JPS60108524A - エンジンの沸騰冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） この発明は、液相冷媒の沸騰気化に基づいてエンジンを
冷却する沸騰冷却装置の改良に関する６゜（技術的背景
） エンジンウォータジャケットとラヅエータとの間で冷却
水を循環させる水冷冷却装置は、ラヅエータの能率及び
寸法上の制限並びに水の熱容量の関係上、要求放熱量を
満足させるためには大量の冷却水を循環させる必要があ
り、このためにウォータポンプが大きな駆動損失になっ
ており、またエンジン運転状態に応じて冷却水を適温に
可変制御するのは困難であった。

一方、特公昭５７−５７６０８号や米国特許４３６７６
９９号により、水の気化潜熱を利用して小量の冷却水循
環量でエンジン冷却全行なえるようにした冷却装置が提
案されている。これらは、ウォータジャケットに貯留し
た冷却水をエンジン発生熱で沸騰させ、発生蒸気を放熱
器で液化してウォータジャケットに戻すというサイクル
で冷却を行なうようにしたものであるが、いずれも冷却
水蒸気が流通する径路を大気に遅過して圧力変動を避け
る構造をとっているため、冷却水が消耗しやすい等のメ
ンテナンス上の問題のほか、エンジン温度が大気圧下で
の冷却水の沸点に固定化されるので要求放熱量の変動中
が大きい自動車用エンジン等には適用し難−という問題
点があった。

これに対して本出願人は、特願昭５８−１４５４６７号
などによシ、閉ル〒プ状の冷却回路内に水等の液相冷媒
を封入し、その圧力つまシ沸点を変化させることによっ
てエンジン運転状態に応じた効率の良い冷却を行なえる
ようにした沸騰冷却装置を提案している。

この冷却装置は、ウォータジャケットで燃焼熱７　を奪
って気化した冷媒蒸気を内部が気相状態に保たれるよう
に配慮したコンデンサへと導入して高い放熱効率を確保
したうえで、コンデンサの放熱量を冷却ファンを介して
増減することによって所望のエンジン温度に制御できる
ようにしたものである。

この冷却装置によれば、従来の冷却装置では不可能であ
った運転状態に応、じた最適温度制御が実現できるので
あシ、具体的にはエンジン発生熱量の少ない低速・低負
荷時には燃焼室温度を可及的高温に保って熱効率を高め
る一方、熱的負荷の大きい高速・高負荷時には確実に過
熱を抑えて異常燃焼等を防止し、あるいは高出力化への
対応を行なうことが可能になるのである。

ところが、このように運転状態に応じて段階的に温度制
御を行なうと、自動車用エンジンのように要求放熱量が
大幅に変動するものにあっては、低速市街地走行から高
速走行へ移行する過程で高温から低温へと制御温度を変
更した際に実際の温度変化が要求放熱量に追いつかず、
一時的に過熱気味となってノッキングを起こしたう運転
性が悪化しだ夛するおそれを生じる。

このため、制御上の高低の温度差をあまシ大きく設定す
ることができず、従ってこの沸騰冷却装ｊ１ｔの特長を
充分に生かし得ないことになるのである。

（発明の目的） 本発明はこのような問題点を解消して、沸騰冷却時の冷
媒温度をエンジン運転状態の変化に対して応答良く追従
させ、よシ広範囲の運転状態に対して適正な冷媒温度が
得られるようにすることを目的とする。

（発明の開示） 上記目的を達成するために本発明では、エンジンウォー
タジャケットからの冷媒蒸気を上部に設けた蒸気通路を
介してコンデンサに導入し、コンデンサで冷却液化した
冷媒は下部の冷媒液通路を介してウォータジャケットに
戻すようにして、ウォータジャケットとコンデンサとの
間で冷媒が相裂化しながら循環する閉回路を形成する。

冷媒液通路の途中には供給ポンプを介装して、ウォータ
ジャケット内の液相冷媒量が常に所定量確保されるよう
にコンデンサからの液化冷媒を圧送するとともに、コン
デンサの内部は気相状態に維持する。

大気から速断された冷却系内の液相冷媒の沸点は系内の
圧力に略比例し、圧力はウォータジャケットでエンジン
燃焼熱をうけて沸騰した冷媒の蒸気量とコンデンサでの
液化量とのバランスで決まる。

コンデンサに対しては冷却ファンを設け、必要に応じこ
れを駆動して強制冷却風を供給し、コンデンサでの冷媒
蒸気の凝縮液化量を制御して系内の圧力すなわち温度を
所定値に保つ。

内部が気相状態に保れたれコンデンサは、その性質とし
て放熱効率が著しく高く、雰囲気の熱的条件の変化に対
する応答も極めて速い１゜従って、冷却ファンの作動・
不作動に応じて冷却系内の圧力及び温度は速やかに変化
する。

上記冷却ファンを介しての温度制御を行なうために、エ
ンジンの発生熱量並びに冷媒液温度を検出する手段と、
この検出手段と協働して冷媒液温度が発生熱量に応じた
目標値になるように冷却ファンを駆動する制御回路を設
けるのであるが、特に制御回路は温度目標値を発生熱量
に略反比例して連続可変設定するように回路構成し、発
生熱量が増加するほど冷却ファンの作、動開始温度を低
下させて冷媒液温度が下がる特性を付与する。エンジン
発生熱量は、回転速度、負荷、燃料供給量等で代表され
るので、これを開用のセンサ類で検出することができる
。

冷媒液温度は速やかに変化させられるが、エンジン運転
状態の急激な変化に対して必ずしも追従し切れないこと
は先に述べた通シである。しかしながら、上述のように
してエンジンの発生熱量に応じて連続可変的に温度制御
するようにした場合は、負荷や回転の変化に応じて要求
される温度制御中が減少するので、それだけ応答遅れの
少ない良好な過渡特性が得られ、同時に広範囲な運転状
態において常に適正な温度条件を与えることが可能にな
る。

なお、本発明ではさらに液相冷媒を貯留した補助タンク
を電磁弁等の弁手段を介して冷却系閉回路に接続し、エ
ンジン停止時等に補助タンクの冷媒を閉回路内に導入し
て気相空間部を導入冷媒液で置換することによシ、冷却
性能を損う有害な空気の侵入を防止するように図る。

次に本発明の実施例を図面に基づいで説明する。

第１図において、２１はエンジン（本体）、２２は大部
分が水等の液相冷媒で満たされるウォータジャケット、
２３はウォータジャケット２２からの冷媒蒸気を冷却液
化するコンデンサ、２４はコンデンサ２３からの液化冷
媒を貯留するタンク、２５はタンク２４の貯留冷媒をウ
ォータジャケット２２へと戻す供給ポンプ、２６はコン
デンサ２３に強制冷却風を供給する冷却ファンである。

ウォータジャケット２２はエンジン２１のシリンダ及び
燃焼室を包囲するようにシリンダブロック２゛１ａ及び
シリンダヘッド２１ｂにかけて形成され、その内部には
所定量の液通冷媒が封入されている。ウォータジャケッ
ト２２の上方部分は冷媒蒸気が充満する気相空間２２ａ
になっている。

ナオ、多気筒エンジンでは前記気相空間２２ａは谷気筒
部間で相互に連通される。

ウォータジャケット２２は、その気相空間２２ａに面し
て接続した冷媒注入管（蒸気マニホールド）２９及び蒸
気通路２７を介してコンデンサ入口部３０に連通してい
る。前記冷妹注入管２９は冷媒が循還する径路の最上部
に位置し、上方に立ち上った注入口部２９ａはキャップ
２９ｂで密閉される。

コンデンサ２３の下部タンク２４は、冷媒通路２８を介
してウォータジャケット２２に連通し、ウォータジャケ
ット２２とコンデンサ２３との間で冷媒が循環する閉回
路を形成する。

コンデンサ２３は自動車の場合走行風が流通する位置に
設けられ、冷却ファン２６はその前面または背面側に位
置してコンデンサ２３に強制冷却風を供給する。また、
供給ポンプ２５は冷媒通路２８の途中に位置し、後述す
る制御系統からの指令に基づいてタンク２４に貯った液
相冷媒をウォータジャケット２２へと圧送する。なお、
冷却ファン２６と供給ポンプ２５は、共に電動式または
電磁クラッチ等を介してエンジン２１によシ駆動される
機械式のものが適用される。

５０は上記供給ポンプ２５並びに冷却ファン２６の作動
を司る制御回路で７ちり、シリンダヘッド２１ｂに設け
られた液面センサ３１と同じく温度センサ３２及びエン
ジン運転状態を検出するその他の手段（図示せず）とと
もに制御系統を形成している。

液面センサ３１は、その検出部に対する冷媒液面の位置
に応じてオンオフ的に出力が変化する一種のスイッチで
ある。制御回路５ｏはこの出力の変化に基づいて、冷媒
液面が液面センサ３１の位置に応じた所定値よりも低下
した場合には供給ポンプ２５を駆動して再び所定液面レ
ベルに達するまでタンク２４の貯留冷媒をウォータジャ
ケット２２に補給する。このため、ウォータジャケット
２２には常に所定量以上の冷媒液が確保される。

なお、この冷却系内に封入される液相冷媒、の標準量は
、ウォータジャケット２２に前述のようにして所定液面
レベルにまで冷媒が確保された状態でコンデンサ２３の
内部が気相状態になる程度に設定されている。

温度センサ３２は、冷媒の温度または圧力からエンジン
温度を検出し、エンジン温度に応じた出力を実温度信号
として制御回路５０に付与する。

制御回路５０はこの温度センサ３２からの実温度の検出
値とともにエンジン回転、スロツ）Ａ／開度、燃料供給
量等を筒知のセンサ類を介し検出してエンジンの運転状
態を判別し、前記実温度との比較に基づいてそのときの
運転状態に応じた所定のエンジン温度になように冷却フ
ァン２６の作動または停止を制御する。

上記構成に基づく冷却系統としての基本的な作用につい
て説明する−と、ウォータジャケット２２内の液相冷媒
は、エンジン燃焼熱をうけて加熱されると、そのときの
系内の圧力に応じた沸点に達したところで沸騰を開始し
、気化潜熱を奪って蒸発気化する。

このとき、冷媒はエンジン２１の高温部はど盛んに沸騰
して気化潜熱相当分の冷却を行なうことになるので、燃
焼室やシリンダ壁はほぼ均一の温度に保たれる。このと
きから、異常燃焼等の不都合を生じない限界温度の近く
にまで燃焼室全体の温度を高めることが可能になる。

上記沸騰冷却作用の結果発生した冷媒蒸気は蒸気通路２
７を介してウォータジャケット２２の気相空間２２ａか
らコンデンサ２３へと流れ、コンデンサ２３での外気と
の熱交換により冷却されて凝集液化し、遂次タンク２４
に貯留される。

この場合、既述したようにコンデンサ２３の内部は気相
になっており、高温の冷媒蒸蜆がコンデンサ２３を構成
する金属面との間の良好な熱伝達状態の下に温度差の大
きい外気で冷やされることになるため、液相で放熱する
場合よシも大幅に放熱効率が高められる。因みに、この
ことからコンデンサ２３並びに冷却ファン２６は従来よ
シも著しく小型のものを使用できる。

コンデンサ２３で液化しタンク２４に貯留された冷媒は
、ウォータジャケット２２での冷媒液面レベルの低下に
伴う供給ポンプ２５の作動によシ再びウォータジャケッ
ト２２へと戻されるのであシ、以上の繰シ返しにより沸
騰冷却が続けられる。

本発明の特徴は上記沸騰冷却時の冷媒液温度の制御値（
目標値）を段階的にではなく、連続的に可変設定するよ
うにしたことにある。

第２図はこのための制御回路の一例である。

この回路は、電子制御燃料噴射装置を備えたガンリンエ
ンジンに適応するもので、エンジン吸気通路（図示せず
）に面して設けられる電磁溶料噴射弁６０の駆動信号パ
ルスからエンジン運転状態を検出する。

電子制御燃料噴射装置では、燃料噴射弁６０に対してエ
ンジン吸入負圧との間の相対圧が常に一定となるように
燃料を加圧供給し、噴射弁６０の開弁時間つまシ噴射弁
駆動信号のパルス中を変化させることによって溶料噴射
量を制御するようにしている。

そこで、噴射弁６０への駆動信号をトランジスタＴｒの
ベースに印加し、このベース電圧が印加されている間（
噴射弁６０が開いている間）だけ所＼ 定時性のリップルカウンタ６１へとクロックジェネレー
タ６２の出力を与えるようにすると、第２図（Ａ、）に
示したように前記所定特性で決まるある１］以上のパル
スが入力したときだけカウンタ６１からキャリが出るよ
うになる。なおこの場合、噴射弁駆動信号をカウンタ６
１のリセット端子に入力して噴射時期が到来する毎にパ
ルス中を検出するようにしである。

また、噴射弁駆動パルスはエンジン回転と同期して発せ
られ、従って、エンジン回転速度が上昇するほど単位時
間あたりの上記キャリの数が増加する。

要するに、カウンタ６１からある時間内に出力されるキ
ャリの長さまたは数は、燃料噴射ｉｔ　（つまｂｍ荷）
または回転速度が高まるほど増加するのであり、従って
これを平滑回路６３に入力して平滑化すると第２図山）
に示したように負荷または回転速度に比例した出力電圧
ｖＡが得られる。

この電圧■えは、以後の回路電圧の変化が平滑回路６３
の出力特性に影響しないように設けたノクツファ６４を
介してコンパレータ６５のＯ端子に入力する。ただし、
この場合バッファ６４からの電圧ｖＢはツェナダイオー
ド６６に逆電圧として印加し、■８がある程度増大した
ときは接地側に電流を逃がすようにしであるので、その
特性は第２図Ｃ）に示したようになる。さらに、コンパ
レータ６５の■端子には定電圧電源６７の出力を抵抗Ｒ
３を介して降圧した比較的低い電圧Ｖｏを入力する。こ
のため、コンパレータ６５に温度目標値として最終的に
入力する電圧ＶＯは第２図に）に示したようにキャリ址
つまジエンジン回転または負荷の両極端近傍域で一定に
なる。

このようにエンジン運転域の両端付近でｖＯを一定にす
るのは当該運転域では細かい温度制御をする必要性に乏
しく、むしろ安定性を高めた方が望ましいからであるが
、勿論全運転域にわたってリニアな特性を得るようにし
てもよく、その場合は電圧Ｖｏの供給及びツェナダイオ
ード６６は不要であシ、さらにアイドリング回転近傍で
の制御が不安定になるきらいはあるがリップルカウンタ
６１を省いてもよい。

一方、コンパレータ６５のＯ端子には定電圧電源６７の
出力を抵抗Ｒ２と液温検出手段としてのサーミスタ６８
（第１図の温度センサ３２に相当）とで分圧した電圧Ｖ
Ｄを入力し、前記Ｖｏと比較する。

サーミスタ６８は温度が上昇するほど抵抗値が減少する
性質があるから、ｖＤは冷媒液温度が上昇するほど低下
し、第２図（ト）に示したようにそのときの運転状態に
応じて定まるＶｏよシも小となるとコンパレータ６５が
出カシ、リレースイッチ６９を閉成して冷却ファン２６
（この場合電動式）を駆動する。

冷却ファン２６が作動すると、冷却系閉回路内の圧力及
び冷媒液の沸点が低下して温度が下降し、これに伴って
ＶＩ）が上昇しｖＤ≧Ｖｏとなるとコンパレータ６５の
出力が停止してリレースイッチ６９が開くため冷却ファ
ン２６は停止する。

このようにして、冷媒液の温度が目標値に制御されるわ
けであるが、この温度目標値を与える電圧Ｖｏは上述し
たように過渡特性が問題になυがちな部分負荷または常
用回転域で連続的に変化し、エンジン発生熱量が増加す
る高速または高負荷時はど電圧上昇して冷却ファン２６
の作動開始温度を低下させる、 つまシ、冷媒液温度が常にエンジンの発生熱量に応じて
変化し、適正な冷却状態を付与するのであり、これによ
り例えば第３図に太悲で示したように低速から高速走行
へと運転状態が移行する過程にあっても最短時間でエン
ジン温度を適正値に制御できるのである。

なお、このような閉回路状の沸騰冷却装置では、エンジ
ン停止時には系内が必ず負圧化する。そこでこの負圧化
対策として、外部に設けた補助タンク４１の液相冷媒で
気相空間２２ａを置き換えるようにしである。

補助タンク４１には少なくとも気相空間２２ａと同程度
の容量の液相冷媒が貯留され、その内部は通気機能を有
するキャップ４１ａを介して大気圧が導入される。

この補助タンク４１は、途中に電磁弁３４を介装した補
助通路３７を介してウォータジャケット２２に連通ずる
。

エンジン停止後に電磁弁３４を開くと、ｊＡλ度低下に
伴う圧力の減少に基づいて補助タンク４１の貯留冷媒が
系内へと導入され、やがて系内の空間部分は大部分が液
相冷媒で置換されることになる。

これによシ、エンジン停止時に冷却系内に有害な空気が
侵入するのを確実に防止できる。

なお、上記状態からエンジンを始動すると、燃焼熱をう
けて沸騰気化した冷媒蒸気の圧力で系内の液相冷媒は補
助通路３７及び補助タンク４１へと押し戻される。ウォ
ータジャケット２２の冷媒液量は供給ポンプ２５の補給
作動により所定値に維持されるので、見かけ上はコンデ
ンサ２３の液量のみが減少してその液面レベルが低下し
ていく。

やがてコンデンサ２３の内部が気相になると、タンク２
４の液面レベルからこれを検知した液面センザ３９から
の信号に基づいて電磁弁３４が閉じ、以後は既述した沸
騰冷却を行う。

（発明の効果） 以上のように、本発明によれば温度目標値をエンジン発
生熱量に略反比例して連続可変設定することによシ過渡
時の冷媒液温度制御特性を改善したので、低速低負荷か
ら高速または高負荷へと運転状態が変化したときにエン
ジンが過熱して異常燃焼等の不具合を生じるという事態
を確実に防止することができる。

さらに、同様の理由から温度目標値の制御中を広く採れ
るので、広範囲な運転域につ−て適正な冷却性能が得ら
れるという効果を生じる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の概略図、第２図はその制御
回路の一例を示す回路図である。第２図■〜（２）はそ
れぞれ前記回路の各部の出力特性を示す特性線図である
。第３図はエンジン運転域と温度制御の関係を説明する
ための性能曲線図である。 ２１・・・エンジン（本体）、２２・・・ウォータジャ
ケット、２２ａ・・・気相空間、２３・・・コンデ７ｆ
、２４・・・タンク、２５・・・供給ポンプ、２６・・
・冷却ファン、２７・・・蒸気通路、２８・・・冷媒通
路、３１゜３９・・・液面センサ、３２・・・温度セン
サ、３４・・・電磁弁、４１・・・補助タンク、５ｏ・
・・制御回路、６゜・・・燃料噴射弁、６８・・・サー
ミスタ。 特許出願人　日菫目動車株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　大部分を液相冷媒で満たしたエンジンウォータジ
   ャケットと円部を気相状に保ったコンデンサとを上部の
   冷媒蒸気を流す冷媒通路と下部の液化冷媒を流す冷媒通
   路とで連通して冷媒が循環する閉回路を形成するととも
   に、液相冷媒を貯留した補助タンクを弁手段を介して前
   記閉回路に接続し、さらにコンデンサからの液化冷媒を
   ウォータジャケットに供給する供給ポンプとコンデンサ
   に強制冷却風を供給する冷却ファンとを設けた沸騰冷却
   装置において、エンジンの発生熱量並びに冷媒液温度を
   検出する手段と、この検出手段と協働して冷媒液温度が
   発生熱量に応じた目標値になるように前記冷却ファンを
   駆動する制御回路とを設けかつこの制御回路は前記温度
   目標値を発生熱量に略反比例して連続可変設定するよう
   に回路構成したことを特徴とするエンジンの沸騰冷却装
   置。 ２、制御回路は、電子制御燃料噴射装置の噴射弁駆動信
   号パルスで代表されるエンジン発生熱量に基づいて温度
   目標値を設定するように回路構成したことを特徴とする
   特許請求の範囲第１項に記載のエンジンの沸騰冷却装置
   。