JP2012167670A - 内燃エンジンの給気冷却器予冷器 - Google Patents

Abstract

【課題】本技術分野において必要なことは、給気冷却器への給気の温度を下げ、構成要素が被る温度をより良好に順応させることである。
【解決手段】作業機械が、空気吸い込み式、燃料消費型、液冷式の、内燃（ＩＣ）エンジンと、ＩＣエンジンから燃焼生成物を受容するターボ過給機と、ＩＣエンジンへの空気を加圧するための圧縮機とを具備する。主熱交換機が圧縮機とＩＣエンジンとの間で流体流連通であり、二次熱交換器が圧縮機とＩＣエンジンとの間で流体流連通で、主熱交換機の上流に位置する。二次熱交換器が空気から液体への熱交換器であり、ＩＣエンジンから液体冷却材を受容する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃エンジン、より詳細には、吸気連通に予冷回路を具備するようなエンジンに関する。

何年にも亘り、作業機械のための好ましい動力源は、その耐久性、動力出力及び燃料の経済性のためにディーゼルエンジンであった。排出規制が、オフロード作業機械に窒素酸化物及び粒状物質を削減するように適用されたため、エンジンを通過する流体の基本的な特性が変化した。特に、排ガス再循環（ＥＧＲ）による吸気は、吸気温度を大幅に上昇させた。特定の条件下で、吸気は、従来装置の材料の温度限界を超える。典型的には、ディーゼルエンジンは、エンジンによって消費される空気の濃度が大気よりも著しく高くなるように過給される。圧力上昇と共に、温度も上昇する。通常の温度上昇に、排出処理が追加される場合、典型的には、給気を冷却し、その濃度を高めるために使用される給気冷却器への入口は、構成要素の材料の限界にほぼ等しくなるか、又は、それを超える場合がある。具体的には、給気冷却器の入口への可撓な連結が、それらの許容限度を超える温度に晒される恐れがある。加えて、典型的には空気から空気への熱交換器である給気冷却器の内部構造が限度を超える場合がある。

したがって、本技術分野において必要なことは、給気冷却器への給気の温度を下げ、構成要素が被る温度をより良好に順応させることである。

１つの形態において、本発明は、回転動力出力を提供し、燃焼生成物を生成する、空気吸い込み式、燃料消費型、液冷式の内燃（ＩＣ）エンジンを具備する動力システムを含む。少なくとも１つのターボ過給機が、燃焼生成物を受容するタービンと、ＩＣエンジンに送出するために空気を加圧するための、タービンによって駆動される圧縮機とを具備する。主熱交換機が圧縮機及びＩＣエンジンと空気流連通であり、それらの間に挿置され、二次熱交換器も圧縮機とＩＣエンジンとの間で気体流連通であり、主熱交換機の上流に挿置される。二次熱交換器が空気から液体への熱交換器であり、ＩＣエンジンから液体冷却材を受容する。

他の形態において、本発明は支持構造体と、運転室と、運転室暖房機とを含む作業機械である。動力システムが、前記作業機械に組み込まれ、作業機械のための回転出力を提供し、燃焼生成物を生成する、空気吸い込み式、燃料消費型、液冷式の、内燃（ＩＣ）エンジンを含む。少なくとも１つのターボ過給機が、燃焼生成物を受容するタービンと、ＩＣエンジンに送出するために空気を加圧するための、タービンによって駆動される圧縮機とを具備する。主熱交換機が、圧縮機及びＩＣエンジンと空気流連通であり、それらの間に挿置される。二次熱交換器が、圧縮機とＩＣエンジンとの間で流体流連通であり、主熱交換機の上流に挿置される。二次熱交換器及び運転室暖房機が空気から液体への熱交換器であり、ＩＣエンジンから液体冷却材を受容する。

添付の図面と併せて本発明の実施形態の以下の説明を参照することにより、本発明の上記及び他の特徴及び利点、並びに、それらを達成する方法がより明らかになり、本発明はより良く理解されよう。

本発明を実施する作業機械の概略図である。 本発明の他の態様を実施する作業機械の代替図である。

複数の図面を通して、対応する符号は対応する部分を指す。本明細書に記載される実例は、本発明の実施形態を例示し、このような実例は、どのようなやり方でも本発明の範囲を制限するものと解釈されるべきではない。

ここで図面、より具体的には図１を参照すると、好ましくは圧縮点火、又は、シャフト１３において回転出力を生じされるディーゼルタイプの内燃エンジン１２によって動力を供給される作業機械１０が示される。エンジン１２に起因する回転出力は、作業機械１０に主な動力を提供し、加えて、作業機械の制動及び他の機能を提供する補助的な駆動連結（図示せず）を通じて動力を提供する。作業機械にはフレーム屈折式ダンプトラック又はフロントローダがあり得る。これらの作業機械の各々では、エンジン１２の主な動力の負荷サイクルが、多くの補助的な負荷に追加して、エンジンによって提供される。

エンジン１２は、空気吸い込み式、燃料消費型のエンジンであり、それは、ディーゼルエンジンの形態では、個別のシリンダ内で供給燃料を点火、燃焼させるための吸気の圧縮温度に依存する。ただし、シリンダは本発明の理解を容易にするため図示されない。シリンダはクランクシャフト（これも図示せず）に連結されて、出力シャフト１３に回転出力を生じさせる。出力シャフト１３は、作業機械１０に適切な変速機又は他の駆動装置（図示せず）に連結される。

エンジン１２内の燃焼生成物は、マニホルド１４を通過し、そこから、ターボ過給機２０のタービン１８に典型的な形態で延出する経路１６へ排出される。そうして、排出ガスは、タービン１８から経路２２を経て排出後処理装置２４へ流れ、そこから大気（Ａ）へ吐出される。排出後処理装置２４は粒状物質ろ過、及び／又は、窒素酸化物削減の組み合わせの形態を取ることができる。更には、排出後処理装置２４の位置は、適宜に、タービン１８の上流の経路１６上でもよい。

タービン１８は圧縮機２６に連結され、それを駆動する。圧縮機２６は大気（Ａ）から吸気を受容し、それを経路３０及び３２を経て給気冷却器３４（ＣＡＣ）、すなわち、主熱交換機に至るまで送出するために、その給気を加圧する。給気冷却器３４はいくつかの形態を取ることができるが、給気冷却器の好ましい形態は、空気から空気への冷却器であり、それは、給気冷却器を通過する吸気を冷却するための大気温度に依存する。給気冷却器の下流に、吸い込みマニホルド３８に延出する経路３６があり、それは、エンジン１２のシリンダへ燃焼空気を供給する。燃料システムは、４０で模式的に表され、効率及び排出に対する動力の適切な均衡を達成するために、適切な量及び適切な時間にエンジン１２の個別のシリンダに燃料を供給するように経路４４を介して電子制御モジュール４２（ＥＣＭ）から制御入力を受容する。

典型的な形態において、エンジン１２は液冷エンジンであり、エンジン１２によって機械的に駆動される冷却材ポンプ４６を具備する。それは、内部通路を通して液体冷却材を供給し、それは、最終的に、経路４８及び温度自動調節器４９を通過して、液体から気体へ熱交換する構成の放熱器５０へ吐出される。経路５２が、放熱器５０から冷却材ポンプ４６の入口へ延出する。エンジン１２はまた、作業機械１０内に収容された運転室５４、詳細には運転室暖房機５６へ熱を供給することを要求される。運転室暖房機５６は、液体から気体へ熱交換する暖房機の形態であり、エンジン１２から経路５８を介してエンジン冷却材を受容し、経路６０を介してポンプ４６の入口へ冷却材を戻す。

ディーゼルエンジンＥＰＡ規制のために、燃焼生成物の選択された割り当て分をエンジン１２の入口へ差し向けるＥＧＲ回路を装備する必要がある。この目的のために、経路６２が排出経路１６から弁６４を通って、ＥＧＲ冷却器６６及び経路６８を経て、吸い込み経路３６へ延出する。本特許出願の文脈において、燃焼のための空気は大気Ａだけでなく、一定の割合のＥＧＲを含むと看做され、したがって、燃焼空気流又は流体の流れが言及される場合、それは、様々な割合のＥＧＲを含むことがある。この目的は、選択された割合の窒素を混合燃焼に供給して、その温度を下げ、したがって窒素酸化物の生成を削減することである。窒素酸化物及び粒状物質の排出を削減するために必要なＥＧＲ及びその他のエンジン制御パラメータを使用することから生じる技術的問題の１つは、経路３０上の圧縮機２６によって加熱される空気が、給気冷却器３４へ延出する吸い込み経路３２を構成する様々な構成要素の許容温度を超える場合がある温度に達することである。典型的な形態で、いくつかの経路は給気冷却器に可撓に連結され、吸い込み経路内の温度は、可撓な連結の材料の許容限度を超える場合がある。加えて、温度は、給気冷却器３４内の内部熱伝達路の材料の許容限度にほぼ等しくなる場合がある。

本発明によると、吸気予冷器７０、すなわち、二次熱交換器は、経路３０と３２との間に装備されて、経路３２、及び給気冷却器３４の隙間に使用される材料の許容範囲内の点まで経路３２内の温度を下げる。熱交換器７０は、好ましくは、エンジン１２用の冷却材ポンプ４６の下流の内部冷却材通路から経路７２を介して冷却材を受容する、液体から空気への熱交換器である。温度自動調節器７４は熱交換器７０に隣接して位置付けられ、エンジン１２用の冷却材ポンプ４６の入口に至る経路７６への冷却材流を制御する。

熱交換器７０は、経路３２に送出される燃焼空気のための予冷機能を提供する。経路３０内の過剰な熱は液体冷却材に放出されて、最終的に、エンジン１２用の冷却材ポンプ４６の入口へ伝わる。熱交換器７０に隣接して温度自動調節器７４を装備することによって、温度自動調節器７４は、熱交換器７０を通過する空気を適切に冷却するように、温度変化により迅速に対応できる。熱交換器７０は、温度変化に迅速に対応するように、温度自動調節器７４を経てポンプ４６の入口に至る最低限のブリード流を具えることが好ましい。随意に、温度自動調節器７４は、電子制御の冷却材弁によって交換でき、破線で示される経路７８を介してＥＣＭ４２によって制御されることとなる。加えて、特定の低い周囲温度条件のために、燃焼空気のための補助経路８０が、熱交換器７０の周囲に装備でき、弁８２によって制御できる。弁８２は、ＥＣＭ又は直接制御のいずれからも制御入力を受信でき、そのどちらも、経路３０内の温度が適切に制御されるように、その温度に対応する。熱交換器７０を通過する液体冷却材の制御は、大気温度が低く、エンジン負荷が低い状態の間、運転室暖房機５６への不都合な影響を最小にするように操作される。ディーゼルエンジンは、点火されたガソリンエンジン又は他の同等物に比べ、非常に効率的で、とても僅かな廃熱しか出さず、そのため、熱交換器７０を通る流の操作は、運転室暖房機５６に使用可能な熱に対する影響を最小にするように制御される必要がある。

作動中に、作動中のエンジン１２は、推進及び補助的仕事のために作業機械１０に動力を提供する。ＥＰＡ排出制限にエンジン１２を適合されることによって、圧縮機２６によって圧縮された空気の温度が、実質的に加熱されることとなる。熱交換器７０は、空気流から熱を取り出し、給気冷却器３４の構成要素が許容できるレベルまでそれを削減する。温度自動調節器７４は、温度の急速な変化に対応できるように、熱交換器７０に隣接して配置される。これは、大気温度が低いか、又は、負荷が低い状態の間に生じ、その状態において、給気流が冷却材流よりも低温であるため、熱交換器７０を通過する流れによって熱が冷却材流から給気流に伝達される。温度自動調節器７４を通過するブリード流を提供することによって、温度自動調節器は、開閉して温度を調整するようにして、より容易に温度の急速な変化に対応できる。随意の補助経路流８０は、誘導弁８２及び回路８０の手段によって、熱交換器７０が不必要に経路３２に流れる空気を暖めないように、大気温度が低く、負荷が低い状態の間に使用される。

図２は作業機械の代替的形態１０を示すが、予冷器７０、すなわち、二次熱交換器が、エンジン用の冷却材ポンプ４６以外のポンプから冷却材を供給される配置を示す。作業機械の変更されない構成要素は、図１の符号と同じ符号が与えられる。図２において、放熱器５８からの排出は、経路８４を介してポンプ４６の入口だけでなく、エンジン１２によって機械的に駆動されるポンプ８６の入口へも送り込まれる。ポンプ８６は、予冷器７０へ経路８８を介して液体冷却材を供給し、戻りの流れが経路９０及び経路４８を介して放熱器５８の入口まで通過する。ポンプ８６の排出はまた、経路９６を介して熱吸収構成要素９２及び９４を充填する。熱発生構成要素９２及び９４からの戻りは、放熱器５８の入口に通じる経路４８に連通する経路９８を介して流れる。この構成において、熱発生構成要素９２及び９４は、電気的に駆動される作業車両１０の電動発動機であり得、回生制動を使用して前進運動に抵抗する過程で熱が生じる。予冷器７０は、放熱器５８によって冷却される、熱発生要素９２及び９４に対する並行液体流上に位置する。実際には、追加の放熱器が放熱器５８に対する並行流上に採用でき、回路を追加して冷却することを可能にする。いずれの構成においても、予冷器７０は、給気冷却器３４への入口３２内の温度を給気冷却器３４の可撓な相互連結構成要素及び内部構成要素の材料制限内に要素を維持する温度まで下げることを可能にする。

本発明は、少なくとも１つの実施形態に関して説明されたが、本発明は、本開示の趣旨及び範囲内で更に改良できる。したがって、本出願は、本発明の一般的原理を使用する本発明のあらゆる変形、使用、又は、適応に及ぶことを意図される。更に、本出願は、本発明が関係し、添付の請求項の制限内に入る技術分野で知られた、又は、通例の実施内に入るような本開示からの逸脱に及ぶことを意図される。

１０ 作業機械
１２ 内燃エンジン
１８ タービン
２０ ターボ過給機
２６ 圧縮機
３４ 給気冷却器（ＣＡＣ）
４６ 冷却材ポンプ
４９ 温度自動調節器
５０ 放熱器
５４ 運転室
５６ 運転室暖房機
５８ 放熱器
６６ ＥＧＲ冷却器
７４ 温度自動調節器
７０ 熱交換器
９２ 熱発生構成要素
９４ 熱発生構成要素

Claims (18)

1. 回転動力出力を提供し、燃焼生成物を生成する、空気吸い込み式、燃料消費型、液冷式の内燃（ＩＣ）エンジンと、
   前記ＩＣエンジンから前記燃焼生成物を受容するタービンと、前記ＩＣエンジンに送出するために空気を加圧するための、前記タービンによって駆動される圧縮機とを具備する少なくとも１つのターボ過給機と、
   前記圧縮機及び前記ＩＣエンジンと流体流連通であり、それらの間に挿置される主熱交換機と、
   前記圧縮機と前記ＩＣエンジンとの間で流体流連通であり、前記主熱交換機の上流に挿置される二次熱交換器と
   を備え、
   前記二次熱交換器が空気から液体への熱交換器であり、前記ＩＣエンジンから液体冷却材を受容する、
   動力システム。
2. 前記主熱交換機が空気から空気への熱交換器である、請求項１に記載の動力システム。
3. 前記エンジンから前記二次熱交換器を通過する液体流を制御するための温度自動調節器を更に備える請求項１に記載の動力システム。
4. 前記温度自動調節器が前記二次熱交換器に隣接する、請求項３に記載の動力システム。
5. 前記エンジンが電子制御され、前記ＩＣエンジンから前記二次熱交換器を通過する前記液体冷却材の流れが電子的に制御される、請求項１に記載の動力システム。
6. ブリード流が、前記温度自動調節器の応答性を高めるために、前記エンジンから前記二次熱交換器を通る液体に供給される、請求項１に記載の動力システム。
7. 選択された作動状態の間、冷却量を制御するために、前記二次熱交換器を迂回する選択的補助経路を更に備える請求項１に記載の動力システム。
8. 前記ＩＣエンジンの液冷のために、前記ＩＣエンジンに連結され、それによって駆動される第１のポンプと、前記二次熱交換器へ液体を送出するために、前記エンジンに連結され、それによって駆動される第２の液体ポンプとを更に備える請求項１に記載の動力システム。
9. 前記第２の液体ポンプが、前記エンジンから熱発生構成要素へ冷却材を圧送し、前記二次熱交換器が、前記構成要素と連通する並行流上にあり、その同じポンプから液体が送り込まれる請求項８に記載の動力システム。
10. 支持構造体と、
    運転室と、
    運転室暖房機と、
    前記支持構造体内に取り付けられた、回転出力を提供し、燃焼生成物を生成する、空気吸い込み式、燃料消費型、液冷式の、内燃（ＩＣ）エンジンと、
    前記ＩＣエンジンから前記燃焼生成物を受容するタービンと、前記ＩＣエンジンに送出するために空気を加圧するための、前記タービンによって駆動される圧縮機とを具備する少なくとも１つのターボ過給機と、
    前記圧縮機及び前記ＩＣエンジンと流体流連通であり、それらの間に挿置される主熱交換機と、
    前記圧縮機と前記ＩＣエンジンとの間で流体流連通であり、前記主熱交換機の上流に挿置される二次熱交換器と
    を備え、
    前記二次熱交換器及び前記運転室暖房機が空気から液体への熱交換器であり、両方が前記ＩＣエンジンから液体冷却材を受容する、
    作業機械。
11. 前記主熱交換機が空気から空気への熱交換器である、請求項１０に記載の作業機械。
12. 前記二次熱交換器を通過する流れを制御するための温度自動調節器を更に備える請求項１０に記載の作業機械。
13. 前記温度自動調節器が前記二次熱交換器に隣接する、請求項１２に記載の作業機械。
14. 前記エンジンが電子制御され、前記二次熱交換器を通過する前記液体冷却材の流れが電子的に制御される、請求項１０に記載の作業機械。
15. 前記二次熱交換器が、温度変化に対する応答性を高めるために、そこを通過するブリード流を具える、請求項１０に記載の作業機械。
16. 選択されたエンジン作動状態の間、前記二次熱交換器を迂回する選択的補助空気流を更に備える請求項１０に記載の作業機械。
17. 前記ＩＣエンジンが、それらの構成要素を冷却するための、前記エンジンと液体連通である冷却材ポンプを具備し、前記作業機械が、前記ＩＣエンジンから前記二次熱交換器へ液体冷却材を送出するための別箇の液体ポンプを具備する、請求項１０に記載の作業機械。
18. 冷却、及び、前記二次熱交換器用の前記ポンプによる充填を必要とする付属構成要素を更に備え、前記二次熱交換器が、前記補助構成要素と連通する液体冷却材並行流上にある、請求項１７に記載の作業機械。