JP2653289B2 - エンジンの冷却装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自動車用エンジン等の
水冷式冷却装置とりわけ冷却系内の圧力を最適に制御す
る冷却装置の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】図５は、従来から自動車用エンジン等に
おいて一般に用いられている水冷式冷却装置の構成を模
式的に示したもので、２１は内部にウォータジャケット
が形成されたエンジン本体、２２はラジエータ、２３は
エンジン出力にて駆動されるウォータポンプであって、
エンジン本体２１のウォータジャケットから出た冷却水
は、入口通路２４を通ってラジエータ２２の上部に流入
し、ここで熱交換した後、ラジエータ２２下部から出口
通路２５を通って、ウォータポンプ２３により吸入され
てウォータジャケット内に強制循環される。

【０００３】そして、このような強制対流熱伝達に依存
した冷却装置においては、ウォータポンプ２３にキャビ
ティーションが発生して冷却水循環量が低下すると冷却
性能が低下し、いわゆるオーバヒート状態となってしま
うので、ラジエータキャップ２６の加圧弁及び負圧弁に
よる加圧並びに調圧機能によりリザーバタンク２７を介
して冷却系内の圧力を所定の加圧状態に保つことで、冷
却水の飽和温度を高く確保するようにしている。

【０００４】然し乍ら、冷却水温度の常用域は、一般に
８５〜９０℃付近であるから、前記のようにラジエータ
キャップ２６の加圧弁の閉弁圧を通常圧として０.９kg/
cm²atg程度に保つと、かなり大きなサブクール度（飽和
温度と実際の冷却温度との差）が与えられることにな
る。したがって、斯かる大きなサブクール度によりウォ
ータジャケット内のサブクール沸騰の発生割合が小さく
なるため熱伝達性が低下し燃焼室壁温を効果的に低下さ
せることができない。即ち、ウォータジャケット内の熱
伝達率は図４に示すようにサブクール度が約３０℃から
０℃に近づくにしたがって大きくなるが、３０℃以上に
なると極めて小さくなる特性を示す。

【０００５】そこで、冷却水温度の変化に応じてラジエ
ータキャップの加圧弁の開弁圧を制御して前記の問題点
を解消する技術も本出願人から既に提案されている。こ
れは、冷却水温度が比較的低いときは、ラジエータキャ
ップの加圧弁の閉弁圧を低く制御して冷却系内圧を低下
させる。これによって、サブクール度を１０℃〜２０℃
程度に保ち、ヒートスポットとなる部分のサブクール沸
騰による効率の良い熱伝達性を得て燃焼室壁温を低下さ
せる。一方、冷却水温度が上昇した場合は、加圧弁の開
弁圧をサーモワックスの作用により高く制御して適当な
サブクール度を確保し、これによってオーバヒートを防
止するようにしている（実開昭６３−１５１９３２号公
報参照）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】然し乍ら、前記公報記
載の従来の冷却装置にあっては、前述のように冷却水温
度に応じてラジエータキャップの加圧弁の開弁圧を変化
させることにより、サブクール度を約３０℃以下に小さ
く制御して良好な熱伝達性を得るようになっているが、
斯かるサブクール度を一律に小さくするとサブクール沸
騰に起因して今度は逆にウォータポンプ内にキャビティ
ーションガ発生し易くなる。この結果、ウォータポンプ
のポンプ効率が低下し、強制循環による冷却性能が低下
するといった問題を招く。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記従来の問
題点に鑑みて案出されたもので、エンジン本体内のウォ
ータジャケット及びラジエータを主体とした冷却系と、
この冷却系内で冷却水を強制的に循環させるウォータポ
ンプと、前記冷却系内を加圧あるいは減圧する圧力制御
手段と、該圧力制御手段を、前記冷却水温度及びエンジ
ン回転数に基づいて制御する制御手段を備えたことを特
徴としている。

【０００８】

【作用】本発明は、ウオータポンプの有効吸収ヘッド
（利用ＮＰＳＨ）をキャビティーションの発生限界の指
標として利用して冷却系内圧力を制御するようにしたも
のである。即ち、制御手段が、冷却水温度とエンジン回
転数の各情報信号値から求められる利用ＮＰＳＨ特性を
用いてウォータポンプ内にキャビテーションが発生する
か否かを判断し、この判断結果に基づいて圧力制御手段
を制御して冷却系内圧力を制御するようにしたため、サ
ブクール度を３０°Ｃ以下のキャビテーションの発生限
界近くまで小さく制御できる。これによって、熱伝達効
率とポンプ効率の両方を向上させることができるのであ
る。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳述
する。

【００１０】図１は本発明に係る冷却装置を模式的に表
した一実施例を示し、１は内部にウォータジャケットが
形成されたエンジン本体、２はエンジン出力にて駆動さ
れるウォータポンプ、３はラジエータであって、エンジ
ン本体１のウォータジャケットを出た冷却水は、入口通
路４を通ってラジエータ３に流入し、ここで熱交換した
後、出口通路５を通ってウォータポンプ２により吸入さ
れてウォータジャケット内に強制循環される。また、前
記入口通路４にはサーモスタット６が配置され、冷却水
温度が低い場合には、サーモスタット６がバイパス通路
７を開き、入口通路４を遮断してラジエータ３を経由せ
ずに冷却水を循環させる構成となっている。８はラジエ
ータ３の上部に設けられた水の注入口キャップ、９はリ
ザーバタンク、１０は冷却系内の圧力が１.５kg/cm²と
なったときに該冷却系内を開放するリリーフ弁を有する
リザーバタンクキャップであって、前記リザーバタンク
９は、冷却系の最も高い位置に設けられ、下端部が冷却
水通路１１を介して前記注入口キャップ８を介してラジ
エータ３の内部と接続されている一方、上端部に圧力通
路１２の下流端が接続されている。

【００１１】この圧力通路１２の上流端部には加圧ポン
プ１３が設けられていると共に、該加圧ポンプ１３の下
流側に圧力制御手段たる３方型電磁弁１４が設けられて
いる。前記加圧ポンプ１３は、エンジンの出力によって
駆動される構造のものであって、冷却系内を最大０.９k
g/cm²程度に加圧できる能力を有している。また、３方
型電磁弁１４は、圧力通路１２を介して加圧ポンプ１３
とリザーバタンク９を連通させるかあるいは３方を大気
開放して大気とリザーバタンク９とを連通するように流
路を切り換えるようになっている。

【００１２】１５は、ウォータポンプ２の入口付近に設
けられて冷却系内圧を検出する圧力検出センサ、１６は
入口通路４の上流端に設けられて、ウォータジャケット
内の冷却水温度を検出する温度センサであって、該温度
センサ１６と圧力検出センサ１５から出力された情報信
号は制御手段たるコントロールユニット１７に入力され
る。

【００１３】前記コントロールユニット１７は、内蔵さ
れたマイクロコンピュータが前記圧力検出センサ１５か
ら出力された冷却系内圧信号と、温度センサ１６から出
力された冷却水温度信号の他に、クランク角センサ１８
からのエンジン回転数信号を入力回路を介して入力し、
その情報信号に基づいてウォータポンプ２の利用ＮＰＳ
Ｈを求める。また、該利用ＮＰＳＨと必要ＮＰＳＨとを
比較して、その比較値に応じて前記電磁弁１４を切換作
動させ、大気側を遮断して加圧ポンプ１３により冷却系
内圧を加圧するか、３方を開放して冷却系内を減圧する
ように制御している。

【００１４】具体的に説明すれば、前記利用ＮＰＳＨ
は、ウォータポンプ２のキャビティーション発生限界の
指標として機能し、以下の式によって求めることができ
る。

【００１５】 利用ＮＰＳＨ＝ＨＷ−ＨＳ−ζυ²／２ｇ…（１） ここで、ＨＷは冷却系内圧力（液柱ｍ）、ＨＳは飽和圧
力（液柱ｍ）、ζはウォータポンプ２の吸入配管での総
損失係数、υは吸入側における管内平均流速（ｍ／ｓ）
を示している。即ち、冷却系内の圧力からその時の冷却
水温度における飽和圧力と損失圧力分を減じた値であ
る。そして、斯かる利用ＮＰＳＨが必要ＮＰＳＨよりも
大きくなっていれば、（利用ＮＰＳＨ≧必要ＮＰＳＨ…
（２））キャビティーションは発生しない。ここで必要
ＮＰＳＨはウォータポンプ２の仕様と流量つまりエンジ
ン回転数によって決定される値であり、予めデータとし
てマイクロコンピュータに記憶されている。

【００１６】図２はエンジン回転数が４０００rpm時に
おける冷却水温度と冷却系内圧とサブクール度との関係
及びこれらとＮＰＳＨとの関係を示している。そして、
図中のサブクール度２０〜１０℃の範囲がサブクール度
制御領域を示し、図中左側破線から左方向の斜線範囲が
ＮＰＳＨからの制御領域を示している。ここで、ＮＰＳ
Ｈからの制御領域について説明すれば、サブクール度０
℃の線が飽和圧力ＨＳであって、それに損失圧力分布ζ
υ²／２ｇと必要ＮＰＳＨを加えた値よりも利用ＮＰＳ
Ｈが小さいときは、冷却系内圧を高めて前記（２）式の
ように必要ＮＰＳＨよりも大きくなるように制御する。
したがって、前記サブクール度の制御領域と、ＮＰＳＨ
からの制御領域の重なる図中格子状の部分内に入るよう
に冷却系内圧を制御すれば、サブクール沸騰を利用した
効率の良い熱伝達性を確保しつつウォータポンプ２内で
のキャビティーションの発生を十分に抑制することが可
能となるのである。

【００１７】斯る図２をもって例を示せば、エンジン回
転数４０００rpmで、冷却水温度が９０℃、冷却系内圧
が０.１kg/cm²atgの状態であるＡ点（サブクール度１７
℃程度）から、冷却水温度が１００℃に上昇した場合に
は、格子状部分から外れたＢ点に移行する。つまり、こ
の時点では、冷却系内圧が０.１kg/cm²atgのままなので
サブクール度は７℃程度になっている。したがって、こ
の状態では前記式（２）が満足されずウォータポンプ２
内にキャビティーションが発生してしまう。依って、こ
の状態から冷却系内圧を約０.３kg/cm²まで上昇させて
Ｃ点に移行させれば、運転状態を格子状部分内に入れる
ことができる。この例では、エンジン回転数が４０００
rpmの場合を示したが、必要ＮＰＳＨと損失圧力分はエ
ンジン回転数によって変動する。つまり、冷却水の循環
流量の少ない低回転域では、必要ＮＰＳＨと損失圧力分
は小さくなり、循環流量の多い高回転域では大きくな
る。したがって、ＮＰＳＨの制御領域は、エンジン回転
数に応じて図中左右方向に移動することになる。

【００１８】以下、前述の制御原理に基づくコントロー
ルユニット１７の実際の制御を図３のフローチャートに
基づき説明する。

【００１９】まず、セクションＳ１でエンジンを始動さ
せた後、セクションＳ２においてセンサ類１５，１６，
１８から入力した信号により現在の冷却水温度，冷却系
内圧及びエンジン回転数を検出する。次に、セクション
Ｓ３では斯かる各情報信号に基づき前記式（１）により
ウォータポンプ２の利用ＮＰＳＨ値を算出し、セクショ
ンＳ４に移行する。ここでは、前記利用ＮＰＳＨ値がマ
イクロコンピュータに予め記憶されているウォータポン
プ２の必要ＮＰＳＨよりも大きいか否かを判別し、利用
ＮＰＳＨ値が必要ＮＰＳＨ値よりも大きい場合はセクシ
ョンＳ５に移行し、小さいと判断した場合はセクション
Ｓ６に移る。

【００２０】このセクションＳ６では、３方型電磁弁１
４を大気側遮断にして加圧ポンプ１３からの圧力をリザ
ーバタンク９を介して冷却系内に供給し、該冷却系内圧
を高める制御を行なう。つまり、利用ＮＰＳＨ値を大き
くして運転状態を格子状部分内に移行させ、その後セク
ションＳ２に戻る。

【００２１】前記セクションＳ５では、現在のサブクー
ル度が１０〜２０℃か否かを判別し、サブクール度が１
０〜２０℃内であれば、前記格子状部分内での運転状態
であるからウォータジャケット内でサブクール沸騰によ
る効率の良い熱伝達が行なわれていると共に、ウォータ
ポンプ２内でのキャビティーションの発生も十分に抑制
されている。したがって、そのままセクションＳ２に戻
る。

【００２２】また、セクションＳ５でサブクール度が１
０℃以下であると判断した場合は、キャビティーション
が発生し易い状態であるため、セクションＳ７で３方型
電磁弁１４を大気側遮断にして前述と同様に加圧ポンプ
１３により冷却系内圧を加圧して、サブクール度を上昇
させて１０〜２０℃以内にする。

【００２３】更に、セクションＳ５でサブクール度が２
０℃以上であると判断した場合は、セクションＳ８に移
行する。ここでは、キャビティーションの発生する虞れ
が少ないため、今度は３方型電磁弁１４を３方全部を大
気開放にして冷却系内を減圧し、サブクール度を低下さ
せて１０〜２０℃以内にする。

【００２４】このように、本実施例ではウォータポンプ
２内のキャビティーションの発生を抑制しながらサブク
ール度を小さくすることができるため、該サブクール度
をキャビティーション発生限界まで可及的に小さくする
ことができる。この結果、ウォータジャケット内の伝達
性が一層向上してヒートスポットが十分解消され、燃焼
室壁温の低下により異常燃焼を防止できると共に、メカ
ニカルオクタン価の上昇による出力と燃費の向上を図る
ことができる。

【００２５】尚、本発明は、前記実施例に限定されるも
のではなく、例えば加圧ポンプは、電動式のものでもよ
く、また、ディーゼルエンジンの車両ではブレーキマス
ターバック用の真空ポンプを、さらにターボチャージャ
ー等の過給機を備えたエンジンにあっては、該過給機を
利用することも可能である。

【００２６】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
係るエンジンの冷却装置にあっては、制御手段が圧力制
御手段を介して冷却系内圧を制御してサブクール度を全
体的に小さく保ってサブクール沸騰を生じさせると共
に、冷却水温度とエンジン回転数の各情報信号に基づい
てウォータポンプの利用ＮＰＳＨを求め、該利用ＮＰＳ
Ｈを制御要素として前記冷却系内圧を制御するようにし
たので、常時ウォータジャケット内の良好な熱伝達性を
確保しつつウォータポンプ内でのキャビティーションの
発生を十分に抑制することができる。この結果、熱伝達
の向上により、燃焼室壁温を低下させて異常燃焼を防止
できると共に、ウォータポンプのポンプ効率の向上によ
り冷却水の強制循環による機関冷却性能の低下を防止で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を模式的に示す全体構成図。

【図２】冷却水温度と冷却系内圧との相対関係における
本実施例の制御領域を示す特性図。

【図３】本実施例のフローチャート図。

【図４】サブクール度と熱伝達率との関係を示す特性
図。

【図５】従来の冷却装置を模式的に示す全体構成図。

【符号の説明】

１…エンジン本体、２…ウォータポンプ、３…ラジエー
タ、１４…３方型電磁弁（圧力制御手段）、１５…圧力
検出センサ、１６…温度センサ、１７…コントロールユ
ニット（制御手段）、１８…クランク角センサ。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 エンジン本体内のウォータジャケット及
   びラジエータを主体とした冷却系と、この冷却系内で冷
   却水を強制的に循環させるウォータポンプと、前記冷却
   系内を加圧あるいは減圧する圧力制御手段と、該圧力制
   御手段を、前記冷却水温度及びエンジン回転数に基づい
   て制御する制御手段を備えたことを特徴とするエンジン
   の冷却装置。