JP2011190744A - 内燃機関用吸気冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】インタークーラを通過した後の吸気が吸気配管により再加熱されることを抑制する。
【解決手段】シリンダヘッド１１と吸気マニホールド２２との間に配置された断熱手段５０により、シリンダヘッド１１から吸気マニホールド２２への熱伝達を抑制し、ひいては吸気マニホールド２２の温度上昇を抑制する。また、断熱手段５０内を循環する冷却水により吸気マニホールド２２を冷却し、吸気マニホールド２２の温度上昇をさらに抑制する。これにより、吸気マニホールド２２と吸気との温度差が小さくなり、インタークーラ２３を通過した後の吸気は再加熱されにくくなり、インタークーラ２３での吸気冷却効果が維持される。
【選択図】図１

Description

本発明は、過給機にて加圧された吸入空気をインタークーラにて冷却する内燃機関用吸気冷却装置に関するものである。

近年、燃費向上を狙って、過給により内燃機関のダウンサイジングを図ることが行われている。この場合、過給時に吸気温度が上昇してしまい、高負荷時にノッキングが発生しやすくなるため、吸気を冷却するインタークーラが必要となる。

インタークーラには空冷式と水冷式があり、特に水冷式インタークーラでは、吸気マニホールド内に配置する事が出来るので、内燃機関の出力レスポンス面で利点がある。そして、吸気をより低温に冷やすため、メインラジエータとは別のサブラジエータを追加し、メインラジエータにて冷却された冷却水をサブラジエータにてさらに冷却し、サブラジエータにて外気温並まで冷却された冷却水をインタークーラに導入するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、インタークーラを備えていない内燃機関において、吸気マニホールドの外側を流れる外気により、吸気マニホールド内を流れる吸気を冷却するものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００８−３８８９１号公報 特開２００４−９２６１５号公報

ところで、過給により内燃機関のさらなるダウンサイジングを図るためには、吸気の空気密度を高める必要があり、そのために、吸気の温度をさらに低下させることが要求されている。そして、水冷式のインタークーラと、インタークーラに循環させる冷却水を冷却するサブラジエータとを用いることにより、インタークーラを通過した時点での吸気温度を十分に低下させることは可能である。

しかしながら、シリンダヘッドから伝達される熱により吸気マニホールドは比較的高温になっている。そして、前述のように吸気温度を現状よりも低下させた場合には、吸気マニホールドと吸気との温度差が現状よりも大きくなるため、インタークーラを通過した後の吸気が吸気マニホールドにより再加熱され易く、したがってインタークーラでの吸気冷却効果が損なわれるという新たな問題が発生する。

また、排気系から取り出した排気ガスを吸気系に再循環させる排気再循環装置を備える内燃機関においては、高温になるＥＧＲバルブからの伝熱により吸気配管の温度が上昇し、吸気配管によって吸気が加熱されるため、これによってもインタークーラでの吸気冷却効果が損なわれるという問題が発生する。

本発明は上記点に鑑みて、吸気が吸気配管により加熱されることを抑制することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、過給機（４０）にて加圧された吸入空気が吸気配管（２１、２２）を介してシリンダヘッド（１１）内の吸気ポート（１２）に導入される内燃機関（１０）に搭載されるものであって、吸気配管（２１、２２）中に配置され、過給機（４０）にて加圧された吸入空気を循環する冷却水により冷却するインタークーラ（２３）と、インタークーラ（２３）に循環させる冷却水を冷却するサブラジエータ（３１）と、シリンダヘッド（１１）と吸気配管（２１、２２）との間に配置され、シリンダヘッド（１１）と吸気配管（２１、２２）との間の熱伝達を抑制する断熱手段（５０）とを備えることを特徴とする。

これによると、断熱手段（５０）によりシリンダヘッド（１１）から吸気配管（２１、２２）への熱伝達が抑制されて、吸気配管（２１、２２）の温度上昇が抑制される。したがって、吸気配管（２１、２２）と吸入空気との温度差が小さくなり、インタークーラ（２３）を通過した後の吸入空気は再加熱されにくくなる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の内燃機関用吸気冷却装置において、断熱手段（５０）は、内部に形成された冷却水流通部（５５）をサブラジエータ（３１）にて冷却された冷却水が循環することを特徴とする。

これによると、断熱手段（５０）は、シリンダヘッド（１１）から吸気配管（２１、２２）への熱伝達を抑制する機能のみならず、吸気配管（２１、２２）を冷却する機能も発揮するため、吸気配管（２１、２２）の温度上昇がさらに抑制される。したがって、吸気配管（２１、２２）と吸入空気との温度差がさらに小さくなり、インタークーラ（２３）を通過した後の吸入空気は一層再加熱されにくくなる。

請求項３に記載の発明では、請求項１に記載の内燃機関用吸気冷却装置において、断熱手段（５０）は、内部に形成された空間に気体が充填されていることを特徴とする。

これによると、例えば内部空間を冷却水が循環する断熱手段（５０）と比較して、構成が簡素である。

請求項４に記載の発明では、請求項１に記載の内燃機関用吸気冷却装置において、断熱手段（５０）は、内部に形成された空間に断熱材が充填されていることを特徴とする。

これによると、例えば内部空間に気体が充填されている断熱手段（５０）よりも、シリンダヘッド（１１）から吸気配管（２１、２２）への熱伝達を抑制する効果を高めることができる。

請求項５に記載の発明では、請求項１ないし４のいずれか１つに記載の内燃機関用吸気冷却装置において、サブラジエータ（３１）にて冷却された冷却水が循環するサブ冷却水通路（３２）に、水流を発生させるサブウォーターポンプ（３３）、およびサブ冷却水通路（３２）に混入した空気を抜くためのエア抜きバルブ（３４）が設けられていることを特徴とする。

これによると、エア噛み込みによってサブウォーターポンプ（３３）の吐出量が不安定になることを防止することができる。

請求項６に記載の発明では、吸入空気を加圧する過給機（４０）と、過給機（４０）にて加圧された吸入空気を冷却するインタークーラ（２３）と、排気系から取り出した排気ガスを吸気系に再循環させるＥＧＲガス通路（７１）と、ＥＧＲガス通路（７１）を開閉するＥＧＲバルブ（７２）とを備える内燃機関（１０）に搭載され、ＥＧＲバルブ（７２）が取り付けられるバルブ冷却手段（６０）を備え、バルブ冷却手段（６０）は、内部に形成された冷却水流通部（６１）を冷却水が循環することを特徴とする。

これによると、バルブ冷却手段（６０）の内部を循環する冷却水によりＥＧＲバルブ（７２）が冷却されるため、熱によるＥＧＲバルブ（７２）の寿命低下や不具合を抑止することができ、特に、ＥＧＲバルブ（７２）のケース等が樹脂製である場合に有効である。

また、ＥＧＲバルブ（７２）が冷却されることに伴い、ＥＧＲバルブ（７２）からの伝熱による、吸気配管（２１、２２）の温度上昇が抑制される。したがって、吸気配管（２１、２２）が樹脂製である場合、吸気配管（２１、２２）の耐熱性に対しても有利である。

さらに、吸気配管（２１、２２）の温度上昇が抑制されるため、吸入空気は吸気配管（２１、２２）により加熱されにくくなり、インタークーラ（２３）での吸気冷却効果が損なわれにくくなる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の第１実施形態に係る吸気冷却装置を適用した内燃機関の全体構成を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る吸気冷却装置を適用した内燃機関の全体構成を示す図である。 本発明の第３実施形態に係る吸気冷却装置に用いる断熱手段の構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。図１は第１実施形態に係る吸気冷却装置を適用した内燃機関の全体構成を示す図である。

図１に示す水冷式多気筒内燃機関（以下、内燃機関と略す）１０は、図示しない車両に搭載されるものであり、内燃機関１０のシリンダヘッド１１に形成された各吸気ポート１２に空気を導く樹脂製の吸気管２１および樹脂製の吸気マニホールド２２を備えている。

吸気管２１は、吸気を吸気マニホールド２２まで導くものである。吸気マニホールド２２は、吸気管２１に接続される１つの集合管と、集合管から分岐してシリンダヘッド１１の各吸気ポート１２に接続される枝管とからなり、吸気管２１にて導かれた吸気を各吸気ポート１２に分配する。なお、吸気管２１および吸気マニホールド２２は、本発明の吸気配管を構成する。因みに、樹脂製の吸気管２１および吸気マニホールド２２の耐熱温度は１３０℃程度である。

内燃機関１０は、吸気を加圧するターボ過給機４０を備えている。このターボ過給機４０は、吸気管２１内に配置されたコンプレッサと、排気管内に配置されたタービンとを備えている。そして、排気ガスのエネルギーによってタービンが回転駆動され、さらにタービンによりコンプレッサが回転駆動されることにより過給を行うようになっている。

ターボ過給機４０で圧縮されて高温となった吸気は、吸気マニホールド２２内に配置されたインタークーラ２３により冷却される。このインタークーラ２３は水冷式であり、サブラジエータ３１にて冷却された冷却水が、サブ冷却水通路３２を介して供給される。

インタークーラ２３は、冷却水と吸気との熱交換を行うコア部２３１、冷却水の入口となる入口タンク部２３２、および冷却水の出口となる出口タンク部２３３を備えている。そして、サブ冷却水通路３２を介して入口タンク部２３２に導入された冷却水は、コア部２３１に流入し、コア部２３１内でＵターンして出口タンク部２３３に流れるようになっている。

サブ冷却水通路３２には、内燃機関１０に駆動されて水流を発生させるサブウォーターポンプ３３、冷却水注入時にサブ冷却水通路３２に混入した空気を抜くための、例えばねじ式ドレンコック等のエア抜きバルブ３４、さらには、シリンダヘッド１１と吸気マニホールド２２との間の熱伝達を抑制する断熱手段５０が配置されている。エア抜きバルブ３４は、車両搭載状態において天地方向の上部に位置する部位に配置される。なお、内燃機関１０は、図示しないメインラジエータにて冷却された冷却水により冷却される。

断熱手段５０は、筒部とフランジ部とからなるカバー５１、全体形状は環状で且つ断面がＵ字状のケース５２、入口パイプ５３、および出口パイプ５４を備えている。カバー５１、ケース５２、入口パイプ５３、および出口パイプ５４は、例えばアルミニウム合金よりなり、ロー付けにより接合されている。

カバー５１とケース５２とによって、冷却水が導入される環状の冷却水流通部５５と、吸気が通過する吸気通路部５６とが形成されている。入口パイプ５３には、インタークーラ２３の入口タンク部２３２から分岐されたサブ冷却水通路３２が接続され、出口パイプ５４には、インタークーラ２３の出口タンク部２３３から分岐されたサブ冷却水通路３２が接続されている。そして、サブラジエータ３１にて冷却された冷却水は、インタークーラ２３の入口タンク部２３２を経由して入口パイプ５３から冷却水流通部５５に導入され、冷却水流通部５５を循環した後に出口パイプ５４から流出し、インタークーラ２３の出口タンク部２３３を経由してサブラジエータ３１に戻るようになっている。

断熱手段５０は、シリンダヘッド１１と吸気マニホールド２２との間に配置されている。より詳細には、カバー５１およびケース５２の外周部がシリンダヘッド１１と吸気マニホールド２２に挟持されており、これにより、シリンダヘッド１１と吸気マニホールド２２は非接触状態になっている。

次に、本実施形態の作動を説明する。内燃機関１０の運転中は、サブラジエータ３１にて冷却水が例えば外気温に近い温度まで冷却される。また、サブウォーターポンプ３３が内燃機関１０に駆動されることにより冷却水がインタークーラ２３および断熱手段５０に供給される。

そして、ターボ過給機４０により加圧された吸気は、インタークーラ２３により冷却され、インタークーラ２３を通過した時点での吸気温度は例えば４０〜５０℃まで低下する。

一方、シリンダヘッド１１は１００℃程度になるが、断熱手段５０によりシリンダヘッド１１から吸気マニホールド２２への熱伝達が抑制されるため、吸気マニホールド２２の温度上昇が抑制される。また、断熱手段５０内を循環する冷却水により吸気マニホールド２２が冷却されるため、吸気マニホールド２２の温度上昇がさらに抑制される。したがって、吸気マニホールド２２と吸気との温度差が小さくなり、インタークーラ２３を通過した後の吸気は再加熱されにくくなり、インタークーラ２３での吸気冷却効果が維持される。

また、吸気マニホールド２２の温度上昇が抑制されるため、樹脂製の吸気マニホールド２２の耐久性を向上させることができる。

さらに、本実施形態では、エア抜きバルブ３４を設けているため、エア噛み込みによってサブウォーターポンプ３３の吐出量が不安定になることを防止することができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。図２は第２実施形態に係る吸気冷却装置を適用した内燃機関の全体構成を示す図である。

本実施形態は、排気再循環装置に用いられるＥＧＲバルブを冷却する構成を付加したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、異なる部分についてのみ説明する。

図２に示すように、後述するＥＧＲバルブを冷却するバルブ冷却手段６０が、吸気管２１と吸気マニホールド２２に挟持されている。バルブ冷却手段６０は、例えばアルミニウム合金よりなる複数の部材をロー付けにより接合して形成されている。そして、バルブ冷却手段６０は、冷却水が導入される環状の冷却水流通部６１と、ＥＧＲバルブが取り付けられる取付け座面６２とを備え、さらに、吸気が通過する吸気通路部６３と、排気ガスが通過する排気ガス通路孔６４とが形成されている。

冷却水流通部６１は、サブ冷却水通路３２を介して断熱手段５０の冷却水流通部５５に接続されるとともに、サブ冷却水通路３２を介してインタークーラ２３の出口タンク部２３３に接続されている。そして、サブラジエータ３１にて冷却された冷却水は、インタークーラ２３の入口タンク部２３２および断熱手段５０の冷却水流通部５５を経由して冷却水流通部６１に導入され、冷却水流通部６１を循環した後にインタークーラ２３の出口タンク部２３３を経由してサブラジエータ３１に戻るようになっている。

排気系から取り出した排気ガスは、ＥＧＲガス通路７１およびバルブ冷却手段６０の排気ガス通路孔６４を介して吸気系に戻されるようになっている。ＥＧＲガス通路７１を介して吸気系に戻される排気ガスを、以下、ＥＧＲガスという。

ＥＧＲガス通路７１には、ＥＧＲガス通路７１の通路面積を調整してＥＧＲガスの量を調整するＥＧＲバルブ７２が配置されている。また、ＥＧＲバルブ７２は、バルブ冷却手段６０の取付け座面６２に密着した状態で取り付けられている。因みに、ＥＧＲバルブ７２の耐熱温度は２００℃程度である。

本実施形態では、バルブ冷却手段６０の内部を循環する冷却水により、取付け座面６２を介してＥＧＲバルブ７２が冷却されるため、熱によるＥＧＲバルブ７２の寿命低下や不具合を抑止することができ、特に、ＥＧＲバルブ７２のケース等が樹脂製である場合に有効である。
また、ＥＧＲバルブ７２が冷却されることに伴い、ＥＧＲバルブ７２からの伝熱による、吸気管２１や吸気マニホールド２２の温度上昇が抑制される。したがって、吸気管２１や吸気マニホールド２２が樹脂製である場合、吸気管２１や吸気マニホールド２２の耐熱性に対しても有利である。

さらに、吸気管２１や吸気マニホールド２２の温度上昇が抑制されるため、吸気は吸気管２１や吸気マニホールド２２により加熱されにくくなり、インタークーラ２３での吸気冷却効果が損なわれにくくなる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。図３は第３実施形態に係る吸気冷却装置に用いる断熱手段の構成を示す図である。なお、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、異なる部分についてのみ説明する。

図３に示すように、断熱手段５０は、全体形状は環状で且つ断面がＵ字状のケース５２が樹脂製の吸気マニホールド２２に一体に形成されている。また、図示しないが、入口パイプ５３および出口パイプ５４も吸気マニホールド２２に一体に形成されている。そして、円盤状の樹脂製のカバー５１がケース５２に溶着により接合されて、冷却水流通部５５と吸気通路部５６とが形成されている。

本実施形態においても、断熱手段５０によりシリンダヘッド１１から吸気マニホールド２２への熱伝達が抑制されるため、吸気マニホールド２２の温度上昇が抑制される。また、断熱手段５０内を循環する冷却水により吸気マニホールド２２が冷却されるため、吸気マニホールド２２の温度上昇がさらに抑制される。したがって、吸気マニホールド２２と吸気との温度差が小さくなり、インタークーラ２３を通過した後の吸気は再加熱されにくくなり、インタークーラ２３での吸気冷却効果が維持される。

（他の実施形態）
上記各実施形態では、断熱手段５０に冷却水流通部５５を設けてそこに冷却水を循環させるようにしたが、冷却水を循環させずに、断熱手段５０内の空間（冷却水流通部５５の部分）に空気等の気体を充填してもよいし、或いは、冷却水を循環させずに、断熱手段５０内の空間にアルミナ等の断熱材を充填してもよい。これらの場合でも、気体または断熱材によって、シリンダヘッド１１から吸気マニホールド２２への熱伝達が抑制されるため、吸気マニホールド２２の温度上昇が抑制される。

上記各実施形態は、実施可能な範囲で任意に組み合わせが可能である。

１０ 内燃機関
１１ シリンダヘッド
１２ 吸気ポート
２１ 吸気配管（吸気管）
２２ 吸気配管（吸気マニホールド）
２３ インタークーラ
３１ サブラジエータ
４０ 過給機
５０ 断熱手段

Claims (6)

1. 過給機（４０）にて加圧された吸入空気が吸気配管（２１、２２）を介してシリンダヘッド（１１）内の吸気ポート（１２）に導入される内燃機関（１０）に搭載されるものであって、
   前記吸気配管（２１、２２）中に配置され、前記過給機（４０）にて加圧された吸入空気を循環する冷却水により冷却するインタークーラ（２３）と、
   前記インタークーラ（２３）に循環させる冷却水を冷却するサブラジエータ（３１）と、
   前記シリンダヘッド（１１）と前記吸気配管（２１、２２）との間に配置され、前記シリンダヘッド（１１）と前記吸気配管（２１、２２）との間の熱伝達を抑制する断熱手段（５０）とを備えることを特徴とする内燃機関用吸気冷却装置。
2. 前記断熱手段（５０）は、内部に形成された冷却水流通部（５５）を前記サブラジエータ（３１）にて冷却された冷却水が循環することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用吸気冷却装置。
3. 前記断熱手段（５０）は、内部に形成された空間に気体が充填されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用吸気冷却装置。
4. 前記断熱手段（５０）は、内部に形成された空間に断熱材が充填されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用吸気冷却装置。
5. 前記サブラジエータ（３１）にて冷却された冷却水が循環するサブ冷却水通路（３２）に、水流を発生させるサブウォーターポンプ（３３）、および前記サブ冷却水通路（３２）に混入した空気を抜くためのエア抜きバルブ（３４）が設けられていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の内燃機関用吸気冷却装置。
6. 吸入空気を加圧する過給機（４０）と、前記過給機（４０）にて加圧された吸入空気を冷却するインタークーラ（２３）と、排気系から取り出した排気ガスを吸気系に再循環させるＥＧＲガス通路（７１）と、前記ＥＧＲガス通路（７１）を開閉するＥＧＲバルブ（７２）とを備える内燃機関（１０）に搭載され、
   前記ＥＧＲバルブ（７２）が取り付けられるバルブ冷却手段（６０）を備え、
   前記バルブ冷却手段（６０）は、内部に形成された冷却水流通部（６１）を冷却水が循環することを特徴とする内燃機関用吸気冷却装置。

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