JP2009270513A - 内燃機関の排気還流装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来とは異なる手法で冷却部から堆積物を除去することができる内燃機関の排気還流装置を提供する。
【解決手段】内燃機関の排気通路から吸気通路に排気の一部をＥＧＲガスとして還流させるＥＧＲ通路２と、ＥＧＲ通路２に設けられて、冷却部４を流れる冷却水とＥＧＲガスとの間で熱交換を行うＥＧＲクーラ３と、ＥＧＲクーラ３で生じた凝縮水を冷却部４に供給する凝縮水供給部１５とが設けられている。ＥＧＲクーラ３は、冷却部４を収容し、冷却部４の上流にガス入口部５が冷却部４の下流にガス出口部６がそれぞれ形成されたケーシング７を有している。凝縮水供給部１５は、ケーシング７内の鉛直下方に配置され、ＥＧＲクーラ３で生じた凝縮水を溜めることができる貯水部１６と、貯水部１６に溜められた凝縮水を冷却部４とガス入口部５との間に導く凝縮水導入部１７と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気通路から吸気通路に排気の一部をＥＧＲガスとして還流させるＥＧＲ通路と、ＥＧＲ通路に設けられて、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラとを備えた内燃機関の排気還流装置に関する。

冷却部を流れる冷媒とＥＧＲガスとの間で熱交換を行うＥＧＲクーラを備えた内燃機関の排気還流装置では、ＥＧＲガス中に含まれるカーボン成分などが冷却部に付着して堆積物が徐々に形成される。その堆積物を放置するとＥＧＲクーラの流路断面積の縮小や冷却部の熱伝達率の低下といった不具合を起こす場合がある。この堆積物を除去する装置として、冷却部の温度を上昇させて堆積物の結合力を弱めた上でＥＧＲガスをその冷却部に流通させることにより、堆積物を吹き飛ばすものが提案されている（特許文献１参照）。その他に、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２０００−２１３４２６号公報 特開２００２−３９０１９号公報 特開２００５−２５６６７９号公報 特開平１０−３１８０４９号公報

上述した特許文献１のような装置では、堆積物を除去する毎に冷却部の温度を上昇させる必要があるので効率的でない。

そこで、本発明は、従来とは異なる手法で冷却部から堆積物を除去することができる内燃機関の排気還流装置を提供することを目的とする。

本発明の排気還流装置は、内燃機関の排気通路から吸気通路に排気の一部をＥＧＲガスとして還流させるＥＧＲ通路と、前記ＥＧＲ通路に設けられて、冷却部を流れる冷媒と前記ＥＧＲガスとの間で熱交換を行うＥＧＲクーラと、前記内燃機関の排気が冷却されることにより生じた凝縮水を前記冷却部に供給する凝縮水供給手段と、が設けられていることにより上述した課題を解決する（請求項１）。

内燃機関の排気が冷却されると凝縮水が発生する。この凝縮水は排気中の成分が溶け込んでいるため酸性を示す。本発明の排気還流装置によれば、その凝縮水が凝縮水供給手段にて冷却部に供給されるので、カーボンを主成分とする堆積物が冷却部に付着しているときにはその凝縮水が堆積物を浸食する。これにより、堆積物の結合力が弱まるので、ＥＧＲクーラを流れるＥＧＲガスの圧力によって堆積物が冷却部から除去される。なお、内燃機関の排気が冷却されるとは、強制的に冷却される場合と自然に冷却される場合との両方を含む。

冷却部に供給される凝縮水の発生箇所はどこであっても構わない。例えば、排気が導かれる排気通路やＥＧＲ通路で生じた凝縮水を冷却部に供給することも可能である。特に、ＥＧＲクーラでは排気が強制的に冷却されるため、多くの凝縮水が発生する。従って、本発明の一形態において、前記凝縮水供給手段は、前記ＥＧＲクーラで生じた凝縮水を前記冷却部に供給してもよい（請求項２）。この場合、前記ＥＧＲクーラは、前記冷却部を収容し、前記冷却部の上流にガス入口部が前記冷却部の下流にガス出口部がそれぞれ形成されたケーシングを有し、前記凝縮水供給手段は、前記ケーシング内の鉛直下方に配置され、前記ＥＧＲクーラで生じた凝縮水を溜めることができる貯水部と、前記貯水部に溜められた凝縮水を前記冷却部と前記ガス入口部との間に導く凝縮水導入手段と、を備えてもよい（請求項３）。

この形態によれば、ＥＧＲクーラで生じた凝縮水が貯水部に溜まる。そして、貯水部に溜められた凝縮水を凝縮水導入手段にて冷却部とガス入口部との間に導いているので、その凝縮水がＥＧＲガスにて冷却部に導かれる。これにより、ＥＧＲクーラで生じた凝縮水を冷却部に供給することができる。また、貯水部をケーシング内に配置して、その貯水部に溜められた凝縮水を利用しているので、排気通路やＥＧＲ通路で生じた凝縮水を利用した場合よりも凝縮水供給手段をコンパクトに構成することができる。

上記形態において、前記凝縮水導入手段には、前記貯水部に溜められた凝縮水を前記冷却部と前記ガス入口部との間に噴射する噴射部が設けられてもよい（請求項４）。この形態によれば、噴射部によって噴射された凝縮水は、冷却部とガス入口部との間に拡散される。これにより、冷却部全体に満遍なく凝縮水を供給することができる。

本発明の一形態において、前記貯水部は、前記冷却部と前記ガス出口部との間に配置され、前記冷却部には、前記ガス入口部の側に開口する入口部と前記ガス出口部の側に開口する出口部とを有した冷却通路が設けられ、前記冷却通路の前記入口部が前記出口部よりも鉛直上方に位置するように前記ＥＧＲクーラが配置されてもよい（請求項５）。この形態によれば、ＥＧＲクーラで生じた凝縮水が冷却通路内を入口部から出口部に向かう方向に流れ落ちて貯水部に溜まる。これにより、ＥＧＲクーラで生じた凝縮水を容易に溜めることができる。

本発明の一形態において、前記ＥＧＲクーラには、前記貯水部の鉛直上方に位置し、前記貯水部を隠すように延びる飛散制限部材が設けられてもよい（請求項６）。この形態によれば、貯水部に溜められた凝縮水がＥＧＲガスの圧力を受けて貯水部の周囲に飛散することを抑制することができる。

本発明の一形態において、前記ケーシングには、前記冷却部を迂回する第１通路と、前記冷却部が設けられた第２通路と、が形成されるように内部を仕切り、かつ前記ガス入口部から前記ガス出口部まで延びる仕切部が設けられ、前記ガス出口部には、前記第１通路を開く一方で前記第２通路を閉じるバイパス位置と、前記第２通路を開く一方で前記第１通路を閉じる冷却位置と、を切り替える通路切替手段が設けられてもよい（請求項７）。この形態によれば、流路切替手段が冷却位置にある場合には、第２通路にＥＧＲガスが流通するのでＥＧＲクーラに凝縮水を生じさせることができる。一方、通路切替手段がバイパス位置にある場合には、第２通路内にＥＧＲガスが滞留する。そのため、この場合においてもＥＧＲクーラに凝縮水を生じさせることができる。

以上説明したように、内燃機関の排気が冷却されると凝縮水が発生する。この凝縮水は排気中の成分が溶け込んでいるため酸性を示す。本発明の排気還流装置によれば、その凝縮水が凝縮水供給手段にて冷却部に供給されるので、カーボンを主成分とする堆積物が冷却部に付着しているときにはその凝縮水が堆積物を浸食する。これにより、堆積物の結合力が弱まるので、ＥＧＲクーラを流れるＥＧＲガスの圧力によって堆積物が冷却部から除去される。

（第１の形態）
図１は、本発明の第１の形態に係る内燃機関の排気還流装置を示している。排気還流装置１は、内燃機関の排気通路（不図示）から吸気通路（不図示）に排気の一部をＥＧＲガスとして還流させるＥＧＲ通路２と、ＥＧＲ通路２に設けられ、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ３とを備えている。

図１に示すように、ＥＧＲクーラ３は、冷却部４を収容し、冷却部４の上流にガス入口部５が、冷却部４の下流にガス出口部６がそれぞれ形成されたケーシング７を有している。冷却部４は、冷媒としての冷却水が流れる冷媒室８と、ガス入口部５からガス出口部６に向けて延びて内部をＥＧＲガスが通過する冷却通路としての複数（図１では４つのみ示す。）の冷却管９とを備えている。冷媒室８は、複数の冷却管９を支持する支持板１０、１０を有している。冷却管９は、ガス入口部５の側に開口する入口部９ａと、ガス出口部６の側に開口する出口部９ｂとを有している。これにより、冷却管９を通過するＥＧＲガスと冷却水との間で熱交換が行われる。冷却管９の内部には、熱交換が促進されるように不図示のフィンが設けられている。ケーシング７及び冷却部４は、ガス出口部６に向かうに従って鉛直下方に傾いている。これにより、入口部９ａは出口部９ｂよりも鉛直上方に位置する。

ケーシング７には、冷却部４を迂回する第１通路１１と冷却部４が設けられた第２通路１２とが形成されるように内部を仕切り、かつガス入口部５からガス出口部６まで延びる仕切部１３が設けられている。ガス入口部５には、その流路断面積を鉛直方向に二等分するように仕切部１３の一端部が接続されている。ガス出口部６には、その流路断面積を鉛直方向に二等分するように仕切部１３の他端部が接続されている。ガス出口部６には、第１通路１１を開く一方で第２通路１２を閉じるバイパス位置（図１の実線で示した位置）と、第２通路１２を開く一方で第１通路１１を閉じる冷却位置（図１の破線で示した位置）とを切替える通路切替手段としての通路切替弁１４が設けられている。通路切替弁１４は、仕切部１３に沿うようにして図１の紙面を貫く方向に延びた弁軸１４ａと、その弁軸１４ａに設けられた閉鎖部材１４ｂとを備えている。閉鎖部材１４ｂは、弁軸１４ａをその周方向に回転させることで、バイパス位置と冷却位置との間を変位することができる。また、閉鎖部材１４ｂは、バイパス位置で第２通路１２を冷却位置で第１通路１１を閉鎖することができる程度の大きさに形成されている。このように構成されたＥＧＲクーラ３に対して凝縮水供給手段としての凝縮水供給部１５が設けられている。

凝縮水供給部１５は、ケーシング７内の鉛直下方に配置され、ＥＧＲクーラ３で生じた凝縮水を溜めることができる貯水部１６と、貯水部１６に溜められた凝縮水を冷却部４とガス入口部５との間に導く凝縮水導入手段としての凝縮水導入部１７とを備えている。貯水部１６は、冷却部４とガス出口部６との間に位置している。ケーシング７には、貯水部１６の鉛直上方に位置し、貯水部１６を隠すように延びる飛散制限部材１８が設けられている。飛散制限部材１８は、その先端と冷却部４との間に幾らかの隙間が形成される程度の大きさに形成されている。

凝縮水導入部１７は、貯水部１６に溜められた凝縮水を導くための連通路１９と、連通路１９の一端に設けられ、連通路１９に導かれた凝縮水を冷却部４とガス入口部５との間に噴射する噴射部２０と、連通路１９の他端に設けられ、連通路１９を開閉する開閉弁２１とを備えている。噴射部２０は、図示していないが複数の微細孔が形成されている。微細孔は、その孔を通過した凝縮水が霧化できる程度の大きさに形成されている。

図２は、開閉弁２１とその周囲の拡大断面図を示している。この図に示すように、貯水部１６の底部には、連通路１９に開口する開口部２２が形成されている。開口部２２は、連通路１９の内径よりも幾らか小さく設定されている。開閉弁２１には、連通路１９側から開口部２２に密着することができる球弁体２１ａと、球弁体２１ａを開口部２２に向かう方向に付勢する支持バネ２１ｂとが設けられている。

次に、図１〜図３を参照して開閉弁２１の動作を説明する。図１に示すように、球弁体２１ａには、第２通路１２における冷却部４よりも下流側の圧力（以下、下流側圧力と呼ぶことがある。）と、第２通路１２における冷却部４よりも上流側の圧力（以下、上流側圧力と呼ぶことがある。）とが作用する。図２に示すように、上流側圧力と支持バネ２１ｂの復元力との合力が下流側圧力以上の場合は、球弁体２１ａが開口部２２に密着して連通路１９が閉鎖される。一方、図３に示すように、上流側圧力と支持バネ２１ｂの復元力との合力が下流側圧力よりも小さい場合は、球弁体２１ａが開口部２２から離れる方向に押し下げられて連通路１９が開放される。

以上の構成の排気還流装置１においては、第２通路１２を通過するＥＧＲガスが冷媒室８を流れる冷却水と熱交換を行うことにより第２通路１２内に凝縮水が生じる。この凝縮水は、ＥＧＲガス中の成分が溶け込んでいるので酸性を示す。第２通路１２内に生じた凝縮水は、冷却管９内を入口部９ａから出口部９ｂに向かう方向に流れ落ちて貯水部１６に溜まる。次に、下流側圧力が上流側圧力よりも十分に大きくなると、上述したように連通路１９が開放され、下流側圧力にて貯水部１６に溜められた凝縮水が噴射部２０に導かれる。噴射部２０に導かれた凝縮水は、噴射部２０の微細孔から冷却部４とガス入口部５との間に噴射される。噴射された凝縮水は、冷却管９の入口部９ａの周囲に拡散され、ＥＧＲガスにて冷却管９内に満遍なく導かれる。冷却管９内に導かれた凝縮水は、カーボンを主成分とする堆積物が冷却管９内のフィンや壁部に付着しているときにはその堆積物を侵食する。これにより、堆積物の結合力が弱まるので冷却管９を通過するＥＧＲガスの圧力によって堆積物が除去される。

本形態の排気還流装置１によれば、貯水部１６をケーシング７内に配置して、その貯水部１６に溜められた凝縮水を利用しているので、排気通路やＥＧＲ通路２などで生じた凝縮水を利用した場合よりも凝縮水供給部１５をコンパクトに構成することができる。また、貯水部１６の鉛直上方に飛散制限部材１８を設けているので、貯水部１６に溜められた凝縮水がＥＧＲガスの圧力を受けて貯水部１６の周囲に飛散することを抑制することができる。

通路切替弁１４をガス出口部６に設けているので、通路切替弁１４が冷却位置にある場合には、第２通路１２にＥＧＲガスが流通するのでＥＧＲクーラ３に凝縮水を生じさせることができる。一方、通路切替弁１４がバイパス位置にある場合には、第２通路１２内にＥＧＲガスが滞留する。そのため、この場合においてもＥＧＲクーラ３に凝縮水を生じさせることができる。これにより、ＥＧＲクーラ３にＥＧＲガスを効率的に生じさせることができる。

なお、本形態では、開閉弁２１に代えて電磁弁（不図示）を利用してもよい。この場合、貯水部１６に凝縮水が溜められた後に連通路１９を開放するように電磁弁が制御される。電磁弁の制御は、例えば、通路切替弁１４が冷却位置からバイパス位置に切り替わる動作に連動して、連通路１９が開放されるようにしてもよい。なぜなら、通路切替弁１４が冷却位置のときに、第２通路１２に流通するＥＧＲガスにて貯水部に幾らかの凝縮水を溜めることができるからである。

（第２の形態）
次に、図４を参照して本発明の第２の形態を説明する。なお、図４は図１に対応しており、上述した図１と共通する部分には同一の参照符号を付し、重複する説明は省略する。図４に示すように、本形態では、開閉弁２１が省略されており、連通路１９に設けられたポンプ２３と、貯水部１６に溜まった凝縮水の量に対応した信号を出力する凝縮水量検出器２４とが追加されている。ポンプ２３及び凝縮水量検出器２４は周知のものでよい。

ポンプ２３の動作は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２５により制御される。ＥＣＵ２５は、凝縮水量検出器２４の出力信号を参照して貯水部１６に溜まった凝縮水量を取得する。続いてＥＣＵ２５は、取得された凝縮水量が所定値を超えているか否かを判断する。凝縮水量が所定値以下であると判断した場合、ＥＣＵ２５はポンプ２３を停止させる。一方、凝縮水量が所定値を超えていると判断した場合、ＥＣＵ２５はポンプ２３を駆動させる。これにより、貯水部１６に十分な量の凝縮水が溜まった場合にだけ、その凝縮水が冷却部４に供給されるので、効率的に堆積物を冷却部４から除去することができる。

本発明は、上述した実施形態に限定されず、種々の形態で実施することできる。凝縮水供給部１５は、ＥＧＲクーラ３で生じた凝縮水を冷却部４に供給する例に限らず、内燃機関の排気が冷却されることにより生じた凝縮水を冷却部４に供給できる限り、適宜の変更が可能である。例えば排気通路、ＥＧＲ通路、ＥＧＲバルブ、などで生じた凝縮水を冷却部４に供給する構成にしてもよい。貯水部１６は、排気通路、ＥＧＲ通路、ＥＧＲバルブなどで生じた凝縮水も溜めることができるように適当な場所に配置してよい。ＥＧＲクーラ３は、第１通路１１を省略した構成でもよい。

本発明の第１の形態に係る内燃機関の排気還流装置を示した図。 開閉弁及びその周囲の拡大断面図。 開閉弁の動作を説明するための図。 本発明の第２の形態に係る内燃機関の排気還流装置を示した図。

符号の説明

１ 排気還流装置
２ ＥＧＲ通路
３ ＥＧＲクーラ
４ 冷却部
５ ガス入口部
６ ガス出口部
７ ケーシング
９ 冷却管
９ａ 入口部
９ｂ 出口部
１１ 第１通路
１２ 第２通路
１３ 仕切部
１４ 通路切替弁（通路切替手段）
１５ 凝縮水供給部（凝縮水供給手段）
１６ 貯水部
１７ 凝縮水導入部（凝縮水導入手段）
１８ 飛散制限部材

Claims (7)

1. 内燃機関の排気通路から吸気通路に排気の一部をＥＧＲガスとして還流させるＥＧＲ通路と、前記ＥＧＲ通路に設けられて、冷却部を流れる冷媒と前記ＥＧＲガスとの間で熱交換を行うＥＧＲクーラと、前記内燃機関の排気が冷却されることにより生じた凝縮水を前記冷却部に供給する凝縮水供給手段と、が設けられていることを特徴とする内燃機関の排気還流装置。
2. 前記凝縮水供給手段は、前記ＥＧＲクーラで生じた凝縮水を前記冷却部に供給する請求項１に記載の内燃機関の排気還流装置。
3. 前記ＥＧＲクーラは、前記冷却部を収容し、前記冷却部の上流にガス入口部が前記冷却部の下流にガス出口部がそれぞれ形成されたケーシングを有し、
   前記凝縮水供給手段は、前記ケーシング内の鉛直下方に配置され、前記ＥＧＲクーラで生じた凝縮水を溜めることができる貯水部と、前記貯水部に溜められた凝縮水を前記冷却部と前記ガス入口部との間に導く凝縮水導入手段と、を備えている請求項２に記載の内燃機関の排気還流装置。
4. 前記凝縮水導入手段には、前記貯水部に溜められた凝縮水を前記冷却部と前記ガス入口部との間に噴射する噴射部が設けられている請求項３に記載の内燃機関の排気還流装置。
5. 前記貯水部は、前記冷却部と前記ガス出口部との間に配置され、
   前記冷却部には、前記ガス入口部の側に開口する入口部と前記ガス出口部の側に開口する出口部とを有した冷却通路が設けられ、
   前記冷却通路の前記入口部が前記出口部よりも鉛直上方に位置するように前記ＥＧＲクーラが配置されている請求項３又は４に記載の内燃機関の排気還流装置。
6. 前記ＥＧＲクーラには、前記貯水部の鉛直上方に位置し、前記貯水部を隠すように延びる飛散制限部材が設けられている請求項３〜５のいずれか一項に記載の内燃機関の排気還流装置。
7. 前記ケーシングには、前記冷却部を迂回する第１通路と、前記冷却部が設けられた第２通路と、が形成されるように内部を仕切り、かつ前記ガス入口部から前記ガス出口部まで延びる仕切部が設けられ、
   前記ガス出口部には、前記第１通路を開く一方で前記第２通路を閉じるバイパス位置と、前記第２通路を開く一方で前記第１通路を閉じる冷却位置と、を切り替える通路切替手段が設けられている請求項３〜６のいずれか一項に記載の内燃機関の排気還流装置。

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