JP2005256806A - 内燃機関の吸気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 内燃機関が吸入する吸入空気の冷却を応答性良く行うことができる吸気装置を提供する。
【解決手段】 エンジン１の吸気装置は、スロットルバルブ３１と、冷却装置４０とを備えている。スロットルバルブ３１は、吸入空気の量を調節するバルブであり、吸気通路２０に設けられている。冷却装置４０は、スロットル下流側通路２３の吸気マニホルド３３を流れている吸入空気を冷やす装置である。スロットル下流側通路２３は、吸気通路２０のうちスロットルバルブ３１の下流側に位置する部分である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の吸気装置、特に、吸入空気を冷却する冷却装置を備えた吸気装置に関する。

従来から、自動車のエンジン等の内燃機関において、吸入空気を冷却して出力を向上させる技術が知られている。
特許文献１には、内燃機関の吸気装置においてエンジンＥＣＵの冷却のために設けた吸入空気を冷やすエバポレータを使うことで、吸気装置の外部の空気温度が高い場合でも吸入空気が冷却されエンジン出力の低下を抑制できることが開示されている。
特開２００１−２８９０４９号公報（第５頁、第１図）

上記の特許文献１に示される内燃機関の吸気装置では、冷却した吸入空気を用いて冷やす対象であるエンジンＥＣＵをエアフローセンサの上流側に配置し、そのエンジンＥＣＵの上流側にエバポレータ（冷却部）を配置している。
しかし、このような配置の吸気装置では、通常はエバポレータを作用させず、回転数が低下してきてエンジンストールの恐れが出てきたようなときにエバポレータを作用させて内燃機関の燃焼室に吸入される吸入空気の温度を下げる制御を実施しようとした場合に、エバポレータと燃焼室とが大きく離れているため、エンジンストールの恐れが出たときに即座には吸入空気の温度が下がらないという問題がある。

本発明の課題は、内燃機関が吸入する吸入空気の冷却を応答性良く行うことができる吸気装置を提供することにある。

本発明に係る内燃機関の吸気装置は、調整弁と、冷却装置とを備えている。調整弁は、内燃機関の吸気通路に設けられており、吸入空気量を調整する。冷却装置は、調整弁の下流の吸気通路内の吸入空気を冷却する。
ここでは、吸気通路を流れ内燃機関に吸入される吸入空気を、調整弁の下流の吸気通路内において冷却装置で冷やす。吸入空気を冷やすことにより、吸入空気の密度が高まるため、充填効率の向上による出力のアップを図ることができる。

本発明では、調整弁の下流の吸気通路内の吸入空気を冷却装置で冷やす構成を採っているため、内燃機関が吸入する吸入空気を冷やす必要があるときに、吸入空気の冷却を応答性良く行うことができる。特に、内燃機関の回転数が低下してエンジンストールの恐れが生じているときには、応答性良く吸入空気を冷やすことによって、素早く内燃機関の出力をアップさせてエンジンストールの発生を抑えることができるようになる。

［第１実施形態］
本発明の一実施形態に係るエンジン（内燃機関）の吸気装置および制御装置を、図１に示す。
＜エンジンの概略構成および動作＞
エンジン１は、吸気通路２０を介して燃焼室６６内に吸入空気および燃料を吸い込み、燃焼室６６において空気と燃料との混合気を燃焼させ、その燃焼によるピストン６３の往復運動を図示しないコンロッドを介してクランクシャフトによって回転出力に変換する。既燃の排気ガスは、排気通路６８へと排出される。

燃焼室６６は、ピストン６３の冠面、シリンダブロック６１の内面でピストン６３と摺動するシリンダボア壁面、およびピストン６３の冠面と対向するシリンダヘッド６２の下面により構成される。吸気バルブ６４が開くと、インジェクター６７から噴射された燃料と空気との混合気が、吸気負圧によって燃焼室６６の内部へと吸い込まれる。また、排気バルブ６５が開くと、排気行程でピストン６３に押された既燃の排気ガスが、排気通路６８へと排出される。吸気バルブ６４は、吸気通路２０を流れてくる空気を所定のタイミングで燃焼室６６に吸入させ、排気バルブ６５は、燃焼室６６内の既燃の排気ガスを所定のタイミングで排気通路６８へと排出させる。吸気バルブ６４および排気バルブ６５は、クランクシャフトの回転に応じて回転する吸気カムおよび排気カム（図示せず）により駆動される。また、図示を省略しているが、燃焼室６６の上部の略中央部分には、点火プラグが配置されている。この点火プラグによる点火のタイミングや上述のインジェクター６７による燃料噴射の量などは、エンジン１の運転状態や要求トルクなどに応じて制御装置８０により制御される。なお、インジェクター６７は、後述する吸気装置の吸気マニホルド３３に装着される。

＜吸気装置の構成＞
エンジン１の吸気装置は、主として、吸気通路２０と、エアクリーナ２１と、調整弁としてのスロットルバルブ３１と、吸入空気を冷やす冷却装置としての兼用エアコン４０と、制御装置８０とから構成されている。制御装置８０は、エンジン１の制御を行うとともに、この吸気装置の制御も行う。

吸気通路２０は、燃焼室６６に吸入させる吸入空気を流すための通路であり、その内部にエアクリーナ２１、エアーフローメータ８１、スロットルバルブ３１が上流側から順に配置されている。ここでは、吸気通路２０のうち、スロットルバルブ３１よりも上流側（吸入空気の流れの上流側）の部分をスロットル上流側通路２２、スロットルバルブ３１よりも下流側の部分をスロットル下流側通路２３と呼ぶことにする。

図１に示すように、エアクリーナ２１およびエアーフローメータ８１は、スロットル上流側通路２２に配置されている。エアーフローメータ８１は、吸入空気量を計測する。スロットルバルブ３１は、燃焼室６６への吸入空気量を調整するための制御バルブであり、制御装置８０からの指令に基づき燃焼室６６に入る空気の量を調整する。
スロットル下流側通路２３は、主として、上流から順に配置されるコレクタ３２、吸気マニホルド３３、および吸気ポート３４から構成されている。ここでは、コレクタ３２と吸気マニホルド３３とが一体となった樹脂製部品が用いられている。吸気ポート３４（第１吸気ポート３４ａ〜第４吸気ポート３４ｄ）は、図２に示すように、エンジン１の各気筒（ここでは、直列４気筒）に対して設けられており、シリンダヘッド６２に形成されている。吸気マニホルド３３は、コレクタ３２から各吸気ポート３４に延びる第１分岐管３３ａ〜第４分岐管３３ｄを有しており、各気筒の燃焼室６６（燃焼室６６ａ〜６６ｄ）に吸い込まれる吸入空気の略均等な分配を行わせる。

吸気マニホルド３３の吸気ポート３４に近い部分には、上述のインジェクター６７が装着される。また、吸気マニホルド３３の内部には、後述する兼用エアコン４０の吸気冷却用エバポレータ４７が配置される。
兼用エアコン４０は、エンジン１を搭載する自動車の車室を空調する空調機能と、吸入空気を冷却する冷却機能とを兼ね備えた冷却装置であり、コンプレッサ（圧縮機）４１、コンデンサ（凝縮器）４２、レシーバ（受液器；貯蔵庫）４３、第１エキスパンションバルブ（膨張弁）４４、空調用エバポレータ（蒸発器）４５、第２エキスパンションバルブ（膨張弁）４６、吸気冷却用エバポレータ（蒸発器）４７、空調用電磁弁５１、および吸気冷却用電磁弁５２から構成される冷凍サイクル（冷房サイクル）を有している。この冷凍サイクルの内部を冷媒が流れ、冷媒の状態変化により空調用エバポレータ４５や吸気冷却用エバポレータ４７が冷却効果を発揮することになる。

コンプレッサ４１は、低温・低圧のガス状冷媒を加圧して、高温・高圧のガス状冷媒に変化させる。コンデンサ４２は、コンプレッサ４１で圧縮された高温・高圧のガス状冷媒を周囲の空気との熱交換により冷やし、ガス状冷媒を液化する。レシーバ４３は、余分な液状冷媒を一時貯蔵する容器である。第１エキスパンションバルブ４４および第２エキスパンションバルブ４６は、コンデンサ４２を出た高圧の液状冷媒を減圧し、低温・低圧の霧状冷媒（気液混合状態の冷媒）にする。空調用エバポレータ４５および吸気冷却用エバポレータ４７は、低温・低圧の霧状冷媒を気化させることで周囲の空気から熱を奪う。これにより、空調用エバポレータ４５および吸気冷却用エバポレータ４７の周囲の空気、具体的には冷媒が流れる配管の周りに設けられている多層のフィンの間を流れる空気が、冷却されることになる。空調用エバポレータ４５や吸気冷却用エバポレータ４７を出るときには、冷媒は低温・低圧の気体となっている。この低温・低圧のガス状冷媒は、再びコンプレッサ４１に吸入されて加圧されることになる。空調用電磁弁５１および吸気冷却用電磁弁５２は、制御装置８０の指令により開閉する制御弁である。車室内の空調を行うために設けられるエアコンスイッチのＯＮ信号であるエアコン信号が制御装置８０に入力されている場合には、空調用電磁弁５１が開状態とされ、第１エキスパンションバルブ４４および空調用エバポレータ４５のある経路へと冷媒が流れる。また、後述するように吸入空気の冷却を実施する必要がある場合には、吸気冷却用電磁弁５２が開状態とされ、第２エキスパンションバルブ４６および吸気冷却用エバポレータ４７のある経路へと冷媒が流れる。

第１エキスパンションバルブ４４および空調用エバポレータ４５は、クーリングユニット２６として自動車の車室内に配置される。クーリングユニット２６には、空調用エバポレータ４５で冷却された空気を車室内に送り出す送風ファン（図示せず）が設けられている。
一方、吸入空気を冷やす冷却部としての吸気冷却用エバポレータ４７は、図１および図２に示すように、第１冷却部４７ａ〜第４冷却部４７ｄに分かれている。第１冷却部４７ａ〜第４冷却部４７ｄは、吸気マニホルド３３の第１分岐管３３ａ〜第４分岐管３３ｄの内部に配置される。吸気冷却用電磁弁５２が開状態とされているときには、吸気冷却用エバポレータ４７に冷媒が流れ、第１冷却部４７ａ〜第４冷却部４７ｄは、それぞれ、第１分岐管３３ａ〜第４分岐管３３ｄを流れている吸入空気を冷やす。反対に、吸気冷却用電磁弁５２が閉状態とされているときには、第１冷却部４７ａ〜第４冷却部４７ｄによる吸入空気の冷却は行われない。

制御装置８０は、電子制御化されたスロットルバルブ３１の開度、インジェクター６７の燃料噴射量、点火プラグによる点火時期などを、車速、エンジン回転数、水温、アクセル開度などから精密に制御するコントロールユニットである。この制御装置８０には、アクセル信号、クランク角センサ信号、冷却水温センサ信号、酸素濃度センサ８３からの信号、排気温度センサ８４からの信号の他、エンジン１の回転を利用して作動する兼用エアコン４０、パワステ、オルタネーターなどの補機から、エアコン信号、パワステ信号、オルタネーター信号なども入力されている。さらに、制御装置８０には、コレクタ３２内の吸入空気の温度を検知する吸気温度センサ８２からの信号も入力される。これにより、制御装置８０は、常に吸気温度（吸入空気の温度）を把握することができる。

また、制御装置８０は、以下に示すように、エンジン１の燃焼室６６が吸入する吸入空気の吸気マニホルド３３における冷却を実施するか否かの決定を行う。
＜吸入空気の冷却有無の決定フロー＞
図３および図４を参照して、吸入空気を冷却するか否かの制御装置８０における決定方法を説明する。本実施形態では、兼用エアコン４０の吸気冷却用エバポレータ４７による吸入空気の冷却をエンジンストール防止の目的で行うため、その観点から冷却有無の決定を行っている。

ステップＳ１に示すように、通常は吸入空気の冷却は行わず、冷却非実施とする。エンジンストールの恐れのないときに無用に吸入空気を冷却することは、エンジン１の回転を利用して作動するコンプレッサ４１の能力を余分に使ってしまい、車室内の空調能力を低下させてしまう結果になるためである。冷却非実施のときには、吸気冷却用電磁弁５２に閉の指令を送り、吸気冷却用エバポレータ４７に冷媒が流れないようにする。

ステップＳ２では、まず、吸気冷却用エバポレータ４７のある吸気マニホルド３３よりも上流側に位置するコレクタ３２における吸入空気の温度である吸気温度を吸気温度センサ８２からの信号から把握し、その吸気温度を所定のしきい温度値と比較する。しきい温度値は、吸気冷却用エバポレータ４７により吸入空気の冷却を行っても温度低下が殆ど見込めない温度値であり、予め決められている。ステップＳ２において吸気温度がしきい温度値を超えていなければ、すなわち冷却しなくても吸気温度が十分に低ければ、そのまま冷却非実施の状態を維持する。

ステップＳ２において吸気温度がしきい温度値を超えていると判断されると、ステップＳ３に移行し、エンジン回転数が第１下限値を下回っているか否かが判断される。第１下限値は、それよりもエンジン回転数が下回ると補機がエンジン出力の一部を利用する場合にはエンジンストールの恐れが高くなるという値であり、予め決められている。ステップＳ３においてエンジン回転数が第１下限値以上であると判断されると、すなわちエンジン回転数が十分に大きく吸入空気を冷却しなくてもエンジンストールの恐れがない場合には、そのまま冷却非実施の状態を維持する。

ステップＳ３においてエンジン回転数が第１下限値よりも小さくなっていると判断されると、ステップＳ４に移行し、補機負荷の入力があるか否かが判断される。ここでは、パワステ信号からパワーステアリングの負荷があると判断される場合およびオルタネーター信号からオルタネーターの負荷があると判断される場合に、補機負荷の入力があると判断される。

ステップＳ３において補機負荷の入力があると判断されると、エンジン回転数が第１下限値を下回り且つ補機がエンジン出力の一部を奪う場合にはエンジンストールの発生の可能性が高いため、ステップＳ６に移行して、吸入空気の冷却を実施する。ステップＳ６の冷却実施制御では、吸気冷却用電磁弁５２に開の指令を送り、吸気冷却用エバポレータ４７に冷媒が流れるようにする。これにより、吸気冷却用エバポレータ４７内で冷媒が気化し、その気化熱を冷媒に提供することになる吸気マニホルド３３を流れる吸入空気が冷える。

ステップＳ３において補機負荷の入力がないと判断されると、ステップＳ５に移行して、エンジン回転数が第２下限値を下回っているか否かが判断される。第２下限値は、それよりもエンジン回転数が下回ると補機負荷がなくてもエンジンストールの恐れが高くなるという値であり、第１下限値よりもさらに小さい値に予め設定されている。ステップＳ５においてエンジン回転数が第２下限値以上であると判断されると、すなわちエンジン回転数が第１下限値を下回るもののある程度大きく補機負荷がない限り吸入空気を冷却しなくてもエンジンストールの恐れがない場合には、そのまま冷却非実施の状態を維持する。

ステップＳ５においてエンジン回転数が第２下限値よりも小さくなっていると判断されると、かなりエンジン回転数が低くなっており補機負荷がなくてもエンジンストールの発生の可能性が高いことから、ステップＳ６に移行して、吸入空気の冷却を実施する。
一方、ステップＳ６に移行してきて吸入空気の冷却が始まると、ステップＳ７〜ステップＳ１０の判断が為される。

ステップＳ７では、吸入空気の冷却が始まってから一定時間が経過したか否かを、制御装置８０に内蔵されるタイマによって判断する。
ステップＳ７で冷却実施から一定時間が経過したと判断されると、ステップＳ８に移行して、補機負荷の入力の有無が判断される。ステップＳ８で補機負荷の入力がないと判断された場合には、ステップＳ９に移行して、エンジン回転数が第２下限値＋βを超えているか否かが判断される。ここで、エンジン回転数が第２下限値＋βを超えていないと判断された場合には、まだエンジンストールの発生の可能性が高いと判断し、冷却実施の状態を維持する。一方、ステップＳ９でエンジン回転数が第２下限値＋βを超えていると判断された場合には、補機入力がない条件ならばエンジンストールの発生の可能性が少ないレベルのエンジン回転数になったと判断し、ステップＳ１に移行して吸入空気の冷却を止める。具体的には、吸気冷却用電磁弁５２に閉の指令を送り、吸気冷却用エバポレータ４７に冷媒が流れないようにする。

ステップＳ８で補機負荷の入力があると判断された場合には、ステップＳ１０に移行して、エンジン回転数が第１下限値＋αを超えているか否かが判断される。ここで、エンジン回転数が第１下限値＋αを超えていないと判断された場合には、まだエンジンストールの発生の可能性が高いと判断し、冷却実施の状態を維持する。一方、ステップＳ１０でエンジン回転数が第１下限値＋αを超えていると判断された場合には、補機入力がある条件であってもエンジンストールの発生の可能性が小さいレベルのエンジン回転数になったと判断し、ステップＳ１に移行して吸入空気の冷却を止める。

＜第１実施形態のエンジンの吸気装置の特徴＞
（１）
エンジン１の吸気装置では、吸気通路２０を流れ燃焼室６６に吸入される吸入空気を、スロットル下流側通路２３の吸気マニホルド３３の第１分岐管３３ａ〜第４分岐管３３ｄを流れているときに、吸気冷却用エバポレータ４７の第１冷却部４７ａ〜第４冷却部４７ｄによって冷やすことができる。そして、図３および図４に示すように、エンジンストールの恐れがあるときに、吸気マニホルド３３を流れる吸入空気を、吸気冷却用エバポレータ４７によって冷やしている。これにより、燃焼室６６に吸入される吸入空気の密度が高まり、充填効率が向上してエンジントルクがアップし、エンジンストールが防止される。

そして、エンジン１の吸気装置では、吸気通路２０のうちスロットルバルブ３１の下流側に位置するスロットル下流側通路２３を流れている吸入空気、具体的には吸気マニホルド３３内を流れている吸入空気を冷やす構成を採っているため、エンジンストールの発生の可能性が高くなりエンジン１の燃焼室６６が吸入する吸入空気を即座に冷やす必要があるときに、応答性良く吸入空気を冷やすことができている。

（２）
また、エンジン１の吸気装置では、吸気ポート３４の吸入空気流れ方向の直前に位置する吸気マニホルド３３において吸入空気を冷却しているため、冷却後の吸入空気が燃焼室６６に入るまでに受熱する熱量が小さく抑えられている。
（３）
エンジン１の吸気装置では、エンジンストールの発生の可能性が高いときにだけ、すなわち必要時にだけ吸入空気の冷却を行い、その他のときには吸気冷却用電磁弁５２を閉状態として吸入空気の冷却を行っていない。このため、吸入空気を冷却する兼用エアコン４０の他方の機能である車室内空調機能を低下させることが、少なくなっている。

＜第１実施形態の変形例＞
（Ａ）
上記実施形態では、吸気冷却用エバポレータ４７の第１冷却部４７ａ〜第４冷却部４７ｄを、吸気マニホルド３３の第１分岐管３３ａ〜第４分岐管３３ｄの内部空間に配置している。

これに代えて、第１分岐管３３ａ〜第４分岐管３３ｄそれぞれを外側から冷やすことによって間接的に吸入空気を冷やす構造を採ってもよい。すなわち、吸気通路２０を構成する部材である第１分岐管３３ａ〜第４分岐管３３ｄ自身を冷却することで、それらの中を流れる吸入空気を間接的に冷やすようにしてもよい。
この場合には、冷却効率を高めるために断熱材などを装着する必要が出てくるが、吸気マニホルド３３の構造が簡易となり、第１分岐管３３ａ〜第４分岐管３３ｄを貫通する冷媒配管をなくすことができる。

（Ｂ）
上記実施形態では、吸気通路２０のスロットル下流側通路２３のうち吸気マニホルド３３を流れている吸入空気を、吸気冷却用エバポレータ４７によって冷却する構造を採っている。
これに代えて、図５に示すように、スロットル下流側通路２３のうち吸気ポート３４（第１吸気ポート３４ａ〜第４吸気ポート３４ｄ）を流れている吸入空気を冷やすような構造を採ることも可能である。

ここでは、吸気冷却用エバポレータ４７に代えて、吸気冷却用エバポレータ１４７を採用する。吸気冷却用エバポレータ１４７は、第１吸気ポート３４ａ〜第４吸気ポート３４ｄそれぞれに配置される第１冷却部１４７ａ〜第４冷却部１４７ｄに分かれている。吸気冷却用電磁弁５２が開状態とされているときには、吸気冷却用エバポレータ１４７に冷媒が流れ、その第１冷却部１４７ａ〜第４冷却部１４７ｄは、それぞれ、第１吸気ポート３４ａ〜第４吸気ポート３４ｄを流れている吸入空気を冷やす。反対に、吸気冷却用電磁弁５２が閉状態とされているときには、第１冷却部１４７ａ〜第４冷却部１４７ｄによる吸入空気の冷却は行われない。

この場合には、上記実施形態の吸気装置よりも構造的な制約が増す可能性があるものの、上記実施形態の吸気装置よりも吸入空気をより燃焼室６６に近い場所で冷やすことになり、吸入空気の冷却の応答性が更に向上し、冷却後の吸入空気が燃焼室６６に入るまでに受熱する熱量が更に小さく抑えられることになる。
（Ｃ）
上記実施形態では、吸気通路２０のスロットル下流側通路２３のうち吸気マニホルド３３を流れている吸入空気を、吸気冷却用エバポレータ４７によって冷却する構造を採っている。

これに代えて、図６に示すように、スロットル下流側通路２３のうちコレクタ３２を流れている吸入空気を冷やすような構造を採ることも可能である。
ここでは、吸気冷却用エバポレータ４７に代えて、吸気冷却用エバポレータ２４７を採用する。吸気冷却用エバポレータ２４７は、上記実施形態の吸気冷却用エバポレータ４７のように複数の冷却部に分かれておらず、１つの冷却部としてコレクタ３２の内部空間のうちスロットルバルブ３１に近い部分に配置されている。吸気冷却用電磁弁５２が開状態とされているときには、吸気冷却用エバポレータ２４７に冷媒が流れ、コレクタ３２を流れている吸入空気を冷やす。これにより、各分岐管３３ａ〜第４分岐管３３ｄに分岐していく吸入空気は、それぞれ冷やされた状態となる。反対に、吸気冷却用電磁弁５２が閉状態とされているときには、吸気冷却用エバポレータ２４７による吸入空気の冷却は行われない。

この場合には、吸入空気の冷却の応答性が少し悪くなるものの、上記実施形態よりも簡易な構造が採りやすくなる。
（Ｄ）
上記実施形態では、吸気マニホルド３３の第１分岐管３３ａ〜第４分岐管３３ｄそれぞれに対して、吸気冷却用エバポレータ４７の第１冷却部４７ａ〜第４冷却部４７ｄを配置している。

しかし、必ずしも全ての分岐管３３ａ〜３３ｄに吸気冷却用エバポレータ４７の冷却部を配備しなくても、エンジンストール防止の目的を達成できる場合もある。例えば、分岐管３３ａ〜３３ｄのうち１つの分岐管だけに吸気冷却用エバポレータ４７の冷却部を配備した構造を採っても、吸気冷却用エバポレータ４７を配備しない場合に較べてエンジンストール防止を図ることができる。

（Ｅ）
上記実施形態では、吸入空気の温度を検知する吸気温度センサ８２をコレクタ３２内に設け、コレクタ３２内の吸入空気の温度を吸気温度とし、その吸気温度のデータを用いて図３のステップＳ２の判断を行っている。
この吸気温度については、他の場所（例えば、吸気マニホルド３３内の吸気冷却用エバポレータ４７の上流側あるいは下流側、スロットル上流側通路２２など）において測定した温度で代用することもできるし、外気温から推定される吸気温度で代用することもできる。

（Ｆ）
上記実施形態では、ＭＰＩ仕様のエンジン１の吸気装置に対して本発明を適用しているが、燃焼室において成層燃焼を行う運転領域を有する直噴エンジンの吸気装置に対して本発明を適用することも可能である。
（Ｇ）
上記実施形態では、吸気通路２０のスロットル下流側通路２３の吸入空気を冷やす冷却装置として、自動車の車室を空調する空調機能と吸入空気を冷却する冷却機能とを併せ持つ兼用エアコン４０を採用しているが、本発明は冷却装置の形式や構造に特に限定されるものではない。

例えば、自動車の車室を空調する空気調和装置とは別に吸入空気の冷却専用の吸気冷却専用装置を配備してもよい。
また、そのような吸気冷却専用装置として、現在よく使われている冷媒ではなく二酸化炭素を冷媒とする冷凍サイクルを持つ装置を採用してもよいし、ペルチェ素子のような冷却効果を持つ電子部品を用いた装置を採用してもよいし、冷却した窒素ガスを用いるような装置を採用してもよい。また、これらの吸気冷却専用装置は、エンジン出力を直接的に利用するものであってもよいし、バッテリーを電源とする装置であってもよい。

（Ｈ）
上記実施形態では、空調用電磁弁５１および吸気冷却用電磁弁５２として、開閉の２状態を切り替える開閉制御弁を用いているが、流量調整が可能な制御弁を使用してもよい。
［第２実施形態］
本発明の一実施形態に係るエンジン（内燃機関）の吸気装置の一部を、図７に示す。この吸気装置は、吸気マニホルド３３の第１分岐管３３ａ〜第４分岐管３３ｄそれぞれの内部に仕切り板（第１仕切り板３３０ａ〜第４仕切り板３３０ｄ）を設け、それに応じて図２に示す吸気冷却用エバポレータ４７に代えて図７に示す吸気冷却用エバポレータ３４７を採用するとともに、複数の電磁弁３３３ａ〜３３３ｄ，３３４ａ〜３３４ｄを配備したものである。第２実施形態の吸気装置の他の構成については、第１実施形態の吸気装置と同様であるため、ここでは説明を省略する。

第２実施形態の吸気装置では、吸気マニホルド３３の第１分岐管３３ａ〜第４分岐管３３ｄの内部に第１仕切り板３３０ａ〜第４仕切り板３３０ｄを設けることにより、第１分岐管３３ａ〜第４分岐管３３ｄそれぞれの内部に、並列する第１通路３３１ａ〜３３１ｄと第２通路３３２ａ〜３３２ｄとが形成される。例えば、第１分岐管３３ａでは、コレクタ３２から流れてきた吸入空気が、第１通路３３１ａおよび第２通路３３２ａに分岐し、吸気ポートに近い部分において再び合流することになる。

並列する第１通路３３１ａ〜３３１ｄおよび第２通路３３２ａ〜３３２ｄの上流部分には、第１通路開閉用電磁弁３３３ａ〜３３３ｄおよび第２通路開閉用電磁弁３３４ａ〜３３４ｄが配備される。これらの電磁弁３３３ａ〜３３３ｄ，３３４ａ〜３３４ｄは、制御装置８０からの指令により開状態と閉状態とが切り替えられる。
吸気冷却用エバポレータ３４７は、吸気マニホルド３３の第１通路３３１ａ〜３３１ｄの内部にそれぞれ配置される第１冷却部３４７ａ〜第４冷却部３４７ｄに分かれている。第２実施形態の吸気装置では、吸気冷却用電磁弁５２が常に開状態とされており、吸気冷却用エバポレータ３４７の第１冷却部３４７ａ〜第４冷却部３４７ｄは、それぞれ、第１通路３３１ａ〜３３１ｄ内の空気を冷やす。

なお、常時開の吸気冷却用電磁弁５２の設置は、省略可能である。また、第１通路開閉用電磁弁３３３ａ〜３３３ｄを閉めると、第１冷却部３４７ａ〜第４冷却部３４７ｄが配置される第１通路３３１ａ〜３３１ｄにおいて殆ど空気の流れがない状態が生じるため、制御装置８０の指令に基づき流量調整が可能なものを第２エキスパンションバルブ４６として採用することになる。

このような構成の第２実施形態の吸気装置では、吸入空気の冷却が不要なとき（図３のステップＳ１の冷却非実施のとき）には、第１通路開閉用電磁弁３３３ａ〜３３３ｄを閉め、第２通路開閉用電磁弁３３４ａ〜３３４ｄを開ける。これにより、エンジン１の燃焼室６６には、吸気冷却用エバポレータ３４７の第１冷却部３４７ａ〜第４冷却部３４７ｄを殆ど通らない吸入空気が流れることになる。反対に、吸入空気の冷却が必要なとき（図３のステップＳ６の冷却実施のとき）には、第１通路開閉用電磁弁３３３ａ〜３３３ｄを開け、第２通路開閉用電磁弁３３４ａ〜３３４ｄを閉める。これにより、エンジン１の燃焼室６６には、吸気冷却用エバポレータ３４７の第１冷却部３４７ａ〜第４冷却部３４７ｄを通って冷却された吸入空気が流れることになる。特に、吸入空気の冷却が必要となって、それまで閉まっていた第１通路開閉用電磁弁３３３ａ〜３３３ｄを開けた直後には、既に冷えていた第１通路３３１ａ〜３３１ｄの空気が吸入空気として燃焼室６６に流れることになり、吸入空気の冷却の応答性が非常に良くなる。

＜第２実施形態の変形例＞
（Ａ）
上記実施形態では、第１通路開閉用電磁弁３３３ａ〜３３３ｄを閉めているときの第１通路３３１ａ〜３３１ｄを一種の蓄冷空間（冷えた空気の貯留空間）として用いることになっているが、さらに積極的に蓄冷構造（冷熱の蓄熱構造）を採用することも考えられる。この蓄冷構造は、第１通路３３１ａ〜３３１ｄの内部に蓄冷材を配置するものであってもよいし、第１通路３３１ａ〜３３１ｄの外側に設けた蓄冷材を利用するものであってもよい。なお、第１通路３３１ａ〜３３１ｄの内部に蓄冷材を配置する場合には、第１通路３３１ａ〜３３１ｄの中を通る吸入空気の流量を確保するために、第１通路３３１ａ〜３３１ｄの断面積を大きくしてやることが望ましい。

（Ｂ）
上記実施形態では、吸入空気の冷却が不要なときに、第１通路開閉用電磁弁３３３ａ〜３３３ｄを閉めるとともに第２通路開閉用電磁弁３３４ａ〜３３４ｄを開け、吸入空気の冷却が必要なときに、第１通路開閉用電磁弁３３３ａ〜３３３ｄを開けるとともに第２通路開閉用電磁弁３３４ａ〜３３４ｄを閉めている。

これに代えて、吸入空気の冷却が必要なときには、第２通路開閉用電磁弁３３４ａ〜３３４ｄは開け続け、第１通路開閉用電磁弁３３３ａ〜３３３ｄを閉状態から開状態に移行させるようにしてもよい。この場合には、第２通路開閉用電磁弁３３４ａ〜３３４ｄの設置を省略することが可能である。
（Ｃ）
図８に、図７に示す吸気マニホルド３３の第１分岐管３３ａを拡大したものを示す。この図８において点線で示すように、第１通路３３１ａのうち吸気冷却用エバポレータ３４７の第１冷却部３４７ａの下流側の部分に第１温度センサ３８２を設けたり、第２通路３３２ａに第２温度センサ３８３を設けたりしてもよい。このようなエンジン１の燃焼室６６に近い場所において、第１通路３３１ａおよび第２通路３３２ａを出る吸入空気の温度の実測値がわかれば、制御装置８０は、燃焼室６６に入る吸入空気の温度をより精密に把握することができるようになる。

［第３実施形態］
本発明の一実施形態に係るエンジン（内燃機関）の吸気装置および制御装置を、図９に示す。
＜エンジンの概略構成および動作＞
エンジンは、吸気通路を介して燃焼室６６内に吸入空気および燃料を吸い込み、燃焼室６６において空気と燃料との混合気を燃焼させ、その燃焼によるピストンの往復運動をコンロッドを介してクランクシャフトによって回転出力に変換する。

エンジンの構成については、上記第１実施形態のエンジン１と同様であるので、その他の説明については省略する。
＜吸気装置の構成＞
第３実施形態のエンジンの吸気装置は、主として、吸気通路と、エアクリーナ２１と、スロットルバルブ３１と、吸入空気を冷やす冷却装置としての兼用エアコンと、制御装置とから構成されている。

吸気通路は、燃焼室６６に吸入させる吸入空気を流すための通路であり、その内部にエアクリーナ２１、エアーフローメータ８１、スロットルバルブ３１が上流側から順に配置されている。
図９に示すように、エアクリーナ２１およびエアーフローメータ８１は、スロットルバルブ３１よりも上流側の通路に配置されている。エアーフローメータ８１は、吸入空気量を計測する。スロットルバルブ３１は、燃焼室６６への吸入空気量を調整するための制御バルブであり、制御装置からの指令に基づき燃焼室６６に入る空気の量を調節する。

吸気通路のうちスロットルバルブ３１の下流側に位置するスロットル下流側通路は、主として、第１コレクタ連絡通路３５、第１コレクタ３２、吸気マニホルド３３、吸気ポート３４、第２コレクタ連絡通路３７，第２コレクタ３６、および冷却空気送出通路３８から構成されている。冷却空気送出通路３８（第１送出通路３８ａ〜第４送出通路３８ｄ）には、それぞれ電磁開閉制御弁３９（第１開閉弁３９ａ〜第４開閉弁３９ｄ）が設けられている。

吸入空気のメインの通路となるのは、上流側から順に配置される第１コレクタ連絡通路３５、第１コレクタ３２、吸気マニホルド３３、および吸気ポート３４である。吸気ポート３４（第１吸気ポート３４ａ〜第４吸気ポート３４ｄ）は、エンジンの各気筒（ここでは、４気筒）に対して設けられており、シリンダヘッドに形成されている。吸気マニホルド３３は、コレクタ３２から各吸気ポート３４に延びる第１分岐管３３ａ〜第４分岐管３３ｄを有しており、各気筒の燃焼室６６に吸い込まれる吸入空気の略均等な分配を行わせる。

一方、吸入空気は、電磁開閉制御弁３９が開けられているときには、スロットルバルブ３１の下流側近傍で第１コレクタ連絡通路３５から分岐する第２コレクタ連絡通路３７にも流れる。第２コレクタ連絡通路３７の下流側には第２コレクタ３６が配置され、第２コレクタ３６からは、吸気マニホルド３３の第１分岐管３３ａ〜第４分岐管３３ｄそれぞれに向けて、冷却空気送出通路３８（第１送出通路３８ａ〜第４送出通路３８ｄ）が延びている。

本実施形態の兼用エアコンは、第１実施形態の兼用エアコン４０と同様の構成であり、吸気冷却用エバポレータ４７の代わりに図９に示す吸気冷却用エバポレータ４４７が使用されている。吸気冷却用エバポレータ４４７は、第２コレクタ３６の中に１つの冷却部として配置されている。この吸気冷却用エバポレータ４４７には、常時冷媒を流す。すなわち、ここでは、吸気冷却用電磁弁５２が常に開状態とされている。したがって、吸気冷却用電磁弁５２の設置は省略可能である。また、電磁開閉制御弁３９を閉めると、吸気冷却用エバポレータ４４７が配置される第２コレクタ３６において空気の流れがない状態が生じるため、制御装置８０の指令に基づき流量調整が可能なものを第２エキスパンションバルブ４６として採用することになる。

本実施形態の制御装置も、第１実施形態の制御装置８０と同様の構成である。
また、吸入空気の冷却有無の決定フローについても、図３および図４に示す第１実施形態のフローと同様である。
＜第３実施形態のエンジンの吸気装置の特徴＞
このような構成の第３実施形態の吸気装置では、吸入空気の冷却が不要なとき（図３のステップＳ１の冷却非実施のとき）には、電磁開閉制御弁３９を閉める。これにより、エンジンの燃焼室６６には、吸気冷却用エバポレータ４４７により内部が冷却されている第２コレクタ３６を通らない吸入空気が流れることになる。反対に、吸入空気の冷却が必要なとき（図３のステップＳ６の冷却実施のとき）には、電磁開閉制御弁３９を開ける。これにより、吸気冷却用エバポレータ４４７により内部が冷却されている第２コレクタ３６を通った冷えた空気が、冷却空気送出通路３８（第１送出通路３８ａ〜第４送出通路３８ｄ）から吸気マニホルド３３の第１分岐管３３ａ〜第４分岐管３３ｄに加わることになり、エンジンの燃焼室６６には、冷却空気送出通路３８からの冷えた空気が加わって空気密度が高くなった吸入空気が吸い込まれることになる。特に、吸入空気の冷却が必要となって電磁開閉制御弁３９を開けてからしばらくの間は、第２コレクタ３６内において既に冷えていた空気が吸入空気に加わって吸気マニホルド３３から燃焼室６６に流れることになり、燃焼室６６に吸い込まれる吸入空気の冷却の応答性が非常に良くなる。

このように、応答性良く吸入空気を冷却することができるため、第３実施形態のエンジンの吸気装置では、エンジンストールを効果的に防止できる。
［他の実施形態］
上記各実施形態のエンジンの吸気装置では、スロットルバルブ３１の下流の吸気通路の吸入空気を冷却することで、吸入空気の冷却の応答性を高め、エンジンストールの発生を抑えているが、吸気装置における吸入空気の冷却の応答性の高さは、加速要求が強いときにおける吸気冷却においても有効である。例えば、アクセル開度が大きい、アクセルが踏み込まれているなどの条件から加速要求が強いと判断したときに、吸入空気を応答性良く冷却して、吸入空気の密度を高めて充填効率を向上させ出力アップを図ることができる。これにより、エンジンの発生トルクが増加し、高いレベルの加速性能を確保することができるようになる。

本発明に係る内燃機関の吸気装置は、内燃機関が吸入する吸入空気を冷やす必要があるときに、吸入空気の冷却を応答性良く行ってエンジンストールの発生を抑えることができる装置として有用である。

第１実施形態の吸気装置の側面視の概略構成図である。 第１実施形態の吸気装置の平面視の概略構成図である。 吸入空気の冷却有無の決定フローチャート（前半）である。 吸入空気の冷却有無の決定フローチャート（後半）である。 第１実施形態の変形例（Ｂ）の吸気装置の平面視の概略構成図である。 第１実施形態の変形例（Ｃ）の吸気装置の平面視の概略構成図である。 第２実施形態の吸気装置の平面視の概略構成図である。 第２実施形態の変形例（Ｃ）の吸気装置の平面視の拡大図である。 第３実施形態の吸気装置の側面視の概略構成図である。

符号の説明

１ エンジン
２０ 吸気通路
２３ スロットル下流側通路（調整弁の下流の吸気通路）
３１ スロットルバルブ（調整弁）
３２ コレクタ
３３ 吸気マニホルド
３３ａ〜３３ｄ 第１分岐管〜第４分岐管
３４ 吸気ポート
３４ａ〜３４ｄ 第１吸気ポート〜第４吸気ポート
３６ 第２コレクタ
３８ 冷却空気送出通路
３９ 電磁開閉制御弁（制御弁）
４０ 兼用エアコン（冷却装置）
４６ 第２エキスパンションバルブ（冷却装置）
４７ 吸気冷却用エバポレータ（冷却装置）
４７ａ〜４７ｄ 第１冷却部〜第４冷却部
６６ 燃焼室
８０ 制御装置
８２ 吸気温度センサ
１４７，２４７，３４７，４４７ 吸気冷却用エバポレータ（冷却装置）
３３１ａ〜３３１ｄ 第１通路
３３２ａ〜３３２ｄ 第２通路
３３３ａ〜３３３ｄ 第１通路開閉用電磁弁（制御弁）

Claims (13)

1. 内燃機関の吸気通路に設けられ、吸入空気量を調整する調整弁と、
   前記調整弁の下流の吸気通路内の吸入空気を冷却する冷却装置と、
   を備える内燃機関の吸気装置。
2. 前記冷却装置は、前記調整弁の下流の吸気通路の内部に配置された冷却部を有している、
   請求項１に記載の内燃機関の吸気装置。
3. 前記冷却装置は、前記調整弁の下流の吸気通路を冷却する、
   請求項１に記載の内燃機関の吸気装置。
4. 前記冷却装置は、冷却した空気を、前記調整弁の下流の吸気通路内に導入する、
   請求項１に記載の内燃機関の吸気装置。
5. 内燃機関は複数の気筒を有するものであり、
   前記調整弁の下流の吸気通路は、コレクタと、前記コレクタの下流側に位置し各気筒に吸入空気を分岐させる吸気マニホルドと、前記吸気マニホルドの下流側に位置し前記吸気マニホルドと各気筒とを結ぶ吸気ポートとを含み、
   前記冷却装置は、前記吸気マニホルド、前記吸気ポートおよび前記コレクタの少なくともいずれか１つを冷却する、
   請求項１から４のいずれかに記載の内燃機関の吸気装置。
6. 前記吸気マニホルドは、気筒毎に設けられるブランチ通路を有しており、
   前記冷却装置は、前記複数のブランチ通路のうち少なくとも１つの前記ブランチ通路を流れている吸入空気を冷却する、
   請求項５に記載の内燃機関の吸気装置。
7. 前記冷却装置は、それぞれの前記ブランチ通路を流れている吸入空気を冷却する複数の冷却部を有している、
   請求項６に記載の内燃機関の吸気装置。
8. 前記調整弁の下流の吸気通路は、並列配置される第１通路および第２通路を含み、
   前記冷却装置は、前記第１通路を流れる吸入空気を冷却し、
   前記第１通路の吸入空気の流れを制御する制御弁をさらに備える、
   請求項１から７のいずれかに記載の内燃機関の吸気装置。
9. 前記冷却装置によって吸入空気を冷却するか否かの判断を内燃機関の運転条件に応じて行う制御装置をさらに備えた、
   請求項１から８のいずれかに記載の内燃機関の吸気装置。
10. 前記制御装置は、吸入空気を冷却するか否かの判断を、内燃機関の回転数に応じて行う、
    請求項９に記載の内燃機関の吸気装置。
11. 前記制御装置は、内燃機関の回転数が所定値よりも小さいときに、吸入空気を冷却する、
    請求項１０に記載の内燃機関の吸気装置。
12. 前記制御装置は、吸入空気を冷却するか否かの判断を、内燃機関に補機の負荷が作用しているか否かに応じて行う、
    請求項９から１１のいずれかに記載の内燃機関の吸気装置。
13. 前記制御装置は、吸入空気を冷却するか否かの判断を、吸入空気の温度に応じて行う、
    請求項９から１２のいずれかに記載の内燃機関の吸気装置。

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