JPS6183423A - 内燃機関の沸騰冷却装置におけるポンプ異常診断装置 - 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〉 本発明は、機関のウォータジャケットに所定レベルまで
液相冷媒を貯留してその沸騰気化により効率の良い機関
の冷却を行い、発生蒸気をコンデンサにより凝縮液化し
てポンプによりウォータジャケットに循環供給するよう
にした内燃機関の沸騰冷却装置において、ポンプの異常
の有無を診断するためのポンプ異常診断装置に関する。

〈従来の技術〉 自動車用内燃機関に用いられている周知の水冷式冷却装
置にあっては、ウォータジャケットの水入口部と水出口
部との間などで相当な温度差を生じ、均一な冷却を実現
することが難しいと共に、ラジェータにおける熱交換効
率に自ずから限界があることからラジェータや冷却ファ
ンが大型にならざるを得ない。

このような点から、近年、冷却水の沸騰気化潜熱を利用
した冷却装置が注目されている（例えば特公昭５７−５
７６０８号公報、特開昭５７−６２９１２号公報参照）
。これは基本的には、ウオ−タジャケソト内で液相冷媒
（冷却水）を沸騰気化させ、その発生蒸気を外部のコン
デンサに導いて凝縮液化させた後に、再度ウォータジャ
ケット内に循環供給する構成であって、この冷媒の相変
化を利用した冷却装置によれば、冷却水の単純な温度変
化を利用した水冷式のものに比べて極めて少量の冷却水
の循環で要求放熱量を満足でき、かつコンデンサを従来
のラジェータよりも大巾に小型化でき、しかも機関各部
の温度分布の均一化が図れる等の利点が指摘されている
。

但し、このように種々の利点を有すると考走られている
沸騰冷却装置も実際には実用化されるに至っていない。

すなわち上記特公昭５７−５７６０８号公報や特開昭５
７−６２９１２号公報等に記載のものは、冷媒循・環系
が一部で大気に開放された非密閉構造となっており、蒸
気化した冷媒の損失が実用上無視できない程度に大きく
、しかも系内から不凝縮気体である空気を完全に除去す
ることが困難であるため、残留空気によって冷却性能が
著しく低下する等の問題を有していたからである。

本出願人は上記のような実情に鑑み、密閉した冷媒循環
系内に所定量の冷媒を封入して沸騰・凝縮のサイクルを
行わせるようにした沸騰冷却装置を先に提案している（
特願昭５９−１００１５７号、特願昭５９−１４０３７
８号等）。これらの装置では、例えば始動時に系内を一
旦液相冷媒で満たした後に空気の侵入を防止しつつ余剰
冷媒をリザーバタンクに排出することによって密閉系内
に所定量の冷媒を封入するようにしてあり、機関運転中
は、冷媒供給ポンプによりウォータジャケットに発生蒸
気相当分の液相冷媒を循環供給し、常に所定レベル以上
に液相冷媒の液面を保って燃焼室壁等の確実な冷却を図
るのである。

〈発明が解決しようとする問題点〉 ところで、このような沸騰冷却装置にあっては、ウォー
タジャケット内の液面を監視していて、常に所定レベル
付近になるよう冷媒供給ポンプをオンオフ制御するから
、冷媒供給ポンプとして、機関駆動されるメカニカルポ
ンプを用いることば困難であり、電動式のポンプを用い
る必要がある。

しかし、電動式のポンプは、メカニカルポンプに比べ、
ゴミ等の噛込みが原因でステインク状態となることも多
い。

また、沸騰冷却装置では高温冷媒が流れるため、ポンプ
入口でのキャビテーションの発生の恐れもある。

このようなポンプの作動不良が発生した場合は、ウォー
タジャケット内の液面を所定レベルに維持できなくなり
、次第に液面が低下して、燃焼室壁等が露出し、機関の
焼付き等の原因になる。

そこで本発明は、ポンプの故障やキャビテーションの発
生を確実に検知して、これに速やかに対処できるように
するため、沸騰冷却装置のポンプ異常診断装置を提供す
ることを目的とする。

く問題点を解決するための手段〉 本発明は、上記の目的を達成するため、第１図に示すよ
うに、液相冷媒を貯留すると共に上部に蒸気出口を有す
る機関のウォータジャケットＡと、上記蒸気出口に接続
されて気相冷媒を凝縮液化すると共に下部に冷媒タンク
を有するコンデンサＢと、上記冷媒タンクと上記ウォー
タジャケットとの間に設けられた電動式の冷媒供給ポン
プＣと、この冷媒供給ポンプをオンオフ制御する制御装
置りとを備えた内燃機関の沸騰冷却装置において、上記
冷媒供給ポンプＣのモータ電流値又は回転速度を検出す
る検出手段Ｅと、上記制御装置りによるポンプ・オン指
令時で上記検出手段Ｅの検出値が所定範囲外のときにポ
ンプ異常と判定する判定手段Ｆと、ポンプ異常判定時に
警報を発する警報手段Ｇとを設けるようにしてなる。

く作用〉 すなわち、冷媒供給ポンプＣのモータ電流値又は回転速
度を検出手段已により検出し、制御装置りによるポンプ
・オン指令時であるにもかかわらず検出手段已による検
出値が所定範囲外のときは判定手段Ｆにおいてポンプ異
常と判定する。この場合、電流値が小さ過ぎるとき、又
は回転速度が大き過ぎるときは、ポンプキャビテーショ
ンの発生による空回り等の異常で、逆に、電流値が太き
過ぎるとき、又は回転速度が小さ過ぎるときは、ゴミ等
のつまりによるステインク等の異常であると考えられる
。そして、ポンプ異常判定時には警報手段Ｇにより異常
表示等のＷ報を発するのである。

〈実施例〉 第２図は本発明に係る沸騰冷却装置の一実施例を示して
いる。

第２図において、■は内燃機関、２はウォータジャケッ
トを示している。ウォータジャケット２は、内燃機関１
のシリンダ及び燃焼室の外周部を包囲するようにシリン
ダブロック３及びシリンダヘッド４の両者に亘って形成
されたもので、通常気相空間となる上部の適宜位置に複
数の蒸気出口５が設けられている。これらの蒸気出口５
は蒸気マニホールド６を介して蒸気通路７に連通し、こ
の蒸気通路７は後述するコンデンサ１０のアッパタンク
１１に連通している。また、蒸気マニホールド６には、
冷媒循環系の最上部となる空気排出部８が上方に立上が
った形で形成されていると共に、その上端開口をキャン
プ９が密閉している。

コンデンサ１０は、蒸気通路７が接続されるアッパタン
ク１１と、上下方向の微細なチューブを主体としたコア
部１２と、このコア部１２で凝縮された液化冷媒を一時
貯留するロアタンク１３（必ずしもコンデンサＩＯと一
体であることを要しない。）とから構成されたもので、
例えば車両前部など車両走行風を受は得る位置に設置さ
れ、更にその前面あるいは背面に強制冷却のため電動式
の冷却ファン１４を備えている。そして、ロアタンク１
３にはその下部に冷媒循環通路１５の一端が接続されて
いる。

冷媒循環通路１５の途中には電動式の冷媒供給ポンプ１
６と、後述する第２電磁弁２４とが介装され、冷媒循環
通路１５の他端はウォータジャケット２のシリンダヘッ
ド４側の冷媒人口１７に接続されている。

以上のウォータジャケット２−蒸気通路７−コンデンサ
１〇−冷媒循環通路１５（冷媒供給ポンプ１６゜第２電
磁弁２４）−ウォータジャケット２の経路によって冷媒
循環系が構成されている。

次に１８はリザーバタンクを示し、このリザーバタンク
１８は上記冷媒循環系の系外に設けられて予備液相冷媒
を貯留するものであって、ウォータジャケット２と略等
しい高さ位置に設置され、通気機能を有するキャップ１
９を介して大気に開放されている。

そして、上記冷媒循環系の最上部となる蒸気マニホール
ド６の空気排出部８に、系内の空気を排出するため、常
閉型の第１電磁弁２０を介して空気排出通路２１を接続
し、かつ空気排出時に同時に溢れ出る液相冷媒を回収す
るため、この空気排出通路２１の先端部をリザーバタン
ク１８内に開口させである。

また、リザーバタンク１８の底部には補助冷媒通路２２
．２３が接続されている。一方の補助冷媒通路２２は三
方弁である第２電磁弁２４を介して冷媒循環通路１５に
接続されている。第２電磁弁２４は、消磁状態では冷媒
循環通路１５を遮断して補助冷媒通路２２によりロアタ
ンク１３とリザーバタンク１８とを冷媒供給ポンプ１６
を介して連通状態（流路Ａ）にし、励磁状態では補助冷
媒通路２２を遮断して冷媒循環通路１５を連通状態（流
路Ｂ）にするものである。

ここで、冷媒供給ポンプ１６としては、正逆両方向に液
相冷媒を圧送できるものが用いられており、第２電磁弁
２４が流路Ａの状態で冷媒供給ポンプ１６を正方向に駆
動すれば、ロアタンク１３からリザーバタンク１８へ液
相冷媒を強制的に排出でき、逆方向に駆動すれば、リザ
ーバタンク１８からロアタンク１３へ液相冷媒を強制的
に導入でき、更に第２電磁弁２４が流路Ｂの状態で冷媒
供給ポンプ１６を正方向に駆動すれば、ロアタンク１３
からウォータジャケット２へ液相冷媒を循環供給するこ
とができる。

また、他方の補助冷媒通路２３はロアタンク１３の比較
的上部に接続されていて、その途中には第３電磁弁２５
が介装されている。

上記各電磁弁２０．２４．２５、冷媒供給ポンプ１６及
び冷却ファン１４は、マイクロコンビエータ内蔵の制御
装置４０によって駆動制御・されるもので、具体的には
、ウォータジャケット２に設けた第１液面センサ４１、
ロアタンク１３に設けた第２液面センサ４２、ウォータ
ジャケット２に設けた温度センサ４３、空気排出部８に
設けた負圧スイッチ４４等の各検出信号に基づいて後述
する制御が行われる。

尚、第１及び第２液面センサ４１．４２は、例えばリー
ドスイッチを利用したフロート式センサ等を用いて冷媒
液面が設定レベルに達しているか否かをオンオフ的に検
出するものであって、第１液面センサ４１はその検出レ
ベルがシリンダヘッド４の略中間程度の高さ位置に設定
され、第２液面センサ４２はその検出レベルが補助冷媒
通路２３の開口よりも僅かに上方の高さ位置に設定され
ている。また、温度センサ４３は第１液面センサ４１の
若干下方位置つまり通常液相冷媒内に没入する位置に設
けられて、ウォータジャケット２内の冷媒温度を検出す
るようになっている。また、負圧スイッチ４４は大気圧
と系内圧力との差圧に応動するダイアフラムを用いたも
ので、使用環境下における大気圧に対し系内が負圧であ
るか否かをオンオフ的に検出するようになっている。

制御の概要を第３図のフローチャートを参照しつつ説明
すると、機関始動時に先ず空気排出制御（Ｒ１）を行う
（但し冷間始動時のみ）。これは、第１電磁弁２０を開
、第２電磁弁２４を流路Ａ、第３電磁弁２５を閉として
、冷媒供給ポンプ１６を所定時間逆転駆動することによ
り、系外のりザーバタンク１８から補助冷媒通路２２を
通じて液相冷媒を系内に導入して、系内を完全に満水状
態にし、系内に残存していた空気を系上部に集めて空気
排出通路２１を通じリザーバタンク１８に排出させる。

次に暖機側１（Ｒ２）を行う−０これは、第１電磁弁２
０を閉、第２電磁弁２４を流路Ｂ、第３電磁弁２５を開
として、ロアタンクエ３とリザーバタンク１８とを連通
状態、すなわち系内を大気開放したまま、待機する。そ
して、ウォータジャケット２内での沸騰開始により系内
の余剰冷媒をロアタンク１３から補助冷媒通路２３を通
じてリザーバタンク１８に排出させる。そして、ウォー
タジャケット２内の冷媒温度が目標温度に達するか、ウ
ォータジャケット２若しくはロアタンク１３内の液面の
いずれかが設定レベル以下となった時点で、第３電磁弁
２５を閉として、系内を密閉状態にする。

以降は、温度側ｍ（ファン制御）、液面制御（ポンプ制
御）等の制御ループを機関停止まで繰返し行う。

温度制御（Ｒ３）は、ウォータジャケット２内の冷媒温
度が目標温度となるよう冷却ファン１４をＯＮ・ＯＦＦ
するものであり、液面制御（Ｒ４）は、ウォータジャケ
ット２内の液面レベルに応じて冷媒供給ポンプ１６をＯ
Ｎ・ＯＦＦ　（正転・停止）し、液相冷媒の循環供給に
よりウォータジャケット２内の液面を設定レベル以上に
保つものである。

この場合、系内温度が所定範囲内にあって、しかもロア
タンク１３内の液面が設定レベル以下である限り、系内
を密閉状態にしたまま上記の制御が繰返えされる。

また、ウォータジャケット２内の冷媒温度が目標温度を
大きく上回った場合で、かつロアタンク１３内の液面が
設定レベル以上の場合は、コンデンサ１０の放熱面積を
実質的に拡張するため、コンデンサ内液面低下制御（Ｒ
５）を行う。これは、密閉状態から冷媒供給ポンプ１６
を正転駆動し、ウォータジャケット２内の液面のレベル
に応じて第２電磁弁２４を切換え、ウォータジャケット
２内の液面を確保しながら、ロアタンク１３内の液相冷
媒をリザーバタンク１８に排出して、コンデンサ１０の
放熱面積を拡張する。

また、ウォータジャケット２内の冷媒温度が目標温度を
大きく下回っている場合は、コンデンサ１０の放熱面積
を実質的に縮小するため、コンデンサ内液面上昇制御（
Ｒ６）を行う。これは、系内が負圧の場合は、第３電磁
弁２５を開として、リザーバタンク１８よりロアタンク
１３に液相冷媒を導入し、また、系内が正圧の場合は、
第２電磁弁２４を流路Ａにすると共に、冷媒供給ポンプ
１６を逆転駆動して、リザーバタンク１８より系内に液
相冷媒を導入する。

尚、各制御の詳細は特願昭５９−１４０３７８号に記載
されている。

一方、かかる制御中、所定時間毎に第４図に示すフロー
チャートに従ってポンプ異常診断の割込みルーチンが実
行される。

このポンプ異常診断ルーチンについて説明すると、ステ
ップ１　（図ではＳＬ）でポンプ１６に対しＯＮ指令が
発せられているか否かを判定し、Ｎ。

の場合はこのルーチンを終了する。

ステップ１でＹＥＳの場合は、ステップ２へ進んでポン
プ１６のモータ電流値Ｉを読込む。具体的にはポンプ１
６のモータの接地端子側に電流検出用抵抗５０を介装し
ておき、その端子電圧Ｖ＝ＩＲを検出すればよい。次に
ステップ３で検出電流値■を予め定めた上限値１　ｍａ
ｘ及び下限値１ｍ１ｎと比較する。

ステップ３での判定で、１ｍ１ｎ≦Ｉ≦■ｍａｘであれ
ば、正常であるとみなして、このルーチンを終了する。

しかし、■＜　ｌｍ１ｎの場合は、断線等の他、キャビ
テーションの発生によるポンプ１６の空回り等であると
考えられ、異常であるので、ステップ４へ進んでウオー
ニングランプ５１等にて異常表示を行うことによって、
運転者に警報を発する。

また、ｉ＞Ｉｍａｘの場合は、ポンプ１６へのゴミ等の
噛込みによるステインク状態等であると考えられ、異常
であるので、同様にステップ４へ進んで、異常表示を行
うことによって、運転者に警報を発する。

このようにポンプ１６の異常を検知して運転者に速やか
に警報することで、ポンプ１６の作動不良の継続により
ウォータジャケット２内の液面が大巾に低下して燃焼室
壁等が露出し焼付き等を生じるのを未然に防止すること
ができる。

尚、この実施例ではポンプ１６の異常をモータ電流値か
ら検出するようにしたが、光電ピックアップ等を用いて
ポンプ１６の回転速度を検出し、回転速度からポンプ１
６の異常の有無を診断するようにしてもよい。この場合
、ポンプＯＮ指令時であるにもかかわらず、回転速度が
下限値以下であれば、断線やスティック状態が考えられ
、上限値以上であればポンプキャビテーションの発生に
よる空回り等であると考えられる。

また、この実施例ではポンプ異常判定時に警報のみを行
うようにしたが、これと同時に各種のフェイルセーフ対
策を自動的に行うようにしてもよい。例えばポンプへの
ゴミ等の噛込みによるスティック時は、現状の回転方向
と逆方向に回転させてやれば噛込みが解除されることが
多々あるので、このような場合には一時的にポンプを逆
方向に駆動するなどするのである。

〈発明の効果〉 以上説明したように本発明によれば、沸騰冷却装置にお
けるポンプの異常の有無を節単に診断して、異常時にこ
れを速やかに運転者に知らしめることができ、効率の良
い機関の冷却を行うことのできる沸騰冷却装置の安全性
を向上させ、その価値を更に高めることができるという
効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の構成を示すブロック図、第２図は本発
明に係る沸騰冷却装置の一実施例を示す構成図、第３図
は制御の概要を示すフローチャート、第４図はポンプ異
常診断ルーチンのフローチャートである。 １・・・内燃機関　　２・・・ウォータジャケット５・
・・蒸気出口　　７・・・蒸気通路　　１０・・・コン
デンサ　　１３・・・ロアタンク　　１５・・・冷媒循
環通路１６・・・冷媒供給ポンプ　　１７・・・冷媒人
口　　１８・・・リザーバタンク　　２０・・・第１電
磁弁　　２４・・・第２電磁弁　　２５・・・第３電磁
弁　　４０・・・制御装置４１・・・第１液面センサ　
　４２・・・第２液面センサ４３・・・温度センサ　　
５０・・・電流検出用抵抗５１・・・ウオーニングラン
プ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 液相冷媒を貯留すると共に上部に蒸気出口を有する機関
   のウォータジャケットと、上記蒸気出口に接続されて気
   相冷媒を凝縮液化すると共に下部に冷媒タンクを有する
   コンデンサと、上記冷媒タンクと上記ウォータジャケッ
   トとの間に設けられた電動式の冷媒供給ポンプと、この
   冷媒供給ポンプをオンオフ制御する制御装置とを備えた
   内燃機関の沸騰冷却装置において、上記冷媒供給ポンプ
   のモータ電流値又は回転速度を検出する検出手段と、上
   記制御装置によるポンプ・オン指令時で上記検出手段の
   検出値が所定範囲外のときにポンプ異常と判定する判定
   手段と、ポンプ異常判定時に警報を発する警報手段とを
   設けてなるポンプ異常診断装置。