JP5910422B2 - 冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷却水により過給機を冷却するとともにインタークーラを通過する吸気を冷却する冷却装置に関する。

特許文献１に記載される冷却装置では、ポンプに接続された冷却水通路を途中で分岐させて過給機及びインタークーラに冷却水をそれぞれ供給することにより、過給機を冷却するとともにインタークーラを通過する吸気を冷却するようにしている。

特開２０１１−２２６３９０号公報

ところで、外気温が極低温となる環境下にあっては、極低温の冷却水がインタークーラに供給される。そのため、吸気がインタークーラを通過する過程で過度に冷却され、吸気に含まれる水分が凝固するおそれがある。そして、このように凝固した水分がインタークーラに付着すると、吸気がインタークーラを通過する際の圧力損失が大きくなり、内燃機関の吸気効率が低下するおそれがある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものである。その目的は、吸気に含まれる水分がインタークーラで凝固して内燃機関の吸気効率が低下することを抑制できる冷却装置を提供することにある。

以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について記載する。
本発明の一態様は、冷却水により過給機を冷却するとともにインタークーラを通過する吸気を冷却する冷却装置を前提としている。この冷却装置は、過給機から流出した冷却水をインタークーラに流入させる冷却水通路を備えている。

上記構成によれば、インタークーラには過給機を冷却することにより温度上昇した冷却水が冷却水通路を通じて供給される。そのため、外気温が極めて低い環境下であっても、インタークーラを通過する吸気が過度に冷却されて同吸気に含まれる水分が凝固するといった事象が生じにくくなる。したがって、吸気に含まれる水分がインタークーラで凝固して内燃機関の吸気効率が低下することを抑制できるようになる。

また、冷却装置にあっては、冷却水通路を、ポンプから吐出される冷却水をインタークーラに供給する供給通路に接続した構成としてもよい。この場合、冷却水通路から供給通路を介してインタークーラに流入する冷却水の量を、外気温が高いときには低いときよりも減少させる調量部を更に設けることが好ましい。

上記構成によれば、外気温が高く水分が凝固するおそれのないときには、調量部によって、過給機からインタークーラに流入する冷却水が減少される又はその流入が停止される。その結果、インタークーラに流入する冷却水の温度上昇を抑えることができ、インタークーラで吸気を効果的に冷却することができる。したがって、外気温が高いときにおける吸気効率の低下を抑制することができるようになる。

なお、調量部は、外気温に応じて開度が自律的に変化する感温弁を含むことが好ましい。この場合、外気温に応じた感温弁の開度の自律的な変化によって、外気温が低いときには過給機からインタークーラに流入する冷却水の量が相対的に多くなる一方、外気温が高いときには冷却水の量が相対的に少なくなる。そのため、簡易な構成によって外気温に見合った量の冷却水を過給機からインタークーラに流入させることができるようになる。したがって、吸気に含まれる水分がインタークーラで凝固することに起因する吸気効率の低下及びインタークーラに流入する冷却水の温度上昇に起因する吸気効率の低下の双方について好適に抑制することができるようになる。

ところで、供給通路には、冷却水通路の接続位置よりも上流側に絞りを設けることが好ましい。これによれば、ポンプから供給通路を通じてインタークーラに流入する冷却水の量が絞りによって制限されるため、過給機にて温度上昇した冷却水が冷却水通路を通じてインタークーラに流入しやすくなる。その結果、外気温が低いときにおいては、インタークーラに流入する冷却水の温度を高めることができ、吸気に含まれる水分がインタークーラで凝固することに起因する吸気効率の低下を効果的に抑制することができるようになる。

本発明の一実施形態にかかる冷却装置を備える内燃機関の概略構成を示す模式図。 （ａ），（ｂ）は三方向弁を示す模式図。 別の実施形態の冷却装置の概略構成を示す模式図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図１及び図２に従って説明する。
図１に示すように、内燃機関１１の機関本体１２には、その内部に設けられた燃焼室に吸気を吸入させる吸気通路１３がインテークマニホールド１４を介して接続されている。また、機関本体１２には、燃焼室からの排気を排出させる排気通路１５がエキゾーストマニホールド１６を介して接続されている。

吸気通路１３には、その内部を流れる吸気を冷却するインタークーラ１７と、運転者によるアクセル操作量に応じて開度調整されるスロットル弁１８とが設けられている。そして、インタークーラ１７によって冷却された吸気は、インテークマニホールド１４を介して燃焼室に吸入される。

また、内燃機関１１は、吸気を圧縮して燃焼室に送り込む、いわゆる排気式の過給機２０を備えている。こうした過給機２０は、コンプレッサ部２１とタービン部２２とを有している。そして、コンプレッサ部２１が吸気通路１３におけるインタークーラ１７よりも上流側に配置され、タービン部２２が排気通路１５に配置されている。

こうした内燃機関１１には、インタークーラ１７を通過する吸気及び過給機２０を冷却する水冷式の冷却装置３０が設けられている。この冷却装置３０は、内燃機関１１の出力軸であるクランク軸１９の回転に基づき駆動する機関駆動式のポンプ３１を備えている。このポンプ３１は、ドレーンタンク１００から冷却水を汲み上げ、インタークーラ１７及び過給機２０などの熱交換対象に向けて冷却水を供給するようになっている。

ポンプ３１から吐出された冷却水が流れる供給路３２は、その途中で、インタークーラ１７用の第１の供給通路３３と、過給機２０用の第２の供給通路３４とに分岐している。第１の供給通路３３は、インタークーラ１７に向けて冷却水が流れる上流部分３３Ａと、インタークーラ１７から冷却水がドレーンタンク１００に向けて流れる下流部分３３Ｂとを含んでなる。本実施形態では、第１の供給通路３３の上流部分３３Ａが、ポンプ３１から吐出される冷却水をインタークーラ１７に供給する供給通路として機能する。そして、こうした第１の供給通路３３の上流部分３３Ａの途中には、インタークーラ１７に向けて直接流れる冷却水の流量を制限する絞り３５が設けられている。

第２の供給通路３４は、過給機２０に向けて冷却水が流れる上流部分３４Ａと、過給機２０から流出した冷却水が流れる下流部分３４Ｂとを含んでなる。この第２の供給通路３４の下流部分３４Ｂには調量部の一例としての三方向弁３６が設けられており、この下流部分３４Ｂは、三方向弁３６を通じて、第１の供給通路３３の上流部分３３Ａにおける絞り３５よりも下流となる位置と、第１の供給通路３３の下流部分３３Ｂとに連結されている。したがって、本実施形態では、第２の供給通路３４の下流部分３４Ｂが、過給機２０から流出した冷却水をインタークーラ１７に流入させる冷却水通路として機能する。

次に、三方向弁３６について図２を参照して詳述する。
図２（ａ），（ｂ）に示すように、三方向弁３６の弁本体４１には、第２の供給通路３４の下流部分３４Ｂからの冷却水を流入させる第１のポートＰ１と、冷却水を第１の供給通路３３の下流部分３３Ｂに導く第２のポートＰ２と、冷却水を第１の供給通路３３の上流部分３３Ａに導く第３のポートＰ３とが設けられている。こうした弁本体４１内には、第３のポートＰ３を閉じる第１の位置（図２（ａ）に示す位置）と第２のポートＰ２を閉じる第２の位置（図２（ｂ）に示す位置）との間で変位する弁体４２と、弁体４２に対して、第３のポートＰ３を閉じる方向（即ち、図２では下方向）への付勢力を付与するスプリング４３とが設けられている。なお、弁体４２は、永久磁石などの磁性体によって構成されている。

そして、図２（ａ）に示すように、弁体４２が第１の位置に位置する場合、第１のポートＰ１から弁本体４１内に流入した冷却水は、第２のポートＰ２を介して弁本体４１外に流出し、第１の供給通路３３の下流部分３３Ｂを流れるようになっている。一方、図２（ｂ）に示すように、弁体４２が第２の位置に位置する場合、第１のポートＰ１から弁本体４１内に流入した冷却水は、第３のポートＰ３を介して弁本体４１外に流出し、第１の供給通路３３の上流部分３３Ａを流れるようになっている。

また、弁本体４１の外側には、外気温が高くなると伸張する一方で、外気温が低くなると収縮するサーモエレメント４４が設けられている。このサーモエレメント４４は、内部にサーモワックスが収容されている本体ケース４４１と、この本体ケース４４１から突出するロッド部材４４２とを備えている。こうしたロッド部材４４２の先端には、磁石４５が取り付けられている。

そして、外気温が低いためにサーモワックスが収縮すると、ロッド部材４４２は、本体ケース４４１からの突出量が少なくなるように、即ち図２における上方に変位する。すると、ロッド部材４４２に取り付けられている磁石４５もまた図２における上方に移動する。その結果、磁石４５と弁体４２との間に発生する磁力によって、弁体４２は、スプリング４３からの付勢力に抗して第１の位置から第２の位置に向けて変位する。

その一方で、外気温が高くなってサーモワックスが膨張すると、ロッド部材４４２は、本体ケース４４１からの突出量が多くなるように、即ち図２における下方に変位する。すると、ロッド部材４４２に取り付けられている磁石４５もまた図２における下方に移動する。その結果、磁石４５と弁体４２との間に発生する磁力とスプリング４３からの付勢力によって、弁体４２は第２の位置から第１の位置に向けて変位する。したがって、本実施形態では、三方向弁３６が、外気温に応じて開度が自律的に変化する感温弁として機能する。

次に、本実施形態の冷却装置３０の作用について説明する。
水分が凝固するような外気温の雰囲気下で内燃機関１１が運転しているときには、冷却装置３０の三方向弁３６ではサーモワックスが収縮するため、弁体４２が自律的に第２の位置若しくは第１の位置よりも第２の位置に近い位置に位置するようになる。すなわち、三方向弁３６では、第３のポートＰ３が開くとともに、第２のポートＰ２の開度が小さくなる又は第２のポートＰ２が閉じる。すると、過給機２０を冷却した冷却水の全て又は一部が、第２の供給通路３４の下流部分３４Ｂ及び三方向弁３６を通じて第１の供給通路３３の上流部分３３Ａに流入するようになる。

ここで、第２の供給通路３４を流れる冷却水が過給機２０を冷却すると、この冷却水が過給機２０から受熱する。そして、過給機２０との熱交換によって温度上昇した冷却水が、第２の供給通路３４の下流部分３４Ｂ及び三方向弁３６を通じて第１の供給通路３３の上流部分３３Ａに流入することとなる。そのため、過給機２０から受熱した冷却水が上流部分３３Ａに流入しない場合と比較して、インタークーラ１７に供給される冷却水の温度が高くなる。

その結果、吸気がインタークーラ１７を通過するに際し、吸気が過度に冷却されることが抑制される。これにより、吸気に水分が含まれていたとしても、この水分が凝固してインタークーラ１７に付着するという事象が生じにくくなる。

また、本実施形態では、第１の供給通路３３の上流部分３３Ａにおいて三方向弁３６が連結される部位よりも上流には、絞り３５が設けられている。これにより、第１の供給通路３３の上流部分３３Ａでは、過給機２０を介さないインタークーラ１７への冷却水の供給が制限される。そのため、過給機２０から受熱した冷却水が、三方向弁３６を通じて第１の供給通路３３の上流部分３３Ａに流入しやすくなっている。したがって、絞り３５を設けない場合と比較して、インタークーラ１７を供給される冷却水の温度が高くなりやすくなる。

その一方で、外気温が比較的高い場合には、吸気に含まれる水分が凝固する可能性が極めて低い。そのため、冷却装置３０の三方向弁３６ではサーモワックスが膨張するため、弁体４２が自律的に第１の位置に位置するようになる。すなわち、三方向弁３６では、第３のポートＰ３が閉じられるとともに、第２のポートＰ２の開度が全開になる。すると、過給機２０を冷却した冷却水の全てが、第２の供給通路３４の下流部分３４Ｂ及び三方向弁３６を通じて第１の供給通路３３の下流部分３３Ｂに流入するようになる。

その結果、過給機２０から受熱した冷却水がインタークーラ１７に供給されなくなる。このように外気温によって第２の供給通路３４の下流部分３４Ｂから第１の供給通路３３の上流部分３３Ａへの冷却水の流量を調整することにより、インタークーラ１７に流入する冷却水の温度上昇が抑えられる。したがって、このインタークーラ１７で吸気が効果的に冷却されるようになる。

以上説明したように、本実施形態では、以下に示す効果を得ることができる。
（１）インタークーラ１７には過給機２０を冷却することにより温度上昇した冷却水が供給されるため、外気温が極めて低い環境下であっても、インタークーラ１７を通過する吸気が過度に冷却されて吸気に含まれる水分が凝固するといった事象が生じにくくなる。したがって、吸気に含まれる水分がインタークーラ１７で凝固して内燃機関１１の吸気効率が低下することを抑制できるようになる。

（２）外気温が高く水分が凝固するおそれのないときには、三方向弁３６によって、過給機２０からインタークーラ１７に流入する冷却水が減少される又はその流入が停止される。その結果、インタークーラ１７に流入する冷却水の温度上昇が抑えられ、このインタークーラ１７で吸気を効果的に冷却することができる。したがって、外気温が高いときにおける吸気効率の不要な低下を抑制することができるようになる。

（３）外気温によって過給機２０からインタークーラ１７に流入する冷却水の量を調整する方法としては、感温弁の代わりに電磁弁を備える調量部を採用する方法が考えられる。この場合、温度センサからの検出信号に基づいて外気温が検出され、この外気温によって電磁弁が制御されることとなる。

これに対し、本実施形態の調量部は、外気温によって自律的に作動する感温弁である三方向弁３６を含んだ構成となっている。そのため、上記のような複雑な制御を行うことなく、過給機２０からインタークーラ１７に流入する冷却水の量の調整を実現することができるようになる。

（４）また、本実施形態では、ポンプ３１から第１の供給通路３３の上流部分３３Ａを通じた冷却水のインタークーラ１７への直接流入を絞り３５によって制限している。そのため、過給機２０から受熱した冷却水が第１の供給通路３３の上流部分３３Ａを通じてインタークーラ１７に流入しやすくなる。その結果、極低温時においてインタークーラ１７に流入する冷却水の温度を高めることができ、吸気に含まれる水分がインタークーラ１７で凝固することに起因する吸気効率の低下を効果的に抑制することができるようになる。

なお、上記実施形態を以下のような別の実施形態に変更してもよい。
・絞り３５は、ポンプ３１から吐出される冷却水の温度（又は外気温）が低いほど開度が小さくなるものであってもよい。この場合、外気温が低いときには、外気温が高いときと比較して、絞り３５の開度が小さくなる分、過給機２０を介さないインタークーラ１７への冷却水の直接供給が制限されるようになり、過給機２０を冷却して温度が上昇した冷却水を効率良くインタークーラ１７に供給することができるようになる。その結果、極低温時においては、吸気に含まれる水分がインタークーラ１７で凝固することに起因する吸気効率の低下を効果的に抑制することができるようになる。

その一方で、水分が凝固するおそれのない環境下にあっては、絞り３５の開度を大きくすることにより、ポンプ３１からインタークーラ１７に直接供給される冷却水の量が多くなる。その結果、インタークーラ１７を通過する吸気を効率良く冷却することができるようになる。

なお、このように開度を調整可能な絞りとしては、ポンプ３１から吐出される冷却水の温度（又は外気温）に応じて開度を自律的に調整可能な感温式の絞りであってもよいし、制御装置によって制御される絞りであってもよい。

・また、絞り３５を設けなくても、極低温時には、過給機２０を冷却した冷却水を、第１の供給通路３３の上流部分３３Ａを通じてインタークーラ１７に供給することができるのであれば、絞り３５を設けなくてもよい。

・図３に示すように、調量部としては、感温式の三方向弁３６の代わりに、電磁式の三方向弁３６Ａを備えた構成であってもよい。この場合、三方向弁３６Ａを制御する制御装置５０は、温度センサ５１からの検出信号に基づき外気温を検出し、この外気温が判定値未満であるときには、第２のポートＰ２を閉弁して第３のポートＰ３を開弁するように三方向弁３６Ａを制御してもよい。一方、制御装置５０は、外気温が判定値以上であるときには、第２のポートＰ２を開弁して第３のポートＰ３を閉弁するように三方向弁３６Ａを制御してもよい。

また、このように電磁式の三方向弁３６Ａを採用する場合には、絞り３５の代わりに、電磁弁３５Ａを設けてもよい。この場合、制御装置５０は、外気温が判定値未満であるときには、電磁弁３５Ａを閉弁し、ポンプ３１からインタークーラ１７への冷却水の直接的な供給を禁止してもよい。一方、制御装置５０は、外気温が判定値以上であるときには、電磁弁３５Ａを開弁し、ポンプ３１からインタークーラ１７への冷却水の直接的な供給を許可してもよい。

なお、電磁式の三方向弁３６Ａとしては、弁体４２の位置をリニアに調整可能なリニア電磁弁であってもよい。この場合、外気温によって、第３のポートＰ３からの冷却水の流出量を調整することができるようになる。

・三方向弁３６の第２のポートＰ２から外部に流出した冷却水を、第１の供給通路３３の下流部分３３Ｂに導くことなく、ドレーンタンク１００に排出するようにしてもよい。
・調量部を設けなくてもよい。この場合、第２の供給通路３４の下流部分３４Ｂは、第１の供給通路３３の上流部分３３Ａに直接接続されることとなる。この場合、水分が凝固しない環境下であっても、水分が凝固する環境下であるときと同様に、過給機２０を冷却した冷却水がインタークーラ１７に供給されることとなる。

また、インタークーラ１７には、過給機２０を介することなくポンプ３１から冷却水が供給されないようにしてもよい。この場合、インタークーラを通過する吸気は、外気温とは関係なく、過給機２０を冷却した冷却水によって常に冷却されることとなる。

・過給機２０は、排気式の過給機ではなく、機関駆動式の過給機であってもよいし、モータなどのアクチュエータを駆動源とする過給機であってもよい。
・ポンプ３１は、機関駆動式のポンプではなく、モータなどのアクチュエータを駆動源とするポンプであってもよい。

１１…内燃機関、１７…インタークーラ、２０…過給機、３０…冷却装置、３１…ポンプ、３３Ａ…第１の供給通路の上流部分（供給通路）、３４Ｂ…第２の供給通路の下流部分（冷却水通路）、３５…絞り、３６…調量部を構成する三方向弁（感温弁）、３６Ａ…調量部を構成する三方向弁。

Claims (3)

1. 冷却水により過給機を冷却するとともにインタークーラを通過する吸気を冷却する冷却装置において、
   ポンプから吐出される冷却水を前記インタークーラに供給する供給通路と、
   前記供給通路に接続されるとともに、前記過給機から流出した冷却水を前記インタークーラに流入させる冷却水通路と、
   前記冷却水通路から前記供給通路を介して前記インタークーラに流入する冷却水の量を、外気温が高いときには低いときよりも減少させる調量部とを備える
   ことを特徴とする冷却装置。
2. 前記調量部は、外気温に応じて開度が自律的に変化する感温弁を含む
   請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記供給通路には、前記冷却水通路の接続位置よりも上流側に絞りが設けられてなる
   請求項１又は請求項２に記載の冷却装置。