JP2019039334A - Heat exchanger - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、熱交換器に関する。より具体的には、内燃機関の吸気通路又は排気通路に設置され、冷媒と、吸気又は排気との間で熱交換させる熱交換器に関するものである。 The present invention relates to a heat exchanger. More specifically, the present invention relates to a heat exchanger that is installed in an intake passage or an exhaust passage of an internal combustion engine and exchanges heat between a refrigerant and intake or exhaust.
一般に車両にはインタークーラ、EGRクーラ等の複数の熱交換器が配置されている。具体的に例えば、特開2006−57473号公報には、EGRクーラが記載されている。このEGRクーラは、水平向きのガスの流れ方向に対して、垂直又は水平方向に形成された冷媒の通路を有している。 Generally, a plurality of heat exchangers such as an intercooler and an EGR cooler are arranged in a vehicle. Specifically, for example, JP 2006-57473 A describes an EGR cooler. The EGR cooler has a refrigerant passage formed in a vertical or horizontal direction with respect to a horizontal gas flow direction.
特開2006−57473号公報に記載されたEGRクーラは、冷媒が、ガス通路の高温側から低温側に、垂直、水平方向に蛇行して流通する構成となっている。この場合、冷媒が沸騰する恐れがある。また低外気温、低水温時にEGRクーラが使用されると、EGRガス通路内で凝縮水が発生し、内部に残ることがある。凝縮水を暖機後速やかに蒸発させることができない場合、腐食や凍結による部品の損傷を起こす虞がある。ここで凝縮水の発生を回避するため、EGRクーラの使用を凝縮水が発生しない条件下に制限することは、NOxの排出量の増加及び燃費性能の低下につながる虞があるため、好ましいことではない。 The EGR cooler described in Japanese Patent Laid-Open No. 2006-57473 has a configuration in which a refrigerant circulates in a vertical and horizontal direction from a high temperature side to a low temperature side of a gas passage. In this case, the refrigerant may boil. Further, when the EGR cooler is used at low outside air temperature and low water temperature, condensed water may be generated in the EGR gas passage and remain inside. If the condensed water cannot be evaporated immediately after warming up, the parts may be damaged due to corrosion or freezing. Here, in order to avoid the generation of condensed water, it is preferable to limit the use of the EGR cooler to a condition in which condensed water is not generated, because this may lead to an increase in NOx emissions and a decrease in fuel efficiency. Absent.
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、凝縮水による部品の損傷を抑制しつつ、熱交換器における冷媒の沸騰を抑制し、熱交換器の冷却効率を高めることができるように改良された熱交換器を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problem, and can suppress the boiling of the refrigerant in the heat exchanger and increase the cooling efficiency of the heat exchanger while suppressing the damage of the components due to the condensed water. An object of the present invention is to provide an improved heat exchanger.
上記の目的を達成するため、本発明は、内燃機関の吸気通路又は排気通路に設置され、ガスと冷媒との間で熱を移動させる熱交換器であって、複数の冷媒通路と、ガス通路と、貯水部と、制御部と、を備えている。複数の冷媒通路は、重力方向に平行に配置され、冷媒を重力方向に流通させる。ガス通路は、隣り合う冷媒通路の間の通路である。ガス通路は、複数の冷媒通路の配列方向と重力方向とに平行な対向する二面のうち一方の面側から他方の面側に向けて、ガスを流通させる。貯水部は、ガス通路の下部に形成され、ガス通路内で発生した凝縮水を貯水する。 In order to achieve the above object, the present invention is a heat exchanger that is installed in an intake passage or an exhaust passage of an internal combustion engine and moves heat between a gas and a refrigerant, and includes a plurality of refrigerant passages and gas passages. And a water storage part and a control part. The plurality of refrigerant passages are arranged in parallel to the direction of gravity and allow the refrigerant to flow in the direction of gravity. The gas passage is a passage between adjacent refrigerant passages. The gas passage circulates gas from one surface side to the other surface side of two opposing surfaces parallel to the arrangement direction of the plurality of refrigerant passages and the gravity direction. The water storage part is formed in the lower part of the gas passage and stores condensed water generated in the gas passage.
制御部は、貯水部に溜まった凝縮水の量を算出し、算出された凝縮水の量が閾値未満の場合には、熱交換器における熱交換量を増加させ、算出された凝縮水の量が閾値以上の場合には、熱交換器における熱交換量を減少させるように構成されている。 The control unit calculates the amount of condensed water accumulated in the water storage unit, and when the calculated amount of condensed water is less than the threshold value, increases the amount of heat exchange in the heat exchanger, and calculates the amount of condensed water When is equal to or greater than the threshold value, the heat exchange amount in the heat exchanger is reduced.
冷媒が重力方向に流れるように冷媒通路が配置されて、冷媒通路の間をガスが流通するように構成されていることにより、冷媒の沸騰を抑制しつつ、ガス通路で発生した凝縮水を下方に形成された貯水部に凝縮水を貯水することができ、凝縮水の滞留による部品の劣化を抑制することができる。また、凝縮水の量が少ない場合、凝縮水が発生しても貯留できるため、熱交換器の冷却効率を上げる。一方、凝縮水の貯水量が多い場合、熱交換器の冷却効率を下げる。これにより、凝縮水が沸騰するため、気化潜熱によりガスを冷却しつつ貯留された凝縮水を減少させることができる。 The refrigerant passage is arranged so that the refrigerant flows in the direction of gravity, and gas is circulated between the refrigerant passages, so that the condensed water generated in the gas passage is lowered while suppressing the boiling of the refrigerant. Condensed water can be stored in the water storage part formed in the above, and deterioration of components due to the condensate water retention can be suppressed. Further, when the amount of condensed water is small, it can be stored even if condensed water is generated, so that the cooling efficiency of the heat exchanger is increased. On the other hand, when the amount of condensed water stored is large, the cooling efficiency of the heat exchanger is lowered. Thereby, since condensed water boils, the condensed water stored can be reduced, cooling gas by latent heat of vaporization.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is simplified or omitted.
図1は、本発明の実施の形態におけるシステムの全体構成を模式的に示す図である。図1のシステムはエンジン2を有している。エンジン2は過給機4を有している。過給機4のコンプレッサ12は、吸気通路10の途中に配置されている。吸気通路10のコンプレッサ12より下流側には、インタークーラ14が設置されている。インタークーラ14は、コンプレッサ12で圧縮された吸気を、冷媒との熱交換により冷却する熱交換器である。本実施の形態ではインタークーラ14の冷媒として、水が用いられるものとするが、冷媒は水でなくてもよい。
FIG. 1 is a diagram schematically showing an overall configuration of a system according to an embodiment of the present invention. The system of FIG. 1 has an
またエンジン2は、排気の一部を吸気通路10へ再循環させるEGR装置を有している。EGR装置は、エンジン2の排気系と吸気系とを接続するEGR通路20を有する。EGR通路20には、EGRクーラ22が設置されている。EGRクーラ22は、排気と冷媒との熱交換により排気を冷却する熱交換器である。本実施の形態のEGRクーラ22では冷媒として水が用いられるものとするが、EGRクーラの冷媒は、水でなくてもよい。
The
EGRクーラ22と並行に、EGRクーラ22を迂回するバイパス通路24が接続されている。バイパス通路24のEGR通路20への合流部には、バイパス通路24を開閉するバルブ26が設置されている。EGR通路20のバルブ26より下流にはEGRガス量を調節するEGRバルブ28が設置されている。
A
図示を省略するが、このシステムは、制御装置を備えている。制御装置は、ECU(Electronic Control Unit)であり、本実施の形態においては、熱交換器であるインタークーラ14及びEGRクーラ22の制御部としての機能も有する。エンジン2の各種のセンサ及びアクチュエータは、制御装置に電気的に接続されている。制御装置はエンジン2のシステム全体の制御を行うものであり、CPU、ROM、RAMを含むコンピュータを主体として構成されている。ROMには、後述するルーチンを含む各種制御ルーチンが記憶されている。
Although not shown, this system includes a control device. The control device is an ECU (Electronic Control Unit). In the present embodiment, the control device also has a function as a control unit for the
図2は、インタークーラ14の構成を模式的に示す図であり、図2の(a)は、インタークーラ14の斜視、(b)は、(a)におけるA−A断面を表している。図2において紙面左右方向は、インタークーラ14の車載状態での水平方向であり、紙面上下方向が鉛直方向である。インタークーラ14は、略水平方向に吸気が流れるように構成されている。
FIG. 2 is a diagram schematically illustrating the configuration of the
図2に示されるように、インタークーラ14内には、冷却水を流通させるための複数のチューブ30が鉛直方向に平行に配置されている。チューブ30はインタークーラ14の上面に形成された冷却水の入口と、インタークーラ14の下面に形成された冷却水の出口に連通しており、冷却水がチューブ30内を鉛直方向下向き(即ち、重力方向)に流通するように構成されている。
As shown in FIG. 2, a plurality of
隣り合うチューブ30の間には、例えば断面が波状又は凹凸形状に形成された板状のフィン32が配置されている。フィン32が配置されている部分、即ち、チューブ30の外側部分は、吸気が流通する吸気通路34となっている。フィン32により、チューブ30内の冷却水と吸気との熱交換が効率よく行われる。また、フィン32は、吸気の流れに対し乱れを作る構成としてもよい。
Between the
インタークーラ14のチューブの配列方向(即ち、図2の(b)の紙面左右方向)と重力方向とに平行な対向する二面のうち一方の面側には吸気の入口が形成され入口配管36が接続している。また、この二面のうち他方の面側には吸気の出口が形成され出口配管38が接続している。吸気は、吸気通路34内を、入口側から出口側に向けて、概ね水平方向に流通するように構成されている。
An intake inlet is formed on one side of the two opposing surfaces parallel to the tube arrangement direction of the intercooler 14 (that is, the horizontal direction in FIG. 2B) and the direction of gravity. Is connected. An intake outlet is formed on the other side of the two surfaces, and an
吸気通路34はその下方が貯水部40として機能する。インタークーラ14は、吸気の入口配管36及び出口配管38の最下部Bが、インタークーラ14の底面Cよりも上部に位置するように構成されている。吸気通路34のうち、最下部Bより下側の許容貯水位置Dから、インタークーラ14の底面Cまでの部分が貯水部40となる。なお、図では入口配管36及び出口配管38の大きさ、形状、及び水平位置が概ね一致しているが、入口配管36及び出口配管38の大きさ、形状、及び水平位置は、互いに異なっていてもよい。即ち、この場合にも、入口配管36及び出口配管38のなかで最下部となる部分より下の部分に、貯水部を形成すればよい。
A lower portion of the
図2の構成によりインタークーラ14の吸気通路34内で生じた凝縮水は、吸気通路34内を重力方向に流れ落ち、貯水部40にて一時的に貯水される。チューブ30とフィン32とは、その下方の一部が貯水部40に配置されており、貯水部40に溜まる凝縮水に浸かるように構成されている。
The condensed water generated in the
EGRクーラ22は、上述したインタークーラ14と同一の構成を有している。即ち、EGRクーラ22は、冷却水を鉛直方向下向きに流通させるように、鉛直方向に平行に配列されたチューブと、隣り合うチューブとチューブの間に配置された板状のフィンを有している。EGRクーラ22では、チューブとチューブの間は排気通路となる。排気通路の下部は、貯水部となっていて、凝縮水が貯水されるように構成されている。
The
制御装置は、インタークーラ14及びEGRクーラ22等の熱交換器における水の凝縮量を計算し、それに応じて熱交換器における熱交換量を変化させる制御を実行するよう構成されている。以下、制御装置が実行する制御について、説明する。
The control device is configured to calculate the amount of water condensation in the heat exchangers such as the
図3は、実施の形態1において制御装置が実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。図3のルーチンでは、まずステップS100において、貯水量が閾値を超えているか否かが判別される。ここで閾値は、図2の許容貯水位置Dまで貯水された場合の貯水量に近似する値に設定される。即ち、閾値は、熱交換器の吸気又は排気の通路に貯水可能な水量に応じて適宜決定される。ステップS100における貯水量は、現在記憶されている値が用いられる。貯水量は、後述する処理により算出され記憶される。 FIG. 3 is a flowchart for illustrating a control routine executed by the control device in the first embodiment. In the routine of FIG. 3, first, in step S100, it is determined whether or not the amount of stored water exceeds a threshold value. Here, the threshold value is set to a value that approximates the water storage amount when water is stored up to the allowable water storage position D in FIG. That is, the threshold is appropriately determined according to the amount of water that can be stored in the intake or exhaust passage of the heat exchanger. The currently stored value is used as the water storage amount in step S100. The amount of stored water is calculated and stored by a process described later.
ステップS100において、貯水量が閾値を超えていないと判別された場合には、凝縮水の発生が許容される状態にあるので、ステップS102に進み、凝縮モードに設定される。次に、ステップS104に進み、熱交換器における熱交換量を増加させる制御が実行される。これにより、凝縮水が発生しやすい状態となり、凝縮水の貯水量を増加させることができる。なお、熱交換器における熱交換量を増加させる制御としては、例えば、熱交換器を通過するガス(即ち、吸気又は排気)の量を増量する制御、又は冷却水量の増量等により熱交換器の冷却効率を上げる制御が挙げられる。 If it is determined in step S100 that the amount of stored water does not exceed the threshold value, the generation of condensed water is allowed, so the process proceeds to step S102 and the condensation mode is set. Next, it progresses to step S104 and control which increases the heat exchange amount in a heat exchanger is performed. Thereby, it will be in the state which is easy to generate | occur | produce condensed water, and the amount of condensed water storage can be increased. The control for increasing the amount of heat exchange in the heat exchanger includes, for example, control for increasing the amount of gas (that is, intake or exhaust) passing through the heat exchanger, or increasing the amount of cooling water, etc. Control that increases the cooling efficiency can be mentioned.
次に、ステップS106に進み、瞬時凝縮量が算出される。瞬時凝縮量は、熱交換器に貯留されている貯水量を考慮して、例えば、次式(1)に従って推定することができる。ステップS106では、次式(1)に従って算出された値を、瞬時凝縮量として用いる。
瞬時凝縮量=(熱交換器全体の体積×定数−貯水量による体積減少分)×ガス量×(蒸気量−飽和蒸気量) ・・・・(1)
Next, the process proceeds to step S106, and the instantaneous condensation amount is calculated. The instantaneous condensation amount can be estimated according to the following equation (1), for example, in consideration of the amount of water stored in the heat exchanger. In step S106, the value calculated according to the following equation (1) is used as the instantaneous condensation amount.
Instantaneous condensing amount = (total heat exchanger volume x constant-volume decrease due to water storage amount) x gas amount x (steam amount-saturated steam amount) (1)
なお、式(1)において、貯水量による体積減少分は、現在記憶されている貯水量に基づいて算出される。ガス量は、単位時間に熱交換器に流入したガス量である。また、蒸気量は吸気又は排気に含まれる蒸気量であり、インタークーラ14の場合には湿度センサの出力等に応じて算出され、EGRクーラ22の場合には、燃料量及び空気量等に応じて算出される。また、湿度飽和水蒸気量は現在の温度、圧力等に基づいて算出することができる。
In equation (1), the volume reduction due to the amount of stored water is calculated based on the currently stored amount of stored water. The amount of gas is the amount of gas flowing into the heat exchanger per unit time. The amount of steam is the amount of steam contained in the intake or exhaust, and is calculated according to the output of the humidity sensor in the case of the
次に、ステップS108に進み、凝縮水の貯水量が算出され、記憶される。具体的には、ステップS106で算出された瞬時凝縮量を、現在記憶されている凝縮水の貯水量に加算することで、算出される。その後、今回の処理は一旦終了する。 Next, the process proceeds to step S108, and the amount of condensed water stored is calculated and stored. Specifically, it is calculated by adding the instantaneous condensation amount calculated in step S106 to the currently stored amount of condensed water stored. Thereafter, the current process is temporarily terminated.
一方、ステップS100において、貯水量が閾値より大きいと判別された場合には、凝縮水のこれ以上の発生が許容できない状態にある。この場合、ステップS112に進み、蒸発モードに設定され、ステップS114に進む。ステップS114では、熱交換器における熱交換量を減少させる制御が実行される。熱交換器における熱交換量を減少させる制御としては、例えば、熱交換器を通過するガス量を減量する制御、又は冷却水量の減量等により熱交換器の冷却効率を低下させる制御が挙げられる。 On the other hand, if it is determined in step S100 that the amount of stored water is greater than the threshold, further generation of condensed water is not allowed. In this case, the process proceeds to step S112, the evaporation mode is set, and the process proceeds to step S114. In step S114, control for reducing the heat exchange amount in the heat exchanger is executed. Examples of the control for reducing the heat exchange amount in the heat exchanger include control for reducing the amount of gas passing through the heat exchanger, or control for reducing the cooling efficiency of the heat exchanger by reducing the amount of cooling water.
次に、ステップS116に進み、凝縮水の瞬時蒸発量が算出される。瞬時蒸発量は、貯水量を考慮して、例えば、次式(2)に従って推定することができる。ステップS116の処理では、次式(2)に従って算出された値を、瞬時蒸発量として用いる。
瞬時蒸発量=(熱交換器全体の体積×定数−貯水量による体積減少分)×ガス量×(飽和蒸気量−蒸気量) ・・・・(2)
Next, it progresses to step S116 and the instantaneous evaporation amount of condensed water is calculated. The instantaneous evaporation amount can be estimated, for example, according to the following equation (2) in consideration of the water storage amount. In the process of step S116, the value calculated according to the following equation (2) is used as the instantaneous evaporation amount.
Instantaneous evaporation = (total heat exchanger volume x constant-volume decrease due to water storage) x gas quantity x (saturated steam quantity-steam quantity) (2)
次に、ステップS108に進み、凝縮水の貯水量が算出される。具体的には、ステップS116で算出された瞬時蒸発量を、記憶されている凝縮水の積算量から減算した値が、貯水量として記憶される。その後、今回の処理は一旦終了する。 Next, proceeding to step S108, the amount of condensed water stored is calculated. Specifically, a value obtained by subtracting the instantaneous evaporation amount calculated in step S116 from the accumulated amount of condensed water stored is stored as the water storage amount. Thereafter, the current process is temporarily terminated.
以上説明したように、本実施の形態において熱交換器であるインタークーラ14及びEGRクーラ22は、ガス通路(即ち、吸気又は排気の通路)の鉛直方向下部に、凝縮水を貯留させる貯水部を有している。ここで水は凝縮する際に発熱するため、気化潜熱の効果分を得るためには、凝縮した水を放熱させることが必要となる。実施の形態の構成によれば、貯水部40の水にチューブ30及びフィン32の一部が接していることで高温ガス近傍の水は効果的に放熱可能となり冷却効率が高くなる。また貯水部40にチューブ30及びフィン32が浸かっている構造となっていれば、その分効果が大きくなり、水の放熱をチューブ30とフィン32の全体で行うことができるため、冷却効率を上げることができる。
As described above, the
また、例えば、高外気温、高水温、高負荷時には、貯水部40の水面付近では、気化潜熱により温度を低下させることができるが、上部に行くほど壁温が高くなる。この点、本実施の形態では、冷却水が上方から下方に向けて冷却する構造となっているため、気化潜熱による冷却効果の小さい熱交換器上部を効果的に冷却することができる。
In addition, for example, at high outside air temperature, high water temperature, and high load, the temperature can be lowered near the water surface of the
また本実施の形態によれば、凝縮水の貯水量を算出し、その貯水量と閾値とを比較することで、貯水部40に凝縮水を貯水できる状態か、凝縮水の蒸発が必要な状態かが判断される。そして判断結果により熱交換器における熱交換量を上げる又は下げる制御が実行される。これにより、貯水量が少ない状態では、冷却水との熱交換によりガスを冷却しつつ凝縮水を発生させて、貯水量を適量に維持することができる。また、貯水量が多い状態では、貯水された水の気化潜熱を利用することで熱交換器の冷却効率を高めつつ、貯水量を適切な量に維持することができる。
Further, according to the present embodiment, the amount of condensed water stored is calculated, and the amount of stored water is compared with a threshold value, so that the condensed water can be stored in the
なお、本実施の形態では、熱交換器のガスの入口配管36及び出口配管38の最下部よりも下の部分を貯水部40とする構成について説明した。しかし、貯水部はこの構成に限られるものではない。図4乃至図6に熱交換器の他の構成例を示す。
In the present embodiment, a configuration has been described in which the lower portion of the
図4の例では、熱交換器50の下部に、熱交換器内のガス通路が連通する貯水部52が別途形成されている。図示を省略するが、この例では、貯水部52内に、チューブ及びフィンが延長して配置されている。これにより貯水部52に溜まる凝縮水にチューブ及びフィンが浸けられた状態となり、気化潜熱による冷却効果を高めることができる。
In the example of FIG. 4, a
図5の例では、熱交換器60とは別に、水捕集器62が設置されている。水捕集器62には配管64の一端が接続されており、配管64の他端は、熱交換器60の底部に接続している。これにより、熱交換器60内で発生した凝縮水は、水捕集器62に捕集される。また熱交換器60への水の供給が必要な場合、水捕集器62から凝縮水が適宜供給される。
In the example of FIG. 5, a
また、図6の例に示されるように、凝縮水が貯留される貯水部40の表面に、水と反応する物質からなるコーティング剤をコーティングしてもよい。凝縮水が下方に溜まるように構成されているので、貯水部40のみの部分的なコーティングにより、冷却効率を高めることができる。
Moreover, as shown in the example of FIG. 6, a coating agent made of a substance that reacts with water may be coated on the surface of the
なお、以上の実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、この実施の形態において説明する構造等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。 In the above embodiment, when referring to the number of each element, quantity, quantity, range, etc., the reference is made unless otherwise specified or the number is clearly specified in principle. The invention is not limited to the numbers. Further, the structure and the like described in this embodiment are not necessarily essential to the present invention unless otherwise specified or clearly specified in principle.
2 エンジン
4 過給機
10 吸気通路
12 コンプレッサ
14 インタークーラ
20 EGR通路
22 EGRクーラ
24 バイパス通路
26 バルブ
28 EGRバルブ
30 チューブ
32 フィン
34 吸気通路
36 入口配管
38 出口配管
40 貯水部
50 熱交換器
52 貯水部
60 熱交換器
62 水捕集器
64 配管
2 Engine 4
Claims (1)
重力方向に平行に配置され、冷媒を重力方向に流通させる複数の冷媒通路と、
隣り合う前記冷媒通路の間の通路であって、前記複数の冷媒通路の配列方向と重力方向とに平行な対向する二面のうち一方の面側から他方の面側に向けて、ガスを流通させるガス通路と、
前記ガス通路の下部に形成され、ガス通路内で発生した凝縮水を貯水する貯水部と、
前記貯水部に溜まった凝縮水の量を算出し、算出された前記凝縮水の量が閾値未満の場合には、前記熱交換器における熱交換量を増加させ、前記凝縮水の量が閾値以上の場合には、前記熱交換器における熱交換量を減少させるように構成された制御部と、
を備える熱交換器。 A heat exchanger that is installed in an intake passage or an exhaust passage of an internal combustion engine and moves heat between a gas and a refrigerant,
A plurality of refrigerant passages arranged in parallel to the direction of gravity and circulating the refrigerant in the direction of gravity;
A passage between adjacent refrigerant passages, in which gas flows from one surface side to the other surface side of two opposing surfaces parallel to the arrangement direction and the gravity direction of the plurality of refrigerant passages Gas passage
A water storage part that is formed in a lower part of the gas passage and stores condensed water generated in the gas passage;
When the amount of condensed water accumulated in the water storage unit is calculated and the calculated amount of condensed water is less than a threshold, the amount of heat exchange in the heat exchanger is increased, and the amount of condensed water is equal to or greater than the threshold. In this case, a control unit configured to reduce the amount of heat exchange in the heat exchanger;
A heat exchanger.
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