JPH0723691B2 - 内燃機関の冷却装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、冷媒の沸騰凝縮サイクルを利用したシリン
ダヘツド側冷却系と、流水方式により冷却を行うシリン
ダブロツク側冷却系とを夫々独立して備えてなる内燃機
関の冷却装置に関する。

従来の技術 本出願人は、内燃機関のウオータジヤケツトとコンデン
サと冷媒供給ポンプとを主体として閉ループ状の冷媒循
環系を形成し、ウオータジヤケツトで発生した冷媒蒸気
をコンデンサに導いて凝縮させた後、液面センサの検出
に基づく冷媒供給ポンプの作動によつて再度ウオータジ
ヤケツトへ供給するようにした沸騰冷却装置を種々提案
している（例えば特開昭60−36712号公報，特開昭60−3
6715号公報等）。

この沸騰冷却装置においては、気化潜熱を利用すること
から熱交換効率に優れ、コンデンサを従来のラジエータ
に比較して大幅に小型化できるとともに、熱負荷の高い
部分ほど激しく沸騰を生じるので、流水式の冷却装置に
比較して機関各部の温度分布を非常に均一にできる利点
を有している。

ここで上記ウオータジヤケツトは、燃焼室やシリンダを
囲むようにシリンダヘツドとシリンダブロツクの両者に
亙つて一体に形成されており、通常シリンダヘツド側ウ
オータジヤケツトの中間の高さ位置まで液相冷媒（例え
ばエチレングリコール水溶液等）が貯留され、且つシリ
ンダヘツド上部から冷媒蒸気を取り出す構造となつてい
る。

発明が解決しようとする問題点 しかし、このようにウオータジヤケツトがシリンダヘツ
ドとシリンダブロツクの両者に亙つて一体に形成された
従来の沸騰冷却装置では、シリンダヘツド側ウオータジ
ヤケツトの冷媒温度とシリンダブロツク側ウオータジヤ
ケツトの冷媒温度が常に等しいものとなるので、必ずし
も理想的な機関温度を得ることができない。つまり、一
般的にシリンダヘツド側の温度は、アンチノツク性の確
保や異常燃焼の防止などのために若干低く保つことが望
ましく、またシリンダブロツク側の温度は、フリクシヨ
ンの低減のために若干高く保つことが望ましいのである
が、このように両者の温度を異ならせることは不可能で
あつた。

また、上記の構成ではシリンダブロツク側ウオータジヤ
ケツト内で発生した冷媒蒸気はシリンダヘツド側ウオー
タジヤケツト内を通過してコンデンサ側に排出されるこ
とになるので、シリンダヘツド側ウオータジヤケツトの
排気弁周辺や排気ポート下部など熱負荷の高い部位で蒸
気量が著しく多くなり、伝熱面への液相冷媒の供給が阻
害されて熱伝達係数が低下する虞れがある。そしてシリ
ンダブロツク側で発生した冷媒蒸気はシリンダヘツド側
ウオータジヤケツト内の液相冷媒を吹き上げる形となる
ため、多量の冷媒液滴が液相のままコンデンサ側へ流出
するという不具合もある。

尚、流水式の冷却装置においてシリンダヘツド側冷却系
とシリンダブロツク側冷却系とを互いに独立させた技術
が例えば「トヨタ技術第32巻第２号」第183頁（昭和57
年11月）に開示されているが、この構成では低温化すべ
きシリンダヘツド側冷却系のラジエータとして大型のも
のが要求され、装置全体として非常に大型化してしま
う。また高速，高負荷時などには局部的な高温部の発生
を防止できず、上述した異常燃焼などを十分に防止する
ことはできない。

さらに、実開昭60−183226号公報に記載されているよう
に、シリンダブロックとシリンダヘッドとを、それぞれ
別個の沸騰冷却系で冷却することも考えられるが、この
場合には、シリンダブロック側で最も熱負荷の高いシリ
ンダ壁部の上端部が気相領域に露出して、この部分での
冷却不良を生じ易く、やはり異常燃焼を生じたり、熱歪
によりシリンダヘッドとの間のシール性が悪化したりす
る虞れがある。しかも、シリンダブロックの上面にはシ
リンダヘッドが載置されるので、シリンダブロック側ウ
ォータジャケットの上部に、蒸気通路となる気相領域を
十分に大きく確保することが困難であり、各部で発生し
た冷媒蒸気を取り出して速やかにコンデンサ側に排出す
ることができず、従って、伝熱面が蒸気泡に覆われて過
熱したり、ウォータジャケット内の液相冷媒が蒸気とと
もにコンデンサ側に持ち出されたりするという問題もあ
る。

問題点を解決するための手段 この発明は、上記の問題点を解決するために、シリンダ
ヘツド側冷却系とシリンダブロツク側冷却系とを独立し
て構成し、熱負荷の高いシリンダヘツド側は沸騰冷却方
式により冷却を行うと共に、冷媒蒸気の取り出しが比較
的困難なシリンダブロツク側は流水方式による冷却を行
うようにしたものである。即ち、この発明に係る内燃機
関の冷却装置は、沸騰により冷却がなされるように液相
冷媒が所定レベルまで貯留され、且つ上部空間が気相冷
媒領域となるシリンダヘツド側ウオータジヤケツトと、
このシリンダヘツド側ウオータジヤケツトから独立して
形成され、かつ流水により冷却がなされるように液相冷
媒で満たされるシリンダブロツク側ウオータジヤケツト
と、上記シリンダブロツク側ウオータジヤケツトで加熱
された液相冷媒を冷却するラジエータと、液相冷媒を上
記シリンダブロツク側ウオータジヤケツトと上記ラジエ
ータとの間で常時循環させる循環ポンプと、上記シリン
ダヘツド側ウオータジヤケツトで発生した冷媒蒸気を凝
縮するコンデンサと、このコンデンサで凝縮した液相冷
媒を上記シリンダヘツド側ウオータジヤケツトに補給す
る冷媒供給手段とを備えて構成されている。

作用 シリンダブロツク側ウオータジヤケツトとラジエータと
循環ポンプとを主体としたシリンダブロツク側冷却系で
は、液相冷媒が常時循環し、この液相冷媒の強制対流に
よつて、相変化を伴わない形で冷却が行われる。またシ
リンダヘツド側ウオータジヤケツトとコンデンサと冷媒
供給手段とを主体としたシリンダヘツド側冷却系では、
冷媒が沸騰凝縮のサイクルを繰り返しつつ循環し、気化
潜熱を利用した冷却が行われる。つまりシリンダヘツド
側ウオータジヤケツト内の液相冷媒は、プール沸騰状態
となり、ヒートスポツトを解消して均一な冷却が行われ
る。

実施例 第１図はこの発明の一実施例を示す構成説明図であつ
て、同図において、１はシリンダヘツド側ウオータジヤ
ケツト２とシリンダブロツク側ウオータジヤケツト３と
が独立して形成された内燃機関を示している。

上記シリンダブロツク側ウオータジヤケツト３は、シリ
ンダ外周を囲むようにシリンダブロツク４内部に形成さ
れたもので、各気筒に連続して形成され、且つ最上部側
面に冷媒出口５が開口している。この冷媒出口５はラジ
エータ入口通路６を介してラジエータ７の入口に連通し
ている。このラジエータ７は、アツパタンク８とコア部
９とロアタンク10とから構成され、車両前部など車両走
行風を受け得る位置に設置されている。そして、ロアタ
ンク10に接続したラジエータ出口通路11はシリンダブロ
ツク側ウオータジヤケツト３下部の冷媒入口12に連通し
ている。この冷媒入口12には、機関出力によつて常時駆
動されるインペラポンプなどからなる循環ポンプ13が配
設されている。また上記冷媒出口５と上記冷媒入口12と
はバイパス通路14によつて連通されており、このバイパ
ス通路14に公知のサーモスタツト弁15が配設されてい
る。以上のシリンダブロツク側ウオータジヤケツト３と
ラジエータ７と循環ポンプ13とを主体として、流水方式
による冷却を行うシリンダブロツク側冷却系が構成され
ている。尚、上記ラジエータ７は、シリンダブロツク４
側の発熱量のみを負担するので、比較的小型のもので足
りる。

一方、シリンダヘツド側ウオータジヤケツト２は、燃焼
室を覆うようにシリンダヘツド16内部に形成されたもの
で、通常気相冷媒領域となる上部が各気筒で互いに連通
していると共に、その上部の適宜な位置に蒸気出口17が
設けられている。この蒸気出口17は、蒸気マニホルド18
及び蒸気通路19を介してコンデンサ20の上部入口に連通
している。また上記シリンダヘツド側ウオータジヤケツ
ト２の所定レベルには、液相冷媒の有無によつてオン・
オフ信号を発する例えばリードスイツチを用いたフロー
ト式の液面センサ21が配設されており、且つこれより下
方つまり通常液相冷媒中に没する位置にサーミスタ等か
らなる第１温度センサ22が配設されている。

上記コンデンサ20は、冷媒蒸気が流入するアツパタンク
23と、上下方向に沿つた微細なチユーブを主体としたコ
ア部24と、このコア部24で凝縮された液相冷媒を一時貯
留するロアタンク25とから構成されており、車両前部な
ど車両走行風を受け得る位置に例えば上記ラジエータ７
に重ねて配置されている。そしてその前面あるいは背面
には、強制冷却用の電動式冷却フアン26が配設されてい
る。また上記ロアタンク25には、その内部の冷媒温度を
検出するサーミスタ等からなる第２温度センサ27が配設
されている。尚、上記コンデンサ20と上記ラジエータ７
とを重ねて配置する場合には、図示するように、放熱量
の大きなコンデンサ20を前面に配置することが望まし
い。

28は、内燃機関１とほぼ等しい高さ位置に配設されたリ
ザーバタンクであつて、これは大気連通路29を介して上
部空間が大気に開放されていると共に、第１冷媒循環通
路30を介してロアタンク25に接続され、且つ第２冷媒循
環通路31を介してシリンダヘツド側ウオータジヤケツト
２下部に接続されている。上記第２冷媒循環通路31に
は、冷媒供給手段として上記液面センサ21の検出信号に
基づき間欠的に作動する冷媒供給ポンプ32が介装されて
おり、その下流側に液相冷媒の逆流を阻止する逆止弁33
が介装されている。尚、上記第２冷媒循環通路31とシリ
ンダヘツド側ウオータジヤケツト２との接続部には、オ
イルクーラハウジング34が設けられており、その内部に
オイルクーラ35が配設されている。上記オイルクーラハ
ウジング34は、やはり上部に若干の気相冷媒領域が形成
されるようにその高さ位置が設定されている。また、上
記リザーバタンク28の大気連通路29には、冷却系内部の
圧力を調節するために常開型の電磁弁36が介装されてい
る。以上のシリンダヘツド側ウオータジヤケツト２とコ
ンデンサ20と冷媒供給ポンプ32とを主体として、沸騰冷
却方式による冷却を行うシリンダヘツド側冷却系が構成
されている。

さて上記のように構成された冷却装置においては、シリ
ンダブロツク側冷却系とシリンダヘツド側冷却系とが夫
々完全に独立して冷却作用を行う。即ち、シリンダブロ
ツク側冷却系はその内部が液相冷媒で満たされた状態と
なつており、循環ポンプ13が機関の始動と同時に作動開
始するので、液相冷媒が相変化を伴わない形で常時循環
し、強制対流による冷却が行われる。このシリンダブロ
ツク側冷却系は、公知のラジエータキヤツプ等の加圧手
段を有しており、シリンダブロツク側ウオータジヤケツ
ト３内の冷媒温度を比較的高く、例えば100〜140℃程度
に保つようにラジエータ７の放熱量等が設定されてい
る。尚、サーモスタツト弁15は通常の水冷式冷却装置の
場合と同様に作動し、低温時には液相冷媒をバイパス通
路14を通して循環させ、また高温時には液相冷媒をラジ
エータ７を通して循環させるようになつている。

一方、シリンダヘツド側冷却系では沸騰凝縮サイクルを
利用した冷却が行われる。つまりシリンダヘツド側ウオ
ータジヤケツト２内に液面センサ21の設定レベルまで液
相冷媒が貯留されており、その沸騰により各部を冷却す
ると共に、発生した蒸気はコンデンサ20に導かれて凝縮
し、ロアタンク25並びにリザーバタンク28に回収され
る。そして、沸騰によりシリンダヘツド側ウオータジヤ
ケツト２内の冷媒液面が低下したら、液面センサ21の検
出信号に基づいて冷媒供給ポンプ32が作動し、リザーバ
タンク28から液相冷媒を補給する。これによつてシリン
ダヘツド側ウオータジヤケツト２内の冷媒液面は常に一
定レベルに保たれる。また、冷却フアン26及び電磁弁36
は、第1,第２温度センサ22,27の検出信号に基づいて制
御され、系内温度を目標温度に保つている。リザーバタ
ンク28が大気に開放された状態では、系内温度はほぼ大
気圧下での冷媒沸点となるが、この実施例では電磁弁36
を閉じることによつて減圧沸騰させることが可能であ
り、その目標温度は比較的低く、例えば70〜105℃程度
に設定されている。

従つて、シリンダヘツド16においては排気弁周辺や排気
ポート周辺など高温部が効果的に冷却され、温度分布が
均一となつて熱歪みが減少すると共に、ノツキングの抑
制や体積効率の向上が図れる。そして、上記シリンダヘ
ツド側ウオータジヤケツト２内には、従来の沸騰冷却装
置のようにシリンダブロツク４側から冷媒蒸気が流入す
ることがないので、蒸気の過度の発生による熱伝達効率
の低下などを招来することもない。また、シリンダブロ
ツク４は、上述のように強制対流方式による冷却で比較
的高温に保たれるので、フリクシヨンの低減が図れ、燃
費の向上に寄与することができる。

尚、このようにシリンダブロツク４を比較的高温に保つ
と、機関潤滑油が過度に温度上昇し、早期に劣化する虞
れがあるが、この実施例ではシリンダヘツド側ウオータ
ジヤケツト２の一部に設けたオイルクーラ35によつて沸
騰冷却を利用した潤滑油の効果的な冷却が行われ、潤滑
油を適当な温度内に維持することができる。また、この
ようにオイルクーラ35を沸騰冷却方式で冷却するように
すれば、暖機時つまり沸騰開始前には熱伝達量を低く抑
制できるので、潤滑油を早期に暖めることができる。

また上記冷却装置では、シリンダヘツド側冷却系とシリ
ンダブロツク側冷却系とが完全に独立しているので、夫
々で異なる冷媒を用いることが可能である。この冷媒と
しては、一般にエチレングリコール水溶液やプロピレン
グリコール水溶液等に若干の防錆剤を添加したものが用
いられるが、このものではエチレングリコール等の濃度
に応じて冷媒沸点が変化するので、夫々の冷却系で適当
な濃度の冷媒を選択すれば、極端な加圧や減圧を行うこ
となく、容易に最適な機関温度を確保することが可能で
ある。

尚、上記実施例では、シリンダヘツド側冷却系の系内温
度を主に冷却フアン26によつて制御するようにした例を
説明したが、この発明はこれに限られず、例えば時開昭
60−243321号公報等に示されているようにコンデンサ側
の冷媒液面の制御により系内冷媒沸点を積極的に可変制
御するようにしても良い。

次に、第２図および第３図は、上記冷却装置におけるラ
ジエータ７およびコンデンサ20を一体の放熱器41として
構成した実施例を示している。この放熱器41は、アツパ
タンク42およびロアタンク43内に夫々隔壁44を設けて、
後方にラジエータ側アツパタンク８′，ラジエータ側ロ
アタンク10′を形成するとともに、前方にコンデンサ側
アツパタンク23′，コンデンサ側ロアタンク25′を形成
してある。そして、ラジエータ側アツパタンク８′とラ
ジエータ側ロアタンク10′とを１列のチユーブ群45にて
接続するとともに、コンデンサ側アツパタンク23′とコ
ンデンサ側ロアタンク25′とを２列のチユーブ群46にて
接続し、かつチユーブ間にコルゲートフイン47を接合し
て、ラジエータ側コア部９′とコンデンサ側コア部24′
とを前後に構成している。また、48がラジエータ側の冷
媒入口、49がラジエータ側の冷媒出口、50がコンデンサ
側の蒸気入口、51がコンデンサ側の液相冷媒出口であ
る。尚、上気隔壁44は、第４図に詳示するように、一端
が二股状に形成され、アツパタンク42等の２分割された
カバー部52端縁を挾持している一方、他端が同じく２分
割された底板53の間に挾み込まれて固定されている。

このようにラジエータ７およびコンデンサ20を一体化し
た構成によれば、両者間での風の吹き返し等の不具合が
なく、シユラウド構造の複雑化を回避できるとともに、
車両への搭載性が良好なものとなる。尚、コンデンサ20
を前面に、かつラジエータ７を後面に夫々配置すること
で、シリンダヘツド16側の効果的に冷却できる一方、シ
リンダブロツク４側の過冷却を防止できる。

また第５図および第６図に示す放熱器41は、ラジエータ
７およびコンデンサ20を左右に配置した形で一体化した
実施例であり、上述した第2,3図の例に比べて、放熱器4
1の全高を縮小できるとともにタンク構造が簡単となる
利点がある。尚、この場合には、ラジエータ７側の前面
にエアコン用コンデンサ54を設置すれば、高温化すべき
シリンダブロツク側冷却系の放熱量を効果的に抑制でき
る。

発明の効果 以上の説明で明らかなように、この発明に係る内燃機関
の冷却装置によれば、シリンダブロツク側の温度をシリ
ンダヘツド側の温度よりも高く保つと共に、シリンダヘ
ツド各部の温度分布を非常に均一なものすることができ
る。従つて、ノツキングや異常燃焼の防止並びに体積効
率の向上を図りつつシリンダ壁温を高めて燃費の向上等
を実現することができる。特に、従来の沸騰冷却装置の
ようにシリンダブロツク側で発生した冷媒蒸気がシリン
ダヘツド側に流入することがないので、熱負荷の高いシ
リンダヘツド各部に対し非常に安定した冷却を行うこと
ができる。また、シリンダブロツク側冷却系は流水方式
により冷却されるので、シリンダブロック側で最も積極
的に冷却すべきシリンダ壁部上端部が気相領域に露出す
ることがなく、この部分の冷却不良を確実に防止でき
る。しかも、冷媒蒸気の取り出しに伴う構成の複雑化を
回避でき、シリンダヘツド側冷却系とシリンダブロツク
側冷却系とが互いに独立しているにもかかわらず、装置
全体としての構成を比較的簡単なものとすることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係る内燃機関の冷却装置の一実施例
を示す構成説明図、第２図はラジエータとコンデンサと
を一体化した放熱器を示す正面図、第３図は同じく断面
図、第４図はそのアツパタンク部分の拡大断面図、第５
図はラジエータとコンデンサとを一体化した放熱器の異
なる実施例を示す正面図、第６図は同じく平面図であ
る。 １……内燃機関、２……シリンダヘツド側ウオータジヤ
ケツト、３……シリンダブロツク側ウオータジヤケツ
ト、７……ラジエータ、13……循環ポンプ、20……コン
デンサ、21……液面センサ、28……リザーバタンク、32
……冷媒供給ポンプ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】沸騰により冷却がなされるように液相冷媒
   が所定レベルまで貯留され、且つ上部空間が気相冷媒領
   域となるシリンダヘッド側ウォータジャケットと、この
   シリンダヘッド側ウォータジャケットから独立して形成
   され、かつ流水により冷却がなされるように液相冷媒で
   満たされるシリンダブロック側ウォータジャケットと、
   上記シリンダブロック側ウォータジャケットで加熱され
   た液相冷媒を冷却するラジエータと、液相冷媒を上記シ
   リンダブロック側ウォータジャケットと上記ラジエータ
   との間で常時循環させる循環ポンプと、上記シリンダヘ
   ッド側ウォータジャケットで発生した冷媒蒸気を凝縮す
   るコンデンサと、このコンデンサで凝縮した液相冷媒を
   上記シリンダヘッド側ウォータジャケットに補給する冷
   媒供給手段とを備えてなる内燃機関の冷却装置。