JP2010090717A - 内燃機関における排気ガス還流装置 - Google Patents

Abstract

【課題】凝縮水を噴霧状態で吸気系へ送る機構を簡素化する。
【解決手段】吸気管１７とエキゾーストマニホールド２０とは、排気ガス供給管２３を介して接続されており、排気ガス供給管２３には熱交換器２４及び流量調整弁２５が介在されている。熱交換器２４は、排気ガス通路２４１と冷媒通路２４２とを有し、熱交換器２４には水還流管２６が接続されている。水還流管２６は、排気ガス通路２４１の途中と、流量調整弁２５よりも下流の下流側供給管２３２とを連通している。水還流管２６の出口２６１は、下流側供給管２３２の下部から下流側供給管２３２内に貫通して突入している。水還流管２６の先端部は、下流側供給管２３２に対して直交している。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気ガスを吸気管へ供給する排気ガス供給管と、前記排気ガス供給管を流れる排気ガスを冷却する熱交換器とを備えた内燃機関における排気ガス還流装置に関する。

排気ガスを吸気系へ送ってＮＯｘの発生を抑制する技術は、よく知られている（例えば特許文献１を参照）。排気ガスを吸気系へ送ることによって燃焼室の温度が下がり、燃焼室の温度低減がＮＯｘの発生を抑制する。吸気系へ送られる排気ガスの温度を下げるため、排気系から吸気系に至る排気ガス導管（排気ガス供給管）を流れる排気ガスを冷却するクーラ（熱交換器）を用いることがある。クーラの冷却能力が高い場合、排気ガスがクーラを通過すると、クーラ内には凝縮水が生じる。特許文献１では、クーラ内に生じた凝縮水を排気ガス導管内に噴霧する技術が開示されている。

排気ガス導管内に噴霧された水は、排気ガスから熱を奪って気化する。排気ガスは、冷却されて体積を減らし、新気の充填効率が高められる。
特開平１１−８２１８２号公報

しかし、水の噴射には電気式の水噴射弁が用いられており、水噴射弁の弁開度がコンピュータにより制御されるようになっている。又、水噴射弁には水ポンプから水が圧送されるようになっている。このようなポンプの採用は、凝縮水を噴霧状態で吸気系へ送る機構を複雑にし、コスト増をもたらす。

本発明は、凝縮水を噴霧状態で吸気系へ送る機構の簡素化を図ることを目的とする。

請求項１の発明は、排気ガスを吸気管へ供給する排気ガス供給管と、前記排気ガス供給管を流れる排気ガスを冷却する熱交換器とを備えた内燃機関における排気ガス還流装置を対象とし、前記熱交換器は、前記排気ガス供給管に連通する排気ガス通路と、前記排気ガス通路内の排気ガスから熱を奪う冷媒の冷媒通路とを備え、前記排気ガス通路と前記排気ガス供給管とは、前記排気ガス通路から分岐して前記排気ガス供給管に連通する水還流管を介して接続されており、前記水還流管は、前記排気ガス供給管内の排気ガス流によってエジェクタ効果を生じるように、前記排気ガス供給管に接続されている。

水還流管内の凝縮水は、排気ガス供給管内を流れる排気ガス流のエジェクタ効果によって、水還流管の出口から排気ガス供給管内へ噴霧される。エジェクタ効果を利用した噴霧機構は、簡素な機構である。

請求項２の発明は、排気ガスを吸気管へ供給する排気ガス供給管と、前記排気ガス供給管を流れる排気ガスを冷却する熱交換器とを備えた内燃機関における排気ガス還流装置を対象とし、前記熱交換器は、前記排気ガス供給管に連通する排気ガス通路と、前記排気ガス通路内の排気ガスから熱を奪う冷媒の冷媒通路とを備え、前記排気ガス通路と前記排気ガス供給管とは、前記排気ガス通路から分岐して前記排気ガス供給管に連通する水還流管を介して接続されており、前記水還流管は、前記排気ガス供給管の外周に沿って前記排気ガス供給管の上流から下流へと向かう流路を形成し、前記流路は、前記排気ガス供給管に形成された通口を介して前記排気ガス供給管内に連通されている。

流路内の凝縮水は、排気ガス供給管内を流れる排気ガス流のエジェクタ効果によって、通口から排気ガス供給管内へ噴霧される。エジェクタ効果を利用した噴霧機構は、簡素な機構である。

請求項３の発明は、排気ガスを吸気管へ供給する排気ガス供給管と、前記排気ガス供給管を流れる排気ガスを冷却する熱交換器とを備えた内燃機関における排気ガス還流装置を対象とし、前記熱交換器は、前記排気ガス供給管に連通する排気ガス通路と、前記排気ガス通路内の排気ガスから熱を奪う冷媒の冷媒通路とを備え、前記排気ガス通路と前記熱交換器よりも下流側の前記排気ガス供給管とは、前記排気ガス通路から分岐して前記排気ガス供給管に連通する水還流管を介して接続されており、前記水還流管は、その先端部が前記排気ガス供給管内に突出するように、前記排気ガス供給管に接続している。

排気ガス供給管内に突入している水還流管内の凝縮水は、排気ガス供給管内を流れる排気ガス流の流れによって、水還流管の出口から排気ガス供給管内へ噴霧される。このような噴霧機構は、簡素な機構である。

好適な例では、前記流路は、前記水還流管の一部であって前記排気ガス供給管を包囲する包囲管と、前記排気ガス供給管との間に形成されている。
排気ガス供給管を包囲管で包囲して流路を形成する構成は、簡便である。

好適な例では、前記包囲管は、円筒形状の円筒部と、前記流路の上流から下流に向かうにつれて縮径する円錐形状の円錐筒部とを備え、前記円錐筒部は、前記通口を包囲している。

円錐筒部は、凝縮水の噴霧化に寄与する。
好適な例では、前記水還流管は、前記排気ガス通路と、前記熱交換器よりも下流側の前記排気ガス供給管とを接続する。

好適な例では、前記水還流管は、前記排気ガス通路と、前記熱交換器よりも上流側の前記排気ガス供給管とを接続する。
好適な例では、前記水還流管は、前記排気ガス還流装置の使用時において、前記排気ガス通路の下部となる位置に取り付けられている。

排気ガス通路内で発生した凝縮水は、重力によって水還流管に流入する。

本発明は、凝縮水を噴霧状態で吸気系へ送る機構を簡素化できるという優れた効果を奏する。

以下、本発明を具体化した第１の実施形態を図１（ａ），（ｂ），（ｃ）に基づいて説明する。
図１（ａ）に示すように、内燃機関１０は、ピストン（図示略）によって区画される複数の燃焼室１１〔本実施形態では４つ〕を備えており、内燃機関１０のシリンダヘッド１２には燃焼室１１毎に電磁式の燃料噴射ノズル１３が取り付けられている。燃料噴射ノズル１３は、燃料を燃焼室１１内へ噴射する。

燃料は、燃料ポンプ１４及びコモンレール１５を経由して燃料噴射ノズル１３へ供給され、燃料噴射ノズル１３は、各燃焼室１１内に燃料を噴射する。燃料噴射ノズル１３は、制御コンピュータＣの制御を受ける。

シリンダヘッド１２にはインテークマニホールド１６が接続されている。インテークマニホールド１６には吸気管１７が接続されており、吸気管１７にはエアクリーナ１８が接続されている。吸気系を構成する吸気管１７の途中にはスロットル弁１９が配設されているスロットル弁１９は、吸気管１７に吸入される空気流量を調整するためのものである。吸気管１７を流れる空気は、インテークマニホールド１６を経由して複数の燃焼室１１へ送られ、燃料噴射ノズル１３から各燃焼室１１内へ噴射された燃料が燃焼される。

シリンダヘッド１２にはエキゾーストマニホールド２０が接続されており、エキゾーストマニホールド２０には排気管２１が接続されている。排気管２１にはＮＯｘ触媒あるいはパティキュレート・マター捕集用のフィルタを用いた排気浄化装置２２が介在されている。

スロットル弁１９よりも下流の吸気管１７とエキゾーストマニホールド２０とは、排気ガス供給管２３を介して接続されており、排気ガス供給管２３には熱交換器２４及び流量調整弁２５が介在されている。流量調整弁２５は、制御コンピュータＣの制御を受ける。流量調整弁２５における通過断面積が零である場合、燃焼室１１から排出された排気ガスは、エキゾーストマニホールド２０、排気管２１及び排気浄化装置２２を経由して大気に放出される。流量調整弁２５における通過断面積が零でない場合、エキゾーストマニホールド２０内の排気ガスの一部は、排気ガス供給管２３を経由して吸気管１７へ流れる。

図１（ｂ）に示すように、熱交換器２４は、排気ガス通路２４１と冷媒通路２４２とを備えている。排気ガス通路２４１の入口には排気ガス供給管２３の一部である上流側供給管２３１が接続されており、排気ガス通路２４１の出口には排気ガス供給管２３の一部である下流側供給管２３２が接続されている。上流側供給管２３１は、エキゾーストマニホールド２０に接続されており、下流側供給管２３２は、吸気管１７に接続されている。

熱交換器２４には水還流管２６が接続されている。水還流管２６は、排気ガス通路２４１の途中と、流量調整弁２５よりも下流の下流側供給管２３２とを連通している。排気ガス通路２４１から分岐して下流側供給管２３２（排気ガス供給管）に連通する水還流管２６は、排気ガス通路２４１の下部となる位置２４３に取り付けられている。

図１（ｃ）に示すように、水還流管２６の出口２６１を含み真っ直ぐ延びる部分は、重力方向における下方から上方に延びるように配置されるとともに、下流側供給管２３２の下部から下流側供給管２３２内に貫通して突入している。なお、図１は模式的に示した図であり、水還流管２６の出口２６１を含み真っ直ぐ延びる部分と下流側供給管２３２の接続方向についても、模式的に示してある。出口２６１の先端部は、下流側供給管２３２の壁面よりも下流側供給管２３２の中心部側に突出している。水還流管２６の出口端部は、下流側供給管２３２に対して直交している。

流量調整弁２５が開いている場合には、エキゾーストマニホールド２０内の排気ガスの一部は、上流側供給管２３１を経由して熱交換器２４内の排気ガス通路２４１へ流入する。排気ガス通路２４１へ流入した排気ガスは、冷媒通路２４２を流れる冷媒によって冷却される。排気ガス中の水分は、排気ガスの冷却によって凝縮し、凝縮水は、排気ガス通路２４１から水還流管２６へ流出する。水還流管２６内の凝縮水は、下流側供給管２３２内を流れる排気ガス流（矢印Ｒで示す）の流れによって吸引され、下流側供給管２３２内に導出されて噴霧される。水還流管２６の先端部が下流側供給管２３２の中央部に向かって突出しているので、下流側供給管２３２の壁面付近では排気ガスの流速が遅いが、下流側供給管２３２の軸心部付近を流れる排気ガスの流速は早いので、凝縮水が水還流管２６から下流側供給管２３２へと吸引される。下流側供給管２３２内の噴霧水は、排気ガス供給管２３を流れる排気ガスと共に、吸気管１７へ送られ、さらに吸気管１７内を流れる新気と共に燃焼室１１へ流入する。

噴霧状の凝縮水が燃焼室１１へ流入すると、燃料噴射ノズル１３から燃焼室１１内に噴射される燃料と噴霧状の凝縮水が混ざり合ってエマルジョン燃料が生成されることにより、燃焼効率が高まり、ＰＭ（パティキュレートマター）の発生量が減少するとともに、含有する水の影響で内燃機関の温度が比較的低温となることから、窒素酸化物の発生も抑えられる。

第１の実施形態では以下の効果が得られる。
（１）排気ガス供給管２３内に突入している水還流管２６の凝縮水は、排気ガス供給管２３内を流れる排気ガス流の流れによって吸引され、水還流管２６の出口２６１から排気ガス供給管２３内へ噴霧される。噴霧水は、吸気系へ供給される排気ガスの温度を下げる。排気圧に基づく排気流を利用した噴霧機構は、ポンプを用いた圧送機構に比べて、簡素な機構である。

（２）排気ガスが吸気系へ供給されると、凝縮水もその排気ガスの流れに引っ張られることにより噴霧状となって吸気系へ供給され、逆に、排気ガスが吸気系へ供給されないと、凝縮水も吸気系へ供給されない。そして、排気ガスが吸気系に供給される時は燃焼温度を低下させたい時であるため、その時に噴霧状の凝縮水が吸気系に供給されると、更に燃焼温度を低下させることができて好都合である。このように、適切な時期に凝縮水が吸気系に自然に供給される構造であるため、水ポンプや水噴射弁によって凝縮水の供給時期を制御する必要がない。

（３）水還流管２６の出口２６１が下流側供給管２３２の下部から下流側供給管２３２内に貫通して突入しているため、排気ガス供給管２３内を排気ガスが流れていないときには、水還流管２６内に凝縮水を溜めておくことができる。従って、噴霧されない状態での凝縮水が吸気系へ送られることはない。

（４）水還流管２６は、排気ガス還流装置の使用時において、排気ガス通路２４１の下部となる位置２４３に取り付けられているので、排気ガス通路２４１内で発生した凝縮水は、重力によって水還流管２６に流入することができる。

次に、図２の第２の実施形態を説明する。第１の実施形態と同じ構成部には同じ符合を用い、その詳細説明は省略する。
下流側供給管２３２内には筒部材３０が嵌入されている。筒部材３０の内周面は、矢印Ｒの方向に向かうにつれて昇る昇りテーパ３０１と、矢印Ｒの方向に向かうにつれて降る降りテーパ３０２と、昇りテーパ３０１の最小径部と降りテーパ３０２の最小径部とを繋ぐ円周面３０３とからなる。水還流管２６の出口２６１は、円周面３０３に開口している。水還流管２６内の凝縮水は、下流側供給管２３２の昇りテーパ３０１内を流れる排気ガス流によるエジェクタ効果によって、下流側供給管２３２内に導出されて噴霧される。

第３の実施形態では以下の効果が得られる。
（５）下流側供給管２３２内に連通している水還流管２６内の凝縮水は、下流側供給管２３２内を流れる排気ガス流のエジェクタ効果によって、水還流管２６の出口２６１から下流側供給管２３２内へ噴霧される。エジェクタ効果を利用した噴霧機構は、簡素な機構である。

次に、図３（ａ），（ｂ）の第３の実施形態を説明する。第１の実施形態と同じ構成部には同じ符合を用い、その詳細説明は省略する。
下流側供給管２３２（排気ガス供給管２３）の周囲には包囲管２７が設けられており、下流側供給管２３２と包囲管２７との間には流路２８が形成されている。包囲管２７は、円筒形状の円筒部２７１と円錐筒部２７２とを備えており、円筒部２７１と熱交換器２４〔図１（ａ）参照〕とは、還流管２６Ａによって接続されている。

円錐筒部２７２は、円筒部２７１と水還流管２６との接続部側から円錐筒部２７２側へ（流路２８の上流側から下流側へ）向かうにつれて縮径する円錐形状をしている。円錐筒部２７２によって包囲される下流側供給管２３２の部位には通口２９が設けられている。下流側供給管２３２（排気ガス供給管２３）の外周に沿って下流側供給管２３２の上流から下流へと向かう流路２８は、円錐筒部２７２によって包囲される通口２９を介して下流側供給管２３２内に連通している。円筒部２７１及び還流管２６Ａは、排気ガス供給管２３の外周に沿って排気ガス供給管２３の上流から下流へと向かう流路２８を形成する水還流管を構成する。

熱交換器２４で生じた凝縮水は、水還流管２６を経由して流路２８へ流入する。流路２８内の凝縮水は、排気ガス供給管２３内を流れる排気ガス流のエジェクタ効果によって、通口２９から排気ガス供給管２３内へ導出されて噴霧される。

第３の実施形態では、第１の実施形態と同様の効果が得られる上に、以下の効果が得られる。
（６）排気ガス供給管２３を包囲管２７で包囲して流路２８を形成する構成は、簡便である。

（７）円錐筒部２７２は、流路２８内の凝縮水が通口２９に向けて移動する際の流路抵抗を減らす。従って、エジェクタ効果による流路２８からの凝縮水の吸い出しが良好に行われる。円錐筒部２７２は、凝縮水の噴霧化に寄与する。

次に、図４（ａ），（ｂ）の第４の実施形態を説明する。第３の実施形態と同じ構成部には同じ符合を用い、その詳細説明は省略する。
下流側供給管２３２は、第１供給管２３３と第２供給管２３４とを直列に繋いで構成されており、第２供給管２３４には包囲管２７Ａが一体形成されている。第１供給管２３３には通口２９が形成されており、円錐筒部２７２が通口２９を包囲している。

第４の実施形態においても、第３の実施形態と同様の効果が得られる。
次に、図５の第５の実施形態を説明する。第１の実施形態と同じ構成部には同じ符合を用い、その詳細説明は省略する。

水還流管２６は、排気ガス通路２４１の途中と、熱交換器２４よりも上流の上流側供給管２３１とを連通している。排気ガス通路２４１から分岐する水還流管２６と上流側供給管２３１との接続部は、図１（ｃ）、図２、図３、図４のいずれかの構造となっている。

水還流管２６から上流側供給管２３１内に噴霧状となって流入した凝縮水は、排気ガスの温度が低い場合には熱交換器２４内でその一部が再度凝縮水に戻り、残りは噴霧状のまま吸気系へ流入する。また、排気ガス温度が高い場合には、ほぼ全ての凝縮水が噴霧状のまま吸気系へ流入する。

第５の実施形態では、上流側供給管２３１内に噴霧状となって流入した凝縮水は、排気ガスを冷却することができる。
本発明では以下のような実施形態も可能である。

○熱交換器より下流にある流量調整弁の上流側の排気ガス供給管と熱交換器とを水還流管によって接続してもよい。
○熱交換器の上流側に流量調整弁を設け、熱交換器の下流側の排気ガス供給管と熱交換器とを水還流管によって接続してもよい。

○熱交換器の構造は特に限定されず、熱交換ができるとともに、凝縮水を取り出せる構造であればよい。例えば、特開平７−２６９４１７号公報に記載されているような構造であってもよい。

○内燃機関がターボチャージャを備えている場合には、排気ガス供給管はターボチャージャのコンプレッサの上流側でも下流側でもどちらに接続されていてもよい。又、ターボチャージャが２段式ターボチャージャである場合には、排気ガス供給管は２段のコンプレッサを連結する通路に接続されていても良い。ただし、どちらの形式のターボチャージャであっても、コンプレッサの上流側に排気ガス供給管が接続されていた方が、吸気の圧力が低いところに排気ガスを流入させることができることから、排気ガスを吸気系に流入させやすい。

○水還流管２６と熱交換器の排気通路２４１との接続部の位置を、水還流管２６と排気ガス供給管２３との接続部の位置よりも高い位置に設置し、凝縮水が重力により排気ガス供給管２３に流れ込みやすくしてもよい。

第１の実施形態を示し、（ａ）は、内燃機関の簡略図。（ｂ）は、熱交換器の断面図。（ｃ）は、要部側断面図。 第２の実施形態を示す側断面図。 第３の実施形態を示し、（ａ）は、要部側断面図。（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ線断面図。 第４の実施形態を示し、（ａ）は、要部側断面図。（ｂ）は、図４（ａ）のＢ−Ｂ線断面図。 第５の実施形態を示す内燃機関の簡略図。

符号の説明

１０…内燃機関。１７…吸気管。２３…排気ガス供給管。２３１…上流側の排気ガス供給管である上流側供給管。２３２…下流側の排気ガス供給管である下流側供給管。２４…熱交換器。２４１…排気ガス通路。２４２…冷媒通路。２４３…排気ガス通路の下部となる位置。２６…水還流管。２６Ａ…水還流管を構成する還流管。２７，２７Ａ…水還流管を構成する包囲管。２７１…円筒部。２７２…円錐筒部。２８…流路。２９…通口。

Claims (8)

1. 排気ガスを吸気管へ供給する排気ガス供給管と、前記排気ガス供給管を流れる排気ガスを冷却する熱交換器とを備えた内燃機関における排気ガス還流装置において、
   前記熱交換器は、前記排気ガス供給管に連通する排気ガス通路と、前記排気ガス通路内の排気ガスから熱を奪う冷媒の冷媒通路とを備え、前記排気ガス通路と前記排気ガス供給管とは、前記排気ガス通路から分岐して前記排気ガス供給管に連通する水還流管を介して接続されており、前記水還流管は、前記排気ガス供給管内の排気ガス流によってエジェクタ効果を生じるように、前記排気ガス供給管に接続されている内燃機関における排気ガス還流装置。
2. 排気ガスを吸気管へ供給する排気ガス供給管と、前記排気ガス供給管を流れる排気ガスを冷却する熱交換器とを備えた内燃機関における排気ガス還流装置において、
   前記熱交換器は、前記排気ガス供給管に連通する排気ガス通路と、前記排気ガス通路内の排気ガスから熱を奪う冷媒の冷媒通路とを備え、前記排気ガス通路と前記排気ガス供給管とは、前記排気ガス通路から分岐して前記排気ガス供給管に連通する水還流管を介して接続されており、前記水還流管は、前記排気ガス供給管の外周に沿って前記排気ガス供給管の上流から下流へと向かう流路を形成し、前記流路は、前記排気ガス供給管に形成された通口を介して前記排気ガス供給管内に連通されている内燃機関における排気ガス還流装置。
3. 排気ガスを吸気管へ供給する排気ガス供給管と、前記排気ガス供給管を流れる排気ガスを冷却する熱交換器とを備えた内燃機関における排気ガス還流装置において、
   前記熱交換器は、前記排気ガス供給管に連通する排気ガス通路と、前記排気ガス通路内の排気ガスから熱を奪う冷媒の冷媒通路とを備え、前記排気ガス通路と前記熱交換器よりも下流側の前記排気ガス供給管とは、前記排気ガス通路から分岐して前記排気ガス供給管に連通する水還流管を介して接続されており、前記水還流管は、その先端部が前記排気ガス供給管内に突出するように、前記排気ガス供給管に接続している内燃機関における排気ガス還流装置。
4. 前記流路は、前記水還流管の一部であって前記排気ガス供給管を包囲する包囲管と、前記排気ガス供給管との間に形成されている請求項２に記載の内燃機関における排気ガス還流装置。
5. 前記包囲管は、円筒形状の円筒部と、前記流路の上流から下流に向かうにつれて縮径する円錐形状の円錐筒部とを備え、前記円錐筒部は、前記通口を包囲している請求項４に記載の内燃機関における排気ガス還流装置。
6. 前記水還流管は、前記排気ガス通路と、前記熱交換器よりも下流側の前記排気ガス供給管とを接続する請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の排気ガス還流装置。
7. 前記水還流管は、前記排気ガス通路と、前記熱交換器よりも上流側の前記排気ガス供給管とを接続する請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の排気ガス還流装置。
8. 前記水還流管は、前記排気ガス還流装置の使用時において、前記排気ガス通路の下部となる位置に取り付けられている請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の排気ガス還流装置。

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