JP2020133538A - 吸気装置 - Google Patents

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【課題】配管の構成を簡易化する。【解決手段】吸気装置1は、圧縮機30とエンジンEとの間に配され、互いに長さが異なる第1配管13および第2配管15を含む配管10と、第1配管13に設けられた温度調整装置40と、を備える。吸気装置1は、温度調整装置40を備えることで、温度調整装置40を備えない場合よりも、第1配管13と第2配管15の管路長差を短くすることができる。その結果、吸気装置1は、配管10の構成を簡易化することができる。【選択図】図1

Description

本開示は、吸気装置に関する。
特許文献1には、過給機(圧縮機)とエンジンの間に、互いに長さの異なる第1配管および第2配管(分岐管)を含む配管を設けることについて開示がある。
特開昭62−78428号公報
エンジンでは、バルブの開閉により空気の脈動が発生する。発生した空気の脈動は、エンジンから圧縮機に伝達する。圧縮機に空気の脈動が伝達すると、圧縮機の性能が低下するおそれがある。
第1配管および第2配管の管路長差を、圧縮機に伝達される空気の脈動の波長(例えば、1/2波長)に基づいて決定することで、圧縮機に伝達される空気の脈動を低減することができる。しかし、その場合、管路長差は、脈動の周期によっては数mの長さが必要となり、配管の構成が煩雑化する問題が生じる。
本開示は、このような課題に鑑み、配管の構成を簡易化することが可能な吸気装置を提供することを目的としている。
上記課題を解決するために、本開示の一態様に係る吸気装置は、圧縮機とエンジンとの間に配され、互いに長さが異なる第1配管および第2配管を含む配管と、第1配管に設けられた温度調整装置と、を備える。
温度調整装置は、冷却装置であってもよい。
第1配管のうち、温度調整装置との熱交換部における最もエンジン側の第1熱交換端部と最も圧縮機側の第2熱交換端部との間に一端が接続され、第2熱交換端部よりも圧縮機側に他端が接続されるバイパス管をさらに備えてもよい。
バイパス管に設けられたバイパス管バルブと、第1配管のうち、バイパス管の一端と接続する第1バイパス接続部と、バイパス管の他端と接続する第2バイパス接続部との間に設けられた第1配管バルブと、をさらに備えてもよい。
本開示によれば、配管の構成を簡易化することが可能となる。
図1は、エンジンシステムの概略的な構成を説明するための図である。 図2は、第1実施形態の温度調整装置の概略構成図である。 図3は、第2実施形態の温度調整装置の概略構成図である。 図4は、第3実施形態の温度調整装置の概略構成図である。
以下に添付図面を参照しながら、本開示の実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本開示を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本開示に直接関係のない要素は図示を省略する。
(第1実施形態)
図1は、エンジンシステムSの概略的な構成を説明するための図である。エンジンシステムSは、例えば、車両や船舶等に搭載される。エンジンシステムSは、吸気装置1と、エンジンEと、不図示の排気装置とを備える。
吸気装置1は、エンジンEに接続される。吸気装置1は、吸気(例えば、空気)をエンジンEに供給する。
エンジンEは、吸気装置1と不図示の排気装置との間に接続される。エンジンEは、複数(第1実施形態では4つ)の気筒(シリンダ)CLを有する。エンジンEは、各気筒で吸気と燃料とを混合および燃焼させて動力を取り出す。エンジンEでは、吸気と燃料の混合気を燃焼させた際に燃焼排ガスが発生する。エンジンEは、燃焼排ガスを不図示の排気装置に排出する。排気装置は、燃焼排ガスを外部に排出する。
吸気装置1は、配管10と、エアクリーナ20と、圧縮機30と、温度調整装置40とを含んで構成される。配管10は、エンジンEに接続され、内部に吸気(以下、空気という)を流通させる。第1実施形態では、配管10は、吸気管として構成される。
配管10は、インテークマニホールド11と、第1配管13と、第2配管15とを含んで構成される。インテークマニホールド11は、配管10のうち最もエンジンEに近接する位置に配される。インテークマニホールド11は、空気をエンジンEの各気筒CLに分配する。
第1配管13および第2配管15は、圧縮機30とエンジンE(インテークマニホールド11)との間に配される。配管10は、圧縮機30とエンジンE(インテークマニホールド11)との間に2つの分岐部BP、CPを有する。配管10は、分岐部BP(以下、分岐点ともいう)で第1配管13と第2配管15に分岐する。第1配管13と第2配管15は、分岐部CP(以下、合流点ともいう)で配管10に合流する。このように、配管10は、圧縮機30とエンジンE(インテークマニホールド11)との間で複数の配管(すなわち、第1配管13および第2配管15)に分岐し、合流する構成を有する。
第1配管13は、第2配管15と長さ(管路長)が異なる。第1実施形態では、第1配管13の長さは、第2配管15の長さより長い。ただし、これに限定されず、第1配管13の長さは、第2配管15の長さより短くてもよい。
エアクリーナ20は、配管10のうちエンジンEから最も離隔する位置に配される。エアクリーナ20は、空気に含まれる異物を除去する。
圧縮機30は、エアクリーナ20と分岐部CPとの間の配管10に配される。圧縮機30は、空気を圧縮してエンジンEに給気する。つまり、圧縮機30は、過給機として構成される。ここで、圧縮機30は、不図示の排気装置に設けられる排気タービンにより駆動される。ただし、これに限定されず、圧縮機30は、エンジンEにより駆動されてもよいし、不図示の電動機(モータ)により駆動されてもよい。
温度調整装置40は、圧縮機30とエンジンEとの間の配管10に配される。温度調整装置40は、圧縮機30で圧縮されて昇温された空気を冷却する。このように、第1実施形態では、温度調整装置40は、冷却装置として構成される。具体的に、温度調整装置40は、インタークーラーである。
温度調整装置40は、2つの分岐部BP、CPの間に配される。第1実施形態では、温度調整装置40は、第1配管13に配される。ただし、これに限定されず、温度調整装置40は、第2配管15に配されてもよいし、第1配管13と第2配管15の双方に配されてもよい。
図2は、第1実施形態の温度調整装置40の概略構成図である。図2に示すように、温度調整装置40の内部には、第1配管13の一部が配される。ここで、第1配管13の内部には、空気が流通している。
また、温度調整装置40の内部には、冷媒(例えば、外気や冷却水等)が流通される。冷媒は、第1配管13を流通する空気との間で熱交換を行い、第1配管13を流通する空気を冷却する。第1配管13は、温度調整装置40の内部において、空気と冷媒との間で熱交換が行われる熱交換部13aを有する。また、第1配管13は、圧縮機側非熱交換部13bと、エンジン側非熱交換部13cとを有する。圧縮機側非熱交換部13bは、温度調整装置40の外部に配される第1配管13のうち、温度調整装置40に対し圧縮機30側に配される部分である。エンジン側非熱交換部13cは、温度調整装置40の外部に配される第1配管13のうち、温度調整装置40に対しエンジンE側に配される部分である。
ところで、エンジンEでは、不図示のバルブの開閉により空気の脈動が発生する。発生した空気の脈動(脈動波)は、エンジンEから圧縮機30に伝達する。圧縮機30に空気の脈動波が伝達すると、圧縮機30の性能が低下するおそれがある。以下では、空気の脈動波に関し、配管10のエンジンE側を上流側とし、圧縮機30側を下流側として説明する。
第1実施形態では、配管10は、図1に示すように、エンジンEと圧縮機30との間に分岐点BPが設けられ、第1配管13と第2配管15とに分岐している。また、配管10は、エンジンEと圧縮機30との間に合流点CPが設けられ、第1配管13と第2配管15とを合流させている。さらに、配管10は、第1配管13と第2配管15の長さを互いに異ならせている。
これにより、エンジンEで発生した脈動波は、互いに長さの異なる第1配管13および第2配管15を通過する。そのため、第1配管13を通過した脈動波と、第2配管15を通過した脈動波は、互いに位相がずれる。
ここで、第1配管13を通過した脈動波の位相が、第2配管15を通過した脈動波の位相と1/2波長分ずれたとき、第1配管13および第2配管15を通過した脈動波は、互いに打ち消し合う。
脈動波の波長λは、脈動波の振動数fと速度vにより求めることができる(速度v=振動数f×波長λ)。脈動波の振動数fは、例えば、エンジンEのエンジン回転数に基づいて導出される値である。脈動波の速度vは、例えば、空気の温度に基づいて導出される音速である。第1配管13と第2配管15の管路長差は、脈動波の1/2波長分の長さを有するように設定(決定)される。
このように、第1配管13および第2配管15の管路長差を脈動波の波長λに基づいて決定することで、圧縮機30に伝達される空気の脈動(脈動波)を低減することができる。しかし、その場合、管路長差は、数mの長さが必要となり、配管10の構成が煩雑化する問題が生じる。
そこで、第1実施形態では、吸気装置1は、第1配管13に温度調整装置40を設けている。温度調整装置40は、第1配管13を流通する空気の温度を変更(第1実施形態では、冷却)する。空気を冷却することで、脈動波の速度vが変化する(遅くなる)。脈動波の速度vが遅くなると、脈動波の波長λが変化する(短くなる)。脈動波の波長λが短くなることで、第1配管13を通過する脈動波の位相を、第2配管15を通過する脈動波の位相からずらすことができる。
温度調整装置40により脈動波の位相をずらすことで、第1配管13と第2配管15の管路長差を、短くすることができる。第1実施形態では、温度調整装置40は、第1配管13を通過する脈動波の位相を、第2配管15を通過する脈動波の位相から1/2波長分ずらしている。ここで、第1配管13を通過する脈動波と第2配管15を通過する脈動波の位相が異なって(ずれて)いれば、脈動波を低減することができる。そのため、第1配管13を通過する脈動波と第2配管15を通過する脈動波の位相差は、1/2波長からずれていてもよい。
このように、第1実施形態の吸気装置1は、温度調整装置40を備えることで、温度調整装置40を備えない場合よりも、第1配管13と第2配管15の管路長差を短くすることができる。その結果、吸気装置1は、配管10の構成を簡易化することができる。また、温度調整装置40が冷却装置で構成されることで、温度調整装置40が加熱装置で構成される場合よりも、エンジン性能の低下を抑制することができる。
(第2実施形態)
図3は、第2実施形態の温度調整装置140の概略構成図である。第1実施形態のエンジンシステムSと実質的に等しい構成要素については、同一符号を付して説明を省略する。第2実施形態の吸気装置1は、第1配管13と第2配管15(図1参照)を含む配管10(図1参照)を備える。第1配管13には、第1実施形態の温度調整装置40に代えて、温度調整装置140が設けられる。
図3に示すように、温度調整装置140は、バイパス管150を備える。バイパス管150は、本体部151と、第1分岐部153と、第2分岐部155と、第3分岐部157とを含んで構成される。なお、図3では、脈動波の流れを実線矢印および破線矢印で示す。
本体部151は、圧縮機側非熱交換部13bと接続(連通)する。また、本体部151は、第1分岐部153と、第2分岐部155と、第3分岐部157と接続(連通)する。
第1分岐部153は、一端が本体部151に接続され、他端が熱交換部13aに接続される。第2分岐部155は、一端が本体部151に接続され、他端が熱交換部13aに接続される。第3分岐部157は、一端が本体部151に接続され、他端が熱交換部13aに接続される。
第1分岐部153と熱交換部13aとの接続位置は、第2分岐部155と熱交換部13aおよび第3分岐部157と熱交換部13aとの接続位置よりもエンジンE側(上流側)に位置する。第2分岐部155と熱交換部13aとの接続位置は、第1分岐部153と熱交換部13aとの接続位置よりも圧縮機30側(下流側)に位置する。また、第2分岐部155と熱交換部13aとの接続位置は、第3分岐部157と熱交換部13aとの接続位置よりもエンジンE側(上流側)に位置する。第3分岐部157と熱交換部13aとの接続位置は、第1分岐部153と熱交換部13aおよび第2分岐部155と熱交換部13aとの接続位置よりも圧縮機30側(下流側)に位置する。
熱交換部13aは、最もエンジンE側(上流側)に第1熱交換端部A1を有し、最も圧縮機30側(下流側)に第2熱交換端部A2を有する。第1分岐部153、第2分岐部155、および、第3分岐部157は、いずれも第1熱交換端部A1と第2熱交換端部A2との間に配される第1配管13と接続する。
このように、バイパス管150は、一端が第1熱交換端部A1と第2熱交換端部A2との間の第1配管13に接続され、他端が第2熱交換端部A2よりも圧縮機30側(下流側)の第1配管13に接続される。第2実施形態では、バイパス管150は、一端が熱交換部13aに接続され、他端が圧縮機側非熱交換部13bに接続される。
エンジンEで発生した脈動波は、インテークマニホールド11(図1参照)を通って分岐点BP(図1参照)で分岐する。分岐した脈動波は、第1配管13および第2配管15をそれぞれ通過する。ここで、第1配管13内の空気は、温度調整装置140により、冷媒との熱交換が行われ冷却される。
脈動波は、空気が冷却された第1配管13を通って合流点CP(図1参照)に到達する。一方、第2配管15を通過した脈動波も合流点CPに到達する。第1配管13および第2配管15を通過した脈動波は、合流点CPで合流される。
ところで、エンジンEのエンジン回転数が変化すると、脈動波の振動数fが変化する。また、エンジンEの温度が変化すると、温度により音速が変化し、脈動波の速度vが変化する。したがって、エンジン回転数および温度が変化すると、脈動波の波長λが変化する。
脈動波の波長λが変化すると、第1配管13および第2配管15を通過した脈動波の打ち消し条件(すなわち、1/2波長)が変化する。このように、エンジン回転数および温度が変化すると、第1配管13を通過する脈動波と、第2配管15を通過する脈動波の位相差が1/2波長からずれるおそれがある。
そこで、第2実施形態では、温度調整装置140は、バイパス管150を備える。バイパス管150は、熱交換部13aを通過途中の脈動波を、圧縮機側非熱交換部13bに移動(バイパス)させる。
ここで、脈動波は、エンジンEから圧縮機30に向かって伝達する。そのため、脈動波は、温度調整装置140内を第1熱交換端部A1から第2熱交換端部A2に向かって伝達する。第1熱交換端部A1と第2熱交換端部A2との間に配される第1配管13(熱交換部13a)内の空気は、温度調整装置140によって冷却される。脈動波は、温度調整装置140により冷却された空気中を通過(移動)する。
脈動波は、第1熱交換端部A1から第2熱交換端部A2に向かう途中で、第1分岐部153、第2分岐部155、第3分岐部157に一部が進入する。第1熱交換端部A1から第1分岐部153、第2分岐部155、第3分岐部157までの距離は、それぞれ異なる。具体的に、第1熱交換端部A1と第1分岐部153との距離は、第1熱交換端部A1と第2分岐部155、および、第1熱交換端部A1と第3分岐部157との距離よりも短い。第1熱交換端部A1と第2分岐部155との距離は、第1熱交換端部A1と第1分岐部153との間の距離よりも長い。第1熱交換端部A1と第2分岐部155との間の距離は、第1熱交換端部A1と第3分岐部157との間の距離よりも短い。第1熱交換端部A1と第3分岐部157との間の距離は、第1熱交換端部A1と第1分岐部153、および、第1熱交換端部A1と第2分岐部155との間の距離よりも長い。
つまり、第1分岐部153、第2分岐部155、第3分岐部157を通過する脈動波は、温度調整装置140により冷却された空気中を通過する距離が互いに異なる。したがって、第1分岐部153、第2分岐部155、第3分岐部157を通過する脈動波の位相は、互いに異なる。脈動波は、冷却された空気中を通過する距離が長くなるほど、位相のずれが大きくなる。したがって、バイパス管150(第1分岐部153、第2分岐部155、第3分岐部157)内を通過した脈動波の位相は、バイパス管150外(すなわち、熱交換部13aの全領域)を通過した脈動波の位相と異なる。
このように、第2実施形態によれば、バイパス管150内を通過した脈動波と、バイパス管150外を通過する脈動波との間で、脈動波の位相を異ならせることができる。したがって、温度調整装置140は、エンジン回転数および温度が変化した場合において、バイパス管150を通過する脈動波と第2配管15内を通過する脈動波との位相をずらすことが可能になる。よって、温度調整装置140は、エンジン回転数および温度が変化した場合でも、圧縮機30に伝達される脈動波を低減することができる。
また、第2実施形態によれば、バイパス管150は、第1分岐部153、第2分岐部155、第3分岐部157のそれぞれを通過した脈動波の位相を互いに異ならせることができる。したがって、温度調整装置140は、エンジン回転数および温度が変化した際に、より広い範囲でバイパス管150を通過する脈動波と第2配管15を通過する脈動波の位相をずらすことが可能になる。位相差は1/2波長となることが望ましいが、位相差が生じれば脈動波を低減する効果が得られる。
(第3実施形態)
図4は、第3実施形態の温度調整装置240の概略構成図である。第1実施形態および第2実施形態のエンジンシステムSと実質的に等しい構成要素については、同一符号を付して説明を省略する。第3実施形態の吸気装置1は、第1配管13と第2配管15(図1参照)を含む配管10(図1参照)を備える。第1配管13には、第2実施形態の温度調整装置140に代えて、温度調整装置240が設けられる。
図4に示すように、温度調整装置240は、バイパス管バルブ250と、第1配管バルブ260とを備える。なお、図4では、バイパス管バルブ250および第1配管バルブ260が開かれた状態(開状態)を破線で示し、バイパス管バルブ250および第1配管バルブ260が閉じられた状態(閉状態)を実線で示す。また、図4では、信号の流れを一点鎖線矢印で示す。
バイパス管バルブ250は、バイパス管150に設けられる。第3実施形態では、バイパス管バルブ250は、バイパス管150に複数(3つ)設けられる。具体的に、バイパス管バルブ250は、第1分岐部153、第2分岐部155、および、第3分岐部157にそれぞれ設けられる。
第1配管13(熱交換部13a)は、バイパス管150の第1分岐部153、第2分岐部155、および、第3分岐部157と接続する第1バイパス接続部B1を有する。第1配管13(圧縮機側非熱交換部13b)は、バイパス管150の本体部151と接続する第2バイパス接続部B2を有する。
第1配管バルブ260は、第1バイパス接続部B1と、第2バイパス接続部B2との間に配された第1配管13に設けられる。第3実施形態では、第1配管バルブ260は、第2熱交換端部A2と第2バイパス接続部B2との間の圧縮機側非熱交換部13bに設けられる例について説明する。しかし、これに限定されず、第1配管バルブ260は、第1バイパス接続部B1と第2熱交換端部A2との間の熱交換部13aに設けられてもよい。
例えば、第1配管バルブ260は、第3分岐部157と第2熱交換端部A2との間の熱交換部13aに設けられてもよい。また、第1配管バルブ260は、第2分岐部155と第2熱交換端部A2(第3分岐部157)との間の熱交換部13aに設けられてもよい。また、第1配管バルブ260は、第1分岐部153と第2熱交換端部A2(第2分岐部155)との間の熱交換部13aに設けられてもよい。
温度調整装置240は、制御部270を備える。制御部270は、バイパス管バルブ250および第1配管バルブ260の開度(開状態、閉状態)を制御することができる。制御部270は、例えば、エンジン回転数および温度に基づいて、バイパス管バルブ250および第1配管バルブ260の開度を制御する。
図4では、制御部270は、第1分岐部153に配されたバイパス管バルブ250を開状態に制御する。制御部270は、第2分岐部155および第3分岐部157に配されたバイパス管バルブ250を閉状態に制御する。制御部270は、圧縮機側非熱交換部13bに配された第1配管バルブ260を閉状態に制御する。
これにより、脈動波は、バイパス管150のうち第1分岐部153のみを通って圧縮機側非熱交換部13bに伝達される。このように、制御部270は、バイパス管バルブ250および第1配管バルブ260の開度を制御することで、脈動波の伝達経路を制御することができる。制御部270は、脈動波の伝達経路を制御することで、冷却された空気中を通過する脈動波の通過距離を制御することができる。制御部270は、脈動波の通過距離を制御することで、第1配管13を伝達する脈動波の位相を制御することができる。その結果、制御部270は、第1配管13を伝達する脈動波と第2配管15を通過する脈動波との位相をずらす(位相差を1/2波長に制御する)ことができる。
このように、第3実施形態の温度調整装置240は、バイパス管バルブ250および第1配管バルブ260を備える。これにより、温度調整装置240は、第1配管13を伝達する脈動波の伝達経路(通過距離)を制御することができる。その結果、温度調整装置240は、エンジン回転数および温度が変化した際に、第1配管13を伝達する脈動波と第2配管15を伝達する脈動波との位相をずらす(位相差を1/2波長に制御する)ことができる。よって、温度調整装置240は、エンジン回転数および温度が変化した場合でも、圧縮機30に伝達される脈動を低減することができる。
以上、添付図面を参照しながら本開示の実施形態について説明したが、本開示はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。
上記実施形態では、温度調整装置40、140、240が空気を冷却する冷却装置として構成される例について説明した。しかし、これに限定されず、温度調整装置40、140、240は、空気を加熱する加熱装置として構成されてもよい。
上記実施形態では、温度調整装置40、140、240が第1配管13に配される例について説明した。しかし、これに限定されず、温度調整装置40、140、240は、第2配管15に配されてもよい。また、温度調整装置40、140、240は、第1配管13および第2配管15の双方に配されてもよい。その場合、第1配管13に配される温度調整装置により調整される空気の温度と、第2配管15に配される温度調整装置により調整される空気の温度は、互いに同じであってもよいし、異なるように調整されてもよい。
第2実施形態および第3実施形態では、バイパス管150が3つの分岐部(第1分岐部153、第2分岐部155、第3分岐部157)を有する例について説明した。しかし、これに限定されず、バイパス管150は、単一(1つ)の分岐部のみ有する構成としてもよい。また、バイパス管150は、2つ、あるいは、4つ以上の分岐部を有する構成としてもよい。
本開示は、吸気装置に利用することができる。
A1 第1熱交換端部
A2 第2熱交換端部
B1 第1バイパス接続部
B2 第2バイパス接続部
E エンジン
1 吸気装置
10 配管
13 第1配管
13a 熱交換部
15 第2配管
30 圧縮機
40 温度調整装置
140 温度調整装置
240 温度調整装置
150 バイパス管
250 バイパス管バルブ
260 第1配管バルブ

Claims (4)

  1. 圧縮機とエンジンとの間に配され、互いに長さが異なる第1配管および第2配管を含む配管と、
    前記第1配管に設けられた温度調整装置と、
    を備える吸気装置。
  2. 前記温度調整装置は、冷却装置である請求項1に記載の吸気装置。
  3. 前記第1配管のうち、前記温度調整装置との熱交換部における最もエンジン側の第1熱交換端部と最も圧縮機側の第2熱交換端部との間に一端が接続され、前記第2熱交換端部よりも前記圧縮機側に他端が接続されるバイパス管をさらに備える請求項1または2に記載の吸気装置。
  4. 前記バイパス管に設けられたバイパス管バルブと、
    前記第1配管のうち、前記バイパス管の前記一端と接続する第1バイパス接続部と、前記バイパス管の前記他端と接続する第2バイパス接続部との間に設けられた第1配管バルブと、
    をさらに備える請求項3に記載の吸気装置。
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