JP2019044630A - 凝縮水収集装置およびこれを備えた車両 - Google Patents

Abstract

【課題】排気ガスに含まれる凝縮水がコンプレッサの羽根車に衝突する事態を簡便な構成で回避することができる凝縮水収集装置および車両を提供する。【解決手段】エンジン本体８から排出された排気ガスの少なくとも一部を冷却し、空気と混合した混合気をエンジン本体８に供給するＬＰ−ＥＧＲ装置５（排気再循環装置）と、羽根車６１の回転によって混合気を加圧するコンプレッサ６を有するターボチャージャ４と、を備えたエンジン１に用いられ、冷却された排気ガスに含まれる凝縮水を収集し、収集した凝縮水が羽根車６１の回転軸６２の軸線上を流れるように凝縮水を流出させる。【選択図】図１

Description

本開示は、排気ガスに含まれる凝縮水を収集する凝縮水収集装置およびこれを備えた車両に関する。

排気ガス浄化および燃費向上のため、エンジンからの排気を吸気通路に再循環させる排気再循環装置（以下、「ＥＧＲ装置」という。）が普及している。

ＥＧＲ装置では一般に、ＥＧＲガス通路内のＥＧＲガスをＥＧＲクーラーで冷却した後に、吸気通路へ環流させている。ＥＧＲガスがＥＧＲクーラーで冷却されることにより、ＥＧＲクーラーの下流側のＥＧＲガス通路内で排気ガス内の水分が凝縮し、水または氷が発生する場合がある。

ＥＧＲガス通路が吸気通路におけるターボチャージャのコンプレッサ上流に接続されているとき、ＥＧＲガス通路内に水や氷が発生すると、この水や氷がコンプレッサの羽根車に衝突し、羽根車が曲がったり破損したりすることがある。このような事態を防止するため、特許文献１には、液滴を伴った排気ガスから液体凝縮物を分離する凝縮液分離装置と、凝縮液分離装置から分離された液体凝縮物を大きな液滴が再生成されないように周速度が低い領域内に分散する分散装置と、を吸気管内に有する排気ガス再循環装置が開示されている。

特表２００９−５２４７７５号公報

特許文献１に開示された技術では、凝縮液分離装置にて排気ガスから分離した液体凝縮物を分散装置まで輸送するための移送管が、吸気管および排気ガスの流路（低圧ＥＧＲ管）とは別に必要となる。このため、移送管、吸気管、および低圧ＥＧＲ管が互いに干渉し合い、移送管の設置スペースを確保することが困難である、という問題があった。また、特許文献１では、例えば吸気管の管壁内に移送管を配置することにより移送管の設置スペースを確保しているが、このような手法を用いる場合、吸気管および移送管の製造工程が複雑になり、製造コストが上昇してしまう、という問題があった。

本開示は、排気ガスに含まれる凝縮水がコンプレッサの羽根車に衝突する事態を簡便な構成で回避することができる凝縮水収集装置およびこれを備えた車両を提供することを目的とする。

本開示の凝縮水収集装置は、エンジン本体から排出された排気ガスの少なくとも一部を冷却し、空気と混合した混合気を前記エンジン本体に供給する排気再循環装置と、羽根車の回転によって前記混合気を加圧するコンプレッサを有するターボチャージャと、を備える内燃機関に用いられ、前記混合気に含まれる凝縮水を収集し、前記収集した凝縮水が前記羽根車の回転軸の軸線上を流れるように前記凝縮水を流出させる。

本開示の凝縮水収集装置は、エンジン本体から排出された排気ガスの少なくとも一部を冷却し、空気と混合した混合気を前記エンジン本体に供給する排気再循環装置と、羽根車の回転によって前記混合気を加圧するコンプレッサを有するターボチャージャと、を備えた内燃機関において、前記冷却された排気ガスに含まれる凝縮水を収集する凝縮水収集装置であって、前記排気再循環装置の再循環通路における、前記排気ガスを冷却する冷却装置より下流側であって、前記空気を前記エンジン本体に供給する吸気通路との合流地点より上流側に設けられる。

本開示の車両は、上記凝縮水収集装置を備える。

本開示によれば、排気ガスに含まれる凝縮水がコンプレッサの羽根車に衝突する事態を簡便な構成で回避することができる。

エンジンの全体構成について説明するための図 凝縮水収集装置の形状について説明するための斜視図 凝縮水収集装置の内壁面によって凝縮水が収集される様子を例示した概念図 スリット形状の気体通過部を設けた例を示す図 穴状の気体通過部を設けた例を示す図 変型例１を適用した場合のエンジンの全体構成を例示した図 変型例１に係る凝縮水収集装置によって凝縮水が収集される様子を例示した概念図 変型例２を適用した場合のエンジンの全体構成を例示した図

以下、本開示の各実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。ただし、必要以上に詳細な説明、例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明等は省略する場合がある。

まず、図１を参照して、エンジン１の全体構成について説明する。

エンジン１は、吸気通路２と、排気通路３と、ターボチャージャ４と、ロープレッシャーＥＧＲ（以下、「ＬＰ−ＥＧＲ」という。）装置５と、を備える。ＬＰ−ＥＧＲ装置５は、本開示の排気再循環装置の一例である。

図示しない吸気口から吸気通路２へ吸入された空気は、吸気Ｇ１としてターボチャージャ４のコンプレッサ６によって圧縮され、インタークーラー７で冷却された後に、エンジン本体８に供給される。

エンジン本体８から排出された排気ガスＧ２は、ターボチャージャ４のタービン９を回転駆動させた後に、排ガス処理装置１０および排気通路３を経て大気中へ放出される。

排ガス処理装置１０を通過した排気ガスＧ２の一部Ｇ３は、排ガス処理装置１０よりも下流側から分岐して設けられた通路１１へ分流する。排気ガスＧ３は、ＬＰ−ＥＧＲクーラー１２によって冷却された後、ＬＰ−ＥＧＲ通路１３内を流通し、吸気通路２におけるコンプレッサ６よりも上流側へ環流される。ＬＰ−ＥＧＲ通路１３は、本開示の排気再循環通路の一例である。

吸気通路２における、ＬＰ−ＥＧＲ通路１３との合流地点１４より下流側であって、ターボチャージャ４のコンプレッサ６より上流側には、排気ガスＧ３に含まれる水分（水蒸気）がＬＰ−ＥＧＲクーラー１２によって冷却されて発生した凝縮水を収集するための凝縮水収集装置１５が設けられている。

なお、本明細書において、凝縮水とは、排気ガスＧ３に含まれる水蒸気（気体）が凝縮したものであって、水（液体）および氷（固体）を含む。また、凝縮水として、ＬＰ−ＥＧＲクーラー１２の冷却によって発生する、水以外の液体成分あるいは固体成分が含まれてもよい。

図２は、凝縮水収集装置１５の形状について説明するための斜視図である。凝縮水収集装置１５の外部形状は、図２に示すように例えば円錐形（より正確には円錐台形）である。なお、図２における点線は、凝縮水収集装置１５の内部形状を示しており、これに示されるように、凝縮水収集装置１５の内部形状も外部形状とほぼ同様かつ少し小さい円錐形（円錐台形）である。凝縮水収集装置１５は、上流側、すなわち合流地点１４に近い側に比較的大きな流入口１５１を有し、下流側、すなわちコンプレッサ６に近い側に比較的小さな流出口１５２を有する。すなわち、凝縮水収集装置１５の円錐形における底面部位が流入口１５１に相当し、円錐形における頂点部位が流出口１５２に相当する。そして、これらの流入口１５１と流出口１５２との間を側壁１５３が接続している。

凝縮水収集装置１５は、このような形状により、上流側（合流地点１４に近い側）の流入口１５１から流入する吸気Ｇ１と排気ガスＧ３との混合気のうち、排気ガスＧ３に含まれる凝縮水を側壁１５３の内壁面１５４によって収集し、収集した凝縮水を流出口１５２から下流側（コンプレッサ６に近い側）へ流出させる。

図３は、凝縮水収集装置１５の内壁面１５４によって凝縮水が収集される様子を例示した概念図である。図３は、吸気通路２、コンプレッサ６、ＬＰ−ＥＧＲ通路１３、および凝縮水収集装置１５を含む断面図である。図３において、矢印は混合気に含まれる凝縮水の流れを例示したものである。図３に示すように、凝縮水は流入口１５１から凝縮水収集装置１５内に入ると、側壁１５３の内壁面１５４に沿って集められ、流出口１５２から流出する。ここで、凝縮水収集装置１５は、図３に示すように、凝縮水がコンプレッサ６の回転軸６２（後述）の軸線上を流れるように凝縮水を流出させる。

図３に示すように、コンプレッサ６は、羽根車６１と、回転軸６２と、固定部材６３とを有する。羽根車６１は図１に示すタービン９に与えられた駆動力によって回転するように構成されており、タービン９が排気ガスにより回転されると、羽根車６１も回転して吸気通路２から流入する混合気を加圧する。回転軸６２は、羽根車６１の回転軸であり、凝縮水収集装置１５の中心軸と一致するように設けられることが望ましい。固定部材６３は、羽根車６１を回転軸６２に対して固定する部材であり、例えばナットである。なお、図３では回転軸６２の先端部が露出しているが、例えば固定部材６３が回転軸６２の先端部を覆う形状の袋ナットであって、回転軸６２の先端部が露出しないように構成されてもよい。

このような構成により、凝縮水収集装置１５の出口である流出口１５２から流出した凝縮水は、コンプレッサ６の回転軸６２および／または固定部材６３に衝突するように流れる。

回転軸６２または固定部材６３への衝突により、凝縮水が有する運動エネルギーの大部分は失われる。このため、衝突後の凝縮水の大部分は、回転軸６２および固定部材６３の表面に沿って流れることになり、コンプレッサ６の羽根車６１への凝縮水の衝突がほぼ回避される。これにより、凝縮水の衝突によって羽根車６１が損傷する事態が好適に防止される。なお、回転軸６２または固定部材６３に凝縮水が衝突しても、回転軸６２または固定部材６３の機能に対する悪影響は想定されない。

凝縮水収集装置１５の流出口１５２から流れた凝縮水が羽根車６１ではなく回転軸６２または固定部材６３に衝突するように、流出口１５２の内径は、コンプレッサ６の回転軸６２と固定部材６３のうち大きい方の外径よりも小さいことが望ましい。また、凝縮水収集装置１５の流出口１５２と、コンプレッサ６の回転軸６２または固定部材６３との距離は、流出口１５２から流出した凝縮水が回転軸６２の軸線上から外れて（拡散して）コンプレッサ６の羽根車６１に衝突することがない程度に近いことが望ましい。

次に、凝縮水収集装置１５の流入口１５１について説明する。混合気に含まれる凝縮水が凝縮水収集装置１５を通過せずにコンプレッサ６まで到達する事態を回避するため、凝縮水収集装置１５への入口である流入口１５１の外径は、吸気通路２の内径とほぼ等しくなるように設計される。換言すれば、吸気通路２を通過する混合気は、全て凝縮水収集装置１５を通過するように構成される。

ここで、凝縮水収集装置１５は、混合気に含まれる凝縮水に関しては、上記したように側壁１５３の内壁面１５４によって収集し流出口１５２から流出させるが、残りの混合気（気体成分）に関しては、内壁面１５４による収集を行わずにそのまま通過させることが望ましい。これを実現するため、凝縮水収集装置１５は、側壁１５３に混合気の気体成分のみを通過させる気体通過部１５５を有する。図４Ａおよび図４Ｂは、凝縮水収集装置１５の気体通過部１５５について説明するための図である。

図４Ａは、凝縮水収集装置１５の側壁１５３にスリット形状の気体通過部１５５を設けた例を示す図である。また、図４Ｂは、凝縮水収集装置１５の壁面に穴状の気体通過部１５５を設けた例を示す図である。気体通過部１５５の幅（スリット形状の場合）または直径（円形の穴状の場合）については、本開示では特に限定しないが、混合気のうち気体成分が十分に通過するだけの幅または大きさであることが望ましい。

気体通過部１５５は、上記したように、凝縮水収集装置１５に流入する混合気のうち、気体成分のみを通過させ、凝縮水を通過させないことが望ましい。このため、気体通過部１５５には例えば液体および固体を通過させず気体のみ通過させるようなフィルタ等を設けてもよい。

＜作用・効果＞
以上説明したように、本開示の実施の形態に係る凝縮水収集装置１５は、エンジン本体８から排出された排気ガスの少なくとも一部を冷却し、空気と混合した混合気をエンジン本体８に供給するＬＰ−ＥＧＲ装置５（排気再循環装置）と、羽根車６１の回転によって混合気を加圧するコンプレッサ６を有するターボチャージャ４と、を備えたエンジン１に用いられ、冷却された排気ガスに含まれる凝縮水を収集し、収集した凝縮水が羽根車６１の回転軸６２の軸線上を流れるように凝縮水を流出させる。

また、本開示の実施の形態に係る凝縮水収集装置１５は、ＬＰ−ＥＧＲ装置５のＬＰ−ＥＧＲ通路１３（再循環通路）と、空気をエンジン本体８に供給する吸気通路２と、の合流地点１４より下流側であって、コンプレッサ６より上流側に設けられる。

また、本開示の実施の形態に係る凝縮水収集装置１５において、流出した凝縮水は、コンプレッサ６の回転軸６２、および／または羽根車６１を回転軸６２に固定する固定部材６３に衝突する。

また、本開示の実施の形態に係る凝縮水収集装置１５は、混合気が流入する流入口１５１と、流入した混合気に含まれる凝縮水を収集する内壁面１５４と、収集した凝縮水を羽根車６１の回転軸６２の軸線上を流れるように流出させる流出口１５２と、を有する。

また、本開示の実施の形態に係る凝縮水収集装置１５において、流入口１５１の外径は、吸気通路２の内径とほぼ等しい。

また、本開示の実施の形態に係る凝縮水収集装置１５において、流出口１５２の内径は、回転軸６２の外径と固定部材６３の外径とのうちの大きい方よりも小さい。

このような構成により、簡便な構成である凝縮水収集装置１５によって、排気ガスに含まれる凝縮水が漏れなく収集される。収集された凝縮水は、コンプレッサ６の回転軸６２、および／または羽根車６１を回転軸６２に固定する固定部材６３に衝突するため、凝縮水が羽根車６１に衝突して羽根車６１が損傷する事態を簡便な構成により回避することができる。

また、本開示の実施の形態に係る凝縮水収集装置１５は、流入口１５１と流出口１５２とを接続する側壁１５３をさらに有し、側壁１５３には、凝縮水を通過させず、排気ガスまたは混合気を凝縮水収集装置１５の外部に通過させる気体通過部１５５が設けられる。

このような構成により、凝縮水を除去した排気ガスと空気との混合気をコンプレッサ６に供給することができる。

＜変型例１＞
以下では、上記説明した実施の形態の変型例１について説明する。本変型例１では、凝縮水収集装置を設置する位置が上記実施の形態とは異なっている。

図５は、変型例１を適用した場合のエンジン１の全体構成を例示した図である。本変型例１では、図５に示すように、ＬＰ−ＥＧＲ通路１３が途中でほぼ直角に曲がった屈曲部１３１を有する場合に、凝縮水収集装置１５は、ＬＰ−ＥＧＲ通路１３における、ＬＰ−ＥＧＲ装置５のＬＰ−ＥＧＲクーラー１２より下流側であって、屈曲部１３１付近に設けられる。なお、凝縮水収集装置１５の形状および構成は、上記説明した実施の形態と同様である。すなわち、本変型例１においても、凝縮水収集装置１５は、上流側に直径が比較的大きい（ＬＰ−ＥＧＲ通路１３の内径とほぼ同じ）流入口１５１が、下流側に直径が比較的小さい流出口１５２が位置するように配置される。

このような位置に凝縮水収集装置１５を設けることにより、以下のような効果が得られる。図６は、変型例１に係る凝縮水収集装置１５によって凝縮水が収集される様子を例示した概念図である。図６に示すように、ＬＰ−ＥＧＲクーラー１２により冷却されて凝縮した凝縮水を含む排気ガスＧ３が凝縮水収集装置１５に流入すると、上記説明した実施の形態と同様に、凝縮水が凝縮水収集装置１５の内壁面に沿って集められ、流出口１５２から流出する。そして、流出口１５２から流出した凝縮水は、屈曲部１３１において流出口１５２と対向するＬＰ−ＥＧＲ通路１３の内壁面１３２に衝突する。ＬＰ−ＥＧＲ通路１３の内壁面１３２に衝突した凝縮水は、その運動エネルギーの大部分を失い、内壁面１３２に沿って流れ落ちる。

本変型例１においても、凝縮水収集装置１５には、上記実施の形態において図３に関連付けて説明したように、液体・固体を通過させず気体を通過させるための気体通過部１５５（図５および図６においては図示を省略）が設けられる。このため、排気ガスＧ３は凝縮水収集装置１５を通過し、屈曲部１３１の内壁面１３２に当たって下流側へと流れる。これにより、排気ガスＧ３が吸気Ｇ１と混合されてコンプレッサ６に流入する。ここで、凝縮水収集装置１５によって排気ガスＧ３に含まれる凝縮水が収集されるので、凝縮水収集装置１５より下流の排気ガスＧ３に含まれる凝縮水が低減されている。これにより、コンプレッサ６の羽根車６１に凝縮水が衝突する事態を回避することができる。なお、ＬＰ−ＥＧＲ通路１３の内壁面１３２に凝縮水が衝突することによる内壁面１３２への悪影響は想定されないが、凝縮水の衝突が予想される内壁面１３２に予め補強材（図示せず）等を設けていてもよい。

凝縮水収集装置１５の流出口１５２から内壁面１３２までの距離は、流出口１５２から流出するように凝縮水収集装置１５によって集められた凝縮水が、再度排気ガスＧ３の流れに乗って拡散してしまう前に内壁面１３２に衝突することが望ましいという観点から、できるだけ小さいことが望ましい。

＜変型例２＞
図７は、変型例２における、エンジン１の全体構成を例示した図である。

図７に示すように、ＬＰ−ＥＧＲ通路１３における、吸気通路２との合流地点１４付近に凝縮水収集装置１５を設けた場合、以下のような効果が得られる。本変型例２においても、ＬＰ−ＥＧＲ通路１３を流れる排気ガスＧ３に含まれる凝縮水は、上記実施の形態および変型例１と同様に、凝縮水収集装置１５によって収集され、流出口１５２から流出する。図７に示すように、流出口１５２が合流地点１４における吸気通路２の内壁面１４１に近接して設けられることで、流出口１５２から流出した凝縮水が内壁面１４１に衝突して運動エネルギーを失い、流れ落ちる。

本変型例２においても、凝縮水収集装置１５には、上記実施の形態において図３に関連付けて説明したように、液体・固体を通過させず気体を通過させるための気体通過部１５５（図７においては図示を省略）が設けられる。このため、排気ガスＧ３は凝縮水収集装置１５を通過し、合流地点１４において吸気通路２を流れる吸気Ｇ１と合流して混合気となり、コンプレッサ６に流入する。ここで、凝縮水収集装置１５によって排気ガスＧ３に含まれる凝縮水が収集されているので、凝縮水収集装置１５より下流の排気ガスＧ３に含まれる凝縮水が低減されている。これにより、コンプレッサ６の羽根車６１に凝縮水が衝突する事態を回避することができる。なお、吸気通路２の合流地点１４における内壁面１４１に凝縮水が衝突することによる内壁面１４１への悪影響は想定されないが、凝縮水の衝突が予想される内壁面１４１に予め補強材（図示せず）等を設けていてもよい。

このように、変型例１および変型例２にて説明した凝縮水収集装置１５によれば、簡便な構成により、凝縮水がコンプレッサ６の羽根車６１に衝突して羽根車６１が損傷する事態を回避することができる。

以上、図面を参照しながら各種の実施形態について説明したが、本開示はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。また、開示の趣旨を逸脱しない範囲において、上記実施の形態における各構成要素は任意に組み合わせてられてもよい。

上記実施の形態において、凝縮水収集装置１５の形状はほぼ円錐形（円錐台形）であるとしたが、本開示はこれに限定されない。凝縮水収集装置１５は、流出口１５２と、流出口１５２と比較して直径が大きい流入口１５１と、を接続する連続した内壁面１５４を有する構成であればその形状は円錐形には限定されず、例えば漏斗形状等であってもよい。

本開示は、排気ガスに含まれる凝縮水を収集する凝縮水収集装置に有用である。

１ エンジン
２ 吸気通路
３ 排気通路
４ ターボチャージャ
５ ＬＰ−ＥＧＲ装置
６ コンプレッサ
６１ 羽根車
６２ 回転軸
６３ 固定部材
７ インタークーラー
８ エンジン本体
９ タービン
１０ 排ガス処理装置
１１ 通路
１２ ＬＰ−ＥＧＲクーラー
１３ ＬＰ−ＥＧＲ通路
１３１ 屈曲部
１３２ 内壁面
１４ 合流地点
１４１ 内壁面
１５ 凝縮水収集装置
１５１ 流入口
１５２ 流出口
１５３ 側壁
１５４ 内壁面
１５５ 気体通過部

Claims (12)

1. エンジン本体から排出された排気ガスの少なくとも一部を冷却し、空気と混合した混合気を前記エンジン本体に供給する排気再循環装置と、羽根車の回転によって前記混合気を加圧するコンプレッサを有するターボチャージャと、を備える内燃機関に用いられ、
   前記混合気に含まれる凝縮水を収集し、前記収集した凝縮水が前記羽根車の回転軸の軸線上を流れるように前記凝縮水を流出させる、
   凝縮水収集装置。
2. 前記混合気が流入する流入口と、
   流入した前記混合気に含まれる凝縮水を収集する内壁面と、
   収集した前記凝縮水を前記羽根車の回転軸の軸線上を流れるように流出させる流出口と、
   を有する、請求項１に記載の凝縮水収集装置。
3. 前記空気を前記エンジン本体に供給する吸気通路における、前記排気再循環装置の再循環通路との合流地点より下流側であって、前記コンプレッサより上流側に設けられる、
   請求項２に記載の凝縮水収集装置。
4. 前記流入口の外径は、前記吸気通路の内径とほぼ等しい、
   請求項３に記載の凝縮水収集装置。
5. 前記凝縮水収集装置から流出した前記凝縮水は、前記羽根車の回転軸、および／または前記羽根車を前記回転軸に固定する固定部材に衝突する、
   請求項２に記載の凝縮水収集装置。
6. 前記流出口の内径は、前記回転軸の外径と前記固定部材の外径とのうちの大きい方よりも小さい、
   請求項５に記載の凝縮水収集装置。
7. 前記凝縮水収集装置は、ほぼ円錐形に形成され、
   前記流入口は前記円錐の底面に相当する部位に設けられ、
   前記流出口は前記円錐の頂点に相当する部位に設けられる、
   請求項２に記載の凝縮水収集装置。
8. 前記流入口と前記流出口とを接続する側壁をさらに有し、
   前記側壁には、前記凝縮水を通過させず、前記排気ガスまたは混合気を前記凝縮水収集装置の外部に通過させる気体通過部が設けられる、
   請求項２に記載の凝縮水収集装置。
9. 前記気体通過部は、穴またはスリット状に形成される、
   請求項８に記載の凝縮水収集装置。
10. エンジン本体から排出された排気ガスの少なくとも一部を冷却し、空気と混合した混合気を前記エンジン本体に供給する排気再循環装置と、羽根車の回転によって前記混合気を加圧するコンプレッサを有するターボチャージャと、を備えた内燃機関において、前記冷却された排気ガスに含まれる凝縮水を収集する凝縮水収集装置であって、
    前記排気再循環装置の再循環通路における、前記排気ガスを冷却する冷却装置より下流側であって、前記空気を前記エンジン本体に供給する吸気通路との合流地点より上流側に設けられる、
    凝縮水収集装置。
11. 前記収集された凝縮水は、前記再循環通路の内壁面、または前記合流地点における前記吸気通路の内壁面に衝突する、
    請求項１０に記載の凝縮水収集装置。
12. 請求項１から１１のいずれか一項に記載の凝縮水収集装置を備えた、
    車両。

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