JP2015121170A - 内燃機関の排水装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コスト増を抑制した上で、ベンチュリー効果を利用した排水路構成を用いて、吸排気系の凝縮水を容易に排水できることを特徴とする内燃機関の排水装置を提供する。【解決手段】一端が内燃機関の排気通路の拡径部１９２に接続されて、他端が一端の接続された排気通路よりも上流側の管径の小さい排気通路に接続されたバイパス路ｂｒと、内燃機関の吸気通路またはバイパス通路の接続位置より上流側の排気通路に一端が、バイパス路ｂｒに他端がそれぞれ接続されて吸気通路内または排気通路内で結露した凝縮水をバイパス路ｂｒに排出する排水路とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は車両の内燃機関に関し、詳しくは吸排気系に生じた凝縮水を排水する排水装置に関する。

ディーゼルエンジンの排気ガス浄化方法として、ＮＯｘトラップ触媒を用いたものが知られている。ＮＯｘトラップ触媒は、排気中のＮＯｘを酸化雰囲気中で捕捉し、捕捉したＮＯｘを還元雰囲気中で放出してＮ_２等に還元することでＮＯｘの排出濃度を低減している。また、ディーゼルエンジン搭載車には、排気中の粒子状物質（ＰＭ）を除去するフィルタ装置が設けられており、ＮＯｘトラップ触媒はその耐熱性や配置スペースの観点から、一般的にフィルタ装置の下流側に配置されている。

さらに、排気の一部を吸気側に戻すことで燃焼室の燃焼温度を下げ、排気中のＮＯｘを低減させる排気再循環（ＥＧＲ）方式が知られている。ＥＧＲ方式には、過給機のタービン上流側排気通路からコンプレッサ下流側吸気通路に排気を戻す高圧ＥＧＲ方式と、タービン下流側で酸化触媒及びフィルタ装置下流側の排気通路からコンプレッサ上流側吸気通路に排気を戻す低圧ＥＧＲ方式とがある。ここで、低圧ＥＧＲ装置及びインタークーラ等の冷却手段を備えた内燃機関では、排気を含む吸気が冷却手段を通過して冷却される際に結露して凝縮水が発生する。この凝縮水が吸気と共に吸気通路から燃焼室に送られると、ウォーターハンマを引き起こす場合がある。

そこで「特許文献１」に開示されているように、内燃機関の排水装置がインタークーラで発生した凝縮水を貯留する貯留タンクと、凝縮水を加熱して水蒸気とする加熱装置と、貯留タンクと触媒上流側の排気通路とに接続された水蒸気供給路とを有した構成を採るとする。この場合、凝縮水を水蒸気に変えて触媒の上流側排気通路に供給している。

上述の技術では、凝縮水が燃焼室に送られてウォーターハンマを引き起こすことが防止されるが、凝縮水を加熱して水蒸気とする加熱装置が必要となり、同装置の装着によりコスト増、スペース確保等の問題が生じ易い。そこで、インタークーラで発生した凝縮水をＮＯｘトラップ触媒の上流側排気管へ排出するために凝縮水排出通路を設置するという構成を採ることが考えられる。しかし、この場合、エンジンの低負荷域では十分な過給圧が得られないため、凝縮水排出通路を連通させた開弁時に凝縮水が吸気通路側に逆流し、排気通路へ排出できなくなってしまうという問題が生じ易い。

特開２０１３−１８０７５７号公報

そこで、凝縮水が吸気通路側に逆流することなく、確実に凝縮水を排気通路へ排出するために、凝縮水排出通路の出口に負圧を生じさせるような構成を採ることが望まれている。

本発明は上述の問題を解決するもので目的とするのは、コスト増を抑制した上で、ベンチュリー効果を利用した排水路構成を用いて、吸排気系の凝縮水を容易に排水できることを特徴とする内燃機関の排水装置を提供することにある。

請求項１記載の発明は、一端が内燃機関の排気通路の拡径部に接続されて、他端が前記一端の接続された排気通路よりも上流側の管径の小さい排気通路に接続されたバイパス路と、
前記内燃機関の吸気通路または前記バイパス通路の接続位置より上流側の排気通路に一端が、前記バイパス路に他端がそれぞれ接続されて前記吸気通路内または前記排気通路内で結露した凝縮水を前記バイパス路に排出する排水路と、を有することを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の内燃機関の排水装置において、前記バイパス路は前記一端から他端に向かって管径を縮小する絞りが形成されて、前記排水路の他端が前記絞りの下流側のバイパス通路に接続される、ことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の内燃機関の排水装置において、前記排気通路上に配置されて、該排気通路の上流側と下流側の排気管に拡径部を介して接続された排気後処理手段を備えた内燃機関において、前記バイパス路の一端が前記拡径部に接続され、前記バイパス通路の他端が前記拡径部の上流側の排気管と接続されることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１つに記載の内燃機関の排水装置において、前記吸気通路に配置されたインタークーラ、を有し、前記排水路の一端が前記インタークーラ下流側の吸気通路に接続されることを特徴とする。

請求項１の発明は、コスト増を抑制できる上に、排水路によって吸気通路または排気通路内で生じた凝縮水を排気管下流側に確実に排出できる。つまり、バイパス路の一端が排気通路に接続されて、他端が前記一端の接続された排気通路よりも管径の小さい排気通路に接続されることによって、バイパス路内にはベンチュリー効果によって一端から他端に向かう流れが生じる。このバイパス路に排水路の下流側端部を接続することによって、バイパス路内の流れに伴って、排水路内に負圧が発生し、排水路内の凝縮水を迅速にバイパス路に排出させることができる。さらに、凝縮水はバイパス通路内であらかじめ排気と攪拌され微粒化が促進されるため、排気通路内に排出される際に排気通路内に滞留することなく速やかに排気通路下流に流すことができる。

請求項２の発明は、バイパス通路内の排気流れに沿って絞りを形成することで、さらに絞りによる排気流れの速度が向上する。絞りの下流側に排水路の下流側端部を接続することによって、排水路内の負圧化が絞りのベンチュリー効果で加速され、排気流れによってさらに大きくなる。従って、吸気通路の水の排気路への排出を容易化できる。

請求項３の発明は、バイパス通路の一端が排気の後処理手段と排気管を接続する拡径部に接続され、他端が拡径部より上流側の排気管に接続されることで、排気通路に新たな拡径部を形成することなくバイパス通路内にベンチュリー効果による排気流れを作ることができる。また、凝縮水はバイパス通路を経由して排気後処理手段の上流側の排気通路に排出されるため、凝縮水を含んだ排気が排気後処理手段で浄化することが出来る。

請求項４の発明は、インタークーラで結露した凝縮水を排水路とバイパス路を通して排気通路に流入させるので、吸気通路の腐食を抑制でき、エンジンがウォーターハンマを引き起こすことを防止できる。

本発明の一実施形態の内燃機関の排水装置を搭載する車載用ディーゼルエンジンの吸排気系の全体構成図である。 図１の内燃機関の排水装置で用いる触媒コンバーターを示し、（ａ）は前部のバイパス路の拡大部分切欠断面図、（ｂ）は（ａ）中のバイパス路の他端側の要部拡大断面図である。

本発明を適用した内燃機関の排水装置徴について、以下の図面を用いて解説する。
本発明は、要するに、吸気通路に生じた凝縮水を排気通路の触媒装置の上流側に排水させる際に触媒装置が破損することを防止できる排水分散構成を特徴とする。
ここでは、本発明の内燃機関の排水装置を車載用ディーゼルエンジンの給排気系に適用した場合を実施形態１として説明する。

実施形態１の内燃機関の排水装置が搭載された車載用ディーゼルエンジン（以下エンジンという）１は本体中央部を成すシリンダブロック２を備え、その上部にシリンダヘッド３を設ける。シリンダヘッド３の吸気側には吸気通路ＩＲを構成する吸気管４が、排気側には排気通路ＥＲを構成する排気管５がそれぞれ接続されている。シリンダヘッド３には、コモンレール１３を介して燃料噴射ポンプ１４が接続されている。更に、シリンダヘッド３には、一端をエアフィルタ６よりも下流側の吸気管４に接続されたブローバイガスを排出するブローバイガス通路２１の他端が接続されている。

吸気管４には、吸気通路ＩＲの上流側からエアフィルタ６、低圧スロットル弁７、低圧ＥＧＲバルブ８、過給機であるターボチャージャ９の図示しないコンプレッサ、インタークーラ１０、高圧スロットル弁１１、高圧ＥＧＲバルブ１２等が設けられている。
排気管５には、シリンダブロック２側である排気通路の上流側からターボチャージャ９の図示しないタービン、酸化触媒１５及び排気フィルタとしてのフィルタ装置１６が設けられている。

酸化触媒１５は、例えば白金のような貴金属触媒を担持しており、排気中のＮＯをＮＯ_２に転換する作用と、排気中のＨＣやＣＯ等の有害成分を酸化させる作用とを有している。ＮＯ_２はＮＯよりも酸化作用が強く、ＮＯ_２によってフィルタ装置１６に捕獲された粒子状物質（ディーゼル・パティキュレート）の酸化反応が促進される。また、このＮＯ_２は後述するＮＯｘトラップ触媒１８で還元除去される。フィルタ装置１６は排気中の粒子状物質を捕獲するフィルタ装置（ディーゼル・パティキュレート・フィルタ）であり、捕獲された粒子状物質はＮＯ_２の強力な酸化作用で燃焼除去される。

フィルタ装置１６の下流側には、排気中の酸素濃度量を検知する酸素濃度センサ（ＬＡＦＳ）１７が設けられており、その下流側に触媒であるＮＯｘトラップ触媒１８を内蔵した触媒コンバーター１９が、さらにその下流側に酸素濃度センサ２０が設けられている。排気通路ＥＲ上に配置される排気後処理手段であるＮＯｘトラップ触媒１８は、酸化雰囲気においてＮＯｘを捕捉し、捕捉したＮＯｘを例えばＨＣやＣＯ等を含む還元雰囲気中で放出して窒素（Ｎ_２）に還元する機能を有する浄化装置である。つまり、酸化触媒１５で生成されたＮＯ_２及び酸化触媒１５で酸化されずに排気ガス中に残存するＮＯを捕捉し、窒素（Ｎ_２）に還元して放出する。

高圧ＥＧＲバルブ１２の下方には、高圧ＥＧＲ管２３と高圧ＥＧＲクーラ２４とを有する高圧ＥＧＲ装置２２が配設されている。高圧ＥＧＲ管２３は、その一端を高圧スロットル弁１１とシリンダヘッド３との間の吸気管４に、その他端をシリンダヘッド３とターボチャージャ９のタービンとの間の排気管５にそれぞれ接続されており、その途中には高圧ＥＧＲクーラ２４が設けられている。高圧ＥＧＲ管２３の一端は、高圧ＥＧＲバルブ１２によって開閉される。

低圧ＥＧＲバルブ８の下方には、低圧ＥＧＲ管２６と低圧ＥＧＲクーラ２７とを有する排気再循環装置としての低圧ＥＧＲ装置２５が配設されている。低圧ＥＧＲ管２６は、その一端を低圧スロットル弁７とターボチャージャ９のコンプレッサとの間の吸気管４に、その他端をフィルタ装置１６とＮＯｘトラップ触媒１８との間の排気管５にそれぞれ接続されており、その途中に低圧ＥＧＲクーラ２７が設けられている。低圧ＥＧＲ管２６の一端は、低圧ＥＧＲバルブ８によって開閉される。

次に、吸気通路ＩＲ内に生じた凝縮水を排水路ｗｒを通して排気通路ＥＲ内に流出させる本発明の実施形態１に係る内燃機関の排水装置Ｍ１を説明する。
ここでの排水路ｗｒを成す排水管２８はその一端の流入口２８１がインタークーラ下流側であってインタークーラ１０と高圧スロットル弁１１との間の吸気管４に接続され、排気後処理手段であるＮＯｘトラップ触媒１８の排気路上流側に他端の排水口２８２が接続される。なお、この排水管２８とその接続部位の構成は後述する。
排水管２８の途中には開閉弁２９が配設され、開閉弁２９にはこの開閉弁の開閉制御を行なう制御手段３１が接続される。

制御手段３１は、上述したように、排水管２８内に貯留された凝縮水の量が一定量に達したり、エンジン１の運転時間や走行距離が一定値に達した場合に開閉弁２９を開弁し、排水管２８内の凝縮水を触媒コンバーター１９を介して車外に排出する機能を備える。更に、制御手段３１は排水管２８から凝縮水が抜けて酸素濃度センサ２０が排水管２８を通じて漏出する吸気ガス内の酸素濃度を検出して、これがリーン側の所定値に達すると、排水管２８から凝縮水が完全に抜けたと判断し、開閉弁２９を閉弁させる機能を備える。この制御手段３１の制御により排水管２８からの凝縮水排出が完了後に吸気ガスが該排水管から排出され、エンジン１のトルク低下や出力低下を引き起こしてしまうことを防止している。

次に、図１に示すように、排気通路ＥＲを成す上流側排気管５０１の後端にＮＯｘトラップ触媒（排気後処理手段）１８を有する触媒コンバーター１９が接続される。この触媒コンバーター１９は、排気通路ＥＲの拡径部を成す筒状の容器本体（シエル）を備える。容器本体はＮＯｘトラップ触媒１８を収容保持する主部１９１と、主部１９１に連続形成された排気通路ＥＲ前側の拡径部である拡径前部１９２と、排気通路ＥＲ後側の拡径後部１９３とを有する。

拡径前部１９２は排気路下流に向けて排気路径を徐々に拡大するコーン形状の傾斜部（フロントコーン）を成し、その前端が排気通路上流側の上流側排気管５０１に接続される。拡径後部１９３は下流に向けて排気路径を徐々に縮小するコーン形状の傾斜部を成し、その後端が排気通路下流側の下流側排気管５０２に接続される。
図２（ａ）に示すように、上流側排気管５０１の後端部は拡径前部１９２の前端に重なり互いに溶着される位置まで排気路断面ａ１が比較的小さく、拡径前部１９２内では排気路方向Ｘで後方に進むほど排気路断面ａ２が徐々に増し、主部１９１で最大値となってＮＯｘトラップ触媒１８を収容保持する。

このような拡径部を成す容器本体（シエル）に達する直前の上流側排気管５０１の後端部は排気ガスの流速ｖ１が大きくガス圧Ｐａ１は小さい。拡径前部１９２内では後方に進むほど排気ガスの流速ｖ２が小さくなり、その分ガス圧Ｐａ２は大きくなる。更に、主部１９１の前端近傍では排気ガスの流速ｖ３がより小さくなり、その分ガス圧Ｐａ３は更に大きくなる。しかも主部１９１の前端近傍ではＮＯｘトラップ触媒１８の担持体前面ｆ１に沿った拡径方向の速度が増加し、担持体前面ｆ１の全域に分散して排気ガスがＮＯｘトラップ触媒１８の担持体に流入し、排気路方向Ｘに流出する。

このような排気ガスの流動が成されている触媒コンバーター１９と上流側排気管５０１にわたり、図１，２に示すような、バイパス路ｂｒを成すバイパス管３２が連結される。
ここで、バイパス管３２の一端が排気通路ＥＲの前側の拡径部である拡径前部１９２に接続され、他端が一端の接続された排気通路ＥＲ上の位置よりも上流側となる管径の小さい上流側排気管５０１に接続される。
図２（ａ）に示すように、バイパス管３２の一端は拡径前部１９２の直近の主部１９１の前端に溶着された一端側ボス３３にフレアナット３５を締結することで接続される。一端側ボス３３には貫通孔３３１が形成され、貫通孔３３１の下端の一端側連通口３６が主部１９１の前端近傍で内室に連通する。

バイパス管３２の他端は排気通路ＥＲ上の一端側の位置よりも上流側となる管径の小さい上流側排気管５０１に溶着された他端側ボス３４に接続される。この他端側ボス３４にフレアナット３５を締結することでバイパス管３２の他端が他端側ボス３４に締結される。
図２（ａ），（ｂ）に示すように、他端側ボス３４は中央に貫通孔３４１が形成され、貫通孔３４１の下端の他端側連通口３７が上流側排気管５０１の排気路ＥＲの後端近傍に連通している。

図２（ｂ）に示すように、端側ボス３４は中央の貫通孔３４１が上部ｈ１より下部ｈ２が拡径され、その段差部に絞り３４２が形成される。この絞り３４２の下側で下部ｈ２の上端に流出穴３４３が形成され、同流出穴３４３には他端側ボス３４にフレアナット３５で締結され、排水管２８の下端側の排水口２８２が連結される。
ここで、排気ガスが絞り３４２より下部ｈ２側に流動することで、バイパス管３２を流動する排気流れｅｆに沿って絞り３４２を形成するので、絞り３４２による排気流れｅｆの速度が大きくなる。絞り３４２の下流側となる下部ｈ２に負圧増加域ｅｈが生じ、ここに排水路ｗｒの下流側端部を接続することによって、排水路ｗｒ内の流れは排気流れｅｆが絞り３４２のベンチュリー効果で増加されることで、さらに大きな流れｆｒとなって合流する。

このような内燃機関の排水装置Ｍの作動を説明する。
エンジン１の運転中、特に低圧ＥＧＲ装置２５使用時にはインタークーラ１０の出口部に多量の凝縮水が発生する。発生した凝縮水は、排水路ｗｒを通ってＮＯｘトラップ触媒１８の上流側近傍に位置するバイパス管３２を経て上流側排気管５０１内に送られる。
ここで、上流側排気管５０１より拡径前部１９２、主部１９１を経てＮＯｘトラップ触媒１８に排気ガスが流動する。この際、図２（ａ）に示すように、主部１９１のガス圧Ｐａ３が大きく、上流側排気管５０１の後端部のガス圧Ｐａ１は小さいことより、その差圧に応じて、排気ガスが一端側連通口３６からバイパス管３２を排気流れｅｆとなって通り、他端側連通口３７へと流動する。

このように、バイパス管３２の一端がＮＯｘトラップ触媒１８（排気の後処理手段）と上流側排気管５０１を接続する拡径部である触媒コンバーター１９に接続され、他端が拡径部より上流側の上流側排気管５０１に接続される。このため、排気通路ＥＲに新たな拡径部を形成することなくバイパス通路内にベンチュリー効果による排気流れｅｆを作ることができ、この点でコスト増を抑制できる。
また、凝縮水はバイパス通路を経由してＮＯｘトラップ触媒１８の上流側の上流側排気管５０１に排出されるため、凝縮水を含んだ排気をＮＯｘトラップ触媒１８（排気後処理手段）で浄化することが出来る。

更に、排気流れｅｆはその速度が絞り３４２ｄｅにより大きくなり、その直下の下部ｈ２に低圧域ｅｈを生じ、排水路ｗｒ内の負圧化が絞り３４２のベンチュリー効果で加速する。このため、排水路ｗｒ内の凝縮水は下部ｈ２での排気流れｅｆに気化して流入する比率が増加し、さらに増速され、他端側連通口３７より上流側排気管５０１に排出される。従って、吸気通路ＩＲの水の排気路ＥＲへの排出を容易化でき、排気通路に排出されるため、凝縮水を含んだ排気が排気後処理手段で浄化することが出来る。

更に、インタークーラ１０で結露した凝縮水を排水路ｗｒとバイパス路ｂｒを通して排気通路ＥＲに流入させるので、吸気通路ＩＲの腐食を抑制でき、エンジン１がウォーターハンマを引き起こすことを防止できる。

上述のところにおいて、実施形態１の内燃機関の排水装置における排水路ｗｒはインタークーラ１０で結露した凝縮水をバイパス路ｂｒに導き、排気通路ＥＲに流入させていたが、場合により、図１に２点鎖線で示すように排水路ｗｒを成す排水管２８ａの一端の流入口２８１ａをエンジン本体の上流の排気管５’内の排気路ＥＲに連通させた他の実施形態を構成してもよい。
この場合、エンジン１のアイドル状態において、燃焼室下流の排気管５１０内に凝縮水が生じる場合があり、この凝縮水の排除を行うことが、耐久性確保の上で好ましいし、排気再循環装置（低圧ＥＧＲ装置）２５への凝縮水の流入を防止できる。

上述のところにおいて、内燃機関の排水装置は車載用ディーゼルエンジンに搭載されるとしたが、場合により定置式ディーゼルエンジンに搭載されてもよく、更に、ガソリンエンジンに搭載されてもよく、これらの場合もほぼ同様の効果が得られる。

１ 内燃機関（エンジン）
４ 吸気管
５ 排気管
５０１ 上流側排気管
１０ インタークーラ
１８ ＮＯｘトラップ触媒（排気後処理手段）
１９ 触媒コンバーター（拡径部）
１９１ 主部
１９２ 拡径前部
２５ 排気再循環装置（低圧ＥＧＲ装置）
２８ 排水管
３１ 制御手段
３２ バイパス管
３３ 一端側ボス
３３１ 貫通孔
３４ 他端側ボス
３４１ 貫通孔
３６ 一端側連通口
３７ 他端側連通口
ｂｒ バイパス路
ｗｒ 排水路
ＩＲ 吸気通路
ＥＲ 排気通路
Ｍ 内燃機関の排水装置
Ｘ 排気路方向

Claims (4)

1. 一端が内燃機関の排気通路の拡径部に接続されて、他端が前記一端の接続された排気通路よりも上流側の管径の小さい排気通路に接続されたバイパス路と、
   前記内燃機関の吸気通路または前記バイパス通路の接続位置より上流側の排気通路に一端が、前記バイパス路に他端がそれぞれ接続されて前記吸気通路内または前記排気通路内で結露した凝縮水を前記バイパス路に排出する排水路と、を有することを特徴とする内燃機関の排水装置。
2. 前記バイパス路は前記一端から他端に向かって管径を縮小する絞りが形成されて、前記排水路の他端が前記絞りの下流側のバイパス通路に接続される、
   ことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排水装置。
3. 前記排気通路上に配置されて、該排気通路の上流側と下流側の排気管に拡径部を介して接続された排気後処理手段を備えた内燃機関であって、
   前記バイパス路の一端が前記拡径部に接続され、前記バイパス通路の他端が前記拡径部の上流側の排気管と接続される、
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の排水装置。
4. 前記吸気通路に配置されたインタークーラ、を有し、前記排水路の一端が前記インタークーラ下流側の吸気通路に接続される、
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の内燃機関の排水装置。

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