JPS6036712A - 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】 ａ、技術分野 本発明は冷却液の沸騰気化潜熱によりエンジン冷却を行
なうようにした沸騰冷却装置に関する。

ｂ、技術的背景 エンジンの熱効率上、燃焼室等の壁温を材料の耐久性及
び耐ノック性等に支障を生じない範囲でできるだけ高く
した力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ントとラジェ
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ンドにより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、汀
い換えれば運転状態に応じた最適温開制御は困難でめっ
た。

このような観点から、例えば特開昭５８−５４４９号等
に見られるように、燃焼室壁面温度を検出してこれを冷
却水ポンプ駆動用の電１機にフィードバックし、運転状
態に応じた適正＠度が得られるように冷却水循環１を連
続可変制御する装置が提案されているが、この種の装置
は根本的にはラジェータにおいて外気に放熱した冷却水
をウォータジャケットに戻してエンジンを冷却するとい
う液相循環冷却であることに変わｐはないので、放熱効
率の面からは従来の常識的な水冷方式と選ぶところがな
く、すなわち多量の冷却水を循環させる心安から冷却水
ポンプが大きな駆動損失とな９、また運転状態が激しく
変化する自動車用エンジン等に対しては応答よく温度制
御をするのが困難である等の問題を残すものでおった。

これに対して、冷却水の沸騰気化潜熱により９址の冷却
水で要求放熱閂を確保しうるようにした装置として、例
えば特公昭５７−５７６０８号に見られるような沸騰冷
却装置が提案されている。

これは、第１図に示したようにエンジン１のウォータジ
ャケット２とラジェータ３の下部を通路４で連通して内
部に充填した冷却水の液面レベルを各々で同一になるよ
うに図ったうえで、燃焼熱により沸騰気化した冷却水蒸
気をジャケット２の上部空間５及び蒸気通路６を介して
ラジェータ３に導入し、ラジェータ３で冷却された蒸気
の凝縮液化分だけ通路４を介してウォータジャケット２
へと冷却水が戻るようにした自然循環による冷却系を形
成している。

このような冷却装置によると、冷却水の沸騰気化潜熱に
よジシリンダ壁等からの吸熱がなされるため、冷却水の
液相での熱容針に依存した一般的な循環冷却に比較して
冷却水容歓が少ｌ〈て済み、またエンジン高温部から沸
騰が始まるため多気筒機関でもムラなく冷却できる等の
利点が得られる。

しかしながらその反面、との種の冷却装置によるとラジ
ェータ３がウォータジャケット２と同レベルで冷却水が
満たされていて、液相の冷却水と外気との間で熱交換す
ることになる念め冷却システムとしての放熱効率は必ず
しも向上するわけではなく、また系内の圧力を常に一定
に保つようにしていることもあって、冷却性能を可変制
御するのは困難であった。

さらにこの装置では冷却水の沸点つまり冷却熱量を安定
化するために上述のように系内の圧力を一定に保つよう
にしており、この目的から蒸気通路６と大気との間で気
体の通過のみを許容子る選択透過性フィルタ７を介して
圧力のやりとりをするようにしているが、この結束とし
て冷却水の沸騰気化によって系内圧力が高まったときに
蒸気の一部が外部へと逃げることになるため定期的に冷
却水を補給する必要を生じ、またエンジン停止後の温度
回正に伴って系内圧力が回正すると外部から空気を吸い
込むため以後冷却性能が悪化する等の問題を生じること
が考えられる。

Ｃ０発明の目的 本発明はこのような技術的背景の下に創案されたもので
、エンジン運転状態の変化に即応した最適冷却状態に制
御して熱効率を向上するとともに、冷却系としての効率
をも高めて軽量小型化の要求に応え、さらにメンテナン
スを不要とした沸騰冷却式エンジンを提供することを目
的とする。

ｄ０発明の開示 上記目的を達成するために本発明では、エンジンのウォ
ータジャケット内で発生した冷媒蒸気を冷却液化するコ
ンデンサと、コンデンサで液化した冷媒を一時貯留する
ロワタンクと、ロワタンクの液状冷媒を再びウォータジ
ャケットに戻す電動ポンプと、コンデンサに強制冷却風
を供給する電動ファンとを設け、ウォータジャケットに
封入した冷媒の液面レベルが所定値になるように電動ポ
ンプを制御して、コンデンサでは温度差の大きい冷媒蒸
気と外気との間で熱交換を行なわせることにより放熱効
率を高めるとともに、電動ファンを介してコンデンサで
の冷媒凝縮一つまり系内の圧力及び冷媒の沸点を変化さ
せることによりエンジン運転状態ないし運転域に応じた
最適温度に制御しうるように図る一力、さらに外部に冷
媒を貯留した補助タンクを設け、ウォータジャケット及
びコンデンサ間の冷却系内に外気が侵入した場合はエン
ジン停止時に補助タンクの液状冷媒を導入して系内を冷
媒で満たすことにより侵入空気を排出して、冷却装置が
つねに所期の性能を発揮しうるようにした。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

ｅ、実施例 第２図または第３図において、２１はエンジン（本体）
、２２はそのウォータジャケット、２３はコンデンサ、
２４はコンデンサ２３の下部に連通するロワタンク、２
５は電動ポンプ、２６は電動ファンである。

ウォータジャケット２２はエンジン２１のシリンダ及び
炉焼室の外周部を包囲するようにシリンダブロック２１
ａ及びシリンダヘッド２１ｂにかけて形成され、その内
部には十カに冷媒蒸気で満たされる適当な空間（気相空
間）２２ａが残る程度に飲用冷媒が封入されている。な
お、多気筒エンジンでは前記気相空間２２ａは各気筒部
間で相互に連通している。

ウォータジャケット２２は、その気相空間に面して接続
した冷媒注入管２２ｂ及び蒸気通路２７を介してコンデ
ンサ入口部２３ａに連通している。

前記冷媒注入管２２ｂけ冷媒が循環する径路の最上部に
位置し、−ヒカに立ち上った注入口部２２Ｃはキャンプ
２２ｄで密閉される。

ロワタンク２４は、途中に電動ポンプ２５を介装した冷
媒通路２８を介してウォータジャケット２２下部の冷媒
入口部２２ｅに接続される。

コンデンサ２３は車両走行時に走行風が流通する位置に
設けられ、電動ファン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。

３０＆ま上記電動ポンプ２５並びに電動ファン２６の作
動を司る制御回路（第３図）であり、シリンダヘッド２
１ｂ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検出手段
（図示せず）と共に制御系統を形成している。

液面センサ３１は、その検出部が冷媒故に浸るが気相空
間２２ａに露出するかに応じてオンオフ的に出力が変化
し、制御回路３０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亀回正し
た場合には電動ポンプ２５を駆動して再び所定液面レベ
ルに達するまでロワタンク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内には常時所足量の冷媒が確保される。なお、こ
の冷却系内に注入される液相冷媒の全容１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の内部がほぼ
気相状態になる程度に設定されている。

一力温度センサ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３０に付与するもので、制御回路３
０はこの温度センサ３２からの実温度の検出値と共に、
エンジン回転、スロットル開度、燃料供給１等を周知の
センサ類を介して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運転状態に応じた適正
なエンジン温になるように電動ファン２６の作動または
停止を制御する。

エンジン運転状態と制御＠闇値との関係は、これをエン
ジンの仕様や目的・用途に応じて自由に設定できること
は言うまでもないが、一般に自動車用エンジンでは比較
的負荷並びにエンジン回転が低い市街地走行域と、それ
以外の高速または高負荷域とに分けて、市街地走行域で
は温度を一ヒげて熱効率を高め、高速・高負荷域では温
度を下げて異常燃焼等を防止するように図る。

上記に基づく冷却系統としての基本的な作用について曲
間すると、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ｔ１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、燃焼室やシリンダ壁はほぼ
均一の温度に保たれ、具体的には異常燃焼を促すホット
スポ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。

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を介してコンデンサ２３内に侵入し、外気との熱交換
により冷却されて液化し、逐次ロワタンク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
は気相状に保たれ、高温の冷媒蒸気がコンデンサ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りも
大幅に放熱効率が高められ、従ってコンデンサ２３並び
に電動ファン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。

そして、コンデンサ２３で液化しロワタンク２４に貯留
された冷媒は、ウォータジャケット２２での液面レベル
の低下に伴う電動ポンプ２５の作動により再びウォータ
ジャケット２２へと戻されるのであり、以上の繰り返し
により沸騰冷却が続けられる。

ところで、総υト気１ｔ１８０ｏｃｃ　のガンリンエン
ジンｅ　４０００　ｒｌ）ｍで全開運転しているときの
費求放熱旙°は、毎分４００　ｋＣａ１以上にもなり、
これを冷却水の液相循環冷却で全うするための冷却水の
要求循環１Ｑは、ラジェータの入口温度を８８℃、同出
口温度を８４℃、水の比熱を１とするど、００ Ｑ　””　’　ｃ　ｓ　ｓ　ｍ　５−１−）−ｘ−１＋
１１０　ｈ　、’　”！　リ毎分約１１０１に達する。

これに対して沸騰冷却では、冷媒として水を使用した場
合、その気化潜熱が約５３９ｋｃａｌ／　Ｋｇであるか
ら、液相冷媒の要求循環量・は毎分数百ＣＣにすぎない
。これにより、電動ポンプ２５は小型のものを小電流で
駆動でき、その制御が容易になるとともに、特に駆動損
失が水循環冷却におけるエンジン駆動のウォータポンプ
に較べて大幅に減少するので、同一温度下でも著しい燃
費の改善になる。

次に、温度制御に伴う冷却系統の作用を説明するに千）
たＶ、まず制御系統の動作概念の一例を説明する。

制御系統は、先に述べたように電動７了ン２６の作動を
制御することによυ最終的にエンジン温度がそのときの
運転状■に応じた目標値になるように動作するのである
が、このためにまず、エンジンの回転速度と負荷の関係
から運転状態を判定し、比較的回転速度及び負荷が小さ
い市街地走行域では制御１＠度目標値Ｔ。として予め設
定された高温側目標値ＴＨ（例えば、ＴＨ−１ｉｏ℃相
当）を選択し、それ以外の高速または高負荷域では同じ
くＴ、として低温側目標値ＴＬ（例えば、Ｔｔ　−ｇ□
℃相当）を選択する。

次に、上記最終的な目標値Ｔ。と実際のエンジン温Ｔａ
とを比較し、Ｔａ≧ＴＯのときは電動ファン２６を駆動
してコンデンサ２３に冷却風を供給し、これを積極的に
冷却する。その反対に、Ｔａ（Ｔｏのときは電動ファン
２６を停止してコンデンサ２３を自然冷却状態に置く。

制御系統はこのような動作を周期的または継続的に繰り
返し実行してエンジン温を制御するのでｆｊ）！Ｄ、こ
れに呼Ｕｃｌ、して冷却系統は次のように作用する。

すなわち、本発明ではコンデンサ２３の内部を気相に保
って放熱効率を高めたことから、電動ファン２６によｐ
強制冷却風が供給されたときにこれに速やかに反ターシ
てコンデンサ２３内の冷媒蒸気の液化が促され、このた
め系内の圧力が低下して液相冷媒の沸点も下降し、従っ
てエンジン湛も相応に低下していく。その反面、電動フ
ァン２６が停止すると、ことに市街地走行時のように車
速か低くて走行風が不足する条件下ではコンデンサ２３
での放熱量が減少してその内部での冷媒の液化奮よυも
ウォータジャケット２２での沸騰気化鯖・の力が上まわ
ることになるため、系内の圧力が上昇してエンジン温度
が高められていく。

このようにして、エンジン２１はその温度を低速・低負
荷域では高く、高速または高負荷域では低くという具合
に応答よく変化させる。高速、高負荷域でエンジン温度
を抑えることによりノンキングやデトネーションなどの
異常燃焼を回避できることは勿論、常用される市街地走
行竣でエンジンを適度な高温に保つことにより冷却損失
を減らして燃料消費率を高められる等の効果が得られる
ことは言うまでもない。なお、特にディーゼルエンジン
ではアイドリンク時などの圓速回転時に燃焼室を高温に
保つことにより、噴射燃料の着火遅れ期間が減少し、言
い換えれば予混合燃焼の割合が少なくなるためシリンダ
内圧の立上りが緩やかになって騒音、振動が減少すると
ともに、平均有効圧が高められて燃費の一層の改善につ
ながる。

本発明は、このような沸騰冷却装置において、さらに系
内に侵入した空気を排除することを直接的な目的として
、エンジン停止時に外部から液状冷媒を導入するように
（−たことが特徴であり、次にこの点を説明する。

第２図または第３図において、５０はエンジン運転時に
ウォータジャケット２２とロワタンク２４の液面間に生
じる気相空間２２ａの容積と同程度の１の液状冷媒を貯
留する補助タンク、５１は補助タンク５０と冷却系統の
冷媒通路２８とを連通ずる第１補助通路、５２は補助タ
ンク５０とエンジンウォータジャケット２２とを連通ず
る第２袖助通路、５３は電動ボンダ２５の吸込側をロワ
タンク２４側の通路２８ま九は第１補助通路５１に選択
的に連通ずる第１寛磁弁（三方弁）、５４は第２補助通
路５２を開閉する第２電磁弁、５５は気相空間２２Ｂの
頂部付近を大気側に開放または閉止する第３電磁弁であ
る。

補助タンク５０は通気機能を有するフィルター付キャッ
プ５０ａを介してその内部が大気圧に保たれており、第
３電磁弁５５はこの補助タンク５０の内部上刃空間部と
気相空間２２ａの頂部にあたる冷媒注入口部２２Ｃとを
連通ずる空気通路５６の途中に介装される。

また、第１電磁升５３は非通電時にはｐワタンク２４と
市、動ポンプ２５とを連通しているが、通電されると第
１補助通路５１を介して補助タンク５０を電動ポンプ２
５の吸込側に接続する。これに対して、第２電磁弁５４
は非通電時開弁保持、通電時開弁であり、第３電磁弁５
５は非通電時閉非保持、通電時開弁という設定でおる。

なお、５７は第２電磁弁５４と補助タンク５０との間に
位置するように第２補助通路５２の途中に介装された手
動コックであり、エンジン組立後に、このコック５７を
閉じた状態でキャンプ２２ｄを外し、注入口部２２Ｃの
口元はぼ一杯まで液状冷媒を注入する。冷媒を注入した
後は、キャンプ２２ｄを締め込み、手動コック５７を開
いておく。

上記各電磁弁５３〜５５の開閉または切換えを司る制御
系統としては、既述しｆｃ液面センサ３１と温度センサ
３２に加え、ロワタンク２４の冷媒液面位置を検出する
第２の液面センサ５８と、注入口部２２Ｃにてエンジン
停止時の冷媒１を検出する第３の液面センサ５９とが設
けられ、制御回路は前記各センサからの信号に基づいて
以下のような制御動作を行なう。

すなわち、エンジン冷機時には先に述べたようにして冷
却系内は液状冷媒で満たされているわけであるが、この
状態からエンジン２１を始動するとウォータジャケット
２２内の冷媒が燃焼熱で加熱されて次第に気化しはじめ
る。この間、制御回路３０は各電磁弁５３〜５５への通
電を断っており、つまり第１Ｎ磁弁５３はロワタンク２
４と電動ポンプ２５とを連通し、第２電磁弁５４は開、
第３［磁弁５５は閉となっている。このため、冷媒の気
化とともに系内の圧力が上昇し、これに伴ってウォータ
ジャケット２２内の液状冷媒が第２補助通路５２を介し
て補助タンク５０へと押し出されていく。

このようにして、エンジン２１を始動するとウォータジ
ャケット２２内の冷媒液面レベルが次第に低下していく
のであるが、液面レベルが第１の液面センサ３１で検出
される位置よりも低下すると電動ポンプ２５が作動して
ロワタンク２４から冷媒を補充するためウォータジャケ
ット２２内の冷媒液面レベルはそれ以上には低下せず、
見かけ上はコンデンサ２３側の冷媒が補助タンク５ｏへ
と押し出されるようになって、その液面レベルを低下さ
せていく。

そして、コンデンサ２３内の液面レベルがさらに１戊下
して、やがて第２の液面センサ５８が空間に面する程度
にまでなると、これを検知して制御回路３０は第２電磁
弁５４に通電し、これを閉じる６、この結果、冷却系統
は第２図に示したように標準音の冷媒で満たされた状態
になり、以後は先に述べた温度制御動作に従って冷却機
能を発揮することになる。

なお、始動時には上述したようにして系内の冷ｔｊＬ液
面レベルが低下していく過程でコンデンサ２３の内部が
酊相になっていることから、その放熱１は気相状伸時（
第２図）に較べて著しく減少する。

このため、エンシフ２１０発生熱が徒らに外部へと逃げ
ることがなく、従って暖機は短時間で完了する。

次に、第２図の状態からエンジン２１を停止す１９− ると、制動回路３０Ｖｉ＠度センサ３２がらの（ｍ号に
基づいてエンジン温度が例えば５０　’Ｃ以上−にまで
低下したところで第２電磁弁５４への通常を停止して第
２補助通路５２を開く。

一力、このとき系内ではエンジン停止後の温度低下に伴
って冷媒蒸気が凝縮液化し、内部が負圧下しているため
、第２補助通路５２が開くと補助タンク５０の貯留冷媒
がウォータジャケット２２へと導入され、最終的には系
内への外気の侵入がない限りほぼ第３の液面センサ５９
のレベル１で液状冷媒で満た場れることになる。

これに反して、もし系内にある程度以上の外気が侵入し
ていた場合には、その分だけ系内の負圧化が阻害される
ため、補助タンク５０からの冷媒の導入はその液面が液
面センサ５９に達する以前に終了することになる。

このような場合、制御回路３０は例えば温度センサ３２
からの信号値が変化しなくなったことなどからエンジン
２１が常温に落ちついたことを判定したのち、あるいは
冷機始動の直後に、第３の２０− 液面センサ５９を介して系内の液面レベルが規定値に達
していないことを検知し、第１電磁弁５３に通電して第
１補助通路５１を電動ポンプ２５の吸込側に切換接続す
るとともに電動ポンプ２５を駆動して補助タンク５０の
液状冷媒をウォータジャケント２２に圧送する。また、
このとき同時に第２、第２電磁弁５４．５５にも通電し
て、第２補助通路５２を閉じてウォータジャケット２２
がら補助タンク５０へと冷媒が逆流するのを防止すると
ともに、気相空間頂部にあたる注入口部２２ｃを補助タ
ンク５０の空間部つまり大気側に開放する。この結束、
系内の液面レベルが次第に上昇するとともに侵入空気は
外部（補助タンク５（１）へと排出きれる。このエア抜
き制御は系内の液面レベルが規定値に達するまで続けら
れ、すなわち第３の液面センサ５９で検出されるレベル
に達したところで各電磁弁５３〜５５及び電動ポンプ２
５への通電を断って終了する。

このようにして、冷却系内に有害な空気が侵入していた
場合には、エンジン停止後あるいは始動直後にこれを自
動的に排除する動作がな場れ、従って冷却装置の性能が
特別な維持管理作業を渋することなく長期間にわたって
保証されるのでおる。

ｆ１発明の詳細 な説明してきたように、本発明によれば冷媒蒸気を液化
するコンデンサの内部を基本的には気相状態に維持して
放熱効率を高めるとともに、この高効率のコンデンサへ
の冷却風普を電動ファンを介して変化させることにより
冷媒液の沸点を制御するようにしたので、エンジンシス
テムとしての大幅な軽量小型化を達成できるとともに、
運転状態に応じた適正温度に速やかに制御することがで
き、従って燃費効率を有効に高めることができる。

さらに本発明では、エンジン停止時等に外部の補助タン
クから液状冷媒を導入して冷却系内を冷媒で満たすこと
により系内に外気が侵入するのを防止するとともに、外
気が侵入していた場合にはこれを排除するようにしたの
で、冷却装置としての信頼性、安定性がさらに向上し、
加えてメンテナンスが容易になるという効宋を生じる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来例の概略構成図である。第２図は本発明の
一実施例の概略構成図、第３図は同じく制御系統の構成
を含み、かつ異なる作用状萼を示す概略構成図である。 ２１・・・エンジン（本体）、２２・・・ウォータジャ
ケット、２２ａ・・・気相空間、２２ｂ・・・冷媒注入
管、２３・・・コンデンサ、２４・・・ロワタンク、２
５・・・電動ポンプ、２６・・・電動ファン、２８・・
・冷媒通路、３０・・・制御回路、３１．５８．５９・
・・液面センサ、３２・・・温度センサ、５０・・・補
助タンク、５１・・・第１補助通路、５２・・・第２補
助通路、５３・・・第１電磁弁、５４・・・第２電磁弁
、５５・・・第３１！磁弁。 特杵出願人　日産自動車株式会社 一２５＝ 第１図 第２図 へ５ 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. エンジンウォータジャケットからの冷媒蒸気を冷却液化
   するコンデンサと、このコンデンサからの液化冷媒を一
   時貯留するロワタンクと、ロワタンクの液化冷媒をウォ
   ータジャケットに戻す電動ポンプと、コンデンサに強制
   冷却風を供給する電動ファンと、エンジン温度を検出し
   て所定の高温時に電動ファンを駆動する回路並ひにウォ
   ータジャケットの冷媒液面レベルを検出して液面レベル
   吐下時に所定レベルに達するまで電動ポンプを駆動する
   回路を有する制御系統とを設け、かつ液状冷媒は所定液
   面レベルを満たした条件下でウォータジャケットの内部
   上刃及びコンデンサの内部略全域が気相空間となる程度
   の１を封入したエンジンの沸騰冷却装置において、少な
   くとも気相空間と同程度の各音の液状冷媒を貯留する補
   助タンクと、補助タンクのα状冷媒を電動ポンプとロワ
   タンクとの間の冷媒通路に導入する第１補助通路と、電
   動ポンプの吸込側をロワタンク側の冷媒通路または第１
   補助通路の何れかに選択的に連通ずる第１電磁弁と、補
   助タンクの液状冷媒をウォータジャケットに導入する第
   ２補助通路と、第２補助通路を開閉する第２電磁弁と、
   気相空間の頂部付近を大気に開放または閉止する第３電
   磁弁を設けるとともに、エンジン状態と冷却系内の液状
   冷媒量に応じて前記各電磁弁を切換制御する制御系統を
   形成したことを特徴とするエンジンの沸騰冷却装置。