JP2015121171A - 内燃機関の排水装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排水路より排出された凝縮水がＮＯｘトラップ触媒を急冷することなく、かつ排気管への凝縮水の排出を常時可能な内燃機関の排水装置を提供する。
【解決手段】内燃機関１近傍の吸気通路４に一端を、排気通路５に他端をそれぞれ接続した凝縮水を排出する排水路２８を備え、排水路２８の他端は排気通路５内に排気方向の下流に向かって螺旋形状に延出形成されると共に、螺旋形状の先端に開口部２８ｂが形成される内燃機関の排水装置３１。
【選択図】図３

Description

本発明は車両の内燃機関に関し、詳しくは吸排気中から水分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。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、ウォータハンマを引き起こしてしまう虞がある。

上述の問題を解決すべく、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、凝縮水を水蒸気に変えて触媒の上流側排気通路に供給する内燃機関が、例えば「特許文献１」に開示されている。

特開２０１３−１２４５６３号公報

上述の技術では、凝縮水が燃焼室に送られてウォータハンマを引き起こすことが防止されているが、凝縮水を過熱して水蒸気に変化させる加熱装置が必要となり、コストアップすると共にスペース確保等の問題が生じる。そこで、発生した凝縮水をＮＯｘトラップ触媒の上流側に位置する排気管へ排出するための排水路を設けることが考えられる。しかしこの場合、排水路より排出された凝縮水がＮＯｘトラップ触媒に流動し、凝縮水によって触媒が急冷されることにより熱応力により担体割れが生じ易くなり、排気ガスが悪化してしまうという問題点がある。
本発明は上述の問題点を解決し、排水路より排出された凝縮水がＮＯｘトラップ触媒を急冷することなく、かつ排気管への凝縮水の排出を常時可能な内燃機関の排水装置の提供を目的とする。

請求項１記載の発明は、内燃機関の吸気通路に一端が、排気通路に他端がそれぞれ接続されて前記吸気通路内の凝縮水を前記排気通路に排出する排水路を備え、前記排水路の他端は前記排気通路内に排気方向に沿って螺旋形状に延出形成されると共に、前記螺旋形状の先端に開口部が形成されてい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、さらに前記螺旋形状は前記先端に向かうに連れて径が変化することを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の内燃機関の排水装置において、さらに前記開口部は排気方向上流側に向けて開口することを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１から３までの何れか一項記載の内燃機関の排水装置において、さらに前記螺旋形状は前記先端に向かうに連れて径が小さくなることを特徴とする。

本発明によれば、排気管の内部に延出形成された排水路の他端に流入した凝縮水は排気管内の高温の排気によって加熱されて気化が促進され、開口部から排気管内に排出された凝縮水は、螺旋形状部に当たり一部は螺旋形状に付着し滞留することで高温の排気に晒されてさらに気化が促進される。または、螺旋形状に付着しなかった凝縮水も螺旋形状に当たることで飛散し微粒子化した状態で排気と共に排気通路下流へ流下される。これにより、凝縮水は内燃機関の燃焼室を通過することなく排気通路を通じて車外に排出される。さらに、気化または飛散して微粒子化した状態で排気通路を通過するため、排気管内に多量の凝縮水が滞留し排気管の目詰まりや排気通路の排気後処理装置の不具合の発生を低減することができる。

本発明の一実施形態を適用した内燃機関の排水制御装置の概略図である。 本発明の一実施形態に用いられる排水装置の概略図である。 本発明の一実施形態における排水装置の作動状態を説明する概略図である。

本発明の一実施形態を示す図１において、内燃機関である車載用ディーゼルエンジン（以下エンジンという）１のシリンダブロック２の上部にはシリンダヘッド３が設けられており、シリンダヘッド３の吸気側には吸気通路を構成する吸気管４が、排気側には排気通路を構成する排気管５がそれぞれ接続されている。またシリンダヘッド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。さらにシリンダヘッド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の酸化反応が促進され、また後述するＮＯｘトラップ触媒で還元される。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。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Ｎ_２等に還元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、Ｎ_２等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、その途中には低圧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、吸気管４内に生じた凝縮水を、排水路を形成する排水管２８を介して排気管５内に流出させる、本発明の一実施形態に用いられる内燃機関の排水装置３１を説明する。ここで、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には排水管２８の一端が接続されており、排水管２８の他端はＮＯｘトラップ触媒１８の排気上流側近傍位置に接続されている。排水管２８の途中には開閉弁２９が配設されており、開閉弁２９はこれに接続された制御手段によってその開閉動作を制御される。制御手段３０は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を有する周知のマイクロコンピュータによって構成されており、各種センサからの検知信号に基づいて、各スロットル弁７，１１、各ＥＧＲ用バルブ８，１２及び開閉弁２９の動作を制御する。

制御手段３０は、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の運転時間や車両の走行距離が一定値に達したりした場合に開閉弁２９を開弁し、触媒コンバータ１９を介して排水管２８内の凝縮水を車外に排出する機能を有している。また制御手段３０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を介し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て、開閉弁２９を閉弁させる機能を有している。この制御手段３０の制御により、排水管２８からの凝縮水排出完了後に吸気ガスが排水管２８から排出され、エンジン１のトルク低下や出力低下の発生が防止されている。

図１に示すように、排気管５の上流側排気管５０１の後端にＮＯｘトラップ触媒１８を有する触媒コンバータが接続される。触媒コンバータ１９は排気通路の拡径部を有する容器本体を備え、容器本体はＮＯｘトラップ触媒１８を収容する主部１９１、主部１９１に連続形成された排気通路前側の拡径部である拡径前部１９２、排気通路後側の拡径後部１９３を有する。拡径前部１９２は排気通路下流側に向けて排気通路径を徐々に拡大するコーン形状の傾斜部をなし、その前端が上流側排気管５０１に接続される。拡径後部１９３は排気通路下流側に向けて排気通路径を徐々に縮小するコーン形状の傾斜部をなし、その後端が下流側排気管５０２に接続される。

図２に示すように、上流側排気管５０１の後端近傍の部位には、排水管２８の他端側の端部２８ａが排気管５内に延出形成されている。他端側の端部２８ａは、図２（ｂ）にも示すように、徐々にその径が小さくなる螺旋形状をなすと共に、その螺旋形状の中心軸が排気管５内における排気ガスの排気方向と沿うように形成され、径が最小となる他端には凝縮水を排気ガスの排気方向上流側に向けて排出する開口部２８ｂが形成されている。

次に、内燃機関の排水装置３１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、排水管２８を通ってＮＯｘトラップ触媒１８の上流側近傍に位置する上流側排気管５０１に送られ、触媒コンバータ１９を介して車外に排出される。ここで、排水管２８の途中に設けられた開閉弁２９が閉じられているときには排水管２８内に貯留される。開閉弁２９は、排水管２８内に設けられた図示しない水位センサによって貯留された凝縮水の量が一定量に達したとき、あるいはエンジン１の運転時間や走行距離が一定値に達したときに制御手段３０によって開弁される。

エンジン１の運転中に排気管５内を流動してきた排気は、上流側排気管５０１を介して触媒コンバータ１９に流入する。また、開閉弁２９が開弁されると、排水管２８内に貯留されている凝縮水が他端部の端部２８ａに流入する。他端部の端部２８ａ内に流入した凝縮水は、その螺旋形状部を流れる際に排気管５内を通る排気の熱によって気化が促進され、そして開口部２８ｂから排気方向上流側に向けて排出される。排出された凝縮水は図３に示すように他端部の端部２８ａの上流側部分に当たり、各螺旋形状部に水滴３２ａとして付着し、排気によって下流側に送られるに伴い気化が促進されて水滴３２ｂ、水滴３２ｃ、水滴３２ｄと徐々に蒸発し、ＮＯｘトラップ触媒１８を支持する担持体前面に飛散した後、触媒コンバータ１９を通過して車外に排出される。

上述の構成によれば、排水管２８の他端側の端部２８ａがＮＯｘトラップ触媒１８よりも上流側の排気管５内に延出形成され、延出形成された他端側の端部２８ａが螺旋形状をなすと共にその端部に凝縮水を排出する開口部２８ｂが形成され、螺旋形状の中心軸が排気方向に沿って配置されているので、他端側の端部２８ａ内に流入した凝縮水が高温の排気によって気化が促進される。また、開口部２８ｂから排気方向上流側に排出された凝縮水は、螺旋形状部に当たり排気に晒されることでさらに気化が促進される。これにより、凝縮水は気化または飛散して微粒子化した状態で触媒コンバータ１９に導入されるので、触媒コンバータ１９の目詰まりあるいはＮＯｘトラップ触媒１８の担体割れといった不具合の発生を低減することができる。

上述の構成では、他端側の端部２８ａを徐々に径が異なる螺旋形状に形成した。他端側の端部２８ａの形状としては径が等しい渦巻状であってもよいが、径が徐々に異なる螺旋形状とすることにより排気管５内の排気が他端側の端部２８ａに均等に当たるため、より一層気化が促進される。

１ 内燃機関（エンジン）
４ 吸気通路（吸気管）
５ 排気通路（排気管）
９ 過給機（ターボチャージャ）
１８ 触媒装置（ＮＯｘトラップ触媒）
２８ 排水路（排水管）
２８ａ 他端側の端部
２８ｂ 開口部
３１ 排水装置

Claims (4)

1. 内燃機関の吸気通路に一端が、排気通路に他端がそれぞれ接続されて前記吸気通路内の凝縮水を前記排気通路に排出する排水路を備え、
   前記排水路の他端は前記排気通路内に排気方向の下流に向かって螺旋形状に延出形成されると共に、前記螺旋形状の先端に開口部が形成されている内燃機関の排水装置。
2. 請求項１記載の内燃機関の排水装置において、
   前記螺旋形状は前記先端に向かうに連れて径が変化することを特徴とする内燃機関の排水装置。
3. 請求項１または２記載の内燃機関の排水装置において、
   前記開口部は排気方向上流側に向けて開口することを特徴とする内燃機関の排水装置。
4. 請求項１から３までの何れか一項記載の内燃機関の排水装置において、
   前記螺旋形状は前記先端に向かうに連れて径が小さくなることを特徴とする内燃機関の排水装置。

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