JP4629782B2 - クーラバイパスを備える給気クーラ装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、給気冷却装置、より詳しくはクーラバイパスラインを備える給気冷却装置に関連する。

従来の内燃エンジン１を示す図１Ａに見られるように、ターボチャージャまたはスーパーチャージャ２は流入空気を圧縮し、これを加熱する。高温空気は同じ圧力の低温空気よりも密度が低いため、シリンダへ送られる給気全体は低温の場合よりも少なくなる。給気クーラ（ＣＡＣ）４または多段ターボチャージシステムでは中間クーラなどの装置を用いて圧縮後に給気を冷却することにより、さらに多くの給気が送られ、パワーを増大させる。加えて、ＣＡＣと中間クーラなどの装置は、給気の温度を低下させることにより、シリンダでの自然爆発の開始前に可能なブーストの総量を増大させるのに役立つ。

排気ガス再循環（ＥＧＲ）は、大部分のガソリンおよびディーゼルエンジンで使用されるＮＯｘ（酸化窒素および二酸化窒素）低減技術である。ＥＧＲは、エンジン排気ガスの何パーセントか（例えば５〜１０％）をエンジンシリンダへ再循環させることによって機能する。流入空気を再循環排気ガスと混合すると、燃焼を遅延させる不活性ガスとの混合物を希釈して、ピーク温度を低下させる。ＮＯｘ生成は高温でより速く進行するため、ＥＧＲはＮＯｘの発生を制限するのに役立つ。ＮＯｘは主として酸素と高温との存在によって形成される。

排気ガスの再循環は通常、排気マニホルド６から給気マニホルド７へのルート５を設けることによって達成される。回路内の制御バルブ８（ＥＧＲバルブ）がガス流を調整してタイミング決定を行う。最新のディーゼルエンジンでは、ＥＧＲガスは一般的に熱交換器（ＥＧＲクーラ）９を用いて冷却されて、より大量の再循環ガスの導入を可能にする。

ＣＡＣ４などの装置が給気の露点を下回る温度まで給気を冷却する時、特に排気ガスと混合された時に結果的に生じる結露は、吸気バルブおよび吸気バルブシートなどのエンジン部品にとって有害となり得る。従来の解決法の一つは、ＣＡＣから出る給気の温度が露点温度を下回った時にＥＧＲを遮断することを含む。この解決法ではＮＯｘ形成が促進されるため、環境保護庁によって承認されていない。

別の従来の解決法は、給気の一部をバイパス１０に案内することを含む。しかし、吸気の一部分のみがＣＡＣ４を迂回すると、ＣＡＣを迂回した給気とＣＡＣを通過した給気との混合気が図１ＢのグラフのＡ点に見られるように露点を上回った温度であっても、Ｂ点に見られるようにＣＡＣを通過した給気が露点未満の温度まで冷却される。ゆえに、ＣＡＣバイパス１０は結露の問題を完全に解決するわけではない。

本発明の一面によれば、給気クーラ装置を備えるエンジンは、エンジンと、エンジンに通じる流入口と、流入口の上流に配置された第１給気クーラと、第１給気クーラの上流に配置された第２クーラと、第１給気クーラの上流の第２クーラを迂回するためのバイパスラインとを含む。

本発明の別の面によれば、給気クーラ装置は、エンジン流入口の上流に配置された第１給気クーラと、第１給気クーラの上流に配置された第２クーラと、第２クーラを迂回するためのバイパスラインとを含み、バイパスラインの下流端部は第１給気クーラの上流に配置されている。

本発明のさらに別の面によれば、給気冷却を行うエンジンの結露を軽減する方法は、第２クーラの下流の第１給気クーラと、第２クーラを迂回するために配置されたバイパスラインとに流入空気を流通させることと、第２クーラおよびバイパスラインを通る流入空気の流量を調節することにより第１給気クーラの下流の流入空気温度を調節することとを含む。

本発明の特徴および長所は、同様の数字が類似の要素を指す図面と関連して以下の詳細な説明を読むことによってよく理解される。

給気クーラ装置２３を備えるエンジン２１が、図２Ａに見られる。流入口、一般的には給気マニホルド２５がエンジン２１に通じている。第１給気クーラ２７（ＣＡＣ）は給気マニホルド２５の上流に配置されている。第１ＣＡＣ２７は、従来の内燃エンジンで一般的に使用されるＣＡＣよりも効率が低い。より詳しく述べると、エンジン２１が作動すると予測される温度および相対湿度の範囲の空気を第１ＣＡＣ２７またはその下流での空気の露点を下回る温度まで冷却できるのに充分なほど第１ＣＡＣが効率的でないことが望ましい。言い換えると、通常、第１ＣＡＣ２７は第１ＣＡＣの下流で結露を発生させることがないのである。

第２クーラ２９は、第１ＣＡＣクーラ２７の上流に配置されている。連続して作動する第２クーラ２９と第１ＣＡＣ２７とは、エンジン２１が作動すると予測される温度および相対湿度の範囲の流入空気の温度を、第１ＣＡＣ２７が単独で温度を低下させることのできる温度を実質的に下回る温度まで低下させられることが望ましい。連続して作動する第１ＣＡＣ２７および第２クーラ２９は、流入空気の露点またはこれを下回る温度まで流入空気温度を低下させることができる。

バイパスライン３１は、第１ＣＡＣ２７の上流の第２クーラ２９を迂回するために設けられている。バイパスライン３１の下流端部３３は、第１ＣＡＣ２７と第２クーラ２９との間の導管３５と流通状態にある。流入空気がバイパスライン３１を流れる時に、第１ＣＡＣ２７は、すべての流入空気が第２クーラ２９を流れる場合ほど低い温度まで空気を冷却しない。

ＥＧＲ回路３７は、給気マニホルド２５と流通状態にある。結露が、特にＥＧＲガスとともに給気バルブおよびバルブシートなどのエンジン部品にとって有害な生成物となる傾向があるので、第１ＣＡＣ２７の下流の流入空気温度は結露を回避するのに充分なほど高いことが望ましい。第１ＣＡＣ２７の下流の流入空気の温度は、第２クーラ２９を通る流れを遮断してすべての流れをバイパスライン３１に案内することにより、または第２クーラを通過する空気の量とバイパスラインを流れる空気の量との均衡を適切に保つことにより、所望の温度またはそれ以上に維持できる。

第２クーラ２９を通る流入空気とバイパスライン３１を通る流入空気との適切な均衡は、第２クーラおよびバイパスラインを通る流入空気の流れを調節するのに適したバルブ装置３９を用いて達成される。バルブ装置３９は、バイパスライン３１および／または第２クーラ２９を通る流れを完全に遮断するのに適しているか、第２クーラとバイパスラインの両方を通る所望のレベルの流れを許可するのに適している。図２Ａは、第２クーラ２９とバイパスライン３１を通る流れをそれぞれ調節するバルブ４１，４３を含むバルブ装置を示す。バルブ４１，４３は、開閉モードのみを有するか、全開と全閉との間の様々な状態に調節可能であってもよい。第２クーラ２９とバイパスライン３１のうち一方のみへの流れを許可するための三方バルブなど、他のバルブ装置も通常は利用可能である。図２Ｂは、冷却されるように（Ｃ点で第２クーラを出る）流入空気の一部に第２クーラ２９を、冷却されないように流入空気の一部にバイパスライン３１を通過させることにより流入空気がシステムを通過するので、これら二つの流れが（Ｄ点で）合流してから第１ＣＡＣ２７を通過する時に、結果的に生じる冷却流（Ｅ点）の温度が露点温度よりも上に維持されることを示すグラフである。

流入空気の露点についてのデータを検知するのに適するとともに、このデータに関する信号を受けてバルブ装置３９を制御する制御装置４９にこの信号を送るのに適したセンサを含むセンサ装置が設けられる。流入空気の露点についてのデータは通常、第１ＣＡＣ２７および第２クーラ２９の上流での流入空気温度および／または相対湿度と、第１ＣＡＣの上流かつ第２クーラの下流での流入空気温度および／または相対湿度と、第１ＣＡＣおよび第２クーラの下流での流入空気温度および／または相対湿度のうち一つ以上を含む。このようなデータは、それぞれ第１ＣＡＣ２７および第２クーラ２９の上流の温度および／または相対湿度センサ４７１，４７２と、それぞれ第１ＣＡＣの上流および第２クーラの下流の温度および／または相対湿度センサ４７３，４７４と、それぞれ第１ＣＡＣおよび第２クーラの下流の温度および／または相対湿度センサ４７５，４７６とによって収集される。ゆえにセンサ装置は、温度センサ（例えば温度計と感温スイッチ）、湿度センサ、露点センサ（例えば湿度計）などのセンサを含むが、上述のタイプのセンサを列挙することによって、流入空気の露点を判断または評価するのに使用できる機器のタイプを限定する意図はない。

センサ装置は、第１ＣＡＣ２７の下流の温度を監視して、温度に関する信号を受けてバルブ装置３９を制御する制御装置４９に信号を送るのに適した温度センサ４７５の形のセンサを含む。制御装置４９は、第１ＣＡＣ２７の下流の温度が流入空気の露点温度を下回っているとの信号を受けて、第２クーラ２９を通る流れが減少してバイパスライン３１を通る流れが増加するように、バルブ装置３９を調節するように構成されている。信号は、第１ＣＡＣの下流に結露の条件が存在するかどうかを計算するのに使用できる、第１ＣＡＣ２７および第２クーラ２９の上流および下流における圧力、相対湿度、温度などの他の要因の測定に基づくか、あるいは、一般的な動作条件において第１ＣＡＣの下流にたいてい結露が発生すると予測されるある点（第１ＣＡＣの下流など）における温度など、単一のパラメータの測定のみに基づいている。監視／検知された条件が、第１ＣＡＣ２７の下流での結露が予測されるようなものである時には、第１ＣＡＣ２７の下流の条件が結果的に結露を生じることにならないように、バイパス３１が開く、および／または第２クーラ２９が閉じる。

ＥＧＲ回路３７は一般的に、流入口２５と連通状態にある。ＥＧＲ回路３７は、ＥＧＲバルブ５３を開閉するセンサ装置からの信号を受けるＥＧＲバルブを含む。ＥＧＲバルブ５３は例えば、結露を発生させそうな条件を表す第１ＣＡＣ２７の下流での温度センサ４７５からの信号を受けて閉じる。温度センサ４７５は制御装置４９に信号を送り、制御装置はＥＧＲバルブに信号を送る。ＥＧＲ回路３７はまた、ＥＧＲクーラ５５および従来ＥＧＲシステムの他の部品も含み、従来ＥＧＲシステムと実質的に同じように作動する。

第２クーラ２９は適当なタイプのクーラでよい。一般的に第２クーラは、図２Ａに見られるようにターボチャージャ５７またはスーパーチャージャの下流のＣＡＣであるか、図３に見られるように、第２クーラ１２９は例えば、二段ターボチャージシステムの第１ターボチャージャ５７の下流かつ第２ターボチャージャ１５７の上流の中間クーラである。

給気冷却装置２３を有するエンジン２１で結露を軽減する方法では、第２クーラ２９の下流で、第２クーラを迂回するために配置されたバイパスライン３１の下流にある第１ＣＡＣ２７に流入空気が流れる。第１ＣＡＣ２７の下流の流入空気温度は、第２クーラ２９およびバイパスライン３１を通る流入空気の流量を調節することによって調節される。第２クーラ２９およびバイパスライン３１を通る流入空気の流量は、第１ＣＡＣ２７の下流で所望の温度を達成するように、一方のラインを閉じて他方を開くことによって、または一方または両方のラインを部分的に開閉することによってなど、適当な方法で調節できる。

一般的に、流入空気温度が監視され、流入空気温度と相関させて第２クーラ２９およびバイパスライン３１を通る流入空気の流量が調節される。例えば、温度センサ４７５などのセンサが、結露が発生すると予測される温度の付近、その温度、その温度より下のレベルまで第１ＣＡＣ２７の下流の温度が低下したと判断すると、第２クーラ２９を通る流れの容積が減少して、バイパスを通る流れの容積が増加する。第１ＣＡＣ２７の下流での流入空気温度を監視することに加えて、センサ４７１および／または４７３などにより、流入空気温度が第１ＣＡＣの上流で監視される。さらに、温度以外のパラメータが監視され、これらのパラメータのみ、または他のパラメータとの組合せと相関させて、第２クーラ２９およびバイパスライン３１を通る流量が制御される。

本出願において、“ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ”などの語は非限定的であって、“ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ”などの語と同じ意味を持つものとし、他の構造、材料、作用の存在を除外するものではない。同様に“ｃａｎ”または“ｍａｙ”などの語の使用は非限定的であるものとし、構造、材料、作用が必要ではないことを表すが、このような語を使用しなくても、構造、材料、作用が不可欠であることを表す意図はない。構造、材料、作用が現時点で不可欠であると考えられる限り、そのように明記される。

好適な実施例にしたがって本発明を図示および説明したが、請求項に記載された発明を逸脱することなく変形および変更が行われてもよいことは言うまでもない。

ＣＡＣとＣＡＣバイパスとＥＧＲとを備える先行技術エンジンを概略的に示す。 図１Ａに示されたタイプのＣＡＣおよびバイパスにおける給気温度のグラフである。 本発明の実施例によるＣＡＣを備えるエンジンを概略的に示す。 図２Ａに示されたタイプのＣＡＣおよびバイパスにおける給気温度のグラフである。 本発明の別の実施例によるＣＡＣを備えるエンジンを概略的に示す。

Claims (20)

1. エンジンと、
   前記エンジンに通じる流入口と、
   前記流入口の上流に配置された第１給気クーラと、
   前記第１給気クーラの上流に配置された第２クーラと、
   前記第１給気クーラの上流の前記第２クーラを迂回するためのバイパスラインと、
   前記第２クーラおよび前記バイパスラインを通る流入空気の流れを調節するバルブ装置と、
   流入空気の露点に関するデータを検知し、該データに関する信号を受けて前記バルブ装置を制御する制御装置に該信号を送るセンサを含むセンサ装置と、
   を含むことを特徴とする給気クーラ装置を備えるエンジン。
2. 前記流入口と連通状態にあるＥＧＲ回路を含むことを特徴とする請求項１に記載の給気クーラ装置を備えるエンジン。
3. 前記バルブ装置が、前記バイパスラインを通る流れを遮断するように成っていることを特徴とする請求項１に記載の給気クーラ装置を備えるエンジン。
4. 前記バルブ装置が、前記第２クーラを通る流れを遮断するように成っていることを特徴とする請求項３に記載の給気クーラ装置を備えるエンジン。
5. 前記バルブ装置が、前記第２クーラを通る流れを遮断するように成っていることを特徴とする請求項１に記載の給気クーラ装置を備えるエンジン。
6. 前記バルブ装置が、前記第２クーラと前記バイパスラインの両方を通る流れを許容するように成っていることを特徴とする請求項１に記載の給気クーラ装置を備えるエンジン。
7. 前記第１給気クーラの下流の温度を監視し、該温度に関する信号に応じて前記バルブ装置を制御する制御装置に該信号を送る温度センサを、前記センサ装置が含むことを特徴とする請求項１に記載の給気クーラ装置を備えるエンジン。
8. 前記第１給気クーラの下流の温度が前記流入空気の露点を下回っているとの信号を受けて、前記第２クーラを通る流れが減少して前記バイパスラインにおける流れが増加するように前記バルブ装置を調節するべく、前記制御装置が構成されることを特徴とする請求項７に記載の給気クーラ装置を備えるエンジン。
9. 前記流入口と連通状態にあるＥＧＲ回路を含み、該ＥＧＲ回路が、ＥＧＲバルブを開閉する前記センサ装置からの信号を受けるＥＧＲバルブを含むことを特徴とする請求項１に記載の給気クーラ装置を備えるエンジン。
10. 前記第１給気クーラの下流の温度を監視して、該温度に関する信号を受けて前記バルブ装置を制御する制御装置へ該信号を送る温度センサを備えたセンサ装置を含むことを特徴とする請求項１に記載の給気クーラ装置を備えるエンジン。
11. 前記第２クーラが給気クーラであることを特徴とする請求項１に記載の給気クーラ装置を備えるエンジン。
12. 前記第２クーラが、二段ターボチャージャシステムの第１ターボチャージャの下流かつ第２ターボチャージャの上流の中間クーラであることを特徴とする請求項１に記載の給気クーラ装置を備えるエンジン。
13. エンジン流入口の上流に配置された第１給気クーラと、
    前記第１給気クーラの上流に配置された第２クーラと、
    前記第２クーラを迂回するためのバイパスラインであって、前記第１給気クーラの上流に下流端部が配置されたバイパスラインと、
    前記第２クーラおよび前記バイパスラインを通る流入空気の流れを調節するバルブ装置と、
    流入空気の露点についてのデータを検知し、該データに関する信号を受けて前記バルブ装置を制御する制御装置へ該信号を送るセンサを含むセンサ装置と、
    を含むことを特徴とする給気クーラ装置。
14. 前記センサ装置が、前記第１給気クーラの下流の温度を監視し、該温度に関する信号を受けて前記バルブ装置を制御する前記制御装置へ該信号を送る温度センサを含むことを特徴とする請求項１３に記載の給気クーラ装置。
15. 前記第１給気クーラの下流の温度が前記流入空気の露点を下回っているとの信号を受けて、前記第２クーラを通る流れが減少して前記バイパスラインを通る流れが増加するように前記バルブ装置を調節するべく、前記制御装置が構成されることを特徴とする請求項１４に記載の給気クーラ装置。
16. 前記第１給気クーラの下流の温度を監視し、該温度に関する信号を受けて前記バルブ装置を制御する制御装置へ該信号を送る温度センサを備えたセンサ装置を含むことを特徴とする請求項１３に記載の給気クーラ装置。
17. 給気冷却を行うエンジンの結露を軽減する方法であって、
    第２クーラの下流の第１給気クーラと、該第２クーラを迂回するために配置されたバイパスラインとに流入空気を流通させることと、
    前記第２クーラおよび前記バイパスラインを通る流入空気の流量を調節することにより前記第１給気クーラの下流の流入空気温度を調節することと、
    流入空気温度を監視して、前記第２クーラおよび前記バイパスラインを通る流入空気の流量を流入空気温度と相関させて調節することと、
    を含むことを特徴とする方法。
18. 前記第１給気クーラの上流で流入空気温度が監視されることを特徴とする請求項１７に記載の給気冷却を行うエンジンの結露を軽減する方法。
19. 前記第１給気クーラの下流で流入空気温度が監視されることを特徴とする請求項１７に記載の給気冷却を行うエンジンの結露を軽減する方法。
20. 前記第１給気クーラの上流で空気温度が監視されることを特徴とする請求項１７に記載の給気冷却を行うエンジンの結露を軽減する方法。

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