本発明の目的は、ガス状媒体の冷却用の空冷式冷却器を備える冷却装置を提供することであり、冷却用空気が非常に低温になる環境内においても、ガス状媒体が最低許容温度を下回って冷却されることが妨げられる。
この目的は、冒頭で述べられ、請求項1の特徴部分に示される特徴によって特徴付けられる種類の冷却装置により達成される。したがって、本発明によれば、この冷却装置は、冷却用空気流の方向に対して冷却用要素の上流の位置に取り付けられる熱供給要素を備える。冷却器内の媒体が最低許容温度を下回って冷却される危険のある状況においては、熱供給要素は、熱供給要素を通過する空気を温めるように作動される。したがって、冷却用空気流は、下流に位置する冷却用要素に到達する際には、周囲環境よりも高い温度となる。有利には、空気流は、少なくとも媒体の最低許容温度に相当する温度にまで温められ、それにより、冷却用要素内のガス状媒体が、空気流によって、最低許容温度を下回る温度に冷却されることが確実に不可能となる。空気を含むガス状媒体は、水蒸気を含む。このようなガス状媒体が、水蒸気の露点を下回る温度に冷却されると、冷却用要素内にて、液体の形態の水が凝結する。ガス状媒体が0℃を下回る温度に冷却されると、凝結した水は、冷却用要素内で氷に凍結する。媒体の前述の最低許容温度は、冷却用要素内に結氷をもたらす0℃を下回る温度にガス状媒体が冷却されないことを主に基準としているが、実際には、冷却用要素のいずれの部分においても結氷が確実に生じないようにするために、数度の安全マージンを適用することができる。しかし、前記最低許容温度が、他の温度、及び、例えば冷却用要素内における過剰な凝縮を回避することが望ましい場合があるなどの、結氷以外の他の現象を基準とし得る可能性は、排除されない。熱供給要素と冷却用要素との間に連結部を提供することによって、車両内においてそれらを複合ユニットとして取り付けることが可能となる。したがって、熱供給要素と冷却用要素とを近接させて取り付けることが、容易となり、熱供給要素が、車両内において比較的少量のスペースを占めることを可能にする。
本発明の別の好ましい実施例によれば、冷却用要素及び熱供給要素は共に、管状要素が間隔をおいて配置された部分を備え、その結果、前記外気流が通過するように意図される通路が、相互に隣接し合う管状要素の間にもたらされる。したがって、冷却用要素内のガス状媒体は、周囲空気による管状要素内で効果的に冷却される。有利には、冷却用要素及び熱供給要素は、それぞれの通路に固定された伝熱手段を備える。このような伝熱手段によって、管状要素と外気との間の接触面が増大し、したがって管状要素内の媒体と周囲空気との間の熱交換がより効果的になる。
本発明の別の好ましい実施例によれば、冷却用要素は、少なくとも1つの通路を備え、熱供給要素は、少なくとも1つの通路を備え、これらの通路は、熱供給要素及び冷却用要素を通り延在する実質的に直線状の流路を共に構成するように、寸法設定され、相互に配置される。熱供給要素を通る全ての通路が、冷却用要素を通る、一致するように配向された通路と同位配置される場合には、熱供給要素は、冷却用要素を通り流れる空気に対する追加的な流れ抵抗を実質的に全く生じさせない。前記実質的に直線状の流路を共に構成する冷却用要素の通路及び熱供給要素の通路は、冷却用要素と熱供給要素との間に前記連結部を構成する共有式伝熱手段を備えると好ましい。冷却用要素及び熱供給要素の両方に固定されるこのような伝熱手段は、冷却用要素及び熱供給要素を共に保持する連結部を構成する。有利には、冷却用要素及び熱供給要素の全ての通路が、このような共有式伝熱手段を備え、それにより冷却用要素と熱供給要素との間の非常に安定的な連結が実現される。有利には、前記伝熱手段は、前記実質的に直線状の流路を複数の平行なフロー・ダクトに分割するように構成されたシートメタル・タイプの材料から構成される。伝熱手段は、冷却用要素及び熱供給要素の2つの相互に隣接し合う管状要素間で交互に延在する構造を必要とする。このために、伝熱手段は、ジグザグ構造を有してよい。
本発明の別の好ましい実施例によれば、前記冷却用要素は、EGR冷却器であり、前記媒体は、内燃機関に再循環される排気ガスである。内燃機関内に吸い込まれ燃焼時に使用される空気は、周囲空気の湿度により様々に異なる量の水蒸気を含む。したがって、排気ガスは、様々な程度に水蒸気を含む。排気ガスが、周囲空気よりも高い圧力にある場合には、空冷式EGR冷却器内にて水蒸気が凝結するのを防ぐことが、しばしば困難になる。したがって、EGR冷却器内で0℃を下回る温度に再循環排気ガスを冷却すべきではない。なぜなら、その場合には、EGR冷却器内の凝結した水蒸気が、氷に凍結するからである。代替としては、前記冷却用要素は、給気冷却器であってよく、前記媒体は、内燃機関に送られる圧縮空気であってよい。殆どのディーゼル駆動内燃機関及び多くのガソリン駆動内燃機関は、過給式であり、すなわちこれらは、内燃機関に送られる周囲空気を吸い込み圧縮するターボ・ユニットを備える。したがって、圧縮空気は、周囲空気の湿度により様々に異なる量の水蒸気を含む。圧縮空気は、周囲環境の圧力にある空気よりも露点が高いため、給気冷却器内で水が凝結する。したがって、圧縮空気も同様に、0℃を下回る温度に冷却すべきではない。なぜならこれは、給気冷却器内において、凝結した水蒸気が氷に凍結する結果を招く場合があるからである。
本発明の別の好ましい実施例によれば、熱供給要素は、冷却用要素内のガス状媒体が最低許容温度を下回るまで冷却される危険のある状況にある際に、熱供給媒体を熱供給要素に貫流させるように適合される。有利には、このような媒体は、内燃機関を冷却するために冷却システム内で使用される冷却液である。通常は、内燃機関の作動中に、冷却用システム内の冷却液は、実質的に一定の比較的高い温度になる。したがって、この状況において熱供給媒体として冷却液を使用することは非常に有利である。有利には、前記熱供給要素及び前記冷却用要素は、車両の前方部分に位置する領域内に取り付けられる。このとき、熱供給要素は、冷却用要素の前方に少なくとも部分的に配置される。このような場合においては、車両の前方移動及び、取り付けられた任意のラジエータ・ファンによりもたらされる通気によって、初めに熱供給要素を通過し、その後に冷却用要素を通過する、特定の方向への空気流が生成される。
以下、添付の図面を参照として、例として本発明の好ましい実施例を説明する。
図1は、過給式内燃機関2によって駆動される車両1を示す。車両1は、過給式ディーゼル機関によって駆動される大型車両であってよい。排気ガスは、内燃機関2のシリンダから、排気マニホルド3を経由して排気ライン4に送られる。大気圧を上回る排気ライン4内の排気ガスは、ターボ・ユニットのタービン5に送られる。このようにしてタービン5は駆動力を与えられ、この駆動力は、連結部を介して圧縮機6に伝達される。圧縮機6は、この力を利用して、空気フィルタ7を経由して吸気ライン8中に送られる空気を圧縮する。給気冷却器9が、吸気ライン8中に配置される。給気冷却器9は、車両1の前方部分で領域A内に配置される。給気冷却器9の役割は、圧縮空気が内燃機関2に送られる前に、この圧縮空気を冷却することである。圧縮空気は、ラジエータ・ファン10によりある特定の方向に給気冷却器9を経由して流される周囲空気によって、給気冷却器9内で冷却される。ラジエータ・ファン10は、適切な連結部を介して内燃機関2によって駆動される。
内燃機関2は、排気ガスの再循環のためのEGR(排気ガス再循環:Exhaust Gas Recirculation)システムを備える。機関のシリンダに送られる圧縮空気に排気ガスを加えることによって、燃焼温度が下げられ、したがってまた燃焼プロセスの際に生成される窒素酸化物(NOx)の含有量も低減される。排気ガスを再循環させるための戻りライン11が、排気ライン4から吸気ライン8まで延在する。戻りライン11は、EGR弁12を備え、このEGR弁12によって、戻りライン11内の排気流を遮断することが可能である。また、EGR弁12は、排気ライン4から戻りライン11を経由して吸気ライン8に送られる排気ガスの量を無段階式に制御するために使用することができる。戻りライン11は、第1の冷却ステージに排気ガスをさらすための第1のEGR冷却器14と、第2の冷却ステージに排気ガスをさらすための第2のEGR冷却器15とを備える。過給式ディーゼル機関2は、ある作動状況においては、排気ライン4内の排気ガスの圧力が、吸気ライン8内の圧縮空気の圧力よりも低くなる。このような状況においては、特別な補助手段を伴わずに、戻りライン11中の排気ガスを吸気ライン8内の圧縮空気と直接的に混合させることは不可能である。このために、例えばベンチュリ管16などを使用することが可能である。内燃機関2が、代わりに過給式オットー機関である場合には、ほぼあらゆる作動状況において、オットー機関の排気ライン4内の排気ガスは、吸気ライン8内の圧縮空気よりも圧力が高いため、戻りライン11内の排気ガスは、吸気ライン8中に直接的に送ることが可能である。排気ガスが、吸気ライン8内で圧縮空気と混合されると、この混合気は、マニホルド17を経由して内燃機関2の各シリンダに送られる。
内燃機関2は、循環冷却液を含む冷却用システムによって従来の態様で冷却される。冷却液は、冷却液ポンプ18によって冷却用システム内で循環される。また、冷却用システムは、サーモスタット19を備える。冷却用システム内の冷却液は、車両1の前方部分で領域A内に取り付けられるラジエータ20内で冷却されるように意図される。ラジエータ20は、領域A内の空気流の意図される方向に対して、給気冷却器9及び第2のEGR冷却器15の下流に取り付けられる。また、冷却用システム内の冷却液は、第1のEGR冷却器14内で第1の冷却ステージに再循環排気ガスをさらすために利用される。冷却用システムは、再循環排気ガスの第1の冷却ステージ用に、第1のEGR冷却器14に冷却液を初めに送るライン21の形態のマニホルドを備える。第1のEGR冷却器14は、内燃機関2の上に、又はその付近に取り付けられてよい。ここにおいて、再循環排気ガスは、約500〜600℃の温度から、通常は70〜90℃の範囲内である冷却液の温度に近い温度にまで冷却され得る。
冷却液は、第1のEGR冷却器14を通過すると、弁手段22へと送られる。適切なソフトウェア23aを備えたコンピュータ・ユニットの形態である電気制御ユニット23が、弁手段22を様々な位置に配置するように適合される。制御ユニットによって弁手段22が第1の位置に配置されると、冷却液は、第1のEGR冷却器14からライン24に送られ、冷却液は、ライン24内で内燃機関2からの冷却液と合流する。冷却液は、ライン24を経由してラジエータ20に送られ、そこで冷却され、その後に、内燃機関2又は、第1のEGR冷却器14内の再循環排気ガスを冷却するために再度使用される。制御ユニット23によって弁手段22が第2の位置に配置されると、冷却液は、EGR冷却器14からライン25を経由して熱供給要素26へと送られる。熱供給要素26は、熱供給要素26を通り流れる空気の少なくとも大部分が第2のEGR冷却器15をも通り流れるように、領域A内の冷却用空気流の意図される方向に対して、EGR冷却器15の前方に取り付けられる。熱供給要素26は、EGR冷却器15と一体の部分を構成し、それによって、熱供給要素26及びEGR冷却器15は、車両1内に複合ユニットとして取り付けることが可能となる。制御ユニット23により弁手段22が正確な位置に配置されるようにするために、制御ユニット23は、再循環排気ガスが第2のEGR冷却器15を出た直後にこの再循環排気ガスの温度を検出する第1の温度センサ27から、情報を受信する。また、制御ユニット23は、内燃機関2を冷却した後の冷却液の温度を検出する第2の温度センサ28から、情報を受信する。代替としては、制御ユニット23は、弁手段22を制御するために周囲環境の温度を検出する第3の温度センサから、情報を受信してよい。
したがって、この場合には、給気冷却器9内の圧縮空気及び第2のEGR冷却器15内の再循環排気ガスは、冷却用の周囲空気流によって冷却される。したがって、圧縮空気及び排気ガスを、周囲環境の温度に実質的に相当する温度に冷却することが可能となる。この空気及び排気ガスは、それらがより小さな特定の体積を占めるように冷却され、それによって、内燃機関のシリンダにさらに大量の空気及び再循環排気ガスを供給することが可能となる。周囲環境の温度が低い場合には、排気ガス中の水蒸気は、第2のEGR冷却器15内で凝結する。また、周囲温度が0℃を下回る場合には、第2のEGR冷却器15内で、凝結した水蒸気が氷へと凍結する危険がある。このようにして、第2のEGR冷却器15内の排気流ダクトが閉塞される場合がある。したがって、0℃を下回る温度に排気ガスを冷却すべきではない。
内燃機関2の作動中に、制御ユニット23は、第1の温度センサ27から、第2のEGR冷却器15内で冷却された後の再循環排気ガスの温度に関する情報を受信する。制御ユニット23は、受信した温度値を基準温度と比較する。第2のEGR冷却器15内での結氷を防止するために、0℃の基準温度が使用されてよい。第2のEGR冷却器15内での結氷に対する安全マージンを設けるために、制御ユニット23は、受信した温度値を0℃よりも幾分か高い基準温度と比較してよい。制御ユニット23が、第1の温度センサ27から、再循環排気ガスの温度が基準温度を上回るという情報を受信する限りにおいては、制御ユニット23は、弁手段を第1の位置に配置し、それによって、第1のEGR冷却器14を通り循環する冷却液は、冷却用システムの通常のラジエータ20に送られる。この状況においては、冷却液は、熱供給要素26には全く送られない。したがって、冷却用空気流は、熱供給要素26を通過する際に全く温められず、第2のEGR冷却器15に到達する際にも依然として周囲環境の温度にある。
制御ユニット23が、第1の温度センサ27から、再循環排気ガスが基準温度を下回る温度に冷却されたという情報を受信する場合には、制御ユニット23によって、弁手段22は第2の位置に配置され、それによって、第1のEGR冷却器14からの温かい冷却液が、弁手段22及びライン25を経由して熱供給要素26へと送られる。したがって、熱供給要素26を通り流れる空気は、第2のEGR冷却器15に到達する前に、冷却用空気流によって温められる。したがって、第2のEGR冷却器15内の排気ガスの冷却が、大幅に抑えられる。熱供給要素26は、冷却用空気流を0℃を上回る温度に温めるように寸法設定されて、第2のEGR冷却器15内の再循環排気ガスが0℃を下回る温度に確実に冷却されないようにするのを可能にし、したがって第2のEGR冷却器15内での結氷の危険を完全に取り除くことができる。
ある状況においては、冷却用システムが過負荷を受ける、すなわち冷却用システム内の冷却液の温度が過剰に高温になる危険がある。このような状況は、例えば内燃機関2が、高い周囲温度時に重負荷下にある場合に生じることがある。内燃機関2のための冷却用システムが、車両の他の構成要素、例えば高い冷却能力を要する制動機などを冷却するためにも利用される場合には、冷却用システムは、制動機が使用される際に過負荷をやはり受けることがある。このような状況においては、既にある熱交換器26を追加の冷却器として用いて、それによって、冷却液の過熱を防ぐ追加の冷却能力を冷却用システムに与えることが可能である。このために、制御ユニット23は、第2の温度センサ28から、内燃機関2を出た後の冷却液の温度に関する情報を受信する追加の機能を有してよい。通常は、冷却用システム内の冷却液は、内燃機関2を冷却した後に、その最高温度となる。制御ユニット23は、冷却液の温度を、冷却液が超えてはいけない基準温度と比較するように適合される。冷却液の温度が基準温度を超える場合には、制御ユニット23により、弁手段22は第2の位置に配置され、それによって、温かい冷却液が、熱供給要素26を通り流れて、熱供給要素26内で冷却用空気流によって冷却される。この状況においては、冷却用システム内の冷却液は、通常のラジエータ20内及び熱供給要素26内の両方で冷却される。このようにして、冷却用システムは、冷却用システムの過負荷を防ぐように、追加の冷却能力を与えられる。
図2は、熱供給要素26のみを示す。熱供給要素26は、ライン25から入口25aを経由して冷却液を受けるために第1のタンク26aを備える。熱供給要素26は、冷却液が周囲空気によって冷却される冷却用部分をさらに備える。冷却用部分は、従来の態様においては、冷却液が周囲空気により冷却される複数の実質的に平行な管状要素26bを備える。冷却用周囲空気は、管状要素26b間に延在する通路中の冷却用部分を通り流れるように適合される。伝熱手段29が、前記通路内に配置される。通常は「ランク」と呼ばれる伝熱手段29の目的は、再循環排気ガスが管状要素26b内でより効果的に冷却されるように、熱供給要素26との空気の接触面を増大させることである。通常は、伝熱手段29は、ジグザグ構造を有するシートメタル材料から構成される。したがって、伝熱手段29は、相互に隣接し合う管状要素26b間の通路を、多数のフロー・ダクトに分割することができる。また、熱供給要素26は、冷却用部分内で冷却された後の再循環排気ガスを受けるために、第2のタンク26cを備える。再循環排気ガスは、ライン25に連結される出口25bを経由して、第2のタンク26cを出る。
図3は、熱供給要素26、第2の空冷式EGR冷却器15、及びそれらの後方に配置されたラジエータ20を通り広がる図1の面B−Bを通る断面図を示す。第2のEGR冷却器15及びラジエータ20は、図2の熱供給要素26と同様の構成のものである。したがって、第2のEGR冷却器15及びラジエータ20はそれぞれ、再循環排気ガス及び冷却液をそれぞれ受けるための第1のタンク15a及び20aを有する。また、したがって、第2のEGR冷却器15及びラジエータ20はそれぞれ、周囲空気により排気ガス及び冷却液を冷却する際に排気ガス及び冷却液をそれぞれ案内するための多数の実質的に平行な管状要素15b及び20bを有する冷却用部分を有する。また、したがって、第2のEGR冷却器15及びラジエータ20はそれぞれ、通路を多数のフロー・ダクトに分割する、管状要素15b間及び20b間の通路中に配置される熱伝達手段29、30(ランク)を有する。また、第2のEGR冷却器15及びラジエータ20はそれぞれ、冷却された後の再循環排気ガス及び冷却液をそれぞれ受ける第2のタンク(図示せず)を有する。
熱供給要素26は、第2のEGR冷却器の管状要素15bの寸法と同様の寸法の管状要素26bを備える。熱供給要素26内の相互に隣接し合う管状要素間の高さ方向における間隔もまた、第2のEGR冷却器の相互に隣接し合う管状要素15b間の間隔に一致するように寸法設定される。したがって、熱供給要素26の空気通路及び第2のEGR冷却器15の空気通路は一致する。したがって、一致する通路の各対が共に、熱供給要素26及び冷却用要素15を通り延在する、実質的に直線状の流路を構成し、熱供給要素の通路とEGR冷却器15の通路との両方を通り延在する共有式伝熱手段29の使用を可能にする。共有式伝熱手段29は、熱供給要素26及び第2のEGR冷却器15の両方に固定され、それにより共有式伝熱手段29はそれぞれ、熱供給要素26及び第2のEGR冷却器15をユニットとして共に保持する連結部を構成する。これによって、熱供給要素26及び第2のEGR冷却器15を複合ユニットとして車両内に取り付けることが可能となる。
また、給気冷却器9内では結氷の問題が生じるため、対応する熱供給要素26が、給気冷却器9に同様に連結されてよく、それによって、それらは複合ユニットを構成する。熱供給要素26は、給気冷却器9を通る空気流の意図される方向に対して上流に面する側の給気冷却器9の面に適応される。したがって、熱供給要素26は、必要な場合には、給気冷却器9内で結氷が生じない温度に空気を温めることが可能となる。この場合にもまた、給気冷却器9に熱供給要素26を連結するために、共有式伝熱手段29(ランク)を使用してよい。
本発明は、説明された実施例に限定されることは決してなく、特許請求の範囲内で自由に変更することができる。