JP2012117455A - 熱交換器の凝縮水貯留排出機構 - Google Patents

Abstract

【課題】凝縮水タンクに貯まった凝縮水が水滴状又は霧状となって被冷却媒体に混入しても、この水滴状又は霧状の凝縮水がエンジンに流入するのを防止する。
【解決手段】エンジンに供給される被冷却媒体１５を熱交換器１７が冷却し、熱交換器１７で発生した凝縮水１９を凝縮水貯留排出機構２１が貯留し排出するように構成される。上記凝縮水１９を貯留する凝縮水タンク２２が熱交換器１７の下部にこの熱交換器１７と一体的に設けられる。また凝縮水タンク２２上方から熱交換器１７の被冷却媒体排出口１７ｆに向う冷却された被冷却媒体１５の一部を水返しプレート２３が凝縮水タンク２２に戻すように設けられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンに供給される吸気、ＥＧＲガス等の被冷却媒体を冷却する熱交換器で発生した凝縮水を貯留し排出する機構に関するものである。

従来、過給機にて圧縮された吸気を冷却するインタクーラから凝縮水を排出するインタクーラ凝縮水排出装置が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。このインタクーラ凝縮水排出装置では、凝縮水が集積部に蓄えられ、ポンプ手段が集積部から吸込路を通って凝縮水を取込んで排出路に排出するように構成される。上記ポンプ手段は、ポンプ室と弁体と流路選択手段とを有する。ポンプ室は吸込路と排出路との間に設けられ、弁体はポンプ室の容積を拡大させる吸込位置とポンプ室の容積を減少させる排出位置との間をインタクーラの内圧の高低に応じて変位するように構成される。また流路選択手段は、弁体が吸込位置に移動したときに排出路を閉じかつ吸込路を開くとともに、弁体が排出位置に移動したときに排出路を開きかつ吸込路を閉じるように構成される。更に弁体は、インタクーラの内圧が所定の基準圧以下の場合に吸込位置に移動し、インタクーラの内圧が基準圧を越えた場合に排出位置に移動するように構成される。

このように構成されたインタクーラ凝縮水排出装置では、過給機のコンプレッサが停止してインタクーラの内圧が基準圧以下である場合に、弁体が吸込位置に移動して、排出路を閉じかつ吸込路を開くので、ポンプ室の容積の拡大に伴って集積部から吸込路を通ってポンプ室に凝縮水が取込まれる。また過給機のコンプレッサが作動してインタクーラの内圧が基準圧を越えると、弁体が排出位置に移動して、排出路を開きかつ吸込路を閉じるので、ポンプ室の容積の減少に伴ってインタクーラ内部とポンプ室との間を遮断した状態でポンプ室内の凝縮水が排出路に押し出される。この結果、インタクーラ内の吸気の漏出を抑えつつ、インタクーラから凝縮水を排出できるようになっている。

特開２００９−２１５９０４号公報（請求項１、請求項２、段落［０００７］、段落［０００８］、段落［００２０］、図３、図４）

しかし、上記従来の特許文献１に示されたインタクーラ凝縮水排出装置では、集積部貯水槽に貯まった凝縮水がこの貯水槽内の圧力や気流の急激な変化により水滴状又は霧状となって吸気に混入すると、この水滴状又は霧状の凝縮水が吸気とともにエンジンに流入するおそれがあった。また、上記従来の特許文献１に示されたインタクーラ凝縮水排出装置では、インタクーラの下方にポンプ手段、吸込路及び排出路を設けるとともに、インタクーラの下部に凝縮水を貯める集積部を設けなければならず、収容スペースを比較的大きく確保しなければならない問題点があった。更に、上記従来の特許文献１に示されたインタクーラ凝縮水排出装置では、過給機のコンプレッサが停止してインタクーラの内圧が基準圧以下である場合に、ポンプ室に凝縮水が取込まれ、過給機のコンプレッサが作動してインタクーラの内圧が基準圧を越えたときに、ポンプ室内の凝縮水が排出路に押し出されるため、集積部に貯まった凝縮水の量に応じた凝縮水の排出を行うことができない問題点もあった。

本発明の第１の目的は、凝縮水タンクに貯まった凝縮水が水滴状又は霧状となって被冷却媒体に混入しても、この水滴状又は霧状の凝縮水がエンジンに流入するのを防止できる、熱交換器の凝縮水貯留排出機構を提供することにある。本発明の第２の目的は、比較的小さなスペースに収容でき、また凝縮水タンクに貯まった凝縮水の量に応じて適切にかつ自動的に凝縮水の排出操作を行うことができる、熱交換器の凝縮水貯留排出機構を提供することにある。

本発明の第１の観点は、図１及び図２に示すように、エンジン１１に供給される被冷却媒体１５が熱交換器１７により冷却され、熱交換器１７で発生した凝縮水１９を貯留し排出する熱交換器の凝縮水貯留排出機構において、熱交換器１７の下部にこの熱交換器１７と一体的に設けられ凝縮水１９を貯留する凝縮水タンク２２と、凝縮水タンク２２上方から熱交換器１７の被冷却媒体排出口１７ｆに向う冷却された被冷却媒体１５の一部を凝縮水タンク２２に戻すように設けられた水返しプレート２３とを有することを特徴とする。

本発明の第２の観点は、第１の観点に基づく発明であって、更に図１に示すように、凝縮水タンク２２下部に接続されたドレン管２４と、ドレン管２４に設けられドレン管２４を開閉するドレンバルブ２６と、凝縮水タンク２２に設けられ凝縮水タンク２２内に貯留された凝縮水１９の水位を検出する水位センサ２７と、水位センサ２７の検出出力に基づいてドレンバルブ２６を開閉制御するコントローラ２８とを更に有することを特徴とする。

本発明の第３の観点は、第１又は第２の観点に基づく発明であって、更に図１及び図２に示すように、被冷却媒体１５がエンジン１１に供給される吸気又はＥＧＲガスのいずれか一方又は双方であり、熱交換器１７が、吸気１５を冷却するインタクーラ又はＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラのいずれか一方又は双方であることを特徴とする。

本発明第１の観点の凝縮水貯留排出機構では、凝縮水タンクに貯まった凝縮水がこの凝縮水タンク内の圧力や気流の急激な変化により水滴状又は霧状となり、この水滴状又は霧状の凝縮水が、凝縮水タンク上方から熱交換器の被冷却媒体排出口に向う冷却された被冷却媒体の一部に混入しても、水返しプレートが上記水滴状又は霧状の凝縮水を含む被冷却媒体を凝縮水タンクに戻す方向に案内する。このため水滴状又は霧状の凝縮水を含む被冷却媒体が凝縮水タンク内の凝縮水に接触するので、この被冷却媒体に含まれる水滴状又は霧状の凝縮水は凝縮水タンク内の凝縮水に戻される。この結果、水滴状又は霧状の凝縮水がエンジンに流入するのを防止できる。

本発明第２の観点の凝縮水貯留排出機構では、水位センサが凝縮水タンク内の凝縮水の水位が所定値に達していないことを検出すると、コントローラはドレンバルブを閉じるので、熱交換器で被冷却媒体が冷却され、この被冷却媒体中に含まれる水分が結露して発生する凝縮水が凝縮水タンクに徐々に貯まっていき、水位センサが凝縮水タンク内の凝縮水の水位が所定値に達したことを検出すると、コントローラはドレンバルブを開くので、凝縮水タンクに貯まった凝縮水が速やかに排出される。この結果、凝縮水タンクに貯まった凝縮水の量に応じて適切にかつ自動的に凝縮水の排出操作を行うことができる。またインタクーラの下方にポンプ手段、吸込路及び排出路を設けるとともに、インタクーラの下部に凝縮水を貯める集積部を設けなければならず、収容スペースを比較的大きく確保しなければならない従来のインタクーラ凝縮水排出装置と比べて、本発明では、比較的小型の凝縮水タンクと、短くて細いドレン管と、小型のドレンバルブとを熱交換器の下部にこの熱交換器と一体的に設置すればよいため、比較的小さなスペースに収容できる。この結果、熱交換器の下方に比較的小さな収容スペースを確保すれば済む。

本発明実施形態のインタクーラで発生した凝縮水を貯留し排出する機構を示す構成図である。 そのインタクーラを有するエンジンの吸気系とエンジンの排気系とを含む構成図である。

次に本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。図２に示すように、ディーゼルエンジン１１の吸気ポートには吸気マニホルド１２ａを介して吸気管１２ｂが接続され、エンジン１１の排気ポートには排気マニホルド１３ａを介して排気管１３ｂが接続される。上記吸気マニホルド１２ａ及び吸気管１２ｂにより吸気１５をエンジン１１に導入する吸気通路１２が構成され、上記排気マニホルド１３ａ及び排気管１３ｂにより排ガスをエンジン１１から排出する排気通路１３が構成される。排気マニホルド１３ａと排気管１３ｂとの間にはターボ過給機１４のタービンハウジング１４ａが設けられ、吸気管１２の途中にはターボ過給機１４のコンプレッサハウジング１４ｂが設けられる。また吸気管１２ｂの吸気入口にはエアクリーナ１６が設けられる。更にコンプレッサハウジング１４ｂと吸気マニホルド１２ａとの間の吸気管１２ｂには、ターボ過給機１４により圧縮された吸気を冷却するインタクーラ１７が設けられる（図１及び図２）。

上記ターボ過給機１４は、タービンハウジング１４ａに収容されエンジン１１の排ガスのエネルギにより回転するタービン回転翼１４ｃと、コンプレッサハウジング１４ｂに収容されタービン回転翼１４ｃにシャフト１４ｄを介して連結され吸気を圧縮するコンプレッサ回転翼１４ｅとを有する（図２）。タービンハウジング１４ａの排気入口は排気マニホルド１３ａの排気出口に接続され、タービンハウジング１４ａの排気出口は排気管１３ｂの排気入口に接続される。またコンプレッサハウジング１４ｂの吸気入口はエアクリーナ１６側の吸気管１２ｂに接続され、コンプレッサハウジング１４ｂの吸気出口はインタクーラ１７側の吸気管１２ｂに接続される。なお、図２中の符号１８は排ガス中のＮＯｘやパティキュレート等を除去するためにタービンハウジング１４ａより排気下流側の排気管１３ｂに設けられた後処理装置である。

一方、インタクーラ１７は、図１に詳しく示すように、水平方向に延びかつ鉛直方向に所定の間隔をあけて配設され内部に吸気１５の通過する扁平通路が形成された複数本の吸気用チューブ１７ａと、これらの吸気用チューブ１７ａの間に配設され隣り合う吸気用チューブ１７ａに交互に接触するように波板状に形成された複数のコルゲートフィン１７ｂと、吸気用チューブ１７ａ及びコルゲートフィン１７ｂの吸気入口側に設けられ全ての吸気用チューブ１７ａの吸気入口に連通接続された単一の略直方体状の入口側タンク１７ｃと、吸気用チューブ１７ａ及びコルゲートフィン１７ｂの吸気出口側に設けられ全ての吸気用チューブ１７ａの吸気出口に連通接続された単一の略直方体状の出口側タンク１７ｄとを有する。入口側タンク１７ｃにはこの入口側タンク１７ｃに吸気を流入させるための吸気流入口１７ｅが形成され、この吸気流入口１７ｅはコンプレッサハウジング１４ｂ側の吸気管１２ｂに接続される。また出口側タンク１７ｄにはこの出口側タンク１７ｄから吸気を排出させるための吸気排出口１７ｆが形成され、この吸気排出口１７ｆは吸気マニホルド１２ａ側の吸気管１２ｂに接続される。

上記インタクーラ１７の下部には、インタクーラ１７で発生した凝縮水１９を貯留し排出する凝縮水貯留排出機構２１が設けられる。この凝縮水貯留排出機構２１は、インタクーラ１７の下部にこのインタクーラ１７と一体的に設けられた凝縮水タンク２２と、凝縮水タンク２２上方からインタクーラ１７の吸気排出口１７ｆに向う冷却された吸気１５の一部を凝縮水タンク２２に戻すように設けられた水返しプレート２３とを有する。凝縮水タンク２２は、インタクーラ１７の出口側タンク１７ｄを下方に拡張するとともに、最下段の吸気用チューブ１７ａの吸気出口側を下方に拡張することにより、凝縮水１９を貯留可能に形成される。また凝縮水タンク２２の底壁２２ａは、吸気用チューブ１７ａから出口側タンク１７ｄに向うに従って次第に下方に傾斜するように設けられる。

水返しプレート２３は、インタクーラ１７の出口側タンク１７ｄの下部に設けられる。この水返しプレート２３の一方の側縁（図１の左側縁）は出口側タンク１７ｄの側壁内面に溶着され、水返しプレート２３の他方の側縁（図１の右側縁）は吸気用チューブ１７ａの吸気出口側端面から所定の間隔をあけて対向するように設けられる。水返しプレート２３の前縁及び後縁（図示せず）は出口側タンク１７ｄの厚さ方向に間隔をあけて位置する前壁及び後壁（図示せず）にそれぞれ溶着される。また水返しプレート２３はその一端縁（図１の左端縁）から他端縁（図１の右端縁）に向うに従って次第に下方に傾斜するように設けられる。この水返しプレート２３の傾斜角は３０〜６０度に設定されることが好ましい。更に水返しプレート２３は、凝縮水タンク２２上面の一部を覆いかつ出口側タンク１７ｄの横断面積の大部分（例えば、７０〜９０％）を塞ぐように構成される。

凝縮水貯留排出機構２１は、凝縮水タンク２２下部に接続されたドレン管２４と、このドレン管２４に設けられドレン管２４を開閉するドレンバルブ２６と、凝縮水タンク２２内に貯まった凝縮水１９の水位を検出する水位センサ２７と、水位センサ２７の検出出力に基づいてドレンバルブ２６を開閉制御するコントローラ２８とを更に有する（図１）。ドレンバルブ２６は２位置切換えの電磁弁であり、オンするとドレン管２４を開き、オフするとドレン管２４を閉じるように構成される。また水位センサ２７は、凝縮水１９に浮き凝縮水タンク２２に貯まった凝縮水１９の水位の変化に伴って上下動するフロート２７ａと、一端がフロート２７ａに連結されたロッド２７ｂと、凝縮水タンク２２の側壁上部にロッド２７ｂの他端を枢着することによりロッド２７ｂ及びフロート２７ａを上下方向に回動させる枢着部２７ｃとからなる。水位センサ２７の検出出力はコントローラ２８の制御入力に接続され、コントローラ２８の制御出力はドレンバルブ２６に接続される。

一方、エンジン１１には低圧ＥＧＲ装置２９が設けられる（図２）。この低圧ＥＧＲ装置２９は、一端がターボ過給機１４のタービンハウジング１４ａ及び後処理装置１８より排気下流側の排気管１３ｂに接続され他端がターボ過給機１４のコンプレッサハウジング１４ｂより吸気上流側の吸気管１２ｂに接続された低圧ＥＧＲ管２９ａと、低圧ＥＧＲ管２９ａに設けられた低圧ＥＧＲバルブ２９ｂとを有する。低圧ＥＧＲ管２９ａは、排気管１３ｂを流れる排ガスの一部を比較的低圧のＥＧＲガスとして吸気管１２ｂに還流するために設けられる。また低圧ＥＧＲバルブ２９ｂはエンジン１１の運転状況に応じて低圧ＥＧＲ管２９ａを流れるＥＧＲガスの流量を調整するために設けられる。具体的には、コントローラ２８の制御入力にはエンジン１１の回転速度を検出する回転センサ３１とエンジン１１の負荷を検出する負荷センサ３２とが接続され、コントローラ２８の制御出力には低圧ＥＧＲバルブ２９ｂが接続される。またコントローラ２８にはメモリ２８ａが接続され、このメモリ２８ａにはエンジン１１の運転状況の変化に応じた低圧ＥＧＲバルブ２９ｂの開度の変化、即ち回転センサ３１及び負荷センサ３２の各検出出力に基づいた低圧ＥＧＲバルブ２９ｂの開度の変化を示すマップが記憶される。なお、図２の符号２９ｃは低圧ＥＧＲ管２９ａを通る排ガス（ＥＧＲガス）を冷却するために低圧ＥＧＲ管２９ａの途中に設けられた低圧ＥＧＲクーラである。

このように構成されたインタクーラ１７の凝縮水貯留排出機構２１の動作を説明する。水位センサ２７が凝縮水タンク２２内の凝縮水１９の水位が所定値に達していないことを検出すると、コントローラ２８は水位センサ２７の検出出力に基づき、ドレンバルブ２６をオフしてドレン管２４を閉じる。またコントローラ２８は、エンジン１１の運転状況、即ち回転センサ３１及び負荷センサ３２の各検出出力をメモリ２８ａに記憶されたマップと比較して、低圧ＥＧＲバルブ２９ｂの開度を決定し、低圧ＥＧＲバルブ２９ｂをその決定した開度で開くと、後処理装置１８で浄化されて比較的清浄であって比較的多くの水分を含む排ガスの一部がＥＧＲガスとして低圧ＥＧＲ管２９ａ及び低圧ＥＧＲクーラ２９ｃを通り吸気管１２ｂに流入する。このＥＧＲガスは低圧ＥＧＲクーラ２９ｃで冷却されるけれども、ＥＧＲガスの温度は未だ１００℃以上であるため、このＥＧＲガスは水分を比較的多く含んだまま吸気管１２ｂに流入する。吸気管１２ｂ内の吸気１５（吸入空気）は常温であるため、吸気管１２ｂに流入したＥＧＲガスは吸気により冷却されるけれども、ＥＧＲガスが吸気１５と完全に混合されて１００℃未満になる前に、ターボ過給機１４のコンプレッサ回転翼１４ｅにより圧縮（断熱圧縮）される。これにより水分とＥＧＲガスを含んだ吸気１５はその温度が上昇して１００℃以上に保たれた状態でインタクーラ１７に流入する。

水分とＥＧＲガスを含んだ吸気１５はインタクーラ１７の吸気流入口１７ｅから入口側タンク１７ｃに流入し、複数の吸気用チューブ１７ａを通過した後に、出口側タンク１７ｄを通って吸気排出口１７ｆから排出される。上記水分とＥＧＲガスを含んだ吸気１５が吸気用チューブ１７ａを通過するときに常温の大気と間接接触するため、吸気１５が１００℃未満に低下する。このため吸気１５中の水分の大部分が吸気用チューブ１７ａの内壁面に結露して凝縮水１９が発生する。この凝縮水１９は吸気用チューブ１７ａ内の吸気１５の流れにより出口側タンク１７ｄに流入した後、出口側タンク１７ｄ内を速やかに流下して、凝縮水タンク２２に貯留される。この結果、凝縮水１９がインタクーラ１７内に貯まることなく、全て凝縮水タンク２２に貯まるので、インタクーラ１７の腐蝕等を防止できる。

凝縮水１９が凝縮水タンク２２に徐々に貯まっていき、水位センサ２７が凝縮水タンク２２内の凝縮水１９の水位が所定値に達したことを検出すると、コントローラ２８は水位センサ２７の検出出力に基づき、ドレンバルブ２６をオンしてドレン管２４を開く。これにより凝縮水タンク２２に貯まった凝縮水１９が速やかに排出される。この結果、インタクーラ１７内の吸気圧力に影響を与えることなく、凝縮水タンク２２に貯まった凝縮水１９の量に応じて適切にかつ自動的に凝縮水１９の排出操作を行うことができる。この実施の形態では、低圧ＥＧＲ装置２９が設けられているため、凝縮水１９の凝縮水タンク２２に貯まる速度が速いけれども、コントローラ２８が水位センサ２７の検出出力に基づいてドレンバルブ２６を制御するので、凝縮水タンク２２に貯まった凝縮水１９が溢れてインタクーラ１７の下部にまで上昇するという事態を未然に防止できる。

一方、凝縮水タンク２２に貯まった凝縮水１９がこの凝縮水タンク２２内の圧力や気流の急激な変化により水滴状又は霧状となり、この水滴状又は霧状の凝縮水が、凝縮水タンク２２上方からインタクーラ１７の吸気排出口１７ｆに向う冷却された吸気１５の一部に混入すると、水返しプレート２３が上記水滴状又は霧状の凝縮水を含む吸気１５を図１の二点鎖線矢印で示すように凝縮水タンク２２に戻す方向に案内する。このため水滴状又は霧状の凝縮水を含む吸気１５が凝縮水タンク２２内の凝縮水１９に接触するので、この吸気１５に含まれる水滴状又は霧状の凝縮水は凝縮水タンク２２内の凝縮水１９に戻される。この結果、水滴状又は霧状の凝縮水がエンジン１１に流入するのを防止できる。

なお、上記実施の形態では、被冷却媒体としてＥＧＲガスを含む吸気を挙げ、熱交換器としてＥＧＲガスを含む吸気を冷却するインタクーラを挙げたが、被冷却媒体がＥＧＲガスであり、熱交換器がＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラであってもよく、被冷却媒体がＥＧＲガスを含まない吸気であり、熱交換器がＥＧＲガスを含まない吸気を冷却するインタクーラであってもよい。また、上記実施の形態では、エンジンとしてディーゼルエンジンを挙げたが、ガソリンエンジンやＣＮＧエンジンでもよい。更に、上記実施の形態では、ターボ過給機、インタクーラ及び低圧ＥＧＲ装置を備えたエンジンを挙げたが、ターボ過給機、インタクーラ及び高圧ＥＧＲ装置を備えたエンジン、ターボ過給機、インタクーラ、低圧ＥＧＲ装置及び高圧ＥＧＲ装置を備えたエンジン、低圧ＥＧＲクーラ装置及び高圧ＥＧＲ装置を備えずにターボ過給機及びインタクーラを備えたエンジン、或いはターボ過給機及びインタクーラを備えずに低圧ＥＧＲ装置又は高圧ＥＧＲ装置のいずれか一方を備えたエンジンにも本発明を適用できる。

１１ ディーゼルエンジン（エンジン）
１５ 吸気（被冷却媒体）
１７ インタクーラ（熱交換器）
１７ｆ 吸気排出口（被冷却媒体排出口）
１９ 凝縮水
２１ 凝縮水貯留排出機構
２２ 凝縮水タンク
２３ 水返しプレート
２４ ドレン管
２６ ドレンバルブ
２７ 水位センサ
２８ コントローラ

Claims (3)

1. エンジン(11)に供給される被冷却媒体(15)が熱交換器(17)により冷却され、前記熱交換器(17)で発生した凝縮水(19)を貯留し排出する熱交換器の凝縮水貯留排出機構において、
   前記熱交換器(17)の下部に前記熱交換器(17)と一体的に設けられ前記凝縮水(19)を貯留する凝縮水タンク(22)と、前記凝縮水タンク(22)上方から前記熱交換器(17)の被冷却媒体排出口(17f)に向う冷却された前記被冷却媒体(15)の一部を前記凝縮水タンク(22)に戻すように設けられた水返しプレート(23)とを有することを特徴とする熱交換器の凝縮水貯留排出機構。
2. 前記凝縮水タンク(22)下部に接続されたドレン管(24)と、前記ドレン管(24)に設けられ前記ドレン管(24)を開閉するドレンバルブ(26)と、前記凝縮水タンク(22)に設けられ前記凝縮水タンク(22)内に貯留された凝縮水(19)の水位を検出する水位センサ(27)と、前記水位センサ(27)の検出出力に基づいて前記ドレンバルブ(26)を開閉制御するコントローラ(28)とを更に有する請求項１記載の熱交換器の凝縮水貯留排出機構。
3. 前記被冷却媒体(15)が前記エンジン(11)に供給される吸気又はＥＧＲガスのいずれか一方又は双方であり、前記熱交換器(17)が、前記吸気(15)を冷却するインタクーラ又は前記ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラのいずれか一方又は双方である請求項１又は２記載の熱交換器の凝縮水貯留排出機構。

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