JPH05533B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、冷却が冷媒の気化によつて行われ、
かつ蒸気が引続き冷却装置（凝縮器）内で熱を取
去られることによつて再び液化される、内燃機関
用の循環冷却装置であつて、上記凝縮器の後に補
償タンクが配置されており、該補償タンク内に弾
性的な袋が挿入されており、該袋が大気と接続さ
れている形式のものに関する。

従来技術 冷媒の沸騰過程を熱の排出に利用し、その場合
に冷媒の気化熱は冷却すべき内燃機関の構造部
材、例えばシリンダ摺動面、弁等から取出される
ことは以前から知られている。この冷却方式では
全く一般的に構造部材の温度の平均化が行われ
る、それというのも沸騰、したがつて熱の奪取
が、燃焼室側で作業工程によつて相応して高い熱
が負荷される箇所でのみ行われるからである。

内燃機関用の典型的な気化冷却系では冷媒は内
燃機関の冷却ジヤケツト内で気化される。蒸気は
冷却ジヤケツトの上方範囲内の蒸気排出部を介し
て管路および例えば冷媒滴分離器を通つて冷却器
に達し、ここで蒸気は走行風冷却かまたは送風冷
却によつて冷却される。凝縮物捕集容器から凝縮
物は重力（凝縮器が冷却ジヤケツトの上方に配置
されている場合）またはポンプ（凝縮器が冷却ジ
ヤケツトの位置または下方に配置されている場
合）によつて再び機関の冷却ジヤケツトに、有利
には冷却ジヤケツトの低い位置に供給される。

運転中の大きな冷媒損失を回避するためには通
常閉じられた冷却系が採用され、この場合には系
内で生じた高い圧力は存在する過圧／低圧弁を介
して除かれる。しかし冷媒損失は完全には回避さ
れない。その他冷媒の早すぎる老化が起る、それ
というのも各冷却過程で低圧弁から新鮮で酸素に
富んだ空気が系中に入り、これによつて冷却系内
に存在する防錆剤が早期にその効力を失つてしま
うからである。これらの欠点は長期にわたつて整
備の必要のないことが望まれている現代の冷却系
と矛盾する。

液冷式とは異なり気化冷却では冷却回路は冷媒
で完全に充填される訳ではない。このために傾斜
位置で、特に比較的大きな寸法の機関構造を持つ
乗物（例えば実用車）で冷却困難が生じることが
ある。

冒頭に記載の形式の気化冷却において、凝縮器
の後に補償タンクを配置することは公知であるが
（米国特許第3168080号明細書）、該補償タンク内
には大気と接続されている弾性的な袋が配置され
ている。しかし補償タンクは弁を備えた通気口も
有していて、運転中の冷媒の捕集もしくは蓄積に
用いられる。冷媒は最後に凝縮器を介して再び内
燃機関に戻される。前記の（いわゆる冷媒蓄積器
の存在する）通気弁は補償タンク内の冷媒レベル
に応じて制御され、かつ機関休止時および運転中
に蓄積器内に所定の冷媒レベルが得られるまで開
いている。この従来技術の構成では一方で酸素に
富んだ空気が冷却内に入り、かつ他方で凝縮器の
上方部分もしくは冷媒蓄積器内に存在する“冷媒
凝縮物シール”が系内に存在する容量の空気が冷
媒蓄積器中に圧入されるのを妨げるかあるいは少
なくとも困難にする。その結果比較的大きな凝縮
器を使用しなければならない。その上にこの構成
では山道における走行性を改善する手段が配慮さ
れていない。

発明が解決しようとする問題点 本発明の課題は、冒頭に記載の形式の循環冷却
装置において冷媒損失を完全に防止し、かつ冷媒
中に含有される防錆剤の長期的な作用を空中酸素
の供給を断つことによつて保証することである。
更にこの特別な循環冷却装置は、30％以上の勾配
でも全出力で走行し得る、比較的大きな寸法の機
関構造を有する乗物に対しても適していなければ
ならない、すなわちこのような厳しい傾斜でもこ
のような機関の確実な冷却が常に保証され、かつ
冷却不全によるオーバーヒートが生じないように
することである。

問題点を解決する手段 上記の課題を解決する本発明の手段は、弾性的
な袋が内燃機関の冷却された状態で補償タンクの
内壁に接触するようになつておりかつ内燃機関の
冷却ジヤケツトが複数のユニツトに分割されてお
り、該ユニツト内において適切な調節部材によつ
て常に所定の目標冷媒レベルが維持されるように
構成されていることである。

実施態様 内燃機関の冷却ジヤケツトと凝縮器との間に単
数または複数の冷媒滴分離器を配置すると有利で
ある。補償タンクの寸法を小さくするためには、
本発明の実施態様によれば凝縮器の前にある少な
くとも最後の冷媒滴分離器内に弾性的な袋が配置
されていることが提案される。

更に本発明の実施態様によれば、凝縮器の冷媒
出口側に適切な過圧弁が安全弁として設けられ
る。該安全弁は、場合により循環系内に侵入した
燃焼ガスをできるだけ低圧で大気中に排出するこ
とができるように、大気圧に比して著しく高くな
い圧力、例えば1.1バール程度の絶対圧力で開放
されるように設定されて、補償タンクまたは凝縮
器と補償タンクとの間の結合管路内に配置され
る。この場合、この結合管路は適切な容積で設計
されなければならない。弁は凝縮器の冷媒出口側
に配置されるので、冷媒の損失は起こらない。

該安全弁は上記の米国特許第3168080号明細書
の通気弁と比較することはできない、それといの
も該通気弁は冷媒蓄積器内の冷媒レベルに応じて
制御されるので、安全機能は与えられていず、か
つ場合により燃焼ガスの冷却系内への吸込みが生
じたときにこの系内の圧力が（通気弁が閉じられ
た状態で）制御不可能に上昇することがあるから
である。

各冷却ユニツト内の目標冷媒レベルは適切な信
号発生器によつて把握され、該信号発生器は各冷
却ユニツトの凝縮物流入部内に配置された弁に対
して機械式、空気圧式または電気式に作用するよ
うになつている。

本発明の有利な実施態様によれば、内燃機関の
部分負荷運転で気化室圧（内燃機関の冷却ジヤケ
ツト内部）を大気圧よりも高めることが提案され
る。これによつて周知のように冷媒の沸点は上昇
する。蒸気圧を高めることによつて作業室側の構
造部材、例えばシリンダ摺動面、シリンダヘツド
プレート、弁等の温度の上昇が得られる。したが
つてこれらの構造部材は部分負荷運転で最高出力
時と等しいかまたはほぼ等しい温度レベルに保持
される。これによつて混合気形成および燃焼、ま
たは燃料消費および排ガスの性質が改善される。
蒸気圧を大気圧と上限値との間で調節することは
代表的な構造部材の温度、例えばシリンダ摺動面
温度に応じて蒸気圧調節弁を介して行われる。

構造部材の温度は回転数および負荷信号によつ
て表わされる機関負荷または排ガス温度に応じて
得られる。圧力の上限値が越えられないようにす
るためには、負荷依存性の、または温度依存性の
制御とは個別に蒸気圧調整器に結合することので
きる安全弁を配置すると有利である。

実施例 第１図には内燃機関１が示されている。内燃機
関１は冷却ジヤケツト１ａ（第２図および第３図
参照）を備えており、冷却ジヤケツト１ａ内には
気化冷却に好適な冷媒が装入されている。冷媒は
特定のレベルまで充填される（冷媒レベル１２）。
運転中に形成された蒸気（蒸気は第１に熱的負荷
の高い構造部材、例えば弁ウエブ、排気口並びに
シリンダライナの上方部分で生じる）は排気管路
２ａを介して第１冷媒滴分離器３に入り、ここで
捕集される。連行された冷媒の一部が管路５ａを
介して排除された後、蒸気は管路２ｂを経て第２
冷媒滴分離器４に達する。ここで局所的な横断面
拡張によつて流速が落され、かつ更に冷媒が排除
される、この冷媒は戻り管路５ｂを通つて内燃機
関１の冷却ジヤケツトに戻される。導管２ｃは蒸
気を単数または複数の凝縮器６に分配し、凝縮器
６内で蒸気は送風機７によつて再び液化される。
冷媒凝縮物は管路５ｃを経て補償タンク８に達
し、かつここから管路５ｄを経て内燃機関１の冷
却ジヤケツト１ａに戻る。

シリンダヘツド２の上縁にほぼ等しい冷媒レベ
ル１２の上方の全空間は冷たい状態では空気で充
満しているが、定格出力（全負荷）ではすべて蒸
気で満たされる。このことは予め存在していた空
気をいずれかの場に蓄積しなければならないこと
を意味する。この仕事を補償タンク８が行う。無
加圧で閉鎖された冷却循環系で運転する（これは
冷媒と囲繞空気との間に直接的な接触がないこと
を意味する）という要求のために補償タンク８内
には温度安定性の、高弾性的なPU−シール製の
プラスチツク袋９ａが挿入されており、該袋９ａ
は冷却系を大気に対して閉鎖するようにして補償
タンク８の蓋とねじ結合されている、ただし袋９
ａ自体は接続管１０を介して大気と接続されてい
る。冷たい状態では袋内に空気が全体に充満して
いるので、袋は補償タンク壁に接触している。機
関の熱い状態では袋は十分に空にされる。

第２冷媒滴分離器４も同様に袋９ｂを備えてい
る。とういのはさもなければこの容器の分だけ補
償タンクの容積を大きくしなければならないから
である。この袋９ｂによつて補償タンクを小型に
構成することができる。

冷却装置に冷媒を充填するために、まず、接続
管１０を介して外部から袋９ａ内へ圧力を負荷
し、袋９ａを補償タンク８の壁に接触させて、該
補償タンク８内の空気を押しのけておく。蒸気が
発生すると、冷却系のその他の部分に残つている
空気は補償タンク内へ逃げる。袋９ａはその場合
過圧なく収縮する。それというのは、袋９ａ内の
空気が接続管１０を介して外部へ逃げることがで
きるからである。このようにして、冷却系は冷媒
を失うことなく、袋９ａと接続管１０とを介して
大気と接触することができる。もし、空気が本発
明のように逃げることができなければ、エンジン
冷却状態からの温度上昇により、閉じた冷却系内
の空気の圧力が上昇し、100℃の沸騰温度になる
と空気圧が冷媒の沸騰圧に比して大きくなり、蒸
発が抑制されてしまう。このような事態は回避さ
れなければならない。第２冷媒滴分離器４でも同
じことが行われる。ただし、この膜の役目は系内
の空気容積をできるだけ小さくすることにある。

安全性の理由から補償タンク８には更にもう１
つの過圧弁１１が設けられている。

更に第１図には運転室ヒータ用のヒータ循環系
が示されている。該系内にはヒータ用熱交換器１
４並びにヒータ用ポンプ１５が含包されている。
更に潤滑油用の冷却循環系も示されており、該系
内に油冷却器１３が存在する。

第２ａ図には分割されていない冷却ジヤケツト
における冷媒レベルの変動が示され、かつ第２ｂ
図には分割された冷却ジヤケツトの場合の該変動
が示されている。冷却ジヤケツトの分割は多気筒
内燃機関で、特に本実施例の場合のように個別シ
リンダヘツドが使用される場合に提供される。極
端な場合には個別シリンダ冷却に移行し得る。そ
の場合共通の蒸気おび凝縮物循環系を使用するこ
とができる。しかしまた全冷却系を複数の個別の
蒸気および凝縮物循環系に分割することも考えら
れる。

第２ａ図、第２ｂ図には６気筒内燃機関１が略
示されている。内燃機関１は運転室１６の下方に
配置されいる。水平区間における冷媒レベルが１
２ａで、山道走行での冷媒レベルは１２ｂで示さ
れている。部分的に内燃機関の冷却ジヤケツト１
ａが断面図で示されている。冷媒は例えば（第１
シリンダの）唯一の冷媒流入孔１ｂを通つてのみ
冷却ジヤケツト１ａに供給され、次いでその他の
シリンダに分配される（第２ａ図）。図面から判
るようにこの場合には山道走行で高い位置（図面
左上）のシリンダだけが容易にオーバーヒートが
起こる可能性があり、これはもとより乗用車の駆
動装置に比べて明らかに大きな構造寸法に帰因す
る。もう１つの理由は大ていの場合に要求される
装置の低位置組込みである。

第２ｂ図では冷却ジヤケツト１ａはシリンダ数
に応じて分割されている。各冷却ユニツトは冷媒
流入孔１ｂを備えている。このように分割された
各冷却ジヤケツトで冷媒レベルが下り過ぎないよ
うにするために、適切な制御部材が各冷却ユニツ
トの冷媒注入孔１ｂに配置されている。該制御部
材は、各冷媒ユニツトの目標冷媒レベル１２ａの
高さにセンサまたは信号発生器１７が取付けら
れ、これが各冷却ユニツトの流入部に配置された
弁１８を機械式、空気式または電気式に開閉させ
るように構成されている。この場合各流入部は共
通の凝縮物流入部１ｃから分岐されている。この
ように冷却ジヤケツトをシリンダの数に応じて分
割したことによつて僅かな経費で各冷却ユニツト
に対して完全な蒸気および凝縮物循環系が存在す
る場合と等しい結果を達成するとができると共
に、各冷却ユニツトの流入部に弁１８を設けたこ
とにより、走行区間の起伏に応じた冷媒レベルの
変動は殆ど起こらない。

第３図には気化冷却循環系が示されている。該
系では内燃機関の部分負荷運転中に蒸気圧の調整
が行われ、そのようにしてより良い燃焼効率を得
るために燃焼室側の適切な構造部材温度の調整が
達成される。これは簡単な形式で蒸気流出断面を
変更するこによつて得られる。冷却ジヤケツト１
ａ内の蒸気圧を高めることによつて周知のように
冷媒の沸騰温度は上昇し、これによつて作業室側
の壁温が高まる。したがつて作業室側の構造部
材、例えばシリンダ摺動面の温度、また油温（軸
受、シリンダ潤滑、ピストン冷却）が部分負荷範
囲において最高出力時と等しいかまたはほぼ等し
い高さに保持される。

蒸気圧の調整は、温度探子２１を用いて代表的
な構造部材（例えばシリンダ摺動面）の温度に応
じて行われ、温度探子２１は圧力調整器２２に作
用する。更に第３図には凝縮物用ポンプ１９を制
御するフロート弁２０が示されている。

発明の効果 冒頭に記載の形式の循環冷却装置を本発明のよ
うに構成したことによつて、内燃機関の冷却ジヤ
ケツトを介して冷却系内の結合管路並びに凝縮器
内に存在し、運転中に発生する蒸気によつて追い
出される空気を蓄積することができる。系内に過
圧並びに低圧は形成されない。本来の冷却系は大
気圧と接続されていず、したがつて冷媒損失も防
錆剤の早期老化も起こらない。冷却ジヤケツトを
複数の、特にシリンダの数に応じたユニツトに分
割したことによつて冷媒レベルの変動はシリンダ
中心に対して走行区間（登り坂、下り坂または平
らな区間）とは殆ど無関係にほぼ零である。他方
でこのことは、冷媒レベルを著しく低く保つこと
ができ、これによつて装置の総容積が縮小するこ
とを意味する。

本発明による構成では凝縮器の後に配置される
容器は純粋な補償タンクとして働く。この補償タ
ンクは液体冷媒の貯蔵機能を持たない、それとい
うのも冷媒は他の通路を通つて内燃機関の冷却ジ
ヤケツトに戻されるからである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による循環冷却装置の１実施例
の図であり、第２ａ図は乗物用多気筒内燃機関で
分割されない冷却ジヤケツトを備えている場合の
山道走行と水平区間における冷媒レベルの変動を
略示した図、第２ｂ図は本発明による分割された
冷却ジヤケツトを備えている場合の山道走行と水
平区間にける冷媒レベルの変動を略示した図、第
３図は内燃機関の部分負荷運転中の本発明による
循環冷却装置を略示した図である。 １……内燃機関、１ａ……冷却ジヤケツト、１
ｂ……冷却流入孔、１ｃ……凝縮物流入部、２…
…シリンダヘツド、２ａ……排気管路、２ｂ……
管路、２ｃ……導管、３……第１冷媒滴分離器、
４……第２冷媒滴分離器、５ａ……管路、５ｂ…
…戻り管路、５ｃ……管路、５ｄ……管路、６…
…凝縮器、７……送風機、８……補償タンク、９
ａ，９ｂ……袋、１０……接続、１１……過圧
弁、１２，１２ａ，１２ｂ……冷媒レベル、１３
……油冷却器、１４……ヒータ用熱交換器、１５
……ヒータ用ポンプ、１６……運転室、１７……
センサまたは信号発生器、１８……弁、１９……
凝縮物ポンプ、２０……フロート弁、２１……温
度探子、２２……圧力調整器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 冷却が冷媒の気化によつて行われ、かつ蒸気
   が引続き冷却装置（凝縮器）内で熱を取り去られ
   ることによつて再び液化される、内燃機関用の循
   環冷却装置であつて、上記凝縮器の後に補償タン
   クが配置されており、該補償タンク内に弾性的な
   袋が挿入されており、該袋が大気と接続されてい
   る形式のものにおいて、上記弾性的な袋９ａが内
   燃機関の冷却された状態で補償タンク８の内壁に
   接触するようになつており、かつ内燃機関１の冷
   却ジヤケツト１ａが複数のユニツトに分割されて
   おり、該ユニツト内において適切な調節部材１
   ７，１８によつて常に所定の目標冷媒レベルが維
   持されるように構成されていることを特徴とす
   る、内燃機関用の循環冷却装置。 ２ 内熱機関の冷却ジヤケツト１ａと凝縮器６と
   の間に単数または複数の冷媒滴分離器３，４が配
   置されており、かつ凝縮器６の前にある少なくと
   も最後の冷媒滴分離器４内に弾性的な袋９ａが配
   置されている、特許請求の範囲第１項記載の循環
   冷却装置。 ３ 凝縮器６の冷媒出口側に適切な過圧弁１１が
   安全弁として設けられている、特許請求の範囲第
   １項記載の循環冷却装置。 ４ 安全弁１１が凝縮器６と補償タンク８との間
   の結合管路５ｃ内に配置されている、特許請求の
   範囲第３項記載の循環冷却装置。 ５ 安全弁１１が補償タンク８に配置されてい
   る、特許請求の範囲第３項記載の循環冷却装置。 ６ 安全弁１１が絶対圧力少なくとも1.1バール
   に調節されている、特許請求の範囲第３項から第
   ５項までのいずれか１項記載の循環冷却装置。 ７ 各冷却ユニツトの目標冷媒レベルの高さ位置
   にセンサまたは信号発生器１７が取付けられてお
   り、該センサまたは信号発生器１７が各冷却ユニ
   ツトの凝縮物流入部内に配置された弁１８を機械
   式に、空気圧式にまたは電気式に開放閉鎖するよ
   うに構成されている、特許請求の範囲第１項記載
   の循環冷却装置。 ８ 内燃機関の部分負荷運転中内燃機関の冷却ジ
   ヤケツト１ａの内部の蒸気圧の調整が代表的な構
   造部材の温度に応じて行われるようになつてい
   る、特許請求の範囲第１項記載の循環冷却装置。 ９ 大気圧と上限値との間の蒸気圧の調整が圧力
   調整器２２によつて行われ、該圧力調整器２２が
   適切な温度探子２１によつて制御されるようにな
   つている、特許請求の範囲第８項記載の循環冷却
   装置。