JP2013160117A

JP2013160117A - インタークーラー

Info

Publication number: JP2013160117A
Application number: JP2012021788A
Authority: JP
Inventors: Akira Iijima; 章飯島
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2012-02-03
Filing date: 2012-02-03
Publication date: 2013-08-19
Also published as: WO2013115358A1

Abstract

【課題】凝縮水（硝酸水溶液、硫酸水溶液等）によるインタークーラーの腐食を確実に抑制する。
【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、入口側ヘッダー１２と出口側ヘッダー１４との一方の下部に、吸気ガス中の水蒸気が凝縮して生じる凝縮水を貯留する凝縮水貯留部２４を設けると共に、凝縮水が凝縮水貯留部２４に溜まるようにするために、凝縮水貯留部２４を設けた入口側ヘッダー１２と出口側ヘッダー１４との一方側から他方側に向かって高くなる傾斜をコア部１５に付与しておく。
【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４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。エンジンを停止し放置した場合、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、凝縮水（硝酸水溶液、硫酸水溶液等）によるインタークーラーの腐食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、前記入口側ヘッダーと前記出口側ヘッダーとの一方の下部に、吸気ガス中の水蒸気が凝縮して生じる凝縮水を貯留する凝縮水貯留部が設けられると共に、凝縮水が前記凝縮水貯留部に溜まるようにするために、前記凝縮水貯留部を設けた前記入口側ヘッダーと前記出口側ヘッダーとの一方側から他方側に向かって高くなる傾斜が前記コア部に付与されているものである。

前記凝縮水貯留部が、凝縮水に対して耐食性を有する材料からなっても良い。

前記凝縮水貯留部の壁部に、前記凝縮水貯留部に溜まった凝縮水が前記凝縮水貯留部に接する前記入口側ヘッダー又は前記出口側ヘッダーに吸い込まれることを防止するための返し板が設けられていても良い。

前記インタークーラーが、前記凝縮水貯留部に設けられ、凝縮水を蒸発させるべく前記凝縮水貯留部に溜まった凝縮水を加熱するヒーターを有する加熱機構を備えても良い。

前記インタークーラーが、前記凝縮水貯留部の底部に設けられ、前記凝縮水貯留部に溜まった凝縮水を排出するための水抜き栓を備えても良い。

本発明によれば、凝縮水（硝酸水溶液、硫酸水溶液等）によるインタークーラーの腐食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の背面図である。本発明の他の実施形態に係るインタークーラーの背面図である。本発明の他の実施形態に係るインタークーラーにおける凝縮水貯留部の要部拡大断面図である。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４を用いて説明する。

図４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。なお、図１において、符号１０ａは、取付ブラケットを示す。

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。本実施形態の入口側ヘッダー１２（入口側タンク１６、入口側パイプ１７）は、アルミニウム系材料（より詳細には、アルミニウム鋳物）からなる。

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。本実施形態の出口側ヘッダー１４（出口側タンク１８、出口側パイプ１９）は、アルミニウム系材料（より詳細には、アルミニウム鋳物）からなる。

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、外気流通路２２に配設されたフィン２３とを有する。なお、図１では、フィン２３の一部のみを図示している。

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。コア部１５（エンドプレート２０、チューブ２１、フィン２３）は、冷却効率を高めるためにアルミニウム系材料からなる。

ここで、本実施形態に係るインタークーラー１０においては、出口側ヘッダー１４の下部に、吸気ガス中の水蒸気が凝縮して生じる凝縮水を貯留する凝縮水貯留部２４を設けると共に、エンジン停止放置中に凝縮して生じた凝縮水が凝縮水貯留部２４に溜まるようにするために、凝縮水貯留部２４を設けた出口側ヘッダー１４側から入口側ヘッダー１２側に向かって高くなる傾斜をコア部１５に付与しておく。

凝縮水貯留部２４は、吸気ガス中の水蒸気が凝縮して生じる凝縮水を溜めるタンクであり、出口側ヘッダー１４の出口側タンク１８に結合されている。本実施形態の凝縮水貯留部２４は、ステンレス系材料（より詳細には、ステンレス鋳物）からなり、アルミニウム系材料からなる出口側ヘッダー１４とは溶接により結合されている。つまり、本実施形態の凝縮水貯留部２４は、入口側ヘッダー１２及び出口側ヘッダー１４等をなす材料よりも耐食性に優れた材料からなり、且つ硝酸水溶液や硫酸水溶液等に対して耐食性を有する材料からなる。また、本実施形態に係るインタークーラー１０では、凝縮水貯留部２４を、凝縮水貯留部２４に接する出口側ヘッダー１４と略同一の厚さとし、或いは出口側ヘッダー１４よりも若干薄い厚さとする。

なお、凝縮水貯留部２４は、入口側ヘッダー１２及び出口側ヘッダー１４等と同様に、アルミニウム系材料（より詳細には、アルミニウム鋳物）からなっても良い。但し、その場合には、凝縮水貯留部２４を、凝縮水貯留部２４に接する出口側ヘッダー１４よりも若干肉厚とし、凝縮水貯留部２４が酸（硝酸水溶液や硫酸水溶液等）によって多少溶けても良いようにしておく。また、凝縮水貯留部２４を、凝縮水貯留部２４に接する出口側ヘッダー１４に対して２倍程度の厚さとすることが好ましい。

また、本実施形態に係るインタークーラー１０においては、インタークーラー１０の吸気ガス出口１３側が吸気ガス入口１１側よりも少し下がるように、インタークーラー１０全体を所定角度θ（例えば、２°〜３°）だけ傾けておくことで、コア部１５に、凝縮水貯留部２４を設けた出口側ヘッダー１４側から入口側ヘッダー１２側に向かって高くなる傾斜を付与している。

また、本実施形態に係るインタークーラー１０では、凝縮水貯留部２４の壁部に、凝縮水貯留部２４に溜まった凝縮水が凝縮水貯留部２４に接する出口側ヘッダー１４に吸い込まれることを防止するための返し板２５を設けている。返し板２５は、凝縮水貯留部２４の壁部に一体的に設けられている。

また、本実施形態に係るインタークーラー１０は、凝縮水貯留部２４に設けられた加熱機構２６を備える。係る加熱機構２６は、凝縮水を蒸発させるべく凝縮水貯留部２４に溜まった凝縮水を加熱するヒーター２７と、凝縮水貯留部２４内の凝縮水の有無を検知する凝縮水検知手段２８と、凝縮水貯留部２４内の凝縮水の有無に応じてヒーター２７の作動と非作動とを切り替えるコントローラー２９とを有する。

ヒーター２７は、例えば、凝縮水貯留部２４内に配置された電熱線からなる。

凝縮水検知手段２８は、例えば、凝縮水貯留部２４内に配置された水位センサーからなる。水位センサーとしては、フロート式のセンサーや、電気式のセンサー（凝縮水貯留部２４内に凝縮水が有れば電気が流れ、凝縮水貯留部２４内に凝縮水が無ければ電気が流れない）等がある。

コントローラー２９は、ヒーター（電熱線）２７と凝縮水検知手段（水位センサー）２８とに電気的に接続されている。コントローラー２９は、エンジン１の運転中で且つ凝縮水貯留部２４内に凝縮水が有る場合には、凝縮水貯留部２４内に凝縮水が無くなるまで、ヒーター２７に通電し、凝縮水貯留部２４内の凝縮水を蒸発させる。一方、コントローラー２９は、凝縮水貯留部２４内に凝縮水が無くなれば、ヒーター２７への通電を止める。

次に、本実施形態の作用効果を説明する。

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の下部に、吸気ガスが凝縮して生じる凝縮水を貯留する凝縮水貯留部２４を設けると共に、凝縮水が凝縮水貯留部２４に溜まるようにするために、凝縮水貯留部２４を設けた出口側ヘッダー１４側から入口側ヘッダー１２側に向かって高くなる傾斜をコア部１５に付与しておくようにしている。このようにすることで、エンジン１の停止放置中に凝縮して生じた凝縮水は、出口側ヘッダー１４の下部に設けた凝縮水貯留部２４に溜まる。凝縮水が入口側ヘッダー１２、出口側ヘッダー１４及びコア部１５内に溜まることがなくなるので、凝縮水（硝酸水溶液、硫酸水溶液等）によるインタークーラー１０の腐食を確実に抑制することができる。

また、凝縮水貯留部２４の壁部に返し板２５を設けることで、エンジン１の再始動時に、凝縮水貯留部２４に溜まった凝縮水が出口側ヘッダー１４を経てエンジン１側に一気に吸い込まれることを防ぐことができる。

さらに、凝縮水貯留部２４にヒーター２７を設けることで、エンジン１の運転中に、ヒーター２７を用いて凝縮水の蒸発を促進させることができる。すなわち、エンジン１の運転中には凝縮水貯留部２４内の温度はある程度上昇するので、凝縮水貯留部２４内の凝縮水は自ずと蒸発するが、ヒーター２７を用いることで凝縮水貯留部２４内の凝縮水を確実に蒸発させることができる。

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、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、出口側ヘッダー１４の下部に凝縮水貯留部２４を設けるとしたが、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、入口側ヘッダー１２の下部に凝縮水貯留部２４を設けても良い。この場合には、凝縮水が凝縮水貯留部２４に溜まるようにするために、凝縮水貯留部２４を設けた入口側ヘッダー１２側から出口側ヘッダー１４側に向かって高くなる傾斜をコア部１５に付与しておく。

また、図３に示すように、凝縮水貯留部２４の底部に、凝縮水貯留部２４に溜まった凝縮水を外部に排出するための水抜き栓３０を設けても良い。図３に示す水抜き栓３０は、凝縮水が凝縮水貯留部２４にある程度溜まったときに自ずと開き、凝縮水が凝縮水貯留部２４から無くなると自ずと閉じるものである。係る水抜き栓３０は、凝縮水貯留部２４の底部に形成された排出孔３１を開閉する栓体３２と、栓体３２に連結されたフロート３３と、栓体３２を排出孔３１に対して押圧するスプリング３４とから主に構成される。なお、水抜き栓３０は、電磁弁からなるものであっても良く、手動で開閉される弁からなるものであっても良い。

さらに、コントローラー２９を必ずしもインタークーラー１０、４０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２６のヒーター２７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凝縮水貯留部
２５返し板
２６加熱機構
２７ヒーター
３０水抜き栓
４０インタークーラー

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、前記入口側ヘッダーと前記出口側ヘッダーとの一方の下部に、吸気ガス中の水蒸気が凝縮して生じる凝縮水を貯留する凝縮水貯留部が設けられると共に、凝縮水が前記凝縮水貯留部に溜まるようにするために、前記凝縮水貯留部を設けた前記入口側ヘッダーと前記出口側ヘッダーとの一方側から他方側に向かって高くなる傾斜が前記コア部に付与されていることを特徴とするインタークーラー。
前記凝縮水貯留部が、凝縮水に対して耐食性を有する材料からなる請求項１に記載のインタークーラー。
前記凝縮水貯留部の壁部に、前記凝縮水貯留部に溜まった凝縮水が前記凝縮水貯留部に接する前記入口側ヘッダー又は前記出口側ヘッダーに吸い込まれることを防止するための返し板が設けられた請求項１又は２に記載のインタークーラー。
前記凝縮水貯留部に設けられ、凝縮水を蒸発させるべく前記凝縮水貯留部に溜まった凝縮水を加熱するヒーターを有する加熱機構を備えた請求項１から３のいずれかに記載のインタークーラー。
前記凝縮水貯留部の底部に設けられ、前記凝縮水貯留部に溜まった凝縮水を排出するための水抜き栓を備えた請求項１から４のいずれかに記載のインタークーラー。