JP7424179B2 - 内燃機関の温度調整機構 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の温度調整機構に関する。

内燃機関の凝縮水抑制装置を開示した先行文献として、特開２０１８－０２１５１０号公報(特許文献１)がある。特許文献１に記載された内燃機関の凝縮水抑制装置においては、低圧ＥＧＲ通路と吸気通路との接続部と、過給機との間の吸気通路に、当該吸気通路の壁温を加温する壁温加温装置が設けられている。

特開２０１８－０２１５１０号公報

外気温が低い場合、ＥＧＲ流路と吸気流路との接続部におけるＥＧＲガスが露点温度より高くても、吸気流路においてＥＧＲ流路と吸気流路との接続部より下流側に配置されるインテークマニホールドの温度が低いため、インテークマニホールド内においてＥＧＲガスの温度が露点未満となって凝縮水が発生することがある。一方、外気温が高い場合、内燃機関からの伝熱によりインテークマニホールドの温度が高くなって吸気効率が低下することがある。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、外気温の影響を緩和して、吸気効率の低下を抑制しつつ凝縮水の発生を抑制することができる、内燃機関の温度調整機構を提供することを目的とする。

本発明に基づく内燃機関の温度調整機構は、燃焼室を有する内燃機関の排気流路と、内燃機関の吸気流路と、ＥＧＲ流路と、インタークーラと、冷却水循環流路と、温度調整部とを備える。内燃機関の吸気流路は、燃焼室に延びるインテークマニホールドを含む。ＥＧＲ流路は、排気流路に接続され、排気流路を流れる排気ガスの一部を吸気流路に環流させる。インタークーラは、吸気流路を流れる吸気ガスを冷却する。冷却水循環流路は、インタークーラに接続されている。温度調整部は、吸気流路におけるインタークーラからインテークマニホールドまでの区間のいずれかの位置に隣接配置されている。

本発明の一形態においては、温度調整部は、冷却水循環流路の一部で構成されている。

本発明の一形態においては、温度調整部は、電気ヒータで構成されている。

本発明の一形態においては、温度調整部は、排気流路に接続されて排気流路を流れる排気ガスの一部が環流する排気環流路の一部で構成されている。

本発明の一形態においては、温度調整部は、インテークマニホールドに隣接配置されている。

本発明の一形態においては、冷却水循環流路には、冷却水を冷却するラジエータおよび冷却水を圧送するポンプが設けられており、冷却水循環流路は、ラジエータ、ポンプ、インタークーラおよびインテークマニホールドをこの順に通過している。

本発明の一形態においては、冷却水循環流路には、冷却水を冷却するラジエータおよび冷却水を圧送するポンプが設けられており、冷却水循環流路は、ラジエータ、ポンプ、インテークマニホールドおよびインタークーラをこの順に通過している。

本発明によれば、外気温の影響を緩和して、吸気効率の低下を抑制しつつ凝縮水の発生を抑制することができる。

本発明の実施の形態１に係る内燃機関の温度調整機構の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１に係る内燃機関の温度調整機構が備える温度調整部とインテークマニホールドとの配置関係を示す横断面図である。 本発明の実施の形態１の第１変形例に係る内燃機関の温度調整機構が備える温度調整部とインテークマニホールドとの配置関係を示す横断面図である。 本発明の実施の形態１の第２変形例に係る内燃機関の温度調整機構の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態２に係る内燃機関の温度調整機構の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態３に係る内燃機関の温度調整機構の構成を示すブロック図である。

以下、本発明の各実施の形態に係る内燃機関の温度調整機構について図面を参照して説明する。以下の実施の形態の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。

(実施の形態１)
図１は、本発明の実施の形態１に係る内燃機関の温度調整機構の構成を示すブロック図である。図１に示すように、本発明の実施の形態１に係る内燃機関の温度調整機構１は、内燃機関２の排気流路１０と、内燃機関２の吸気流路２０と、ＥＧＲ流路３０と、インタークーラ１１０と、冷却水循環流路５０と、温度調整部１８０とを備える。本実施の形態においては、内燃機関の温度調整機構１は、ターボチャージャ１２０と、排気処理装置１４０と、エアクリーナ１６２とをさらに備える。

内燃機関２は、燃焼室１０１を有している。燃焼室１０１は、内燃機関２における図示しないヘッド、シリンダブロックおよびピストンにより構成された空間である。

吸気流路２０は、燃焼室１０１に延びるインテークマニホールド１００を含み、エアクリーナ１６２から吸気されて燃焼室１０１に供給される吸気ガスの流路である。排気流路１０は、燃焼室１０１から延びるエキゾーストマニホールド１０２を含み、燃焼室１０１から排出された排気ガスの流路である。

本実施の形態においては、インテークマニホールド１００およびエキゾーストマニホールド１０２の各々は、内燃機関２のヘッドに取り付けられているが、インテークマニホールド１００およびエキゾーストマニホールド１０２の少なくとも一方が、内燃機関２のヘッドに内蔵されていてもよい。

ターボチャージャ１２０は、吸気流路２０および排気流路１０の各々に接続されている。ターボチャージャ１２０においては、エキゾーストマニホールド１０２から流入する排気ガスの運動エネルギを利用して図示しないタービンを回転させることにより、タービンに接続されている図示しないコンプレッサを稼働させて吸気流路２０中の吸気ガスを圧送する。

排気処理装置１４０は、排気流路１０におけるターボチャージャ１２０より下流側に配置されている。排気処理装置１４０は、たとえばディーゼル微粒子捕集フィルターで構成され、排気ガスを浄化する。排気処理装置１４０を通過した排気ガスは、排気バルブ１３０を通じて大気中に排出される。

本実施の形態に係る内燃機関の温度調整機構１は、排気性能の改善および燃費の向上を目的としたＥＧＲ(Exhaust Gas Recirculation)システムを備えている。本実施形態においては、内燃機関の温度調整機構１は、高圧ＥＧＲおよび低圧ＥＧＲの両方を備えているが、高圧ＥＧＲおよび低圧ＥＧＲの少なくとも一方を備えていればよい。

ＥＧＲ流路３０は、高圧ＥＧＲ流路３５および低圧ＥＧＲ流路４０から構成されている。高圧ＥＧＲ流路３５は、エキゾーストマニホールド１０２とインテークマニホールド１００とを互いに接続している。高圧ＥＧＲ流路３５には、高圧ＥＧＲクーラ１５０および高圧ＥＧＲバルブ１５１が設けられている。エキゾーストマニホールド１０２から流出した排気ガスの一部は、高圧ＥＧＲ流路３５に導入され、高圧ＥＧＲクーラ１５０および高圧ＥＧＲバルブ１５１を通じてインテークマニホールド１００に環流させられる。

低圧ＥＧＲ流路４０は、排気流路１０におけるターボチャージャ１２０より下流側と、吸気流路２０におけるターボチャージャ１２０より上流側とを、互いに接続している。低圧ＥＧＲ流路４０には、低圧ＥＧＲクーラ１６０および低圧ＥＧＲバルブ１６１が設けられている。排気処理装置１４０を通過後の排気ガスの一部は、低圧ＥＧＲ流路４０に導入され、低圧ＥＧＲクーラ１６０および低圧ＥＧＲバルブ１６１を通じて、吸気流路２０におけるターボチャージャ１２０より上流側に環流させられる。

このように、ＥＧＲシステムは、ＥＧＲガスをＥＧＲ流路３０から吸気流路２０に環流させることにより、燃焼室１０１における燃焼温度を低下させることで、窒素酸化物の発生を低減させる。

低圧ＥＧＲにおいては、排気処理装置１４０を通過後の比較的エネルギが低いＥＧＲガスが使用されるため、ＥＧＲガスの温度が低い。仮に、ＥＧＲガスの温度が露点未満となった場合、ＥＧＲガスに含まれていた窒素酸化物および硫黄酸化物を含有する強酸性の凝縮水が発生する。強酸性の凝縮水が吸気流路２０を通じて内燃機関２に侵入した場合、内燃機関２におけるシリンダ内壁面、プラグ類または燃料弁類などの鉄系の部品を腐食させる可能性がある。

エアクリーナ１６２は、吸気流路２０に取り込まれる吸気ガスを浄化する。エアクリーナ１６２とターボチャージャ１２０との間に位置する部分の吸気流路２０に、低圧ＥＧＲ流路４０が接続されている。エアクリーナ１６２を通過した吸気ガスと、低圧ＥＧＲ流路４０を通過したＥＧＲガスとは、吸気流路２０と低圧ＥＧＲ流路４０との接続部において混合され、ターボチャージャ１２０によってインテークマニホールド１００に向けて圧送される。

インタークーラ１１０は、吸気流路２０を流れる吸気ガスを冷却する。インタークーラ１１０には、インタークーラ１１０の冷却に利用される冷却水が循環する冷却水循環流路５０が接続されている。

冷却水循環流路５０には、冷却水を冷却するラジエータ１１１および冷却水を圧送するポンプ１１２が設けられている。冷却水循環流路５０は、インタークーラ１１０、ラジエータ１１１およびポンプ１１２を、冷却水が通流する配管によって接続することにより形成されている。

図２は、本発明の実施の形態１に係る内燃機関の温度調整機構が備える温度調整部とインテークマニホールドとの配置関係を示す横断面図である。

図１および図２に示すように、温度調整部１８０は、吸気流路２０におけるインタークーラ１１０からインテークマニホールド１００までの区間のいずれかの位置に隣接配置されている。

本実施の形態においては、温度調整部１８０は、冷却水循環流路５０の一部で構成されている。具体的には、温度調整部１８０は、インテークマニホールド１００に隣接配置されている冷却水循環流路５０の一部で構成されている。

本実施の形態においては、冷却水循環流路５０は、ラジエータ１１１、ポンプ１１２、インタークーラ１１０およびインテークマニホールド１００をこの順に通過している。すなわち、冷却水循環流路５０は、インタークーラ１１０とラジエータ１１１との間の区間においてインテークマニホールド１００に隣接配置されている。

図２に示すように、本実施の形態においては、インテークマニホールド１００と温度調整部１８０とは、二重管構造で構成されている。具体的には、温度調整部１８０は、冷却水８０が通流する管路５１を含む。インテークマニホールド１００を外側から隙間をあけて取り囲むように管路５１が配置され、管路５１内を冷却水８０が通流する。これにより、インテークマニホールド１００内を通過する吸気ガス７０と、インタークーラ１１０を通過した冷却水８０とが、インテークマニホールド１００の周壁を介して熱交換することにより、インテークマニホールド１００内の吸気ガス７０の温度が調整される。

ここで、温度調整部の構造が異なる、本発明の実施の形態１の第１変形例に係る内燃機関の温度調整機構について説明する。図３は、本発明の実施の形態１の第１変形例に係る内燃機関の温度調整機構が備える温度調整部とインテークマニホールドとの配置関係を示す横断面図である。

図３に示すように、本発明の実施の形態１の第１変形例に係る内燃機関の温度調整機構が備える温度調整部１８０ｍは、冷却水８０が通流する管路５１ｍを含む。管路５１ｍは、インテークマニホールド１００の外周面に沿うように湾曲しつつインテークマニホールド１００と隣接する凹面部を有している。インテークマニホールド１００内を通過する吸気ガス７０と、インタークーラ１１０を通過した冷却水８０とが、インテークマニホールド１００の周壁および管路５１ｍの凹面部を介して熱交換することにより、インテークマニホールド１００内の吸気ガス７０の温度が調整される。

図２および図３に示すように、温度調整部１８０，１８０ｍは、ウォータージャケット構造により、インテークマニホールド１００内の吸気ガス７０の温度を調整する。このように、冷却水循環流路５０におけるインテークマニホールド１００に隣接配置されている部分が、温度調整部１８０として機能する。

ここで、冷却水循環流路５０において各構成を冷却水が通流する順番が異なる本発明の実施の形態１の第２変形例に係る内燃機関の温度調整機構について説明する。図４は、本発明の実施の形態１の第２変形例に係る内燃機関の温度調整機構の構成を示すブロック図である。

図４に示すように、本発明の実施の形態１の第２変形例に係る内燃機関の温度調整機構が備える冷却水循環流路５０は、ラジエータ１１１、ポンプ１１２、インテークマニホールド１００およびインタークーラ１１０をこの順に通過している。これにより、ラジエータ１１１において冷却された冷却水８０は、インタークーラ１１０を通過する前に、インテークマニホールド１００を通過する。このように、冷却水循環流路５０は、インタークーラ１１０の上流側においてインテークマニホールド１００に接続されていてもよい。

本発明の実施の形態１に係る内燃機関の温度調整機構１においては、吸気流路２０におけるインタークーラ１１０からインテークマニホールド１００までの区間のいずれかの位置に隣接配置された温度調整部１８０を備えている。これにより、外気温が低い場合は、インテークマニホールド１００の内部を通流する吸気ガス７０の温度が吸気ガス７０の露点以上で維持されるように温度調整部１８０によって加熱することによって、インテークマニホールド１００内にて凝縮水が発生することを抑制することができる。外気温が高い場合は、インテークマニホールド１００の内部を通流する吸気ガス７０の温度が内燃機関２からの伝熱によって高くなりすぎないように、温度調整部１８０によって吸気ガス７０を冷却することによって、吸気ガス７０を収縮させて吸気効率の低下を抑制することができる。このように、温度調整部１８０の温度調整によって、外気温の影響を緩和して、吸気効率の低下を抑制しつつ凝縮水の発生を抑制することができる。

本発明の実施の形態１に係る内燃機関の温度調整機構１においては、温度調整部１８０が冷却水循環流路５０の一部で構成されていることにより、温度調整部１８０を簡易に構成することができる。

本発明の実施の形態１に係る内燃機関の温度調整機構１においては、温度調整部１８０がインテークマニホールド１００に隣接配置されていることにより、温度調整部１８０が吸気流路２０におけるインテークマニホールド１００から離れた位置に配置されている場合に比較して、吸気効率の低下を効果的に抑制しつつ凝縮水の発生を効果的に抑制することができる。

本発明の実施の形態１に係る内燃機関の温度調整機構１においては、冷却水循環流路５０は、ラジエータ１１１、ポンプ１１２、インタークーラ１１０およびインテークマニホールド１００をこの順に通過している。これにより、インタークーラ１１０の冷却性能を維持しつつ、インテークマニホールド１００の内部を通流する吸気ガス７０の温度を調整することができる。

冷却水循環流路５０が、ラジエータ１１１、ポンプ１１２、インテークマニホールド１００およびインタークーラ１１０をこの順に通過している場合、ラジエータ１１１において冷却された温度の低い冷却水８０をインテークマニホールド１００に供給することができる。これにより、外気温が高いことが多い環境下にて内燃機関２が使用される場合に、インテークマニホールド１００の内部を通流する吸気ガス７０の冷却効率を向上し、吸気効率の低下を抑制することができる。

(実施の形態２)
以下、本発明の実施の形態２に係る内燃機関の温度調整機構について説明する。本発明の実施の形態２に係る内燃機関の温度調整機構は、温度調整部の構成のみ本発明の実施の形態１に係る内燃機関の温度調整機構１と異なるため、本発明の実施の形態１に係る内燃機関の温度調整機構１と同様である構成については説明を繰り返さない。

図５は、本発明の実施の形態２に係る内燃機関の温度調整機構の構成を示すブロック図である。図５に示すように、本発明の実施の形態２に係る内燃機関の温度調整機構１ｂにおいては、温度調整部２８０は、インテークマニホールド１００に隣接配置されている。温度調整部２８０は、電気ヒータで構成されている。温度調整部２８０は、図示しない電気配線により通電され、インテークマニホールド１００の外部から吸気ガス７０の温度を調整する。

本発明の実施の形態２に係る内燃機関の温度調整機構１ｂにおいては、外気温が低い場合は、インテークマニホールド１００の内部を通流する吸気ガス７０の温度が吸気ガス７０の露点以上で維持されるように温度調整部２８０によって加熱することによって、インテークマニホールド１００内にて凝縮水が発生することを抑制することができる。外気温が高い場合は、インテークマニホールド１００の内部を通流する吸気ガス７０の温度が内燃機関２からの伝熱によって高くなりすぎないように、温度調整部２８０によって吸気ガス７０を冷却することによって、吸気ガス７０を収縮させて吸気効率の低下を抑制することができる。このように、温度調整部２８０の温度調整によって、外気温の影響を緩和して、吸気効率の低下を抑制しつつ凝縮水の発生を抑制することができる。

(実施の形態３)
以下、本発明の実施の形態３に係る内燃機関の温度調整機構について説明する。本発明の実施の形態３に係る内燃機関の温度調整機構は、温度調整部の構成のみ本発明の実施の形態１に係る内燃機関の温度調整機構１と異なるため、本発明の実施の形態１に係る内燃機関の温度調整機構１と同様である構成については説明を繰り返さない。

図６は、本発明の実施の形態３に係る内燃機関の温度調整機構の構成を示すブロック図である。図６に示すように、本発明の実施の形態３に係る内燃機関の温度調整機構１ｃにおいては、温度調整部３８０は、排気流路１０に接続されて排気流路１０を流れる排気ガスの一部が環流する排気環流路６０の一部で構成されている。温度調整部３８０は、インテークマニホールド１００に隣接配置されている。

具体的には、インテークマニホールド１００と温度調整部３８０とは、二重管構造で構成されていてもよいし、互いに並んで隣接するように構成されていてもよい。なお、排気環流路６０と排気流路１０とは、排気流路１０の中で排気ガスの温度が比較的低い、排気処理装置１４０よりも下流側の位置において互いに接続されることが望ましい。

本発明の実施の形態３に係る内燃機関の温度調整機構１ｃにおいては、外気温が低い場合は、インテークマニホールド１００の内部を通流する吸気ガス７０の温度が吸気ガス７０の露点以上で維持されるように温度調整部３８０によって加熱することによって、インテークマニホールド１００内にて凝縮水が発生することを抑制することができる。外気温が高い場合は、インテークマニホールド１００の内部を通流する吸気ガス７０の温度が内燃機関２からの伝熱によって高くなりすぎないように、温度調整部３８０によって吸気ガス７０を冷却することによって、吸気ガス７０を収縮させて吸気効率の低下を抑制することができる。このように、温度調整部３８０の温度調整によって、外気温の影響を緩和して、吸気効率の低下を抑制しつつ凝縮水の発生を抑制することができる。

なお、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本開示の技術的範囲は、上記した実施の形態のみによって解釈されるものではない。また、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。上述した実施の形態の説明において、組み合わせ可能な構成を相互に組み合わせてもよい。

１，１ｂ，１ｃ 温度調整機構、２ 内燃機関、１０ 排気流路、２０ 吸気流路、３０ ＥＧＲ流路、３５ 高圧ＥＧＲ流路、４０ 低圧ＥＧＲ流路、５０ 冷却水循環流路、５１，５１ｍ 管路、６０ 排気環流路、７０ 吸気ガス、８０ 冷却水、１００ インテークマニホールド、１０１ 燃焼室、１０２ エキゾーストマニホールド、１１０ インタークーラ、１１１ ラジエータ、１１２ ポンプ、１２０ ターボチャージャ、１３０ 排気バルブ、１４０ 排気処理装置、１５０ 高圧ＥＧＲクーラ、１５１ 高圧ＥＧＲバルブ、１６０ 低圧ＥＧＲクーラ、１６１ 低圧ＥＧＲバルブ、１６２ エアクリーナ、１８０，１８０ｍ，２８０，３８０ 温度調整部。

Claims (3)

1. 燃焼室を有する内燃機関の排気流路と、
   前記燃焼室に延びるインテークマニホールドを含む、前記内燃機関の吸気流路と、
   前記排気流路に接続され、前記排気流路を流れる排気ガスの一部を前記吸気流路に環流させるＥＧＲ流路と、
   前記吸気流路を流れる吸気ガスを冷却するインタークーラと、
   前記インタークーラに接続された冷却水循環流路と、
   前記吸気流路における前記インタークーラから前記インテークマニホールドまでの区間のいずれかの位置に隣接配置された温度調整部とを備え、
   前記温度調整部は、前記冷却水循環流路の一部で構成され、かつ前記インテークマニホールドの周壁における円管状の外周面の少なくとも一部に沿うように隣接配置されており、
   前記温度調整部の内部を流れる冷却水は、前記インテークマニホールドの前記周壁の外側を該周壁の前記外周面に沿って通流可能である、内燃機関の温度調整機構。
2. 前記冷却水循環流路には、冷却水を冷却するラジエータおよび冷却水を圧送するポンプが設けられており、
   前記冷却水循環流路は、前記ラジエータ、前記ポンプ、前記インタークーラおよび前記インテークマニホールドをこの順に通過している、請求項１に記載の内燃機関の温度調整機構。
3. 前記冷却水循環流路には、冷却水を冷却するラジエータおよび冷却水を圧送するポンプが設けられており、
   前記冷却水循環流路は、前記ラジエータ、前記ポンプ、前記インテークマニホールドおよび前記インタークーラをこの順に通過している、請求項１に記載の内燃機関の温度調整機構。

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