JP2012241610A - 内燃機関の冷却装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】内燃機関におけるピストン打音の抑制を課題とする。
【解決手段】内燃機関の冷却装置は、ウォータポンプにより圧送された冷却水が循環するシリンダヘッドウォータジャケット及びシリンダブロックウォータジャケットと、前記シリンダヘッドウォータジャケットと前記シリンダブロックウォータジャケットとの連通状態を制御する制御弁と、シリンダブロック内に形成されたシリンダ内で摺動するピストンが発するピストン打音の発生を検知するピストン打音検知手段と、前記ピストン打音検知手段により、ピストン打音の発生が検知され、又は、予測されたときに前記制御弁を開弁して前記シリンダヘッドウォータジャケットと前記シリンダブロックウォータジャケットとを連通させる制御部と、を備える。
【選択図】図4
【解決手段】内燃機関の冷却装置は、ウォータポンプにより圧送された冷却水が循環するシリンダヘッドウォータジャケット及びシリンダブロックウォータジャケットと、前記シリンダヘッドウォータジャケットと前記シリンダブロックウォータジャケットとの連通状態を制御する制御弁と、シリンダブロック内に形成されたシリンダ内で摺動するピストンが発するピストン打音の発生を検知するピストン打音検知手段と、前記ピストン打音検知手段により、ピストン打音の発生が検知され、又は、予測されたときに前記制御弁を開弁して前記シリンダヘッドウォータジャケットと前記シリンダブロックウォータジャケットとを連通させる制御部と、を備える。
【選択図】図4
Description
本発明は内燃機関の冷却装置に関する。
従来、内燃機関の早期暖機を目的とした種々の提案がなされている。例えば、冷間始動後などにエンジン本体部内のウォータジャケットにおける冷却水の流れ制御により、シリンダ周辺の局所的な温度上昇や、冷却水の部分沸騰を抑制しながら、エンジンの暖機を促進する提案がされている(特許文献1参照)。
ところで、シリンダ内で摺動するピストンは、シリンダブロックの摺動方向の温度分布が不均一であると、ピストン打音を発することがある。すなわち、シリンダブロックは、燃焼室が形成されるシリンダヘッドに近い側の温度が上昇し易く、温度分布が不均一となると、ライナーが偏膨張することがある。これに起因してピストンがライナーに衝突し、ピストン打音が発生し易くなる。特に、内燃機関の早期暖機を目的として、冷却水の循環制御を行ったときに、シリンダブロックの温度分布が不均一になることがあり、これに伴ってピストン打音も発生し易くなる。ピストン打音は、内燃機関を備えた車両の使用者の耳に届くことがある。上記特許文献1に開示されたエンジンの冷却装置もピストン打音に対する格別の対策は取られていない。
そこで本明細書開示の内燃機関の冷却装置は、内燃機関におけるピストン打音の抑制を課題とする。
上記課題を解決するために本明細書開示の内燃機関の冷却装置は、ウォータポンプにより圧送された冷却水が循環するシリンダヘッドウォータジャケット及びシリンダブロックウォータジャケットと、前記シリンダヘッドウォータジャケットと前記シリンダブロックウォータジャケットとの連通状態を制御する制御弁と、シリンダブロック内に形成されたシリンダ内で摺動するピストンが発するピストン打音の発生を検知するピストン打音検知手段と、前記ピストン打音検知手段により、ピストン打音の発生が検知され、又は、予測されたときに前記制御弁を開弁して前記シリンダヘッドウォータジャケットと前記シリンダブロックウォータジャケットとを連通させる制御部と、を備えている。
内燃機関は、燃焼室が形成されるシリンダヘッドの温度が上昇し易い。このため、シリンダブロックのシリンダヘッドに近い側の温度が上昇し易い。そこで、制御弁を開弁してシリンダヘッドウォータジャケットとシリンダブロックウォータジャケットとを連通させることにより、自然対流による冷却水の移動を促進する。これにより、シリンダヘッドが冷却され、シリンダブロックにおける温度分布が均一化し、ピストン打音の発生が抑制される。ここで、冷却水の自然対流を利用することにより、内燃機関の早期暖機と、ピストン打音の抑制を両立することができる。すなわち、ウォータポンプにより潤沢な冷却水を循環させると、シリンダブロックの温度のバラツキは軽減し、ピストン打音は抑制される。しかしながら、その一方で、温度の低い冷却水が循環することで、暖機効果が抑制される。冷却水の自然対流を利用することにより、両者を両立することができる。
前記制御部は、前記ピストン打音の音量が大きいと判断したときは、前記制御弁の開度制御により、前記シリンダヘッドウォータジャケットとシリンダブロックウォータジャケットとを半開状態で連通させ、前記ウォータポンプによって吐出された冷却水をシリンダヘッドウォータジャケットへ供給する。
上述のように、ウォータポンプにより潤沢な冷却水を循環させると、暖機効果が抑制されるおそれがある。そこで、ピストン打音の音量が大きいと判断したとき、すなわち、例えば、シリンダブロックの上下温度差が大きいときなど、冷却水の自然対流だけでは、ピストン打音対策として不十分であると判断したときは、制御弁を半開状態とする。これにより、暖機効果の維持と、ピストン打音の抑制とを両立することができる。ここで、半開状態とは、制御弁の全開状態は含まない趣旨である。制御弁の開度は、暖機効果を大幅に損ねない範囲で適宜調整される。
前記ピストン打音検知手段は、前記シリンダブロックに設けられたシリンダライナの上部と下部の温度差を測定することができる。
ピストン打音は、シリンダブロック(シリンダライナ)の摺動方向、すなわち、上部と下部の温度差に起因する偏膨張によって発生する。そこで、シリンダライナの上部と下部の温度差を測定し、これに基づいて、ピストン打音の発生の検知又は予測をする。なお、温度の測定は、シリンダライナの上部と下部との温度を把握することができれば、どのような方法で行ってもよい。例えば、シリンダライナの温度と相関性を有するシリンダブロックの温度を測定してもよいし、予めシミュレーションを行っておき、内燃機関の運転パターンと照らして、温度差を把握するようにしてもよい。
前記ピストン打音検知手段は、ノックセンサとすることができる。ノックセンサを用いても、ピストン打音が発生しているか否か、さらには、ピストン打音の程度を把握することができる。
本明細書に開示された内燃機関の冷却装置によれば、内燃機関におけるピストン打音の抑制することができる。
以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。ただし、図面中、各部の寸法、比率等は、実際のものと完全に一致するようには図示されていない場合がある。また、図面によっては細部が省略されている場合もある。
まず、図1を参照して実施例1の内燃機関の冷却装置(以下、単に「冷却装置」という)1が組み込まれた内燃機関10について概略構成を説明する。内燃機関10は、シリンダヘッド11とシリンダブロック12を備える。シリンダヘッド12内には、シリンダヘッドウォータジャケット11aが設けられている。シリンダブロック12内にはシリンダブロックウォータジャケット12aが設けられている。シリンダブロック12内にはシリンダ13が設けられている。シリンダ13内にはシリンダライナ13aが設けられており、ピストン14が摺動自在に収納されている。
内燃機関10は、ウォータポンプ15を備える。ウォータポンプ15は、電動式である。ウォータポンプ15からは、シリンダヘッドウォータジャケット11aに接続される第1導入管16が延びている。第1導入管16からは、シリンダブロックウォータジャケット12aに接続される第2導入管17が分岐している。
冷却装置1は、制御弁としてのロータリーバルブ20を備えている。図2は、ロータリーバルブ20の概略構成を示す説明図である。ロータリーバルブ20は、円筒形の本体部20aの内側に筒状の回転部材30を備えている。回転部材30には、複数の溝、例えば、溝30aや溝30bが設けられている。本体部20aには、複数のポートA〜Hが設けられている。ポートAは、シリンダヘッド11(シリンダヘッドウォータジャケット11a)へ接続される。ポートBは、シリンダブロック12(シリンダブロックウォータジャケット12a)へ接続される。ポートCは、ラジエータへ接続される。ポートDは、ラジエータバイパス路へ接続される。ポートEは、CVT(Continuously Variable Transmission)ウォーマへ接続される。ポートFは、スロットルボディへ接続される。ポートGは、ヒータコアへ接続される。ポートHは、ヒータコアバイパス路へ接続される。ロータリーバルブ20は、回転部材30を回転させる駆動部22を備えている。駆動部22に回転部材30が回転し、溝の位置とポートの位置とが一致すると、そのポートは、開弁状態となる。
冷却装置1は、制御部としてのECU(Electronic control unit)21を備える。ECU21は、電動のウォータポンプ15、ロータリーバルブ20の駆動部22と電気的に接続されている。また、冷却装置は、シリンダブロック12の壁面に第1温度センサ23と第2温度センサ24を備える。第1温度センサ23は、シリンダブロック12の上部へ装着されている。第2温度センサ24は、シリンダブロック12の下部へ装着されている。第1温度センサ23は、シリンダブロック上部の温度を測定することにより、シリンダライナ13aの上部の温度を取得する。第2温度センサ24は、シリンダブロック下部の温度を測定することにより、シリンダライナ13aの下部の温度を取得する。第1温度センサ23及び第2温度センサ24は、ECU21に電気的に接続されている。ECU21は、第1温度センサ23と第2温度センサ24とから取得した値に基づいてシリンダライナ13aの上部と下部の温度差を算出する。このように、第1温度センサ23、第2温度センサ24とECU21との組み合わせにより、ピストン打音検知手段の機能を得ることができる。すなわち、シリンダライナの上下の温度差が所定の値に達していればピストン打音が発生していると判断することができる。また、シリンダライナの上下の温度差が所定値に近いときは、ピストン打音の発生を予測することができる。
以上のように構成される冷却装置1の動作の一例につき、図3に示すフロー図、図4に示すテーブルを参照しつつ説明する。冷却装置の動作は、ECU21によって行われる。まず、ステップS1において、温度差Δtを算出する。すなわち、第1温度センサ23の測定値と第2温度センサ24の測定値から、シリンダライナの上下の温度差Δtを算出する。そして、ステップS2では、打音の発生状況を判定する。打音の発生状況は、温度差Δtと閾値との比較により行う。そして、ステップS3でロータリーバルブ20、ウォータポンプ15に指令を発し、冷却水流通制御を行う。
まず第1閾値t1は、許容範囲のピストン打音となる温度差Δtの範囲を規定している。Δt<t1のときは、完全水停止状態として、内燃機関10の暖機促進を図る。具体的には、ウォータポンプ15を停止し、ロータリーバルブ20の全てのポートA〜Hを閉弁状態とする。図5に、ポートAと溝30aとの位置関係、ポートBと溝30bとの関係を示す。ポートAと溝30aの位置は一致しておらず、ポートAは閉弁状態となる。ポートBと溝30bの位置は一致しておらず、ポートBは閉弁状態となる。
つぎに、第2閾値t2は、ピストン打音が小位の音量となる温度差Δtの範囲を規定している。Δt<t2のときは、小さな自然対流を発生させ、ピストン打音対策とする。具体的に、図6を参照すると、シリンダヘッドウォータジャケット11aとシリンダブロックウォータジャケット12aとを連通させ、自然対流による冷却水の移動を促す。このとき、図7を参照すると、ロータリーバルブ20のポートAと溝30aの位置が一致し、ポートBと溝30bとが一致することにより、ポートAとポートBとが連通状態となる。他のポートは閉弁状態が維持される。
つぎに、第3閾値t3は、ピストン打音が中位の音量となる温度差Δtの範囲を規定している。Δt<t3のときは、大きな自然対流を発生させ、ピストン打音対策とする。具体的に、図4、図8を参照すると、ポートAとポートBの開弁に加えて、ポートE〜Hも開弁状態とする。これにより、より広範において自然対流を生じさせる。この結果、未だ温度の低い冷却水を自然対流に取り込むことができ、効率的にシリンダヘッド11の冷却を行い、シリンダブロック12(シリンダライナ13a)における温度分布の均一化を図ることができる。なお、この状態においても、ウォータポンプ15はOFF状態とされ、積極的な冷却水の循環は停止状態となるため、暖機効果も維持され、早期暖機による燃費効果も見込まれる。なお、開弁状態とされるポートの組み合わせは種々変更することができる。
つぎに、Δt≧t3となるときの対策について説明する。Δt≧t3となるときは、ピストン打音が大位の音量となる。このときは、ウォータポンプ15による冷却水の循環を行う。ここで、大量に冷却水を循環させると、暖機効果を低下させることになる。そこで、ポートAとポートBを半開状態とする。図9(A)、図9(B)を参照すると、溝30aは、ポートAの開口部A1の一部と重複する位置関係となる。また、溝30bは、ポートBの開口部B1の一部と重複する位置関係となる。また、ウォータポンプ15により圧送される冷却水を供給する経路として、ポートHが選択され、冷却水はヒータコアバイパス路を循環する。これにより、シリンダライナ13aの温度分布の均一化を図るとともに、過度の冷却を回避して、暖機促進効果を維持することができる。
つぎに、実施例2について図10を参照しつつ説明する。実施例2の冷却装置51は、内燃機関10に組み込まれている。冷却装置51は、ウォータポンプ51を備える。このウォータポンプ52は、実施例1と異なり、機械式である。このため、その稼動状態を任意に制御することはできない。また、冷却装置51は、実施例1のロータリーバルブ20に代えて、ロータリーバルブ60を備えている。ロータリーバルブ60は、ロータリーバルブ20と同様に複数の溝が設けられた回転部材を内部に備えており、この回転部材を駆動する駆動部61を備えている。また、ロータリーバルブ60は、ポートX〜Zを備えている。ポートXは、シリンダヘッド11(シリンダヘッドウォータジャケット11a)へ接続されている。ポートYは、シリンダブロック12(シリンダブロックウォータジャケット12a)に接続されている。ポートZは、ウォータポンプ52に接続されている。なお、実施例1と共通する構成については、図面中、同一の参照番号を付し、その詳細な説明は省略する。
このような冷却装置51の動作につき、図11に示すテーブルを参照しつつ説明する。
まず第1閾値taは、許容範囲のピストン打音となる温度差Δtの範囲を規定している。Δt<taのときは、完全水停止状態として、内燃機関10の暖機促進を図る。具体的には、ロータリーバルブ60の全てのポートX、Y、Zを閉弁状態とする。ウォータポンプ52は、機械式であり、内燃機関が稼動中は停止させることができないが、ポートZが閉弁状態となることにより、ウォータポンプ52による冷却水の圧送は、停止状態となる。
つぎに、第2閾値tbは、ピストン打音が小位の音量となる温度差Δtの範囲を規定している。Δt<tbのときは、小さな自然対流を発生させ、ピストン打音対策とする。具体的に、ポートAとポートYを開弁状態とする。これにより、図12に示すように、シリンダヘッドウォータジャケット11aとシリンダブロックウォータジャケット12aとを連通させ、自然対流による冷却水の移動を促す。
つぎに、Δt≧tbとなるときの対策について説明する。Δt≧tbとなるときは、ピストン打音が大位の音量となる。このときは、ウォータポンプ52による冷却水の循環を行う。ここで、大量に冷却水を循環させると、暖機効果を低下させることになる。そこで、ポートXとポートYを半開状態とする。ウォータポンプ52と接続されているポートZは全開状態とする。これにより、シリンダライナ13aの温度分布の均一化を図るとともに、過度の冷却を回避して、暖機促進効果を維持することができる。
つぎに、実施例3について、図13を参照しつつ説明する。実施例3の冷却装置100は、ピストン打音検知手段として、ノックセンサ101を備えている。ノックセンサ101により検出されたノッキングの程度とピストン打音とを対応させ、ノッキングの程度に応じてロータリーバルブ20の開弁制御を行う。これにより、ピストン打音の抑制と、暖機促進を両立することができる。
上記実施例は本発明を実施するための一例にすぎない。よって本発明はこれらに限定されるものではなく、請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。
1、51、100 冷却装置
10 内燃機関
11 シリンダヘッド
11a シリンダブロックウォータジャケット
12 シリンダブロック
12a シリンダブロックウォータジャケット
13 シリンダ
13a シリンダライナ
14 ピストン
15、52 ウォータポンプ
16 第1導入管
17 第2導入管
20、60 ロータリーバルブ
21 ECU
23 第1温度センサ
24 第2温度センサ
101 ノックセンサ
A〜H、X〜Z ポート
10 内燃機関
11 シリンダヘッド
11a シリンダブロックウォータジャケット
12 シリンダブロック
12a シリンダブロックウォータジャケット
13 シリンダ
13a シリンダライナ
14 ピストン
15、52 ウォータポンプ
16 第1導入管
17 第2導入管
20、60 ロータリーバルブ
21 ECU
23 第1温度センサ
24 第2温度センサ
101 ノックセンサ
A〜H、X〜Z ポート
Claims (4)
- ウォータポンプにより圧送された冷却水が循環するシリンダヘッドウォータジャケット及びシリンダブロックウォータジャケットと、
前記シリンダヘッドウォータジャケットと前記シリンダブロックウォータジャケットとの連通状態を制御する制御弁と、
シリンダブロック内に形成されたシリンダ内で摺動するピストンが発するピストン打音の発生を検知するピストン打音検知手段と、
前記ピストン打音検知手段により、ピストン打音の発生が検知され、又は、予測されたときに前記制御弁を開弁して前記シリンダヘッドウォータジャケットと前記シリンダブロックウォータジャケットとを連通させる制御部と、
を、備えた内燃機関の冷却装置。 - 前記制御部は、前記ピストン打音の音量が大きいと判断したときは、前記制御弁の開度制御により、前記シリンダヘッドウォータジャケットとシリンダブロックウォータジャケットとを半開状態で連通させ、
前記ウォータポンプによって吐出された冷却水をシリンダヘッドウォータジャケットへ供給する請求項1記載の内燃機関の冷却装置。 - 前記ピストン打音検知手段は、前記シリンダブロックに設けられたシリンダライナの上部と下部の温度差を測定する請求項1又は2記載の内燃機関の冷却装置。
- 前記ピストン打音検知手段は、ノックセンサである請求項1又は2記載の内燃機関の冷却装置。
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- 2011-05-19 JP JP2011112184A patent/JP2012241610A/ja active Pending
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