JPS60164614A - 過給機付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】 （技術分野） この発明は、過給機付エンジンの沸騰冷却装置に関し、
詳しくは冷却液の沸騰気化潜熱を利用してエンジンの冷
却と吸気の冷却を行なうものである。

（先行技術） 冷却液をウォータジャケット内にて沸騰蒸発させ、その
気化潜熱によりエンジンの冷却を効率良く行なうように
した沸騰冷却装置が本出願人より提案されている（特願
昭５８−１４５４７０号等）。

これを第１図に基づいて説明すると、ｌはエンジン本体
、２はシリンダブロック３およびシリンダヘッド４にか
けて形成されたウォータジャケット、５はウォータジャ
ケット２の上部に所定の空間部を残して充填された冷却
液（冷媒）である。

この冷却液５は、エンジンの熱を吸収して所定の温度に
達すると沸騰し始め、気化潜熱全音いながら蒸発する。

そして、この蒸発冷却液（蒸気）はウォータジャケット
２の上部に接続する蒸気通路６を介して熱交換用のコン
デンサ７に導びかれる。

コンデンサ７には冷却風を送る冷却ファン（電動ファン
）８が取付けられ、その風量に応じて蒸発冷却液は外部
に放熱し冷却され、もとの液体に凝縮された後、ロワタ
ンク９に貯留される。

ウォータジャケット２には液面センサ１０が設置され、
冷却液５の蒸発に伴ない液面がある程度下がると、制御
回路１１によりウォータジャケット２のもどり通路（冷
媒通路）１２に介装した供給ポンプ１３が駆動される。

このポンプ１３により、ロワタンク９内の冷却液５を電
磁弁２５を介してウォータジャケット２へと循環するよ
うにして閉回路の冷却系を構成する。

また、制御回路１１は、冷却液温を検出する温度センサ
１４と、エンジン回転、アクセル開度、燃料供給量等を
検出する図示しない各センサがらの信号に基づいて、前
記冷却ファン８１に駆動制御し、エンジンの冷却温度全
運転条件に応じて最適値に設定する。つまり、冷却系内
は閉回路となっているため、系内の圧力を変化させるこ
とにより、冷却液の沸点を上下させることができる。

例えば、エンジンの発熱量が比較的少ない低負荷時には
、冷却ファン８の風ｉ１ヲ減らしてコンデンサ７での放
熱、凝縮をある程度抑制し、冷却系内の圧力上大気圧以
上に高めることにより、冷却液５の沸点を高める。これ
により、エンジンの冷却液温度を高めに維持して（例え
ば１２０℃）、冷却損失の軽減を図る。

これに対して、エンジンの発熱ｔが多い高負荷時には、
冷却ファン８の風量を増やしてコンデンサ７での放熱、
凝縮を促進し、すると系内の圧力が大気圧以下となり冷
却液５の沸点が下げられ、エンジンの冷却液温度を低め
に保ち（例えば９０℃）、良好な冷却状態全確保する。

冷却液５の沸騰気化潜熱は極めて大きく、また・蒸溌冷
却液によるコンデンサ７での放熱作用は十分に高いこと
から、少量の冷却液５でエンジンを効率良く冷却するこ
とができると共に、その冷却温度を運転条件に応じて応
答良□く制御することが可能であり、したがって優れた
冷却機能が得られるのである。

゛他方、このような装置では、エンジンを停止して冷却
液の温度が常温近くまで下がった場合、それまで蒸発し
ていた冷却液が液化して系内の圧力がかなり低下し、強
い負圧を生じかねない。

そのため、補助通路１５．１６および電磁弁１７．１８
を介してウォータジャケット２に接続する補助タンク１
９が設けられ、エンジン停止時に補助通路１５″４ｒ開
き、低下した系内圧力と大気圧との差圧を利用して補助
タンク１９に貯えた補填用の冷却液を、液面センサ２０
の検出レベルまで導入させる。

また、系内圧力の低下により外部からウォータジャケッ
ト２に空気が入り込んだ場合、これを排除するように、
前記蒸気通路６の上部に空気通路２１と電磁弁２２が設
けられ、例えばエンジン始動初期等に空気通路２１、補
助通路１６ｉ開くと共に供給ポンプ１３會駆動し、補助
タンク１９から冷却液を強制的に送り込んで余分の空気
を排出しつつ冷却液面′ｔ−所定のレベルに合わせる。

この空気は補助タンク１９の上部空気層に導ひかれ、フ
ィルタ２３１１−介して外部に排出される。

そして、この状態において、エンジンの始動により冷却
液の温度が上昇し所定の温度に達すると、冷却液は沸騰
、蒸発を開始するが、このとき液面センサ１０，２４の
検出レベルに応じて補助通路１５を開き、冷却液を大気
圧下で沸騰、蒸発させ、その蒸発圧力によって補填され
た分の冷却液を補助タンク１９へと押し戻す。

この場合、供給ポンプ１３は液面センサ１０に応じて駆
動され、ジャケット２内の液面全適正レベルに保つよう
にロワタンク９から冷却液を送り、ロワタンク９内の液
面が所定レベルに々ると停止される。

これによシ、蒸発圧力を大気圧に保ちながら、系内の冷
却液を適正量に復帰ならびに設定するのである。したが
って、系内に空気が入り込むようなことは防止され、コ
ンデンサ７での熱交換効率が良好に維持される。

このようにして、常に沸騰冷却の的確な冷却作用が得ら
れ、その高い冷却性能が維持式れると共に、前記冷却フ
ァン８の風量に応じて冷却液の沸点圧力を大気圧以下に
任意に下げることができ、前述したようにエンジンの高
負荷時等に冷却温度を１００℃以下（水を用いた場合）
に設定することが可能となっている。

なお、上記装置では、少量の冷却液でエンジンの冷却を
行なえるから、ウォータジャケット２はもちろん、コン
デ／す７、供給ポンプ１３等も小さくてすみ、冷却系の
小型化、軽量化を図れる。

また、エンジンの暖機時間を短縮することが可能になる
と共に、コンデンサ７での放熱効率が良好なことから、
冷却ファン８の駆動動力を低減でき、騒音ならびに燃費
の改善が図れるという利点がある。

ところで、内燃機関の高出力化全図るものとして、排気
ガスのエネルギによりタービンを駆動し、これと連動す
るコンプレッサにより機関に吸入される空気を過給する
タービ過給機等が知られている。

このような過給機では、自然吸気に比較して多量の空気
をシリンダ内に押し込むので、その分だけ燃料の増量が
可能となり、機関を大型什することなく出力を増大する
ことができるのである。

ところが、この過給機によって吸入空気を圧縮する際に
吸気温度が上昇し、これ會そのまま機関に供給する場合
には、空気密度の低下により実質的な吸気充填効率はそ
れほど高まらず、またガソリン機関では我見温度の上昇
に伴いノッキングが生じやすくなるという問題が派生し
、このため圧縮比を下げたり、点火時期を遅らせたりし
ていた。

そこで、このような問題を解消し、過給機のもつ優れた
機能音程つために、従来温度の上昇した吸入空気をシリ
ンダに吸入される前に冷却するようにしたインタクーラ
が実用化されている。

第２図は空冷式のインタクーラを示すもので（自動車工
学−Ｖｏｌ、　３２．Ａ９−Ｐ８６〜８８　昭和５８年
９月発行参照）、過給機２６で加圧された吸気は長い吸
気通路２７′に通って、車両２８の前端に設置されたク
ーラ本体２９に流入し、ここから再び吸気通路２７を通
って図示しない吸気マニホールドに接続するスロットル
チャン・マ３０へと送られる。

このクーラ本体２９は、エンジンのラジェータ（図示し
ない）と同じような構造で、車両２８の走行時に車両２
８の前方から流れ込む走行風により内部を通る吸気を冷
却する。

しかし、このような空冷式のインタクーラでは、クーラ
本体２９の設置場所の関係から吸気通路２７がかなり長
くなってしまい、また熱交換率が低いため大型のものが
必要となっている。

これに対して、第３図に示すものは水冷式のインタクー
ラで、クーラ本体３１Ｖｉ過給機２６とスロットルチャ
ンバ３２との間の吸気通路３３に介装され、ここでエン
ジン３４に過給される空気がクーラ本体３１内の冷却水
と熱交換し冷却される。

このクーラ本体３１もエンジンのラジェータとほぼ同様
の構造で、その冷却水は電動ポンプ３５により放熱器３
６に送られると共に、この放熱器３６に冷却ファン等か
ら送風され、放熱後の冷却水がクーラ本体３１に循環さ
れる。

このような水冷式のインタクーラにあっては、吸気通路
３３がそれほど長くなることはなく、また水と空気との
熱交換であるので比較的良好な冷却効率が得られる。な
お、３７はサーモパルプである。

しかしながら、このような水冷式のインタクーラでは、
冷却水をかなシ多量に循環することが必要で、そのため
ポンプ３５の駆動動力が大きくなり、バッテリ岬の負担
が増加することは避けられ表い。

さらには、放熱器３６１１−備えるためコストの上昇を
招いてしまう。例えば、エンジンのラジェータで放熱器
３６を兼ね冷却水を共用すれば放熱器３６が不要となる
が、このようにするとエンジン側に合わせて冷却水温が
高くなり、したがって吸気との温度差が小さくなるので
、冷却効率が悪化してしまい、期待した性能を得ること
は難しい。

更にインタクーラを沸騰冷却としたものは、特開昭５６
−１４６４１７があるが、構造が複雑であり、きめ細か
な温度制御がなく、父系路内に空気が入った場合、著し
く冷却効率を損うものである。

（発明の目的） この発明は、過給機を備えたエンジンの冷却と吸気の冷
却會、冷媒の沸騰気化潜熱を利用して行なわせ、優れた
性能ｔ−Ｎする沸騰冷却装置１會提供することを目的と
している。

（発明の構成および作用） そのためにこの発明は、吸気を過給する過給機を備える
一方、前述したような沸騰冷却装置を備えたエンジンに
おいて、過給機下流の吸気通路に吸気を冷却するインタ
クーラ本体を介装し、このクーラ本体にコンデンサから
の液化冷媒を供給する圧送手段が設けられると共に、ク
ーラ本体からの冷媒蒸気をコンデンサの入口側に導く循
環通路が形成される。

エンジンウォータジャケット内で沸騰した冷媒蒸気はコ
ンデンサへと導入されると共に、インタクーラ本体でも
冷媒を沸騰させ、その蒸気が同じくコンデンサへと導入
される。そして、これらの冷媒蒸気はコンデンサで凝縮
後、ウォータジャケットおよびインタクーラ本体へと循
環される。

したがって、過給機からの加圧吸気をエンジンと同様、
冷媒の持つ大きな沸騰気化潜熱により効率良く冷却する
ことが可能となり、これにより装置を複雑にすることな
く優れた冷却機能、冷却性能が得られるのである６ （実施例） 第４図は本発明の実施例を示す構成断面図で。

ｌはエンジン本体、２はウォータジャケット、５は冷却
液（冷媒）、６は蒸気通路である。

また、７にコンデンサ、８は冷却ファン、９はロワタン
ク、１２は冷媒通路、１３は供給ポンプ。

１９に補助タンク、］　７．２２．３８は電磁弁。

１４は温度センサ、１０．２４は液面センサを示す。

これらの構成ならびに機能１作用は、はぼ前記第１図で
述べた通りで１Ｌその他の構成と同様。

第１図と実質的に同一の部分には同符号を付しである。

ただし、３８は三方向電磁弁である。

−万、３９．４０はエンジンの吸気通路と排気通路で、
吸気通路３９の速量に過給機２６の吸気コンプレッサが
介装され、排気通路４ｏに介装された排気タービンに連
動して吸入空気を圧送する。

そして、この吸気コンプレッサ下流の吸気通路３９に、
吸気コンプレッサからの加圧吸気を冷却するためのイン
タクーラ本体４１が介装される。

このインタクーラ本に４１ｔｊ、内側に第５図に示すよ
うに多数の空気管４２が配列され、この突気管４２がク
ーラ本体４１前後の吸気通路３９と接続される。

この空気管４２を除くクーラ本体４１の内部４３は、吸
気通路３９やクーラ本体４１外と隔成されており、上部
に所定の空間部を残して冷却液５が充填される（後述す
る）。

そして、このクーラ本体４１の上部に比較的径の大きい
循ＩＭ曲路４４が開口し、この循環１ｍ路４４の他端が
前記コンデンサ７０入口側に接続される。

他方、クーラ本体４１の下部に小径の供給通路４５が開
口し、この供給通路４５の他端がコンデンサ７の出口側
に接続すると共に、その途中に電動ポンプ４６が設置さ
れる。

供給通路４５は、この場合ロワタンク９のすぐ下流の冷
媒通路１２に接続される４、 電動ポンプ４６は、制御回路４７からの信号により駆動
制御され、制御回路４７は吸気コンプレッサとインタク
ーラ本体４１の間の吸気通路３９に設置した圧力センサ
４８からの過給圧検出値が所定値を越えたときに、電動
ポンプ４６を駆動する。

この場合、圧力センサ４８の代わりに温度センサを設置
し、吸気温度が所定値を越えたときに、電動ポンプ４６
を駆動するようにしても良い。

そして、この−万インタクーラ本体４１の側面上部に本
体４１内の冷却液面を一定レベルに保つオーバーフロー
通路４９が形成され、この通路４９の他端がロワタンク
９に接続される。

なお、制御回路４７は、第１図での制御回路１１０機能
も備えておシ、前述と同様、各アクチュエータ８，１３
．１７，２２．３８等の制御も行なう。

このように構成され、次に作用全説明する。

エンジン始動時には、ウォータジャケット２、蒸気通路
６、コンデンサ７、インタクーラ本体４１、循環通路４
４等、補助タンク１９からの冷却液５で満たされておシ
、この状態から余剰分の冷却液５はウォータジャケット
２内で沸騰し始めた冷却液５の蒸発圧力により、補助通
路１５を介して補助タンク１９へと戻される。

このとき、ウォータジャケット２内の冷却液５は、液面
センサ１０，２４の検出値に応じて駆動される供給ポン
プ１３により適正レベルに設置される一方、循環通路４
４およびインタクーラ本体４１内の冷却ｇ５は、オーバ
ーフロー通路４９からロワタンク９、ウォータジャケッ
ト２を介して排出され、これによりインタクーラ本体４
１内の冷却液５はオーバーフロー通路４９に対応した液
面レベルに設定される。

そして、この後ウォータジャケット２内で沸騰した冷却
ｇ５の蒸気は、エンジンから気化潜熱を奪いつつ蒸気通
路６からコンデンサ７へと流入し、ここで冷却ファン８
からの風量に応じて冷却凝縮された後、ロワタンク９に
貯留される。

この冷却液５の蒸発に伴い、ウォータジャケット２内の
液面がセンサ１０のレベルより下がると、供給ポンプ１
３が駆動され、ロワタンク９内の冷却液５がウォータジ
ャケット２へと循環される。

他方、エンジンの運転条件に応じて過給機２６が作動し
、過給機２６で加圧された高温の吸気がインタクーラ本
体４１奮通ると、その吸気からの熱でクーラ本体４１内
の冷却液５が加熱され、このとき所定の温度（ウォータ
ジャケット２内の冷却液温と同一温度）に達すると、冷
却液５は沸騰し始め、吸気から気化潜熱を奪いながら蒸
発を始める。

そして、この蒸気はクーラ本体４１の上部から循環通路
４４を介して、ウォータジャケット２からの蒸気と同様
コンデンサ７に流入し、ここで冷却凝縮された後、ロワ
タンク９に貯留される。

過給機２６からの吸気温度が高温となる条件では、過給
圧が高くガるため、圧力センサ４８の検出値に応じて供
給通路４５の電動ポンプ４６が駆動され、したがってロ
ワタンク９内の冷却液５はインタクーラ本体４１内にも
循環される。この場合、循環量が多いときには、オー・
９−フロー通路４９からロワタンク９へ戻され、クーラ
本体４１内の液面が一定レベルに保たれる。

このようにして、エンジンならびに吸気が、冷却液５の
持つ大きな沸騰気化潜熱により効率良く冷却されるので
ある。

ここで、過給機２６からの吸気温度が１５０℃（ｍａＸ
）、ウォータジャケット２内の冷却液５の沸点が１００
℃とすると、インタクーラ本体４１内の冷却液５が１０
０℃で沸騰するので、吸気温度との差は５０℃であるが
、沸騰による熱伝達は通常の熱伝達と比べて２７陪以上
の熱流束が得られることから、従来の水冷却の場合のよ
うに水温を下げ（例えば７０℃）、吸気との温度差ケ大
きくせずとも極めて高い熱交換性能が得られる。

この結果、冷却装置として優れた冷却性能が確保される
と共に、少量の冷却液５でも十分に吸気？冷却すること
が可能なため、電動ポンプ４６等の駆動動力を大幅に軽
減でき、さらにはコンデンサ７を共用することができる
ことから、装置が複維になることは力＜、高い冷却機能
を確保しつつコストの低減が図れるのである。

ところで、エンジンの運転条件に応じてウォータジャケ
ット２およびクーラ本体４１内の冷却液５の沸点を１０
０℃以下に下げるようにすれば、具体的には冷却ファン
８の風量を増加するのであるが、このようにすればよシ
高い冷却性能が得られる。

また、圧力センサ４８の代わりに温度センサを用い、吸
気温度に応じて電動ポンプ４６を駆動すれば、吸気温度
が所定値を越えることがなく、シたがって特にガソリン
エンジンの場合にノッキングを確実に回避することがで
きる。

なお、エンジン停止後、各部の温度が低下すると、ウォ
ータジャケット２内やインタクーラ本体４１内の圧力が
低下するが、このとき補助通路１５が開かれ、補助タン
ク１９から冷却液５が吸入される。したがって、エンジ
ン停止時に外部から空気等が侵入することは防止される
。

（発明の効果） 過給機を備えたエンジンの冷却と吸気の冷却とを冷′媒
の沸騰気化潜熱を利用して効率良く行なえると共に、コ
ンデンサを共用することが可能で、装置が複雑化するこ
となく優れた冷却性能、冷却機能が得られるという効果
がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は先願例の沸騰冷却装置の構成断面図、第２図、
第３図はそれぞれ従来のインタクーラの概略図と構成断
面図、第４図は本発明の実施例を示す構成断面図、第５
図はそのインタクーラ本体の横断面図である。 １・・・エンジン本体、２・・・ウォータジャケット、
６・・・蒸気通路、７・・コンデンサ、８・・・冷却フ
ァン、９・・・ロワタンク、１０・・・液面センサ、１
２・・冷媒通路、１３・・・供給ポンプ、１４・・・温
度センサ、１７・・・電磁弁、１９・・・補助タンク、
２４・・・液面センサ、２６・・・過給機、３８・・・
電磁弁、３９・・・吸気通路、４１・・・インタクーラ
本体、４４・・・循環通路、４５・・・供給通路、４６
・・・電動ポンプ、４７・・・制御回路、４８・・・圧
力センサ、４９・・・オーツクーフロー通路。 特許出願人　日産自動車株式会社 代理人　弁理士　後　藤　政　［゛ こ１−１１ 第１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　吸気を過給する過給ｔａｔ備える一方、大部分を
   液相冷媒で満たしたエンジンウォータジャケットと内部
   を気相状に保ったコンデンサとを、上部の冷媒蒸気金泥
   す蒸気通路とコンデンサからの液化冷媒を供給ポンプを
   介して戻す冷媒通路とで連通して冷媒か循環する閉回路
   を形成し、コンデンサに強制冷却風を供給する冷却ファ
   ンを設け、液相冷媒を貯留した補助タンクを弁手段を介
   して前記閉回路に接続したエンジンにおいて、過給機下
   流の吸気通路に吸気を冷却するインタクーラ本体を介装
   し、このクーラ本体に前記コンデンサからの液化冷媒音
   供給する圧送手段を設けると共に、クーラ本体からの冷
   媒蒸気をコンデンサの入口側に導く循環通路を形成した
   ことを特徴とする過給機付エンジンの沸騰冷却装置。 ２、上記圧送手段は、コンデンサの出口側とインタクー
   ラ本体とを接続する供給通路と、この通路に設置された
   電動ポンプとからなる特許請求の範囲第１項記載の過給
   機付エンジンの沸騰冷却装置。 ３、　上記電動ポンプは、過給機の過給圧もしくは吸気
   温度が所定値を越えたときに駆動されるようになってい
   る特許請求の範囲第２項記載の過給機付エンジンの沸騰
   冷却装置。 ４　上記インタクーラ本体は、本体内の冷媒液面を一定
   レベルに保つオーバーフロー通路會備える特許請求の範
   囲論１項〜第３項のいずれかに記載の過給機付エンジン
   の沸騰冷却装置。