JP4461124B2

JP4461124B2 - ディーゼル機関車

Info

Publication number: JP4461124B2
Application number: JP2006274894A
Authority: JP
Inventors: 正巳田辺
Original assignee: Nippon Sharyo Ltd
Current assignee: Nippon Sharyo Ltd
Priority date: 2006-10-06
Filing date: 2006-10-06
Publication date: 2010-05-12
Anticipated expiration: 2026-10-06
Also published as: JP2008095515A

Description

本発明は、ディーゼル機関車に関し、詳しくは、ディーゼルエンジンの排ガス規制に対応するための構成を備えたディーゼル機関車に関する。

ディーゼルエンジンの排ガス規制に対応するため、特に、ＮＯｘを減少させるための手法として、電子ガバナによる最適燃焼が実施されているが、最新の規制が適用されると電子ガバナだけでは対応が困難である。このため、各種排ガス浄化装置を使用するだけでなく、エンジンに窒素富化空気を供給したりするなどの様々な対応策が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００２−１２２０４９号公報

ディーゼルエンジンを駆動源とするディーゼル機関車も同様の排ガス規制を受けるため、燃焼効率の向上や燃焼温度の最適化等の対策を施す必要がある。例えば、今までのディーゼル機関車では、排気過給器（ターボチャージャー）等の過給器で圧縮したときの圧縮熱で高温となった燃焼用空気を、エンジン冷却水を冷却源として使用した給気冷却器（インタークーラー）で冷却しているが、エンジン冷却水では燃焼用空気を９５℃程度にまでしか冷却することができなかった。

また、給気冷却器を空冷式とすることも可能であるが、ディーゼル機関車のディーゼルエンジンは、一般の大型自動車に比べて数倍も大きな排気量を有しているため、空冷式では大きな給気冷却器が必要となり、数多くの機器を収納したボンネット内に大きな空冷式給気冷却器を配置するのは困難であった。

そこで本発明は、ディーゼルエンジンにおける燃焼温度の最適化を図り、排ガス中のＮＯｘを減少させることができるディーゼル機関車を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明のディーゼル機関車は、過給器を備えた水冷式のディーゼルエンジンと液体変速機と燃料タンクとを備えたディーゼル機関車において、前記ディーゼルエンジンを収納したボンネット内の先端部正面に前記ディーゼルエンジンを冷却するためのエンジン冷却水を大気と熱交換させて冷却するラジエータを設け、前記ボンネット内の先端部側面に前記過給器で圧縮された燃焼用空気を給気冷却器で冷却するための給気冷却水を大気と熱交換させて冷却する給気冷却水冷却器をそれぞれ配置するとともに、該給気冷却水冷却器を前記給気冷却水の流れに対して直列に設け、前記ボンネットの先端部正面壁及び先端部両側面壁に空気取入口をそれぞれ設け、前記ボンネット内のラジエータ後部側に該ラジエータ及び前記給気冷却水冷却器に大気を流通させるためのファンを設け、前記液体変速機の近傍に該液体変速機で使用する作動油を冷却水と熱交換させて冷却するオイルクーラーを設け、前記燃料タンク又は該燃料タンクから前記ディーゼルエンジンに燃料油を供給する経路の途中に大気と熱交換させて燃料を冷却する燃料冷却器を運転室の下部に設けたことを特徴としている。

本発明のディーゼル機関車によれば、燃料を冷却したり、過給器で圧縮した燃焼用空気を大気で冷却した冷却水（給気冷却水）によって従来よりも低い温度に冷却したりしてからディーゼルエンジンに供給することにより、燃焼温度を抑えてＮＯｘの発生を抑えることができる。また、エンジン冷却水を冷却するラジエータと、燃焼用空気冷却用の給気冷却水を冷却するための給気冷却水冷却器とを隣接配置し、特に、ラジエータをボンネットの先端部正面に、給気冷却水冷却器をボンネットの先端部側面に隣接させて配置し、共通のファンで双方に大気を流通させることにより、ラジエータ、給気冷却水冷却器及びファンをコンパクトにまとめて配置することができ、狭軌やナローゲージの小型のディーゼル機関車で大出力が必要な場合にも簡単に対応できる。

図は本発明のディーゼル機関車の一形態例を示すもので、図１はディーゼル機関車の平面図、図２は側面図、図３は正面図である。

本形態例に示すディーゼル機関車は、車体一端側に運転室１１を配置した凸型車体を有するもので、ディーゼルエンジン、液体変速機、発電機、空気圧縮機、ラジエータ等の機器類をボンネット１２の内部に収納している。ボンネット１２の上面にはディーゼルエンジンを取出可能な点検蓋１３や吸気口１４等が設けられ、ボンネット１２の側面には複数の点検扉１５が設けられている。

ディーゼルエンジンには、給気冷却器（インタークーラー）を有する過給器、例えば排気過給器（ターボチャージャー）を備えた水冷式の周知のディーゼルエンジンが用いられており、吸気口１４からエアクリーナーを経て吸い込まれた燃焼用空気は、過給器で圧縮された後、給気冷却器で冷却されてシリンダ内に供給される。また、図示しない燃料タンクから供給された燃料と燃焼用空気とが混合して燃焼した後にシリンダ内から排出される排ガスは、排気タービンで排気過給器の駆動源として用いられた後、消音器を経て大気中に放出される。

ディーゼルエンジンの出力は、液体変速機から逆転機を経て各推進軸１６に伝わり、各推進軸１６から各台車１７の減速器を介して駆動輪１８に伝達される。また、車体下部（床下）にはオイルクーラー１９や空気溜２０等が設けられ、車体前後端には前照灯２１や連結器２２等が設けられている。

ボンネット１２の先端部には、正面部分にディーゼルエンジンを冷却するためのエンジン冷却水を大気と熱交換させて冷却する周知のラジエータ３１が配置されるとともに、両側面部分には、過給器で圧縮された燃焼用空気を給気冷却器で冷却するための給気冷却水を大気と熱交換させて冷却する一対の給気冷却水冷却器３２，３２がそれぞれ設けられている。

さらに、ラジエータ３１の後部側には、これらのラジエータ３１及び一対の給気冷却水冷却器３２，３２の双方に冷却用の大気を流通させるための共通のファン３３が設けられるとともに、ラジエータ３１及び一対の給気冷却水冷却器３２，３２に対応するボンネット側壁には空気取入口３４，３５がそれぞれ設けられている。前記ラジエータ３１、一対の給気冷却水冷却器３２，３２及びファン３３は、あらかじめ一体的に形成されてユニット化されてボンネット１２内に組み込まれている。なお、ファン３３は、フレーム３３ａに回転可能に支持されており、回転軸３３ｂがディーゼルエンジンによりベルト駆動される。

また、ディーゼルエンジンの下部には、液体変速機の作動油（トルコンオイル）をエンジン冷却水を利用して冷却するためのオイルクーラー１９が設けられており、運転室１１の下部には、燃料タンク内の燃料を大気と熱交換させて冷却するための燃料冷却器３６が設けられている。この燃料冷却器３６は、一般的なラジエータと同様に、内部に燃料流路を有する熱交換器コアと、該熱交換器コアの外部に冷却用の大気を流通させるための電動ファンとを有する空冷式の熱交換器であって、ディーゼルエンジンの発熱等によって昇温した燃料を大気温度に冷却するようにしている。燃料冷却器３６への燃料の供給は、ディーゼルエンジンに燃料を供給する燃料ポンプを利用することができ、燃料タンクから燃料ポンプにより送り出された燃料を燃料冷却器３６に導入し、燃料冷却器３６から導出した燃料の内、必要量をディーゼルエンジンに供給し、余剰量を燃料タンクに循環させるようにしている。

図４は、ディーゼルエンジン５１，前記ラジエータ３１，前記給気冷却水冷却器３２及びオイルクーラー１９を循環する冷却水の流れを示す系統図である。まず、ディーゼルエンジン５１には、シリンダ等を冷却するための前記エンジン冷却水が流れるウォータージャケット５１ａと、該ウォータージャケット５１ａに冷却水を導入するウォーターポンプ５１ｂと、前記過給器で圧縮されて昇温した燃焼用空気を前記給気冷却水で冷却するための給気冷却器５１ｃとが設けられ、エンジン冷却水の温度は、運転室に設けられた水温計５１ｄに表示される。

また、ラジエータ３１，前記給気冷却水冷却器３２，ウォータージャケット５１ａ及び給気冷却器５１ｃの上端部には、ベント管５２がそれぞれ設けられており、これらの内部の気泡が共通のリザーブタンク５３を介して排出されるとともに、これらの内部での昇温、降温に伴う体積変化に応じて冷却水がリザーブタンク５３に出入りする。

次に、各冷却水の流れを説明する。ウォーターポンプ５１ｂからウォータージャケット５１ａ内に流入したエンジン冷却水は、シリンダ等を冷却して昇温し、ウォータージャケット５１ａの上部に接続した２本の管５４を通って前記ラジエータ３１の上部に導入される。ラジエータ３１内のエンジン冷却水は、ラジエータ３１内を下降する間に大気により８８℃程度に冷却されて管５５に流出し、オイルクーラー１９に流入する。このオイルクーラー１９では、液体変速機（図示せず）から管５６を通ってオイルクーラー１９に導入されるトルコンオイルと熱交換を行い、トルコンオイルが１００℃程度に冷却されて管５７から液体変速機に循環するとともに、エンジン冷却水は昇温して管５８、ウォーターポンプ５１ｂを通ってウォータージャケット５１ａ内に循環流入する。

一方、給気冷却器５１ｃで燃焼用空気を冷却することによって昇温した給気冷却水は、管６１を経て一方の給気冷却水冷却器３２の上部に下降流となって流入し、この一方の給気冷却水冷却器３２である程度冷却された後、該冷却器の下部から管６２を通って他方の給気冷却水冷却器３２の下部に上昇流となって流入する。このようにして直列に配置された両給気冷却水冷却器３２，３２を流れて大気と熱交換することにより、６９℃程度に冷却された後、他方の給気冷却水冷却器３２の上部から管６３を通って給気冷却器５１ｃに循環流入する。このように、一対の給気冷却水冷却器３２，３２を給気冷却水の流れに対して直列に設けることにより、小型の熱交換器を用いても大気との熱交換時間を長く取ることができ、給気冷却水を効率よく冷却することができる。なお、給気冷却水の循環は、給気冷却器５１ｃに設けたポンプで行われる。

また、系統最下方に位置するドレンバルブ６４を開くとともにバイパス弁６５を開くことにより、この冷却水系統内から冷却水を排出することができる。すなわち、ラジエータ３１内の冷却水は、管５５からオイルクーラー１９及び管５８を経てドレンバルブ６４から排出され、給気冷却水冷却器３２内の冷却水は、管６２からバイパス弁６５を通り、ラジエータ３１から排出される冷却水とともに排出される。また、ウォータージャケット５１ａ内の冷却水は管５８から、リザーブタンク５３内の冷却水は管６６から、ドレンバルブ６４を通してそれぞれ排出される。系統内へ冷却水の充填は、ドレンバルブ６４を閉じてリザーブタンク５３に注水することで行うことができる。

このように、エンジン冷却水の系統と給気冷却水とを別の循環系統とすることにより、給気冷却水冷却器３２での大気との熱交換によって給気冷却水を従来より大幅に低い温度、例えば５０℃以下に冷却することができるので、ディーゼルエンジン５１に供給する燃焼用空気の温度を従来よりも低くすることができ、実質的にシリンダ内に大量の燃焼用空気を供給できるとともに、内部側からシリンダを冷却して燃焼時の温度上昇を抑えることができる。

一方、前述のように、ディーゼルエンジン５１に供給する燃料を燃料冷却器３６で冷却することにより、シリンダ内に噴射される燃料の温度を従来よりも低くすることができるので、この燃料の冷却によっても燃焼時の温度上昇を抑えることができる。したがって、燃料冷却器３６による燃料の冷却と、給気冷却水冷却器３２で冷却した給気冷却水による燃焼用空気の冷却とにより、シリンダ内における燃焼温度を従来よりも低くすることができ、燃焼時のＮＯｘの発生量を少なくして排ガス規制をクリアすることが可能となる。なお、燃料冷却器３６及び給気冷却水冷却器３２は、双方を採用することによって燃焼温度の制御をより確実に行うことができるが、いずれか一方のみを採用してもある程度の効果を期待することができる。

また、給気冷却水冷却器３２は、ラジエータ３１とは別に形成して適宜な位置に配置することもできるが、本形態例に示すように、給気冷却水冷却器３２をラジエータ３１と一体的に形成し、共通のファンによって大気を流通させることにより、給気冷却水冷却器３２をボンネット１２内に効率よく配置することができ、冷却水の配管系統の簡略化も図れることから、狭軌やナローゲージの小型ディーゼル機関車への対応も容易となる。さらに、燃料冷却器３６による燃料の冷却も、前記冷却水の系統に組み込んで水冷式とすることが可能であるが、燃料の流量等の条件を考慮すると、冷却水系統とは分離し、前述のような空冷循環式として独立させることにより、燃料冷却器３６の小型軽量化を図ることができる。なお、各ファンの駆動源は、ファンの位置や駆動力等の条件に応じて、エンジン直結、電動モーター、油圧モーター等から任意に選択することができる。

本発明のディーゼル機関車の一形態例を示す平面図である。同じく側面図である。同じく正面図である。冷却水の系統図である。

符号の説明

１１…運転室、１２…ボンネット、１３…点検蓋、１４…吸気口、１５…点検扉、１６…推進軸、１７…台車、１８…駆動輪、１９…オイルクーラー、２０…空気溜、２１…前照灯、２２…連結器、３１…ラジエータ、３２…給気冷却水冷却器、３３…ファン、３４，３５…空気取入口、３６…燃料冷却器、５１…ディーゼルエンジン、５１ａ…ウォータージャケット、５１ｂ…ウォーターポンプ、５１ｃ…給気冷却器、５１ｄ…水温計、５２…ベント管、５３…リザーブタンク、６４…ドレンバルブ、６５…バイパス弁

Claims

過給器を備えた水冷式のディーゼルエンジンと液体変速機と燃料タンクとを備えたディーゼル機関車において、前記ディーゼルエンジンを収納したボンネット内の先端部正面に前記ディーゼルエンジンを冷却するためのエンジン冷却水を大気と熱交換させて冷却するラジエータを設け、前記ボンネット内の先端部両側面に前記過給器で圧縮された燃焼用空気を給気冷却器で冷却するための給気冷却水を大気と熱交換させて冷却する給気冷却水冷却器をそれぞれ配置するとともに、該給気冷却水冷却器を前記給気冷却水の流れに対して直列に設け、前記ボンネットの先端部正面壁及び先端部両側面壁に空気取入口をそれぞれ設け、前記ボンネット内のラジエータ後部側に該ラジエータ及び前記給気冷却水冷却器に大気を流通させるためのファンを設け、前記液体変速機の近傍に該液体変速機で使用する作動油を冷却水と熱交換させて冷却するオイルクーラーを設け、前記燃料タンク又は該燃料タンクから前記ディーゼルエンジンに燃料油を供給する経路の途中に大気と熱交換させて燃料を冷却する燃料冷却器を運転室の下部に設けたことを特徴とするディーゼル機関車。