(57)【要約】【課題】蒸気冷却によって効率よくシリンダヘッドを冷却することができ、さらに、蒸気を利用しやすい形態で取り出すことのできるエンジン冷却装置を提供することを課題とする。【解決手段】気筒配列方向が長尺方向となる直列４気筒のエンジン（１）のシリンダヘッド（２）内には気筒毎に独立し、第１流路（３ａ）、第２流路（３ｂ）、第３流路（３ｃ）、第４流路（３ｄ）からなるウォータジャケット（３）が形成されている。第１流路（３ａ）〜第４流路（３ｃ）はエンジン（１）の短尺方向に冷媒を流通させる。シリンダヘッド（２）のインテーク側の外部にはインレットパイプ（８）が配置され、このインレットパイプ（８）のメインパイプ（８ａ）が分岐したサブパイプ（８ｂ）を通じて冷媒が第１流路（３ａ）〜第４流路（３ｄ）にそれぞれ流入し、シリンダヘッド（２）のエキゾースト側の外部に配置されたアウトレットパイプ（９）に排出される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダヘッドの内部に形成され、エンジンの短尺方向に冷媒を流通させるとともに、内部で蒸気を発生させるウォータジャケットと、
当該ウォータジャケットへ冷媒を供給する冷媒供給手段と、
前記ウォータジャケットを通過した冷媒を回収する冷媒回収手段と、
を備えたことを特徴とするエンジン冷却装置。
【請求項２】
請求項１記載のエンジン冷却装置において、
前記冷媒供給手段は、メインパイプと当該メインパイプから分岐したサブパイプを有するインレットパイプを含むことを特徴とするエンジン冷却装置。
【請求項３】
請求項１記載のエンジン冷却装置において、
前記冷媒回収手段は、メインパイプと当該メインパイプに接続する複数のサブパイプとを有するアウトレットパイプを含むことを特徴としたエンジン冷却装置。
【請求項４】
請求項１記載のエンジン冷却装置において、
前記冷媒供給手段は、前記シリンダヘッドのインテーク側に配置されたインレットパイプを含み、
前記冷媒回収手段は、前記シリンダヘッドのエキゾースト側に配置されたアウトレットパイプを含み、
前記ウォータジャケットは、インテーク側に配置されたインレットパイプから流入した冷媒がエキゾースト側に配置されたアウトレットパイプへ流通するように形成されていることを特徴とするエンジン冷却装置。
【請求項５】
請求項１記載のエンジン冷却装置において、
前記冷媒供給手段は、前記シリンダヘッドのエキゾースト側に配置されたインレットパイプを含み、
前記冷媒回収手段は、前記シリンダヘッドのインレット側に配置されたアウトレットパイプを含み、
前記ウォータジャケットは、エキゾースト側に配置されたインレットパイプから流入した冷媒がインレット側に配置されたアウトレットパイプへ流通するように形成されていることを特徴とするエンジン冷却装置。
【請求項６】
請求項１記載のエンジン冷却装置において、
前記冷媒回収手段は、内部の天井面の垂直方向位置が前記ウォータジャケットの上縁よりも上側に位置するアウトレットパイプを含むことを特徴としたエンジン冷却装置。
【請求項７】
請求項１記載のエンジン冷却装置において、
前記ウォータジャケットは、気筒毎に独立していることを特徴とするエンジン冷却装置。
【請求項８】
請求項１記載のエンジン冷却装置において、
前記冷媒回収手段は、前記ウォータジャケットから冷媒が流入するアウトレットパイプと、
当該アウトレットパイプと連通する蒸気通路と、
当該蒸気通路に配置された動力回収器と、
を含むことを特徴としたエンジン冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジン冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンの動弁系が組み込まれるシリンダヘッド内には、動弁系の各部を冷却するための冷却水が流通するウォータジャケットが形成されている。このシリンダヘッド内に形成されたウォータジャケットは、多気筒エンジンの場合、一般的に気筒配列方向に冷却水の流通方向を一致させている。また、シリンダヘッドの冷却水通路構造に関し、冷却性能の向上を図った提案が、例えば、特許文献１に開示されている。この特許文献１には、各気筒間に、実質的に気筒配列方向と直角の方向に延び、気筒配列方向に延びるエキゾーストポート側冷却水通路へと連通する横流れ冷却水通路を互いに並列に設けた構成が開示されている。この横流れ冷却水通路にはシリンダブロック側からの冷却水を前記横流れ冷却水通路に導く冷却水通路孔が設けられている。また、他の冷却水通路とは分離された独立のインテークポート側冷却水通路が設けられており、このインテークポート側冷却水通路は、気筒配列方向に延びている。
【０００３】
ところで、エンジンのウォータジャケット内で冷却水等の冷媒を蒸気化し、この蒸気をさらに排気ガスの熱で過熱後、タービン等の膨張器を介して廃熱を動力として回収するいわゆるランキンサイクルを実現する内燃機関（エンジン）の提案がされている。このような内燃機関は、例えば特許文献２に開示されている。
【０００４】
【特許文献１】実用新案登録第２５２６０３８号公報
【特許文献２】特開２０００−３４５８３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献２において、シリンダヘッド内に形成されたウォータジャケット内を流通する冷媒の流通方向は具体的には記述されていないが、冷却水の流通方向が多気筒エンジンにおける一般的な流通方向であるとすると、以下のような問題が生じると考えられる。冷媒は、ウォータジャケット内で蒸発することによってその潜熱によってシリンダヘッドの冷却を行う（沸騰冷却）。このような冷却方式を採用する場合、多気筒エンジンのシリンダヘッドにおける冷却水の流通方向を一般的な流通方向、すなわち、エンジンの長尺方向となる気筒配列方向とすると、ウォータジャケット内に蒸気が滞留してしまい、冷却効果が低下してしまうおそれがある。これは、シリンダヘッドに形成されたウォータジャケットの入口から流入した冷媒が、出口に到達する前に蒸気化してしまうことに起因する。蒸気が充満した箇所には冷媒が存在しなくなり、冷却機能を発揮することができなくなることから、エンジンオーバーヒートを引き起こすおそれもある。また、シリンダヘッド内のウォータジャケットで液相の冷媒と蒸気化した冷媒とが混合した状態で存在すると、その状態から蒸気を分離し、排出することが困難となる。
【０００６】
特許文献２記載のシリンダヘッドの冷却水通路構造は、特許文献１で開示されたようなランキンサイクルを実現するエンジンと組み合わせることも可能である。特許文献２記載のシリンダヘッドの冷却水通路構造は、横流れ冷却水通路を備えているが、この横流れ冷却水通路は、エキゾーストポート側冷却水通路へと連通しているため、蒸気化した冷媒は、シリンダヘッド内に滞留しやすい。また、インテークポート側冷却水通路については、気筒配列方向に延びているので、気筒配列方向に沿って延びる一般的なウォータジャケットの場合と同様に、出口側に到達する前に蒸気化してしまい、冷却効率が低下するものと考えられる。
【０００７】
そこで、本発明は、蒸気冷却によって効率よくシリンダヘッドを冷却することができ、さらに、蒸気を利用しやすい形態で取り出すことのできるエンジン冷却装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
かかる課題を解決するための、本発明のエンジンン冷却装置は、シリンダヘッドの内部に形成され、エンジンの短尺方向に冷媒を流通させるとともに、内部で蒸気を発生させるウォータジャケットと、当該ウォータジャケットへ冷媒を供給する冷媒供給手段と、前記ウォータジャケットを通過した冷媒を回収する冷媒回収手段と、を備えたことを特徴とする（請求項１）。ここで、エンジンの短尺方向とは、多気筒エンジンにおいて気筒配列方向を長尺方向としたときに、この気筒配列方向に対して実質的に直角をなす方向をいう。すなわち、横断する方向である。このような構成とすることにより、冷媒がシリンダヘッドを通過する距離を短くすることができるため、シリンダヘッド内に形成したウォータジャケット内に蒸気が滞留しにくくなる。これにより、シリンダヘッドの冷却効率を向上させることができる。
【０００９】
このようなエンジン冷却装置では、前記冷媒供給手段は、メインパイプと当該メインパイプから分岐したサブパイプを有するインレットパイプを含む構成とすることができる（請求項２）。メインパイプから分岐したサブパイプを気筒毎にシリンダヘッドへ接続することによって、各気筒へ均一の温度の冷媒を供給することが可能となる。すなわち、メインパイプをシリンダヘッドの外部へ配置すれば、メインパイプ内を流通する冷媒は大きく温度変化することなく気筒配列方向に移送され、サブパイプを通じてシリンダヘッド内の各気筒周囲へ冷媒を供給することができる。
【００１０】
また、前記冷媒回収手段は、メインパイプと当該メインパイプに接続する複数のサブパイプとを有するアウトレットパイプを含む構成とすることができる（請求項３）。このような構成とすれば、気筒毎のバラツキが少ない状態の冷媒を回収することができる。
【００１１】
このようなエンジン冷却装置では、前記冷媒供給手段は、前記シリンダヘッドのインテーク側に配置されたインレットパイプを含み、前記冷媒回収手段は、前記シリンダヘッドのエキゾースト側に配置されたアウトレットパイプを含み、前記ウォータジャケットは、インテーク側に配置されたインレットパイプから流入した冷媒がエキゾースト側に配置されたアウトレットパイプへ流通するように形成されている構成とすることができる（請求項４）。ウォータポンプから圧送された冷媒をインテーク側からエキゾースト側へ向かって流通させることにより、インテーク側の冷却効率を高めることができ、燃焼室における効率的な燃焼に寄与することができる。
【００１２】
また、このようなエンジン冷却装置では、前記冷媒供給手段は、前記シリンダヘッドのエキゾースト側に配置されたインレットパイプを含み、前記冷媒回収手段は、前記シリンダヘッドのインレット側に配置されたアウトレットパイプを含み、前記ウォータジャケットは、エキゾースト側に配置されたインレットパイプから流入した冷媒がインレット側に配置されたアウトレットパイプへ流通するように形成されている構成とすることができる（請求項５）。このような構成とすれば、一般に高温となるエキゾースト側に比較的低温の冷媒を流すことができ、効果的にシリンダヘッドを冷却することができる。
【００１３】
本発明のエンジン冷却装置を構成する前記冷媒回収手段は、内部の天井面の垂直方向位置が前記ウォータジャケットの上縁よりも上側に位置するアウトレットパイプを含む構成とすることができる（請求項６）。これは、アウトレットパイプを気液分離器として機能させるための構成である。すなわち、ウォータジャケット内で蒸発した冷媒と、液相状態の冷媒とが混じり合った状態でウォータジャケットから排出される混層状態の冷媒を蒸気と、液相の冷媒とに分離させるための構成である。アウトレットパイプの構成として、その内部の天井面を高くし、ウォータジャケットから冷媒が流れ込んできたときであっても上部に空間が形成されるようにしておくことによって、アウトレットパイプ内で気液を分離することができる。
【００１４】
また、このようなエンジン冷却装置では、前記ウォータジャケットは、気筒毎に独立している構成とすることが望ましい（請求項７）。このような構成とすることにより、多気筒エンジンにおいて各気筒をできるだけ均一に冷却することができる。各気筒を均一に冷却することができれば、ドラビリの向上等が期待できる。また、このような構成とすることにより、冷媒の流通経路が短く、さらに、他の気筒の影響を受けにくいことから、ウォータジャケット内への流入する冷媒温度の許容範囲が広がる。冷媒の流通経路、すなわち、ウォータジャケットが長くなるとウォータジャケットの終端部へ近づくにつれて冷媒の温度は高くなり、蒸発しやすくなる。このため、ウォータジャケットの入口側ではできるだけ冷媒の温度を下げておかなければならない。しかし、ウォータジャケットが短く、ウォータジャケットを通過することによる温度の上昇幅を狭くしておけばウォータジャケットに流入する冷媒の温度が高めであってもウォータジャケット内に蒸気が滞留するおそれは軽減される。
【００１５】
以上説明したように、本発明のエンジン冷却装置は、シリンダヘッドの冷却と冷媒の蒸気の分離、取り出しを行うことができる。取り出された蒸気は、ランキンサイクルによって廃熱回収に利用することができる。そこで、本発明のエンジン冷却装置は、前記冷媒回収手段を、前記ウォータジャケットから冷媒が流入するアウトレットパイプと、当該アウトレットパイプと連通する蒸気通路と、当該蒸気通路に配置された動力回収器と、を含む構成とすることができる（請求項８）。これにより、エンジンの廃熱を動力として回収することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、冷媒をエンジンの短尺方向に流通させ、ウォータジャケット内に冷媒の蒸気が滞留することを抑制するのでシリンダヘットを効果的に冷却することができる。また、冷媒回収手段によって回収した蒸気を介してランキンサイクルによって廃熱を回収することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。
【実施例】
【００１８】
図１は、本発明のエンジン冷却装置を組み込んだエンジン１をシリンダヘッド２の上方から見た説明図である。図２は、エンジン１を正面から見たときの概略構成を示した説明図である。エンジン１は、直列４気筒エンジンである。シリンダヘッド２内にはウォータジャケット３が形成されている。このウォータジャケット３は、気筒毎に独立している。すなわち、ウォータジャケット３は、第１気筒４の上方に冷媒を流通させる第１流路３ａ、第２気筒５の上方に冷媒を流通させる第２流路３ｂ、第３気筒６の上方に冷媒を流通させる第３流路３ｃ、第４気筒７の上方に冷媒を流通させる第４流路３ｄからなる。直列４気筒エンジンであるエンジン１の寸法は、気筒配列方向が長尺方向となる。第１流路３ａ〜第４流路３ｃはエンジン１を横断するようにエンジン１の短尺方向に冷媒を流通させるように形成されている。このようなウォータジャケット３内では冷媒の蒸気化が許容され、冷媒が蒸気化する際の潜熱によってシリンダヘッド２は冷却される。
【００１９】
図１中、参照符号Ａで示した側がシリンダヘッド２のインテーク側であるが、シリンダヘッド２のインテーク側の外部には本発明における冷媒供給手段を構成するインレットパイプ８が配置されている。また、図１中、参照符号Ｂで示した側がシリンダヘッド２のエキゾースト側であるが、シリンダヘッド２のエキゾースト側の外部には本発明における冷媒回収手段を構成するアウトレットパイプ９が配置されている。
【００２０】
インレットパイプ８は、ウォータポンプ１０と接続されるメインパイプ８ａと、このメインパイプ８ａから分岐したサブパイプ８ｂを有している。サブパイプ８ｂは４本備えており、それぞれのサブパイプ８ｂはウォータジャケット３を構成する第１流路３ａ〜第４流路３ｄにそれぞれ接続されている。
【００２１】
アウトレットパイプ９は、ウォータジャケット３を構成するウォータジャケット３を構成する第１流路３ａ〜第４流路３ｄにそれぞれ接続された４本のサブパイプ９ｂと、これらの４本のサブパイプ９ｂが接続するメインパイプ４ａを有している。
【００２２】
インレットパイプ８及びアウトレットパイプ９を以上のように配置することにより、ウォータジャケット３では、インテーク側に配置されたインレットパイプ８から流入した冷媒がエキゾースト側に配置されたアウトレットパイプ９へ流通するようになる。
【００２３】
ここで、アウトレットパイプ９の構成について図３（ａ）、図３（ｂ）を参照しつつ説明する。図３（ａ）は、シリンダヘッド２の近傍をエンジンの１正面側から見た説明図であり、図３（ｂ）はウォータジャケット３内に冷媒を流通させた状態のシリンダヘッド２の近傍をエンジン１の正面側から見た説明図である。図面から明らかなようにアウトレットパイプ９が含むメインパイプ９ａの天井面９ａ１の垂直方向位置は、ウォータジャケット３の上縁１１よりも上側に位置している。このような位置関係を形成することにより、アウトレットパイプ９のメインパイプ９ａ内に流入した冷媒の水位がウォータジャケット３の上縁１１と同程度のレベルに維持され、メインパイプ９ａ内に空間１２が形成される。このように空間１２が形成されることにより、ウォータジャケット３内で発生した蒸気１３ａを液相の冷媒１３ｂから分離することができる。すなわち、アウトレットパイプ９を気液分離器として機能させることができる。
【００２４】
以上説明したように、ウォータジャケット３では、インテーク側に配置されたインレットパイプ８から流入した冷媒がエキゾースト側に配置されたアウトレットパイプ９へ流通するようになる。すなわち、第１流路３ａ〜第４流路３ｃはエンジン１を横断するようにエンジン１の短尺方向に冷媒を流通させる。図４は、シリンダヘッドに形成されたウォータジャケット内を流通する冷媒の温度変化を、冷媒を長尺方向に流通させた場合と、本実施例のように短尺方向に流通させた場合とを比較して概念的に示したものである。冷媒が気筒を一つ分通過すると、α℃上昇すると仮定すると、長尺方向に流通させたときにはＴ℃でウォータジャケット内に流入した冷媒がＴ＋４α℃となって排出される。すなわち、出口側に近づくほど、冷媒の温度は上昇する。一方、気筒毎に短尺方向に冷媒を流通させる本実施例のエンジン冷却装置では、第１流路３ａ〜第４流路３ｄはそれぞれ気筒一つ分を通過するのみであるが、４気筒分合わせた冷却水流量を従来の長尺方向に冷媒を流通させるものと同じにした場合は、同じくＴ＋４α℃となる。従来技術のように長尺方向に冷媒を流通させるものの場合には、流路の上流側の冷却水通路と下流側の冷却水通路での冷却水温度に大きな差が生じるおそれがあったが、本実施例の場合、各冷却水通路に流れる流量は四分の一にされているが、気筒毎の冷却水流路３ａ〜３ｄのそれぞれに流れる冷却水の温度が各流路間で均一化して冷却することができることにより、冷却水の流路における局所的な高温部の発生を抑制することができる。
【００２５】
また、上記実施例では、図４（ａ）に示すように、参照符号Ａで示したインテーク側に配置されたインレットパイプ８から流入した冷媒が参照符号Ｂで示したエキゾースト側に配置されたアウトレットパイプ９へと流通するようにしているが、これとは異なり、図５に示すように参照符号Ｂで示したエキゾースト側にインレットパイプ８を配置し、参照符号Ａで示したインテーク側にアウトレットパイプ９を配置するようにしても良い。この場合、一般に高温となるエキゾースト側に比較的低温の冷媒を流すことができ、効果的にシリンダヘッド２を冷却し、エキゾースト側とインテーク側のシリンダヘッド２の温度差自体も小さくすることができる。これにより、熱歪等に起因する信頼性も改善することができる。
【００２６】
図６（ａ）は、エンジンの気筒配列方向である長尺方向の距離をＬ１、気筒配列方向を横断する短尺方向の距離をＬ２としてその距離を比較した説明図である。冷媒を長尺方向に流通させた場合と、短尺方向に流通させた場合とでは、当然のことながら短尺方向に流通させた場合の方がシリンダヘッド２内での経路が短くなる。図６（ｂ）は、蒸気化した冷媒が滞留しやすい箇所を模式的に表した説明図である。本実施例のエンジン冷却装置は、ウォータジャケット３内における冷媒の蒸気化を許容し、冷媒が蒸気化する際の潜熱によってシリンダヘッド２を冷却する。しかし、ウォータジャケット内に蒸気化した冷媒が滞留し、いわゆるドライアウトと称される状態となると、冷媒は冷却機能を発揮することができない。図６（ｂ）に示すように長尺方向に冷媒を流通させた場合には排出側の半分近くに蒸気化した冷媒が滞留してしまう。このため、シリンダヘッドの冷却は促進されない。一方、本実施例に相当する短尺方向に冷媒を流通させる場合は、排出側近傍の僅かな領域に蒸気化した冷媒が滞留するのみである。この滞留した冷媒もアウトレットパイプ９側に排出されやすい。
【００２７】
以上のように本実施例のエンジン冷却装置によれば、シリンダヘッド２を効果的に冷却することができる。このようなエンジン冷却装置を構成するアウトレットパイプ９のメインパイプ９ａには図７に示すように蒸気通路１５が接続されている。この蒸気通路１５はアウトレットパイプ９内で気液分離された蒸気が流通し、いわゆるランキンサイクルを構成するものである。このため、蒸気通路１５には動力回収装置を形成するタービン１６が配置されている。また、タービン１６の上流側には過熱器１７が配設されている。さらに、タービン１６の下流側には凝縮器１８が配設されている。過熱器１７にはエンジン１の図示しない排気ポートと接続された排気経路１９が引き込まれている。過熱器７１は、排気経路１９中の排気ガスから熱を回収し、蒸気通路１５内を通じる蒸気へさらに熱を付与するもので、廃熱の回収効率を向上させるものである。タービン１６は、蒸気経路１５を通じて流入する高温、高圧の蒸気によって駆動される。タービン１６は蓄電装置２１と接続された発電機２０と共通の駆動軸１６ａを備えている。このため、タービン１６が駆動されると、発電機２０は蒸気の熱エネルギーを電気エネルギーに変換し、回収する。タービン１６を通過した蒸気は凝縮器１８で凝縮されて液状の冷媒に戻される。液状となった冷媒はウォータポンプ１０によって再びインレットパイプ８へ圧送される。エンジン冷却装置は、このようにランキンサイクルを形成することにより、エンジン１の廃熱を回収することができる。
【００２８】
以上説明したように、本実施例のエンジン冷却装置は、シリンダヘッド２の冷却と、エンジン１の廃熱の回収を行うことができる。
【００２９】
上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】実施例のエンジン冷却装置を組み込んだエンジンをシリンダヘッドの上方から見た説明図である。
【図２】エンジンを正面から見たときのエンジンの概略構成を示した説明図である。
【図３】（ａ）は、シリンダヘッドの近傍をエンジンの正面側から見た説明図であり、（ｂ）はウォータジャケット内に冷媒を流通させた状態のシリンダヘッドの近傍をエンジンの正面側から見た説明図である。
【図４】シリンダヘッドに形成されたウォータジャケット内を流通する冷媒の温度変化を、冷媒を長尺方向に流通させた場合と、本実施例のように短尺方向に流通させた場合とを比較して概念的に示した説明図である。
【図５】インレットパイプとアウトレットパイプの配置を入れ換えた実施例の説明図である。
【図６】（ａ）は、エンジンの気筒配列方向である長尺方向の距離と気筒配列方向を横断する短尺方向の距離とを比較した説明図であり、（ｂ）は、蒸気化した冷媒が滞留しやすい箇所を模式的に表した説明図である。
【図７】エンジン冷却装置が組み込まれたランキンサイクルの概略構成図である。
【符号の説明】
【００３１】
１  エンジン
２  シリンダヘッド
３  ウォータジャケット
３ａ  第１流路
３ｂ  第２流路
３ｃ  第３流路
３ｄ  第４流路
４  第１気筒
５  第２気筒
６  第３気筒
７  第４気筒
８  インレットパイプ
８ａ  メインパイプ
８ｂ  サブパイプ
９  アウトレットパイプ
９ａ  メインパイプ
９ａ１  天井面
９ｂ  サブパイプ
１０  ウォータポンプ
１２  排気通路
１５  蒸気通路
１６  タービン
１７  過熱器
１８  凝縮器
１９  排気経路
２０  発電機
２１  蓄電装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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