JP2004285952A - エンジン冷却装置 - Google Patents

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Tomoki Nishino
知樹 西野
Nobuaki Murakami
信明 村上
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Abstract

【課題】エンジン冷却能力の強化を図れる上に、エンジン駆動損失の増加を抑制でき、装着が容易化されるエンジン冷却装置を提供することにある。
【解決手段】エンジン本体2内の燃焼室対向壁20に沿って形成された冷却水路Rcに冷却水を循環させることでエンジン本体2を冷却するエンジン冷却装置において、冷却水路を形成する周壁fa、fbに超音波加振装置17を取り付け、同超音波加振装置17をエンジン運転域(駆動域マップm1)に応じて選択駆動するコントローラ29を設けたことを特徴とする。
【選択図】 図1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジン冷却装置に関し、特に、エンジン本体内の冷却水路に冷却水を循環させることでエンジン本体を冷却するエンジン冷却装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
エンジンはそのエンジン本体内にウォーターポンプ駆動の冷却水循環経路を設け、この冷却水循環経路の冷却水がエンジン本体内の熱を受け取り、ラジエータに達した際に外気に放熱するという冷却サイクルを行なえるようになっている。
【0003】
従来、エンジン冷却装置でエンジン冷却能力の強弱を変える場合、冷却水の流量を増減調整することで行なっているが、これは冷却水流量を増加すると、燃焼室対向壁と冷却水との間の熱伝達率γが向上するためである。
【0004】
このように冷却水流量の増減調整はウォーターポンプのポンプ容量の増減調整により比較的容易に成されている。
なお、実開平4−123348号公報(特許文献1)に開示のエンジン冷却装置では、ピストン上壁面を内壁側よりオイル冷却するにあたり、超音波振動子を駆動してオイル冷却特性を向上させるという技術が開示される。
【0005】
【特許文献1】
実開平4−123348号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、冷却水循環経路を形成する内壁面f0の熱伝達率γは、図7に示すように、流速vの約0、8乗(γ∝v )の関係にある。このため、流速vを増大しつづけても得られる冷却能力は頭打ちとなる。
更に、ポンプ容量の増減調整はウォーターポンプの大型化を招くことより、ポンプスペース確保に問題を生じ、しかも、ポンプ駆動損失の増加を招くことより、ポンプ容量の増調整には限度がある。
【0007】
また、特許文献1の技術はピストン部分のオイル冷却特性を改善するもので、エンジン本体の冷却に使用されるものではなく、エンジン冷却能力の強化を図れるものとはなっていない。
そこで、冷却水流量の増減調整に代えて、エンジン冷却能力の強化を図れ、装着が容易化され、エンジン駆動損失の増加を抑制できるエンジン冷却装置が望まれている。
【0008】
本発明は上述の課題に基づき、エンジン冷却能力の強化を図れる上に、エンジン駆動損失の増加を抑制でき、装着が容易化されるエンジン冷却装置を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、請求項1の発明では、エンジン本体内の燃焼室対向壁に沿って形成された冷却水路に冷却水を循環させることで上記エンジン本体を冷却するエンジン冷却装置において、上記冷却水路を形成する周壁に超音波加振装置を取り付け、同超音波加振装置をエンジン運転域に応じて選択駆動する制御手段を設けたことを特徴とする。
【0010】
このように、エンジン運転域の内、冷却能力の強化を必要とする運転域でのみ超音波加振装置を駆動するので、エンジン出力ロスを低減でき、しかも、冷却能力の強化を必要とする運転域でウォーターポンプの大型化による流量増を図ることなく冷却能力の強化を図れる。更に、超音波加振装置を連続駆動しないので、同装置の耐久性を確保できる。
好ましくは、制御手段は暖気完了前は上記超音波加振装置の駆動を停止させるように制御してもよい。この場合、暖気完了前の超音波加振装置の無駄な駆動を排除でき、エンジン出力ロスを低減できる。
【0011】
請求項2の発明は、請求項1記載のエンジン冷却装置において、上記制御手段は高負荷運転域で上記超音波加振装置を駆動することを特徴とする。
エンジン発熱量の多い高負荷運転域で冷却能力の強化を図れ、他の運転域では停止するので、エンジン出力を有効利用でき、ロスを低減できる。
【0012】
請求項3の発明は、請求項1又は2記載のエンジン冷却装置において、上記超音波加振装置は上記冷却水路の鋳造用の中子支え穴を取付穴としたことを特徴とする。
鋳造用の中子支え穴を取付穴として超音波加振装置を取付けるので、エンジンへの超音波加振装置の組込みを容易化でき、装置組込みコストを低減でき、しかも、冷却水路の比較的広い範囲の冷却水に超音波照射を行なえる。
【0013】
【発明の実施の形態】
図1乃至図3には本発明の一実施形態としてのエンジン冷却装置を示した。このエンジン冷却装置Aは図示しない自動車に搭載された水冷式のエンジン1に設けられている。エンジン1はその本体2内部に上下ウォータジャケット3L、3H(図3参照)を形成し、エンジン本体2の外側の近傍にラジエータ4を配し、ラジエータ4を冷却循環経路により連結している。ここでの冷却循環経路は定常運転時に冷却水が流動する主循環路C1と暖機時に冷却水が流動する暖気循環路C2とから成り、両循環路はサーモスタット14で切換えできる。
【0014】
主循環路C1に配備されるラジエータ4は不図示の車体前壁に支持され、前方から後方に向かう冷却風wcを受け、しかも、不図示のファン駆動回路を介して適時に駆動されるファンの冷却風wcfを受けることで、冷却水を冷却するように形成される。なお、主循環路C1には分岐されて並列状にヒータ循環路C3が接続される。このヒータ循環路C3はヒータ5の駆動時に冷却水を循環供給するように形成される。
【0015】
エンジン本体2は同本体2を成すシリンダブロック11及びシリンダヘッド12の内部に下ウォータジャケット3L、上ウォータジャケット3Hが形成される。エンジン本体2は、エンジン長手方向X(図1、図3(b)で紙面左右方向)の一端側(紙面右側)のシリンダブロック11の右側壁f1に冷却水の流入口6が形成され、ここにウォーターポンプ8から冷却水が流入される。一方、シリンダヘッド12には後側壁fr(図1の紙面上側)上で他端側(紙面左側)の左側壁fbに接近する位置に冷却水の流出口7が形成され、ここよりサーモスタット14に冷却水が流出される。
【0016】
図1、図3(a)、(b)に示すように、シリンダブロック11は、エンジン長手方向Xに直列配置される複数気筒を備え、その外周左右面に沿って概略直状に冷却水を流動させる下ウォータジャケット3Lを形成され、しかも、シリンダブロック11の上壁には全域にわたり、上向きの連通穴10が複数箇所に形成される。
【0017】
シリンダブロック11の側壁f1にはウォーターポンプ8が一体的に装着され、同ウォーターポンプ8は主循環路C1及び暖気循環路C2から冷却水を吸い込み、流入口6より冷却通路を成す下ウォータジャケット3Lに向け流入させる。なお、ウォーターポンプ8は不図示のクランク軸の回転をベルト式回転伝達系を介して受けて駆動する。
【0018】
シリンダヘッド12はシリンダブロック11の上壁に重合される低壁20(図3(a)、(b)参照)と、その周縁より上方に延出する左右側壁fb、fa及び前後側壁ff、fb(周側壁)と、低壁20の上側に所定間隔を保って対向して形成される上壁30とを備える。ここで低壁20は各気筒の燃焼室cの上部を成し、燃焼室対向壁として機能する。
【0019】
なお、周側壁(fb、fa、ff、fb)の上端縁にはヘッドカバー15(図3(b)参照)が重合され、ボルト止めされ、これにより上壁30との間に不図示の動弁系を収容する室16が形成される。更に、シリンダヘッド12の左右側壁fb、faの略中央位置に後述の超音波加振装置17がそれぞれ取付けられる。ここで、図3(a)、(b)、図5に示すように、低壁20、上壁30及び周側壁の下側部分との間にエンジン長手方向Xに沿って略直状に連続して冷却通路を成す上ウォータジャケット3Hが形成される。
【0020】
図2に示すように、上ウォータジャケット3H内には複数気筒の各湾曲筒状の吸気ポートpi、各湾曲筒状の排気ポートpe及び直筒状のプラグカバーpkがエンジン長手方向Xに沿って順次突出し形成される。このため、複数の連通穴10を通して下ウォータジャケット3Lより上ウォータジャケット3Hに流入した冷却水は、エンジン長手方向Xに沿った中央路Rcと、左右の吸排気ポートpi、peの下側空間を連続して結ぶ左右側路Rsと、これら両路を結ぶ複数の枝路Rdとからなる冷却水路を流動し、その上で後側壁frの流出口7に達することとなる。
【0021】
図1に示すように、流出口7はサーモスタット14の入口141に連通するよう形成される。
サーモスタット14は主循環路C1に連通する第1出口142、暖気循環路C2に連通する第2出口143を備え、その切換えを不図示の感温アクチュエータに駆動される切換え弁140で行なう。
【0022】
即ち、入口141の内部に設けた不図示の感温アクチュエータは冷却水の温度が所定暖気水温値Twh(例えば、80℃)以下であると、入口141を暖気循環路C2と連通する第2出口143に、所定暖気水温値Twhを上回ると主循環路C1と連通する第1出口142に連通するように切換え弁140を駆動する。
図3に示すように、シリンダヘッド12はその左右側壁fb、faの各中央位置の取付穴hに超音波加振装置17を装着する。
【0023】
ここで取付穴hはシリンダヘッド12の鋳造時に上ウォータジャケット3Hの鋳造用中子の中子支え穴として用いられていたものをそのまま利用する。
即ち、中子支え穴は本来鋳造後にはめくら蓋(不図示)により密閉処理されており、不使用状態にあったが、ここでは、この中子支え穴を超音波加振装置17を装着するための取付穴hとして転用する。このため、別途、取付穴hを加工する必要が無い。
【0024】
特に、各取付穴hは上ウォータジャケット3Hのエンジン長手方向Xに沿った中央路Rcのほぼ全域に直接対向する位置にあり、超音波加振装置17が発生する超音波wbを比較的広い範囲の冷却水に照射する上で最適な位置にある。このような鋳造用の中子支え穴を取付穴hとして超音波加振装置17を取付けるので、エンジンへの超音波加振装置の組込みを容易化でき、装置組込みコストを低減でき、しかも、冷却水路の比較的広い範囲の冷却水に超音波照射を行なえる。
【0025】
ここで超音波加振装置17は、超音波、例えば、25KHZから45KHZ程度の超音波wbの照射により、冷却水路の冷却水を加振して、冷却水路を形成する内壁の壁面近傍の流体層に乱流を生じさせる。これにより、内壁面よりその近傍の流体に対する伝熱特性を強化でき、冷却水への放熱特性を改善できる。
超音波加振装置17は超音波駆動回路18を介して制御手段としてのコントローラ29に接続される。コントローラ29は、同超音波加振装置17をエンジン運転域に応じて選択駆動するもので、ここでは図4の駆動域マップm1に沿って駆動、駆動停止の切換え制御を行なう。
【0026】
駆動域マップm1はエンジンの運転域を高負荷運転域e1と低負荷運転域e2とに区分けしており、高負荷運転域e1ではエンジンの発熱量が急増し、エンジン本体の冷却を強化する必要性が高いことより、この運転域で超音波加振装置17を駆動させ、低負荷運転域e2では超音波加振装置17を停止させるという制御特性を設定する。このような制御をすることでエンジン発熱量の多い高負荷運転域e1で冷却能力の強化を図れ、他の運転域では停止するので、エンジン出力を有効利用でき、エンジン出力ロスを低減できる。しかも、車両用のエンジンの場合、出力変動が頻繁に発生することが多いため、超音波加振装置17の駆動が断続的となり、超音波加振装置17が超音波照射駆動を連続することによる同装置の早期劣化を抑え、所定の耐久性を確保できる。
【0027】
コントローラ29はエンジン1のウォータジャケット3Hの冷却水温度Twを水温センサ31で検出し、更に、エンジン回転センサ32やアクセル開度センサ33により検出したエンジン回転数Neや負荷としてのアクセル開度θaを取り込み、最新値に書き換える。更に、コントローラ29はこれらの運転情報や図の駆動域マップm1に基づき、図6の超音波加振制御ルーチンに沿って、超音波加振装置17を選択的に駆動制御する。
【0028】
以下、図6の超音波加振制御ルーチンに沿ってエンジン冷却装置Aの駆動を説明する。
コントローラ29はステップs1で水温Tw、エンジン回転数Ne、アクセル開度θaを取り込み、ステップs2で現在の水温が暖気水温値Twh(たとえば80℃)を下回っていると、暖機促進時と判断し、サーモスタット14は主循環路C1を閉じ(第1出口142閉鎖)、暖気循環路C2を開く(第2出口143開放)運転域と見徴し、ここでの冷却強化処理はありえないため、ステップs3で超音波加振装置17のオフ処理を行ない、この回の制御を終了してリターンする。
【0029】
ここで、暖気中のウォーターポンプ8の回転による冷却水は暖気循環路C2に沿って循環するのみで、冷却水の放熱は抑制される。特に、暖気完了前の超音波加振装置17の無駄な駆動を排除するので、エンジン出力ロスを低減できる。 ステップs2で現在の水温が暖気水温値Twh(たとえば80℃)を上回る暖気完了後は、ステップs4に進む。ここではサーモスタット14は主循環路C1を開き(第1出口142開放)、暖気循環路C2を閉じ(第2出口143閉鎖)の運転域と見徴し、ステップs4に進む。
【0030】
ステップs4では現在の負荷情報であるアクセル開度θa及びエンジン回転数Ne相当の運転域が駆動域マップm1において低負荷域e2か、高負荷域e1か判断し、低負荷域e2ではステップs3に進んで超音波加振装置17のオフ処理を行ない、この回の制御を終了してリターンする。この暖気完了後の低負荷運転域e2でエンジン本体2は比較的熱量が低い状態にあり、ウォーターポンプ8により主循環路C1を循環する冷却水が十分に受け取ることができる比較的低レベルの発熱状態にある。このため、冷却水が両ウォータジャケット3L、3Hを循環する際に各順還流路内壁面から放熱されてくる熱量を受け取り、これをラジエータ4において放熱することで十分にエンジン本体2の冷却処理を達成できる。
【0031】
ステップs4で、現在の運転域が高負荷運転域e1と判断すると、ステップs5に進む。ここでは暖気完了後で、高負荷運転域e1であり、エンジン1の放熱量が比較的急増していると見做され、エンジン本体2の放熱を強化すべく、超音波加振装置17の駆動処理を行ない、この回の制御を終了してリターンする。 この暖気完了後の高負荷運転域e1ではエンジン本体2は比較的高レベルの発熱状態にあり、ウォーターポンプ8により主循環路C1を循環する冷却水が定常状態の流れにある場合に受け取ることができる所定熱量を上回る発熱状態にある。
【0032】
そこで、ここでは超音波加振装置17の駆動処理によって、高負荷運転時に最も高温化し易いシリンダヘッド12の上ウォータジャケット3Hの冷却水を加振して、特に、低壁20の内壁面近傍の冷却水を加振して、内壁面近傍の流体層に乱流を生じさせ、内壁面近傍の流体に対する伝熱特性を強化し、冷却水路の冷却水への放熱特性を大幅に高めることができる。このため、冷却水が上ウォータジャケット3Hを定常状態のまま循環する場合と比較し、同一流量にもかかわらず、冷却水が各順還流路内壁面から放熱されてくる熱量を受け取る熱量が上昇する。この結果、低負荷時と比べてより昇温した冷却水はラジエータ4に達した際に放熱処理される。このように超音波加振装置17の駆動処理によってエンジン冷却能力の強化を図れ、エンジン本体2の冷却処理は高負荷運転時において、ウォーターポンプの大型化による流量増を図ることなく、確実に達成することができる。
【0033】
このように、エンジン運転域の内、冷却能力の強化を必要とする高負荷運転域でのみ超音波加振装置17を駆動するので、エンジン出力ロスを低減でき、しかも、冷却能力の強化を必要とする高負荷運転域でウォーターポンプ8の大型化による流量増を図ることなく冷却能力の強化を図れる。更に、超音波加振装置17を連続駆動しないので、同装置の耐久性を確保できる。
【0034】
上述のところにおいて、超音波加振装置17はシリンダヘッドのエンジン長手方向Xの両端に装着されていたが、場合により一方端にのみ取付けてもよく、これらに加え、あるいは、これらに代えて、シリンダブロック11の下ウォータジャケット3Lと対向する不図示の鋳造用中子の中子支え穴として用いられていたものをそのまま利用し、そこに超音波加振装置17を装着し、同様の作用効果を得てもよい。
【0035】
更に、超音波加振装置17はその取付孔hを、シリンダヘッド鋳造用中子の中子支え穴として用いられていたものをそのまま利用したが、これに代えて、放熱特性を強化したい個所に対して超音波加振装置17を対向配備できるような最適個所に取付孔(不図示)を別途形成してもよい。この場合、より効率よく温度境界層を崩壊させることができ、冷却水路の冷却水への放熱特性を大幅に高めることができる。
【0036】
【発明の効果】
以上のように、本発明は、エンジン運転域の内、冷却能力の強化を必要とする運転域でのみ超音波加振装置を駆動するので、エンジン出力ロスを低減でき、しかも、冷却能力の強化を必要とする運転域でウォーターポンプの大型化による流量増を図ることなく冷却能力の強化を図れる。更に、超音波加振装置を連続駆動しないので、同装置の耐久性を確保できる。
【0037】
請求項2の発明は、エンジン発熱量の多い高負荷運転域で冷却能力の強化を図れ、他の運転域では停止するので、エンジン出力を有効利用でき、ロスを低減できる。
【0038】
請求項3の発明は、鋳造用の中子支え穴を取付穴として超音波加振装置を取付けるので、エンジンへの超音波加振装置の組込みを容易化でき、装置組込みコストを低減でき、しかも、冷却水路の比較的広い範囲の冷却水に超音波照射を行なえる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態としてのエンジン冷却装置が適用されたエンジンの概略平面図である。
【図2】図1のエンジンの部分切欠拡大断面図である。
【図3】図1のシリンダヘッドの平面視での冷却流路説明図である。
【図4】図1のシリンダヘッドの側面視での冷却流路の説明図である。
【図5】図1のエンジン冷却装置のコントローラで用いる駆動域マップの特性線図である。
【図6】図1の超音波加振制御ルーチンのフローチヤートである。
【図7】冷却水循環経路を形成する内壁面の熱伝達率−流速特性説明図である。
【符号の説明】
1 エンジン
17 超音波加振装置
20 低壁(燃焼室対向壁)
29 コントローラ
31 水温センサ
32 エンジン回転センサ
33 アクセル開度センサ
θa 負荷としてのアクセル開度
fa、fb 左右側壁(冷却水路を形成する周壁)
m1 駆動域マップ
C1 主循環路(冷却水循環経路)
C2 暖気循環路(冷却水循環経路)
Ne エンジン回転数
Rc 中央路
Rs 左右側路

Claims (3)

  1. エンジン本体内の燃焼室対向壁に沿って形成された冷却水路に冷却水を循環させることで上記エンジン本体を冷却するエンジン冷却装置において、
    上記冷却水路を形成する周壁に超音波加振装置を取り付け、同超音波加振装置をエンジン運転域に応じて選択駆動する制御手段を設けたことを特徴とするエンジン冷却装置。
  2. 請求項1記載のエンジン冷却装置において、
    上記制御手段は高負荷運転域で上記超音波加振装置を駆動することを特徴とするエンジン冷却装置。
  3. 請求項1又は2記載のエンジン冷却装置において、
    上記超音波加振装置は上記冷却水路の鋳造用の中子支え穴を取付穴としたことを特徴とするエンジン冷却装置。
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