JP2013096332A

JP2013096332A - インタークーラー

Info

Publication number: JP2013096332A
Application number: JP2011241079A
Authority: JP
Inventors: Akira Iijima; 章飯島
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2011-11-02
Filing date: 2011-11-02
Publication date: 2013-05-20

Abstract

【課題】インタークーラー内における凝縮水の発生を確実に抑制する。
【解決手段】吸気ガス入口１１を有する入口側ヘッダー１２と、吸気ガス出口１３を有する出口側ヘッダー１４と、入口側ヘッダー１２と出口側ヘッダー１４との間に配設された熱交換用のコア部１５とを備えたインタークーラー１０において、吸気ガス中の水蒸気が入口側ヘッダー１２よりも下流のコア部１５内で凝縮するのを抑制すべく入口側ヘッダー１２内の吸気ガスを加熱するヒーター２５を有する加熱機構２４を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、過給機付エンジンにおいて用いられるインタークーラーに関する。

エンジンの出力向上を図る目的からエンジンの吸気系に過給機を装着する過給機付エンジンにおいては、過給機で過給された吸気ガス（圧縮空気）が高温となるため、この高温の吸気ガスをエンジンの燃焼室にそのまま供給してしまうと、充填効率の低下やノッキング（ガソリンエンジンの場合）の問題が生じ得る。

そのため、過給機付エンジンにおいては、過給機により過給された吸気ガスを冷却するためのインタークーラーをエンジンの吸気系に装着するようにしている（例えば、特許文献１、２参照）。

インタークーラーは、例えば、吸気ガス入口を有する入口側ヘッダーと、吸気ガス出口を有する出口側ヘッダーと、これら入口側ヘッダーと出口側ヘッダーとの間に配設された熱交換用のコア部とから主に構成される。

トラック用のエンジンの場合は、インタークーラーがエンジンの前方に搭載されており、走行による空気流或いはクーリングファンの吸い込みによる空気流がインタークーラーに流れ込むことにより、過給機による過給で高温となった吸気ガスが冷やされる。また、乗用車のエンジンにおいても搭載位置は若干異なるものの、インタークーラーの前面に走行による空気流があたるようになっている。

特開２０１０−２７５９８２号公報特開２０１０−２２３５０８号公報

エンジンの排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）の排出量を低減するために、エンジンの排気の一部を吸気に還流するＥＧＲ（排気再循環）が有効であり、ＮＯｘの排出量をより一層低減するため、ＥＧＲ率を高める機運がある。その際、従来の高圧ＥＧＲ（ＨＰ−ＥＧＲ；ＨｉｇｈＰｒｅｓｓｕｒｅＥＧＲ）では、過給機のタービンへ流入する排気ガスの流量が減り、実質的に過給しなくなる。その結果、ブースト圧が上がらず、スモークが悪化するという現象が顕著となる。そのため、図３に示すような低圧ＥＧＲ（ＬＰ−ＥＧＲ；ＬｏｗＰｒｅｓｓｕｒｅＥＧＲ）が用いられ始めている。

低圧ＥＧＲを用いると、排気ガスがインタークーラーを通過することとなる。低負荷運転の場合、排気ガスの温度が比較的低いため、排気ガスがインタークーラー内で露点（約４５℃）以下となり、排気ガス中の水蒸気が水（凝縮水）となることがある。この際、排気ガス中のＮＯｘ、ＳＯｘ（硫黄酸化物）が水に溶け込み、水溶液（硝酸水溶液、硫酸水溶液）となる。これらの水溶液は、強酸性であり、インタークーラー（一般的にアルミ製）を溶かしてしまう虞がある。

そこで、本発明の目的は、インタークーラー内における凝縮水の発生を確実に抑制することにある。

上述の目的を達成するために、本発明は、吸気ガス入口を有する入口側ヘッダーと、吸気ガス出口を有する出口側ヘッダーと、前記入口側ヘッダーと前記出口側ヘッダーとの間に配設された熱交換用のコア部とを備えたインタークーラーにおいて、吸気ガス中の水蒸気が前記入口側ヘッダーよりも下流の前記コア部内で凝縮するのを抑制すべく前記入口側ヘッダー内の吸気ガスを加熱するヒーターを有する加熱機構を備えたものである。

前記ヒーターは、前記入口側ヘッダー内に設けられ、前記入口側ヘッダー内の吸気ガスを加熱媒体により加熱する熱交換器であっても良い。

前記ヒーターは、前記入口側ヘッダー内に配設された電気ヒーターであっても良い。

前記加熱機構は、前記出口側ヘッダーに設けられ、前記出口側ヘッダー内の吸気ガスの温度を検出する温度センサーをさらに有しても良い。

前記加熱機構は、前記温度センサーの検出値に応じて前記ヒーターの作動と非作動とを切り替えるコントローラーをさらに有しても良い。

本発明によれば、インタークーラー内における凝縮水の発生を確実に抑制することができるという優れた効果を奏する。

本発明の一実施形態に係るインタークーラーを示し、（ａ）は背面図であり、（ｂ）は（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線断面図であり、（ｃ）は（ｂ）のＩｃ−Ｉｃ線断面図である。本発明の他の実施形態に係るインタークーラーを示し、（ａ）は背面図であり、（ｂ）は（ａ）のＩＩｂ−ＩＩｂ線断面図であり、（ｃ）は（ｂ）のＩＩｃ−ＩＩｃ線断面図である。インタークーラーが用いられる過給機付エンジンの構成図である。

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

先ず、本実施形態に係るインタークーラーが用いられる過給機付エンジンについて図３を用いて説明する。

図３に示すように、過給機付エンジンは、エンジン（例えば、ディーゼルエンジンやガソリンエンジン等）１と、エンジン１に吸気を供給する吸気マニホールド２及び吸気管３と、エンジン１からの排気を排出する排気マニホールド４及び排気管５と、エンジン１に供給する吸気を昇圧するための過給機（ターボチャージャー）６と、エンジン１の排気系（排気マニホールド４、排気管５）の排気の一部を吸気系（吸気マニホールド２、吸気管３）に戻すＥＧＲシステム７とを備える。

過給機６は、排気管５に配設されたタービン６ａと、吸気管３に配設されたコンプレッサー６ｂとを有する。タービン６ａよりも下流の排気管５には、前段のＤＯＣ（酸化触媒）８ａと後段のＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルター）８ｂとを有する後処理装置８が設けられる。コンプレッサー６ｂよりも上流の吸気管３には、上流側から順にエアフローメーター９ａとサージタンク９ｂとスロットルバルブ９ｃとが設けられ、コンプレッサー６ｂよりも下流の吸気管３には、空冷式のインタークーラー１０が設けられる。

ＥＧＲシステム７は、所謂低圧ＥＧＲシステムであり、タービン６ａ及び後処理装置８よりも下流の排気管５とインタークーラー１０及びコンプレッサー６ｂよりも上流の吸気管３とを連通するＥＧＲ管７ａと、ＥＧＲ管７ａに設けられたＥＧＲクーラー７ｂと、ＥＧＲクーラー７ｂよりも下流のＥＧＲ管７ａに設けられたＥＧＲバルブ７ｃとを有する。

次に、本実施形態に係るインタークーラー１０について図１を用いて説明する。

図１に示すように、本実施形態に係るインタークーラー１０は、吸気ガス入口（空気入口）１１を有する入口側ヘッダー１２と、吸気ガス出口（空気出口）１３を有する出口側ヘッダー１４と、入口側ヘッダー１２と出口側ヘッダー１４との間に配設された熱交換用のコア部１５とを備える。

入口側ヘッダー１２は、コア部１５に接続され、コア部１５の一端部（図１（ａ）中の右側）に沿って延びる入口側タンク１６と、入口側タンク１６に連通され、先端に吸気ガス入口１１が形成された入口側パイプ１７とを有する。

出口側ヘッダー１４は、コア部１５に接続され、コア部１５の他端部（図１（ａ）中の左側）に沿って延びる出口側タンク１８と、出口側タンク１８に連通され、先端に吸気ガス出口１３が形成された出口側パイプ１９とを有する。

コア部１５は、一対のエンドプレート２０と、一対のエンドプレート２０間に架け渡された複数のチューブ２１と、隣接するチューブ２１間に各々設けられた複数の外気流通路２２とを有する。

チューブ２１は、入口側ヘッダー１２から出口側ヘッダー１４へと吸気ガス（空気、排気ガス）を流すためのものであり、扁平中空状のパイプから形成される。外気流通路２２は、チューブ２１を流れる吸気ガスを冷却するための空気が流れる流路であり、インタークーラー１０の前面と背面とを貫通するように形成される。また、外気流通路２２には、冷却効率を高めるためにフィン２３が配設されている。なお、図１（ａ）では、フィン２３の一部のみを図示している。

また、本実施形態に係るインタークーラー１０は加熱機構２４を備え、加熱機構２４は、吸気ガス（空気、排気ガス）中の水蒸気が入口側ヘッダー１２よりも下流のコア部１５内で凝縮するのを抑制するために、入口側ヘッダー１２内の吸気ガスを加熱するヒーターを有する。

本実施形態では、加熱機構２４のヒーターは、入口側ヘッダー１２の入口側タンク１６内に設けられ、入口側タンク１６内の吸気ガスを加熱媒体により加熱する熱交換器（以下、追加熱交換器という）２５である。本実施形態では、追加熱交換器２５に流す加熱媒体としてエンジン冷却水を用いる。

追加熱交換器２５は、入口側ヘッダー１２の入口側タンク１６内に加熱媒体通路（冷却水通路）２６を区画形成する一対のエンドプレート２７と、一対のエンドプレート２７間に架け渡された複数のチューブ２８と、各チューブ２８内に加熱効率を高めるために配設されたフィン２９とを有する。吸気ガスはチューブ２８内を通過し、加熱媒体は加熱媒体通路２６を通過する。即ち、吸気ガスがチューブ２８内を通過することで、加熱媒体通路２６内の加熱媒体との熱交換により吸気ガスの温度が上がる。また、追加熱交換器２５は、チューブ２８内を通過する吸気ガスの温度が１０℃程度上がるように設定される。

また、入口側ヘッダー１２の入口側タンク１６には、加熱媒体を加熱媒体通路２６内に導入する加熱媒体導入管３０と、加熱媒体を加熱媒体通路２６内から排出する加熱媒体排出管３１とが接続される。加熱媒体導入管３０及び加熱媒体排出管３１は、エンジン１におけるエンジン冷却水を循環させる冷却系に接続される。さらに、加熱媒体導入管３０には電磁弁３２が設けられ、電磁弁３２は後述するコントローラー３４による制御を受けて加熱媒体導入管３０の開閉を行う。

さらに、加熱機構２４は、出口側ヘッダー１４に設けられ、出口側ヘッダー１４内の吸気ガスの温度を検出する温度センサー３３と、温度センサー３３の検出値（つまり、出口側ヘッダー１４内の吸気ガスの温度）に応じて、ヒーター（追加熱交換器２５）の作動と非作動とを切り替えるコントローラー３４とを備える。温度センサー３３は出口側ヘッダー１４の出口側タンク１８に設けられ、温度センサー３３にコントローラー３４が接続される。また、コントローラー３４は、加熱媒体導入管３０に設けた電磁弁３２に接続される。

次に、本実施形態の作用を説明する。

本実施形態に係るインタークーラー１０では、出口側ヘッダー１４の出口側タンク１８に温度センサー３３を設け、温度センサー３３の検出値（つまり、出口側タンク１８内の吸気ガスの温度）が所定の閾値（例えば、４６℃）以下になる場合は、エンジン冷却水（例えば、７０℃〜９０℃）を追加熱交換器２５に流すべくコントローラー３４により電磁弁３２を開く。エンジン冷却水を追加熱交換器２５に流すことで、追加熱交換器２５が作動とされる。

追加熱交換器２５内のエンジン冷却水により入口側タンク１６内の吸気ガス（空気、排気ガス）が温められ、入口側タンク１６及び追加熱交換器２５よりも下流のコア部１５内の吸気ガスの温度は露点（約４５℃）以上の温度（例えば、５０℃程度）となり、凝縮水の発生は起きない。そのため、吸気ガスに含まれる排気ガス中のＮＯｘ、ＳＯｘによる水溶液（硝酸水溶液、硫酸水溶液）の発生も起きない。

吸気ガス（空気、排気ガス）中の水蒸気が凝縮を起こすのは低負荷運転時であり、このような場合にインタークーラー１０を通過する吸気ガスの温度が４５℃以上となっても、エンジン性能上に不都合は生じない。

一方、温度センサー３３の検出値（つまり、出口側タンク１８内の吸気ガスの温度）が上述の閾値を超えると、追加熱交換器２５へのエンジン冷却水の供給を停止すべくコントローラー３４により電磁弁３２を閉じる。追加熱交換器２５へのエンジン冷却水の供給を停止することで、追加熱交換器２５が非作動とされる。

ところで、低圧ＥＧＲの実用化にあたり、強酸性の水溶液（硝酸水溶液、硫酸水溶液）によるインタークーラーの腐食を防止するため、インタークーラーの材質として、アルミ材に犠牲電極となる亜鉛（Ｚｎ）を合金化したものを用いることが考えられるが、犠牲電極による防食効果は不十分である。また、インタークーラーの材質としてステンレス材を用いることも考えられるが、放熱量低下、重量増加、コストアップは避けられない。また、アルミ製のインタークーラーにコーティングを施すことも考えられるが、コーティングの剥離の問題が解決されていない。そのような状況の中、本実施形態は、現状適用可能な技術により、インタークーラーの腐食を確実に防ぐことが可能である。

以上要するに、本実施形態に係るインタークーラー１０によれば、吸気ガス中の水蒸気が入口側ヘッダー１２よりも下流のコア部１５内で凝縮するのを抑制すべく入口側ヘッダー１２内の吸気ガスを加熱するヒーター（追加熱交換器２５）を有する加熱機構２４を備えたので、インタークーラー１０内における凝縮水の発生を確実に抑制することができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態には限定されず他の様々な実施形態を採ることが可能である。

例えば、図１の実施形態では、追加熱交換器２５に流す加熱媒体としてエンジン冷却水を用いるとしたが、これには限定されず、例えば、追加熱交換器２５に流す加熱媒体としてエンジンオイルを用いても良い。追加熱交換器２５に流す加熱媒体としてエンジンオイルを用いる場合、加熱媒体導入管３０及び加熱媒体排出管３１は、エンジン１におけるエンジンオイルを循環させる潤滑系に接続される。

また、図１の実施形態では、加熱機構２４のヒーターは追加熱交換器２５であるとしたが、これには限定されず、例えば、図２に示すインタークーラー４０のように、加熱機構２４のヒーターが入口側ヘッダー１２内に設けられた電気ヒーター４１であっても良い。電気ヒーター４１は、例えばリボンヒーターであり、プレート４２により入口側ヘッダー１２の入口側タンク１６内に支持される。

また、温度センサー３３を入口側ヘッダー１２に設けても良い。その場合、温度センサー３３の検出値（つまり、入口側ヘッダー１２内の吸気ガスの温度）が所定の閾値（例えば、１６０℃〜１７０℃）以下になる場合に、コントローラー３４により加熱機構２４のヒーター（追加熱交換器２５、電気ヒーター４１）を作動させる。

また、温度センサー３３を必ずしもインタークーラー１０、４０内に設ける必要はなく、吸気マニホールド２に設けられるマニホールド温度センサー（ＭＡＴセンサー）４３（図３参照）を使用しても良い。その場合、マニホールド温度センサー４３の検出値（つまり、吸気マニホールド２内の吸気ガスの温度）が所定の閾値（例えば、４６℃）以下になる場合に、コントローラー３４により加熱機構２４のヒーター（追加熱交換器２５、電気ヒーター４１）を作動させる。

さらに、コントローラー３４を必ずしもインタークーラー１０、３０に設ける必要はなく、エンジン１の制御に用いられるコントローラー等を加熱機構２４のヒーター（追加熱交換器２５、電気ヒーター４１）の制御に使用しても良い。

１０インタークーラー
１１吸気ガス入口
１２入口側ヘッダー
１３吸気ガス出口
１４出口側ヘッダー
１５コア部
２４加熱機構
２５追加熱交換器（ヒーター）
３３温度センサー
３４コントローラー
４０インタークーラー
４１電気ヒーター（ヒーター）

Claims

吸気ガス入口を有する入口側ヘッダーと、吸気ガス出口を有する出口側ヘッダーと、前記入口側ヘッダーと前記出口側ヘッダーとの間に配設された熱交換用のコア部とを備えたインタークーラーにおいて、吸気ガス中の水蒸気が前記入口側ヘッダーよりも下流の前記コア部内で凝縮するのを抑制すべく前記入口側ヘッダー内の吸気ガスを加熱するヒーターを有する加熱機構を備えたことを特徴とするインタークーラー。
前記ヒーターは、前記入口側ヘッダー内に設けられ、前記入口側ヘッダー内の吸気ガスを加熱媒体により加熱する熱交換器である請求項１に記載のインタークーラー。
前記ヒーターは、前記入口側ヘッダー内に配設された電気ヒーターである請求項１に記載のインタークーラー。
前記加熱機構は、前記出口側ヘッダーに設けられ、前記出口側ヘッダー内の吸気ガスの温度を検出する温度センサーをさらに有する請求項１から３のいずれかに記載のインタークーラー。
前記加熱機構は、前記温度センサーの検出値に応じて前記ヒーターの作動と非作動とを切り替えるコントローラーをさらに有する請求項４に記載のインタークーラー。