JP3651083B2

JP3651083B2 - 自動車用エンジンの水冷装置

Info

Publication number: JP3651083B2
Application number: JP27476595A
Authority: JP
Inventors: 宣弘原田
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 1995-09-27
Filing date: 1995-09-27
Publication date: 2005-05-25
Anticipated expiration: 2015-09-27
Also published as: JPH0988595A

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は，自動車用エンジンの水冷装置に関するものであり，特に，エネルギー効率が良好で，且つウォーターポンプと駆動装置との間のシールが簡便な水冷装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
自動車用エンジンの冷却方式には，熱をエンジンの燃焼室の表面から液体に伝達し，放熱器（ラジエータ）を介して外気に放出する水冷式があり，冷却媒体として水，ＬＬＣ（ＬｏｎｇＬｉｆｅＣｏｏｌａｎｔ）等（以下単に冷却水という）が用いられている。
冷却水は，ウォーターポンプによって循環されており，ウォーターポンプ９は，図５に示すように，ベルト９９１とプーリ９９２を介してエンジン８によって駆動されている。
【０００３】
即ち，プーリ９９２の回転軸９９３は，ウォーターポンプ９の回転軸９１に一体的に連結されており，回転軸９１には冷却水６１に遠心力を与えて循環させるインペラ９２が固定されている。
同図において符号９０はウォーターポンプ９のボディ，符号９３は回転軸９９３，９１を支持するベアリングである。そして，ベアリング９３のある大気室９０１内に冷却水６１が浸入するのを防止する為にメカニカルシール９４が設けられている。
【０００４】
メカニカルシール９４は一般に，図６に示すように，インペラ９２に当接するフローティングシート９４１，カーボンシールリング９４２，スプリング９４３，シャフトシール９４４等によって構成されており，慴動する面には，水潤滑性に優れた材質が用いられている。
そして，大気室９０１には，蒸気が軸受部に凝結するのを防止するために蒸気抜きの穴９０２が設けられている。
【０００５】
【解決しようとする課題】
しかしながら，従来の上記ウォーターポンプ９には，次のような問題点がある。
第一点は，ウォーターポンプ９をエンジン８の動力によって駆動するため，ウォーターポンプ９がエンジン８の負荷となりエネルギー効率（燃費）を低下させることである。
第二点は，メカニカルシール９４から異音が発生し易く，また少量の水漏れは避けがたいことである。即ち，回転数の変化幅が大きい自動車用のエンジンでは，回転数が低下しシールの慴動速度が低下すると，潤滑膜が薄くなりスティックスリップ現象による異音が発生し易くなる。その為，これを低減するために，通常の回転速度において慴動面から僅かな蒸気漏れを許容するように構成されており，その結果，水漏れが生じやすくなる。
【０００６】
また，ウォーターポンプは，エンジンのクランクシャフトから直接に動力の供給をうけており，設置場所の制約が大きく限られたスペース内に設置しなければならないという問題がある。
本発明は，かかる従来の問題点に鑑みてなされたものであり，エネルギー効率が良好で，且つ設置場所の自由度が大きく，ウォーターポンプと駆動装置との間のシールを簡便に行うことのできる自動車エンジンの水冷装置を提供しようとするものである。
【０００７】
【課題の解決手段】
本発明は，冷却水を循環させる渦巻式ウォーターポンプと，エンジンの排気ガスを取り入れて上記ウォーターポンプを駆動するガスタービンシステムとを有し，
ガスタービンの回転軸とウォーターポンプの回転軸とは一体的に連結されており，上記ウォーターポンプとガスタービンとの間には熱伝達を抑制する断熱部材が設けられていることを特徴とする自動車用エンジンの水冷装置にある。
本発明において最も注目すべきことは，ウォーターポンプがガスタービンシステムによって駆動されており，このガスタービンシステムは，エンジンの排気ガスを利用していることである。
【０００８】
その結果，本発明にかかる水冷装置は，エンジンの余熱を利用することからエンジンの負荷を軽減し，エネルギーの利用効率を向上させることができ，また排気の熱エネルギーを有効に利用し，また排気ガスの大気への熱放散を低下させることが出来る。
また，ウォーターポンプがガスタービンシステムによって駆動されることから，ウォーターポンプとガスタービンとの間のシール性が弱くても殆ど問題が生じなくなる。
【０００９】
即ち，冷却水や蒸気がガスタービン側に漏洩しても，蒸気となって排気とともに排出され，ウォーターポンプの駆動部などが水に濡れるという不具合は生じない。
また，ガスタービンシステムは，配管などによって排気ガスを流通させることが出来るから，設置場所の制約が少なく，設置の自由度が大きいという利点がある。
【００１０】
なお，上記ガスタービンシステムは，特にガスタービンの出力を調整することなくエンジン運転状態に任せて運転する方式があり，この方式はガスタービンシステムの全体の構成が簡素になる。
一方，このような方式とは異なり，請求項２記載のように，ガスタービンシステムに対して，エンジンの排気ガスを取り入れるガス供給部と，ガス供給部に取り入れる排気ガスの量を調節する供給量調節手段と，上記ガス供給部から排気ガスの供給を受けて羽根車を回転するガスタービンと，冷却水の温度を検知する温度センサと，上記供給量調節手段及び温度センサに接続された制御手段とを設け，上記制御手段は上記温度センサの出力信号に対応して上記供給量調節手段を操作しガスタービンの出力を制御するように構成することが出来る。
【００１１】
このように構成することにより，ウォーターポンプの出力を変更することが可能となり，冷却水の温度に合わせて水冷装置をより適切に作動させることが可能となる。即ち，温度が高い場合には，ウォーターポンプの出力を大きくして冷却を促進し，温度が低い場合にはウォーターポンプの出力を抑制し，過冷却などを防止することが出来る。
【００１２】
また，ウォーターポンプを過剰なスピードで回転させ，これによって機械的なロスや水抵抗のロスを増大させるという不具合も無くすることが出来る。即ち，従来の水冷装置では，エンジンによって駆動されることから，エンジンの回転数が大きい場合には，図４に示すように，冷却のために適切な水流量Ｑｏよりも流量が大きくなり，エンジンの負担が増えると共に機械的なロスや水抵抗のロスが増えるという現象が避けられなかった。また，冷却水の温度が非常に低い場合にも水流量が零とならないから過冷却の不具合も生じていた。
しかしながら，排気ガス流量を調整しガスタービンの出力を調整することにより，これらの不具合を回避することが可能となる。
【００１３】
また，上記請求項１に記載のように，ガスタービンの回転軸とウォーターポンプの回転軸とを一体的に連結し，ウォーターポンプとガスタービンとの間には熱伝達を抑制する断熱部材が設けるように構成すると好適である。回転軸を一体にすることにより動力を伝達する部分の構成が簡素となり，また，両部材の間に断熱部材が設けられているから，ウォーターポンプの冷却水がガスタービンによって暖められる不具合が抑制され，また，ガスタービンがウォーターポンプ側から冷やされて出力が低下する不具合が抑制されるからである。
【００１４】
なお，上記請求項２記載のガス供給部及び供給量調節手段には，例えば，請求項３記載のように，ガス供給部には，エキゾーストマニホールドに連結された排気ガスの分岐流路があり，供給量調整手段には上記分岐流路に設けた流量調節弁がある。そして，上記流量調節弁によってガスタービンに対するガスの供給量をコントロールする。
【００１５】
また，上記ガス供給部及び供給量調節手段の他の例として，請求項４記載のように，ガス供給部は，エキゾーストマニホールドに連結された排気ガスの分岐流路であって且つ別個の気筒の排気口に連結される複数の気筒連結管を設けたものがあり，供給量調節手段は，上記ガス供給部の異なる気筒連結管に配置された複数の開閉弁からなるものがある。この場合には，上記複数の開閉弁のうち何個を開弁するかによって，排気ガスの供給量を段階的に変化させることが出来る。
なお，温度センサについては，他の用途に用いるものを共用することが可能である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
実施形態例
本例は，図１に示すように，冷却水６１を循環させる渦巻式ウォーターポンプ１０と，エンジン８の排気ガス６２を取り入れてウォーターポンプ１０を駆動するガスタービンシステム２０とを有する自動車用エンジンの水冷装置１である。ガスタービンシステム２０は，エンジン８の排気ガス６２を取り入れるガス供給部２３と，ガス供給部２３に取り入れる排気ガス６２の量を調節する供給量調節手段としての開閉弁２４１〜２４４と，上記ガス供給部から排気ガス６２の供給を受けて羽根車２１１を回転するガスタービン２１と，冷却水６１の温度を検知する温度センサ２２と，上記供給量調節手段及び温度センサ２２に接続された制御手段３０とを有している（同図において２点鎖線は電気配線を示す）。
制御手段３０は，温度センサ２２の出力信号に応じて上記供給量調節手段を操作しガスタービン２１の出力を制御する。
【００１７】
ガスタービン２１の回転軸２９とウォーターポンプ１０の回転軸２９とは一体に連結されており，ウォーターポンプ１０とガスタービン２１との間には熱伝達を抑制する断熱部材２８が設けられている。
ガス供給部２３は，エキゾーストマニホールド８１に連結された排気ガス６２の分岐流路２３０であり，別個の気筒の排気口に連結される複数の気筒連結管を有している。そして，上記供給量調節手段は，異なる気筒連結管に配置された複数の開閉弁２４１〜２４４である。
【００１８】
以下，それぞれについて説明を補足する。
ウォーターポンプ１０は，インペラ１１を回転させて冷却水６１を圧送する渦巻きポンプである。エンジン８を冷却した冷却水６１は，ラジエータ８３で冷却されて再びウォーターポンプ１０に流入する。
一方，排気ガス６２の殆どは，エキゾーストマニホールド８１から排気管８２を経て排出されるが，排気ガス６２の一部は，分岐流路２３０からガスタービン２１に流入しガスタービン２１を回転駆動したのち排出される。図１において，符号８２１は排気ガス制御バルブである。
【００１９】
ガスタービン２１の回転軸２９は，ウォーターポンプ１０の回転軸２９と一体に形成されており，回転軸２９はメタル軸受２７に支持されている。メタル軸受２７は，鉄系の素材を主な構成要素とする焼結材からなる。また，両部材１０，２１の間には，排気ガス６２をシールするメタルシール２６と，冷却水６１をシールするシール部材２５とが設けられている。
【００２０】
そして，開閉弁２４１〜２４４は，制御手段３０の指令により別個に開閉させることが出来る。その結果，排気ガス６２の流量は４段階に変化し，一定の時刻におけるガスタービン２１の出力及び冷却水６１の流量を，図２の実線４１に示すように，段階的に変化させることが出来る（同図においてＶ₁〜Ｖ₄は開閉弁を示す）。更に，開閉弁２４１〜２４４を開閉する時間の長さを変えることにより，一定時間長における平均流量を例えば図２の鎖線４２のように連続的に変化させることが出来る。
【００２１】
そして，制御手段３０は，温度センサ２２の出力信号から冷却水６１の水温を検知し，水温に対応して開閉弁２４１〜２４４を操作し，冷却水６１の流量を適切な値に制御する。例えば，図３に示すように，水温が所定値Ｔｏ以下のときには，冷却水６１の流量を零にして，過冷却を防止することができ，また，図２に示すように冷却水６１の流量の上限を一定値Ｑｍに制限して，機械的なロスや水抵抗のロスが過剰にならないようにすることが出来る。
【００２２】
また，本例の水冷装置１は，エンジン８の排気ガス６２を利用しエンジン８の機械的出力を利用しないから，エンジンの負荷を軽減し，エネルギーの利用効率を向上させることができる。
また，ウォーターポンプ１０はガスタービンシステム２０によって駆動されるから，ウォーターポンプ１０とガスタービン２１との間のシール性は低くてもよい。即ち，冷却水や蒸気がガスタービン２１側に漏洩しても，蒸気となって排気６２とともに排出され，ウォーターポンプ１０の駆動部が水に濡れるという従来装置における不具合は生じない。
また，ガスタービンシステム２０は，配管などによって排気ガス６２を任意の位置に導入することが出来るから，設置場所の制約が少ない。
【００２３】
【発明の効果】
上記のように，本発明によれば，エネルギー効率が良好で，設置場所の自由度が大きく，ウォーターポンプと駆動装置との間のシールを簡便に行うことのできる自動車エンジンの水冷装置を得ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例の水冷装置のシステム構成図。
【図２】開閉弁の開弁数と冷却水の流量の変化を示す図（但しエンジン排気量＝一定）。
【図３】実施形態例の水冷装置における冷却水流量と水温の関係を示す図。
【図４】従来の水冷装置におけるエンジン回転数と冷却水流量との関係を示す図。
【図５】従来の水冷装置の断面図。
【図６】図５のメカニカルシール部の拡大図。
【符号の説明】
１．．．水冷装置，
１０．．．ウォーターポンプ，
２０．．．ガスタービンシステム，
２１．．．ガスタービン，
２１１．．．羽根車，
２２．．．温度センサ，
３０．．．制御手段，
６１．．．冷却水，
６２．．．排気ガス，
８．．．エンジン，

Claims

冷却水を循環させる渦巻式ウォーターポンプと，エンジンの排気ガスを取り入れて上記ウォーターポンプを駆動するガスタービンシステムとを有し，
ガスタービンの回転軸とウォーターポンプの回転軸とは一体的に連結されており，上記ウォーターポンプとガスタービンとの間には熱伝達を抑制する断熱部材が設けられていることを特徴とする自動車用エンジンの水冷装置。
請求項１において，前記ガスタービンシステムは，エンジンの排気ガスを取り入れるガス供給部と，ガス供給部に取り入れる排気ガスの量を調節する供給量調節手段と，上記ガス供給部から排気ガスの供給を受けて羽根車を回転するガスタービンと，冷却水の温度を検知する温度センサと，上記供給量調節手段及び温度センサに接続された制御手段とを有しており，
上記制御手段は，上記温度センサの出力信号に対応して上記供給量調節手段を操作しガスタービンの出力を制御することを特徴とする自動車用エンジンの水冷装置。
請求項２において，前記ガス供給部は，エキゾーストマニホールドに連結された排気ガスの分岐流路であり，前記供給量調節手段は，上記分岐流路に設けた流量調節弁であることを特徴とする自動車用エンジンの水冷装置。
請求項２において，前記ガス供給部は，エキゾーストマニホールドに連結された排気ガスの分岐流路であり，別個の気筒の排気口に連結される複数の気筒連結管を有しており，前記供給量調節手段は，異なる気筒連結管に配置された複数の開閉弁であることを特徴とする自動車用エンジンの水冷装置。