(57)【要約】【課題】内燃機関を冷却した際に冷媒が奪った熱を吸気加熱に十分に利用することができる小型化された内燃機関の冷却装置を提供する。【解決手段】シリンダ１ｃ回りに位置する冷媒室１ｄと、冷媒室の上部へ液相冷媒を噴射する第一噴射弁１３とを具備し、冷媒室内の上部は液相冷媒と同一物質の気相冷媒によって満たされ、冷媒室の下部は液相冷媒によって満たされ、冷媒室内の液相冷媒の一部が膨張行程中にシリンダ内から熱を奪って気相に変化し、冷媒室の気相冷媒の圧力は大気圧より高い設定圧力に上限管理され、冷媒室内の気相冷媒の一部が吸気行程中にシリンダ内の吸気を加熱して液相へ相変化し、機関負荷が設定負荷より高い時には、第一噴射弁によって液相冷媒を排気行程において噴射する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ回りに位置する冷媒室と、前記冷媒室の上部へ液相冷媒を噴射する第一噴射弁とを具備し、前記冷媒室内の前記上部は前記液相冷媒と同一物質の気相冷媒によって満たされ、前記冷媒室の下部は前記液相冷媒と同一物質の液相冷媒によって満たされ、前記冷媒室内の液相冷媒の一部が膨張行程中にシリンダ内から熱を奪って気相に変化し、前記冷媒室の気相冷媒の圧力は大気圧より高い設定圧力に上限管理され、前記冷媒室内の気相冷媒の一部が吸気行程中にシリンダ内の吸気を加熱して液相へ相変化し、機関負荷が設定負荷より高い時には、前記第一噴射弁によって液相冷媒を排気行程において噴射することを特徴とする内燃機関の冷却装置。
【請求項２】
機関負荷が前記設定負荷より高い時には、前記第一噴射弁によって液相冷媒を膨張行程においても噴射することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の冷却装置。
【請求項３】
前記液相冷媒は、少なくともメタノール、アンモニア、又は、ブタンを含んでおり、前記液相冷媒をシリンダ内へ直接的に噴射する第二噴射弁が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の冷却装置。
【請求項４】
前記第二噴射弁によって前記液相冷媒を吸気行程においてシリンダ内へ噴射することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の冷却装置。
【請求項５】
前記内燃機関は吸気行程においてシリンダ内へ供給された燃料を圧縮行程において圧縮して自着火させるものであり、燃焼圧センサにより最大燃焼圧に達する時の圧力上昇率を検出し、検出された前記圧力上昇率が設定値以上となった時には、前記第二噴射弁によって前記液相冷媒を次のサイクルの圧縮行程において噴射することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の冷却装置。
【請求項６】
前記内燃機関は吸気行程においてシリンダ内へ供給された燃料を圧縮行程において圧縮して自着火させるものであり、燃焼圧センサにより着火時期を検出し、検出された前記着火時期が設定時期より早い時には、前記第二噴射弁によって前記液相冷媒を直ぐに噴射することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の冷却装置。
【請求項７】
前記気相冷媒はアンモニアであり、前記気相冷媒を機関排気系に配置された選択還元触媒装置へ供給することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の冷却装置。
【請求項８】
前記冷媒室のシリンダ側壁から前記冷媒室内へフィンが延在し、前記冷媒室の反シリンダ側壁には断熱層が形成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の内燃機関の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関のシリンダ回りの冷媒室に液相冷媒を噴射供給して、液相冷媒の気化熱によりシリンダ内を冷却する冷却装置が提案されており（例えば、特許文献１参照）、このような冷却装置は、大きなラジエータを有してシリンダ回りに冷却水を循環させる従来の冷却装置に比較して小型化が可能となる。
【０００３】
【特許文献１】特開昭６３−２４６４０９
【特許文献２】特開２００７−１８７１１２
【特許文献３】特開昭６１−２０６９２
【特許文献４】特開平６−１７３６８０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前述の冷却装置において、シリンダ回りの冷媒室は、液相冷媒から気化した大気圧の気相冷媒によって満たされ、噴射されて気相に変化しなかった液相冷媒及び気相冷媒から液相に変化した液相冷媒は、冷媒室の下部から冷媒タンクへ戻されるようになっている。
【０００５】
このような構成では、内燃機関を冷却した際に冷媒が奪った熱を吸気行程において吸気加熱に十分に利用することができない。
【０００６】
従って、本発明の目的は、内燃機関を冷却した際に冷媒が奪った熱を吸気加熱に十分に利用することができる小型化された内燃機関の冷却装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明による請求項１に記載の内燃機関の冷却装置は、シリンダ回りに位置する冷媒室と、前記冷媒室の上部へ液相冷媒を噴射する第一噴射弁とを具備し、前記冷媒室内の前記上部は前記液相冷媒と同一物質の気相冷媒によって満たされ、前記冷媒室の下部は前記液相冷媒と同一物質の液相冷媒によって満たされ、前記冷媒室内の液相冷媒の一部が膨張行程中にシリンダ内から熱を奪って気相に変化し、前記冷媒室の気相冷媒の圧力は大気圧より高い設定圧力に上限管理され、前記冷媒室内の気相冷媒の一部が吸気行程中にシリンダ内の吸気を加熱して液相へ相変化し、機関負荷が設定負荷より高い時には、前記第一噴射弁によって液相冷媒を排気行程において噴射することを特徴とする。
【０００８】
本発明による請求項２に記載の内燃機関の冷却装置は、請求項１に記載の内燃機関の冷却装置において、機関負荷が前記設定負荷より高い時には、前記第一噴射弁によって液相冷媒を膨張行程においても噴射することを特徴とする。
【０００９】
本発明による請求項３に記載の内燃機関の冷却装置は、請求項１又は２に記載の内燃機関の冷却装置において、前記液相冷媒は、少なくともメタノール、アンモニア、又は、ブタンを含んでおり、前記液相冷媒をシリンダ内へ直接的に噴射する第二噴射弁が設けられていることを特徴とする。
【００１０】
本発明による請求項４に記載の内燃機関の冷却装置は、請求項３に記載の内燃機関の冷却装置において、前記第二噴射弁によって前記液相冷媒を吸気行程においてシリンダ内へ噴射することを特徴とする。
【００１１】
本発明による請求項５に記載の内燃機関の冷却装置は、請求項３に記載の内燃機関の冷却装置において、前記内燃機関は吸気行程においてシリンダ内へ供給された燃料を圧縮行程において圧縮して自着火させるものであり、燃焼圧センサにより最大燃焼圧に達する時の圧力上昇率を検出し、検出された前記圧力上昇率が設定値以上となった時には、前記第二噴射弁によって前記液相冷媒を次のサイクルの圧縮行程において噴射することを特徴とする。
【００１２】
本発明による請求項６に記載の内燃機関の冷却装置は、請求項３に記載の内燃機関の冷却装置において、前記内燃機関は吸気行程においてシリンダ内へ供給された燃料を圧縮行程において圧縮して自着火させるものであり、燃焼圧センサにより着火時期を検出し、検出された前記着火時期が設定時期より早い時には、前記第二噴射弁によって前記液相冷媒を直ぐに噴射することを特徴とする。
【００１３】
本発明による請求項７に記載の内燃機関の冷却装置は、請求項１又は２に記載の内燃機関の冷却装置において、前記気相冷媒はアンモニアであり、前記気相冷媒を機関排気系に配置された選択還元触媒装置へ供給することを特徴とする。
【００１４】
本発明による請求項８に記載の内燃機関の冷却装置は、請求項１から７のいずれか一項に記載の内燃機関の冷却装置において、前記冷媒室のシリンダ側壁から前記冷媒室内へフィンが延在し、前記冷媒室の反シリンダ側壁には断熱層が形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明による請求項１に記載の内燃機関の冷却装置によれば、シリンダ回りに位置する冷媒室と、冷媒室の上部へ液相冷媒を噴射する第一噴射弁とを具備し、冷媒室内の上部は液相冷媒と同一物質の気相冷媒によって満たされ、冷媒室の下部は液相冷媒によって満たされており、膨張行程においては、冷媒室内の液相冷媒の一部が膨張行程中にシリンダ内から熱を奪って気相に変化することにより、良好にシリンダ内を冷却することができる。また、冷媒室内の気相冷媒の圧力は大気圧より高い設定圧力に上限管理されており、それにより、気相冷媒は膨張行程においてシリンダ内から奪った熱を温度だけでなく圧力によっても保持することができ、冷媒室内の気相冷媒の一部が吸気行程中に液相から気相へ変化してシリンダ内の吸気を十分に加熱し、シリンダ内において燃料の気化を促進することができる。さらに、機関負荷が設定負荷より高い時には、第一噴射弁によって液相冷媒を排気行程において噴射するようになっている。こうして、機関負荷が設定負荷より高い時においては噴射された液相冷媒は冷媒室の上部においてシリンダ内の熱を奪って蒸発するためにシリンダ内はさらに冷却され、吸気行程となった時にシリンダ内が十分に冷却されているために、吸気充填効率を十分に高めることができる。
【００１６】
本発明による請求項２に記載の内燃機関の冷却装置によれば、請求項１に記載の内燃機関の冷却装置において、機関負荷が設定負荷より高い時には、第一噴射弁によって液相冷媒を膨張行程においても噴射してシリンダ内を冷却するようになっている。こうして、機関負荷が設定負荷より高い時には、膨張行程においても液相冷媒を冷媒室の上部において蒸発させてシリンダ内を冷却させることにより、燃焼温度の過剰上昇によるシリンダボアの熱変形及びピストンの溶損等を防止することができる。
【００１７】
本発明による請求項３に記載の内燃機関の冷却装置によれば、請求項１又は２に記載の内燃機関の冷却装置において、液相冷媒は、少なくともメタノール、アンモニア、又は、ブタンを含んでおり、液相冷媒をシリンダ内へ直接的に噴射する第二噴射弁が設けられている。それにより、必要に応じて液相冷媒を燃料としてシリンダ内へ噴射することができる。
【００１８】
本発明による請求項４に記載の内燃機関の冷却装置によれば、請求項３に記載の内燃機関の冷却装置において、第二噴射弁によって液相冷媒を吸気行程においてシリンダ内へ噴射するようになっており、それにより、液相冷媒の気化潜熱により吸気行程においてシリンダ内温度が低下し、吸気充填効率を高めることができる。
【００１９】
本発明による請求項５に記載の内燃機関の冷却装置によれば、請求項３に記載の内燃機関の冷却装置において、内燃機関は吸気行程においてシリンダ内へ供給された燃料を圧縮行程において圧縮して自着火させるものであり、燃焼圧センサにより最大燃焼圧に達した時の圧力上昇率を検出し、検出された圧力上昇率が設定値以上となった時には、第二噴射弁によって液相冷媒を次のサイクルの圧縮行程において噴射するようになっており、それにより、圧縮行程での液相冷媒の気化潜熱により吸気充填効率を高めることなくシリンダ内温度を低下させ、自着火が起こり難くし、自着火時期を遅らせて燃焼騒音を抑制することができる。
【００２０】
本発明による請求項６に記載の内燃機関の冷却装置によれば、請求項３に記載の内燃機関の冷却装置において、内燃機関は吸気行程においてシリンダ内へ供給された燃料を圧縮行程において圧縮して自着火させるものであり、燃焼圧センサにより着火時期を検出し、検出された着火時期が設定時期より早い時には、第二噴射弁によって液相冷媒を直ぐに噴射するようになっており、それにより、液相冷媒の気化潜熱により吸気充填効率を高めることなくシリンダ内温度を低下させ、自着火燃焼を緩慢にして燃焼騒音を抑制することができる。
【００２１】
本発明による請求項７に記載の内燃機関の冷却装置によれば、請求項１又は２に記載の内燃機関の冷却装置において、気相冷媒はアンモニアであり、気相冷媒を機関排気系に配置された選択還元触媒装置へ供給するようになっており、それにより、選択還元触媒装置が液状アンモニアの気化潜熱により温度低下することはない。
【００２２】
本発明による請求項８に記載の内燃機関の冷却装置によれば、請求項１から７のいずれか一項に記載の内燃機関の冷却装置において、冷媒室のシリンダ側壁から冷媒室内へフィンが延在し、冷媒室の反シリンダ側壁には断熱層が形成されている。それにより、フィンによって、冷媒室内の液相冷媒及び気相冷媒とシリンダ内との間の熱の授受が起こり易くなると共に、シリンダ回りの剛性も向上させることができ、また、断熱層によって、シリンダ内から熱を奪った気相冷媒からの放熱が抑制され、吸気行程において気相冷媒は良好にシリンダ内を加熱することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図１は本発明による冷却装置が取り付けられた内燃機関の概略図である。同図において、１は機関本体であり、２は機関本体１の吸気ポート１ａに接続される吸気通路であり、３は機関本体１の排気ポート１ｂに接続される排気通路である。１ｃはシリンダであり、４はシリンダ内を摺動するピストンである。５は吸気弁であり、６は排気弁である。
【００２４】
１ｄはシリンダ１ｃ回りに形成された環状断面を有する冷媒室である。冷媒室１ｄは、気筒毎に別々に設けられることが好ましい。冷媒室１ｄの上部は気相冷媒によって満たされ、冷媒室１ｄの下部は液相冷媒によって満たされている。気相冷媒と液相冷媒とは同一物質である。気相冷媒によって満たされた冷媒室１ｄの上部は、配管によって、気相冷媒蓄圧室７に接続されると共に安全弁８を介して冷媒タンク９の上部に接続されている。冷媒タンク９の上部は気相冷媒によって満たされている。
【００２５】
安全弁８は大気圧より高い設定圧力で開弁して気相冷媒を冷媒タンク９へ戻すものであり、それにより、気相冷媒蓄圧室７及び冷媒室１ｄの上部は、設定圧力によって上限管理された気相冷媒によって満たされている。また、気相冷媒蓄圧室７は、逆止弁１１が配置された配管によって第一ポンプ１０を介して冷媒タンク９の上部に接続されており、気相冷媒蓄圧室７内の気相冷媒圧力が、前述の設定圧力より僅かに低い圧力となると、第一ポンプ１０が作動して冷媒タンク９内の気相冷媒を逆止弁１１を介して気相冷媒蓄圧室７内へ圧送するようになっている。こうして、気相冷媒蓄圧室７及び冷媒室１ｄの上部は、ほぼ設定圧力に維持された気相冷媒によって満たされることとなる。
【００２６】
１２は、吸気通路２に配置された燃料噴射弁であり、吸気同期又は吸気非同期で燃料としてのガソリンを噴射する。こうして噴射された燃料は、吸気行程においてシリンダ１ｃ内へ供給されて均質混合気となり、圧縮行程において圧縮されて着火温度となると自着火燃焼を開始する。機関本体１は、このような自着火燃焼に限定されることなく、点火プラグを有して均質混合気を火花点火させるものでも良い。
【００２７】
シリンダ１ｃ内の燃焼に際して、冷媒室１ｄ内の液相冷媒の一部は、膨張行程中にシリンダ１ｃ内から熱を奪って気相に変化し、シリンダ１ｃ内が過剰に温度上昇しないように良好に冷却する。また、冷媒室１ｄの気相冷媒の圧力は大気圧より高い設定圧力に維持されており、それにより、気相冷媒は膨張行程においてシリンダ内から奪った熱を温度だけでなく圧力によっても保持し、冷媒室１ｄ内の気相冷媒の一部が吸気行程中に液相から気相へ変化してシリンダ内の吸気を十分に加熱することができ、シリンダ１ｃ内において燃料の気化が促進される。
【００２８】
１３は液相冷媒蓄圧室１４内の液相冷媒を冷媒室１ｄの上部へ噴射する第一噴射弁である。液相冷媒蓄圧室１４は、逆止弁１５が配置された配管によって、第二ポンプ１６を介して冷媒タンク９の下部に接続されており、液相冷媒蓄圧室１４内の液相冷媒圧力が、設定噴射圧力より僅かに低い圧力となると、第二ポンプ１６が作動して冷媒タンク９内の下部の液相冷媒を逆止弁１５を介して液相冷媒蓄圧室１４内へ圧送するようになっている。こうして、液相冷媒蓄圧室１４内は、設定噴射圧力に維持された液相冷媒によって満たされており、第一噴射弁１３を介していつでも液相冷媒を噴射可能となっている。
【００２９】
図２は、第一噴射弁１３近傍の拡大断面図である。機関負荷が設定負荷より高い時には、図２に示すように、第一噴射弁１３により、排気行程において、好ましくは排気行程初期において、液相冷媒Ｌが冷媒室１ｄの上部へ噴射されて冷媒室１ｄのシリンダ側壁に衝突し、その一部は蒸発して気相冷媒となり、シリンダ１ｃ内を良好に冷却する。こうして、吸気行程となった時にはシリンダ内が十分に冷却されているために、吸気充填効率を十分に高めることができる。
【００３０】
また、機関負荷が設定負荷より高い時には、第一噴射弁１３によって液相冷媒を膨張行程においても、好ましくは、気筒内が最も高温となる膨張行程初期においても噴射するようにしても良い。それにより、膨張行程においても液相冷媒を冷媒室１ｄの上部において蒸発させてシリンダ内を冷却することにより、高負荷時には燃焼温度が過剰に上昇してシリンダボアの熱変形及びピストン４の溶損等を引き起こすことがあるが、これを確実に防止することができる。
【００３１】
液相冷媒及び気相冷媒の物質を、メタノール、アンモニア、又は、ブタンとすれば、又は、少なくともこれらのいずれかを含むものとすれば、燃料としてシリンダ１ｃ内へ噴射することができる。１７は、このような液相冷媒をシリンダ１ｃ内へ直接的に噴射する第二噴射弁であり、第二噴射弁１７は、配管によって、液相冷媒蓄圧室１４に接続されている。
【００３２】
燃料噴射弁１２により噴射された燃料に加えて、第二噴射弁１７によって液相冷媒を吸気行程においてシリンダ１ｃ内へ噴射するようにすれば、液相冷媒の気化潜熱により吸気行程においてシリンダ内１ｃ温度が低下し、吸気充填効率を高めることができる。
【００３３】
機関本体１が圧縮自着火内燃機関である場合において、シリンダ１ｃ内に燃焼圧センサを設けることにより、最大燃焼圧に達した時の圧力上昇率を検出することができる。図３に示すように、圧縮上死点ＴＤＣ直後の最大燃焼圧Ｐｍａｘに対する直前の圧力上昇率が検出され、この圧力上昇率が図３に実線で示すような圧力急上昇の場合のように設定値以上となっていれば、非常に高い騒音が発生することとなる。この時には、同一気筒の次のサイクルにおいては、第二噴射弁１７によって液相冷媒を圧縮行程において噴射する。
【００３４】
それにより、圧縮行程での液相冷媒の気化潜熱により吸気充填効率を高めることなくシリンダ１ｃ内温度を低下させ、自着火が起こり難くして自着火時期を遅らせ、図３に点線で示すように、最大燃焼圧を低下させることにより、燃焼騒音を抑制する。燃焼圧センサが一つの気筒にしか設けられていない場合には、燃焼圧センサが設けられた気筒で圧力上昇率が設定値以上となった時には、次に圧縮行程となる気筒から全ての気筒に対して第二噴射弁１７によって液相冷媒を圧縮行程において噴射するようにすれば良い。
【００３５】
また、燃焼圧センサによって、着火時期、すなわち、熱発生割合が設定値（例えば１０％）となる時期を、対応する筒内圧力Ｐ０に基づき検出し、図３に実線で示すように検出された着火時期Ｔが設定時期（圧縮上死点直後の設定時期）より早い時には、このままでは大きな騒音が発生することとなるために、第二噴射弁１７によって液相冷媒を直ぐにシリンダ内へ噴射するようにしても良い。それにより、液相冷媒の気化潜熱により吸気充填効率を高めることなくシリンダ内温度を低下させ、その後の自着火燃焼を緩慢にして燃焼騒音を抑制することができる。
【００３６】
ところで、選択還元触媒装置は、排気ガス中のＮＯXを吸蔵し、このＮＯX吸蔵量が飽和する以前に、供給されたアンモニアにより吸蔵ＮＯXを還元浄化するものである。図１に示すように、このような選択還元触媒装置１８が排気通路３に配置されている場合において、供給されるアンモニアが液体であると、気化潜熱によって選択還元触媒装置１８が温度低下し、吸蔵ＮＯXの還元浄化性能及び新たなＮＯXの吸蔵性能が低下してしまう。
【００３７】
それにより、冷媒がアンモニアとされれば、選択還元触媒装置１８へアンモニアを供給する供給手段１９（アンモニア噴射弁）を気相冷媒蓄圧室７に接続して、選択還元触媒装置１８へは気相アンモニアを供給することができる。それにより、選択還元触媒装置１８が液状アンモニアの気化潜熱により温度低下して吸蔵ＮＯXの還元浄化性能及び新たなＮＯXの吸蔵性能が低下することを防止することができる。
【００３８】
図４はもう一つの冷媒室１ｄ’の構造を示す断面図であり、図５は、断熱層１ｈ’及び外側部材１ｊ’を除去した図４のＡ矢示図である。これらの図に示すように、冷媒室１ｄ’は、シリンダ１ｃ’回りのシリンダブロックの筒状部１ｅ’の外側に形成され、筒状部１ｅ’には、同じ高さの縦リブ１ｆ’及び横リブ１ｇ’が格子状に溶接されている。縦リブ１ｆ’及び横リブ１ｇ’の外側はセラミック等の断熱層１ｈ’によって覆われ、断熱層１ｈ’の回りには、外側部材１ｊ’が配置され、冷媒室１ｄ’の気密性が提供されるようになっている。横リブ１ｆ’及び１ｇ’は、例えば、伝熱性に優れたアルミニウム合金から形成されており、また、格子状の縦リブ１ｆ’及び横リブ１ｇ’により形成された各室が互いに連通するように、縦リブ１ｆ’及び横リブ１ｇ’には、連通孔１ｋ’が形成されている。
【００３９】
このような冷媒室１ｄ’の構成において、冷媒室１ｄ’のシリンダ側壁１ｅ’から冷媒室１ｄ’内へリブ状のフィンが延在し、冷媒室１ｄ’の反シリンダ側壁１ｊ’には断熱層１ｈ’が形成されている。それにより、フィンによって、冷媒室１ｄ’内の液相冷媒及び気相冷媒とシリンダ内との間の熱の授受が起こり易くなると共に、シリンダ回りの剛性も向上させることができ、また、断熱層１ｈ’によって、シリンダ内から熱を奪った気相冷媒からの放熱が抑制され、吸気行程において気相冷媒は良好にシリンダ内を加熱することができる。本冷媒室１ｄ’においては、縦リブ１ｆ’及び横リブ１ｇ’によりフィンを格子状としたが、冷媒室回りのフィンをハニカム形状又はダイヤ形状としても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明による冷却装置が取り付けられた内燃機関の概略図である。
【図２】第一噴射弁近傍の拡大断面図である。
【図３】クランク角度と気筒内圧力との関係を示す図である。
【図４】冷媒室のもう一つの構造を示す断面図である。
【図５】断熱層及び外側部材を除去した図４のＡ矢示図である。
【符号の説明】
【００４１】
１ｃ，１ｃ’    シリンダ
１ｄ，１ｄ’    冷媒室
１３    第一噴射弁
１７    第二噴射弁
【図１】
2009299657.tif 000003
【図２】
2009299657.tif 000004
【図３】
2009299657.tif 000005
【図４】
2009299657.tif 000006
【図５】
2009299657.tif 000007