(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（イ）水冷式の内燃機関に冷却水をポンプで強制循環せしめる冷却水回路と、
（ロ）前記内燃機関により加熱された高温の冷却水を貯留する蓄熱容器と、
（ハ）前記蓄熱容器に貯留されている高温の冷却水を前記内燃機関に供給して暖機するときの前記内燃機関内における冷却水の流速を、前記内燃機関により加熱された高温の冷却水を前記蓄熱容器に導入し貯留するときの前記内燃機関内における冷却水の流速よりも増大せしめる冷却水流速増大手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の冷却装置。
【請求項２】
前記内燃機関から蓄熱容器へ冷却水を流す冷却水経路に、冷却水を加熱する加熱手段を備え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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の水冷式冷却装置に関するものであり、特に、早期暖機が可能な冷却装置に係るものである。
【０００２】
【従来の技術】
車両用の内燃機関において、機関始動時における早期暖機は燃費性能や排気エミッションの向上を図る上で非常に重要である。
【０００３】
水冷式内燃機関の早期暖機に関し、特開平９−１１７３１号公報等において、蓄熱容器を利用した早期暖機方法が提案されている。この公報に開示された内燃機関においては、機関運転中に冷却水回路を流れる高温の冷却水を蓄熱容器に貯留することにより蓄熱しておき、この蓄熱容器に貯留されている温水（熱水）を次回の機関始動時に冷却水回路を介して内燃機関に供給することにより、内燃機関の早期暖機等を図っており、また、必要に応じて冷却水を加熱するための燃焼式ヒータを備えている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の蓄熱容器を備えた内燃機関の冷却装置においては、蓄熱容器に高温の冷却水を貯留し蓄熱するときと、蓄熱容器に貯留されている高温の冷却水を内燃機関に供給して内燃機関を暖機するときとで、内燃機関に流す冷却水の流速を同じにしていた。その結果、蓄熱時には効率的な蓄熱が行われず、一方、内燃機関の暖機時には効率的な暖機が行われないという問題があった。
【０００５】
本発明はこのような従来の技術の問題点に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、内燃機関の暖機時には内燃機関を流れる冷却水の流速を増大することにより、早期暖機の促進を図ることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題を解決するために、以下の手段を採用した。本発明に係る内燃機関の冷却装置は、（イ）水冷式の内燃機関に冷却水をポンプで強制循環せしめる冷却水回路と、（ロ）前記内燃機関により加熱された高温の冷却水を貯留する蓄熱容器と、（ハ）前記蓄熱容器に貯留されている高温の冷却水を前記内燃機関に供給して暖機するときの前記内燃機関内における冷却水の流速を、前記内燃機関により加熱された高温の冷却水を前記蓄熱容器に導入し貯留するときの前記内燃機関内における冷却水の流速よりも増大せしめる冷却水流速増大手段と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
この内燃機関の冷却装置においては、蓄熱容器に貯留されている高温の冷却水を内燃機関に供給して暖機するときには、冷却水流速増大手段によって内燃機関内における冷却水の流速が増大せしめられる。内燃機関内における冷却水の流速が大きいと、内燃機関の壁面と冷却水との間の熱伝達率が大きくなるので、冷却水の熱が内燃機関に伝わり易くなり、内燃機関を急速加熱することができる。
【０００８】
一方、内燃機関により加熱された高温の冷却水を蓄熱容器に導入し貯留するときには、内燃機関内における冷却水の流速が前記暖機時よりも小さくなるが、冷却水の流速が小さいと、内燃機関の壁面と冷却水との間の熱伝達率が小さくなるので、内燃機関の温度を高く保持することができる。また、内燃機関内の冷却水の流速が小さいと、内燃機関から冷却水への受熱時間が長くなる。その結果、内燃機関から流出する冷却水の温度を高くすることができ、より高温の冷却水を蓄熱容器に貯留することができる。
【０００９】
本発明において、冷却水流速増大手段は、内燃機関と蓄熱容器とを結ぶ閉回路に設けた可変容量ポンプの吐出量を可変制御する制御手段で構成することも可能であるし、あるいは、内燃機関と蓄熱容器とを結ぶ閉回路に設けた流量制御弁を制御する制御手段で構成することも可能である。
【００１０】
本発明においては、蓄熱容器に貯留されている高温の冷却水を内燃機関に供給して行う内燃機関の暖機は、内燃機関のクランキング前に行うのが、より好ましい。クランキング前に内燃機関が加熱されるので、その後の内燃機関の始動時における内燃機関の燃焼状態を良好にすることができ、燃費および排気エミッションの向上を図ることができるからである。
【００１１】
本発明においては、内燃機関から蓄熱容器へ冷却水を流す冷却水経路に、冷却水を加熱する加熱手段を備えることが可能である。内燃機関の廃熱による加熱に加え、この加熱手段で冷却水を加熱しながら蓄熱容器に冷却水を導入すると、より高温の冷却水を蓄熱容器に導入することができる。加熱手段としては、内燃機関とは別の燃焼室で燃料を燃焼させその熱で冷却水を加熱する燃焼式ヒータ、あるいは、電気ヒータなどを例示することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る内燃機関の冷却装置の一実施の形態を図１及び図２の図面を参照して説明する。
【００１３】
図１は、車両に搭載された車両駆動用の水冷式エンジン（内燃機関）１の冷却水回路をしている。
エンジン１はその内部に冷却水通路３を有し、この冷却水通路３に冷却水を流すことによってエンジン１は冷却される。冷却水通路３の上流側は、このエンジン１のクランクシャフト（図示せず）によって駆動される第１ウォータポンプ５の吐出側に接続されており、冷却水はこの第１ウォータポンプ５によって冷却水通路３に圧送される。
【００１４】
エンジン１の冷却水通路３の下流側は、冷却水通路７、サーモスタットバルブ９、冷却水通路１１を介して、第１ウォータポンプ５の吸込側に接続されている。また、サーモスタットバルブ９は冷却水通路１３を介してラジエータ１５の水入口に接続されており、ラジエータ１５の水出口は冷却水通路１７を介して第１ウォータポンプ５の吸込側に接続されている。尚、冷却水通路１１と冷却水通路１７は合流後に第１ウォータポンプ５の吸込側に接続されている。
【００１５】
サーモスタットバルブ９は、冷却水の温度に応じて冷却水の流路を切り替えるバルブであり、このサーモスタットバルブ１７を流れる冷却水の温度が所定温度Ｔ1よりも高いときには、冷却水通路１１側を閉塞して冷却水通路７と冷却水通路１３を接続し、冷却水温度が前記所定温度Ｔ1以下のときには冷却水通路１３側を閉塞して冷却水通路７と冷却水通路１１を接続する。
【００１６】
したがって、エンジン１の運転中、冷却水温度が所定温度Ｔ1よりも高いときには、冷却水は、第１ウォータポンプ５→エンジン１の冷却水通路３→冷却水通路７→サーモスタットバルブ９→冷却水通路１３→ラジエータ１５→冷却水通路１７→第１ウォータポンプ５の閉回路を循環し、エンジン１において加熱された冷却水はラジエータ１５を通過する際に冷却される。一方、エンジン１の運転中、冷却水温度が所定温度Ｔ1以下のときには、冷却水は、第１ウォータポンプ５→エンジン１の冷却水通路３→冷却水通路７→サーモスタットバルブ９→冷却水通路１１→第１ウォータポンプ５の閉回路を循環する。これら閉回路における冷却水の流れが基本フローとなる。
【００１７】
また、エンジン１の冷却水通路３は、前述した回路とは別の回路にも接続されている。即ち、冷却水通路３の下流側は、第２ウォータポンプ１９、燃焼式ヒータ（加熱手段）２１、冷却水通路２３、三方切替弁２５、冷却水通路２７、蓄熱容器２９、冷却水通路３１、冷却水通路１７を介して、第１ウォータポンプ５に接続されている。これにより、第１ウォータポンプ５→エンジン１の冷却水通路３→第２ウォータポンプ１９→燃焼式ヒータ２１→冷却水通路２３→三方切替弁２５→冷却水通路２７→蓄熱容器２９→冷却水通路３１→冷却水通路１７→第１ウォータポンプ５へと冷却水が流れる閉回路が形成される。
【００１８】
この閉回路は、エンジン１で加熱された高温の冷却水を蓄熱容器２９に導入し貯溜するとき、あるいは、エンジン１の始動時に蓄熱容器２９に貯留された高温の冷却水でエンジン１を暖機するときに使用される回路である。
【００１９】
第２ウォータポンプ１９は電動モータによって駆動されるポンプであり、したがって、第２ウォータポンプ１９はエンジン１のクランキング前であっても運転可能である。これに対して、第１ウォータポンプ５は前述したようにエンジン１のクランクシャフトにより駆動されるポンプであるので、クランキング前は運転不能である。また、第２ウォータポンプ１９は駆動モータ２０の回転数によって吐出量が制御可能な可変容量ポンプであり、第２ウォータポンプ１９の駆動モータ２０の起動・停止および運転時の回転数は、図示しないエンジン制御用コントロールユニット（以下、ＥＣＵと略す）によって制御される。
【００２０】
燃焼式ヒータ２１は、エンジン１とは別の燃焼室において燃料を燃焼させ、その燃焼熱で冷却水を加熱する加熱手段であり、ＥＣＵによって運転を制御される。
蓄熱容器２９は、エンジン１で加熱された高温の冷却水を貯留し蓄熱しておく容器であり、所定の保水容量及び保温性能を有している。
【００２１】
また、三方切替弁２５は冷却水通路３３にも接続されており、この冷却水通路３３は蓄熱容器２９を迂回して冷却水通路３１に接続されている。冷却水通路３３の途中には車室内暖房用のヒータコア３５が設けられている。これにより、第１ウォータポンプ５→エンジン１の冷却水通路３→第２ウォータポンプ１９→燃焼式ヒータ２１→冷却水通路２３→三方切替弁２５→冷却水通路３３→ヒータコア３５→冷却水通路３１→冷却水通路１７→第１ウォータポンプ５へと冷却水が流れる閉回路が形成される。
【００２２】
三方切替弁２５は、冷却水通路２３を冷却水通路２７と冷却水通路３３のいずれか一方に選択的に接続するバルブであり、ＥＣＵがこの三方切替弁２５の作動を制御し、冷却水の流路を切り替える。
【００２３】
まず、図示しない空調装置のモード選択スイッチが「暖房モード」にされると、ＥＣＵは、冷却水通路２３と冷却水通路３３とを接続せしめるべく三方切替弁２５を作動するとともに、第２ウォータポンプ１９の駆動モータ２０を予め設定した中回転数Ｎ2で運転する。これにより、前述した冷却水の基本フローに加えて、エンジン１の冷却水通路３から流れ出た冷却水の一部が、第２ウォータポンプ１９→燃焼式ヒータ２１→冷却水通路２３→三方切替弁２５→冷却水通路３３→ヒータコア３５→冷却水通路３１と流れて冷却水通路１７に合流するようになり、車室内に暖気が送風される。このときに、車室内を所望の温度に制御するのにエンジン１の熱量だけでは不足するとＥＣＵが判定したときには、ＥＣＵは燃焼式ヒータ２１を稼働して冷却水を加熱し、不足する熱量を補う。
【００２４】
次に、蓄熱容器２９に高温の冷却水を貯留し蓄熱するときと、エンジン１の始動時に蓄熱容器２９に貯留されている高温の冷却水でエンジン１を暖機するときについて説明する。
【００２５】
まず、蓄熱は、この実施の形態においては、エンジン１の停止直後に行われる。即ち、エンジン１の停止信号（例えば、イグニッションスイッチのＯＦＦ信号）により、ＥＣＵは、冷却水通路２３と冷却水通路２７とを接続せしめるべく三方切替弁２５を作動するとともに、第２ウォータポンプ１９の駆動モータ２０を予め設定した低回転数Ｎ3で運転する。ここで、Ｎ3はＮ2よりも小さい（Ｎ3＜Ｎ2）。
【００２６】
これにより、冷却水は、エンジン１の冷却水通路３→第２ウォータポンプ１９→燃焼式ヒータ２１→冷却水通路２３→三方切替弁２５→冷却水通路２７→蓄熱容器２９→冷却水通路３１→冷却水通路１７→第１ウォータポンプ５を経て冷却水通路３に戻る閉回路を流れることになる。ただし、この場合、エンジン１の停止後であるので、第１ウォータポンプ５は運転されていない。また、原則的には燃焼式ヒータ２１も稼働されない。
【００２７】
したがって、エンジン１の冷却水通路３に流れる冷却水の流量は、回転数Ｎ3の駆動モータ２０で第２ウォータポンプ１９を駆動したときの第２ウォータポンプ１９の吐出量となる。ここで、駆動モータ２０の回転数Ｎ3は低速であるので第２ウォータポンプ１９の吐出量も小流量となり、したがって、エンジン１の冷却水通路３を流れる冷却水の流速も小さくなる。その結果、冷却水通路３を画するエンジン１の壁面と冷却水通路３を流れる冷却水との間の熱伝達率が小さくなり、エンジン１の壁面温度を高く維持することができる。また、冷却水通路３を流れる冷却水の流速を遅くすることによって、冷却水通路３におけるエンジン１の壁面から冷却水への受熱時間を長くすることができる。その結果、冷却水通路３から流出する冷却水の温度を高くすることができ、より高温の冷却水を蓄熱容器２９に貯留し蓄熱することができる。
【００２８】
また、例えば、エンジン停止前のエンジン運転状態に起因して冷却水温度が低かった場合や、エンジン停止前まで暖房モードになっていたため冷却水温度が低かった場合など、図示しない水温センサで検出した冷却水温度が所定温度よりも低いとＥＣＵが判断したときには、ＥＣＵは、この蓄熱時にも燃焼式ヒータ２１を稼働し、冷却水を加熱する。これにより、冷却水を燃焼式ヒータ２１で加熱しつつ蓄熱容器２９に貯留することができるので、外気温、エンジン停止前の車両の走行条件、暖房の有無にかかわりなく、短時間で所定温度以上の高温の冷却水を蓄熱容器２９に貯留し蓄熱することが可能になる。
【００２９】
また、冷却水通路３、第２ウォータポンプ１９、燃焼式ヒータ２１、蓄熱容器２９が冷却水の流れ方向に対して直列に配置されているので、冷却水を燃焼式ヒータ２１で加熱しつつ蓄熱タンク２９に導き貯留する場合にも、燃焼式ヒータ２１内の熱交換部において冷却水が途切れることなく常に流れており、燃焼式ヒータ２１が異常加熱することがない。つまり、このように機器を配列したことにより、燃焼式ヒータ２１の過熱を確実に防止することができる。
【００３０】
次に、始動時暖機について説明すると、エンジン１の始動時には、エンジン１のクランキング前に、ＥＣＵは、冷却水通路２３と冷却水通路２７とを接続せしめるべく三方切替弁２５を作動するとともに、第２ウォータポンプ１９の駆動モータ２０を予め設定した高回転数Ｎ1で運転し、燃焼式ヒータ２１を稼働する。ここで、Ｎ1はＮ2よりも大きい（Ｎ2＜Ｎ1）。
【００３１】
これにより、冷却水は、蓄熱容器２９→冷却水通路３１→冷却水通路１７→第１ウォータポンプ５→エンジン１の冷却水通路３→第２ウォータポンプ１９→燃焼式ヒータ２１→冷却水通路２３→三方切替弁２５→冷却水通路２７を経て蓄熱容器２９に戻る閉回路を流れることになる。ここで、冷却水の流れ方向に対して、冷却水通路３、第２ウォータポンプ１９、燃焼式ヒータ２１、蓄熱容器２９の順に直列に配置されているので、まず始めに蓄熱容器２９に貯留されていた高温の冷却水がエンジン１の冷却水通路３に供給され、それに引き続いて、燃焼式ヒータ２１によって所定温度まで加熱された冷却水が冷却水通路３に供給されることになる。したがって、エンジン１を効率よく加熱することができる。
【００３２】
また、エンジン１はクランキング前であるので、第１ウォータポンプ５は運転されていない。したがって、エンジン１の冷却水通路３に流れる冷却水の流量は、回転数Ｎ1の駆動モータ２０で第２ウォータポンプ１９を駆動したときの第２ウォータポンプ１９の吐出量となる。ここで、駆動モータ２０の回転数Ｎ1は高速であるので第２ウォータポンプ１９の吐出量も大流量となり、したがって、エンジン１の冷却水通路３を流れる冷却水の流速も大きくなる。その結果、冷却水通路３を画するエンジン１の壁面と冷却水通路３を流れる冷却水との間の熱伝達率が大きくなり、冷却水の熱がエンジン１の壁面に伝わり易くなって、エンジン１を急速加熱することができ、早期暖機を達成することができる。
【００３３】
そして、エンジン１の暖機完了後、ＥＣＵは、冷却水通路２３と冷却水通路３３とを接続せしめるべく三方切替弁２５を作動するとともに、第２ウォータポンプ１９の駆動モータ２０を停止し、同時に、図示しないスタータモータを自動起動してエンジン１をクランキングする。尚、暖機完了の判定は、例えば、第２ウォータポンプ１９の運転時間が所定の時間に達した時を暖機完了と判定することができる。
【００３４】
このように、クランキングする前にエンジン１が暖機されているので、始動時におけるエンジン１の燃焼室での燃焼状態が良好になり、エンジン始動時の燃費が向上し、エンジン始動時の排気エミッションを良好にすることができる。
【００３５】
また、エンジン始動時、暖房モードになっている場合にも、ヒータコア３５における放熱による冷却水の温度低下を、燃焼式ヒータ２１の稼働による冷却水の加熱で補うことができるので、エンジン１の燃焼状態を悪化させることなく、始動直後の即効暖房が可能である。
【００３６】
次に、第２ウォータポンプ１９の駆動モータ２０の運転制御について図２のフローチャートにしたがって説明する。
図２に示すフローチャートは、駆動モータ２０の運転制御ルーチンを示すものであり、この運転制御ルーチンはＥＣＵにより所定時間毎に繰り返し実行される。この実施の形態においては、ＥＣＵが、駆動モータ２０の運転制御ルーチンを実行することにより、本発明の冷却水流速増大手段が実現される。
【００３７】
＜ステップ１０１＞
まず、ＥＣＵは、ステップ１０１において、蓄熱容器２９に貯留されていた高温の温水でエンジン１を加熱する「エンジン温水加熱制御」を実行中か否か判定する。
【００３８】
＜ステップ１０２＞
ステップ１０２において肯定判定した場合には、ＥＣＵは、ステップ１０２に進み、第２ウォータポンプ１９の駆動モータ２０を高回転数Ｎ1で運転して、本ルーチンの実行を一旦終了する。これにより、前述したように、第２ウォータポンプ１９の吐出量が大きくなり、エンジン１の冷却水通路３を流れる冷却水の流速が大きくなるので、エンジン１を急速加熱することができる。
【００３９】
＜ステップ１０３＞
ステップ１０２において否定判定した場合には、ＥＣＵは、ステップ１０３に進んで、エンジン１で加熱された高温の冷却水を蓄熱容器２９に貯留し蓄熱する「蓄熱制御」を実行中か否か判定する。
【００４０】
＜ステップ１０４＞
ステップ１０３において肯定判定した場合には、ＥＣＵは、ステップ１０４に進み、第２ウォータポンプ１９の駆動モータ２０を低回転数Ｎ3で運転して、本ルーチンの実行を一旦終了する。これにより、前述したように、第２ウォータポンプ１９の吐出量が小さくなり、エンジン１の冷却水通路３を流れる冷却水の流速が小さくなるので、エンジン１の冷却水通路３から流出する冷却水の温度を高温にすることができ、蓄熱容器２９に高温の冷却水を蓄熱することができる。
【００４１】
＜ステップ１０５＞
ステップ１０３において否定判定した場合には、ＥＣＵは、ステップ１０５に進み、空調装置のモード選択スイッチが「暖房モード」になっているか否か判定する。
【００４２】
＜ステップ１０６＞
ステップ１０５において肯定判定した場合には、ＥＣＵは、第２ウォータポンプ１９の駆動モータ２０を中回転数Ｎ2で運転して、本ルーチンの実行を一旦終了する。
【００４３】
＜ステップ１０７＞
一方、ステップ１０５において否定判定した場合には、ＥＣＵは、第２ウォータポンプ１９を停止し、本ルーチンの実行を一旦終了する。これにより、冷却水は蓄熱容器２９にもヒータコア３５にも流れなくなる。
【００４４】
〔他の実施の形態〕
前述した実施の形態では、エンジン１の始動時に、蓄熱容器２９に貯留されている高温の冷却水でエンジン１を加熱するときに、燃焼式ヒータ２１を稼働して冷却水を加熱しながら行っているが、蓄熱容器２９に貯留されていた高温の冷却水をエンジン１の冷却水通路３に供給すればエンジン１を十分に加熱可能である場合には、燃焼式ヒータ２９を稼働させなくても構わない。
【００４５】
また、前述した実施の形態では、エンジン１で加熱された高温の冷却水を蓄熱容器２９に導入し蓄熱する「蓄熱処理」をエンジン１の停止直後に行うようにしているが、蓄熱処理はエンジン１の運転中に実行することも可能である。その際にも、必要に応じて燃焼式ヒータ２１を稼働し冷却水を加熱しながら蓄熱することも可能である。
【００４６】
前述した実施の形態では、エンジン１の冷却水通路３を流れる冷却水の流速を変更する手段として、駆動モータ２０の回転数を変更することにより第２ウォータポンプ１９の吐出量を可変する方法を採用したが、これに代えて、第２ウォータポンプ１９の駆動モータ２０の回転数を変えることなく、例えば冷却水通路３１の途中に流量制御弁を設け、この流量制御弁を制御することによって、冷却水通路３を流れる冷却水の流速を制御することも可能である。
【００４７】
また、前述した実施の形態では、第１ウォータポンプ５の駆動源をエンジン１のクランクシャフトとしているが、第１ウォータポンプ５を電動モータ駆動とし、且つ、電動モータの回転数を変えることにより吐出量を変えることができる可変容量ポンプとすれば、この第１ウォータポンプ５の駆動モータの回転数を変更することにより冷却水通路３を流れる冷却水の流速を変更することができるので、第２ウォータポンプ１９を不要とすることができる。
【００４８】
あるいは、第１ウォータポンプ５を電動モータ駆動とするとともに、前述の如く流量制御弁を制御することによって冷却水通路３を流れる冷却水の流速を変更するようにした場合も、第２ウォータポンプ１９を不要とすることができる。
【００４９】
【発明の効果】
本発明に係る内燃機関の冷却装置によれば、（イ）水冷式の内燃機関に冷却水をポンプで強制循環せしめる冷却水回路と、（ロ）前記内燃機関により加熱された高温の冷却水を貯留する蓄熱容器と、（ハ）前記蓄熱容器に貯留されている高温の冷却水を前記内燃機関に供給して暖機するときの前記内燃機関内における冷却水の流速を、前記内燃機関により加熱された高温の冷却水を前記蓄熱容器に導入し貯留するときの前記内燃機関内における冷却水の流速よりも増大せしめる冷却水流速増大手段と、を備えたことにより、暖機時には内燃機関を迅速に加熱することができ、蓄熱時には蓄熱容器に導入される冷却水の温度を高温にすることができるという優れた効果が奏される。
【００５０】
また、内燃機関から蓄熱容器へ冷却水を流す冷却水経路に、冷却水を加熱する加熱手段を備えた場合には、より高温の冷却水を蓄熱容器に貯留することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る内燃機関の冷却装置の一実施の形態における冷却水回路を示す図である。
【図２】  前記実施の形態において、第２ウォータポンプの駆動モータの運転制御ルーチンを示す図である。
【符号の説明】
１  エンジン（内燃機関）
３  エンジンの冷却水通路
５  第１ウォータポンプ
１５  ラジエータ
１９  第２ウォータポンプ
２１  燃焼式ヒータ（加熱手段）
２５  三方切替弁
２９  蓄熱容器
３５  ヒータコア
【図１】
0004193309.tif 000002
【図２】
0004193309.tif 000003