JP6641941B2 - 内燃機関の吸気冷却装置 - Google Patents
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Description
過給された空気は温度上昇により、空気密度が低くなっているため、コンプレッサの吸気通路下流側に、インタークーラを配置して、吸気を冷却して空気密度を高くすることにより、内燃機関の出力を向上させている。
液状になった凝縮水はインタークーラの重力方向の低い部分に溜まる。溜まった凝縮水は、吸気通路断面積を小さくして、内燃機関の出力低下又は、エンジンストップ、排ガス中に含まれている酸性物質による吸気管の腐食等を起こす。更には、寒冷地において、凝縮水が溜まった状態で運転終了後、翌朝、凝縮水が凍結して、吸気管閉塞状態が生じる等の場合がある。
特許文献1によると、高温の冷却水が流通する高温系冷却水通路と、低温の冷却水が流通する冷却水通路と、を備え、低温系冷却水通路はインタークーラを通って循環する冷却水通路を形成し、高温系冷却水通路は内燃機関の本体部を通って循環する冷却水通路を形成しており、高温系冷却水通路と低温系冷却水通路とを連通する2つの連通路の夫々に制御弁を設けて、インタークーラから流出するガスの温度が露点温度よりも高くなるように、連通路の夫々の制御弁を制御することが示されている。
また、特許文献1には、インタークーラが設置される吸気通路を流れる吸気流の方向に対するインタークーラの熱交換部の配置関係や、吸気流の方向に対する熱交換部への冷却水の水流の向きまでを特定した技術は開示されていない。
従って、吸気流れの方向に対してインタークーラの熱交換部に冷却水を流す向きを変えることで、冷却効率を変化させることが可能である。
なお、水冷式インタークーラの熱交換部を通過する吸気の吸気温度が吸気に含まれる水分の凝縮温度以下ではない場合には、冷却効率が高くなるように、冷却水は下流側熱交換部に流入して上流側熱交換部から流出されるように第1冷却水流回路によって流れる。この第1冷却水流回路による流れの場合には、吸気流の方向と冷却水流の方向が逆方向になり、所謂向流方式の冷却となる。
このため、並流方式に切換えることで、向流方式において生成していた凝縮水を簡単な構成によって解消することが可能になる。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一つの構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
ターボチャージャ9を駆動した排ガスは、排気管11に介装され排ガスを浄化する排ガス浄化装置13を通って排出される。
燃料噴射弁33が燃焼室7内に燃料を噴射可能に設置されている。ピストン29が圧縮上死点近傍に達した時に、燃料は、燃料噴射弁33から噴射され、燃焼室7内に流入して圧縮された吸気の圧縮熱により着火して燃焼する。
高圧側EGRバルブ37、及び第1スロットルバルブ39の開閉制御はエンジン制御ECUによって行われる。
高圧ループEGR装置23は、エンジン1の低負荷時に燃焼室7に導入されるEGRガスの必要量を確保して、酸素量を減少させることにより燃焼室7内での燃焼温度を下げることにより、NOx発生を抑えるものである。
高圧側EGRクーラ35は排ガスを冷却することにより、燃焼室7に導入される排ガスの密度を高くするためである。
低圧側EGRバルブ43、及び第2スロットルバルブ45の開閉制御はエンジン制御ECUによって行われる。
エンジン1の高回転、高負荷時は、第1吸気管17の空気圧力が高くなり、第1吸気管17内へEGRガスの導入が不十分になる。
低圧ループEGR装置25は、エンジン1の高負荷、高回転時にターボチャージャ9のコンプレッサ上流側にEGRガスを混入させることにより、燃焼室7に導入されるEGRガスの量を確保する。
低圧側EGRクーラ41は排ガスを冷却することにより、燃焼室7に導入される排ガスの密度を高くするためである。
このインタークーラ15は、インタークーラ本体部51の壁面には、熱交換部53への冷却水の流入と流出を行う第1冷却水管55、第2冷却水管57が、それぞれ接続される第1配管接続口55a、第2配管接続口57aが設けられる。
この第1配管接続口55aは、吸気流Aに対して下流側に位置し、第2配管接続口57aは、吸気流Aに対して上流側に位置して設けられている。また、第1冷却水管55は、第1配管接続口55aとラジエータ59とを連結し、第2冷却水管57は、第2配管接続口57aとラジエータ59とを連結している。
そして、第1冷却水管55には循環ポンプ61が設置され、循環ポンプ61の作動によって、インタークーラ15の熱交換部53を通過して吸気を冷却した後の冷却水をラジエータ59に戻して循環させることで、空気(大気)との熱交換によって冷却して再び熱交換部53に供給するように冷却水回路63が形成されている。
下流側熱交換部53bに流入して上流側熱交換部53aから流出する方向に冷却水を流す第1冷却水流回路63aを形成するともに、上流側熱交換部53aに流入して下流側熱交換部53bから流出する方向に冷却水を流す第2冷却水流回路63bを形成する。
冷却水流切換部を循環ポンプ61によって構成するため、配管が簡素化されて装置の大型化が抑えられている。
制御装置71には、図示しない信号入力部、信号出力部、記憶部、演算部等が設けられ、信号入力部には、インタークーラ15の熱交換部53を通過した後の吸気温度を検出する吸気温度センサ73からの信号が入力される。
信号出力部からは、冷却水流切換部である循環ポンプ61に回転方向の制御信号を出力するようになっている。また、回転方向の制御信号だけではなく、回転数を制御して冷却水の流量調整も制御するようになっている。
なお、吸気温度が吸気に含まれる水分の凝縮温度以下に低下しない場合には、冷却効率が高くなるように、冷却水は下流側熱交換部53bに流入して上流側熱交換部53aから流出されるように第1冷却水流回路63aによって流れる。この第1冷却水流回路63aによる流れの場合には、吸気流の方向と冷却水流の方向が逆方向になり、所謂、向流方式の冷却となる。
並流方式に切換えることで、向流方式において生成していた凝縮水を簡単な構成によって解消することが可能になる。
制御装置71からの切換え信号によって、切換弁77が循環ポンプ61からの冷却水を、第1冷却水管55側に流す場合には、第1冷却水流回路63aの流れが形成され、切換弁77が循環ポンプ61からの冷却水を第2冷却水管57側に流す場合には、第2冷却水流回路63bの流れが形成される。
図1、図2の実施形態においては、インタークーラ15はターボチャージャ9のコンプレッサの下流側であって、第1スロットルバルブ39の上流側の第1吸気管17に配置されているが、本実施形態では、インタークーラ81の熱交換部53を、吸気マニホールド83(18)内に収容する。その他の構成は、図1、2の実施形態の構成と同様である。
図4において、インタークーラ15における冷却水の流れ方向、及び熱交換部53の概要を示す。なお、図4は、図1、2のX方向の平面視模式図である。熱交換部53は第1吸気管17内に収容されて設置された状態を示している。既に説明したように、熱交換部53は、吸気流Aに対して上流側に設置される上流側熱交換部53aと、上流側熱交換部53aの下流側に設置される下流側熱交換部53bとによって構成されている。
冷却水層93は、カッププレート95から構成され、上カッププレート95aと下カッププレート95bが重ねられて、その間に冷却水が流れる冷却水通路が形成される。カッププレート95は平面視形状が長方形をしており、長手方向の一端側の短辺に沿って第1開口97と第2開口99とが形成されている。上カッププレート95aと下カッププレート95bとの間の内部には、長手方向に沿って延びて断面が波板状のインナーフィン101を備えて冷却水通路を形成するとともに、短手方向の中央部を長手方向に沿って延びる仕切部103が設けられている。仕切部103によって、冷却水通路は略U字形状に形成されている。
その結果、冷却水の流れ方向の切換えに対して、向流及び並流の切換えが可能な熱交換部53を第1吸気管17内にコンパクトに収容することができる。
図6において、まず、ステップS1において、インタークーラ出口吸気温度を吸気温度センサ73によって計測し、ステップS2において、出口吸気温度が、吸気中の水分凝縮温度以下か否かを判定する。
水分凝縮温度は、例えば、エンジン1の燃焼室7に導入する第1吸気管17内の圧力によって変化するため、エンジン回転数とエンジン負荷とに基づいて過給圧力を予めマップデータとしておき、運転状態に応じた過給圧力と吸気温度センサ73からの計測値に基づいて水分凝縮温度を算出し、または予め設定されたマップデータから求めて水分凝縮温度を算出する。
そして、次に、ステップS5に進んで、インタークーラ出口吸気温度が目標吸気温度になるように、循環ポンプ61の回転数を制御して、冷却水回路63を循環する冷却水の流量を調整する。この目標吸気温度は、例えば、エンジン1の運転状態であるエンジン回転数とエンジン負荷とを基に予め設定された目標とする吸気温度である。
水分凝縮温度以下の場合には、第2冷却水流回路63bに切換えられ、向流方式の冷却から並流方式に切換えることで、熱交換部53全体としての冷却効率は下がり、吸気の温度低下は抑えられて、凝縮水の発生が抑えられる。
並流方式に切換えることで、向流方式において生成しやすい凝縮水を簡単な構成によって抑制することが可能になる。
そして、次に、ステップS5に進んで、目標吸気温度になるように、循環ポンプ61の回転数を制御して、冷却水回路63内を循環する冷却水の流量を調整する。
3 吸気冷却装置
5 排気マニホールド
9 ターボチャージャ
15 水冷式インタークーラ
17 第1吸気管(吸気通路)
18 吸気マニホールド(吸気通路)
21 第2吸気管(吸気通路)
53 熱交換部
53a 上流側熱交換部
53b 下流側熱交換部
55 第1冷却水管
57 第2冷却水管
59 ラジエータ
61 循環ポンプ(冷却水流切換部)
63 冷却水回路
63a 第1冷却水流回路
63b 第2冷却水流回路
71 制御装置(制御部)
73 吸気温度センサ
77 切換弁(冷却水流切換部)
91 空気層
93 冷却水層
103 仕切部
Claims (5)
- 内燃機関の吸気通路に設置され、吸気を冷却する水冷式インタークーラと、
循環ポンプによって圧送された冷却水が前記水冷式インタークーラとラジエータとを循環するように形成された冷却水回路と、
前記吸気通路に設置される前記水冷式インタークーラの熱交換部を構成し、吸気流に対して上流側に設置される上流側熱交換部と、該上流側熱交換部の下流側に設置される下流側熱交換部と、
前記下流側熱交換部に流入して前記上流側熱交換部から流出する方向に前記冷却水を流す第1冷却水流回路と、
前記上流側熱交換部に流入して前記下流側熱交換部から流出する方向に前記冷却水を流す第2冷却水流回路と、
前記第1冷却水流回路の流れと前記第2冷却水流回路の流れとを切換える冷却水流切換部と、
前記冷却水流切換部による冷却水流方向の切換えを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記水冷式インタークーラの熱交換部を通過する吸気の吸気温度が吸気に含まれる水分の凝縮温度以下の場合には、冷却水流切換部によって前記第2冷却水流回路の流れに切換えることを特徴とする内燃機関の吸気冷却装置。 - 前記制御部は、前記水冷式インタークーラの出口吸気温度を検出する吸気温度センサを設け、該吸気温度センサからの信号に基づいて前記第2冷却水流回路の流れに切換えることを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の吸気冷却装置。
- 前記冷却水流切換部は、前記循環ポンプの回転方向を正転と逆転とに切換えて前記冷却水の流れ方向を切換えることを特徴とする請求項1又は2に記載の内燃機関の吸気冷却装置。
- 前記冷却水流切換部は、前記冷却水回路に設けられた切換弁によって前記冷却水の流れ方向を切換えることを特徴する請求項1又は2に記載の内燃機関の吸気冷却装置。
- 前記水冷式インタークーラの熱交換部は吸気マニホールド内に設置されることを特徴とする請求項1から4の何れか一項に記載の内燃機関の吸気冷却装置。
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