JP2017048682A - エンジン冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジン１の冷却系において冷却水の流量を調整するためにロータリバルブ５が配設され、その下流側にラジエータ２が配設されている場合に、ロータリバルブ５の全開時のラジエータ側ポート５０ｂの開口面積を十分に確保しながら、個体ばらつきに起因するエンジン水温の制御性の低下を抑制する。
【解決手段】ラジエータ側ポート５０ｂが開き始めるときの弁体５１の所定の回動角度範囲θ８〜θ９において、その回動角度θに対するポート開口面積の増大割合を、当該回動角度範囲以外θ９〜θ１０に比べて小さくする。
【選択図】図５

Description

本発明は、冷却水の流量を調整するバルブの下流側にラジエータが配設されたエンジン冷却装置に関する。

従来より一般的に自動車のエンジンにおいては、シリンダ内の燃焼によって高温になるシリンダヘッドやシリンダブロックなどを冷却水によって冷却するようにしている。このようなエンジンの冷却系は、シリンダヘッドなどのウォータジャケットとエンジン外のラジエータとをウォータホースにより接続し、ウォータポンプにより冷却水を循環させるようにしている。

一例として特許文献１に記載のエンジンの冷却系は、エンジンからラジエータへ冷却水を流通させるメイン流路と、ラジエータをバイパスするバイパス流路とを備えており、そのメイン流路には、冷却水の流量を調整するために例えばロータリ式のバルブが配設されている。このバルブの開度を冷却水の温度などに応じて調整し、ラジエータによって冷却される冷却水の流量を調整することで、冷却水の温度（以下、エンジン水温ともいう）を制御することができる。

すなわち、例えばエンジンの冷間始動後には暫くの間、バルブを閉じてメイン通路による冷却水の流通を遮断することで、エンジンからの冷却水がバイパス通路を流通してエンジンに戻るようになり、ラジエータによって冷却されないので、エンジンの暖機を促進することができる。また、暖気後はシリンダ内の燃焼状態が好適なものとなるようにバルブの開度を調整して、エンジン水温を制御することができる。

特開２０１３−０６８１６２号公報

ところで、前記従来例のロータリバルブは、ケーシング内に配設されたロータ（弁体）の回動に伴いポートの開口面積（バルブの開度）が変化するものであり、そのロータを回動させるステッピングモータに角度指令を与えて、目標とするバルブ開度に相当する角度まで回動させるようにしている。この場合、バルブの個体ばらつきによって実際のバルブ開度がばらついてしまい、エンジン水温の制御性が低下するおそれがあった。

すなわち、例えばエンジン水温を下げるためにバルブ開度を大きくする場合に、それが目標開度よりも大きくなってしまうと、ラジエータを通過する冷却水の流量が多くなり過ぎることから、エンジン水温が低下し過ぎることになる。特に、冬季など外気温の低い環境下においてラジエータとの間で冷却水の循環を開始するときに、このラジエータ内の低温の冷却水がウォータジャケットに流れ込むことから、問題が顕著になりやすい。

これに対し、ロータの回動によるバルブ開度の変化（開弁特性）が緩やかになるように、ロータリバルブの構造を変更することも考えられるが、ロータの回動角度は通常、最大でも３００°くらいなので、開弁特性を緩やかにしようとすると、全開時のポートの開口面積が確保できなくなるおそれがある。

このような問題点を考慮して本発明の目的は、ロータリバルブの全開時のポートの開口面積を十分に確保しながら、その個体ばらつきに起因するエンジン水温の制御性の低下を抑制することにある。

前記の目的を達成すべく本発明は、エンジンの冷却系に冷却水の流量を調整するバルブが配設され、その下流側にはラジエータが配設されているエンジン冷却装置を対象として、前記バルブは、弁体の回動に伴いポートの開口面積が変化するロータリバルブとする。そして、このロータリバルブを、前記ラジエータに冷却水を送り出すポートが開き始めるときの前記弁体の所定の回動角度範囲において、その回動角度に対する開口面積の増大割合が、当該回動角度範囲以外に比べて小さくなるように構成したものである。

前記のように構成されたエンジン冷却装置は、エンジンの運転状態や冷却水の温度などに応じてロータリバルブの開度を制御することにより、ラジエータとの間で循環する冷却水の流量を調整して、その温度を制御することができる。これにより、シリンダ内の燃焼状態が好適なものとなるように、シリンダヘッドのウォータジャケットなどにおける冷却水の温度（即ちエンジン水温）を制御することが可能になる。

そして、前記のロータリバルブは、ラジエータに冷却水を送り出すポートが開き始める弁体の所定の回動角度範囲において、その弁体の回動に対するポートの開口面積の増大割合が相対的に小さくなっている。すなわち、エンジンとラジエータとの間で冷却水の循環が開始するときに、ポートの開口面積の増大が緩やかなものとなるので、冷却水の流量の増大も緩やかなものとなり、ロータリバルブの個体ばらつきに起因するエンジン水温の制御性の低下が抑制される。

一方、前記所定の回動角度範囲以外では、弁体の回動角度に対する開口面積の増大割合は相対的に大きくなるので、弁体の回動によって速やかにポートの開口面積が増大し、冷却水の流量も増大するようになる。よって、ロータリバルブの全開時のポートの開口面積を十分に確保でき、これにより、十分な冷却水の流量が得られる。なお、前記のようにロータリバルブの弁体の回動に対するポートの開口面積の増大割合を相対的に小さくするためには、ポートに連通する弁体の開口部や溝などの形状に工夫をして、ポートに連通する部分の面積の変化が小さくなるようにすればよい。

本発明によれば、エンジンとラジエータとの間を循環する冷却水の流量を調整するロータリバルブの開弁特性に工夫を凝らし、ラジエータに冷却水を送り出すポートが開き始めるときの開口面積の増大を相対的に緩やかなものとしたので、バルブの個体ばらつきによる冷却水の流量の変化を緩やかにすることができ、エンジン水温の制御性の低下を抑制できる。

本発明の実施の形態に係るエンジン冷却装置の構成を模式的に示す図である。 ロータリバルブの構造を模式的に示す説明図である。 エンジンの暖機途中での冷却水の流れを示す図１相当図である。 エンジンの暖機後についての図３相当図である。 ロータリバルブの各ポートの開弁特性と冷却水の総流量とを互いに関連づけて示すグラフ図である。 他の実施形態として空調要求のない場合の各ポートの開弁特性を示すグラフ図である。

以下、一例として自動車に搭載されるエンジンに本発明を適用した実施の形態について説明する。図１には模式的に示すように、本発明の実施の形態に係るエンジン冷却装置は、シリンダ内の燃焼によって高温になるエンジン１のシリンダヘッドやシリンダブロックなどを冷却するためのもので、エンジン１とラジエータ２とをウォータホースなどにより接続して、冷却水を循環させるようになっている。なお、ラジエータ２は、自動車の前部に配設され、エンジン１の熱を回収した冷却水と走行風とを熱交換させる。

本実施の形態では、エンジン１からラジエータ２への第１の冷却水通路３と、ラジエータ２からエンジン１への第２の冷却水通路４とを備え、その第１の冷却水通路３には、冷却水の流量を調整するロータリバルブ５が配設されている。言い換えると、ロータリバルブ５よりも冷却水の流れの下流側にラジエータ２が配設されている。一方、第２の冷却水通路４にはサーモスタット６とウォータポンプ７とが配設されていて、このウォータポンプ７から冷却水が送り出されるようになっている。

すなわち、エンジン１は例えばガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどであって、そのシリンダヘッドおよびシリンダブロックの内部には、それぞれウォータジャケットが形成されている。一例としてシリンダブロックのウォータジャケットの入口に前記ウォータポンプ７が配設され、ベルトなどを介してクランクシャフトにより駆動されるようになっている。このウォータポンプ７からシリンダブロックのウォータジャケットに送り込まれた冷却水は、シリンダヘッドのウォータジャケットへ流れた後に、その出口から第１の冷却水通路３に流れ出る。

前記第１の冷却水通路３は、ロータリバルブ５よりも上流側の部位からバイパス通路８が分岐していて、その下流端部がサーモスタット６を介して第２の冷却水通路４に接続されている。サーモスタット６は、サーモワックスの膨張、収縮によって動作するバルブであり、冷却水の温度が例えば８０℃未満であれば閉弁して、第２の冷却水通路４を閉鎖する。一方、冷却水の温度が例えば約８０℃以上であればサーモスタット６は開弁する。

バイパス通路８は、そのように開閉されるサーモスタット６のバルブの下流側（ウォータポンプ７に近い側）に接続されているので、バルブの開閉によらず冷却水が流通する。例えばエンジン１の冷間始動後など温度の低い場合には、冷却水がラジエータ２を迂回してバイパス通路８を流れるようになり、ラジエータ２によって冷却されることがない一方、温度が高くなるとサーモスタット６のバルブが開くので、冷却水の一部がラジエータ２を通過するようになる。

また、第１の冷却水通路３に配設されているロータリバルブ５には、前記のようにエンジン１のウォータジャケットから排出された冷却水の一部をラジエータ２以外にも、例えばヒータコア９に供給する通路１０と、例えばスロットルバルブやＣＶＴウォーマーなどの各種デバイス１１に供給する通路１２と、がそれぞれ接続されている。これらの通路１０，１２の下流端はいずれもバイパス通路８に合流している。

詳しくは図２に拡大して示すように、ロータリバルブ５は、４つのポート５０ａ〜５０ｄを有する円筒状のケーシング５０と、その内部に回転可能に収容された円筒状の弁体５１とを備え、この弁体５１がステッピングモータ５２（仮想線で示す）によって軸心Ｘの周りに回動される。図示のポート５０ａは、第１の冷却水通路３の上流側３ａ（図２にのみ符号を付す）に接続されて、前記のようにエンジン１のウォータジャケットから排出される冷却水が流入するエンジン側ポート５０ａである。

同様に図示のポート５０ｂは、第１の冷却水通路３の下流側３ｂ（図２にのみ符号を付す）に接続されて、前記のようにラジエータ２へ冷却水を送り出すラジエータ側ポート５０ｂである。また、ポート５０ｃ，５０ｄはそれぞれ、通路１０，１２の上流端部が接続されて、前記のようにヒータコア９、各種デバイス１１に冷却水を供給するヒータ側ポート５０ｃおよびデバイス側ポート５０ｄである。言い換えるとポート５０ｂ〜５０ｄは、冷却水の流出側ポートである。

一例として弁体５１は軸心Ｘ方向の両端部が閉じられていて、その周壁には、前記４つのポート５０ａ〜５０ｄとそれぞれ連通可能な位置において周方向に延びる開口部５１ａ〜５１ｄが形成されている。また、弁体５１の内部は、前記開口部５１ａ〜５１ｄ同士を連通する連通路となっている。そして、弁体５１の回動に伴いその開口部５１ａ〜５１ｄとポート５０ａ〜５０ｄとの連通状態が変化することによって、当該各ポート５０ａ〜５０ｄが開閉されるようになっている。

すなわち、図示はしないがＥＣＵにより、エンジン１の運転状態や冷却水の温度或いは外気の温度などに応じて、ロータリバルブ５の弁体５１の好適な回動角度が算出され、角度指令として出力される。これを受けてステッピングモータ５２が動作し、弁体５１を回動させることにより、前記各ポート５０ａ〜５０ｄが開閉されるとともに、その開口面積が調整される。

具体的には、例えばエンジン１の冷間始動後で冷却水の温度が低い間は、ロータリバルブ５のポート５０ａ〜５０ｄが閉じられる。この状態でウォータポンプ７が駆動されると冷却水は、シリンダヘッドのウォータジャケットから第１の冷却水通路３に流出した後にバイパス通路８を流れて、ラジエータ２によって冷却されることなくシリンダブロックのウォータジャケットへと還流する。これにより、エンジン１の暖機が促進される。

また、暖機途中であってもエンジン水温が或る程度以上、高くなれば、ＥＣＵによってステッピングモータ５２が制御されることにより、弁体５１が回動されてロータリバルブ５のエンジン側ポート５０ａおよびヒータ側ポート５０ｃが開かれる。これにより、図３に示すように、第１の冷却水通路３に流出した冷却水の一部がヒータ側ポート５０ｃから通路１０へ流出し、ヒータコア９に供給されるようになる。

さらに、冷却水の温度が例えば約８０度以上になると、ロータリバルブ５のラジエータ側ポート５０ｂおよびデバイス側ポート５０ｄも開かれて、図４に示すように冷却水の一部がラジエータ側ポート５０ｂから第１の冷却水通路３の下流側に流出するとともに、デバイス側ポート５０ｄから通路１２にも流出し、各種デバイス１１に供給される。このとき、サーモスタット６が開弁しているので、冷却水の一部はラジエータ２を通過してエンジン１へと還流するようになる。

−各ポートの開弁特性−
ところで、前述したようにロータリバルブ５は、弁体５１の回動に伴いその開口部５１ａ〜５１ｄがそれぞれ各ポート５０ａ〜５０ｄと連通し、また、その連通面積、即ち当該各ポート５０ａ〜５０ｄの開口面積が変化する。そして、ＥＣＵからの角度指令を受けてステッピングモータ５２が動作し、目標とするポート開口面積に相当する角度まで、弁体５１を回動させるようになっている。しかしながら、ロータリバルブ５の個体ばらつきによって実際のポート開口面積にばらつきが生じ、エンジン水温の制御性が低下するおそれがあった。

すなわち、例えばエンジン水温を下げるためにラジエータ側ポート５０ｂを開いて、エンジン１とラジエータ２との間での冷却水の循環を開始するときに、当該ラジエータ側ポート５０ｂの開口面積が目標よりも大きくなってしまうと、ラジエータ２を通過する冷却水の流量が多くなり過ぎ、エンジン水温が低下し過ぎることになる。特に、冬季など外気温の低い環境下において、ラジエータ２内の低温の冷却水が急に流れ込むと、エンジン水温が急低下することになる。

これに対し、本実施の形態のロータリバルブ５では、ラジエータ側ポート５０ｂが開き始めるときの弁体５１の所定の回動角度範囲において、その回動角度に対するポート開口面積の増大割合が相対的に小さくなる構造としたものである。例えば、図２に表れているように、ラジエータ側ポート５０ｂと連通可能な弁体５１の開口部５１ｂの幅をその端部において狭くすることで、ラジエータ側ポート５０ｂと連通し始めるときの面積の増大割合を小さくすることができる。

このように構成されたロータリバルブ５のラジエータ側ポート５０ｂ、ヒータ側ポート５０ｃ、およびデバイス側ポート５０ｄのそれぞれの開口特性（開口面積の変化の特性）と、ロータリバルブ５における冷却水の全流量の変化とを互いに関連づけて図５に示す。同図に表れているように、弁体５１の回動角度がθ＝θ３〜θ４の角度範囲においては、全ての流出側ポート５０ｂ〜５０ｄが閉じられている。なお、ここではエンジン側ポート５０ａも閉じられている。

そして、θ４〜θ５の角度範囲において回動角度θの増大に伴いヒータ側ポート５０ｃが開き、その開口面積が増大してゆくと、これに伴い冷却水の流量も増大してゆくが、回動角度θ５でヒータ側ポート５０ｃが全開になった後は、回動角度θ６まで流量も一定になる。また、θ６〜θ７の角度範囲においてデバイス側ポート５０ｄが開くと、その開口面積の増大に伴い、冷却水の流量も再び増大してゆく。なお、エンジン回転数が高いほどウォータポンプ７の回転数も高くなり、冷却水の流量が多くなる。

そうして弁体５１の回動角度θ７でデバイス側ポート５０ｄが全開になった後、回動角度θ８まで冷却水の流量は一定になるが、この回動角度θ８からラジエータ側ポート５０ｂが開き始めると、再び流量も増大する。そして、ラジエータ側ポート５０ｂの開き始めの回動角度範囲θ８〜θ９では、前記のように弁体５１の回動に対するポート開口面積の増大割合が相対的に小さくなっているので、図に矢印Ｄとして示すように、冷却水の流量の増大が緩やかなものとなる。

一方、弁体５１の回動角度がθ９を超えると、その回動角度θに対するラジエータ側ポート５０ｂの開口面積の増大割合は相対的に大きくなり、これにより、ポート開口面積が速やかに増大して、冷却水の流量も速やかに増大するようになる。このため、弁体５１の回動角度θ１０でラジエータ側ポート５０ｂが全開になれば、ポートの開口面積は十分に大きくなり、冷却水の流量を十分に確保できる。

なお、弁体５１の回動角度θがθ２〜θ３の角度範囲では、図示のように回動角度θの減少に伴いデバイス側ポート５０ｄが開き、その開口面積が増大してゆく。同様に回動角度θが０〜θ２の角度範囲ではラジエータ側ポート５０ｂが開き、その開口面積が増大してゆく。この場合もラジエータ側ポート５０ｂの開き始めの回動角度範囲θ１〜θ２では、弁体５１の回動に対するポート開口面積の増大割合が相対的に小さくなっていて、冷却水の流量の増大が緩やかになる。このように弁体５１の回動角度θの減少に伴いポート開口面積が大きくなる回動角度０〜θ３は、ヒータコア９に冷却水を供給しない空調要求時に用いられる。

したがって、本実施の形態に係るエンジン冷却装置によると、エンジン１とラジエータ２との間で冷却水を循環させる冷却系において、その冷却水の流量を調整するロータリバルブ５の開弁特性に工夫を凝らし、ラジエータ側ポート５０ｂが開き始めるときの弁体５１の所定の回動角度範囲θ８〜θ９において、ポート開口面積の増大が相対的に緩やかになるようにしたので、ロータリバルブ５の個体ばらつきによる冷却水の流量の変化を緩やかにすることができ、エンジン水温の制御性の低下を抑制できる。

一方、弁体５１の回動角度θが前記回動角度範囲θ８〜θ９を超えて、さらに増大するときには、これに伴うポート開口面積の増大割合が相対的に大きくなるので、速やかにポート開口面積が増大し、冷却水の流量も増大する。これにより、ラジエータ側ポート５０ｂの全開時のポートの開口面積を十分に大きくして、冷却水の流量を十分に多くすることができる。

しかも、本実施形態では、ラジエータ側ポート５０ｂと連通可能な弁体５１の開口部５１ｂの幅をその端部において狭くすることで、前記のような開弁特性を実現し、冷却水の流量の変化を緩やかにすることができる。よって、流量の制御においては弁体５１の角度指令を出力するだけでよく、面倒なフィードバック制御やそのためのセンサなども不要であることから、コストアップの心配もない。

−他の実施形態−
上述した実施の形態はあくまで例示に過ぎず、本発明の構成や用途などについても限定することを意図しない。例えば前記実施の形態では、冷却系においてロータリバルブ５よりも下流側にヒータコア９や各種デバイス１１を配設しているが、これに限らず、ヒータコア９および各種デバイス１１の少なくとも一方をロータリバルブ５よりも上流側に配設してもよい。各種デバイス１１の少なくとも１つをロータリバルブ５よりも上流側に配設し、他の少なくとも１つを下流側に配設してもよい。

また、前記実施の形態においてはサーモスタット６を第２の冷却水通路４に配設しているが、これは第１の冷却水通路３に配設してもよいし、ロータリバルブ５によってサーモスタット６を代替することもできる。

さらに、前記実施の形態においては、図５を参照して上述したように空調要求を考慮して、ロータリバルブ５における弁体５１の回動角度０〜θ３の範囲では、ヒータコア９に冷却水を供給しない状態でラジエータ側ポート５０ｂやデバイス側ポート５０ｄを開き、ラジエータ２や各種デバイス１１に冷却水を送り出すようにしているが、これにも限らない。例えば図６に一例を示すように、回動角度０〜θ３の範囲では流出側のポート５０ｂ〜５０ｄを全て閉じるように構成してもよい。

さらにまた、前記の実施形態では、本発明を自動車に搭載されるエンジンに適用した例について説明したが、これにも限定されず、本発明は、自動車以外のエンジンの冷却系にも適用可能である。

本発明は、エンジンの冷却系にロータリバルブを用いる場合に、エンジン水温の制御性の低下を抑制できるので、自動車用のエンジンに適用して燃費の低減などの効果が得られる。

１ エンジン
２ ラジエータ
３ 第１の冷却水通路
５ ロータリバルブ（バルブ）
５０ ケーシング
５０ｂ ラジエータ側ポート（ラジエータに冷却水を送り出すポート）
５１ 弁体
θ８〜θ９ 弁体の所定の回動角度範囲

Claims (1)

1. エンジンの冷却系に冷却水の流量を調整するバルブが配設され、その下流側にラジエータが配設されたエンジン冷却装置であって、
   前記バルブは、弁体の回動に伴いポートの開口面積が変化するロータリバルブであって、前記ラジエータに冷却水を送り出すポートが開き始めるときの前記弁体の所定の回動角度範囲において、その回動角度に対する開口面積の増大割合が、当該回動角度範囲以外に比べて小さくなるように構成されている、ことを特徴とするエンジン冷却装置。

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