(57)【要約】【課題】本発明は、圧縮着火式内燃機関を冷却するシステムにおいて、燃焼室で発生した熱エネルギのうち、スキッシュエリアの壁面から放熱される熱エネルギを低減させることを目的とする。【解決手段】本発明は、上記した課題を解決するために、スキッシュエリアに望むシリンダヘッドの壁面又はその近傍の温度を取得し、取得された温度が予め定められた閾値Ｔｔｈｒｅ以上となるときはスキッシュエリアを冷却する冷却水通路における冷却水の循環を停止させるようにした。【選択図】図５
2011256763.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンが上死点に位置するときにピストンの頂面とシリンダヘッドの壁面との間にスキッシュエリアが形成される圧縮着火式内燃機関の冷却システムにおいて、
前記内燃機関のシリンダブロックに形成された冷却水通路を含む第１冷却水循環経路と、
前記スキッシュエリアに望むシリンダヘッド壁面に近接して配置される冷却水通路を含み、前記第１冷却水循環経路から独立した第２冷却水循環経路と、
前記第２冷却水循環経路における冷却水の循環と循環停止を切り換える切換装置と、
前記シリンダヘッド壁面の温度と相関した物理量を検出する検出装置と、
前記検出装置の検出量が予め定められた閾値を超えたときに前記第２冷却水循環経路における冷却水の循環を停止させるべく前記切換装置を制御する制御部と、
を備える圧縮着火式内燃機関の冷却システム。
【請求項２】
請求項１において、前記検出装置の検出量が前記閾値より大きな上限値以上であるときは、前記制御部は、前記第２冷却水循環経路における冷却水の循環停止を禁止する圧縮着火式内燃機関の冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮着火式内燃機関の冷却システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧縮着火式の内燃機関において、燃焼室のスキッシュエリア近傍に冷却水通路を配置した構成が提案されている（たとえば、特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６２−０１３７５９号公報
【特許文献２】特開２００８−２８０９６１号公報
【特許文献３】特開２００６−１９４１８８号公報
【特許文献４】特開２００１−２０７９０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、燃焼室内で発生する熱量が多くなったときは、スキッシュエリアに望む壁面と冷却水通路に望む部位との温度差（温度勾配）が大きくなる。その場合、燃焼室で発生した熱エネルギのうち、前記スキッシュエリア壁面から前記冷却水通路へ放熱される熱エネルギが多くなり易い。その結果、燃焼室で発生した熱エネルギのうち、内燃機関の出力に寄与する熱エネルギが減少（冷却損失の増加）する。また、スキッシュエリアにおける燃焼が緩慢となって排気エミッションが増加する可能性もある。
【０００５】
本発明は、上記した実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、圧縮着火式内燃機関を冷却するシステムにおいて、燃焼室で発生した熱エネルギのうち、スキッシュエリアの壁面から放熱される熱エネルギを低減させることにより、冷却損失の低減や排気エミッションの低減を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記した課題を解決するために、以下のような手段を採用した。すなわち、本発明は、ピストンが上死点に位置するときにピストンの頂面とシリンダヘッドの壁面との間にスキッシュエリアが形成される圧縮着火式内燃機関の冷却システムにおいて、内燃機関のシリンダブロックに形成された冷却水通路を含む第１冷却水循環経路と、前記スキッシュエリアに望むシリンダヘッド壁面に近接して配置される冷却水通路を含み、前記第１冷却水循環経路から独立した第２冷却水循環経路と、前記第２冷却水循環経路における冷却水の循環と循環停止を切り換える切換装置と、燃焼室へ望むシリンダヘッド壁面の温度と相関した物理量を検出する検出装置と、前記検出装置の検出量が予め定められた閾値を超えたときに前記第２冷却水循環経路における冷却水の循環を停止させるべく前記切換装置を制御する制御部と、を備えるようにした。
【０００７】
本願発明者が鋭意の実験及び検証を行った結果、燃焼室内からシリンダヘッド壁面へ伝わる熱の大部分は、スキッシュエリアに望むシリンダヘッド壁面から第２冷却水循環経路内の冷却水へ放熱されることを見出した。
【０００８】
ここで、第２冷却水循環経路内を流れる冷却水の温度は、ラジエータ及びサーモスタットバルブを含む冷却システムによって略一定に保たれている。よって、シリンダヘッド壁面から第２冷却水循環経路内の冷却水へ放熱される熱量は、シリンダヘッド壁面の温度が
高くなったときに多くなる。言い換えると、燃焼室内で発生する熱量が多いときは少ないときに比べ、冷却損失が多くなる。
【０００９】
これに対し、シリンダヘッド壁面の温度が閾値を超えたときに第２冷却水循環経路における冷却水の循環が停止されると、上記した冷却損失を低減することが可能になる。その結果、燃焼室内で発生する熱量が多いときに、燃料消費率の増大や排気エミッションの増加が抑制される。
【００１０】
ここでいう「閾値」は、冷却損失の大きさが予め定められた許容値を超えると考えられる値であり、実験などを利用した適合作業により定められる値である。なお、シリンダヘッド壁面から第２冷却水循環経路内の冷却水へ放熱される熱量は、シリンダヘッド壁面の温度と冷却水の温度との差に応じて変化する。第２冷却水循環経路内の冷却水の温度は、上記した冷却システムにより略一定に保たれるものの、内燃機関を搭載した車両が置かれた環境（たとえば、外気温度や走行速度など）に応じて多少変動する。よって、冷却損失の大きさをより確実に許容値以下に抑える場合は、第２冷却水循環経路内の冷却水の温度に応じて閾値の大きさが変更されてもよい。
【００１１】
また、シリンダヘッド壁面の温度が前記した閾値に比して過剰に高くなるときに、第２冷却水循環経路における冷却水の循環が停止されると、スキッシュエリアにおける過早着火や内燃機関の過熱を招く可能性がある。そこで、本発明の制御部は、検出装置の検出量が予め定められた上限値（＞閾値）以上となるときは、第２冷却水循環経路における冷却水の循環停止を禁止するようにしてもよい。
【００１２】
ここでいう「上限値」は、スキッシュエリアにおける過早着火や内燃機関の過熱を招く可能性があると考えられる温度から所定のマージンを差し引いた値であり、予め実験などを利用した適合作業により求めておくようにしてもよい。
【００１３】
このように第２冷却水循環経路における冷却水の循環停止が禁止されると、スキッシュエリアにおける過早着火や内燃機関の過熱を回避しつつ、冷却損失の増加や排気エミッションの増加を抑制することができる。
【００１４】
なお、本発明に係わる検出装置は、シリンダヘッド壁面の温度を検出する温度センサであってもよく、或いは燃焼室内で燃焼に供される燃料量（燃料噴射量）をパラメータとしてシリンダヘッド壁面の温度を演算する装置（たとえば、ＥＣＵ）であってもよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係わる圧縮着火式内燃機関の冷却システムによれば、燃焼室で発生した熱エネルギのうち、スキッシュエリアの壁面から放熱される熱エネルギを低減させることができる。その結果、冷却損失の低減や排気エミッションの低減を図ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明を適用する内燃機関の燃焼室の概略構成を示す図である。
【図２】ピストン頂面及びそれに対向するシリンダヘッド壁面の拡大図である。
【図３】ピストンが上死点に位置するときの気筒内の状態を示す図である。
【図４】冷却システムの概略構成を示す図である。
【図５】ＥＣＵが切換装置を制御する際に実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施形態に記載
される構成部品の寸法、材質、形状、相対配置等は、特に記載がない限り発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【００１８】
先ず、本発明を適用する内燃機関の概略構成について図１乃至図３に基づいて説明する。図１は、本発明を適用する内燃機関の概略構成を示す図である。図２は、ピストン頂面及びそれに対向するシリンダヘッド壁面の拡大図である。図３は、ピストンが上死点に位置するときの気筒内の状態を示す図である。
【００１９】
内燃機関１は、気筒内へ燃料を噴射する燃料噴射弁を備えた圧縮着火式の内燃機関（ディーゼルエンジン）である。内燃機関１は、シリンダブロック１０とシリンダヘッド１１とを備えている。
【００２０】
シリンダブロック１０には、円柱状の気筒（シリンダ）２が形成されている。また、シリンダブロック１０における気筒２の周囲には、冷却水を流すためのブロック側冷却水通路１０ａが形成されている。
【００２１】
シリンダヘッド１１には、気筒２内へ燃料を噴射する燃料噴射弁４、気筒２内へ空気を導入するための吸気ポート５、気筒２内のガスを排出するための排気ポート６、及び動弁系が設けられている。また、シリンダヘッド１１には、ヘッド側冷却水通路１１ａが形成されている。ヘッド側冷却水通路１１ａは、気筒２の周縁部に望む壁面１１ｂに近接するように配置されている。
【００２２】
気筒２内には、ピストン３がシリンダ軸方向へ摺動自在に挿入されている。ピストン３の頂面の中心部分には、略円筒状の窪みからなるキャビティ３０が形成され、燃料噴射弁４から噴射された燃料が該キャビティ３０の内部において燃焼せしめられるようになっている。また、ピストン３の頂面における周縁部（キャビティ３０が形成されていない部分）３ａは、該ピストン３が上死点（ＴＤＣ）の近傍に位置するときに、前記壁面１１ｂに近接してスキッシュエリアＳを形成するようになっている。
【００２３】
次に、内燃機関１の冷却システムについて図４に基づいて説明する。本実施例の冷却システムは、図４に示すように、前記したブロック側冷却水通路１０ａを含む第１冷却水循環経路１００と、前記したヘッド側冷却水通路１１ａを含む第２冷却水循環経路１１０と、ラジエータ１２０と、を備えている。
【００２４】
ラジエータ１２０の流出口には、デリバリ通路７０が接続されている。デリバリ通路７０は、その途中で第１デリバリ通路７１と第２デリバリ通路７２に分岐している。第１デリバリ通路７１は第１冷却水循環経路１００に接続されており、第２デリバリ通路７２は第２冷却水循環経路１１０に接続されている。
【００２５】
第１冷却水循環経路１００には、第１リターン通路７３が接続されている。第２冷却水循環経路１１０には、第２リターン通路７４が接続されている。第１リターン通路７３と第２リターン通路７４は相互に合流して１本のリターン通路７５を形成している。リターン通路７５は、ラジエータ１２０の流入口に接続されている。
【００２６】
デリバリ通路７０が第１デリバリ通路７１と第２デリバリ通路７２とに分岐する部分には、切換装置７６が配置されている。切換装置７６は、デリバリ通路７０と第２デリバリ通路７２との導通又は遮断を切り換える装置である。切換装置７６の動作は、ＥＣＵ９によって電気的に制御されるようになっている。
【００２７】
リターン通路７５の途中には、ウォータポンプ７７が配置されている。ウォータポンプ
７７は、内燃機関１の動力（機関出力軸の回転力）を利用して冷却水の吸入及び吐出を行うメカニカルポンプであってもよく、或いは電動モータの動力を利用して冷却水の吸入及び吐出を行う電動ポンプであってもよい。
【００２８】
このように構成された冷却システムでは、ウォータポンプ７７から吐出された冷却水がリターン通路７５を介してラジエータ１２０へ流入する。ラジエータ１２０を経由した冷却水は、デリバリ通路７０を介して第１デリバリ通路７１と第２デリバリ通路７２とに分配される。第１デリバリ通路７１へ流入した冷却水は、第１冷却水循環経路１００を循環した後に第１リターン通路７３へ導かれる。一方、第２デリバリ通路７２へ流入した冷却水は、第２冷却水循環経路１１０を循環した後に第２リターン通路７４へ導かれる。第１リターン通路７３及び第２リターン通路７４へ導かれた冷却水は、リターン通路７５へ導かれ、次いでウォータポンプ７７へ戻る。このように冷却水が第１冷却水循環経路１００及び第２冷却水循環経路１１０を循環することにより、シリンダブロック１０及びシリンダヘッド１１が適温に保たれる。
【００２９】
ところで、上記した燃焼室において燃料が燃焼されると、燃料の燃焼により発生した熱エネルギの一部は、燃焼室及びスキッシュエリアＳを形成する壁面を介して放熱される。その際、スキッシュエリアＳに望むシリンダヘッド１１の壁面１１ｂへ放熱される熱量は、他の壁面より多くなる可能性がある。これは、スキッシュ流の発生に伴う対流熱伝達に因ると考えられる。
【００３０】
また、スキッシュエリアＳに望む壁面１１ｂの近傍にはヘッド側冷却水通路１１ａが配置されるため、壁面１１ｂとヘッド側冷却水通路１１ａ内の冷却水との温度差（温度勾配）が拡大した場合に、より多くの熱エネルギが放熱される可能性がある。なお、冷却水の温度はラジエータ１２０によって略一定の温度に保たれるため、上記した温度差（温度勾配）は壁面１１ｂの温度が高いときに拡大する。
【００３１】
そこで、本実施例では、壁面１１ｂの温度が閾値以上となるときは、ヘッド側冷却水通路１１ａにおける冷却水の循環を停止させるようにした。具体的には、ＥＣＵ９は、壁面１１ｂの温度が閾値以上であるときに、デリバリ通路７０から第２デリバリ通路７２への冷却水の流れを遮断するように切換装置７６を制御する。
【００３２】
その際、ＥＣＵ９は、燃焼室で燃焼に供される燃料量（燃料噴射量）が基準量以上であることを条件に、壁面１１ｂの温度が閾値以上になると推定してもよい。前記した基準量は、壁面１１ｂの温度を閾値以上まで上昇させ得る燃料噴射量に相当する。
【００３３】
また、図１に示すように、壁面１１ｂ又はその近傍におけるシリンダヘッド１１の温度を測定する温度センサ８を内燃機関１に取り付け、該温度センサ８の測定値が前記した閾値以上であるときに、ヘッド側冷却水通路１１ａにおける冷却水の循環が停止されるようにしてもよい。
【００３４】
なお、本実施例のＥＣＵ９は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、バックアップＲＡＭなどから構成される電子制御ユニット（ＥＣＵ）である。ＥＣＵ９は、内燃機関１の運転状態を制御するためのＥＣＵを兼ねてもよく、或いは切換装置７６を制御するための専用のＥＣＵであってもよい。
【００３５】
ここで、ＥＣＵ９による切換装置７６の制御手順について図５に沿って説明する。図５は、ＥＣＵ９が切換装置７６を制御する際に実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。この制御ルーチンは、ＥＣＵ９のＲＯＭなどに予め記憶されているルーチンであり、ＥＣＵ９によって周期的に実行される。
【００３６】
図５の制御ルーチンでは、ＥＣＵ９は、先ずＳ１０１において温度センサ８の測定値（壁温）Ｔｓｋを読み込む。続いて、ＥＣＵ９は、Ｓ１０２において前記Ｓ１０１で読み込まれた壁温Ｔｓｋが閾値Ｔｔｈｒｅ以上であるか否かを判別する。
【００３７】
前記したＳ１０２において肯定判定された場合（Ｔｓｋ≧Ｔｔｈｒｅ）は、ＥＣＵ９は、Ｓ１０３へ進む。前記したＳ１０２において否定判定された場合（Ｔｓｋ＜Ｔｔｈｒｅ）は、ＥＣＵ９は、Ｓ１０５へ進む。
【００３８】
Ｓ１０３では、ＥＣＵ９は、前記Ｓ１０１で読み込まれた壁温Ｔｓｋが上限値Ｔｍａｘより低いか否かを判別する。上限値Ｔｍａｘは、前記した閾値Ｔｔｈｒｅより高い温度であり、スキッシュエリアＳにおける過早着火や内燃機関１の過熱を招く可能性があると考えられる温度から所定のマージンを差し引いた温度である。上限値Ｔｍａｘは、予め実験などを利用して適合作業により求めておくものとする。
【００３９】
前記したＳ１０３において肯定判定された場合（Ｔｓｋ＜Ｔｍａｘ）は、ＥＣＵ９は、Ｓ１０４へ進む。一方、前記したＳ１０３において否定判定された場合（Ｔｓｋ≧Ｔｍａｘ）は、ＥＣＵ９は、Ｓ１０５へ進む。
【００４０】
Ｓ１０４では、ＥＣＵ９は、切換装置７６を遮断させる。ここでいう「遮断」は、デリバリ通路７０から第２デリバリ通路７２への冷却水の流れを遮断することをいう。切換装置７６が遮断されると、前記した壁面１１ｂとヘッド側冷却水通路１１ａ内の冷却水との温度差拡大が抑制される。その結果、壁面１１ｂからヘッド側冷却水通路１１ａ内の冷却水へ放熱される熱量の増加が抑制される。なお、切換装置７６が無段階或いは段階的に冷却水量を変更可能な装置である場合は、ＥＣＵ９は、切換装置７６を遮断させる代わりに、デリバリ通路７０から第２デリバリ通路７２へ流れる冷却水量を減少させるようにしてもよい。その際、ＥＣＵ９は、壁温Ｔｓｋと閾値Ｔｔｈｒｅとの差が大きいときは小さいときより冷却水量が少なくなるように切換装置７６を制御してもよい。
【００４１】
一方、Ｓ１０５では、ＥＣＵ９は、切換装置７６を導通させる。ここでいう「導通」は、デリバリ通路７０から第２デリバリ通路７２への冷却水の流れを導通させることをいう。切換装置７６が導通されるのは、壁面１１ｂとヘッド側冷却水通路１１ａ内の冷却水との温度差が小さい場合、及び壁面１１ｂの温度が過剰に高くなる可能性がある場合である。壁面１１ｂとヘッド側冷却水通路１１ａ内の冷却水との温度差が小さい場合は、ヘッド側冷却水通路１１ａ内を冷却水が循環しても、放熱量は多くなりにくい。一方、壁面１１ｂの温度が過剰に高くなる可能性がある場合に、ヘッド側冷却水通路１１ａ内を冷却水が循環すると、燃料の過早着火や内燃機関１の過熱を抑制することができる。
【００４２】
以上述べた実施例によれば、燃焼室で発生した熱エネルギのうち、スキッシュエリアＳの壁面から放熱される熱エネルギを低減させることができる。その結果、冷却損失の低減や排気エミッションの低減を図ることができる。
【符号の説明】
【００４３】
１     内燃機関
２     気筒
３     ピストン
４     燃料噴射弁
５     吸気ポート
６     排気ポート
８     温度センサ
９     ＥＣＵ
１０   シリンダブロック
１０ａ ブロック側冷却水通路
１１   シリンダヘッド
１１ａ ヘッド側冷却水通路
１１ｂ 壁面
３０   キャビティ
７０   デリバリ通路
７１   第１デリバリ通路
７２   第２デリバリ通路
７３   第１リターン通路
７４   第２リターン通路
７５   リターン通路
７６   切換装置
７７   ウォータポンプ
１００ 第１冷却水循環経路
１１０ 第２冷却水循環経路
１２０ ラジエータ
【図１】
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【図２】
2011256763.tif 000004
【図３】
2011256763.tif 000005
【図４】
2011256763.tif 000006
【図５】
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