JPH0468442B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ この発明は内燃機関の排気弁装置に係り、特に
熱負荷の変動に関わらず高温に晒される弁傘部を
冷却しその温度を最適に制御し得るようにしたも
のに関する。

［発明の技術的背景及びその問題点］ 内燃機関用排気弁の冷却方式としては、密閉形
の熱サイホンの原理を応用したものと、排気弁を
水で強制冷却するものとがある。

前者の場合、問題はいかにして蒸気の熱を外部
に取り出すかであつた。従来は弁軸部案内筒壁と
弁軸部との間欠的な接触運動により放熱していた
が、熱負荷の上昇に放熱が追従できずステイツク
を起すため実用化することができなかつた。

後者にあたつては、所望の高温で維持すること
ができず常に過冷却となり、このため低温腐食を
起したり、局部的な熱応力の増大による破損を生
じたりしてその信頼性と寿命が低かつた。

ところで、排気弁の損傷は、単に高熱化の度合
が強いというだけでなく弁座面に異物などが付着
する、所謂噛み込み現象などによつて惹起される
場合も比較的多い。この異物の付着はある温度以
上では特に著しいことがわかつている。よつて、
この温度以下で維持することが重要であり、その
ためには冷却することと温度を監視することとの
２つの要件を満たさなければならない。ところが
上記いずれの方式もこの２つの要件を満すことが
できなかつたので問題であつた。

［発明の目的］ この発明は上記問題点に鑑みてなされたもの
で、その目的はヒートサイホンの原理を応用しな
がら排気弁の冷却とその温度監視とを行なうこと
によつて内燃機関の熱負荷変動にかかわらず、排
気弁を最適温度に制御して内熱機関を安全に運転
することができる内燃機関の排気弁温度制御方法
を得ることである。

［発明の概要］ 上記目的を達成すべくこの発明は、密閉形熱サ
イホンパイプを有する内燃機関の排気弁におい
て、排気弁内部に一次冷却材を溜めて、その内部
より導出した気化一次冷却材を、二次冷却材と間
接熱交換させて凝縮し、この凝縮一次冷却材を再
び上記排気弁に戻すに際し、内燃機関の熱負荷変
動を検出し、該検出値に応じて二次冷却材の気化
一次冷却材に対する熱交換面積を増減させて排気
弁の温度を制御するようにしたことを特徴とす
る。これにより温度を監視しつつ排気弁を冷却で
きるようにし過冷却や冷却不足が生じないように
したものである。

［発明の実施例］ 以下、この発明に係る内燃機関の排気弁温度制
御方法の好適一実施例を添付図面に従つて説明す
る。

第１図は本発明方法を説明するための内燃機関
の排気弁装置の一例を示す概略縦断面図である。

冷却方式としては予め弁傘部１内に一次冷却材
Ｐを封入しておき、この気化一次冷却材PGを排
気弁本体２から導出して外部で二次冷却材Ｓと熱
交換させて放熱・凝縮させ、その凝縮二次冷却材
PLを再び弁傘部１内に戻して弁傘部１を間接冷
却するヒートサイホンの原理を応用している。一
方、熱交換器３の構造を簡略化するとともに、エ
ンジンの熱負荷の変化に応じて弁傘部１の温度を
最適状態に維持すべく熱交換器３の熱交換面積を
迅速に制御できる機構としてある。

同図に示す如く、２はエンジンのシリンダヘツ
ドにその排気口を開閉すべく設けられた排気弁本
体であり、この排気弁本体２は弁軸部４と、その
一端に一体形成された弁傘部１とからなつてい
る。

排気弁本体２の内部は外形に沿つて中空に形成
され、弁傘部１内には一次冷却材たる冷却水Ｐを
充填するための冷却材室５が形成されている。ま
た、弁軸部４内には上端が外部に開放され且つ下
端が上記冷却材室５に連通された冷却材気化室６
が形成され、加熱された冷却材室５から上昇した
気化冷却材（蒸気）PGを収容するようになつて
いる。高温雰囲気に晒された弁傘部１は、冷却材
室５内の冷却水が気化するときに奪う気化熱によ
つて冷却されるのであり、この気化冷却材たる蒸
気は後述する如く排気弁本体２外へ導出されて二
次冷却材Ｓとの熱交換により凝縮液化され、再び
冷却材室５に戻り流れるようになつている。

弁軸部４には、図示していないが、排気弁本体
２を上方へ付勢するための空気バネと、これの付
勢力に抗して押し下げる油圧タペツトが設けら
れ、これらの連動によつて排気弁本体２は排気口
を開閉すべく昇降駆動されるようになつている。

そして、冷却材気化室６内の蒸気を外部へ導出
して凝縮する手段として、冷却材気化室６内には
その上端開放口７を閉塞しつつ固定側より気化冷
却材案内管８が挿入されている。この案内管８は
その一端が開放され他端がこれより直角に延びる
連結管９に連通接続されており、その開放端１０
が冷却材気化室６内に挿入されている。排気弁本
体２の昇降動と、着座時の密着性向上をはかるた
めの回転とを許容しつつ冷却材気化室６の開放口
７と案内管８との間をシールするために、開放口
７の内壁に多硬質ゴム製のシールリング１１が設
けられている。

上気連結管９は図示しないシリンダヘツドに固
定され、直角に延びたその端部には蒸気を二次冷
却材たる冷却水Ｓと間接熱交換させて凝縮させる
熱交換器３がエンジン振動を吸収するためのベロ
ーズ継手１２を介して連結されている。この熱交
換器３は、上端が上部ヘツダ１３に開放され下端
が連結管に通じる下部ヘツダ１４に開放されて起
立した複数の被凝縮管１５と、これら被凝縮管１
５を被つて被凝縮管１５外周に二次冷却材の水冷
層１６とその高さ調節を行なう加圧空気層１７と
を形成する調圧室１８とから成る。水冷層１６側
となる調圧室１８の下部には冷却水Ｓを給排水す
るための給水管１９と排水管２０とが接続されて
いる。給水管１９には回転数一定、吐出量一定の
冷却水ポンプ２１とこのポンプ２１の入出力口に
接続されたバイパス管２２とが連結され、このバ
イパス管２２はこれを流れる循環量を制御して冷
却水供給量を制御する流量制御弁２３が設けられ
ている。また排水管２０は冷却水排水量を制御す
る絞り弁２４が設けられ、この絞り弁２４と上記
流量制御弁２３との制御によつて調圧室１８の下
部に所定量の冷却水を供給するようになつてい
る。一方、加圧空気層１７側となる調圧室１８の
上部には加圧空気Ａを供給する圧搾空気供給管２
５が接続され、この供給管２５には加圧空気層１
７の圧力を調節する圧力調整弁２６が設けられ、
この圧力調整弁２６を制御することにより加圧空
気層１７内を減圧して水冷層１６の高さを上げた
り、逆に増圧して水冷層１６の高さを下げたりす
ることができるようになつている。この場合、冷
却水ポンプ２１の回転数は一定であり、吐出量も
一定であるから、圧力調整弁２６のみの制御では
なくこれと一緒に絞り弁２４と流量制御弁２３と
を連動して制御するようにすれば無理なく安定し
た水冷層１６の高さ調節を行なうことが可能とな
る。このように水冷層１６の高さ調節を行なうこ
とによつて、一次冷却材側の上記PGと二次冷却
材たる冷却水Ｓとの間の接触面積（熱交換面積）
を増減させることができるようになつている。上
記圧力調整弁２６、絞り弁２４、流量制御弁２３
は二次冷却材圧と加圧気体圧とのバランスを調節
して二次冷却材の気化冷却材に対する熱交換面積
を増減させる圧力調節手段を構成している。

なお、冷却水ポンプ２１の回転数を変えて冷却
水量を調整することもできるが、この場合モータ
側の制御が大掛りなものとなり、且つ水の流れが
不安定となる。しかも、被凝縮管１５内の蒸気
PGは100℃以上で且つ圧力は大気圧以上となるの
で、水圧変化を生じる水量制御では冷却水Ｓが沸
騰するおそれがある。

よつて、圧力が加わつたまま冷水槽１６の高さ
を調節した方が好ましい。

また、２７は熱交換器３の上部ヘツダ１３に設
けた空気抜き弁である。

ところで、排気弁本体２等の内燃機関の構成要
素に熱負荷を検出するための各種センサが設けて
ある。排気弁本体２にはその弁軸部４から弁傘部
１の表面に沿つて排気弁温度Tmを検出するため
の弁温度センサ３０、例えば熱電対が設けられて
いる。気化冷却材案内管８には冷却材気化室６の
蒸気温度Tvを検出するための蒸気温度センサ３
１、例えば熱電対と、同室６の蒸気圧力Ｐを検出
するための圧力センサ３２とが設けられている。
また熱交換器３には冷水槽水位Ｈを検出するため
の水位センサ３３が設けられている。この水位セ
ンサ３３は、調圧室１８の外にこれの上部と下部
とで連通して調圧室１８と同じく加圧空気層１７
と水冷層１６との二重層が内部に形成される起立
した水位管３４と、この水位管３４にシールリン
グ３５を介して上部から差し込まれ下端に設けた
フロート３６により水冷層１６の水位に応じて昇
降移動するスケール３７と、このスケール３７の
目盛を読み取る光電ランプ３８とから成り、水冷
層１６の高さを常時検出できるようになつてい
る。そして第２図に示す如くクランク軸のギヤ３
９の回転からエンジンの回転数Ｎを検出する回転
センサ４０と、燃料ラツク４１の位置を検出する
ラツク位置センサ４２とが設けられ、これらはい
ずれも光電ランプ等から構成されている。

これら弁温度センサ３０、上記温度センサ３
１、圧力センサ３２、水位センサ３３、回転セン
サ４０及びラツク位置センサ４２は第３図に示す
如く制御部４３に電気的に接続され、排気弁温度
信号、蒸気温度信号、蒸気圧力信号、水冷層水位
信号、エンジン回転数信号及びラツク位置信号を
制御部４３に入力する。制御部４３にはデータ設
定器４４が接続され、制御部４３に所定の排気弁
温度値や最適な排気弁温度を得るために必要なデ
ータ値を予め入力する。制御部４３の出力側は圧
力調整弁２６、絞り弁２４、流量制御弁２３及び
空気抜き弁２７に接続され、作動指令信号を出す
ことでこれらの弁の動作を制御するようになつて
いる。

ここで制御部４３の機能について説明する。制
御部４３によつて熱交換器３の加圧空気圧を変え
熱交換面積を増減すると、すなわち水冷層１６の
高さを調節すると、それに対応して排気弁温度が
制御されるのであるが、この排気弁温度と加圧空
気圧との関係、換言すれば水冷層１６の高さと加
圧空気圧とは排気弁温度、或いは蒸気温度、蒸気
圧力、シリンダー内ガス温度、排気ガス温度、エ
ンジンの回転数、燃料ラツクの位置などに関係す
る。そして、排気弁温度にをのぞいたすべての値
は単独で或いは組み合せによつて排気弁温度と対
応するのである。したがつて、上述した各種セン
サにより排気弁温度を直接又は間接的に検出し
て、この検出値に基づいて圧力調節手段を制御す
ることによつて排気弁本体２の温度制御が可能と
なる。各種センサにより検出されるこれらの値の
変動が、本発明の内燃機関の熱負荷変動を意味す
る。具体的に制御部４３の機能を説明すると、固
定値制御機能と任意制御機能の２つがあり、これ
らは選択可能である。

まず、固定制御機能は、検出値を予め設定した
所望の一定値にすべく圧力調整弁２６等を制御す
るものである。排気弁温度Tmを例にとると、デ
ータ設定器４４を介して制御部４３に予め所望の
排気弁温度Tmoを入力し、これを記憶させてお
く。そして、弁温度センサ３０から検出される排
気弁温度信号を温度に換算し、この換算した排気
弁温度Tmと所望の排気弁温度Tmoとを比較させ
る。Tm＜Tmoなら冷却のしすぎであるから圧力
調整弁２６を開く一方、流量制御弁２３及び絞り
弁２４を共に閉じる方向に作動すべく、これら圧
力調整弁２６、流量制御弁２３及び絞り弁２４に
作動指令信号を出す。逆にTm＞Tmoなら冷却不
足であるから圧力調整弁２６にこれを閉じ、流量
制御弁２３及び絞り弁２４にこれらを開く作動指
令信号を出す。また、TmTmoのときはその時
点で各弁の作動を停止させる。

なお、蒸気圧力Ｐ、冷水層水位Ｈの場合も上述
した場合と全く同じである。このうち冷水層水位
信号はフイードバツク信号としての機能をもつて
いるのでこれを利用し、制御部４３の制御対象で
ある各弁を作動させても冷水層１６の高さに変化
がない場合は警告を発するようにすることもでき
る。

次に、任意制御機能は、エンジン負荷に対応し
て排気弁温度Tmも変えるように圧力調節手段を
制御するものである。すなわち、エンジン負荷が
変動すると熱の発生量が変わるので排気弁本体２
内の温度差が大きく変化する。したがつて熱応力
も大きく変わる。このため排気弁本体２を保護す
るためには排気弁本体２の温度レベルをある範囲
内に制御することと、熱応力の発生を最小にする
ような温度レベルに制御することが必要となる。
よつて、予め実験等に基づいてエンジン出力と排
気弁温度測定値とから計算により両者の関係式を
作成し、エンジン出力に対する最適な排気弁温度
をデータとしてこれを設定器４４を介して制御部
４３に記憶させる。エンジン出力、すなわち負荷
はエンゾンの回転数Ｎと燃料ラツク位置Ｌとでほ
ぼ決まるので、回転センサＮ及びラツク位置セン
サＬから検出されるこれらの信号をそれぞれの物
理単位に換算し、この換算した測定値Ｎ、Ｌを先
ず記憶させた所望の値N₀、L₀と照合し、一致す
るまで繰り返し照合させる。一致すると予め求め
て記憶させておいたそのときの最適排気弁温度
Tmo（又は上記温度Tvo、水冷層水位H₀）を発生
させる。そしてこの最適排気弁温度Tmoと弁温
度センサ３０より得られた実際の排気弁温度Tm
とを比較し、後は固定値制御機能と同様に排気弁
温度Tmが最適排気弁温度となるように圧力調整
弁２６、流量制御弁２３及び絞り弁２４を制御す
る。特に、直接熱応力を受ける弁温度センサ３
０、蒸気温度センサ３１、圧力センサ３２などと
異り、水位センサ３３は熱の影響を受けないので
破損することが少ない。したがつて弁温度センサ
３０等が破損しても、水位センサ３３による水冷
層水位信号と回転センサ４０及びラツク位置セン
サ４２によるエンジン負荷信号とからでも、予め
エンジン出力に対する最適な水冷層１６の高さを
データとして記憶させておくことにより同様な圧
力調節手段の制御が可能である。

なお、制御部４３における上述した演算処理に
基づく圧力調節を円滑にするために、必要に応じ
て制御部４３から空気抜き弁２７に作動指令信号
を出し、熱交換器３内の空気量を調節するように
なつている。

以上の構成よりなるこの実施例の作用について
述べる。

排気弁本体２が回転しつつ昇降動している弁動
作状態において、弁傘部１が排気ガスにより加熱
されると、冷却材室５内の冷却水Ｐが昇温し、そ
の気化時に周囲から熱を奪つて弁傘部１を冷却す
る。そして、この気化した蒸気PGは冷却材気化
室６内を上昇して案内管８、連結管９を経て熱交
換器３の被凝縮管１５内に至り、ここで調圧室１
８内の冷却水Ｓと間接熱交換されて凝縮液化す
る。液化した冷却水PLは連結管９、案内管８を
流下して冷却材室５内に戻流され、再び気化する
というサイクルを繰り返すことになる。このサイ
クルにおいて、エンジン負荷が変動する場合に
は、弁温度センサ３０、蒸気温度センサ３１、圧
力センサ３２、水位センサ３３、回転センサ４０
及びラツク位置センサ４２からの各種信号よりこ
れらの物理単位を制御部４３で換算すると共に、
これら換算値と、これらに対応して予め入力して
おいた値とを比較する。この比較は、制御制度や
要求規格からすべての熱負荷要素について行なつ
ても、或いは１つのみに限定例えば排気弁温度
Tmのみに限定して行なつてもよい。そして比較
結果に基づいて制御部４３は排気弁温度Tmが所
望の一定値或いは最適な排気弁温度となるように
圧力調整弁２６、流量制御弁２３及び絞り弁２４
に開方向又は閉方向の作動指令信号が出力する。
今、排気弁温度Tmを例にとると、冷え過ぎであ
るTm＜Tmoであれば、制御部４３は圧力調整弁
２６を開く方向に作動し、流量制御弁２３及び絞
りベ２４を閉じる方向に作動する。これらの作動
により調圧室１８内における加圧空気量が増大し
て加圧空気が増え、二次冷却材たる冷却水位に打
ち克つてこれの調圧室１８内への流入を抑制し、
水冷層１６の高さを低下させる。したがつて二次
冷却材Ｓに対する気化冷却材PGの接触面積が減
少して熱交換器３における熱交換率が低下し、気
化冷却材PGの凝縮液化量が減少する。その結果、
冷却材室５内に冷却のために戻流される液化一次
冷却材PLが減り、排気弁本体２の冷却が抑制さ
れてこれの温度を上昇させ、もつて排気弁温度
Tmを所望の値に制御することができる。逆に
Tm＞Tmoであれば今度は冷却不足であるから、
制御部４３は冷却水Ｓの蒸気PGに対する熱交換
面積を増大させるべく圧力調節手段を制御する。
その結果凝縮液化量が増大し排気弁本体２を更に
冷却して温度を下降させ、もつて排気弁温度Tm
を所望の値に制御することができる。

このように上記実施例によればエンジンの排気
弁温度を熱負荷（排気弁温度、蒸気温度、エンジ
ン回転数及びラツク位置等）の変化に応じて一定
温度又は最適温度となるようにしたので、熱負荷
の変動にかかわらず排気弁を所望の温度に制御す
ることができる。この結果、低負荷における硫酸
腐食、高負荷におけるバナジウム腐食などを有効
に回避でき、寿命を飛躍的に向上させることがで
きる。また燃負荷の変化に対しても排気弁を所望
の温度に制御できるので、弁傘部１の温度変化を
小さくすることができる。その結果、弁傘部１に
加わる熱応力変化小さくなり高温疲労に充分耐え
ることがてき、寿命及び信頼性が格段と向上す
る。更に高熱負荷雰囲気内でも排気弁温度は充分
適温になつているので、材料の高温強度が充分高
い。よつて排気弁に高価な材料、例えば
Nimonic80Aなどを使う必要はなく従来使用され
ている耐熱合金で充分である。

一方、燃焼によつて生じる異物が高温度レベル
において特に著しく弁座面に付着し弁座面を創傷
する。これは高温強度の高い高価な材料にあつて
も弁座面が高温になることにはかわりがないので
事情は同じである。ところが、この実施例によれ
ば異物が付着する温度以下に排気弁温度を制御で
きるので、このような創傷を避けることができ、
この点からも排気弁の寿命を向上させることがで
きる。

また、エンジンの熱負荷と排気弁温度との関係
（温度レベル及び熱応力レベル）は予め計算によ
つて推定することができ、この計算値と実働中の
排気弁温度又は蒸気温度もしくは蒸気圧力等を制
御部４３で比較することができるので、冷却の温
度制御が的確かつ容易である。

加うるに熱交換器３の冷却水出口温度が100℃
以上となるので排熱利用に供することができる。

尚、第１図のものは熱交換器３内に入る気化二
次冷却材PGと熱交換機３から出る凝縮二次冷却
材PLとが同一の通路を通るようになつているが、
これらを分離して通すようにしてもよい。

即ち、第４図の熱交換器３は、連通管９から上
昇する蒸気PGを収容して凝縮液化する凝縮室７
０と、この凝縮室７０内に水平かつ多段に配設さ
れた凝縮管７１と、該凝縮管７１を接続すべく凝
縮室７０の前後（紙面の表裏方向）に設けられた
図示しない調圧室からなる。この調圧室内には二
次冷却材Ｓの水冷層とこれを加圧する加圧空気層
とが形成され、上記水冷層には一定圧の冷却水が
給水管６３と排水管６４により給排され、加圧空
気層には圧搾空気供給管６５を通して加圧空気が
供給されている。そして、冷却水と加圧空気との
圧力バランスを調節することにより冷却水が満た
される凝縮管７１の本数が増減し、その結果第１
図のものと同様に一次冷却材と二次冷却材との接
触面積を変えられるようになつている。

このような外凝縮形の熱交換器３において、蒸
気PGと凝縮液PLとが混流しないように凝縮室７
０内に設けた凝縮管７１を蒸気PGの流れに沿つ
てテーパ状とするとともに、下流側を下げて全体
を傾斜させてある。そして熱交換器３に接続され
る連結管９及び気化冷却材案内管８も蒸気PGと
凝縮液PLとが混流しないように分離してある。
連結管９の分離手段は仕切板７２で連結管９を上
下に区画形成することによつて行ない、上方を蒸
気、下方を凝縮液の通路としている。また、案内
管８の分離手段は二重管構造とし、内管７３を蒸
気PGの通路、外管７４を凝縮液PLの通路とする
ことによつて行なつている。外管７４の下端には
蒸気PGが入りにくく、逆に凝縮液PLが出やすく
なるように、焼結合金とかスチールウールなどの
多孔質を形成する物質７５が充填されている。ま
た、内管７３はこれを上昇する蒸気PGが凝縮液
によつて冷却されないように自体で二重管構造と
してある。従つて、蒸気と凝縮液とは完全に分離
されることになるから熱交換器３凝縮能力を格段
として向上させることができる。また案内管８は
凝縮液PLに接触するようになるので、蒸気PGの
温度よりは低くなることが期待でき、その低くな
る分だけ案内管８に接触するシールリング１１
（第１図参照）も高温にならずに済みシールリン
グ１１の寿命が向上するといる利点がある。

［発明の効果］ 以上要するにこの発明によれば次のような優れ
た効果を発揮する。

(1) 内燃機関の熱負荷変動を検出し、この検出値
に応じて二次冷却材の気化一次冷却材に対する
熱交換面積を増減させて排気弁の温度を制御す
るようにしているので、熱負荷変動にかかわら
ず、排気弁温度を的確に制御して安定させるこ
とができる。

(2) 排気弁温度の安定化により排気弁温度の過冷
却や冷却不足を防ぐことができ、これらに起因
する金属腐食や損傷を有効に回避して排気弁温
度の信頼性、寿命の向上がはかられ、もつて内
燃機関を完全に運転することができる。

【図面の簡単な説明】

図はこの発明を実施する内燃機関の排気弁装置
の好適一実施例を示す図であつて第１図は第一実
施例に係る装置全体の概略縦断面図、第２図は回
転センサとラツク位置センサの取付位置説明図、
第３図は制御部の入出力系を示すブロツク図、第
４図は第二実施例に係る熱交換器及びその周辺の
概略縦断面図である。 尚、図中２は排気弁たる排気弁本体、３は熱交
換器Ｐは一次冷却材、PGは気化一次冷却材、PL
は凝縮一次冷却材、Ｓは二次冷却材である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 密閉形熱サイホンパイプを有する内燃機関の
   排気弁において、該排気弁内部より導出した気化
   一次冷却材を二次冷却材と間接熱交換させて凝縮
   し、この凝縮一次冷却材を再び上記排気弁に戻す
   に際し、内燃機関の熱負荷変動を検出し、該検出
   値に応じて二次冷却材の気化一次冷却材に対する
   熱交換面積を増減させて排気弁の温度を制御する
   ようにしたことを特徴とする内燃機関の排気弁温
   度制御方法。