JP6777591B2

JP6777591B2 - 凝縮水処理装置

Info

Publication number: JP6777591B2
Application number: JP2017112745A
Authority: JP
Inventors: 聡福長; 健太郎内原
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2017-06-07
Filing date: 2017-06-07
Publication date: 2020-10-28
Anticipated expiration: 2037-06-07
Also published as: JP2018204568A

Description

本発明は、排気ガスの一部がインタークーラーの上流に還流されるＥＧＲ装置を備えたエンジンシステムに搭載される凝縮水処理装置に関する。

従来から、ターボチャージャーを備えたエンジンシステムに関して、排気ガスの一部を吸気側に還流する排気再循環（ＥＧＲ：ＥｘｈａｕｓｔＧａｓＲｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置を備えたエンジンシステムが知られている。ＥＧＲ装置の一例は、タービンを通過した排気ガスの一部をＥＧＲガスとしてコンプレッサーの上流へ還流する。

こうしたエンジンシステムでは、ＥＧＲガスと空気との混合気体がコンプレッサーによって圧縮され、その後、インタークーラーによって冷却される。そのため、インタークーラーでは、ＥＧＲガス中の水分が凝縮した凝縮水が生成される。この凝縮水は、ＥＧＲガス中の硫黄成分などが溶解することによって高い腐食性を有する。そのため、特許文献１では、そうした凝縮水をインタークーラーの下流を流れる作動ガスに添加してエンジンに供給することで凝縮水を処理する技術が開示されている。

特開２０１５−２５３９４号公報

しかしながら、特許文献１では、インタークーラーで生成された凝縮水が直ちに作動ガスに添加される。そのため、凝縮水を効果的に処理するうえで改善の余地がある。
本発明は、インタークーラーにて生成される凝縮水の処理を効果的に行うことができる凝縮水処理装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する凝縮水処理装置は、エンジンの吸気通路に配設されたインタークーラーと、排気ガスの一部を前記吸気通路における前記インタークーラーの上流に還流するＥＧＲ装置と、を備えたエンジンシステムに搭載される凝縮水処理装置であって、前記インタークーラーに接続された流入通路を通じて前記インタークーラー内の凝縮水が流入可能に構成された貯留部と、前記貯留部の内部空間に第１導入口を有して前記エンジンと前記インタークーラーとを繋ぐ流通通路に連通する第１通路と、前記第１通路を開閉可能に構成された第１バルブと、前記貯留部の内部空間において前記第１導入口よりも上方に位置する第２導入口を有して前記流通通路に連通する第２通路と、前記貯留部における前記凝縮水の水位が所定値に到達すると前記第２通路を閉鎖する第２バルブと、前記第１バルブの開閉を制御する制御部と、を備える。

上記構成によれば、流通通路を流れるガスによるベンチュリ効果によって、第１バルブが閉状態にあるときには第２通路を通じて貯留部内のガスをエンジンに供給することが可能であり、第１バルブが開状態にあるときには第１通路を通じて貯留部内の凝縮水をエンジンに供給することが可能である。そして、エンジンへの凝縮水あるいはガスの供給により貯留部内の圧力が低下するため、流入通路を通じてインタークーラー内の凝縮水が貯留部に吸い上げられる。すなわち、上記構成の凝縮水処理装置は、第１バルブの開閉にかかわらず第２バルブが閉弁するまでインタークーラー内の凝縮水が流入通路を通じて貯留部に吸い上げられ続ける構成となっている。そして、制御部による第１バルブの開閉の制御によって凝縮水をエンジンに供給するタイミングを制御することが可能である。すなわち、上記構成によれば、凝縮水を貯留しつつエンジンに凝縮水を供給するタイミングが制御可能であることから、凝縮水の処理を効果的に行うことができる。

上記凝縮水処理装置において、前記第２バルブがフロートバルブであるとよい。
上記構成によれば、凝縮水の水位が所定値に到達すると第２バルブが自動で閉弁するため、第２バルブの構成のみならず凝縮水処理装置の構成を簡素化することができる。

上記凝縮水処理装置において、前記第１通路および前記第２通路は、共通の通路を通じて前記流通通路に連通していることが好ましい。
上記構成によれば、第１通路と第２通路とが各別に流通通路に対して連通する構成に比べて配管の複雑化を抑えることができる。

上記凝縮水処理装置において、前記流通通路は、複数のシリンダーの各々に対応する吸気ポートを有しており、前記第１通路および前記第２通路は、前記吸気ポートの各々に連通していることが好ましい。
上記構成によれば、凝縮水が各吸気ポートに供給されるため、各シリンダーに供給される凝縮水量の均一化を図ることができる。

上記凝縮水処理装置において、前記制御部は、前記エンジンの運転状態に関する情報を取得し、前記取得した情報に基づく前記運転状態が高負荷状態であるときに前記第１バルブを開状態に制御することが好ましい。

上記構成によれば、高負荷状態にあるエンジンに対して凝縮水が供給されることから、筒内圧力の過度な上昇を抑えることができる。

凝縮水処理装置の一実施形態を搭載したエンジンシステムの概略構成を示す図。凝縮水処理装置の一実施形態の概略構成を示す図。共通通路の接続先の一例を模式的に示す図。（ａ）第１バルブが閉状態にある凝縮水処理装置の作動態様を模式的に示す図、（ｂ）第１バルブが開状態にある凝縮水処理装置の作動態様を模式的に示す図。凝縮水処理装置の電気的な構成の一例を示す機能ブロック図。

図１〜図５を参照して凝縮水処理装置の一実施形態について説明する。まず、図１を参照して凝縮水処理装置を搭載したエンジンシステムの概要について説明する。
図１に示すように、エンジンシステムは、エンジン１０を備えている。エンジン１０のシリンダーブロック１１には複数のシリンダー１２が形成されている。各シリンダー１２においては、吸入した作動ガスに対してインジェクター１３から燃料が噴射され、作動ガスと燃料との混合気が燃焼する。こうした混合気の燃焼が所定の順番で各シリンダー１２において行われることにより、エンジン１０のクランクシャフト１０ａが駆動される。

シリンダーブロック１１には、各シリンダー１２に作動ガスを分配するインテークマニホールド１４と、各シリンダー１２から排気ガスが排出されるエキゾーストマニホールド１５とが接続されている。インテークマニホールド１４に接続される吸気通路１６は、上流側から順に図示されないエアクリーナー、ターボチャージャー１７のコンプレッサー１８、インタークーラー１９を備えている。コンプレッサー１８で圧縮された作動ガスは、インタークーラー１９の上流側タンク１９ａに流入したのちコア部１９ｂにて冷却され、下流側タンク１９ｃを通じてインタークーラー１９から流出する。吸気通路１６は、インタークーラー１９の下流であって、かつ、後述する高圧ＥＧＲ通路３１の合流部分よりも上流に、吸気通路１６の流路断面積を変更可能なスロットル２０を備えている。エンジン１０とインタークーラー１９とを繋ぐ流通通路１６Ａは、作動ガスが流通する通路であり、吸気通路１６におけるインタークーラー１９よりも下流の部分と、インテークマニホールド１４とによって構成される。エキゾーストマニホールド１５に接続される排気通路２１は、コンプレッサー１８にタービンシャフトを介して連結されたタービン２３と、タービン２３を通過した排気ガスを浄化する排気浄化装置２５とを備えている。

エンジンシステムは、高圧ＥＧＲ（ＥｘｈａｕｓｔＧａｓＲｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置３０と低圧ＥＧＲ装置３５とを備えている。
高圧ＥＧＲ装置３０は、タービン２３を通過するまえの排気ガスの一部を高圧ＥＧＲガスとして吸気通路１６におけるスロットル２０の下流に還流する。高圧ＥＧＲ装置３０は、高圧ＥＧＲ通路３１と、高圧ＥＧＲクーラー３２と、高圧ＥＧＲ弁３３とを有している。高圧ＥＧＲ通路３１は、エキゾーストマニホールド１５と吸気通路１６におけるスロットル２０の下流とを接続する。高圧ＥＧＲクーラー３２は、高圧ＥＧＲ通路３１に配設されており、高圧ＥＧＲガスを冷却することにより高圧ＥＧＲガスの密度を高める。高圧ＥＧＲ弁３３は、高圧ＥＧＲ通路３１における高圧ＥＧＲクーラー３２の下流に配設されており、高圧ＥＧＲ通路３１の流路断面積を変更可能に構成されている。高圧ＥＧＲ装置３０は、例えば、エンジン１０に対するドライバーの要求負荷が高負荷であるときに作動状態に制御される。

低圧ＥＧＲ装置３５は、タービン２３および排気浄化装置２５を通過した排気ガスの一部を低圧ＥＧＲガスとしてコンプレッサー１８の上流に還流する。低圧ＥＧＲ装置３５は、低圧ＥＧＲ通路３６と、低圧ＥＧＲクーラー３７と、低圧ＥＧＲ弁３８とを有している。低圧ＥＧＲ通路３６は、排気通路２１における排気浄化装置２５の下流と吸気通路１６におけるコンプレッサー１８の上流とを接続する。低圧ＥＧＲクーラー３７は、低圧ＥＧＲ通路３６に配設されており、低圧ＥＧＲガスを冷却することにより低圧ＥＧＲガスの密度を高める。低圧ＥＧＲ弁３８は、低圧ＥＧＲ通路３６における低圧ＥＧＲクーラー３７の下流に配設されており、低圧ＥＧＲ通路３６の流路断面積を変更可能に構成されている。低圧ＥＧＲ装置３５は、例えば、エンジン１０に対するドライバーの要求負荷が低負荷あるいは中負荷であるときに作動状態に制御される。

低圧ＥＧＲ装置３５の作動中、インタークーラー１９においては、低圧ＥＧＲガスと空気との混合気体が作動ガスとして流通する。そのため、インタークーラー１９においては、低圧ＥＧＲガス中の水蒸気が凝縮し、その凝縮した水分に低圧ＥＧＲガス中の硫黄成分や未燃燃料成分が溶解することにより高い腐食性を有する凝縮水が生成される。エンジンシステムは、凝縮水を処理する凝縮水処理装置４０を備えている。

図２〜図５を参照して凝縮水処理装置４０について説明する。図２に示すように、凝縮水処理装置４０は、流入通路４１、貯留部４２、第１通路４３、第１バルブ４４、第２通路４５、第２バルブ４６、および、共通通路４７を有している。

流入通路４１は、凝縮水による腐食に対する耐性が高い材料、例えばステンレスなどの高耐食性材料を中心に構成される。流入通路４１は、インタークーラー１９と貯留部４２とを接続している。流入通路４１は、インタークーラー１９で生成された凝縮水が流入しやすいように、インタークーラー１９に対して下流側タンク１９ｃの底部に接続されている。また、流入通路４１は、貯留部４２に対して貯留部４２の底部に接続されており、貯留部４２の底面４２ｂに開口している。

貯留部４２は、流入通路４１を通じて流入した凝縮水を貯留する。貯留部４２は、例えばステンレスなどの高耐食性材料を中心に構成される。貯留部４２には、第１通路４３と第２通路４５とが接続されている。貯留部４２は、流入通路４１、第１通路４３、および、第２通路４５が接続された密閉容器である。第１通路４３および第２通路４５は、共通通路４７に接続されている。

第１通路４３は、貯留部４２の内部空間における底面４２ｂ寄りに第１導入口４３ａを有している。第１通路４３は、第１導入口４３ａから上方に向かって延びており、貯留部４２の頂部を貫通している。第１通路４３は、貯留部４２の外部で共通通路４７に接続されている。第１通路４３には、貯留部４２の外部に、制御装置５０によって制御される電子制御式の第１バルブ４４が配設されている。第１バルブ４４は、第１通路４３の流路断面積を変更可能に構成されており、例えば、第１通路４３を開閉するノーマリークローズ型の電磁弁である。すなわち、第１バルブ４４が開状態にあるとき、貯留部４２の内部空間は、第１通路４３を通じて共通通路４７に連通する。第１通路４３および第１バルブ４４は、例えばステンレスなどの高耐食性材料を中心に構成される。

第２通路４５は、貯留部４２の内部空間における第１導入口４３ａよりも上方に第２導入口４５ａを有しており、その下流端が第１通路４３と共通通路４７との接続部分に接続されている。第２通路４５は、第１通路４３よりも流路抵抗が大きい通路であり、例えば、第１通路４３よりも小さい流路断面積が連続する通路である。第２通路４５には、第２バルブ４６が配設されている。第２バルブ４６は、貯留部４２における水位が所定値（満水）に到達すると閉弁するように構成されており、例えば、浮力により弁体が移動するフロートバルブである。すなわち、凝縮水の水位が所定値未満であり第２バルブ４６が開状態にあるとき、貯留部４２の内部空間は、第２通路４５を通じて共通通路４７に連通する。これら第２通路４５および第２バルブ４６は、例えばステンレスなどの高耐食性材料を中心に構成される。

図３に示すように、流通通路１６Ａを構成するインテークマニホールド１４は、各シリンダー１２に対応する吸気ポート１４ａを有している。吸気ポート１４ａは、吸気バルブ６０によって開閉される。また、エキゾーストマニホールド１５は、各シリンダー１２に対応する排気ポート１５ａを有している。排気ポート１５ａは、排気バルブ６１によって開閉される。そして、共通通路４７は、例えばステンレスなどの高耐食性材料を中心に構成されており、インテークマニホールド１４の各吸気ポート１４ａに対して接続されている。すなわち、第１通路４３および第２通路４５は、共通通路４７を通じて流通通路１６Ａの一部である各吸気ポート１４ａに連通している。共通通路４７は、吸気バルブ６０が開状態（吸気行程）にあるシリンダー１２に対応する吸気ポート１４ａを流れる作動ガス６２のベンチュリ効果により、貯留部４２内の凝縮水や貯留部４２内のガス（以下、貯留部４２内のガスを貯留ガスという。）を吸気ポート１４ａに供給する。

例えば、図４（ａ）に示すように、凝縮水の水位が第１導入口４３ａよりも高く、かつ、第１バルブ４４が閉状態、第２バルブ４６が開状態にあるとき、共通通路４７は、第２通路４５から流入してくる貯留部４２内の貯留ガスを各吸気ポート１４ａに供給する。また例えば、図４（ｂ）に示すように、凝縮水の水位が第１導入口４３ａよりも高く、かつ、第１バルブ４４が開状態にあるとき、共通通路４７は、第２バルブ４６の開閉にかかわらず、第１通路４３から流入してくる貯留部４２内の凝縮水を各吸気ポート１４ａに供給する。そして、図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、各吸気ポート１４ａに対する貯留ガスの供給あるいは凝縮水の供給によって貯留部４２の圧力Ｐ１が低下する。この圧力Ｐ１の低下により、流入通路４１を通じてインタークーラー１９内の凝縮水が貯留部４２へと吸い上げられることとなる。すなわち、凝縮水処理装置４０においては、第１バルブ４４および第２バルブ４６の双方が閉状態にあるときを除き、インタークーラー１９内の凝縮水が流入通路４１を通じて貯留部４２に吸い上げられ続ける構成となっている。

このように凝縮水処理装置４０は、貯留部４２に貯留された凝縮水を各吸気ポート１４ａに供給することにより凝縮水を処理する。凝縮水は、作動ガスとともにエンジン１０の各シリンダー１２に導入されたのち、排気ガスの一部として排気ポート１５ａに排出される。凝縮水は、作動ガスの比熱比を低下させるとともに、吸熱により作動ガスの温度を低下させることにより密度を増大させ、シリンダー１２に導入される作動ガスを増量させる。シリンダー１２に導入された凝縮水は、混合気の燃焼時に燃焼熱の一部を吸熱することにより燃焼温度を低下させる。凝縮水は、こうした作動ガスの比熱比の低下、作動ガスの増量、および、燃焼温度の低下により、燃焼時におけるシリンダー１２内の圧力である筒内圧力を低下させる。凝縮水は、燃料噴射量や吸入空気量など、同じ燃焼条件のもとでは温度が低いほど燃焼温度および筒内圧力を低下させる。

図５に示すように、凝縮水処理装置４０は、第１バルブ４４を制御対象とする制御装置５０を備えている。制御装置５０は、プロセッサ、メモリー、入力インターフェース、および、出力インターフェース等がバスを介して互いに接続された１以上のマイクロコンピューターを中心に構成される。制御装置５０は、入力インターフェースを介して取得した各種情報、ならびに、メモリーに格納された各種制御プログラムおよび各種データに基づいて各種処理を実行する。制御装置５０は、各種処理の結果に基づく制御信号を出力インターフェースを介して制御対象に出力する。

制御装置５０は、各種機能部として、エンジン１０の運転状態に関する情報を取得する取得部５１と、第１バルブ４４の開閉を制御するバルブ制御部５２とを有している。
取得部５１は、上記情報として、例えば、エンジン１０を制御するエンジンＥＣＵ５５からの制御信号を通じて燃料噴射量Ｇｆを取得する。バルブ制御部５２は、取得部５１が取得した燃料噴射量Ｇｆがエンジン１０の運転状態が高負荷状態にあることを示す高負荷噴射量Ｇｆ１以上である場合には第１バルブ４４を開状態に制御する。また、バルブ制御部５２は、燃料噴射量Ｇｆが上記高負荷噴射量Ｇｆ１未満である場合には第１バルブ４４を閉状態に制御する。

上記実施形態の凝縮水処理装置４０によれば、以下に列挙する作用効果が得られる。
（１）凝縮水処理装置４０は、貯留部４２における凝縮水の水位、および、第１バルブ４４の開閉状態にかかわらず、第２バルブ４６が閉弁するまでインタークーラー１９内の凝縮水を流入通路４１を通じて貯留部４２に吸い上げ続ける構成となっている。これにより、インタークーラー１９内の凝縮水を貯留部４２に効率よく貯留させることができる。そして、制御装置５０による第１バルブ４４の開閉の制御によって、エンジンに対する凝縮水の供給タイミングが制御可能である。これらのことから、凝縮水の処理を効果的に行うことができる。

（２）第２バルブ４６がフロートバルブである。そのため、例えば、貯留部４２の水位を計測するレベルセンサー等からの検出信号に基づいて電子制御式の第２バルブ４６の開閉を制御しなくとも、凝縮水の水位が所定値に到達すると自動で第２通路４５が閉鎖される。そのため、第２バルブ４６の構成のみならず、凝縮水処理装置４０の構成の簡素化を図ることができる。

（３）第１通路４３および第２通路４５は、共通通路４７を通じて各吸気ポート１４ａに連通している。そのため、第１通路４３および第２通路４５が各吸気ポート１４ａに対して各別に連通している構成に比べて配管構成の簡素化を図ることができる。

（４）第１通路４３および第２通路４５が共通通路４７を通じて各吸気ポート１４ａに連通している。これにより、各シリンダー１２に供給される凝縮水量の均一化を図ることができる。その結果、高負荷状態にあるエンジン１０においてシリンダー１２ごとの出力のばらつきを抑えつつ凝縮水を処理することができる。

（５）高負荷状態にあるエンジン１０においては筒内圧力が高くなるため、シリンダーブロック１１などに対する機械的な負荷が大きくなる。この点、制御装置５０は、エンジン１０が高負荷状態にある場合に第１バルブ４４を開状態に制御する。こうした構成によれば、筒内圧力の過度な上昇を抑えることができる。また、凝縮水の供給によって筒内圧力の抑制が図られることから、筒内圧力の抑制のためにエンジン１０が吸入する作動ガス量を減らす必要がない。すなわち、高負荷状態にあるエンジン１０に供給される空気量が確保されやすくなることから、黒煙の排出量を抑えることができる。また、低負荷状態や中負荷状態にあるエンジン１０に対する凝縮水の供給を回避することにより、これらの運転状態における各シリンダー１２での燃焼を安定させることができる。

なお、上記実施形態は、以下のように適宜変更して実施することもできる。
・制御装置５０は、燃料噴射量Ｇｆに限らず、例えば、エンジン回転数Ｎｅやアクセル開度ＡＣＣ等をエンジン１０の運転状態に関する情報として取得し、その取得した情報に基づいてエンジン１０の運転状態を判断してもよい。

・制御装置５０は、エンジン１０の運転状態が高負荷状態にあるときに限らず、例えば、エンジン１０の運転状態が低中負荷状態にあるときやアイドリング状態にあるときに第１バルブ４４を開状態に制御してもよい。

・第１通路４３および第２通路４５は、流通通路１６Ａに連通していればよく、その連通先は吸気ポート１４ａに限られない。例えば、第１通路４３および第２通路４５は、吸気通路１６におけるスロットル２０の直下流に連通していてもよいし、高圧ＥＧＲ通路３１における高圧ＥＧＲ弁３３の下流を通じて吸気通路１６に連通していてもよい。

・第１通路４３と第２通路４５とが互いに異なる経路で流通通路１６Ａに連通していてもよく、例えば第１通路４３は吸気ポート１４ａに連通し、第２通路４５は吸気通路１６におけるスロットル２０の直下流に連通していてもよい。

・第２バルブ４６は、凝縮水の水位が所定値に到達したときに閉弁するバルブであればよく、フロートバルブに限られない。例えば、第２バルブ４６は、貯留部４２の水位を計測するレベルセンサー等からの検出信号に基づいて制御装置５０によって開閉が制御される電子制御式の開閉弁であってもよい。

・凝縮水処理装置４０が搭載可能なエンジンシステムは、インタークーラー１９と低圧ＥＧＲ装置３５とを有していればよく、例えば、スロットル２０や高圧ＥＧＲ装置３０を備えていなくともよい。

１０…エンジン、１０ａ…クランクシャフト、１１…シリンダーブロック、１２…シリンダー、１３…インジェクター、１４…インテークマニホールド、１４ａ…吸気ポート、１５…エキゾーストマニホールド、１５ａ…排気ポート、１６…吸気通路、１６Ａ…流通通路、１７…ターボチャージャー、１８…コンプレッサー、１９…インタークーラー、１９ａ…上流側タンク、１９ｂ…コア部、１９ｃ…下流側タンク、２０…スロットル、２１…排気通路、２３…タービン、２５…排気浄化装置、３０…高圧ＥＧＲ装置、３１…高圧ＥＧＲ通路、３２…高圧ＥＧＲクーラー、３３…高圧ＥＧＲ弁、３５…低圧ＥＧＲ装置、３６…低圧ＥＧＲ通路、３７…低圧ＥＧＲクーラー、３８…低圧ＥＧＲ弁、４０…凝縮水処理装置、４１…流入通路、４２…貯留部、４２ｂ…底面、４３…第１通路、４３ａ…第１導入口、４４…第１バルブ、４５…第２通路、４５ａ…第２導入口、４６…第２バルブ、４７…共通通路、５０…制御装置、５１…取得部、５２…バルブ制御部、５５…エンジンＥＣＵ、６０…吸気バルブ、６１…排気バルブ、６２…作動ガス。

Claims

エンジンの吸気通路に配設されたインタークーラーと、排気ガスの一部を前記吸気通路における前記インタークーラーの上流に還流するＥＧＲ装置と、を備えたエンジンシステムに搭載される凝縮水処理装置であって、
前記インタークーラーに接続された流入通路を通じて前記インタークーラー内の凝縮水が流入可能に構成された貯留部と、
前記貯留部の内部空間に第１導入口を有して前記エンジンと前記インタークーラーとを繋ぐ流通通路に連通する第１通路と、
前記第１通路を開閉可能に構成された第１バルブと、
前記貯留部の内部空間において前記第１導入口よりも上方に位置する第２導入口を有して前記流通通路に連通する第２通路と、
前記貯留部における前記凝縮水の水位が所定値に到達すると前記第２通路を閉鎖する第２バルブと、
前記第１バルブの開閉を制御する制御部と、を備える
凝縮水処理装置。
前記第２バルブがフロートバルブである
請求項１に記載の凝縮水処理装置。
前記第１通路および前記第２通路は、共通の通路を通じて前記流通通路に連通している
請求項１または２に記載の凝縮水処理装置。
前記流通通路は、複数のシリンダーの各々に対応する吸気ポートを有しており、
前記第１通路および前記第２通路は、前記吸気ポートの各々に連通している
請求項１〜３のいずれか一項に記載の凝縮水処理装置。
前記制御部は、前記エンジンの運転状態に関する情報を取得し、前記取得した情報に基づく前記運転状態が高負荷状態であるときに前記第１バルブを開状態に制御する
請求項１〜４のいずれか一項に記載の凝縮水処理装置。