略を示している。図4に示したように、この形態では吸気導入通路15に分離室23に導入される吸気の流量を調整する流量調整手段としての流量調整バルブ30が設けられる点が第1の形態と異なる。それ以外の点は、第1の形態と同じであるため、第1の形態と共通の部分には同一の符号を付して説明を省略する。なお、流量調整バルブ30は、開き側に変化させるほど分離室23に導入される吸気の流量が増加するように設けられる。
流量調整バルブ30の動作は、エンジンコントロールユニット(ECU)40にて制御される。ECU40は、マイクロプロセッサ及びその動作に必要なRAM、ROM等の周辺機器を含んだコンピュータとして構成され、スロットルバルブ7及びEGRバルブ13などの動作を制御してエンジン1の運転状態を制御する周知のコンピュータユニットである。
ECU40は、分離室23におけるEGRガスの流速が所定流速以上になるように流量調整バルブ30の動作を制御する。このように流量調整バルブ30の動作を制御することにより、ECU40が本発明の制御手段として機能する。所定流速としては、例えばEGRガスから異物が確実に分離される流速範囲の下限値が設定される。なお、この流速範囲内であれば、EGRガスから異物を確実に分離できるので、この流速範囲の下限値以上の値が所定流速として設定されてもよい。
より具体的に説明するとECU40は、EGRバルブ13の開度に応じて流量調整バルブ30の開度を調整する。EGRバルブ13が閉じ側に変化し、EGRガスの流量が減少した場合、分離室23に導入される吸気の流量が同じでは、分離室23における旋回流Sの流速が低下する。そこで、ECU40は、このようにEGRガスの流量が減少する場合は分離室23に導入される吸気の流量が増加するように流量調整バルブ30の開度を調整する。この制御は、例えば図5に一例を示したEGRバルブ13の開度と流量調整バルブ30の開度との関係を予め実験などにより求めてECU40のROMにマップとして記憶させておき、このマップを参照して行わせればよい。このように流量調整バルブ30の開度を調整することにより、分離室23に導かれるEGRガスの流量が減少するほど分離室23に導かれる吸気の流量を増加させることができる。
この第2の形態によれば、分離室23におけるEGRガスの流速を所定流速以上に維持できるので、サイクロンセパレータ20においてEGRガスから異物を確実に分離、除去することができる。そのため、サイクロンセパレータ20における異物の分離効率を改善することができる。
本発明は、上述した各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、EGRガスから異物を分離する装置はサイクロンセパレータに限定されず、遠心力を利用してEGRガスに異物分離作用を与える種々の装置を使用してよい。
また、本発明の異物除去装置にて異物が除去されるガスはEGRガスに限定されず、吸気と混合されて気筒に吸入される種々のガスを適用してよい。このようなガスとしては、例えばブローバイガスがある。そこで、図6に一例を示したように機関本体3のクランク室(不図示)と吸気通路4とを連通するブローバイガス通路50に異物除去装置14を設けてもよい。なお、図6において図1と共通の部分については同一の符号を付して説明を省略する。この場合、図2のサイクロンセパレータ20のEGRガス導入管25がブローバイガス通路50の一部を形成する。ブローバイガスには異物としてオイルなどが含まれているため、異物除去装置14ではブローバイガスからオイルを分離、除去する。このようにオイルを分離、除去した後の残余のブローバイガスを吸気通路4に導入することにより、吸気通路4、コンプレッサ8a、及びインタークーラ9などへのオイルの付着を抑制することができる。この場合、ブローバイガス通路50が本発明のガス通路に相当する。なお、この例においても吸気導入通路15に流量調整バルブを設け、サイクロンセパレータ内におけるブローバイガスの流速が所定流速以上になるようにサイクロンセパレータに導入される吸気の流量を調整してもよい。
本発明の第1の形態に係る異物除去装置が組み込まれた内燃機関の概略を示す図。 サイクロンセパレータを拡大して示す図。 図2のIII−III線におけるサイクロンセパレータの断面を示す図。 本発明の第2の形態に係る異物除去装置が組み込まれた内燃機関の概略を示す図。 EGRバルブの開度と流量調整バルブの開度との関係の一例を示す図。 本発明の異物除去装置の他の例を示す図。
符号の説明
1 内燃機関
2 気筒
4 吸気通路
5 排気通路
7 スロットルバルブ
7a スロットルボディ
8 ターボ過給機
8a コンプレッサ
11 EGR通路(ガス通路)
14 異物除去装置
15 吸気導入通路
20 サイクロンセパレータ(分離手段)
22 気体排出管
22a 入口(ガス排出口)
23 分離室
23a 壁面
24 排出管
24a 入口(異物排出口)
30 流量調整バルブ(流量調整手段)
40 エンジンコントロールユニット(制御手段)
50 ブローバイガス通路(ガス通路)

Claims (11)

  1. 吸気と混合されて気筒に吸入される導入ガスを吸気通路に導入するためのガス通路に設けられ、かつ内部に導かれた導入ガスに遠心力を利用した異物分離作用を与え、得られた異物を異物排出口から排出し、残余の導入ガスをガス排出口から前記吸気通路に排出する分離手段を備えた内燃機関の異物除去装置において、
    前記分離手段の内部に導かれた導入ガスの流速が高められるように前記吸気通路から前記分離手段の内部に吸気を方向付けて導入する吸気導入通路を備えることを特徴とする内燃機関の異物除去装置。
  2. 前記吸気導入通路にて前記分離手段の内部に導かれる吸気の流量を調整する流量調整手段と、前記分離手段の内部における導入ガスの流速が所定流速以上になるように前記流量調整手段の動作を制御する制御手段と、をさらに備える請求項1に記載の内燃機関の異物除去装置。
  3. 前記制御手段は、前記分離手段の内部に導かれる導入ガスの流量に基づいて前記流量調整手段の動作を制御する請求項2に記載の内燃機関の異物除去装置。
  4. 前記制御手段は、前記分離手段の内部に導かれる導入ガスの流量が減少するほど前記分離手段の内部に導かれる吸気の流量が増加するように前記流量調整手段の動作を制御する請求項3に記載の内燃機関の異物除去装置。
  5. 前記所定流速として、前記分離手段の内部に導かれた導入ガスから異物が分離する流速範囲の下限値以上の流速が設定される請求項2〜4のいずれか一項に記載の内燃機関の異物除去装置。
  6. 前記分離手段として、円筒状に形成された分離室の壁面に沿って導入ガスを旋回させることによりその導入ガスに異物分離作用を与えるサイクロンセパレータが設けられ、
    前記サイクロンセパレータには、前記分離室内の外周側に導入ガスが導入されるように前記ガス通路が接続されるとともに、前記分離室内の内周側に吸気が導入されるように前記吸気導入通路が接続される請求項1〜5のいずれか一項に記載の内燃機関の異物除去装置。
  7. 前記吸気通路に吸気の流量を調整するスロットルバルブが設けられ、
    前記吸気導入通路は、前記スロットルバルブより上流の吸気通路から吸気を取り出して前記分離手段の内部に導入するように設けられ、
    前記分離手段は、前記ガス排出口から前記スロットルバルブより下流の吸気通路に残余の導入ガスが排出されるように前記吸気通路と接続される請求項1〜6のいずれか一項に記載の内燃機関の異物除去装置。
  8. 前記内燃機関はターボ過給機を備え、
    前記分離手段は、前記スロットルバルブより下流、かつ前記ターボ過給機のコンプレッサよりも上流の吸気通路に前記ガス排出口から残余の導入ガスが排出されるように前記吸気通路と接続される請求項7に記載の内燃機関の異物除去装置。
  9. 前記吸気導入通路の流路断面積は、前記スロットルバルブが設けられるスロットルボディの吸気が通過する通路の流路断面積よりも小さい請求項7又は8に記載の内燃機関の異物除去装置。
  10. 前記ガス通路は、前記内燃機関の排気通路と前記吸気通路とを連通するEGR通路であり、
    前記導入ガスは、前記排気通路から前記吸気通路に還流される排気である請求項1〜9のいずれか一項に記載の内燃機関の異物除去装置。
  11. 前記ガス通路は、前記内燃機関のクランク室と前記吸気通路とを連通するブローバイガス通路であり、
    前記導入ガスは、ブローバイガスである請求項1〜9のいずれか一項に記載の内燃機関の異物除去装置。
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