JP2019138243A - Ｅｇｒシステムの凝縮水処理方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低圧ループのＥＧＲクーラで生じた凝縮水を適切に処理し得るようにして低圧ループの支障の無い併用を実現する。【解決手段】排気マニホールド８から排気ガス７の一部を抜き出してＥＧＲクーラ１４を介し吸気マニホールド６の入口付近に再循環する高圧ループ１０と、ターボチャージャ２のタービン２ｂより下流の排気通路から排気ガス７の一部を抜き出してＥＧＲクーラ１５を介し前記ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａより上流の吸気通路へ再循環する低圧ループ１１とをＥＧＲ系路として併用したＥＧＲシステムの凝縮水処理方法に関し、前記ＥＧＲクーラ１５で生じた凝縮水Ｗ’を前記ＥＧＲクーラ１４に導き且つ排気流れを利用したベンチュリ効果により前記凝縮水Ｗ’を排気流れに霧吹き状に混入せしめる。【選択図】図１

Description

本発明は、低圧ループと高圧ループをＥＧＲ系路として併用したＥＧＲシステムにおける前記低圧ループで生じた凝縮水を処理する方法及び装置に関するものである。

従来、自動車のエンジン等では、排気側から排気ガス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ガスでエンジン内での燃料の燃焼を抑制させ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、いわゆる排気ガス再循環（ＥＧＲ：Exhaust Gas Recirculation）が行われており、この種の排気ガス再循環を行う場合には、排気マニホールドから排気管に亘る排気通路の適宜位置と、吸気管から吸気マニホールドに亘る吸気通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ガスを再循環するようにしている。

一般的に、ターボチャージャを備えたエンジンでは、排気マニホールドから高温高圧の排気ガスを抜き出して吸気マニホールドの入口に再循環するＥＧＲ系路を高圧ループと称し、ターボチャージャのタービンより下流の排気管から低温低圧の排気ガスを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ＥＧＲ系路を低圧ループと称している。

そして、高圧ループ及び低圧ループの何れにおいても、ＥＧＲパイプの途中に水冷式のＥＧＲクーラを装備して排気ガスを水冷するようにしており、このように排気ガスを水冷して再循環すると、排気ガスの温度が下がり且つその容積が小さくなることでエンジンの出力を余り低下させずに燃焼温度を下げて効果的にＮＯxの発生を低減させることができる。

ただし、高圧ループの場合、吸気側が過給されていることから排気側との圧力差が少なくなりがちで高いＥＧＲ率を実現することが難しく、可変ノズル式のターボチャージャを採用して排気ガスの絞り込みを行い、これにより排気側の圧力を高めて吸気側との圧力差を確保する必要があったが、このようにターボチャージャの過給圧に打ち勝つほどの高い圧力まで排気側を昇圧してしまうと、エンジン側でのポンピングロスの増加により大幅な燃費の悪化（可変ノズル式のターボチャージャで排気ガスを絞り込んだ場合にはタービン効率の低下による燃費悪化も生じる）を招いてしまうので、ターボチャージャの過給圧の影響を受けずに排気ガスを再循環し得る低圧ループを併用することが既に提案されている（例えば下記の特許文献１等を参照）。

特開２００６−３３６５４７号公報

しかしながら、前述の如き低圧ループを併用するにあたっては、該低圧ループに導かれる排気ガスがターボチャージャのタービンを駆動することで熱エネルギーを失い、しかも、ターボチャージャのコンプレッサやインタークーラが煤で汚れないよう排気管の出口付近にあるパティキュレートフィルタを通されてから再循環されることで放熱量が増加してしまうため、高圧ループ側と比較して低圧ループ側を流れる排気ガスの温度が大幅に低下し、低圧ループのＥＧＲクーラで水冷される排気ガスから凝縮水が生じ易くなり、低圧ループのＥＧＲクーラで排気ガスの温度が露点以下に低下してしまうような運転状態で低圧ループの排気再循環を停止するといった措置が必要となって、せっかく低圧ループを併用しても十分な性能を発揮させることができないという課題があった。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、低圧ループのＥＧＲクーラで生じた凝縮水を適切に処理し得るようにして低圧ループの支障の無い併用を実現することを目的としている。

本発明は、排気マニホールドから排気ガスの一部を抜き出して第一のＥＧＲクーラを介し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、ターボチャージャのタービンより下流の排気通路から排気ガスの一部を抜き出して第二のＥＧＲクーラを介し前記ターボチャージャのコンプレッサより上流の吸気通路へ再循環する低圧ループとをＥＧＲ系路として併用したＥＧＲシステムの凝縮水処理方法であって、前記第二のＥＧＲクーラで生じた凝縮水を前記第一のＥＧＲクーラに導き且つ排気流れを利用したベンチュリ効果により前記凝縮水を排気流れに霧吹き状に混入せしめることを特徴とするものである。

而して、このようにすれば、低圧ループの第二のＥＧＲクーラで凝縮水が生じても、該凝縮水が高圧ループの第一のＥＧＲクーラに導かれ、ベンチュリ効果により霧吹き状に排気流れに混入されることになり、その混入された霧吹き状の凝縮水が高温の排気ガスの流れに晒されることで直ぐに気化して水蒸気となり、この水蒸気が排気ガスと共に吸気側へ再循環されて処理されるので、低圧ループのＥＧＲクーラで排気ガスの温度が露点以下に低下してしまうような運転状態で低圧ループの排気再循環を停止するといった措置が不要となり、低圧ループの支障の無い併用を実現することが可能となる。

この際、高圧ループによりエンジンに再循環される排気ガスは水蒸気の混入により熱容量が高くなり且つ霧吹き状の凝縮水が気化した時の潜熱で排気温度も低下するので、排気ガスの再循環による燃焼温度の抑制効果が強化されて従来より効果的なＮＯx低減が実現されることにもなる。

更に、本発明は、排気マニホールドから排気ガスの一部を抜き出して第一のＥＧＲクーラを介し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、ターボチャージャのタービンより下流の排気通路から排気ガスの一部を抜き出して第二のＥＧＲクーラを介し前記ターボチャージャのコンプレッサより上流の吸気通路へ再循環する低圧ループとをＥＧＲ系路として併用したＥＧＲシステムの凝縮水処理装置であって、前記第二のＥＧＲクーラで生じた凝縮水を流下させて貯留する凝縮水タンクを備え、前記第一のＥＧＲクーラの内部にサブチャンバを区画し、該サブチャンバに対し前記凝縮水タンクの凝縮水を給排し得るよう構成し、前記サブチャンバの熱交換部に排気流れを利用したベンチュリ効果により前記サブチャンバの凝縮水を吸い込んで排気流れに霧吹き状に混入せしめる吸水口を形成したことを特徴とするものでもある。

また、このようにした場合には、第一のＥＧＲクーラが、チューブと、該チューブを包囲するシェルとを備え、該シェルの内部に対し冷却水を給排し且つ前記チューブ内に排気ガスを通して該排気ガスと前記冷却水とを熱交換するように構成されている一方、前記シェルの内部における軸心方向の所定区間がサブチャンバとして区画され、前記各チューブの前記サブチャンバを通過する部位に吸水口が形成されていると良い。

上記した本発明のＥＧＲシステムの凝縮水処理方法及び装置によれば、低圧ループの第二のＥＧＲクーラで生じた凝縮水を高圧ループの第一のＥＧＲクーラに導き、ベンチュリ効果により霧吹き状に排気流れに混入させて処理することができるので、低圧ループの第二のＥＧＲクーラで排気ガスの温度が露点以下に低下してしまうような運転状態で低圧ループの排気再循環を停止するといった措置を不要とし、低圧ループの支障の無い併用を実現することができ、しかも、高圧ループによりエンジンに再循環される排気ガスの熱容量を水蒸気の混入により高め且つ凝縮水の気化時における潜熱で排気温度を低下させることもできるので、排気ガスの再循環による燃焼温度の抑制効果を強化して従来より効果的なＮＯx低減を実現することもできるという優れた効果を奏し得る。

本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。 図１の高圧ループのＥＧＲクーラの詳細を示す断面図である。 図２の吸水口の詳細を示す拡大図である。 図３の吸水口から吸い込まれる凝縮水の様子を示す模式図である。 本発明の変形例を示す拡大図である。

以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図１は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図１中における符号の１はターボチャージャ２を搭載したディーゼル機関のエンジンを示し、エアクリーナから導いた吸気３を吸気管４（吸気通路）を通し前記ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａへ送り、該コンプレッサ２ａで加圧された吸気３をインタークーラ５へと送って冷却し、該インタークーラ５から更に吸気マニホールド６へと吸気３を導いてエンジン１の各気筒に分配するようになっており、また、このエンジン１の各気筒から排出された排気ガス７を排気マニホールド８（排気通路）を介し前記ターボチャージャ２のタービン２ｂへ送り、該タービン２ｂを駆動した排気ガス７を排気管９（排気通路）を介し車外へ排出するようにしてある。

更に、排気マニホールド８と吸気マニホールド６の入口付近の吸気管４との間が高圧ループ１０（ＥＧＲ系路）により接続されており、該高圧ループ１０を介し排気マニホールド８から排気ガス７の一部を抜き出して前記吸気マニホールド６の入口付近の吸気管４（吸気系路）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９（排気通路）におけるパティキュレートフィルタＤの出口部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４（吸気通路）との間が低圧ループ１１（ＥＧＲ系路）により接続されており、該低圧ループ１１を介しターボチャージャ２のタービン２ｂより下流の排気管９から排気ガス７の一部を抜き出して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４（吸気通路）に再循環し得るようにしてある。

ここで、前記高圧ループ１０及び低圧ループ１１には、排気ガス７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１２，１３と、再循環される排気ガス７を冷却水Ｗとの熱交換により冷却するＥＧＲクーラ１４（第一のＥＧＲクーラ）とＥＧＲクーラ１５（第二のＥＧＲクーラ）とが夫々装備されている。

そして、前記低圧ループ１１のＥＧＲクーラ１５で生じた凝縮水Ｗ’が溜まる場所（通常は排気ガス７の水冷後の出口部分：後述する図２の低圧ループ１１における出側のボンネット２４を参照）から凝縮水Ｗ’を流下させて貯留する凝縮水タンク１６を備える一方、前記高圧ループ１０のＥＧＲクーラ１４の内部にサブチャンバ１７を区画し、該サブチャンバ１７に対し前記凝縮水タンク１６の凝縮水Ｗ’をポンプ１８により送り込んでベンチュリ効果により排気流れに霧吹き状に混入せしめるようにしている。

ここで、前記高圧ループ１０におけるＥＧＲクーラ１４の具体的な構造につき図２により詳述すると、図２中１９は円筒状に形成されたシェルを示し、該シェル１９の軸心方向両端には、シェル１９の端面を閉塞するようプレート２０が固着されていて、該各プレート２０には、多数のチューブ２１の両端が貫通状態で固着されており、これら多数のチューブ２１はシェル１９の内部を軸心方向に延びている。

更に、各プレート２０の反シェル１９側には、椀状に形成されたボンネット２４が前記各プレート２０の端面を被包するように固着され、一方のボンネット２４の中央には排気ガス入口２５が、他方のボンネット２４の中央には排気ガス出口２６が夫々設けられており、エンジン１の排気ガス７が排気ガス入口２５から一方のボンネット２４の内部に入り、多数のチューブ２１を通る間に後述の冷却水Ｗとの熱交換により冷却され、他方のボンネット２４の内部に排出されて排気ガス出口２６からエンジン１に再循環するようになっている。

そして、前記シェル１９の内部における軸心方向中央部の所定区間がサブチャンバ１７として仕切板２７により区画されており、前記シェル１９の内部における前記サブチャンバ１７を挟んだ残余の区間がメインチャンバ２８としてエンジン１の水冷系の冷却水Ｗを給排されるようになっている一方、前記サブチャンバ１７には前記凝縮水タンク１６から凝縮水Ｗ’が給排されるようになっている。

より具体的には、前段のメインチャンバ２８（図２中の左側のメインチャンバ２８）の底部に対し給水管２２を介してエンジン１の水冷系から供給された冷却水Ｗが連絡管２９を介して前段のメインチャンバ２８の頂部から後段のメインチャンバ２８（図２中の右側のメインチャンバ２８）の底部へと送り込まれ、更には、後段のメインチャンバ２８の頂部から排水管２３を介し抜き出されるようになっている。

また、前記サブチャンバ１７の底部に対しＥＧＲクーラ１４より低位に配置された凝縮水タンク１６からポンプ１８により汲み上げた凝縮水Ｗ’が給水管３０を介して送り込まれ、前記サブチャンバ１７の頂部から排水管３１を介して抜き出されるようになっている。

尚、この排水管３１には、前記サブチャンバ１７の底部から凝縮水Ｗ’を抜き出すドレン管３２がバルブ３３を介し接続されており、該バルブ３３がエンジン稼働時に通電により閉状態に維持され且つエンジン停止時に非通電により開状態となって凝縮水Ｗ’を凝縮水タンク１６へ流下させるようにしてある。

そして、前記各チューブ２１における前記サブチャンバ１７を通過する部位には、排気流れを利用したベンチュリ効果により前記各チューブ２１内に前記サブチャンバ１７の凝縮水Ｗ’を吸い込んで霧吹き状に混入せしめる微小な吸水口３４が形成されている。

本形態例における吸水口３４は、図３に拡大して示す如き微小な穴として各チューブ２１に形成されており、ベンチュリ効果によらない各チューブ２１内への浸水や、該各チューブ２１内からの排気ガス７のサブチャンバ１７への吹き出しが不用意に起こらないよう適切な開口面積を設定されている。

而して、このようにすれば、低圧ループ１１のＥＧＲクーラ１５で凝縮水Ｗ’が生じても、該凝縮水Ｗ’が凝縮水タンク１６に流下して貯留された後、該凝縮水タンク１６から高圧ループ１０のＥＧＲクーラ１４におけるサブチャンバ１７に給排され、図４に模式的に示す如く、ベンチュリ効果により霧吹き状に排気流れに混入されることになり、その混入された霧吹き状の凝縮水Ｗ’が高温の排気ガス７の流れに晒されることで直ぐに気化して水蒸気となり、この水蒸気が排気ガス７と共に吸気側へ再循環されて処理されるので、低圧ループ１１のＥＧＲクーラ１５で排気ガス７の温度が露点以下に低下してしまうような運転状態で低圧ループ１１の排気再循環を停止するといった措置が不要となり、低圧ループ１１の支障の無い併用を実現することが可能となる。

この際、高圧ループ１０によりエンジン１に再循環される排気ガス７は水蒸気の混入により熱容量が高くなり且つ霧吹き状の凝縮水Ｗ’が気化した時の潜熱で排気温度も低下するので、排気ガス７の再循環による燃焼温度の抑制効果が強化されて従来より効果的なＮＯx低減が実現されることにもなる。

従って、上記形態例によれば、低圧ループ１１のＥＧＲクーラ１５で生じた凝縮水Ｗ’を高圧ループ１０のＥＧＲクーラ１４に導き、ベンチュリ効果により霧吹き状に排気流れに混入させて処理することができるので、低圧ループ１１のＥＧＲクーラ１５で排気ガス７の温度が露点以下に低下してしまうような運転状態で低圧ループ１１の排気再循環を停止するといった措置を不要とし、低圧ループ１１の支障の無い併用を実現することができ、しかも、高圧ループ１０によりエンジン１に再循環される排気ガス７の熱容量を水蒸気の混入により高め且つ凝縮水Ｗ’の気化時における潜熱で排気温度を低下させることもできるので、排気ガス７の再循環による燃焼温度の抑制効果を強化して従来より効果的なＮＯx低減を実現することもできる。

図５は本発明の変形例を示すもので、ここに図示している例では、各チューブ２１をサブチャンバ１７を通過する部位にて切断し、その切断端面を近接配置することで微小なスリットとして吸水口３４を形成するようになっているが、このように微小なスリットで吸水口３４を形成した場合においても、排気流れを利用したベンチュリ効果により前記各チューブ２１内に前記サブチャンバ１７の凝縮水Ｗ’を吸い込んで霧吹き状に混入せしめることができ、前述した図１〜図４の形態例と同様の作用効果を奏することができる。

尚、本発明のＥＧＲシステムの凝縮水処理方法及び装置は、上述の形態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
６ 吸気マニホールド
７ 排気ガス
８ 排気マニホールド
９ 排気管
１０ 高圧ループ
１１ 低圧ループ
１４ ＥＧＲクーラ（第一のＥＧＲクーラ）
１５ ＥＧＲクーラ（第二のＥＧＲクーラ）
１６ 凝縮水タンク
１７ サブチャンバ
１９ シェル
２１ チューブ
３４ 吸水口
Ｗ 冷却水
Ｗ’ 凝縮水

Claims (3)

1. 排気マニホールドから排気ガスの一部を抜き出して第一のＥＧＲクーラを介し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、ターボチャージャのタービンより下流の排気通路から排気ガスの一部を抜き出して第二のＥＧＲクーラを介し前記ターボチャージャのコンプレッサより上流の吸気通路へ再循環する低圧ループとをＥＧＲ系路として併用したＥＧＲシステムの凝縮水処理方法であって、前記第二のＥＧＲクーラで生じた凝縮水を前記第一のＥＧＲクーラに導き且つ排気流れを利用したベンチュリ効果により前記凝縮水を排気流れに霧吹き状に混入せしめることを特徴とするＥＧＲシステムの凝縮水処理方法。
2. 排気マニホールドから排気ガスの一部を抜き出して第一のＥＧＲクーラを介し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、ターボチャージャのタービンより下流の排気通路から排気ガスの一部を抜き出して第二のＥＧＲクーラを介し前記ターボチャージャのコンプレッサより上流の吸気通路へ再循環する低圧ループとをＥＧＲ系路として併用したＥＧＲシステムの凝縮水処理装置であって、前記第二のＥＧＲクーラで生じた凝縮水を流下させて貯留する凝縮水タンクを備え、前記第一のＥＧＲクーラの内部にサブチャンバを区画し、該サブチャンバに対し前記凝縮水タンクの凝縮水を給排し得るよう構成し、前記サブチャンバの熱交換部に排気流れを利用したベンチュリ効果により前記サブチャンバの凝縮水を吸い込んで排気流れに霧吹き状に混入せしめる吸水口を形成したことを特徴とするＥＧＲシステムの凝縮水処理装置。
3. 第一のＥＧＲクーラが、チューブと、該チューブを包囲するシェルとを備え、該シェルの内部に対し冷却水を給排し且つ前記チューブ内に排気ガスを通して該排気ガスと前記冷却水とを熱交換するように構成されている一方、前記シェルの内部における軸心方向の所定区間がサブチャンバとして区画され、前記各チューブの前記サブチャンバを通過する部位に吸水口が形成されていることを特徴とする請求項２に記載のＥＧＲシステムの凝縮水処理装置。

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