JP2010163920A - エンジンの冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの暖機中におけるシリンダヘッドの適正な冷却により、シリンダヘッドの昇温を促進し、エンジン全体としての暖機の早期完了を達成する。
【解決手段】エンジン内部のウォータージャケットとして、シリンダヘッド１にヘッド側ジャケット部Ｊｈを、シリンダブロック２にブロック側ジャケット部Ｊｂを形成する。エンジンの暖機中において、ブロック側ジャケット部Ｊｂにおける冷却水の流れを遮断してシリンダブロック２内で冷却水を停滞させる一方、ヘッド側ジャケット部Ｊｈを介して冷却水を循環させる。ブロック側ジャケット部Ｊｂにおける冷却水の流れを遮断しているときに、ヘッド側ジャケット部Ｊｈを流れる冷却水の流量（ヘッド内流量）Ｑｗｈを制限する。
【選択図】図４

Description

本発明は、エンジンの冷却装置に関し、詳細には、エンジンの暖機中に、シリンダブロック内で冷却水を停滞させることにより、シリンダボア内壁の昇温を促進し、フリクションロスによる燃費の悪化を抑制する技術の改良に関する。

エンジンのより一層の低燃費化の実現を、エンジンの低温始動後におけるフリクションロス低減の観点から目指した次のような技術が存在する。低温始動後のエンジンの暖機中に、シリンダブロックに形成されたウォータージャケット（シリンダブロック側ウォータージャケット）を介する冷却水の循環を遮断し、シリンダブロック内で冷却水を停滞させることで、シリンダボア内壁の昇温を促進して、始動後早い段階での潤滑油粘度の適正化を図り、これによってフリクションロスを低減するものである。具体的には、エンジン内部において、シリンダヘッド側ウォータージャケットとシリンダブロック側ウォータージャケットとを並列に形成し、エンジンの暖機中に、サーモスタット弁の規制によってラジエータを迂回させて冷却水を流すとともに、シリンダブロック側ウォータージャケットへの冷却水の流入を遮断して、シリンダヘッド側ウォータージャケットのみを介して冷却水を循環させる。その一方で、暖機が完了した後は、サーモスタット弁の流路切換動作によってラジエータを介して冷却水を流すとともに、シリンダヘッド側ウォータージャケット及びシリンダブロック側ウォータージャケットの双方を介して冷却水を循環させる（特許文献１）。
特開２００４−２７８４８９号公報（段落番号００１５〜００１７）

しかしながら、上記の技術では、シリンダブロック側ウォータージャケットを介する冷却水の循環を遮断している間、他方のシリンダヘッド側ウォータージャケットを介する循環については何らの制限もなされていない。ここで、エンジンの暖機中において、上記の技術に従って単にシリンダブロック側ウォータージャケットを介する冷却水の循環を遮断するだけとすれば、循環ポンプによって送り出される冷却水の全てがシリンダヘッド側ウォータージャケットに導入され、暖機中にシリンダヘッドに関して要求される冷却性能を確保するために必要な量以上の冷却水がシリンダヘッド側ウォータージャケットを流通することとなる。これにより、シリンダヘッドが必要以上に冷却され、シリンダヘッドの昇温が抑えられてエンジン全体としての暖機の完了までに比較的長期を要する結果となるので、その分未燃ガスの放出量が増大してしまう。そして、暖機の遅れに対して燃料の低温時増量補正を継続する場合は、この増量分の燃料のため、フリクションロスの低減による上記燃費削減の効果が減殺される。

本発明は、以上の問題を考慮したエンジンの冷却装置を提供するものであり、エンジンの暖機中におけるシリンダヘッドの適正な冷却により、シリンダヘッドの昇温を促進してエンジン全体としての暖機を早め、未燃ガスの排出を抑制するとともに、エンジンの更なる低燃費化を実現することを目的とする。

本発明に係るエンジンの冷却装置は、エンジン内部のウォータージャケットとして、シリンダヘッドに形成されたヘッド側ジャケット部と、シリンダブロックに形成されたブロック側ジャケット部とを有し、エンジンの暖機中において、ブロック側ジャケット部における冷却水の流れを遮断してシリンダブロック内で冷却水を停滞させる一方、ヘッド側ジャケット部を介して冷却水を循環させる。ここで、本発明では、ブロック側ジャケット部における冷却水の流れを遮断しているときに、ヘッド側ジャケット部を流れる冷却水の流量を制限する。具体的には、ブロック側ジャケット部における流れを遮断しているときの冷却水の流量を、エンジンの暖機が完了した後の通常時にシリンダヘッドの冷却に割り当てられる量よりも減少させるか、又はシリンダヘッドの温度の上昇に対し、この温度が高いときに比べ、低いときに減少させる。

本発明によれば、エンジンの暖機中において、ブロック側ジャケット部における冷却水の流れを遮断することで、シリンダボア内壁の昇温を促進し、フリクションロスの低減によって燃費を削減することができる。ここで、本発明によれば、暖機中において、特にヘッド側ジャケット部を流れる冷却水の流量を制限することで、シリンダヘッドの昇温を促進して燃焼室内壁の温度を早期に上昇させるとともに、エンジン全体としての暖機を早期に完了させることができるので、未燃ガスの排出を抑制し、併せてエンジンの更なる低燃費化が可能となる。

以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るエンジンの冷却装置の構成を概略的に示している。

本実施形態では、車両用エンジンを対象としており、エンジン内部のウォータージャケットとして、シリンダヘッド１にヘッド側ジャケット部Ｊｈが、シリンダブロック２にブロック側ジャケット部Ｊｂが形成されている。これらのジャケット部Ｊｈ，Ｊｂは、エンジン内部において、互いに並行に設けられるとともに、シリンダヘッド１又はシリンダブロック２の側面に、夫々独立の開口部ｉ１，ｉ２及びｅ１，ｅ２を有している。具体的には、ヘッド側ジャケット部Ｊｈは、シリンダヘッド１の一方の（ここでは、フロント側の）側面に設けられた入口部ｉ１で開口するとともに、他方の（リア側の）側面に設けられた出口部ｅ１で開口している。これに対し、ブロック側ジャケット部Ｊｂは、シリンダブロック２のフロント側の側面に設けられた入口部ｉ２で開口するとともに、リア側の側面に設けられた出口部ｅ２で開口している。ウォータージャケットの上流側には、冷却水の分配管３が接続されており、この分配管３の集合部を流れる冷却水が、シリンダヘッド１及びシリンダブロック２のフロント側の側面に伸びる枝管部を介して入口部ｉ１，ｉ２に供給され、ヘッド側ジャケット部Ｊｈ及びブロック側ジャケット部Ｊｂに導入されるように構成されている。各ジャケット部Ｊｈ，Ｊｂを介して出口部ｅ１，ｅ２から流出した冷却水は、シリンダヘッド１及びシリンダブロック２のリア側の側面に接続された集合管４において合流し、ラジエータ５を迂回して接続された戻り管６、及び分配管３を介して再びエンジン内部のウォータージャケットに導入される。ここで、ラジエータ５は、ウォータージャケット下流の集合管４とウォータージャケット上流の分配管３との間に接続されている。ラジエータ５の下流側には、サーモスタット弁７が設置されており、エンジン暖機の進行に応じたサーモスタット弁７の動作により、戻り管６及びラジエータ５の間でウォータージャケットに再導入される冷却水の通路が切り換えられる。循環ポンプ８は、エンジンの暖機中において、ウォータージャケット及び戻り管６を介して（換言すれば、ラジエータ５を迂回させて）冷却水を循環させる一方、暖機完了後の通常時において、ウォータージャケット及びラジエータ５を介して冷却水を循環させる。

本実施形態では、ウォータージャケット下流の集合管４において、その合流部にブロック側遮断弁９ａを設置するとともに、ウォータージャケット上流において、分配管３の上流側に流量制御弁１０が設置されている。ブロック側遮断弁９ａは、ヘッド側ジャケット部Ｊｈと集合管４下流の通路とを常に連通させてヘッド側ジャケット部Ｊｈにおける冷却水の流れを許容する一方、ブロック側ジャケット部Ｊｂと集合管４下流の通路との接続を選択的に遮断可能に構成されている。本実施形態では、低温始動後のエンジンの暖機中に、ブロック側遮断弁９ａによってブロック側ジャケット部Ｊｂにおける冷却水の流れを遮断して、シリンダボア内壁の昇温を促進するとともに、流量制御弁１０によってヘッド側ジャケット部Ｊｈを流れる冷却水の流量を制限して、暖機中におけるシリンダヘッド１の冷却を必要限度に抑制する。ブロック側遮断弁９ａ及び流量制御弁１０の動作は、電子制御ユニットとして構成されるコントロールユニット１１により、水温センサ２１によって検出されるヘッド内水温Ｔｗｈをもとに制御される。水温センサ２１は、ヘッド側ジャケット部Ｊｈのうち、シリンダヘッド１における冷却水の流れに関して最も下流側に位置する排気ポート周辺に形成された部分の冷却水の温度Ｔｗｈを検出可能に設置されている。ここで、ブロック側遮断弁９ａ及びコントロールユニット１１によって「流路切換装置」が構成され、流量制御弁１０及びコントロールユニット１１によって「流量制限装置」が構成される。

次に、本実施形態に係るエンジンの冷却装置の動作について説明する。

図２及び３は、エンジンの暖機中における冷却制御の流れを示すフローチャートであり、図１は、この制御の前半部を、図３は、後半部を示している。

運転者のキースイッチ操作によって電源が投入されると、コントロールユニット１１は、Ｓ１０１において、循環ポンプ８を作動させる。

Ｓ１０２では、ブロック側遮断弁９ａを閉弁させて、ブロック側ジャケット部Ｊｂにおける冷却水の流れを遮断し、シリンダブロック２内で冷却水を停滞させる。これにより、暖機中におけるシリンダブロック２の昇温が促進される。

Ｓ１０３では、流量制御弁１０の開口面積を減少させて、ヘッド側ジャケット部Ｊｈを流れる冷却水の流量Ｑｗｈを、暖機完了後の通常時にシリンダヘッド１の冷却に割り当てられる量よりも少ない量に制限する。これにより、暖機中におけるシリンダヘッド１の冷却が必要限度に抑制される。本実施形態では、ヘッド側ジャケット部Ｊｈ及びブロック側ジャケット部Ｊｂが並行に形成され、各ジャケット部Ｊｈ，Ｊｂを流れる流量が個別に設定可能であることから、一例として、通常時にシリンダヘッド１の冷却に割り当てられる量を４０リットルとして、１０リットルに減少させる。

Ｓ１０４では、ヘッド側ジャケット部Ｊｈを流れる冷却水の温度（ヘッド内水温）Ｔｗｈを検出する。本実施形態では、水温センサ２１により、シリンダヘッド１における冷却水の流れに関して最も下流側に位置する排気ポート周辺における、局所的な冷却水の温度Ｔｗｈが検出される。

Ｓ１０５では、水温センサ２１の水温検出値Ｔｗｈが所定の温度Ｔ１に達したか否かを判定する。達した場合は、Ｓ１０６へ進み、達していない場合は、Ｓ１０４へ戻り、水温センサ２１の出力値ＴｗｈがＴ１に達するまで、Ｓ１０４及び１０５の処理を繰り返す。所定の温度Ｔ１は、シリンダヘッド１が温まり、未燃ガスの排出が問題となる低温域を脱したことを判定するための温度に設定される。

Ｓ１０６では、流量制御弁１０を全開に制御して、ヘッド側ジャケット部Ｊｈを流れる冷却水に関する流量制限を解除する。

Ｓ１０７では、ブロック側遮断弁９ａを開弁させて、ヘッド側ジャケット部Ｊｈ及びブロック側ジャケット部Ｊｂの双方を介する冷却水の循環を開始させる。

ブロック側ジャケット部Ｊｂを介する冷却水の循環を開始させた後、図３のＳ２０１では、水温センサ２１によってヘッド内水温Ｔｗｈを検出する。

Ｓ２０２では、水温センサ２１の水温検出値Ｔｗｈが所定の温度Ｔ２に達したか否かを判定する。達した場合は、Ｓ２０３へ進み、達していない場合は、Ｓ２０１へ戻り、水温センサの出力値ＴｗｈがＴ２に達するまで、Ｓ２０１及び２０２の処理を繰り返す。ブロック側ジャケット部Ｊｂに停滞していた冷却水の混合によって一旦低下したヘッド内水温Ｔｗｈが再び上昇し、所定の温度Ｔ２に達したことを検出することで、シリンダブロック２が低温域を脱したことを判定するのである。ここで、サーモスタット弁７は、ヘッド内水温Ｔｗｈ（ラジエータ５を除いた冷却系全体における冷却水の温度）が所定の温度Ｔ２に達したときにその位置が切り換わるように設定されており、サーモスタット弁７の位置が切り換わることで、ラジエータ５からの冷却水の流入が開始される。

Ｓ２０３では、流量制御弁１０の開口面積を減少させる。冷却系全体で循環する冷却水の流量を制限することにより、サーモスタット弁７の動作によってラジエータ５から流入する低温の冷却水の流量を減少させ、この低温水の混合による水温の低下を抑制するのである。

Ｓ２０４では、カウンタに１を加算して、サーモスタット弁７の切換後に経過した時間を計測する。

Ｓ２０５では、加算後のカウンタの値ＣＮＴが所定の値Ｎ１に達したか否かを判定する。達したときは、Ｓ２０６へ進み、達していないときは、Ｓ２０４へ戻り、カウンタの値ＣＮＴがＮ１に達するまで、Ｓ２０４及び２０５の処理を繰り返す。

Ｓ２０６では、エンジンの暖機が完了したとして流量制御弁１０を全開に戻し、通常時の冷却制御に移行する。

図４は、エンジンの暖機中におけるヘッド内水温Ｔｗｈ及び冷却水のヘッド内流量Ｑｗｈの変化を示している。同図を参照して、本実施形態によって得られる効果について説明する。

本実施形態では、エンジンの暖機中において、ブロック側遮断弁９ａによってブロック側ジャケット部Ｊｂにおける冷却水の流れを遮断したことで、シリンダボア内壁の昇温を促進し、フリクションロスの低減によって燃費を削減することができる。ここで、本実施形態では、暖機中において、流量制御弁１０の開口面積を減少させて、ヘッド側ジャケット部Ｊｈを流れる冷却水の流量を制限したことで、シリンダヘッド１の冷却を必要限度に抑えて燃焼室内壁の温度を早期に上昇させるとともに、エンジン全体としての暖機を早期に完了させることができる。これにより、未燃ガスの排出を抑制し、エンジンの更なる低燃費化が可能となる。

図４に示すように、本実施形態では、エンジンの暖機中にヘッド側ジャケット部Ｊｈを流れる冷却水の流量を一定に設定したが、これに限らず、シリンダヘッド１の温度の上昇に対して冷却水の流量を増大させるようにしてもよい。図５は、その一例として、通常時にシリンダヘッド１の冷却に割り当てられる冷却水の流量をＱ１として、ヘッド内水温Ｔｗｈの上昇に対し、Ｑ１よりも少ない量Ｑ０からＱ１にまで徐々に増大させる場合の流量Ｑｗｈの設定を示している。これにより、暖機中におけるシリンダヘッド１の冷却性能をより適正なものとし、シリンダヘッド１の昇温を一層促進することが可能となる。水温センサ２１により、シリンダヘッド１における冷却水の流れに関して最も下流側に位置する排気ポート周辺における冷却水の温度Ｔｗｈを検出することで、比較的高温となる傾向にあるジャケット部のヘッド内水温Ｔｗｈをもとにヘッド内流量Ｑｗｈを制御し、シリンダヘッド１の過剰な昇温を抑制することができる。ヘッド内流量Ｑｗｈの増大は、ヘッド内水温Ｔｗｈに限らず、始動後の時間の経過に応じて行うようにしてもよい。この場合は、漸増するヘッド内流量Ｑｗｈが所定の流量に達した時点でシリンダヘッド１の昇温が完了したと判定し、シリンダブロック２を介する冷却水の循環を開始させればよい。

また、本実施形態では、ヘッド内水温Ｔｗｈが所定の温度Ｔ２に達した後、ラジエータ５から冷却系に流入する冷却水の流量を所定の期間に亘って制限したことで、ラジエータ５から流入する低温水の混合による水温の急激な低下を回避して、冷却水シール部の収縮による冷却水の漏れを防止し、かつシール用部材の熱疲労を抑制することができる。なお、ラジエータ５からの冷却水の流入制限は、時間による一律の制限に限らず、冷却水の温度（一例として、ヘッド内水温Ｔｗｈ）を検出し、その変化に応じて増減させるようにしてもよい。ここで、サーモスタット弁７が「遮断弁」に相当し、流量制御弁１０が「流量調節弁」としての機能を兼ねる。

以上では、エンジン内部でヘッド側ジャケット部Ｊｈ及びブロック側ジャケット部Ｊｂを並列に形成した場合について説明したが、本発明は、これに限らず、これらのジャケット部Ｊｈ，Ｊｂを直列に形成した冷却装置に適用することも可能である。図６は、その一例として、本発明をヘッド先行冷却型の冷却装置に適用した場合の構成を示している。エンジンの暖機中において、三方弁９ｂによってブロック側ジャケット部Ｊｂにおける冷却水の流れを遮断して、ヘッド側ジャケット部Ｊｈのみを介して冷却水を循環させるとともに、流量制御弁１０によってヘッド側ジャケット部Ｊｈを流れる冷却水の流量を制限することで、暖機中にシリンダヘッド１の昇温を促進し、エンジン全体としての暖機の早期完了を達成する。ヘッド内流量の制限は、流量制御弁１０によって流路を絞り、エンジンの暖機完了後にシリンダヘッド１の冷却に割り当てられる冷却水の流量（一例として、全流量９０リットルのうち、４０リットル相当分）よりも少ない量に減少させることによる。ヘッド内水温Ｔｗｈが所定の温度Ｔ１に達し、シリンダヘッド１が低温域を脱したと判定した後は、三方弁９ｂの動作によって冷却水の流路を切り換え、ヘッド側ジャケット部Ｊｈからブロック側ジャケット部Ｊｂを介して冷却水を循環させる。

以上の説明では、流量制御弁１０によって冷却水の流量を制限したが、吐出し量を可変に構成された循環ポンプ３１（図６）をウォータージャケットの上流側に設置し、コントロールユニット１１によってこのポンプ３１の吐出し量を制御することで、同様に制限することが可能である。ここで、吐出し量可変型の循環ポンプ３１及びコントロールユニット１１によって「流量制限装置」が構成される。循環ポンプ３１には、電動式のウォーターポンプや、クラッチを備えた機械式の吐出し量可変ポンプを採用することができる。

なお、シリンダヘッド１よりも先にシリンダブロック２の昇温が完了した場合は、シリンダヘッド１の昇温を待たずにシリンダブロック２を介する冷却水の循環を開始させてもよいことは、勿論である。ブロック内ジャケット部Ｊｂの冷却水の温度Ｔｗｂを検出可能に水温センサを設け、このセンサの水温検出値Ｔｗｂが所定の温度Ｔ１に達した時点でシリンダブロック２を介する循環を開始させる。この場合は、シリンダブロック２に続いてシリンダヘッド１の昇温が完了し、ラジエータ５を除いた冷却系全体の冷却水の温度が上昇したときに、サーモスタット弁７が開弁し、ラジエータ５からの冷却水の流入が開始されることになる。

本発明の一実施形態に係るエンジンの冷却装置の構成を示す概略図 同上実施形態に係る冷却制御（前半部）の流れを示すフローチャート 同上実施形態に係る冷却制御（後半部）の流れを示すフローチャート 同上実施形態に係る冷却制御のタイムチャート 同上冷却制御に係るヘッド内流量調整用の設定テーブル 本発明をヘッド先行冷却型の冷却装置に適用した場合の構成を示す概略図

１…シリンダヘッド、２…シリンダブロック、３…分配管、４…集合管、５…ラジエータ、７…サーモスタット弁、８…循環ポンプ、９ａ…ブロック側遮断弁、１０…流量制御弁、１１…コントロールユニット、２１…水温センサ、Ｊｈ…ヘッド側ジャケット部、Ｊｂ…ブロック側ジャケット部。

Claims (9)

1. エンジン内部のウォータージャケットとして、シリンダヘッドに形成されたヘッド側ジャケット部と、シリンダブロックに形成されたブロック側ジャケット部とを有し、前記ウォータージャケットを通じて形成される冷却水経路に冷却水を循環させてエンジンを冷却する装置であって、
   エンジンの暖機中において、前記ヘッド側ジャケット部における前記冷却水の流れを許容する一方、前記ブロック側ジャケット部における前記冷却水の流れを遮断して、前記ヘッド側ジャケット部を介して前記冷却水を循環させる流路切換装置と、
   前記流路切換装置によって前記ブロック側ジャケット部における流れを遮断しているときに、前記ヘッド側ジャケット部を流れる前記冷却水の流量を、暖機中における前記シリンダヘッドの温度の上昇に対し、この温度が高いときに比べ、低いときに少ない量に制限する流量制限装置と、
   を含んで構成されるエンジンの冷却装置。
2. エンジン内部のウォータージャケットとして、シリンダヘッドに形成されたヘッド側ジャケット部と、シリンダブロックに形成されたブロック側ジャケット部とを有し、このウォータージャケットを通じて形成される冷却水経路に冷却水を循環させてエンジンを冷却する装置であって、
   エンジンの暖機中において、前記ヘッド側ジャケット部における前記冷却水の流れを許容する一方、前記ブロック側ジャケット部における前記冷却水の流れを遮断して、前記ヘッド側ジャケット部を介して前記冷却水を循環させる流路切換装置と、
   前記流量切換装置によって前記ブロック側ジャケット部における流れを遮断しているときに、前記ヘッド側ジャケット部を流れる前記冷却水の流量を、エンジンの暖機が完了した後の通常時に前記シリンダヘッドの冷却に割り当てられる量よりも少ない量に制限する流量制限装置と、
   を含んで構成されるエンジンの冷却装置。
3. 前記流量制限装置は、前記シリンダヘッドの温度の上昇に対して前記冷却水の流量を増大させる請求項２に記載のエンジンの冷却装置。
4. 前記流量制限装置は、前記ヘッド側ジャケット部を流れる冷却水の局所的な温度を検出可能に配設された水温センサを備え、この水温センサの温度検出値に基づいて前記冷却水の流量を制限する請求項１又は３に記載のエンジンの冷却装置。
5. 前記水温センサは、前記ヘッド側ジャケット部のうち、前記シリンダヘッドにおける冷却水の流れに関して最も下流側に位置する排気ポート周辺に形成された部分の冷却水の温度を検出可能に設置された請求項４に記載のエンジンの冷却装置。
6. 前記流量制限装置は、
   前記冷却水経路において、前記ウォータージャケットの上流側に設置された流量制御弁と、
   前記流量制御弁の開口面積を制御する装置と、
   を含んで構成される請求項１〜５のいずれかに記載のエンジンの冷却装置。
7. 前記流量制限装置は、
   吐出し量を可変に構成され、前記冷却水経路において、前記ウォータージャケットの上流側に設置されたウォーターポンプと、
   前記ウォーターポンプの吐出し量を制御する装置と、
   を含んで構成される請求項１〜５のいずれかに記載のエンジンの冷却装置。
8. 前記流路切換装置は、前記シリンダヘッドが所定の温度以上に昇温した後において、前記ブロック側ジャケット部における流れの遮断を解除して、前記ヘッド側ジャケット部及びブロック側ジャケット部の双方を介して前記冷却水を循環させる請求項１〜７のいずれかに記載のエンジンの冷却装置。
9. 前記冷却水経路において、前記ウォータージャケットを一部に含み、エンジンの暖機中における前記冷却水の通路を形成する環状循環路と、前記ウォータージャケットの下流側で前記循環路から分岐して前記循環路とは並行に延伸し、前記ウォータージャケットの上流側で前記循環路に合流する迂回路と、が設けられた請求項１〜８のいずれかに記載のエンジンの冷却装置であって、
   前記迂回路に介装されたラジエータと、
   前記循環路及び迂回路の合流部に配置され、エンジンの暖機中に前記迂回路から前記循環路への冷却水の流入を遮断する一方、前記シリンダヘッド及びシリンダブロックが所定の温度以上に昇温した後、前記迂回路からの流入を許容する遮断弁と、
   前記昇温後の所定の期間に亘り、前記流入する冷却水の流量を前記所定の期間が経過した後よりも少ない量に減少させる流量調節弁と、
   を更に含んで構成されるエンジンの冷却装置。

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