JPS6052290B2 - 過給機付内燃機関の吸気冷却器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、吸入空気を冷却し、ノッキング発生を防
止するとともに高出力が得られるようにした過給機付内
燃機関の吸気冷却器に関するものである。

内燃機関の出力向上のために過給が行われているが、
従来この種の過給機付内燃機関においては高負荷運転時
および低負荷運転時の両方を満足するには程合の問題が
ある。

この種の過給機付内燃機関で、吸気冷却器（インターク
ーラ）を備えたものの一例を第１図によつて説明する（
例えば、実公昭４２−１６７４６号公報参照）。 第１
図において、まず高負荷運転時ではコンプレッサ１およ
び排気タービン２からなる過給機３によつて吸気管４を
通る吸気はコンプレッサ１により昇圧されて吸気口５に
送り込まれる。この時、冷却水ポンプ６の作動により送
水管７内を通つた冷却水は送水方向切換用電磁弁８を介
してインタークーラ９内に送り込まれ吸気と熱交換を行
つた後、送水管１０内を通つてシリンダ１１のウォータ
ジャケット１２内に送り込まれる。したがつて、吸気口
５に送り込まれる過給空気はインタークーラ９を通る時
冷却水によつて冷却されるので、過給空気の密度は増大
し多量の過給空気が供給されることになる。したがつて
、これに見合う燃料を噴射することにより機関出力の増
大をはかることができる。 次に機関を低負荷運転に切
換えるべく燃料噴射ポンプ１３を切換え操作すると、摺
動用ラック杆１４によりマイクロスイッチ１５が閉路作
動し、これにより送水方向切換用電磁弁８が作動してバ
イパス通路１６方向に切換えられる。

したがつて、これまで送水管７を通つてインタークーラ
９に送水されていた冷却水はバイパス通路１６から送水
管１０内を通つてシリンダ１１のウォータジャケット１
２を循還することになりインタークーラ９への送水は阻
止されることにより過給空気の冷却は停止され、過給空
気は一定温度以上の温度を保持した状態で吸気口５に送
り込まれる。なお、１７は排気管、１８は前記バイパス
通路１６を通つて冷却水が逆流しないように設けられた
逆止弁である。上記のような従来の過給機付内燃機関で
はコンプレッサ１の下流にインタークーラ９が設けられ
ているが、このインタークーラ９を設ける目的は、機関
高負荷時過給機３を通過した際に吸入空気は温度が上昇
し、このまま燃焼せしめられるとノッキング防止上およ
び吸入空気密度が小さくなるため出力低下を伴い好まし
くなく、これを避けるために設けられており、この冷熱
源としてはエンジン冷却水が用いられている。

なお、機関低負荷時は過給度がそれ程高くなく、吸気温
度も低いためこの時は燃焼効率維持の面からの吸気の冷
却を止める。しかしながら、このような従来の過給機付
内燃機関にあつては、冷熱源としてエンジン冷却水を直
接用いていたため、自動車用のような低圧過給エンジン
では、コンプレッサ１の出口空気温度は８０〜１２０℃
と冷却水温度と大差なく、したがつて、吸気と冷却水と
の熱交換効率が低く吸気温度はノッキングを回避できる
程には下がらず、また、出力もそれほど上昇しないとい
う問題点があつた。

この発明は、このよな従来の問題点に着目してなされた
もので、エンジン冷却用冷媒を減圧蒸発させ、この際潜
熱として奪われる熱量をエンジン吸入空気で与えること
により、吸気の冷却割合を飛躍的に向上させて上記問題
点を解決することを目的としている。

以下、この発明を図面に基づいて詳細に説明する。

第２図はこの発明の基本概念を示す図である。

第２図において、２１は過給機付の内燃機関、２２は前
記内燃機関２１のラジエータで、ここで冷却された冷却
用冷媒は配管２３を通つてウォータポンプ２４により、
内燃機関２１へ送り込まれる。内燃機関２１内で加熱さ
れた冷媒は戻り配管２５でラジエータ２２へ導かれ、こ
こで放熱して冷却され再び冷却サイクルをくり返す。以
上は通常の冷却サイクルである。次にこの発明の冷却サ
イクルについて説明する。

この発明では、通常の冷却サイクルに加熱部（内燃機関
２１）と並列にバイパス通路を新たに設けたものである
。すなわち、２６は熱交換器（エバポレータ）で、ここ
で過給機出口空気と冷却用冷媒が熱交換される。２７は
真空ポンプ、２８は前記配管２３からエバポレータ２６
への冷媒の流れを止める電磁弁であり、真空ポンプ２７
の容量が十分に大きい場合には単なる絞りであつてもよ
い。

つまり、エバポレータ２６において冷却用冷媒が十分に
蒸発できるようにエバポレータ２６の圧力を低下させる
ために真空ポンプ２７の容量に応じ設けられる。次に作
用を第３図とともに説明する。

第３図は水と水蒸気との両相の共存する系において飽和
水蒸気圧と水の温度（飽和）との関係を示す図であり、
飽和水蒸気圧が低下するにつれ、水の温度が下がつてい
くという傾向を示している。従つて、エバポレータ２６
および後述する冷媒用タンク３２内を減圧装置２７によ
つて減圧せしめることにより、系の圧力が低下し、次第
に飽和水蒸気圧程度の圧力になる。この減圧過程で液表
面で蒸発現象を伴い、周囲から蒸発潜熱を奪うのである
。最終的にエバポレータ２６内の系の状態として、圧力
は減圧装置の真空達成度て定まる飽和水蒸気圧に、また
温度はこの飽和水蒸気圧に対応する温度となつて系は平
衡に達することになる。例えば系の飽和水蒸気圧が５０
ｗｔＨｇに達すると、第３図より系の平衡温度は約４０
℃となるのである。

以上の説明は系が準静的に状態変化することを前提とし
、さらにエバポレータ周囲温度に無関係であるとして行
つたので、実際には上述の説明が正確に適用できるとは
断定できないが、傾向的な説明としては妥当なものであ
る。

なお、この発明では、冷媒としてエンジン冷却水を用い
た。

また、エバポレータ２６では、減圧されることによりま
ず蒸発圧力にはぼ対応する温度まで冷媒温度が下がり、
さらに、この温度が一定に保たれながら水表面から蒸発
が起こり蒸発潜熱を奪われることにより、エバポレータ
２６を流通するエンジン吸気温度が下がる。

第４図はこの発明の一実施例を示す構成図である。

第４図において、内燃機関２１の冷却用冷媒出口からラ
ジエータ２２（またはコンデンサ）入口の戻り配管２５
には真空ポンプ等の減圧装置２７からの？気が復流する
合流部２９が設けられている。ラジエータ２２には内燃
機関２１の冷却用冷媒と減圧蒸発で加熱された冷媒（蒸
気）が導かれる。ラジエータ２２で大気へ熱を逃した冷
媒は配管２３を介してウォータポンプ２４によつて内燃
機関２１へ導かれる。また、配管２３の途中から分岐し
てインタークーラ３０用の冷媒取入用配管３１が設けら
れ、この冷媒取入用配管３１には、冷却用冷媒の流入量
を制御する電磁弁等の制御弁２８が設けられる。３２は
前記ラジエータ２２からの冷却用冷媒を貯溜する冷媒用
タンクで、その外周には冷却用フィン３３等が取付けら
れており、ラム風等で空冷されている。

また、冷媒用タンク３２内には液面計３４が設けられ、
この液面計３４の信号により液面レベルが常にインター
クーラ３０内にくるようにして吸気の冷却を効果的に達
成するために制御弁２８によりバイパス流入量が制御さ
れるようになつている。さらに、インタークーラ３０は
エバポレータ２６を備えており、冷媒用タンク３２内の
冷媒を減圧蒸発せしめ過給機３によつて供給された吸気
を冷却する作用を行う。また、インタークーラ３０の出
口配管３５には温度センサが、そして吸気マニホールド
３６には過給圧トランスデューサが取付けられており、
これら温度、圧力のセンサ信号と液面計３牡制御弁２８
、減圧装置２７および点火進角制御装置（図示せず）は
コントロールユニット（図示せず）の信号を受けて作動
される。この減圧装置２７の駆動は電動モータ３７また
はエンジン直―駆動てもよいが、低負荷運転時は減圧を
停止し、吸気を冷却しないようにするためにモータ可変
速機構か減圧装置２７のバイパス等を設けてこれを低負
荷時アンロード機構とすることが必要となる。次に作用
を説明する。

内燃機関２１が高負荷または高回転の運転条件となりイ
ンテークマニホールド圧が設定値以上またはインテーク
マニホールド吸気温度が設定値を越えると減圧装置２７
の駆動用スイッチが入り減圧装置２７が作動する。この
とき、冷媒用タンク３２にはあらかじめ液面計３４の信
号により制御弁２８が開となつており、冷媒が蓄えてあ
る（液面が設定値までくると制御弁２８は閉となる）。
但し減圧装置２７の作動中は制御弁２８は閉となつてい
る。こうして、減圧装置゛２７の作動により冷媒が減圧
蒸発し、この際の蒸発潜熱を吸入空気で与える形となり
吸入空気が冷却される。高負荷運転が連続的に行われ、
冷媒液面が規定値以下に下がると減圧装置２７の作動は
中止され、公知のノッキングセンサによる内燃機関２１
の点火進角制御でノックは回避される。

この間に再び冷媒用タンク３２内には冷媒が導入され、
冷媒液面が上限になると制御弁２８は閉となり、減圧装
置２７が作動を始め、再び吸気冷却が開始される。この
とき点火進角の制御は吸気温度の低下につれて進角が徐
々に進み設定値に近づいてゆく制御がなされる。第５図
はこの発明の他の実施例を示す構成図である。

この実施例は、配管２３と冷媒用タンク３２との間に絞
弁３８を設け、この絞弁３８から補給される冷媒の量と
蒸発量とをバランスさせ、定常的に作動させて吸気の冷
却を行うようにしたものである。この実施例によれば連
続的な作動が可能となる。第６図はこの発明のさらに他
の実施例を示す構成図である。

この実施例は、減圧装置として戻り配管２５に水流また
は蒸気工セクタ３９を設けたものである。ただし、前記
工セクタ３９ではその瀝吸引能力が一般にあまり大きく
できない。そこで真空タンク４０と電磁弁４１をインタ
ークーラ３０への配管の途中に設けたものである。工セ
クタ３９では特別な動力源が不用となり、インタークー
ラ３０を使用しない運転条件中に徐々に真空夕・ンク４
０内の真空度を上げておき、冷却が必要になつたときに
は電磁弁４１を開き、高い真空が一度に冷媒用タンク３
２中の冷媒を減圧蒸発させる。冷媒用タンク３２中の液
面は、電磁弁４１が閉の間に規定の液面まて冷媒が蓄え
られるようにノなつている。第７図はこの発明のさらに
他の実施例を示す構成図である。

この実施例は、インタークーラ３０のエバポレータ２６
Ａと冷媒用タンク３２Ａおよび制御弁２８Ａを第４図の
実施例と同様に設けた上で、さらにこれに並列に減圧装
置２７のみ共用する形で、エバポレータ２６Ｂ１冷媒用
タンク３２Ｂおよび制御弁２８Ｂを設けたものである。
インタークーラ３０から減圧装置２７への配管の間には
、三方弁４２が設けられており、冷媒用タンク３２Ａ，
３２Ｂの液位によりどちらの冷媒用タンク３２Ａ，３２
Ｂへ真空を導くかが切換えられる。したがつて高速高負
荷運転が連続的に行われても、一方の冷媒用タンクで蒸
発を行つている間に他方の冷媒用タンクには冷媒を導入
しておけるために連続的に吸気を冷却することができる
。以上説明したように、この発明は内燃機関の冷却用冷
媒を減圧装置により減圧蒸発させ、この際、潜熱として
奪う熱量をエンジン吸入空気で与える構成としたため、
十分な冷熱源が簡単に得られ、吸入空気温度を必要に応
じて下げることができ、ノッキングを回避でき、かつ燃
費および出力の点て大きな改善が期待できる。また、減
圧装置として、工セクタを用いたものは特別な動力源が
不要で、かつ、真空タンクと電磁弁により小さな真空ポ
ンプでも十分な冷却が可能となる。

さらに、熱交換器、冷媒用タンク、電磁弁を並列に２組
設けた場合には、連続的な吸気冷却が可能となる等の効
果が得られる。

なお、この発明の好適な実施例として、インタークーラ
の熱交換器内の液面レベルが常に吸気通路内に位置する
ように制御したもので、過給された空気が前記熱交換器
を流通する際に効果的に冷却されるという効果がある。

図面の簡単な説明第１図は従来の過給機付内燃機関の概
略構成図、第２図はこの発明の原理を説明するための構
成図、第３図は飽和水蒸気圧と温度との関係を示す図、
第４図はこの発明の一実施例を示す構成図、第５図はこ
の発明の他の実施例を示す構成図、第６図はこの発明の
さらに他の実施例を示す構成図、第７図はこの発明のさ
らに他の実施例を示す構成図である。

図中、２１は内燃機関、２２はラジエータ、２３は配管
、２４はウォータポンプ、２５は戻り配管、２６，２６
Ａ，２６Ｂは熱交換器、２７は減圧装置、２８，２８Ａ
，２８Ｂは制御弁、２９は合流部、３０はインタークー
ラ、３１は冷媒取入用配管、３２，３２Ａ，３２Ｂは冷
媒用タンク、３３は冷却用フィン、３４は液面計、３５
は出口配管、３６は吸気マニホールド、３８は絞弁、３
９は工セクタ、４０は真空タンク、４１は電磁弁、４２
は三方弁てある。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 内燃機関の排気エネルギーにより過給機のコンプレ
   ッサを駆動して吸気を過給する過給機付内燃機関におい
   て、前記内燃機関のウォータジャケット、ラジエータお
   よびウォータポンプを接続した冷却用冷媒循環系路に前
   記ラジエータ下流側から分岐した前記ラジエータ上流に
   合流するバイパス通路を設け、このバイパス通路の下流
   方向に前記冷却用冷媒の流入量を制御する制御弁、前記
   コンプレッサ下流の吸気通路中に配設され前記吸気通路
   から吸入された吸入空気と前記冷却用冷媒との熱交換を
   行う熱交換器、および前記熱交換器内の冷却用冷媒を減
   圧蒸発せしめる減圧装置とを順次介装したことを特徴と
   する過給機付内燃機関の吸気冷却器。 ２ 減圧装置として、エゼクタを用いたことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の過給機付内燃機関の吸気
   冷却器。 ３ 制御弁、冷媒用タンクおよび熱交換器は、減圧装置
   を共通として２組並列に設けたことを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の過給機付内燃機関の吸気冷却器。