JP2013189974A - 内燃機関の吸気マニホールドと一体化された、気体状の吸入流体を調整するための加熱器・冷却器モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】暖機段階での運転時に気体状の吸入流体の迅速かつ有効な加熱を実現することができる吸気システムを提供する。
【解決手段】排気ターボ過給機付き内燃機関のための吸気システムは、内燃機関の複数の気筒１１に接続可能なプレナム室１５を形成する吸気マニホールド１３と、プレナム室１５に開口し該プレナム室１５に気体状の流体を供給する吸気管１７と、気体状の流体を加熱するために設けられた電気加熱器２０と、気体状の流体を冷却するために設けられ冷却流体が供給される冷却器３０とを備えている。電気加熱器２０及び冷却器３０は、吸気管１７から前記プレナム室１５に流入する気体状の流体の少なくとも大部分を遮るような態様でプレナム室１５内に配置された調整モジュール４０を形成するように協働し、冷却器３０は、電気加熱器２０と直列に配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般的には、内燃機関に吸入される気体状の流体（空気、又は空気と還流排気ガスの混合気体）を調整するための吸気システムに関するものである。

空気、又は空気とその他の気体の混合気体を内燃機関に供給するための吸気システムを設計する上においては、種々の問題に直面するが、これらの問題の解決には内燃機関に供給される吸入流体の調整を必要とする。

このような問題の１つは、内燃機関の冷間始動に係る問題である。周囲の温度が低い状態で内燃機関を始動させる場合、吸入空気が低温でありかつ内燃機関が低温であることから、内燃機関が有効に機能するために必要とされ、かつ燃料消費の観点及び排気ガスによる大気汚染の抑制の観点から経済的に有利となる温度水準まで内燃機関を昇温させるためには、多くのエネルギが必要とされるということは知られている。これらの問題を解決するために、内燃機関の吸気フィルタ又は吸気マニホールドに接続された電気加熱器を備えた吸気システムが提案されている。

例えば、特許文献１は、吸気マニホールドと、吸気マニホールドのプレナム室に開口する吸気管と、プレナム室内に配置された電気加熱器とを備えた、内燃機関のための吸気システムを開示している。

もう１つの問題は、内燃機関の吸気系統に配置され各気筒の燃焼室に吸入される空気又は空気と還流排気ガスの混合気体を圧縮するためのコンプレッサ（圧縮器）を必要とする排気ターボ過給機付き内燃機関の特性に係る問題である。この種の内燃機関においては、実際、コンプレッサの出口における空気又は混合気体の密度を適正値に維持するために、内燃機関に吸入される空気又は混合気体を冷却することが必要である。

例えば、特許文献２は、それぞれ内燃機関の吸気マニホールドに近接して配置された、排気ターボ過給機により加圧された空気を冷却するための冷却器と、この冷却器のためのバイパスとを備えた、内燃機関に空気を供給するための調整モジュール（conditioning module）を開示している。このバイパスは、例えば公害防止規制（anti-pollution legislation）に対応するために、吸入される空気又は混合気体がより高温であることが必要となる場合のために設けられている。これは、とくに微粒子捕集フィルタ（anti-particulate filter）を再生することが必要な場合、又は内燃機関を冷機状態から始動させる場合に必要となる。

また、冷却機能と加熱機能とを組み合わせた吸気システムも提案されている。

本発明は、とくに、内燃機関の複数の気筒に接続可能なプレナム室を形成する吸気マニホールドと、プレナム室に開口し該プレナム室に気体状の流体を供給するのに適した吸気管と、気体状の流体を加熱するために設けられた電気加熱器と、気体状の流体を冷却するために設けられ冷却流体が供給される冷却器とを備えた排気ターボ過給機付き内燃機関用の吸気システムに関するものである。

特許文献３は、加熱・冷却組合せ型の吸気システムを提案し、加熱器及び冷却器を備えた吸気系統（intake line）を開示している。この吸気システムにおいては、加熱器は空気フィルタ（air filter）に接続されている。他方、冷却器は内燃機関より上流側でありかつ加熱器より下流側の部位において吸気系統に配置され、この冷却器には、加熱器から出た高温の空気が該冷却器によって冷却されるのを防止することが必要な場合に用いるためのバイパスが設けられている。

欧州特許第０９６９１９９号明細書 仏国特許第２９３４３３０号明細書 独国特許第１０２００９０３６７４４号明細書

特許文献３に開示された吸気システムでは、内燃機関の暖機運転の段階で、気体状の吸入流体の温度の迅速な上昇を確保することができず、一酸化炭素及び未燃焼炭化水素の発生に関して最も危機的な様相（most critical phase）を呈する。これは、加熱器を出た加熱空気が、該空気が通過せざるを得ない吸気系統（例えば、空気フィルタから内燃機関への接続部、及びコンプレッサからバイパス構造への接続部）の低温の表面と接触し、該加熱空気が保持している熱エネルギの一部が失われるといったことに起因する。

本発明の１つの目的は、暖機運転の段階（warm-up phase）で気体状の吸入流体の迅速かつ有効な加熱を実現することができる吸気システムを提供することである。

上記目的は、本発明に係る前記のタイプの吸気システム（intake system）によって達成される。この吸気システムにおいて、加熱器及び冷却器は、吸気管（intake duct）からプレナム室（plenum chamber）に流入する気体状の流体の少なくとも大部分（substantial part）を遮る（intercept）態様でプレナム室内に配置された調整モジュール（conditioning module）を形成するように協働する（cooperate）。ここで、冷却器は、加熱器と直列に配置される。

加熱器（とくに、ＰＴＣ加熱器）を吸気マニホールドと一体化することにより、加熱器によって供給される熱のほぼ全部を気体状の吸入流体（gaseous intake fluid）に加えることが可能となる。さらに、冷却器を吸気マニホールドと一体化することにより、コンプレッサで圧縮された後に気体状の流体に生じた熱エネルギを、冷却器に供給される冷却流体の流れの状態の調節（modulation）を行うことにより除去することが可能となる。

それゆえ、本発明は、吸気マニホールドと一体化された温度の調整モジュールを提案する。この調整モジュールは、吸気マニホールド内に配置されているので、一酸化炭素及び未燃焼の炭化水素が燃焼室から排出されるのを最大限に低減することを可能にする。さらに、この調整モジュールは、バイパス構造を設けることを必要としないので、結果的に部品構成が単純化される。気体状の流体を冷却することを必要としない場合は、冷却器に冷却流体を供給しないように構成することも十分に可能である。

本発明の好ましい実施態様によれば、加熱器、とくにＰＴＣ加熱器は、冷却器の下流に配置される。これにより、気体状の吸入流体に熱エネルギを最大限に加えることが可能となる。なぜなら、加熱器から流出した加熱空気は、冷却器のどのような低温の部品をも通ることなく、直接吸気弁まで流れることができるからである。

吸気システムが設けられた排気ターボ過給機付き内燃機関（turbocharged internal combustion engine）の暖機運転（warm-up）を制御する方法もまた、本発明の要旨を構成する。
ここで、吸気システムは、次の各構成要素を備えている。
内燃機関の複数の気筒に接続されたプレナム室を形成する（define）吸気マニホールド。
プレナム室に開口し該プレナム室に気体状の流体を供給するのに適した吸気管。
吸気管プレナム室に流入する前記気体状の流体の少なくとも大部分を遮るような態様でプレナム室内に配置された電気加熱器。
プレナム室内に配置されるとともに電気加熱器と直列に配置され、冷却流体が供給される冷却器。
また、この方法は、次の過程（steps）を備えていることを特徴とする。
内燃機関の暖機運転の開始時に、電気加熱器を稼働させて（activate）気体状の流体を加熱する一方、冷却器を冷却流体が供給されない状態に保持する暖機過程。
暖機過程の後において、冷却器への冷却流体の供給を開始するとともに、加熱器への電力供給及び冷却器への冷却流体の供給のうちの少なくとも一方を調節する（modulate）過程。
内燃機関の暖機運転の終了時に、電気加熱器の稼働を停止させる（de-activate）とともに、冷却器を通常操作（normal operation）の状態とする過程。

本発明の好ましい実施態様は、本明細書に一体化されて統合された本明細書の一部であるものと理解すべき添付の従属形式の請求項に記載されている。

本発明に係る吸気システムのさらなる特徴及び利点は、添付の図面を参照しつつなされる以下の本発明の実施形態の詳細な説明によりさらに明確となるであろう。なお、添付の図面は、本発明の実施形態を模式的に示すものに過ぎず、その記載は本発明を制限するものではなく、単なる具体例を示しているだけである。

本発明に係る内燃機関を示す模式図である。

図１は、内燃機関１０を示している。この内燃機関１０は、複数の気筒１１（cylinders）と、該内燃機関１０の各気筒１１に接続可能ないしは接続されたプレナム室１５を形成する吸気マニホールド１３と、プレナム室１５に開口するとともに該プレナム室１５に気体状の流体を供給するのに適した吸気管１７とを備えている。排気ガスの還流ないしは再循環（recirculation）を行う内燃機関１０の場合は、この気体状の流体は、空気であってもよく、また空気と還流排気ガスの混合気体（air/recirculated exhaust gas mixture）であってもよい。

内燃機関１０は、圧縮により着火する排気ターボ過給機付き内燃機関、例えばディーゼルエンジンであってもよく、また点火が制御される排気ターボ過給機付き内燃機関、例えばガソリンエンジン（petrol engine）であってもよい。

この内燃機関１０ないしは吸気システムには、とくに内燃機関１０の暖機運転時に気体状の吸入流体を加熱するための加熱器２０と、コンプレッサ（図示せず）から流出した気体状の流体を冷却して該流体の密度を所望のレベルに維持するための冷却器３０も設けられている。

加熱器２０は電気加熱器であり、電気回路２１を経由して制御ユニット（図示せず）に接続されている。とくに、電気加熱器２０は、正の温度係数（ＰＴＣ）特性（characteristic）をもつ加熱用抵抗（heating resistance）を有している。

冷却器３０には、冷却流体、とくに水ないしは水とエチレングリコールの混合液、又はその他の冷媒物質（refrigerant substance）が供給される。この冷却器３０は、該冷却器３０への冷却媒体の流れを調節する（modulate）ための制御装置３３を備えた、冷却媒体を供給するための流体回路３１に接続されている。

加熱器２０及び冷却器３０は、吸気管１７からプレナム室１５に流入する気体状の流体の少なくとも大部分（とくに、全部の流体）を遮るような態様でプレナム室１５内に配置された温度の調整モジュール４０を形成するために協働する。また、冷却器３０は加熱器２０と直列に配置されている。加熱器２０は、冷却器３０の下流に配置されている。このような配置形態（configuration）は、加熱器２０によって加熱された気体状の吸入流体が、冷却器３０の低温の部品によって不本意に（undesiredly）冷却されるのを回避することを可能するといった利点を有している。しかしながら、図示していないもう１つの実施形態によれば、加熱器は冷却器の上流に配置することが可能である。

それゆえ、内燃機関１０の暖機運転の段階は、調整モジュール１５、ひいては加熱器２０への電力供給及び冷却器３０への冷却流体の供給を管理する制御システム（図示せず）でもって制御することができる。

内燃機関１０の暖機運転の開始時に、加熱器２０は稼働させられ（activated）、気体状の吸入流体を加熱する一方、冷却器３０は冷却流体が供給されない状態に保持される。それゆえ、冷却器３０は稼働せず（inactive）、冷却流体を受け入れない。

この後、気体状の吸入流体のためのエネルギ供給の必要性は減少する。それゆえ、冷却器３０への冷却流体の供給が開始され、加熱器２０への電力の供給及び冷却器３０への冷却流体の供給のうちの少なくとも一方が調節され（modulated）、吸入流体の熱的な過渡状態（thermal transient）が制御される。

内燃機関１０の暖機運転の終了時に、加熱器２０の稼働は停止させられ（deactivated）、冷却器３０は通常操作（normal operation）の状態、すなわちコンプレッサから流出する流体を冷却するように設定された（specified）比率（rate）での操作の状態とされる。

１０ 内燃機関、１１ 気筒、１３ 吸気マニホールド、１５ プレナム室、１７ 吸気管、２０ 加熱器、２１ 電気回路、３０ 冷却器、３１ 流体回路、３３ 制御装置、４０ 調整モジュール。

Claims (6)

1. 排気ターボ過給機付き内燃機関のための吸気システムであって、
   前記内燃機関の複数の気筒（１１）に接続可能なプレナム室（１５）を形成する吸気マニホールド（１３）と、
   前記プレナム室（１５）に開口し、該プレナム室（１５）に気体状の流体を供給する吸気管（１７）と、
   前記気体状の流体を加熱するために設けられた電気加熱器（２０）と、
   前記気体状の流体を冷却するために設けられた、冷却流体が供給される冷却器（３０）とを備えていて、
   前記電気加熱器（２０）及び前記冷却器（３０）は、前記吸気管（１７）から前記プレナム室（１５）に流入する前記気体状の流体の少なくとも大部分を遮るような態様で前記プレナム室（１５）内に配置された調整モジュール（４０）を形成するように協働し、
   前記冷却器（３０）は、前記電気加熱器（２０）と直列に配置されていることを特徴とする吸気システム。
2. 前記電気加熱器が前記冷却器の下流に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の吸気システム。
3. 前記電気加熱器に、正の温度係数特性を有する加熱用抵抗器が設けられていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の吸気システム。
4. 吸気システムが設けられた排気ターボ過給機付き内燃機関（１０）の暖機運転を制御する方法であって、
   前記吸気システムは、
   前記内燃機関の複数の気筒（１１）に接続されたプレナム室（１５）を形成する吸気マニホールド（１３）と、
   前記プレナム室（１５）に開口し、該プレナム室（１５）に気体状の流体を供給する吸気管（１７）と、
   前記吸気管（１７）から前記プレナム室（１５）に流入する前記気体状の流体の少なくとも大部分を遮るような態様で前記プレナム室（１５）内に配置された電気加熱器（２０）と、
   前記プレナム室（１５）内に配置されるとともに前記電気加熱器（２０）と直列に配置され、冷却流体が供給される冷却器（３０）とを備えていて、
   該方法は、
   前記内燃機関の暖機運転の開始時に、前記電気加熱器（２０）を稼働させて前記気体状の流体を加熱する一方、前記冷却器（３０）を冷却流体が供給されない状態に保持する暖機過程と、
   前記暖機過程の後において、前記冷却器（３０）への前記冷却流体の供給を開始するとともに、前記加熱器（２０）への電力供給及び前記冷却器（３０）への前記冷却流体の供給のうちの少なくとも一方を調節する過程と、
   前記内燃機関の前記暖機運転の終了時に、前記電気加熱器（２０）の稼働を停止させるとともに、前記冷却器（３０）を通常操作の状態にする過程とを備えていることを特徴とする方法。
5. 前記電気加熱器を前記冷却器の下流に配置することを特徴とする、請求項４に記載の方法。
6. 前記電気加熱器（２０）に、正の温度係数特性を有する加熱用抵抗器を設けることを特徴とする、請求項４又は５に記載の方法。

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