JPH05106436A - エンジンの冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ウォータポンプ内でのキャビティーションの
発生限界までサブクール度を可及的に小さく制御して、
ポンプ効率の向上を図ると共に、熱伝達効率の大巾な向
上を図る。 【構成】 エンジン本体１内のウォータジャケットとラ
ジエータ３を主体とした冷却系内を、ウォータポンプ２
によって冷却水を強制的に循環させる冷却装置におい
て、コントロールユニット１７が、エンジン回転数とウ
ォータポンプ２の吸入口２ａと吐出口２ｂの差圧とによ
りウォータポンプ２内でのキャビティーション発生限界
を検出して、３方型電磁弁１４を介して前記冷却系内圧
を制御する構成である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自動車用エンジン等の
水冷式冷却装置とりわけ冷却系内の圧力を最適に制御す
る冷却装置の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】図５は、従来から自動車用エンジン等に
おいて一般に用いられている水冷式冷却装置の構成を模
式的に示したもので、２１は内部にウォータジャケット
が形成されたエンジン本体、２２はラジエータ、２３は
エンジン出力にて駆動されるウォータポンプであって、
エンジン本体２１のウォータジャケットから出た冷却水
は、入口通路２４を通ってラジエータ２２の上部に流入
し、ここで熱交換した後、ラジエータ２２下部から出口
通路２５を通って、ウォータポンプ２３により吸入され
てウォータジャケット内に強制循環される。

【０００３】そして、このような強制対流熱伝達に依存
した冷却装置においては、ウォータポンプ２３にキャビ
ティーションが発生して冷却水循環量が低下すると冷却
性能が低下し、いわゆるオーバヒート状態となってしま
うので、ラジエータキャップ２６の加圧弁及び負圧弁に
よる調圧機能によりリザーバタンク２７を介して冷却系
内の圧力を所定の加圧状態に保つことで、冷却水の飽和
温度を高く確保するようにしている。

【０００４】然し乍ら、冷却水温度の常用域は、一般に
８５〜９０℃付近であるから、前記のようにラジエータ
キャップ２６の加圧弁の閉弁圧を通常圧として０.９kg/
cm²atg程度に保つと、かなり大きなサブクール度（飽和
温度と実際の冷却温度との差）が与えられることにな
る。したがって、斯かる大きなサブクール度によりウォ
ータジャケット内でのサブクール沸騰の発生割合が小さ
くなるため、熱伝達性が低下して燃焼室壁温を十分に低
下させることができない。即ち、ウォータジャケット内
の熱伝達率は、図４に示すようにサブクール度が約３０
℃から０℃に近づくにしたがって、大きくなるが、３０
℃以上になると極端に小さくなる特性となっている。

【０００５】そこで、冷却水温度の変化に応じてラジエ
ータキャップの加圧弁の開弁圧を制御して、前記の問題
点を解消する技術も本出願人が既に提案している。即
ち、冷却水温度が比較的低いときは、ラジエータキャッ
プ２６の加圧弁の閉弁圧を低く制御して冷却系内圧を低
下させる。これによって、サブクール度を５℃〜２０℃
程度に保ち、ヒートスポットとなる部分のサブクール沸
騰による効率の良い熱伝達性を得て燃焼室壁温を低下さ
せる。一方、冷却水温度が上昇した場合は、加圧弁の開
弁圧をサーモワックスの作用により高く制御して適当な
サブクール度を確保し、これによってオーバヒートを防
止するようにしている（実開昭６３−１５１９３２号公
報参照）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】然し乍ら、前記公報記
載の従来の冷却装置にあっては、前述のように冷却水温
度に応じてラジエータキャップの加圧弁の開弁圧を変化
させることにより、サブクール度を約１５〜２０℃の範
囲内で小さく制御して熱伝達性を向上させるようになっ
てはいるが、該サブクール度をそれ以上小さくすること
ができない。これは、サブクール度をそれ以上小さくす
ると、ウォータポンプ内にキャビティーションが発生し
易くなり、ポンプ効率を著しく低下させてしまうからで
ある。したがって、前記図４に示したように、熱伝達効
率を一層高めるサブクール度のさらに小さな領域を有効
に利用することが困難となる。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記従来例の
問題点に鑑みて案出されたもので、ウォータポンプ内で
のキャビティーションの発生限界域を求めて、該発生限
界までサブクール度を小さく制御しようとするものであ
る。

【０００８】つまり、エンジン本体内のウォータジャケ
ットとラジエータとを主体とした冷却系と、この冷却系
内で冷却水を強制的に循環させるウォータポンプと、前
記冷却系内を加圧あるいは減圧する圧力制御弁と、前記
ウォータポンプの吸入口と吐出口の差圧とエンジン回転
数との相対的な情報信号に基づき前記圧力制御弁を制御
する制御手段とを備えたことを特徴としている。

【０００９】

【作用】ウォータポンプのキャビティーションの発生限
界域は、ウォータポンプの仕様が決定されればウォータ
ポンプの吸入口と吐出口の差圧とエンジン回転数に置き
替えたウォータポンプの回転数との相対関係によって実
験的に求められるものである。したがって、斯かる差圧
とエンジン回転数の関数値を予め制御手段に記憶させて
おく。そして、エンジン始動後における実際の前記差圧
値とエンジン回転数値との相対関係を比較すれば、運転
中におけるキャビティーションの発生限界を検出するこ
とができる。したがって、制御手段がキャビティーショ
ンの発生限界まで圧力制御弁を制御して冷却系内圧を制
御すれば、サブクール度を１５℃以下の可及的に小さな
領域まで低下させることが可能となる。依って、ウォー
タポンプの良好なポンプ効率を確保しつつウォータジャ
ケット内の熱伝達効率を向上させることができる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳述
する。

【００１１】図１は本発明に係る冷却装置を模式的に表
した一実施例を示し、１は内部にウォータジャケットが
形成されたエンジン本体、２はエンジン出力にて駆動さ
れるウォータポンプ、３はラジエータであって、エンジ
ン本体１のウォータジャケットを出た冷却水は、入口通
路４を通ってラジエータ３に流入し、ここで熱交換した
後、出口通路５を通ってウォータポンプ２により吸入さ
れてウォータジャケット内に強制循環される。また、前
記入口通路４にはサーモスタット６が配置され、冷却水
温度が低い場合には、サーモスタット６がバイパス通路
７を開き、入口通路４を遮断してラジエータ３を経由せ
ずに冷却水を循環させる構成となっている。

【００１２】８はラジエータ３の上部に設けられた水の
注入口キャップ、９はリザーバタンク、１０は冷却系内
の圧力が１.５kg/cm²となったときに該冷却系内を開放
するリリーフ弁を有するリザーバタンクキャップであっ
て、前記リザーバタンク９は、冷却系内の最も高い位置
に設けられ、下端部が冷却水通路１１及び前記注入口キ
ャップ８を介してラジエータ３の内部と接続されている
一方、上端部に圧力通路１２の下流端が接続されてい
る。

【００１３】この圧力通路１２の上流端部には加圧ポン
プ１３が設けられていると共に、該加圧ポンプ１３の下
流側に圧力制御弁たる３方型電磁弁１４が設けられてい
る。前記加圧ポンプ１３は、エンジンの出力によって駆
動される構造のものであって、冷却系内を最大０.９kg/
cm²程度に加圧できる能力を有している。また、３方型
電磁弁１４は、圧力通路１２を介して加圧ポンプ１３と
リザーバタンク９を連通させるか、あるいは３方を大気
開放して大気とリザーバタンク９とを連通させるように
流路を切り換えるようになっている。

【００１４】１５は、ウォータポンプ２の吸入口２ａと
吐出口２ｂとの差圧を検出する差圧検出センサ、１６は
エンジンの回転数を検出するクランク角センサであっ
て、該差圧検出センサ１５とクランク角センサ１６から
出力された情報信号は制御手段たるコントロールユニッ
ト１７に入力回路を介して入力される。

【００１５】このコントロールユニット１７は、内蔵さ
れたマイクロコンピュータが前記差圧信号とエンジン回
転数信号に基づいてウォータポンプ２の内部で発生する
キャビティーションを検出すると共に、該検出値に応じ
て前記３方型電磁弁１４を切換作動させて、大気側を遮
断して加圧ポンプ１３により冷却系内を加圧するか、３
方を開放して冷却系内を減圧するように制御している。

【００１６】具体的に説明すれば、前記ウォータポンプ
２内のキャビティーション発生限界値は、前述のように
ウォータポンプ２の仕様が決まれば図２の実線で示すよ
うにウォータポンプ２の回転数と、吸入口２ａと吐出口
２ｂの差圧との相対関係で実験的に求められるものであ
って、冷却水温度の影響で特性が大きく変化するもので
もない。ここで、ウォータポンプ２の回転数は、通常エ
ンジン回転に略比例しているため、該エンジン回転数と
して置き替えることができる。そして、所定のエンジン
回転数との関係で予め決定された差圧値よりも実際の差
圧値が低い場合は、キャビティーションが発生すると考
えられる。

【００１７】したがって、コントロールユニット１７に
は、図２に示すエンジン回転数値と差圧値の関数マップ
を予め記憶させておき、これと実際のエンジン回転数と
差圧との関係を比較すればキャビティーションの発生限
界を検出することができるのである。尚、図中実線で示
す基準差圧値を、破線で示すように若干小さい値に設定
しておけば、キャビティーションの発生をより確実に検
出することができる。以下、前記コントロールユニット
１７の実際の制御を図３のフローチャートに基づき説明
する。

【００１８】まず、セクションＳ１でエンジンを始動さ
せた後、セクションＳ２において現在のエンジン回転数
と、吸入口２ａと吐出口２ｂとの差圧値を読み込む。次
に、セクションＳ３では、エンジン回転数との相対関係
で前記関数マップから現在の差圧値が基準差圧値よりも
小さいか否かを判断する。ここで、ＹＥＳつまり基準差
圧値よりも小さいと判断した場合（図２の破線以下）
は、ウォータポンプ２内でキャビティーションの発生す
る虞があるため、セクションＳ４で３方型電磁弁１４の
大気側を遮断する。したがって、加圧ポンプ１３から圧
送された圧力が圧力通路１２、リザーバタンク９を介し
て冷却系内に供給されて、該冷却系内圧を上昇させる。
このため、サブクール度が適度に高くなって、ウォータ
ポンプ２内でのキャビティーションの発生を確実に防止
することができる。換言すれば、サブクール度をキャビ
ティーションの発生限界まで可及的に小さくすることが
できる。

【００１９】一方、前記セクションＳ３で、現在の差圧
値が基準差圧値よりも大きいと判断した場合（図２の破
線以上）は、キャビティーションの発生する虞が少ない
ため、セクションＳ５で３方型電磁弁１３の３方全部を
大気解放する。したがって、冷却系内が減圧されて、サ
ブクール度が十分に小さくなる。即ち、キャビティーシ
ョンの発生限界まで冷却系内を減圧してサブクール度を
可及的に小さくすることができる。

【００２０】尚、セクションＳ４及びＳ５で３方型電磁
弁１３を制御した後は、セクションＳ２に戻る。

【００２１】以上のように、本実施例では、いずれのエ
ンジン運転状態においても、ウォータポンプ２内でのキ
ャビティーションの発生限界までサブクール度を１５℃
以下に可及的に小さく制御することができるため、ポン
プ効率の向上を図りつつウォータジャケット内での熱伝
達効率を向上させることができ、エンジンの冷却性能を
一段と高められ、出力や燃費の向上を図ることができ
る。

【００２２】本発明は、前記実施例に限定されるもので
はなく、例えば加圧ポンプは、電動式のものでもよく、
また、ディーゼルエンジンの車両ではブレーキマスター
バック用の真空ポンプを、さらにターボチャージャー等
の過給機を備えたエンジンにあっては、該過給機を利用
することも可能である。

【００２３】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
係るエンジンの冷却装置にあっては、制御手段がエンジ
ン回転数とウォータポンプの吸入口と吐出口の差圧とを
利用してウォータポンプのキャビティーション発生限界
を検出すると共に、該検出値に基づき圧力制御弁を介し
て冷却系内圧を制御するようにしたため、サブクール度
をウォータポンプのキャビティーション発生限界まで可
及的に小さく制御することができる。この結果、ウォー
タポンプ効率とウォータジャケット内での活発なサブク
ール沸騰による熱伝達効率の両方を向上させることが可
能となる。

【００２４】特に、サブクール度を可及的に小さくして
熱伝達性が向上することにより、ヒートスポットが解消
されて燃焼室壁温が低下し異常燃焼を防止できると共
に、メカニカルオクタン価の上昇による出力と燃費の向
上が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を模式的に示す全体構成図。

【図２】ウォータポンプ回転数とポンプ吸入口，吐出口
の差圧との関係を示す特性図。

【図３】本実施例におけるコントロールユニットのフロ
ーチャート図。

【図４】サブクール度と熱伝達率との関係を示す特性
図。

【図５】従来の冷却装置を模式的に示す全体構成図。

【符号の説明】

１…エンジン本体、２…ウォータポンプ、３…ラジエー
タ、１４…３方型電磁弁（圧力制御弁）、１５…差圧検
出センサ、１６…クランク角センサ、１７…コントロー
ルユニット（制御手段）。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 エンジン本体内のウォータジャケットと
   ラジエータとを主体とした冷却系と、この冷却系内で冷
   却水を強制的に循環させるウォータポンプと、前記冷却
   系内を加圧あるいは減圧する圧力制御弁と、前記ウォー
   タポンプの吸入口と吐出口の差圧とエンジン回転数との
   相対的な情報信号に基づき前記圧力制御弁を制御する制
   御手段とを備えたことを特徴とするエンジンの冷却装
   置。