JP2006274961A - 排気再循環装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＥＧＲ効率の低下を抑制しつつ、エンジンに凝縮水が流入することを抑制する。
【解決手段】 ターボチャージャ４を有するエンジン１のコンプレッサ５の上流側の吸気通路２と排気マニホールド８ａとを連通するＥＧＲ通路１１と、ＥＧＲ通路１１に介装され、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ１２と、ＥＧＲクーラ１２の下流側のＥＧＲ通路１１とタービン９の下流側の排気通路８とを連通するドレーン通路１５と、ドレーン通路１５を開閉する開閉弁１６と、開度センサ１８からスロットルバルブ７の開度と回転速度センサ１７からエンジン１の回転速度とを入力して、エンジン１がアイドリング状態であるか否かを判定し、エンジン１がアイドリング状態であるときに開閉弁１６を開弁させる一方、エンジン１がアイドリング状態でないときに開閉弁１６を閉弁させるコントロールユニット１４と、を含んで、ＥＧＲ装置を構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ターボチャージャを有するエンジンに設けられるＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ：排気再循環）装置において、ＥＧＲ通路で排気から発生する凝縮水がエンジンに流入することを抑制する技術に関する。

エンジンの排気通路から吸気通路に排気の一部を再循環させるＥＧＲ装置には、ＥＧＲ効率を向上させるために、吸気通路に再循環する排気（以下ＥＧＲガスという）を冷却する冷却装置が設けられているものがある。このようなＥＧＲ装置では、冷却装置によってＥＧＲガスが冷却されることにより凝縮水が発生する場合がある。特に、圧縮天然ガスを燃料とするエンジンでは、排気中に水分が多く含まれているので、凝縮水が発生しやすい。そして、アイドリング状態で長時間エンジンを作動させたときに、冷却装置の下流側のＥＧＲ通路に凝縮水が溜まり、その凝縮水が吸気通路を介してエンジンに流入し、例えば、錆を発生させる原因となる恐れがある。

そこで、特開２０００−２７７１５号公報（特許文献１）に開示されているように、ＥＧＲ装置は、ターボチャージャを有するエンジンに設けられたときに、冷却装置の下流側のＥＧＲ通路とターボチャージャのタービンの下流側の排気通路とを連通するドレーン通路を有する場合がある。これにより、冷却装置によってＥＧＲガスが冷却されて発生する凝縮水を、タービンの前後の排気通路での排気圧の差を利用して排気通路に排出させ、エンジンに凝縮水が流入することを抑制している。このとき、エンジンの排気音がドレーン通路を逆行してエンジンの吸気口から漏れる恐れがあるので、これを抑制するために、ドレーン通路に開閉弁を設けて、ＥＧＲ通路に凝縮水が溜まったときにのみ自動的に開閉弁を開弁してＥＧＲ通路から凝縮水を排気通路に排出させる構成が採用されている。
特開２０００−２７７１５号公報

しかしながら、このようなＥＧＲ装置では、ＥＧＲ通路に凝縮水が溜まっているときには、エンジンの運転状態にかかわらず開閉弁が開弁するので、エンジンが高負荷状態や高回転状態であるときに開閉弁が開弁してＥＧＲ効率が低下してしまう恐れがある。
本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、エンジンがアイドリング状態であるときにはＥＧＲ通路からＥＧＲガスの少なくとも一部を排気通路に排出する一方、アイドリング状態でないときにはＥＧＲガスの排気通路への排出を防止して、ＥＧＲ効率の低下を抑制しつつエンジンに凝縮水が流入することを抑制するＥＧＲ装置を提供することを目的とする。

このため、請求項１記載の発明は、排気エネルギーにより吸気を過給するターボチャージャを有するエンジンに設けられる排気再循環装置であって、ターボチャージャのタービンの上流側の排気通路とターボチャージャのコンプレッサの上流側の吸気通路とを連通する排気再循環通路と、排気再循環通路に介装され、排気再循環通路を通過する排気を冷却する冷却装置と、冷却装置の下流側の排気再循環通路とタービンの下流側の排気通路とを連通するドレーン通路と、ドレーン通路を開閉する開閉弁と、エンジンがアイドリング状態であるか否かを判定するアイドリング判定手段と、アイドリング判定手段によりエンジンがアイドリング状態であると判定されたときに開閉弁を開弁させる一方、エンジンがアイドリング状態でないと判定されたときに開閉弁を閉弁させる制御手段と、を含んで構成されることを特徴とする。

請求項２記載の発明では、排気再循環通路とドレーン通路との接続部に、気液分離器が設けられることを特徴とする。
請求項３記載の発明では、気液分離器は、両端部が閉塞されるとともに上下方向に軸線が延びる略筒状の本体部と、両端部が開口するとともに水平方向かつ本体部の側壁の略接線方向に軸線が延びる筒体からなり、その一端部が本体部の側壁の上部に挿入される排気導入部と、両端部が開口するとともに上下方向に軸線が延びる筒体からなり、その一端部が本体部の上壁の略中央部に挿入されるとともに排気導入部の最下部より下方まで延びる排気排出部と、を含んで構成されることを特徴とする。

請求項４記載の発明では、開閉弁は、本体部の下方に配置され、ドレーン通路の上流端は、開閉弁を介して本体部の下部に連通されることを特徴とする。
請求項５記載の発明では、本体部の下部の所定位置に、凝縮水の存在を検出する凝縮水検出手段が設けられ、制御手段は、アイドリング判定手段によりエンジンがアイドリング状態であると判定され、かつ凝縮水検出手段により凝縮水の存在が検出されたときには、開閉弁を開弁させる一方、エンジンがアイドリング状態でないと判定されたとき、または凝縮水の存在が検出されないときには、開閉弁を閉弁させることを特徴とする。

請求項６記載の発明では、エンジンは、圧縮天然ガスを燃料とすることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、エンジンがアイドリング状態であるときには、開閉弁が開弁するので、排気再循環通路内の排気の少なくとも一部がドレーン通路を通過して排気通路に排出される。そして、排気が冷却装置を通過して凝縮水が発生したときには、この凝縮水は排気とともにドレーン通路を通過して排気通路に排出される。また、排気再循環通路内の排気がドレーン通路を介して排気通路に排出されることによって、排気再循環通路に導入される排気の流量が増加する。これにより、排気再循環通路内での排気の流速が増加するので、排気再循環通路内に凝縮水が溜まり難くなる。したがって、これらの相乗効果により、排気再循環通路から吸気通路を介してエンジンに凝縮水が流入することを抑制できる。

一方、エンジンがアイドリング状態でないときには、開閉弁が開弁しないので、排気再循環通路から排気通路に排気が排出されなくなる。これにより、排気再循環効率の低下を抑制できる。なお、エンジンがアイドリング状態でないときには、排気再循環通路を通過する排気の流速が増加することにより、排気再循環通路内で凝縮水が溜まり難くなるので、このように開閉弁が開弁しなくともエンジンに凝縮水が流入し難い。

請求項２記載の発明によれば、気液分離器によって、冷却装置を通過した排気から凝縮水が分離されるので、排気再循環通路に導入された排気の全量が吸気通路に再循環されてもエンジンに凝縮水が流入することを抑制できる。
請求項３記載の発明によれば、排気導入部から導入された排気は、気液分離器の本体部内を旋回しつつ上部から下方に向かって移動し、排気排出部から排出される。このとき、排気とともに本体部内に凝縮水が流入しても、凝縮水は排気と分離して本体部の下部に貯留する。これにより、凝縮水と排気とを効率的に分離することができる。

請求項４記載の発明によれば、気液分離器の本体部の下部に凝縮水が貯留しても、エンジンがアイドリング状態であるときに開閉弁が開弁することによって、その凝縮水をドレーン通路を介して排気通路に排出させることができる。
請求項５記載の発明によれば、本体部の下部の所定位置に凝縮水が存在していないとき、即ち所定位置まで凝縮水が貯留していないときには、アイドリング状態であっても開閉弁が開弁しないので、排気再循環通路から排気通路に排気が排出されなくなり、排気再循環効率の低下を更に抑制できる。

請求項６記載の発明によれば、圧縮天然ガスを燃料とするエンジンの排気再循環装置において、排気から凝縮水が発生しても、エンジンに凝縮水が流入することを抑制できる。

図１に示すように、圧縮天然ガスを燃料とするエンジン１の吸気通路２には、上流側より順番に、外気から塵埃等の異物を取り除くエアクリーナ３、ターボチャージャ４を構成するコンプレッサ５、吸気を冷却するインタークーラ６、吸気流量を増減制御するスロットルバルブ７が夫々介装されている。
一方、排気通路８には、上流側より順番に、ターボチャージャ４を構成するタービン９、排気を消音するマフラ１０が夫々介装されている。

排気通路８の一部を構成する排気マニホールド８ａと、エアクリーナ３とコンプレッサ５との間の吸気通路２とは、ＥＧＲ通路１１により連通している。ＥＧＲ通路１１には、排気マニホールド８ａから吸気通路２に向かって順番に、冷却装置に該当するＥＧＲクーラ１２、ＥＧＲバルブ１３が夫々介装されている。ＥＧＲクーラ１２は、ＥＧＲ通路１１を通過するＥＧＲガスを冷却する。ＥＧＲバルブ１３は、コントロールユニット１４からの信号により、ＥＧＲ通路１１の流路断面積を増減させ、吸気通路２に再循環するＥＧＲガスの流量を増減制御する。

ＥＧＲクーラ１２とＥＧＲバルブ１３との間のＥＧＲ通路１１と、タービン９より下流側の排気通路８とは、ドレーン通路１５により連通されている。ドレーン通路１５には、コントロールユニット１４により作動制御されてドレーン通路１５を開閉する常閉式の開閉弁１６が介装されている。
エンジン１にはその回転速度を検出する回転速度センサ１７が設けられるととともに、スロットルバルブ７にはその開度を検出する開度センサ１８が設けられている。コントロールユニット１４は、回転速度センサ１７からエンジン１の回転速度と、開度センサ１８からスロットルバルブ７の開度、即ちエンジン１の負荷と、を入力して、ＥＧＲ流量を演算してＥＧＲバルブ１３を制御するとともに、開閉弁１６を開閉制御する。

ここで、図２を用いて、コントロールユニット１４での開閉弁１６の制御手順を説明する。まず、コントロールユニット１４は、キースイッチ等の電源スイッチＯＮにて電源が供給され、制御を開始する。なお、図示するフローチャートによる制御は所定時間毎に繰り返して行われる。
始めにステップ１（図ではＳ１と表記する、以下同様）では、開度センサ１８からスロットルバルブ７の開度を入力し、所定値Ａ未満であるか否かを判定する。所定値Ａ未満であるときはステップ２に進む。所定値Ａ以上であるときは、ステップ４に進む。なお、所定値Ａは、アイドリング時のスロットルバルブ７の開度より若干大きい値に設定される。

ステップ２では、回転速度センサ１７からエンジン１の回転速度を入力し、所定値Ｂ未満であるか否かを判定する。所定値Ｂ未満であるときは、ステップ３に進む。所定値Ｂ以上であるときは、ステップ４に進む。なお、所定値Ｂは、アイドリング時のエンジン回転速度より若干大きい値に設定される。開度センサ１８及び回転速度センサ１７を用いたステップ１及びステップ２の一連の制御は、アイドリング判定手段に該当する。

ステップ３では、開閉弁１６を開弁させる。そして、ＥＮＤに進む。
ステップ４では、開閉弁１６を閉弁させる。そして、ＥＮＤに進む。なお、ステップ３及びステップ４の制御は制御手段に該当する。
以上のような構成によれば、エアクリーナ３に吸い込まれた外気は、エンジン１の吸気として、エアクリーナ３により塵埃等の異物が除去された後、コンプレッサ５により圧縮される。この圧縮された吸気は、高温となるが、インタークーラ６を通過することによって冷却される。これにより、吸気の体積が減少し、エンジン１の吸気効率が向上する。インタークーラ６にて冷却された吸気は、スロットルバルブ７によってその流量を調節されつつエンジン１に供給される。

一方、エンジン１から排出された排気は、タービン９に供給される。これにより、タービン９が回転し、コンプレッサ５が回転駆動する。タービン９を通過した排気は、マフラ１０を通過して大気中へ放出される。また、エンジン１から排出された排気の一部は、タービンに供給されずに、ＥＧＲガスとして、排気マニホールド８ａからＥＧＲ通路１１に流入する。そして、ＥＧＲガスは、ＥＧＲクーラ１２を通過することによって冷却された後、吸気通路２に再循環する。このようにして、低温になったＥＧＲガスが吸気通路２に再循環するので、エンジン１の燃焼温度が低下し、排気中の窒素酸化物を低減させることができる。

このとき、スロットルバルブ７の開度が所定値Ａ未満であってエンジン回転速度が所定値Ｂ未満である場合、即ちエンジン１がアイドリング状態である場合には、開閉弁１６が開弁するので、タービン９の前後の排気通路２での排気圧の差によりＥＧＲ通路１１内のＥＧＲガスの少なくとも一部がドレーン通路１５を介して排気通路８に排出される。そして、排気がＥＧＲクーラ１２を通過して凝縮水が発生したときには、この凝縮水はＥＧＲガスとともにドレーン通路１５を通過して排気通路８に排出される。また、ＥＧＲ通路１１内のＥＧＲガスがドレーン通路１５を介して排気通路８に排出されることによって、ＥＧＲ通路１１に導入されるＥＧＲガスの流量が増加する。これにより、ＥＧＲ通路１１内でのＥＧＲガスの流速が増加するので、ＥＧＲ通路１１内に凝縮水が溜まり難くなる。したがって、これらの相乗効果により、ＥＧＲ通路１１から吸気通路２を介してエンジン１に凝縮水が流入することを抑制できる。

一方、エンジン１がアイドリング状態でないときには、開閉弁１６が開弁しないので、ＥＧＲ通路１１から排気通路８にＥＧＲガスが排出されなくなる。これにより、ＥＧＲ効率の低下を抑制できる。なお、エンジン１がアイドリング状態でないときには、ＥＧＲ通路１１を通過する排気の流速が増加することにより、ＥＧＲ通路１１内で凝縮水が溜まり難くなるので、このように開閉弁１６が開弁しなくともエンジン１に凝縮水が流入し難い。

また、ＥＧＲ通路１１とドレーン通路１５との接続部に、図３に示すような気液分離器２１を設けるとよい。気液分離器２１は、両端部が閉塞され上下方向に軸線が延びる略筒状の本体部２２と、本体部２２へ排気を導入する排気導入部２３と、本体部２２から排気を排出する排気排出部２４と、を含んで構成される。本体部２２の底壁２２ａはその中心部に向かって下方に傾斜している。排気導入部２３は、両端部が開口するとともに水平方向かつ本体部２２の側壁２２ｂの略接線方向に軸線が延びる筒体からなり、その一端部が側壁２２ｂの上部に挿入される。排気排出部２４は、両端部が開口するとともに上下方向に軸線が延びる筒体からなり、その一端部が本体部２２の上壁２２ｃの中央部に挿入されるとともに排気導入部２３の最下部より下方まで延びる。

また、開閉弁１６は、ドレーン通路１５に介装される代わりに本体部２２の下方に配置される。ドレーン通路１５の上流端は、開閉弁１６を介して本体部２２の下部に連通される。
したがって、排気導入部２３から導入されたＥＧＲガスは、本体部２２内を旋回しつつ上部から下方に向かって移動し、排気排出部２４からＥＧＲ通路１１に排出される。このとき、ＥＧＲガスとともに本体部２２内に凝縮水が流入しても、ＥＧＲガスと分離して本体部２２の下部に貯留されるので、開閉弁１６が閉弁していても吸気通路２に凝縮水が流入することを抑制できる。そして、エンジン１がアイドリング状態となったときに開閉弁１６が開弁することによって、本体部２２の下部に貯留された凝縮水をドレーン通路１５を介して排気通路８に排出させることができる。

更に、本体部２２の下部の所定位置に、凝縮水の存在を検出する凝縮水検出手段に該当するフロートスイッチ等の検出器２５を設け、コントロールユニット１４によって、エンジン１がアイドリング状態であり、かつ本体部２２の下部の所定位置に凝縮水が存在したときに、開閉弁１６を所定時間開弁させるとよい。なお、この所定位置は、気液分離器２１の下部に貯留可能な量の凝縮水が貯留したときの水面の位置に適宜設定するとともに、この所定時間は、この所定位置まで貯留した凝縮水が全てドレーン通路１５に排出される時間に設定すればよい。これにより、本体部２２の下部に凝縮水が貯留可能であるときには、アイドリング状態であっても、開閉弁１６が開弁しないので、ＥＧＲ効率の低下を更に抑制できる。

なお、コントロールユニット１４は、スロットルバルブ７の開度の代わりに燃料供給量や吸入空気量を用いたり、アイドルスイッチから信号を入力したりして、エンジン１がアイドリング状態にあるか否かを判定してもよい。
以上の実施形態では、エンジン１は圧縮天然ガスを燃料としているが、軽油等の他の燃料を用いるエンジンでも本発明を適用可能である。しかしながら、圧縮天然ガスを燃料とするエンジンでは、排気から凝縮水が発生しやすいので、本発明がより有効である。

本発明の排気再循環装置の構成図 コントロールユニットにおける開閉弁の制御手順を示すフローチャート 気液分離器の構造を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図

符号の説明

１ エンジン
２ 吸気通路
４ ターボチャージャ
５ コンプレッサ
８ 排気通路
９ タービン
１１ ＥＧＲ通路
１２ ＥＧＲクーラ
１３ ＥＧＲバルブ
１４ コントロールユニット
１５ ドレーン通路
１６ 開閉弁
１７ 回転速度センサ
１８ 開度センサ
２１ 気液分離器
２２ 本体部
２３ 排気導入部
２４ 排気排出部
２５ 検出器

Claims (6)

1. 排気エネルギーにより吸気を過給するターボチャージャを有するエンジンに設けられる排気再循環装置であって、
   前記ターボチャージャのタービンの上流側の排気通路と前記ターボチャージャのコンプレッサの上流側の吸気通路とを連通する排気再循環通路と、
   前記排気再循環通路に介装され、前記排気再循環通路を通過する排気を冷却する冷却装置と、
   前記冷却装置の下流側の前記排気再循環通路と前記タービンの下流側の排気通路とを連通するドレーン通路と、
   前記ドレーン通路を開閉する開閉弁と、
   前記エンジンがアイドリング状態であるか否かを判定するアイドリング判定手段と、
   前記アイドリング判定手段により前記エンジンがアイドリング状態であると判定されたときに前記開閉弁を開弁させる一方、前記エンジンがアイドリング状態でないと判定されたときに前記開閉弁を閉弁させる制御手段と、
   を含んで構成されることを特徴とする排気再循環装置。
2. 前記排気再循環通路とドレーン通路との接続部に、気液分離器が設けられることを特徴とする請求項１に記載の排気再循環装置。
3. 前記気液分離器は、
   両端部が閉塞されるとともに上下方向に軸線が延びる略筒状の本体部と、
   両端部が開口するとともに水平方向かつ前記本体部の側壁の略接線方向に軸線が延びる筒体からなり、その一端部が前記本体部の側壁の上部に挿入される排気導入部と、
   両端部が開口するとともに上下方向に軸線が延びる筒体からなり、その一端部が前記本体部の上壁の略中央部に挿入されるとともに前記排気導入部の最下部より下方まで延びる排気排出部と、
   を含んで構成されることを特徴とする請求項２に記載の排気再循環装置。
4. 前記開閉弁は、前記本体部の下方に配置され、
   前記ドレーン通路の上流端は、前記開閉弁を介して前記本体部の下部に連通されることを特徴とする請求項３に記載の排気再循環装置。
5. 前記本体部の下部の所定位置に、凝縮水の存在を検出する凝縮水検出手段が設けられ、
   前記制御手段は、前記アイドリング判定手段により前記エンジンがアイドリング状態であると判定され、かつ前記凝縮水検出手段により凝縮水の存在が検出されたときには、前記開閉弁を開弁させる一方、前記エンジンがアイドリング状態でないと判定されたとき、または凝縮水の存在が検出されないときには、前記開閉弁を閉弁させることを特徴とする請求項４に記載の排気再循環装置。
6. 前記エンジンは、圧縮天然ガスを燃料とすることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の排気再循環装置。

Images