JP4487880B2 - インタークーラ - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関に吸入される燃焼用の空気(吸気)を冷却するインタークーラに関するものである。
大型トラック用の過給器付き内燃機関においては、現状では過給気圧が180kPa程度に設定されることが多い(なお、本明細書に記載する圧力は全てゲージ圧である)。そして、このような条件下で用いられるインタークーラは、アルミニウム製が一般的である(例えば、特許文献1参照)。
特開平10−292996号公報
ところで、大型トラック用内燃機関は今後の排気ガス規制強化に対応するために過給気圧を高くすることが検討されており、これに伴い、インタークーラは耐圧性および耐熱性の大幅アップが要求されている。
しかしながら、アルミニウム製のインタークーラの場合、アルミニウムは高温になると著しく強度が低下するため、大幅な板厚アップが必要になってくる。そこで、材質を変更して対応することも必要になってくる。
本発明は、過給気圧が現状よりも高くなった場合、あるいは材質を変更した場合に、インタークーラとして高い性能が得られる条件を求め、それによりインタークーラの性能向上を図ることを目的とする。
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、内燃機関の吸気を加圧する過給器の吸気流れ下流側に配置され、吸気と冷却流体とを熱交換させて吸気を冷却するインタークーラであって、吸気が流れる流路を内部に形成するチューブ(10)と、チューブ(10)内の流路を複数の細流路(100)に分割するようにしてチューブ(10)内に配設され、吸気と冷却流体との熱交換を促進するインナーフィン(11)とを備え、インナーフィン(11)は、細流路(100)を分割する壁面(110)が吸気の流れ方向に直線的に延びているストレートフィンであり、且つ過給気圧が200kPa以上となるインタークーラにおいて、1つのチューブ(10)内の断面積をSとし、1つのチューブ(10)における細流路(100)の合計流路面積をSwaとし、1つの細流路(100)の相当円直径をde(単位:mm)としたとき、de/(S/Swa)が、0.2〜7.5であることを特徴とする。
なお、本明細書における相当円直径deは、チューブ(10)の積層方向高さをTh、チューブ(10)の板厚をtt、インナーフィン(11)の板厚をtiとしたとき、de=4×(Th−2×tt−ti)×(d/2−ti)/〔2×((Th−2×tt−ti)+(d/2−ti))〕で定義される。
ところで、本発明者らが検討した結果、実車におけるエンジン出力Psはインタークーラ出口側における過給気密度に比例することが明らかとなった。そこで、本発明者らは、過給気密度と細流路の相当円直径deとの関係からインタークーラのコアの最適仕様を求めることを検討した。しかしながら、過給気密度が最大となる相当円直径deの値がインナーフィンの板厚によって変化してしまい、相当円直径deをパラメータとしてインタークーラのコアの最適仕様を求めることは適切でないことが分かった。
そこで、本発明者らがさらに検討を行ったところ、de/(S/Swa)をパラメータとした場合、過給気密度が最大となるde/(S/Swa)の値は、インナーフィンの板厚の影響を受けにくいことが確認された。したがって、de/(S/Swa)をパラメータとしてインタークーラのコアの最適仕様を求めることが可能になった。
そして、請求項1に記載の発明のように、インナーフィンがストレートフィンであり、過給気圧が200kPa以上となるインタークーラの場合、de/(S/Swa)を0.2〜7.5にすることにより、過給気密度が最大値の90%以上となる高性能のインタークーラを得ることができる。
また、請求項2に記載の発明のように、インナーフィンがストレートフィンであり、過給気圧が200kPa以上となるインタークーラの場合、de/(S/Swa)を0.3〜4.5にすることにより、過給気密度が最大値の95%以上となるさらに高性能のインタークーラを得ることができる。
さらに、請求項3に記載の発明のように、インナーフィンがストレートフィンであり、過給気圧が200kPa以上となるインタークーラの場合、de/(S/Swa)を0.5〜3.5にすることにより、過給気密度が最大値の97%以上となる極めて高性能のインタークーラを得ることができる。
請求項4に記載の発明では、内燃機関の吸気を加圧する過給器の吸気流れ下流側に配置され、吸気と冷却流体とを熱交換させて吸気を冷却するインタークーラであって、吸気が流れる流路を内部に形成するチューブ(10)と、チューブ(10)内の流路を複数の細流路(100)に分割するようにしてチューブ(10)内に配設され、吸気と冷却流体との熱交換を促進するインナーフィン(11)とを備え、インナーフィン(11)は、細流路(100)を分割する壁面(110)が吸気の流れ方向に直線的に延びているストレートフィンであり、且つチューブ(10)およびインナーフィン(11)が銅または銅合金からなるインタークーラにおいて、1つのチューブ(10)内の断面積をSとし、1つのチューブ(10)における細流路(100)の合計流路面積をSwaとし、1つの細流路(100)の相当円直径をde(単位:mm)としたとき、de/(S/Swa)が、0.2〜7.5であることを特徴とする。
これによると、インナーフィンがストレートフィンであり、チューブおよびインナーフィンが銅または銅合金からなるインタークーラの場合、de/(S/Swa)を0.2〜7.5にすることにより、過給気密度が最大値の90%以上となる高性能のインタークーラを得ることができる。
また、請求項5に記載の発明のように、インナーフィンがストレートフィンであり、チューブおよびインナーフィンが銅または銅合金からなるインタークーラの場合、de/(S/Swa)を0.3〜4.5にすることにより、過給気密度が最大値の95%以上となるさらに高性能のインタークーラを得ることができる。
さらに、請求項6に記載の発明のように、インナーフィンがストレートフィンであり、チューブおよびインナーフィンが銅または銅合金からなるインタークーラの場合、de/(S/Swa)を0.5〜3.5にすることにより、過給気密度が最大値の97%以上となる極めて高性能のインタークーラを得ることができる。
請求項7に記載の発明では、内燃機関の吸気を加圧する過給器の吸気流れ下流側に配置され、吸気と冷却流体とを熱交換させて吸気を冷却するインタークーラであって、吸気が流れる流路を内部に形成するチューブ(10)と、チューブ(10)内の流路を複数の細流路(100)に分割するようにしてチューブ(10)内に配設され、吸気と冷却流体との熱交換を促進するインナーフィン(11)とを備え、インナーフィン(11)は、細流路(100)を分割する壁面(110)が吸気の流れ方向に沿って千鳥状に配置されているオフセットフィンであり、且つ過給気圧が200kPa以上となるインタークーラにおいて、1つのチューブ(10)内の断面積をSとし、1つのチューブ(10)における細流路(100)の合計流路面積をSwaとし、1つの細流路(100)の相当円直径をde(単位:mm)としたとき、de/(S/Swa)が、0.4〜9.5であることを特徴とする。
これによると、インナーフィンがオフセットフィンであり、過給気圧が200kPa以上となるインタークーラの場合、de/(S/Swa)を0.4〜9.5にすることにより、過給気密度が最大値の90%以上となる高性能のインタークーラを得ることができる。
また、請求項8に記載の発明のように、インナーフィンがオフセットフィンであり、過給気圧が200kPa以上となるインタークーラの場合、de/(S/Swa)を0.6〜7.2にすることにより、過給気密度が最大値の95%以上となるさらに高性能のインタークーラを得ることができる。
さらに、請求項9に記載の発明のように、インナーフィンがオフセットフィンであり、過給気圧が200kPa以上となるインタークーラの場合、de/(S/Swa)を0.8〜6.2にすることにより、過給気密度が最大値の97%以上となる極めて高性能のインタークーラを得ることができる。
請求項10に記載の発明では、内燃機関の吸気を加圧する過給器の吸気流れ下流側に配置され、吸気と冷却流体とを熱交換させて吸気を冷却するインタークーラであって、吸気が流れる流路を内部に形成するチューブ(10)と、チューブ(10)内の流路を複数の細流路(100)に分割するようにしてチューブ(10)内に配設され、吸気と冷却流体との熱交換を促進するインナーフィン(11)とを備え、インナーフィン(11)は、細流路(100)を分割する壁面(110)が吸気の流れ方向に沿って千鳥状に配置されているオフセットフィンであり、且つチューブ(10)およびインナーフィン(11)が銅または銅合金からなるインタークーラにおいて、1つのチューブ(10)内の断面積をSとし、1つのチューブ(10)における細流路(100)の合計流路面積をSwaとし、1つの細流路(100)の相当円直径をde(単位:mm)としたとき、de/(S/Swa)が、0.4〜9.5であることを特徴とする。
これによると、インナーフィンがオフセットフィンであり、チューブおよびインナーフィンが銅または銅合金からなるインタークーラの場合、de/(S/Swa)を0.4〜9.5にすることにより、過給気密度が最大値の90%以上となる高性能のインタークーラを得ることができる。
また、請求項11に記載の発明のように、インナーフィンがオフセットフィンであり、チューブおよびインナーフィンが銅または銅合金からなるインタークーラの場合、de/(S/Swa)を0.6〜7.2にすることにより、過給気密度が最大値の95%以上となるさらに高性能のインタークーラを得ることができる。
さらに、請求項12に記載の発明のように、インナーフィンがオフセットフィンであり、チューブおよびインナーフィンが銅または銅合金からなるインタークーラの場合、de/(S/Swa)を0.8〜6.2にすることにより、過給気密度が最大値の97%以上となる極めて高性能のインタークーラを得ることができる。
また、請求項13に記載の発明のように、インナーフィン(11)の板厚を、0.15mm未満とすることで、インタークーラの必要な強度を確保しつつ、高性能となる範囲で使うことができる。
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
(第1実施形態)
以下、本発明の第1実施形態について説明する。図1は第1実施形態に係るインタークーラの正面図、図2は図1におけるA部の拡大図、図3は図2におけるB−B線に沿う断面図である。
本実施形態のインタークーラは、内燃機関(図示せず)の吸気を加圧する過給器(図示せず)の吸気流れ下流側に配置され、吸気と冷却風とを熱交換させて吸気を冷却するものである。なお、冷却風は、本発明の冷却流体に相当する。
図1〜図3に示すように、インタークーラのコア1は、多数積層配置されるとともに吸気が流れる流路が内部に形成された扁平状のチューブ10、チューブ10内に配設されたインナーフィン11、積層されたチューブ10間に配設されたアウターフィン12を備えている。
コア1を構成する部品、すなわちチューブ10、インナーフィン11、およびアウターフィン12は、いずれも銅または銅合金からなる。より詳細には、コア1を構成する部品は高温強度が高い材料を用いるのが望ましく、例えばクロムを添加した銅合金が好適である。
アウターフィン12は、波状に形成されるとともにチューブ10に接合され、チューブ10間を流れる冷却風とチューブ10内を流れる吸気との熱交換を促進するものである。なお、アウターフィン12には、空気の流れを乱して温度境界層が成長することを防止すべく、その一部を切り起こして鎧窓状としたルーバ(図示せず)が設けられている。
インナーフィン11は、波状に形成されるとともにチューブ10に接合され、冷却風と吸気との熱交換を促進するものである。また、インナーフィン11は、チューブ10の対向面を連結する多数の壁面110を有しており、この壁面 110によってチューブ10内の流路が複数の細流路100に分割されている。なお、インナーフィン11にはルーバは設けられていない。
チューブ10の長手方向両端側には、チューブ10の積層方向に延びて各チューブ10に連通するヘッダタンク2、3が設けられている。一方のヘッダタンク2は、入口部20が過給器に接続され、過給器から圧送された吸気を各チューブ10に分配供給するものである。他方のヘッダタンク3は、出口部30が内燃機関の吸気ポートに接続され、チューブ10から流出する吸気を集合回収して内燃機関の吸気ポートに送り出すものである。ヘッダタンク2、3は、いずれも銅または銅合金からなる。
本実施形態のように、インターク―ラ用材料として銅または銅合金を使用することにより高温強度を向上できるとともに、銅はアルミニウムの約2倍の強度を持つため板厚を薄くすることができる。
そこで、上記構成になる本実施形態のインターク―ラについて、インナーフィン11の板厚ti(図3参照、単位:mm)を変更した場合のコア1の性能を計算により求めて、コア1の最適仕様の検討を行った。
この検討は、以下の条件で行った。まず、インタークーラの仕様は次の通りである。インナーフィン11は、壁面110がチューブ10内での吸気の流れ方向に沿って直線的に延びているストレートフィンである。
コア1は、幅が596.9mm、高さが886mm、厚さが56mmである。なお、コア1の幅は図1における紙面左右方向の寸法であり、コア1の高さは図1における紙面上下方向の寸法であり、コア1の厚さは図1における紙面に垂直な方向の寸法である。
チューブ10は、高さTh(図3参照)が5.9mm、厚さが56mmであり、板厚tt(図3参照)が0.3mmである。なお、チューブ高さThは図1における紙面上下方向の寸法であり、チューブ10の厚さは図1における紙面に垂直な方向の寸法である。アウターフィン12は、フィンピッチが4.0mm、板厚が0.05mmである。
また、コア1の性能計算の条件は次の通りである。インタークーラに流入する時点での冷却風の温度が30℃、冷却風の風速が8m/s、ヘッダタンク2の入口部20での過給気(吸気)の温度が180℃、ヘッダタンク2の入口部20での過給気の圧力が200kPa、過給気の質量流量が2000kg/hrである。
図4はコア1の性能の計算結果を示すもので、縦軸はインタークーラを通過後の過給気の密度ρ、横軸は本発明者らが考案し採用した修正相当円直径である。因みに、1つのチューブ10内の吸気流れ方向に対して垂直な面の断面積をSとし、1つのチューブ10における細流路100の合計流路面積をSwaとし、1つの細流路100の相当円直径をde(単位:mm)としたとき、修正相当円直径は、de/(S/Swa)である。
図4から明らかなように、修正相当円直径をパラメータとした場合、過給気密度ρが最大となる修正相当円直径の値は、インナーフィン11の板厚tiの影響を受けにくく、したがって、修正相当円直径をパラメータとしてコア1の最適仕様を求めることが可能である。
具体的には、インナーフィン11がストレートフィンであり、過給気圧が200kPa以上となるインタークーラの場合、あるいは、インナーフィンがストレートフィンであり、チューブ10およびインナーフィン11が銅または銅合金からなるインタークーラの場合、修正相当円直径を0.2〜7.5にすることにより、過給気密度ρが最大値の90%以上となり、修正相当円直径を0.3〜4.5にすることにより、過給気密度ρが最大値の95%以上となり、修正相当円直径を0.5〜3.5にすることにより、過給気密度ρが最大値の97%以上となる。
次に、インナーフィン11としてオフセットフィンを用いた場合の、コア1の最適仕様の検討を行った。オフセットフィンとは、周知のように、壁面110がチューブ10内での吸気の流れ方向に沿って千鳥状に配置されているものをいう。なお、その他の条件は上記した検討例と同じである。
図5はその計算結果を示すもので、インナーフィン11がオフセットフィンであり、過給気圧が200kPa以上となるインタークーラの場合、あるいは、インナーフィンがオフセットフィンであり、チューブ10およびインナーフィン11が銅または銅合金からなるインタークーラの場合、修正相当円直径を0.4〜9.5にすることにより、過給気密度ρが最大値の90%以上となり、修正相当円直径を0.6〜7.2にすることにより、過給気密度ρが最大値の95%以上となり、修正相当円直径を0.8〜6.2にすることにより、過給気密度ρが最大値の97%以上となる。
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態について図6〜図8に基づいて説明する。上記第1実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態では、インナーフィン11としてオフセットフィンを用い、チューブ10およびインナーフィン11が銅または銅合金からなるインタークーラにおいて、インナーフィン11の板厚tiについて検討を行った結果、適切な板厚tiの範囲があることを見出した。
図6は、応力(S)とその繰り返しに耐えた回数(N)との関係を示す線図で、縦軸は応力振幅σ、横軸は破断するまでの繰り返し数Nである。
まず、図6より銅およびアルミニウムの疲労限度を求める。疲労限度とは、無限に繰り返しても破断しないと考えられる応力の最大値である。なお、アルミニウムには疲労限度が存在しないため、本実施形態では、銅、アルミニウムともに10回繰り返したときに破断しない最大応力を疲労限度とする。
そして、図6において、先程求められた疲労限界より、銅およびアルミニウムの設計応力をそれぞれ算出したところ、銅の場合は80MPa、アルミニウムの場合は30MPaであった。
ところで、インナーフィン11には、チューブ10の内壁との接着部に最大の応力が発生する。そこで、この接着部にかかる応力と先程求めた設計応力から、銅およびアルミニウムそれぞれの場合についてインナーフィン11の板厚限界を求める。
図7は、内圧200kPa負荷時におけるインナーフィン11の板厚tiと、そのインナーフィン11の接着部にかかる応力との関係を示す特性図で、縦軸はインナーフィン11におけるチューブ10内壁との接着部にかかる応力、横軸はインナーフィン11の板厚tiである。
図7に示すように、銅の場合は設計応力が80MPaであるため、インナーフィン11の限界板厚は0.02mmであった。これに対し、アルミニウムの場合は設計応力が30MPaであるため、インナーフィン11の限界板厚は0.15mmであった。
ところで、インナーフィン11の板厚tiを変更した場合のインタークーラの性能を計算により求めた。図8は本第2実施形態に係るインタークーラの性能の計算結果を示すもので、縦軸はインタークーラを通過後の過給気の密度ρ、横軸はインナーフィン11の板厚tiである。
図8から明らかなように、インナーフィン11の板厚tiが0.15mm未満のときに、インタークーラが高性能となる範囲がある。そして、インナーフィン11の板厚tiを薄くすることによって、高性能なインタークーラを得ることが出来る。
しかしながら、インナーフィン11がアルミニウムからなる場合、板厚限界が0.15mmであるため実用性がない。したがって、インナーフィン11が銅(銅合金を含む)からなり、かつ、インナーフィン11の板厚tiが0.15mm未満とすることで、インタークーラの必要な強度を確保しつつ、高性能となる範囲で使うことができる。
(他の実施形態)
上記第1実施形態では、コア1を構成する部品を銅または銅合金製としたが、コア1を構成する部品を銅または銅合金以外の材質にしたインタークーラ、例えばアルミニウム製としたインタークーラにも、本発明は適用することができる。
第1実施形態に係るインタークーラの正面図である。 図1におけるA部の拡大図である。 図2におけるB−B線に沿う断面図である。 第1実施形態に係るストレートフィンを用いた場合のコア1の性能の計算結果を示す図である。 第1実施形態に係るオフセットフィンを用いた場合のコア1の性能の計算結果を示す図である。 第2実施形態に係る応力(S)とその繰り返しに耐えた回数(N)との関係を示す線図である。 第2実施形態に係るインナーフィン11の板厚tiと、そのインナーフィン11の接着部にかかる応力との関係を示す特性図である。 第2実施形態に係るインナーフィン11の板厚tiを変更した場合のインタークーラの性能の計算結果を示す図である。
符号の説明
10…チューブ、11…インナーフィン、100…細流路、110…壁面。

Claims (13)

  1. 内燃機関の吸気を加圧する過給器の吸気流れ下流側に配置され、吸気と冷却流体とを熱交換させて吸気を冷却するインタークーラであって、
    吸気が流れる流路を内部に形成するチューブ(10)と、前記チューブ(10)内の流路を複数の細流路(100)に分割するようにして前記チューブ(10)内に配設され、吸気と冷却流体との熱交換を促進するインナーフィン(11)とを備え、
    前記インナーフィン(11)は、前記細流路(100)を分割する壁面(110)が吸気の流れ方向に直線的に延びているストレートフィンであり、且つ過給気圧が200kPa以上となるインタークーラにおいて、
    1つの前記チューブ(10)内の断面積をSとし、1つの前記チューブ(10)における前記細流路(100)の合計流路面積をSwaとし、1つの前記細流路(100)の相当円直径をde(単位:mm)としたとき、
    de/(S/Swa)が、0.2〜7.5であることを特徴とするインタークーラ。
  2. de/(S/Swa)が、0.3〜4.5であることを特徴とする請求項1に記載のインタークーラ。
  3. de/(S/Swa)が、0.5〜3.5であることを特徴とする請求項1に記載のインタークーラ。
  4. 内燃機関の吸気を加圧する過給器の吸気流れ下流側に配置され、吸気と冷却流体とを熱交換させて吸気を冷却するインタークーラであって、
    吸気が流れる流路を内部に形成するチューブ(10)と、前記チューブ(10)内の流路を複数の細流路(100)に分割するようにして前記チューブ(10)内に配設され、吸気と冷却流体との熱交換を促進するインナーフィン(11)とを備え、
    前記インナーフィン(11)は、前記細流路(100)を分割する壁面(110)が吸気の流れ方向に直線的に延びているストレートフィンであり、且つ前記チューブ(10)および前記インナーフィン(11)が銅または銅合金からなるインタークーラにおいて、
    1つの前記チューブ(10)内の断面積をSとし、1つの前記チューブ(10)における前記細流路(100)の合計流路面積をSwaとし、1つの前記細流路(100)の相当円直径をde(単位:mm)としたとき、
    de/(S/Swa)が、0.2〜7.5であることを特徴とするインタークーラ。
  5. de/(S/Swa)が、0.3〜4.5であることを特徴とする請求項4に記載のインタークーラ。
  6. de/(S/Swa)が、0.5〜3.5であることを特徴とする請求項4に記載のインタークーラ。
  7. 内燃機関の吸気を加圧する過給器の吸気流れ下流側に配置され、吸気と冷却流体とを熱交換させて吸気を冷却するインタークーラであって、
    吸気が流れる流路を内部に形成するチューブ(10)と、前記チューブ(10)内の流路を複数の細流路(100)に分割するようにして前記チューブ(10)内に配設され、吸気と冷却流体との熱交換を促進するインナーフィン(11)とを備え、
    前記インナーフィン(11)は、前記細流路(100)を分割する壁面(110)が吸気の流れ方向に沿って千鳥状に配置されているオフセットフィンであり、且つ過給気圧が200kPa以上となるインタークーラにおいて、
    1つの前記チューブ(10)内の断面積をSとし、1つの前記チューブ(10)における前記細流路(100)の合計流路面積をSwaとし、1つの前記細流路(100)の相当円直径をde(単位:mm)としたとき、
    de/(S/Swa)が、0.4〜9.5であることを特徴とするインタークーラ。
  8. de/(S/Swa)が、0.6〜7.2であることを特徴とする請求項7に記載のインタークーラ。
  9. de/(S/Swa)が、0.8〜6.2であることを特徴とする請求項7に記載のインタークーラ。
  10. 内燃機関の吸気を加圧する過給器の吸気流れ下流側に配置され、吸気と冷却流体とを熱交換させて吸気を冷却するインタークーラであって、
    吸気が流れる流路を内部に形成するチューブ(10)と、前記チューブ(10)内の流路を複数の細流路(100)に分割するようにして前記チューブ(10)内に配設され、吸気と冷却流体との熱交換を促進するインナーフィン(11)とを備え、
    前記インナーフィン(11)は、前記細流路(100)を分割する壁面(110)が吸気の流れ方向に沿って千鳥状に配置されているオフセットフィンであり、且つ前記チューブ(10)および前記インナーフィン(11)が銅または銅合金からなるインタークーラにおいて、
    1つの前記チューブ(10)内の断面積をSとし、1つの前記チューブ(10)における前記細流路(100)の合計流路面積をSwaとし、1つの前記細流路(100)の相当円直径をde(単位:mm)としたとき、
    de/(S/Swa)が、0.4〜9.5であることを特徴とするインタークーラ。
  11. de/(S/Swa)が、0.6〜7.2であることを特徴とする請求項10に記載のインタークーラ。
  12. de/(S/Swa)が、0.8〜6.2であることを特徴とする請求項10に記載のインタークーラ。
  13. 前記インナーフィン(11)の板厚は、0.15mm未満であることを特徴とする請求項10ないし12のいずれか1つに記載のインタークーラ。
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