JP5500264B2

JP5500264B2 - 内燃機関の冷却システム

Info

Publication number: JP5500264B2
Application number: JP2012541643A
Authority: JP
Inventors: 好一郎中谷; 晃山下; 武則竿田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-11-01
Filing date: 2010-11-01
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2030-11-01
Also published as: EP2636866A1; US20130220242A1; JPWO2012059969A1; CN103180565A; WO2012059969A1

Description

本発明は、内燃機関の冷却システムに関する。

内燃機関が過熱しないように冷却水温度を設定しておき、設定された冷却水温度となるように電子サーモスタットを制御する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。また、所定温度で比熱が変わる冷却水が知られている（例えば、特許文献２参照）。この冷却水は、相転移を起こす物質を封入したカプセルを液体の中に分散させて構成される。

ここで、設定された冷却水温度となるように電子サーモスタットを制御するシステムにおいて、所定温度で比熱が変わる冷却水を使用する場合には、従来と同じように電子サーモスタットを制御したのでは、冷却水の比熱が変わるという特性を十分に活用しているとはいえない。

特開２００４−３５３６０２号公報特開２０１０−１６８５３８号公報

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、サーモスタットの開閉条件を最適化する技術の提供を目的とする。

上記課題を達成するために本発明による内燃機関の冷却システムは、
所定温度のときは所定温度以外のときよりも比熱が大きくなる冷却水を冷却水通路に流通させる内燃機関の冷却システムにおいて、
前記冷却水通路に設けられ前記冷却水から熱を奪うラジエータと、
前記ラジエータをバイパスするバイパス通路と、
閉じたときには前記ラジエータへの冷却水の流通を遮断して前記バイパス通路に冷却水を流通させ、開いたときには少なくとも前記ラジエータに冷却水を流通させるサーモスタットと、
を備え、
前記冷却水の温度が前記所定温度よりも高いときに前記サーモスタットが開く。

所定温度は、例えば冷却水に含まれる物質に構造相転移が起こる温度とすることができる。すなわち、構造相転移により熱が放出されるか又は熱が吸収されるため、構造相転移が起こる温度では冷却水の比熱が高くなる。このため、所定温度においては、熱の出入が多少あったとしても冷却水の温度は略一定となる。

ここで、サーモスタットが開くと、ラジエータに冷却水が流通するため、冷却水の温度上昇が抑制される。仮に、冷却水の温度が所定温度よりも低いときにサーモスタットが開くと、冷却水の温度が所定温度まで上昇することが抑制されるので、比熱が大きくなる特性を活用できない。一方、冷却水の温度が所定温度よりも高いときにサーモスタットが開くように設定すると、サーモスタットが閉じているときに、冷却水の比熱が大きくなり得るため、比熱が大きくなる特性を活用できる。すなわち、サーモスタットが閉じているときに冷却水の温度を一定に維持することができるため、冷却水の温度の変動に対応した制御が不要となる。このため、内燃機関の運転状態を安定させることができる。このように、サーモスタットの開閉条件を最適化することができる。

また、本発明においては、前記冷却水の温度が前記所定温度よりも高いときに前記サーモスタットが開く運転領域と、
前記冷却水の温度が前記所定温度よりも低いときに前記サーモスタットが開く運転領域と、
を設けることができる。

すなわち、内燃機関の運転状態によって冷却システムに要求される冷却能力が異なるため、要求される冷却能力に応じてサーモスタットが開く温度を設定することもできる。これにより、運転領域に応じた冷却水の温度制御が可能となる。

また、本発明においては、前記内燃機関から前記冷却水通路へ流出する冷却水の温度が前記所定温度よりも高いときに前記サーモスタットが開いてもよい。

内燃機関から冷却水通路へ流出する冷却水は、内燃機関から熱を受けた直後の冷却水であるため、再度内燃機関に流入するまでは温度が上がり難い。すなわち、内燃機関から冷却水通路へ流出する冷却水は、他の部位における冷却水よりも温度が高い。このため、内燃機関から冷却水通路へ流出する冷却水の温度に応じてサーモスタットが開けば、内燃機関の過熱を抑制すると共に、冷却水の比熱が大きくなる特性を活用できる。

また、本発明においては、前記内燃機関から前記冷却水通路へ流出する冷却水の温度が前記所定温度よりも高いときで、且つ、前記冷却水通路から前記内燃機関へ流入する冷却水の温度が前記所定温度よりも高いときに、前記サーモスタットが開く運転領域と、
前記内燃機関から前記冷却水通路へ流出する冷却水の温度が前記所定温度よりも高いときで、且つ、前記冷却水通路から前記内燃機関へ流入する冷却水の温度が前記所定温度よりも低いときに、前記サーモスタットが開く運転領域と、
を設けることができる。

ここで、冷却水通路から内燃機関へ流入する冷却水は、内燃機関から熱を受ける直前の冷却水であるため温度が低い。一方、内燃機関から冷却水通路へ流出する冷却水は、内燃機関から熱を受けた直後の冷却水であるため温度が高い。このように、冷却水の中でも温度が高い部位と温度が低い部位とが存在する。

そして、冷却水通路から内燃機関へ流入する冷却水の温度が所定温度よりも高いときには、冷却水全体の温度が所定温度よりも高いといえる。このため、冷却水通路から内燃機関へ流入する冷却水の温度が所定温度よりも高いときにサーモスタットが開くように設定すると、冷却水全体の温度が所定温度よりも高い状態で維持される。たとえば、必要となる冷却能力が低い運転領域では、冷却水全体の温度を所定温度よりも高くすることが可能となり、これにより、燃費を向上させることができる。なお、必要となる冷却能力が低い運転領域は、内燃機関が低回転低負荷で運転される領域としてもよい。

一方、内燃機関から冷却水通路へ流出する冷却水の温度が所定温度よりも高いときで、且つ、冷却水通路から内燃機関へ流入する冷却水の温度が所定温度よりも低いときに、サーモスタットが開くと、内燃機関の内部で冷却水の温度が所定温度となる。このため、内燃機関の内部で冷却水の比熱が高くなるので、冷却水の温度上昇を抑制できる。たとえば、必要となる冷却能力が高い運転領域では、内燃機関の内部で冷却水の比熱が高くなることにより、内燃機関内部の冷却水の温度を一定にすることができる。これにより、内燃機関の運転状態を安定させることができる。なお、必要となる冷却能力が高い運転領域は、内燃機関が高回転高負荷で運転される領域としてもよい。

本発明によれば、サーモスタットの開閉条件を最適化することができる。

実施例に係る内燃機関の冷却システムの概略構成を示す図である。内燃機関の暖機時の出口側温度の推移を示したタイムチャートである。冷却水温度と冷却水の比熱との関係を示した図である。機関回転数と機関負荷とサーモスタットが開く温度との関係を示した図である。

以下、本発明に係る内燃機関の冷却システムの具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。

図１は、本実施例に係る内燃機関の冷却システムの概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、水冷式の内燃機関である。

内燃機関１の内部には冷却水を循環させるためのウォータジャケット２が形成されている。また、内燃機関１には、第１冷却水通路１１及び第２冷却水通路１２が接続されている。この、第１冷却水通路１１及び第２冷却水通路１２には、ラジエータ１３及びバイパス通路１４が接続されている。

第１冷却水通路１１は、ウォータジャケット２の出口側とラジエータ１３の入口側とを接続している。すなわち、第１冷却水通路１１は、ウォータジャケット２から冷却水を排出するための通路である。また、第２冷却水通路１２は、ラジエータ１３の出口側とウォータジャケット２の入口側とを接続している。すなわち、第２冷却水通路１２は、ウォータジャケット２へ冷却水を供給するための通路である。

また、第２冷却水通路１２とウォータジャケット２との接続部には、第２冷却水通路１２側からウォータジャケット２側へ冷却水を吐出するウォータポンプ３が設けられている。

バイパス通路１４は、第１冷却水通路１１と第２冷却水通路１２とを連通することで、ラジエータ１３をバイパスしている。

また、第２冷却水通路１２とバイパス通路１４との接続部よりもラジエータ１３側の第２冷却水通路１２には、電子制御式のサーモスタット１５が設けられている。このサーモスタット１５は、後述するＥＣＵ３０からの信号に応じて開度が調整される。そして、サーモスタット１５の開度が制御されることにより、ラジエータ１３に供給される冷却水の量が調整される。

サーモスタット１５が閉じているときには、ウォータジャケット２から第１冷却水通路１１へ流出した冷却水は、バイパス通路１４を経由して再びウォータジャケット２に送られる。こうした冷却水の循環によって冷却水が徐々に暖められ、内燃機関１の暖機が促進される。

また、サーモスタット１５が開いているときには、ラジエータ１３及びバイパス通路１４を経由して冷却水が循環される。なお、サーモスタット１５の状態に関わらず、ラジエータ１３及びバイパス通路１４以外の部位にも冷却水は循環するが、図１ではこれらの部位を省略している。

また、ウォータジャケット２の接続部とバイパス通路１４の接続部との間の第１冷却水通路１１には、ウォータジャケット２から流出する冷却水の温度（以下、出口側温度ともいう。）を測定する出口側温度センサ３１が取り付けられている。また、ウォータジャケット２の接続部とバイパス通路１４の接続部との間の第２冷却水通路１２には、ウォータジャケット２へ流入する冷却水の温度（以下、入口側温度ともいう。）を測定する入口側温度センサ３２が取り付けられている。

以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ３０が併設されている。このＥＣＵ３０は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１を制御する。

また、ＥＣＵ３０には、上記センサの他、アクセル開度に応じた電気信号を出力し機関負荷を検出するアクセル開度センサ３３、および機関回転数を検出するクランクポジションセンサ３４が電気配線を介して接続さている。そして、これらのセンサの出力信号がＥＣＵ３０に入力される。一方、ＥＣＵ３０には、サーモスタット１５が電気配線を介して接続され、ＥＣＵ３０はこのサーモスタット１５を制御する。

ここで、本実施例に係る冷却水は、所定温度で比熱が変化する。例えば所定温度で固体から液体、または液体から固体へ相転移する物質を含んで構成される。すなわち、冷却水の温度が高くなる過程で所定温度となると、冷却水に含まれる物質が固体から液体へ変化し、このときには周りから熱を吸収する。一方、冷却水の温度が低くなる過程で所定温度となると、冷却水に含まれる物質が液体から固体へ変化し、このときには周りへ熱を放出する。このように液体と固体との間で相転移するときには冷却水の比熱が変化する。

図２は、内燃機関１の暖機時の出口側温度の推移を示したタイムチャートである。図２において、ＡからＢの期間では、出口側温度が所定温度Ｄで一定となる。また、Ｃで示される時刻においてサーモスタット１５が開く温度Ｅとなり、サーモスタット１５が開いている。これにより、冷却水がラジエータ１３を流通するため、出口側温度は略一定となる。

また、図３は、冷却水温度と冷却水の比熱との関係を示した図である。図３に示されるように、所定温度Ｄのときには、他の温度のときよりも、比熱が高くなる。このため、図２に示されるように、ＡからＢの期間で出口側温度が所定温度Ｄで一定となる。そして、図２は、サーモスタット１５が開く温度Ｅのほうが所定温度Ｄよりも高い場合を示している。

このように、出口側温度が所定温度Ｄよりも高いときにサーモスタット１５が開くように設定しておけば、冷却水の比熱が高くなる特性、すなわち冷却水温度が一定となる特性を活用することできる。すなわち、冷却水温度が上昇しているときには、熱を奪うことにより温度の上昇を抑制し、冷却水温度が下降しているときには、熱を与えることにより温度の下降を抑制できる。このため、冷却水温度が変動することを抑制できるので、内燃機関１の運転状態を安定させることができる。

なお、サーモスタット１５を開く温度Ｅは、たとえば内燃機関１の暖機が完了する温度としてもよいが、これに限らない。また、所定温度Ｄが、内燃機関１の暖機が完了する温度よりも低くなるように、冷却水に含まれる成分を決定してもよい。サーモスタット１５を開く温度Ｅ及び所定温度Ｄの最適値は実験等により求めることができる。

また、上記説明では、サーモスタット１５はＥＣＵ３０により制御されているが、規定の温度で自動的に開閉するサーモスタットを用いることもできる。

また、入口側温度、すなわち、第２冷却水通路１２を流通する冷却水の温度をさらに考慮してサーモスタット１５を開く時期を設定することもできる。すなわち、高い冷却能力が要求される運転状態では、入口側温度が所定温度Ｄよりも低い温度でサーモスタット１５が開くように設定する。一方、冷却能力が低くてもよい運転状態では、入口側温度が所定温度Ｄよりも高い温度でサーモスタット１５が開くように設定する。

なお、高い冷却能力が要求される運転状態とは、たとえば、機関回転数または機関負荷の少なくとも一方が比較的高い状態である。これは、高回転高負荷時または加速運転時としてもよい。また、冷却能力が低くてもよい運転状態とは、たとえば、機関回転数及び機関負荷が比較的低い状態である。これは、低回転低負荷時または定常運転時としてもよい。

図４は、機関回転数と機関負荷とサーモスタット１５が開く温度との関係を示した図である。図４中のＦは高い冷却能力が要求される運転領域（機関回転数または機関負荷の少なくとも一方が比較的高い領域）を示し、Ｇは冷却能力が低くてもよい運転領域（機関回転数及び機関負荷が比較的低い領域）を示している。

高い冷却能力が要求される運転領域Ｆでは、以下の関係が成立するようにサーモスタット１５が開かれる。
入口側温度＜所定温度Ｄ＜出口側温度
すなわち、入口側温度よりも所定温度Ｄのほうが高くなり、且つ、所定温度Ｄよりも出口側温度のほうが高くなる。このため、冷却水がウォータジャケット２を流通しているときに所定温度Ｄとなる。そうすると、内燃機関１の内部で比熱が高くなるため、内燃機関１の内部での冷却水の温度上昇を抑制することができる。これにより、内燃機関１の運転状態を安定させることができる。

一方、冷却能力が低くてもよい運転領域Ｇでは、以下の関係が成立するようにサーモスタット１５が開かれる。
所定温度Ｄ＜入口側温度＜出口側温度
すなわち、所定温度Ｄよりも入口側温度のほうが高くなる。これにより、冷却水温度が高い状態で維持されるため燃費を向上させることができる。

なお、図４中のＦで示される領域と、Ｇで示される領域との境は、例えば内燃機関１の運転状態の安定または燃費の向上の何れを優先するかなどにより変わるため、最適値は実験等により求める。

１内燃機関
２ウォータジャケット
３ウォータポンプ
１１第１冷却水通路
１２第２冷却水通路
１３ラジエータ
１４バイパス通路
１５サーモスタット
３０ＥＣＵ
３１出口側温度センサ
３２入口側温度センサ
３３アクセル開度センサ
３４クランクポジションセンサ

Claims

所定温度のときは所定温度以外のときよりも比熱が大きくなる冷却水を冷却水通路に流通させる内燃機関の冷却システムにおいて、
前記冷却水通路に設けられ前記冷却水から熱を奪うラジエータと、
前記ラジエータをバイパスするバイパス通路と、
閉じたときには前記ラジエータへの冷却水の流通を遮断して前記バイパス通路に冷却水を流通させ、開いたときには少なくとも前記ラジエータに冷却水を流通させるサーモスタットと、
を備え、
前記内燃機関から前記冷却水通路へ流出する冷却水の温度が前記所定温度よりも高い規定の温度以上のときで、且つ、前記冷却水通路から前記内燃機関へ流入する冷却水の温度が前記所定温度よりも高いときに、前記サーモスタットが開く運転領域であって、機関回転数及び機関負荷で定まる運転領域と、
前記運転領域よりも機関回転数または機関負荷の少なくとも一方が高い運転領域であって、前記内燃機関から前記冷却水通路へ流出する冷却水の温度が前記所定温度よりも高い規定の温度以上のときで、且つ、前記冷却水通路から前記内燃機関へ流入する冷却水の温度が前記所定温度よりも低いときに、前記サーモスタットが開く運転領域と、
を設ける内燃機関の冷却システム。