JP6331051B2 - Ｅｇｒガス凝縮水の処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、インタークーラに生じた凝縮水を処理するＥＧＲガス凝縮水の処理装置に関する。

車両に搭載されるディーゼルエンジンは、ターボ過給機（過給機）で過給することが行われている。この過給式のディーゼルエンジンの多くは、充填効率を高めるために、エンジンの吸気マニーホルド（吸気側）へ吸気を導く吸気路にインタークーラを設けることが行われる。
過給式のディーゼルエンジンでも、他のエンジンと同様、排気ガス中のＮＯｘを低減させるために、排気ガス還流装置が装着される。排気ガス還流装置は、エンジンから排出された排気ガスの一部をＥＧＲガス（不活性ガス）として、エンジンの吸気側へ戻し、燃焼温度を低下させるものである。近時では、効果的なＥＧＲガスの還流が行えるよう、高圧ＥＧＲと低圧ＥＧＲとを併用したり、低圧ＥＧＲだけを採用したりしたディーゼルエンジンも開発されている。高圧ＥＧＲは、エンジンから排出されて間もない排気ガスの一部、すなわちターボ過給機のタービン上流の排気路の排気ガスの一部をＥＧＲガスとして、ターボ過給機のコンプレッサ下流の吸気路へ還流させる還流構造で、低圧ＥＧＲは、ターボ過給機のタービン下流の排気路の排気ガスの一部をＥＧＲガスとして、過給前の吸気路であるターボ過給機のコンプレッサ上流の吸気路へ還流させる還流構造である。

低圧ＥＧＲは、過給圧の大きさに関わらずＥＧＲガスの還流が行える利点が有るものの、過給機下流の排気ガスは、水分の含有量が高い（例えば１０％位）ため、ＥＧＲガスの還流が行われ、同ＥＧＲガスを多量に含んだ吸気が過給機で圧縮された後、インタークーラで冷却されると、ＥＧＲガス中に含まれる蒸気（水分）が凝縮する。つまり、凝縮水（結露）が発生し、同凝縮水がインタークーラの出口側のタンク部（空洞部）で溜まることになる。

特に凝縮水は、同部位で蒸発や堆積をくり返すことで濃縮されるため、極度の酸性水となり、インタークーラや同インタークーラの下流側の部品の腐食を引き起こすおそれがある。
この対策として、凝縮水を沸騰させることが考えられるが、これだと、蒸発しない凝縮水に含まれる硫黄分などが残り、満足な処理が行えない。

そこで、特許文献１に開示されているようにＥＧＲクーラで生じた凝縮水をタンクに溜め、ＥＧＲガスの流れで作動するエゼクタを用いて、タンク内の凝縮水を吸引し、エゼクタ効果やエゼクタに装着した多孔プレートで微粒化して、エンジンの吸気側へ戻す処理技術が提案されている。

特開２０１１−１４０９２２号公報

この処理技術をインタークーラに適用すると、確かに凝縮水に含まれる成分は、凝縮水と共に微細化されて、エンジンの燃焼やその後の排気ガス浄化装置の触媒などで処理される。
しかしながら、エゼクタは、ＥＧＲガスに依存して作動するため、エンジンの運転の影響を受けてしまう。すなわち、排気ガスの流速や流量が低下するエンジン始動時や低回転時では、エゼクタ効果が発揮できなくなる。

そこで、本発明の目的は、どのようなエンジンの運転でも、インタークーラで発生した凝縮水をエンジンの吸気側へ戻せるＥＧＲガス凝縮水の処理装置を提供することにある。

請求項１に記載の処理装置は、ＥＧＲガスが流通する流路と、流路に設けられたインタークーラとを備えるエンジンを有し、インタークーラで生じた凝縮水を処理するＥＧＲガス凝縮水の処理装置であって、インタークーラで生じた凝縮水をインタークーラから下流側の流路内へ戻す戻し路を具備し、インタークーラは、凝縮水を貯留するタンク部を備え、戻し路は、インタークーラを挟んだ流路の上流側と下流側とを連通させる通路とインタークーラの下流側のタンク部と通路とを接続する導入路とを有し、通路の上流側は、インタークーラの上流側のタンク部に接続され、通路の下流側は、インタークーラの下流側のタンク部よりも下流の前記流路に接続されるものとした。

請求項２に記載の処理装置は、導入路がインタークーラの下流側のタンク部の底面から延出するものとした。
請求項３に記載の処理装置は、エンジンの吸気を圧縮するコンプレッサを有する過給器と、エンジンの排気ガスの一部をＥＧＲガスとしてエンジンの吸気側に戻すＥＧＲ通路とを備え、流路は、ＥＧＲガスを含んでコンプレッサで圧縮された吸気が流通する吸気路であるものとした。

請求項４に記載の処理装置は、インタークーラで生じた凝縮水を貯留するタンクと、タンク内に貯留された凝縮水を微粒化し霧化させる霧化構造部とを備えるものとした。
請求項５に記載の処理装置は、霧化構造部が凝縮水に振動を与えて当該凝縮水を微粒化し霧化させるものとした。

本発明によれば、インタークーラの上流と下流の差圧を利用して、戻し路からインタークーラで生じた凝縮水をエンジンの吸気側へ戻すことができる。
それ故、ＥＧＲガスの冷却で発生した凝縮水は、どのようなエンジンの運転でも、凝縮水に含まれる含有成分と共に、エンジンの燃焼や排気ガス浄化装置などで良好に処理することができる。しかも、別途、送風装置を用いない、コストを抑えた構造ですむ。

本発明の一実施形態に係る処理装置を適用したエンジンのシステムを示す断面図。 同処理装置の要部の構造となる図１中のＡ部を拡大して示す断面図。

以下、本発明を図１および図２に示す一実施形態にもとづいて説明する。
図１は、本発明を適用したエンジン、例えばインタークーラが付いた過給機式ディーゼルエンジンのシステムを示している。同システムを説明すると、図中１はディーゼルエンジン、１０はターボ過給機（過給機）である。
ディーゼルエンジン１は、例えば、ピストン３を往復動可能に収めたシリンダ２、同シリンダ２の頭部に開口する吸・排気ポート４，５、同吸・排ポート４，５を開閉する吸・排気バルブ４ａ，５ａ、吸・排気ポート４，５とつながる吸・排気マニホルド４ｂ，５ｂ、シリンダ２の頭部へ燃料を噴射するインジェクタ（図示しない）などを有したエンジン本体１ａで構成される。吸気マニホルド４ｂのサージタンク部４ｃには、Ａ／Ｆセンサ７が設けてある。

ターボ過給機１０は、タービン部１１と同タービン部１１と同軸につながるコンプレッサ部１２とを有して構成される。このうちタービン部１１の入口１１ａは、排気マニホルド５ｂに接続され、ディーゼルエンジン１から排出される排熱エネルギーで、タービン部１１のロータ（図示しない）を回転させ、その回転力でコンプレッサ部１２のロータ（図示しない）を回転させる。タービン部１１の出口１１ｂには、排気路１３を介して、排気ガス浄化装置、例えば酸化触媒１５やＤＰＦ１６（ディーゼルパティキュレートフィルタ）を収めたフィルタユニット１７が接続され、タービン部１１を通過した排気ガス中のＰＭ（パティキュレートマター：粒子状物質）を捕集したり、排気ガス中に含まれるＣＯなどの酸化が行えるようにしている。

またコンプレッサ部１２の入口１２ａには、エアクリーナ（図示しない）へ至る上流側の吸気路１８ａが接続される。コンプレッサ部１２の出口１２ｂには、下流側の吸気路１８ｂ（上流側の吸気路１８ａと共に吸気路を構成）を介して、吸気マニホルド４ｂが接続され、排熱エネルギーで駆動されるコンプレッサ部１２のロータの回転で、吸気路１８ａから取り込まれる吸気を圧縮し、エンジン本体１ａへ過給する。下流側の吸気路１８ｂには、充填効率を高めるために、ターボ過給機１０を経た吸気を冷却するインタークーラ、例えば空冷式のインタークーラ１９が設けられている。インタークーラ１９は、例えば図２に示されるような外気との熱交換が可能な流路をもつクーラコア部２０の端部に、コンプレッサ部１２につながる入口側のタンク部２１と、吸気マニホルド４ｂにつながる出口側のタンク部２２（いずれの空洞部で形成）とを形成して構成される。つまり、コンプレッサ部１２の圧縮で温度上昇した吸気は、クーラコア部２０で冷却（外気との熱交換による）されてから、吸気マニホルド４ｂへ送り込まれる。

またディーゼルエンジン１には、排気ガス中のＮＯｘを低減させるために、排気ガス還流装置２５が設けられている。排気ガス還流装置２５は、エンジン本体１から排出された排気ガスの一部をＥＧＲガス（不活性ガス）として、エンジン本体１の吸気側へ戻し、燃焼温度を低下させるものである。ここでは、高圧ＥＧＲと低圧ＥＧＲとを併用した構造が用いられている。

このうち高圧ＥＧＲは、例えば排気マニホルド５ｂとインタークーラ１９下流の吸気路部分間を高圧ＥＧＲ通路２７で接続し、同高圧ＥＧＲ通路２７にＥＧＲバルブ２７ａを設け、高圧ＥＧＲ通路２７の出口上流の吸気部分に吸気スロットル２７ｂ（新気量の制御）を設けた構造で構成される。これで、タービン部１１上流の排気マニホルド５ｂの排気ガス（エンジンから排出されて間もない排気ガス）の一部がＥＧＲガスとして、ターボ過給機１０のインタークーラ１９下流の吸気路へ還流される。ここでは高圧ＥＧＲ通路２７内には、ＥＧＲ触媒２８が設けてある。ちなみにＥＧＲ触媒２８は、無い場合、代わりにＥＧＲクーラ（バイパスの有る場合、無い場合を含む：図示せず）を設ける場合もある。

低圧ＥＧＲは、例えばタービン部１１下流の排気路、ここではフィルタユニット１７下流の排気路部分とコンプレッサ部１２上流の吸気路部分間を低圧ＥＧＲ通路３０で接続し、同低圧ＥＧＲ通路３０にＥＧＲバルブ３０ａを設け、低圧ＥＧＲ通路３０の出口上流の吸気部分に吸気スロットル３０ｂ（新気量の制御）を設けた構造で構成される。これで、タービン部１１下流の排気ガスの一部がＥＧＲガスとして、過給前の吸気路１８ａへ還流される。この低圧ＥＧＲ通路３０には、ＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ３１が設けてある。

ここで、低圧ＥＧＲは、過給圧の大きさに関わらずＥＧＲガスの還流が行えるものの、低圧ＥＧＲに用いられるターボ過給機１０下流の排気ガスは、水分の含有量が高い（例えば１０％位を示す）。このため、同ＥＧＲガスを多量に含んだ吸気は、コンプレッサ部１２で圧縮された後、インタークーラ１９で冷却されると、ＥＧＲガス中に含まれる蒸気（水分）が凝縮、つまり、凝縮水α（結露）が発生し、インタークーラ１９の出口側のタンク部２２に溜まりやすい。同凝縮水αは、同部位で蒸発や堆積をくり返すことで濃縮されるため、極度の酸性水となりやすく、インタークーラ１９や同インタークーラの下流側の部品の腐食を引き起こすおそれがある。

この対策として、インタークーラ１９の冷却により発生した凝縮水αを処理する処理装置３５が設けられている。本発明の要部となる処理装置３５の構造が図２に詳しく示されている。
同処理装置３５は、例えばインタークーラ１９の近くに設置した貯留タンク３６で、インタークーラ１９で生じた凝縮水αを溜め、同溜めた凝縮水αを超音波振動により微粒化して霧化させてから、再び吸入空気に戻す機能をもつ。そのため処理装置３５は、凝縮水αを貯留する貯留タンク３６に、溜めた凝縮水αを霧化させる霧化構造部４５、霧化した凝縮水αを吸入空気へ戻す戻し路５０を組み合わせた構造が用いられている。

各部を図２を参照して説明すると、貯留タンク３６は、インタークーラ１９よりも下側となる地点に配置され、例えば上壁部に有筒形の集合器３７を有し、側部にチャンバ部３８を有した密閉式のタンク３９が用いられる。タンク３９は、インタークーラ１９よりも下側となる地点に配置されるものである。このタンク３９内とインタークーラ１９の出口側のタンク部２２の底面間は、導入路４０で接続される。これで、出口側のタンク部２２内から、溜まる凝縮水αが分離され、導入路４０を通じて、タンク３９へ導かれ、同タンク３９の底部で貯留される。

また導入路４０には、開閉弁、例えば電磁開閉弁４１が設けられ、タンク３９の底部にはフロートスイッチ４２が設けられている。電磁開閉弁４１、フロートスイッチ４２は、例えばタンク３９外に配置された制御部４３（例えばマイクロコンピュータから構成される）に接続されている。つまり、制御部４３により、フロートスイッチ４２からの検出信号にしたがい電磁開閉弁４１を制御して、凝縮水αがタンク３９内で所定液位を保つよう貯留されるようにしている。

集合器３７は、開放部が下側、閉塞部が上側に向く縦形に配置されている。この集合器３７の開放部と向き合うタンク３９の底面部分には、霧化構造部４５として、例えば超音波振動を発生させる圧電素子４４が設けられている。圧電素子４４は、振動面が上側に向けて配置され、タンク３９内に貯留される凝縮水αに対し、超音波振動を与えるようにしている。つまり、タンク３９内に貯留される凝縮水αは、与えられる超音波振動により、同タンク３９内で微粒化され霧化する。そして、霧化した凝縮水αが集合器３７内に集められる構造としてある。圧電素子４４は、制御部４３に接続され、同制御部４３により、ディーゼルエンジン１の運転中、例えばタンク３９内に凝縮水αが有る限り、作動を続けるようにしている。

戻し路５０には、インタークーラ１９出口側の吸気路部分と集合器３７の上壁部間を接続する通路５１、インタークーラ１９入口側の吸気路部分、ここでは入口側のタンク部２１とチャンバ部３８間を接続する通路５２、チャンバ部３８とタンク３９との境界部分に形成した通孔５３を組み合わせた構造が用いられる。これで、タンク３９内、ここでは集合器３７を経由して、インタークーラ１９を挟んだ吸気路１８ｂの上流側と下流側とを連通させる流路５４（通路）を形成している。これにより、霧化した凝縮水αが、インタークーラ１９を挟んだ上流と下流との差圧で生じる吸気の流れにより、インタークーラ１９の出口側の吸気路部分へ送り出されるようにしている。特に流入側の通路５２には、ディーゼルエンジン１の運転状態に応じ、吸入空気量を制御する流量調整弁５５が設けられていて、凝縮水αの戻しがエンジン運転状態に応じて適正に行えるようにしている。

つぎに、こうした凝縮水αの処理装置３５の作用を、ディーゼルエンジン１の運転と共に説明する。
ディーゼルエンジン１は、各シリンダ２で燃料が燃焼されると、燃焼を終えた燃焼ガスが排気ガスとして、排気マニホルド５ｂへ排出される。この排気ガスが、ターボ過給機１０のタービン部１１を経て、フィルタユニット１７を導かれ、排気ガス中に含まれるＰＭが除去されたり、ＮＯｘが浄化されたりする。

このとき、ターボ過給機１０のコンプレッサ部１２は、排熱エネルギーで回転されるタービン部１１により駆動され、吸気路１８ａから取り込む吸入空気（吸気）を圧縮する。同吸気が、インタークーラ１９へ導かれ、同インタークーラ１９で冷却されてから、エンジン本体１ａの各シリンダ２へ押し込まれる（過給）。これにより、ディーゼルエンジンは、充填効率を高めた運転が行われる。

ここで、高圧ＥＧＲは、ＥＧＲバルブ２７ａが開動作することにより行われる。これにより、排気マニホルド５ｂを流れる排気ガスの一部、すなわちエンジン本体１ａを排出した間もない排気ガスの一部が、高圧ＥＧＲ通路２７を通じて、インタークーラ１９下流から吸気路１８ｂに導入され、吸気と共にエンジン本体１の吸気側へ導かれ（還流）、ディーゼルエンジン１の燃焼温度を低下させる（始動時など）。

低圧ＥＧＲも、ＥＧＲバルブ３０ａが開動作することにより行われる。これにより、フィルタユニット１７を通過した排気ガスの一部が、低圧ＥＧＲ通路３０を通じて、コンプレッサ部１２上流から吸気路１８ａへ導入される。このＥＧＲガスを含む吸気が、コンプレッサ部１２で圧縮されて、インタークーラ１９へ導かれる。この吸気が、インタークーラ１９で冷却された後、同様にエンジン本体１の吸気側に導かれ（還流）る。（大部分の運転域）。

この低圧ＥＧＲに際し、ターボ過給機１０下流の排気ガスは、水分の含有量が高い（例えば１０％位）。
このＥＧＲガスを多量に含んだ吸気は、コンプレッサ部１２で圧縮された後、インタークーラ１９で冷却されると、ＥＧＲガス中に含まれる蒸気（水分）が凝縮（結露）し、凝縮水αとなってインタークーラ１９の出口側のタンク部２２に溜まる。凝縮水生成量は、例えば車両の走行速度が６０ｋｍ／ｈ以上、ＥＧＲ率４０％以上のとき、１００ｇ／ｈ以上。

このままでは、同部分に蓄積される凝縮水αにより、インタークーラ１９や同インタークーラ１９の下流側の部品の腐食を引き起こすおそれがあるが、処理装置３５で行う凝縮水αの処理によって、こうした問題はなくなる。
すなわち、図２に示されるようにインタークーラ１９の出口側で発生した凝縮水αは、導入路４０を通じて（電磁開閉弁４１：開）、タンク３９へ導かれ（分離）、同タンク３９の底部に溜まる。また圧電素子４４は、ディーゼルエンジン１の始動時から作動を始め、上部の振動面から、溜まっている凝縮水αに超音波振動を与えている。これにより、図２中に示されるように凝縮水αは、超音波振動を受けて上方へ飛び散り、微粒化、さらには霧化される。これで、凝縮水αは、凝縮水αに含まれる硫黄分など含有成分と共に霧化（微粒子化）される。この凝縮水αの霧が、直上の集合器３７内に集められる。

一方、インタークーラ１９の入口側からは、一部の吸気が、インタークーラ１９の上・下流の差圧により、図２中の矢印に示されるように順に通路５２、チャンバ部３８内、タンク３９内、集合器３７内、通路５１へ送り出されている。これで、霧化した凝縮水αは、集合器３７で集められながら、さらに述べれば吸入空気と混合されながら、タンク３９内を流通する吸気流と一緒に、吸気管１８ｂ内へ導出される。この凝縮水αと混合した吸気が、吸気マニホルド４ｂ（エンジンの吸気側）を通じて、エンジン本体１ａ吸気側へ導かれ、凝縮水α、さらには凝縮水αに含まれる硫黄分など含有成分は，低濃度状態で排出される。

したがって、インタークーラ１９で発生した凝縮水αは、インタークーラ１９を挟んだ上流側と下流側との差圧により、流路５４を通じ吸気路１８ｂへ送り出されるので、どのようなエンジンの運転でも、ディーゼルエンジン１のシステム内で処理される。それ故、酸性水となる凝縮水αを要因とした腐食の発生が防げる。特にインタークーラ１９で発生した凝縮水αに対しては効果的である。そのうえ、差圧により、凝縮水αを吸気路１８ｂへ送り出す構造は、別途、送風装置を用いず、簡単な構造で凝縮水αを吸気路１８ｂに戻すことができ、コストな負担も少なくてすむ。しかも、凝縮水αは、微細化されることにより、安定した凝縮水αの戻し、すなわち処理が約束できる。そのうえ、大きな粒子の凝縮水α（水滴など）が、インタークーラ１９の下流に設置してあるセンサなど衝突するのを防げるので、別途、センサと凝縮水αの大きな粒子との衝突を避ける手立ても不要となる。破損しやすいＡ／Ｆセンサ７には有効である。

特に凝縮水αの微粒化には、圧電素子４４を用いたので、簡単な構造ですむ。
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々可変して実施しても構わない。

１ａ エンジン本体
１８ｂ 吸気路（流路）
１９ インタークーラ
２２ タンク部
３５ ＥＧＲガス凝縮水の処理装置
３９ タンク
４０ 導入路
４５ 霧化構造部
５０ 戻し路
５４ 流路（通路）

Claims (5)

1. ＥＧＲガスが流通する流路と、前記流路に設けられたインタークーラとを備えるエンジンを有し、前記インタークーラで生じた凝縮水を処理するＥＧＲガス凝縮水の処理装置であって、
   前記インタークーラで生じた凝縮水を前記インタークーラから下流側の流路内へ戻す戻し路を具備し、
   前記インタークーラは、前記凝縮水を貯留するタンク部を備え、
   前記戻し路は、前記インタークーラを挟んだ前記流路の上流側と下流側とを連通させる通路と前記インタークーラの下流側の前記タンク部と前記通路とを接続する導入路とを有し、
   前記通路の上流側は、前記インタークーラの上流側の前記タンク部に接続され、
   前記通路の下流側は、前記インタークーラの下流側の前記タンク部よりも下流の前記流路に接続される
   ことを特徴とするＥＧＲガス凝縮水の処理装置。
2. 前記導入路は、前記インタークーラの下流側の前記タンク部の底面から延出することを特徴とする請求項１に記載のＥＧＲガス凝縮水の処理装置。
3. 前記エンジンの吸気を圧縮するコンプレッサを有する過給器と、
   前記エンジンの排気ガスの一部をＥＧＲガスとして前記エンジンの吸気側に戻すＥＧＲ通路とを備え、
   前記流路は、前記ＥＧＲガスを含んで前記コンプレッサで圧縮された吸気が流通する吸気路である
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＥＧＲガス凝縮水の処理装置。
4. 前記ＥＧＲガス凝縮水の処理装置は、
   前記インタークーラで生じた凝縮水を貯留するタンクと、
   前記タンク内に貯留された凝縮水を微粒化し霧化させる霧化構造部と
   を備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のＥＧＲガス凝縮水の処理装置。
5. 前記霧化構造部は前記凝縮水に振動を与えて当該凝縮水を微粒化し霧化させる
   ことを特徴とする請求項４に記載のＥＧＲガス凝縮水の処理装置。

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