JP5190013B2

JP5190013B2 - 吸気制御システム

Info

Publication number: JP5190013B2
Application number: JP2009069698A
Authority: JP
Inventors: 充岩崎
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Calsonic Kansei Corp
Priority date: 2009-03-23
Filing date: 2009-03-23
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2029-03-23
Also published as: JP2010223038A

Description

本発明は、吸気制御システムに関し、特に、二系統の冷却水を用いてエンジンに供給する吸気の温度を制御する吸気制御システムに関する。

内燃機関（エンジン）においては、吸気（吸入空気）温度が変動することで、最適な吸気温度のときと比較して２０〜３０％も燃費悪化してしまうことがある。そのため、燃費向上を目指して吸気温度を、最適な吸気温度で一定に維持することが要求される。

吸気が過給機（ターボチャージャ）によって圧縮されたり、高外気温時である夏期等においては吸気温度が高くなるので、吸気温度を一定に維持するために吸気を冷却しなければならない。また、定常運転時や低外気温時である冬期等においては吸気温度が低くなるので、吸気温度を一定に維持するために吸気を加温しなければならない。

そこで、吸気温度を一定に維持するために、吸気通路中の吸気温度を検出するとともに空気冷却器を通流する冷却水の温度を検出し、吸気温度の検出値により空気冷却器を通流する冷却水量を調整して吸気温度を所定温度に制御するとともに、冷却水温度の検出値により空気冷却器を通した冷却水を冷却する冷却装置を通流する冷却水量を調整して冷却水温度を所定温度に制御することが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

しかしながら、冷却水の温度を制御して吸気温度を一定に維持する場合、まず冷却水の温度を所定の温度になるように調整しなければならず、応答性が悪いという問題がある。

特開２００３−２６２１３１号公報

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであって、吸気温度を応答性良く所望の温度にすることが可能な吸気制御システムを提供することを目的とする。

本願発明の一態様によれば、第１熱交換器によって熱交換された第１媒体と吸気とで熱交換する高温側熱交換器と、吸気流路において高温側熱交換器の下流側に配置され、第１媒体より低温となるように第２熱交換器によって熱交換された第２媒体と高温側熱交換器で熱交換した吸気とで熱交換する低温側熱交換器と、吸気流路において高温側熱交換器の下流側に低温側熱交換器と並んで設けられ、高温側熱交換器で熱交換した吸気が低温側熱交換器を迂回するための熱交換バイパス経路と、低温側熱交換器で熱交換した吸気と熱交換バイパス経路を経由した吸気の流量を調整して、エンジンに供給する吸気を調整する温度調整バルブとを備え、高温側熱交換器には、吸気流路において高温側熱交換器の上流側に配置されたターボ切替バルブによって、過給機で圧縮された圧縮吸気、及び過給機を経由しない自然吸気のいずれかが供給され、ターボ切替バルブは、アクセルを開放した後に圧縮吸気の吸気圧が自然吸気の吸気圧より低くなるターボ切替ポイント以前では自然吸気を供給するように制御する吸気制御システムであることを要旨とする。

本発明によれば、吸気温度を応答性良く所望の温度にすることが可能な吸気制御システムを提供することができる。また、吸気流路において高温側熱交換器の上流側に配置されたターボ切替バルブによって、過給機で圧縮された圧縮吸気、及び過給機を経由しない自然吸気のいずれかが供給され、アクセルを開放した後に圧縮吸気の吸気圧が自然吸気の吸気圧より低くなるターボ切替ポイント以前では自然吸気を供給するようにターボ切替バルブを制御することにより、加速初期のレスポンスを改善することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る吸気制御システムの概略図である。本発明の第１の実施の形態に係る吸気制御システムの概観図である。本発明の第１の実施の形態に係る吸気制御システムにおける温度調整バルブの制御動作を示す概略図である。吸気温度と燃費に対する軸トルクとの関係を示すグラフである。本発明の第１の実施の形態に係る吸気制御システムの温度調整バルブの制御を説明するためのフローチャートである。本発明の第１の実施の形態に係る吸気制御システムにおけるターボ切替バルブの制御動作を示す概略図である。ターボとＮＡを切り替える契機について説明するためのグラフである。本発明の第１の実施の形態に係る吸気制御システムのターボ切替バルブの制御を説明するためのフローチャートである。本発明の第２の実施の形態に係る吸気制御システムの概略図である。

以下に図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なる。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

（第1の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る吸気制御システムは、図１に示すように、第１熱交換器（ラジエータ）によって熱交換された第１媒体と吸気とで熱交換する高温側熱交換器２０ａと、吸気流路において高温側熱交換器２０ａの下流側に配置され、第１媒体より低温となるように第２熱交換器（サブラジエータ）によって熱交換された第２媒体と高温側熱交換器２０ａで熱交換した吸気とで熱交換する低温側熱交換器２０ｂと、吸気流路において高温側熱交換器２０ａの下流側に低温側熱交換器２０ｂと並んで設けられ、高温側熱交換器２０ａで熱交換した吸気が低温側熱交換器２０ｂを迂回するための熱交換バイパス経路４４と、低温側熱交換器２０ｂで熱交換した吸気と熱交換バイパス経路４４を経由した吸気の流量を調整して、エンジンに供給する吸気を調整する温度調整バルブ３２とを備える。

吸気制御システムは、更に、吸気（吸入空気）を圧縮して供給するタービン（過給機）４０と、吸気流路において高温側熱交換器２０ａの上流側に配置され、過給機４０で圧縮された圧縮吸気、及び過給機４０を経由しない自然吸気のいずれかを高温側熱交換器２０ａに供給する制御を行うターボ切替バルブ３０とを備える。尚、ターボ切替バルブ３０の制御によって過給機４０を経由しない自然吸気の経路として、ターボバイパス経路４２が設けられている。

高温側熱交換器２０ａ、低温側熱交換器２０ｂ、及び温度調整バルブ３２は、図１及び図２に示すように、ケース１０内に収納されている。ケース１０は、図２に示すように、過給機４０によって圧縮吸気とされた吸気、又は過給機４０を経由しない自然吸気としての吸気を導入する導入管１２と、吸気を冷却して排出する排出管１４とを備え、吸気の流路を有する。ケース１０は、耐熱性を有する樹脂等によって形成される。

高温側熱交換器２０ａ及び低温側熱交換器２０ｂは、図２に示すように、第１媒体又は第２媒体が流れる扁平チューブと放熱フィンが交互に積層されたコア２１と、入口タンク２８ａと接続された扁平チューブに第１媒体を流入させる入口パイプ２２ａと、出口タンク２８ｂに接続された扁平チューブから第１媒体を流出させる出口パイプ２４ａと、入出口タンク２９ａと接続された扁平チューブに第２媒体を流入させる入口パイプ２２ｂと、入出口タンク２９ａに接続された扁平チューブから第２媒体を流出させる出口パイプ２４ｂとを備える。コア２１は、吸気の流れ方向に流通経路を有する構造となっている。

第１媒体は、入口パイプ２２ａより入口タンク２８ａ内へ流入し、各扁平チューブへ流入する。扁平チューブ内を通過後、出口タンク２８ｂを通って、出口パイプ２４ａより流出する。第１媒体は、エンジン冷却系のラジエータ（第１熱交換器）によって熱交換されて冷却された冷却水である。

第２媒体は、入口パイプ２２ｂより入出口タンク２９ａ内へ流入し、各扁平チューブへ分散して流入する。扁平チューブ内を通過後、折返しタンク２９ｂにてターンし、復路側の扁平チューブを通って入出口タンク２９ａ内へ流入し、出口パイプ２４ｂより流出する。第２媒体は、エンジン冷却系とは別の独立し、サブラジエータ（第２熱交換器）によって熱交換されて冷却される媒体循環系の冷却水である。

温度調整バルブ３２は、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、開閉を調整することで、燃費が最適となる吸気の目標温度になるように、低温側熱交換器２０ｂで熱交換した吸気と熱交換バイパス経路４４を経由した吸気の流量を調整する。

燃費が最適となる吸気の目標温度の算出方法の一例について、図４のグラフを参照しながら説明する。図４に示すグラフは、吸気温度と燃料消費率（燃費）の関係および、吸気温度とエンジントルク（軸トルク）の関係より得られる、吸気温度と燃費に対する軸トルクとの関係を示す。つまり吸気温度を変化させた時の、燃料消費率（燃費）あたりのエンジントルクの変化が表され、グラフの頂点となるときが軸トルク及び燃費が最適となるときであるので、そのときの吸気温度が、定常運転時の吸気の目標温度として算出される。

以下に、温度調整バルブ３２の制御について、図５のフローチャートを参照しながら説明する。

（イ）まず、ステップＳ１１において、吸気流路において高温側熱交換器２０ａの上流側に配置されるセンサ３３によって、高温側熱交換器２０ａに供給される吸気温度（Ａ点での吸気温度）を測定する。

（ロ）次に、ステップＳ１２において、Ａ点での吸気温度と吸気の目標温度を比較する。ここで、吸気の目標温度とは、定常運転時の場合は、上述した図４より求められる温度として、加速時である場合は、可能な限り低温とする。Ａ点での吸気温度と吸気の目標温度を比較した結果、Ａ点での吸気温度が目標温度以下である場合はステップＳ１３に移行し、Ａ点での吸気温度が目標温度以上である場合はステップＳ１５に移行する。例えば、吸気の目標温度が４０℃であって、Ａ点での吸気温度が−２０℃である場合はステップＳ１３に移行し、Ａ点での吸気温度が１５０℃である場合はステップＳ１５に移行する。

（ハ）ステップＳ１２の比較の結果、ステップＳ１３に移行した場合、温度調整バルブ３２を閉じる制御を行う（図３（ｂ）参照）。温度調整バルブ３２が閉じられたときには、低温側熱交換器２０ｂを経由した吸気は封鎖され、熱交換バイパス経路４４を経由した吸気がエンジンに供給される。温度調整バルブ３２を制御した後、ステップＳ１４において、高温側熱交換器２０ａで吸気を目標温度まで加熱する。例えば、Ａ点での吸気温度が−２０℃である場合、約９０℃である高温側熱交換器２０ａの第１媒体と吸気で熱交換することで、吸気を目標温度の４０℃まで加熱する。

（ニ）ステップＳ１２の比較の結果、ステップＳ１５に移行した場合、温度調整バルブ３２を開ける制御を行う（図３（ａ）参照）。温度調整バルブ３２が開けられたときには、低温側熱交換器２０ｂを経由した吸気は封鎖されずに、エンジンに供給される。温度調整バルブ３２を制御した後、ステップＳ１６において、高温側熱交換器２０ａ及び低温側熱交換器２０ｂで吸気を目標温度まで冷却する。例えば、Ａ点での吸気温度が１５０℃である場合、約９０℃である高温側熱交換器２０ａの第１媒体と吸気で熱交換することで、吸気を約９０℃まで冷却し、更に約４０℃である低温側熱交換器２０ｂの第２媒体と吸気で熱交換することで目標温度の４０℃まで冷却する。

（ホ）ステップＳ１４又はステップＳ１６の後、ステップＳ１７において、吸気流路においてエンジンの上流側に配置されるセンサ３４によって、エンジンに供給される吸気温度（Ｂ点での吸気温度）を測定する。

（ヘ）次に、ステップＳ１８において、Ｂ点での吸気温度と吸気の目標温度を比較する。Ｂ点での吸気温度と吸気の目標温度を比較した結果、Ｂ点での吸気温度が目標温度と一致した場合は温度調整バルブ３２の制御を終了し、Ｂ点での吸気温度が目標温度と異なった場合は温度調整バルブ３２の制御を行う。温度調整バルブ３２の制御としては、低温側熱交換器２０ｂで熱交換した吸気と熱交換バイパス経路４４を経由した吸気の流量を調整して、エンジンに供給する吸気の温度を目標温度となるように制御する。

ターボ切替バルブ３０は、図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、開閉を調整することで、過給機４０で圧縮された圧縮吸気（ターボ）、及び過給機４０を経由しない自然吸気（ＮＡ）のいずれかを高温側熱交換器２０ａに供給する制御をする。つまり、ターボ切替バルブ３０は、エンジンに供給する吸気をターボとＮＡのいずれにするかを切り替えるバルブである。

ターボとＮＡを切り替える契機について、図７のグラフを参照しながら説明する。図７に示すように、アクセルを開放した直後ではターボの吸気圧がＮＡの吸気圧より低くなる現象がみられる。この現象は、ターボエンジンの加速初期、タービンが十分回っていないとき、吸気が負圧のときに発生する。そして、そのままアクセルの開放を続けると、ターボの吸気圧がＮＡの吸気圧より高くなっていく。このターボの吸気圧とＮＡの吸気圧が切り替わるポイント（ターボ切替ポイント）を、ターボとＮＡを切り替える契機とする。

以下に、ターボ切替バルブ３０の制御について、図８のフローチャートを参照しながら説明する。

（イ）まず、ステップＳ２１において、吸気流路においてエンジンの上流側に配置されるセンサ３４によって、エンジンに供給される吸気圧力（Ｂ点での吸気圧力）を測定する。

（ロ）次に、ステップＳ２２において、Ｂ点での吸気圧力とターボ切替ポイント（図７参照）の圧力を比較する。Ｂ点での吸気圧力とターボ切替ポイントの圧力を比較した結果、Ｂ点での吸気圧力がターボ切替ポイントの圧力以下である場合はステップＳ２３に移行し、Ｂ点での吸気圧力がターボ切替ポイントの圧力以上である場合はステップＳ２５に移行する。

（ハ）ステップＳ２２の比較の結果、ステップＳ２３に移行した場合、ターボ切替バルブ３０を開ける制御を行う（図６（ａ）参照）。ターボ切替バルブ３０を制御した後のステップＳ２４において、ターボ切替バルブ３０は開いているので、吸気は過給機４０を経由せずに、ターボバイパス経路４２を経由してＮＡとしてエンジンに供給される。以上で、ＮＡとして吸気を行うターボ切替バルブ３０の制御を終了する。

（ニ）ステップＳ２２の比較の結果、ステップＳ２５に移行した場合、ターボ切替バルブ３０を閉じる制御を行う（図６（ｂ）参照）。ターボ切替バルブ３０を制御した後のステップＳ２４において、ターボ切替バルブ３０は閉じているので、吸気は過給機４０を経由してターボとしてエンジンに供給される。以上で、ターボとして吸気を行うターボ切替バルブ３０の制御を終了する。

第１の実施の形態に係る吸気制御システムによれば、加速時でターボ切替ポイント前まではターボ切替バルブ３０を開く制御をしてＮＡとし、温度調整バルブ３２を開く制御をして吸気を高温側熱交換器２０ａ及び低温側熱交換器２０ｂで冷却することで、加速初期のレスポンスを改善することができる。

また、第１の実施の形態に係る吸気制御システムによれば、ターボ切替ポイント後ではターボ切替バルブ３０を閉じる制御をしてターボとすることで、エンジン内の空気充填効率を上げることができる。

更に、第１の実施の形態に係る吸気制御システムによれば、温度調整バルブ３２を制御することで、低温側熱交換器２０ｂで熱交換した吸気と熱交換バイパス経路４４を経由した吸気の流量を調整して、エンジンに供給する吸気の温度を応答性良く目標温度となるようにすることができるので燃費を良くすることができる。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係る吸気制御システムは、図９に示すように、第１熱交換器（ラジエータ）によって熱交換された第１媒体と吸気とで熱交換する高温側熱交換器２０ａと、吸気流路において高温側熱交換器２０ａの下流側に配置され、第１媒体より低温となるように第２熱交換器（エバポレータ）によって熱交換された第２媒体と高温側熱交換器２０ａで熱交換した吸気とで熱交換する低温側熱交換器２０ｂと、吸気流路において高温側熱交換器２０ａの下流側に低温側熱交換器２０ｂと並んで設けられ、高温側熱交換器２０ａで熱交換した吸気が低温側熱交換器２０ｂを迂回するための熱交換バイパス経路４４と、低温側熱交換器２０ｂで熱交換した吸気と熱交換バイパス経路４４を経由した吸気の流量を調整して、エンジンに供給する吸気を調整する温度調整バルブ３２とを備える。第１の実施の形態に係る吸気制御システムと実質的に同様な個所については、記載を省略する。

第２媒体は、エアコンサイクルの媒体循環系で、エバポレータ（第２熱交換器）によって熱交換されて冷却される冷却水である。

このように構成された第２の実施の形態に係る吸気制御システムでも、第１の実施の形態に係る吸気制御システムと同様の効果を得ることができる。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす記述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかになるはずである。

例えば、第１及び第２の実施の形態における低温側熱交換器２０ｂは、蓄熱材を備えることで、低温側熱交換器２０ｂが常に冷えているようになり、加速時は蓄熱効果で素早く吸気を冷却することが可能となる。したがって、低温側熱交換器２０ｂに蓄熱材を備えることで、低温（例えば、４０℃）に保たれる時間が長くなり、吸気に対する温度調整の対応可能時間を長くすることが可能となる。

更に、目標吸気温度は、図４で示したような所定の範囲の固定値だけでなく、様々な形態をとることができる。例えば、エンジン回転数やスロットル開度を検出し、エンジン回転数と目標吸気温度、又は、エンジン負荷と目標吸気温度、又は、エンジン回転数及びエンジン負荷と目標吸気温度、となるように最適目標吸気温度をメモリに記憶又は計算させる目標温度算出手段を設け、エンジン回転数、エンジン負荷に応じた目標吸気温度となるように変化させてもよい。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲の発明特定事項によってのみ限定されるものである。

１０…ケース
１２…導入管
１４…排出管
２０ａ…高温側熱交換器
２０ｂ…低温側熱交換器
２１…コア
２２ａ，２２ｂ…入口パイプ
２４ａ，２４ｂ…出口パイプ
２８ａ…入口タンク
２８ｂ…出口タンク
２９ａ…入出口タンク
２９ｂ…折返しタンク
３０…ターボ切替バルブ
３２…温度調整バルブ
３３，３４…センサ
４０…過給機
４２…ターボバイパス経路
４４…熱交換バイパス経路

Claims

第１熱交換器によって熱交換された第１媒体と吸気とで熱交換する高温側熱交換器と、
吸気流路において前記高温側熱交換器の下流側に配置され、前記第１媒体より低温となるように第２熱交換器によって熱交換された第２媒体と前記高温側熱交換器で熱交換した吸気とで熱交換する低温側熱交換器と、
吸気流路において前記高温側熱交換器の下流側に前記低温側熱交換器と並んで設けられ、前記高温側熱交換器で熱交換した吸気が前記低温側熱交換器を迂回するための熱交換バイパス経路と、
前記低温側熱交換器で熱交換した吸気と前記熱交換バイパス経路を経由した吸気の流量を調整して、エンジンに供給する吸気を調整する温度調整バルブとを備え、
前記高温側熱交換器には、吸気流路において前記高温側熱交換器の上流側に配置されたターボ切替バルブによって、過給機で圧縮された圧縮吸気、及び前記過給機を経由しない自然吸気のいずれかが供給され、
前記ターボ切替バルブは、アクセルを開放した後に前記圧縮吸気の吸気圧が前記自然吸気の吸気圧より低くなるターボ切替ポイント以前では前記自然吸気を供給するように制御することを特徴とする吸気制御システム。
前記温度調整バルブは、燃費が最適となる吸気の目標温度になるように、前記低温側熱交換器で熱交換した吸気と前記熱交換バイパス経路を経由した吸気の流量を調整することを特徴とする請求項１に記載の吸気制御システム。
前記ターボ切替バルブは、アクセルを開放した後に前記圧縮吸気の吸気圧が前記自然吸気の吸気圧より高くなる前記ターボ切替ポイント以後では前記圧縮吸気を供給するように制御することを特徴とする請求項１に記載の吸気制御システム。
前記ターボ切替ポイント以前とは、ターボエンジンの加速初期、タービンが十分回っていないとき、吸気が負圧のときであることを特徴とする請求項３に記載の吸気制御システム。
前記高温側熱交換器で熱交換する前記第１媒体は、エンジン冷却系の媒体であり、
前記低温側熱交換器で熱交換する前記第２媒体は、前記エンジン冷却系とは別の独立した媒体循環系の媒体
であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の吸気制御システム。
前記高温側熱交換器で熱交換する前記第１媒体は、エンジン冷却系の媒体であり、
前記低温側熱交換器で熱交換する前記第２媒体は、エアコンサイクルの媒体循環系の媒体
であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の吸気制御システム。
前記低温側熱交換器は、蓄熱材を備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の吸気制御システム。