(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダブロックを第１冷却液で冷却するための第１冷却系統と、シリンダヘッドを第２冷却液で冷却するための第２冷却系統とを有するものであって、
外部から供給される空気と上記第１冷却液との熱交換により該第１冷却液を冷却する第１熱交換器と、
該第１熱交換器における該第１冷却液との熱交換により加熱された空気を圧縮する空気圧縮機と、
該空気圧縮機で圧縮された圧縮空気と上記第１冷却液との熱交換により該圧縮空気を冷却する第２熱交換器と、
該第２熱交換器で冷却された圧縮空気を断熱膨張させて冷却する断熱膨張部と、
該断熱膨張部で冷却された冷却空気と上記第２冷却液とを熱交換させて該第２冷却液を冷却する第３熱交換器と、
上記第２熱交換器内、上記第１熱交換器内及びシリンダブロック内に、この順で上記第１冷却液を循環させる第１冷却液路及び第１ウォーターポンプと、
上記第３熱交換器内及びシリンダヘッド内に上記第２冷却液を循環させる第２冷却液路及び第２ウォータポンプとからなることを特徴とするエンジンの冷却システム。
【請求項２】
シリンダブロックを第１冷却液で冷却するための第１冷却系統と、シリンダヘッドを第２冷却液で冷却するための第２冷却系統とを有するものであって、
外部から供給される空気と上記第１冷却液との熱交換により該第１冷却液を冷却する第１熱交換器と、
外部から供給される空気を圧縮する空気圧縮機と、
該空気圧縮機で圧縮された圧縮空気と上記第１冷却液との熱交換により該圧縮空気を冷却する第２熱交換器と、
該第２熱交換器で冷却された圧縮空気を断熱膨張させて冷却する断熱膨張部と、
該断熱膨張部で冷却された冷却空気と上記第２冷却液とを熱交換させて該第２冷却液を冷却する第３熱交換器と、
上記第２熱交換器内、上記第１熱交換器内及びシリンダブロック内に、この順で上記第１冷却液を循環させる第１冷却液路及び第１ウォーターポンプと、
上記第３熱交換器内及びシリンダヘッド内に上記第２冷却液を循環させる第２冷却液路及び第２ウォータポンプとからなることを特徴とするエンジンの冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は車両用エンジンの冷却システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両用エンジンにおいて、シリンダヘッド内に形成される燃焼室で発生した熱の一部は、シリンダヘッド、シリンダブロック、ピストン等に吸収される。これらの構成部品の温度が過度に上昇すると、部品の熱変形が起こったり、シリンダ壁等の油膜が破れて潤滑不良となりピストンやバルブが焼きついたりすることがある。また燃焼状態も悪くなり、ノッキングあるいはプレイグニッションのような異常燃焼を起こして、熱効率が低下し、出力も低下する。一方、エンジンを過度に冷却すると、出力・燃費の悪化及びシリンダの低温摩耗等の悪影響が生じる。このため、冷却システムにより部品の熱害・熱変形を防止するとともに、壁温・吸気温・油温を適正に保つことが必要である。
【０００３】
車両用エンジンの冷却システムは主に水冷式で、シリンダヘッド及びシリンダブロックに設けられたウォータージャケット内に冷却液を循環させることにより、エンジンが冷却される。冷却によって熱くなった冷却液はラジエータに導びかれ走行による風や冷却ファンの風で冷やされてから、再びウォータージャケットに戻される。なお、一般にラジエータの冷却ファンと同軸的に駆動されるウォーターポンプにより、ラジエータからシリンダヘッド及びシリンダブロックのウォータージャケット内に冷却液が圧送される。また、冷却液温度を適温（７０〜８０℃程度）に制御するため、エンジンの冷却液出口にはサーモスタットが付いており、エンジン冷却後の冷却液温度に応じてラジエータに流れる冷却液の量がコントロールされる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、燃焼室が形成されているシリンダヘッド内においては、燃焼の熱により特に高温となり易いため、異常燃焼を防止したり、熱効率・出力を向上させたりする上で、冷却能力の大きな冷却液によりシリンダヘッド内を適切に冷却することが重要である。一方、シリンダブロック内においては、過度の冷却により出力・燃費の悪化及びシリンダの低温摩耗等の悪影響が生じるため、シリンダブロック内を冷却する冷却液にはシリンダヘッド内を冷却する冷却液ほど大きな冷却能力を必要としない。
【０００５】
しかし、上記従来のエンジンの冷却システムでは、ラジエータにおいて冷却液と外気とを熱交換させることにより、エンジンの冷却によって熱くなった冷却液を冷却する方式であり、この方式では冷却液の温度を７０℃程度まで下げるのが限界であった。このため、従来の冷却システムでは、シリンダヘッド内を適切に冷却することに限界があった。
【０００６】
また上記従来のエンジンの冷却システムは、単一の冷却系統により、シリンダヘッド及びシリンダブロック内を冷却する方式である。このため、仮にシリンダヘッドを適切に冷却可能な冷却液を循環させることが可能となったとしても、この場合シリンダブロックを過度冷却してしまうという問題が生じる。
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、シリンダヘッドを独立して適切に冷却することのできるエンジンの冷却システムを提供することを解決すべき技術課題とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する請求項１記載のエンジンの冷却システムは、シリンダブロックを第１冷却液で冷却するための第１冷却系統と、シリンダヘッドを第２冷却液で冷却するための第２冷却系統とを有するものであって、外部から供給される空気と上記第１冷却液との熱交換により該第１冷却液を冷却する第１熱交換器と、該第１熱交換器における該第１冷却液との熱交換により加熱された空気を圧縮する空気圧縮機と、該空気圧縮機で圧縮された圧縮空気と上記第１冷却液との熱交換により該圧縮空気を冷却する第２熱交換器と、該第２熱交換器で冷却された圧縮空気を断熱膨張させて冷却する断熱膨張部と、該断熱膨張部で冷却された冷却空気と上記第２冷却液とを熱交換させて該第２冷却液を冷却する第３熱交換器と、上記第２熱交換器内、上記第１熱交換器内及びシリンダブロック内に、この順で上記第１冷却液を循環させる第１冷却液路及び第１ウォーターポンプと、上記第３熱交換器内及びシリンダヘッド内に上記第２冷却液を循環させる第２冷却液路及び第２ウォータポンプとからなることを特徴とするものである。
上記課題を解決する請求項２記載のエンジンの冷却システムは、シリンダブロックを第１冷却液で冷却するための第１冷却系統と、シリンダヘッドを第２冷却液で冷却するための第２冷却系統とを有するものであって、外部から供給される空気と上記第１冷却液との熱交換により該第１冷却液を冷却する第１熱交換器と、外部から供給される空気を圧縮する空気圧縮機と、該空気圧縮機で圧縮された圧縮空気と上記第１冷却液との熱交換により該圧縮空気を冷却する第２熱交換器と、該第２熱交換器で冷却された圧縮空気を断熱膨張させて冷却する断熱膨張部と、該断熱膨張部で冷却された冷却空気と上記第２冷却液とを熱交換させて該第２冷却液を冷却する第３熱交換器と、上記第２熱交換器内、上記第１熱交換器内及びシリンダブロック内に、この順で上記第１冷却液を循環させる第１冷却液路及び第１ウォーターポンプと、上記第３熱交換器内及びシリンダヘッド内に上記第２冷却液を循環させる第２冷却液路及び第２ウォータポンプとからなることを特徴とするものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のエンジンの冷却システムに係る実施形態について説明する。
（第１の実施形態）
図１に模式的に示す本実施形態に係る冷却システムは、シリンダブロック６を第１冷却液Ｗ１で冷却するための第１冷却系統と、シリンダヘッド９を第２冷却液Ｗ２で冷却するための第２冷却系統とを有するもので、第１熱交換器１と、空気圧縮機２と、第２熱交換器３と、断熱膨張部４と、第３熱交換器５と、第１熱交換器１内、第２熱交換器３内及びシリンダブロック６内に第１冷却液Ｗ１を流通、循環させる第１冷却液路７及び第１ウォーターポンプ８と、第３熱交換器５内及びシリンダヘッド９内に第２冷却液Ｗ２を流通、循環させる第２冷却液路１０及び第２ウォーターポンプ１１とを主構成要素としている。
【００１０】
第１熱交換器１、第２熱交換器３及び第３熱交換器５は、特に限定されるものではないが、冷却液が流通する多数のウォーターチューブと、このウォーターチューブに接触し、空気が通過可能な多数のフィンとから構成されている。
第１熱交換器１と空気圧縮機２の吸入口とは第１空気路１２により、空気圧縮機２の吐出口と第２熱交換器３とは第２空気路１３により、第２熱交換器３と第３熱交換器５とは第３空気路１４によりそれぞれ連通されている。そして第３空気路１４の途中には絞り部１４ａ及び拡径部１４ｂが形成され、この絞り部１４ａ及び拡径部１４ｂにより断熱膨張部４が構成されている。なお、断熱膨張部４を構成する絞り部１４ａ及び拡径部１４ｂの外周には、断熱膨張部４における断熱性を向上させるために、発泡スチロールやスポンジ等の発泡材よりなる断熱部材４１が配設されている。
【００１１】
なお、上記第２熱交換器３及び断熱膨張部４で冷却された後の空気温度が、少なくとも外気温度よりも低くなるように、第１熱交換器１及び第２熱交換器３の熱交換能力、空気圧縮機２の圧縮比や断熱膨張部４の膨張比等を適宜設定することが必要である。
上記第１冷却液路７を循環する第１冷却液Ｗ１は、第１ウォーターポンプ８の作動により、シリンダブロック６に設けられたウォータージャケット内を通った後、第２熱交換器３のウォーターチューブ内、第１熱交換器１のウォーターチューブ内を順に通り、再びシリンダブロック６に設けられたウォータージャケット内に戻される。また、第２冷却液路１０を循環する第２冷却液Ｗ２は、第２ウォーターポンプ１１の作動により、シリンダヘッド９に設けられたウォータージャケット内を通った後、第３熱交換器５のウォーターチューブ内を通り、再びシリンダヘッド９に設けられたウォータージャケット内に戻される。
【００１２】
また空気圧縮機２は、特に限定されるものではないが、エンジンからの排気ガス流で回されるタービンの回転軸に連結される遠心式の空気圧縮機等を採用することができる。
以下、本実施形態の冷却システムの作用について説明する。なお、図２は、第１熱交換器１、空気圧縮機２、第２熱交換器３、断熱膨張部４及び第３熱交換器５を順に通過する空気の温度変化を示すものである。
【００１３】
まず、外気（外気温度：ｔ1 ）が供給される第１熱交換器１では、シリンダブロック６を冷却するための第１冷却液Ｗ１と外気との熱交換により、該第１冷却液Ｗ１を冷却する。このため第１熱交換器１を通過後の空気温度はｔ2 （ｔ1 ＜ｔ2 ）に上昇する。この第１熱交換器１を通過して温度ｔ2 となった空気は第１空気路１２内を通過して空気圧縮機２に供給され、該空気圧縮機２で圧縮される。空気圧縮機２で圧縮された圧縮空気は温度ｔ3 （ｔ2 ＜ｔ3 ）の高温高圧の空気となる。この高温高圧の圧縮空気は第２空気路１３内を通過して第２熱交換器３に供給される。第２熱交換器３では、シリンダブロック６を冷却した後の第１冷却液Ｗ１と上記高温高圧の圧縮空気との熱交換（圧縮空気からの放熱）により、該圧縮空気が冷却され、温度ｔ4 （ｔ2 ＜ｔ4 ＜ｔ3 ）の中温高圧の圧縮空気となる。この中温高圧の圧縮空気が断熱膨張部４を通ると温度ｔ5 （ｔ5 ＜ｔ1 ）の低温中圧となり、外気温度ｔ1 よりも温度が低下した空気となる。このように断熱膨張部４を通って外気よりも温度が低下した冷却空気は第３熱交換器５に導かれる。第３熱交換器５では、シリンダヘッド９を冷却するための第２冷却液Ｗ２と上記冷却空気との熱交換により、第２冷却液Ｗ２を冷却する。
【００１４】
このように、シリンダヘッド９を第２冷却液Ｗ２で冷却するための第２冷却系統においては、外気温度ｔ1 よりも低下した温度ｔ5 の冷却空気と第２冷却液Ｗ２との熱交換により該第２冷却液Ｗ２を冷却するので、外気と第２冷却液Ｗ２とを熱交換させることにより該第２冷却液Ｗ２を冷却する場合よりも、第２冷却液Ｗ２を効果的に冷却することができる。
【００１５】
具体的には、空気圧縮機２の吐出圧力、絞り部１４ａの径（絞り比）等の設定により、上記冷却空気の温度ｔ5 を外気温度ｔ1 より２０℃程度低くすることが可能である。したがって、第３熱交換機５通過後の第２冷却液Ｗ２の温度Ｔ2 を４０〜５０℃程度まで冷却することができ、この第２冷却液Ｗ２を第２ウォーターポンプ１１によりシリンダヘッド９内を流通させることにより、シリンダヘッド９内を適切に冷却することが可能となる。よって、シリンダヘッド９内に形成される燃焼室における異常燃焼を確実に防止するとともに、エンジンの熱効率・出力を向上させることができる。
【００１６】
また、シリンダブロック６を第１冷却液Ｗ１で冷却するための第１冷却系統においては、シリンダブロック６冷却後の第１冷却液Ｗ１は、まず第２熱交換器３で温度ｔ3 の高温の圧縮空気との熱交換により加熱され、次に第１熱交換器１で温度ｔ1 の外気との熱交換により冷却された後、再びシリンダブロック６に戻される。このように、第１冷却液Ｗ１は、上記第２冷却系統で第２冷却液Ｗ２と熱交換させる冷却空気の温度ｔ5 よりも高い温度ｔ1 の外気と熱交換されて冷却される。したがって、第１熱交換機１通過後の第１冷却液Ｗ１の温度Ｔ1 は、上記第３熱交換機５通過後の第２冷却液Ｗ２の温度Ｔ2 よりも高くなり、シリンダブロック６における過度冷却を避けることができる。
【００１７】
なお、本実施形態では、シリンダブロック６を第１冷却液Ｗ１で冷却するための第１冷却系統において、上記したようにシリンダブロック６冷却後の第１冷却液Ｗ１は、第２熱交換器３で温度ｔ3 の高温の圧縮空気との熱交換により加熱された後、第１熱交換器１に供給される。このため、シリンダブロック６冷却後の第１冷却液Ｗ１を直接第１熱交換器１に供給する場合と比較して、第１熱交換器１における熱交換能力を高めておくことが好ましい。なお、第１熱交換器１の熱交換能力を高めるには、ウォーターチューブやフィンの数を増やしたり、冷却ファンを併用したりするなどの手段が考えられる。
【００１８】
（第２の実施形態）
図３に模式的に示す本実施形態に係る冷却システムは、空気圧縮機２に直接外気を供給するようにしたこと以外は上記第１の実施形態と同様の構成である。
すなわち、本実施形態では、図示しないファン等で第１熱交換器１に供給され、同第１熱交換器１を通過した空気はそのまま外部に放出され、一方空気圧縮機２には温度ｔ1 の外気が直接供給される。このため、空気圧縮機２で圧縮された圧縮空気の温度ｔ3 ’は、第１熱交換器１通過後の温度ｔ2 （ｔ1 ＜ｔ2 ）の空気を空気圧縮機２で圧縮する上記第１の実施形態における圧縮空気の温度ｔ3 よりも低くなる。したがって、第２熱交換器３通過後の圧縮空気の温度ｔ4 ’及び断熱膨張部４通過後の冷却空気の温度ｔ5 ’も、それぞれ上記第１の実施形態における第２熱交換器３通過後の圧縮空気の温度ｔ4 及び断熱膨張部４通過後の冷却空気の温度ｔ5 と比較してそれぞれ低くなる。
【００１９】
よって、本実施形態の冷却システムは、シリンダヘッド９を第２冷却液Ｗ２で冷却するための第２冷却系統において、上記第１の実施形態と比較して、より効果的にシリンダヘッド９を冷却することができる。
また、シリンダブロック６を第１冷却液Ｗ１で冷却するための第１冷却系統においては、上記したように第２熱交換器３に供給される圧縮空気の温度ｔ3 ’が、上記第１の実施形態における第２熱交換器３に供給される圧縮空気の温度ｔ3 よりも低くなる。このため、シリンダブロック６冷却後の第１冷却液Ｗ１が第２熱交換器３で加熱される度合いは、上記第１の実施形態と比較して小さくなる。したがって、本実施形態では、第１熱交換器１における熱交換能力を上記第１の実施形態ほど高めなくてもよい。
【００２０】
なお、上記第１の実施形態及び第２の実施形態において、通常のエンジンの冷却システムに用いられるサーモスタットを第１冷却系統及び第２冷却系統に装備し、シリンダブロック６及びシリンダヘッド９冷却後の第１冷却液Ｗ１及びＷ２の温度に応じて第２熱交換器３及び第３熱交換器５に流れる第１冷却液Ｗ１及びＷ２の量を制御するようにできることは勿論である。
【００２３】
【発明の効果】
以上詳述したように請求項１又は２に係る発明のエンジンの冷却システムによれば、シリンダヘッドを第２冷却液で冷却するための第２冷却系統により、シリンダヘッドを独立して適切に冷却することができるので、シリンダヘッド内に形成された燃焼室における異常燃焼を確実に防止することができるとともに、エンジンの熱効率・出力を向上させることができる。また、シリンダブロックを第１冷却液で冷却するための第１冷却系統により、シリンダブロックにおける過度冷却を避けることができる。
さらに、請求項２に係る発明のエンジンの冷却システムによれば、シリンダブロックを第１冷却液で冷却するための第１冷却系統において、より効果的にシリンダヘッドを冷却することができる。また、シリンダブロックを第１冷却液で冷却するための第１冷却系統においては、第１熱交換器における熱交換能力を請求項１に係る発明ほど高めなくてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係るエンジンの冷却システムを模式的に説明する構成図である。
【図２】第１の実施形態に係るエンジンの冷却システムにおける空気温度変化を示す線図である。
【図３】第２の実施形態に係るエンジンの冷却システムを模式的に説明する構成図である。
【符号の説明】
図中、１は第１熱交換器、２は空気圧縮機、３は第２熱交換器、４は断熱膨張部、５は第３熱交換器、６はシリンダブロック、７は第１冷却液路、８は第１ウォーターポンプ、９はシリンダヘッド、１０は第２冷却液路、１１は第２ウォーターポンプである。
【図１】
0003651079.tif 000002
【図２】
0003651079.tif 000003
【図３】
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