JP2008019797A - インタークーラおよびインタークーラ付き内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】既燃ガスがインタークーラを流れたとしても、該インタークーラの腐食を抑制できる技術を提供する。
【解決手段】一対のタンクと、該一対のタンクを連通する複数のチューブ１３とを備えるインタークーラであって、チューブ１３は、基材１３１と、チューブ１３の内壁面において基材１３１の表面に形成され且つ基材よりも電位の卑な犠牲層１３２と、チューブ１３の内壁面において犠牲層１３２の表面に形成され且つ犠牲層１３２よりも撥水性が高い撥水層１３３と、を具備する。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の吸気を冷却するためのインタークーラおよびインタークーラ付き内燃機関に関する。

インタークーラ等の熱交換器においてチューブの内壁面に犠牲層を配置し、該インタークーラ等の腐食を抑制する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

ところで、排気通路にタービンを有し且つ吸気通路にコンプレッサを有するターボチャージャを備え、タービンよりも下流の排気の一部をコンプレッサよりも上流の吸気通路へ還流する低圧ＥＧＲ通路を備える低圧ＥＧＲ装置が知られている。

この低圧ＥＧＲ装置により還流されるＥＧＲガス（以下、低圧ＥＧＲガスと称する。）は、コンプレッサよりも下流に備えられるインタークーラを通過する。ここで、低圧ＥＧＲガスは、燃料が燃焼した後のガスであるため、水分を多く含んでいる。すなわち、燃料が燃焼すると、二酸化炭素（ＣＯ_２）と水（Ｈ_２Ｏ）とが発生する。そして、水は高温のために水蒸気となっている。そして、インタークーラでＥＧＲガスの温度が低下されると、水が凝縮する。ここで、低圧ＥＧＲガス中には硫黄成分等が含まれているため、凝縮水中にこれらの成分が取り込まれる。これらの成分はインタークーラを腐食させるため、該インタークーラの性能を低下させる。

ここで、犠牲層は自らが腐食することにより基材の腐食を抑制するものであるため、犠牲層が全て腐食してしまうと基材が腐食してしまう。そして、前記従来技術では、インタークーラに低圧ＥＧＲガスを流すと、犠牲層が直ぐに腐食してしまうので、インタークーラの機能低下が早期に起こるおそれがある。
特開平５−１４８５７１号公報 特開平９−８８６１４号公報 特開平１０−２５９７３２号公報

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、既燃ガスがインタークーラを流れたとしても、該インタークーラの腐食を抑制できる技術を提供することを目的とする。

上記課題を達成するために本発明によるインタークーラは、以下の手段を採用した。すなわち、本発明によるインタークーラは、
一対のタンクと、該一対のタンクを連通する複数のチューブとを備えるインタークーラであって、
前記チューブは、
基材と、
前記チューブの内壁面において前記基材の表面に配置され且つ前記基材よりも電位の卑な犠牲層と、
前記チューブの内壁面において前記犠牲層の表面に配置され且つ前記犠牲層よりも撥水性が高い撥水層と、
を具備することを特徴とする。

インタークーラに流入するガスは、先ず一方のタンクに流入し、その後複数のチューブ内を流れて他方のタンクに流入する。そして、ガスは他方のタンクからインタークーラ外に流出する。

犠牲層は、チューブの基材よりも電位が卑な素材（犠牲材）を含んでなる。この犠牲層は、チューブの基材の腐食を防止するため、その表面を被覆している。そして、犠牲層は、自ら腐食することによりチューブの基材を腐食から守る。

撥水層は、少なくとも犠牲層よりも撥水性が高い。すなわち、撥水層は犠牲層よりも水を弾く。この撥水層は、犠牲層の表面に配置されているため、この撥水層がチューブ内のガスに臨んでいる。

チューブの内壁面では、該チューブ内のガスが冷却されることにより、凝縮水が発生することがある。そして、この凝縮水は、チューブ内のガスに臨んでいる撥水層の表面で発生する。そのため、凝縮水は撥水層の表面上を流れる。ここで、撥水層は撥水性が高いので、凝縮水がより流れやすい。そして、チューブ内をガスが流れることにより、凝縮水がこのガスの流れとともにチューブ内から排出される。これにより、チューブ内に凝縮水が留まる時間が短くなるので、チューブ内部の腐食が抑制される。

ここで、仮に犠牲層のみを配置し、撥水層を配置しなかった場合を考える。犠牲層で腐食が始まると、その腐食は犠牲層で進行するが、該犠牲層が全て腐食するまでは腐食が基材に進行することが抑制される。そして、犠牲層が全て腐食した後に、基材で腐食が始まる。すなわち、犠牲層を配置することにより、基材に腐食が進行するまでの時間を長くすることができる。しかし、撥水層を配置していないと、犠牲層の至る所で腐食が始まるため、該犠牲層の腐食が早く進行する。したがって、撥水層を配置することにより、犠牲層の腐食の進行を抑制できる。

ところで、撥水層は犠牲層の表面に配置されているが、犠牲層を完全に覆うことが困難で、極小部分で犠牲層が露出して既燃ガスに晒されることがある。そして、仮に撥水層のみを配置し、犠牲層を配置しなかった場合には、基材が直接既燃ガスに晒されることになる。この場合、腐食は基材の板厚方向に進行するので、腐食が基材の外気側に達するまでの時間が短い。

しかし、犠牲層を配置している場合には、極小部分から始まる腐食は犠牲層を進行する。そして、腐食が始まる極小部分以外の他の部分では、撥水層により腐食が抑制されている。そのため、極小部分から始まる腐食が犠牲層の全体に拡がるまでに、かなりの時間がかかる。つまり、撥水層を配置することにより、犠牲層の寿命を延ばすことができる。これにより、基材に腐食が進行するまでにかかる時間を長くすることができる。

また、上記課題を達成するために本発明によるインタークーラ付き内燃機関は、以下の手段を採用した。すなわち、本発明によるインタークーラ付き内燃機関は、
前記インタークーラを内燃機関の吸気通路に備え、
燃料が燃焼した後のガスを前記インタークーラよりも上流の吸気通路から導入する既燃ガス導入手段を更に備えることを特徴とする。

既燃ガス導入手段は、例えばＥＧＲガス、ブローバイガス、燃焼式ヒータからの排気等をインタークーラよりも上流から吸気通路へ導入する。これらのガスには水蒸気が含まれているため、インタークーラでガスの温度が低下されると、水が凝縮する。そして、凝縮水に硫黄成分等が取り込まれると、インタークーラを腐食させるおそれがある。しかし、
インタークーラが撥水層および犠牲層を有することにより、該インタークーラの腐食を抑制することができる。

また、本発明においては、内燃機関の排気通路にタービンを有し且つ吸気通路にコンプレッサを有するターボチャージャと、
前記タービンよりも下流の排気通路と前記コンプレッサよりも上流の吸気通路とを接続し内燃機関からの排気の一部を吸気通路に還流させる低圧ＥＧＲ装置と、
を備え、
前記既燃ガス導入手段は、前記低圧ＥＧＲ装置を含むことができる。

この低圧ＥＧＲ装置により還流される低圧ＥＧＲガスは、タービンよりも上流の排気通路とコンプレッサよりも下流の吸気通路とを接続し内燃機関からの排気の一部を吸気通路に還流させる高圧ＥＧＲ装置により還流される高圧ＥＧＲガスよりも温度が低い。そのため、低圧ＥＧＲガスがインタークーラを通過すると、該インタークーラ内で凝縮水が発生し易い。

このような場合であっても、前記インタークーラを備えることにより、チューブの腐食を抑制できる。

本発明によれば、既燃ガスがインタークーラを流れたとしても、該インタークーラの腐食を抑制できる。

以下、本発明に係るインタークーラおよびインタークーラ付き内燃機関の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。

図１は、本実施例に係るインタークーラ１の概略構成を示す図である。インタークーラ１には、入口側タンク１１と、出口側タンク１２と、の一対のタンクが備えられている。入口側タンク１１と、出口側タンク１２と、は複数のチューブ１３により連通されている。複数のチューブ１３は夫々が他のチューブ１３と離間されて備えられており、隣り合うチューブ１３との間には冷却フィン１４が設けられている。この冷却フィン１４は、隣り合うチューブ１３の間を入口側タンク１１から出口側タンク１２までの間、複数回往復しつつ該隣り合うチューブ１３に夫々接している。

入口側タンク１１には、ガスの入口となる入口接続部１５が設けられている。また、出口側タンク１２には、ガスの出口となる出口接続部１６が設けられている。

このように構成されたインタークーラ１では、入口接続部１５、入口側タンク１１、チューブ１３、出口側タンク１２、出口接続部１６の順にガスが流れる。ここで、隣り合うチューブ１３の間を外気が流れ、該チューブ１３および冷却フィン１４の温度を低下させる。これにより、チューブ１３内を流れるガスの温度が低下される。すなわち、外気と、チューブ１３内のガスと、で熱交換が行なわれる。

次に、図２は、チューブ１３の縦断面図である。すなわち、チューブ１３内のガスの流れ方向と平行に該チューブ１３切断したときの断面図である。

チューブ１３は、基材１３１と、犠牲層１３２と、撥水層１３３とを備えて構成されている。外気と接する側には、基材１３１が配置され、チューブ１３の内側すなわち吸気が
通過する側に向かって、犠牲層１３２、撥水層１３３が順に配置されている。なお、図２における各部材の厚さの比率は説明のために、実際と異なる比率にて表している。

基材１３１としては、JIS 3003（Ａｌ−0.15％Ｃｕ− 1.1％Ｍｎ）合金を用いることができる。基材１３１の厚さは、例えば０．４ｍｍとする。また犠牲層１３２としては、JIS 7072（Ａｌ−１％Ｚｎ），Ａｌ−１％Ｚｎ− 0.5％Ｍｇ合金，純Ａｌ，Ａｌ−Ｉｎ合金，Ａｌ−Ｓｎ合金，Ａｌ−Ｚｎ−Ｉｎ−Ｓｎ合金等、基材１３１の電位より卑な合金であれば、如何なる合金も使用できる。犠牲層１３２の厚さは例えば10〜50μｍの範囲とする。このように、基材１３１より電位の卑な犠牲層１３２をクラッドし、基材１３１を保護している。

撥水層１３３は、例えばフッ素樹脂コーティングを用いることができる。この撥水層１３３は、犠牲層１３２よりも撥水性の高いものであれば良い。

なお、入口側タンク１１および出口側タンク１２では、積極的に熱交換を行なっていないため、熱交換の効率を上げる必要がない。したがって、入口側タンク１１および出口側タンク１２に用いられる合金の板圧は、チューブ１３に用いられる合金の板圧よりも厚くすることができる。そのため、入口側タンク１１および出口側タンク１２は腐食しても穴が開き難い。したがって、本実施例では、腐食により穴の開き易いチューブ１３にのみ犠牲層１３２および撥水層１３３を配置している。しかし、チューブ１３と同様にして入口側タンク１１および出口側タンク１２にも犠牲層１３２および撥水層１３３を配置しても良い。

次に図３は、本実施例に係るインタークーラ１を備える内燃機関２１とその吸・排気系の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関２１は、４つの気筒２２を有する水冷式の４サイクル・ディーゼルエンジンである。

内燃機関２１には、吸気通路２３および排気通路２４が接続されている。吸気通路２３の途中には、排気のエネルギを駆動源として作動するターボチャージャ２５のコンプレッサハウジング２５ａが設けられている。

コンプレッサハウジング２５ａよりも下流の吸気通路２３には、吸気と大気とで熱交換を行うインタークーラ１が設けられている。

一方、排気通路２４の途中には、前記ターボチャージャ２５のタービンハウジング２５ｂが設けられている。また、タービンハウジング２５ｂよりも下流の排気通路２４には、パティキュレートフィルタ（以下、単にフィルタという。）２６が設けられている。このフィルタ２６にはＮＯx触媒が担持されていてもよい。

そして、内燃機関２１には、排気通路２４内を流通する排気の一部を低圧で吸気通路２３へ再循環させる低圧ＥＧＲ装置３０が備えられている。この低圧ＥＧＲ装置３０は、低圧ＥＧＲ通路３１、低圧ＥＧＲ弁３２、および低圧ＥＧＲクーラ３３を備えて構成されている。

低圧ＥＧＲ通路３１は、フィルタ２６よりも下流側の排気通路２４と、コンプレッサハウジング２５ａよりも上流の吸気通路２３と、を接続している。この低圧ＥＧＲ通路３１を通って、排気が低圧で再循環される。そして、本実施例では、低圧ＥＧＲ通路３１を通って再循環される排気を低圧ＥＧＲガスと称している。また、低圧ＥＧＲ弁３２は、低圧ＥＧＲ通路３１の通路断面積を調整することにより、該低圧ＥＧＲ通路３１を流れる低圧ＥＧＲガスの量を調整する。さらに、低圧ＥＧＲクーラ３３は、該低圧ＥＧＲクーラ３３
を通過する低圧ＥＧＲガスと、内燃機関２１の冷却水とで熱交換をして、該低圧ＥＧＲガスの温度を低下させる。

このような構成では、低圧ＥＧＲ通路３１から低圧ＥＧＲガスを吸気通路２３へ流すと、該低圧ＥＧＲガスがインタークーラ１へ流入する。この低圧ＥＧＲガスは水分を多く含んでいるので、チューブ１３内を通過するときに該低圧ＥＧＲガスが冷却されると、該チューブ１３内で水が凝縮する。しかし、チューブ１３には、撥水層１３３が形成されているので、凝縮水が吸気や低圧ＥＧＲガスにより流されて、該チューブ１３内には凝縮水が滞留し難くなる。これにより、チューブ１３の基材１３１が腐食することが抑制される。

また、撥水層１３３の効果によってもチューブ１３内の凝縮水を排除することができない場合であっても、先ず犠牲層１３２が腐食するので、基材１３１の腐食が抑制される。すなわち、撥水層１３３に覆われていない極小部分に凝縮水が付着しても、その極小部分から犠牲層１３２の全体へ腐食が拡がるには時間がかかる。そのため、基材１３１に腐食が進行するまでにも時間がかかることになる。

なお、本実施例においては、チューブ１３の軸線が地面と垂直になるように且つ入口側タンク１１が出口側タンク１２よりも上となるように、インタークーラ１を設置してもよい。このようにすることで、チューブ１３内で発生した凝縮水は、ガスの流れによる力と重力による力とを受けることになるので、チューブ１３内の凝縮水をチューブ１３の下流に流しやすくすることができる。これにより、凝縮水と撥水層１３３との接触時間がより短くなるので、腐食をより抑制することができる。

そして、凝縮水は出口側タンク１２に溜まるが、この凝縮水は例えば減速時にスロットルを開閉することにより吸気通路２３内に負圧を発生させて該出口側タンク１２から吸い出すことができる。

以上説明したように、本実施例によれば、基材１３１の腐食が抑制されるので、インタークーラ１の寿命を延ばすことができる。

実施例に係るインタークーラの概略構成を示す図である。 チューブの縦断面図である。 実施例に係るインタークーラを備える内燃機関とその吸・排気系の概略構成を示す図である。

符号の説明

１ インタークーラ
１１ 入口側タンク
１２ 出口側タンク
１３ チューブ
１４ 冷却フィン
１５ 入口接続部
１６ 出口接続部
２１ 内燃機関
２２ 気筒
２３ 吸気通路
２４ 排気通路
２５ ターボチャージャ
２５ａ コンプレッサハウジング
２５ｂ タービンハウジング
２６ フィルタ
３０ 低圧ＥＧＲ装置
３１ 低圧ＥＧＲ通路
３２ 低圧ＥＧＲ弁
３３ 低圧ＥＧＲクーラ
１３１ 基材
１３２ 犠牲層
１３３ 撥水層

Claims (3)

1. 一対のタンクと、該一対のタンクを連通する複数のチューブとを備えるインタークーラであって、
   前記チューブは、
   基材と、
   前記チューブの内壁面において前記基材の表面に配置され且つ前記基材よりも電位の卑な犠牲層と、
   前記チューブの内壁面において前記犠牲層の表面に配置され且つ前記犠牲層よりも撥水性が高い撥水層と、
   を具備することを特徴とするインタークーラ。
2. 請求項１に記載のインタークーラを内燃機関の吸気通路に備え、
   燃料が燃焼した後のガスを前記インタークーラよりも上流の吸気通路から導入する既燃ガス導入手段を更に備えることを特徴とするインタークーラ付き内燃機関。
3. 内燃機関の排気通路にタービンを有し且つ吸気通路にコンプレッサを有するターボチャージャと、
   前記タービンよりも下流の排気通路と前記コンプレッサよりも上流の吸気通路とを接続し内燃機関からの排気の一部を吸気通路に還流させる低圧ＥＧＲ装置と、
   を備え、
   前記既燃ガス導入手段は、前記低圧ＥＧＲ装置を含むことを特徴とする請求項２に記載のインタークーラ付き内燃機関。

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