JP2015218705A - 内燃機関の水供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の吸気系に供給する水の凍結を抑制できる内燃機関の水供給装置を提供する。【解決手段】本発明の内燃機関の水供給装置は、凝縮水ＣＷを貯留する凝縮水タンク３１と、接続通路４２にて凝縮水タンク３１に連通され、不凍液ＡＦを貯留する不凍液タンク４１と、接続通路４２に設けられて不凍液濃度を調整する濃度調整弁４３と、凝縮水タンク３１に貯留された水溶液の不凍液濃度を検出する濃度センサ４６と、凝縮水タンク３１内の水溶液を内燃機関１の吸気系に供給する凝縮水供給機構３５とを備え、不凍液濃度が設定濃度未満となった場合に接続通路４２を介して凝縮水タンク３１に不凍液が供給されるように濃度調整弁４３を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の吸気系に水を供給する内燃機関の水供給装置に関する。

内燃機関の水供給装置として、ＥＧＲクーラの凝縮水を吸気ダクト内に供給して気筒に送り込むことにより、気筒内温度を低下させてＮＯｘの生成を抑制するものが知られている（特許文献１）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２が存在する。

特開２０１１−１１１８９７号公報 特開昭６３−２３５６５４号公報

特許文献１の水供給装置は、外気温が低い寒冷時に貯留された凝縮水が凍結する場合があり、そのような場合には吸気系へ凝縮水を供給できなくなるおそれがある。

そこで、本発明は、内燃機関の吸気系に供給する水の凍結を抑制できる内燃機関の水供給装置を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関の水供給装置は、水を貯留する水タンクと、不凍液を貯留する不凍液タンクと、前記水タンクと前記不凍液タンクとを連通する連通部と、前記連通部に設けられ、前記連通部を介して前記水タンクに供給される前記不凍液の供給と、その供給停止とを切り替える切替手段と、前記水と前記不凍液とが混合されて前記水タンク内に貯留された水溶液の不凍液濃度を検出する濃度検出手段と、前記水タンク内の前記水溶液を内燃機関の吸気系に供給する供給手段と、前記不凍液濃度が閾値未満となった場合に前記連通部を介して前記水タンクに前記不凍液が供給されるように前記切替手段を制御する供給制御手段と、を備えるものである。

本発明の水供給装置によれば、連通部を介して不凍液が水タンクに供給されることによって不凍液と水とが混合された水溶液が水タンクに貯留されることになるので、吸気系に供給する水溶液の凍結が抑制される。

本発明の一形態に係る水供給装置が適用された内燃機関の全体構成を示した図。 本形態に係る第１の制御ルーチンの一例を示したフローチャート。 本形態に係る第２の制御ルーチンの一例を示したフローチャート。

図１に示すように、内燃機関１は、４つの気筒２が一方向に配置された直列４気筒型のディーゼルエンジンとして構成されている。内燃機関１は、例えば自動車の走行用動力源として搭載される。内燃機関１には、各気筒２内に燃料を供給するため不図示の燃料噴射弁が気筒２毎に設けられている。各気筒２には吸気通路６及び排気通路７がそれぞれ接続されている。吸気通路６は気筒２毎に分岐する吸気マニホールド８を含んでいる。吸気マニホールド８の上流にはターボチャージャ９のコンプレッサ９ａが設けられている。排気通路７は各気筒２の排気を集合する排気マニホ−ルド１０を含んでいる。排気マニホールド１０の下流にはターボチャージャ９のタービン９ｂが設けられている。タービン９ｂの下流側には不図示の排気浄化装置が設けられており、タービン９ｂを通過した排気は排気浄化装置にて浄化されてから大気に放出される。

図１に示すように、内燃機関１にはＮＯｘの低減や燃費向上のため排気の一部をＥＧＲガスとして吸気系に還流するＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）を実施する２つのＥＧＲ装置２０Ａ、２０Ｂが設けられている。内燃機関１は負荷に応じて２つのＥＧＲ装置２０Ａ、２０Ｂを使い分ける。第１ＥＧＲ装置２０Ａは、ロープレッシャーループ型のＥＧＲ装置として構成されている。第１ＥＧＲ装置２０Ａは、タービン９ｂの下流側の排気通路７とコンプレッサ９ａの上流側の吸気通路６とを接続する第１ＥＧＲ通路２１と、ＥＧＲガスの流量を調整する第１ＥＧＲ弁２２と、ＥＧＲガスを冷却する第１ＥＧＲクーラ２３とを備えている。第２ＥＧＲ装置２０Ｂは、ハイプレッシャーループ型のＥＧＲ装置として構成されている。第２ＥＧＲ装置２０Ｂは排気マニホールド１０と吸気マニホールド８とを接続する第２ＥＧＲ通路２６と、ＥＧＲガスの流量を調整する第２ＥＧＲ弁２７と、ＥＧＲガスを冷却する第２ＥＧＲクーラ２８とを備えている。

各ＥＧＲクーラ２３、２８は、内燃機関１の冷却水を冷媒として利用し、その冷媒と暖かい排気との間で熱交換を行うことによりＥＧＲガスの温度を下げるものである。ＥＧＲガスの温度が下がることによりＥＧＲガスに含まれる水分が凝縮するため各ＥＧＲクーラ２３、２８内に凝縮水が生成される。内燃機関１には、各ＥＧＲクーラ２３、２８で生成された水としての凝縮水を回収して処理するため凝縮水処理装置３０が設けられている。

凝縮水処理装置３０は、各ＥＧＲクーラ２３、２８で生成された凝縮水を貯留する水タンクとしての凝縮水タンク３１と、第１ＥＧＲクーラ２３と凝縮水タンク３１とを接続する第１回収通路３２と、第２ＥＧＲクーラ２８と凝縮水タンク３１とを接続する第２回収通路３３と、凝縮水タンク３１に貯留された凝縮水ＣＷ又は後述する不凍液ＡＦと凝縮水ＣＷとが混合された液体を内燃機関１の吸気系に供給する凝縮水供給機構３５とを備えている。

凝縮水供給機構３５は凝縮水タンク３１と吸気通路６とを接続する凝縮水通路３６を有し、凝縮水通路３６には電動式のポンプ３７が設けられている。凝縮水通路３６は気筒２毎に４つに分岐しており、各分岐路３６ａ〜３６ｄにはポンプ３７で加圧された凝縮水の供給量を調整する凝縮水供給弁３８ａ〜３８ｄが設けられている。各分岐路３６ａ〜３６ｄの先端部はノズル状に構成されていて、凝縮水供給弁３８ａ〜３８ｄが開弁されると分岐路３６ｄ〜３６ｄの各先端部から加圧された凝縮水が霧状に噴射される。凝縮水供給弁３８ａ〜３８ｄの各開度制御によって凝縮水の供給量を制御できる。

凝縮水処理装置３０には凝縮水タンク３１に不凍液を供給するための不凍液供給装置４０が設けられている。不凍液供給装置４０は、不凍液ＡＦを貯留する不凍液タンク４１と、不凍液タンク４１と凝縮水タンク３１とを連通する連通部としての接続通路４２と、接続通路４２に設けられて不凍液ＡＦの供給量を調整することによって凝縮水タンク３１内に貯留された凝縮水ＣＷと不凍液ＡＦとが混合された水溶液の不凍液濃度を調整する濃度調整弁４３とを備えている。濃度調整弁４３はその開度が操作されることにより、不凍液ＡＦの凝縮水タンク３１への供給とその供給停止とを切り替えることができる本発明の切替手段として機能する。凝縮水タンク３１には、貯留された凝縮水ＣＷの貯水量（液面レベル）に応じた信号を出力する水位センサ４５と、凝縮水タンク３１内の水溶液の不凍液濃度に応じた信号を出力する濃度検出手段としての濃度センサ４６とが設けられている。濃度センサ４６としては、例えば液体の透過性や反射性等の光学的特性に基づいて不凍液濃度を判断する光分析式濃度計等が用いられる。

また、内燃機関１には、凝縮水ＣＷと不凍液ＡＦとが混合された上記の水溶液を冷却装置４７の冷媒として使用するため、冷却装置４７のラジエータ４７ａと凝縮水タンク３１とを連通する連通路４８が設けられている。連通路４８にてラジエータ４７ａと凝縮水タンク３１とが連通されることによって、凝縮水タンク３１に貯留された水溶液がエンジン冷却水として兼用され、凝縮水タンク３１がエンジン冷却水のリザーブタンクとして使用される。なお、上記の水溶液がエンジン冷却水として兼用されるにあたり、凝縮水に含まれる硫酸や硝酸等の酸性成分を中和して冷却対象の腐食を防止するために連通路４８には中和器４９が設けられている。中和器４９は炭酸カルシウムを中和剤として酸性の液体を中和させることができる公知の装置である。

内燃機関１には内燃機関１の各部を制御するコンピュータとして構成されたエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）５０が設けられている。ＥＣＵ５０は燃料噴射量や噴射時期を制御する主要な動作制御を行う他に、各ＥＧＲ装置２０Ａ、２０Ｂや凝縮水処理装置３０の制御にも利用される。ＥＣＵ５０には内燃機関１の運転状態を把握するため種々の物理量を検出する多数のセンサからの信号が入力される。例えば、本発明に関連するセンサとしては、内燃機関１のクランク角に応じた信号を出力するクランク角センサ５１、内燃機関１のアクセル開度に応じた信号を出力するアクセル開度センサ５２、空気量に応じた信号を出力するエアフローメータ５３等が内燃機関１に設けられていて、これらのセンサの出力信号はＥＣＵ５０に入力される。また、上述した水位センサ４５及び濃度センサ４６の各出力信号もＥＣＵ５０に入力される。

図２に示した制御ルーチンのプログラムはＥＣＵ５０に保持されており、適時に読み出されて繰り返し実行される。ステップＳ１において、ＥＣＵ５０は停止中の内燃機関１に対してイグニッションスイッチのＯＮ操作等の始動要求を検出した場合に内燃機関１を始動する。ステップＳ２において、ＥＣＵ５０は水位センサ４５の出力信号を参照して凝縮水タンク３１の貯水量Ｑｗを検出する。ステップＳ３において、ＥＣＵ５０はステップＳ２で検出した貯水量Ｑｗがリザーバーとしての必要水量Ｑｔ以上であるか否かを判定する。必要水量Ｑｔは適宜設定され、例えば最大貯水量の７０％を必要水量Ｑｔとして設定できる。貯水量Ｑｗが必要水量Ｑｔ以上の場合はステップＳ４に、貯水量Ｑｗが必要水量Ｑｔ未満の場合はステップＳ５にそれぞれ進む。

ステップＳ４において、ＥＣＵ５０は凝縮水タンク３１の水溶液を内燃機関１の吸気系に供給することを許可し、処理をステップＳ２に戻す。水溶液の供給タイミングや供給量の制御については公知の方法で実施されるので詳しくは省略する。なお、この水溶液とは、不凍液が凝縮水に混入した場合は凝縮水と不凍液とが混合された液体のことであり、不凍液の混入前の場合は凝縮水のことである。一方、ステップＳ５において、ＥＣＵ５０は凝縮水タンクの水溶液を内燃機関１の吸気系に供給することを禁止する。

図２に制御ルーチンによれば、凝縮水タンク３１の水溶液が過剰に消費されることを抑制できるとともに、凝縮水タンク３１に水溶液が過剰に貯留されることを抑制できる。すなわち、図２の制御ルーチンが内燃機関１の始動毎に実行されることによって、凝縮水タンク３１の貯水量Ｑｗを適正な水量に維持することができる。

図３の制御ルーチンのプログラムはＥＣＵ５０に保持されており、適時に読み出されて繰り返し実行される。ステップＳ１１において、ＥＣＵ５０は運転中の内燃機関１に対してイグニッションスイッチのＯＦＦ操作等の停止要求を検出した場合に内燃機関１を停止する。ステップＳ１２において、ＥＣＵ５０は濃度センサ４６の出力信号を参照して凝縮水タンク３１に貯留された水溶液の不凍液濃度Ｃを検出する。

内燃機関１の暖機時にはエンジン冷却水が膨張するためエンジン冷却水としての水溶液は冷却系から連通路４８を通じて凝縮水タンク３１に向かう。一方、内燃機関１の冷機時にはエンジン冷却水は収縮するため冷却水は凝縮水タンク３１から連通路４８を通じて冷却系に向かう。したがって、本制御ルーチンでは、ステップＳ１１で内燃機関１が停止した後にステップＳ２で不凍液濃度を検出するので、内燃機関１の停止後に冷機状態となる前に正確な不凍液濃度を検出できる。

ステップＳ１３において、ＥＣＵ５０はステップＳ１２で検出した不凍液濃度Ｃが設定濃度Ｃｔ以上か否かを判定する。不凍液濃度Ｃが設定濃度Ｃｔ以上の場合はステップＳ１４に、不凍液濃度Ｃが設定濃度Ｃｔ未満の場合はステップＳ１５にそれぞれ進む。設定温度Ｃｔは本発明に係る閾値に相当する。

ステップＳ１４において、ＥＣＵ５０は濃度調整弁４３を全閉操作して接続通路４２を閉鎖することによって、不凍液の凝縮水タンク３１への供給を停止する。これにより、凝縮水タンク３１に貯留された水溶液の不凍液濃度が過剰になることを回避できる。一方、ステップＳ１５において、ＥＣＵ５０は濃度調整弁４３の開度を開き側に操作することによって不凍液を凝縮水タンク３１に供給して水溶液の不凍液濃度を上昇させる。その後、処理をステップＳ１３に戻す。ＥＣＵ５０は図３の制御ルーチンを実行することにより本発明に係る供給制御手段として機能する。

以上説明した本形態によれば、接続通路４３を介して不凍液が凝縮水タンク３１に供給されることによって不凍液と凝縮水とが混合された水溶液が凝縮水タンク３１に貯留されることになるので、内燃機関１の吸気系に供給する水溶液の凍結が抑制される。また、凝縮水タンク３１内の水溶液がエンジン冷却水として兼用され、凝縮水タンク３１がエンジン冷却水のリザーブタンクとして用いられるので、エンジン冷却水を貯留するタンクと吸気系に供給する水溶液を貯留するタンクとを別々に搭載するよりもエンジンルーム内の使用スペースを低減できる。

本発明は上記形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内において種々の形態にて実施できる。上記形態の内燃機関はディーゼルエンジンとして構成されているが、本発明の適用対象となるエンジンはディーゼルエンジンに限らない。したがって、例えばポート噴射型のガソリンエンジンや筒内直接噴射型のガソリンエンジン等のガソリンエンジンに適用することもできる。

上記形態は凝縮水タンク３１の水溶液をエンジン冷却水として兼用し、凝縮水タンク３１をエンジン冷却水のリザーブタンクとして用いているが、凝縮水タンク３１の水溶液とエンジン冷却水とを別系統で流通させ、エンジン冷却水のリザーブタンクを凝縮水タンク３１とは別に設けた形態で本発明を実施することも可能である。また、以上の説明では内燃機関の吸気系に供給する水として、ＥＧＲクーラで生成された凝縮水を用いたが一例にすぎない。例えば、吸気系への供給専用の水を水タンクに貯留する形態として本発明を実施することもできる。

１ 内燃機関
３１ 凝縮水タンク（水タンク）
３５ 凝縮水供給機構（供給手段）
４１ 不凍液タンク
４２ 接続通路（連通部）
４３ 濃度調整弁（切替手段）
４６ 濃度センサ（濃度検出手段）
５０ ＥＣＵ（供給制御手段）

Claims (1)

1. 水を貯留する水タンクと、
   不凍液を貯留する不凍液タンクと、
   前記水タンクと前記不凍液タンクとを連通する連通部と、
   前記連通部に設けられ、前記連通部を介して前記水タンクに供給される前記不凍液の供給と、その供給停止とを切り替える切替手段と、
   前記水と前記不凍液とが混合されて前記水タンク内に貯留された水溶液の不凍液濃度を検出する濃度検出手段と、
   前記水タンク内の前記水溶液を内燃機関の吸気系に供給する供給手段と、
   前記不凍液濃度が閾値未満となった場合に前記連通部を介して前記水タンクに前記不凍液が供給されるように前記切替手段を制御する供給制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の水供給装置。

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