JPH034740B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （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、特に、こ
のエンジンに使用されるシリンダヘツドに関す
る。

（従来技術） 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。

これは、液相循環冷却においては、放熱効率が
冷却水容量、冷却水と大気との温度差等に依存す
るが、温度差はそれほど大きくないので、放熱効
率を高めようとすると、冷却水容量を大きくした
り循環量を多くしたりせざるを得ず、そうなる
と、ラジエータの大型化や冷却水ポンプの大きな
駆動損失を招くためで、特に運転状態が激しく変
化する自動車エンジン等に対しては応答性がさら
に要求され、温度制御の困難さを増加させてい
た。

これに対して、冷却水の沸騰気化潜熱を利用す
ること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、第１図（例えば特公
昭57−57608号公報参照）に見られるような沸騰
冷却装置がある。

図中、１はエンジン（本体）、２はそのウオー
タジヤケツト、３はコンデンサ、４は液化冷媒の
タンクであり、これらにより冷却系統の主要部が
構成される。

ウオータジヤケツト２はエンジン１のシリンダ
部１ａ及び燃焼室壁部１ｂを包囲するようにシリ
ンダブロツク１ｃ及びシリンダヘツド１ｄにかけ
て形成され、その内部には上方に気相空間２ａが
残る程度に液相冷媒が充填される。なお、前記気
相空間２ａは多気筒エンジンでは各気筒間で相互
に連通している。

ウオータジヤケツト２は、その気相空間２ａの
上方に開口した蒸気出口部２ｂ及び蒸気通路７を
介してコンデンサ入口部３ａに連通する。

この液相冷媒は、燃焼室壁部１ｂ等からの燃焼
熱を受けて加熱されると、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、例えばエン
ジンの吸気ポート側と排気ポート側との間の温度
差が大幅に減少し、具体的にはホツトスポツトが
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。

この沸騰冷却作用の結果発生した冷媒蒸気は蒸
気通路７を介してコンデンサ３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
４に貯留される。このときコンデンサ３の内部は
常時空間となつているため、高温の冷媒蒸気が直
接的に外気に相変化を伴つて放熱することにな
り、従つて液相の範囲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３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３で液化しタンク４に貯留
された冷媒は、ウオータジヤケツト２での液面レ
ベルの低下に伴い再びウオータジヤケツト２へと
戻されるのであり、この繰返しで沸騰冷却が続け
られる。

ところで、このような沸騰冷却式エンジンには
従来の水冷エンジンがそのまま流用されていた。

第２図は水冷デイーゼルエンジンのシリンダヘ
ツド１ｄの概観図、第３図、第４図はこのシリン
ダヘツド１ｄについての吸気ポート中心断面図、
燃焼室中心断面図をそれぞれ示す。

シリンダヘツド１ｄには上部に動弁機構２３の
収納部（２４はバルブガイド部）、吸排気ポート
２１，２８が形成されるとともに、下面はシリン
ダブロツク上面（図示せず）と対面して各シリン
ダ毎に燃焼室が形成される。尚、２５は渦流室、
２６は燃料噴射弁の取付孔、２７はグロープラグ
の取付孔である。

エンジンの燃焼熱は、大部分シリンダヘツド１
ｄの燃焼室壁部１ｂから発生されるため、シリン
ダヘツド１ｄのウオータジヤケツト２のジヤケツ
ト通路はこの燃焼熱を充分吸収するようシリンダ
回りのジヤケツト通路の幅よりも大き目に形成さ
れる。特に弁座２２が全周にわたり均一に冷却さ
れ弁座２２にひずみが生じないように努められ
る。

また、シリンダヘツド１ｄはエンジンの最上端
に位置するため、特に蒸気ポケツトが生じないよ
うにジヤケツト通路３０を形成する必要がある。

すなわち、冷媒がジヤケツト通路３０の各部分
から冷媒出口に向け、つねに上り勾配に流れてい
くようにする必要がある。過熱状態では通常排気
弁座周囲から冷媒蒸気が発生し易いため、この部
分が最も冷却されるように冷却水を循環し、一旦
生じた蒸気に対してはジヤケツト２の最上位にあ
る天井壁３１に貯留して蒸気ポケツトを生じない
よう天井壁３１はほぼ水平面状に形成され、天井
壁３１まで一杯になる冷媒の流れにより、生じた
蒸気は押流されるようになつている。

なお、天井壁３１は通常吸排気ポート２１，２
８の上壁を兼ねている。

ところで多気筒エンジンでは、各気筒を均一に
冷却することが肝要であり、そのためには各気筒
間を連通するジヤケツト通路３０をストレートに
して均一流れにするとよい。ところが、このよう
な頭上弁式ではシリンダヘツド１ｄに動弁機構２
３、吸排気ポート２１，２８等が同時に設けられ
るため構造が複雑になつており、ジヤケツト通路
３０の下端部はストレートに連通しているが、上
端部については、前述の理由からストレートに連
通できず、特に天井壁３１を気筒間を通して水平
面状に形成することは困難で、各気筒間に突出す
る仕切りとなる部分が生じている。

したがつて冷媒蒸気が発生すると、この仕切り
により流動が阻止されて貯留するのであるが、前
述のように液相の冷媒流れにより押流されてしま
うため、実用上は差支えない。

ところが、このようなシリンダヘツド１ｄを前
述の沸騰冷却式エンジンに適用することになる
と、ジヤケツト通路３０の上端部には気相空間２
ａが形成されるため、生じた冷媒蒸気を強制的に
流動させることが液相冷媒と異なり困難で、冷媒
蒸気の流動は気相空間２ａの形状、特に天井壁形
状によつて決まつてしまう。

このため、天井壁３１に仕切りがあると冷媒蒸
気が貯留して流動せず、この部分に局部的な過熱
を生じ、熱伝導により可動部分に焼付が発生した
り、しかも冷媒蒸気が蓄積されると、この部分の
圧力上昇により沸点を上昇させるため、液相冷媒
が蒸発しづらく放熱特性を悪化させ、あるいは、
温度制御の精度を落してしまうという問題があつ
た。

また、各気筒の冷媒蒸気が集合する蒸気取出口
は全気筒に対し１箇所しか設けられないため、気
筒間で通気抵抗が異なり、蒸気の取出が各気筒均
一にかつスムーズに行なわれず、局部的な過熱を
生じ、前述と同じ問題を生じていた。

（発明の目的） そこで本発明はウオータジヤケツトの天井壁に
冷媒蒸気が貯留しないようにすることにより、あ
るいは冷媒蒸気を各気筒毎に独立して取出すこと
により、熱負荷の局部的増大を回避する沸騰冷却
式エンジンを提供することを目的とする。

（発明の構成及び作用） 本発明は各シリンダ及び燃焼室壁部を包囲する
とともに各気筒間を連通してシリンダヘツド及び
シリンダブロツクに形成されるウオータジヤケツ
トに、上方に気相空間が残る程度に液相冷媒を充
填し、この液相冷媒が燃焼室壁部等からの燃焼熱
を受けて蒸発するときの気化潜熱を利用して冷却
を行なう沸騰冷却式エンジンを前提とする。

そして、シリンダヘツドのウオータジヤケツト
を吸気ポート及び排気ポートの上部空間と連通し
て形成し、かつその天井壁を水平に連続的に形成
し、かつその天井壁を各気筒間で略水平面状に連
絡して形成する。

このため、立上る冷媒蒸気は吸排気ポートの上
部空間の水平な天井壁から、各気筒間を連絡する
同じく略水平面状の天井壁を伝つて蒸気出口部に
向けてスムースに流動することになる。

一方、第２の発明は、シリンダヘツドのウオー
タジヤケツトを吸気ポート及び排気ポートの上部
空間と連通して形成し、かつその天井壁を水平に
連続的に形成し、かつその天井壁に開口しその天
井壁よりもさらに上部でかつ前記吸気ポートと排
気ポートの略中央に位置する蒸気ポートを各気筒
毎に形成する。

このため、冷媒蒸気は吸排気ポートの上部空間
の水平な天井壁から、この天井壁のさらに上部に
位置する蒸気ポートを伝つて各気筒毎に独立して
取出されることになる。

（実施例） 以下図示実施例に基いて説明する。

第５図〜第８図はデイーゼルエンジンに適用し
た本発明の一実施例で、第５図はシリンダヘツド
１ｄの蒸気ポート中心断面図（燃焼室中心断面図
でもある）、第６図は気筒間断面図、第７図は排
気ポート中心断面図、第８図は吸気ポート中心断
面図をそれぞれ示す。

吸気ポート及び排気ポートより上部の部分は構
造上気筒間をストレートに連通するジヤケツト通
路が得易いため、従来のウオータジヤケツトをこ
の部分にまで拡大して連通形成し、かつジヤケツ
ト最上位にある天井壁を水平に連続的に形成す
る。さらに、各気筒間で、この天井壁を略水平面
状に連絡して形成する。

すなわち、第５図のようにシリンダヘツド１ｄ
に天井壁３３の高い中央空間３２を形成する。こ
の空間３２は第７図の排気ポート２８の上部の空
間３４及び第８図の吸気ポート２１の上部の空間
３６とも連通し、これらにより気相空間２ａが形
成される。

空間３４と３６の天井壁３５，３７は中央空間
３２の天井壁３３と同一の高さで、かつ連続して
水平に形成される。

そして、第６図のように隣り合う気筒の境界に
おいて、各気筒の空間を連絡する空間３８が形成
され、この空間３８の天井壁３９は上記天井壁３
３，３５，３７と同一の高さで、かつ連続して水
平に接続される。

このため、液相冷媒の上に設けられる気相空間
２ａが拡大され、充分な容量を有することにな
る。

所定気筒の中央空間３２の天井壁３３にはこの
天井壁よりも上部に位置する蒸気ポート４０が開
口し、この蒸気ポート４０は蒸気出口部２ｂ及び
蒸気通路７を介してコンデンサ入口部３ａに連通
する（第１図参照）。

なお、第５図にはシリンダヘツド１ｄの上部に
動弁機構２３が、下面にはシリンダブロツク１ｃ
が示されている。

その他の構成要素は第２図、第３図、第４図と
同一なので、同一構成要素には同一符号を付して
その説明は省略する。

以上のように構成されると、燃焼熱により蒸発
した冷媒蒸気は、中央空間３２及び吸排気ポート
の上部空間３４，３６の天井壁３３，３５，３７
より各気筒間を連絡する空間３８の天井壁３９を
伝つて所定気筒の蒸気ポート４０へ流動し、ある
いは中央空間３２及び空間３４，３６で形成され
る気相空間及び連絡空間３８の気相空間を拡散し
て同じく蒸気ポート４０に達し、これらの冷媒蒸
気は蒸気取出口２ｂより蒸気通路７を経てコンデ
ンサ３（第１図参照）に侵入することになる。

これは、気相空間の最上位にある天井壁３３，
３５，３７，３９が同一の高さでかつ水平面状に
形成されているためで、冷媒蒸気がこの天井壁３
３〜３９の一部に貯留することはない。

また、一部の気筒の熱負荷が大きくなり、これ
に応じて多量に冷媒蒸気が発生しても、この蒸気
は水平面状の天井壁３３〜３９を伝つて分散さ
れ、あるいは大容量の気相空間により拡散される
ため、局部的な加熱は回避される。

第９図は第２発明の一実施例で、シリンダヘツ
ドの側面図、第１０図、第１１図は第９図のＡ−
Ａ断面図、Ｂ−Ｂ断面図、第１２図は第１０図の
Ｃ−Ｃ断面図をそれぞれ示す。

第１０図は第７図に、第１１図は第８図に対応
し、同一部分には同一符号を付している。

すなわち、吸気ポート２１及び排気ポート２８
より上部には天井壁３５，３７の高い空間３４，
３６が形成され、これらの天井壁３５，３７は同
一の高さでかつ、連続して水平に形成される。

一方、天井壁３５に開口し、天井壁３５よりも
さらに上部でかつ吸気ポート２１と排気ポート２
８の略中央に位置する蒸気ポート４１が各気筒毎
に独立して形成される。

そして、このポート出口に設けられるフランジ
面４２（蒸気マニホールドとの取付座面）は吸排
気マニホールド（図示せず）との取付座面４３と
共加工される（第９図参照）。なお、蒸気マニホ
ールドはコンデンサ３に接続される。

さらに、この例では各気筒に形成される上部空
間３４，３６は第６図のように空間３８で連絡さ
れ、この連絡空間３８の天井壁３９は天井壁３
５，３７と同一の高さで、かつ連続して水平に接
続される。

このように構成されると、燃焼熱により蒸発し
た冷媒蒸気は、吸排気ポート２１，２８の上部空
間３４，３６の天井壁３５，３７より天井壁３
５，３７のさらに上部に位置する蒸気ポート４１
を伝つて蒸気コレクタに流動するため、蒸気の淀
みは生じず局部的な加熱は回避される。

また、これらの蒸気取出は各気筒毎に独立して
設けられた蒸気ポート４１により分担されるので
蒸気ポート４１が全気筒に対し１箇所のみ設けら
れる場合のように通気抵抗が各気筒でアンバラン
スとなることがなく、冷媒蒸気は通気抵抗の小さ
い方へと流動し、各気筒間で均一な冷却が行なわ
れる。

また、隣接気筒間も連絡空間３８により連通さ
れているため、一部の気筒の熱負荷が大きくなつ
ても、この連絡空間３８を通して冷媒蒸気が分散
されるため、局部的な加熱の防止に助成する。

さらに、蒸気ポート４１のフランジ面４２は吸
排気マニホールドの取付座面４３と共加工される
ので、蒸気ポート４１を各気筒毎に形成したから
といつて加工工数を増加することはない。

なお、第１発明、第２発明によるウオータジヤ
ケツトと組合される冷却系統は第１図に限られる
ものではない。

（発明の効果） 以上のように本発明によれば、沸騰冷却式エン
ジンにおいて、シリンダヘツドのウオータジヤケ
ツトを吸排気ポートの上部空間と連通して形成
し、かつその天井壁を水平に連続的に形成し、か
つその天井壁を各気筒間で略水平面状に連絡して
形成したので、天井壁に立上る冷媒蒸気は同一水
平面状の天井壁に沿つて流動し、また大容量の気
相空間を拡散するため冷媒蒸気が淀むことがなく
流動し、これにより熱負荷の局部的な増大を回避
できるという効果が得られる。

第２発明では沸騰冷却式エンジンにおいて、シ
リンダヘツドのウオータジヤケツトを吸排気ポー
トの上部空間と連通して形成し、かつその天井壁
を水平に連続的に形成し、かつその天井壁に開口
しその天井壁よりもさらに上部でかつ吸排気ポー
トの略中央に位置する蒸気ポートを各気筒毎に形
成したので、天井壁に立上る冷媒蒸気は各気筒毎
に独立した蒸気ポートを伝つて流動するため、熱
負荷の局部的な増大を回避できることはもちろ
ん、各気筒の通気抵抗が同等となることにより各
気筒の熱伝達特性を均一化でき、バランスのとれ
た冷却が実現できるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は沸騰冷却式エンジンの一例の概略構成
図である。第２図は従来のシリンダヘツドの概観
図で、第３図、第４図はそれぞれこのシリンダヘ
ツドの吸気ポート中心断面図、燃焼室中心断面図
である。第５図〜第８図は本発明の一実施例のシ
リンダヘツドの縦断面図で、第５図は蒸気ポート
中心断面図、第６図は気筒間断面図、第７図は排
気ポート中心断面図、第８図は吸気ポート中心断
面図をそれぞれ示す。第９図は第２発明の一実施
例でシリンダヘツドの側面図、第１０図、第１１
図はそれぞれ第９図のＡ−Ａ断面図、Ｂ−Ｂ断面
図、第１２図は第１０図のＣ−Ｃ断面図である。 １……エンジン（本体）、１ａ……シリンダ部、
１ｂ……燃焼室壁部、１ｃ……シリンダブロツ
ク、１ｄ……シリンダヘツド、２……ウオータジ
ヤケツト、２ａ……気相空間、２１……吸気ポー
ト、２８……排気ポート、３０……ジヤケツト通
路、３２，３４，３６……空間、３３，３５，３
７，３９……天井壁、３８……連絡空間、４０，
４１……蒸気ポート。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 各シリンダ及び燃焼室壁部を包囲するととも
   に各気筒間を連通してシリンダヘツド及びシリン
   ダブロツクに形成されるウオータジヤケツトに、
   上方に気相空間が残る程度に液相冷媒を充填し、
   この液相冷媒が燃焼室壁部等からの燃焼熱を受け
   て蒸発するときの気化潜熱を利用して冷却を行な
   う沸騰冷却式エンジンにおいて、シリンダヘツド
   のウオータジヤケツトを吸気ポート及び排気ポー
   トの上部空間と連通して形成し、かつその天井壁
   を水平に連続的に形成し、かつその天井壁を各気
   筒間で略水平面状に連絡して形成したことを特徴
   とする沸騰冷却式エンジン。 ２ 各シリンダ及び燃焼室壁部を包囲するととも
   に各気筒間を連通してシリンダヘツド及びシリン
   ダブロツクに形成されるウオータジヤケツトに、
   上方に気相空間が残る程度に液相冷媒を充填し、
   この液相冷媒が燃焼室壁部等からの燃焼熱を受け
   て蒸発するときの気化潜熱を利用して冷却を行な
   う沸騰冷却式エンジンにおいて、シリンダヘツド
   のウオータジヤケツトを吸気ポート及び排気ポー
   トの上部空間と連通して形成し、かつその天井壁
   を水平に連続的に形成し、かつその天井壁に開口
   しその天井壁よりもさらに上部でかつ前記吸気ポ
   ートと排気ポートの略中央に位置する蒸気ポート
   を各気筒毎に形成したことを特徴とする沸騰冷却
   式エンジン。