JP6464598B2

JP6464598B2 - 内燃機関の冷却システム

Info

Publication number: JP6464598B2
Application number: JP2014155750A
Authority: JP
Inventors: 一秀高田; 清一郎冨川
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2014-07-31
Filing date: 2014-07-31
Publication date: 2019-02-06
Anticipated expiration: 2034-07-31
Also published as: JP2016033335A

Description

本発明は、ラジエータの冷却性能を向上できる内燃機関の冷却システムに関する。

車両に搭載されるディーゼルエンジン等の内燃機関では、過給機によって加圧され昇温した吸気を冷却するインタークーラと、エンジン冷却水を冷却するラジエータを備えて、吸気の温度とエンジン冷却水の温度を下げている。

このインタークーラとラジエータに関しては、冷却風の流れの方向に、インタークーラとラジエータを順番に重ね合わせて平行に配置し、後方のラジエータの後に冷却ファンを配置することが行われている（例えば、引用文献１参照）。

このような従来技術の内燃機関の冷却システムでは、図４に示すように、冷却風（大気）Ａｏの流入方向に関して、インタークーラ２０とラジエータ３０Ｘが配置され、インタークーラ２０は、図５に示すように、流入側ヘッダ２１と流出側ヘッダ２２の間を接続し、かつ、奥行が冷却風Ａｏの流入方向になるように水平に配置された多数の扁平形状の放熱チューブ２３と、放熱チューブ２３の間の隙間Ｓｖに設けられた外部フィン２４とを有して形成されており、高温の吸気Ｍｉを流入側ヘッダ２１の流入配管２１ａから多数の放熱チューブ２３を通して、この吸気Ｍｉが持っている熱量を放熱チューブ２３と外部フィン２４を介して冷却風Ａｏと熱交換して吸気Ｍｉを冷却している。この冷却された吸気Ｍｏは、流出側ヘッダ２２の流出配管２２ａから吸気通路（図示しない）に供給される。

また、図６に示すように、ラジエータ３０Ｘは、流入側ヘッダ３１と流出側ヘッダ３２の間を接続し、かつ、奥行が冷却風Ａｏの流入方向（Ｘ方向）になるように垂直に配置された多数の扁平形状の放熱チューブ３３と、放熱チューブ３３の間の隙間Ｓｈに設けられた外部フィン３４とを有して形成されており、高温のエンジン冷却水Ｗｉを流入側ヘッダ３１の流入配管３１ａから多数の放熱チューブ３３を通して、このエンジン冷却水Ｗｉが持っている熱量を放熱チューブ３３と外部フィン３４を介して冷却風Ａｏと熱交換してエンジン冷却水Ｗｉを冷却する。この冷却されたエンジン冷却水Ｗｏは、流出側ヘッダ３２の流出配管３２ａから、エンジン本体（図示しない）や冷却水ポンプ（図示しない）に供給される。

しかしながら、流入側の吸気Ｍｉの温度は、１２０℃〜１５０℃、あるいは、高くなると２００℃〜２２０℃にもなるのに対して、流入側のエンジン冷却水Ｗｉの温度は、８５℃前後となっている。そして、インタークーラ２０の吸気Ｍｉの入口側では高い温度に、出口側では低い温度となっており、また、その中程では、その中間の温度となっているため、このインタークーラ２０を通過して後方のラジエータ３０Ｘに流入する冷却風Ａｏの温度は、ラジエータ３０Ｘの部位によって異なり、図３に示すような高（高温）、中（中温）、低（低温）の分布を示す。

そして、このインタークーラ２０の入口側の後方に位置するラジエータ３０Ｘの部位ＲＨでは、ラジエータ３０Ｘに流入してくる冷却風Ａｏの温度が高くなるため、高負荷時などで、吸気Ｍｉの圧縮率が高くなって吸気Ｍｉの温度が高くなると、この吸気Ｍｉの熱が冷却風Ａｏを介してラジエータ３０Ｘのエンジン冷却水Ｗｉに伝達され、ラジエータ３０Ｘの冷却性能が低下するという問題があった。

これに関連して、吸気温度が２００℃〜２２０℃程度まで上昇してもラジエータにおける冷却性能を十分に確保するために、インタークーラの後方にラジエータが所定の間隔をあけて重なるように配置され、インタークーラの吸気用チューブ内における吸気流方向とラジエータの冷却水チューブ内における冷却水流方向とが直交するように構成されたエンジンの吸気・冷却水の冷却構造において、インタークーラの吸気流入側の第１領域を除いた第２領域に対抗するラジエータの部分のみに冷却水チューブが設けられたエンジンの吸気・冷却水の冷却構造が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

しかしながら、インタークーラの風を受ける面積の大きさは、後方のラジエータ全体を遮る程大きくはなく、一般的にはラジエータの風を受ける面積よりも小さいので、このエンジンの吸気・冷却水の冷却構造では、第１領域では冷却水チューブを全く設けないため、ラジエータの有効面積が２５％から２０％程度失われることになる。そのため、ラジエータによる冷却水に対する冷却性能を維持しようとすると、ラジエータ自体を大きくする必要が生じるという問題がある。また、吸気温度がそれ程高くならないエンジンの運転領域では冷却性能を有効に発揮できていた第１領域で、冷却水を冷却できなくなるので、この面からも冷却性能が低下するという問題がある。

実開昭６０−７８９３０号公報特開２００３−１７２１３９号公報

本発明は、上記のことを鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関のエンジン冷却水を冷却するラジエータの前に吸気を冷却するインタークーラを配置した内燃機関の冷却システムにおいて、インタークーラからラジエータが受ける熱量を少なくすることができて、ラジエータにおけるエンジン冷却水の冷却効果を向上できて、エンジン性能を向上できる内燃機関の冷却システム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内燃機関の冷却システムは、内燃機関のエンジン冷却水を冷却するラジエータの前に吸気を冷却するインタークーラを配置した内燃機関の冷却システムにおいて、前記インタークーラに関して、その幅方向一端部に配置された吸気用の流入側ヘッダとその幅方向他端部に配置された吸気用の流出側ヘッダの間を幅方向に配置された複数の吸気用の放熱チューブで接続して構成し、前記ラジエータに関して、その垂直方向一端部に配置されたエンジン冷却水用の流入側ヘッダとその垂直方向他端部に配置されたエンジン冷却水用の流出側ヘッダの間を垂直方向に配置された複数のエンジン冷却水用の放熱チューブで接続して構成し、前記エンジン冷却水用の流入側ヘッダに関して、前記幅方向他端部の側にエンジン冷却水の流入配管を接続して構成し、前記エンジン冷却水用の流出側ヘッダに関して、前記幅方向一端部の側にエンジン冷却水の流出配管を接続して構成し、前記ラジエータの放熱効率が前記幅方向一端部の側から前記幅方向他端部の側に向かうにつれて連続的または段階的に高くなるように、前記インタークーラの吸気の入口側の部位の後方となる、前記ラジエータの部位の外部フィンの放熱効率を、その他の部位の外部フィンの放熱効率よりも低くするとともに、エンジン冷却水が通る前記ラジエータの放熱チューブの内部に設けられる内部フィンに関して、前記ラジエータの部位の内部フィンのピッチを前記その他の部位の内部フィンのピッチよりも粗くすることで放熱効率を低くする。

この構成によれば、吸気が流入して温度が高くなっているインタークーラの入口側の部位から放熱される熱を受ける部位において、その部位の放熱効率を低下させることにより、インタークーラからの受熱量を少なくすることができて、ラジエータ全体としてエンジン冷却水との熱交換量を多くすることができて、ラジエータの冷却性能を向上できる。

上記の内燃機関の冷却システムにおいて、前記ラジエータの部位の放熱効率の低下をその部位の外部フィンのピッチを粗くすることで行うと、容易にその部位の放熱効率を低くすることができる。
また、上記の内燃機関の冷却システムにおいて、前記外部フィンの放熱効率を低下させる部位の範囲を、前記インタークーラの吸気の入口側から前記インタークーラの幅の１０％以上５０％以下とする。この構成によれば、放熱効率を低下させる部位を、ラジエータの幅の１０％以上５０％以下、好ましくは、２０％以上４０％以下とすると、インタークーラからの熱を受ける部位で、効率よく、その部位の放熱効率を低下させることができ、他の部位の放熱効率を維持できて、全体としての冷却効率を向上することができる。

本発明の内燃機関の冷却システムによれば、ラジエータの前にインタークーラを配置した内燃機関の冷却システムにおいて、インタークーラからラジエータが受ける熱量を少なくすることができて、ラジエータの全体としてのエンジン冷却水の冷却効果を向上できるので、エンジンの性能の向上を図ることができる。

本発明に係る実施の形態の内燃機関の冷却システムにおけるラジエータの構成を模式的に示す図である。本発明に係る実施の形態の内燃機関の冷却システムにおけるラジエータの別の構成を模式的に示す図である。ラジエータに流入する冷却風の温度の分布を模式的に示す図である。本発明に係る実施の形態の内燃機関の冷却システムにおけるインタークーラとラジエータの配置を示す図である。インタークーラの構成の一例を模式的に示す図である。従来技術の内燃機関の冷却システムにおけるラジエータの構成を模式的に示す図である。

以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関の冷却システムについて、図面を参照しながら説明する。ここでは、放熱チューブが水平に配置されたインタークーラと放熱チューブが垂直に配置されたラジエータとの組み合わせを例にして説明するが、本発明は、このインタークーラとラジエータの組み合わせに限定されることなく、その他の内燃機関の冷却システムに適用することができる。

図４に示すように、本発明の内燃機関の冷却システム１では、冷却風（大気）Ａｏの流入方向に関して、インタークーラ２０とラジエータ３０が配置され、インタークーラ２０は、図５に示すように、流入側ヘッダ２１と流出側ヘッダ２２の間を接続し、かつ、奥行が冷却風Ａｏの流入方向になるように水平方向に配置された多数の扁平形状の放熱チューブ２３と、放熱チューブ２３の間の隙間Ｓｖに設けられた外部フィン２４とを有して形成される。なお、この放熱チューブ２３の熱伝達効率を向上させるために、放熱チューブ２３の内部に吸気Ｍｉとの接触面積を増やすための内部フィンを設けてもよい。

このインタークーラ２０では、１２０℃〜１５０℃、あるいは、２００℃〜２２０℃となる場合もある高温の吸気Ｍｉを流入側ヘッダ２１の流入配管２１ａから多数の放熱チューブ２３を通して、この吸気Ｍｉが持っている熱量を放熱チューブ２３の壁面と外部フィン２４を介して冷却風Ａｏとの間で熱交換して吸気Ｍｉを冷却する。この冷却された吸気Ｍｏは、流出側ヘッダ２２の流出配管２２ａから、吸気通路（図示しない）に供給される。

また、図１に示すように、ラジエータ３０は、流入側ヘッダ３１と流出側ヘッダ３２の間を接続し、かつ、奥行が冷却風Ａｏの流入方向になるように垂直方向に配置された多数の扁平形状の放熱チューブ３３と、放熱チューブ３３の間の隙間Ｓｈに設けられた外部フィン３４Ａ、３４Ｃとを有して形成される。

このラジエータ３０においては、高温のエンジン冷却水Ｗｉを流入側ヘッダ３１の流入配管３１ａから多数の放熱チューブ３３を通して、このエンジン冷却水Ｗｉが持っている熱量を放熱チューブ３３と外部フィン３４Ａ、３４Ｃを介して冷却風Ａｏに伝達してエンジン冷却水Ｗｉを冷却する。この冷却されたエンジン冷却水Ｗｏは、流出側ヘッダ３２の流出配管３２ａから、エンジン本体（図示しない）や冷却水ポンプ（図示しない）に供給される。

そして、図１に示すように、本発明に係る実施の形態の内燃機関の冷却システム１のラジエータ３０において、インタークーラ２０の吸気Ｍｉの入口側の部位の後方となる、ラジエータ３０の部位（高さ方向ではＨａの範囲、幅方向（Ｙ方向）ではＲＨの範囲＝Ｈａ×ＲＨとする）の放熱効率を、その他の部位の放熱効率よりも低く構成する。この放熱効率の変化は、外部フィン３４Ａ，３４Ｃのピッチの粗密の変化で行うことができる。

また、放熱チューブ３３の内部に内部フィン（図示しない）を設ける場合には、この内部フィンのピッチの粗密の変化でも行うことができ、また、外部フィン３４Ａ，３４Ｃと内部フィンの両方のピッチの粗密の変化で行うこともできる。

他にも、外部フィン３４Ａ、３４Ｃの形状の変化、内部フィンの形状の変化、隙間Ｓｈにおける伝熱面積増加部材（図示しない）の配置の有無若しくは配置される伝熱面積増加部材の形状の変化のいずれか、又は、それらの組み合わせを用いることもできる。なお、この伝熱面積増加部材は、外部フィン３４の表面積を増加させるための補助的部材であり、冷却風Ａｏとの接触面積が大きいだけでなく、外部フィン３４又は放熱チューブ３３の壁面との接触面をできるだけ大きくして熱伝達率を向上させることも重要である。

これにより、吸気Ｍｉが流入して温度が高くなっているインタークーラ２０の入口側の部位から放熱される熱を受ける部位（Ｈａ×ＲＨ）において、例えば外部フィン３４Ａのピッチを粗くして放熱効率を低下させることにより、インタークーラ２０からの受熱量を少なくする。その結果、ラジエータ３０におけるエンジン冷却水Ｗｉとの熱交換量を全体として多くすることができるので、ラジエータ３０の冷却性能を向上できる。

また、この放熱効率を低下させた外部フィン３４Ａを配置する部位（Ｈａ×ＲＨ）を、インタークーラ２０の吸気Ｍｉの入口側からインタークーラ２０の幅ＲＴの１０％以上５０％以下、好ましくは、２０％以上４０％以下とする。これにより、インタークーラ２０からの熱を受ける部位（Ｈａ×ＲＨ）で、効率よく外部フィン３４Ａの放熱効率を低下させることができ、他の部位での外部フィン３４Ｃの放熱効率を維持できて、全体としての冷却効率を向上することができる。

さらには、図２に示すように、図３の高（高温）、中（中温）、低（低温）の分布に対応させて、放熱効率の低い外部フィン３４Ａ、放熱効率の高い外部フィン３４Ｃ、放熱効率が中程度の外部フィン３４Ｂの３種の外部フィン３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃを用意し、それぞれ、図３の高、中、低の部位に対応するそれぞれの部位ＲＨ，ＲＭ，ＲＬに配置する。

なお、図１や図２の外部フィン３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃで示すように、幅方向（Ｙ方向）に関して段階的に放熱効率を変化させてもよいが、幅方向（Ｙ方向）に関して連続的に変化させてもよい。また、高さ方向（Ｚ方向）に関して、インタークーラ２０の高さ方向の中心位置から上下に段階的又は連続的に放熱効率を変化させてもよい。これにより、より極め細かく放熱チューブ３３における熱伝達量を変化させることができ、ラジエータ３０の全体としての冷却効率をより向上させることができる。

従って、本発明の内燃機関の冷却システム１によれば、ラジエータ３０の前にインタークーラ２０を配置した内燃機関の冷却システム１において、インタークーラ２０からラジエータ３０が受ける熱量を少なくすることができて、ラジエータ３０の全体としてのエンジン冷却水Ｗｉの冷却効果を向上できるので、エンジンの性能の向上を図ることができる。

１、１Ｘ内燃機関の冷却システム
２０インタークーラ
２１流入側ヘッダ
２１ａ流入配管
２２流出側ヘッダ
２２ａ流出配管
２３放熱チューブ
３０ラジエアータ
３１流入側ヘッダ
３１ａ流入配管
３２流出側ヘッダ
３２ａ流出配管
３３放熱チューブ
３３Ａ放熱チューブ（放熱効率高：ピッチが粗）
３３Ｂ放熱チューブ（放熱効率中：ピッチが中）
３３Ｃ放熱チューブ（放熱効率低：ピッチが密）
Ａｏ冷却風（外気）
Ｍｉ吸気（流入）
Ｍｏ吸気（流出）
Ｗｉエンジン冷却水（流入）
Ｗｏエンジン冷却水（流出）

Claims

内燃機関のエンジン冷却水を冷却するラジエータの前に吸気を冷却するインタークーラを配置した内燃機関の冷却システムにおいて、
前記インタークーラに関して、その幅方向一端部に配置された吸気用の流入側ヘッダとその幅方向他端部に配置された吸気用の流出側ヘッダの間を幅方向に配置された複数の吸気用の放熱チューブで接続して構成し、
前記ラジエータに関して、その垂直方向一端部に配置されたエンジン冷却水用の流入側ヘッダとその垂直方向他端部に配置されたエンジン冷却水用の流出側ヘッダの間を垂直方向に配置された複数のエンジン冷却水用の放熱チューブで接続して構成し、
前記エンジン冷却水用の流入側ヘッダに関して、前記幅方向他端部の側にエンジン冷却水の流入配管を接続して構成し、
前記エンジン冷却水用の流出側ヘッダに関して、前記幅方向一端部の側にエンジン冷却水の流出配管を接続して構成し、
前記ラジエータの放熱効率が前記幅方向一端部の側から前記幅方向他端部の側に向かうにつれて連続的または段階的に高くなるように、前記インタークーラの吸気の入口側の部位の後方となる、前記ラジエータの部位の外部フィンの放熱効率を、その他の部位の外部フィンの放熱効率よりも低くするとともに、エンジン冷却水が通る前記ラジエータの放熱チューブの内部に設けられる内部フィンに関して、前記ラジエータの部位の内部フィンのピッチを前記その他の部位の内部フィンのピッチよりも粗くすることで放熱効率を低くすることを特徴とする内燃機関の冷却システム。
前記ラジエータの部位の放熱効率の低下をその部位の外部フィンのピッチを粗くすることで行うことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の冷却システム。
前記外部フィンの放熱効率を低下させる部位の範囲を、前記インタークーラの吸気の入口側から前記インタークーラの幅の１０％以上５０％以下とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の冷却システム。