JP2017155591A

JP2017155591A - エンジン冷却システム

Info

Publication number: JP2017155591A
Application number: JP2014124345A
Authority: JP
Inventors: 世界宮本; Sekai Miyamoto; 英和岩▲崎▼; Hidekazu Iwasaki
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 2014-06-17
Filing date: 2014-06-17
Publication date: 2017-09-07
Also published as: WO2015194143A1

Abstract

【課題】自着火現象を効果的に抑制することができるエンジン冷却システムを提供する。【解決手段】エンジン冷却システム１は、シリンダヘッド３と、シリンダヘッド３に面する燃焼室２０の少なくとも中間部分を取り巻く第１冷却室４１と、燃焼室２０のシリンダヘッド３側の端部を取り巻く第２冷却室４２を含む。第１冷却室４１と放熱器６１との間では、循環装置５により第１冷却液が循環させられる。第２冷却室４２へは、第１冷却液よりも低温の第２冷却液が供給ライン７１を通じて供給され、第２冷却室４２からは、排出ライン７２を通じて第２冷却液が排出される。【選択図】図１

Description

本発明は、自着火現象を効果的に抑制することができるエンジン冷却システムに関する。

火炎伝播方式のエンジンでは、燃焼室壁面の温度を低下させることが、ノッキングやプレイグニッションなどの自着火現象の抑制に有効であることが知られている。ノッキングは、燃焼室壁面近くの混合気が燃焼火炎伝播前に自着火する現象であり、プレイグニッションは、燃焼室内で局所的に高温となる箇所により混合気または潤滑油が自着火する現象である。ノッキングおよびプレイグニッションのいずれも、ピストンの溶損、ピストンリングの損傷およびピストンの焼き付けなどを引き起こす。

例えば、特許文献１には、図６に示すような、ノッキングを抑制するためのエンジン冷却システム１００が開示されている。このシステム１００では、シリンダブロック１３０とシリンダヘッド１２０の間に流路部材１４０が挟まれている。流路部材１４０は、燃焼室１１０に面する壁面（燃焼室壁面）の一部を構成しており、その燃焼室壁面の近傍に流路１４１を有している。

流路１４１は、シリンダブロック１３０に設けられた流路１３１およびシリンダヘッド１２０に設けられて流路１２１と連通しており、これらの流路１２１，１３１，１４１には冷却水が流される。これにより、ノッキングが抑制される。

特開平５−２２２９３１号公報

ところで、エンジン冷却システムとしては、図４に示すエンジン冷却システム１００よりも自着火現象をよりいっそう抑制することが望まれる。

そこで、本発明は、自着火現象を効果的に抑制することができるエンジン冷却システムを提供することを目的とする。

本発明の発明者らは、図６に示すエンジン冷却システム１００では、流路部材１４０の流路１４１とシリンダブロック１３０の流路１３１とシリンダヘッド１２０の流路１２１とに同一の冷却水、すなわちほぼ同じ温度の冷却水が流れることに改良の余地があることを見出した。本発明は、このような観点からなされたものである。

すなわち、本発明のエンジン冷却システムは、シリンダヘッドと、前記シリンダヘッドに面する燃焼室の少なくとも中間部分を取り巻く第１冷却室と、前記燃焼室の前記シリンダヘッド側の端部を取り巻く第２冷却室と、前記第１冷却室と放熱器との間で第１冷却液を循環させる循環装置と、前記第２冷却室へ、前記第１冷却液よりも低温の第２冷却液を供給する供給ラインと、前記第２冷却室から前記第２冷却液を排出する排出ラインと、を備える、ことを特徴とする。

上記の構成によれば、燃焼室のシリンダヘッド側の端部が燃焼室の中間部分よりも積極的に冷却されるため、自着火現象を効果的に抑制することができる。その結果、自着火現象に起因するピストンの溶損、ピストンリングの損傷およびピストンの焼き付けなどが抑制され、エンジンの耐久性および信頼性が向上する。

上記のエンジン冷却システムは、前記供給ラインの上流端および前記排出ラインの下流端が接続された第２の放熱器をさらに備えてもよい。第２冷却液は例えば工業用水でもよいが、本構成のように第２の放熱器があれば、第２冷却液を第２冷却室と第２の放熱器との間で循環させることができる。さらに、第２冷却液を放熱させる第２の放熱器は、第１冷却液を放熱させる放熱器とは別に設置されるので、第１冷却液と第２冷却液とを互いに独立して最適な温度に調整することができる。

上記のエンジン冷却システムは、前記供給ラインに設けられた流量制御弁と、前記燃焼室内の圧力を検出する圧力計と、前記圧力計の検出結果に基づいてノッキングの発生度合を判定する制御装置と、をさらに備え、前記制御装置は、ノッキングの発生度合が高いと判定したときに、前記流量制御弁の開度を大きくしてもよい。この構成によれば、ノッキングの発生度合が高いときには燃焼室のシリンダヘッド側の端部がさらに積極的に冷却されるため、ノッキングの発生度合を小さく維持することができる。

上記のエンジン冷却システムは、シリンダライナが組み込まれたシリンダブロックをさらに備え、前記第２冷却室は、前記シリンダブロックに設けられた環状の溝が前記シリンダライナに閉塞されることによって形成されていてもよい。この構成によれば、特別な部材を用いることなく第２冷却室を形成することができる。

本発明によれば、自着火現象を効果的に抑制することができる。

本発明の一実施形態に係るエンジン冷却システムの概略構成図である。エンジンの燃焼室回りの拡大縦断面図である。図２のIII−III線に沿った横断面図である。変形例のエンジンの横断面図である。別の変形例のエンジンの燃焼室回りの拡大縦断面図である。従来のエンジン冷却システムの概略構成図である。

図１に、本発明の一実施形態に係るエンジン冷却システム１を示す。このシステム１は、第１冷却液と第２冷却液を用いてエンジン２を冷却するものである。本実施形態では、エンジン２が４ストロークエンジンであるが、本発明は２ストロークエンジンにも適用可能である。

エンジン２は、クランクシャフト２５と、クランクシャフト２５の軸方向に一列または複数列で配列された複数のシリンダ２９（図３参照）を含む。本実施形態では、シリンダ２９が、シリンダブロック４に組み込まれたシリンダライナ２６によって形成されている。また、シリンダ２９は、シリンダヘッド３によって閉塞されている。

各シリンダ２９内には、ピストン２３が配置されており、このピストン２３とシリンダヘッド３の間に燃焼室２０が形成されている。換言すれば、シリンダヘッド３およびピストン２３は、燃焼室２０に面している。ピストン２３は、コンロッド２４によりクランクシャフト２５と連結されている。

シリンダヘッド３には、各燃焼室２０に空気もしくは燃料と空気の混合気を供給するための給気ポート３ａと、各燃焼室２０から燃焼ガスを排出するための排気ポート３ｂが設けられている。燃焼室２０への燃料の供給方法は、燃焼室２０内への直接噴射（直噴方式）であってもよいし、給気ポート３ａ内への噴射（予混合方式）であってもよい。燃料は、天然ガスであってもよいし、石油であってもよい。給気ポート３ａの燃焼室２０への開口は給気バルブ２１により開閉され、排気ポート３ｂの燃焼室２０への開口は排気バルブ２２により開閉される。また、シリンダヘッド３には、給気ポート３ａおよび排気ポート３ｂの周囲にヘッド側冷却室３１が形成されている。

シリンダブロック４には、各燃焼室２０の少なくとも中間部分を取り巻く第１冷却室４１と、各燃焼室２０のシリンダヘッド３側の端部を取り巻く第２冷却室４２が形成されている。本実施形態では、図３に示すように、シリンダライナ２６が互いに接触するように一列で配列されている。そして、全ての第２冷却室４２が連続（互いに連通）していて、これらの第２冷却室４２によって枠状の局所冷却流路が構成されている。同様に、全ての第１冷却室４１も連続（互いに連通）していて、これらの第１冷却室４１によって枠状の主冷却流路が構成されている。また、クランクシャフト２５の軸方向に並ぶシリンダ２９のうち両端以外のシリンダ２９では、各第２冷却室４２がシリンダ２９の並び方向と直交する方向（図３の左右方向）でシリンダ２９を挟み込む一対のセル４２ａに分割されている（第１冷却室４１も同様）。

図２に示すように、各第２冷却室４２は、シリンダブロック４に設けられた、径方向内側に開口する環状の溝４５がシリンダライナ２６によって閉塞されることによって構成されている。同様に、第１冷却室４１は、シリンダブロック４に設けられた、溝４５よりも格段に大きな後退部４６がシリンダライナ２６によって閉塞されることによって構成されている。

シリンダブロック４およびシリンダヘッド３には、シリンダブロック４の各第１冷却室４１とシリンダヘッド３のヘッド側冷却室３１とを連通する複数の連通穴２７が形成されている。連通穴２７は、シリンダ２９の軸方向に延びており、第２冷却室４２の外側に配置されている。

また、シリンダブロック４には、第１冷却室４１で構成される主冷却流路へ第１冷却液を流入させる第１入口４７（図１参照）が設けられており、シリンダヘッド３には、ヘッド側冷却室３１から第１冷却液を流出させる第１出口３２が設けられている。さらに、シリンダブロック４には、第２冷却室４２で構成される局所冷却流路へ第２冷却液を流入させる第２入口４３と、局所冷却流路から第２冷却液を流出させる第２出口４４が設けられている。例えば、図３に示すように、最も外側に配置された２つの第２冷却室４２のうちの一方に第２入口４３が開口し、他方に第２出口４３が開口するように、第２入口４３および第２出口４４が配置される。

図１に戻って、第１冷却液は、循環装置５により、第１冷却室４１と第１放熱器６１（本発明の放熱器に相当）との間で循環させられる。循環装置５は、第１入口４７と第１放熱器６１とに接続された送りライン５１と、第１出口３２と第１放熱器６１とに接続された戻しライン５２を含む。送りライン５１には、上流側から順にポンプ５３および流量制御弁５４が設けられている。戻しライン５２には、温度センサ８１が設けられている。なお、ポンプ５３は、戻しライン５２に設けられていてもよい。

ポンプ５３が稼働すると、第１冷却液が第１入口４７を通じてエンジン２内へ流入し、第１冷却室４１で構成される主冷却流路、連通穴２７およびヘッド側冷却室３１をこの順に流れた後に、第１出口３２を通じてエンジン２から流出する。エンジン２から流出した第１冷却液の温度は、温度センサ８１により計測される。エンジン２から流出した第１冷却液は、第１放熱器６１で放熱した後に、再びエンジン２内に流入する。例えば、循環中の第１冷却液の温度は、７０〜１００℃程度である。

流量制御弁５４は、制御装置８により、温度センサ８１で計測される温度が一定の範囲内に維持されるように制御される。

第２冷却液は、供給ライン７１および第２入口４３を通じて第２冷却室４２で構成される局所冷却流路へ供給され、第２出口４４および排出ライン７２を通じて第２冷却室４２から排出される。局所冷却流路（より正確には、最も上流側の第２冷却室４２）へ供給される第２冷却液は、第１冷却液よりも低温である。例えば、局所冷却流路へ供給される第２冷却液と第１冷却液の温度差は１０℃以上である。局所冷却流路へ供給される第２冷却液の温度は、自着火現象を抑制するという観点からは低い方が望ましい。ただし、燃焼室壁面（シリンダ２９の上部）の温度が下がり過ぎると、燃焼火炎が広がり難くなって冷却損失が大きくなる。そこで、冷却損失を小さく抑えるという観点からは、局所冷却流路へ供給される第２冷却液の温度は低すぎないことが望ましい。

第２冷却液は、第１冷却液と同じ液体であってもよいし、異なる液体であってもよい。第１冷却液および第２冷却液としては、例えば、不凍液を用いることができる。

本実施形態では、供給ライン７１の上流端および排出ライン７２の下流端が第２放熱器６２（本発明の第２の放熱器に相当）に接続されている。すなわち、第２冷却液も、第２冷却室４２と第２放熱器６２との間で循環させられる。供給ライン７１には、上流側から順にポンプ７３および流量制御弁７４が設けられている。排出ライン７２には、温度センサ８２が設けられている。なお、ポンプ７３は、排出ライン７２に設けられていてもよい。

ポンプ７３が稼働すると、第２冷却液が第２入口４３を通じて局所冷却流路（より正確には、最も上流側の第２冷却室４２）内へ流入し、第２出口４４を通じて局所冷却流路（より正確には、最も下流側の第２冷却室４２）から流出する。局所冷却流路から流出した第２冷却液の温度は、温度センサ８２により計測される。局所冷却流路から流出した第２冷却液は、第２放熱器６２で放熱した後に、再び局所冷却流路内に流入する。

上述した制御装置８は、流量制御弁７４も制御する。制御装置８は、燃焼室２０内の圧力を検出する圧力計８３と接続されており、圧力計８３の検出結果に基づいてノッキングの発生度合を判定する。例えば、ノッキングの発生度合は、圧力波形を解析することによって判定することができる。そして、制御装置８は、圧力計８３の検出結果および温度センサ８２で計測される温度に基づいて、エンジン２の効率が最大となるように、換言すれば、自着火現象が抑制され、かつ、冷却損失が過大とならないように、流量制御弁７４を制御する。例えば、制御装置７は、ノッキングの発生度合が高いと判定したときに、流量制御弁７４の開度を大きくする。

以上説明したように、本実施形態のエンジン冷却システム１では、燃焼室２０のシリンダヘッド３側の端部が燃焼室２０の中間部分よりも積極的に冷却されるため、自着火現象を効果的に抑制することができる。その結果、自着火現象に起因するピストン２３の溶損、ピストンリングの損傷およびピストン２３の焼き付けなどが抑制され、エンジン２の耐久性および信頼性が向上する。これにより、エンジン２の効率を従来よりもさらに向上させるようなエンジン仕様（例えば、高圧縮比）および運転条件（例えば、点火タイミングの進角）を採用することが可能となる。そして、エンジン２の効率が向上すれば、燃焼ガスに含まれる一酸化炭素の排出量も減少する。また、自着火現象の抑制により、ノック音（自着火現象により発生する圧力波が燃焼室壁面に衝突する際に発生する音）を抑制でき、エンジン２の静粛性を向上させることができる。

また、ノッキングの発生度合が高いと判定したときに流量制御弁７４の開度が大きくされれば、ノッキングの発生度合が高いときには燃焼室２０のシリンダヘッド３側の端部がさらに積極的に冷却されるため、ノッキングの発生度合を小さく維持することができる。

さらに、本実施形態では、各第２冷却室４２がシリンダブロック４とシリンダライナ２６を利用して構成されるので、特別な部材を用いることなく第２冷却室４２を形成することができる。

（変形例）
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

例えば、全ての第２冷却室４２は、必ずしも連続している必要はない。例えば、図４に示すように、全ての第２冷却室４２が独立していてもよい。この場合、第２入口４３および第２出口４４を個々の第２冷却室４２に開口するように第２冷却室４２と同数設け、供給ライン７１の下流側部分および排出ライン７２の上流側部分を複数の支流に分岐させればよい。同様に、全ての第１冷却室４１は、必ずしも連続している必要はない。

また、図５に示すように、各第２冷却室４２を形成する中空のリング状の部材９がシリンダライナ２６とシリンダヘッド３の間に配置されていてもよい。部材９は、図５に示すようにシリンダブロック４に形成された拡径部に嵌合していてもよいが、図６に示す従来のエンジン冷却システム１００と同様にシリンダブロック４とシリンダヘッド３の間に挟まれる板状であってもよい。また、部材９は、図４に示すようなレイアウトの場合は個々のシリンダ２９に対応するように独立した円形リング状であってもよいし、図３に示すようなレイアウトの場合は、全ての部材９が連続した枠状部材を構成していてもよい。

また、シリンダブロック４には必ずしもシリンダライナ２６が組み込まれている必要はなく、シリンダ２９がシリンダブロック４によって形成されていてもよい。

さらに、シリンダブロック４の代わりに、個々のシリンダライナ２６の周囲にジャケットが設けられていてもよい。

また、第２放熱器６２は必ずしも必要ではなく、第２冷却液は例えば工業用水でもよい。ただし、前記実施形態のように第２放熱器６２があれば、第２冷却液を第２冷却室４２と第２放熱器６２との間で循環させることができる。さらに、第２冷却液を放熱させる第２放熱器６２は、第１冷却液を放熱させる第１放熱器６１とは別に設置されるので、第１冷却液と第２冷却液とを互いに独立して最適な温度に調整することができる。

本発明は、種々の用途のエンジンに対して有用である。

１エンジン冷却システム
２０燃焼室
２６シリンダライナ
３シリンダヘッド
４シリンダブロック
４１第１冷却室
４２第２冷却室
４５溝
５循環装置
６１第１放熱器
６２第２放熱器
７１供給ライン
７２排出ライン
７４流量制御弁
８制御装置
８３圧力計

Claims

シリンダヘッドと、
前記シリンダヘッドに面する燃焼室の少なくとも中間部分を取り巻く第１冷却室と、
前記燃焼室の前記シリンダヘッド側の端部を取り巻く第２冷却室と、
前記第１冷却室と放熱器との間で第１冷却液を循環させる循環装置と、
前記第２冷却室へ、前記第１冷却液よりも低温の第２冷却液を供給する供給ラインと、
前記第２冷却室から前記第２冷却液を排出する排出ラインと、
を備える、エンジン冷却システム。
前記供給ラインの上流端および前記排出ラインの下流端が接続された第２の放熱器をさらに備える、請求項１に記載のエンジン冷却システム。
前記供給ラインに設けられた流量制御弁と、
前記燃焼室内の圧力を検出する圧力計と、
前記圧力計の検出結果に基づいてノッキングの発生度合を判定する制御装置と、をさらに備え、
前記制御装置は、ノッキングの発生度合が高いと判定したときに、前記流量制御弁の開度を大きくする、請求項１または２に記載のエンジン冷却システム。
シリンダライナが組み込まれたシリンダブロックをさらに備え、
前記第２冷却室は、前記シリンダブロックに設けられた環状の溝が前記シリンダライナに閉塞されることによって形成されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載のエンジン冷却システム。