JP5811889B2 - 空気冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、空気冷却装置に関する。

内燃機関は、気筒内への空気の充填率が上がると出力が増大する。上記充填率は、気筒内に充填する空気を冷却すると上がる。そのため、内燃機関の出力を増大させるには、気筒内に充填する直前の空気をインタークーラで冷却することが有効である。特許文献１に開示された空気冷却装置は、吸気マニホールド内にインタークーラを設置している。

特表２０１０−５１０４２５号公報

特許文献１に開示された空気冷却装置では、スロットル開度が小さいとき、インタークーラを通過する空気の流速が遅くなる。そのため、空気中の水蒸気が凝縮し水滴となってインタークーラのフィンに付着し易い。フィンに溜まった水は、スロットル開度が急に大きくなったとき一気に内燃機関に吸い込まれ、内燃機関に水撃作用を及ぼす。上記水撃作用は、内燃機関を破損させるおそれがある。

また、インタークーラのフィンに溜まった水は、凍るとフィン間の通路を塞ぐ。フィン間の通路が塞がれると、インタークーラの冷却効率が低下する。
本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関の破損を抑制可能であり、且つインタークーラの冷却効率の低下を抑制可能な空気冷却装置を提供することにある。

本発明は、内燃機関の吸入空気系統に設けられる空気冷却装置であって、通路部材と、インタークーラと、規制手段とを備える。通路部材は、空気が流通可能な通路を有する。インタークーラは、通路部材内に設けられ、通路を流れる空気を冷却可能である。規制手段は、通路のうちインタークーラに対し上流側または下流側に設けられる。規制手段は、通路を流れる空気の流量が少ないとき、通路を流れる空気の流量が多いときと比べインタークーラの通路断面積が小さくなるように空気の流れを規制する。
吸入空気系統は、通路部材に接続するスロットルボディ、スロットルボディ内を開閉可能なスロットル弁部材、および、スロットル弁部材を開閉駆動するスロットル駆動部を有する。
本発明には第１発明および第２発明がある。
第１発明では、規制手段は、通路のうちインタークーラに対し上流側の区間を第１流路と第２流路とに仕切る第１隔壁と、通路を流れる空気の流量が少ないとき第１流路を閉じる閉鎖手段と、を有する。閉鎖手段は、第１流路を開閉可能な弁部材、および、スロットル弁部材またはスロットル駆動部の開閉動作に連動し弁部材を開閉駆動する連動機構から構成される。弁部材は、インタークーラに対し上流側の位置から当該インタークーラ側に延びる可動板を有し、第１流路を閉じると、通路のうち第２流路に対し上流側の区間の通路断面積をインタークーラに向かって連続的に小さくする。
第２発明では、規制手段は、通路のうちインタークーラに対し上流側の区間を第３流路と第４流路とに仕切る第２隔壁から構成される。第３流路は、通路を流れる空気の流量が少なくなるようにスロットル弁部材がスロットルボディの通路断面積を小さくしているときスロットル弁部材に対し下流側に位置する。第４流路は、スロットル弁部材がスロットルボディの通路断面積を小さくしているときスロットル弁部材とスロットルボディとの隙間に対し下流側に位置する。

したがって、スロットル開度が小さいとき、インタークーラを通過する空気の流速が低下しない。そのため、インタークーラを通過する空気中の水蒸気がインタークーラのフィンに結露し難くなる。そのため、フィンに溜まった水が内燃機関に水撃作用を及ぼすことに起因して内燃機関が破損することを抑制可能である。
また、フィンに溜まった水が凍りフィン間の通路を塞ぐことに起因してインタークーラの冷却効率が低下することを抑制可能である。

本発明の第１実施形態による空気冷却装置を使用したエンジンシステムの概念図である。 図１の矢印ＩＩ部分の拡大図であって、スロットル開度が比較的大きい場合の空気冷却装置を示す図である。 図２の場合よりもスロットル開度が小さい場合の空気冷却装置を示す図である。 本発明の第２実施形態による空気冷却装置を用いたエンジンシステムの概念図である。 図４の矢印Ｖ部分の拡大図であって、スロットル開度が比較的大きい場合の空気冷却装置を示す図である。 図５の場合よりもスロットル開度が小さい場合の空気冷却装置を示す図である。 図６のスロットル弁装置を矢印ＶＩＩ方向に見た図である。

以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づき説明する。実施形態同士で実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による空気冷却装置は、図１に示すエンジンシステムで使用されている。先ず、エンジンシステム１０を説明する。

エンジンシステム１０は、内燃機関１２、吸入空気系統１６、排気系統６４、過給機７４およびＥＧＲ装置８４を備えている。内燃機関１２は、複数の気筒１４を有するレシプロ型エンジンである。なお便宜上、図１には気筒１４を１つだけ示す。
吸入空気系統１６は、エアクリーナ１８、スロットル弁装置２０、吸気マニホールド２６、インテークパイプ３８、４０、および、空気冷却装置４２を有する。

エアクリーナ１８は、大気から空気を取り込み、取り込んだ空気中の異物を除去する。エアクリーナ１８は、インテークパイプ３８により過給機７４のハウジング８０に接続されている。

スロットル弁装置２０は、スロットルボディ２１、スロットルボディ２１内を開閉可能なバタフライ式のスロットル弁部材２２、および、スロットル弁部材２２を開閉駆動するスロットル駆動部２４から構成されている。スロットルボディ２１は、インテークパイプ４０により過給機７４のハウジング８０に接続されている。

吸気マニホールド２６は、スロットルボディ２１に接続するサージタンク２８、および、サージタンク２８と内燃機関１２とを接続する多岐管３６から構成されている。サージタンク２８は、スロットルボディ２１およびインテークパイプ４０等と比べて大きい通路断面積を有する。サージタンク２８は、内燃機関１２に供給する空気の脈動を緩和する機能等を有する。多岐管３６は、サージタンク２８を通過した空気を内燃機関１２の各気筒１４に導く。

空気冷却装置４２は、サージタンク２８、インタークーラ４４および規制手段５０から構成されている。第１実施形態では、サージタンク２８は「通路部材」と兼ねる。サージタンク２８は、空気が流通可能な通路３０を有する。

インタークーラ４４は、サージタンク２８内に設けられている。インタークーラ４４は、図示しない冷却水ポンプが圧送する冷却水を流すチューブ４６、および、チューブ４６の外壁に固定されたフィン４８を有する。インタークーラ４４は、通路３０を流れる空気を冷却可能な水冷式の熱交換器である。

規制手段５０は、通路３０のうちインタークーラ４４に対し上流側に設けられている。規制手段５０は、通路３０を流れる空気の流量が少ないとき即ちスロットル開度が小さいとき、スロットル開度が大きいときと比べインタークーラ４４の通路断面積が小さくなるように空気の流れを規制する。なお、規制手段５０については後に詳述する。

排気系統６４は、内燃機関１２の各気筒１４から排出される排気を集合させる排気マニホールド６６、排気を浄化する触媒コンバータ６８、過給機７４のハウジング８２と触媒コンバータ６８とを接続するエキゾーストパイプ７０、および、触媒コンバータ６８と図示しないマフラーとを接続するエキゾーストパイプ７２等から構成されている。エキゾーストパイプ７２を通過した排気は、図示しないマフラーから大気に放出される。

過給機７４は、排気駆動式であり、内燃機関１２の排気により回転駆動するタービンホイール７６、タービンホイール７６と一体に回転し空気を圧縮するコンプレッサホイール７８、および、ハウジング８０、８２から構成されている。過給機７４は、空気を圧縮することによって内燃機関１２の各気筒１４により多くの空気を送り込む。内燃機関１２に供給する空気量を増やすことで燃料可能な燃料の量を増やし、内燃機関１２の出力を増大させることができる。

ＥＧＲ装置８４は、エキゾーストパイプ７２とインテークパイプ３８とを接続するＥＧＲホース８６、エキゾーストパイプ７２からＥＧＲホース８６を経由してインテークパイプ３８に流入する排気量を調整するＥＧＲ弁装置８８、および、ＥＧＲホース８６を通過する排気を浄化するフィルター９０から構成されている。ＥＧＲ装置８４は、排気の一部を吸入空気系統１６に戻すことによって内燃機関１２の燃焼温度を下げる。内燃機関１２の燃焼温度を下げることにより、燃費を向上させる効果や排気中の窒素酸化物を低減する効果がある。

次に、空気冷却装置４２の規制手段５０の構成を図２、図３に基づき詳しく説明する。
規制手段５０は、第１隔壁５２および閉鎖手段５４を有する。第１隔壁５２は、通路３０のうちインタークーラ４４に対し上流側の区間を第１流路３２と第２流路３４とに仕切る。第１隔壁５２は、サージタンク２８に一体に形成される。第１実施形態では、第２流路３４の通路断面積は、第１流路３２の通路断面積と比べて小さい。

閉鎖手段５４は、弁部材５６およびリンク機構６２から構成されている。
弁部材５６は、サージタンク２８の内壁により回転可能に支持された回転軸５８、および、回転軸５８からインタークーラ４４側に延びる可動板６０からなる。弁部材５６は、第１流路３２を開閉可能である。具体的には、弁部材５６は、図２に示すように可動板６０が第１流路３２を開放する位置から、図３に示すように可動板６０が第１流路３２を閉鎖する位置まで作動可能である。

リンク機構６２は、スロットル弁装置２０のスロットル弁部材２２と弁部材５６の回転軸５８とを連結するリンク部材から構成され、スロットル弁部材２２の開閉動作に連動し弁部材５６を開閉駆動する。リンク機構６２は、特許請求の範囲に記載の「連動機構」に相当する。リンク機構６２は、スロットル開度が大きいとき第１流路３２が開くように弁部材５６を駆動し、スロットル開度が小さいとき第１流路３２が閉じるように弁部材５６を駆動する。

弁部材５６の可動板６０は、図３に示すように第１流路３２を閉じると、通路３０のうち第２流路３４に対し上流側の区間の通路断面積をインタークーラ４４に向かって連続的に小さくする。

次に、空気冷却装置４２の作動を説明する。
図２に示すようにスロットル開度が大きいとき、弁部材５６は、第１流路３２を開放する。スロットルボディ２１を通過する空気は、第１流路３２および第２流路３４のどちらかを通過してインタークーラ４４に流入する。

図３に示すようにスロットル開度が小さいとき、弁部材５６は、第１流路３２を閉鎖する。スロットルボディ２１を通過する空気は、第２流路３４を通過してインタークーラ４４に流入する。このとき、スロットルボディ２１を通過する空気の流量は、スロットル開度が大きいときと比べて少ない。一方、通路３０のうちインタークーラ４４の上流側の区間は、スロットル開度が大きいときと比べて絞られている。そのため、スロットル開度が小さいときインタークーラ４４を通過する空気の流速は、スロットル開度が大きいときと比べ低下しないように構成されている。言い換えれば、第２流路３４の通路断面積は、スロットル開度が小さいときインタークーラ４４を通過する空気の流速が低下しないように設定されている。

以上説明したように、第１実施形態による空気冷却装置４２は、通路３０を有するサージタンク２８と、通路３０を流れる空気を冷却可能なインタークーラ４４と、規制手段５０とを備える。規制手段５０は、通路３０のうちインタークーラ４４に対し上流側に設けられ、通路３０を流れる空気の流量が少ないときインタークーラ４４の通路断面積が小さくなるように空気の流れを規制する。

したがって、スロットル開度が小さいとき、インタークーラ４４を通過する空気の流速が低下しない。そのため、インタークーラ４４を通過する空気中の水蒸気がインタークーラ４４のフィン４８に結露し難くなる。そのため、インタークーラ４４のフィン４８に溜まった水が内燃機関１２に水撃作用を及ぼすことに起因して内燃機関１２が破損することを抑制可能である。また、インタークーラ４４のフィン４８に溜まった水が凍りフィン４８間の通路を塞ぐことに起因してインタークーラ４４の冷却効率が低下することを抑制可能である。

また、第１実施形態では、規制手段５０は、通路３０のうちインタークーラ４４に対し上流側の区間を第１流路３２と第２流路３４とに仕切る第１隔壁５２と、通路３０を流れる空気の流量が少ないとき第１流路３２を閉じる閉鎖手段５４とを有する。
したがって、通路３０を流れる空気の流量が少ないとき、空気は、第２流路３４だけを通ってインタークーラ４４に流入する。そのため、インタークーラ４４を通過する空気の流速が低下することを回避可能である。

また、第１実施形態では、吸入空気系統１６は、サージタンク２８に接続するスロットルボディ２１、スロットルボディ２１内を開閉可能なスロットル弁部材２２、および、スロットル弁部材２２を開閉駆動するスロットル駆動部２４を有する。また、閉鎖手段は、第１流路３２を開閉可能な弁部材５６、および、スロットル駆動部２４の開閉動作に連動し弁部材５６を開閉駆動するリンク機構６２から構成される。
したがって、弁部材５６を開閉駆動するための駆動手段を別途設けなくてもよいので、空気冷却装置４２の部品点数を減らすことができる。

また、第１実施形態では、弁部材５６は、第１流路３２を閉じると、通路３０のうち第２流路３４に対し上流側の区間の通路断面積をインタークーラ４４に向かって連続的に小さくする。
したがって、通路３０の空気の流れを円滑にすることができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態による空気冷却装置を図４〜図７に基づき説明する。
空気冷却装置１００は、サージタンク１０２、インタークーラ４４および規制手段１１０から構成されている。サージタンク１０２は、特許請求の範囲に記載の「通路部材」に相当する。サージタンク１０２は、空気が流通可能な通路１０４を有する。

規制手段１１０は、通路１０４のうちインタークーラ４４に対し上流側に設けられている。規制手段１１０は、通路１０４を流れる空気の流量が少ないとき即ちスロットル開度が小さいとき、スロットル開度が大きいときと比べインタークーラ４４の通路断面積が小さくなるように空気の流れを規制する。

具体的には、規制手段１１０は、通路１０４のうちインタークーラ４４に対し上流側の区間を第３流路１０６と第４流路１０８とに仕切る第２隔壁１１２と、上記区間を第３流路１０６と第４流路１０９とに仕切る第２隔壁１１６とから構成されている。図７に示すように、第２隔壁１１２、１１６のスロットル弁部材２２側の端部１１４、１１８の横断面形状は、スロットル開度が小さいときのスロットル弁部材２２の縁に沿う円弧状である。

第３流路１０６は、スロットル弁部材２２がスロットルボディ２１の通路断面積を小さくしているときスロットル弁部材２２に対し下流側に位置する。言い換えれば、スロットル開度が小さいときスロットル弁部材２２を上流側から見ると、第３流路１０６は、スロットル弁部材２２に隠れる位置にある。

第４流路１０８、１０９は、スロットル弁部材２２がスロットルボディ２１の通路断面積を小さくしているときスロットル弁部材２２とスロットルボディ２１との隙間に対し下流側に位置する。言い換えれば、スロットル開度が小さいときスロットル弁部材２２を上流側から見ると、第４流路１０８、１０９は、スロットル弁部材２２とスロットルボディ２１との隙間から見える位置にある。

第４流路１０８、１０９の上流側の通路断面積は、下流側の通路断面積よりも大きい。第２隔壁１１２、１１６は、第４流路１０８、１０９の通路断面積をインタークーラ４４に向かって連続的に小さくする。
第２実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を奏する。さらに、規制手段５０が第２隔壁１１２、１１６だけで構成されていることから、駆動手段が不要であり、構成が簡易である。

（他の実施形態）
本発明の他の実施形態では、スロットル弁装置は、バタフライ式に限らず、例えばゲート式等の他の型式であってもよい。
本発明の他の実施形態では、規制手段は、インタークーラに対し下流側に設けられてもよい。

本発明の他の実施形態では、吸気マニホールドのサージタンクは、空気冷却装置の通路部材を兼ねなくてもよい。すなわち、空気冷却装置は、吸気マニホールド以外の場所に設けられてもよい。
本発明の他の実施形態では、空気冷却装置は、スロットル弁装置に対し上流側に設けられてもよい。

第１実施形態では、規制手段は、スロットル弁装置のスロットル駆動部に連動するリンク機構で弁部材を駆動していた。これに対し、本発明の他の実施形態では、スロットル弁装置のスロットル駆動部とは別に、弁部材を開閉駆動するための駆動手段を設けてもよい。

本発明の他の実施形態では、弁部材は、スロットル開度が所定値より大きいときは第１流路を全開にし、スロットル開度が所定値以下となったときは第１流路を全閉にするように、段階的に作動してもよい。
本発明の他の実施形態では、弁部材は、ゲート式等の他の型式であってもよい。

本発明の他の実施形態では、弁部材は、第１流路を閉じたとき、通路のうち第２流路に対し上流側の区間の通路断面積を一定にしてもよい。
本発明の他の実施形態では、リンク機構は、スロットル弁部材ではなくスロットル駆動部に連結されてもよい。

本発明の他の実施形態では、リンク機構に代えて、歯車等で構成される連動機構を設けてもよい。
本発明の他の実施形態では、第２流路の通路断面積は、第１流路の通路断面積と同じであってもよいし、第１流路の通路断面積よりも大きくてもよい。

第２実施形態では、第２隔壁が２つの部材から構成されていた。これに対し、本発明の他の実施形態では、第２隔壁を１つの部材で構成してもよい。
本発明の他の実施形態では、第２隔壁のスロットル弁部材側の端部の断面形状は、円弧状に限らず、直線状等であってもよい。
本発明の他の実施形態では、第４流路は、流通方向で通路断面積が一定であってもよい。

本発明は、スロットル弁装置を備えていない吸入空気系統にも適用可能である。
本発明は、過給機を備えていないエンジンシステムにも適用可能である。
本発明は、ＥＧＲ装置を備えていないエンジンシステムにも適用可能である。
以上、本発明は、上述した実施形態に何ら限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。

１２・・・内燃機関
１６・・・吸入空気系統
２８、１０２・・・サージタンク（通路部材）
３０、１０４・・・通路
４２、１００・・・空気冷却装置
４４・・・インタークーラ
５０、１１０・・・規制手段

Claims (4)

1. 内燃機関（１２）の吸入空気系統（１６）に設けられる空気冷却装置（４２）であって、
   空気が流通可能な通路（３０）を有する通路部材（２８）と、
   前記通路部材内に設けられ、前記通路を流れる空気を冷却可能なインタークーラ（４４）と、
   前記通路のうち前記インタークーラに対し上流側に設けられ、前記通路を流れる空気の流量が少ないとき、前記通路を流れる空気の流量が多いときと比べ前記インタークーラの通路断面積が小さくなるように空気の流れを規制する規制手段（５０）と、
   を備え、
   前記規制手段は、前記通路のうち前記インタークーラに対し上流側の区間を第１流路（３２）と第２流路（３４）とに仕切る第１隔壁（５２）と、前記通路を流れる空気の流量が少ないとき前記第１流路を閉じる閉鎖手段（５４）と、を有し、
   前記吸入空気系統は、前記通路部材に接続するスロットルボディ（２１）、前記スロットルボディ内を開閉可能なスロットル弁部材（２２）、および、前記スロットル弁部材を開閉駆動するスロットル駆動部（２４）を有し、
   前記閉鎖手段は、前記第１流路を開閉可能な弁部材（５６）、および、前記スロットル弁部材または前記スロットル駆動部の開閉動作に連動し前記弁部材を開閉駆動する連動機構（６２）から構成され、
   前記弁部材は、前記インタークーラに対し上流側の位置から当該インタークーラ側に延びる可動板（６０）を有し、前記第１流路を閉じると、前記通路のうち前記第２流路に対し上流側の区間の通路断面積を前記インタークーラに向かって連続的に小さくすることを特徴とする空気冷却装置。
2. 内燃機関（１２）の吸入空気系統（１６）に設けられる空気冷却装置（１００）であって、
   空気が流通可能な通路（１０４）を有する通路部材（１０２）と、
   前記通路部材内に設けられ、前記通路を流れる空気を冷却可能なインタークーラ（４４）と、
   前記通路のうち前記インタークーラに対し上流側または下流側に設けられ、前記通路を流れる空気の流量が少ないとき、前記通路を流れる空気の流量が多いときと比べ前記インタークーラの通路断面積が小さくなるように空気の流れを規制する規制手段（１１０）と、
   を備え、
   前記吸入空気系統は、前記通路部材に接続するスロットルボディ、前記スロットルボディ内を開閉可能なスロットル弁部材、および、前記スロットル弁部材を開閉駆動するスロットル駆動部を有し、
   前記規制手段は、前記通路のうち前記インタークーラに対し上流側の区間を第３流路（１０６）と第４流路（１０８、１０９）とに仕切る第２隔壁（１１２、１１６）から構成され、
   前記第３流路は、前記通路を流れる空気の流量が少なくなるように前記スロットル弁部材が前記スロットルボディの通路断面積を小さくしているとき前記スロットル弁部材に対し下流側に位置し、
   前記第４流路は、前記スロットル弁部材が前記スロットルボディの通路断面積を小さくしているとき前記スロットル弁部材と前記スロットルボディとの隙間に対し下流側に位置することを特徴とする空気冷却装置。
3. 前記スロットル弁部材は、バタフライ式であり、
   前記第２隔壁の前記スロットル弁部材側の端部（１１４、１１８）の断面形状は、前記スロットル弁部材が前記スロットルボディの通路断面積を小さくしているときの前記スロットル弁部材の縁に沿う円弧状であることを特徴とする請求項２に記載の空気冷却装置。
4. 前記第２隔壁は、前記第４流路の通路断面積を前記インタークーラに向かって連続的に小さくすることを特徴とする請求項２または３に記載の空気冷却装置。

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