(57)【要約】【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
2004285952.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【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∝ｖ０、８）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
【図１】
2004285952.tif 000003
【図２】
2004285952.tif 000004
【図３】
2004285952.tif 000005
【図４】
2004285952.tif 000006
【図５】
2004285952.tif 000007
【図６】
2004285952.tif 000008
【図７】
2004285952.tif 000009