JPH09317480A - ターボチャージャー付きエンジンのインタークーラ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】従来のインタークーラを基本ユニットとして使
用し、エンジンルーム通気性の問題や外気に全く影響を
受けずに、必要な時に極めて効果的に冷却空気を得るこ
とのできるインタークーラの提供を目的としている。 【解決手段】 インタークーラの本体フレーム６でサン
ドイッチ状にはさみ込まれた４本の冷却セル７の冷却フ
ィン７ａの内部のそれぞれに、外部から供給された冷却
ガスを冷却フィン７ａの内部に噴射する噴射ノズル１０
ｃが複数開口形成された冷却ガス供給パイプ１０が埋設
されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】自動車等のターボチャージャ
付きエンジンのターボチャージャに装着して、エンジン
への吸入空気を冷却するインタークーラーの改良に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】自動車等のガソリンエンジンには、ピス
トン行程とサイクルの関係から、４サイクル機関と２サ
イクル機関に大別されるが、ピストン１往復でクランク
シャフトが１回転する。即ち、圧縮・燃焼・膨張・排気
の１サイクルをクランクシャフトの２回転で行う４サイ
クルエンジンが自動車・小型船舶・小型航空機の主流と
なっている。このガソリンエンジンは、燃料の火炎伝播
速度が非常に速いので回転数には燃焼の上の制限はな
く、回転数の増加と共に点火時期を早めることで容易に
回転速度が得られるので、大きな排気量のエンジンにす
れば大馬力は得られるが、単純に排気量を大きくしただ
けでは燃費の悪化やエンジン重量の問題で、レーシング
カーやスポーツカーなどに搭載される「高性能エンジ
ン」には不向きである。そこで、考え出されたのが、排
気量を変えずに出力の向上を図るエンジン本体の高メカ
ニズム化である。

【０００３】エンジン本体の高メカニズム化による出力
を向上させる代表例としてはＤＯＨＣ化とマルチバルブ
化がある。ＤＯＨＣエンジンは、燃焼室上方に二本のカ
ムシャフトを配置し、吸気弁と排気弁をそれぞれのカム
シャフトで動かす機構をもったエンジンであり、吸排気
弁径を大きくできるとともに動弁系の慣性重量を小さく
でき、動弁系の許容回転数を高くできるなどの特徴があ
り、高回転まで使用が可能である。レーシングカーに搭
載されるエンジンは、このタイプのものが圧倒的に多
い。また、普通、１シリンダあたり二個の弁を四個に増
やして吸排気効率を向上させたマルチバルブエンジン化
もされてきている。

【０００４】これに対して、従来型のエンジンの吸気系
統に過給機を付加することでも出力を向上できることは
一般によく知られている。過給機はシリンダ内に大量の
混合気を送り込むことにより出力を高める方法で、代表
的な過給機としてターボチャージャとスーパーチャージ
ャとがある。ターボチャージャは排ガスのエネルギーを
利用してタービンを回転させ、過給するのに対し、スー
パーチャージャはエンジンの回転力を直接利用し、ロー
タを回転させて過給する。ターボチャージャ付エンジン
は排気エネルギーを加給圧に変換しているため、排気ガ
スの量が多い中速から高速にかけて大きなトルクが得ら
れるが、いわゆるターボラグといわれるピックアップの
遅れ、すなわちアクセル操作に対する反応や加速時のト
ルクの立ち上がりには時間遅れが発生することとなり、
高速域では加給効率が高いため高速回転エンジン向きで
ある。一方、スーパーチャージャ付きエンジンは、クラ
ンクシャフトの回転力をベルトで直接ロータに伝えて加
給圧を得ている。この直接駆動のために、低速から高速
まで一様なトルクの向上を得ており、アクセル操作に敏
感に反応させることができるが、スーパーチャージャの
インペラーの慣性質量が大きいため高速回転での加給に
は不向きである。

【０００５】このように、レーシングカーやスポーツカ
ーのエンジンとしてすっかり定着したターボチャージャ
は第二世代に入っており、アクセルを踏んでから過給を
はじめるまでのターボラグの縮小やエンジン低回転域で
の効果向上を図るためにさまざまな改良が施されてい
る。例えば、セラミックを軸や翼に用いて軽量化を図っ
たり、低回転時はタービン内に設けたノズルの角度を変
化させ排ガスの流速を速めたり、一個ではなく二個のタ
ーボチャージャを装着したツインターボチャージャも実
用化されている。これにより、理論的には３０パーセン
トから５０パーセント以上の出力向上が可能になるとし
ている。何故ならば、ターボチャージャ付きエンジン
は、ターボチャージャによって大気圧を強制的にシリン
ダ内へ送り込んでシリンダ内を高圧縮比に保ちさえすれ
ば、大きな爆発力が得られるからである。しかしなが
ら、現実的にはそれほど簡単ではなく、高圧縮による異
常燃焼、エンジン材質の熱疲労、駆動系の温度による歪
み等、エンジンの耐久性や信頼性が大きな犠牲になるこ
とがあり、単純に加給圧を上げることには限界がある。
そこで考えだされたのがインタークーラである。

【０００６】インタークーラはラジエターやオイルクー
ラと同様に一種の冷却装置であるが、エンジン本体を水
または空気で冷却するラジエターやエンジンオイルを冷
却するオイルクーラーとは異なり、ターボチャージャで
加圧されてエンジンに供給される気体を大気または水で
冷却するもので、ターボチャージャとインテークマニホ
ールドの中間に取り付けられる。これにより、ターボチ
ャージャで加圧されて温度が上昇し、空気密度が低下し
た吸気体をインタークーラで冷却すれば、エンジンのシ
リンダに供給される吸気体は空気密度が大きく成ってい
るので、充填効率が上昇して、馬力やトルクの大幅な向
上が期待できるとしている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記従来の
インタークーラは、水冷式の場合だと、水そのもが質量
が大きいことと、効果的に冷却するために複雑な冷却系
統と大量の水が必要となるため、パワーウエイトレシオ
が極めて重要となるレーシングカーやスポーツカーでは
不必要な重量の増加を伴うといった致命的な点が問題と
なる。また、空冷式のインタークーラの場合でも、水冷
式のような重量的な問題は生じないとしても、インター
クーラを設置した場所によって冷却効果に大きな違い出
てしまう。そのため、フロントエンジン搭載車ではラジ
エターの近傍にインタークーラを取り付けて出来るだけ
冷気が導入しやすいようにしたり、図１に示した如く、
リアエンジン搭載車では、エンジン本体１の上面にイン
タークーラ２を設け、エンジンルーム３の上面のリアス
ポイラーと一体のエンジンリッド４に通気パネル５を設
けて、エンジンルーム３の内部に外気を導入することと
しているが、いずれの方法も、外気温に大きな影響を受
けるため、外気温の高い炎天下での走行やエンジンの熱
効率の高い状態での全開走行等のエンジンにとって過酷
な状態での運用では効果的な冷却空気を得ることができ
ないといった極めて重要な問題が解決されていなかっ
た。そこで、本発明はこれら従来のインタークーラを基
本ユニットとして使用し、エンジンルーム通気性の問題
や外気に全く影響を受けずに、必要な時に極めて効果的
に冷却空気を得ることのできるインタークーラの提供を
課題としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記諸課題に鑑み、請求
項１に係る発明は、ターボチャージャ付きエンジンの吸
気を空気或いは水を用いて冷却し、ターボチャージャで
充填される吸気の加給充填効率を向上させるターボチャ
ージャ付きエンジンのインタークーラであって、当該タ
ーボチャージャ付きエンジンのインタークーラの冷却フ
ィンの内部に貫通させて取り付けたガス噴射ノズル部材
と、当該ガス噴射ノズル部材に着脱自在に取り付けるガ
ス供給パイプ部材またはガス供給ホース部材と、当該ガ
ス供給パイプ部材またはガス供給ホース部材に着脱自在
に取り付けるガス供給制御部と、当該ガス供給制御部に
着脱自在に取り付けられ、冷却ガスを供給する冷却ガス
蓄圧部と、から構成されたことを特徴とするターボチャ
ージャ付きエンジンのインタークーラとしたものであ
る。請求項２に係る発明によれば、前記ガス噴射ノズル
部材は内部が空洞の所定の長さのパイプ部材の外径面か
ら内径部に貫通する複数のガス噴射穴を一定の間隔で開
口形成すると良い。請求項３に係る発明によれば、前記
ガス供給制御部は、運転室に備えたスイッチがＯＮにさ
れた信号に応じて、ガス噴射ノズル部材に噴射信号を出
力するようにすると良い。請求項４に係る発明によれ
ば、前記ガス供給制御部は、インタークーラに備えた吸
気温度センサからの検出信号に応じて、ガス噴射ノズル
部材に所定のタイミングでガスを噴射させるようにする
と良い。請求項５に係る発明によれば、前記冷却ガス蓄
圧部は複数の冷却ガスボンベを並べ、全体を断熱ケース
に収容するようにすると良い。

【０００９】請求項１ないし４に係る発明によれば、ま
ず、断熱ケースに収容された冷却ガス蓄圧部に冷却ガス
ボンベを並べると、冷却ガスボンベに充填されている冷
却ガスは冷却ガス蓄圧部から、ガス供給パイプ部材また
はガス供給ホース部材を介してガス供給制御部に加圧供
給される。そこで、運転室に備えたスイッチをＯＮにす
ると、ガス供給制御部はスイッチからのＯＮ信号を読み
込み、ガス供給制御部に加圧供給されている冷却ガスを
噴射ノズル部材に供給する。これにより、インタークー
ラの冷却フィンの内部に貫通させて取り付けられている
ガス噴射ノズル部材から冷却フィンに噴射されることと
なり、冷却フィンの周辺には冷却ガスによる層が形成さ
れ、ターボチャージャで加圧されてインタークーラに供
給された空気は、冷却ガスの蒸発作用により一瞬に冷却
されてエンジンのインテークマニホールドに供給される
ことになる。また、ガス供給制御部は、インタークーラ
に備えた吸気温度センサからの検出信号に応じてガス噴
射ノズル部材に所定のタイミングでガスを噴射させるよ
うにしても同様の作用が得られる。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明のターボチャージャ付きエ
ンジンのインタークーラを適用した実施形態について、
図面に基づき説明する。図２は本発明を適用したインタ
ークーラの外見を表した斜視図，図３及び図４は同イン
タークーラの内部構造を表した説明図である。本実施形
態のインタークーラの外見は、図２に示した如く、イン
タークーラ本体フレーム６でサンドイッチ状に挟み込ま
れた４本の冷却セル７とから構成されている。更に、タ
ーボチャージャからの加給された空気を冷却セル７の内
部に導入する吸気パイプ８と、冷却セル７で冷却された
空気を外部に排出する排気パイプ９と、冷却フィン７ａ
に冷却ガスを供給する冷却ガス供給パイプ１０とが備え
られている。

【００１１】一方、本実施形態のインタークーラーの内
部構造は、図３（ａ）に示した如く、ターボチャージャ
が接続される吸気パイプ８側のインタークーラ本体フレ
ーム６の内部に、冷却ガス供給パイプ１０に連通した接
続パイプ１０ａが設けられ、更に、この接続パイプ１０
ａからは、図３（ｂ）に示した如く、枝分かれ状に下方
に突設するとともに、その先端が冷却セル７の冷却フィ
ン７ａの内部に挿入するように長尺状のノズルユニット
１０ｂが延び出している。尚、このノズルユニット１０
ｂには、冷却フィン７ａの内部に冷却ガスを放射するよ
うに噴射する噴射ノズル１０ｃが複数開口形成されてい
る。図３（ｂ）に示すように、冷却セル７は多数折り返
した長尺の冷却フィン７ａを押さえ板７ｂで両側から挟
み込んだ構造となっており、前記のようにノズルユニッ
ト１０ｂが冷却フィン７ａ内部を貫通しているものであ
る。このようにして、すべての冷却ユニット７の内部に
は、図４に示した如く、これら複数のノズルユニット１
０ｂが挿入されていて、これらは、接続パイプ１０ａを
介して冷却ガス供給パイプ１０に連通されているもので
ある。

【００１２】次に本実施形態のインタークーラの具体的
な取付構造、取付方法およびその運用について図面に基
づき説明する。図５は本実施形態のインタークーラ２個
をツインターボ６気筒エンジンに適用したシステム図で
ある。本実施形態で用いたツインターボ６気筒エンジン
は、図に示した如く、左右の３気筒シリンダバンク１１
毎にターボチャージャ１２を備えたツインターボエンジ
ンで、基本レイアウトは次の様である。まず、外気をタ
ーボチャージャ１２に導入するエアーインテーク１３、
ターボチャージャ１２からの加給が供給されるツインイ
ンタークーラユニット１４、そこからの冷気をエンジン
に供給するインテークマニホールド１５、スロットルバ
ルブ１６、エンジンの排出ガスをターボチャージャ１２
の駆動側に送るエキゾーストマニホールド１７、そこに
設けられたウエイストゲートバルブ１８、エキゾースト
マニホールド１７を連通させる排気バイパスパイプ１
９、排気を受ける排気マフラ２０、フロン系の冷媒を含
む、単数ないし複数の冷却ガススプレー缶を着脱自在に
装着してストックするスプレー缶ユニット２１、これら
のスプレー缶ユニット２１を衝撃や高温から保護する発
泡スチロール製の断熱ケース２２、スプレー缶ユニット
２１から供給される冷却ガスを、外部からの信号に応じ
て供給または遮断するコントロールバルブ２３、コント
ロールバルブ２３から供給された冷却ガスをツインイン
タクーラユニット１４に供給するフレキシブルパイプま
たはフレキシブルチューブ２４、外部からの信号あるい
は予め記憶されているプロブラムに従ってコントロール
バルブ２３を開閉制御するコントロールユニット２５、
コントロールユニット２５に冷却ガス噴射信号を手動で
入力するプッシュスイッチ２６、ツインインタクーラユ
ニット１４の通気温度を検出してコントロールユニット
２５に出力する温度センサ２７、コントロールユニット
２５のＯＮ／ＯＦＦ及び手動／自動の切り替えを行うマ
スタースイッチ２８及びコントロールユニット２５で処
理される各種の命令を表示するコントロールパネル２９
とから構成されている。コントロールユニット２５はＣ
ＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏポート及びこれらを接続
するバスラインからなるいわゆるマイクロコンピュータ
である。

【００１３】ここで、上記構成からなるツインターボ６
気筒エンジンでの本実施形態のインタークーラの作用及
び効果について図５に基づき説明する。まず、運転席に
設けたマスタースイッチ２８をＯＮにすると、コントロ
ールユニット２５は、温度センサ２７が検出したツイン
インタクーラユニット１４の通気温度を常時読み込み、
コントロールパネル２９に表示する。この状態でエンジ
ンを始動し走行状態に移ると、コントロールパネル２９
にはターボチャージャ１２の加給によって温度が上昇し
た吸気温度が表示される。そこで、ドライバーは、全開
加速時のようにターボチャージャ１２がフルブーストと
なった時のツインインタークーラユニット１４の通気温
度をモニターし、必要に応じてプッシュスイッチ２６を
ＯＮにする。すると、コントロールユニット２５はプッ
シュスイッチ２６からの信号を読み込むと即座にコント
ロールバルブ２３に開信号を出力する。コントロールバ
ルブ２３はそれまで遮断していた冷却ガスを、フレキシ
ブルパイプまたはフレキシブルチューブ２４を介して、
図４（ａ）に示したインタークーラ本体フレーム６の冷
却ガス供給パイプ１０に供給する。これにより、冷却ガ
スは接続パイプ１０ａからノズルユニット１０ｂの内部
に流れ、噴射ノズル１０ｃから冷却セル７の冷却フィン
７ａの内部に噴射されることになる。この作用により冷
却フィン７ａ付近は外気温度と関係なく瞬時に約−２０
度近く下げられることになる。これにより、インターク
ーラ本体フレーム６の冷却セル７を通気する加給吸気も
急激に冷却されて、高密度の吸気がエンジンのインテー
クマニホールド１５に供給されることになる。

【００１４】この作用により、ターボチャージャ付きエ
ンジンの加速時のターボチャージャのブースト圧を通常
の数値より瞬間的に上げたり、ターボチャージャ付きエ
ンジンにとって外気温の高い状態や炎天下等の過酷な条
件下でもターボエンジンの性能を十分に発揮させること
が可能になった。また、コントロールユニット２５のＲ
ＯＭに、ノズルユニット１０ｂが噴射する冷却ガスの噴
射条件や噴射タイミングのシーケンシャル制御あるいは
フィードバック制御のプログラムを予め記憶させ、温度
センサ２７が検出したツインインタクーラユニット１４
の通気温度に応じて、コントロールユニット２５がノズ
ルユニット１０ｂに噴射命令を出力するようにすれば、
軽自動車用の小排気量のエンジンから大型トラックの大
排気量のターボエンジンまで、性能を十分に発揮させる
ことが可能になる。尚、上記実施形態では、２つのター
ボチャージャユニットでエンジンの各バンク３気筒ずつ
を受け持つ１ステージのターボエンジンについて説明し
たが、本発明はこれに限定されるものではなく、１つの
ターボチャージャユニットでエンジンの両バンク６気筒
を受け持つシングルターボエンジンや、低速用又は高速
用とサイズの異なる２つのターボチャージャユニットを
備え、２つのターボを２ステージに使い分けて、低速か
ら滑らかに加給効果を立ち上がらせ、そのままピークパ
ワー領域まで引っ張って行く２ステージツインターボエ
ンジンに適用しても同様の効果が得られる。前記冷却ガ
ス蓄圧部は複数の冷却ガスボンベを並べて装着したカー
トリッジを複数並べ、全体を断熱ケースに収容しても良
い。４本の冷却ガス噴射ノズルユニット２ｃをそれぞれ
４本の冷却セル４ｃの上面、下面、側面等の近くに載置
することも可能である。

【００１５】

【発明の効果】以上、詳述したように、請求項１ないし
５に係る発明によれば、 ターボチャージャ付きエンジンの加速時のターボチャ
ージャのブースト圧を通常の数値より瞬間的に上げた
り、ターボチャージャ付きエンジンにとって外気温の高
い状態や炎天下等の過酷な条件下でもターボエンジンの
性能を十分に発揮させることが可能になった。 ガス供給制御部に、ガス噴射ノズル部材が噴射する冷
却ガスの噴射条件や噴射タイミングのシーケンシャル制
御あるいはフィードバック制御のプログラムを予め記憶
させ、吸気温度センサが検出した温度に応じて、ガス供
給制御部がガス噴射ノズル部材に噴射命令を出力するよ
うにすれば、軽自動車用の小排気量のエンジンから大型
トラックの大排気量のターボエンジンまで、性能を十分
に発揮させることが可能になるといったターボチャージ
ャ付きエンジンとしての弱点を完全に補完してその性能
を完璧に引き出すことに成功した画期的な発明であり、
その自動車業界に与える恩恵は絶大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に関わる従来技術の一例であるリアエン
ジン搭載車の斜視図である。

【図２】本発明のターボチャージャ付きエンジンのイン
タークーラを適用した実施形態のインタークーラの外見
を表した斜視図である。

【図３】（ａ）は本発明のターボチャージャ付きエンジ
ンのインタークーラを適用した実施形態のインタークー
ラの内部構造を表した一部破断斜視図、（ｂ）は同一部
破断正面図である。

【図４】（ａ）は本発明のターボチャージャ付きエンジ
ンのインタークーラを適用した実施形態のインタークー
ラの内部構造を表した一部破断平面図、（ｂ）は横断面
図である。

【図５】本実施形態のインタークーラをツインターボ６
気筒エンジンに適用したシステム図である。

【符号の説明】

１ エンジン本体 ２ インタークーラ ３ エンジンルーム ４ エンジンリッド ５ 通気パネル ６ インタークーラ本体フレーム ７ 冷却セル ７ａ 冷却フィン ７ｂ 押さえ板 ８ 吸気パイプ ９ 排気パイプ １０ 冷却ガス供給パイプ １０ａ 接続パイプ １０ｂ ノズルユニット １０ｃ 噴射ノズル １１ ３気筒シリンダバンク １２ ターボチャージャ １３ エアーインテーク １４ ツインインタークーラユニット １５ インテークマニホールド １６ スロットルバルブ １７ エキゾーストマニホールド １８ ウエイストゲートバルブ １９ 排気バイパスパイプ ２０ 排気マフラー ２１ スプレー缶ユニット ２２ 断熱ケース ２３ コントロールバルブ ２４ フレキシブルパイプまたはフレキシブルチューブ ２５ コントロールユニット ２６ プッシュスイッチ ２７ 温度センサ ２８ マスタースイッチ ２９ コントロールパネル

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ターボチャージャ付きエンジンの吸気を
   空気或いは水を用いて冷却し、ターボチャージャで充填
   される吸気の加給充填効率を向上させるターボチャージ
   ャ付きエンジンのインタークーラであって、 当該ターボチャージャ付きエンジンのインタークーラの
   冷却フィンの内部に貫通させて取り付けたガス噴射ノズ
   ル部材と、 当該ガス噴射ノズル部材に着脱自在に取り付けるガス供
   給パイプ部材またはガス供給ホース部材と、 当該ガス供給パイプ部材またはガス供給ホース部材に着
   脱自在に取り付けるガス供給制御部と、 当該ガス供給制御部に着脱自在に取り付けられて、冷却
   ガスを供給する冷却ガス蓄圧部と、 から構成されたことを特徴とするターボチャージャ付き
   エンジンのインタークーラ。
2. 【請求項２】 前記ガス噴射ノズル部材は内部が空洞の
   所定の長さのパイプ部材の外径面から内径部に貫通する
   複数のガス噴射穴を一定の間隔で開口形成したことを特
   徴とする請求項１記載のターボチャージャ付きエンジン
   のインタークーラ。
3. 【請求項３】 前記ガス供給制御部は、運転室に備えた
   スイッチがＯＮにされた信号に応じて、前記ガス噴射ノ
   ズル部材に噴射信号を出力するようにしたことを特徴と
   する請求項１に記載のターボチャージャ付きエンジンの
   インタークーラ。
4. 【請求項４】 ガス供給制御部は、インタークーラに備
   えた吸気温度センサからの検出信号に応じて、前記ガス
   噴射ノズル部材に所定のタイミングでガスを噴射させる
   ようにしたことを特徴とする請求項１に記載のターボチ
   ャージャ付きエンジンのインタークーラ。
5. 【請求項５】前記冷却ガス蓄圧部は複数の冷却ガスボン
   ベを並べ、全体を断熱ケースに収容したことを特徴とす
   る請求項１に記載のターボチャージャ付きエンジンのイ
   ンタークーラ。