JPS63212712A - 排気マニホルド冷却装置 - 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］ 本発明は、水噴射ににり排気マニホルドを効率よく冷却
するようにした排気マニホルド冷却装置に関し、とくに
エンジンの状態に応じて排気マニホルド冷却の度合を最
適化できるようにした装置に関する。

［従来の技術］ 排気マニホルド自身の耐久性や過給機の耐熱性を向上す
るため、あるいは排気温を低減させて燃料のＯＴ　（ｏ
ｖｅｒ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）増量の低減、ＷＯＴ
　（Ｗｉｄｅ　０ｐｅｎ　Ｔｈｒｏｔｔｌｅ）燃費の低
減をはかるため、さらにはＩａ関の出力トルク等の性能
向上、ノッキング抑制をはかるために、排気マニホルド
の冷却が有効であることが知られている。

排気マニホルドの強制冷却法としては、実開昭６１−５
７１１８号公報や実開昭６１−７８２１３＠公報の排気
管冷却にみられると同様に空冷による方法も考えられる
が、空冷の場合には冷却能力が限られるため、大きな効
果を期待できない。

効率の高い冷却法として、従来から水冷によるものが種
々ｊｔ案されている。

たとえば、実開昭６１−２１８１４＠公報、実開昭６１
−１３４５１３＠公報には、排気マニホルドの外周にウ
ォータジャケットを設Ｇノ、該つＡ−タジャケットに冷
却水を流ずようにした構造が開示されている。また、排
気マニホルドの冷却を対象としたものではないが、（実
間のシリンダ外壁に水シヤワーをかＣ，Ｊるようにした
（１４漬も知られている（実開昭５６−１３８１１３号
公報）。ざらに、冷却ヒレイ」きの機関全体に、微細な
水滴を含む冷却用空気の流れを当てるようにした構造も
知られている（特開昭５５−６０６１８＠公報）。

しかしながら、実開昭６１−２１８１４号公報、実開昭
６１−１３４５１３号公報に示された構造では、排気マ
ニホルド外周に形成されたつＡ−タジャケット内に冷却
水を充満さける構造になっているので、水の介在により
排気マニホルドの熱容量が増し、機関の暖機性が悪化す
るという問題がある。また、上記のような水冷ｍ造の場
合、排気マニホルドで吸収した熱量をエンジン冷却水用
ラジェータで大気へｈ′１出する必要があり、ラジェー
タの大型化が必要になるという問題もある。

また、実開昭５６−１３８１１３号公報に示された構造
は、排気マニホルドを対象とするものではないが、この
ようなＩＭ造を仮に排気マニホルド外周のウォータジャ
ケットに適用したとしても、単に水シヤワーをかｃノる
だけであるので、ウォータジャケラ１〜内に均一（こ水
シヤワーがゆきわたらず、したがって排気マニホルドか
均一に冷却されないという問題がある。高温の排気マニ
ホルドが不均一に冷却されると、却って排気マニホルド
の熱歪を助長することにもなりかねない。

上記のような問題を解消するために、先に本出願人によ
り、排気マニホルド外周周囲に形成されたつＡ−タジャ
ク”ット内に水噴射手段からの噴霧状の水を導入し、該
水噴霧の気化潜熱を利用することにより、排気マニホル
ド部の熱容量をとくに増大さＵることなく、排気マニホ
ルド外周の１りＡ−タジャケット内に水噴霧を均一にゆ
きわたらせ、排気マニホルドを均一にかつ効率よく冷却
するようにした装置が提案されている。とくに、過給空
気の一部をつ４−タジャケットに導入し、その流れにの
せて水噴霧を導入することにより、噴霧をつＡ−タジャ
ケッ１−内に均一に分散させることができ、一層均一な
冷却が可能となる。

［発明が解決しようとする問題点］ 本発明は、上記光に本出願人により提案された排気マニ
ホルド冷却装置の改良に係るものであり、排気マニホル
ドの冷却度合を、その時の実際のエンジンの状態に応じ
て最適化可能にすることを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ この目的に沿う本発明のυ１気マニホルド冷却装置は、
排気マニホルドの周囲に形成されたウォータジャケット
と、該ウォータジャケット内に向けて噴霧状の水を噴射
可能な水噴射手段とを有する排気マニホルド冷却装置を
備えたエンジンにおいて、該エンジンの排気系、たとえ
ば排気マニホルドおよび排気系に設りられた触媒直後の
位置に排気温センサを設（プ、上記水噴射手段からの水
噴射量を、排気温センサからの信号に基づいて制御装置
を介して制′＃Ｊ覆るようにしたものから成る。

ここで、水噴射手段は、たとえば水噴射ノズル、あるい
は過給空気の一部をつＡ−タジャケットに導入し、該過
給空気導入通路にベンチュリを設りて該ベンヂュリ部に
水タンクから水を吸引させ、該水供給路に電磁弁又は流
量制御弁を設りたものからなる。

水噴射手段が水噴射ノズルである場合には、水噴ＤＡ量
の制御は、連続噴射、断続噴射、停止のいずれかに制御
することにより行なわれる。

し作　用］ このような排気マニホルド冷却装置においては、噴霧状
の水が排気マニホルド周囲のウォータジャクツＩ・内に
導入され、つを−タジャケツ１〜内に均一に分散されて
、主として水噴霧が排気マニホルドの熱により気化され
る際の気化潜熱により高温の排気マニホルドが効率よく
冷却されるが、その時の実際の排気ガス湿がυ１気温セ
ンサにより検出されることにより実際のエンジンの状態
Ｊ３よび触媒活性化状態が正確に検出され、それに基づ
いて水噴射量が最適量になるように制御される。したが
って、排気マニホルドは実際のエンジンの状態に応じて
最適な温度に保たれるように冷却される。

その結果、排気マニホルド温か最適化され、排気ガス温
最適化により、触媒の活性最適化゛による排気エミッシ
ョン向上、あるいは燃費の向上、また、過熱防止、急冷
防止による排気マニホルドの耐久性、信頼性向上、さら
には暖機性の確保等が効率よく達成される。

［実施例］ 以下に、本発明の望ましい実施例を図面を参照して説明
する。

第１実施例 第１図は、本発明の第１実施例に係る排気マニホルドの
冷却装置を示している。図において、１はエンジン、２
はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４は吸気ポ
ート５へと接続される吸気マニホルド、６は排気ボート
７から接続される排気マニホルドを、それぞれ示してい
る。排気マニホルド６には、過給機８が取付けられてお
り、そのタービン９に排気ガスが導入され、エアフロー
メータ１０．吸入ダクト１１を介して吸入された空気が
、コンプレッｇ１２で圧縮される。圧縮された空気は、
過給空気として、吸気ダクト１３を介してインタクーラ
１４に送られ、インタクーラ１４から吸気ダクト１５を
介して吸気系へと送られる。１６はスロッ］・ルバルブ
を示している。

ここまでは通常の過給機イ」エンジンと同じ構造である
が、本発明においては次のような機構が設ｃノられる。

排気マニホルド６の外周には、その略全域にわたる、つ
Ａ−タジャケット１１が設けられている。

つΔ−タジャケット１７は、排気マニホルド６を二Φ管
構造とすることにより形成されている。このウォータジ
ャケット１７と吸気ダクト１５との間には、両者を連通
可能に接続する過給空気導入通路１８が設けられており
、過給空気導入通路１８を通して過給空気の一部を導入
できるようになっている。過給空気導入通路１８の吸気
ダクト１５への接続部には、過給空気導入通路１８側か
ら吸気ダクト１５側への空気の逆流を防止１°る逆止弁
１９か設置プられている。

過給空気導入通路１８のつを一タジ（・ケラ１−１フ人
口近傍には、つＡ−タジャケッ１−１１内に向Ｇ）で噴
霧状の水を噴１）Ｊ’ｊる水噴射ノズル２０が設けられ
ている。この水噴射ノズル２０は、制御装置゛としての
ＥＣ１Ｊ２１に接続されてＥＣ１Ｊ２１からの信号に基
づいて作動される。この水噴射ノズル２０は、基本的に
はＥＦＩ制御における燃料噴射ノズルと同様の構成、機
能を有し、ウォータジャケット１７人口部に向けて水を
、制御された口だｃノ噴射する。

ウォータジャウ゛ツ１〜１７の下部には、つＡ−タジャ
ケット１７から過給空気とともに水を排出する排出路と
してのドレンパイプ２２が接続されている。

ドレンパイプ２２には、冷却フィン２３が設けられ、空
冷にてウォータジャケット１７からの水噴霧を凝縮させ
るようになっている。ドレンパイプ２２の下端はドレン
タンク２４に接続され、ドレンタンク２４の上部空間で
ドレンパイプ２２からの気水が分離され、下部に水が溜
められるようになっている。ドレンタンク２４はポンプ
２５に接続され、ポンプ２５によりドレンタンク２４内
の水を水リターンパイプ２６を介して再び水噴射ノズル
２０へと循環させるようになっている。また、２７はバ
ッフルプレート、２８は気水分離フィルタを示しており
、水切りされた過給空気が、リターンパイプ２９を介し
て過給機８のコンプレッ１ノ１２の上流側へと戻される
ようになっている。。

各排気マニホルド６は、排気マニホルド集合部３０で集
合され、排気管３１へと接続されている。排気管３１の
途中あるいは排気マニホルド集合部３０の直後の位置に
は、触媒コンバータ３２が設けられており、該触媒コン
バータ３２内に排気ガス浄化用の触媒（図示路）が収容
されている。

排気マニホルド集合部３０には、排気マニホルド集合部
３０自体または内部を通過する排気ガスの温度を検出す
る排気温セン°す３３（たとえばリーミスタ）が設けら
れており、触媒直後の位置にも排気温セン°す・３４（
たとえばリーミスタ）が設けられている。これら排気温
セン４Ｊ３３．３４からの検出信号がＥＣＵ２１に送ら
れる。ＥＣＵ２１では、第２図に示すように、上記排気
温セン４Ｊ３３．３４からの信号がコンパレータ（比較
器）３５．３６にそれぞれ入力され、各コンパレータ３
５．３６で予め設定されている温度と比較される。コン
パレータ３５では゛、比較用の設定温度はたとえば８５
０　’Ｃとされ、コンパレ−タ３６ではたとえば８００
°Ｃとされる。コンパレータ３５．３６からの信号は、
ＯＲ回路３７に入力され、排気温センサ３３．３４のい
ずれか一方又は両方の信号が上記設定値以上になったと
き、ＯＲ回路３７ｈ１らＣＰ　Ｕ　３８に排気温上昇信
号が発せられるようになっている。ＣＰ　ｔＪ　３８か
ら、適当な信号処理の回路を介して、水噴射ノズル２０
に作動制御信号が送られる。また、本実施例では、ＥＣ
ＬＩ２１には、フューエルカット信号３９も入力されて
おり、その入力信号３９に基づいても水噴射ノズル２０
の作動が制御できるようになっている。

上記のよう（ｍ成された実施例装置においては水噴射ノ
ズル２０から噴射された水は、過給空気導入通路１８か
ら導入されてくる過給空気の流れにのり、噴霧状となっ
て、ウォータジャケット１７内に均一に分散する。そし
て、その気化潜熱により排気マニホルド６の熱を効率よ
く奪い、ドレンパイプ２２で冷却されて凝縮し、ドレン
タンク２４に溜められる。溜められた水は再び水噴射噴
射ノズル２０へと送られ、気水分離された過給空気はコ
ンプレッサ１２上流側に戻される。

このような系において、水噴射ノズル２０からの水噴射
量はエンジンの状態に応じて次のように制御される。

第３図にＥＣＵ２１におｔＪる制御を示すように、まず
、ステップ１０１において、排気温センサ３３．３４か
らの信号に基づき、排気温か設定値よりも上昇したか否
かを判別する。排気温か、排気温セン１Ｊ３３．３４の
いずれにおいても設定値以下の場合、暖機が十分に行わ
れておらず、かつ触媒も十分な活性化温度にまで達して
いないのであるから、八に進み、水噴射ノズル２０の駆
動は停止される。このとき、水噴射ノズル２０の噴射パ
ルスは、第４図に示すように停止状態になる。

いずれかの排気温か設定値以上になったとき、あるいは
両方が設定値以上のとぎ、ステップ１０２へ進み、フュ
ーエルカット中か否かを判別覆る。

ステップ１０２ではフューエルカッ１〜中か否かを判別
し、フューエルカット中であれば、Ｂへ進み、第５図に
示すように数回の断続噴射後停止とし、排気マニホルド
温低下によるフューエルカット復帰時の排気温低下を防
止する。次にフューエルカット中でない場合、Ｃへ進み
、第６図に示すように、数回断続噴射された後連続噴射
される。これにより、急激に連続噴射する場合に比べ、
連続噴射による急冷（起因する排気マニホルドの割れ、
ひずみ（サーマルショック）が防止される。なお、断続
噴射にお【プるＯＮ、ＯＦＦの時間設定は適合により決
定する。

このように、本考案装置では、実際に検出した排気温に
阜づいて、水噴射ノズル２０からの水噴射量が制御され
るので、そのときの実際のエンジン状態に対応して、正
確に所望通りの排気マニホルド６の冷却が行われる。

第２実施例 次に、第７図に本発明の第２実施例を示す。本実施例に
おいては、水噴射ノズルは設（プられず、過給空気導入
通路１８の途中にベンチュリ４１が設けられている。そ
して、このベンチュリ旧の最小径部に、水タンク４２か
らの水を噴射可能に水供給管４３が開口されている。水
供給管４３には、電磁弁（遮断弁）４４が介装されてお
り、水タンク４２から水供給管４３を介してベンヂュリ
部旧へと吸引されていく水を遮断できるようになってい
る。この電磁弁４４は、遮断とともに水の流量の調整も
可能な流量調整弁であってもよい。４５は、ベンチュリ
４１上流側の圧力と水タンク４２内の圧力をバランスさ
せるバランスパイプである。また、本実施例では、ドレ
ンパイプ４６にはクーランコンプレッ４７４７から冷媒
を導く熱交換パイプ４８が巻かれており、ドレンパイプ
４６内を通過する水蒸気を凝縮可能に構成されている。

このような構成を有する実施例装置にあっても、電磁弁
４４の制御を、各排気温センサからの検出信号に基づき
、ＥＣＬＪ２１によりエンジンの実際の条件に応じて行
うことにより、第１実施例と基本的には同じように水噴
ＤＡｍの制御を正確に行うことが可能である。なお、上
述の如く、電磁弁４４の代りに流量制御弁とし、水噴射
を第１実施例の如くパルス状ではなく、連続的に行わせ
、その流量を制御するようにづることも可能である。そ
の他の構成、作用は第１実施例に準じるので、第７図の
第１図と対応する部位に、第１図と同一の符号をイ」１
ことにより説明を省略する。

［Ｒ明の効果１ 以上説明したように、本発明の排気マニホルド冷却装置
によるとぎは、排気マニホルド外周に形成したつ号−タ
ジャウッド内に向けて水噴射を行うに際し、その噴！）
Ｊｆｆｌを、排気温センサからの検出信号に基づき実際
のエンジンの状態を把握して、正確に最適な量に制御で
きるようにしたので、排気マニホルド塩を実際のエンジ
ンの状態に応じて最適値に制御することが可能になり、
ＯＴ増増域域お（プる燃費の向上、排気エミッションの
向上、排気マニホルド過熱防止、急冷防止によるυ１気
マニホルド耐久性、信頼性の向上を一層確実にはかるこ
とができる。

また、暖機中の排気マニホルドの温度低下ににるエミッ
ション悪化の防止、フューエルカッ］・時の排気マニホ
ルドの温度低下防止をはかることも可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例に係る排気マニホルド冷却
装置の全体構成図、 第２図は第１図の装置にお【プる水噴射制御のブロック
図、 第３図は第１図の装置のＥＣＬＩにおける制御フロー図
、 第４図ないし第６図は第１図の水噴射ノズルの各制御１
パターンを示す噴射パルスと時間との関係図、 第７図は本発明の第２実施例に係る排気マニホルド冷却
装置の全体構成図、 である。 １・・・・・・・・・・・・エンジン ２・・・・・・・・・・・・シリンダブロック３・・・
・・・・・・・・・シリンダヘッド４・・・・・・・・
・・・・吸気マニホルド６・・・・・・・・・・・・排
気マニホルド８・・・・・・・・・・・・過給機 ９・・・・・・・・・・・・タービン １０・・・・・・・・・・・・エアフローメータ１１・
・・・・・・・・・・・吸入ダクト１２・・・・・・・
・・・・・コンプレッサ１４・・・・・・・・・・・・
インタクーラ１５・・・・・・・・・・・・吸気ダク１
−１７・・・・・・・・・・・・つＡ−タジャケット１
８・・・・・・・・・・・・過給空気導入通路１９・・
・・・・・・・・・・逆１弁 ２０・・・・・・・・・・・・水噴射ノズル２１・・・
・・・・・・・・・ＥＣｔＪ２２．４６・・・・・・ド
レンパイプ ２３・・・・・・・・・・・・冷却フィン２４・・・・
・・・・・・・・ドレンタンク２５・・・・・・・・・
・・・ポンプ ２Ｇ・・・・・・・・・・・・水リターンパイプ２７・
・・・・・・・・・・・バッフルプレート２８・・・・
・・・・・・・・フィルタ２９・・・・・・・・・・・
・リターンパイプ３０・・・・・・・・・・・・排気マ
ニホルド集合部３１・・・・・・・・・・・・排気管 ３２・・・・・・・・・・・・触媒コンバータ３３．３
４・・・・・・排気温セン１ノ３５．３６・・・・・・
コンパレータ ３７・・・・・・・・・・・・ＯＲ回路３８・・・・・
・・・・・・・ＣＰＵ ３９・・・・・・・・・・・・フューエルカット信号４
１・・・・・・・・・・・・ベンチュリ４２・・・・・
・・・・・・・水タンク４３・・・・・・・・・・・・
水供給管４４・・・・・・・・・・・・電磁弁 ４５・・・・・・・・・・・・バランスパイプ４７・・
・・・・・・・・・・クーランコブレツリ４８・・・・
・・・・・・・・熱交換パイプ特　許　出　願　人　　
トヨタ自動屯株式会社第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）排気マニホルドの周囲に形成されたウォータジャ
   ケットと、該ウォータジャケット内に向けて噴霧状の水
   を噴射可能な水噴射手段とを有する排気マニホルド冷却
   装置を備えたエンジンにおいて、該エンジンの排気系に
   排気温センサを設け、前記水噴射手段を、前記排気温セ
   ンサからの信号に基づいて前記水噴射手段による水噴射
   量を制御する制御装置に接続したことを特徴とする排気
   マニホルド冷却装置。