JP6337568B2 - エンジンの吸気冷却構造 - Google Patents

Description

本発明は、車載空調装置を利用してエンジンの吸気温度を低減させるエンジンの吸気冷却構造に関する。

一般に、車両には車室内を空調するための空調装置（車載空調装置）が搭載される。車載空調装置は、凝縮器（コンプレッサ）及び蒸発器（エバポレータ）を備え、これらの間で冷媒を循環させて吸熱及び放熱を繰り返させながら冷房運転を行う。
通常、車載空調装置に備えられる凝縮器は、エンジン動力で駆動される。このため、車載空調装置が冷房運転を開始すると、エンジン負荷が増大してエンジンの動力性能（エンジン回転数や出力トルク）が低下する。これを回復させるためには、エンジンに供給される空気量及び燃料噴射量を増加させなければならず、エネルギーの消費量が増大して燃費の悪化を招く。

従来このような課題に対し、エンジンの吸気温度を低下させることによって充填効率や体積効率を増大させ、エンジン出力を高めることが提案されている。例えば、車載空調装置から車室内に向けて供給される冷却風の一部をエンジンの吸気系に導入することで、吸気温度を低下させる技術が提案されている（特許文献１，２参照）。また、車載空調装置の排水を吸気配管の外周面に対して直接的に流し掛けることで、吸気温度を低下させる技術も提案されている（特許文献３参照）。

特開平4-334752号公報 特開2003-247466号公報 特開平4-121418号公報

しかしながら、特許文献１，２に記載されたような技術では、本来車室内に供給されるべき冷却風がエンジン側に回されるため、吸気温度が低下する代わりに車室内の温度が上昇してしまう。車室内の温度を一定に保つには、車載空調装置の出力を上げなければならず、空調負荷が増大してしまう。
一方、特許文献３に記載されたような技術では、車室内の温度や空調負荷は変化しないものの、排水を吸気配管まわりに巡らせるための構造が複雑となる。また、冷房運転時には常に吸気配管の周囲に排水が供給されるため、錆が発生する虞がある。この結果、吸気配管を耐食性の高い材料で複雑な形状に製造しなければならず、製造コストや部材重量の増加を招いてしまうため、現実的には適用が困難である。

本件の目的の一つは、上記のような課題に鑑み創案されたものであり、簡素な構成で、燃費を悪化させることなくエンジンの動力性能を改善することができるようにした、エンジンの吸気冷却構造を提供することである。なお、この目的に限らず、後述する発明を実施するための形態に示す各構成により導かれる作用効果であって、従来の技術によっては得られない作用効果を奏することも本件の他の目的として位置づけることができる。

（１）ここで開示するエンジンの吸気冷却構造は、車載空調装置に内蔵され、車室内に供給される空気を冷却する蒸発器と、前記蒸発器で発生する凝結水を車外に排出する排水管と、前記排水管から分岐してエンジンの吸気系に接続され、前記排水管内の冷気を前記吸気系へと導く冷気管と、を備え、前記排水管が、前記冷気管との分岐箇所から下方に向かって延設された一部を有し、前記冷気管が、前記分岐箇所から上方に向かって延設された一部を有し、前記排水管の前記一部と前記冷気管の前記一部とが、互いに反対方向に延びるように直線状に配置されることを特徴としている。
なお、前記排水管と前記冷気管との分岐箇所には、三方分岐パイプを介装させることが好ましい。これにより、既存の排水管から冷気管を容易に分岐させることができる。

（２）前記冷気管が、前記吸気系を構成するエアクリーナのフィルタよりも上流側に接続されることが好ましい。
（３）前記分岐箇所には、三方分岐パイプが介装されていることが好ましい。

開示のエンジンの吸気冷却構造によれば、排水管内の冷気をエンジンの吸気系へと導く冷気管を備えているため、従来排出していた排水管内の冷気を利用してエンジンの吸気温度を低減させることができ、燃費を悪化させることなくエンジンの動力性能を高めることができる。また、排水管と吸気系との間を冷気管で接続するだけよいため、簡素な構成とすることができる。

一実施形態に係るエンジンの吸気冷却構造の全体を例示する斜視図である。 図１のエンジンの吸気冷却構造における分岐箇所を例示する模式図である。

図面を参照して、実施形態としてのエンジンの吸気冷却構造について説明する。なお、以下に示す実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。本実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができると共に、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることが可能である。

［１．構成］
［１−１．全体構成］
本実施形態のエンジンの吸気冷却構造は、図１に例示するエンジン６に適用されている。このエンジン６は、車両に搭載され、内部で燃料と空気とを燃焼させることで車両に動力を生じるものである。エンジン６で生じた動力は、主として車両の走行に使用されるが、車両の車室内の温度や湿度を調節するHVAC（Heater, Ventilator and Air Conditioner，車載空調装置）１を駆動するためにも使用される。
なお、図１には、本実施形態のエンジンの吸気冷却構造の主要な構成要素を実線で示し、他の構成要素を破線で示す。

HVAC１は、車室内の空調環境を調節するものであり、車両のエンジンルームの内部でエンジン６に隣接するように配置される。HVAC１には、エバポレータ（蒸発器）１１や図示しないヒータ，ファン等が内蔵されている。
エバポレータ１１は、冷媒を減圧して気化させることによって吸熱するものであり、HVAC１の冷房装置として機能する。つまりエバポレータ１１は、HVAC１の冷房運転時に車室内に供給される空気を冷却するものである。
エバポレータ１１の近傍には、エバポレータ１１で発生する凝結水７を車外に排出するための排水管２が配置される。排水管２は、ここではHVAC１のケース底面部１２から車外に向かって延設されている。

エンジン６の上方には、エアクリーナ５が配置されている。エアクリーナ５は、接続ダクト５１を介してエンジン６の吸気系に接続されると共に、車両外方に向かって開口した吸気ダクト５２に接続され、車両外部からエンジン６に供給される吸気から埃や水分を除去するためのものである。
エアクリーナ５の内部には、吸気の流路を横切るように配置されたフィルタ５３が設けられている。フィルタ５３は、これを通過する空気中に含まれる埃や水分を捕集，除去するものであり、接続ダクト５１と吸気ダクト５２との間に介装される。

なお、エアクリーナ５，接続ダクト５１及び吸気ダクト５２は、何れもエンジン６の吸気系を構成するものである。つまり、上述のフィルタ５３は、エンジン６の吸気系に介装されるものである。
エアクリーナ５には、排水管２から分岐した冷気管４をエンジン６の吸気系に接続するための冷気口５４が設けられている。冷気口５４は、吸気の流れ方向を基準として、フィルタ５３よりも上流側でエアクリーナ５のケース上面部５５を貫通するように形成されている。

本実施形態のエンジンの吸気冷却構造は、エバポレータ１１，排水管２及び冷気管４を備える。ここでは排水管２と冷気管４との分岐箇所Ｐに、排水管２から冷気管４を分岐させて凝結水７と冷気とを分離するための部材である三方分岐パイプ３が介装されている。以下、三方分岐パイプ３，排水管２，冷気管４の順に各構成を説明する。

［１−２．三方分岐パイプ］
図２に示すように、三方分岐パイプ３は、基点からそれぞれ異なる方向に向かって直線状に延設された三本のパイプ部３１，３２，３３を備えている。各パイプ部３１，３２，３３は、何れも横断面が同様の円形閉断面をなす管状に形成されている。

以下、パイプ部３１，３２，３３を、それぞれ第一パイプ部３１，第二パイプ部３２及び第三パイプ部３３という。第一パイプ部３１及び第三パイプ部３３は、排水管２の一部を構成するものであり、第二パイプ部３２は、排水管２から分岐する冷気管４の一部を構成するものである。つまり、三方分岐パイプ３の基点は、排水管２と冷気管４との分岐箇所Ｐの中心点に相当する。

ここでは第二パイプ部３２と第三パイプ部３３とが、互いに反対方向に延びるように同一直線上に延設されている。言い換えると、排水管２の第三パイプ部３３で構成される部分と、冷気管４の第二パイプ部３２で構成される部分とは、分岐箇所Ｐを挟んで直線状に配置される。これに対し、第一パイプ部３１は、第二パイプ部３２及び第三パイプ部３３の延設方向に対してここでは直角方向に延設されている。

［１−３．排水管］
図１に示すように、排水管２は、エバポレータ１１から車外に向かって凝結水７の流路を形成するものである。ここでは排水管２が、凝結水７の流れ方向を基準として、上流側（エバポレータ１１側）に設けられる上流管２１と、上流管２１の下流側に設けられる三方分岐パイプ３との二部材で構成されている。

図２に示すように、上流管２１は、横断面が略一様な円形閉断面を有するように形成され、その内径は三方分岐パイプ３の第一パイプ部３１の外径に嵌合する大きさとされる。上流管２１の上流端部２１ａは、HVAC１のケース底面部１２に形成された排水口１２ａに接続される。また、上流管２１の下流端部２１ｂは、上流端部２１ａよりも下方に配置され、三方分岐パイプ３の第一パイプ部３１に接続される。なお、排水口１２ａは、エバポレータ１１の横に設けられている。

上流管２１の下流端部２１ｂ及びこれに嵌め込まれる第一パイプ部３１は、分岐箇所Ｐ側を下方に位置させて傾斜した状態で配置される。また、これに伴って第三パイプ部３３は、分岐箇所Ｐ側を上方に位置させて傾斜した状態で配置される。言い換えると、排水管２の第三パイプ部３３で構成される部分は、分岐箇所Ｐから下方に向かって延設される。
上流管２１の上流端部２１ａと下流端部２１ｂとの間の部分は、エンジン６やHVAC１などの周辺部材の形状及び配置に応じて、これらと干渉しないような適宜の形状及び配置とされる。ただし、凝結水７を車外に向けて円滑に排出するという観点から、ここでは上流管２１が、下流側に向かって常に下方に向かうように延設されている。

［１−４．冷気管］
図１に示すように、冷気管４は、排水管２から分岐してエンジン６の吸気系に接続され、排水管２内の冷気をエンジン６の吸気系へと導くものである。ここでは冷気管４が、冷気の流れ方向を基準として、上流側（分岐箇所Ｐ側）に設けられる三方分岐パイプ３と、三方分岐パイプ３の下流側に設けられる下流管４１との二部材で構成されている。

図２に示すように、下流管４１は、横断面が略一様な円形閉断面を有するように形成され、その内径は三方分岐パイプ３の第二パイプ部３２の外径に嵌合する大きさとされる。下流管４１の下流端部４１ｂは、エアクリーナ５のケース上面部５５に設けられた冷気口５４に接続される。また、下流管４１の上流端部４１ａは、三方分岐パイプ３の第二パイプ部３２に接続される。

下流管４１の上流端部４１ａ及びこれに嵌め込まれる第二パイプ部３２は、分岐箇所Ｐ側を下方に位置させた状態で配置される。つまり、冷気管４の第二パイプ部３２で構成される部分は、分岐箇所Ｐから上方に向かって延設される。
なお、下流管４１の上流端部４１ａと下流端部４１ｂとの間の部分は、エンジン６やHVAC１などの周辺部材の配置や形状に応じて、これらと干渉しないような適宜の形状及び配置とされる。

［２．作用］
以下、本実施形態のエンジンの吸気冷却構造に係る作用について説明する。
HVAC１の冷房運転時、エバポレータ１１が駆動されると、エバポレータ１１の表面温度が低下する。これによって、エバポレータ１１の表面には結露が生じ、低温の凝結水７が付着する。この凝結水７は、その量が増加するとエバポレータ１１の表面からケース底面部１２上に滴下する。そして、ケース底面部１２上に溜まった凝結水７は、排水口１２ａから排水管２に流出する。このとき、凝結水７とともにエバポレータ１１で冷却された空気（冷気）の一部が一緒にHVAC１内から排水口１２ａを通じて排水管２の内部に流れ込む。そのため、排水管２内の空気は、凝結水７と冷気とによって常に冷却されている。

凝結水７は、重力の作用で排水管２の上流管２１内を下方に向かって流れ、上流管２１と連続する三方分岐パイプ３の第一パイプ部３１に流入する。一方、排水管２内の冷却された空気（冷気）は、排水管２内の圧力（外気圧）とエンジン６の吸気圧との差圧（吸気負圧）によって、低圧なエンジン６側（冷気管４側）に吸入される。すなわち冷気は、エンジン６の吸気負圧に引っ張られ、排水管２の上流管２１を通って流下し、凝結水７と同様に、三方分岐パイプ３内に流れ込む。

凝結水７は、分岐箇所Ｐまで達すると、自重で下方に向かって流れて第三パイプ部３３に流入する（図２中の斜線入り矢印参照）。そして、第三パイプ部３３を通って車外に排出される。
これに対し冷気は、分岐箇所Ｐまで達すると、上述の吸気負圧によって低圧なエンジン６側に吸入されて、冷気管４内に流入する（図２中の白抜き矢印参照）。つまり、この分岐箇所Ｐでは、凝結水７は下方に向かって流れるのに対し、冷気は上方に向かって流れることで、両者が分離される。

そして、冷気管４に流入した冷気は、冷気管４を構成する第二パイプ部３２内を上方に向かって流れ、第二パイプ部３２と連続する下流管４１に流入する。そして、下流管４１の下流端部４１ｂまで達すると、冷気口５４を通じてエアクリーナ５の内部のフィルタ５３よりも上流側へと案内される。
エアクリーナ５の内部に流れ込んだ冷気は、吸気ダクト５２を通じてエアクリーナ５内に取り込まれた吸気と共に、フィルタ５３を通過する。このとき、冷気中に含まれる埃や過剰な水分がフィルタ５３によって捕集される。そして吸気は、この冷気を含むことによって温度が低減され、高密度な状態で接続ダクト５１内を流下してエンジン６に供給される。

なお、エバポレータ１１の出力が大きくなるほど（すなわちHVAC１の稼働率が高くなるほど）、エバポレータ１１の表面温度は低下する。したがって、例えば外気温が上昇し、HVAC１が高い稼働率で冷房運転されるほど、HVAC１内（エバポレータ１１周辺）の空気は冷却される。この場合、排水管２内に流れ込む冷気の温度がより下がるため、排水管２内の空気はより低温に冷却される。つまり、HVAC１の冷房に係る稼働率が高くなるほど、より低温な冷気がエンジン６の吸気系に導入され、吸気温度がより低減される。

［３．効果］
（１）上記のエンジンの吸気冷却構造は、排水管２内の冷気をエンジン６の吸気系へと導く冷気管４を備えているので、従来排出していた排水管２内の冷気を利用してエンジン６の吸気温度を低減させることができる。これにより、充填効率や体積効率を増大させてエンジン出力を向上させることができる。したがって、燃費を悪化させることなくエンジンの動力性能を高めることができる。ゆえに、エンジン負荷の大きい冷房運転時に、特に有益な効果を得ることができる。

また、従来排水管２から排出されていた冷気を利用して吸気温度を低下させるため、吸気を冷却するためのエネルギーが不要であり、空調負荷の増大を招くことなくエンジンの動力性能を高めることができる。
また、冷気はエンジン６の吸気負圧でエンジン６側に吸入されるため、冷気の流量や流通方向の制御が不要である。つまり、電子制御装置や制御弁などを設ける必要がなく、排水管２と吸気系との間を冷気管４で接続するだけでよいので、簡素な構成とすることができ、低コスト化が図れる上に既存のエンジンへの適用が容易である。

さらに、HVAC１の稼働率が高くなるほど吸気温度の低減量が増加するため、HVAC１及びエンジン６の運転状態に見合った冷気をエンジン６に供給することができる。例えば、外気温が高く吸気温度が上昇しやすい場合、HVAC１は高い稼働率で冷房運転され、エンジンの負荷も増えると考えられるが、車室内の高い冷房効果と共に、吸気温度の高い低減効果を自動的に得ることができる。したがって、HVAC１の冷房に係る稼働率が高くてもエンジンの動力性能を維持して燃費が悪化するのを抑制することができる。

（２）また、上記のエンジンの吸気冷却構造では、排水管２が分岐箇所Ｐから下方に向かって延設され、冷気管４が分岐箇所Ｐから上方に向かって延設されている。このため、排水管２内の凝結水７と冷気とを分岐箇所Ｐで確実に分離させることができ、エンジン６側への水分の流入を抑制することができる。
（３）また、上記のエンジンの吸気冷却構造では、冷気管４が吸気系に介装されたエアクリーナ５のフィルタ５３よりも上流側に接続されている。このため、冷気中の水蒸気をよりフィルタ５３で確実に捕集することができる。これにより、冷気中の水蒸気がエンジン６に供給されてしまうことを防止できる。

また、上記のエンジンの吸気冷却構造では、排水管２の下流側部分を構成する第三パイプ部３３及び冷気管４の上流側部分を構成する第二パイプ部３２が、分岐箇所Ｐを挟んで直線状に配置されている。このため、凝結水７の移動方向と冷気の移動方向とを正反対にすることができ、冷気から効率的に水分を除去することができる。

［４．変形例］
上述した実施形態に関わらず、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。本実施形態の各構成は、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせてもよい。

上記には車載空調装置１として、車室内の温度（暖房，冷房）や湿度を調節するものを例示したが、車載空調装置１は少なくともエバポレータ１１を備え、車室内を冷房するものであればよい。つまり、上記に示した暖房や湿度調節に係る機能は必須でない。
また、上記には分岐箇所Ｐに三方分岐パイプ３を介装させるものを例示したが、三方分岐パイプ３を使用せずに排水管２から冷気管４を分岐させてもよい。例えば、冷気管４を排水管２に対して直接的に接続してもよいし、排水管２及び冷気管４を一体で成形してもよい。

また、排水管２及び冷気管４は、分岐箇所Ｐを挟んで直線状に配置されなくてもよく、例えばこれらは分岐箇所Ｐを挟んで適宜の角度をなすように配置されてもよい。さらに上記には、排水管２が分岐箇所Ｐを基点として直角に屈曲されたものを例示したが、排水管２の形状はこれに限定されず、適宜の形状に変更可能である。排水管２は、例えば直線状に形成されてもよいし、分岐箇所Ｐを基点として直角以外の角度で屈曲されてもよい。

また、排水管２と冷気管４との間に、排水管２から流れ込んだ凝結水７と冷気とを一旦滞留させてから分離させるような分離室を設けてもよい。
また、冷気管４の形状も上記のものに限定されない。冷気管４は、例えば全長に亘って直線状に延設されてもよいし、蛇行した形状に形成されてもよい。また、冷気管４は、少なくとも排水管２から分岐してエンジン６の吸気系に接続されるものであればよく、その下流端部４１ｂの接続先は、エアクリーナ５に限らず例えば吸気ダクト５２や、エアクリーナ５（フィルタ５３）の下流側の接続ダクト５１であってもよい。この場合も、冷気管４を通じて排水管２内の冷気をエンジン６の吸気系に導くことにより、吸気温度を低減させることができる。

１ HVAC（車載空調装置）
１１ エバポレータ（蒸発器）
２ 排水管
３ 三方分岐パイプ
４ 冷気管
５ エアクリーナ
５３ フィルタ
６ エンジン
７ 凝結水
Ｐ 分岐箇所

Claims (3)

1. 車載空調装置に内蔵され、車室内に供給される空気を冷却する蒸発器と、
   前記蒸発器で発生する凝結水を車外に排出する排水管と、
   前記排水管から分岐してエンジンの吸気系に接続され、前記排水管内の冷気を前記吸気系へと導く冷気管と、を備え、
   前記排水管が、前記冷気管との分岐箇所から下方に向かって延設された一部を有し、
   前記冷気管が、前記分岐箇所から上方に向かって延設された一部を有し、
   前記排水管の前記一部と前記冷気管の前記一部とが、互いに反対方向に延びるように直線状に配置される
   ことを特徴とする、エンジンの吸気冷却構造。
2. 前記冷気管が、前記吸気系を構成するエアクリーナのフィルタよりも上流側に接続される
   ことを特徴とする、請求項１に記載のエンジンの吸気冷却構造。
3. 前記分岐箇所には、三方分岐パイプが介装されている
   ことを特徴とする、請求項１または２に記載のエンジンの吸気冷却構造。

Images