JPS6060242A - 沸騰冷却式エンジン - 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） 本発明は、冷却液の沸騰気化潜熱により冷却を行なうよ
うにした沸騰冷却式エンジン、特に、このエンジンに使
用され゛るシリンダヘッドに関する。

（従来技術） エンジンの熱効率上、燃焼室等の壁温を材料の耐久性及
び耐ノツク性等に支障を生じない範囲でできるだけ高・
くした方が好ましいことは良く知られているが、従来の
水冷式エンジンではエンジンの冷却水ジャケットとラジ
ェータとの間に冷却水を循環させ、冷却水の温度に依存
して開閉するサーモスタットによシ冷却水の循環径路を
切換えるという単純な構成を採っていたため、実質的に
はエンジンの過熱を防止する程度の効果しか期待できず
、言い換えれば運転状態に応じた最適温度制御は困難で
あった。

これは、液相循環冷却においては、放熱効率が冷却水容
量、冷却水と大気との温度差等に依存するが、温度差は
それｔよと大きくないので、放熱効率を高めようとする
と、冷却水容量を大きくしたり循環量を多くしたシせざ
るを得す、そうなると、ラジェータの大型化や冷却水ポ
ンプの大きな駆動損失を招くためで、特に運転状態が激
しく変化する自動車エンジン等に対しては応答性がさら
に要求され、温度制御の困難さ全増加させていた。

これに対して、冷却水の沸騰気化潜熱を利用することに
よシ少量の冷却水で要求放熱量を確保しうるようにした
装置として、第１図（例えば特公昭５７−５７６０８号
公報参照）に見られるような沸騰冷却装置がある。

図中、１はエンジン（本体）、２はそのウォータジャケ
ット、３はコンデンサ、４は液化冷媒のタンクでアシ、
これらにより冷却系統の主要部が構成される。

ウォータジャケット２はエンジン１のシリンダ部１ａ及
び燃焼室壁部１ｂを包囲するようにシリンダグロックｌ
ｃ及びシリンダヘッド１ｄにかけて形成され、その内部
には上方に気相を間２ａが残る程度に液相冷媒が充填さ
れる。なお、前記気相空間２ａは多気筒エンジンでは各
気筒間で相互に連通している。

ウォータジャケット２は、その気相空間２ａの上方に開
口した蒸気出口部２ｂ及び蒸気通路７を介シてコンデン
サ入口部３ａに連通ずる。

この液相冷媒は、燃焼室壁部１ｂ等からの燃焼熱を受け
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ため
燃焼室壁やシリンダ壁はほぼ均一の温度に保たれ、例え
ばエンジンの吸気ボート側と排気ボート側との間の温度
差が大幅に減少し、具体的には不ットスヂットが発生し
にくくなるため燃焼室等の温度を全体的に高めることが
可能になる。

この沸騰冷却作用の結果発生した冷媒蒸気は蒸気通路７
を介してコンデンサ３内に侵入し、外気との熱父換によ
り冷却されて液化し、逐次タンク４に貯留される。この
ときコンデンサ３の内部ハ常時を間となっているため、
高温の冷媒蒸気が直接的に外気圧相変化を伴って放熱す
ることにな夛従って液相の範囲で放熱する場合よジも大
幅に放熱効率が高められるので、コンデンサ３は従来よ
りも著しく小型のものを使用することができる。

そし”Ｃ１コンデンサ３で液化しタンク４に貯留された
冷媒は、ウォータジャケット２での液面レベルの低下に
伴い再びウォータジャケット２へと戻されるのであり、
この繰返しで沸騰冷却が続けられる。

ところで、このような沸騰冷却式エンジンには従来の水
冷エンジンがそのまま流用されていた。

第２図は水冷ディーゼルエンジンのシリンダヘッドｌｄ
の概観図、第３図、第４図はこのシリンダヘッドｌｄに
ついての吸気ボート中心断面図、燃焼室中心断面図をそ
れぞれ示す。

シリンダヘッド１ｄには上部に動弁機構２３の収納部（
２４はパルプガイド部）、吸排気ボート２１．２８が形
成されるとともに、下面はシリンダブロック上面（図示
せず）と対面して各シリンダ毎に燃焼室が形成される。

尚、２５は渦流室、２６は燃料噴射弁の取付孔、２７は
グロープラグの取付孔である。

エンジンの燃焼熱は、大部分シリンダヘッド１ｄの燃焼
室壁部１ｂから発生されるため、シリンダヘッドＩｄの
ウォータジャケット２のジャケット通路はこの燃焼熱を
光分吸収するようシリンダ回９のジャケット通路の幅よ
シも太き目に形成される。特に弁座２２が全周にわたシ
均一に冷却され弁座２２にひずみが生じないように努め
られる。

また、シリンダヘッド１ｄはエンジンの最上端に位置す
るため、特に蒸気ポケットが生じないようにジャケット
通路３０を形成する必要がある。

すなわち、冷媒がジャケット通路３ｏの各部分から冷媒
出口に向け、つねに上シ勾配に流れていくようにする必
要がある。過熱状態では通常排気弁座周囲から冷媒蒸気
が発生し易いため、この部分が最も冷却されるように冷
却水を循環し、一旦生じた蒸気に対してはジャケット２
の最上位にある天井壁３１に貯留して蒸気ポケットを生
じないよう天井壁３１はほぼ水平面状に形成され、天井
壁３１まで一杯になる冷媒の流れにより、生じた蒸気は
抑流されるようになっている。

なお、天井壁３１は通常吸排気ポー）２１．２８の土壁
を兼ねている。

ところで多気筒エンジンでは、各気筒を均一に冷却する
ことが肝要であり、そのためには各気筒間を連通ずるジ
ャケット通路３０をストレートにして均一流れにすると
よい。ところが、このような頭上弁式ではシリンダヘッ
ド１ｄに動弁機構２３゜吸排気ボー）２１．２８等が同
時に設けられるため構造が複雑になっておυ、ジャケッ
ト通路３０の下端部はストレートに連通しているが、上
端部については、前述の理由からストレートに連通でき
ず、特に天井壁３１を気筒間を通して水平面状に形成す
ることは困難で、各気筒間に突出する仕切υとなる部分
が生じている。

したがって冷媒蒸気が発生すると、この仕切υによシ流
動が阻止されて貯留するのであるが、前述のように液相
の冷媒流れによシ抑流されてしまうため、実用上は差支
えない。

ところが、このようなシリンダヘッド１ｄ−ｉ前述の沸
騰冷却式エンジンに適用することになると、ジャケット
通路３０の上端部には気相空間２ａが形成されるため、
生じた冷媒蒸気を強制的に流動させることが液相冷媒と
異なり困難で、冷媒蒸気の流動は気相空間２ａの形状、
特に天井壁形状によって決まってしまう。

このため、天井壁３１に仕切りがあると冷媒蒸気が貯留
して流動せず、この部分に局部的な過熱を生じ、熱伝導
によシ可動部分に焼付が発生したシ、シかも冷媒蒸気が
蓄積されると、この部分の圧力上昇により沸点を上昇さ
せるため、液相冷媒が蒸発しづらく放熱特性を悪化させ
、あるいは、温度制御の精度を落してしまうという問題
があった。

また、各気筒の冷媒蒸気が集合する蒸気取出口は全気筒
に対し１箇所しか設けられないため、気筒間で通気抵抗
が異なり、蒸気の取出が各気筒均−にかつスムーズに行
なわれず、局部的な過熱を生じ、前述と同じ問題を生じ
ていた。

（発明の目的） そこで本発明はウォータジャケットの天井壁に冷媒蒸気
が貯留しないようにすることにより、あるいは冷媒蒸気
を各気筒毎に独立して取出すことによυ、熱負荷の局部
的増大を回避する佛履冷却式エンソンを提供することを
目的とする。

（発明の構成及び作用） 本発明は各シリンダ及び燃焼室壁部を包囲するとともに
各気筒間を連通してシリンダヘッド及びシリンダブロッ
クに形成されるウォータジャケットに、上方に気相空間
が残る程度に液相冷媒を充填し、この液相冷媒が燃焼室
壁部等からの燃焼熱を受けて蒸発するときの気化潜熱を
利用して冷却を行なう沸騰冷却式エンジンを前提とする
。

そして、シリンダヘッドのウォータジャケットを吸気ポ
ート及び排気ポートの上部空間と連通して形成し、かつ
その天井壁を水平に連続的に形成し、かつその天井壁を
各気筒間で略水平面状に連絡して形成する。

このため、立上る冷媒蒸気は吸排気ポートの上部空間の
水平な天井壁から、各気筒間を連絡する同じく略水平面
状の天井壁を伝って蒸気出口部に向けてスムースに流動
することになる。

一方、第２の発明は、シリンダヘッドのウォータジャケ
ットを吸気ポート及び排気ポートの上部空間と連通して
形成し、かつその天井壁を水平に連続的に形成し、かつ
その天井壁に開口しその天井壁よりもさらに上部でかつ
前記吸気ポートと排気ポートの略中夫に位置する蒸気ポ
ートを各気筒毎に形成する。

このため、冷媒蒸気は吸排気ポートの上部空間の水平な
天井壁から、この天井壁のさらに上部に位置する蒸気ポ
ートを伝って各気筒毎に独立して取出されることになる
。

（実施例） 以下図示実施例に基いて説明する。

第５図〜第８図はディーゼルエンジンに適用した本発明
の一実施例で、第５図はシリンダヘッド１ｄの蒸気ポー
ト中心断面図（燃焼室中心断面図をそれぞれ示す。

吸気ポート及び排気、ポートよシ上部の部分は構造上気
筒間をストレートに連通ずるジャケット通路が得易いた
め、従来のウォータジャケラトラこの部分にまで拡大し
て連通形成し、かつジャケット最上位にある天井壁を水
平に連続的に形成する。

さらに、各気筒間で、この天井壁を略水平面状に連絡し
て形成する。

すなわち、第５図のようにシリンダヘッド１ｄに天井壁
３３の高い中央空間３２を形成する。この空間３２は第
７図の排気ポート２８の上部の空間３４及び第８図の吸
気ポート２１の上部の空間３６とも連通し、これらによ
シ気相空間２ａが形成される。

空間３４と３６の天井壁３５．３７は中央空間３２の天
井壁３３と同一の高さで、かつ連続して水平に形成され
る。

そして、第６図のように隣シ合う気筒の境界において、
俗気筒の空間を連絡する空間３８が形成され、この空間
３８の天井壁３９は上記天井壁３３゜３５．３７と同一
の高さで、かつ連続して水平に接続される。

このため、液相冷媒の上に設けられる気相空間２ａが拡
大され、元号な容量を有することになる。

所定気筒の中央空間３２の天井壁３３にはこの天井壁よ
りも上部に位置する蒸気ポー）４０が開口し、この蒸気
ポート４０は蒸気出口部２ｂ及び蒸気通路７を介してコ
ンデンサ入口部３ａに連通する（第１図参照）。

なお、第５図にはシリンダヘッド１ｄの上部に動弁機構
２３が、下面にはシリンダブロック１ｃが示されている
。

その他の構成要素は第２図、第３図、第４図と同一なの
で、同−構成要素には同一符号を付してその説明は省略
する。

以上のように構成されると、燃焼熱によシ蒸発した冷媒
蒸気は、中央空間３２及び吸排気ポートの上部空間３４
．３６の天井壁３３　、３５　、３７よシ各気筒間を連
絡する空間３８の天井壁３９を伝って所定気筒の蒸気ポ
ート４０へ流動し、ある−　いは中央空間３２及び空間
３４．３６で形成される気相空間及び連絡空間３８の気
相空間を拡散して同じく蒸気ポート４０に達し、これら
の冷媒蒸気は蒸気取出口２ｂよυ蒸気通路７を経てコン
デンサ３（第１図参照）に侵入することになる。

これは、気相空間の最上位にある天井壁３３゜３５．３
７．３９が同一の高さでかつ水平面状に形成されている
ためで、冷媒蒸気がこの天井壁３３〜３９の一部に貯留
することはない。

また、一部の気筒の熱負荷が大きくなり、これに応じて
多量に冷媒蒸気が発生しても、この蒸気は水平面状の天
井壁３３〜３９を伝って分散され、あるいは大容量の気
相空間によシ拡散されるため、局部的な加熱は回避され
る。

第９図は第２発明の一実施例で、シリンダヘッドの側面
図、第１０図、第１１図は第９図のＡ−入断面図、Ｂ−
Ｂ断面図、第１２図は第１０図のＣ−Ｃ断面図をそれぞ
れ示す。

第１０図は第７図に、第１１図は第８図に対応し、同一
部分には同一符号を付している。

すなわち、吸気ポート２１及び排気ポート２８よシ上部
には天井壁３５．３７の高い空間３４゜３６が形成され
、これらの天井壁３５．３７は同一の高さでかつ、連続
して水平に形成される。

一方、天井壁３５に開口し、天井壁３５よシもさらに上
部でかつ吸気ポート２１と排気ポート２８の略中夫に位
置する蒸気ポート４１が各気筒毎に独立して形成される
。

そして、このポート出口に設けられる７ランノ面４２（
蒸気マニホールドとの取付座面）は吸排気マニホールド
（図示せず）との取付座面４３と共加工される（第９図
参照）。なお、蒸気マニホールドはコンデンサ３に接続
される。

さらに、この例では各気筒に形成される上部空間３４．
３６は第６図のように９間３Ｂで連絡され、この連絡空
間３８の天井壁３９は天井壁３５゜３７と同一の高さで
、かつ連続して水平に接続される。

このように構成されると、燃焼熱にょシ蒸発した冷媒蒸
気は、吸排気ポー）２１．２８の上部空間３４　、’　
３６の天井壁３５．３７より天井壁３５゜３７のさらに
上部に位置する蒸気ポート４１を伝って蒸気コレクタに
流動するため、蒸気の淀みは生じず局部的な加熱は回避
される。

また、これらの蒸気取出は各気筒毎に独立して設けられ
た蒸気ポート４１によυ分担されるので蒸気ポート４１
が全気筒に対し１箇所のみ設けられる場合のように通気
抵抗が各気筒でアンバランスとなるととがなく、冷媒蒸
気は通気抵抗の小さい方へと流動し、各気筒間で均一な
冷却が行なわれる。

また、隣接気筒間も連絡空間３８により連通されている
ため、一部の気筒の熱負荷が大きくなっても、この連絡
空間３８を通して冷媒蒸気が分散されるため、局部的な
加熱の防止に助成する。

さらに、蒸気ポート４１のフランジ面４２は吸排気マニ
ホールドの取付座面４３と共加工されるので、蒸気ポー
ト４１を各気筒毎に形成したからといって加工工数を増
加することはない。

なお、第１発明、第２発明によるウォータジャケットと
組合される冷却系統は第１図に限られるものではない。

（発明の効果） 以上のように本発明によれば、沸騰冷却式エンジンにお
いて、シリンダヘッドのウォータジャケットを吸排気ポ
ートの上部空間と連通して形成し、かつその天井壁を水
平に連続的に形成し、かつその天井壁をも気筒間で略水
平面状に連絡して形成したので、天井壁に立上る冷媒蒸
気は同一水平面状の天井壁に沿って流動し、また大容量
の気相空間を拡散するため冷媒蒸気が淀むことがなく流
動し、これによシ熱負荷の局部的々増大を回避できると
いう効果が得られる。

第２発明では沸騰冷却式エンジンにおいて、シリンダヘ
ッドのウォータジャケットを吸排気ポートの上部を間と
連通して形成し、かつその天井壁を水平に連続的に形成
し、かつその天井壁に開口しその天井壁よシもさらに上
部でかつ吸排気ポートの略中夫に位置する蒸気ポートを
各気筒毎に形成したので、天井壁に立上る冷媒蒸気は各
気筒毎に独立した蒸気ポートを伝って流動するため、熱
負荷の局部的な増大を回避できることはもちろん、各気
筒の通気抵抗が同等となることによシ各気筒の熱伝達特
性を均一化でき、バランスのとれた冷却が実現できると
いう効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は沸騰冷却式エンジンの一例の概略構成図である
。 第２図は従来のシリンダヘッドの概観図で、第３図、第
４図はそれぞれこのシリンダヘッドの吸気ポート中心断
面図、燃焼室中心断面図である。 第５図〜第８図は本発明の一実施例のシリンダヘッドの
縦断面図で、第５図は蒸気ポート中心断面図、第６図は
気筒間断面図、第７図は排気ポート中心断面図、第８図
は吸気ポート中心断面図をそれぞれ示す。 第９図は第２発明の一実施例でシリンダヘッドの側面図
、第１０図、第１１図はそれぞれ第９図のＡ−入゛断面
図、Ｂ−Ｂ断面図、第１２図は第１θ図のＣ−Ｃ断面図
である。 １・・・エンジン（本体）、１ａ・・・シリンダ部、ｌ
ｂ・・・燃焼室壁部、ｌｃ・・・シリンダブロック、ｌ
ｄ・・・シリンダヘッド、２・・・ウォータジャケット
、２ａ・・・気相空間、２１・・・吸気ポート、２８・
・・排気ポート、３０・・・ジャケット通路、３２，３
４．３６・・・空間、３３．３５．３７．３９・・・天
井壁、３８・・・連絡空間、４０．４１・・・蒸気ポー
ト。 第１図 第２図 ３ 第ろ図 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　各シリンダ及び燃焼室壁部を包囲するとともにも
   気筒間を連通してシリンダヘッド及びシリンダブロック
   に形成されるウォータジャケットに、上方に気相空間が
   残る程度に液相冷媒を充填し、との液相冷媒が燃焼室壁
   部等からの燃焼熱を受けて蒸発するときの気化潜熱を利
   用して冷却を行なう沸騰冷却式エンジンにおいて、シリ
   ンダヘッドのウォータジャケットを吸気ポート及び排気
   ポートの上部空間と連通して形成し、かつその天井壁を
   水平に連続的に形成し、かつその天井壁をも気筒間で略
   水平面状に連絡して形成したことを特徴とする沸騰冷却
   式エンジン。 ２　各シリンダ及び燃焼室壁部を包囲するとともに各気
   筒間を連通してシリンダヘッド及びシリンダブロックに
   形成されるウォータジャケットに、上方に気相を間が残
   る程度に液相冷媒を充填し、この液相冷媒が燃焼室壁部
   等からの燃焼熱を受けて蒸発するときの気化潜熱を利用
   して冷却を行なう沸騰冷却式エンジンにおいて、シリン
   ダヘッドのウォータジャケットを吸気ポート及び排気ポ
   ートの上部空間と連通して形成し、かつその天井壁を水
   平に連続的に形成し、かつその天井壁に開口しその天井
   壁よりもさらに上部でかつ前記吸気ポートと排気ポート
   の略中夫に位置する蒸気ポートを谷気筒毎に形成したこ
   とを特徴とする沸騰冷却式１／ジン。