JPS63227916A - 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】 し産業上の利用分野］ 本発明は、水噴射によ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、さらには機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
冷却が有効でお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＠公報や実開昭６１−７８２１３号公報の排気
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、大ぎな効
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Ｊこるものが
種々提案されている。

たとえば、実開昭６１−２１８１４＠公報、実開昭６’
ｌ−１３４５１３号公報には、排気マニホルドの外周に
つＡ−タジャケットを設け、該つＡ−タジャケットに冷
却水を流す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、機関
のシリンダ外壁に水シヤワーをかけるようにした構造も
知られている（実開昭５６−１３８１１３号公報）。ざ
ら番こ、冷却ヒレ付きの機関全体に、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号公報）。

しかしながら、実開昭６１−２１８１４号公報、実開昭
６”ｊ−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４−タジャケッ１〜内に
冷却水を充満させ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、上記のような水冷構造
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放出づる必要があり、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＠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Ｉｎ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、つ７ｔ　−タジャケット内に均一に水シ
ヤワーがゆきわたらず、したかって排気マニホルドが均
一に冷却されないという問題がある。

上記のような問題を解消するために、まだ出願未公開の
段階にあるが先に本出願人により、排気マニホルド外周
周囲に形成されたウォータジャケット内に水噴射ノズル
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
大させることなく、排気マニホルド外周のウォータジャ
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Ａ−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Δ−タジｑｐクット内に均一に分散さ
せることができ、　ｌ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］ ところが、上記先に本出願人が提案した排気マニホルド
冷却装置では、エンジン停止時（エンジンキーオフ時）
には排気マニホルド冷却用水噴射ノズルは作動されない
構造であったので、エンジン停止後にはｒ７　、ｌ−タ
ジャケット内に供給された水噴霧は蒸発して無くなり、
排気マニホルドは、エンジン停止後は強制的には冷却さ
れないことになっていた。そのため、つＡ−タジャケッ
トを設は二重管構造としたために熱容量が大きくなった
排気マニホルドからの敢射熱により、エンジンルーム内
の温度が相当上昇するおそれがあるという問題が残され
ている。エンジンルームが高温であると、燃料供給系の
ベーパロック等を生じるａ３それがあり、再始動性不良
等の問題を招くおそれがある。また、排気マニホルドが
高温のままエンジンか停止されると、排気マニホルド壁
、ざらにはエンジン側からの伝熱により、水噴射ノズル
が過熱傾向となるおそれがあり、その耐久、信頼性に関
する問題が残されている。

本発明は、上記先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
ドの温度をエンジン停止後にも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排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つ４−タジＶ７り゛ッ
トと、該つＡ−タジャケッ１−内に向りて噴霧状の水を
噴射可能な水噴射ノズルとを有する排気マニホルド冷却
装置において、ｕ１気マニホルドに排気温セン−ＩＪを
設け、水噴射ノズルを、排気温セン１ノからの信号に基
づいて、エンジン運転中とともにエンジン停止後も水噴
射ノズルにＪ、ろ水噴射を制御可能な制御装置に接続し
たものから成っている。

［作　　用］ このような排気マニホルド冷却装置においては、エンジ
ン運転中には、水噴射ノズルからの噴霧状の水が排気マ
ニホルド周囲のウォータジャケット内に導入され、つΔ
−タジャケット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。その
時の実際の排気ガス湿が排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および触媒活性化状態
等が正確に検出され、それに基づいて水噴射ωが最適但
になるように制御される。

ぞして、エンジン停止後にも、排気温セン１ノにより排
気マニホルドの湿度が検出され、排気マニホルドが適切
な温度、つまり良好な再始動性がｉＦＰられかつ水噴射
ノズルに熱的悪影響を及ぼさない温度になるまで、制御
装置を介して水噴射ノズルによる水噴射が行われる。し
たがって、エンジン停止後排気マニホルドは短時間のう
ちに上記適切な温度まで強制的に冷却され、再始動性、
水噴射ノズルの耐久、信頼性が確保される。

［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は吸気ボ
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に排気カスが導入され、エアフロー
メータ１０１吸入ダクト１１を介して吸入された空気が
、コンプレッ４Ｊ１２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］・１
５を介して吸気系へと送られる。１６はス【コツｌ−ル
バルブを示している。

排気マニホルド６の外周には、その略全域にわたる、つ
ｌ−タジＶケット１７が設けられている。

つＡ−タジャケット１７は、排気マニホルド６を二重管
構造とすることにより形成されている。この１りｔ−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する逆止弁
１９が設（プられている。

過給空気導入通路１８のウォータジャク゛ット１７人ロ
近傍には、つＡ−タジャケット１７内に向けて噴霧状の
水を噴銅する水噴射ノズル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ＥＣＵ２１に接
続されてＥ（ＪＪ２１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、阜水的には口ｆ；■制御に
おける燃料噴射ノズルと同様の構成、機能を有し、つを
−タジャケット１７人ロ部に向ｃ〕で水を、制御された
示だ（プ噴射する。

つΔ−タジトケット１７の下部には、つｉ−タジャクッ
］・１７から過給空気とともに水を排出覆る排出路とし
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Ｎノフィン２３が設けられ、
空冷にて１クオータジヤケツト１７かうの水噴霧を凝縮
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２
４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
はバラ・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のコンプレツリ゛１２の上流側へと戻
されるようになっている。

各ｕＦ気マニボルド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Ｃプられており、該触媒
コンバータ３２内に排気ガス浄化用の触Ｉｓ（図示略）
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υＦ気ガスの湿度を検出
する排気温センリ３３（たとえばり−ミスタ）が設Ｇプ
られており、本実施例ではざらに触媒直後の位置にも排
気温センリ３４（たとえば４Ｊ−ミスタ）が設（プられ
ている。これら排気温セン１）３３．３４からの検出信
号がＥＣｔＪ２１に送られる。［ＥＣＵ２１では、第２
図に示すように、上記排気温センサ３３．３４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３５．３６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８５０　’Ｃとされ、コンパレータ３
６ではたとえば８００　’Ｃとされる。コンパレータ３
５．３６からの信号は、ＯＲ回路３７に入力され、排気
温セン１ノ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３７からＣＰ　
Ｕ　３８に排気温上昇信号が発Ｕられるようになってい
る。ＣＰ　Ｕ　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、ＥＣＵ２１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。

排気４１？ンリ３３からコンパレータ３５への回路には
、イグニッションスイッチ４０と連動して作動されるリ
レー４１が組込まれており、リレー４１は、イグニッシ
ョンスイ・ツチ４０がオンのとき（エンジン運転中）に
は排気温センサ３３からの１３号をコンパレータ３５に
送る回路を構成し、イグニッションスイッチ４０がオフ
のとき（エンジン停止後）には、ＥＣＵ２１内に組込ま
れたＡ／Ｄコンバータ４２（アナログ−ディジタルコン
バータ）を介して排気温センサ３３からの検出温度信号
をＣＰ　Ｕ　３８／＼と送るようになっている。イグニ
ッションスイッチ４０がオフのとぎには、通常ＥＣＵ２
１への電力供給もオフとなるが、本装置では、リレー旧
を利用し、タイマ４３を介して一定時間バッテリ電源４
４と接続できるようになっている。タイマ４３の設定時
間は、後述の排気マニホルド冷却に十分な時間とされて
いる。

上記のように構成された実施例装置の作用について説明
する。

まず、エンジン運転中にＪ３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１８ｈ）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、つ
Ａ−タジャケッ１−１７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、トレンタン
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、気水弁頭１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
ωはエンジンの状態に応じて次のように制御される。

第３図におＣプる左側の系に、イグニッションスイッチ
４０がオンの場合のＥＣＵ２１における制御を示すよう
に、まず、ステップ１０１において、ｉｌｌ［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。排気温が、排気温セン°
す３３．３４のいずれにおいて−し設定値以下の場合、
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、Ａ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Ｊ、うに停止状
態になる。

いずれかの排気温が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き、ステップ１０２へ進み、）１
−ニルカット中か否かを判別する。

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１−中でおれば、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ｔこよるフューエルカット復帰時のＤ）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図に示ずように、数回断続噴射された後連
続噴則される。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に起因する排気マニホルドの
割れ、ひずみ（゛リーマルショック）が防止される。な
お、断続哨割におけるＯＮ、ＯＦＦの時間設定は適合に
より決定する。

このように、本発明装置では、実際に検出したυ１気温
に基づいて、水噴６Ｊ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
。

次に、エンジン停止後、つまりイグニッションスイッチ
４０がオフになった場合について、第３図の右側の系に
治って説明する。

前述の如く、停止「、１にもタイマ４３による一定時間
ＥＣＵ２１は作動され、排気温センサ３３からの信号は
Ａ／Ｄコンバータ４２を介してＣＰ　Ｕ　３８に送られ
る。

ステップ１０３においてイグニッションスイッチ４０が
オフと判別されると、ステップ１０４へ移り、冷却水循
環ポンプ２５を駆動させる。そしてステップ１０５へ移
り、排気マニホルド集合部に具描したυ［気温ヒン１）
３３により測定される排気温か、たとえば２００℃以上
ならば、ステップ１０６にて冷却用水噴射ノズル２０を
第７図に示すにうに連続噴射させ、ステップ１０３へも
どる。排気温が２００℃未満の場合、ステップ１０７へ
移り、再始動不良や水噴射ノズルが過熱による破損を生
じない温度Ｔ℃（＜　２００℃）まで冷却が行なわれた
か否かを判別する。もし１℃よりも高ければステップ１
０８にて第８図に示すようなパターンで断続噴射を行い
、ステップ１０３へもどる。Ｔ’Ｃに達したならば、ス
テップ１０９へ移り、水噴射ノズル２（）、冷却水循環
ポンプ２５の停止を行い、ループを終了づる。

このように、エンジン停止後にも排気マニホルド６の温
度に応じて水噴射ノズル２０からの水噴射が行われ、つ
Ａ−タジ（／ケラト１フに噴射される水噴霧によって排
気マニホルド６は強制的に冷ＩＪＪされる。

この冷却は、まず、エンジンルーム内や水噴射ノズル２
０が急激に高温になることを防止するために、たとえば
２００℃以下になるまでは連続噴射にて急速に冷却され
る。そして、２００℃以下になると、急速冷却によるＶ
−マルショック抑制の見地から、断続噴射にて所定の温
度Ｔ℃まで徐々に冷却される。１℃以下までの冷却は、
過冷却になって却って再始動時のエンジンの暖機性が損
われるおそれがあるので、必要でない。

なお、上記エンジン停止後の水噴射パターンにおいては
、リーマルショックをそれ程考慮しなくてもよい場合に
は、極力迅速に所定温度Ｔ　’Ｃ度まで冷却づる方が望
ましいので、１℃に至るまで連続噴射のみのパターンと
すればよい。

第２実施例 次に第９図に本発明の第２実施例を示す。本実施例にお
いては、エンジン運転中の水噴射ノズル２０からのつＡ
−タジャケット１７内への水噴霧の供給助長を、過給空
気を利用せずに自然吸気に頼っている。つまり、過給し
た空気のかわりに車外より走行風を、車外空気取り入れ
ダクト５１より水噴射ノズル２０先端部を通り排気マニ
ホルド６のつＡ−タジャケット１７内に入れ、排気マニ
ホルド６を冷却させる。高温になった空気と水噴射ノズ
ル２０より噴射された水はドレン管２２を通りタンク２
４に蓄えられる。バッフルプレート２７、フィルタ２８
にて気水分離されない水蒸気は、リターンパイプ５２を
通り、エアフローメータ５３からのダクト５４から燃焼
室へ導かれ、全負荷時のノッキング軽減に役立てる。自
然吸気、リターンパイプ５２以外の溝成は第１実施例に
準じるので、第１図と対応する部位に第１図と同一の符
号を付して説明を省略する。

このような自然吸気式の構造によっても、エンジン停止
後に前述と同様な制御で水噴射を行うことにより、排気
マニホルド６は短時間のうちに所定の温度にまで強制的
に冷却される。その他の作用は第１実施例に準じる。

［発明の効果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
によるときは、排気マニホルド外周に形成したつＡ−タ
ジ（／ケラト内に向けて水噴射を行う装置において、エ
ンジン停止後にも排気マニホルド塩を検出する排気温セ
ンサからの信号に早づき所定温度以下ｔごなるまで冷却
できるようにしたので、排気マニホルドをエンジン停止
後に短時間のうらに強制的に最適温度範囲まで冷却する
ことが可能になり、エンジンルームの高温化を防止して
、燃料供給系のベーパロック現象等を防止し、再始動性
を良好に保つことができるとと乙に、水噴射ノズルが過
熱されることを防止して、該ノズルの耐久性、信頼性の
向上をはかることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例に係るυＦ気マニホルト冷
却装置の全体構成図、 第２図は第１図の装置にお（プろ水噴射制御のブロック
図、 第３図は第１図の装置のＥＣ（Ｊ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エンジン
運転中における各制御パターンを示ず噴射パルスと時間
との関係図、 第７図および第８図は第１図の水噴射ノズルのエンジン
停止後における各制御パターンを承り噴射パルスと時間
との関係図、 第９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１−１２・・・・・・
・・・・・・コンプレツリ１４・・・・・・・・・・・
・インタクーラ１５・・・・・・・・・・・・吸気ダク
ト１７・・・・・・・・・・・・つ４−タジャケット１
８・・・・・・・・・・・・過給空気導入通路１９・・
・・・・・・・・・・逆止弁 ２０・・・・・・・・・・・・水噴射ノズル２１・・・
・・・・・・・・・ＥＣＵ ２２・・・・・・・・・・・・ドレンパイプ２３・・・
・・・・・・・・・冷却フィン２４・・・・・・・・・
・・・ドレンタンク２５・・・・・・・・・・・・ポン
プ ２６・・・・・・・・・・・・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・・・・・・排気温ヒン′す３５．３６・・・・・・
コンパレータ ３７・・・・・・・・・・・・ＯＲ回路３８・・・・・
・・・・°・・・ＣＰＵ３９・・・・・・・・・・・・
フューエルカット信号４０・・・・・・・・・・・・イ
グニッションスイッチ４１・・・・・・・・・・・・リ
レー ４２・・・・・・・・・・・・Ａ／Ｄコンバータ４３・
・・・・・・・・・・・タイマ ５１・・・・・・・・・・・・空気取入れダクト５２・
・・・・・・・・・・・リターンパイプ５３・・・・・
・・・・・・・エアフローメータ５４・・・・・・・・
・・・・ダウ１−特　許　出　願　人　　トヨタ自動車
株式会社時間 第９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ノズルとを有する排気マニホルド冷
   却装置において、排気マニホルドに排気温センサを設け
   、前記水噴射ノズルを、前記排気温センサからの信号に
   基づいて、エンジン運転中とともにエンジン停止後も前
   記水噴射ノズルによる水噴射を制御可能な制御装置に接
   続したことを特徴とする排気マニホルド冷却装置。