JP6573733B2

JP6573733B2 - 空燃混合気冷却器の洗浄方法及び内燃機関

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Publication number: JP6573733B2
Application number: JP2018552116A
Authority: JP
Inventors: ヒラカリ，ヴェサ; クヤラ，ユハ; マキネン，ヴィッレ−ヴェイッコ; ニエミネン，カリ
Original assignee: ワルトシラフィンランドオサケユキチュア
Priority date: 2015-12-30
Filing date: 2015-12-30
Publication date: 2019-09-11
Anticipated expiration: 2035-12-30
Also published as: EP3397846B1; US20190017431A1; US10605154B2; KR20180099810A; WO2017114567A1; JP2019501333A; CN108431381B; KR101947977B1; CN108431381A; EP3397846A1

Description

本発明は、請求項１の前文において議論するような内燃機関のエアチャージ冷却器(空燃混合気冷却器)(charge air cooler)の洗浄方法と、請求項１０の前文において議論するような内燃機関(internal combustion engine)とに関する。

今日では、経済的側面及び環境的側面の両方が、内燃機関（エンジン）の使用者を、可能な限り低い特定の燃料消費を有するエンジンを要求するよう誘導している。そのような要求は、通常に吸引されるエンジンと比較して、エンジンシリンダ内の空気のチャージ(charge)を増加させる機器の使用をもたらしている。第１のそのような機器は、一般的に、スーパーチャージャ(supercharger)と呼ばれており、その主要なタスクは、空気の圧力又は密度を増加させること、即ち、エンジンシリンダに入る空気を圧縮することである。２つの種類のスーパーチャージャがある。第１のものは、一般的にはターボとして知られているターボチャージャであり、ターボチャージャは、エンジンの排出ガスがタービンホイールを用いてコンプレッサホイールを駆動させ、コンプレッサホイールが空気をシリンダ内に圧縮するよう、同じ軸にタービンホイール及びコンプレッサホイールを有する、ユニットである。第２のものは、機械的に駆動されるスーパーチャージャ、即ち、エアコンプレッサ（空気圧縮機）であり、エアコンプレッサは、ベルト、ギア又はチェーンを用いて、エンジンクランクシャフトに直接的又は間接的に連結される。ルーツブロワ(boots blower)は、機械的に駆動されるスーパーチャージャの良い例である。スーパーチャージャは、内燃機関の特定の燃料消費を大幅に改善することができるが、より低い燃料消費及びより低い排出物質(emission)への継続的な努力は、エアチャージを増加させる第２の機器の使用をもたらしている。そのような機器は、中間冷却器(intercooler)、即ち、空気がエンジンシリンダに入る前にスーパーチャージャによって圧縮される空気を冷却するために使用されるデバイスとして一般に知られている。換言すれば、吸気温度の低下は、エンジンへのより高密度の吸気チャージを提供し、より多くの空気及び燃料がエンジンサイクル毎に燃焼されるのを可能にして、エンジンの出力を増加させる。

冷却を通じて吸気チャージ密度を増大させることにより容積効率を向上させるよう過給（スーパーチャージ）される内燃機関で使用される２つの種類の中間冷却器（インタークーラ）又は以後チャージエア冷却器(給気冷却器)(又はＣＡＣ)と呼ぶデバイスがある。第１の種類は、高温圧縮空気が外部周囲空気(outside ambient air)によって冷却される、空気対空気(air-to-air)熱交換デバイスである。周囲空気の使用は、単純なチャージエア冷却器構成をもたらすが、幾つかの欠点を有する。第１に、実際のエンジンチャージ(engine charge)は、周囲空気の温度に正比例する。即ち、外気温度が高ければ高いほどチャージはより小さく、逆もまた同様である。第２に、例えば、海上設備におけるエンジンの位置決めは、外気(outside air)をチャージエア冷却器に導くために相当な量の導管組織(ducting)を必要とする。上記欠点を回避するために、第２の種類のチャージエア冷却器は、特定の冷却液回路がチャージエア冷却器に関連して使用されるように構成される、空気対液体(air-to-liquid)熱交換デバイスである。冷却液回路は、シリンダへのエアチャージは、外部温度の関数として変化しないよう、冷却液の温度を周囲空気温度と無関係に実質的に一定に保つ手段を含む。それにより、エンジンの性能特性は、エンジンの地理的場所と無関係に同じである。エンジン冷却液をチャージエア用の冷却液として使用するのも通常の慣行である。それにより、チャージエア冷却構成は、１つの熱交換デバイス及び何らかの配管組織(piping)のみが適切に作動することを必要とする。何故ならば、エンジン冷却液用の冷却液回路は、１つ又はそれよりも多くの熱交換デバイス及びサーモスタットを既に含むからである。

しかしながら、温度が摂氏９０〜１００度（℃）のオーダであるエンジン冷却液を使用することによって、ジャージエア温度を低下させることはできないが、１００＋℃のレベルまで低下させることができることは明らかである。例えば、チャージエア圧力が４〜４．５バールであるならば、コンプレッサ後のチャージエアの温度は、約１７０〜１９０℃であり、それにより、温度は約６０〜７０℃だけ低下させられることがある。チャージエア温度を更に下げることができるよう、他の冷却液回路、いわゆる低温（ＬＴ）冷却液回路がしばしば設けられる。そのような場合、高温エンジン冷却液を利用する上記で議論した冷却液回路は、高温（ＨＴ）冷却液回路と呼ばれる。低温冷却液回路は、他の空気対液体熱交換装置を含み、他の空気対液体熱交換装置を用いて、チャージエアの温度は、好ましくは、可能な限り低い値、即ち、本質的には空気の湿度に依存する、その露点に近い値まで低下させられることがある。そのような低温への熱交換は、低温冷却液回路における特定の熱交換構成の使用を必要とし、その場合には、例えば、外気又は（海、湖又は川からの）水が冷却媒体として使用される。

チャージエア冷却器の熱交換面及びチャージエアの温度をチャージエアの露点よりも上に維持して、水がチャージエア冷却器の熱交換面上で凝縮するのを防止することを目標とすることが、従来技術においてよく知られている。チャージエア温度が露点より下に減少させられるならば、水がチャージエアから凝縮する。チャージエア冷却器の熱交換面上の凝縮液の生成の一例として、以下が提示されてよい。３５℃の周囲空気温度及び８０％の相対湿度で、空気中の含水量は、乾燥空気１ｋｇ当たり０．０２９ｋｇである。これらの条件下の空気マニホールド圧力（チャージエアレシーバ圧力）が２．５バール（＝絶対３．５バール）であるならば、露点は５５℃である。空気マニホールド内の空気温度が４５Cに過ぎないならば、空気は１ｋｇの乾燥空気当たり０．０１８ｋｇの水を含有し得るだけである。その差、即ち、０．０１１ｋｇ／ｋｇ（０．０２９〜０．０１８）が、凝縮水として現れる。

凝縮水は、チャージエアシステムと吸気弁の両方で腐食を引き起こしやすく、最悪の場合、エンジン損傷を引き起こす。凝縮の生成を防止することによって、即ち、チャージエアの圧力、湿度及び温度に追従させることによって、並びに、冷却液の温度及び／又は体積流量を、チャージエア冷却器の熱交換面が露点を上回る温度に留まって、結露が生じないようなレベルに制御することによって、水の凝縮と戦ってよい。しかしながら、何らかの理由で凝縮液が形成されるならば、凝縮液を冷却器から排出させる手段をチャージエア冷却器に設けることによって、凝縮液に関連する追加的な問題が回避されることがある。

例えば、米国特許出願公開第２０１４／２９０６３０号明細書は、コンプレッサバイパス弁の事象中にチャージエア冷却器から凝縮液を排出するために提供される方法及びシステムを議論している。一例では、エンジンコントローラが、潜在的なコンプレッサのサージ状態に応答して、チャージエア冷却器内に排出弁を開放することがある。排出弁を開放することは、コンプレッサバイパス弁の事象中のチャージエア冷却器内の凝縮液の量及びコンプレッサの出口での所要の圧力低下に更に基づくことがある。

独国特許出願公開第１０２０１３２０１５３２Ａ１号明細書は、以下のステップ、即ち、ガス状物質を冷却デバイス内に導入するステップであって、ガス状物質は、冷却デバイスの少なくとも上流で０％よりも大きい相対湿度を有する、ステップと、水沈殿物が形成されるよう、前記冷却デバイス内の物質を露点より下に冷却するステップと、物質及び沈殿物を内燃機関の燃焼室内に導入するステップと、燃焼室内で燃焼反応を行わせるステップと、燃焼室から残留物を排出するステップとを有する、内燃機関の燃焼室を洗浄する方法を議論している。

国際公開第２０１５／１３５６８５Ａ１号は、エンジンの空気入口と排気出口との間に配置可能な排気ガス再循環のためのシステム、好ましくは、２サイクルエンジンを議論している。システムは、排気出口と空気入口との間の第１の機能的ダクト内の第１のターボチャージャと、排気出口と空気入口との間の第２の機能的ダクト内の第２のターボチャージャとを含む。第１及び第２のターボチャージャは別個であり、平行に配置され、好ましくは、第１及び第２の機能的ダクトは別個であり、平行に配置される。システムは、排気出口と空気入口との間に配置される空気ダクト内に配置される排気ガス洗浄デバイスと、システムの機能的状態を制御する制御ユニットとを更に含む。空気ダクトは、第２の機能的ダクトと少なくとも部分的に平行に配置され、制御ユニットは、両方の入口弁が少なくとも部分的に開く位置を同時に取ることができるような方法において、排気ガス洗浄デバイスの上流で空気ダクト内に配置される第１の入口弁と第２のターボチャージャの上流に配置される第２の入口弁とを制御するように、構成される。

米国特許第５８０９９８１Ａ号明細書は、船舶の主エンジンのようなスーパーチャージャ付き内燃機関が、給気及び掃気をエンジンシリンダに送るコンプレッサと、コンプレッサからの空気を冷却する冷却器とを有することを議論している。冷却器は、好ましくは、空気中の水の加圧噴霧によって、掃気及び給気と冷却水との間に直接的な接触を構築するように設計される。冷却器は、多数の連続的な噴霧器区画を有し、空気から水の滴を分離する滴収集区画が、少なくとも２つの噴霧器区画の間に設けられることがある。供給ポンプが淡水を冷却器内の噴霧器区画に供給し、冷却器の滴収集区画のうちの少なくとも１つが淡水を貯留タンクに送り、貯留タンクは冷却器内の空気圧力と実質的に同じ圧力に加圧される。空気は複数の段階において冷却されることがあり、第１の段階における水の冷却及び給湿のために海水が使用されることがある。後続の段階において湿度飽和空気が噴霧化された淡水で冷却されるとき、冷却器は淡水の余剰を生成する。

欧州特許出願公開第２５７４７５３号明細書は、２段階チャージエンジンのための冷却システムを議論している。ある範囲の環境条件の下での吸気の柔軟な冷却のために、２段階ターボチャージャ付き内燃機関の冷却システムは、高温（ＨＴ）冷却回路と、低温（ＬＴ）冷却回路とを含むことがある。ＨＴ冷却回路は、ＨＴ冷却回路を通じて第１の冷却液をポンピングするための第１のポンプと、低圧段階ターボチャージャの第１のコンプレッサによって生成される事前圧縮された吸気を冷却するための事前圧縮吸気高温冷却器とを含むことがある。ＬＴ冷却回路は、ＬＴ冷却回路を通じて第２の冷却液をポンピングするための第２のポンプと、事前圧縮吸気を圧縮することによって高圧段階ターボチャージャの第２のコンプレッサによって生成される圧縮吸気を冷却するための圧縮吸気低温冷却器とを含むことがある。ＨＴ冷却回路は、圧縮吸気低温冷却器の上流に位置付けられる圧縮吸気高温冷却器を更に含むことがある。冷却システムは、異なる環境状況のために吸気の柔軟な冷却を提供することがある。

国際公開第２０１５／０７１７２３号は、コンプレッサと、冷却水回路と、中間冷却器と、ＥＧＲデバイスと、ＥＣＵとを含む、内燃機関のための制御デバイスを議論している。ＥＣＵは、（ａ）特定の外気状態において中間冷却器の冷却水の温度を標的温度に制御し、且つ（ｂ）ＥＧＲ速度のＥＧＲ速度マッピングに基づいてＥＧＲデバイスを制御するように構成され、外気温度及び外気湿度は、特定の温度及び特定の湿度であり、標的温度は、特定の外気状態において特定の性能を保証するために必要とされる中間冷却器の冷却水の温度である。ＥＧＲ速度マッピングは、中間冷却器に流入する冷却流入ガスの露点が標的温度を超えないよう、ＥＧＲ速度を設定する。

チャージエア冷却器の定期的な保守を必要とする問題は、熱交換面の熱交換能力が低下しないようチャージエア冷却器の熱交換面を清浄に維持することに関する。内燃機関の吸気は、コンプレッサの上流にある吸入空気フィルタにも拘わらず、小さな微粒子を常に含み、小さな微粒子はそれらが接触する全ての熱交換面に徐々に付着する傾向がある。小さな微粒子は、吸引フィルタを通過する細かい砂、埃、排ガス微粒子等であることがある。

この問題に対する先行技術の解決策は、熱交換面を手作業で清浄すること、超音波を使用すること、又は噴霧ノズルを配置することであり、洗浄液の噴流が噴霧ノズルを用いて熱交換面に対して多かれ少なかれ自動的に吹き付けられてよい。そのような洗浄方法は、エンジンの通常の保守に関連して或いはエンジンが低負荷で作動しているときに定期的に行われなければならない。

熱交換能力の減少は、実際には、冷却液の循環の増加及びチャージエア温度の幾分より困難な制御の必要性を意味する。

よって、本発明の目的は、内燃機関の運転中に冷却器の熱交換面を洗浄する方法を提供することによって、内燃機関のチャージエア冷却器の領域における技術水準を高めることである。

本発明の他のより詳細な目的は、チャージエア冷却器の熱交換面を自動的に清浄する方法を提示することである。

本発明の上記の目的及び他の目的は、ターボチャージャ付き内燃機関のチャージエア冷却器を洗浄する方法であって、
内燃機関は、
− 少なくとも１つのシリンダと、
− 少なくとも１つのシリンダヘッドと、
− 少なくとも１つのシリンダヘッドに関連して配置される排気マニホールドと、
− 少なくとも１つのシリンダヘッドに関連して配置されるチャージエアレシーバ（給気レシーバ）と、
− 排気ガスマニホールドに接続されるタービンとチャージエアレシーバに接続されるコンプレッサとを備える少なくとも１つのターボチャージャと、
− コンプレッサとチャージエアレシーバとの間に配置される高温（ＨＴ）チャージエア冷却器（高温（ＨＴ）給気冷却器）及び低温（ＬＴ）チャージエア冷却器（低温（ＬＴ）給気冷却器）であって、熱交換面を有するＨＴチャージエア冷却器及びＬＴチャージエア冷却器と、
− チャージエア（給気）の露点に関してチャージエアの温度を制御する制御ユニットであって、チャージエアの温度、圧力及び湿度に関する情報を受信する制御ユニットと、
ＬＴチャージエア冷却器の下流でＬＴチャージエア冷却液回路内に設けられる第１の三方弁とを含み、
− ＬＴチャージエア冷却器は、ＬＴ冷却液回路の一部であり、ＬＴ冷却液回路は、ＬＴチャージエア冷却器に加えて、少なくとも中央冷却器と、循環ポンプとを含み、
第１の三方弁は、制御ユニットから命令を受信して、循環ポンプから中央冷却器への冷却液の流れを直接的に又はＬＴチャージエア冷却器を介して制御し、
当該方法は、
− 第１の三方弁に定期的に命令を送信して、チャージエアの露点より下へのＬＴチャージエア冷却器の熱交換面の温度の減少をもたらすような量の冷却液を中央冷却器から循環ポンプを介してＬＴチャージエア冷却器に流させることによって、循環ポンプから中央冷却器への直接的な連通を絞ること、
− 水が熱交換面でチャージエアから凝縮するのを可能にすること、
− 凝縮水によって、ＬＴチャージエア冷却器の熱交換面から定期的に汚物をフラッシングする（流す）こと、及び
− 水が凝縮するのを可能にすることを含む、
方法によって達成される。

本発明の他の特徴的な構成は、付属の従属項及び本発明の好ましい実施形態の後続の記述から明白になる。

本発明を適用することによって、以下の利点、即ち、
− チャージエア冷却の熱交換面は、以前よりも清浄に維持され、それにより、チャージエア冷却器の動作（操作）の制御可能性が以前よりも正確になり、チャージエア冷却器を通じて冷却液をポンピングする必要が逓減される
のうちの少なくとも一部が得られる。

以下、添付の図面を参照して従来技術及び本発明をより詳細に議論する。
ターボチャージャコンプレッサとエンジンとの間に２つのチャージエア冷却器を有する従来技術のターボチャージャ付き内燃機関を概略的に例示している。２つのチャージエア冷却器を有するターボチャージャ付き内燃機関に関する冷却回路の第１の好ましい実施形態を概略的に例示している。２つのチャージエア冷却器を有するターボチャージャ付き内燃機関に関する冷却回路の第２の好ましい実施形態を概略的に例示している。本発明の第３の好ましい実施形態に従ったターボチャージャ付き内燃機関、即ち、２つのチャージエア冷却と、ターボチャージャコンプレッサとエンジンとの間のミストキャッチャとを有するエンジンを概略的に例示している。

図１は、少なくとも１つのシリンダと、少なくとも１つのシリンダヘッドとを備える、シリンダブロックを含み、シャフト１４と、タービン１６と、コンプレッサ１８とを備える、少なくとも１つのターボチャージャ１２を有する、従来技術の内燃機関１０（エンジン）と、コンプレッサ１８とエンジン１０との間の中間冷却器構成２０(intercooler arrangement)とを議論する。ターボチャージャ１２のタービン１６は、エンジン１０のシリンダヘッドで排気ガスマニホールド２２と連通し、コンプレッサ１８は、エンジン１０のシリンダヘッドにあるチャージエアレシーバ２４(給気レシーバ)(charge air receiver)と連通している。中間冷却器構成２０は、熱交換面を備える２つのチャージエア冷却器(給気冷却器)(charge air cooler)、即ち、高温（ＨＴ）熱交換面を備える高温（ＨＴ）チャージエア冷却器２６及び低温（ＬＴ）熱交換面を備える低温（ＬＴ）チャージエア冷却器２８を含み、チャージエア冷却器は、コンプレッサ１８から出るチャージエア(給気)(charge air)が最初にＨＴチャージエア冷却器２６に導入され、然る後、ＬＴチャージエア冷却器２８に導入されるように、配置されている。ＨＴチャージエア冷却器及びＬＴチャージエア冷却器は、それぞれ、ＨＴ冷却液回路３０及びＬＴ冷却液回路３２の部分である。

図２は、本発明の方法に適用されてよい内燃機関１０のそのような冷却液システムの第１の好ましい実施形態を概略的に例示している。冷却液システムは、図１に関連して議論したように、高温（ＨＴ）冷却液回路３０と、低温（ＬＴ）冷却液回路３２とを含む。ＨＴチャージエア冷却器２６の入口は、それがエンジン１０から冷却液を受け取るように、エンジン１０の冷却液チャネルと直列に接続される。

エンジン１０のＨＴ冷却液回路３０は、冷却液の温度に依存する可変数のコンポーネント（構成要素）を含む。その全ての可能な変形において、ＨＴ冷却液回路３０は、ＨＴ液体循環ポンプ３４’(HT-liquid circulation pump)及びそれと平行に配置される任意的なスタンドバイポンプ３４”(stand-by pump)と、エンジンの（複数の）シリンダブロック及びシリンダヘッド内の冷却チャネル３６(cooling channels)と、ＨＴチャージエア冷却器２６と、戻り流路(return flow passage)とを含む。循環ポンプ３４’は、電気的又は液圧的駆動されてよく、或いは、循環ポンプ３４’は、ビルトオンポンプ(built-on pump)であってよい、即ち、ギア、チェーン又はベルトを用いて、エンジンクランクシャフトに機械的に接続されてよい。任意的なスタンドバイポンプ３４”は、液圧式又は電気式に駆動される。ＨＴ冷却液回路３０は、幾つかの基本的な動作モード又は運転モードを有する。第１のものは、エンジン及び冷却液が暖機(warming up)している間に、ＨＴ液体循環ポンプ３４’又は任意的なスタンドバイポンプ３４”に加えて、ＨＴチャージエア冷却器２６及びエンジン１０の冷却液チャネル３６と、予熱ポンプ３８と、（蒸気又は電気で作動する）予熱器４０とを含む。エンジンがビルトオン循環ポンプを備え、エンジンを運転させずにエンジンを暖機する場合には、液体を循環させるために、スタンドバイポンプ３４”が使用される。冷却液を予加熱することによって冷却液及びエンジンの暖機を早めるために、この運転モード又はこの種の短いＨＴ冷却液回路３０が使用される。第２の運転モードにおいて、即ち、冷却液が所定の温度（約６０℃）に達する間に、三方弁４２が開き始め、エンジン１０及びＨＴチャージエア冷却器２６から集められる冷却液の一部が予熱器４０をバイパスして循環ポンプ３４’又はスタンドバイポンプ３４”まで流れ下るのを可能にする。第３の運転モードでは、冷却液がある所定の温度（例えば、約９１℃）、即ち、エンジン１０の運転温度に達する間に、三方弁４２は、エンジン１０及びＨＴチャージエア冷却器２６から２つの任意的な流路に向かって冷却液の流れを案内し始め、冷却液は、２つの任意的な流路で、冷却液から熱を回収する熱交換器４４を用いて、或いは、例えば、周囲空気、又は海、湖若しくは川からの水を用いて冷却液を冷却する中央冷却器４６(central cooler)を用いて、冷却される。熱交換器４４の後に、冷却液は、エンジン１０の冷却チャネル３６に戻されるよう冷却液の一部又は全部を循環ポンプ３４’に向かって案内することがあるバイパスダクト６６及び三方弁４８を用いて、中央冷却器４６をバイパスするように配置されてよい。中央冷却器４６は、三方弁５０の助けを借りて、冷却液を所望の温度（例えば、約３８℃）まで冷却するように構成される。三方弁５０は、どれぐらいの液体がどこから三方弁５０に進むのが可能にされるかを選択することによって、冷却液の温度を制御するために、使用される。よって、一方では、中央冷却器から収集され、他方では、バイパスダクト６６から収集される、冷却液の流れのバランスは、三方弁５０を用いて調節される。換言すれば、三方弁５０は、中央冷却器４６及びバイパスダクト６６の一方又は両方から冷却液を受け取ってよい。それにより、より多くの冷却液が中央冷却器４６から取られると、より冷たい冷却液が必要とされ、その逆も同様である。

ＬＴ冷却液回路３２は、この実施形態では、ＬＴチャージエア冷却器２８、ＬＴ再循環ポンプ５２’、及び任意的なＬＴスタンドバイポンプ５２”に加えて、三方弁５４、（任意的な）潤滑油冷却器５６、及び中央冷却器４６を含む。ギア油冷却器が同じ冷却液回路に配置されることもある。加えて、ＬＴ冷却液回路３２は、チャージエアレシーバ２４内のチャージエアの温度及び圧力を示す温度センサ（又は送信器）６０及び圧力センサ（又は送信器）６２に接続され、チャージエアの湿度を示すセンサ（又は送信器）６４に接続される、制御ユニット５８又はコンピュータを含む。制御ユニット５８は、スタンドアローン型の独立したデバイスであってよいが、それはエンジンの一般的な制御構成の一部を形成してもよい。

ＬＴ冷却液回路３２は、中央冷却器４６からの冷却液がＬＴ循環ポンプ５２’又はＬＴスタンドバイポンプ５２”によってＬＴチャージエア冷却器２８及び三方弁５４の両方にポンピングされるよう、通常に機能する。三方弁５４は、その制御信号又は命令を制御ユニット５８から受信し、制御ユニット５８は、チャージエア温度をチャージエアの露点よりも上の所望の温度に維持するために、ＬＴチャージエア冷却器２８を通じるＬＴ冷却液の流れを制御する。換言すれば、（例えば、水の凝縮を避けるために）チャージエア温度が上げられるべきであるならば、幾らかのより多くの冷却液が、三方弁５４を介して、ＬＴチャージエア冷却器をバイパスして（即ち、循環ポンプ５２’又はスタンドバイポンプ５２”から三方弁５４に直接的に流れて）、中央冷却器４６に戻ることが可能にされる。反対の場合、即ち、チャージエア温度が下げられるべきとき、三方弁５４は、より多くの冷却液がＬＴチャージエア冷却器２８を通じて流れることを可能にする。よって、チャージエア温度は、ＬＴ冷却液の一部を低負荷でバイパスさせることによって制御される。よって、制御ユニット５８は、それがチャージエアの圧力、温度、及び湿度センサ／送信器から受信する情報に基づいて、ＬＴチャージエア冷却器２８の出口側に設けられる三方弁５４に命令を送信する。この構成を用いるならば、エンジン負荷又はＬＴ液温度の変動と無関係に、チャージエア温度を所望の一定のレベルに維持することができ、よって、制御ユニットに設けられる安全性又はセキュリティ限界に依存して）凝縮水の量を最小限に抑えることができ、例えば、熱帯状態において、凝縮水の形成を完全に防止することができる。

原理的には、全ての上記で議論した計装、制御及び回路構成は、従来技術から知られている。チャージエア温度を制御する最先端の方法は、チャージエア温度並びにＬＴチャージエア冷却器の熱交換面の温度が露点の直ぐ上に維持されることがあるよう給気湿度を考慮に入れることも知られており、十分に文書化されている。換言すれば、最新技術の制御システムは、一方では、最大エンジン効率のためにチャージエア温度を可能な限り低く維持することを目標として、他方では、ＬＴチャージエア冷却器の熱交換面の温度を、水がチャージエア冷却器の熱交換器上のチャージエアから凝縮するのを防止するのに十分な高いレベルに維持することを目標とする。

しかしながら、チャージエア冷却器の熱交換面の汚れ(fouling)は、熱交換能力の低下、ＬＴ冷却液のポンピングの必要性の増大、又は（他の保守の必要性と比較した）保守の必要性の増加として示される、明らかな問題であるので、エンジンの通常の使用中にチャージエア冷却器の熱交換面を清浄に維持する方法が探求されている。本発明において考慮される熱交換面を洗浄する(cleaning)或いはフラッシングする(流す)(flushing)新しい方法は、凝縮液を洗浄媒体として使用することである。しかしながら、それはチャージエア又はチャージエア冷却器の熱交換面の温度が継続的に露点より下に維持されることを決して意味せず、定期的にのみ維持されることを意味する。広範囲に亘る試験は、チャージエア冷却器の熱交換面が大部分の時間に亘って乾燥した状態に維持され、特定の間隔で濡れることが可能にされるならば、腐食のリスクが大幅に低減されることを示した。

本発明の基本的な考えは、汚物が凝縮水と一緒にチャージエア冷却器から排出されるよう、水膜が熱交換面に沿って流れ落ち、熱交換面に付着した汚物微粒子をフラッシングするような程度まで、水がＬＴチャージエア冷却器の熱交換面で凝縮するのを可能にすることである。この種の機能は、露点が支配的なチャージエア温度又はチャージエア冷却器の熱交換面の支配的な温度より上に引き上げ、熱交換面への汚物微粒子の付着を促進させるだけの、湿らされるだけのチャージエア冷却器の熱交換面をもたらすような、通常は、例えば、チャージエアの湿度が予想外に変化するときに生じる、チャージエア冷却器の熱交換面での水の偶発的な凝縮とは違う。換言すれば、本発明の第１の好ましい実施形態に従った凝縮は、水が熱交換面上で凝縮するのを可能にするためにＬＴチャージエア冷却器の熱交換面の温度がチャージエアの露点より下に少なくとも数度だけ一時的に下げられるよう、中央冷却器４６及び循環ポンプ５２’からの冷却液の流れがＬＴチャージエア冷却器２８を通過させられるように、三方弁５４に定期的に命令を送信して循環ポンプから中央冷却器４６への直接的な連通を絞る(throttle)ように構成される制御ユニット５８によって制御される。本来的には、熱交換面の温度と露点との間の差が大きければ大きいほど、湿った空気流からの水の凝縮はより効率的である。本発明の更に好ましい実施形態によれば、制御ユニット５８は、全てのＬＴ冷却媒体がＬＴチャージエア冷却器２８を介して流れ、それにより、ＬＴチャージエア冷却器内の凝縮がその最大であるように、三方弁５４に命令を送信して三方弁５４を開く。

図３は、本発明の方法に適用されてよい内燃機関１０の冷却液システムの第２の好ましい実施形態を概略的に例示している。殆どの部分について、冷却回路３０及び３２は、図２に関連して議論した第１の実施形態と類似する。ここでの唯一の例外は、制御ユニット５８が、（必要とされないような）ＬＴチャージエア冷却器２８の後で三方弁に制御命令を送信しないことであり、本発明の第２の好ましい実施形態によれば、中央冷却器４６の下流にある三方弁５０に或いは循環ポンプ５２’，５２”に定期的に命令を送信するように構成される。換言すれば、制御ユニットは、以前とちょうど同じように、チャージエアの温度（センサ／送信器６０）、圧力（センサ／送信器６２）、及び湿度（センサ／送信器６４）に従うが、ここでは、中央冷却器４６から循環ポンプ５２’を介してＬＴチャージエア冷却器２８に流れる冷却液の温度又は体積流量(volume flow)を調節することによって、ＬＴチャージエア冷却器２９の動作を制御する。

冷却液の温度制御は、単独で又は組み合わせて、少なくとも３つの異なる方法において行われてよい。簡単な方法は、三方弁５０の設定をチャージエア温度の関数として変化させることによって、チャージエアの温度を所望のものに維持することである。換言すれば、チャージエア温度が下げられなければならないならば、制御ユニット５８は、三方弁５０に命令を送信して、中央冷却器バイパスダクト６６を介して流量を絞り(throttle)、中央冷却器４６からより冷却された液体が循環ポンプ５２’に至るダクト６８に入るのを可能にする。反対の場合には、三方弁５０は、流れのバランスを逆方向の変更するよう命令される、即ち、中央冷却器４６からの冷却液の流れを減少させ、バイパスダクト６６からの流れを増加させるように命令される。この実施形態を本発明のフラッシング段階に適用するとき、制御ユニットは、三方弁５０に命令して、中央冷却器４６からダクト６８への直接的な連通を開放させてよい、即ち、如何なる冷却液もダクト６６を介して中央冷却器４６をバイパスするのを防止してよい。それにより、冷却液は、中央冷却器４６を用いて冷たくなることがある程に冷たい。

冷却液の温度を制御する他の僅かにより複雑な方法は、三方弁５０の下流にある冷却液の温度を測定するセンサ／送信器７０を使用することである。温度センサ／送信器７０は、この実施形態を本発明の洗浄段階に適用するときに使用されてもよい。制御ユニット５８は、７０で冷却液温度に従っているときに、温度が効率的なフラッシング(flushing)のために十分に低くない状況を認識するようにプログラムされてよい。そのような場合、制御ユニットは、中央冷却器４６に命令を送信して、（主熱交換器と平行に図３に示す）他の熱交換器を使用させてよく、それにより、中央冷却器４６から出る冷却液の温度が依然として低下させられてよい。

冷却液の温度を制御する第３の方法は、チャージエアの温度を測定するセンサ／送信器６０を使用することである。この実施形態を本発明のフラッシング段階に適用するときに温度センサ／送信器６０が使用されてもよい。制御ユニット５８は、６０でチャージエアに従っているときに、温度が効率的なフラッシングのために十分に低くない状況を認識するようにプログラムされてよい。そのような場合、制御ユニット５８は、循環ポンプ５２’，５２”に命令を送信して、中央冷却器４６からＬＴ冷却器２８への冷却液の体積流量を増加させてよい。

図４は、本発明の第３の好ましい実施形態に従ったターボチャージャ付き内燃機関(turbocharged internal combustion engine)、即ち、エンジン１０のチャージエアレシーバ２４とターボチャージャコンプレッサ１８との間にミストキャッチャ７２(mist catcher)と２つのチャージエア冷却器２６，２８とを有するエンジン１０を概略的に例示している。換言すれば、本発明の内燃機関１０は、ミストキャッチャ、即ち、ＨＴチャージエア冷却器２８とチャージエアレシーバ２４との間の液滴セパレータ７２を備える。ミストキャッチャ７２の目的は、液滴がチャージエアと共にエンジン１０に運ばれないよう、ＬＴチャージエア冷却器３２の洗浄ステップ後の全ての水滴を捕捉することである。凝縮水は、ミストキャッチャ７２から排出弁７４を介して自動的に排出される。凝縮水の排出は、幾つかの例示的なオプションを挙げるだけでも、ミストキャッチャのタンク内の水位に基づいてよく、或いは各洗浄段階後に、２回の洗浄段階につき１回又は３回の洗浄段階につき１回、行われてよい。

船舶内の船舶用エンジン及び陸上発電用エンジンの両方を含む様々な環境で行った実験は、２００〜５００時間の運転について２〜２０分、好ましくは５〜１０分の期間に亘る凝縮水でのフラッシングが、チャージエア冷却器の熱交換能力を許容できる良好なレベルに維持するのに十分であることを示した。換言すれば、殆どの時間に亘って、制御ユニット５８は、チャージエアの露点に従い、チャージエア温度及びチャージエア冷却器の熱交換面の温度を露点よりわずかに高く維持し、ほんの僅かの時間に亘ってチャージエア温度及びチャージエア冷却器の熱交換面の温度を露点より下に誘導する。好ましくは、重い凝縮段階が、好ましくは、高いエンジン負荷で行われるが、それは必ずしも必要ではない。何故ならば、そのような状況において、湿った空気の体積流量及び速度はより高く、より多くの水が空気から凝縮され、その結果、ＬＴチャージエア冷却器表面のより効率的なフラッシング及びＬＴチャージエア冷却器からミストキャッチャへの凝縮水のより効率的な除去がもたらされるからである。

単一の直列エンジンを議論する上記の例示的な実施形態について、本発明は、本来的に、直列エンジン及びＶ型エンジンの両方の幾つかのエンジンに適用されてよい。例えば、ＨＴ冷却回路及びＬＴ冷却回路の両方は、全てのエンジンに共通の熱回収又は中央冷却器を利用するように構成されてよい。換言すれば、全てのエンジンについての冷却液は、中央冷却器から取り出され、並列に配置されるエンジンに分割される。同じことは熱回収にも当て嵌まる。即ち、熱回収からの冷却液は、熱交換器から取り出され、並列に配置されるエンジンに分割される。

上記に鑑みて、冷却液システムは、多数の他の弁を含み、それらの一部のみが添付の図面に示されていることも理解されるべきである。同様に、冷却液システムは、本発明の作用に影響を及ぼすことがある或いは及ぼすことがない他の機器を含んでよい。しかしながら、図面は、本発明が使用される環境の説明的な例示として理解されなければならない。本発明の記述は、本発明を機能させるために必要とされる冷却液システムのそのような要素に焦点を置いている。

Claims

ターボチャージャ付き内燃機関のチャージエア冷却器を洗浄する方法であって、
前記内燃機関は、
− 少なくとも１つのシリンダを備えるシリンダブロックと、
− 少なくとも１つのシリンダヘッドと、
− 該少なくとも１つのシリンダヘッドに関連して配置される排気マニホールドと、
− 前記少なくとも１つのシリンダヘッドに関連して配置されるチャージエアレシーバと、
− 前記排気マニホールドに接続されるタービンと前記チャージエアレシーバに接続されるコンプレッサとを備える少なくとも１つのターボチャージャと、
− 前記コンプレッサと前記チャージエアレシーバとの間に配置される高温（ＨＴ）チャージエア冷却器及び低温（ＬＴ）チャージエア冷却器であって、熱交換面を有するＨＴチャージエア冷却器及びＬＴチャージエア冷却器と、
− チャージエアの露点に関して前記チャージエアの温度を制御する制御ユニットであって、前記チャージエアの温度、圧力及び湿度に関する情報を受信する制御ユニットと、
前記ＬＴチャージエア冷却器の下流で前記ＬＴチャージエア冷却液回路内に設けられる第１の三方弁とを含み、
− 前記ＬＴチャージエア冷却器は、ＬＴ冷却液回路の一部であり、該ＬＴ冷却液回路は、前記ＬＴチャージエア冷却器に加えて、少なくとも中央冷却器と、循環ポンプとを含み、
前記第１の三方弁は、前記制御ユニットから命令を受信して、前記循環ポンプから前記中央冷却器への冷却液の流れを直接的に又は前記ＬＴチャージエア冷却器を介して制御し、
当該方法は、
− 前記第１の三方弁に定期的に命令を送信して、前記チャージエアの前記露点より下への前記ＬＴチャージエア冷却器の前記熱交換面の温度の減少をもたらすような量の冷却液を前記中央冷却器から前記循環ポンプを介して前記ＬＴチャージエア冷却器に流させることによって、前記循環ポンプから前記中央冷却器への直接的な連通を絞ること、
− 水が前記熱交換面で前記チャージエアから凝縮するのを可能にすること、
− 凝縮水によって、前記ＬＴチャージエア冷却器の前記熱交換面から汚物を定期的にフラッシングすること、及び
− 前記ＬＴチャージエア冷却器から凝縮水を排出することを含む、
方法。
前記第１の三方弁を用いて、前記中央冷却器及び前記循環ポンプからの前記冷却液の流れを前記ＬＴチャージエア冷却器に通させることによって、前記循環ポンプから前記中央冷却器への直接的な連通を閉塞することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
前記中央冷却器の下流に配置される第２の三方弁を備える前記ＬＴチャージエア冷却器を提供すること、及び前記第２の三方弁に前記制御ユニットからの命令を提供して、前記中央冷却器から前記循環ポンプを介して前記ＬＴチャージエア冷却器まで冷却液の温度を制御することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
前記第２の三方弁を用いて、前記中央冷却器及び前記バイパスダクトからの冷却液の流れのバランスを調節することによって、前記冷却液の温度を制御することを特徴とする、請求項３に記載の方法。
前記循環ポンプに前記制御ユニットからの命令を提供して、前記チャージエアの温度に関する体積流量を調節することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
水滴が前記少なくとも１つのシリンダに入るのを防止するために、前記ＬＴチャージエア冷却器と前記チャージエアレシーバとの間にミストキャッチャを設けることを特徴とする、請求項１乃至５のうちのいずれか１項に記載の方法。
２００〜５００時間の作動毎に前記ＬＴチャージエアレシーバの前記熱交換面のフラッシングを行うことを特徴とする、請求項１乃至６のうちのいずれか１項に記載の方法。
ターボチャージャ付き内燃機関であって、
− 少なくとも１つのシリンダを備えるシリンダブロックと、
− 少なくとも１つのシリンダヘッドと、
− 該少なくとも１つのシリンダヘッドに関連して配置される排気マニホールドと、
− 前記少なくとも１つのシリンダヘッドに関連して配置されるチャージエアレシーバと、
− 前記排気マニホールドに接続されるタービンと前記チャージエアレシーバに接続されるコンプレッサとを備える少なくとも１つのターボチャージャと、
− 前記コンプレッサと前記チャージエアレシーバとの間に配置される高温（ＨＴ）チャージエア冷却器及び低温（ＬＴ）チャージエア冷却器であって、熱交換面を有するＨＴチャージエア冷却器及びＬＴチャージエア冷却器と、
− チャージエアの露点に関して前記チャージエアの温度を制御する制御ユニットであって、前記チャージエアの温度、圧力及び湿度に関する情報を受信する制御ユニットと、
前記ＬＴチャージエア冷却器の下流で前記ＬＴチャージエア冷却液回路内に設けられる第１の三方弁とを含み、
− 前記ＬＴチャージエア冷却器は、ＬＴ冷却液回路の一部であり、該ＬＴ冷却液回路は、前記ＬＴチャージエア冷却器に加えて、少なくとも中央冷却器と、循環ポンプとを含み、
前記第１の三方弁は、前記制御ユニットから命令を受信して、前記循環ポンプから前記中央冷却器への冷却液の流れを直接的に又は前記ＬＴチャージエア冷却器を介して制御し、
前記制御ユニットは、所定の時間期間に亘って、水が前記熱交換面で凝縮するのを可能にするよう、前記ＬＴチャージエア冷却器の前記熱交換面の温度を前記チャージエアの前記露点よりも下に減少させるために、前記制御ユニットから命令を受信し且つ実行するように構成される第１の三方弁に、定期的に命令を送信するように構成され、
前記第１の三方弁は、前記ＬＴチャージエア冷却器の下流に配置され、前記制御ユニットから命令を受信して前記循環ポンプから前記中央冷却器への冷却液の流れを直接的に又は前記ＬＴチャージエア冷却器を介して制御することを特徴とする、
ターボチャージャ付き内燃機関。
前記中央冷却器の下流に配置され、前記制御ユニットから命令を受信して前記中央冷却器から前記循環ポンプを介して前記ＬＴチャージエア冷却器への冷却液の流れを制御する、第２の三方弁を備えることを特徴とする、請求項８に記載のターボチャージャ付き内燃機関。
前記循環ポンプは、前記制御ユニットから命令を受信して、前記ＬＴチャージエア冷却器への冷却液の体積流量を制御することを特徴とする、請求項８に記載のターボチャージャ付き内燃機関。
前記ＬＴチャージエア冷却器と前記チャージエアレシーバとの間のミストキャッチャを備えることを特徴とする、請求項８乃至１０のうちのいずれか１項に記載のターボチャージャ付き内燃機関。