JP2015086833A - 排気再循環装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気再循環装置に関し、ＥＧＲガスの冷却により生成される凝結水を捕集すると共に、捕集した凝結水を加熱気化して効果的に放出する。【解決手段】エンジン１０の排気系１７と吸気系１１とを接続するＥＧＲ配管３０と、ＥＧＲ配管３０に設けられて、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ３１と、ＥＧＲクーラ３１よりも下流側のＥＧＲ配管３０に連通されて、ＥＧＲクーラ３１によるＥＧＲガスの冷却で生成される凝結水を捕集する凝結水捕集タンク４０と、凝結水捕集タンク４０内に設けられて、凝結水捕集タンク４０内に捕集された凝結水を加熱気化させる電気ヒータ４４と、凝結水捕集タンク４０に設けられて、凝結水捕集タンク４０内で加熱気化された凝結水を外部に放出させる排出用配管４６とを備えた。【選択図】図１

Description

本発明は、排気再循環装置に関する。

ディーゼルエンジン等の内燃機関では、排気の一部を吸気系に再循環させる排気再循環装置（Exhaust Gas Recirculation：以下、ＥＧＲ装置）を備えたものが知られている。一般的に、ＥＧＲ装置は、ＥＧＲガスをＥＧＲクーラ内でエンジン冷却水と熱交換して冷却させている。

ＥＧＲクーラの冷却によりＥＧＲガス温度が低下すると、ＥＧＲガス中に含まれる水分の凝縮により凝結水が生成される。この凝結水は、排気中の酸化物等が溶け込んで強い酸性を示すため、ＥＧＲ配管内に溜まり、さらには吸気系に流れ込んでインタークーラや過給機のコンプレッサ等に付着すると、これら部品の腐食や耐久性の低下を招く要因となる。

このような凝結水を排出する技術として、例えば、排気絞り弁を全閉作動させてＥＧＲ通路の圧力を上昇させることで、ＥＧＲ通路内の凝縮水を排気通路に排出する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−２３５１号公報

ところで、上述の従来技術では、強酸性の凝結水を排気通路内に排出するため、凝結水が気化されることなく排気通路内に溜まると、排気通路の腐食等を引き起こす可能性がある。また、強酸性の凝結水が排気通路内で気化されることなく下流側に流されると、液体状態の凝結水が外部に放出される可能性もある。

本発明の目的は、ＥＧＲガスの冷却により生成される凝結水を捕集すると共に、捕集した凝結水を加熱気化して効果的に放出することにある。

上記目的を達成するため、本発明の排気再循環装置は、内燃機関の排気系と吸気系とを接続する再循環用配管と、前記再循環用配管に設けられて、再循環排気を冷却するクーラと、前記クーラよりも下流側の再循環用配管に連通されて、前記クーラによる再循環排気の冷却で生成される凝結水を捕集するタンクと、前記タンク内に設けられて、当該タンク内に捕集された凝結水を加熱気化させる加熱手段と、前記タンクに設けられて、当該タンク内で加熱気化された凝結水を外部に放出させる凝結水排出部とを備えることを特徴とする。

また、車両の制動時に制動エネルギを回収して駆動する発電機をさらに備え、前記加熱手段が前記発電機から供給される電力で自己発熱するものでもよい。

また、前記凝結水排出部が、一端側を前記タンクに接続されると共に、他端側を外気に開放された排出用配管であってもよい。

また、前記再循環用配管が前記クーラよりも下流側に少なくとも一つ以上の屈曲部を有すると共に、前記タンクが前記クーラに最も近い屈曲部に連通されるものでもよい。

また、前記再循環用配管と前記タンクとの間に設けられて、前記タンク内に捕集された凝結水の逆流を防止する逆止弁をさらに備えるものでもよい。

また、前記タンク内に設けられて、当該タンク内を少なくとも二以上の空間に仕切る少なくとも一枚以上のバッフルプレートをさらに備えてもよい。

また、前記再循環用配管が、過給機のタービンよりも下流側の排気系と、過給機のコンプレッサよりも上流側の吸気系とを接続するものでもよい。

本発明の排気再循環装置によれば、ＥＧＲガスの冷却により生成される凝結水を捕集すると共に、捕集した凝結水を加熱気化して効果的に放出することができる。

本実施形態の排気再循環装置を示す模式的な全体構成図である。 本実施形態の凝結水捕集タンクを示す模式的な縦断面図である。 本実施形態の導入用配管とＥＧＲ配管との接続位置の一例を示す模式的な斜視図である。 本実施形態の加熱制御及び排出制御の一例を示すフローチャートである。 本実施形態の蓄電制御の一例を示すフローチャートである。 他の実施形態に係る凝結水捕集タンクを示す模式的な縦断面図である。

以下、添付図面に基づいて、本発明の一実施形態に係る排気再循環装置を説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

まず、図１に基づいて、本実施形態の排気再循環装置が適用される吸排気系、及び、車両の駆動系から説明する。

ディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）１０の吸気マニホールド１０ａには、吸気管１１が接続されると共に、排気マニホールド１０ｂには、排気管１７が接続されている。吸気管１１には、吸気上流側から順に、エアクリーナ１２、吸気流量センサ（以下、ＭＡＦセンサ）１３、吸気スロットル１４、過給機のコンプレッサ１５ａ、インタークーラ１６等が設けられている。排気管１７には、排気上流側から順に、過給機のタービン１５ｂ、排気中に含まれる粒子状物質を捕集するディーゼル・パティキュレイト・フィルタ１８等が設けられている。

エンジン１０の出力軸（不図示）は、クラッチ２を介して変速機３の入力軸（不図示）に接続されている。また、変速機３の出力軸（不図示）は、プロペラシャフト４、差動装置５、ドライブシャフト６を介して、左右の駆動輪７Ｌ，７Ｒにそれぞれ接続されている。なお、図１中の符号８Ｌ，８Ｒは車両を旋回させる左右の操舵輪（前輪）、符号２５は車載バッテリをそれぞれ示している。

次に、図１〜３に基づいて、本実施形態に係る排気再循環装置の詳細構成を説明する。

本実施形態の排気再循環装置は、制動発電機２０と、ＥＧＲ配管３０と、ＥＧＲクーラ３１と、ＥＧＲバルブ３２と、凝結水捕集タンク４０と、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵ）５０とを備えている。

制動発電機２０は、車両の制動エネルギを回生エネルギとして電力に変換するもので、その回転軸（不図示）はクラッチ２１、プーリ２２、ベルト２３を介して右側の操舵輪８Ｒに接続されている。すなわち、車両の制動時にＥＣＵ５０から入力される指示信号に応じてクラッチ２１が接続されると、制動発電機２０はベルト２３、プーリ２２、クラッチ２１を介して伝達される操舵輪８Ｒの回転力によって発電駆動するように構成されている。この制動発電機２０は、電気配線を介して車載バッテリ２５及び、詳細を後述する電気ヒータ４４にそれぞれ接続されている。

ＥＧＲ配管３０は、タービン１５ｂよりも排気下流側の排気管１７と、コンプレッサ１５ａよりも吸気上流側の吸気管１１とを連通する。すなわち、本実施形態の排気再循環装置は、低圧ＥＧＲ装置として構成されている。このＥＧＲ配管３０は、排気管１７との分岐部から吸気管１１との合流部に至る複数箇所で屈曲して形成されている。

ＥＧＲクーラ３１は、凝結水捕集タンク４０よりも上流側のＥＧＲ配管３０に設けられており、ＥＧＲガスをエンジン冷却水と熱交換させて冷却する。このＥＧＲクーラ３１よりも上流側のＥＧＲ配管３０には、ＥＧＲガスの冷却によって生成される凝結水がＥＧＲ配管３０から排気管１７に逆流することを防止する逆流防止弁３５が設けられている。

ＥＧＲバルブ３２は、ＥＣＵ５０から入力される指示信号に応じて開閉作動することで、ＥＧＲガスの流量を調整する。このＥＧＲバルブ３２は、ＥＧＲ配管３０の下流端と吸気管１１との合流部近傍に設けられている。

凝結水捕集タンク４０は、ＥＧＲガスの冷却により生成される凝結水を捕集して貯留するもので、図２に示すように、導入用配管４１と、逆止弁４２と、複数枚のバッフルプレート４３と、電気ヒータ４４と、圧力センサ４５と、排出用配管４６と、排出用バルブ４７と、水位センサ４８とを備えて構成されている。

導入用配管４１は、その一端をＥＧＲクーラ３１よりも下流側のＥＧＲ配管３０に接続されると共に、その他端を凝結水捕集タンク４０の上面部に接続されており、これらＥＧＲ配管３０と凝結水捕集タンク４０とを連通する。本実施形態において、導入用配管４１は、ＥＧＲ配管３０に形成された複数の屈曲部のうち、ＥＧＲクーラ３１出口部に最も近い屈曲部３０ａに、その軸心を屈曲部３０ａの接線方向（遠心力が作用する方向）と略一致させた状態で接続されている（図３参照）。このように、導入用配管４１をＥＧＲクーラ３１出口部から最も近い最上流側の屈曲部３０ａに接続することで、ＥＧＲクーラ３１から流れ出た凝結水を凝結水捕集タンク４０内に容易に捕集することが可能になる。

逆止弁４２は、凝結水捕集タンク４０と導入用配管４１との接続部（導入用配管４１の下流端）に設けられており、凝結水捕集タンク４０内に貯留された凝結水のＥＧＲ配管３０への逆流を防止する。なお、逆止弁４２を設ける位置は、導入用配管４１の下流端に限定されず、導入用配管４１の上流端等であってもよい。

バッフルプレート４３は、凝結水捕集タンク４０内の空間をＥＧＲガス及び凝結水が流れ込む上側空間４０Ａと、凝結水を貯留させる下側空間４０Ｂとに仕切るもので、本実施形態では互い違いに並設された上側バッフルプレート４３Ａ及び、下側バッフルプレート４３Ｂの計２枚を備えている。これらバッフルプレート４３Ａ，Ｂを凝結水捕集タンク４０内に配設したことで、凝結水捕集タンク４０内の凝結水の飛散や巻上げ等が効果的に防止される。

電気ヒータ４４は、本発明の加熱手段の一例であって、凝結水捕集タンク４０の底部に配設されている。この電気ヒータ４４は、電気的に接続された制動発電機２０又は車載バッテリ２５から供給される電力によって自己発熱することで、凝結水捕集タンク４０内の凝結水を加熱気化させる。なお、電気ヒータ４４としては、例えば、公知の抵抗型加熱ヒータや電磁誘導加熱ヒータ等が好ましい。

圧力センサ４５は、電気ヒータ４４による凝結水の加熱気化に伴い上昇する凝結水捕集タンク４０内の圧力を検出するもので、検出される凝結水捕集タンク４０内の圧力（以下、タンク内圧力ＩＰという）は電気的に接続されたＥＣＵ５０に入力される。

排出用配管４６は、電気ヒータ４４の加熱により気化された凝結水を凝結水捕集タンク４０の外部に水蒸気として放出するもので、凝結水捕集タンク４０の側面に設けられている。この排出用配管４６には、ＥＣＵ５０からの指示信号に応じて開閉作動する排出用バルブ４７が設けられている。

水位センサ４８は、凝結水捕集タンク４０内に貯留された凝結水の水位を検出するもので、検出される凝結水の水位（以下、タンク内水位ＷＬという）は電気的に接続されたＥＣＵ５０に入力される。

ＥＣＵ５０は、エンジン１０等の各種制御を行うもので、公知のＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート等を備え構成されている。この各種制御を行うため、ＥＣＵ５０には、ＭＡＦセンサ１３、車速センサ６１、アクセル開度センサ６２、ブレーキペダルセンサ６３等の各種センサの出力信号が入力される。

また、ＥＣＵ５０は、制動力判定部５１と、バッテリ充電制御部５２と、加熱制御部５３と、排出制御部５４とを一部の機能要素として有する。これら各機能要素は、本実施形態では一体のハードウェアであるＥＣＵ５０に含まれるものとして説明するが、これらのいずれか一部を別体のハードウェアに設けることもできる。

制動力判定部５１は、車速センサ６１、アクセル開度センサ６２、ブレーキペダルセンサ６３の検出値に基づいて、制動力の発生有無を判定する。より詳しくは、制動力判定部５１は、アクセル開度がゼロ（燃料噴射量ゼロ）の状態で車両の減速が検出されるエンジンブレーキ作動時、もしくは、運転者によるブレーキペダルの踏み込みが検出されるブレーキ操作時に、制動力の発生を「有り」と判定する。

バッテリ充電制御部５２は、水位センサ４８から入力されるタンク内水位ＷＬ及び、制動力判定部５１から入力される制動力の発生有無に基づいて、制動発電機２０で発電される電力の車載バッテリ２５への蓄電を制御する。より詳しくは、タンク内水位ＷＬが凝結水の加熱気化を必要としない所定の水位閾値ＷＬ₀以下の時に、制動力の発生が「有り」と判定されると、バッテリ充電制御部５２は、クラッチ２１に接続指示信号を出力して制動発電機２０を発電駆動させると共に、発電された電力を車載バッテリ２５に蓄電させる。すなわち、凝結水の加熱気化が不要な時は、制動エネルギから回生された電力を車載バッテリ２５に効果的に蓄電するように構成される。

加熱制御部５３は、制動発電機２０で発電される電力又は、バッテリ２５に蓄電された電力を電気ヒータ４４に供給して、凝結水捕集タンク４０内の凝結水を加熱気化させる加熱制御を実行する。より詳しくは、加熱制御部５３は、タンク内水位ＷＬが凝結水の加熱気化を必要とする所定の上限水位閾値ＷＬ_MAXに達した状態で、制動力の発生が「有り」と判定されると、クラッチ２１に接続指示信号を出力する。これにより、制動発電機２０が発電駆動すると共に、発電された電力は電気ヒータ４４に直接的に供給される。一方、タンク内水位ＷＬが所定の上限水位閾値ＷＬ_MAXに達した状態で、制動力の発生が「無し」と判定された場合は、車載バッテリ２５の電力を電気ヒータ４４に供給するように構成されている。

排出制御部５４は、圧力センサ４５から入力されるタンク内圧力ＩＰに応じて排出用バルブ４７を開閉作動させる排出制御を実行する。より詳しくは、タンク内圧力ＩＰが凝結水の外部への放出を必要とする所定の上限内圧閾値ＩＰ_MAXに達すると、排出制御部５４は排出用バルブ４７に開弁指示信号を出力する。これにより、電気ヒータ４４により加熱気化された凝結水が、排出用配管４６を介して凝結水捕集タンク４０の外部に水蒸気として放出される。なお、この開弁指示信号は、タンク内圧力ＩＰが、凝結水の放出を不要とする所定の下限内圧閾値ＩＰ_MINに低下するまで維持される。

次に、図４，５に基づいて、本実施形態の排気再循環装置による加熱制御、排出制御及び、蓄電制御のフローを説明する。なお、本制御はエンジン１０の始動（イグニッションスイッチのキースイッチＯＮ）と同時にスタートする。

図４に示すように、ステップ（以下、ステップを単にＳと記載する）１００では、水位センサ４８で検出されるタンク内水位ＷＬが凝結水の加熱気化を必要としない所定の水位閾値ＷＬ₀以下にあるか否かが判定される。タンク内水位ＷＬが水位閾値ＷＬ₀を超えている場合（Ｎｏ）は、加熱制御に移行すべくＳ１１０に進む。一方、タンク内水位ＷＬが水位閾値ＷＬ₀以下の場合（Ｙｅｓ）は、図５に示す車載バッテリ２５の蓄電制御に移行する。

図５に示すように、Ｓ２００では制動力の発生有無が判定される。制動力が発生している場合（Ｙｅｓ）は、Ｓ２１０でクラッチ２１が接続されると共に、制動発電機２０で発電される電力が車載バッテリ２５に蓄電される。Ｓ２２０では、制動力の発生が継続しているか否かが判定される。制動力が継続している場合（Ｙｅｓ）は、制動発電機２０の発電駆動及び、車載バッテリ２５への蓄電を継続すべく、Ｓ２１０に戻される。一方、制動力が継続していない場合（Ｎｏ）は、図４のＳ１１０に進む。

Ｓ１１０では、水位センサ４８で検出されるタンク内水位ＷＬが凝結水の加熱気化を必要とする所定の上限水位閾値ＷＬ_MAXに達したか否かが判定される。タンク内水位ＷＬが上限閾値ＷＬ_MAXに達した場合（Ｙｅｓ）はＳ１２０に進む。

Ｓ１２０では、制動力の発生有無が判定される。制動力が発生していると判定された場合（Ｙｅｓ）は、Ｓ１３０でクラッチ２１が接続されると共に、制動発電機２０で発電される電力が電気ヒータ４４に供給されて、凝結水の加熱気化が開始される。一方、Ｓ１２０で制動力が発生していないと判定された場合（Ｎｏ）は、Ｓ１４０で車載バッテリ２５の電力が電気ヒータ４４に供給されて、凝結水の加熱気化が開始される。

Ｓ１５０では、圧力センサ４５で検出されるタンク内圧力ＩＰが凝結水の外部への放出を必要とする所定の上限内圧閾値ＩＰ_MAXに達したか否かが判定される。タンク内圧力ＩＰが上限内圧閾値ＩＰ_MAXに達した場合（Ｙｅｓ）は、Ｓ１６０で排出用バルブ４７が開弁される。

Ｓ１７０では、圧力センサ４５で検出されるタンク内圧力ＩＰが凝結水の放出を不要とする所定の下限内圧閾値ＩＰ_MINまで低下したか否かが判定される。タンク内圧力ＩＰが所定の下限内圧閾値ＩＰ_MINまで低下していない場合（Ｎｏ）は、排出用バルブ４７の開弁を維持すべくＳ１６０に戻される。一方、タンク内圧力ＩＰが下限内圧閾値ＩＰ_MINまで低下した場合（Ｙｅｓ）は、Ｓ１８０で排出用バルブ４７が閉弁される。その後、上述のＳ１００〜１８０及び、Ｓ２００〜Ｓ２２０の各制御ステップは、エンジン１０の停止（イグニッションスイッチのキースイッチＯＦＦ）まで繰り返し実行される。

次に、本実施形態に係る排気再循環装置による作用効果を説明する。

本実施形態の排気再循環装置は、ＥＧＲガスの冷却により生成される凝結水を凝結水捕集タンク４０内に捕集すると共に、捕集した凝結水を電気ヒータ４４で加熱気化させて水蒸気として外部に放出するように構成されている。したがって、本実施形態の排気再循環装置によれば、凝結水を含むＥＧＲガスの吸気管１１への再循環を確実に防止することが可能となり、吸気管１１やコンプレッサ１５ａ、インタークーラ１６等の腐食、汚染等を効果的に抑止することができる。

また、本実施形態の排気再循環装置は、制動エネルギで駆動する制動発電機２０の電力を用いて電気ヒータ４４が自己発熱することで、凝結水捕集タンク４０内に捕集した凝結水を効果的に加熱気化するように構成されている。したがって、本実施形態の排気再循環装置によれば、電気ヒータ４４の自己発熱に必要な電気エネルギを車両の他の装置に影響なく供給することが可能となり、凝結水加熱による燃費の悪化等を効果的に防止することができる。

また、本実施形態の排気再循環装置では、凝結水捕集タンク４０とＥＧＲ配管３０とを連通させる導入用配管４１が、ＥＧＲクーラ３１出口部に最も近い屈曲部３０ａに、その軸心を屈曲部３０ａの接線方向（遠心力が作用する方向）と略一致させた状態で接続されている。すなわち、ＥＧＲクーラ３１から流れ出した凝結水を最初の屈曲部３０ａで効果的に捕集しつつ、遠心力の作用によって凝結水を導入用配管４１内に確実に取り込めるように構成されている。したがって、本実施形態の排気再循環装置によれば、ＥＧＲクーラ３１から流れ出た凝結水を凝結水捕集タンク４０内に容易に捕集することが可能になる。

また、本実施形態の排気再循環装置では、凝結水捕集タンク４０と導入用配管４１との接続部に、凝結水の逆流を防止する逆止弁４２が設けられている。したがって、本実施形態の排気再循環装置によれば、凝結水捕集タンク４０内に捕集された凝結水のＥＧＲ配管３０内への逆流を確実に防止することができる。

また、本実施形態の排気再循環装置では、凝結水捕集タンク４０内が２枚のバッフルプレート４３Ａ，Ｂによって上側空間４０Ａと、下側空間４０Ｂとに仕切られている。すなわち、導入用配管４１から凝結水捕集タンク４０内に取り込まれた凝結水が直接的に底部に落下しないように構成されている。したがって、本実施形態の排気再循環装置によれば、凝結水捕集タンク４０内に捕集された凝結水の飛散や巻上げ等を効果的に防止することができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。

例えば、図６に示すように、排出用配管４６の放出端側を下方に向けて略Ｌ字状に屈曲形成すると共に、排出用バルブ４７を省略して構成してもよい。また、制動発電機２０は、操舵輪８Ｒから取り出した制動力で駆動するものとしたが、駆動系から取り出した制動エネルギを回生エネルギとして電力に変換するリターダ等を用いてもよい。また、排気再循環装置は低圧ＥＧＲ装置に限定されず、ＥＧＲ配管２０がタービン１５ｂよりも排気上流側の排気管１７と、コンプレッサ１５ａよりも吸気下流側の吸気管１１とを連通する高圧ＥＧＲ装置として構成することもできる。また、エンジン１０はディーゼルエンジンに限られず、ガソリンエンジン等にも広く適用することが可能である。

１０ エンジン
１１ 吸気管
１５ａ コンプレッサ
１５ｂ タービン
１７ 排気管
２０ 制動発電機
２１ クラッチ
２２ プーリ
２３ ベルト
２５ 車載バッテリ
３０ ＥＧＲ配管
３１ ＥＧＲクーラ
４０ 凝結水捕集タンク
４１ 導入用配管
４２ 逆止弁
４３Ａ，Ｂ バッフルプレート
４４ 電気ヒータ
４５ 圧力センサ
４６ 排出用配管
４７ 排出用バルブ
４８ 水位センサ
５０ ＥＣＵ
５１ 制動力判定部
５２ バッテリ充電制御部
５３ 加熱制御部
５４ 排出制御部

Claims (7)

1. 内燃機関の排気系と吸気系とを接続する再循環用配管と、
   前記再循環用配管に設けられて、再循環排気を冷却するクーラと、
   前記クーラよりも下流側の再循環用配管に連通されて、前記クーラによる再循環排気の冷却で生成される凝結水を捕集するタンクと、
   前記タンク内に設けられて、当該タンク内に捕集された凝結水を加熱気化させる加熱手段と、
   前記タンクに設けられて、当該タンク内で加熱気化された凝結水を外部に放出させる凝結水排出部と、を備える
   ことを特徴とする排気再循環装置。
2. 車両の制動時に制動エネルギを回収して駆動する発電機をさらに備え、
   前記加熱手段が前記発電機から供給される電力で自己発熱する
   請求項１記載の排気再循環装置。
3. 前記凝結水排出部が、一端側を前記タンクに接続されると共に、他端側を外気に開放された排出用配管である
   請求項１又は２に記載の排気再循環装置。
4. 前記再循環用配管が前記クーラよりも下流側に少なくとも一つ以上の屈曲部を有すると共に、前記タンクが前記クーラに最も近い屈曲部に連通される
   請求項１から３の何れか一項に記載の排気再循環装置。
5. 前記再循環用配管と前記タンクとの間に設けられて、前記タンク内に捕集された凝結水の逆流を防止する逆止弁をさらに備える
   請求項１から４の何れか一項に記載の排気再循環装置。
6. 前記タンク内に設けられて、当該タンク内を少なくとも二以上の空間に仕切る少なくとも一枚以上のバッフルプレートをさらに備える
   請求項１から５の何れか一項に記載の排気再循環装置。
7. 前記再循環用配管が、過給機のタービンよりも下流側の排気系と、過給機のコンプレッサよりも上流側の吸気系とを接続する
   請求項１から６の何れか一項に記載の排気再循環装置。

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