JP6187243B2 - Drainage device for internal combustion engine - Google Patents
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Description
本発明は車両の内燃機関に関し、詳しくは吸排気中から水分を排水する排水装置に関する。 The present invention relates to an internal combustion engine of a vehicle, and more particularly to a drainage device that drains moisture from intake and exhaust.
ディーゼルエンジンの排気ガス浄化方法として、NOxトラップ触媒を用いたものが知られている。NOxトラップ触媒は、排気中のNOxを酸化雰囲気中で捕捉し、捕捉したNOxを還元雰囲気中で放出してN2等に還元することでNOxの排出濃度を低減している。また、ディーゼルエンジン搭載車には、排気中の粒子状物質を除去するフィルタ装置が設けられており、NOxトラップ触媒はその耐熱性や配置スペースの観点から、一般的にフィルタ装置の下流側に配置されている。 As an exhaust gas purification method for a diesel engine, a method using a NOx trap catalyst is known. The NOx trap catalyst captures NOx in exhaust gas in an oxidizing atmosphere, releases the trapped NOx in a reducing atmosphere, and reduces it to N 2 or the like, thereby reducing the NOx emission concentration. In addition, diesel-equipped vehicles are equipped with a filter device that removes particulate matter in the exhaust, and the NOx trap catalyst is generally arranged downstream of the filter device from the viewpoint of heat resistance and arrangement space. Has been.
さらに、排気の一部を吸気側に戻すことで燃焼室の燃焼温度を下げ、排気中のNOxを低減させる排気再循環(EGR)方式が知られている。EGR方式には、過給機のタービン上流側排気通路からコンプレッサ下流側吸気通路に排気を戻す高圧EGR方式と、タービン下流側で酸化触媒及びフィルタ装置下流側の排気通路からコンプレッサ上流側吸気通路に排気を戻す低圧EGR方式とがある。低圧EGR装置及びインタークーラ等の冷却手段を備えた内燃機関では、排気を含む吸気が冷却手段を通過して冷却される際に結露して凝縮水が発生する。この凝縮水が吸気と共に吸気通路から燃焼室に送られると、ウォータハンマを引き起こしてしまう虞がある。 Furthermore, an exhaust gas recirculation (EGR) system is known in which part of the exhaust gas is returned to the intake side to lower the combustion temperature of the combustion chamber and reduce NOx in the exhaust gas. The EGR system includes a high-pressure EGR system for returning exhaust gas from the turbine upstream exhaust passage of the turbocharger to the compressor downstream intake passage, and an oxidation catalyst and filter device downstream exhaust passage downstream from the turbine to the compressor upstream intake passage. There is a low pressure EGR system that returns exhaust gas. In an internal combustion engine having a cooling means such as a low-pressure EGR device and an intercooler, condensation is generated by condensation when intake air including exhaust gas passes through the cooling means and is cooled. If this condensed water is sent together with the intake air from the intake passage to the combustion chamber, there is a risk of causing a water hammer.
上述の問題を解決すべく、インタークーラで発生した凝縮水を貯留する貯留タンクと、凝縮水を加熱して水蒸気とする加熱装置と、貯留タンクと触媒上流側の排気通路とに接続された水蒸気供給路とを有し、凝縮水を水蒸気に変えて触媒の上流側排気通路に供給する内燃機関が、例えば「特許文献1」に開示されている。 In order to solve the above-mentioned problems, a storage tank that stores condensed water generated in the intercooler, a heating device that heats the condensed water into steam, and water vapor that is connected to the storage tank and an exhaust passage on the upstream side of the catalyst An internal combustion engine having a supply path and supplying condensed water to steam upstream of the catalyst is disclosed in, for example, “Patent Document 1”.
上述の技術では、凝縮水が燃焼室に送られてウォータハンマを引き起こすことが防止されているが、凝縮水を過熱して水蒸気に変化させる加熱装置が必要となり、コストアップすると共にスペース確保等の問題が生じる。そこで、発生した凝縮水をNOxトラップ触媒の上流側に位置する排気管へ排出するための排水路を設けることが考えられる。しかしこの場合、排水路より排出された凝縮水がNOxトラップ触媒に流動し、凝縮水によって触媒が急冷されることにより熱応力により担体割れが生じ易くなり、排気ガスが悪化してしまうという問題点がある。
本発明は上述の問題点を解決し、排水路より排出された凝縮水がNOxトラップ触媒を急冷することなく、かつ排気管への凝縮水の排出を常時可能な内燃機関の排水装置の提供を目的とする。
In the above-described technique, it is prevented that the condensed water is sent to the combustion chamber and causes water hammer, but a heating device that superheats the condensed water and changes it to steam is necessary, which increases costs and secures space. Problems arise. Therefore, it is conceivable to provide a drainage channel for discharging the generated condensed water to an exhaust pipe located upstream of the NOx trap catalyst. However, in this case, the condensed water discharged from the drainage channel flows into the NOx trap catalyst, and the catalyst is rapidly cooled by the condensed water, so that the carrier is easily cracked due to thermal stress, and the exhaust gas is deteriorated. There is.
The present invention solves the above-described problems, and provides a drainage device for an internal combustion engine in which the condensed water discharged from the drainage channel does not rapidly cool the NOx trap catalyst and can always discharge the condensed water to the exhaust pipe. Objective.
請求項1記載の発明は、内燃機関の吸気通路に一端が、排気通路に他端がそれぞれ接続されて前記吸気通路内の凝縮水を前記排気通路に排出する排水路を備え、前記排水路の他端は前記排気通路内に排気方向の下流に向かって螺旋形状に延出形成されると共に、前記螺旋形状の先端に開口部が形成され、前記螺旋形状は前記先端に向かうに連れて径が小さくなるように形成され、前記開口部は排気方向上流側に向けて開口することを特徴とする。 The invention according to claim 1 is provided with a drainage path, one end of which is connected to the intake passage of the internal combustion engine and the other end is connected to the exhaust path, and discharges condensed water in the intake path to the exhaust path. The other end is formed in the exhaust passage so as to extend in a spiral shape downstream in the exhaust direction , and an opening is formed at the tip of the spiral shape, and the diameter of the spiral shape increases toward the tip. The opening is formed to be smaller, and the opening opens toward the upstream side in the exhaust direction .
本発明によれば、排気管の内部に延出形成された排水路の他端に流入した凝縮水は排気管内の高温の排気によって加熱されて気化が促進され、開口部から排気管内に排出された凝縮水は、螺旋形状部に当たり一部は螺旋形状に付着し滞留することで高温の排気に晒されてさらに気化が促進される。または、螺旋形状に付着しなかった凝縮水も螺旋形状に当たることで飛散し微粒子化した状態で排気と共に排気通路下流へ流下される。これにより、凝縮水は内燃機関の燃焼室を通過することなく排気通路を通じて車外に排出される。さらに、気化または飛散して微粒子化した状態で排気通路を通過するため、排気管内に多量の凝縮水が滞留し排気管の目詰まりや排気通路の排気後処理装置の不具合の発生を低減することができる。 According to the present invention, the condensed water that has flowed into the other end of the drainage channel that extends inside the exhaust pipe is heated by the high-temperature exhaust in the exhaust pipe to promote vaporization, and is discharged from the opening into the exhaust pipe. The condensed water hits the spiral portion, and a part of the condensed water adheres and stays in the spiral shape, so that it is exposed to high-temperature exhaust and further vaporization is promoted. Alternatively, the condensed water that has not adhered to the spiral shape also flows down to the downstream of the exhaust passage together with the exhaust gas in a state of being scattered and atomized by hitting the spiral shape. Thereby, the condensed water is discharged out of the vehicle through the exhaust passage without passing through the combustion chamber of the internal combustion engine. Furthermore, since it passes through the exhaust passage while being vaporized or scattered to form fine particles, a large amount of condensed water stays in the exhaust pipe, reducing the occurrence of clogging of the exhaust pipe and malfunction of the exhaust aftertreatment device in the exhaust passage. Can do.
本発明の一実施形態を示す図1において、内燃機関である車載用ディーゼルエンジン(以下エンジンという)1のシリンダブロック2の上部にはシリンダヘッド3が設けられており、シリンダヘッド3の吸気側には吸気通路を構成する吸気管4が、排気側には排気通路を構成する排気管5がそれぞれ接続されている。またシリンダヘッド3には、コモンレール13を介して燃料噴射ポンプ14が接続されている。さらにシリンダヘッド3には、一端をエアフィルタ6よりも下流側の吸気管4に接続されたブローバイガスを排出するブローバイガス通路21の他端が接続されている。
In FIG. 1 showing an embodiment of the present invention, a cylinder head 3 is provided on an upper portion of a
吸気管4には、吸気の上流側からエアフィルタ6、低圧スロットル弁7、低圧EGRバルブ8、過給機であるターボチャージャ9の図示しないコンプレッサ、インタークーラ10、高圧スロットル弁11、高圧EGRバルブ12等が設けられている。
The
排気管5には、シリンダブロック2側からターボチャージャ9の図示しないタービン、酸化触媒15及び排気フィルタとしてのフィルタ装置16が設けられている。酸化触媒15は、例えば白金のような貴金属触媒を担持しており、排気中のNOをNO2に転換する作用と、排気中のHCやCO等の有害成分を酸化させる作用とを有している。NO2はNOよりも酸化作用が強く、NO2によってフィルタ装置16に捕獲された粒子状物質の酸化反応が促進され、また後述するNOxトラップ触媒で還元される。フィルタ装置16は排気中の粒子状物質を捕獲するフィルタ装置であり、捕獲された粒子状物質はNO2の強力な酸化作用で燃焼除去される。
The
フィルタ装置16の下流側には、排気中の酸素濃度量を検知する酸素濃度センサ(LAFS)17が設けられており、その下流側に触媒であるNOxトラップ触媒18を内蔵した触媒コンバータ19が、さらにその下流側に酸素濃度センサ20が設けられている。NOxトラップ触媒18は、酸化雰囲気においてNOxを捕捉し、捕捉したNOxを例えばHCやCO等を含む還元雰囲気中で放出してN2等に還元する浄化装置である。つまり、酸化触媒15で生成されたNO2及び酸化触媒15で酸化されずに排気ガス中に残存するNOを捕捉し、N2等に還元して放出する。
An oxygen concentration sensor (LAFS) 17 that detects the amount of oxygen concentration in the exhaust gas is provided on the downstream side of the
高圧EGRバルブ12の下方には、高圧EGR管23と高圧EGRクーラ24とを有する高圧EGR装置22が配設されている。高圧EGR管23は、その一端を高圧スロットル弁11とシリンダヘッド3との間の吸気管4に、その他端をシリンダヘッド3とターボチャージャ9のタービンとの間の排気管5にそれぞれ接続されており、その途中には高圧EGRクーラ24が設けられている。高圧EGR管23の一端は、高圧EGRバルブ12によって開閉される。
A high
低圧EGRバルブ8の下方には、低圧EGR管26と低圧EGRクーラ27とを有する排気再循環装置としての低圧EGR装置25が配設されている。低圧EGR管26は、その一端を低圧スロットル弁7とターボチャージャ9のコンプレッサとの間の吸気管4に、その他端をフィルタ装置16とNOxトラップ触媒18との間の排気管5にそれぞれ接続されており、その途中には低圧EGRクーラ27が設けられている。低圧EGR管26の一端は、低圧EGRバルブ8によって開閉される。
Below the low pressure EGR valve 8, a low
次に、吸気管4内に生じた凝縮水を、排水路を形成する排水管28を介して排気管5内に流出させる、本発明の一実施形態に用いられる内燃機関の排水装置31を説明する。ここで、インタークーラ10と高圧スロットル弁11との間の吸気管4には排水管28の一端が接続されており、排水管28の他端はNOxトラップ触媒18の排気上流側近傍位置に接続されている。排水管28の途中には開閉弁29が配設されており、開閉弁29はこれに接続された制御手段によってその開閉動作を制御される。制御手段30は、図示しないCPU、ROM、RAM等を有する周知のマイクロコンピュータによって構成されており、各種センサからの検知信号に基づいて、各スロットル弁7,11、各EGR用バルブ8,12及び開閉弁29の動作を制御する。
Next, a
制御手段30は、排水管28内に貯留された凝縮水の量が一定量に達したり、エンジン1の運転時間や車両の走行距離が一定値に達したりした場合に開閉弁29を開弁し、触媒コンバータ19を介して排水管28内の凝縮水を車外に排出する機能を有している。また制御手段30は、排水管28から凝縮水が抜けて酸素濃度センサ20が排水管28を介して漏出する吸気ガス内の酸素濃度を検出して、これがリーン側の所定値に達すると排水管28から凝縮水が完全に抜けたと判断して、開閉弁29を閉弁させる機能を有している。この制御手段30の制御により、排水管28からの凝縮水排出完了後に吸気ガスが排水管28から排出され、エンジン1のトルク低下や出力低下の発生が防止されている。
The control means 30 opens the on-off
図1に示すように、排気管5の上流側排気管501の後端にNOxトラップ触媒18を有する触媒コンバータが接続される。触媒コンバータ19は排気通路の拡径部を有する容器本体を備え、容器本体はNOxトラップ触媒18を収容する主部191、主部191に連続形成された排気通路前側の拡径部である拡径前部192、排気通路後側の拡径後部193を有する。拡径前部192は排気通路下流側に向けて排気通路径を徐々に拡大するコーン形状の傾斜部をなし、その前端が上流側排気管501に接続される。拡径後部193は排気通路下流側に向けて排気通路径を徐々に縮小するコーン形状の傾斜部をなし、その後端が下流側排気管502に接続される。
As shown in FIG. 1, a catalytic converter having a
図2に示すように、上流側排気管501の後端近傍の部位には、排水管28の他端側の端部28aが排気管5内に延出形成されている。他端側の端部28aは、図2(b)にも示すように、徐々にその径が小さくなる螺旋形状をなすと共に、その螺旋形状の中心軸が排気管5内における排気ガスの排気方向と沿うように形成され、径が最小となる他端には凝縮水を排気ガスの排気方向上流側に向けて排出する開口部28bが形成されている。
As shown in FIG. 2, an
次に、内燃機関の排水装置31の作動を説明する。
エンジン1の運転中、特に低圧EGR装置25使用時にはインタークーラ10の出口部に多量の凝縮水が発生する。発生した凝縮水は、排水管28を通ってNOxトラップ触媒18の上流側近傍に位置する上流側排気管501に送られ、触媒コンバータ19を介して車外に排出される。ここで、排水管28の途中に設けられた開閉弁29が閉じられているときには排水管28内に貯留される。開閉弁29は、排水管28内に設けられた図示しない水位センサによって貯留された凝縮水の量が一定量に達したとき、あるいはエンジン1の運転時間や走行距離が一定値に達したときに制御手段30によって開弁される。
Next, the operation of the
During operation of the engine 1, particularly when the low-
エンジン1の運転中に排気管5内を流動してきた排気は、上流側排気管501を介して触媒コンバータ19に流入する。また、開閉弁29が開弁されると、排水管28内に貯留されている凝縮水が他端部の端部28aに流入する。他端部の端部28a内に流入した凝縮水は、その螺旋形状部を流れる際に排気管5内を通る排気の熱によって気化が促進され、そして開口部28bから排気方向上流側に向けて排出される。排出された凝縮水は図3に示すように他端部の端部28aの上流側部分に当たり、各螺旋形状部に水滴32aとして付着し、排気によって下流側に送られるに伴い気化が促進されて水滴32b、水滴32c、水滴32dと徐々に蒸発し、NOxトラップ触媒18を支持する担持体前面に飛散した後、触媒コンバータ19を通過して車外に排出される。
The exhaust flowing in the
上述の構成によれば、排水管28の他端側の端部28aがNOxトラップ触媒18よりも上流側の排気管5内に延出形成され、延出形成された他端側の端部28aが螺旋形状をなすと共にその端部に凝縮水を排出する開口部28bが形成され、螺旋形状の中心軸が排気方向に沿って配置されているので、他端側の端部28a内に流入した凝縮水が高温の排気によって気化が促進される。また、開口部28bから排気方向上流側に排出された凝縮水は、螺旋形状部に当たり排気に晒されることでさらに気化が促進される。これにより、凝縮水は気化または飛散して微粒子化した状態で触媒コンバータ19に導入されるので、触媒コンバータ19の目詰まりあるいはNOxトラップ触媒18の担体割れといった不具合の発生を低減することができる。
According to the above-described configuration, the
上述の構成では、他端側の端部28aを徐々に径が異なる螺旋形状に形成した。他端側の端部28aの形状としては径が等しい渦巻状であってもよいが、径が徐々に異なる螺旋形状とすることにより排気管5内の排気が他端側の端部28aに均等に当たるため、より一層気化が促進される。
In the above-described configuration, the
1 内燃機関(エンジン)
4 吸気通路(吸気管)
5 排気通路(排気管)
9 過給機(ターボチャージャ)
18 触媒装置(NOxトラップ触媒)
28 排水路(排水管)
28a 他端側の端部
28b 開口部
31 排水装置
1 Internal combustion engine
4 Intake passage (intake pipe)
5 Exhaust passage (exhaust pipe)
9 Turbocharger (turbocharger)
18 Catalytic device (NOx trap catalyst)
28 Drainage channel (drainage pipe)
Claims (1)
前記排水路の他端は前記排気通路内に排気方向の下流に向かって螺旋形状に延出形成されると共に、前記螺旋形状の先端に開口部が形成され、
前記螺旋形状は前記先端に向かうに連れて径が小さくなるように形成され、前記開口部は排気方向上流側に向けて開口することを特徴とする内燃機関の排水装置。 One end is connected to the intake passage of the internal combustion engine, the other end is connected to the exhaust passage, and a drainage passage for discharging condensed water in the intake passage to the exhaust passage is provided.
The other end of the drainage channel is formed in a spiral shape in the exhaust passage toward the downstream in the exhaust direction, and an opening is formed at the tip of the spiral shape ,
The drainage device for an internal combustion engine, wherein the spiral shape is formed so that the diameter decreases toward the tip, and the opening opens toward the upstream side in the exhaust direction .
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