JP4349166B2 - Ｅｇｒ装置付エンジンの吸気通路 - Google Patents

Description

本発明は、主にエンジンの排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を除去するため排気ガスを吸気通路に再循環するエンジン、つまりＥＧＲ装置付エンジンにおいて、排気ガス（ＥＧＲガス）と空気（新気）とを混合してシリンダに供給する吸気通路に関するものである。

車両用エンジン、特にディーゼルエンジンに対する、特にディーゼルエンジン排気ガスの規制は、近年、逐次強化されるとともに、将来もより厳しい規制の実施が予定されている。ディーゼルエンジンは、シリンダ内に供給された空気を圧縮した後に燃料を噴射して燃焼させるエンジンであり、ガソリンエンジンと比べると一般的に熱効率が高いので、ＣＯ_２の排出量はその分少なくなるという優れた特性を有しているものの、パティキュレート（、ＰＭ）及びＮＯｘについては、その低減が強く要請されている。

ＮＯｘを低減させる技術としては、エンジンの排気ガスを吸気通路に再循環してシリンダ内の燃焼を制御する技術、つまりＥＧＲ技術がよく知られており、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジンを問わず、車両用エンジンでは広く採用されている。また、最近ディーゼルエンジンでは、ディーゼル予混合燃焼方式（ＨＣＣＩ＜Ｈｏｍｏｇｅｎｉｏｕｓ Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ＞）と呼ばれる燃焼方法が注目され開発が進められているが、この燃焼方式でもＥＧＲ技術が利用される。ＨＣＣＩは、ディーゼルエンジンのシリンダ内に早めに燃料を噴射し、空気と予め混合した状態で圧縮を行い、圧縮着火した後には急速に燃焼を完了させる燃焼方式であって、ＰＭ等未燃焼成分の生成防止や熱効率の向上の点における効果は大きい。ただし、着火時期の制御が困難な面があり、過早着火を防ぐためにシリンダ内に排気ガスを再循環してその量を制御する。ＨＣＣＩにおけるＥＧＲ技術は、ＮＯｘの低減に止まらず、着火時期の制御の目的をも併せ持つものである。

ＥＧＲによるＮＯｘ低減の効果は、シリンダに供給される空気の酸素濃度の低下による燃焼反応の抑制、さらにはＥＧＲガス中の比熱の大きいＣＯ_２による燃焼最高温度の低減に基づくものである。そして、この効果をさらに高めるべく、ＥＧＲガスを冷却して吸気通路に再循環する、いわゆるクールＥＧＲ方式が注目され、燃焼制御によるＮＯｘ等有害排気成分低減の必須技術とも目されている。このクールＥＧＲ方式によると、再循環するＥＧＲガスの温度低下に伴いその体積が減少してシリンダ内へ大量のＥＧＲを行うことができると同時に、冷却されたＥＧＲガスによって、より一層の燃焼最高温度の低減効果も期待できる。

クールＥＧＲを実施するディーゼルエンジンについて、概要を図４に示す。ディーゼルエンジン１は、吸気通路２と排気通路３とを備え、さらに、吸気通路２に設置されたコンプレッサ及び排気通路に設置されたコンプレッサ駆動タービンからなるターボチャージャ４を備えている。ターボチャージャ４のコンプレッサにより圧縮された空気は、インタークーラー５を通過し、ここで冷却水により冷却され温度が低下した状態で、エンジン本体６のシリンダ内に供給される。シリンダから排出された排気ガスは、排気通路３に設置されたコンプレッサ駆動タービンを経て、排気出口から排気される。

エンジンの排気ガスを吸気通路に還流するため、排気通路３から分岐し排気通路３と吸気通路２とを連結するＥＧＲ通路７が設けられる。ＥＧＲ通路７の途中には、ＥＧＲクーラー８及びＥＧＲバルブ９が配置されており、還流するＥＧＲガスは、ＥＧＲクーラー８によって冷却されるとともに、適正量のＥＧＲガスをシリンダ内に供給される空気と混合して還流させるよう、ＥＧＲバルブ９によってその流量が制御される。ＥＧＲガスは吸気通路２に設けられたＥＧＲガス入口１０から吸気通路２に入り、シリンダ内に供給される空気と混合する。ＥＧＲガス入口１０はインタークーラー５の上流に設けられる場合もある。

ところで、ＥＧＲガスはシリンダ内で水素を含有する燃料を燃焼させた排気ガスであって、多量の水分を含んでいる。ＥＧＲクーラー５によってＥＧＲガスの温度を低下させると、その水分が凝縮して液体の水となり、吸気通路２に還流される。吸気通路２においては、インタークーラー５により冷却された供給空気と混合するため、ＥＧＲガスの温度はさらに低下し、液体の水の量が増加する。また、空気中にももともと一定量の水蒸気が存在するから、インタークーラー５で冷却を行うとその水分も凝縮し、吸気通路２中の水の量は一段と増大することとなる。

吸気通路２で凝縮した水は、吸気管や吸気マニフォールドに付着し蓄積されるが、この水がシリンダ内に流れ込むと、失火あるいは不安定な燃焼を引き起こすとともに、吸気管、シリンダ等を腐食させる原因ともなる。なお、ＥＧＲガスの積極的な冷却を実施しない、つまりクールＥＧＲ方式ではない場合であっても、高温のＥＧＲガスが吸気通路において空気と混合し温度が低下することに変わりはないので、やはり、水分の凝縮による水の発生という現象は生じてしまう。

凝縮した水に起因する上記の問題を解消するため、エンジンの吸気通路などに気水分離器を設置し、凝縮水を分離し排出する技術は公知である。例えば、特開２０００−２４９００７号公報には、ターボ過給を行う大型の２サイクルディーゼルエンジンにおいて、インタークーラーの下流の空気通路を多数の半円形状の通路に分割し、遠心力の差を利用して凝縮水を収集する技術が記載されている。ＥＧＲガス中の凝縮水を捕集する技術としては、ＥＧＲクーラーの上流又は下流のコーナー部に、慣性力を利用して凝縮水や煤を捕捉するトラップを設けるものが、特開２００３−９７３６１号公報に示されている。
特開２０００−２４９００７号公報 特開２００３−９７３６１号公報

高温のＥＧＲガスは吸気通路においてエンジンの燃焼用の空気と混合される。空気の温度は、過給を行わない自然吸気エンジンでは通常の大気温度であり、過給を行うエンジンでも排気ガスであるＥＧＲガスの温度よりは相当低いから、空気との混合でＥＧＲガスは冷却されることとなり、また、低温の吸気通路の壁面との接触によっても温度が低下する。したがって、ＥＧＲクーラーがない場合であっても、例えば大気圧の条件下でその温度が１００℃以下となると水分の凝縮が生じるので、それにより発生した水を排出する必要がある。

そして、車両用のエンジンは、これを搭載するスペースが限られており、付属する部品を含め、極力コンパクト化及び軽量化することが望ましい。吸気通路内で発生した水を除去する際も、大型の気水分離器を用いることは困難であり、なるべく簡易な構成で水の分離及び排出を行わなければならない。

上記の課題に鑑み、本発明は、ＥＧＲガスと低温の空気との混合あるいはＥＧＲガスの吸気通路の壁面との接触に伴い発生した凝縮水を分離して排出し、シリンダ内に凝縮水が流れ込まないようにすることを目的とし、さらに、このような凝縮水の分離を簡単な装置で達成させるものである。すなわち、本発明は、
「排気ガスを再循環するＥＧＲ装置を備え、再循環するＥＧＲガスを空気と混合してエンジンのシリンダ内に供給するため、吸気通路にＥＧＲガス入口を有するエンジンにおいて、
前記吸気通路には、前記ＥＧＲガス入口の下流に、円弧状に曲げられた円弧形状部が形成され、かつ、
前記円弧形状部の最下部を含む所定の範囲には、円弧状に曲げられた前記吸気通路の外側の壁面に、前記円弧形状部の円周方向に沿って連続して開けられたスリットと、それに連なる凝縮水の捕集室とを有する水分分離部が設けられており、
前記円弧形状部の最下部の前記吸気通路には、前記捕集室に対して庇状となった管壁が設けられ、前記スリットが、庇状となった前記管壁に連なるように設けられている」
ことを特徴とするＥＧＲ装置を備えたエンジンの吸気通路となっている。

請求項２に記載のように、前記水分分離部のスリット及び捕集室は、前記円弧形状部の最下部から立ち上がり部にかけてほぼ９０度にわたって設けられていることが好ましい。

凝縮水の蓄積と外部への排出のため、請求項３に記載のように、前記捕集室の最下部に連結する凝縮水のドレン管には、入口側と出口側に弁を有するドレンタンクを設置することができる。

そして、本発明は、請求項４あるいは請求項５に記載のように、再循環するＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラーを有するエンジンの吸気通路、及び／又はシリンダ内に供給する空気を冷却するインタークーラーを有するエンジンの吸気通路に対して、効果的に適用することができる。

上述のとおり、本発明では、吸気通路にＥＧＲガス入口を有し、再循環するＥＧＲガスを空気と混合してエンジンのシリンダ内に供給するエンジンにおいて、ＥＧＲガス入口の下流の吸気通路に、円弧状に曲げられた円弧形状部を形成する。ＥＧＲガスは空気と混合して温度が低下し凝縮水が発生するが、凝縮水の比重はガス体である空気やＥＧＲガスよりも大きいので、凝縮水は、円弧形状部では遠心力によって中心部から外側に飛ばされ、吸気通路の外側の壁面に付着し、その後下方に向かって流下する。円弧形状部の最下部には、その吸気通路の外側の壁面に、円弧形状部の円周方向に沿う連続したスリットが開けられており、流下した凝縮水はスリットを通過して捕集室に入り、ここで捕捉される。本発明においては、円弧形状部の最下部の吸気通路に、捕集室に対して庇状となった管壁が設けられているので、捕捉された凝縮水が吸気通路に戻ることが防止される。また、円弧形状部の円周方向に沿って延びるスリットが、庇状となった管壁に連なるように連続して開けられているので、凝縮水を確実に捕集室に捕捉することができる。

このようにして、吸気通路内において発生したＥＧＲガスの凝縮水を分離し捕集するため、凝縮水がシリンダ内に流入することが防止され、燃焼不良等の悪影響を防ぐことができる。ちなみに、特許文献２に記載の技術は、吸気通路にＥＧＲガスが入る手前で凝縮水等を分離するものである。したがって、この技術では、ＥＧＲガスの吸気通路内での冷却により生じる凝縮水を分離することはできない。また、本発明は、円弧状に曲げられた円弧形状部にスリットと捕集室を設けて凝縮水を分離するものであるから、例えば特許文献１に記載の気水分離器と比べると、水分分離部の構成は比較的簡単であってスペースも少ないという利点がある。

壁面に付着した凝縮水は下方に流れるため、請求項２に記載のように、水分分離部のスリット及び捕集室を円弧形状部の最下部から立ち上がり部にかけてほぼ９０度にわたって設けたときは、凝縮水を良好に捕集室に捕捉することができる。

請求項３に記載のように、凝縮水のドレン管に、入口側と出口側に弁を有するドレンタンクを設置することができる。このときには、通常は入口側の弁を開、出口側の弁を閉としてドレンタンクに凝縮水を蓄積する。一定の水位となった時点では、入口側の弁を閉、出口側の弁を開として、ドレンタンク内の凝縮水を外部に排出するよう制御することができる。

再循環するＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラーを有するエンジン、あるいはシリンダ内に供給する空気を冷却するインタークーラーを有するエンジンにおいては、吸気通路に多量の凝縮水が発生する。そのため、請求項４あるいは請求項５に記載のように、このようなエンジンに本発明を適用した場合は、より一層大きな効果をもたらすこととなる。

以下、図面に基づいて、本発明によるＥＧＲ装置を備えたエンジンにおける吸気通路について説明する。図１は、本発明のエンジンの概略図であり、従来例（図４）のものと同一の部材には同一の番号が付してある。

本発明のエンジンであっても、吸気通路以外の構成は、基本的には従来例のエンジン及びＥＧＲ装置と変わりはない。すなわち、ディーゼルエンジン１は、吸気通路２、排気通路ターボチャージャ４を備えていて、ターボチャージャ４のコンプレッサにより圧縮された空気は、インタークーラー５を通過してエンジン本体６のシリンダ内に供給される。さらに、排気通路３から分岐して排気通路３と吸気通路２とを連結するＥＧＲ通路７が設けられ、ＥＧＲ通路７の途中には、ＥＧＲガスの冷却及び制御のため、ＥＧＲクーラー８とＥＧＲバルブ９が配置されている。

ＥＧＲガスは吸気通路２に設けられたＥＧＲガス入口１０から吸気通路２に入り、シリンダ内に供給されるインタークーラー５の下流の空気と混合する。ＥＧＲガス入口１０の下流部分において、吸気通路２は円弧状に曲げられた円弧形状部１１を形成しており、ここを通過して、空気とＥＧＲガスとの混合気はエンジン本体６のシリンダに導入される。この実施例においては、円弧形状部１１は螺旋状をなし、空気通路２が一周してシリンダに導かれるような形となっている。円弧形状部１１の下部は、水分分離部１２として構成され、その下方には、凝縮水を排出するドレン管が連結されるとともにドレン弁１３が配置されている。この実施例では、ＥＧＲガス入口１０はインタークーラー５の下流に設けられているが、その上流側に設けることもできる。

本発明の吸気通路２における円弧形状部１１の詳細を図２に示す。吸気通路２は、この部分では円形断面の吸気管となっており、図２にはその中心軸を含む長手方向に沿った縦断面とＡ−Ａ断面とを示してある。

吸気通路２は、円弧形状部１１で水平方向から下方に向かって円弧状に曲げられ、その最下部から上方への立ち上がり部分にかけて水分分離部１２が設けられる。水分分離部１２では、Ａ−Ａ断面から分かるように、円形の管壁の外側中央部に円周方向に沿ってスリット１２１が開けられており、さらにその外側に管壁が設けられ、中間には凝縮水の捕集室１２２が形成される。スリット１２１は、図２のＢの範囲で、円弧形状部１１の最下部から立ち上がり部のほぼ９０度にわたって連続して開けられ、両端は捕集室１２２に対して庇状となった管壁１２Ａ、１２Ｂに連なっている。つまり、捕集室１２２の両端には庇状の管壁１２Ａ、１２Ｂによりポケット部が形成され、また、その最下部には凝縮水排出用のドレン管１２３（図３）を接続するネジ穴１２４が設けられる。

ＥＧＲガス入口１０から吸気通路２内に入ったＥＧＲガスは、低温の空気と混合されながら円弧形状部１１に達する。その途中でＥＧＲガス中の水分が凝結し凝縮水が発生するが、凝縮水は液体であり空気よりもはるかに比重が大きいので、図２の破線Ｃのように、円弧形状部１１では遠心力によって外側の管壁に衝突しここに付着する。付着した凝縮水は管壁を伝って下方に流れ、水分分離部１２のスリット１２１から捕集室１２２に流入する。円弧形状部１１の最下部から立ち上がり部でも凝縮水はスリット１２１を介して捕集室１２２に集められる。捕集室１２２の両端は庇状の管壁１２Ａ、１２Ｂによりポケット部となっているから、集められた凝縮水が捕集室１２２から再び吸気通路に戻ることは防止される。

捕集室１２２内の凝縮水は、最下部のネジ穴１２４からドレン管１２３に排出される。図３に示されるように、ドレン管１２３には、ドレンタンク１４、そしてその入口側にドレン弁１３、出口側に排出弁１５が連結されている。ドレン弁１３と排出弁１５は電磁弁であって、通常はドレン弁１３が開放されるとともに排出弁１５が閉鎖され、捕集室１２２の凝縮水をドレンタンク１４に導き貯蔵する。ドレンタンク１４に一定量の凝縮水が蓄積されると、排出弁１５が開放されて凝縮水は外部に排出される。このときはドレン弁１３が閉鎖され吸気通路２内の空気の漏洩を防ぐ。また、排出弁１５から凝縮水を外部に排出する際には、車両や周囲環境などの汚染を防ぐため、処理装置を介して車両の下部から排出するようにするのが好ましい。処理装置としては、エンジンの排気管の周りに蒸発室を設けて凝縮水を導き、排気ガスの熱を利用し蒸発させて処理することもできる。

この実施例では、捕集室１２２内の凝縮水をドレン弁１３と排出弁１５とを組み合わせて外部に排出しているが、ドレン弁１３としていわゆるトラップ装置を用い、ドレンタンク１４や排出弁１５を使用することなく、凝縮水のみを排出することも可能である。こうしたトラップ装置としては、例えば実用新案登録第２６０３８９０号公報に開示されているように、フロートを利用して所定の水位となったときに自動的にドレンの排出を行うものなど、各種の装置が知られている。

以上詳説したとおり、本発明は、ＥＧＲガスの凝縮水を分離し捕集するため、ＥＧＲガス入口の下流の吸気通路に円弧状に曲げられた円弧形状部を形成し、その最下部の吸気通路外側の壁面にスリットと捕集室からなる水分分離部を設けるものである。場合によっては、このような円弧形状部及び水分分離部を吸気通路に複数個設置することもできる。また、本発明は、ＥＧＲクーラー又はインタークーラーを備えるエンジンに限らず、ＥＧＲガスを吸気通路に還流させるエンジン全てについて適用することができる。さらに、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジンを問わず適用可能であることも明らかであるが、ガソリンエンジンにおいては、吸気通路の燃料が供給される個所よりも上流の部分に、円弧形状部及び水分分離部を配置し、燃料の排出を防ぐことが好ましい。

本発明に基づくＥＧＲ装置付エンジンの全体図である。 本発明のエンジンの吸気通路を示す図である。 本発明のエンジンの凝縮水排出装置を示す図である。 従来のＥＧＲ装置付エンジンの全体図である。

符号の説明

１ ディーゼルエンジン
２ 吸気通路
３ 排気通路
６ エンジン本体
７ ＥＧＲ通路
８ ＥＧＲクーラー
９ ＥＧＲバルブ
１０ ＥＧＲ入口
１１ 円弧形状部
１２ 水分分離部
１３ ドレン弁
１４ ドレンタンク

Claims (5)

1. 排気ガスを再循環するＥＧＲ装置を備え、再循環するＥＧＲガスを空気と混合してエンジン（１）のシリンダ内に供給するため、吸気通路（２）にＥＧＲガス入口（１０）を有するエンジンにおいて、
   前記吸気通路（２）には、前記ＥＧＲガス入口（１０）の下流に、円弧状に曲げられた円弧形状部（１１）が形成され、かつ、
   前記円弧形状部（１１）の最下部を含む所定の範囲には、円弧状に曲げられた前記吸気通路（２）の外側の壁面に、前記円弧形状部（１１）の円周方向に沿って連続して開けられたスリット（１２１）と、それに連なる凝縮水の捕集室（１２２）とを有する水分分離部（１２）が設けられており、
   前記円弧形状部（１１）の最下部の前記吸気通路（２）には、前記捕集室（１２２）に対して庇状となった管壁が設けられ、前記スリット（１２１）が、庇状となった前記管壁に連なるように設けられていることを特徴とするＥＧＲ装置を備えたエンジンの吸気通路。
2. 前記水分分離部（１２）の前記スリット（１２１）及び前記捕集室（１２２）は、前記円弧形状部（１１）の最下部から立ち上がり部にかけてほぼ９０度にわたって設けられている請求項１記載のエンジンの吸気通路。
3. 前記捕集室（１２２）の最下部には、凝縮水を排出するドレン管が連結されるとともに、前記ドレン管には入口側と出口側に弁を有するドレンタンク（１４）が設置されている請求項１又は請求項２に記載のエンジンの吸気通路。
4. 前記エンジン（１）は、再循環するＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラー（８）を有する請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のエンジンの吸気通路。
5. 前記エンジン（１）は、シリンダ内に供給する空気を冷却するインタークーラー（５）を有する請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のエンジンの吸気通路。

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