JPS63259117A - 内燃機関の二系統冷却装置 - 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】 産業上の利用分野 この発明は、シリンダヘッド側冷却系とシリンダブロッ
ク側冷却系とをそれぞれ独立して備えてなる内燃機関の
二系統冷却装置に関する。

従来の技術 本出願人は、例えば内燃機関のウォータジャケットとコ
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、冷媒の沸騰により各部を冷却する
とともに、ウォータジャケッ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って、再度ウォータジャ
ケッ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６０−３６７１５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
がら熱交換効率に優れ、コンデンサを従来のラジェータ
に比較して大幅に小型化できるとともに、熱負荷の高い
部分程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。

ここで上記ウォータジャケットは、燃焼室やシリンダを
囲むようにシリンダヘッドとシリンダテロツクの両者に
亘って一体に形成されており、通常シリンダヘッド側ウ
ォータジャケッ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、かつシリ
ンダヘッド上部から冷媒蒸気を取り出す構造となってい
る。

しかし、このようにウォータジャケットがシリンダヘッ
ドとシリンダブロックの両者に亘って一体に形成された
従来の沸騰冷却装置では、シリンダヘッド側ウォータジ
ャケットの冷媒温度とシリンダブロック側ウォータジャ
ケッ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
般的にンリングヘッド側の温度は、アンチノック性の確
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、シリンダブロック側の温度は、フリクシ
ョンの低減などのために若干高く保つことか望ましいの
であるが、このように両者の温度を異ならせることは不
可能である。

また、上記の構成では、シリンダブロック側ウォータジ
ャケット内で発生した冷媒蒸気は、シリンダヘッド側ウ
ォータジャケット内を通過してコンデンザ側に排出され
ることになるので、シリンダヘッド側ウォータジャケッ
トの排気弁周辺や排気ボート下部など熱負荷の高い部位
で蒸気量が昔しく多くなり、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恐れかある。

そこで、本出願人は先に、シリンダヘッド側冷却系とシ
リンダブロック側冷却系とをそれぞれ独立して構成し、
熱負荷の高いシリンダヘッド側冷却系は、沸騰冷却方式
により冷却を行うようにするとともに、熱負荷が比較的
低く、かつウォータジャケットからの冷媒蒸気の取り出
しが比較的困難なシリンダブロック側冷却系は、流水方
式による冷却を行うようにした二系統冷却装置を提案し
ティる（特願昭６１−２８８３９０号、実願昭６１−１
６５８号等）。

すなわち、この二系統冷却装置においては、例えば第２
図に示すように、シリンダブロック側ウォータジャケッ
ト５１と、外部のラジェータ５２と、機関出力にて常時
駆動される循環ポンプ５３とを主体として閉ループ状の
シリンダブロック側冷却系が構成されている。また、こ
のシリンダブロック側冷却系から分離独立した形で、シ
リンダヘッド側ウォータジャケット５４と、外部のコン
デンサ５５と、冷媒供給手段例えば電動式冷媒供給ポン
プ５６とを主体として同様に閉ループ状をなすシリンダ
ヘッド側冷却系が構成されている。

そして、上記シリンダブロック側冷却系は、液相冷媒で
満たされた状態となっており、循環ポンプ５３の作動に
より液相冷媒が常時循環し、この液相冷媒の強制対流に
よって、相変化を伴わない形でシリンダブロック各部の
冷却が行われる。また、上記シリンダヘッド側冷却系は
、シリンダヘッド側ウォータジャケット５４の所定レベ
ルまで液相冷媒が貯留された状態となっており、液面セ
ンサ５７の検出信号に基づく冷媒供給ポンプ５６の制御
によって、系内で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のであ
る。

なお、この他流水式の冷却装置においても、シリンダヘ
ッド側冷却系とシリンダブロッ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ｔ１月）に開示されている。この
場合は、シリンダヘッド側冷却系およびシリンダブロッ
ク側冷却系の双方が流水方式で冷却されるのであり、そ
れぞれ別個のラジェータを具備することになる。

発明が解決しようとする問題点 しかしながら、上記のようにシリンダヘッド側冷却系と
シリンダブロック側冷却系とを分離独立させた二系統冷
却装置においては、外部に設けられる放熱器としてラジ
ェータ５２とコンデンサ５５、あるいは２個のラジェー
タがそれぞれ必要であり、自動車のエンジンルーム等に
おける搭載性が悪くなるとともに、外気の効率的な取り
入れが比較的困難となってしまう。

また、第２図には車室内暖房装置が記載されていないが
、上記のようにシリンダヘッド側冷却系とシリンダブロ
ック側冷却系とを独立させた場合には、暖房装置として
、シリンダブロック側ウォータジャケット５１あるいは
シリンダヘッド側ウォータジャケット５４のいずれか一
方の高温液用冷媒をヒータコアに循環させる構成となる
。

従って、いずれか一方の熱情しか車室内暖房に利用する
ことができず、暖機中等におけるヒータ性能が不十分と
なる恐れがある。

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
ブロック側冷却系の高温冷媒をシリンダヘッド側冷却系
にて冷却し、このシリンダヘッド側冷却系のみが外気と
の間で熱交換を行うようにした乙のである。すなわち、
この発明に係る内燃機関の二系統冷却装置は、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
ウオークジャケットから独立して形成されたシリンダブ
ロック側ウォータジャケットと、上記シリンダヘッド側
ウォータジャケットを出た高温冷媒と外気との間で熱交
換を行う外部放熱器と、この外部放熱器で放熱した冷媒
を上記シリンダヘッド側つＡ−タジャケットに供給する
第１冷媒循環手段と、上記シリンダヘッド側ウォータジ
ャケットと外部放熱器と第１冷媒循環手段とを主体とし
たシリンダヘッド側冷却系の系内に配設され、かつ上記
シリンダブロック側ウォータジャケットで加熱された冷
媒を冷却する熱交換器と、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熱交換器との間で循環させ
る第２冷媒循環手段とを備・えて構成されている。

作用 シリンダブロック側ウォータジャケットと熱交換器と第
２冷媒循環手段とを主体として閉ループ状に構成される
シリンダブロック側冷却系では、系内を冷媒が循環し、
この冷媒の強制対流によって冷却が行われる。ここで、
シリンダブロック側ウォータジャケットから出た高温冷
媒は、上記熱交換器を′通流する間に、シリンダへ。ラ
ド側冷却系の冷媒との間で熱交喚が行われて冷却され、
外気との直接な熱交換は行われない。

また、シリンダブロック側の熱量を受けたシリンダヘッ
ド側冷却系内の冷媒は、シリンダヘッド自体の熱量をも
受けて、外部放熱器に導かれ、ここで外気と熱交換する
。そして、この冷却された冷媒は、第１冷媒循環手段に
て適宜シリンダヘッド側ウォータジャケットに供給され
る。つまり、上記外部放熱器において、シリンダヘッド
、シリンダブロック双方の熱量が外部へ放熱されること
になる。

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る
。この実施例は、−例としてシリンダヘッド側冷却系を
冷媒の沸騰凝縮サイクルを利用した沸騰冷却方式で、シ
リンダブロック側冷却系を液相冷媒の強制対流による流
水方式で、それぞれ冷却するようにしたものであり、同
図において、１はシリンダヘッド側ウォータジャケット
２とシリンダブロック側ウォータジャケット３とが独立
して形成された内燃機関を示している。

上記シリンダブロック側ウォータジャケット３は、シリ
ンダ外周を囲むようにシリンダブロック４内部に形成さ
れたもので、各気筒に連続して形成され、かつ最上部側
面に冷媒出口５が開口している。この冷媒出口５は、熱
交換器入口通路９を介して後述する熱交換器８の入口に
連通している。

そして、上記熱交換器８の出口は、熱交換器出口通路１
０を介してシリンダブロック側ウォータジャケット３下
部の冷媒人口６に連通している。

この冷媒人口６には、第２冷媒循環手段として機関出力
によっ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７が配設されている。以上のシリンダブロック
側ウォータジャケット３と熱交換器８と循環ポンプ７と
によって、流水方式による冷却を行うシリンダブロック
側冷却系が構成されている。このシリンダブロック側冷
却系は、その内部が常に液相冷媒で満たされた状態とな
っている。なお、図示していないが、上記シリンダブロ
ック側冷却系の一部に、公知のラジェータキャップのよ
うな調圧弁を設けるようにしても良い。

一方、シリンダヘッド側ウォータジャケット２は、燃焼
室を覆うようにシリングヘッド１１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
通しているとともに、その上部の適宜な位置に蒸気出口
１２が設けられている。この蒸気出口１２は、蒸気マニ
ホルド１３及び上記通路１４を介して外部放熱器詳しく
はコンデンサ１５の上部人口に連通している。なお、上
記シリンダヘッド側ウォータジャケット２の所定レベル
には、液相冷媒の有無によってＯＮ、ＯＦ’Ｆ信号を発
する液面センサ（図示せず）が配設されており、更に、
その内部の液相冷媒温度を検出すべくサーミスタ等から
なる第１温度センサ（図示せず）が配設されている。ま
た、上記シリンダヘッド側ウォータジャケット２の側面
には、上記熱交換器８が収容される冷媒室１６が形成さ
れている。この冷媒室１６は、上記シリンダヘッド側ウ
ォータジャケット２と内部で連通し、冷媒液面が同一レ
ベルで確保されるようになっており、かつ上部空間は蒸
気出口１７を通して蒸気マニホルド１３下面に連通して
いる。

上記熱交換器８は、例えば多数積層した偏平なデユープ
などから構成され、内燃機関１長手方向に沿って細長い
形状をなし、その上端を除く略全体が冷媒室１６内の液
相冷媒中に没した状態となっている。なお、この実施例
では、機関潤滑油冷却用のオイルクーラ１８と、オート
マチックトランスミッションオイル冷却用のオイルクー
ラ１９とが上記熱交換器８に並設され、冷媒室１６内に
収容されている。

上記コンデンサ１５は、冷媒蒸気が流入するアッパタン
ク２０と、上下方向に沿った微細なチューブを主体とし
たコア部２１と、このコア部２１で凝縮された液相冷媒
を一時貯留するロアタンク２２とから構成されており、
車両前部など車両走行風を受は得る位置に配置されてい
る。そして、その前面あるいは背面には、図示せぬ強制
冷却用の電動式冷却ファンを備えている。また、上記ロ
アタンク２２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２３が配設されている
。上記ロアタンク２２は、冷媒循環通路２４を介してシ
リンダヘッド側ウォータジャケット２下部に接続されて
おり、かつ上記冷媒循環通路２４には、第１冷媒循環手
段として正逆両方向へ液相冷媒を圧送可能な電動式冷媒
供給ポンプ２５が介装されている。

以上のシリンダヘッド側ウォータジャケット２とコンデ
ンサ１５と冷媒供給ポンプ２５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ッド側冷却系が構成
されている。ここで、この実施例では、上記シリンダヘ
ッド側冷却系は、本出願人が先に提案した特願昭５９−
１４０３７８号等に示されている沸騰冷却装置と同様に
構成されており、系内冷媒沸点を可変的に制御可能な構
成となっている。すなわち、上記シリンダヘッド側冷却
系は、系外にリザーバタンク２６を備えているとともに
、このリザーバタンク２６下部に接続された第１補助冷
媒通路２９が常開型の第２電磁弁３１を介してコンデン
サ１５のロアタンク２２に接続され、かつ第２補助冷媒
通路３０の先端が三方型の第３電磁弁３２を介して冷媒
循環通路２４に接続されている。なお、２７は空気排出
通路、２８はこの空気排出通路２７に介装された常閉型
の第１電磁弁である。上記第３電磁弁３２は、図中矢印
で示すようなＡ方向とＢ方向に流路が切り換え可能とな
っており、この流路の切り換えと上記冷媒供給ポンプ２
５の正転、逆転により、コンデンサ１５の冷媒液面位置
を上下に変化させ、コンデンサ１５の放熱量を制御する
ことができる。

これにより、系内温度を運転条件等に応じた目標温度に
高精度にかつ応答性よく制御できるのである。

次に上記冷却装置に付設される車室暖房装置について説
明する。第１図において、３５は、車室３６内に設けら
れたヒータコアであり、このヒータコア３５の入口に接
続したヒータ人口通路３７の先端が、上記シリンダヘッ
ド側冷却系の冷媒室１６下面に接続されており、また１
、ヒークコア３５の出口に接続したヒータ出口通路３８
の先端が、ノリングヘッド側ウォータジャケット２の側
面詳しくは冷媒液面付近に接続されている。そして、上
記ヒータ出口通路３８には、図示せぬ空調装置のヒータ
スイッチに連動して作動するヒータ用ポンプ３つが介装
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
リンダブロック側冷却系で流水方式による冷却が、シリ
ンダヘッド側冷却系で沸騰冷却方式による冷却がそれぞ
れ行われる。

すなわち、シリンダブロッ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っており、循環ポンプ７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。このシリンダブロック側冷却系の外部への熱の放
出は、外気とは直接行われず、熱交換器８において、シ
リンダヘッド側冷却系内の液相冷媒に対し行われる。つ
まり、冷媒室１６内の液相冷媒は、シリンダブロック４
側の熱を受けて熱交換器８周辺で沸騰を生じ、この沸騰
により熱交換器８内を通流する高温液相冷媒が効果的に
冷却される。シリンダブロック４側の発熱量は、シリン
ダヘッドｌｌ側の発熱量の約１／２程度と小さく、しか
も熱交換器８においては、熱伝達性能に浸れた沸騰熱伝
達が行われるので、非常に小型の熱交換器８で以てシリ
ンダブロック側冷却系の放熱を十分に行うことが可能で
ある。なお、この実施例では、オイルクーラ１８，１９
も沸騰熱伝達により冷却されるので、高負荷時などにお
ける油温の上昇を確実に防止することができる。

一方、シリンダヘッド側冷却系では、シリンダヘッド側
つ十−タジャケット２内に液面センサの設定レベルまで
常に液相冷媒が貯留されており、その、沸騰により各部
が冷却される。発生した蒸気は、冷媒室１６でシリンダ
ブロック４側の熱により発生した冷媒蒸気とともに、コ
ンデンサ１５に導かれ、ここで凝縮してロアタンク２２
並びにリザーバタンク２６に回収される。また、沸騰に
よりシリンダヘッド側つォータンヤケット２内の冷媒液
面が低下したら、図示せぬ液面センサの検出信号に基づ
いて冷媒供給ポンプ２５が作動し、ロアタンク２２から
液相冷媒を補給する。そして、上述したようなコンデン
サ１５内冷媒液面の上下動による温度制御がなされ、系
内の冷媒沸点が常に運転条件等に応じた目標温度に制御
される。

従って、上記二系統冷却装置においては、外部との熱交
換が実質的にコンデンサ１５のみで行われろことになり
、しかもこのコンデンサ１５は、相変化を伴う熱交換効
率に優れたものとなるので、従来の一系統の沸騰冷却装
置と同様にエンジンルーム等における搭載性が向上し、
かつ外気の取り入れら容易となる。また、上記構成では
、シリンダブロック側冷却系の熱交換器８がシリンダヘ
ッド側冷却系の液相冷媒によって冷却されるので、目標
温度に制御されるシリンダヘット側冷却系の系内温度に
対し、シリンダブロック側冷却系の冷媒温度が確実に高
く確保され、二系統冷却装置が意図するところの両冷却
系の温度差を容易に得ることができる。なお、上記構成
では、機関潤滑油がシリンダヘッド側冷却系で冷却され
るので、シリンダブロック４側が高温となっても、潤滑
油の過度の上昇を抑制することができる。

また、この種の二系統冷却装置では、発熱量の差から機
関暖機時にシリンダヘッド側ウォータジャケット２内の
冷媒温度が先に上昇することが考えられるが、この場合
に上記構成によれば、上記熱交換器８を介してシリンダ
ヘッド１１側の熟が逆にシリンダブロック側冷却系に流
入することになり、二系統を完全に分離独立させた場合
に比較して、比較的均一な暖機性能が得られる。なお、
同様にオイルクーラ１８，１９を通流する潤滑油等も、
暖機時に早期に温度上昇させることができる。

また、車室暖房装置においては、ヒータコア３５にシリ
ンダヘッド側冷却系の冷媒室１６から高温液相冷媒が導
かれ、かっヒータコア３５で放熱した後、シリンダヘッ
ド側つォータンヤケット２内へ戻される。上記冷媒室Ｉ
６内の液相冷媒は、上述したように、シリンダヘッド１
１の熱を受けている他、シリンダブロック４側の熱を熱
交換器８を介して受けており、従って、ヒータコア３５
に対し、シリンダブロック４．ンリンダヘッドｌｌ双方
の熱が供給される。従って、寒冷地あるいは機関暖機中
などにおいて優れた暖房性能を確保することができる。

なお、上述した実施例ではシリンダヘッド側冷却系を、
冷媒の沸騰凝縮サイクルを利用した沸騰冷却方式で冷却
するように構成しであるが、本発明は必ずしもこれに限
られるものではなく、シリンダヘッド側冷却系とシリン
ダブロック側冷却系の双方を、液相冷媒の強制対流によ
る流水方式で冷却するように構成することも可能である
。

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
の二系統冷却装置においては、シリンダブロック側冷却
系の熱を熱交換器を介してシリンダヘッド側冷却系の冷
媒に放熱させ、最終的な外気との熱交換は、単一の外部
放熱器を介して行うように構成したので、装置全体とし
て一系統の冷却装置と同様に小型化することかでき、自
動車のエンノンルーム等への搭載性が良好な乙のとなる
。

また、シリンダブロック側冷却系の冷媒温度かシリンダ
ヘッド側冷却系に対し若干高い状態に推持され、内燃機
関の理想的な温度分布を容易に得ることができる。しか
も、自動車用機関等として液相冷媒を熱源とする暖房装
置を付設する場合に、両冷却系の熱量を有効に利用でき
、ヒータ性能の向上か実現できる、

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係る二系統冷却装置の一実施例を示
す構成説明図、第２図は先に提案した二系統冷却装置の
一構成例を示す構成説明図である。 １・・内燃機関、２・・・シリンダヘッド側ウォータジ
ャケット、３・・・シリンダブロック側ウォータジャケ
ット、７・・・循環ポンプ、８・・・熱交換器、１５・
・・コンデンサ、Ｉ６・・・冷媒室、１８．１９・・・
オイルクーラ、２５・・・冷媒供給ポンプ、３５・・・
ヒータコア、３９・・・ヒータ用ポンプ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）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
   れたシリンダブロック側ウォータジャケットと、上記シ
   リンダヘッド側ウォータジャケットを出た高温冷媒と外
   気との間で熱交換を行う外部放熱器と、この外部放熱器
   で放熱した冷媒を上記シリンダヘッド側ウォータジャケ
   ットに供給する第１冷媒循環手段と、上記シリンダヘッ
   ド側ウォータジャケットと外部放熱器と第１冷媒循環手
   段とを主体としたシリンダヘッド側冷却系の系内に配設
   され、かつ上記シリンダブロック側ウォータジャケット
   で加熱された冷媒を冷却する熱交換器と、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熱交換器と
   の間で循環させる第２冷媒循環手段とを備えてなる内燃
   機関の二系統冷却装置。