JP2009197680A

JP2009197680A - 建設機械

Info

Publication number: JP2009197680A
Application number: JP2008040348A
Authority: JP
Inventors: Taisuke Ikeda; 泰輔池田; Junpei Yokota; 淳平横田
Original assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2008-02-21
Filing date: 2008-02-21
Publication date: 2009-09-03
Also published as: CN101952582B; US20110011377A1; CN101952582A; EP2249019A1; WO2009104630A1

Abstract

【課題】空冷式ＥＧＲクーラーを冷却ファンまわりに配置しながら、熱交換器の冷却効果を低下させずに、クーラーの冷却効率を高める。
【解決手段】エンジン９の排気側から排気ガスの一部を抜き出して吸気側に再循環させるＥＧＲ管路２０と、このＥＧＲ管路２０を流れる再循環ガスを冷却する空冷式ＥＧＲクーラー２１とを具備し、この空冷式ＥＧＲクーラー２１を、エンジン９と冷却ファン１１との間、すなわち、冷却ファン１１の下流側であってアッパーフレームの左側縦板３の上方で、ファン外周側に、かつ、ファン円周方向の一部に傾斜姿勢で設け、同ファン外周側を流れる冷却風によって冷却するように構成した。
【選択図】図１

Description

本発明はＥＧＲ装置を備えた油圧ショベル等の建設機械に関するものである。

従来、自動車の排ガス対策として、排気ガスの一部を抜き出して吸気側に再循環させることにより、燃焼温度を低下させてＮＯx（窒素酸化物）やＰＭ（粒子状物質）の低減を図るＥＧＲ（Ｅxhaust Gas Recirculation：排気ガス再循環）装置が用いられており、油圧ショベル等の建設機械においても同装置の導入が求められている。

このＥＧＲ装置においては、きわめて高温の排気ガスをエンジンの燃焼等に適した温度に冷却する必要があり、この冷却技術として特許文献１に示されたものが公知である。

この公知技術においては、排気側からＥＧＲ管路に抜き出した排気ガスを、ラジエータの冷却水を用いた水冷式ＥＧＲクーラーと、ラジエータを含む熱交換器を冷却するための冷却ファンを用いた空冷式ＥＧＲクーラーとによって冷却し、冷却済みガスをＥＧＲバルブを介して吸気側に戻す構成をとっている。

ここで、空冷式ＥＧＲクーラー(以下、空冷式クーラーまたは単にクーラーという)は、冷却ファンの前面側（冷却風の流れから見た場合の上流側）に、ファン全面に対向する状態で設けられている。
特開２００２−１８８５２６号公報

しかし、この構成によると次の問題があった。

（ｉ）一般に建設機械に用いられる冷却ファン（たとえば軸流ファン）は、よく知られているように、回転によって発生する空気流（冷却風）の圧力と流量が、相対的にファン内周側で低く、外周側で高くなる特性を備えているため、ファン全面に対向してクーラーを配置した公知技術によると、クーラー内周側の冷却効果が低くなる。

（ｉｉ）熱交換器とクーラーとが前後に重なって配置されるため、冷却ファンの吸い込み抵抗が増加し、冷却風量が低下する。

この二点により、クーラー（排気ガス）の冷却効率が低く、しかも熱交換器の冷却効果まで悪くなるという問題があった。

また、空冷式クーラーの冷却効率が低い分、水冷式クーラーの冷却効率を上げなければならないため、その水源であるラジエータを大きくする必要があり、これによってコストアップするとともに機器レイアウトが難しくなる。

そこで本発明は、空冷式ＥＧＲクーラーを冷却ファンまわりに配置しながら、熱交換器の冷却効果を低下させずに、クーラーの冷却効率を高めることができる建設機械を提供するものである。

請求項１の発明は、上部旋回体のアッパーフレームにエンジンと、インタークーラー及びラジエータを含む熱交換器と、この熱交換器を空冷する冷却ファンとが設けられ、この冷却ファンは、回転により発生する冷却風の圧力と流量が相対的にファン内周側で低く、外周側で高くなる特性を備えた建設機械において、上記エンジンの排気側から排気ガスの一部を抜き出して吸気側に再循環させるＥＧＲ管路と、このＥＧＲ管路を流れる再循環ガスを冷却する空冷式ＥＧＲクーラーとを具備し、この空冷式ＥＧＲクーラーは、上記冷却ファンの外周側に、同ファン外周側を流れる冷却風によって冷却される状態で設けられたものである。

請求項２の発明は、請求項１の構成において、空冷式ＥＧＲクーラーが、ファン円周方向の一部に設けられたものである。

請求項３の発明は、請求項１または２の構成において、空冷式ＥＧＲクーラーが、エンジンと冷却ファンとの間でファン外周側に設けられたものである。

請求項４の発明は、請求項３の構成において、アッパーフレーム上面に前後方向に延びる縦板が設けられ、この縦板を挟んで片側にエンジン、反対側に冷却ファンがそれぞれ設けられ、空冷式ＥＧＲクーラーが上記縦板の上方でエンジンと冷却ファンとの間に設けられたものである。

請求項５の発明は、請求項３または４の構成において、冷却ファンを外周から覆うシュラウドの開口部がエンジン側に向かって先広がりとなるラッパ状に形成されたものである。

請求項６の発明は、請求項３〜５のいずれかの構成において、冷却ファンとエンジンとの間に、冷却風をファン外周側に導く抵抗板が設けられたものである。

請求項７の発明は、請求項３〜６のいずれかの構成において、空冷式ＥＧＲクーラーが、ファン円周方向の一部に、冷却ファンからファン外周側に向かう冷却風に対向する傾斜姿勢で設けられたものである。

請求項８の発明は、請求項１〜７のいずれかの構成において、空冷式ＥＧＲクーラーで冷却された排気ガスをさらに冷却する水冷式ＥＧＲクーラーが設けられたものである。

本発明によると、空冷式ＥＧＲクーラーを、冷却ファンの外周側を流れる高圧・大流量の冷却風によって冷却される状態で設けたから、第１に、公知技術と比較して同クーラーの冷却効率を格段にアップさせることができる。

第２に、同クーラーをファン外周側に設けているため、ファン全面に対向してクーラーを設けた公知技術と比較して、冷却ファンの吸い込み抵抗の増加（冷却風量の減少）を抑えて、熱交換器の必要な冷却効果を確保することができる。

すなわち、熱交換器の冷却効果を低下させずに、空冷式ＥＧＲクーラーの冷却効率を高めることができる。

また、空冷式クーラーの冷却効率が高くなる分、水冷式クーラーを併用する場合に同クーラーの負担を抑えることができるため、水源であるラジエータの大形化の問題が生じない。

この場合、請求項２の発明によると、空冷式ＥＧＲクーラーをファン円周方向の一部のみに設けたから、冷却ファンの吸い込み抵抗の増加（冷却風量の減少）を抑える点の効果が一層高くなる。

ところで、空冷式クーラーをファン前面に配置する公知技術によると、冷却ファンを外周側から覆うシュラウド内にクーラーをレイアウトしなければならない。この場合、クーラーに導入される排気ガスは高温であるため、ラバーホースの配管や隙間詰めのための発泡ウレタン系のインシュレーション、ゴム系のウェザーストリップ等を使用できなくなる。

加えて、同クーラーをエンジンと同じ振動系で設置するのが望ましいが、この場合、同クーラーがエンジンから離れていることから、支持用のブラケットをエンジン側から出す場合に、そのオーバーハング量が大きくなるため、ブラケットや配管の強度確保が必要となる。

かといって、同クーラーをエンジンと別の振動系で支持しようとすると、同クーラーまわりの配管のつなぎ方が複雑となる。

これに対し、請求項３〜７の発明によると、空冷式ＥＧＲクーラーをエンジンと冷却ファンとの間（冷却ファンの下流側）、すなわち、エンジンに近い位置でファン外周側に設けたから、同クーラーをシュラウド外に設置することができる。

このため、ラバーホースやインシュレーションの使用が制限されるという問題がなくなるとともに、同クーラーをエンジンと同じ振動系で容易に設置することができる。

ここで、油圧ショベルにおいては、一般的に、上部旋回体のアッパーフレーム上面に、強度部材である左右の縦板が前後方向に設けられ、一方の縦板を挟んで片側にエンジン、反対側に冷却ファンがそれぞれ配置されるため、両者間に比較的大きな隙間が形成される。

請求項４の発明によると、このレイアウトによって発生する隙間に空冷式ＥＧＲクーラーを設けるため、新たなクーラー設置スペースを作らずに同クーラーを簡単に設置することができる。

一方、シュラウドの開口部をエンジン側に向かって先広がりとなるラッパ状に形成した請求項５の発明、及び冷却ファンとエンジンとの間に、冷却風をファン外周側に導く抵抗板を設けた請求項６の発明によると、冷却風を空冷式ＥＧＲクーラーに導いて冷却効率をさらに高めることができる。

請求項７の発明によると、空冷式ＥＧＲクーラーをエンジンと冷却ファンとの間でファン円周方向の一部に設ける構成を前提として、同クーラーを、冷却ファンからファン外周側に向かう冷却風に対向する傾斜姿勢で設けたから、同じようにファン円周一部のみに設けるにしても、同クーラーに対する冷却風の通過量を増加させて冷却効率を高めることができる。

請求項８の発明によると、空冷式ＥＧＲクーラーで冷却された排気ガスを水冷式ＥＧＲクーラーでさらに冷却するため、この水冷式ＥＧＲクーラーの負担が小さくなる。従って、その水源であるラジエータの負担をさらに軽減することができる。

本発明の実施形態を図１〜図４によって説明する。実施形態では、油圧ショベルに適用した場合を例示している。

まず、両実施形態に共通の前提として、油圧ショベルにおけるエンジン等の配置を図５によって説明する。

図５は下部走行体上に搭載された上部旋回体を示す。図中、１は上部旋回体のアッパーフレームで、このアッパーフレーム１の一端部（図の左側）にブーム、アーム、バケットを備えた図示しない作業アタッチメントが装着されるとともに、このアタッチメント装着側を前方としたときの前端左側（以下にいう各部の前後左右の方向性について同じ）にキャビン２が設置される。

アッパーフレーム１の上面には、左右方向中央部の左右両側に前後方向の全長近くに亘って強度部材である縦板３,４が設けられるとともに、後部に左右方向に延びる仕切壁５,６,７が設けられ、この仕切壁５〜７で仕切られたアッパーフレーム後端部にエンジンルーム８が形成される。

このエンジンルーム８には、エンジン９が左右の縦板３,４間に設けられるとともに、このエンジン９の右側に油圧ポンプ１０、左側に冷却設備がそれぞれ設けられる。

冷却設備として、左側の縦板３の外側（縦板３を挟んでエンジン９と反対側）に冷却ファン１１が配置されるとともに、この冷却ファン１１の上流側に、インタークーラー１２、図示しないラジエータ及びオイルクーラーを含む熱交換器が設置される。

冷却ファン１１には、回転により発生する冷却風の圧力と流量が相対的にファン内周側で低く、外周側で高くなる特性を備えたもの（たとえば軸流ファン）が用いられている。

図中、１３は冷却ファン１１を外周から覆う状態で設けられたシュラウドで、図示のように開口部がエンジン９側に向かって先広がりとなるラッパ状（ベルマウスと呼ばれる場合がある）に形成されており、冷却ファン１１との位置関係により騒音低減と風量増加を図っている。

このような前提構成において、図１,２に第１実施形態、図３,４に第２実施形態をそれぞれ示す。

第１実施形態
図１はＥＧＲ装置を含めたエンジンの吸排気システムを示す。

エンジン９はターボチャージャー１４を備え、エアクリーナー１５から導入された吸気Ａ１が吸気管１６を通してターボチャージャー１４のコンプレッサ１４ａに送られ、ここで加圧され、インタークーラー１２で冷却された後、吸気マニホールド１７を介して各気筒に分配される。

また、各気筒から排出される排気ガスＡ２は、排気マニホールド１８を介してターボチャージャー１４のタービン１４ｂに送られ、同タービン１４ｂを駆動した後、排気管１９を介して車外に排出される。

一方、排気マニホールド１８から出た排気ガスＡ２の一部がＥＧＲ管路２０に抜き出され、空冷式ＥＧＲクーラー（以下、空冷式クーラーまたは単にクーラーという）２１で空冷された後、さらに水冷式ＥＧＲクーラー２２によって水冷され、低温化した後、ＥＧＲバルブ（再循環ガス量を調節するためのバルブ）２３を介して、インタークーラー１２で冷却された吸気と合流して吸気マニホールド１７に送られることによって再循環するように構成されている。

また、エンジン９と冷却ファン１１との間において、ファン径よりも小径の円板状に形成された抵抗板２４がファン軸１１ａの外周に取付けられている。この抵抗板２４により、冷却風が、負圧となるファン中心側に向けて逆流することが防止され、ファン外周側に積極的に導かれる。

ここまでの構成は第２実施形態も同じである。

第１実施形態において、空冷式クーラー２１は、エンジン９と冷却ファン１１との間、すなわち、冷却ファン１１の下流側であって左側縦板の上方で、ファン外周側に、かつ、ファン円周方向の一部に設けられている。

図では同クーラー２１をファン円周の上部に設けた場合を例示しているが、図２鎖線で示すように冷却ファン１１を正面から見た場合の左または右、あるいは下部に設けてもよい。

ここで、同クーラー２１は、図示のようにコア面が、冷却ファン１１からファン外周側に向かう冷却風に対向する傾斜姿勢で設けられ、ここでの冷却風との熱交換によって排気ガスＡ２の空冷作用が行われる。

この場合、前記のように冷却ファン１１の回転によって発生する空気流の圧力と流量は、基本的にファンの内周側で低く、外周側で高くなる。

このように、空冷式クーラー２１を、ファン外周側を流れる高圧・大流量の冷却風によって冷却される状態で設けているため、公知技術と比較して同クーラー２１の冷却効率を格段にアップさせることができる。

また、同クーラー２１をファン外周側に設けているため、ファン全面に対向してクーラーを設けた公知技術と比較して、冷却ファン１１の吸い込み抵抗の増加（冷却風量の減少）を抑えて、熱交換器の必要な冷却効果を確保することができる。

しかも、同クーラー２１をファン円周方向の一部のみに設けたから、冷却ファン１１の吸い込み抵抗の増加を抑える点の効果が一層高くなる。

すなわち、熱交換器の冷却効果を低下させずに、空冷式ＥＧＲクーラー２１の冷却効率を高めることができる。

空冷式クーラー２１を低温化して出た排気ガスは、次に水冷式クーラー２２に入り、冷却水との熱交換によってさらに冷却される。

この場合、空冷式クーラー２１の冷却効率が高くなる分、水冷式クーラー２２の負担を抑えることができるため、水源であるラジエータの大形化の問題が生じない。

また、この実施形態によると、次の効果を得ることができる。

(Ｉ) 空冷式クーラー２１をエンジン９と冷却ファン１１との間（冷却ファン１１の下流側）、すなわち、エンジン９に近い位置でファン外周側に設けたから、同クーラー２１をシュラウド１３外に設置することができる。

このため、ラバーホースやインシュレーションの使用が制限されるという問題がなくなるとともに、同クーラー２１をエンジン９と同じ振動系で容易に設置することができる。

（ＩＩ）前記のようにアッパーフレーム１の上面に設けられた左側縦板３を挟んで右側にエンジン９、左側に冷却ファン１１をそれぞれ配置することによって元々形成される比較的大きな隙間に空冷式クーラー２１を設置するため、新たなクーラー設置スペースを作らずに同クーラー２１を簡単に設置することができる。

(ＩＩＩ) シュラウド１３の開口部をエンジン側に向かって先広がりとなるラッパ状に形成するとともに、ファン軸１１ａの外周に抵抗板２４を設けたことにより、冷却風をファン外周側、すなわち、ＥＧＲクーラー２１に積極的に導いて冷却効率をさらに高めることができる。

（ＩＶ）ＥＧＲクーラー２１をエンジン９と冷却ファン１１との間でファン円周方向の一部に設ける構成を前提として、同クーラー２１を、冷却ファン１１からファン外周側に向かう冷却風に対向する傾斜姿勢で設けたから、同じようにファン円周一部のみに設けるにしても、同クーラー２１に対する冷却風の通過量を増加させることができ、これによっても冷却効率を高めることができる。

（Ｖ）排気ガスを、空冷式ＥＧＲクーラー２１で空冷した後、水冷式ＥＧＲクーラー２２で冷却するため、この水冷式ＥＧＲクーラー２２の負担が小さくなる。従って、その水源であるラジエータの負担をさらに軽減し、ラジエータの小形化に一層有利となる。

次に、図３,４に示す第２実施形態においては、空冷式ＥＧＲクーラー２１が、冷却ファン１１の上流側で、インタークーラー１２よりもさらに上流側に設けられている。

この第２実施形態によっても、第１実施形態と同様に、
（Ａ）ファン外周側を流れる高圧・大流量の冷却風によって冷却されるため、公知技術と比較して同クーラー２１の冷却効率を格段にアップさせることができる点、
（Ｂ）同クーラー２１をファン外周側に、しかもファン円周の一部のみに設けているため、ファン全面に対向してクーラーを設けた公知技術と比較して、冷却ファン１１の吸い込み抵抗の増加（冷却風量の減少）を抑えて、熱交換器の必要な冷却効果を確保することができる点
の基本的効果を得ることができる。

また、同実施形態においては、冷却前の排気ガス温度が３００〜５００℃と非常に高温のＥＧＲクーラー２１を冷却して高温化した空気が熱交換器（インタークーラー１２、オイルクーラー２５、ラジエータ２６）に作用しないように、ＥＧＲクーラー２１が熱交換器１２,２５,２６から側面視または正面視でオフセットして配置されている。

図３,４には、ＥＧＲクーラー２１がファン円周の上部に設けられる場合において、熱交換器１２,２５,２６に対してＥＧＲクーラー２１が上方にオフセットした位置に設けられた場合を例示している。

ＥＧＲクーラー２１がファン円周の下部に設けられる場合はＥＧＲクーラー２１が下方に、ＥＧＲクーラー２１がファン円周の左側または右側（冷却ファン１１を正面から見たときの左側または右側）に設けられる場合はＥＧＲクーラー２１が左側または右側にそれぞれ熱交換器１２,２５,２６に対してオフセットして設けられる。

なお、熱交換器１２,２５,２６の全部、またはいくつかが、他の熱交換器に対して冷却風の流れ方向に重なって配置される場合にも、ＥＧＲクーラー２１は、上記同様に熱交換器に重ならないようにオフセット配置される。

こうすることにより、ＥＧＲクーラー２１による熱交換器１２,２５,２６の冷却作用への影響を低減することができる。

ところで、上記第１、第２両実施形態では、ＥＧＲクーラー２１と熱交換器１２,２５,２６とを上流、下流の位置関係で例示したが、上下または左右に並列に配置してもよい。

また、ラバーホースや発泡ウレタン系のインシュレーション、ゴム系のウェザーストリップ等を使用できなくなる等の問題を解決できる場合には、空冷式ＥＧＲクーラー２１をシュラウド１３内で冷却ファン１１とインタークーラー１２との間（ファン前面）に設けてもよい。

本発明の第１実施形態にかかるＥＧＲ装置を含めたエンジンの吸排気システムを示す図である。空冷式ＥＧＲクーラーを正面から見た図である。本発明の第２実施形態を示す図１相当図である。同、図２相当図である。両実施形態の前提としての油圧ショベルにおけるエンジン等の配置を示す概略平面図である。

符号の説明

１アッパーフレーム
３アッパーフレームの縦板
９エンジン
Ａ１吸気
Ａ２排気ガス
１１冷却ファン
１２インタークーラー
１３シュラウド
１６吸気管
１７吸気マニホールド
１８排気マニホールド
１９排気管
２０ＥＧＲ管路
２１空冷式ＥＧＲクーラー
２２水冷式ＥＧＲクーラー
２４抵抗板

Claims

上部旋回体のアッパーフレームにエンジンと、インタークーラー及びラジエータを含む熱交換器と、この熱交換器を空冷する冷却ファンとが設けられ、この冷却ファンは、回転により発生する冷却風の圧力と流量が相対的にファン内周側で低く、外周側で高くなる特性を備えた建設機械において、上記エンジンの排気側から排気ガスの一部を抜き出して吸気側に再循環させるＥＧＲ管路と、このＥＧＲ管路を流れる再循環ガスを冷却する空冷式ＥＧＲクーラーとを具備し、この空冷式ＥＧＲクーラーは、上記冷却ファンの外周側に、同ファン外周側を流れる冷却風によって冷却される状態で設けられたことを特徴とする建設機械。
空冷式ＥＧＲクーラーが、ファン円周方向の一部に設けられたことを特徴とする請求項１記載の建設機械。
空冷式ＥＧＲクーラーが、エンジンと冷却ファンとの間でファン外周側に設けられたことを特徴とする請求項１または２記載の建設機械。
アッパーフレーム上面に前後方向に延びる縦板が設けられ、この縦板を挟んで片側にエンジン、反対側に冷却ファンがそれぞれ設けられ、空冷式ＥＧＲクーラーが上記縦板の上方でエンジンと冷却ファンとの間に設けられたことを特徴とする請求項３記載の建設機械。
冷却ファンを外周から覆うシュラウドの開口部がエンジン側に向かって先広がりとなるラッパ状に形成されたことを特徴とする請求項３または４記載の建設機械。
冷却ファンとエンジンとの間に、冷却風をファン外周側に導く抵抗板が設けられたことを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の建設機械。
空冷式ＥＧＲクーラーが、ファン円周方向の一部に、冷却ファンからファン外周側に向かう冷却風に対向する傾斜姿勢で設けられたことを特徴とする請求項３〜６のいずれか１項に記載の建設機械。
空冷式ＥＧＲクーラーで冷却された排気ガスをさらに冷却する水冷式ＥＧＲクーラーが設けられたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の建設機械。