JP2005139952A - 空冷式インタークーラを備えた建設機械 - Google Patents

Abstract

【課題】 エンジンの過給空気を冷却するに当たって、冷却ファンの容量また熱交換器の設置スペースを広く変えることなく、インタークーラの冷却能力を向上させる。
【解決手段】 エンジン設置部５と熱交換器設置部６とを備えたエンジンルーム１に、その熱交換器設置部６へエンジン１０に供給される過給空気を冷却するインタークーラ１４を含む複数種類の熱交換器が設置され、また熱交換器設置部６側に形成した外気取り入れ部６ａから熱交換器を通り前記エンジン設置部５に形成した排気部５ａに向けて冷却風を流す冷却ファン１７がエンジン１０に設けられ、少なくとも前記インタークーラは、前記外気取り入れ部と前記冷却ファンとの間に他の熱交換器とは独立した位置に単独で配置している。
【選択図】 図２

Description

本発明は、例えば油圧ショベル等の建設機械に関するものであり、特にエンジンに過給空気を供給する構成としたものであって、この過給空気を冷却するために、空冷式インタークーラを備えた建設機械に関するものである。

建設機械として、例えば油圧ショベルは、動力源としてディーゼルエンジンを備えており、このエンジンにより油圧ポンプを駆動して、この油圧ポンプからの吐出圧で各種のアクチュエータを作動させるようにしている。このために、エンジンを冷却し、また油圧回路を循環する作動油を冷却する目的で、ラジエータ及びオイルクーラが設けられる。さらに、エンジンの出力向上と、排気ガスの清浄化とを図るために、エンジンのシリンダに供給される空気を過給するようにしており、この過給空気を冷却するためにインタークーラが設けられる。建設機械の主な熱交換器は以上であり、これら各熱交換器は空冷式とするのが一般的である。しかも、冷却風の流れを形成するために、冷却ファンが用いられるが、この冷却ファンはエンジンを動力源として駆動するように構成される。

建設機械の上部旋回体の建屋カバーで形成され、エンジンが設置されるエンジンルーム内には、前述した熱交換器を冷却するための冷却ファンがエンジンに連結するようにして設けられる。この冷却ファンは吸い込み式のもので構成され、エンジンより遠い側が冷却風の最上流側となり、エンジンルームのカバーに外気取り入れ部を設けて、この外気取り入れ部から外気が取り入れられる。そして、前述した３つの熱交換器はこの冷却ファンによる冷却風の流路の前後方向に直列に配列される構成としたものは、例えば特許文献１にあるように、従来から知られている。そして、インタークーラ内を流れる過給空気は最も低い温度にまで冷却する必要があることから、最上流側に配置される。ラジエータとオイルクーラとは被冷却流体をほぼ同じ温度にまで冷却するが、ラジエータはエンジンに付設されるものである関係から、配管の引き回し等の観点からラジエータを冷却風の下流側に、オイルクーラを上流側に配置するのが一般的である。

これら各熱交換器の配列は、前述したものだけでなく、最も低い温度にまで冷却する必要のあるインタークーラを別置きとしたものもある。そして、エンジンに直結される冷却ファンでオイルクーラとラジエータとを冷却し、これらエンジン、オイルクーラ、ラジエータ等とは熱的に遮断されたチャンバを形成して、このチャンバ内にインタークーラとそれに冷却風を供給する第２の冷却ファンを設置し、この第２の冷却ファンは油圧モータで駆動されるようになっている。
特開平９−１２５９７２号公報

ところで、環境汚染防止等のために、ディーゼルエンジンにおける排気ガスの清浄化の要求がさらに厳しくなる傾向にあり、このためにエンジンに供給される過給空気の圧縮量をさらに増大させることが必要となってきている。過給空気を高圧縮化する場合、断熱圧縮による高温化が問題となる。一方、前述した排気ガスの清浄化において、エンジンへの過給空気の温度も排気ガスの清浄度合いに影響を与える。つまり、過給空気の温度があまり高いと、空気の密度が低くなるので、シリンダ内に供給される空気の量が少なくなり、シリンダ内の燃焼が高温で行われるため、ＮＯｘ濃度が高くなる。

以上のことから、インタークーラにおける冷却能力の向上を図らなければならない。空冷式のインタークーラでは、冷却風は外気からの取り込みにより行うので、冷却風そのものの温度を低下させることはできない。従って、冷却風の風量を増やすか、もしくはインタークーラの放熱面積を大きくすることによって、冷却能力の向上を図るようにしなければならない。ただし、冷却風の風量を増やす場合には、冷却ファンを高速で回転させなければならず、そうするとファン駆動時の騒音が顕著になる。従って、騒音規制等の点から冷却ファンの回転の高速化には限度がある。騒音をあまり大きくせずに、インタークーラの冷却能力を向上させるには、その放熱面積を大きくすることが考えられる。ただし、インタークーラを他の熱交換器であるラジエータやオイルクーラと冷却風の流れ方向に直列に並べるように設けた場合には、インタークーラを通過する冷却風の流れがその下流側にあるラジエータやオイルクーラに阻害されることにより冷却効率が低下すると共に、これら下流側にあるラジエータ、オイルクーラ等を通過する冷却風はインタークーラを通過して熱交換された分外気より温度が上昇しているためそれらのヒートバランスを低下させる等といった問題点が生じる。また、前述の従来例のようにインタークーラのコア部の面積は、ラジエータやオイルクーラ等の熱交換器の面積よりより小さく設定されているため、インタークーラを最上流側に設置してコアを通過する冷却風として温度が低い外気を通過するようにしているにも拘わらず、下流側にオイルクーラとラジエータがあるため自己の通風抵抗も含め通風抵抗が高くなるため、インタークーラの周囲からバイパスして流れてしまうこともあり、インタークーラのコア内を効率良く冷却風が流れるとは限らず必ずしもインタークーラの冷却効率が良好とはならない。

ここで、インタークーラ専用の冷却ファンで、インタークーラのみを独立に冷却するようになし、かつインタークーラの放熱面積を広くすると共に冷却ファンの羽根の外径を大きくすれば、騒音をそれほど増大させず、しかも他の熱交換器のヒートバランスを低下させることなく、インタークーラの冷却能力を高めることができる。ただし、小旋回型の油圧ショベル等のように、建設機械における上部旋回体のコンパクト化の要請は高くなる傾向にあり、上部旋回体にインタークーラ、冷却ファン及びその駆動手段である油圧モータを設置するスペースを確保できない場合が多い。

本発明は以上の点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、ますます厳しい環境汚染防止が要求される中、エンジンの排気ガスをより清浄化するために、高圧縮化により高い温度状態となっている過給空気を有効に所定のレベルまで冷却するに当たって、冷却ファンの容量また熱交換器の設置スペースを実質的に変えることなく、インタークーラの冷却能力を向上させることができるようにすることにある。

前述した目的を達成するために、本発明は、エンジン設置部と熱交換器設置部とを備えたエンジンルームに、その熱交換器設置部には、エンジンに供給される過給空気を冷却するインタークーラを含む複数種類の熱交換器が設置され、またこれら熱交換器とシュラウドとにより所定の空間を形成して、この空間内に前記各熱交換器を通過させる冷却風を流すために冷却ファンを設け、さらに前記エンジンルームを構成する建屋カバーには外気取り入れ部を形成した建設機械において、少なくとも前記インタークーラは、前記外気取り入れ部と前記冷却ファンとの間に他の熱交換器とは独立した位置に配置する構成としたことを特徴とするものである。

本発明におけるインタークーラは、外気取り入れ部と冷却ファンとの間に単独で配置したので、インタークーラを流れる冷却風が他の熱交換器であるラジエータやオイルクーラ等に阻害されることなく円滑に流れるため、効率良く過給空気を冷却することができる。

また、インタークーラの放熱面積を広くしたり、その厚みを薄くしたりする構成とすることにより、冷却風の通過抵抗を他の熱交換器の通過抵抗より小さく設定することによって、十分な外気の取り入れが可能となり、過給空気を効率良く冷却することができる。

また、インタークーラは、冷却ファンの前方側であって比較的その外周に近い位置に設けることによって、外気取り入れ部と冷却ファンとの間における冷却風の流速の大きいところに配置することができ、効率良く過給空気を冷却することができる。

各熱交換器の配置として、インタークーラは熱交換器設置部における上面側に配置し、熱交換器のうちラジエータ及びオイルクーラを熱交換器設置部における前面側に並列に配置する構成とすることができる。これによって、熱交換器それぞれの冷却風の流れが良好となり各熱交換器の冷却効率が向上しヒートバランスを良好にできると共に、熱交換器の清掃等メンテナンスがし易くなる。

また、ラジエータ及びオイルクーラ等の熱交換器の後端部と前記冷却ファンの前端部との間に、少なくとも前記インタークーラの前後方向の幅に相当する空間を設けるように構成したので、インタークーラとラジエータ及びオイルクーラとを通過した冷却風の流れが冷却ファンを通してスムーズに流すことができ、冷却風の通過抵抗を他の熱交換器より小さく設定したインタークーラを配置した上面側の外気取り入れ部からも外気を十分吸入できるため、効率良く過給空気を冷却することができる。

一方、各熱交換器の配置としては、それらとシュラウドとによって平面視で概略三角形状となるように配置し、この三角形の１辺にはインタークーラが配置され、また他の１辺にはラジエータとオイルクーラとを配置することによって、熱交換器設置部における各種の機器の配置スペースをコンパクトにできる。その結果、ラジエータまたはオイルクーラの前面部かつ下部に、バッテリを設置できるようになる。

本発明においては、以上の構成とすることによって、高圧縮化により高い温度状態となっている過給空気を有効に所定のレベルまで冷却するに当たって、冷却ファンの容量また熱交換器の設置スペースを大幅に変えることなく、インタークーラの冷却能力を向上させることができる等の諸効果を奏する。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。まず、図１は本発明の実施の形態を適用した建設機械の一例として油圧ショベルの側面図を示したものである。図において、１００は下部走行体、１０１は下部走行体１００上に旋回可能に支承された上部旋回体、１０２は上部旋回体１０１に俯仰動可能に取りつけられた作業装置である。１は上部旋回体１０１を構成するエンジンルーム、２は不図示の油圧弁やオイルタンク等の機器設置室、３は運転室、４はカウンターウエイトをそれぞれ示す。

図２は図１の矢示Ａ−Ａで示したエンジンルームの断面図であり、図３は図２の上部カバーを除いた平面図であり、図４は熱交換器部の外観斜視図である。これらの図において、建設機械の建屋におけるエンジンルーム１の内部はエンジン設置部５と、熱交換器設置部６と、油圧ポンプ設置部７とに区画されている。エンジン設置部５にはエンジン支持部材１０ａ，１０ｂ上にエンジン１０が設置されており、油圧ポンプ設置部７にはエンジン１０に連結した油圧ポンプ１１が配置されている。そして、エンジン設置部５と油圧ポンプ設置部７との間は隔壁８により隔てられている。

熱交換器設置部６には熱交換器が設置されている。熱交換器としては、ラジエータ１２，オイルクーラ１３及びインタークーラ１４が設置される。さらに、必要に応じて、他の熱交換器として、空調機のコンデンサ（不図示）が例えばラジエータ１２またはオイルクーラ１３の上流側に直列に設置される。

詳述すると、エンジンルーム１を構成するカバーのうち、熱交換器設置部６側における後述の冷却ファン１７の前部カバー１ａ及び上部カバー１ｂにはそれぞれ外気取り入れ部６ａ，６ｂが形成されており、またエンジン設置部５の位置において、上部カバー１ｂ及び下部カバー１ｃには排気部５ａが形成されている。これら外気取り入れ部６ａ，６ｂ及び排気部５ａはパンチボード、ルーバ等から構成されている。

外気取り入れ部６ａ，６ｂ及び排気部５ａはエンジンルーム１の内部に冷却風の流れを形成するためのものであり、この冷却風を流すために、エンジン設置部５と熱交換器設置部６との境界部には冷却ファン１７が設けられている。冷却ファン１７は、冷却ファン駆動部２０を介してエンジン１０により駆動されるものであり、エンジン１０が駆動されると、冷却ファン１７も同時に回転駆動されるようになっている。そして、冷却ファン１７を囲繞するようにシュラウド２１が設けられている。また、シュラウド２１はその外周方向四方に延在部２１ａを有し、上部カバー１ｂ及び側部カバー１ｄ，１ｅとの間のサーキュレーション防止壁２２を、さらに延在部２１ａの下部は遮蔽部材２３を介してラジエータ及びオイルクーラとの間のサーキュレーション防止壁を形成し、冷却ファン１７を通過してエンジン設置部５側から排気されるべき冷却風が逆流して冷却ファン１７に流入するのを防止するように構成されている。また、ラジエータ１２と側部カバー１ｄとの間、オイルクーラ１３と側部カバー１ｅとの間及びラジエータ１２とオイルクーラ１３との間は、それぞれ遮蔽部材２５ｂ，２５ａ，２５ｃで遮蔽されている。また、ラジエータ１２及びオイルクーラ１３と上部カバー１ｂとの間にはそれぞれ遮蔽部材２５ｄ，２５ｅが設けられている。ここで、遮蔽部材２５ｃ，２５ｄ，２５ｅは必要に応じ設ければよいが、これら遮蔽部材２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ，２５ｅ等は、前部カバー１ａに設けられた外気取り入れ部６ａからの外気を、ラジエータ１２のコア部１２ｃ及びオイルクーラ１３のコア部１３ｃに有効に導入するための遮蔽部材である。同様にインタークーラ１４と側部カバー１ｄ，１ｅとの間はそれぞれ遮蔽部材２４ａ，２４ｂとで遮蔽されるように構成し、上部カバー１ｂに設けられた外気取り入れ部６ｂからの外気が有効にインタークーラ１４のコア部１４ｃに導入されるように構成してある。従って、図２に矢印で示したように、外気取り入れ部６ａ及び６ｂから熱交換器設置部６内に外気を取り入れて、前述の各熱交換器と熱交換された冷却風が、冷却ファン１７を介してエンジン設置部５内に導かれ、さらに排気部５ａを介して外部に排気されるという空気流が有効に形成されることになる。

ここで、１２ａはラジエータ１２のアッパタンク、１２ｂはロアタンク、１３ａはオイルタンク１３のアッパタンク、１３ｂはロアタンクを示し、それぞれ不図示の配管により、ラジエータ１２側からはエンジン１０に、オイルクーラ１３側からは不図示のオイルタンク及び油圧弁等に接続されると共に、ロアタンク１２ｂ、１３ｂが支持部材Ｔにより上部旋回体１０１に支持されている。１４ａはインタークーラ１４の過給空気のインレット部、１４ｂは同じくアウトレット部で、インレット部１４ａはインレットパイプ１４ｄを介して過給器１５に接続され、アウトレット部１４ｂはアウトレットパイプ１４ｅを介してエンジン１０の給気部へ接続されている。また、１５ａは給気吸入部であり不図示のエアクリーナに接続され、１５ｂはエンジン１０からの燃焼ガスを排気する排気管であり排気マフラ１６に接続されており、燃焼ガスは排気管１６ａを介して機外に排出される。この排気管１５ｂには過給器１５が接続されている。過給器１５はタービンを有し、このタービンを高速回転させることによって、給気吸入部１５ａから供給される空気を圧縮してエンジン１０に供給するようになっている。そして、タービンを回転駆動するために、排気管１５ｂを通る排気ガスの流速が利用される。

ところで、特に図２及び図４で分かるように前述の通りラジエータ１２とオイルクーラ１３は冷却ファン１７の前面に垂直・並列に配置され、インタークーラ１４は冷却ファン１７の前面の上部にコア部１４ｃを水平にして配置され、各熱交換器と冷却ファン１７の間にはそれぞれ他の熱交換器が介在しない構成となっている。換言すればインタークーラ１４はラジエータ１２やオイルクーラ１３から独立して、上部カバー１ｂの外気取り入れ部６ｂと冷却ファン１７との間に単独で配置されている。また同様にラジエータ１２及びオイルクーラ１３も、それぞれ前部カバー１ａの外気取り入れ部６ａと冷却ファン１７との間に単独で配置されている。

インタークーラ１４は、冷却ファン１７より前方の上部に単独で配置するようにしたので、そのコア部１４ｃの放熱面積を広く取ることができる。即ちエンジンルーム１の左右の側部カバー１ｄ，１ｅ方向の全長に及ぶ長さを持たせることができる。また、冷却ファン１７の前方向には、少なくとも従来技術におけるラジエータとオイルクーラ及びインタークーラが直列に配置されていたその前方位置までの距離から、ラジエータ１２またはオイルクーラ１３のうち大きい方の取り付け寸法を差し引いた分までの幅（前後方向幅）を確保することができる。従って、インタークーラ１４の放熱面積を従来に比べ十分広げることができるため、インタークーラ１４のコア部１４ｃの厚みを薄くすることができる。このことにより、インタークーラ１４の通風抵抗を他の熱交換器の通風抵抗より小さくすることができる。

また、ラジエータ１２及びオイルクーラ１３においても、外気取り入れ部６ａと冷却ファン１７との間にこれらが重なることなく並列に配置されるので、左右の側部カバー１ｄ，１ｅ方向の長さは半分程度に狭くせざるを得ないが、それぞれ自身の通風抵抗以外冷却風の流れを阻害するものがなくなり、かつ外気温度そのものの温度の冷却風でそれぞれの熱交換器が冷却されることになるので、それぞれのヒートバランス設定がし易くなる。ここで２６はバッテリであり、オイルクーラ１３の前面で熱交換器設置部の下部にスペースを有効に利用して配置することができる。

以上のような構成にした各熱交換器における冷却風のシミュレーションを試みた結果を次に示す。図４において、各熱交換器部に描かれた波線（ＷＡ１，ＷＢ２）は、本発明の実施形態における冷却風の流速分布を模式的に示したものである。また図２における矢印は、外気取り入れ部６ａ及び６ｂから取り入れられた外気（冷却風）が、各熱交換器を流れ冷却ファン１７を通過した後、上部カバー１ｂ及び下部カバー１ｃに設けられた排気部５ａから排出される様を模式的に示したものである。

ラジエータ１２及びオイルクーラ１３のコア部（１２ｃ，１３ｃ）における冷却風の流速分布は対向する軸流式の冷却ファン１７の外周部より外側近辺ＷＡ１の流速に対して中央部ＷＡ２は２倍乃至４倍程度の早い流速分布が得られている。また、インタークーラ１４のコア部１４ｃにおいては、冷却ファン１７の前方に離れた位置ＷＢ１近辺でもある程度の冷却風の流速が選られ、さらに中央部ＷＢ２ではそれより１．５〜２倍近い流速分布が得られる。このように、インタークーラ１４の冷却効率は大幅に向上させることができた。

次に、本発明の実施の形態の変形例について図５に基づいて説明する。この図５は先に説明した図３に相当する平面図で、各熱交換器の配置について概略を示したものであり、前述のものと同様の機能を有するものには同一の符号を付し説明は省略する。この図において、インタークーラ１４は前述のラジエータ１２やオイルクーラ１３と同様に熱交換器設置部に垂直に、かつインタークーラ１４と、互いに直線的に並べられたラジエータ１２及びオイルクーラ１３とで平面視略Ｌ字型に配置し、これらとシュラウド２１の延在部２１ａとによって概略三角形状を形成するようにしている。しかも、インタークーラ１４とラジエータ１２との交点の部位が冷却ファン１７の前方に突出するように斜めに配置したものである。そして、オイルクーラ１３の端部とシュラウド２１の延在部２１ａの位置とが、冷却ファン１７の前方方向においてほぼ一致させて配置しているので、このオイルクーラ１３とラジエータ１２の傾斜に沿った前側スペースにバッテリを配置してある。この変形例においても、インタークーラ１４の放熱面積は垂直方向に長い距離を確保できるため十分広い面積にすることができ、コア部１４ｃの厚みを薄くすることにより冷却風の通過抵抗を十分小さく設定することができる。

図５中矢印は冷却風の流れを示したもので、これから分かるように、前部カバー１ａに設けられた外気取り入れ部６ａからの冷却空気は各熱交換器を通過した後、他の熱交換器に阻害されることなく冷却ファン１７を介してエンジン設置部５に排気されるように構成されている。ここで、２８はインタークーラ１４とシュラウド２１の延在部２１ａとの間の遮蔽部材を示し、前述同様に外気取り入れ部６ａから取り入れられた冷却風は、各熱交換器のコア部を通過して冷却ファン１７に導かれる。

このような構成とすることにより、前述と同様インタークーラ１４の冷却効率の向上が図れると共に、熱交換器設置部６のスペースを有効に利用することができる。換言すれば熱交換器設置部６をコンパクトにすることもできる。

本発明の実施の形態を適用した油圧ショベルの外観側面図である。 図１の矢示Ａ−Ａで示したエンジンルームの断面図である。 図２の上部カバーを除いた平面図である。 熱交換器部の斜鳥瞰図である。 本発明の実施の形態の変形例を示す図３と同様の平面図である。

符号の説明

１ エンジンルーム
５ エンジン設置部
５ａ 排気部
６ 熱交換器設置部
６ａ，６ｂ 外気取り入れ部
１０ エンジン
１２ ラジエータ
１３ オイルクーラ
１４ インタークーラ
１４ｄ インレットパイプ
１４ｅ アウトレットパイプ
１５ 過給器
１５ａ 給気吸入管
１５ｂ 排気管
１７ 冷却ファン
２１ シュラウド
２１ａ シュラウド延在部
２２ サーキュレーション防止壁
２３，２８ 遮蔽部材
２４ａ，２４ｂ 遮蔽部材
２５ａ，２５ｂ 遮蔽部材
２６ バッテリ

Claims (8)

1. エンジン設置部と熱交換器設置部とを備えたエンジンルームに、その熱交換器設置部には、エンジンに供給される過給空気を冷却するインタークーラを含む複数種類の熱交換器が設置され、またこれら熱交換器とシュラウドとにより所定の空間を形成して、この空間内に前記各熱交換器を通過させる冷却風を流すために冷却ファンを設け、さらに前記エンジンルームを構成する建屋カバーには外気取り入れ部を形成した建設機械において、
   少なくとも前記インタークーラは、前記外気取り入れ部と前記冷却ファンとの間に他の熱交換器とは独立した位置に配置する
   構成としたことを特徴とする空冷式インタークーラを備えた建設機械。
2. 前記他の熱交換器はラジエータとオイルクーラとで構成し、前記インタークーラへの冷却風の通過抵抗は、これら他の熱交換器の通過抵抗より小さく設定したことを特徴とする請求項１記載の空冷式インタークーラを備えた建設機械。
3. 前記インタークーラは、前記外気取り入れ部と前記冷却ファンとの間における冷却風の流速の大きいところに配置したことを特徴とする請求項１記載の空冷式インタークーラを備えた建設機械。
4. 前記インタークーラは、前記外気取り入れ部近傍に配置したことを特徴とする請求項１記載の空冷式インタークーラを備えた建設機械。
5. 前記インタークーラは、前記熱交換器設置部における冷却ファンより前方の上面側に配置し、他の前記熱交換器であるラジエータ及びオイルクーラは前記熱交換器設置部における前面側に並列に配置した構成としたことを特徴とする請求項１記載の空冷式インタークーラを備えた建設機械。
6. 前記ラジエータ及びオイルクーラ等の熱交換器の後端部と前記冷却ファンの前端部との間に、少なくとも前記インタークーラの前後方向幅に相当する空間を設ける構成としたことを特徴とする請求項５記載の空冷式インタークーラを備えた建設機械。
7. 前記各熱交換器と前記シュラウドとによって、平面視で概略三角形状となるように配置し、この三角形の１辺には前記インタークーラが配置され、また他の１辺には前記ラジエータとオイルクーラとが配置される構成としたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の空冷式インタークーラを備えた建設機械。
8. 前記熱交換器設置部に設置されたラジエータまたはオイルクーラの前面部かつ下部に、バッテリを設置したことを特徴とする請求項７記載の空冷式インタークーラを備えた建設機械。

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