(57)【要約】      （修正有）【課題】ポンプ及びラジエータの個数を削減しながら、内燃機関の各所に好適な温度の冷却水を供給できるようにする。【解決手段】一個の冷却水ポンプ５３と、冷却水を放熱させる一個のラジエータ５１３と、入口側及び出口側の各々に流量制御弁５１１、５１２が設けられ、シリンダブロック６１、ラジエータ５１３及びシリンダヘッドにおける排気ポート近傍５１５を経由する第一冷却水経路５１と、入口側及び出口側の各々に流量制御弁５２１、５２２が設けられ、ヒータ５２３及びシリンダヘッドにおける吸気ポート近傍５２４を経由する第二冷却水経路５２と、第二冷却水経路５２の冷却水を第一冷却水経路５１の冷却水と熱交換させるための熱交換器５４と、第二冷却水経路５２の冷却水と第一冷却水経路５１の冷却水との間で熱交換する状態と熱交換しない状態とを切り換えるための切換弁５２５とを具備する内燃機関の冷却装置５を構成した。【選択図】図３
2015101960.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却水を吐出し圧送する一個のポンプと、
冷却水を放熱させる一個のラジエータと、
前記ポンプの吐出口に連なる入口側及び吸込口に連なる出口側の各々に流量制御弁が設けられ、シリンダブロック、前記ラジエータ及びシリンダヘッドにおける排気ポート近傍を経由する第一冷却水経路と、
前記ポンプの吐出口に連なる入口側及び吸込口に連なる出口側の各々に流量制御弁が設けられ、ヒータ及びシリンダヘッドにおける吸気ポート近傍を経由する第二冷却水経路と、
前記第二冷却水経路の冷却水を前記第一冷却水経路の冷却水と熱交換させるための熱交換器と、
前記第二冷却水経路の冷却水と前記第一冷却水経路の冷却水との間で熱交換する状態と熱交換しない状態とを切り換えるための切換弁と
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、水冷式（液冷式）内燃機関の冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両に搭載される水冷式の内燃機関では、循環する冷却水（冷却液）によってシリンダブロック、シリンダヘッドの吸気ポート及び排気ポート、ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ  Ｇａｓ  Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）クーラ等を冷却する。内燃機関の各所から受熱して高温化した冷却水は、ラジエータにおいて放熱させる。また、この冷却水を利用して、室内暖房用のヒータやトランスミッションフルード等を温めることも通例となっている。
【０００３】
本来、内燃機関の各所に供給するべき冷却水の最適な温度は一律ではない。例えば、吸気ポートと排気ポートとでは、温度差が非常に大きい。にもかかわらず、双方に同等の温度の冷却水を供給すると、吸気ポートが徒に昇温して吸気の充填効率の低下を招く懸念がある。
【０００４】
そこで、下記特許文献に開示されているように、内燃機関の冷却水経路を複数に分けることが考えられる。さすれば、各々の経路を流れる冷却水の温度を異ならせることができ、内燃機関の各所に好適な温度の冷却水を配給することが容易になる。即ち、吸気ポート側には比較的低温の冷却水が流通する経路から冷却水を提供し、排気ポート側には比較的高温の冷却水が流通する経路から冷却水を提供するといったことが可能となる。
【０００５】
しかしながら、各冷却水経路にそれぞれポンプ及びラジエータを配備することで、総体として冷却装置が大形化してしまい、限られたエンジンルーム内にこれを収容することが難しくなる。無論、重量の増大やコストの高騰といった点も見過ごせない。加えて、複数個のラジエータをエンジンルーム内に点在させる結果、エンジンルームが全体的に昇温し、吸気通路を流れる吸気の温度が上昇して充填効率が低下するという副作用も発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１３−１３３７４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、ポンプ及びラジエータの個数を削減しながら、内燃機関の各所に好適な温度の冷却水を供給できるようにすることを所期の目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決するべく、本発明では、冷却水を吐出し圧送する一個のポンプと、冷却水を放熱させる一個のラジエータと、前記ポンプの吐出口に連なる入口側及び吸込口に連なる出口側の各々に流量制御弁が設けられ、シリンダブロック、前記ラジエータ及びシリンダヘッドにおける排気ポート近傍を経由する第一冷却水経路と、前記ポンプの吐出口に連なる入口側及び吸込口に連なる出口側の各々に流量制御弁が設けられ、ヒータ及びシリンダヘッドにおける吸気ポート近傍を経由する第二冷却水経路と、前記第二冷却水経路の冷却水を前記第一冷却水経路の冷却水と熱交換させるための熱交換器と、前記第二冷却水経路の冷却水と前記第一冷却水経路の冷却水との間で熱交換する状態と熱交換しない状態とを切り換えるための切換弁とを具備する内燃機関の冷却装置を構成した。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ポンプ及びラジエータの個数を削減しながら、内燃機関の各所に好適な温度の冷却水を供給できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態における内燃機関の概略構成を示す図。
【図２】同実施形態における車両の駆動系の構成を示す図。
【図３】同実施形態の内燃機関の冷却装置の構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。本実施形態における内燃機関は、火花点火式の４ストロークエンジンであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。各気筒１の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。点火プラグ１２は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。
【００１２】
吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、電子スロットル弁３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。
【００１３】
排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させたことで生じる排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。
【００１４】
本実施形態の内燃機関には、外部ＥＧＲ装置２が付帯している。ＥＧＲ装置２は、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものであり、排気通路４における触媒４１の上流側と吸気通路３におけるスロットル弁３２の下流側とを連通するＥＧＲ通路２１と、ＥＧＲ通路２１上に設けたＥＧＲクーラ２２と、ＥＧＲ通路２１を開閉し当該ＥＧＲ通路２１を流れるＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲ弁２３とを要素とする。ＥＧＲ通路２１の入口は、排気通路４における排気マニホルド４２またはその下流の所定箇所に接続している。ＥＧＲ通路２１の出口は、吸気通路３におけるスロットル弁３２の下流の所定箇所、具体的にはサージタンク３３に接続している。ＥＧＲクーラ２２は、内燃機関の冷却水を利用してＥＧＲガスを冷却し、以てＥＧＲガスを混交した吸気の温度を抑制する。
【００１５】
図２に、車両が備える駆動系の例を示す。この駆動系は、トルクコンバータ７及び自動変速機８、９を備えてなる。自動変速機８、９の構成要素としては、遊星歯車機構を利用した前後進切換装置８、及び無段変速機の一種であるベルト式ＣＶＴ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ  Ｖａｒｉａｂｌｅ  Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）９を採用している。
【００１６】
内燃機関が出力する回転トルクは、内燃機関のクランクシャフトからトルクコンバータ７の入力側のポンプインペラ７１に入力され、出力側のタービンランナ７２に伝達される。タービンランナ７２の回転は、前後進切換装置８を介してＣＶＴ９の駆動軸９４に伝わり、ＣＶＴ９における変速を経て従動軸９５を回転させる。従動軸９５の回転は、出力ギア１０１に伝達される。出力ギア１０１は、デファレンシャル装置のリングギア１０２と噛合し、デファレンシャル装置を介して車軸１０３及び駆動輪（図示せず）を回転させる。
【００１７】
走行レンジ（即ち、前進か、後退か、ニュートラルか）を切り換えるべくフォワードブレーキ８４またはリバースクラッチ８５に供給される作動液（作動油）、並びに、変速比を操作するべく液圧サーボ９１３、９２３に供給される作動液を吐出して圧送する液圧ポンプ（図示せず）は、内燃機関のクランクシャフトからトルクの伝達を受けて稼働する、既知の機械式（非電動式）のものである。この作動液は、トルクコンバータ７に用いられる流体と共通のトランスミッションフルード（ＣＶＴフルード）である。トランスミッションフルードは、冷間始動の際、フルードウォーマ（ＣＶＴウォーマ）５１４において、内燃機関の冷却水を利用して温められる。
【００１８】
図３に、本実施形態における内燃機関の冷却装置５の構成を模式的に示す。本実施形態の冷却装置５は、冷却水を吐出して圧送する一個の冷却水ポンプ５３と、冷却水を放熱させる一個のラジエータ５１３と、比較的高温の冷却水を流通させる第一冷却水経路５１と、比較的低温の冷却水を流通させる第二冷却水経路５２と、第二冷却水経路５２を流通する冷却水と第一冷却水経路５１を流通する冷却水との間で熱交換させるための熱交換器５４と、当該熱交換器５４による熱交換を行う状態と行わない状態とを切り換えるための切換弁５２５とを具備する。
【００１９】
ポンプ５３は、内燃機関のクランクシャフトからトルクの伝達を受けて稼働する、既知の機械式（非電動式）のものである。ラジエータ５１３は、車両のエンジンルーム内におけるフロントグリルの後背に配置され、エンジンルームに吹き込む走行風を利用して冷却水を自然空冷したり、電動ファンが起こす風を利用して冷却水を強制空冷したりする。
【００２０】
第一冷却水経路５１は、ポンプ５３の吐出口に連なる入口側から、複数の気筒１を内包しているシリンダブロック６１、ラジエータ５１３及び／またはフルードウォーマ５１４、熱交換器５４、シリンダヘッド６２の排気ポート近傍の部位である排気ヘッド５１５を順次経由して、ポンプ５３の吸込口に連なる出口側へと至る。第二冷却水経路５２の入口側及び出口側にはそれぞれ、例えばリニアソレノイド弁等の流量制御弁５１１、５１２を設ける。
【００２１】
シリンダブロック６１の下流では、ラジエータ５１３を通過して熱交換器５４に向かう流路と、フルードウォーマ５１４を通過して熱交換器５４に向かう流路とに分岐する。ラジエータ５１３の上流及びフルードウォーマ５１４の上流にはそれぞれ、サーモスタット弁５１６、５１７を設ける。サーモスタット弁５１６、５１７はともに、周辺の冷却水の温度が閾値を超えたときに開弁し、閾値を超えないときに閉弁するものであるが、フルードウォーマ５１４の上流に所在するサーモスタット弁５１７は、ラジエータ５１３の上流に所在するサーモスタット弁５１６よりも低い水温で開く。
【００２２】
加えて、シリンダブロック６１から下流に、ラジエータ５１３、フルードウォーマ５１４及び熱交換器５４を迂回して排気ヘッド５１５に向かう流路を別途敷設している。サーモスタット弁５１６、５１７の両方が閉じている場合、冷却水はシリンダブロック６１から当該流路に流入して直接排気ヘッド５１５に到達することとなる。
【００２３】
しかして、第一冷却水経路５１における、排気ヘッド５１５から出口側に向かう流路上に、第一冷却水経路５１を流れる冷却水の温度を検出する第一水温センサ５１８を設置する。
【００２４】
第二冷却水経路５２は、ポンプ５３の吐出口に連なる入口側から、車両の室内の暖房用のヒータ（ヒータコア）５２３、熱交換器５４、シリンダヘッド６２の吸気ポート近傍の部位である吸気ヘッド５２４、ＥＧＲクーラ２２を順次経由して、ポンプ５３の吸込口に連なる出口側へと至る。第二冷却水経路５２の入口側及び出口側にもそれぞれ、例えばリニアソレノイド弁等の流量制御弁５２１、５２２を設ける。
【００２５】
ヒータ５２３の下流では、熱交換器５４を通過して吸気ヘッド５２４に向かう流路と熱交換器５４を迂回して吸気ヘッド５２４に向かう流路とに分岐する。そして、その分岐箇所に、切換弁５２５を設けている。切換弁５２５は、ヒータ５２３から流下した冷却水を熱交換器５４に流入させるか、熱交換器５４を迂回する流路に流入させる（即ち、熱交換器５４に流入させずこれを迂回させる）かを選択的に切り換えることのできる、例えばソレノイドを用いた方向切換弁である。
【００２６】
しかして、第二冷却水経路５２における、ＥＧＲクーラ２２から出口側に向かう流路上に、第二冷却水経路５２を流れる冷却水の温度を検出する第二水温センサ５２６を設置する。
【００２７】
内燃機関の運転制御を司るＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。
【００２８】
入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるクランク角信号ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットル弁３２の開度をアクセル開度（いわば、要求負荷）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｄ、第一冷却水経路５１上の冷却水温を検出する第一水温センサ５１８から出力される冷却水温信号ｅ、第二冷却水経路５２上の冷却水温を検出する第二水温センサ５２６から出力される冷却水温信号ｆ、各気筒１を包有するシリンダブロック６１の振動を検出するノックセンサから出力される振動信号ｇ、吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号ｈ等が入力される。
【００２９】
出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタに対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットル弁３２に対して開度操作信号ｋ、ＥＧＲ弁２３に対して開度操作信号ｌ、冷却装置５の流量制御弁５１１、５１２、５２１、５２２の各々に対して開度操作信号ｍ、ｎ、ｏ、ｐ、切換弁５２５に対して方向切換信号ｑ等を出力する。
【００３０】
ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量等に基づき、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミング等といった各種運転パラメータを決定する。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌ、ｍ、ｎ、ｏ、ｐ、ｑを出力インタフェースを介して印加する。
【００３１】
本実施形態において、ＥＣＵ０は、冷却装置５の流量制御弁５１１、５１２、５２１、５２２の開度を操作し、かつ切換弁５２５による冷却水の流路の方向を操作することを通じて、内燃機関の各所に好適な温度の冷却水を供給する。以降、冷却装置５の制御に関して詳述する。
【００３２】
＜１．内燃機関の暖機前＞
第一水温センサ５１８が示す第一冷却水経路５１上の冷却水温が比較的低温の所定値を下回る、及び／または、第二水温センサ５２６が示す第二冷却水経路５２上の冷却水温が比較的低温の所定値を下回る（典型的には、冷間始動直後の時期）場合には、流量制御弁５１１、５１２を全閉して第一冷却水経路５１における冷却水の循環を停止し、内燃機関の暖機即ち冷却水の温度上昇を促す。
冷却水温が低いことから、第一冷却水経路５１上のサーモスタット弁５１６、５１７は閉じている。
機械式のポンプ５３が吐出する冷却水は、第二冷却水経路５２において循環させる。そのために、流量制御弁５２１、５２２は大きく開く。
また、第二冷却水経路５２上の切換弁５２５は、熱交換器５４に冷却水が流入する方向に操作し、第二冷却水経路５２の冷却水と第一冷却水経路５１の冷却水との間で熱交換可能な状態とする。
【００３３】
＜２．内燃機関の暖機後、高温高負荷の運転領域＞
第一冷却水経路５１上の冷却水温が比較的高温の所定値を上回る、及び／または、第二冷却水経路５２上の冷却水温が比較的高温の所定値を上回っており、なおかつアクセル開度が所定値以上に大きい（特に、全開または全開に近い）場合には、全ての流量制御弁５１１、５１２、５２１、５２２を大きく開き、第一冷却水経路５１及び第二冷却水経路５２における冷却水の循環を強め、冷却水の温度降下を促す。
冷却水温が高いことから、第一冷却水経路５１上のサーモスタット弁５１６、５１７は開いている。
第二冷却水経路５２上の切換弁５２５は、熱交換器５４に冷却水が流入する方向に操作し、第二冷却水経路５２の冷却水と第一冷却水経路５１の冷却水との間で熱交換可能な状態とする。
【００３４】
＜３．内燃機関の暖機後、高温高負荷でない運転領域、第二冷却水経路５２上の冷却水温が比較的低い＞
上述の“１．内燃機関の暖機前”または“２．内燃機関の暖機後、高温高負荷の運転領域”の条件の何れも満たしておらず、第二冷却水経路５２上の冷却水温が第一冷却水経路５１上の冷却水温よりも低い場合には、流量制御弁５２１、５２２を大きく開く一方、流量制御弁５１１、５１２はそれよりも小さい開度に絞る。
第一冷却水経路５１上のサーモスタット弁５１６、５１７は、第一冷却水経路５１を流れる冷却水の温度に応じて、開いたり閉じたりする。
第二冷却水経路５２上の冷却水温が第一冷却水経路５１上の冷却水温よりも低いということは、ヒータ５２３や吸気ヘッド５２４、ＥＧＲクーラ２２に比較的低温の冷却水を供給できている望ましい状況にあると評価できる。これを維持するべく、第二冷却水経路５２上の切換弁５２５は、熱交換器５４に冷却水が流入しない方向に操作して、第二冷却水経路５２の冷却水と第一冷却水経路５１の冷却水との間で熱交換不能な状態とする。
【００３５】
＜４．内燃機関の暖機後、高温高負荷でない運転領域、第二冷却水経路５２上の冷却水温が比較的低い＞
上述の“１．内燃機関の暖機前”または“２．内燃機関の暖機後、高温高負荷の運転領域”の条件の何れも満たしておらず、第二冷却水経路５２上の冷却水温が第一冷却水経路５１上の冷却水温よりも高いか、ほぼこれに等しい場合には、流量制御弁５１１、５１２を大きく開く一方、流量制御弁５２１、５２２はそれよりも小さい開度に絞る。
第一冷却水経路５１上のサーモスタット弁５１６、５１７は、第一冷却水経路５１を流れる冷却水の温度に応じて、開いたり閉じたりする。
第二冷却水経路５２上の冷却水温が第一冷却水経路５１上の冷却水温よりも高い状況は、速やかに是正される必要がある。そこで、第二冷却水経路５２上の切換弁５２５は、熱交換器５４に冷却水が流入する方向に操作し、第二冷却水経路５２の冷却水と第一冷却水経路５１の冷却水との間で熱交換可能な状態とする。
【００３６】
本実施形態では、冷却水を吐出し圧送する一個のポンプ５３と、冷却水を放熱させる一個のラジエータ５１３と、前記ポンプ５３の吐出口に連なる入口側及び吸込口に連なる出口側の各々に流量制御弁５１１、５１２が設けられ、シリンダブロック６１、前記ラジエータ５１３及びシリンダヘッド６２における排気ポート近傍５１５を経由する第一冷却水経路５１と、前記ポンプ５３の吐出口に連なる入口側及び吸込口に連なる出口側の各々に流量制御弁５２１、５２２が設けられ、ヒータ５２３及びシリンダヘッド６２における吸気ポート近傍５２４を経由する第二冷却水経路５２と、前記第二冷却水経路５２の冷却水を前記第一冷却水経路５１の冷却水と熱交換させるための熱交換器５４と、前記第二冷却水経路５２の冷却水と前記第一冷却水経路５１の冷却水との間で熱交換する状態と熱交換しない状態とを切り換えるための切換弁５２５とを具備する内燃機関の冷却装置５を構成した。
【００３７】
本実施形態によれば、ポンプ５３及びラジエータ５１３の個数が一つずつで済むことから、冷却装置５の大形化及び重量化を避けることができ、コストの高騰も抑えられる。
【００３８】
その上で、内燃機関の各所に好適な温度の冷却水を配給することができる。特に、吸気ポート近傍５２４及びＥＧＲクーラ２２に、比較的低温の冷却水を供給することが可能となり、吸気ポート近傍５２４やＥＧＲ通路２１を流れるＥＧＲガスがよく冷やされ、気筒１に充填される吸気の温度の上昇が抑制されて充填効率を高く維持できる。しかも、実圧縮比を高めたいときや、ノッキングの発生が予想されるとき等に、第二冷却水経路５２の冷却水と第一冷却水経路５１の冷却水との間での熱交換を遮断し、第二冷却水経路５２の冷却水が第一冷却水経路５１の冷却水から受熱することを防ぐことができるため、実圧縮比の向上及びノッキングの予防に奏効する。
【００３９】
なお、本発明は以上に詳述した実施形態には限られない。各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は、車両等に搭載される内燃機関に適用することができる。
【符号の説明】
【００４１】
０…制御装置（ＥＣＵ）
５…冷却装置
５１…第一冷却水経路
５１１、５１２…流量制御弁
５１３…ラジエータ
５１５…排気ポート近傍（排気ヘッド）
５２…第二冷却水経路
５２１、５２２…流量制御弁
５２３…ヒータ
５２４…吸気ポート近傍（吸気ヘッド）
５２５…切換弁
５３…ポンプ
５４…熱交換器
６１…シリンダブロック
６２…シリンダヘッド
【図１】
2015101960.tif 000003
【図２】
2015101960.tif 000004
【図３】
2015101960.tif 000005