(57)【要約】【課題】熱交換器における冷媒の沸騰を抑制し、熱交換器の冷却効率を高める。【解決手段】内燃機関の吸気通路又は排気通路に設置され、ガスと冷媒との間で熱を移動させる熱交換器を、複数の冷媒通路とガス通路と貯水部と制御部とを備える構成とする。この複数の冷媒通路は重力方向に平行に配置され、冷媒を重力方向に流通させる。ガス通路は隣り合う冷媒通路の間の通路である。ガス通路は複数の冷媒通路の配列方向と重力方向とに平行な対向する二面のうち一方の面側から他方の面側に向けて、ガスを流通させる。貯水部は、ガス通路の下部に形成され、ガス通路内で発生した凝縮水を貯水する。制御部は、貯水部に溜まった凝縮水の量を算出し、算出された凝縮水の量が閾値未満の場合には、熱交換器における熱交換量を増加させ、算出された凝縮水の量が閾値以上の場合には、熱交換器における熱交換量を減少させる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の吸気通路又は排気通路に設置され、ガスと冷媒との間で熱を移動させる熱交換器であって、
重力方向に平行に配置され、冷媒を重力方向に流通させる複数の冷媒通路と、
隣り合う前記冷媒通路の間の通路であって、前記複数の冷媒通路の配列方向と重力方向とに平行な対向する二面のうち一方の面側から他方の面側に向けて、ガスを流通させるガス通路と、
前記ガス通路の下部に形成され、ガス通路内で発生した凝縮水を貯水する貯水部と、
前記貯水部に溜まった凝縮水の量を算出し、算出された前記凝縮水の量が閾値未満の場合には、前記熱交換器における熱交換量を増加させ、前記凝縮水の量が閾値以上の場合には、前記熱交換器における熱交換量を減少させるように構成された制御部と、
を備える熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器に関する。より具体的には、内燃機関の吸気通路又は排気通路に設置され、冷媒と、吸気又は排気との間で熱交換させる熱交換器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に車両にはインタークーラ、ＥＧＲクーラ等の複数の熱交換器が配置されている。具体的に例えば、特開２００６−５７４７３号公報には、ＥＧＲクーラが記載されている。このＥＧＲクーラは、水平向きのガスの流れ方向に対して、垂直又は水平方向に形成された冷媒の通路を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−５７４７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特開２００６−５７４７３号公報に記載されたＥＧＲクーラは、冷媒が、ガス通路の高温側から低温側に、垂直、水平方向に蛇行して流通する構成となっている。この場合、冷媒が沸騰する恐れがある。また低外気温、低水温時にＥＧＲクーラが使用されると、ＥＧＲガス通路内で凝縮水が発生し、内部に残ることがある。凝縮水を暖機後速やかに蒸発させることができない場合、腐食や凍結による部品の損傷を起こす虞がある。ここで凝縮水の発生を回避するため、ＥＧＲクーラの使用を凝縮水が発生しない条件下に制限することは、ＮＯｘの排出量の増加及び燃費性能の低下につながる虞があるため、好ましいことではない。
【０００５】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、凝縮水による部品の損傷を抑制しつつ、熱交換器における冷媒の沸騰を抑制し、熱交換器の冷却効率を高めることができるように改良された熱交換器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するため、本発明は、内燃機関の吸気通路又は排気通路に設置され、ガスと冷媒との間で熱を移動させる熱交換器であって、複数の冷媒通路と、ガス通路と、貯水部と、制御部と、を備えている。複数の冷媒通路は、重力方向に平行に配置され、冷媒を重力方向に流通させる。ガス通路は、隣り合う冷媒通路の間の通路である。ガス通路は、複数の冷媒通路の配列方向と重力方向とに平行な対向する二面のうち一方の面側から他方の面側に向けて、ガスを流通させる。貯水部は、ガス通路の下部に形成され、ガス通路内で発生した凝縮水を貯水する。
【０００７】
制御部は、貯水部に溜まった凝縮水の量を算出し、算出された凝縮水の量が閾値未満の場合には、熱交換器における熱交換量を増加させ、算出された凝縮水の量が閾値以上の場合には、熱交換器における熱交換量を減少させるように構成されている。
【発明の効果】
【０００８】
冷媒が重力方向に流れるように冷媒通路が配置されて、冷媒通路の間をガスが流通するように構成されていることにより、冷媒の沸騰を抑制しつつ、ガス通路で発生した凝縮水を下方に形成された貯水部に凝縮水を貯水することができ、凝縮水の滞留による部品の劣化を抑制することができる。また、凝縮水の量が少ない場合、凝縮水が発生しても貯留できるため、熱交換器の冷却効率を上げる。一方、凝縮水の貯水量が多い場合、熱交換器の冷却効率を下げる。これにより、凝縮水が沸騰するため、気化潜熱によりガスを冷却しつつ貯留された凝縮水を減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態のシステムの全体構成を模式的に示す図である。
【図２】実施の形態のインタークーラの構成を模式的に示す図である。
【図３】実施の形態の制御装置が実行する制御ルーチンについて説明するためのフローチャートである。
【図４】実施の形態の熱交換器の他の構成例を模式的に示す図である。
【図５】実施の形態の熱交換器の他の構成例を模式的に示す図である。
【図６】実施の形態の熱交換器の他の構成例を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。
【００１１】
図１は、本発明の実施の形態におけるシステムの全体構成を模式的に示す図である。図１のシステムはエンジン２を有している。エンジン２は過給機４を有している。過給機４のコンプレッサ１２は、吸気通路１０の途中に配置されている。吸気通路１０のコンプレッサ１２より下流側には、インタークーラ１４が設置されている。インタークーラ１４は、コンプレッサ１２で圧縮された吸気を、冷媒との熱交換により冷却する熱交換器である。本実施の形態ではインタークーラ１４の冷媒として、水が用いられるものとするが、冷媒は水でなくてもよい。
【００１２】
またエンジン２は、排気の一部を吸気通路１０へ再循環させるＥＧＲ装置を有している。ＥＧＲ装置は、エンジン２の排気系と吸気系とを接続するＥＧＲ通路２０を有する。ＥＧＲ通路２０には、ＥＧＲクーラ２２が設置されている。ＥＧＲクーラ２２は、排気と冷媒との熱交換により排気を冷却する熱交換器である。本実施の形態のＥＧＲクーラ２２では冷媒として水が用いられるものとするが、ＥＧＲクーラの冷媒は、水でなくてもよい。
【００１３】
ＥＧＲクーラ２２と並行に、ＥＧＲクーラ２２を迂回するバイパス通路２４が接続されている。バイパス通路２４のＥＧＲ通路２０への合流部には、バイパス通路２４を開閉するバルブ２６が設置されている。ＥＧＲ通路２０のバルブ２６より下流にはＥＧＲガス量を調節するＥＧＲバルブ２８が設置されている。
【００１４】
図示を省略するが、このシステムは、制御装置を備えている。制御装置は、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)であり、本実施の形態においては、熱交換器であるインタークーラ１４及びＥＧＲクーラ２２の制御部としての機能も有する。エンジン２の各種のセンサ及びアクチュエータは、制御装置に電気的に接続されている。制御装置はエンジン２のシステム全体の制御を行うものであり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを含むコンピュータを主体として構成されている。ＲＯＭには、後述するルーチンを含む各種制御ルーチンが記憶されている。
【００１５】
図２は、インタークーラ１４の構成を模式的に示す図であり、図２の（ａ）は、インタークーラ１４の斜視、（ｂ）は、（ａ）におけるＡ−Ａ断面を表している。図２において紙面左右方向は、インタークーラ１４の車載状態での水平方向であり、紙面上下方向が鉛直方向である。インタークーラ１４は、略水平方向に吸気が流れるように構成されている。
【００１６】
図２に示されるように、インタークーラ１４内には、冷却水を流通させるための複数のチューブ３０が鉛直方向に平行に配置されている。チューブ３０はインタークーラ１４の上面に形成された冷却水の入口と、インタークーラ１４の下面に形成された冷却水の出口に連通しており、冷却水がチューブ３０内を鉛直方向下向き（即ち、重力方向）に流通するように構成されている。
【００１７】
隣り合うチューブ３０の間には、例えば断面が波状又は凹凸形状に形成された板状のフィン３２が配置されている。フィン３２が配置されている部分、即ち、チューブ３０の外側部分は、吸気が流通する吸気通路３４となっている。フィン３２により、チューブ３０内の冷却水と吸気との熱交換が効率よく行われる。また、フィン３２は、吸気の流れに対し乱れを作る構成としてもよい。
【００１８】
インタークーラ１４のチューブの配列方向（即ち、図２の（ｂ）の紙面左右方向）と重力方向とに平行な対向する二面のうち一方の面側には吸気の入口が形成され入口配管３６が接続している。また、この二面のうち他方の面側には吸気の出口が形成され出口配管３８が接続している。吸気は、吸気通路３４内を、入口側から出口側に向けて、概ね水平方向に流通するように構成されている。
【００１９】
吸気通路３４はその下方が貯水部４０として機能する。インタークーラ１４は、吸気の入口配管３６及び出口配管３８の最下部Ｂが、インタークーラ１４の底面Ｃよりも上部に位置するように構成されている。吸気通路３４のうち、最下部Ｂより下側の許容貯水位置Ｄから、インタークーラ１４の底面Ｃまでの部分が貯水部４０となる。なお、図では入口配管３６及び出口配管３８の大きさ、形状、及び水平位置が概ね一致しているが、入口配管３６及び出口配管３８の大きさ、形状、及び水平位置は、互いに異なっていてもよい。即ち、この場合にも、入口配管３６及び出口配管３８のなかで最下部となる部分より下の部分に、貯水部を形成すればよい。
【００２０】
図２の構成によりインタークーラ１４の吸気通路３４内で生じた凝縮水は、吸気通路３４内を重力方向に流れ落ち、貯水部４０にて一時的に貯水される。チューブ３０とフィン３２とは、その下方の一部が貯水部４０に配置されており、貯水部４０に溜まる凝縮水に浸かるように構成されている。
【００２１】
ＥＧＲクーラ２２は、上述したインタークーラ１４と同一の構成を有している。即ち、ＥＧＲクーラ２２は、冷却水を鉛直方向下向きに流通させるように、鉛直方向に平行に配列されたチューブと、隣り合うチューブとチューブの間に配置された板状のフィンを有している。ＥＧＲクーラ２２では、チューブとチューブの間は排気通路となる。排気通路の下部は、貯水部となっていて、凝縮水が貯水されるように構成されている。
【００２２】
制御装置は、インタークーラ１４及びＥＧＲクーラ２２等の熱交換器における水の凝縮量を計算し、それに応じて熱交換器における熱交換量を変化させる制御を実行するよう構成されている。以下、制御装置が実行する制御について、説明する。
【００２３】
図３は、実施の形態１において制御装置が実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。図３のルーチンでは、まずステップＳ１００において、貯水量が閾値を超えているか否かが判別される。ここで閾値は、図２の許容貯水位置Ｄまで貯水された場合の貯水量に近似する値に設定される。即ち、閾値は、熱交換器の吸気又は排気の通路に貯水可能な水量に応じて適宜決定される。ステップＳ１００における貯水量は、現在記憶されている値が用いられる。貯水量は、後述する処理により算出され記憶される。
【００２４】
ステップＳ１００において、貯水量が閾値を超えていないと判別された場合には、凝縮水の発生が許容される状態にあるので、ステップＳ１０２に進み、凝縮モードに設定される。次に、ステップＳ１０４に進み、熱交換器における熱交換量を増加させる制御が実行される。これにより、凝縮水が発生しやすい状態となり、凝縮水の貯水量を増加させることができる。なお、熱交換器における熱交換量を増加させる制御としては、例えば、熱交換器を通過するガス（即ち、吸気又は排気）の量を増量する制御、又は冷却水量の増量等により熱交換器の冷却効率を上げる制御が挙げられる。
【００２５】
次に、ステップＳ１０６に進み、瞬時凝縮量が算出される。瞬時凝縮量は、熱交換器に貯留されている貯水量を考慮して、例えば、次式（１）に従って推定することができる。ステップＳ１０６では、次式（１）に従って算出された値を、瞬時凝縮量として用いる。
瞬時凝縮量＝（熱交換器全体の体積×定数−貯水量による体積減少分）×ガス量×（蒸気量−飽和蒸気量）        ・・・・（１）
【００２６】
なお、式（１）において、貯水量による体積減少分は、現在記憶されている貯水量に基づいて算出される。ガス量は、単位時間に熱交換器に流入したガス量である。また、蒸気量は吸気又は排気に含まれる蒸気量であり、インタークーラ１４の場合には湿度センサの出力等に応じて算出され、ＥＧＲクーラ２２の場合には、燃料量及び空気量等に応じて算出される。また、湿度飽和水蒸気量は現在の温度、圧力等に基づいて算出することができる。
【００２７】
次に、ステップＳ１０８に進み、凝縮水の貯水量が算出され、記憶される。具体的には、ステップＳ１０６で算出された瞬時凝縮量を、現在記憶されている凝縮水の貯水量に加算することで、算出される。その後、今回の処理は一旦終了する。
【００２８】
一方、ステップＳ１００において、貯水量が閾値より大きいと判別された場合には、凝縮水のこれ以上の発生が許容できない状態にある。この場合、ステップＳ１１２に進み、蒸発モードに設定され、ステップＳ１１４に進む。ステップＳ１１４では、熱交換器における熱交換量を減少させる制御が実行される。熱交換器における熱交換量を減少させる制御としては、例えば、熱交換器を通過するガス量を減量する制御、又は冷却水量の減量等により熱交換器の冷却効率を低下させる制御が挙げられる。
【００２９】
次に、ステップＳ１１６に進み、凝縮水の瞬時蒸発量が算出される。瞬時蒸発量は、貯水量を考慮して、例えば、次式（２）に従って推定することができる。ステップＳ１１６の処理では、次式（２）に従って算出された値を、瞬時蒸発量として用いる。
瞬時蒸発量＝（熱交換器全体の体積×定数−貯水量による体積減少分）×ガス量×（飽和蒸気量−蒸気量）        ・・・・（２）
【００３０】
次に、ステップＳ１０８に進み、凝縮水の貯水量が算出される。具体的には、ステップＳ１１６で算出された瞬時蒸発量を、記憶されている凝縮水の積算量から減算した値が、貯水量として記憶される。その後、今回の処理は一旦終了する。
【００３１】
以上説明したように、本実施の形態において熱交換器であるインタークーラ１４及びＥＧＲクーラ２２は、ガス通路（即ち、吸気又は排気の通路）の鉛直方向下部に、凝縮水を貯留させる貯水部を有している。ここで水は凝縮する際に発熱するため、気化潜熱の効果分を得るためには、凝縮した水を放熱させることが必要となる。実施の形態の構成によれば、貯水部４０の水にチューブ３０及びフィン３２の一部が接していることで高温ガス近傍の水は効果的に放熱可能となり冷却効率が高くなる。また貯水部４０にチューブ３０及びフィン３２が浸かっている構造となっていれば、その分効果が大きくなり、水の放熱をチューブ３０とフィン３２の全体で行うことができるため、冷却効率を上げることができる。
【００３２】
また、例えば、高外気温、高水温、高負荷時には、貯水部４０の水面付近では、気化潜熱により温度を低下させることができるが、上部に行くほど壁温が高くなる。この点、本実施の形態では、冷却水が上方から下方に向けて冷却する構造となっているため、気化潜熱による冷却効果の小さい熱交換器上部を効果的に冷却することができる。
【００３３】
また本実施の形態によれば、凝縮水の貯水量を算出し、その貯水量と閾値とを比較することで、貯水部４０に凝縮水を貯水できる状態か、凝縮水の蒸発が必要な状態かが判断される。そして判断結果により熱交換器における熱交換量を上げる又は下げる制御が実行される。これにより、貯水量が少ない状態では、冷却水との熱交換によりガスを冷却しつつ凝縮水を発生させて、貯水量を適量に維持することができる。また、貯水量が多い状態では、貯水された水の気化潜熱を利用することで熱交換器の冷却効率を高めつつ、貯水量を適切な量に維持することができる。
【００３４】
なお、本実施の形態では、熱交換器のガスの入口配管３６及び出口配管３８の最下部よりも下の部分を貯水部４０とする構成について説明した。しかし、貯水部はこの構成に限られるものではない。図４乃至図６に熱交換器の他の構成例を示す。
【００３５】
図４の例では、熱交換器５０の下部に、熱交換器内のガス通路が連通する貯水部５２が別途形成されている。図示を省略するが、この例では、貯水部５２内に、チューブ及びフィンが延長して配置されている。これにより貯水部５２に溜まる凝縮水にチューブ及びフィンが浸けられた状態となり、気化潜熱による冷却効果を高めることができる。
【００３６】
図５の例では、熱交換器６０とは別に、水捕集器６２が設置されている。水捕集器６２には配管６４の一端が接続されており、配管６４の他端は、熱交換器６０の底部に接続している。これにより、熱交換器６０内で発生した凝縮水は、水捕集器６２に捕集される。また熱交換器６０への水の供給が必要な場合、水捕集器６２から凝縮水が適宜供給される。
【００３７】
また、図６の例に示されるように、凝縮水が貯留される貯水部４０の表面に、水と反応する物質からなるコーティング剤をコーティングしてもよい。凝縮水が下方に溜まるように構成されているので、貯水部４０のみの部分的なコーティングにより、冷却効率を高めることができる。
【００３８】
なお、以上の実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、この実施の形態において説明する構造等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。
【符号の説明】
【００３９】
２  エンジン
４  過給機
１０  吸気通路
１２  コンプレッサ
１４  インタークーラ
２０  ＥＧＲ通路
２２  ＥＧＲクーラ
２４  バイパス通路
２６  バルブ
２８  ＥＧＲバルブ
３０  チューブ
３２  フィン
３４  吸気通路
３６  入口配管
３８  出口配管
４０  貯水部
５０  熱交換器
５２  貯水部
６０  熱交換器
６２  水捕集器
６４  配管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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