JP6013022B2 - 内燃機関の冷却制御装置及びその冷却制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば自動車用エンジン等の内燃機関を冷却するための冷却制御装置及びその冷却制御方法に関する。

例えば、自動車用エンジン等の内燃機関を冷却するための冷却制御装置において、冷媒の流れを制御する制御系に障害が発生すると、内燃機関（エンジン）がオーバーヒートになる。例えば、特許文献１には、これを防止するための技術が開示されている。

特許文献１に記載の技術は、内燃機関の水温異常が検知された場合、モータから流路制御弁に至る制御駆動弁の結合をクラッチ機構で解除するようにすることで、この流路制御弁を強制的に開弁状態にして冷却水の循環を促進させてエンジンがオーバーヒート状態に至るのを防止するといったものである。

特許第３７９４７８３号公報

しかし、特許文献１に記載の技術では、モータの故障時にクラッチ制御回路も故障すると、流路制御弁が閉じたまま固着してしまう可能性があり、冷却水がラジエータに流れずにエンジンがオーバーヒートしてしまうことになる。また、特許文献１に記載の技術では、クラッチ制御回路及びクラッチ機構が必要であるため、部品点数が多くコスト増大を招く。

そこで本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、電動アクチュエータが故障して内燃機関の内部冷媒通路とラジエータを流れる外部冷媒通路とが接続するように回路切り替えができない場合において該内燃機関が過熱した時に、内部冷媒通路内の冷媒をラジエータへ送ることができるようにし、且つ部品点数増によるコスト増大を招かない内燃機関の冷却制御装置及びその冷却制御方法を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関の冷却制御装置は、回路切替手段の故障により内部冷媒通路と外部冷媒通路のうちラジエータを流れる外部冷媒通路とが接続するように回路切り替えができない場合、ラジエータを流れる外部冷媒通路に内部冷媒通路内の冷媒をラジエータへ送る分岐路と、この分岐路に設けられて内燃機関の過熱時に前記分岐路を開放するワックス型サーモスタットとを設け、ワックス型サーモスタットの温感部を、内部冷媒通路内の冷媒をスロットチャンバーへ送る外部冷媒通路の入口近傍に設けたことを特徴としている。

本発明に係る内燃機関の冷却制御装置によれば、回路切替手段の故障により内燃機関の過熱が生じた時には、クラッチ機構を制御回路で制御してバルブを開くようなメカニカル機構ではなく、冷媒温度で作動するワックス型サーモスタットが動作して分岐路を開放し、ラジエータを流れる外部冷媒通路に内燃機関の内部冷媒路内の高温となった冷媒が流れるようになる。これにより、本発明によれば、回路切替手段が故障した場合でも内燃機関のオーバーヒートを防止することができる。また、本発明によれば、クラッチ機構等のような複雑な機構を使用しないため、装置構成部品点数増によるコスト増大を回避することができる。

また、本発明では、内部冷媒通路内の冷媒を常時スロットチャンバーへと流す外部冷媒通路の入口近傍にワックス型サーモスタットの温感部を配置しているので、内燃機関の内部冷媒通路を流れる過熱された冷媒温度を直ちに検知して分岐路を開放するため、内燃機関が過熱した場合にいち早く冷媒をラジエータへ送ることができ、内燃機関のオーバーヒートを防止することができる。

図１は本実施形態の内燃機関の冷却回路図である。 図２は図１の回路切替機構部の断面図である。 図３は図１の回路切替機構部に設けたワックス型サーモスタットの断面図であり、（Ａ）は低温時の作動状態、（Ｂ）は高温時の作動状態である。 図４は本実施形態の内燃機関の冷却制御装置における水温上昇を示す図である。 図５は本実施形態の他の例における内燃機関の冷却回路図である。 図６は図５の冷却回路に使用した回路切替機構部の断面図である。 図７は図６の回路切替機構部に設けたワックス型サーモスタットの動作状態をそれぞれ示す断面図であり、（Ａ）は開動作前状態、（Ｂ）は開動作開始状態、（Ｃ）は開動作状態である。

以下、本発明を適用した内燃機関の冷却制御装置及びその冷却制御方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１には、内燃機関の冷却回路図を示す。例えば、自動車用エンジンなどの内燃機関１には、シリンダブロック２及びシリンダヘッド３を冷媒が循環する内部冷媒通路４が形成されている。この内部冷媒通路４には、複数の外部冷媒通路が接続されている。外部冷媒通路は、熱交換器であるラジエータ５を通るラジエータ回路６（６Ａ、６Ｂ）と、ヒータコア７を通るヒータ回路８（８Ａ、８Ｂ）と、ウォータポンプ９を通るバイパス回路１０（１０Ａ、１０Ｂ）とからなる。

ラジエータ回路６は、内部冷媒通路４の出口４Ａと接続された回路切替手段である回路切替機構部１１とラジエータ５間を結ぶラジエータ回路６Ａ及びラジエータ５とウォータポンプ９間を結ぶラジエータ回路６Ｂとを有している。このラジエータ回路６は、内燃機関１に形成された内部冷媒通路４で加温された冷媒をラジエータ５へ送り、当該ラジエータ５で空気と熱交換して加温された冷媒を冷却し、その冷却した冷媒を再び内部冷媒通路４へ戻す。

ヒータ回路８は、回路切替機構部１１とヒータコア７間を結ぶヒータ回路８Ａ及びヒータコア７とウォータポンプ９間を結ぶヒータ回路８Ｂとを有している。このヒータ回路８は、内燃機関１に形成された内部冷媒通路４で加温された冷媒をヒータコア７で放熱させた後、放熱後の冷媒を再び内部冷媒通路４へ戻す。

バイパス回路１０は、回路切替機構部１１とウォータポンプ９間を結ぶバイパス回路１０Ａ及びウォータポンプ９と内部冷媒通路４間を結ぶバイパス回路１０Ｂとを有している。このバイパス回路１０は、内燃機関１に形成された内部冷媒通路４の冷媒を、ラジエータ回路６へ流すことなく再び内部冷媒通路４に戻す。

図２にはその回路切替機構部１１の要部断面図を示す。回路切替機構部１１は、内部冷媒通路４、ラジエータ回路６、ヒータ回路８、バイパス回路１０とそれぞれ接続される各流路を内部に形成したボディ１２を有している。ボディ１２の各側面には、ラジエータ回路６と接続するためのラジエータホース接続口１３、ヒータ回路８と接続するためのヒータホース接続口１４、バイパス回路１０と接続するためのバイパスホース接続口１５とが設けられている。

ボディ１２の内部には、内部冷媒通路４の出口４Ａよりボディ内部へと流入する冷媒をラジエータ回路６、ヒータ回路８、バイパス回路１０へ必要に応じて流すために接続又は非接続して回路を切り替えるための回路切替手段１６が設けられている。なお、図２では回路切替手段１６を模式的に記載している。

また、ボディ１２の内部には、ボディ下部に形成された内部冷媒通路４の出口４Ａと繋がる冷媒導入口２９から流入する冷媒がラジエータホース接続口１３へと流れる流路とは別の流路とされた分岐路２８が設けられている。この分岐路２８は、ボディ下部の冷媒導入口２９から導入された冷媒を回路切替手段１６を通すことなく前記ラジエータホース接続口１３へ流すようになっている。

前記分岐路２８には、内燃機関１の過熱時にこの分岐路２８を開放するワックス型サーモスタット３０が設けられている。ワックス型サーモスタット３０は、図３に示すように、金属容器３１内に封入されたワックス３２が暖められると固体から液体へと変化して体積膨張することでピストン３３を押し上げるようになっている。また、このワックス型サーモスタット３０は、ワックス３２が冷えて液体から固体へと変化して体積収縮することでピストン３３が金属容器３１内に引っ込んで元の状態に戻る。

前記ワックス型サーモスタット３０は、ピストン３３の先端部がラジエータホース接続口１３の内壁面に固定されると共に、金属容器３１の先端に設けられたシール部３４が分岐路２８の出口を塞ぐようになっている。このワックス型サーモスタット３０は、内燃機関１の過熱により内部冷媒通路４内を流れる冷媒が高温になった場合に、その高温となった冷媒の熱でワックス３２が固体から液体に変化してピストン３３を伸張させることによって、前記シール部３４が分岐路２８の出口から離れて当該分岐路２８を開放する。

前記ワックス型サーモスタット３０の動作温度は、回路切替手段１６が回路を切り替える回路切替温度よりも高く、内燃機関１がオーバーヒートするよりも低い温度で作動するようになっている。

通常の冷却制御装置では、ラジエータ回路６、ヒータ回路８及びバイパス回路１０が閉じられている場合に何らかの原因で回路切替手段１６が故障した場合には、内燃機関１内に形成された内部冷媒通路４を流れる冷媒の温度が高くなりすぎてオーバーヒートに至ってしまう。

しかし、本実施形態では、内部冷媒通路４内の冷媒温度がオーバーヒートに至る高温となる前に、ワックス型サーモスタット３０が作動して分岐路２８を開放するため、内部冷媒通路４内の冷媒がこの分岐路２８を介してラジエータ回路６へと流れることになる。その結果、内燃機関１のオーバーヒートを防止することができる。

また、本実施形態では、クラッチ機構等のような複雑な機構を使用しないため、内部冷媒通路４内を流れる冷媒の熱でワックス３２が固体から液体或いはその逆に体積変化することで動作するワックス型サーモスタット３０を使用していることで、何ら動作させるための複雑な制御機構も動作機構も不要で、装置構成部品点数増によるコスト増大を回避できると共に、信頼性を向上することができる。

また、本実施形態では、ワックス型サーモスタット３０の動作温度を、回路切替手段１６の作動により回路を切り替える回路切替温度よりも高い温度としているので、当該ワックス型サーモスタット３０は異常検知時のみ作動して分岐路２８を開放することから、内燃機関１の暖機性能を阻害することなくフェールセーフ機能を持たせることができる。

また、本実施形態の冷却制御方法では、回路切替手段１６が故障してラジエータ回路６と内部冷媒通路４とが非接続状態となり且つ内燃機関１が過熱した時に、ラジエータ回路６に内部冷媒通路４内の冷媒をラジエータ５へ送る分岐路２８に設けたワックス型サーモスタット３０を作動させて、前記分岐路２８を開いて内部冷媒通路４内を流れる冷媒を前記ラジエータ回路６へ流すようにしているので、内燃機関１のオーバーヒートを防止することができる。

また、本実施形態では、内燃機関１の始動時に、ラジエータ回路６、ヒータ回路８及びバイパス回路１０を何れも閉じた状態とすることで、内部冷媒通路４内の冷媒流れをゼロとすることができるから暖機時間を短縮することができる。図４には、本実施形態と従来の時間経過に応じた水温上昇状態図を示す。図４中Ａ線は本実施形態の場合の水温上昇線を示し、Ｂ線は従来の場合の水温上昇線を示す。従来は、ウォータポンプ９が回転して内燃機関１、ヒータ回路８及びバイパス回路１０に冷媒が循環するため、熱容量が大きく暖機に時間が掛かっていた。しかし、本実施形態では、内燃機関１の発熱は内燃機関１内の冷媒温度を上げることのみに使われるため、従来に比べて大幅に暖機時間の短縮が図れる。

そして、内燃機関１が十分に暖機が取れた後は、ヒータ回路８若しくはバイパス回路１０を開いて冷媒を循環させることで、内燃機関１の過熱を防止することができる。さらに水温が上がった場合は、ラジエータ回路６を開き、ラジエータ５で放熱させる。内燃機関１の内部冷媒通路４内を流れる冷媒の水温は、このラジエータ回路６を開く開口率を調整することでコントロールする。通常の内燃機関１の水温は９０℃前後でコントロールされるが、これを例えば１００℃まで上昇させることでエンジン上昇し、フリクションの低減により燃費を向上させることができる。

図５は本実施形態の他の例における内燃機関の冷却回路図である。図６は図５の冷却回路に使用した回路切替機構部の断面図である。図７は図６の回路切替機構部に設けたワックス型サーモスタットの動作状態をそれぞれ示す断面図である。この実施形態では、ワックス型サーモスタット３０の温感部を、外部冷媒通路のうちスロットチャンバー３７へ内部冷媒通路４内の冷媒を送る外部冷媒通路（スロット回路）の入口近傍に設けた構造としている。

具体的には、内部冷媒通路４内を流れる冷媒が、常時スロットチャンバー３７へと流れるようにするためのスロット回路３８を設ける。スロット回路３８は、ボディ１２の下部に形成された冷媒導入口２９とスロットチャンバー３７間を結ぶスロット回路３８Ａ及びスロットチャンバー３７とラジエータ回路６Ｂ間を結ぶスロット回路３８Ｂとを有している。ワックス型サーモスタット３０の温感部は、内部冷媒通路４の出口４Ａから冷媒導入口２９を介してスロットチャンバー３７へと流れるスロット回路３８Ａの入口近傍に設けられている。このため、ワックス型サーモスタット３０の温感部には、内部冷媒通路４の出口４Ａと同等の水温とされた冷媒が流れる。

例えば、回路切替手段１６が故障してラジエータ回路６と内部冷媒通路４とが非接続状態となり且つ内燃機関１が過熱した時に、内部冷媒通路４の出口４Ａから冷媒導入口２９を介してスロットチャンバー３７へと流れる流路途中に配置されたワックス型サーモスタット３０がその冷媒の温度を検知して前記分岐路２８を開き、内部冷媒通路４内を流れる冷媒を前記ラジエータ回路６へ流す。これにより、内燃機関１のオーバーヒートを防止することができる。

ワックス型サーモスタット３０は、通常温度では図７（Ａ）に示すように、分岐路２８を閉じた状態としているが、内燃機関１が過熱して内部冷媒通路４内の冷媒温度がオーバーヒートを起こす温度近傍になると図７（Ｂ）及び（Ｃ）に示すように分岐路２８を開放する。

この実施形態では、内部冷媒通路４内の冷媒を常時スロットチャンバー３７へと流すスロット回路３８Ａの入口近傍にワックス型サーモスタット３０の温感部を配置しているので、内燃機関１の内部冷媒通路４を流れる過熱された冷媒温度を直ちに検知して分岐路２８を開放するため、内燃機関１が過熱した場合にいち早く冷媒をラジエータ５へ送ることができ、内燃機関１のオーバーヒートを防止することができる。このように、本実施形態では、内部冷媒通路４の出口４Ａから流れ出る過熱された冷媒が自然対流によりワックス型サーモスタット３０の温感部にたどり着くのではないため、内燃機関１が過熱した場合には直ちにワックス型サーモスタット３０が作動して内燃機関１のオーバーヒートを防止することが可能となる。

本発明は、自動車エンジン等の内燃機関の冷却制御装置に用いることができる。

１…内燃機関
４…内部冷媒通路
５…ラジエータ
６（６Ａ、６Ｂ）…ラジエータ回路
７…ヒータ
８（８Ａ、８Ｂ）…ヒータ回路
９…ウォータポンプ
１０（１０Ａ、１０Ｂ）…バイパス回路
１１…回路切替機構部
１６…回路切替手段
２８…分岐路
２９…冷媒導入口
３０…ワックス型サーモスタット
３７…スロットチャンバー
３８（３８Ａ、３８Ｂ）…スロット回路

Claims (3)

1. 内燃機関内に形成された内部冷媒通路と、内燃機関外に形成され、前記内部冷媒通路と接続される複数の外部冷媒通路とを有し、前記内部冷媒通路と所定の前記外部冷媒通路とを回路切替手段で接続又は非接続するように冷媒通路を切り替える内燃機関の冷却制御装置であって、
   前記回路切替手段の故障により前記内部冷媒通路と前記外部冷媒通路のうちラジエータを流れる外部冷媒通路とが接続するように回路切り替えができない場合、前記ラジエータを流れる外部冷媒通路に前記内部冷媒通路内の冷媒をラジエータへ送る分岐路と、この分岐路に設けられて前記内燃機関の過熱時に前記分岐路を開放するワックス型サーモスタットとを設け、
   前記ワックス型サーモスタットの温感部を、前記内部冷媒通路内の冷媒をスロットチャンバーへ送る外部冷媒通路の入口近傍に設けた
   ことを特徴とする内燃機関の冷却制御装置。
2. 請求項１記載の内燃機関の冷却制御装置であって、
   前記ワックス型サーモスタットの動作温度は、前記回路切替手段による回路切替温度よりも高い
   ことを特徴とする内燃機関の冷却制御装置。
3. 内燃機関外に形成された複数の外部冷媒通路のうち所定の外部冷媒通路を内燃機関内に形成された内部冷媒通路と接続又は非接続させて冷媒通路を回路切替手段で切り替えるようにした内燃機関の冷却制御方法において、
   前記回路切替手段の故障によりラジエータに連通する外部冷媒通路と前記内部冷媒通路とが非接続状態となり且つ前記内燃機関が過熱した時に、前記ラジエータに連通する外部冷媒通路に前記内部冷媒通路内の冷媒をラジエータへ送る分岐路に設けられ、温感部が前記内部冷媒通路内の冷媒をスロットルチャンバーへ送る外部冷媒通路の入口近傍に設けられたワックス型サーモスタットが作動して、前記分岐路を開いて前記内部冷媒通路内の冷媒を前記ラジエータに連通する外部冷媒通路へ流す
   ことを特徴とする内燃機関の冷却制御方法。

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