JP6160527B2 - 内燃機関のための冷却装置および内燃機関用吸入ガス冷却装置 - Google Patents

Description

ここに開示される発明は、内燃機関のための冷却装置および内燃機関用吸入ガス冷却装置に関する。ここに開示された発明は過給された内燃機関に吸入される吸入ガスを処理するための装置に関する。

一般的に、内燃機関に供給される吸入ガス流体、例えば空気または混合気を冷却するための冷却装置が知られている。このような冷却装置を要する内燃機関の一例は、過給器によって過給された内燃機関である。この装置は、冷却媒体としての冷却流体を流し循環させるためのポンプを有し、内燃機関のための冷却装置から分離して設けられている。過給器は、機械式過給器（スーパーチャージャ）および／またはターボチャージャを含む。吸入ガス流体は、空気および／または空気と再循環排気ガスとの混合気を含む。

この装置では、２つの独立した回路が存在するために、部品点数が多い、それら多数の部品をエンジンルームに収容することが困難である、そして、そのような装置はコストが高いといった課題を有している。このような課題は、特にコンパクトカーと呼ばれる小型車において特に顕著である。したがって、内燃機関の冷却回路と、吸入空気または吸入混合気の冷却のための回路とを一体化することが求められている。

特許文献１は、上記の要求に応える一例として、内燃機関によって生成された熱エネルギを制御するためのシステムを開示する。特許文献１に開示されたひとつの解決手法は、二層配置された一組の放熱器をもつ熱交換モジュールを備えることである。ひとつの放熱器は、内燃機関を冷却する回路のためのものであり、他のひとつの放熱器は、吸入ガスを冷却する回路のためのものである。

そこには、冷却流体のための単一の入り口があり、熱交換モジュールは２つの独立した出口を有している。ひとつの出口は内燃機関を冷却する回路のためのものであり、他のひとつは吸入ガスを冷却する回路のためのものである。したがって、第１の放熱器を通過する流体のいくらかは、第２の放熱器も通過する。冷却流体は、内燃機関を冷却する回路と、吸入ガスを冷却する回路とを、それぞれに対応して設けられたポンプによって循環させられる。

特許文献２は、特許文献１と同様の構成を有して一体化されているが、単一のポンプを用いる装置を開示する。

国際特許出願公開第０３／０４２６１９号パンフレット 米国特許出願公開第２００９／０３０１４１１号明細書

上述の装置は、２つの冷却回路が完全に分離された手法に比べて小型化を可能とする。しかし、内燃機関を冷却する回路と、吸入ガスを冷却する回路とのより高度の一体化が望まれている。特に、装置のさらなる体格の小型化、およびコストの低減を可能とする装置が望まれている。

上述の観点において、または言及されていない他の観点において、内燃機関用吸入ガス冷却装置にはさらなる改良が求められている。

ここに開示される発明は上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。なお、特許請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、ひとつの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、発明の技術的範囲を限定するものではない。

ここに開示される発明により、内燃機関（Ｅ）のための冷却装置が提供される。装置は、外気と熱交換する冷却用放熱器（１０）と内燃機関との間で冷却流体を循環させるポンプ（４０）を備える冷却回路と、内燃機関の吸入ガスを冷却するための流路（９０）とを備える。冷却用放熱器（１０）はポンプの吸入側に連通する一次出口（１２）を有する。流路は、一次出口とは異なる出口であるところの冷却用放熱器の二次出口（９２）に連通しており、外気と熱交換する低温放熱器（９１）と、冷温放熱器の出口に連通しており、冷却流体との熱交換によって吸入ガスを冷却する冷却器（８０）であって、その出口が、冷却用放熱器（１０）の一次出口（１２）の下流側であるポンプの吸入側に連通している冷却器（８０）とを有する。冷却用放熱器および低温放熱器は、多パス型の熱交換ユニット（１００）として組合せられており、第１ヘッダおよび第２ヘッダと、それらヘッダの間に延びるように配置された複数のチューブとを有する。冷却器は、さらに、冷却用放熱器（１０）の入口（１１）に接続された冷却回路の戻り流路（３０）に、一方が他方の下流に位置するように接続された入口と出口とを有する予備冷却部（１８０）を有する。

ここに開示される発明によると、内燃機関の冷却のための回路と、内燃機関の吸入ガスを冷却するための回路とがほぼ完全に一体化される。従って、吸入ガスを冷却する回路のために必要とされる専用ポンプが不要である。吸入ガスが、内燃機関駆動型の過給器またはターボチャージャなどの過給器によって加圧され、加熱された吸入ガスである場合、その吸入ガスを冷却するための冷却流体に専用のポンプが不要である。

加えて、内燃機関を冷却するための冷却流体の一部は、冷却用放熱器を通過し、さらに低温放熱器を通過する。この低温放熱器は、ひとつの熱交換ユニットの中において、冷却用放熱器の下流側に位置付けることができる。これらの構成は、従来の手法よりも小型で、経済的に有利なシステムを提供することを可能とする。

発明の好ましい実施形態は、従属形式の請求項の中で定義され、それらはこの発明に関連する不可欠な説明の部分と見なされる。

ここに開示される発明に係る装置の特徴とそれがもたらす利点は、発明を限定することのない例示として提供された複数の図面を参照しながら提供される、発明の実施形態に関する後続の詳細な説明により、明らかにされる。

この発明に係る過給内燃機関用の吸入ガス冷却装置の一実施形態を示すブロック図である。 この発明に係る吸入ガス冷却装置に適用可能な複合放熱器の斜視図である。

図面を参照しながら、ここに開示される発明を実施するための複数の形態を説明する。各形態において、先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において、構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については他の形態の説明を参照し適用することができる。

図１は一実施形態に係る内燃機関のための冷却装置および内燃機関用吸入ガス冷却装置を示している。図中には、過給される内燃機関のための冷却装置を示している。図中には、内燃機関それ自身を冷却するための回路と、内燃機関に供給される過給された吸入ガスを冷却するための回路とが一体化された冷却装置が図示されている。

冷却装置は、過給される内燃機関Ｅに接続され、その内燃機関を冷却するためにその内燃機関の中に冷却流体を循環させる冷却回路を有する。

冷却回路は、多数の要素を備えている。冷却回路は、入口１１と一次出口１２とを有する冷却用放熱器１０を有する。冷却用放熱器１０は、冷却流体と車両の外の空気、すなわち外気とを熱交換させる。冷却用放熱器１０は、ラジエータとも呼ばれる。一次出口１２は、主出口とも呼ばれる。冷却回路は、一次出口１２に接続された流出流路２０を有する。流出流路２０は、冷却用放熱器１０によって冷却された冷却流体を、冷却用放熱器１０から内燃機関Ｅへ流し、運ぶ。冷却回路は、入口１１に接続された流入流路３０を有する。流入流路３０は、内燃機関Ｅから出る冷却流体を冷却用放熱器１０に流し、運ぶ。

冷却回路は、冷却用放熱器１０と内燃機関Ｅとの間に冷却流体を循環させるためのポンプ４０を有する。ポンプ４０は、冷却回路におけるこの場所、すなわち内燃機関Ｅの入口にだけ設けられたポンプである。ポンプ４０の吸入側は一次出口１２に接続され、連通している。ポンプ４０の吐出側は、内燃機関Ｅに接続され、その内部通路に連通している。

冷却回路は、従来から知られている多様な要素を備えることができる。図示の例においては、冷却回路は、内燃機関Ｅの温度を上昇させ、暖機を図るためのバイパス流路５０を有する。このバイパス流路５０は、一例においては、拡張室容器６０を有する。拡張容積室６０は上流において内燃機関Ｅの冷却流体の出口のひとつに接続され、連通している。拡張容積室６０は、下流において流出流路２０に接続され、連通している。内燃機関の冷却流体の出口の他のひとつは、流入流路３０に接続され、連通している。よって、バイパス流路５０は、流入流路３０から分岐した流路を提供する。この分岐部分、図示の例においては内燃機関Ｅの出口部分には、温度を制御するためのバルブ、例えばサーモスタットバルブを配置することができる。流入流路３０は戻り流路とも呼ばれる。

内燃機関Ｅは過給されているから、この装置は、内燃機関に供給される吸入ガスを処理する装置として提供されている。ここで、吸入ガスは、空気、または空気と再循環排気ガスとの混合気である。再循環排気ガスは、排気ガスのエミッションを改善するために、吸気に還流される一部の排気ガスである。

図１において、吸入ガスの流れは一点鎖線によって示されている。吸入ガス処理装置は、過給器Ｃと冷却器８０とを有する。過給器Ｃはコンプレッサとも呼ばれる。冷却器８０は、過給された吸入ガスを冷却流体によって冷却するための液冷式インタークーラとも呼ばれる。冷却器８０は、吸入ガスと冷却流体との間の熱交換のために冷却流体が供給される。冷却器８０には、冷却流体と吸入ガスとが流れる。

冷却器８０に供給される冷却流体は、内燃機関を冷却するための回路を循環する冷却流体と同じ液体である。この用途のために、冷却装置は、さらに、内燃機関Ｅのための吸入ガスを冷却するための冷却流路９０を有する。

冷却流路９０は、低温放熱器９１を有する。低温放熱器９１は、外気と熱交換する。低温放熱器９１は、冷却流体の流れの中における冷却用放熱器１０の下流側に位置付けられている。すなわち、冷却流体は、冷却用放熱器１０において外気との熱交換によって冷却され、さらに、その少なくとも一部は、低温放熱器９１に導入され、低温放熱器９１において外気との熱交換によってさらに低温に冷却される。この用途のために、冷却用放熱器１０は、二次出口９２を有する。二次出口９２には、低温放熱器９１が接続されている。図中において、二次出口９２は、放熱器のひとつのヘッダの中の矢印によって示されている。二次出口９２は、副出口とも呼ぶことができる。

冷却用放熱器１０および低温放熱器９１は、単一の多経路型熱交換器ユニットとして一体的に構成されている。図示の例では、冷却用放熱器１０および低温放熱器９１は、単一の二経路型熱交換器ユニットとして一体的に構成されている。熱交換器ユニットは、第１ヘッダと、第２ヘッダと、これらヘッダの間に配置され、これらヘッダの間を連通するように配置された複数のチューブとを有する。ひとつの経路は、図中において、冷却流体が右から左に流れるように図示され、他の経路より上側に位置付けられ、冷却用放熱器１０を提供する。他のひとつの経路は、図中において、冷却流体が左から右に流れるように図示され、上記ひとつの経路よりも下側に位置付けられ、低温放熱器９１を提供する。

冷却流路９０は、さらに、冷却器８０を有する。冷却器８０は、低温放熱器９１の出口に接続され、連通している。冷却器８０の出口は、冷却回路の流出流路２０に接続され、連通している。言い換えると、冷却器８０の出口は、冷却用放熱器１０の一次出口１２の下流であって、ポンプ４０の吸入側に接続され、連通している。

冷却器８０は、さらに、予備冷却部１８０を有する。予備冷却部１８０は、コンプレッサから供給された吸入ガスの予備冷却のために設けられている。この予備冷却部１８０は、予備冷却流路１９０に接続され、連通している。予備冷却流路１９０は、予備冷却部１８０の入口と出口とを冷却回路の流入流路３０に接続し、連通させている。

予備冷却部１８０の入口および出口と流入流路３０との接続は、他方を一方の下流に位置付ける。言い換えると、出口と流入流路３０との出口接続部は、入口と流入流路３０との入口接続部より流入流路３０における下流側に位置付けられる。入口接続部と出口接続部との間の流入流路３０には、予備冷却流路１９０へ冷却流体の少なくとも一部を流すために、圧力損失を生じる部位を設けることができる。

上述の構成において、冷却用放熱器１０を流れ、通過した冷却流体の一部または全部は、内燃機関に供給するためにコンプレッサから供給される吸入ガスを冷却するために、低温放熱器９１にも流れ、通過する。

コンプレッサからの吸入ガスの温度と、冷却器８０における冷却流体の温度との間には、充分な温度差がある。この温度差は、加圧された吸入ガスが効率的に冷却されることを可能とする。この温度差は、加圧された吸入ガスが効率的に、単一のポンプを用いているが２つの分離した回路をもつ比較例のシステムによって得られる温度と対比可能な水準の温度にまで冷却されることを可能とする。

図２は、ここに開示される発明の実施形態において利用可能な熱交換器ユニット１００の実施形態を示す。この実施形態において、冷却用放熱器１０と低温放熱器９１とは、２経路型熱交換器として構成された熱交換器ユニット１００において組合せられている。

熱交換器ユニット１００は、第１ヘッダ１１０、第２ヘッダ１２０、およびそれらヘッダの間にそれらを連通するように配置された複数のチューブ１３０の群を有する。複数のチューブ１３０の群の一部、図中において上側に図示されている部分は、冷却用放熱器１０として利用されている。残りの部分、図中において下側に図示されている部分は、低温放熱器９１として利用されている。図中において、矢印Ａは、熱交換器ユニット１００の複数のチューブ１３０に接触する外気の空気流を示している。

第１ヘッダ１１０は、内部仕切り部１１１によって入口部１１２と、出口部１１３とに区画され、分割されている。入口部１１２は、冷却用放熱器１０に冷却流体が入るための部位である。出口部１１３は、低温放熱器９１から冷却流体が出てゆくための部位である。冷却用放熱器１０の一次出口１２と二次出口９２とは、第２ヘッダ１２０に設けられている。この実施形態の二次出口９２は、低温放熱器９１の入口と一致している。二次出口９２は、第２ヘッダ１２０の中の通路によって形成されている。二次出口９２は、第１ヘッダ１１０の内部仕切り部１１１に対応する高さに位置付けられている。

熱媒体、または熱輸送媒体とも呼ばれる冷却流体は、入口部１１２へ流入し、入口部１１２内において複数のチューブに分配され、複数のチューブ内を流れてゆき、第２ヘッダ１２０の上部に到達し、第２ヘッダ１２０の上部内において再び集められる。ここで、いくらかの冷却流体は一次出口１２を通って流出する。残りの冷却流体は、二次出口９２を通り、第２ヘッダ１２０の下部に流れ込み、この第２ヘッダ１２０の下部において、低温放熱器９１に属する複数のチューブ１３０の群に分配され、それらチューブ１３０に流入し、チューブ１３０内を流れてゆく。

低温放熱器９１に属する複数のチューブ１３０に流れる冷却流体の流れ方向は、冷却用放熱器１０に属する複数のチューブ１３０に流れる冷却流体の流れ方向とは反対である。低温放熱器９１に属する複数のチューブ１３０に流れる冷却流体の流れ方向は、冷却流体が第１ヘッダ１１０の出口部１１３に到達するまで上記逆方向である。

図２に図示される配置はその比較的小型の体格および少ない部品数によって望ましい形態のひとつである。しかし、ここに開示される発明は、冷却用放熱器１０と低温放熱器９１とが図２とは異なる配置、接続構造を採用する他の構成にも適用可能である。

この実施形態によると、内燃機関Ｅに供給される吸入ガスを冷却する内燃機関用吸入ガス冷却装置が提供される。この内燃機関用吸入ガス冷却装置は、冷却器８０を有する。冷却器８０は、内燃機関Ｅを冷却するための冷却流体を外気との熱交換によって冷却する冷却用放熱器１０および低温放熱器９１から冷却用放熱器１０および低温放熱器９１によって冷却された冷却流体を導入可能であって、導入された冷却流体との熱交換によって吸入ガスを冷却する。冷却器８０は、冷却用放熱器１０の下流側であって冷却流体を内燃機関Ｅに流すためのポンプ４０の吸入側に吸入ガスと熱交換した冷却流体を供給可能な出口を有する。冷却器８０は、さらに、予備冷却部１８０を有する。この予備冷却部１８０は、内燃機関Ｅと冷却用放熱器１０との間の冷却流体の流路、流入流路３０または流出流路２０から冷却流体を導入可能な入口と出口とを有する。予備冷却部１８０は、流路から導入された冷却流体により吸入ガスを冷却する。

冷却器８０は、予備冷却部１８０において流路から導入された冷却流体と吸入ガスとを熱交換させた後に、冷却用放熱器１０および低温放熱器９１によって冷却された冷却流体と吸入ガスとを熱交換させるように予備冷却部１８０が配置されている。流路から導入された冷却流体が流れる方向と、冷却用放熱器１０および低温放熱器９１によって冷却された冷却流体が流れる方向とが同じである。冷却器８０の入口と出口とは、冷却用放熱器１０および低温放熱器９１に入る前の冷却流体を導入可能である。

ここに開示される発明は、その発明を実施するための実施形態に何ら制限されることなく、種々変形して実施することが可能である。開示される発明は、実施形態において示された組み合わせに限定されることなく、種々の組み合わせによって実施可能である。実施形態は追加的な部分をもつことができる。実施形態の部分は、省略される場合がある。実施形態の部分は、他の実施形態の部分と置き換え、または組み合わせることも可能である。実施形態の構造、作用、効果は、あくまで例示である。開示される発明の技術的範囲は、実施形態の記載に限定されない。開示される発明のいくつかの技術的範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むものと解されるべきである。

Ｅ 内燃機関、 Ｃ コンプレッサ、
１０ 冷却用放熱器、 １１ 入口、 １２ 一次出口、
２０ 流出流路、 ３０ 流入流路、 ４０ ポンプ、
５０ バイパス流路、 ６０ 拡張容積容器、
８０ 冷却器、 １８０ 予備冷却部、
１９０ 予備冷却流路、 ９０ 冷却流路、
９１ 低温放熱器、 ９２ 二次出口、
１００ 熱交換器ユニット、
１１０ 第１ヘッダ、 １２０ 第２ヘッダ、 １３０ チューブ、
１１１ 内部仕切り部、 １１２ 入口部、 １１３ 出口部。

Claims (7)

1. 内燃機関（Ｅ）のための冷却装置において、
   外気と熱交換する冷却用放熱器（１０）と前記内燃機関との間で冷却流体を循環させるポンプ（４０）を備える冷却回路と、
   前記内燃機関の吸入ガスを冷却するための流路（９０）とを備え、
   前記冷却用放熱器（１０）は前記ポンプの吸入側に連通する一次出口（１２）を有し、
   前記流路は、
   前記一次出口とは異なる出口であるところの前記冷却用放熱器の二次出口（９２）に連通しており、外気と熱交換する低温放熱器（９１）と、
   前記低温放熱器の出口に連通しており、前記冷却流体との熱交換によって前記吸入ガスを冷却する冷却器（８０）であって、その出口が、前記冷却用放熱器（１０）の前記一次出口（１２）の下流側である前記ポンプの吸入側に連通している冷却器（８０）とを有し、
   前記冷却用放熱器および前記低温放熱器は、多パス型の熱交換ユニット（１００）として組合せられており、第１ヘッダおよび第２ヘッダと、それらヘッダの間に延びるように配置された複数のチューブとを有し、
   前記冷却器は、さらに、前記冷却用放熱器（１０）の入口（１１）に接続された前記冷却回路の流入流路（３０）に、一方が他方の下流に位置するように接続された入口と出口とを有する予備冷却部（１８０）を有することを特徴とする内燃機関のための冷却装置。
2. 前記第１ヘッダは、前記冷却用放熱器（１０）に入る前記冷却流体のための入口部（１１２）と、前記低温放熱器（９１）から出る前記冷却流体のための出口部（１１３）とに分割されており、
   前記第２ヘッダは、前記冷却用放熱器（１０）の前記一次出口と前記二次出口とを有し、
   前記二次出口は前記第２ヘッダ（１２０）の内部における通路として形成されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のための冷却装置。
3. 前記冷却器は、前記予備冷却部において前記流路から導入された前記冷却流体と前記吸入ガスとを熱交換させた後に、前記冷却用放熱器および前記低温放熱器によって冷却された前記冷却流体と前記吸入ガスとを熱交換させるように前記予備冷却部が配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関のための冷却装置。
4. 内燃機関に供給される吸入ガスを冷却する内燃機関用吸入ガス冷却装置において、
   内燃機関を冷却するための冷却流体を外気との熱交換によって冷却する冷却用放熱器（１０）および低温放熱器（９１）から前記冷却用放熱器および前記低温放熱器によって冷却された前記冷却流体を導入可能であって、導入された前記冷却流体との熱交換によって前記吸入ガスを冷却する冷却器（８０）を有し、
   前記冷却器は、前記冷却用放熱器（１０）の下流側であって前記冷却流体を前記内燃機関に流すためのポンプの吸入側に前記吸入ガスと熱交換した前記冷却流体を供給可能な出口を有し、
   前記冷却器は、さらに、前記内燃機関と前記冷却用放熱器との間の前記冷却流体の流路（３０）から前記冷却流体を導入可能な入口と出口とを有し、前記流路から導入された前記冷却流体により前記吸入ガスを冷却する予備冷却部（１８０）を有することを特徴とする内燃機関用吸入ガス冷却装置。
5. 前記冷却器は、前記予備冷却部において前記流路から導入された前記冷却流体と前記吸入ガスとを熱交換させた後に、前記冷却用放熱器および前記低温放熱器によって冷却された前記冷却流体と前記吸入ガスとを熱交換させるように前記予備冷却部が配置されていることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関用吸入ガス冷却装置。
6. 前記流路から導入された前記冷却流体が流れる方向と、前記冷却用放熱器および前記低温放熱器によって冷却された前記冷却流体が流れる方向とが同じであることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の内燃機関用吸入ガス冷却装置。
7. 前記冷却器の前記入口と前記出口とは、前記冷却用放熱器および前記低温放熱器に入る前の前記冷却流体を導入可能であることを特徴とする請求項４から請求項６のいずれかに記載の内燃機関用吸入ガス冷却装置。

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