JP6834741B2 - 排気再循環装置および内燃機関 - Google Patents

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Description

本開示は、排気再循環装置および内燃機関に関する。
従来、内燃機関には、排気通路に排出された排気ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気通路に供給する排気再循環装置が搭載されているものがある。
排気再循環装置は、ＥＧＲガスをＥＧＲクーラーで冷却することにより、燃焼温度を低下させて、排気ガス中の窒素酸化物を低減し、また、ＥＧＲガスの気筒への充填率を向上させている。
特開２０１６−９４９０９号公報
ところで、例えば、暖機前の低水温時、または暖機後であっても部分負荷でＥＧＲガス温度が低い場合において、ＥＧＲクーラー内において、ＥＧＲガス中の水分が結露を起こして、そこにＥＧＲガス中の窒素酸化物及び硫黄酸化物が触れて、強酸性の凝縮水が生成される。生成された強酸性の凝縮水が吸気通路へ運ばれた場合、吸気通路に接続される内燃機関の各部を腐食させる場合があるという問題がある。
本開示の目的は、凝縮水が吸気通路へ運ばれるのを防止することができる排気再循環装置および内燃機関を提供することである。
本開示の排気再循環装置は、
内燃機関の排気通路から吸気通路へ排気ガスを再循環させるＥＧＲ通路と、
前記ＥＧＲ通路に設けられ、排気ガスを冷却するＥＧＲクーラーと、
前記ＥＧＲ通路における前記ＥＧＲクーラーより下流側と前記ＥＧＲクーラーより上流側とを連結し、前記排気ガスの冷却により生成される凝縮水を前記下流側から前記上流側へ戻す通路を含む凝縮水処理部と、
を備え、
前記凝縮水処理部は、前記内燃機関の回転数が所定値未満である場合、前記凝縮水処理部における水頭圧がＥＧＲクーラーの損失抵抗以上になるように落差を有する。
本開示の内燃機関は、上記排気再循環装置を備える。
本開示によれば、凝縮水が吸気通路へ運ばれるのを防止することができる。
本開示の一実施の形態に係る排気再循環装置を含むエンジンの一例を示す図 本実施の形態に係る排気再循環装置の一例を示す図 本実施の形態の変形例１に係る排気再循環装置を示す図 本実施の形態の変形例２に係る排気再循環装置を示す図 本実施の形態の変形例３に係る排気再循環装置を示す図
以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。図１は、排気再循環装置１００を含むエンジン１０の一例を示す図である。
エンジン１０において、吸気通路１１へ吸入された吸気Ａ１が、ターボチャージャー１２のコンプレッサー１２ａにより圧縮されて高温になり、インタークーラー１３で冷却される。その後、この吸気Ａ１は、インテークマニホールド１４を経てエンジン本体１５の気筒１６に供給される。気筒１６に供給された吸気Ａ１は、燃料噴射弁（図示略）から噴射された燃料と混合されて燃焼して熱エネルギーを発生させた後に、排気ガスＧ１となる。
その排気ガスＧ１は、エキゾーストマニホールド１８を経由して排気通路１９へ排出されて、ターボチャージャー１２のタービン１２ｂを駆動する。その後、排気ガスＧ１は、排気ガス浄化装置２０で浄化されてから大気中へ放出される。
排気ガスＧ１の一部は、排気再循環装置１００によりＥＧＲガスＧ２として排気通路１９から吸気通路１１に還流される。
排気再循環装置１００は、ＥＧＲ通路３１とＥＧＲクーラー３２とを備える。
ＥＧＲ通路３１は、排気通路１９の中途の位置から分岐して吸気通路１１の中途の位置に接続された通路である。また、このＥＧＲ通路３１と排気通路１９との分岐箇所は、排気通路１９における排気ガス浄化装置２０より上流側に配置される。
ＥＧＲクーラー３２は、ＥＧＲ通路３１を通過するＥＧＲガスＧ２がその内部を通過した際に冷却水Ｃ１（図２参照）と熱交換されて冷却されるクーラーである。ＥＧＲクーラー３２内において、ＥＧＲガスＧ２中の水分が凝結して水滴状又は霧状となる。そこにＥＧＲガスＧ２中の窒素酸化物又は硫黄酸化物が触れることにより、強酸性の凝縮水が生成される。
例えば市街地走行時では、ＥＧＲガスＧ２の温度が低いため、凝縮水が発生し易くなる。また、近年、排気ガス中の窒素酸化物をさらに低減し、また、ＥＧＲガスＧ２の気筒１６への充填率をさらに向上させるため、ＥＧＲ率が高くなる傾向にある。排気ガスＧ１には一定量の水分が含まれていることから、ＥＧＲ率が高くなるに応じてＥＧＲガスＧ２中の水分量が多くなる。これにより、ＥＧＲガスＧ２中の水分が凝結し易くなり、生成される強酸性の凝縮水が多くなる傾向にある。
生成された強酸性の凝縮水は、ＥＧＲクーラー３２より下流側の吸気通路１１に運ばれ、インテークマニホールド１４（図２参照）を通り、シリンダー（図示略）内に流れる過程で、シリンダーの各部を腐食させる場合がある。この場合、例えば、吸気バルブ（図示略）のシール性が低下し、シリンダー内の爆発圧力を保持することができずに、性能が低下するおそれがある。また、例えば、噴射ノズル（図示略）を腐食させ、燃料の噴霧状態が悪くなるおそれがある。また、例えば、シリンダー内の腐食、摩耗が進んで、性能や耐久性を著しく悪化させるおそれがある。
また、仮に、ＥＧＲクーラー３２より下流側にコンプレッサー（図示略）が設けられるエンジン（図示略）では、コンプレッサーが凝縮水に接触することで急冷される場合、熱衝撃により損傷するおそれがある。
本実施の形態にかかる排気再循環装置１００は、凝縮水が吸気通路１１側へ運ばれることを防止するために、凝縮水処理部３０を備える。ここで、「吸気通路」とは、ターボチャージャーのコンプレッサー、および、インテークマニホールドを含む吸気系をいう。
図２は、排気再循環装置１００の一例を示す図である。
凝縮水処理部３０は、図２に示すように、凝縮水を下流側３１Ｌから上流側３１Ｕへ戻すために、凝縮水通路３３と貯留部３４とを備える。
凝縮水通路３３は、図１および図２に示すように、ＥＧＲ通路３１におけるＥＧＲクーラー３２より下流側３１ＬとＥＧＲクーラー３２より上流側３１Ｕとを連結している。凝縮水通路３３はパイプ部材３３Ａを有している。パイプ部材３３Ａの一端３３Ｂは下流側３１Ｌに接続されている。パイプ部材３３Ａの他端３３Ｃは上流側３１Ｕに接続されている。
凝縮水処理部３０（パイプ部材３３Ａ又は貯留部３４）に凝縮水が存在しない場合、上流側３１ＵからＥＧＲクーラー３２を通らずに凝縮水処理部３０を通って下流側３１Ｌに送られるＥＧＲガスと、上流側３１ＵからＥＧＲクーラー３２を通って下流側３１Ｌに送られるＥＧＲガスとが吸気通路１１に供給される。
吸気通路１１に供給されるＥＧＲガスＧ２の温度は、ＥＧＲクーラー３２の断面積に対するパイプ部材３３Ａの断面積の割合が大きくなるに応じて上昇する。そこで、ＥＧＲクーラー３２の断面積に対するパイプ部材３３Ａの断面積の割合は、ＥＧＲガスＧ２の冷却後の温度（つまり、吸気通路１１に流れるＥＧＲガスＧ２の温度）が許容範囲内に収まるように、予め定められた所定の割合以下に抑えられている。
貯留部３４は、図２に示すように、下流側３１Ｌにおける凝縮水が集まる集合領域に設けられ、集まった凝縮水を所定量溜める機能を有する。これにより、凝縮水が吸気通路１１側へ運ばれることが防止される。貯留部３４はパイプ部材３３Ａの一端３３Ｂに接続されている。
図２に示すように、貯留部３４の上端とパイプ部材３３Ａの他端３３Ｃにおけるパイプ部材３３Ａの中心軸との間には、車両上下方向における落差ｈが設けられている。落差ｈは、上流側３１Ｕと下流側３１Ｌとの間の損失抵抗が所定値未満の場合、凝縮水が下流側３１Ｌから上流側３１Ｕへ戻るように設定されている。パイプ部材３３Ａは、水平方向に対して所定の角度θで下流側３１Ｌから上流側３１Ｕへ延在している。
以下、ＥＧＲクーラー３２の損失抵抗（圧力損失）ΔＰと落差ｈとの関係について説明する。
ＥＧＲクーラー３２の損失抵抗ΔＰは、管路摩擦係数λ、通路長さＬ、ガス密度ρ、および、ガス速度Ｖの二乗に比例し、通路有効管相当径ｄに反比例する。
これを以下の式（１）で表す。
ΔＰ＝λＬρＶ2／２ｄ …（１）
上記式（１）によれば、仮に、エンジン１０の回転数がＮｅ１［ｒｐｍ］からＮｅ２［ｒｐｍ］に上昇し、ＥＧＲガスの速度が４倍になれば、ＥＧＲクーラー３２の損失抵抗は１６倍となる。例えば、回転数Ｎｅ２でのＥＧＲクーラー３２の損失抵抗がΔＰ２［ｍｍＡｑ］であれば、回転数Ｎｅ１ではΔＰ１（＝ΔＰ２／１６）［ｍｍＡｑ］となる。
例えば、貯留部３４の上端とパイプ部材３３Ａの他端３３Ｃにおけるパイプ部材３３Ａの中心軸との間に車両上下方向にＬ（＝ΔＰ１）［ｍｍ］以上の落差ｈが設けられている。換言すれば、貯留部３４における水頭圧とパイプ部材３３Ａにおける水頭圧とを加算した圧力がΔＰ１［ｍｍＡｑ］以上の場合であるとする。
この場合に、エンジン１０の回転数がＮｅ１［ｒｐｍ］未満の時（例えば市街地走行時）、上記加算した水頭圧が損失抵抗より大きいため、凝縮水は、パイプ部材３３Ａの一端３３Ｂから他端３３Ｃへ流れる。そして、他端３３Ｃへ流れた凝縮水は、高温側の上流側３１Ｕにおいて蒸発する。
次に、排気再循環装置１００の動作の一例について説明する。
なお、以下の説明において、貯留部３４の上端とパイプ部材３３Ａの他端３３Ｃとの間にＬ［ｍｍ］以上の落差ｈが設けられているものとする。
このようなエンジン１０において、排気ガスＧ１の一部は、ＥＧＲガスＧ２として排気通路１９からＥＧＲ通路３１を通って吸気通路１１に還流される。ＥＧＲガスＧ２は、ＥＧＲ通路３１を通るとき、ＥＧＲクーラー３２によって冷却される。
つまり、冷却されたＥＧＲガスＧ２は、インタークーラー１３で冷却された吸気Ａ１と共に、インテークマニホールド１４を経てエンジン本体１５の気筒１６に供給される。ＥＧＲガスＧ２をＥＧＲクーラー３２で冷却することにより、排気ガス中の窒素酸化物を低減し、また、ＥＧＲガスＧ２の気筒１６への充填率を向上させている。
ＥＧＲガス中の水分は、ＥＧＲクーラー３２で冷却されることにより凝結して水滴状又は霧状となる。そこにＥＧＲガス中の窒素酸化物などが触れることにより、強酸性の凝縮水が生成される。生成された凝縮水は貯留部３４に溜められる。
エンジン１０の回転数がＮｅ１[ｒｐｍ]未満になる例えば車両の市街地走行時、ＥＧＲ通路３１の下流側３１Ｌと上流側３１Ｕとの間の損失抵抗がΔＰ１[ｍｍＡｑ]未満になるため、Ｌ（＝ΔＰ１）[ｍｍ]以上の落差ｈを有する凝縮水処理部３０において、凝縮水は貯留部３４からパイプ部材３３Ａを通って上流側３１Ｕへ流れる。そして、凝縮水は、上流側３１Ｕの熱を得て蒸発する。
つまり、凝縮水は、例えば暖機前の低水温時または部分負荷運転時のＥＧＲガス温度が低い場合、及びＥＧＲ率の高い場合などに貯留部３４に溜まる。貯留部３４に溜められた凝縮水は、市街地走行時に上流側３１Ｕへ流れるため、凝縮水は、貯留部３４から溢れ出ることがなく、吸気通路１１側へ運ばれることもない。これにより、凝縮水が、吸気通路１１に接続される内燃機関の各部を腐食させることもない。
＜本実施の形態の効果＞
以上のように、本実施の形態に係る排気再循環装置１００によれば、エンジン１０の排気通路１９から吸気通路１１へ排気ガスを再循環させるＥＧＲ通路３１と、ＥＧＲ通路３１に設けられ、排気ガスを冷却するＥＧＲクーラー３２と、ＥＧＲ通路３１におけるＥＧＲクーラー３２より下流側３１ＬとＥＧＲクーラー３２より上流側３１Ｕとを連結し、排気ガスの冷却により生成される凝縮水を下流側３１Ｌから上流側３１Ｕへ戻す凝縮水通路３３を含む凝縮水処理部３０と、を備えている。これにより、排気ガスの冷却により生成される凝縮水が、下流側３１Ｌから上流側３１Ｕへ流れ、上流側３１Ｕの熱を得て蒸発するため、凝縮水が吸気通路１１へ運ばれるのを防止することができる。
また、本実施の形態にかかる排気再循環装置１００によれば、凝縮水処理部３０は、上流側３１Ｕと下流側３１Ｌとの間の損失抵抗が所定値未満の場合に凝縮水が流れるように落差ｈを有する。これにより、損失抵抗が所定値未満になる場合がある例えば市街地走行時に、凝縮水を下流側３１Ｌから上流側３１Ｕへ流すことができる。そのため、凝縮水が下流側３１Ｌから吸気通路１１へ運ばれるのを防止することができる。
＜本実施の形態の変形例＞
次に、上記実施の形態の変形例にかかる排気再循環装置１００について図３Ａから図３Ｃを参照して説明する。図３Ａから図３Ｃに、上流側３１Ｕ、下流側３１Ｌおよびパイプ部材３３Ａ等を概略的に示す。
（変形例１）
上記実施の形態では、図２に示すように、パイプ部材３３Ａの一端３３Ｂは、貯留部３４を介してＥＧＲ通路３１の下流側３１Ｌに間接的に接続されている。これに対して、変形例１に係る凝縮水処理部３０Ａでは、図３Ａに示すように、パイプ部材３３Ａの一端３３Ｂは、ＥＧＲ通路３１の下流側３１Ｌに直接的に接続されている。この場合、パイプ部材３３Ａの一端３３Ｂは、下流側３１Ｌにおける凝縮水が集まる集合領域に設けられる。また、パイプ部材３３Ａは、集合領域に集まった凝縮水を収容する機能を有する。また、落差ｈは、パイプ部材３３Ａにおける一端３３Ｂと他端３３Ｃにおけるパイプ部材３３Ａの中心軸との間に設けられる。
（変形例２）
また、上記実施の形態では、図２に示すように、貯留部３４はＥＧＲ通路３１の下流側３１Ｌに設けられている。これに対して、変形例２に係る凝縮水処理部３０Ｂでは、図３Ｂに示すように、貯留部３４Ａはパイプ部材３３Ａに設けられている。この場合、貯留部３４Ａは、パイプ部材３３Ａの一端３３Ｂと他端３３Ｃとの間のいずれかの場所に設けられる。また、貯留部３４Ａは、パイプ部材３３Ａと一体に設けられてもよく、別体に設けられてもよい。貯留部３４Ａとパイプ部材３３Ａとを一体に設けることにより、例えば、凝縮水処理部３０ＢのＥＧＲ通路３１への組付けが容易になる。
（変形例３）
また、上記実施の形態では、上流側３１Ｕと下流側３１Ｌとの間に落差ｈを設けるために、パイプ部材３３Ａは、図２に示すように、水平方向に対して所定の角度θを成す方向に延在している。これに対して、変形例３に係る凝縮水処理部３０Ｃでは、図３Ｃに示すように、パイプ部材３３Ａは水平方向に延在している。貯留部３４Ｂは落差ｈに相当する深さを有している。パイプ部材３３Ａの一端３３Ｂは貯留部３４Ｂの底部に接続されている。変形例３にかかる貯留部３４Ｂは、落差ｈに相当する十分な深さを有するため、多くの凝縮水を溜める必要がある場合に適している。
本開示の車両の排気再循環装置は、凝縮水が吸気通路へ運ばれるのを防止することが要求される内燃機関を備えた車両として有用である。
１０ エンジン
１１ 吸気通路
１２ ターボチャージャー
１２ａ コンプレッサー
１２ｂ タービン
１３ インタークーラー
１４ インテークマニホールド
１５ エンジン本体
１６ 気筒
１８ エキゾーストマニホールド
１９ 排気通路
２０ 排気ガス浄化装置
３０ 凝縮水処理部
３１ ＥＧＲ通路
３１Ｌ 下流側
３１Ｕ 上流側
３２ ＥＧＲクーラー
３３ 凝縮水通路
３３Ａ パイプ部材
３３Ｂ 一端
３３Ｃ 他端
３４ 貯留部
３４Ａ 貯留部
３４Ｂ 貯留部
１００ 排気再循環装置

Claims (6)

  1. 内燃機関の排気通路から吸気通路へ排気ガスを再循環させるＥＧＲ通路と、
    前記ＥＧＲ通路に設けられ、排気ガスを冷却するＥＧＲクーラーと、
    前記ＥＧＲ通路における前記ＥＧＲクーラーより下流側と前記ＥＧＲクーラーより上流側とを連結し、前記排気ガスの冷却により生成される凝縮水を前記下流側から前記上流側へ戻す通路を含む凝縮水処理部と、
    を備え、
    前記凝縮水処理部は、前記内燃機関の回転数が所定値未満である場合、前記凝縮水処理部における水頭圧がＥＧＲクーラーの損失抵抗以上になるように落差を有する、排気再循環装置。
  2. 前記通路の前記上流側の端と前記通路の前記下流側の端とで車両上下方向の高さが異なる、請求項１に記載の排気再循環装置。
  3. 前記凝縮水処理部は、前記凝縮水を溜めるための貯留部を有する、請求項１または２に記載の排気再循環装置。
  4. 前記貯留部は、前記ＥＧＲ通路における前記ＥＧＲクーラーより下流側に設けられる、請求項３に記載の排気再循環装置。
  5. 前記ＥＧＲクーラーの断面積に対する前記凝縮水通路の断面積の割合は、前記吸気通路に流れる前記排気ガスの温度が許容範囲になるように予め定められた所定の割合以下である、請求項４に記載の排気再循環装置。
  6. 前記請求項１から５のいずれか一項に記載の排気再循環装置を備える、内燃機関。
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