JP2012241610A - 内燃機関の冷却装置 - Google Patents

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

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）。

特開２００６−２１４２８０号公報

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。

図１は、実施例１の冷却装置を組み込んだ内燃機関の概略構成を示す説明図である。 図２は、制御弁の一例であるロータリーバルブの概略構成を示す説明図である。 図３は、冷却装置の制御の一例を示すフロー図である。 図４は、冷却装置の制御の一例を示すテーブルである。 図５は、完全水停止状態におけるロータリーバルブの状態を示す説明図である。 図６は、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の間を自然対流により冷却水が移動する様子を示す説明図である。 図７は、冷却水が自然対流するときのロータリーバルブの状態を示す説明図である。 図８は、内燃機関の広範囲に亘って自然対流により冷却水が移動する様子を示す説明図である。 図９は、半開状態のロータリーバルブを示す説明図である。 図１０は、実施例２の冷却装置を組み込んだ内燃機関の概略構成を示す説明図である。 図１１は、冷却装置の制御の一例を示すテーブルである。 図１２は、冷却水が自然対流するときのロータリーバルブの状態を示す説明図である。 図１３は、実施例３の冷却装置のブロック図である。

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

Claims (4)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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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