JP7316158B2 - 吸気システム - Google Patents

Description

本開示は、吸気システムに関する。

内燃機関に供給される空気は、温度が低いほど充填効率が高まり、発生トルクが増加することが知られている。例えば下記特許文献１には、空気吸入口からエアクリーナに至る吸気ダクトを覆い管によって覆い、これによって形成された断熱空間に断熱用空気を供給する内燃機関用吸気装置が開示されている。この内燃機関用吸気装置では、吸気ダクトとエンジンルームとの間が断熱されることにより、吸気ダクト内の空気の温度上昇が抑制される。

特開２００６－１６０１４２号公報

吸気ダクト内の空気は、エアクリーナと熱交換して内燃機関に供給されるため、特許文献１に開示される構成では、暖機時には暖められ冷機時には冷やされてしまい、好適な温度の空気を内燃機関に供給できない場合がある。また、吸気温度は低すぎても燃費が悪化することが知られているが、特許文献１では、外気を断熱材として吸気温度の上昇を抑制するものであるため、冷機時に吸気温度を上昇させることができない。

本開示は、吸入空気を好適な温度に調整して内燃機関に供給することが可能な吸気システムを提供することを目的とする。

本開示に係る吸気装置は、吸気口（２６）から供給された吸入空気を内燃機関（１０）に導く吸気経路（２１）と、吸気経路（２１）における吸気口（２６）と内燃機関（１０）との間に設けられ、吸入空気を浄化するエアクリーナ（２３）と、エアクリーナ（２３）から内燃機関（１０）に至る領域において、吸気経路（２１）の外側に設けられ、吸入空気と熱交換するための熱交換空気が流れる外側経路（２２）と、を備える。

本開示では、エアクリーナから内燃機関に至る領域の吸気経路の外側に外側経路が設けられているので、吸入空気の温度を好適な状態にして供給する対象となる内燃機関に近い領域において、吸入空気と熱交換空気とで熱交換をすることができ、吸入空気の温度を好適な温度に上昇又は下降させて内燃機関に供給することができる。

本開示によれば、吸入空気を好適な温度に調整して内燃機関に供給することが可能な
吸気システムを提供することができる。

図１は、本開示の第１実施形態に係る吸気システムが備えられた車両の構成を示す図である。 図２は、図１に示される吸気装置における空気の流れを示す図である。 図３は、図１に示される制御装置の機能ブロックを示す図である。 図４は、本開示の第２実施形態に係る吸気システムが備えられた車両の構成を示す図である。 図５は、図４に示される制御装置の機能ブロックを示す図である。

以下、添付図面を参照しながら本実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

図１を参照しながら、本開示の第１実施形態に係る吸気システムについて説明する。吸気システム１００は、車両に取り付けられ、内燃機関に吸入空気を供給する。

車両は、内燃機関１０と、吸気装置２０と、排気装置３０と、冷却装置４０と、制御装置５０と、を備えている。

内燃機関１０は、吸気装置２０から供給される空気と燃料装置（不図示）から供給される液体燃料とを混合して混合気を生成し、混合気を燃焼させることでピストンを駆動する。内燃機関には既知の構造を適用可能であるので、図示を省略する。

吸気装置２０は、内燃機関１０に燃焼用の空気を供給するための装置である。吸気装置２０は、吸気経路２１と、外側経路２２と、エアクリーナ２３と、スロットルバルブ２４と、温度センサ２５と、を備える。

吸気経路２１は、上流側端部に吸気口２６が設けられ、下流側端部に内燃機関１０が接続されている。吸気経路２１は、吸気口２６から供給された吸入空気を内燃機関１０へと導く配管である。

外側経路２２は、吸気経路２１の外側に設けられ、吸気経路２１を流れる吸入空気と熱交換するための熱交換空気が流れる。外側経路２２は、吸気経路２１との隔壁を共有するように、吸気経路２１を構成する配管の全周を覆っている。本実施形態において、この吸気経路２１と外側経路２２との二重管領域は、吸気経路２１の吸気口２６から内燃機関１０に至るまで続いている。

外側経路２２には、外気導出入口２７ａ，２７ｂ及び内気導出入口２８ａ～２８ｃが設けられている。外気導出入口２７ａ，２７ｂは、外側経路２２に外気を導入するとともに、外側経路２２内の空気を外気に向けて放出することが可能な吸排気口である。内気導出入口２８ａ～２８ｃは、外側経路２２にエンジンルーム内の空気を導入するとともに、外側経路２２内の空気をエンジンルームに向けて放出することが可能な吸排気口である。吸気口２６からエアクリーナ２３までの領域において、外側経路２２の上流側端部に外気導出入口２７ａが設けられ、下流側端部に内気導出入口２８ａが設けられている。エアクリーナ２３からスロットルバルブ２４までの領域において、外側経路２２の上流側端部に外気導出入口２７ｂが設けられ、下流側端部に内気導出入口２８ｂが設けられている。２つの内気導出入口２８ａ，２８ｂは、エンジンルームと導通する内気導出入口２８ｃに接続されている。これらの外気導出入口２７ａ，２７ｂ及び内気導出入口２８ａ～２８ｃの数は一例であり、これに限定されない。

なお、外側経路２２の形状はこれに限定されない。外側経路は、吸気経路２１の全周を覆っていなくてもよく、例えば吸気経路の一部を覆う構成であってもよいし、吸気経路２１の周囲にらせん状に巻き付いていてもよい。吸気経路２１と外側経路２２との隔壁には凹凸があってもよい。当該隔壁の表面積が大きくなることにより、吸入空気と熱交換空気との間の熱交換の程度が向上する。外側経路２２は、必ずしも吸気口２６から内燃機関１０に至る全領域に設けられていなくてもよく、エアクリーナ２３から内燃機関１０に至る領域の少なくとも一部に設けられていればよい。

エアクリーナ２３は、吸気経路２１における吸気口２６と内燃機関１０との間に設けられている。エアクリーナ２３は、吸気経路２１を通る吸入空気から異物を除去することで吸入空気を浄化するフィルタである。吸入空気がエアクリーナ２３を通過する際に、エアクリーナ２３との間で熱交換が行われる。暖機時などエアクリーナ２３が吸入空気より暖かい場合には吸入空気は暖められ、冷機時などエアクリーナ２３が吸入空気より冷たい場合には吸入空気は冷やされる。

スロットルバルブ２４は、内燃機関１０に供給される吸入空気の流量を調整するための流量調整弁である。車両に備えられたアクセルペダル（不図示）の操作量に応じて、スロットルバルブ２４の開度が調整されることにより、空気の流量が調整される。スロットルバルブ２４には、例えば温度センサ２５が設けられている。

温度センサ２５は、吸気経路２１内の吸入空気の温度を測定して、測定値を制御装置５０に入力する。図１では、温度センサ２５がスロットルバルブ２４内に設けられた構成が示されているが、温度センサ２５が取り付けられる位置はこれに限定されず、例えば吸気経路２１のいずれかの位置であってもよく、あるいは内燃機関１０の中に設けられてもよい。温度センサ２５が取り付けられる位置が内燃機関１０に近いほど、内燃機関１０に供給される直前の吸入空気の温度を測定することができるため、後述する吸入空気の温度調整の精度が向上する。

排気装置３０は、内燃機関１０で生じた排気ガスを外部に排出するための装置である。排気装置３０は、排気経路３１と、触媒３２，３３と、空燃比センサ３４と、酸素濃度センサ３５と、を備えている。

排気経路３１は、内燃機関１０から排出される排気ガスを外部に排出する配管である。排気経路３１の上流側端部は、内燃機関１０に接続されている。

触媒３２，３３は、排気経路３１の途中に設けられ、排気ガスを浄化する。触媒３２，３３は、例えば三元触媒やＮＯｘ吸蔵触媒であってもよい。

空燃比センサ３４は、排気経路３１のうち、触媒３２の上流側に設けられている。空燃比センサ３４は、排気経路３１を通過する排気ガスの空燃比を測定し、その測定値を制御装置５０に入力する。酸素濃度センサ３５は、排気経路３１のうち、触媒３２と触媒３３の間に設けられている。酸素濃度センサ３５は、排気経路３１を通る排気ガスの酸素濃度を測定し、測定値を制御装置５０に入力する。空燃比センサ３４及び酸素濃度センサ３５は、排気センサの一具体例であり、空燃比の測定値及び酸素濃度の測定値は、排気に関する排気情報の一具体例である。空燃比センサ３４及び酸素濃度センサ３５の順序や取り付けられる位置はこれに限定されない。

冷却装置４０は、例えば、ラジエータ４１と、コンデンサ４２と、ファン４３と、を備えている。

ラジエータ４１は、内燃機関１０を冷却する冷却液と空気との間で熱交換を行うことで冷却液を冷却する熱交換器である。

コンデンサ４２は、例えばラジエータ４１の車両前方に設けられている。コンデンサ４２は、車両に設けられた空調装置の冷媒と空気との間で熱交換を行うことで冷媒を冷却する熱交換器である。

ファン４３は、例えばラジエータ４１の車両後方に設けられている。ファン４３は、制御装置５０から入力される制御信号に応じた回転方向で回転し、ラジエータ４１及びコンデンサ４２に空気を送る。また、本実施形態において、ファン４３は、外側経路２２に設けられた内気導出入口２８ｃの近傍に設けられている。ファン４３の回転により、外側経路２２に外気又はエンジンルーム内の空気が供給される。外側経路２２への空気の供給及び排出の詳細については後述する。

制御装置５０は、例えばマイクロコンピュータを含む電子制御ユニット（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）により構成される。制御装置５０は、上述した各種センサから入力される測定値に基づいて、吸気装置２０に関する各種の制御を行う。具体的に、制御装置５０は、温度センサ２５から入力される吸入空気の温度、あるいは、空燃比センサ３４又は酸素濃度センサ３５から入力される排気情報に基づいて推定された吸入空気の温度に基づいて、内燃機関１０に供給される吸入空気の温度が目標の範囲内に収まるように吸入空気の温度調整を行う。吸入空気の温度調整は、外側経路２２内の熱交換空気の流れを制御することで、吸入空気の温度を上昇又は下降させることによって行う。

図３は、制御装置５０の機能ブロック、各種センサからの測定値の入力、及びファン４３への制御信号の入力を示している。制御装置５０は、取得部５１及びファン制御部５２を備える。

取得部５１は、温度センサ２５が測定した吸入空気の温度の測定値を取得する。取得部５１は、空燃比センサ３４が測定した排気の空燃比の測定値を取得し、取得した空燃比に基づいて、吸入空気の温度を推定してもよい。あるいは、取得部５１は、酸素濃度センサ３５が測定した排気の酸素濃度の測定値を取得し、取得した酸素濃度に基づいて、吸入空気の温度を推定してもよい。図３では、温度センサ２５、空燃比センサ３４、及び酸素濃度センサ３５がいずれも描かれているが、これらの全てを備える必要はなく、その一部を備えていればよい。

ファン制御部５２は、取得部５１によって取得又は推定された吸入空気の温度に基づいて、ファン４３の回転を制御する制御信号をファン４３に入力する。制御信号は、例えば、ファンの回転方向及び回転速度等を制御する信号であってよい。

なお、上述の吸気装置２０、ファン４３、及び制御装置５０を合わせて吸気システム１００ともいう。次に、吸気システム１００における吸入空気の温度調整について説明する。

図１は、例えば夏場や内燃機関１０の暖気完了後など、吸入空気の温度が比較的高く、温度を下げたい場合の熱交換空気の流れを示している。図２は、例えば冬場や内燃機関の冷機始動時など、吸入空気の温度が比較的低く、温度を上げたい場合の熱交換空気の流れを示している。なお、図２では、排気装置３０の図示が省略されている。図１及び図２において、実線矢印は比較的暖かい空気の流れを示し、破線矢印は比較的冷たい空気の流れを示す。

吸入空気の温度が所定の上限値より高い場合、ファン制御部５２は、ファン４３を正回転させる。ファン４３が正回転すると、図１に示されるように、外側経路２２からエンジンルーム内へと熱交換空気が引き出される方向に空気が流れる。従って、外気導出入口２７ａ，２７ｂから、エンジンルーム内の空気より温度が低い外気が外側経路２２に導入され、内気導出入口２８ａ～２８ｃから排出される。吸気経路２１を通る吸入空気は、エアクリーナ２３との熱交換によって一度暖められるが、エアクリーナ２３より下流の外側経路２２に比較的温度が低い外気が流れているため、当該外気との熱交換により温度が引き下げられる。

吸入空気の温度が所定の下限値より低い場合、ファン制御部５２は、ファン４３を逆回転させる。ファン４３が逆回転すると、図２に示されるように、エンジンルーム内から外側経路２２へとエンジンルーム内の空気が導入される方向に空気が流れる。従って、内気導出入口２８ｃ及び内気導出入口２８ａ，２８ｂから、外気より温度が高いエンジンルーム内の空気が導入され、外気導出入口２７ａ，２７ｂから排出される。吸気経路２１を通る吸入空気は、エアクリーナ２３との熱交換によって一度冷やされるが、エアクリーナ２３より下流の外側経路２２に比較的温度が高い空気が流れているため、当該空気との熱交換により温度が引き上げられる。

このように、吸入空気の温度が所定の上限値より高い場合は冷やされ、所定の下限値より低い場合は暖められることにより、内燃機関１０に供給される際の吸入空気の温度が、所定の下限値以上、上限値以下、すなわち好適な範囲内に調整される。

本実施形態に係る吸気装置２０は、吸気口２６から供給された吸入空気を内燃機関１０に導く吸気経路２１と、吸気経路２１における吸気口２６と内燃機関１０との間に設けられ、吸入空気を浄化するエアクリーナ２３と、エアクリーナ２３から内燃機関１０に至る領域において、吸気経路２１の外側に設けられ、吸入空気と熱交換するための熱交換空気が流れる外側経路２２と、を備える。

本実施形態によれば、エアクリーナ２３から内燃機関１０に至る領域の吸気経路２１の外側に外側経路２２が設けられているので、吸入空気の温度を好適な状態にして供給する対象となる内燃機関１０に近い領域において、吸入空気と熱交換空気とで熱交換をすることができ、吸入空気の温度を好適な温度に上昇又は下降させて内燃機関１０に供給することができる。また、外側経路２２内の熱交換空気が吸音材としても機能することにより、吸入空気の乱流騒音を低減することができる。

本実施形態では、吸気経路２１と外側経路２２とが隔壁を共有する二重管領域が設けられている。この好ましい態様によれば、隔壁を共有することで、より効率的に熱交換することができる。

本実施形態では、外側経路２２に外気を導入するとともに、外側経路２２内の空気を外気に放出することが可能な外気導出入口２７ａ，２７ｂが外側経路２２に設けられている。この好ましい態様によれば、外気導出入口２７ａ，２７ｂから外気を導入することで、外気を熱交換空気として利用し、エアクリーナ２３を通過して温度が上昇した吸入空気の温度を引き下げて好適な温度とし、内燃機関１０に供給することができる。外気導出入口２７ａ，２７ｂからは、外側経路内の空気を外気に向けて放出することができるので、例えばエンジンルーム内の比較的高温の空気を外側経路に導入して熱交換空気として利用し、吸入空気の温度を上昇させて好適な温度とし、内燃機関１０に供給することができる。

本実施形態に係る吸気システム１００は、吸気装置２０と、外側経路２２における熱交換空気の流れを調整するファン４３と、吸入空気の温度に基づいてファン４３の回転方向を制御する制御装置５０と、を備え、吸気装置２０は、吸入空気の温度を測定する温度センサ２５をさらに備え、外側経路２２には、外側経路２２にエンジンルーム内の空気を導入するとともに、外側経路内の空気をエンジンルームに放出することが可能な内気導出入口２８ａ～２８ｃが設けられ、測定された吸入空気の温度が所定の上限値より高い場合、制御装置５０は、ファン４３を正回転させて、外気導出入口２７ａ，２７ｂから外気を外側経路２２に導入して内気導出入口２８ａ～２８ｃから排出させ、測定された吸入空気の温度が所定の下限値より低い場合、制御装置５０は、ファン４３を逆回転させて、内気導出入口２８ａ～２８ｃからエンジンルーム内の空気を外側経路２２に導入して外気導出入口２７ａ，２７ｂから排出させる。

本実施形態によれば、制御装置５０が吸入空気の温度に基づいてファン４３の回転方向を制御することにより、外気を外側経路２２に導入すれば吸入空気を冷やすことができ、エンジンルーム内の空気を外側経路２２に導入すれば吸入空気を暖めることができる。従って、吸入空気の温度を好適な範囲内に調整することができる。

本実施形態において、ファン４３は、内燃機関１０を冷却する冷却液と空気との間で熱交換を行う熱交換器に空気を送るファンである。この好ましい態様によれば、新たな部品を搭載することなく外側経路２２に空気を供給することができる。

本実施形態において、吸気システム１００は、温度センサ２５に替えて、内燃機関１０から排出される排気に関する排気情報を取得する排気センサを備え、制御装置５０は、排気センサにより取得された排気情報に基づいて吸入空気の温度を推定してもよい。この好ましい態様によれば、排気センサを用いて吸入空気の温度を推定することができるので、吸入空気の温度を検出する温度センサ２５を新たに設ける必要がなくなる。

次に、図４及び図５を参照して、本開示の第２実施形態に係る吸気システムについて説明する。図４に示されるとおり、本実施形態に係る吸気システム１００Ａは、上述の第１実施形態に係る吸気システム１００に比べて、冷却装置４０及び制御装置５０に替えて冷却装置４０Ａ及び制御装置５０Ａを備える。

冷却装置４０Ａは、冷却装置４０に比べて遮蔽部４４をさらに備える。遮蔽部４４は、例えばラジエータ４１とコンデンサ４２の間に設けられている。遮蔽部４４は、ファン４３を経由した外気とエンジンルーム内の空気との流れを遮蔽する機能を有する。遮蔽部４４は、制御装置５０Ａから入力される制御信号に基づいて開閉状態を切り替え可能な電動のシャッタであってよく、例えばグリルシャッタやエンジンクーリングモジュールシャッタであってもよい。

制御装置５０Ａは、制御装置５０に比べて遮蔽制御部５３をさらに備える。遮蔽制御部５３は、取得部５１によって取得又は推定された吸入空気の温度に基づいて、遮蔽部４４の開閉状態を切り替える。例えば外側経路２２に流れる熱交換空気の量を増やしたい場合、遮蔽制御部５３は、遮蔽部４４を閉じる制御信号を出力する。遮蔽部４４が閉じられると、図４に示されるように、ファン４３が回転しても、遮蔽部４４により外気が遮られるため、車外からエンジンルーム内に取り込まれる外気が減少する。取り込まれる外気が減少した分、外側経路２２から引き抜かれる熱交換空気の量が増大し、熱交換空気の供給及び排出の効率が高まる。当該効率が高まると、吸入空気と熱交換空気との間の熱交換の効率もまた向上する。なお、ファン４３が逆回転する場合であっても同様に、エンジンルームから外気へと流れる空気が遮蔽されることにより、外側経路２２に供給される熱交換空気の量が増大し、熱交換空気の供給及び排出の効率が高まる。

本実施形態において、吸気システム１００Ａは、ファン４３を経由した外気とエンジンルーム内の空気との流れを遮蔽可能な遮蔽部４４をさらに備え、制御装置５０Ａは、測定された吸入空気の温度に基づいて、遮蔽部４４の開閉状態を切り替える。この好ましい態様によれば、外気とエンジンルーム内の空気との流れが遮蔽されることにより、外側経路２２を流れる熱交換空気の量を増大させ、熱交換の効率を高めることができる。

以上、具体例を参照しつつ本実施形態について説明した。しかし、本開示はこれらの具体例に限定されるものではない。これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本開示の特徴を備えている限り、本開示の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、条件、形状などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。前述した各具体例が備える各要素は、技術的な矛盾が生じない限り、適宜組み合わせを変えることができる。

１０：内燃機関
２０：吸気装置
２１：吸気経路
２２：外側経路
２３：エアクリーナ
２５：温度センサ
２６：吸気口
２７ａ，２７ｂ：外気導出入口
２８ａ～２８ｃ：内気導出入口
３４：空燃比センサ（排気センサ）
３５：酸素濃度センサ（排気センサ）
４１：ラジエータ（熱交換器）
４３：ファン
４４：遮蔽部
５０，５０Ａ：制御装置

Claims (4)

1. 吸気システムであって、
   吸気口（２６）から供給された吸入空気を内燃機関（１０）に導く吸気経路（２１）と、
   前記吸気経路における前記吸気口と前記内燃機関との間に設けられ、前記吸入空気を浄化するエアクリーナ（２３）と、
   前記エアクリーナから前記内燃機関に至る領域において、前記吸気経路の外側に設けられ、前記吸入空気と熱交換するための熱交換空気が流れる外側経路（２２）と、
   前記外側経路に設けられ、前記外側経路に外気を導入するとともに、前記外側経路内の空気を外気に放出することが可能な外気導出入口（２７ａ，２７ｂ）と、
   前記外側経路における前記熱交換空気の流れを調整し、前記内燃機関を冷却する冷却液と空気との間で熱交換を行う熱交換器（４１）に空気を送るファン（４３）と、
   前記吸入空気の温度に基づいて前記ファンの回転方向を制御する制御装置（５０，５０Ａ）と、
   前記吸入空気の温度を測定する温度センサ（２５）と、
   を備え、
   前記外側経路には、前記外側経路にエンジンルーム内の空気を導入するとともに、前記外側経路内の空気をエンジンルームに放出することが可能な内気導出入口（２８ａ～２８ｃ）が設けられ、
   測定された吸入空気の温度が所定の上限値より高い場合、前記制御装置は、前記ファンを正回転させて、前記外気導出入口から外気を前記外側経路に導入して前記内気導出入口から排出させ、
   測定された吸入空気の温度が所定の下限値より低い場合、前記制御装置は、前記ファンを逆回転させて、前記内気導出入口からエンジンルーム内の空気を前記外側経路に導入して前記外気導出入口から排出させる、吸気システム。
2. 請求項１に記載の吸気システムであって、
   前記吸気経路と前記外側経路とが隔壁を共有する二重管領域が設けられている、吸気システム。
3. 請求項１または２に記載の吸気システムであって、
   前記吸気システムは、前記ファンを経由した外気とエンジンルーム内の空気との流れを遮蔽可能な遮蔽部（４４）をさらに備え、
   前記制御装置は、測定された吸入空気の温度に基づいて、前記遮蔽部の開閉状態を切り替える、吸気システム。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の吸気システムであって、
   前記吸気システムは、前記温度センサに替えて、前記内燃機関から排出される排気に関する排気情報を取得する排気センサ（３４，３５）を備え、
   前記制御装置は、前記排気センサにより取得された排気情報に基づいて前記吸入空気の温度を推定する、吸気システム。
   

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