JP7215575B2 - 熱交換装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の吸気の熱交換を行う熱交換装置に関する。

ＪＰ２０１２－１０２６６７Ａには、水冷式のインタークーラに対し冷却水を導入する冷却水循環回路が吸気管と同じ側から接続された吸気冷却装置が開示されている。

吸気の熱交換を行う熱交換装置では、熱交換部に導入される吸気が吸気系の曲がりにより偏流し得る。この場合、吸気が偏流した状態で熱交換が行われることから、吸気を効率的に熱交換させることができない場合がある。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたもので、吸気を効率的に熱交換させることを目的とする。
課題を解決するための手段

本発明のある態様の熱交換装置は、内燃機関の吸気の熱交換を行う熱交換装置であって、導入される熱媒体と通過する吸気とを熱交換させる熱交換部と、熱交換部を通過させる吸気の制御を行う吸気制御弁と、吸気制御弁が設けられた吸気管と、吸気を一時的に貯留するコレクタ部と、を備える。熱交換部には、吸気管からコレクタ部を介して吸気が流入し、熱交換部とコレクタ部とは、内燃機関の気筒配列方向に長手方向を有し、吸気管は、吸気制御弁を通過した吸気を曲りにより熱交換部の長手方向中央から一端側にかけた領域に偏流させ、熱交換部の熱媒体導入口と吸気制御弁とは、熱交換部に対して互いに相対する位置に設けられ、熱媒体導入口は、熱交換部の長手方向一端側に設けられ、熱媒体を熱交換部の長手方向に流通させ、吸気制御弁は、熱交換部の長手方向他端側からコレクタ部に吸気を流入させる。

この態様によれば、冷却液導入方向と相対する方向に向かって吸気を流通させ、このように流通させた吸気を熱交換部に流入させる一方、これにより熱交換部において吸気流量が多くなる箇所に冷却液を導入することが可能になる。このため、当該箇所において吸気と冷却液との間で大きな温度差を生じさせ、吸気を効率的に熱交換させることが可能になる。

図１は、内燃機関の吸気冷却装置の概略構成図である。 図２は、図１の矢印ＡＲに沿って内燃機関の吸気冷却装置を見た図である。 図３は、図１のＩ－Ｉ断面で熱交換部を見た図である。 図４は、吸気の偏流状態を示す図である。 図５は、熱交換器における吸気流量特性を示す図である。 図６は、熱交換器における温度特性を示す図である。 図７は、熱交換器における温度変化率特性を示す図である。 図８は、熱交換器における熱交換効率特性を示す図である。 図９は、熱交換器における吸気総放熱量を示す図である。 図１０は、変形例の吸気流量特性を示す図である。 図１１は、変形例の温度特性を示す図である。 図１２は、変形例の温度変化率特性を示す図である。 図１３は、変形例の熱交換効率特性を示す図である。 図１４は、変形例の吸気総受熱量を示す図である。 図１５は、第２実施形態の内燃機関の吸気冷却装置を示す図である。 図１６は、第３実施形態の内燃機関の吸気冷却装置を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は内燃機関の吸気冷却装置（以下、単に吸気冷却装置と称す）１００Ａの概略構成図である。図２は、図１の矢印ＡＲに沿って吸気冷却装置１００Ａを見た図である。図３は、図１のＩ－Ｉ断面で熱交換部１Ａを見た図である。図１に示す距離Ｘ、点Ａ、点Ｂについては後述する。

吸気冷却装置１００Ａは、内燃機関６に設けられ内燃機関６の吸気を冷却する。内燃機関６は過給機付きの火花点火内燃機関とされ、本実施形態では直列３気筒のガソリンエンジンとされる。吸気冷却装置１００Ａは、熱交換部１Ａと、吸気制御弁２と、吸気管３と、コレクタ４と、インテークマニホールド５とを備える。吸気冷却装置１００Ａは、熱交換装置に相当する。

熱交換部１Ａは、導入される冷却液Ｗと通過する吸気とを熱交換させる。冷却液Ｗは熱媒体であり、液相状態で用いられる。つまり、熱交換部１Ａは吸気を冷却するにあたり、水冷式の熱交換部を構成する。冷却液Ｗには例えば、冷却液回路が内燃機関６を有して構成されない場合を含め、内燃機関６の冷却液を用いることができる。

熱交換部１Ａは、熱交換器１１とケース１２とを備える。熱交換器１１は内部に冷却液Ｗを流通させ、冷却液Ｗと吸気とを熱交換させる。ケース１２は、熱交換器１１を収容するとともに、吸気が熱交換器１１を通過するための吸気通路を構成する。

熱交換器１１はインタークーラであり、ラジエータ等の放熱部で放熱する冷却液回路に組み込まれる。当該冷却液回路は、熱交換器１１で冷却液Ｗを受熱させる構成とされ、冷却液Ｗを受熱させる熱源を有しない構成とされる。熱源は例えば内燃機関６である。熱源はモータ等であってもよい。熱交換部１Ａは、冷却液回路に組み込まれる熱交換器１１を有することで、冷却液回路の一部を構成する。冷却液回路は熱媒体回路に相当する。

熱交換部１Ａは、冷却液導入口１３と冷却液出口１４とを備える。冷却液導入口１３と冷却液出口１４とは、熱交換部１Ａに対して互いに相対する位置に設けられる。冷却液導入口１３は、熱交換部１Ａの長手方向（図１の上下方向）一端側に設けられる。このため、熱交換部１Ａには冷却液Ｗが長手方向に流通する。熱交換部１Ａの長手方向は、内燃機関６の気筒配列方向に対応する。冷却液導入口１３は熱媒体導入口に相当し、冷却液出口１４は熱媒体出口に相当する。

吸気制御弁２は、熱交換部１Ａを通過させる吸気の制御を行う。吸気制御弁２は、熱交換部１Ａよりも吸気系上流側に配置される。吸気制御弁２は、吸気管３内に設けられ、吸気管３内の通路の開放度合いを変化させることにより、流通する吸気の流量を制御する。吸気制御弁２は、熱交換部１Ａに対して冷却液導入口１３と互いに相対する位置に設けられる。このように設けられた吸気制御弁２は、熱交換部１Ａの長手方向他端側に設けられる。

吸気管３は、コレクタ４を介して熱交換部１Ａに接続する。従って、熱交換部１Ａには、コレクタ４を介して吸気が流入する。吸気管３は、冷却液導入口１３の冷却液導入方向と相対する向きでコレクタ４に接続する。このため、吸気管３は、冷却液導入口１３の冷却液導入方向と相対する方向に向かって吸気を流通させる。

コレクタ４は、吸気を一時的に貯留する。コレクタ４は、熱交換部１Ａ同様、気筒配列方向に長手方向を有し、熱交換部１Ａのケース１２に接続される。コレクタ４は、冷却液導入口１３の冷却液導入方向と相対する方向に向かって流通してきた吸気を熱交換部１Ａに流入させる。コレクタ４はコレクタ部に相当する。

コレクタ４は、熱交換部１Ａと一体構成とされてもよい。この場合、一体化されたケースのうち熱交換器１１よりも吸気系上流側の部分をコレクタ部として把握することができる。また、一体化されたケースのうち熱交換器１１を収容する部分、及び熱交換器１１を熱交換部１Ａとして把握することができる。

熱交換部１Ａを流通した吸気は、インテークマニホールド５に流入する。インテークマニホールド５は、内燃機関６の各気筒に吸気を分配する。

ところで、コレクタ４では内燃機関６の各気筒への吸気の均一化が図られる。しかしながら、熱交換部１Ａに導入される吸気は、吸気管３の曲がりによって次に説明するように偏流する。

図４は、吸気の偏流状態を示す図である。Ｉ－Ｉ断面は、図１に示すＩ－Ｉ断面で吸気の偏流状態を見た図であり、濃い部分ほど吸気流速が高いことを示す。ＩＩ－ＩＩ断面は、図２に示すＩＩ－ＩＩ断面で吸気の偏流状態を見た図である。

図４に示されるように、吸気は、吸気管３の曲がり内側の部分で剥離することとも相俟って、次のように偏流する。すなわち、吸気は、Ｉ－Ｉ断面に破線の丸印で示すように、＃１気筒の吸気行程、＃２気筒の吸気行程、＃３気筒吸気行程でともに、熱交換部１Ａの長手方向中央から一端側にかけた領域に偏流する。この場合、吸気が偏流した状態で熱交換が行われることから、吸気の偏流が特段考慮されていない場合には、吸気を効率的に熱交換させることができないことが懸念される。

このような事情に鑑み、吸気冷却装置１００Ａでは、吸気制御弁２が熱交換部１Ａに対して冷却液導入口１３と互いに相対する位置に設けられる。結果、熱交換部１Ａでは次のような各種特性が得られる。

図５から図８は、熱交換部１Ａにおける各種特性を示す図である。図５から図８において、縦軸は各種パラメータを示し、横軸は図１に示す距離Ｘを示す。距離Ｘは、熱交換部１Ａの長手方向の距離であり、点Ａからの距離を示す。点Ａ側は熱交換部１Ａの長手方向一端側に対応し、点Ｂ側は熱交換部１Ａの長手方向他端側に対応する。図６から図８では、比較例の場合を破線で併せて示す。比較例は、熱交換部１Ａに対して冷却液導入口１３と吸気制御弁２とをＢ点側に設けた場合を示す。比較例では、冷却液出口１４は点Ａ側に設けられる。

図５に示すように、吸気流量は距離Ｘの中央から点Ａの間で大きくなっている。これは前述のように吸気が偏流するためである。この傾向は吸気流速についても同様である。

図６に示すように、吸気温度は、距離Ｘによらず一定となっている。冷却液Ｗの温度は、吸気温度よりも低くなっており、且つ点Ａ側から点Ｂ側に向かうほど高くなっている。つまり、熱交換部１Ａでは、点Ａ側から点Ｂ側に向かって次第に冷却液Ｗの温度が高くなる傾向の温度勾配（温度変化）が形成される。これは、点Ａ側から点Ｂ側に向かって冷却液Ｗが熱交換をしながら流通するためである。比較例の場合、点Ｂ側から点Ａ側に冷却液Ｗが流通するため、冷却液Ｗの温度が点Ｂ側から点Ａ側に向かうほど高くなる。

図７に示すように、冷却液Ｗの温度変化率は、点Ａ側から点Ｂ側に向かうほど小さくなる。これは、点Ａ側ほど冷却液Ｗと吸気との温度差が大きく、熱交換が促進されるためである。このため、本実施形態の場合は、偏流により吸気流量が多くなるＡ点側で熱交換がより促進される。比較例の場合、点Ｂ側で冷却液Ｗと吸気との温度差が大きくなる。このため、比較例の場合、点Ｂ側から点Ａ側に向かうほど冷却液Ｗの温度変化率が小さくなり、吸気流量が少なくなるＢ点側で熱交換がより促進される。

図８に示すように、本実施形態の場合、熱交換効率は距離Ｘの中央から点Ａの間で高くなっている。これは、吸気が偏流する点Ａ側で冷却液Ｗと吸気との温度差が大きくなっているためである。比較例の場合、熱交換効率は距離Ｘの中央から点Ａの間で高くなっているものの、本実施形態の場合よりも低い。これは、点Ａ側に吸気が偏流する一方で、点Ａ側では冷却液Ｗと吸気との温度差が小さいためである。図９は、熱交換部１Ａにおける吸気の総放熱量を示す図であり、吸気の総放熱量についても、本実施形態の場合のほうが比較例の場合よりも大きいことがわかる。

次に、本実施形態の主な作用効果について説明する。

吸気冷却装置１００Ａは、内燃機関６の吸気の熱交換を行う熱交換装置を構成する。吸気冷却装置１００Ａは、導入される冷却液Ｗ及び通過する吸気間で熱交換を行う熱交換部１Ａと、熱交換部１Ａを通過させる吸気の制御を行う吸気制御弁２とを備える。熱交換部１Ａの冷却液導入口１３と吸気制御弁２とは、熱交換部１Ａに対して互いに相対する位置に設けられる。

このような構成によれば、冷却液導入方向と相対する方向に向かって吸気を流通させ、このように流通させた吸気を熱交換部１Ａに流入させる一方、これにより熱交換部１Ａにおいて吸気流量が多くなる箇所に冷却液Ｗを導入することが可能になる。このため、当該箇所において吸気と冷却液Ｗとの間で大きな温度差を生じさせ、吸気を効率的に熱交換させて冷却することが可能になる。

本実施形態では、冷却液導入口１３と冷却液出口１４とは、熱交換部１Ａに対して互いに相対する位置に設けられる。

このような構成によれば、熱交換部１Ａにおける冷却液Ｗの流れを一方向にすることができ、吸気流量が多くなる箇所において吸気と冷却液Ｗとの間でより大きな温度差を生じさせることができる。このためこのような構成によれば、例えば熱交換部１Ａに対して冷却液導入口１３と同じ側に冷却液出口１４を設けた場合と比較し、吸気をより効率的に熱交換させて冷却することができる。

本実施形態では、熱交換部１Ａにはコレクタ４を介して吸気が流入する。熱交換部１Ａとコレクタ４とは、内燃機関６の気筒配列方向に長手方向を有する。冷却液導入口１３は、熱交換部１Ａの長手方向一端側に設けられる。吸気制御弁２は、熱交換部１Ａの長手方向他端側からコレクタ４に吸気を流入させる。

このような構成によれば、熱交換部１Ａの長手方向一端側から他端側に向かって次第に冷却液Ｗの温度が高くなる傾向の温度勾配を熱交換部１Ａに形成して、長手方向一端側に偏流する吸気と冷却液Ｗとの間で大きな温度差を生じさせることができる。このためこのような構成によれば、吸気を効率的に熱交換させて冷却することができる。

吸気冷却装置１００Ａは吸気の加熱に用いられてもよい。この場合、熱交換部１Ａに冷却液Ｗを流通させる冷却液回路を、熱源を有した構成とすることができる。この場合、熱源で冷却液Ｗに受熱させ、熱交換部１Ａで冷却液Ｗから放熱させることができる。この場合の熱交換部１Ａにおける各種特性を図１０から図１３に、吸気の総受熱量を図１４にそれぞれ示す。

図１０に示すように、吸気流量の特性は図５と同じである。図１１に示すように、冷却液Ｗの温度は吸気温度よりも高くなっており、Ａ点側からＢ点側に向かって次第に冷却液Ｗの温度が低下する傾向の温度勾配が形成される。つまりこの場合も、Ａ点側で冷却液Ｗと吸気との温度差が大きく確保される。比較例の場合は、Ｂ点側から熱交換部１Ａに冷却液Ｗが導入されるので、Ｂ点側からＡ点側に向かって次第に冷却液Ｗの温度が低下する傾向の温度勾配が形成される。

図１２に示すように、冷却液Ｗの温度変化率はＡ点側からＢ点側に向うほど小さくなる。つまりこの場合も、Ａ点側で冷却液Ｗの熱交換がより促進される。比較例の場合は、吸気流量が少ないＢ点側で冷却液Ｗの熱交換がより促進される。結果、図１３に示すように、吸気を加熱する場合も、熱交換効率は距離Ｘの中央からＡ点の間で比較例の場合よりも大きくなる。また、図１４に示すように、熱交換部１Ａにおける吸気の総受熱量も比較例の場合よりも大きくなる。

このように、吸気冷却装置１００Ａは、吸気の加熱に用いられる場合にも、吸気流量が多くなる箇所において吸気と冷却液Ｗとで大きな温度差を生じさせることができる。結果、この場合には吸気を効率的に熱交換させて加熱することができる。

（第２実施形態）
図１５は、第２実施形態にかかる吸気冷却装置１００Ｂを示す図である。吸気冷却装置１００Ｂは、熱交換部１Ａの代わりに熱交換部１Ｂを備える点以外、吸気冷却装置１００Ａと同様に構成される。熱交換部１Ｂは２系統の冷却液回路に組み込まれ、２系統の冷却液回路を流通する冷却液Ｗそれぞれと吸気との間で熱交換を行うように構成される。

このように構成される熱交換部１Ｂでは、冷却液導入口１３及び冷却液出口１４が２系統分設けられ、内蔵する熱交換器１１も２系統分設けられる。つまり、本実施形態では熱交換器１１は２系統分の熱交換器により構成される。２系統分の熱交換器は２つの個別の熱交換器により構成されてもよく、２つの熱交換器が一体化されたものにより構成されてもよい。本実施形態では、２系統分の熱交換器は長手方向に直交する方向（コレクタ４とインテークマニホールド５とを結ぶ方向）に隣接して設けられる。

２系統の冷却液回路は、冷却液Ｗとして高温冷却液ＷＨが流通する高温冷却液回路、及び冷却液Ｗとして低温冷却液ＷＬが流通する低温冷却液回路により構成される。高温冷却液回路は熱源を有し、高温冷却液ＷＨが熱源で受熱し熱交換部１Ｂで放熱するように構成される。低温冷却液回路は、低温冷却液ＷＬが熱交換部１Ｂで受熱しラジエータ等の放熱部で放熱するように構成される。高温冷却液回路は、熱交換部１Ｂにおいてコレクタ４及びインテークマニホールド５のうちコレクタ４側に設けられ、低温冷却液回路はその反対側に設けられる。熱交換部１Ｂにおける高温冷却液回路及び低温冷却液回路の配置は入れ替えられてもよい。

次に、本実施形態の主な作用効果について説明する。

吸気冷却装置１００Ｂでは、熱交換部１Ｂは、２系統の冷却液回路を流通する冷却液Ｗそれぞれ、つまり高温冷却液ＷＨ及び低温冷却液ＷＬと吸気との間で熱交換を行う。

このような構成によれば、２系統の冷却液回路を流通する冷却液Ｗそれぞれとの間で吸気を効率的に熱交換させることができる。つまり、このような構成でも吸気流量が多くなる箇所において吸気と冷却液Ｗとの間で大きな温度差を生じさせ、吸気を効率的に熱交換させることができる。

吸気冷却装置１００Ｂでは、熱交換部１Ｂは、高温冷却液回路において高温冷却液ＷＨの温度が吸気温度よりも高い場合には吸気を加熱する。

このような構成によれば、２系統の冷却液回路のうちの１系統の冷却液回路である高温冷却液回路において、吸気の加熱を効率的に行うことができる。

（第３実施形態）
図１６は、第３実施形態にかかる吸気冷却装置１００Ｃを示す図である。吸気冷却装置１００Ｃは、熱交換部１Ｂの代わりに熱交換部１Ｃを備える点以外、吸気冷却装置１００Ｂと同様に構成される。熱交換部１Ｃは、断熱層１５をさらに有する点以外、熱交換部１Ｂと同様に構成される。

断熱層１５は、熱交換部１Ｃにおいて高冷却液回路及び低冷却液回路間、つまり２系統分の熱交換器を構成する２つの熱交換器間に設けられる。断熱層１５は、吸気が通過可能な構造（例えば、スリット状の多孔構造や網目構造）を有し、熱交換部１Ｃにおける高温冷却液回路と低温冷却液回路との直接接触を妨げる。断熱層１５には例えば、熱交換器の部材よりも断熱性が高い樹脂、金属等の断熱材を用いることができる。断熱層１５は、熱交換部１Ｃにおいて高温冷却液回路及び低温冷却液回路間に形成された熱交換部１Ｃの通路空間により構成されてもよい。換言すれば、断熱層１５は、熱交換部１Ｃにおいて高温冷却液回路と低温冷却液回路とを離間して設けることにより構成されてもよい。

次に、本実施形態の主な作用効果について説明する。

吸気冷却装置１００Ｃでは、熱交換部１Ｃは、高温冷却液回路及び低温冷却液回路間に断熱層１５を有する。

このような構成によれば、断熱層１５により高温冷却液回路及び低温冷却液回路間の熱の移動を抑制できる。このため、各冷却液回路における冷却液Ｗの温度が熱の移動により変化することを抑制でき、その分、吸気流量が多くなる箇所において吸気と冷却液Ｗとで大きな温度差を確保することができる。結果、その分、各冷却液回路において吸気をより効率的に熱交換させることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

Claims (5)

1. 内燃機関の吸気の熱交換を行う熱交換装置であって、
   導入される熱媒体と通過する吸気とを熱交換させる熱交換部と、
   前記熱交換部を通過させる吸気の制御を行う吸気制御弁と、
   前記吸気制御弁が設けられた吸気管と、
   吸気を一時的に貯留するコレクタ部と、
   を備え、
   前記熱交換部には、前記吸気管から前記コレクタ部を介して吸気が流入し、
   前記熱交換部と前記コレクタ部とは、前記内燃機関の気筒配列方向に長手方向を有し、
   前記吸気管は、前記吸気制御弁を通過した吸気を曲りにより前記熱交換部の長手方向中央から一端側にかけた領域に偏流させ、
   前記熱交換部の熱媒体導入口と前記吸気制御弁とは、前記熱交換部に対して互いに相対する位置に設けられ、
   前記熱媒体導入口は、前記熱交換部の長手方向一端側に設けられ、
   前記熱媒体を前記熱交換部の長手方向に流通させ、
   前記吸気制御弁は、前記熱交換部の長手方向他端側から前記コレクタ部に吸気を流入させる、
   熱交換装置。
2. 請求項１に記載の熱交換装置であって、
   前記熱媒体導入口と前記熱交換部の熱媒体出口とは、前記熱交換部に対して互いに相対する位置に設けられる、
   熱交換装置。
3. 請求項１又は２に記載の熱交換装置であって、
   前記熱交換部は、２系統の熱媒体回路を流通する熱媒体それぞれと吸気との間で熱交換を行う、
   熱交換装置。
4. 請求項３に記載の熱交換装置であって、
   前記２系統の熱媒体回路のうち１系統の熱媒体回路は熱源を有して構成され、
   前記熱交換部は、前記１系統の熱媒体回路において熱媒体温度が吸気温度より高い場合には吸気を加熱する、
   熱交換装置。
5. 請求項３又は４に記載の熱交換装置であって、
   前記熱交換部は、前記２系統の熱媒体回路間に断熱層を有する、
   熱交換装置。

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