(57)【要約】【課題】冷却水の温度および排気の温度の調節が可能な内燃機関の冷却装置を提供することを課題とする。【解決手段】冷却水が熱交換を行う熱交換器と、内燃機関の排気ポートの周囲に設けられ、前記冷却水が流れるウォータジャケットと、前記ウォータジャケットの前記排気ポートよりも上流側と前記熱交換器とに接続され、前記熱交換器から前記ウォータジャケットに向けて前記冷却水が流れる第１経路と、前記ウォータジャケットの前記排気ポートよりも下流側と前記熱交換器とに接続され、前記熱交換器から前記ウォータジャケットに向けて前記冷却水が流れる第２経路と、前記冷却水の温度および前記内燃機関の排気の温度に応じて前記第１経路および前記第２経路のそれぞれにおける前記冷却水の流量を制御する制御部と、を具備する内燃機関の冷却装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却水が熱交換を行う熱交換器と、
内燃機関の排気ポートの周囲に設けられ、前記冷却水が流れるウォータジャケットと、
前記ウォータジャケットの前記排気ポートよりも上流側と前記熱交換器とに接続され、前記熱交換器から前記ウォータジャケットに向けて前記冷却水が流れる第１経路と、
前記ウォータジャケットの前記排気ポートよりも下流側と前記熱交換器とに接続され、前記熱交換器から前記ウォータジャケットに向けて前記冷却水が流れる第２経路と、
前記冷却水の温度および前記内燃機関の排気の温度に応じて前記第１経路および前記第２経路のそれぞれにおける前記冷却水の流量を制御する制御部と、を具備する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】
内燃機関の冷却のため、シリンダブロックおよびシリンダヘッドには冷却水の流通するウォータジャケットが設けられている。ウォータジャケット内の冷却水は複数の排気ポートの周囲を流れる（特許文献１など）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−１７８８０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
冷却水が排気ポート付近を冷却することで、冷却水の温度および排気の温度が変化する。しかし冷却水の温度および排気の温度の調節が困難であった。そこで、冷却水の温度および排気の温度の調節が可能な内燃機関の冷却装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的は、冷却水が熱交換を行う熱交換器と、内燃機関の排気ポートの周囲に設けられ、前記冷却水が流れるウォータジャケットと、前記ウォータジャケットの前記排気ポートよりも上流側と前記熱交換器とに接続され、前記熱交換器から前記ウォータジャケットに向けて前記冷却水が流れる第１経路と、前記ウォータジャケットの前記排気ポートよりも下流側と前記熱交換器とに接続され、前記熱交換器から前記ウォータジャケットに向けて前記冷却水が流れる第２経路と、前記冷却水の温度および前記内燃機関の排気の温度に応じて前記第１経路および前記第２経路のそれぞれにおける前記冷却水の流量を制御する制御部と、を具備する内燃機関の冷却装置によって達成できる。
【発明の効果】
【０００６】
冷却水の温度および排気の温度の調節が可能な内燃機関の冷却装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は第１実施形態に係る冷却装置を例示する模式図である。
【図２】図２（ａ）および図２（ｂ）は排気の温度および水温を示すグラフである。
【図３】図３は冷却装置を例示する模式図である。
【図４】図４は冷却装置を例示する模式図である。
【図５】図５は冷却装置を例示する模式図である。
【図６】図６は冷却装置を例示する模式図である。
【図７】図７はＥＣＵが実行する処理を例示するフローチャートである。
【図８】図８はＥＣＵが実行する処理を例示するフローチャートである。
【図９】図９は第２実施形態に係る冷却装置を例示する模式図である。
【図１０】図１０は第３実施形態に係る冷却装置を例示する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
（第１実施形態）
以下、図面を参照して本実施例の冷却装置１００について説明する。図１は第１実施形態に係る冷却装置１００を例示する模式図である。冷却装置１００は内燃機関１に適用され、ＥＣＵ１０、オイルクーラ４０、弁４２および４４を有する。
【０００９】
内燃機関１は例えば自動車に搭載される三気筒エンジンであり、３つの気筒＃１〜＃３が配列されている。各気筒には例えば２つの排気バルブのバルブ孔１２が設けられている。気筒はバルブ孔１２を通じて、点線で示す排気ポート１４に接続される。燃料と空気との混合気が燃焼して発生する排気は、バルブ孔１２を通じて排気ポート１４に排出される。排気ポート１４に不図示の排気管が接続され、排気管には排気を浄化する触媒などが設けられている。
【００１０】
ウォータジャケット２０は内燃機関１のシリンダブロックおよびシリンダヘッドに形成され、気筒＃１〜＃３および排気ポート１４の周囲に位置する。ウォータジャケット２０には供給口２２、２６および２８、排出口２４および２５が設けられている。ウォータジャケット２０のうち気筒＃１側が上流側であり、気筒＃３側が下流側である。供給口２２および２６、排出口２５はウォータジャケット２０のうち気筒＃１側に設けられている。排出口２４および供給口２８は気筒＃３側に設けられている。供給口２６は複数の排気ポート１４のうち少なくとも１つよりも上流側に位置し、好ましくはすべての排気ポート１４より上流側に位置する。供給口２８は複数の排気ポート１４のうち少なくとも１つよりも下流側に位置し、好ましくはすべての排気ポート１４より下流側に位置する。上流側から順に供給口２６、排気ポート１４、供給口２８が並ぶ。
【００１１】
供給口２２には経路３１の一端が接続され、経路３１の他端にはポンプ３４が接続されている。サーモスタット３２には経路３３、３５および３６それぞれの一端が接続されている。排出口２４には経路３３の他端が接続されている。経路３５および３６の他端はポンプ３４に接続されている。経路３６の途中にはラジエータ３０が設けられている。
【００１２】
ポンプ３４は供給口２２を通じて冷却水をウォータジャケット２０に供給する。図中に矢印で示すように、冷却水は供給口２２、気筒＃１〜＃３および排出口２４にかけて順に流れ、排気ポート１４の周囲に流れ、気筒および排気ポート１４などを冷却する。冷却後の冷却水は排出口２４から経路３３に排出される。
【００１３】
経路３３に設けられたサーモスタット３２の開閉状態は冷却水の温度に応じて切り替わる。水温が所定値より低い場合、経路３３と経路３５とが接続され、経路３６は接続されず、経路３６およびラジエータ３０には冷却水が流れない。このとき、冷却水はラジエータ３０で熱交換せずに、ウォータジャケット２０に循環する。一方、水温が所定値より高い場合、経路３３と経路３６とが接続され、経路３５は接続されず、経路３５には冷却水が流れない。このとき、冷却水はラジエータ３０で冷却された後、ウォータジャケット２０に循環する。
【００１４】
ウォータジャケット２０の排出口２５とオイルクーラ４０とは経路４１により接続されている。供給口２６とオイルクーラ４０とは経路４３（第１経路）により接続され、経路４３の途中には弁４２（第１弁）が設けられている。供給口２８とオイルクーラ４０とは経路４５（第２経路）により接続され、経路４５の途中には弁４４（第２弁）が設けられている。
【００１５】
オイルクーラ４０には経路４１を通じてウォータジャケット２０の供給口２２付近の冷却水が供給され、かつオイルが供給される。オイルクーラ４０において冷却水とオイルとが熱交換を行う。
【００１６】
熱交換後の冷却水は、経路４３および供給口２６を通じてウォータジャケット２０の気筒＃１側に供給され、また経路４５および供給口２８を通じてウォータジャケット２０の気筒＃３側に供給される。弁４２および４４の開閉状態により、オイルクーラ４０と供給口２６および２８との間における冷却水の流量は制御される。
【００１７】
温度センサ１６はオイルクーラ４０に供給されるオイルの温度（油温）を測定する。温度センサ１８はウォータジャケット２０の排出口２４付近における冷却水の温度を測定する。
【００１８】
ＥＣＵ（Electric Control Unit）１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）等を備え、ＲＯＭや記憶装置に記憶されたプログラムを実行することにより各種制御を行う。ＥＣＵ１０は温度センサ１６からオイルの温度Ｔｏを取得し、温度センサ１８から水温Ｔｗを取得する。ＥＣＵ１０は弁４２および４４の開度を調節することで、経路４３および４５それぞれにおける冷却水の流量を制御する制御部として機能する。
【００１９】
表１はＥＣＵ１０が記憶するデータテーブルの例である。内燃機関１の負荷、水温Ｔｗおよび油温Ｔｏに応じた状況Ｉ〜ＩＶごとに、ＥＣＵ１０は弁４２および４４の開閉を切り替える。水温Ｔｗとは温度センサ１８が測定する排出口２４付近における冷却水の温度である。油温Ｔｏとは温度センサ１６が測定するオイルクーラ４０での熱交換前のオイルの温度である。ＥＣＵ１０による開閉の制御は後述する。
【表１】
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【００２０】
図２（ａ）および図２（ｂ）は排気の温度および水温を示すグラフである。横軸は時間であり、縦軸は温度である。破線は比較例、実線は第１実施形態を示す。比較例とはオイルクーラ４０、弁４２および４４を有さない冷却装置であり、冷却水はウォータジャケット２０、排出口２４、供給口２２を循環する。
【００２１】
図２（ａ）に示すＴｗ１は暖気時の目標水温である。Ｔｇ１は排気の目標温度であり、排気管に設けられた触媒が活性化する温度である。図２（ｂ）に示すＴｗ２は限界水温であり、ラジエータ３０の放熱性が限界になる温度である。Ｔｗｔｈは閾値でありＴｗ２より低い。Ｔｇ２は排気の限界温度であり、ＴｇがＴｇ２以上になると排気の熱で触媒が損傷する。Ｔｇｔｈは閾値でありＴｇ２より低い。
【００２２】
図３から図６は冷却装置１００を例示する模式図であり、それぞれ表１の状況Ｉ〜ＩＶ、図２（ａ）および図２（ｂ）に示す例に対応している。図３から図６において冷却水の経路のうち実線で示すものには冷却水が流れ、点線で示すものには冷却水が流れない。
【００２３】
図２（ａ）、図３および図４は水温Ｔｗが油温Ｔｏより高い場合であり、内燃機関１の始動直後などである。図３および図４に示すようにサーモスタット３２により経路３３と経路３５とが接続され、経路３３と経路３６とは接続されない。このため冷却水は経路３６およびラジエータ３０を流れず、経路３５を通って循環する。
【００２４】
水温Ｔｗが油温Ｔｏより高いため、オイルクーラ４０において冷却水はオイルと熱交換し、冷却される。オイルクーラ４０からウォータジャケット２０に流入する冷却水は、供給口２２から供給される冷却水より低温である。
【００２５】
図２（ａ）の時間ｔ１〜ｔ２は表１の状況Ｉに対応する。水温ＴｗはＴｗ１未満であり、排気温度ＴｇはＴｇ１未満である。ＥＣＵ１０は弁４２を開き、弁４４を閉じる。図３に示すように、オイルクーラ４０から経路４３および供給口２６を通じてウォータジャケット２０に冷却水が供給され、供給口２８からは供給されない。オイルクーラ４０からの低温の冷却水の供給により、供給口２２付近において冷却水の温度が低下し、低温の冷却水がウォータジャケット２０を流れる。排気と冷却水との温度差が大きくなることで、冷却水が排気から奪う熱量（抜熱量）が増加する。この結果、図２（ａ）に実線で示す第１実施形態では、破線の比較例に比べて水温Ｔｗが速く上昇し、暖気時間が短くなる。水温Ｔｗは時間ｔ２にＴｗ１まで上昇する。
【００２６】
時間ｔ２以降は表１の状況ＩＩに対応し、ＥＣＵ１０は弁４２を閉じ、弁４４を開く。図４に示すように、オイルクーラ４０から経路４５および供給口２８を通じてウォータジャケット２０に冷却水が供給され、供給口２６からは供給されない。低温の冷却水は供給口２８から排出口２４に流れるため、内燃機関１の冷却への影響は小さい。すなわち、排出口２４と供給口２２との間で循環する冷却水が主に内燃機関１を冷却する。このため抜熱量は減少する。図２（ａ）に実線で示す第１実施形態では、破線の比較例に比べて、排気温度Ｔｇが速く上昇し、時間ｔ３にＴｇ１まで上昇する。この結果、触媒が速く活性化する。
【００２７】
図２（ｂ）、図５および図６は水温Ｔｗが油温Ｔｏより低い場合であり、内燃機関１の高負荷運転時などである。図５および図６に示すようにサーモスタット３２により経路３３と経路３６とが接続され、経路３３と経路３５とは接続されない。このため冷却水は経路３５を流れず、経路３６およびサーモスタット３２を通って循環する。
【００２８】
水温Ｔｗが油温Ｔｏより低いため、オイルクーラ４０において冷却水はオイルと熱交換し、加熱される。オイルクーラ４０からウォータジャケット２０に流入する冷却水は、供給口２２から供給される冷却水より高温である。
【００２９】
図２（ｂ）において時間ｔ４までは表１の状況ＩＩＩに対応する。時間ｔ４において、水温Ｔｗは閾値Ｔｗｔｈに到達する。ＥＣＵ１０は弁４２を開き、弁４４を閉じる。図５に示すように、オイルクーラ４０から経路４３および供給口２６を通じてウォータジャケット２０に冷却水が供給され、供給口２８からは供給されない。オイルクーラ４０からの高温の冷却水の供給により供給口２２付近において冷却水の温度が上昇し、高温の冷却水がウォータジャケット２０を流れる。排気と冷却水との温度差が小さくなることで、抜熱量が減少する。この結果、図２（ｂ）に実線で示す第１実施形態では水温Ｔｗが低下し、Ｔｗ２以上への上昇は抑制される。一方、比較例では水温ＴｗがＴｗ２以上に上昇してしまう。
【００３０】
時間ｔ５以降は表１の状況ＩＶに対応する。時間ｔ５に排気温度Ｔｇは閾値Ｔｇｔｈに到達する。ＥＣＵ１０は弁４２を閉じ、弁４４を開く。図６に示すように、オイルクーラ４０から経路４５および供給口２８を通じてウォータジャケット２０に冷却水が供給され、供給口２６からは供給されない。高温の冷却水は供給口２８から排出口２４に流れるため、内燃機関１の冷却への影響は小さい。すなわち、排出口２４と供給口２２との間で循環する冷却水が主に内燃機関１を冷却する。このため抜熱量は増加する。図２（ｂ）に実線で示す第１実施形態では、排気温度Ｔｇが低下し、Ｔｇ２以上への上昇は抑制される。したがって触媒は保護される。比較例ではＴｇがＴｇ２より高い温度まで上昇してしまう。
【００３１】
図７および図８はＥＣＵ１０が実行する処理を例示するフローチャートである。図７に示すように、ＥＣＵ１０は、温度センサ１６および温度センサ１８から水温Ｔｗおよび油温Ｔｏを取得し、水温Ｔｗが油温Ｔｏより高いか否か判定する（ステップＳ１０）。否定判定（Ｎｏ）の場合は図８で後述する。
【００３２】
肯定判定（Ｙｅｓ）の場合、ＥＣＵ１０は水温ＴｗがＴｗ１未満であるか否か判定する（ステップＳ１２）。肯定判定の場合、ＥＣＵ１０は弁４２を開き、弁４４を閉じる（ステップＳ１４）。この場合は表１の状況Ｉ、図３に対応する。一方、否定判定の場合、ＥＣＵ１０は排気温度ＴｇがＴｇ１未満であるか否か判定する（ステップＳ１６）。肯定判定の場合、ＥＣＵ１０は弁４２を閉じ、弁４４を開く（ステップＳ１８）。この場合は表１の状況ＩＩ、図４に対応する。ステップＳ１６で否定判定、ステップＳ１４またはＳ１８の後、処理は終了する。
【００３３】
ステップＳ１０において否定判定（Ｎｏ）の場合、図８に示すように、ＥＣＵ１０は水温ＴｗがＴｗｔｈになったか否か判定する（ステップＳ２０）。肯定判定の場合、ＥＣＵ１０は弁４２を開き、弁４４を閉じる（ステップＳ２２）。この場合は表１の状況ＩＩＩ、図５に対応する。一方、否定判定の場合、ＥＣＵ１０は排気温度ＴｇがＴｇｔｈになったか否か判定する（ステップＳ２４）。肯定判定の場合、ＥＣＵ１０は弁４２を閉じ、弁４４を開く（ステップＳ２６）。この場合は表１の状況ＩＶ、図６に対応する。ステップＳ２４で否定判定、ステップＳ２２またはＳ２６の後、処理は終了する。
【００３４】
以上、第１実施形態によれば、ＥＣＵ１０は、オイルクーラ４０とウォータジャケット２０とを接続する経路４３および４５における冷却水の流量を制御する。これにより冷却水の温度Ｔｗおよび排気温度Ｔｇを調節することができる。
【００３５】
表１の状況Ｉでは、低負荷運転で、Ｔｏ＜ＴｗかつＴｗ＜Ｔｗ１である。ＥＣＵ１０は弁４２を開き、弁４４を閉じる。低温の冷却水をオイルクーラ４０からウォータジャケット２０の供給口２２側に流入させることで、抜熱量を増加させ、図２（ａ）に示すように水温Ｔｗを速く上昇させる。表１の状況ＩＩでは、Ｔｏ＜ＴｗかつＴｇ＜Ｔｇ１である。ＥＣＵ１０は弁４２を閉じ、弁４４を開く。低温の冷却水をオイルクーラ４０からウォータジャケット２０の排出口２４側に流入させ、供給口２２側には供給しないことで、抜熱量を減少させ、排気温度Ｔｇを速く上昇させる。これにより内燃機関１の始動時における迅速な暖機および触媒活性化が可能である。
【００３６】
表１の状況ＩＩＩおよびＩＶでは、高負荷運転で、Ｔｗ≦Ｔｏである。Ｔｗ＝Ｔｗｔｈとなった場合、ＥＣＵ１０は弁４２を開き、弁４４を閉じる。高温の冷却水をオイルクーラ４０からウォータジャケット２０の供給口２２側に流入させることで、抜熱量を減少させ、図２（ｂ）に示すように水温Ｔｗが限界温度Ｔｗ２以上になることを抑制する。Ｔｇ＝Ｔｇｔｈとなった場合、ＥＣＵ１０は弁４２を閉じ、弁４４を開く。高温の冷却水をオイルクーラ４０からウォータジャケット２０の排出口２４側に流入させ、供給口２２側には供給しないことで、抜熱量を増加させ、排気温度Ｔｇが限界温度Ｔｇ２以上となることを抑制する。これにより水温Ｔｗおよび排気温度Ｔｇを限界温度より低くすることができる。
【００３７】
なお、状況ＩおよびＩＩよりもさらに低温下での内燃機関１始動時に、ＥＣＵ１０は弁４２および４４の両方を閉じてもよい。オイルクーラ４０への冷却水の供給を停止させ、オイルと冷却水との熱交換を抑制し、速やかに油温を上昇させることができる。
【００３８】
表１においてＥＣＵ１０は弁４２および４４のうちいずれか一方を全開にし、他方を全閉にしている。例えば高負荷運転時、ＥＣＵ１０は状況ＩＩＩと状況ＩＶとの切り替えを繰り返すことで、水温Ｔｗおよび排気温度Ｔｇが限界に達しないように制御する。しかし弁４２および４４の開閉を繰り返すことで、動作が不安定になる恐れがある。ＥＣＵ１０は弁４２および４４の両方を全開にしてもよい。これにより弁４２および４４の切り替えの回数を低減させ、安定させることができる。また、ＥＣＵ１０は弁の開度を全開と全閉の中間としてもよく、例えば弁４２を８割程度開き、かつ弁４４を２割程度開いてもよい。弁４２および４４を安定させることができる。
【００３９】
（第２実施形態）
図９は第２実施形態に係る冷却装置２００を例示する模式図である。冷却装置２００は弁４２および４４に代えて弁４６を有する。弁４６は多機能弁であり、経路４３、４５および４７に接続されている。経路４７はオイルクーラ４０に接続されている。ＥＣＵ１０は弁４６の開度を制御する。他の構成は第１実施形態と同じである。
【００４０】
表１の状況Ｉおよび状況ＩＩＩにおいて、ＥＣＵ１０は弁４６を用いてオイルクーラ４０、経路４７および４３を接続し、オイルクーラ４０と経路４５とは接続しない。状況ＩＩおよびＩＶにおいて、ＥＣＵ１０は弁４６を用いてオイルクーラ４０、経路４７および４５を接続し、オイルクーラ４０と経路４３とは接続しない。第２実施形態によれば、第１実施形態と同様に、経路４３および４５における冷却水の流量を制御し、水温Ｔｗおよび排気温度Ｔｇを調整することができる。
【００４１】
（第３実施形態）
図１０は第３実施形態に係る冷却装置３００を例示する模式図である。冷却装置３００はオイルクーラ４０に代えてＡＴＦ（Automatic Transmission Fluid）クーラ４８を備える。ＡＴＦクーラ４８には経路４１から冷却水が流入し、ＡＴＦクーラ４８において冷却水とオイルなどの流体とが熱交換する。他の構成は第２実施形態と同じであり、ＥＣＵ１０が行う弁４６の制御も第２実施形態と同じである。第３実施形態によれば第１実施形態と同様に、経路４３および４５における冷却水の流量を制御し、水温Ｔｗおよび排気温度Ｔｇを調整することができる。なお弁４６に代えて第１実施形態のように弁４２および４４を設けてもよい。
【００４２】
第１〜第３実施形態において、内燃機関１は三気筒エンジン以外に例えば四気筒エンジンなどでもよい。冷却水と熱交換する部品はオイルクーラ４０およびＡＴＦクーラ４８以外でもよい。
【００４３】
以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００４４】
１                                                内燃機関
１０                                              ＥＣＵ
１２                                              バルブ孔
１４                                              排気ポート
１６、１８                                        温度センサ
２０                                              ウォータジャケット
２２、２６、２８                                  供給口
２４、２５                                        排出口
３０                                              ラジエータ
３１、３３、３５、３６、４１、４３、４５、４７    経路
３２                                              サーモスタット
３４                                              ポンプ
４０                                              オイルクーラ
４２、４４、４６                                  弁
４８                                              ＡＴＦクーラ
１００、２００、３００                            冷却装置
【図１】
2020045771.tif 000004
【図２】
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【図３】
2020045771.tif 000006
【図４】
2020045771.tif 000007
【図５】
2020045771.tif 000008
【図６】
2020045771.tif 000009
【図７】
2020045771.tif 000010
【図８】
2020045771.tif 000011
【図９】
2020045771.tif 000012
【図１０】
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