(57)【要約】【課題】シリンダヘッドに対する所望の冷却性能を確保することでノッキングを確実に防止できる内燃機関の冷却装置を提供する。【解決手段】内燃機関の冷却装置Ｘは、内燃機関Ｅに冷却水を循環させるポンプＰと、ポンプＰの駆動力により冷却水がシリンダヘッドＥａとラジエータ３とに循環する経路である第一流路１１と、第一流路１１に配置されたサーモスタット弁４と、第一流路１１のうち、シリンダヘッドＥａよりも下流側且つラジエータ３およびサーモスタット弁４よりも上流側と、ラジエータ３およびサーモスタット弁４よりも下流側と、をバイパスし、シリンダブロックＥｂを経由する第二流路１２と、第二流路１２に配置された電磁弁Ｖと、電磁弁Ｖを開閉制御する制御部５と、を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関に冷却水を循環させるポンプと、
前記ポンプの駆動力により前記冷却水がシリンダヘッドとラジエータとに循環する経路である第一流路と、
前記第一流路に配置されたサーモスタット弁と、
前記第一流路のうち、前記シリンダヘッドよりも下流側且つ前記ラジエータおよび前記サーモスタット弁よりも上流側と、前記ラジエータおよび前記サーモスタット弁よりも下流側と、をバイパスし、シリンダブロックを経由する第二流路と、
前記第二流路に配置された電磁弁と、
前記電磁弁を開閉制御する制御部と、を備えた内燃機関の冷却装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記内燃機関のノッキング条件が成立したとき、前記シリンダヘッドを流通する前記冷却水の流通量を増加させるように前記電磁弁の開度を調節する請求項１に記載の内燃機関の冷却装置。
【請求項３】
前記ノッキング条件が成立したときとは、前記サーモスタット弁が開弁する温度未満で、且つ前記内燃機関の高負荷条件が成立したときである請求項２に記載の内燃機関の冷却装置。
【請求項４】
前記ポンプは、前記内燃機関の回転数に比例して駆動力を発生させるように構成されており、
前記ノッキング条件が成立したときとは、前記サーモスタット弁が開弁した後、前記内燃機関の回転数が所定値以下で、且つ前記内燃機関の高負荷条件が成立したときである請求項２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、内燃機関を冷却水により冷却する内燃機関の冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関の回転数に応じて冷却水の吐出量が変化する機械式ウォータポンプの駆動力により、内燃機関に冷却水を循環させる内燃機関の冷却装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１に記載の内燃機関の冷却装置は、シリンダヘッド，ラジエータ，サーモスタット弁，シリンダヘッドの順で冷却水が循環するラジエータ流路と、シリンダヘッド，シリンダブロック，サーモスタット弁，シリンダヘッドの順で冷却水が循環するブロック流路とを備えている。このサーモスタット弁は、冷却水の温度が第一の所定温度以上であるときにラジエータ流路を開放する弁体と、冷却水の温度が第一の所定温度よりも大きい第二の所定温度以上であるときにブロック流路をさらに開放する弁体とを備えている。これにより、冷却水が高温であるときにブロック流路が開放されるので、シリンダブロックの温度を急速に低下させることを防止できると記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１８４６９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の内燃機関の冷却装置は、ラジエータ流路が開放されるまでは、燃焼室に隣接するシリンダヘッドの温度が上昇し続けるため、燃料の異常燃焼によるノッキングが発生するおそれがある。また、自動車に用いられるラジエータは、限られた空間で周囲の空気等と熱交換する必要があるため、蛇行させたり複数の細管を分岐させたりして流路の表面積を確保している。このため、ラジエータの流路抵抗が大きく、ラジエータ流路が開放された場合においても、ノッキングの発生を防止するための所望の冷却水量がシリンダヘッドに流通しないおそれがある。
【０００６】
さらに、ブロック流路を開放した後においては、シリンダブロックからの伝熱やラジエータ流路に流れる冷却水量の減少によって冷却水の温度が上昇するため、シリンダヘッドに対する所望の冷却性能を発揮し難く、ノッキングが発生するおそれがある。
【０００７】
そこで、シリンダヘッドに対する所望の冷却性能を確保することでノッキングを確実に防止できる内燃機関の冷却装置が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
内燃機関の冷却装置の特徴構成は、内燃機関に冷却水を循環させるポンプと、前記ポンプの駆動力により前記冷却水がシリンダヘッドとラジエータとに循環する経路である第一流路と、前記第一流路に配置されたサーモスタット弁と、前記第一流路のうち、前記シリンダヘッドよりも下流側且つ前記ラジエータおよび前記サーモスタット弁よりも上流側と、前記ラジエータおよび前記サーモスタット弁よりも下流側と、をバイパスし、シリンダブロックを経由する第二流路と、前記第二流路に配置された電磁弁と、前記電磁弁を開閉制御する制御部と、を備えた点にある。
【０００９】
本構成では、冷却液がシリンダヘッドとラジエータとに循環する第一流路にサーモスタット弁を配置し、第一流路のバイパス流路として、ラジエータおよびサーモスタット弁を経由せずにシリンダブロックを経由する第二流路を設け、この第二流路に電磁弁を配置している。つまり、シリンダヘッドからシリンダブロックを経由する流路にはサーモスタット弁が存在しておらず、冷却水の温度に関係なく開閉制御可能な電磁弁が配置されている。
【００１０】
このため、冷却水が低温でサーモスタット弁が開弁していない状況において電磁弁を開弁させれば、第二流路を介してシリンダヘッドに流通する冷却水量を増大させることができる。その結果、エンジンの燃焼温度を低下させて、ノッキングを防止することができる。しかも、シリンダヘッドに加えてシリンダブロックにも冷却水を流通させることで、暖機を促進することができる。
【００１１】
一方、サーモスタット弁が開弁した後、ラジエータの流路抵抗を受けてシリンダヘッドに対する冷却水量が十分に得られない場合でも、電磁弁を開弁すれば比較的流路抵抗の小さなシリンダブロックに冷却水を流すことが可能となるので、シリンダヘッドに対する冷却水量を増大させることができる。このように、シリンダヘッドに対する所望の冷却性能を確保することでノッキングを確実に防止できる内燃機関の冷却装置を提供できた。
【００１２】
他の構成は、前記制御部は、前記内燃機関のノッキング条件が成立したとき、前記シリンダヘッドを流通する前記冷却水の流通量を増加させるように前記電磁弁の開度を調節する点にある。
【００１３】
本構成では、内燃機関のノッキング条件が成立したときに、電磁弁の開度を調節してシリンダヘッドに流通する冷却水量を増加させているので、ノッキングを防止することができる。しかも、電磁弁の開度を調整するといった応答性の高い構成により、ノッキング条件が成立したときに速やかに冷却水量を増加させることができる。
【００１４】
他の構成は、前記ノッキング条件が成立したときとは、前記サーモスタット弁が開弁する温度未満で、且つ前記内燃機関の高負荷条件が成立したときである点にある。
【００１５】
冷却水が低温時であってもシリンダヘッドに対する冷却水量が少ない状況下においては、例えば坂道発進のように高負荷条件でノッキングが発生することがある。そこで、本構成のように、サーモスタット弁が開弁する温度以下で、且つ内燃機関の高負荷条件が成立したときに、電磁弁の開度を調節してシリンダヘッドに対する冷却水の流通量を増加させれば、ノッキングを防止することができる。
【００１６】
他の構成は、前記ポンプは、前記内燃機関の回転数に比例して駆動力を発生させるように構成されており、前記ノッキング条件が成立したときとは、前記サーモスタット弁が開弁した後、前記内燃機関の回転数が所定値以下で、且つ前記内燃機関の高負荷条件が成立したときである点にある。
【００１７】
本構成では、ポンプを内燃機関の回転数に応じて駆動力を発生させる機械式のポンプで構成しているので、サーモスタット弁が開弁した後であっても回転数が低いときにはシリンダヘッドに対する冷却水量が少ない。この状態で内燃機関の負荷が高くなった場合には、エンジンの燃焼温度が高まってノッキングが発生し易い。そこで、本構成のように、サーモスタット弁が開弁した後、内燃機関の回転数が所定値以下で、且つ内燃機関の高負荷条件が成立した場合に、電磁弁の開度を調節してシリンダブロックに対する冷却水の流通量を増加させれば、ノッキングを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】内燃機関の冷却装置のブロック図である。
【図２】電磁弁の制御フローチャートである。
【図３】内燃機関の冷却装置の流量特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に、本発明に係る内燃機関の冷却装置の実施形態について、図面に基づいて説明する。ただし、以下の実施形態に限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。
【００２０】
［基本構成］
図１に示すように、内燃機関の冷却装置Ｘは、内燃機関としてのエンジンＥと、エンジンＥに冷却水（クーラント）を循環させるポンプＰと、車内に温風を発生させるヒータコアＨと、ＡＴＦ等のオイルを冷却するオイルクーラ１と、ＥＧＲクーラ２と、ラジエータ３と、サーモスタット弁４と、電動モータの駆動力によって開度を調整可能な電磁弁Ｖと、電磁弁Ｖを開閉制御する制御部５とを備えている。
【００２１】
エンジンＥは、燃焼室（不図示）が隣接するシリンダヘッドＥａと、ピストン（不図示）を収容するシリンダブロックＥｂとを有している。また、エンジンＥのクランクシャフト（不図示）近傍位置には、エンジンＥの回転数を検出するシャフトセンサＳｂが設けられている。さらに、エンジンＥのインテークマニドールド（不図示）には、吸気温センサＳｃ、吸気圧センサＳｄおよび吸気量を検出するエアフロメータＳｅが設けられている。
【００２２】
ポンプＰは、エンジンＥのクランクシャフトの回転に連動して回転する機械式のウォータポンプで構成されている。なお、ポンプＰを電動モータの駆動力により回転する電動式のウォータポンプで構成しても良い。
【００２３】
サーモスタット弁４は、冷却水の水温が設定温度（例えば、８０〜９０℃）未満にある場合に閉弁状態を維持し、該水温が設定温度以上である場合に開弁状態に切り換わる感温型の開閉弁である。以下、サーモスタット弁４を開弁させる冷却水の温度を「設定温度」と称する。
【００２４】
制御部５は、ＥＣＵ（エンジン制御ユニット）として構成されており、シャフトセンサＳｂから得られるエンジンＥの回転数や、吸気温センサＳｃで計測された吸気温度、吸気圧センサＳｄで計測された吸気圧力およびエアフロメータＳｅで計測された吸気量から算出されるエンジン負荷（充填効率等）に基づいて、電磁弁Ｖの開閉を制御する。
【００２５】
また、内燃機関の冷却装置Ｘは、ポンプＰの駆動力により冷却水がシリンダヘッドＥａとラジエータ３とに循環する第一流路１１と、第一流路１１のうちシリンダヘッドＥａより下流側から分岐した第二流路１２と、第一流路１１のうち第二流路１２よりも下流側から分岐した第三流路１３および第四流路１４とを備えている。
【００２６】
第一流路１１には、ポンプＰ，シリンダヘッドＥａ，ラジエータ３，およびサーモスタット弁４が冷却水の流通方向に沿って順に配置されている。また、第一流路１１のシリンダヘッドＥａの出口側には、冷却水の水温を測定する水温センサＳａが設けられている。なお、ポンプＰをシリンダヘッドＥａの出口側に設けても良い。
【００２７】
第二流路１２には、電磁弁ＶおよびシリンダブロックＥｂが冷却水の流通方向に沿って順に配置されている。なお、電磁弁ＶをシリンダブロックＥｂの下流側に配置しても良い。この第二流路１２は、第一流路１１のうち、シリンダヘッドＥａよりも下流側且つラジエータ３およびサーモスタット弁４よりも上流側と、ラジエータ３およびサーモスタット弁４よりも下流側とをバイパスして、シリンダブロックＥｂを経由するように構成されている。
【００２８】
第三流路１３にはヒータコアＨが配置されており、第四流路１４にはオイルクーラ１およびＥＧＲクーラ２が配置されており、第三流路１３および第四流路１４の合流路１５がサーモスタット弁４の下流側に接続されている。なお、合流路１５は、サーモスタット弁４の弁体をバイパスする形態でサーモスタット弁４に接続されていても良い。また、第三流路１３や第四流路１４に配置される熱交換器は、ヒータコアＨ，オイルクーラ１およびＥＧＲクーラ２に限定されず、これらの何れか１つであっても良いし、他の熱交換器を配置しても良く、特に限定されない。
【００２９】
このような流路構成により、第一流路１１のシリンダヘッドＥａの下流側から、シリンダブロックＥｂと、ヒータコアＨと、オイルクーラ１およびＥＧＲクーラ２と、ラジエータ３およびサーモスタット弁４とが、夫々並列配置されている。
【００３０】
［制御形態］
以下、図２を用いて、本実施形態に係る内燃機関の冷却装置Ｘの制御形態の一例を説明する。
【００３１】
エンジンＥを始動したとき、エンジンＥがクランキングを開始してポンプＰが作動し、第一流路１１に冷却水が循環し始める。このとき、電磁弁Ｖは通電されておらず、閉弁状態となっている（♯２１）。また、エンジンＥの始動時には冷却水の水温が低く、サーモスタット弁４が閉弁状態となっている。これにより、冷却水は、第一流路１１から分岐した第三流路１３および第四流路１４を流通し、シリンダヘッドＥａにより加熱される。エンジンＥの回転数がアイドリング回転数に達した場合でも、冷却水の温度がサーモスタット弁４を開弁する温度に達していないことがある。この場合、坂道発進のようにエンジンＥの負荷が高いときには、ラジエータ３に冷却水が循環していないことに起因してエンジンＥの燃焼室の温度が上昇し、ノッキングが発生するおそれがある。
【００３２】
そこで、本実施形態では、水温センサＳａで計測された冷却水の温度（以下、「冷却水の温度」と言う。）が設定温度以上となって、サーモスタット弁４が開弁したか否かを判定することとしている（♯２２）。
【００３３】
冷却水の温度が設定温度未満でサーモスタット弁４が閉弁状態である場合（♯２２Ｎо判定）、エンジンＥの高負荷条件が成立するか否かが判定される（♯２３）。本実施形態における高負荷条件が成立する場合とは、エンジンＥの充填効率が所定値（例えば６０％）以上である場合としている。この充填効率は、吸気温センサＳｃで計測された吸気温度、吸気圧センサＳｄで計測された吸気圧力およびエアフロメータＳｅで計測された吸気量に基づいて算出される。なお、エンジン負荷は、充填効率に限定されず、例えばスロットルバルブの開度やクランクシャフトに作用するトルクに基づき算出しても良い。
【００３４】
ここで、内燃機関の冷却装置Ｘの流量特性について説明する。図３では、横軸に、シリンダヘッドＥａを流通する冷却水の流量が示され、縦軸に、ポンプＰの揚程圧力又は冷却水が各流路１１〜１４を通過することによる圧力損失が示されている。本実施形態におけるポンプＰは機械式ウォータポンプで構成されているので、図３の実線で示すように、エンジンＥの回転数が上昇するに従ってポンプＰの揚程圧力が高くなる。また、エンジンＥの回転数を一定とした場合、ポンプＰの吐出流量が増加するに従って揚程圧力が減少する。
【００３５】
一方、図３の点線で示す曲線は、冷却水が流通する各流路１１〜１４が変化した場合における冷却水の流量変化に対する圧力損失を示しており、流量が増加するに従って圧力損失が増大する。（１）は、サーモスタット弁４および電磁弁Ｖが閉弁状態であるケースであり、冷却水は、第三流路１３および第四流路１４に配置された熱交換器（ヒータコアＨ、オイルクーラ１、ＥＧＲクーラ２）を経由してシリンダヘッドＥａに至る熱交換器経路を流通する。（２）は、サーモスタット弁４が全開状態で電磁弁Ｖが閉弁状態であるケースであり、冷却水は、（１）の熱交換器経路に加えて、第一流路１１に配置されたラジエータ３を経由してシリンダヘッドＥａに至るラジエータ経路を流通する。（３）は、電磁弁Ｖが全開状態でサーモスタット弁４が閉弁状態であるケースであり、冷却水は、（１）の熱交換器経路に加えて、第二流路１２に配置されたシリンダブロックＥｂを経由してシリンダヘッドＥａに至るブロック経路を流通する。（４）は、サーモスタット弁４および電磁弁Ｖが共に全開状態であるケースであり、冷却水は、第一流路１１に配置されたラジエータ３、第二流路１２に配置されたシリンダブロックＥｂ、第三流路１３および第四流路１４に配置された熱交換器（ヒータコアＨ、オイルクーラ１、ＥＧＲクーラ２）を経由してシリンダヘッドＥａに至る全経路を流通する。
【００３６】
（１）の熱交換器経路から（２）の熱交換経路＋ラジエータ経路になった場合、ラジエータ３が配置された第一流路１１にも冷却水が流通するので、流路総面積が増大して、流量に対する圧力損失の勾配が緩やかになる。また、（１）の熱交換器経路から（３）の熱交換経路＋ブロック経路になった場合にも、シリンダブロックＥｂが配置された第二流路１２にも冷却水が流通するので、流路総面積が増大して、流量に対する圧力損失の勾配が緩やかになる。特に、（２）の熱交換経路＋ラジエータ経路に比べて（３）の熱交換経路＋ブロック経路における勾配がより緩やかになっている。これは、ラジエータ３が限られた空間で周囲の空気等と熱交換する装置であるため、蛇行させたり複数の細管を分岐させたりして流路の表面積を確保しており、ラジエータ３の流路抵抗は、シリンダブロックＥｂの流路抵抗に比べて大きいためである。この点、（３）の熱交換経路＋ブロック経路から（４）の全経路になってラジエータ３が開弁された場合に、勾配がそれほど変化しないことからも明らかである。
【００３７】
図３の実線で示すポンプＰの揚程圧力曲線と、図３の点線で示す冷却水の圧力損失曲線とが交わる点が、実際にポンプＰが吐出する冷却水の流量、即ちシリンダヘッドＥａに流れる冷却水の流量となる。図３の各交点に示されるように、エンジンＥの回転数が一定の場合、（２）のサーモスタット弁４が全開状態であるよりも、（３）の電磁弁Ｖが全開状態である場合の方が、シリンダヘッドＥａに流れる冷却水の流量を増加させることができる。しかも、（３）の電磁弁Ｖが全開状態である場合は、（４）のサーモスタット弁４および電磁弁Ｖが全開状態である場合とほぼ同程度の流量を確保することができる。つまり、ラジエータ３の流路抵抗を受けてシリンダヘッドＥａに対する冷却水量が十分に得られない場合でも、電磁弁Ｖを開弁すれば比較的流路抵抗の小さいシリンダブロックＥｂに冷却水を流すことが可能となるので、シリンダヘッドＥａを流通する冷却水量を大幅に増大させることができる。
【００３８】
図２に戻って、冷却水の温度が設定温度未満でサーモスタット弁４が閉弁している状況下でエンジンＥの高負荷条件が成立する場合（♯２３Ｙｅｓ判定）に、電磁弁Ｖの開度を大きくして、シリンダブロックＥｂに対する冷却水の流通量を増加させることとしている（♯２４）。電磁弁Ｖの開度は、充填効率や冷却水の温度に応じて調節しても良いし、常に全開にしても良い。充填効率や冷却水の温度に応じて電磁弁Ｖの開度を調節する場合は、充填効率が大きくなるほど、また冷却水の温度が高いほど開度を大きく設定する。
【００３９】
次いで、冷却水の温度が設定温度以上になったときに、サーモスタット弁４が開弁し、ラジエータ３に冷却水が流通してシリンダヘッドＥａが冷却される（♯２２Ｙｅｓ判定）。このとき、電磁弁Ｖを開弁して第二流路１２に冷却水を流通させ、シリンダヘッドＥａに加えてシリンダブロックＥｂも冷却する（♯２５）。このとき、電磁弁Ｖの開度は、♯２４と同様に、充填効率や冷却水の温度に応じて調節しても良いし、常に全開にしても良い。なお、電磁弁Ｖを開弁するタイミングは、サーモスタット弁４が開弁してから所定時間経過後であっても良く、特に限定されない。
【００４０】
次いで、冷却水の温度が設定温度よりも大きい所定値（例えば、１００℃）以上になったか否かが判定される（♯２６）。冷却水の温度が所定値以上となった場合（♯２６Ｙｅｓ判定）には、冷却水の冷却を優先して、電磁弁Ｖの開度を小さくする（♯２７）。この電磁弁Ｖの開度は、ラジエータ３の放熱量に応じて調節される。具体的には、例えば環境温度が高く、ラジエータ３の放熱量が小さいほど、電磁弁Ｖの開度が小さくなるように設定する。これによって、冷却水が確実に冷却されるので、エンジンＥの冷却効率を高めることができる。
【００４１】
次いで、エンジンＥの回転数が所定値（例えば２０００ｒｐｍ）以下で、且つ高負荷条件が成立するか否かが判定される（♯２８）。上述したように、本実施形態における高負荷条件が成立する場合とは、エンジンＥの充填効率が所定値（例えば６０％）以上である場合としている。
【００４２】
エンジンＥの回転数が所定値以下で、且つ高負荷条件が成立する場合（♯２８Ｙｅｓ判定）、電磁弁Ｖの開度を大きくして、シリンダブロックＥｂに対する冷却水の流通量を増加させる（♯２９）。このとき、電磁弁Ｖの開度は、♯２４と同様に、充填効率や冷却水の温度に応じて調節しても良いし、常に全開にしても良い。次いで、エンジンＥが停止するまで、♯２６〜♯２９の判定を繰り返す（♯３０Ｎо判定）。
【００４３】
［作用効果］
本実施形態のように、冷却水が低温でサーモスタット弁４が閉弁している状況において、エンジンＥの高負荷条件が成立すれば、電磁弁Ｖの開度を調節してシリンダヘッドＥａに対する冷却水の流通量を大幅に増加させることができる。その結果、燃焼室の燃焼温度を低下させて、ノッキングを防止することができる。しかも、シリンダヘッドＥａに加えてシリンダブロックＥｂにも冷却水を流通させることで、暖機を促進することができる。
【００４４】
また、本実施形態では、ポンプＰをエンジンＥの回転数に応じて駆動力を発生させる機械式のウォータポンプで構成しているので、サーモスタット弁４が開弁した後であってもエンジンＥの回転数が低いときにはシリンダヘッドＥａに対する冷却水量が少ない。この状態でエンジンＥの負荷が高くなった場合には、燃焼室の燃焼温度が高まってノッキングが発生し易い。そこで、本実施形態のように、エンジンＥの回転数が所定値以下で、且つエンジンＥの高負荷条件が成立したときに、電磁弁Ｖの開度を調節してシリンダブロックＥｂに対する冷却水の流通量を増加させれば、ノッキングを防止することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明は、内燃機関を冷却水により冷却する内燃機関の冷却装置に利用可能である。
【符号の説明】
【００４６】
３    ラジエータ
４    サーモスタット弁
５    制御部
１１  第一流路
１２  第二流路
２８  電磁弁
Ｅ    エンジン（内燃機関）
Ｅａ  シリンダヘッド
Ｅｂ  シリンダブロック
Ｐ    ポンプ
Ｖ    電磁弁
Ｘ    内燃機関の冷却装置
【図１】
2018193963.tif 000003
【図２】
2018193963.tif 000004
【図３】
2018193963.tif 000005