JP2010133291A - Cooling device for internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、冷却水の強制循環によりシリンダヘッドやシリンダブロックの各部を冷却する内燃機関の冷却装置に関する。 The present invention relates to a cooling device for an internal combustion engine that cools each part of a cylinder head and a cylinder block by forced circulation of cooling water.
特許文献1には、車両用内燃機関の冷却装置として、冷却水中の界面活性剤による棒状ミセルが、冷却水の乱流摩擦抵抗を低減し得ることが開示されており、乱流摩擦抵抗の低減によりウォータポンプの動力が低減する一方、ラジエータやヒータコア等の放熱部においては、流れのレイノルズ数が大きいため、棒状ミセルによる乱流摩擦抵抗の低減作用が抑制され、相対的に高い熱交換作用が得られる。 Patent Document 1 discloses that a rod-like micelle using a surfactant in cooling water as a cooling device for an internal combustion engine for a vehicle can reduce turbulent frictional resistance of cooling water. While the power of the water pump is reduced by this, in the heat radiating parts such as radiators and heater cores, since the Reynolds number of the flow is large, the action of reducing the turbulent frictional resistance by the rod-like micelles is suppressed, and a relatively high heat exchange action is achieved. can get.
また特許文献2は、配管抵抗低減のために流体中に形成される棒状ミセルを、加熱することによって破壊し、熱伝達率を回復することが開示されている。
特許文献1のように、冷却水中に棒状ミセルを形成して冷却水系での通水抵抗を低減するようにした場合、シリンダ周囲や燃焼室周囲のウォータジャケットは、ラジエータ等と比較して流路断面積が大きいため、層流が維持され、熱伝達率が比較的低い。つまり、棒状ミセルによる乱流摩擦抵抗の低減に伴って、ウォータジャケット壁面から冷却水への熱伝達率が低下し、効果的に熱を除去することができない。 When a rod-like micelle is formed in the cooling water to reduce the water flow resistance in the cooling water system as in Patent Document 1, the water jacket around the cylinder and the combustion chamber has a flow path as compared with a radiator or the like. Since the cross-sectional area is large, laminar flow is maintained and the heat transfer coefficient is relatively low. That is, with the reduction of the turbulent frictional resistance due to the rod-like micelles, the heat transfer rate from the water jacket wall surface to the cooling water decreases, and heat cannot be removed effectively.
また、特許文献2のように加熱することで棒状ミセルを破壊し、熱伝達率を回復する方法は、熱の除去を目的とする冷却装置としては採用できない。
Moreover, the method of destroying rod-like micelles by heating and recovering the heat transfer coefficient as in
この発明に係る内燃機関の冷却装置は、棒状ミセルを形成し得る濃度の界面活性剤を含む冷却水を用い、これによって通水抵抗が低減する。そして、この冷却水が循環するウォータジャケットの少なくとも一部の内表面が、棒状ミセルを破壊する凹凸表面構造を備えている。この凹凸表面構造は、単に表面付近の冷却水の流れを物理的に攪拌して棒状ミセルを破壊するのみならず、溶存空気が空気泡として成長したり核沸騰(サブクール沸騰)により気泡が発生したりすることを助長し、これらの気泡によって棒状ミセルを破壊する作用が得られる。このようにウォータジャケットの内表面付近で棒状ミセルを破壊することで、熱伝達率が回復し、ウォータジャケット内表面から冷却水へ効果的に熱が除去される。 The cooling device for an internal combustion engine according to the present invention uses cooling water containing a surfactant having a concentration capable of forming rod-like micelles, thereby reducing water flow resistance. And the inner surface of at least one part of the water jacket through which this cooling water circulates has the uneven surface structure which destroys a rod-like micelle. This uneven surface structure not only simply stirs the flow of the cooling water near the surface to destroy the rod-like micelles, but also the dissolved air grows as air bubbles or bubbles are generated by nucleate boiling (subcool boiling). The action which destroys a rod-like micelle by these bubbles is acquired. Thus, by destroying the rod-like micelles near the inner surface of the water jacket, the heat transfer coefficient is recovered, and heat is effectively removed from the inner surface of the water jacket to the cooling water.
この発明によれば、冷却装置全体として棒状ミセルによる通水抵抗の低減が可能であり、例えばウォータポンプにおける消費エネルギを低減できるとともに、ウォータジャケット内表面から冷却水への熱伝達を良好に維持でき、冷却性能と通水抵抗低減とを高いレベルで両立させることができる。 According to the present invention, it is possible to reduce the water flow resistance by the rod-like micelle as the whole cooling device, for example, it is possible to reduce the energy consumption in the water pump and to maintain the heat transfer from the water jacket inner surface to the cooling water well. In addition, it is possible to achieve both cooling performance and water resistance reduction at a high level.
以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、この発明が適用される内燃機関の冷却装置の基本的な構成の一例を示しており、内燃機関Eのシリンダブロック4とシリンダヘッド5の内部には、周知のように冷却水を通流させるためのウォータジャケットが形成されている。この実施例では、ウォータジャケット内を気筒列方向に沿って冷却水が流れるように構成されており、シリンダヘッド5の機関後端部から取り出された冷却水が、ファン6を備えたラジエータ1に案内され、かつラジエータ1で低温となった冷却水がサーモスタット2およびウォータポンプ3を介してシリンダブロック4の機関前端部に戻されるようになっている。
FIG. 1 shows an example of a basic configuration of a cooling device for an internal combustion engine to which the present invention is applied. Cooling water is introduced into the cylinder block 4 and the
ここで、上記冷却水は、例えばエチレングリコールの水溶液いわゆる不凍液であるが、比較的高濃度の界面活性剤を含み、これにより球状ミセルが結合した棒状ミセルが形成されるようになっている。このような棒状ミセルは、その弾性効果により乱流抑制効果ひいては管摩擦抵抗低減作用が得られ、管摩擦係数として、通常の水がレイノルズ数2000を越えたあたりで乱流の特性を示すのに対し、棒状ミセルを含む冷却水では、レイノルズ数20000程度まで層流の摩擦特性を維持する。レイノルズ数が例えば20000を越えると、流れのせん断力によって棒状ミセルが分断されて乱流特性となるため、ウォータジャケット内のレイノルズ数は基本的に20000以下となっている。なお、界面活性剤の一例としては、臭化セチルトリメチルアンモニウムが、60〜70ppm程度の濃度でもって用いられるが、本発明はこれに限定されるものではなく、適宜な界面活性剤がいわゆる臨界的濃度以上の濃度で含まれていればよい。 Here, the cooling water is, for example, an aqueous solution of ethylene glycol, so-called antifreeze, and contains a relatively high concentration of a surfactant, whereby rod-like micelles in which spherical micelles are combined are formed. Such a rod-like micelle has a turbulent flow suppression effect and a tube frictional resistance reducing effect due to its elastic effect, and shows a turbulent flow characteristic when normal water exceeds the Reynolds number 2000 as a tube friction coefficient. On the other hand, in the cooling water containing rod-like micelles, the laminar frictional characteristics are maintained up to about Reynolds number 20000. When the Reynolds number exceeds, for example, 20000, the rod-like micelles are divided by the shearing force of the flow and become turbulent characteristics. Therefore, the Reynolds number in the water jacket is basically 20000 or less. As an example of the surfactant, cetyltrimethylammonium bromide is used at a concentration of about 60 to 70 ppm. However, the present invention is not limited to this, and an appropriate surfactant is so-called critical. It may be contained at a concentration higher than the concentration.
図2は、本発明におけるウォータジャケット11および該ウォータジャケット11を構成するウォータジャケット壁(シリンダブロック4あるいはシリンダヘッド5の一部として鋳造される)12の拡大断面図(a)と、このウォータジャケット11内を流れる冷却水における棒状ミセルの割合(b)とを対比して示したものであり、本発明では、ウォータジャケット壁12が、棒状ミセルを破壊する微細な凹凸表面構造を備えている。この凹凸表面構造は、シリンダブロック4およびシリンダヘッド5のウォータジャケットの全体に亘って形成してもよく、あるいは、熱伝達の向上が必要な特定の部分、例えば熱負荷の高い部分のみに部分的に形成してもよい。
FIG. 2 is an enlarged sectional view (a) of a
ウォータジャケット11を流れる冷却水に含まれるミセルは、ウォータジャケット11の壁面(凹凸表面構造)から離れた位置では棒状ミセルであり、流れは層流を維持する。これに対し、凹凸表面構造に近い位置では、流れが攪拌されて棒状ミセルが球状ミセルへと分断され、流れは乱流となる。このため、ウォータジャケット壁12から冷却水への熱伝達が回復し、良好な冷却が行われる。
The micelles contained in the cooling water flowing through the
図3は、棒状ミセルの破壊・分断のメカニズムを説明する図であって、ウォータジャケット壁12の凹凸表面構造は、第1に、壁面に沿って流れようとする冷却水の流れを物理的に攪拌し、そのせん断力でもって棒状ミセル21を破壊する。そして、第2には、表面の凹凸によって、冷却水中の溶存空気が空気泡として成長し、かつ離脱し易くなる。同様に、核沸騰(サブクール沸騰)による気泡の発生・離脱が助長され、これらの溶存空気やサブクール沸騰による気泡23によって冷却水が攪拌される結果、棒状ミセル21が破壊され、球状ミセル22へと分断される。
FIG. 3 is a diagram for explaining the mechanism of destruction and fragmentation of rod-like micelles. The uneven surface structure of the
また本発明では、ウォータジャケット壁12に凹凸表面構造を設けて、気泡の発生・離脱を助長すること自体によっても熱伝達率が向上する。図4は、ウォータジャケット壁12近傍の冷却水温度と熱流束との関係を示したものであり、図示するように、特定の温度を境界にして熱流束が急激に増大する特性が得られる。これは、微細な凹凸表面は、冷却水を取り囲む表面積が増大することから、冷却水に溶存していた気体が気泡へと成長しやすく、さらに、その気泡が膜に成長する前に素早く離脱するためである。すなわち、表面近傍の冷却水温度がある温度を超えると、気泡が次々に発生・離脱するようになって、熱伝達率が向上する。また、表面近傍の冷却水温度が局部的に飽和温度を超える核沸騰でも同様の現象が生じる。
In the present invention, the heat transfer rate is also improved by providing the
図5は、内燃機関が発生する熱負荷とウォータジャケット壁12近傍の冷却水温度との関係を、機関回転数毎(例えば2000rpm、4000rpm、6000rpm)に示したものである。点線は、各機関回転数での冷却水の飽和温度を示しているが、機関回転数によってウォータジャケット11内の圧力が定まるので、各機関回転数毎に飽和温度は一定である。これに対し、ウォータジャケット壁12近傍の冷却水温度は、熱負荷に伴って上昇するが、低速回転数(2000rpm)では、内燃機関が全負荷となってもウォータジャケット壁12近傍の冷却水温度は飽和温度よりも低く、従って、沸騰は生じない。これに対し、中速回転数(4000rpm)ないし高速回転数(6000rpm)では、内燃機関の高負荷時に、ウォータジャケット壁12近傍の冷却水温度が飽和温度よりも高くなり、局部的な沸騰が生じる。これにより、潜熱による効果的な冷却が行われるとともに、前述したような棒状ミセルの破壊・分断が促進され、熱伝達率が向上する。
FIG. 5 shows the relationship between the heat load generated by the internal combustion engine and the coolant temperature near the
従って、低速低負荷側では過冷却を防止して燃費向上が図れ、高速高負荷側では内燃機関の熱を確実に外部へ移動させることができる。また、実用域では冷却水が局部的な沸騰に至る頻度は少ないので、冷却水の沸騰による劣化は少ない。 Accordingly, overcooling can be prevented on the low speed and low load side to improve fuel efficiency, and heat of the internal combustion engine can be reliably transferred to the outside on the high speed and high load side. Moreover, since the frequency that the cooling water reaches the local boiling is low in the practical area, the deterioration due to the boiling of the cooling water is small.
また、本発明は、特に、図1に示したように冷却水の主流が気筒列方向に沿って流れる構成において有利となる。図6は、冷却水入口から冷却水出口へと気筒列方向に流れる各部での冷却水温度等の変化を示したものであり、冷却水は、ウォータジャケット11内を流れるにつれて熱を受け、温度上昇するので、下流ほど冷却水温度は高い。従って、ウォータジャケット壁12との間での伝熱面温度差ΔTは下流ほど小さい。一方、熱伝達率αは、従来のものでは、破線に示すように一定であるので、両者の積(α×ΔT)で示される熱流束は、従来は、破線に示すように、下流ほど小さくなってしまい、冷却性が悪化する。つまり、冷却水出口に近い機関後端の気筒は熱的に不利となる。
The present invention is particularly advantageous in a configuration in which the main flow of cooling water flows along the cylinder row direction as shown in FIG. FIG. 6 shows changes in the cooling water temperature and the like at each part flowing in the cylinder row direction from the cooling water inlet to the cooling water outlet. The cooling water receives heat as it flows through the
これに対し、本発明では、ウォータジャケット壁12近傍の棒状ミセルの数(割合)が下流ほど少なくなる。つまり、棒状ミセルの破壊・分断が、流れの下流側では、時間的余裕もあることから上流側よりも相対的に進行し、棒状ミセルが減少する。これに伴い、熱伝達率αは、実線のように、下流ほど高くなる。従って、熱流束は実線のように下流側でも高く維持され、冷却水出口に近い機関後端の気筒を機関前端の気筒と同様に冷却できる。
On the other hand, in the present invention, the number (ratio) of rod-like micelles in the vicinity of the
上記ウォータジャケット壁12における凹凸表面構造の一例としては、図7(a),(b)に示すように、ウォータジャケット壁12表面に多数の微細な柱状凹部32を備える酸化物皮膜31が設けられている。これは、シリンダブロック4ないしシリンダヘッド5の母材自体の陽極酸化膜処理によって形成される。上記柱状凹部32の大きさとしては、その平均直径dが、25nm≦d≦1μmの範囲にあることが望ましい。25nmよりも小さいと、内部に気泡がない状態でも凹部32内に冷却水が侵入しにくく、1μmよりも大きいと、冷却水を局部的に加熱する熱浴としての効果が小さくなる。さらに詳しくは、平均直径dが40nm≦d≦450nmの範囲にあることが望ましい。40nmよりも小さいと、内部に気泡がある状態では凹部32内に冷却水が侵入しにくい。また450nmよりも大きいと、内部に気泡があっても熱浴としての効果が小さい。
As an example of the uneven surface structure in the
酸化物皮膜31を表面に形成するシリンダブロック4ないしシリンダヘッド5の母材としては、純アルミニウムあるいはアルミニウム合金が、酸化物皮膜としてアルミナを陽極酸化によって容易に形成できるため、好ましい。酸化物皮膜31を形成する工程の一例としては、表面の研磨工程、陽極酸化工程およびエッチング工程を有する。
As a base material of the cylinder block 4 or the
研磨工程においては、シリンダブロック4ないしシリンダヘッド5のウォータージャケット壁12の表面に、バフ研磨および電解研磨が施され、表面形状が調整される。バフ研磨および電解研磨の一方を、適宜省略することも可能である。
In the polishing step, buffing and electrolytic polishing are performed on the surface of the
陽極酸化工程においては、表面形状が調整された内壁面が、電解液に浸漬され、電圧が印加されることで陽極酸化膜が形成される。電解液は、例えば、酸系である。印加電圧は、例えば、70〜80Vである。陽極酸化膜は、アルミナからなる酸化物皮膜であり、微細孔を有する。この微細孔が前述した柱状凹部32となる。
In the anodizing step, the inner wall surface whose surface shape is adjusted is immersed in the electrolytic solution, and a voltage is applied to form an anodized film. The electrolytic solution is, for example, an acid system. The applied voltage is, for example, 70 to 80V. The anodic oxide film is an oxide film made of alumina and has fine pores. This fine hole becomes the
エッチング工程においては、酸化物皮膜が形成された内壁面が、清浄表面を露出させるために、エッチング液に浸漬される。エッチング液は、例えば、酸系である。浸漬時間は、例えば、15分である。 In the etching step, the inner wall surface on which the oxide film is formed is immersed in an etching solution in order to expose the clean surface. The etchant is, for example, acid-based. The immersion time is, for example, 15 minutes.
これにより、図7(a),(b)に示すように、多数の微細な柱状凹部32を備える酸化物皮膜31が得られる。このような陽極酸化によれば、広範囲にわたって容易かつ廉価に柱状凹部32を形成することができ、好ましい。特に、ウォータージャケット11の内壁のように、外部から直接に機械加工することが困難な箇所において有効である。なお、柱状凹部32となる微細孔の平均直径および平均深さは、アルミニウム基材の成分組成の選定、電解液の成分組成の選定、陽極酸化条件などを制御することによって、調整可能である。
Thereby, as shown in FIGS. 7A and 7B, an
次に、図8は、棒状ミセル21が形成される冷却水に、さらに、凹凸表面構造の凹凸よりも大きな平均粒径(例えば数10μmから数100μm程度)の微細粒子41を混入した実施例を示している。この微細粒子41としては、例えば蓄熱潜熱材を内部に包含したマイクロカプセルなどが用いられ、その大きさからシリンダヘッド壁12の柱状凹部32内に入ることなくウォータジャケット11内を冷却水とともに流れるが、上述したシリンダヘッド壁12表面での攪拌作用を受けると、この微細粒子41によって棒状ミセル21の破壊・分断がより促進される。なお、冷却水が層流となって流れている箇所では、微細粒子41も棒状ミセル21とともに円滑に流れるので、棒状ミセル21を破壊・分断することはない。なお、微細粒子41としてマイクロカプセル内に蓄熱潜熱材を包含したものでは、その熱容量によって冷却水主流の温度上昇を抑制できる。
Next, FIG. 8 shows an embodiment in which
11…ウォータジャケット
12…ウォータジャケット壁
21…棒状ミセル
22…球状ミセル
32…柱状凹部
41…微細粒子
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