JP4494576B2 - シリンダヘッドとエンジンブロックを冷却するための分離した冷却回路を有する内燃エンジン - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の冷却回路に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、比較的単純な構造でかつ安価な高効率の冷却回路を提供することにある。さらなる目的は、エンジン効率の向上、特に燃料消費と有害ガスの放出を減少させることにある。
【０００３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の内燃エンジンは、エンジンブロック（２）とシリンダヘッド（１）を備えた内燃エンジンであって、前記エンジンの冷却システムが、
回路をそれぞれ流れる第１及び第２の冷却液が互いに混ざることがないように完全に分離されているエンジンのシリンダヘッド（１）用の第１冷却回路（３）及びエンジンブロック（２）用の第２冷却回路（４）と、
前記第１回路（３）と前記第２冷却回路（４）を入出力とし、第１冷却回路と第２冷却回路を流れる冷却液の間で熱交換を行う液／液熱交換器（１０）を備えていることを特徴とする。
【０００４】
本発明の冷却システムにおいては、シリンダヘッドとエンジンブロックを冷却するための２つの回路は互いに分離しており、２つの回路の温度は完全に独立して維持されている。シリンダヘッドを冷却するための第１の冷却液とエンジンブロックを冷却するための第２の冷却液との温度は異なるので、エンジンブロックを循環する第２の冷却液はシリンダヘッド中を循環する第１の冷却液によって前記液／液熱交換器を介して冷却される。よって、熱交換器を通過する第２の冷却液又は第１の冷却液の流量を変化させることにより、エンジンブロックをきわめて容易に所望の温度に到達させることができる。
【０００５】
本発明においては、エンジンブロックを冷却する第２冷却回路内の第２の冷却液として高沸点液が用いられることが好ましい。すなわち、第２の冷却液が実質水よりも高い沸点温度を有することにより、エンジンブロックの温度を摂氏１００度以上（たとえば摂氏１４０度など）とすることができる。
【０００６】
この結果、エンジンブロックを冷却するための第２冷却回路を比較的小さくできるので、冷却回路内の冷却液量が少ない。また、冷却回路をエンジン外部へ余分な配管を必要とすることなく、保護された位置に密封し配置することができる。更なる効果は、事故などによりシリンダヘッドを冷却するためのラジエータのシステムが何等かのダメージを受けた場合でも、エンジンブロックの冷却回路には不都合を生じさせることがない。
【０００７】
本発明においては、第２の冷却液としてエンジン潤滑油を用いることが好ましい。この場合において、上述の第２冷却回路はエンジン潤滑油にあわせて変更される。冷却されたエンジンブロックと、エンジン潤滑油は熱交換器に送られ、ここでシリンダヘッド冷却用の第１冷却回路の第１の冷却液によって冷却され、その後エンジン潤滑油は冷却された後エンジンブロックとシリンダヘッドの潤滑回路に送られる。また、この実施形態においては、第２冷却回路中の第２の冷却液を循環させるためのポンプはエンジン潤滑回路のポンプと同じものを用いることが好ましい。そのポンプは内燃機関により駆動するものでもよいし、電気モーターにより駆動するものを協働させてもよい。
【０００８】
前記熱交換器はシリンダヘッドの第１冷却回路の導管中に設けられる。第１の冷却液の全流量がこの導管中に流れる。変形例として、第１の冷却液の一部のみが導管中を流れてもよい。
【０００９】
シリンダヘッド冷却用の第１冷却回路は、
−ラジエータと、
−シリンダヘッドからの第１の冷却液をラジエータに送る排出管と、
−ラジエータからシリンダヘッドへ第１の冷却液を帰還する帰還管と、
−ラジエータをバイパスするバイパス管と、
−ラジエータを通過する液量を調整する第１流量調整弁と、
−第１の冷却液を第１冷却回路内に循環させるためのポンプとを備える。
このポンプは内燃機関により駆動するものであってもよいし、協働する駆動調整可能な電気モーターを備えてもよい。また、自動車客室の暖房を施すため、前記バイパス管にラジエータを設けることもできる。
【００１０】
前記第１の冷却液の全量が熱交換器を通る場合において、この熱交換器は前記排出管中に配置される。一方、第１の冷却液の一部が熱交換器を通る場合においては、熱交換器は前記帰還管とは別の予備導管中に配置される。予備導管はシリンダヘッドと並列に配置され、第２流体調節弁を内部に備えている。
【００１１】
シリンダヘッド冷却用第１回路のラジエータを通る第１の冷却液の流量調整用の第１流体調整弁としては、従来用いられている熱調節のバルブもしくは比例電磁弁を用いてもよい。
【００１２】
第２の冷却液としてエンジン潤滑液を用いた場合の好ましい実施形態において、エンジンブロック冷却用の第２冷却回路はエンジンオイルパンからエンジン潤滑油を取り出し、エンジンブロックを冷却するための導管、エンジンブロックを冷却したエンジン潤滑油を熱交換器に送る導管、熱交換器からエンジンへエンジン潤滑油を戻す導管（ここでエンジン潤滑油はエンジンの潤滑回路中を流れ、最終的にオイルパンに戻される）とで構成される。
【００１３】
熱交換器からエンジンブロックへエンジン潤滑油を戻す導管中にはフィルターを設けてもよい。また、熱交換器からエンジンブロックへエンジン潤滑油を戻す導管と並行して、エンジン潤滑油の一部を熱交換器から直接エンジンオイルパンに戻すための流量調整弁を有するバイパス管を設けてもよい。
【００１４】
本発明において、エンジンはさらに好ましくは、冷却システムと協働する複数の電気デバイスを制御する電気制御ユニットを設けてもよい。電気デバイスとしては、流量調整比例電磁弁やポンプを駆動させる電気モーターやラジエータを補佐するファンなどが例示できる。これらには熱交換器の出口における第２の冷却液の温度センサーやエンジンブロックの金属ボディの温度センサーを含むエンジン操作パラメータの変化を検知するセンサーからの信号により制御される。
【００１５】
上記のすべての特徴によって、本発明におけるエンジンはシリンダヘッドとエンジンブロックを効率よく別々に冷却することができる。
【００１６】
エンジンブロックの冷却液としてエンジン潤滑油を用いた場合には、あらゆるエンジンの速度と負荷において、エンジン潤滑油の温度を維持することができる。特に、粘度を低く保つために、エンジン潤滑油の温度はいつも比較的高く維持される。このことは、潤滑部分の摩擦を小さくし、オイルポンプの出力が小さくてすみ、ひいてはエンジンの燃料消費量を少なく抑え、排ガス中の有害ガスの排出を低くすることができる効果を発揮する。エンジンブロックの高い操作温度はシリンダ壁の摩擦を小さくし、燃焼室の断熱性を向上させる。すなわち、より大きい熱量を機械的エネルギーに変換できるのである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の特徴と効果は、添付図面を参照して説明することでさらに明らかになる。本発明は実施例に限定されるものではない。
図１は本発明の冷却システムの第１実施形態を示している。
図２は本発明の好ましい第２実施形態を示している。
【００１８】
図１において、符号１、２はそれぞれシリンダヘッドと自動車の内燃エンジンのエンジンブロックを示している。エンジンの冷却システムにはシリンダヘッド１を冷却するための第１冷却回路３とエンジンブロック２を冷却するための第２冷却回路４を備えている。そして、それらは完全に互いに分離しており、それぞれに互いに混ざることのない第１の冷却液と第２の冷却液を有している。シリンダヘッド１用の第１冷却回路３は、従来用いられているラジエータ５、第１の冷却液をシリンダヘッド１からラジエータ５へ送るための排出管６、第１の冷却液をラジエータ５からシリンダヘッド１に戻す帰還管７、ラジエータ５並列に接続されたバイパス管８、ラジエータ５を通過する液量を調節する第１流量調整弁９から構成されている。第１冷却回路３の流量調整弁９には、従来用いられているような熱調節弁あるいは比例電磁弁が用いられる。
【００１９】
エンジンブロック２は、第１冷却回路３とは独立した小回路４を備えている。これは引用符号１０で示される従来から用いられているタイプの熱交換器を備えている。熱交換器１０はその管の残り一本をシリンダヘッド１冷却用の第１冷却回路３の排出管６中に配置される。エンジンブロック２冷却用の第２冷却回路４は、第２の冷却液をエンジンブロック２から熱交換器１０へ送るための排出管１１と、熱交換器１０からエンジンブロック２２流体を戻す帰還管１２を備えている。
【００２０】
第１冷却回路３の帰還管７には、第１の冷却液を循環させるためのポンプ１３が備えられており、ポンプ１３はあらゆる公知の内燃機関もしくは電気モーターによる補助を受けて循環させることができるものであればよい。
【００２１】
第２冷却回路４の帰還管１２中には、内燃機関あるいは電気モーターにより駆動する小さなポンプ１４が配置されている。さらに、熱交換器１０をバイパスするためにバイパス管１６が設けられている。そして、それにはたとえば比例電磁弁のような第２流量調整弁１５が備えられている。
【００２２】
既述のように、エンジンブロック２の冷却用の第２冷却回路４には比較的沸点の高い高沸点液体を利用する。このことによって、エンジンブロックの温度を摂氏１００度以上（たとえば摂氏１４０度など）とすることができ、エンジン効率の面から有利である。第１冷却回路３中の第１の冷却液は、内燃エンジンの冷却システムに従来用いられているあらゆる種類の液体を利用できる。
【００２３】
既述のように、互いに独立したシリンダヘッド１とエンジンブロック２のための冷却回路を採用することにより、ポンプ１４によりエンジンブロック２を流れる冷却液の量を変化させることによって、きわめて容易にエンジンブロック２を所望の温度とすることができる。この例ではポンプは電気的に駆動している。
【００２４】
図２に示す他の例について図２を参照して説明すると、第２の冷却液はエンジン潤滑油である。この目的は第２の冷却液を冷却する第１の冷却液の流量を調整することによって達成される。一方、図１の例では、エンジンブロック２を循環する冷却液は、シリンダヘッド１を循環する冷却液の全量によって小規模の安価な液／液熱交換器１０を介して冷却されている。本例では、エンジンブロック２の第２の冷却回路３は比較的小規模であり、用いられる冷却液の量は少ない。冷却回路３は封鎖され、エンジンに直接固定され、エンジン区画の保護位置に配置されている。したがって、故障あるいはラジエータの故障や通常冷却液の欠如を起こすようなショックに対しても、ラジエータ５に不都合となりにくい。この例によれば、高沸点冷却液の利用によって、事故により冷却液が欠如した場合に高いコストと入れ替えの必要といった大きな問題は劇的に減少する。
【００２５】
さらに非常にまれな場合であるが、冷却液が入れ替えられた場合に、従来のエンジンでは典型的なより低い値に冷却液の温度を維持するために、エンジンを制御するコントロールユニットが調整された後、これを（図１に示したような実施形態における）従来の冷却液に入れ替えることもできる。
【００２６】
また、既に示した通り、ポンプ１４はきわめて小さく設置が容易であり、安価である。また、電気ポンプの場合には自動車の電気システムの発電器の過充電を起こすことがない。
【００２７】
図２は、第２の冷却液がエンジン潤滑油である場合の好ましい実施形態を示している。本図においては、図１と共通する部分については同じ符号を付している。
【００２８】
上述の通り、図２に関連するこの解決手段の重要な相違点は、第２の冷却液、すなわちエンジン潤滑油が第１の冷却液の全フローの一部によってのみ冷却されている点にある。
【００２９】
ラジエータ５から送られてきた帰還管７の終端においては、第１の冷却液の一部を熱交換器１０に送り込むための導管２２が分離している。この第１の冷却液の一部は熱交換機中を流れ、導管２３を経由してバイパス管８を通ってシリンダヘッド１を通過することなく戻される。熱交換器１０を通過する第１の冷却液の量は流量調節弁２１によって調整される。流量調整弁２１は比例電磁弁などを用いてもよい。さらにバイパス管８においては、自動車の客室内を暖めるためのラジエータ３１が設けられている。
【００３０】
エンジンブロックを冷却する第２冷却回路４については、エンジンブロックの冷却のためエンジン潤滑油が通過する通路２５が設けられている。オイルパン２０から通路２５に送られるエンジン潤滑油は、エンジン潤滑回路のポンプ１４によって導管２４を経由してオイルパン２０から得られる。この例では、ポンプ１４はエンジンブロック冷却用の回路中のエンジン潤滑油を循環させるためにも用いられている。ポンプ１４は内燃機関により駆動している。なお、このポンプは電気モーターにより駆動するものを使用することもできる。エンジンブロックが冷却された後、エンジン潤滑油は導管１１を経由して熱交換器１０に到達する。その結果、導管２２からの第１の冷却液との熱交換によってエンジン潤滑油は冷却される。その後、潤滑油はフィルター１７を途中に有する導管１２を通過してエンジンブロックに戻る。潤滑油はそれからエンジン内の循環する通路２６を通って、シリンダヘッドを循環する回路へエンジン潤滑油を送る導管２７とエンジン潤滑油をシリンダヘッドからオイルパン２０へ戻す導管２８を備えたエンジン循環回路に送られる。
【００３１】
熱交換器１０からきたエンジン潤滑油の一部を直接オイルパン２０に戻すため、バイパス管１９は比例電磁弁のような流量調整弁１８によって制御される状態で供給されることが好ましい。
【００３２】
図２に示す好ましい実施形態において、電気制御ユニット４０は比例電磁弁２１、ラジエータ５を協働するためのファン２９の駆動に用いる電気モーター３０、第１の冷却液の供給のためのポンプ１３（このポンプは上述のように内燃機関によって直接駆動するタイプのものであってもよい）の駆動のための電気モーターの調整の操作を制御するために設けられている。制御ユニット４０は上述の装置をエンジンの操作パラメータ（たとえばエンジンの回転数を示す信号３３、外気温の信号３４、自動車のスピードの信号３５、エンジンブロックの金属本体の温度の信号３６、熱交換器１０の出口における潤滑油の温度信号３７、その他の操作パラメータ信号３８など）の変化を示す数値に基づいて制御する。第１流量調整弁９は、たとえば、温度が７０度以下であるときは閉塞するなど、既述のように従来から用いられている熱調整弁を用いてもよい。また、同様に電気制御ユニット４０によって電気的に制御される比例電磁弁などを用いてもよい。
【００３３】
【発明の効果】
既述のように、シリンダヘッドとエンジンブロックを冷却するための２つの独立した冷却回路を有し、互いに混ざり合わない２つの独立した冷却液により、第１の冷却液の一部又は全部をヘッドの冷却に用い、第２の冷却液をエンジンブロックの冷却に用いる本発明に基づく原理は明確に区別することができる。
【００３４】
既に述べたように、エンジンブロックのより高い操作温度を実現できることから、エンジンブロックを冷却する第２の冷却液は高沸点液体を用いることが好ましい。図２に示した好ましい実施形態では、この高沸点液体はエンジン潤滑油を用いており、エンジンのあらゆるスピード、負荷において潤滑油の温度を比較的高く維持できるという効果をさらに有する。このことで潤滑油の粘度が低くなり、摩擦が減少することよって、燃料消費が減少し、ひいては排気ガス中の有害ガスの現象につながる効果を有する。
【００３５】
発明の原理は同様であるとしても、本発明の範囲を離れることなく、構造の詳細と実施形態は開示した例の方法のものに関連して広く変化させることができることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の冷却システムの第１実施形態を示す図である。
【図２】 本発明の冷却システムの他の実施形態を示す図である。
【符号の説明】
１ シリンダヘッド
２ エンジンブロック
３ 第１冷却回路
４ 第２冷却回路
５ ラジエータ
６ 排出管
７ 帰還管
８ バイパス管
９ 第１流量調整弁
１０ 液熱交換器
１１ 排出管
１２ 帰還管
１３ ポンプ
１７ フィルター
２０ オイルパン
２１ 第２流量調整弁
３１ ラジエータ
４０ 電気制御ユニット

Claims (19)

1. エンジンブロック（２）とシリンダヘッド（１）とエンジンの冷却システムを備えた内燃エンジンであって、
   前記冷却システムは、
   第１及び第２の冷却液が互いに混ざることなくそれぞれ完全に分離されて流れるように構成された前記シリンダヘッド（１）用の第１冷却回路（３）及び前記エンジンブロック（２）用の第２冷却回路（４）と、前記第１冷却回路及び前記第２冷却回路内にそれぞれ流れる前記第１の冷却液と前記第２の冷却液間で熱交換を行う２流路構成の熱交換器（１０）と、を備え、
   前記第１冷却回路（３）は、
   ラジエータ（５）と、前記シリンダヘッド（１）からの第１の冷却液を前記ラジエータ（５）に送る排出管（６）と、第１の冷却液を前記ラジエータ（５）から前記シリンダヘッド（１）へ戻す帰還管（７）と、前記排出管（６）と前記帰還管（７）との間に、前記ラジエータ（５）と並列に接続されたバイパス管（８）と、前記排出管（６）を介して送られる第１の冷却液が前記ラジエータ（５）を通過する液量を調整する第１流量調整弁（９）と、前記帰還管（７）から流れる第１の冷却液を前記第１冷却回路（３）内に循環させるためのポンプ（１３）と、を備え、
   前記熱交換器（１０）は前記帰還管（７）から分岐する補助導管（２２、２３）の間に、前記シリンダヘッド（１）と並列に設けられ、前記熱交換器（１０）の２流路の一方は前記補助導管（２２、２３）と連通し、他方の流路は前記第２冷却回路（４）と連通し、第１の冷却液の一部及び第２の冷却液の流れがそれぞれ前記２流路構成の熱交換器（１０）を通過することで両冷却液間で熱交換を行うように構成され、
   前記帰還管（７）から分岐する補助導管（２２、２３）の他端は前記バイパス管（８）に連通し、前記熱交換器（１０）を通過した第１の冷却液は、該補助導管（２３）を経由して前記バイパス管（８）を通り、前記シリンダヘッド（１）へ戻されることなく前記帰還管（７）へ送り込まれて循環し、
   前記帰還管（７）から分岐する前記補助導管（２２）には、前記熱交換器（１０）を通過する第１の冷却液の液量を調整する第２流量調整弁（２１）が設けられていることを特徴とする内燃エンジン。
2. 前記第１冷却回路（３）の導管である前記排出管（６）中に第１の冷却液の全量が流れるように前記熱交換器（１０）が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の内燃エンジン。
3. 前記第１冷却回路（３）の導管である前記補助導管（２２、２３）に第１の冷却液の一部が流れるように前記熱交換器（１０）が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の内燃エンジン。
4. 前記バイパス管（８）に自動車の客室の暖房を行うラジエータ（３１）が備えられていることを特徴とする請求項１に記載の内燃エンジン。
5. 前記第１冷却回路（３）の前記第１流量調整弁（９）が熱調整弁であることを特徴とする請求項１に記載の内燃エンジン。
6. 前記第１冷却回路（３）の前記第１流量調整弁（９）が比例電磁弁であることを特徴とする請求項１に記載の内燃エンジン。
7. 前記第１冷却回路（３）中の前記第２流量調整弁（２１）が比例電磁弁であることを特徴とする請求項１に記載の内燃エンジン。
8. 前記第１冷却回路（３）中の前記ポンプ（１３）が内燃機関により駆動することを特徴とする請求項１に記載の内燃エンジン。
9. 前記第１冷却回路（３）中の前記ポンプ（１３）が電気モーターにより駆動することを特徴とする請求項１に記載の内燃エンジン。
10. 前記第２冷却回路（４）は、
    前記エンジンブロック（２）から前記熱交換器（１０）へ第２の冷却液を送る排出管（１１）と、
    第２の冷却液を前記熱交換器（１０）から前記エンジンブロック（２）へ戻す帰還管（１２）と、
    前記第２冷却回路中の第２の冷却液を循環させるための第２のポンプ（１４）とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の内燃エンジン。
11. 前記第２冷却回路（４）の前記帰還管（１２）には前記熱交換器（１０）をバイパス接続するバイパス導管（１６、１９）が設けられ、前記バイパス導管（１６，１９）には前記熱交換器（１０）を通過する前記第２の冷却液の液量を調整する第３流量調整弁（１５，１８）が設けられていることを特徴とする請求項１０に記載の内燃エンジン。
12. 前記第２冷却回路（４）の第２の冷却液に水よりも沸点が高い高沸点液体を使用していることを特徴とする請求項１０に記載の内燃エンジン。
13. 前記第２冷却回路（４）の第２の冷却液がエンジン潤滑油であることを特徴とする請求項１２に記載の内燃エンジン。
14. 前記第２冷却回路（４）中のエンジン潤滑油は、前記エンジンブロック（２）を冷却した後、前記熱交換器（１０）に送られ、該熱交換器内において第１冷却回路（３）の冷却液により冷却された後、前記シリンダヘッド（１）と前記エンジンブロック（２）へ送られることを特徴とする請求項１３に記載の内燃エンジン。
15. 前記第２冷却回路の前記第２のポンプ（１４）はエンジン潤滑回路のポンプであることを特徴とする請求項１４に記載の内燃エンジン。
16. 前記第２冷却回路（４）は、オイルパン（２０）から第２の冷却液であるエンジン潤滑油を循環する導管（２４）を備えており、該エンジン潤滑油は前記エンジンブロック（２）に送られて該エンジンブロックを冷却し、前記第２排出管（１１）を通って前記熱交換器（１０）に送られて冷却された後、前記帰還管（１２）を通ってエンジンブロック（２）に入り、その後エンジン潤滑回路を流れて最終的に前記オイルパン（２０）に戻ることを特徴とするが請求項１２に記載の内燃エンジン。
17. 前記熱交換器（１０）から前記エンジンブロック（２）へ流れるエンジン潤滑油を循環させる前記帰還管（１２）中にフィルター（１７）が設けられていることを特徴とする請求項１６に記載の内燃エンジン。
18. 前記熱交換器（１０）から前記エンジンブロック（２）へエンジン潤滑油を帰還させる前記第２帰還管（１２）に並列して、バイパス管（１９）が設けられ、該バイパス管（１９）には前記熱交換器（１０）からのエンジン潤滑油の一部を直接前記オイルパン（２０）へ戻すための前記第３流量調整弁（１８）が設けられていることを特徴とする請求項１７に記載の内燃エンジン。
19. 前記熱交換器（１０）の出口での第２冷却液の温度を検知する温度センサーと前記エンジンブロック（２）の金属ボディの温度を検知する温度センサーを含み、エンジン操作の複数種のパラメータの変化を感知する複数のセンサーからの信号（３３−３８）にしたがって、前記第２流量調整弁（２１）と前記ポンプ（１３）及びファン（２９）を駆動させる電気モーターを含む、前記冷却システムを補佐する複数の電気デバイス（１３、２１、３０）を駆動させるための電気制御ユニット（４０）を有することを特徴とする前記請求項１〜１８のいずれか一項に記載の内燃エンジン。

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