JP4580366B2 - 内燃機関のインタークーラー - Google Patents

Description

本発明は、空気入口及び空気出口を有するクーラーケース内の空気通路に、空気冷却用の冷却水が流通する冷却コアを配置している内燃機関のインタークーラーに関し、特に過給機を備えた内燃機関に適したインタークーラーに関する。

インタークーラーを装備した内燃機関において、冷却コア内を流通する冷却水の量が殆ど変化しない場合には、機関負荷の低下時に過冷却となり、燃焼室に供給される給気温度が必要以上に低下し、燃焼不良やシリンダ構成部材等の低温腐食が発生するおそれがある。

この対策として、従来、インタークーラー内の冷却水通路を、仕切り壁により低温冷却水流通部と高温冷却水流通部とに仕切り、機関負荷に応じて、低温冷却水又は高温冷却水の流量を制御し、あるいは空気の流れを制御して、低負荷運転域における空気を加熱するインタークーラーが開発されている。

図５及び図６は、上記従来のインタークーラーの一例を示しており、縦断面図を示す図５において、クーラーケース１０１は、過給機１０５の加圧空気出口に連通する空気入口１０２と、給気通路１０６を介して各燃焼室に連通する空気出口１０３とを有し、クーラーケース１０１内の空気通路１０４には、一つの冷却コア１１０が配置されている。該冷却コア１１０は、空気通路１０４を挟んで対向する一対の支持壁１１１と、空気通路１０４を横断するように両支持壁１１１間に架設された多数の冷却水管１１２と、支持壁１１１と平行に配置された多数の板状の冷却フィン１１３とから構成されている。クーラーケース１０１の周壁には、空気通路１０４を挟んで互いに対向するコア挿入孔１１５が形成されており、各コア挿入孔１１５の周囲に形成されたカバー取付面には、それぞれ冷却水室カバー１２０、１２１がガスケット１１４を介して取り付けられている。

各冷却水室カバー１２０、１２１には、空気流通方向の略中央部にそれぞれ仕切り壁１２０ａ、１２１ａが形成され、これにより、冷却水室カバー１２０、１２１内及び冷却コア１１０を、空気通路上流側の高温冷却水流通領域Ｃ１と空気通路下流側の低温冷却水流通領域Ｃ２とに区画している。さらに、一方（図５の下側）の冷却水室カバー１２０には、該冷却水室カバー１２０内の高温冷却水流通領域Ｃ１を入口側冷却水室１３２と出口側冷却水室１３３とに仕切る仕切り壁１３４と、低温冷却水流通領域Ｃ２を入口側冷却水室１３５と出口側冷却水室１３６とに仕切る仕切り壁１３７とが形成されている。各入口側冷却水室１３２、１３５は、図示しないが高温冷却水供給ポンプと低温冷却水供給ポンプにそれぞれ接続されている。なお、他方（図５の上側）の冷却水室カバー１２１内は、前記仕切り壁１２１ａにより、高温冷却水用の中間冷却水室１４１と、低温冷却水用の中間冷却水室１４２とに仕切られている。

図６は図５のVI-VI断面図であり、冷却フィン１１３（及び図５の支持壁１１１）は図６の断面図に示すように長方形に形成されている。

図５及び図６に示すインタークーラーにおいて、高温冷却水供給ポンプから圧送される高温冷却水は、領域Ｃ１の入口側冷却水室１３２に入り、冷却水管１１２を通って反対側の高温冷却水用の中間冷却水室１４１に至り、該中間冷却水室１４１で折り返し、冷却水管１１２を通って出口側冷却水室１３３に至り、排出される。

一方、低温冷却水供給ポンプから圧送される低温冷却水は、領域Ｃ２の入口側冷却水室１３５に入り、冷却水管１１２を通って反対側の低温冷却水用の中間冷却水室１４２に至り、該中間冷却水室１４２で折り返し、冷却水管１１２を通って出口側冷却水室１３６に至り、排出される。

内燃機関の高負荷運転時において、過給機１０５で圧縮されて高温となった加圧空気は、インタークーラー内において、高温冷却水流通領域Ｃ１と低温冷却水流通領域Ｃ２を順次通過することにより、段階的に冷却され、給気通路１０６へ供給される。

内燃機関の低負荷運転時には、過給機１０５における加圧は弱く、温度上昇は小さい。したがって、殆ど温度上昇していない空気がインタークーラー内に供給されるが、この場合は、たとえば低温冷却水流通領域Ｃ２への冷却水供給を停止することにより、低温冷却水流通領域Ｃ２における冷却作用を停止する。これにより、空気の過冷却を防ぎ、あるいは高温冷却水により空気を温め、給気通路１０６へ空気を供給する。なお、内燃機関のインタークーラーの従来技術としては、特許文献１等がある。
特開２００３−０５６９９３号公報

図５及び図６に示すようなインタークーラーを、たとえば舶用の内燃機関に装備する場合には、高温冷却水として、清水のエンジン冷却水を利用し、低温冷却水としては、ランニングコストの低減を図るために、海水を利用する場合がある。この場合、冷却水室カバー１２０、１２１に仕切り壁１２０ａ、１２１ａを形成することにより、冷却水室カバー１２０、１２１内を、清水用の冷却水室１３２、１３３、１４１と、海水用の冷却水室１３５、１３６、１４２とに仕切っていると、カバー取付面のガスケット１１４によるシール性能が不十分な場合、特に仕切り壁１２０ａ、１２１ａの取付面のシールが不十分な場合には、海水の低温冷却水が清水の高温冷却水に混入する可能性があり、海水の混ざった清水が、内燃機関１の冷却水として排気マニホールド等のウォータージャケット等に流通すると、冷却水通路等の腐食の原因となる。

また、図５及び図６に示すインタークーラーは、一つの冷却コア１１０に、高温冷却水流通領域Ｃ１と低温冷却水流通領域Ｃ２とを形成しているので、冷却コア１１０の重量が大きくなり、特に船舶用の大きなインタークーラーに適用する場合には、重量が大きくなり過ぎ、クレーンを使用して冷却コア１１０を移動しなければならず、組立分解性が低下する。

上記課題を解決するため、本願発明は、空気入口及び空気出口を有するクーラーケース内の空気通路に、空気冷却用の冷却水が流通する冷却コアを配置している内燃機関のインタークーラーにおいて、前記クーラーケースの周壁に、空気流通方向に並ぶ複数のコア挿入孔を形成し、各コア挿入孔からそれぞれ独立の冷却コアを挿入して前記空気通路に配置し、各コア挿入孔に、該コア挿入孔をそれぞれ覆う独立の冷却水室カバーを取り付けることにより、各冷却水室カバー内に、対応する冷却コアの冷却水通路に連通する冷却水室をそれぞれ形成しており、前記各コア挿入孔は円形に形成され、前記各コアに設けられる複数の冷却フィンも円形に形成されている。

上記構成によると、空気通路内に複数の独立の冷却コアを配置し、冷却コア毎に冷却水室カバーを取り付けることにより冷却水室をそれぞれ形成しているので、冷却水として、海水と清水とを流通させる構造を採用しても、海水が清水に混入する可能性はなくなる。特に、上記清水を内燃機関の冷却水と利用している場合には、海水の混入の問題が無くなることにより、ウォータージャケット又は冷却水通路の腐食又は劣化が生じる恐れはなくなる。

また、複数の独立の冷却コアを一つのクーラーケース内に配置しているので、従来のように、一つの大きな冷却コアを配置する構造と比較して、冷却コアそれぞれの重量は軽くなり、取り扱いが容易となり、分解組立性が向上する。
さらに、上記構成によると、コア挿入孔及び冷却フィンが共に円形に形成されるので、冷却コアの製造及び組付が容易になると共に、冷却水室カバーの取付面のシールとして、環状の簡単な構造のパッキンを利用でき、部品コストが低減できる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の内燃機関のインタークーラーにおいて、前記各冷却コアは、温度の異なる冷却水を供給する冷却水供給部にそれぞれ接続している。

上記構成によると、温度の異なる冷却水を各冷却コアに流通させ、冷却コア毎に、冷却水の供給停止制御並びに流量制御することにより、機関負荷の状況に応じて、的確に給気温度を最適な温度に調節することができる。

図１〜図４は、舶用内燃機関に本発明にかかるインタークーラーを備えた例であり、２個の独立した冷却コア３０、３１をクーラーケース２０内に配置した構造である。図１は内燃機関全体の概略図であり、内燃機関１は、複数の気筒を有するシリンダブロック２と、該シリンダブロック２の下側に設けられたクランクケース３と、シリンダブロック２の上面に締結されたシリンダヘッド４等を備えており、シリンダヘッド４の各気筒の吸気口にはシリンダブロック２に内蔵された給気通路５がそれぞれ接続している。

給気通路５の給気上流側は、インタークーラー６の空気出口１０に接続し、インタークーラー６の空気入口１１は、排気ターボ過給機７の加圧空気出口１３に接続している。排気ターボ過給機７は、タービン部１５とコンプレッサー部１６とを備えており、タービン部１５は内燃機関１の排気通路に連通し、排気ガスの圧力により回転する。コンプレッサー部１６はタービン部１５にタービン軸を介して連結され、図示しない給気ダクト及びエアクリーナを介して外部から吸い込んだ空気を加圧し、加圧空気を前記加圧空気出口１３からインタークーラー６に供給する。

インタークーラー６のクーラーケース２０内には、前記空気入口１１と空気出口１０とを連通する空気通路２１が形成され、該空気通路２１内に、空気通路上流側から順に、第１、第２の冷却コア３０、３１が独立に配置されている。空気通路上流側の第１の冷却コア３０は、たとえば高温冷却水用であり、冷却水入口３２は高温冷却水供給ポンプ３５に接続され、たとえば内燃機関冷却用の清水が供給されるようになっており、冷却水出口３４は、図示しないが、冷却水配管等を介して内燃機関１の排気マニホールド又はシリンダ周辺のウォータージャケット等に接続している。該ウォータージャケット等の出口は適当な冷却水通路を介して前記高温冷却水供給ポンプ３５に接続し、内燃機関冷却用の清水を循環する。

空気通路下流側の第２の冷却コア３１はたとえば低温冷却水用であり、冷却水入口３６は低温冷却水供給ポンプ３７に接続し、たとえばクーラー類冷却用の海水が供給されるようになっており、冷却水出口３８は冷却水配管等を介して潤滑油クーラー等に接続している。

［インタークーラーの構成］
図４はインタークーラー６の分解縦断面図であり、インタークーラー６は、前述のように空気出入口１０、１１を有するクーラーケース２０と、それぞれ独立の第１、第２の冷却コア３０、３１と、第１の冷却コア３０用の一対の冷却水室カバー５３、５４と、第２の冷却コア３１用の一対の冷却水室カバー５５、５６とから構成されている。クーラーケース２０及び各冷却水室カバー５３、５４、５５、５６はたとえば鋳鉄（ＦＣ材）でできており、各冷却コア３０、３１は熱伝達効率の良い銅又は銅合金でできている。

両冷却コア３０、３１は、共用できるように同一の構造となっており、所定間隔をおいて対向する互いに平行な一対の支持壁４０と、両支持壁４０間に架設されると共に支持壁４０と略直角に延びる多数の冷却水管４１と、両支持壁４０間に、該支持壁４０と平行に配置された多数の板状の冷却フィン４２とから構成されている。

クーラーケース２０の周壁には、空気通路２１を挟んで互いに対向する一対の第１のコア挿入孔４５、４６と、該第１のコア挿入孔４５、４６より空気通路下流側に位置すると共に第１のコア挿入孔４５、４６と同様に空気通路２１を挟んで対向する一対の第２のコア挿入孔４７、４８とが形成されている。各コア挿入孔４５、４６、４７、４８は円形に形成されており、各冷却コア３０、３１の冷却フィン４２及び支持壁４０も、コア挿入孔４５、４６、４７、４８の円形に略対応する円形に形成され、さらに、各冷却水室カバー５３，５４，５５，５６の取付面の内周縁も円形に形成されている。

第１の冷却コア３０用の一方（図４の下側）の冷却水室カバー５３には、前記高温冷却水出口３２及び高温冷却水入口３４が形成されると共に、空気流通方向の略中央部に仕切り壁５３ａが形成され、これにより、冷却水室カバー５３内を、出口側冷却水室６０と入口側冷却水室６１とに区画している。該実施の形態では、出口側冷却水室６０は入口側冷却水室６１に対して空気通路上流側に形成されている。第１の冷却コア３０用の他方（図４の上側）の冷却水室カバー５４内は単一の中間冷却水室６２が形成されている。

第２の冷却コア３１用の一方（図４の下側）の冷却水室カバー５５には、前記低温冷却水出口３６及び低温冷却水入口３８が形成されると共に、空気流通方向の略中央部に仕切り壁５５ａが形成され、これにより、冷却水室カバー５５内を、出口側冷却水室６３と入口側冷却水室６４とに区画している。該実施の形態では、出口側冷却水室６３は入口側冷却水室６４に対して空気通路上流側に形成されている。第２の冷却コア３１用の他方の冷却水室カバー５６内は単一の中間冷却水室６５が形成されている。

各冷却水室カバー５３，５４，５５，５６のフランジ部と各コア挿入孔４５，４６，４７，４８の周囲の取付面との間には、それぞれ環状のガスケット５１，５２，５７、５８が配置され、特に、一方（図４の下側）のガスケット５１，５２には、対応する各冷却水室カバー５３，５５の仕切り壁５３ａ，５５ａに対応する部分に、半径方向に延びるシール部分５１ａ，５７ａが一体に形成されている。

図２は組立後の状態を示すインタークーラーの縦断面図であり、インタークーラー６の組立順序としては、まず、他方（図２の上側）の各冷却水室カバー５４，５６を、それぞれガスケット５２、５８を介して他方のコア挿入孔４６，４８の周囲のカバー取付面にボルト７０によって気密状態に固定し、次に、第１、第２の冷却コア３０、３１を一方のコア挿入孔４５、４７から空気通路２１内に挿入し、最後に、一方の冷却水室カバー５３、５４を、それぞれガスケット５１，５７を介してコア挿入孔４５，４７の周囲のカバー取付面にボルト７０によって気密状態に固定する。

組立後の状態において、第１、第２の冷却コア３０、３１は、それらの支持壁４０の外周端部が、それぞれ冷却水室カバー５３、５４、５５、５６のフランジ部によって、ガスケット５１、５２、５７、５８を介して押圧されており、これにより、第１、第２の冷却コア３０，３１は、空気通路２１と直交する方向に固定されている。また、一方（図２の下側）の冷却水室カバー５３、５５に押圧されたガスケット５１、５７には、前述のように仕切り壁５３ａ，５５ａの取付面に対応するシール部分５１ａ、５７ａが形成されているので、このシール部分５１ａ，５７ａにより、各入口側冷却水室６１，６４と、各出口側冷却水室６０，６３との間をシールしている。

組立後の第１の冷却コア３０の空気通路下流側部分の冷却水管４１は、入口側冷却水室６１から空気通路２１を横断して中間冷却水室６２に至り、空気通路上流側部分の冷却水管４１は、中間冷却水室６２から空気通路２１を横断して出口側冷却水室６０に至っている。第２の冷却コア３１の空気通路下流側部分の冷却水管４１は、入口側冷却水室６４から空気通路２１を横断して中間冷却水室６５に至り、空気通路上流側部分の冷却水管４１は、中間冷却水室６５から空気通路２１を横断して出口側冷却水室６３に至っている。

図３は図２のIII-III断面図であり、クーラーケース２０の端壁には、円形の冷却フィン４２の外周形状に対応する円弧部７１がそれぞれ形成されており、各円弧形部７１に、冷却フィン４２の外周端を嵌め合わせることにより、各冷却コア３０、３１を空気通路２１内の所定位置に位置決めしている。

（作用）
図１において、通常の定格運転時、エアクリーナ等から吸引された空気は、排気ターボ過給機７のコンプレッサー部１６において圧縮されると共に温度が上昇し、高温となった圧縮空気（給気）は、空気入口１１からインタークーラー６の空気通路２１に入り、高温冷却水が流通する第１の冷却コア３０及び低温冷却水が流通する第２の冷却コア３１により、順次、段階的に冷却され、空気出口１０から給気通路５を経て、各気筒の燃焼室に供給される。

インタークーラー６内での冷却作用を詳しく説明すると、図２において、高温冷却水供給ポンプ３５により、第１のコア３０用の高温冷却水入口３４から入口側冷却水室６１に供給された高温冷却水（たとえば７０°Ｃ〜８０°Ｃ）は、第１のコア３０の空気通路下流側半分の冷却水管４１内を通って空気通路２１を横断し、中間冷却水室６２に至り、折り返して、空気通路上流側半分の冷却水管４１を通って出口側冷却水室６０に至り、高温冷却水出口３２から排出される。一方、空気入口１１から流入する高温の加圧空気は、第１の冷却コア３０の冷却フィン４２間の空間を通過し、その間に高温冷却水との間で熱交換することにより、冷却される。

上記第１の冷却コア３０の作用と同様に、第２の冷却コア３１において、低温冷却水供給ポンプ３７から圧送される低温冷却水（たとえば３０°Ｃ程度）は、低温冷却水入口３８から入口側冷却水室６４に入り、第２の冷却コア３１の空気通路下流側半分の冷却水管４１内を通って空気通路２１を横断し、中間冷却水室６５に至り、折り返して、空気通路上流側半分の冷却水管４１を通って出口側冷却水室６３に至り、低温冷却水出口３６から排出される。一方、前記第１の冷却コア３０を通過した空気は、第２の冷却コア３１の冷却フィン４２間の空間を通過し、その間に海水の低温冷却水との間で熱交換することにより、さらに冷却され、空気出口１０から給気通路５に供給される。

内燃機関１の低負荷運転時には、図１の排気ターボ過給機７による圧縮作用は極めて弱く、空気の温度上昇は極めて小さい。したがって、インタークーラー６内には、殆ど非圧縮状態で、殆ど温度上昇のない空気が供給される。この場合は、たとえば冷却コア３１への低温冷却水の供給を停止することにより、第２の冷却コア３１による冷却作用を停止し、これにより、空気の過冷却を防ぎ、あるいは反対に第１の冷却コア３０により空気を温め、給気通路５へ空気を供給する。

［実施の形態による効果］
（１）高温冷却水を用いる第１の冷却コア３０用の冷却水室カバー５３、５４と、低温冷却水を用いる第２の冷却コア３１用の冷却水室カバー５５、５６とを、それぞれ独立した状態で、ガスケット５１、５２及び５７、５８を介してクーラーケース２１のカバー取付面に固定しているので、冷却水室６２、６５間並びに冷却水室６１、６３間で、低温冷却水と高温冷却水とが混ざることはなく、たとえば、低温冷却水に海水を使用している場合のように、海水の混入した清水が機関冷却水として内燃機関のウォータージャケット等に供給されることはなくなり、内燃機関のウォータージャケット及び冷却水通路の表面の腐食及び劣化を防ぐことができる。

（２）第１の冷却コア３０と第２の冷却コア３１とを、独立した状態でクーラーケース２０の空気通路２１内に装着しているので、冷却コア３０、３１を個々に組立及び分解することができると共に、図５及び図６の従来例のように、大きな一つの冷却コアを配置する構造と比較して、各冷却コア３０、３１の重量は軽くなり、取り扱いが容易となり、分解組立性が向上する。

（３）各冷却コア３０、３１用の高温冷却水供給ポンプ３５及び低温冷却水供給ポンプ３７毎に、冷却水の供給停止制御並びに流量制御を行えるので、機関負荷の状況に応じて、的確に給気温度を最適な温度に調節することができる。

（４）冷却コア３０、３１の支持壁４０及び冷却フィン４２を円形に形成すると共に、各冷却水室カバー５３、５４、５５、５６のカバー取付面も略円形としているので、ガスケット５１、５２、５７、５８として、環状の簡単な形状のものを使用することができ、これにより、シール性能を高く維持できると共に、部品コストも低減できる。また、市販のＯリングをガスケットの代わりに利用することも可能となる。

［その他の実施の形態］
（１）前記実施の形態は、一つのクーラーケース２０内に２個の冷却コア３０、３１を配置した構造であるが、３個以上の冷却コアを空気の流通方向に沿って配置する構造とすることも可能である。

（２）前記実施の形態は、各冷却コア３０、３１の冷却水入口３４、３８を、各冷却水出口３２、３６よりもそれぞれ空気通路下流側に配置した構造となっているが、各冷却コア３０、３１の冷却水入口３４、３８を、冷却水出口３２、３６よりも空気通路上流側に配置する構造とすることもできる。

（３）前記実施の形態では、高温冷却水及び低温冷却水は、空気通路２１を往復する構成となっているが、空気通路を挟んで一方に冷却水出口を配置し、他方に冷却水入口を配置する構造とすることも可能である。

（４）前記実施の形態では、空気通路上流側の第１の冷却コアを高温冷却水用とし、空気通路下流側の第２の冷却コアを低温冷却水用としているが、空気通路上流側の第１の冷却コアを低温冷却水用とし、空気通路下流側の第２の冷却コアを高温冷却水用とすることも可能である。

本発明は、舶用の大形内燃機関のみではなく、通常の内燃機関のインタークーラーにも適用可能である。

本発明にかかるインタークーラーを備えた内燃機関の概略図である。 図１のインタークーラーの縦断面拡大図である。 図２のIII-III断面図である。 図２のインタークーラーの分解縦断面図である。 従来のインタークーラーの縦断面図である。 図５のVI-VI断面図である。

符号の説明

１ 内燃機関
６ インタークーラー
７ 排気ターボ過給機
１０ 空気出口
１１ 空気入口
２０ クーラーケース
２１ 空気通路
３０ 第１の冷却コア
３１ 第２の冷却コア
３２ 高温冷却水出口
３４ 高温冷却水入口
３６ 低温冷却水出口
３８ 低温冷却水入口
４１ 冷却水管
４２ 冷却フィン
４５、４６、４７、４８ 冷却コア挿入孔
５１、５２、５７、５８ ガスケット
５３、５４、５５、５６ 冷却水室カバー
６２、６５ 中間冷却水室
６０ 出口側冷却水室
６１ 入口側冷却水室
６２ 中間冷却水室
６３ 出口側冷却水室
６４ 入口側冷却水室
６５ 中間冷却水室

Claims (2)

1. 空気入口及び空気出口を有するクーラーケース内の空気通路に、空気冷却用の冷却水が流通する冷却コアを配置している内燃機関のインタークーラーにおいて、
   前記クーラーケースの周壁に、空気流通方向に並ぶ複数のコア挿入孔を形成し、
   各コア挿入孔からそれぞれ独立の冷却コアを挿入して前記空気通路に配置し、
   各コア挿入孔に、該コア挿入孔をそれぞれ覆う独立の冷却水室カバーを取り付けることにより、各冷却水室カバー内に、対応する冷却コアの冷却水通路に連通する冷却水室をそれぞれ形成しており、
   前記各コア挿入孔は円形に形成され、
   前記各コアに設けられる複数の冷却フィンも円形に形成されていることを特徴とする内燃機関のインタークーラー。
2. 前記各冷却コアは、温度の異なる冷却水を供給する冷却水供給部にそれぞれ接続していることを特徴とする請求項１記載の内燃機関のインタークーラー。

Images