JP3651079B2 - エンジンの冷却システム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は車両用エンジンの冷却システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
車両用エンジンにおいて、シリンダヘッド内に形成される燃焼室で発生した熱の一部は、シリンダヘッド、シリンダブロック、ピストン等に吸収される。これらの構成部品の温度が過度に上昇すると、部品の熱変形が起こったり、シリンダ壁等の油膜が破れて潤滑不良となりピストンやバルブが焼きついたりすることがある。また燃焼状態も悪くなり、ノッキングあるいはプレイグニッションのような異常燃焼を起こして、熱効率が低下し、出力も低下する。一方、エンジンを過度に冷却すると、出力・燃費の悪化及びシリンダの低温摩耗等の悪影響が生じる。このため、冷却システムにより部品の熱害・熱変形を防止するとともに、壁温・吸気温・油温を適正に保つことが必要である。
【0003】
車両用エンジンの冷却システムは主に水冷式で、シリンダヘッド及びシリンダブロックに設けられたウォータージャケット内に冷却液を循環させることにより、エンジンが冷却される。冷却によって熱くなった冷却液はラジエータに導びかれ走行による風や冷却ファンの風で冷やされてから、再びウォータージャケットに戻される。なお、一般にラジエータの冷却ファンと同軸的に駆動されるウォーターポンプにより、ラジエータからシリンダヘッド及びシリンダブロックのウォータージャケット内に冷却液が圧送される。また、冷却液温度を適温(70〜80℃程度)に制御するため、エンジンの冷却液出口にはサーモスタットが付いており、エンジン冷却後の冷却液温度に応じてラジエータに流れる冷却液の量がコントロールされる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、燃焼室が形成されているシリンダヘッド内においては、燃焼の熱により特に高温となり易いため、異常燃焼を防止したり、熱効率・出力を向上させたりする上で、冷却能力の大きな冷却液によりシリンダヘッド内を適切に冷却することが重要である。一方、シリンダブロック内においては、過度の冷却により出力・燃費の悪化及びシリンダの低温摩耗等の悪影響が生じるため、シリンダブロック内を冷却する冷却液にはシリンダヘッド内を冷却する冷却液ほど大きな冷却能力を必要としない。
【0005】
しかし、上記従来のエンジンの冷却システムでは、ラジエータにおいて冷却液と外気とを熱交換させることにより、エンジンの冷却によって熱くなった冷却液を冷却する方式であり、この方式では冷却液の温度を70℃程度まで下げるのが限界であった。このため、従来の冷却システムでは、シリンダヘッド内を適切に冷却することに限界があった。
【0006】
また上記従来のエンジンの冷却システムは、単一の冷却系統により、シリンダヘッド及びシリンダブロック内を冷却する方式である。このため、仮にシリンダヘッドを適切に冷却可能な冷却液を循環させることが可能となったとしても、この場合シリンダブロックを過度冷却してしまうという問題が生じる。
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、シリンダヘッドを独立して適切に冷却することのできるエンジンの冷却システムを提供することを解決すべき技術課題とするものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する請求項1記載のエンジンの冷却システムは、シリンダブロックを第1冷却液で冷却するための第1冷却系統と、シリンダヘッドを第2冷却液で冷却するための第2冷却系統とを有するものであって、外部から供給される空気と上記第1冷却液との熱交換により該第1冷却液を冷却する第1熱交換器と、該第1熱交換器における該第1冷却液との熱交換により加熱された空気を圧縮する空気圧縮機と、該空気圧縮機で圧縮された圧縮空気と上記第1冷却液との熱交換により該圧縮空気を冷却する第2熱交換器と、該第2熱交換器で冷却された圧縮空気を断熱膨張させて冷却する断熱膨張部と、該断熱膨張部で冷却された冷却空気と上記第2冷却液とを熱交換させて該第2冷却液を冷却する第3熱交換器と、上記第2熱交換器内、上記第1熱交換器内及びシリンダブロック内に、この順で上記第1冷却液を循環させる第1冷却液路及び第1ウォーターポンプと、上記第3熱交換器内及びシリンダヘッド内に上記第2冷却液を循環させる第2冷却液路及び第2ウォータポンプとからなることを特徴とするものである。
上記課題を解決する請求項2記載のエンジンの冷却システムは、シリンダブロックを第1冷却液で冷却するための第1冷却系統と、シリンダヘッドを第2冷却液で冷却するための第2冷却系統とを有するものであって、外部から供給される空気と上記第1冷却液との熱交換により該第1冷却液を冷却する第1熱交換器と、外部から供給される空気を圧縮する空気圧縮機と、該空気圧縮機で圧縮された圧縮空気と上記第1冷却液との熱交換により該圧縮空気を冷却する第2熱交換器と、該第2熱交換器で冷却された圧縮空気を断熱膨張させて冷却する断熱膨張部と、該断熱膨張部で冷却された冷却空気と上記第2冷却液とを熱交換させて該第2冷却液を冷却する第3熱交換器と、上記第2熱交換器内、上記第1熱交換器内及びシリンダブロック内に、この順で上記第1冷却液を循環させる第1冷却液路及び第1ウォーターポンプと、上記第3熱交換器内及びシリンダヘッド内に上記第2冷却液を循環させる第2冷却液路及び第2ウォータポンプとからなることを特徴とするものである。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のエンジンの冷却システムに係る実施形態について説明する。
(第1の実施形態)
図1に模式的に示す本実施形態に係る冷却システムは、シリンダブロック6を第1冷却液W1で冷却するための第1冷却系統と、シリンダヘッド9を第2冷却液W2で冷却するための第2冷却系統とを有するもので、第1熱交換器1と、空気圧縮機2と、第2熱交換器3と、断熱膨張部4と、第3熱交換器5と、第1熱交換器1内、第2熱交換器3内及びシリンダブロック6内に第1冷却液W1を流通、循環させる第1冷却液路7及び第1ウォーターポンプ8と、第3熱交換器5内及びシリンダヘッド9内に第2冷却液W2を流通、循環させる第2冷却液路10及び第2ウォーターポンプ11とを主構成要素としている。
【0010】
第1熱交換器1、第2熱交換器3及び第3熱交換器5は、特に限定されるものではないが、冷却液が流通する多数のウォーターチューブと、このウォーターチューブに接触し、空気が通過可能な多数のフィンとから構成されている。
第1熱交換器1と空気圧縮機2の吸入口とは第1空気路12により、空気圧縮機2の吐出口と第2熱交換器3とは第2空気路13により、第2熱交換器3と第3熱交換器5とは第3空気路14によりそれぞれ連通されている。そして第3空気路14の途中には絞り部14a及び拡径部14bが形成され、この絞り部14a及び拡径部14bにより断熱膨張部4が構成されている。なお、断熱膨張部4を構成する絞り部14a及び拡径部14bの外周には、断熱膨張部4における断熱性を向上させるために、発泡スチロールやスポンジ等の発泡材よりなる断熱部材41が配設されている。
【0011】
なお、上記第2熱交換器3及び断熱膨張部4で冷却された後の空気温度が、少なくとも外気温度よりも低くなるように、第1熱交換器1及び第2熱交換器3の熱交換能力、空気圧縮機2の圧縮比や断熱膨張部4の膨張比等を適宜設定することが必要である。
上記第1冷却液路7を循環する第1冷却液W1は、第1ウォーターポンプ8の作動により、シリンダブロック6に設けられたウォータージャケット内を通った後、第2熱交換器3のウォーターチューブ内、第1熱交換器1のウォーターチューブ内を順に通り、再びシリンダブロック6に設けられたウォータージャケット内に戻される。また、第2冷却液路10を循環する第2冷却液W2は、第2ウォーターポンプ11の作動により、シリンダヘッド9に設けられたウォータージャケット内を通った後、第3熱交換器5のウォーターチューブ内を通り、再びシリンダヘッド9に設けられたウォータージャケット内に戻される。
【0012】
また空気圧縮機2は、特に限定されるものではないが、エンジンからの排気ガス流で回されるタービンの回転軸に連結される遠心式の空気圧縮機等を採用することができる。
以下、本実施形態の冷却システムの作用について説明する。なお、図2は、第1熱交換器1、空気圧縮機2、第2熱交換器3、断熱膨張部4及び第3熱交換器5を順に通過する空気の温度変化を示すものである。
【0013】
まず、外気(外気温度:t1 )が供給される第1熱交換器1では、シリンダブロック6を冷却するための第1冷却液W1と外気との熱交換により、該第1冷却液W1を冷却する。このため第1熱交換器1を通過後の空気温度はt2 (t1 <t2 )に上昇する。この第1熱交換器1を通過して温度t2 となった空気は第1空気路12内を通過して空気圧縮機2に供給され、該空気圧縮機2で圧縮される。空気圧縮機2で圧縮された圧縮空気は温度t3 (t2 <t3 )の高温高圧の空気となる。この高温高圧の圧縮空気は第2空気路13内を通過して第2熱交換器3に供給される。第2熱交換器3では、シリンダブロック6を冷却した後の第1冷却液W1と上記高温高圧の圧縮空気との熱交換(圧縮空気からの放熱)により、該圧縮空気が冷却され、温度t4 (t2 <t4 <t3 )の中温高圧の圧縮空気となる。この中温高圧の圧縮空気が断熱膨張部4を通ると温度t5 (t5 <t1 )の低温中圧となり、外気温度t1 よりも温度が低下した空気となる。このように断熱膨張部4を通って外気よりも温度が低下した冷却空気は第3熱交換器5に導かれる。第3熱交換器5では、シリンダヘッド9を冷却するための第2冷却液W2と上記冷却空気との熱交換により、第2冷却液W2を冷却する。
【0014】
このように、シリンダヘッド9を第2冷却液W2で冷却するための第2冷却系統においては、外気温度t1 よりも低下した温度t5 の冷却空気と第2冷却液W2との熱交換により該第2冷却液W2を冷却するので、外気と第2冷却液W2とを熱交換させることにより該第2冷却液W2を冷却する場合よりも、第2冷却液W2を効果的に冷却することができる。
【0015】
具体的には、空気圧縮機2の吐出圧力、絞り部14aの径(絞り比)等の設定により、上記冷却空気の温度t5 を外気温度t1 より20℃程度低くすることが可能である。したがって、第3熱交換機5通過後の第2冷却液W2の温度T2 を40〜50℃程度まで冷却することができ、この第2冷却液W2を第2ウォーターポンプ11によりシリンダヘッド9内を流通させることにより、シリンダヘッド9内を適切に冷却することが可能となる。よって、シリンダヘッド9内に形成される燃焼室における異常燃焼を確実に防止するとともに、エンジンの熱効率・出力を向上させることができる。
【0016】
また、シリンダブロック6を第1冷却液W1で冷却するための第1冷却系統においては、シリンダブロック6冷却後の第1冷却液W1は、まず第2熱交換器3で温度t3 の高温の圧縮空気との熱交換により加熱され、次に第1熱交換器1で温度t1 の外気との熱交換により冷却された後、再びシリンダブロック6に戻される。このように、第1冷却液W1は、上記第2冷却系統で第2冷却液W2と熱交換させる冷却空気の温度t5 よりも高い温度t1 の外気と熱交換されて冷却される。したがって、第1熱交換機1通過後の第1冷却液W1の温度T1 は、上記第3熱交換機5通過後の第2冷却液W2の温度T2 よりも高くなり、シリンダブロック6における過度冷却を避けることができる。
【0017】
なお、本実施形態では、シリンダブロック6を第1冷却液W1で冷却するための第1冷却系統において、上記したようにシリンダブロック6冷却後の第1冷却液W1は、第2熱交換器3で温度t3 の高温の圧縮空気との熱交換により加熱された後、第1熱交換器1に供給される。このため、シリンダブロック6冷却後の第1冷却液W1を直接第1熱交換器1に供給する場合と比較して、第1熱交換器1における熱交換能力を高めておくことが好ましい。なお、第1熱交換器1の熱交換能力を高めるには、ウォーターチューブやフィンの数を増やしたり、冷却ファンを併用したりするなどの手段が考えられる。
【0018】
(第2の実施形態)
図3に模式的に示す本実施形態に係る冷却システムは、空気圧縮機2に直接外気を供給するようにしたこと以外は上記第1の実施形態と同様の構成である。
すなわち、本実施形態では、図示しないファン等で第1熱交換器1に供給され、同第1熱交換器1を通過した空気はそのまま外部に放出され、一方空気圧縮機2には温度t1 の外気が直接供給される。このため、空気圧縮機2で圧縮された圧縮空気の温度t3 ’は、第1熱交換器1通過後の温度t2 (t1 <t2 )の空気を空気圧縮機2で圧縮する上記第1の実施形態における圧縮空気の温度t3 よりも低くなる。したがって、第2熱交換器3通過後の圧縮空気の温度t4 ’及び断熱膨張部4通過後の冷却空気の温度t5 ’も、それぞれ上記第1の実施形態における第2熱交換器3通過後の圧縮空気の温度t4 及び断熱膨張部4通過後の冷却空気の温度t5 と比較してそれぞれ低くなる。
【0019】
よって、本実施形態の冷却システムは、シリンダヘッド9を第2冷却液W2で冷却するための第2冷却系統において、上記第1の実施形態と比較して、より効果的にシリンダヘッド9を冷却することができる。
また、シリンダブロック6を第1冷却液W1で冷却するための第1冷却系統においては、上記したように第2熱交換器3に供給される圧縮空気の温度t3 ’が、上記第1の実施形態における第2熱交換器3に供給される圧縮空気の温度t3 よりも低くなる。このため、シリンダブロック6冷却後の第1冷却液W1が第2熱交換器3で加熱される度合いは、上記第1の実施形態と比較して小さくなる。したがって、本実施形態では、第1熱交換器1における熱交換能力を上記第1の実施形態ほど高めなくてもよい。
【0020】
なお、上記第1の実施形態及び第2の実施形態において、通常のエンジンの冷却システムに用いられるサーモスタットを第1冷却系統及び第2冷却系統に装備し、シリンダブロック6及びシリンダヘッド9冷却後の第1冷却液W1及びW2の温度に応じて第2熱交換器3及び第3熱交換器5に流れる第1冷却液W1及びW2の量を制御するようにできることは勿論である。
【0023】
【発明の効果】
以上詳述したように請求項1又は2に係る発明のエンジンの冷却システムによれば、シリンダヘッドを第2冷却液で冷却するための第2冷却系統により、シリンダヘッドを独立して適切に冷却することができるので、シリンダヘッド内に形成された燃焼室における異常燃焼を確実に防止することができるとともに、エンジンの熱効率・出力を向上させることができる。また、シリンダブロックを第1冷却液で冷却するための第1冷却系統により、シリンダブロックにおける過度冷却を避けることができる。
さらに、請求項2に係る発明のエンジンの冷却システムによれば、シリンダブロックを第1冷却液で冷却するための第1冷却系統において、より効果的にシリンダヘッドを冷却することができる。また、シリンダブロックを第1冷却液で冷却するための第1冷却系統においては、第1熱交換器における熱交換能力を請求項1に係る発明ほど高めなくてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態に係るエンジンの冷却システムを模式的に説明する構成図である。
【図2】第1の実施形態に係るエンジンの冷却システムにおける空気温度変化を示す線図である。
【図3】第2の実施形態に係るエンジンの冷却システムを模式的に説明する構成図である。
【符号の説明】
図中、1は第1熱交換器、2は空気圧縮機、3は第2熱交換器、4は断熱膨張部、5は第3熱交換器、6はシリンダブロック、7は第1冷却液路、8は第1ウォーターポンプ、9はシリンダヘッド、10は第2冷却液路、11は第2ウォーターポンプである。
Claims (2)
- シリンダブロックを第1冷却液で冷却するための第1冷却系統と、シリンダヘッドを第2冷却液で冷却するための第2冷却系統とを有するものであって、
外部から供給される空気と上記第1冷却液との熱交換により該第1冷却液を冷却する第1熱交換器と、
該第1熱交換器における該第1冷却液との熱交換により加熱された空気を圧縮する空気圧縮機と、
該空気圧縮機で圧縮された圧縮空気と上記第1冷却液との熱交換により該圧縮空気を冷却する第2熱交換器と、
該第2熱交換器で冷却された圧縮空気を断熱膨張させて冷却する断熱膨張部と、
該断熱膨張部で冷却された冷却空気と上記第2冷却液とを熱交換させて該第2冷却液を冷却する第3熱交換器と、
上記第2熱交換器内、上記第1熱交換器内及びシリンダブロック内に、この順で上記第1冷却液を循環させる第1冷却液路及び第1ウォーターポンプと、
上記第3熱交換器内及びシリンダヘッド内に上記第2冷却液を循環させる第2冷却液路及び第2ウォータポンプとからなることを特徴とするエンジンの冷却システム。 - シリンダブロックを第1冷却液で冷却するための第1冷却系統と、シリンダヘッドを第2冷却液で冷却するための第2冷却系統とを有するものであって、
外部から供給される空気と上記第1冷却液との熱交換により該第1冷却液を冷却する第1熱交換器と、
外部から供給される空気を圧縮する空気圧縮機と、
該空気圧縮機で圧縮された圧縮空気と上記第1冷却液との熱交換により該圧縮空気を冷却する第2熱交換器と、
該第2熱交換器で冷却された圧縮空気を断熱膨張させて冷却する断熱膨張部と、
該断熱膨張部で冷却された冷却空気と上記第2冷却液とを熱交換させて該第2冷却液を冷却する第3熱交換器と、
上記第2熱交換器内、上記第1熱交換器内及びシリンダブロック内に、この順で上記第1冷却液を循環させる第1冷却液路及び第1ウォーターポンプと、
上記第3熱交換器内及びシリンダヘッド内に上記第2冷却液を循環させる第2冷却液路及び第2ウォータポンプとからなることを特徴とするエンジンの冷却システム。
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