JPS60132009A - 内燃機関の排気弁温度制御方法 - 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】 ［発明の技術分野］ この発明は内燃機関の排気弁装置に係り、特に熱負荷の
変動に関わらず高温に晒される弁傘部を冷却しその湿度
を最適に制御し得るようにしたものに関する。

［発明の技術的背景及びその問題点］ 内燃機関用排気弁の冷却方式どしては、密閉形の熱サイ
ホンの原理を応用したものと、排気弁を水で強制冷却す
るものとがある。

前者の場合、問題はいかにして蒸気の熱を外部に取り出
すかであった。従来は弁軸部室内筒壁と弁軸部との間欠
的な接触運動により放熱していたが、熱負荷の上昇に放
熱が追従できずスティックを起すため実用化することが
できなかった。

後者にあっては、所望の高温で維持することができず常
に過冷却となり、このため低温腐食を起したり、局部的
な熱応力の増大による破損を生じたりしてその信頼性と
寿命とが低かった。

ところで、排気弁の損傷は、単に＾熱化の度合が強いと
いうだけでなく弁座面に異物などが付着する、所謂噛み
込み現象などによって惹起される場合も比較的多い。こ
の異物の付着はある温度以上では特に著しいことがわか
っている。よって、この温度以下で維持することが重要
であり、そのためには冷却（ることと温度を監視するこ
ととの２つの要件を満たさなければならない。ところが
上記いずれの方式もこの２つの要件を満すことができな
かったので問題であった。

［発明の目的］ この発明は上記問題点に鑑みてなされたちのぐ、その目
的はヒートサイホンの原理を応用しながら排気弁の冷却
とその温度監視とを行なうことによって内燃機関の熱負
荷変動にかかわらず、排気弁を最適温度に制御して内燃
機関を安全に運転することができる内燃機関の排気弁調
度制御方法を得ることである。

［発明の概要］ 上記目的を達成すべくこの発明は、密閉形熱リイホンパ
イプを有する内燃機関の排気弁において、排気弁内部に
一次冷却材を溜めて、その内部より導出した気化−次冷
却材を二次冷却材と間接熱交換させて凝縮し、この凝縮
−次冷却材を再び上記排気弁に戻すに際し、内燃機関の
熱負荷変動を検出し、該検出値に応じて二次冷却材の気
化−次冷ＮＩ材に対する熱交換面積を増減させて排気弁
の温度を制御するようにしたことを特徴とＪる。これに
より温度を監視しつつ排気弁を冷却できるにうにし過冷
却や冷却不足が生じないようにしたものである。

［発明の実施例］ 以下、この発明に係る内燃機関の排気弁温度制御方法の
好適一実施例を添付図面に従って説明する。

第１図は本発明方法を説明Ｊ′る１ｃめの内燃機関の排
気弁装置の一例を示す概略縦断面図である。

冷却方式としては予め弁傘部１内に一次冷却材Ｐを封入
しておき、この気化−次冷却材ＰＧを排気弁本体２から
導出して外部で二次冷却ＵＳど熱交換させて放熱・凝縮
さゼ、その凝縮二次冷却材Ｐ１を再び弁傘部１内に戻し
て弁傘部１を間接冷却するヒートサイホンの原理を応用
している。一方、熱交換器３の構造を簡略化するととも
に、エンジンの熱負荷の変化に応じて弁傘部１の調度を
最適状態に維持ずべく熱交換器３の熱交換面積を迅速に
制御できる機構としである。

同図に示す如く、２はエンジンのシリンダヘッドにその
Ｊノと気［１をＦＪｉｌ閉すべく設けられた排気弁本体
であり、この排気弁本体２は弁軸部４と、その一端に一
体形成された弁傘部１とからなっている。

排気弁本体２の内部は外形に沿って中空に形成され、弁
傘部１内には一次冷却材たる冷却水Ｐを充填するための
冷却材室５が形成されている。また、弁軸部４内には上
端が外部に開放され且つ下端が上記冷却材室５に連通さ
れた冷却材気化室６が形成され、加熱された冷却材室５
から上昇した気化冷却材（蒸気）ＰＧを収容づるように
なっている。高湿雰囲気に晒された弁傘部１は、冷却材
室５内の冷却水が気化するときに奪う気化熱によって冷
却されるのであり、この気化冷却材たる蒸気は後述する
如く排気弁本体２外へ導出されて二次冷却材Ｓとの熱交
換により凝縮液化され、再び冷却材室５に戻り流れるよ
うになっている。

弁軸部４には、図示していないが、排気弁本体２を上方
へ付勢するための空気バネと、これの付勢力に抗して押
し下げる油圧タペットが設（プられ、これらの連動によ
って排気弁本体２は排気口を開５− 閉すべく昇降駆動されるようになっている。

そして、冷却材気化室６内の蒸気を外部へ導出して凝縮
する手段として、冷却材気化室６内にはその上端開放ロ
アを閉塞しつつ固定側より気化冷却材案内管８が挿入さ
れている。この案内管８はその一端が開放され＠端がこ
れより直角に延びる連結管９に連通接続されており、そ
の開放端１０が冷却材気化室６内に挿入されている。排
気弁本体２の昇降動と、着座時の密着性向上をはかるた
めの回転とを許容しつつ冷却材気化室６の開放ロアと案
内管８との間をシールするために、開放ロアの内壁に多
硬質ゴム製のシールリング１１が設けられている。

上記連結管９は図示しないシリンダヘッドに固定され、
直角に延びたその端部には蒸気を二次冷却材たる冷却水
Ｓと間接熱交換させて凝縮させる熱交換器３がエンジン
振動を吸収するためのベローズ継手１２を介して連結さ
れている。この熱交換器３は、上端が上部へラダ１３に
開放され下端が連結管に通じる下部へラダ１４に開放さ
れて起６一 立した枚数の被凝縮管１５と、これら被凝縮管１５を被
って被凝縮管１５外周に二次冷却材の水冷層１６とその
高さ調節を行なう加圧空気層１７とを形成する調圧室１
８とから成る。水冷層１６側となる調圧室１８の下部に
は冷却水Ｓを給排水するための給水管１９と排出管２０
とが接続されている。給水管１９には回転数一定、吐出
量一定の冷却水ポンプ２１とこのポンプ２１の入出力口
に接続されたバイパス管２２とが連結され、このバイパ
ス管２２にはこれを流れる循環量を制御して冷却水供給
量を制御する流量制御弁２３が設（プられている。また
排水管２０には冷却水排水量を一制御する絞り弁２４が
設けられ、この絞り弁２４と上記流量制御弁２３との制
御によって調圧室１８の下部に所定量の冷却水を供給す
るようになっている。一方、加圧空気層１７側となる調
圧室１８の上部には加圧空気Ａを供給する圧搾空気供給
管２５が接続され、この供給管２５には加圧空気層１７
の圧力を調節する圧力調整弁２６が設けられ、この圧力
調整弁２６を制御することにより加圧空気層１７内を減
圧して水冷層１６の高さを上げたり、逆に増圧して水冷
層１６の高さを下げたりすることができるようになって
いる。この場合、冷却水ポンプ２１の回転数は一定であ
り、吐出量も一定であるから、圧力調整弁２６のみの制
御ではなくこれと一緒に絞り弁２４と流量ＩＪ　Ｉｌｌ
弁２３とを連動して制御するようにすれば無理なく安定
した水冷層１６の高さ調節を行なうこが可能となる。

このように水冷層１６の高さ調節を行なうことによって
、−次冷却材側の上記ＰＧと二次冷却材たる冷却水Ｓと
の間の接触面積（熱交換面積）を増減させることができ
るようになっている。−上記圧力調整弁２６、絞り弁２
４、流量制御弁２３は二次冷却材圧と加圧気体圧との圧
力バランスを調節して二次冷却材の気化冷却材に対する
熱交換面積を増減させる圧力調節手段を構成している。

なお、冷却水ポンプ２１の回転数を変えて冷却水量を調
整することもできるが、この場合モータ側の制御が大樹
りなものとなり、且つ水の流れが不安定となる。しかも
、被凝縮管１５内の蒸気ＰＧは１００℃以上で且つ圧力
は大気圧以上となるので、水圧変化を生じる水量制御で
は冷却水Ｓが沸ｌ１Ｉｌするおそれがある。

よって、圧力が加わったまま冷水槽１６の高さを調節し
た方が好ましい。

また、２７は熱交換器３の上部ヘッダ１３に設けた空気
抜き弁である。

ところで、排気弁本体２等の内燃機関の構成要素に熱負
荷を検出するための各種センサが設けである。排気弁本
体２にはその弁軸部４から弁傘部１の表面に沿って排気
弁温度Ｔｌ１１を検出するための弁温度センサ３０、例
えば熱雷対が設けられている。気化冷却材案内管８には
冷却材気化室６の蒸気温度Ｔｖを検出するための蒸気温
度センサ３１、例えば熱雷対と、同室６の蒸気圧力Ｐを
検出するための圧力センサ３２とが設けられている。

また熱交換器３には冷水槽水位Ｈを検出すめための水位
センサ３３が設けられている。この水位センサ３３は、
調圧室１８の外にこれの上部と下部とで連通して調圧室
１８と同じく加圧空気層１７９− と水冷層１６との二重層が内部に形成される起立した水
位管３４と、この水位管３４にシールリング３５を介し
て上部から差し込まれ下端に設（）たフロート３６によ
り水冷層１６の水位に応じて昇降移動するスケール３７
と、このスケール３７の目盛を読み取る光電ランプ３８
とから成り、水冷層１６の高さを常時検出できるように
なっている。

そして第２図に示す如くクランク軸のギヤ３９の回転か
らエンジンの回転数Ｎを検出する回転センサ４０と、燃
料ラック４１の位置を検出するラック位置センサ４２と
が設けられ、これらはいずれも光電ランプ等から構成さ
れている。

これら弁温度センサ３Ｏ１上記温度センサ３１、圧力セ
ンサ３２、水位センサ３３、回転センサ４Ｏ及びラック
位置［ンサ４２は第３図に示す如く制御部４３に電気的
に接続され、排気弁温度信号、蒸気温度信号、蒸気圧力
信号、水冷層水位信号、エンジン回転数信号及びラック
位置信号を制御部４３に入力する。制御部４３にはデー
タ設定器４４が接続され、制御部４３に所定の排気弁温
度値１０− や最適な排気弁温度を得るために必要なデータ値を予め
入力する。制御部４３の出力側は圧力調整弁２６、絞り
弁２４、流量制御弁２３及び空気抜き弁２７に接続され
、作動指令信号を出すことでこれらの弁の動作を制御す
るようになっている。

ここで制御部４３の機能について説明Ｊ−る。制御部４
３によって熱交換器３の加圧空気圧を変え熱交換面積を
増減すると、ずなわら水冷層１６の高さを調節すると、
イれに対応して排気弁温度が制御されるのであるが、こ
の排気弁温度と加圧空気圧との関係、換言すれば水冷層
１６の高さと加圧空気圧とは排気弁温度、或いは蒸気温
度、蒸気圧力、シリンダー内ガス温度、排気ガス渇麿、
エンジンの回転数、燃料ラックの位置などに関係する。

そして、排気弁温度をのぞいたすべての値は単独で或い
は組み合せによって排気弁温度と対応するのである。し
たがって、上述した各種センサにより排気弁温度を直接
又は間接的に検出して、この検出値に基づいて圧力調節
手段を制御することによって排気弁本体２の温度制御が
可能となる。

各種センサにより検出されるこれらの値の変動が、本発
明の内燃機関の熱負荷変動を意味する。具体的に制御部
４３の機能を説明Ｊるど、固定値制御機能と任意制御機
能の２つがあり、これらは選択可能である。

まず、固定制御機能は、検出値を予め設定した所望の一
定値にすべく圧力調整弁２６等を制御するものである。

排気弁温度Ｔｍを例にとると、データ設定器４４を介し
て制御部４３に予め所望の排気弁温度Ｔｌｌｌ０を入力
し、これを記憶させておく。

そして、弁温度センサ３０から検出される排気弁温度信
号を温度に換痒し、この換算した排気弁部ｉＴｉ＋と所
望の排気弁温度１ｍｏとを比較させる。

Ｔｍ＜Ｔｍ０なら冷却のしすぎであるから圧力調整弁２
６を開く一方、流量制御弁２３及び絞り弁２４を共に閉
じる方向に作動すべく、これら圧力調整弁２６、流量制
御弁２３及び絞り弁２４に作動指令信号を出す。逆にＴ
ｌｌ１＞ＴＩ！１０なら冷却不足であるから圧力調整弁
２６にこれを閉じ、流量制御弁２３及び絞り弁２４にこ
れらを開く作動指令信号を出す。また下１じＴｌｌｌ０
のときはその時点で合弁の作動を停止させる。

なお、蒸気圧力１〕、冷水層水位Ｈの場合も上述の場合
と全く同じである。このうち冷水層水位信号はフィード
バック信号としての機能をもっているのでこれを利用し
、制御部４３の制御対象である合弁を作動させても冷水
層１６の高さに変化がない場合は警告を発するようにす
ることもできる。

次に、任意制御機能は、エンジン負荷に対応して排気弁
温度Ｔｌ１１も変えるように圧力調節手段を制御するも
のである。すなわら、エンジン負荷が変動すると熱の発
生量が変わるので排気弁本体２内の温度差が大きく変化
する。したがって熱応力も大きく変わる。このため排気
弁本体２を保護するためには排気弁本体２の温度レベル
をある範囲内に制御することと、熱応力の発生を最小に
するような温度レベルに制御することが必要となる。

よって、予め実験等に基づいてエンジン出力と排気弁温
度測定値とから計粋により両者の関係式を作成し、エン
ジン出力に対する最適な排気弁湿度１３− データとしてこれを設定器４４を介して制御部４３に記
憶させる。エンジン出力、すなわち負荷はエンジンの回
転数Ｎと燃料ラック位置りとでほぼ決まるので、回転セ
ンサＮ及びラック位置センサＬから検出されるこれらの
信号をそれぞれの物理単位に換算し、この換算した測定
値Ｎ、Ｌを先ず記憶させた所望の値Ｎｏ　、　Ｌｏ　と
照合し、一致するまで繰り返し照合さぼる。一致すると
予めめて記憶させておいたそのときの最適排気弁濃度Ｔ
ｍｏ（又は上記温度Ｔｖｏ、水冷層水冷１」。）を発生
させる。そしてこの最適排気弁温度Ｔｌｌｌ０と弁温度
センサ３０より得られ１＝実際の排気弁温度Ｔｍとを比
較し、後は固定値制御機能と同様に排気弁温度Ｔ１１が
最適排気弁温度となるように圧力調整弁２６、流量制御
弁２３及び絞り弁２４を制御する。

特に、直接熱応力を受番プる弁温度ヒンサ３０、蒸気温
度センサ３１、圧力センサ３２などと異り、水位センサ
３３は熱の影響を受けないので破損することが少ない。

したがって弁温度センサ３０等が破損しても、水位セン
サ３３による水冷層水位１４− 信号と回転セン＋＋−４０及びラック位置センサ４２に
よるエンジン負荷信号とからでも、予めエンジン出力に
対する最適な水冷層１６の高さをデータとして記憶させ
ておくことにより同様な圧）］調調節膜の制御が可能で
ある。

なお、制御部４３における上述した演篩処理に基づく圧
力調節を円滑にするために、必要に応じて制御部４３が
ら空気抜き弁２７に作動指令信号を出し、熱交換器３内
の空気量を調節するようになっている。

以上の構成よりなるこの実施例の作用について述べる。

排気弁本体２が回転しつつ昇降動じている弁動作状態に
おいて、弁傘部１が排気ガスにより加熱されると、冷却
材室５内の冷却水Ｐが昇温し、その気化時に周囲から熱
を奪って弁傘部１を冷却する。そして、この気化した蒸
気ＰＧは冷却材気化室６内を上昇して案内管８、連結管
９を経て熱交換器３の被凝縮管１５内に至り、ここで調
圧室１８内の冷却水Ｓと間接熱交換されて凝縮液化する
。

液化した冷却水ＰＬは連結管９、案内管８を流下して冷
却材室５内に戻流され、再び気化するというサイクルを
繰り返すことになる。このサイクルにおいて、エンジン
負荷が変動する場合には、弁温度センサ３０、蒸気温度
レンジ３１、圧力センサ３２、水位センサ３３、回転レ
ンジ−４０及びラック位置センサ４２からの各種信号よ
りこれらの物理単位を制御部４３で換算すると共に、こ
れら換算値と、これらに対応して予め入力しておいた値
とを比較する。この比較は、制御ｌＩす度や要求規格か
らすべての熱負荷要素について行なっても、或いは１つ
のみに限定例えば排気弁温度Ｔｍのみに限定して行なっ
てもよい。そして比較結果に基づいて制御部４３は排気
弁温度Ｔｍが所望の一定値或いは最適な排気弁温度とな
るように圧力調整弁２６、流量制御弁２３及び絞り弁２
４に開方向又は閉方向の作動指令信号が出力する。今、
排気弁温度Ｔｌｌ＋を例にとると、冷え過ぎである７ｍ
＜Ｔｍｏであれば、制御部４３は圧力調整弁２６を開く
方向に作動し、流量制御弁２３及び絞りべ２４を閉じる
方向に作動する。これらの作動により調圧室１８内りお
ける加圧空気量が増大して加圧空気圧が増え、二次冷却
材たる冷却水圧に打ち克ってこれの調圧室１８内への流
入を抑制し、水冷層１６の高さを低下させる。したがっ
て二次冷却材Ｓに対する気化冷却材ＰＧの接触面積が減
少して熱交換器３における熱交換率が低下し、気化冷却
材ＰＧの凝縮液化量が減少する。その結果、冷却材室５
内に冷却のために戻流さ゛れる液化−次冷却材ＰＬが減
り、排気弁本体２の冷却が抑制されてこれの温度を上昇
させ、もって排気弁温度Ｔｌ１１を所望の値に制御する
ことができる。逆にＴｍ＞Ｔｍ０であれば今度は冷却不
足であるから、制御部４３は冷却水Ｓの蒸気ＰＧに対す
る熱交換面積を増大させるべく圧力調節手段を制御する
。その結果凝縮液化量が増大し排気弁本体２を更に冷却
して温度を下降させ、もって排気弁温度ＴＩを所望の値
に制御することができる。

このように上記実施例によればエンジンの排気弁温度を
熱負荷（排気弁温度、蒸気温間、エンジ−１フー ン回転数及びラック位置等）の変化に応じて一定温度又
は最適温度となるようにしたので、熱負荷の変動にかか
わらず排気弁を所望の温度に制御することができる。こ
の結果、低負荷における硫酸腐食、高負荷におけるバナ
ジウム腐食などを有効に回避でき、寿命を飛躍的に向上
させることができる。また熱負荷の変化に対しても排気
弁を所望の温度に制御できるので、弁傘部１の温度変化
を小さくすることができる。その結果、弁傘部１に加わ
る熱応力変化小さくなり高温疲労に充分耐えることがで
き、寿命及び信頼性が格段と向上する。

更に高熱負荷雰囲気内でも排気弁温度は充分適温になっ
ているので、材料の高温強度が充分高い。

よって排気弁に高価な材料、例えばＮ　１Ｉｌｌｏｎｉ
ｃ８０Ａなどを使う必要はな〈従来使用されている耐熱
合金で充分である。

一方、燃焼によって生じる異物が高温度レベルにおいて
特に著しく弁座面に付着し弁座面を創傷する。これは高
温強度の高い高価な材料にあっても弁座面が高温になる
ことにはかわりがないので１８− 事情は同じである。ところが、この実施例によれば異物
が付着する温度以下に排気弁温度を制御できるので、こ
のような創傷を避けることができ、この点からも排気弁
の寿命を向上させることができる。

また、エンジンの熱負荷と排気弁温度との関係（温度レ
ベル及び熱応力レベル）は予め計算によって推定するこ
とができ、この計算値と実働中の排気弁温度又は蒸気温
度もしくは蒸気圧力等を制御部４３で比較することがで
きるので、冷却の温度制御が的確かつ容易である。

加つるに熱交換器３の冷却水出口温度が１００℃以上と
なるので排熱利用に供することができる。

尚、第１図のものは熱交換器３内に入る気化二次冷却材
ＰＧと熱交換機３から出る凝縮二次冷却ＵＰＬとが同一
の通路を通るようになっているが、これらを分離して通
ずようにしてもよい。

即ち、第４図の熱交換器３は、連通管９から上昇する蒸
気ＰＧを収容して凝縮液化する凝縮室７０と、この凝縮
室７０内に水平かつ多段に配設された凝縮管７１と、該
凝縮管７１を接続すべく凝縮室７０の前後（紙面の表裏
方向）に設けられた図示しない調圧室からなる。この調
圧室内には二次冷却材Ｓの水冷層とこれを加圧する加圧
空気層とが形成され、上記水冷層には一定圧の冷却水が
給水管６３と排水管６４により給排され、加圧空気層に
は圧搾空気供給管６５を通して加圧空気が供給されてい
る。そして、冷却水と加圧空気との圧力バランスを調節
することにより冷却水が満だされる凝縮管７１の本数が
増減し、その結果第１図のものと同様に一次冷ｗ月と二
次冷却材との接触面積を変えられるようになっている。

このような外凝縮形の熱交換器３において、蒸気ＰＧと
凝縮液ＰＬとが混流しないように凝縮室７０内に設けた
凝縮管７１を蒸気ＰＧの流れに沿ってテーパ状とすると
ともに、下流側を下げて全体を傾斜させである。そして
熱交換器３に接続される連結管９及び気化冷却材案内管
８も蒸気ＰＧ　。

と凝縮液ＰＬとが混流しないように分離しである。

連結管９の分離手段は仕切板７２で連結管９を上下に区
画形成することによって行ない、上方を蒸気、下方を凝
縮液の通路としている。また、案内管８の分離手段は二
重管構造とし、内管７３を蒸気ＰＧの通路、外管７４を
凝縮液ＰＬの通路とすることによって行なっている。外
管７４の下端には蒸気ＰＧが入りにくく、逆に凝縮液Ｐ
Ｌが出やすくなるように、焼結合金とかスチールウール
などの多孔質を形成する物質７５が充填されている。

また、内管７３はこれを上昇する蒸気ＰＧが凝縮液によ
って冷却されないように自体で二重管構造としである。

従って、蒸気と凝縮液とは完全に分離されることになる
から熱交換器３の凝縮能力を格段と向上させることがで
きる。また案内管８は凝縮液ＰＬに接触することになる
ので、蒸気ＰＧの濡ｍよりは低くなることが期待でき、
その低くなる分だ【プ案内管８に接触するシールリング
１１（第１図参照）も高温にならずに済みシールリング
１１の寿命が向上するという利点がある。

［発明の効果］ 以上要するにこの発明によれば次のような優れ２１− た効果を発揮する。

（１）　内燃機関の熱負荷変動を検出し、この検出値に
応じて二次冷却材の気化−次冷却材に対する熱交換面積
を増減させて排気弁の温度を制御するようにしているの
で、熱負荷変動にかかわらず、排気弁温度を的確に制御
して安定させることができる。

（２）　排気弁温度の安定化により排気弁温度の過冷却
や冷却不足を防ぐことができ、これらに起因する金属腐
食や損傷を有効に回避して排気弁温度の信頼性、寿命の
向上がはかられ、もって内燃機関を安全に運転すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

図はこの発明を実施する内燃機関の排気弁装置の好適一
実施例を示す図であって第１図は第一実施例に係る装置
全体の概略縦断面図、第２図は回転センサとラック位置
センサの取付位置説明図、第３図は制御部の入出力系を
示すブロック図、第４図は第二実施例に係る熱交換器及
２２− びその周辺の概略縦断面図である。 尚、図中２は排気弁たる排気弁本体、３は熱交換器、Ｐ
は一次冷却材、ＰＧは気化−次冷却材、ＰＬは凝縮−次
冷却材、Ｓは二次冷却月である。 特許出願人　石川島播磨重工業株式会社代理人弁理士　
絹　谷　信　雄 ２３−

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 密閉形熱サイホンパイプを有】°る内燃機関の排気弁に
   おいて、該排気弁内部より導出した気化−次冷却材を二
   次冷却材と間接熱交換させて凝縮し、この凝縮−次冷却
   材を再び上記排気弁に戻すに際し、内燃機関の熱負荷変
   動を検出し、該検出値に応じて二次冷却材の気化−次冷
   却材に対する熱交換面積を増減させて排気弁の湿度を制
   御するようにしたことを特徴とする内燃機関の排気弁温
   度制御方法。