JPH0144887B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ａ 技術分野 本発明は冷却液の沸騰気化潜熱により冷却を行
なうようにした沸騰冷却式エンジンに関する。

ｂ 技術的背景 エンジンの熱効率上、燃焼室等の壁温を材料の
耐久性及び耐ノツク性等に支障を生じない範囲で
できるだけ高くした方が好ましいことは良く知ら
れているが、従来の水冷式エンジンではエンジン
の冷却水ジヤケツトとラジエータとの間に冷却水
を循環させ、冷却水の温度に依存して開閉するサ
ーモスタツトにより冷却水の循環径路を切換える
という単純な構成を採つていたため実質的にはエ
ンジンの過熱を防止する程度の効果しか期待でき
ず、言い換えれば運転状態に応じた最適温度制御
は困難であつた。

このような観点から、例えば特開昭58−5449号
等に見られるように、燃焼室壁面温度を検出して
これを冷却水ポンプ駆動用の電動機にフイードバ
ツクし、運転状態に応じた適正温度が得られるよ
うに冷却水循環量を連続可変制御する装置が提案
されているが、この種の装置は根本的にはラジエ
ータにおいて外気に放熱した冷却水をウオータジ
ヤケツトに戻してエンジンを冷却するという液相
循環冷却であることに変わりはないので、放熱効
率の面からは従来の常識的な水冷方式と選ぶとこ
ろがなく、すなわち多量の冷却水を循環させる必
要から冷却水ポンプが大きな駆動損失となり、ま
た運転状態が激しく変化する自動車用エンジン等
に対しては応答よく温度制御をするのが困難であ
る等の問題を残すものであつた。

これに対して、冷却水の沸騰気化潜熱により少
量の冷却水で要求放熱量を確保しうるようにした
装置として、例えば特公昭57−57608号に見られ
るような沸騰冷却装置が提案されている。

これは、第１図に示したようにエンジン１のウ
オータジヤケツト２とラジエータ３の下部を通路
４で連通して内部に充填した冷却水の液面レベル
を各々で同一になるように図つた上で、燃焼熱に
より沸騰気化した冷却水蒸気をジヤケツト２の上
部空間５及び蒸気通路６を介してラジエータ３に
導入し、ラジエータ３で冷却された蒸気の凝縮液
化分だけ通路４を介してウオータジヤケツト２へ
と冷却水が戻るようにした自然循環による冷却系
を形成している。

このような冷却装置によると、冷却水の沸騰気
化潜熱によりシリンダ壁等からの吸熱がなされる
ため、冷却水の液相での熱容量に依存した一般的
な循環冷却に比較して冷却水容量が少なくて済
み、またエンジン高温部から沸騰が始まるため多
気筒機関でもムラなく冷却できる等の利点が得ら
れる。

しかしながらその反面、この種の冷却装置によ
るとラジエータ３がウオータジヤケツト２と同レ
ベルで冷却水が満たされていて、液相の冷却水と
外気との間で熱交換することになるため冷却シス
テムとしての放熱効率は必ずしも向上するわけで
はなく、また系内の圧力を常に一定に保つように
していることもあつて、冷却性能を可変制御する
のは困難であつた。

さらにこの装置では冷却水の沸点つまり冷却熱
量を安定化するために上述のように系内の圧力を
一定に保つようにしており、この目的から熱気通
路６と大気との間で気体の通過のみを許容する選
択透過性フイルタ７を介して圧力のやりとりをす
るようにしているが、この結果として冷却水の沸
騰気化によつて系内圧力が高まつたときに蒸気の
一部が外部へと逃げることになるため定期的に冷
却水を補給する必要を生じ、またエンジン停止後
の温度低下に伴つて系内圧力が低下すると外部か
ら空気を吸い込むため以後冷却性能が悪化する等
の問題を生じることが考えられる。

ｃ 発明の目的 本発明はこのような技術的背景の下に創案され
たもので、エンジン運転状態の変化に即応した最
適冷却状態に制御して熱効率を向上するととも
に、冷却系としての効率をも高めて軽量小型化の
要求に応え、さらにメンテナンスを不要とした沸
騰冷却式エンジンを提供することを目的とする。

ｄ 発明の構成等 上記目的を達成するために本発明では、第２図
に示したようにエンジン１１のウオータジヤケツ
ト１２内で発生した冷媒の蒸気を冷却液化するコ
ンデンサ１３と、コンデンサ１３で液化した冷媒
を一時貯留するタンク１４と、タンク１４の液化
冷媒を再びウオータジヤケツト１２に戻す電動ポ
ンプ１５と、コンデンサ１３に強制冷却風を供給
する電動フアン１６とを備えた冷却系統を形成
し、ウオータジヤケツト１２の冷媒液面レベルが
所定の値になるように電動ポンプ１５を制御して
コンデンサ１３では常に蒸気と外気との間で熱交
換を行なわせることにより放熱効率を高めるとと
もに、電動フアン１６を介してコンデンサ１３で
の冷媒凝縮量つまり系内の圧力及び冷媒の沸点を
変化させ、これにより、エンジン運転状態若しく
はエンジン運転域に応じた最適温度が得られるよ
うに図つた。

また、上記制御を行なうために、エンジン１１
の燃焼室壁面あるいは冷媒の温度を検出する温度
検出手段１７と、ウオータジヤケツト１２の冷媒
液面レベルを検出する液面検出手段１８と、エン
ジン１１の運転域をその回転速度や負荷等で検出
する運転域検出手段１９と、これらの検出手段１
７〜１９と協働して上述した制御動作を実行する
ように回路構成した制御回路２０とを制御系統と
して設けた。

以下、本発明を図示実施例に基づいて説明す
る。

ｅ 実施例 第３図において、２１はエンジン（本体）、２
２はそのウオータジヤケツト、２３はコンデン
サ、２４は液化冷媒のタンク、２５は電動ポン
プ、２６は電動フアンであり、これらにより冷却
系統の主要部を構成している。

ウオータジヤケツト２２はエンジン２１のシリ
ンダ部２１ａ及び燃焼室壁部２１ｂを包囲するよ
うにシリンダブロツク２１ｃ及びシリンダヘツド
２１ｄにかけて形成され、その内部には上方に冷
媒蒸気で満たされる適当な気相空間２２ａが残る
程度に液相冷媒が充填される。なお、前記気相空
間２２ａは、多気筒エンジンでは各気筒部間で相
互に連通している。

ウオータジヤケツト２２は、その気相空間２２
ａの上方に開口した蒸気出口部２２ｂ及び蒸気通
路２７を介してコンデンサ入口部２３ａに連通す
る。

一方、コンデンサ２３の下端部に設けられたタ
ンク２４は、途中に電動ポンプ２５を介装した冷
媒通路２８を介して、ウオータジヤケツト２２下
方に開口した冷媒入口部２２ｅに接続される。

コンデンサ２３は車両走行時に走行風が流通す
る位置に設けられ、電動フアン２６はその前面ま
たは背面側に位置してコンデンサ２３に強制冷却
風を供給する。

３０は上記電動ポンプ２５並びに電動フアン２
６の作動を司る制御回路であり、シリンダヘツド
２１ｄに設けられた液面検出手段としての液面セ
ンサ３１と、同じくエンジン温度検出手段として
の温度センサ３２及びエンジン１の運転域を検出
する手段（図示せず）等と共に制御系統を形成し
ている。

制御回路３０は、上記温度センサ３２、液面セ
ンサ３１及び運転域検出手段からの信号に応じて
予め定められた動作内容（後述）に従つて電動ポ
ンプ２５並びに電動フアン２６の作動を制御す
る。

液面センサ３１はその検出部が冷媒液に浸るか
気相空間２２ａに露出するかに応じて出力が変化
し、制御回路３０は前記出力の変化に基づいて、
冷媒液面が低下した場合には電動ポンプ２５を駆
動して前記検出部が再び冷媒液に浸るまでタンク
２４の貯留冷媒をウオータジヤケツト２２に補給
する。このため、ウオータジヤケツト２２内には
常時所定量の冷媒が確保される。なお、この冷却
系統に注入される液相冷媒の全容量は、ウオータ
ジヤケツト２２に前述のようにして所定液面レベ
ルにまで冷媒液面が確保された状態でコンデンサ
２３の内部がほぼ気相空間となる程度に設定され
る。

温度センサ３２は、例えばサイリスタ等で構成
され、この場合シリンダヘツド２１ｄの燃焼室壁
部２１ｂの温度に応じた出力（抵抗値）が実温度
信号として制御回路３０に付与される。

制御回路３０は上記温度センサ３２からの実温
度の検出値と共に、点火信号、スロツトル開度、
燃料供給量等を周知のセンサ類を介して検出して
エンジンの運転域を判定し、前記実温度を参照し
ながら運転域毎に予め定められた温度目標値にな
るように電動フアン２６の作動または停止を制御
する。

上記エンジン運転域と温度制御目標値との関係
は、これを自由に設定できることは言うまでもな
いが、自動車用エンジンの場合は第４図に示した
ように比較的負荷並びにエンジン回転速度が低い
市街地走行域と、それ以外の高速または高負荷域
とに分けて、市街地走行域では温度を高めて熱効
率を高め、高速、高負荷域では温度を下げて異常
燃焼等を防止するように制御するのが望ましい。
なお、市街地走行域は、第５図〜第７図に示した
ようにスロツトル開度スロツトル下流のエンジン
吸入負圧、エンジン回転速度等を検出することに
より判別することができる。

次に、上記市街地走行域をスロツトル開度とエ
ンジン回転速度とで判別するように制御系統を構
成した場合の作用等について説明する。

まず冷却作用から説明すると（第３図参照）、
ウオータジヤケツト２２内の液相冷媒は、燃焼室
壁部２１ｂ等からの燃焼室をうけて加熱される
と、そのときの系内の圧力に応じた沸点に達した
ところで沸騰を開始し、気化潜熱を奪つて蒸発気
化する。このとき、冷媒はエンジンの高温部ほど
盛んに沸騰して気化潜熱相当分の冷却を行なうこ
とになるため燃焼室壁やシリンダ壁はほぼ均一の
温度に保たれ、例えば第８図に示したようにエン
ジンの吸気弁側と排気弁側との間の温度差が従来
の水循環冷却に比較して大幅に減少し、具体的に
は異常燃焼を促すホツトスポツトが発生しにくく
なるため燃焼室等の温度を全体的に高めることが
可能になる。

上記沸騰冷却用の結果発生した冷媒蒸気は蒸気
通路２７を介してコンデンサ２３内に侵入し、外
気との熱交換により冷却されて液化し、逐次タン
ク２４に貯留される。このとき、既述したように
してコンデンサ２３の内部は常時空間となつてい
るため、高温の冷媒が直接的に外気に放熱するこ
とになり、従つて液相で放熱する場合よりも大幅
に放熱効率が高められるので、コンデンサ２３
（及び電動フアン２６）は従来よりも著しく小型
のものを使用することができる。

そして、コンデンサ２３で液化しタンク２４に
貯留された冷媒は、ウオータジヤケツト２２での
液面レベルの低下に伴う電動ポンプ２５の作動に
より再びウオータジヤケツト２２へと戻されるの
であり、この繰り返しで沸騰冷却が続けられる。

ところで、総排気量1800c.c.のエンジンを
4000rpmで全開運転しているときの要求放熱量は
毎分約4000Kcalに達し、これを冷却水の液相循
環で満たすための要求循環流量Ｑは、ラジエータ
の出口、入口間の温度差を3.5℃とすると、Ｑ＝
400／水の比熱×3.5≒120Kg／minにもなるが、沸騰 冷却では冷却媒体として水を使用した場合、その
気化潜熱は約539Kcal／Kgであるから、液相冷媒
の要求循環量は毎分数百grにすぎない。このた
め、電動ポンプ２５は小型のものを小電流で駆動
できてその制御が容易になるとともに、駆動損失
が減少し、さらに冷媒の絶対量も少量で済むため
エンジン本体２１を小型・軽量にできるなど数多
くの利点を生じる。

次に、上記沸騰冷却がなされている間の温度制
御動作について、第９図に示した流れ図に沿つて
説明する。ただし、以下の説明または第９図にお
いて、エンジン回転速度、スロツトル開度、エン
ジン温度についての各センサで検出される実際の
値をそれぞれN_a，θ_a，T_aとし、同じく制御回路
３０で設定される基準値ないし目標値をそれぞれ
N_p，θ_p，T_pとする。また、T_L，T_Hはそれぞれ最
終的な温度目標値T_pとして選択的に決定される
低温側目標値、高温側目標値である。

制御回路３０は、先に述べたように電動フアン
２６の作動または停止を制御することにより最終
的にエンジン温度がそのときの運転域に応じた目
標値になるように動作するのであるが、これにあ
たつてまずN_aとθ_aを検出し、N_a＜N_pかつθ_a＜θ_p
のときは低速・低負荷（市街地走行域）にあると
判定してT_p＝T_Hとし、これ以外の運転域つまり
N_aN_pまたはθ_aθ_pの高速または高負荷域では
T_p＝T_Lとして各々の運転域に応じた温度目標値
を設定する。なお、具体的な値としては、第５
図、第７図の例に従えばθ_p＝35゜、N_p＝3000rpm、
またT_L，H_Hはそれぞれ90℃、110℃程度である。

次に、制御回路３０は上記目標値T_pと実際の
エンジン温T_aとを比較し、T_aT_pのときは電動
フアン２６を駆動してコンデンサ２３に冷却風を
供給し、これを積極的に冷却して冷媒蒸気の凝縮
液化を促す。その反対にT_a＜T_pのときは電動フ
アン２６を停止してコンデンサ２３を自然冷却状
態に置く。制御回路３０はこのような動作を周期
的にまたは継続的にN_a，θ_a，T_aを検出しながら
繰り返し実行して温度制御を行なう。

上記制御動作の結果としての冷却系統の作用は
次の通りである。

すなわち、本発明ではコンデンサ２３の内部を
気相空間に保つて放熱効率を高めたことから、電
動フアン２６により強制冷却風が供給されたとき
にこれに速やかに反応してコンデンサ２３の内部
で冷媒蒸気の液化が促され、このために系内の圧
力が急速に低下して液相冷媒の沸点も下降する。
この結果、エンジン２１の温度も相応に低下して
いく。その反面、電動フアン２６が停止すると、
殊に市街地走行時のように走行速度が低くて走行
風が不足する条件では、コンデンサ２３での放熱
量が減少してその内部での冷媒の液化量よりもウ
オータジヤケツト２２での沸騰気化量の方が上ま
わることになるため、系内の圧力が速やかに上昇
し、エンジン温度が高められていく。

このようにして、エンジン１はその温度を市街
地走行域では高く、高速・高負荷域では低くとい
う具合に応答よく制御される。高速・高負荷域で
エンジン温を抑えるこことによりノツキングやデ
トネーシヨンなどの異常燃焼を回避できることは
勿論、常用される市街地走行域でエンジンを比較
的高温に保つことにより冷却損失を減らして燃料
消費率を高めることができる等の効果が得られる
ことは言うまでもない。

第１０図は上記制御を実行する制御系統の具体
的な回路例である。

図において、４１はバツテリ、４２はイグニツ
シヨンスイツチ、４３は温度制御系に一定電圧を
供給する定電圧電源（DC／DCコンバータ）であ
る。

また、Tr₁はウオータジヤケツト２２内の液面
レベルを所定値に維持する制御を司るトランジス
タであり、冷媒液面が所定値よりも低下すると液
面センサ３１がオンとなつてベース電圧が印加さ
れ、これにより回路を閉じて電動ポンプ２５に通
電する。この回路は図示したように他の回路（温
度制御系）とは独立しており、従つてこの液面制
御と温度制御とは並行して行なわれることにな
る。

温度制御系では、この場合エンジン回転とスロ
ツトル開度とから運転域を検出するために、デイ
ストリビユータ４４のブレーカポイント４５の開
閉からエンジン回転を検出するとともに、スロツ
トル弁４６の開度が所定値を超えたときに閉成す
るスロツトルスイツチ４７を設けている。

ブレーカポイント４５が開くと電源側のＰ点電
圧は０、閉じるとバツテリ電圧（12V程度）とな
り、従つてエンジン回転速度に比例した周波数の
パルスが得られるが、このパルス巾は高速域ほど
短縮するため単安定マルチバイブレータ４８を介
して一定のパルス巾τを持つたパルス電流に変換
する。

単安定マルチバイブレータ４８からのパルスは
エンジン回転に比例した周波数で出力され、従つ
てこれを平滑回路４９で平滑化することによりエ
ンジン回転速度に比例した電圧値が得られる。

平滑回路４９の出力は第１のコンパレータ５０
に入力し、これと定電圧電源４３の出力を抵抗
R₁とR₂とで分圧したＱ点の電位とを比較する。
Ｑ点の電位は言うまでもなくエンジン回転速度の
基準値N_pにあたる。

第１のコンパレータ５０は、平滑回路４９の出
力電圧がＱ点電位よりも高くなると、つまりエン
ジン回転速度が基準値よりも高くなると出力す
る。この出力電圧は抵抗R₃とR₄で分圧され（Ｓ
点）、第２のコンパレータ５１に入力する。

第２のコンパレータ５１は、定電圧電源４３か
らの出力電圧を抵抗R₆と温度センサ３２（サー
ミスタ）とで分圧したＴ点の電位が入力してお
り、これと上記Ｓ点電位とを比較し、Ｓ点電位が
Ｔ点よりも高くなると出力して電動フアン２６を
駆動する。温度センサ３２の特性として、温度が
上昇するほど抵抗値を減じるためＴ点電位も低下
する。従つて、この場合エンジン回転速度が基準
値以上で、しかもエンジン温度がある程度以上で
ある場合に電動フアン２６が作動する。

一方、スロツトル弁４６の開度が所定値以上で
スイツチ４７が閉じた状態にあると、定電圧電源
４３の出力をR₃′とR₄とで分圧した電圧がＳ点電
位として第２のコンパレータ５１に付与され、こ
のＳ点電位がＴ点よりも大となつたときにも電動
フアン２６が駆動される。

総合すると、エンジン回転速度またはスロツト
ル開度の何れか一つでも基準値を上回ると、この
ときＳ点に現れる電位よりもＴ点電位が小となる
温度以上になつた場合に電動フアン２６が作動し
て積極的な冷却が開始される。

これに対して、エンジン回転、スロツトル開度
が共に基準値以下のときは、Ｓ点には抵抗R₅を
介しての定電圧電源４３からの電位が常時現われ
ているので、この抵抗R₅を介してのＳ点電位よ
りもＴ点の電位が下つたときに電動フアン２６が
作動することになるが、抵抗R₅を介してのＳ点
電位はエンジン回転またはスロツトル開度が基準
値以上となつたときのＳ点電位よりも低く設定さ
れているので、電動フアン２６は高速・高負荷域
におけるよりも作動開始温度が高くなる。

つまり、市街地走行域では高速・高負荷域より
も高温側にエンジン温度を維持するという所期の
制御動作がなされるのである。

なお、平滑回路４９の出力を、第１のコンパレ
ータ５０を介在せずに、抵抗R₃を経て直接的に
第２のコンパレータ５１に入力することにより、
エンジン回転速度が上昇するほどエンジン温度が
低下していくような制御を行なうことができる。

ところで、電子制御燃料噴射装置を備えたエン
ジンでは、電磁燃料噴射弁の駆動信号に基づい
て、エンジンの負荷状態、さらには回転速度を検
出することができる。

電子制御燃料噴射装置では、エンジンの吸気通
路に面して設けた電磁燃料噴射弁に吸入負圧との
差圧が常に一定となるように燃料を加圧供給し、
噴射弁の開弁時間つまり噴射弁駆動信号のパルス
巾を変化させることによつて燃料噴射量を制御す
るようにしている。

そこで、第１０図Ａに示したように、噴射弁６
０への駆動パルス信号をトランジスタTr₂のベー
スに印加し、このベース電圧が印加されている間
（噴射弁６０がONになつている時間）だけクロ
ツク６１の出力パルスをリツプルカウンタ６２に
入力すると、所定時間以上パルスが入力したとき
だけキヤリが出るようになる。このキヤリはパル
ス幅が大きいほど長く続くため、これを平滑回路
６３で平滑化することにより、結局燃料噴射量つ
まり負荷に比例した電圧が得られる。従つて、適
当な抵抗R′₃′を介して前記出力電圧を第２のコン
パレータ５１（第１０図）へのＳ点電位として付
与すれば、スロツトルスイツチ４７と同様の作用
を行なうことになる。なお、噴射弁駆動パルスに
同期してリツプルカウンタ６２をリセツトするこ
とにより、噴射時期が到来する毎にパルス巾に応
じた比較電圧が得られる。

また、燃料噴射弁６０への駆動信号パルスはエ
ンジン回転速度に同期するようになつており、従
つて回転速度が上昇するほどキヤリの数が増すた
め、平滑回路６３の出力は実際には負荷と回転速
度との関数関係に基づいて変化し、言い換えれば
回転速度をも代表している。従つて、第１０図Ａ
の回路を第１０図の抵抗R₄〜R₆、温度センサ３
２、コンパレータ５１に組み合わせることによ
り、第１０図と同様の作動を行なう温度制御系が
得られる。ただし、燃料噴射量がある程度以下に
なるとリツプルカウンタ６２からキヤリが出ない
のでエンジン回転速度は制御に関与しなくなる。

ｆ 発明の効果 以上説明したように、本発明によれば、冷媒蒸
気を液化するコンデンサの内部を気相状態に維持
して放熱効率を高めるとともに、この効率の良い
コンデンサへの冷却風量を電動フアンを介して変
化させることにより液相冷媒の沸点を可変制御す
るようにしたのでエンジンシステムとしての小
型・軽量化を達成できるとともに、運転条件にに
応じた最適エンジン温度に速やかに制御すること
ができ、従つて燃費効率を有効に高めることがで
きる。

また、本発明ではエンジンウオータジヤケツト
及びコンデンサ内に冷却媒体を封入し、外部との
圧力のやりとりをすることなく系内の圧力を加減
して温度制御するようにしたので、冷却媒体が大
気中に逃げたり、外部から系内へと空気を吸入し
たりする惧れがなく、従つて維持管理が容易にな
り、長期間にわたつて安定した冷却性能が保てる
という効果を生じる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来例の概略構成図、第２図は本発明
の概略構成図である。第３図は本発明の一実施例
の主として冷却系統の構成を示した概略図であ
る。第４図はエンジン運転域を表わすための性能
曲線図、第５図〜第７図はそれぞれスロツトル開
度、吸入負圧、エンジン回転速度と運転域との関
係を表わした特性線図である。第８図はエンジン
の吸気弁側と排気弁側との間の温度差測定結果を
沸騰冷却と水循環冷却の双方の場合について示し
た図である。第９図は実施例の制御系統の動作概
念を表わす流れ図である。第１０図はエンジン回
転速度とスロツトル開度とに基づいて温度制御す
る制御系統の一例を示す回路図である。第１０図
Ａは電磁燃料噴射弁の駆動信号に基づいて温度制
御する制御系統の要部回路図である。 １１，２１……エンジン（本体）、１２，２２
……ウオータジヤケツト、２２ａ……気相空間、
１３，２３……コンデンサ、１４，２４……タン
ク、１５，２５……電動ポンプ、１６，２６……
電動フアン、１７……温度検出手段、１８……液
面検出手段、１９……運転域検出手段、２０，３
０……制御回路、３１……液面センサ、３２……
温度センサ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ エンジンウオータジヤケツトからの冷媒蒸気
   を冷却液化するコンデンサと、このコンデンサか
   らの液化冷媒を一時貯留するタンクと、このタン
   クの液化冷媒を前記ウオータジヤケツトに戻す電
   動ポンプと、前記コンデンサに強制冷却風を供給
   する電動フアンとを備えた冷却系統を形成する一
   方、エンジン温度を検出する温度検出手段と、前
   記ウオータジヤケツトの冷媒液面レベルを検出す
   る液面検出手段と、エンジンの所定運転域を検出
   する運転域検出手段と、前記各検出手段と協働し
   て前記電動ポンプ並びに電動フアンの作動を制御
   する制御回路とを備えた制御系統を設け、前記制
   御回路には、前記液面検出手段からの信号に基づ
   きウオータジヤケツトの冷媒液面レベルが所定値
   となるように前記電動ポンプを制御するととも
   に、前記運転域検出手段からの信号に応じて温度
   制御目標値を決定し、前記温度検出手段を介して
   の温度信号と前記目標値との比較に基づいてエン
   ジン温度が目標値に接近するように前記電動フア
   ンを制御する回路を形成したことを特徴とする沸
   騰冷却式エンジン。