JP2011179475A - 内燃機関のスロットルボディ加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】１つのバルブ機構を用いるのみで、低外気温時等におけるエンジンの暖機性能を良好に確保しながらも、スロットルボディの加熱状態を適正に維持することが可能な内燃機関のスロットルボディ加熱装置を提供する。
【解決手段】スロットルボディ５に加熱用の冷却水を導くスロットル加熱用配管Ｈ６の上流端をサーモスタット２の出口またはウォータポンプ３の吐出口に接続する。外気温度が高く、サーモスタット２のバルブ２１が開放された場合、エンジン本体Ｅから回収された冷却水とラジエータ１によって冷却された冷却水とが混合された後にスロットル加熱用配管Ｈ６を経てスロットルボディ５内部に導入される。このため、スロットルボディ５の内部に形成された吸気通路を流れている吸気を必要以上に加熱することがなく、ノッキングが防止され、高い吸気充填効率が得られる。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関の冷却水を利用してスロットルボディを加熱するスロットルボディ加熱装置に係る。特に、本発明は、スロットルボディの加熱状態の適正化を図るための対策に関する。

従来より、一般的な自動車用エンジン（例えばガソリンエンジン）では、吸気管の途中にスロットルボディが配設され、このスロットルボディの内部に配設されたスロットルバルブ（吸気量調整弁）の開度制御によって吸気量を調整している。

ところで、冬期等のように外気温度が低い場合には、吸気中に含まれる水分がスロットルバルブの周辺で凍結（アイシング）し、このスロットルバルブが吸気管内面（スロットルボディの吸気通路内面）に凍結固着してしまう可能性がある。このような状況ではスロットルバルブが正常に作動しなくなり、エンジンの駆動に支障を来してしまう。

上記スロットルバルブの凍結固着を防止または解消するために、例えば下記の特許文献１に開示されているように、スロットルボディ内に水流通を形成し、エンジン冷却水をこの水流通に流すことによってスロットルボディを加熱することが行われている。

また、特許文献２に開示されているように、サーモバルブ等を用い、スロットルボディを流通する温水が所定温度以上になった際にはスロットルボディへの冷却水の供給を停止することが提案されている。これにより、アイシングが発生しない通常使用域や高外気温時に、吸気を加熱してしまってノッキングが発生しやすい状態となったり吸気の充填効率の低下に伴ってエンジン出力が低下してしまったりすることを防止している。

しかし、この特許文献２の構成では、特別なサーモバルブ等の弁機構が必要になってシステムが複雑になり、またコストの上昇を招いてしまう。

そこで、特許文献３に開示されているように、エンジン本体から流出する冷却水を、スロットルボディ、ラジエータ、ヒータコアそれぞれに個別に分流する配管を設け、この配管を１個のサーモスタットに接続することで新たな弁機構を不要にするものが提案されている。つまり、上記サーモスタットの切り換え動作によって、エンジン本体から流出する冷却水を、低外気温時には上記各配管に流し、高外気温時にはラジエータに繋がる配管のみに流すようにしている。

特開２００３−１２０２９６号公報 特開２００５−１２０８８２号公報 特開平７−１１９４９９号公報

しかしながら、上記特許文献３の構成にあっては、低外気温時（例えば暖機運転中）にラジエータに繋がる配管に冷却水を流すことになるため、エンジンの暖機性能に悪影響を及ぼし、暖機完了までに要する時間が長くなってしまう可能性がある。

このように、従来の構成では、１つのバルブ機構で、低外気温時等におけるエンジンの暖機性能を良好に確保しながらもスロットルボディの加熱状態を適正に維持するといった構成は実現されていなかった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、１つのバルブ機構を用いるのみで、低外気温時等におけるエンジンの暖機性能を良好に確保しながらも、スロットルボディの加熱状態を適正に維持することが可能な内燃機関のスロットルボディ加熱装置を提供することにある。

−課題の解決原理−
上記の目的を達成するために講じられた本発明の解決原理は、サーモスタットの切り換え動作に伴って、低外気温時にはラジエータに冷却水を流すことなく比較的高温度の冷却水をサーモスタットからスロットルボディの冷却水通路に導入するようにし、高外気温時にはラジエータで冷却された冷却水が混入されることで比較的低温度となった冷却水をサーモスタットからスロットルボディの冷却水通路に導入するようにしている。

−解決手段−
具体的に、本発明は、サーモスタットの切り換え動作により、内燃機関本体から流出した冷却水を、ラジエータをバイパスしてサーモスタットに流す第１の冷却水循環動作と、内燃機関本体から流出した冷却水の少なくとも一部を、ラジエータによって冷却した後にサーモスタットに流す第２の冷却水循環動作との間で冷却水の循環が切り換え可能であり、この循環する冷却水をスロットルボディに形成された冷却水通路に流すことによってスロットルボディを加熱する構成とされた内燃機関のスロットルボディ加熱装置を前提とする。このスロットルボディ加熱装置に対し、上記サーモスタットを、上記ラジエータから流出した冷却水を内燃機関本体に向けて導入する冷却水流路の途中に配設し、上記スロットルボディを加熱するための冷却水が流れるスロットル加熱用通路を、上記サーモスタットの下流側から分岐した構成としている。

この特定事項により、例えば外気温度が低く上記アイシングの発生が懸念される状況では、上記第１の冷却水循環動作となり、内燃機関本体から流出した比較的高温度の冷却水がラジエータをバイパスしてサーモスタットに流される。そして、このサーモスタットからスロットル加熱用通路を経てスロットルボディの冷却水通路に導入される。これにより、スロットルボディの全体が比較的高温度の冷却水によって加熱され、上記アイシングの防止または解消が確実に行われる。

一方、外気温度が高く上記アイシングが発生しない状況では、上記第２の冷却水循環動作となり、内燃機関本体から流出した比較的高温度の冷却水の少なくとも一部がラジエータによって冷却された後にサーモスタットに流される。このため、このサーモスタット内部では、上記ラジエータによって冷却された冷却水と内燃機関本体から流出してラジエータに導入されることなくサーモスタットに戻された冷却水とが混合された状態となり、比較的低温度の冷却水となっている。そして、この冷却水が、サーモスタットからスロットル加熱用通路を経てスロットルボディの冷却水通路に導入される。これにより、スロットルボディの全体は加熱されることになるが、上述した如く、冷却水の温度としては、上記ラジエータによって冷却された冷却水が混合されていることにより比較的低く設定されているため、スロットルボディの温度としても過剰には高くならない。このため、吸気の加熱によってノッキングが発生しやすい状態となったり吸気の充填効率の低下に伴ってエンジン出力が低下してしまったりするといったことは防止される。

より具体的な構成として、上記スロットル加熱用通路の上流端を、サーモスタット、または、このサーモスタットと内燃機関本体との間に配設されたウォータポンプの吐出側に接続することが挙げられる。

本発明では、スロットルボディを加熱するための冷却水が流れるスロットル加熱用通路をサーモスタットの下流側から分岐したことにより、１つのバルブ機構を用いるのみで、低外気温時等におけるエンジンの暖機性能を良好に確保しながらも、スロットルボディの加熱状態を適正に維持することが可能となる。

実施形態に係るエンジンの冷却水循環回路を模式的に示す図である。 低外気温時における冷却水循環動作を説明するための図１相当図である。 高外気温時における冷却水循環動作を説明するための図１相当図である。 変形例に係る冷却水循環回路を模式的に示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は、本発明を自動車用エンジンの冷却水循環回路に適用した場合について説明する。

−冷却水循環回路−
図１は、本実施形態に係るエンジンの冷却水循環回路を模式的に示す図である。この図１に示すように、冷却水循環回路には、ラジエータ１、サーモスタット２、ウォータポンプ３、ヒータコア４、スロットルボディ５、これら各機器１，２，３，４，５を接続する配管及びホースＨ１〜Ｈ７が備えられている。

具体的には、ラジエータ１の図示しないアウトレットタンクとサーモスタット２とはアウトレットホースＨ１によって接続されている。このサーモスタット２におけるアウトレットホースＨ１の接続部分は、このサーモスタット２内に収容されたバルブ２１によって開閉可能となっている。つまり、このバルブ２１の開放状態では、ラジエータ１とサーモスタット２とがアウトレットホースＨ１によって連通される。一方、このバルブ２１の閉鎖状態では、ラジエータ１とサーモスタット２とが非連通とされる。つまり、ラジエータ１には冷却水が流通しない状態となる。

また、上記サーモスタット２の一つの冷却水出口は、ウォータポンプ３の吸入口に接続されている。また、このウォータポンプ３の吐出口は、エンジン本体Ｅに形成されたウォータジャケットに連通している。このウォータジャケットでは、ウォータポンプ３から吐出された冷却水（熱回収媒体）がシリンダブロックＣＢ側のウォータジャケットを経た後、シリンダヘッドＣＨ側のウォータジャケットに導入され、その後、第１〜第３の３本の取り出し管Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４によってエンジン本体Ｅから取り出し可能となっている。

第１の取り出し管Ｈ２は、ラジエータ１の図示しないインレットタンクに接続されている。第２の取り出し管Ｈ３は、ヒータコア４に接続されている。第３の取り出し管Ｈ４は、サーモスタット２の一つの冷却水入口に接続されている。このサーモスタット２において第３の取り出し管Ｈ４が接続されている冷却水入口は、上記バルブ２１による開閉は行われず、上記シリンダヘッドＣＨ側のウォータジャケットとサーモスタット２とは第３の取り出し管Ｈ４によって常時連通している。また、必要に応じて第３の取り出し管Ｈ４には開閉弁が備えられる場合もある。

一方、上記ヒータコア４とサーモスタット２の他の一つの冷却水入口とは第１回収配管Ｈ５によって接続されている。このサーモスタット２において第１回収配管Ｈ５が接続されている冷却水入口は、上記バルブ２１による開閉は行われず、上記ヒータコア４とサーモスタット２とは第１回収配管Ｈ５によって常時連通している。また、必要に応じて第１回収配管Ｈ５には開閉弁が備えられる場合もある。

そして、本実施形態の特徴として、上記サーモスタット２の他の一つの冷却水出口とスロットルボディ５とはスロットル加熱用通路を構成するスロットル加熱用配管Ｈ６によって接続されている。また、スロットルボディ５と上記第１回収配管Ｈ５とは第２回収配管Ｈ７によって接続されている。上記サーモスタット２においてスロットル加熱用配管Ｈ６が接続されている冷却水出口は、上記バルブ２１による開閉は行われず、上記スロットルボディ５とサーモスタット２とはスロットル加熱用配管Ｈ６によって常時連通している。また、必要に応じてスロットル加熱用配管Ｈ６には開閉弁やウォータポンプが備えられる場合もある。

以下、この冷却水循環回路を構成している各機器の構成及び機能について簡単に説明する。

本実施形態におけるラジエータ１は、クロスフロータイプのものであり、上記インレットタンクとアウトレットタンクとの間にラジエータコア１１が備えられている。これにより、エンジン本体Ｅから第１の取り出し管Ｈ２を経てインレットタンクに回収された冷却水がアウトレットタンクに向けてラジエータコア１１の内部を流れる際に外気（走行風や冷却ファンの駆動による送風）との間で熱交換を行い、外気に放熱することで冷却水が冷却されるようになっている。また、図１における１２はリザーバタンクである。尚、ラジエータ１としては、クロスフロータイプのものに限らずダウンフロータイプのものを採用することも可能である。

サーモスタット２は、上記冷却水循環回路の水路を切り換えることによって冷却水の温度を調整するものであって、例えば内部に封入されたワックスの熱膨張を利用し、内装された上記バルブ２１が開閉される機構を備えている。このバルブ２１の開閉により、上述した如く、ラジエータ１とサーモスタット２との連通状態と非連通状態とが切り換えられるようになっている。

そして、外気温度が低いとき（例えば氷点下のとき）やエンジン本体Ｅの暖機運転中には、サーモスタット２のバルブ２１が閉鎖して、サーモスタット２とラジエータ１との連通が遮断され、ラジエータ１に冷却水を流さないことで冷却水の温度を早期に高めて、例えばエンジン本体Ｅの暖機運転の早期完了を図るようになっている。一方、外気温度が高いとき（例えば２０℃以上のとき）やエンジン本体Ｅの暖機運転完了後には、サーモスタット２のバルブ２１が開放して、サーモスタット２とラジエータ１とを連通し、ラジエータ１に冷却水の一部を流すことでその冷却水が回収した熱をラジエータ１によって大気に放出するようにしている。

ウォータポンプ３は、冷却水循環回路内に水流を発生させるためのものであって、その駆動軸に備えられたウォータポンププーリとクランクシャフトプーリとの間に伝動ベルトが掛け渡されていることにより、クランクシャフトの回転力を受けて駆動するようになっている。

ヒータコア４は、冷却水の熱を利用して車室内を暖房するためのものであって、エアコンディショナの送風ダクトに臨んでいる。つまり、車室内の暖房時には送風ダクト内を流れる空調風をヒータコア４に通過させて温風として車室内に供給する一方、それ以外（例えば冷房時）では空調風がヒータコア４をバイパスするようになっている。

スロットルボディ５は、内部にスロットルバルブが配設され、このスロットルバルブの開度制御（例えばスロットルモータの制御）によりエンジン本体Ｅの各シリンダ内への吸入空気量を調整するようになっている。また、このスロットルボディ５の内部には、図示しない冷却水流通が形成されており、この冷却水通路の上流端が上記スロットル加熱用配管Ｈ６に、下流端が上記第２回収配管Ｈ７にそれぞれ接続されている。このため、比較的高温度の冷却水がサーモスタット２からスロットル加熱用配管Ｈ６に導入されると、この冷却水はスロットルボディ５内部の冷却水流通を流れることで、このスロットルボディ５の全体を加熱し、吸気中に含まれる水分に起因するアイシングの防止または解消が図れるようになっている。また、このスロットルボディ５を加熱した冷却水は、第２回収配管Ｈ７に導出され、第１回収配管Ｈ５によってサーモスタット２に向けて回収されている上記ヒータコア４からの冷却水と合流されることになる。

−冷却水循環動作−
次に、上述の如く構成された冷却水循環回路における冷却水の循環動作について説明する。

先ず、外気温度が低く（例えば氷点下であり）上記アイシングの発生が懸念される状況では、図２に示すように、サーモスタット２のバルブ２１が閉鎖され、図２中に矢印で示すように、ウォータポンプ３から吐出された冷却水は、シリンダブロックＣＢ及びシリンダヘッドＣＨのウォータジャケットを流れる間にエンジン本体Ｅを冷却し、冷却水自身は高温度（例えば９０℃）になる。ウォータジャケットを経た冷却水は、第２の取り出し管Ｈ３及び第３の取り出し管Ｈ４によりエンジン本体Ｅから流出し、第２の取り出し管Ｈ３に流出した冷却水はヒータコア４及び第１回収配管Ｈ５を経てサーモスタット２に戻る。一方、第３の取り出し管Ｈ４に流出した冷却水もサーモスタット２に戻る。このようにして、サーモスタット２に戻った冷却水の一部は、ウォータポンプ３を経て再びシリンダブロックＣＢ及びシリンダヘッドＣＨのウォータジャケットに向けて流される。一方、他の冷却水は、サーモスタット２からスロットル加熱用配管Ｈ６を経てスロットルボディ５内部の冷却水流通に導入される。これにより、スロットルボディ５の全体が比較的高温度の冷却水によって加熱され、上記アイシングの防止または解消が確実に行われる。このスロットルボディ５を加熱した後の冷却水は、第２回収配管Ｈ７に導出され、第１回収配管Ｈ５によってサーモスタット２に向けて回収されている上記ヒータコア４からの冷却水に合流されてサーモスタット２に戻されることになる。以上のような冷却水循環動作が、外気温度が低い状況では繰り返される。

一方、外気温度が高く（例えば２０℃以上であり）上記アイシングが発生しないような状況では、図３に示すように、サーモスタット２のバルブ２１が開放され、図３中に矢印で示すように、ウォータポンプ３から吐出された冷却水は、シリンダブロックＣＢ及びシリンダヘッドＣＨのウォータジャケットを流れる間にエンジン本体Ｅを冷却し、冷却水自身は高温度になる。ウォータジャケットを経た冷却水は、第１の取り出し管Ｈ２、第２の取り出し管Ｈ３及び第３の取り出し管Ｈ４によりエンジン本体Ｅから流出する。第１の取り出し管Ｈ２に流出した冷却水はラジエータ１に導入され、ラジエータコア１１の内部を流れる際に外気との間で熱交換を行い、外気に放熱することで冷却される。この冷却された後の冷却水はアウトレットホースＨ１を経てサーモスタット２に戻る。また、第２の取り出し管Ｈ３に流出した冷却水はヒータコア４及び第１回収配管Ｈ５を経てサーモスタット２に戻る。更に、第３の取り出し管Ｈ４に流出した冷却水もサーモスタット２に戻る。このようにして、サーモスタット２に戻った冷却水は、互いに混合される。この混合された冷却水の一部は上記ラジエータ１によって冷却されたものであるため、この混合により冷却水全体の温度が低下する。例えば、第１回収配管Ｈ５や第３の取り出し管Ｈ４からサーモスタット２に戻る冷却水の温度が９０℃である場合に、アウトレットホースＨ１からサーモスタット２に戻る冷却水が混合されることで、８０℃程度まで低下する。

このようにして混合された冷却水の一部は、ウォータポンプ３を経て再びシリンダブロックＣＢ及びシリンダヘッドＣＨのウォータジャケットに向けて流される。一方、他の冷却水は、サーモスタット２からスロットル加熱用配管Ｈ６を経てスロットルボディ５内部の冷却水流通に導入される。これにより、スロットルボディ５の全体は加熱されることになるが、上述した如く、冷却水の温度としては、上記ラジエータ１によって冷却された冷却水が混合されていることにより比較的低く（８０℃程度に）設定されている。このため、スロットルボディ５の温度としても過剰には高くならない。このため、吸気の加熱によってノッキングが発生しやすい状態となったり吸気の充填効率の低下に伴ってエンジン出力が低下してしまったりするといったことは防止される。

その後、このスロットルボディ５を加熱した後の冷却水は、第２回収配管Ｈ７に導出され、第１回収配管Ｈ５によってサーモスタット２に向けて回収されている上記ヒータコア４からの冷却水と合流されてサーモスタット２に戻されることになる。以上のような冷却水循環動作が、外気温度が高い状況では繰り返される。

このように、本実施形態では、外気温度が高い状況では、エンジン本体Ｅから回収された冷却水とラジエータ１によって冷却された冷却水とを混合し、この冷却水の温度を比較的低くした後にスロットルボディ５内部に導入するようにしている。このため、スロットルボディ５の内部に形成された吸気通路を流れている吸気を必要以上に加熱してしまってノッキングが発生しやすい状態となったり吸気の充填効率の低下に伴ってエンジン出力が低下してしまったりするといったことを防止でき、ノッキングの発生防止によるドライバビリティの改善や吸気の充填効率を高めることによるエンジン性能の確保を図ることができる。

（変形例）
次に、変形例について説明する。本変形例は、上記スロットル加熱用配管Ｈ６の上流端の接続箇所が上記実施形態のものと異なっている。その他の構成及び冷却水循環動作は上記実施形態と同様である。従って、ここでは上記実施形態との相違点についてのみ説明する。

図４は、本変形例に係るエンジンの冷却水循環回路を模式的に示す図である。この図４に示すように、本変形例におけるスロットル加熱用配管Ｈ６の上流端の接続箇所は、上記ウォータポンプ３の吐出口近傍となっている。つまり、ウォータポンプ３によって圧送される冷却水の一部がスロットル加熱用配管Ｈ６を経てスロットルボディ５内部の冷却水流通に導入されることになる。この場合、冷却水の吐出圧が上述した実施形態の場合よりも高くなるため、スロットルボディ５内部の冷却水流量が増え、スロットルボディ５の加熱を迅速に行うことができる。

これにより、高外気温時においてもスロットルボディ５の全体は加熱されることになるが、上述した実施形態の場合と同様に、冷却水の温度としては、上記ラジエータ１によって冷却された冷却水が混合されていることにより比較的低く（８０℃程度に）設定されている。このため、スロットルボディ５の温度としても過剰には高くならない。このため、吸気を加熱してしまってノッキングが発生しやすい状態となったり吸気の充填効率の低下に伴ってエンジン出力が低下してしまったりするといったことは防止され、ノッキングの発生防止によるドライバビリティの改善や吸気の充填効率を高めることによるエンジン性能の確保を図ることができる。

（他の実施形態）
以上説明した実施形態及び変形例は、本発明を自動車用エンジンの冷却水循環回路に適用した場合について説明した。本発明はこれに限らず、その他の用途に使用されるエンジンの冷却水循環回路に対しても適用可能である。

また、上記実施形態及び変形例におけるサーモスタット２は、内部に封入されたワックスの熱膨張を利用してバルブ２１を開閉作動させるものであった。本発明は、それに代えて、電磁駆動式の開閉弁を備えたバルブ機構によって上記冷却水循環回路の水路を切り換える構成としてもよい。

本発明は、エンジン冷却水によってスロットルボディを加熱する際の加熱状態の適正化を図るための冷却水循環回路に適用可能である。

１ ラジエータ
２ サーモスタット
３ ウォータポンプ
５ スロットルボディ
Ｅ エンジン本体
Ｈ１ アウトレットホース（冷却水流路）
Ｈ６ スロットル加熱用配管（スロットル加熱用通路）

Claims (2)

1. サーモスタットの切り換え動作により、内燃機関本体から流出した冷却水を、ラジエータをバイパスしてサーモスタットに流す第１の冷却水循環動作と、内燃機関本体から流出した冷却水の少なくとも一部を、ラジエータによって冷却した後にサーモスタットに流す第２の冷却水循環動作との間で冷却水の循環が切り換え可能であり、この循環する冷却水をスロットルボディに形成された冷却水通路に流すことによってスロットルボディを加熱する構成とされた内燃機関のスロットルボディ加熱装置において、
   上記サーモスタットは、上記ラジエータから流出した冷却水を内燃機関本体に向けて導入する冷却水流路の途中に配設されており、上記スロットルボディを加熱するための冷却水が流れるスロットル加熱用通路が、上記サーモスタットの下流側から分岐された構成となっていることを特徴とする内燃機関のスロットルボディ加熱装置。
2. 請求項１記載の内燃機関のスロットルボディ加熱装置において、
   上記スロットル加熱用通路の上流端は、サーモスタット、または、このサーモスタットと内燃機関本体との間に配設されたウォータポンプの吐出側に接続されていることを特徴とする内燃機関のスロットルボディ加熱装置。

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