JP2015045317A - エンジンの吸気系構造 - Google Patents

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Abstract

【課題】凝縮水が水滴の状態で多量に燃焼室内に流れ込むのを抑制することができるエンジンの吸気系構造を提供する。【解決手段】一端がインタークーラ23の下流側吸気通路13Aに接続され、他端が下流側吸気通路13A内の圧力よりも高圧の空間に接続される接続通路40を設け、接続通路40の一端に、インタークーラ23側に向かって且つ下流側吸気通路13Aの内壁面に沿って開口する出口部50を設ける。【選択図】図2

Description

本願発明は、燃焼室に連通する吸気通路と、この吸気通路に設けられて燃焼室に導入される吸気を冷却するインタークーラと、を備えるエンジンの吸気系構造に関する。
一般的に、過給機(ターボチャージャ等)を備えたエンジンの吸気通路には、過給機によって加圧された吸気を冷却するためのインタークーラが設けられている。また過給機を備えたエンジンには、排気ガスの一部を過給機前の吸気通路に環流させて新気と共に再燃焼させる排気再循環(EGR)装置を備えたものがある。
このような構成のエンジンでは、インタークーラ内において吸気を冷却する際に水分が凝縮されて凝縮水が生成される。インタークーラから生成された凝縮水は、例えば、所定のタイミングで外部に排出すること等により除去されるが、その一部はインタークーラから下流側の吸気通路に排出され、吸気通路を構成する配管(吸気管)の内面に付着してしまう。
排気再循環により吸気通路に供給されるEGRガスは温度が比較的高いこともあり、EGRガスには水分が水蒸気として比較的多く含まれている。このため、EGRガスを含む吸気の場合、吸気管への凝縮水の付着が起こり易い。
そして、このように吸気管に凝縮水が付着すると、凝縮水によって吸気管が腐食されてしまう虞がある。また、吸気管に付着した凝縮水が、水滴の状態で多量に燃焼室内に流れ込むと、トルク変動や排出ガスの悪化を招く虞があり、さらには、いわゆるウォータハンマ現象等によりエンジンが損傷してしまう虞もある。
吸気中の水分を除去するための技術は様々提案されている。例えば、給気冷却器(インタークーラ)の下流側に水滴分離器を設け、この水滴分離器によって給気中の水分を除去するようにしたものがある(例えば、特許文献1参照)。
また、この特許文献1には、吸気冷却器の下流側の給気管にバイパス管を介して高温のバイパス給気を噴出させることで、水滴分離器を通過した水滴を再蒸発させることが記載されている。
実開平1−111141号公報
吸気管に付着した凝縮水の多くを再蒸発させることができれば、上述したトルク変動や排出ガスの悪化を抑制できると考えられる。
しかしながら、インタークーラの下流側の吸気管に接続されたバイパス通路を介して、吸気管内にバイパス吸気を噴射させただけでは、吸気管の内壁面に付着した凝縮水の多くを再蒸発させることは難しい。したがって、特許文献1に記載の技術によっても、依然として凝縮水が水滴の状態で多量に燃焼室内に流れ込む虞があり、また凝縮水によって吸気管が腐食する虞もある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、凝縮水が水滴の状態で多量に燃焼室内に流れ込むのを抑制することができるエンジンの吸気系構造を提供することを目的とする。
上記課題を解決する本発明の第1の態様は、燃焼室に連通する吸気通路と、前記吸気通路に接続されて前記燃焼室に導入される吸気を冷却するインタークーラと、を備えるエンジンの吸気系構造であって、一端が前記インタークーラの吸気下流側の前記吸気通路である下流側吸気通路に接続され、他端が前記下流側吸気通路内の圧力よりも高圧の空間に接続される接続通路を有し、前記接続通路の前記一端に、前記インタークーラ側に向かって且つ前記下流側吸気通路の内壁面に沿って開口する出口部が設けられていることを特徴とするエンジンの吸気系構造にある。
かかる第1の態様では、接続通路を介してインタークーラ側に向かって且つ下流側吸気通路の内壁面に沿って空気が噴射されるため、下流側吸気通路の内面に付着している滴状の凝縮水が霧化されて吸気に混合される。
本発明の第2の態様は、第1の態様のエンジンの吸気系構造において、前記出口部は、前記下流側吸気通路から前記出口部への吸気の流入を規制する流入規制部を備えていることを特徴とするエンジンの吸気系構造にある。
かかる第2の態様では、下流側吸気通路から出口部内への凝縮水の侵入を抑制でき、出口部を含む下流側吸気通路を形成する吸気管の凝縮水による腐食が抑制される。
本発明の第3の態様は、第2の態様のエンジンの吸気系構造において、前記出口部の前記流入規制部は、当該出口部の先端側に向かって開口面積が徐々に狭くなっていることを特徴とするエンジンの吸気系構造にある。
かかる第3の態様では、開口面積が徐々に狭くなっていることで、下流側吸気通路から出口部内への凝縮水の侵入を抑制できる。また下流側吸気通路内へ接続通路を介して噴射される空気の噴射速度が早まるため、下流側吸気通路の内面に付着している滴状の凝縮水をより効果的に霧化することができる。
本発明の第4の態様は、第2又は3の態様のエンジンの吸気系構造において、前記出口部が、前記下流側吸気通路を形成する第1の吸気管と、該第1の吸気管内に設けられる第2の吸気管との間に形成されており、当該出口部の前記流入規制部には、螺旋状の誘導壁が設けられていることを特徴とするエンジンの吸気系構造にある。
かかる第4の態様では、誘導壁によって下流側吸気通路から出口部内への凝縮水の侵入を抑制することができる。また誘導壁が設けられていることで出口部内における空気の通過距離が長くなるため、出口部に侵入した凝縮水を効果的に霧化して下流側吸気通路に排出することができる。
本発明の第5の態様は、第1から4の何れか一つの態様のエンジンの吸気系構造において、前記接続通路の前記他端は、前記インタークーラよりも吸気上流側の前記吸気通路である上流側吸気通路に接続されていることを特徴とするエンジンの吸気系構造にある。
かかる第5の態様では、インタークーラをバイパスする通路によって接続通路を形成でき、下流側吸気通路に高圧の空気を導入するために別の装置等を設ける必要がなく、コストの上昇を抑制することができる。
以上のように、本発明のエンジンの吸気系構造によれば、下流側吸気通路の内面に付着している滴状の凝縮水が効率的に霧化、或いは気化される。したがって、凝縮水が水滴の状態で多量にエンジンの燃焼室内に流れ込むのを抑制することができ、トルク変動や排出ガスの悪化等の発生を抑制することができる。
本発明の実施形態1に係るエンジンの全体構成を示す図である。 本発明の実施形態1に係るエンジンの吸気系構造を示す断面図である。 本発明の実施形態2に係るエンジンの吸気系構造を示す断面図である。 本発明の実施形態3に係るエンジンの吸気系構造を示す断面図である。 本発明の他の実施形態に係るエンジンの吸気系構造示す断面図である。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
(実施形態1)
まずは実施形態1に係るエンジンの全体構成について説明する。図1に示すように、本実施形態に係るエンジン10は、直列に配置された4つの気筒(燃焼室)11を備える直列4気筒のディーゼルエンジン(以下、単に「エンジン」という)である。各気筒11の吸気ポート(図示なし)には、吸気マニホールド12が接続され、吸気マニホールド12には吸気管13が接続されている。一方、各気筒11の排気ポート(図示なし)には、排気マニホールド14が接続され、排気マニホールド14には排気管15が接続されている。
また各気筒11に対応して燃料を噴射するためのインジェクタ16が設けられている。各インジェクタ16には、高圧燃料分配配管17から燃料が供給される。図示は省略するが、高圧燃料分配配管17には、燃料タンク内の低圧燃料ポンプから供給された燃料が高圧燃料ポンプにて所定圧まで加圧された状態で供給される。
吸気管13及び排気管15の途中には、ターボチャージャ(過給機)18が設けられている。ターボチャージャ18は、各気筒(燃焼室)11から排気ガスが流れ込むと、排気ガスの流れによってタービンが回転し、このタービンの回転に伴ってコンプレッサが回転して吸気管13からターボチャージャ18内に空気が吸い込まれて加圧されるようになっている。
ターボチャージャ18よりも上流側の吸気管13には、エアクリーナ19と、第1のスロットルバルブ20と、が設けられている。エアクリーナ19には吸気の湿度を検出する湿度センサ21が設けられている。なお第1のスロットルバルブ20は、エアクリーナ19を通過した新気の量を調整すると共に、この調整によって、後述する低圧用EGR管を介して吸気管13に導入される排気ガス量(低圧EGRガス量)を間接的に調整する。またエアクリーナ19の下流側には、吸気流量を検出するエアフローセンサ22が設けられている。
ターボチャージャ18よりも下流側の吸気管13には、吸気を冷却するインタークーラ23が配されている。インタークーラ23の下流側の吸気管13には、電動アクチュエータの駆動により吸気管13を開閉する吸気調整弁である第2のスロットルバルブ25が設けられている。
第2のスロットルバルブ25は、インタークーラ23を通過した吸気量(新気量+低圧EGRガス量)を調整するとともに、この調整によって、後述するEGR管を介して吸気管13に導入される排気ガス量(EGRガス量)を間接的に調整する。
吸気管13の第2のスロットルバルブ25よりも下流側には、高圧の排気ガス(EGRガス)が環流するEGR管(EGR流路)26の一端が接続されている。EGR管26の他端は、排気管15のターボチャージャ18よりも上流側に接続されている。EGR管26にはEGRクーラ27が設けられ、EGR管26の吸気管13との接続部分にはEGR弁28が設けられている。このEGR弁28が開弁することで、排気管15のターボチャージャ18よりも上流側を流れる高圧の排気ガスの一部がEGR管26に流れ込み、EGRクーラ27によって冷却された後、吸気管13に供給されるようになっている。なお、EGR弁28は、EGR管26から吸気管13に流れ込むEGRガスの量を調整することができるように設けられていればよい。
また排気管15のターボチャージャ18よりも下流側には、排気浄化用触媒であるディーゼル酸化触媒31と、排気浄化用フィルタであるディーゼル微粒子捕集フィルタ32とが上流側から順に配されている。
排気管15のターボチャージャ18よりも下流側、本実施形態ではディーゼル微粒子捕集フィルタ32の下流側には、低圧の排気ガスの一部(低圧EGRガス)が環流する低圧用EGR管(低圧EGR流路)33の一端が接続されている。低圧用EGR管33の他端は、ターボチャージャ18と第1のスロットルバルブ20との間で、吸気管13に接続されている。この低圧用EGR管33には、EGR管26の場合と同様に、低圧用EGRクーラ34及び低圧用EGR弁35が設けられている。そして低圧用EGR弁35が開弁することで、排気管15のターボチャージャ18よりも下流側を流れる低圧EGRガスが低圧用EGRクーラ34によって冷却されて吸気管13に供給されるようになっている。
また低圧用EGR管33の両端部には、差圧センサ36が設けられている。この差圧センサ36は、吸気管13のターボチャージャ18よりも上流側の圧力と、排気管15のターボチャージャ18よりも下流側の圧力との差圧を検出する。すなわち差圧センサ36の検出結果から低圧用EGR管33を流れる低圧EGRガスの流速や流量等が求められる。
ところで、このような構成のエンジン10においては、インタークーラ23内において吸気を冷却する際に水分が凝縮されて凝縮水が生成される。特に、低圧EGRガスを環流させる場合には凝縮水が生成され易い。凝縮水は、所定のタイミングでインタークーラ23から外部に排出するが、その一部は、インタークーラ23の下流側に流出し、吸気管(吸気通路)13の内壁面に付着してしまう。そして吸気管13の内壁面に付着した滴状の凝縮水に起因して、トルク変動や排出ガスの悪化、さらには吸気管13の腐食といった問題が生じる虞がある。
そこで本発明では、一端がインタークーラ23の吸気下流側(吸気の流れ方向下流側)の吸気管13である下流側吸気管(下流側吸気通路)13Aに接続され、他端が下流側吸気管13A内の圧力よりも高圧の空間に接続される接続通路を設け、この接続通路を介して下流側吸気管13Aに吸気の流れとは逆方向に空気(本実施形態では、下記「バイパス吸気」)を噴射するようにした。これにより、下流側吸気管13Aの内壁面に付着した滴状の凝縮水が霧化、或いは気化されるため、トルク変動等の発生を抑制することができる。以下、本実施形態に係るエンジン10の吸気系構造について説明する。
本実施形態のエンジン10の吸気系構造においては、上述のように各燃焼室11に繋がる吸気管13の途中にインタークーラ23が接続されている。さらに吸気管13には、インタークーラ23をバイパスするバイパス管(接続通路)40が接続されている。すなわちバイパス管40の一端側は、下流側吸気管13Aに接続され、他端側はインタークーラ23の上流側の吸気通路であり下流側吸気管13A内よりも高圧の空間である上流側吸気管(上流側吸気通路)13Bに接続されている。
なおバイパス管40の両端は、インタークーラ23の近傍で、下流側吸気管13A及び上流側吸気管13Bに接続されているが、バイパス管40の他端の上流側吸気管13Bとの接続位置は、インタークーラ23とは離れた位置であってもよい。ただし、上流側吸気管13Bのバイパス管40が接続される部分の圧力は、下流側吸気管13Aの圧力よりも高圧である必要がある。このため、バイパス管40の他端は、ターボチャージャ18よりも下流側で、上流側吸気管13Bに接続されていることが好ましい。
また本実施形態では、図2に示すように、バイパス管40の一端が、吸気管13に設けられた出口部50に接続されている。バイパス管40を流れるバイパス吸気は、この出口部50に流入し、出口部50の開口51から下流側吸気管13A内に噴射される。出口部50は、インタークーラ23側に向かい且つ下流側吸気管13Aの内壁面に沿って開口して設けられている。すなわち出口部50の開口51は、出口部50から噴射されるバイパス吸気が、下流側吸気管13Aの内壁面に沿って流れるような向きで形成されている。
具体的には、インタークーラ23の下流側の吸気通路である下流側吸気管13Aは、インタークーラ23に接続される第1の吸気管13aと、第1の吸気管13aよりも小径に形成され一端側が燃焼室11に繋がる第2の吸気管13bとで、構成されている。第2の吸気管13bは、その他端側が第1の吸気管13a内に挿入された状態で第1の吸気管13aと連結されている。そして出口部50は、これら第1の吸気管13aと第2の吸気管13bとの間の空間であり、下流側吸気管13Aの全周に亘って形成されている。
このように、本実施形態のエンジンの吸気系構造においては、バイパス管40と出口部50とで接続通路が形成されており、上流側吸気管13Bから接続通路を介して下流側吸気管13A内にバイパス吸気が噴射される。すなわち、バイパス管40を介して出口部50に供給されたバイパス吸気は、出口部50の開口51から、インタークーラ23側(上流側)に向かって且つ第1の吸気管13aの内壁面に沿って流れるように、下流側吸気管13A内に噴射される。
以上説明した本実施形態に係るエンジンの吸気系構造では、所定のタイミングで出口部50の開口51から下流側吸気管13A内に、吸気の流れと逆方向に空気(バイパス吸気)が噴射される。このバイパス吸気によって下流側吸気管(第1の吸気管)13Aの内面に付着している滴状の凝縮水が霧化される。特に、下流側吸気管13A内の吸気の流れとは逆向きにバイパス吸気を噴射することで、下流側吸気管13A内に乱流が形成されて凝縮水の霧化が促進される。またバイパス吸気は、下流側吸気管13Aを流れる吸気に比べて高温であるため、凝縮水の一部は気化される場合もあり、凝縮水の霧化も促進される。
また本実施形態では、インタークーラ23をバイパスするバイパス管40によって接続通路を形成するようにした。これにより、下流側吸気管13Aに高圧の空気を導入するために別の装置等を設ける必要がなく、コストの上昇を抑制することができる。
そして、このように霧化或いは気化した凝縮水を吸気と共に燃焼室11に流入させることで、トルク変動や排気ガスの悪化といった問題の発生を抑制することができる。さらに、バイパス吸気の噴射により下流側吸気管13Aの内壁面から凝縮水が除去されるため、吸気管13の腐食も抑制することができる。
なおバイパス管40の途中には、バイパス管40を開閉する開閉弁(開閉手段)41が設けられており、この開閉弁41は、制御部60によって適宜制御される。制御部60は、エンジン10の運転状態に応じてこの開閉弁41を適宜制御し、結果としてバイパス吸気の下流側吸気管13Aへの噴射を適宜制御する。例えば、制御部60は、エアフローセンサ22の検出結果等に基づいて、吸気量が少ないエンジン10の運転状態(低負荷運転時)である場合に、開閉弁41を開いてバイパス吸気を下流側吸気管13A内に噴射させる。吸気量が少ないエンジンの運転状態では、インタークーラ23の効率が高くなり、吸気がよく冷えて凝縮水が発生し易い。したがって、下流側吸気管13Aの内壁面に付着した凝縮水をより効率的に霧化(或いは気化)することができる。
また、制御部60は、湿度センサ21の検出結果に基づいて、エアクリーナ19中の吸気の湿度が所定値よりも高い場合に、開閉弁41を開いてバイパス吸気を噴射させてもよい。エアクリーナ19中の湿度が高いほど、インタークーラ23で吸気が冷却されたときに凝縮水が発生し易い。したがって、湿度が高い場合にバイパス吸気を供給することで、下流側吸気管13Aの内壁面に付着した凝縮水をより効率的に霧化(或いは気化)することができる。
(実施形態2)
図3は、実施形態2に係るエンジンの吸気系構造を示す断面図である。なお同一部材には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
本実施形態は、出口部50に、下流側吸気管13Aからの吸気の流入を規制する流入規制部を設けた例であり、その他の構成については、実施形態1と同様である。
具体的には、図3に示すように、第2の吸気管13bの他端側の先端部は、内径が徐々に拡大するように形成され、その結果、出口部50の先端側には、開口51側に向かって開口面積が徐々に狭くなる流入規制部としての漸小部52が形成されている。
このような本実施形態の構成では、漸小部52が設けられていることで、つまり出口部50の開口51が狭くなっていることで、出口部50内への凝縮水の侵入を抑制できる。また開口51が狭くなっていることで、出口部50から下流側吸気管13A内に噴射されるバイパス吸気の噴射速度が早まるため、下流側吸気管13Aの内面に付着している凝縮水の霧化を促進することができる。
(実施形態3)
図4は実施形態3に係るエンジンの吸気系構造を示す断面図である。なお同一部材には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
本実施形態は、出口部50に設けられる流入規制部の他の例であり、その他の構成は、上述の実施形態と同様である。
具体的には、図4に示すように、第1の吸気管13aと第2の吸気管13bとの間に形成される出口部50内に、螺旋状の誘導壁55が設けられている。そして本実施形態では、出口部50の誘導壁55が設けられた部分が流入規制部を構成する。出口部50内は、この螺旋状の誘導壁55によって区切られおり、バイパス管40から出口部50に流入したバイパス吸気は、この誘導壁55に誘導されて誘導壁55に沿って流れ、下流側吸気管13A内に噴射される。下流側吸気管13A内に噴射されたバイパス吸気は、旋回流を形成しながら下流側吸気管13Aの内壁面に沿ってインタークーラ23側に流れて、凝縮水を霧化する。
このような構成では、誘導壁55によって出口部50内への凝縮水の侵入が抑制される。また誘導壁55が設けられていることで出口部50内におけるバイパス吸気の通過距離が長くなる。このため、出口部50内に凝縮水が侵入した場合でも、バイパス吸気の噴射により、出口部50内に侵入した凝縮水を効率的に霧化して出口部50から排出することができる。
(他の実施形態)
以上本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、この実施形態に限定されるものではない。本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更が可能なものである。
上述の実施形態では、第1の吸気管13aと第2の吸気管13bとの間に出口部50が設けられた例を説明したが、出口部50の構成は、これに限定されるものではない。
例えば、出口部50はバイパス管40によって構成されていてもよい。すなわちバイパス管40を下流側吸気管13Aに対して所定の向きで接続した場合、バイパス管40の下流側吸気管13Aとの接続部分が、出口部50を構成する。具体的には、図5(a)に示すように、下流側吸気管13Aの軸方向においては、バイパス管40を下流側吸気管13Aの下流側に所定角度だけ傾斜させる。また図5(b)に示すように、下流側吸気管13Aの径方向においては、バイパス管40を下流側吸気管13Aの接線方向に延設する。
このような構成とした場合、バイパス管40から下流側吸気管13A内に噴射されるバイパス吸気は、下流側吸気管13Aの内壁面に沿って旋回流を形成しながらインタークーラ23側に向かって流れることになる。つまりバイパス管40の下流側吸気管13Aとの接続部分が、インタークーラ23側に向かって且つ下流側吸気管13Aの内壁面に沿って開口する出口部50を構成することになる。
勿論、このような構成とした場合でも、上述の実施形態と同様に、下流側吸気管13Aの内壁面に付着した凝縮水を効率的に霧化、或いは気化することができ、凝縮水に起因するトルク変動等の発生を抑制することができる。さらに、バイパス吸気の噴射により下流側吸気管13Aの内壁面から凝縮水が除去されるため、下流側吸気管13Aの腐食も抑制することができる。
また上述の実施形態では、バイパス管40の他端が、インタークーラ23の入口近傍で上流側吸気管13Bに接続された構成を例示したが、バイパス管40の他端は、必ずしも上流側吸気管13Bに接続されていなくてもよい。バイパス管40の他端は、所定温度以上且つ所定圧以上のバイパス吸気を下流側吸気管13Aに噴射できる位置に接続されていればよい。例えば、バイパス管40の他端は、EGR管26に接続されていてもよい。また例えば、バイパス管40の他端は、別途設けられたコンプレッサ等により下流側吸気管13A内の圧力よりも高圧とした空間に接続されていてもよい。
10 エンジン
11 燃焼室(気筒)
12 吸気マニホールド
13 吸気管
13A 下流側吸気管
13B 上流側吸気管
13a 第1の吸気管
13b 第2の吸気管
14 排気マニホールド
15 排気管
16 インジェクタ
17 高圧燃料分配配管
18 ターボチャージャ
19 エアクリーナ
20 第1のスロットルバルブ
21 湿度センサ
22 エアフローセンサ
23 インタークーラ
25 第2のスロットルバルブ
26 EGR管
27 EGRクーラ
28 EGR弁
31 ディーゼル酸化触媒
32 ディーゼル微粒子捕集フィルタ
33 低圧用EGR管
34 低圧用EGRクーラ
35 低圧用EGR弁
36 差圧センサ
40 バイパス管(接続通路)
41 開閉弁
50 出口部
51 開口
52 漸小部(流入規制部)
55 誘導壁
60 制御部

Claims (5)

  1. 燃焼室に連通する吸気通路と、
    前記吸気通路に接続されて前記燃焼室に導入される吸気を冷却するインタークーラと、
    を備えるエンジンの吸気系構造であって、
    一端が前記インタークーラの吸気下流側の前記吸気通路である下流側吸気通路に接続され、他端が前記下流側吸気通路内の圧力よりも高圧の空間に接続される接続通路を有し、
    前記接続通路の前記一端に、前記インタークーラ側に向かって且つ前記下流側吸気通路の内壁面に沿って開口する出口部が設けられていることを特徴とするエンジンの吸気系構造。
  2. 請求項1に記載のエンジンの吸気系構造において、
    前記出口部は、前記下流側吸気通路から前記出口部への吸気の流入を規制する流入規制部を備えていることを特徴とするエンジンの吸気系構造。
  3. 請求項2に記載のエンジンの吸気系構造において、
    前記出口部の前記流入規制部は、当該出口部の先端側に向かって開口面積が徐々に狭くなっていることを特徴とするエンジンの吸気系構造。
  4. 請求項2又は3に記載のエンジンの吸気系構造において、
    前記出口部が、前記下流側吸気通路を形成する第1の吸気管と、該第1の吸気管内に設けられる第2の吸気管との間に形成されており、
    当該出口部の前記流入規制部には、螺旋状の誘導壁が設けられていることを特徴とするエンジンの吸気系構造。
  5. 請求項1から4の何れか一項に記載のエンジンの吸気系構造において、
    前記接続通路の前記他端は、前記インタークーラよりも吸気上流側の前記吸気通路である上流側吸気通路に接続されていることを特徴とするエンジンの吸気系構造。
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