JP2010275982A - インタークーラおよびそれを用いた内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】過給機から内燃機関本体に供給される吸気ガスを効果的に冷却することができるインタークーラおよびそれを用いた内燃機関を提供する。
【解決手段】インタークーラ６の冷却外気の各入口部の断面形状を冷却外気が流れる方向に向かって連続的に順次狭くなるようなノズル形状に形成した。このノズル形状は、インタークーラ６の冷却外気の入口側の各コア６ｄの側面にノイズ形成部材６ｇ１を接合することにより形成されている。このようにインタークーラ６の冷却外気の各入口部の断面形状をノズル形状とすることにより、インタークーラ６に流れる冷却外気の温度を下げることができるので、コア６ｄ内に流れる吸気ガスの冷却効果を向上させることができる。
【選択図】図５

Description

本発明は、インタークーラおよびそれを用いた内燃機関に関し、更に詳しくは、過給機から内燃機関本体に供給される吸気ガスを効果的に冷却することができるインタークーラおよびそれを用いた内燃機関に関する。

エンジンの出力向上を図る目的からエンジンの吸気系に過給機を搭載する過給機付きエンジンにおいては、過給機で過給された吸気ガス（圧縮空気）が高温となるため、これを燃焼室に直接供給してしまうと、充填効率の低下やノッキング（ガソリンエンジンの場合）の問題が生じる。

このため、過給機付きエンジンにおいては、過給機により過給された吸気ガスを冷却するためのインタークーラをエンジンの吸気系に装着するようにしている（例えば特許文献１）。トラック用のエンジンの場合は、インタークーラがラジエータの前に搭載されており、車速およびクーリングファンの吸い込みによる空気流がインタークーラに流れ込むことにより、過給機で高温となった吸気ガスが冷やされる。また、乗用車のエンジンにおいても搭載位置は異なるものの、インタークーラの前面に車速による空気流があたるようになっている。

このような過給機付きエンジンにおいては、エンジンの燃費を良くするため吸気温度をできるだけ下げることが要求されているが、空冷式のインタークーラの場合は、過給された吸気ガスを大気によって冷やすので、当該吸気ガスを大気温度以下に冷やすことができない、という問題がある。

特開２００６−３３６８９０号公報

本発明の目的は、過給機から内燃機関本体に供給される吸気ガスを効果的に冷却することができるインタークーラおよびそれを用いた内燃機関を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明のインタークーラは、インタークーラ本体に、複数の吸気管と、前記複数の吸気管の各々の隣接間に設けられた外気流通路とを備えるインタークーラにおいて、前記インタークーラ本体の前記外気流通路に繋がる外気の入口部の断面形状を、前記外気が流れる方向に向かって連続的に順次狭くなるように形成したものである。

また、上記のインタークーラにおいて、前記外気の入口部の断面形状を、前記複数の吸気管の各々に接合された別部材によって形成すると、既存のインタークーラの外気の入口部に、前記別部材を接合するだけで対応できる。

また、上記のインタークーラにおいて、前記別部材を、前記複数の吸気管と同じ材料によって形成すると、前記別部材と前記複数の吸気管とを良好に接合することができる。

また、上記のインタークーラにおいて、前記別部材を樹脂によって形成すると、別部材を金属で形成した場合に比べて、軽量化できる上、低価格で対応できる。

また、上記のインタークーラにおいて、前記外気の入口部の断面形状を、前記複数の吸気管の各々の外壁によって一体的に形成すると、追加の別部材を必要としないので、インタークーラの製造を簡単化することができる。また、低価格で対応できる。

また、本発明の内燃機関は、上記のインタークーラを、内燃機関本体に接続された過給機の圧縮機の出口と、前記内燃機関本体に接続された吸気管との間に接続したものである。

本発明のインタークーラによれば、外気の入口部の断面形状を外気の流れる方向に向かって外気が流れる方向に向かって連続的に順次狭くなるように形成したことにより、インタークーラに流れる外気の熱エネルギー（エンタルピー）を速度エネルギーに変えることができるので、複数の外気流通路に流れる外気の温度を大気温度よりも低くすることができる。また、外気流通路に流れる外気の流速が増すので、その外気流通路に配置されたフィンの熱伝達率を向上させることができる。これらにより、インタークーラの複数の吸気管に流れる吸気ガスを効果的に冷却でき、その温度を下げることができる。

また、インタークーラの複数の吸気管に流れる吸気の温度を下げるために他の機構部を設けなくても良いので、インタークーラの大型化を招くこともない。

また、本発明の内燃機関によれば、インタークーラの複数の吸気管に流れる吸気ガスの温度を下げることができるので、吸気ガスの充填効率を増加させることができる。すなわち、燃焼室の空気過剰率を増加させることができる。その結果、燃焼室の燃焼ガスの比熱比を低減できるので、同じ燃料流量なら出力を増大させることができ、また、同じ出力なら燃料流量を低減でき燃費を向上させることができる。

また、インタークーラの複数の吸気管に流れる吸気の温度を下げるために他の機構部を設けなくても良いので、インタークーラの大型化を招くこともないし、また、制御性が複雑になることもない。このため、内燃機関の車両搭載性を損なうこともない。

本発明の実施の形態の内燃機関の要部構成図である。 図１の内燃機関のインタークーラの背面側斜視図である。 図２のインタークーラの側面図である。 図２のインタークーラにおけるインタークーラ本体の冷却外気の入口面側の要部斜視図である。 図２のインタークーラのＩ−Ｉ線の一部の断面図である。 図２のインタークーラの冷却外気の入口部の断面形状をノズル形状にしたことによる作用を説明するための要部断面図である。 本発明の他の実施の形態のインタークーラの図２のＩ−Ｉ線の一部に相当する箇所の断面図である。 本発明のさらに他の実施の形態のインタークーラの図２のＩ−Ｉ線の一部に相当する箇所の断面図である。 従来のインタークーラの部分断面図である。

以下、本発明の実施の形態のインタークーラおよびこれを用いた内燃機関について添付の図面を参照しながら詳細に説明する。

まず、本実施の形態のインタークーラを用いる内燃機関について説明する。図１は本実施の形態の内燃機関の要部構成図を示している。なお、矢印Ａは吸気ガスの流れを示し、矢印Ａｃは冷却外気（大気）の流れを示し、矢印Ｅは排気ガスの流れを示している。

本実施の形態の内燃機関は、例えばディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）１である。このエンジン１は、シリンダ（燃焼室）内において圧縮されて高温になった空気に燃料を供給した時に起こる自己着火をもとにした膨張でシリンダ内のピストンを押し出す構成を有しており、トラック等のような自動車両に搭載される。なお、本発明はディーゼルエンジンに限定されず、ガソリンエンジン等にも適用することもできる。

このエンジン１は、エンジン本体（内燃機関本体）２と、吸気マニホールド（吸気管）３と、排気マニホールド４と、過給機５と、インタークーラ６と、ラジエータ７と、クーリングファン８とを有している。

エンジン本体２には、複数のシリンダ（燃焼室）が配置されている。この複数のシリンダの各々の入口は吸気マニホールド３に接続されている。また、複数のシリンダの各々の出口（排気管）は排気マニホールド４に接続されている。排気マニホールド４は、排気管１０を通じて過給機５のタービンの入口に接続されている。

過給機５は、互いに一体的に形成されたタービンおよびコンプレッサ（圧縮機）を有しており、エンジン本体２のシリンダから排出された排気ガスの力によりタービンが回転駆動すると、その駆動力にコンプレッサが連動することにより吸気ガスを圧縮してエンジン本体２のシリンダ内に高密度の空気を送り込むようになっている。

この過給機５のコンプレッサの出口と、エンジン本体２の吸気マニホールド３との間には、空冷式のインタークーラ６が接続されている。このインタークーラ６は、過給機５により圧縮され高温になった吸気ガスを冷却する装置であり、エンジン本体２の前面側（自動車両の前面）において、ラジエータ７の前面に配置されている。ラジエータ７とエンジン本体２との間には、クーリングファン８が回転可能な状態で設置されている。矢印Ａｃで示す冷却外気は、大気中の空気が自動車両走行時の走行風およびクーリングファン８の吸引により、インタークーラ６を通過し、さらに、ラジエータ７を通過してクーリングファン８に流れたものである。すなわち、過給機５のコンプレッサで圧縮された吸気ガスは、吸気管１１ａを通じてインタークーラ６に流れ、ここで冷却外気により冷却された後、吸気管１１ｂおよび吸気マニホールド３を順に経てエンジン本体２のシリンダ内に供給される。これにより、後述のように、シリンダ内に供給される吸気ガスの温度を下げることができるので、吸気ガスの充填密度を向上させることができる。

次に、上記したインタークーラ６の構造について図２〜図６を参照しながら説明する。図２は図１のエンジン１のインタークーラ６の背面側斜視図、図３は図２のインタークーラ６の側面図を示している。

インタークーラ６は、吸気入口側タンク６ａと、吸気出口側タンク６ｂと、それらの間に接続されたインタークーラ本体６ｃとを有している。吸気入口側タンク６ａは、図１に示した過給機５で圧縮された吸気ガスが供給され集められるタンクであり、その入口６ａ１には図１に示した吸気管１１ａが接続される。一方、吸気出口側タンク６ｂは、インタークーラ本体６ｃで冷却された吸気ガスが供給され集められるタンクであり、その出口６ｂ１には図１に示した吸気管１１ｂが接続される。

インタークーラ本体６ｃは、吸気ガスの冷却部分であり、複数のコア（吸気管）６ｄと、複数のコア６ｄの各々の隣接間に設けられた複数の外気流通路６ｅとを備えている。

コア６ｄは、吸気ガスを流す扁平中空状の配管であり、吸気入口側タンク６ａから吸気出口側タンク６ｂに向かって延在形成されている。すなわち、各コア６ｄの長手方向一端は、吸気入口側タンク６ａに接続され、長手方向他端は吸気出口側タンク６ｂに接続されており、吸気入口側タンク６ａに供給された吸気ガスはコア６ｄの中空管内を通じて吸気出口側タンク６ｂに流れるようになっている。コア６ｄは、例えばアルミニウムのような熱伝導性の高い金属からなり、特に限定されるものではないが、図２の構成では、例えば２１本配置されている。

外気流通路６ｅは、コア６ｄを流れる吸気ガスを冷却するための冷却外気が流れる流路であり、インタークーラ本体６ｃの前面と背面とを貫通するように形成されている。なお、インタークーラ本体６ｃの前面は冷却外気の入口面であり、背面は冷却外気の入口面に対してインタークーラ本体６ｃの厚さ方向（冷却外気が流れる方向）の反対側の冷却外気の出口面である。

また、外気流通路６ｅの各々には、冷却効率を高める観点からコルゲートフィン６ｆが設置されている。コルゲートフィン６ｆは、例えばアルミニウムのような金属薄板からなり、表面積を増大させて冷却効率を高める観点から蛇行状（波状）に曲折した状態で形成されている。また、コルゲートフィン６ｆは、放熱性を高める観点からコア６ｄとの接点で接合されている。なお、図２では図面を見やすくするためコルゲートフィン６ｆの一部のみを図示している。また、特に限定されるものではないが、コルゲートフィン６ｆは、図２の構成では、例えば全部で２０枚並んで配置されている。

次に、図４は図２のインタークーラ６におけるインタークーラ本体６ｃの冷却外気の入口面側の要部斜視図、図５は図２のインタークーラ６のＩ−Ｉ線の一部の断面図を示している。

本実施の形態のインタークーラ６においては、インタークーラ本体６ｃの冷却外気の各入口部の断面形状がノズル状に形成されている。すなわち、インタークーラ本体６ｃの冷却外気の各入口部の断面形状が、冷却外気の流れる方向に向かって連続的に順次狭くなるように形成されている。別の言い方をすると、インタークーラ６の冷却外気の各入口部は、その高さ方向（複数のコア６ｄが配置される方向）の寸法が、冷却外気が進むにつれて次第に小さくなるように形成されている。そして、その入口部の寸法が最も小さくなったところで外気流通路６ｅに接続されている。なお、インタークーラ６の冷却外気の各入口部の高さ方向の最も小さい寸法は、外気流通路６ｅの当該高さ方向の寸法にほぼ等しい。

このように、インタークーラ６の冷却外気の各入口部の断面形状をノズル状にすることにより、インタークーラ６の冷却外気の各入口部に流れる外気の熱エネルギー（エンタルピー）を速度エネルギーに変えることができるので、外気流通路６ｅに流れる外気の温度を大気温度よりも低くすることができる。また、外気流通路６ｅに流れる外気の流速が増すので、その外気流通路６ｅに配置されたコルゲートフィン６ｆの熱伝達率を向上させることができる。これらにより、インタークーラ６の複数のコア６ｄに流れる吸気ガスを効果的に冷却でき、その温度を下げることができる。

ここで、図６はインタークーラ６の冷却外気の入口部の断面形状をノズル形状にしたことによる作用を説明するための要部断面図を示している。

図６において、ｗ１：ノズル入口での流速（ｍ／ｓ）、ｗ２：ノズル出口での流速（ｍ／ｓ）、ｈ１：ノズル入口での比エンタルピー（J／ｋｇ）、ｈ２：ノズル出口での比エンタルピー（Ｊ／ｋｇ）、Ｔ１：ノズル入口での温度（Ｋ）、Ｔ２：ノズル出口での温度（Ｋ）、ｃｐ：定圧比熱（Ｊ／ｋｇ・Ｋ）とすると、出入口でのエネルギー保存により（ｗ２^２−ｗ１^２）／２＝ｈ１−ｈ２となる。
また、ｈ１−ｈ２＝ｃｐ（Ｔ１−Ｔ２）となるので、（ｗ２^２−ｗ１^２）／２＝ｃｐ（Ｔ１−Ｔ２）となる。
これを変形して、Ｔ１−Ｔ２＝（ｗ２^２−ｗ１^２）／（２×ｃｐ）
すなわち、Ｔ２＝Ｔ１−（ｗ２^２−ｗ１^２）／（２×ｃｐ）となる。
ここで、ノズルで流速が増すため、ｗ２＞ｗ１となるので、Ｔ２＜Ｔ１となる。
すなわち、ノズル状の入口部を通過することで流体（この場合は外気）の温度が下がる。

したがって、本実施の形態のインタークーラ６を用いたエンジン１によれば、インタークーラ６の複数のコア６ｄに流れる吸気ガスの温度を下げることができるので、図１に示したエンジン本体２のシリンダ内に供給される吸気ガスの充填効率を増加させることができる。すなわち、シリンダ内の空気過剰率を増加させることができる。その結果、シリンダの燃焼ガスの比熱比を低減できるので、同じ燃料流量なら出力を増大させることができ、また、同じ出力なら燃料流量を低減でき燃費を向上させることができる。

また、吸気ガスの温度を下げることができ、シリンダ内での燃焼温度を下げることができるので、窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量を低減することができる。

また、吸気ガスの温度を下げるために他の機構部を設けるわけでもないので、インタークーラ６の大型化を招くこともないし、また、制御性が複雑になることもない。このため、エンジン１の車両搭載性を損なうこともない。

このようなインタークーラ６の冷却外気の各入口部のノズル形状は、図４および図５に示すように、インタークーラ本体６ｃ前面の冷却外気の入口側における各コア６ｄの側面６ｄ１にノズル形成部材（別部材）６ｇ１を接合することにより形成されている。ノズル形成部材６ｇ１は、各コア６ｄの長手方向に沿って、各コア６ｄの側面を覆うように接合されている。このため、本実施の形態のインタークーラ６においては、冷却外気の入口側のコア６ｄの側面部分が曲面を有するように突出されている。なお、比較のため図９に従来のインタークーラ５０のインタークーラ本体５１のコア５２の断面図を示す。従来のインタークーラ５０においては、冷却外気の入口側のコア５２の側面５２ａが平坦になっている。

このようにコア６ｄの側面にノズル形成部材６ｇ１を接合することによりノズル形状を形成することにより、既存のインタークーラの冷却外気の入口側の各コアの側面にノズル形成部材６ｇ１を接合するだけで、本実施の形態のようなインタークーラ６を提供することができる。

また、ノズル形成部材６ｇ１は、例えばアルミニウムのような熱伝導率の高い金属からなり、コア６ｄの側面６ｄ１に溶接されている。このようにノズル形成部材６ｇ１を金属により形成したことにより、ノズル形成部材６ｇ１の表面積の分だけコア６ｄの放熱面積を増大させることができるので、コア６ｄに流れる吸気ガスの冷却効果を高めることができる。

また、ノズル形成部材６ｇ１の材料をコア６ｄと同一の材料で形成したことにより、ノズル形成部材６ｇ１とコア６ｄとを良好に接合できるので、ノズル形成部材６ｇ１の接合強度を向上させることができる。また、ノズル形成部材６ｇ１とコア６ｄとの接着性を高めることができるので接合部での熱抵抗を小さくすることができ、放熱性を向上させることができる。したがって、コア６ｄに流れる吸気ガスの冷却効果を高めることができる。

次に、本発明の他の実施の形態のインタークーラについて図７を参照しながら説明する。図７は図２のインタークーラ６のＩ−Ｉ線の一部に相当する箇所の断面図を示している。

図７のインタークーラ６においては、冷却外気の各入口部のノズル形状を形成するためのノズル形成部材６ｇ２が、例えば樹脂またはゴムのような絶縁材料によって形成されている。これにより、ノズル形成部材を金属により形成した場合に比べて、インタークーラ６を軽量化できる上、インタークーラ６の価格を下げることができる。

ノズル形成部材６ｇ２は、ボルトおよびナット等の締結手段によりインタークーラ６の冷却外気の入口側の各コア６ｄの側面に着脱自在の状態で取り付けられている。これにより、ノズル形成部材６ｇ２が劣化したら交換することができる。なお、ノズル形成部材６ｇ２とコア６ｄとの隙間はできるだけ狭い方が良い。これ以外は上記したのと同じである。

次に、本発明のさらに他の実施の形態のインタークーラについて図８を参照しながら説明する。図８は図２のインタークーラ６のＩ−Ｉ線の一部に相当する箇所の断面図を示している。

図８のインタークーラ６においては、冷却外気の各入口部のノズル形状が、コア６ｄの外壁によって一体的に形成されている。すなわち、ノズル形状はコア６ｄを押し出し成形で作成する際に同時に形成されている。これにより、ノズル形成部材を必要としないので、インタークーラ６の製造を簡単化することができる。また、部品点数を減らせるので、インタークーラ６の価格を下げることができる。これ以外は上記したのと同じである。

本発明のインタークーラおよびそれを用いた内燃機関は、インタークーラ本体の外気流通路に繋がる外気の入口部の断面形状を、外気が流れる方向に向かって連続的に順次狭くなるように形成したことにより、インタークーラ本体の複数の吸気管に流れる吸気ガスを効果的に下げることができ、出力の増大や燃費の向上を実現することができるので、自動車等の内燃機関に利用できる。

１ ディーゼルエンジン（内燃機関）
２ エンジン本体（内燃機関本体）
３ 吸気マニホールド（吸気管）
４ 排気マニホールド
５ 過給機
６ インタークーラ
６ｃ インタークーラ本体
６ｄ コア（吸気管）
６ｅ 外気流通路
６ｆ コルゲートフィン
６ｇ１，６ｇ２ ノズル形成部材
１１ａ，１１ｂ 吸気管

Claims (3)

1. インタークーラ本体に、複数の吸気管と、前記複数の吸気管の各々の隣接間に設けられた外気流通路とを備えるインタークーラにおいて、前記インタークーラ本体の前記外気流通路に繋がる外気の入口部の断面形状を、前記外気が流れる方向に向かって連続的に順次狭くなるように形成したインタークーラ。
2. 前記外気の入口部の断面形状を、前記複数の吸気管の各々に接合された別部材によって形成したインタークーラ。
3. 請求項１または２に記載のインタークーラを、内燃機関本体に接続された過給機の圧縮機の出口と、前記内燃機関本体に接続された吸気管との間に接続した内燃機関。

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