JP2018062915A - Engine condensate water prevention device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、エンジンの凝縮水抑制装置に関するものである。 The present invention relates to an engine condensate suppression device.
従来、自動車のエンジン等では、排気側から排気ガスの一部を抜き出して吸気側へと戻し、その吸気側に戻された排気ガスでエンジン内での燃料の燃焼を抑制させて燃焼温度を下げることによりNOx(窒素酸化物)の発生を低減するようにした、いわゆる排気ガス再循環(EGR:Exhaust Gas Recirculation)が行われており、この種の排気ガス再循環を行う場合には、排気マニホールドから排気管に亘る排気通路の適宜位置と、吸気管から吸気マニホールドに亘る吸気通路の適宜位置との間をEGRパイプにより接続し、該EGRパイプを通して排気ガスを再循環するようにしている。 Conventionally, in an automobile engine or the like, a part of exhaust gas is extracted from the exhaust side and returned to the intake side, and combustion of fuel in the engine is suppressed by the exhaust gas returned to the intake side to lower the combustion temperature. So-called exhaust gas recirculation (EGR) is performed to reduce the generation of NOx (nitrogen oxide), and when this type of exhaust gas recirculation is performed, an exhaust manifold is used. An appropriate position of the exhaust passage extending from the exhaust pipe to the exhaust pipe and an appropriate position of the intake passage extending from the intake pipe to the intake manifold are connected by an EGR pipe, and the exhaust gas is recirculated through the EGR pipe.
一般的に、ターボチャージャを備えたエンジンでは、排気マニホールドから高温高圧の排気ガスを抜き出して吸気マニホールドの入口に再循環するものを高圧ループのEGR装置と称し、ターボチャージャのタービンより下流の排気管から低温低圧の排気ガスを抜き出して前記ターボチャージャのコンプレッサより上流の吸気管へ再循環するものを低圧ループのEGR装置と称している。 In general, in an engine equipped with a turbocharger, a high-temperature and high-pressure exhaust gas extracted from the exhaust manifold and recirculated to the inlet of the intake manifold is called a high-pressure loop EGR device, and the exhaust pipe downstream of the turbocharger turbine. A low-pressure loop EGR device that extracts low-temperature and low-pressure exhaust gas from the exhaust gas and recirculates it to the intake pipe upstream of the compressor of the turbocharger is called a low-pressure loop EGR device.
そして、高圧ループ及び低圧ループの何れのEGR装置においても、EGRパイプの途中に水冷式のEGRクーラを装備して排気ガスを水冷するようにしており、このように排気ガスを水冷して再循環すると、排気ガスの温度が下がり且つその容積が小さくなることでエンジンの出力を余り低下させずに燃焼温度を下げて効果的にNOxの発生を低減させることができる。 In both the high-pressure loop and low-pressure loop EGR devices, a water-cooled EGR cooler is installed in the middle of the EGR pipe to cool the exhaust gas, and thus the exhaust gas is water-cooled and recirculated. Then, the temperature of the exhaust gas is lowered and the volume thereof is reduced, so that the combustion temperature can be lowered and the generation of NOx can be effectively reduced without significantly reducing the output of the engine.
尚、この種のエンジンの凝縮水抑制装置に関連する先行技術文献情報としては下記の特許文献1等がある。
In addition, as prior art document information related to this type of engine condensate suppression device, there is the following
しかしながら、前述した如き低圧ループのEGR装置にあっては、タービンを駆動することで圧力が大幅に低下し、しかも、吸気通路が煤等で汚れないよう排気管の出口付近にあるパティキュレートフィルタを通されてからコンプレッサの上流の吸気管まで長いEGRパイプを介して戻されるようになっているため、吸気管へ戻されるまでに排気ガスの温度が大幅に下がり易く、その排気ガスの温度が露点以下まで低下してしまった場合や、再循環された排気ガスと接触する壁面温度が露点よりも低い場合等においては、結露により凝縮水が発生してターボチャージャのコンプレッサやハウジングに腐食を招いたり、その凝縮水が凍結してできた氷片の吸入によりコンプレッサのブレード等に損傷を招いたりする虞れがあった。 However, in the EGR device of the low pressure loop as described above, the particulate filter is located near the outlet of the exhaust pipe so that the pressure is greatly reduced by driving the turbine, and the intake passage is not contaminated with soot or the like. Since the exhaust pipe is returned to the intake pipe upstream of the compressor through a long EGR pipe, the temperature of the exhaust gas is likely to drop significantly before the exhaust pipe is returned to the intake pipe. If the temperature drops to the following, or if the wall temperature in contact with the recirculated exhaust gas is lower than the dew point, condensed water is generated due to condensation, which may cause corrosion of the turbocharger compressor and housing. There is a risk that the blades of the compressor may be damaged by suction of ice pieces formed by freezing the condensed water.
本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、低圧ループのEGR装置の作動に起因した凝縮水の発生を抑制してターボチャージャのコンプレッサを腐食や損傷の虞れから保護することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and aims to protect the turbocharger compressor from the possibility of corrosion and damage by suppressing the generation of condensed water caused by the operation of the EGR device of the low pressure loop. To do.
本発明は、ターボチャージャのタービンより下流の排気管から排気ガスを抜き出して前記ターボチャージャのコンプレッサより上流の吸気管へ再循環する低圧ループのEGR装置と、前記コンプレッサで過給した吸気を冷却する水冷式のインタークーラとを備えたエンジンの凝縮水抑制装置であって、前記コンプレッサのハウジングにウォータジャケットを設け、少なくとも前記低圧ループのEGR装置の作動時に前記インタークーラを経た冷却水が前記ウォータジャケットを経由して循環するように構成したことを特徴とするものである。 The present invention cools the intake air supercharged by the compressor and the low pressure loop EGR device that extracts exhaust gas from the exhaust pipe downstream of the turbine of the turbocharger and recirculates it to the intake pipe upstream of the compressor of the turbocharger. An apparatus for suppressing condensed water of an engine comprising a water-cooled intercooler, wherein a water jacket is provided in a housing of the compressor, and at least when the EGR device of the low-pressure loop is operated, cooling water passing through the intercooler is supplied to the water jacket It is characterized by being configured to circulate via
而して、このようにすれば、少なくとも低圧ループのEGR装置が作動している状態において、インタークーラを経た冷却水がウォータジャケットを経由して循環する結果、コンプレッサのハウジングがインタークーラからの適度な温度の冷却水により暖められ、前記ハウジング内における壁面温度が露点よりも高く維持されて凝縮水の発生が抑制されることになる。 Thus, in this way, at least in a state where the EGR device of the low-pressure loop is operating, the cooling water that has passed through the intercooler circulates through the water jacket, so that the compressor housing is moderately separated from the intercooler. The wall surface temperature in the housing is maintained higher than the dew point and the generation of condensed water is suppressed.
ここで、水冷式のインタークーラは、エンジンの水冷系とは別の専用水冷系を独立して備えており、前記水冷式のインタークーラを経た冷却水の温度は、エンジンを経た冷却水の温度(約80〜85℃程度)よりも大幅に低い約45〜50℃程度となっており、再循環される排気ガス中の水蒸気の露点よりも十分に高いものの必要以上に高くない適度な温度となっているため、コンプレッサ効率の大幅な低下を招く程の悪影響を及ぼさなくて済む。 Here, the water-cooled intercooler has a dedicated water-cooling system that is independent from the engine water-cooling system, and the temperature of the cooling water that has passed through the water-cooled intercooler is the temperature of the cooling water that has passed through the engine. The temperature is about 45 to 50 ° C., which is significantly lower than (about 80 to 85 ° C.), which is sufficiently higher than the dew point of water vapor in the recirculated exhaust gas, but not higher than necessary. Therefore, there is no need to exert an adverse effect that causes a significant decrease in compressor efficiency.
更に、コンプレッサのハウジングにおけるウォータジャケット自体が保温効果を持つことになるので、停車中にコンプレッサ内に残留した排気ガスから凝縮水が発生する虞れも大幅に抑制されることになる。 Further, since the water jacket itself in the compressor housing has a heat retaining effect, the possibility that condensed water is generated from the exhaust gas remaining in the compressor while the vehicle is stopped is greatly suppressed.
また、本発明をより具体的に実施するにあたっては、インタークーラから冷却水をサブラジエタに導く経路の途中に切替バルブを設け、該切替バルブにより前記サブラジエタに向かう冷却水の流れをウォータジャケットに向かう流れに切り替え得るように構成すると良く、更には、低圧ループのEGR装置が作動状態にあり且つコンプレッサの入口壁温が設定温度を下まわっていることを判定した時に切替バルブによりサブラジエタに向かう冷却水の流れをウォータジャケットに向かう流れに切り替える制御装置を備えることが好ましい。 Further, in carrying out the present invention more specifically, a switching valve is provided in the middle of a path for leading the cooling water from the intercooler to the sub-radiator, and the flow of the cooling water toward the sub-radiator is flowed toward the water jacket by the switching valve. Further, it is preferable that the EGR device of the low-pressure loop is in an operating state and the cooling water directed to the sub-radiator is switched by the switching valve when it is determined that the compressor inlet wall temperature is lower than the set temperature. It is preferable to provide a control device for switching the flow to the flow toward the water jacket.
上記した本発明のエンジンの凝縮水抑制装置によれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。 According to the condensed water suppression device for an engine of the present invention described above, various excellent effects as described below can be obtained.
(I)本発明の請求項1に記載の発明によれば、低圧ループのEGR装置の作動に起因した凝縮水の発生を抑制することができるので、凝縮水によるターボチャージャのコンプレッサやハウジングの腐食や、凝縮水が凍結してできた氷片の吸入によるコンプレッサのブレード等の損傷を極力回避することができ、しかも、コンプレッサのハウジングを過剰に加熱しなくて済むことからコンプレッサ効率の大幅な低下を回避することもでき、更には、ウォータジャケット自体に保温効果を持たせることにより停車中にコンプレッサ内に残留した排気ガスから凝縮水が発生する虞れも大幅に抑制することができる。 (I) According to the first aspect of the present invention, since the generation of condensed water due to the operation of the EGR device in the low pressure loop can be suppressed, the corrosion of the compressor and the housing of the turbocharger due to the condensed water. In addition, it is possible to avoid damage to the compressor blades and the like due to suction of ice pieces formed by freezing of condensed water, and it is possible to avoid excessive heating of the compressor housing. Further, by providing the water jacket itself with a heat retaining effect, the possibility that condensed water is generated from the exhaust gas remaining in the compressor during stopping can be greatly suppressed.
(II)本発明の請求項2,3に記載の発明によれば、少なくとも低圧ループのEGR装置が作動している条件下で切替バルブを切り替えてウォータジャケットへ冷却水を循環し、コンプレッサのハウジングを暖めて凝縮水の発生を抑制することができ、エンジンの暖機完了後に低圧ループのEGR装置が非作動となっている条件では、インタークーラからサブラジエタへと冷却水を直接流して水ポンプの駆動ロスを低減することができる。 (II) According to the second and third aspects of the present invention, the switching valve is switched at least under the condition that the EGR device of the low-pressure loop is operating, and the cooling water is circulated to the water jacket. When the engine is warmed up and the EGR device in the low-pressure loop is deactivated, the cooling water is directly flowed from the intercooler to the sub-radiator. Driving loss can be reduced.
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は本発明を実施する形態の一例を示すもので、ここに図示している例では、エンジン1がターボチャージャ2を備えており、エアクリーナ3から導かれた吸気4が吸気管5を通し前記ターボチャージャ2のコンプレッサ2aへと送られ、該コンプレッサ2aで加圧された吸気4がインタークーラ6へと送られて冷却され、該インタークーラ6から更に吸気マニホールド7へと吸気4が導かれてエンジン1の各気筒に分配されるようになっている。
FIG. 1 shows an example of an embodiment for carrying out the present invention. In the example shown here, an
更に、このエンジン1の各気筒から排出された排気ガス8は、排気マニホールド9を介しターボチャージャ2のタービン2bへと送られ、該タービン2bを駆動した排気ガス8が排気管10を介し車外へ排出されるようにしてあり、該排気管10の途中には、排気ガス8を通過させる間にパティキュレート(Particulate Matter:粒子状物質)を捕集するパティキュレートフィルタ11が装備されている。
Further, the
そして、このエンジン1にあっては、前記パティキュレートフィルタ11の下流側から排気ガス8の一部を低圧EGRガス8aとして抜き出して前記ターボチャージャ2のコンプレッサ2aより上流の吸気管5へ再循環する低圧ループのEGR装置12と、排気マニホールド9から排気ガス8の一部を高圧EGRガス8bとして抜き出して吸気マニホールド7の入口付近に再循環する高圧ループのEGR装置13とが装備されている。
In the
前記低圧ループのEGR装置12及び高圧ループのEGR装置13の夫々には、排気ガス8の再循環量を調整するためのEGRバルブ14,15と、再循環される低圧EGRガス8a,高圧EGRガス8bを冷却するためのEGRクーラ16,17が装備されており、該EGRクーラ16,17で冷却水と低圧EGRガス8a,高圧EGRガス8bを熱交換させることにより低圧EGRガス8a,高圧EGRガス8bの温度を低下し且つその容積を小さくすることで、エンジン1の出力をあまり低下させずに燃焼温度を下げて効果的にNOxの発生を低減し得るようにしてある。
Each of the low-pressure
また、前記各EGRバルブ14,15の開度が、エンジン制御コンピュータ(ECU:Electronic Control Unit)を成す制御装置18からの開度指令信号14a,15aにより制御されるようになっており、エンジン1の負荷や回転数等から把握される運転状態に基づいて、燃焼不良を招かない範囲で効果的なNOx低減率が得られるように適切な制御が実行されるようになっている。
The opening degree of each of the
ここで、本形態例にあっては、前記インタークーラ6に水冷式のものが採用されており、該インタークーラ6と専用のサブラジエタ19との間を送り管20と戻し管21とを介して冷却水22を循環させるようにしてあり、前記送り管20の途中にはサーモスタット23が装備され、前記戻し管21の途中には水ポンプ24が装備されており、冷却水22の温度が規定水温以下の場合に前記サーモスタット23の働きにより冷却水22をバイパス管25を介し前記サブラジエタ19を迂回させて前記水ポンプ24の入側へ導き得るようにしてある。
Here, in this embodiment, a water-cooled type is adopted for the intercooler 6, and the intercooler 6 and a
しかも、前記ターボチャージャ2のコンプレッサ2aのハウジングにはウォータジャケット26が設けられており、前記送り管20におけるサーモスタット23より上流側に装備した切替バルブ27と前記ウォータジャケット26との間が連絡管28により接続され、前記切替バルブ27により前記サブラジエタ19に向かう冷却水22の流れを前記ウォータジャケット26に向かう流れに切り替え得るようにしてある。
Moreover, a
更に、前記送り管20における前記切替バルブ27と前記サーモスタット23との間が連絡管29により接続されており、前記ウォータジャケット26を経た冷却水22が前記連絡管29を介して前記切替バルブ27と前記サーモスタット23との間に戻されるようになっている。
Further, the
尚、前記コンプレッサ2aのハウジングに設けられるウォータジャケット26は、コンプレッサ2aのハウジング内に一体成形するようにしても良いし、コンプレッサ2aのハウジングの外周に別部品として組み付けるようにしても良い。
The
また、前記切替バルブ27の切り替え操作は、前記制御装置18により制御信号27aを介して制御されるようになっており、この制御装置18においては、図2にフローチャートで示す如き制御手順で前記切替バルブ27がコンプレッサ2a側とサブラジエタ19側の何れかに切り替え操作されるようになっている。
The switching operation of the
即ち、前記切替バルブ27の制御が開始されると、先ずステップS1において、制御装置18で監視されているエンジン1の冷却水(図示せず)の温度が規定水温を上まわっているか否かが判定され、エンジン1の冷却水の温度が規定水温を上まわらないうちはステップS2を経由して判定が繰り返され、前記切替バルブ27がコンプレッサ2a側に切り替えられるようになっている。
That is, when the control of the
そして、ステップS1でエンジン1の冷却水(図示せず)の温度が規定水温を上まわっていると判定された場合には、ステップS3へと進んで低圧ループのEGR装置12が作動状態にあるか否かが判定され、低圧ループのEGR装置12が作動状態にある場合にのみステップS4へと進んでコンプレッサ2aの入口壁温が設定温度を下まわっているか否かが判定され、コンプレッサ2aの入口壁温が設定温度を下まわっている場合にステップS5へと進んで前記切替バルブ27がコンプレッサ2a側に切り替えられるようになっている。
And when it determines with the temperature of the cooling water (not shown) of the
ここで、前記制御装置18は、低圧ループのEGR装置12におけるEGRバルブ14の開度制御を担っているので、該EGRバルブ14が閉状態に制御されていなければ低圧ループのEGR装置12が作動状態にあると判定でき、また、コンプレッサ2aの入口壁温については、コンプレッサ2aの入口吸気温度と吸気流量を実測して熱力学的に推定することができる(これら以外の手法を用いることも可能)。
Here, since the
他方、ステップS3にて低圧ループのEGR装置12が作動状態にないと判定された場合や、ステップS4にてコンプレッサ2aの入口壁温が設定温度を下まわっていないと判定された場合には、ステップS6へと進んで前記切替バルブ27がサブラジエタ19側に切り替えられるようになっている。
On the other hand, if it is determined in step S3 that the
ここで、ステップS4に用いる設定温度は基本的に露点温度近辺で設定すれば良いものであるが、EGR率、大気条件、吸気の温度や圧力等を勘案して適宜に補正するようにしても良い。 Here, the set temperature used in step S4 may basically be set near the dew point temperature, but may be corrected as appropriate in consideration of the EGR rate, atmospheric conditions, intake air temperature and pressure, and the like. good.
尚、ステップS1における判定は、現在のエンジン1が暖機を優先すべき状況にあるか否かを判定するもので、エンジン1の冷却水の温度が規定水温に上がるまでの冷間、暖機時にあっては、サーモスタット23の働きにより冷却水22をバイパス管25を介しサブラジエタ19を経由させずに循環し、これにより冷却水22を早期に暖め且つその暖まった冷却水22をコンプレッサ2aのウォータジャケット26へ循環してエンジン1の暖機を早めるようにしている。
Note that the determination in step S1 is to determine whether or not the
一般的に、エンジン1が暖機を優先すべき状況にある場合に、低圧ループのEGR装置12は非作動状態に維持されることになるが、エンジン1の暖機が早まれば、低圧ループのEGR装置12をより早く作動させることが可能となり、NOx低減性能の向上に寄与させることが可能となる。
Generally, when the
而して、このようにすれば、エンジン1の暖機が完了して低圧ループのEGR装置12が作動している状態において、インタークーラ6を経た冷却水22がウォータジャケット26を経由して循環する結果、コンプレッサ2aのハウジングがインタークーラ6からの適度な温度の冷却水22により暖められ、前記ハウジング内における壁面温度が露点よりも高く維持されて凝縮水の発生が抑制されることになる。
Thus, in this way, the cooling
ここで、水冷式のインタークーラ6は、エンジン1の水冷系とは別の専用水冷系を独立して備えており、前記水冷式のインタークーラ6を経た冷却水22の温度は、エンジン1を経た冷却水22の温度(約80〜85℃程度)よりも大幅に低い約45〜50℃程度となっており、再循環される排気ガス8(低圧EGRガス8a)中の水蒸気の露点よりも十分に高いものの必要以上に高くない適度な温度となっているため、コンプレッサ効率の大幅な低下を招く程の悪影響を及ぼさなくて済む。
Here, the water-cooled intercooler 6 is independently provided with a dedicated water-cooling system different from the water-cooling system of the
また、本発明をより具体的に実施するにあたっては、インタークーラ6から冷却水22をサブラジエタ19に導く経路の途中に切替バルブ27を設け、該切替バルブ27により前記サブラジエタ19に向かう冷却水22の流れをウォータジャケット26に向かう流れに切り替え得るように構成すると良く、更には、低圧ループのEGR装置12が作動状態にあり且つコンプレッサ2aの入口壁温が設定温度を下まわっていることを判定した時に切替バルブ27によりサブラジエタ19に向かう冷却水22の流れをウォータジャケット26に向かう流れに切り替える制御装置18を備えることが好ましい。
Further, in carrying out the present invention more specifically, a switching
従って、上記形態例によれば、低圧ループのEGR装置12の作動に起因した凝縮水の発生を抑制することができるので、凝縮水によるターボチャージャ2のコンプレッサ2aやハウジングの腐食や、凝縮水が凍結してできた氷片の吸入によるコンプレッサ2aのブレード等の損傷を極力回避することができ、しかも、コンプレッサ効率の大幅な低下を回避することもできる。
Therefore, according to the above embodiment, since the generation of condensed water due to the operation of the
また、少なくとも低圧ループのEGR装置12が作動している条件下でのみ切替バルブ27を切り替えてウォータジャケット26へ冷却水22を循環し、コンプレッサ2aのハウジングを暖めて凝縮水の発生を抑制することができ、エンジン1の暖機完了後に低圧ループのEGR装置12が非作動となっている条件では、インタークーラ6からサブラジエタ19へと冷却水22を直接流して水ポンプ24の駆動ロスを低減することができる。
In addition, the switching
尚、本発明のエンジンの凝縮水抑制装置は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。 It should be noted that the condensate water suppression device for an engine of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is needless to say that various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
2 ターボチャージャ
2a コンプレッサ
2b タービン
4 吸気
5 吸気管
6 インタークーラ
8 排気ガス
10 排気管
12 低圧ループのEGR装置
18 制御装置
19 サブラジエタ
22 冷却水
26 ウォータジャケット
27 切替バルブ
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