(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【背景技術】
【0002】
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N
2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(PM)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。
【0003】
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。ここで、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、ウォーターハンマを引き起こす場合がある。
【0004】
そこで「特許文献1」に開示されているように、内燃機関の排水装置が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た構成を採るとする。この場合、凝縮水を水蒸気に変えて触媒の上流側排気通路に供給している。
【0005】
上述の技術では、凝縮水が燃焼室に送られてウォーターハンマを引き起こすことが防止されるが、凝縮水を加熱して水蒸気とする加熱装置が必要となり、同装置の装着によりコスト増、スペース確保等の問題が生じ易い。そこで、インタークーラで発生した凝縮水をNOxトラップ触媒の上流側排気管へ排出するために凝縮水排出通路を設置するという構成を採ることが考えられる。しかし、この場合、エンジンの低負荷域では十分な過給圧が得られないため、凝縮水排出通路を連通させた開弁時に凝縮水が吸気通路側に逆流し、排気通路へ排出できなくなってしまうという問題が生じ易い。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
そこで、凝縮水が吸気通路側に逆流することなく、確実に凝縮水を排気通路へ排出するために、凝縮水排出通路の出口に負圧を生じさせるような構成を採ることが望まれている。
【0008】
本発明は上述の問題を解決するもので目的とするのは、コスト増を抑制した上で、ベンチュリー効果を利用した排水路構成を用いて、吸排気系の凝縮水を容易に排水できることを特徴とする内燃機関の排水装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
請求項1記載の発明は、一端が内燃機関の排気通路の拡径部に接続されて、他端が前記一端の接続された排気通路よりも上流側の管径の小さい排気通路に接続されたバイパス路と、
前記内燃機関の吸気通路または前記バイパ
ス路の接続位置より上流側の排気通路に一端が、前記バイパス路に他端がそれぞれ接続されて前記吸気通路内または前記排気通路内で結露した凝縮水を前記バイパス路に排出する排水路と、を有することを特徴とする。
【0010】
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、前記バイパス路は前記一端から他端に向かって管径を縮小する絞りが形成されて、前記排水路の他端が前記絞りの下流側のバイパ
ス路に接続される、ことを特徴とする。
【0011】
請求項3記載の発明は、請求項1又は2記載の内燃機関の排水装置において、前記排気通路上に配置されて、該排気通路の上流側と下流側の排気管に拡径部を介して接続された排気後処理手段を備えた内燃機関において、前記バイパス路の一端が前記拡径部に接続され、前記バイパ
ス路の他端が前記拡径部の上流側の排気管と接続されることを特徴とする。
【0012】
請求項4記載の発明は、請求項1〜3のいずれか1つに記載の内燃機関の排水装置において、前記吸気通路に配置されたインタークーラ、を有し、前記排水路の一端が前記インタークーラ下流側の吸気通路に接続されることを特徴とする。
【発明の効果】
【0013】
請求項1の発明は、コスト増を抑制できる上に、排水路によって吸気通路または排気通路内で生じた凝縮水を排気管下流側に確実に排出できる。つまり、バイパス路の一端が排気通路に接続されて、他端が前記一端の接続された排気通路よりも管径の小さい排気通路に接続されることによって、バイパス路内にはベンチュリー効果によって一端から他端に向かう流れが生じる。このバイパス路に排水路の下流側端部を接続することによって、バイパス路内の流れに伴って、排水路内に負圧が発生し、排水路内の凝縮水を迅速にバイパス路に排出させることができる。さらに、凝縮水はバイパ
ス路内であらかじめ排気と攪拌され微粒化が促進されるため、排気通路内に排出される際に排気通路内に滞留することなく速やかに排気通路下流に流すことができる。
【0014】
請求項2の発明は、バイパ
ス路内の排気流れに沿って絞りを形成することで、さらに
絞りによる排気流れの速度が向上する。絞りの下流側に排水路の下流側端部を接続するこ
とによって、排水路内の負圧化が絞りのベンチュリー効果で加速され、排気流れによって
さらに大きくなる。従って、吸気通路の水の排気路への排出を容易化できる。
【0015】
請求項3の発明は、バイパ
ス路の一端が排気の後処理手段と排気管を接続する拡径部に接続され、他端が拡径部より上流側の排気管に接続されることで、排気通路に新たな拡径部を形成することなくバイパ
ス路内にベンチュリー効果による排気流れを作ることができる。また、凝縮水はバイパ
ス路を経由して排気後処理手段の上流側の排気通路に排出されるため、凝縮水を含んだ排気が排気後処理手段で浄化することが出来る。
【0016】
請求項4の発明は、インタークーラで結露した凝縮水を排水路とバイパス路を通して排気通路に流入させるので、吸気通路の腐食を抑制でき、エンジンがウォーターハンマを引き起こすことを防止できる。
【発明を実施するための形態】
【0018】
本発明を適用した内燃機関の排水装置徴について、以下の図面を用いて解説する。
本発明は、要するに、吸気通路に生じた凝縮水を排気通路の触媒装置の上流側に排水させる際に触媒装置が破損することを防止できる排水分散構成を特徴とする。
ここでは、本発明の内燃機関の排水装置を車載用ディーゼルエンジンの給排気系に適用した場合を実施形態1として説明する。
【0019】
実施形態1の内燃機関の排水装置が搭載された車載用ディーゼルエンジン(以下エンジンという)1は本体中央部を成すシリンダブロック2を備え、その上部にシリンダヘッド3を設ける。シリンダヘッド3の吸気側には吸気通路IRを構成する吸気管4が、排気側には排気通路ERを構成する排気管5がそれぞれ接続されている。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。更に、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。
【0020】
吸気管4には、吸気通路IR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。
排気管5には、シリンダブロック2側である排気通路の上流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。
【0021】
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NO
2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。NO
2はNOよりも酸化作用が強く、NO
2によってフィルタ装置16に捕獲された粒子状物質(ディーゼル・パティキュレート)の酸化反応が促進される。また、このNO
2は後述するNOxトラップ触媒18で還元除去される。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(ディーゼル・パティキュレート・フィルタ)であり、捕獲された粒子状物質はNO
2の強力な酸化作用で燃焼除去される。
【0022】
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を内蔵した触媒コンバーター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。排気通路ER上に配置される排気後処理手段である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窒素(N
2)に還元する機能を有する浄化装置である。つまり、酸化触媒15で生成されたNO
2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、窒素(N
2)に還元して放出する。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
次に、吸気通路IR内に生じた凝縮水を排水路wrを通して排気通路ER内に流出させる本発明の実施形態1に係る内燃機関の排水装置M1を説明する。
ここでの排水路wrを成す排水管28はその一端の流入口281がインタークーラ下流側であってインタークーラ10と高圧スロットル弁11との間の吸気管4に接続され、排気後処理手段であるNOxトラップ触媒18の排気路上流側に他端の排水口282が接続される。なお、この排水管28とその接続部位の構成は後述する。
排水管28の途中には開閉弁29が配設され、開閉弁29にはこの開閉弁の開閉制御を行なう制御手段31が接続される。
【0026】
制御手段31は、上述したように、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の運転時間や走行距離が一定値に達した場合に開閉弁29を開弁し、排水管28内の凝縮水を触媒コンバーター19を介して車外に排出する機能を備える。更に、制御手段31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を通じ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、開閉弁29を閉弁させる機能を備える。この制御手段31の制御により排水管28からの凝縮水排出が完了後に吸気ガスが該排水管から排出され、エンジン1のトルク低下や出力低下を引き起こしてしまうことを防止している。
【0027】
次に、
図1に示すように、排気通路ERを成す上流側排気管501の後端にNOxトラップ触媒(排気後処理手段)18を有する触媒コンバーター19が接続される。この触媒コンバーター19は、排気通路ERの拡径部を成す筒状の容器本体(シエル)を備える。容器本体はNOxトラップ触媒18を収容保持する主部191と、主部191に連続形成された排気通路ER前側の拡径部である拡径前部192と、排気通路ER後側の拡径後部193とを有する。
【0028】
拡径前部192は排気路下流に向けて排気路径を徐々に拡大するコーン形状の傾斜部(フロントコーン)を成し、その前端が排気通路上流側の上流側排気管501に接続される。拡径後部193は下流に向けて排気路径を徐々に縮小するコーン形状の傾斜部を成し、その後端が排気通路下流側の下流側排気管502に接続される。
図2(a)に示すように、上流側排気管501の後端部は拡径前部192の前端に重なり互いに溶着される位置まで排気路断面a1が比較的小さく、拡径前部192内では排気路方向Xで後方に進むほど排気路断面a2が徐々に増し、主部191で最大値となってNOxトラップ触媒18を収容保持する。
【0029】
このような拡径部を成す容器本体(シエル)に達する直前の上流側排気管501の後端部は排気ガスの流速v1が大きくガス圧Pa1は小さい。拡径前部192内では後方に進むほど排気ガスの流速v2が小さくなり、その分ガス圧Pa2は大きくなる。更に、主部191の前端近傍では排気ガスの流速v3がより小さくなり、その分ガス圧Pa3は更に大きくなる。しかも主部191の前端近傍ではNOxトラップ触媒18の担持体前面f1に沿った拡径方向の速度が増加し、担持体前面f1の全域に分散して排気ガスがNOxトラップ触媒18の担持体に流入し、排気路方向Xに流出する。
【0030】
このような排気ガスの流動が成されている触媒コンバーター19と上流側排気管501にわたり、
図1,2に示すような、バイパス路brを成すバイパス管32が連結される。
ここで、バイパス管32の一端が排気通路ERの前側の拡径部である拡径前部192に接続され、他端が一端の接続された排気通路ER上の位置よりも上流側となる管径の小さい上流側排気管501に接続される。
図2(a)に示すように、バイパス管32の一端は拡径前部192の直近の主部191の前端に溶着された一端側ボス33にフレアナット35を締結することで接続される。一端側ボス33には貫通孔331が形成され、貫通孔331の下端の一端側連通口36が主部191の前端近傍で内室に連通する。
【0031】
バイパス管32の他端は排気通路ER上の一端側の位置よりも上流側となる管径の小さい上流側排気管501に溶着された他端側ボス34に接続される。この他端側ボス34にフレアナット35を締結することでバイパス管32の他端が他端側ボス34に締結される。
図2(a),(b)に示すように、他端側ボス34は中央に貫通孔341が形成され、貫通孔341の下端の他端側連通口37が上流側排気管501の排気路ERの後端近傍に連通している。
【0032】
図2(b)に示すように、端側ボス34は中央の貫通孔341が上部h1より下部h2が拡径され、その段差部に絞り342が形成される。この絞り342の下側で下部h2の上端に流出穴343が形成され、同流出穴343には他端側ボス34にフレアナット35で締結され、排水管28の下端側の排水口282が連結される。
ここで、排気ガスが絞り342より下部h2側に流動することで、バイパス管32を流動する排気流れefに沿って絞り342を形成するので、絞り342による排気流れefの速度が大きくなる。絞り342の下流側となる下部h2に負圧増加域ehが生じ、ここに排水路wrの下流側端部を接続することによって、排水路wr内の流れは排気流れefが絞り342のベンチュリー効果で増加されることで、さらに大きな流れfrとなって合流する。
【0033】
このような内燃機関の排水装置M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、排水路wrを通ってNOxトラップ触媒18の上流側近傍に位置するバイパス管32を経て上流側排気管501内に送られる。
ここで、上流側排気管501より拡径前部192、主部191を経てNOxトラップ触媒18に排気ガスが流動する。この際、
図2(a)に示すように、主部191のガス圧Pa3が大きく、上流側排気管501の後端部のガス圧Pa1は小さいことより、その差圧に応じて、排気ガスが一端側連通口36からバイパス管32を排気流れefとなって通り、他端側連通口37へと流動する。
【0034】
このように、バイパス管32の一端がNOxトラップ触媒18(排気の後処理手段)と上流側排気管501を接続する拡径部である触媒コンバーター19に接続され、他端が拡径部より上流側の上流側排気管501に接続される。このため、排気通路ERに新たな拡径部を形成することなくバイパス通路内にベンチュリー効果による排気流れefを作ることができ、この点でコスト増を抑制できる。
また、凝縮水はバイパス通路を経由してNOxトラップ触媒18の上流側の上流側排気管501に排出されるため、凝縮水を含んだ排気をNOxトラップ触媒18(排気後処理手段)で浄化することが出来る。
【0035】
更に、排気流れefはその速度が絞り342deにより大きくなり、その直下の下部h2に低圧域ehを生じ、排水路wr内の負圧化が絞り342のベンチュリー効果で加速する。このため、排水路wr内の凝縮水は下部h2での排気流れefに気化して流入する比率が増加し、さらに増速され、他端側連通口37より上流側排気管501に排出される。従って、吸気通路IRの水の排気路ERへの排出を容易化でき、排気通路に排出されるため、凝縮水を含んだ排気が排気後処理手段で浄化することが出来る。
【0036】
更に、インタークーラ10で結露した凝縮水を排水路wrとバイパス路brを通して排気通路ERに流入させるので、吸気通路IRの腐食を抑制でき、エンジン1がウォーターハンマを引き起こすことを防止できる。
【0037】
上述のところにおいて、実施形態1の内燃機関の排水装置における排水路wrはインタークーラ10で結露した凝縮水をバイパス路brに導き、排気通路ERに流入させていたが、場合により、
図1に2点鎖線で示すように排水路wrを成す排水管28aの一端の流入口281aをエンジン本体の上流の排気管5’内の排気路ERに連通させた他の実施形態を構成してもよい。
この場合、エンジン1のアイドル状態において、燃焼室下流の排気管510内に凝縮水が生じる場合があり、この凝縮水の排除を行うことが、耐久性確保の上で好ましいし、排気再循環装置(低圧EGR装置)25への凝縮水の流入を防止できる。
【0038】
上述のところにおいて、内燃機関の排水装置は車載用ディーゼルエンジンに搭載されるとしたが、場合により定置式ディーゼルエンジンに搭載されてもよく、更に、ガソリンエンジンに搭載されてもよく、これらの場合もほぼ同様の効果が得られる。