JPH11257075A - 内燃機関の冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ２系統の冷却系を備えた冷却装置において、
エンジン主要部における熱負荷の高い部分の温度の低減
を図って均一な冷却を実現するとともに、潤滑油冷却器
や空気冷却器の冷却能力も良好に維持する。 【解決手段】 第１冷却系(１)において、吸引した海水
で潤滑油冷却器(３)や空気冷却器(４)等を低温冷却する
とともに、第２冷却系(30)において、清水の蒸発熱を利
用した加圧沸騰冷却によりシリンダブロック(５)やシリ
ンダヘッド(６)等を高温冷却する。そして、第１冷却系
(１)と第２冷却系(30)との間で熱交換を行なわせるよう
にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、内燃機関の冷却
装置に関し、特に２系統の冷却系を備えたものに係る。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の冷却装置における冷却方式と
して、相変化すなわち冷却水が沸騰蒸発するときの蒸発
熱を利用した加圧沸騰冷却があり、この加圧沸騰冷却は
熱交換効率の向上、部材の均一な冷却、冷却系の簡素
化、熱交換器の小型化等を図ることができるといったよ
うにメリットは大きく、その基本構造原理は従来より知
られている。本出願人も、特願昭62-175047号及び特願
平1-7198号において、蒸気を逃がさないようにして冷却
保水時間を長くできるようにした加熱沸騰形式の冷却装
置に係る出願しており、これらは既に登録されている。

【０００３】しかしながら、この加圧沸騰冷却だけで内
燃機関全体の冷却を行うようにすると、部材の均一な冷
却がかえって仇となり、各部材の温度が冷却水の沸点
（例えば、冷却水にクーラントを入れて９０ＫＰａの加
圧を行った場合の沸点は約１２５℃）に収斂される。シ
リンダブロックやシリンダヘッド等の高温冷却を必要と
するエンジン主要部の冷却に際しては、この温度で十分
であるが、もっと冷やしたい低温冷却を必要とする部
分、例えば８０℃前後に保つことが望まれる潤滑油冷却
器や空気冷却器までもが充分に冷却がなされないという
欠点があった。

【０００４】一方、舶用や陸定置用のエンジンの冷却装
置には、２系統の冷却系を備えたものがあり、それら２
系統の冷却系間で熱交換を行うことによって、ラジエー
タを廃止するとともに、部材温度の均一化と、過冷却や
腐食、凍結等の防止を図っている。

【０００５】舶用における冷却装置では、図４に示すよ
うに、海水を吸引して放流させる第１冷却系(１)と、清
水を強制循環させる第２冷却系(２)を持ち、潤滑冷却器
(３)や空気冷却器(４)等の低温冷却を必要とする部分は
第１冷却系(１)で冷やし、またシリンダブロック(５)や
シリンダヘッド(６)等の高温冷却を必要とする部分は第
２冷却系で冷やすのが一般的である。この舶用における
冷却装置では、第１冷却系(１)と第２冷却系(２)との間
でサーモスタット式の清水冷却器(７)を介して熱交換を
行っている。なお、図中、(８)はキングストンコック、
(９)は海水ポンプ、(10)は清水ポンプ、(11)は排気マニ
ホールド、(12)は減速逆転機潤滑油冷却器である。

【０００６】また、陸定置用における冷却装置でも、清
水を強制循環させる冷却系で各部材を冷やし、配水を吸
引して放流やクーリングタワーを利用した冷却系によっ
て循環する清水を冷やすようにしている。

【０００７】このような２系統の冷却系を備えた冷却装
置においては、清水を強制循環させる水冷式の冷却系に
よってシリンダブロック(５)やシリンダヘッド(６)とい
ったエンジン主要部を冷却しているが、一般に強制循環
冷却は、熱交換効率が悪くて冷却温度にもばらつきが生
じ易く、熱負荷の高い部分の温度を低減し難いといった
問題がある。

【０００８】このため、エンジン主要部に清水の流れが
行き渡るようにするとともに、特に冷やしたい熱負荷の
高い部分は清水の流量を増大して冷却効率を高めるとい
った設計上の工夫が必要であった。具体的には、図５に
示すように、シリンダブロック(５)やシリンダヘッド
(６)を均一に冷却するために、清水通路(20)を各シリン
ダ周りに満遍なく複数個形成していた。また、高出力エ
ンジンでは、特に冷やしたい弁間や噴射ノズル周り等に
対して、シリンダブロック(５)とシリンダヘッド(６)と
の間の清水通路(20)の大きさを変えたり、方向付け用穴
やいわゆる弁間ジェット冷却水用穴を形成する等の配慮
がなされていた。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従来の２系統の冷却系
を備えた冷却装置では、 エンジン主要部を冷却する冷
却系において、エンジン主要部に形成する清水通路(20)
や各種穴の設計が難しく、その構造も非常に複雑なもの
となっていた。

【００１０】また、一般にシリンダブロック(５)とシリ
ンダヘッド(６)との間は、ヘッドガスケットによりシー
ルされているが、従来においては、シリンダブロック
(５)とシリンダヘッド(６)との間に、複数個の清水通路
(20)が形成されているので、これに合わせてヘッドガス
ケットの構造が複雑になり、また広い範囲をシールしな
ければならなかった。しかも、このヘッドガスケット
は、燃焼室側からの大きな筒内圧がかかるため、ヘッド
ボルトの締め付けによりかなり大きな締め付け圧を与え
なければならないが、上記のように構造が複雑でシール
する範囲が広いことから、その圧力バランスを良好に保
つことも困難であった。このため、従来においてヘッド
ガスケットは設計が難しいネック部品の１つとなってお
り、市場での問題発生も多く、高出力エンジンへの適用
に際してはその性能向上がさらに求められていた。

【００１１】本発明は、上記に鑑み、２系統の冷却系を
備えた冷却装置に対して、エンジン主要部を冷やす冷却
系の冷却方式として加圧沸騰冷却を採用することによ
り、潤滑油冷却器や空気冷却器の冷却能力を良好に維持
するとともに、加圧沸騰冷却の長所を取り入れてエンジ
ン主要部の均一冷却、熱負荷の高い部分の温度の低減を
図り、エンジン主要部に形成される冷却水通路の構造、
及びヘッドガスケットの構造を簡素化することを目的と
する。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、この発明は、潤滑油冷却器や空気冷却器等の低温冷
却を必要とする部分を冷却する第１冷却系と、シリンダ
ブロックやシリンダヘッド等の高温冷却を必要とする部
分を冷却する第２冷却系とを備え、前記第２冷却系の冷
却方式として、冷却水の蒸発熱を利用して冷却する加圧
沸騰冷却を採用するとともに、前記第１冷却系と前記第
２冷却系との間で熱交換を行なわせるようにしたことを
特徴とする。

【００１３】ここで、上記の冷却装置を舶用や陸定置用
の内燃機関に適用した場合には、第１冷却系としては、
海水や配水といった別途クーリング等で冷却を行う冷却
方式の採用が考えられる。

【００１４】また、このようにエンジン主要部を加圧沸
騰冷却によって冷却することで、従来のような冷却水通
路等の各種配慮を必要とせずに、各部材を均一に冷却す
ることができるため、前記シリンダブロックとシリンダ
ヘッドとの間に、１つのシリンダに対して１つの冷却水
通路を形成するようにして、構造の簡素化を図ってい
る。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態
に係る舶用エンジンの冷却装置における冷却系を示して
いる。図において、実線で示す冷却系は、海水を吸引放
流させながら潤滑油冷却器(３)及び空気冷却器(４)を低
温冷却する従来と同様の第１冷却系(１)であり、また点
線で示す冷却系は、清水の蒸発熱を利用した加圧沸騰冷
却によりシリンダブロック(５)及びシリンダヘッド(６)
を高温冷却する第２冷却系(30)である。また、(31)は排
気マニホールド(11)の下流側に配された蒸気集合管、(3
2)は従来の清水冷却器(７)の代わりに蒸気集合管(21)の
下流側に配された清水凝縮器である。なお、その他の構
成は従来の冷却装置と同様であり、従来の部材と同様の
機能を有する部材については同符号を付してある。

【００１６】図２は、清水凝縮器(32)の原理図を示して
いる。この清水凝縮器(32)は、第２冷却系(30)における
最も高い位置に配置されており、蒸気集合管(21)に接続
された蒸気入口(33)から流入した清水の蒸気と海水入口
(35)から流入した海水との間で熱交換を行わせることに
よって、蒸気を復水させるものである。なお、蒸気集合
管(21)から蒸気入口(33)に至るまでの通路は、エア溜ま
りが生じず極力通路抵抗が小さくなるように設定されて
いる。なお、(34)は清水出口、(36)は海水出口である。

【００１７】(40)は、清水凝縮器(32)よりも上方に配置
されたサブタンクであって、このサブタンク(40)の下端
部と清水凝縮器(32)の下端部とが清水逃がし管(41)によ
って連通されており、またサブタンク(40)の下端部と清
水凝縮器(32)の上端部とが清水戻り管(42)によって連通
されている。清水逃がし管(41)内には、清水凝縮器(32)
内の圧力が９０ＫＰａ以上となると開弁する圧力弁(43)
が介装されており、また清水戻り弁(42)内には、清水凝
縮器(32)内の圧力が５ＫＰａ以下となるとその負圧によ
り開弁するとともに、清水凝縮器(32)内の温度が６０℃
〜７０℃以下のときに開弁して清水凝縮器(32)上部の滞
留空気をサブタンク(40)に逃す吸戻し兼エア抜き弁(44)
が介装されている。

【００１８】これにより、機関負荷が清水の蒸気の一部
が沸騰し、その清水凝縮器(32)内に入り込んで清水凝縮
器(32)内の圧力が９０ＫＰａ以上となると、圧力弁(43)
が開弁して清水凝縮器(32)内の清水が清水逃がし管(41)
を介してサブタンク(40)に流れ込む。このとき、清水逃
がし管(41)が清水凝縮器(32)の最も低い位置に接続され
ているので、第１冷却系(１)の海水によって冷やされて
蒸気が復水し、サブタンク(40)内には清水のみが流れ込
んで蒸気が混ざらないようになっている。負荷が減り、
第２冷却系(30)内の蒸気の発生が減り、清水凝縮器(32)
内の圧力が５ＫＰａ以下となると、吸戻し兼エア抜き弁
(44)が開弁して、サブタンク(40)内の清水が清水戻り管
(42)を介して清水凝縮器(32)内に戻される。

【００１９】このような清水凝縮器(32)を設けることに
よって、蒸気の一部を大気に逃がして圧力調整をすると
いった必要がなく、第２冷却系(30)における清水の補給
頻度を少なくして、メンテナンス性を高めている。

【００２０】図３は、エンジン主要部の清水の流れを示
している。このエンジン主要部は、第２冷却系(30)すな
わち加圧沸騰冷却によって冷却するので、熱負荷の高い
部分では勝手に熱流速が増えて沸騰し、気泡となって流
れ去る。従って、エンジン主要部の周りに十分な清水が
ありさえすれば、強制循環冷却のときのように清水通路
に複雑な設計上の工夫をしなくても、熱負荷の高い部分
の温度を積極的に低減して均一な冷却を行うことができ
る。

【００２１】従って、シリンダブロック(５)とシリンダ
ヘッド(６)との間には、１つのシリンダに対して１つの
清水通路(50)を形成するだけとしている。これによっ
て、清水通路(50)及びシリンダブロック(５)とシリンダ
ヘッド(６)との間をシールするヘッドガスケットの設計
が容易になり、またこれらの構造も簡単になる。

【００２２】上記構成において、第１冷却系(１)では、
海水ポンプ(９)の作動により吸引された海水が清水凝縮
器(32)を通った後に、空気冷却器(４)及び潤滑油冷却器
(３)を低温冷却（８０℃前後に冷却）して船外に放流さ
れる。

【００２３】一方、第２冷却系(30)では、機関の定格負
荷運転に伴ってエンジン主要部の温度が上昇してくる
と、エンジン主要部周りに満たされている清水のうち熱
負荷の高い部分近傍の清水から順に沸点に達し、順次蒸
発して気泡となって蒸気集合管(21)から清水凝縮器(32)
内に自然に流れ込む。清水凝縮器(32)は、第１冷却系
(１)の海水によって冷却されており、ここで第１冷却系
(１)と第２冷却系(30)との間で熱交換が行われて、上述
したような蒸気の復水がなされる。そして、液相となっ
た清水は再びエンジン主要部の冷却に使用される。

【００２４】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によると、２系統の冷却系のうち、シリンダブロックや
シリンダヘッド等を冷却する第２冷却系の冷却方式とし
て、加圧沸騰冷却を採用しているので、加圧沸騰冷却の
欠点である潤滑油冷却器や空気冷却器等の能力低減をな
くすことができるとともに、従来のように強制循環冷却
を採用するときと比べて、次のような利点がある。

【００２５】まず、熱交換効率の高い均一な冷却が可能
となり、弁間やシリンダライナー等の熱負荷の高い部分
の温度を低減させることができ、機関性能が向上する。
また、恒高温冷却が可能であり、エンジン主要部の熱変
形をなくして摩擦ロスを低減することができる。

【００２６】さらに、エンジン主要部に形成する冷却水
通路の設計の自由度が増してその構造を簡素化でき、従
来冷却水の流れ阻害するために設け難かった内部リブ等
の取り付けも可能となる。特に、シリンダブロックとシ
リンダヘッドとの間において、１つのシリンダに対して
１つの冷却水通路を形成するようにすれば、ヘッドガス
ケットにかかる負荷を軽減してその構造を簡素化でき、
シールしなければならない範囲も狭くなってヘッドガス
ケットの信頼性が向上する。加えて、ヘッドガスケット
を締め付けるためのヘッドボルトの軸力を小さくでき
る、すなわちヘッドボルトを細くすることができる。

【００２７】また、第２冷却系の冷却水を循環させるた
めのポンプが不要になり、また第１冷却系と第２冷却系
の平均温度差が大きくなるため、熱交換器のフィンの大
きさも小さくすることができる。

【００２８】さらに、冷却水の沸騰を伴わない機関の暖
機中は、対流による冷却水の流れしかないので、冷却水
を強制的に循環させるときと比べて、暖機時間を短くす
ることができ、低温腐食も起こりにくい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る冷却装置における２
系統冷却系を示す図である。

【図２】清水凝縮器の原理図である。

【図３】エンジン主要部における清水の流れを示す図で
ある。

【図４】従来の冷却装置における２系統冷却系を示す図
である。

【図５】従来のエンジン主要部における清水の流れを示
す図である。一般的な内燃機関

【符号の説明】

(１) 第１冷却系 (３) 潤滑油冷却器 (４) 空気冷却器 (５) シリンダブロック (６) シリンダヘッド (30) 第２冷却系 (50) 冷却水通路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 潤滑油冷却器や空気冷却器等の低温冷却
   を必要とする部分を冷却する第１冷却系と、シリンダブ
   ロックやシリンダヘッド等の高温冷却を必要とする部分
   を冷却する第２冷却系とを備え、前記第２冷却系の冷却
   方式として、冷却水の蒸発熱を利用して冷却する加圧沸
   騰冷却を採用するとともに、前記第１冷却系と前記第２
   冷却系との間で熱交換を行なわせるようにしたことを特
   徴とする内燃機関の冷却装置。
2. 【請求項２】 前記第２冷却系において、前記シリンダ
   ブロックとシリンダヘッドとの間に、１つのシリンダに
   対して１つの冷却水通路を形成した請求項１記載の内燃
   機関の冷却装置。