JP2017206980A - Egr装置の凝縮水処理装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】EGRクーラ内の煤を好適に除去し得るEGR装置の凝縮水処理装置を提供する。【解決手段】低圧ループ13と高圧ループ12とをEGR系路として併用し、低圧ループ13及び高圧ループ12の途中にEGRガス9aを冷却するEGRクーラ17、16を各々装備したEGR装置の凝縮水処理装置に関し、EGRガス9aが流れる系路の途中に、EGRガス9aの冷却により発生する凝縮水を捕集する凝縮水捕集装置18を備えると共に、該凝縮水捕集装置18にて捕集された凝縮水を高圧ループ12のEGRクーラ16の上流の位置へ導く凝縮水導入路27を備える。【選択図】図1

Description

本発明は、EGR装置においてEGRガスの冷却に伴い発生する凝縮水を処理するための装置に関する。
従来、自動車のエンジン等では、排気側から排気の一部を抜き出して吸気側へと戻し、その吸気側に戻された排気でエンジン内での燃料の燃焼を抑制して燃焼温度を下げることによりNOx(窒素酸化物)の発生を低減するようにした、いわゆる排気再循環(EGR:Exhaust Gas Recirculation)が行われている(例えば、下記の特許文献1参照)。
通常、この種の排気再循環を行うEGR装置の場合には、排気マニホールドから排気管に至る系路の適宜位置と、吸気管から吸気マニホールドに至る系路の適宜位置との間をEGRパイプにより接続し、該EGRパイプを通して排気を再循環させるようにしている。
この際、エンジンに再循環する排気(EGRガス)を途中で冷却すると、排気の温度が下がり且つその容積が小さくなることにより、エンジンの出力をあまり低下させずに燃焼温度を低下して効果的にNOxの発生を低減させることができるため、エンジンに排気を再循環する系路の途中には、EGRガスを冷却水との乾式熱交換により冷却するシェルアンドチューブ型のEGRクーラが装備されるのが一般的である。
すなわち、このようなEGRクーラによりEGRガスを冷却すれば、排気自体の温度が低下して容積が小さくなり、密度が大きくなってエンジンの燃焼室への充填効率が高まる。こうして、エンジンの出力に大きな影響を及ぼすことなく排気をより多く導入することができる。
こうしたEGR装置においては、EGRガスや該EGRガスを含む吸気をEGRクーラやインタークーラにて冷却した結果、凝縮水が発生することがある。凝縮水には燃料由来の硫黄分等が含まれるので、これがEGR系路や吸気系路に滞留した場合、エンジン部品の腐食等を引き起こす虞がある。
特に、近年では排気ガス規制が益々厳しくなる傾向にあるため、EGRクーラの冷却能力を更に強化してEGRガスの今まで以上の大量導入を実現する必要があると考えられており、冷却効率が向上すれば、EGR系路内に凝縮水が一層発生しやすくなることが想定できる。このような凝縮水の問題に対応するため、系路内で発生した凝縮水を捕集する技術が種々提案されている(例えば、下記特許文献2〜4参照)。
特開2012−112367号公報 特開2016−031042号公報 特開2013−029081号公報 特開2012−188944号公報
ところで、EGR系路内で発生する凝縮水には、上述の腐食作用のように好ましくない性質がある一方、EGRクーラ内に堆積する煤を洗い流す効用もある。排気浄化装置を通過していない排気をEGRガスとして吸気側に還流させる場合、EGRガスには燃料の燃え残りである煤が含まれるが、この煤がEGRクーラのチューブ内に堆積すると、EGRクーラでの圧力損失が増加してEGR量が低下するほか、チューブにおける熱交換効率が低下し、EGRガスの冷却が不十分になってNOxが増加してしまう虞がある。ここで、EGRガス内に凝縮水が発生すると、該凝縮水が煤と混合し、EGRガスの通過に伴ってチューブの内壁から洗い落とされるという効果がある。エンジンの冷間時等、EGRクーラの冷却水が十分に低温(35℃程度以下)である時にはチューブ内に自然に凝縮水が発生し、チューブを洗浄することができるが、冷却水が温まってしまうとチューブ内の煤を除去する手段がなかった。このため、エンジンの暖機後であってもチューブ内を洗浄する手段が求められていた。
本発明は、斯かる実情に鑑み、EGRクーラ内の煤を好適に除去し得るEGR装置の凝縮水処理装置を提供しようとするものである。
本発明は、ターボチャージャのタービンより下流の排気管から排気の一部をEGRガスとして抜き出して前記ターボチャージャのコンプレッサより上流の吸気管へ再循環する低圧ループと、排気マニホールドから排気の一部をEGRガスとして抜き出して吸気マニホールドの入口付近に再循環する高圧ループとをEGR系路として併用し、前記低圧ループ及び前記高圧ループの途中にEGRガスを冷却するEGRクーラを各々装備したEGR装置の凝縮水処理装置であって、EGRガスが流れる系路の途中に、EGRガスの冷却により発生する凝縮水を捕集する凝縮水捕集装置を備えると共に、該凝縮水捕集装置にて捕集された凝縮水を前記高圧ループのEGRクーラの上流の位置へ導く凝縮水導入路を備えたことを特徴とするEGR装置の凝縮水処理装置にかかるものである。
而して、このようにすれば、凝縮水捕集装置により捕集した凝縮水を用いて高圧ループのEGRクーラを洗浄することができる。
本発明のEGR装置の凝縮水処理装置において、前記凝縮水捕集装置は、前記コンプレッサの下流で該コンプレッサにより圧縮された吸気を冷却するインタークーラの下流の位置に備えることができ、このようにすれば、EGRガスの流路内で凝縮水を捕集する上で好適である。
本発明のEGR装置の凝縮水処理装置において、前記凝縮水捕集装置は、前記低圧ループのEGRクーラの下流の位置に備えることもでき、このようにしても、EGRガスの流路内で凝縮水を捕集する上で好適である。
本発明のEGR装置の凝縮水処理装置において、前記凝縮水導入路は、前記高圧ループにおけるEGRクーラの上流の位置から前記凝縮水捕集装置へEGRガスを導く上流側のパイプと、前記凝縮水捕集装置から凝縮水を伴ったEGRガスを前記高圧ループにおけるEGRクーラの上流の位置へ戻す下流側のパイプとを備えて構成し、前記高圧ループにおける前記上流側のパイプの分岐位置と、前記下流側のパイプの分岐位置との間に流路を開閉する流路切替バルブを備えることができ、このようにすれば、EGRガスの流れを利用して凝縮水捕集装置内の凝縮水を高圧ループに導くことができる。
本発明のEGR装置の凝縮水処理装置によれば、以下の如き種々の優れた効果を奏し得る。
(I)本発明の請求項1に記載の発明によれば、凝縮水捕集装置で捕集した凝縮水を用いることにより、高圧ループのEGRクーラにおける冷却水の温度にかかわらず、EGRクーラ内の煤を好適に除去することができる。
(II)本発明の請求項2、3に記載の発明によれば、EGRガスの流路内において凝縮水が発生しやすい場所で凝縮水を捕集するので、EGRクーラ内を洗浄するための凝縮水を効率的に捕集することができる。
(III)本発明の請求項4に記載の発明によれば、EGRガスの流れを利用して凝縮水を導くので、凝縮水を確実に高圧ループのEGRクーラへ導入することができる。
本発明を適用したEGR装置の全体構成の一例を示す概要図である。 本発明の要部を示す拡大図である。 本発明を適用したEGR装置の別の一例を示す概要図である。
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。
図1、図2は本発明の実施によるEGR装置の凝縮水処理装置の形態の一例(第一実施例)を示すものである。図中、1はターボチャージャ2を装備したエンジンを示しており、エアクリーナ3から導かれた吸気4が吸気管5を通しターボチャージャ2のコンプレッサ2aへ送られ、該コンプレッサ2aで加圧された吸気4がインタークーラ6へ送られて冷却され、該インタークーラ6から更に吸気マニホールド7へ吸気4が導かれてエンジン1の各気筒8(図1では直列6気筒の場合を例示している)に分配されるようになっている。また、エンジン1の各気筒8から排出された排気9は、排気マニホールド10を介しターボチャージャ2のタービン2bへ送られ、該タービン2bを駆動した後に排気管11へ送り出されるようになっている。
排気マニホールド10と吸気マニホールド7の入口付近の吸気管5の間は高圧ループ(EGR系路)12により接続されており、該高圧ループ12を介して排気マニホールド10から排気9の一部をEGRガス9aとして抜き出し、前記吸気マニホールド7の入口付近の吸気管5に再循環し得るようにしてある。
また、ターボチャージャ2のタービン2bより下流の排気管11と、前記ターボチャージャ2のコンプレッサ2aより上流の吸気管5との間は低圧ループ(EGR系路)13により接続されており、該低圧ループ13を介してターボチャージャ2のタービン2bより下流の排気管11から排気9の一部をEGRガス9aとして抜き出し、前記ターボチャージャ2のコンプレッサ2aより上流の吸気管5に再循環し得るようにしてある。
ここで、前記高圧ループ12及び低圧ループ13には、排気9の再循環量を適宜に調節し得るよう開度調整可能なEGRバルブ14、15と、再循環されるEGRガス9aを冷却水との熱交換により冷却するEGRクーラ16、17とがそれぞれ装備されている。
そして、本第一実施例においては、インタークーラ6の下流の吸気管5に、インタークーラ6で発生した凝縮水を捕集するための凝縮水捕集装置18を設置している。
本第一実施例の如く、EGR系路として高圧ループ12の他に低圧ループ13を備えたEGR装置では、インタークーラ6の上流で吸気4にEGRガス9aが混合されるため、この吸気4がインタークーラ6中で冷却されると凝縮水が発生する。凝縮水捕集装置18では、この凝縮水を捕集するようにしている。
凝縮水捕集装置18は、例えば図2に拡大して示す如く、インタークーラ6の下流の吸気管5に設置した旋回流発生装置19と、該旋回流発生装置19の下流側に設置した凝縮水分離装置20とを備えてなる。
旋回流発生装置19は、例えば、吸気管5をなすパイプ21の内部に螺旋体、例えば、金属製の捻りテープ22を配してなる。ここを通過する吸気4ないしEGRガス9aは、螺旋体(捻りテープ)22によってパイプ21の周方向に回転する流れを付与され、旋回流となって下流へと流れていく。尚、旋回流発生装置19は、パイプ21を流れる吸気4ないしEGRガス9aに旋回流を形成し得るものであれば何でも良く、上述の構成に限定されない。
凝縮水分離装置20は、パイプ21の一部を外側から覆うように設置したハウジング23を備えており、該ハウジング23内部のパイプ21は、その一部が管壁に多数の水抜き孔24aを穿設した吸込部24として形成され、且つ該吸込部24の外周面を取り巻くように凝縮水を吸い取るための吸収体25が備えられている。吸収体25としては、例えばグラスウール等、耐熱性を有し、且つ毛細管現象によって凝縮水を吸い込み得る多孔質材料が用いられる。
ハウジング23は、パイプ21を通して凝縮水を捕集する上部空間23aと、捕集した凝縮水を貯留する下部空間23bとを備え、両者は隔壁23cによって区画されている。該隔壁23cには捕集バルブ26が備えられ、該捕集バルブ26の開閉により、上部空間23aと下部空間23bとの間を連通させ、又は閉止することができるよう構成されている。
さらに、本第一実施例では、高圧ループ12におけるEGRクーラ16の上流の位置から凝縮水導入路27を分岐させ、該凝縮水導入路27によりEGRクーラ16上流の高圧ループ12と凝縮水捕集装置18とを接続している。
凝縮水導入路27は、EGRクーラ16の上流から凝縮水捕集装置18のハウジング23の下部空間23bへEGRガス9aを導く上流側のパイプ27aと、ハウジング23の下部空間23bから凝縮水を伴ったEGRガス9aをEGRクーラ16の上流へ戻す下流側のパイプ27bとを備えてなる。高圧ループ12における上流側のパイプ27aの分岐位置と、下流側のパイプ27bの分岐位置との間には流路切替バルブ28が備えられ、この位置で高圧ループ12の流路を自在に開閉できるようになっている。
尚、ここでは凝縮水捕集装置として、上記特許文献2に記載の凝縮水捕集装置と略同様のものを用いる場合を例示したが、凝縮水捕集装置としてはこの他にも種々の構成のものを用い得る。例えば上記特許文献3、4に記載の装置と同様のものを適用することもできるし、その他、EGRガスから凝縮水を捕集できるものであれば何でも良い。
次に、上記した本第一実施例の作動を説明する。
エンジン1の運転中、低圧ループ13による排気再循環を実行する際には、該低圧ループ13のEGRバルブ15を開弁すると、排気管11を流通する排気9の一部がEGRガス9aとして低圧ループ13内に抜き出され、ターボチャージャ2のコンプレッサ2aより上流の吸気管5に供給される。EGRガス9aを含んだ吸気4はコンプレッサ2aにより圧縮された後、インタークーラ6内で冷却される。このとき、EGRガス9aを含んだ吸気4の温度が露点以下に下がることにより、EGRガス9a中に含まれていた凝縮水が水滴として発生する。凝縮水を含んだ吸気4ないしEGRガス9aはインタークーラ6の下流へ流れ、該インタークーラ6の下流の吸気管5に設けられた旋回流発生装置19(図2参照)を通過して旋回流となり、さらに下流へと流れていく。
吸気4の形成する旋回流により、凝縮水は遠心力でパイプ21の径方向外側へ吹き飛ばされてパイプ21の内壁に付着し、吸気4の流れに従ってパイプ21の内壁を下流へと流れ伝っていく。そして、凝縮水分離装置20の吸込部24に到達すると、そこで水抜き孔24aから吸収体25に吸収される。吸収体25に吸収された凝縮水は、捕集バルブ26が閉弁されていればハウジング23の上部空間23a内に捕集されるが、捕集バルブ26を開弁すると下部空間23b内に貯留される。
一方、高圧ループ12による排気再循環を実行する際には、該高圧ループ12のEGRバルブ14及び流路切替バルブ28を開弁すると、排気マニホールド10を流通する排気9の一部がEGRガス9aとして高圧ループ12内に抜き出され、EGRクーラ16を介して吸気管5に供給される。高圧ループ12に供給されるEGRガス9aは排気浄化装置を通っていないため、EGRクーラ16のチューブ内には時間経過に伴って煤が付着し、堆積する。ここで、EGRクーラ16においてEGRガス9aの温度が露点を下回れば、発生した凝縮水によって煤を洗い流すことができるが、冷却水の温度が十分に低くない場合、EGRクーラ16内に凝縮水は発生しない。
そこで、流路切替バルブ28を閉弁すると、高圧ループ12を流通するEGRガス9aの全量が凝縮水導入路27の上流側のパイプ27aに導入され、凝縮水の捕集されたハウジング23の下部空間23bに流れ込んで、さらに下流側のパイプ27bを通って凝縮水と共に高圧ループ12に還流する。凝縮水を伴ったEGRガス9aがEGRクーラ16へと流れ込むことで、該EGRクーラ16内に凝縮水が導入される。凝縮水はEGRクーラ16のチューブに堆積した煤と混ざり合って下流へと洗い流され、吸気管5から吸気マニホールド7を介してエンジン1の気筒8内へ導入され、ここで煤が燃焼処理される。
ここで、例えばEGRクーラ16よりも高所に凝縮水捕集装置18を配置し、該凝縮水捕集装置18から重力によって自然に凝縮水が高圧ループ12へ導かれるようにすることも理論上は不可能ではない。ただし、車両におけるレイアウトの制約上、そのような配置はあまり現実的ではなく、重力によるEGRクーラ16への凝縮水の導入は実際には困難である。本第一実施例の如く、凝縮水導入路27により高圧ループ12と凝縮水捕集装置18の間を往復する流路を形成すれば、EGRガス9aの流れを利用して凝縮水を確実に導入することができる。
こうしたEGRクーラ16への凝縮水の導入は、例えばEGRクーラ16の前後の圧力差を計測しておき、該圧力差が所定の値を超えたタイミングでチューブ内に煤がある程度堆積したと判断して実行しても良いし、また例えば、エンジン1の運転中に所定の間隔で定期的に実行するようにしても良い。
このようにして、本第一実施例では、インタークーラ6で発生し、凝縮水捕集装置18で捕集された凝縮水を用いることで、EGRクーラ16内における凝縮水の発生の有無にかかわらずEGRクーラ16内を洗浄することができ、EGRクーラ16における冷却水の温度にかかわらずEGRクーラ16の冷却性能を回復させることができる。また、煤の堆積により増加した圧力損失も復元されるので、EGR量も回復される。
尚、特に高圧ループ12による排気再循環を行わない場合には、凝縮水捕集装置18の捕集バルブ26を閉弁しておけば、排気マニホールド10を流通する排気9が、高圧ループ12から凝縮水導入路27を介して意図せず吸気管5側に導入されてしまうことを確実に防止することができ、水抜き孔24aを介した凝縮水の捕集にも高圧ループ12側からの圧力の影響がない。また、高圧ループ12による排気再循環を実行する場合であっても、EGR量を適切に制御する観点から、やはり捕集バルブ26は閉弁しておくことが望ましいと言える。捕集バルブ26は、上部空間23aで捕集した凝縮水を下部空間23bに移す際にのみ、適当なタイミングで一時的に開弁すれば良い。
ただし、ここに説明したような隔壁23cや捕集バルブ26といった構成は必ずしも必要ではない。例えば、隔壁23cの如くハウジング23の内部を区画するようなものは設置せず、パイプ21に備えた水抜き孔24aを何らかの手段により開閉するような構成とすることもできる。あるいは、水抜き孔24aの径を凝縮水導入路27の径に対し十分に小さく設計することで、該水抜き孔24aからの凝縮水の捕集を可能にしつつ、水抜き孔24aを介したEGRガス9aの吸気管5への流入を抑えることができるとも考えられる。
以上のように、上記本第一実施例においては、ターボチャージャ2のタービン2bより下流の排気管11から排気9の一部をEGRガス9aとして抜き出してターボチャージャ2のコンプレッサ2aより上流の吸気管5へ再循環する低圧ループ13と、排気マニホールド10から排気9の一部をEGRガス9aとして抜き出して吸気マニホールド7の入口付近に再循環する高圧ループ12とをEGR系路として併用し、低圧ループ13及び高圧ループ12の途中にEGRガス9aを冷却するEGRクーラ17、16を各々装備したEGR装置の凝縮水処理装置に関し、EGRガス9aが流れる系路の途中に、EGRガス9aの冷却により発生する凝縮水を捕集する凝縮水捕集装置18を備えると共に、該凝縮水捕集装置18にて捕集された凝縮水を高圧ループ12のEGRクーラ16の上流の位置へ導く凝縮水導入路27を備えているので、凝縮水捕集装置18により捕集した凝縮水を用いて高圧ループ12のEGRクーラ16を洗浄することができる。こうすることにより、高圧ループ12のEGRクーラ16における冷却水の温度にかかわらず、EGRクーラ16内の煤を好適に除去することができる。
また、本第一実施例において、凝縮水捕集装置18は、コンプレッサ2aの下流で該コンプレッサ2aにより圧縮された吸気4を冷却するインタークーラ6の下流の位置に備えられているので、EGRガス9aの流路内において凝縮水が発生しやすい場所で、EGRクーラ16内を洗浄するための凝縮水を効率的に捕集することができる。
また、本第一実施例において、凝縮水導入路27は、高圧ループ12におけるEGRクーラ16の上流の位置から凝縮水捕集装置18へEGRガス9aを導く上流側のパイプ27aと、凝縮水捕集装置18から凝縮水を伴ったEGRガス9aを高圧ループ12におけるEGRクーラ16の上流の位置へ戻す下流側のパイプ27bとを備えて構成し、高圧ループ12における上流側のパイプ27aの分岐位置と、下流側のパイプ27bの分岐位置との間に流路を開閉する流路切替バルブ28を備えているので、EGRガス9aの流れを利用して凝縮水捕集装置18内の凝縮水を確実に高圧ループ12のEGRクーラ16へ導入することができる。
したがって、上記本第一実施例によれば、EGRクーラ内の煤を好適に除去し得る。
図3は本発明の実施によるEGR装置の凝縮水処理装置の形態の別の一例(第二実施例)を示している。本第二実施例の場合、凝縮水捕集装置18の配置が上記第一実施例とは異なっており、インタークーラ6の下流ではなく、低圧ループ13のEGRクーラ17の下流に設置されている。すなわち、低圧ループ13を採用したEGR装置の場合、この低圧ループ13のEGRクーラ17でもEGRガス9aを冷却するので、ここでも凝縮水が発生する。そこで、本第二実施例ではこの位置で凝縮水を捕集するようにしている。このようにしても、EGRクーラ16内を洗浄するための凝縮水を効率的に捕集することができる。尚、本第二実施例の作動及び作用効果等については、上記第一実施例と略同様であるため省略する。
而して、本第二実施例によっても、EGRクーラ内の煤を好適に除去し得る。
尚、本発明のEGR装置の凝縮水処理装置は、上述の実施例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
2 ターボチャージャ
2a コンプレッサ
2b タービン
5 吸気管
6 インタークーラ
7 吸気マニホールド
9 排気
9a EGRガス
10 排気マニホールド
11 排気管
12 高圧ループ(EGR系路)
13 低圧ループ(EGR系路)
16 EGRクーラ
17 EGRクーラ
18 凝縮水捕集装置
27 凝縮水導入路
27a パイプ
27b パイプ
28 流路切替バルブ

Claims (4)

  1. ターボチャージャのタービンより下流の排気管から排気の一部をEGRガスとして抜き出して前記ターボチャージャのコンプレッサより上流の吸気管へ再循環する低圧ループと、排気マニホールドから排気の一部をEGRガスとして抜き出して吸気マニホールドの入口付近に再循環する高圧ループとをEGR系路として併用し、前記低圧ループ及び前記高圧ループの途中にEGRガスを冷却するEGRクーラを各々装備したEGR装置の凝縮水処理装置であって、
    EGRガスが流れる系路の途中に、EGRガスの冷却により発生する凝縮水を捕集する凝縮水捕集装置を備えると共に、該凝縮水捕集装置にて捕集された凝縮水を前記高圧ループのEGRクーラの上流の位置へ導く凝縮水導入路を備えたことを特徴とするEGR装置の凝縮水処理装置。
  2. 前記凝縮水捕集装置は、前記コンプレッサの下流で該コンプレッサにより圧縮された吸気を冷却するインタークーラの下流の位置に備えられていることを特徴とする請求項1に記載のEGR装置の凝縮水処理装置。
  3. 前記凝縮水捕集装置は、前記低圧ループのEGRクーラの下流の位置に備えられていることを特徴とする請求項1に記載のEGR装置の凝縮水処理装置。
  4. 前記凝縮水導入路は、前記高圧ループにおけるEGRクーラの上流の位置から前記凝縮水捕集装置へEGRガスを導く上流側のパイプと、前記凝縮水捕集装置から凝縮水を伴ったEGRガスを前記高圧ループにおけるEGRクーラの上流の位置へ戻す下流側のパイプとを備えてなり、前記高圧ループにおける前記上流側のパイプの分岐位置と、前記下流側のパイプの分岐位置との間に流路を開閉する流路切替バルブが備えられていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のEGR装置の凝縮水処理装置。
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