JP2022540247A - 内燃機関用の新規な冷却システム - Google Patents

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青島汽車散熱器有限公司
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Abstract

本発明は、冷却ファンと、第１ウォーターラジエーターと、インタークーラーと、第２ウォーターラジエーターとを含む内燃機関用の新規な冷却システムを提案し、前記インタークーラーは前記第１ウォーターラジエーターと第２ウォーターラジエーターとの間に位置し、前記第１ウォーターラジエーターは前記インタークーラーの吸気側の給気管に近い端に位置し、前記第２ウォーターラジエーターは前記インタークーラーの排気側の排気管に近い端に位置し、前記第１ウォーターラジエーター、インタークーラー及び第２ウォーターラジエーターが共に熱交換ユニットを構成し、前記冷却ファンは前記熱交換ユニットの外側に設けられる。本発明を用いると熱交換がより充分となり、効率が高くなり、水力抵抗が小さくなり、冷風の需要量が減り、ファンのエネルギー消費が低くなるため、熱交換ユニットの重量と体積が効果的に減少し、冷却システム全体の効率の最大化が実現する。【選択図】図３

Description

本発明は内燃機関エンジンの冷却の分野に関し、特に内燃機関用の新規な冷却システム
である。
従来の内燃機関エンジンはターボチャージャーが配置された液冷式のものが殆どで、ク
ーラント液はウォーターラジエーターを用いて冷却し、加圧空気は空冷式インタークーラ
ーを用いて冷却する。エンジン冷却システムの温度分布としては一般にインタークーラー
の給気部分の温度が最も高く、ウォーターラジエーターの温度がその次で、インタークー
ラーの排気部分の温度が最も低い。動作する過程で、エンジンのシリンダーブロックの熱
がクーラント液によって吸収され、ウォーターポンプの動力によってクーラント液が外部
のウォーターラジエーターに輸送され、外部のウォーターラジエーターが冷却ファンによ
って熱を自然と交換する。エンジンへの給気はターボチャージャーによって加圧されると
温度が上がり、その後、空冷式インタークーラーに入って、冷却ファンによって熱を自然
と交換し、冷却後の加圧空気がエンジンに入って燃焼する。実際には、ウォーターラジエ
ーターと空冷式インタークーラーが共に配置されるのが一般的で、冷却空気が通過する経
路から、主にタンデム式とパラレル式の２種の構造に分かれる。
タンデム式は次のようなものである。
ウォーターラジエーターと、インタークーラーと、冷却ファンとを含み、前記ウォータ
ーラジエーターとインタークーラーはタンデムに設けられる。
前記ウォーターラジエーターには給水管、給水ウォーターチャンバー、第１コア、排水
ウォーターチャンバー、排水管が設けられる。
前記インタークーラーには給気管、給気エアチャンバー、第２コア、排気エアチャンバ
ー、排気管が設けられる。
エンジンをさらに含み、前記エンジン内から流出する高温のクーラント液は前記給水管
、給水ウォーターチャンバーをこの順に通過した後、前記第１コアに流入して冷却される
と、前記排水ウォーターチャンバー、排水管をこの順に通過して前記エンジン内のシリン
ダーブロックに入る。
加圧熱風が前記給気管、給気エアチャンバーをこの順に通過した後、前記第２コアに入
って冷却されると、排気エアチャンバー、排気管をこの順に通過して、エンジンのシリン
ダーブロックに入って燃焼する。
前記冷却ファンは前記ウォーターラジエーター及び前記インタークーラーの外側に設け
られ、前記冷却ファンは前記第２コアに冷却空気を吹き込み、それが前記第２コア内の加
圧熱風と熱交換する。熱交換後に加圧熱風の温度が下がってエンジンのシリンダーブロッ
クに入って燃焼し、熱交換後に冷却空気の温度が上がって前記第１コアに入って高温のク
ーラント液と熱交換し、熱交換後にクーラント液の温度が下がり、冷却空気の温度が引き
続き上昇し、温度が上昇した冷却空気が冷却ファンによって前記第１コアから吹き飛ばさ
れて熱を持ち去り、温度が下がったクーラント液は前記排水ウォーターチャンバー、排水
管をこの順に通過してエンジンに入る。
当該構造において、インタークーラーの給気端の第２コア内の加圧熱風の温度が非常に
高く、熱が非常に多く、冷却空気はインタークーラーの給気端の第２コアを通過した後、
温度が大きく上昇するため、ウォーターラジエーターの冷却効果が大きく悪化している。
パラレル式は次のようなものである。
ウォーターラジエーターと、インタークーラーと、冷却ファンとを含み、前記ウォータ
ーラジエーターとインタークーラーはパラレルに設けられる。
このような接続形態で動作する場合に、前記エンジン内の高温のクーラント液はエンジ
ンから流出した後、前記給水管、給水ウォーターチャンバーをこの順に通過して前記第１
コアに流入して冷却された後、排水ウォーターチャンバー、排水管をこの順に通過すると
、エンジンのシリンダーブロックに入る。
加圧熱風が給気管、給気エアチャンバーをこの順に通過して第２コアに流入して冷却さ
れた後、排気エアチャンバー、排気管をこの順に通過してエンジンに入って燃焼する。
第１コアと第２コアはパラレルに配置され、外側に冷却ファンが設けられ、冷却ファン
は低温の冷却空気を第１コアと第２コアの両方に吹き込み、第２コア内の加圧熱風が第２
コアを通過して冷却空気と熱交換し、加圧熱風の温度が下がり、冷却空気の温度が上がり
、温度が下がった加圧熱風がエンジンのシリンダーブロックに入って燃焼し、温度が上昇
した冷却空気が冷却ファンによって第２コアから吹き飛ばされて熱を持ち去ると同時に、
高温のクーラント液が第１コアを通過して冷却空気と熱交換し、高温のクーラント液の温
度が下がり、冷却空気の温度が上がり、温度が上昇した冷却空気は冷却ファンによって第
１コアから吹き飛ばされて熱を持ち去り、温度が下がったクーラント液は前記排水ウォー
ターチャンバー、排水管をこの順に通過した後、エンジンに入ると、クーラント液の循環
が完了する。
このような構造では、インタークーラーの排気端のコアを通過した冷却空気の温度上昇
が小幅で、充分な熱交換を経ずに冷却モジュールから吹き飛ばされるため、冷却空気が無
駄となる。
出願人は、上記の２つの実施形態から、従来技術に下記の欠点があることを見出した。
従来技術では低温の冷却空気が最大２回までの熱交換後、冷却ファンによって冷却モジ
ュールから吹き飛ばされるため、温度上昇が小幅で、熱交換が不充分で、充分な熱を持ち
去ることができず、特に従来技術では同じ温度の冷却空気を用いてインタークーラーのコ
アの高温部分と低温部分の両方の温度を下げようとするから、インタークーラーの高温部
分の大きな温度差という熱交換上の利点は充分に利用されず、低温の熱交換後の冷却空気
は再度利用されず又は再度の利用は不充分であるため、低温の冷却空気が無駄となり、ウ
ォーターラジエーターのコアを通過する冷却空気は再度利用されていない。従来技術では
各熱交換器の温度場の分布特性が充分に利用されず、これは従来技術を用いる冷却モジュ
ールの熱交換効率が低く、体積が大きく、重量が重く、冷却ファンのエネルギー消費が高
く、ノイズが大きいという欠点をもたらしている。
本発明は内燃機関用の新規な冷却システムを提案し、インタークーラーの異なる部分と
ウォーターラジエーターの温度場の分布特性が充分に利用され、高温部分の熱交換性能が
高いという利点が利用されるため、熱交換はより充分になり、熱交換効率が高くなるとと
もに、２つのウォーターラジエーターを並列に設計することによって冷却水路の抵抗が大
幅に低減され、ウォーターラジエーターのコアは従来の技術によるウォーターラジエータ
ーのコアよりも薄くすることができ、熱交換性能が満たされながら、インタークーラーと
ウォーターラジエーターのサイズを小さくすることができ、これにより熱交換ユニットの
重量と体積が効果的に減少し、冷風の需要量が減り、ファンパワーが小さくなるため、冷
却システム全体の効率の最大化が実現する。
本発明の技術的解決手段は次のとおりに実現する。
以下のことを特徴とする内燃機関用の新規な冷却システムである。冷却ファンと、第１
ウォーターラジエーターと、インタークーラーと、第２ウォーターラジエーターとを含み
、前記インタークーラーは前記第１ウォーターラジエーターと第２ウォーターラジエータ
ーとの間に位置し、前記第１ウォーターラジエーター、インタークーラー及び第２ウォー
ターラジエーターが共に熱交換ユニットを構成し、前記冷却ファンは前記熱交換ユニット
の外側に設けられ、
前記第１ウォーターラジエーターには順に連通する第１給水管と、第１給水ウォーター
チャンバーと、第１コアと、第１排水ウォーターチャンバーと、第１排水管とが設けられ
、
前記第２ウォーターラジエーターには順に連通する第２給水管と、第２給水ウォーター
チャンバーと、第２コアと、第２排水ウォーターチャンバーと、第２排水管とが設けられ
、
前記第１排水管と前記第２排水管は第１排水ウォーターチャンバー又は丸管を介して連
通し、
前記インタークーラーには順に連通する給気管と、給気エアチャンバーと、第３コアと
、排気エアチャンバーと、排気管とが設けられ、
前記冷却ファン、第１ウォーターラジエーター、インタークーラーは前記冷却ファンが
吹き出す冷却空気によって順に接続されてタンデム構造を形成し、
前記冷却ファン、インタークーラー、第２ウォーターラジエーターは前記冷却ファンが
動作時に吹き出す冷却空気によって順に接続されてタンデム構造を形成し、
且つ、前記第１ウォーターラジエーターと第２ウォーターラジエーターはパラレル構造で
あることを特徴とする内燃機関用の新規な冷却システム。
さらに、第１ウォーターラジエーターは前記インタークーラーの吸気側の給気管に近い端
に位置し、前記第２ウォーターラジエーターは前記インタークーラーの排気側の排気管に
近い端に位置する。
さらに、前記第１ウォーターラジエーターの第１コア、第２ウォーターラジエーターの第
２コア及びインタークーラーの第３コアの風当たり面は平行である。
さらに、前記冷却ファンが吹き出す冷却風は二手に分かれ、一部は前記インタークーラー
の第３コアの排気管側へと吹かれた後、前記第２ウォーターラジエーターの第２コアを通
過し、もう一部は前記第１ウォーターラジエーターの第１コアへと吹かれた後、前記イン
タークーラー第３コアの給気管側を通過する。
さらに、前記第１コア、第２コア及び第３コアは前記冷却ファンに対して異なる垂直面に
位置する。
本発明は内燃機関用の新規な冷却システムを提案し、インタークーラーの異なる部分と
ウォーターラジエーターの温度場の分布特性が充分に利用され、高温部分の熱交換性能が
高いという利点が利用されるため、熱交換はより充分になり、熱交換効率が高くなるとと
もに、２つのウォーターラジエーターを並列に設計することによって冷却水路の抵抗が大
幅に低減され、ウォーターラジエーターのコアは従来の技術によるウォーターラジエータ
ーのコアよりも薄くすることができ、熱交換性能が満たされながら、インタークーラーと
ウォーターラジエーターのサイズを小さくすることができ、これにより熱交換ユニットの
重量と体積が効果的に減少し、冷風の需要量が減り、ファンパワーが小さくなるため、冷
却システム全体の効率の最大化が実現する。
以下、本発明の実施例と結び付けて、本発明の実施例に係る技術的解決手段を明瞭に、
かつ完全に説明する。なお、記載される実施例は本発明の全ての実施例ではなく、実施例
の一部に過ぎない。当業者が本発明の実施例に基づいて新規性のある作業をせず他に実施
例を得た場合は、そのいずれも本発明の保護範囲に属する。
図１は従来の技術によるウォーターラジエーター冷却システムのタンデム構造の概略図である。 図２は従来の技術によるウォーターラジエーター冷却システムのパラレル構造の概略図である。 図3は本願に係る内燃機関用の新規な冷却システムの全体構造の正面図である。 図4は図２に示す内燃機関用の新規な冷却システムの平面構造の右側面図である。
本発明の特定の実施例に係る内燃機関用の新規な冷却システムは、冷却ファン３と、第
１ウォーターラジエーター１と、インタークーラー２と、第２ウォーターラジエーター４
とを含み、インタークーラー２は第１ウォーターラジエーター１と第２ウォーターラジエ
ーター４との間に位置し、第１ウォーターラジエーター１、インタークーラー２及び第２
ウォーターラジエーター４が共に熱交換ユニットを構成し、冷却ファン３は熱交換ユニッ
トの外側に設けられる。
第１ウォーターラジエーター１には順に連通する第１給水管１１と、第１給水ウォータ
ーチャンバー１２と、第１コア１３と、第１排水ウォーターチャンバー１４と、第１排水
管１５とが設けられる。
第２ウォーターラジエーター４には順に連通する第２給水管４１と、第２給水ウォータ
ーチャンバー４２と、第２コア４３と、第２排水ウォーターチャンバー４４と、第２排水
管４５とが設けられる。
インタークーラー２には順に連通する給気管２１と、給気エアチャンバー２２と、第３
コア２３と、排気エアチャンバー２４と、排気管２５とが設けられる。
第１排水管１５と第２排水管４５は第１排水ウォーターチャンバー１４又は丸管を介し
て連通する。
冷却ファン３、第１ウォーターラジエーター１、インタークーラー２は冷却ファン３が
吹き出す冷却空気によって順に接続されてタンデム構造を形成する。
冷却ファン３、インタークーラー２、第２ウォーターラジエーター４は冷却ファン３が
動作時に吹き出す冷却空気によって順に接続されてタンデム構造を形成する。
第１ウォーターラジエーター１と第２ウォーターラジエーター４はパラレル構造である
。
本発明の特定の実施例において、冷却ファン３が吹き出す冷却風は二手に分かれ、一部
はインタークーラー２の第３コア２３の排気管２５側へと吹かれた後、前記第２ウォータ
ーラジエーター４の第２コア４３を通過し、もう一部は第１ウォーターラジエーター１の
第１コア１３へと吹かれた後、インタークーラー２の第３コア２３の給気管２１側を通過
する。
本発明の特定の実施例において、第１ウォーターラジエーター１は前記インタークーラ
ー２の吸気側の給気管２１に近い端に位置し、前記第２ウォーターラジエーター４は前記
インタークーラー２の排気側の排気管２５に近い端に位置する。
本発明の特定の実施例において、第１コア１３、第２コア４３及び第３コア２３の風当
たり面は平行で、冷却ファン３に近い面は異なる垂直面に位置する。
本発明の特定の実施例において、インタークーラー２上の第１給気管２１はターボチャ
ージャーに接続して、エンジンに高圧ガスを提供するために用いられる。
第１ウォーターラジエーター１及び第２ウォーターラジエーター４内にはエンジンの温
度を下げるためのクーラント液が設置され、クーラント液はウォーターラジエーター上の
コアを通過する時に冷却空気と熱交換して温度が下がる。
本発明の特定の実施例において、インタークーラー２はターボチャージャーに接続され
、ターボチャージャーはエンジンに接続され、第１ウォーターラジエーター１及び第２ウ
ォーターラジエーター４もエンジンに接続され、第１ウォーターラジエーター１と第２ウ
ォーターラジエーター４は第１排水ウォーターチャンバー１４を介して連通し、合流した
ものからクーラント液が送り出される。
本発明の特定の実施例において、エンジンが動作する時は、ターボチャージャーによっ
て加圧された高温空気が、インタークーラー２の給気管２１、給気エアチャンバー２２を
この順に通過してインタークーラー２の第３コア２３の給気側に入ると１回目に温度が下
がり、その後にインタークーラー２の第３コア２３の排気側入って２回目に温度が下がり
、さらにインタークーラー２の排気エアチャンバー２４、排気管２５を通過してエンジン
に入って燃焼する。
クーラント液がエンジンのシリンダーブロックにおいて加熱された後、一部のクーラン
ト液は第１ウォーターラジエーター１の第１給水管１１、第１給水ウォーターチャンバー
１２を通過して第１コア１３に入り、その後、第１排水ウォーターチャンバー１４及び第
１排水管１５を通過してエンジンのシリンダーブロックに入り、もう一部のクーラント液
は第２ウォーターラジエーター４の第２給水管４１、第２給水ウォーターチャンバー４２
の両方を通過して第２ウォーターラジエーター４の第２コア４３に入って熱交換後に温度
が下がり、その後は第２排水ウォーターチャンバー４４、第２排水管４５を通過して第１
排水ウォーターチャンバー１４に入り、その中のクーラント液と合流してエンジンのシリ
ンダーブロックに入ると水循環が完了する。
同時に、冷却システムが動作する時は、冷却ファン３が吹き込んだ低温の冷却空気は二
手に分かれる。
一部は第１ウォーターラジエーター１へと吹かれ、冷却空気はまず第１ウォーターラジ
エーター１の第１コア１３を通過して第１ウォーターラジエーター１内の高温のクーラン
ト液と熱交換し、クーラント液の温度が下がり、冷却空気の温度が上がると、冷却空気の
１回目の熱交換が完了する。１回目に温度が上昇した冷却空気は冷却ファン３によって第
１ウォーターラジエーター１の第１コア１３から吹き飛ばされ、インタークーラー２の第
３コア２３の給気側に入って加圧高温空気と２回目に熱交換する。２回の熱交換を経た冷
却空気は温度が非常に高く、冷却ファン３によってインタークーラー２の第３コア２３か
ら吹き飛ばされて熱を持ち去る。
もう一部は第２ウォーターラジエーター４へと吹かれ、冷却空気はまずインタークーラ
ー２の第３コア２３の排気側を通過して１回目に温度が下がった加圧空気と熱交換し、加
圧空気の温度がさらに下がり、冷却空気の温度が上がると、１回目の熱交換が完了し、１
回目に温度が上昇した冷却空気は冷却ファン３によってインタークーラー２の第３コア２
３の排気側から吹き飛ばされ、第２ウォーターラジエーター４の第２コア４３に入って高
温のクーラント液と２回目に熱交換し、この部分の冷却空気は２回の熱交換後に温度が上
がり、冷却ファン３によって第２ウォーターラジエーター４の第２コア４３から吹き飛ば
されて熱を持ち去る。
上記のように温度が下がる過程では、加圧高温空気がターボチャージャーからインター
クーラー２の第１ラジエーター１に近い第３コア２３に入り、温度が非常に高く、第１ウ
ォーターラジエーター１の第１コア１３を通過した冷却空気とはなおもかなりの温度差が
あり、１回目に温度が上昇した冷却空気はインタークーラー２の第３コア２３の給気側で
加圧高温空気と２回目に熱交換し、温度が大幅に上がり、その後は冷却ファン３によって
インタークーラー２の第３コア２３から吹き飛ばされてまた多くの熱を持ち去る。２回の
熱交換後の高温加圧空気はインタークーラー２の第３コア２３の排気側に入り、含有され
ている熱はかなり少なくなり、温度が下がった高温加圧空気はインタークーラー２の第３
コア２３の排気側で、冷却ファン３によって初めて吹き込まれた低温冷却空気と熱交換す
ると、加圧空気はさらに温度が下がって排気エアチャンバー２４と排気管２５を通過して
エンジンに入って燃焼し、この部分の冷却空気は熱交換後に温度が小幅に上昇するが、エ
ンジンの高温のクーラント液とはなおもかなりの温度差があり、この部分の冷却空気は冷
却ファン３によってインタークーラー２の第３コア２３の排気側から吹き飛ばされた後、
第２ウォーターラジエーター４の第２コア４３に入り、そこで高温のクーラント液と２回
目に熱交換し、冷却空気の温度は再度上がって第２ウォーターラジエーター４から吹き飛
ばされて熱を持ち去る。
本発明の特定の実施例において、本発明の実施例に係る熱交換器式冷却システムでは、
インタークーラー２の異なる部分とウォーターラジエーターのそれぞれの温度場の分布特
性が利用されて、２段階の熱交換構造が合理的に配置され、１回目の熱交換後の温度差が
充分に利用されており、冷却空気は合理的に低温のインタークーラー２の第３コア２３の
排気側、中温の第１ウォーターラジエーター１を通過し、又は、中温の第２ウォーターラ
ジエーター４、高温のインタークーラー２の第３コア２３の給気側を通過し、冷却空気と
各熱交換器の異なる部分の温度差が充分に利用され、充分な熱交換が行われ、冷却空気は
熱交換ユニットから吹き飛ばされる時には温度が非常に高く、十分な熱を持ち去るため、
エンジンにおいて加圧高温空気を冷却しクーラント液を冷却するという必要性が満たされ
、熱交換効率が効果的に高められるため、熱交換性能が満たされながら、インタークーラ
ー２、第１ウォーターラジエーター１、第２ウォーターラジエーター４のサイズをより小
さくすることができ、これにより熱交換ユニットの体積と重量が効果的に減少するととも
に、低温冷却空気の需要量が減り、冷却ファン３のパワーが効果的に低減し、全体の冷却
効率の最大化が実現する。
本発明の特定の実施例において、２つのウォーターラジエーター（第１ウォーターラジ
エーター１、第２ウォーターラジエーター４）がパラレルに設けられるため、冷却水路の
抵抗が大幅に低減し、ウォーターラジエーターのコアは従来の技術によるウォーターラジ
エーターのコアよりも薄くすることができ、コストダウンと冷却効率の向上が両立してい
る。

Claims (5)

  1. 冷却ファンと、第１ウォーターラジエーターと、インタークーラーと、第２ウォーター
    ラジエーターとを含み、前記インタークーラーは前記第１ウォーターラジエーターと第２
    ウォーターラジエーターとの間に位置し、前記第１ウォーターラジエーター、インターク
    ーラー及び第２ウォーターラジエーターが共に熱交換ユニットを構成し、前記冷却ファン
    は前記熱交換ユニットの外側に設けられ、
    前記第１ウォーターラジエーターには順に連通する第１給水管と、第１給水ウォーター
    チャンバーと、第１コアと、第１排水ウォーターチャンバーと、第１排水管とが設けられ
    、
    前記第２ウォーターラジエーターには順に連通する第２給水管と、第２給水ウォーター
    チャンバーと、第２コアと、第２排水ウォーターチャンバーと、第２排水管とが設けられ
    、
    前記第１排水管と前記第２排水管は第１排水ウォーターチャンバー又は丸管を介して連
    通し、
    前記インタークーラーには順に連通する給気管と、給気エアチャンバーと、第３コアと
    、排気エアチャンバーと、排気管とが設けられ、
    前記冷却ファン、第１ウォーターラジエーター、インタークーラーは前記冷却ファンが
    吹き出す冷却空気によって順に接続されてタンデム構造を形成し、
    前記冷却ファン、インタークーラー、第２ウォーターラジエーターは前記冷却ファンが
    動作時に吹き出す冷却空気によって順に接続されてタンデム構造を形成し、
    且つ、前記第１ウォーターラジエーターと第２ウォーターラジエーターはパラレル構造
    であることを特徴とする内燃機関用の新規な冷却システム。
  2. 第１ウォーターラジエーターは前記インタークーラーの吸気側の給気管に近い端に位置
    し、前記第２ウォーターラジエーターは前記インタークーラーの排気側の排気管に近い端
    に位置することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用の新規な冷却システム。
  3. 前記第１ウォーターラジエーターの第１コア、第２ウォーターラジエーターの第２コア
    及びインタークーラーの第３コアの風当たり面は平行であることを特徴とする請求項１に
    記載の内燃機関用の新規な冷却システム。
  4. 前記冷却ファンが吹き出す冷却風は二手に分かれ、一部は前記インタークーラーの第３
    コアの排気管側へと吹かれた後、前記第２ウォーターラジエーターの第２コアを通過し、
    もう一部は前記第１ウォーターラジエーターの第１コアへと吹かれた後、前記インターク
    ーラー第３コアの給気管側を通過することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用の新
    規な冷却システム。
  5. 前記第１コア、第２コア及び第３コアは前記冷却ファンに対して異なる垂直面に位置す
    ることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用の新規な冷却システム。
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