JP2012219735A - 吸気冷却装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】複雑な推定や制御等を不要としてエンジンの高い燃焼効率を維持するために必要とされる吸気冷却を安定して行うことのできる吸気冷却装置を提供する。
【解決手段】この吸気冷却装置10は、車載エンジンに供給される吸入空気を冷却する冷却部13Cと、この冷却部13Cを内部でバイパスするバイパス経路15とを一体に備えている。そして、バイパス経路15の入り口には、冷却部13Cでの氷結によってバイパス経路15側に迂回した吸入空気の圧力に対応する所定の圧力の印加にて自然開弁する圧力開閉弁20が設けられている。
【選択図】図1

Description

本発明は、エンジンに供給される吸入空気を冷却する吸気冷却装置に関する。
従来、この種の吸気冷却装置(インタークーラー)としては、例えば特許文献1に記載のものが知られている。図5に、こうした吸気冷却装置を備えるエンジンシステム、すなわち同文献1に記載のエンジンシステム(EGR(排気再循環)装置)を示す。
図5に示されるように、このエンジンシステムは、エンジン50を中心に、その吸気通路51には吸気冷却装置52とそのバイパス通路53とが設けられており、切換弁54の切り換えを通じて、吸気冷却装置52により冷却された吸入空気、もしくは同吸気冷却装置52がバイパスされた吸入空気が選択的に吸気マニホールド55に取り込まれる。また、同エンジンシステムにあって、その排気マニホールド56には、ターボチャージャ57及びEGR装置58が設けられている。すなわち、EGR弁59が閉弁状態にあるときには、ターボチャージャ57によって過給された吸入空気が上記吸気通路51に供給され、EGR弁59が開弁されると、この過給された吸入空気にEGRガス、すなわち排気ガスが混合されるようになる。そして、このエンジンシステムにあっては、吸気通路51に上記吸気冷却装置52を備えてはいるものの、EGRガスがこの吸気冷却装置52を通過する際に結露しないように、エンジン50の低回転、低負荷領域では、すなわち吸気冷却装置52の入り口温度が低いときには、切換弁54を切り換えて吸気冷却装置52をバイパスさせるようにしている。
特開平9−256915号公報
ところで、上記吸気冷却装置52は、外気の温度が例えば摂氏零度以下のような低い温度となるとき、吸入空気に含まれる水分の多少に拘らず内部で氷結し、その通路が詰まる虞がある。特に、EGRガスやブローバイガスが混入される場合には吸入空気に含まれる水分量が多くなるため、こうした氷結も促進されやすい。そこで、外気の温度もしくは吸気冷却装置52の入り口温度やエンジン運転状態から上記氷結の発生の有無を推定し、この推定に基づいて吸気冷却装置52のバイパスの有無を切り換えることも考えられる。しかしこの場合、推定精度にもよるものの、実際には吸気冷却装置52に氷結が生じていないにも拘らず、吸気冷却装置52がバイパスされてしまうなど、燃焼効率の不要な低下をも引き起こしかねない。
本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、複雑な推定や制御等を不要としてエンジンの高い燃焼効率を維持するために必要とされる吸気冷却を安定して行うことのできる吸気冷却装置を提供することにある。
以下、上記課題を解決するための手段およびその作用効果について記載する。
請求項1に記載の発明は、車載エンジンに供給される吸入空気を冷却する冷却部を備える吸気冷却装置であって、前記冷却部をバイパスするバイパス経路を一体に備え、該バイパス経路には、所定の圧力の印加にて自然開弁する圧力開閉弁が設けられてなることを要旨とする。ここで、圧力開閉弁が自然開弁する上記所定の圧力とは、例えば、上記冷却部での氷結等によってバイパス経路側に迂回した吸入空気の圧力に対応する圧力である。
吸気冷却装置としてのこのような構成によれば、吸入空気が冷却部を介してエンジンに供給されている場合には、圧力開閉弁に印加される吸入空気の圧力が該圧力開閉弁を自然開弁させる圧力に達しないために、バイパス経路は開放されない。その結果、吸入空気がもれなく冷却部にて冷却されるために、その酸素密度が高められることになり、ひいてはエンジンの燃焼効率が高められるようになる。一方、冷却部内の配管に氷結による詰まりが生じた場合であれ、吸入空気は吸気冷却装置に絶え間なく供給される。このとき、急激に増大する吸入空気の圧力が印加される圧力開閉弁は自然開弁するために、吸入空気はバイパス経路を介してエンジンに供給されるようになる。しかも、吸入空気の圧力に応じて作動するという簡単な構成の圧力開閉弁を用いて、氷結による詰まりが生じるまでは、吸入空気がバイパス経路を介して供給されないようにすることができる。すなわち、エンジンの高い燃焼効率を維持するために必要とされる吸気冷却を安定して行うことができるようになる。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の吸気冷却装置において、前記圧力開閉弁が、ばね弁、もしくはリード弁からなることを要旨とする。
このような構成によれば、故障が生じにくい簡単な構成で上記所定の圧力にて自然開弁する圧力開閉弁を提供することができるようになる。
請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の吸気冷却装置において、前記圧力開閉弁が、前記バイパス経路の入り口に設けられてなることを要旨とする。
このような構成によれば、冷却部内の配管に詰まりが生じた場合に、吸気冷却装置内の圧力変化をより繊細に感知することができる位置に圧力開閉弁を配設することができ、ひいては上記詰まりに即応して、バイパス経路を介した吸入空気の供給を行うことができるようになる。
請求項4に記載の発明は、請求項1〜3のいずれか一項に記載の吸気冷却装置において、前記一体に設けられるバイパス経路は、当該吸気冷却装置に内蔵されていることを要旨とする。
このような構成によれば、バイパス経路が吸気冷却装置に内蔵されるために、エンジンルーム内においてセンサー等の各種機器の搭載空間を確保することも容易となる。
請求項5に記載の発明は、請求項1〜3のいずれか一項に記載の吸気冷却装置において、前記一体に設けられるバイパス経路は、当該吸気冷却装置に外付されていることを要旨とする。
このような構成によれば、エンジンルーム内においてバイパス経路を配設する自由度を高めることが容易となる。例えば、バイパス経路を冷媒風に曝され難い場所に配設すること等も容易となるために、バイパス経路での氷結による詰まりの発生等も抑えることができるようになる。
請求項6に記載の発明は、請求項1〜5のいずれか一項に記載の吸気冷却装置において、前記バイパス経路の外側面には、該経路の内部の温度を保つ保温材が取着されていることを要旨とする。
このような構成によれば、バイパス経路の外表面に保温材が取着されているために、バイパス経路における氷結等も生じ難くなる。
請求項7に記載の発明は、請求項1〜6のいずれか一項に記載の吸気冷却装置において、前記バイパス経路の流路面積は、前記冷却部の流路面積以上の大きさとなるように形成されていることを要旨とする。
このような構成によれば、冷却部内の配管における吸入空気の流動性よりもバイパス経路における吸入空気の流動性が高められるために、たとえバイパス経路において氷結が生じる場合であれ、詰まりに対する耐性が高められるようになる。
(a)は、本発明にかかる吸気冷却装置の第1の実施の形態について、その冷却部内の配管に詰まりが生じていない状態の構成の一部を模式的に示す部分断面図。(b)は、同第1の実施の形態の吸気冷却装置について、その冷却部内の配管に詰まりが生じている状態の構成の一部を模式的に示す部分断面図。 図1(b)のA−A線に沿った断面構造を示す部分断面図。 (a)は、本発明にかかる吸気冷却装置の第2の実施の形態について、その冷却部内の配管に詰まりが生じていない状態の構成の一部を模式的に示す部分断面図。(b)は、同第2の実施の形態の吸気冷却装置について、その冷却部内の配管に詰まりが生じている状態の構成の一部を模式的に示す部分断面図。 (a)(b)は、第1の実施の形態の吸気冷却装置の変形例について、その圧力開閉弁(リード弁)の動作態様を模式的に示す拡大部分断面図。 従来の吸気冷却装置を備えるエンジンシステムについて、その全体構成を模式的に示す構成図。
(第1の実施の形態)
以下、本発明にかかる吸気冷却装置の第1の実施の形態について、図1,図2を参照して詳細に説明する。
まず、図1(a)を参照して、本実施の形態の吸気冷却装置の構成について説明する。
図1(a)に示されるように、この吸気冷却装置10には、吸入空気の供給部にあたる吸気上配管11Uが接続されている。この吸気上配管11Uは、ターボチャージャ(図示略)から矢線で示されるように過給される吸入空気の過給路であり、こうして吸気冷却装置10に供給された吸入空気は、吸気圧入室12に取り込まれる。また、吸気冷却装置10には、吸気圧入室12及び吸気送出室14が冷却部13Cを挟む態様で内蔵されており、吸気圧入室12から吸気送出室14に至る複数の吸気冷却路13が、冷却部13Cを横断する態様で並列状に配設されている。そして、吸気送出室14には、吸気冷却装置10の排出部にあたる吸気下配管11Lが接続されている。この吸気下配管11Lは、吸気冷却装置10に供給された吸入空気をエンジンの吸気マニホールド(図示略)に向けて送出するための管路である。なお冷却部13Cには、冷媒風との熱交換によって吸気冷却路13から熱を奪うインナーフィン13Fが、各吸気冷却路13の間隙を埋めるように設けられている。
また、吸気冷却装置10には、吸気圧入室12から冷却部13Cをバイパスするように吸気送出室14に至るバイパス経路15が内蔵されるかたちで一体に設けられているとともに、上記冷媒風に対する曝露を防ぐ保温材15Wが、該バイパス経路15の外周面を取り囲む態様で設けられている。そして、バイパス経路15が吸気圧入室12に接続される部分、すなわちバイパス経路15の入り口には、弁体20Bと弁ばね20Sとによって構成される圧力開閉弁20が設けられている。弁体20Bは、上記入り口を閉じるように、すなわち圧力開閉弁20が閉弁状態となるように、弁ばね20Sによって矢印1SAの方向に付勢されている。
そして、本実施の形態において、この弁ばね20Sによる矢印1SAの方向への付勢力、換言すれば、圧力開閉弁20を構成する弁体20Bが自然開弁する圧力は、上記冷却部13Cで氷結が起こるなど、吸気冷却路13に詰まりが生じているときの吸気圧入室12内での吸入空気の圧力に設定されている。
なお、バイパス経路15は、吸気冷却路13を転用したものであって、具体的には、隣接するインナーフィン13Fが撤去された吸気冷却路13の外周面に保温材15Wを巻装することによって形成したものである。すなわち、吸気冷却路13及びバイパス経路15の管路としての仕様、すなわち流路面積等は、互いに等しくなるように形成されている。また、本実施の形態の吸気冷却装置10では、吸気圧入室12,吸気冷却路13,インナーフィン13F,吸気送出室14、及びバイパス経路15は、いずれもアルミニウム等の熱伝導率の高い金属製の部品が用いられている。そして、保温材15Wは、断熱性の高いスポンジ等の樹脂製品からなる。
次に、上記構成を有する吸気冷却装置10の作用について説明する。
図1(a)に示されるように、過給された吸入空気が矢線の方向から吸気圧入室12に供給されると、吸気冷却路13に氷結による詰まりが生じていなければ、この供給された吸入空気は冷却部13Cにて冷却されつつ吸気送出室14に到達する。このように吸入空気が吸気冷却路13を流れる場合には、吸気圧入室12内の圧力は吸入空気が供給される圧力よりも高い圧力に上昇し難いために、弁体20Bすなわち圧力開閉弁20は、弁ばね20Sの付勢力によって閉弁状態に維持される。そしてこれにより、吸入空気はもれなく冷却され、その酸素密度も効率よく高められるようになる。
一方、図1(b)に示すように、吸気冷却路13に氷13Sによる詰まりが生じている場合には、吸入空気の供給によって吸気圧入室12内の圧力は急激に高められる。そのため、弁体20Bには、吸気冷却路13に詰まりが生じているときの吸入空気(吸気圧入室12内)の上述した所定の圧力が印加され、圧力開閉弁20が自然開弁されるようになる。すなわちこのとき、エンジン(図示略)にはバイパス経路15を介して吸入空気が供給されるようになる。
また、吸気冷却装置10には、圧力や温度を測定するためのセンサー、弁体を変位させるアクチュエータ、並びにこれらを制御するマイクロコンピュータ等を設ける必要がないために、エンジンルーム内に搭載される部品点数の増加を抑えることが可能になり、ひいては製造費のコストダウンを図ることが可能になる。
なお、図2に示すように、吸気冷却装置10に内蔵されているバイパス経路15の外周面には保温材15Wが巻装されているとともに、バイパス経路15の近傍には、矢印1Wの方向に導入される冷媒風に対して放熱するインナーフィン13F等も配設されていない。そのため、EGRガス等の混入によって多量の水分が吸入空気に含まれている場合であれ、バイパス経路15内で氷結が生じる可能性は低い。
以上説明したように、第1の実施の形態にかかる吸気冷却装置によれば、以下に列記するような効果が得られるようになる。
(1)吸気冷却路13に氷結による詰まりが生じていない場合には、吸気圧入室12内の圧力、すなわち圧力開閉弁20に印加される圧力が、圧力開閉弁20を自然開弁させる圧力に達しないために、バイパス経路15が開放されることはない。これにより、吸入空気がもれなく冷却部13Cにて冷却されるようになるために、その酸素密度が効率よく高められることになり、ひいてはエンジンの燃焼効率も高められるようになる。
(2)すべての吸気冷却路13に氷結による詰まりが生じている場合にも、吸入空気は吸気圧入室12に絶え間なく供給されるために、吸気圧入室12内の気圧は急激に高められる。その結果、圧力開閉弁20に印加される圧力が、圧力開閉弁20を自然開弁させる圧力に達するために、バイパス経路15が開放されるようになる。そして、このような自然開弁状態は、上記詰まりが生じている限り維持される。これにより、吸入空気をバイパス経路15を介してエンジンに安定供給することができるようになる。
(3)圧力開閉弁20として、弁体20Bと弁ばね20Sとによって構成される簡単な構造のばね弁を用いることができる。これにより、故障が生じにくい簡単な構成で吸気冷却路13の詰まりに対応する所定の圧力にて自然開弁する圧力開閉弁20を提供することができるようになる。
(4)バイパス経路15の入り口に、圧力開閉弁20が設けられている。すなわち、吸気冷却路13に氷結による詰まりが生じた場合に、吸気圧入室12内の圧力変化をより繊細に感知することができる位置に圧力開閉弁20が配設されていることになる。これにより、上記詰まりの発生に即応してバイパス経路15を介した吸入空気の供給を図ることができるようになる。
(5)バイパス経路15の外周面には保温材15Wが巻装されているために、バイパス経路15内での氷結自体の発生が抑制される。
(第2の実施の形態)
以下、本発明にかかる吸気冷却装置の第2の実施の形態について、図3を参照して詳細に説明する。なお、第2の実施の形態は、第1の実施の形態と異なり、吸気冷却装置10と一体に設けられるバイパス経路15が、同吸気冷却装置10に外付されているとともに、圧力開閉弁20がバイパス経路15の出口に設けられた弁室内に配設されている。その他の基本的な構成は第1実施形態と同じであるため、以下ではその変更点について主に説明する。
図3(a)に示されるように、吸気冷却装置10には、吸気圧入室12と吸気送出室14とを連通させるバイパス経路15が、吸気送出室14の近傍に配設された弁室20Rを介して一体となるように外付されている。弁室20Rには弁体20B及び弁ばね20Sが内蔵されており、弁体20Bは、バイパス経路15を塞ぐように、弁ばね20Sによって矢印2SAの方向に付勢されている。
そして、本実施の形態において、この弁ばね20Sによる矢印2SAの方向への付勢力、換言すれば、圧力開閉弁20を構成する弁体20Bが自然開弁する圧力は、上記冷却部13Cで氷結が起こるなど、吸気冷却路13に詰まりが生じているときの吸気圧入室12及びバイパス経路15内での吸入空気の圧力に設定されている。
なお、バイパス経路15は例えば蛇腹状に形成された樹脂製の管であって、その流路面積は、吸気冷却路13の流路面積と同等以上の大きさとなるように形成されている。
次に、上記構成を有する吸気冷却装置10の作用について説明する。
図3(a)に示されるように、過給された吸入空気が矢線の方向から吸気圧入室12に過給されると、吸気冷却路13に氷結による詰まりが生じていなければ、この供給された吸入空気は冷却部13Cにて冷却されつつ吸気送出室14に到達する。このように吸入空気が吸気冷却路13を流れる場合には、吸気圧入室12及びバイパス経路15内の圧力は吸入空気が供給される圧力よりも高い圧力に上昇し難いために、弁体20Bすなわち圧力開閉弁20は、弁ばね20Sの付勢力によって閉弁状態に維持される。そしてこれにより、吸入空気はもれなく冷却され、その酸素密度も効率よく高められるようになる。
一方、図3(b)に示すように、吸気冷却路13に氷13Sによる詰まりが生じている場合には、吸入空気の供給によって吸気圧入室12及びバイパス経路15内の圧力は急激に高められる。そのため、弁体20Bには、吸気冷却路13に詰まりが生じているときの吸入空気(吸気圧入室12及びバイパス経路15内)の上述した所定の圧力が印加され、圧力開閉弁20が自然開弁されるようになる。すなわちこのとき、エンジン(図示略)にはバイパス経路15を介して吸入空気が供給されるようになる。
また、バイパス経路15が吸気冷却装置10に外付されているために、エンジンルーム内においてバイパス経路15を配設する自由度を高めることが可能になる。例えば、バイパス経路15を冷媒風に曝され難い場所に配設することによって、該バイパス経路15における氷結による詰まりの発生を抑えることが可能になる。
以上説明したように、第2の実施の形態にかかる吸気冷却装置によれば、第1の実施の形態による上記(1)〜(5)の効果に加えて以下のような効果が得られるようになる。
(6)バイパス経路15を吸気冷却装置10に外付するようにした。これにより、エンジンルーム内においてバイパス経路15を配設する自由度を高めることができるようになる。例えば、バイパス経路15を冷媒風に曝され難い場所に配設することによって、該バイパス経路15における氷結による詰まりの発生を抑えることができるようになる。
(変形例)
なお、上記各実施の形態は、以下のような態様をもって実施することもできる。
・上記各実施の形態において、バイパス経路15の流路面積を吸気冷却路13の流路面積よりも積極的に大きくしてもよい。このようにすることによって、バイパス経路15内での氷結抑制効果をさらに高めることができるようになる。
・上記第1の実施の形態においては、圧力開閉弁20がバイパス経路15の入り口に設けられるとしたが、これに限らず、上記第2の実施の形態のように弁体20Bがバイパス経路15の出口を塞ぐように圧力開閉弁20を設けるようにしてもよい。また、上記第2の実施の形態においては、圧力開閉弁20がバイパス経路15の出口に設けられるとしたが、これに限らず、上記第1実施形態のように圧力開閉弁20をバイパス経路15の入り口に設けるようにしてもよい。要は、バイパス経路15の経路上に圧力開閉弁20が設けられていて、圧力開閉弁20は、該圧力開閉弁20よりも上流側の圧力が吸気冷却路13(冷却部13C)の詰まりに対応する所定の圧力に達したときに自然開弁される構成であればよい。
・上記各実施の形態において、圧力開閉弁20は、弁ばね20Sが弁体20Bを閉弁状態となる方向に付勢しているばね弁であるとしたが、これに限らず、例えば図1に対応する図として図4に部分拡大図を示すようなリード弁30であってもよい。すなわち、図4(a)に示すように、鋲30Pによって鋲着された断面が片持ち梁状のリード弁30は、バイパス経路15の入り口を構成する弁室30Rにおいて、該弁室30Rの内部から該入り口を塞ぐように形成されている。そして、吸気圧入室12内の圧力が吸気冷却路13の詰まりに対応する所定の圧力を達すると、図4(b)に示すように、該圧力によってリード弁30が矢印3SBの方向に押し込まれるために、バイパス経路15の入り口の閉塞が解除されるようになる。すなわち、吸入空気が、吸気圧入室12から弁室30Rを経てバイパス経路15に流れるようになる。
・圧力開閉弁20として、上記弁ばね20Sであれ、あるいは上記リード弁30であれ、上記各実施の形態においては、その開弁圧としての所定の圧力が吸気冷却路13(冷却部13C)に詰まりが生じているときの吸入空気の圧力に対応する圧力としたが、これに限られない。それよりも弱い圧力、すなわち冷却部13Cが氷結していなくとも定常的にバイパス経路15に吸入空気が流れ、冷却された吸入空気と吸気送出室14もしくは吸気下配管11Lにおいてミキシングされる構成としてもよい。
・上記第2の実施の形態においては、バイパス経路15が吸気送出室14に接続されるとしたが、これに限らず、同バイパス経路15が吸気下配管11Lに接続される構成としてもよい。要は、バイパス経路15を流れる吸入空気がエンジンの吸気マニホールドに供給される構成であればよい。
・上記各実施の形態においては、バイパス経路15の外周面の全面に渡って保温材15Wが巻装されるとしたが、これに限らず、例えば冷媒風に直接曝される面、具体的にはフロントグリル等から導入された走行風が当たる面にのみ保温材15Wが装着される構成としてもよい。このようにしても、バイパス経路15から冷媒風に放熱され難くすることができるとともに、バイパス経路15の周囲での冷媒風の流れをさらに滑らかにすることもできる。
・上記各実施形態において、保温材15Wはウレタン製のスポンジとしたが、これに限らず、バイパス経路15の内外の断熱を図るものであれば何でもよい。例えば、バイパス経路15の内周面及び外周面の少なくとも一方に断熱コーティングを施すようにしてもよい。断熱コーティングを施すようにすれば、バイパス経路15の周囲にて冷媒風の流れをさらに滑らかにすることもできる。
・上記各実施の形態における吸気冷却装置はいわゆる空冷方式を採用しているが、これに限らず、例えば液冷方式を採用してもよい。また、冷媒は冷却部13Cの冷却機能を発揮させる物質であれば何を用いてもよい。さらには、供給される吸入空気もターボチャージャ等によって過給された吸入空気である必要はない。
10,52…吸気冷却装置、11U…吸気上配管、11L…吸気下配管、12…吸気圧入室、13…吸気冷却路、13C…冷却部、13F…インナーフィン、13S…氷、14…吸気送出室、15…バイパス経路、15W…保温材、20…圧力開閉弁、20B…弁体、20S…弁ばね、20R,30R…弁室、30…リード弁、30P…鋲、50…エンジン、51…吸気通路、53…バイパス通路、54…切換弁、55…吸気マニホールド、56…排気マニホールド、57…ターボチャージャ、58…EGR装置、59…EGR弁。

Claims (7)

  1. 車載エンジンに供給される吸入空気を冷却する冷却部を備える吸気冷却装置において、
    前記冷却部をバイパスするバイパス経路を一体に備え、該バイパス経路には、所定の圧力の印加にて自然開弁する圧力開閉弁が設けられてなる
    ことを特徴とする吸気冷却装置。
  2. 前記圧力開閉弁が、ばね弁、もしくはリード弁からなる
    請求項1に記載の吸気冷却装置。
  3. 前記圧力開閉弁が、前記バイパス経路の入り口に設けられてなる
    請求項1または2に記載の吸気冷却装置。
  4. 前記一体に設けられるバイパス経路は、当該吸気冷却装置に内蔵されている
    請求項1〜3のいずれか一項に記載の吸気冷却装置。
  5. 前記一体に設けられるバイパス経路は、当該吸気冷却装置に外付されている
    請求項1〜3のいずれか一項に記載の吸気冷却装置。
  6. 前記バイパス経路の外側面には、該経路の内部の温度を保つ保温材が取着されている
    請求項1〜5のいずれか一項に記載の吸気冷却装置。
  7. 前記バイパス経路の流路面積は、前記冷却部の流路面積以上の大きさとなるように形成されている
    請求項1〜6のいずれか一項に記載の吸気冷却装置。
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