JP2017137841A - 蓄熱機能付きガス冷却器および内燃機関用ガス冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで、かつ冷間始動時における問題の発生を抑制しうる内燃機関用ガス冷却装置を提供する。
【解決手段】内燃機関用ガス冷却装置１は、吸気導入口３、吸気分岐口４、および過給気通路５を有する吸気マニホルド２と、吸気マニホルド２の過給気通路５内に配置されたインタークーラ６とを備えている。インタークーラ６は、間隔をおいて配置された冷却水流通管12、両冷却水流通管12間に両冷却水流通管12と離隔して配置された蓄熱材容器18、ならびに冷却水流通管12と蓄熱材容器18との間に冷却水流通管12および蓄熱材容器18に接するように配置されたアウターフィン19からなる組22を有する。組22における冷却水流通管12と蓄熱材容器18との間の間隙が、被冷却ガスが通過する通風間隙24となっている。
【選択図】図２

Description

この発明は、蓄熱機能付きガス冷却器および内燃機関用ガス冷却装置に関し、たとえば過給機により過給された過給気を冷却するインタークーラを有する過給システムや、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラを有するＥＧＲシステムを備えた内燃機関において、インタークーラやＥＧＲクーラとして用いられる蓄熱機能付きガス冷却器、および過給気やＥＧＲガスを内燃機関用冷却水により冷却するガス冷却装置に関する。

たとえば、過給システムやＥＧＲシステムを備えた自動車の内燃機関においては、過給機により過給された高温の過給気がインタークーラで比較的低温の内燃機関用冷却水により冷却され、高温のＥＧＲガスがＥＧＲクーラで比較的低温の内燃機関用冷却水により冷却されるようになっているが、高温の過給気および高温のＥＧＲガスが有する温熱が有効に利用されていないのが現状である。

一方、インタークーラやＥＧＲクーラを通過する冷却水の温度が低い冷間始動時には、過給気中の水分やＥＧＲガス中の水分が凝縮して凝縮水が発生したり、過給気やＥＧＲガスが比較的低温であることに起因する燃料の気化不良が発生して燃焼効率が悪化したりするという問題があった。

このような問題を解決するために、内燃機関が暖機するまでの間の冷却水の流量を制御装置により調整する冷却システムが提案されている(特許文献１参照)。

しかしながら、特許文献１記載の冷却システムでは、比較的高価な制御装置を用いる必要があるので、コストが高くなる。

特開２０１３−１４４９３４号公報

この発明の目的は、上記問題を解決し、被冷却ガスの有する温熱を効率良く蓄えることができる蓄熱機能付きガス冷却器、および特許文献１記載の冷却システムよりも低コストで、かつ前記冷間始動時における問題の発生を抑制しうる内燃機関用ガス冷却装置を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために以下の態様からなる。

1)互いに間隔をおいて配置されかつ冷却流体が流れる複数の熱交換管と、フィンと、蓄熱材が封入された蓄熱材容器とを備えており、互いに間隔をおいて配置された２つの熱交換管、両熱交換管間に当該両熱交換管と離隔して配置された蓄熱材容器、ならびに前記両熱交換管と蓄熱材容器との間に熱交換管および蓄熱材容器に接するように配置されたフィンからなる組を有し、当該組における熱交換管と蓄熱材容器との間の間隙が、被冷却ガスが通過する通風間隙となっている蓄熱機能付きガス冷却器。

2)熱交換管の並び方向の両端に配置されたサイドプレートを備えており、熱交換管、当該熱交換管と間隔をおいて配置されたサイドプレート、熱交換管およびサイドプレートと離隔して配置された蓄熱材容器、前記熱交換管と蓄熱材容器との間に熱交換管および蓄熱材容器に接するように配置されたフィン、ならびに前記サイドプレートと蓄熱材容器との間にサイドプレートおよび蓄熱材容器に接するように配置されたフィンからなる組を有し、当該組における熱交換管と蓄熱材容器との間の間隙およびサイドプレートと蓄熱材容器との間の間隙が、被冷却ガスが通過する通風間隙となっている上記1)記載の蓄熱機能付きガス冷却器。

3)ガス入口、ガス出口、およびガスがガス入口からガス出口に流れるガス通路を有するケーシングと、ケーシングのガス通路内に配置され、かつガス通路内を流れるガスを内燃機関用冷却水により冷却するガス冷却器とを備えた内燃機関用ガス冷却装置であって、
ガス冷却器が、上記1)または2)記載の蓄熱機能付きガス冷却器からなる内燃機関用ガス冷却装置。

4)ガス冷却器が、過給システムにおいて過給機により過給された過給気を冷却するインタークーラである上記3)記載の内燃機関用ガス冷却装置。

5)ガス冷却器が、ＥＧＲシステムにおいてＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラである上記3)記載の内燃機関用ガス冷却装置。

6)ケーシングが、内燃機関の吸気マニホルドである上記3)〜5)のうちのいずれかに記載の内燃機関用ガス冷却装置。

7)蓄熱材容器内に封入された蓄熱材が潜熱蓄熱材であり、当該潜熱蓄熱材の融点が５〜４０℃である上記3)〜6)のうちのいずれかに記載の内燃機関用ガス冷却装置。

上記1)および2)の蓄熱機能付きガス冷却器によれば、互いに間隔をおいて配置されかつ冷却流体が流れる複数の熱交換管と、フィンと、蓄熱材が封入された蓄熱材容器とを備えており、互いに間隔をおいて配置された２つの熱交換管、両熱交換管間に当該両熱交換管と離隔して配置された蓄熱材容器、ならびに前記両熱交換管と蓄熱材容器との間に熱交換管および蓄熱材容器に接するように配置されたフィンからなる組を有し、当該組における熱交換管と蓄熱材容器との間の間隙が、被冷却ガスが通過する通風間隙となっているので、通風間隙を通過する被冷却ガスの有する温熱が、フィンを介して蓄熱材容器内に封入された蓄熱材に蓄えられ、その結果被冷却ガスが有する温熱が効率良く蓄えられる。

上記3)〜7)の内燃機関用ガス冷却装置によれば、次の効果を奏する。すなわち、内燃機関が作動している暖機時には、過給システムの過給気やＥＧＲシステムのＥＧＲガスなどの高温ガスがケーシングのガス通路を流れ、当該高温ガスがガス冷却器の通風間隙を通過する間に、ガス冷却器の熱交換管内を流れる内燃機関用冷却水により冷却される。このとき、通風間隙を通過する被冷却ガスが有する温熱が、蓄熱材容器に封入された蓄熱材に蓄えられる。

内燃機関が一旦停止された後再始動する際には、内燃機関用冷却水の温度は低下しているが、当該内燃機関用冷却水がガス冷却器の熱交換管を流れる間に、蓄熱材容器に封入された蓄熱材に蓄えられていた温熱により加熱されるので、内燃機関が暖機するまでの間にガス冷却器の通風間隙を通過する過給気やＥＧＲガス中の水分が凝縮して凝縮水が発生することが抑制される。また、ガス冷却器の通風間隙を通過する過給気やＥＧＲガスも加熱されるので、低温の過給気やＥＧＲガスが内燃機関のシリンダに導入されることに起因する燃料の気化不良の発生が抑制され、燃焼効率の悪化が防止される。

上記7)の蓄冷機能付きエバポレータによれば、内燃機関の再始動時における過給気中の水分やＥＧＲガス中の水分の凝縮や、過給気やＥＧＲガスが低温であることに起因する燃料の気化不良の発生が効果的に抑制される。

この発明による内燃機関用ガス冷却装置を概略的に示す垂直断面図である。 図２のＡ−Ａ線断面図である。

以下、この発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

以下の説明において、図１の上下、左右を上下、左右といい、図２の下側を前、これと反対側を後というものとする。

また、以下の説明において、「アルミニウム」という用語には、純アルミニウムの他にアルミニウム合金を含むものとする。

図１および図２はこの発明による内燃機関用ガス冷却装置を概略的に示す。

図１および図２において、内燃機関用ガス冷却装置(1)は、過給システムおよびＥＧＲシステムを備えた自動車の内燃機関に使用されるものであって、過給機(図示略)により過給された過給気を導入する１つの吸気導入口(3)（ガス入口）、内燃機関のシリンダ数と同数、たとえば４つの吸気分岐口(4)（ガス出口）、および過給気が吸気導入口(3)から吸気分岐口(4)に流れる過給気通路(5)（ガス通路）を有する吸気マニホルド(2)（ケーシング）と、吸気マニホルド(2)の過給気通路(5)内に配置されかつ過給気通路(5)内を流れる過給気を、内燃機関用冷却水により冷却するインタークーラ(6)（ガス冷却器）とを備えており、過給気は過給気通路(5)を前から後に流れるようになっている。また、図示は省略したが、ＥＧＲシステムのＥＧＲクーラにより冷却されたＥＧＲガスは、適当な位置においてインタークーラ(6)により冷却された過給気に混合される。

インタークーラ(6)は、長手方向を前後方向に向けた状態で、過給気通路(5)の右端部に配置されたアルミニウム製入口ヘッダ部(7)と、長手方向を前後方向に向けた状態で、入口ヘッダ部(7)と対向するように過給気通路(5)の左端部に配置されたアルミニウム製第１中間ヘッダ部(8)と、長手方向を前後方向に向けた状態で、第１中間ヘッダ部(8)の下側に一体に設けられたアルミニウム製第２中間ヘッダ部(9)と、長手方向を前後方向に向けた状態で、第２中間ヘッダ部(9)と対向するように入口ヘッダ部(7)の下側に一体に設けられたアルミニウム製出口ヘッダ部(11)と、幅方向を上下方向に向けるとともに長手方向を左右方向に向けた状態で前後方向に間隔をおいて配置され、かつ長手方向の両端部が入口ヘッダ部(7)および第１中間ヘッダ部(8)に接続された複数のアルミニウム製上側冷却水流通管(12)(熱交換管)と、幅方向を上下方向に向けるとともに長手方向を左右方向に向けた状態で前後方向に間隔をおいて配置され、かつ長手方向の両端部が出口ヘッダ部(11)および第２中間ヘッダ部(9)に接続された複数のアルミニウム製下側冷却水流通管(13)(熱交換管)とを備えている。上側冷却水流通管(12)と下側冷却水流通管(13)とは前後方向の同一位置にあり、前後方向の同一位置にある上下両冷却水流通管(12)(13)により管組(16)が形成されている。入口ヘッダ部(7)に吸気マニホルド(2)の外部から内燃機関用冷却水が供給される冷却水入口(14)が設けられるとともに、出口ヘッダ部(11)に吸気マニホルド(2)の外部に内燃機関用冷却水を排出する冷却水出口(15)が設けられ、第１中間ヘッダ部(8)内と第２中間ヘッダ部(9)内とが通じさせられている。

インタークーラ(6)には、上下両冷却水流通管(12)(13)からなる管組(16)と、温熱を蓄える蓄熱材が封入されたアルミニウム製蓄熱材容器(18)とが、互いに間隔をおいて前後方向に交互に配置されている。蓄熱材容器(18)内に封入される蓄熱材としては、融点が５〜４０℃の潜熱蓄熱材を用いることが好ましい。管組(16)と蓄熱材容器(18)との間の間隙には、両面にろう材層を有するアルミニウムブレージングシートからなり、かつ前後方向（通風方向）にのびる波頂部、通風方向にのびる波底部、および波頂部と波底部とを連結する連結部よりなるコルゲート状のアルミニウム製アウターフィン(19)が、管組(16)の上下両冷却水流通管(12)(13)に跨るように配置されて両冷却水流通管(12)(13)に接触した状態でろう材により接合されるとともに、蓄熱材容器(18)に接触した状態でろう材により接合されている。また、左右両端の蓄熱材容器(18)の外側にも、アウターフィン(19)が配置されて蓄熱材容器(18)に接触した状態でろう材により接合され、さらに左右両端のアウターフィン(19)の外側にアルミニウム製サイドプレート(21)が配置されてアウターフィン(19)に接触した状態でアウターフィン(19)にろう材により接合されている。

すなわち、インタークーラ(6)は、前後方向に間隔をおいて配置された上下両冷却水流通管(12)(13)からなる２つの管組(16)、両管組(16)間に当該両管組(16)と離隔して配置された蓄熱材容器(18)、ならびに両管組(16)と蓄熱材容器(18)との間に管組(16)の上下両冷却水流通管(12)(13)および蓄熱材容器(18)に接するように配置されたアウターフィン(19)からなる組(22)を備えており、当該組(22)の管組(16)と蓄熱材容器(18)との間の間隙が通風間隙(24)となっている。また、インタークーラ(6)は、上下両冷却水流通管(12)(13)からなる１つの管組(16)、サイドプレート(21)、管組(16)およびサイドプレート(21)と離隔して配置された蓄熱材容器(18)、管組(16)と蓄熱材容器(18)との間に管組(16)の上下両冷却水流通管(12)(13)および蓄熱材容器(18)に接するように配置されたアウターフィン(19)、ならびにサイドプレート(21)と蓄熱材容器(18)との間にサイドプレート(21)および蓄熱材容器(18)に接するように配置されたアウターフィン(19)からなる組(23)を備えており、当該組(23)における管組(16)と蓄熱材容器(18)との間の間隙、および蓄熱材容器(18)とサイドプレート(21)との間の間隙がそれぞれ通風間隙(25)となっている。なお、管組(16)、蓄熱材容器(18)、サイドプレート(21)およびアウターフィン(19)は必ずしも必要としない。

上述したインタークーラ(6)においては、前後方向に隣り合う２つの組(22)、および隣り合う組(22)と組(23)とは、管組(16)を共有しているが、これに限定されるものではなく、前後方向に隣り合う組(22)どうしの間、および隣り合う組(22)と組(23)との間に、それぞれ少なくとも１つの管組(16)が別個に配置され、当該管組(16)と、前記組(22)(23)を構成する管組(16)との間にアウターフィン(19)が配置されることもある。

上述した内燃機関用ガス冷却装置(1)において、内燃機関の作動時には、内燃機関用冷却水は、冷却水入口(14)から入口ヘッダ部(7)内に入り、上側冷却水流通管(12)、第１中間ヘッダ部(8)、第２中間ヘッダ部(9)および下側冷却水流通管(13)を経て出口ヘッダ部(11)内に入り、冷却水出口(15)から排出される。一方、過給システムの過給気（高温ガス）は、吸気導入口(3)を通って吸気マニホルド(2)内に導入され、過給気通路(5)を流れてインタークーラ(6)の通風間隙(24)(25)を通過し、吸気分岐口(4)を通って内燃機関のシリンダに導入される。

内燃機関が作動している暖機時には、高温の過給気はインタークーラ(6)の通風間隙(24)(25)を通過する間に、インタークーラ(6)の冷却水流通管(12)(13)内を流れる比較的低温の内燃機関用冷却水により冷却される。このとき、通風間隙(24)(25)を流れる過給気が有する温熱が、蓄熱材容器(18)内に封入された蓄熱材に蓄えられる。

内燃機関が一旦停止された後再始動する際には、内燃機関用冷却水の温度は低下しているが、当該内燃機関用冷却水がインタークーラ(6)の冷却水流通管(12)(13)を流れる間に、蓄熱材容器(18)に封入された蓄熱材に蓄えられていた温熱により加熱されるので、内燃機関が暖機するまでの間にインタークーラ(6)の通風間隙(24)(25)を通過する過給気中の水分が凝縮して凝縮水が発生することが抑制される。また、インタークーラ(6)の通風間隙(24)(25)を通過する過給気も加熱されるので、低温の過給気が内燃機関のシリンダに導入されることに起因する燃料の気化不良の発生が抑制され、燃焼効率の悪化が防止される。

上述した実施形態においては、過給システムのインタークーラ(6)が吸気マニホルド(2)内に配置されているが、これに代えて、ＥＧＲシステムのＥＧＲクーラを上述したインタークーラ(6)と同様な構造にし、当該ＥＧＲクーラを吸気マニホルド(2)内に配置してもよい。また、吸気マニホルド(2)とは別個に、ガス入口、ガス出口、およびガスがガス入口からガス出口に流れるガス通路を有するケーシングを設け、等がケーシングのガス通路に、上述したインタークーラ(6)と同様な構造を有するＥＧＲクーラを配置してもよい。

この発明による熱交換には、カーエアコンを構成する冷凍サイクルのエバポレータに好適に用いられる。

(1)：内燃機関用ガス冷却装置
(2)：吸気マニホルド(ケーシング)
(3)：吸気導入口（ガス入口）
(4)：吸気分岐口（ガス出口）
(5)：過給気通路（ガス通路）
(6)：インタークーラ（ガス冷却器）
(12)(13)：冷却水流通管
(18)：蓄熱材容器
(19)：アウターフィン
(21)：サイドプレート
(22)(23)：組
(24)(25)：通風間隙

Claims (7)

1. 互いに間隔をおいて配置されかつ冷却流体が流れる複数の熱交換管と、フィンと、蓄熱材が封入された蓄熱材容器とを備えており、互いに間隔をおいて配置された２つの熱交換管、両熱交換管間に当該両熱交換管と離隔して配置された蓄熱材容器、ならびに前記両熱交換管と蓄熱材容器との間に熱交換管および蓄熱材容器に接するように配置されたフィンからなる組を有し、当該組における熱交換管と蓄熱材容器との間の間隙が、被冷却ガスが通過する通風間隙となっている蓄熱機能付きガス冷却器。
2. 熱交換管の並び方向の両端に配置されたサイドプレートを備えており、熱交換管、当該熱交換管と間隔をおいて配置されたサイドプレート、熱交換管およびサイドプレートと離隔して配置された蓄熱材容器、前記熱交換管と蓄熱材容器との間に熱交換管および蓄熱材容器に接するように配置されたフィン、ならびに前記サイドプレートと蓄熱材容器との間にサイドプレートおよび蓄熱材容器に接するように配置されたフィンからなる組を有し、当該組における熱交換管と蓄熱材容器との間の間隙およびサイドプレートと蓄熱材容器との間の間隙が、被冷却ガスが通過する通風間隙となっている請求項１記載の蓄熱機能付きガス冷却器。
3. ガス入口、ガス出口、およびガスがガス入口からガス出口に流れるガス通路を有するケーシングと、ケーシングのガス通路内に配置され、かつガス通路内を流れるガスを内燃機関用冷却水により冷却するガス冷却器とを備えた内燃機関用ガス冷却装置であって、
   ガス冷却器が、請求項１または２記載の蓄熱機能付きガス冷却器からなる内燃機関用ガス冷却装置。
4. ガス冷却器が、過給システムにおいて過給機により過給された過給気を冷却するインタークーラである請求項３記載の内燃機関用ガス冷却装置。
5. ガス冷却器が、ＥＧＲシステムにおいてＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラである請求項３記載の内燃機関用ガス冷却装置。
6. ケーシングが、内燃機関の吸気マニホルドである請求項３〜５のうちのいずれかに記載の内燃機関用ガス冷却装置。
7. 蓄熱材容器内に封入された蓄熱材が潜熱蓄熱材であり、当該潜熱蓄熱材の融点が５〜４０℃である請求項３〜６のうちのいずれかに記載の内燃機関用ガス冷却装置。
   

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