JP6201740B2 - Drainage device for internal combustion engine - Google Patents
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本発明は車両の内燃機関に関し、詳しくは吸排気中から水分を排水する排水装置に関する。 The present invention relates to an internal combustion engine of a vehicle, and more particularly to a drainage device that drains moisture from intake and exhaust.
ディーゼルエンジンの排気ガス浄化方法として、NOxトラップ触媒を用いたものが知られている。NOxトラップ触媒は、排気中のNOxを酸化雰囲気中で捕捉し、捕捉したNOxを還元雰囲気中で放出してN2等に還元することでNOxの排出濃度を低減している。また、ディーゼルエンジン搭載車には、排気中の粒子状物質を除去するフィルタ装置が設けられており、NOxトラップ触媒はその耐熱性や配置スペースの観点から、一般的にフィルタ装置の下流側に配置されている。 As an exhaust gas purification method for a diesel engine, a method using a NOx trap catalyst is known. The NOx trap catalyst captures NOx in exhaust gas in an oxidizing atmosphere, releases the trapped NOx in a reducing atmosphere, and reduces it to N 2 or the like, thereby reducing the NOx emission concentration. In addition, diesel-equipped vehicles are equipped with a filter device that removes particulate matter in the exhaust, and the NOx trap catalyst is generally arranged downstream of the filter device from the viewpoint of heat resistance and arrangement space. Has been.
さらに、排気の一部を吸気側に戻すことで燃焼室の燃焼温度を下げ、排気中のNOxを低減させる排気再循環(EGR)方式が知られている。EGR方式には、過給機のタービン上流側排気通路からコンプレッサ下流側吸気通路に排気を戻す高圧EGR方式と、タービン下流側で酸化触媒及びフィルタ装置下流側の排気通路からコンプレッサ上流側吸気通路に排気を戻す低圧EGR方式とがある。低圧EGR装置及びインタークーラ等の冷却手段を備えた内燃機関では、排気を含む吸気が冷却手段を通過して冷却される際に結露して凝縮水が発生する。この凝縮水が吸気と共に吸気通路から燃焼室に送られると、ウォータハンマを引き起こしてしまう虞がある。 Furthermore, an exhaust gas recirculation (EGR) system is known in which part of the exhaust gas is returned to the intake side to lower the combustion temperature of the combustion chamber and reduce NOx in the exhaust gas. The EGR system includes a high-pressure EGR system for returning exhaust gas from the turbine upstream exhaust passage of the turbocharger to the compressor downstream intake passage, and an oxidation catalyst and filter device downstream exhaust passage downstream from the turbine to the compressor upstream intake passage. There is a low pressure EGR system that returns exhaust gas. In an internal combustion engine having a cooling means such as a low-pressure EGR device and an intercooler, condensation is generated by condensation when intake air including exhaust gas passes through the cooling means and is cooled. If this condensed water is sent together with the intake air from the intake passage to the combustion chamber, there is a risk of causing a water hammer.
上述の問題を解決すべく、インタークーラで発生した凝縮水を貯留する貯留タンクと、凝縮水を加熱して水蒸気とする加熱装置と、貯留タンクと触媒上流側の排気通路とに接続された水蒸気供給路とを有し、凝縮水を水蒸気に変えて触媒の上流側排気通路に供給する内燃機関が、例えば「特許文献1」に開示されている。 In order to solve the above-mentioned problems, a storage tank that stores condensed water generated in the intercooler, a heating device that heats the condensed water into steam, and water vapor that is connected to the storage tank and an exhaust passage on the upstream side of the catalyst An internal combustion engine having a supply path and supplying condensed water to steam upstream of the catalyst is disclosed in, for example, “Patent Document 1”.
上述の技術では、凝縮水が燃焼室に送られてウォータハンマを引き起こすことが防止されているが、凝縮水を過熱して水蒸気に変化させる加熱装置が必要となり、コストアップすると共にスペース確保等の問題が生じる。そこで、発生した凝縮水をNOxトラップ触媒の上流側に位置する排気管へ排出するための排水路を設けることが考えられる。しかしこの場合、排水路より排出された凝縮水がNOxトラップ触媒に流動し、凝縮水によって触媒が急冷されることにより熱応力により担体割れが生じ易くなり、排気ガスが悪化してしまうという問題点がある。
本発明は上述の問題点を解決し、排水路より排出された凝縮水がNOxトラップ触媒を急冷することなく、かつ排気管への凝縮水の排出を常時可能な内燃機関の排水装置の提供を目的とする。
In the above-described technique, it is prevented that the condensed water is sent to the combustion chamber and causes water hammer, but a heating device that superheats the condensed water and changes it to steam is necessary, which increases costs and secures space. Problems arise. Therefore, it is conceivable to provide a drainage channel for discharging the generated condensed water to an exhaust pipe located upstream of the NOx trap catalyst. However, in this case, the condensed water discharged from the drainage channel flows into the NOx trap catalyst, and the catalyst is rapidly cooled by the condensed water, so that the carrier is easily cracked due to thermal stress, and the exhaust gas is deteriorated. There is.
The present invention solves the above-described problems, and provides a drainage device for an internal combustion engine in which the condensed water discharged from the drainage channel does not rapidly cool the NOx trap catalyst and can always discharge the condensed water to the exhaust pipe. Objective.
請求項1記載の発明は、内燃機関の排気通路をなす排気管と、前記排気通路の外周壁を含み、前記排気管の外側に一体的に形成された部屋と、前記内燃機関の吸気通路に一端が、前記部屋に他端がそれぞれ接続されて前記吸気通路内の凝縮水を前記部屋に排出する排水路とを備え、前記部屋は排気方向の少なくとも2箇所において前記排気管と連通する連通口とを備えることを特徴とする。 According to a first aspect of the present invention, there is provided an exhaust pipe that forms an exhaust passage of an internal combustion engine, an outer peripheral wall of the exhaust passage, a chamber that is integrally formed outside the exhaust pipe , and an intake passage of the internal combustion engine. One end is connected to the room and the other end is connected to a drainage channel for discharging condensed water in the intake passage to the room, and the room communicates with the exhaust pipe in at least two places in the exhaust direction. It is characterized by providing.
請求項2記載の発明は、請求項1記載の内燃機関の排水装置において、さらに前記排気方向下流側に設けられた前記連通口は前記排気方向上流側に設けられた前記連通口よりも重力方向上側に配置されていることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the drainage device for an internal combustion engine according to the first aspect, the communication port provided further on the downstream side in the exhaust direction is in the direction of gravity than the communication port provided on the upstream side in the exhaust direction. It is arranged on the upper side.
請求項3記載の発明は、請求項1または2記載の内燃機関の排水装置において、さらに前記排水路の他端の開口部は前記排気管と対向すると共に、重力方向において前記排気方向上流側の連通口と前記排気方向下流側の連通口との間に設けられることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the drainage device for an internal combustion engine according to the first or second aspect, the opening at the other end of the drainage channel faces the exhaust pipe and is located upstream of the exhaust direction in the direction of gravity. It is provided between the communication port and the communication port downstream in the exhaust direction.
請求項4記載の発明は、請求項1から3までの何れか一項記載の内燃機関の排水装置において、さらに前記内燃機関は前記排気通路に排気後処理手段を備え、前記部屋は前記排気後処理手段の上流側の前記排気管に設けられることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the drainage device for an internal combustion engine according to any one of the first to third aspects, the internal combustion engine further includes an exhaust aftertreatment means in the exhaust passage, and the chamber is disposed after the exhaust. It is provided in the exhaust pipe on the upstream side of the processing means.
請求項5記載の発明は、請求項1から4までの何れか一項記載の内燃機関の排水装置において、さらに前記部屋の内壁面にはフィンが設けられていることを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the drainage device for an internal combustion engine according to any one of the first to fourth aspects, a fin is provided on the inner wall surface of the room.
本発明によれば、吸気管内で結露した凝縮水が排水路を通じて排気通路に設けられた部屋に排出され、前記部屋に貯留された凝縮水が部屋内に導入された高温の排気及び部屋を構成する排気管の外壁の熱によって気化が促進され、凝縮水が気化または飛散して微粒子化した状態で排気通路内に排出されるので、内燃機関の燃焼室を通過することなく凝縮水を車外に排出することができる。 According to the present invention, the condensed water condensed in the intake pipe is discharged to the room provided in the exhaust passage through the drainage channel, and the high-temperature exhaust gas and the room in which the condensed water stored in the room is introduced into the room are configured. Vaporization is accelerated by the heat of the outer wall of the exhaust pipe, and the condensed water is vaporized or scattered and discharged into the exhaust passage in the form of fine particles, so that the condensed water can be taken out of the vehicle without passing through the combustion chamber of the internal combustion engine. Can be discharged.
本発明の一実施形態を示す図1において、内燃機関である車載用ディーゼルエンジン(以下エンジンという)1のシリンダブロック2の上部にはシリンダヘッド3が設けられており、シリンダヘッド3の吸気側には吸気通路を構成する吸気管4が、排気側には排気通路を構成する排気管5がそれぞれ接続されている。またシリンダヘッド3には、コモンレール13を介して燃料噴射ポンプ14が接続されている。さらにシリンダヘッド3には、一端をエアフィルタ6よりも下流側の吸気管4に接続されたブローバイガスを排出するブローバイガス通路21の他端が接続されている。
In FIG. 1 showing an embodiment of the present invention, a cylinder head 3 is provided on an upper portion of a
吸気管4には、吸気の上流側からエアフィルタ6、低圧スロットル弁7、低圧EGRバルブ8、過給機であるターボチャージャ9の図示しないコンプレッサ、インタークーラ10、高圧スロットル弁11、高圧EGRバルブ12等が設けられている。
The intake pipe 4 includes an air filter 6, a low-pressure throttle valve 7, a low-pressure EGR valve 8, a turbocharger 9 (not shown), an
排気管5には、シリンダブロック2側からターボチャージャ9の図示しないタービン、酸化触媒15及び排気フィルタとしてのフィルタ装置16が設けられている。酸化触媒15は、例えば白金のような貴金属触媒を担持しており、排気中のNOをNO2に転換する作用と、排気中のHCやCO等の有害成分を酸化させる作用とを有している。NO2はNOよりも酸化作用が強く、NO2によってフィルタ装置16に捕獲された粒子状物質の酸化反応が促進され、また後述するNOxトラップ触媒で還元される。フィルタ装置16は排気中の粒子状物質を捕獲するフィルタ装置であり、捕獲された粒子状物質はNO2の強力な酸化作用で燃焼除去される。
The exhaust pipe 5 is provided with a turbine (not shown) of the
フィルタ装置16の下流側には、排気中の酸素濃度量を検知する酸素濃度センサ(LAFS)17が設けられており、その下流側に触媒であるNOxトラップ触媒18を内蔵した排気後処理手段としての触媒コンバータ19が、さらにその下流側に酸素濃度センサ20が設けられている。NOxトラップ触媒18は、酸化雰囲気においてNOxを捕捉し、捕捉したNOxを例えばHCやCO等を含む還元雰囲気中で放出してN2等に還元する浄化装置である。つまり、酸化触媒15で生成されたNO2及び酸化触媒15で酸化されずに排気ガス中に残存するNOを捕捉し、N2等に還元して放出する。
An oxygen concentration sensor (LAFS) 17 for detecting the amount of oxygen concentration in the exhaust gas is provided on the downstream side of the
高圧EGRバルブ12の下方には、高圧EGR管23と高圧EGRクーラ24とを有する高圧EGR装置22が配設されている。高圧EGR管23は、その一端を高圧スロットル弁11とシリンダヘッド3との間の吸気管4に、その他端をシリンダヘッド3とターボチャージャ9のタービンとの間の排気管5にそれぞれ接続されており、その途中には高圧EGRクーラ24が設けられている。高圧EGR管23の一端は、高圧EGRバルブ12によって開閉される。
A high
低圧EGRバルブ8の下方には、低圧EGR管26と低圧EGRクーラ27とを有する排気再循環装置としての低圧EGR装置25が配設されている。低圧EGR管26は、その一端を低圧スロットル弁7とターボチャージャ9のコンプレッサとの間の吸気管4に、その他端をフィルタ装置16とNOxトラップ触媒18との間の排気管5にそれぞれ接続されており、その途中には低圧EGRクーラ27が設けられている。低圧EGR管26の一端は、低圧EGRバルブ8によって開閉される。
Below the low pressure EGR valve 8, a low
次に、吸気管4内に生じた凝縮水を、排水路を形成する排水管28を介して排気管5内に流出させる、本発明の一実施形態に用いられる内燃機関の排水装置31を説明する。ここで、インタークーラ10と高圧スロットル弁11との間の吸気管4には排水管28の一端が接続されており、排水管28の他端はNOxトラップ触媒18の排気上流側近傍位置に接続されている。排水管28の途中には開閉弁29が配設されており、開閉弁29はこれに接続された制御手段によってその開閉動作を制御される。制御手段30は、図示しないCPU、ROM、RAM等を有する周知のマイクロコンピュータによって構成されており、各種センサからの検知信号に基づいて、各スロットル弁7,11、各EGR用バルブ8,12及び開閉弁29の動作を制御する。
Next, a
制御手段30は、排水管28内に貯留された凝縮水の量が一定量に達したり、エンジン1の運転時間や車両の走行距離が一定値に達したりした場合に開閉弁29を開弁し、触媒コンバータ19を介して排水管28内の凝縮水を車外に排出する機能を有している。また制御手段30は、排水管28から凝縮水が抜けて酸素濃度センサ20が排水管28を介して漏出する吸気ガス内の酸素濃度を検出して、これがリーン側の所定値に達すると排水管28から凝縮水が完全に抜けたと判断して、開閉弁29を閉弁させる機能を有している。この制御手段30の制御により、排水管28からの凝縮水排出完了後に吸気ガスが排水管28から排出されることによる、エンジン1のトルク低下や出力低下の発生が防止されている。
The control means 30 opens the on-off
図1に示すように、排気管5の上流側排気管501の後端にNOxトラップ触媒18を有する触媒コンバータ19が接続される。触媒コンバータ19は排気通路の拡径部を有する容器本体を備え、容器本体はNOxトラップ触媒18を収容する主部191、主部191に連続形成された排気通路前側の拡径部である拡径前部192、排気通路後側の拡径後部193を有する。拡径前部192は排気通路下流側に向けて排気通路径を徐々に拡大するコーン形状の傾斜部をなし、その前端が上流側排気管501に接続される。拡径後部193は排気通路下流側に向けて排気通路径を徐々に縮小するコーン形状の傾斜部をなし、その後端が下流側排気管502に接続される。
As shown in FIG. 1, a catalytic converter 19 having a
図2に示すように、上流側排気管501の後端近傍外側の部位には、凝縮水を貯留する部屋32が設けられている。部屋32にはボス32aが設けられており、ここには排水管28の他端が上流側排気管501と対向するように接続されている。部屋32は、図3に示すようにその底部に凝縮水が溜まるように形成されており、上流側排気管501の部屋32と対向する底部及び側部には、部屋32と排気管5とを連通させる連通口33,34が形成されている。連通口33よりも排気方向下流側に形成された連通口34は、連通口33よりも重力g方向上側に設けられている。連通口33よりも排気方向上流側の位置には通気口35が設けられてもよい。なお、部屋32の排水管28接続位置の内側にはフィン36が設けられている。
As shown in FIG. 2, a
次に、内燃機関の排水装置31の作動を説明する。
エンジン1の運転中、特に低圧EGR装置25使用時にはインタークーラ10の出口部に多量の凝縮水が発生する。発生した凝縮水は、排水管28を通ってNOxトラップ触媒18の上流側近傍に位置する上流側排気管501に送られ、触媒コンバータ19を介して車外に排出される。ここで、排水管28の途中に設けられた開閉弁29が閉じられているときには排水管28内に貯留される。開閉弁29は、排水管28内に設けられた図示しない水位センサによって貯留された凝縮水の量が一定量に達したとき、あるいはエンジン1の運転時間や走行距離が一定値に達したときに制御手段30によって開弁される。
Next, the operation of the
During operation of the engine 1, particularly when the low-
エンジン1の運転中に排気管5内を流動してきた排気は、上流側排気管501を介して触媒コンバータ19に流入する。また、開閉弁29が開弁されると、排水管28内に貯留されている凝縮水が部屋32に流入する。部屋32内に流入した凝縮水は、排気管5に当たって勢いを弱められ、部屋32の底部に貯留される。そして連通口33から流入する排気の熱によって気化が促進され、気化された蒸気は連通口34から排出される。ここで、図示の通り通気口35が設けられる場合は、気化した蒸気は通気口35からも排出される。そしてNOxトラップ触媒18を支持する担持体前面に飛散した後、触媒コンバータ19を通過して車外に排出される。
The exhaust flowing in the exhaust pipe 5 during the operation of the engine 1 flows into the catalytic converter 19 via the
上述の構成によれば、凝縮水を貯留する部屋32が排気管5と一体に形成されているため、部屋32に貯留した凝縮水は排気管5の熱によって加熱され気化が促進される。また、部屋32と排気管5とを連通する連通口33,34を排気方向の上流側と下流側との2箇所に設けたので、部屋32の内部には連通口33から連通口34に向かって高温の排気流れが導入される。これにより、部屋32に貯留された凝縮水は高温の排気によってさらに気化が促進される。なお、フィン36によりさらにこの効果が高まる。また、加熱あるいは気化された凝縮水は通気口35あるいは連通口34から排気管5に導入される。また、液体の状態のままの凝縮水の一部は排気流れに乗って微粒子化が促進されつつ、連通口34から排気管5に導入される。これにより、凝縮水は加熱され気化または飛散して微粒子化した状態で触媒コンバータ19に導入されるので、触媒コンバータ19の目詰まりあるいはNOxトラップ触媒18の担体割れといった不具合の発生を低減することができる。
According to the above-described configuration, since the
また、通気口35が設けられている場合は、気化した蒸気が通過して排気管5へ排出されるため、凝縮水の気化が促進される。さらに通気口35が連通口33よりも排気方向上流側に設けられていることから、車両の振動等により通気口35から凝縮水が排気管5内に流出した場合であっても、流出した凝縮水が連通口33から凝縮水ケース32に戻されるので、上述した不具合の発生を防止することができる。このことから、通気口35の大きさに比して連通口33の大きさを大きくするとよい。
Further, when the
上記実施形態では、凝縮水ケース32を排気管5に設ける構成を示したが、凝縮水ケース32を吸気管4に設ける構成を採用してもよい。吸気管4に凝縮水ケース32を設ける場合には、その配設位置をインタークーラ10の直下流位置とし、インタークーラ10で生じた凝縮水をすぐに受け止める構成とすることが望ましい。また、凝縮水ケース32から凝縮水があふれることを想定して、凝縮水ケース32の吸気方向下流側の位置に排水管28の一端を接続する構成としてもよい。
In the above-described embodiment, the configuration in which the condensed
1 内燃機関(エンジン)
4 吸気通路(吸気管)
5 排気通路(排気管)
19 排気後処理手段(触媒コンバータ)
28 排水路(排水管)
31 排水装置
32 部屋
33,34 連通口
35 通気口
36 フィン
1 Internal combustion engine
4 Intake passage (intake pipe)
5 Exhaust passage (exhaust pipe)
19 Exhaust aftertreatment means (catalytic converter)
28 Drainage channel (drainage pipe)
31
Claims (5)
前記排気通路の外周壁を含み、前記排気管の外側に一体的に形成された部屋と、
前記内燃機関の吸気通路に一端が、前記部屋に他端がそれぞれ接続されて前記吸気通路内の凝縮水を前記部屋に排出する排水路とを備え、
前記部屋は排気方向の少なくとも2箇所において前記排気管と連通する連通口とを備えた内燃機関の排水装置。 An exhaust pipe forming an exhaust passage of the internal combustion engine;
A chamber that includes an outer peripheral wall of the exhaust passage and is integrally formed outside the exhaust pipe ;
One end is connected to the intake passage of the internal combustion engine, the other end is connected to the room, respectively, and a drainage channel for discharging condensed water in the intake passage to the room,
The drainage device for an internal combustion engine, wherein the chamber includes a communication port communicating with the exhaust pipe at at least two places in an exhaust direction.
前記排気方向下流側に設けられた前記連通口は前記排気方向上流側に設けられた前記連通口よりも重力方向上側に配置されていることを特徴とする内燃機関の排水装置。 In the internal combustion engine drainage device according to claim 1,
The drainage device for an internal combustion engine, wherein the communication port provided on the downstream side in the exhaust direction is disposed on the upper side in the gravity direction than the communication port provided on the upstream side in the exhaust direction.
前記排水路の他端の開口部は前記排気管と対向すると共に、重力方向において前記排気方向上流側の連通口と前記排気方向下流側の連通口との間に設けられることを特徴とする内燃機関の排水装置。 The internal combustion engine drainage device according to claim 1 or 2,
An opening at the other end of the drainage channel is opposed to the exhaust pipe, and is provided between the communication port on the upstream side in the exhaust direction and the communication port on the downstream side in the exhaust direction in the direction of gravity. Engine drainage device.
前記内燃機関は前記排気通路に排気後処理手段を備え、前記部屋は前記排気後処理手段の上流側の前記排気管に設けられることを特徴とする内燃機関の排水装置。 The internal combustion engine drainage device according to any one of claims 1 to 3,
The internal combustion engine is provided with exhaust aftertreatment means in the exhaust passage, and the chamber is provided in the exhaust pipe upstream of the exhaust aftertreatment means.
前記部屋の内壁面にはフィンが設けられていることを特徴とする内燃機関の排水装置。 In the internal combustion engine drainage device according to any one of claims 1 to 4,
A drainage device for an internal combustion engine, wherein fins are provided on an inner wall surface of the room.
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