JP2023007902A - インタークーラの吸気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構造で、過給された吸気をインタークーラのコアに効率良く流入させることができる、インタークーラの吸気装置を提供する。【解決手段】エンジンの吸気装置１０は、エンジンの吸気を冷却するインタークーラ３６と、インタークーラ３６のコア５１へ吸気を供給するために、コア５１の入口側端面５１ａに直交する方向に対して０度を除く角度だけ傾いて、インタークーラ３６の入口側ヘッダ５２に接続された接続管３５と、接続管３５の内周面上において、接続管３５の出口側部分３５ａの中心軸ｃＡに対して、接続管３５の断面が中心軸ｃＡに沿って入口側端面５１ａ上に投影された入口側端面５１ａの領域Ｌａ以外の入口側端面５１ａ上の領域側に設けられた粗面と、を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、インタークーラの吸気装置に関する。

従来より、過給機を備えたエンジンには、過給機により温度が上昇した吸気を冷却するためにインタークーラが設けられている。インタークーラは、エンジンへの吸気が通るコアと、そのコアの入口側に接続された入口側ヘッダと、コアの出口側に接続された出口側ヘッダとを有している。

入口側ヘッダに流入した吸気は、コアを通るときに熱交換されることにより、温度上昇した吸気が冷却される。エンジンへの吸気が冷却されることにより、充填効率は向上する。また、コアの入口側端面における吸気量分布が均一でないと、吸気を効率良く冷却することはできない。

そこで、例えば、日本国特開２０１６－１０２４５５号公報には、インタークーラの複数の冷却路の複数の開口に取り込まれる吸気の流量分布の偏りをなくすために、吸気路の壁部の形状を工夫した技術が提案されている。

特開２０１６－１０２４５５号公報

しかし、インタークーラに接続された吸気管の断面積がコアの入口側端面の面積よりも小さく、かつエンジンルーム内におけるレイアウト上の制約により吸気管の軸がコアの入口側端面に直交する方向に対し角度を持って吸気管がインタークーラに接続される場合がある。この場合、吸気管から吐出する吸気は、インタークーラのコアの入口側端面において局所的に当たる。

そのような場合に、上述した日本国特開２０１６－１０２４５５号公報に提案の技術を用いると、吸気の流量分布の偏りをなくすための所望の形状を有する壁部を、吸気路に設ける必要があり、そのような壁部を配置するスペースをエンジンルーム内にとれない場合もある。

そこで、本発明は、簡単な構造で、過給された吸気をインタークーラのコアに効率良く流入させて吸気の冷却効率を向上させることができる、インタークーラの吸気装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様のインタークーラの吸気装置は、エンジンの吸気を冷却するインタークーラと、前記インタークーラのコアへ前記吸気を供給するために、前記コアの入口側端面に直交する方向に対して０度を除く角度だけ傾いて、前記インタークーラの入口側ヘッダに接続された接続管と、前記接続管の内周面上において、前記接続管の出口側部分の中心軸に対して、前記接続管の断面が前記中心軸に沿って前記入口側端面上に投影された前記入口側端面の第１の領域以外の前記入口側端面上の第２の領域側に設けられた粗面と、を有する。

本発明によれば、簡単な構造で、過給された吸気をインタークーラのコアに効率良く流入させて吸気の冷却効率を向上させることができる、インタークーラの吸気装置を提供することができる。

本発明の実施の形態に係わる、吸気装置を備えたエンジンを示す概略図である。 本発明の実施の形態に係わる、インタークーラの入口側ヘッダと接続管の断面図である。 本発明の実施の形態に係わる、入口側ヘッダ側から見た、接続管が接続されたインタークーラの斜視図である。 本発明の実施の形態に係わる、接続管の長手軸方向に直交する接続管の断面図である。 本発明の実施の形態に係わる、インタークーラの吸気装置における、吸気の流れを説明するための図である。 本発明の実施の形態に係わる、図２とは異なる接続形態の、インタークーラの入口側ヘッダと接続管の断面図である。

なお、以下の説明に用いる各図においては、各構成要素を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、構成要素毎に縮尺を異ならせてあるものであり、本発明は、これらの図に記載された構成要素の数量、構成要素の形状、構成要素の大きさの比率、及び各構成要素の相対的な位置関係のみに限定されるものではない。
（構成）

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の一実施の形態の吸気装置１０を備えたエンジン１１を示す概略図である。図１に示すように、エンジン１１は、一方のシリンダバンクを構成するシリンダブロック１２と、他方のシリンダバンクを構成するシリンダブロック１３と、を有する水平対向型ガソリンエンジンである。一方のシリンダブロック１２には、動弁機構を備えたシリンダヘッド１４が取り付けられており、他方のシリンダブロック１３には、動弁機構を備えたシリンダヘッド１５が取り付けられている。また、それぞれのシリンダヘッド１４，１５には、吸気ポート１６および排気ポート１７が形成されている。

シリンダヘッド１４，１５の吸気ポート１６には、吸気ポート１６に吸気を供給する吸気装置１０が接続されている。また、シリンダヘッド１４，１５の排気ポート１７には、排気ポート１７からの排出ガスを排出する排気装置２０が接続されている。また、吸気装置１０には、吸気を圧縮するコンプレッサ２１が設けられており、排気装置２０には、排出ガスによって駆動されるタービン２２が設けられている。コンプレッサ２１およびタービン２２によって、過給機であるターボチャージャ２３が構成されている。

吸気装置１０は、吸気を案内する吸気経路３０を有している。吸気経路３０は、エアクリーナボックス３１、吸気管３２、コンプレッサ２１、接続管３３、吸気ダクト３４、接続管３５、インタークーラ３６、スロットルバルブ３７、および吸気マニホールド３８等によって構成される。このように、吸気経路３０上には、接続管３３、吸気ダクト３４および接続管３５が設けられている。接続管３５は、円筒形状を有する。図１に矢印ａ１で示すように、エアクリーナボックス３１を通過した吸気は、コンプレッサ２１、インタークーラ３６、スロットルバルブ３７、および吸気マニホールド３８を経て、シリンダヘッド１４，１５の吸気ポート１６に供給される。

排気装置２０は、排出ガスを案内する排気経路４０を有している。排気経路４０は、排気マニホールド４１、タービン２２、排気管４２等によって構成される。図１に矢印ａ２で示すように、シリンダヘッド１４，１５の排気ポート１７から排出される排気ガスは、排気マニホールド４１、タービン２２および排気管４２を経て、外部に排出される。なお、排気管４２には、図示しない触媒コンバータや消音器が接続されており、排気ガスは触媒コンバータや消音器を経て外部に排出される。

インタークーラ３６は、コア５１を有している。コア５１は、圧縮された吸気を通過させる扁平な複数のチューブと、各チューブに固着した複数のフィンを有する。インタークーラ３６は、エンジン１１の吸気を冷却する。

コア５１は、直方体形状を有する。コア５１は、吸気が流入する入口側端面５１ａと、吸気が流出する出口側端面５１ｂを有している。入口側端面５１ａが、圧縮された吸気が流入する圧縮空気流入口であり、出口側端面５１ｂは、圧縮された吸気が流出する圧縮空気流出口である。

コア５１の入口側端面５１ａには、入口側ヘッダ５２が接続されている。コア５１の出口側端面５１ｂには、出口側ヘッダ５３が接続されている。本実施の形態では、入口側ヘッダ５２及び出口側ヘッダ５３は、略直方体形状を有している。

入口側ヘッダ５２は、２つの開口を有している。２つの開口の一方は、吸気が流入する上流側開口であり、２つの開口の他方は、吸気が流出する下流側開口である。吸気が流入する入口側ヘッダ５２の上流側開口は、接続管３５に接続され、吸気が流出する入口側ヘッダ５２の下流側開口は、コア５１の入口側端面５１ａに接続される。

コア５１の入口側端面５１ａ及び出口側端面５１ｂは、入口側端面５１ａに直交する方向からみたとき、細長の長方形を有している。よって、コア５１の入口側端面５１ａに直交する方向から見たときに、入口側ヘッダ５２のコア５１への取り付け部分の形状は、長方形である。

出口側ヘッダ５３のコア５１への取り付け部分の形状も、コア５１の出口側端面５１ｂに直交する方向から見たときに、長方形である。

圧縮された吸気は、コア５１の入口側端面５１ａから流入し、コア５１の複数のチューブ内を通り、コア５１の出口側端面５１ｂから流出する。圧縮された吸気は、複数のチューブ内を通っている間に冷却される。

インタークーラ３６には、走行風により吸気を冷却する空冷式と、冷却水により吸気を冷却する水冷式があるが、本実施の形態では、インタークーラ３６は、いずれの方式でも良い。

インタークーラ３６の入口側ヘッダ５２には、吸気ダクト３４に接続された接続管３５が接続される。すなわち、接続管３５の出口側開口は、入口側ヘッダ５２の上流側開口と接続されている。
（インタークーラの吸気装置の構成）

図２は、インタークーラ３６の入口側ヘッダ５２と接続管３５の断面図である。図３は、入口側ヘッダ５２側から見た、接続管３５が接続されたインタークーラ３６の斜視図である。図４は、接続管３５の長手軸方向に直交する接続管３５の断面図である。図２は、接続管３５の出口側部分３５ａの中心軸ｃＡを含みかつコア５１の入口側端面５１ａに直交する平面に対して直交する方向（以下、コア側面対向方向とも言う）から見たインタークーラ３６の入口側ヘッダ５２と接続管３５の断面を示す。

上述したように、入口側ヘッダ５２は、入口側ヘッダ５２の下流側開口がコア５１の入口側端面５１ａに対向するように、コア５１に接続されている。コア５１の入口側端面５１ａにおける吸気量分布が均一になるように、吸気がコア５１の入口側端面５１ａに均等に流入することが望ましい。

しかし、車両のエンジンルーム内においてインタークーラ３６が設置可能な場所のスペースが限られる場合がある。さらに、入口側ヘッダ５２に接続される接続管３５の断面積がコア５１の入口側端面５１ａの面積よりも小さく、かつエンジンルーム内のレイアウト上の制約により接続管３５の出口側部分３５ａの中心軸がコア５１の入口側端面５１ａに直交する方向に対し大きな角度で接続管３５の出口側部分３５ａがインタークーラ３６に接続される場合がある。

例えば、図２及び図３に示すように、接続管３５の出口側部分３５ａの断面積が、コア５１の入口側端面５１ａの面積よりも小さく、かつ入口側ヘッダ５２に接続される接続管３５の出口側部分３５ａが、エンジン１１の周囲において他の近接物の存在により、細長の入口側ヘッダ５２の長手軸方向の一方側に片寄って接続される場合がある。

接続管３５は、接続管３５の出口側部分３５ａの中心軸ｃＡがコア５１の入口側端面５１ａに直交する方向に対して９０度未満の角度αだけ傾き、かつ接続管３５の出口側部分３５ａから吐出される吸気が入口側端面５１ａの一部（図２の下側部分ＬＡ）だけに当たるように、入口側ヘッダ５２に接続されている。αは、０°＜α＜９０°である。すなわち、αは、０度を超えかつ９０度未満の範囲の値である。

また、図２に示すように、接続管３５の出口側部分３５ａの断面積は入口側端面５１ａの面積よりも小さいため、出口側部分３５ａの断面が中心軸ｃＡに沿って入口側端面５１ａ上に投影された領域Ｌａは、入口側端面５１ａの一部の領域である。よって、接続管３５から吐出する吸気は、インタークーラ３６のコア５１の入口側端面５１ａにおいて局所的に当たる。

そして、図２では、接続管３５の出口側部分３５ａが入口側ヘッダ５２の下側に接続され、かつαが４５度以下である約２０度であるため、二点鎖線の矢印Ａ１で示すように、接続管３５からの吸気は、コア５１の入口側端面５１ａの下側部分ＬＡだけに向かい、図２の上側部分ＵＡには直接的には向かわない。

すなわち、接続管３５は、図２に示すように、吸気が領域Ｌａ側に向かうように入口側ヘッダ５２に接続されている。そして、接続管３５は、インタークーラ３６のコア５１へ吸気を供給するために、コア５１の入口側端面５１ａに直交する方向に対して０度を除く角度だけ傾いて、インタークーラ３６の入口側ヘッダ５２に接続されている。接続管３５は、入口側端面５１ａに直交する方向においてコア５１に対して入口側ヘッダ５２側から入口側ヘッダ５２をみたときに、領域Ｌａを含む下側部分ＬＡ側で、入口側ヘッダ５２に接続されている。

近接物がなければ、図２において二点鎖線ＥＷで示すように、接続管３５の出口側部分３５ａを広げて、入口側ヘッダ５２の全面に渡って吸気が流入するようにできるが、近接物ＯＢの存在により、接続管３５は、接続管３５の出口側部分３５ａを広げることができない場合がある。

このような場合に、本実施の形態では、複数の凹部ＣＶを有する領域ＲＤが接続管３５の内周面の一部に設けられている。領域ＲＤは、複数の凹部ＣＶを有する粗面である。具体的には、図２及び図４に示すように、接続管３５の内周面において、中心軸ｃＡに対して入口側端面５１ａの上側部分ＵＡ（吸気が直接的に向けられない部分）側の領域ＲＤの表面に複数の凹部ＣＶが設けられている。

すなわち、粗面である領域ＲＤが、接続管３５の内周面上において、接続管３５の出口側部分３５ａの中心軸ｃＡに対して、接続管３５の断面が中心軸ｃＡに沿って入口側端面５１ａ上に投影された入口側端面５１ａの領域Ｌａを含む下側部分ＬＡの領域以外の入口側端面５１ａ上の上側部分ＵＡの領域側に設けられている。

図３及び図４に示すように、コア側面対向方向から、接続管３５の出口側部分３５ａを見たときに、中心軸ｃＡに対して上側部分ＵＡ側の領域ＲＤが粗面となっている。ここでは、粗面である領域ＲＤは、中心軸ｃＡに直交する接続管３５の出口側部分３５ａの断面において、接続管３５の内周面の半分の領域であるが、接続管３５の内周面の半分以下の範囲の領域でもよい。

言い換えると、接続管３５の内周面において、領域ＲＤ以外の領域ＲＳの表面には、凹部は設けられていない。領域ＲＳの表面は、滑面であり、接続管３５の内周面の領域ＲＤは、領域ＲＳとは、表面性状が異なっている。

図２及び図４において、接続管３５の内周面の、矢印Ａ２で示す上側の領域ＲＤが粗面である。図３では、領域ＲＤは、点線のハッチングで示されている。領域ＲＤは、コア側面対向方向（中心軸ｃＡを含みかつ入口側端面５１ａに直交する平面に対して直交する方向）から見たときに、中心軸ｃＡに対して入口側端面５１ａの上側部分ＵＡ側の領域である。接続管３５の内周面の領域ＲＤの表面に形成された各凹部ＣＶは、例えば半球状のディンプルである。

なお、本実施の形態では、各凹部ＣＶは、半球状のディンプルであるが、領域ＲＤが粗面となるような凹部であれば、ディンプル以外の形状を有していても良い。
（作用）

次に、本実施の形態のインタークーラの吸気装置の作用について説明する。

図５は、本実施の形態のインタークーラの吸気装置における、吸気の流れを説明するための図である。図５は、インタークーラ３６の入口側ヘッダ５２と接続管３５の断面を示す。図５は、コア側面対向方向から見たインタークーラ３６の入口側ヘッダ５２と接続管３５の断面を示す。

上述したように、領域ＲＤは、接続管３５の内周面において、中心軸ｃＡに対して入口側端面５１ａの上側部分ＵＡ側の領域である。入口側端面５１ａの上側部分ＵＡは、接続管３５の出口側部分３５ａからの吸気が直接的に向けられない領域である。

一方で、領域Ｌａは、接続管３５の出口側部分３５ａからの吸気が向けられる領域であり、長方形の入口側端面５１ａの長手方向における一方の半分の下側部分ＬＡに含まれる。下側部分ＬＡ以外の領域は、長方形の入口側端面５１ａの長手方向における他方の半分の領域（上側部分ＵＡ）を含む。

接続管３５の出口側部分３５ａ内を通る吸気は、接続管３５の中心軸ｃＡに直交する断面において、中心軸ｃＡにおいて流速が最も早く、内周面の表面に近づくにつれて、流速は遅くなっていく。

また、接続管３５は、入口側ヘッダ５２の長手軸方向の一方に片寄って接続されているため、図５の場合、入口側ヘッダ５２内の上側空間は、吸気路が急激に広がる急拡大領域となっている。

接続管３５の出口側部分３５ａを通る吸気の流速は速いため、急拡大領域の空間を含む入口側端面５１ａの上側部分ＵＡに隣接する空間ＬＰＡ（二点鎖線で示す）の圧力は、低くなる。

上述したように、領域ＲＤは、領域ＲＳに比べて表面において空気層の剥離が生じ難くなるように、領域ＲＳとは、表面性状が異なっている。本実施の形態では、接続管３５の出口側部分３５ａの領域ＲＤは、粗面であり、接続管３５の出口側部分３５ａの領域ＲＳは、凹部ＣＶが設けられていない滑面である。

吸気が接続管３５の出口側部分３５ａ内を通るとき、滑面である領域ＲＳの表面では、層流境界層が形成され、領域ＲＤの表面では、粗面により吸気の流れに乱れが生じるため、乱流境界層が形成される。領域ＲＳの流動抵抗は小さく、領域ＲＤの流動抵抗は大きい。

そのため、粗面である領域ＲＤの表面では、吸気の剥離が生じにくく、領域ＲＤの表面近傍の吸気の流れが遅くなり、入口側ヘッダ５２内の空間ＬＰＡに向けて吸気が拡散し、空間ＬＰＡに向けての吸気量が増える。その結果、低圧の空間ＬＰＡの低圧が緩和され、入口側ヘッダ５２の上側部分ＵＡに隣接する空間ＬＰＡへ流入する吸気量が増加する。

空間ＬＰＡへ流入する吸気量が増加することにより、コア５１の入口側端面５１ａにおける吸気量分布の偏りの度合いが減少し、吸気の冷却効率が高まる。

図６は、図２とは異なる接続形態の、インタークーラ３６の入口側ヘッダ５２ｘと接続管３５の断面図である。図６は、コア側面対向方向から見たインタークーラ３６の入口側ヘッダ５２ｘと接続管３５の断面を示す。

図６では、接続管３５の出口側部分３５ａが入口側ヘッダ５２ｘの下側に接続されているが、αが６０度以上で９０度未満の角度（ここでは約７０度）であるため、二点鎖線の矢印Ａ３で示すように、接続管３５からの吸気は、コア５１の入口側端面５１ａの上側部分ＵＡだけに向かい、図６の下側部分ＬＡには直接的には向かわない。

そして、図６の場合、接続管３５は、コア側面対向方向から入口側ヘッダ５２をみたときに、吸気が上側部分ＵＡに向かうように、入口側ヘッダ５２に接続されている。

よって、接続管３５の出口側部分３５ａから吐出する吸気により、入口側ヘッダ５２ｘの下側部分ＬＡの領域近傍の空間の圧力が低下する。

しかし、図６の場合、接続管３５の出口側部分３５ａの内周面のうち、中心軸ｃＡに対して入口側端面５１ａの下側部分ＬＡ（すなわち吸気が直接的に向かわない部分）側の領域である領域ＲＤの表面には、複数の凹部ＣＶが設けられている。すなわち、図６に示すように、接続管３５の出口側部分３５ａの中心軸ｃＡを含みかつコア５１の入口側端面５１ａに直交する平面に対して直交する方向から、接続管３５の出口側部分３５ａを見たときに、中心軸ｃＡに対して下側部分ＬＡ側の領域ＲＤの表面に複数の凹部ＣＶが設けられている。

従って、図６のような場合であっても、粗面である領域ＲＤの表面の流動抵抗は、滑面である領域ＲＳの表面よりも大きい。そのため、領域ＲＤの表面では、吸気の剥離が生じにくく、領域ＲＤの表面近傍の吸気の流れが遅くなり、入口側ヘッダ５２ｘ内の空間ＬＰＡ（二点鎖線で示す）に向けての吸気量が増える。その結果、空間ＬＰＡの低圧が緩和されて、入口側ヘッダ５２の下側部分ＬＡに隣接する空間ＬＰＡへ流入する吸気量が増加する。

以上のように、インタークーラの接続管３５の出口側部分３５ａの断面積がコア５１の入口側の端面面積よりも小さく、かつ接続管３５の出口側部分３５ａの中心軸ｃＡがコアの入口側端面に直交する方向に対し角度を持って吸気管がインタークーラに接続される場合がある。

そのような場合であっても、上述した本実施の形態によれば、簡単な構造で、過給された吸気をインタークーラのコアに効率良く流入させて吸気の冷却効率を向上させることができる、インタークーラの吸気装置を提供することができる。

以上の実施の形態に記載した発明は、それらの形態に限ることなく、その他、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々の変形を実施し得ることが可能である。さらに、上記各形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組合せにより種々の発明が抽出され得るものである。

例えば、各形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、述べられている課題が解決でき、述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得るものである。

１０ 吸気装置、
１１ エンジン、
１２、１３ シリンダブロック、
１４，１５ シリンダヘッド、
１６ 吸気ポート、
１７ 排気ポート、
２０ 排気装置、
２１ コンプレッサ、
２２ タービン、
２３ ターボチャージャ、
３０ 吸気経路、
３１ エアクリーナボックス、
３２ 吸気管、
３３ 接続管、
３４ 吸気ダクト、
３５ 接続管、
３５ａ 出口側部分、
３６ インタークーラ、
３７ スロットルバルブ、
３８ 吸気マニホールド、
４０ 排気経路、
４１ 排気マニホールド、
４２ 排気管、
５１ コア、
５１ａ 入口側端面、
５１ｂ 出口側端面、
５２、５２ｘ 入口側ヘッダ、
５３ 出口側ヘッダ。

Claims (5)

1. エンジンの吸気を冷却するインタークーラと、
   前記インタークーラのコアへ前記吸気を供給するために、前記コアの入口側端面に直交する方向に対して０度を除く角度だけ傾いて、前記インタークーラの入口側ヘッダに接続された接続管と、
   前記接続管の内周面上において、前記接続管の出口側部分の中心軸に対して、前記接続管の断面が前記中心軸に沿って前記入口側端面上に投影された前記入口側端面の第１の領域以外の前記入口側端面上の第２の領域側に設けられた粗面と、
   を有する、エンジンの吸気装置。
2. 前記入口側端面に直交する方向からみたときの前記入口側端面の形状は、長方形であり、
   前記第１の領域は、前記長方形の長手方向における一方の半分の領域に含まれ、
   前記第２の領域は、前記長方形の長手方向における他方の半分の領域に含まれる、
   請求項１に記載のエンジンの吸気装置。
3. 前記接続管は、前記入口側端面に直交する方向において前記コアに対して前記入口側ヘッダ側から前記入口側ヘッダをみたときに、前記第１の領域側で、前記入口側ヘッダに接続されている、
   請求項２に記載のエンジンの吸気装置。
4. 前記接続管は、前記入口側端面に直交する方向において前記コアに対して前記入口側ヘッダ側から前記入口側ヘッダをみたときに、前記吸気が、前記第２の領域に向かうように、前記入口側ヘッダに接続されている、
   請求項２に記載のエンジンの吸気装置。
5. 前記粗面は、前記中心軸に直交する前記接続管の前記出口側部分の断面において、前記内周面の半分以下の範囲に設けられている、請求項１に記載のエンジンの吸気装置。

Images